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原來我們一直在吃基改蕃薯?!

葉綠舒
・2015/05/13 ・1912字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 528 ・七年級

基改作物(Genetically modified organism,GMO)在過去這些年一直被追打,當然有一部份原因是因為生技公司硬推,堅持GMO是安全的,不需要額外的檢驗來確認其安全性等等;另一部份則是有些民眾與專家堅持GMO是「把細菌的基因放在植物裡」,是不自然的。

筆者認為基改作物還是需要審慎的檢驗,畢竟雖然天然的食物也有人對它過敏,但過敏的人有權利不去食用會產生過敏的食物,而食品中也都會列出這些可能的過敏原(如花生、核桃等)。以目前有些國家容許食品可不列出含有基改成分,其實是不安全也罔顧消費者的權利的。

農桿菌(Agrobacterium tumefaciens) credit:wiki
農桿菌(Agrobacterium tumefaciens)
credit:wiki

但是細菌的基因出現在植物中,真的就不自然嗎?別忘了農桿菌(Agrobacterium tumefaciensAgrobacterium rhizogenes)本來就是植物的病原菌喔!

農桿菌平常生活在土壤中,當植物的表皮出現傷口時,農桿菌很容易便隨著風被帶到傷口,而後便開始感染、繁殖(過程可參考「農桿菌的不確定性」一文)。由於農桿菌的感染需要將自己質體上的一段基因(即T-DNA)插入到宿主的基因體中,而一旦插入便不會移出,這段DNA便永久地留在植物的基因體中了。

可能有讀者問,如果是這樣,為何過去沒有在植物中發現農桿菌的序列呢?

這是因為,農桿菌感染的只是一小部分植物的細胞,而這些細胞是「體細胞」,所以不會遺傳下來。現代生物科技製作基改作物,雖然也是感染體細胞,但接下來的篩選卻會將不帶有農桿菌基因的體細胞給去掉。

怎麼去掉的呢?原來科學家們為了方便篩選,在轉殖基因中加入了抗生素耐受性標籤(ARM,antibiotics resistant marker)。因此,在轉殖完成後,接下來只要把植物組織放在有抗生素的培養基上培養,便可以殺死沒有接受到轉殖基因的植物細胞了!

當然,在自然界,當農桿菌感染植物時,並不會帶有ARM基因。所以,我們只能以植物是否長瘤來做為辨別這株植物是否受到農桿菌感染;因為農桿菌插入植物的T-DNA中含有可以製造更多的生長素(auxin,包括吲哚乙酸等)以及細胞分裂素(cytokinin),使得帶有T-DNA的植物細胞可以加速分裂增生。當局部的植物細胞分裂速度比其他細胞要快得多結果當然就是長瘤囉!而T-DNA還帶有合成農桿菌的食物的基因,所以這些植物的瘤其實就是農桿菌的殖民地,農桿菌在此建立農場,生產他們需要的食物、繁衍子孫呢!

不過,如果植物在被農桿菌感染後,在某個時間點農桿菌消失了(不要問我怎麼消失的),而所有的細胞還是都帶有T-DNA,因為大家都長得一樣快,所以就不會看到長瘤的現象囉!

講了這麼多,其實是因為最近華盛頓大學(University of Washington, Seattle)在進行蕃薯(Ipomoea batatas)的RNA定序時發現了一些與農桿菌非常相似的序列。接著他們便進行基因體的定序,結果發現了更多農桿菌的基因:包括了合成生長素的酵素基因等等。

而後續的實驗也證明了這些農桿菌的基因確實是位於蕃薯上,而且也有表現出來。這些農桿菌基因分成兩段,其中第一段在研究團隊偵測的291個蕃薯的栽培種中都可以找到,但在野生種中沒有發現;第二段則分佈得較不廣泛,在217個蕃薯品種(包括栽培種與野生種)中,只有45個找到。

這些好吃的蕃薯,原來也都是「基改」作物? credit:農委會
這些好吃的蕃薯,原來也都是「基改」作物?
credit:農委會

為什麼第一段農桿菌基因不出現在野生種中呢?筆者認為,由於第一段農桿菌基因中包括了製作生長素的酵素基因,這可能會使蕃薯長得很快,但是在野地裡因為土壤的養分不可能一直都很充足,長得快當然也意味著需要更多養分,這可能會使得這些蕃薯在自然界反而競爭不過他們長得慢一點的兄弟們。但是長得快卻是人類喜歡的特點,於是就在選種中被特意地留下來了。第二段農桿菌基因可能因為與生長速度無關,但也與蕃薯本身的生存競爭力無關,所以雖然還存在於野生種與栽培種中但分佈的並不十分廣泛。

基改作物的定義是什麼?如果以「帶有農桿菌序列」來做為標準,那麼我們已經吃天然基改蕃薯數千年(臺灣大約在明清時接觸到蕃薯,所以應該是五六百年);而這些蕃薯因為帶有農桿菌的基因,所以長得特別快,也受到人類的喜愛而在選種的過程中被保留了下來。

筆者無意為基改作物辯解,也不是基改作物的擁護者;只是覺得這個例子可以讓我們再思考一下。在漫長的人類演化過程中,我們一直在嘗試新的事物/食物;有些對大部分的人都有害,有些則對大部分的人有好處。在二十一世紀,每天都有新事物被發明出來的時刻,我們除了立法規範外,是否應該用較為開放的心胸去評斷這些新事物呢?

原刊轉載自作者部落格

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葉綠舒
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做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。


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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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