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《尼安德塔人:尋找失落的基因組》-科學界30年第一手內幕揭秘

寒波_96
・2015/06/20 ・3088字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 574 ・九年級
souse:books
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《尼安德塔人:尋找失落的基因組(Neanderthal Man: In Search of Lost Genomes)》是演化遺傳學家史凡德・帕波(Svante Pääbo)2014年出版的第一本書,現年59歲的帕波最著名的科學成就是定序了現代人的近親,尼安德塔人這種已經滅亡的古代人類的基因組。

出於支持演化研究的立場,希望各位可以買本書看看古代DNA研究是在幹嘛,畢竟這個領域現在能如此當紅,可能過半算是帕波的功勞,他是本領域的頭號權威,而且正逢盛年,一流研究仍不斷進行,得知一手內幕的機會總是難得。

尼安德塔人:尋找失落的基因組》算是帕波的自傳,他的研究生涯幾乎等於是從無到有建立起古代DNA研究領域的過程。看過最近那些定序與人種間序列比較的論文,很難不佩服帕波團隊的聰明才智,那些研究都是人類當前的尖端科學,而這本書就是在介紹這之間的故事。

帕波之所以研究古代DNA,是來自對古埃及的考古興趣,這算是跨領域做出巨大成果的例子。古代DNA是個有科學價值的題目,最後定序尼安德塔人基因組也讓帕波揚名立萬,這告訴我們,尋找高度科學價值的題目永遠很重要,但事情的另一半在於:要怎麼做到?以這個角度看,帕波的研究跟30年來不斷進步的定序技術密不可分,就像第13章提到,除了非常聰明的人之外,重大突破幾乎都伴隨重大的科技進展。

帕波使用的研究技術一直跟著最新潮流(當然30年前的最新現在早就過氣很久)。讀博士時用分子生物學研究病毒蛋白質,後來自己偷偷定序木乃伊DNA,接著博士後時大量使用那時新發明的PCR,這個世紀定序尼安德塔人時則是採用NGS,可以說帕波的研究題目與科技運用一直都走在時代前端,兩者互相配合,缺一不可。

比起一般定序,古代DNA至少有2點特殊之處:一是樣本取得困難,而且大多數樣本的DNA品質都不太好,樣本裡目標DNA的含量也很少;二是 「汙染」嚴重,這裡汙染的意思是有微生物或現代人的遺傳物質混進樣本裡。這也驅使帕波的團隊必需研發一堆特殊的處理與分析方法,才能增進抽取DNA的效率,以及避免汙染造成的誤判。

帕波團隊發明來處理難搞的古代DNA很多特殊步驟,以及獨特的親緣分析方法,要是對這方面有些概念,就會認為實在是超聰明的,大概只有一群頂尖的智人腦袋聚在一起才想得出來,更關鍵的是帕波經營的團隊劍及履及的執行力,能把飄渺的想法化為現實的成果。另外這些發明可能會有別的用途,這都是尖端基礎研究能夠帶來的貢獻。

既然取得樣本對古代DNA研究這麼重要,這本書中也多次描述帕波得到實驗材料的過程,描寫比較多篇幅的,一個是帕波還是瑞典的博士生時,深入鐵幕去東德博物館要木乃伊;還有把尼安德塔人定序計劃昭告天下後,去克羅埃西亞尋找品質良好的骨頭,結果費了很大力氣才拿到;從俄羅斯拿到丹尼索瓦人的樣本,相比之下順利太多。這牽涉到一些倫理、政治與溝通的問題,值得思考,這些都是科學研究的一部份,溝通能力與政治手腕不可或缺。

帕波也談到科學界求新過頭的歪風,第1章講到粒線體定序成功,決定要投稿哪個期刊時,就把《Nature》與《Science》批評一頓,雖然他在這2個期刊發表的論文相當多篇,也藉此成為大師,最後還是決定把這篇開創性的論文投稿到《Cell》。會有這種觀感,大概與第4章提到的那些「會上媒體的可口研究」脫不了關係,帕波當年定序古代DNA成功後引發一陣熱潮,但作為引領潮流的行家,才知道這個領域技術的侷限,還有實驗汙染無所不在,因此能判斷幾篇《Nature》與《Science》搶著刊出吸引眼球的時髦論文根本亂做。

科學固然求新,但科學研究界常常為了搶快發表論文,研究不完整就直接發表,或是太趕而犯錯,甚至是單純的追求新奇而缺乏科學價值,這些都是科學界常見的問題,做研究的人該儘量避免,至少也要在新奇與穩當間取得平衡。另一方面這也告訴我們別對論文照單全收,即使發表在一流期刊也不例外,讀書做學問要扎實,不能只想趕潮流,追求最新潮的發現,還要有基本的判斷力。

這幾年古代DNA是個蓬勃發展,論文狂發的熱門領域,有些新觀點提出不久後就被更新的發現推翻,帕波亦寫到他的論文也犯過幾次錯誤,因此大家在閱讀相關研究時,千萬不要抓著某篇論文或報導當聖旨,也不要死背一堆數字或資料,更重要的是了解這個領域的脈絡,知道這些研究在科學上的意義,假如能從中學到東西有助自己的研究更有價值。

總之,《尼安德塔人:尋找失落的基因組》是一位頂尖科學家,向大眾介紹當紅的尖端科學古代DNA研究,30年來發展過程的回顧。本書對科學界的運作描述相當詳盡,相當值得業界人士閱讀,對一般人而言,大師親自解說科學研究的一手內幕機會相當難得,值得一看。

source:Dept. of Genetics
source:Dept. of Genetics

古代DNA定序釐清人類演化過程的威力

講個實例讓大家瞧瞧帕波一手發展出來的古代DNA定序技術,在科學上解決問題的威力多強大。長久以來,人類演化學界對於現代人類的起源爭論不休,目前的主流認為現代人是單地起源於非洲,後來擴散到世界各地;但仍有不少學者主張多地起源,也就是各地的現代人,是由當地的原始人類演化而來。

雙方人馬在1980年代交鋒至今,走出非洲理論獲得分子生物學證據廣泛支持,有人可能會認為多地起源論早就被擊敗,不過多地起源論者面對對手鐵證如山的遺傳學證據,並沒有坐以待斃,而是去分析更多化石與遺骸,比較各自的特徵異同與可能的傳承關係來驗證己方說法,這本書中帕波數次提到的美帝科學家Erik Trinkaus就是一位。

2007年,Erik Trinkaus與一票中國科學家在《PNAS》發表論文[1],報告在北京周口店附近的田園洞找到距今約4萬年前的現代人類遺骸,他們分析了一大堆形態,認為分類上身為現代人的田園洞人,混雜了一堆其他古代人種的特徵,與現代的中國人不完全吻合,可見單純的非洲起源論不是事實,多地起源還是有它的市場。而多地起源論最盛行的中國,吳新智在國內講的就更直接了[2]。

2010年,帕波對尼安德塔人的定序替人類起源的故事補充一筆。非洲以外的現代人基因組都具備少量,但一樣多比例源自尼安德塔人的DNA,這顯示現代人的祖先是剛走出非洲時,就得到了尼安德塔人的遺傳物質,隨後才分開散佈到歐洲、亞洲、大洋洲,與美洲。

帕波特別在論文發表前先寄給Erik Trinkaus看,結果雙方雞同鴨講,Erik Trinkaus認為現代人與尼安德塔人的雜交發生在4萬年前,他早就從化石中看到,帕波的基因組定序對人類起源與尼安德塔人的研究幾乎沒有幫助。

2012年,田園洞人被帕波的團隊成功定序出部分基因組,也發表在《PNAS》[3]。這位4萬歲的老人,基因組DNA中源於尼安德塔人的比例,跟現代中國人沒什麼差別,也就是說混血的年代至少比4萬年更早(最新看法是5萬5千年);另外跟之前的推論一致,他是一些現代亞洲人與美洲原住民的祖先,但和歐洲人已經分開,其餘大概沒什麼特殊。

這就是古代DNA定序的威力,在判斷事件年代、比較人種間的親緣關係、遺傳交流的程度、有沒有獲得基因、分析表現形特徵上,演化遺傳學的威力都比形態比較的極限強大太多。Erik Trinkaus真的有他很厲害的地方,但不在這方面。

參考資料:

  1. Shang, H., Tong, H., Zhang, S., Chen, F., & Trinkaus, E. (2007). An early modern human from Tianyuan Cave, Zhoukoudian, China. Proceedings of the National Academy of Sciences, 104(16), 6573-6578.
  2. 中科院稱中國人祖先未必完全來自非洲 
  3. Fu, Q., Meyer, M., Gao, X., Stenzel, U., Burbano, H. A., Kelso, J., & Pääbo, S. (2013). DNA analysis of an early modern human from Tianyuan Cave, China. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110(6), 2223-2227.

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。


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當你問「什麼是科學」,你就踏入了「科學哲學」的領域——《科學月刊》

科學月刊_96
・2021/08/02 ・3828字 ・閱讀時間約 7 分鐘
  • 作者 / 陳瑞麟|中正大學哲學系教授,對於理解我們生存的自然與社會世界有高度的興趣,相信理解世界最好的方式是結合哲學與科學。

什麼是「科學哲學」?哲學家心中的科學哲學,與科學家心中的科學哲學是一樣的嗎?想了解科學哲學,首要的問題就是「科學是什麼」,為此我們需要一個分類人類活動的認知理論,再建立一個科學哲學理論,才能完整地回答這個問題。而在 19 世紀前,科學和哲學尚未分家,科學就是自然哲學;到了 20 世紀後,也仍有許多科學家對哲學深感興趣,並將其科學/自然哲學思考寫入科普著作中,展現他們的科學哲學思考。

筆者是個科學哲學的專業研究者,每年都會在哲學系開設相關課程,也經常有理工與社會科學系的同學來選修。根據經驗,歷來修過這堂課程的同學大致有兩種反應:一種在課業表現上優於哲學系同學;另一種則逐漸地消失在課堂上。

我沒有機會調查後者的反應,但我猜測可能是教學內容與他們預先期待的有所落差,也許他們心目中的科學哲學不是哲學系課堂所授的模樣?

你覺得,什麼是科學哲學?圖/Pixabay

你心中的科學哲學是什麼?

或許科學哲學有兩種?一種是哲學家的科學哲學,另一種是科學家的科學哲學。兩者的思想並非截然不同,而是密切相關,只是關注的重點略有不同。

科學家透過測量、觀察、實驗、數學、模擬、計算等各種科學方法,發現自然的定律或機制,並建立科學假說與理論來認識與理解我們生存的世界。

然而,這些科學方法通常運作在抽象符號或數量上,它們表示什麼意義?揭示了什麼樣的世界實況 reality?科學家必須提供說明與詮釋,而他們的詮釋構成自然哲學的傳統。

哲學家一方面想認識與理解我們生存的世界,另一方面則對科學家的活動與詮釋深感好奇,雙重興趣使他們採取比較迂迴的路線。

那便是透過閱讀、分析、反思,比較過去與現在科學家的種種理論、思想、活動來了解科學,從而認識、理解並反思科學所揭示與詮釋的世界,甚至進一步建立哲學家自己的世界觀,形成了今天所謂的「科學哲學」。

哲學家的科學哲學

科學哲學的首要問題是「科學是什麼」,其反面則是「科學不是什麼」,兩者共同蘊涵了「科學與非科學」的區分。

很多科學家十分在意非科學的從業者,例如占星者或算命者,偽稱自己的行業是科學,因此如何分辨科學與偽科學就成了科學哲學的一個核心任務。

波普Karl Popper 嘗試 透過「可否證性」並來區分什麼是科學的,什麼是不科學的。圖/Wikipedia

哲學家波普Karl Popper 用「可否證性」 (falsifiability) 來定義「科學性」,主張能被否證的理論或假設才有資格成為科學。

但我們又該如何否證一個科學假設呢?只要找到一個反例就行了,例如「所有生物體都由細胞構成」的假設,會被一個「不是由細胞構成的生物體」否證。

然而,做為科學性定義的「可否證性」本身會不會有反例?就像我們似乎無法找到反例,以否證宇宙起源的大霹靂 (Big Bang) 假說?反過來說,如果現代占星家承認自己的預測可以否證,是否就可以被列入「科學」的行列之內?

事實上,我們很難透過一個簡單的定義來回答「科學是什麼」。

回答任何「 X 是什麼」的問題總是免不了分類系統的建立,例如在科學上我們想回答「現代智人 (homo sapiens) 是什麼」就得了解關於「人種、人屬、人科」的分類與相關理論。

回答「科學是什麼」的問題亦然,我們甚至需要一個「分類人類活動的認知理論」,並建立一個科學哲學理論,才能完整地回答這個問題。波普的可否證性也不是一個簡單的定義,而是一個系統性的否證論。

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「人」的定義是什麼?圖/GIPHY

科學進展到現在已經發展出一個龐大的系統,包含大量形形色色的知識,諸如假說、理論、定律、模型等,以及產生那些知識的種種方法和工具,還有建立與應用知識的活動或實作,概括了探索、說明、解釋、預測、實驗、模擬、干預、控制、改造等,並構成一個複雜而長遠的歷史,發生過革命性的變遷。

如果我們想徹底了解「科學是什麼」,就得探討上述各個主題,也就是科學知識的本質、科學方法的本質、各種科學活動的特性、科學的歷史演變等,其相應的名目就是「科學方法學」、「科學知識論」、「科學實作的哲學」、「科學史的哲學」等,這一切構成了「科學哲學」這門領域的內容。在這方面,國內已經有不少紙本書籍與線上文章能供讀者參考,可見文末的資訊欄。

進行哲學思考的科學家

在 19 世紀之前,科學和哲學尚未分家,科學就是自然哲學。

專業的科學哲學也是建立在 19 世紀末如馬赫 (Ernst Mach) 、龐加萊 (Henri Poincaré) 、杜恩 (Pierre Duhem) 等科學家手上,然後在 20 世紀上半葉發展成一門專業,至今已有 100 多年的歷史。

雖然今日多數在思考、談論、教學、研究科學哲學的人是哲學家,但這並不意味科學家沒有貢獻。 20 世紀之後仍有許多科學家對哲學深感興趣,他們經常將自己的科學/自然哲學思考寫在其科普著作中,形成一個深厚的傳統,例如:

  • 海森堡 (Werner Heisenberg) 的《物理學與哲學》(Physics and Philosophy: The Revolution in Modern Science
  • 薛丁格 (Erwin Schrödinger) 的《生命是什麼?》(What Is Life?
  • 莫納德 (Jacques Monod) 的《偶然與必然》(Chance and Necessity: Essay on the Natural Philosophy of Modern Biology
  • 道金斯 (Richard Dawkins) 《自私的基因》(The Selfish Gene
  • 維爾澤克 (Frank Wilczek) 《萬物皆數》(A Beautiful Question: Finding Nature’s Deep Design)和《物質之輕》(The Lightness of Being: Mass, Ether, and the Unification of Forces
  • 葛林 (Brian Greene) 的《眺望時間的盡頭》(Until the End of Time: Mind, Matter, and Our Search for Meaning in an Evolving Universe
科學哲學並不只是哲學家的天下,科學家也時常將自己對於科學哲學的思考融入自己的寫作之中。圖/Pixabay

然而對於專業科學家來說,他們更感興趣的是「世界的起源」、「物質的起源」、「生命的起源」、「心智/意識的起源」、「語言的起源」、「宗教信仰的起源」等在傳統上屬於形上學 (metaphysics)[註]的問題,他們企圖透過各個相關的科學理論推論並回答。

不管答案的依據是什麼,他們的思想和論述都超出了科學的界限,進入哲學的層次,換言之,科學家此時在作科學哲學、科學形上學。

臺灣的科學哲學

其實臺灣同樣也有科學家在進行哲學書寫,例如天下出版社「科學文化」書系的幾位策劃人林和、李國偉、周成功等寫作的科普譯書導讀,又如物理學家高涌泉的《科學人:非物理不可》與他在《科學人》雜誌中的長期專欄「形上集」,以及免疫學家楊倍昌更偏向學術性的科學哲學作品《變遷:生醫實驗室的知識拼圖》,並與臺灣的科學哲學家對話。

筆者相信這些臺灣的科學家,在「科學家的科學哲學」上,已經提供可資學習的典範,期待透過《科學月刊》的引介,臺灣未來有年輕一代的科學家走上哲思之道,持續發展本土科學家的科學哲學。

註解

  • 哲學的核心部門,研究最根本與最抽象的「存在」、「實在」、「世界」、「時空」、「範疇」、「物質」、「心智」、「個體」、「共性」等概念的哲學。

尋找更多科學哲學的資訊

筆者已經在網路上刊過一些介紹性的文章,以下分成三部分提供資訊,希望有興趣的讀者能按圖索驥,以探索更多科學哲學內容。

一、關於科學與偽科學的區分問題

  • 陳瑞麟,〈【科哲絮語】占星學的巫術性與科學性〉,《想想副刊》, 2018 年 4 月 29 日。
  • 陳瑞麟,〈【科哲絮語】怎樣才算是科學?或者,一門學問的科學性程度有多高?〉,《想想副刊》, 2018 年 11 月 4 日。
  • 陳瑞麟,〈第三問  如何寫自然哲學與科學史?科學編史方法學的問題〉,《人類怎樣質問大自然》,八旗文化, 2020 年。

二、科學哲學的理論與歷史:

  • 陳瑞麟,《科學哲學:理論與歷史》,群學, 2010 年。
  • 陳瑞麟,《科學哲學:假設的推理》,五南, 2017 年。
  • 陳瑞麟,《人類怎樣質問大自然》,八旗文化, 2020 年。
  • 陳瑞麟,〈當代科學哲學的發展〉,哲學新媒體, 2021 年。
  • 線上《華文哲學百科》「科學哲學」部分現有的每個詞條。

三、科學家的科學哲學:

  • 陳瑞麟,〈科學家的哲學思考,探討世界起源的科普書寫──《眺望時間的盡頭》〉,故事 StoryStudio , 2021 年。
  • 林義宏,〈科普能改變文化?中正陳瑞麟破解科普書籍暢銷秘訣〉,人文・島嶼, 2021 年。
  • 〈本文選自《科學月刊》2021 年 8 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

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科學月刊_96
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