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【Gene思書齋】尋覓尼安德塔人的失落基因體

Gene Ng_96
・2015/09/17 ・3713字 ・閱讀時間約 7 分鐘
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電影《侏羅紀世界》(Jurassic World)意外超級爆紅,儘管論創意、突破和科學內容,都不如1993年的《侏羅紀公園》。不過大家也開始關注一個問題,真的能取得恐龍的DNA嗎?

回答這個問題的最佳人選,就是古DNA研究的開山始祖,《尼安德塔人:尋找失落的基因組》Neanderthal Man: In Search of Lost Genomes)的作者帕波(Svante Pääbo)!

從他的好書《尼安德塔人》中,根據帕波卅幾年的研究經驗,只能很抱歉地說,可能性近乎於零,因為以DNA在保存良好的狀況仍會受到的損傷來看,不太可能有上千萬年的DNA還保留下來,除非超低溫又防宇宙射線吧。

除了解答究竟會不會有恐龍的DNA保留下來,《尼安德塔人》最主要要介紹的,是我們人類遠古早已滅絕的近親,尼安德塔人基因體研究的整個心路歷程,算是本半自傳。這是一本很難得的好書,因為極為繁忙的科學大佬能寫書就不錯了,還能寫得深入淺出又是一絕,另一個賣點是,這本《尼安德塔人》也揭示了科學研究在實驗室裡外的明爭暗鬥的政治,以及開創一個新天地所需具備的毅力和勇氣!不僅關心人類演化的朋友,所有生命科學乃至有志從事科學研究的朋友,也都該讀。如果單純只是要看八卦,當然也可以。

帕波是瑞典人,他在瑞典最頂尖的烏普莎拉大學讀醫學。他的家世原本可以很顯赫,因為他父親是1982年諾貝爾生理醫學獎得主的瑞典生化學家蘇恩·伯格斯特龍(Sune Bergström,1916 – 2004),獲獎理由是前列腺素的研究,還曾擔任諾爾貝基金會的主席。為何說「原本」呢,因為他是伯格斯特龍的私生子,他母親是愛沙尼亞裔化學家,他和父親非常不熟,是母親一手帶大的,可惜這點他只有在《尼安德塔人》後半輕輕帶過。

醫學系畢業後,他唸了博士班,主攻病毒免疫學。他在博士班主要研究工作之餘,僅為了滿足強烈的好奇心,他從13歲開始就對埃及木乃伊著迷,透過關係好不容易弄到了一點樣本,他嘗試偷偷萃取埃及木乃伊的DNA來定序,沒想到還真弄出不錯的結果,這位卑微的博士生只好戰戰兢兢跟老闆報告,沒想到老闆非旦沒斥責他,還推掉論文掛名的請求,讓他一人獨自在1985年發表了一篇《自然》(Nature)的論文!

那篇《自然》的論文不發表還好,一發表他反而面臨一個人生大抉擇。帕波在病毒蛋白的研究也非常傑出,他1983年在更頂尖的《細胞》(Cell)發表了第一作者的論文,1987年還發表了另一篇《細胞》的論文,還有許多其他優異的論文,這對博士生來說是極為難得的,但他還要繼續往病毒蛋白的研究走下去,還是去一個人開創新天地?他掙扎後,決定到美國加州大學柏克萊分校作博士後研究,研究古DNA。

帕波到了德國慕尼黑大學任教,他花了極大心力建立超級乾淨的實驗室以及非常嚴格的實驗流程。後來德國馬克思普朗克學會(類似中央研究院或中國科學院的學術機構)決定成立演化人類學研究所,他就協助其成立並轉到該所擔任研究員。德國萊比錫的馬克思普朗克演化人類學研究所(Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology)成立迄今還不到廿年,可是成立沒多久就成為世界上研究人類演化的聖地之一,連我這個人類演化的門外漢都時常聽說他們的重大研究成果。帕波在《尼安德塔人》中,闡述了他們建立世界頂尖研究機構的構想和理想,讓頂尖科學家聚在一起激發更多創意。

尼安德塔人的大腦容量不下於智人,而且明顯比我們壯碩,雖然可能不會說話,但會埋葬死者並且可能有原始的宗教。尼安德塔人可能60萬年前就生活在歐洲,當時還要40萬年後才演化出智人,但他們卻在一萬三千年前就絕跡了。尼安德塔人是首次在德國尼安德河谷(Neandertal)發現的,對一位想要以古DNA來研究人類演化的演化遺傳學家,尼安德塔人是個聖杯!

有演化生物學家提出尼安德塔人可能和我們的智人祖先混血了,至少歐洲人可能帶有一部分尼安德塔人血統。這論點過去十幾年在學界吵翻天。曾經有一度,想要看到人類演化生物學家翻臉,就在飯局上提這話題吧XD

由於演化人類學及古生物學家對於現代人類起源以及與尼安德塔人的關係,一向頗多爭議,帕波的研究除了智力外,還需要極大的勇氣和毅力,因為尼安德塔人粒腺體DNA的定序結果剛出來,許多演化生物學家先選邊站,不太相信那些結果,認為汙染的可能性太高。在這個課題上,他們要花比其他演化遺傳學的研究更多很多的力氣在排除汙染的可能性,才能得到一些榮耀,可是倘若不小心錯了,科學界的對手會毫不留情地把他們批判到無顏見江東父老。

從卅幾年前研究埃及木乃伊開始,他不斷試驗萃取絕種物種DNA的最新技術,努力排除古代DNA污染問題,建立可靠重建古DNA的黃金準則。帕波憑著極大的決心和毅力把他們的研究推到頂峰,建立出來的SOP要到雞蛋裡挑骨頭的地步,也拚出了極高的門檻,其他競爭者不易跨過,讓他們保有很強大的優勢,因為科學界的競爭,也是到了沒有永遠的朋友,也沒有永遠的敵人的地步!帕波在《尼安德塔人》中,把他們過去合作又競爭的複雜生態誠實地揭露。

在重建人類演化史的聖杯上,帕波的野心和信心也因一次又一次的攻池掠地而壯大,他嘗試過冰人還有長毛象的古DNA研究後,決定要定出共有卅億個核苷酸序列的尼安德塔人全基因體。他的論文發表是傑出到變態的地步,他迄今已發表過280篇論文,21篇專書的篇章,獲獎無數又還有許多院士頭銜。他最大的挑戰,是要定序尼安德塔人的基因體,用當時最先進的技術。這可不是個簡單的工作,我現在參與一些基因體的定序和分析工作,還連現生動物的新鮮DNA而且基因體較小的情況下都要整合許多方面的資源,要定序古DNA,而且還是話題性超高的尼安德塔人DNA,從取得樣本的各種政治操作到整合各領域頂尖的專家,帕波優異的文筆讓我們見識到峰迴路轉的精彩故事。

我們差不多才在2001年完成人類基因體草稿,在2004年完成較完整的版本。當時政府和民間花費了上百億鎂,聘用了三千多名科學家,花了十年才完成這個壯舉。拜次世代定序技術的突破所賜,我們現在在幾年內,數十個人就能完成一個大計畫,有些小型基因體只有幾個月和幾個人也能勉強完成,經費也只是上百萬台幣。

帕波領導的尼安德塔人基因體定序,具有劃時代的意義,透過基因體的分析,打破許多人對遺傳學真能對人類學有所貢獻的疑慮,解開人類演化之謎。人類的演化並非是一直線,中間出現過很多物種,有名的有尼安德塔人(Neanderthals)、丹尼索瓦人(Denisovans)、佛羅勒斯人(Homo floresiensis)等等,我們智人(Home sapiens)的祖先,大概在廿萬年前在非洲演化出來,後來在約五六萬年前出走非洲全球趴趴走後,取代了各地的人種。

在他們的研究成果在2010年發表之前,我其實是對主張智人和尼安德塔人混過血的理論不屑的。沒想到,他們的基因體定序結果,卻非常令人震驚的是,他們發現代歐亞的智人體內都或多或少帶有一些尼安德塔人的基因。在他們反覆地驗證下,現在學界大致有了共識,相信歐亞現代人類族群有2-4%的DNA來自尼安德塔人。他們後來還趁勝追擊,定序了丹尼索瓦人的全基因體,發現大洋洲的美拉尼西亞人和澳洲土著有6%的DNA來自丹尼索瓦人。這些發現對人類演化研究投下一顆又一顆震撼彈,讓我們不得不重新描繪和思索人類演化的歷程。

基因體序列僅僅是個開始,基因體學的研究方興未艾,基因體裡大部分序列還是有字天書,我們也僅瞭解兩萬多個基因的一部分功能而已,更甭提每個基因還可能因為選擇性剪接(Alternative splicing)而組合不同的內含子(intron)與外顯子(exon)而構成不同蛋白質異構體,人類平均一個基因能選擇性剪接成五個不同的蛋白質異構物。更複雜的是,許多非蛋白質編碼RNA能有複雜的基因調控功能,而DNA的化學修飾也能改變基因表現。總而言之,我們的基因體序列不僅是ATGC而已,裡頭有複雜的文字和文法,我們迄今只搞懂一部分而已。

從分子演化和演化遺傳學的角度來看,基因體序列給了我們更完整的歷史記錄,來探討人類族群的變異、遷徙和融合等等歷史,透過這本有字天書,我們能夠推測過去發生的一些事件,例如人類族群數量的變動,從哪些地方遷徙至何處,有沒有跨物種或族群的融合等等,這對建構我們這支改變地球最多的多細胞生物而言,是寶貴的資訊。因為帕波工作的激勵,最近有許多馴養動物如雞、羊、狗等等的古DNA研究出爐,讓我們也同時能瞭解這些我們馴化的動物之改變,也進一步瞭解牠們怎麼改變我們的文明和歷史。

無論你對尼安德塔人本身感不感興趣,帕波的《尼安德塔人》都不容錯過,因為這本好書不僅給你科學知識,還揭示了科學研究的運作過程,而且是以一種有趣、好看的方式呈現,是不可多得的優異科普著作!

文章難易度
Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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素養不是知識,是讓孩子像科學家一樣思考——LIS 創辦人嚴天浩專訪

PanSci_96
・2021/09/24 ・2101字 ・閱讀時間約 4 分鐘

近年來,在新課綱推行之下,「素養」這個詞成為熱門關鍵字,「對我來說,素養就是面對世界的行為模式,在面臨問題時,一個人會抱著什麼樣的態度去解決問題。而科學素養就是『像科學家一樣思考』」LIS 科學情境教材(台灣線上教育發展協會)創辦人嚴天浩這麼說。

嚴天浩在大學時開始製作教學影片,最初的動機來自上大學後體會到城鄉差距、資源落差,想藉由線上教材擴大影響力,然而觀看次數卻不如預期。

2013 年起,嚴天浩和夥伴到台東,向「孩子的書屋」負責人陳爸(陳俊朗)請益,並長期蹲點接觸孩子,發現學生們面臨最大的問題不在於「學什麼」,而在於「為什麼要學」,因此意識到若要改變孩子的學習狀態,不能只是單方面灌輸「老師想教的」,而要從學生的需求出發,了解「孩子想學什麼」。

七年來,LIS 拍攝超過 100 支線上科學影片,包括將科學家的思想歷程、時代背景融入角色劇情的科學史,以及結合時事、生活情境的科學實驗,目前已經超過 250 萬觀看人次,也成為全台許多中小學的教材。

這次,LIS 歷時三年研發出一套科學實境解謎遊戲,不只在玩遊戲的過程中學科學,也引導孩子練習「像科學家一樣思考」。

什麼是「像科學家一樣思考」?

過去,我們在國中課本裡學到的科學方法「觀察、提出假說、進行實驗、得到結論」,然而許多學生能對步驟琅琅上口,卻不見得理解背後的邏輯。LIS 分析百位科學家的思考歷程以及參考教育學者的理論,設計出適合培養國小學生科學思維的「科學推理階梯」,共有四個步驟,包括「發現問題」、「聯想原因」、「大膽假設」、「實際驗證」。

嚴天浩坦言,對於國小的孩子來說,他認為最難的在於——第一步「發現問題」,這取決於孩子過去是否累積足夠的觀察經驗,因此,如何訓練孩子觀察是培養探究學習的重點。然而,在沒有老師的引導下,要怎麼讓孩子能聚焦在實驗的現象上,成為開發遊戲過程中的一大考驗,後來,團隊想出了運用 RPG 中的角色對話,設計句子讓玩家將注意力集中在現象上的差異,「當孩子觀察到的與他原本的認知有所不同,產生衝突時才會進而發現問題。」嚴天浩說。

有適當的引導,才能從問題中學習

在發現問題之後,還須激發玩家思索問題的意願,因此在遊戲中便成為一個個解謎關卡,玩家為了破關、練等會主動尋找答案,在玩完遊戲後得到的成就感,會讓孩子對科學產生動機,在未來有自信用這樣的方式去思考、面對問題。

嚴天浩說:「大學時我修過教育學的課,設計課程的第一步往往是『引起動機』,但我們認為應該從遊戲開始到結束的每一個動作,都需要一個『引起動機』,目前玩過這套遊戲的孩子有持續玩過兩個小時以上,玩得越久代表引起的學習動機越強烈。」

了解背後的意義才是學科學

然而,有時在做完實驗後,學生只會記得當時看到的實驗結果或現象,卻沒有把背後的邏輯和原理帶走,關於這部分,嚴天浩分享,「玩實驗」和「學科學」最大的差別在於,是否了解每個步驟的意義,如同以往「食譜式實驗」,照著課本一步一步做,卻不知道為什麼這麼做。

因此,他們把演示型實驗設計成遊戲,將探究歷程拆分成關卡,透過與 NPC 對話帶領玩家思考,並預想玩家可能卡關的地方,就像是在蓋房子時的鷹架,一層層建構、支持,逐漸將學習的責任放回孩子身上,傳統課堂中搭鷹架的角色可能是老師,而在這個遊戲裡,是精心設計過的關卡提示。

讀到這裡,或許你會想問,在探究式的學習中,真的能夠學會「像科學家一樣思考」嗎?

「我認為探究學習中,知識其實只是附帶的。」嚴天浩解釋:「我們想告訴孩子的是,科學家最厲害的並不是他成功發現了什麼,而是他在失敗了那麼多次之後,還是願意繼續努力。」

如果現在的台灣是二十年前教育的結果,那麼 LIS 正在改變的是二十年後的台灣,那時的每個人在面對問題時都能有邏輯地看待、抱著自信的態度去解決,這是 LIS 的憧憬,也是我們對於台灣未來世代的期盼。


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