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漂流了數億年— 大陸與大洋的起源--《科學月刊》

科學月刊_96
・2015/12/27 ・3481字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

吳依璇/臺大海洋所畢業,目前是《滔滔》的編輯。曾經在物理界裡載浮載沉,隨著洋流漂到地質界裡慢慢沉降。

「分久必合,合久必分。」

三國演義裡訴說天下大勢的句子,卻也能用來解釋韋格納提出的大陸漂移學說。

距今一百年前,即1915 年,32 歲的韋格納(Alfred Lothar Wegener)正式出版《大陸與大洋的起源》(The Origin of Continents and Oceans),內容闡述著韋格納發現到的現象,用以支持「大陸是會移動的」的想法。雖然「大陸是會移動的」這個想法被當時大部分的科學家們嗤之以鼻,但也有少部分的科學家們支持著韋格納。而韋格納的後半生為了證實這句話不斷奔走,直至喪命於格陵蘭考察一行中,享年50 歲。韋格納執著於為大陸漂移學說找出任何可能的證據,儘管因此犧牲,但提供了後人最詳盡的描述。

Prof. Dr. Alfred Wegener, ca. 1924-1930
德國氣象學家韋格納。

大陸會漂移?

韋格納雖出版《大陸與大洋的起源》一書,卻不是第一位提出大陸漂移想法的學者。早在1596年,奧特柳斯(Abraham Ortelius)就提出美洲、非洲和歐洲原本可能是合在一起的說法。到了1620 年時,培根(Francis Bacon)也發現大陸與大陸之間的海岸線非常吻合,似乎可以拼起來一樣,但是培根也沒有更進一步的討論,僅止於空想。直到1858 年,佩萊格里尼(Antonio Snider Pellegrini)注意到北美洲與歐洲有著相同的植物化石,於是在他出版的《創造和其祕密的顯露》(The Creation and its Mysteries Unveiled)書中表示所有的大陸於距今約三億年前的石炭紀晚期(賓夕法尼亞期,Pennsylvanian Period)曾聚合在一起,也認為大陸是受到大洪水的影響而移動;於是漸漸地有些科學家開始思考,是否大陸真的會移動呢?

該想法受到了丹納(James Dwight Dana)強烈的抨擊,並在《地質學手冊》(Manual of Geology) 中主張大陸早就有它們原本的輪廓,反對大陸會移動的看法。韶光荏苒,數十年過後,泰勒(Frank Bursley Taylor)於1908 年在美國地質學會(Geological Society of America)上表示,非洲西側的海岸線與南美洲東側的海岸線幾乎可以拼合在一起,並分別在非洲西側和南美洲東側的山脈作了廣泛的研究,於是泰勒認為陸塊會在地球表面上移動,現在的高山則是因為陸塊相互碰撞形成,且原本地球的南北極各有個陸塊,而在白堊紀時,陸塊受到月亮的引力緩緩移向赤道,逐漸形成現今的樣子,但是泰勒的想法慘遭當時科學家的忽略與反對。

接著曼托瓦尼(Robert Mantovani)也在1889 和1909年時發表他的看法,他認為現今的大陸原本曾經是一個很大的陸塊,而這大陸塊覆蓋了整個地球,當時的地球比現在還來得小一些,直到火山活動使得地球因熱膨脹造成大陸塊分裂,海洋隨之形成,地球表面漸漸變成現今的樣貌。

1911 和1928 年,貝克(Howard Baker)將現今各大陸重建成一個大陸塊,並提出是金星接近地球時的引力提供動力使大陸塊分裂。在今日看來,雖然這些科學家提出的大陸漂移機制並不合理,但是他們種下「大陸不是靜止不動,也非各自獨立不相干的存在」之種子,等著讓後人將這想法發揚光大。

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不被接受的學說

在泰勒發表論文的幾年後,韋格納也注意到大陸之間似乎可以「拼」在一起。1912 年1 月,韋格納在德國地質學會上發表並支持「大陸漂移」的概念,震驚了許多科學家。

在韋格納提出論文之前,科學家們一般認為地球是由熔融的狀態漸漸冷卻收縮形成現今的樣貌;在這個過程中,比較重的元素,例如鐵,慢慢沉入地球內部;比較輕的元素,例如矽和鋁,則慢慢浮到地球表面。地球慢慢冷卻收縮的時候,地球表面也如同乾癟的蘋果一般出現了皺紋,這也就是現今山脈形成的原因;相較於在收縮時壓力比較大的地區,部分地表則陷落形成海盆。隨著時間推移,陸地和海洋的位置也會漸漸改變,這是因為有些陸地陷落得較周圍陸地區域快速,形成了海洋,也使原本為海洋的地區被擠壓成陸地。

除了陸地和海洋的形成原因以外,科學家們認為在大洋兩側的陸地會發現到有相類似甚至是一樣的植物和動物化石,是因為大陸之間曾有條陸橋可以連接,動物們就可以藉這條陸橋來往於兩大陸,只是最後這條陸橋沉入海底。科學家們也在地層紀錄裡看到海水向著陸地「海進」與遠離陸地的「海退」,海進與海退的現象被認為分別是陸地的沉積物逐漸填滿海洋盆地與海洋盆地陷落而形成。

然而,韋格納發現了許多與「地球收縮理論」相矛盾或無法解釋的現象,而這些現象支持大陸漂移說。例如,韋格納發現如果將大西洋兩岸的非洲和南美洲拼在一起時,非洲西側和南美洲東側大陸棚裂的分布位置非常吻合;全世界的山脈分布大多呈曲線形,如果山脈是因為地球收縮而形成的,那麼山脈的分布應該是像顆乾癟蘋果上的皺紋一般隨機分布才合理。在韋格納測量全球地表的地形起伏時,包括山有多高與海有多深,發現地形起伏的高度分布出現兩個峰值,若是依照地球收縮理論,地形起伏的高度分布應該會比較傾向於常態分布。韋格納認為這是因為地殼主要由兩層不同密度的岩石所組成,密度較小的花崗岩會在上層、形成陸地;密度較大的玄武岩則在下層、形成海床。

韋格納身為一位氣象學家,其中一項能使他深切相信南美洲與非洲曾經合併在一起的證據就是古氣候的指標;他在重建古老的大陸塊時,將在不同大陸上所發現的冰川、熱帶雨林和沙漠等氣候所形成的沉積物重新分布在相近的位置上,最後,韋格納按照這些方法拼出一塊大陸塊來。例如韋格納彙整了南美洲、非洲、澳洲、印度和南極洲上古冰川留下的痕跡,用以指示當初冰川流動的方向,發現這些陸地可以被拼湊成一塊大陸塊,且冰川由此大陸塊中心向四面八方流動;但是現在南美洲、非洲、澳洲、印度這些地方都不太有冰川活動,所以當初這些小陸塊可能是曾經位處南極地區的大陸塊分裂而成。種種發現都讓韋格納相信大陸不只會漂移,而且現今的各大陸應該是由一塊超級大的大陸塊分裂而成,並且在1915 年出版的《大陸與大洋的起源》一書中詳細描述大陸漂移的構想。

分久必合,合久必分

韋格納在《大陸與大洋的起源》中,結合了所發現的各項資料,最終描繪出來的大陸塊被命名為盤古大陸(Pangaea或Pangea),這個名字也代表著「全陸地」的意思。

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儘管韋格納提出曾經有超大陸存在的證據相當有力,但他卻沒有辦法合理解釋大陸漂移的動力機制。他當時提出是天體引潮力和地球自轉所產生的離心力作用下,使原本一塊很大的陸塊破裂成許多小的陸塊,反對者指出這些作用力太小,不足以移動整個大陸橫跨海洋,地球物理學家杰弗里斯(Harold Jeffries)曾假設潮汐能夠克服海床造成的摩擦力來推動大陸,使大陸漸漸的移動,按照計算的結果,地球將在一年後停止轉動;更何況韋格納計算出大陸漂移的速率約是每年250 公分(現今美洲相對於歐洲和非洲的分離速率約是每年2.5 公分),想當然爾,其他科學家根本不接受大陸移動的速率是如此地快,也連帶地不接受韋格納提出的大陸漂移說。

光陰似箭,歲月如梭,至今大陸漂移說也漸漸發展成板塊構造學說,科學家們也相信在約距今3 億年前地球上有個盤古大陸的存在。這塊盤古大陸也就如同韋格納所相信地那樣,約在1 億7 千5 百萬年前開始分裂。和現今的大陸分布大為不同的是,盤古大陸大部分都集中於南半球,並由一超級大洋包圍著,這片超級大洋稱之為泛大洋或盤古大洋(Panthalassa)。

在盤古大陸分裂後,形成兩大陸塊,一塊漸漸向南邊移動的是岡瓦那大陸(Gondwana);另一塊漸漸朝北邊移動的是勞亞大陸(Laurasia)。向南邊移動的岡瓦那大陸後來又再分裂成南美、非洲、印度、澳洲和南極洲等小陸塊;向北邊移動的勞亞大陸則漸漸分裂成北美、非洲和歐亞大陸等小陸塊。盤古大陸是目前地球歷史上最後一塊超級大陸,但大陸仍舊不斷地漂移,估計未來會形成終極盤古大陸。

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結語

雖然韋格納的大陸漂移說在當年飽受抨擊,他的研究也因其在1929 年第三次格陵蘭考察中喪生戛然而止,然而到1950 年代中期至60 年代以後,隨著古地磁學、海底測勘的技術發展,科學家們奠基於韋格納在百年前的研究成果,發展出現今的板塊構造學說;以現在科學的發展,應是當年強烈反駁大陸漂移說的科學家們始料未及的結果,也印證叔本華所說:「所有真理都會經過三個階段:人們先認為是可笑的,再強烈反對,最後才會接受它是不證自明的。」

201510〈本文選自《科學月刊》2015年10月號〉

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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

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