基因中的演化之舞
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嘴大吃四方，隨著無頜魚類演化成有頜魚類，食物的豐富化，也帶來更多的感染風險，我們可以清楚的看到，免疫系統曾經嘗試兩次生成適應性免疫的機制。 有頜魚類（Gnathostomes）與無頜魚類（Agnathans）的免疫系統差異明顯，尤其在適應性免疫的進化層面。以下以精確的免疫學觀點比較兩者： 一、適應性免疫（Adaptive Immunity）
當我們的祖先踏上陸地之後，又是另一個故事了，因為許多機能仍需要水才能進行，我們有許多黏膜組織。 與有頜魚類相比，陸生脊椎動物的免疫系統演化出更專業化的淋巴器官、更高效的適應性免疫記憶、更複雜的黏膜免疫，以及高度分化的免疫細胞亞群，使其能應對陸地上更多變且高病原壓力的環境。 一. 對陸生環境的適應性免疫更新
參考文獻:
Hirano, M. et al., The evolution of adaptive immunity in vertebrates (2011). — 綜述有頜魚與無頜魚適應性免疫系統之差異、V(D)J 重組系統的起源與演化背景，支援「有頜魚具典型 Ig/TCR 系統而無頜魚用 VLR」等說法。 https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/21569914/ 2. Boehm, T., The evolutionary history of lymphoid organs (2007 / 2012 reviews). — 探討初級與次級淋巴器官（胸腺、脾、淋巴結）在脊椎動物演化上的出現順序與形態差異，支援「淋巴結為陸生脊椎動物的衍化結構，魚類缺乏或為分散型黏膜淋巴組織」的論點。 https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17242686/ 3. Pomarici, N.D. et al., Evolution of the Immunoglobulin Isotypes (2023). — 系統性回顧各類 Ig（IgM, IgD, IgG, IgA, IgE, IgT/IgZ 等）在脊椎演化中的出現與功能分化，支援「陸生脊椎動物抗體類型更多、功能分化更明確」的說法。 https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10216798/
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 常常有同學聽到「亞當」與「夏娃」，就會聯想到《聖經》伊甸園裡的故事。但在遺傳學和人類學的領域裡，這兩個名字代表的意義完全不同。這不是神學，而是關於我們身體裡那本「遺傳密碼書」如何溯源的故事。 讓我們把它拆解成兩個部分來談：先搞懂「Y染色體亞當」是誰，再來看他跟「粒線體夏娃」到底認不認識。 各位同學好，歡迎來到今天的通識課！很高興你們對人類起源這個話題感興趣。 常常有同學聽到「亞當」與「夏娃」，就會聯想到《聖經》伊甸園裡的故事。但在遺傳學和人類學的領域裡，這兩個名字代表的意義完全不同。這不是神學，而是關於我們身體裡那本「遺傳密碼書」如何溯源的故事。 讓我們把它拆解成兩個部分來談：先搞懂「Y染色體亞當」是誰，再來看他跟「粒線體夏娃」到底認不認識。 一、 誰是「Y染色體亞當」？首先，我們要複習一下國中生物課的知識：男性的性染色體是 XY，女性是 XX。
 不過有些細節值得注意:
二、「亞當」與「粒線體夏娃」是一對戀人嗎？這是一個非常浪漫的想像，但很遺憾，科學告訴我們：他們幾乎不可能見過面，甚至可能相隔了幾萬年。 要解釋這個關聯性，我們要先請出女主角：粒線體夏娃 (Mitochondrial Eve)。
他們的關聯性 (The Relationship)科學家通過「分子時鐘」（計算基因突變的速率）來推算他們生活的年代，結果發現：
結語: 「Y染色體亞當」與「粒線體夏娃」不是人類的第一對父母，而是在遺傳漂變的倖存者遊戲中，分別拿著「父系接力棒」和「母系接力棒」，並成功傳遞給我們每一個人的兩位幸運祖先。 這告訴我們，不管膚色、種族為何，全人類在幾千代以前，其實都是一家人。 同場加映:
Y染色體的縮短危機: 從演化生物學的角度來看，Y 染色體的「迷你化」並不是突發事件，而是長期演化壓力下的結果。最初的 X、Y 染色體其實是一對普通的常染色體，但在演化過程中，負責啟動雄性發育的 SRY 基因 出現在原本的其中一條染色體上，使其開始扮演男性決定因子的角色。為了避免與 X 染色體進行大規模基因重組而破壞雄性發育路徑，Y 染色體逐漸喪失與 X 同源的許多區段，最終變成今天我們看到的精簡版模樣。 然而，精簡並不代表無用。近年的基因體研究指出，Y 染色體雖然基因數量少，但許多基因具有高度專一性，特別是與 精子生成、男性生殖腺維持 密切相關。例如 DAZ、TSPY 等基因族群，不僅是男性生育力的關鍵，更在演化中展現強烈的保守性。此外，Y 染色體的結構中含有許多「回文序列（palindromic sequences）」，這些序列能讓 Y 染色體透過自身複製與修補的方式排除突變，彌補它無法與 X 大幅重組的缺點，也成為其基因組得以長期維持的重要機制。 科學家之所以關注 Y 染色體是否會消失，不只是因為它與性別決定有關，更因為這牽涉到哺乳動物演化的未來可能性。確實，有些物種，如日本棘鼠（Tokudaia）與墨西哥鼩鼱（Ellobius），已經在演化上完全失去 Y 染色體，但並未因此失去雄性個體。這提醒我們：性別決定機制本身並非固定不變，而是可以被演化重新設計。然而，這些例子並不一定代表人類會走上同樣的道路。 多數人類學者與遺傳學家認為，人類 Y 染色體雖然精簡，但目前的功能已相對穩定。尤其是那些與基本細胞運作相關、影響全身性生理功能的基因，具有強烈的選擇壓力，使它們不容易再度流失。因此，有愈來愈多證據支持—--Y 染色體並非一個正走向末路的染色體，而是一個歷經大幅重組後，已找到穩定平衡的新基因體架構。 從通識教育的角度來看，這段科學論辯提醒我們： （1）基因體不是固定的，演化並非只能「變大」也能「變小」； （2）生物性別不是單一基因決定，而是由眾多基因網絡共同協作； （3）科學結論會隨著新證據而更新，學界的意見分歧正是科學前進的動力。 因此，與其擔心 Y 染色體是否會「滅絕」，或許更應理解它如何在演化中適應、修補與維持自身功能，並將這些現象視為生命多樣性與基因體塑形能力的又一證明。 https://www.ltedu.com.tw/web/scientific-epaper-content.aspx?KEY=184&ARTICLE=03  粒線體夏娃：粒線體的基因只會透過母親遺傳給子代，因此一直追溯粒線體的基因，我們就能找到現存人類的母系最近共同祖先，也就是十七萬年前在非洲的「粒線體夏娃」。 粒線體夏娃（Mitochondrial Eve） 什麼是「粒線體夏娃」？ 「粒線體夏娃」不是指某個單一時代的『第一位女性』，也不是說她是當時地球上唯一的女性。它指的是所有現代人類的母系粒線體DNA（mtDNA）共同最近祖先──也就是把現代所有人的母系粒線體序列追溯回去，最後共同匯合到的一個個體的那條線。 為什麼用粒線體DNA？ 粒線體DNA只從母親傳給孩子（幾乎不發生重組），且突變率相對穩定，這讓研究者能把它當成「分子時鐘」：不同族群之間的mtDNA差異越大，表示它們在更久以前就分岔了。把不同人的序列比對、估算突變累積速率，就能反推共同祖先生活的大概年代。 科學家是怎麼推算出來的？
多數研究將粒線體夏娃的時間估在大約 10萬到20萬年以前（不同研究和方法會產生差異，某些估計會更寬，如5萬到30萬年）。地點通常被認為是在非洲（支持「出非洲」人類起源模型），但具體地點和時間有不確定性，取決於採樣、突變率估計、統計模型等。 常見誤解要釐清
https://pansci.asia/archives/43303 諾貝爾獎得主 Svante Pääbo（帕博） 以及他如何破解 尼安德塔人（Neanderthals） 的基因秘密。 🧬 1. 帕博是誰？Svante Pääbo 是瑞典的演化遺傳學家，被稱為 「古DNA之父」。 他在 2022 年獲得諾貝爾生醫獎，原因是： 他成功從已滅絕的古人類化石中解讀 DNA，開創了全新的古基因學（paleogenomics）領域。 這件事以前被認為是不可能的，因為古老骨頭中的 DNA 早就破碎、污染，又很少量。 Svante Pääbo Nobel Prize in Physiology or Medicine 2022 Born: 20 April 1955, Stockholm, Sweden Affiliation at the time of the award: Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology, Leipzig, Germany; Okinawa Institute of Science and Technology, Okinawa, Japan; Leipzig University, Leipzig, Germany Prize motivation: “for his discoveries concerning the genomes of extinct hominins and human evolution” 諾貝爾獎網站 https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2022/press-release/ 🦴 2. 他做了什麼突破？帕博與團隊花了將近 30 年時間攻克三大難題： ✔ 難題 1：古 DNA 幾乎都碎掉了尼安德塔人骨頭中的 DNA 就像被撕成數萬片的書頁。 他發展出新的方法把這些「碎片字條」拼成完整基因序列。 ✔ 難題 2：DNA 很容易被現代人污染考古學家挖掘的化石，一碰就沾上現代人的 DNA。 帕博設計了超嚴格的無菌實驗室，加上序列辨識技術，讓人類與尼安德塔人 DNA 能被清楚分開。 ✔ 難題 3：古 DNA 量超少他開發更高效率的 DNA 擴增與測序技術，讓微量的古基因可以被完整分析。 這些技術後來被用在所有古 DNA 的研究上，包括長毛象、古代病原體等。 🧬 3. 他與尼安德塔人的偉大發現🌟 （1）成功拼出尼安德塔人完整基因組（2010）這是人類科學史的里程碑。 他證明尼安德塔人的許多基因仍留存在現代人類體內。 🌟 （2）現代人類與尼安德塔人曾「通婚」帕博發現：
遠古時期，走出非洲的智人與尼安德塔人在歐亞大陸相遇、交配。 🌟 （3）找出尼安德塔人基因如何影響現在的人尼安德塔人留給我們的基因，影響範圍很大：
🗺 4. 帕博還發現另一位「神祕古人類」── 丹尼索瓦人（Denisovans）他在西伯利亞的丹尼索瓦洞穴中，只靠 一根手指骨 的 DNA，就揭開全新古人類的存在。 後來發現：
🧬 5. 為什麼帕博的工作那麼重要？因為他： ✔ 將「人類演化」從考古學，帶入精確的分子數據時代 ✔ 建立古 DNA 技術，讓科學家得以「讀出」已滅絕物種的遺傳資訊 ✔ 讓我們理解： 人類不是單一起源的線性故事，而是一個族群交融、彼此影響的複雜網絡。 「我們從哪裡來？」（Where do we come from?）這一段講人類演化與遷徙的背景：
「定序尼安德塔人基因組」（Sequencing the Neanderthal genome）從線粒體DNA進入更大範圍的核基因組研究：
「驚世發現：丹尼索瓦人」（A sensational discovery: Denisova）第二種已滅絕人類親屬：Denisovans。
動手做做看: 哪裡可以找到尼安德塔人的基因組: Neandertal Genome Browser https://projects.ensembl.org/neandertal/ Neandertal Genome Analysis Consortium Tracks at UCSC https://genome.ucsc.edu/Neandertal/ What Are BAM Files? https://zymoresearch.eu/blogs/blog/what-are-sam-and-bam-files?srsltid=AfmBOooWA8dFivIyG7rpnrBI-UmEI34bNKxaeHZf9wNcZbzKi0EkIo_p Mitochondrial Eve
https://www.youtube.com/watch?v=rx_oUd-05ys  從「循環系統的複雜化」這個角度，來看軟體動物（如蝸牛、烏賊）、節肢動物（如昆蟲、蝦蟹）與脊椎動物（魚、鳥、人類）的循環系統是如何逐步演化出來的。 •[臨床應用] •心臟發育與先天性心臟病 延伸閱讀: 心室中膈缺損 - 醫生說我的小孩心臟破了一個洞~ https://www.mmh.org.tw/child/know_health_view.php?docid=317 新生兒有心室中隔缺損，該吃藥、開心手術或使用心導管關閉器呢 https://www.heart2know.com/2022/03/vsd.html  血紅蛋白Hemoglobin 與肌紅蛋白Myoglobin
•人體中有兩種重要蛋白質跟 運輸「氧氣」相關，我們把氧氣想像成貨品，貨物運輸就需要物流，因此需要車子，另一個就是倉庫儲存～ •擔任車子功能的就是血紅蛋白Hemoglobin，俗稱Hb或Hgb，是體內負責運載「氧」的蛋白質，存在於血液中平均每克血紅蛋白可以載1.34ml的氧氣。 擔任倉庫，儲存的功能，則是肌紅蛋白(Myoglobin)，又稱肌紅素，只存在於肌肉組織。1959年John Kendrew與其同事Max Perutz透過x射線晶體學，測定出肌紅蛋白的結構，也因為這項成就獲得 1962年諾貝爾化學獎 https://www.cool3c.com/article/104522 Evolutionary Genetics of Hypoxia Tolerance in Cetaceans during Diving Genome Biology and Evolution, Volume 8, Issue 3, March 2016, Pages 827–839, https://doi.org/10.1093/gbe/evw037 Hypoxia was a major challenge faced by cetaceans during the course of secondary aquatic adaptation. Although physiological traits of hypoxia tolerance in cetaceans have been well characterized, the underlying molecular mechanisms remain unknown. We investigated the sequences of 17 hypoxia-tolerance-related genes in representative cetaceans to provide a comprehensive insight into the genetic basis of hypoxia tolerance in these animals. Genes involved in carrying and transporting oxygen in the blood and muscle (hemoglobin-α and β, myoglobin), and genes involved in the regulation of vasoconstriction (endothelin-1, -2, and -3; endothelin receptor type A and B; adrenergic receptor α-1D; and arginine vasopressin) appear to have undergone adaptive evolution, evidence for positive selection on their particular sites, and radical physiochemical property changes of selected condons. Interestingly, “long-diving” cetaceans had relatively higher ω (dN/dS) values than “short-diving” cetaceans for the hemoglobin β gene, indicating divergent selective pressure presented in cetacean lineages with different diving abilities. Additionally, parallel positive selection or amino acid changes (ADRA1D: P50A, A53G, AVPR1B: I/V270T) among animals exposed to different hypoxia habitats reflect functional convergence or similar genetic mechanisms of hypoxia tolerance. In summary, positive selection, divergent selective pressures, and parallel evolution at the molecular level provided some new insights into the genetic adaptation of hypoxia tolerance.  在這個章節中，我們用SARS-COVID2 病毒與 流行性感冒病毒為例子，介紹病毒與人類免疫的競爭與演化。 首先談到，其實會造成人類疾病的冠狀病毒，只是冠狀病毒科中的一小部分成員。他們屬於正股RNA病毒，這條RNA既是病毒的基因體，同時也是多個病毒蛋白質的模板。可以轉錄出數個不同的mRNA。而SARS-COVID2之所以造成全身性的症狀，剛好就跟它的棘蛋白(spike protein)的受體:Ace2 的分佈有關。 而棘蛋白的醣類結合能力，可能就是由人類的human galectins這邊偷過來的。請參考 Structure, Function, and Evolution of Coronavirus Spike Proteins PMID: 27578435 https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5457962/ Receptor Recognition Mechanisms of Coronaviruses: a Decade of Structural Studies https://doi.org/10.1128/jvi.02615-14 ___________________________________________________________________________ 要查人類蛋白質的分布，可以用The human protein atlas 人類蛋白質圖譜是瑞典的一個項目，於2003 年啟動，旨在利用各種組學技術的整合，繪製細胞、組織和器官中的所有人類蛋白質圖譜，包括基於抗體的成像、基於質譜的蛋白質組學、轉錄組學和系統生物學。 https://www.proteinatlas.org/ ___________________________________________________________________________ 接著我們談到流行性感冒病毒， 流行性感冒病的的分類，主要依靠其表面的HA 與 NA。 流行性感冒病毒為負股RNA病毒，繁殖的時候會先利用本身的RNA聚合酶以(-)vRNA為模板，做出(+)mRNA與(+)cRNA，再分別製造所需的蛋白質與基因體。由於此RNA聚合酶在複製容易出錯，因此容易累積突變。 流感病毒有兩種突變模式，分別會引起小的局部區域流行與全球大流行。 Influenza Drift and Shift - Negative RNA and the Segmented Genome https://www.youtube.com/watch?v=dUYIUFlsEJ8 因此我們可以從病毒的親緣關係樹與地理資訊，預測未來流感的流行趨勢， 每年都選擇2株A型與2株B型流感為疫苗株。 我們也談到Ensembl的 Ensembl comparative genomics resources https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4761110/ 主要有三個功能: 1. Gene gains and losses 2. ortholgues 3. paralogues
演化樹並不是真實的演化途徑
我們也提到STR在兇案鑑定與親子鑑定的應用。 滴血認親是檢測兩人之間血緣關係最常被提及，但卻是不具科學證據的方法。在ABO血型被發現之後，血緣關係的鑑定開始步入了科學的領域。但ABO血型只有4種類型，鑑別度不高。30年前，科學家開始將具有高度變異性的去氧核醣核酸(DNA)用於血緣鑑定，利用一種核酸擴增技術(PCR)分析人類DNA中短相連重複片段(STR)的多樣性，配合STR基因型具有長度短、分布廣與鑑定容易的優點，增加鑑定的效率，將準確性提高至99.99%以上 https://wwwv.tsgh.ndmctsgh.edu.tw/unit/10063/20165 演化樹並不是真實的演化途徑 •A phylogenetic tree is a diagram that represents evolutionary relationships among organisms. Phylogenetic trees are hypotheses, not definitive facts. •一個系統樹是一個表示生物之間的演化關係的圖表。 •系統樹是假設，而不是確定的事實。 • 所以不能用單一分子的系統樹，來證明 演化途徑 MEGA 可以幫助我們計算親緣關係: 1. 下載序列為FAS格式 2. align序列 3. 輸出MEG格式檔案 4. 選擇模型，計算親緣關係 https://www.youtube.com/watch?v=Wf9hiJjxNH8 當我們比較不同物種（或不同病毒株）的基因序列時，會想知道它們之間「有多親近」。為了量化這種親緣關係，科學家會使用分子演化模型（molecular evolutionary models），這些模型用數學方式描述 DNA 或蛋白質序列中「突變」發生的機率。以下是幾個最常見的模型，用簡單的方式介紹： 🧬 1. Jukes–Cantor 模型（JC69）
🧬 2. Kimura 兩參數模型（K80）
🧬 3. HKY 模型（Hasegawa–Kishino–Yano）
🧬 4. GTR 模型（General Time Reversible）
🧬 5. 其他常見擴充模型
UPGMA, Minimum evolution, Maximum likely hood 三種都是常見的系統發育樹（phylogenetic tree）建構方法，目標都是從序列資料推測物種的親緣關係，但它們的假設與計算邏輯差很大。
🌿 一、UPGMA（Unweighted Pair Group Method with Arithmetic Mean）概念：距離法（Distance-based method）
🌳 二、Minimum Evolution（最小演化法）概念：也是距離法，但更注重整體樹的「總演化距離」最短
🧬 三、Maximum Likelihood（最大似然法）概念：機率模型法（Model-based method）
 Changing views of FOXP2 and human evolution. Curr Biol. 2019 Jan 21;29(2):R65-R67. doi: 10.1016/j.cub.2018.11.047. 如何由基因的同意突變率與非同意突變率推論正選擇的基因? 我們通常利用「同義突變率（synonymous substitution rate, dS）」與「非同義突變率（nonsynonymous substitution rate, dN）」之間的比值（dN/dS 或 ω）來推論某基因是否受到正向選擇（positive selection）。 🔬 一、同義與非同義突變的意義
⚙️ 二、dN/dS 比值（又稱 ω 值）定義如下： ω= dN/dS
📊 三、如何解釋 ω 值ω（dN/dS）值選擇型態解釋ω < 1負向選擇（purifying selection）大多數胺基酸變異有害，被淘汰；維持蛋白質功能穩定。 ω = 1中性演化（neutral evolution）非同義與同義突變速率相同，突變不影響適存度。 ω > 1正向選擇（positive selection）改變胺基酸的突變被保留，可能帶來適應性優勢。 P.S.現代分析並不僅用整個基因的平均 ω 值，而是：
在人類與靈長類動物的基因體中，有哪些重要的基因受到positive selection? 這是比較基因體學（comparative genomics）與演化遺傳學的重要研究主題之一。 在人類（Homo sapiens）與其他靈長類（如黑猩猩、紅毛猩猩、長臂猿等）的基因體比較中，確實發現有一些受到正向選擇（positive selection）的關鍵基因，這些基因與人類的認知、免疫、防禦反應、皮膚顏色、繁殖與代謝等特徵有關。以下是主要類別與代表基因說明： 🧠 一、神經發育與認知功能相關基因這類基因被認為與人類大腦擴張與語言能力的演化有關：
🧬 二、免疫與感染防禦相關基因由於病原體壓力是演化中最強的選擇力之一，許多免疫相關基因呈現強烈的正向選擇：
🧫 三、皮膚色素與紫外線適應這些基因反映人類遷徙至不同緯度後的適應：
💪 四、繁殖與性選擇相關基因
🍽️ 五、代謝與飲食適應
支持正選擇的論文: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3644635/ FOXP2 Targets Show Evidence of Positive Selection in European Populations Am J Hum Genet. 2013 May 2;92(5):696–706. doi: 10.1016/j.ajhg.2013.03.019 不支持FOXP2受到正選擇的論文 https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30078708/ No Evidence for Recent Selection at FOXP2 among Diverse Human Populations Cell. 2018 Sep 6;174(6):1424-1435.e15. doi: 10.1016/j.cell.2018.06.048. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30668952/ Human Genetics: The Evolving Story of FOXP2 Curr Biol. 2019 Jan 21;29(2):R65-R67. doi: 10.1016/j.cub.2018.11.047. 動手做做看:
1. Ecocyc: https://ecocyc.org/ EcoCyc captures information from 44,000 publications for Escherichia coli K-12 substr. MG1655. Use EcoCyc to search for knowledge on E. coli genes, regulation, and metabolism; analyze transcriptomics data; perform comparative analyses; and run a metabolic model. 2. MEGA 軟體下載 https://www.megasoftware.net/ 使用手冊: https://www.megasoftware.net/web_help_12/index.htm#t=First_Time_User.htm 例子檔案 https://www.megasoftware.net/examples 中秋月餅與車輪餅中的經典口味少不了紅豆，但是你知道紅豆是怎麼來的，又是怎麼變紅的嗎? 紅豆的起源：從野生植物到日本古人餐桌的秘密在我們常吃的車輪餅、剉冰或紅豆湯裡，那一顆顆綿密又帶著香氣的紅豆，其實藏著一段跨越數千年的歷史故事。你可能會以為紅豆只是平凡的甜點材料，但最新的科學研究揭示：紅豆的食用歷史起源於日本，而且比我們想像的還要古老！ 來自臺灣大學生態學與演化生物學研究所李承叡教授領導的國際團隊，利用植物遺傳學的方法，重新解讀紅豆的身世。他們發現，今天我們吃的紅豆，是大約三千到五千年前，在日本中部地區由野生紅豆逐漸被人類馴化而來。研究結果刊登在國際頂尖期刊《Science》，不僅改寫了紅豆的歷史，也讓我們重新認識日本最早的農業文明。 原來繩文人早就懂得種豆子過去歷史課本上常說，日本的早期居民「繩文人」主要靠狩獵、採集和捕魚維生；真正的農業是三千年前「彌生人」從東亞帶來稻作之後才出現的。 然而，這項新研究卻顛覆了這個說法。透過分析整個亞洲紅豆的基因多樣性，科學家發現，**紅豆的遺傳變化其實早在繩文時代就已經開始了。**這表示繩文人不只是採集者，他們很可能早就懂得如何挑選、栽培與改良作物，具備初步的農業知識。 基因告訴我們的古代故事在野生豆類中，種子通常又小又黑；但當人類開始栽培後，豆子的體型會變大，顏色也變得多樣。可惜在日本潮濕的環境裡，古老的種子難以保存，考古學家常只能靠炭化種子或陶器上的印痕來推測。 這次研究團隊從基因著手，找到了控制紅豆顏色與形狀變化的關鍵基因，並發現這些基因的變化，**早在一萬年前就已經出現！**換句話說，繩文人可能比我們以往認為的更早開始進行紅豆的選育。 從豆子看見古代農業的誕生這項研究不僅揭開紅豆的起源，也證明遺傳學能幫助我們回答考古學長久以來的疑問。透過基因的線索，科學家得以重現古代人類如何一步步從採集走向農耕，讓紅豆從野生植物成為人類飲食中不可或缺的甜蜜滋味。 這項跨國研究由臺灣大學、中央研究院與多個國際機構合作完成，並獲得國科會與傑出人才發展基金會的支持。紅豆的故事，讓我們看見科學如何讓古老的歷史再次「發芽」。 https://www.ntu.edu.tw/spotlight/2025/2382_20250604.html  A 區塊（地圖與箭頭）：顯示紅豆的馴化（domestication）最早發生在日本，之後才傳回中國，並和當地的野生紅豆雜交，產生更豐富的品種。 B 區塊（日本地圖）：比較日本野生紅豆與栽培紅豆的基因距離，證明兩者有密切的親緣關係。 C 區塊（基因變化）：指出兩個關鍵基因的突變讓紅豆變成我們今天熟悉的「紅色外皮」
紅豆的身世揭曉：原來「紅豆之母」在日本！我們熟悉的紅豆餡、紅豆湯、紅豆冰，其實藏著一段橫跨上萬年的故事。最新刊登於《Science》的研究，由國立臺灣大學生態學與演化生物學系李承叡教授與日本、台灣、中國多所研究機構合作完成，透過分析來自亞洲各地近700個紅豆品系的基因組，終於解開紅豆起源的長久謎團。 結果令人驚訝—--紅豆最早是在三千至五千年前的日本被人類馴化的！ 之後，紅豆才傳入中國，並與當地的野生紅豆雜交，發展出今日多樣的紅豆種類。 從DNA找到紅豆回流的證據研究團隊運用兩種DNA證據來重建紅豆的演化旅程。 首先，分析「核基因組」時發現，中國紅豆的基因多樣性最高，原本看似支持中國起源論；但進一步檢視「葉綠體DNA」（僅由母系遺傳、演化較緩慢）後，卻發現中國紅豆的葉綠體序列幾乎與日本野生紅豆完全相同。這說明紅豆真正的源頭在日本，後來再「回流」到中國並與當地紅豆雜交，才出現過去令人困惑的基因混合現象。 紅色的祕密：突變與人類選擇的聯手成果除了起源地，研究也揭開了紅豆變紅的基因祕密。早期的野生紅豆其實顏色較淺、帶黑斑，但在馴化過程中，人類無意間選中了幾個突變基因：
一碗紅豆湯，藏著萬年歷史這項跨國研究不僅重寫了紅豆的歷史，也提醒我們：日常生活中的食物，其實都是人類與自然共同演化的成果。 從野生植物到甜點主角，紅豆的旅程是一段萬年來的基因故事，也是一場從繩文時代延續至今的甜蜜奇蹟。 改寫自: https://www.scitw.cc/posts/20250919-18690 什麼是「中性演化理論」？在我們印象中，演化常被說成是「優勝劣敗」的過程：對環境有利的基因會被保留下來，不利的則會被淘汰。這就是達爾文提出的「自然選擇」。但到了 20 世紀後半，科學家發現事情沒那麼單純——有許多基因變化，其實既不是有利也不是有害的。 這就是日本遺傳學家**木村資生（Motoo Kimura）**在 1968 年提出的「中性演化理論（Neutral Theory of Molecular Evolution）」。 理論的核心：多數突變是「中性的」中性演化理論主張，生物體 DNA 上的突變（基因改變）雖然不斷發生，但其中大多數並不會影響個體的生存或繁殖能力。換句話說，這些突變在「自然選擇」的角度來看是中性的。 那這些中性突變是怎麼在族群中出現或消失的呢？ 關鍵在於「基因漂變（genetic drift）」——也就是因為隨機機率，有些基因會在族群中被保留下來，有些則會自然消失。這種過程不靠「誰比較強」，而是純粹的機運，就像抽籤一樣。 為什麼這個理論重要？木村的理論讓科學家重新看待分子層次的演化。他指出，當我們比較不同物種的 DNA 序列時，看到的許多差異其實反映的是中性突變的累積速度，而不是「適應性演化」的痕跡。 這也解釋了為什麼不同物種的基因差異常常以穩定的速率出現——形成所謂的「分子鐘（molecular clock）」，幫助我們估算物種分化的時間。 總結簡單來說：
當年（1943年），兩位生物學家——薩爾瓦多·盧瑞亞（Salvador Luria）和馬克斯·德爾布呂克（Max Delbrück）——做了一個看似簡單、卻改變生物學史的重要實驗。這就是著名的「盧瑞亞–德爾布呂克實驗」（Luria–Delbrück experiment），又被稱為「波動實驗」（fluctuation test）。 在那個年代，科學家還在爭論：細菌為什麼能「抵抗」噬菌體（感染細菌的病毒）？究竟是被感染後才產生抵抗力（適應說），還是原本就有少數突變株天生具有抵抗力（自然選擇說）？ 盧瑞亞與德爾布呂克的巧思在於：他們讓許多瓶子中的細菌分別長成，再同時暴露於噬菌體中。如果抵抗力是「被感染後才產生的」，那每瓶存活的細菌數應該差不多；但如果是「事先隨機突變」產生的，那每瓶的結果就會非常不平均——有的瓶子可能早早出現抗性突變，繁殖出很多抗性菌；有的瓶子則一個都沒有。 實驗結果正是後者：每瓶的抗性菌數量差異極大，就像抽獎般「波動」很大。這證明—--突變是隨機發生的，而不是因病毒出現才被誘導出來的。 這個發現不只揭示了細菌演化的本質，也讓「自然選擇」這個達爾文的核心概念首次在微生物層級上被實驗證實。此後，遺傳學家便能用數學方式分析突變速率與演化機制，奠定了現代分子演化與抗藥性研究的基礎。 大方向與關鍵問題我們要回答的核心是兩個問題：
早期基礎：確立DNA為遺傳物質
DNA 的結構與「信息載體」性質
解碼遺傳密碼：核心實驗與人物（1960年代）
最終成果與重要特性到1960年代中後期，科學家們已經基本上「破譯」了遺傳密碼：
 在 1950 年代，DNA 雙股螺旋結構剛被發現不久，科學家們還在摸索「基因到底怎麼控制生命現象」。當時有位英國科學家 Francis Crick（華生的搭檔），在 1958 年提出了一個概念性的模型，他把它叫做 「分子生物學的中心法則」。 這個法則其實很簡單，就是要回答：遺傳資訊是怎麼從基因變成功能的？ 他用一個流程來表示： 👉 DNA → RNA → 蛋白質
但是事情往往沒有這麼簡單，這個的想法很快就被打破了，後來科學家發現事情比 Crick 當年的構想更複雜，例如：
人類基因體計畫（Human Genome Project, HGP) •人類基因體計畫（Human Genome Project, HGP）是一個國際性的科學合作計畫，目標是在可用的技術下把「人的整套 DNA 序列」讀出來、定位重要基因並建立公開的資料庫，從而加速對遺傳疾病、演化與生物學機制的理解。這個計畫在 1990 年正式啟動，並在 2003 年宣告完成主要目標（後續還有補洞與改進）。 起源1980 年代，分子生物學已經掌握 DNA 的結構與逐步的定序方法（如 Sanger 定序法），科學界開始討論：能否把整個人類基因組（約 30 億個鹼基對）系統性地「繪圖」與「定序」？美國能源部（DOE）與國立衛生研究院（NIH）因為對輻射致突變、公共衛生與基因資訊的關注，成為主要推動者，並在 1989–1990 年間正式把這個大型、長期、跨領域的工程化為國際合作計畫。genome.gov+1 主要目標
成果、影響與後續工作
Ensembl genome browser 115
Ensembl是一項生物信息學研究計劃，旨在開發一種能夠對真核生物基因組進行自動詮釋並加以維護的軟體。該計劃由英國維康基金桑格研究院及歐洲分子生物學實驗室所屬分部歐洲生物信息研究所共同協作運營 人類基因體計畫 https://www.genome.gov/human-genome-project The Basic Local Alignment Search Tool (BLAST) finds regions of local similarity between sequences. BLAST 2 Seqences. This tool produces the alignment of two given sequences using BLAST engine for local alignment. https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi?BLAST_SPEC=blast2seq&LINK_LOC=align2seq&PAGE_TYPE=BlastSearchblast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi?BLAST_SPEC=blast2seq&LINK_LOC=align2seq&PAGE_TYPE=BlastSearch 過去我們常說情人眼中出西施，實際上在演化的過程中，嗅覺對擇偶提供了更重要的線索。 首先我們要談談有性繁殖這件事情。 有人說有性生殖可被視為毫無成功機會，因為相較於同樣存在自然界的無性繁殖，有性生殖既費時又費力。試想，彆扭整羽的孔雀開屏以吸引雌雀，卻可能讓自己輕易成為老虎和野狗的點心。 即使沒有掠食者威脅，性交及事前的準備儀式也可能有危險性，比方說，為爭奪交配權，雄鹿會鬥角，雄獅會互鬥，而兩雄相鬥有時不會有好下場。一些動植物採無性生殖，比方說海星和香蕉，甚至有些鳥和蜂也這樣。簡而言之，沒有雄性參與的生殖，不但過程更快且更不需擔心受怕。 [https://www.cna.com.tw/news/ahel/201612210269.aspx] 實際上有性生殖有其優勢 有性生殖把兩個親本的基因組「重新洗牌、重新組合」，產生遺傳上不一樣的子代。這種基因重組的能力，是有性生殖能在短期和長期都帶來演化優勢的核心。下面我以容易理解的方式，從染色體和減數分裂的角度來詳細說明為什麼。 有性生殖的主要優勢（與染色體直接相關）
染色體並非只是裝 DNA 的棒子；它們的配對、交叉互換與隨機分配，直接構成了有性生殖產生遺傳多樣性的機械。這些機制讓族群能快速產生新基因型、清除有害突變、並在與病原體或變動環境的競賽中保持彈性——這些就是有性生殖在演化上的主要優勢。 接下來我們來看看一些常見的染色體異常相關疾病 一、染色體數目異常（Aneuploidy） 由於減數分裂分離錯誤（non-disjunction）造成。
二、染色體結構異常（Structural abnormalities） 由於染色體斷裂、重組異常造成。
氣味，免疫，與擇偶 https://www.bbc.com/zhongwen/trad/science-57889691 什麼是 MHC？MHC 就像「免疫身分證」，是一組位於染色體上的基因，負責製造能把外來物（如病毒、細菌）小片段展示給免疫細胞看的蛋白質。
試試看，下列的FASTA格式 書寫的內容是哪一個基因呢?
想想看，你需要用哪一個工具? >NM_000558.5 ACTCTTCTGGTCCCCACAGACTCAGAGAGAACCCACCATGGTGCTGTCTCCTGCCGACAAGACCAACGTC AAGGCCGCCTGGGGTAAGGTCGGCGCGCACGCTGGCGAGTATGGTGCGGAGGCCCTGGAGAGGATGTTCC TGTCCTTCCCCACCACCAAGACCTACTTCCCGCACTTCGACCTGAGCCACGGCTCTGCCCAGGTTAAGGG CCACGGCAAGAAGGTGGCCGACGCGCTGACCAACGCCGTGGCGCACGTGGACGACATGCCCAACGCGCTG TCCGCCCTGAGCGACCTGCACGCGCACAAGCTTCGGGTGGACCCGGTCAACTTCAAGCTCCTAAGCCACT GCCTGCTGGTGACCCTGGCCGCCCACCTCCCCGCCGAGTTCACCCCTGCGGTGCACGCCTCCCTGGACAA GTTCCTGGCTTCTGTGAGCACCGTGCTGACCTCCAAATACCGTTAAGCTGGAGCCTCGGTGGCCATGCTT CTTGCCCCTTGGGCCTCCCCCCAGCCCCTCCTCCCCTTCCTGCACCCGTACCCCCGTGGTCTTTGAATAA AGTCTGAGTGGGCGGCA  https://byjus.com/biology/linkage-recombination/ 摩根與果蠅小飛俠：基因學的誕生故事二十世紀初，遺傳學還是一門混沌的科學。雖然達爾文已提出演化論，孟德爾也透過碗豆實驗揭示了遺傳的數學規律，但「基因」到底是什麼？它存在於哪裡？仍是個未解之謎。 在這個背景下，美國哥倫比亞大學的教授 托馬斯·亨特·摩根（Thomas Hunt Morgan） 開始了他的果蠅研究。 一間「飛蠅間」的小實驗室摩根的實驗室後來被暱稱為 「飛蠅間（Fly Room）」。這是一個只有幾平方公尺的小空間，裡頭養著成千上萬隻果蠅，空氣裡瀰漫著發酵香蕉的氣味。誰能想到，這樣簡陋的地方，竟成為二十世紀遺傳學革命的搖籃。 摩根起初其實並不相信孟德爾的遺傳定律。他認為遺傳比想像中更複雜，可能不能用單純的數學比例去描述。正因如此，他才決定用果蠅來「挑戰」這套理論。 白眼果蠅的祕密：基因與染色體的連結1909 年，一隻突變的雄果蠅吸引了摩根的注意——它的眼睛不是典型的紅色，而是雪白。摩根仔細追蹤這個性狀在後代的分布，結果發現：白眼只會出現在雄果蠅，且與性別相關。 這讓他做出大膽的推論：這個「白眼基因」一定在 X 染色體上。 這是人類第一次將抽象的「基因」概念，與具體可見的「染色體」連結起來。 學生的靈感：第一幅基因地圖摩根的學生 阿弗雷德·斯特特凡特（Alfred Sturtevant） 年僅 17 歲，卻靈光乍現。他在筆記本上算出，如果基因在染色體上有固定位置，那麼基因之間的距離應該能用「重組率」來衡量。 於是，他用果蠅的遺傳數據繪製出人類歷史上第一幅 基因圖譜：一張標示基因位置的染色體地圖。這是數學與生物學結合的經典一筆。 基因的「連鎖」現象在更多實驗中，摩根團隊還發現某些性狀總是「綁在一起」遺傳，與孟德爾的「獨立分配」不同。原來，位於同一條染色體上的基因會形成 連鎖（linkage）。只有當減數分裂發生 交換（crossing over） 時，這些基因才可能被拆散。 這個發現不僅修正了孟德爾定律，也揭開了染色體如何影響遺傳的機制。 結語摩根與他的「飛蠅間」團隊，完成了三項劃時代的突破：
BLAST：序列搜尋的瑞士刀BLAST（Basic Local Alignment Search Tool）是分子生物學中最常用的序列比對工具之一。它的用途就像是一個「基因序列的搜尋引擎」，輸入一段 DNA、RNA 或蛋白質序列，BLAST 就能幫你在龐大的資料庫中找出相似的序列，並告訴你它們有多接近。
BLAST 的核心功能
Ensembl：基因組的資料寶庫Ensembl 是由歐洲生物資訊研究所（EMBL-EBI）與威康桑格研究所（Wellcome Sanger Institute）合作建立的基因組資料庫與瀏覽平台。它可以說是歐洲版的 UCSC Genome Browser，專門提供不同物種的基因組資訊。 Ensembl 的特色
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December 2025
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