【Gene 愛聊科學】氣候變遷影響生物:暖化卻出現更耐寒的綠變色蜥

因此該耐寒性就更可能來自遺傳變化,也就是天擇的結果,存活下來的個體是整個族群中較耐寒的,淘汰掉較不耐寒的個體,改變了整個族群可耐受的低溫平均值。
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全球大氣二氧化碳濃度迅速增加,直接或間接地導致氣溫上升而造成極端氣候,如不尋常的熱浪、乾旱或暴雨。隨著進一步的升溫,這些氣候「異常」搞不好會變成家常便飯而成「尋常」。

面對氣候的快速變遷,地球上的生物能夠來得及適應嗎?環境適應通常被認為是一種緩慢的過程,可是極端的環境擾動,可以提供好機會,來觀察天擇在野外族群的效應 [1]。

生態學家已經研究了這些異常氣候對生物族群的影響、物種分佈的變化、群落組成的變動,以及即將到來的滅絕等等。這些極端氣候有可能會造成物種的演化,可是很少被研究,因為這些事件比較罕見並且是難以預測的 [2]。

達爾文雀在大乾旱後,雀喙有了顯著改變

普林斯頓大學的演化生物學家 Peter R. Grant 和 B. Rosemary Grant 夫婦在加拉巴哥群島做了四十幾年研究,觀察到的達爾文雀就在大乾旱後,雀喙的大小和形狀有了顯著改變,成為教科書中的常客。普利茲獎作品《雀喙之謎》(The Beak of the Finch: A Story of Evolution in Our Time)就是描述他們的精彩故事。

然而只有鳥兒有案可查嗎?幸運的是,在 2013 年至 2014 年冬天,美國東南部遭受到不尋常的寒流,美國伊利諾大學香檳校區的演化遺傳學家 Shane C. Campbell-Staton 等人剛好在那裡研究綠變色蜥(Anolis carolinensis)。於是,他們趁機研究了蜥蜴對天寒地凍氣溫的反應。 Shane Campbell-Staton 在哈佛大學的 Jonathan Losos 和 Scott Edwards 實驗室唸博士班時就開始研究綠變色蜥的演化 [3]。

綠變色蜥,鱗片細小且呈顆粒狀,體背通常為綠色,但亦可依溫度、所處環境或情緒變深或變淺,甚至變成深褐色。雄性具有一個橘紅色的喉囊,示威時會展開,全長最大約 20 公分。牠們分佈在美國東南部從維吉尼亞州至德州。牠們是日行性樹棲蜥蜴,雄蜥領域性很強,以小型無脊椎動物為食。綠變色蜥是首個有全基因體序列的爬行動物,因此在進行遺傳學研究時有特別的優勢 [4]。

寒流對率變色蜥的影響

綠變色蜥的祖先幾百萬年前從古巴來到北美大陸,有些北方族群分佈至較冷的田納西州和俄克拉荷馬州。原本在美國墨西哥灣沿岸和東南部的亞熱帶棲息地,過去寒冷從不曾是個問題,但因為極端氣候才會有突如其來的低溫寒流。

他們發現,演化在一代的蜥蜴中就發生了!極端氣候事件是有可能產生形態和遺傳上的快速變化的。歷經寒冷之後,他們發現南部原本較不耐寒的蜥蜴展現出更好的耐寒性,他們並且利用轉錄體學(transcriptomics)和基因體學的方法,發現南方的倖存者的基因表現在歷經寒流後,表現模式更像北方較耐寒的族群。他們也發現有幾個基因體區域的變化,對於在寒冷中調節功能是重要的。這個發現發表在《科學》(Science)[5]。

來自得德州最南端的蜥蜴,在 2013 年至 2014 年冬天經歷了最多天的臨界最低氣溫,結果在下一個春天有較高的耐寒性。

是天擇之後的適者生存,不是對低溫的可塑性

這種轉變有可能是由於對低溫的可塑性反應,但他們排除了該可能性,因為在接下來的夏天,牠們還是比較耐寒。

因此該耐寒性就更可能來自遺傳變化,也就是天擇的結果,存活下來的個體是整個族群中較耐寒的,淘汰掉較不耐寒的個體,改變了整個族群可耐受的低溫平均值。

為了研究遺傳上的可能性,他們對寒流前後收集的 48 隻蜥蜴的肝轉錄體進行了定序。原理基本上是萃取出肝臟的 RNA 用作定序,那是 DNA 轉錄出的基因藍圖副本,主要用作轉譯成有功能的蛋白質。

轉錄體學的方法,是去定性和定量細胞表現出的 RNA。這就像商業間諜跑到工廠裡去收集工程師拷貝出來的藍圖副本有哪些,每種藍圖有幾份,從而估計產品的種類和數量來推測一家企業的投資方向。

他們比較了寒流前後的基因表現後,有了兩個發現:首先他們發現,有 14 個基因體區域有顯著變化,尤其是南部和受影響最嚴重的地區的蜥蜴。另外,有三組共同表現的基因有了變化。南部地區的寒流倖存者的表現更像是北方的族群,而北方的蜥蜴本身則沒有變化,大概是因為該處冬天沒有特別異常。

那些表現差異的基因,有一些是參與維持突觸功能和神經傳遞,以及與維持肌張力有關的神經傳遞物質。這些基因的功能與增加的耐寒性可能息息相關。

為什麼暖化會讓蜥蜴更耐難?

乍看之下,增加耐寒性和全球暖化無關。然而,地球氣候變化是極為複雜的。一個地區的地球物理擾動可能會在其他地區產生對比效應。例如,東部太平洋的聖嬰現象變暖給秘魯和厄瓜多爾帶來暴雨,但是對巴拿馬造成了乾旱。因此,全球暖化不僅更熱而已,也會讓一些地區的冬天變得更寒冷。

瞭解極端氣候事件如何影響適應性潛力將變得越來越重要,因為氣候變得更加波動。由於人為造成氣候變化,極端天氣事件的頻率和幅度很可能會大幅增加。 雖然研究是利用蜥蜴進行,可是氣候變遷的後果,是全球所有物種都要概括承受的,因此清楚這些事件的生物效應,對全球物種永續生存具有重要意義。

只是,我們對這個領域的研究,到底夠不夠到足以讓我們了解全球環境變遷所造成的影響?而這些研究成果,又能促成多少政策與行動?

參考文獻:

1) P. R. Grant. Evolution, climate change, and extreme events. Science 357, 451 (2017).

2) P. R. Grant et al. Evolution caused by extreme events. Philos. Trans. R. Soc. B 372, 20160146 (2017).

3) M. N. Bolotnikova. Extreme-weather Evolution. Harvard Magazine. August 8, 2017.

4) J. Alföldi, et al. The genome of the green anole lizard and a comparative analysis with birds and mammals. Nature 477, 587–591 (2011).

5) S. C. Campbell-Staton et al. Winter storms drive rapid phenotypic, regulatory, and genomic shifts in the green anole lizard. Science 357, 495 (2017).


運動科技新革命: IoT 結合數據分析,奧運跆拳銅牌羅嘉翎國手養成之路揭秘

運動科技為近年運動產業顯學,現在賽場上,不僅較勁各選手的體力及技術,更考驗各國科學技術導入,輔佐選手的程度。有效運用運動科技,不僅可避免傷害外,更能提升訓練品質,提升選手佳績。
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今年 8 月剛落幕的 2020 東京奧運,台灣選手獲得 2 金 4 銀 6 銅的 12 面獎牌,不僅寫下史上最佳參賽成績,且分別在 10 種不同項目奪牌,令各界大為驚艷。近年健康意識抬頭,下班後會自發去運動的人越來越多,種種現象顯示著台灣的運動風氣已逐漸成熟,而運動科技正是背後的隱形推手。

科技部致力推動產學界合作,結合運動科學、智慧科技與數據分析,輔助選手精準練習,用最有效率的方式提升表現,讓運動訓練不再是土法煉鋼。運動科技的應用也能幫助一般人,在日常生活中更聰明更健康的做運動。由於商機龐大,運動科技早已成為各國在運動競技賽事與產業發展積極佈局的新型態競爭場域,一起來看看它為台灣體育帶來了什麼樣的改變吧!

透過科技幫助運動選手了解自身狀態,穩扎穩打求進步

年僅 19 歲的跆拳道選手羅嘉翎,首戰奧運便打敗多國好手,一舉拿下銅牌。從小在道館長大,幼稚園就跟著爸爸、哥哥練習跆拳道,小學開始在國內比賽嶄露頭角,國二首次參加青少年國際賽事後更不斷奪金。然而,初生之犢的她,卻是好不容易才站上奧運這個舞台。

「小時候的確身高有優勢,但剛轉去成人組時還滿挫折的」,帶著青少年時期的亮眼成績,羅嘉翎在高一下加入跆拳道國家隊,被延攬至國家運動訓練中心(以下簡稱:國訓中心)接受國手培訓,「裡面都是大學的學長姐,訓練強度很高,剛進去時很不適應,那段時間比賽成績也不理想,晚上都會打電話給媽媽哭訴。」

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羅嘉翎分享,國訓中心的訓練方式很有系統,除了完備的訓練器材,還會透過科學儀器評估選手的運動表現,也定期使用生化檢測儀器,每月至少1次檢測疲勞度與血氧量,維護選手的身體健康。

「運動科技可以幫助我了解自己現在的狀態,還有需要加強哪些地方」,羅嘉翎表示,選手的日常就是不斷練習、調整好狀態,透過數據分析可以清楚知道自己的強弱項,「像我需要加強肌力,這樣訓練有方向,進步也會比較穩。」

沒有因挫折放棄跆拳道,羅嘉翎持續在國訓中心自我精進,再加上慢慢調整心態,她逐漸適應了高強度的訓練,也找回了享受比賽的初衷。

事實上,台灣自 2012 倫敦奧運以來,就沒有在跆拳道項目拿過獎牌,羅嘉翎也坦承因此感受到不小的壓力,「拿到奧運資格時我爆哭,但我不是被看好奪牌的選手,就想說放鬆去打。」沒想到放下得失心,反而幫助自己贏得了銅牌的好成績。

國立體育大學技擊運動技術學系副教授王翔星分享,針對跆拳道選手的檢測主要有3方面,包括以「線性位移偵測器」檢測選手連續 3 次跳躍的爆發力與穩定度,評估賽場上攻擊動作的力量輸出率;以及透過「測力板」檢測 50 毫秒發力率( RFD,Rate  of Force Development ),以觀察選手腳蹬地出發與踢擊到對手瞬間的力量表現;還有「慣性感應器」則是用來檢測選手的反應能力與速度。

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「現在的訓練方式跟以前差很多,得分的方式不同,教練的觀念也需要調整。」過去也曾是跆拳道選手的王翔星說,以往求勝心切的選手容易練到渾身是傷,現在藉由運動科技的輔助,能精準掌握練習進度,避免過度訓練、減少運動傷害,是更有效率的訓練方式。

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王翔星也表示,培育一名優秀的選手相當不容易,這幾年開始將運動科技帶進國、高中,就是希望能讓年輕選手儘早接觸到運動科技的專業訓練觀念,避免選手在早期生涯就受到嚴重的運動傷害而留下遺憾,未來能夠更上一層樓。

產業跨界結合,讓運動科技深入全民健康生活

目前 5G 正式邁入商業化,宅經濟當道,運動科技的應用也有了更多可能性。「台灣科技業的研發能量強大,運動產業也很有國際競爭力,我認為應該能結合兩者的強項來解決許多問題,例如居家健身沒人指導,該怎樣才不會受傷。」國立臺灣師範大學運動競技學系研究講座教授相子元表示。

相子元主修生物力學出身,被譽為台灣運動科技教父,同時擔任國訓中心運動科學小組總召集人。他很早就投入運動科技與產業結合的研究,作為科技部「精準運動科學研究專案計畫」的執行團隊之一,目前團隊已開發出將壓力感測科技應用於智慧鞋、科技運動襪、機能衣、自行車功率表等產品。

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相子元認為,運動科技商品在亞洲市場很有潛力,目前台灣主要發展在 3 大面向:競技運動,如跆拳道、舉重、射箭;職業運動,如棒球、籃球;全民運動,如自行車、慢跑等。舉例來說, LPS(Local Positioning System ,局部定位系統)運用在團隊運動的訓練上,能讓教練、選手清楚知道跑位陣式,取代傳統手寫戰術,目前 NBA 美國職籃、國際足總FIFA的隊伍也都採用此技術。

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台灣選手在東奧打出亮眼成績值得喝采,相子元期待未來運動科技能協助更多選手精準運動、達到更好的表現,放眼 2024 巴黎奧運,並幫助更多人養成規律運動的習慣。接下來行政院主辦的「台灣運動x科技產業策略( SRB )會議」也即將登場,希望加深運動與科技產業的對話交流,讓運動科技越來越深入全民的生活。

SRB策略會議暫擬4大議題:

  1. 運動×科技產業升級創造新價值
  2. 智慧育樂創新服務建立營運新模式
  3. 融合科研成果與創新科技發展智慧新應用
  4. 台灣智慧育樂跨域環境整備

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