科學人 9月號/2019 第211期

複雜動物華麗崛起
過去認為複雜動物起源於寒武紀大爆發，根據新化石證據和古代海洋化學的分析結果，科學家發現複雜動物出現的時間比寒武紀還早。

撰文／伍德（Rachel A. Wood）
翻譯／王心瑩

身處西伯利亞，站在巨河周圍的陡峭白色懸崖頂，你會在地球生命史上的重要地點留下足跡：此處是5億4100萬年前的地質交界，介於前寒武紀和寒武紀之間。這條分界線下方的岩石僅含有少量的化石殘餘物，是軟體生物和少數有殼生物鬼魅般的印記。如果敲開緊貼著交界處上方的任一處岩石，會看到裡面塞滿了殼；再往上爬一點，三葉蟲等熟悉的化石生物出現了。這些變化所記錄的是演化史上最重要的事件之一「寒武紀大爆發」（Cambrian Explosion），但我們對此所知甚少。
數十年來，科學家認為複雜動物（可分化出各種組織的多細胞生物）起源於寒武紀大爆發。沒錯，這段時期突然冒出大量的新種生物，包括現今許多主要動物類群的祖先。從近期挖掘自西伯利亞、納米比亞等地的化石看來，複雜動物其實源於前寒武紀的最後一段時期，比寒武紀大爆發還早數百萬年，稱為艾迪卡拉紀（Ediacaran）。這些化石包括已知具有內、外骨骼的最古老生物，其骨骼由礦化組織構成，這種重要的演化革新可在現今許多動物身上看到。
這類盔甲動物出現的時間可以往回推至5億5000萬年前，表示過去認為推動寒武紀大爆發的生態和環境壓力，其實在更久之前就開始運作。我們得先釐清這些因素如何在艾迪卡拉紀塑造出演化最早期的複雜動物，才能了解隨後在寒武紀突然出現的驚人生物多樣性。
150多年來，寒武紀的化石記錄一直是受到關注的研究主題，因此寒武紀化石出現的時間和地點已經建立相當清楚的全球模式：好幾個出現在不同大陸的相似化石應屬於同一時期，它們依循的相同演化步驟也約莫同步發生。但現今發現一些更古老的艾迪卡拉紀化石，讓我們逐漸了解寒武紀大爆發的根源。
可喜的是，多虧新的地球化學技術發展，我們得以重新了解艾迪卡拉紀－寒武紀不斷變動的海洋化學狀態，逐漸推敲出寒武紀大爆發為何且在何時發生。整合最近新發現的化石和地球化學記錄，可以顯示出地球系統（生物圈、岩石圈、水圈和大氣圈的統稱）在這段期間如何運作。我們描繪出明確的圖像，顯示寒武紀大爆發的數千萬年前，海底逐漸成為較複雜生物的居所，為我們所知的動物崛起做好準備。

最古老的動物不會移動
最久遠的古代動物證據恐怕不是可辨識的化石，而是有機化合物的殘餘物，稱為生物標記（biomarker）。研究人員在保存非常良好的岩層找到這類由甾烷（sterane）形成的特殊生物標記，地點是阿曼的一處沉積序列，稱為胡格夫超群（Huqf Supergroup），至少有6億5000萬年的歷史。有些專家認為，這些甾烷是一種特殊的海綿類群所獨有，因此胡格夫岩層出現這些分子，即證實這些動物在非常早期就出現。然而，並非所有科學家都認同甾烷是海綿所獨有。確實，今年4月發表的一項研究便指出，甾烷也是一群單細胞阿米巴原蟲的特徵。
值得討論的是，最古老動物化石也受到類似的質疑，它們出自中國南部的序列岩層，稱為藍田地層（Lantian Formation），可能有6億3500萬年這麼古老。有些研究人員認為，這些微小的軟體動物有觸手狀構造，可能與珊瑚或水母的起源有關，但這些化石保存的樣貌不夠完整，無法提供明確的解釋，許多研究人員不相信它們代表任何一種動物。
目前最古老的動物化石出自紐芬蘭，定年為大約5億7100萬年前，當時最後一次區域性的「雪球世界」（Snowball Earth）冰河期才剛結束，大半個地球都包圍著厚冰。牠們是艾迪卡拉紀生物群已知最早的代表性生物，主要是長寬達一公尺的軟體動物。有些具有巨大的羽狀葉形構造，直立的莖幹根植於海底；其他則蔓生於海底，平坦的身體呈現碎形結構，分枝單位在各種尺度都呈現相同的型態。由於所有體型的呈現達到最大表面積，表示這些動物是直接從周遭水中吸收養份。
這種緩慢而溫和的動物相變化持續了1000多萬年，演化步調突然加速。根據化石記錄，大約在5億6000萬年前開始，艾迪卡拉紀的生物群變得多樣化，包括居住在淺海的可移動生物。有些化石保存了刮痕，顯示動物進食時會擦過藻類團；其他動物則可能拖著身子穿越藻類，從身體下方吸收養份。最早的簡單洞穴大約也出現在這個時期，顯示動物已開始搬移和擾動海底的沉積物。
時間快轉到大約5億5000萬年前，保存著內、外骨骼的最古老化石突然出現在石灰岩層裡（主要由碳酸鈣構成）。這些化石的大小和型式十分多樣，而且出現在相隔遙遠的地點，像是西伯利亞、巴西或納米比亞。在這個時間點，全世界有這麼多無親緣關係的動物類群都出現骨骼，這正是主要的演化驅動力在全球運作的證據。雖然無法確知究竟是哪種力量，但我們設想：建造骨骼需要耗費很多能量，因此對於採取這種策略的動物來說，獲得的好處一定要能超越付出的代價。動物建造骨骼的原因可能有很多，但目前最常見的說法是牠們需要抵擋掠食者。這段時期沒有化石證據顯示有掠食者現身，但是骨骼已經出現了，表示可能有些動物開始吃其他的動物。

維牛瘟疫苗傳奇

撰文／李家維

東非衣索比亞的鄉間，有個四歲的男孩盯著院子裡飛跑的小雞仔，好奇牠那兩條腿怎麼能動得如此之快？他找了把刀子剖開雞腹，露出肚腸，拿著問母親：是腸子拉動腿嗎？驚聞尖叫而衝來的鄰居們，目睹暈昏倒地的婦人和她滿手鮮血的稚子。這個孩子被認定是邪靈附身，該丟進水塘裡驅魔，險遭溺斃。再過兩年，這男孩練就了徒手捕蠅的本領，又好奇牠怎麼能飛？於是拆腳又去頭，結果發現無頭蒼蠅仍照常飛翔。找來後母示範之，她興奮飛奔尋其父，大聲嚷叫：我們有個天才兒子！
這是今年8月美國國家科學院院士伊爾瑪（Tilahun Yilma）在吳健雄科學營演講的開場故事。76歲，皮膚黝黑，他是科學營20多年來近百位講座大師中唯一的非洲裔。傑出的成就和生動的演講，贏得陣陣掌聲。
1888年，義大利入侵衣索比亞，帶進三頭病牛，一年內導致超過90%的牛隻及無數野牛、長頸鹿及羚羊暴斃，30~60%的衣索比亞人因此餓死。少年伊爾瑪曾聽祖母訴說牛瘟之恐怖，即立志當獸醫濟世。1970年伊爾瑪在美國加州大學戴維斯分校獲獸醫博士學位後，旋即回國主持國際資助的滅牛瘟行動，在兩年內為1億2500萬頭牛注射疫苗，成果顯著但不澈底，因為這疫苗貴又不耐熱，非洲各國缺針頭及冰箱，1980年牛瘟再度大爆發。
1986年伊爾瑪回母校任教，著手研發新疫苗，將牛瘟病毒的兩個表面蛋白的基因，轉殖到弱化的活天花病毒內。一年後，合成了首個遺傳工程疫苗，發表於《科學》雜誌。新疫苗耐熱又不需注射，在牛肚磨破皮、敷上即可，抗病力近100%。更重要的是牧民可自製疫苗，把牛肚上的結痂磨成粉，就足夠讓25萬頭牛免疫了。
如此低廉又有效的新疫苗，當然引起西方藥廠的強力杯葛，歷經重重困難，1997年終於獲准在非洲施用。2011年聯合國糧農組織宣佈牛瘟在世間絕跡，這是繼天花之後，人類與病毒相抗的另一成功案例。儘管伊爾瑪有如此巨大貢獻，卻不容於衣索比亞的獨裁政權，流亡美國26年不得歸返。但形勢已變，去年衣索比亞有了新政府，這個月他將以國家英雄的身分返鄉，誓言用餘生助祖國及非洲重建。
醫藥資源在非洲仍嚴重匱乏，〈預防接種 擴大預防？〉則是發生在西非幾內亞比索的案例，讀來令人心酸，世間需要更多位伊爾瑪。

【關於封面】近年多樣的新證據顯示，可分化出各種組織的多細胞生物，初登場時間比寒武紀早了數百萬年，這群複雜動物演化出骨骼、具有特殊型態，在「艾迪卡拉紀公園」裡生活，為華麗的生命揭開序幕。

演化
34 複雜動物華麗崛起
文／伍德（Rachel A. Wood）
過去認為複雜動物起源於寒武紀大爆發，根據新化石證據和古代海洋化學的分析結果，科學家發現複雜動物出現的時間比寒武紀還早。

物理學 
42 瘋狂火箭夢 前進太空
文／史柯爾斯（Sarah Scoles）
傳統火箭既笨重又效率低，無法載著人類造訪恆星，有些科學家因而大膽挑戰物理限制，以設計新奇的推進系統。

醫學
50 預防接種 擴大預防？
文／穆易爾（Melinda Wenner Moyer）
在疫苗接種計畫中適時採用活性減毒疫苗，能發揮額外的預防效果？這個新理論引發許多爭議。

生物科技
60 一顆蛋儲存全世界
文／達爾曼（James E. Dahlman）
利用DNA做為產生與儲存資訊的工具，將能為巨量資料的時代帶來新革命。

氣候變遷
66 今後的天氣，很不妙
文／佛朗西斯（Jennifer Francis）
氣候變遷如何使得全球各地冬季風暴、滂沱大雨及盛夏熱浪變得更為劇烈？近年來的天災可見端倪。

永續發展
74 比海堤更好的選擇
文／賈可布森（Rowan Jacobsen）
強化濕地比興築高牆更能保護海岸線。

82 台灣還需要消波塊嗎？
文／林宗儀
台灣不論是東部岩岸或西部砂岸，大量消波塊盤據海岸線，猶如城堡圍牆圈繞整座海島，展現「堡」島威力。這是什麼原因造成的？台灣的海岸線究竟怎麼了？


科學人觀點
6 茶，喝茶好，喝好茶，強身安心！ 文／曾志朗 

總編輯的話
8 牛瘟疫苗傳奇 文／李家維 

10 讀者論壇   

14 科學人新聞
落跑大白鯊
保住呼吸
笑聲洩露你們熟不熟
捍衛身體自主不該付出代價
鳥類的夜間飛行警示
預測磁暴大停電
一覽世界科技進展
磁波蕩漾
視網膜中的神秘油滴
破碎的河流

形上集
26 葛爾曼兩三事 文／高涌泉 

教科書之外
28 轉啊轉，從撞球到地球 文、圖／陳文盛 

數往今來
30 數學文化的饗宴 文／李國偉 

網上世代
32 不只老大哥，小兄弟也在看著你！ 文／莊庭瑞 

專家看新聞
86 氣候變遷對策奇想 文／傑克森（Rob Jackson）、卡納德爾（Pep Canadell） 

健康與科學
88 嬰兒食物過敏新解 文／華立斯（Claudia Wallis） 

新創未來
89 科技大減速 文／羅許（Wade Roush） 

科學用於社會
90 小孩應該學程式設計嗎？ 文／涂費克奇（Zeynep Tufekci） 

反重力思考
92 從數字看宇宙 文／米爾斯基（Steve Mirsky） 

聊聊科學人
94 為萬物說故事的人──徐建國 文／陳其暐 

生物手記
98 千元大鈔上的新種植物──塔塔加薊 文／張之毅 

科學人書摘
102 《物種起源》作者的心路歷程 文／摘自《不情願的達爾文》 

圖表會說話
106 北冰洋病毒活躍 文／菲謝蒂（Mark Fischetti）、圖表／克里斯提安森（Jen Christiansen） 

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