大芻草(teosinte)真的是玉米的祖先嗎？ - PanSci 泛科學

基因分析可以幫我們很多忙，但有時基因分析也會帶來一些疑問。

解答有時也出乎意料。

看過大芻草(teosinte)的人，如果知道它被認為是玉米的祖先，一定會說：你開玩笑吧 ... 000文字分享友善列印000專欄植物王國泛科授權2.0生命奧祕大芻草(teosinte)真的是玉米的祖先嗎？葉綠舒・2014/02/06・1023字・閱讀時間約2分鐘・SR值504・六年級＋追蹤基因分析可以幫我們很多忙，但有時基因分析也會帶來一些疑問。

解答有時也出乎意料。

看過大芻草(teosinte)的人，如果知道它被認為是玉米的祖先，一定會說：你開玩笑吧？看一下下面這兩張照片，就可以瞭解他們相差多少。

大芻草(teosinte)圖片來源：維基百科玉米。

圖片來源：維基百科如果再看一下果實，應該很多人會覺得，大芻草不是玉米的祖先！大芻草（左）與玉米（右）的果實。

中間為大芻草與玉米的雜交種。

圖片來源：維基百科說真的實在也差太多，而且聽說大芻草的果實又硬、種皮又厚，我們的祖先如果覺得這樣的東西能吃，真的也太不挑嘴了。

更何況，大芻草的果實並不是一起成熟的，而是在一個月之中先後成熟[1]，所以難吃也就算了，還要一直回去收穫這些又小、又硬的種子……我們的老祖宗胃口也太好了吧！還是飢不擇食？其實並不是這樣。

最近在史密森國家博物館和史密森熱帶研究所進行南美考古自然歷史的DoloresPiperno發現，當他們把大芻草種植在跟現在不一樣的環境─攝氏20.1到22.5度，260ppm的二氧化碳─他們發現大芻草不再看起來像野草了[2]。

在這樣環境（接近12,000-14,000年前的環境，大約在那個時刻大芻草被人類馴化成為穀物）下生長的大芻草，不再長出那麼多的分支、雌花由葉腋長出、雄花長在頭頂，也就是說，它看起來像現在的玉米了。

http://images.sciencedaily.com/2014/02/140203093837-large.jpg除此之外，在仿古氣候下生長的大芻草，它的果實在同一時刻成熟。

這也讓大芻草在當初成為食物的選擇更合理。

就算飢不擇食也不能吃那麼小那麼硬的果實吧！研究團隊使用的仿古氣候，大約比現在低攝氏2-3度，二氧化碳的濃度也只有現在的一半。

他們同時也發現，當他們把二氧化碳的濃度調到405ppm（現在的濃度）時，大芻草長得就像我們過去看到的那樣，令人懷疑我們的祖先是否太不挑剔。

我們都知道環境可以影響生物的表現型(phenotype)，所以有所謂的「表型可塑性」(Phenotypicplasticity)。

但是像大芻草這樣，對環境的反應如此之大，倒也是過去從沒有想到過的。

這幾年氣候愈來愈熱，臺灣的稻米似乎也遇到了一些問題，但是我們不可能把每一塊稻田都變成一個大溫室（那太耗能源了），是否有人想到要培育或引進一些耐熱的品種呢？或許對二氧化碳的敏感度也要一併思考喔！ 參考文獻：2014/2/6.ScienceShot:Whatdidcorn’sancestorreallylooklike?2014/2/3.ScienceDaily.Greenhouse‘timemachine’shedslightoncorn 國中生的科普素養閱讀平台:《科學生》，素養強化訓練今天就展開!相關標籤：二氧化碳濃度大芻草玉米表現型熱門標籤：大麻量子力學CT值女科學家後遺症快篩時間文章難易度剛好太難所有討論 0登入與大家一起討論葉綠舒262篇文章・ 7位粉絲＋追蹤做人一定要讀書（主動學習），將來才會有出息。

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採訪撰文／歐宇甜、黃曉君、簡克志美術設計／林洵安、蔡宛潔神經科學與視覺我們怎麼「看到」顏色，「察覺」東西在動？大腦如何產生視覺？中央研究院「研之有物」專訪院內細胞與個體生物學研究所所長李奇鴻，他是國際知名的神經科學家，過去長期在美國國家衛生院（NationalInstitutesofHealth）做研究，2018年回到中研院貢獻自己所學。

李奇鴻的實驗室主要是以果蠅視覺系統為模型，研究神經元如何在發育過程形成複雜的突觸連結，以及神經迴路如何產生視覺來引導動物行為。

李奇鴻是國際知名的神經科學家，研究神經迴路如何產生視覺來引導動物行為。

圖／研之有物技術帶動神經科學研究神經系統如何運作？這對以前的科學家來說是黑盒子。

由於大腦發生錯誤或出問題時，會直接表現在外在行為上，早期科學家想了解人腦運作機制，只能透過腦部哪裡受傷壞掉或中風等，知道腦部的大概功能區域，但沒辦法進入細胞層次。

「在生物學的發展上，除了需要有智慧的思考，其他都要靠技術去推動。

你可能想到一個有趣的題目，但也許要30年後，才出現足夠的技術來解決問題。

」李奇鴻舉例，從光學顯微鏡、電子顯微鏡、電生理技術、分子生物學到結構生物學發展，每個都在細胞、分子、及系統層次開啟了新的世界。

隨著顯微技術與遺傳工程日益完備，果蠅成為現今熱門的腦科學研究對象。

李奇鴻指出，「果蠅的生長速度快，相較老鼠要幾個月成熟，果蠅只要兩週。

果蠅的大腦複雜程度介於人和單細胞生物中間，結構跟人高度相似，成果可應用在人身上。

」因此，近10幾年來是神經科學大起飛時代，科學家透過遺傳學方法控制果蠅的神經元活性、觀察行為，藉此了解哪些基因會影響大腦發育和運作，逐漸破解神經迴路的奧祕。

「我在選博士後研究時，想到底要做線蟲、老鼠、魚、果蠅或其他模式生物？最後才選果蠅。

回想起來，近年剛好碰到果蠅相關技術蓬勃發展，選果蠅是很正確的決定！」李奇鴻笑道。

李奇鴻引用知名神經科學家DavidMarr的三層假說（tri‐levelhypothesis），認為大腦運作有三個層次：Computationlevel（運算）：神經系統在做的事，如分辨顏色、觀察東西移動、辨認物體是圓是方、是蘋果或橘子等。

Algorithmlevel（程序）：神經系統的操作方式、程序怎麼做。

 Implementationlevel（實行）：神經系統如何透過神經元、神經網路來達成這個程序。

李奇鴻表示，「過去多數神經科學家都在討論computation，再探究algorithm，卻沒辦法解決implementation。

現在因為具備技術，科學家終於能找出implementation，再回推上層問題，甚至發現algorithm跟原本想的不一樣。

」視網膜感知系統怎麼運算？關於神經系統的操作方式（Algorithmlevel），也有因為技術進步而解決爭議的案例。

李奇鴻舉例，以前神經科學家在研究視覺系統感受物體運動的機制，曾出現幾種理論，HR理論認為神經訊號是用乘法，另一派BL理論認為是用減法，爭議了很久。

近年科學家發現，原來視網膜感知系統的運算機制是混合的，一共三種，稱為HR-BL混合視覺運動偵測器。

過去兩派都只對了一半。

關於視網膜感知系統的運算機制，過去HR理論和BL理論都只猜對其中一種方向（打勾處）。

資料來源／CurrentBiologyHassenstein-Reichardt（HR）模型：從昆蟲行為研究而來。

當有偏好方向（從左到右）的視覺刺激出現，左邊的光感應神經元收到訊號，這個信號會被延遲（時間τ），接著右邊的光感應神經元收到訊號，兩者的訊號會同時到達下游的神經細胞（X），訊號將會相乘，生成運動訊號。

當有非偏好方向（從右到左）視覺刺激出現，兩個訊號會在不同的時間到達，不會生成運動訊號。

Barlow-Levick（BL）模型：從兔子電生理研究而來。

當有偏好方向（從左到右）的視覺刺激出現，左邊的光感應神經元收到訊號，接著右邊的光感應神經元收到訊號，但它為抑制訊號且會被延遲（時間τ），左邊的訊號會先到達下游的神經細胞，生成運動訊號。

當非偏好方向（從右到左）視覺刺激出現，左、右兩個光感應神經元的訊號會在相同時間到達，刺激訊號和抑制訊號互相抵銷，不會生成運動訊號。

持續分析果蠅大腦的神經迴路！近代電腦的所有運算都能用and、or、Xor三個邏輯閘表達，科學家想知道，大腦裡有沒有類似但更高階的神經迴路運作方式？「從感官到行為比較容易觀察和操作，目前在視覺運動方面的神經迴路運作，我們知道的最多。

」李奇鴻近年在做昆蟲視覺與行為研究，發現昆蟲在感受顏色，如綠光和紫外光時，感光細胞的處理方式是先將紫外光跟綠光的強度做比較，把兩個光的強度相減，讓原本兩個訊號變成一個訊號，所謂的「顏色拮抗」。

「這種神經迴路能解析、比較兩個顏色強度的差異性，因為大部分在視覺上最重要的正是對比。

拮抗運算模組能在一片訊號裡找出哪裡最強、其他較弱。

其他感官機制也一樣，像觸摸物品時有凸出來的部分較重要，聽覺上要找出哪個聲音特別高等，讓最重要的訊號能凸顯出來。

」李奇鴻補充道。

2021年李奇鴻的團隊首次發現果蠅視覺系統堆疊了多套拮抗運算模組，以達成顏色及空間接受域雙拮抗的效果，成果發表在《CurrentBiology》。

這樣的神經迴路可以比較相鄰的顏色，產生色彩區間對比感。

「沒這樣的功能，我們就看不出紅配綠很悲劇了！」李奇鴻笑道。

科學家們正努力鑽研果蠅大腦的神經運算迴路，希望逐步整理出基本運算模組。

或許有一天，看似複雜的大腦功能，都可能用基礎的迴路來破解！李奇鴻實驗室所發現的顏色及空間接受域雙拮抗神經迴路。

R1-R6是吸收頻率範圍較廣的光接收器（輸出刺激訊號），R7是吸收紫外光的光接收器（輸出抑制訊號），R8是吸收綠光或藍光的光接收器（輸出刺激訊號）。

從R1-R8接收光，輸出到神經細胞Dm8之後，會形成顏色拮抗效果。

此外，相鄰的Dm8之間透過特殊的氯離子通道GluClα中介，會產生側向抑制作用（Lateralinhibition），形成空間拮抗效果。

資料來源／CurrentBiology老師是怎麼走上研究大腦神經科學這條路呢？「我滿晚才走上科學研究的道路。

我對電腦有興趣、喜歡寫程式，大學上中國醫藥學院醫學系，家裡也希望我當醫生。

不過在實習時，我發現自己對治療病人沒興趣，反而對問題或疾病本身更有興趣。

跟幾個老師談過之後，我決定不當醫生，跑去清華大學讀生命科學，後來就到中研院。

」因為有醫學背景，一開始比較想做能立刻解決問題的研究，像是用蛋白質跟毒素的綜合體來治療癌症。

但後來了解，如果沒有深刻了解致病機制、沒有鑽進基礎科學研究，很難有突破。

後來去美國洛克斐勒大學攻讀博士，在洛克斐勒讀書期間，大家常互相交流，對我有很大的啟發。

那時我在鑽研結構生物學，希望了解疾病真正的生理過程，曾解開愛滋病病毒跟人體信號傳遞有關的蛋白質結構。

博士畢業前，我接觸到神經科學，感到很有興趣，就去加州大學洛杉磯分校（UCLA）讀博士後，學神經科學裡的發育學，想了解大腦在發育過程是如何用不同分子在細胞間傳遞訊息。

那時我待在很大的實驗室，老師不太管學生，要自己想辦法或跟旁邊的人學習，很多人素質都很高，學習環境很好。

之後我進入美國國家衛生院（NationalInstitutesofHealth，NIH）開始開實驗室帶自己的團隊，待了16年，算是真正進入神經科學領域，直到現在依然在做相關研究。

每個人的人生選擇，都被以前的經歷主導，如果沒有醫學背景，恐怕我不會去學結構生物學或走入大腦神經科學領域。

老師在美國的研究很順利，那是什麼契機才決定回臺灣呢？回來後是否有不適應之處呢？「我26歲出國，在美國也待26年，幾乎完全融入美國生活，實驗室運作得蠻好，連太太也是美國人。

但在美國很多年後，內心出現一個很深感覺：我在臺灣待過這麼久，臺灣是我進入科學的起點，也許該回來教教臺灣的子弟。

」剛開始有些想法，曾受邀回臺演講幾次，但沒有下決心。

後來出現一個重要轉捩點。

中研院分子生物研究所30週年慶時邀我回來演講，那時有機會跟歷任所長聊天，這些所長中許多是我過去在中研院碰過的老師。

聊了後感觸很深，發現每任所長都要面對分生所的成長或各種問題，每個所長都有獨到的見解和重要貢獻。

我看到分生所運作得很好，覺得非常感動，內心想：也許我回來能效法他們，也許對中研院細胞與個體生物學研究所的發展能有一點點實質貢獻。

雖然如果待在美國國家衛生院，我也會有這樣一個機會，但還是想帶自己的子弟，把力氣用在自家子弟身上，讓自己的國家和組織進步。

我想將在美國國家衛生院學到的經驗，像哪些組織可以運作、哪些不行，嘗試帶回臺灣。

我很清楚可能碰到的問題，像科學研究會受影響，要重新花幾年時間建立實驗室，但那次契機讓我徹底下定信心。

我曾跟廖俊智院長開玩笑，就算不給我錢，我大概也會回來。

因為真的覺得這是一個很好的機會，自己能為中研院、為臺灣做些事。

畢竟中研院也一直都像我的家！不過，畢竟過去在美國實驗室和家裡都是講英文，只有打電話給媽媽會說臺灣話，因此，2018年剛回臺灣時，國語講得不太流利，臺灣話反而比較流利。

老師覺得美國的研究環境有哪些優點？希望將什麼樣的新觀念、新風氣帶進臺灣呢？「國外最大特點是學術交流很頻繁，雖然國內也蠻頻繁，但他們交流層次更深入。

也就是說，我跟參與的老師交流之後，常能改變想法、做事方法或方向，且是正向的改變。

」國外老師受邀演講，會很積極在幾小時內一直談，在一天中完全沉浸其中，不單講出自己在做的東西，也要求聽眾給予批評或建議等，彼此有深度交流，我每次參加都覺得收穫很多並產生合作可能性。

國內我的經驗是，演講結束後比較缺乏機會跟其他老師深度溝通，領完演講費就屁股拍拍坐高鐵回來。

這可能是國內的慣有模式，我覺得需要改變。

現在所內我也要求大家，既然花錢請老師來，一定要做深度交流，請對方給予建議。

重要的不是形式或邀到諾貝爾獎得主之類，而是在演講結束後、這個人走出我的辦公室、這些人離開後，對我做的事或做事方法，是不是有什麼實質的改變？在其他科學家交談中是否能得到啟發，改變自己的思考或做實驗方式？或聽聽別人告訴你，你還有哪些沒想到的地方？分享，也是一種很重要的技術，在交流過程中，當我們可以把一件事講清楚，自己也會茅塞頓開，知道問題在哪。

現在所裡的計畫是把老師分成各種不同興趣小組，組內做交流或有跨組活動。

其餘像寫計劃、申請經費、經營實驗室或撰寫並發表文章，這些是基本技術問題。

做任何工作，一個是基本的核心技術，如果沒有「技」就無法生存；另一個是「藝」（Art），可以驅動你一直做下去。

訓練人才時，除了培養技術，還要訓練Art。

老師提到工作上需要Art，科學家的Art是指哪些部分？可以說明得更詳細嗎？「我想在科學裡面，Art有很多面向。

例如，你怎麼選擇一個問題，怎麼找切入點，如何把一個大問題拆成幾個可攻破的部分，一步步去解開，這是一種Art。

尤其在選擇問題和切入點上，要有獨特的見解或洞燭先機才能成功。

」科學家必須創造有用的知識。

什麼叫有用的知識呢？就是聽到學到後，會改變你想事情的方向或做事的方法。

很多東西都可以研究，只要科學方法夠嚴謹，都可以得到一些知識。

但到底要選擇什麼題目呢？什麼叫做有趣的問題呢？評斷這些就是科學的Art。

如果說在人類前面是一個黑暗深淵，知識像光照亮我們前面的路，科學家就像站在最前面，要知道如何踏出那一步？怎麼踏出去？這是Art。

當科學家看到一個問題、問題成形後，最重要的關鍵是如何選擇一個核心問題去解決。

就像玩拼圖時，要放下去最核心、最重要的那塊拼圖。

我回到臺灣後，覺得這裡的研究環境很好，儀器不輸人家，老師很優秀。

但可能我們多半只是關注自己的研究，沒有花時間認真去思考，最重要的一塊拼圖在哪裡？當我們有更深度的交流，才能找到最核心的那一塊，做出最重要的貢獻。

李奇鴻說，科學家必須創造有用的知識，也就是會改變做事和想事情方法的知識。

至於要選擇創造什麼知識，需要用Art來判斷。

圖／研之有物老師在國外的實驗室時是如何帶領研究團隊呢？對年輕的科學家有什麼樣的期待嗎？「在碩士、博士訓練中最重要的關鍵，是從「讀」科學變成真正「做」科學。

我們攤開一本教科書，看到裡面講這個、那個，只是讀人家的科學。

即使去念了原始文章，仍然是看著科學怎麼被別人做出來而已。

」自己真正做研究才知道，教科書上每一頁、每一句，背後都可能有數千篇文章支持，那時才知道自己很渺小，懂得謙虛，了解自己一生能做的有限。

所以，每次要跨出一小步，要想該怎麼跨最有效率、得到最大效果。

我認為，在碩士班或博士班，最重要的就是了解這種感覺。

有些學生可能覺得，反正我很渺小，世界這麼大，即使做一輩子，即使最成功的科學家，也不過是得到教科書上面的一句話而已，我怎麼做都沒關係啊。

但我們必須帶領學生了解，這個計畫不是老師叫你做才做，而是讓學生覺得這個計畫是自己的，有前進和發展的空間，就像自己的小孩，必須負責。

以前在碩、博士班，剛開始學會技術、實驗做出結果，或能像人家一樣發表文章，會很高興，但這很短暫，真正的轉捩點是我知道有什麼事，是全世界任何人都不知道的那種驕傲，才是真的能支持很久的。

我還記得在某一天做到早上五點，從實驗室走出來，知道有個東西全世界只有我知道的喜悅！當學生曾感受這種發現真實的快樂，你不用規定他早上幾點來、晚上幾點走，他自己就有動機做。

當一個人想這東西應該是怎樣，想辦法做實驗證明出來時，那真的是一種快樂。

我想，這是任何其他行業都沒辦法比較的！學生是要培養成未來的科學家、獨當一面，應該讓他自己走。

即使在你看得到的地方，也要讓他自己走出來，而且，他自己想到的，比你告訴他來的有用。

其實，我當老師最興奮時，是學生告訴我那些我不知道的事，會覺得很喜悅，學生想到我沒想到的東西，表示他們有進步，比我還厲害，這很棒！延伸閱讀Neuralmechanismofspatio-chromaticopponencyintheDrosophilaamacrineneuronsVisualMotion:CellularImplementationofaHybridMotionDetectorVision:Spaceandcolourmeetintheflyopticlobes 國中生的科普素養閱讀平台:《科學生》，素養強化訓練今天就展開!相關標籤：大腦果蠅生物神經元神經科學科學家訊號熱門標籤：大麻量子力學CT值女科學家後遺症快篩時間文章難易度剛好太難所有討論 2登入與大家一起討論#1狐禪2022/04/11回覆按邏輯程序解決問題是科學，看出解決問題的苗頭是藝術，相信科學可以帶來問題的解答是宗教。

#2鄭國威Portnoy2022/04/13回覆這篇很讚研之有物│中央研究院21篇文章・ 8位粉絲＋追蹤研之有物，取諧音自「言之有物」，出處為《周易·家人》：「君子以言有物而行有恆」。

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