當台灣現生動物學與動物考古學走在不同的道路上

朱有田｜國立臺灣大學動物科學技術學系副教授

臺灣位於亞洲大陸的最東邊，島上許多動物經歷多次冰河時期，隨著陸橋的出現與消失，加上晚近人類遷徙等因素，導致物種的隔離分化、交流，甚或因人類行為而滅絕。動物考古學（Zooarchaeology）的研究，可以提供過去臺灣野生動物與人類及自然環境互動的證據。當今，分子生物技術學、生物資訊學、動物形態學（Zoomorphology）、生物地理學（Biogeography）的進步，也促使現今動物考古學必須與這些科學緊緊結合，以獲得更精確的研究結果，得以更宏觀的角度來檢視過去與現在動物相的變化，以探究氣候變遷對於動物演化的影響、或人類馴化對動物性能與形態的改變影響，甚至不同物種間的遷徙與雜交的轉變。臺灣雖然是個小島，但特殊的地理位置與豐富的地質性質（陡峭高山的地理隔離與豐富氣候類型），符合做為上述研究的條件。既然條件如此優渥，為何迄今臺灣動物考古學的研究仍無法獲得明顯進展？欠缺現今生物學、考古學與化學領域的整合，缺乏紮實完整的動物基礎資料庫可能是主要的原因。

過去，生物學家進行動物分類時，多以地理分布、外觀形態、骨骼形態、生殖、行為、食性或棲地選擇等特徵，做為分類的基礎。由於這些特徵易受環境影響，且量測與定量上較困難，運用在某些物種的分類上仍有爭議。1953年Watson與Crick兩位學者證實DNA為雙股螺旋結構後，DNA的複製與在遺傳演化上的機制與地位才被瞭解。1965年，Zuckerkandl and Pauling提出DNA與分子鐘（molecular clock）的概念：DNA或胺基酸序列會隨著演化而進行突變，因此這些突變的DNA可以作為內建之生物時鐘，記錄生物過去的演化事件。DNA非常穩定，亦不會受環境影響而改變核苷酸序列；再者，利用DNA遺傳密碼作為親緣關係（phylogeny）分類或演化依據，常以核苷酸序列或以對偶基因座（locus）上之對偶基因（allele）頻率與基因型頻率（genotype）為計算依據，故量化上較明確，所得到的數據可經由計算統計得到較明確的結果。但利用DNA資訊進行現生動物或遺址出土動物遺留的研究真的是無往不利嗎？本文藉由幾個獲得遺址出土動物遺留中DNA資訊之技術原理來探討這些研究的困境與學術整合的重要性。

獲得遺址出土動物遺留DNA：從遺址出土動物遺留獲得DNA的研究中，以選擇及判斷樣本保存狀況為優先步驟，考慮因素包括樣本所在環境、樣本完整性、樣本是否已碳化？有無受微生物破壞？等等客觀因素。通常，牙齒因有珐瑯質保護，長骨外層緻密骨（compact bone）組織緊密，較不易被微生物侵入而破壞，保存完整DNA的可能性較高，因此常以這兩種生物遺留為抽取DNA的優先物件。然而臺灣環境潮濕，許多遺址靠近海邊，樣本含鹽量高，不利於抽取純化古代DNA（ancient DNA）。得到候選樣本後，須先以去離子水清洗，然後在密閉負壓環境中，用牙醫電鑽（drill）鑽取骨頭內骨粉（如圖ㄧ），再以蛋白酶（protease）與清潔劑（detergent）去除骨粉中蛋白質與脂肪，後以酚及氯仿（phenol/chloroform）純化，進一步去除蛋白質，最後以酒精濃縮沈澱DNA。

遺址出土特定DNA的擴增：由於遺址出土DNA含量少，且大都已被破壞，導致片段化（fragment）。因此須經聚合酶連鎖反應（polymerase chain reaction， PCR）擴增（amplify）。PCR反應須加入遺址出土DNA（當作複製模版）、熱穩定DNA聚合酶、四種核苷酸、一對引子（已知序列的短片段核苷酸，用以引導聚合酶進行專一性的特定DNA擴增）與緩衝液，然後經一系列程序化升溫與降溫完成擴增反應。所得經擴增的PCR產物再經序列分析（sequencing），即可得到DNA資訊（圖二）。但由於遺址出土DNA含量少、雜質多，不易被擴增，所以過程中必須使用效率相當好的聚合酶，且獲得之增長片段短（每次約100-300個核苷酸）。以目前我們研究室的經驗，分析距今100年內的樣本成功率約為90%、500年內約60%，而2000年內則降低至30%以下。因此分析遺址出土DNA序列是相當具挫折且昂貴的研究。

現生動物學DNA資訊對於獲得古代DNA的重要性：由於動物演化具有連續性，因此遺址出土動物遺留的DNA資訊對於詮釋現生臺灣動物遷徙與演化具有相當重要的意義。從遺址中獲得出土動物遺留DNA資訊的第三個重要工作即是“比對”。然而，由於擴增遺址出土動物古代DNA的困難度高，除前述因素外，另一個重點是必須對所擴增的DNA序列在該動物族群的多型性（DNA polymorphism）有一定程度瞭解，才可以設計出合適的引子，用來擴增特定DNA。綜合上述因素，在進行古代DNA研究前，首先必須建立現生動物特定DNA的檢測與技術平台，還有對該現生動物之特定DNA序列多型性也必須建立資料庫（gene bank）。亦即，檢測與建立現生動物之基礎族群遺傳資訊研究是進入古代動物DNA研究的必需要件。有了這些基礎，才能增加遺址出土動物古代DNA序列的研究效率。而獲得考古遺址動物遺留與現生特定動物分子遺傳的連續性資料後，再結合氣候、植被與地理資訊，才能獲得更紮實的研究結果。

DNA的分子遺傳研究可以完全取代傳統的動物分類方法嗎？通常分子演化研究皆以粒線體DNA或細胞核中少數DNA或基因序列進行擴增，再根據其序列多型性進行統計與分群。因此，綜合少量DNA的多樣性資訊來解釋多基因效應（polygene effect）所造成的整體特定動物遺傳分化，甚至人類對動物馴化所造成動物形態及性能上的差異（如骨骼形態、毛色樣式或棲地利用等等），邏輯上會有問題。因為，以現今少量DNA的分子遺傳資料並無法完全精確反應出過去物種所有的遺傳分化；另外，臺灣是海島氣候，潮濕炎熱，許多遺址接近海邊，鹽與其他離子成分高，因此遺址出土之動物遺留通常保存狀況並不好，造成在進行古代DNA的聚合酶鏈鎖反應時成功率並不高。要從遺址中獲得完整DNA資訊，並不容易。於是，整合骨骼形態量測學（Osteometrics）、顱骨形態量測學（Craniometric）與分子遺傳技術，在遺址出土動物的分類研究上，變成不可或缺的趨勢（圖三）。但臺灣考古遺址出土動物遺留除了狗外，其他動物如野豬、鹿科動物或其他小型食肉目動物的骨骼樣本，常因樣本經擾動而破損不完全，判別與比對上增顯困難。因此，現生動物的骨骼形態量測技術平臺、特定動物骨骼形態量測資料庫與數位化圖檔的建立亦不可或缺。唯臺灣在過去與現在，無論在動物科學領域（如生命科學系或動物科技系）、動物考古領域或是博物館，皆缺乏有系統的收集現生動物的骨骼、遺傳樣本，亦缺乏具備古代DNA分析與骨骼形態量測技術的專精研究人員。

就如這文章的標題：當臺灣現生動物學與動物考古學走在不同道路上，代表臺灣的現生動物學與動物考古學研究無法深耕，因此這兩個學術領域的研究整合是相當迫切的。均衡的基礎動物科學訓練、有系統的樣本蒐集、加上分子生物技術或現代量測技術的建立、資料庫建立與培育這方面的專業人才，是學術單位與研究單位必須儘快面對，而政府在計劃經費上的支持更是責無旁貸。