製作可樂和毒品的天然原料！管制作物「古柯」的馴化起源研究

現在的四種古柯經歷過多少次馴化？

黃仁磐在美國的密西根大學取得博士，後來前往芝加哥的菲爾德自然史博物館（Field Museum of Natural History）從事博士後研究，主要的研究對象其實是甲蟲和地衣，之所以會接觸古柯研究，是因為他善於族群遺傳學、分子演化學領域的分析技術，於是一位當時在博物館的博士生Dawson M. White便邀請黃仁磐合作，一同探討古柯的馴化。

所謂馴化，就是人為挑選野生的植物或動物，經過一代一代培育，將其改造為適應人類特定目的之品系。源自南美洲的馴化植物非常豐富，例如馬鈴薯、蕃薯、花生、可可等等。野生古柯種類很多，多樣性最大的是亞馬遜地區；曾經有學者推論，人為馴化的古柯皆起源自亞馬遜，後來傳播到各地，衍生出各色變化。

人類種植的古柯可分為型態各異的四個品種（varieties），原本各有地盤。亞馬遜古柯（Amazonian coca）位於亞馬遜雨林西部，主要是巴西及其鄰國，其餘三種都算分佈於安地斯地區。哥倫比亞古柯（Colombian coca）位於南美洲西北部的哥倫比亞；瓦努科古柯（Huánuco coca）位於祕魯和波利維亞海拔較高之處，又稱玻利維亞古柯（Bolivian coca）；特魯西優古柯（Trujillo coca ）位於祕魯海拔較低處，值得一提的是，可口可樂傳說中的配方，就包含特魯西優古柯的萃取物。

南美洲的古柯分佈圖（不記非法種植區），不同品種對應不同圖示，圖示位置即館藏樣本的紀錄地點，而有標星號的圖示則是少數實地採樣的採集地點。圖中包含四種人工種植古柯（亞馬遜古柯、哥倫比亞古柯、特魯西優古柯和瓦努科古柯）以及兩種野生古柯（Erythroxylum cataractarum、Erythroxylum gracilipes）。 圖│研之有物（資料來源│黃仁磐）

由博物館百年收藏來回答

探討古柯起源最大的問題在於，如今古柯鹼是毋庸置疑的毒品，能用於生產古柯鹼的古柯植物，都受到法規嚴厲管制。另一方面，隨著近期的人為交流和傳播，許多古柯被移植到新的地點，不再限於原本的產地，可能會影響判斷。幸運的是，上述兩個問題，博物館都能解決！

老牌而資源充裕的菲爾德自然史博物館，蒐集各種樣本的歷史超過100年。大約介於1920到1960年，博物館收藏不少各地採樣回來、紀錄清楚的古柯。此一年代的採樣，足以代表最近的人為干擾以前，野生與馴化古柯的分佈情形。

生物的親疏遠近，能由不同個體間的 DNA 差異判斷，通常兩者間的親戚關係愈近，彼此的遺傳差異也愈少。黃仁磐的分析對象是博物館收藏的古柯樣本（> 90%）以及少數新採樣本，並從中選出424個基因……咦？等一下，為什麼是這個意味不明的數字？

這是因為古柯的遺傳學研究至今不多，科學家仍不清楚它們有多少基因；因此這項研究只著重在這424個有足夠了解的基因，分析起來比較方便。

來自菲爾德自然史博物館的特魯西優古柯（Trujillo coca）樣本。 圖│Smithsonian Institution（CC BY-NC-SA 4.0）

古柯馴化可能兩次或三次，反正不只一次

如何回答「不同品種，只有一次或是多次馴化」這問題？首先，畫演化樹。

把四款人為種植的馴化古柯，和一大群野生親戚擺在一塊，根據親疏遠近畫出演化樹。假如馴化古柯只有單一起源，和野生親戚相比，它們在遺傳上應該最接近，演化樹上就會被畫在一起；相對地，倘若各地古柯是分別被馴化，它們應該會和各地的野生親戚關係更近，演化樹上將會被歸類到不同分支。

演化樹的結果相當明確，四款品種都位於不同分支，即使考量到可能有些誤差，也能清楚看出它們不能歸類到同一個共同祖先。由此推論：馴化古柯曾經歷過多次起源。

為方便說明，上圖為簡化過後的古柯樣本演化樹，從樣本的結果來看，四款人工種植品種都位於不同分支，由此可以知道古柯馴化並非單一起源。 圖│研之有物（資料來源│黃仁磐）

為了進一步強化論點，接下來進行模擬。大意是先人為假設不同品種間，各種不同的演化關係，再分別以程式模擬，計算各種關係的機率。獲得結果為，只有一次起源可能性非常低，可以直接排除。

機率最高的可能性，是馴化古柯經過兩次獨立起源；首先從某種野生古柯，衍生出哥倫比亞和特魯西優，後來才又由另一種野生古柯，培育出瓦努科和亞馬遜。

至於經歷三次起源的可能性，模擬所得的機率較低，卻也無法排除。在這個劇本下，野生古柯首先馴化出哥倫比亞和特魯西優，接著另一種野生古柯衍生出瓦努科，最後又一種野生古柯被改造成亞馬遜。這兒的疑惑是，瓦努科和亞馬遜古柯被馴化的年代離現在太近，累積的差異還很少，不太容易分辨。

古柯不同品種演化關係的模擬結果，機率最高的是：馴化古柯經過兩次獨立起源。首先從某種野生古柯，衍生出哥倫比亞和特魯西優，後來才又由另一種野生古柯，培育出瓦努科和亞馬遜。 圖│研之有物（資料來源│黃仁磐）

不過不管怎麼比較，古柯被馴化不只一次，是很明確的結果。各地人為種植的古柯，遺傳上也比較接近附近生長的野生親戚，符合預期。

有趣的是，野生古柯多樣性最高的地方是亞馬遜，但是人為種植的亞馬遜古柯，反而最晚才被馴化；野生種類比較有限的安地斯地區，反倒較早品味到古柯的奧秘。

另一個發現是，某些野生古柯存在和馴化品種一樣的基因變異，應該是由馴化往野生傳播的DNA流動所致；相對地，馴化古柯們都沒有見到野生基因。推測原因大概是精心培育的古柯，一旦混進野生成分而影響到風味，就被人類淘汰了。人類真的很嚴格！

用遺傳多樣性喪失，推估馴化開始的時間

探討馴化史，還有個問題是馴化從什麼時候開始？此一問題有不同的回答方法，黃仁磐與Dawson的研究是參考「有效族群量」（effective population size）的變化。所謂有效族群量，意思是一個時空之下，參與生殖、繁衍後代的個體總數有多少；此一數值，可以由樣本間的遺傳差異估計。

思路是這樣：人類如果在某個時刻挑選特定的植物培育，刻意一代一代繁衍，不再與野生同類雜交，如此一來，遺傳多樣性將會變得很狹隘。所以只要在歷史上的某個時候，見到有效族群量突然驟減，也就是當時的遺傳多樣性大幅降低，便有機會反映出馴化最初的階段。這項分析再度佐證之前的結果：哥倫比亞和特魯西優最資深，瓦努科較資淺，亞馬遜最年輕。

不過，在這邊要先提醒大家，生物的演化史常常比侷限取樣呈現的更加複雜；短期內族群量驟減，不一定是人類馴化造成，還有氣候轉變不利生存等許多可能因素。回答「什麼時候起源」這類問題時，不能只有單一證據，最好還要參考其他遺傳學分析方法，以及考古學的多重證據，才能得到更為可靠的答案。

想研究各地古柯馴化，除了博物館收藏外，還有些樣本是在南美洲當地採樣。各國法規不同，某些國家不允許本國的樣本出境，有些國家限制則沒那麼嚴格，只要有當地人合作即可。黃仁磐表示，想讓研究順利進行，獲得當地學者的協助不可或缺。

總之，在黃仁磐的有力參與下，第一作者Dawson M. White順利完成了古柯起源的論文，並發表在知名期刊。

原產於南美洲的古柯樹。 圖│Liseth Daniela Martinez Atehortua（CC BY-NC 4.0）

博物館對學術研究的價值

研究古柯，以及在菲爾德自然史博物館數年的體驗，也讓黃仁磐體會到：博物館對學術研究的長期發展相當重要！

科學研究中，材料常常很有價值，沒有好的材料，不容易做出優秀的研究。各種性質的研究單位相比，博物館是最適合定期蒐集、長期保存大量收藏的機構。現在入館收藏的樣本，也許相當長一段時間都只是放著，卻有可能在50年、100年，甚至更久以後發揮價值──探討古柯起源的研究便是如此。因此，博物館除了日常展示、教育的功能以外，也不可忽視其支援學術研究的角色。

"博物館除了日常展示、教育的功能以外，也不可忽視其支援學術研究的角色。"

然而，假如缺乏足夠的經費與資源，博物館當然無法發揮它應有的價值。黃仁磐提到，在美國的文化氛圍下，許多博物館能夠維持營運，甚至蓬勃發展，除了政府預算之外，靠的是大量私人贊助，例如菲爾德自然史博物館，主要便仰賴民間有力人士的支持。

奉獻學術的風氣興盛，樂於捐款給大學、博物館等研究機構，這也是讓美國科學能蓬勃發展並領先世界的基礎之一，如哈佛大學、芝加哥大學等世界頂級的研究單位都是私立機構。

新的研究方向：量化評估保育政策

回到臺灣後，黃仁磐除了鑽研多年的地衣、甲蟲以外，也嘗試新的方向：量化評估保育政策。例如為了保護野生動物，各地成立許多保育區，更在特定地點禁用LED燈等措施。然而，種種保育政策也常引起爭議，眾說紛紜。

身為專業的生物科學家，黃仁磐關注的問題是：如何用基因定序的技術來量化政府保育政策的有效性？解決現代問題，需要現代手段，面對現代的保育問題，黃仁磐認為可以利用族群遺傳學的手段評估保育成效。

例如某地的甲蟲，由於人類捕捉，30年來族群數量下跌，後來2010年開始成立保育區保護，經過十年復甦的效果如何？假如能夠用族群遺傳學的分析手法，估計甲蟲族群的增減軌跡，將能獲得比較大量客觀的科學證據，評估保育政策的有效性。

此研究方向目前才剛開始，隨著氣候變遷帶來的海拔溫度改變，黃仁磐選擇海拔1000至2000公尺的範圍收集樣本，因為預期這區的棲地會有很大影響，將取樣長臂金龜、鍬形蟲、地衣、蘭花等多種生物，比較同一地點的不同生物，探討保育政策對整個生態系的影響，可望在未來提供保育政策的科學指引。

回到臺灣後，黃仁磐除了鑽研多年的地衣、甲蟲以外，也嘗試新的方向，開始利用族群遺傳學來量化評估保育政策。 圖│研之有物

本文轉載自《研之有物》，一個串聯您與中央研究院的科普橋梁。