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搞懂七大類塑膠使用法,才不會餐餐吃「塑」──「PanSci TALK:都是塑膠惹的禍?」

衛生福利部食品藥物管理署_96
・2016/12/01 ・2718字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

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本文由衛生福利部食品藥物管理署委託,泛科學企劃執行

文/馬嘉駿 │ 自由寫手,喜歡文字喜歡歷史喜歡吃,人生只要有這三件事就滿足的簡單動物。曾經幻想成為大氣學家,覺得科學速度太快,更應該好好記錄。

自從塑化劑風波後,你在使用塑膠容器時是否總會心驚驚?深怕高溫微波或是容器本身溶出塑化劑污染食物? 2016 年 11 月 12 日「PanSci TALK:都是塑膠惹的禍?自備餐具最安全?」講座邀請到輔仁大學食品科學系陳政雄教授,他將從食品包裝的起源談起,究竟塑膠容器百百種,該如何安全使用?

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生活中處處可見的塑膠

為什麼我們的生活中這麼多「塑膠」?

「其實從使用的觀點出發,塑膠確實有它存在的必要性。」陳政雄教授首先解釋食品包裝的四種基本功用:盛裝、保護、便利、資訊。

盛裝:用雙手捧水一次頂多盛裝 5~10 cc,使用容器則可攜帶 500 cc、2000 cc 甚至一加侖的水。

保護:一條蒲燒鰻魚能放多久?一個上午?若以塑膠袋真空密封、妥善保存的話,除非有人偷吃,否則可以保存五天至一個禮拜。

便利:在容器上設計把手、提環,讓人們使用起來更順手。

資訊:如瓶蓋的塑膠封膜,一旦拆開就難以裝回,幫助食品傳達「是否遭破壞、是否曾被開啟」的訊息。

那為什麼是「塑膠」呢?相較其他常見包裝材質如金屬或玻璃,塑膠既輕便又易於塑形,容易製成有把手、或是盛裝醬料常用的擠壓瓶(squeezable bottle)等方便使用的功能容器。加上塑膠容器製作所需耗費的能源較低,不若鑄鐵需要相當高的溫度(想想背後的碳排放量!)才能改變形狀,因此在食品包裝中,少不了塑膠的蹤影。所以,在無法避免使用塑膠的前提之下,我們更要將焦點關注在「安全、正確使用」上。

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塑膠是生活中常見的盛裝容器材質。圖 / By Twentyfour Students @ flickr, CC BY-SA 2.0

所以,塑膠容器到底會不會溶出有毒物?

在回答大家都很關心的這一題之前,我們要先來理解所謂的「轉移機制(migration)」。

大家應該在國中的物理課學過「擴散現象(diffusion)」:物質分子從濃度高處往濃度低處移動,直到均勻分布的現象。這個現象也會發生在食品盛裝容器上,由於長時間的直接接觸,包材(不論是金屬、玻璃、陶瓷、塑膠、橡膠或紙)中的化學成分釋放至食品上,陳政雄教授將之稱為「轉移現象」;就機制而言,「轉移」是指物質從高濃度(包材接觸層)擴散到低濃度(食品表面)。

而塑膠屬於許多小分子組成的「聚合物」,當溫度升高或是存放時間拉長,就會促使這些小分子之間愈來愈不穩定,進而發生「轉移」,使塑膠容器中的化學成分逐漸釋放至食品中。

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物質會從濃度高處往濃度低處移動。圖 / Ferrara et al, 2001

他提醒大家,所有塑膠都是「親油性」,除了高溫、長時間存放之外,也要注意盛裝的食物是否屬於油性高的類型,若食物本身與包裝成分相似,會更容易造成兩者之間的物質轉移。

不過陳政雄教授也說,轉移發生條件基本上來自「不正確的使用」,只要辨明清楚盛裝容器的耐受溫度、壽命等資訊,大家其實不必過於憂心。

七大類塑膠,你學會怎麼用了嗎?

塑膠的標號分類其實是為了回收,依據其材料特性歸納出七大類,並分類表列耐熱溫度、特色與應用,是最常見的塑膠分類與使用指南。

陳政雄教授舉例,「例如你若需要把塑膠容器拿去加熱,以五號聚丙烯(PP)最佳,它的耐熱溫度可達攝氏 140 度,市面上許多微波食品的容器就是採用此類塑膠。」

「而近年來弄得大家人心惶惶的塑化劑,則和三號聚氯乙烯(PVC)有關。PVC 本身是一種硬度很高的材質,可以用來做成硬質塑膠水管;但在添加塑化劑後,PVC 會改變原本的分子結構,概念有點類似讓分子之間的空間變大,製造出軟式水管,甚至可塑性高、透氣性佳的保鮮膜,後者也會被使用在鮮食包裝上。但要注意的是,PVC 的耐熱溫度只到攝氏 80 度,在更高溫的環境很容易使分子們開始不安定、產生轉移。比如說,吃喜酒常見的、甕口封著保鮮膜蒸煮的佛跳牆,就有塑化劑溶出的疑慮。」

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保鮮膜的材質除了 PVC,也有可能以 PE 製成,大家應多注意標示的使用方式。圖 / By Dnor, Public Domain, wikimedia commons

另一種毒性化學物質「雙酚 A」則被視為荷爾蒙干擾物(或稱環境賀爾蒙),可能影響生殖發育及長期健康問題,最常見於七號塑膠聚碳酸酯(PC)[註]。由於 PC 常被用來製造水瓶與嬰幼兒奶瓶,因此「食品器具容器包裝衛生標準」規定,嬰幼兒奶瓶產品一律不得添加雙酚 A,其他食品盛裝容器的雙酚 A 溶出限量也必須在 0.6 ppm 以下。「另外,只要看見塑膠容器有刮傷磨損、變形,都應該考慮更換。」

  • 2017.1.19 新增註解:7 號塑膠為OTHER 亦即,不包含 1 號 PET(聚對苯二甲酸乙二酯),一般市售寶特瓶之材質;2號、4號 高密度及低密度聚乙烯(PE);3 號 PVC 由於其添加大量塑化劑易於加工之特性,一般較為高風險之材質;5 號 PP  一般常見於豆漿瓶的材質(其透明度通常明顯較 PET 差);6 號PS 聚苯乙烯,發泡後即為保麗龍,較不耐酸鹼。7 號塑膠的涵蓋廣泛,涵蓋聚碳酸酯(PC)、美耐皿、壓克力……等,有些目前使用上已經有疑慮的塑膠,也包含聚乳酸(PLA)、PHA、PHB 等生質塑膠,或是比較新開發的塑膠材料,所以其使用範圍、耐熱溫度等,需確認是哪一種塑膠,才能進行判斷。(感謝讀者詹政穎提供)

陳政雄教授還介紹了一種近幾年開發的新材質——聚乳酸(Polylactic Acid,縮寫 PLA),歸類於七號塑膠。PLA 來自玉米、甘薯等澱粉類植物,可以減少對石化資源的依賴,也因為自然材質的關係,掩埋後較其他塑膠更快分解,相對降低生態負擔。「但是目前 PLA 在使用上還不普及,因此價格較高,或許未來人們使用習慣改變,價格與用量互相影響、平衡之後,PLA 能成為更常見的盛裝容器材質。」

依循包裝標示,正確使用無疑慮

面對日益升高的食安問題,法規上做出許多因應,在「食品器具容器包裝衛生標準」中,便規定包材標示要有「材質名稱」與「耐熱溫度」,讓消費者能夠擁有充足的資訊做出選擇。

在法規層面逐步把關的同時,陳政雄教授再次提醒,最重要的仍是「正確使用」塑膠容器的觀念,只要在選購、使用時都記得閱讀完整的產品資訊,就能放心使用塑膠容器!

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衛生福利部食品藥物管理署_96
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衛生福利部食品藥物管理署依衛生福利部組織法第五條第二款規定成立,職司範疇包含食品、西藥、管制藥品、醫療器材、化粧品管理、政策及法規研擬等。 網站:http://www.fda.gov.tw/TC/index.aspx

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AI 是理科「主場」? AI 也可以成為文科人的助力!
研之有物│中央研究院_96
・2022/08/13 ・5646字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/田偲妤
  • 美術設計/蔡宛潔

AI 的誕生,文理缺一不可

人工智慧(Artificial Intelligence,簡稱 AI)在 21 世紀的今日已大量運用在生活當中,近期掀起熱議的聊天機器人 LaMDA、特斯拉自駕系統、AI 算圖生成藝術品等,都是 AI 技術的應用。多數 AI 的研發秉持改善人類生活的人文思維,除了仰賴工程師的先進技術,更需要人文社會領域人才的加入。

中央研究院「研之有物」專訪院內人文社會科學研究中心蔡宗翰研究員,帶大家釐清什麼是 AI?文科人與工程師合作時,需具備什麼基本 AI 知識?AI 如何應用在人文社會領域的工作當中?

中央研究院人文社會科學研究中心蔡宗翰研究員。圖/研之有物

詩詞大對決:人與 AI 誰獲勝?

一場緊張刺激的詩詞對決在線上展開!人類代表是有「AI 界李白」稱號的蔡宗翰研究員,AI 代表則是能秒速成詩的北京清華九歌寫詩機器人,兩位以「人工智慧」、「類神經」為命題創作七言絕句,猜猜看以下兩首詩各是誰的創作?你比較喜歡哪一首詩呢?

猜猜哪首詩是 AI 做的?哪首詩是人類做的?圖/研之有物

答案揭曉!A 詩是蔡宗翰研究員的創作,B 詩是寫詩機器人的創作。細細賞讀可發覺,A 詩的內容充滿巧思,為了符合格律,將「類神經」改成「類審經」;詩中的「福落天赦」是「天赦福落」的倒裝,多念幾次會發現,原來是 Google 開發的機器學習開源軟體庫「Tensor Flow」的音譯;而「拍拓曲」則是 Facebook 開發的機器學習庫「Pytorch」的音譯,整首詩創意十足,充滿令人會心一笑的魅力!

相較之下,B 詩雖然有將「人工」兩字穿插引用在詩中,但整體內容並沒有呼應命題,只是在詩的既有框架內排列字句。這場人機詩詞對決明顯由人類獲勝!

由此可見,當前的 AI 缺乏創作所需的感受力與想像力,無法做出超越預先設定的創意行為。然而,在不久的將來,AI 是否會逐漸產生情感,演變成電影《A.I. 人工智慧》中渴望人類關愛的機器人?

AI 其實沒有想像中聰明?

近期有一則新聞「AI 有情感像 8 歲孩童?Google 工程師爆驚人對話遭停職」,讓 AI 是否已發展出「自我意識」再度成為眾人議論的焦點。蔡宗翰研究員表示:「當前的 AI 還是要看過資料、或是看過怎麼判讀資料,經過對應問題與答案的訓練才能夠運作。換而言之,AI 無法超越程式,做它沒看過的事情,更無法替人類主宰一切!

會產生 AI 可能發展出情感、甚至主宰人類命運的傳言,多半是因為我們對 AI 的訓練流程認識不足,也缺乏實際使用 AI 工具的經驗,因而對其懷抱戒慎恐懼的心態。這種狀況特別容易發生在文科人身上,更延伸到文科人與理科人的合作溝通上,因不了解彼此領域而產生誤會與衝突。如果文科人可以對 AI 的研發與應用有基本認識,不僅能讓跨領域的合作更加順利,還能在工作中應用 AI 解決許多棘手問題。

「職場上常遇到的狀況是,由於文科人不了解 AI 的訓練流程,因此對 AI 產生錯誤的期待,認為辛苦標注的上千筆資料,應該下個月就能看到成果,結果還是錯誤百出,準確率卡在 60、70% 而已。如果工程師又不肯解釋清楚,兩方就會陷入僵局,導致合作無疾而終。」蔡宗翰研究員分享多年的觀察與建議:

如果文科人了解基本的 AI 訓練流程,並在每個訓練階段協助分析:錯誤偏向哪些面向?AI 是否看過這方面資料?文科人就可以補充缺少的資料,讓 AI 再進行更完善的訓練。

史上最認真的學生:AI

認識 AI 的第一步,我們先從分辨什麼是 AI 做起。現在的數位工具五花八門,究竟什麼才是 AI 的應用?真正的 AI 有什麼樣的特徵?

基本上,有「預測」功能的才是 AI,你無法得知每次 AI 會做出什麼判斷。如果只是整合資料後視覺化呈現,而且人類手工操作就辦得到,那就不是 AI。

數位化到 AI 自動化作業的進程與舉例。圖/研之有物

蔡宗翰研究員以今日常見的語音辨識系統為例,大家可以試著對 Siri、Line 或 Google 上的語音辨識系統講一句話,你會發現自己無法事先知曉將產生什麼文字或回應,結果可能正是你想要的、也可能牛頭不對馬嘴。此現象點出 AI 與一般數位工具最明顯的不同:AI 無法百分之百正確!

因此,AI 的運作需建立在不斷訓練、測試與調整的基礎上,盡量維持 80、90% 的準確率。在整個製程中最重要的就是訓練階段,工程師彷彿化身老師,必須設計一套學習方法,提供有助學習的豐富教材。而 AI 則是史上最認真的學生,可以穩定、一字不漏、日以繼夜地學習所有課程。

AI 的學習方法主要分為「非監督式學習」、「監督式學習」。非監督式學習是將大批資料提供給 AI,讓其根據工程師所定義的資料相似度算法,逐漸學會將相似資料分在同一堆,再由人類檢視並標注每堆資料對應的類別,進而產生監督式學習所需的訓練資料。而監督式學習則是將大批「資料」和「答案」提供給 AI,讓其逐漸學會將任意資料對應到正確答案。

圖/研之有物

學習到一定階段後,工程師會出試題,測試 AI 的學習狀況,如果成績只有 60、70 分,AI 會針對答錯的地方調整自己的觀念,而工程師也應該與專門領域專家一起討論,想想是否需補充什麼教材,讓 AI 的準確率可以再往上提升。

就算 AI 最後通過測試、可以正式上場工作,也可能因為時事與技術的推陳出新,導致準確率下降。這時,AI 就要定時進修,針對使用者回報的錯誤進行修正,不斷補充新的學習內容,讓自己可以跟得上最新趨勢。

在了解 AI 的基本特徵與訓練流程後,蔡宗翰研究員建議:文科人可以看一些視覺化的操作影片,加深對訓練過程的認識,並實際參與檢視與標注資料的過程。現在網路上也有很多 playground,可以讓初學者練習怎麼訓練 AI,有了上述基本概念與實務經驗,就可以跟工程師溝通無礙了。

AI 能騙過人類,全靠「自然語言處理」

AI 的應用領域相當廣泛,而蔡宗翰研究員專精的是「自然語言處理」。問起當初想投入該領域的原因,他充滿自信地回答:因為自然語言處理是「AI 皇冠上的明珠」!這顆明珠開創 AI 發展的諸多可能性,可以快速讀過並分類所有資料,整理出能快速檢索的結構化內容,也可以如同真人般與人類溝通。

著名的「圖靈測試」(Turing Test)便證明了自然語言處理如何在 AI 智力提升上扮演關鍵角色。1950 年代,傳奇電腦科學家艾倫・圖靈(Alan Turing)設計了一個實驗,用來測試 AI 能否表現出與人類相當的智力水準。首先實驗者將 AI 架設好,並派一個人操作終端機,再找一個第三者來進行對話,判斷從終端機傳入的訊息是來自 AI 或真人,如果第三者無法判斷,代表 AI 通過測試。

圖靈測試:AI(A)與真人(B)同時傳訊息給第三者(C),如果 C 分不出訊息來自 A 或 B,代表 AI 通過實驗。圖/研之有物

換而言之,AI 必須擁有一定的智力,才可能成功騙過人類,讓人類不覺得自己在跟機器對話,而這有賴自然語言處理技術的精進。目前蔡宗翰的研究團隊有將自然語言處理應用在:人文研究文本分析、新聞真偽查核,更嘗試以合成語料訓練臺灣人專用的 AI 語言模型。

讓 AI 替你查資料,追溯文本的起源

目前幾乎所有正史、許多地方志都已經數位化,而大量數位化的經典更被主動分享到「Chinese Text Project」平台,讓 AI 自然語言處理有豐富的文本資料可以分析,包含一字不漏地快速閱讀大量文本,進一步畫出重點、分門別類、比較相似之處等功能,既節省整理文本的時間,更能橫跨大範圍的文本、時間、空間,擴展研究的多元可能性。

例如我們想了解經典傳說《白蛇傳》是怎麼形成的?就可以應用 AI 進行文本溯源。白蛇傳的故事起源於北宋,由鎮江、杭州一帶的說書人所創作,著有話本《西湖三塔記》流傳後世。直至明代馮夢龍的《警世通言》二十八卷〈白娘子永鎮雷峰塔〉,才讓流傳 600 年的故事大體成型。

我們可以透過「命名實體辨識技術」標記文本中的人名、地名、時間、職業、動植物等關鍵故事元素,接著用這批標記好的語料來訓練 BERT 等序列標注模型,以便將「文本向量化」,進而找出給定段落與其他文本的相似之處。

經過多種文本的比較之後發現,白蛇傳的原型可追溯自印度教的那伽蛇族故事,傳說那伽龍王的三女兒轉化成佛、輔佐觀世音,或許與白蛇誤食舍利成精的概念有所關連,推測印度神話應該是跟著海上絲路傳進鎮江與杭州等通商口岸。此外,故事的雛型可能早從唐代便開始醞釀,晚唐傳奇《博異志》便記載了白蛇化身美女誘惑男子的故事,而法海和尚、金山寺等關鍵人物與景點皆真實存在,金山寺最初就是由唐宣宗時期的高僧法海所建。

白蛇傳中鎮壓白娘子的雷峰塔。最早為五代吳越王錢俶於 972 年建造,北宋宣和二年(1120 年)曾因戰亂倒塌,大致為故事雛形到元素齊全的時期。照片中雷峰塔為 21 世紀重建。圖/Wikimedia

在 AI 的協助之下,我們得以跨時空比較不同文本,了解說書人如何結合印度神話、唐代傳奇、在地的真人真事,創作出流傳千年的白蛇傳經典。

最困難的挑戰:AI 如何判斷假新聞

除了應用在人文研究文本分析,AI 也可以查核新聞真偽,這對假新聞氾濫的當代社會是一大福音,但對 AI 來說可能是最困難的挑戰!蔡宗翰研究員指出 AI 的弱點:

如果是答案和數據很清楚的問題,就比較好訓練 AI。如果問題很複雜、變數很多,對 AI 來說就會很困難!

困難點在於新聞資訊的對錯會變動,可能這個時空是對的,另一個時空卻是錯的。雖然坊間有一些以「監督式學習」、「文本分類法」訓練出的假新聞分類器,可輸入當前的新聞讓機器去判讀真假,但過一段時間可能會失準,因為新的資訊源源不絕出現。而且道高一尺、魔高一丈,當 AI 好不容易能分辨出假新聞,製造假新聞的人就會破解偵測,創造出 AI 沒看過的新模式,讓先前的努力功虧一簣。

因此,現在多應用「事實查核法」,原理是讓 AI 模仿人類查核事實的過程,尋找權威資料庫中有無類似的陳述,可用來支持新聞上描述的事件、主張與說法。目前英國劍橋大學為主的學者群、Facebook 與 Amazon 等業界研究人員已組成 FEVEROUS 團隊,致力於建立英文事實查核法模型所能運用的資源,並透過舉辦國際競賽,廣邀全球學者專家投入研究。

蔡宗翰教授團隊 2021 年參加 FEVEROUS 競賽勇奪全球第三、學術團隊第一後,也與合作夥伴事實查核中心及資策會討論,正著手建立中文事實查核法模型所需資源。預期在不久的將來,AI 就能幫讀者標出新聞中所有說法的資料來源,節省讀者查證新聞真偽的時間。

AI 的無限可能:專屬於你的療癒「杯麵」

想像與 AI 共存的未來,蔡宗翰研究員驚嘆於 AI 的學習能力,只要提供夠好、夠多的資料,幾乎都可以訓練到讓人驚訝的地步!圖/研之有物

AI 的未來充滿無限可能,不僅可以成為分類與查證資料的得力助手,還能照護並撫慰人類的心靈,這對邁入高齡化社會的臺灣來說格外重要!許多青壯年陷入三明治人(上有老、下有小要照顧)的困境,期待有像動畫《大英雄天團》的「杯麵」(Baymax)機器人出現,幫忙分擔家務、照顧家人,在身心勞累時給你一個溫暖的擁抱。

機器人陪伴高齡者已是現在進行式,新加坡南洋理工大學 Gauri Tulsulkar 教授等學者於 2021 年發表了一項部署在長照機構的機器人實驗。這名外表與人類相似的機器人叫「娜丁」(Nadine),由感知、處理、互動等三層架構組成,可以透過麥克風、3D和網路鏡頭感知用戶特徵、所處環境,並將上述資訊發送到處理層。處理層會依據感知層提供的資訊,連結該用戶先前與娜丁互動的記憶,讓互動層可以進行適當的對話、變化臉部表情、用手勢做出反應。

長照機構的高齡住戶多數因身心因素、長期缺乏聊天對象,或對陌生事物感到不安,常選擇靜默不語,需要照護者主動引導。因此,娜丁內建了注視追蹤模型,當偵測到住戶已長時間處於被動狀態,就會自動發起話題。

實驗發現,在娜丁進駐長照機構一段時間後,住戶有一半的天數會去找她互動,而娜丁偵測到的住戶情緒多為微笑和中性,其中有 8 位認知障礙住戶的溝通能力與心理狀態有明顯改善。

照護機器人娜丁的運作架構。圖/研之有物

至於未來的改進方向,研究團隊認為「語音辨識系統」仍有很大的改進空間,需要讓機器人能配合老年人緩慢且停頓較長的語速,音量也要能讓重聽者可以清楚聽見,並加強對方言與多語混雜的理解能力。

臺灣如要發展出能順暢溝通的機器人,首要任務就是要開發一套臺灣人專用的 AI 語言模型,包含華語、臺語、客語、原住民語及混合以上兩種語言的理解引擎。這需花費大量人力與經費蒐集各種語料、發展預訓練模型,期待政府能整合學界與業界的力量,降低各行各業導入 AI 相關語言服務的門檻。

或許 AI 無法發展出情感,但卻可以成為人類大腦的延伸,協助我們節省處理資料的時間,更可以心平氣和地回應人們的身心需求。與 AI 共存的未來即將來臨,如何讓自己的行事邏輯跟上 AI 時代,讓 AI 成為自己的助力,是值得你我關注的課題。

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研之有物│中央研究院_96
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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」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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【水獺媽媽專欄:從日常學永續】誰亂丟垃圾?飄進海裡的垃圾讓動物們吃壞肚子了!
PanSci_96
・2022/09/09 ・703字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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每年的 6 月 8 日被訂為世界海洋日,這個節日是希望每個人都可以好好認識海洋,並且重視汙染與資源過度開發的問題,因為海洋大約佔了地球的 70%,扮演著對於地球非常重要的角色,但近年來因為過度的開發,導致海洋生態系遭受破壞。

甚至,在荒野保護協會 2020 年的調查報告中發現,海洋垃圾中佔比的前五名,分別是寶特瓶、塑膠瓶蓋、菸蒂、吸管和塑膠提袋,這五項中就有四項是塑膠製品!

前五名的海洋垃圾中,有四個都是塑膠製品。圖/水獺媽媽提供

那我們要怎麼幫助減少海洋垃圾呢?

除了減少使用一次性塑膠製品之外,我們在去海邊遊玩的時候,如果有看到沙灘上有散落的垃圾,也可以一起幫忙搜集起來丟掉,以免在漲潮時候被海浪拍打進海裡,被海洋動物誤食。

如果垃圾還是不小心掉到海裡怎麼辦呢?於是世界各國開始研究起了清理海洋垃圾的方法。

澳洲的 Seabin 海洋垃圾桶就是一個成功的例子,它將港口或者岸邊的垃圾作為主要回收目標,可以 24 小時運轉,一年可以清理掉 1.5 噸的垃圾!

淨灘活動對於減少海洋垃圾非常有幫助。圖/水獺媽媽提供

其實還有很多很有創意的發明,都可以幫我們解決海洋垃圾的問題,但是如果我們從根源做起,不亂丟垃圾、確實做好回收分類,看到公共區域的垃圾可以隨手撿起來,改變自己小小的習慣,大家都有這樣的共識,就可以發揮無限大的效用。

隨手撿垃圾、不亂丟、要分類,就能讓海洋更乾淨!圖/水獺媽媽提供
PanSci_96
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PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。

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冷鏈成本太高?遞送小鼠「冷凍精子」的最佳解出爐:現在寄張明信片就搞定!
Carol
・2021/09/05 ・4645字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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在古代有飛鴿傳書,在霍格華茲裡更有貓頭鷹負責寄送會發出聲響的信件。信件不僅是文字、訊息往來的方式,現今更可直接作為生物材料的寄送媒介。研究團隊發現,經冷凍乾燥處理的小鼠精子,可於沒有液態氮的環境中妥善保存,並且在室溫下帶於普通郵件中寄送。

放置於普通郵件小鼠精子。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

傳統保存方式:充滿液態氮的超低溫環境

典型保存精子的方式,是將精子保存於液態氮或乾冰中,極低溫的環境可讓精子處於冷凍的狀態下進行運送。待解凍之後,會再透過人工授精或是試管外(in vitro)授精來繁衍後代[2][3] 。然而,使用液態氮仍可能會產生一些問題,例如,在 196℃ 超低溫度下,進行樣本處理需要非常小心,因為液態氮可能會造成凍傷或是並且因飽和氣體造成窒息等問題,並且在部分國家及地區也可能有難以取得液態氮的問題。

除此之外,為了要讓小鼠精子一直維持在極低溫的環境,需不斷地補充液態氮,這也會造成昂貴的花費。因此,對於部分國家的研究機構來說,這樣難以保存小鼠基因來源。更不用說,若遇到停電、大災難等突發狀況可能會導致的極低溫的環境受到影響,小鼠精子解融、退冰,並導致精子無法使用。

液態氮,可以創造極低溫的環境,操作過程需小心。圖/ThoughtCo.

玻璃安瓿保存法很讚,但仍不適合長期保存

為了解決低溫環境難以控制的問題,日本山梨大學(University of Yamanashi)生殖生物學家 Daiyu Ito 的研究團隊發展出一項技術,將小鼠精子放入細頸瓶或玻璃安瓿(Ampoules,一種形狀類似保齡球瓶的小型玻璃瓶,常用於盛裝藥品等溶液。)並置於 4℃ 的環境中三個月,然後再放置於室溫中 1 個月。經過冷凍乾燥處理,可放置於室溫環境中一年。雖然經過處理後的小鼠精子已死亡,無法移動,但精子中的 DNA 仍然維持完整性[4]

爾後,再將這些冷凍乾燥後的小鼠精子在注射入卵子時,一樣能繁衍出正常的後代。這項冷凍乾燥的技術已運用與許多物種,例如實驗小鼠、倉鼠、兔子、馬以及綿羊等物種[5]。然而,使用玻璃安瓿仍有一些缺點。Daiyu Ito 說:「雖然玻璃安瓿的體積小,但它們相當笨重且易碎,容易影響小鼠後代的繁衍。所以將小鼠精子儲存在玻璃安瓿並不適合用來長期保存。因此,我們希望發展新的保存技術。」

圖為玻璃安瓿(Ampoules),為種形狀類似保齡球瓶的小型玻璃瓶,常用於盛裝藥品等溶液。圖/ISDIN

紙類保存凍乾精子有搞頭,但哪種材質最適合?

為了找出最適合用於保存冷凍乾燥的小鼠精子(mouse FD spermatozoa)的材料,研究團隊檢測了六種材質,分別是:日式傳統和紙(Washi)、包裝紙(Wrap)、乙烯基板(Vinyl sheet)、秤量紙(Weighing paper)、過濾紙(Filter paper)、日式糖果紙(Oblate)。

首先,過濾紙(Filter paper)是不可以使用的,因為小鼠精子容易卡在紙上,並且在解凍時無法順利取出精子。日式糖果紙(Oblate)也被認為無法作為保存材料,原先認為當日式糖果紙全部溶解於水中,就可以輕易地將冷凍乾燥的精子取出。然而,實際試驗後才發現,日式糖果紙溶解時仍會有部分殘餘物,導致難以收集小鼠精子。此外,其餘的四種材料雖然可用於收集小鼠精子,但仍有一些小缺點,例如:包裝紙太容易撕破,乙烯基板則在乾燥的過程中容易損失精子。

相對來說,日式傳統和紙是個較好的材料,但是在於脫水後的恢復過程中容易汙染,使得收集小鼠精子會遇到困難。秤量紙相較於乙烯基板較薄,但比包裝紙還要硬,是可作為小鼠精子乾燥過程的材料。因此,在此六種材料中,秤量紙是最適合用來處理小鼠精子的。

且經實驗發現,無倫是保存在玻璃安瓿或四種材料(傳統和紙、包裝紙、乙烯基板及秤量紙)的冷凍乾燥小鼠精子,其精子受精率(fertilization rates)沒有顯著差異。然而,在胚胎的發展成桑葚胚(morulae)或囊胚(blastocyst)的比率,最高的是以秤量紙(Weighing paper)包裝的小鼠精子。

使胚胎妥善的發育的比率,是作為小鼠精子是否有成功保存最重要指標,而在四種材料中,使用秤量紙(Weighing paper)包裝的小鼠精子其後代存活率數值為 21%,後代存活比率數值最高。考量到精子發育的程度,以及材料操作容易程度,最後採用秤量紙包裝冷凍乾燥精子,並用塑膠片作為分隔是最適合的選項。

上圖 A 為玻璃安瓿及用四種不同材質的紙保存的冷凍乾燥精子。下圖 D 為細胞質內精子注射(intracytoplasmic sperm injection, ICSI)。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]
 圖 G,小鼠精子的受精率,玻璃安瓿及使用四種材料包裝小鼠精子的售經比率相差不大。
圖 H,受精卵發育成桑葚胚(Morula)或囊胚(Blastocyst)的比率[註1]。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

塑膠片會影響精子的DNA完整度嗎?

為進一步了解使用塑膠片保存精子是否會影響精子內的 DNA,研究團隊藉由彗星分析法(comet assay),來比較玻璃安瓿和塑膠片的精子中 DNA 的完整性。彗星分析法可用來檢測單細胞中 DNA 的損害程度,若 DNA 有損害,其結構會較為鬆散,斷裂或破碎的 DNA 片段會在進行電泳(gel)時被拖出細胞,在顯微鏡之下會呈現出一個類似彗星的形狀。不同程度的 DNA 損傷則會造成拖尾程度的差異,至於未損傷的 DNA 則會保持球狀。

從觀察結果得知,保存於玻璃安瓿的小鼠精子 DNA,其彗星尾相較保存於塑膠片的小鼠精子 DNA 慧星尾長度稍短一些,不過,就統計結果而言,兩者之間有顯著差異。

但另方面,在小鼠精子進行細胞質內精子注射(ICSI)之後,藉由使用 γ-H2Ax 染色來比較玻璃安瓿和塑膠片的雄原核(male pronucleus)中 DNA 損壞程度,結果卻發現,相較於保存在塑膠片的小鼠精子,保存於玻璃安瓿的小鼠精子經 γ-H2Ax 染色後,其雄原核[註2]有較高的亮度,顯示此細胞核內的雙股 DNA 損壞較為嚴重。

綜合上述,保存於塑膠片中的小鼠精子 DNA 完整度,與保存於玻璃安瓿的小鼠精子 DNA 完整度,是可以相比擬的。

圖 J 為保存於玻璃安瓿小鼠精子 DNA,圖 K 為保存於塑膠片的小鼠精子 DNA。可發現圖 J 的DNA 其彗星尾較短。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]
圖 M 為保存於玻璃安瓿小鼠精子,其雄原核有較高的亮度,顯示此細胞核內的雙股 DNA 損壞較為嚴重。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

如何製備冷凍乾燥的小鼠精子?

小鼠精子經過預先培養之後,會秤量紙作為載體,將含有精子的溶液滴定於秤量紙上。將鋁箔紙摺出一個凹槽,依序放入裁切好的塑膠片及帶有小鼠精子的秤量紙,然後將整包鋁箔包放入保麗龍盒,最後在保麗龍盒內加入液態氮。

接下來,將冷凍的精子溶液乾燥,乾燥之後的冷凍小鼠精子會呈現粉末的狀態。然後,將冷凍乾燥後的小鼠精子取出,並用兩張秤量紙包裝,最後放在塑膠片上並用膠水將其密封起來。待需要使用時,再用剪刀將塑膠片剪出一個缺口,並用鑷子取出小鼠精子,最後再用水回溶精子。

小鼠精子的冷凍階段,依序各種材料放入保麗龍盒中,最後再加入液態氮,將小鼠精子懸浮液冷凍 10 分鐘。
(①Pipet chip,定量吸管,用來吸取小鼠精子溶液。②Sperm suspension,小鼠精子的懸浮液。③Material,用來作為小鼠精子溶液載體的各種材質,此處為秤量紙。④Plastic sheet,塑膠片。⑤Aluminum boat,鋁箔紙船)。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]
冷凍小鼠精子的乾燥、密封及使用階段。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

凍乾的小鼠精子,可在室溫下藉由明信片運輸

雖然相較於保存在 -30℃ 的環境,冷凍乾燥(freeze-dried,FD)的小鼠精子保存在室溫環境下三天,其後代存活率較差,但仍可繁衍出後代。利用塑膠片保存的小鼠精子可以夾帶在明信片中,並放置於 -30℃ 的環境。待到要寄信的那天,可直接利用普通郵件的方式寄送,不需額外的保護措施。而收到郵件後,只需再將小鼠精子放回 -30℃ 的環境即可。

研究團隊曾使用此方式,將冷凍乾燥後的小鼠精子從東京大學寄至山梨大學,兩校之間的距離約為 200 km,並且郵件會在 2 天之內寄達。而這些冷凍乾燥的小鼠精子也能順利進行胚胎發育。因此,冷凍乾燥的小鼠精子,是可在沒有其他保護措施之下,在室溫下藉由明信片寄送。

將數千個小鼠品系的精子片保存於一個卡片夾,進而可以製作成一本“精子書”。這種方法很容易運輸及處理,並且可以降低了保存失敗的風險、成本以及空間要求。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]
上圖為新年賀卡,賀卡上還夾帶冷凍乾燥後的小鼠精子。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

使用信件運輸小鼠精子的優缺點

Daiyu Ito 說:「遺傳資源對於人類未來而言,是個重要資產。即使有許多遺傳特徵可能已不適用於生存,但這些遺傳資源可能有利於某些物種在環境變遷或未知疾病擴散時存活下來。」哺乳類動精子保存,有利於不孕、維持品系中修飾過的基因序列。這個使用塑膠片夾帶小鼠精子的方式,可以方便保存數千種的小鼠品系(strain),除了有利於實驗室及研究機構間的合作往來,更可以促進生殖技術及科技的發展。

然而,使用如此方便及簡易的運送方式可能會造成許多不合法的運輸過程發生,因此需有更完善的法規制度來審查及保護動物精子的運輸。

 科技技術的發達,使得小鼠精子可藉由郵件寄送的方式從 A 實驗室寄送至 B 實驗室。圖/Daiyu Ito,山梨大學[1]

註解

  1. 受精卵會在 24 小時分裂成 2 細胞,約 48 小時分裂成 4 細胞,約 72 小時分裂成 6~8 細胞,並在約 96 小時分裂成桑葚胚(Morula);之後才會形成囊胚(Blastocyst)。
  2. 雄原核,指的是在受精之後,精核進入卵子內,但尚未於雌原核(female pronucleus)融合。

參考資料

  1. Ito, D., Wakayama, S., Emura, R., Ooga, M., & Wakayama, T. (2021). Mailing viable mouse freeze-dried spermatozoa on postcards. iScience, 102815.
  2. Benson, J. D., Woods, E. J., Walters, E. M., & Critser, J. K. (2012). The cryobiology of spermatozoa. Theriogenology78(8), 1682-1699.
  3. Sztein, J. M., Takeo, T., & Nakagata, N. (2018). History of cryobiology, with special emphasis in evolution of mouse sperm cryopreservation. Cryobiology82, 57-63.
  4. Wakayama, S., Kamada, Y., Yamanaka, K., Kohda, T., Suzuki, H., Shimazu, T., … & Wakayama, T. (2017). Healthy offspring from freeze-dried mouse spermatozoa held on the International Space Station for 9 months. Proceedings of the National Academy of Sciences114(23), 5988-5993.
  5. Choi, Y. H., Varner, D. D., Love, C. C., Hartman, D. L., & Hinrichs, K. (2011). Production of live foals via intracytoplasmic injection of lyophilized sperm and sperm extract in the horse. Reproduction142(4), 529.
Carol
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