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翻越科學傳播:在自然中看見科學,在科學中理解自然——《2016泛知識節》

泛知識節
・2017/01/11 ・2003字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 506 ・六年級

這一系列文章為 2016泛 · 知識節「翻牆吧!知識」的活動紀實,我們將當下求知求真地感動盡力留下,想與世界某個角落正在努力翻牆的你分享。

知識不只在學校的黑板、不只在安靜的圖書館,當然 更不只在名為「學校」那棟被牆包圍的建築。2016泛 · 知識節「翻牆吧!知識」承襲著泛科學年會的精神與架構,變的是讓更多的知識在這裏碰撞,不變的是那渴求知識的靈魂。如果知識是一道牆,現在就讓我們用求知慾翻牆吧!

關於本場次【在自然中看見科學,用科學來理解自然】的活動介紹,請參考這裡

  • 講者/孫維新|國立自然科學博物館館長
  • 文字紀錄/廖英凱

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「把科學推向舞台,以知識震撼人心。」——孫維新

在泛知識節第二日,登板的首席講者,正是赫赫有名的自然科學博物館孫維新館長。孫館長在執掌科博館前,先後任職於國際太空總署(NASA);中央大學物理系、天文所與台灣大學物理系等學術機構。歷年來在推廣天文教育上更是不遺餘力,他所開設的「認識星空」課程,更是多年來榜上有名熱門選修課程。許多今日年輕一輩的天文愛好者,或是以學術研究為已任的年輕研究者們,就有可能是在求學啟蒙時期,聽了一場孫老師的課程而義無反顧地探索知識最浩瀚的疆界。

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然而,科學的傳授與知識的分享,並不總是那麼地有趣迷人。課堂上的科學講授,更因考試制度的限制與教育資源的擠壓,而徒增無趣與學習者的恐懼。孫館長認為,

「過去用科學教科學的方式,是一個應該戒除的壞習慣。我們應該用生活、用大自然、用藝術教科學。讓學生在完全沒有心理準備的情況下,才能灌輸想要教給他的東西。」

也因此,多年來孫館長推廣展演了多樣演示實驗的教具,更譜出數齣以偉大科學家生平為題的舞台劇。讓科學知識能重現於手邊,更活躍於舞台之上。

在泛知識節的舞台上,孫館長也帶來了多樣演示實驗教具,來解釋生活中的科學。例如我們都知道當物體傾斜角度過大時,會受到地心引力的影響而傾倒,但是對於旋轉中的陀螺或陀螺儀,只要還在轉動時,就能維持到將近水平於地面的角度而不傾倒。進一步觀察,會發現這時候的陀螺除了自轉以外,陀螺的軸心還會有一個緩慢偏移的現象。這個偏移方向與地心引力和陀螺軸心垂直,讓陀螺軸心所指的方位緩緩移動。

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而擺到地球來看,地球也有著一樣的運動現象。除了地球本身的自轉,繞行太陽的公轉以外,地球的自轉軸也有著週期長達兩萬六千年至兩萬八千年的緩慢偏移(進動)。這個偏移會造成一些星象上運用的差異,例如目前地球的軸心往北方會指向北極星,但隨著地球自轉軸的偏移,一萬四千年後地球自轉軸指到的星會變成織女星。孫館長打趣地說,屆時的中國文化基本教材在教《論語》時,原先的子曰:「為政以德,譬如北辰,居其所而眾星拱之。」應該與時俱進將「北辰」改為「織女」了。

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陀螺除了自轉以外,陀螺的軸心還會有一個緩慢偏移的現象。這個偏移方向與地心引力和陀螺軸心垂直,讓陀螺軸心所指的方位緩緩移動。圖/By Juni, Flickr, CC BY 2.0, wikimedia commons

不過,地球自轉軸的偏移並不只影響北極星的地位。這個現象更與占星術有關。今日我們所說每個人的星座,或是所謂的「黃道十二宮」,指的其實是兩千六百年前,巴比倫天文學者觀測到有十二個位於太陽在天空運行軌道的星座。當每個人出生時,此時太陽位於黃道星座的位置,就會被認定為這個人的所屬星座。並以此發展至今成為了兼談心理與運勢的占星術。

然而,這其中所出現最大的問題,就是隨著兩千六百年地球自轉軸的偏移,導致今日太陽通過各星座的日期,比起巴比倫王朝時期晚了將近一個月。也因為地軸偏差之故,讓過去不在黃道上的蛇夫座,在現在也成為黃道星座之一。孫館長說「你聽了一輩子的星座故事,但壞消息是,你根本不屬於你以為的星座。」這個地球運動現象的發現與黃道星座的改變。讓我們對自然的理解更加深入與正確。但也點出了今日占星術並沒有隨著科學的進展而與時俱進的缺陷。

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孫館長說「你聽了一輩子的星座故事,但壞消息是,你根本不屬於你以為的星座。」就因為蛇夫座的加入。圖/Public Domain, wikimedia commons

相比起宇宙的浩瀚,人類所理解的知識仍微乎其微。但藉由生活常見的玩具,我們就可以一窺星球運動的奧秘與理解知識發展途徑,更進一步啟迪興趣,鼓舞每個人踏上探索知識的未至之境。孫館長也鼓勵在場所有的科學愛好者們

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「看到這些你不知道的事,去找出答案。這就是探索科學的痛苦與喜悅所在。」

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泛知識節
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從「科學太重要了,所以不能只交給科學家」,到「科學家太重要了,所以不能只懂科學」,再到「知識太重要了,所以不能讓它關在牆裡」,「泛知識節」為泛科知識召集之年度大型活動,承繼 PanSci 泛科學年會的精神與架構,邀請「科學」「科技」「娛樂」「旅行」四個領域的專家與耕耘者,一同談說、分享、攻錯。 這是一個大型的舞台,我們在此治茶拂席,虛位以待,請你上座。

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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泛知識節紀實:跨越視覺科學:烏賊可能比你還聰明
泛知識節
・2017/05/18 ・2441字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

這一系列文章為 2016泛知識節「翻牆吧!知識」的活動紀實,我們將當下求知求真地感動盡力留下,想與世界某個角落正在努力翻牆的你分享。

知識不只在學校的黑板、不只在安靜的圖書館,當然 更不只在名為「學校」那棟被牆包圍的建築。2016泛 · 知識節「翻牆吧!知識」承襲著泛科學年會的精神與架構,變的是讓更多的知識在這裏碰撞,不變的是那渴求知識的靈魂。如果知識是一道牆,現在就讓我們用求知慾翻牆吧!

關於本場次【烏賊,可能比你還聰明】的活動介紹,請參考這裡

  • 講者/焦傳金|清華大學生科系教授
  • 文字紀錄/王景新

常出現在餐桌上的烏賊,你了解多少?清華大學生科系教授焦傳金堪稱是國內研究烏賊的巨擘。看似冷血的烏賊,居然有跟哺乳類動物貓狗一般複雜的神經系統,對疼痛有長期記憶,甚至還會猶豫。

焦傳金老師在泛.知識節演講的畫面。圖/泛.知識節

腳長在頭上的頭足綱

焦傳金先從烏賊所屬的頭足綱(Cephalopoda)說起,字首 -Ceph 有頭部的意思,字尾 -poda 則是腳,換言之,頭足綱生物的腳長在頭上。為什麼想研究頭足綱生物呢?焦傳金說其中一個原因是,牠們是非常聰明的動物,而這可以從大腦看出來。頭足綱生物的大腦與體重的比例,在哺乳類與鳥類動物之下,在魚類與爬蟲類動物之上。而牠們的神經細胞數量也相當龐大,舉例來說成年大章魚腦神經細胞多達五億個,與家裡飼養的寵物貓狗相當接近。焦傳金形容頭足類是「無脊椎動物中擁有最複雜神經系統」的生物。

除了驚人的大腦之外,頭足綱生物也是一種「視覺動物」。牠們生物的眼睛從外觀上和魚很類似,但牠們處理視覺的腦區「視葉」佔了三分之二腦體積。不過牠是全色盲,意謂章魚視覺所見的景像只有灰階的色階分布。

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焦傳金指出, 現代頭足類缺少外殼保護,並與魚類競爭資源,於是演化出偽裝行為。烏賊的偽裝能力(視覺、體色調控)、認知能力(數感與決策分析)是兩大讓牠成為頭足類偽裝之王的原因,「偽裝並不一定得做到完全相像,看得到但看不出才是關鍵。」

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圖/By Dan Hershman, CC BY 2.0, wikimedia commons.

章魚、烏賊的偽裝之術

焦傳金的演講穿插著章魚、烏賊偽裝在環境中的影片,讓聽眾不時發出讚嘆聲,驚嘆這奧妙的大自然。其中,最不可思議的是,章魚可藉由身上的色素細胞(chromatophores)收縮來改變體色,融入環境。另一段影片則是拍攝一隻停在一塊珊瑚礁上的章魚,但即使以我們人類的視覺,也僅能看出有一塊紋路不像珊瑚的東西,「看得到,但看不出。」牠們模仿的是整個環境的一般特徵,而不是模仿到跟某個物體一模一樣。

焦傳金的實驗室也在研究頭足綱動物的偽裝行為,但他們並不選擇以上面提到的章魚,而是改用烏賊。他說最主要的考量是章魚的身體形狀和移動較為複雜,較不適合在實驗室環境做實驗。相對的,烏賊身體中間有個骨板,會限制牠的形狀,且烏賊也喜歡停留在飼養環境的底板,團隊容易架設攝影機觀察背部的體色變化。

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研究團隊以縝密的科學方法來實驗烏賊的行為。首先他們在水箱底部布置不同背景,例如沙底的環境,放入烏賊後,牠會融入環境的顏色;烏賊的另外一個招數是變化為破碎型體色,例如牠會在身上顯現白色方格,與體色形成強烈對比,同時也使他的身體在視覺上被切割了,其他生物因而難以察覺到牠。而體型大小不同的烏賊,在相同背景下,表現的體色也不一樣,有的使出破碎型體色的招式,有的則擬態偽裝成生物或非生物。「烏賊藉由視覺神經訊號控制色素囊縮,一秒鐘之內改變體色,是偽裝之王。」真是柔弱生之徒,焦傳金實驗發現,烏賊也可利用改變身體姿勢達到偽裝效果。

焦傳金老師說明烏賊偽裝的體色
圖/國立清華大學

烏賊也會數數

有趣的是,烏賊有著驚人的數感能力。

生物弱肉強食,烏賊會利用攻擊腕捕捉蝦子,那烏賊會知道兩群蝦子哪群多嗎?焦傳金以二選一的行為實驗來試驗烏賊,為求準確,共做三組實驗,每組執行六次。測得數據得知,實驗裝置以兩個方形的塑膠盒一盒放五隻蝦,一盒放一隻,烏賊會游到五隻處,伺機捕食;由於一隻蝦與五隻蝦差距很大,於是再放入一盒四隻蝦與一盒五隻蝦的實驗裝置,烏賊選擇的時間隨難度而增加,影片顯示烏賊確實猶豫了兩三秒,但終究游向五隻蝦的那一盒。

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焦傳金教授(左)與楊璨伊同學。
焦傳金教授(左)與楊璨伊同學(右)。圖/國立清華大學

烏賊除了可以正確分辨四跟五的不同,實驗也發現,即使實驗裝置兩盒蝦的重量一樣,烏賊仍偏好數量多;活蝦死蝦,烏賊偏好一隻活蝦更勝過兩隻死蝦,重質不重量;若是兩隻小蝦與一隻大蝦,烏賊會依食慾狀態改變選擇(風險評估),但若只是一隻大蝦和一隻小蝦,基本上無論飢餓與否都愛大的。

此外,研究更意外得知烏賊具長期記憶能力。原來是實驗裝置進行時,一盒放五隻蝦,另一盒放一隻,烏賊會游到五隻處,意欲捕食,倘若不即時取出裝置,烏賊伸出攻擊腕打實驗裝置幾次,但卻被實驗裝置的保護柵欄阻擋,造成疼痛;幾次下來,便不再貿然出手了。

楊璨伊同學進行烏賊算數實驗
楊璨伊同學進行烏賊算數實驗。圖/國立清華大學

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焦傳金總結,研究動物的偽裝行為可以幫助我們發覺視覺溝通的自然法則;烏賊的數感與風險評估能力在攝食行為上的影響,對物種保育飼養繁殖有重要幫助之外,也可藉此進而探究人類經濟行為的自然法則。

 

泛知識節
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從「科學太重要了,所以不能只交給科學家」,到「科學家太重要了,所以不能只懂科學」,再到「知識太重要了,所以不能讓它關在牆裡」,「泛知識節」為泛科知識召集之年度大型活動,承繼 PanSci 泛科學年會的精神與架構,邀請「科學」「科技」「娛樂」「旅行」四個領域的專家與耕耘者,一同談說、分享、攻錯。 這是一個大型的舞台,我們在此治茶拂席,虛位以待,請你上座。

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泛知識節紀實:你不知道的實驗動物
泛知識節
・2017/04/21 ・2928字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 521 ・七年級

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這一系列文章為 2016泛知識節「翻牆吧!知識」的活動紀實,我們將當下求知求真地感動盡力留下,想與世界某個角落正在努力翻牆的你分享。

知識不只在學校的黑板、不只在安靜的圖書館,當然 更不只在名為「學校」那棟被牆包圍的建築。2016泛 · 知識節「翻牆吧!知識」承襲著泛科學年會的精神與架構,變的是讓更多的知識在這裏碰撞,不變的是那渴求知識的靈魂。如果知識是一道牆,現在就讓我們用求知慾翻牆吧!

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  • 講者/秦咸靜|國研院動物中心企劃推廣組組長
  • 文字紀錄/侯沁歡

我是生醫研究當中常會用到的實驗鼠。圖/Rama, CC BY-SA 2.0 fr, wikimedia commons.

實驗動物是人類為追求更好的生活品質與病痛治療背後的功臣,透過牠們,不僅救了人類,也救了動物,甚或是你家的寵物。只是你真的了解牠們嗎?

國研院動物中心企劃推廣組組長秦咸靜提到,從歷史上來看實驗動物的醫療貢獻,可以發現從 1900 至 2016 年為止,103 位諾貝爾生醫獎得主中就有 84 位做的是動物實驗。人類對器官移植、免疫系統或胃潰瘍等疾病的認識,許多都是從動物實驗而來。換句話說,沒有這些動物的犧牲,我們對於醫療健康的知識不會有這麼大的進展。

國研院動物中心企劃推廣組組長秦咸靜。圖/講者提供

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在生物醫學的基礎研究部分,研究人員因為成本、時間等因素,大多使用大小鼠來做研究。醫療器材領域的檢驗多是用兔子;醫療手術方面則是以豬為多數;藥品的檢定則是需要用狗,不同的檢定依照實驗的需求,必須選擇不同的實驗的實驗動物。而操作動物實驗的過程其實就是個「擬人化」的過程,像是運用特殊品系的小鼠模擬人類高血壓的進程,或是利用先天飽食中樞有問題的小鼠,研究因過度進食肥胖而導致的糖尿病,以便順利連接到人類醫學。

每當新的藥品與醫療器材被開發出來,從實驗室到實際面對人體應用前,都需要經過種種的檢測判斷藥品是否安全與有效,這中間的過程我們就會需要實驗動物的幫忙。

各有不同的大小鼠家族成員

實驗動物有許多種,在這場講座中,秦咸靜挑選了大家最熟悉的大小鼠來詳加介紹。之所以大多數的研究都會選擇大小鼠有幾個原因:牠們的成本低、體積小、易操作,並且有著豐富的生理遺傳資料與多樣性,事實上,除了我們常說的小白鼠外,所有品種加上基因改造小鼠,目前一共有兩萬多個品系。

在做動物實驗時,會將大小鼠做近親交配,因為近親交配多代以後,個體間的遺傳差異性變得很小,就像是利用許許多多的雙胞胎鼠在做實驗一樣,能得到穩定的數據。然而這也表示牠們只能代表某一小部分族群,在實驗結果的解讀上更需小心。

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在眾多品系中,小白鼠其實是白化突變的品種、而黑鼠則是顯性基因突變而來,小鼠毛皮最自然的顏色其實是栗子色。每種大小鼠的毛色與個性皆有不同,選用來做的實驗種類也不一樣。品系 C57BL/6J(簡稱 B6)的小黑鼠是實驗用途最多的實驗鼠,牠們有著愛吃甜食、不愛帶小孩的個性,被實驗人員們稱做「Party animal」,時常被實驗人員用來做遺傳基因解碼實驗。而 CTH 品系的褐色鼠,對於葡萄糖的耐受性強,但空間記憶力卻很差。實驗人員會依照實驗題目來選擇較適合的品系進行實驗。

由於基因改造技術,現在發展出許多人類疾病模式的大小鼠,讓牠們能被模擬 / 複製人類遺傳疾病以方便研究。

實驗動物居所大公開

實驗動物們平常居住在動物中心的隔離飼育區(barrier)/ 動物房裡,這些動物房除了養動物們之外,還要配備其它多功能場域(functional area),如餵養區、新動物進場檢疫區、清潔消毒區、存放區等等,是整個動物中心佔地最廣的一區,比工作人員的辦公室、廚房、實驗室都還要大。

這些動物中心對於實驗動物居住環境品質的要求其實非常高,凡是進出隔離飼育區的人員、食物、水以及排泄物等等,都需要檢查與檢驗。實驗動物居住品質關係到牠們的健康,也間接影響到實驗結果的準確性。一個好的飼育區 / 動物房,各式外在環境的調控都非常重要:恆溫(攝氏 22~24 度)能使動物們代謝正常、維持濕度在 50~60% 之間有利食物飼料保存與降低疾病感染;新鮮空氣與氣味品質需要靠高換氣率來達成。

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實驗動物的居住環境需要嚴謹的管控。圖/By usda, Public Domain, wikimedia commons.

由於動物們在野外生活大多憑藉季節與日照時數的更替來轉換作息與繁殖週期,因此光週期的控制非常重要,為了避免偏差,動物房裡基本上都控制白天黑夜為各 12 小時,只有當需要繁殖時會轉為模擬夏季的較長時間日照;對夜行性動物來說,光度也是很需要注意的一環,動物房會配備兩段式或旋鈕式的可調節光線開關,以滿足動物們平常生活(較暗)與實驗人員進去工作時(較亮)的不同需求。

乾淨是最高準則

飼養實驗動物時,最忌諱的就是讓外面環境中的細菌與髒汙汙染到動物們的生活環境。當工作人員要進入動物房之前,一定要先洗澡並換下全身從裡到外的衣物,有時還要抽檢洗得「乾不乾淨」,檢測細菌的殘留量。動物們每季也都要做一次健康檢查,遠比人類一年一度的頻率來得還高。除了上述大環境的監控,每個小小飼育籠裡的「微環境」也有很多學問,動物中心裡的工作人員每一天都需要為牠們的家做清潔、消毒與更換墊料的工作(純手工!)。也要考量到動物們野外的生活型態,例如替愛做窩小鼠們準備「打造家園的材料」,根據生存需求與本能提供的客製化服務。

實驗鼠的飼育箱。圖/Public Domain, wikimedia commons.

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一般,實驗動物會養在俗稱「鞋盒式的飼育籠」裡面,比起上方沒有加蓋的開放式飼育籠,更能層層過濾空氣、隔絕細菌進入。不過,還有一種更高級的住宅區,叫做「獨立空調飼育系統」,顧名思義每個飼育籠都有管線連接到獨立空調,大家呼吸的空氣不會互相干擾,更是避免了疾病或細菌的傳染、穩定動物的品質;每個獨立空調都是由上往下,經過過濾後才傳輸到籠內,廢氣則由下往上到屋頂之後分流排出,為了維持下方飼育籠的乾淨品質,所有的管線都藏在天花板下的貓道裡,而這些貓道同時也方便維修人員進出工作,讓他們不必經過層層的滅菌手續,一切事情都從上往下處理。

除此之外,秦咸靜也提到,動物房內所有的牆面都是防撞牆,每一個轉折處都是弧狀轉角,這樣才能確保牆面的乾淨、不藏污;整棟建築物也是隔震建築,當地震來臨時,建築體下方的支撐物能保持建物的垂直,避免裡面的飼育籠經過搖晃後全都東倒西歪。

2016年11月20日秦咸靜組長在泛.知識節上的分享。

飼養實驗動物其實是非常繁瑣和辛苦的一件事,許多複雜的手續和規則,都需要大家共同來維持和遵守,雖然實驗動物們被養育的目的是為了幫助實驗的研究,但工作人員仍然希望牠們在有生之年能擁有最好的生活品質。許多人會直覺地想像養實驗動物大概就和在家中養寵物差不多,但看完這些,你是否對實驗動物的想像改觀了呢?

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