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誰害台灣蝙蝠迷航了?兇手就是農藥和重金屬!

活躍星系核_96
・2017/01/11 ・4401字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 596 ・九年級

國立臺灣師範大學生命科學系教授吳忠信採集臺灣各區蝙蝠,發現因環境污染毒物如農藥及重金屬,累積在蝙蝠體內,破壞中樞神經及回聲定位系統,導致迷航的蝙蝠無法正常在空中捕捉昆蟲或躲避障礙物,逐漸消失在田野中。

再過兩週就是過年,蝙蝠的「蝠」與「福」同音,中華傳統文化常見蝙蝠圖案,鄉下見到屋簷下聚集蝙蝠,更相信會帶來福氣。但近來看到蝙蝠的機會越來越少,台灣蝙蝠數量從 2005 年的 50 萬隻銳減到 2014 年的 20 萬隻,到底發生什麼事了?

過去科學家發現,不同種類的蝙蝠多會發出超高頻的叫聲,再利用回聲定位方式在空中捕捉昆蟲或是躲避障礙物。國立臺灣師範大學生命科學系教授吳忠信投入臺灣蝙蝠回聲定位研究長達 20 年,過去研究發現蝙蝠中樞腦神經系統可以辨識自己發射出去的超聲回波,讓牠們可以自由遨翔捕食獵物,卻不會在天空相撞!

吳宗信老師。圖/師大提供。
吳宗信老師。圖/師大提供。

近幾年吳忠信更發現臺灣環境汙染的毒物會累積在蝙蝠體內,結果造成蝙蝠中樞神經系統以及回聲定位系統的破壞,嚴重時甚至引發蝙蝠迷航,而無法在空中正常飛翔。一旦蝙蝠無法正常在空中捕捉昆蟲或是躲避障礙物,許多蝙蝠種類便會喪失生存的本能,逐漸消失在臺灣田野之中。

「夜明砂」透漏毒訊

吳忠信研究團隊利用蝙蝠田野研究與調查的機會,採集台灣北、中、南與東部等不同樣區蝙蝠的糞便(夜明砂),並利用「感應耦合電漿質譜分析儀」(ICP-MS)分析蝙蝠糞便重金屬含量。

俗稱「夜明砂」的蝙蝠糞便。圖/師大提供
俗稱「夜明砂」的蝙蝠糞便。圖/師大提供

結果發現:

北部蝙蝠糞便中含有超量的鉛、汞、鉻、鎘、銅、錳等重金屬,環境毒物主要來自工業與交通排廢氣的汙染。

中、南部蝙蝠糞便中則含有超量的砷、銅、錳等重金屬,也檢測出農藥益達胺的累積,環境毒物主要來自農業的汙染。

東部的蝙蝠糞便中則僅測出錳重金屬超量。

吳忠信利用各地收集到的蝙蝠糞便分析重金屬汙染的資料,此結果與環保署分析臺灣各地排放廢水所獲得的環境重金屬汙染資料大致吻合。由於野生蝙蝠會在我們生存的週邊環境中飛翔並且覓食,因此當週邊環境遭受環境重金屬或農藥汙染時,野生蝙蝠糞便中所含的環境重金屬或農藥含量應該就會超標,由這些結果可以推估某一地區環境重金屬與農藥的污染情況。

環境重金屬會透過飲食、呼吸或是直接接觸的路徑進入人體,但是重金屬不像其他的毒素可以在肝臟分解代謝,然後排出體外。相對的,它極易積存在大腦、腎臟等器官,漸進式的損壞身體正常功能。此外,重金屬進入人體後,大部分會與我們體內的蛋白質、核酸結合,結果可能造成基因突變,影響細胞遺傳,產生畸胎或是癌症。

環境重金屬鉛、錳過量累積在人類的腦部,常會讓人體出現類巴金森氏症的神經退化與行動困難等症狀。重金屬鎘在工業上經常被用於塑膠加工業或當安定劑使用;當含超量鎘的河水灌溉稻田,禾稻便吸收重金屬鎘,人類食用受污染的稻米後,鎘便積聚在人體內,鎘累積人體內過量會導致骨骼軟化及腎功能衰竭;有些鎘中毒患者甚至會因為關節和骨頭極度疼痛而叫喊,產生所謂的「痛痛病」。重金屬砷常用於合成農藥、除草劑和殺蟲劑,過去曾有案例指出引用含砷量高的井水可能會讓人末肢發黑、潰爛、產生所謂的「烏腳病」。

發展迷你飛行軌跡分析儀,追蹤蝙蝠飛行

由於在野外蝙蝠飛行觀測不易,為紀錄並且分析蝙蝠飛行的軌跡,吳忠信團隊的徐志翔博士研發組裝一個重量僅 5 公克的蝙蝠飛行軌跡分析儀。此分析儀由一個速度與加速度感測器結合 LED 小燈泡所組成,加速規是一種電機式的感測器,可以利用無線傳輸出受測試物體的轉動角度與加速度的電子信號到手機,再由廠商免費提供的 APP 應用程式作進一步的分析。

團隊將迷你型的飛行軌跡分析儀裝置在臺灣大型食蟲蝙蝠的臺灣葉鼻蝠的身上,然後放飛於一個長方形的室內空間,讓蝙蝠連續飛行數分鐘。蝙蝠飛行的轉動角度與加速度的訊號會藉由無線傳輸到手機上,這些數據有助於團隊計算出蝙蝠在空間內的飛行軌跡距離。此外,團隊也利用數位相機或是攝影機,在黑暗中利用連續曝光方式拍攝蝙蝠身上 LED 小燈泡所發出的光軌,藉此來記錄蝙蝠的飛行軌跡。

遭受環境毒物傷害蝙蝠在教室內紀錄飛行的光軌。圖/師大提供
遭受環境毒物傷害蝙蝠在教室內紀錄飛行的光軌。圖/師大提供

由於蝙蝠在完全陌生環境中飛行時,會利用發出超聲波來探索周遭的環境背景,並且會很快的熟悉並且記住周遭的環境背景,而循著固定的路徑飛行,這稱之為蝙蝠飛行的固定行為模式。團隊研究發現,當蝙蝠攝食含有重金屬錳或是農藥益達胺的昆蟲食物後,原本有規律的蝙蝠飛行路徑則會變得相當紊亂。這結果說明,蝙蝠飛行的固定行為模式會因為蝙蝠攝食含有重金屬錳或是農藥益達胺而被擾亂。

蝙蝠找不到路!原因是腦神經受傷了

團隊中的蕭淳任博士研究發現,當蝙蝠攝食含有農藥益達胺汙染的昆蟲時,蝙蝠海馬迴與內嗅皮質的神經細胞會有損傷的情形發生,此情形會導致蝙蝠大腦內部定位導航系統以及記憶學習功能的喪失,最終造成蝙蝠迷航的情形發生,此研究成果已於 2016 年刊登在國際學術期刊 Neuroreport 。

過去科學家發現,田野間使用的農藥益達胺會嚴重傷害蜜蜂,害牠們找不到回家的路,研究發現主因是農藥益達胺不但會影響蜜蜂的神經發育,也會損傷蜜蜂的記憶學習功能,結果干擾蜜蜂返巢的能力。由於農藥益達胺在環境中非常不容易被自然分解,益達胺的半衰期長達 228 天,因此當昆蟲吃進含有農藥益達胺的農作物時,益達胺後會保留在昆蟲體內好長一段時間。

據統計每隻食蟲蝙蝠一晚上就能吃掉數百隻,甚至上千隻的昆蟲,雖然蝙蝠對昆蟲數量的控制佔舉足輕重的角色,然而當蝙蝠吃進上千隻昆蟲的同時,昆蟲體內的農藥益達胺也不斷的累積在蝙蝠的體內,農藥益達胺累積到一定量後便會損傷蝙蝠腦部的神經元。

蝙蝠發出的超聲波譜也變得「五音不全」

吳忠信指出,蝙蝠飛行時會利用回聲定位系統來捕食空中的昆蟲或是躲避障礙物,蝙蝠的回聲定位系統包含了發聲、聽覺與飛行定向三大系統。當週遭環境遭受到工業以及農業汙染時,蝙蝠可能會因為攝入過量的環境重金屬或是農藥而造成回聲定位系統受損,最終造成蝙蝠的迷航。

為解開蝙蝠迷航的謎團,吳忠信團隊利用臺灣葉鼻蝠作為實驗模式動物,透過分析蝙蝠超聲波聲紋圖譜、檢測蝙蝠對超聲波的聽覺誘發電位、以及分析蝙蝠飛行軌跡來分別探討當蝙蝠攝入過量的環境重金屬錳或是農藥益達胺後,對於蝙蝠的發聲系統、聽覺系統與飛行定向系統是否造成損傷?

桃園後慈湖的臺灣葉鼻蝠群聚
桃園後慈湖的臺灣葉鼻蝠群聚。圖/師大提供
  • 臺灣葉鼻蝠

實驗結果發現,當蝙蝠攝食含有重金屬錳或是農藥益達胺後的昆蟲食物後,原本飛行時發出的「常頻–變頻」(CF-FM)超聲波聲譜會變得殘缺不全。而原本聽覺敏感度較佳聽覺誘發電位,也會因為蝙蝠攝食含有重金屬錳或是農藥益達胺後的昆蟲食物後而變得很差。此外,當蝙蝠攝食含有重金屬錳或是農藥益達胺後的昆蟲食物後,原本有規律的蝙蝠飛行路徑也會變得相當紊亂。

這結果顯示,環境重金屬錳或是農藥益達胺確實會對於蝙蝠的回聲定位系統造成傷害,此種環境毒物的傷害損及了蝙蝠的發聲、聽覺與飛行定向三大系統,結果引發蝙蝠迷航,而使得蝙蝠無法正常在空中飛翔,甚至喪失捕捉昆蟲的能力。

從分子機制來看,該表現的發聲、聽覺基因也失常了

當重金屬錳或是農藥益達胺累積在蝙蝠體內,是否會影響蝙蝠腦內發聲與聽覺神經元的功能表現?

團隊中的林清隆與王雪娥兩位博士利用「免疫組織化學染色技術」(immunohistochemistry, IHC)與「西方點墨法技術」(Western blot)進行研究,結果顯示,當蝙蝠攝食到含有高劑量重金屬錳或農藥益達胺後,蝙蝠中腦發聲相關神經元 FOXP2 發聲基因的表現蛋白大幅降低;而蝙蝠中腦聽覺相關神經元 Otoferlin 聽覺基因的表現蛋白大幅降低。此外,蝙蝠聽覺耳蝸組織外耳毛 Prestin 聽覺基因的表現蛋白也是大幅降低。這些結果均說明了當重金屬錳或是農藥益達胺累積在蝙蝠體內,確實會大大地影響蝙蝠腦內發聲與聽覺神經元的正常功能表現。

FOXP2 基因是一種轉錄抑制子,功能主要與語言和講話有關,當人體的 FoxP2 基因發生突變後,會造成語言學習困難、講話口齒不清,這影響主要是口腔與臉部涉及講話的肌肉運動協調不佳。而 Otoferlin 基因是耳蝸內將聲音訊號轉換為神經訊號過程中不可或缺的一部份,若病人的有缺陷,其耳蝸外型結構會是正常的,但是並不能正常的運作。此外,聽覺耳蝸組織外耳毛細胞具有 Prestin 運動蛋白質,可以調節內耳毛細胞對聲音的敏感性,特別是對於高頻聲刺激所引起的聽覺敏感性。

重金屬錳或是農藥益達胺究竟透過哪些分子生物途徑,來破壞腦神經元的功能表現?

團隊進一步利用西方點墨法技術研究實驗結果顯示,當蝙蝠攝食到含有高劑量重金屬錳或農藥益達胺後,腦組織與耳蝸組織的神經發炎表現蛋白質 TNF-α 會明顯增強。此外,腦組織與耳蝸組織中細胞凋亡表現蛋白質的 Cytochrom C、Caspase 12、Caspase 3 也顯著增加。這些結果說明了,當重金屬錳或是農藥益達胺累積在蝙蝠體內,確實會藉由引發腦內發聲與聽覺神經元的發炎與細胞凋亡反應,進而損傷蝙蝠腦內的回聲定位系統,如此一來便可能造成蝙蝠迷航,使得蝙蝠無法在空中正常飛翔。

蝙蝠是農民的好朋友

新北瑞濱蝙蝠洞內的東亞摺翅蝠。圖/師大提供
新北瑞濱蝙蝠洞內的東亞摺翅蝠。圖/師大提供

世界上有一百多種果樹,都有賴蝙蝠播種及傳播花粉。在臺灣有些農民利用農園附近設置蝙蝠屋,讓蝙蝠幫忙除蟲,食蟲性蝙蝠對農業蟲害控制具備關鍵作用,不但可增加農林產業之營收,也可減少因大量使用農藥所造成的環境污染。研究人員發現單隻食蟲蝙蝠一個晚上的覓食就可能吃掉數百隻,甚至上千隻的昆蟲,其中不乏許多可能危害農作物的經濟害蟲,不僅對農業收成助益甚大,而且不會污染環境,對控制害蟲的數量極為重要,可說是免費的「天然殺蟲劑」,對於生態與人類的經濟活動具有重大影響。

除此之外,農民也會收集蝙蝠糞便當肥料,蝙蝠糞便是一種優質而高效的磷肥,可促進農作生長進而降低成本,施用蝙蝠糞便除了減少化學肥料對土地的傷害,耕種的有機蔬菜也可長得非常健康茂盛。利用蝙蝠除蟲與糞便施肥,成為有機農業耕種的新模式,也為臺灣的農業帶來新的商機。

雖然利用野生蝙蝠監測臺灣生態環境至今尚未在國內成為學術研究主流,但是透過野生蝙蝠作為環境評估的生物指標工具,或許可以讓人類了解生活環境中究竟充斥著哪一些環境毒物,藉由環境保護與降低汙染途徑,來維護整體環境品質與確保國人以及野生物的身體健康。

本文改寫自臺灣師範大學新聞稿

  • 台灣蝙蝠的多樣性

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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就是想知道十萬個植物的為什麼!解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳,畢業自台灣大學植物系,在美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)進行博士後研究,研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究,在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機,可能很難立即知道失主是誰,甚至有點摸不著頭緒:因為她手機裡超過 80% 的照片,都是植物。為何會選擇植物作為研究領域?身為中研院分子生物研究所特聘研究員,在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說,這個決定其實「不太科學」,因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇,因為好奇而想要知道更多:許多 love story 都是這樣開始的,而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢?也因為一般人都不夠認識植物,聽不懂植物的細語呢喃,更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家,擔任植物駭客兼翻譯,讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事,從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。圖/劉志恒攝影

分子生物學突破:發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」,大幅提升了糧食生產量,餵飽了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要,然而植物透過什麼機制攝取氮肥?如何調控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮,是生物存活的重要元素;從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素,到與遺傳相關的核酸中,都有氮的存在。但對植物來說,要取得氮元素卻出乎意料地困難;大氣的組成中近五分之四為氮氣,但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」,其中又以硝酸鹽為主。

但是,硝酸鹽是帶電離子,無法自行通過脂質構成的細胞膜,那到底植物如何利用硝酸鹽呢?為了解開這個長年來的謎題,蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株,並利用當時最新發展出來的分子生物技術,試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示,這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株,在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現,這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹;卻直到她開始進行博士後研究,伴隨植物分子生物相關技術發展,才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰,因為新技術還不穩固,就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她,決定一邊持續研究氮代謝,一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術,1994 年,蔡宜芳從美國回到台灣,持續研究進一步發現, 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白,除了作為硝酸鹽的「搬運工」,還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中,植物是被動的吸收養分:但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時,植物會主動改變硝酸鹽的運作模式,這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換,因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1,植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度,幫助植物調控基因表現,以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控,在農業領域十分有發展潛力,蔡宜芳的研究進一步轉向,對接實際應用,期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外,她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式,增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失,因此多數的氮肥施放到田間後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能減少施肥的浪費,連帶減少製造氮肥耗用的能源,也讓農作物長得更好。

好消息是,透過基因調控,蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功,並取得相關專利,期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品:好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心,對她來說和植物有關的十萬個為什麼,猶如始終永遠拼不完的大型拼圖,從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意義),想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解,往往覺得植物跟動物一點也不同,然而在蔡宜芳看來絕非如此,她表示,已經有研究發現,當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間,植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫,但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其實都知道,只是用我們不懂的方式在表達,要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖/劉志恒攝影

當然研究也不能自己埋頭苦幹,交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年,但回憶起剛建立獨立實驗室的階段,面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題,當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人,被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點,一來一往的思辨與答辯,反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破,是因為被質疑的時候很生氣,可是不能光氣,也要想辦法解決。就在生氣的時候,想出來的方法,最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時,認真地給出言之有物的評論,幫她累積了領域內的信譽,才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練,對科學家的養成非常重要,然而蔡宜芳觀察,科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例,在美國課堂上,老師會要學生先讀一篇論文,接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人,都會把 paper 當作傳世經書在讀,讀懂它就覺得很開心了——要去批評它,我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦,但會痛就代表該變。

她就此改變了思路:面對知識,蔡宜芳要求自己不僅要讀懂,還要有餘力批評它,說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為,科學就是得永遠抱持著質疑的態度,在不疑處有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面,我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中,會不斷要求學生思考、批判。圖/劉志恒攝影

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她,在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了,革命十次稀鬆平常,如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走?那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力,身為科學界的女性,蔡宜芳認為,自己的成長環境中,性別造成的影響並不大,以她所在的中研院分生所為例,研究人員性別比例很平均。但若深入細究,「無意識偏見」(unconscious bias)仍難以避免。她以自己帶過的學生為例,生科領域在大學時期男女比例大約是各半,但隨著碩士、博士一路往上,男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候,往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先,這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」,成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她,時常是唯一獲獎的女性,而就在接受採訪不久前,她又獲頒一個獎項,直到頒獎當天的照片寄回到所上,「一片黑西裝裡面,就我穿黃色!」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時,也對她苦笑說:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西,做該做的事情。真正不平的時候,不要安靜不講。」儘管環境仍待改變,蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步,就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥,遇上一位不放棄的科學家兼植物迷,造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣,裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片,請別質疑自己是不是怪怪的,或許妳也將靠著研究,改變世界,這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

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