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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!

關於本場次【實驗動物大觀園】的活動介紹,請參考這裡

  • 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

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。

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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。

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。

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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。

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。

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

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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泛知識節
24 篇文章 ・ 4 位粉絲
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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從「衛生紙」開始的環保行動:一起愛地球,從 i 開始
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/03 ・1592字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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你是否也曾在抽衛生紙的瞬間,心頭閃過「這會不會讓更多森林消失」的擔憂?當最後一張衛生紙用完,內心的愧疚感也油然而生……但先別急著責怪自己,事實上,使用木製品和紙張也能很永續!只要我們選對來源、支持永續木材,你的每一個購物決策,都能將對地球的影響降到最低。

二氧化碳是「植物的食物」:碳的循環旅程

樹木的主食是水與二氧化碳,它們從空氣中吸收二氧化碳,並利用這些碳元素形成枝葉與樹幹。最終這些樹木會被砍伐,切成木材或搗成紙漿,用於各種紙張與木製品的製造。

木製品在到達其使用年限後,無論是被燃燒還是自然分解,都會重新釋放出二氧化碳。不過在碳循環中,這些釋出的二氧化碳,來自於原本被樹木「吸收」的那些二氧化碳,因此並不會增加大氣中的碳總量。

只要我們持續種植新樹,碳循環就能不斷延續,二氧化碳在不同型態間流轉,而不會大量增加溫室氣體在大氣中的總量。因為具備循環再生的特性,讓木材成為相對環保的資源。

但,為了木製品而砍伐森林,真的沒問題嗎?當然會有問題!

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從吸碳到固碳的循環

砍對樹,很重要

實際上,有不少木材來自於樹木豐富的熱帶雨林。然而,熱帶雨林是無數動植物的棲息地,它們承載著地球豐富的生物多樣性。當這些森林被非法砍伐,不僅生態系統遭到破壞,還有一個嚴重的問題–黃碳,也就是那些大量儲存在落葉與土壤有機質中的碳,會因為上方森林的消失重新將碳釋放進大氣之中。這些原本是森林的土地,將從固碳變成排碳大戶。

不論是黃碳問題,還是要確保雨林珍貴的生物多樣性不被影響,經營得當的人工永續林,能將對環境的影響降到最低,是紙漿和木材的理想來源。永續林的經營者通常需要注重環境保護與生態管理,確保砍下每顆樹木後,都有新的樹木接續成長。木材反覆在同一片土地上生成,因此不用再砍伐更多的原始林。在這樣的循環經營下,我們才能不必冒著破壞原始林的風險,繼續享用木製品。

人工永續林的經營者需要注重環境保護與生態管理,確保砍下每顆樹木後,都有新的樹木接續成長。

如何確保你手中的紙張來自永續林?

如果你擔心自己無意中購買了對環境不友善的商品,而不敢下手,只要認明FSC(森林管理委員會)認證與 PEFC(森林認證制度)認證標章,就能確保紙漿來源不是來自原始林。並且從森林到工廠、再到產品,流程都能被追蹤,為你把關每一張紙的生產過程合乎永續。

只要認明 FSC(森林管理委員會)認證與 PEFC(森林認證制度)認證標章,就能確保紙漿來源不是來自原始林。

家樂福「從 i 開始」:環境友善購物新選擇

不僅是紙張,家樂福自有品牌的產品都已經通過了環保認證,幫助消費者在日常生活中輕鬆實踐環保。選擇 FSC 與 PEFC 標章只是第一步,你還可以在購物時認明家樂福的「從 i 開始」價格牌,這代表商品在生產過程中已經符合多項國際認證永續發展標準。

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「從 i 開始」涵蓋十大環保行動,從營養飲食、無添加物、有機產品,到生態農業、動物福利、永續漁業、減少塑料與森林保育,讓你每一項購物選擇都能與環境保護密切相關。無論是買菜、買肉,還是日常生活用品,都能透過簡單的選擇,為地球盡一份力。

選擇 FSC 與 PEFC 標章只是第一步,你還可以在購物時認明家樂福的「從 i 開始」價格牌
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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
212 篇文章 ・ 312 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

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停班停課遠距工作,這波疫情如何影響全球的科學研究?
瑋絜
・2020/03/25 ・2491字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

隨著 COVID-19(俗名:武漢肺炎)疫情在全球各地升溫,許多大學、研究機構都採取停課措施,以避免校園成為病毒傳播的溫床。在疫情的陰影之下,校內學生和教職員除了上課受到影響,諸多進行中的科學研究計畫也被迫停擺,導致各領域的研究發展都受到重挫。

許多研究人員表示,他們過去不曾經歷過如此大規模的研究工作受到中斷,疫情造成的損失更是難以數計;《Science》的主編 Holden Thorp 也說,如果實驗所需物品的供應和研究進度持續停滯,「我們將失去很多科學知識。」

研究人員在家工作,生物醫學研究停擺

上週,哈佛大學文理學院向教職員工生發布通知,要求大家在 3 月 18 日前逐步減少研究活動,接下來的 6 到 8 週則暫停前往實驗室。愛荷華大學、塔夫茨大學等學校也祭出類似措施,以防堵肺炎疫情擴散。

基於防疫考量,許多實驗室的例行性討論都改在線上進行。圖/pxfuel

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考量到公共衛生與研究人員的健康,大部分的實驗室也都遵守學校及研究單位的規定,讓實驗室人員在家閱讀文獻、分析資料,例行性的實驗室會議也改為線上討論。

然而,生物醫學研究並非在家中書房內或是沙發上就可以完成,缺乏特殊裝備、儀器及實驗動物,研究幾乎完全停擺。哈佛研究員 Richard Lee 就表示,他所在的實驗室正在進行一項為期 4 至 6 個月的老鼠實驗,關閉實驗室意味著他們過去幾個月付出的時間和心血將付諸東流;此外,該實驗室正在進行的老人免疫系統 DNA 研究也暫時中止,復工之時遙遙無期。

大腸桿菌當然也不是可以在家培養的東西。

密西根州立大學的 Richard Lenski 自 1988 年起,致力於觀察微生物生長、演化的情形,至今已培養超過 73,000 代的大腸桿菌。為抵擋這波來勢洶洶的肺炎疫情,Richard Lenski 決定將大腸桿菌冷凍保存,中斷 32 年來從未停歇的實驗。

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然而並非所有科學研究都能在家中完成,仍是有些研究內容仰賴實驗室的設備。圖/piqsels

為了降低損失,約翰霍普金斯大學則將校內正在進行的臨床研究實驗依據急迫性和重要性分為三等級:

  • 第一等級:為「非做不可 ( essential ) 」,包含和 COVID-19 有關的試驗,以及停止試驗將對患者生命有即刻威脅性的臨床研究,此類研究可以如常進行,也可以繼續招募新的受試者。
  • 第二等級:包含多項癌症試驗,研究者可在減少人與人面對面接觸的情況下繼續工作。
  • 第三等級:多為長期追蹤的世代研究,研究者僅能透過 e-mail 或是電話方式與受試者聯繫。

實驗動物缺乏照顧只能自生自滅?

實驗室關閉的另一大隱憂,是實驗動物的照顧問題。哈佛大學演化生物學家 Hopi Hoekstra 的實驗室中,飼養了許多用於觀察動物行為的老鼠,而這些特殊樣本都是研究團隊辛苦從野外蒐集回來的。若疫情持續延燒,將導致動物照護人力短缺,最壞的情況下,研究團隊可能需要撲殺實驗室內一半的動物。

由於照護人力短缺,實驗動物恐怕在疫情中受到影響。圖/needpix

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不過,約翰霍普金斯大學及耶魯大學的動物資源中心主管受訪時表示,事情並沒有大家想像的那麼悲觀。他們讓動物照護人員採輪班制,減少彼此間的接觸,以降低整個團隊工作停擺的機會,且研究機構內有多個動物照護團隊,若不幸有工作人員染病或需隔離,可以由其他團隊人員替補,因此不用擔心實驗室內的動物無法得到必要的照顧。

約翰霍普金斯大學研究動物資源中心副主任 Eric Hutchinson 認為,即使疫情真的到了無法控制的地步,大部分的實驗動物都可以在僅供給食物和水、不清洗籠子的情況下,安穩存活 14 天。耶魯大學動物資源中心副主任 Peter Smith 則說,若真的不幸有一半的動物照護人員停工,他們仍可以進行基本的動物保健。

上至天文下至地理,各領域學者皆成受災戶

當然,除了生物醫學領域的科學研究之外,其他領域的科學研究也因為實驗室停工、全球各地的入境管制、經濟衝擊等改變而受到或大或小的影響。

受到疫情的影響,各領域的研究計畫被迫暫停。圖/pxhere

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密西根大學物理學者 David Gerdes 見全球疫情嚴峻,因而取消了 4 月前往智利天文台觀測的計畫。不巧的是,NASA 的新視野號 ( New Horizons ) 目前正以每小時 3.6 萬英里的速度經過古柏帶 ( Kuiper belt ) 的中心,因此正是近距離觀察古柏帶物體的絕佳時機,若放棄了這次的觀測,未來 10 年內可能再也盼不到這麼好的機會。

而流行病學家 CamilaGonzález-Beiras 原本在巴布亞紐幾內亞內進行熱帶肉芽腫 ( yaws ) 抗生素研究,然而,武漢肺炎疫情在全球擴散之後,當地的衛生官員被調派至機場執行檢疫工作,資助此研究計畫的世界衛生組織及當地衛生單位也將經費挪至防疫用,以西班牙籍工作人員為主的工作團隊更因班機取消而無法前往巴布亞紐幾內亞。因此,此項攸關當地人民健康的研究被迫暫時停止。

就連美國國家航空暨太空總署 ( NASA ) 的 2024 年登月計畫也難逃武漢肺炎的攪局,位於紐澳良市的火箭裝配廠由於當地疫情升溫而關閉,原定 3 月 20 日進行的太空發射系統 ( Space Launch System ) 及獵戶座太空船 ( Orion ) 測試工作皆取消。這表示已經延宕多年的登月時程將再度推遲,NASA 重返月球的日子仍不明朗。

多數研究者只得 work from home,直到疫情獲得平息。圖/pixabay

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雖然心血結晶可能在這波疫情之中成為泡影,但大部分的研究者為了將資源留給公共衛生,並照顧自己與研究夥伴的健康,多選擇乖乖待在家中,進行實驗數據的推算與分析,或是編寫未來的研究計畫。同時,他們也在心裡祈禱著疫情獲得平息,早日重返他們熱愛的科學研究與熟悉的實驗室。

參考資料

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瑋絜
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高中時為了要學自然科學還是社會科學煩惱了很久,最終選了一個介於兩者之間的科系就讀。敬畏文字,期待有一天能用其力量把世界變得更溫柔、善良一點。

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協助人類健康的大功臣「模式生物」
活躍星系核_96
・2019/08/30 ・1710字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 528 ・七年級

  • 圖文/肉桂是一隻貓
  • 責任編輯/郭宜蓁、張語柔

生活中,除了無所不在的一氧化二氫,我們還能接觸到各式各樣的化學物質,像是藥物、疫苗、保養品、化妝品、健康食品等。然而,我們之所以能夠毫無顧慮地讓這些化學物質直接碰觸我們的皮膚,甚至是影響我們的身體,是因為背後有一群大功臣——「模式生物」。牠們的貢獻還不只於此,在人類疾病、心理學、遺傳學、發育生物學、神經科學等研究中,牠們也佔有重要的位置。

什麼是「模式生物」呢?模式生物是實驗動物的一種,是被廣泛研究,並對其構造與生物現象有深入了解的物種。依據針對這些特定物種的科學研究結果,可歸納出涵蓋許多生物的模型。接下來,就讓我們來看看動物中,有哪些較為普遍的「模式生物」吧!

小鼠與大鼠

談及實驗動物,腦中第一個浮現的就是實驗鼠:小鼠(Mus musculus)與大鼠(Rattus norvegicus)。

實驗使用的大小鼠為馴化後的白化品系,白毛紅眼,兩者體型差異甚大,成年雄小鼠約 20~40g,成年雄大鼠約 300~400g。為藥物與毒理試驗的基本實驗動物。

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科學研究利用大小鼠進行人類疾病研究,例如高血壓、青光眼等。另外心理學、神經科學研究則利用大小鼠進行水迷宮試驗來觀察空間學習能力或神經生理等。

斑馬魚

斑馬魚(Danio rerio)廣泛運用在發育生物學和分子發育遺傳學的研究,又稱為「水中的小白鼠」。

斑馬魚成魚體長約 4~6 公分,體外受精,受精卵在體外發育,發育過程中胚胎透明容易觀察與操作,為科學家研究脊椎動物早期器官發育和型態分化提供了極佳的觀察研究素材。

許多人類疾病可以成功模擬到斑馬魚上而進行研究,例如癌症或心血管疾病等,並且也已建立斑馬魚的免疫模式,是免疫研究的廣泛運用模式生物。由於斑馬魚幼魚能再生其心臟、體側線的毛細胞、視網膜神經元等重要細胞,故也是用以研究再生的重要模式生物。

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非洲爪蟾

非洲爪蟾(Xenopus laevis)是發展生物學的重要模式生物。其卵母細胞是分子生物學重要的表達細胞。

非洲爪蟾(Xenopus laevis)兩棲生物,可以說是模式生物裡的少見的青蛙(?)王子。

非洲爪蟾的胚胎大容易進行實驗操作,是發展生物學的重要生物研究材料,並且非洲爪蟾的卵母細胞是分子生物學重要的表達細胞,用以表現 DNA 與 mRNA 之對應蛋白質以進行研究。

黑腹果蠅

黑腹果蠅(Drosophila melanogaster)染色體 8 條數量少容易定位與操作,是研究遺傳學的重要模式生物,黑腹果蠅目前已「貢獻」了 8 個諾貝爾獎。

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黑腹果蠅(Drosophila melanogaster)體型很小,體長小於 3 mm。

黑腹果蠅的生命週期短,繁殖力強,容易飼養,遺傳物質結構簡單,只有四對共八條染色體,其中一對為性染色體,易於進行基因定位與操作,容易誘導明顯的突變表徵,是研究遺傳學、發育生物學的重要模式生物,黑腹果蠅目前已「貢獻」了 8 個諾貝爾獎。

秀麗隱桿線蟲

秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)第一個完成基因體定序的多細胞動物,是目前身體每個一細胞都能被溯源的生物,可以說是「超級模式生物」。

秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)非寄生性線蟲,以細菌為食的線性動物,全身體透明,成蟲長度約 1 mm,雌雄同體。

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秀麗隱桿線蟲的基因定序在 1998 年完成,也是第一個完成基因體定序的多細胞動物,同時是目前身體每個一細胞都能被溯源的生物,可以說是「超級模式生物」。在發育生物學、細胞凋亡研究作出卓越無可取代的貢獻。

另外,秀麗隱桿線蟲已被成功建構神經完整連接體(Connectome),意為其體內神經系統內所有神經連接的映射被架構完成,是神經生物學研究的模式生物。

「模式生物」之於人類

模式生物幫助科學研究的進行,加速我們對未知的理解,還能檢驗藥物、保養用品的安全性。模式生物的「生命」是我們應該好好重視的,牠們的犧牲奉獻並非理所當然,我們除了感謝牠們的存在之外,盡可能地給予模式生物最好的生活,在運用模式生物前,更要審慎評估,避免濫用以及不尊重其生命。

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活躍星系核_96
778 篇文章 ・ 127 位粉絲
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