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保護石虎只能放慢車速?機械系貓奴教授的秘密計畫!

鄭國威 Portnoy_96
・2017/08/17 ・4240字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 510 ・六年級
學生(游富祥、賴韋婷、呂智捷)到特生中心先量測動物標本大小,確認目標動物的身長、眼高等。圖/By 蔣雅郁

「就是看了很生氣啊!這種事情不是應該趕快解決嗎?怎麼會只能呼籲降低車速呢?」

看到台灣原生貓科動物石虎屢屢遭路殺(road kill)的消息而憤怒難受,蔣雅郁不是第一個,但她可能是第一個擁有應用力學加生化工程背景的博士,在台中的中興大學機械工程學系任教,而且更重要的是,她是位忠實的貓奴。

避免路殺只能放慢車速?創造友善的公路系統吧!

2016 年 8 月,蔣雅郁剛卸下倫敦大學生物化學工程學系博士後研究員的身份,從英國回到台灣。雖然她在歐洲的研究機構工作多年,但一直很關注台灣的議題。去年 11 月 3 日,一篇公視新聞網的報導《瀕絕石虎命喪國道 今年全台累積已七起》讓她發了火。「今年已經發生七起了?!我還是不懂到頭來,唯一能做到的方式叫做:大家放慢車速?積極作為呢?」而朋友在臉書下回的一句「哪會有積極作為」,讓她下了決心。

「老實說,這在工程上不難啊!」蔣雅郁認為,應用工程科技,用主動的方式讓用路人減速、或是用光波、聲波來減緩動物從淺山移動至馬路危險區域,增加雙方反應的時間差,或是讓動物根本不要上到路面,這些都不需要什麼高科技,身為資深貓奴,使命感讓她試圖扭轉石虎慘死輪下的命運。「我這個人很簡單,有貓我就推!」她說。

蔣雅郁養過四隻貓,也養過狗,都是領養來的。一開始爸媽也不太同意,但後來因為出國唸書,貓交給爸媽照顧,就像網路上流傳的有趣故事一樣,養著養著爸媽也成了愛貓一族。因為石虎瀕臨絕種,讓蔣雅郁更深入了解了路殺議題,才發現包括白鼻心、金門水獺、蛇類…..等太多動物都死於不友善的公路系統。「那就讓公路系統變友善吧!」,她想。

學生(游富祥、賴韋婷、呂智捷)到特生中心先量測動物標本大小,確認目標動物的身長、眼高等。圖/By 蔣雅郁

先從哺乳類開始設計的原因,倒不是真的只是因為愛貓愛石虎,而是因為哺乳類體型比較大、可以偵測到的訊號比較多,像是紅外線、熱感應跟聲感應都比較可行。就在看到公視新聞的當天,蔣雅郁打電話到農委會特生中心,但一開始沒連絡上致力於推動石虎保育的林育秀研究員,兩個禮拜後,心急的蔣雅郁正想再打過去,就先接到林育秀打來的電話。「如果當初雙方都發懶,放著不聯繫,這段合作可能就不會開始」,幸好兩個人都有著不放棄的性格,合作就此展開。特生中心與她打算從中小型的食肉目動物開始,設計出能夠救牠們一命的友善公路系統,未來也可以應用在兩棲類跟爬蟲類上。

要創造友善動物的公路系統,當然不能跳過公路主管單位。於是她們也拜訪交通部公路總局,沒想到一拍即合,公路總局也答應加入合作,計畫似乎水到渠成。

學生(游富祥、賴韋婷、呂智捷)到特生中心先量測動物標本大小,確認目標動物的身長、眼高等。圖/By 蔣雅郁

拯救石虎的重重關卡:設計要跨域、設備要在地

話說好萊塢電影塑造英雄的手法,通常是讓英雄出場先去救一隻貓,完成一件簡單又能展露英雄氣息的任務,只是現實生活中,拯救石虎的任務沒那麼簡單。蔣雅郁表示,設計感測器,要結合多種功能,彼此要能互相搭配。她們計畫是讓在遠方行駛的車輛在經過路殺熱點之前,感測器能先感測車速,發出警示,若偵測到路旁有動物,設置在路旁的設備就先打出光波跟聲波,讓動物先靜止,製造出時間差,不要上路被車撞。不過這也沒那麼簡單,例如紅外光雖然可以偵測動靜,但紅外光對某些動物可能有不良影響,於是也不能拿來就用。至於聲波,也得考慮如果動物聽久了,會不會習慣,於是就沒用了?

另外,這設備發出的光跟聲音會不會破壞周邊棲地,對植物跟微生物、以及小型爬蟲類帶來負面影響?這些關於生態學與動物休眠的知識,蔣雅郁不熟,所以更需要跨領域的專家加入合作。除了前面提到的特生中心石虎保育團隊以外,野生動物急救站還有路殺社的研究員也都加入了這個計畫,團隊中就只有蔣雅郁一個人是工程出身。公路總局則是道路專長,並協助評估感應元件架設上的問題。

量測路殺熱點路面寬度。圖/By 蔣雅郁

就算設備元件沒問題,更難的是「操作」。雖然是淺山地區,但石虎跟淺山動物出沒處旁邊其實是有住家的,如果要打聲波或光波,可能會干擾居民,而若要把設備建立在私有地上,要取得土地也是難關。問題一波波湧上,就一個個解決吧!團隊拜訪熱點區域的鄉長跟里長,並請公路總局協調,目前已選定兩條示範道路作為試辦路段,一個在集集,一個在苗栗。

然而,試辦也不是說蓋好兩個月之後,沒有路殺就是好棒棒。公路總局希望前一兩年是測試期,但如果設備放上路面,沒辦法放了再一直調校,得先自己找塊地來模擬。「我沒有自己的地可以做前測,替代方式是先用 Arduino 做一個可移動的版本」蔣雅郁說,她以及學生已經開始實驗,以取得可靠參數,實驗將進行兩年。

公路總局做的警告標示,非常小很容易忽略。圖/By 蔣雅郁

當然,蔣雅郁也調查過國外有沒有類似的解決方案?不過她目前看到的都是被動的,不像團隊這個方案是主動的。另外這些國外方案都聚焦於提醒人類,而不是動物。當然,她認為即使如此,國外的對人警示標示還是比台灣的明顯,是可以改進的方向,例如當車輛進入熱點,就主動提示駕駛放慢速度。國外也有使用閃光來直接警告動物,但主要是設置反光板,將車燈的光折射到山裡,這做法奏效的前提是道路得是直線的,如果是連串彎路的話就沒用,而台灣的山路卻是彎來彎去。

南投縣政府和特生中心討論後,設計製作於集集和中寮石虎分布熱區的警告標示,大多了,也很明顯。圖/By 蔣雅郁

今年一月份,蔣雅郁就跟特生中心的夥伴一起去集集跟苗栗的熱點觀察,看有沒有涵洞等生物通道,以及通道是否清空,並請公路總局注意。另外也架設攝影機,看通道是不是真的有動物使用,畢竟目標是減少路殺,各種方案都要試。「目前跟公路總局合作,給計畫團隊的自由度蠻高的,也都同意該趕快來做,因為預防路殺除了保住動物生命,也能減少駕駛為閃避動物而造成車禍」,蔣雅郁說。

觀察路殺熱點地區的週邊涵洞條件,之後會設計成生物通道。圖/By 蔣雅郁

物理技術就算解決了,心理感受這關還得過。台灣的淺山區域其實民宅很多,「只是往山上走一點」蔣雅郁形容,她也聽說某個鎮的鄰里長比較支持石虎保育,其他的則不那麼挺。石虎與許多農友之間,充滿愛恨情仇,她也聽過「這種會吃雞的大貓被撞死也好」的說法。所以特生中心的夥伴計畫要加強環境教育,跟農友合作,創造多贏局面。舉例來說,現在越來越紅的「石虎米」就是苗栗通宵楓樹里的農友以友善環境、不噴農藥的方式種植,讓石虎可以安心捕捉會在農田出沒的鳥類、老鼠、野兔。而當石虎可以成為農作物的品牌,也能吸引更多人關心。另外,更有南投中寮地區的農民也自主組成友善農作組織「石虎家族」,至今有超過 31 戶農場加入,希望能讓石虎以及棲地生態成為中寮的驕傲。

圖/By 蔣雅郁

為了加快實驗速度,蔣雅郁常自掏腰包買設備,也主動上 PTT 徵才,希望可以找到更多的人來幫忙。「我相信擁有關鍵技術的人不一定在我們同溫層」蔣雅郁認為,關鍵是要讓大家投入,當更多人有參與感,就會發現這件事有多重要,就像她自己一開始只是覺得石虎的消息太悲傷,但後來才知道苗栗道路闢建的問題、棲地破碎對生態的影響,才更加投入。她希望新加入的成員有 maker 與科學家精神,能從車流、車速、車輛預警系統、感測器等方方面面的實作與數據中找到解方。

計畫大概的示意圖,但是只是蔣老師這部分的計畫 。特生中心包含更多東西。圖/By 蔣雅郁

先前提到,團隊中生態背景的專家現在不少,所以她希望找到至少有一點工程背景的人加入。有些機械工程背景的學生雖然心有餘,但不太理解自己能做什麼事情,特別是該怎樣跟生態的人配合;但蔣雅郁相信,很多生態保育的議題,解決之道就在於跟不同領域的人互相結合。她自己的求學與工作經歷也是一直跨領域:大學念機械、碩士念應用力學,博士去德國念分析科學跟生物化學,在英國則研究化工。當初回台灣面試教職時,也曾被問跨那麼多領域,跟機械有什麼相關?但這反而成為她的優勢。

她應用流體力學,操控流體裡頭的細胞、病毒、抗體來做研究,設計適合生物學家與醫生用的晶片、像是神經細胞連結的平台,讓科學家能觀察單顆幹細胞怎麼分化,提供其她領域專家用更好的工具去回答更困難的問題。也因此她的實驗常常需要跟化學家、生物學家、醫生等合作,跨領域是常態。

特生中心實驗籠舍。圖/By 蔣雅郁

蔣雅郁透露,為了加快速度,其實還沒拿到計畫經費,自己就開始做了。接下來她希望能把系統價格降低,學習「空氣盒子」計畫,全部開源(open source),讓住在附近的居民都可以一起參與。目前晶片整合還在設計,但推動至今,蔣雅郁深知這是一個社會改造層級的計畫,不能只靠公部門從上而下,或是小小團隊一頭熱,這樣反而會讓大部分的人民不知道自己可以做些什麼。「如果有機會可以讓大家一起來投入,那就更好了」,她說:「我其實覺得我自己不是這個問題的專業,但我不懂為什麼比我厲害的人沒有跳出來做,所以我就跳出來了」,「現在很多要跟著大家一起學,我也還在學」。


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文章難易度
鄭國威 Portnoy_96
247 篇文章 ・ 531 位粉絲
是那種小時候很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛,所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。怎知長大後竟然因為諸般因由而重拾科學,與夥伴共同創立泛科學。現為泛科知識公司的知識長。


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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

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。


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