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果蠅基因兩性互相傷害?一個基因不夠,那就複製一個!

寒波_96
・2018/03/30 ・4615字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

現代形象的可愛版阿波羅與阿特米絲……來互相傷害啊!圖/取自 deviantart

同一個基因,在兩性間衝突

染色體承載著生命的遺傳訊息,又分為體染色體與性染色體。兩性生殖的生物中,性染色體是兩性有別,體染色體則沒有差異。以人類為例,性染色體有 X、Y 兩種;體染色體由 1 號到 22 號,女生和男生每一號各自配備兩條,兩條間沒有差別。

然而,兩性面對的演化壓力不同,體染色體上的同一個基因,在不同世代下有時扮演女生,有時候卻是男生,各自受到不同力量影響,同一個基因難道不會角色錯亂嗎?

當然會!同一基因在不同性別,分別受到不同外力影響而導致的衝突,稱作「性別衝突(sexual conflict)」。理論上,所有有性生殖的生物都有機會產生,不過以常理判斷,即使性別衝突存在,時間久了應該也會演化出解決之道;而無法解決兩性互相傷害的生物,大概早已自滅了。

同一基因在兩性間的性別衝突該如何解決?最近一項研究詳細探討了一種解決之道:基因複製。

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阿波羅與阿特米絲基因的排列順序。圖/取自 ref 1

阿特米絲與阿波羅

研究對象是最芭樂的黃果蠅(Drosophila melanogaster),不論垃圾桶或實驗室都很常見。黃果蠅的體染色體上有 2 個序列非常相似,以串聯排列的基因,論文將其取名為「阿特米絲(Artemis)」與「阿波羅(Apollo)」。[1]

基因的名號來自希臘神話中一對知名的姐弟。他們仙力強大、位高權重:姊姊是管理月亮的月神,弟弟是掌握太陽的太陽神。姐弟出身也十分尊貴:爸爸是宙斯,媽媽是勒托(Leto)。(阿特米絲就是羅馬神話中的戴安娜 Diana,或許知名度更高)。

古希臘形象雕像版的一家人,由左至右:爸爸宙斯、媽媽勒托、弟弟阿波羅、姊姊阿特米絲。圖/取自 Ancient History Encyclopedia

世界上有那麼多基因,為什麼研究它們?這兩個基因序列相似,意謂它們是關係密切的同源基因,而黃果蠅的近親,卻都只有一個基因;表示黃果蠅是在與近親分家以後,才由於基因複製而形成兩個基因。進一步研究發現,這兩個基因與生殖細胞的製造有關,而且兩性有別。

一個可以用,兩個會更好

黃果蠅的近親物種,如擬黃果蠅(Drosophila simulans)、塞席爾果蠅(Drosophila sechellia)都只有一個基因,此一基因會分別在女生的卵巢,與男生的睪丸表現。配備姐弟基因的黃果蠅,阿特米絲與阿波羅的表現模式不同,阿波羅會在睪丸,阿特米絲則於卵巢大量表現。

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兩個性別,不同物種,各組織的基因表現高低。圖/取自 ref 1

假如把黃果蠅的阿波羅基因,用 RNA干擾抑制表現,或是用 CRISPR-Cas9 基因改造直接消滅掉,能長大成蠅的男生比例將下降超過 20%,而且還會不孕,沒辦法傳宗接代。相對的,用同樣的方法處理阿特米絲,雖然長大成蠅的女生比例不變,卻也會通通不孕。

進一步的實驗發現,缺乏阿波羅的男生之所以不孕,理由是精子無法正常發育成形;而沒有阿特米絲,無法生育的女生,則沒有辦法製造正確的卵子。由細胞狀態看來,這兩個基因的功能是參與細胞骨架作用,進而影響精子或卵子的生成,所以沒有它們的果蠅,做不出正常的生殖細胞,也就無法繁衍。

上述結果,很符合演化學家對基因複製的想像。以吃便當舉例,「一個便當吃不飽,你可以吃兩個」,只有一個便當吃,不會餓死卻吃不飽,假如負擔得起兩個便當,不但不會餓死還能吃飽,當然比只能吃一個更好。基因複製狀況類似,若是一個基因工作繁重,甚至不同任務之間會彼此衝突,那麼複製出另一個基因,兩個基因一同工作,甚至是讓兩個基因分工,獨自專精一部份任務,豈不比只有一個基因忙到鬼打牆來得更好?

用同源基因建構的基因關係樹,和其他同源基因相比,黃果蠅的阿特米絲與阿波羅,彼此間更加接近。圖/取自 ref 1

在黃果蠅近親中,沒有阿特米絲、也沒有阿波羅,只有一個基因,而這一個基因要替女生製造卵子,還要替男生製作精子。黃果蠅卻有了兩個基因,其中一個專門製造卵子,另一個製作精子。演化上,把本來一個基因的工作拆成兩個,專業分工是否有優勢?由所有黃果蠅族群皆配備阿特米絲與阿波羅看來,擁有兩個基因,應該的確比只有一個更好。

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女生、男生,為什麼要互相傷害?

不過,事情沒這麼單純。阿特米絲參與卵子製造,所以沒有阿特米絲的女果蠅會不孕,男果蠅照理來說不受影響;可是實驗結果讓人吃驚,沒有阿特米絲的男果蠅,生育的後代竟然比本來更多!而阿波羅也是一樣,沒有阿波羅的男生會不孕,女生卻也能生下更多寶寶,達到多出 15% 之多。

出乎意料,分別替女生與男生辦事的阿特米絲與阿波羅,兩個基因會互相傷害另一個性別。這是很極端的兩性衝突,對女生有利、生殖時必需的基因,反而會傷害男生,反之亦然。

沒有阿波羅與阿特米絲之下,生殖後代的數目。圖/取自 ref 1

為什麼要互相傷害?由 DNA 序列判斷,變成兩個基因以後,阿特米絲改變較少,阿波羅變化較多;因此阿波羅對精子生成不可或缺,阿特米絲不再參與精子,只維持原本製造卵子的任務,應該是新演化的結果。

然而兩個基因的序列仍十分相似,預期與功能有關的關鍵位置也缺乏差異。由表現看來,男生的睪丸中,儘管阿波羅會大量表現,卻仍會製造阿特米絲;而女生的卵巢製造阿特米絲之外,也會表現微量阿波羅。推測是,睪丸中不需要的阿特米絲,會干擾阿波羅在精子發育時的角色,反之亦然。[2]

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以上只是公堂上的推論,具體機制仍不清楚,不過可以肯定這對姐弟基因,會用某種方式互相傷害,若是阿特米絲或阿波羅不存在,對男生或女生更為有益。看到這裡或許有讀者感到好奇:假如兩個基因會互相傷害,那麼保持本來一個基因不就沒事了嗎?

看不見傷害,不代表衝突不存在

換個角度看,兩個基因彼此間互相傷害,是兩性衝突所致,可是難道女生和男生共用一個基因時,衝突就不存在?恐怕衝突不但存在,還更加嚴重,只是隱沒於檯面之下,表面不容易看見而已。

本來只有一個基因,複製出另一個基因,再分別演化出性別特化功能。圖/取自 ref 2

同樣一個基因,若是分別替女生與男生服務,必需仰賴不同的調控方式。在其他種果蠅中,只有一個基因卻要執行兩項任務,顯然性別專一的控制不可或缺;男生使用一套男性專屬的調控機制,讓基因在睪丸表現,女生則需要另一套女性限定的調控,於卵巢作用,才能達成讓同一個基因,於兩性分別扮演各自角色的「兩性雙型性(sexual dimorphism)」。

這套女男有別的調控機制,解決兩性衝突的成效應該不差,至少我們能看到,其他果蠅物種都活得好好的。然而當黃果蠅發生傳送器意外(誤),複製出另一個基因以後,似乎就不再需要如此複雜的調控機制了;二號基因接管男生,成為專心製造精子的阿波羅,本來的一號基因繼續參與製作卵子,變成阿特米絲。如此一來,女生和男生即使都配備兩個基因,製造生殖細胞時,卻只需要使用較適合自己的一個。

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根據序列差異估計,阿特米絲與阿波羅大約誕生 20 萬年,相當年輕(粗估不見得準確,不過也老不到哪兒去)。或許是因為演化不久,兩者差異很少,還會互相干擾,使得本來看不見的兩性衝突上了檯面。但是對黃果蠅而言,擁有兩個基因應該還是 Z 大於 B,,能舒緩兩性間的衝突,否則我們應該會找到某些黃果蠅族群,走上一個基因的回頭路,而這並沒有發生。

一次、兩次、三次,是趨同演化嗎?

有意思的是,黃果蠅的基因複製並非特例。另一種果蠅 Drosophila willistoni 的這個基因,也由於基因複製變成兩個。而通往 obscura 支系的路上,此一基因也複製一次,使得 obscura 旗下的 Drosophila pseudoobscura 擁有兩個,然後它的近親 Drosophila persimilis 又複製一次,使得這種果蠅配備三個基因。

各種果蠅的親緣關係,以及出現基因複製的支系。圖/取自 ref 1

這幾次果蠅的基因複製,是彼此無關的獨立事件,而且 D. willistoni、D. pseudoobscura、D. persimilis 與黃果蠅的串聯複製(tandem duplication)不同,它們都是反轉錄轉位(retrotransposition),也就是原本基因轉錄表現出的 mRNA,又反轉錄成 DNA 插入基因組另一個位置,造成基因複製。

這三種果蠅中,這些基因是否也參與製造生殖細胞,並沒有直接的實驗證明。不過表現模式卻出奇一致,所有物種都和黃果蠅一樣,其中一個基因在睪丸表現較高,另一個基因在卵巢較多。由此推測,它們在基因複製以後,都經歷了兩性功能的專一性分化。

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兩個性別,不同物種,各組織的基因表現高低。圖 ref 1

不管新的基因怎麼誕生,事後全都演化成兩性有別的表現模式,實在很難是巧合。論文認為,這些重複上演的相似發展,佐證以下的論點:此一對生殖細胞發育不可或缺的基因,由於兩性衝突強烈,只要出現另一個複製品,都能很快演化出只專精於某一性別的角色,釋放原本基因的壓力,有效調和兩性之間的衝突。

衝突,無所不在

儘管過往早就知道,兩性有別的表現調控外,基因複製也是解決兩性衝突的一種方法,不過像這回研究般清楚的案例仍不多見。它也帶來許多值得深思之處,例如,每次細胞分裂都要複製一次全套 DNA 序列,很花成本,許多基因都不是必需,沒有它們也不會死掉,為什麼眾多生物要維持那麼龐大的基因組,攜帶那麼多基因?

阿特米絲與阿波羅的案例,大概像是本來只有一間共用廁所,後來多出一間,變成女生和男生各用一間。

為什麼基因組中,同時存在那麼多組功能類似,序列接近的同源基因?演化上不難解釋。多幾個長很像的基因,可以互相備份,即使一個壞掉,也有同類能夠救援。基因複製也能促進演化創新,在一個基因保持原有功能之餘,與其同源的基因還有餘裕開發新的角色。

而這個研究指出,基因複製對解決衝突也很重要。同一個基因分別於兩性作用的兩性衝突,只是其中一種矛盾而已,生物還要面對各式各樣的衝突。同一個基因,在不同細胞組織,如大腦、肝臟、皮膚;在不同成長階段,如果蠅的幼蟲、成體,人類的小孩、成人;在不同外在環境,如酷寒、乾旱、缺氧;勢必也面臨不同的壓力。假如基因複製能舒緩兩性衝突,那麼也會是解決其他情境衝突的辦法之一。

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基因組上這麼多基因,記錄著演化史上的利害糾葛,面對種種矛盾與困境,沒有完美解藥,只求生存下去。不過,要是沒有這些衝突交織,恐怕也不會演化出如此多彩多姿的生命世界了。

延伸閱讀:

參考文獻:

  1. VanKuren, N. W., & Long, M. (2018). Gene duplicates resolving sexual conflict rapidly evolved essential gametogenesis functions. Nature ecology & evolution, 1.
  2. Duplication resolves conflict

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。

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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 Panasonic 合作,泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享,不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上,「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水,但過不了幾天,馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑,甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢(黏質沙雷氏菌)。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」,讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看,世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制,並非打造完全不沾染髒污的材質,而是調整表面的物理與化學屬性,使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力,透過日常水流沖刷,便能輕易地將髒污帶走。

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為什麼污垢「黏不住」? 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」,我們得先像偵探一樣,拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇:

  1. 水垢與礦物沉積*1:我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時,這些離子會逐漸結晶析出,變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
  2. 生物膜與有機物*2:包含尿液中的無機鹽、油脂殘留,以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物,所組成的黏滑防禦大本營。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」,前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼,材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢?答案就藏在「表面能(Surface Energy)」與「濕潤性(Wettability)」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時,水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠,還是迅速攤平開來?這取決於表面的特性:

  • 疏水路線(Hydrophobic)*1:具備低表面能的疏水表面,能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠,當水珠滾動滑落時,就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走,這就是著名的「自清潔效應」。
  • 親水路線(Hydrophilic / Superhydrophilic)*2:相反地,極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子,在材料最外層形成一層薄薄的「水化層(Hydration Layer)」。這層水化層就像是實體的液體盾牌,讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底,只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻:傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆,髒污就像攀岩者,需要找到落腳點並用力撐住才能攀附;而我們做的是抽掉把手點,或是在把手上塗上潤滑油,讓髒污找不到施力點,自然難以停留。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢,下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢,在微生物學中被稱為「生物膜(Biofilm)」。細菌並不是孤立生長的,當單顆細菌落在表面後,如果覺得環境舒適,它就會開始分泌胞外聚合物(EPS),這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起,並築起堅固的防禦堡壘,這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出,要阻止生物膜形成,除了化學上的抗菌,材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論(Attachment Point Theory)」:

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  1. 粗糙與微孔洞表面:如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞,細菌(體積通常約 1 到 3 微米)就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點,還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
  2. 極致平滑與微結構表面:相反地,如果材料表面做到極致平滑,完全沒有微米級的缺陷;或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構,細菌的足跡構造(如鞭毛或纖毛)就無法在表面找到穩固的「接觸附著點(Contact Points)」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時,它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外,現代衛浴結構在設計時,也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角,等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何,我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系:【材料層(低附著力)】+【結構層(無縫平滑)】+【動態流體層(泡沫與水流剪切力)】= 高效清潔!

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例,就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表:

1. 材料層:有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」(以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料,這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩)。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性,水滴不易長時間攤平停留;材質堅固、不易破裂,耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試,這種素材配合泡沫洗淨,在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌,從源頭阻斷細菌定殖。

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2. 結構層:無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上,A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計,減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫,並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計:

  • 泡沫防護:在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層,有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺;
  • 外圍防護:馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔,防止液體延著外壁滴落至地板;
  • 測漏防護:便座與馬桶本體採用不外露的防護設計,避免液體從縫隙飛濺滲漏。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

3. 動態流體層:雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時,A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污,再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙,徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著,配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」,利用旋轉產生的流體剪切力,一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外,Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技,釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污,維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆,但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計,到微觀幾何的附著點控制,再到流體力學的水流沖刷,一座現代抗污馬桶的演進,縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而,A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破,展示了材料科學的另一種聰明思維:不靠強酸強鹼硬打,而是透過物理與化學邏輯,將「污垢固著」的機率降到最低。

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當材料科學與現代衛浴技術結合,刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持,我們得以從繁重的家務勞動中解放,享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文:A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文:Brushing up functional materials

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意外拍出的煙火:一個顯微鏡管理員,用果蠅腸道摘下競賽銀獎
顯微觀點_96
・2026/04/20 ・1798字 ・閱讀時間約 3 分鐘

2025 Taiwan顯微攝影競賽銀獎:微觀煙火
2025 Taiwan顯微攝影競賽銀獎作品「微觀煙火」。攝影/温榮崑

2025 Taiwan顯微攝影競賽銀獎作品,如絢爛煙火綻開的影像,呈現的卻是共軛焦染色的果蠅腸道,透過多通道螢光標記出果蠅腸道細胞與組織的細緻分布。但這幅影像並不是刻意為之,拍攝者温榮崑表示,起初只是為了節省研究資源,在一張玻片上排列最多的樣本,卻意外拍攝出效果不錯的影像。

除了這屆獲得銀獎的作品,温榮崑也曾於2023年參賽,並獲得「優選」。當時,他將拍攝的海拉細胞命名為「James P. Sullivan」——怪獸電力公司裡的那隻「毛怪」蘇利文。不同屆的得獎作品,都展現出他饒富趣味的影像敘事。

無心插柳 拍出趣味作品

温榮崑現職為中央研究院生物化學研究所的研究助技師,為影像核心設施的管理者。這次參賽作品並非他的「研究主題」,而是他在「測試」儀器極限時無心插柳所拍攝出的作品。

「近期所上添購了新的共軛焦顯微鏡,所以來測試看看Z軸堆疊的成效以及動態拍攝究竟能有多快」,温榮崑表示為了能夠更了解機器的功能,因此他會自己製備或使用諮詢的樣本來測試在何不同條件下可以拍到的影像。

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腸道細胞排列成圓形
為了拍攝效率,將腸道細胞在玻片上排列成圓形。攝影/林任遠
温榮崑解釋微觀煙火的顏色漸層意義
温榮崑解釋「微觀煙火」的顏色漸層意義。攝影/林任遠

排列成環狀的果蠅腸道,除了是讓玻片中承載的樣本最大化,他表示也想看整段腸道不同區段之間的變化。至於影像中的顏色漸層,反映的是果蠅腸道內本身不同腸道細胞的功能分佈以及對氧化壓力(ROS)的不同反應。

這張影像同時標記了三種不同的螢光訊號:DAPI(藍色)標記所有腸道細胞的細胞核,GFP(綠色)表現於特定果蠅腸道幹細胞當中,Phospho-Histone H3(pH3,紅色)則用於觀察腸道幹細胞在氧化壓力下的分裂與增生。「這種漸層只有在把整條腸道拍下來時才看得出來。」

2023年優選作品:James P. Sullivan/温榮崑
2023年優選作品:James P. Sullivan/温榮崑

至於2023年的優選作品,温榮崑笑說,這也不是刻意為之,而是當時和影像分析同好討論到色盲友善(Colorblind-friendly)影像套色議題,便試著將不同的顏色套在海拉細胞的影像上。套到青色(Cyan)時覺得很像毛怪,便以此命名參賽。

把管理核心設施當作自己的研究

之所以親自拿樣本測試機器、和研究人員深入討論影像議題,來自於温榮崑對這份工作的理念。管理影像核心設施的温榮崑一開始並非「影像專門」或「光學」相關科系畢業,但一路從大學到研究生時期,他的研究一直都離不開生物影像,並在博士班期間一路以果蠅為主要模式生物進行研究。

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接下影像核心設施工作後,温榮崑用「經營者」的角度看待這份工作,刻意拉開各項設備的功能定位,透過明確區分解析度、速度、活細胞適用性等,讓研究人員可以使用最適合的儀器進行研究。

銀獎獎座
銀獎獎座。攝影/林任遠
温榮崑常親自測試機器
温榮崑常親自測試機器。攝影/林任遠
銀獎獎座
銀獎獎座。攝影/林任遠

近年,他也和中研院各研究所及台大醫學院等相關影像核心研究單位,共同建立影像分析社群EABIAS(東亞生物影像分析社群),積極與其他核心設施管理者交流經驗。

「這裡就是我的研究」,雖然最後沒有走上教職之路,温榮崑認為擔任研究技師反而可以接觸到各種不同面向的領域,做得更廣、更深,也能持續探索科學與美感交會之處。

延伸閱讀:

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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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渺小如塵埃的果蠅大腦,藏著解開人類記憶與意識之謎的鑰匙
顯微觀點_96
・2026/03/20 ・2156字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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FlyWire 果蠅大腦50條大型神經元圖譜

2024年10月,神經科學的劃時代里程碑,成年雌果蠅完整大腦神經圖譜系列研究,發表在《自然》期刊(Nature)。此圖譜詳盡至果蠅腦中每一條神經的所有分支、每一個突觸的尺寸和型態,這樣的腦神經圖譜稱為「連接體」(connectome)。要繪製完整成熟雌性果蠅連接體,需要辨識近14萬個神經元(神經細胞)與其間的5千萬個突觸(不同神經元的連接處)。

「世上還沒有另一個如此複雜的成年動物全腦連接體。」

馬拉.莫西/普林斯頓大學神經科學研究所長

普林斯頓大學神經科學研究所長馬拉.莫西(Mala Murthy)、神經科學與電腦科學教授承現峻(Sebastian Seung)率領跨國科學團隊建造果蠅連接體雲端平台「FlyWire」,並在《自然》同時發表12篇論文,以《成熟大腦的神經連接圖》(Neuronal wiring diagram of an adult brain.)為旗艦研究,展現果蠅大腦的完整神經迴路,包含8453種神經元的構造與位置,其中4581種為本系列研究的新發現。

連接體開拓腦科學高速公路

有了詳細的腦神經地圖,科學家得以規劃嶄新的神經科學研究路徑,更加直接、詳盡地實驗神經構造與行為之間的關聯。例如,按圖索驥蒐集所有關於果蠅「剎車」動作的神經元,建構完整的動作神經網路,找出過往研究方式所遺漏的因素;或是利用果蠅連接體推論出「觀看」等動作的完整神經活動,捕捉新的神經科學現象。

生物資料科學家更進一步利用此完整連接體搭配演算法建立一個虛擬蠅腦,不僅完全重現神經元線路,更能及時推算各神經訊號的傳輸路徑與功能,模擬果蠅的真實腦內活動。接收初始訊號之後,這個虛擬蠅腦啟動一連串神經訊號,最後以運動神經元控制肢體作為結果,就像活生生的果蠅在對環境刺激進行反應。

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讓神經科學換檔加速的果蠅連接體,在「FlyWire」網站向公眾徹底開放。由公眾人力與人工智慧合力打造的龐大資料庫,現在平等地提供研究資源,科學界認為,FlyWire的完整度與開放性將大幅加速人類大腦的解密。

「蠅」來連接體學大躍進

人類大腦含有超過500億個神經元,形成上百兆個突觸,具備了人工智慧還無法達成的認知、思考與創造力。若能理解人腦的基礎運作方式,科學家有機會找到帕金森氏症等退化性腦部疾病的解藥,或是掌握思覺失調症等精神疾病的生理機制。甚至逐漸實現承現峻的科學狂想:以連接體科技上傳記憶與意識,讓人類達到永生。

發展四十年後,連接體學家終於掌握了果蠅大腦,這個器官最寬處不到0.75毫米,渺小如塵埃,其中蘊含的連接體奧秘卻超越過去累積的科學資料。以果蠅連接體完成博士學位的多肯沃(Sven Dorkenwald)比喻,果蠅連接體彷彿是一座茂密森林,神經元猶如樹木,可以透過根系彼此溝通。但在空間比例上,果蠅的某個視神經橫跨全腦連接雙眼,有如一棵紐約的樹木能夠和位在洛杉磯的樹木互通聲息。

相對「頭腦簡單」的線蟲與果蠅幼蟲缺少成年果蠅的複雜行為與反應,成年果蠅卻與人類共享許多認知功能與神經生理反應。例如:辨別同類、劃分地盤/食物、求偶交配等行為,以及時差、酒醉、咖啡因亢奮等特殊生理狀態。

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果蠅(Drosophila melanogaster)側面特寫
果蠅(Drosophila melanogaster)。圖片來源:André Karwath / Wikimedia Commons(CC BY-SA 2.5)

果蠅:當前最佳人腦模擬器

在動物行為領域,果蠅大腦與人類大腦面對許多相似的問題,如何前往目的地、判斷氣味來源、觀察周遭物體的移動,以及複雜的社會性行為,如歌唱求偶、爭奪資源;以及注意力與情緒調節等。從神經科學技術的現實面來看,果蠅大腦也是最適合進行全腦研究的複雜連接體,現有科技僅能對斑馬魚、小鼠的大腦進行分區重建。

「連接體研究需要夠複雜但體積不太大的腦,果蠅正好位在這個甜蜜點上。」

馬拉.莫西

莫西實驗室深入研究果蠅行為,發現果蠅的生存、繁殖行為蘊含複雜的模式。例如,雄果蠅演奏求偶時,會依照雌果蠅與它的距離改變演奏的音量與編曲,並追隨雌果蠅。運用FlyWire,莫西團隊清點雌果蠅中腦關於聽覺的600多個神經元與其突觸,辨認出20種新的神經元,發現其功能網路比過往所知更加複雜。

莫西團隊發現,雌果蠅聽覺迴路中,神經元的回饋訊號可以憑藉音訊特徵進行預測,未來可以據此模型預測真實雌果蠅對「情歌」的回應行為。或許我們深深自豪的音樂品味也刻劃在我們的腦神經細胞之間,只是和我們的連接體一樣,比果蠅的複雜萬倍。

在基因層面,果蠅與人類共享約60%的基因,包括學習、時差反應與唐氏症相關的基因。接近3/4的人類遺傳疾病能在果蠅DNA中找到對應的基因。因此,完整的成年果蠅連接體被視為通往人類大腦奧秘的橋頭堡。

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美國太空總署(NASA)在1947年將果蠅送上太空,作為地球生命前往太空環境的實驗品。牠們竟生還返地,為太空人開拓了道路。作為經典模式生物,果蠅相關研究獲得6項諾貝爾獎,生理學、神經科學與行為學領域已累積豐富資料,搭配完整連接體圖譜的跨領域研究,勢必能帶人類深入探索腦宇宙。

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顯微觀點_96
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