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從害蟲到模式生物,果蠅如何華麗轉身成為實驗室的寵兒?──《昆蟲誌》

左岸文化_96
・2018/03/31 ・4239字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

編按:本文節錄自《昆蟲誌:人類學家觀看蟲蟲的 26 種方式》〈章節:字母 H 頭部與其使用方式〉。作者以人類學家的觀點,在本書中探討人類與昆蟲的愛恨情仇。在人類出現之前就已經稱霸世界的昆蟲,任憑人類愛之恨之也無可奈何之。昆蟲誌於科學的範疇之外,以字母開頭誌記「人類如何理解昆蟲、與之互動」,既瑣碎又綿密的脈絡。

從侵門踏戶住你家,到進入實驗室

圖/John Tann@flickr

果蠅很能適應實驗室裡的生活。也許適應得太好了。果蠅的繁殖速度很快(母果蠅能在十天內完成其繁殖週期,繁衍出四百隻甚或一千隻後代)。牠們的遺傳結構相當簡單(只有四到七個染色體)。而且,跟所有的有機體一樣,牠們也會基因突變。

1910 年,哥倫比亞大學的基因學家湯瑪斯.杭特.摩根(Thomas Hunt Morgan)於偶然間發現果蠅身上會出現極其明顯的突變現象,而且突變的地方很多。果蠅也因而立刻有了新角色,不再只是在曼哈頓上城於夏天期間穿門侵戶、到處聞來聞去、有可能留下來或離開的惱人小蟲。

就像幫果蠅立傳的勞勃.柯勒(Robert Kohler)所說,牠們變成了「同事」。沒多久摩根的實驗室就變成了果蠅的實驗室,也就是國際知名的「果蠅屋」(Fly Room),摩根與其他研究人員也很快就成為鑽研果蠅的科學家,還自詡為「果蠅人」與「果蠅學家」。

摩根的果蠅屋。 圖/左岸文化提供

很快地,果蠅也就成為世界各地基因實驗室的標準配備。的確,如同柯勒寫道,要不是果蠅有辦法扮演「生物繁衍反應器」的角色,並且在身上出現大量的突變現象,現代基因學可能也就不會那麼早就誕生了。

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果蠅的遺傳圖譜 By Thomas Hunt Morgan [Public domain], via Wikimedia Commons

早年,當摩根與他的「果蠅人」把果蠅納為實驗對象時,他們發現果蠅的突變能力實在太厲害,讓他們有點招架不住。突變果蠅大量出現,多的不得了。因為新資料的數量實在太大,他們必須採用新的實驗方法,一種以高效能為特色的方法,而這種被稱為「基因圖譜」(gene mapping)的新方法也立刻就成為基因研究的新特色。

為實驗室「量身訂做」的新品種果蠅

緊接著,受限於新方法,他們需要一種新的果蠅,一種很穩定的果蠅,好讓他們能夠很有信心地拿來與其他果蠅做比較。牠不能像實驗室以外的果蠅那樣具有天然的高可變性特色,凡是牠身上出現的變異,就一定是透過實驗而產生的突變,就像柯勒寫道,「他們將那種小小果蠅予以重新設計,打造成一種活生生的全新實驗室利器,就像顯微鏡、電流計或分析試劑一樣。

一種蠅類就此誕生。只要牠不要跟其他比較不標準的親戚混種,牠就是一種新的動物。研究人員發現,那種最具吸引力的變種果蠅比較適合用來繁殖,牠們的身軀龐大,交配慾望與生殖力都強,而且與「果蠅屋」外面那些飛來飛去的其他果蠅顯然不同。摩根注意到,這些果蠅「不會讓自己淹死或困在食物裡,或是拒絕從培養瓶裡面出來,諸如此類會讓實驗者不開心的行為。」

果蠅染色體位置與變異的關係。 By Twaanders17 (Own work) [CC BY-SA 4.0], via Wikimedia Commons

新品種的果蠅非常合作,牠們樂於接受實驗,配合度高,能夠繳出各種精確的數據。牠們與實驗室外那些只在黎明與黃昏時出現的遠親們越來越不像,整天都很活躍,而且繁殖很準時。牠們大量繁殖,因此可以被用來進行各種各樣的大量實驗。若用最寬的數字來估計,為了在 1919 到 1923 年之間完成一般果蠅的基因圖譜,摩根與同事們「麻醉、檢視、分類與處理過的」果蠅數量,大約在一千三百萬到兩千萬之間。如此不精確的數字同時說明了果蠅地位的低下和這個數字之巨大。

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也許你會說:果蠅在進入實驗室之後,牠們的生活獲得保障,過得輕鬆而不缺食物。牠們不再需要覓食或躲避掠食者,幼蟲也不會遭到侵擾。直到進入實驗室之前,果蠅始終跟狗、老鼠、蟑螂與一些家中常見的昆蟲一樣,都是在夾縫中求生,牠們是人類的夥伴,與人類共享歷史,在我們旁邊和我們之間建立牠們的家園,既不是全然野生,也非居家的昆蟲(也許「共生」一詞比較適合牠們),在我們吃飯的地方吃飯,在人多的地方繁殖,而且無疑地,就算我們死了,牠們也能活下來。

果蠅第三染色體突變的翅膀。 圖/左岸文化提供

但是要在實驗室裡討生活也不容易。自從摩根的時代以來,數以十億計的大量果蠅曾接受過誘發性突變的實驗。就像柯妮莉雅.赫塞-何內格所見證的,牠們身上長出來的器官不是太多就是太少,有的是畸形,有的則長在不該長的地方(從眼睛長出腳,或者腳上面再長出另一隻腳,反正就是那麼一回事)。只要略施小技,就能讓牠們罹患亨丁頓氏舞蹈症、帕金森氏症或者阿茲海默症。牠們睡得不好,記憶大亂。牠們也會對乙醇、尼古丁與古柯鹼等物質上癮。簡而言之,就像柯妮莉雅所體悟到的,牠們肩負的任務是幫我們實現健康與長壽的美夢,同時也幫我們承受種種夢魘般的痛苦

果蠅的同源異型基因。sources:Wikimedia

為什麼我們不會對果蠅有惻隱之心?

實驗室果蠅不是普通的惱人小蟲,牠們肩負著幫助人類科學進步的重大使命,卻也只是一種「工具」。 圖/Harney @Pixabay

實驗室的果蠅變得越來越標準化,與牠們那些野生遠親的差別也越來越大,而就在牠們逐漸成為哥倫比亞大學果蠅研究室的產品時,摩根與其手下的果蠅專家們也越來越喜歡與敬重牠們,甚至跟遺傳學家約翰.霍爾丹(J.B.S. Haldane)一樣尊稱牠們為「高貴的動物」。有鑑於他們在繁殖果蠅的工作上投注那麼多心力,與牠們朝夕相處,而且雙方合作無間,他們會把果蠅擬人化,實在一點也不令人感到意外。但是,儘管如此,像他們那樣殘殺自己喜歡的動物,也是一件有點奇怪的事,不過我們也別忘了,高貴的行徑往往涉及犧牲,而且雙方可說是攜手踏上了一趟偉大的科學發現之旅,而這些犧牲原本就是故事的核心。

也許這點奇怪之處可以讓我們瞭解另一個更奇怪的地方:

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為什麼這種果蠅能夠與人類如此相似,似乎讓我們理所當然地把牠們當成人類在生物研究上的替身,同時卻又與我們截然不同,因此我們也可以如此自然而然地隨意摧毀牠們,不會有任何悔恨與顧忌?

果蠅打架的影像[1]令人感到困惑。我們實在沒想到,在與上海相距那麼遠的地方,這次不是蟋蟀,而是果蠅被當成一種純粹的實驗工具。果蠅居然會與一種沒有昆蟲相鬥文化的文化有所牽扯,被拍攝下來,還丟了腦袋。上海人在玩蟋蟀時有很清楚的界限,他們與蟋蟀的關係曖昧,喜愛牠們,但也很清楚牠們就只是蟋蟀。在聖地牙哥這裡,界線也很清楚,果蠅就是果蠅,也沒有曖昧的關係。聖地牙哥的實驗室裡,人蟲之間的相似性是可以量化的。即便數字並不是那麼精確無誤,但人類與果蠅之間事實上有很多共同的基因;就細胞的層次而言,人類與牠們有很多一樣的新陳代謝與傳遞訊息的通路;而且,很多腦神經科學家都願意承認,人類與果蠅有很多相同的行為,(而且他們也同意)兩者有很多相同的分子機制(molecular mechanism)。

被「模組化」的果蠅,生生死死都在試管裡面。圖/Oregon State University@flickr

這件事實在不怎麼美好,動物實驗就只是一種工具而已。透過實驗將生物予以模式化,理由在於我們想要將身體與靈魂加以分離,同時也分離了生物學與意識,還有物理學與形上學。如果我們能確認人蟲之間的相似與相異之處並不屬於同一個層次,就會比較容易下手。也就是我們必須用不同的基礎來分辨相似性與相異性,很清楚人與蟲的相似之處存在於基因裡,而相異之處則根本是不證自明的:斷定人蟲差異的標準來自於遠古的亞里斯多德時代,如今已成常識,顯然根本不須多加思索。我們大可以說牠們就只是昆蟲,人蟲之間的差異無庸置疑,我們也因而可以任意處置牠們。伊利亞斯.卡內提(Elias Canetti)深諳此一道理。他曾寫道,昆蟲是「化外之物」。

即便在人類社會裡,摧毀那些小小的生物也是唯一一種不會遭受懲罰的暴力行徑。牠們的血不會讓我們有罪,因為那種血與人血不同。我們不曾凝視牠們的呆滯眼神……至少在西方世界裡,牠們也不曾因為我們越來越關心生命(不管此一趨勢是否有實效)而獲得好處。

軀體與精神:是「社會性」造成差異嗎?

荷蘭哲學家兼人類學家安瑪莉.摩爾(Annemarie Mol)曾研究過動脈粥狀硬化症(atherosclerosis)的社會性,那是一種會讓動脈變窄,阻礙血液循環的疾病,一開始出現在腿部,接著會轉移到心臟去。摩爾是個敏銳的觀察者。她曾經旁觀動脈粥狀硬化症患者被解剖的過程,其中許多死者都是在醫院的療護之下病逝的。她注意到,當病理科醫師把厚厚的肉體劃開,進入屍體的循環系統時,總是會稍候片刻,拿一塊布把屍體的臉部遮住。

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根據此一動作,摩爾認為,事實上屍體所代表的是兩種存在物:身體只有一個,但卻蘊含兩種存在意義。被切割的身體是生物學上的身體,與人性的形上學無關,是一塊可以隨意支解,無名無姓的肉。但被切割的身體也是另一種存在物,它是一種具有社會性的身體,它有過去的種種經歷,有親友,一種曾經愛過也受苦過的身體,需要他人的謙遜對待,還有尊重與關注。摩爾的重點並不在於我們該去討論解剖桌上的身體是哪一種身體,而是要凸顯出兩種身體其實都在,用布遮臉的舉手之勞儘管簡單,也是對於身體社會性的確認。

By Francisco Romero Ferrero (Own work) [CC BY-SA 4.0], via Wikimedia Commons

也許她所提到的那一塊布正足以指出,儘管兩者都會打鬥,但上海的蟋蟀不同於聖地牙哥的果蠅。也許兩者之間具有一種存在意義上的差異。在上海,每一隻蟋蟀都與許多蟋蟀同在,牠們彈性的身體都承載著許多經歷,許多朋友。牠們的身體讓許多人懷抱夢想,許多計畫就此展開與落空。如果牠們是鬥士,我們也是。至於聖地牙哥的那些果蠅,只是科學性的,是一種「活生生的實驗室利器,就像顯微鏡、電流計或分析試劑一樣」,其目標明確,角色也有清楚定義,不管死活都無關宏旨。

 

本文摘自《昆蟲誌──人類學家觀看蟲蟲的 26 種方式》,左岸文化出版

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左岸文化_96
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左岸的出版旨趣側重歷史(文明史、政治史、戰爭史、人物史、物質史、醫療史、科學史)、政治時事(中國因素及其周邊,以及左岸專長的獨裁者)、社會學與人類學田野(大賣場、國會、工廠、清潔隊、農漁村、部落、精神病院,哪裡都可以去)、科學普通讀物(數學和演化生物學在這裡,心理諮商和精神分析也在這裡)。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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跨越百年障礙 擴張蠅腦的魔術
顯微觀點_96
・2025/06/23 ・1783字 ・閱讀時間約 3 分鐘

本文轉載自顯微觀點

圖 / 顯微觀點

平價嶄新技術 擴張毫微蠅腦

2023 Taiwan顯微攝影競賽銀獎 Wiring the Brain,題材為果蠅大腦的多巴胺神經網路。蠅腦中比頭髮纖細數千倍的神經纖維與突觸,放大印刷到超過人腦直徑,依然清晰可數。

由於果蠅具有與人類高同源性的基因,也能表現複雜的行為(求偶、覓食、打鬥等),精密解析其腦部構造與整體運作方式,是科學家探索人心智奧秘的重要里程。果蠅的大腦尺寸約為 0.59mm × 0.34mm × 0.12mm,比針尖更細小。其中的神經纖維與突觸更細小數千倍,僅有數百奈米,有時小於光學顯微鏡 200 奈米的繞射極限。即使透過最精密的轉盤式雷射共軛焦顯微鏡,科學家也難窺全像。

到了 21 世紀,在突觸等級分析果蠅大腦仍是相當困難的工程。以掃描式電子顯微鏡(SEM)逐步分析被切成薄片的蠅腦樣本,提供奈米等級解析度的同時,也是侵入性極高,而且可能破壞神經原貌的耗時作法。在AI協助下,2018 年首先問世的立體果蠅全腦圖譜就是由大量平面電子顯微影像重建而成。

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對於持續探索腦神經真實立體結構的科學家,除了鑽研更極致的光學放大效果(如螢光消去顯微術、晶格層光顯微術等足以達到超解析影像,也需要昂貴設備的技術),也有人另闢蹊徑,擴張樣本以浮現原本被繞射極限遮蔽的細節。

果蠅全腦連接體 by Flywire.ai
2023 年 8 月發表的果蠅全腦連接體圖,來自大量電子顯微圖片,由超過 200 位科學家與 AI 合力打造。而果蠅腦部的超解析螢光顯微影像,可以用於協助校正主要由平面電子顯微影像重建的模型,是持續理解果蠅全腦運作機制的重要資源。Courtesy of Flywire Project.

2015 年,麻省理工的波伊登(E. Boyden)提爾貝里(P. W. Tillberg)與陳飛等科學家發表擴張顯微術,以實驗室常見的水凝膠(Hydrogel)、蛋白質水解酶(Protease)等材料,就能將螢光染色的組織均勻(Isotropic, 各方向等量均質)放大,以傳統光學顯微鏡就能觀察原本相距數百奈米的微小構造。

即使有擴張顯微術的幫助,建立果蠅的連接體圖譜仍是一番繁複工程。取出果蠅大腦的顯微手術,需要數周到數月的時間才能熟練。成功擴張的樣本也必然遭遇螢光訊號被稀釋,影像解析度降低的問題。

聚合、分解與吸水 尿布材質推動腦科學

擴張顯微術的基本步驟包含

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錨定 / Anchoring:將樣本浸泡於水凝膠(常用丙烯酸鈉,與尿布吸水部位相同的材料分子),讓水凝膠單體分子滲入樣本,與樣本的蛋白質黏合固定。

聚合 / Polymerization:加入藥劑,讓水凝膠單體間形成聚合並交聯(Cross-link),形成一個緊密滲入、黏合樣本的立體網狀結構。

分解 / Digestion:以蛋白質水解酶分解樣本中的蛋白質骨架,除去擴張時來自樣本的抵抗,但盡量保留螢光蛋白。

擴張 / Expansion:將水凝膠與樣本的結合體加入水中,讓聚合水凝膠吸水擴張,使樣本隨之擴大,每個方向可均勻擴張4到5倍。反覆吸水,各維度最多可擴張近 20 倍。

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擴張顯微術
擴張顯微術示意圖。Courtesy of addgene

2023 Taiwan 顯微攝影競賽銀獎得主劉柏亨分享,其中的「分解」步驟最為關鍵。如何除去樣本內部的拉力,又盡量保持螢光蛋白的訊號,就是實驗的技巧所在。除了使用蛋白質水解酶分解細胞骨架,也能採替代方案,以藥物將蛋白質骨架「變性(Denature)」減少原有的拉力,保留全部螢光蛋白。但是殘存的拉力也會影響擴張過程,使其失去各向同性(Isotropic)的均衡性質,導致樣本扭曲。

他的訣竅是,結合兩種途徑,在過程中不斷調整實驗溫度等變項,並使用「生物素化(Biotinylation)」在擴張前放大螢光訊號;或是使用鍵擊化學(Click Chemistry)在樣本擴張後染上螢光,在每次嘗試中逐步接近理想的解析度與信號強度。

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顯微觀點_96
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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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采采蠅與寄生蟲,以及空氣中的油膩愛情
寒波_96
・2023/04/04 ・4059字 ・閱讀時間約 8 分鐘

非洲的采采蠅(tsetse fly)以吸血維生,但是它們也時常是錐蟲的宿主,如果吸食人血,便有機會將錐蟲傳染給人類,引發昏睡病,在非洲導致不少問題。

昆蟲常以費洛蒙作為溝通媒介,采采蠅也不例外。2023 年發表的新研究,找到幾款采采蠅使用的費洛蒙,能促進情慾交流;而且又發現感染錐蟲會改變費洛蒙組成,求偶時還會降低身價。

在非洲體驗大自然,務必注意采采蠅!圖/TripSavvy / Nez Riaz 

昆蟲的氣味語言

舌蠅屬(Glossina)旗下有多個物種統稱「采采蠅」,這項研究著重的是 Glossina morsitans,為求簡便,本文之後直接稱之為「采采蠅」。要注意還有不一樣的其他款采采蠅,本文後面會登場一種。

費洛蒙是生物排放到體外,用於溝通的訊號分子,可謂是昆蟲的化學語言。一如人類的花言巧語或暴言各有巧妙,各種昆蟲使用不同費洛蒙,能達到不同效果。

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從前對采采蠅的費洛蒙也不是一無所知,以前知道有一種化學分子 15,19,23-trimethylheptatriacontane,也叫作 morsilure,被采采蠅當作費洛蒙。此分子是主鏈為 37 個碳鍊長,總共有 40 碳的脂肪酸衍生物,而且含量非常多,5 天大的女生超過 4 mg。

有些費洛蒙輕盈,可以揮發;也有的飄不起來,要直接接觸。40 碳的分子體重太胖,只能直接碰觸,可以說是一種接觸式的油膩情慾。

傳宗接代,迅速而持久

新研究的目標是探討:采采蠅是否存在揮發性費洛蒙,又如何作用。比較效果之前,要先了解采采蠅情慾交流的正常狀況。

把沒有性經驗的一男一女擺在一起,20 組幾乎都迅速合體,在 15 秒內開始啪啪啪(請自行腦補音效);而且平均 do 愛 58.5 分鐘之久,持久力一級棒。

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讓一女一男共處一室,紀錄它們的交配過程。所有沒有性經驗的采采蠅,都在幾分鐘內合體,延續超過 55 分鐘。圖/參考資料1

拿來對照的對象,是常被當作實驗動物的黃果蠅(Drosophila melanogaster)。黃果蠅和采采蠅雖然都叫蠅,但是親戚關係比人和猩猩之差還要遠,不是最合適的比較對象,不過是最方便取得的材料。

黃果蠅平均要等 22 分鐘才男女合體,維持 20 分鐘左右,明顯不如采采蠅對性的渴望。然而,采采蠅的實驗,假如一方換成交配過的女生,原本興致高昂的男生竟然會完全不想 do 愛,判若兩蠅。

總之,采采蠅情慾交流的正常狀態是,由男生向女生求偶,女生很快接受。過程中吸引男生辨識的「女蠅味」是哪些費洛蒙呢?

空氣中充滿愛情的味道

采采蠅的費洛蒙是脂肪酸衍伸物,和果蠅、螞蟻一樣,能用有機溶劑己烷(hexane)分離。

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可是一開始實驗,把接觸采采蠅 10 分鐘的己烷塗在棒棒上,結果不論是有或沒有性經驗的男女,4 類原味樣品對男生都毫無吸引力。

做過實驗都知道,沒反應不能寫論文 💔。所以又把搜集費洛蒙的時間延長到 24 小時,這下就對惹 ❤️!

觀察得知,沒有性經驗的處女原味,能吸引 60% 男生;有性經驗的女生則是 27%;男蠅味對男生依然缺乏吸引力。

把采采蠅身上萃取的氣味,塗在棒棒上,觀察是否會吸引采采蠅。圖/參考資料1

「女蠅味」具體是什麼呢?用氣相層析質譜儀(Gas Chromatography Mass Spectrometry,簡稱 GC-MS)分離可得到 6 種化學物質。

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3 種是脂肪酸:16 碳的棕櫚酸、棕櫚油酸,以及 18 碳的油酸。3 種是脂肪酸加上甲基酯(methyl ester)的衍生物:methyl palmitoleate(MPO)、methyl oleate(MO)、methyl palmitate(MP)。

就算是做這一行的,大部分也會覺得那一串名詞彷彿火星文,反正就是好幾種結構略有不同的油。但是以訊號分子來說,重點不是有多油膩,而是這些分子會啟動哪些神經反應,又影響哪些行為。

費洛蒙有時候化學結構只差一點點,意義完全不同,就像人類講話,「我日常生性活潑,想要多交朋友」和「我日常性生活潑,想要多交朋友」意思就很不一樣。

采采蠅身體外,存在感最明顯的 6 種分子,包括 3 種脂肪酸以及 3 種脂肪酸衍生物。圖/參考資料1

饞她身子的味道,油膩的情慾語言

女蠅味 6 種成分逐一測試,女生們完全不為所動。至於男生,3 款脂肪酸都缺乏吸引力,不過 3 款衍生物都有吸引力,尤其是塗抹 MPO 的棒棒,能吸引 87% 男生,效果最強(有人覺得奇怪,比前述實驗 60% 更高嗎?應該是因為濃度更高,效果更強)。

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費洛蒙有具體的收訊器,訊號應該是透過觸角(antenna)上的感覺受器傳達,因為如果把觸角切除,男生也不會起反應。

為了進一步認識費洛蒙的效果,研究者又將費洛蒙塗在近親物種 Glossina fuscipes 身上。正常時這次的主角 Glossina morsitans 采采蠅男生,對異種女生不會有性趣;但是近親女 MPO 上身後,有 60% 男生會撲上來。

可見單單 MPO 這種化學分子,便對男生有強烈的誘惑力。可是這只是單方面的喜歡,近親女依然對異種男生毫無感覺,會把他們馬上踢開。

感受情慾的神經元

不一樣的費洛蒙,會激發不同感覺神經元,就像把某個開關打開。采采蠅的觸角上有許多微小的感覺零件(sensilla),各自配備不同的受器神經元。被激發的 sensilla 上存在兩款神經元 A 與 B,對不同物質起反應。

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MPO 會刺激 B 神經元,而且分隔一段距離,透過氣流傳送便有效果。由此判斷 MPO 是揮發性作用的費洛蒙。

但是同樣的距離,MO 與 MP 都不起反應。不過縮短到距離 1mm 後,MP 就能刺激 B 神經元,MO 則能同時刺激 A 與 B。這兩款費洛蒙僅管結構類似 MPO,卻要近到快直接接觸才有作用。顯然這種事不能看結構鍵盤辦案,要實測才知道。

測試費洛蒙是否可以透過氣流飄送,只有 MPO 能在比較遠的距離起作用。圖/參考資料1

奇妙的是,這些費洛蒙對近親物種 Glossina fuscipes 的神經元,幾乎都不起作用。因此上述費洛蒙與受器的組合,僅限於 Glossina morsitans 這款采采蠅,和其他物種未必有共通語言,近親即使收到也理解不能。

寄生錐蟲降低身價,采采蠅也是受害者

不少采采蠅體內存在錐蟲,吸血時成為傳播媒介。檢驗發現,錐蟲對采采蠅的影響也非常明顯,會大幅影響求偶選擇。

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采采蠅的求偶是男生提出要求,女生決定是否接受。觀察得知,有或沒有感染的兩男,如果和處女共處一室,女生接受兩者的機率差異不多。但是有或沒有感染的兩女,給男生選擇,男生 100% 挑選沒有感染的女生。

這麼看來,有錐蟲寄生的女生,在男生眼中是比較差的對象,但是不知道男生如何分辨。費洛蒙方面,被寄生的采采蠅又會多出 21 種揮發性小分子,也許有所影響,可惜這些氣味的具體作用仍不清楚。

采采蠅感染錐蟲與否,費洛蒙們明顯有別。圖為氣相層析在不同時間點,陸續分離出的分子,感染錐蟲的采采蠅多出許多種分子。圖/參考資料1

上述結果都是實驗室中的測試。采采蠅在野外活動時,或許大部份候選蠅都是感染錐蟲的不理想對象。野生的采采蠅實際上如何擇偶,也許是另一番光景。不過應該能推測,它們也不喜歡錐蟲。

食慾與情慾的開關一同打開,吃飯,順便do愛?

野生的采采蠅,要自己尋找對象。最容易碰到異性的場合是采采蠅餐廳,也就是被吸血的動物周圍。實際觀察到,采采蠅常常在獵物附近順便情慾交流。

動物散發的氣味分子,就像餐廳飄出的香味,吸引采采蠅前來覓食。有趣的是,獵物排放的 4-methylphenol、1-octen-3-ol 兩種揮發性物質,和采采蠅的揮發性費洛蒙 MPO 使用同一套神經受器。

或許采采蠅去吃飯,開啟食慾的同時,也一同釋放情慾的開關。交配和吃飯是兩回事,如果能一次滿足,也很棒。

如果對氣味在各種生物的角色有興趣,可以閱讀科普書你聞到了嗎?:從人類、動植物到機器,看嗅覺與氣味如何影響生物的愛恨、生死與演化》。

延伸閱讀

參考資料

  1. Ebrahim, S. A., Dweck, H. K., Weiss, B. L., & Carlson, J. R. (2023). A volatile sex attractant of tsetse flies. Science, 379(6633), eade1877.
  2. Chemical notes of tsetse fly mating

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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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。