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今天地球心情如何?觀察「地殼變形」的地球情緒量測師

研之有物│中央研究院_96
・2018/05/31 ・5712字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 561 ・九年級

用 GPS 觀測地殼變形

因斷層活動而無時無刻都在變化的地殼狀態,與地震、海嘯、山崩等現象的發生息息相關,因此「地殼變形」便成為了地震學家無法忽視的觀察標的,換句話說,地殼變動就像是地球在表露情緒一樣,不注意它可是會出大事的。那麼「地球的情緒測量師」又是在做哪些事?肩負了哪些任務呢?讓我們一起來看看吧!

地球情緒量測師──許雅儒

中研院地球科學所許雅儒研究員主要的研究項目,是利用全球衛星定位觀測系統 (GPS)、地震及井下應變儀觀測資料,綜合分析陸地及隱沒帶斷層在地震周期中不同時段之地表變形。簡言之,她是一位「地球情緒量測師」。

中研院地球科學所的許雅儒研究員。攝影/張語辰

談起踏入這一行的由來,許雅儒表示從碩士畢業後,起初其實沒有繼續進修打算;但在中研院地球科學所擔任研究助理期間,恰巧碰上了台灣地震史上的重大事件: 921 地震。親眼目睹了斷垣殘壁和慘重傷亡,許雅儒決定步上探索地球科學之路,深入探討那些災害背後的真正成因。於是,接下來的故事我們都知道了:她成為了地科研究員,成為了能看懂地球情緒起落的人。

今天地球心情如何?觀察「地殼變形」就知道

位於臺灣汐止的 GPS 固定觀測站。半圓形遮罩是為了避免蟲鳥、外力等因素造成天線損毀。 圖片來源/許雅儒提供

發生地震時,避難是當務之急,但地科所的研究員們最先想到的卻是:

全臺超過 400 個 GPS 固定觀測會往哪個方向位移?

GPS 觀測是經由衞星量測地表測站的座標位置,並加入時間變化數據計算位移速度,藉以推測地底斷層的活動情形。也因為它由衛星量測的特性,GPS 固定觀測站的設立位置需具備良好透空度(仰角 10° 以上無遮蔽物)、地質穩定、遠離電磁波干擾源等,臺灣目前設置有 400 多座GPS 固定觀測站,大抵沿著主要斷層帶擺放,與斷層垂直及平行方向皆有設置測站。

日常 GPS 導航的量測精度頂多是「公尺」,而 GPS 觀測地殼變形卻精準至「毫米」。

地球的板塊移動十分緩慢,一年僅移動幾毫米至幾十毫米,必須透過長時間的連續觀測以換取精度。研究員收集的資料,藉由觀測測站的位置隨時間之變化,取得測站的位移速度,反推出地下斷層的滑動情形(如下圖)。

分析全臺各地 GPS 測站的座標變化,得出 2003-2010 年間臺灣地區的地殼變動。 圖片來源/臺灣地震科學中心

以地殼變形最顯著的「地震」為例,平常測站會呈現長期、穩定的線性運動;而一旦發生地震時,時間序列上就會出現不連續的狀態(如下圖)。藉由計算地震震央附近測站的「位移量」,便可得知地殼何處出現變形,並推測斷層如何活動、滑移。

GPS 測站的座標時間序列。縱軸的 U 為垂直分量、 N 為南北分量、 E 為東西分量。線條錯開處為地震造成的不連續。 資料來源/許雅儒提供

臺灣位處隱沒帶、地震頻繁,地球的「情緒」時常在地表數十秒震動、板塊幾公分的移動間展露無遺。所以,地震正是觀測「地殼變形」的重要時機啊!研究員們當然第一個先想到的是「觀測」!

斷層滑移 ≠ 地震

講解「斷層滑移」之前,許雅儒表示我們應先建立一個觀念,才能正確的看到斷層活動的全貌:

了解斷層活動不能只看當下,因為斷層滑移歷史很長,可能長達數萬年。斷層活動是能量累積的結果。

我們對於「斷層滑移」的認知通常只想到地震;但其實斷層隨時都在累積、釋放能量,而其中伴隨地震的斷層滑移稱為「同震滑移」。

隨著板塊運動,地殼會不斷變形,而「地殼變形」分為兩種:「脆性」變形與「塑性」變形。上部地殼一般為脆性變形;下部地殼則因為有地球內部的溫壓,所以是塑性變形。上下部地殼也因為各自的變形特性,有不一樣的能量承接方式:上部地殼可以積聚能量,並承受下部地殼的推擠,當上部地殼承受不住便引發地震。舉例來說,若下層每年推進 5 公分,假設 100 年後地震能量才一次釋放,便會產生位移 5 公尺的地震。另一方面,下部地殼因為其質地宛如年糕,通常不會造成大地震。

知道地殼形變的種類與對能量的因應方式後,許雅儒說,接下來要注意的就是斷層滑移的「歷程」了。斷層滑移有三個階段──間震期、孕震期與震後期,如下圖:

同震滑移、震後滑移、間震期滑移,可描述斷層累積及釋放能量的歷程。 資料來源/Scholz, 1998

而這三個階段滑移事件如下:

間震期滑移:上部地殼沒有大地震發生,主要能量由深處斷層緩慢釋放的斷層滑移。

同震滑移:伴隨地震的斷層滑移稱為「同震滑移」。

震後滑移:若在同震滑移後,地殼能量未釋放完全,而於地震時產生破裂的周遭發生斷層潛移、慢慢釋放能量,稱為「震後滑移」。許雅儒說,通常潛移是一種緩慢釋放能量的方式,時間可能長達一、二年以上。不過震後滑移還是有可能引發較大餘震。

為了更了解地震滑移的特性,許雅儒近期也進行了「山崩」的研究。她說,研究斷層難度較高,因為斷層所在的位置很深層,訊號傳到地表已經很微弱了,反之,滑動特性和斷層活動有部分類似的山崩事件,卻因山坡滑動面淺,在地表就可以接收足夠的訊號以了解滑動行為隨時空如何演變,因此,研究山崩也許就能推測地震孕震的過程。

(編按:關於山崩的相關研究成果,讓許雅儒獲得 2017 年臺灣傑出女科學家「新秀獎」。)

陸地之外,藏在海底的地球脾氣

除了陸地觀測,隱沒帶海底斷層活動也是不容忽視的一環。

海底監測同樣透過 GPS 定位系統,不過因為衛星訊號無法穿透海水,所以必須同時使用聲波定位。觀測時,陸地的 GPS 站會先跟船的位置做一般 GPS 相對定位,船的位置再跟海床聲波回應器做聲波定位,由此得知海床聲波回應器相對陸地 GPS 站的位置及位移速度。

海床聲波回應器,將之放入海中。 圖片來源/許雅儒提供

許雅儒說,近年的研究成果顯示,隱沒帶的地震規模相當驚人,如較為人所知的 2004 年蘇門答臘地震與 2011 年日本 311 大地震。許雅儒在蘇門答臘隱沒帶的研究成果(註一),首次收集到了近海溝的 GPS 觀測資料,並且驗證了隱沒帶淺層有「速度強化」此一摩擦性質;亦即隨著斷層的滑動速度增加,其摩擦強度也隨之增加,並有顯著的「震後滑移」。

此外,臺灣的鄰近海域還有許多大型的隱沒帶海溝值得進行觀測,包括琉球海溝(長約 2200 公里)與馬尼拉海溝(長約 1100 公里)。她說,雖然自 16 世紀至今馬尼拉海溝未曾記錄到大規模的地震,但因為無法排除未來發生的可能,仍需持續監測;如同在 2004 年發生大地震之前,蘇門答臘也沒有相關紀錄,地震發生後斷層破裂卻超過 1000 公里。

臺灣位處歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊交界處,有可能發生隱沒帶大地震。周遭海域有二大主要海溝:琉球海溝、馬尼拉海溝。 圖片來源/許雅儒提供 圖說重製/張語辰

海床監測面對的障礙較多,相較於陸地監測可以隨時驅車前往測站;海床監測受限於臺灣研究船少,有時只能租用漁船出海。海床監測工作不僅要搶船期,還得避開海象洶湧的冬天與颱風季;這項工作一年出海二次,一次一星期,期間研究人員需要 24 小時輪班。而且海床監測的定位誤差比陸地監測大,所以監測海床更需要長時間的觀察,平均需要五、六年才能累積出研究成果。

海洋研究船、漁船的海床監測工作景象。 圖片來源/許雅儒提供

GPS 測站守護者的野外挑戰

各地的 GPS 測站肩負感測地球一舉一動的任務,而研究者的野外工作就是守護這些測站。許雅儒表示,海床聲波回應器可能會被海底泥流掩埋而失聯、難以回收,除非派機器手臂下潛維護。而陸地上的觀測站則容易遭雷擊損毀,在非常嚴重的情況下,一年會有三座測站遭損毀。

許雅儒的野外研究,始於中央大學應用地質研究所時期於南橫測站的工作經驗。她說,觀測站大多位於人煙稀少的地區,分為固定站和野外站。固定站每天都會回傳資料,野外站則靠研究者平均每年一到二次野外工作收集資料。觀測工作的主要內容乍看單純,不外乎設置腳架、量測、紀錄等,但在野外進行研究就是一場場的冒險,許多時候得學會砍草、劈樹、挖地等技能,才能找到測站點完成工作。

許雅儒與團隊前往宜蘭太平山野外觀測站,進行研究工作。 圖片來源/許雅儒提供

野外工作充滿各種出乎意外的時刻。許雅儒分享,有次劈草開路,不小心與草堆中的墳墓照片四目相交,瞬間背脊發涼。也曾發生野外測站所在處山路險峻,車子踩滿油門居然還是因為太陡峭往後滑。更甚者還包括,設置好的測站因學校整地而被掩埋,必須親自拿鏟翻掘。野外活動也免不了與蟲蟻過上幾招,許雅儒曾於菲律賓野外研究,但因站點偏遠,僅有零星住家燈火,因此必須架燈擺站;殊不知燈一架,蟲黑壓壓地鋪天蓋地趨光而來,一張口吸進不少隻,還外帶了幾隻回旅店。

許雅儒強調,觀測地殼變形對其實對預警災害有著實質貢獻。例如監測一路延伸至菲律賓的馬尼拉海溝的狀況,可以告訴我們這條海溝是否可能發生地震、從而引發海嘯;這項資訊對整個南海,包括印尼、馬來西亞、越南等東南亞國家都至關重要。而若馬尼拉海溝附近的斷層發生地震引發海嘯,因臺灣西部海岸海底深度較淺,海嘯放大後也機會對臺灣造成嚴重災情。

預測地震很難,但有正確防災概念就可以減少地震損害

地震與海嘯的破壞力固然讓人恐懼,但並不若諸多影視文本可怖。

電影都太誇張了,每次看都覺得導演很有想像力。

許雅儒笑著說,民眾對地震了解不夠深入,而地震電影也時常「誇大」地震形象;例如地表嚴重破裂會讓人直墜地心,根本是無稽之談。她轉而正色且科學地解釋:地殼的確會破裂,但隨著深度增加,岩壓就越大。所以不管地震時地殼發生了張裂或聚合,深度增加時岩壓也會變大,因此最終深處裂面都會閉合。人們對地震缺乏透徹了解,因而帶來了諸多錯誤的災難想像。

至於地震觀測研究是否能達成「預測」、減少傷害?她坦言:

地震預測難度很高,因為地震孕震週期長,目前對地震觀測頂多百年以內,但是地震周期可能長達千年,從小窗口看出去,難以窺其全貌。

許雅儒說,各種預測方法不同,目前可感測的程度也不同。目前科學面推測可能可從地球化學、地震活動度、電離層、地球磁場等方法著手,不過要達到有效預測,需要長期研究排除其它非地震因素可能造成的擾動,最終才可能達成目的。最常被謠傳的生物表現其實也還需要嚴謹的測試,才能知道引發鳥鳴、馬陸大規模逃出地面的唯一原因是不是地震。

「就像這棟樓不久前才測得傾斜 2 公分啊」許雅儒手指天花板表示,中研院地球所頂樓就有一個 GPS 測站,後方新建大樓挖地基,在尚未建造連續壁時,頂樓的測站資料顯示地球所向南傾斜 2 公分。她說,若不曉得測站附近正在施工興建大樓,可能會誤判為其它因素。

預測難度高,主要由於斷層訊號傳到地表都很微弱,必須排除很多不相關的因素,因此要判斷地震前兆還有一段艱辛的路要走。

然而,面對地震的風險,具備防災觀念可能比追求預測地震更加更重要。許雅儒說,預測或改善現有的預警系統都還在努力中,但要真正減少地震的損害,其實不如從小教育地震防災的正確觀念;如此災害來臨時,才能將傷害減至最低。舉例來說,在地震如此頻繁的地區,臺灣仍然並非家家戶戶都備有最簡單的地震包。

不只是紙上談兵的「地球情緒測量師」

「地球情緒量測師」的研究並不是只限於「紙上談兵」的基礎研究,更深具社會責任、對防災做出貢獻。運用現今的科學技術,善用 GPS 和其她方法覺察地球的情緒起伏,雖仍不足以全面「預測」地震的發生,卻已能掌握地殼如何變形及斷層活動的情形。她也將量測方法、研究方法應用至了解滑坡、降雨及地下水位之關聯(註二),藉以瞭解大規模崩塌潛勢區域之滑坡活動,供防災與避難疏散之用等等。

在訪談最末,因為想到正身處傾斜的中研院地球所之中,我的眼神似乎透露出「傾斜 2 公分頗嚴重」的訊息,許雅儒連忙笑說:「還好啦,已經建造連續壁,不會再傾斜了」。對這件事的輕描淡寫不是忽視,而是許雅儒長期觀測地殼變形培養而來的淡定;「地球情緒量測師」慣於感測隨時隨地都在變動的地球情緒,靠的是正是準確定位、細心觀察、再下結論的紮實研究功夫。

延伸閱讀

本著作由研之有物製作,原文為《地球情緒量測師 許雅儒》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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用這劑補好新冠預防保護力!免疫功能低下病患防疫新解方—長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2882字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022 年美、法、英、澳及歐盟等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示該藥品針對 Omicron、BA.4、BA.5 等變異株具療效。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
帕克斯洛維德
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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九二一地震,台灣人永不忘記的傷痛——災後重建的社會與未來
研之有物│中央研究院_96
・2022/12/11 ・4981字 ・閱讀時間約 10 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|田偲妤、王怡蓁
  • 責任編輯|田偲妤
  • 美術設計|蔡宛潔

震盪整個台灣的巨響

1999 年 9 月 21 日凌晨 1 點 47 分,一場芮氏規模 7.3 強震將眾人從睡夢中驚醒。震央位於南投縣集集鎮,主因是車籠埔斷層逆向抬升導致全臺多處災情慘重,史稱九二一大地震。

中央研究院「研之有物」專訪院內社會學研究所林宗弘研究員,他與國家地震工程研究中心、國內外學者攜手合著《巨震創生:九二一震災的風險分析與制度韌性》統整臺灣 20 年來地震科學研究成果,記錄受災社區的重生故事。一起了解這場世紀強震,如何促使臺灣災害科學與政策改革向前跨出一大步!

地震災害中隱藏的風險

圖|iStock

地震可說是最致命的天災,1989 至 2019 年間,全球前 25 起死亡人數最多的災難,地震就佔了半數以上。而臺灣更是好發地震的高風險區,根據全球地震模型估計,臺灣幾乎全島都有地震風險,在全球地震危害度排行上名列前茅。

其中,九二一地震是臺灣二戰後最嚴重的震災,導致 2444 人不幸罹難、近 11 萬戶房屋全倒或半倒,財產損失超過新臺幣 3 千億。

難以預測的地震造成生命財產的一夕損失,如再加上人為缺失、制度不健全,以及社會本身的貧富差距、階級與族群不平等因素,將加劇災害的嚴重程度。

為防範悲劇再度發生,中研院社會學研究所研究員林宗弘,與國家地震工程研究中心劉季宇博士、國家災害防救科技中心前主任陳亮全教授、師大環境教育研究所林冠慧教授等共同作者,參考聯合國政府間氣候變遷專門委員會(IPCC)多篇文獻,採用包含以下 4 組風險因子的「風險函數」來評估震災隱藏的各種風險。

風險=

f (危害度 (hazard,+), 暴露度 (exposure,+), 脆弱度 (vulnerability,+), 韌性 (resilience,-),…)

究竟臺灣面臨哪些受災風險與制度缺失?人們如何走出地震陰霾?面對災難我們還可以做什麼?讓我們從 4 組風險因子出發,深入發掘問題癥結!

傷亡主因:無法承受地震的建築物倒塌

地震發生時,我們最先感受到的通常是房屋的晃動。如房屋無法承受震度而倒塌,還是地震引發火災、山崩或土壤液化等災害,都將導致民眾生命財產的損失。

「危害度」與「暴露度」是從地震造成的各種災害,探討如何減緩災害對生命財產的衝擊程度。

九二一地震發生後,全臺的死亡與重傷案例高達 87% 至 96% 是建築物倒塌所致,其中又以「集合住宅」的死傷最為嚴重。

以臺北東星大樓為例,雖然離震央遙遠,卻傳出房屋全倒,造成 73 死、138 傷、14 失蹤的嚴重災情。為何集合住宅會發生大量死傷?這跟臺灣長期落後的法規有關。

九二一地震造成臺北東星大樓倒塌,孫家兄弟受困 6 天奇蹟生還。歷經建商判刑、住戶抗爭、黑道介入等風波,終在 2009 年重建完工。
圖|Wikimedia

「很多制度改革都是被災難推著走的」,林宗弘指出問題癥結。1970 年代以前的建築規範主要沿用日治時期的法規,落後的法規趕不上日新月異的建築技術,更難以規範黑心建商,直到 1964 年白河地震發生後,才刺激政府推出新的建築規範。

然而,70、80 年代正好是臺灣經濟起飛的時期,大量湧入城市的移居人口有高度的居住需求,許多倉促興建的公寓大樓在法規不健全的情況下相對脆弱。

此外,民間還存在許多故意或無心的違法情事,例如黑心建商偷工減料、民眾因風水或生意需求而打掉樑柱等,建築結構的破壞升高了受災風險。

不幸的是,根據國家地震工程研究中心等機構的初步調查,至 2022 年第 2 季,臺灣興建達 30 年以上的老屋數量已超過 460 萬戶,其中隱藏不少危老集合住宅,但礙於產權複雜、都更不易,是防災工作中急待解決卻也最棘手的問題!

如果民眾無法接受拆除危老房屋,還有其他替代方案嗎?國家地震工程研究中心邱聰智博士等研究發現,「危老補強」是大樓管委會、多數民眾較能接受的折衷方案,可在房屋既有結構下進行耐震補強,費用比重建便宜許多。

可惜在建築師簽證、檢驗或補強成本無人願意承擔的情況下,立意良善且成本低廉的危老建築補強政策,尚缺乏激勵民眾參與的制度創新,是目前防災制度上相對弱勢、值得持續思索對策的一環。

創傷心靈的重建

地震不僅震垮房產,還揭露人心脆弱無助的一面,對於社會弱勢族群來說更是雪上加霜。

風險因子之中的「脆弱度」、「韌性」帶我們檢視災民所處的社會、經濟與身心條件,探討如何發揮人際網絡相互扶持的力量,緩解社會不平等加劇的受災風險

其中,災後的心理復健長期遭到漠視,面對親友驟逝、身體傷痛、家園破滅且頓失經濟依靠等變故,災民得承受排山倒海的身心壓力,需要專業人士適時伸出援手。

臺大心理系吳英璋與陳淑惠等教授看見九二一災民的需求,成立「臺大 921 心理復健小組」,並號召其他院校的心理學家、臨床醫師與社工人員積極投入救災。

1999 年的臺灣社會仍對「災難與創傷心理學」相當陌生,小組成員抱持從做中學的精神累積經驗,開啟了臺灣災難心理衛生元年。

主要服務據點位於受災最嚴重的臺中東勢,由多位臨床心理博士開設「東勢 921 災後身心聯合門診」,也投入在地種子教師的培訓工作,傳授篩檢高危險族群、輔導孩童因應災難創傷的方法。

許多心理輔導人員更陪伴失依孤兒成長,參加孩子們的畢業典禮、婚禮,建立如同親人般堅定的情誼。

災民最常諮商的主題中,有 72% 是因震災而產生的身心症狀、家庭經濟困境,屬於創傷後壓力疾患之一。國際上對於災後心理復原有 5 項介入原則:安、靜、能、繫、望,如今已成為國內因應疫情、公安災難的主要介入策略。

大型災害心理防治的 5 大原則與目標
圖|研之有物(資料來源|Steven E. Hobfoll et al, 2007

在 5 項心理介入原則中,「能」指的是「促進效能感」,引導災民重新察覺自己有調節情緒、處理人際關係、修復財產與接受職業訓練等能力,有助災民逐步重返正常生活。

而「繫」則是指「促進聯繫感」,協助災民獲得與所愛者、社交族群的聯繫,從中找到解決問題、接納情緒、分享創傷經驗等支持管道。

研究團隊分析九二一震災村里追蹤資料後發現,東勢在震災後 20 多年間,是災區自殺率最低的鄉鎮,證實社區緊密的人際網絡、專業的心理諮商與陪伴,有助降低社會脆弱度、強化災後復原韌性。

災後重建——社區營造的集體力量

社區營造也是災民展現生命韌性的案例之一。過去有人質疑社區營造對災區重建的效益,但林宗弘等學者實際比較南投埔里 33 個里 1999 至 2012 年的家庭平均所得後發現,農村重建和社區營造補助同時投入的里,平均家戶所得明顯提升。

社區營造的目標在於發掘地方資源、發現新價值,提升社區的自信與自主性,為災後重建注入活水。而農村聚落的重建補助主要用來修復硬體設施,缺乏創造新產業價值的作為,也無法留住青壯年人口。

南投縣埔里鎮的桃米社區即是經典的災後創生案例。在九二一地震前,桃米社區是埔里鎮最窮的村里之一,震災重建後卻成為當地 33 個里中,平均家庭所得排行前 5 名的村里,擁有著名的紙教堂與生態園區,吸引每年多達 40 萬遊客造訪。

南投埔里鎮 33 個里 1999 至 2012 年家庭平均所得趨勢圖,農村重建和社區營造補助同時投入的里,平均家戶所得明顯提升。其中,社造成功的桃米里更從平均 56 萬上升至平均 87 萬,於 2010 年成為埔里收入最高的社區。
圖|研之有物(資料來源|林宗弘、李俊穎)

究竟桃米社區如何成功翻身?關鍵在於社區營造帶起的三層面連結:

內部組織由下而上動員、外部組織跨區交流合作、國際資源跨國援助

桃米社區在災後,由行政院勞工委員會「以工代賑」計畫支付基本工資,鼓勵居民投入家園重建與社區營造工作。

長期與社區合作的新故鄉基金會,也與特有生物研究保育中心、世新大學觀光系合組區域活化運籌團隊,協助居民學習當地生態知識、發展生態旅遊,並於 2001 年啟動生態旅遊試營運,讓「桃米生態村」日漸廣為人知。

2008 年,在新故鄉基金會廖嘉展先生等人的牽線下,日本鷹取紙教堂落腳桃米社區。這座教堂是日本名建築師坂茂為阪神大地震災民所建的精神地標,而神戶災區也在九二一地震後捐贈近千戶組合屋給南投縣。

紙教堂的移地重建不僅展現了人性普世的友愛光輝,新成立的紙教堂新故鄉見學園區,更是結合軟硬體綜效的社會基礎建設,在五年內為社區創造 1.3 億產值、近 200 個就業機會,成為九二一災後復興的象徵。

桃米社區紙教堂新故鄉見學園區
圖|柚子(數位島嶼)

社會互救!強化韌性應對未來的災難

從 4 組風險因子綜合歸納出潛在的震災風險後,再從歷史制度論分析國家與社會關係對防災制度演化的影響可知:

如果國家與公民社會皆具備動員能力,且願意化解利益分歧、共同投入防救災,將可強化制度韌性,減少下一次震災的風險。

九二一震災後各領域制度韌性之相對評估
圖|研之有物(資料來源|林宗弘)

例如在九二一地震後,政府與民間在撤離與搶救政策改革、公有基礎設施與建築補強重建方面,展現較強的制度韌性,從而推動《災害防救法》的立法,在災害發生後能較有系統、有法源依據地實施緊急應變措施,包含動員軍隊、徵用民間機具等。

林宗弘對於震災搶救過程記憶猶新,九二一地震發生時他剛好在成功嶺服役,從事救災物資的運輸補給工作。當時消防署的救災分工尚不完備,再加上許多消防單位也被震垮,屋漏偏逢連夜雨,導致最初的救災工作不是很系統化地進行。

中研院社會學研究所林宗弘研究員
圖|研之有物

九二一地震讓救災工作獲得重視,後來的桃芝颱風、莫拉克颱風也強化了風災與水災的救災經驗,臺灣現在的救災工作已提升到國際水準。國家及民間力量能在短時間內投入撤離與搶救作業,並提供緊急醫療、臨時安置、心理重建等服務。

然而,還是有一些問題是目前國家與民間都難以解決的,例如危老建築存在很高的暴露度風險,如不進行都市更新或建築補強,難保不會成為下個災難現場。

雖然中央政府有推動國土規劃政策,但都市更新是地方政府職權,需要地方行政單位的積極介入,否則將陷入民間業主與營建財團的利益衝突,使都更停頓或變質。

四面環海的臺灣位處地震帶、颱風必經路徑上,也是全球貿易與交通要衝,導致我們難逃地震、颱風、疫情三大災難的襲擊。惟有掌握各種潛在風險、了解當前的強項與弱勢,才能從國家政策與公民網絡著手,做好面對下一場災難的萬全準備!

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一切都為了快快長大!斑馬魚的「無合成分裂」,「表面」到你難以察覺
研之有物│中央研究院_96
・2022/10/08 ・5419字 ・閱讀時間約 11 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/寒波
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

不用合成新 DNA 的細胞分裂——無合成分裂

細胞分裂,想來是再簡單不過的事情:一顆細胞先將遺傳物質複製為兩份,再一分為二,分配給兩顆細胞。然而,由中央研究院細胞與個體生物學研究所的陳振輝助研究員領軍,2022 年 4 月發表在《自然》(Nature)的論文,卻報告了過往未知的一種分裂方式:斑馬魚的皮膚細胞,可以直接一變二,再二變四,過程中不用合成新的 DNA!這項未來將改寫教科書的新知識,當初是如何發現、驗證,未來又有什麼衍生方向呢?中研院「研之有物」專訪陳振輝助研究員,請他和我們仔細分享斑馬魚的「表面功夫」。

陳振輝研究團隊發現斑馬魚表皮細胞有「無合成分裂」現象,研究成果於 2022 年 4 月發表在國際頂級期刊《自然》。圖為陳振輝(右)與第一作者陳潔盈(左)合影。圖/研之有物

將顏色植入斑馬魚的每一個細胞

陳振輝實驗室的研究大多著重於「再生生物學」,新研究算是「發育生物學」的領域。不過了解背後細胞行為調控的機制就會知道,這兩個領域其實是共通的。

陳振輝以斑馬魚作為實驗材料,基因改造後讓不同細胞被標記上不同顏色,使得不同細胞的動態行為,能夠被清晰地分辨和追蹤。這個研究方法可以用來探究逆境下複雜組織的再生,也能用來研究正常狀況下動物的發育進程,因為這些過程都涉及大量細胞的動態調控。

陳振輝以斑馬魚作為實驗材料,基因改造後讓不同細胞被標記上不同顏色,使得不同細胞的動態行為,能夠被清晰地分辨和追蹤。圖片這隻為斑馬魚的仔魚,年齡為受精之後第 8 天。(另開圖片可放大檢視)圖/陳潔盈、陳振輝

發育生物學是生物學研究的熱門領域,投入者眾,大部分的研究者都針對部分細胞或特定基因作探討,陳振輝團隊的技術讓他們能同時追蹤單一活體動物整個組織裡所有的細胞。這項技術除了用在皮膚組織(方法名為「palmskin」),陳振輝也用類似的方法探索肌肉、肝臟等各式器官的發育、再生過程。

創造色彩繽紛的細胞,原理其實很簡單,就是利用紅色、藍色、綠色的三原色不同比例的組合。具體作法是透過基因改造,將能製造紅、藍、綠色螢光蛋白質的基因組,植入斑馬魚的細胞,利用遺傳學的工具,讓表皮、肌肉、肝臟等目標組織的每一顆細胞,隨機表現出不同的顏色組合。

舉例來說,其中一個細胞可以表現「3 個紅色螢光蛋白 + 5 個藍色螢光蛋白 + 4 個綠色螢光蛋白」,隔壁細胞可能是「1 紅 + 2 藍 + 6 綠」,鄰近細胞間便能呈現不同顏色,讓長期追蹤所有不同細胞成為可能。

將能夠製造紅、藍、綠色螢光蛋白質的基因組,植入斑馬魚的細胞,利用遺傳學技術,讓表皮、肌肉、肝臟等目標組織的每一顆細胞,隨機表現出不同的顏色組合。圖/研之有物(資料來源/陳振輝

將調色盤植入細胞的原理看似簡單,做起來卻要耗費不少功夫,尋找適合的基因轉殖魚需要半年到一年的時間。陳振輝解釋用斑馬魚當實驗材料的優點:它們容易繁殖,生長的週期不用等太久,體積小,容易操作;更重要的是魚體扁平,容易拍攝大面積、高解析度的細胞影像,進行系統性的量化分析。搭配讓每一顆細胞,從誕生到凋逝都無所遁形的全面「監控」影像平台,才有機會觀察到前人視而不見的細胞分裂方式。

圖片為斑馬魚的仔魚(上圖)和成魚(下圖)的透視圖,仔魚年齡為受精之後第 3~21 天。斑馬魚當實驗材料的優點是:容易繁殖,生長週期不長,體積小,容易操作;更重要的是魚體扁平,容易拍攝大面積、高解析度的細胞影像。圖/研之有物(資料來源/J Clin Invest.

隱藏在「表面之中」的無合成分裂

斑馬魚的皮膚和人類的皮膚基本構造類似。唯一不同是人類的皮膚有角質層覆蓋,斑馬魚皮膚的外層是沒有角質化的活細胞,適合拍照觀察。斑馬魚的另一優點是在顯微鏡下活體觀察時不會傷害到魚體,麻醉後可以直接拍照,再放回水中喚醒;如此才能追蹤同一條魚從出生到長大,身上所有皮膚細胞的動態行為。

研究斑馬魚的學者很多,皮膚發育這回事可謂天天在人們的眼前發生,可是其它人為什麼都視而不見,沒有注意到陳振輝團隊發現的無合成分裂呢?事情其實沒有說起來那麼簡單。

斑馬魚皮膚剖面示意圖,從顯微鏡看到的斑馬魚細胞是最上層的表皮細胞。圖/研之有物(資料來源/陳振輝)

斑馬魚的皮膚分為上中下三層,下層的幹細胞,會分裂產生新的細胞,送到上層成為覆蓋身體最外側的皮膚細胞。其它研究人員如果見到表皮細胞的數目變多,直觀的想法會是下層的幹細胞又送上新的細胞,不會想到是上層既有已分化的細胞可以直接進行分裂。

陳振輝表示,一開始見到表皮細胞的數量增加時,直覺也認為是下層幹細胞產生的新細胞,可是連續追蹤後卻發現不是這麼回事。由於他的技術可以對斑馬魚身上 2,000 到 3,000 顆皮膚細胞進行同時監測,才意外察覺到上層已分化的細胞竟然會不用複製遺傳物質,就直接分裂成兩顆,甚至是四顆細胞!

陳振輝團隊觀察到斑馬魚表皮上層已分化的細胞可以不用複製遺傳物質,直接分裂成兩顆,甚至是四顆細胞。影/陳振輝

顛覆認知:不用合成 DNA 的細胞分裂

外行人聽起來好像沒什麼,上述發現其實開拓了細胞分裂研究的新領域。精子和卵子這類生殖細胞(germline cell),在複製遺傳物質以後會經過 2 次分裂,形成 4 顆細胞,也就是減數分裂(meiosis)。構成身體的體細胞(somatic cell)則會先複製內部的遺傳物質,再分裂 1 次成兩顆細胞,稱為有絲分裂(mitosis)。

還有較少見的狀況,如 DNA 複製後細胞不分裂,變成多套遺傳物質的 1 顆細胞(endoreplication);或是多個細胞融合在一起,成為 1 顆多核細胞(cell-cell fusion,例如骨骼肌細胞)。

然而不管怎麼分裂,過去研究沒有發現不用複製 DNA 就能分裂的細胞!正常細胞分裂的過程有許多監控機制,如果細胞的遺傳物質沒有完整複製,一般情況細胞應該會啟動相關的監控機制,阻止分裂過程的進行。癌症細胞不受控制的分裂,就是相關機制沒有正常運作。

斑馬魚表皮細胞竟然能在沒有複製遺傳物質的情況下,避免細胞凋亡的命運,持續分裂,是一個很特別的例外。

斑馬魚從仔魚到成魚的發育過程中,表皮細胞可以在沒有複製遺傳物質的情況下持續分裂。圖/研之有物

論文投稿到《自然》期刊後,四位同儕審查者一致給予正面評價,但是顛覆認知的新發現仍受到不少質疑,需要陳振輝團隊進行許多額外的實驗來回答。

有沒有觀察失誤的可能?

陳振輝團隊同時標記下層、上層的細胞,證實進行分裂的細胞確實位於上層。為了證明遺傳物質沒有複製,他們進一步測量細胞內 DNA 的量,包覆 DNA 的組蛋白(histone)的量,以及施加阻止 DNA 複製的藥劑。

結果顯示分裂後的細胞,遺傳物質的含量確實有等比下降,分裂過程不受阻止 DNA 複製藥劑的影響。顯然細胞沒有合成新的 DNA 就直接分開,陳振輝稱之為「無合成分裂」(asynthetic fission)。

所以,究竟是怎麼分裂的?

顯微鏡下看來似乎沒有一定的章法,有些表皮細胞會分裂 2 次成 4 顆細胞,有些分裂 1 次成 2 顆細胞,還有些不會分裂,維持 1 顆細胞;也發現有少數細胞可以逆轉分裂過程,形成雙核細胞。

陳振輝團隊現有的研究技術,尚無法辨明胞器的分配,以及每一條染色體的分配模式;團隊預計使用單細胞定序(single cell DNA sequencing),在無合成分裂後,分別定序每一顆細胞分配到的染色體組成,以釐清細胞的遺傳物質是否有特定的拆分方式。

斑馬魚表皮上的無合成分裂(影片箭頭處),還有很多細節尚待研究。陳振輝團隊預計要釐清在無合成分裂之後,細胞的遺傳物質是否有特定的拆分方式。影/陳振輝

一切都是為了節省資源!努力長大的表皮細胞

無合成分裂對斑馬魚有什麼意義呢?斑馬魚由受精卵孵化後,仔魚在前 8 天不用吃東西,成長速度緩慢;第 8 天起開始進食,體型也像吹氣球般迅速膨脹,第 14 天時成長速度達到最快。觀察發現從第 8 天 到 21 天,皮膚細胞會發生無合成分裂,團隊推測此一分裂現象與身體表面積的快速延展息息相關。

斑馬魚的仔魚從受精卵孵化之後的第 8 天到第 21 天,表皮細胞會發生無合成分裂,陳振輝團隊推測此一分裂現象與身體表面積的快速延展息息相關。
圖/研之有物(資料來源/Nature

僅管省略掉複製遺傳物質的階段,細胞進行無合成分裂所花費的時間,卻比一般細胞分裂稍慢,所以其優點並非單純的縮短時間,應該是節省資源。斑馬魚仔魚身體的表面積在特定時間迅速增加,體表需要皮膚細胞的完整覆蓋,團隊發現細胞進行 1 次無合成分裂,表面積能增加 26%,兩次能達到 59%,這些細胞能在斑馬魚體表存活 2 到 3 週的時間。

陳振輝團隊發現,斑馬魚表皮細胞進行 1 次無合成分裂,表面積能增加 26%,兩次則能增加到 59%,這些細胞能在斑馬魚體表存活 2 到 3 週的時間。
圖/研之有物(資料來源/陳振輝)

斑馬魚如何啟動無合成分裂呢?目前仍不太清楚,團隊發現其過程受到表面張力變化的影響。皮膚細胞有感應張力變化的特定離子通道,利用藥物影響這些離子通道的活性,無合成分裂也會受到影響,詳細作用機制仍有待更多的研究。

生活數量的密度也會影響斑馬魚長大

另一項十分有趣的發現是,無合成分裂和仔魚生活的密度有關。斑馬魚從仔魚長到成體,最終的體型都差不多,但是生長過程則有很大的差異,個體成長速度有快有慢。假如將許多仔魚養在一起,處於高密度的生活環境,個別仔魚的生長速度會較慢。

奇妙的是,一旦換到低密度的環境,仔魚的成長速度會瞬間暴增,體表面積快速增加又要維持皮膚細胞的完整覆蓋,會導致更多的無合成分裂。斑馬魚如何感知、在生理上反應周遭環境鄰居密度的變化,是另一個有趣的研究方向。

斑馬魚若處於高密度的生活環境,仔魚的生長速度會較慢。奇妙的是,一旦換到低密度的環境,仔魚的成長速度會瞬間暴增,體表面積快速增加,導致更多的無合成分裂。圖/研之有物(資料來源/陳振輝)

進行無合成分裂的細胞缺乏完整的遺傳物質,還能算是有生命的活細胞嗎?陳振輝提醒我們,多細胞生物的生理機能由各式各樣的細胞一起維持,某些特化的細胞還沒有細胞核。例如紅血球的成熟會經過脫核的過程,完全沒有細胞核的紅血球有重要的生理功能也可以存活超過 100 天。在斑馬魚體表進行無合成分裂的皮膚細胞,或許也有它們短暫卻不可或缺的使命。

有可能其它生物的細胞也會無合成分裂嗎?

無合成分裂目前只在斑馬魚表皮的發育過程中觀察到,其它細胞、其它生物、其它情境下是否也存在呢?事實上陳振輝自己也很好奇。

以人體來舉例,體表的皮膚,口腔內膜、消化道組織,時時刻刻都需要大量的表皮細胞覆蓋,而且耗損甚鉅,有不斷補充的需求。這些必須持續維持完整覆蓋表面的情境,或許無合成分裂也參與在其中。

然而,無合成分裂不容易在活體動物直接觀察。例如小鼠的模式,就算能引進三原色調色盤的細胞標誌技術,也不像斑馬魚仔魚那般透明容易拍照。話說回來,知道某個現象有可能發生,就是發現的第一步。假如其它細胞或是生物也存在無合成分裂,在陳振輝團隊邁出第一步以後,未來一定有人能克服相關的技術門檻來進行研究。

發現斑馬魚表皮細胞的無合成分裂,像是開啟一扇新的大門,可以通往過去想像不到的研究方向。會有醫學應用的可能嗎?像癌症是細胞的不正常分裂,任何細胞分裂機制的基礎研究,應該有機會對癌症的治療有所啟發。陳振輝同意這是潛在的研究方向之一,但是他也強調從基礎研究到醫學應用,是很漫長的一段路,科學家能做的就是一步一步踏實前進。

對沒預期的發現保持警覺,在探索過程中充分滿足自己的好奇心,將支持陳振輝持續前進,挑戰下一個研究課題。

對沒預期的發現保持警覺,在探索過程中充分滿足自己的好奇心,將支持陳振輝持續前進,挑戰下一個研究課題。圖/研之有物
研之有物│中央研究院_96
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