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取代動物實驗有望?以人工智慧預測化學毒性準確度更高

旻諭_96
・2018/08/20 ・2568字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 515 ・六年級

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聽到動物實驗,在你腦中第一個浮現的畫面是甚麼?穿著白袍的科學家在實驗室裡對白老鼠打針?或是化妝品廠商把化學物質滴進兔子眼睛,來測試商品刺激性?

實驗鼠對人類的貢獻絕對不只有這樣,繼續往下看!圖/tiburi @pixabay

動物實驗的管轄範圍可能不只你想像的這些!除了我們常聽到化妝品或人體清潔用品的安全測試,在生物醫學的研究場域中,實驗動物常應用在藥物與疫苗的安全測試,或觀察感染源與腫瘤的生長情形。在生理心理學的研究領域,也經常以動物作為研究材料,透過研究動物行為,期待能將研究成果類比到人類的心智活動。當然,也有很多單純研究動物本身形態、生活習性或行為特徵等等,也算是動物實驗的範疇。

國研院動物中心企劃推廣組組長秦咸靜提到,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。所以從歷史上來看實驗動物的醫療貢獻,如果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。

由此可見動物實驗的範圍有多廣,還有實驗動物對於人類的貢獻有多深遠。

是說單純為了研究動物而實行的動物實驗可能沒什麼大問題,但如果是做化妝品、清潔用品測試,或研究人類疾病這種單純只「為人類服務」的動物實驗,一直以來都具有爭議。不過好消息來臨!在上個月中,美國約翰霍普金斯大學團隊發表在《Toxicological Sciences》期刊的研究成果,或許能夠大大的降低動物實驗的比率。

或許在未來使用實驗動物的數量可以大大減少。圖/Rama, wikimedia commons

電腦不只會揀土豆,還可以預測化學物質的毒性

人工智慧的浪潮來勢洶洶,以前可能從沒想過 AI 可以減少動物實驗,如今正一步步邁向以電腦預測取代動物實驗之路。不過話說回來,這到底是怎麼辦到的呢?目前最常見的替代動物實驗的方式叫做「讀取」(read-across),由於具有相同化學結構的物質,對人體健康的影響也十分相似,因此研究人員合成新的化學物質時,可以依據它的結構來推測毒性強弱。

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研究團隊依循「讀取」的核心理念,花了兩年的時間,從 80 萬個動物實驗結果建立約一萬種化合物的毒性資料。這些資料來自於歐盟自 2007 年開始的「Reach」法規(Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals)中,規範化學品公司皆需將化學物質之安全資訊登記於歐洲化學品主管機關(European Chemicals Agency)。而截至 2018 五月總共登記兩萬筆以上的化學物質資料。

美國約翰霍普金斯大學研究團隊的通訓作者 Thomas Hartung 表示:「從資料庫中可以發現同樣化學物質的動物實驗測試重複了幾十次,像是把化學物質滴在兔子眼睛測試刺激程度。」

從資料庫中可以發現同樣化學物質的動物實驗測試重複了幾十次,像是把化學物質滴在兔子眼睛測試刺激程度。圖/usda, wikimedia commons

那該如何避免這種情況發生?Thomas Hartung 的研究團隊再從 PubChem 的公開資料庫和美國 National Toxicology Program 中取得資料,建置成含有一千萬種化學結構的超大資料庫,再把資料庫中的化學物質兩兩配對,比較它們的化學結構和毒理學特性,像是對眼睛、皮膚的刺激程度,或是 DNA 受損程度。

經過了 50 兆次的兩兩比較之後,團隊依照各化學物質的結構與對人類的健康影響,畫出「化學特性地圖」。最後,為了要檢驗這花了好一番功夫畫出來的地圖預測力如何,團隊隨機選擇一個化學物質,根據地圖來預測這個化學物質的毒理學特性之後,再把預測的結果拿去跟動物實驗的結果比較。

一般來說,如果把先前做過動物實驗研究的化學物質,再拿去做一次一模一樣的動物實驗,所得到的研究結果有 81% 的機率會跟先前結果一樣。而 Thomas Hartung 團隊的研究結果顯示,「化學特性地圖」的預測結果與先前動物實驗結果平均有 87% 相符。

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「這真是令人大開眼界!或許未來許多動物實驗能夠以電腦預測取代,且能夠取得更準確的研究成果!」 Thomas Hartung 這麼說。

動物實驗真的可以完全消失嗎?

這份「化學特性地圖」雖然能高度還原先前的動物實驗結果,並能良好預測化學物質是否引起發炎、疼痛等對人體較單純的影響,但如果要評估對人體更複雜的危害,像是是否導致癌症或影響生育能力時,目前仍需要倚靠動物實驗來證明。也就是說,化學物質對人類健康的影響層面多元又複雜,光靠大數據的分析與預測就想要大小病通吃,可能還有一段很長的路要走。

即使在不遠的將來,這份化學特性地圖越趨完善,動物實驗就真的可以完全消失嗎?

基礎科學的研究與藥物開發的臨床前試驗,動物實驗的地位可能還是屹立不搖。圖/Maggie Bartlett, wikimedia commons

就像在文章前頭曾經提過,動物實驗的型態百百種,目前看起來化妝品、清潔用品等屬於毒理學領域的測試可能可以慢慢以電腦模型來取代,但是基礎科學的研究(包含觀察感染源與腫瘤的生長情形,及以動物行為來探討人類心智活動)與藥物開發的臨床前試驗,動物實驗的地位可能還是屹立不搖。

值得開心的是,有越來越多取代動物實驗的方法出爐,像是哈佛大學的韋斯研究所(Wyss Institute)研發出能夠模擬人類器官的 USB 大小晶片,以矽膠物質模擬人類器官細胞,細胞旁緊鄰空氣通道,研究人員把化學成分注入這些通道當中,就能夠模擬心、肺、腸道對藥物的反應。

我們無法否認動物實驗對於科學界的重要性與貢獻,但近年來科學家也竭盡所能研發出能夠取代動物實驗的研究方法,或許在人工智慧發展越趨成熟之際,這篇以大數據漸漸取代動物實驗的研究能有拋磚引玉的效果。

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參考資料:

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旻諭_96
14 篇文章 ・ 2 位粉絲
大學主修生科,研所跳槽科學教育,目前正努力想要聰明又科學的活著。

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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

延伸閱讀

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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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備審卡關、筆記好難整理?國高中生必學,一個 prompt 讓 AI 幫你做科系探索!
泛科學院_96
・2024/04/13 ・450字 ・閱讀時間少於 1 分鐘

這集來分享學生必學的 AI 工具與操作!

本來是想做寫作業的 AI prompt,但肯定會被罵翻……因此這次聚焦在如何用 AI 協助整理筆記、職涯探索、製作歷程檔案等事情上。

廢話不多說,讓我們開始吧 !

最後,附上本支影片的學習懶人包:

如果你有更多想要學習的操作技巧,歡迎在下面留言跟我們敲碗~有其他想要看的 AI 測試或相關問題,也可以留言分享喔!

更多、更完整的內容,歡迎上科學院的 youtube 頻道觀看完整影片,並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊!

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泛科學院_96
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我是泛科學院的AJ,有15年的軟體測試與電腦教育經驗,善於協助偏鄉NPO提升資訊能力,以Maker角度用發明解決身邊大小問題。與你分享人工智慧相關應用,每週更新兩集,讓我們帶你進入科技與創新的奇妙世界,為未來開啟無限可能!

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Canva 不只可以做圖,還可以做影片啦!更強大的 Magic Studio 幫你從修圖到剪片全搞定!
泛科學院_96
・2024/04/04 ・555字 ・閱讀時間約 1 分鐘

別再用非常好色跟 Word 的文字藝術師了!

去年初 Canva 推出了 Magic Design 魔術設計師,可以讓你一鍵圖片上傳、自動完成行銷圖片與海報。現在魔術系列正式成為了一個完整的「魔術工作室 Magic Studio」。

Magic Studio 已經成為我快速製作影片的首選,對,你沒有聽錯,用 Canva 做圖已經過時了,現在是 Canva 做影片的時代啦!

今天就用這支影片,快速帶你學會 Canva 的新 AI 功能吧~

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Canva 除了以上的 AI 功能之外,其實還支援更多更多相關的應用。你可以在應用程式選單裡面看到採用 AI 技術的分類裡面有上百種整合第三方的 AI 工具套件,比如知名的人臉 AI 圖片生成說話影片平台 D-ID 或 HeyGen,或者各種圖片編輯套件如 Catoonify 把圖片變成插畫、Colorize 把老照片重新上色等等,應有盡有。如果你有測試到什麼喜歡的套件,歡迎在影片下方留言,或者加入泛科學院的官方 Discord 社群與大家交流分享,我們不見不散。

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