0

2
0

文字

分享

0
2
0

促進情慾流動的果蠅費洛蒙,竟然也能讓人類有反應!?──2018搞笑諾貝爾生物學獎

寒波_96
・2018/09/21 ・3551字 ・閱讀時間約 7 分鐘

難道我不是

你一樣的蠅嗎?

你不也是

我一樣的人嗎?

──威廉.布萊克《蠅》

第 28 次第一屆搞笑諾貝爾獎生物學獎得主。(示意圖,本圖非當事果蠅……其實它也不是果蠅啦)。圖/Mykl Roventine @flickr

黃果蠅女生特製費洛蒙,讓彼此為愛鼓掌

每年都是新的開始,2018 年也不例外。今年「第 28 次第一屆搞笑諾貝爾獎」一共頒發 10 個獎項,其中生物學獎的得獎理由是「品酒專家可以清楚分辨出一杯酒中,一隻果蠅的氣味」,這謎樣的描述讓人看不出得獎的是品酒師還是果蠅……

什麼!得獎的不是品酒師也不是果蠅,是 8 位科學家!?[1]

這 8 位科學家之所以能拿下搞笑諾貝爾獎,靠的是「The Scent of the Fly」這篇論文。說實話,光看論文內容還真的有點意義不明,不知道他們是吸了什麼才會設計這個實驗(大概不是吸貓?)。

不過研究結果倒是很明確:人類可以分辨出一種果蠅分泌的費洛蒙是否存在。[2]

這裡的「果蠅」可不是隨便的果蠅,而是垃圾桶、實驗室隨便都有的黃果蠅 (Drosophila melanogaster)。它是經典的模式生物之一,我們看到的果蠅研究若是沒有特別解釋,大概超過 87% 的研究對象都是黃果蠅。這就像是「研究嚙齒類與靈長類的異同」,意思往往等於「比較小鼠與人類的異同」,「研究果蠅」的言下之意通常是「研究的是黃果蠅」。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

果蠅不會講話,溝通要靠費洛蒙。不過,不同物種、不同性別、不同族群的果蠅,配備的費洛蒙常常不太一樣,就像不同地方的人講不同語言那樣。黃果蠅會合成一種微量的費洛蒙「Z4-11Al」,它的化學分子不大,所以可以揮發;雖然只有女生會製造 Z4-11Al,但是黃果蠅不論女男,接觸到都會起反應,效果是「刺激性慾」,讓它們啪啪啪發出愛的掌聲。

發出愛的掌聲(羞)。圖/取自<Why fruit fly sperm are giant>

人類也能偵測果蠅性愛費洛蒙!?

實驗結果顯示人類和黃果蠅一樣,不論女男皆能分辨出 Z4-11Al 存在,而且能力不遜於果蠅:一杯酒中只要有 1 ng,換算濃度是 0.03 nmol/L 就可以偵測出來。一位女果蠅平均一小時可以分泌 2.4 ng;所以只要給一位女果蠅 27 分鐘,或是半位女果蠅(?)一個小時,她們製造的 Z4-11Al 量就足以被品酒師偵測到啦!

對惹,拿來做實驗的酒裡當然沒有果蠅!研究者讓果蠅在酒杯中留下氣味後就放生,可能是我見過最仁慈的果蠅實驗惹。

搞笑諾貝爾獎沒提的是,人類不但能分辨這種費洛蒙,甚至還比其他種果蠅厲害!黃果蠅的近親「擬黃果蠅」(Drosophila simulans) 就對這個費洛蒙沒什麼反應,分辨能力竟然還不如人類靈敏。各位直立大猿 Homo sapiens 們別妄自菲薄,你們的感官是很敏銳的!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

果蠅特地分泌來促進性慾的費洛蒙,為什麼也會被人類偵測到?答案目前仍不得而知,論文作者們也沒有比較好的解答,暫時只能歸因於結構的交錯、命運的巧合。

有意思的是,Z4-11Al 這種化學分子不只黃果蠅 ,兔子屁股的腺體也會分泌。不過這是否意謂兔兔和果蠅間也能有某種交流,目前也不得而知。莫非這就是傳說中的寵物溝通師嗎?(誤)

不知道這個兔兔會不會分泌 Z4-11Al。圖/取自 Beatrix Potter – The Gutenberg Project, 公有領域, wikimedia

飛行的情慾,揮發性費洛蒙

話說回來,讓人類分辨果蠅的費洛蒙,也許看上去很搞笑,不過一開始研究 Z4-11Al 的目的無疑非常認真,對這領域有點接觸的捧油,或許早已由關鍵字猜到玄機:物種與性別間都有差異!天啊,是演化研究的寶貝題材呢!!!

如前所述,費洛蒙是果蠅的語言,一如人類靠著花言巧語來促進情慾流動,果蠅則憑藉費洛蒙溝通。果蠅的費洛蒙早經過多年研究,黃果蠅更是從上到下、從裡到外被摸得相當透徹(自以為)。可是科學家們一直到 2017 年才知道,之前的研究竟然遺漏了好幾種費洛蒙(囧)。[3]

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

為什麼會遺漏呢?這是因為化學分子千變萬化,而每種偵測方法都有適合的範圍。果蠅的費洛蒙主要是碳鏈分子加工品,之前的方法適合辨識較為長鏈、超過 16 個碳的目標;這類費洛蒙由於骨架大,體重胖,通常不能揮發,屬於接觸型作用的費洛蒙。但是 2017 年的論文希望尋找揮發性、不需接觸,遠距離就能作用的費洛蒙。

黃果蠅 16 種揮發性的醛類產物。圖/取自 ref 3

研究結果嚇死人,居然還真的找到惹!科學家刻意蒐集果蠅周圍氣體,竟然真的能從中抓出一批微量的醛類 (aldehydes),一共有 16 種之多,當中 7 種兩性皆有,其餘 9 種只有女生有。而在女生限定的 9 種費洛蒙中,最大量的正是搞笑諾貝爾獎得主 Z4-11Al。

不管形狀的話,Z4-11Al 總共有 11 碳 1 氧 2 雙鍵 (C11H20O,全名 (Z)-4-undecenal),分子式長這樣:

C−C−C−C−C−C−C=C−C−C−C=O

Z4-11Al 是由更長的分子,斷裂再氧化而形成的,它的原料叫作 7,11-HD,共有 27 碳、2 雙鍵 (C27H52,全名 (Z,Z)-7,11-heptacosadiene),分子式為:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

C−C−C−C−C−C−C=C−C−C−C=C−C−C−C−C−C−C−C−C−C−C−C−C−C−C−C

相信各位眼光銳利的大猿都看得出來,7,11-HD 前半段斷掉以後,末端再氧化,就會變成 Z4-11Al 惹。

看不出來,是不會複製貼上尋找「C−C−C−C−C−C−C=C−C−C−C」嗎!(怒)

加上扭動方向的 Z4-11Al 與 7,11-HD,以及另外兩種 7,11-HD 的氧化醛類產物。圖/取自 ref 3

促進同類情慾交流,抑制異種產生性趣

我們已經知道黃果蠅會製造超過 60 種費洛蒙,而且女生和男生的差異很大。7,11-HD 是女生製造最大量的費洛蒙之一,影響也較為明顯。這種骨架很大飛不起來、沒有揮發性的費洛蒙,會促進黃果蠅兩性個體間的情慾交流,卻又會抑制黃果蠅和近親擬黃果蠅發生關係。[4]

7,11-HD 是黃果蠅女生主要的費洛蒙,不過男生也會製造一絲絲 [5]。理論上,7,11-HD 氧化後有 26 種可能的醛類產物,然而目前只偵測到 16 種,其中一種就是 Z4-11Al。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

進一步測試發現,黃果蠅是靠著 Or69aB 這個神經元接收 Z4-11Al;可是擬黃果蠅卻對它不為所動。推測理由是因為,Z4-11Al 是 7,11-HD 的衍生物,擬黃果蠅並不會製造 7,11-HD,而沒有 7,11-HD 就沒有 Z4-11Al(以及一系列醛類揮發性分子),沒碰過也就沒有機會發展接收 Z4-11Al 的能力惹。

擬黃果蠅女生、黃果蠅男生,都不像女黃果蠅會製造揮發性的醛類費洛蒙。圖/取自 ref 3

換句話說,黃果蠅兩種費洛蒙 7,11-HD 及其衍生物 Z4-11Al,不但兩性有別,而且在物種間還有差異,是一道強化近親之間生殖隔離的關卡。

更有意思的是,竟然不是所有黃果蠅都能偵測 Z4-11Al。黃果蠅與人類一樣,雖然老家都在非洲,卻移民到世界各地。住在非洲辛巴威的黃果蠅,許多特徵和非洲以外的同類不太一樣,也有一些生殖隔離的狀況產生。實測發現,辛巴威黃果蠅男生,和擬黃果蠅一樣也對 Z4-11Al 沒什麼感覺。

為什麼它們對 Z4-11Al 沒有感覺?可能的原因是,辛巴威黃果蠅女生只會製造少量 7,11-HD,它的功能有其他費洛蒙代替。一如擬黃果蠅,假如沒機會接觸 Z4-11Al,自然也不會有機會發展出偵測能力。由此看來 Z4-11Al 或許也是,阻擋辛巴威與其他地方的黃果蠅,情慾流動的一項因素。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

今年搞笑諾貝爾生物學獎,看似搞笑的背後,其實是交織於性愛、分離、跨界與慾望上的經驗之歌呢。

2018 年搞笑諾貝爾獎頒獎典禮:

延伸閱讀:

參考文獻:
  • 1. The 2018 Ig Nobel Prize Winners
  • 2. Becher, P. G., Lebreton, S., Wallin, E. A., Hedenström, E., Borrero, F., Bengtsson, M., … & Witzgall, P. (2018). The scent of the fly. Journal of chemical ecology, 44(5), 431-435.
  • 3. Lebreton, S., Borrero-Echeverry, F., Gonzalez, F., Solum, M., Wallin, E. A., Hedenström, E., … & Walker, W. B. (2017). A Drosophila female pheromone elicits species-specific long-range attraction via an olfactory channel with dual specificity for sex and food. BMC biology, 15(1), 88.
  • 4. Seeholzer, L. F., Seppo, M., Stern, D. L., & Ruta, V. (2018). Evolution of a central neural circuit underlies Drosophila mate preferences. Nature, 559(7715), 564.
  • 5. Yew, J. Y., Dreisewerd, K., Luftmann, H., Müthing, J., Pohlentz, G., & Kravitz, E. A. (2009). A new male sex pheromone and novel cuticular cues for chemical communication in Drosophila. Current Biology, 19(15), 1245-1254.
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
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
寒波_96
193 篇文章 ・ 1152 位粉絲
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》。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
停工即停薪:如何證明你的時間值多少?車禍背後的認知 x 情緒 x 金錢 x 法律大混戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/01/09 ・3351字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文與 PAMO車禍線上律師 合作,泛科學企劃執行

走在台灣的街頭,你是否發現馬路變得越來越「急躁」?滿街穿梭的外送員、分秒必爭的多元計程車,為了拚單量與獎金,每個人都在跟時間賽跑 。與此同時,拜經濟發展所賜,路上的豪車也變多了 。

這場關於速度與金錢的博弈,讓車禍不再只是一場意外,更是一場複雜的經濟算計。PAMO 車禍線上律師施尚宏律師在接受《思想實驗室 video podcast》訪談時指出,我們正處於一個交通生態的轉折點,當「把車當生財工具」的職業駕駛,撞上了「將車視為珍貴資產」的豪車車主,傳統的理賠邏輯往往會失靈 。

在「停工即停薪」(有跑才有錢,沒跑就沒收入)的零工經濟時代,如果運氣不好遇上車禍,我們該如何證明自己的時間價值?又該如何在保險無法覆蓋的灰色地帶中全身而退?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
如果運氣不好遇上車禍,我們該如何證明自己的時間價值?/ 圖片來源: Nano Banana

薪資證明的難題:零工經濟者的「隱形損失」

過去處理車禍理賠,邏輯相對單純:拿出公司的薪資單或扣繳憑單,計算這幾個月的平均薪資,就能算出因傷停工的「薪資損失」。

但在零工經濟時代,這套邏輯卡關了!施尚宏律師指出,許多外送員、自由接案者或是工地打工者,他們的收入往往是領現金,或者分散在多個不同的 App 平台中 。更麻煩的是,零工經濟的特性是「高度變動」,上個月可能拚了 7 萬,這個月休息可能只有 0 元,導致「平均收入」難以定義 。

這時候,律師的角色就不只是法條的背誦者,更像是一名「翻譯」。

施律師解釋「PAMO車禍線上律師的工作是把外送員口中零散的『跑單損失』,轉譯成法官或保險公司聽得懂的法律語言。」 這包括將不同平台(如 Uber、台灣大車隊)的流水帳整合,或是找出過往的接單紀錄來證明當事人的「勞動能力」。即使當下沒有收入(例如學生開學期間),只要能證明過往的接單能力與紀錄,在談判桌上就有籌碼要求合理的「勞動力減損賠償 」。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
PAMO車禍線上律師的工作是把外送員口中零散的『跑單損失』,轉譯成法官或保險公司聽得懂的法律語言 / 圖片來源: Nano Banana

300 萬張罰單背後的僥倖:你的直覺,正在害死你

根據警政署統計,台灣交通違規的第一名常年是「違規停車」,一年可以開出約 300 萬張罰單 。這龐大的數字背後,藏著兩個台灣駕駛人最容易誤判的「直覺陷阱」。

陷阱 A:我在紅線違停,人還在車上,沒撞到也要負責? 許多人認為:「我人就在車上,車子也沒動,甚至是熄火狀態。結果一台機車為了閃避我,自己操作不當摔倒了,這關我什麼事?」

施律師警告,這是一個致命的陷阱。「人在車上」或「車子沒動」在法律上並不是免死金牌 。法律看重的是「因果關係」。只要你的違停行為阻礙了視線或壓縮了車道,導致後方車輛必須閃避而發生事故,你就可能必須背負民事賠償責任,甚至揹上「過失傷害」的刑責 。 

數據會說話: 台灣每年約有 700 件車禍是直接因違規停車導致的 。這 300 萬張罰單背後的僥倖心態,其巨大的代價可能是人命。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

陷阱 B:變換車道沒擦撞,對方自己嚇到摔車也算我的? 另一個常年霸榜的肇事原因是「變換車道不當」 。如果你切換車道時,後方騎士因為嚇到而摔車,但你感覺車身「沒震動、沒碰撞」,能不能直接開走?

答案是:絕對不行。

施律師強調,車禍不以「碰撞」為前提 。只要你的駕駛行為與對方的事故有因果關係,你若直接離開現場,在法律上就構成了「肇事逃逸」。這是一條公訴罪,後果遠比你想像的嚴重。正確的做法永遠是:停下來報警,釐清責任,並保留行車記錄器自保 。

正確的做法永遠是:停下來報警,釐清責任,並保留行車記錄器自保 。/ 圖片來源: Nano Banana

保險不夠賠?豪車時代的「超額算計」

另一個現代駕駛的惡夢,是撞到豪車。這不僅是因為修車費貴,更因為衍生出的「代步費用」驚人。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

施律師舉例,過去撞到車,只要把車修好就沒事。但現在如果撞到一台 BMW 320,車主可能會主張修車的 8 天期間,他需要租一台同等級的 BMW 320 來代步 。以一天租金 4000 元計算,光是代步費就多了 3 萬多塊 。這時候,一般人會發現「全險」竟然不夠用。為什麼?

因為保險公司承擔的是「合理的賠償責任」,他們有內部的數據庫,只願意賠償一般行情的修車費或代步費 。但對方車主可能不這麼想,為了拿到這筆額外的錢,對方可能會採取「以刑逼民」的策略:提告過失傷害,利用刑事訴訟的壓力(背上前科的恐懼),迫使你自掏腰包補足保險公司不願賠償的差額 。

這就是為什麼在全險之外,駕駛人仍需要懂得談判策略,或考慮尋求律師協助,在保險公司與對方的漫天喊價之間,找到一個停損點 。

談判桌的最佳姿態:「溫柔而堅定」最有效?

除了有單據的財損,車禍中最難談判的往往是「精神慰撫金」。施律師直言,這在法律上沒有公式,甚至有點像「開獎」,高度依賴法官的自由心證 。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

雖然保險公司內部有一套簡單的算法(例如醫療費用的 2 到 5 倍),但到了法院,法官會考量雙方的社會地位、傷勢嚴重程度 。在缺乏標準公式的情況下,正確的「態度」能幫您起到加分效果。

施律師建議,在談判桌上最好的姿態是「溫柔而堅定」。有些人會試圖「扮窮」或「裝兇」,這通常會有反效果。特別是面對看過無數案件的保險理賠員,裝兇只會讓對方心裡想著:「進了法院我保證你一毛都拿不到,準備看你笑話」。

相反地,如果你能客氣地溝通,但手中握有完整的接單紀錄、醫療單據,清楚知道自己的底線與權益,這種「堅定」反而能讓談判對手買單,甚至在證明不足的情況下(如外送員的開學期間收入),更願意採信你的主張 。

車禍不只是一場意外,它是認知、情緒、金錢與法律邏輯的總和 。

在這個交通環境日益複雜的時代,無論你是為了生計奔波的職業駕駛,還是天天上路的通勤族,光靠保險或許已經不夠。大部分的車禍其實都是小案子,可能只是賠償 2000 元的輕微擦撞,或是責任不明的糾紛。為了這點錢,要花幾萬塊請律師打官司絕對「不划算」。但當事人往往會因為資訊落差,恐懼於「會不會被告肇逃?」、「會不會留案底?」、「賠償多少才合理?」而整夜睡不著覺 。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

PAMO看準了這個「焦慮商機」, 推出了一種顛覆傳統的解決方案——「年費 1200 元的訂閱制法律服務 」。

這就像是「法律界的 Netflix」或「汽車強制險」的概念。PAMO 的核心邏輯不是「代打」,而是「賦能」。不同於傳統律師收費高昂,PAMO 提倡的是「大腦武裝」,當車禍發生時,線上律師團提供策略,教你怎麼做筆錄、怎麼蒐證、怎麼判斷對方開價合不合理等。

施律師表示,他們的目標是讓客戶在面對不確定的風險時,背後有個軍師,能安心地睡個好覺 。平時保留好收入證明、發生事故時懂得不亂說話、與各方談判時掌握對應策略 。

平時保留好收入證明、發生事故時懂得不亂說話、與各方談判時掌握對應策略 。 / 圖片來源: Nano Banana

從違停的陷阱到訂閱制的解方,我們正處於交通與法律的轉型期。未來,挑戰將更加嚴峻。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

當 AI 與自駕車(Level 4/5)真正上路,一旦發生事故,責任主體將從「駕駛人」轉向「車廠」或「演算法系統」 。屆時,誰該負責?怎麼舉證?

但在那天來臨之前,面對馬路上的豪車、零工騎士與法律陷阱,你選擇相信運氣,還是相信策略? 先「武裝好自己的大腦」,或許才是現代駕駛人最明智的保險。

PAMO車禍線上律師官網:https://pse.is/8juv6k 

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

0

2
0

文字

分享

0
2
0
滅火原理藏在成語裡,「煽風點火」的燃燒科學
張之傑_96
・2025/11/05 ・1217字 ・閱讀時間約 2 分鐘

這是個從生活經驗中衍生出的成語。煽風,指煽動風勢;點火,指點燃火種。將火種點燃,再用扇子煽它,就會冒出火光。如今家家使用瓦斯爐,只要轉動開關,引燃瓦斯,就會冒出火來。火力大小,可以隨心所欲。然而從前可不是這個樣子。

章老師小時候,農村大多使用燒柴火的爐灶,城市大多使用煤球爐。章老師住在城市,讓我打開記憶的匣子,談談煤球爐吧。

煤球是用焦炭碎屑,調上些泥巴,用模子製成的短柱體,上頭有許多上下通透的孔洞。煤球爐是用紅泥或黃泥做的,爐壁很厚,有個火門,用來煽火。使用煤球爐時,先在爐內放些廢紙和劈碎的柴火,做為火種。再點燃廢紙,引燃柴火。待柴火燒旺了,再把煤球放上去,然後從火門用力煽風,煤球就會慢慢地點燃了。

圖/AI 生成

使用柴火的爐灶,也是一面放柴火,一片煽風。如今到野外露營,也是點燃枯枝敗葉後猛力煽風。這個自古就有的生活經驗,不期然地衍生出成語「煽風點火」,比喻鼓動慫恿,藉以挑起事端。這個成語和「推波助瀾」、「興風作浪」的意思差不多。好了,讓我們造兩個句吧。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

選舉期間政客們煽風點火,吸引選民們注意。

野心分子從旁煽風點火,釀成這次暴力事件。

扇風點火的科學原理

接下去要談談煽風點火的科學意涵。燃燒,其實是一種劇烈的氧化作用,所以必須要有氧氣。空氣中約含21%的氧,我們用力煽火,就是灌進更多的空氣,助長燃燒。

可燃物的燃點不一,有的低,有的高。以章老師小時候使用的煤球爐來說,作為火種的廢紙,用根火柴就能點燃,其次是劈碎的木柴,再其次是煤球。煤球那麼不容易點燃,如果煮完飯還沒燃盡怎麼辦?有辦法,只要關上火門,讓空氣進不去,氧氣供應不足,燃燒就會慢下來,變成將熄未熄狀態。煮下一餐時,只要打開火門,就會復燃了。

通常煮完晚餐,關上火門。第二天早晨,打開火門,在將熄未熄的煤球上,疊上一個新煤球,再連續煽風,就會引燃新煤球,然後用煤球夾,把舊煤球夾出來,換上新煤球。因此,新舊煤球套著用,不必天天生火。

章老師曾當過老師,有次學生不小心把酒精燈打翻了,引起實驗台著火,有人急忙去拿滅火器,章老師不荒不忙地用條吸滿水的大毛巾蓋上去,火立刻熄滅。這可不是變了什麼戲法,而是阻斷了氧氣所致。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

燃燒,是可燃物與氧(助燃物)作用的結果。阻斷氧氣供應,可燃物就燃燒不起來了。滅火器有很多種,原理都是阻斷氧氣供應。

滅火器是1816年英國人曼比發明的,到了19世紀末,開始使用碳酸-硫酸滅火器。滅火劑是碳酸氫鈉(小蘇打)溶液,和一小瓶開口向上的硫酸。使用時把滅火器倒過來,硫酸和碳酸氫鈉混合,立即產生大量的二氧化碳,從噴口噴出來。二氧化碳非但不能助燃,噴出的泡沫還會阻斷空氣中的氧氣,火當然就燃燒不起來了。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。

0

0
0

文字

分享

0
0
0
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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
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。

參考資料:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。