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實驗動物與牠們的產地,恆溫恆濕還有乾淨空氣

Peggy Sha
・2019/01/22 ・1927字 ・閱讀時間約 4 分鐘

1 月 17 號,是國家生技研究園區實驗動物中心的「大徙之日」。新落成的六層樓建築依山傍水,對於實驗動物來說可說是座「帝寶級」的高級住所。這麼大費周章才完工的「實驗動物與牠們的產地」,究竟有哪些重要的功能呢?

實驗動物中心坐落於依山傍水的一塊寶地,日前正式舉辦啟用典禮。圖/國研院提供

25 歲的實驗中心,讓研究更加順利

動物實驗中心究竟是在做什麼呢?

這故事還得從 1994 年開始說起。培養實驗動物,對於科學研究而言十分重要,畢竟我們可沒辦法輕易進行人體實驗,這時候,便需要藉助動物的力量。然而,若是無法自行培育又缺乏固定的實驗動物來源,那研究人員在進行實驗時,便需從國外進口,不僅曠日廢時、更所費不貲。

動物實驗中心的存在,便是為了解決這樣的問題。他們從 1994 年開始提供無特定病源 (SPF) 嚙齒類實驗動物,而後更成立了實驗鼠種原庫,並開始培養綠色螢光鼠、無菌鼠、基因轉殖大鼠等等不同的實驗動物。現在,除了鼠之外,中心也提供了兔、犬、豬、羊等等實驗動物。

自己的實驗動物自己養,可以避開許多繁瑣的部分。(本圖天竺鼠僅為模型)圖/語柔 攝

國際結盟合作,走向世界的訂製鼠

咦?一個養動物的地方竟然這麼厲害?

沒錯!可別小看這些實驗動物,牠們背後都有著不同的任務和重要性。就拿前文提過的「無菌鼠」來說吧,牠們身上可是真真正正半點細菌也沒有,當然也沒有病毒和寄生蟲。這些無菌鼠們所喝的水、吃的飼料都必須經過嚴格的滅菌,居住的地方更是特殊設計的無菌隔離操作箱。

為什麼要培養這樣「乾淨」的無菌鼠呢?因為如此一來,我們才能夠藉由實驗,找出特定的操縱變因會帶來什麼樣的結果。無菌鼠對於基因改造、癌症、腸道微生物、消化道生理、免疫、藥物動物學及營養研究都有很重要的意義。

乾淨的實驗動物,需要住在特殊設計的箱中。圖/語柔 攝

另一方面,我們也有自行做出「訂製鼠」的能力,可以利用大片段基因構築、CRISPR/Cas9、基因剔除等技術,為各個實驗團隊打造出他們所需要的實驗鼠。

量身訂製的動物資源,更能夠協助實驗。圖/語柔 攝

研究員便分享到:我們的國家實驗鼠種原庫有被納入「國家小鼠品系資料庫 (International Mouse Strain Resource, IMSR)」,更曾為約翰霍普金斯大學提供全球第一隻剔除 Scn2a1 基因的小鼠,令其出現自閉症和行為運動異常。這樣的合作非常成功,後來大學方面更親自致電感謝台灣團隊的協助。

帝寶級高級住所,體現出對動物福祉的重視

這些實驗動物們為人類做出了重要的貢獻,當然也該被好好地對待。研究人員們便笑稱,這些動物就像是住在動物版的高級帝寶中。為什麼會這麼說呢?因為這些動物所居住的環境十分乾淨舒適且無菌,食物和墊料都經自動化處理,同時,環境也會維持低噪音、低粉塵、無光害、四季恆溫恆濕,並讓牠們 100% 的新鮮空氣。

為了打造舒適的環境,需要非常複雜的管線和相關設計。圖/語柔 攝

為了要讓實驗動物住得舒服,建築方面需要花費許多心思,不僅規劃節能、智慧控制、隔震等等系統,更打造了「全高貓道維修層」。「貓道」是動物房的維修管路,因為動物房是密閉空間,所有的管線設施都必須在動物房之外,而維修人員要工作時,僅能在貓道中進行維修。而大部分的動物房貓道高度都僅容爬行,這裡卻讓人可以直立,就像是兩層樓高的房,特別空出二樓的空間讓人維修,實在是十分的寬敞霸氣啊!

這種種的設施,除了是要達到實驗的需求外,更是實驗動物倫理的具體展現,動物實驗人員的誓詞便有提到:「將遵循動物福祉的最高標準,尊重和愛護將生命託付給實驗人員的實驗動物。」

實驗人員進行宣誓。圖/語柔 攝

動物實驗在目前的科學研究上有著不可取代的重要性,但我們在實驗同時,也應當注重實驗動物福祉、將牠們的福祉擺在第一位。新居的落成,將讓實驗動物中心的各項設施更為完善,也讓人期待未來的研究發展。

請好好對待 mouse 編的同胞喔!圖/語柔 攝

文章難易度
Peggy Sha
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曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。

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「精液求精」的果蠅!情慾交流後擇偶變得更挑剔?

寒波_96
・2021/09/18 ・4154字 ・閱讀時間約 8 分鐘

繁衍後代是生物的大事。動物在兩性生殖行為中,耗費資源比較少的那邊(通常是男方),一般沒那麼在意對象,更重視多多嘗試,啊嘶~;耗費資源更多的那邊付出較多(通常是女方),會更加謹慎擇偶。

然而,謹慎過頭也有風險,等呀等呀等呀,萬一一直等不到夠好的對象怎麼辦!?

等到花兒都謝了⋯⋯圖/GIPHY

一項新發表的研究報告指出,女果蠅有一套巧妙的調節方式,會在交配以後改變行為,從來者不挑變得挑剔,藉此平衡兩種擇偶策略的風險,甚至調和兩性利益的衝突。

交配不一定受精,「精液求精」的果蠅

果蠅有好幾千種,這兒說的是最常見,會在垃圾桶出沒的「黃果蠅(Drosophila melanogaster)」,也是研究眾多,廣泛使用的模式動物。

打字的時候,「精益求精」很容易打錯成「精液求精」,不過這用在果蠅身上卻是正確的。果蠅在情慾交流時,由男生求偶,女生同意才能進行。交配後女生不需要馬上受精,可以將精子先存起來,再找對象交配,追求更精英的精液。

理論上,由於不用立刻受精,可以精液求精,所以女果蠅能透過切換擇偶策略,解決「求有又要求好」的矛盾。當果蠅還是處女的時候,她們不挑對象,碰到男生就接受,先搜集精子;之後再提高標準,遇見更優質的男生才答應再度交配,獲得更棒棒的精子。

理論未必符合現實,不過新論文透過一系列實驗證實,理論的預測是正確的。

對女果蠅而言,交配只是增加一個機會,不一定要受精。圖/Why fruit fly sperm are giant

有性經驗之後,擇偶變得更挑

黃果蠅有好幾款品系,這項研究用的女生是 Canto-S,男生選用來自非洲西部的 Tai,以及荷蘭的 Netherland(簡稱 NL)。實驗發現,處女果蠅選擇兩者的機率差不多,但是再度交配時,她們卻幾乎只會選 Tai。

也就是說,沒有性經驗的女果蠅比較不挑對象,有性經驗後變得更挑。這有兩個可能原因,第一個是:沒有性經驗的處女果蠅還不懂男生優劣,要在交配過有經驗以後,才懂得挑選好對象❤️

處女果蠅不挑男生,Tai 和 NL 獲選的機率差不多;之後卻幾乎只選擇 Tai 男生。圖/參考資料 1

果蠅交配時,隨著精液進入體內的除了精子,還有一些其他物質,如「性胜肽」(sex peptide,簡稱 SP);而女生的性胜肽受器(SP receptor,簡稱 SPR)接收後,會改變某些生理狀態。

比較發現,「沒有性胜肽受器的女果蠅」,再度交配時不會變得更挑剔;而處女果蠅和「缺乏性胜肽的男生」交配後,再度情慾交流時的擇偶標準,仍然跟處女時一樣。

所以,由這些實驗看來,女果蠅交配後擇偶變嚴格這回事,和性經驗無關,光有性經驗不足以改變行為。因此另一個可能才對:女生變得更挑,是神經化學反應所致。

公式化,不浪漫 QQ 💔

處女果蠅更容易被性刺激,交配後不那麼敏感

女果蠅交配以後,受到性胜肽影響,體內的賀爾蒙「青春激素」(juvenile hormone ,簡稱 JH,也翻譯作保幼激素)會增加,有促進卵細胞生成等效果。

模擬青春激素的 methoprene,讓處女果蠅的偏好變得更強。圖/參考資料 1

擇偶行為的改變,跟青春激素有關係嗎?有種叫做 methoprene 的化合物,化學結構和青春激素很像,可以模擬青春激素的作用。研究發現,餵食 methoprene 給沒有性經驗的果蠅,結果她們也變得更挑,證實青春激素會影響擇偶標準。

女生挑男生,必需懂得分辨,女果蠅怎麼分辨男男間的不同?果蠅用體外的訊號分子——費洛蒙來溝通。實驗指出,缺乏嗅覺受器神經元 Orco 的突變果蠅,不會在有性經驗後變得更挑,表示訊息是透過嗅覺相關的神經訊號傳達。

果蠅有很多個嗅覺神經元,分別接受不同外在刺激,接通不同線路。之前知道黃果蠅女生,有 3 個嗅覺受器(olfactory receptor)對男生的費洛蒙會起反應:Or47b、Or67d、Or88a,而實驗得知,其中只有 Or47b 突變後會改變擇偶行為,可見它應為關鍵。

測試 Or47b 神經元被棕櫚油酸刺激的程度,比起處女果蠅,交配後的女生反應更不敏感。圖/參考資料 1

實測不同的化合物後發現,神經元 Or47b 會對棕櫚油酸(palmitoleic acid)起反應,因此棕櫚油酸可以作為費洛蒙的角色。有趣的是,女生情慾交流過後,Or47b 再被棕櫚油酸刺激時,敏感度會下降一半。

也就是說,棕櫚油酸是男生激發女生性慾的一種訊號;而女生交配過後,對棕櫚油酸的敏感度會降低,有力地解釋了為何她們不再那麼容易接受男生。

而 NL 男生不受歡迎的原因也找到惹:他們的棕櫚油酸含量只有 Tai 男生一半;若是人為替 NL 男生外掛棕櫚油酸,他們被非處女果蠅青睞的機率也會上升。

相對來說,如果弱化青春激素的受器功能,交配後的女果蠅也會傾向在處女時不挑的狀態。

先交配再精液求精,兼顧求有以及求好

綜合上述實驗推論,處女果蠅的嗅覺神經元 Or47b 較為敏感,只要男生有棕櫚油酸就會接受。交配以後,青春激素的增加使得 Or47b 不再那麼容易被刺激;所以只有棕櫚油酸較高,性吸引力夠強的男生才會被接受。

大致是這個過程:處女果蠅交配以後,來自男生的性胜肽,讓女生的青春激素變多,影響嗅覺受器,降低性刺激的效果,使得女果蠅改為選擇費洛蒙更多的男生。圖/參考資料 2

演化上,這對女生有利,有效解決「求有或是求好」的矛盾。

求偶時女果蠅掌握主動,又可以儲存精子。比起一開始就精挑細選,更穩當的擇偶策略是,見到男生就先交配,蒐集一批精子,之後再「精液求精」挑選更好的對象,有更好的就用更好的;沒有的話,反正已經確保有精子可用。

擇偶行為的切換,對果蠅整體也有幫助。族群密度高,個體很密集的時候,男孩紙們競爭激烈,可供選擇的對象較多,女生可以慢慢挑,「一定有,就求好」,維持族群品質。

相對地,假如族群蠅口稀疏,沒什麼對象可以選,女孩紙至少先交配一次的設定,也能增加族群延續的機率。

倘若果蠅進入新的地盤,沒什麼同類可以情慾交流,「先求有」也有助於在新環境建立基礎,不容易滅團。

女男調控不同,解決兩性矛盾

論文這番推論聽起來非常合理,但是還有個需要解釋的環節。求有和求好的平衡,既然靠青春激素驅動,那麼我們也不能忽略,其實黃果蠅男生也有青春激素,而且作用和女生相反。

女生青春激素增加的效果是降低性慾,擇偶更謹慎;但男生的青春激素變多之後(一般會隨著年齡上升),效果反而是增強性慾。

由於生殖時付出的成本不同,女生和男生的利益有別。顯而易見,如果青春激素在兩性都促進性慾,對女生是傷害;可若是都抑制性慾,便換成男生不利。

實際觀察到青春激素「促進男生,抑制女生」的作用方式,確實是調和性別衝突(sexual conflict)的辦法。

果蠅有個調控基因表現、造成性別差異的轉錄因子 Fruitless,主要在神經系統作用。其蛋白質在兩性間會形成不同款式,男生版為 FruM,女生版則是 FruF。

男果蠅的青春激素增加後,男生版的 FruM 表現上升,刺激下游的離子通道 pickpocket25 表現(簡稱 ppk25),繼而增加嗅覺受器 Or47b 的敏感度,增加性欲。啊嘶~啊嘶~啊嘶~

女生不同。女果蠅的青春激素增加後,女生版的 FruF 表現同樣會上升,但是離子通道 ppk25 不為所動。這就使得 Or47b 的敏感度下降,達到抑制性慾的效果。啊~嘶~

目前仍不清楚,女生如何控制 Or47b 的敏感度,只能確定與男生的調控方式不一樣。同一個基因、訊號、刺激,在女生與男生的角色有別,便有可能造成兩性衝突,必需被紓解;而常見方式是,生物會透過兩性有別的機制調控。

值得一提的是,不少昆蟲其實都有青春激素,我們也已經知道它在不同情境扮演眾多角色,而這回又新得知一種;同一種化學物質,可以衍生出不同的用法,不侷限於一項功能,正是生命千變萬化的原因之一。

女果蠅擇偶行為的改變,和交配後不需要立刻受精密不可分;那麼,不能延遲受精的動物,又採取什麼手段,兼顧求有與求好的目標呢?這將是有趣的探討方向。

延伸閱讀

參考資料

  1. Kohlmeier, P., Zhang, Y., Gorter, J. A., Su, C. Y., & Billeter, J. C. (2021). Mating increases Drosophila melanogaster females’ choosiness by reducing olfactory sensitivity to a male pheromone. Nature ecology & evolution, 1-9.
  2. Escaping the choosiness trap
  3. Fruit flies lose their virginity lightly – and then become choosy

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》。
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