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為實驗而生的動物們:國研院實驗動物中心專訪

Suzuki
・2019/08/30 ・4444字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 532 ・七年級

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為了圓人類的太空探索夢, 1957 年蘇聯將狗狗「萊卡」放在太空艙中,測試它對太空環境的耐受度,結果狗兒在進入太空後不久就中暑死亡。

在今年四月中國科學家將人類大腦發育基因植入恆河猴的腦部,試圖解開人腦的思考奧秘,但這個研究飽受各界質疑。生物倫理學家 Jacqueline Glover 更表示「不該創造一個在任何情況下都沒有生命意義的活體」。

講到動物實驗,你想到的是否都是以上的有倫理爭議的實驗?甚至浮現畫面,在蒼白的實驗室中、驚惶的小鼠逃竄……事實上,在越來越強調動物權利的現代,我們對於保障動物福利的要求已經越來越嚴格。那麼如何確保動物在實驗過程中不會承受過多苦痛?尊重實驗動物的福祉呢?這是個重要的問題。

國研院動物中心台北中心剛剛遷入的國家生技園區實驗動物中心大樓依山傍水,是全世界少數綠建築形式的實驗動物房。(照片提供:國研院動物中心)

本次我們專訪了今年剛剛新居落成的國家生技研究園區實驗動物中心,來一起看看,在第一線「養動物」的國研院動物中心,如何兼顧實驗需求與動物福祉吧!

要健康快樂實驗才可靠:實驗動物的五項基本權利

目前國際在動物實驗的進行與飼養皆有共識,以實驗動物經典書籍《人道實驗技術之原則》(The Principles of Humane Experimental Technique)為準繩,農委會在 1998 年訂定《動物保護法》。國研院動物中心飼育實驗動物與開發基因改造鼠,為生技與醫藥研究奠下基礎,並以推動台灣實驗動物福祉與教育努力。

國研院動物中心主任余俊強博士表示,讓動物身心健康,實驗結果才會可靠。目前國際上的共識,必須保障實驗動物五項基本權(5F):

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  1. 充足的食物和水(Freedom from Hunger and Thirst)
  2. 安穩的棲息空間(Freedom from Discomfort)
  3. 自由的表現本能(Freedom to Express Normal Behaviour)
  4. 放鬆的無憂生活(Freedom from Fear and Distress)
  5. 即時的醫療照顧(Freedom from Pain,Injury or Disease)

5F 與動物的生活品質息息相關,簡言之,飼養需考量到動物的「食、住、行、育、樂」。在居住空間上,每種體型的動物都有適當的生活空間,並有同伴一起住維持群居的特性。以掌心大小的小白鼠來說,牠們是住在鞋盒大小的飼育籠內,最多有五隻小鼠同伴當室友。

國研院動物中心目前的設計,每個飼育籠就如同一間間套房,除了飲水器、食物槽、吸濕的墊料外,還有「獨立空調」,能長年維持攝氏 22 度、濕度 50% 的恆定環境。動物房內對於照明、開關燈時間、噪音控制也有要求,確保動物能安穩的生活,也助於動物的繁殖。

維持動物房穩定並不是容易之事,需設置許多備援系統。國研院動物中心企劃推廣組組長秦咸靜博士表示,新的台北動物中心雖在今年一月完工,但為了測試系統對防水、防震與停電的應變就花了六個月,直至最近才將動物移過去,正式啟用設施。她說:「動物中心的系統絕對不能出錯,一出大錯就可能造成小動物的犧牲。」

在基礎設施完備下,國研院動物中心也準備玩具,如:提供棉花讓小鼠做小窩、給予木棒讓大鼠磨牙。對於膽小的動物,如:天竺鼠、兔子,則會播音樂讓牠們習慣有聲音的環境,盡可能滿足其本性,避免動物無聊到在籠子繞圈圈。

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大鼠們大口吃飼料的樣子(已融化)照片提供:國研院動物中心

每天國研院動物中心的人員也會值班,視察每隻動物的狀況。一發現動物不理毛、傷口癒合慢,出現違反動物常態的行為,便會請獸醫來幫動物檢查,確保動物的身心健康。

動物房內最「髒」的是人類

「動物房內最髒的就是人類!」秦咸靜博士解釋,人類身上常帶有機會性病源,機會性病源不是什麼厲害的角色,大都是在你免疫力弱時,對你發動攻擊讓你長口角皰疹、痘子;但為了動物的健康,人類進入動物房需要「滅菌」。

台北中心的動物房設計分為兩個隔離區,一是動物飼養區,二是備料區,準備動物食材與用品區。動物飼養區的要求比較高,工作人員需要洗澡,換掉內衣褲和衣服才能進動物房,實驗做到一半去廁所後,就要再洗澡進去。由於來回進出相當麻煩,工作人員常一進房就待上半天,相當辛苦呢!

所有小動物要進動物房前,要在外面的保溫箱內做檢疫,確認沒問題才能進去。動物房設計為「正壓」房,也是為了降低病菌流入。

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動物備料區的要求則沒那麼高,工作人員吹塵就可以進去,這區主要是協助動物籠具的清洗,還有實驗設備的消毒,工作人員大約一週為動物換籠一次。

國研院動物中心飼育環境的平面圖,進入藍色區域的動物飼養區前,工作人員需要洗澡換裝,而黃色滅菌區則是動物食材準備區,工作人員進入僅需要吹塵。(圖/簡鈺璇拍攝)

此外,細看動物房內裝潢,可發現地板相當光滑、一點接縫都沒有,這是為了避免細菌滋生。動物房天花板上的燈是不能在動物房內直接更換,工程人員必須走動物房上方的特別設計的「貓道」,由上而下換燈管。這樣的設計讓一般的檢修建築無需進入動物房,降低動物暴露在病菌中的機會。

飼養小鼠的動物房內地板光滑,沒有任何接縫,避免積灰塵。
(圖/國研院動物中心提供)
台北中心動物房的模型示意圖,可以發現動物房分兩層,有點類似樓中樓的設計,一層是飼育動物的區域,二層則是貓道,是讓維修人員走的,方便由上而下進行設備維修。(圖/簡鈺璇拍攝)

老鼠房內大都是木屑墊料的味道,一點都不臭呢!動物房內的空調系統,會高空排放動物房的氣體,所以國研院動物中心外什麼味道都沒有,而外面的氣體進入也要層層過濾。

工作人員每天都會巡房、紀錄,確保每隻老鼠的狀況,圖為母鼠哺育幼鼠的情況。(照片提供/國研院動物中心)

人道實驗三原則:替代、減量、精緻化

許多人在高中生物課都有解剖青蛙的經驗,留下了動物實驗人人可以執行的印象。但其實,目前依據《動物保護法》規定,高中以下學校不得進行課綱外足以使動物受傷害或死亡的教學,而為研究所執行的動物實驗,更是需要經過審核才可以執行。

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實際上執行動物實驗的規劃,必須符合人道實驗的 3R 原則:替代(Replacement)、減量(Reduction)、精緻化(Refinement)。

  • 替代(Replacement)分為直接或間接替代。直接替代就是不要做動物實驗,除了醫學和研究等必要實驗外,許多實驗是有替代方案,像是化妝品能用體外培養的皮膚細胞來做敏感測試,測試功效的保健食品也可用人類做實驗。間接替代則是使用「更有效率的方式」來做實驗,余俊強表示,以往都用一般鼠來做實驗,但實驗效果未必反映在人身上,因此,國研院動物中心開發「擬人鼠」,藉由移植人類基因或特定癌細胞到老鼠上,讓實驗能對症下藥,使得動物的犧牲更有價值。
擬人鼠是國研院動物中心用心開發的結晶,能大幅提升藥物實驗的品質,並減少一般小鼠的實驗犧牲數量。(照片提供/國研院動物中心)
  • 減量(Reduction)顧名思義就是減少實驗動物的使用,每年台灣約有 100 萬隻動物為實驗奉獻,以往為了減少實驗成本,國研院動物中心會希望量產小鼠,但這造成實驗的浪費,現行則依客戶的實驗數量再生產小鼠。此外,國研院動物中心同仁也是許多大學動物實驗委員會的委員,審核實驗動物的合理數量。
  • 精緻化(Refinement)強調動物實驗進行的品質,如果實驗者技術好,動物在抽血和縫合時所承受的痛苦就少一點。今年國研院動物中心將打針、抽血等七項核心實驗技術編成課程,提升研究者的實驗技巧。
秦咸靜博士與國研院動物中心同仁經常到校園推廣動物福祉,希望從小教育孩子尊重生命。(照片提供/國研院動物中心)

規劃實驗不能只考慮到結果,還要重視動物權

實驗過程中動物難免會不舒服,就像人生病去醫院打針、治療,可能產生副作用或疼痛一樣,因此確保動物實驗的終止時間,及早人道介入緩解動物痛苦,就非常重要。

以癌症的藥物測試為例,研究人員會將人的腫瘤細胞移植到小鼠的皮下細胞,並分成三組:一組投以有效藥物、一組為測試藥、另一組不治療。可想而知,不治療或測試藥的小鼠可能因腫瘤長大,而承受相當的痛苦。

圖為研究人員取動物血清進行生化分析(照片提供:國研院動物中心)

「動物實驗時不能只考量實驗結果、便利性,還要重視動物權!」秦博士表示,對動物傷害越大的實驗,實驗審查就會更嚴格,研究者必須指出實驗過程中動物可能發生的症狀,包含:非預期的副作用,並明確說明人道介入的時間點。

人道介入的時間通常是實驗足以影響動物的正常生活時,例如:腫瘤超過一公分讓小鼠無法行走、小鼠腹痛蜷縮在角落、傷口癒合不佳等。此時研究者就要介入,並終止讓小鼠繼續實驗。

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安樂死是人道介入的方式之一,秦博士說:「很多人會覺得犧牲小鼠很殘忍,但若將小鼠救活後也不能送養或做二次實驗,因此由實驗動物角度來看,最快結束痛苦才是最好的結局。」

建立人道動物實驗文化

余俊強博士表示,實驗人道守則除了 3R 外,還應該外加 1 R: responsibility。在動物福祉的維護上,國研院動物中心的所有同仁,包括司機、廠務都扮演了重要角色。他笑道,國研院動物中心的就連司機在運送過程中也需要對動物給予以無微不至的照顧,選在夜間開車、車速平穩,盡可能不驚擾動物。

余俊強博士期許人道實驗的精神能內化在國研院動物中心的同仁心中,中心因此特地比照獸醫、醫生的宣誓,擬出「動物實驗人員宣誓誓詞」讓研究人員公開表白,為實驗動物福祉努力的決心。

國研院動物中心主任余俊強認為,建立人道實驗精神與文化是動物中心的使命之一。圖/簡鈺璇攝影。

秦咸靜博士表示,她之前也想過可不可以不做動物實驗,但現階段動物實驗仍有必要性,她認為國研院動物中心的同仁是最顧及動物、實驗技巧優異的一群,如果他們不做,那麼還有誰能勝任呢?她勉勵自己和同仁繼續為動物與人類醫學努力。

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也許將來,全器官的支持系統完成,小鼠就不用再為人類犧牲了。(圖/國研院動物中心提供)

近年國研院動物中心致力向各大專院校、生技公司宣導這些原則,配合今年台北動物中心搬遷至國家生技園區內,廠房擴大至 8000 坪,動物中心有更多空間推出新型態的服務。

余俊強博士表示,醫療與生技產業是台灣重要的一塊,對實驗動物的品質與福祉要求會越來越高。設備良好的動物房搭建成本相當高昂,所以國研院動物中心也開始推出動物房租用、代業主照顧動物與實驗等服務,也希望藉此更有效改善台灣所有實驗動物的福祉。

我們日常生活中從吃的食品到醫病使用的藥品,都可能有實驗動物的一份貢獻。考量人體的生理機制複雜,現今尚無體外全器官支持系統能替代動物做藥物測試,因此動物實驗仍是醫學發展的必要手段。人們的持續關注與努力,才是讓人類醫藥發展過程中盡可能減少苦痛唯一方法。

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Suzuki
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超純社會組學生,對未知的一切感到好奇,意外掉入科技與科學領域,希望在猛點頭汲取知識的同時,也能將箇中妙趣分享給大家。

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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小「勞贖」大英雄!——認識新藥開發的幕後功臣:基改實驗鼠
科技大觀園_96
・2021/10/13 ・2499字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 作者 / 林妤庭|科技大觀園特約編輯

作為世界各國生醫研究的推手,每隻基改實驗鼠都是具有個性、生命力充沛的個體,就和我們每個人一樣!國家實驗動物中心副主任秦咸靜表示,牠們不只是實驗材料,更是新藥開發的大功臣,值得享有更多尊重和福祉。

「你可以想成這裡養了數十萬隻寵物,獸醫師會定期幫動物巡房、做健康檢查;也像是『不孕症中心』,有大量被冷凍保存的動物胚胎,有需要時解凍來用;還有各種類似醫院專科門診的單位,包括行為、腦神經、代謝、腫瘤等,會固定幫這些小鼠做實驗,」國家實驗研究院國家實驗動物中心副主任秦咸靜形容。

秦咸靜對這裡飼育的大小鼠如數家珍,這些長期近親培育而得的實驗鼠,每個品系就像是一群多胞胎,有自己獨立的個性,有的脾氣硬、愛爭執,有的精神脆弱,禁不起一絲打擾。「像 B6 是 party animal ,愛喝酒,也愛吃甜食和高油脂的食物,媽媽把小孩生下來就跑出去玩;但如果是 FVB 品系,你餵牠酒,牠會堅持等水喝,而且很會照顧小孩!」秦咸靜說。

基因改造「特製」實驗鼠

這些實驗鼠對於研究有非常重要的貢獻。為了更精準的解決研究問題,研究者可以透過將老鼠基因序列增加、刪減、替換,破解基因對於身體功能或者疾病發展的影響。國研院動物中心就是透過基因改造鼠,一路抽絲剝繭,找出多囊腎病變真正關鍵的家族遺傳基因,為治療因多囊腎病而須洗腎的病患,喚起了一線生機。

現今實驗鼠全世界有 2 萬多個品系,其中絕大多數都是基因改造鼠。「螢光鼠」是箇中代表,變色基因就像是在實驗鼠體內裝進了探照燈,協助追蹤器官或細胞移植後發生了什麼事。目前的技術還可以依照需求調控變色,例如給原本紅色的螢光鼠某一種藥時,同時啟動綠色螢光基因,事後觀察顏色的改變,就可以清楚對照出給藥前後細胞在體內的變化。

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這些基因改造鼠,也是人類對抗疾病的第一道防線。2015 年,國研院動物中心研發出高度免疫不全的「擬人鼠」,2019 年,再將這些幾乎失去所有免疫細胞的小鼠,進一步接種人源腫瘤,成為個人化新藥試驗的替身——阿凡達鼠,作為癌症治療及研究的重要工具。

秦咸靜解釋,腫瘤跟免疫是臨床前試驗失敗率很高的兩個領域。使用老鼠腫瘤獲得的結果,和應用在人體上可能有很大落差。傳統上,使用人類的腫瘤細胞株進行測試,細胞株可能源於數十年前某個病人身上採到的腫瘤組織,但在實驗室經過了漫長歲月,早就與原本的腫瘤大不相同。

阿凡達鼠不只增加腫瘤生長的成功率,還能保留病患腫瘤的原有特性,因此阿凡達鼠對藥物的反應也跟病患比較相似。。 圖/國家實驗研究院國家實驗動物中心

「我們希望顛覆測試的方式,最好可以直接拿病人的來做,最準!」只是人的腫瘤移植到老鼠身上,很容易就被免疫系統攻擊,產生組織排斥。所以第一步,就是讓老鼠不要有免疫系統。這些成功在老鼠身上長大的腫瘤,冷凍保存後可以成為一個「銀行」,日後提供其他有類似基因變異的病人使用,找到適合藥物。目前也正在研究如何將老鼠的免疫系統換成人類的免疫系統,更真實模擬人體環境,也可擴大測試更多與免疫反應有關的藥物。

從「擬人鼠」到「器官晶片」

在精準醫療的發展上,現在甚至已經有老鼠跟人同步測藥的嘗試。給予病人第一線標靶藥物的同時,也直接將腫瘤種到老鼠身上,尋找第二線對病人有效的標靶藥物,免去在眾多標靶藥物中「盲測」而流失的生命和時間。「很多癌症病患等不到有效的藥,吃了第二段標靶藥還是沒有效就走了。」秦咸靜說,雖然目前技術還未全面到位,而且在這樣的時間壓力下,要維持高效率、高成功率,非常考驗臨床動物實驗的能力,但這依然是未來值得發展的方向。

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更進一步,「這些從人的腫瘤擴增出來的檢體,未來也可以變成器官晶片,也就是把腫瘤養在晶片上來篩藥,不一定要用老鼠。」秦咸靜認為,隨著技術的進展,除了能建立很多過去想像不到的檢測方式,研究人員也希望搭建出新的機制、新的平台,減少實驗動物的犧牲。

尊重每一次的動物實驗

國研院動物中心擁有全球頂尖的基因改造技術和珍貴的稀有鼠,名列 23 個國際種源庫之一。秦咸靜認為,臺灣有非常強勁的研究能量,對於實驗動物的管理和品質,在亞洲也算是數一數二;不過她也期望,對於動物實驗的教育可以更深入扎根。

「動物牠不是材料,而是生命。如果今天要在一篇論文裡選一個位置去放牠,我們應該要放在致謝,而不是材料。」秦咸靜道出她的感悟。

當思維模式轉變,進行動物實驗規劃時自然就會更有策略、更謹慎,而不是一股腦地直接做動物實驗,或是因為實驗設計不夠精準而一再重來。秦咸靜說明,其實現在大部分實驗希望多軌進行,可以用細胞或電腦模擬的方式先做,若要進行動物實驗,則要好好把握機會,規劃完整並做到好,才不會無謂的消耗生命。至於實驗動物的生活環境,就像養寵物一樣,該換籠就換籠、該清潔就清潔,讓牠們吃好、住好。這些動物帶著實驗的宿命而生,如果人還不能好好照顧牠們,是實驗上最大的殘忍。

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以愛來照顧實驗動物,不只是動物福祉的展現,讓牠們的身心靈維持穩定,對於得到準確的生理數值也有幫助。秦咸靜舉例,如果照顧者採血太粗魯、環境太吵、飲食不周,動物一下子心情好、一下子心情不好,生理值高低起伏,當然測不準。

「很多我們覺得很簡單的概念,在學校或是進了實驗室不一定有人教。這些老鼠看起來很單純,其實一點都不單純。」國研院動物中心也積極開課、推廣,期待提升各界關注實驗動物福祉的意識,並建立足夠的訓練機制,不要再從錯誤中學習。

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為何人道銷毀,才是更顧全動物福祉的做法?——談走私貓安樂死事件的道德誤區
ycl2019
・2021/08/23 ・2922字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 作者:林怡君|國立中興大學動物科學系助理教授

編按:海巡署 8 月 19 日於安平外海 9 浬處查獲一起走私案件,涉案的新北市籍漁船「順發 866 號」船艙內裝有 62 籠寵物攜帶箱,每籠分裝 2 至 6 隻大小不等、總計 154 隻的品種貓,包括市場價格不斐的俄羅斯藍貓、布偶貓、波斯貓及美國短毛貓等。

主管機關農委會依照《動物傳染病防治條例》,於 21 日下午為 154 隻貓執行安樂死。相關新聞引起民眾熱議,直批政府「不人道」的輿論也隨之甚囂塵上;鑑此,本文將從「傳染病防治」的角度解析此案「人道銷毀」為何必要?並指出支持「法外開恩」論述的道德誤區。

相關新聞:品種貓走私案

自 2017 年起,筆者養貓的資歷已滿 4 年,雖然尚算資淺貓奴,但是愛貓的心態,不會亞於任何人;近期走私貓的新聞,在社群網站上傳播開來;有人理解,有人無法接受。無法接受的族群,多是因為難過人的錯誤卻要動物來承擔。

事實上,歷來已有多起動物走私案件遭破獲,卻未必如此次「走私貓」案件引起廣泛關注——不得不說,長得可愛終究還是會受到比較多的關愛吧。

一般來說,走私動物遭查獲後有以下 2 種處置方法:

1. 如果是數量稀少的保育類動物,因其具稀有性,所以不會立刻執行人道銷毀。經過檢疫後,即沒入指定的收容單位,如:臺北市立動物園。(編按:例如 2019 年台北海關走私的「安哥洛卡陸龜」,國際貿易公約列為一級保育動物,全世界只有約 400 隻,後續送臺北市立動物園照顧。)

2. 但如果是非保育類,又帶有極大疾病傳染風險,就如同今天的案例,將直接以「人道銷毀」方式處理,也就是安樂死的環節。

為什麼不能把牠們送回去?

第一,如果是保育類動物被走私,極有可能是四處捕獲收集而來,因此根本無法確切知道原本的棲息地是在哪個地區,又要如何送回原處?再者,若若任意放回該國但又非原棲息地,環境未必適合;新的動物融入新的族群,勢必會經過一番挑戰。

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第二,走私就是沒經過任何檢疫,身上是否有帶疾病完全沒證據。再者,為了避免查緝,走私的過程必定會設下許多斷點,如同這次的事件一樣,船主是在澎湖外海向不知名的船主接洽,他們都僅是寵物走私產業鏈的其中一個分支。如果依循正規管道送回,要如何證明身上的疾病是在出口國得到的?還是在走私的路上,或是在落地的進口國得到的?

第三,運輸——不管是正規管道還是走私,對動物來說都造成極大的緊迫(害怕與壓力)。動物沒有「運輸」的概念,引擎的聲音、暫時的移動限制、或是不明原因的晃動(車、船、飛機),沒有經過訓練的動物,都會讓動物感到無比的害怕及恐懼。

不管是正規管道還是走私,運輸對於動物來說,都是非常大的緊迫。圖/Pixabay

即便正規管道的運輸都會帶來動物這麼大的緊迫,走私的方式更是慘不忍睹。

以人為例,過往國際上有不少人口走私/偷渡的案例,如:2019 年發生在英國的集體裝箱案,自越南通過陸路以及水路的運輸方式,抵達了英國後,其中 39 名越南人因貨櫃內的環境而體溫過高甚至窒息死亡(Cawley, 2020);2000 年亦曾有相似的事情發生,造成 58 名中國人死亡,只剩 2 名生還(Smugglers jailed over Chinese deaths, 2001)。可以見得走私的過程,為了避免查緝,環境是多麼刻苦,人口走私尚且如此,更何況是動物?

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過往就曾經查緝到鸚鵡的走私,不肖商人將 74 隻鸚鵡塞進寶特瓶中,被查獲的時候,已經有 10 隻鸚鵡被活活悶死了(Parrots found stuffed in plastic bottles in Indonesia,2020)。另外亦有人以棉襪、膠帶,把烏龜、松鼠、黃鼠、綠繡眼、貂綑綁在腿上走私(許加泰 & 尚義, 2018)。走私手法各式各樣,不管哪種,對於動物都是極大的痛苦。走私本身就很容易造成動物殘弱不堪,如果又將其送回去,不管動物福祉的規格有多高,勢必對於動物來說又是一番折騰。

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那為什麼不能開放認養?

第一,因為不確定走私來源。若是具有出口國證明,就可以依照是否為狂犬病疫區進行檢疫隔離。但是如同前述所提,走私必定有很多斷點,不知從何而來,不具備出口國文件,就得採取檢疫隔離最高規格,進行 187 天隔離。最近疫情,相信大家對隔離應該很有感。一旦回國至少隔離 14 天,期間不得跟任何人接觸,雖然衣食無缺,單就情感上的孤立,就有許多人受不了這樣的孤獨。可以想像隔離 187 天是什麼樣的世界嗎?走私的過程可能讓這些動物體弱多病,又要經過187天單獨隔離,對於動物來說會造成心理上極度的緊迫,輕者免疫力下降,行為暫時出現異常;重者造成腦部損傷,成為不可逆的後果,行為無法恢復正常,此種痛苦是無法量化的。

第二,不得不講現實層面的事,貓咪7天隔離的價錢是 $5,850 – $6,625 不等,這只是場地跟一般診療費用,不包含狂犬病注射檢測、晶片施打費、寄生蟲治療、重大疾病治療的費用。假設一天 $1,000,187 天隔離就是 $187,000,154 隻貓咪隔離 187 天就是 $28,798,000,如此龐大的經費由誰負擔?愛心無價,但是光用愛心是養不起任何生命的。

第三,開放認養,是否就變相默許走私的情況發生?只要多付檢疫的費用,仍舊是可以取得非正規管道而來的寵物?又,如果感性地放動物入國,疾病會不會造成當地動物很大的危害?過去臺灣有太多慘痛的教訓,像是口蹄疫——不談進出口,亦不提畜牧業的損失,就看因疾病死亡或是撲殺的豬隻,就以百萬來計算。

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另外,研究也發現貓感染狂犬病是有潛伏期的,平均是2個月、短則2周、長則可達數年(Frymus et al., 2009)。若是輸入臺灣,感染到的動物只有死路一條,而且在死亡之前,伴隨著無法自我控制、肌肉僵硬、窒息死亡的染疫案例將是數以萬計。

研究發現,貓感染狂犬病是有潛伏期的,平均是 2 個月,短則 2 周,長則可達數年。圖/Pixabay

這 154 隻無辜生命的離開很令人惋惜。但是更希望他們的生命,可以喚醒臺灣對於法規的重視、對於動物福祉的重視、以及對於飼主責任的全面落實。除了施打晶片、寵物登記、定期健康檢查、出門無論何時一定要上牽繩之外,更要重視寵物動物的來源。

別忘了,人就是最直接影響動物福祉的因素,如果連人都不重視動物的來源,只會有更多動物因為人的慾望被走私進來。如果想養動物,購買不是唯一的管道,全國各地公立收容所、以及合法的動物保護協會,都有很多還在等待家的動物們。

參考資料

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