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

• 採訪編輯｜廖英凱、美術編輯｜林洵安

冷凍電子顯微術，能在原子尺度，快速且不破壞性地觀察生物分子，榮獲 2017 諾貝爾化學獎的殊榮，是今日結構生物研究最具發展潛力的技術。2018 年，蔡明道院士主導的中研院研究團隊建置全國首座高解析度冷凍電顯中心，取得與頂尖國際研究團隊競爭的門票，吸引國內外研究團隊申請使用！

2019 年 4 月，中研院生化所特聘研究員蔡明道院士和中央大學生命科學系陳青諭助理教授的研究團隊，在《美國化學學會期刊》 (Journal of the American Chemical Society) ，發表了研究團隊如何運用冷凍電子顯微術，揭示酵素在原子尺度的結構。

這是國際上第一篇利用高解析度冷凍電顯技術來探討酶學的論文，期刊並將此次研究成果選為當期封面，呈現出宛如藝術品的蛋白質酵素 3D 立體結構圖。

冷凍電子顯微術 (Cryo-electron microscopy, cryo-EM) ，是今日結構生物學研究最重要的技術突破。百年來，生物學家逐漸了解蛋白質、脂、核酸與醣等生物分子對生命運作的影響與機制，但過去缺乏原子級解析度的觀測工具，大大限制了生物學家的「視野」。

近半世紀，觀測技術不斷突破，構築了結構生物學一窺生命奧秘的諸多觀測方法，像 X 射線晶體學、核磁共振光譜法，以及質譜法，各有優缺點。冷凍電子顯微術以其原子級的解析力，成為最受期待的觀測神器！

結構生物學的新「視」界：冷凍電顯技術

在過去，研究者想要看到高解析度的微觀世界，電子顯微鏡絕對是不二選擇。因為電子波長比可見光還短，使解析度可高於光學顯微鏡，甚至能看見個別原子的位置。

可惜的是，電子顯微鏡也有限度！它使用高強度的電子束照射樣本，還要讓樣本處在真空環境中，導致生物分子會嚴重變質，無法觀測。 2017 年諾貝爾化學獎冷凍電顯技術，正可突破電子顯微術的問題。

冷凍電顯技術的問世，起源於蘇格蘭學者韓德森 (Richard Henderson) 以電子束觀測蛋白質「菌紫質」 。他利用留在細胞膜內的菌紫質不易因真空環境乾掉變形，以及在液態氮的冷凍環境下樣本不易受到電子束破壞的特性，証明了冷凍電顯技術可以用來觀測生物分子，並提供足以媲美 X 射線晶體學的解析度。

瑞士學者杜波克特 (Jacques Dubochet) 進一步改善冷凍環境！他的設計是：先將液體樣本鋪在金屬網格上，形成如泡沫一般的薄膜，再將薄膜浸入攝氏負 190 度的液態乙烷。這時樣本中的水會變成「玻化水」 ，意思是水凝固時不會產生冰晶干擾觀測，而是形成無結晶的玻璃化狀態。如此一來，就算將樣本放在真空的環境，也不會影響到樣本的結構。

關關難過關關過！科學家就這樣逐一克服冷凍電顯技術的難題。隨著技術與零組件的持續精進，冷凍電顯技術成為今日研究生物分子最具潛力的新興技術。2017 年諾貝爾化學獎，即由韓德森、杜波克特和法蘭克三人共享。

結構生物學的四大神器

除了冷凍電顯技術，結構生物學的研究也運用到 X 射線晶體學、核磁共振光譜法，以及質譜法。三項技術的原理、適用範圍有所不同，既能互相補足，也各有限制，研究者必須綜合不同技術的數據，才能推敲資料背後的自然法則。

結構生物學發展初期，研究蛋白質等生物分子的主力是 X 射線晶體學（X-ray crystallography, XRC），只能觀測結晶後的生物分子。

1950 年代起，X 射線晶體學問世！科學家利用 X 射線照射結晶後的生物分子，由於生物分子的結晶會使 X 射線繞射，只要觀測繞射後的 X 射線紋路，就可經由數學方法計算出晶體的結構。

然而 ，X 射線晶體技術觀察的生物分子，本身必須能形成分子排列整齊的晶體，但不是所有蛋白質都能形成晶體。即使可以，很多蛋白質分子必須在特定的酸鹼和溫度等環境條件下才會結晶。研究者想要觀察生物分子在不同環境下的結構變化，往往缺乏分子晶體而無法如願。

核磁共振光譜法（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR），可研究液體樣本，但較適用小分子。

核磁共振光譜法，是將樣本放置在磁場中，利用樣本中有些原子核 (如 1H 和 13C 等)可與磁場共振，先吸收強磁場，再放出電磁波。因為分子不同，可共振的原子核數量、位置都不一樣，因此釋放出的不同電磁波訊號。研究者可從接收的電磁波訊號，反推這些原子核在分子內的數量與分布。

1980年代起，核磁共振光譜法廣泛運用在觀察溶液中比較小的生物分子，例如：比較小的蛋白分子、RNA 結構或是構築生物膜的脂質分子。但就像一把雙面刃，核磁共振光譜法難以觀測較大、較複雜的生物分子。

質譜法（mass spectrometry, MS），透過量測帶電粒子質量／電荷（m/z）比值的方式，了解物質的組成，無法「看見」物質的立體結構。

至此，中研院結構生物研究的四大神器已然完整到位，取得與頂尖國際研究團隊競爭的門票！

冷凍電顯中心研究什麼？

「冷凍電顯技術可以克服其他儀器的限制，在可預期的未來，勢必慢慢成為主流研究方式。」蔡明道院士堅定地說。

2019 年 4 月，在冷凍電顯中心設立短短半年後，長期投入酵素研究的蔡明道院士與中央大學生科系陳青諭老師，利用冷凍電子顯微術，觀察 KARI 酵素在原子尺度的結構，並在不破壞酵素且提高實驗效率的情況下，研究 KARI 酵素的活性如何受到酸鹼環境的影響。

這是國際上第一篇利用高解析度冷凍電顯結構來探討酶學的論文，引發關注。

這是因為 KARI 酵素與生質燃料的生產有密切關係，這項研究不只有助於理解生物機制的奧秘，還可能進入工業運用，實際解決當代能源危機與減碳難題。

除了理解生物分子結構，蔡明道院士認為冷凍電顯更重要的研究方向是：將過去生物學家對生物分子功能的理解，結合化學家對原分子尺度化學反應的理解，讓科學家更了解生化反應的機制。

除了長期投入的酵素研究以外，冷凍電顯中心可配合中研院專精的醣科學研究，以原子級的高解析度觀測蛋白質上的醣結構。或是對於疾病管制影響甚鉅的病毒研究，過去傳統上判定病毒或判斷生物是否感染病毒，常常利用血液中該病毒抗體的數量來間接推測。目前，蔡明道院士也與成大醫學中心的團隊合作，研究傳染病毒的微結構，協助疫苗研發。

台灣蛋白質計畫的野望

在 2017 年諾貝爾化學獎的加持下，今天冷凍電顯技術已是學術界人人追求的神器。

早在諾貝爾化學獎公布之前，2016 年下半年，蔡明道院士已經洞見時代的浪潮，規劃中研院冷凍電顯中心的建置。在中研院的支持下，很快地，在 2017 年 3 月訂購了儀器，經過一年半的建置與人才培訓，在 2018 年 9 月完成建置。

冷凍電顯中心的建置，不只是取得與國際競爭的門票，蔡明道院士也戮力於優秀人才發掘與培養。

以冷凍電顯技術的 PI 和儀器經理來說，因為相關人才稀少又熱門，難以招募到已有相關經驗的外籍學者。蔡明道院士帶著國內結構生物學的研究人員，透過自學與參與國外課程、研究計畫等方式，訓練自己的技術人才。如今，中心已建置四台不同級別的冷凍電子顯微鏡，可供應初階使用者訓練、初階研究，自動化中高階研究與自動化高階研究。

此外，冷凍電顯技術的建置與人力成本高昂，最高階使用費用更需每日一萬四千元，年輕研究者的計畫經費往往難以支付。因此，蔡明道院士所主持的「台灣蛋白質計畫」，主動尋覓相關領域的優秀年輕研究者，不只是提供經費與儀器資源，更參與研究方向與科學探索的知識辯證，達到研究與知識的合作與傳承。

近期，台灣蛋白質計畫也著手於產學合作的發展。蔡明道院士認為蛋白質研究本身複雜度且難度夠高，研究內容也夠新穎，所需的儀器與知識，業界難以自行承擔。所以應由業界提出難度極高的問題，交由學術界研發解答，以充分發揮學術界的優勢與特性。

蔡明道院士打造的冷凍電顯中心，不僅是在儀器使用上能做到便利研究者的一體化服務，而是將厚植國家科研能力、協助產業發展、培養年輕研究人才等等崇高理想，耦合而成的知識傳承典範。

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本文由海洋保育署廣告企劃，泛科學為宣傳推廣執行單位。

• 作者：採訪撰稿 ∕ 謝育哲 ∕ 本刊主編

大海中美麗的珊瑚礁是許多海洋生物的棲地，但由於海洋環境汙染及氣候變遷等問題，珊瑚的生存不斷受到壓迫，珊瑚白化問題更是屢見不鮮。為了讓一般大眾也能保育珊瑚，由海科館陳麗淑博士等人團隊從澳洲引進的「珊瑚觀測」，用簡單色卡上的顏色與觀測珊瑚進行比對，就能評估該珊瑚的健康狀況。此外，海科館及海保署也進行更多的計畫與推廣，讓全民一起守護海底美麗的珊瑚。

海中有著形形色色的生物，如果要挑選出一種外觀最令人印象深刻的，肯定是色彩斑斕綺麗的珊瑚了！許多人常會誤認珊瑚是一種植物，但牠其實是不折不扣的動物。事實上，珊瑚是由許許多多的珊瑚蟲（coral polyps）所形成的群體。目前全世界共有 800 多種的珊瑚，而由珊瑚組成的珊瑚礁（coral reef）更是許多海洋魚類生存的家園。

但由於珊瑚生長速度極慢，每年僅增長約 10 公分，且十分脆弱，近年來又因氣候變遷與海洋汙染等問題，造成珊瑚的生存出現危機。因此，保護珊瑚人人有責，但身為一般人的我們又該如何保育這些美麗又珍貴的海洋生物呢？本次《科學月刊》專訪了國立海洋科技博物館（以下簡稱海科館）的研究員陳麗淑博士，看看有哪些保護珊瑚的方式，以及介紹從澳洲引進的珊瑚觀測（coral watch）方法吧！

珊瑚遇到了什麼危機？

關於珊瑚，我們最常聽到的是「珊瑚白化」（coral bleaching）。但珊瑚白化代表什麼？又是什麼造成了珊瑚白化呢？

由於珊瑚對於生存環境的溫度十分敏感，一般來說，對珊瑚而言最自在的水溫環境為 23～28℃，而生存的極限溫度範圍則為 18～32℃，若超過這個溫度區間，對珊瑚來說即為太冷或太熱的環境。陳麗淑表示，一但海水溫度超過 32℃，珊瑚就會出現白化現象。當然不是所有的珊瑚都會同時白化，各種珊瑚因生長速度不同，白化現象發生的情形也會有所差異。一般來說，生長速度較快的枝狀珊瑚比較容易白化，而團塊狀珊瑚則比較有抵抗力。

不過珊瑚到底是怎麼「變白」的？其實珊瑚白化詳細原因，是因為當環境溫度出現劇烈變化時，珊瑚內部的共生藻數量就會下降。由於共生藻是珊瑚繽紛色彩的來源，因此在珊瑚內部的共生藻數量多時，顏色就會飽滿鮮豔，而當共生藻離開珊瑚後，珊瑚的顏色便會越變越淡，最後白化，若後續沒有適當保護與處置，珊瑚就可能會因而死亡。所幸珊瑚白化並不是不可逆的，只要海水溫度回到適合珊瑚生存的溫度，珊瑚就會逐漸穿上牠美麗的彩衣，恢復原本繽紛的色彩。

過去臺灣周遭海域曾出現過多次珊瑚大量白化的現象，陳麗淑表示，珊瑚大規模的白化的情形主要集中發生在夏季，甚至在去（2020）年夏季就曾發生珊瑚大量白化的現象，由於當時的海水溫度偏高，且維持時間較長，使得臺灣各地出現珊瑚白化的情形。不過好消息是，根據調查，今（2021）年還未發生大規模的珊瑚白化，且時節已進入秋季，海水溫度下降，至少目前珊瑚不會面臨溫度升高的生存壓力。不過，陳麗淑也語重心長地提醒：「近年來海水溫度過高的發生頻率相較以往提高了不少。」令人擔心的是，若海水溫度升高頻繁，將可能嚴重衝擊珊瑚的生存。因此，我們必須想辦法保護珊瑚。

一般人該怎麼保護珊瑚？老嫗能解的「珊瑚觀測」

對一般大眾來說，並不是所有人都具備珊瑚的相關知識，對此，陳麗淑一直在思考該用什麼方法，才能讓沒有專業知識背景的大眾能參與保育珊瑚的活動呢？在公民科學領域中，有個名為「珊瑚礁體檢」（reef check）的珊瑚監測計畫。但由於珊瑚礁體檢的入門門檻較高，需要先經過一定時數的課程訓練，且所費不貲，因此這並不是一項適合所有人的方法。

這時陳麗淑想到了「珊瑚觀測」。事實上，珊瑚觀測約莫在 2009 年就已有人引進臺灣，但當時並未受到大量關注。直到 2018 年，陳麗淑帶領的團隊開始重新研究珊瑚觀測的方式，發現其背後的科學大有學問，也可簡化成任何人都能理解並運用的珊瑚監測方式。

珊瑚觀測主要是透過一張卡片，上頭有 4 種由淺至深的色調。陳麗淑表示，這些色調涵蓋了約 70～80％ 的珊瑚種類，即使無法囊括其他特殊顏色的珊瑚，但卡片上的設計對普通人來說已是綽綽有餘。而觀測方法也很簡單，任何人只要帶著這張卡片潛水至珊瑚旁，將卡片上的顏色與想觀察的珊瑚顏色進行比對與拍照即可。如果是前往水深 6 公尺以上的區域，則建議觀測時攜帶光源，以避免色差造成的誤判。前文有提到，珊瑚的顏色代表其內部共生藻早的數量，當共生藻數量越多，珊瑚顏色越深，也就代表越健康；反之，若顏色越淡則代表珊瑚的健康可能出現狀況了。

陳麗淑說明，珊瑚觀測背後的科學基礎十分紮實。這套由澳洲昆士蘭大學（The University of Queensland）學者馬歇爾（Justin Marshall）等人組成的團隊研發設計。團隊將珊瑚搬至實驗室中進行一系列實驗，觀察在各溫度區段中，不同溫度會如何影響珊瑚中的共生藻數量，並記錄珊瑚的顏色變化。在經過嚴謹的科學實驗後，馬歇爾團隊將其簡化並歸納成珊瑚觀測的色卡。陳麗淑表示，這套化繁為簡的觀測方式在經過推廣後，許多保育團體對於珊瑚觀測的接受度都非常高，能進而達到推廣珊瑚保育目的。

海洋公民科學知識報你知

※珊瑚觀測

珊瑚觀測是一項由澳洲昆士蘭大學學者所辦理的非營利全球珊瑚礁監測計畫，將珊瑚的顏色變化標準化後，製作成珊瑚健康色卡，提供一種簡單的方法用以評估珊瑚健康，並為 CoralWatch 的全球數據庫做出貢獻。大家可以使用這些色卡協助科學家收及數據，支持珊瑚礁監測工作。

另外，珊瑚觀察也透過與世界各地的志願者合作，包括了潛水中心、科學家、學校團體、遊客參與其中，讓大眾更加了解珊瑚礁白化、氣候變化對於珊瑚礁的影響。

保育珊瑚面臨哪些困境？

雖然保育珊瑚是許多人的共識，但過程中依然面臨到許多的挑戰及困難。目前最常見的是海洋垃圾問題。由於珊瑚本身不會移動，當海洋垃圾在海中漂浮時不慎卡在珊瑚上，若沒有人為協助清理，則非常有可能造成珊瑚死亡。

陳麗淑舉例說明，由於今年 5 月起爆發 2019 冠狀病毒疾病（COVID-19）的本土疫情，位於基隆的潮境公園也為了防疫而禁止一般人下水。但當研究人員下水觀察後發現，因為沒人下水協助清理海洋垃圾，許多卡在珊瑚上的垃圾無法被及時移除，發現的當下已有許多珊瑚出現白化現象，這些珊瑚後續花了約一個月才慢慢恢復正常。

對此，陳麗淑曾與中研院學者邵廣昭等人討論，若保育區都沒有人進入可能並不是件好事，尤其當海洋汙染嚴重，垃圾很多的情況下，都還是必須定期有人去協助清理。因此，保育區在人為管理的情況下或許才是保育珊瑚好方法。

你我都可以為珊瑚盡一份心力

我們還有什麼方法可以保護珊瑚呢？陳麗淑表示，如果你是一個會下水觀測的人，使用珊瑚觀測是個好選擇。無須再多帶任何設備，只要準備珊瑚觀測的卡片，攜帶相機與光源，就可以拍攝並記錄珊瑚的健康狀況。不過若是沒有相關潛水經驗或半路出家的遊客，反而可能在潛水的過程中不慎踢到或傷害珊瑚，因此潛水者必須要具備一定的潛水技術。

海洋保育署（以下簡稱海保署）為推廣友善珊瑚礁生態旅遊，提出「珊瑚礁區你該注意的 8 件事」，包含不踩踏、不揚沙、合格玩家、保持適當距離、使用海洋友善防曬、不餵魚、不吃珊瑚礁魚、減塑行動。

即便沒有下水，在岸上也有許多可以保護珊瑚的方法。舉例來說，在我們常用的防曬乳中，多數含有可能傷害珊瑚的成份，因此在選購時可以優先考慮「海洋友善防曬」。此外，由於珊瑚礁魚類可以協助清理珊瑚礁之中的藻類，讓珊瑚順利生長，我們應盡量避免食用珊瑚礁魚類。所以最重要的，是希望大家一起落實節能減碳，全球暖化是影響珊瑚生存的主要原因之一，若減碳能從個人做起，也是保育珊瑚的積極作為。

出書、展覽、辦活動 海科館邀你一起守護珊瑚

除了上述的個人保育行為外，海科館也辦理了一系列保育珊瑚計畫。陳麗淑表示，海科館的研究人員會定期前往珊瑚礁進行監測，還會前往各地宣傳及教導大家如何使用珊瑚觀測。

至於在珊瑚復育方面，海科館內也有養殖珊瑚，研究人員會把這些珊瑚移植到野外，或是使用不同的材質，測試珊瑚附著生長的情形等。未來希望透過這些方法，協助加速珊瑚的生長。

在教育方面，去年海科館與行政院環境保護署及科技部等單位，共同主辦的「2020 海洋公民科學家行動計畫」中，包含了「珊瑚保育監測」的主題。對此，海科館團隊舉辦了一系列的「針織珊瑚」活動。「針織珊瑚」主要是前往各地的小學，除了教導珊瑚的知識，以及倡導珊瑚保育外，讓小朋友們藉由織毛線的方式，訴說一則關於珊瑚的故事。每所國小的作品都有自己的主題，也讓小朋友在織毛線的過程中，思考珊瑚對於生態的重要性，從小扎根珊瑚保育知識。並在後續收集作品後，舉辦「陸上造礁 針織珊瑚計畫特展」。

此外，海科館也曾於 2019 年出版《珊瑚很有事：珊瑚保育×環境藝術×手作針織×珊瑚教案》一書，並榮獲第 44 屆金鼎獎。今年更在海科館官網建置「海科館悠遊數位海洋行動學堂懶人包」，整合科普電子書、電子繪本、數位課程學習平台、海洋知識、動畫學習、影片等。陳麗淑表示，透過這些教材與教案的持續推廣，希望能讓更多人利用這些資源，一起守護海洋中的美麗珊瑚。

海洋保育署與臺灣珊瑚保育

海保署於今年透過「臺灣珊瑚監測交流網絡建立與保育策略規劃」計畫，建立珊瑚監測與保育示範點，以及珊瑚監測交流網絡，選訂全臺灣共 32 個地點進行水下珊瑚礁調查。調查結果截至今年 9 月底，澎湖、恆春半島、東部、北部珊瑚覆蓋率多呈現穩定狀態，但小琉球珊瑚礁卻多數已衰退，可見除了受到全球暖化影響，不當的遊憩踩踏行為也對珊瑚礁造成嚴重衝擊。

此外，海保署也與行政院農業委員會水產試驗所共同合作，針對澎湖池東淺坪海域的棲地環境現況進行調查及珊瑚復育，增加棲地多樣性。截至今年 9 月底，珊瑚移植面積已達到 100 平方公尺，其中珊瑚礁魚類包含青嘴龍占（Lethrinus nebulosus）、鸚哥魚（Scaridae）、隆頭魚（Labridae）等也逐漸聚集在移植區域，豐富當地生態。

此外，有鑒於目前許多單位都在進行珊瑚保育及復育相關工作，海保署今年度與海生館合作成立珊瑚保育專案辦公室，除了作為各單位資料蒐集整合中心，提供數據科學家分析資料外，還能進一步轉化為資訊呈現給大眾，使珊瑚礁相關專家學者、單位，以及一般民眾等，都可藉由此互相交流，同時兼具諮詢、推廣功能，協助提供珊瑚保（復）育相關標準作業方式及技術指導。並設立臺灣珊瑚礁水質採樣點及進行水樣分析，了解水質狀態，以作為後續珊瑚復育棲地及規畫保育方式選擇的依據。

為了鼓勵更多在地民間團隊參與，海保署亦透過辦理「海洋保育在地守護計畫」，支持在地團體進行公民科學、清除珊瑚礁覆網及珊瑚復植，希望能夠結合在地生活方式及資源提出具體保育策略，發揮社會影響力，促進在地參與珊瑚保育及復育作業，並提高民眾對海洋保育的參與及投入。

從政策面、科學面，再到行動面，海保署將持續呼籲全民共同守護臺灣珍貴的珊瑚資源。

海洋委員會海洋保育署正在舉辦 海有問題 我來分析 | 第一屆海洋公民科學家數據松！為臺灣周遭的海洋生態盡一份心力吧！

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