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推動海洋的….水母?!

陳俊堯
・2009/07/30 ・397字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 580 ・九年級

蝴蝶效應看一隻蝴蝶動個翅膀看會不會引起大災難,那我到海裡游個兩圈總不會影響地球暖化吧?其實,是有那麼點關連哦!

過去研究指出,當浮游性生物們一大群出動時,它們整體造成的水流擾動效果可能相當大。可是這些力量大致在表層海水就散開了,没機會動到下面的海水。達爾文的孫子(物理學家,也叫Charles Darwin)在五十多年前觀察到當一個物體游過水層,就算它不會亂踢擺尾,還是會造成可觀的水體移動。一則刊登Nature的研究指出,海洋中四處游走的眾多生物可以造成相當可觀的水流。根據由研究團隊拍攝水母得到的資料推算,海洋生物趴趴走時提供的力量總和與其它機械力的貢獻是同一個等級的,也就是說,這些柔軟的生物對海洋循環的貢獻是不輸給大浪或著海風的!

Kakani Katija & John O. Dabiri. 2009.
A viscosity-enhanced mechanism for biogenic ocean mixing.
Nature 460, 624-626.

文章來源:30.6kj

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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規工欸!為何斷頭水母還是能吃東西?——解構「基轉水母」的神經迴路
Curious曉白_96
・2021/12/22 ・3671字 ・閱讀時間約 7 分鐘

人腦的神經運作向來難倒大批科學家,因為人腦擁有一千億個神經元,百億條以上的神經連結。如此錯綜複雜,就像打結成一團的毛線球,究竟該從哪邊開始解?這時,就要使出研究學者通用的訣竅——化繁為簡,越複雜的問題,就用越簡單的雛型為思考出發點。

因此,一群學者發現了一個「極簡風」的研究雛型——水母,那透明小巧的身軀,再結合特殊工具,讓牠們每條神經都發光。在我們的視野下,水母的神經「坦誠相見」,接著發現了很多有趣的現象……欲知詳情,就繼續給他看下去!

為何水母是絕佳的實驗對象

一般研究人類疾病的實驗室採用的實驗動物(也稱模式生物)無非是小鼠、黑猩猩、豬,因為這些動物與人類的親緣關係較近,生理機制也較為雷同。然而,為何研究神經系統,要拿與人類親緣關係一點都不近的水母來研究呢?研究學者對此給出解釋:一部分的學者認為所有生物的神經系統可能共享同一個神經科學原理,因此為了深入調查這個「共享通則」,相較於其他生物,水母小巧好操作,軀體透明好觀察。

最重要的是,牠體內的神經分布不像人腦如毛線球般集中​​在身體的某個部位,而是像一張漁網一樣「分散式」地遍佈全身,而這樣的神經系統優勢就在於即便將牠身體的一小部分獨立分離出來,這一部分仍能正常運行,例如網路火紅的迷因「歸剛欸」水母(影片一),即便水母的嘴被分離了,但這張「獨立的」嘴還是可以正常進食的呦!

影片一:水母的身軀即便被分離,仍能正常運作。(此為不良示範,請勿隨意模仿、虐待動物!)影/YouTube

相形之下,人類神經細胞一旦離開人體就非常脆弱,在培養皿中一定要有足夠的營養才能支撐它存活(相信養過人類神經細胞的朋朋們一定懂當中辛酸)。因此,綜合操作難易度、觀察便利性、神經細胞的生存韌性,水母可說是作為研究神經系統模式生物的不二人選。另外,還有一個有趣的點即是水母沒有大腦、心、肺,那它究竟是如何進食的呢?以下揭曉答案!

如何研究水母的神經

早期為了研究水母的神經,通常採用單一神經元電生理紀錄(single-unit electrophysiological recordings),透過一個微小細尖的微電極靠在細胞膜附近,以記錄神經元產生的動作電位變化,但是這個方法只能看到單一神經元的狀態,而當水母在做出反應、活動時,都是由好幾個神經細胞們一同作用產生的,所以這個方法可說是見樹不見林,缺乏整體系統性的觀察。

因此科學家們又發明出了一個新方法——基因轉殖水母,要施展這個方法的第一步就是尋覓合適的研究主角,因此他們找到一種名為 Clytia hemisphaerica (圖一)的水螅綱水母,牠擁有嬌小體積(直徑約 1 釐米),且生命週期短,也擁有完整的基因定序,在實驗室操作的便利性極高,可謂是命定首選。

其中, Clytia hemisphaerica 還有更吸引人的一點,即是在進食時,其特定神經元會釋放一種特別的肽 RFamide(RFa)。為了追蹤這種肽如何影響水母的神經活動,一群學者決定將能發出紅螢光的 mCherry 基因質體(plasmid)與 Tol2 轉位酶(Tol2 transposase)[1]顯微注射入大量的水母受精卵當中,以便追蹤身體每一處細胞的位置,並挑選能夠強烈表現出紅螢光基因的受精卵,進而將牠們培養成成體(初代,F0)。這些成體會再跟牠們的親代進行雜交,透過遺傳的方式產生穩定表現轉殖基因的子代(F1),並讓這些子代維持無性繁殖,以維持基因表現的穩定性。

除了在質體上裝載能讓細胞發紅光的 mCherry,學者也會在質體中放入特定基因,讓子代水母表現此種基因,並觀察此基因對水母進食行為帶來的影響。另外,若要探討神經動作電位,鈣離子的流動狀態一定是不可或缺的電位傳導指標,因此學者也會在質體中加入 GCaMP 這類鈣離子指示劑(calcium indicator)的基因[2],以追蹤後續水母在進行任何反應時神經細胞內鈣離子的濃度。當研究對象、研究工具都準備好了,就是學者大展身手的時刻啦!

圖一:名為 Clytia hemisphaerica 的水螅綱水母擁有嬌小體積(直徑約 1 釐米),且生命週期短,也擁有完整的基因定序,在實驗室操作的便利性極高。圖/Wikipedia

水母進食的神經迴路

水母的神經細胞並非每個都會釋放 RFamide,而是在特定的神經才會產生 RFamide (以下稱這些神經元為 RFa⁺ neuron),而這些 RFa⁺ neuron 分布在水母的神經網(nerve net)、嘴、神經環(nerve rings)及觸手,尤其在神經網的所有神經中約 80% 都是 RFa⁺ neuron,神經網也是 RFa⁺ neuron 最多的地方。學者透過免疫螢光染色發現 RFa⁺ neuron 會與連接放射狀肌纖維神經軸突結節(varicosities)相連而跟著形成放射狀。相較之下,不會產生 RFamide 的 RFa⁻ neuron 則是較為害羞的傢伙,神經元較小,缺乏明確的放射方向。由此可明顯看出,掌握水母行為的主導權主要落在 RFa⁺ neuron 身上,所以學者準備玩轉(殖)這個 RFa⁺ neuron,並進行以下兩種操作:

  1. 消除水母體內的 RFa⁺ neuron

學者為了消除水母體內的 RFa⁺ neuron ,特地在水母的 RFa⁺ 神經細胞中轉殖了硝基還原酶(nitroreductase, NTR)基因,硝基還原酶就像是遙控炸彈,當把這些轉殖基因水母浸泡在甲硝唑(metronidazole, MTZ)溶液(炸彈引爆器)中,便會使帶有硝基還原酶基因的 RFa⁺ 神經細胞產生細胞毒性而死亡,而 RFa⁻ neuron 不會受到影響。

當學者「炸」掉了水母的 RFa⁺ 神經細胞後,發現牠們捕捉獵物和進食能力變差了,不管是食物誘導或是用蝦提取物的化學誘導,水母的觸手完全無法抓取獵物,也無法摺疊身體將食物餵進其口腔內,但周遭肌肉功能正常,且水母仍能正常游泳和蜷縮。然而再將此類水母的下傘面(subumbrella)局部肌肉注入 RFamide,則會使局部肌肉收縮及邊緣傘面折疊。由此可知,水母的獵捕和進食能力主要還是得靠 RFamide 的力量。 

圖二:Clytia hemisphaerica的生命週期。圖/ReseachGate
  1. 水母神經電位偵測器

為了追蹤水母體內的 RFa⁺ neuron 活動,學者另外也將一群水母的 RFa⁺ neuron 轉殖入鈣離子指示劑 GCaMP6s 基因及紅螢光 mCherry 基因,並將這群水母放入一個小空間,讓他們自然游動,或是將牠們包埋在瓊脂糖凝膠(agarose)中,並攤開牠們的傘狀結構,以便捕捉稍縱即逝的電傳導訊號。

學者將獵物蝦子放在水母身體周遭,發現水母起初最靠近蝦子的一側觸手會先產生電訊號,而這個電訊號會從水母身體邊界傳導至嘴巴,而且整個電訊號路徑會呈現扇形區域(如圖三),接著 RFamide 便會使這個扇形區域的肌肉收縮,讓觸手直接被向內折疊到嘴巴的位置,然後把蝦子吃掉。

圖三:水母在捕捉獵物時,神經傳導訊號路徑呈現披薩片形狀(扇形)。圖/A genetically tractable jellyfish model for systems and evolutionary neuroscience

揭露水母的進食行為:「肽」重要了

以上操作,讓科學家們更了解沒有大腦的水母們究竟是如何進食,也發現 RFamide 對水母們來說「肽」重要了!水母在地球上存在了 5 億多年,卻可以透過如此單一的神經傳導機制生存至今,不過……揪斗!或許,這個發現也可能只是冰山一角;或許,透過水母的神經研究的成果能帶給學者更多對於人腦神經運作的發想,就讓學者邁向這條偉大的航道,去挖掘神經科學中更多的奧秘吧!

註釋

  1. 通常注射入細胞中的質體上也帶有 Tol2 轉位酶基因,而一起被送入細胞的 Tol2 轉位酶(transposase)蛋白會催化此外送質體,並將 Tol2 轉位子活化且同時將外來的基因嵌入受體生物之基因組中,所送入的 Tol2 轉位子會持續跳躍和插入外來基因,直到 Tol2 轉位酶的活性消失或其 mRNA 完全降解為止。此方法常用於基因轉殖生物,主要特色便是外送基因傳承至子代幾乎沒有發生基因默化(gene silencing)的情況,具有高度穩定性,而且脊椎動物也通用此方法。
  2. GCaMP 鈣指示劑是綠螢光蛋白(GFP)、鈣調蛋白(calmodulin,CaM,又稱攜鈣素)及肌球蛋白輕鏈激酶 M13 的合成物。當與鈣離子(Ca²⁺)結合時,GCaMP 便會發出綠螢光信號,而螢光信號會隨著鈣離子濃度的變化而增長或消散。

參考文獻

Curious曉白_96
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對於科學新知充滿好奇心,對於一切新知都想通曉明白,期許自己有一天能成為有所貢獻於社會的曉曉科學家!

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一定要有肺才能呼吸?來認識動物們的花式呼吸大法
言蓁
・2020/07/24 ・2369字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 495 ・六年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

世上動物千奇百怪,如果要找一個共同點,那應該就是──幾乎所有的動物都需要呼吸。

我們這裡要談的「呼吸」,是呼吸運動,也就是吸入氧氣、排出二氧化碳的動作。一提到這個動作,身為人類的你,或許下意識就會想到肺臟、鼻子等等部位。綜觀動物界,在不同的演化脈絡下,動物們賴以呼吸的構造真可說是無奇不有,就連肺臟、鼻孔本身也可能會有各種不同的形態。

現在,就讓我們來看看那些奇妙的呼吸器官吧!

跟我一起「吸,吸,吐──」圖/GIPHY

大象:你的鼻子為甚麼那麼長?

「媽媽說鼻子長才是漂亮~~」大象(象科 Elephantidae)身上最惹眼的部分就是鼻子了!象鼻是牠們賴以聞嗅味道和呼吸的部位,除此之外,它相當靈巧,舉凡取水、拿東西、攜帶物品等等,象鼻都能做到。

除了長長的鼻子之外,大象的呼吸構造裡還有一個特殊之處:牠們是目前已知沒有胸膜腔 (Pleural cavity) 的哺乳類動物!

我們人類賴以呼吸的肺臟緊密包覆著一層臟層胸膜 (pulmonary pleurae),會與包覆著胸腔壁內面的壁層胸膜 (parietal pleura) 組成一個很狹小的空間,就是胸膜腔。內部填充有液體潤滑,可避免臟器和胸壁摩擦損傷。

一般我們呼吸的時候,會由肌肉改變胸腔的空間,製造肺部與外在大氣的壓力差,才能夠吸氣或呼氣:當肺內的壓力大於大氣壓力,則會呼氣;而當肺內的壓力小於大氣壓力,則會吸氣。而夾在此之間的胸膜腔,多數時間會維持一定程度的負壓,讓主要由皮膜組織及彈性纖維組成的肺不致塌縮。所謂的「氣胸」就是胸膜受到破壞,使得胸膜腔無法維持負壓,連帶使著肺部塌縮的胸腔疾病。另外,胸腔膜的壓力當然會隨著呼吸而有所變化。

然而,大象的胸膜腔裡,充滿了許多疏鬆的結締組織──也就是說,原本的「腔」不復存在。該怎麼解釋大象沒有胸膜腔呢?

有個假說認為,這可能跟大象使用長鼻子來「浮潛」有關連。當牠們游泳時,可以將長鼻子舉出水面來呼吸──這是個稍微熟悉大象的人都不意外的畫面。但是成年大象高度可達至少三、四公尺,當游泳使用鼻子呼吸,或是,鼻子端大氣的壓力與位在水下肺部的壓力差距會非常巨大,這時薄薄胸膜腔可能就會頂不住啦,而胸膜腔內的結締組織就有強化的功能。

海豚:我不是跩,只是鼻孔朝天!

海豚(海豚科 Delphinidae)雖然多數生活在海中,少數生活在大河大江中,不過牠們可沒有魚類的鰓,而是用肺呼吸的哺乳類動物。

海豚是從陸生哺乳動物演化而來的,真要說起親緣關係,比起魚類,牠們反而更接近河馬等偶蹄類動物。

大約五千萬年前的始新世時期,陸生哺乳類開始進入水中,在這個過程中,牠們為了適應環境,在形態上產生諸多的改變。為了順利在水中游泳,牠們後肢逐漸退化,形成背鰭及尾鰭,體表變得光滑,身體也變得較偏向流線型。

而海豚的鼻孔更是位移到了頭頂,成為「呼吸孔」,以便在水面呼吸、換氣。此外,為了不讓自己嗆到,海豚的呼吸孔附近還有由肌肉與結締組織形成的鼻栓 (nasal plug),可以將孔緊閉。鯨魚海豚頭頂的呼吸孔是比較接近鼻孔的構造,因此有些卡通裡會出現鯨魚海豚從嘴裡吸入海水,由呼吸孔噴出海水的情節,在真實世界不大可能出現。

呼吸孔長在頭頂的中華白海豚 (Sousa chinensis)。圖/WIKI

水母:我想要呼吸,全身上下都行

水母是一種無脊椎動物,分類上屬於刺胞動物門 (Cnidaria)。從熱帶、溫帶到淡水區,世界各地的水域都找得到水母的蹤影。牠們的外型多呈現鐘型或者傘狀,構造簡單,體內有超過九成都是水,但沒有肺或鰓。

既然沒有肺或腮,牠們又要怎麼呼吸呢?方式很單純,就是透過擴散作用讓氧氣進出細胞膜。

水母的外表傘蓋的組織相當薄透(想想你吃過的海蜇皮),其中分為外層的表皮層 (epidermis) 和內層的胃皮層 (gastrodermis),兩層之間再夾著一種彈性膠狀物質,又輕又薄的狀態更方便外層組織和海水交換氧氣和二氧化碳。

看起來有點兒透明的太平洋黃金水母 (Chrysaora fuscescens) 是透過擴散作用的方式來呼吸的。圖/WIKI

牡蠣:一輩子待在原地,就來用鰓呼吸!

牡蠣 (牡蠣科 Ostreidae)的殼有二枚,形狀相當不規則,左殼比右殼大一點。牠們大多棲息在淺海或潮間帶,以左殼固著在物體上,無法自由移動,所以終其一生只能待在原處開開合合,進行呼吸、攝食、生殖、排泄等等行為。

大多數的雙殼綱,殼的頂部有縫可以流通海水,並且在吸排海水的過程中呼吸。牡蠣並不像蛤蜊一樣自備出、入水管,牠們只有腮腔和腮上腔。牡蠣的鰓分左右各一對的內外鰓,上與唇瓣 (labial palps) 相連,下與外套膜 (mantle) 相接,構成一個腔室,水從鰓流入鰓腔及鰓上腔,在過程中進行氣體交換藉以呼吸、獲得氧氣

牡蠣會用左殼附著在物體上,一輩子都不離開原地,並利用腮來呼吸。圖:WIKI

雖然說都是呼吸,但生活在不同地方的生物用的方式卻大不相同,需要根據所在地來大顯神通,除了上述介紹的動物,你知不知道什麼其他特別的呼吸方式呢?

參考資料

言蓁
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喜歡貓但不敢紮實去摸,像對所有喜愛的事物,嚮往也懼怕。依賴文字,生存於不被看好的文組,走著忽焉變成資訊的雜食動物。