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當科學研究被用來討論政策制定,容易搞錯些什麼?關於瘦肉精傷腎的本土研究解讀

廖英凱
・2020/10/25 ・5213字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

文/廖英凱、蔣維倫、雷雅淇

2020 年 8 月 28 日總統蔡英文宣布將擴大開放美國牛肉和含有瘦肉精「萊克多巴胺 (Ractopamine) 」美國豬肉的進口,引發了社會許多的議論。為此,立法院衛環委員會於 10月 12日召開 「政府宣布開放含萊克多巴胺豬肉進口,對國人健康之影響與危害」公聽會;席間有公聽會參與者引用中國醫藥大學為主的研究團隊所發表的期刊論文*,該研究以果蠅為模式動物做實驗,發現被餵食萊克多巴胺的果蠅腎臟結晶增加、攀爬能力減弱、壽命縮短。

後續許多新聞報導團體也跟著引述這篇研究,原始研究團隊並沒有人出來回應。這篇在公聽會後很有存在感的研究,到底說了什麼?真的這麼具有指標性嗎?可以用作政策討論參考嗎?

萊克多巴胺對腎臟細胞與果蠅的研究怎麼做?

近期許多新聞都提到的這則萊克多巴胺具生殖毒性且會降低果蠅壽命的研究,是台灣為數不多針對萊克多巴胺對生物影響的本土研究,其出自 2015 年由中國醫藥大學為主的研究團隊所發表的一篇期刊論文 Potential genitourinary toxicity and lithogenic effect of ractopamine(萊克多巴胺對泌尿系統的潛在毒性和結石作用),該論文刊載於由斯洛伐克全國農業和食品中心 (Národné poľnohospodárske a potravinárske centrum) 出版的期刊 Journal of Food and Nutrition Research(食物與營養研究期刊),這是該國第一本以食品為導向的科學期刊,並被收錄於 SCIE、SCOPUS、Current Contents 等重要文獻索引資料庫中。

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該研究主要運用兩種實驗方法:其一為利用人、犬、小鼠等哺乳動物的泌尿生殖細胞,將細胞置於含有萊克多巴胺的不同濃度環境中,利用 MTT 試驗法(MTT assay,也稱細胞存活率分析),測量細胞隨時間變化的存活率。MTT 是一種可以被活細胞粒線體內膜中的琥珀酸去氫酶代謝掉的化合物,當細胞死亡時,環境中的 MTT 不會再被代謝,因此透過觀察MTT濃度的改變,可以推估細胞的存活率。

MTT 試驗法 圖 / Shinryuu

該研究發現,萊克多巴胺會顯著減少 SV40 MES13(腎絲球間質細胞)與 SV-HUC-1(人類輸尿管上皮細胞)這兩種細胞的存活率,但對其他泌尿生殖細胞(HK-2/人類腎臟細胞株、MBT-2/鼠膀胱癌細胞株、MDCK/犬腎臟細胞株)則未觀察到影響。

研究中的另一個實驗方法,則是讓果蠅攝食萊克多巴胺,解剖觀察果蠅的馬氏管內的結晶狀況。馬氏管 (Malpighian tubule system) 是節肢動物排泄與調節滲透的主要器官。研究發現萊克多巴胺會增加果蠅體內草酸鈣 (CaOx) 的結晶。由於草酸鈣是尿結石的常見成分,因此研究團隊認為應該留意人體若長期攝取萊克多巴胺,有可能產生的不利影響。該研究也量測了果蠅的爬行能力與壽命,發現萊克多巴胺會使果蠅爬行能力(趨地性)下降,平均壽命也顯著減少。

另一個研究方法,是餵食萊克多巴胺後,解剖觀察果蠅的馬氏管內的結晶狀況。 圖 / Wikimedia

問題不在研究,而在解讀!

雖然此研究以實驗的方式證成了萊克多巴胺對細胞及生物體的不良影響;但若要將研究結論運用於目前萊克多巴胺豬肉進口的政策辯論,仍有研究方法的關鍵差異。

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研究方法之一如前文所述,透過觀察萊克多巴胺對多種泌尿生殖系統細胞的影響,發現會增加 SV40 MES13 與 SV-HUC-1 這兩種細胞的細胞毒性。然而該實驗是將細胞放置在在萊克多巴胺濃度為「0.9-60 μg/mL」的環境中 24 小時,換算濃度單位以 0.9-60 ppm (900-60000 ppb) 來表示。

此濃度對比起目前法規針對肉品的殘留容許量為 0.01 ppm (10 ppb) 或 0.04 ppm (40 ppb) ,其濃度僅為實驗環境的 1/90 – 1/6000。在符合既有法規的狀況下,實在難以相信人體的特定部位,會有如此長時間且高濃度萊克多巴胺殘留。因此,該研究中的泌尿系統細胞研究成果,難以應用於今日的政策辯證。

實際實用肉品的場景與實驗研究仍有差異。圖 / fxquadro

研究方法之二,是觀察到果蠅長時間攝食低濃度 (10 ppb) 長時間(21天)的萊克多巴胺會降低攀爬能力並縮短壽命。但研究方法中是直接將萊克多巴胺添加到果蠅生存的培養基,使果蠅攝食的所有物質,都含有萊克多巴胺。在國人的飲食情境之中,也遠不可能每一口食物每一杯水都含有萊克多巴胺。因此該研究結果仍應視為一種實驗室情境的極端情境,尚待更全面的研究才能應用於真實社會的議題辯證。

物種間的差異也是考量的重點,與人類越相近的物種,如哺乳動物、脊索動物的研究成果,通常能更準確預測人體的反應。該研究團隊也提及這則研究的研究限制,會受到使用細胞和無脊索動物,而無法完全代表人體的影響。如 JECFA、FAO、WHO 等國際組織在制定規範時,也多以使用豬牛馬等大型哺乳動物,以及常用做實驗動物的小鼠、兔的研究回顧為主。

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此外,該論文中也有一例略顯尷尬的失誤,論文第一段中引述 WHO 針對萊克多巴胺的每日暴露量為 1 mg/kg(每公斤體重一毫克),但正確數據應為 1 µg/kg(每公斤體重一微克),兩者足差了一千倍⋯⋯。因此,若要利用該研究成果,來理解萊克多巴胺危害,並推敲合適的政策倡議,需非常留意超越研究範疇的過度解讀,而導致的謬誤和恐慌。

關於萊克多巴胺,百家爭鳴的動物研究

果蠅實驗由於成本較低且研究時程較快,常被應用於開發新興研究主題的前導實驗設計。但由於人類和果蠅的物種差距其實非常遠,如:果蠅等昆蟲類未發展出腎臟,實驗裡提及的馬氏管雖然具有主動運輸離子、調解水分的能力,但仍然不適合直接當作和人類腎臟相等。國際上也較少見利用果蠅研究萊克多巴胺的研究,較常見的則是豬、羊、牛等哺乳動物。

與萊克多巴胺有關的的動物實驗較常使用哺乳類動物。圖 / Stramyk

下文中摘錄表列利用不同生物的萊克多巴胺研究,與其研究簡要關鍵發現:

  • 小鼠:K. A. Page 等人在 2004 年針對萊克多巴胺和克倫特羅 (clenbuterol) 對小鼠脂肪組織的研究發現瘦肉精加速、增加了脂肪組織的凋亡,可能可佐證瘦肉精在畜牧業中的功效。
  • 大鼠:E. A. Ricke 等人在 1999 年利用大鼠的研究發現,萊克多巴胺飲食可以減少大鼠的體脂肪;同樣是本土研究的陽明大學藥理所何靖凱和蔡東湖等人,在 2014 年利用大鼠靜脈注射萊克多巴胺來研究在各臟器的分布,則發現萊克多巴胺在動物體內各臟器的濃度分佈如下:腎 > 肺 > 脾 > 心 > 肝 > 肌肉 > 血漿 > 腦。
  • 狗:M. J. Yaeger 等人在 2012 年利用高劑量萊克多巴胺,研究對狗的心肌毒性。發現當狗口服1 mg/kg 萊克多巴胺時。9 隻狗有 7 隻出現心律不整。解剖後可發現心肌壞死症狀。
  • 豬:J. E. Dalidowicz 等人在 1992 年針對萊克多巴胺在豬、狗和大鼠中的代謝研究,發現豬在攝食第一天後就能消除將近85%的萊克多巴胺。而萊克多巴胺代謝物,都能在三種動物的肝、腎組織中被測得;J. Pleadin 等人在 2012 年針對萊克多巴胺停藥後,在各臟器的殘留量研究發現,停藥後第 1 天,萊克多巴胺在腎臟的殘留濃度最高,其次依次為肝、心和腦;肌肉則未能檢出。停藥後第 8 天,幾乎無法檢測到萊克多巴胺;J. N. Marchant-Forde 等人在 2003 年針對豬行為的研究發現,豬食用萊克多巴胺後,對環境壓力的敏感度提高,而導致豬隻的行為受到影響。

眾多的動物研究成果揭示了萊克多巴胺對生物體的複雜影響樣貌。我們也可以從多元的動物研究成果,得到精進研究設計的啟發,例如 C.N. Aroeira 等人在 2019 年的研究發現,餵食豬隻萊克多巴胺 28 天後,尿液的萊克多巴胺濃度始終在 1.35 µg/L 以下,對比起本次中醫大研究中,細胞實驗環境的 900-60,000 μg/L,似乎更該聚焦於更低濃度萊克多巴胺所細胞造成的影響,才能反映國人實際攝食可能遇到的危害。

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研究能告訴我們很多事,但限制也不少

由於萊克多巴胺所引發的高度關注,近期還有許多與萊克多巴胺的研究文獻被各種引述與運用做為政策倡議的根據。例如一篇 Exposure to Ractopamine Induces Behavioural and Reproductive Alterations in Zebrafish (Danio rerio)(暴露於萊克多巴胺會引起斑馬魚的行為和生殖變化) 研究指出,斑馬魚暴露在高濃度萊克多巴胺的環境中其存活率會降低;一篇 Dietary ractopamine supplementation of pregnant sows: what are the impacts on the neonate?(懷孕母豬的飲食添加萊克多巴胺:對新生兒有什麼影響?) 則是將高濃度萊克多巴胺飼料餵食妊娠中的母豬,觀察新生豬仔的健康狀況,發現會有降低活力、減少血紅蛋白濃度、增加低密度脂蛋白等不良影響。

我們必須理解,這類研究多應用高濃度萊克多巴胺,可說是一種實驗室環境下的極端狀況,具有開創新研究領域的前瞻性,但並未運用食品安全和毒理學中,強調「劑量決定毒性」的重大概念。在作為政策倡議的依據時,必須特別避免過度解讀。如同本文介紹的泌尿生殖細胞與果蠅研究,研究中也明白表示:「本研究仍有限制,我們使用的是無脊椎動物,其反應不能等同於人類 (However, there are some limitations to this study. We used invertebrate animals and cells that may not completely represent the effects in humans.)」。

食品安全是一個與風險高度有關的科學議題,面對風險的觀點,台大毒理學研究所姜至剛教授曾提出「食品安全,必須用風險分析做為共同溝通的工具」,而風險分析必須以科學為基礎的「風險評估」;政策為基礎的「風險管理」和持續交換資訊與觀點的「風險溝通」共同構成。

因此,面對萊克多巴胺肉品進口議題,我們當然需要關注發現萊克多巴胺有不良影響的研究,但也需要了解這些研究適用的證據力、解釋範疇與極限,對於尚有不確定性的科學研究,也應該回顧不同理論典範與相異結論的研究,梳理出當代學術社群的共識、觀點與未知。還要更宏觀的考量與規劃現實可行的政策風險管理。既有針對萊克多巴胺的研究與規範也並非毫無雜音,如本文作者之一在《科學月刊》「美豬『萊』襲!以CODEX、JECFA作科學證據行不行?」一文中,也曾回顧 JECFA 和 CODEX 的立論依據,以及其他研究組織不願採信的研究和觀點。

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唯有透過更全面性的文獻回顧與研究設計,才有可能為一個社會性科學議題的是不是、能不能、該不該,做出最有利於國人、國家、人類,或是地球物種最有利的決策。

參考文獻

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廖英凱
29 篇文章 ・ 249 位粉絲
非典型的不務正業者,對資訊與真相有詭異的渴望與執著,夢想能做出鋼鐵人或心靈史學。 https://www.ykliao.tw/

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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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。

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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

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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。

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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。

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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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采采蠅與寄生蟲,以及空氣中的油膩愛情
寒波_96
・2023/04/04 ・4059字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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非洲的采采蠅(tsetse fly)以吸血維生,但是它們也時常是錐蟲的宿主,如果吸食人血,便有機會將錐蟲傳染給人類,引發昏睡病,在非洲導致不少問題。

昆蟲常以費洛蒙作為溝通媒介,采采蠅也不例外。2023 年發表的新研究,找到幾款采采蠅使用的費洛蒙,能促進情慾交流;而且又發現感染錐蟲會改變費洛蒙組成,求偶時還會降低身價。

在非洲體驗大自然,務必注意采采蠅!圖/TripSavvy / Nez Riaz 

昆蟲的氣味語言

舌蠅屬(Glossina)旗下有多個物種統稱「采采蠅」,這項研究著重的是 Glossina morsitans,為求簡便,本文之後直接稱之為「采采蠅」。要注意還有不一樣的其他款采采蠅,本文後面會登場一種。

費洛蒙是生物排放到體外,用於溝通的訊號分子,可謂是昆蟲的化學語言。一如人類的花言巧語或暴言各有巧妙,各種昆蟲使用不同費洛蒙,能達到不同效果。

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從前對采采蠅的費洛蒙也不是一無所知,以前知道有一種化學分子 15,19,23-trimethylheptatriacontane,也叫作 morsilure,被采采蠅當作費洛蒙。此分子是主鏈為 37 個碳鍊長,總共有 40 碳的脂肪酸衍生物,而且含量非常多,5 天大的女生超過 4 mg。

有些費洛蒙輕盈,可以揮發;也有的飄不起來,要直接接觸。40 碳的分子體重太胖,只能直接碰觸,可以說是一種接觸式的油膩情慾。

傳宗接代,迅速而持久

新研究的目標是探討:采采蠅是否存在揮發性費洛蒙,又如何作用。比較效果之前,要先了解采采蠅情慾交流的正常狀況。

把沒有性經驗的一男一女擺在一起,20 組幾乎都迅速合體,在 15 秒內開始啪啪啪(請自行腦補音效);而且平均 do 愛 58.5 分鐘之久,持久力一級棒。

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讓一女一男共處一室,紀錄它們的交配過程。所有沒有性經驗的采采蠅,都在幾分鐘內合體,延續超過 55 分鐘。圖/參考資料1

拿來對照的對象,是常被當作實驗動物的黃果蠅(Drosophila melanogaster)。黃果蠅和采采蠅雖然都叫蠅,但是親戚關係比人和猩猩之差還要遠,不是最合適的比較對象,不過是最方便取得的材料。

黃果蠅平均要等 22 分鐘才男女合體,維持 20 分鐘左右,明顯不如采采蠅對性的渴望。然而,采采蠅的實驗,假如一方換成交配過的女生,原本興致高昂的男生竟然會完全不想 do 愛,判若兩蠅。

總之,采采蠅情慾交流的正常狀態是,由男生向女生求偶,女生很快接受。過程中吸引男生辨識的「女蠅味」是哪些費洛蒙呢?

空氣中充滿愛情的味道

采采蠅的費洛蒙是脂肪酸衍伸物,和果蠅、螞蟻一樣,能用有機溶劑己烷(hexane)分離。

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可是一開始實驗,把接觸采采蠅 10 分鐘的己烷塗在棒棒上,結果不論是有或沒有性經驗的男女,4 類原味樣品對男生都毫無吸引力。

做過實驗都知道,沒反應不能寫論文 💔。所以又把搜集費洛蒙的時間延長到 24 小時,這下就對惹 ❤️!

觀察得知,沒有性經驗的處女原味,能吸引 60% 男生;有性經驗的女生則是 27%;男蠅味對男生依然缺乏吸引力。

把采采蠅身上萃取的氣味,塗在棒棒上,觀察是否會吸引采采蠅。圖/參考資料1

「女蠅味」具體是什麼呢?用氣相層析質譜儀(Gas Chromatography Mass Spectrometry,簡稱 GC-MS)分離可得到 6 種化學物質。

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3 種是脂肪酸:16 碳的棕櫚酸、棕櫚油酸,以及 18 碳的油酸。3 種是脂肪酸加上甲基酯(methyl ester)的衍生物:methyl palmitoleate(MPO)、methyl oleate(MO)、methyl palmitate(MP)。

就算是做這一行的,大部分也會覺得那一串名詞彷彿火星文,反正就是好幾種結構略有不同的油。但是以訊號分子來說,重點不是有多油膩,而是這些分子會啟動哪些神經反應,又影響哪些行為。

費洛蒙有時候化學結構只差一點點,意義完全不同,就像人類講話,「我日常生性活潑,想要多交朋友」和「我日常性生活潑,想要多交朋友」意思就很不一樣。

采采蠅身體外,存在感最明顯的 6 種分子,包括 3 種脂肪酸以及 3 種脂肪酸衍生物。圖/參考資料1

饞她身子的味道,油膩的情慾語言

女蠅味 6 種成分逐一測試,女生們完全不為所動。至於男生,3 款脂肪酸都缺乏吸引力,不過 3 款衍生物都有吸引力,尤其是塗抹 MPO 的棒棒,能吸引 87% 男生,效果最強(有人覺得奇怪,比前述實驗 60% 更高嗎?應該是因為濃度更高,效果更強)。

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費洛蒙有具體的收訊器,訊號應該是透過觸角(antenna)上的感覺受器傳達,因為如果把觸角切除,男生也不會起反應。

為了進一步認識費洛蒙的效果,研究者又將費洛蒙塗在近親物種 Glossina fuscipes 身上。正常時這次的主角 Glossina morsitans 采采蠅男生,對異種女生不會有性趣;但是近親女 MPO 上身後,有 60% 男生會撲上來。

可見單單 MPO 這種化學分子,便對男生有強烈的誘惑力。可是這只是單方面的喜歡,近親女依然對異種男生毫無感覺,會把他們馬上踢開。

感受情慾的神經元

不一樣的費洛蒙,會激發不同感覺神經元,就像把某個開關打開。采采蠅的觸角上有許多微小的感覺零件(sensilla),各自配備不同的受器神經元。被激發的 sensilla 上存在兩款神經元 A 與 B,對不同物質起反應。

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MPO 會刺激 B 神經元,而且分隔一段距離,透過氣流傳送便有效果。由此判斷 MPO 是揮發性作用的費洛蒙。

但是同樣的距離,MO 與 MP 都不起反應。不過縮短到距離 1mm 後,MP 就能刺激 B 神經元,MO 則能同時刺激 A 與 B。這兩款費洛蒙僅管結構類似 MPO,卻要近到快直接接觸才有作用。顯然這種事不能看結構鍵盤辦案,要實測才知道。

測試費洛蒙是否可以透過氣流飄送,只有 MPO 能在比較遠的距離起作用。圖/參考資料1

奇妙的是,這些費洛蒙對近親物種 Glossina fuscipes 的神經元,幾乎都不起作用。因此上述費洛蒙與受器的組合,僅限於 Glossina morsitans 這款采采蠅,和其他物種未必有共通語言,近親即使收到也理解不能。

寄生錐蟲降低身價,采采蠅也是受害者

不少采采蠅體內存在錐蟲,吸血時成為傳播媒介。檢驗發現,錐蟲對采采蠅的影響也非常明顯,會大幅影響求偶選擇。

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采采蠅的求偶是男生提出要求,女生決定是否接受。觀察得知,有或沒有感染的兩男,如果和處女共處一室,女生接受兩者的機率差異不多。但是有或沒有感染的兩女,給男生選擇,男生 100% 挑選沒有感染的女生。

這麼看來,有錐蟲寄生的女生,在男生眼中是比較差的對象,但是不知道男生如何分辨。費洛蒙方面,被寄生的采采蠅又會多出 21 種揮發性小分子,也許有所影響,可惜這些氣味的具體作用仍不清楚。

采采蠅感染錐蟲與否,費洛蒙們明顯有別。圖為氣相層析在不同時間點,陸續分離出的分子,感染錐蟲的采采蠅多出許多種分子。圖/參考資料1

上述結果都是實驗室中的測試。采采蠅在野外活動時,或許大部份候選蠅都是感染錐蟲的不理想對象。野生的采采蠅實際上如何擇偶,也許是另一番光景。不過應該能推測,它們也不喜歡錐蟲。

食慾與情慾的開關一同打開,吃飯,順便do愛?

野生的采采蠅,要自己尋找對象。最容易碰到異性的場合是采采蠅餐廳,也就是被吸血的動物周圍。實際觀察到,采采蠅常常在獵物附近順便情慾交流。

動物散發的氣味分子,就像餐廳飄出的香味,吸引采采蠅前來覓食。有趣的是,獵物排放的 4-methylphenol、1-octen-3-ol 兩種揮發性物質,和采采蠅的揮發性費洛蒙 MPO 使用同一套神經受器。

或許采采蠅去吃飯,開啟食慾的同時,也一同釋放情慾的開關。交配和吃飯是兩回事,如果能一次滿足,也很棒。

如果對氣味在各種生物的角色有興趣,可以閱讀科普書你聞到了嗎?:從人類、動植物到機器,看嗅覺與氣味如何影響生物的愛恨、生死與演化》。

延伸閱讀

參考資料

  1. Ebrahim, S. A., Dweck, H. K., Weiss, B. L., & Carlson, J. R. (2023). A volatile sex attractant of tsetse flies. Science, 379(6633), eade1877.
  2. Chemical notes of tsetse fly mating

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》。