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我的肺部壞掉了,直接把氧氣灌到直腸也可以?向泥鰍借鏡的屁之呼吸!

羅夏_96
・2021/06/02 ・3512字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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呼吸是件稀鬆平常的事,但卻是最重要的生理反應,人可以一周不吃、不喝而不死,但只要短短幾分鐘不呼吸,你的生命就會快速的逝去。

人的呼吸是透過肺臟來達成,在新冠疫情爆發的當下,許多病患因肺部受損面臨著無法呼吸的窘境,這是多麼致命的事!而近期發表在 Med 期刊上的研究,提供了我們呼吸的新思路1——屁之呼吸。

呼吸作用,把美食變成能量代幣

呼吸對生物非常重要,那為何生物需要呼吸呢?其實這與細胞進行的「呼吸作用」有關。

透過呼吸作用,細胞就可將食物分解,並將其轉換為可供細胞使用的能量代幣(三磷酸腺苷,也就是 ATP)。

這麼說起來看似非常簡單,但實際上呼吸作用非、常、複、雜!不是三言兩語可以講完(被生物化學荼毒過的各位夥伴,一起發出怒吼吧!)有機會再專門給大家講解。

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呼吸作用的簡單示意。圖/Wikipedia

這邊我們只需要知道:呼吸作用的主要功能就是「產生能量」,而其中需要氧氣,最終產生廢棄物如二氧化碳。簡單來說,這是一種「氣體交換」的過程,提供氧氣給細胞進行呼吸作用的同時,也將呼吸作用產生二氧化碳給排出。

天哪!牠們竟然可以用直腸來呼吸!

不同的生物有不同的呼吸方法,微生物和一些構造簡單的生物(如水母),可靠擴散作用讓細胞直接進行氣體交換,而大型且構造複雜的生物,就需要由「呼吸系統」承接氣體交換的重任。

延伸閱讀:一定要有肺才能呼吸?來認識動物們的花式呼吸大法

以脊椎動物為例,脊椎動物需仰賴紅血球將氧氣提供給全身各個部位,同時將二氧化碳帶走,而紅血球則在呼吸系統中進行氣體交換。

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其中,人類是透過「嘴巴、鼻子」將空氣吸入氣管、支氣管、肺部再到肺泡,讓紅血球在肺泡中進行氣體交換,接著再把空氣沿著反方向被鼻子和嘴巴呼出體外,達成我們最熟悉的呼吸模式。

人類的呼吸系統。圖/Wikipedia

提到海裡的生物們,大家應該都能夠很快的說出,魚類是靠「鰓」來進行呼吸,但你能想像嗎?有的水生生物竟然會用「腸子」來呼吸!

聽起來很匪夷所思吧,但其實早在 1950、60 年代,科學家們就發現一些水生動物如海參跟泥鰍,在缺氧的環境中能靠「腸呼吸」的方式來增進氣體交換的效率。因為它們的腸上皮細胞和人的肺泡一樣,細胞較薄且佈滿微血管,非常利於紅血球進行氣體交換。

有些泥鰍在缺氧的環境可以用腸呼吸來增進氣體交換。圖/Wikipedia

當科學家們發現泥鰍的腸呼吸後,就非常好奇:

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哺乳動物的直腸上皮細胞也很薄、也佈滿微血管,既然泥鰍可以,那麼哺乳動物是否也能進行腸呼吸呢?

因此,科學家們很早就興致勃勃地開始對此進行研究,可惜當時的研究並沒有給出明確的答案,此後這一直是不少科學家爭論的話題。

近期,一個日、美聯合的研究團隊,重新開始針對這個問題深入研究,並提出了更清楚的答案1

把氧氣直接灌入小鼠屁屁吧!

研究團隊首先設計一個腸道氣體通氣系統 (Enteral ventilation Via Anus , EVA),而 EVA 系統可以輸入純氧到小鼠的直腸。

首先,研究團隊比較了一般小鼠和 EVA 系統小鼠在極低氧條件下的表現:正常小鼠只能存活 11 分鐘,而使用 EVA 系統的小鼠的存活時間也不長,比起一般小鼠僅有增加一點點,延長到了 18 分鐘。

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不樂觀的初步結果並沒有擊倒研究團隊,研究團隊進一步實驗發現,當切除小鼠直腸細胞的黏膜層之後,就可以增加氣體在直腸內的通透性,讓腸呼吸的效果更好。最終數據也顯示,切除直腸黏膜層、使用 EVA 系統的小鼠,在極低氧的條件下存活時間可以上升到 50 分鐘!

由此可知,小鼠確實能透過腸呼吸來克服缺氧環境。

EVA系統示意(左);EVA 系統用在直腸黏膜層切除的小鼠上,在缺氧環境下能存活更久(右)。圖/參考資料 1

進化!I-EVA 系統將含氧液體輸入直腸

雖然這個結果證實了小鼠確實能進行腸呼吸,但鑒於 EVA 必須切除直腸的黏膜層才可以有效,這顯然不適合人類使用。因此研究團隊決定改變策略,將高含氧的「液體」直接灌入直腸內。

研究團隊選中全氟萘烷這個氟碳化合物,全氟萘烷是一種惰性液體,常溫下幾乎不會和人體反應且非常穩定,而且全氟萘烷有著極高的溶氧量,正常情況下每 100 mL 的全氟萘烷能溶解 49 mL 的氧氣,在醫療上不僅可做為液體氧氣使用,臨床上也證實將全氟萘烷灌入呼吸衰竭的病患肺部內,能有效緩解病患氧氣不足的問題2

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全氟萘烷的化學式。圖/Wikipedia

研究團隊把這種使用充氧全氟萘烷的腸道通氣系統稱為 I-EVA (liquid-based Enteral ventilation Via Anus)。和沒有使用 I-EVA 的小鼠相比,使用 I-EVA 的小鼠在低氧氣室中(含氧量 9.5%)走得更遠,並且有更多的氧氣到達它們的心臟。

(A)I-EVA 系統示意。(B)使用I-EVA系統的小鼠上在缺氧環境下能移動更長距離(D、E、F) 使用 I-EVA 系統的會有更多氧氣到小鼠的心臟中。圖/參考資料 1

大鼠與豬:血液含氧量上升、少副作用

I-EVA 在大鼠與豬的實驗中也得到不錯的結果:

  • 大鼠和小鼠一樣,使用 I-EVA 後,大鼠能在缺氧環境中行走更遠的距離。
  • 豬在缺氧環境下,皮膚會呈現蒼白無血色的冰冷狀態,但使用 I-EVA 後,豬的皮膚就變得溫暖且充滿血色,和豬在正常氧的情況下很接近。

另外,不論大鼠還是豬,在缺氧環境下使用 I-EVA,其血液內的含氧量皆有明顯上升;測試 I-EVA 的在大鼠和豬身上的生理影響後,數據也顯示 I-EVA 幾乎不會產生甚麼副作用!

 I-EVA 系統在豬身上使用的流程圖。圖/參考資料 1

綜合以上的結果,顯示 I-EVA 確實能緩解哺乳動物的缺氧問題,也證實了哺乳動物確實也能進行「腸呼吸」!

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人類也能用屁屁進行腸呼吸嗎?

既然小鼠、大鼠到豬都能進行腸呼吸,那人類可以嗎?答案是:不確定。

雖然從上述的結果來看,理論上人類應該也能使用 I-EVA 系統進行腸呼吸,但這需要更多的實驗與測試。對此,研究團隊非常樂觀,也表示已經開始著手臨床試驗的相關準備了。

研究團隊認為腸呼吸法應該也能應用在人類身上。圖/參考資料 1

雖然知道人類也可能進行「腸呼吸」、從屁股灌入含氧液體讓人印象深刻,但這項研究真正的重要性在於提供氣體交換的新方法。

近期新冠疫情的爆發,讓許多病患的肺部受到嚴重的損害,而肺部的損傷會降低紅血球在肺部氣體交換的效率,這時即便使用呼吸治療器也未必能讓病患的紅血球獲得充分的氣體交換。因此,面對肺功能受損的病患,腸呼吸也許有可能成為不錯的替代方案。

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那些人類進行「腸呼吸」前的二三事

真要施行起來,恐怕還是有不少問題要克服。

你也想來個屁之呼吸嗎?圖/Pixabay

首先,既然是將全氟萘烷灌入直腸內,那是否需要先將病患的腸子洗乾淨呢?再來要用腸替代肺呼吸,那勢必要持續灌入全氟萘烷,腸子能承受住液體這樣持續的灌入嗎?最後是腸道功能的問題,腸畢竟不是拿來呼吸的器官,而是吸收營養與排便的,讓腸替代肺作為呼吸器官,勢必會影響腸的正常功能。

上述這些問題,在正式施行腸呼吸前,都要審慎思考。

雖然仍有不少問題有待解決,但腸呼吸作為肺功能衰竭病患的替代方案仍有著不錯的吸引力,就讓我們期待未來「腸呼吸」這種詭異的方式是否也能應用在人類身上吧!

  1. Mammalian enteral ventilation ameliorates respiratory failure
  2. 全氟萘烷
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羅夏_96
52 篇文章 ・ 893 位粉絲
同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟

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「別來無恙」不只是招呼
顯微觀點_96
・2025/04/12 ・2349字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文轉載自顯微觀點

圖/照護線上

我最親愛的 你過的怎麼樣  沒我的日子 你別來無恙   -張惠妹《我最親愛的》

常常聽到「別來無恙」的問候,其中的「恙」就是指「恙蟲」。在唐朝顏師古的《匡謬正俗》一書中便提到:「恙,噬人蟲也,善食人心。古者草居,多移此害,故相問勞,曰無恙。」用以關心久未見面的朋友沒有染讓恙蟲病、一切安好。

而清明節一到,衛福部疾管署便會提醒民眾上山掃墓或是趁連假到戶外踏青,要小心「恙蟲病」,就是因為每年恙蟲病的病例數從4、5月,也就是清明假期左右開始上升;到6、7月達最高峰。

Qingming Or Ching Ming Festival, Also Known As Tomb Sweeping Day In English, A Traditional Chinese Festival Vector Illustration.
圖/照護線上

但恙蟲病到底是什麼樣的疾病呢?恙蟲病古時被稱為沙虱,早在晉朝葛洪所著的醫書《肘後方》提及,「初得之,皮上正赤,如小豆黍米粟粒;以手摩赤上,痛如刺。三日之後,令百節強,疼痛寒熱,赤上發瘡。」

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恙蟲病是一種病媒傳播的人畜共通傳染病,致病原為恙蟲病立克次體(Orientia tsutsugamushi或Rickettsia tsutsugamushi),被具傳染性的恙蟎叮咬,經由其唾液使人類感染立克次體。而感染立克次體的恙蟎,會經由卵性遺傳代傳立克次體,並在每個發育期中,包括卵、幼蟲、若蟲、成蟲各階段均保有立克次體,成為永久性感染。

感染恙蟲病可能引起危及生命的發燒感染。常見症狀為猝發且持續性高燒、頭痛、背痛、惡寒、盜汗、淋巴結腫大;恙蟎叮咬處出現無痛性的焦痂、一週後皮膚出現紅色斑狀丘疹,有時會併發肺炎或肝功能異常。 恙蟲病的已知分佈範圍不斷擴大,大多數疾病發生在南亞和東亞以及環太平洋地區的部分地區;台灣則以花東地區、澎湖縣及高雄市為主要流行區。

比細菌還小的立克次體

立克次體算是格蘭氏陰性菌,有細胞壁,無鞭毛,革蘭氏染色呈陰性。但它雖然是細菌,但是嚴格來說,更像是細胞內寄生生命體,生態特徵多和病毒一樣。例如不能在培養基培養、可以藉由陶瓷過濾器過濾、只能在動物細胞內寄生繁殖等。大小介於細菌和病毒之間,呈球狀或接近球形的短小桿狀直徑只有0.3-1μm,小於絕大多數細菌。

最早發現的立克次體感染症的是洛磯山斑疹熱(Rocky mountain spotted fever);由美國病理學家立克次(Howard Taylor Ricketts,1871-1910)所發現。

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1906年立克次到蒙大拿州度假,發現當地正在流行一種叫做洛磯山斑疹熱的傳染病,病患會出現頭痛、肌肉痛、關節疼痛的症狀,之後皮膚會出現出血性斑塊。當時沒有人知道是什麼原因造成這個疾病。

立克次一開始以顯微鏡觀察病患血液,發現一種接近球形的短小桿菌,但卻無法體外培養。而他將帶有「短小桿菌」的血液注射進天竺鼠體內,或是以壁蝨吸食患者血液再咬天竺鼠,發現天竺鼠也會染病。另外,他試驗各種節肢動物來做為媒介,發現只有壁蝨能夠成為傳染窩進行傳播。

立克次釐清了洛磯山斑疹熱的成因與傳染途徑,但因為無法在體外培養基培養這個病原菌,他並未加以命名。

後來其他研究者從斑疹傷寒等其他疾病也發現無法在培養基生長、必須絕對寄生宿主細胞的類似細菌,並為了紀念立克次的貢獻,而命名為「立克次體」。

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而立克次體不只一種,因此引起的疾病也不只有恙蟲病。在台灣列為法定傳染病的還有由普氏立克次體(Rickettsia prowazekii )引起的流行性斑疹傷寒,透過體蝨在人群間傳播;由斑疹傷寒立克次氏體(Rickettsia typhi)造成的地方性斑疹傷寒,由鼠蚤傳播至人體。另外還有由立氏立克次體(Rickettsia rickettsii)所引致的洛磯山斑疹熱等。

立克次體透過傳統革蘭氏染色的效果非常弱;因此常用一種對卵黃囊塗片中立克次體進行染色的方法,以利光學顯微鏡觀察。現在,這項技術常用於監測細胞的感染狀態。

受限於光學顯微鏡的解析度,許多科學家也使用電子顯微鏡來對立克次體與宿主細胞相互作用的精細結構進行分析。例如分別引起流行性斑疹傷寒、洛磯山斑疹熱和恙蟲病的立克次體,外膜組織就能透過電子顯微鏡看到些許的差別,有的外膜較厚,有的則是外膜內葉和外葉倒置。

立克次
卵黃囊塗片立克次體的顯微影像,其尺寸範圍為 0.2μ x 0.5μ 至 0.3μ x 2.0μ。立克次體通常需要使用特殊的染色方法,例如Gimenez染色。圖片來源:CDC Public Health Image Library

做好預防就能別來無「恙」

根據疾管署統計,今(2024)年至 4 月 1 日恙蟲病確定病例已累計至 2 8例,高於去年同期。

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立克次菌無法在一般培養基培養,雖然可用接種天竺鼠或雞胚胎來分離病原確診,但基於實驗室生物安全操作規定,通常以免疫螢光法、間接血球凝集、補體結合等檢查抗體的方式來檢驗。

恙蟲病可用抗生素治療,若不治療死亡率達 60%。但最好的預防方式還是避免暴露於恙蟎孳生的草叢環境,掃墓或是戶外活動最好穿著長袖衣褲、手套、長筒襪及長靴等衣物避免皮膚外露。離開草叢後也要盡速沐浴和更換全部衣物,以防感染。

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顯微觀點_96
28 篇文章 ・ 5 位粉絲
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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任意添加光學元件 為研究打開大門的無限遠光學系統
顯微觀點_96
・2025/01/30 ・1763字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

圖 / 顯微觀點

顯微鏡在科學發展中扮演關鍵的角色,讓人們得以突破肉眼的限制,深入微觀的世界探索。而隨著時間推進,顯微技術也日新月異,其中現代顯微鏡設計了所謂的「無限遠光學系統」(Infinity Optical Systems),更是提升了顯微鏡性能和突破過去的觀察瓶頸。因此主要的顯微鏡製造商現在都改為無限遠校正物鏡,成為顯微鏡的技術「標配」。

1930 年代,相位差顯微技術出現,利用光線在穿過透明的樣品時產生的微小的相位差造成對比,使透明樣本需染色就能更容易被觀察。1950 年左右,則出現使用兩個 Nomarski 稜鏡,將光路分割再合併產生 干涉效應的 DIC 顯微技術,讓透明樣本立體呈現、便於觀察。

在傳統「有限遠系統」中,單純的物鏡凸透鏡構造,會直接將光線聚焦到一個固定距離處,再經過目鏡放大成像。也因此過去顯微鏡的物鏡上通常會標示適用的鏡筒長度,通常以毫米數(160、170、210 等)表示。

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而在過渡到無限遠校正光學元件之前,選用的物鏡和鏡筒長度必須匹配才能獲得最佳影像,且大多數物鏡專門設計為與一組稱為補償目鏡的目鏡一起使用,來幫助消除橫向色差。

但是問題來了!當這些光學配件要添加到固定鏡筒長度的顯微鏡光路中,原本已完美校正的光學系統的有效鏡筒長度大於原先設定,顯微鏡製造商必須增加管長,但可能導致放大倍率增加和光線減少。因此廠商以「無限遠」光學系統來解決這樣的困境。

德國顯微鏡製造商 Reichert 在 1930 年代開始嘗試所謂的無限遠校正光學系統,這項技術隨後被徠卡、蔡司等其他顯微鏡公司採用,但直到 1980 年代才變得普遍。

無限遠系統的核心在於其物鏡光路設計。穿透樣本或是樣本反射的光線透過無限遠校正物鏡,從每個方位角以平行射線的方式射出,將影像投射到無限遠。

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有限遠(上)和無限遠(下)光學系統的光路差別
有限遠(上)和無限遠(下)光學系統的光路差別。圖 / 擷自 Optical microscopy

透過這種方法,當使用者將 DIC 稜鏡等光學配件添加到物鏡、目鏡間鏡筒的「無限空間」中,影像的位置和焦點便不會被改變,也就不會改變成像比例和產生像差,而影響影像品質。

但也因為無限遠系統物鏡將光線平行化,因此這些光線必須再經過套筒透鏡在目鏡前聚焦。有些顯微鏡的鏡筒透鏡是固定的,有些則設計為可更換的光學元件,以根據不同實驗需求更換不同焦距或特性的透鏡。

除了可以安插不同的光學元件到光路中而不影響成像品質外,大多數顯微鏡都有物鏡鼻輪,使用者可以根據所需的放大倍率安裝和旋轉更換不同的物鏡。

傳統上一旦更換物鏡,樣本可能就偏離焦點,而須重新對焦。但在無限遠光學系統的設計中,物鏡到套筒透鏡的光路長度固定,也就意味著無論更換哪個物鏡,只要物鏡設計遵循無限遠系統的標準,光路長度和光學路徑的一致性得以保持。

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因此無限遠光學系統也有助於保持齊焦性,減少焦距偏移。這對需要頻繁切換倍率的實驗操作來說,變得更為便利和具有效率。

不過使用上需要注意的是,每個顯微鏡製造商的無限遠概念都有其專利,混合使用不同製造商的無限遠物鏡可能導致不正確的放大倍率和色差。

改良顯微技術,使研究人員能夠看到更精確的目標;以及如何讓更多光學配件進入無限遠光學系統中的可能性仍然在不斷發展中。但無限遠光學系統的出現已為研究人員打開了大門,可以在不犧牲影像品質的情況下輕鬆連接其他光學設備,獲得更精密的顯微影像。

  1. M. W. Davidson and M. Abramowitz, “Optical microscopy”, Encyclopedia Imag. Sci. Technol., vol. 2, no. 1106, pp. 120, 2002.
  2. C. Greb, “Infinity Optical Systems: From infinity optics to the infinity port,” Opt. Photonik 11(1), 34–37 (2016).
  3. Infinity Optical Systems: From infinity optics to the infinity port
  4. Basic Principle of Infinity Optical Systems
  5. Infinity Optical Systems

延伸閱讀選擇適合物鏡 解析鏡頭上的密碼

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螃蟹有痛感嗎?我們是怎麼知道的?
F 編_96
・2025/01/16 ・1669字 ・閱讀時間約 3 分鐘

F 編按:本文編譯自 Live science

螃蟹一直是海鮮美食中的明星,從油炸軟殼蟹到清蒸螃蟹,餐桌上經常見到牠們的身影。有地方也習慣直接將活螃蟹丟沸水煮熟,認為這能保留最多的鮮味。過去人們認為甲殼類缺乏複雜神經結構,不會感受到痛苦,因此不必過度憂心道德問題。但近年來,越來越多研究開始挑戰此一想法,指出螃蟹與龍蝦等甲殼動物可能具備類似疼痛的神經機制。

以前大家相信甲殼類缺乏複雜神經結構,但近期這一認知逐漸受到質疑。 圖 / unsplash

甲殼類是否能感覺到痛?

人類長期習慣以哺乳類的神經構造作為痛覺判斷依據,由於螃蟹沒有哺乳動物那樣的大腦腦區,便被認為只憑簡單反射行動,談不上真正「痛」。然而,新興科學證據顯示包括螃蟹、龍蝦在內的甲殼類,除了可能存在被稱為「nociceptors」的神經末梢,更在行為上展現自我防禦模式。這些研究結果顯示,螃蟹對強烈刺激不僅是本能抽搐,還有可能進行風險評估或逃避策略,暗示牠們的認知或感受方式比我們想像更精緻。

關鍵證據:nociceptors 與自我保護行為

近期實驗在歐洲岸蟹(Carcinus maenas)中觀察到,當研究人員以刺針或醋等刺激手段測量神經反應,牠們顯示與痛覺反應類似的神經興奮;若只是海水或無害操作,則無此現象。此外,透過行為實驗也可看出,寄居蟹在受到電擊時,會毅然捨棄原本的殼子逃離電源,但若同時存在掠食者味道,牠們會猶豫要不要冒著風險離開殼子。這些結果使科學家認為,螃蟹並非單純反射,而可能有對於痛感的判斷。若只是「低等反射」,牠們不會考慮掠食風險等外在因素。

痛覺與保護:實驗結果引發的道德思考

以上發現已在科學界引發廣泛關注,因為餐飲業與漁業中常見「活煮」或「刺穿」處理螃蟹方式,如今看來很可能讓牠們承受相當程度的不適或疼痛。瑞士、挪威與紐西蘭等國已開始禁止活煮龍蝦或螃蟹,要求先以電擊或機械方法使其失去意識,試圖減少痛苦。英國也曾討論是否將甲殼類納入動物福利法保護範圍,最後暫時擱置,但此爭議仍在延燒。

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英國對於是否將甲殼類列入動物福利法的保護範圍,有所爭議。 圖 / unsplash

部分學者保持保留態度,認為雖然甲殼類展現疑似痛覺的行為與神經反應,但與哺乳類相同的「主觀痛感」仍需更多研究證明。大腦與神經系統結構畢竟存在很大差異,有些反射也可能是進化而來的自衛機制,而非真正意義上的感受。然而,科學家普遍同意,既然相關證據已經累積到一定程度,毋寧先採取更謹慎與人道的處理模式,而非輕易推卸為「牠們不會痛」。

海洋生物福利:未來的規範與影響

如果螃蟹被證實擁有痛覺,將牽動更廣泛的海洋生物福利議題,包括鎖管、章魚或多種貝類也可能具有類似神經機制。人類一直以來習慣將無脊椎動物視為「低等生物」,未必給予與哺乳類相同的法律或倫理關注。但若更多實驗持續指出,牠們同樣對嚴重刺激展開避痛行為,社會或終將呼籲修訂漁業與餐飲相關法規。未來可能要求業者在捕撈與宰殺前使用電擊或麻醉,並限制活煮等方式。這勢必對漁業流程與餐廳文化造成衝擊,也引發經濟與文化折衷的爭議。

龐大的實驗數據雖已暗示螃蟹「會痛」,但確鑿的最終定論仍需更多嚴謹研究支持,包括更深入的大腦活動成像與突觸路徑分析。同時,落實到實際操作也需追問:是否存在更快、更人道的宰殺或料理方式?能否維持食材鮮度同時保障動物福利?這種思維轉變既考驗科學進程,也考驗人類對自然資源的態度。也許未來,既然我們仍會食用海產,就該以最小痛苦的方式對待那些可能感受痛苦的生物,為牠們提供基本尊重。

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F 編_96
20 篇文章 ・ 1 位粉絲
一個不小心闖入霍格華茲(科普)的麻瓜(文組).原泛科學編輯.現任家庭小精靈,至今仍潛伏在魔法世界中💃