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高鐵開發與保育攜手,讓水雉繼續歡喜談戀愛

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/06/15 ・3037字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文由 交通部鐵道局 委託,泛科學企劃執行。

南臺灣豔陽之下,他一身黑白分明、尾羽修長,頸後一道耀眼金黃鑲黑邊羽飾,忐忑守在自己精心搭築好的巢位旁,等著佳人青睞。剛剛才瞪跑一只不知天高地厚的小傢伙,居然妄想來搶地盤,也不瞧瞧這可是菱角田裡遠離人跡的精華地段。

剛離巢的小傢伙絲毫不讓他放在眼裡,但眼前的佳人就不一樣了,他滿心滿眼都是她……看著凌波越水而來,稍稍比自己大上一個頭的她,終於大發慈悲允許自己靠近一解渴望。他早就知道,為了保衛家園,她不會在同一處逗留,也沒有太多時間可以溫存,她離開後將孩兒託付給他。這不是拋棄,他明白,這是信任的展現,正因為完全信任,才能將自己心愛的孩兒交由他來照顧。

夏風習習,他長長腳趾下,浮水的菱角葉伸展挺拔,綠意盎然,隨著水波微微晃蕩。

圖/官田水雉生態教育園區

不遠的彼方,高架的鐵道上,時速超過百里的列車疾駛而過。他大概永遠都不會知曉,正是遠方這些南來北往的列車,守護了這段愛情。

拜高速鐵路之賜,今日往來臺灣西部的主要城市,可以經由大眾交通在不到半天的時間內妥妥抵達。這樣變遷,除了改變了你我的生活節奏,也改變了水雉 (Hydrophasianus chirurgus) 這種美麗鳥類的生活。高鐵於 1990 年開始規劃,規劃路徑需要橫越當時數量岌岌可危、不到五十隻的水雉僅存的重要棲地,但是經過高鐵開發單位、地方政府與相關保育人士的積極參與,反而造就了一段生態與開發共存共榮的美麗故事。

「凌波仙子」水雉鳥

水雉的成鳥形似菱角,也喜愛在菱角田中活動,覓食或者築巢育幼。每年在夏季換上鮮明的繁殖羽色,尾羽甚長,擁有長長腳趾,牠們行走在水塘沼澤浮葉植物上行動飄逸,也被暱稱為「菱角鳥」或是「凌波仙子」。幼鳥為早熟性,孵出數個小時後就能跟在負責育雛的公鳥後面覓食散步。

水雉長長的腳趾使牠們可以在浮葉上行走。圖/官田水雉生態教育園區

全世界的水雉共有八種,臺灣僅有一種,此種廣泛分布於生物地理學上的東方區 (the Oriental region) ,包括中國華南、南亞、東南亞、臺灣與菲律賓。雖然在其他地區會有季節遷徙,水雉在臺灣屬於留鳥。水雉分布在臺灣最早的文獻紀錄,就是大名鼎鼎的斯文豪 (Robert Swinhoe) 於 1865 年將之列入臺灣最早的鳥類名錄《The Ornithology of Formosa, or Taiwan》。

原本廣布於全臺灣,在宜蘭、臺北、桃園、新竹、臺中、彰化、臺南、高雄、屏東、臺東等地均有紀錄的水雉,隨著發展的腳步,主要棲地平原濕地在逐漸開發中流失,棲地遭交通網切割加上農藥的使用、過度獵捕,水雉的族群數量逐漸岌岌可危。在1989年被宣告為「珍貴稀有」保育類動物,到 1990 年代,數量最少的時候全臺不超過五十隻,只能在臺南八掌溪到曾文溪這個範圍內的菱角田有繁殖族群。

「我們發現,水雉偏好在菱角田,那邊的生物多樣性也比較高。」位於官田的水雉生態教育園區主任李文珍受訪時表示,相較於其他的浮葉植物作物如香水蓮,菱角田內各種水生昆蟲種類較多,提供水雉多樣性的食物。而水雉作為受大家關注的指標物種,也有物種保護傘的效果,作為埤塘、沼澤棲地保護的重要標的。

行跡優雅,飄逸美麗的水雉,一直都頗受大家的喜愛與關注。西元 1997 年,水雉被選為臺南縣縣鳥,後來也在 2014 年縣市合併後成為臺南市市鳥。

水雉保育區:棲地行動的絕地大反攻

時間回到 1990 年代,高鐵正在規劃興建,其中路線 281K 至 282K 的橋墩經過臺南官田的葫蘆埤及德元埤,正好位於當時水雉僅存的重要棲地,引發了可能危及水雉生存的隱憂。最終高鐵的環境影響評估於 1994 年有條件通過,但書之一便是要求高鐵興建,必須針對水雉提供具體的保護措施。

除了出資進行棲地復育,高鐵的興建也須配合水鳥的需求,因此在水鳥的主要活動期、繁殖期,不會在當地進行施工。雖然因此能夠施工的時間極度受限,卻能盡可能減少對於水鳥的干擾。經過多次的環境審查往返與眾人的努力,在 2000 年,「水雉復育區」正式誕生,由地方政府協助之下,高鐵開發單位出資租用臺糖於官田的 15 公頃土地。復育區經營管理則由臺灣濕地保護聯盟及中華民國野鳥學會等民間團體成立「水雉復育委員會」執行。

水雉分布廣泛,但在此之前並沒有國家曾經嘗試復育水雉棲地。要將臺糖原本的甘蔗田改造為充滿浮葉植物的濕地環境,無法一蹴可及。官田的復育區從埤塘開挖營造做起,由嘉南大圳引入水源,設法克服原有地形的高低差、人工土堤坍方、配合灌溉季節與枯水期的水源調度,種植菱角、浮葉植物,一路且戰且走。

從零開始自己摸索保育復育之路,經營團隊還時時遭遇外來的新挑戰,像是外來種福壽螺與泰國鱧的入侵,又或如颱風造成水位高漲、棲地破壞等。團隊以有限的經費與許多愛鳥團體、研究義工一步步摸索進步。而除了保育園區之外,當時的臺南縣政府也針對水雉提出獎勵辦法。菱角田等棲地內只要孵出雛鳥,農民就可以獲得獎勵金,使得當地居民開始對水雉累積好感值。

艱辛的挑戰終究獲得豐碩的戰果,根據園區歷年的紀錄,水雉在園區內完成繁殖的巢數,一開始在 2000 年只有寥寥 4 巢,經過 10 年經營生息,自 2011 年以後每年都有超過 90 巢的水雉在園區內繁殖成長,而臺南區的水雉數量,截至 2019 年更增長至超過 1700 隻。而不只是水雉,園區內更紀錄有超過 90 種以上的鳥類棲息於園區,棲地的復育受惠的絕非單一物種,而是整個生態系的共存共榮。而官田的成功,也引發後續復育的星星之火,如高雄左營的洲仔溼地,開啟了「水雉返鄉計劃」,更傳出水雉數量穩定上升的好消息。

自 2009 年以來,台南水雉族群的數量逐年增加,直到 2019 年已超過 1700 隻。圖/官田水雉生態教育園區

更多參與,讓保育跟開發共存共榮

2007 年高鐵營運後,考量到水雉的族群已呈穩定,官田「水雉復育區」改名為「官田水雉生態教育園區」由臺南市政府委託社團法人臺南市野鳥學會經營管理,交通部鐵道局、高鐵公司及農委會林務局持續擔任園區工作小組成員積極協助。除了維繫棲地,亦逐步以豐富的水生植物與水鳥生態,朝向生態教育與觀光的方向邁進。

高鐵改變了臺灣西部交通的面貌,過程中也將官田鄉的甘蔗田變溼地,成就水雉新故鄉,展現了發展與保育並存的可能。保育跟開發需求絕非殘酷的二選一,而要維繫保育環境與發展的平衡,未來也需要有更多人積極參與、關心與和討論。為此,農委會林務局特別推出綠色保育標章,以生物作為保護的標的物種,讓人與生態和諧共存,透過全國最大超市通路商的協助,以「官田菱雉菱」菱角品牌,鼓勵大家一起來吃菱角,支持水雉的保育,也能一享菱香的季節風味。

你吃過用心栽種的官田菱雉菱嗎?有機會一起到官田的水雉生態教育園區走走,與我們一同守護水雉的愛情故事吧!

參考資料

本文由 交通部鐵道局 委託,泛科學企劃執行。

 

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How to 找到可靠的抗體?做出可信賴的實驗

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/07/21 ・3312字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本特輯由 拜爾國際股份有限公司 委託,泛科學企劃執行

  • 文/曾繁安

科學界的重大考驗:過半實驗無法重現

對科學家來説,要一探隱藏於萬物中的奧秘,無論多麽乏味無趣,把同一件事重複做個好幾遍絕對是家常便飯。研究者在相同條件下可重複自己的結果,稱為可重複性(Repeatability)。而可再現性(Reproducibility),指的是相同的實驗即使交在不同的研究團隊手中,只要根據相同前提、操作步驟一致的情況下,就能夠得出相同的結果。為了獲得可反覆驗證的實驗結果,為後續研究指引正確方向,「可再現性」是學術研究非常重要的基本原則。

Nature 一份對超過 1500 名科學家所做的問卷發現,竟有超過 70% 的研究者在試著再現他人的研究時失敗了!即使是自己的實驗,也有過半數的人無法做出相同的結果。

如何在學界激烈競爭及拔得頭籌的時間壓力下,確保實驗結果的可信度,真的很不簡單。目標是將研究成果應用在生物,包括人體上的生醫領域,在實驗的可再現性上更是不可馬虎。但生醫領域,還得面對常用實驗檢測試劑——抗體不穩定性的挑戰!

成也抗體?敗也抗體?

當病菌準備入侵人體時,我們的免疫系統也不是省油的燈,會派出可以識別這些壞家夥的抗體(antibody,又稱免疫球蛋白)來迎戰。抗體是一個 Y 形的蛋白質,其兩個分叉上具有被稱為表位(epitope,又稱抗原結合位)的化學官能基。每一種抗體的表位置可以和一種特定抗原結合,就像一把鑰匙(抗體)只能打開一把鎖(抗原)。抗體靠著表位結構的特異性來辨識外源的抗原並與之結合,阻止病原體繼續感染其他細胞,也有標記之並促發其他免疫反應來進行抵禦的功能。抗體就像人體的警察,發現通緝中的犯人後,趕快逮到拷上手銬限制行動,進一步呼喚其他警力來對抗犯罪行動。

除了在免疫上扮演關鍵角色,抗體因為可以和特定抗原結合的高度特異性,而成為醫學及科研上用來偵測蛋白質表達量的有力工具,可以用於診斷、研究各種疾病的訊號和致病機轉。例如最近中研院所研發的 Covid-19 快篩試劑,便是應用了抗體和特定抗原結合的原理。

抗體的量產,是透過往實驗動物如兔子或羊身上注射抗原產生抗體,對其血液進行分離,從血清中提取而來。儘管抗體是因其高度特異性而被廣泛用於研究,然而跨國科研計劃組織 Human Protein Atlas 針對市面上的抗體產品進行檢測的報告發現,竟有一半的抗體沒有通過品質檢測,存在抗體不穩定性可能導致實驗失敗的疑慮。

實驗結果無法重現,可能是抗體出了錯?這就得談談抗體的交叉反應性(cross-reactivity)。

由於自然界中存在的蛋白質實在多得數不清,抗體的特異性再高,難以保證不會碰到與目標抗原的化學結構非常類似的另一種抗原,因此無法完全排除抗體辨認錯誤發生「開錯鎖」情況的可能性。這種抗體與非標的但相似的抗原結合(off-target binding),就稱作交叉反應性。在疾病診斷上,交叉反應性經常是假陽性結果出現的原因,受試者明明沒有受病毒感染,檢測用抗體卻出現反應。

抗體的交叉反應性,讓實驗結果的可靠性受到威脅,還真是叫科學家傷透了腦筋。抗體又不像實驗室的儀器,可以放包乖乖要它乖乖的,該如何驗證其特異性呢?

HOW TO 驗證實驗結果是可靠的

為了維持實驗數據的品質及一致性,確保研究結果的可靠性,我們必須以更嚴格的方法,對抗體品質進行驗證。由一群蛋白質生物學領域專長之跨國科學家,組成的國際抗體驗證工作小組(International Working Group on Antibody Validation,IWGAC),在 Science Method 上共同發表一篇指導方針,針對如何驗證抗體的特異性、功能性及可重複性,提出了五大可實際應用的强化驗證方法。

IWGAC 團隊認為,如果要宣稱某一種抗體適合投入某項應用,研究者應該至少使用其中一種方法,作為驗證抗體的基準。這五大方法可以為抗體與標的抗原結合提供顯著證據,同時也能評估交叉反應性發生的機率高低,結合兩者去説明抗體的特異性及實驗的可靠性。

以下為强化驗證抗體的五大方法:

  1. 標記蛋白之表現(Expression of tagged protein):在標的蛋白進行標記,使其在和抗體結合時會過度表現或呈現螢光,因此可以用來驗證是否和抗體的訊號大小一致。
  2. 正交驗證(Orthogonal):利用非抗體的獨立方法對多個樣本進行驗證,例如偵測標的蛋白質體學的內標物,和抗體的訊號進行比較。
  3. 免疫捕捉法搭配質譜分析(Migration Capture MS Validation ):
  4. 獨立抗體(independent antibody) :利用兩種以上,但與同一個標的蛋白上不同位置表位結合的抗體,來進行對同一個樣品的驗證。
  5. 基因策略(genetic validation): 利用含有經由基因剃除或敲落標的基因片段的細胞或組織作為對照組,來驗證抗體的特異性。

其中,基因策略最能直接説明基因、標的蛋白及其抗體偵測的關係,是五大方法中最嚴謹的驗證原則。基因策略採用反證法,為了確認抗體和抗原之間的專一性,會在細胞株中剃除該抗原,再測試觀察抗體的反應。這就像情人間的忠貞程度考驗,如果你的情人在你不在的時候,還跟別人眉來眼去,那他的專一性可能就沒那麼好。

為了創造你(抗原)不在場的情況,會利用基因減弱(gene knockdown)基因剃除(gene knockout),來降低或去除標的蛋白在細胞中的表現。

基因減弱(gene knockdown)抑制產生特定蛋白質的信使RNA, 來降低標的蛋白的出現機率,但這個狀況就像你躲在旁邊偷看情人的行為,很有可能被情人發現而失敗。而基因剃除(gene knockout)則是比基因減弱的手段來的更為徹底,它直接將表現特定蛋白質的基因片段剪去,也就是你完全離開現場。這個方法則運用了人類從細菌對抗病毒的戰略中,偷師而來的革命性技術—— CRISPR / Cas9。

過去科學家必須耗費大量時間精力,去設計可從 DNA 上截取特定基因片段的酵素,每改變標的基因,就必須重新設計一次複雜的酵素。但從細菌身上找到的 Cas9 酵素,就像一把可客製化的基因神剪,想要剪取某基因片段的話,只要訂做一條與之互補的導引 RNA 交給 Cas9,便能將標的基因片段剪下,再進行基因剃除或插入工作,大大提高過程效率。

CRISPR / Cas9 可以直接從 DNA 剪除會表達標的蛋白的基因片段,使標的蛋白完全失去來到這個世上的機會,名副其實地被 K.O.(擊倒)!如此一來,抗體絕無與基因剃除細胞株反應發生訊號的可能,可說是五大驗證方法內,嚴格中的嚴格。

拿抗體和經過基因剃除的細胞株樣品反應,理應偵測不到任何標的蛋白的表達,因此可以用來確保抗體的專一性(若有訊號,則表示存在抗體交叉反應性!)反之,使用未經處理的原型細胞株進行抗體測試時,則會出現明顯的訊號。

站在科學最前沿的各種實驗,面臨的是許多未知的不確定性。因此研究者如何選擇合適可靠的驗證方法,來節省寶貴的時間與樣本,便是科研工作的一大關鍵。

想了解更多基因敲除細胞株的資訊嗎?

立即觀看:https://abclonalbio.com/video/show/84.html

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參考資料

  1. 1,500 scientists lift the lid on reproducibility
  2. 你知道抗體研究一直存在嚴重的「重複危機」嗎?
  3. A proposal for validation of antibodies
  4. Antibody validation
  5. How CRISPR lets us edit our DNA | Jennifer Doudna
  6. 三分鐘了解免疫系統怎麼對抗外來敵軍
  7. 中研院19天破解新冠肺炎抗原檢測,解密四大生技平台!
  8. Enhanced Validation of Antibodies
  9. 人體基因編輯是在編什麼?五分鐘搞懂基因神剪 CRISPR

 

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