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戰爭的遺毒該如何排除?基轉植物或可分解 RDX 炸藥的有毒物質

科技大觀園_96
・2021/11/27 ・2647字 ・閱讀時間約 5 分鐘

一般說到炸藥,大家可能都會想到化學課聽過的「黃色炸藥 TNT 」,而同樣有硝基的常見爆炸物 RDX(Research Department explosive),爆炸強度是 TNT 的 1.5 倍,是目前美國軍事上製造炸藥必須的化學藥品,然而,這些爆炸物容易造成令人頭痛的環境污染,目前許多研究試圖尋找降解此種污染的方法,但一直沒有找到有效經濟又可以持續使用的辦法。今年發表於《Nature Biotechology》的一篇新研究發現,一種在北美草原上常見的植物,透過基因轉殖後可以吸收和分解 RDX!

第二次世界大戰中使用的空襲炸彈,鋼瓶上印有RDX/TNT的字樣,為RDX與TNT混合物。圖/wikipedia

到底是怎麼做到的呢?在了解這個新穎的解決方案之前,我們先來聊聊 RDX 到底是什麼?又是怎麼造成環境污染的?

RDX 的化學式是 (CH2NNO2)3 ,環三亞甲基三硝胺,中文別稱黑索金、海掃更、T4炸藥、炫風炸藥等。如前面所說,RDX 廣用於軍事用途,是二次世界大戰時最常被使用的爆炸物,目前軍用市場上有超過 4000 種彈藥都含有 RDX,通常和其他物質混合作為軍事彈藥,但事實上,RDX 在一開始並不是被用來作為武器,西元 1899 年德國化學家首次合成 RDX 並申請專利,當時主要描述的是 RDX 的醫藥用途,後來,隨著二次大戰開打,由於 RDX 的爆炸力比第一次世界大戰的 TNT 還強,RDX 被雙方軍隊注意到,便被廣泛作為炸藥的材料。

RDX分子模型。圖/wikipedia

那 RDX 會對我們造成什麼影響呢?

事實上,在彈藥發射、丟棄槍械,或是製造彈藥的過程中都可能會釋放 RDX 至周圍環境,例如軍事基地、手榴彈丟擲場、彈藥工廠等場所,受污染較嚴重的以土壤和地下水為主,當 RDX 被釋放到土壤後,會進一步滲透至地下水系統,也就是說,RDX 的影響可能會蔓延到日常飲用水,而且因為 RDX 流動性高又不易降解,不僅會對土壤生態造成影響,若人類攝入過量會有暈眩、嘔吐等症狀,也可能會引起癲癇發作。

此外,RDX 也是一種可能的致癌物,在美國大約有一萬公頃的射擊場用地已經被 RDX 滲透,因此被美國環境保護署 (Environmental Protection Agency,EPA) 列為飲用水污染物之一,並設立飲用水中的含量標準。

在西元 2012 年時,台灣也增修了環境標準管制草案,因火炸藥屬於管制用品,通常只有軍事用地能夠生產及銷毀,而根據環保署過去的調查計畫也顯示,台灣多處軍事場址內確實有火炸藥類物質的污染,若未來軍事用地轉為公共用途後,使用者受到危害的可能性將會提高。環保署逐年檢測國有地、軍事用地土壤與地下水的相關污染。為了避免 RDX 污染造成環境及健康的威脅,探討 RDX 在土壤及地下水中的特性、機制,並找到整治的方法,便成為研究的一大重點,例如,國內曾有研究利用表面改質奈米零價鐵顆粒,處理受 TNT、RDX 的污染地下水體。

而這次由美國約克大學研究團隊發表的研究,是利用基因轉殖,讓植物能夠降解並吸收 RDX,前面有提過,美國受 RDX 的土地面積非常大,若利用傳統方法,像是填埋、焚燒、氧化等,較適合用於高污染但面積小的土地,根據美國國防部的估計,成本效益不符比例。

事實上,研究團隊在先前就已經分離出一種具有降解 RDX 能力的細菌 Rhodococcus rhodochrous 11Y,能夠在有氧及無氧條件下催化 RDX 還原脫硝,然而,細菌分解的速度不夠快,沒辦法防止 RDX 滲入地下水層。因此,科學家將清除污染的責任放到植物身上,使用植物有許多好處,例如破壞性較小、能幫助土地恢復生機,社會層面上則是具有美感、大眾接受程度也較高,且長期而言,維護植物的生長所需成本較低。

Rhodococcus 屬細菌於光學顯微鏡(左)與電子顯微鏡(右)下的成像。圖/microbewiki

但是,植物並不具備降解 RDX 的能力,因此,科學家便將與降解能力有關的細菌基因,轉殖至植物的基因裡。在之前的實驗中,他們發現被轉殖過的阿拉伯芥 Arabidopsis thaliana 能夠將 RDX 分解,然後被植物吸收並代謝,不需要收割植物便可以清除污染物。

在實驗室裡成功後,能否在真實環境實行這個方法才是接下來的重頭戲,但這並不是一件容易的事,首先,只有少數幾種適合的植物可以進行基因轉殖,再來,種植基因轉殖作物需要申請大量的文件許可,並且,大面積種植可能需要花上好幾年的時間,而且野外實驗容易受到天氣因素影響,大規模的實驗可能會耗費昂貴的成本及時間,最可怕的是,仍然無法保證會有明確的結果。

後來研究團隊選用一種叫做「柳枝稷」(學名 Panicum virgatum )的植物進行基因轉殖,這是北美洲原生種、多年生的草本植物,接著團隊在紐約洲的一個軍事訓練場進行野外實驗。他們將 27 塊含有 RDX的土地分成三組不同的種植條件,分別為:沒有植物、未轉殖基因的柳枝稷、已轉殖基因的柳枝稷,三年之後,結果顯示,種植轉殖基因柳枝稷的土地流出的水有較低濃度的 RDX,此外,和未轉殖基因的柳枝稷相比,已進行基因轉殖的植物組織內幾乎沒有 RDX,代表這些植物正在吸收和代謝這種化學物質。

柳枝稷 Panicum virgatum 。圖/wikipedia

研究者表示,受較高污染的土地可能需要花幾年種植,但污染較少的地方可以恢復的比較快,與先前的方法相比,使用基因轉殖作物整治的方式經濟實惠許多。當然,在將這個方法運用在土地之前,需要先進行生物安全檢測,確認基因轉殖作物會如何影響當地的植物。最近,研究團隊試著將基因轉殖到另一種原產於美國許多地區的小麥草 Pascopyrum smithii ,希望未來這項技術能用於更多不同地區的受污染土地。

參考文獻

  • Cary, T. J., Rylott, E. L., Zhang, L., Routsong, R. M., Palazzo, A. J., Strand, S. E., & Bruce, N. C. (2021). Field trial demonstrating phytoremediation of the military explosive RDX by XplA/XplB-expressing switchgrass. Nature Biotechnology, 1-4.
  • Urbanski, T., Laverton, S., & Ornaf, W. (1964). Chemistry and technology of explosives (Vol. 1, p. 635). New York, NY: pergamon press.
  • 國家環境毒物研究中心
  • USEPA. (2014). Technical Fact Sheet–Hexahydro‐1, 3, 5‐trinitro‐1, 3, 5‐triazine (RDX).
  • 軍事爆炸物在土壤及底泥之宿命及生態毒理研究
  • 黃昱恆, 郭驊, 曾逸洲, & 林錕松. (2015). 利用表面改質奈米零價鐵還原降解高能火炸藥 TNT, RDX 及 HMX 污染地下水整治工程技術之研發及評估. 土壤及地下水污染整治, 2(4), 253-270.
  • Rylott, E. L. & Bruce, N. C. Right on target: using plants and microbes to remediate explosives. Int. J. Phytoremediation 21, 1051–1064 (2019).
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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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

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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隱藏在大氣裡的神祕訊息!用氣象衛星監測火山爆發產生的氣象波動與環境汙染
Ciao True_96
・2022/01/30 ・4193字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 作者/邱麒豪(國立中央大學大氣物理研究所博士候選人)、劉千義(中央研究院環境變遷研究中心副研究員)

咦!地球彼端的火山爆發和我們有什麼關係?

距離臺灣八千多公里的東加王國發生了前所未有的火山爆發,當太平洋周遭國家開始擔心海底火山噴發引起海嘯的同時,卻有更多不為人知的事情正悄然發生。到底火山噴發的同時除了引發海嘯還造成什麼樣影響呢?讓我們一同來瞭解!


看不見也摸不著的氣象波動——大氣重力波

大氣的重力波現象並不罕見,通常是垂直方向上的氣塊受到擾動,在浮力(作為恢復力)與重力的雙重影響下而在水平面上形成振盪式的波動。

常見的氣流流經山峰並在背風處產生圓盤狀的雲系(莢狀高積雲),以及晴朗穩定天氣下出現的波狀高積雲即為大氣重力波在自然這張畫布下最好的圖繪。而火山爆發,同樣有機會引起大氣重力波。

西元 2022 年 1 月 15 日,臺灣時間下午 12 時 20 分(事發當地時間下午 5 時 20 分)左右,位於西南太平洋島國——東加王國首都努瓜婁發(Nuku’alofa)北方65公里的洪加湯加-洪加哈派(Hunga Tonga-Hunga Ha’apai)海底火山大規模爆發,伴隨而來的地震與引起的海嘯引發世界的關注。

這場可能是 21 世紀以來最大規模的火山噴發,其一連串的後續效應不僅被地震儀及海象儀器記錄下來,當天下午 8 時左右,臺灣的氣象站也陸續觀測到海底火山噴發造成的氣壓變化,根據觀測資料顯示,這次的海底火山噴發事件在臺灣造成的氣壓變化量約 1 至 2 百帕(hPa),這大約是日常標準大氣壓力的千分之一至千分之二的變動(圖一)。

【圖一】中央氣象局 222 個自動氣象站氣壓擾動動畫。
圖/中央氣象局第二組;資料來源:中央氣象局

若將地面氣壓資料的解析度提高到每分鐘,並將中央氣象局109個局屬測站由東南向西北排列,繪製成臺灣高密度測站氣壓擾動的二維時間序列圖(圖二),火山噴發由東南向西北傳遞的能量作用於大氣中最先於臺灣東南方的蘭嶼測站測量到,時間上和最晚被觀測到的馬祖測站相差約 25 分鐘。其次,火山噴發造成的大氣波動除了氣壓變化最為劇烈的主波外,尚有前導波與數次的餘波產生。

【圖二】中央氣象局 109 個局屬測站氣壓擾動二維時間序列圖。
圖/黃椿喜博士;資料來源:中央氣象局

綜觀全球的大眼睛——從氣象衛星看見大氣重力波

從上圖可以觀察到,這些波動的週期約為 10 到 15 分鐘,不容易從 10 分鐘的觀測資料中發現。目前在西太平洋與東太平洋地區監測的地球同步衛星向日葵八號(Himawari-8)與 GOES-17,可分別提供 2.5 分鐘與 1 分鐘高解析度的衛星觀測,對於高頻的大氣波動將有比過往更好的解析能力。

不只是地面氣象觀測站,位於地球上空 3 萬 6 千公里的地球同步衛星同樣也捕捉到火山噴發的證據。日本氣象衛星 Himawari-8 觀測到火山噴發後產生的陣陣漣漪(圖三),以火山噴發口為中心產生的漣漪即為大氣的重力波現象。

【圖三】火山噴發造成雲頂高度變化的重力波振盪。
圖/邱麒豪;資料來源:Himawari-8

東加王國所在的區域不僅位於向日葵八號的觀測網內,也涵蓋在美國的地球同步衛星 GOES-17 監測之中。下圖(圖四)為 GOES-17 氣象衛星紅外線水氣頻道每 10 分鐘的亮度溫度差,藉由對流層中層的水氣頻道雲圖可以明顯看到火山爆發產生的內重力波由火山口為圓心向外傳遞。

【圖四】火山噴發造成的重力波振盪。
圖/CIMSS / UW-Madison;資料來源:GOES-17

火山噴發引起快速上升的氣流與火山灰造成的重力波現象在學理上是可行的,但在觀測上實屬少見,特別是海底火山能將大量的火山灰與氣體穿過海洋快速釋放至大氣中,並造成如此壯觀的大氣波動並不是件容易的事。

這場大氣波動產生的雲系高度深,範圍廣,觀測到的雲頂紅外線亮度溫度達 -105.18ºC 可能打破了自 20 世紀末有雲頂溫度的監測以降,最低溫的紀錄(圖五)。

【圖五】火山噴發產生的重力波雲,雲頂亮度溫度達 -105.18ºC。
圖/CIMSS / UW-Madison;資料來源:GOES-17

除了上述的兩顆地球同步衛星,搭載於美國國家航空暨太空總署(NASA)之 Aqua 衛星上的大氣紅外探空儀(Atmospheric Infrared Sounder,AIRS)也同時發現了此一現象(圖六)。德國尤利希超級運算中心的大氣科學家——霍夫曼博士(Dr. Lars Hoffmann)說:「AIRS 自 2002 年 5 月開始觀測以來,從未在過往的火山噴發個案中發現過類似的情況」,這也意味著這次的海底火山噴發事件是前所未有的劇烈。

【圖六】AIRS/Terra 觀測到數量極為龐大的同心圓狀重力波雲。
圖/Dr. Lars Hoffmann;資料來源:AIRS/Terra

英國牛津大學物理系大氣、海洋與行星物理組的氣候科學家 Scott Osprey 博士也表示:「這次噴發可能會干擾熱帶地區風向週期性的逆轉,長遠看來或許會造成歐洲地區天氣型態的改變,必須非常小心地關注它造成的變化」,可見整個地球系統都可能因為這次的火山爆發造成巨大的影響。

雲圖之外——衛星於汙染物探勘之應用

衛星不僅僅能夠監測雲層的移動與大氣中的水氣分佈,近年來較為廣泛的應用是使用衛星針對大氣中的汙染因子做大範圍的遙測。舉凡工業污染排放之氣溶膠、交通源排放之二氧化氮,以及生質燃燒產生之煙塵與黑碳微粒,均可藉由衛星的觀測進而推估汙染程度,並搭配氣象模式的模擬進行短期的預警。

下圖(圖七)為 NASA 的 Suomi-NPP 衛星觀測到的氣膠垂直剖面分佈與雲頂高度,可以清楚看到伴隨火山噴發的氣膠粒子衝破對流層進入平流層,高度可達 30 公里。這些氣膠粒子在平流層中不易沉降至地表,長期下來可能會對氣候造成重大影響。舉例而言,氣膠依照光學特性的不同可粗略分為散射能力較強與吸收能力較強的兩大群體,散射能力較強的氣膠進到平流層中將造成更多的太陽短波輻射被反射回外太空,進而降低地球平均溫度(氣膠直接效應);反之吸收能力好的氣膠則是會讓地球溫度上升。

【圖七】Suomi-NPP 探測到火山噴發的氣膠粒子可衝破對流層進入平流層。
圖/Dr. Ghassan Taha;資料來源:Suomi-NPP

而對流層中的氣膠對氣候的影響更為複雜,會進一步改變雲的微物理狀態,在特定條件下吸濕性高的氣膠容易成為雲的凝結核,若大氣中的水氣含量不變,這些新形成的雲凝結核有可能與大氣中既有的雲滴競爭原先的水氣,進而致使雲滴數目增加且雲滴平均的粒徑降低,進而散射截面積增加,反射更多太陽光而達到降溫的效果。但也因為雲滴粒徑變小後,變得不利於雲滴粒子間的碰撞合併過程而形成為雨滴,使得地表降水減少與雲的生命週期增加,此謂氣膠間接效應。

不管是氣膠的直接效應或是間接效應都非常複雜,會受到氣膠種類、氣膠數量、氣膠粒徑分佈、大氣條件等影響,也正因為充滿了各種不確定性,氣膠的氣候效應預測非常困難,目前還需要更多的觀測,特別是用大範圍的衛星觀測加以驗證與評估。

火山噴發除了氣膠粒子的污染以外,對環境造成的另一個衝擊是大量的氣體被釋放到大氣中。常見的火山氣體有:水氣(H2O)、二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、硫化氫(H2S)與氮氧化物(NOx)等。

以二氧化硫為例,評估大氣中微量氣體多寡的單位為杜布森(Dubson, DU),指的是一大氣壓的空氣柱中,該氣體分子累積起來的厚度(垂直積分)多寡。若將氣柱中的二氧化硫全部累積在一起相當於 10 微米厚,稱為 1 DU 的二氧化硫。SO2 氣候平均值約略低為 0.5 DU,歐洲氣象衛星開發組織(EUMETSAT)的 MetOP-B 與 MetOP-C 觀測到的峰值高達 50 DU 以上,高於氣候平均值 100 倍。(圖八)

【圖八】MetOP-B 與 MetOP-C 發現火山噴發的二氧化硫濃度超過氣候平均值 100 倍。
圖/Dr. Simon Carn;資料來源:MetOP-B & MetOP-C

氣象與環境衛星遙測之展望

近年隨著科技的發展與遙測技術的精進,氣象衛星能提供的不僅僅是精美的天氣雲圖,還有許多從雲圖看不出來的科學議題可加以探討。這些科學議題不單只存在於象牙塔內,更多且更重要的是生活上的應用。社會大眾關心的是:下午的聚會會不會下雨?明天空氣汙染有多糟?或是下禮拜一晚上會多冷?

衛星掩星觀測技術的發展(如:福衛三號、福衛七號、Sentinel-6 等)補足了廣大洋面探空資料的缺失以及人力施放的不足,蒐集偏折角資訊與折射率變化推估出的大氣垂直溫溼度剖面,藉由數值預報模式的資料同化系統改善天氣預報的誤差

汙染物濃度的監測也可以藉由衛星的觀測進行評估,不論是民眾在乎的近地表懸浮微粒濃度抑或是工業燃燒造成的空氣汙染,皆可藉由衛星的探測第一手掌握(如文章提到的 MetOP-B、MetOP-C 以及 Sentinel-5P)。

降雨來自天空中的雲,若能對雨的前驅物—雲有更深的瞭解,降雨的推估也能做得更準確。以我們所處的東亞地區而言,像是以 Himawari-8 觀測而開發的雲微物理科學資料,或是國際上整合多重衛星觀測的日本 GSMaP 、美國 NASA IMERG 等衛星推估的地面降水資料就是很好的例子

當然,科學的發展並不是單純為民生服務,但在發展科學的同時能兼顧民眾的福祉相信也是社會大眾所樂見的。

延伸閱讀

  1. Liu, C.-Y., C.-H. Chiu, P.-H. Lin, and M. Min (2020), Comparison of Cloud‐Top Property Retrievals from Advanced Himawari Imager, MODIS, CloudSat/CPR, CALIPSO/CALIOP, and radiosonde, J. Geophys. Res., Vol 125.
  2. Lin, C.-A., Y.-C. Chen, C.-Y. Liu, W.-T. Chen, J. H. Seinfeld, C.-K. Chou (2019), Satellite-Derived Correlation of SO2, NO2, and Aerosol Optical Depth with Meteorological Conditions over East Asia from 2005 to 2015. Remote Sens., Vol 11, 1738.
  3. Explosive eruption of the Hunga Tonga volcano” in CIMSS Satellite Blog.
  4. Tonga volcano eruption created puzzling ripples in Earth’s atmosphere” in nature’s news article.
  5. 中央氣象局預報中心副主任黃椿喜博士臉書
  6. 報天氣-中央氣象局」臉書粉絲專頁
Ciao True_96
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主修大氣科學,參加天文社。 年輕的外表下住著古老的靈魂,喜歡看老電影,也喜歡拿著底片相機記錄生活中的點點滴滴。 是個科學工作者但對藝術、音樂、歷史與文化也稍有涉略,畢竟「什麼都略懂一點,生活就多采一些!」

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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

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

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