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生態方舟出發!起航探索中研院標本館與國家生技研究園區

研之有物│中央研究院_96
・2022/05/27 ・7195字 ・閱讀時間約 14 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/田偲妤
  • 美術設計/蔡宛潔

出發!拜訪中研院的自然生物朋友

漫步在中央研究院與鄰近的國家生技研究園區,走著走著瞬間被大自然環繞,只見臺灣藍鵲在樹林間飛翔、紅冠水雞在生態池築巢。蜿蜒而下的四分溪中,臺灣馬口魚、粗首馬口鱲、高體鰟鮍等原生魚種悠游其中。

然而,在這片生機盎然的景象之外,尚有許多生物正待發掘與研究,甚至瀕臨絕種亟需種原保育。為此,院內特別設置生物多樣性研究博物館,典藏上萬件珍貴的動、植物標本。國家生技園區也採取多項生態保育措施,造就多樣的淺山森林生態系。

現在跟著研之有物搭上生態方舟,出發拜訪院內的自然生物朋友吧!

腳底有肥!一起栽進植物學家的秘密基地

植物標本館劉翠雅經理介紹坪林秋海棠臘葉標本,此為臺灣特有種,僅分布於新北市坪林區。圖/研之有物

你是熱愛植物的「植青」嗎?近年的觀葉植物熱潮讓不少人一頭栽進植物的世界,其中種類眾多、花葉繽紛的秋海棠更是坐擁一票粉絲!中研院內就有一處會讓秋海棠迷陷入瘋狂的秘密基地。

喜歡涼爽濕潤、略為遮蔽且透氣良好環境的秋海棠,非常適合生長在臺灣的低海拔山林。目前臺灣有記錄的秋海棠屬植物共有 18 種,其中 14 種為特有種,物種特有率高達 75% 以上,當中共有 9 種是由中研院彭鏡毅研究團隊發表。已退休的彭鏡毅研究員個人更發表了 105 種秋海棠新種,是國際著名的亞洲秋海棠專家。中研院生物多樣性研究博物館植物標本館,因此蒐藏許多質量兼具的秋海棠標本。

彭鏡毅研究團隊採集溪頭秋海棠。圖/生物多樣性研究博物館植物標本館

每一件臘葉標本都是植物學家翻山越嶺、從大自然中採集到的瑰寶。完整採集的植物需包含根、莖、葉、花、果等部位,新鮮的植物先擺放好展示特徵的姿態,夾在報紙內定形,再用採集夾壓製束緊,並經歷烘乾、冷凍除蟲等前置作業。接著還要查閱植物誌、比對相似標本來鑑定植物種類,並將詳細的採集資訊輸入資料庫。

國內外植物學家使用的標本採集製作工具,由上而下依序為瓦楞紙板、木製採集夾、藤編採集夾。圖/研之有物

處理好的標本需裝訂在「台紙」上,這是一種用棉花纖維製作的特殊用紙,不含酸性且相當堅韌,可維護標本品質與保存壽命。一份標準的臘葉標本通常包含:植物材料、標本標籤、館號、碎片袋。「標本標籤」見證了植物學家們跨時空的資訊更新。我們可從原始標籤上得知最初的採集者、採集時間、植物生長環境等基本資訊。如未來有新的研究成果出爐,其他植物學家可以依序加貼訂正標籤,更新研究資訊、重新為標本定名。

南臺灣秋海棠臘葉標本。圖/研之有物(來源|生物多樣性研究博物館植物標本館)

此外,黏貼於台紙一角的「碎片袋」則是一個神祕的小空間。打開緊密包裹的封套,製作標本時掉落的花朵、果實、葉片與枝條重見天日,這些植物碎片可提供研究者進行更仔細的觀察、鑑定與分類判定,或做為分子生物實驗的材料。

打開碎片袋,製作標本時掉落的花朵、果實、葉片與枝條重見天日,當中還藏有謎樣的記錄紙片。圖/研之有物

走進植物標本館,一排排巨大的典藏櫃收藏約 14 萬 5 千多件標本,全數依循 APG IV (被子植物親緣樹狀圖)分類系統歸檔。打開標本櫃,一股植物特有的青草香撲鼻而來,每一夾收藏臘葉標本的種套依照採集地點以不同顏色標示。當中包含許多珍貴典藏,例如作為新種發表憑證的模式標本、與英國愛丁堡皇家植物園交換來的百年標本,以及高雄醫學大學捐贈的日治時期島田彌市採集標本。

與英國愛丁堡皇家植物園交換的杜鵑花標本,由著名植物獵人 George Forrest 於 1918 年採集自中國西南部地區。圖/研之有物

翻開一份特別以電子防潮櫃存放的正模式標本,這是彭鏡毅研究員於 1988 年發表的第一個新種秋海棠——岩生秋海棠,採集自嘉義縣竹崎鄉海拔約 500 公尺處的潮濕岩石山坡。岩生秋海棠是臺灣特有種,其特色是細長的走莖及球莖,植株於冬季(旱季)凋萎後,地底富含養分的球莖會進入休眠狀態,等待隔年春季(雨季)復生。

岩生秋海棠正模式標本。圖/生物多樣性研究博物館植物標本館

由於岩生秋海棠喜歡的岩壁棲地多被改建為水泥牆,再加上外來種小花蔓澤蘭的入侵,讓其面臨生存危機,因此植物學家除了保存臘葉標本,也會將活體帶回溫室繁殖。目前中研院的溫室種植了從全球採集與交換、超過 600 種秋海棠,肩負起種原保育工作,也可進行微構造觀察、染色體細胞學、族群遺傳和化學天然物等多元研究。

中研院溫室種植超過 600 種秋海棠。圖/生物多樣性研究博物館植物標本館

彭鏡毅研究員最常掛在嘴邊的一句話:

腳底有肥(ka-de-wu-bui)

意在勉勵研究人員常在野外、標本館與溫室之間,多多走動、細心觀察、與植物培養感情。這對照顧植物來說是最佳的養分,也彰顯植物學家勤於探索大自然、發掘未知物種的冒險精神!

生物方舟啟航!動物標本館延續物種新生命

動物乾製標本典藏室,薛孟旻經理正在介紹大冠鷲標本。圖/研之有物

走進典藏室,放眼所見,架子上擺滿一罐罐魚類、無脊椎動物標本。拉開櫃子,出現一件件製成棍棒狀的研究用鳥類皮毛標本,還有許多栩栩如生的生態標本。

這裡是中研院生物多樣性研究博物館動物標本館,主要典藏研究人員為了研究而蒐集的憑證標本,包括魚類、鳥類、珊瑚、多毛類、軟體動物、昆蟲、甲殼類、棘皮動物等,也與臺北鳥會等救傷單位合作,將救治失敗的死亡個體製成標本。其中魚類標本近 4 萬件,包含本土魚類 2 千餘種,是國內最完整的魚類標本典藏庫。

魚類標本典藏庫,黃世彬博士正在介紹大尾虎鯊標本。圖/研之有物

魚類標本的製作依據其用途而不同,最常見的是「浸液標本」,製作方法是先用福馬林固定,讓肌肉不再被微生物消化,也可保有柔軟度,最後浸泡於 75% 酒精內長期保存。之後須定期更換酒精,去除標本滲出的色素與油脂,以維護其最佳狀態。

另一種常見的是「透明染色標本」,其做法是先使用染劑為骨骼染上顏色,硬骨會呈現紅色、軟骨則呈現藍色。隨後再使用酵素將表皮和肌肉組織消化、使之呈現透明狀,最後保存在甘油之中,這樣就能觀察魚類的骨骼形態。

透明染色標本,左為海馬、右為深海魚類線鰻。圖/研之有物

為了教育展示或典藏空間考量,像花斑擬鱗魨(小丑砲彈)等長有硬皮的鱗魨科魚類,剝下的外皮可製成「乾燥標本」,外觀再塗上牠原本的顏色,可供教學展示使用。體型較大的魚有時只會保存其部分身體,例如大型的鯊魚,常見以「骨骼標本」的型式來保存其別具特色的口部,可以觀察到鯊魚具有多排、脫落後可不斷替補的牙齒。

大青鯊的口部骨骼標本。左下嘴角保有魚鉤,用於宣導鯊魚濫捕所造成的生態危機課題。圖/研之有物

典藏庫內還藏有已在臺灣滅絕的珍稀魚類標本,管理魚類標本的黃世彬博士,拿出「中華棘鰍」的浸液標本。早年廣泛分布在臺灣西部低海拔河川的中華棘鰍,因水質污染、棲地破壞等人為因素而絕跡於臺灣這塊土地上。今日典藏在中研院的中華棘鰍標本,是在 1964 年採集,也是國內最後一筆正式的採集紀錄,極為珍貴!

中研院保存之中華棘鰍標本,是國內已知最後一筆採集紀錄。圖/研之有物

為了保存這些珍稀動物的遺傳物質,供研究人員進行物種鑑定、新種發表、基因體或分子演化研究。標本館收集了各類群野生動物的組織樣本,儲存在溫度介於 -160℃ 至 -196℃ 的大型液態氮儲存槽。看似普通的銀色圓筒卻是攸關物種存續的「冷凍方舟」,目前已儲藏多達 4 千種、1 萬 5 千多件的野生動物遺傳組織樣本。這也是全國最大的野生動物冷凍遺傳物質典藏庫,是極為珍貴的研究資產。

當收集到一件標本,會取一塊肌肉組織保存在儲存管、編列標本號,統一收集在液態氮儲存槽內。這類遺傳組織樣本會保存兩份,一份留在中研院,另一份是複份樣本,送往農委會畜產試驗所種原中心做異地備份。圖/研之有物

標本館除了典藏研究用的模式標本與憑證標本,許多標本背後還藏有一段故事。

走進動物乾製標本典藏室,映入眼簾的是多隻巨大的信天翁標本。漂泊信天翁分布於南太平洋中高緯度海域,憑藉 3 米的巨大翼展動態翱翔,可以耗費很低的能量長距離飛行。信天翁以魷魚、小魚為食,經常跟隨漁船撿拾魚餌、魚雜,因此常誤食魚餌,成為遠洋漁業延繩釣漁法的犧牲品。這些標本由南太平洋進行鮪延繩釣作業的船隻所攜回,由博物館同仁及志工製成標本,用以宣導混獲造成海鳥族群下滑的保育議題,推廣「臺灣鮪延繩釣漁業減少意外捕獲海鳥國家行動計畫」。

漂泊信天翁標本。製作標本時,剝下的毛皮經過浸泡鞣皮劑,讓蛋白質變性,不易遭受蟲蛀。另用硬泡棉製作假體,並在假體與四肢穿入鐵線,形塑出飛行的姿勢。圖/生物多樣性研究中心行政室

此處還藏有許多在中研院拾獲的鳥類標本,管理乾製標本室的薛孟旻經理指著一隻臺灣藍鵲標本,談起當初收治到製成標本的過程。現在很多建築外觀是玻璃帷幕,鳥類常將玻璃反射誤判成森林而撞上,或是在飛行途中被車子撞傷。眼前這隻臺灣藍鵲被發現時翅膀嚴重開放性骨折,救治失敗後最終製成標本,透過研究和展示延續其生命價值。

臺灣藍鵲標本。圖/生物多樣性研究博物館動物標本館

鳥類的羽毛如同其第二生命,對於研究人員來說也是珍貴的研究資料。從羽毛卡可以觀察頭頂、胸部、翼下覆羽、尾部覆羽等不同部位的羽毛細節。當飛機發生鳥擊事件,難以判斷事故物種時,飛安基金會人員便會帶著羽毛殘骸來比對羽毛卡,正確判斷鳥種有助於制定避免鳥擊事件的措施。

各種鳥類除了羽毛顏色、花紋不同,結構、質感也大不同,例如短耳鴞、領角鴞、黃嘴角鴞等夜行性貓頭鷹,有著如貓毛般細緻柔軟的羽毛,以及飛羽前緣的梳狀構造,讓他們得以在暗夜潛行,無聲無息接近獵物。

羽毛卡,保留鳥類各部位羽毛,用於比對及分類。圖/研之有物

動物的世界還有許多未知等待我們探索,同時,自然棲地的破壞也導致許多生物瀕臨絕種。動物標本館如同一艘生物方舟,持續蒐集各種野生動物標本,肩負起物種紀錄、基因保存、環境教育等重要工作!

【生物多樣性研究博物館——動、植物標本館】

  • 開館時間:週一至週五 9:00-12:00、13:30-16:30,採預約參觀
  • 預約方式:主要開放國內外研究人員使用,不對一般民眾開放。學校單位進行預約,需以正式公文申請參觀。每年中研院「院區開放參觀活動」原則上開放一般民眾參觀。
  • 更多資訊:官方網站

一秒走進大自然!拜訪國家生技研究園區的生物朋友

圖/研之有物

在都市水泥叢林待久了,真想暫時拋下工作、課業,一秒走進大自然。這樣人類與自然共存的願望,就在國家生技研究園區實現了!

位於四分溪沿岸的國家生技研究園區,現址原為 202 兵工廠火工部,在軍方長期的管制下,保有豐富的動、植物生態,人工開鑿的滯洪池可追溯至 18、19 世紀,為發展農耕而開闢的三重埔埤,如今成為眾多淺山與濕地生物的棲息地。

佔地廣達 25.31 公頃的園區,實際建築面積只有 3.2 公頃,其餘土地留給生態環境,更特別施行多項保育措施,讓臺灣原生物種得以安心生長。園區內的「環境教育中心」便記錄了多年來的復育成果,你可以透過互動壁畫、四維空間劇場、模擬溪流與濕地生態的水族缸,以及藏有各種動物的淺山生態系模型,了解園區多樣的生態、南港在地發展史,以及保護自然環境的方法。現在就跟著我們走進大自然,看看園區住了哪些生物、做了哪些努力吧!

模擬四分溪水域的濕地生態牆。2011 年四分溪沿岸的九如社區主動申請,成為臺北市第一條封溪護魚的溪流,如今可見臺灣馬口魚、粗首馬口鱲、日本絨螯蟹等原生物種。圖/研之有物
淺山森林觀察家展區。「淺山」意指人類在生活中可輕易到達的低海拔山域,當中住著穿山甲、麝香貓、領角鴞、大赤鼯鼠、鳳頭蒼鷹等野生動物。圖/研之有物

園區內有兩處重要的水域,為環境的永續發展注入活水,一處是像臍帶般蜿蜒而下的四分溪;另一處是像心臟般、位於園區中心的生態滯洪池。為了重現古三重埔埤的昔日風光,生態滯洪池特別擴大濕地空間,仿自然地貌設計泥岸、灘地、草澤、陸島等多元棲地。

走近一看,滯洪池邊緣的落差處怎麼垂掛著一條繩子?原來這是協助「日本絨螯蟹」溯溪返家的貼心小物。日本絨螯蟹(俗稱毛蟹)會在秋冬順流而下至半淡鹹水區的河口產卵。翌年春天,長大的年輕毛蟹會逆流而上,回到溪流水域生活。滯洪池邊垂掛的繩子可供毛蟹攀爬,不讓人工地形阻礙返家之旅。

日本絨螯蟹。圖/王星文

此外,這片水域還住著一對超級好麻吉——高體鰟鮍、圓蚌。高體鰟鮍的雄魚會先占據圓蚌以吸引雌魚,雌魚會將產卵管伸入圓蚌的鰓瓣產卵,雄魚隨後排入精子。圓蚌會扮演稱職的保母,保護受精卵直到幼魚孵化。同時,圓蚌也會讓自家小孩鉤介幼蟲,附著在高體鰟鮍的魚體上,等到變態成幼蚌後,才會從魚體脫落,沉降到水底繼續生長。

圖/研之有物(來源|國家生技研究園區環境教育中心)

在國家實驗動物中心的外圍,有幾棵長相特別的樹,最中間的樹幹已被榕樹纏繞、瀕臨枯死,上頭還有一個個小洞,造成如此奇觀的主角就是「五色鳥」(又名臺灣擬啄木)。每年春夏交接之際,進入繁殖期的五色鳥會開始建造愛的小窩,牠們會選擇質地較脆弱的樹木,啄樹洞築巢。而榕樹之所以會纏繞在別棵樹上,很可能是五色鳥吃了榕樹果實後,種子隨著糞便掉落在樹周遭,因而形成樹木交纏的奇景,也為五色鳥營造合適的繁殖環境。

五色鳥。圖/Pixabay

回到環境教育中心前方的草叢,隱身其中的蛙類正在開演唱會,鳴叫聲震撼地表的每個角落。之所以吸引大量蛙類棲息,要歸功於「生態草溝」的設置。不同於只重排水的水泥溝,生態草溝的底部是天然的泥土地,兼具排水、保水、綠化及營造生物棲地等功能。走進這片生機盎然的綠地,緊鄰池畔種植了一排特殊的樹種「羅氏鹽膚木」,其果實含有的乳脂狀物質帶有鹹味,原住民族常用來替代食鹽調味,也會用其木材製作耳環或其他器具。

生態草溝。圖/研之有物
羅氏鹽膚木。圖/王星文

生態草溝所營造的自然棲地一路延伸到「樹木銀行」,與園區周遭的淺山森林接壤,建構出食物鏈穩定發展的生態系。園區興建時盡量不傷害原棲地的動、植物,但不免因建設需要,必須移動一些樹木和表土,於是特別設置樹木銀行,作為樹木的新家。移植時須選擇合適的季節,靜置約 6 個月讓根系有足夠的修復時間,才能種植到新的土地。

此外,因工程而挖除的表土也不能丟棄,裡頭富含營養的有機質、多樣的原生植物種子,可以鋪設在原生林帶和人工濕地復育區,期待種子發芽、造就永續長存的生態系。

生態滯洪池。圖/研之有物

從百年前埤塘梯田綿延的農村聚落,到 20 世紀工業興起遺留的黑鄉印象。今日的南港已摘掉黑鄉帽子,試圖在科技發展與生態保育之間取得平衡。

【國家生技研究園區環境教育中心】

 

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook


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「科學家也需要 Art!」持續破解果蠅大腦神經迴路的李奇鴻

研之有物│中央研究院_96
・2022/04/11 ・6084字 ・閱讀時間約 12 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/歐宇甜、黃曉君、簡克志
  • 美術設計/林洵安、蔡宛潔

神經科學與視覺

我們怎麼「看到」顏色,「察覺」東西在動?大腦如何產生視覺?中央研究院「研之有物」專訪院內細胞與個體生物學研究所所長李奇鴻,他是國際知名的神經科學家,過去長期在美國國家衛生院(National Institutes of Health)做研究,2018 年回到中研院貢獻自己所學。李奇鴻的實驗室主要是以果蠅視覺系統為模型,研究神經元如何在發育過程形成複雜的突觸連結,以及神經迴路如何產生視覺來引導動物行為。

李奇鴻是國際知名的神經科學家,研究神經迴路如何產生視覺來引導動物行為。圖/研之有物

技術帶動神經科學研究

神經系統如何運作?這對以前的科學家來說是黑盒子。由於大腦發生錯誤或出問題時,會直接表現在外在行為上,早期科學家想了解人腦運作機制,只能透過腦部哪裡受傷壞掉或中風等,知道腦部的大概功能區域,但沒辦法進入細胞層次。

「在生物學的發展上,除了需要有智慧的思考,其他都要靠技術去推動。你可能想到一個有趣的題目,但也許要 30 年後,才出現足夠的技術來解決問題。」李奇鴻舉例,從光學顯微鏡、電子顯微鏡、電生理技術、分子生物學到結構生物學發展,每個都在細胞、分子、及系統層次開啟了新的世界。

隨著顯微技術與遺傳工程日益完備,果蠅成為現今熱門的腦科學研究對象。李奇鴻指出,「果蠅的生長速度快,相較老鼠要幾個月成熟,果蠅只要兩週。果蠅的大腦複雜程度介於人和單細胞生物中間,結構跟人高度相似,成果可應用在人身上。」

因此,近 10 幾年來是神經科學大起飛時代,科學家透過遺傳學方法控制果蠅的神經元活性、觀察行為,藉此了解哪些基因會影響大腦發育和運作,逐漸破解神經迴路的奧祕。

「我在選博士後研究時,想到底要做線蟲、老鼠、魚、果蠅或其他模式生物?最後才選果蠅。回想起來,近年剛好碰到果蠅相關技術蓬勃發展,選果蠅是很正確的決定!」李奇鴻笑道。

李奇鴻引用知名神經科學家 David Marr 的三層假說(tri‐level hypothesis),認為大腦運作有三個層次:

  1. Computation level(運算):神經系統在做的事,如分辨顏色、觀察東西移動、辨認物體是圓是方、是蘋果或橘子等。
  2. Algorithm level(程序):神經系統的操作方式、程序怎麼做。 
  3. Implementation level(實行):神經系統如何透過神經元、神經網路來達成這個程序。

李奇鴻表示,「過去多數神經科學家都在討論 computation,再探究 algorithm,卻沒辦法解決 implementation 。現在因為具備技術,科學家終於能找出 implementation,再回推上層問題,甚至發現 algorithm 跟原本想的不一樣。」

視網膜感知系統怎麼運算?

關於神經系統的操作方式(Algorithm level),也有因為技術進步而解決爭議的案例。李奇鴻舉例,以前神經科學家在研究視覺系統感受物體運動的機制,曾出現幾種理論,HR 理論認為神經訊號是用乘法,另一派 BL 理論認為是用減法,爭議了很久。

近年科學家發現,原來視網膜感知系統的運算機制是混合的,一共三種,稱為 HR-BL 混合視覺運動偵測器。過去兩派都只對了一半。

關於視網膜感知系統的運算機制,過去 HR 理論和 BL 理論都只猜對其中一種方向(打勾處)。資料來源/Current Biology

Hassenstein-Reichardt(HR)模型:從昆蟲行為研究而來。

  1. 當有偏好方向(從左到右)的視覺刺激出現,左邊的光感應神經元收到訊號,這個信號會被延遲(時間 τ),接著右邊的光感應神經元收到訊號,兩者的訊號會同時到達下游的神經細胞(X),訊號將會相乘,生成運動訊號。
  2. 當有非偏好方向(從右到左)視覺刺激出現,兩個訊號會在不同的時間到達,不會生成運動訊號。

Barlow-Levick(BL)模型:從兔子電生理研究而來。

  1. 當有偏好方向(從左到右)的視覺刺激出現,左邊的光感應神經元收到訊號,接著右邊的光感應神經元收到訊號,但它為抑制訊號且會被延遲(時間 τ),左邊的訊號會先到達下游的神經細胞,生成運動訊號。
  2. 當非偏好方向(從右到左)視覺刺激出現,左、右兩個光感應神經元的訊號會在相同時間到達,刺激訊號和抑制訊號互相抵銷,不會生成運動訊號。

持續分析果蠅大腦的神經迴路!

近代電腦的所有運算都能用 and、or、Xor 三個邏輯閘表達,科學家想知道,大腦裡有沒有類似但更高階的神經迴路運作方式?「從感官到行為比較容易觀察和操作,目前在視覺運動方面的神經迴路運作,我們知道的最多。」

李奇鴻近年在做昆蟲視覺與行為研究,發現昆蟲在感受顏色,如綠光和紫外光時,感光細胞的處理方式是先將紫外光跟綠光的強度做比較,把兩個光的強度相減,讓原本兩個訊號變成一個訊號,所謂的「顏色拮抗」。

「這種神經迴路能解析、比較兩個顏色強度的差異性,因為大部分在視覺上最重要的正是對比。拮抗運算模組能在一片訊號裡找出哪裡最強、其他較弱。其他感官機制也一樣,像觸摸物品時有凸出來的部分較重要,聽覺上要找出哪個聲音特別高等,讓最重要的訊號能凸顯出來。」李奇鴻補充道。

2021 年李奇鴻的團隊首次發現果蠅視覺系統堆疊了多套拮抗運算模組,以達成顏色及空間接受域雙拮抗的效果,成果發表在《Current Biology》。這樣的神經迴路可以比較相鄰的顏色,產生色彩區間對比感。「沒這樣的功能,我們就看不出紅配綠很悲劇了!」李奇鴻笑道。

科學家們正努力鑽研果蠅大腦的神經運算迴路,希望逐步整理出基本運算模組。或許有一天,看似複雜的大腦功能,都可能用基礎的迴路來破解!

李奇鴻實驗室所發現的顏色及空間接受域雙拮抗神經迴路。R1-R6 是吸收頻率範圍較廣的光接收器(輸出刺激訊號),R7 是吸收紫外光的光接收器(輸出抑制訊號),R8 是吸收綠光或藍光的光接收器(輸出刺激訊號)。從 R1-R8 接收光,輸出到神經細胞 Dm8 之後,會形成顏色拮抗效果。此外,相鄰的 Dm8 之間透過特殊的氯離子通道 GluClα 中介,會產生側向抑制作用(Lateral inhibition),形成空間拮抗效果。資料來源/Current Biology

老師是怎麼走上研究大腦神經科學這條路呢?

「我滿晚才走上科學研究的道路。我對電腦有興趣、喜歡寫程式,大學上中國醫藥學院醫學系,家裡也希望我當醫生。不過在實習時,我發現自己對治療病人沒興趣,反而對問題或疾病本身更有興趣。跟幾個老師談過之後,我決定不當醫生,跑去清華大學讀生命科學,後來就到中研院。」

因為有醫學背景,一開始比較想做能立刻解決問題的研究,像是用蛋白質跟毒素的綜合體來治療癌症。但後來了解,如果沒有深刻了解致病機制、沒有鑽進基礎科學研究,很難有突破。

後來去美國洛克斐勒大學攻讀博士,在洛克斐勒讀書期間,大家常互相交流,對我有很大的啟發。那時我在鑽研結構生物學,希望了解疾病真正的生理過程,曾解開愛滋病病毒跟人體信號傳遞有關的蛋白質結構。

博士畢業前,我接觸到神經科學,感到很有興趣,就去加州大學洛杉磯分校(UCLA)讀博士後,學神經科學裡的發育學,想了解大腦在發育過程是如何用不同分子在細胞間傳遞訊息。那時我待在很大的實驗室,老師不太管學生,要自己想辦法或跟旁邊的人學習,很多人素質都很高,學習環境很好。

之後我進入美國國家衛生院(National Institutes of Health,NIH)開始開實驗室帶自己的團隊,待了 16 年,算是真正進入神經科學領域,直到現在依然在做相關研究。

每個人的人生選擇,都被以前的經歷主導,如果沒有醫學背景,恐怕我不會去學結構生物學或走入大腦神經科學領域。

老師在美國的研究很順利,那是什麼契機才決定回臺灣呢?回來後是否有不適應之處呢?

「我 26 歲出國,在美國也待 26 年,幾乎完全融入美國生活,實驗室運作得蠻好,連太太也是美國人。但在美國很多年後,內心出現一個很深感覺:我在臺灣待過這麼久,臺灣是我進入科學的起點,也許該回來教教臺灣的子弟。」

剛開始有些想法,曾受邀回臺演講幾次,但沒有下決心。後來出現一個重要轉捩點。中研院分子生物研究所 30 週年慶時邀我回來演講,那時有機會跟歷任所長聊天,這些所長中許多是我過去在中研院碰過的老師。聊了後感觸很深,發現每任所長都要面對分生所的成長或各種問題,每個所長都有獨到的見解和重要貢獻。

我看到分生所運作得很好,覺得非常感動, 內心想:也許我回來能效法他們,也許對中研院細胞與個體生物學研究所的發展能有一點點實質貢獻。

雖然如果待在美國國家衛生院,我也會有這樣一個機會,但還是想帶自己的子弟,把力氣用在自家子弟身上,讓自己的國家和組織進步。我想將在美國國家衛生院學到的經驗,像哪些組織可以運作、哪些不行,嘗試帶回臺灣。

我很清楚可能碰到的問題,像科學研究會受影響,要重新花幾年時間建立實驗室,但那次契機讓我徹底下定信心。我曾跟廖俊智院長開玩笑,就算不給我錢,我大概也會回來。因為真的覺得這是一個很好的機會,自己能為中研院、為臺灣做些事。畢竟中研院也一直都像我的家!

不過,畢竟過去在美國實驗室和家裡都是講英文,只有打電話給媽媽會說臺灣話,因此, 2018 年剛回臺灣時,國語講得不太流利,臺灣話反而比較流利。

老師覺得美國的研究環境有哪些優點?希望將什麼樣的新觀念、新風氣帶進臺灣呢?

「國外最大特點是學術交流很頻繁,雖然國內也蠻頻繁,但他們交流層次更深入。也就是說,我跟參與的老師交流之後,常能改變想法、做事方法或方向,且是正向的改變。」

國外老師受邀演講,會很積極在幾小時內一直談,在一天中完全沉浸其中,不單講出自己在做的東西,也要求聽眾給予批評或建議等,彼此有深度交流,我每次參加都覺得收穫很多並產生合作可能性。

國內我的經驗是,演講結束後比較缺乏機會跟其他老師深度溝通,領完演講費就屁股拍拍坐高鐵回來。這可能是國內的慣有模式,我覺得需要改變。現在所內我也要求大家,既然花錢請老師來,一定要做深度交流,請對方給予建議。

重要的不是形式或邀到諾貝爾獎得主之類,而是在演講結束後、這個人走出我的辦公室、這些人離開後,對我做的事或做事方法,是不是有什麼實質的改變?在其他科學家交談中是否能得到啟發,改變自己的思考或做實驗方式?或聽聽別人告訴你,你還有哪些沒想到的地方?

分享,也是一種很重要的技術,在交流過程中,當我們可以把一件事講清楚,自己也會茅塞頓開,知道問題在哪。

現在所裡的計畫是把老師分成各種不同興趣小組,組內做交流或有跨組活動。其餘像寫計劃、申請經費、經營實驗室或撰寫並發表文章,這些是基本技術問題。

做任何工作,一個是基本的核心技術,如果沒有「技」就無法生存;另一個是 「藝」(Art) , 可以驅動你一直做下去。訓練人才時,除了培養技術,還要訓練 Art。

老師提到工作上需要 Art,科學家的 Art 是指哪些部分?可以說明得更詳細嗎?

「我想在科學裡面,Art 有很多面向。例如,你怎麼選擇一個問題,怎麼找切入點,如何把一個大問題拆成幾個可攻破的部分,一步步去解開,這是一種 Art。尤其在選擇問題和切入點上,要有獨特的見解或洞燭先機才能成功。」

科學家必須創造有用的知識。什麼叫有用的知識呢?就是聽到學到後,會改變你想事情的方向或做事的方法。很多東西都可以研究,只要科學方法夠嚴謹,都可以得到一些知識。但到底要選擇什麼題目呢?什麼叫做有趣的問題呢?評斷這些就是科學的 Art 。

如果說在人類前面是一個黑暗深淵,知識像光照亮我們前面的路,科學家就像站在最前面,要知道如何踏出那一步?怎麼踏出去?這是 Art。

當科學家看到一個問題、問題成形後,最重要的關鍵是如何選擇一個核心問題去解決。就像玩拼圖時,要放下去最核心、最重要的那塊拼圖。

我回到臺灣後,覺得這裡的研究環境很好,儀器不輸人家,老師很優秀。但可能我們多半只是關注自己的研究,沒有花時間認真去思考,最重要的一塊拼圖在哪裡?當我們有更深度的交流,才能找到最核心的那一塊,做出最重要的貢獻。

李奇鴻說,科學家必須創造有用的知識,也就是會改變做事和想事情方法的知識。至於要選擇創造什麼知識,需要用 Art 來判斷。圖/研之有物

老師在國外的實驗室時是如何帶領研究團隊呢?對年輕的科學家有什麼樣的期待嗎?

「在碩士、博士訓練中最重要的關鍵,是從「讀」科學變成真正「做」科學。我們攤開一本教科書,看到裡面講這個、那個,只是讀人家的科學。即使去念了原始文章,仍然是看著科學怎麼被別人做出來而已。」

自己真正做研究才知道,教科書上每一頁、每一句,背後都可能有數千篇文章支持,那時才知道自己很渺小,懂得謙虛,了解自己一生能做的有限。

所以,每次要跨出一小步,要想該怎麼跨最有效率、得到最大效果。我認為,在碩士班或博士班,最重要的就是了解這種感覺。

有些學生可能覺得,反正我很渺小,世界這麼大,即使做一輩子,即使最成功的科學家,也不過是得到教科書上面的一句話而已,我怎麼做都沒關係啊。 但我們必須帶領學生了解,這個計畫不是老師叫你做才做,而是讓學生覺得這個計畫是自己的,有前進和發展的空間,就像自己的小孩,必須負責。

以前在碩、博士班,剛開始學會技術、實驗做出結果,或能像人家一樣發表文章,會很高興,但這很短暫,真正的轉捩點是我知道有什麼事,是全世界任何人都不知道的那種驕傲,才是真的能支持很久的。我還記得在某一天做到早上五點,從實驗室走出來,知道有個東西全世界只有我知道的喜悅!

當學生曾感受這種發現真實的快樂,你不用規定他早上幾點來、晚上幾點走,他自己就有動機做。

當一個人想這東西應該是怎樣,想辦法做實驗證明出來時,那真的是一種快樂。我想,這是任何其他行業都沒辦法比較的!

學生是要培養成未來的科學家、獨當一面,應該讓他自己走。即使在你看得到的地方,也要讓他自己走出來,而且,他自己想到的,比你告訴他來的有用。

其實,我當老師最興奮時,是學生告訴我那些我不知道的事,會覺得很喜悅,學生想到我沒想到的東西,表示他們有進步,比我還厲害,這很棒!

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研之有物│中央研究院_96
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