響尾蛇大戰機器松鼠

國小高年級科普文，素養閱讀就從今天就開始!!

「可有任何事物能令你恐懼？」「有，孤獨地死去。因此，我帶你同行。」－電影《比得兔》（2018）。^[1]拉別人陪葬的概念，雖然不太道德，但確實使人安心。然而，「兄弟爬山，各自努力」，人生總有非得獨立克服的重大挑戰。在缺乏救援的情況下，僅知他人也正經歷相同的苦難，對當事者又會有何影響？

實驗小鼠接受挑戰

日本研究團隊買了一票10週大的雄性實驗小鼠（C57BL/6 N），來接受行為測試。^[備註]為避免不同生理性別的反應差異，可能影響比較結果，雌性被排除在外。小鼠們4到5隻住一籠，裏頭吃喝無限供應，室溫維持在攝氏23到26度之間，照明每天開關各12小時循環。^[2]總之，小鼠養尊處優，就等著任人宰割。

實驗項目：懸尾測試、強迫游泳測試

懸尾測試（tail suspension test）：小鼠尾巴末端，被用膠帶固定，整隻吊離地面60公分。^[2]

_{左圖／參考資料 2}

強迫游泳測試（Porsolt forced swim test）：在透明圓柱容器中，注入23 °C的水，直到水深達7.5公分，再將小鼠放置其中。^[2]

_{右圖／參考資料 2}

這二項行為測試，又分別以三種模式進行：^[2]

1. 每次一隻小鼠受試。
2. 一次有二隻小鼠參與，中間以不透明隔板分開。理論上，還是可能聞到對方的氣味，或聽到彼此的聲音。
3. 同時實驗的兩隻小鼠之間，沒有隔板阻擋視線。

此外，為了瞭解受試小鼠是否會受同儕反應的影響，在雙鼠被迫游泳前，還有一道手續：先把小鼠關進圓柱容器中10分鐘，使其失去活動力，再對其中幾隻注射抗憂鬱劑imipramine。另一方面，能夠運動或是靜止的黑色玩具，也被納入此試驗。換句話說，除了單鼠模式外，所有游泳測試都會有下列5組之一，與被觀察的實驗組小鼠相鄰：^[2]

1. 正常的對照組小鼠。
2. 低活動力小鼠。
3. 打了抗憂鬱劑的高活動力小鼠。
4. 毫無作為的黑色玩具。
5. 動作頻頻的黑色玩具。

無論是上述哪種類型的實驗，每回都必須維持6分鐘，全程監視錄影，並記錄小鼠停止掙扎的次數與秒數。^[2]

實驗結果：游泳的小鼠受鄰居或環境影響

日本團隊在2022年6月2日的《科學報告》（Scientific Reports）期刊上，發表了這個研究的結果：在二種測試中，小鼠放棄掙扎的次數，都沒有因為同伴或玩具的加入而改變。參加懸尾測試的小鼠，可能因為無法輕易轉頭觀察環境，所以同時受試的小鼠數量，以及是否加入隔板，都不會改變牠們不動的時間長度。相反地，在強迫游泳測試裡，實驗組小鼠的姿勢，比較容易察覺周遭變化。因此，不管有無隔板，旁邊出現什麼狀態的同類或玩具，小鼠都會靜止較久。^[2]

於是，日本科學家下了一個結論：抓小鼠來實驗的時候，請記得注意牠們是否被鄰居或環境影響，以預防研究不精準。^[2]但是，去除小鼠周遭的干擾，我們就一定會得到想要的結果嗎？

強迫游泳測試的根本問題

強迫游泳測試於1970年代誕生後，就時常被拿來驗證抗憂鬱劑的效果。21世紀初，其運用愈加盛行。到了2015年，平均每天有一篇精神科論文，是根據這種實驗寫出來的。使用該測試的研究人員，普遍相信小鼠放棄掙扎的行為，是一種絕望的憂鬱表現。所以，當小鼠在水裡被搞到生無可戀，再投以抗憂鬱劑，理論上就能從牠們用藥前後的行為異同，來分析藥效。^[3]

唯一的癥結是：沒有人類能參透小鼠的感受。

反省強迫游泳測試的必要性

2019年的《自然》（Nature）期刊，以專文反省採用強迫游泳測試的必要性。畢竟醫藥界多年來的經驗顯示，該測試僅適用於百憂解（Prozac，學名：fluoxetine）等SSRI抗憂鬱劑。SSRI向來能讓小鼠在水中放棄掙扎前，多游一陣子；但其他抗憂鬱藥物，卻未必在小鼠身上造成相同作用。更令科學家困惑的，是有別於人類得長時間服藥才能抑制症狀；小鼠對藥物的反應通常極為迅速。這在在都說明，強迫游泳測試或許只是把小鼠整慘了，又未必使之憂鬱，而且根本不能提供對人類有用的科學數據。^[3]

有鑑於此，世界上不少知名藥廠，例如：賣COVID-19快篩劑和諸多醫藥產品的羅氏（Roche）、在嬌生旗下做COVID-19疫苗等藥物的楊森（Janssen），以及從奶粉商亞培分離出來專心製藥的艾伯維（AbbVie）等，近年都已經揚棄強迫游泳測試。^[3]

至於日本實驗裡的小鼠，牠們在為科學奉獻之後，被用二氧化碳安樂死，從此不再遭受人類的折磨。^[2]

備註：C57BL/6是一種實驗小鼠的品種，在繁衍數個世代之後，產生了具有相異特質的亞種。為了區別這些亞種，C57BL/6後面要加上繁殖小鼠的單位代號。例如：C57BL/6 J的J代表美國「傑克遜實驗室」（the Jackson Laboratory），而C57BL/6 N的N則是指美國「國家衛生研究院」（the National Institutes of Health，簡稱NIH）。^[4]

參考資料

1. PETER RABBIT Funny Scenes Compilation, 5:39 – 5:44 (FRESH Movie Trailers, 2021)
2. Ueno H, Takahashi Y, Murakami S, et al. (2022) ‘Effect of simultaneous testing of two mice in the tail suspension test and forced swim test’. Scientific Reports, 12 (9224).
3. Reardon S. (2019) ‘Depression researchers rethink popular mouse swim tests’ Nature, 571, 456-457.
4. There is No Such Thing as a C57bl/6 Mouse! (The Jackson Laboratory, 2016)

尾巴幾乎是脊椎動物的標配，它能幫助魚類游泳、爬蟲類爬行、鳥類飛翔。在哺乳類動物身上，尾巴的功能更是包羅萬象，狗狗用尾巴表達情緒、草食動物用尾巴驅趕蚊蟲，我們的猴子表親甚至能用尾巴抓握東西。

功能多變又實用的尾巴，就好像動物身上的瑞士刀一樣，根本是「居家旅行必備良品」。這麼棒的東西，為什麼人類偏偏沒有呢？這一切還得從人類的起源說起。

人類是從猴子演化而來的嗎？

在大約 6600 萬年前，也就是恐龍經歷隕石浩劫後的 1000 萬年內，具有靈長類生理機能的小型哺乳動物就出現了。牠有一條又長又結實的尾巴，這也許能幫牠在枝條間捕捉昆蟲時，更容易保持平衡。 

隨著時間推移，原始的靈長類動物逐漸演化成雜食性的猴子。這類生物的尾巴特別的靈活又有力，幾乎就像是手腳以外的「第五肢」，使得這群動物在樹梢上的生活更加活動自如。

然而，生物的演化從不停止。大約在2000 萬年前，猴子當中出現了「沒有尾巴」的一支——人猿。牠們的後代包括長臂猿、紅毛猩猩、大猩猩、黑猩猩，當然了，也包含我們人類。配合下圖，你可以看出，人猿在演化成真正的人類以前，尾巴這個構造已經消失了數百萬年，所以人類理所當然長不出尾巴。

人類真的沒有尾巴嗎？

生物學上，總有些令人印象深刻的例外會發生。有些人類嬰兒（通常是男性）出生時還帶著小小的胚胎尾巴，這通常不會造成健康上的問題，甚至在有些案例中，這個小尾巴具有肌肉，而且可以動作！

在巴西就有一名 35 週早產的男嬰，出生時長著一條長達 12 公分的細長尾巴，尾巴末端還有一個 4 公分寬的肉球。醫生進行檢查後發現，這個構造僅由組織和脂肪組成、完全沒有骨頭，排除了先天性脊椎畸形的可能，認為這是罕見的「人類尾巴」，在醫學史上大約只有 40 個相同病例的記錄。^[2]

事實上，每個人都曾擁有過尾巴，只不過，那時你還在媽媽肚子裡。在妊娠期的第 31 至 35 天左右，尾巴長度就會達到人生巔峰，尺寸大概佔胚胎長度的六分之一左右。不久後，尾巴就會停止生長，其中一部分尾巴會被身體吸收掉，另一些部分則退化、癒合成尾椎骨。

雖然人類的尾椎骨退化、失去了大部分原有的功能，但可別以為它是無用的器官！尾椎的前後兩面都有肌肉與韌帶附著，這些構造將骨盆底部的開口大部分封住，避免腹腔內的器官往下掉、造成疝氣，也具有避免失禁的功能。出力時，這些肌肉與韌帶能提高腹腔內的壓力，輔助排尿、提重物、嘔吐、前傾身體等動作。

我們的祖先是怎麼失去尾巴的？

人體內有些基因被認為是「自私的基因」，它們平時唯一的功能便是自我複製，比如 Alu 序列（Alu element）就是個典型的例子，它本身沒什麼用，卻在人類基因裡複製了超過一百萬份，佔據了人類基因組中約 10.7% 的空間，有時還會插進有功能的基因片段裡，造成人體病變或異常。然而某些時候，它們卻能以獨特的方式發揮作用。紐約大學最近的一篇研究就表明，我們的祖先會失去尾巴，就是因為有一段 Alu 序列插入。

這回，被插入的對象是 TBXT 基因，這個基因對於胚胎發育非常重要，它與脊索（脊椎的前身）發育有關。紐約大學的研究團隊發現，無尾的猿類與有尾的猴類有個關鍵的基因差異，那就是 TBXT 基因的其中一段（exon 6）被 AluY 與 AluSx1 前後夾住，形成一個環狀結構，使得 exon 6 基因片段無法正常表現——這很可能就是猿類沒有尾巴的原因！

為了證實這個假設，科學家剔除小鼠基因裡的 exon 6 片段，果真發現小鼠會出現無尾或短尾的特徵！值得注意的是，exon 6 片段被剔除的小鼠表現出了胚胎脊髓畸形的現象，這個現象在人類新生兒身上，也有約千分之一的機率出現，情形嚴重的話會造成下肢癱瘓或大小便失禁，可見沒有尾巴風險極高，但也能合理推測此特徵也伴隨巨大的優勢，否則就無法在殘酷的天擇中延續下來，只不過，科學家對於尾巴消失究竟帶來什麼樣的演化優勢還沒達成共識。

所以，如果人類保留了健全的尾巴會怎樣？

如果現代人的尾椎延長、超出身體一大截，搭配上（與其他動物相比）幾乎「衣不蔽體」的體毛，那看起來就像「在屁股上掛串白腸」，畫面太美我不敢看。

想要一條功能健全的尾巴，那肯定需要周遭肌肉、韌帶與骨骼的固定與驅動，但是，你還記得尾椎附近的肌肉與韌帶拿去做什麼了嗎？它們在骨盆底部承托著腹腔！我想，如果將它們調離原本的崗位，失禁與疝氣的機會也許會上升，或許人類將不再能夠直立著軀幹追趕跑跳，只能像大多數動物一樣，平時將軀幹水平匍匐於地面，避免肚子裡的東西靠向脆弱的骨盆底部。

現實中難道就沒有尾巴發達、又能常常直立活動的靈長類動物嗎？有的，那就是狐猴！

雖然大多數狐猴是屬於樹棲性的物種，但有些狐猴能在兩樹之間連續側跳一百公尺 ^[3]。另外，還有喜歡生活在地面上的環尾狐猴，牠們每天早晨都會或站或坐，朝向太陽張開雙臂，花些時間將體溫升高，然後成群穿梭在草原上，取食花、果實、葉子或種子，偶爾也吃吃葷，取食昆蟲、小鳥、變色龍，甚至是蜘蛛絲 ^[4]，雜食的習性就和我們的猿猴祖先一樣。

看來，直立活動跟發達的尾巴也是能夠兼得的！如果人類真的有尾巴，或許尾巴高度會成為地位的象徵，於是人們開始用髮蠟把尾巴尖端的毛抓翹，往尾巴噴香水求偶或宣示主權；長輩會要求晚輩放低尾巴，情侶們逛街時也改用勾尾巴取代牽手，這樣就不用擔心流手汗造成尷尬了。

參考資料

1. The genetic basis of tail-loss evolution in humans and apes | bioRxiv
2. A true human tail in neonate – ScienceDirect
3. Ring-tailed lemur – Parc Animalier d’Auvergne (parcanimalierdauvergne.fr)
4. ADW: Lemur catta: INFORMATION (animaldiversity.org)
5. What if Humans Had Kept Their Tails? (sciencealert.com)
6. Archicebus – Wikipedia
7. Alu element – Wikipedia
8. TBXT gene: MedlinePlus Genetics
9. 猿 – 維基百科，自由的百科全書 (wikipedia.org)
10. 尾骨痛的成因與治療 (chiropractors.com.hk)
11. Lemurs (Lemuridae) | Encyclopedia.com

• 作者／林彥興｜清大理學院學士班，努力在陰溝中仰望繁星 

在談完了韋伯太空望遠鏡（JWST）的源起、技術與運行軌道之後，本系列的終章就帶大家一起來了解，天文學家花費上百億美金之後，究竟希望韋伯能為哪些領域帶來突破？

追尋起源：早期宇宙與星系演化

月亮距離我們大概 380,000 公里，光需要花費 1.3 秒左右才能到達地球，因此我們看到的月亮，是 1.3 秒以前的月亮；同理，我們看到的太陽，是 500 秒以前的太陽；我們看到的仙女座星系，是 250 萬年前的仙女座星系。在宇宙中，我們看得越遠，看到的東西就越古老。某種意義上，望遠鏡就像是一座時光機，可以讓我們一窺宇宙從誕生到現在的演化歷程。

在 1995 年，一組天文學家申請哈伯太空望遠鏡進行一次瘋狂的觀測。他們選擇將哈伯太空望遠鏡對準天空中一片看似什麼都沒有的區域，接連進行了 140 個小時的曝光。他們得到的影像，日後成為天文史上最重要的照片之一，其名為：哈伯深空（Hubble Deep Field）。

天文學家們驚訝的發現，這片看似空無一物的區域，其實充滿了數以千計遙遠、古老且黯淡的星系。比起銀河系這種中老年星系，哈伯深空中拍到的許多星系才形成不久，相當的年輕有活力。瘋狂誕生恆星的星系，與現在宇宙中的星系相當不同，非常有趣。望遠鏡就好像時光機一樣，帶我們一窺宇宙過去 130 多億年的演化歷史，而哈伯深空影像，正因此成為早期宇宙與星系演化研究的一個重要里程碑。

然而，當哈伯想要往更遙遠、更古老的宇宙望去的時候，就漸漸顯得力不從心了。原因是典型的星系發出的光主要以可見光為主，但是這些古老星系發出的可見光，在前往地球的過程中，會隨著宇宙的膨脹而發生紅移。越是遙遠的星系，紅移的情況就越嚴重。因此對於非常遙遠的星系來說，它們發出的可見光到達地球時，就已經被宇宙紅移拉到紅外線波段了。因此，只能觀測紫外線到近紅外的哈伯，就很難看到它們。

這時，就是韋伯出場的時候了。專司紅外線波段的韋伯，將能夠幫助天文學家看見宇宙中第一批恆星與星系的形成，以及這些恆星與星系如何與它們周遭的環境互動。

在宇宙學方面，JWST 將能讓宇宙學家深入探索宇宙「再游離（Reionization）」的過程。這是當前早期宇宙研究最重要的課題之一。大霹靂後 38 萬年，宇宙中的氫是以原子（稱為中性氫）的方式存在，然而在當今的宇宙中，多數的氫都是以游離態存在的。天文學家猜測，是宇宙中第一批形成的星系與黑洞發出的強烈輻射，游離了宇宙中的中性氫，才使得宇宙中多數物質的狀態發生了這樣的改變。但是再游離的過程究竟如何發生，現在無論是觀測還是理論都還無法給出統一的答案，仍待 JWST 等新一代望遠鏡的進一步探索。除此之外，就像前文所述，JWST 將能讓我們看到哈伯太空望遠鏡所見更古老的星系，這些仍在襁褓中的星系長有甚麼特色？又是怎麼演化成為我們在現在的宇宙中所看到的星系？這些也是 JWST 將幫助天文學家回答的問題。

恆星搖籃：看穿恆星形成區

恆星是天文物理最古老的研究對象之一。數十年來，天文學家對於恆星的類型、內部結構、演化歷程都有相當詳細的了解。然而，星際間瀰漫的雲氣究竟是如何聚集成一顆一顆的恆星，以及其周圍的行星系統，卻還有很多不清楚的地方。

典型的觀點認為，恆星誕生於巨大分子雲（GMC）之中。當分子雲中的氣體在重力的影響下逐漸聚集，就會形成紊亂而複雜的纖維狀（filament）的結構。

而在這些結構的高密度區域，隨著溫度、壓力與密度不斷提高，最終會點燃核融合反應，形成一顆顆的恆星。雖然大致的圖像有了，但是這整個過程不僅橫跨巨大的時間與空間尺度，更牽涉到磁流體力學、輻射、化學反應鏈等一系列複雜的物理與化學過程，因此上述的許多細節，仍是天文學家們努力研究的題目。

然而，由於這些恆星的形成區，往往被濃密的氣體與塵埃所包圍，因此當天文學家使用可見光觀測時，往往只能看到黑壓壓一片，難以窺探雲氣神秘的核心之中，恆星究竟是怎麼演化的。此時，紅外線的優勢再次展現。由於波長較長，紅外線比可見光和紫外線，更能夠穿過層層的星際雲氣而不被吸收，因此可以幫助天文學家直擊初生恆星的核心區域。

除了恆星本身之外，恆星形成時環繞在其周遭的「原恆星盤（Protoplanetary disk）」也是行星誕生的溫床。利用 ALMA 等次毫米波（介於遠紅外線到無線電波之間）望遠鏡，天文學家發現許多初生的恆星系統旁，都圍繞著濃密的氣體與塵埃盤。不僅如此，它們還發現這些盤面上，常有許多大小不一的間隙（gap），很可能就是來自正在形成中的行星。在少數的系統中，天文學家甚至能夠直接拍攝到這些正在襁褓中的系外行星們。而 JWST 在紅外波段的觀測，將能夠讓天文學家更進一步了解這些行星（尤其是靠近恆星的類地行星們）的形成。

外星世界：凝視太陽系與系外行星

「我們在宇宙中是孤獨的嗎？」

這個問題雖然至今仍沒有答案，但過去 25 年，天文學家對外星世界的認識已經有了巨大的進展。曾經，系外行星是只存在於假想中的天體；但現在，天文學家已經發現了超過 4,000 顆，隨著資料的不斷更新（主要歸功於 TESS 衛星的努力），這個數量還會持續上漲。

想了解系外行星學的發展歷史？這首 Acapella Science 的作品絕對是最棒的入門！

但是，天文學家雖然知道這些系外行星的存在，對這些外星世界的了解卻還相當有限，原因是系外行星實在是太小太暗了。對於多數的系外行星，天文學家都只能用一些間接的方法，測量它們的質量、半徑、軌道週期等相對粗略的特性，並且估計這個行星是否處於適合生命生存的「適居帶（Habitable Zone）」之內。

JWST 強大的能力將幫助天文學家突破困境。它能夠以兩種主要的方式觀測系外行星：一種是趁著系外行星繞行到其母恆星前方時，觀測整個系統的光譜，並找出其中由系外行星的大氣所貢獻的吸收譜線，這種方法被稱為「凌日光譜學 （Transit Spectroscopy）」；另外一種方式是藉由「日冕儀（Coronograph）」遮擋住來自母恆星的光線，直接拍攝並取得系外行星的光譜，這種做法被稱為「直接影像法（Direct Imaging）」。結合這兩種方式，JWST 將能夠讓天文學家對系外行星的認識不再只有多大、多重、多遠這些淺顯的描述，而是能知道大氣的組成、溫度與垂直結構，以及它們隨著季節、軌道半徑等其他因素的變化，深入地了解這些外星世界，甚至是尋找生命可能存在的跡象。

除了遙遠的系外行星之外，JWST 對於太陽系內的觀測其實也能有很大貢獻喔！舉例來說，JWST 擁有的中紅外波段的光譜觀測能力，既然可以分析系外行星的化學組成，當然也可以拿來分析太陽系內的小天體，如小行星、彗星、古柏帶天體等等，補足地面天文台無法觀測中紅外線留下的資訊空缺。此外，對於火星、四大巨行星、以及土衛六泰坦的研究，都是 JWST 可能的觀測目標。

未來精彩可期

從 1996 到 2021，從「新世代太空望遠鏡」到「詹姆士．韋伯太空望遠鏡」，天文學家的超級紅外線太空望遠鏡之夢，走過了漫長而曲折的發展歷程。25 年後的今天（10 月 17 日），JWST 已經搭乘海運抵達位於南美的法屬圭亞那太空中心，準備在 12 月 18 日搭乘亞利安 5 號火箭（Ariane 5），前往日地第二拉格朗日點（L2），以前所未有的性能，展開對宇宙、星系、恆星與行星的深入研究。更重要的是，每當一代更新、更強大的儀器成軍，天文學家不僅期待它回答上述「現有」的問題，更希望它能將人類的視野，開拓至我們從未想過的領域。韋伯究竟會帶來怎樣的驚喜，就讓我們拭目以待！

參考文獻

• 綜合
  1. Science Themes
  2. Science Themes – Webb/NASA
  3. White Papers
• 早期宇宙／星系演化
  1. Simulations Show Webb Can Reveal Distant Galaxies Hidden in Quasar
  2. 星系的起源與演化——王為豪教授主講
• 恆星與行星形成
  1. NASA’s Webb to Explore Forming Planetary Systems
  2. Webb to Study How Stars’ Blasts of Radiation Influence Environments
• 系外行星
  1. NASA’s Webb to Explore a Neighboring, Dusty Planetary System
  2. 放眼系外行星的新一代望遠鏡：HabEx 太空望遠鏡

延伸閱讀

1. 為何 NASA 不惜大撒幣也要把它送上太空？——認識韋伯太空望遠鏡（一） – PanSci 泛科學
2. 史上最大口徑的 JWST 要如何塞進火箭？——認識韋伯太空望遠鏡（二） – PanSci 泛科學
3. 太空巨獸 JWST 升空後的 150 萬里長征—— 認識韋伯太空望遠鏡（三） – PanSci 泛科學