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人妻的尖叫是繁衍的重要保障嗎?

陳俊堯
・2013/03/12 ・1147字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 422 ・四年級

你對這樣的場景應該不陌生-家裡馬麻尖銳的聲音破空而來:「XXX 你怎麼還坐在那邊,去把你兒子女兒叫回來吃飯了啊!」接著看見一位把拔無奈地放下手上的工作,走出門去把小孩拎回家。雖然這是某種很刻板的家庭樣態,但的確很常見。

最新研究結果指出,老鼠也是這樣。

綁架小鼠實驗

日本金澤大學研究團隊做了個這樣的實驗:他們把新生小鼠帶走,讓父母親找不到小孩。這段時間內,研究者讓一組老鼠雙親分開,單獨在家緊張,另一組是讓父母親一起在家緊張。十分鐘後,再把小孩放回父親或母親附近,觀察父親和母親會不會趕快把小孩找回來照顧。

結果發現:受測的母親幾乎都在五分鐘內過去把小孩帶回來,而受測的父親就沒這麼認真,只有 2/3 的父親會去找回小孩。不管單獨緊張還是分開緊張,結果都一樣。到這裡他們得到的結論是:母老鼠一直認真當好媽媽,公老鼠在這方面表現就沒那麼積極。老鼠是自己緊張還是配偶陪著緊張不會影響它的決定。

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父母離家實驗

下一組實驗他們搞親子隔離的方式改變,這次抓老鼠爸媽,讓它們離開家緊張。他們把父母親帶去新籠子裡十分鐘後,再回來和小孩重逢。父母親一樣分為「分開」和「一起」到新籠子裡緊張兩種處理,觀察重逢後是否會找回小孩來照顧。這次結果好玩了:媽媽繼續當認真的媽媽,跟媽媽一起在同一個籠子緊張的爸爸也還維持水準,有 2/3 會趕快找小孩。

可是自己去新籠子緊張的鼠爸爸們,當中只有 1/10  盡爸爸的責任去找小孩。跟前一個實驗相比,只是把爸媽轉移到別的地方緊張,居然就讓爸爸的行為改變了。為什麼放在哪裡緊張居然也有關係?研究人員推估可能是老鼠媽媽緊張時在籠子裡留下的費洛蒙會提醒公鼠身為爸爸的責任,於是比較主動照顧小孩。

隔音實驗

他們又做了個實驗。這次是把母鼠隔離在父親和小孩旁邊,一組把母親放在隔音箱裡消音,另一組不消音,看看在旁邊的父親會不會照顧小孩。結果在這次實驗中,不消音組 60% 的爸爸趕快找小孩,消音組只有 10% 的爸爸找小孩,耳根清靜得很。 他們發現:母鼠在緊張找小孩的時候會展開超音波攻擊(咦?),發出 38 kHz 的聲音對公鼠下達指令。研究人員也發現,如果把叫聲錄下來放給公鼠聽,也會讓它們警覺要趕快去找小孩。人耳適合的聲音頻率範圍是 1kHz-3 kHz,聽力極限大概在 20 kHz,所以母老鼠的尖叫聲超過人耳接收範圍,我們(好家在)是聽不到的。

這篇研究告訴我們,老鼠媽媽會用尖叫聲和「可能」用氣味/費洛蒙來叫爸爸照顧小孩,而這可能是讓小孩得以好好長大的關鍵。有不少其它例子顯示其他哺乳類的爸爸也時常需要媽媽提醒才會當好爸爸。雖然說人和動物有很大差異,但是如果你是位爸爸,且覺得上述場景似曾相識的話,欸,那就滿懷感激、欣然接受,並盡快在尖叫出現前把該做的事做好吧。

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研究原文
Liu et al. Displays of paternal mouse pup retrieval following communicative interaction with maternal mates. Nature Communications, 2013; 4: 1346.

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陳俊堯
109 篇文章 ・ 22 位粉絲
慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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花粉揭秘:黑死病災情,歐洲各地很不一樣
寒波_96
・2022/02/21 ・4340字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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14 世紀中葉,歐洲各地陸續爆發鼠疫。瘟疫在當時的歐洲並不稀罕,可是這回實在嚴重,大量人口慘遭消滅,後世稱之為「黑死病」。疫情主要發生在公元 1347 到 1352 年,有些學者估計令歐洲在短期內減少 30 到 50% 人口,或許高達 5000 萬人之多。

一項新上市的研究根據花粉分析,卻得到結論:黑死病對歐洲各地的影響差異不小,有些區域確實大受打擊,但是有些地區輕微得多。我們該怎麼解讀這些研究呢?

受到義大利黑死病爆發為背景的《十日談》啟發的畫作。圖/wiki 公有領域

瘟疫殺死歐洲一半人!真的嗎?

黑死病的病原體是鼠疫桿菌(Yersinia pestis),可藉由老鼠和跳蚤輔助傳播。近年來由遺骸取得古代 DNA 的研究大行其道,令我們得知超過五千年前,便有人感染鼠疫桿菌。鼠疫桿菌能搭乘跳蚤便車,關鍵在於 ymtYersinia murine toxin)基因,晚於四千年前的鼠疫桿菌皆已經具備。

歷史上三次大爆發:6世紀的查士丁尼瘟疫,14 世紀的黑死病,以及 19 世紀末的全球流行,人們面對的都是傳染力升級的細菌版本;除此之外,還有多次規模較小的流行。 遺傳變化有限的病原體,在不同時空的疫情差異很大。

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歷次鼠疫桿菌導致的疫情中,黑死病的衝擊最大,有些研究甚至認為它消滅當時歐洲 50% 人口。這類死亡率的評估,主要來自歷史資料,如文書、稅務等紀錄;然而,這類資訊來源未必準確,有時文字會誇大不實,和實際數字有所差異。

還有一點侷限在,歷史資料主要紀錄人口聚居的城鎮,可是黑死病那個時候,歐洲超過 75% 人住在城市之外。人擠人的城市碰上鼠疫這類傳染病,通常受害較大,所以根據城市評估而得的結果,也許會高估瘟疫的危害。

另一方面,不同地區的受災程度很可能不同,就像正在進行的 COVID-19(武漢肺炎、新冠肺炎)疫情,遺傳上相同的病毒重擊秘魯,對澳洲的傷害卻相對有限。而黑死病也是如此,既有資料已經足以看出,相比於義大利深受打擊,波蘭更加輕微。幾處地區的狀況,不能擴大代表整個歐洲。

概念:在黑死病死亡率低的地區,農耕不太受到影響;死亡率高的地區則影響較大,產業轉為畜牧,甚至是恢復野生狀態;這些植物變化會反映在沉積物中的花粉。圖/參考資料 3

花粉大數據

要評估黑死病這類歷史大事件的影響,沒有一種理想辦法,一定要從不同方面尋找證據切入、互補,而環境變化可以作為切入點。突然爆發的疾病,導致大量人口死亡之後,也將造成經濟與社會的動盪,可想而知,自然環境也會受到牽連。

歐洲各地花粉的取樣地點。圖/參考資料 3

新發表的研究選擇以花粉作為指標,探討黑死病的影響,還創造一個看似 fancy 的新名詞描述:「大數據古生態學(big data palaeoecology,簡稱 BDP)」,反正大數據就是那樣。

概念是,受到黑死病負面影響愈嚴重的地區,人類活動會減少愈多,可以由花粉變化看出。具體樣本來自歐洲各地 261 處遺址,一共 1634 個沉積層樣本;年代介於公元 1250 到 1450 年,大致涵蓋黑死病發生之前到之後的各一百年,也就是前後約 4 代人。短時間內大量人口死亡,影響可能延續數代。

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不同植物會生成不同花粉,有些花粉落到湖泊等環境,變成湖底的沉積物,有機會保存下來,成為歷史切片的見證。而人類活動影響環境,使得植物生態有別,便會留下不同的花粉組合。

例如農耕發達的地區,會留下大量農作物的花粉,畜牧業普及區則會是另一種風貌;若是人口減少令農牧活動降低,野生植物的花粉便會增加,不同階段又會生長不同野生植物。

地段,地段,地段!

新的分析思維看似很有道理,但是能相信嗎?研究者首先分析資訊最豐富的兩處地點:瑞典、波蘭。許多證據表示黑死病過去後,瑞典慘遭打擊,波蘭反而明顯成長;倘若花粉呈現的狀況一致,便說明這套分析是可靠的。結果花粉分析順利通過考驗。

波蘭和瑞典的比較,瑞典在黑死病之後明顯衰退,波蘭則否。圖/參考資料 3

花粉分析擴大到歐洲全境,最肯定的結論是:各地差異不小。黑死病前後,一些地區差異有限,有些甚至逆風高飛;農牧活動減少最多的地區位於斯堪地那維亞(北歐)、法國、德國西部、希臘、義大利中部。

有個假設是:瘟疫使人口減少以後,產業可能由勞力密集的農耕,轉向較不需要人力的畜牧。但是這回研究指出,所有農耕下降的地區, 畜牧也跟著減少;唯一例外是德國西南部,畜牧反而增長。

考察文獻得知,義大利、法國深受黑死病危害,這也反映在當地的花粉中,證實歷史紀錄的準確。農業開墾往往是森林的敵人,黑死病過後,義大利的森林甚至重新蓬勃復育;慘烈至此,難怪有薄伽丘《十日談》的誕生。

然而不少地區的農牧活動,黑死病前後的差異有限,或是顯著成長,像是伊比利、愛爾蘭,以及中歐、東歐多數地點。這些分析指出黑死病對歐洲各地的影響有別,整體死亡率大概沒有 50% 那麼誇張。

歐洲各地在黑死病前後的變化:穀物、畜牧、植被演替。圖/參考資料 3

其實還是不清楚黑死病的死亡率

該如何看待上述論點呢?花粉分析有優點,也有缺點。一如文字、稅務等切入方向,花粉也有自己方法學上的侷限。它能告訴我們歐洲各地的死亡率不均值,卻無法真正評估死亡率高低。

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根據花粉組成在不同年代的相對變化,可以推論當地農牧活動的改變,卻不直接等同於人口的死亡程度。

一個地區在黑死病後一段時間,農牧活動明顯增長,不見得意謂瘟疫時沒有死很多人,也可能是恢復速度很快,或是還有黑死病以外的其他因素。

也要注意這兒的評估是相對的,某地相對的受災比較輕微,不等於災情不嚴重。一個地區在幾十年的時段內,如果損失 30% 人口當然是大災難,但是就算死亡「只有」5%,也不可能馬照跑,舞照跳。

歐洲各地在黑死病前後的變化統整,偏紅色為衰退,偏綠色為成長。圖中名號是當時的政權疆域。圖/參考資料 3

評估大瘟疫更廣泛的社會影響

儘管無法準確判斷死亡率,花粉能評估傳染病對社會更廣泛的影響。黑死病這類大瘟疫,不是只有鼠疫桿菌殺死多少人而已,還會牽連更廣泛的社會運作,累積間接傷害。

即使是一個較小的地理範圍,受災程度也可能有內部差異,如城鎮中心及其周圍的郊區、鄉村。沉積物中的花粉,是一個地區一段時間內的集合紀錄,似乎較能避免城鄉差距的影響。

有學者認為,黑死病過後一個地區之所以沒有衰退,也可能是外地人口填補所致,故質疑新研究的論點。就算真是如此,新遷入的人口也是來自歐洲其他地方,同樣支持新論點的大方向:歐洲各地受災程度有異,並非每處一樣嚴重。何況過往公認疫情嚴重的地區,新分析中也看得出來。

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有趣的是,一項 2019 年發表的研究在檢視多重證據後,也認為查士丁尼瘟疫的災情言過其實,不如過往認知的那麼嚴重。提醒各位千萬不能忽略「沒有那麼嚴重,跟不嚴重是兩回事」。

花粉無法回答的問題是:黑死病為什麼在各地影響有別?有人推測是鼠疫桿菌的品系不同,在西歐的殺傷力較強,東歐較弱。但是此一論點缺乏遺傳學、病理學的證據。

2019 年底至今的全球瘟疫清楚告訴我們,遺傳上一模一樣的品系,在不同國家的傳播與傷害天差地別,涉及許多複雜的因素。黑死病比當下冠狀病毒造成的疫情嚴重很多,基本道理大概還是一樣的。

延伸閱讀

參考資料

  1. Susat, J., Lübke, H., Immel, A., Brinker, U., Macāne, A., Meadows, J., … & Krause-Kyora, B. (2021). A 5,000-year-old hunter-gatherer already plagued by Yersinia pestis. Cell Reports, 35(13), 109278.
  2. Spyrou, M. A., Tukhbatova, R. I., Wang, C. C., Valtueña, A. A., Lankapalli, A. K., Kondrashin, V. V., … & Krause, J. (2018). Analysis of 3800-year-old Yersinia pestis genomes suggests Bronze Age origin for bubonic plague. Nature Communications, 9(1), 1-10.
  3. Izdebski, A., Guzowski, P., Poniat, R., Masci, L., Palli, J., Vignola, C., … & Masi, A. (2022). Palaeoecological data indicates land-use changes across Europe linked to spatial heterogeneity in mortality during the Black Death pandemic. Nature Ecology & Evolution, 1-10.
  4. Black death mortality not as widespread as believed
  5. Did the ‘Black Death’ Really Kill Half of Europe? New Research Says No
  6. Mordechai, L., Eisenberg, M., Newfield, T. P., Izdebski, A., Kay, J. E., & Poinar, H. (2019). The Justinianic Plague: an inconsequential pandemic?. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(51), 25546-25554.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
193 篇文章 ・ 1094 位粉絲
生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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小「勞贖」大英雄!——認識新藥開發的幕後功臣:基改實驗鼠
科技大觀園_96
・2021/10/13 ・2499字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 作者 / 林妤庭|科技大觀園特約編輯

作為世界各國生醫研究的推手,每隻基改實驗鼠都是具有個性、生命力充沛的個體,就和我們每個人一樣!國家實驗動物中心副主任秦咸靜表示,牠們不只是實驗材料,更是新藥開發的大功臣,值得享有更多尊重和福祉。

「你可以想成這裡養了數十萬隻寵物,獸醫師會定期幫動物巡房、做健康檢查;也像是『不孕症中心』,有大量被冷凍保存的動物胚胎,有需要時解凍來用;還有各種類似醫院專科門診的單位,包括行為、腦神經、代謝、腫瘤等,會固定幫這些小鼠做實驗,」國家實驗研究院國家實驗動物中心副主任秦咸靜形容。

秦咸靜對這裡飼育的大小鼠如數家珍,這些長期近親培育而得的實驗鼠,每個品系就像是一群多胞胎,有自己獨立的個性,有的脾氣硬、愛爭執,有的精神脆弱,禁不起一絲打擾。「像 B6 是 party animal ,愛喝酒,也愛吃甜食和高油脂的食物,媽媽把小孩生下來就跑出去玩;但如果是 FVB 品系,你餵牠酒,牠會堅持等水喝,而且很會照顧小孩!」秦咸靜說。

基因改造「特製」實驗鼠

這些實驗鼠對於研究有非常重要的貢獻。為了更精準的解決研究問題,研究者可以透過將老鼠基因序列增加、刪減、替換,破解基因對於身體功能或者疾病發展的影響。國研院動物中心就是透過基因改造鼠,一路抽絲剝繭,找出多囊腎病變真正關鍵的家族遺傳基因,為治療因多囊腎病而須洗腎的病患,喚起了一線生機。

現今實驗鼠全世界有 2 萬多個品系,其中絕大多數都是基因改造鼠。「螢光鼠」是箇中代表,變色基因就像是在實驗鼠體內裝進了探照燈,協助追蹤器官或細胞移植後發生了什麼事。目前的技術還可以依照需求調控變色,例如給原本紅色的螢光鼠某一種藥時,同時啟動綠色螢光基因,事後觀察顏色的改變,就可以清楚對照出給藥前後細胞在體內的變化。

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這些基因改造鼠,也是人類對抗疾病的第一道防線。2015 年,國研院動物中心研發出高度免疫不全的「擬人鼠」,2019 年,再將這些幾乎失去所有免疫細胞的小鼠,進一步接種人源腫瘤,成為個人化新藥試驗的替身——阿凡達鼠,作為癌症治療及研究的重要工具。

秦咸靜解釋,腫瘤跟免疫是臨床前試驗失敗率很高的兩個領域。使用老鼠腫瘤獲得的結果,和應用在人體上可能有很大落差。傳統上,使用人類的腫瘤細胞株進行測試,細胞株可能源於數十年前某個病人身上採到的腫瘤組織,但在實驗室經過了漫長歲月,早就與原本的腫瘤大不相同。

阿凡達鼠不只增加腫瘤生長的成功率,還能保留病患腫瘤的原有特性,因此阿凡達鼠對藥物的反應也跟病患比較相似。。 圖/國家實驗研究院國家實驗動物中心

「我們希望顛覆測試的方式,最好可以直接拿病人的來做,最準!」只是人的腫瘤移植到老鼠身上,很容易就被免疫系統攻擊,產生組織排斥。所以第一步,就是讓老鼠不要有免疫系統。這些成功在老鼠身上長大的腫瘤,冷凍保存後可以成為一個「銀行」,日後提供其他有類似基因變異的病人使用,找到適合藥物。目前也正在研究如何將老鼠的免疫系統換成人類的免疫系統,更真實模擬人體環境,也可擴大測試更多與免疫反應有關的藥物。

從「擬人鼠」到「器官晶片」

在精準醫療的發展上,現在甚至已經有老鼠跟人同步測藥的嘗試。給予病人第一線標靶藥物的同時,也直接將腫瘤種到老鼠身上,尋找第二線對病人有效的標靶藥物,免去在眾多標靶藥物中「盲測」而流失的生命和時間。「很多癌症病患等不到有效的藥,吃了第二段標靶藥還是沒有效就走了。」秦咸靜說,雖然目前技術還未全面到位,而且在這樣的時間壓力下,要維持高效率、高成功率,非常考驗臨床動物實驗的能力,但這依然是未來值得發展的方向。

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更進一步,「這些從人的腫瘤擴增出來的檢體,未來也可以變成器官晶片,也就是把腫瘤養在晶片上來篩藥,不一定要用老鼠。」秦咸靜認為,隨著技術的進展,除了能建立很多過去想像不到的檢測方式,研究人員也希望搭建出新的機制、新的平台,減少實驗動物的犧牲。

尊重每一次的動物實驗

國研院動物中心擁有全球頂尖的基因改造技術和珍貴的稀有鼠,名列 23 個國際種源庫之一。秦咸靜認為,臺灣有非常強勁的研究能量,對於實驗動物的管理和品質,在亞洲也算是數一數二;不過她也期望,對於動物實驗的教育可以更深入扎根。

「動物牠不是材料,而是生命。如果今天要在一篇論文裡選一個位置去放牠,我們應該要放在致謝,而不是材料。」秦咸靜道出她的感悟。

當思維模式轉變,進行動物實驗規劃時自然就會更有策略、更謹慎,而不是一股腦地直接做動物實驗,或是因為實驗設計不夠精準而一再重來。秦咸靜說明,其實現在大部分實驗希望多軌進行,可以用細胞或電腦模擬的方式先做,若要進行動物實驗,則要好好把握機會,規劃完整並做到好,才不會無謂的消耗生命。至於實驗動物的生活環境,就像養寵物一樣,該換籠就換籠、該清潔就清潔,讓牠們吃好、住好。這些動物帶著實驗的宿命而生,如果人還不能好好照顧牠們,是實驗上最大的殘忍。

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以愛來照顧實驗動物,不只是動物福祉的展現,讓牠們的身心靈維持穩定,對於得到準確的生理數值也有幫助。秦咸靜舉例,如果照顧者採血太粗魯、環境太吵、飲食不周,動物一下子心情好、一下子心情不好,生理值高低起伏,當然測不準。

「很多我們覺得很簡單的概念,在學校或是進了實驗室不一定有人教。這些老鼠看起來很單純,其實一點都不單純。」國研院動物中心也積極開課、推廣,期待提升各界關注實驗動物福祉的意識,並建立足夠的訓練機制,不要再從錯誤中學習。

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科技大觀園_96
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