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科學研究者的「實驗室人生」

鄭國威 Portnoy_96
・2010/11/05 ・157字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 504 ・六年級

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Case Press轉載了一則來自知識通訊評論的報導,內容有關發生在美國密西根大學醫學系實驗室裡,「惡意破壞實驗」的不當研究行為,報導更指出其實這類破壞他人研究成果與阻止研究進展的行徑屢見不鮮,「有三分之一的科學家承認他們幹過落於灰色地帶的事情,而有高達百分之七十的人,曾經見過這種事情。」

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鄭國威 Portnoy_96
247 篇文章 ・ 720 位粉絲
是那種小時候很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛,所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。怎知長大後竟然因為諸般因由而重拾科學,與夥伴共同創立泛科學。現為泛科知識公司的知識長。

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凡事都想知道「為什麼」,是踏入科學探究的第一步——《教出科學探究力》
親子天下_96
・2022/08/14 ・2566字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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在某個燠熱難耐的夏日午後,你打開電風扇,卻發現吹出來的風好像比印象中來得小。你眉頭一皺,覺得案情並不單純。就在走近電風扇的那幾步裡,好幾種可能性閃過心頭:

「會不會是按錯按鈕了?」、「會不會是扇葉太髒了?」、「會不會是轉軸黏住了?」、「會不會是⋯⋯?」這些猜想背後,都是根據你對電風扇原理的一些些認識才會做出的假設。

當你打開電風扇卻發現吹出來的風好像比印象中來得小,心中會冒出許多假設。圖/Pexels

在提出疑問和假設之後,尋找問題的答案

靠近電扇之後,你看到按鈕確實是按下了「強」。接著你切斷風扇電源,看了看扇葉,發現確實有點髒,於是把電風扇拆洗後裝回去,再按下按鈕。結果風吹起來,就如同你印象中的那麼涼了。這證實了你的第二個猜想,並且解決你所關心的問題。

上述這樣的過程,其實就是「察覺差異,提出問題」、「根據理論,連結現象」、「提出假設,進行驗證」、「預測結果」等等的探究過程。

再舉個例子。

我有一天走在馬路上,看到白色分隔標線的一端閃著黃色的光。我心想:「難道馬路地上埋了一顆黃色的燈?是要作為交通警示用途嗎?」

我覺得奇怪,記得前幾天沒看到這裡有燈。接著我把視野放大,往左往右看了看周圍。發現有一台車停在遠處,車頭開啟方向燈,燈是黃色的,而且還在閃爍。然後我馬上注意到,兩者閃爍的頻率是相同的。

於是我有了新的猜想:「地上的神祕閃光,非常可能來自於汽車閃爍的方向燈的反光。」

但是柏油路面怎麼會反光呢?

仔細一看,地上似乎有一小灘水。汽車的方向燈發出來的光,剛好通過那一小灘水的反光進到我眼睛,讓我覺得地面在發光。接著馬上一台車經過,就擋在方向燈和積水的中間。我看到的亮光馬上消失,證實我的第二個猜想是正確的。

你可能會猜想:「地上的閃光,可能來自於汽車方向燈的反光。」但是柏油路面怎麼會反光呢?圖/Pexels

「哪裡怪怪的」這個念頭,會帶領我們尋找答案

像這樣的心智活動,在我們的生活中無時無刻都在進行著。只要我們發現「哪裡怪怪的」,腦袋幾乎就會立刻啟動探究的機制:

  • 廚房怎麼那麼多螞蟻?(察覺問題)
  • 是不是有食物殘渣沒有清理乾淨?(根據理論提出假設)
  • 仔細觀察一下,發現⋯⋯(得到結論)

既然這些能力是我們原本就自然會的,那又為什麼要學呢?因為我們雖然很習慣對於意料之外的事情展開探索,但是以直覺來進行思考及解決問題的方式,往往並不太科學。

抓住內心的每次疑惑,成為具有好奇心和探究心的人吧!圖/Pixabay

古人說的「地牛翻身」,其實也是一種探究的精神

古人在觀察自然現象的時候,會提出自己的解釋。例如面對地震的時候,台灣民俗的說法是「地牛翻身」,日本民俗的說法則是「棲息在地底的大鯰魚搖動身體」;至於日食在中國的傳說中是「天上的狗把太陽吃掉了」。

於是後人也會根據這些「理論」來規劃解決問題的方法。例如,綠島人認為地牛不只一隻,還會彼此打架,所以地震時要敲打金屬臉盆來分開牠們;同樣的,古時候的中國人看到日食,也會敲鑼打鼓、放鞭炮來趕走天狗。

有趣的是,根據這些「理論」採取的「實驗」,還真的每一次都會成功喔!一代又一代的人反覆進行著下圖這樣的實驗,所以千年來人們始終對這些「理論」深信不疑。

如果你是一位受過基礎科學教育的公民,這時候可能就會提出質疑,認為這樣的實驗並沒有對照組。

例如下一次出現日食的時候,如果不要敲鑼、打鼓、放鞭炮,日食是不是也會結束?如果不這麼做,日食仍然會結束的話,那麼用敲鑼打鼓的方式趕走天狗的假說就會受到挑戰了。

當然,在一個深信天狗傳說的社會中,沒有人會膽敢拒絕敲鑼打鼓,不然萬一太陽真的就被吃掉而永遠消失了,這責任誰負擔得起?用這個角度來看會發現,有時候要突破傳統,其實是一件非常困難的事情。

恐懼源自於未知:想消除恐懼,需要探究未知

人對於未解的現象,往往會用隨意的想像與歸因來尋求解釋,用很直覺的方式來建立對自然現象的理解,也是人類天生的習慣。

直到距今兩千六百多年前,古希臘哲學家泰利斯才撥開直覺的迷霧,主張應該拒絕再用人格化的神祇來解釋自然現象,而是要藉由理性的假說來理解和解釋自然現象。但即使西方在兩千六百多年前已經出現這樣的思想,但近代科學真正臻至蓬勃發展,還是近半個世紀內的事情。

正由於科學的研究和思考方法並不直覺、並不符合人類的天生習慣,所以必須透過後天的教育與訓練,才能慢慢熟練並妥善運用在生活之中。

雖然探究是我們的天性,但是具有科學素養的探究卻不是天性,無法一蹴可幾。就像科學家需要訓練有素的探究技術,才能做好自己的研究。

一般公民也需要具備科學探究的素養,來幫助自己在面對生活中諸多不熟悉的現象時,能運用一套思考和研究的方式來做判斷,特別是幫助我們更加注意到生活中不尋常的現象,能對許多直覺、缺乏事實支持的歸因有更高的警覺。

正因為我們的生活離不開探究,所以更應該透過學習來提升探究品質。這正是國民教育自然課程中所應教會每個公民的事情。

——本文摘自《教出科學探究力》,2021 年 8 月,親子天下 ,未經同意請勿轉載。

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親子天下_96
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「我需要再打疫苗嗎?」,讓血液來告訴你!
台灣科技媒體中心_96
・2022/06/22 ・2535字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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最近,國際期刊《自然生物科技》(Nature Biotechnology)發表研究,發現透過血液的 PCR 定量技術,加以分析與「T細胞免疫」反應有關的細胞因子「CXCL10」在血液中的濃度,可以有效反映出T細胞對新冠病毒(SARS-CoV-2)的免疫反應程度和持續時間,未來將有助於評估疫苗追加接種的優先策略。

透過血液的 PCR 定量技術,可以有效反映出T細胞對新冠病毒的免疫反應程度和持續時間。 圖/envato

體液免疫力 vs 細胞免疫力

台灣大學醫學院醫學檢驗暨生物技術學系副教授 蘇剛毅 說明:這篇發表在 Nature 子期刊:《自然生物科技》的研究,建立一套量化的「趨化激素」(chemokine):CXCL10 訊息核糖核酸(mRNA)的快速檢測技術,來判定個體對於新冠病毒感染保護性的細胞免疫能力(cellular immunity),進而預測是否可能發生再感染的風險。

CXCL10 是一個受到新冠病毒感染後,抗原特異性T細胞釋放「伽瑪干擾素」(IFN-g)去刺激單核細胞(monocyte)產生的一種趨化激素,可評估個體在保護性的細胞免疫能力。

國立陽明交通大學臨床醫學研究所副教授 陳斯婷 表示:自新冠肺炎疫情延燒至今,對於免疫力的理解大多數屬於「體液免疫力」,亦及抗體產生及其中和性的效價。然而適應性的免疫力,包含細胞免疫力以及體液免疫力,兩者協力方可徹底清除病原菌感染,以及提供完整的記憶型免疫力。

由於體液型免疫力的分析方式較為單純,且所耗費的經費以及分析的技術門檻較低,僅使用血清及蛋白質抗原便可完成分析,因此是研究之初各單位爭相開發的分析模式。相反的,細胞型免疫力因為牽涉複雜的T細胞作用機制、預測蛋白質抗源的專一性,以及分析儀器的高度研究門檻,眾多原因使得相關的研究進展較為緩慢。

蘇剛毅副教授 認為,本研究重要性在於,有別以往是偵測病毒相關抗原、抗體、核酸,更進一步了解個體本身對抗病毒的免疫能力,除了有助了解本身抗病毒能力與感染風險外,亦可幫助疫苗施打策略以及評估追加劑的必要性。而隨著病毒變異株陸續產生,這也有助我們了解,感染後康復或接種疫苗者,對這些變異株是否仍具抵抗力

這項新技術未來將有助於評估疫苗追加接種的優先策略。圖/envato

研究過程是什麼?

先前 2020 年 11 月,南非的研究團隊率先發表研究,以 SARS-CoV2 相關蛋白質刺激受試病患的血液樣本,再以高階的細胞分析儀器(高階多色流式細胞分析儀),找出血液中針對新冠病毒的T細胞活化的標幟,並以新冠病毒檢測陽性之病患與健康的人交叉比對,確認可成功分析有 SARS-CoV2 專一性的活化型T細胞群[1]

2022 年 6 月,紐約西奈山伊坎醫學院團隊的發表文獻,主要是採用上述團隊利用血液樣本的方式分析特定T細胞活化的標幟,但是分析T細胞活化的方式改用行之有年的一種快速的定量 PCR 方法,合併分析共同存在血液中的另一種免疫細胞(單核球)的特定基因表現(CXCL-10),此特定基因表現量會受到T細胞活化後產生的訊息(第二型干擾素)所調節,因此當共同存在血液中的免疫細胞接收到T細胞活化釋放出的訊息後,會讓此特定基因表達增加。因此團隊先透過分析各組別中血液的基因相關檔案,挑出這基因做為T細胞活化的替代標幟。

這個基因標幟在免疫學中並不陌生,但是團隊從各種 COVID19 病人及疫苗注射後的健康族群採樣,以上述方式分析後,得到這個具有統計意義的交集。團隊有鑒於此方法可能在專一性及敏感度稍嫌不足,因此也將測試結果與其他傳統的分析方式進行比較。

結果顯示,快速測試特定的標幟基因,與傳統方法分析T細胞的敏感度及專一性相當接近。

這種檢測方法有風險嗎?

陳斯婷副教授認為:

  • (1) 本研究雖然使用血液檢體,但仍必須經過傳統的T細胞活化流程後,包含後續的定量 PCR 分析,耗時大約兩個工作天。
  • (2) 用極少量的血液(2 uL)且不抽取 DNA,直接定量分析,在台灣的檢驗量能及學術單位並不普遍,若想開發仍必須熟練此技術的操作。
  • (3) 利用其中一種免疫細胞的基因表現,間接做為T細胞活化的替代性指標,若遇到T細胞活化的反應不明顯時,可能會呈現誤差,不如單純分析T細胞來得精準。
  • (4) 每一種蛋白質抗原由特定分子較小的胜肽所組成,會引起特定的T細胞反應,但這些胜肽片段都是經由電腦模型模擬預測並經過實際驗證後才能得知,才有助分析專一性T細胞的免疫力,而不是直接從現有資料庫就可以得到。

蘇剛毅副教授則表示,這篇研究結果確實可以輔助醫師、感染者甚至衛生主管單位在治療與防疫上的策略。但我們也必須要了解幾件事:

  • 人體免疫系統受到任何內在、外在的刺激時,本來就會產生許多分子去因應,雖本研究是利用新冠病毒的「特異性抗原」誘發免疫系統,但研究中觀察T細胞是出的細胞因子「伽瑪干擾素」與單核細胞細胞因子「CXCL10」並非只受到新冠病毒刺激才產生,本研究並沒有評估新冠病毒以外的感染源或其他生理病徵影響。因此在臨床應用上,需要考量受測者的背景因素甚至疫情發展。
  • 免疫反應伴隨的「細胞激素」或「趨化激素」,在數量上都需要受到適當調控,過多或過少都會造成身體的傷害,如果本研究在數量上面可以進一步探討決策閾值的問題,將更有應用性
  • 本研究應用主要仍在輔助性評估,對於防疫與治療而言,還是需要遵照常規病毒檢測、生活防疫、疫苗接種等措施。

研究原文

參考文獻

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品種狗狗的行為,有關遺傳,非關品種
寒波_96
・2022/06/08 ・3228字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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人類培育下,如今狗狗們有眾多「品種(breed)」,它們其實仍然屬於同一個物種,只是體形、外觀等特徵差異明顯。不同狗狗和人一樣有個性差異,屬於同一品種的不同個體,也會有類似的行為、個性嗎?

上述問題需要不少資料與交叉比對的分析,才有機會回答。於 2022 年發表,花費多年搜集材料的論文報告,狗的行為確實與遺傳有關,但是同一品種狗的行為並不一致。例如拉布拉多和拉布拉多不同,邊境牧羊犬和邊境牧羊犬不同,拉布拉多和邊境牧羊犬卻可能相同……[參考資料 1, 2, 3]

飼主各自貢獻資料,以供分析的狗狗們。圖/達爾文方舟(Darwin’s Ark)網站

寵物狗的公民科學

成為馴化動物超過一萬年來,狗狗們千變萬化,過往研究證實很多外貌與型態特徵可以遺傳,例如毛色、體型、藍眼睛。但是對於行為方面的了解比較少,而且想來也更難研究,畢竟行為不像顏色、尺寸那樣能直接識別與量化。

若想釐清狗狗的行為,和遺傳、品種的關係,需要搜集很多品種,每一品種都包括多位個體,以及牠們的基因組定序,再加上大批各種特徵的紀錄,才能獲得比較可靠的答案。

任何研究團隊光靠自己,都不可能取得如此龐大的資料量。研究者們成立「達爾文方舟(Darwin’s Ark)」網站,算是公民科學的應用,邀請許多飼主各自上傳狗狗的資訊,從中進一步分析(大部分參與者應該是美國人和美國狗)。

這項研究採用的資料包括來自 18385 狗的資訊,大約一半是「比較純的品種狗」;又從其中 2155 狗取得遺傳訊息,純種狗、混種狗都有。根據人為定義,全部共有 128 款品種。

大量分析的結果,簡化以後長這樣……意思到惹,不解釋。圖/參考資料 1

個體×遺傳×品種:相關性與相關性

論文做了一大堆統計學分析,基本上是這種關聯性分析、那種關聯性分析、這種關聯性和那種關聯性的關聯性分析,層層疊疊,一定很合統計魔人的胃口。有興趣的讀者請自行觀摩體驗,我只講我的理解。

結合基因體學與關聯性分析,光是原理並不太難。基因組上每個 DNA 位置有 ATCG 四種可能,比方說某個位置,不同個體為 A 或 C,配備 A 的狗都親人、C 的狗都兇兇,那麼便能推測,A 變異與親近人類有所關聯,C 變異的效果相反。

實際狀況卻複雜很多。例如配備 A 的狗有 70% 親人、C 的狗有 55% 兇兇,並非 100% 的狗都有影響。或是同一種行為,涉及多個遺傳變異,例如基因組上有 50 處位置影響親人、30 處影響兇人。反正就是有一大堆可能的組合與關聯性,樣本愈大、分項愈多,需要愈繁複的統計學分析。

要是鑽進論文的分析迷宮,恐怕很容易失掉方向,繞不出來,反而搞不懂問題是什麼,我們直接跳到外面。

另一批大量分析簡化後的結果……讀者們自行品味就好,BJ4。圖/參考資料 1

外貌形態與內在行為,都受遺傳影響

一番分析後得知,不論體型、外觀等外在特徵,或是行為這類內在特徵,都與遺傳相關,只是不同特徵的程度有別,有些相關性非常高,有些沒那麼高。因此狗狗的行為,確實取決於相當的遺傳成分。

假如每款品種狗的個體們,彼此都表現共通的行為,那麼我們應該能看到:某個品種多半都展現某些行為,而不同品種間情慾交流的混血狗,也會獲得不同品種各有比重的行為。

實際上發現,某些行為確實和少數品種的關聯性比較高,但是多數行為似乎不分品種。江湖傳說中的兇狗不見得更容易兇,容易激動的品種也不一定激動。另一方面,不同品種的狗狗,也可能表現類似的行為。

所有狗狗一起考慮,總共偵測到基因組上 11 處位置(以及 136 處沒那麼確定),可能和行為有關。鍵盤分析它們影響的基因,大部分在腦部的表現較高。

還好沒有脫離想像,不然要是影響行為的基因在腸道大量表現,該怎麼解釋?!

人擇結果:以貌取狗,不管內在

上述的分析方式,只能判斷遺傳與表現的關聯性,無法證實因果關係,不過還是能提供有意義的指引。

大量交叉比對得知,與行為有關的遺傳變異,在不同品種間缺乏明確的差異,這大概就是不同品種內,行為缺乏一致性的根本原因。相對地,和外型有關的某些 DNA 變異,在不同品種間差異明顯。

人類與狗相處的歷史超過一萬年,可是絕大部分品種狗的歷史並不久遠。早於 200 年前的狗狗,不是沒有人為選擇培育,卻著重在工作上的狩獵、守衛、駝獸等功能性特色。

要等到 160 年前,也就是 50 到 80 代以前的狗狗開始,人類才大量刻意創造出不同的品種,形成馬爾濟斯、拉布拉多、雪納瑞、貴賓狗、巴哥犬等多采多姿的品種狗。

或許有讀者認為,品種狗的行為之所以缺乏各自的特異性,是由於各品種經歷的時間太短,不足以產生差異,但是這是錯的。因為絕大部分品種狗的歷史雖短,人擇依然已經足以造成明顯的影響,反映在不同品種間,有別的毛色、體型等外觀特徵。

同一批分析指出,行為與型態一樣都可以遺傳,理論上也可以由人擇控制。然而,不同品種的狗狗,行為與個性依然有不少共通性,品種間卻缺乏明顯差異,品種內的不同個體並不一致

根據這些資訊,我們似乎可以這麼說:近兩百年來的品種培育,人類更偏好挑選外在特色,以貌取狗,不那麼在乎狗狗內在的行為。

最後也提醒各位讀者,作為寵物飼養的品種狗,只是如今全世界龐大狗群的一小部分而已。眾多的狗狗們,有些是人類親近的伴侶,還有些順利融入各地的半野生或野生環境。然而,也有不少所謂的流浪狗,成為人類與自然生態系的禍患。養狗要有責任感,不要因衝動而養狗,養了就不要直接棄養。

延伸閱讀

參考資料

  1. Morrill, K., Hekman, J., Li, X., McClure, J., Logan, B., Goodman, L., … & Karlsson, E. K. (2022). Ancestry-inclusive dog genomics challenges popular breed stereotypes. Science, 376(6592)
  2. Your dog’s breed doesn’t determine its personality, study suggests
  3. Massive study of pet dogs shows breed does not predict behaviour

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
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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》。