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指標生物:深色鳥類族群消長成為都市重金屬污染指標

林大利_96
・2015/11/09 ・1573字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

由於都市環境汙染嚴重,植物覆蓋度低,再加上少有自然棲地,因而往往被認為是生物多樣性相當低的生態系[5]。對鳥類而言,都市中的鳥類物種數,也就是鳥種豐富度(bird species richness)常常比森林或農田生態系來的低,但是,其中少數幾種會非常優勢,族群量相當龐大[4]。這個現象暗示了某些鳥種較能適應都市環境,某些鳥種則難以適應。然而,究竟是那些因素產生這樣的差異呢?

由於重金屬會直接或間接地影響鳥類的繁殖成功率[2]。鳥類能否有效的代謝體內的重金屬或許是其中一個答案。比利時的安特衛普大學(University of Antwerp)Dauwe博士的研究團隊指出,比較重金屬污染嚴重的地區與較輕微的地區,藍山雀(Parus caeruleus)每一巢的鳥蛋數量和蛋殼厚度沒有明顯的差別,但是,在重金屬汙染較嚴重的地區,雄鳥精細胞的數量明顯較低。

一般所見的金背鳩羽色偏淡色。(林大利攝影)
一般所見的金背鳩羽色偏淡色。(林大利攝影)

法國巴黎第六大學(University Pierre and Marie CURIE)的Chatelain博士認為,在都市中體羽顏色偏黑的鳥類數量較多,可能與黑色素能代謝重金屬離子有關。黑色素(melanin)是生物體內常見的有機化合物,會使動物的皮膚、羽毛和毛髮呈現黑色或棕色的色素,再者,黑色素能夠有效吸附鉛和鋅等重金屬離子,將血液中有毒的重金屬離子代謝至體外[3]。

為了探討鳥類體內黑色素代謝重金屬的現象,Chatelain博士的研究團隊將97隻羽色深淺各不相同的野鴿(Columba livia)飼養於巴黎的戶外籠舍,以相同的玉米、小麥及豌豆餵食,一年之後,體羽顏色較深的野鴿,羽毛的平均鋅離子濃度顯著的高於體羽顏色較淺的野鴿,推測體羽顏色較深的野鴿,透過黑色素有較佳的代謝重金屬離子能力。

相比後研究團隊認為,有效代謝重金屬離子,可能是這些深色鳥類個體的繁殖較為成功的原因之一,使都市中深色或黑色鳥類的數量比淺色鳥類來的多[1]。然而,研究團隊也表示,有效排除體內的重金屬可能只是其中一項原因,應該還有其他因素,例如深色的外表是否會使鳥類更容易吸引異性?是否顯得看起來較健康強壯,使其在競爭生存資源和繁殖機會的成功率較高?都是值得再進一步探討的問題。

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台北市偶爾可見羽色偏深黑色的金背鳩。(林大利攝影)

再者,印度的首都新德里(New Delhi)是個汙染相當嚴重的城市,在新德里較常見的鳥類包括黑鳶(Milvus migrans)、家烏鴉(Corvus splendens)和林烏鴉(Corvus macrorhynchos)。尤其黑鳶的數量相當驚人,在新德里郊區的垃圾掩埋場,可見到成千上萬隻的黑鳶在空中盤旋,而電塔上可見到上百個鳥巢。這些黑色鳥類能夠極度適應高汙染的都市環境,也許與黑色素代謝重金屬的能力有關。同樣的,在台北市所見的金背鳩(Streptopelia orientalis),體羽的顏色比其他地區的金背鳩來的黑,也可能是這個原因(圖一)。如果黑色素代謝重金屬的現象,普遍見於都市中生存的鳥類,黑色鳥類數量的多寡,或許便能作為都市環境汙染狀況的指標生物。

參考文獻:

  1. Chatelain, M., Gasparini, J., Jacquin, L. and Frantz, A. 2014. The adaptive function of melanin-based plumage coloration to trace metals. Biology Letters, 10(3): DOI: 10.1098/rsbl.2014.0164.
  2. Eeva, T., Ahola, M. and Lehikoinen, E. 2009. Breeding performance of blue tits (Cyanistes caeruleus) and great tits (Parus major) in a heavy metal polluted area. Environmental Pollution, 157(11): 3126-3131.
  3. Niecke, M., Rothlaender, S. and Roulin, A. 2003. Why do melanin ornaments signal individual quality? Insights from metal element analysis of barn owl feathers. OECOLOGIA, 137(1): 153-158.
  4. Gil, D. and Brumm, H. 2014. Avian Urban Ecology. Oxford Press.
  5. Niemelä, J., Breuste, J. H., Guntenspergen, G., McIntyre, N. E., Elmqvist, T. and James, P. 2012. Urban Ecology: Patterns, Processes, and Applications. Oxford Press.

本文原發表於科學Online-科技部高瞻自然科學教學資源平台,經授權轉載。

「科學Online」在科技部高瞻計畫指導下執行,為一具有指標性與權威性的科教網站,擁有以大學教授為主的專業責任編輯群,強調科學知識推廣的正確性,涵括豐富的自然科學實驗與講座影音、教學與學習資源、科技報導、科學圖鑑等,並結合App、Podcast與社群網站等媒體,提供科學教育多元且無地域界限的自主開放學習園地。

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林大利_96
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來自森林系,目前於特有生物研究保育中心服務。興趣廣泛,主要研究小鳥、森林和野生動物的棲地。出門一定要帶書、對著地圖發呆很久、算清楚自己看過幾種鳥。是個龜毛的讀者,認為龜毛是一種科學寫作的美德。

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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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別再誤會鳥類沒有嗅覺了!被錯誤實驗誤導的那些「鳥」事——《你聞到了嗎?》
臉譜出版_96
・2023/02/06 ・1485字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

鳥類生存仰賴的感官

就在不久以前,如果有一本書裡專闢一個章節談鳥類嗅覺,根本不會有人想看,甚至還會淪為科學界的笑柄。大家都相信鳥類是天生嗅覺缺失的動物——也就是沒有嗅覺;大家普遍認為,鳥類生存仰賴的是視覺與聽覺能力。

各位如果有一大清早被鳥叫聲吵醒的經驗,應該都不會質疑鳥鳴聲對於鳥類生存及繁衍的重要性;最能提醒我們春日到來的,也大概就是那無處不在的鳥聲啁啾了。

而任何人只要目睹過(甚至是只在 YouTube 上看過)遊隼(Peregrine falcon)運用牠銳利的鷹眼精準定位,從高處高速俯衝捕捉獵物,應該都不會質疑視覺精準度對於鳥類的重要性。

大家普遍認為,鳥類生存仰賴的是視覺與聽覺能力。圖/elements

鳥類身上色彩斑斕的明亮鳥羽,顯然就是鳥類擁有絕佳視覺的證明;複雜的鳥叫聲及特別的舞蹈,正是鳥類結合視覺與聽覺來保衛地盤、追求配偶的證據。

許多人都不相信嗅覺是鳥類提升存活機率的關鍵,但如果鳥類真的沒有嗅覺,似乎又不太符合牠們擁有豐富感官系統的特性。大家為什麼會認為鳥類沒有嗅覺呢?

人類試圖用「錯誤」實驗證明鳥類沒有嗅覺!

這種對鳥類的誤解來自一八五一年逝世的藝術家兼知名鳥類學家約翰.詹姆斯.奧杜邦(John James Audubon),他聲稱有確切證據可以證明,美洲最常見的禿鷹——紅頭美洲鷲(Turkey vultures,學名:Cathartes aura,美國俚語中的Buzzard)完全沒有嗅覺。

飛行中的 turkey vulture (加拿大)。圖/wikipedia

他在這些禿鷹最喜愛的進食地點藏匿豬屍,藉此實驗禿鷹是否有嗅覺。經觀察後發現,如果屍體被濃密的樹叢擋住,禿鷹就無法發現豬屍的存在,忽略藏在樹叢間的美味佳餚;而如果屍體直接擺在沒有視覺遮蔽物的地方,牠們就能順利瞄準食物俯衝而下。奧杜邦根據這些觀察結果認定禿鷹是單靠視覺覓食的動物,這似乎是合理的判斷,不然呢?

大家原本都認定禿鷹這種食腐動物是循著動物死屍的腐臭味覓食,因此奧杜邦發表的研究結果在當時引起許多爭議。許多科學家質疑奧杜邦的研究結果,並開始自己做實驗。

其中有個很有創意的實驗方法:研究人員在帆布畫上羊屍,並且用亮紅色塗抹當作血汙,讓禿鷹能夠直接看見這片帆布。滑稽的是,禿鷹竟然真的深深著迷於帆布上畫出來的羊屍,不斷啄食直到氣力用盡。即便周遭還藏了真正的動物內臟,禿鷹依然直接衝向帆布,似乎完全只受視覺引導。

研究人員在帆布畫上羊屍,禿鷹直接衝向帆布,似乎完全只受視覺引導。圖/elements

這些實驗由美國查爾斯頓的路德教派(Lutheran)教士兼自然主義者約翰.巴赫曼(John Bachman)主導進行,研究結果似乎支持了奧杜邦的說法。有了這兩項證據,科學家們也就相信了鳥類的確沒有嗅覺、單靠視覺來覓食的結論,導致後來關於鳥類嗅覺的研究少得可憐。直到一個世紀後,才有其他鳥類學家認真質疑奧杜邦的說法,再次展開對鳥類嗅覺的研究。

——本文摘自《你聞到了嗎?:從人類、動植物到機器,看嗅覺與氣味如何影響生物的愛恨、生死與演化》,2023 年 1 月,臉譜出版,未經同意請勿轉載。

臉譜出版_96
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臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。

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柔軟的導電革命:前所未見的無序高分子導體
linjunJR_96
・2022/12/30 ・1995字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

只有金屬會導電?

怎麼樣的材料能導電?這個問題的答案或許將永遠改寫。

怎麼樣的材料能導電?金屬?這個問題的答案或許將永遠改寫。圖/pexels

芝加哥大學的研究團隊發現了一種新的合成材料,擁有塑膠般柔軟的非晶體結構,同時又有金屬般的導電性質。

講到導體,首先會想到的是老字號的金屬家族。金銀銅鐵這類材料是由單一金屬原子排列成整齊的晶格,自由電子可以穿梭其中。大約從十八世紀開始,科學家便知道常見的金屬可以用來傳導電荷,並將物質分為導體和橡膠這類的絕緣體。利用金屬電纜和元件,人們打造了公共電力網和電力火車頭,將人類社會帶進了電氣時代。

利用金屬電纜和元件,人們打造了公共電力網和電力火車頭,將人類社會帶進了電氣時代。圖/pexels

相隔許久後,二十世紀後半幾次意外的實驗讓科學家發現聚乙炔這種高分子聚合物在摻雜了些許碘原子之後,也能表現出良好的導電性。這完全顛覆了人們對於導體的認知:

原來除了金屬材料之外,塑膠聚合物也可以作為導體。

和傳統無機材料比起來,導電聚合物的製程簡單便宜,也有較好的可塑性,被俗稱為「導電塑膠」。這種突破性的材料帶來了新一波的電子產品,像是有機發光二極體(OLED)螢幕、有機太陽能電池、以及有機半導體科技等等。

儘管有著導電塑膠的響亮名號,但是導電聚合物和金屬導體一樣,都有緊密整齊的晶格結構,讓特定能量的電子可以順暢地流通。事實上,現代的固態理論認定固態材料必須要有這些整齊排列的晶格,才能有效地傳導電力。像是玻璃、黏土、橡膠這些結構無序的非晶體材料則肯定無法導電。

從左到右分別是有序的晶體、無序的非晶體、和氣體。圖/ Encyclopædia Britannica

再一次超越想像,無序材料也能導電

不過芝加哥大學博士生 Jiaze Xie(現為普林斯頓大學博士後研究員)近期發現了另外一種可能性。他選擇了 TTFtt 這種高分子作為嘗試的目標。TTF 結構本身在數年前就已經被發現可以作為導電高分子的組成單元,但因為合成技術困難,並沒有受到研究圈的關注。Jiaze Xie 將鎳原子鑲在碳原子和硫原子組成的長鏈上,合成出全新的 NiTTFtt,開始了一系列的實驗。

在實驗室中,NiTTFtt 展現了不錯的導電性。但最令人驚訝的是,X 射線繞射結果顯示它的分子結構是無序的,沒有整齊的晶格結構。它是一種理論上不該存在的「無序高分子」導體。

事實上,NiTTFtt 的質地就像是小朋友的玩具黏土一樣,只要將一坨 NiTTFtt 黏在電路上,就可以開始導電。這表示它有著幾乎無人能敵的可塑性。除此之外,它還十分的穩定。實驗人員將它加熱到攝氏兩百多度、放在潮濕的空氣中幾十天、在它身上滴強酸強鹼,想盡各種方式考驗它,但它的導電性在各種條件下幾乎都能保持穩定,顯示其實際應用的潛力不容小覷。

這種被現有理論排除的材料為什麼有辦法存在呢?研究團隊利用掃描式電子顯微鏡和 X 光繞射的探測結果建構出了下圖的原子結構模型,企圖對這種前所未見的材料提出解釋。

每個綠色的鎳原子為基準可以看出一個個扁平的組成單元,他們首先組成長長的一維長條。圖/參考資料

以每個綠色的鎳原子為基準可以看出一個個扁平的組成單元。他們首先組成長長的一維長條(左),平行堆疊成千層派一樣的結構(中),並橫向排列形成立體的材料(右)。注意到每個長條排列的方向雖然一樣,但是並不需要有規律的秩序。

透過理論計算和電腦模擬,研究團隊發現長條之間即使經過平移或是扭曲,電子活動的範圍還是能維持足夠的重疊,讓電子能夠穿過不規則排列的千層派結構。也就是說,NiTTFtt 的特殊原子結構使得其導電性能在非結晶結構下屹立不搖。

獨一無二的特性,或許可以帶來更多的突破

NiTTFtt 獨一無二的材料性質顛覆了固態物理的既有認知,讓這份研究登上了《自然》期刊。由於電子產品是如此無所不在,任何關於導電材料的發展都會帶來無限的可能性。NiTTFtt 的可塑性以及耐溫耐濕耐酸鹼的超人特性開啟了許多傳統導體無法想像的機會。

研究團隊向全世界示範了有機分子只要有適當的結構,就可以在非結晶排列下維持金屬般的導體性質。他們也期待「無序高分子」導體能夠像金屬導體和導電聚合物兩位大前輩一樣,為人類社會帶來革命性的科技突破。

參考資料

linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。