挖掘古地震:六甲斷層活動留下的地震痕跡

  • 文/圖 洪瑞駿、姜竣友

編按:「斷層槽溝」是一種研究斷層在地表特性的方式,人工製造出地層剖面方便直接觀察,本文為兩位作者觀察六甲斷層槽溝後的科普文分享。

從斷層開挖槽溝找尋古代地震的紀錄,對筆者而言也是件新奇體驗!雖然說筆者的研究主軸為地震,但大多時間是跟那些上下抖動的震波圖為伍,很少有到野外親眼一看斷層的機會,尤其是有過地震活動紀錄的斷層。如果知道斷層在很短的時間(所謂很短還是至少有數百年)內曾活動並伴隨地震,這樣的斷層常會被歸類為活動斷層。從地質學角度來說,想要知道某條斷層究竟有沒有活動紀、是否屬於活動斷層,或想了解過去斷層活動的頻率,最直接的方式就是「眼見為憑」:直接開挖,一探究境!

每年擠壓八公分,台灣的斷層活動與地震

由於板塊運動的緣故,大地承受著相當大的應力作用。以台灣來說,菲律賓海板塊每年大約以 8 公分的速率擠壓台灣,這樣的速率大概跟手指甲生長速率相當,雖然看似很慢,但放著不管一下就累積了很多移動量。當岩石受到板塊作用的力量擠壓時,一開始會撓曲變形,而外力若持續作用,岩石最終還是會斷裂,形成斷層,而岩石破裂瞬間所釋放的能量即是地震。試想,當我們握著一支尺的兩端並開始擠壓,尺便會開始撓曲; 當擠壓的力量過大時,尺會斷裂並產生震盪,這樣的震盪就如同斷層活動發生地震。

依據斷層活動的特徵可以將斷層分類如下,並如【圖一】所示。

  1. 正斷層 (normal fault)
  2. 逆斷層 (reverse fault),不過我更常談這分類之下的「逆衝斷層」(thrust fault)
  3. 平移斷層 (strike-slip fault),有時會譯作「走向滑移斷層」

【圖一】斷層的主要活動形式。由左至右為地塊相互擠壓形成的逆衝斷層 (reverse fault),相互遠離而造成陷落的正斷層 (normal fault),以及在水平面上滑動的走向滑移斷層 (strike-slip fault)。Credit:USGS

我們暫且把以上的分類想成是理想情況、又或者是簡單的三軸分量,因為在真實世界中,斷層經常會有一種以上的活動特徵,例如去年造成重災的美濃地震,它的斷層活動就是以平移為主並帶有逆衝的分量(簡單來說就是上述的 2+3,但以 為主),這也是台灣最常見的斷層型式。了解不同類型的斷層活動,搭配斷層長度、活動週期等其他資訊,能幫助地震學者計算斷層活動機率並評估危害程度。

什麼是活動斷層?難道有「不活動」的 斷層?

前面已提到,斷層就是地層破裂並出現相對移動。因此看到斷層,就意味著這邊一定曾有過斷層「活動」!

不過,隨著時間演變、地質條件也會慢慢改變,讓斷層活動的外力並不會一直都在。有些原本會活動的斷層,會因為失去大地作用力而不再累積能量,最終不再活動,可以想成斷層「死掉了」。另一方面,有些斷層因為適當的大地作用力條件下,仍可以繼續累積能量,因而可以預期將來的某一天,斷層會再次發生地震、釋放能量,這樣的斷層我們便稱作「活動斷層」。當然,這樣的講法還是有點籠統,因此科學家會給予更精確的定義,以台灣來說,依照中央地質調查所公布的活動斷層定義,這些斷層必須要是十萬年以來有活動證據者。若是有一萬年來的活動紀錄,地質調查所會進一步歸納為第一類活動斷層;若是一萬年~十萬年間活動者,則稱為第二類活動斷層。

十萬年很久嗎?其實一點也不,事實上,地質作用十分緩慢,慢到你常會忘了它有在作用。板塊僅以每年數公分的速率移動,要是沒有現代的測量技術隨時監測,我們也很難發現板塊的運動;而若是要探討顯著的地質變化,往往是用百萬年作為時間單位來計量。所以和整個地質歷史的尺度相較,一萬~十萬年這樣的時間或許只是算是一瞬間、而地震活動甚至短到不可想像。

以下列舉一些可以定義活動斷層的方式(滿足其中一項即可):

  • 有潛移行為者(例如:池上斷層)
  • 有歷史地震發生者(例如:集集地震的車籠埔斷層)
  • 透過地形監測確定有變形者(例如:彰化斷層)
  • 有地質證據證實斷層曾經在上述時間區間內發生過。

除了上述第一、二類活動斷層外,還有一種稱為存疑性活動斷層,也就是說這些斷層的特性還有討論空間,或者是在地表難以確認它的存在,其它諸如「到底是不是斷層?」「是否真的有十萬年內的活動紀錄?」……等等。遇到這些現象,地質學家通常就以虛線表示之,【圖二】標出了根據這些活動斷層分類評估後,定義出來的活動斷層。

【圖二】中央地質調查所公布的台灣活動斷層圖。本文所指槽溝的目標斷層即是 17 號六甲斷層。

隨便挖都可以發現斷層?才沒那麼簡單

開挖斷層槽溝,顧名思義便是在斷層帶上挖一個深槽(大約數公尺深),以分析斷層過去的活動紀錄了。然而這想來簡單,做起來卻不容易,首先,斷層淺部常被厚厚的沉積物蓋住,要確切定位出斷層帶(通常只有數十公分寬)位置,仍俱有相當的挑戰性。

再者,斷層帶在淺部地層經常會散成許多較小的裂隙,亦或是斷層帶根本沒有延伸至淺部的盲斷層,這些都使槽溝位置選取的難度增加。因此,通常地質學家在決定開挖之前,都需要進行許多評估,例如震波測勘、地電阻測勘、以及參考地質圖、地形資料等,然而即便如此,淺部幾十公尺~幾百公尺深的地層中,經常充斥各種雜亂的物質(例如土壤、人為回填土等等),加上地下水量不平均的干擾,讓斷層位置判斷增加些許難度。

此次槽溝開挖的緣起為嘉南農田水利會委託學者及顧問公司探勘六甲斷層,欲藉由觀察斷層帶上的紀錄,了解該斷層多久活動一次、最後一次活動的時間為何。斷層本身比鄰近的岩石較為脆弱,因此長期受力的作用下,地震便會在斷層上重覆發生。因此,計算斷層兩邊地層的相對位移量,便可以推估地震活動次數,以及最後一次的活動時間。【圖三】簡化表示了二次活動在地層紀錄中留下的痕跡:

【圖三】從槽溝觀察到斷層,依照地層位移變化判斷古代地震的方法簡圖,詳細描述請見內文。圖/震識提供

【圖三】的右半邊為現今看到槽構中地層剖面的示意圖,從地層的分布我們可以確認一件事:

千年前沉積的地層並未被中央的斷層「切過」,因此它的上方是平整的狀態,而其下方不連續的部分是 萬年前的地層,看起來它是有被斷層切過而造成兩側的高低落差,假若這個落差是由一次的斷層活動造成,那麼它就會是介於在 千年前至 萬年前的地震。

接著我們把 萬年前地層中的高低落差(1.8m)拉到 萬年前齊平的狀態後,就會得到左圖,接著再分析下方5萬年前形成的地層,就會發現下方 萬年前的地層「還有 1m 的高低落差」,當然,如果這是另一次斷層活動所造成的,就代表在介於 萬年前至 萬年前之間,還有一次地震。因此當我們固定測量基準面,計算地層的相對位移量,搭配地層厚度、斷層面角度資訊,可以回推每一次的地震錯動量,以及地震發生的次數。通常學者會將該斷層每一次的錯動量平均,得到大致的地震回歸週期(也就是該斷層隔多久會釋放一次地震)。

竟然長達21公里?六甲的盲斷層槽溝

所以說了這麼多,我們在六甲斷層槽溝究竟看到甚麼?首先,六甲斷層是一條長達 21Km 逆衝型盲斷層。近日由黎明工程公司於烏山頭水庫庫址開挖槽溝【圖四】,而地質學家便會在槽溝中尋找蛛絲馬跡,推理過去發生的地質事件。

在大多數的情況中,越下方的地層,年紀越老(除非有些地質作用讓地層倒轉過來,但這次的例子是沒有的),所以我們的故事會從底層最老的地層說起。

整體而言:從老到新的地層傾斜程度逐漸變緩,這告訴我們老地層經歷更多的外力作用而變得更傾斜,可推知抬升作用不斷的進行。地層的成分可提示我們該區域過往沉積環境:底層含較多的泥質成分,代表這地區過去可能是湖泊或是較寧靜的水域等搬運能力較弱的地方;而淺部含沙量較高的成分則表示當時沉積環境為搬運能力較強之環境,如氾濫平原或河流【圖四、五】。將以上故事搭配定年的結果,我們將可建構出地層沉積史,解釋古代環境的變遷。

【圖四】黃線以下顏色較深、顆粒較細,為靜水沉積環境;以上顆粒較粗、顏色較淺,為河相沉積環境。紅色圈處透鏡狀的沙層為典型的河道截切面。圖/震識提供

【圖五】藍色圓框處為古代植物根部生長留下之痕跡。黃色虛線處上方為回填土層。紅框處為代表古河道剖面的透鏡狀沙層。綠色實線代表地層走勢。圖/震識提供

至於地震留下的痕跡則要回到構造解釋了,學者觀察到在地層中有廣泛分佈裂隙充填構造,這可能是由於地震或褶皺作用造成地層產生裂縫,進而填入其他物質。而在淺部的地層中有一層泥質薄層有著明顯的扭曲【圖六】,可能是其在尚未成岩時遭一次地震事件的擾動。

【圖六】左:淺部受擾動之泥層(紅色圈內),可能為地震事件造成。泥層上方紅磚,可約略推估該處地層極為年輕。右: 裂隙充填所造成之條紋(箭頭處),可能為地震擾動形成的。圖/震識提供

那造成地震的斷層在哪?先別急,前面提到了六甲斷層是盲斷層,加上許久未錯動產生地震,槽溝並沒有看到斷層本身。不過,地層卻留下了印記,除了前述的資訊,加上在短短六十公尺內,地層傾角由 度陡增至 60 度【圖七】,也暗示著這裡曾有過數次斷層活動,這樣驚人的地層變形,連資深教授都嘆為觀止。

初步判釋,這樣的變形應該是在過去 9000 年內由多次的地震等作用造成,當然不排除近代歷史地震的貢獻。而根據歷史文獻紀載:166117361862 年台南皆有大地震的紀錄,其中 1862 清朝台南大地震是台灣 19 世紀傷亡最慘重的地震,推估規模達 6.7,其位置與六甲斷層十分接近(鄭世楠,2014塵封的裂痕-歷史地震第二講ppt 4751),現階段研究仍在進行中,我們期許構造所留下的地層證據有機會提供更完整的解答。

【圖七】地層傾斜變化,由西向東地層由平坦的8度陡增至近60度(取自嘉南農田水利會六甲斷層報告書)。圖/震識提供

雖然,由槽溝觀察斷層的分析結果,還需要一段時間的研究才會出爐,但毋庸置疑,六甲斷層是個活躍的活動構造,也是未來台灣的地震威脅之一。像這樣的斷層分析需要有更多的研究投入,而台灣的地震危害潛勢及評估仍亟需各方人力共同努力與推廣。

特別感謝:高嘉謙博士生及黎明工程顧問公司。提供重要的斷層資料與指正,使本文更臻完善。

本文轉載自震識:那些你想知道的震事,原文為《挖掘古地震:找尋斷層活動留下的地震痕跡》,也歡迎追蹤粉絲頁震識:那些你想知道的震事了解更多地震事。

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保健食品百百款,常見的食品成分怎麼來?

  • 作者/潘文涵 教授  中央研究院生物醫學科學研究所特聘研究員/美國心臟學會國際會

隨著生活品質提昇、健康意識抬頭以及台灣將邁入超高齡社會,保健食品日益受到消費者所青睞。本期隆重登出潘子明教授撰寫「保健食品研發與產業化」系列特刊,收錄內容除讓讀者了解保健食品原料是如何選擇與其功效評估外,並針對發酵產品的製程技術作一詳細介紹,最後帶您用不同角度思考產品應如何研發與銷售。

你吃的是藥還是食品?專家解釋給你聽

一般食品的攝取,可從中獲取各類營養素,並滿足色、香、味、形等感官需求。藥品則為病人所服用,達到治療疾病的目的。保健食品或稱機能性食品則是為亞健康態人體(亦稱第三態)所設計,不僅滿足人體對食品營養和感官的需求,更重要的是其將作用於亞健康態,促使向健康態轉化,達到增進健康的目的。此外,尚有屬於特殊營養食品之特定疾病配方食品,其係供病人食用之食品,可提供特定疾病病人之營養需求,須在醫師、藥師或營養師指導下食用。

服用適當的保健食品,能讓亞健康的人補充部分的營養。圖/pixabay

如前所述,食品是提供人們營養素之產品及其原料。而保健食品或機能性食品則是食品中具有促進健康功效之食品。保健食品如果通過衛生福利部安全性、功效性與安定性審查,符合健康食品相關規範,核准給予健康食品字號之産品,則可成為健康食品。也就是說保健食品中,符合相關規範、取得衛生福利部認證者才能稱為健康食品。

經過政府認證之保健食品,各國有不同稱呼,在日本稱為特定保健用食品 (food for specific health use, FOSHU),在中國大陸稱為保健食品 (functional food),在我國稱為健康食品 (health food)。

此種通過政府認證之保健食品,常在包裝上加上特殊標示,以利於與一般未經認證保健食品分辨。圖一 將日本的特定保健用食品、中國大陸的保健食品與我國的健康食品加以列示。中國大陸的圖幟如藍色的帽子,俗稱為藍帽子;台灣的圖幟像綠色的小人,常被稱為小綠人。

四百多項健康食品,常見原料有哪些?

台灣的健康食品申請時必須說明保健功效成分,如保健功效很明確是由某種(或某些) 成分所表現,則這些成分稱為功效成分;如健康食品之保健功效無法確認係由某確定成分所呈現,但保健功效評估已確認有此功效,為方便品質管制,以健康食品中可能是具保健功效之成分定為指標性成分。

目前通過健康食品認證之產品約四百多種,衛生福利部食品藥物管理署會針對上市之產品加以抽驗,確保在產品有效期限內,其功效成分或指標成分,仍在標示量以上。所以採購經國家認證的健康食品,是你選擇保健食品時最明智的決定。

台灣通過認證健康食品十種最重要之功能性成分或指標性成分,依由高而低之次序為紅麴生成之莫那可林 (monacolin K)、魚油之二十碳五烯酸 (eicosapentaenoic acid, EPA) 與二十二碳六烯酸 (docosahexaenoic acid, DHA)、ß-葡聚糖 (glucan)、菊粉 (inulin)、兒茶酸 (catechin)、寡糖 (oligosaccharides)、抗性麥芽糊精 (resistant maltodextrin)、胺基酸 (amino acids)、中鏈脂肪酸 (medium fatty acids) 及多醣類 (polysaccharides)。

功效成分或有效成分一般係由動物、植物或微生物而來,所以在決定保健食品原料時,常在三種生物中選擇:

  1. 微生物類取得者有綠藻、藍綠藻或螺旋藻、乳酸菌、酵母菌(健素糖或酵母片)、紅麴、靈芝類、香菇類。
  2. 植物類原料則有人參、剌五加、大蒜、麥草、銀杏葉、杜仲茶、花粉、桑葚、棗子、酪梨油、山白竹。由動物類來源者有雞精、燕窩製品、蜂王漿(乳)、牡蠣抽出物、鯊魚軟骨、魚油、魚精、卵黃油等。
  3. 此外可能由兩種以上生物得到的成分,如膳食纖維、寡糖、幾丁質、蛋白質及胜肽 (peptide)、必需胺基酸、酵素產品、必需脂肪酸、DHA、EPA、卵磷脂、核酸、維生素類、β-胡蘿蔔素、礦物質等。

保健食品大功臣:微生物發酵技術

台灣在發酵技術上佔領先地位,曾經是世界上最大味精生產國,目前在保健食品發酵生產技術上,仍是領頭羊,曾替其他國家代工發酵生產乳酸菌粉。而運用微生物生產保健食品,即是利用微生物發酵以產生功效成分,具有下列五大優點:

【一、迅速、大量生產】
微生物生長迅速,可於短時間生產大量產品。微生物之質量倍增時間 (doubling time) 一般為幾十分鐘至幾小時,比植物的幾十天或動物的幾個月來得短,也由於生產期短,可降低生產成本。

【二、改良容易】
菌株改良容易,微生物以傳統育種方法,如紫外線 (ultra-violet, UV) 照射、變異誘起劑如 nitrogen mustard (NTG) 或 ethyl methyl sulfonate (EMS) 處理,極容易育得優良菌株,比動、植物之育種容易執行,故可於短時間獲得優良菌株。以紅麴為例,經傳統變異處理,具活性代謝物產量可增加百倍至千倍。

【三、培育環境易測試】
微生物可利用其生長之最適化培養條件,控制代謝物種類及數量。如使用反應曲面法 (response surface methodology, RSM) 在短時間內可探討出對某種具生理活性成分之最適培養條件。

【四、培育空間小】
微生物即可立體生產,於固定土地上生產多量產品。如將培養容器(發酵罐)之攪拌、通氣條件加以調整,微生物可立體培養。植物工場雖已開始用於有機蔬菜之生產,目前問題是成本太高。

【五、自動化培育】
微生物發酵係於密閉之發酵槽內進行,可控制溫度、酸鹼度、通氣量等,不受氣候影響。發酵條件控制已全面自動化,可節省人力。由於微生物生長不受氣候影響,可穩定提供保健食品原料。

健康食品好棒棒?白老鼠先試吃再說

目前保健食品先由文獻蒐尋可能的原料,再做實驗設計驗證。

而由文獻蒐尋所得具有擬開發保健功效(如調節血糖) 之原料,可能有八或十種,如何篩選其中最適合原料?若以動物試驗確認保健功效不但時間冗長,且成本也太高,故不會將所有可能原料全部進行動物試驗,細胞試驗之細胞種類需與保健功效有關,實驗結果才會是正確的。

目前保健食品先由文獻蒐尋可能的原料,再做實驗設計驗證。圖/pixabay

如實驗不易形成體脂肪細胞篩選試驗時,常採用 3T3-L1 前脂肪細胞與測試原料共培養,再進行前脂肪細胞之油紅O染色 (oil red O stain),堆積於細胞內之油滴會被染成紅色,紅色油滴越少表示該原料不易形成體脂肪之效果越好,可進一步進行動物或人體試驗以確認其不易形成體脂肪之功效。

進行動物試驗,必須有模式鼠才可進行,如調節血脂之實驗,可在飼料中添加 0.2% 之膽固醇,以誘導高膽固醇之模式鼠。調節血糖之實驗,則可使用 streptozotocin (STZ) 及 alloxan 兩類化學藥劑,這兩種都是會對胰臟 β 細胞產生不可逆的毒性,藉此破壞胰臟 β 細胞,使胰島素分泌下降,進而血糖濃度上升,因此在型態上與人類因先天基因缺陷的第 1a 型糖尿病、自體免疫破壞胰臟 β 細胞而造成的第 1b 型糖尿病均極接近,可做為高血糖之模式鼠。高血壓則常使用京都種自發性高血壓模式鼠 (spontaneously hypertension rat, SHR)。

動物實驗之組數一般分為六組:

  1. 控制組:完全沒有處理之組別,用來作為對照用
  2. 模式組:如高脂、高血糖、高血壓、阿茲海默症鼠
  3. 正控制組:模式鼠以已通過健康食品認證或有功效作用之藥物處理鼠
  4. 模式鼠以低劑量處理組:一般以 0.5 倍劑量處理模式
  5. 模式鼠以中劑量處理組:以 1.0 倍劑量處理模式鼠
  6. 模式鼠以高劑量處理組:一般以 2.0 或 5.0 倍劑量處理模式鼠

模式組需驗證已達模式高血脂、高血糖、高血壓、阿茲海默症之預計目標,否則此次實驗數據不被採用。正控制組用以驗證已達改善高血脂、高血糖、高血壓、阿茲海默症等之預計目標,如未達預計目標,表示實驗有問題,此次實驗亦不被採用。衛生福利部健康食品功效評估方法希望有低於一倍劑量、一倍劑量與高於一倍劑量等三個不同劑量組。此三組之實驗結果可以觀察是否有劑量關係。每組之實驗動物至少為八隻,必須附動物購入之原始文件以為證明。

功效評估大哉問?政府規範全都錄

衛生福利部公告之健康食品功效評估方法共有十三項:

  1. 調節血脂功能評估方法
  2. 骨質保健功效評估方法(2013 新修訂)
  3. 免疫調節功能評估方法
  4. 胃腸功能改善評估方法
  5. 牙齒保健功能評估方法
  6. 調節血糖功能評估方法
  7. 護肝保健功效評估方法(2016 新修訂)
  8. 抗疲勞功能評估方法
  9. 延緩衰老保健功效評估方法(2015 年新修訂)
  10. 促進鐵吸收功能評估方法
  11. 輔助調節血壓功能評估方法
  12. 不易形成體脂肪保健功效評估方法 (2013年新修訂)
  13. 輔助調整過敏體質功能評估方法

其詳細規定可參考網站:http://www.fda.gov.tw/TC/siteList.aspx?sid=1760。十三種功效評估方法中已有四種經過修改,在評估方法名稱中稱為功效評估方法,以別於其他九種未經修改之評估方法 (仍稱為功能評估方法)。…….

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飛天企鵝與口哨輸入法,那些愚人節限定的有趣故事

  • 撰文者/郭宜蓁

不久前,安海瑟威在艾倫的節目上,談到自己學會一招關於柑橘的養生法「柑橘療法」。艾倫和台下一大群觀眾,邊聽她說如何得知這個療法,一邊剝橘子,然後照著她所說的步驟,透過柑橘調整呼吸,結果她問大家覺得有效嗎?「這才不可能有效!因為這是她自己編出來的故事。」

透過這個故事其實是想告訴大家,「不要因為名人說什麼,你就全然相信」。接下來就讓我們一起來看看,愚人節時,有哪些有趣的騙人事件吧!

演化奇觀,企鵝飛起來了!

企鵝家族裡的企鵝會滑雪橇,快樂腳的企鵝會跳踢踏舞,BBC紀錄片中的企鵝會飛?

有一年愚人節BBC(英國廣播公司)發布了一支企鵝飛起來的紀錄片,影片中的企鵝還不是因為跳躍看似飛起來,而是像候鳥一般,成群結隊地起飛大遷徙,甚至飛到數千英里外的亞馬遜雨林中,到底是發生什麼事了?

其實這支紀錄片,是透過動畫技術做出來的影片。透過動畫技術模擬企鵝飛行,透過綠幕,將主持人剪到影片當中,再透過有說服力的話術,把觀眾騙得團團轉。而現實世界的企鵝,還是不會滑雪橇、不會跳踢踏舞、不會飛,也當然不會降落在亞馬遜雨林中。

發現新物種,到底有沒有南極熊?

圖/pixabay

2017年的愚人節,WWF(世界自然保護基金會)宣布,他們發現了棲息在南極洲的新熊種,這個新物種的紀錄由WWF Japan調查隊發現!

最初是由於調查員發現企鵝及海豹屍體,並從其傷口研判,應是某種肉食性動物所為,因此展開調查。幾天後,研究小組目擊到外形和北極熊相似的動物,很幸運地拍下照片,也採集到部分毛髮樣本進行DNA的分析。

DNA分析發現這個新物種,與棲息在南美洲的眼鏡熊親緣相近,但牠的生態習性和外形,則被認為與北極熊有趨同演化的情形。

然而事實上,這個新熊種隨著被大家發現這是愚人節的玩笑之後,存在大家的心裡幾分鐘後,便滅絕了。對於我們現存瀕臨絕種的北極熊,大家也要好好愛護牠們呀!隨手關電源,救救北極熊吧!

Google日語輸入法的創(惡)新(搞)作品

近幾年來,每到愚人節, Google 日語輸入法團隊,就會推出新產品。在此介紹幾個有趣的產品:

  • 2014年的魔術手。當你的手可能因為剛做好指甲、戴手套、貼OK繃,或是出現各種不便於碰觸手機的情況時,就是使用魔術手的好時機。在不同的情況下,還可以選用不同風格的手指進行操作。

  • 2015年的吹龍口哨。簡單來說就是透過紅外線紀錄紙卷吹出的長度,系統根據長度自動輸入文字的輸入法,使用者可以在無法手動輸入文字,或是無法使用語音的環境中,自動輸入想說的話,真是具有革命性的產品呀!

看完產品介紹影片,真的很想說:不要這麼正經八百的亂講話啦!(哈哈)

那些年,泛科學差一點推出的作品

說到愚人節,最愛玩的我們當然也不能錯過囉!我們在 2016 年推出了「第一款有聲動態貼圖」,派出了萌噠噠的  Mouse 編從泛科動畫日入侵到 Line!到了 2017 年,泛科學則開發出全台第一款自製科研系戀愛懸疑遊戲「心跳實驗室 DokiDokiLab」,帶著大家回到最單純卻也最複雜的科研時光。

2018 年,我們更下定決心前進二次元世界,發行《週刊少年泛科學 EX. 》豪華版創刊號,從網路新聞走入紙本書的市場,為的就是將科學帶給大家!

(好啦以上都是唬爛,但真的好想實現啊嗚嗚嗚……以下開放大家募資!

既然是愚人節,好像就能理所當然的騙人了(誤)。還是要提醒大家,在看到各種訊息時,都要展現獨立思考的能力,不要覺得是某個名人或權威說的話,就傻傻地相信了唷!2019 年的愚人節,還會有什麼有趣的整人事件呢?感覺很值得期待呢!

貼心小叮嚀:開開玩笑,還是要抓好分寸,友誼的小船可是說翻就翻的唷~

參考資料:

  1. WWF、南極大陸で新種、ナンキョクグマを発見》—世界自然保護基金會(WWF)
  2. 泡泡紙讀卡器、爵士鼓鍵盤⋯⋯Google日語輸入法8件超鬧作品,還開放原始碼》—數位時代
  3. マジックハンドバージョン》—Google 日本語入力
  4. ピロピロバージョン》—Google 日本語入力

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我真的值得別人對我這麼好嗎?——心理解析《我們與惡的距離》(2)

  • 編按:在上一篇〈假裝堅強,是為了避免受傷和失望——心理解析《我們與惡的距離》(1)〉中,我們談過了喬安的生氣經常是為了掩蓋悲傷,也提到天晴把母親推開,有時候只是怕自己受到傷害。
    而本篇文章我們繼續來聊聊,你是否曾像大芝一樣,在受到他人關心的時刻不知所措?當你明明感覺到自己很脆弱卻又假裝堅強的時候,是什麼支撐著你?

 

——-以下有一、二集劇情描述,怕雷慎入——-

李大芝:禁不起關心,是因為不相信自己值得

「請再努力一下,為了你想見的人,想做的事,想成為的自己」
「你不堅強的話,脆弱給誰看?」
「別人都說你好勇敢,別人都誇你很堅強,那是因為你知道,當你脆弱的時候,沒有人會接住你。」

這些都是網路上面流傳的句子(最後一句是我寫的 XD),看起來或許很有道理,甚至有些話也住進你的心底。但不知道你有沒有想過,當你明明感覺到自己很脆弱卻又假裝堅強的時候,是什麼支撐著你?

如同劇中的李大芝,「背負」著弟弟殺人的罪名、父母的期待,用某種堅強來避免別人失望,所以總是很努力很努力,不要變成別人的拖油瓶。如果你也是這樣的人,那麼可能在人生當中你會有這兩個很典型的特質:

1. 扛起一切責任:阿玲破水的時候,去頂替她的位子,可是又很害怕自己做不好會辜負喬安的期待。

2. 怕變成別人的麻煩:曾經被重重傷害的人,最難好的,其實是對於其他人的信任。當別人想要關心他的時候,心裡經常會出現各種複雜的聲音——

  • 我真的值得別人對我這麼好嗎?
  • 如果信任你,會不會有一天你那我對你的心的傷害我、背叛我?
  • 如果我把心交給你,會不會有一天你仍然離我而去?

你是否曾經懷疑過自己:「我真的值得別人對我這麼好嗎?」劇中大芝禁不起關心,是因為不相信自己值得。圖/取自我們與惡的距離臉書粉專

幸好,隨著時間,那些受創傷的人,還是可以慢慢建立起一些對別人的信任——只要關心的人堅持而且穩定 [11]。劇中的房東思悦其實很關心大芝,可是每當她說出一些關心,換來的都是大芝的沉默。

她送大芝髮圈,大芝不知如何以對;她早上在公司提離職被喬安飆,思悦問他要不要到她開的飲料店「小確悦」聊聊,她猶豫不決;甚至,在思聰(思悦的弟弟)搬家過來和他一起住的時候,她第一個擔心的問題竟然是:「那我要搬走嗎?」,其實這一個又一個的防衛行為,只是為了避免自己再次受傷,但隨著劇情的推進,思悦也漸漸走進她的心房。

大芝一邊煮麵一邊思念,然後也把這樣的思念,用某種形式傳遞給思悦。兩個同樣「失去」母親的人,在這一刻,心裡面某一個殘破的一塊暫時獲得了完整。

如果你跟大芝一樣,好學又好強,而且你知道你的強壯是為了維持住心裡面某一個很容易崩壞的地方,命運往往會安排一個「思悦」來訪,他和你有同樣的悲傷、同樣的失望、同樣對自己的罪惡感,這就是所謂的「傷口的吸引」[12]。看起來好像很神,但說穿了,就是他能夠懂得你身上,別人所不能夠懂的那種痛。

在黎明之前,天空總是最黑的

篇幅所限,截稿在即(劉軒說,對於完美主義的我們來說,有時候做完比做好更重要 [13]),這部動人心弦的影片還有很多深刻的部分可以觸及,例如:

「媽媽沒有路用,只存了這樣⋯⋯往後你就要靠你自己了⋯⋯」大芝媽媽說,這段話逼哭了很多人。
「爸爸跟媽媽你們是不是要離婚?所以愛會消失對不對?⋯⋯你騙人,妳跟爸爸之前也很相愛,現在還不是不愛了?你們要離婚,為什麼不會找我討論?」天晴說。
「你說的那個薪水當然也很重要,但是頭條新聞是讓人進場的⋯⋯」NEWS哥說,在理想和現實之間找到一個平衡點。
「你很好學、好強,但不要挑戰人性」鏡傳(盛竹如)說,而且那句「無事不登三寶殿」一直讓我出戲哈哈哈。

發現了嗎?一間小小的公司,每一個人都有他們自己的議題與悲劇。

那些表面上看起來光鮮亮麗、講話很大聲的人,或許心裡住著一個脆弱的靈魂;那些總是很勢利、只看績效表現,沒有一點人情味的主管,他也要看廠商和股東的臉色,回到家之後或許還要面對一個比他更冷漠的人;那些總是看起來像野口一句話都不說的同事,憂鬱的眼神裡面看起來總好像有心事,但從頭到尾他可能沒有想要推開誰,他只是害怕說出口之後,會造成別人的麻煩。

從殺人到離婚,從精神病患到孤兒,從嘴臉猙獰的主管到低聲下氣的職員,我們經常會不小心就用他所做的事情來定義他這個人(基本歸因謬誤,fundamental attribution bias)[14],可是卻忽略了,他也是一個「人」,更忽略了這個社會和情境的脈絡,如何把這個人「捏成」今天這個樣子。

圖/取自取自我們與惡的距離臉書粉專

看完了前兩集,很多人都說很難過,因為劇情竟然那麼血淋淋地貼近我們的真實,讓我們想躲都躲不掉不掉。

大家都說新聞的環境要改變,可是每天依然還是播報腥羶色的新聞博取大家的注意力。儘管有些人想要努力,可是這個圈子似乎並沒有變好,而是越來越糟糕。

聽起來很絕望對嗎?事實上,從行為心理學的角度來看,改變本來就是困難的,當我們要改變習慣或者是立刻調整某些事情的時候,大腦都會做最後的奮力一搏,結果現狀看起來不但沒有更好,反而更糟糕。這就是江湖上人稱的「削弱突現」(extinction burst)[13]。

或許,現在是台灣新聞環境以及精神病污名化最糟糕的一年,我們用各種嗜血和標籤來區隔,形成一種內心暫時的安全 [15]。但我們都有能力避免,讓今年變成往後最好的一年。

回過頭來,喬安的假裝堅強,其實是因為要避免失望;她看起來推開了所有的人,但也卻因為她這樣的盛氣凌人,才能夠對抗高層,捍衛心中新聞的底線。從這個角度來看,或許你就會發現她的情緒也有它的功能。

人生好難,我們總是會選擇性地看到光明裡的黑暗,卻忘記了光暗本來就是相輔相生,在如此巨大的陰影裡,也藏著愛的縫隙。

參考資料:

  • [11] Harris, N. B.(2018)。深井效應:治療童年逆境傷害的長期影響 (The Deepest Well: Healing the Long-Term Effects of Childhood Adversity)(朱崇旻譯)。台灣,台北:究竟出版。
  • [12] 有時候,這樣的吸引會能療癒(例如這裡),但也有時候,會帶來負面效果(例如這裡
  • [13] 劉軒(2019)。能自處,也能跟別人好好相處:成熟大人該有的33個心理習慣。台灣,台北:天下文化。
  • [14] PHILIP, E. T. (1985). Accountability: A social check on the fundamental attribution error. Social psychology quarterly, 48(3), 227-236.
  • [15] 見舊文《塵爆效應:為何傷這麼大,還要繼續罵?
  • [16] Sprecher, S., & Felmlee, D. (1997). The Balance of Power in Romantic Heterosexual Couples Over Time from “His” and “Her” Perspectives. Sex Roles, 37(5), 361-379. doi: 10.1023/a:1025601423031

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假裝堅強,是為了避免受傷和失望——心理解析《我們與惡的距離》(1)

你曾經聽過這樣的話嗎:

「哭有什麼用?哭能夠解決問題嗎?」
「你就不能看開一點嗎?」
「你還要再難過多久?」
「現在年輕人都像你這樣草莓族嗎?一點壓力就承受不住。」

如果你曾經遇過這樣的人、聽過這樣的話、甚至把這些傷人的話放在心裡,時常拿來複習,那麼很可能在不知不覺當中,你「終於」變成一個「堅強」的人——像喬安姐一樣。

你「終於」變成一個「堅強」的人——像喬安姐一樣。source:大慕影藝

 

——-以下有一、二集劇情描述,怕雷慎入——-

宋喬安:憤怒,經常是為了掩藏底下的哀傷

很多時候,憤怒的意義比我們想像中還要來得複雜許多。在所有的負面情緒當中,它往往是最容易被「顯現」出來的情緒 [1]。

想想你上次感到不舒服的時候,是不是源自於下面兩種事情之一 [2] :

  • 對別人生氣:同事、主管、朋友、伴侶、家人,他們所做的事情違背你的心願、和你的價值觀不同、或者是威脅你的自尊?
  • 對自己生氣:做錯了某件事、覺得自己造成別人的麻煩、覺得自己為何這麼久還走不出來、覺得自己很沒用⋯⋯

發現了嗎,其實在這些憤怒背後,都有一系列的哀傷,可是我們被教導不要表現出來 [3],因為只有堅強,才能夠抵抗絕望。想哭的時候倒立,想耍廢的時候跟自己說不可以,不允許自己休息,用嚴厲的態度對待別人同時也對待自己 [4]。這一個又一個的生氣,到底真的想要告訴你的是什麼?

在這部劇當中,如果你仔細「閱讀」喬安的生氣,就會發現那些傷人的句子,都有它的表裡:

「你是豬嗎?你中文是怎麼學的?連標題都會下錯?明天不要來了」 「你是豬嗎?連一個孩子(天彥)都保護不了,你這個媽媽到底怎麼當的?」
「你外遇就比較健康嗎?」* 「我知道我現在這樣很不健康,但是我還沒有勇氣去面對,我只能夠用攻擊來掩藏⋯⋯」
「關心有什麼用?我連我的老公跟孩子都留不住了,我還能留住誰?」 我好想要留住我身邊的人,可是我覺得,我怎麼這麼沒有用。如果「相信」關心有用,那當我付出這麼多關心仍沒有用的時候,就會非常難過。不如,不期不待,不受傷害。
「如果殺人犯和他的家人都不需要付任何責任,那我們天彥什麼?我們天彥算什麼?」 我其實知道,就算他們負責也換不回天彥,可是我真的很難過,每天在怪罪自己和怪罪對方中度過⋯⋯。

喬安看似堅強,卻擁有很多受傷,而她的堅強只是為了支撐自己,不讓自己倒下。她以為只要把心力都放在工作上,以為只要用酒精麻痺 [5]區隔內心當中那個黑暗的一塊,事情就會好轉,卻不知道,黑暗是不會消失的。

相反地,她這樣的做法反而才會讓她身邊的人一個又一個地消失。如果你看到喬安這個角色你會覺得鼻酸心疼,或許在你的心裡面,也住著一個喬安,害怕受傷又高度敏感,所以用層層的荊棘,把別人隔絕千里 [6]。

喬安看似堅強,卻擁有很多受傷。她以為只要用酒精麻痺內心那個黑暗的一塊,事情就會好轉,卻不知道,黑暗是不會消失的。source:大慕影藝

當喬安意識到那些珍貴的東西一點一點地離去,發現不能再這樣下去,想做點什麼的時候,女兒天晴已經默默的「繼承」了她的技能(代間傳遞,intergenerational transmission)[7]——生日派對的時候,抱了叔叔阿姨和爸爸,但是卻沒有抱媽媽;用她給喬安的母親節卡片裡酸言酸語,用哥哥的名字署名;喬安想示好陪她一起睡覺,她卻把喬安推走——就跟喬安把別人推開的力道一樣。

劉天晴:有時候推開,是為了避免自己受傷害

source:

不知道你有沒有想過,為什麼天晴選擇跟爸爸好而不是跟媽媽好(當然,這狀態之下的媽媽真的很難相處)?這裡提供一個比較科學跟一個比較不科學的解釋:

1. 比較科學的解釋:父、母和孩子是一個「三角關係」[8],當父母爭吵的時候,孩子可能會被逼迫要站在某一邊。當爸爸不喜歡媽媽,而孩子喜歡爸爸的時候,那麼根據海德的平衡理論(Heider’s Balance Theory)[9],若「喜歡」的符號用「+ 」來代表,「討厭」的符號用「-」來代表,三角形裡面的符號「乘」起來要是「正」的。換句話說,孩子就只能從下面兩個選項當中挑選一個:

  • 討厭媽媽,以維持和爸爸之間的良好關係
  • 討厭爸爸,轉而喜歡媽媽,然後維持三角形的平衡

由於喬安把重心都放在工作上,所以孩子比較有可能選擇前者,來維持三角形的平衡。

根據海德的平衡理論,若「+ 」代表「喜歡」,「-」代表「討厭」,三角形裡面的符號「乘」起來要是「正」的。圖/作者提供

2. 比較不科學的解釋:很多時候,女兒會透過「認同」母親來維持和母親的關係,儘管這個「認同」在表面上看起來是把母親給「推開」(這什麼鬼話)。聽不懂嗎?沒關係,一開始我也聽不懂,不過來嘗試解釋得更容易懂一點:倘若你的母親經常防衛性地推開你,是為了藏起她心中某一個巨大的黑暗情緒,那麼你可能會做下面兩件事情——

  • 模仿她的行為,也把她推開,保護自己不受傷害。媽媽很冷漠,可是你還是很想要靠近她,該怎麼辦呢?所以這樣的「模仿」,你不知不覺地覺得自己跟她很像,在潛意識裡跟她「靠近」。
  • 跟她一起共舞:在你的心裡某個部分知道,她現在就像是驚弓之鳥,她需要一些空間。所以她刻意製造出一個空間給她,表面上看起來這麼冷漠不說話,實際上是源自於一種心疼。你心疼她在這樣的狀況下還要照顧你,所以你學會照顧好自己。

如果,在你小的時候也有一個「假裝堅強」的媽媽,你也曾經懷疑父母的爭吵是不是自己的錯,那麼長大之後,有可能成為一個非常擔心「是不是都是我害的?」的大人,過分地努力、拚命地想要讓別人看見,可是卻依然禁不起別人的關心,當別人對你好的時候感到疑慮 [10]——像劇本當中的李大芝一樣。

如果你小時候也曾經懷疑父母的爭吵是不是自己的錯,那麼長大之後,有可能成為一個非常擔心「是不是都是我害的?」的大人,就像李大芝一樣。圖/取自我們與惡的距離臉書粉專

註解:

*在一段關係當中經常會有權力高低的問題 [16],夫妻也會經常有形或無形的去爭奪自己在當中的地位。所以這段對話:
「如果真的要走到那一步,不要以為我監護權會搶輸你⋯⋯我只想要讓小孩有個健康的媽媽(妳酗酒不健康)」昭國說。
「你外遇就比較健康嗎?」喬安說。
儘管我們目前還無從考證昭國是不是有外遇,但至少透過這個小小的攻擊,喬安暫時在這一刻讓彼此的地位活在一種假象的平衡裡。

參考資料:

  • [1] 胡展誥(2017)。別讓負面情緒綁架你:30個覺察+8項練習,迎向自在人生。台灣:寶瓶文化。
  • [2] Sand, I.(2019)。敏感得剛剛好:高敏感族情緒整理術!撕下「情緒化」、「難相處」的標籤,讓憤怒、悲傷、嫉妒、焦慮不再破壞你的人際關係!暢銷話題書《高敏感是種天賦》情緒管理篇!(The Emotional Compass: How to Think Better about Your Feelings)(梁若瑜譯)。台灣,台北:平安文化。
  • [3] Sand, I.(2018)。我只是假裝不在乎:摘下「自我保護」的社交面具,享受正向的人際關係。台灣,台北:平安文化。
  • [4] Fanget, F.(2017)。從自我苛求中解放出來(JE ME LIBERE)。台灣:采實文化。
  • [5] 但酒精的功能可能不「只是」麻痺,詳參考:郭信麟(2019)。情緒的逆襲:90%誤以為只是心情不好?其實可能會導致生理、心理疾病!精神科醫生教你如何預見風暴前的訊號。台灣,台北:財經傳訊。
  • [6] 呂旭亞(2017)。公主走進黑森林:榮格取向的童話分析(Seven Talks on Fairy Tales Analysis)。台灣:心靈工坊。
  • [7] 孫頌賢、修慧蘭(2005)。 親子肢體暴力與大學生約會暴力行為之關係──尋找代間傳遞中的危機與轉機28(2),267-296。取自 http://nccuir.lib.nccu.edu.tw/handle/140.119/20885
  • [8] 陳清甄(2009)。華人孝道文化、父母控制與大學生分離-個體化。國立花蓮教育大學,台灣。
  • [9] Cartwright, D., & Harary, F. (1956). Structural balance: a generalization of Heider’s theory. Psychological review, 63(5), 277.
  • [10] Lemay, E. P., & Clark, M. S. (2008). “Walking on Eggshells”: How expressing relationship insecurities perpetuates them. Journal of Personality and Social Psychology, 95(2), 420-441. doi: 10.1037/0022-3514.95.2.420

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《小飛象》真的能飛得起來嗎?

從《小飛象》這個名稱我們就能顧名思義,這是一部告訴我們如何讓一隻大象飛翔的故事(應該無誤吧)。「Don’t just fly, soar. 」這句話說來勵志,但在現實生活中不論是「fly」或是「soar」對大象來說都有點困難,除了能把大象放到冰箱外 大象到底有沒有機會展翅翱翔、逆轟高飛呢?

大象到底有沒有機會展翅翱翔、逆轟高飛呢?source:IMDb

這麼重的動物能在天上飛嗎?

在 1941 年的動畫版本中,並沒有特別說明小飛象是哪種大象,不過,在這次的電影《小飛象》中,則明確指出牠的媽媽是一頭亞洲象。現今象屬中僅存非洲象與亞洲象,究竟這兩種象有什麼差異?還有,小飛象如果是亞洲象的話,會比較容易飛起來嗎?

如果想要飛起來,體型自然是第一個要考慮的向量,體重越輕,飛起來的可能性也就越大。如果是這麼考慮的話,小飛象身為亞洲象可能比較有利。因為與非洲象相比,亞洲象的體型比較輕一些。當然啦,這個「輕一些」其實也沒輕到哪裡去,成象的體重仍可達 3 到 5 公噸,而 baby 亞洲象出生時的體重也有約 90 公斤左右,跟咱們人類意義中的「輕」相比,可還有好大一段差距。

不過,也不是說質量大就飛不起來,像是體重最重的飛行鳥類──已經滅絕的阿根廷巨鷹,其體重重約 72 公斤,翼展長的約為 5~6.6 公尺;而最大的飛行生物翼龍,翼展長度為10公尺左右,其重量據估計很可能超過200公斤。所以…大象的體重好像是蠻有機會可以飛起來的?

阿根廷巨鷹尺寸比較。source:Wikipedia

別急別急,就算通過體重的關卡,接下來還要面對另一個問題:小飛象有辦法產生足夠的升力嗎?亞洲象被記錄到最快的時速約為35公里,而古生物學家推估大型翼龍飛行時速需要達到每小時50~60公里,這速度對小飛象來說有點硬啊,更別說同量級的螺旋槳驅動客機約需要200~300公里每小時的加速度。

而就算小飛象真能跑那麼快,別忘了,大象的耳朵是軟骨而非像是鳥類的翅膀是硬骨骼,根本沒有辦法支撐啊嗚嗚嗚。

等等,好像搞錯了耳朵的用途了

另外一個你看完《小飛象》會不小心忽略的驚人的事實是:大象的耳朵根本不是拿來飛行的(廢話XD)。除了飛行之外,大象的耳朵可是非常多功能,不只能聽聲音,還能表達情緒。

此外,大象的大耳朵還有個很重要的用途:散熱。

大象的耳朵皮膚很薄、且佈滿微血管網;當天氣炎熱時可以透過加速期收縮舒張,讓血液快速流過耳朵,搭配煽動讓冷空氣接觸耳朵散熱效果更好。

「一頭成年的雄性非洲象,全身血液大約有 380 公升,最快能夠在 20 分鐘之內全數流經耳朵。」[1非洲象的耳朵長達近兩公尺,而亞洲象因為其棲地在森林、環境較為涼爽,因此耳朵的尺寸就比非洲象小。當天氣冷的時候牠們還會將耳朵縮起,減少血液和冷空氣接觸的面積。而生活在寒地的猛瑪象,其耳朵跟亞洲象和非洲象比起來,算是非常非常的小了。

看那猛瑪象的小小耳朵。source:Wikimedia

那小飛象的耳朵那~麼~大~會怎麼樣呢?恩……天氣冷的時候牠可能會覺得特別冷,或者牠會需要攝取很多食物來補充熱量(吃貨來著)。

不能用耳朵飛,但牠們有其他超能力

除了耳朵,你不可能不會注意到大象的另外一個靈活的器官:鼻子。有些抓取物體的仿生機器人便是從大象的鼻子得到靈感的。用象鼻捲起樹枝、或是塊狀的物體不稀奇,但同樣的鼻子還能採集介於固體和液體之間、極為不穩定像麥片之類的顆粒狀物體,真的是連 Dyson 吸塵器都難以比擬的巧奪天工啊!

壓壓再輕輕一捏,當啷!清潔溜溜 Wu et al. 2018

研究人員把各種形狀的零食放在他們稱為「力板」的工具上,用來測量象鼻捲不一樣的形狀的食物的時候,用了多少粒。他們發現,當大象只是把大塊的蔬菜塊、或是捲樹枝的時候不會用到太大的力氣。反而當物體較小、需要用鼻子把它們「捏」起來的時候,用了較大的力氣。

拿蔬菜塊時候的情況。Wu et al. 2018

不同大小形狀的食物,大象(凱莉)會用不同的方式去抓取。Wu et al. 2018

大象的嗅覺也非常靈敏甚至有可能是哺乳類動物之最:他們有2000種不同的基因跟感知氣味有關。老鼠大約是1200個,狗則有800個,而人類跟靈長類動物則只有大約40個嗅覺基因。大象會用鼻子來尋覓食物、躲避敵人,以及尋找同伴。

看到這裡你可能會很想知道:我們在卡通中、電影裡看到的「象鼻救火」橋段到底有沒有可能實現呢?成年亞洲象用力吸一口水,大概可以用象鼻裝下 8 到 10 公升左右的水量,拿來救火可能是有點兒困難,但為自己洗個澡可是綽綽有餘呢!

說了這麼多關於大象的特徵,最讓你驚豔的是哪一個部份呢?無論如何,就算小飛象飛不起來也依然可愛,但如果可以的話,真想要被牠那比吸塵器還厲害的長鼻子緊緊地包圍呀!

想被長長的鼻子緊緊包圍啊。source:IMDb

延伸閱讀:院線影評/《 小飛象 》:低空飛過的量產闔家歡  @娛樂重擊

資料來源:

  • https://www.sciencenewsforstudents.org/blog/technically-fiction/could-elephant-ever-fly
  • http://www.sciencemadesimple.co.uk/curriculum-blogs/biology-blogs/how-could-an-elephant-fly
  • https://www.sciencenewsforstudents.org/article/how-do-elephants-eat-cereal-pinch
  • https://www.sciencenewsforstudents.org/article/elephants-appear-be-super-sniffers

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還在慢慢判定菌種?讓微生物鑑定儀幫你一把!

  • 施朝仁/財團法人食品工業發展研究所/生物資源保存及研究中心研究員

「我是誰?」微生物百百款,要如何鑑定?

對所有微生物研究的從業人員而言,無論是在學界、業界抑或是醫界,精確的微生物身份判定或鑑定,一直都是最重要的事情。

在學界,正確的菌種鑑定關係著研究生能不能順利畢業、教授的論文能不能發表;在業界,微生物產品中菌的正確性則關係著普羅大眾的健康與權益;在醫界,精確的菌種鑑別,更是影響醫生能否正確下藥,是攸關生死的重大任務。

傳統微生物的鑑定方法建立於形態觀察生理生化反應的基礎上。

形態觀察不外乎菌長的圓還是扁?長還是短?有無鞭毛?會不會產生內孢子?革蘭氏染色是紅還是藍?菌落形態是濕潤隆起或是乾扁皺縮等等。生理反應要看菌的厭氧性、生長溫度、生長酸鹼值、耐鹽程度等。生化反應則是看對碳源的利用、碳水化合物的氧化或發酵、酵素反應等等。然而,這些檢測所謂的表現型特性 (phenotype) 的觀察或試驗,往往費時且耗工,甚至不一定精確。

傳統微生物的鑑定方法建立於形態觀察及生理生化反應的基礎上。圖/pixabay

時代在走,進步要有:微生物鑑定儀歷代演進

因應著科研人員對 「快速」、「可靠」 的渴望與需求,微生物鑑定平台也跟著快速演進中,更快、更準的套組與儀器不斷地推陳出新。以生化反應偵測為例,Biomerieux 公司在 1970 年代推出 的 API ® 鑑定產品堪稱全球最早開發的手工微生物鑑定系統。

這套系統將繁複的零散生化試劑融合成套裝式組合,曾被視為微生物領域中的黃金標準鑑定法,被廣泛運用在各領域當中,整個系統大約涵蓋 600 多種菌株,所需的鑑定時間只要 18-72 小時 。

然而,他畢竟還是 『手工套組』,操作時的試劑添加、結果判讀都還是得自己來。

API® 鑑定系統。圖/作者提供

於是另有廠商推出了半自動的鑑定系統,如 BiOLOG 公司推出的 MicroStation 微生物菌種鑑定系統 ,只要手動添加菌液到 96 孔樣本盤,反應結果就交由機器判讀、比對。這套系統可鑑定的菌株範圍更廣,多達 2500 種。

BiOLOG MicroStation 微生物菌種鑑定系統。圖/作者提供

有了半自動系統後,當然就會有廠商研發全自動系統,Biomerieux 公司繼 API ® 系統後,再接再厲推出全自動微生物分析系統 Vitek 2 Compact,強調只要備妥菌液,機器就可以自動將菌液吸入測試卡內,在含有不同試劑的小反應槽裡進行反應,腸內桿菌最快 2-6 小時即可判定身份。

Vitek 2 微生物鑑定系統。圖/作者提供

上述這些鑑定方式,都是根據微生物的表現型來進行判定,然而隨著分子生物技術的快速進步,基於微生物基因型的分類方法發展得如火如荼。不管是利用細菌的 16S RNA 基因序列,或是真菌的 18S RNA 基因序列,只要能取得目標微生物的 DNA,經過簡單的聚合酶連鎖反應 (PCR) 及定序反應就能獲得菌種的 DNA 序列。

也因此,線上基因序列資料庫的資料正以每日數以萬計的數量快速累積中。根據這些序列,生物資訊專家可快速的將各個微生物樣品進行比對分類,甚至畫出他們的系統演化樹圖。微生物學家只要將手上未知菌種的 16S 或18S rRNA 基因的序列與資料庫進行比對,很快地就能得到最接近的菌名,而且多數菌種的身份判定能精確到連同種不同品系都鑑定得出來。於是,現在的微生物從業人員,遇到未知菌株,第一個反應就是定序。至此,微生物鑑定平台正式進入了基因型的時代。

別再蝦等了,2小時內菌種鑑定迅速搞定

而隨著定序繼續的突飛猛進,尤其次世代定序儀的發展,更將微生物鑑定帶入另一個境地:不用純菌也不用活菌就可了解全菌組成的宏觀基因體世代 (metagenomics)。

不過這不是此篇重點,表過就好。對微生物生態學家、醫院微生物檢驗人員或食品、藥廠環境監控人員而言,每天所面對的絕對不會是簡單、少數幾株菌的鑑定工作,往往一次就是數百甚至上千個未知菌落。即使你的老闆很有錢,可以很豪邁地把全部的未知菌落 (菌液) 通通送去做定序,但別忘了還要先一個一個抽 DNA、跑 PCR、跑電泳確認增幅片段等等的工作得先進行,就算實驗室裡有錢到可以將上述工作都以全自動設備代勞,「時間」仍是無法避免的成本。

解決的方法就是基質輔助雷射脫附游離飛行時間式質譜儀,以下簡稱 MALDI-TOF MS ,這項技術近年已被廣泛應用在微生物鑑定與研究上。此儀器的原理為:

將樣品與基質 (通常為有機酸) 混合,以鐳射光激發樣品,讓樣品氣化游離後,飛行至偵測器,系統再將樣品中所有蛋白質、胜肽、代謝物等依質量大小以圖譜呈現。

這就像是要分析一個班級(細胞)的學生體重(全細胞蛋白質)組成,讓學生穿上感應槍聲會強迫起跑的特定衣物(基質),並排站於起跑線(樣本盤),鳴槍(雷射激發)後起跑。學生裡體重輕的跑得快,體重重的跑得慢,裁判在終點線依抵達順序將學生排序,排列於司令台(圖譜),則可得到該班級學生體重組成(蛋白質指紋圖譜)。

MALDI-TOF MS 解析微生物的全細胞蛋白質分子量大小範圍在 2000-20000 Da 之間,此區間的蛋白質以核醣體蛋白等胞內負責持家的蛋白質為主4。核糖體蛋白在不同菌種都需要用到且需求量相當,所以不易受到外在培養條件影響,故質譜訊號有良好重複性與再現性,可作為菌種鑑別之依據。MALDI-TOF MS 設備的製造商已與德國菌種中心合作,將已知菌株的蛋白質指紋圖譜建立資料庫,利用相同物種指紋圖譜一致的特性,將未知樣本圖譜與已知圖譜比對,則可快速完成微生物身分鑑定。

MALDI-TOF MS 系統。圖/作者提供

對於一般微生物而言,其解析度已能達到 「種」 層次的鑑別,甚至是近緣物種之區分,因而被認為具有取代細菌 16S rRNA 基因定序比對之潛力1,2,3。MALDI-TOF MS 技術比對菌株細胞裡的多種蛋白質,而 16S/18S rRNA 基因的比對只用一個基因為代表。想像要區分兩個班級的特色差異,分析全班同學的體重組成,似乎比只抓班長出來比較身高體重來的宏觀一些。

利用 MALDI-TOF MS 進行微生物分類鑑別最大優勢在於時間成本的降低。只要將欲分析的菌落直接塗抹於樣本盤,覆以特定基質即可,而且每個樣品盤可同時處理 96 個樣品,上機後 2 小時內即可完成所有分析。每一個樣品點所需使用的試劑耗材花費低於百元新台幣,相較於前述的手動微生物鑑定套組-API® 與半自動-BiOLOG 或全自動鑑定系統-Vitek 2,甚至是 16S rRNA 基因序列分析,在操作上更加簡便且成本更低,因此非常適用於短時間內進行大量樣品之快速分群鑑別分析。想做菌種鑑定,你不用再苦等生化反應與定序結果了,試試 MALDI-TOF MS吧!

參考文獻

  1. Dieckmann, R. Helmuth, R. Erhard, M. and Malorny, B. 2008. Rapid classification and identification of salmonellae at the species and subspecies levels by whole-cell matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry. Appl. Environ. Microbiol. 74:7767–7778.
  2. Ruiz-Moyano, S. Tao, N. Underwood, MA. and Mills, DA. 2012. Rapid discrimination of Bifidobacterium animalis subspecies by matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry. Food Microbiol. 30:432–437.
  3. Sedo, O. Vadurova, A. Tvrzova, L. and Zdrahal, Z. 2013. The influence of growth conditions on strain differentiation within the Lactobacillus acidophilus group using matrix-assisted laser desorption/ionization time-of- flight mass spectrometry profiling. Rapid Commun. Mass Spectrom. 27:2729–2736.
  4. Wieser, A, Schneider, L. and Jung, J. 2012. MALDI-TOF MS in microbiological diagnostics-identification of microorganisms and beyond (mini review). Appl. Microbiol. Biotechnol. 93:965–974.

 

本文轉載自MiTalkzine,原文《還在等菌種鑑定結果?試試 MALDI-TOF MS吧!

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【特輯】在《我們與惡的距離》之間:關於傷痛、司法、媒體與恐懼的交集

公視與呂蒔媛編劇、大慕影藝合作推出的《我們與惡的距離》於 3 月 24 日播映,首播兩集以無差別殺人事件為起點,同時交織著司法與媒體的現況。此劇挑戰了艱鉅的台灣社會議題,亮眼的卡司、精彩的劇情節奏以及細膩的情感呈現,讓人邊泛淚邊期待著週末的到來。

這部戲劇不只討論了我們與惡之間若即若離的距離,也談關於面對失去摯愛的傷痛,正義、憤怒與人權的爭論,精神疾病的診斷與污名。就讓我們來看看這些場景背後的各種討論吧!

我們與惡的距離宣傳圖。source:大幕影藝

——-以下有一、二集劇情描述,怕雷慎入——-

 

痛失摯愛,那樣的哀傷時時浮現

在隨機殺人事件中失去兒子的新聞台編輯主管宋喬安(賈靜雯飾)與其丈夫劉昭國(溫昇豪飾)感情瀕臨破裂,時隔兩年的母親節,喪子的悲痛依然壟罩整個家庭……

失去摯愛引發的強烈悲痛,是引起憂鬱症的重要因素。

幾乎每一個痛失摯愛的人都會經歷心情低落期,時間長短各有不同──從數小時、數天、數週到數月都有可能,有時候甚至會持續數年。因為失去至親好友而悲痛的人大多不會罹患嚴重影響健康的憂鬱症,但是其中有將近三分之一會陷入一段臨床上很顯著的發作期。沒有人能避免面對死亡,所以死亡一直都會是引起許多人憂鬱的因素。即便統計資料不完善,我們也可以推估大約四分之一的憂鬱症病例與傷慟有關。

在排山倒海的輿論與司法體系中,如何維繫普世價值的人權?

人權律師王赦(吳慷仁飾)及妻子丁美媚(周采詩飾)家庭生活溫暖和睦。卻因為他堅持接任爭議案件的辯護律師,而蒙上一層陰影。

人權也是一種態度,它是多元、包容、自我懷疑與驗證。如果想要擁抱人權的一角,就需要接受它的全貌。冤案運動不是自我感覺良好的工具,而是一面鏡子,唯有同時重視科學與人權者,才能找回司法的價值。

搶快回應,或許不是得到而是失去

各大新聞台熱烈撥放著普吉島爆炸的消息,編輯台忙亂查證中,所有的人都尚未獲得確切的資訊,上級的電話卻一聲聲打進來施壓,詢問為什麼還不從眾撥出相同的新聞……

戲劇反映真實,當代快速的媒體節奏、活躍的社群媒體加上片面化的資訊呈現,大型的傷痛事件往往成為爭論不休的的戰場。但在評論之際,我們真的了解真相了嗎?

無論是快速評論、快速遺忘或是片面論斷,其實都是源自於人類對於資訊處理的本能。但是如果能注意到背景和脈絡的影響,運用整體的思考,或許我們終能讓這世界一點一點慢慢改善。

令人恐懼的,往往來自於不曾瞭解

幼稚園闖入疑似精神病患者挾持幼童,社區內的精神療養院只得緊急聲明:「目前只有 2 名成員告假外出聯繫不上,其他成員都保持聯繫。」飽受社區壓力的精神療養院忐忑不已。

於精神疾病的印象,較為人所知的可能思覺失調症 (Schizophrenia, 舊稱精神分裂症),這是一種思考、感覺、行為與現實脫節的疾患,但「並不是」精神疾病的全貌。

在精神疾病診斷與統計手冊第五版(Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders, Fifth Edition, DSM-V)這947頁的英文書中,洋洋灑灑的列出了18類的精神疾病,如果認真翻閱,會發現我們自己可能就符合其中的一些診斷準則(如心情低落、失眠、酒精、尼古丁依賴),那不就如同食神所說:「只要有心,人人都可以符合精神病」?

就像法律訂定的精神不是要入人於罪一樣,精神疾病的定義是確認出「精神狀態、自己主觀感受的痛苦、社會與職業的功能是否明顯偏離『一般人』」的這群人,給予幫忙。精神病不等同於大家說的瘋子;來精神科就診,也不是要把這個人貼上標籤、然後關起來,而是要幫助他能夠正常的回歸社會。

當那些已然破碎的心智,碰上暴力與司法

狹持事件還未終止,王赦和美媚仍然在幼稚園外焦急等待。此時品味新聞台找不到精神科醫師來出面說明,因此宋喬安慫恿擔任精神科醫師的妹夫林一駿(施名帥飾)上節目來談疑似狹持事件,但林一駿卻這麼回:「患者會被污名還不都是你們這些媒體造成的,媒體這樣一搞,明天什麼家屬病人、社區鄰居通通都把他們沒什麼問題的病人,送去強制住院了啦。」

精神疾病與心智障礙的患者,是一般社會行為範疇的異常值(outlier),這也正是這些患者常被污名化為「瘋了」而無法被深入理解的原因。我們因為對於精神疾病與心智障礙的無知與怠惰,寧可選擇淺薄的判斷與快速的隔離手段,也不願深入去理解:這些患者不是「病患」,而是患了病的「人」──重點不該在於把患者跟病症同質化,而一起加以隔離或屏棄。

重點該在把這些人重新當作「人」來看待,深入的理解他們的疾病與苦痛,進而在這些人誤蹈法網時,透過適切地檢視與討論,綜合臨床心理、精神醫學以及法律的觀點,來決定恰當的處遇手段。

這些龐大的議題,需要經歷大眾一次次的關心探索,才有機會一同找到的出路。《我們與惡的距離》作為真實案件改編的寫實劇,就讓我們隨著劇情一步步地體會探索這個世界吧。

本劇尚在播映中,想看戲的夥伴請詳見姐妹站娛樂重擊整理:《我們與惡的距離》線上看 與播映時間總整理

編按:本文多數文字改寫自延伸閱讀,完整版本請點入內了解更多。


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喝酒臉紅就容易罹癌嗎?用「因果中介模型」透視疾病的黑盒子

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

  • 執行編輯|林婷嫻、美術編輯|林洵安

從統計找因果關係

人體中,有一些奇妙的因果關係。例如:小時候家裡窮,為什麼長大較胖?喝酒容易臉紅,因此易罹肝癌嗎?中研院統計所的黃彥棕副研究員說明,透過「因果中介模型」,可以找出中間究竟發生什麼事,藉此提供可能的醫療對策。

就讀醫學院、專攻生物統計的黃彥棕,與我們分享基礎的統計觀念。請放心,本篇沒有困難的數學算式。
攝影│張語辰

您畢業於醫學院,為什麼沒當醫師,而是研究統計?

我讀大四的時候,人類基因被解碼出來,大家就在討論下一個世代的醫學和生物研究要做什麼。當基因的資料量變大,就不太可能用傳統一個分子、一個基因的方法來看,那時候覺得「量化」的訓練可能是我以後需要的,而且我本身也對數學有興趣。

其實,醫學存在大量的「不確定性」,例如,同樣的醫師看病,給 A 病人吃這個藥可以康復,但 B 病人吃同樣的藥卻不會好。換句話說:

醫學體現了不確定性,而統計學是用來研究不確定性

之後我加入陳建仁老師的實驗室,研究 B 肝病毒和 C 肝病毒對於肝臟的交互作用,這跟我後來跨入「因果中介模型」的領域有關。那時候楊懷壹學長帶著我,從最基礎怎麼寫程式,手把手教我慢慢做。

後來我們發現 B 肝病毒和 C 肝病毒呈現競爭關係,它們都想佔領肝臟,通常是 B 肝病毒因為母子垂直傳染先抵達,而 C 肝病毒後到。兩個病毒交互作用,這個中介過程造成的結果很有趣──反而是肝癌機率會變低。(註一)

在陳老師實驗室研究的這個題目,對於我的學術生涯有很大的影響,包括後來到哈佛大學攻讀流行病學和生物統計,以及投入因果中介模型的研究,都是受到這個題目的啟蒙。

研究生物統計,要特別注意什麼?

要注意「相關性」和「因果關係」不能混淆。舉個例子,如果有人發現「吃冰淇淋」和「被鯊魚攻擊」的次數呈現正相關,如下圖所示:

「吃冰淇淋」和「被鯊魚攻擊」的次數變化,呈現高度正相關。(舉例)
資料來源│黃彥棕    圖說重製│林洵安

可能有人看了這個資料,會下一個結論:吃冰淇淋會導致你容易被鯊魚攻擊。但真的是這樣嗎?其實影響這兩者的原因是「夏天」。因為夏天人們喜歡吃冰淇淋,而夏天人們也喜歡去海邊,導致被鯊魚攻擊的次數提高。

這個例子可以用常識判斷,但生物和醫學研究不太能只靠常識。如果沒有區別「因果關係」和「相關性」的差別,有時會產生一些嚴重的後果,關係到病人的生存。

如何確認「因」和「果」的關係?

以醫學來說,疾病都會有一個病程,通常我們知道開頭和結尾,但不知道中間發生什麼事。

舉個例子,若我們要研究「抽菸」透過改變身體什麼機制導致「肺癌」,就能藉由因果中介模型解釋因和果中間的機制,找出肺部的腫瘤是如何發生。(註二)

「因果中介模型」在於找出因和果「中間」發生什麼事。例如:抽菸到肺部產生腫瘤的過程中,是因為香菸所含物質,導致細胞基因發生甲基化。
資料來源│黃彥棕    圖說設計│林婷嫻、林洵安

疾病的過程常常是一個黑盒子。站在醫生的角度,通常只知道疾病的因和果,但若疾病的「因」是沒辦法被改變的,這樣對病人一點幫助也沒有。這種情況下,我們若能找出「中介因子」,就能透過追蹤或調節中介因子,來避免或降低疾病「結果」發生的可能性。

「肥胖」也能找出中介因子嗎?

肥胖的原因有很多,其中一個是:在美國已經知道「小時候家裡社經地位低」和「長大後過胖」這兩者的關係是確立的,但不知道中間的機制。我們用因果中介模型分析發現,其實這中間可能是受到基因甲基化的影響。

基因是與生俱來的,一般來說基因序列不會改變,可是每個基因的表現量會不一樣。就像鋼琴鍵盤順序不會變,但各個琴鍵可以彈出不一樣的大小聲。而甲基化的意思,就是環境因子會影響基因表現量。

我們從受試者的臀部,以 FNA (細針抽取細胞檢查)抽取脂肪細胞,作為分析基因的資料。的確發現,脂肪細胞裡一些基因的甲基化,參與中間的間接作用。也就是說,家裡社會經濟地位低,會導致脂肪細胞某一些基因甲基化的程度不太一樣;這些不太一樣的程度,可能進而導致成年時候肥胖。(註三)

童年的外在環境,如何影響成年肥胖?以美國受試者的資料來分析,是因為家裡吃得不健康,使得脂肪細胞一些基因甲基化。
資料來源│黃彥棕    圖說設計│林婷嫻、林洵安

窮困家庭能吃飽就不容易,很難注重健康。家裡大人如果吃得不健康,小孩也會跟著吃,這個環境因素會影響下一代。因為吃的東西,會記憶在基因裡面,透過改變脂肪細胞一些基因的甲基化程度,造成長大後容易肥胖。不過,這些是以美國人為受試對象的研究,我們需要臺灣族群的研究,來了解目前臺灣人口肥胖的問題。

還有一個常見的因果關係:喝酒容易臉紅,易罹肝癌嗎?

喝酒容易臉紅的人,是因為肝臟代謝乙醛的基因有缺陷,導致身體缺乏解酒酵素 (ALDH2) 。這個基因缺陷,通常會讓這個人變得比較不喜歡喝酒,因為會臉紅、起酒疹、不舒服。不喝酒的話,「間接作用」就會保護肝臟。

可是另一方面,不容易代謝乙醛的基因,影響的不只是喝酒的行為,也會造成肝臟代謝毒物的效用不佳。你帶著一個有缺陷的基因,導致毒物無法代謝、累積在肝臟,這「直接作用」會對肝臟產生危險性。

陳建仁老師和楊懷壹老師合作,我們用因果中介模型,來看這兩個機制的交互作用,發現最後對肝臟的正負作用會相互抵消。也就是說,喝酒容易臉紅的人,透過「不喝酒/肝臟易累積毒物」這兩個機制並存、相抵,不會對肝臟造成顯著的罹癌風險。(註四)

代謝乙醛的基因有缺陷,會造成人們不喜歡喝酒(間接作用),但肝臟也會容易累積毒物(直接作用)。兩個作用相抵,對於肝臟其實不會造成顯著的罹癌風險。(編註:本圖說於 2019/3/19 將甲醛更正為乙醛)
圖說設計│林婷嫻、林洵安

研究過程中,有沒有遇到什麼困難?

就是……數學算式推導不出來,呵呵呵。有時候回到家會跟太太說:「我今天又把一個題目做死了。」統計學和其它領域一樣,學術研究大部分的時間都是在面對挫折。

想要特別說明的是,很多人認為因果推論是發展一個統計模型,證明 A 和 B 是因果關係。其實這是誤解,我們做因果推論,其實花很多時間在探討什麼「不是」因果關係。生活上常常要用消去法,因果推論也是。

研究上常有的合作模式是,我們先把「因果中介模型」推導出來,合作對象讀了論文再來找我們,希望用這個統計模型回答他們的問題,找出影響病程的中介因子。我們也會和醫師合作,運用去識別化的病歷和健保資料來分析。

如果物理學家真的發明時光機,我可能就失業了。

如果人生可以重來,就能比較同一個人這輩子有抽菸、另一輩子沒有抽菸,導致肺部腫瘤的過程機制。但因為時光機還沒被發明出來,我就可以繼續做這門統計研究。

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為喝酒易罹癌?小時候家裡窮會胖?統計學家黃彥棕來解答,泛科學為宣傳推廣執行單位


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想了解更多可以去官網看看喔:http://bit.ly/2HZCNvJ


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基因編輯一定有風險,評測 CRISPR 工具的脫靶率

  • 本文來自《领研网》。撰文/戚譯引。

中國科學家發表兩篇 Science 論文,對多種基因編輯工具進行「測評」。兩項研究都指出,被學界看好的單鹼基編輯工具有著極高的脫靶風險,其中一項還提出了全新的脫靶率檢測技術「 GOTI 」。

圖/pixabay

CRISPR 基因編輯技術已經發展出多種形式,然而它們都隱含著同樣的風險,那就是脫靶(off-target——意外編輯了基因組中其他的基因,造成不可預測的後果。在去年底引發巨大爭議的賀建奎事件中,許多科學家就表達了同樣的擔憂:這次編輯究竟有沒有發生脫靶?你怎麼證明沒有脫靶?

學術界早就意識到脫靶問題的存在,但量化評估十分困難。3月1日,中國科學家為主的兩個團隊在 Science發表論文,每篇論文只有兩頁,卻揭示了同一個重要的資訊:

基因編輯有風險,其中單鹼基編輯系統(base editor)脫靶尤其嚴重。

什麼是單鹼基編輯?

單鹼基編輯技術由 CRISPR-Cas9 改進而來。CRISPR 技術的基本原理,就是用 RNA 引導 Cas9 等核酸內切酶對 DNA 上的目的地區域進行編輯,可以刪除或啟動目標基因。核酸內切酶有許多種,Cas9 是其中最早被發現、應用最廣泛的,此後被發現的酶還有 Cpf1、Cas12b、Cas13 等。

Cas9 同時對 DNA 的雙鏈進行剪切,形成雙鏈斷裂(double strand breaks,DSBs),修復的過程中容易產生新的突變。而單鹼基編輯器對 Cas9 進行了改進,並添加了脫氨酶(deaminase),只對 DNA 的一條鏈進行切割,然後精確地對一個鹼基進行修改。

去氧核醣核酸(DNA)的雙股螺旋結構。在該結構中的原子是按元素進行顏色編碼,還有兩個鹼基對的詳細結構示於右下角。圖/wikimedia

根據目標鹼基的不同,單鹼基編輯工具可分成兩類,一類是胞嘧啶單鹼基編輯器(cytidine base editor,CBE),將胞嘧啶(C)轉換成胸腺嘧啶(T);另一類是腺嘌呤鹼基編輯器(adenine baseeditor,ABE),將腺嘌呤(A)轉換成鳥嘌呤(G)。

單鹼基編輯看起來操作更精確,因而被寄予厚望。但這次的兩篇 Science 論文對不同編輯技術的脫靶率進行了評估,發現胞嘧啶單鹼基編輯器具有極高的風險。

全基因組範圍的脫靶效應:自然突變的兩倍

圖/pixabay

中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞團隊用水稻進行實驗,發現 CBE 會引發全基因組範圍的脫靶效應,其引發的突變數量大約是自然環境下發生突變的兩倍(DOI: 10.1126/science.aaw7166)。

高彩霞團隊借助全基因組測序技術,對三種應用廣泛的單鹼基編輯工具 BE3、高保真 BE1(HF1-BE3)和 ABE 進行了檢驗。與野生型對照組和 ABE 相比,BE3 和 HF1-BE3(均屬於 CBE)引發了數量顯著更多的單核苷酸變異(single nucleotide variant,SNV),主要是將基因組中其他部位的胞嘧啶也變成了胸腺嘧啶。

研究還發現,脫靶預測演算法 Cas-OFFinder 預測並不準確。在接受 BE3 編輯的植株中,只有 6 處突變發生在預測的 3 個突變部位中;而在接受 HF1-BE3 和 ABE 編輯的植株中,沒有一處突變發生在預測的部位中。

GOTI:評估脫靶的新方法

圖/pixabay

中國科學院神經科學研究所楊輝團隊和史丹佛大學 Lars M. Steinmetz 團隊合作的研究,也得出了相似的結論:Cas9 和 ABE 引發的單核苷酸變異較少,而 CBE 讓突變的數量翻了 20 (DOI: 10.1126/science.aav9973)。

該研究的另一亮點在於提出了全新的脫靶評估技術 GOTI(Genome-wide Off-target analysis byTwo-cell embryo Injection):在小鼠胚胎卵裂球的二細胞期,對其中一個細胞進行基因編輯,並進行螢光蛋白 tdTomato 標記;隨後,在胚胎發育的第 14.5 天用流式細胞儀(FACS)將兩個細胞的子代進行分離,分別進行測序。

借助 GOTI 技術,科學家第一次能夠對脫靶進行全面的量化評估。楊輝團隊對 CRISPR-Cas9、BE3 和 ABE7.10 進行了檢驗,全部 12 組中發生的插入/缺失(indel)數量在 0 到 4 之間,並且沒有一個發生在預測的脫靶部位。

實驗發現,在經過 BE3 編輯的胚胎中平均發生 283 個 SNV;相比之下,經過 ABE7.0 編輯的胚胎平均發生 10 個 SNV,與自然突變的數量無顯著差異。而且, BE3 編輯引發的一些突變發生在原癌基因或抑癌基因上,這進一步提示了可能的致癌風險。

臨床應用要謹慎

圖/pixabay

Science 採訪了業內人士對此的看法。

  • 哈佛大學化學家、第一代鹼基編輯器的發明者劉如謙(David Liu)認為:基因編輯的錯誤整體上仍屬罕見,不太可能對實驗室應用造成影響,但足以為那些想要在病人身上進行試驗的人敲響警鐘。
  • Cas-OFFinder 的發明者、來自韓國國立首爾大學(Seoul National University)的 Jin-Soo Kim 說:「這兩篇論文很有趣,也很重要。現在重要的是找出是哪一種成分引發了其他突變,以及如何減少或消除它。」
  • 麻省總醫院(Massachusetts General Hospital)病理學家、劉如謙的合作夥伴 J. Keith Joung 認為:對編輯器中的脫氨酶或其他成分進行改進或許能夠減少脫靶效應。

基因編輯療法被寄予厚望。在治療鐮刀形紅血球貧血症萊伯氏先天性黑蒙症方面,相關治療手段已進入臨床試驗階段。而這兩項研究進一步提示了基因編輯技術可能存在的風險,再次說明了在投入臨床應用前進行充分安全性評估的必要性。


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