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＊本篇文章與元利儀器合作刊載＊

走入中央研究院細胞與個體生物學研究所B1的魚房，數十個排列整齊的魚缸隨即映入眼簾，缸裡頭一隻隻斑馬魚（Danio rerio）則優游其中。作為生物學研究中的模式動物（model organism），斑馬魚可說是當今發育生物學、組織再生研究中一顆極其重要的螺絲釘，牠平坦的魚體適合在顯微鏡底下觀察，且遺傳工具齊全、幾乎所有器官組織都能再生，還能夠藉由基因轉殖（gene transfer）的方式以螢光蛋白標記出特定細胞。例如斑馬魚魚鰭在發育時，表皮細胞、神經細胞、骨骼細胞等多種細胞都參與其中，只要研究時使用顏色各異的螢光進行標記，便能在顯微鏡下觀察到每一種細胞的不同動態。除此之外，斑馬魚還有一項特點，那就是牠很容易被麻醉、喚醒，因此在需要活體拍照、重複追蹤的實驗中就是一個很好的實驗對象。例如研究再生時，就可以在標記後追蹤同一群細胞，了解到這群細胞從再生初始一直到完成之時總共出現過哪些變化。

（左）中央研究院細胞與個體生物學研究所B1陳振輝實驗室的魚房。（羅億庭拍攝）
（右）魚缸中經過基因轉殖呈現螢光色的斑馬魚。（羅億庭拍攝）
 

去（2022）年4月，一篇發表於《自然》（Nature）期刊的論文中，來自中央研究院細胞與個體生物學研究所副研究員陳振輝團隊揭開了斑馬魚表皮細胞在發育的特定時期，細胞分裂時不需要複製、合成新DNA的「無合成分裂」（asynthetic fission）之謎，顛覆過往科學界的想像。而在今（2023）年6月刊登於《自然物理》（Nature Physics）期刊的研究中，陳振輝更與物理研究所副研究員林耿慧組成跨領域團隊，以斑馬魚尾鰭作為研究模型，發現了斑馬魚能利用「機械波」偵測受傷位置並調控相對應的傷口癒合和再生反應，再次向眾人示範了透過小小一隻斑馬魚探討看似複雜的生物現象。

斑馬魚尾鰭的機械波

一談起再生生物學，陳振輝眼中難掩興奮。自博士後研究開始對再生生物學感興趣的他，首先提到18世紀的義大利生物學家斯帕蘭札尼（Lazzaro Spallanzani）在研究蠑螈的再生時，記錄到三個相當有意思的現象。第一是當蠑螈身上的受傷程度愈重、再生速度就愈快，在相同時間切掉蠑螈的一根手指頭與整段手臂，這兩個受傷程度不同的部位再生回來的時間竟然差不多。第二項發現是蠑螈的再生速度受到溫度影響，在不同季節受傷時的再生速度會不一樣，夏天的再生速度快而冬天較慢；最後一項則是再生的過程不會受到動物自身的營養狀況影響。

直到21世紀的現在，科學家對於動物自然再生的機制仍所知甚少，斯帕蘭札尼觀察到的再生現象更是長達250年都無人提供解釋。陳振輝團隊以斑馬魚尾鰭作為模型，希望能找出這些謎團的答案。「那時候一個很簡單的想法就是專心看傷口癒合的反應。」陳振輝說道。「動物怎麼偵測牠受傷的位置？在傷口癒合的當下，生物就已經有不同的反應了嗎？如果這是真的，是不是可以建立一個相對簡單的實驗模型來研究動物怎麼感知、調控再生反應？」在實驗中，團隊發現斑馬魚尾鰭傷口癒合的過程只有表皮細胞會移動，於是他們便進一步將斑馬魚尾鰭的表皮細胞核以螢光蛋白標記以進行活體拍照和細胞影像分析。在顯微鏡下，他們清楚地看見細胞朝向傷口處移動的集體行為，也注意到不同受傷程度會引發不同的癒合反應——切掉的組織愈多，參與傷口癒合的細胞就愈多、且細胞移動的速度也愈快。

「雖然細胞都會往傷口移動（向上），但你有沒有看到有其它的東西在往下？」這時陳振輝突然問道，就在筆者盯著螢幕良久，感受不到任何向下移動的物體時，林耿慧及時給出了提示：「有一個波在往下！」。這個出現在傷口附近未知的波是什麼？時間要拉回整整六年前，就在發現到細胞朝著癒合方向移動時，同時也會產生一個向下的波型趨勢後，陳振輝很快地就聯繫上物理所的林耿慧，希望能借助她的物理專長解釋這個波的性質。當時的林耿慧恰巧也在研究表皮細胞，讀了一些表皮細胞在移動、傷口癒合時會呈現出機械波特性的相關論文，於是便直覺地想到這種波或許與機械波有關。

儘管已有了初步猜想，但依舊需要透過實驗、模型檢驗。「當初證明光有波動性，就是看波的『干涉』，這是很經典的物理手法。」林耿慧說明。為了知道斑馬魚尾鰭波的特性，團隊在魚尾鰭處切出上下兩道傷口，觀察這兩處獨立產生的細胞波如何影響彼此。「在魚尾鰭的小宇宙裡，兩個波就在中間進行對撞。」陳振輝說道。他們發現行徑方向相反的兩個波，在相互對撞時會出現干涉的現象而後各自分開，符合了機械波傳遞的特性。「我們後來（在實驗中）也發現這個波的波速與組織張力有關，這是定義機械波很重要的一個條件。」林耿慧說道。藉由多種實驗設計、物理模型的建立，他們終於確定了這個神祕波的真實身分就是機械波，後續也找出影響細胞移動速度的關鍵就在於「過氧化氫」（hydrogen peroxide）。在斑馬魚尾鰭出現傷口時，過氧化氫可以做為發炎訊號並根據受傷程度調控細胞的移動速度，當過氧化氫濃度較低時，細胞的移動速度也會跟著變慢，進而影響到機械波的傳遞距離。

 
團隊在斑馬魚尾鰭處切出上下兩道傷口，觀察這兩處細胞與波的移動。
他們發現行徑方向相反的兩個波，在相互對撞時會出現干涉的現象而後分開，符合了機械波的特性。（陳振輝提供）

對顯微攝影技術的見解

顯微攝影技術的快速進展，讓研究人員能夠愈來愈了解肉眼看不見的微小世界，而本次在斑馬魚尾鰭受傷之處發現機械波的研究也絕少不了顯微攝影的幫忙。「顯微攝影技術進步的很快，要應用最先進的技術有著硬體門檻；我們的策略是善用已經成熟的技術，專注發展自己實驗室的特色和專長。」 陳振輝說道。在顯微攝影技術日新月異的科學界，真實的情況是——即便是成熟的技術也需要研究者長時間投入，才能深刻了解其應用的可能性和極限；而這些無意間累積的專家經驗，也會變成其它實驗室難以跨越的門檻。為此，陳振輝認為應該要發展自己實驗室中獨特的顯微攝影強項，例如他的實驗室中就專注於「多顏色細胞標誌技術」（Brainbow/Skinbow），利用紅、藍、綠三種不同色的螢光蛋白隨機表現出不同比例，藉此產生更多顏色標誌不同細胞。他也提到當今顯微攝影的趨勢大多在於影像尺度的突破，希望拍到的尺度愈小愈好；但陳振輝卻反其道而行，不追求解析度，專注拍攝個別細胞在大尺度下的集體動態行為。雖然在無意間與大家走了不同也較為小眾的方向，但卻因此讓他有機會看到與別人不一樣的顯微世界，更避開了競爭最激烈的領域。

「現在的顯微技術已經不只是簡簡單單放樣品進去而已了！」林耿慧同樣感慨於顯微攝影技術的快速進展，她更進一步提及目前許多更高階的顯微術全都是算出來的。例如許多超越光學極限的超高解析度螢光顯微鏡（super-resolution fluorescence microscopy）所得出的影像，都是根據目前已知的物理原則、預先對樣品做出假設，回推當初打在樣品上的光子（photon）應該是在樣品的哪個位置，再經過計算後得出最終的影像，而要能計算的影像也仰賴樣品製備時讓螢光有適當的發光特性。她也認為電腦一直以來都是推動顯微攝影技術的重要工具，「1955年Marvin Minsky就發明共軛焦顯微鏡〔註〕了，但第一個商業化的共軛焦顯微鏡其實在1980年代才出現。」林耿慧說。而共軛焦顯微鏡之所以在發明後的30多年才商業化，原因就在於它進行掃描、記錄大量的影像時，若缺少了電腦控制機電整合將會很難精準地記錄顯微鏡鏡頭下看見的影像。

〔註〕明斯基（Marvin Minsky）被譽為人工智慧（artificial intelligence, AI）之父，他的研究範圍包含認知心理學、神經網路、自動機理論、符號數學。

除了發展自身顯微攝影的強項、硬體技術的進步之外，陳振輝與林耿慧也不約而同地點出了另一項關鍵——樣品的製備。「打個比方，你可以花很多錢買很貴的相機，但是沒有好的模特兒行嗎？」陳振輝以一個簡單的例子比喻，「會不會我們沒有想到，其實可以從找好模特兒這件事情上著力。」硬體技術的推展需要以大量資金進行研究開發，不過在樣品置備上確實有突破口可以去嘗試。即便沒有最貴的相機、複雜又新穎的顯微攝影技術，探索理想的樣品置備方式、在實驗室裡找到最上鏡的模特兒 ，也可以是突破顯微攝影技術限制的努力方向。

陳振輝實驗室以多顏色細胞標誌技術，標誌出斑馬魚的表皮細胞，可藉此長時間追蹤、觀察組織再生過程。（陳振輝提供）

跨領域合作之間的磨合

耗時將近六年的再生拼圖，終於在生物學家與物理學家的攜手合作中，慢慢看見了輪廓的一角。不過雙方合作過程絕對不只有發現新事物的驚嘆，更多的是因思考模式不同而迸出的火花，「我們吵架吵到死了，有很多故事可以講！」、「（我們）吵很多！」林耿慧與陳振輝不約而同地笑著說道。生物學家與物理學家經過長時間的學術訓練，思考問題都有各自固定的模式。陳振輝就舉例，生物學家在遇到問題時會假設這個現象本身一定相當複雜，而我們能夠探討的就只是冰山一角，「生物學家會假設複雜的生物現象沒有簡單的解釋。」不過物理學家就不同了，他們相信在所有現象之下一定有個「通則」，可以對看似複雜的現象做出簡單解釋。像是在上個世紀，物理學家成功地用統計力學解釋平衡態下的原子、分子的分佈與動態行為；這個世紀，是否能找出在生物體有能量流入的系統中的物理通則？這個物理通則是否能幫忙解釋生命的起源或者演化？物理能幫助解釋生物現象，生物也能幫助非平衡態物理的了解，「我們只是還沒找到生物系統中的簡單物理通則，但是我們相信一定有。」林耿慧說。

除了信念上的差異之外，兩位老師在論文寫作時也遇到種種考驗。因為語意、用詞、寫作習慣上的不同，讓他們在寫完論文且被對方一再重覆大幅修改之後，決定開會逐字逐句討論彼此堅持的用字和觀點。雖然對用字遣詞有爭議，但彼此也從對方身上得到不少寫論文的功力，「我很佩服振輝對寫作的堅持和仔細。」 林耿慧說。就連在帶領學生進行實驗時，也因為雙方意見不同而使學生感到壓力山大，「學生會跑來說『這個研究題目可不可以不要再合作下去？』我也只能在當下一起抱怨耿慧，讓學生的情緒有個出口，因為耿慧的獨特觀點和堅持其實是這個研究最關鍵的地方。」陳振輝笑道。

林耿慧最後提到， 物理研究的美感之一在於量化（quantify）做得有多好、誤差多小、多精準。「有一陣子他嫌我做太慢，後來我就跟他說：『如果我只是要貪圖多一篇論文，幹嘛親自花那麼多時間做？』」林耿慧認真說著，「我知道這個研究在科學上真的很有意義，而且我們只有這一次機會把它講好，讓全世界知道這個故事，所以我在量化的精確性上很要求，如果被發現數字之間的關係不一致，人家就可能對這個研究品質有質疑了。」如同在交響樂團中需要不同樂器發揮它們各自的優勢、特色，彼此互補才能完成一首動人樂曲一般，這項研究中也是靠著兩位老師發揮各自專長、特色，走出原先的舒適圈，最終才能走到一個團隊、一個實驗室，甚至是單一領域走不到的地方。

一同進行斑馬魚尾鰭研究的林耿慧（左）與陳振輝（右）。（羅億庭拍攝）

2023 Taiwan顯微攝影競賽

顯微攝影是人類追求真實的關鍵科技，同時開拓了攝影美感的新疆界。奧妙的演化生物學、細緻的細胞生理、華麗的礦物學，都有賴顯微攝影技術加以揭露。元利儀器深刻體會科學影像之美與顯微技術之精巧，期待你登上競賽舞臺，分享科學探索旅途中，令人驚豔的顯微視野。

比賽主題｜題材不限，任何靜態顯微攝影作品皆可投稿。
投稿方式｜於投稿截止日前上傳至多3件作品至比賽網站。
報名時間｜2023.05.22～2023.09.17

更多詳細資訊請見顯微攝影競賽官網↓
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