斑馬魚卵如何幫助我們了解氣候變遷？

前言

過去十年是有記錄以來最熱的十年，其後果遠遠超出冰川融化。氣候變遷正在破壞生態系統，威脅糧食安全，並危害人類健康。為了面對這些複雜的挑戰，科學家需要的研究工具不僅要強大且具預測性，還要符合倫理且可擴展。這正是新一代評估方法 (New Approach Methodologies, NAMs) - 例如：斑馬魚卵 - 發揮作用的地方，它們為暖化中的世界如何影響各個環境的生命提供了有力的觀點。但是，像魚卵這樣微小的東西，如何能幫助我們面對人類面臨的最大挑戰之一呢？

介紹

研究氣候變遷不僅僅是測量碳排放量或氣溫上升：而是要了解這些變化如何影響整個生命系統。根據政府間氣候變遷專門委員會 (IPCC) 的說法，氣候變遷是氣候狀態的持久變化，主要由人類活動改變大氣層所驅動。它不僅表現為氣候變暖，還表現為降雨模式改變、極端天氣事件 (如：熱浪和風暴) 更加頻繁，以及水質和海洋化學成分的變化。這些綜合壓力因子會對生態系統、生物多樣性以及最終對人類健康造成不可預測的後果。為了製定有效的應對措施，無論是透過政策、保護或適應策略，我們需要能夠以可擴展、可靠和合乎道德的方式捕捉現實世界複雜的研究模型。

斑馬魚卵在氣候研究的應用

這時，創新的生物模型就派上用場了。在許多備受關注的新方法論（NAM）中，斑馬魚卵作為研究環境變化的強大模型則脫穎而出。它們的快速發育、透明性以及與人類共享的生物途徑，使它們成為觀察熱、污染物或水質變化等壓力因素如何影響生命系統的理想對象。由於斑馬魚卵具有可擴展性、成本效益高，並且在倫理上優於傳統的動物試驗，因此斑馬魚卵為我們提供了一個獨特的橋樑，讓我們得以了解氣候變遷對生物多樣性的連鎖反應，進而對人類健康的影響。

氣溫上升和熱浪

全球暖化不再是遙遠的預測，而是可以衡量的現實。2024 年，世界首次記錄到年平均氣溫比工業化前高出 1.5°C 以上，這是一個具有象徵意義的閾值，氣候科學家長期以來一直對此發出警告。即使暫時超過這個閾值也會帶來嚴重風險：更頻繁、更強烈的極端事件、不可逆轉的生物多樣性喪失，以及對糧食和水系統日益增長的壓力。

氣候暖化最明顯的訊號之一是熱浪的增加：持續時間更長、溫度更高、頻率也更高。這些事件給生態系統和物種帶來了遠遠超出其自然耐受範圍的壓力，對農業、生物多樣性和人類健康造成了連鎖反應。根據世界衛生組織（WHO），高溫現已成為與氣候相關死亡的主要原因之一，特別影響弱勢族群，例如：老年人、戶外工作者，以及患有心血管疾病、糖尿病和呼吸道疾病等慢性疾病的人。

由於斑馬魚卵對溫度變化高度敏感，它們提供了一種直接研究熱壓力（heat stress）生物學的方法。近期的研究顯示，它們在 37°C 左右達到適應極限，並在接近 38°C 時發生心臟衰竭；而像菲（phenanthrene）之類的污染物會阻礙這種適應作用，且某些藥物會加劇心臟損傷。另一項研究發現，早期的熱壓力會改變生命後期的基因活性與行為，顯示出氣溫升高如何留下持久的生物學影響。

污染正在蔓延

氣候變遷不僅使氣溫升高，也改變了污染擴散的方式。極端天氣事件 (例如：洪水與風暴) 可能將污染物沖刷至農田與水系統，進而加劇糧食不安全。隨著酷熱與乾旱變得更加普遍，農作物歉收的發生頻率日益增加，使農民面臨持續增長的壓力，並促使部分政策制定者考慮放寬像是農藥禁令等環境保護措施來「緩解壓力」，雖然這伴隨著長期的風險。

斑馬魚卵提供了一種快速且透明的方式，用以評估污染物如何影響生物系統。由於斑馬魚擁有與人類高度相似的高度保守分子路徑與生理機制，它們已成為日益重要的毒理學模型，可用於了解毒性機制並預測潛在的健康影響。

• 農藥：斑馬魚已成為一種具有價值的模型，可用於了解農藥如何影響早期發育。針對廣泛應用於花園、高爾夫球場及蚊帳的殺蟲劑 – 第滅寧 (deltamethrin) 的研究顯示，暴露於該物質會干擾胚胎發育。在斑馬魚卵中所報告的影響包括：鰾 (swim bladder) 發育異常、與乙醯膽鹼酯酶 (acetylcholinesterase) 活性降低相關的行為改變，以及腦細胞凋亡增加。在成體中，第滅寧 (deltamethrin) 也與生殖毒性有關。類菸鹼類 (neonicotinoid) 農藥 - 亞滅培 (acetamiprid) 也引發了類似的疑慮，該物質近期在法國成為監管辯論的焦點。研究證明，暴露於亞滅培 (acetamiprid) 的斑馬魚卵會出現脊椎畸形、孵化率降低及運動能力減弱，並在測試濃度下遭受更高的死亡率，這些皆是其對生存與發育產生有害影響的明顯跡象。
• 重金屬：鉛、汞、鎘與砷等重金屬是自然存在的元素，但人類活動劇烈地增加了它們排放到環境中的量。與許多有機污染物不同，它們不會降解，而是會在土壤、水及生物體中累積，進而對人類健康與生物多樣性造成長期的毒性影響。在這些變動的環境條件下，斑馬魚卵是評估重金屬毒性的強大模型。近期的一項敘述性回顧文獻強調，即使暴露於環境相關濃度下，重金屬也會透過氧化壓力、器官發育受損以及整體發育遲緩等機制干擾發育。針對污染物組合的研究進一步顯示，當鎘與亞滅培 (acetamiprid) 共同存在時，對斑馬魚幼魚的影響會加劇，相較於單一污染物作用，會導致更強烈的生長抑制與發育異常。
• 內分泌干擾物質：內分泌干擾素 (內分泌干擾物質) 是指即使在極低濃度下也會干擾激素系統，並影響生長、生殖與代謝的化學物質。隨著氣候變遷改變了污染物在生態系統中的移動與累積方式，與這些化學物質相關的風險可能會加劇。在斑馬魚卵中，暴露於雙酚A（BPA）、全氟辛烷磺酸（PFOS）及三丁基錫（TBT）等化合物已被證明會干擾代謝途徑，即使在亞致死劑量下，這也是激素參與影響的明顯跡象。為了補足斑馬魚研究的不足，研究人員也使用青鱂魚卵 (Oryzias latipes) ，這是另一種在毒理學研究中具有悠久歷史的小型淡水魚。青鱂魚已透過 OECD TG 251 (REACTIV) 篩檢雌激素活性的分析，以及 OECD TG 252 (RADAR) 利用基轉胚胎偵測雄激素干擾的分析，被納入國際監管框架。斑馬魚與青鱂魚共同提供了快速、具擴展性且標準化的工具，用以辨識內分泌活性污染物及其對早期發育的影響。
• 全氟烷基物質：PFAS（全氟及多氟烷基物質）是具有高度持久性的化學物質，極易透過水分與土壤擴散。洪水等氣候事件可能進一步加速其分布。斑馬魚卵被廣泛用於研究其影響，研究顯示即使在低濃度下，也會產生發育毒性並導致行為改變。

降低研究中的二氧化碳排放量

全球溫室氣體（GHG）排放(包括：二氧化碳)持續上升，而能源與運輸是主要的驅動力。研究機構亦有影響，雖然其碳足跡較難量化。現有數據顯示，塑膠、設備與耗材佔實驗室排放量的一半以上，每位研究人員每年平均排放 2.7公噸二氧化碳當量。動物實驗室的能源密集度尤其高，每平方公尺的耗能可達辦公空間的十倍，這主要歸因於通風、冷藏與滅菌需求。

一個重點在於實驗模型的選擇。洛桑聯邦理工學院（EPFL）的一項研究估計，單一小鼠育種設施每年排放約 1,829 噸二氧化碳，這主要歸因於高度依賴瓦斯進行環境溫控。相比之下，斑馬魚在相同空間內的飼養密度可達 20 倍，且其設施主要依靠電力運作。因此，在不犧牲研究能力的情況下，將模型從鼠類轉向斑馬魚，每年可減少約 1,737 噸的二氧化碳排放。

藉由將科學相關性與較輕的環境足跡相結合，斑馬魚模型不僅能協助我們瞭解氣候變遷的影響，還為進行研究本身提供了一種更具永續性的方式。

將研究成果轉換為實際影響

為了讓氣候變遷的研究真正發揮影響力，研究本身不僅必須具備創新性，還必須具備再現性、可擴展性以及符合倫理。手動處理的新興替代評估方法(NAMs)，例如：斑馬魚卵，仍然耗時且容易產生變異，並限制了捕捉氣候相關毒理學與生態學研究的複雜性所需的通量。這正是自動化與標準化發揮關鍵作用的地方。

Bionomous的 EggSorter 正是為了應對這些挑戰而設計。提高魚卵挑選的準確性，可以將獲得可靠結果所需的樣本數量減少多達一半。這表示繁殖與維護的動物數量將會減少，進而降低倫理疑慮以及對環境的影響。結合斑馬魚相較於小鼠在效率上的先天優勢 - 在相同的實驗室空間內可容納 20 倍數量的動物 - 其影響是巨大的；在達成同等研究成果的情況下，自動化估計可貢獻 40 倍的能量消耗降低，並顯著減少二氧化碳排放量。

透過自動化進一步最佳化通量並將浪費降至最低，EggSorter 使我們更接近生命科學研究的願景：不僅具備更強的預測力與符合倫理，且更加追求永續發展。

結論與展望

斑馬魚卵與其他新興替代評估方法 (NAMs) 為氣候變遷與污染如何影響生命系統提供了不錯的想法，但沒有任何單一模型能夠捕捉到全貌。我們認為，未來的發展方向是將新興替代評估方法（NAMs）與人類數據相結合，探索反映現實世界壓力因子的多種因素暴露研究，並將研究延伸至長期與跨世代的影響。憑藉其透明度、快速發育以及可擴展性，斑馬魚卵非常適合邁向這下一個階段。隨著自動化提升了再現性與標準化，這些工具將能更輕易地整合進監管系統中，最終有助於制定政策，以保護生態系統與人類健康。

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