本學期實驗課的孔雀魚系列之二 - 實驗用的孔雀魚要怎麼養？

雄性孔雀魚(圖片來自丹尼爾)

很多人都認為孔雀魚很好養，很好生，不太容易生病，也不太會死。所以呢，如果想用孔雀魚做實驗，就會覺得「隨便養就好」，反正要用的時候撈起來就好了。真的是這樣嗎？

其實孔雀魚的行為生態學研究真的是多如牛毛，自從John Endler教授在1980年在Evolution發表掠食壓力對孔雀魚斑紋演化的效應之後，孔雀魚的行為學研究真的就如雨後春筍一般一直冒出來。行為生態學研究有兩種操作方式，一種可以在野外觀測，另一種則需要在研究室內進行操控。無論如何我們都應該要知道，當我們打算在研究室內進行操控變因的實驗，而且還是行為生態學實驗的時候，我們就應該要致力達到兩個目標：(1) 避免動物的先前經驗干擾後面的研究結果；(2) 在該研究的設計下，在同一個實驗中的每一隻受試動物都應該在親本來源、遺傳特質、生長發育、營養條件方面是均質的。也就是說，就是要以飼養實驗模式動物(model animal)的規格與思維進行動物的飼養、照護與繁殖。

假設你的實驗研究主題是「雌性孔雀魚的婚配選擇與雄魚橘色斑面積是否有關？」那麼你應該要調控的變因除了什麼水溫水深光照飼料空間大小以外，就是雌性的成熟度、雄性的成熟度，還有所有受測雄性身上橘色斑面積在所有個體之間的分布梯度。但是一開始買來的孔雀魚就算是有雄有雌，你都無法得知牠們先前的交配經驗與偏好，甚至看不出來雌魚究竟是剛懷孕？還是剛生產？所以呢，如果你要建立一群魚來做這個實驗，你應該怎麼做呢？

• 首先你應該確認買來的魚是否可能來自相同的親本。如果是，或許你不太需要擔心不同品系的親本的複雜交配狀態無法讓你在子代看到你所期待的性狀；
• 然後你應該挑出懷孕最久且懷孕期差不多的雌魚，以一模一樣的飼養方式讓牠們能夠「養胎」產仔；
• 你應該要事前準備好隔離盒讓仔魚被產出後不會被親魚吃掉；
• 請規畫好你的實驗究竟要使用幾個變因組別與幾個重覆(或個體)，這樣才能估計出合理的仔魚數量需求與飼養規模；
• 當你得到根據實驗設計所需的仔魚數量後，就應該要以最充份的餌料供給與水質管控方式，讓你可以在最短的時間內獲得足夠的亞成魚；
• 當你開始可以開始判斷性別(但雄魚還未顯示出花紋)時，你就應該把雌雄兩性分開飼養；
• 分開飼養期間，你還不能讓雌雄魚隔著玻璃缸看到彼此。因為孔雀魚無論如何不是笨的動物，牠們還是可以辨識與自己熟悉與不熟悉的個體；
• 何時可以開始做實驗？我們要養到雄魚的體色已經顯現，且讓我們可以挑選出具有不同橘色斑塊面積的個體。

以上才是合格的飼養流程，而這一切就只是飼養出一批可以符合實驗設計的魚。

那麼為了本學期的普生實驗，我們應該怎麼養魚呢？以下是我的建議與規範：

• [演化學與分類學部份]生殖隔離的實驗：我們將會進行一般孔雀魚(Poecilia reticulata)與安德拉斯孔雀魚(Poecilia wingei) (或其它近緣屬物種)的雜交試驗，這個試驗的目的主要是讓大家瞭解生殖器的結構差異是否會促成合子形成前的生殖隔離(prezygotic isolation mechanism)。所以呢，我們需要觀察的是雌性孔雀魚對兩種孔雀魚雄魚接受程度的差異，以及兩種孔雀魚對雌性孔雀魚的求偶策略差異。我們應該控制的就是雌魚的體型與懷孕的狀態。所以呢，我們應該要從現在開始飼養小魚，然後給予非常充份的食物，這樣才可能在一個半月後進行我們想做的實驗。
• [性擇] 雌魚的婚配選擇與雄孔雀魚的某種性狀變異的關聯性：例如雄魚的交接器(gonopodium)或是橘色斑的面積是否與求偶成功有關聯，好吧，這表示我們也得從小魚開始養。
• [天擇與性擇的綜合效應] 當有雌魚觀看時，掠食者出現對雄孔雀魚行為的效應：由於在這個實驗中我們要檢驗的是掠食者現身與孔雀魚行為之間的因果性，所以我們未必需要花時間養一批一模一樣的魚，但我們至少要控制孔雀魚的大小、體態、鰭的型態，以及雄魚體色的醒目程度。而這個實驗可以在前一實驗完成後進行，因為這兩個實驗彼此之間是獨立的，唯一要排除的是在上一個實驗中交配成功的雌魚。

好，也就是說我們需要馬上設立飼養計畫，把懷孕雌魚挑出來，給予最好的照顧，然後由各組分別照顧，並進行日常例行的照顧與觀察。

本學期實驗課的孔雀魚系列之一 - 量雞雞還有拍影片

在這學期的實驗課中我不打算讓同學做一些有一點蜻蜓點水、不明究理、與正課的關聯性低、彼此之間的連繫度不好，或是執行度不佳的實驗。我想啊想，究竟要使用什麼生物來做實驗呢？麵包蟲的確好取得，但是對昆蟲沒經驗的學生比較無法偵測到細微的形態與行為變化，而且麵包蟲本身的行為多樣性不足。蟋蟀呢？蟋蟀的問題是會打，而且要單隻飼養，更換食物與飲水需要時間，而且因為每一隻個體的發育未必同步，所以蟋蟀這種昆蟲也未必可以滿足多組同時進行某一個時間的需求。斑馬魚呢？不錯。但是斑馬魚的行為多樣性也不太夠，而且買到便宜的短鰭的大量的斑馬魚(不需要剔除任何基因，只要野生型就好)，也沒有那麼容易。所以呢，我就決定使用孔雀魚了。

為什麼使用孔雀魚呢？有幾個主要的理由：

• 容易取得，一般來說只要不是特別的品系價格都算便宜
• 有相當龐大的基礎研究，不會有找不到資料回應簡單問題的可能
• 遺傳、形態、行為方面的研究很多
• 許多實驗的操作門檻不高
• 形態構造具有相當程度的發育可塑性
• 行為夠複雜
• 其同屬的近緣種(例如安德拉斯孔雀Poecilia wingei)在市面上都能輕易買到

好，那麼我會想要如何利用孔雀魚來執行普生實驗課呢？在這學期的課程設計中有幾週會使用到孔雀魚與其近緣物種：

• 第2週：度量、量化、記錄與解讀孔雀魚的形態與行為
• 第9週：檢測偏好性
• 第11週：檢測關聯性
• 第13週：檢測因果性

在9、11與13週的課程會圍繞在性擇、學習、生殖隔離等議題。但如果我要順利執行9到13週的課程設計，那麼我就會希望學生至少要先學會如何科學地記載與量化現象。因此我在第2週想讓學生操作的項目如下：

• 度量雄性孔雀魚交接器(gonopodium)的形態：學習影像擷取，觀察交接器，以及使用軟體進行形態測量(morphometrics)；
• 度量雄性孔雀魚身體橙色斑的面積：學習拍攝影像並且度量色塊面積，完成個體辨識
• 記錄孔雀魚個體之間的行為，並嘗試解讀行為：學習錄製與編輯影片，並判讀孔雀魚的行為意義

為什麼要聚焦在生殖器呢？因為花鱂科(Poecilidae)魚類的雄性交接器尺寸可以受到非常多因素的影響，例如營養狀態、掠食壓力、遺傳與個體競爭等。此外，由於近緣種之間的交接器也有形態構造上的差異，所以交接器形態的個體與種間變異與性擇間的關聯性，以及懷孕與產仔數，就很適合成為檢測相關性與因果性的題材。

在第2週的實驗中，我參考Gasparini et al. (2011)發表在PLoS One上的論文教導學生測量雄性孔雀魚交接器的形態。花鱂科交接器的先端通常具有一些勾狀或刺壯突起，這樣的結構不是隨便拿游標尺就可以直接量取，所以最好是拍下良好的影像以後，再由影像軟體的協助量取需要的數值。由於Gasparini et al.的研究就是探索生殖器形態與婚配成功的關聯性，所以在第2週時先讓學生練習記錄、量化與度量現象，如此一來就有足夠的時間讓學生準備後續更繁複的實驗。

我打算怎麼上107學年度的普通生物學(一)上半部？

我經常解釋，為什麼中山生科的普生不從細胞開始上，然後為什麼我們未必會照著課本上。既然是新學期開始，那麼我就再解釋一次我為什麼會這樣設計課程，然後我期待這樣的上法可以達到什麼學習目標。

無論是國中或高中生物，陳述生物學議題的方式都是「從微觀到巨觀」，「從細胞到環境」，聽起來非常有系統性。但是對不起，我認為這樣的上課方式已經出問題了。不是這樣的知識陳述方式不對，而是許許多多的學生從學齡前到小學這段時間，就沒有養成足夠的觀察、提問、知識吸收、資訊查找的能力，國高中又唸了六年的懶人包，外加一些額外的知識填補，各位認為上大學以後再這樣上一次，就會得到生物學的知識架構與內容，並且因此產生自學與探索的動力，還有知識品味嗎？

我認為很難，而且難以養成發現與解決問題的能力。不是這種從微觀到巨觀的知識陳述順序有問題，而是他們在上大學之前應具備的能力不存在。

還有一種上課方式就是唸投影片，老師一再單方面地告訴學生很多的知識。學生只要坐著聽，欣賞老師的口才與投影片，外加一點笑話。那請問他來上課做什麼？上上課幫學生畫個重點，說會考喔～然後就去做做練習題。小考時出個50題英文選擇題，學生哀鴻遍野，最後到學期末再來個加分。但很有趣，學生會認為他學到很多。為什麼？因為這是他們早就習慣的學習方式，也就是被動被餵食，然後再催吐。

這就是修課的經驗，就算學生修過了，還是空的。因為學生就只是再經歷一次舊式的，早就習慣的學習方式。而這種方式我也試過了，成效不好。如果學生考試考得不錯，可能會讓老師有一種很會教的飄飄然感，但不會帶給學生後續的學習效應。

所以，我就不想這樣做了。所以啊～同學，我們就不會從細胞開始重講一次，然後你們就一直腦補啊腦補細胞的結構，其實你們什麼都沒看過，頂多只用亞甲藍染過口腔黏膜罷了。

那我打算怎麼上呢？我們把上課的順序倒過來，從你們肉眼可見的世界與尺度出發。你明明天天都在吃東西，為什麼會不知道食衣住行育樂中的生物學議題呢？所以不要再去腦補細胞模型了，因為你拿到一個真正的細胞也無法判斷胞器在那裏。我們重頭來過打掉重練好嗎？

上學期的普生(一)談博物學發展、系統分類學、演化、遺傳、行為生態、生態學、環境科學、氣候變遷這些議題的發展與知識。然後下學期的普生(二)，就會從上學期所引發的問題進去微觀世界去談機制，也就是細胞學、基因體、生理、代謝、消化、循環、免疫、內分泌、神經傳導、物質交換啊等等。

最重要的是，不能讓所有的議題圍繞著人體轉，不能只談動物和植物，不要忘了生物世界有那麼多的「界」，只談幾種模式生物所衍生的知識，是不利於對生物學的認識的。

好喔，那麼由我負責的前九週要怎麼上？上什麼？以下是我的規畫：

• 第一週：生物學的簡史、知識分眾過程、與其它知識領域的接觸、結合與分工、政治經濟與科技對生物科學各學門的影響。還有，那麼你認為你的日常生活中究竟有什麼議題與問題是生物學可以幫忙解決的？是那些問題呢？請同學提出來。所以呢，第一週的作業就是學習提問，而且要學著理解一個問題所涉及的各知識學門究竟有多少？
• 第二週：博物學、大航海、殖民主義、系統分類學、物種大發現以及各文明對自然資源與生物多樣性的利用與記述上的差異。同學需要從這週起理解為什麼人類對其它生物的認識會從人、動物、植物，漸漸發展成更複雜的體系？
• 第三週：神學、智能創造論、演化論的衝撞，以及遺傳學的興起：物種怎麼來？怎麼演變？課本上說的那些演化證據還是對的嗎？數學如何進入生物學？我們是否開始需要假說來解讀疑竇？從這週起，同學需要開始瞭解重要假說的形成與檢驗。
• 第四週：族群遺傳學、分子遺傳和表觀遺傳，還有分子演化是什麼？如何協助我們瞭解演化、適應與性狀的產生？好囉，所以學生不能只知道Aa，還有染色體互換聯會這些事。我們要談如何知道現象與機制間的關係？那些猜測與假說是如何被檢驗的？
• 第五週：如何重建演化歷史？重建了演化歷史可以回應什麼問題？我們需要再回到演化一開始的發想，如果演化事件已經發生了，我們如何推測過去發生什麼事？何時發生？基於什麼樣的理論我們可以進行什麼樣的推測？這時候數學與演算法又扮演什麼角色？同學需要舉出例子，告訴大家日常生活中有多少議題需要靠這些知識來回答。
• 第六週：生命起源的多重假說與原核生物的世界：除了高中課本提過的假說之外，還有沒有其它的假說？原核生物只有細菌嗎？細菌的多樣性是什麼？古細菌又是什麼東西？
• 第七週：真核生物的多樣性與演化架構：這邊就複雜了，我們要重新談胞器的形成、更複雜的內共生假說、真核生物起源的假說，還有真核生物究竟有多少類群？它們是誰？長什麼樣子？和我們有什麼關係？
• 第八週：無脊椎動物的演化與多樣性：我們暫且簡短帶過真菌、黏菌、變形蟲界這些生物，直接進入動物的起源與多樣化歷程。我們要談談一些主要演化事件對現今世界所造成的影響，另外也要同學瞭解無脊椎動物的多樣性，與我們的關係。
• 第九週：脊索動物的演化與多樣性：因為人是脊索動物的成員之一，因此我們當然需要瞭解胚胎發育的演化如何塑造出後口動物？而脊索動物又可能是怎麼來的？導致我們現存優勢的大腦、脊椎、四肢、肌肉又是怎麼產生的？如果有時間，我們要聊聊智人這個物種又是怎麼出現的？科技真的會影響人類的演化嗎？

至於真菌、泛植物、各層次的生態學議題、人類與環境的議題就會由張楊家豪老師接著上。

學生要做什麼準備？我們會有小考，也會有一些簡短的作業。所有的問題都是開放性的，需要大量查找資料的。但是許多同學恐怕連查找與閱讀資料的品味與能力都還不存在，因此這是我們在實驗課要教大家的。

如何評量？當然就是作業與考試成績，再加上與老師的互動。

我希望達到什麼樣的學習效果？很簡單也不簡單：

• 能夠問出一個精準的問題，瞭解雕琢問題的過程
• 瞭解從現象偵測、問題形成、假說產生到學說形成的過程
• 知道如何解讀假說間的衝突與調合
• 能夠自行組裝回應一個問題所需要的知識與技術來源
• 開始得到精準查找資料的能力

就這樣，大家加油。