認識身旁的小傢伙
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--昆蟲包囊作用的觀察
蔡任圃
臺 北 市 立 中 山 女 子 高 級 中 學壹、前言
免 疫 學 對 高 中 學 子 而 言 ， 是 生 物 學 領 域 中 較 為 艱 深 的 範 圍 ， 其 作 用 機 制 與 原 理 較 為 複 雜 、 抽 象 ， 其 實 驗 活 動 的 設 計 亦 限 制 較 多 ， 若 能 透 過 適 當 的 實 驗 活 動 ， 對 學 生 學 習 相 關 知 識 必 為 一 大 利 器 。 免 疫 學 領 域 的 高 中 生 物 實 驗，長 久 一 來 一 直 只 有「 人 類 血 型 的 檢 定 」：利 用 抗 體 的 凝 集 反 應，鑑 定 血 液 的 血 型 。 此 實 驗 需 採 集 學 生 血 液 ， 其 結 果 有 時 不 易 判 讀(血 液 凝 集 結 果 不 明 顯)，且有 感 染 風險、不 亦 操作 等 缺 點，學 生 透 過 血 液 凝 集 判 斷 實 驗 結 果 ， 無 法 直 接 觀 察 免 疫 反 應 的 過 程 ， 而 是 記 錄 看 不 見 之 「 分 子(抗 體 )」作 用 後 的 巨 觀 表 現 (凝 血 )， 對 協 助 學 生 瞭 解 免 疫 相 關 機 制 、 過 程 ， 助 益 不 大 。 昆 蟲 雖 不 具 明 顯 的 專 一 性 免 疫 ， 但 其 非 專 一 性 免 疫 非 常 發 達 ， 尤 其 是 血 球 細 胞 的 吞 噬 、 包 囊 等 作 用 ， 反 應 明 顯 、 容 易 觀 察 ， 非 常 適 合 開 發 成 高 中 學 生 進 行 免 疫 學 實 驗 的 課 程 活 動 。 本 文 即 以 昆 蟲 的 「 包 囊 作 用 」 為 主 題 ， 設 計 相 關 觀 察 活 動 與 探 討 電 荷 對 包 囊 作 用 之 調 節 作 用 ， 提 供 相 關 教 材 、 實 驗 流 程 與 實 驗 結 果 ， 希 望 能 提 供 高 中 生 物 科 免 疫 學 實 驗 的 另 一 個 選 擇 。貳、昆蟲免疫作用簡介
人 體 的 免 疫 系 統 分 為 先 天 性(非 專 一 性)與後 天 性 (專 一性)免 疫，但 昆 蟲 的 免疫 系 統 只 有 先 天 性(非 專 一 性 )免 疫 作 用 ， 目 前 仍 未 發 現 後 天 性(專 一 性 )免 疫 的 機 制 。 昆 蟲 的 血 淋 巴 佔 蟲 體 體 重 15-75％ ， 包 含 液 態 的 血 漿 (plasma) 與 血 球 細 胞 (haemocytes) 。 昆 蟲 的 血 淋 巴 具 有 許 多 功 能 ， 包 含 儲 存 水 分 與 養 分 、 運 輸 營 養 物 質 與 激 素 還 有 免 疫 作 用 等 。 昆 蟲 血 淋 巴 參 與 的 免 疫 作 用，包 含 血 淋 巴 中 抗 細 菌/抗 真菌 蛋 白 、 水 解 酶 (lysozymes) 、 凝 集 素 (lectins)、酚 氧 化酶(phenyloxidases)等 體液 性 免 疫 ， 與 吞 噬 作 用(phagocytosis)、包 囊 作 用(encapsulation)、凝 結 作用 等 細 胞 性免 疫 。 昆 蟲 血 球 細 胞 的 基 本 功 能 為 吞 噬 作 用 ， 也 就 是 清 除 蟲 體 體 內 外 來 之 細 菌 等 微 生 物 或 壞 死 之 組 織 ， 主 要 由 漿 血 細 胞 與 粒 血 細 胞 進 行 ， 於 變 態 、 疾 病 防 禦 、 創 傷 修 復 時 扮 演 重 要 的 角 色 。 對 於 較 大 之 異 物 ， 如 線 蟲、原 生 生 物、真 菌、寄 生 蟲 的 卵 等 ， 則 由 許 多 血 球 細 胞 包 覆 於 異 物 外 ， 防 止 其 危 害 、 擴 散 ， 稱 為 包 囊 作 用 ， 血 球 細 胞 所 形 成 的 鞘 狀 構 造 就 稱 為 包 囊(capsule)。 受 傷 時 血 球 細 胞 參 與 血 淋 巴 的 凝 結( 即 凝血)，主 要 由 囊 血細 胞(cystocytes)參 與，以 防 止 體 液 流 失 與 病 原 體 的 入 侵 。
參、實驗所需材料
本實驗活動所需之材料如表 1。
肆、實驗動物標本的準備
將 蟑 螂 或 其 他 大 小 適 合 的 昆 蟲 以 二 氧 化 碳 麻 醉(或 放入 冰 箱 冷 凍 庫 5 至 10 分 鐘)後 ， 黏 貼 於 蟑 螂 貼 紙 上 (即 市 售 蟑 螂 屋 中 的 貼 紙)，背 面朝 上、步 足與 腹 面 黏 貼於 貼 紙 上 ， 將 翅 膀 張 開 黏 貼 於 貼 紙 ， 使 背 面 露 出(圖 1)。 表 1 昆 蟲 免 疫 作 用 之觀 察 所 需 的材 料 序 號 名 稱 規 格 與 數 量 附 註 1 蟑 螂 或 其 他 昆 蟲 每 組 (兩 人 或 四 人 )一 隻 2 蟑 螂 貼 紙 每 組 至 少 一 張 市 售 蟑 螂 屋 的 貼 紙 3 鑷 子 每 組 兩 支 4 透 明 釣 魚 線 每 組 一 條 ， 長 約 5 公 分 5 二 氧 化 碳 麻 醉 用，也 可 將 成 蟲 體 放 入 冷 凍 庫 約 5～ 10 分 鐘 進 行 冷 凍 麻 醉 6 多 蕊 電 線 每 組 一 條 ， 長 約 10 公 分 7 電 池 座 可 容 納 兩 顆 三 號 乾 電 池 8 電 池 每 組 兩 顆 三 號 乾 電 池 9 亞 甲 藍 液 每 組 一 小 瓶 進 行 細 胞 染 色 10 載 玻 片 每 組 若 干 11 蓋 玻 片 每 組 若 干 12 複 式 光 學 顯 微 鏡 每 組 一 台 圖 1 將 蟑 螂 黏 於 蟑 螂屋 貼 紙 的 照片伍、包囊作用與相關血球的觀察
將 透 明 的 釣 魚 線 經 腹 部 背 面 的 骨 板 縫 隙 插 入 腹 部 體 腔( 插 入 約 1 ～ 1.5 公 分)(圖 3C)， 待 15 分鐘 後 ，輕 輕 地 將 釣魚 線 拉 出 ， 必 要 時 可 以 鑷 子 將 骨 板 拉 高 ， 以 避 免 沾 附 於 釣 魚 線 上 的 血 球 細 胞 剝 落 。 將 釣 魚 線 置 於 載 玻 片 上 ， 滴 一 滴 亞 甲 藍 液 進 行 染 色 ， 約 五 分 鐘 後 蓋 上 蓋 玻 片 進 行 觀 察 ， 可 觀 察 到 附 著 於 透 明 釣 魚 線 上 的 血 球 細 胞(圖 2)。這 些血 球 細 胞 視釣 魚 線 為 外來 異 物 ， 附 著 其 上 進 行 包 囊 作 用 ， 以 防 止 異 物 的 入 侵 、 擴 散 、 作 用 。 若 釣 魚 線 置 於 蟲 體 內 的 時 間 過 久 ， 則 附 著 的 細 胞 會 過 多 ， 過 厚 的 細 胞 團 在 顯 微 鏡 下 無 法 透 光 ， 反 而 難 以 觀 察 ， 故 透 過 釣 魚 線 「 釣 細 胞 」 的 時 間 不 宜 過 久 。 圖2 於 透明 釣 魚 線 上所 觀 察 到 的血 球 細 胞 100μ m 100μ m 25μ m陸、
「電荷對包囊作用的影響」實驗
步驟
將 多 蕊 電 線 中 的 銅 絲 抽 出 ， 將 兩 根 細 銅 絲 分 別 由 左、右 兩 側 插 入 蟲 體 腹 部(如圖 3a、c)。將 左、右 銅 絲 分 別 連接 於 電 池 座(如 圖 3b)， 接 上 電池 形 成 通 路(可 先 重 複 開、 關 電 池 座 電 源 ， 觀 察 蟲 體 是 否 有 抽 動 ， 以 確 保 形 成 電 流 回 路)。 經 15 分 鐘 後 ，將 銅 絲 小 心、緩 慢 地 移 出(必 要 時可 以 鑷 子 將背 板 骨 片 拉 起)，避免 銅 絲 與 釣魚 線 上 的 細胞 被 刮 除 。 將 正 、 負 極 銅 絲 分 別 置 於 載 玻 片 上，輕 輕 蓋 上 蓋 玻 片(不 滴 水、不 染 色 )後 ， 於 顯 微 鏡 下 進 行 觀 察 。 於 40 倍 的 倍 率下 ， 利 用 顯微 測 微 器 測 量 正、負 極 銅 絲 上 包 覆 物 的 最 大 寬 度(如 圖 4，以 顯 微 測微 器 的 刻 度為 單 位)，記 錄 於 記 錄 表(表 2)。此 實 驗 可與 上 述 透 明釣 魚 線 插 入 體 腔 同 時 進 行 ， 即 同 時 插 入 兩 根 銅 絲 與 一 根 釣 魚 線(圖 3c)， 以節 省 實 驗 操作 時 間 。 圖 3 於 蟑 螂 腹 部 插 入 兩極 銅 絲 與 釣魚 線 的 方 式 (a).多 蕊 電 線 中 選 取 一 根銅 絲 插 入 蟑螂 腹 部 示 意圖 (b).兩 電 線 連接 電 池 座 ，使 兩 根 銅 絲一 為 正 極 、一 為 負 極 (c).蟲 體 腹 部 插 入 兩 根 銅絲 與 一 根 釣魚 線 的 照 片 (c) (b) (a)圖 4 以 顯 微 測 微 器 測 量血 球 細 胞 形成 包 囊 的 最 大 直 徑(400X)
柒、
「電荷對包囊作用的影響」實驗
結果
正 極 銅 絲 對 血 球 細 胞 具 有 吸 引 作 用 ， 故 正 極 銅 絲 的 包 囊 厚 度 大 於 負 極 銅 絲 的 包 囊(圖 5)。若 比較 不 同 蟲體 間 正、負 極 銅 絲 包 囊 寬 度 之 相 關 係 數(r = 0.62 ， 圖 6)， 屬 中 度 相 關 ， 代 表 同 一 隻 蟲 體 若 對 正 極 銅 絲 有 較 強 的 包 囊 作 用 ， 對 負 極 銅 絲 的 反 應 亦 會 較 大 。 表 2 正 、 負 極 銅 絲 經 包囊 作 用 後 的最 大 寬 度 (40 倍 視 野 下 ) 最 大 寬 度(40 倍 視 野 下 ， 目 鏡 測 微器 每 格 代 表 25μm) 測 量 結 果 本 組 平 均 全 班 平 均 正 極 銅 絲 負 極 銅 絲0
100
200
300
400
500
600
700
正極銅絲
負極銅絲
包囊最大寬度(
μm
)
圖 5 正 、負 極 銅 絲 包囊 最 大 寬 度之 比 較 (平 均 ± 標 準 誤， n = 67)。 單 尾 配對 t 檢 定 ， p < 0.001。 最 大 直 徑y = 0.3597x + 66.809 0 500 1000 1500 2000 0 500 1000 1500 2000 2500 正極包囊寬度(μm) 負極包 囊寬度(μm ) 圖 6 正 、負 極 銅 絲 包囊 最 大 寬 度之 線 性 回 歸曲 線 與 相 關係 數 (r = 0.62， n = 67)比 較
捌、試教心得
本 實 驗 課 程 筆 者 曾 於 本 校 高 一 選 修 課 程「 科 學 素 養 培 訓 課 程 」(100 與 101 學 年 度)、 高 一 數 理資 優 班(101 學年 度)與 高 二 選 修 課 程「 科 學 家 先 修 班 」(102 學 年度) 實 施(圖 7)，也 曾於 本 校 舉 辦之「 蟑 螂 科學 研 習 營(學 員 為 國 中 女 性 學 生 )」 (101 與 102 學 年度 寒 假)實 施，具 容易 觀 察、操 作 簡 便 、 實 驗 結 果 明 顯 等 優 點 ， 教 學 成 效 優 良 。 幾 乎 所 有 學 生 皆 能 觀 察 到 包 囊 作 用 ， 並 測 量 到 正 極 銅 絲 引 發 的 包 囊 作 用 大 於 負 極 銅 絲 ， 只 有 少 數 組 別 因 銅 絲 不 小 心 掉 到 地 上 而 遺 失 ， 無 法 進 行 觀 察 與 測 量 。 圖 7 學 生 進 行 實 驗 操作 的 照 片玖、參考文獻
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