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停擺 60 年的《哈德維格-納爾遜問題》在一位生物學家的手上有了新突破!

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  • 文/陳宏賓 │ UniMath 主編、中興大學應用數學系助理教授。

圖論 (Graph Theory) 在數學領域是專門研究一群物件與物件彼此關聯的學問。將要研究的對象物件以頂點視之,兩個物件若有關聯則連接一條邊,圖論主要是研究這個抽象化後由頂點集邊集所構成的圖的性質。

圖論 (Graph Theory) 是專門研究一群物件與物件彼此關聯的學問,其中著色問題可以說是圖論中最經典的研究主題之一。圖 / wikipedia

著色問題可以說是圖論最經典的研究主題之一,透過著色,我們可以將圖分類,這個是可以 2 著色的圖,那個是可以 5 著色的圖……。如果有人問你數學家都在做什麼工作?有一個我認為還不錯又簡單的答案,那就是「分類」。各種領域的數學家都在忙著分類,而「著色數」是圖的一項重要分類指標。

讓人困擾60年的《哈德維格-納爾遜問題》

1950 年,就讀芝加哥大學的大學生愛德華 · 尼爾森 (Edward Nelson) 提出了一個困擾數學家多年的著色問題。在二維平面上,任意選一些頂點,如果頂點間的距離是 1 個單位,就把這兩頂點連接一條邊,這種圖稱為單位距離圖 (unit-distance graph)。尼爾森好奇平面上隨便一個這樣子的圖,「點著色數」是多少呢?

「點著色」要求將圖的所有頂點著色,且彼此有邊的頂點必須要塗不同色。而一個圖的「點著色數」就是滿足上述要求的方法中使用最少的顏色數。如果把平面上無限多個點都當成頂點,這個擁有無窮多個頂點和無窮多條邊的圖的點著色數是多少呢?這就是困擾圖論專家一甲子的《哈德維格-納爾遜問題》(Hadwiger-Nelson problem)。

這個問題之所以有名其實是拜已故數學科普大師葛老爹 (Martin Gardner) 之賜,他後來將這個難題寫下來刊載在《科學美國人》,除了吸引不少業餘數學愛好者的目光,也引起不少知名圖論專家的興趣,其中包括了赫赫有名的艾狄胥 (Paul Erdos)。即便如此,集結眾人之力還是沒能完全解開這道難題。不過也不是無功而返,數學家們很快地就將這個涉及到無窮圖的難題的正確答案,限縮到一個乍看不可思議的小範圍──介於 4 到 7 之間

「開玩笑吧?!一個無窮多個頂點和邊的圖,這麼複雜的圖居然只要最多 7 色就能夠完成點著色。」我想許多讀者心裡會有這樣的 OS,事實就是如此,詳情我們稍後揭曉。

但正確答案究竟是什麼其實還是無人知曉,不過就在今年四月格雷 (Aubrey de Grey) 丟了一篇論文證明:四個顏色不夠用。讓正確答案的範圍又縮小了,只剩下 5、6、7 三種可能。不過,別小看他這一手,雖然看似輕鬆,其實困擾了眾多數學家六十年啊!

而令人感到驚奇的是,突破僵局的格雷教授並不是專門搞數學的,他的身份是一位致力於長生不老的生物學家,某天在玩棋盤遊戲時突發奇想突破了難關。

生物學家格雷 (Aubrey de Grey)。 圖 / Wikipedia

在此之前,格雷有一項著名事蹟廣為人知,他主張「老化是一種疾病」,只要掌握住關鍵的幾個要素,就能夠抗老,預言人類未來將可以活到一千歲,而且第一個活到一千歲的人已經誕生在世界上了。不論你信不信,我個人希望這件事不要成真,不然五十代同堂可不得了,光是過年吃個年夜飯,連洗碗都有問題啊啊啊!不過,跟秦始皇一樣對於長生不老有興趣的讀者還是參考一下 TED TALK 他的演講《A roadmap to end aging》。

 

為什麼無限多個點,只要有限個顏色就夠畫了?

其實用最簡單的方式, 9 色就可以順利完成了。理由很簡單,考慮一個邊長 2/3 單位的正方形,最遠的兩點落在對角線的兩個頂點上,簡單利用畢氏定理知道對角線長度不足 1 單位,因此,整個正方形可以塗單一色。接著用 9 個不同顏色的同尺寸正方形,排成九宮格。

再重複把這九宮格平移貼上,規律地鋪滿整個平面就完成了。檢查一下:看看是不是任意一個點,跟距離它 1 單位的點都塗不同色呢?

六十年前 7 色的塗法採用類似的概念,只不過用「正六邊形」取代「正方形」來鋪滿整個平面,中間一個加上外圍六個不同色的正六邊形,就是7色的塗法。

那為什麼至少需要 4 色呢?

首先畫兩個單位圓通過彼此的圓心,則兩圓心距離為 1,且兩交點距離圓心也是 1,因此光這四個頂點至少要用掉三個顏色才行。

複製中間這個菱形,將兩個菱形的上頂點釘在一起,分別向左右兩邊旋轉,直到下頂點彼此距離為 1 時停止,此時,兩個下頂點的顏色也被迫要相異,因此三個顏色已經不夠用了,不得已只好使用第四個顏色。這個 7 頂點的圖是需要四色的最小範例,由 Leo 和 William Moser 兩兄弟數學家所提出,後來被稱為莫澤圖(Moser spindle)。

格雷帶來的突破

同樣的道理,要證明 4 色不夠用的方法就是找一個至少需要 5 色的例子。格雷受到莫澤圖的啟發,依照三四個步驟,一步一步建構出一個有著兩萬多個點的圖,這個圖無法只用 4 色完成著色。驗證這個反例可不容易,想像光是頂點數量超過兩萬的圖有多複雜,更別說要驗證 4 個顏色夠不夠用。此時,演算法就派上用場,寫個高效率的程式交給電腦處理就行了。

Aubrey de Grey後來完成點數較少的 1,581 版本。(點圖放大)圖/Olena Shmahalo/Quanta Magazine; Source: Aubrey de Grey

任何一個需要至少 5 色的圖都是這個問題的一項重大進展。數學家希望找到小一點且同樣需要 5 色的圖,最好當然是找到最小的那一種,如此一來就可以更深入地了解究竟需要 5 色的理由是什麼,怎樣的結構會造成顏色數增加,唯有透過不斷地分析解構,才可能更接近真相。格雷也和華裔數學家陶哲軒等人的 polymath 團隊合作,希望藉由團隊的力量將點數大幅度下降。果然,不久後,俄亥俄州立大學的數學家 Dustin Mixon 和 Boris Alexeev 找到一個有 1577 個點的圖。沒多久,德州大學奧斯汀分校的資訊科學家 Marijn Heule 將點數縮小到 874,之後又進一步下降到 826。

雖然有進展,但這 826點的圖還是有點難分析啊。(點圖放大)圖/Olena Shmahalo/Quanta Magazine; Source: Marijn Heule

一系列的改進給沉寂 60 年的 Hadwiger-Nelson 問題帶來一道曙光。不過,要決定正確答案究竟是多少,恐怕還得需要更多時間才有機會解開謎底,這時候,我心裡反倒暗暗希望格雷的一千歲理論是對的了。

註解:

有人可能會將這個「把平面上所有點著色的問題」跟四色定理那個「把平面圖的點著色問題」搞混;平面圖是指可以把圖畫在平面上讓邊都不交叉。四色定理是在平面圖上著色,而本文討論的不是平面圖。

參考資料:

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藏在陶器紋路裡的「海洋奇緣」:拼湊大洋洲史前 Lapita 文化故事

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  • 採訪編輯|王怡蓁 美術編輯|張語辰

從陶器紋飾找故事脈絡

談到大洋洲考古,你可能會聯想到迪士尼電影《海洋奇緣》,的確,《海洋奇緣》就是以大洋洲島民與神話為故事腳本,內容也有與大洋洲考古史高度相符的部份。研究大洋洲考古的邱斯嘉,是中研院歷史語言研究所的副研究員,曾參與大洋洲數個遺址的考古。她透過分析 Lapita 陶器,試圖勾勒出大洋洲民族的交換網絡,理解陶器如何被賦予傳遞文化訊息的意義,以及大洋洲各 Lapita 文化分區的形成過程與文化相關性。

在索羅門群島的地表就可以撿拾到 Lapita 陶片,陶器上可看到一部分紋飾。資料來源/邱斯嘉,取自〈Go with the flow (中) 〉,《芭樂人類學》專欄文章

史前人類移動:從臺灣、東南亞到大洋洲

邱斯嘉說明,根據臺灣眾多考古學者、以及澳洲國家大學 Peter Bellwood 和洪曉純教授等人多年來的研究指出,距今約五、六千年前,臺灣的大坌坑文化人已會製作陶器;大概在距今四千年前,當時臺灣的繩紋紅陶陶器、玉器與豬都傳到菲律賓,約在距今三千年前左右在那裡也發現了種植稻米的痕跡,而種稻米跟製作陶器都是需要經驗的傳授。

因此,透過這些證據發現,有一群生活習慣相近的人,除了在本地代代相傳外,很可能有一小部分的人決定往外移動,而這個移動的痕跡恰好被考古學家捕捉到了。但邱斯嘉也說明,這不能確定是這些臺灣的大坌坑文化人帶著這些生活用品移民到北呂宋去、還是他們只是跟北呂宋人交換物資、或是他們帶著陶器和其他物件當作禮物去分贈親朋好友,這三種情況都有可能發生。

因此,進行考古工作就是要利用不同的研究方法,針對不同性質的線索加以解讀,看看哪種情況最有可能發生,才能勾略出史前的樣貌。

過去百年間,自歐洲大航海時期以來,眾多往來於大洋洲的水手、商人、傳教士、和學者們都觀察到美拉尼西亞的人群、社會組織與文化,似乎和玻里尼西亞密克羅尼西亞有非常顯著的差別,因而開始追尋玻里尼西亞、密克羅尼西亞的先祖從何而來,又為什麼到了後期會演變成與美拉尼西亞地區有顯著差異的群體。在研究的過程中,考古學者們逐漸釐清大洋洲居民的先後移民史,其中也包含了南島語族遷移史的探究。

在說更多故事之前,我們先透過下圖,掌握南島語族遷徙至各區域的時間點、與 Lapita 文化區域的位置:

紅色時間點,表示南島語族遷徙至此處的年代。虛線區域,呈現 Lapita 文化叢分布區。圖片來源/邱斯嘉提供

邱斯嘉表示,要談大洋洲考古史可以追溯到幾十萬年前,這時在亞洲大陸與島嶼東南亞一帶便有人類在此活動,而在大約距今五、六萬年前,人們就已經跨過「華萊士線」所在的開闊海洋區域,進到澳洲地區。當時的澳洲與巴布亞新幾內亞還連在一起,因此在這個區域的考古找到很多人類五、六萬年前活動的證據,巴布亞新幾內亞也找得到四萬年前人類耕種的痕跡,證實了人類在近大洋洲的不同島嶼群中往來生活了幾萬年之久。

這些人會利用黑曜石製作石器、也會種植香蕉和根莖類作物,並且開始將野生的小型鴕鳥和有袋類動物帶到外海小島上當作食物。但是在這漫長的時間裡,直到距今約三千三百年以前,這些地方都是完全沒有陶器的。

考古學家發現在巴布亞新幾內亞俾斯邁群島上,距今約三千六百年以前一次劇烈火山爆發後,竟然看見火山灰上層的地層中,出現大量的 Lapita 陶器,而附近的島嶼也很快都出現了 Lapita 陶器,其中有當地生產、也有外地引進的陶器。而伴隨著 Lapita 陶器出現的,還有從島嶼東南亞引進的動植物,和截然不同的石器與貝器製作方式。

這代表當時有一群人帶著陶器、東南亞的動植物移動到這些島嶼,由於巴布亞新幾內亞和鄰近島嶼所找到的最早期的陶器,與東南亞的陶器類似,所以學者們研判,這群人可能是從東南亞過來的。

由於已知島嶼東南亞的最早陶器傳統是來自臺灣,逐漸傳入菲律賓北部及蘇拉威西等地,同時也有人群開始由菲律賓向北馬里亞納群島殖民,因此學者們推測這些具有相似生活方式的人群,很可能都是屬於當時不同南島語族語言分支下的群體。

考古學者們發現約在三千五百年前,某些南島語族的先祖到達巴布亞新幾內亞俾斯邁群島,他們和他們的後代,不但與原本居住在巴布亞新幾內亞到索羅門群島北部一帶的居民往來,同時也迅速地進入原本無人居住的遠大洋洲,改變了大洋洲的生活方式,產生出了橫跨美拉尼西亞、玻里尼西亞地區的高度同質性文化遺留,而這個階段的史前文化就被稱為 Lapita (音譯:拉匹達)文化。

Lapita 文化叢:陶器紋飾的改變

邱斯嘉指出,由於我們從現今的社會中,也可以看出一個地區的人群在語言、基因或體質,跟主流文化之間並不是一直都處於固定不變的狀態;而因為考古遺址出土的是史前人群的物質遺留、和他們與自然環境互動後所產生的地貌地景上的變化,並不是像現代社會一樣可以直接觀察到的人際關係與社會文化;所以由「考古遺留」所重建出來的古代物質文化樣貌,與現今可直接觀察的社會文化是有所區別的。因此,考古學家會用「Lapita 文化叢」來描述他們在大洋洲距今約 3500-2600 年前的這段期間內,所有出現過具有 Lapita 陶器以及其他伴隨的物質遺留特徵。

考古學家根據這些分布在七個國家與地區內的類似物質遺留與地貌特徵,將這個文化叢所代表的人群統稱為 Lapita 人。

這些人群雖然有可能來自許多不同的島群,並有著差異性極高的體質特徵、基因組成、語言,但經過一段時間的交流融合之後,逐漸形成了類似的語言及社會文化傳統。其中一部分人的後代,帶著陶器、製陶技術、以及引進東南亞動植物穿越了索羅門群島的主要島群、到達以前沒人居住過的遠大洋洲各個島嶼群;其中一部分人又殖民到斐濟東加薩摩亞一帶,這些人群逐漸演變成為現在玻里尼西亞、和大部分密克羅尼西亞居民的祖先。

如下圖,Lapita 文化可分成四大區塊,是從陶器上的紋飾來區分,雖然製陶方式大致雷同,但紋飾多有所不同。屬於遠西區的巴布亞新幾內亞地區,是陶器紋飾最精細的,也是 Lapita 人一開始到達的地方,並繼續往東擴散,到達西區的索羅門、與南區的新喀里多尼亞島;而屬於東區的斐濟等地,則與萬那度關係較近。

Lapita 文化四大區域的分佈位置。資料來源/邱斯嘉,2015,〈從 Lapita 陶器紋飾研究探討創造與維繫史前社群認同感的物質表現〉。

邱斯嘉說明,Lapita 是從東南亞過來的文化、融合了巴布亞新幾內亞的文化,成為一種新的生活方式,並擴張到許多太平洋的無人島上,速度非常快,這代表當時已有高超的航海技術、還有定位技術。

根據民族誌的記載,許多島民可以同時在不同的鄰近島嶼上擁有土地和捕魚的魚場,在這些土地上蓋屋居住、耕種採集、捕魚獵鳥和眷養家畜。因此當一個人出發到另一個島上種植芋頭,過了兩三個月要回去採收,得先認出對的島嶼,才能順利在原居地和其他島上的土地之間往返。民族誌上記載當時有些部落會在椰子樹上刻上標識,或是透過宴會等公開場合反覆述說誰擁有哪些土地來取得共識。而這些彰顯自我社群土地所有權的標識,與這些社群的社會地位、及擁有的土地財富等息息相關,因此也有可能跟 Lapita 陶器上的某些特殊紋飾相關,同時也被運用到刺青、編織、樹皮布、木雕和裝飾品等等眾多媒介上。

Lapita 陶器上的各式臉面裝飾,部分紋飾清楚可以見到眼睛、鼻子的結構。資料來源/邱斯嘉,2015,〈從 Lapita 陶器紋飾研究探討創造與維繫史前社群認同感的物質表現〉。

邱斯嘉指著牆上這幅陶器上的人臉紋飾,說:「這很明顯可以看到眼睛、鼻子,但沒有嘴巴,上面有兩隻手延伸出來,手旁邊還有兩隻烏龜或青蛙」。在邱斯嘉十五年的考古工作經驗中,這幅紋飾是唯一的一片,與其他紋飾的圖案不同。此圖為 Shane Egan 先生根據巴布亞新幾內亞俾斯麥群島中,穆掃島群的 Talepakemalai (ECA) 遺址出土的 Lapita 陶片紋飾所創作。攝影/張語辰

引起考古學家注意的是,Lapita 是發跡於來自東南亞的文化、生活型態與製陶技術,但大洋洲區域 Lapita 陶器上的紋飾卻和東南亞的同時代的陶器不同。在沒有文字的古代,這些陶器圖紋很可能就是他們表達、紀錄的方式,而這樣的陶器裝飾傳統,傳到了巴布亞新幾內亞區域卻變了。

Lapita 陶器的紋飾,就好像父母一直講的床邊故事,人們也會依據兒時記憶講給自己的下一代聽。但為什麼床邊故事到了別區的島嶼突然變了?這是考古學家好奇的。

鑑定陶器不像 CSI ,得靠慢工細活

邱斯嘉表示,大洋洲的陶器與臺灣出土的陶器不同,臺灣的史前居民重視實用性,而且生產力驚人,所以有非常大量的陶製器具,而在大洋洲卻不是這樣。

她舉例說明,在一個二乘二平方公尺的考古坑中,臺灣的遺址可以出土三千件陶片,但 Lapita 文化遺址通常只有六、七件,然而大多數帶有裝飾紋路的 Lapita 陶器都製作精美。她說 Lapita 的複雜梳點壓印紋陶器需要花非常多心力來做裝飾,也不是人人都可以製作的。如果沒有裝飾,大概一個禮拜就可以把陶器製作完畢,但加上裝飾,大概要花上三到四週的時間,這反映了 Lapita 文化的人群很可能願意花費多餘的勞動力,製作精美的陶器在特殊場合中使用,而不是追求大量生產日常生活所需的器具。

新喀里多尼亞島 13A 遺址的 Lapita 大陶器。資料來源/邱斯嘉,取自〈陶器的反撲〉,《芭樂人類學》專欄文章

邱斯嘉補充,當一群人初到達無人島時,會先解決生計的問題,在能養家活口之後,他們會把家族的故事流傳下來,雖然學者還無法完全掌握這些陶器紋飾的意義,但可以先去比對這些紋飾有什麼不同。就好比媽媽說的小紅帽故事,跟下一代所說的可能有所差異,想要強調的重點會放在不同的地方。因此,邱斯嘉與研究團隊正在整理大洋洲各區域 Lapita 陶器紋飾的架構,她們想釐清有哪些架構是一定要遵守的,又有哪些部分是可以被改變。

然而,這些陶器長得很像,要怎麼證明陶器之間有關聯,還有是不是同一群人製作的?

由於陶器從找到合適的陶土、塑形到燒製定型,這一系列與製作相關的技術與知識都需要長時間的練習,並透過學徒和師傅間的密切交流才能傳承下來。因此,考古學家會假設:「在同一個遺址、同一年代找到的製作方式高度相似的陶器,很可能就是同一個師傅和徒弟們做出來的」。而年代早晚有差別、或是地理位置不一樣,但是陶器製作方式仍然高度相似的時候,就會假設是「同一個陶器製作傳統下,不同陶匠們做出來的產品」。

因此,要知道兩個陶器間是否相關,得將陶器切片、磨製,看陶土的組成成分、揉捏製作的手法、形狀和紋飾的結構,來推敲出兩者間相似度高低的證據,聽起來就像 CSI 鑑定那般。但邱斯嘉哈哈大笑說:「哪有像 CSI 電視劇那樣,把樣本放進分析儀器中,咻一下~結果就出爐了」,雖然工程浩大,但邱斯嘉表示會選擇陶器是因為它最漂亮,研究起來心情會很好。

陶器是個很有趣的載體,在成型前都可以任意地揉捏,所以在陶器上,學者在意的是這群人想要說什麼故事?這些故事怎麼被呈現出來?

邱斯嘉與研究團隊平常的工作是進行陶器切片,還有紋飾的分析與建檔,如果東加跟斐濟出現了一樣的陶器,要怎麼確認這是同一群人做的?這必須進行與陶器製作相關的各種分析,其中一部分是岩相切片分析、和化學成份分析,藉此分析陶器的土壤成份是否能夠反映出某個地質區塊的特徵。

邱斯嘉的研究室是五人團隊,有一個人看岩相、一人負責紋飾編碼,一人負責檢查與輸入資料,兩人負責重新繪製陶片的紋飾。最後還有庶務的資料與相片工作,還需要把四萬片陶片建檔,將其他已出版的文獻、碩博士論文以及資料數位化。攝影/張語辰

研究團隊的浩大工程,有賴許多人的協助。邱斯嘉表示,她目前正與林博雄鍾國芳兩位學者合作,模擬古氣候與洋流的狀況。此計畫會使用電腦模擬古代的風向與洋流,看船隻會如何移動,這可以用來推測古時候的人們便於在哪裡登陸。例如 Lapita 文化人從 A 地出海後,最容易到達的地方在哪裡,而這兩地間,陶器也應該要最為類似;但如果容易到達的地方,卻出現截然不同的陶器紋飾,那就要繼續探究造成這種文化偏好斷裂的原因有哪些。這些文化偏好上的持續或斷裂,會反映出史前社群的組織、文化上的偏好,再搭配其他考古線索(例如環境變動等),就能夠較為完整地述說史前人們的故事。

邱斯嘉舉例,像是新喀里多尼亞島東北方和南部所製作出來的陶器,都會送到位於四百公里之外的萬那度中部的 Teouma 遺址,用於陪葬。但在同一個新喀里多尼亞島上,這兩地卻各成一派,各自有其陶器流傳範圍,且大多互不干涉;而且到了晚期,當地確實也演變為南北兩大文化傳統,隱然呼應了 Lapita 時期的分隔,這就會讓她好奇到底發生什麼事。

在邱斯嘉負責的太平洋史前 Lapita 陶器線上數位資料庫裡,目前共有 60 個 Lapita 遺址的資料,包含 2709 種紋飾,大概可以分成三大群體。大致上是從巴布亞新幾內亞分散出去,分成索羅門、萬那度與新喀里多尼亞島三大類,類似不同的移民波。但她表示,目前沒辦法很清楚地知道這三群社群的先後時間,是同時存在的競合關係,還是有其前後?這要透過人骨鑑定才會有精確的資料,但很遺憾地,目前在這些遺址中很難找到人骨。

從大洋洲的「家屋社會」來推敲

考古學家們需要設想當時往來穿梭於各島的人們,會面對那些從自然界與從社會關係而來的挑戰,以及當時的人們要怎麼確保自己的生存與發展,考古學家才能按照所觀察到的證據,將這段史前史寫出來。

在大洋洲考古研究中,經常會從「家屋社會」的理念下手,來討論移民過程中的種種狀況。考古學家們討論:當時的人們可能是以家屋社會的方式,組織一個不完全以血緣關係為主的群體,靈活運用不同的繼承方式,組織和發展其人力物力。這樣他們在需要經常出海往返、接觸不同島嶼的人群時,才能依據這個家屋的社會地位和名聲,獲得外地人的尊重與保護。

而邱斯嘉認為,Lapita 陶器同樣具有「標記歷史符號」的作用。陶器上的臉面紋飾,也許顯示各個家屋透過特定符號來表彰祖先以及歷史地位,藉此證明自己對土地以及財產的合法性,Lapita 陶器紋飾類似家徽的概念,因此它很可能用來作為一種傳家寶物。

陶器紋飾的變化,則可以顯示 Lapita 人群遷移後與原鄉交流的成果,或是標記他們定居後的物質文化表現。

邱斯嘉的博士論文就是大洋洲的考古研究,她提到自己在撰寫博士論文時,有學者在新喀里多尼亞島發現遺址,邀請她一起做研究。當時,她是唯一一個到新喀里多尼亞島遺址做研究的博士班學生,獲得很多素材,也才栽進了大洋洲考古的世界。

在那時,她發現了許多現象、擁有許多素材,卻無從解釋,正當她心煩意亂之時,決定在那個暑假逃到加拿大散心。在加拿大的博物館中,發現許多北美印地安人刻的柱子,柱上有許多圖騰,有青蛙、鯨魚、熊等的圖像;有些動物圖騰是獨立存在,有些則是混合在一起。博物館的說明寫著:「這些圖騰在加拿大代表著家屋組織的象徵,如果通婚並且建立了新的家屋,這個新家屋就會放上兩個家屋的圖騰。」因此,邱斯嘉按著這個邏輯回頭檢視自己手上的素材。

家屋社會不完全是父系、也不是母系,而是以傳承家屋和家名為目的來建立社會組織,邱斯嘉表示,家屋社會的組成並非完全有血緣關係,而中古世紀的歐洲與日本都有相似的概念,家屋的名字、歷史與土地所有權必須持續下去。

由於高度依賴自然資源,大洋洲島民非常重視人際網絡。除了建立人際關係外,也要想辦法維持,而這通常會透過持續的通婚、收養等方式來強化,有點類似中國古代的世家大族,透過通婚來鞏固家族地位,而在自然資源缺乏的島嶼,這就更加重要。

眼見太平洋群島上大多屬於家屋社會,加拿大的發現帶給她當頭棒喝,讓她用家屋的概念來詮釋大洋洲陶器。她也提到,在大洋洲考古研究中有幾個重要的元素:土地、家屋以及陶器。從土地的所有權、家屋的建立與翻新與否、陶器上的圖騰紋飾,能看出家屋的力量,因此,她的老師建議她依據這些證據,找出大洋洲史前家屋社會運用符號的方式。

最後,邱斯嘉補充了一個 Lapita 文化命名由來的小故事,她站在一張新喀里多尼亞島的巨大地圖旁邊,指著 13A 遺址的位置,解密 Lapita 名稱的由來。她說,當時在 13A 遺址進行研究的老教授指著發掘所在的沙灘地,問當地人那地方叫做什麼名字,當地人看著考古坑便回答:「xapeta’a」,這是當地「小坑」的意思,耳朵不好的老教授聽成「Lapita」,這就成了 Lapita 文化名稱的由來。

延伸閱讀:

本著作由研之有物製作,原文為《「家傳故事為何改變?」從 Lapita 陶器解密史前人類的生活》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

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

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吃鹽解辣、被蚊子咬塗肥皂……這些驚奇小常識到底是真是假?LINEの驚奇事件簿(上)

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科學新聞解剖室-案件編號 28

案情

自從智慧型手機人手一支之後,自從 LINE 成為一種人與人的聯繫方式之後,自從親友長輩們學會 LINE 之後……,LINE 裡面的訊息就經常成為大家生活上的指引。解剖員前幾天在親戚群組中就收到了這一則圖文並茂的「驚奇小常識」,這種驚奇小常識實在令人眼睛為之一亮,除了圖片上方斗大的字體清楚地點出簡訊的主題,這 10 個小常識似乎都很有道理,而且用字簡潔、不囉唆,還搭配圖片,更像專業知識的衛教宣傳單,直接告訴你如何解決生活上的小麻煩,這無疑是有人佛心來著所做出的功德,兩三下解決生活上常見的小困擾,連解剖員都躍躍欲試了。

但是,這麼輕易就可以得到的小撇步,真的這麼地又驚又奇嗎?雖然心嚮往之,但畢竟解剖員也不是被驚大的,面對這種有點奇怪、有點浮誇、有點太過神奇的訊息型態,還是需要逐一解剖看看其虛實。

解剖

本文所列舉的這一則訊息,只是眾多驚奇事件簿中的一個案例,由於資料量龐大,所以罕見地需要出動眾多解剖員合力完成。經過多方的資料比對及查找之後,我們大概可以將這 10 個小常識依據科學原理的正確性與否,區分成以下四種不同的類型,包括:「完全正確」、「完全錯誤」、「部分正確-但宣稱得太誇張」、「部分正確-要有某些條件或前提才會發生」,我們逐一來看看:

1.「完全正確」

在這 10 個小常識中完全正確的竟只有一個:「經常裝茶的杯子裏留下難看的茶漬,用牙膏洗之非常乾淨。」

茶漬的主要成份是茶多酚,是茶湯和空氣接觸後氧化所產生的聚合物,主要在茶線附近形成並且附著在容器內側;牙膏主要則是由摩擦劑、氟化物、表面活性劑等組成,這些成份具有清潔的效果,因此確實也能清除茶漬。圖/TerriC @pixabay

首先,我們可以先來看看這些主角的主要成份,茶漬(又稱茶垢)的主要成份是茶多酚,是茶湯和空氣接觸後氧化所產生的聚合物,因此主要在茶線附近形成並且附著在容器內側;牙膏主要則是由摩擦劑、氟化物、表面活性劑等組成,這些成份具有清潔的效果,因此確實也能清除茶漬。

但是,尚需要澄清一點的是,牙膏之所以能夠去除杯子內壁上的茶漬,除了化學的作用之外,最主要還是得靠牙膏中所含的摩擦劑所產生的物理作用,就是透過摩擦劑和杯壁的摩擦,達到去除茶垢的效果。如果依據這個摩擦去漬的物理原理,其實像是放少許的食鹽進行刷洗,也是會有類似效果的。一般我們會習慣用洗碗精、酵素等來清潔碗盤杯具,牙膏這個神奇的選項確實打破了日常的習慣,有,這一項真的有驚到!

2.「完全錯誤」

屬於「完全錯誤」的類型則有兩個。首先是「吃了辣的東西,含一下鹽巴再吐掉,漱一下口後就不辣了」。

由於辣椒素的斥水親脂特性,如果含脂的食品像是牛奶、冰淇淋等等,或許就真的能有效去除附著在嘴巴裡的辣椒素,達到解辣的功效,所以坊間有些麻辣鍋店家在餐後會提供冰淇淋就比較接近這個道理。圖/englishlikeanative @pixabay

我們吃辣的東西時會感覺到辣,是因為「辣椒素」在味覺神經產生作用,以及辣椒素與粘膜作用產生灼燒感,而純辣椒素是「斥水親脂」的化合物,所以,吃辣後在嘴巴裡含鹽並不會產生任何物理或化學反應,充其量只是讓味覺神經接收到「鹹」的感覺,因此在原本「辣」的感覺就變得不那麼強烈。就像左手感覺到疼痛時,如果在右手劃上一刀,就會感覺左手沒有原本那麼痛,就是透過另一個刺激讓原本的感受下降一些。由於辣椒素的斥水親脂特性,如果含脂的食品像是牛奶、冰淇淋等等,或許就真的能有效去除附著在嘴巴裡的辣椒素,達到解辣的功效,所以坊間有些麻辣鍋店家在餐後會提供冰淇淋就比較接近這個道理。

另外一則跟夏天常見的困擾有關:「剛被蚊子咬,塗上肥皂就不會癢了」。

肥皂的作用僅止於皮膚表面,並不會進入皮膚內層,所以是否能中和已進入皮膚內的蟻酸,其實是有待商榷的。圖/mikadago @pixabay

這個驚奇常識的原理是應該想利用肥皂中的鹼性物質來中和蟻酸,以達到止癢的效果,但殘酷的現實情況是,肥皂的作用僅止於皮膚表面,並不會進入皮膚內層,所以是否能中和已進入皮膚內的蟻酸,其實是有待商榷的。 其次,被蚊子釘咬後皮膚會腫會癢,實際上並不是蟻酸造成的,而是人體免系系統即時反應的緣故。蚊子叮咬時會分泌唾液,這個唾液除了能潤滑牠的口器之外還能防止人體的血液凝固而阻塞口器,因此蚊子分泌的這種抗凝血劑使得人體免疫系統發號施令,進而產生「組織胺」來對抗這個外來物質,就是這個免疫反應引發過敏反應,所以我們才會覺得皮膚癢或發腫。所以,用肥皂既無法中和皮膚內的蟻酸,更與真正造成皮膚發癢的過敏反應無關,而且如果一直使用肥皂塗抹被蚊子咬的患部,過度刺激更可能會讓皮膚變得更加乾燥而產生不適,所以這真是一則於事無補的驚奇。

以上這兩個小常識是屬於完全錯誤的類型,雖然「吃辣→含鹽→不辣」、「蚊子咬→塗肥皂→不癢」看似簡單明瞭,但卻是無事實根據的訛傳,雖不會造成什麼劇烈的災難,但並不是解決問題的一帖良藥。

 

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打嗝喝醋、吃花生米除異味……該如何面對灰色地帶的驚奇訊息?LINEの驚奇事件簿(下)

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3.「部分正確-但宣稱得太誇張」

在完全正確及完全錯誤之外,其實最多數的驚奇小常識是介於有點對又不會太對,有點錯又不會太錯的這種類型。在這個狀況內的共有6則小常識:

第一則小常識提到:「仰頭點眼藥水時微微張嘴,這樣眼睛就不會亂眨了」。

這孩子被滴眼藥水的時候也太淡定了吧 ˊ_>ˋ 。圖/Ben_Kerckx @pixabay

解剖員回想自己點眼藥水時的畫面,大概是仰頭、眼睛張開、一手撐開眼皮、一手按壓藥水,結束,而根據眼科醫師提醒患者點藥水的步驟也差不多是如此,但為何要張開嘴巴呢?根據解剖員推測,或許有幾個可能性:其一是想透過皮膚肌肉的相互拉扯來產生一種平衡的感覺,試想並跟著做看看,在睜大眼睛準備點眼藥水的同時,嘴巴打開,會拉扯到臉部肌肉並產生緊繃感,只是這樣是否適用於皮膚逐漸鬆弛的高齡者,可能就是另外一個問題。其次,點眼藥水時若把嘴巴打開說不定可以轉移注意力,讓焦點不要放在眼睛上,轉移焦點後就可以減少眨眼的次數,以利成功將眼藥水點進眼睛裡。張嘴的動作除了醜一點之外,應該是無傷大雅,只是多加練習就能輕鬆完成的點眼藥水動作,說是驚奇小常識似乎浮誇了一點。

點完眼藥水,來看看小灰塵跑進眼睛要怎麼辦:「眼睛進了小灰塵,閉上眼睛用力咳嗽幾下,灰塵就會自己出來」。

正常情況下眼睛就會自動分泌眼淚去排除異物,如果當時剛好咳嗽,應該會增強淚腺的分泌,但如果要刻意去咳嗽,那就…多了。圖/Sambeet @pixabay

這個說法應該是想藉由用力咳嗽這項舉動去誘發淚腺分泌眼淚、沖走灰塵,但真的有必要嗎?大家不妨回想看看,當被風沙或異物刺激眼睛時,我們的眼睛會有自我保護的機制,就是當異物不慎進入眼睛,神經就會傳送訊息給大腦,大腦會立即下達指令,眼睛就會出現眼淚、眨眼的反射動作,透過淚液的分泌反覆沖掉異物。因此,正常情況下眼睛就會自動分泌眼淚去排除異物,如果當時剛好咳嗽,應該會增強淚腺的分泌,但如果要刻意去咳嗽,那就…多了。

釐清眼睛的兩個疑問之後,再來是和打嗝有關,內文提到:「打嗝的時候就喝點醋,立桿見影」。

這個小常識的方法是可能的,但用「立竿見影」這樣的修辭就似乎太過絕對,畢竟是否適用於每個人當下的狀況是有待商榷的。圖/Anelka @pixabay

吃飯吃太快、吃太飽、邊吃邊說話、脹氣等等都可能會出現打嗝,而打嗝多數是因為橫隔膜不自主收縮導致,例如胃的壓力過大或是腹部氣體過多使得橫隔膜受到刺激,當然也有部份原因是器官病變。因此,如果只是暫停性、輕微的打嗝情況,確實可以透過一些方法來改善,例如和這個小常識有關的「飲食法」來改善,像是多喝幾口水,藉由食道規律的收縮來緩解打嗝的狀況;或是用水漱口、吃檸檬、喝醋等方法來刺激食道與鼻咽,達到緩解的效果。總之,這個小常識的方法是可能的,但用「立竿見影」這樣的修辭就似乎太過絕對,畢竟是否適用於每個人當下的狀況是有待商榷的。

吃飽了,打嗝出現異味該怎麼辦?驚奇小常識告訴我們:「吃了有異味的東西,如大蒜、臭豆腐,吃幾顆花生米就好了」。

除了蒜頭之外,是否吃了有異味的食物之後,光靠幾顆花生就能去除味道呢?這樣的宣稱其實是有點誇大的,畢竟造成異味的原因何其多,蒜味只是其中的一種。圖/forwimuwi73 @pixabay

針對這個問題,需要先瞭解為什麼在吃了「重口味」的食物後嘴巴會有臭味呢?以大蒜為例,大蒜的味道主要來自大蒜素,大蒜素具強烈的大蒜味與辛辣味,它也普遍存在於洋蔥和其他蔥科植物中。而花生米富含蛋白質,蛋白質能和大蒜素的硫化物結合,有助消除口中的蒜味,同樣的道理,喝牛奶也是能達到去除蒜味的功效。但是,除了蒜頭之外,是否吃了有異味的食物之後,光靠幾顆花生就能去除味道呢?這樣的宣稱其實是有點誇大的,畢竟造成異味的原因何其多,蒜味只是其中的一種。

吃飽喝足之後,接著要解決美的問題:「只要在珠寶盒中放上一節小小的粉筆,即可讓首飾常保光澤」。

「抑制濕度」跟「常保光澤」是否可以直接劃上等號呢?畢竟空氣所造成的氧化作用仍然無法完全避免,再加上粉筆容易有細碎的粉塵,是否反而讓珠寶蒙上一層白白的灰呢?圖/JamesDeMers @pixabay

台灣天氣潮濕,除濕防霉是日常生活必備工作,而這則小常識就是告訴大家如何保護珠寶盒中的飾品。粉筆的主要原料是硫酸鈣(石膏)或碳酸鈣(石灰石),它的特性就是具有良好的吸水力及強烈的吸附作用,所以有很好的除水效果,我們只要利用粉筆的特性,在珠寶盒中放入粉筆就能保持乾燥,避免濕氣重而讓珠寶氧化而發生鏽蝕的情況,看似容易且完美。但是,「抑制濕度」跟「常保光澤」是否可以直接劃上等號呢?畢竟空氣所造成的氧化作用仍然無法完全避免,再加上粉筆容易有細碎的粉塵,是否反而讓珠寶蒙上一層白白的灰呢?與其這樣,放入防潮箱或使用乾燥劑會不會是更好的選擇呢?

最後,「不管是鞋子的哪個地方磨到了你的腳,你就在鞋子磨腳的地方塗一點點白酒,保證就不磨腳了」。

酒精可以軟化皮革,可以防止新鞋磨腳,但是無論什麼材質的鞋子都能這樣處理嗎?現在坊間這麼多合成皮的鞋製品,而且說不定酒精還會造成皮面顏色的受損,使用時需要格外謹慎才行。圖/Free-Photos @pixabay

剛買來的新鞋子有時因為腳型不完全相符,會造成磨腳的情形,因此坊間也有賣很多腳跟後腫貼的產品,如果這個小常識有效的話,加上白酒容易取得,就不用在鞋子內貼這些貼布破壞鞋子美感。這個驚奇知識的原理應該是基於白酒的主要成分是水和酒精,其中酒精可以軟化皮革,可以防止新鞋磨腳,但是無論什麼材質的鞋子都能這樣處理嗎?解剖員搜尋網路上關於白酒塗抹在鞋子的方法及浸濕的時間長度,各有所異,但共同點是白酒對付的敵人都是「皮革」,現在坊間這麼多合成皮的鞋製品,恐怕就很難適用這個方法,而且說不定酒精還會造成皮面顏色的受損,使用時需要格外謹慎才行。

嚴格說起來,以上這六個小常識都有基本的功效,也不至於會發生什麼可怕的後果,只是在過度簡化的描述下,導致許多過於誇張與不合理的效果宣稱。

4.「部分正確-要有某些條件或前提才會發生」

最後這個類型是內容有部份的正確性,只是它需要在某些條件下才會發生:「插花時,在水裡滴上一滴洗潔劑,鮮花可以維持好多天」。

如果要使用洗潔劑為花朵加持新鮮度,前提是需要先認清洗潔劑的酸鹼類型,而且也應該考慮並不是所有的花朵都適合酸性溶液。圖/Free-Photos @pixabay

解剖員搜尋相關資料後發現,有一間清潔產品公司的網頁就有這項資訊,並將洗潔劑和保鮮的關係說明的非常清楚。原理是洗潔劑的成份有表面活性劑、氧化劑等,因此具有去污、殺菌等功效,使得插花的水質不容易腐壞。但是,洗潔劑依照pH值的區分也會分成酸性、中性、弱鹼性、鹼性等四種不同的類型,而一般保鮮劑的水溶液則是偏酸(pH值在3.0-4.0),因此,如果要使用洗潔劑為花朵加持新鮮度,前提是需要先認清洗潔劑的酸鹼類型,而且也應該考慮並不是所有的花朵都適合酸性溶液。如果沒有先想清楚相關條件的限制以及需要滿足的前提,恐怕效果會適得其反。

解剖總結

日常生活中原本就有許多廣為流傳的便利撇步與秘方,在社交媒體的推波助瀾之下,這些訊息有了更多流傳的管道,人們一方面互通訊息,一方面聯絡感情。本文的「十大驚奇小常識」只是冰山一角,其他「20個吃驚的小常識」、「30個讓你吃驚的小常識」、「60個讓你吃驚的小常識」,社群網絡中應有盡有,要多少有多少。很難說費心製作這些驚奇事件簿的功德主會有什麼其他的居心,說不定他/她們只是單純地希望世界更美好,只是在追求輕薄短小的訊息傳遞過程中,「過度簡化」變成是一個難以逃脫的宿命,去頭、去尾、去脈絡的小知識都變成了驚奇背後的陷阱。依據這一次的大規模解剖,我們可以發現多數的「驚奇小知識」都是有條件限制的,並且充斥著許多的似是而非,讀者務必小心服用才行。據此,本解剖室給予這系列的事件簿訊息以下評價(14顆骷髏頭):

(策劃/寫作:黃俊儒、賴雁蓉、范育綺、陳儀珈、隋昱嬋、蔡旻諭、羅尹悅、羅沐深、蘇芸巧)

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小小的 miRNA 如何調控基因表現?

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  • 採訪編輯|林任遠 美術編輯|張語辰

miRNA 研究為何重要——影響癌症的小小螺絲釘

miRNA 可調控許多生物的基因表現,並影響人類癌症的發生機制,是現代醫療的關鍵分子。詹世鵬副教授以 miRNA 為主要研究領域,現職於臺大醫學院微生物學科暨研究所,曾在中研院鄭淑珍院士門下求學,並將研究成果發表於《Science》,迄今持續拓展 miRNA 的基礎知識。而他的研究生涯起點,是高中時來到中研院參與的輔導實驗計畫。

調控基因表現的 miRNA

人類體內有上千個 miRNA 已完成定序,它們可調控 60% 的人類基因表現。而詹世鵬實驗室的主要研究領域是微核糖核酸的基因調控機制 (microRNA-mediated gene regulation) 以及小干擾核醣核酸 (small interfering RNA) 生成與作用機制的基礎研究。

詹世鵬在碩、博士班時期,於中研院鄭淑珍院士門下研究訊息核醣核酸剪接 (pre-mRNA splicing) 反應中的重要蛋白複合體 PRP19-complex,成果於 2003 年發表於《Science》,至今學界的最新研究仍引用為理論基礎。他隨後加入耶魯大學 Frank Slack 博士的團隊進行博士後研究。Slack 是發現 let-7 miRNA 的重要研究團隊成員,他的研究也證實 let-7 可調控致癌基因 RAS,並發現 let-7 的表現與肺癌有高度相關性。

到了博士後時期的研究主題,詹世鵬則探討微核醣核酸 (miRNA) 調控線蟲基因表現的機制。miRNA 的功能是近十多年來的重要生命科學發現,它們經由核醣核酸序列的互補性,辨認並結合標的訊息核醣核酸 (mRNA),抑制其訊息的轉譯功能、並促使其降解。

miRNA 彷彿在幫 mRNA 踩剎車,暫停後續轉譯蛋白質,藉此調控基因表現。圖說設計/張語辰

RNA(核糖核酸)在生物體內不僅是基因傳訊者,更以其他形式調節著基因表現,扮演個體發育、細胞凋亡、細胞分化等機制的關鍵角色。

提到 RNA,多數人會直覺想到分子生物學的中心原則,在基因表現過程中,mRNA (信使核糖核酸)擔綱訊息傳遞功能,也可說是夾在 DNA 和蛋白質之間的傳訊者。當 DNA 序列轉錄 (transcription) 成 mRNA 之後,mRNA 會再擔任模板、轉譯 (translation) 出蛋白質,進而展現生物化學層面的功能,而 tRNA、rRNA 則輔助此機制運作。

此外,miRNA (微核糖核酸) 與 siRNA (小干擾核糖核酸)廣泛存在於細菌、植物、動物體中,它們的功能不同於 mRNA ,自身沒有最終的蛋白質產物,卻能決定其他基因的表現。

研究證實 miRNA 的功能與人類癌症、個體發育關係緊密。但是,miRNA 調節基因表現的方式,仍是一面空白遍布的複雜拼圖。

藉由「線蟲」了解 miRNA

miRNA 是線蟲各發育階段的主要調控分子,巧妙貫串整個生命史;同時也因為 miRNA 的基因保守性,在其他生物與人類體內有許多基因是以相同機制調控,因此科學家會研究線蟲來了解 miRNA 的奧秘。

史上第一個被發現的微核醣核酸是線蟲的 lin-4 miRNA ,來自線蟲發育早期被活化的 lin-4 基因,轉錄出的 RNA 僅有 22 個核苷酸;lin-4 miRNA 本身無法轉譯產生蛋白質,卻能影響另一基因 lin-14 的表現。lin-4 不抑制 lin-14 基因的轉錄功能,卻能壓抑下一步的轉譯階段,使 lin-14 的蛋白產物大幅減少。此機制在 1993 年開始揭露,當時被視為線蟲特有的發育調節機制,並未引起廣大注意。

直到 2000 年,Gary Ruvkun 的研究團隊發現 lin-14 可以調控下游基因 let-7 的表現,而線蟲晚期發育時被活化的 let-7 產生的 miRNA 可以抑制下游基因 lin-41 以及成蟲發育基因 lin-29。以 miRNA 貫穿線蟲生命史的基因調控機制開始得到矚目。

miRNAs lin-4 和 let-7 調控標靶基因的時間關係,貫穿線蟲的年幼時期到成蟲。資料來源│Vella, M.C., & Slack, F.J. (2005). C. elegans microRNAs. WormBook : the online review of C. elegans biology, 1-9.

另外,於 2000 年,Pasquinelli 的研究團隊也指出 let-7 RNA 具有物種間的基因保守性 (Gene conservation),由於人類體內也含有 miRNA,miRNA 開始在發育學研究激起波瀾。

數年內,let-7 基因被發現與人類癌症關係緊密,例如,與肺癌病人術後存活率有直接關係、可以直接調控人類癌症基因 RAS。此後,許多研究團隊開始投入 miRNA 研究:包含尋找新種 miRNA,預測與鑑定其調控目標基因;研究 miRNA 在癌症中的角色,並測試相關療法。miRNA 成為分子生物學與基礎醫學領域的要角。

各種 miRNA 結合的輔助蛋白分子各異, 調控基因表現的機制也充滿複雜可能性。

miRNA 如何抑制基因表現仍存有爭論,某些研究支持 miRNA 抑制轉譯作用的起始 (initiation);同時也有學者發現,miRNA 抑制的是正在轉譯的核糖體 (post-initiation repression)。

miRNA 的作用途徑

【miRNA 和 siRNA 的生成與作用】 資料來源/詹世鵬,2010。〈小兵立大功─ 微小核醣核酸與小干擾核醣核酸〉,《化學》,68 (4),303 – 312。 圖說重製/林任遠、張語辰

【miRNA 和 siRNA 的生成與作用】
一般路徑 (圖片由上至下):
1. DNA 與 RNA 聚合酶轉錄出上百至上千核苷酸長的 Pri-miRNA,透過 Drosha 切割為 60~70 核苷酸長的 pre-miRNA。
2. pre-miRNA 經過輸送蛋白 Exportin-5 進入細胞質,由 Dicer 切割為約 22 核苷酸長度的 miRNA 和互補股 miRNA* (將被移除降解的一股)。
3. miRNA 和 AGO 蛋白結合成 RISC ,尋找並結合目標 mRNA。完美結合就可以迅速切斷、降解 mRNA。結合不完全,形成突起 (bulge) 的話,就會抑制核糖體轉錄功能,進而由來自 RISC 的去腺嘧啶酶 (deadenylase) 複合物降解 mRNA。
—–
較少見的 Mirtron 路徑 (圖片右上至右下):
1. 來自中介子 (intron) 的 miRNA 序列,不經過 Drosha,而是由 RNA 剪接反應形成 pre-miRNA。此後的步驟與一般路徑相同。
—–
siRNA 路徑 (圖片左側至左下):
1. 外來雙股 DNA 進入細胞質,由 Dicer 切割為數十核苷酸長度的雙股 RNA 。
2. 其中一股與 AGO 等蛋白組成 RISC,可以和目標 mRNA 完美結合,並將其切斷降解。

如上圖所示,miRNA 的生成包含兩種核醣核酸內切酶: Drosha 與 Dicer ,接著和 Argonaute 蛋白質組成「核醣核酸沉默複合體」 (RNA-induced silencing complex, RISC) 抑制 mRNA 的轉譯作用或促使其降解。siRNA 則來自生物體外的長段 DNA,經 Dicer 切割而來,siRNA 亦可組成 RISC 引發目標 mRNA 降解。

詹世鵬在博士後研究中,就發現線蟲的 let-7 miRNA 形成的核醣核酸─蛋白複合體具有序列特異性,某幾種蛋白質僅與 let-7 miRNA 的特定序列結合,顯示 miRNA 形成 RISC 的特異性與多樣性。

此外,當 mRNA 的轉譯作用被 miRNA 抑制後,來自 RISC 的去腺嘧啶酶 (deadenylase) 複合物會進一步引發 mRNA 降解 (degradation)。因此在 miRNA 作用時,可以觀察到蛋白質合成被抑制,也可以發現到 mRNA 減少。然而,不同 miRNA 引發 mRNA 減少的幅度與速率,也在各種研究中都出現差異。

詹世鵬說,因為這些特點,miRNA 很可能因為「序列差異」,以及不同的「輔助蛋白分子」組合, 決定目標 mRNA 的命運。他在研究中發現,核糖體上的特定蛋白質會影響 let-7 miRNA 功能,該蛋白質所在的核糖體區域很可能是 miRNA 發揮抑制作用之處。

至今,詹世鵬仍然常常做實驗到三更半夜,致力將這些複雜且精微的反應,研究地更加透徹;為的是好奇心,也為了有朝一日能立基於這些知識發展醫藥應用。這樣的他,是怎麼踏上研究之路的呢?

踏入實驗室的契機

詹世鵬認為:研究這些小分子的作用機制,除了滿足純學術好奇心,更是將 miRNA 與 siRNA 應用在治療人類疾病的重要基礎。攝影/張語辰

與實驗室一門之隔的辦公室中,詹世鵬檢查著待送檢的基因序列,一面回憶 33 年前加入第二屆「北區高中生物學習成就優異學生輔導實驗計畫」,從最基礎的生物學實驗雜務開始,踏上今天在臺大醫學院的分子生物學研究之路。「高一時,隔週日去中研院,上午聽課、下午做實驗,這樣的假日很棒!」詹世鵬回想。

但當時離開實驗計畫的同學,不是因為沒興趣做研究或想要玩樂,是因為他們去準備考醫學系了。

少年詹世鵬參與的是今日中研院「高中生命科學資優生培育計畫」之前身,當時由植物所協同動物所主持。由實驗計畫改組為今日的規模,共有 80 多位研究員參與指導,超過 2000 名高中生得以接受優秀的生物學家當面傳道解惑。而 30 多年來,能夠全程參與培育計畫的高中生大約是十分之一。

因為參與計畫,詹世鵬得到諾貝爾獎得主 Sanger 之門生──周德源博士、水稻基因定序計畫共同主持人──鄔宏潘博士指導。度過三分之一世紀,他還依稀記得師長們的風格,他笑著坦承:「上課內容當然已經忘了,有些老師也僅記得面貌。印象中有位老師很豪邁、有江湖味,但是名字卻遺失在腦海裡。」

Q:研究基礎生物學,有得到家人的支持嗎?

我當年成績也可以考上醫學系,但我用輔導實驗計畫的資格,甄選進臺大植物系。這算是比較非主流的選擇,我爸就在潮州老家跟鄰居埋怨我:「醫生不當,跑去讀個種花種草的科系。」當年輔導實驗計畫第一名的同學,最後的確是成為醫師了。

Q:在鄭淑珍院士門下學習將近十年,印象最深刻的是什麼事情?

鄭老師很嚴謹,不接受任何實驗沒有控制組的圖;會仔細確認每個學生的實驗結果能否重複再現,同時記得所有學生實驗的細節。這種治學風格下,每張實驗圖表都要重複操作改進,累積相當紮實的技術與研究成果。我的博論口試花了三個小時,愈講聽眾愈多,很多其他實驗室的學生中途加入。

鄭老師很重視學生的成長,希望我這種「土博士」能出國磨練。而且不會因為我們很熟,就幫學生打理各種推薦門路,她希望我們培養一切自理的能力。

Q:是否也在自己的實驗室中,再現了鄭老師的風格?

我從鄭老師那邊繼承的,大概就是經常和學生說:「實驗,沒有什麼到時候再做。」平常我們相處很輕鬆、沒有禁忌。但是我不接受學生對實驗說:「做到這樣就好了」、「到時候再做」、「如果要做的話…」這類不踏實的話。

我常和他們說:「做實驗,要就現在。沒有什麼到時候!」

Q:相對於其他職業,研究工作的特點是什麼?

做研究的好處,就是時間可以自理。有自由與資源可以去探索自己好奇的事情,這樣非常棒。當然,每個人的屬性不同,有些人的性格適合坐下來追根究柢;有些人比較坐不住,就未必能享受研究工作。像我是每天在實驗室跑膠也十分快樂的那種人。

Q:對有志於投入生物學研究的學生,有什麼建議?

生物學工作當然也有現實面的壓力。我這個世代和職位的學者,也常會被上級或長輩認為「還不夠努力」或「不夠聰明」,論文發表數或研究成果不盡理想。但是真的想求知、想滿足好奇心的學生,我想他們不需要尋求建議,就趕快開始動手,馬上設法做實驗吧!

Q:研究基礎科學,設定研究問題時是否該回應特定的「社會需求」呢?

啊,非常難回答的問題。(從地板掃視到天花板,苦思)

從歷史的角度看,生物學的起點其實是依附在帝國主義與殖民活動之下的博物學工作。當時的生物學家目的很明確,就是為歐洲強權搜集海外珍禽異獸、奇花怪木、甚至是異國人類,作為展示或娛樂之用。

現代基礎生物學相對以「求知」為導向,不像過往為了帝國貴族或殖民商人的喜好而做。這樣看來,我會說不必為了任何人的目的,而純為求知而假設研究題目比較好。

不過我在國立大學工作,而且國內大多數研究經費來源都來自政府,確實是奠基在公共資源上進行研究。當然必須要考慮「回饋社會」,但哪一群人的需求可以代表「社會需求」?或是說生物學家應該優先在意誰的需求呢?這是每個學者自己必須拿捏的。

對我來說,在基礎科學領域,以自己的知識與好奇心出發,進行實驗設計就好。但是基礎科學研究者在挑選主題、進行實驗時,心中抱持著「以研究成果回饋社會」的期待與信念是非常重要、而且必要的。要放在心裡的是,違背科學倫理、甚至虛假的實驗就遠低於這個基本要求。

 

延伸閱讀:

本著作由研之有物製作,原文為《從「高中生」到「分子生物學家」 專訪詹世鵬》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

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

在網站上看不過癮?研之有物出書啦!

研之有物:穿越古今!中研院的25堂人文公開課》等著你來認識更多中研院精彩的研究。

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拉茲的法理學與民主社會生活何干?——2018 唐獎法學獎

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本文由《唐獎教育基金會》委託,泛科學與法律白話文運動企劃執行

  • 文/李仲軒 │ 倫敦大學亞非學院法學博士。學術之路由憲法學與行政法出發,熱衷於探索法律的邊界;從風險社會對法治國家的衝擊,到氣候變遷對破碎式跨國全球治理的挑戰,始終行走於法律與政治(政策)、社會、經濟、環境系統間交錯的幽微地帶。

日前聽到約瑟夫‧拉茲 (Joseph Raz) 教授獲得第三屆「唐獎」法治獎的消息。雖然有點驚訝,但倒一點也不意外。驚訝,是因為前幾屆唐獎法治獎,都是頒給對促進人權有明確貢獻及具體影響力的實務工作者。而拉茲是繼哈特之後,執掌法實證主義大纛的國際知名教授,學術聲望上堪稱一時無兩。

圖/唐獎基金會提供

不過,其著述固然極為豐富重要,但同時也都頗為艱澀難懂,很難與社會直接對話,同時他也甚少針砭時事,所以在這個意義上,他是一位非常「純粹」的學者。以筆者在倫敦所見,拉茲的講座固然座無虛席、一位難求,但終究不同於某些「公知型」的學者,諸如 David Harvey、Judith Butler或 Slavoj Žižek,那樣人山人海的場子。

但筆者認為,拉茲的獲獎,絕對不令人意外。今年唐獎法治獎之頒給,或許就是要嘗試指出,不只實務工作,原創性的法學研究當然也可以具有巨大的社會影響。拉茲的研究成果,對於開啟社會與法律的對話,更有極其獨特的貢獻。誠如林子儀老師所說,拉茲研究的關鍵性,使任何研究者觸及相關領域,都無法迴避它。所以本文想要聊聊拉茲的研究,跟我們民主社會的生活有什麼關係,能帶給我們什麼思考上的刺激,進而能啟動怎樣的改變。

民主真的會赤字嗎?

或許我們可以從今年初,拉茲在倫敦國王學院以《民主赤字》(The Democratic Deficit)為題的講座談起。雖然該講題探討的主題是國際組織的民主化,但顯然拉茲大部分的論證或標準是交錯適用於國內以及國際組織。簡單來說,他認為民主赤字的說法,可能蘊含對民主的錯誤認識。民主應該是複數多元的想像,從而是無法定義的。爭論民主的本質內涵,往往淪為口舌之爭。

圖/PaliGraficas @pixabay

對拉茲來說,民主就如同其他的統治模式,都是歷史的創造,只在特定條件下得以作用,當環境改變,也必然會被新的模式取代。甚至,「適合或正確的模式」可能也是複數的。因為民主制度的運作是否可行甚至可欲,根本上取決於人與人的互動與相關社會制度。當相關條件改變或不存在,民主不一定是最佳的治理模式。

有人堅信,民主生活本身就彰顯德性或具有道德上的重要性,與民主治理的成效無關。或者,堅信民主是最佳且唯一正當的政府形式,這種信念的確可以為組織提供正當性。但與組織的正當性或權威,更直接相關的,是組織目的良善或正當與否,表現是否能實現該目的,以及在成本效益評估上是否有更優越的替代方案。

就拉茲的觀點而言,一個組織是否需要民­­­主化,都必須透過具體審視,在其運作的環境條件中──它的功能與結構,是否因民主化而優化?民主必須去道德化、去神聖化,才能立基於現實,包括本土傳統及當代條件。

這些條件的存否或變動直接影響民主的運作與價值,往往只能藉漸進式的變革培養,無法透過巨大的變革來創造。所以關鍵是找出這些使民主成為可能甚至可欲的條件。不該只因全球民粹浪潮就宣判民主失敗,或相反,先驗地論斷民主永遠為最佳治理模式。

從保守主義的傳統出發,拉茲的觀點其實並不難理解。這些讓人熱血沸騰的價值信念,都是特定時空的產物,所以值得珍視,但也因此其運作需特定社會條件配合,因地制宜。即便在民主國家,民主模式也不一定適用於所有制度或機構。民主無疑是把利刃,錯的是操刀必割的邏輯。

同樣地,對拉茲來說,法治也和民主一樣,不是所有問題的萬靈丹。概念上,法治和民主一樣沒有辦法,也不應該承擔所有良善的理念之重擔。拉茲主張「薄」的法治觀:法治主要作為程序性原則,不應預設實體價值,所以法治的實質內容不包括保障民主人權自由平等。也因此,法律之存否與內容,取決於可實證確認的社會事實,而非取決於抽象的道德判斷。

這表示,拉茲並不認為所有的法律都一定是公平公正、具權威性,而可以產生一般性的遵守義務──法律的社會本質是權威的自我宣稱,但一般性法律的遵守義務卻需要符合外在權威正當性條件。不過,宣稱權威,不等於具有被外界認可的正當權威,所以也不必然應被無條件遵守。法律必然宣稱權威,要求人民遵守,但實際上不能保證實現。這是典型法實證主義的立場:法律是什麼,與對法律的評價和效力分離

法律是衡量公義的重要依據,並在人類社會中擁有權威地位,但法由人定,法律不全是正當權威,更不必然應被無條件遵守。 圖/AJEL @Pixabay

既然法治不預設實體價值,那權威正當性的條件又是什麼?拉茲認為,正當權威以及正當強制性或規範性必然基於理性或理由──法律權威之命令,必須以規範客體所持的理由為理由,且能夠做成更正確理性的決定。簡單講,正當的權威,是為你作出比你自己還正確的決定,所以你的理性決定,就是放棄自主、自由,遵守權威的強制指令。

良法之所以為良善,享有正當權威,從而可以要求受規範對象遵守,不是因為它符合法治,而是因為具有理由,符合理性,或精確說,擁有比受規範對象有更好的理性。因為相對地,惡法亦可能符合法治的要求,但是唯有良法才有足夠的正當權威行使強制力。

堅持理性不會導向專家政治及權威政治

可能的質疑是,拉茲是不是可能過於迷信理性啓蒙的理念?他的權威或理性觀會不會導向專家政治或甚至權威政治?對努力追求法治、深化民主的台灣來說,將法治和民主去神聖化,已經有點震撼,強調權威的重要性和更高的理性,簡直是冒大不韙的反動。不過,如果你認為拉茲的理論是在反對民主與法治,那顯然還是沒有理解拉茲。

首先,拉茲雖強調權威的作用,但也絕對不是鼓吹服從權威。拉茲並非泛論民主與法治,對他來說,不論是無條件支持或反對,都是一丘之貉,都是繞著抽象概念打轉的口舌之爭,不能為實踐理性打開大門,這也是他反對的。有權者或許能仰賴專家理性,作成權威決定,但這並非不能挑戰、批判的。

正如前述,拉茲是想表達,法律的正當性乃至強制力,都取決於權威的決斷是否為更理性、更有利於規範對象的決定。權威的決定,只是公共論辯的起點,不是終點

根本理由是,人是理性個體,應能自主決定有價值的生活方式。民主與法治的意義,毋須藉由制度預設進行單向的價值灌輸,用以解決所有問題。實際上,在制度上所作的價值設定,並不會自動實現,須在不同的情境透過特定政治行動與社會選擇來形塑。國家有積極促進人民自主的義務,包括提供社會條件與資源,使個人能選擇有價值的人生模式。在此意義上,他是鼓勵挑戰權威的。

其次,藉由強調理性有可比較性(權威的決定必須是更理性、更正確的,才有正當性),拉茲凸顯了所謂理性決定,並不代表有唯一正確答案。當法律脫去道德光環,就可開啟更大的空間檢視國家的價值觀。國家和所有個體一樣,對於什麼是美好的人生觀或世界觀不可能中立,各種價值觀不可能沒衝突,甚至對「民主」的理解與詮釋就可能有歧異。

這似乎進一步暗示,在多元價值與文化下,理性論述可能不止一種,存在多元理性的可能──法治的任務是,藉由維持自身中立性,來維護多元性,提供不同但同樣具有價值的生活選項,多元的理性論述藉由相互競爭,提升服務,以臻至善。

從而何謂最佳或更正確的判斷,並不一定基於單向度的工具理性或甚至公共理性。無需以維護公共性為理由,排除包括宗教在內的特定理由或理性。相反地,高舉進步道德的旗幟,追求融貫整全的法律,卻可能隱含將理性思考的結論定於一尊,或可能由所謂「海克力斯法官」(judge Hercules)以其超人但也獨斷的理性來實現,而這可能造成法律與人民脫節。

最後,權威或許通常仰賴專家理性,但是在促進理性批判上,權威的存在不見得是障礙,因為理性運用往往需要在一定知識基礎上比較分析才能進而批判。這牽涉到一個嚴肅的質問:理性思考以及知識是不是一種稀缺的資源,在不同階級間不均等的分配?若此為真,Raz所凸顯的所謂理性決定,是不是強化這種不平等?

最根本來說,所謂理性思考,不外乎說理由,講道理,願意並能夠理解事物的脈絡與關聯。理性之批判作用,不可能在毫無知識的基礎上進行。缺乏框架的發散思考,無法真正自由發揮理性。但理性之批判,也並不需要有絕對完備的專業知識才可以實現。

總結來說,拉茲用冷靜甚至近乎冷酷的態度,指出法治和民主的作用都受社會條件所限制,尤其取決於群體的理性思考與批判之水平。

拉茲指出法治和民主的作用都受社會條件所限制,尤其取決於群體的理性思考與批判之水平。圖/唐獎基金會提供

深化民主關鍵不在於制度變革與壓制反動觀點

運用在現實情境中,比如近來關於民主困境與民粹現象的討論,包括民粹究竟是不是民主?民粹的浪潮,是會改善民主,或破壞民主?如果民粹真是問題,那應該是因為民粹發展到最後,往往出現拒絕不同聲音、不同理性的情形,成為排他性的主張,甚至威權、極權的法律、政治制度。

反諷的是,當前民粹浪潮的出現,又和進步/保守、民主/權威二分標籤所產生排斥不同理性的「政治正確」,不無關連。

所謂民粹主張,通常被標示為倒退、反動的意見。非理性化(irrationalized)與保守(conservative)往往成為去正當化(de-legitimise)或甚至是妖魔化(demonize)的標籤工具。但筆者認為,從拉茲角度出發,這反倒讓本來應該可以是民主制度內部不同理由的討論,轉為路線正確與否,甚至善與惡的鬥爭。

若由拉茲觀點來看,民主沒有赤字問題,或許也不是越激進越好。當本質上是民主主義的民粹,嘗試民主化所有專業官僚,如中央銀行或獨立委員會,或排除憲政上對直接民主以及政治權力的限制,從而讓人民的總意志得以完全展現,可能就是民主的界線。在這意義上,面對民粹,想要「咬緊牙關」以更民主的方式解決困境,恐怕要三思。政治權力須被抑制,即便是人民的聲音亦然。

瑞士格拉魯斯州實行直接民主制,所有政策皆須由一萬名州民共同決議方得施行。不過,所有的民主制度施行皆高度仰賴群眾的理性思考與智識深度,因此民主是否確實發揮效用需要多方且長期的深入研究。 圖/Adrian Sulc [CC BY SA-3.0] via wikipedia

深化民主真正需要的是本土內生的理性思辨。近一步引申拉茲的觀點,從本土脈絡出發的雙向溝通,不是以教導、駁倒,甚至羞辱對手為目標。除了真誠理解外,甚至應該幫對方釐清思緒理路,更不應以人廢言。

因為在論辯雙方間,可能存在因階級、職業、族群、教育、性別、年齡的不平等,所衍生的知識與資訊落差(注意,這裡說的是在說理論證上,可能存在因知識與資訊落差造成的壓迫,但不能忽視的是,在其他現實情境中,民粹的大眾很多時候是扮演壓迫少數者的角色)。

在這種情況下,贏得論辯,除了彰顯權力與不平等的社會結構壓迫外,並沒有太多理性上的意義。民粹的興起,逼使社會理解,以及開始探求其存在或發生的理由,可說是病急投醫。雖然這個相互壓迫、弱弱相殘的困局,令人感嘆,但是凸顯出當前代議、間接式的民主的缺陷,也有其意義。

扼要說,拉茲研究的一個重要實踐意義在於:闡明民主與法治的關係。透過說明理由的要求,讓公共討論可以聚焦在本土的具體問題上,而不在抽象的概念與口舌之爭打轉;雖然理性論述可能也有不同的理解,但不妨礙其作為溝通的共通語言。而「薄的法治觀」,可以作為一個中立的制度平台,在這個平台上,由權威的決定開啟追求至善的對話,以建構正當的法律權威及規範性,並最終實現真正的民主深化。

本文由《唐獎教育基金會》委託,泛科學與法律白話文運動企劃執行

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全新發現的形狀「scutoid」,竟然就藏在你我身上?

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文章正式開始前,讓我們花個 30 秒來回憶一下你這輩子學到過的所有形狀:圓形、正方形、長方形、三角形、菱形、梯形、正五邊形、正六邊形……也別忘了立體的形狀:正四面體、圓錐體、球體……

你能想到多少形狀呢?圖/By Cris DiNoto @Unsplash

在這段時間中,你可以想出多少形狀呢?我們的生活中隨處可見不同的形狀,對我們而言,所謂「形狀」實在是非常稀鬆平常的概念。但是,就在不久之前,居然有個全新的形狀被發現命名了!

今年 7 月,一份發表在《自然通訊期刊》(Nature Communications)的研究提出了一個過去未曾被討論過的新形狀,並將它取名為「scutoid」。

你一定很好奇,究竟這個全新的形狀長得什麼模樣,咱們二話不說先上張圖:

這就是新發現的形狀「scutoid」。圖/研究圖片

我們可以從上圖看出來,它的一個底面是五邊形、另一個底面是六邊形,而為了將兩個底面接起來,它有一突出的三角形切面。有趣的是,只要將這種特別的形狀上下翻轉,它們就能完美地嵌合在一起,是非常適合開發成積木的形狀呢!

將兩個「scutoid」拼在一起,它們會非常緊密地貼合。圖/研究圖片

熟悉又陌生的神祕新形狀

這麼詭異的形狀到底會在哪裡出現啊?難不成我們發現了什麼火星異形嗎?

才不是呢,這個有趣的形狀其實就藏在你我身上(沒錯,它真的到處都是 XD),只是直到現在才被確定而已。

這種形狀其實出現在我們的上皮組織中。如果你翻開以前的教科書,上面可能會告訴你,上皮組織會覆蓋所有身體的表面、體腔及管道,而上皮細胞是棱柱 (prism) 狀的,但是,來自西班牙賽維利亞大學的研究團隊在運用電腦模擬時,發現到上皮細胞的形狀可能遠比我們以為的更加複雜。

不同類型的上皮組織。圖/By BruceBlaus, CC BY 3.0 @wikimedia  commons

根據電腦的模擬,這種方式能讓細胞緊密而有效率地結合在一起。而為了驗證模擬的結果,科學家研究了果蠅的唾腺和胚胎,發現到細胞組織還真的長這樣。

恭喜老爺賀喜夫人,我們終於發現新形狀了,接下來就得幫它取個名字對吧,這可不是件容易事呢!經過討論,科學家最終決定以金龜子背上的小盾片 (scutellum) 當作參考,為它取名。

仔細瞧瞧下面這隻白點花金龜屬 (Protaetia) 的甲蟲 ,白線標出的部分是不是跟這個新形狀有些相似呢?

這是白點花金龜屬的甲蟲「Protaetia speciose」。圖/研究圖片

等等!形狀也會有「新」的?

不過,大自然無奇不有,存在的形狀自然也有成千上萬種,如果我們停下來想一下,你或許就會感到疑惑:這世界照理來說應當有無限種形狀,這個研究憑什麼說自己發現了「新」形狀呢?

聖母大學 (University of Notre Dame) 的數學教授 Matthew Gursky 認為,雖然這種形狀早已存在,但這些學者仍會稱它為「新」,是因為在過去從來沒有用數學的方式去描述和研究它。另一方面,對一個領域來說是新的東西,可能在另一個領域中早已人盡皆知。「舉例來說,拿來描述肥皂泡形狀的公式也能拿來描述黑洞的形狀。」Gursky 說。

對此,身為研究作者之一的 Javier Buceta 表示,「形狀的確無限多種」但這些形狀中,有些的確有實際的用途。以此研究而言,發現這個形狀解決了細胞排列的核心問題。

舉例來說,雖然「圓的周長除以直徑的『那個比值』約是 3.14159……」這個概念原本就存在,但當我們需要討論它、研究它的時候,為它取個名字(也就是「圓周率」或是 π)、給個定義就顯得非常重要了。

當我們要研究 π 的時候,總不能叫它 3.1415926……吧 XD 圖/maxpixel

既然如此,那我們大費周章為這種新形狀取名字,表示它肯定挺厲害的囉?

沒錯!研究者認為,藉由運用這樣的形狀,細胞可以減少消耗的能量,並使得整個組織的排列更加穩定。他們相信,藉由相關研究,能對未來的人工組織研發提供很大的助力。

參考資料:

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【GENE思書軒】我們如何閱讀《基因》這部關於生命的有字天書?

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當我選擇用「Gene」來當筆名時,大一剛入學,要為 BBS 站取個帳號。我只是覺得一個英文名字剛好和生命科學的專有名詞一模一樣,就覺得十分有趣,當時完全沒有想到會和「Gene」的科學意涵結下不解之緣。

有些朋友不相信「Gene」真的是個英文名字,甚至聽我信誓旦旦地解說,還開玩笑說他們也想取名叫「Cell」、「DNA」或「Protein」。如此,我只能回說要不然幹脆叫「Genome」,這一來就比我大很多了。其實,「Gene」這名字來自古希臘文「γόνος」,意思是「生」(born),而這個名詞在遺傳學中,字源也是一模一樣的。

很不巧的,我博士班念的就是遺傳學,在美國加州大學戴維斯分校(UC Davis)當遺傳學實驗課的助教時,就有很多學生說我名字取得實在太妙了。然而事實上,我大學時期最討厭的必修課之一就是遺傳學,我導師說他大學時最不喜歡的必修課也是遺傳學,可是博士班念的是遺傳學,所以做人別太鐵齒,我當時心想這絕對不會發生在我身上,可是命運就是這麼愛捉弄人,決定念演化生物學當志業後,發現遺傳學真是最佳的工具,於是就步上了導師的後塵。

基因結構。圖/Bstlee [CC BY-SA 2.0] via wikipedia

簡單來說,遺傳學就是門研究基因的生命科學學門。在博士班利用果蠅進行遺傳學研究時,在顯微鏡底下,嘶嘶輕聲作響的麻醉台上的細小孔洞噴著二氧化碳,讓果蠅暫時沉睡,我們趁機輕輕地用羽毛或毛筆把帶有不同性狀的果蠅分群,這時總能讓人一再讚歎孟德爾(Gregor J. Mendel,1822-1884)的先見之明。然而,在不是唸研究所拚學位、無升等壓力、不必拿科研計畫、沒有 KPI 考績要求下的修道院神父,是懷著什麼樣的心情和信念在為豌豆進行實驗的呢?

在念了遺傳學博士班後,三不五時就會在茶餘飯後接到親友的詢問,真是五花八門無奇不有,從單純好奇到試圖挑戰的都有,例如真的能夠用基因工程改造人類嗎?我們科學家為何要這麼變態地製造變種生物?如何生出更聰明健康的小孩?小孩的問題都是來自遺傳嗎?為什麼罕見遺傳疾病愈來愈多?

中譯本《萬病之王》書影。 圖/時報出版

普立茲獎得主、英國衛報新人獎得主、暢銷書《萬病之王:一部癌症的傳記,以及我們與它搏鬥的故事》(The Emperor of All Maladies: A Biography of Cancer)作者辛達塔.穆克吉(Siddhartha Mukherjee)在聽到一位癌症病人在接受了很長一段時間的治療後向他請求「我願意繼續治療,但我要知道我在對抗的是什麼。」,於是他就寫了本癌症的傳記,也就是不可多得的好書《萬病之王》。

《萬病之王》更是一本充滿熱情的書,是一本癌症的傳記,也是人類與癌症搏鬥的生命故事。在為癌症作了傳記後,來寫這本《基因:人類最親密的歷史》(The Gene: An Intimate History),似乎就是順理成章、天經地義的,因為癌症不就是因為基因出了錯嗎?那麼基因為何會出錯呢?

基因,科學史上最有力也最危險的觀念

然而,讀了《基因》,才深刻地瞭解到,對穆克吉而言,追尋問題答案的源由,遠遠沒那麼簡單。他出生在印度,他父母那一代最深沉的痛苦之一,是印巴分治後,被迫離鄉背井。後來落腳的加爾各答(Kolkata)原本是印度最具活力的大城市,但是在印度教徒和穆斯林瘋狂的互相大肆屠殺後,淪為一個三四流的破敗城市,迫使他們又要遠走他鄉。

對他們家族而言,傷痛還遠遠不僅於此。幾年前的冬天,穆克吉陪同父親回加爾各答到精神病院探望堂哥莫尼,這讓他回想到他的兩位叔伯拉結什和賈古皆可能患上精神疾病,加上他父親也曾經兩度出現精神病的症狀,這難免讓他懷疑自己家族是否帶有遺傳缺陷。如果真是如此,那為何有他父親和姐妹會逃過一劫?他們的病有多少是天生的?又有多少是後天的?

基因》就是他為了追尋眾多問題的答案而寫的,也是另一本傳記,探討基因的誕生、發展、影響和未來。穆克吉不忘提醒我們,基於對基因充分的認知,它是科學史上最有力也是最危險的觀念。經過了長久的瞎子摸象,我們愈來愈清楚基因是什麼,儘管中途對遺傳的本質出現過不少妄想誕生了納粹的優生學禍害千萬人,一直到今天我們能在實驗室裡輕易操作基因。

生物其實就是一連串的資訊

孟德爾的發現,理應為達爾文(Charles R. Darwin,1809-1882)的演化論錦上添花,但是儘管他們是同一時代的人,但是為達爾文演化論如虎添翼的「現代演化綜論」(Modern evolutionary synthesis)要等待到上世紀上半葉才逐步完成。達爾文的堂兄高爾頓(Sir Francis Galton,1822-1911)則在對基因一無所知的情況下提出了優生學的概念。而納粹份子的各種作為在今天來看已經是叫人瞠目結舌地髮指,我們仍幻想基因存在「正常」的版本。

基因學發展後,優生學的發展隨之蔚為風潮,被許多種族主義統治者拿來作為鞏固政治的手段。但基因學追求的不應是打造完人,而是認識自己、幫助每個生命活得更好。圖為納粹德國的「亞利安純淨嬰兒」生產中心。 圖/Bundesarchiv [CC BY SA-3.0] via wikipedia

生物其實就是一連串的資訊構成的,在孟德爾被三位歐洲科學家幾乎同時再發現後,科學家透過各種巧妙絕倫的實驗,抽絲剝繭地找到原來染色體上的 DNA 就是那個帶著資訊的穩定分子。然而 DNA 又是擁有什麼樣的結構所以能夠攜帶建構和運作生物體的重要資訊呢?華生(James D. Watson,1928-)和克里克(Francis H. C. Crick,1916-2004)發現 DNA 雙螺旋結構的故事膾炙人口。

聰明絕頂的英國生化學家桑格(Frederick Sanger,1918-2013),發明了定序的藝術和技藝不只一次,而是兩次,獎勵也是兩次諾貝爾獎。他先發明了定序蛋白質胺基酸序列的方法,接著挑戰了 DNA 的定序法大獲成功。當定序成為事實,人類基因體計畫就是義務,DNA 定序讓我們能一步一腳印地拼湊出整個基因體的近乎全貌,不過更有野心、好鬥的克雷格.凡特(J. Craig Venter ,1946-)卻提出了散彈槍法來抄捷徑,夾私人企業的資金和政府資助的人類基因體計畫比拚,雙方較勁的結果加上技術革新大幅加速了定序的速度。

人類基因體計畫徽標。本計畫耗費爬龐大野心也不小,至今已完成九成以上的基因定序,也帶動了其他物種基因定序技術發展。 圖/wikipedia

人類基因體計畫用了三千多位科學家的人力,花費了上百億美元(大概只夠在小布希政府入侵伊拉克初期燒半個月不到)在我大學畢業那年(2001年)獲得一份所謂的草圖,這是個劃時代的里程碑式成就。因為所費不貲,《基因》提到當初有不少科學家擔心如果不好好定序取得最佳品質的資料,以後都定序不到了怎麼辦?

然而,在 2007 和 2008 年間問市的次世代定序技術,把定序的成本更是極大幅度地降低,讓我在這幾年內為幾種鳥類的全基因體定的序列,早已超過了一個人類全基因體(鳥類基因體大約為人類的三分之一)。定序成本下降程度比資訊科技產業著名的摩爾定律(也就是每兩年積體電路的成本打五折)還快許多。

有字天書的字義與文法,破解中

儘管我們在這十幾廿年間,已經能夠價廉物美地精準的為任何一個人的基因體序列作本有字天書。人類基因體計畫完成後,我們赫然發現原來人類只有兩萬多個基因,甚至比起有些「低等」生物還少,原來基因的多寡和生物體的複雜度不必然有正比關係。許許多多基因的生物功能和作用仍然是謎團,我們還在努力解讀出這本天書的字義和文法。但是我們也不必妄自菲薄,科學家經過長年基礎研究的努力,確實也知道得不少,至少對於一些基因而言,我們很有可能用來預測罹患疾病的機率和藥物的功效。

為了瞭解基因的功能,在實驗室裡做跨物種的基因轉殖和選殖,是家常便飯。是的,在我實驗室裡操弄基因已是小菜一碟,就如同千千萬萬個大學實驗室裡天天上演的戲碼一樣,已不足為奇。科學家在上世紀七十年代就開始這麼做了,在進行重組 DNA 實驗的初期,科學界內外都有很激烈的辯論,《基因》生動地重現了當時的爭議。基因選殖不僅是有學術研究價值,胰島素也是第一個利用重組 DNA 的方法製造的藥物。只要一旦涉及商業利益,就會有專利爭獲大戰,差一點連基因的序列本身都能用來申請專利。

當我們對操弄基因習以為常時,就有科學家想要為基因突變而罹患罕見遺傳疾病的人進行基因治療。不過很不幸的,首例在不嚴謹的規劃下釀成大禍,導致基因治療在不短的一段時間成了髒話。而轉基因作物也在環保人士不分青紅皂白的抹黑下,在很多國家都無法合作栽種。不可否認,有些販售轉基因作物種子的大企業不太良善,不過無差別地對待所有轉基因作物不是明智之舉。

Jesse Gelsinger。2000 年賓夕法尼亞大學的教授 James Wilson 公開嘗試了第一次人體基因治療。Wilson 注射帶有基因編輯片段及工具的腺病毒(adenovirus)到 18 歲的 Jesse Gelsinger 的體內,希望能治療他的遺傳性肝臟疾病。但事與願違, Gelsinger 在注射後身體便開始產生強烈的免疫反應,並在最後因器官衰竭及腦死而過世。

當我還是窮學生時,要進行轉基因或剔除基因實驗,過程其實是極為複雜的,而且常常不能隨意地修改基因體的序列。然而一直到幾年前,在細菌細胞內找到一種針對病毒的特殊免疫機制 CRISPR,富想像力的科學家靈機一動把它修改成好用的遺傳學工具,於是我們居然能夠對基因體進行近乎隨心所欲的編輯了,就像用 MS Word 來編輯文字一樣(當然實際過程還是頗複雜的)。這個基因體編輯工具太具革命性了,有興趣可參考《基因編輯大革命:CRISPR 如何改寫基因密碼、掌控演化、影響生命的未來》(A CRACK IN CREATION: Gene Editing and the Unthinkable Power to Control Evolution)。

CRISPR 的作用模式:小型導引 RNA(small-guiding RNA, sgRNA)辨認特定的 DNA 序列後,結合的 CRISPR associated protein 9(Cas9)蛋白會裁切在 DNA正反兩股的Protospacer adjacent motif(PAM)NGG 上游各 3 個核苷酸的位置,形成鈍端的雙股斷。圖/科技政策觀點

遺傳學家原本就知道對許多數量性狀而言,環境有著不同程度的影響。更複雜的是,環境對我們基因的影響還會體現在表觀遺傳學上,有些基因的資訊會像電腦儲存檔案時一樣,不太需要用到的檔案會被壓縮起來,也像讀教科書劃重點一樣,重要的或常需要用到的基因,會被劃上標記。很多時候,這些壓縮或標記就能讓兩個基因體完全一模一樣的人出現很不同的表現性,果真是你的基因不是你的基因。表觀遺傳學方興未艾,有興趣可參考《表觀遺傳大革命:現代生物學如何改寫我們認知的基因、遺傳與疾病》(The Epigenetics Revolution: How modern biology is rewriting our understanding of genetics, disease and inheritance)。

就因為基因是一個即複雜又危險的觀念,人類在探索的過程中走了不少叉路,以為基因決定了一切,或者以為後天決定了一切。前蘇聯生物學家李森科(Trofim Lysenko,Трохим Денисович Лисенко,1898-1976)完全否定了孟德爾遺傳學,自以為是地以為單單後天的刺激就能隨心所欲地改變作物的性狀,還殘酷肅清了幾乎所有遺傳學家,造成前蘇聯的大饑荒。

後基因體時代,學著如何解讀和編寫自己

穆克吉要透過這些遺傳學史來讓我們對基因進行批判性思考,認識到基因複雜的多面向。《基因》這本好書值得所有關心人類的朋友來讀,對生命科學相關領域的朋友更是如此。儘管一點也瑕不掩瑜,可是穆克吉畢竟是醫學院的教授,對人類的關心大過其他物種,因此幾乎未曾提到對基因在農牧業上也有翻天覆地的影響。

基因確實造就了我們個人之間的差異,可是卻非我們身份的決定性因素,我們還有很多有關基因的知識要學,現在知道的可能連皮毛都算不上,在後基因體時代,我們正在學著如何解讀和編寫我們自己。

延伸閱讀:

 

 

泛科學八月選書《基因:人類最親密的歷史》,時報出版。

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藥物設計開外掛!深度學習如何應用在新藥開發?

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  • 採訪編輯|柯旂 美術編輯|張語辰

當藥物設計碰上電腦運算──節省成本又降低風險

中研院應用科學研究中心、生物醫學科學研究所合聘的林榮信研究員,同時也是台大醫學院藥學系與長庚大學工學院的合聘教授,與團隊以分子動力學、統計物理、結構生物等學問為法,藉由電腦的高速運算能力,模擬藥物分子如何與體內的標靶分子作用。此舉不但能縮減藥物研發的時間及成本,也有助了解藥物在人體中的生化反應,降低藥害風險。

每種藥物,都是得來不易的基礎研究與後續研發成果。有些要十年、有些要等二十年、有些直到現在還在等。圖片來源/iStock

現代的藥物研發流程,可簡要地敘述為以下步驟:1. 先透過大規模基因體學、與蛋白質體學實驗,找到可成為藥物的分子及治療標靶 → 2. 解出其分子結構 → 3. 依此分子結構來設計合成藥物化合物。雖然這過程幾行字就打完,但不僅需要生物醫學、藥理學、生物化學、藥物化學等跨領域團隊投入研究,也耗費超乎想像的金錢與時間。 一種藥物,從實驗室研發、臨床試驗、爾後上市的時程十分漫長,政府與科學家們皆在思考如何加速此流程,減少研發資源的錯置,並協助更多民眾緩於苦痛。

我們使用的藥物之所以有藥效,是因為藥物分子與體內的標靶分子(大多是蛋白質),產生交互作用所致。

以往主要是透過生物化學實驗、或生物物理實驗來了解此交互作用,但是這些實驗方式,並不能提供「藥物分子」與其作用的「標靶生物分子」之間作用的動態關係,而且大部分的實驗方法,無法提供原子尺度的資訊,因此對藥物設計的直接用處有限。要知道,許多藥物分子只要差了一個原子,其藥效就有可能截然不同。此外,這些藥物開發需要的實驗所費不貲,一個錯誤的決策,便會導致研究進度的推遲與研究資源的耗損。 有鑑於此,林榮信團隊的著眼點為:如果能夠在藥物研發初期,先利用電腦模擬藥物開發所選定的「標靶分子」,來快速篩選出有機會的「候選藥物分子」,高精度計算兩者相遇後會如何作用與運動,就能很大程度地協助實驗團隊少走冤枉路,減少藥物開發失敗耗損的人力、物力與光陰。 要達到這個目標,不僅有賴電腦逐年進步的高速運算能力,以及計算物理、化學界對計算方法的精進,也有賴科學家對於生物分子結構的了解。

本文專訪林榮信,從物理出身,跨足計算機科學與分子動力學,現將專業運用於藥物設計。攝影/張語辰

藥物設計核心概念:蛋白質結構會隨時間改變

Q:藥物設計,最重要的觀念是?

藥物設計不能只停留在「結構」層次,也需把蛋白質的「動態」考慮進去。

要模擬藥物在原子、分子層次的藥理作用反應,需先得到會和藥物分子作用的體內蛋白質分子、或其他生物分子的結構。 雖然有蛋白質結構資料庫 (Protein Data Bank) 提供了許多利用 X-ray 結晶學、核磁共振學、低溫電子顯微術所決定出來的高解析度分子結構,但該資料庫裡的分子結構實質上仍只是模型。舉例來說,不可能分子裡面每個原子的 X, Y, Z 位置都真的固定在那裡,我們知道一般實驗條件中,蛋白質是相當動態的。因此,這需要有結構生物學的知識,來理解蛋白質結構資料庫中「分子結構」的真實意義。

諾貝爾獎得主克里克 (Francis Crick, 1916~2004) 有一句名言:「如果你要了解功能,你要研究結構」。這邊所謂的功能,是指生物分子的功能。圖片來源/Wikipedia 。資料來源/〈挑戰神奇子彈—高效能計算與藥物設計〉,作者:林榮信

我們做藥物設計,相當需要和結構生物學的團隊合作。我們以分子動力學 (molecular dynamics) 模擬出來的蛋白質動態資訊,需要透過進階的生物物理實驗,間接驗證所得到的動態訊息,例如:帶有時間解析度的 X 射線晶體學、甚至是自由電子雷射。不過,這些實驗技術雖持續有進展,仍然進展得十分緩慢。 學術研究有趣的現象是,學術界像個很大的生態環境,有些人會進來、有些人會出去;進來的時間點不同,看到的世界也很不同;而每個人獲得與提供的資訊都不太一樣,每次進來的人都會留下不同程度的進展。像這樣逐步推進,從歷史來看,通常要用二、三十年或以上的時間尺度,才比較看得出很突破性的研究進步。

用深度學習預測藥物和標靶分子反應活躍度

Q:目前實驗室的研究方向?

藥物分子如何與體內的生物分子結合、交互作用,是我們研究的核心主題。

例如,若要開發天然物 (Natural product) 製成現代西方醫學的藥物,過往要從古籍或文獻去看某種草藥或複方有什麼可能的活性,接著萃取、純化出有效化合物之後,要再透過生化實驗測試其生物活性,這是一個很漫長的測試過程,期間也需要很多的推測。 這幾年來,我們發展出計算藥物分子和不同蛋白質系統反應的程式,並建構成 idTarget 「藥物標靶預測平台」,開放給大家運用,方便其他研究人員探索藥物可能的作用標靶。 我們的想法是,要多多重視、運用結構生物學近二十年的大量結構資料,配合藥物分子和蛋白質結合的自由能計算,先找出藥物分子和那些蛋白質較有可能作用。我們知道,化學上一個反應會不會發生、或多容易發生,可以由自由能來預測。因此,生物系統上快速、準確的自由能計算,一直是我們實驗室的核心基礎課題。我們最近也運用深度學習,來開發自由能計算的方法。

林榮信團隊建立的「藥物標靶預測平台」 idTarget ,只要上傳藥物分子結構圖,便能預測蛋白質資料庫 (Protein Data Bank) 其中可能結合的標靶蛋白質分子。資料來源/idTarget

我們實驗室另一個重點,是將傳統常見的藥材以科學方法再研究,這也是目前醫藥研究的重要方向之一。 例如,本草綱目記載「天麻」具有安神與鎮定的效果,而現職中國醫藥大學的林雲蓮教授團隊發現,天麻中有個叫作 T1-11 的新的分子,與過去較熟知的天麻素有很不同的作用;另一方面,中研院生物醫學研究所的陳儀莊博士團隊則發現, T1-11 分子能用於治療亨丁頓舞蹈症。基於這些研究發現,我們實驗室透過電腦設計適合的藥物分子,並由台大化學系的方俊民教授團隊將藥物合成出來。這就是一種新藥開發的跨領域合作方式。

不受限於科系,從高中點滴為未來鋪路

Q:您以前讀物理,怎麼會跨領域至藥物設計?

我想要研究藥物設計,不是某天靈機一動決定的,而是做研究的路上漸漸地朝這方向發展。 一開始,也就是讀台大物理系時,某次導生聚會中,那時的導師陳永芳教授對我們說:「21 世紀的物理,應該是生物物理 (Biophysics) 」,那次以後我心中就一直有個想法,覺得日後研究「生物物理」會是個不錯的方向。 後來,大三時開始發現統計力學 (Statistical mechanics) 是很有意思的領域,因為這門學問關注如何理解所謂的複雜系統。很多物理是關注比較單一的系統,例如原子鑽進去有夸克;但有另一個物理研究方向,是去看如何處理很大、很複雜的問題。現在我研究藥物設計,也是關注體內的生物分子和藥物分子之間,整個系統如何產生複雜的反應。 時間點再往前一點回顧,我在建中時很幸運地得以參加第一屆的「北區高中理化學習成就優異學生輔導實驗計畫」,每兩個禮拜的週末,要從台北坐車去清華大學受訓一整天。當時由清華大學物理系、化學系的各六位老師(包含:李怡嚴、陳信雄、王建民、古煥球、劉遠中、張昭鼎、儲三陽等教授),教我們很多不是高中課本裡的知識。比較早接觸這些大學才能學到的物理和化學,我們就能提早思考將來有興趣的是什麼,因為那時候高中還沒分系,沒有框架綁住自己,這算是蠻難得的人生經驗。

不同的課程,會提供不一樣的世界,如果沒有接觸,就不會知道有那種思考的存在。

但是,我第一次在研究上真的從事「生物物理」相關的題目,已經是 1996 年到德國于利希研究院 (Forschungszentrum Jülich) 讀博士班的時候了。在這之前,我在台大物理碩士班的研究領域是計算物理 (Computational physics);到了德國,我的指導教授 Artur Baumgaertner 原本是研究高分子物理,其博士後的指導教授是著名的 Prof. Flory,他那時已經跨足在生物物理做了十年左右的研究,問我對生物物理有沒有興趣?我一聽也覺得不錯,便一頭栽進去了。那時研究的題目,是探討像蜂毒蛋白這樣的多胜肽大分子,究竟是透過什麼物理機制穿過細胞膜這樣的屏蔽。 德國的于利希研究院 (Forschungszentrum Jülich) 的型態很像中研院,由三十幾個不同的研究所組成,擁有超過 5000 位研究員,在廣大的校園內,走幾步就到另一個所,非常容易做跨領域合作。這裡在當時有全歐洲最大的超級電腦中心,因此對我的研究非常有幫助。我 2007 年回去訪問,他們剛添置了 72 座 IBM 剛推出的 Blue Gene P,因此我與同事在這新建置的機房留影。

于利希研究院的超級電腦中心。圖片來源/林榮信提供

2000 年博士畢業後,我在美國加州大學聖地牙哥分校的霍華休斯醫學研究所工作,2001 年初,有天指導教授 J. Andrew McCammon 發了一封郵件到實驗室群組,問:「我有個新的藥物計算方法的初步構想,有沒有人想開發這個方法?」之前我就希望我的研究成果能有較大的產業價值,因此很快就回應,而我也成為這個方法開發的小組領導人。 當時的藥物計算程式,剛得到一個很大的進展,但仍只考慮蛋白質等生物分子為一個靜態的結構。我們在那時首度將「藥物設計」的計算與「分子動力學」結合,這剛好是我德國博士班時的專業,我又剛好具備許多寫程式及平行計算的經驗,就將所需要的不同計算工具整合在一起。

 無所畏懼擁抱跨領域新知,藥物設計一點也不難

Q:「藥物設計」很難學嗎?

我發現其實現在學生們學習速度非常快,一旦他決定想進到這個領域,便會盡其所能去學,只是目前國內還沒有適當的藥物設計課程,提供完整的訓練。 因此,2018 年 3 月我們在中研院舉辦了「計算藥物設計方法與應用的前沿進展」工作坊,除了回顧藥物設計的重要文獻,介紹藥物設計的程式工具,也選了一些藥物分子與其作用的蛋白質分子讓學生們上機演練,了解其中的計算細節、眉眉角角。 如果對這領域有興趣,千萬不要認為看起來很難,想等到研究所再來了解。其實越早學習、並習慣接觸跨領域的學科,絕對是事半功倍。 延伸閱讀:

本著作由研之有物製作,原文為《高效能計算藥物設計:更精準的新藥開發》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

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

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為什麼會打哈欠?——哈欠的千年之謎(上)

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約瑟夫·迪克勒 (Joseph, Baron Ducreux) 創作於1783年的自畫像,畫中的他正在打哈欠、伸懶腰。圖/wikipedia

大家都應該有過這種感受:當你覺得想睡覺的時候,就會很想打哈欠。這樣的衝動很難抑止,而且還似乎會傳染,以18世紀末的一幅油畫為例,畫家約瑟夫·迪克勒非常生動地描繪出自己打哈欠、伸懶腰的模樣(網路上還有用此油畫創作的梗圖),不知道大家看了這幅畫之後,是不是也很想打哈欠?

為什麼會打哈欠? 人類好奇千年的問題

首先,讓我們拆解打哈欠這個動作。所謂打哈欠就是先把嘴巴伸展開來,吸了很長的一口氣之後,再用較短的時間把氣吐出,而在吸氣與吐氣的過程中,會伴隨一連串複雜的身體協調運動,包含脖子的伸展、喉嚨的擴張、橫膈膜及抗重力肌 [註] 的移動。到底這一連串的行為有什麼意義?背後有什麼運作原理?

打哈欠會伴隨身體一連串的協調運動。圖/giphy

事實上,人類已經好奇這個問題很長一段時間。公元前400年,古希臘醫師希波克拉底認為,在發燒前打哈欠可以清除肺部的壞氣;17、18世紀的醫生則認為打哈欠能夠增加血液的氧氣濃度,進而增加血液流動速度、血壓及心率;而近代關於打哈欠的諸多研究則大致可以分為兩類:打哈欠的生理功能與社交功能。

其中,生理功能的相關假說認為,打哈欠有助於調節身體狀態,如降低大腦溫度;而社交功能的相關假說則認為,動物可以透過打哈欠向同伴傳達某種負面的心理、生理訊息,藉此同步群體行為。

不要再說打哈欠是因為缺氧了!

關於打哈欠的生理功能,大部分的人會以為打哈欠的目的在於吸入氧氣,平衡血液中氧氣與二氧化碳的濃度,但其實這種說法是錯誤的。1987年,美國馬里蘭大學的研究者想知道打哈欠是因為血液中的二氧化碳濃度過高還是氧氣濃度太低,結果卻發現,不論空氣中的氧氣或是二氧化碳濃度過高,都會提高呼吸頻率,但卻都不會讓打哈欠的頻率與時長產生任何變化,由此可知:打哈欠與呼吸是由不同的生理狀態觸發,並由不同的機制所控制。打哈欠與缺不缺氧沒有關係。

圖為人類的呼吸系統,打哈欠和呼吸是兩種完全不同的機制。圖/wikipedia

近年來,科學家傾向於支持「降低大腦溫度」的假說,他們認為打哈欠是一種生物的適應行為,目的在於促進大腦溫度的調節。以2010年的一份研究為例,科學家用大鼠 (Rattus norvegicus) 做實驗,測量它們的大腦溫度,發現當老鼠們的大腦溫度上升時,它們便會打哈欠,而打哈欠後,大腦的溫度就會降低,恢復到正常值。

若從體溫調節的角度來看,可以更能理解打哈欠、大腦溫度與嗜睡之間的關係。簡單來說,晚上睡覺之前,我們的大腦溫度會達到最高值,這時候就會一直想打哈欠,代表我們該睡覺了,而當我們的大腦溫度降到最低,便會從睡眠中清醒過來。由此看來,想睡覺的時候會打哈欠十分合理。

為什麼變溫動物會打哈欠?這個就問倒研究者了……

然而,科學家又碰到了難題:目前打哈欠與大腦溫度關聯的實驗只有在恆溫動物,如鳥類、大鼠、人類及其他靈長類動物的身上進行過;但事實上,打哈欠這個古老的生物行為可以在脊椎動物上發現,像是魚類、兩棲類和爬行類等變溫脊椎動物也會打哈欠。雖然打哈欠也有可能幫助變溫動物調節體溫,但它們打哈欠的根本原因有很大的可能和恆溫動物不一樣;舉一點來說,它們就連打哈欠的方式都跟恆溫動物相異,恆溫動物的打哈欠包含了吸氣與吐氣兩個步驟,但變溫動物打哈欠卻只有吐氣,而沒有吸氣的動作,光是這項差異的存在,要說恆溫動物和變溫動物的打哈欠原理是一樣的就讓人十分懷疑了。

因此,「打哈欠的生物原理為降低大腦溫度」只是一種假說,目前科學家尚未證實生物打哈欠的生物原理與意義,若綜合目前的打哈欠與體溫調節研究,只能推斷過度打哈欠的人可能有體溫調節方面的問題。

鑒於打哈欠的生理功能一直找不到答案,部分研究者轉而思考,外部環境的影響是否也是打哈欠的其中一個成因?打哈欠不單是疲勞的反應,從某些動物打哈欠的情況觀察,打哈欠也具有社交功能:動物可能會藉由打哈欠,向同類傳遞一些非語言的訊息,如自己的身體狀態,或是情緒受到干擾等。

當黑猩猩受到威脅時,打哈欠就代表它有可能會發動攻擊行為。圖/pixibay

以靈長類動物為例,曾經有研究指出,當黑猩猩受到威脅時,打哈欠就代表它有可能會發動攻擊行為。但這類的研究其實非常受爭議提出反對意見的研究者認為,這些有訊息意義的打哈欠只會發生在特定的社會環境中,屬於非典型的案例,與一般疲倦的打哈欠不可相提並論,再加上目前未有人研究出,當一隻猩猩發出「攻擊的打哈欠」,另一隻猩猩是如何辨別、接收這個訊息的,若要證實打哈欠的社交意義,需要更深入的研究。

  • [註]抗重力肌:對抗重力保持身體直立姿勢的作用肌。

本文為系列文章,下一篇請見:為什麼打哈欠會傳染?—哈欠的千年之謎(下)

參考資料:

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灑下百道層光,一窺微觀世界的生命律動:「晶格層光顯微鏡」如何為細胞拍攝寫真集

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  • 採訪編輯|廖英凱 美術編輯|張語辰

為活細胞拍微影像

中研院應用科學研究中心的陳壁彰助研究員,與團隊利用「空間光調變器」開發了「晶格層光顯微鏡」,具有高解析度、長時間觀測、低光毒性的特性,改革了活體螢光顯微術,使研究者能親眼目睹例如細胞分裂等活體生命現象。

陳壁彰團隊成員,與晶格層光顯微鏡。攝影/廖英凱

那些年,科學家如何「小」看世界

十七世紀起,Robert Hooke 與 Antoni van Leeuwenhoek 提出了顯微鏡的技術發展與改進,成為了微觀尺度生物學的關鍵基礎。隨著顯微鏡的改良與倍率的提升,我們也越來越了解微觀世界的樣貌。一沙一世界的美麗境界,就隨著一片片精心磨製的玻璃鏡片,向科學家敞開了偉大的航道。

然而,到了十九世紀後期,科學家開始察覺到:顯微鏡似乎無法隨著技術的進展,而使倍率不斷地放大。

圖/pixabay

Ernst Abbe 發現,這是由於光的波動性造成的干涉與繞射,導致顯微鏡所能得到的最小解析度,僅能是二分之一個用來觀測的光的波長。例如,如果利用波長是 500 奈米的黃光來觀測,所能得到的解析度就僅能有 250 奈米,雖還能看到細胞與細菌,但卻無法看清楚細胞內各胞器的樣貌。這一個波長的限制,也就是所謂的「繞射極限」。

為了突破繞射極限的阻礙,各種截然不同的思維與原理,催生了不依靠「可見光」來觀測微觀世界的顯微術,包含:利用觀測「電子」來顯示物體內結構、或表面樣貌的電子顯微鏡;利用原子間「凡得瓦力」的作用,來呈現物質表面樣貌的原子力探針顯微鏡;或利用近場光學的方式,將光源與樣品接近到只有數十個奈米,使距離拉遠時,光學的干涉與繞射現象無法顯現出來。

但多數相關觀測技術,都需在相當限制的條件,例如真空環境、極薄的樣品切片等才得以進行,對於活體生物的觀察仍受到諸多限制。

直至近二十年來,各種「螢光顯微術」的發展,使觀測微觀活體生物世界,有了嶄新的研究方式。

由於生物細胞的胞器或生物分子等,並不盡然有顯著的顏色差異,因此不能單純僅依靠可見光與倍率放大來觀察;因此,螢光顯微術的核心原理是將外加的「螢光分子」,附著或接合在指定的生物分子上,如特定的蛋白質或特定的脂質等。由於這些特定的生物分子的分布,會與生物細胞內的結構有關,所以藉由觀察螢光的分布,我們就能了解生物細胞的微觀結構。

2014 年,由 Eric BetzigStefan W. Hell 和 William Esco Moerner 等人榮獲的諾貝爾化學獎,其重要性就是利用了螢光分子的化學特性,繞過了物理上繞射極限的阻礙,而達到超高解析度的生物影像。

如何看得小又快、久又深

但是,儘管有超高解析度的影像,並不盡然能表現出活體生物裡的動態樣貌。現有螢光技術中,常利用汞燈與雷射來激發螢光分子,但這些激發的能量,往往使螢光能顯現的時間非常短,激發光的能量也會對生物分子造成傷害,也就是所謂的「光毒性」。

然而,若能夠延長觀測的時間與增加激發能量,則又可以觀測到活體生物的動態表現、與更細緻的現象;此外,多數超高解析度的顯微技術,都侷限在空間解析度的強化,而無法看到活體生物的立體結構與變化。

這些面向導致螢光顯微術的發展,總是在這四個維度之中拉鋸取捨:看得小(空間解析度)、看得快(時間解析度)、看得久(光毒性)與看得深(影像深度)。

光子預算 (photon budget) 的四個維度。活體生物影像總是在看得小、看得快、看得久與看得深,這四個維度中拉鋸取捨。資料來源/陳壁彰提供、圖說重製/廖英凱、張語辰。

為了實踐活體生物分子的螢光顯微觀測,中研院陳壁彰助研究員師承 Eric Betzig ,與團隊研發出「晶格層光顯微術」,讓光源只精準地照射到生物樣品中所要觀察的焦平面上,這樣的照明方式,可以減少不必要的照明以減少光毒性,又因只照明到待觀測的切面上,而能有效減少背景雜光。

如下圖,傳統的螢光顯微術中,照明的光源是與觀測視角同向的寬場光源 (widefield),使得觀測樣本整體都接受到激發光的能量,所要觀測的焦平面上下範圍,也因會被光源照射到,而產生背景雜光影響觀測品質。

為了解決寬場光源這樣過度照明的缺點,另一種「共軛焦顯微術」是利用針孔 (pin-hole),讓焦平面上的光源僅聚焦在極小的區域,但極小的焦平面上下的區域,仍然會被光照到而產生雜光。

螢光顯微術的這兩種照明方式,樣品的背景區域皆會被光照到,而產生雜光。
資料來源│陳壁彰提供 圖說重製│廖英凱、張語辰

如下圖,另一種傳統平面層光照明的方式,則是將照明的方向與物鏡觀測的方向垂直(正交),使被照明的區域可以籠罩待觀測的焦平面,但這樣的照明區塊仍然太厚。

對於以上的問題,利用「貝索層光照明」的方式,可以有效地改善。因為貝索光束能在焦平面上形成一條寬度僅有 0.5 𝝁m 的光束,使照明的光源僅照射到待觀察的焦平面上,讓影像擁有極佳的光學切面效果;再利用與光束垂直的觀測物鏡,以寬場成像的方式收集螢光。因此,只要在樣本中移動貝索光束,就能逐條觀測出待測樣品的微觀樣貌。

傳統平面層光照明,雖試著將光線聚焦於焦平面,然而其減少雜光的效果,還是不若貝索層光照明好。
資料來源│陳壁彰提供 圖說重製│廖英凱、張語辰

貝索層光照明動態示意:從X軸方向,利用單一貝索層光(藍線)掃描樣品(灰色塊),獲得切面(白色塊)。
資料來源│陳壁彰提供 圖說重製│廖英凱、張語辰

貝索層光照明動態示意:透過上下移動樣品,就能觀察到到不同深度的樣品切面。
資料來源│陳壁彰提供 圖說重製│廖英凱

用液晶螢幕圖形,製造出數百條層光

但是對於活體生物來說,僅依賴一條貝索層光掃描,仍無法精準且即時地觀測到生物體內的動態現象。因此,陳壁彰團隊應用了「構造化照明顯微術」(Structured Illumination Microscopy, SIM)的思維,先利用一個二維的光學晶格,來侷限光的延展方向,而輸出一層光;再利用自行開發的「空間光調變器」(Spatial Light Modulator, SLM),控制晶格紋路的呈現圖形。

陳壁彰團隊利用「空間光調變器」,可操控液晶螢幕上的圖形,讓雷射光穿過、製造出數百條貝索層光。
攝影│廖英凱 圖說重製│張語辰

空間光調變器,是一個由程式控制的液晶螢幕,螢幕上顯示了由理論計算出來的相位圖案,當入射的雷射光打到這個螢幕上的圖案時,如同透過一個光柵,使雷射光產生繞射、生成數百條的層光。利用數百條貝索層光同時掃描樣品時,僅需要「抖動」一下樣品,就能完成一次完整的掃瞄。

此外,由於可利用程式控制液晶螢幕上的相位圖案,因此研究者不會像傳統光學實驗一般,被所能取得的光柵元件特性侷限,而能精細且多樣化地微調出理想的層光狀況。

比起使用「單一貝索層光」來逐行掃描,陳壁彰團隊的方法不僅能維持良好的空間解析度,更因「數百條貝索層光」能快速完成掃描樣品的特性,而讓觀測結果有良好的時間解析度。再者,也能因精準地使用較低能量的光束,而維持低光毒性,來對活體樣本(例如細胞)進行長時間的追蹤觀測。

利用數百條貝索層光(藍線)掃描樣品(灰色塊)時,僅需要些微「抖動」樣品,就能完成一次完整的切面掃描(白色塊)。
資料來源│陳壁彰提供 圖說重製│廖英凱、張語辰

為活細胞拍微影像

晶格層光顯微鏡「良好時空解析度」與「低光毒性」的特性,可以讓研究者長時間觀測微觀生物世界的動態現象,例如:特別針對追蹤細胞內單分子的動態,來理解生物體內某些反應機制;或如下方影片動態,利用每秒一次的頻率完整掃描細胞,錄製長達十分鐘的影像,從而觀察到細胞分裂的完整流程與細節。

晶格層光顯微鏡的問世,引起眾多生物實驗室的高度興趣,特別是陳壁彰博士後時期的老師 Eric Betzig 非常強調顯微鏡的開發,一定要有生物學的「應用」!

因此,當晶格層光顯微鏡的第一版建置完成後,當時 Eric Betzig 特別要求陳壁彰租車開了 10 多個小時,將顯微鏡整組打包、載到一個研究烏賊神經網路的暑期工作營隊中,將晶格層光顯微鏡介紹給其他研究社群,並陸續在一年內與 37 個不同生物實驗室合作,觀測了各式各樣的生物樣本。除了能快速累積實驗資料以改善顯微鏡,也開啟廣泛接觸到不同研究主題的契機。

左圖為陳壁彰團隊運用晶格層光照射的海拉細胞二維影像,右圖是一般貝索光束。可以見到晶格層光能取得較細緻的結構成像。
資料來源│Chen, B. C., Legant, W. R., Wang, K., Shao, L., Milkie, D. E., Davidson, M. W., … & English, B. P. (2014). Lattice light-sheet microscopy: imaging molecules to embryos at high spatiotemporal resolution. Science, 346(6208), 1257998.

目前,晶格層光顯微鏡已從它眾多的觀測成果,被驗證為觀測活體生物的利器。然而晶格層光顯微鏡在面對深度較深的樣品時,仍會因為樣品本身的像差,而影響成像能力。且生物體中仍有太多不透明物質,會嚴重阻礙活體生物的觀察。

2014 年回到臺灣後,陳壁彰在中研院擁有自己的實驗室,陳壁彰認為,未來的研究方向,除了引進在天文觀測中,用以抵銷大氣影響的自適應光學 (adaptive optics) 概念以外,也須開發出對應的樣品製備方式,例如利用化學方法將脂質替換掉,使樣品透明化以便於顯微觀測。

相較於多數生物學界慣行的研究方法,「活體生物顯微術」的概念仍相當新穎,其中對於活體的定義、樣品的製備方式、與之對應的研究方法設計,都尚有研發與推廣的空間。但無庸置疑的是,晶格層光顯微鏡的問世,已為觀測微觀世界的生命律動,灑下了百道一窺堂奧的洞察之光。

延伸閱讀

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能源議題僅僅是科學議題嗎?能源政策制定過程中的科學角色──〈能源政策橋接與溝通論壇〉講座紀錄

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本文由 NEPII「第二期國家型能源科技計畫」委託,泛科學執行

面對能源、食安及農藥殘留等公共政策議題,有些人認為討論與決策該建立於「科學事實」之上,否則將流於理盲濫情的民粹;也有人認為「科學專業不該成為一種霸權」,畢竟純粹的科學框架難以完整處理公共政策爭議。

8 月 14 日〈能源政策橋接與溝通論壇〉中,廖英凱以「能源政策制定過程中的科學角色」為題,邀請大家思考「能源議題是科學議題嗎?」

雖然能源議題中包含著科學,但它扮演的角色是什麼?我們知道科學重要,但究竟多重要?我們該以什麼樣的角度對待科學呢?

廖英凱認為,科學教育中有一個詞彙「社會性科學議題(Socio-Scientific Issue)」,是此題最適合的答案,其簡單定義是隨著科學與科技發展,與社會上具有不確定性、爭議性、相對性或開放性的議題有關,同時,因為科學與社會關注點的差異,這些爭議難以透過實驗方法重現,並因每個人的知識背景、價值觀不同,而難有簡單明確的答案或結論。

《看見不潔之物:工業社會中知識權威的文化實作》

世新大學陳信行教授在《看見不潔之物》書中提過,工業社會有三種嚴重影響生活的社會性科學議題,分別是環境污染、食品安全及職業災害。其中,職業災害影響的人數最少,多半展現在當事人與廠商在法院上的攻防;環境污染可能影響到數個村落或縣市,並催生出地方或全國性社群,倡議人士有機會與政治人物結盟或自己投入政治;食品安全的影響可能波及到全國,一旦爆發幾乎人人都會高度關注,甚至引發政治危機。

廖英凱認為,如果把所有科學知識當作一個區塊,外部為非科學(此處定義為社會),上述這些議題都落在「科學與社會的邊界」上。如果想降低議題發生的情況,我們可以從三方面進行:

  1. 在科學領域進行科學教育、普及與傳播。
  2. 在科學與社會的邊界上,嘗試消除科學實證與價值觀拉鋸的衝突。
  3. 在社會領域中,理解社會性科學議題具有不確定性為基礎,建立重視科學本質的治理架構。

從科學教育帶出科學素養與科學思維

市面上的各家科普媒體嘗試透過多元的素材及觀點,向大眾傳達科學新聞,但科學教育、普及與傳播的目的,只是讓人吸收與了解知識,然後更貼近科學家的思考領域嗎?並非如此。

廖英凱以經濟部能源局 106 年度的「輔導學校推動能源教育計畫」為例,其目的分成四個層面,從確立國小學生對能源知識的認知、傳達正確能源使用與節約觀念,培養節能減碳的生活習慣,以及提升全民了解節約節能的重要性與實踐性。從中可以看出「獲得知識」只是科學教育的第一步,接下來更著重學習者「如何妥善應用知識」、「有無應用知識的企圖心」,進而創造全民科學素養並建立大眾的科學思維。

根據 OECD(經濟合作暨發展組織)的教育體系,科學素養讓人能將自身的知識化為對世界有益的行動。而素養的建立來自於三個東西,分別是「知識」、獲得知識及運用知識的「能力」,以及運用知識該有的「態度」。

接著,廖英凱引用現任副總統,也是國際知名流行病學家陳建仁,在 2009 年的一段文字:

「我們常常高估無法自我管控的風險,像飛機失事、焚化爐排放戴奧辛、核電廠輻射外洩等,而感到恐懼害怕;但是對於可以自我管控的風險,像戒菸、戒酒、戒檳榔、騎機車戴安全帽而不超載、開車繫安全帶而不超速等,反而常常加以低估而不自覺。」──《販賣恐懼:脫軌的風險判斷》推薦序

為何大腦對風險判斷有這般奇怪的標準?科學家在 1990 與 2001 年的研究中發現,大腦下決策的過程來自兩個部位,一個是掌管理性與邏輯的前額葉,另一個是掌管情緒與感覺的大腦邊緣系統。一旦理性與感性發生分歧,情緒往往會凌駕於理性認知,導致人們感受到的風險與實際上的風險並無正相關,並對不熟悉事物產生過大的恐懼感。

如果大腦天生如此,我們又如何建立科學思維呢?部份科教界人士相信:「提供充分的知識與資訊能減緩人們的焦慮。」如果民眾在看到情緒渲染的新聞頭條前,能先知道該議題相關的科技知識或運作原理,或許能緩和焦慮與害怕情緒會比較緩和,進而有機會撐開理性討論與溝通的空間。

如何在科學實證與預警性原則中找到平衡?

當一個議題同時牽涉科學與社會價值,常常會演變成「重視科學實證」與「預警性原則 」兩派互相鬥爭的論述。例如「美國牛」議題中,想出口美國牛的美國政府基於科學實證原則,認為歐盟應提出證據證明其有害,而歐盟政府則基於預警性原則,認為美國政府應提出證據證明其無害。

這兩個原則並非哪一方絕對正確,政府機構或倡議團體可能在不同議題上選用不同立場,但這兩種原則持續對立並不是件好事,有沒有辦法融合科學實證與預警性原則的論點,幫助眾人做出更好的決策?

廖英凱認為「農藥殘留標準」的機制值得參考,這是由科學家提出數據,由立法委員制定在法規內的標準。法規明定業者超過就會受罰的「行政裁量標準」, 數字應小於綜合各方科學證據與考量,所估算出的「最大殘留安全容許量(Maximum Residue Level,簡稱 MRL)」。但這個數值是怎麼來的?

首先,科學家根據動物實驗(科學實證),找到一個統計上「未觀察到任何不良反應」的最大劑量,稱為「無可見有害作用劑量(No-Observed-Adverse Effect Level,簡稱 NOAEL)」。然後假設人體比實驗動物脆弱十分之一或百分之一,作為安全係數(預警性原則),兩個數值相乘後,得出人類每天可承受的安全劑量:「每日容許攝取量(Acceptable Daily Intake,簡稱 ADI)。」

圖片來源:「食安基本功」講座陳宏彰老師簡報

政府單位在設定 MRL 時,會參考國人日常的飲食習慣、國際組織標準等,以確保每日人體的「預估總曝露量」遠低於經實驗與計算而得的 ADI。這套公式讓執法人員有標準可循,同時證明,看似相衝突的科學實證與預警性原則在實務上是可以結合的。

如何在社會中建立起重視科學本質的治理架構?

風險分析三要素 圖/ILSI

廖英凱提出台大毒理學​姜至剛的風險分析圖,其中包含三大要素,分別是基於科學證據,通常由科學家與工程師進行的「風險評估」,考慮到科學、法律、經濟與社會等多種結果進行的「風險管理」,以及時時刻刻交流資訊與意見的「風險溝通」。而歐盟在食品安全議題上應用風險分析的成功案例值得參考。

歐洲食安架構下,有一個由科學家組成的機構名為歐洲食安局,其角色類似台灣衛福部國家衛生研究院。這群科學家負責進行科學實驗(風險評估)和傳播科普(風險溝通)。

當歐盟執委會收到歐洲食安局提交的科學報告與技術文件後,會根據歐盟自身的價值觀(例如基於預警性原則反對基改食物)、會員國的經濟狀況、國際政治情勢等要素,進行價值觀的判斷和選擇,(風險管理與風險溝通),做出屬於歐盟的政策,再交由底下會員國的食安管理機構去執行。

從科學研究到政策制定,如何走得更順暢?

談到制定與科學相關的政策時,大多數的人會太快跳到法條制定、利害關係人等後端環節,但從科學研究到政策制定之間,我們還有太多工作要做,包含把研究成果轉譯成大眾能理解的科學普及、透過多元素材擴散的科學傳播,建立民眾科學思維的科學教育,促成公民的參與討論等,這段過程兼具事實認定與價值判斷,兩者缺一不可。

最後,廖英凱總結出社會全體在面對社會性科學議題的三個重點:

  1. 理解社會性科學議題具有不確定性,以及基於知識建構與認知功能的知識傳播,而非認為把知識單方面塞給民眾就會被吸收。
  2. 讓風險溝通、科學傳播成為政策的標準配備,而非等政策出台後才開始宣傳。
  3. 設計出兼容科學實證與預警性原則的體制。

本文由 NEPII「第二期國家型能源科技計畫」委託,泛科學執行

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2018 搞笑諾貝爾獎結果來啦~這次的研究真是大快人心啊!

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在亂七八糟的紙飛機中,2018 年「28 次」第一屆搞笑諾貝爾獎的頒獎典禮在今天(9/14)清晨六點正式開始啦!快跟著我們一起看看今年有什麼有趣的研究吧!

搞笑諾貝爾獎雖然名為「搞笑」,卻有許多諾貝爾大咖們出席,包含了:Eric Maskin(2007諾貝爾經濟學獎)、Wolfgang Ketterle(2001 諾貝爾物理學獎)、Michael Rosbash(2017 諾貝爾生理學及醫藥學獎),以及遠端連線的 Jerome Friedman(1990 物理學獎)。

今年的典禮主題是「心」,得獎者除了會獲得特別設計過的可愛心型獎座,還能和「心先生」──奧利佛·哈特 (Oliver Hart,音同 heart) 握手!他可不是什麼路上隨便抓的路人甲,Hart 其實是 2016 年諾貝爾經濟學獎得主,對於契約理論有傑出的貢獻。而說到了經濟,當然就要談談搞笑諾貝爾的獎金囉!只要獲獎了,就能獲得「10 兆」……辛巴威幣(其實只有約新台幣 120 元)。

今年的典禮主題是「心」,有可愛的心型獎座喔!

好啦,那就讓我們進入正題,今年的得獎者是……(鼓聲下)

《醫學獎》

醫學獎的得獎研究跟雲霄飛車有關,但他們談的可不是心臟病,而是腎、結、石。研究者接觸的患者曾在乘坐迪士尼的「巨雷山」(Big Thunder Mountain Railroad) 後順利排出腎結石,這個結果啟發了 Marc A. Mitchell 和 David D. Wartinger 著手研究。

不過他們並沒有將腎結石患者送上雲霄飛車,而是利用模型進行測試,最後發現:雲霄飛車的確有助於排出腎結石,不過結石的位置和大小都會影響效果(無論如何先去玩一波~~)現場並開放有腎結石經驗的人發出任意形式的聲響(吼)

《人類學獎》

而人類學獎的得主 Tomas Persson、Gabriela-Alinan Sauciuc 和 Elainie Alenkær Madsen 觀察出在動物園裡,不只是黑猩猩會模仿人類,其實人類也會模仿黑猩猩呢!

你以為只有猩猩會模仿人?其實你也可能在不知不覺中模仿猩猩喔!(圖非實驗猩猩)圖/by Barry Bland

我們彼此模仿的能力和頻率相當,而這些互相模仿的動作包括:拍手、親吻、敲窗戶等等。研究認為這些互相模仿的行為其實是我們的本能,有助於社群互動、增進大家的感情。下次去動物園的時候,你也不妨偷偷觀察下人類喔。

《生物學獎》

香檳裡有個鑽戒是求婚驚喜,蘋果裡半隻蟲是尷尬困境;本屆生物學獎則頒給了「白酒裡的果蠅」。團隊發現到處女果蠅會散發出特別的氣味,讓品酒的人可以用光用鼻子就聞出酒裡的單一隻果蠅(是看不到嗎

酒中有沒有蒼蠅呢?待我來聞聞……(圖非當事蒼蠅)圖/Mykl Roventine @flickr

只是聞出果蠅還不夠,專家的鼻子甚至可以分辨果蠅的性別,因為雌性果蠅會產生特殊的氣味。故事至此,不曉得有沒有苦主能提供一下關於雌果蠅的氣味描述,到底是輕盈還是沉重呢?

《化學獎》

今年的化學獎十分實用,它提供了「唾手可得」的清潔小秘訣:桌子髒了又沒水該怎麼辦?當然就是張嘴用口水啦!

咦咦咦,這樣研究人員會不會很口渴啊?其實不會,因為 Paula M. S. Romão、Adília M. Alarcão 和 César A. N. Viana 並未使用真正的口水,而是利用從麵包和微生物中萃取的 α 澱粉酶當作替代品。

為了證明口水強大的清潔效果,典禮上特別請來了哈佛藝術博物館館長、策展人 Francesca Bewer 親自示範,她大力推薦這種清潔方式,因為口水「隨手可得、不用花錢,還很環保」。

口水的清潔效果很強呢!圖/By Corey Knipe @pexels

《醫學教育獎》

結腸鏡檢查是使用內視鏡由肛門探入檢查結腸狀況,以早期發現結腸是否有異常狀況、進行治療,是防治腸癌很重要的檢查之一喔!做了全身健康檢查但對結腸鏡有心理障礙嗎?日本駒根市消化科醫師 Akira Horiuchi 發表的研究讓他獲得了本次的《醫學教育獎》,他開發出用坐姿自己 DIY 做結腸鏡檢查的器材!(並且差點上場示範)

研究者示意圖。(到底是有多邊緣啦!)

這個新器材是種比平常的結腸鏡體積更小的鏡頭,除了適用於小朋友,也可以用於一些對於結腸鏡檢查有障礙的患者,讓大家用坐姿完成結腸鏡檢查,或者讓自己動手豐衣足食(不是這樣用的)。

《文學獎》

曾經在使用新家電或者組裝 IKEA 時遭遇巨大挫折嗎?你知道說明書就在旁邊孤零零的沒人看嗎?

這個情況非常常見,本年度《文學獎》就頒發給了解釋這個現象,並且為此提供說明手冊鉅著的團隊。研究顯示,的確如客服人員的抱怨,絕大多數的人即使在面臨複雜的家電時,也懶得花時間看說明書,而逼他們花時間看說明書還會讓人更沮喪。畢竟人生苦短,誰要花時間看說明書啊!

《營養學獎》

我們常會聽到有人說人肉鹹鹹(有嗎?)但真的吃過人肉的人可能真的少之又少(這不是廢話嗎?XD)雖然我們不會知道人肉是否真的吃起來鹹鹹,但起碼有研究告訴我們:吃人肉所攝取到的卡洛里,比動物還低。

今年的搞笑諾貝爾《營養學獎》頒給了 James Cole,他「系統性分析出現過食人行為的遺址,比較其中人類與動物的遺骸,分別能提供多少熱量,試圖推斷遺址曾上演的食人行為,是出於營養,或儀式性的目的 。」

《和平獎》

只要一坐到駕駛座後面,就會不由自主變身浩克、換上暴躁人格嗎?交通事故是目前意外死亡與受傷的主要原因。

 

本屆和平獎頒給了西班牙團隊的研究,討論在開車時有哪些因素會激發「暴躁駕駛」,包括噪音、溫度、以及文化風格等因素,提高交通安全的風險。有個專有名詞就是在形容這種症狀:路怒症團隊除了指出西班牙的司機普遍有暴躁的現象,其結論也非常「世界大同」:加強道路安全教育!

《生殖學獎》

男性的性器官能運作還是不能運作,這可是個事關生存的重要問題,那當然得好好確認一下啦!Glina S、Barry JM、Hackett GI、Sadeghi-Nejad H 的團隊利用了「郵票」來當作測試的工具。

測試的方法其實很簡單,就是在睡前用一圈郵票纏住小兄弟,如果隔天生殖器能夠順利斷開郵票的連結,就表示它運作正常,至於所謂「正常」是什麼意思呢?研究者在典禮上認真地表示,正常男性一天晚上會自然勃起 1~5 次。那麼到底該用幾張郵票呢?鄉民們難道都需要用到30張以上嗎?以下開放討論(深夜)。

 《經濟學獎》

工作上遇到慣老闆是不是很容易讓人火冒三丈?這時候就該拿出巫毒娃娃囉!今年獲得經濟學獎的團隊想知道象徵性的報復行為是否能緩減心理上的焦慮,於是讓受試者去扎老闆小人,結果的確有些幫助呢,人們會覺得比較平衡、感覺正義得到了伸張(?)

對付慣老闆,請愛用巫毒娃娃。By Scott Joseph @flickr

所以說,雖然他們不鼓勵實質的報復行為,但偶爾用個巫毒娃娃還是 OK 的。在獲獎時,成員特別感謝了自己的前任慣老闆(他也在現場),因為他教會了研究者如何跟愛濫用職權的慣老闆相處。廢話不多說,我只想知道哪裡可以團購巫毒娃娃?

如果想知道更多搞笑諾貝爾獎的隱藏橋段跟各種趣事,你可以參考我們之前的介紹文章:「最無俚頭的研究 搞笑諾貝爾獎這樣玩」。看完今年的研究!還覺得意猶未盡的話,就快去看看我們的「搞笑諾貝爾特輯」吧!

2018 年搞笑諾貝爾典禮完整過程這裡看:

參考資料:

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大船入港,帶來經濟也帶來廢氣:「綠色船運」該怎麼做?

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  • 文/呂宏耘│畢業於清大化工所的無業游民,喜歡影集、巧克力、以及角落生物。不喜歡霧霾、慣老闆、以及生離死別。

你可能前些日子才剛從淘寶訂購了一個便宜的冰箱和一個超大尺寸的超薄曲面螢幕,而對方可能跟你說走船運兩週內就會到貨。而你朋友可能最近剛從美國念完博士班,衣錦還鄉可比想像麻煩:那麼多的日用品和書怎麼帶回台灣啊,而聰明如你則跟這位朋友說用海運寄回來就好,運費便宜的很。

圖/pexels

全球空運及海運的運輸量事實上大得驚人,舉凡農產品、工業原物料及產品的進出口到石油天然氣等能源的國際運輸,都需要仰賴空運及海運。80% 以上的國際運輸仰賴海運,靠海的城市更是有 90% 以上的進出口貨物來自海洋運輸。

秉著單趟運輸量極大、運費低廉、以及天然航道等優勢,大洋上的貨櫃船不計其數,而國際級海港更是成為世界各國國內經濟的重要命脈。

船隻廢氣帶來的空氣污染

圖/pexels

然而對環境的代價呢?撇除船隻漏油等災難性的破壞,船隻運輸的時候排放的廢氣會造成空氣污染,這點也是無法否認的。但實際情況到底有多糟?

據統計在 2015 年國際海洋運輸排放的二氧化碳量達到 8.1億噸,佔了全球碳排放的 2.3%;另外海洋運輸的氮排放(氮氧化物)佔全球 15 %、硫排放量佔全球的 13%

氮氧化物的污染源自高熱的引擎周圍促使空氣中的氮氧相互作用,最後生成一氧化氮或是二氧化氮,也就是俗稱的氮氧化物(NOx)。這些氮氧化物在接觸到水分子後會生成硝酸或是硝酸鹽,對土壤的酸化、臭氧的破壞、以及水質的優養化有極大的破壞。而硫氧化物主要源自煤礦的燃燒,硫氧化物接觸到水分子之後會產生硫酸看看水分子做了什麼好事)。這兩者也是酸雨的主要來源,是許多人無髮無天的始作俑者之一。

聯合國底下的國際海事組織 (International Maritime Organization, IMO)正積極地處理相關事務。作為專職處理海洋安全、海洋污染與海上合作的官方機構,他們在今年 (2018) 四月發表聲明,希望在 2050 年前能將海洋運輸的碳排放量降到 2008 年的 50%,並且在 2030 年前將每次運輸的排放量降到原先的六成。也就是說,不僅總運輸的排放量要得到改善,在單位運輸排放量也要看到顯著的下降。

國際規範豎起標竿,台灣的政府也正積極的從法律層面著手。交通部航政司配合行政院的空污法,訂定「國際商港空氣污染防制方案」,法規中針對不同的排放源訂定有效的改善措施。其中關於船舶所造成的空污,法規強調船舶進出港口要減速,並且規定要使用低硫燃油。在法規實行後,溫室氣體的減碳量每年達到 39,000 公噸。而因為進出港減速,引擎溫度可以降低許多,使得氮氧化物的排放量每年能減少 1,000 公噸。

綠色船運該怎麼做?

圖/pixabay

綠色船運(Green Shipping),主要可以從三個方向著手。

首先,使用含硫量低的石油。數據顯示,若石油內的硫含量從 35,000 ppm 降到 1000 ppm,則硫的排放量可以減少 97%。這種解決方案最容易達成,畢竟連引擎的設計都不必更改,只要在採購石油時多一點良心及社會責任。也因為影響因素只有油價,所以在原油價格低的時候比較容易達成。2016 年油價來到低點,低硫石油的價格也被壓低,甚至比 2012 年油價高點時最髒的石油還要便宜一半以上。而當油價攀升時,燃料成本便會大幅上升。

其次,使用乾淨的能源,好比天然氣或是氫氣。天然氣燃燒之後只有二氧化碳跟水,而氫氣燃燒之後甚至只有水,與石油內的諸多雜質相比,是很乾淨的能源。

原則上船商不大可能一口氣將船改成氫氣引擎或是天然氣的引擎,比利時一家船商 CMB (Compagnie Maritime Belge) 讓船同時使用石油跟氫氣作為動力,目前已經能讓氫氣佔比 50%,預計在不遠的將來能讓氫氣的比例達到 85%。然而氫氣目前屬於較貴的燃料,對於這個現況CMB的研發首長 Roy Campe 表示「我們必須準備好迎接石化能源比氫氣能源還要昂貴的一天」,對於綠色能源相當看好。

最後,做好港口管理。船隻的噸位十分驚人,目前巴拿馬型的總載重量大多為 76,000 噸級,載重噸位的世界紀錄保持者的全載重量更是達到 657,019 噸。試想要讓如此龐大的船隻運行需要多少的能量。

圖/wikimedia

曾經的世界最大集裝箱貨輪「中海環球」在運行時需要 56.8 兆瓦的電力,相當於 47,500 台窗型冷氣(1200瓦)運轉時所消耗的功率。而這還沒計算加減速時的耗能,因此控制好運行進港的速度、減少不必要的加減速,就能夠省下可觀的能源費用。

經濟蓬勃發展,無形的代價

圖/John LeGear@flickr

貨物及金錢的流動,我們常常認為是個多贏的局面。個人收入增加,國家經濟指標上升,同時能獲得更好的生活品質。然而蓬勃發展的經濟之下是有代價的,而往往是由大自然承受這樣的代價。我們使用石化燃料、使用人類文明帶來的所有便利,這幾乎是個不可逆的局面。

然而環保意識逐漸抬頭,保護環境不再是由環保團體來苦撐。人們學會帶環保碗筷、會節能減碳、會垃圾分類。人民在小地方做到最好之後,企業也該負起社會責任,在了解諸如船運這些未察覺的環境成本之後,積極的豎立標準,以求與自然和平共存。

參考資料:

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首度發現!媽媽是尼安德塔人、爸爸是丹尼索瓦人的混血中二少女

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由於丹尼索瓦人長相不明,因此這邊請來 17300 年前的冰河時期,住在歐洲 Lascaux cave 的智人正妹,親情客串充當看板娘。圖/取自 Smithsonian

古代DNA 寶地,丹尼索瓦洞穴

與我們智人在演化上最接近的親戚,是已經消失數萬年的尼安德塔人,以及丹尼索瓦人。比對三者的 DNA 得知,三種人類近親間曾有過多次遺傳交流,即使尼安德塔人與丹尼索瓦人已經滅絕數萬年,智人基因組中仍有好幾 % 可以追溯到他們。

文迪亞與丹尼索瓦洞穴的位置。圖/改編自 The Geopolitical Realities of Eurasia

目前唯一出土過丹尼索瓦人的地點,是西伯利亞南部的丹尼索瓦洞穴(丹尼索瓦人就是以此命名),此處也是已知尼安德塔人居住過最東邊的地方。由於丹尼索瓦洞穴內氣候乾燥又寒冷,因此也成為了保存古代 DNA 的寶地,貢獻過尼安德塔人與丹尼索瓦人的高品質基因組。而最近發表的論文又報告一個取自此處的古代基因組,但是她不是丹尼索瓦人,也不算尼安德塔人,而是兩者的後裔![1]

這件出土的化石被命名為「Denisova 11」(丹尼索瓦洞穴住過丹尼索瓦人,也住過尼安德塔人,所以有些尼安德塔人也會是「丹尼索瓦 X」),原本應該是長骨的一部分,但長度只有 2.47 公分,所以沒有進一步判斷型態的方法。丹尼索瓦洞穴出土了上千件這類難以辨識型態的骨頭碎片,幸好靠著分析膠原蛋白,才得知它是人類的骨頭;又靠著皮質骨密度,判斷其去世時至少已有 13 歲。[2]

研究員對骨頭片進行了定序。Credit: Thomas Higham/University of Oxford

尼安德塔媽媽、丹尼索瓦爸爸的中二少女

丹丹11號型態難辨,幸好保存的 DNA 還算不少,能拼湊出平均覆蓋率 2.6 的基因組。每一對體染色體都有 2 條, X染色體則是女生 2 條、男生 1 條,她的 X染色體片段數目與體染色體一樣多,表示她是位女生。她在國中二年級的年紀去世,因此稱其為中二少女應不為過(毆飛)。

她的粒線體 DNA 的變異符合尼安德塔人的型號,乍看又是一位住在丹尼索瓦洞穴的尼安德塔人;然而基因組不是這麼回事。和丹尼索瓦人與尼安德塔人比對的結果是,她有 38.6% 的遺傳變異與尼安德塔人一致,卻也有 42.3% 與丹尼索瓦人共享,表示儘管她的粒線體源自尼安德塔人,卻還有一半的丹尼索瓦血緣。

中二少女丹尼索瓦11號的基因組,遺傳變異與丹尼索瓦人、尼安德塔人一致的比例。圖/取自 ref 1

中二少女的基因組一半源自尼安德塔人,另一半丹尼索瓦人;這情況有兩個可能:也許她的父母雙方,都各自配備一半的尼丹血緣,所以小孩也會是尼丹血緣各一半。另一個可能是,傳承粒線體給她的媽媽是尼安德塔人,爸爸則是丹尼索瓦人。但這又要如何分辨呢?

人的每一對染色體都有兩條,同一個位置分別源自媽媽與爸爸。假如父母雙方各自配備一半的尼丹血緣,DNA 變異將均勻分佈基因組上,所以他們的女兒在同一個位置上,出現尼安德塔(或丹尼索瓦)專屬變異的機率會是 25%。然而,中二少女的這個比例卻是 50%,表示她是混血的第一代,也就是她媽是尼安德塔人,爸爸是丹尼索瓦人,她每一對染色體的其中一條直接來自尼媽,另一條直接源自丹爸,比例才會是 50%。

這是首度發現不同種人類間,情慾交流生下的第一代!中二少女也提供了一些人類演化史的線索。

發現丹丹11號的丹尼索瓦洞穴。Credit: Bence Viola/Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology

跨越人種與地理的情慾流動

中二少女本人就是古早人類混血的見證,不過她繼承自丹尼索瓦爸爸的那一半祖源中,還有少少片段與尼安德塔人一致,表示她爸爸所屬的丹尼索瓦族群在一段時間以前,也曾與尼安德塔人有過情慾流動。

目前已知 2 個高品質的尼安德塔基因組,一個取自丹尼索瓦洞穴(Denisova 5,也叫 Altai Neanderthal 阿爾泰尼安德塔人),算是尼安德塔人分佈的最東方,另一個來自克羅埃西亞(Vindija 33.19),位於尼安德塔人主要居住的歐洲。中二少女的尼安德塔媽媽,勢必是在丹尼索瓦洞穴一帶遇見丹爸,然而她遺傳上卻比較接近歐洲的同類,反倒與同在丹尼索瓦洞穴的同類比較疏遠。[3][4]

古代基因組貢獻者之間的親戚關係。圖/取自ref 1

阿爾泰尼安德塔人住在丹尼索瓦洞穴的時間,大概距今十幾萬年,而中二少女確實年代不明,只能確定超過 5 萬年,不過比阿爾泰尼安德塔人更晚。已知資訊不足以提供太多線索,但是仍能推論,在距今十幾萬年之後,到中二少女的時代之前,又有尼安德塔族群由歐洲向東遷徙到中亞。

雖然古代基因組已知的數目仍然十分有限,從中偵測到情慾交流的次數卻相對頻繁,種種跡象指出,古早人類族群之間的混血不算罕見,不論是智人與尼安德塔人、智人與丹尼索瓦人、丹尼索瓦人與尼安德塔人,也許各自都發生過不只一次。[5]

目前已知各古代族群之間發生過的情慾流動。圖/取自 ref 5

見面機會稀少,遺傳交流有限?

儘管如此,我們之所以還能偵測到這些「混血事件」,意思就是尼安德塔人與丹尼索瓦人之間的遺傳差異,仍巨大到足以視為兩個血緣不同的族群;而基因組受混血影響的部分相對有限,才有辦法分辨,追溯祖源。

丹尼索瓦洞穴出土過,年代相差數萬年的尼安德塔人,表示尼安德塔人曾多次向東方移民,兩者間的遺傳交流也很清楚不只一次。相對地,在尼安德塔人的大本營歐洲與高加索,已經定序得到過好幾個尼安德塔基因組,卻都沒有偵測到屬於丹尼索瓦人的 DNA 變異。[6]

目前已知的古代基因組地理位置。藍色是尼安德塔人,黃色是智人,紅色是丹尼索瓦人。圖/取自ref 1

論文推論,兩者間的情慾流動,主要應該發生在由西向東遷徙的尼安德塔族群,與住在東方的丹尼索瓦人之間。兩者間如果見到面,就會一同生下後代,但是由於兩者主要居住的地理範圍不同,沒有很多機會見面,因此情慾流動才相對有限。

論文的推論是否正確,仍有待更多研究證實。至少,能見到重返人世的中二少女,是所有古代DNA 研究者的榮幸。

延伸閱讀:

參考文獻:
  • 1. Slon, V., Mafessoni, F., Vernot, B., de Filippo, C., Grote, S., Viola, B., … & Douka, K. (2018). The genome of the offspring of a Neanderthal mother and a Denisovan father. Nature, 1.
  • 2. Brown, S., Higham, T., Slon, V., Pääbo, S., Meyer, M., Douka, K., … & Derevianko, A. (2016). Identification of a new hominin bone from Denisova Cave, Siberia using collagen fingerprinting and mitochondrial DNA analysis. Scientific reports, 6, 23559.
  • 3. Prüfer, K., Racimo, F., Patterson, N., Jay, F., Sankararaman, S., Sawyer, S., … & Li, H. (2014). The complete genome sequence of a Neanderthal from the Altai Mountains. Nature, 505(7481), 43-49.
  • 4. Prüfer, K., de Filippo, C., Grote, S., Mafessoni, F., Korlević, P., Hajdinjak, M., … & Reher, D. (2017). A high-coverage Neandertal genome from Vindija Cave in Croatia. Science, eaao1887.
  • 5. Dannemann, M., & Racimo, F. (2018). Something old, something borrowed: Admixture and adaptation in human evolution. Current opinion in genetics & development, 53, 1-8.
  • 6. Hajdinjak, M., Fu, Q., Hübner, A., Petr, M., Mafessoni, F., Grote, S., … & Semal, P. (2018). Reconstructing the genetic history of late Neanderthals. Nature, 555(7698), 652.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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院長,給問嗎?網友提問中研院廖俊智院長

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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|張語辰

中央研究院,是隸屬於總統府的最高層級研究機構。「院長」這個職位,是帶領研究方向、激勵研究士氣的要角;另一方面,也是媒體和輿論的焦點。本文蒐集網友各種提問,和現任廖俊智院長輕鬆聊聊!

西裝哪裡買的?還蠻帥氣的

我有兩三套,有的是買現成,有的是訂作。現在穿的這件是十多年前在美國洛杉磯買的。男生的西裝就是那樣子,合身就好。

院長都怎麼對家鄉父老解釋「中研院」和「工研院」的差別?

工研院是要生產「產品」,中研院是要生產「知識」。

這樣解釋夠簡單吧!工研院重點是輔助工商界,隸屬經濟部;中研院主要是做基礎研究,產生新的知識,直接隸屬總統府。知識若可以變成產品很好,但知識本身就是很重要的資產,即便它不是商業產品。

學「科學」最大的樂趣是什麼呢?

學科學最大的樂趣,是能創造新知識、或解決前人所不能解的問題。簡單來講,就是挑戰「世界之最」!把人類的知識及能力,推向新的極限。

科學分為很多面向,我的興趣很廣。小時候修電器,後來對物理、化學特別有興趣,之後讀了化學工程,又再轉到生物領域。涉獵很多不同的學科,這對我日後做研究有非常大的助益。

現今科學已經不是單一的學門。國高中的物理、化學、生物,甚至大學裡的電機、機械、土木,都是人為切割劃分的知識。但事實上,當你要解決問題、或研究自然界的現象,不能只靠這些人工切割的單一知識,而是要將跨領域的知識,融合思考運用。

接觸不同學科時,別一開始就覺得很難,不要養成這種「怕困難」的習慣。

抱著學習的精神,學什麼都是一樣。不管你是打籃球也好、打棒球也好,一開始總是要跑、要跳,手臂要動、眼睛要看、手腦要協調,這些基本動作是相通的。不同領域的學科也是,基本的邏輯觀念、基本的原理法則,很多也是相通的。

想聽院長說說陳年小故事

從小我就喜歡修理電器,家裡冰箱、電視、收音機,我都拆開來修,家人也沒有反對。高一時,晚上我還報名技職班,不像現在進修推廣部那麼完善,是坊間的電器工職訓班。我那時參加修理收音機的課程,自己組裝了一台真空管收音機。

當然除了修電器,高中我也花很多心力參加科展,從設計題目、組裝儀器、動手實驗到報名參加,都是我和另一位同學獨立完成。第一次科展得到佳作,第二次得到全國第二名,那時非常開心!

院長會打 LOL 和世紀帝國嗎?

LOL 我只知道是「大笑」。高中時,那是四十年前,那時候我們還沒有電玩好嗎?現在則是沒時間玩了。

院長每天的工作項目?

每天的工作項目,就是像現在採訪這樣子,跟各種不同的人談。有院內的、有院外的,有研究人員、有行政團隊,包含開會和非正式的討論。

剛回臺灣時,不太習慣這裡的「不討論」風氣,大家通常不表達想法,只聽長官的意見。長官在,職級比較小的通常不會講話,只聽意見。我希望每個人都講,不管多老多小、官有多大,每個人都要表達想法,扁平化地互動。

通常討論之後,有共識最好,沒有共識的話,我就需要指示這問題的解決方法、要朝哪個方向進行。其實大部分時間我們都在討論「問題」本身,包含行政上的問題、研究上的問題。

工作上最喜歡的部分,就是討論科學的問題。院裡有近千名研究人員,包含研究員和研究技師等等,有很多各領域很棒的專家,能夠一起討論,非常 enjoyable!

會不會有一張開眼睛,感到厭世的一天?

聽到這個問題,廖俊智院長相當驚訝,說道:「厭世?那很嚴重喔!No No No No!」。
攝影│張語辰

我當然會有情緒上的起伏,但不到厭世的地步。對我來說,每天都是新的開始,每天都充滿希望,每天都有新的機會。挫折感一定是難免的,不管去哪都有挑戰,但若是只會抱怨,事情是無法解決的。

遇到挫折時,更要理性地面對問題,先休息、運動一下,再以不同的角度透視問題,往往你會突破困境、發現解決之道。

院長的休閒活動是什麼?

游泳!我不定時會去中研院的游泳池,當然是下班的時候。游泳是很好的運動,不但可增加肺活量、舒緩壓力,更可以促進血液循環。而且隨時自己就可以去,不用呼朋引伴。常到各地出差的話,隨手帶一件泳褲很簡單,跑步鞋有可能還裝不進行李箱。

我也喜歡棒球,去年世大運,特別帶二百位同仁去看臺法之戰,可惜最後一球漏接敗北。我也請人事室舉辦趣味壘球賽、增進同仁情感,同時我也自得其樂。

廖俊智揮棒的瞬間!並與同仁組成「地表最強詹姆侍衛隊」,其他隊還有:「煞氣a阿寬隊」、「我是基因體帥哥對不隊」等等。
圖片來源│中央研究院

中研院趣味壘球賽的友誼之握。
圖片來源│中央研究院

請院長推薦中研院附近常吃的美食

哈哈哈(編註:這個笑的涵義,代表這附近飲食選擇有限)。

平常在這裡就吃便當、麵食,我比較喜歡吃麵。常在中研院對面幾家麵店吃湯麵或炒麵,我的秘書戲稱為「院長炒麵」。

看到有網友問中研院的微風美食街什麼時候蓋好?這就要問總務處了,目前已經有一些進展,我也很期待!目前在蔡元培紀念館已開張的 Trine and Zen 咖啡館相當不錯,我特別喜歡明太子義大利麵,拿鐵也推薦。

期許自己成為什麼樣的院長?

(深吸一口氣)這是好問題。中研院是一個很大的機構,在社會上負很重要的責任,所以很難用一句話來定義「什麼樣的院長」。我希望能把中研院帶入新的世紀,包含很多面向,最重要的是創造一個環境,激發同仁的創造力。兩年前在院長交接典禮提出的三個面向,我到現在仍然認為非常重要。

第一個是,重質不重量。我們希望追求研究的品質,而不是單純的論文篇數。第二個,中研院創造知識,希望有朝一日「知識」能夠帶動學術和社會的進步。第三個,我們所謂的知識,不只偏重在自然科學,也涵蓋人文社會科學;如何架接各領域,這是中研院很重要的責任。

至於任職到現在,心境有什麼轉變?一旦開始「院長」這個職位,我就拼命往前,比較少時間回顧過去。要創造新環境、或要改變舊習慣,都不是容易的事。中研院有位同事,曾和我分享一句邱吉爾的名言 “If you’re going through hell, keep going." 意思是碰到艱苦的時候,要勇往直前。

看論文一定要先看大方向:這篇論文解決什麼問題,再看他們怎麼解決這個問題。

通常看論文,我是重質不重量,我會看很細,而不是看一大堆論文。我會先看這篇論文研究的問題,是不是我現在關心、或者重要的問題,是的話我就會繼續看下去。

因為我和國外學者有保持聯繫,也常參加國際學術會議,所以通常有新的學術發現,不同的人會傳來一些 email 、學術期刊、報導、國際會議的訊息。有些著名的國際期刊,也會發來一些論文讓我審查,我就能知道研究最新趨勢。所以,新知最主要的來源,就是跟學界接觸,就會掌握科研發展的脈動。

做科學,如何設立人生目標?

好的科學家,就是要解決科學上的問題,人家就會佩服你。會不會藉此而得到什麼名聲,那是另外一回事。

一般而言,當你解決了科學問題,名聲自然會伴隨能力而來。但是,不能急功好利。如果為了名聲來做科學,你會很失望,因為實驗過程通常都是一直失敗,會有相當多的挫折感。

「人文社會科學」存在的意義?以及如何看待「數位人文」趨勢?

一般科學處理的是自然界的問題,或是如何藉由對自然界現象的理解,來解決人類的問題。

但人類很大的問題是,人與人之間相處的問題。這些需要人文和社會科學來研究。

對於人怎麼了解自己、怎麼了解別人、怎麼了解這個社會;還有人跟人之間的相處、人跟社會的相處,都需要有深入的探討,以幫助社會運行至最佳的狀況。這些除了對現今社會的研究外,也要了解過去歷史的演進、文化的傳承,才會理解社會是怎麼變成今天的狀態。

隨著科技發展,「數位文化」是人文及社會科學其中一個努力方向,這些數位工具對於史料的保存、藝術、文物的重建有重大的貢獻。像是中研院有各種地理資訊系統 (GIS) ,結合歷史資料、地景地物,呈現時代變遷對文化、宗教及社會的影響,實現了「秀才不出門,能知天下事」的情境。

舉例來說,「歷史地圖散步」系列書籍與 APP ,讓秀才在家裡就能穿梭古今。
圖片來源│〈一百年前你家的模樣?臺北、臺中歷史地圖散步〉

然而,即使數位工具發展得再先進,人文社會科學最基本的「論述分析」仍然相當重要,體現在文學、哲學等相關研究,這部分就不是數位工具能取代,依靠的是研究人員頭腦裡的寶貴想法。

怎麼看高教人才流失的問題?怎麼留住人才?

高教人才「流失」這樣的說法,要仔細分析數據,才有客觀公正的判斷。臺灣有流出去、也有流回來的,包括我自己。例如,中研院近年來從國外延攬不少外籍人士,包含美國、日本、加拿大、法國、德國、香港、新加坡等等,激發不同的研究思維和互動風氣。

以中研院而言,短期,我們要創造一個環境,讓全世界認為臺灣是重視人才的地方。所謂重視人才,要讓好的研究人員認為在這裡被重視。不能只計算論文發表篇數,而是鼓勵研究人員進行長期且深入的研究。

另外,也希望資深的研究員,可以引導新進研究人員、提供善意的建議,但不是師徒或手下的關係。我們一方面鼓勵他們勇於創見、挑戰關鍵性的問題;另一方面在研究資源等等,中研院都應該盡量幫助這些年輕的研究人員。

研究之餘喜歡看哪些書?

我通常是在機場逛書店,順手買幾本書在飛機上看。我看的書都不是很輕鬆。最輕鬆的可能是愛因斯坦的傳記、霍金的傳記。最近在看蠻厚重的書,書名是《Enlightenment Now》(編註:Enlightenment 意思為啟蒙)。

世界是在變好或變糟?《Enlightenment Now:The Case for Reason, Science, Humanism, and Progress》書中,作者 Steven Pinker 用理性和資料來判斷。
圖片來源│Viking 出版社

所謂「啟蒙」,是以理性思維來討論問題。這本書的作者史帝芬·平克 (Steven Pinker) 用理性思維,來反駁現今很多悲觀主義,例如很多認為世風日下、人心不古。但其實當我們回歸理性思辯,分析實際的資料數據,會發現和 30 年前相比,當今在許多方面都做得更好。作者說:「如果繼續用知識,來解決人類的問題,那我們可以獲得更多改善。」

要分享輕鬆的書的話,我最近又重讀一次《紅樓夢》。前些日子和孫康宜院士,聊到她在研究一個問題:一些傳統文學作品的作者,到底是誰?例如《紅樓夢》的作者,前八十回和後四十回是不是同一人?

這激起了我的興趣,又回去讀了幾回《紅樓夢》。雖然小時候看過,但現在又有一些新的體會。它裡面有些詩詞,相當有意思。例如下面這則詩句,是實驗失敗時很好的啟發!

翻成白話文是:只憑一局成敗,無法定論真相。當爐子裡的香燒盡、手中的茶喝完後,仍然要再花點時間仔細思考。若想知道眼前的徵兆究竟代表什麼,請益客觀的他人很重要。
圖片來源│iStock 圖說設計│張語辰

延伸閱讀

本著作由研之有物製作,原文為《「中研院院長在做什麼?」網友提問廖俊智》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

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

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數學界的聖杯「黎曼猜想證明」,是否已被人類得手?

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2018年9月24日,台灣時間下午3點45分,全球的數學家和數學迷們,都將目光聚焦於德國的海德堡桂冠論壇(Heidelberg Laureate Forum);世界各地的數學家和電腦科學家每年一度聚集於此,和獲邀的學界大師進行交流。演講台上,英國頂尖數學家麥可.阿蒂亞(Michael Atiyah)正準備發表黎曼猜想(Riemann hypothesis)的證明。

阿蒂亞無疑是第一流的數學家,獲獎無數,包括數學界的最高榮譽──費爾茲獎(Fields Medal)和阿貝爾獎(Abel Prize)。1929年出生、89歲高齡的他,於數天前宣佈,用「基進的新途徑」(radically new approach)解決了困擾數學家達 159年的黎曼猜想,並會在海德堡桂冠論壇發表。

什麼是「黎曼猜想」?

1859年,德國數學家黎曼(Georg Friedrich Bernhard Riemann,1826-1866)在他的論文〈論小於給定數值的質數數目〉中,首次提及這個猜想。

德國數學家黎曼(Georg Friedrich Bernhard Riemann)source:Wikimedia

如我們國中所學,像2、3、5、7、11、13…等等,這些除了 1 跟自己本身以外,不能被其他正整數整除的數,稱為質數;而所有大於1的正整數,都能夠以質數的乘積來表示,例如 66=11×3×2。質數的概念很簡單,但是,如果我們問:「比某個特定數值要小的質數有多少個呢?質數在整個數列中的分布情況又是如何?」那就不是容易的問題、甚至是讓數學家們頭痛不已的問題。

黎曼在該篇論文中發現,質數的分布跟某個函數有著密切關係──該函數現被稱為黎曼ζ函數(Riemann zeta function);它的長相如下:


這看起來並不嚇人,起碼跟國中學過的無窮級數並沒有太大差別。上述式子裡,s是複數,可以寫成s=a+bi這樣的形式;a稱為s的實部、b是s的虛部、i則是根號負一。數學家們可以輕易證明,只要 s的實部大於1,那麼整個無窮級數裡,把每一項的絕對值相加後,會得到收斂並趨近於某個定值的結果。

不過,對於s的實部小於1的狀況,事情就沒那麼簡單了:整個級數和可能會發散──但是我們又想要擴充函數的定義,讓它適用更廣泛的範圍,那該怎麼辦呢?

運用一些數學技巧(很恐怖,不要問),針對s的實部小於1的狀況,可以將黎曼ζ函數表示為


當中的 Г 稱為伽瑪函數(gamma function)。藉由這個新的定義,我們發現,當s為負偶數(s= -2, -4, -6…)時,黎曼ζ函數為零──這些s的值,我們稱為平凡零點。

但是,除了平凡零點之外,還有其他一些s的值,能夠讓黎曼ζ函數為零──稱為非平凡零點;它們不但對質數的分布有著決定性影響,實數部份還全都位於零和一之間。針對這一點,雖然黎曼本人無法證明,但他進一步猜測這些非平凡零點有著共同的特性:

黎曼ζ函數所有非平凡零點的實部都是二分之一

這就是赫赫有名的黎曼猜想。沒想到,這一猜想從 1859年被提出,至今已 159年,期間有數不清的數學家向其挑戰,卻無人能給出信服的證明。

黎曼猜想真的這麼難證明嗎?為何它讓數學家魂牽夢縈?

十九世紀末至二十世紀初最重要的數學家之一希爾伯特(David Hilbert,1862-1943),於1900年提出了23個他認為最重要的數學問題(其中有好些對二十世紀的數學發展起了莫大影響),當中就包含黎曼猜想。他曾表示:「如果我能在沉睡一千年後醒來,我的第一個問題將會是:『黎曼猜想被證明了嗎?』」

無獨有偶,一百年後,美國克雷數學研究所[1](Clay Mathematics Institute, CMI)選了當今數學界的七大問題(稱為「千禧年大獎難題Millennium Prize Problems)」),並懸賞一百萬美金,給予能解決任何一個問題的數學家──其中也包含了黎曼猜想。事實上,黎曼猜想是唯一同時列於希爾伯特和克雷數學研究所名單上的問題,屹立不搖地等待數學家挑戰。

因為黎曼猜想與質數分布具有密切的關係,一旦被證明,數學家們將對質數的分布位置有更確切的認知,此無疑是數論(number theory)這一數學分支的重要突破。不僅如此,黎曼ζ函數的非平凡零點,也被發現跟某些物理系統具有相似的分布規律,至今無人能給出滿意的解釋。再者,數學文獻裡,許多數學命題都以黎曼猜想或其推廣的成立為前提;換言之,如果黎曼猜想(及其推廣)被證明,這些基於黎曼猜想的數學命題便能被一舉確認為真──可謂一人得道,雞犬升天。這樣的數學命題粗略估計至少有上千條。毋怪乎,有些數學家將黎曼猜想的證明形容為「數學的聖杯」。

有些數學家將黎曼猜想的證明形容為「數學的聖杯」,還好得到這個聖杯不用打聖杯戰爭(誤),卻也不是那麼容易。source:CucombreLibre @Flickr

黎曼猜想研究於歷史上的進展

在解決黎曼猜想這個終極對手的旅途中,人類是否曾碰上一些小頭目,得以賺取經驗值升級呢?

答案是肯定的。

如同角色扮演遊戲(role-playing video game, RPG)裡,我們大致可將攻擊手段區分為遠距攻擊和近距攻擊兩種,數學家在面對黎曼猜想這個強敵時,也主要從兩方面來著手。

數學家在面對黎曼猜想這個強敵時,就像在RPG遊戲裡我們從遠距和近距離攻擊同時著手。source:BagoGames @Flicr

一是去實際計算非平凡零點的數值,看看它們的實數部份是否符合黎曼猜想的二分之一;雖然這樣做並無法窮舉所有(也就是無限多)的非平凡零點,而證明黎曼猜想,卻能間接增強我們對黎曼猜想的信心──運氣好找到反例的話,更能一舉否證黎曼猜想。第二種方式則是直接對黎曼ζ函數下手,利用解析的方式證明黎曼猜想。

在非平凡零點的數值計算上,雖然黎曼自己有算過,卻並沒有發表;到1903年,才終於有數學家給出15個非平凡零點的數值──它們的實部都是二分之一。1932年,西格爾(Carl Ludwig Siegel,1896-1981)從已去世的黎曼的手稿中,挖掘出黎曼計算非平凡零點的方法,大舉推進了此一方向的研究。到了二十世紀中期,因為電腦的發明,計算零點的工作突飛猛進,有一萬個以上的非平凡零點都被確認實部為二分之一。至2004年,憑藉著更嶄新的計算法,已經有10000000000000(十萬億)個非平凡零點被確認符合黎曼猜想,而且沒有任何反例。

另一方面,也有人利用解析的方式嘗試證明黎曼猜想。1896年,兩位數學家分別獨立證明了,在複數平面、實數為一的線上沒有零點;換言之,非平凡零點的實部絕不可能為一。1914年,數學家哈代(Godfrey Harold Hardy,1877-1947)發現,在實數為二分之一的線上,有無限個非平凡零點──即使如此,這並無法保證「所有」非平凡零點的實部均為二分之一;更糟的是,根據哈代和李特爾伍德[2](John Edensor Littlewood,1885-1977)於1921年的估計,這些實部為二分之一的非平凡零點,只佔了全部非平凡零點的一小部份比例,趨近於零。

關於上述比例的研究,在1942年,才被塞爾伯格(Atle Selberg,1917-2007)證明其大於零;到了近期的2011年,這個數字被數學家推進到 41.05%──當然,距離 100%還很遠……

就在黎曼猜想的證明似乎還遙不可及的現今,事情突然有了戲劇性的變化:當代最出名、也最重要的數學家之一,麥可.阿蒂亞,將於本屆的海德堡桂冠論壇發表他對黎曼猜想的證明!

這次的黎曼猜想證明值得期待嗎?

就如同網路上一堆神人自稱推翻了相對論跟量子力學一樣,也有數不清的人,包括數學家,宣稱證明了黎曼猜想;然而,到目前為止,並沒有任何讓學界信服的說法。

這次宣佈證明了黎曼猜想的阿蒂亞,是第一流的數學家,所以確實讓不少人引頸期盼他的成果;只不過,因著阿蒂亞的89歲高齡,也讓一些人懷疑他是否真能提出說服所有人的證明。

無論如何,隨著在海德堡桂冠論壇的發表,數學家們將忙碌好一段時間,仔細檢視阿蒂亞的證明是否存有任何漏洞。最終結論,要之後才會知道了。

具有「數學王子」美譽的數學家高斯(Johann Carl Friedrich Gauss,1777-1855)曾表示:「數學是科學的皇后──而數論是數學的皇后」。黎曼猜想作為數論領域最重要的猜想、數學的聖杯,一旦被證明,將會是二十一世紀最重要的科學成就之一──讓我們拭目以待!

參考資料

  • E. Bombieri (2000), Problems of the Millennium: the Riemann Hypothesis, Clay Mathematics Institute.
  • D. Allen, K. Bonetta-Martin, E. Codling and S. Jefferies, The Riemann Hypothesis, The Plymouth Student Scientist, 2016, 9, (2), 249-257.
  • Riemann hypothesis, Wikipedia.
  • 盧昌海(2015),《黎曼猜想漫談》,五南。

註釋

  • [1] 克雷數學研究所是總部設在美國新罕布夏州的非營利私人機構;機構目的在於促進和傳播數學知識。
  • [2] 如果讀者還有印象,2016年台灣上映了介紹數學家拉馬努金生平的電影《天才無限家》;拉馬努金在英國的恩人兼研究夥伴就是哈代和李特爾伍德。

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#快訊【2018年諾貝爾化學獎】多變的生物化學,當然要靠演化力量才能駕馭啊!

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今年的化學獎得主,以科學駕馭了演化的力量。

本次的諾貝爾獎頒發給三位跟生物化學有關的研究者。首先美國的 Frances H. Arnold獲獎以肯定她在製造酵素方面研究的卓越貢獻。在自然的情況下,生物──生物化學的演化需要長久的時間,雖然演化已經帶來了令人驚豔的多樣性,但在自然狀況下耗時相對較長。那麼,我們可不可以應用演化的原理,製造出我們想要的蛋白質呢?

答案是:可以!Arnold 利用自身對於演化的了解,嘗試在實驗室中培養蛋白質,不僅大幅縮短了「演化」的時間,也可以更準確地找出需要的蛋白質。

她是怎麼做的呢?她先嘗試讓多種蛋白質突變,而後從結果中找到需要的部分。這樣的方式可以測試各種不同的組合,甚至是做出在自然演化中難以出現的蛋白質。

那麼,這對於我們的生活可以有什麼幫助呢?這樣的方式未來可能可以取代過去一些耗能乃至於有害的化學製程,提供更乾淨的解法,可以應用在像是生質燃料等場域。

另外兩位獲獎者 George P. Smith 和 Sir Gregory P. Winter 的研究則與會感染細菌的「嗜菌體」有關。1985年 George Smith發展出「嗜菌體展示技術」,可用以製造出新種的蛋白質、多肽類;Gregory Winter 應用此項技術定向演化抗體,目標為應用於製藥。

第一項根據這個方法製造出來的人類抗體為 Adalimumab 後來在 2002 年被證實有效,並被應用於類風濕性關節炎、牛皮癬和炎症性腸病 (Inflammatory Bowel Disease)。這些技術能夠使得抗體中和毒素,抵抗自身免疫疾病以及治癒轉移性癌症。未來這樣的技術將能如何造福人類,著實是令人期待。

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為什麼寧願自己亂來,也不願看一下說明書?──2018搞笑諾貝爾文學獎

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如果你拿著某樣產品,不停地問別人要怎麼使用,美國人有可能會回答你:RTFM (Read the F××king Manual),翻譯成台灣的用語則是:「啊你不會自己看說明書喔?」。

但 2018 搞笑諾貝爾文學獎的得獎者卻告訴我們:不想看說明書是人之常情,這不單是使用者的問題,產品設計者也有責任,沒事不要做那麼多複雜的功能啊!大家根本很少在用!

2018搞笑諾貝爾文學獎頒獎畫面。圖/截圖自Youtube影片

大部分的人都不看說明書 也不使用產品所有功能

得獎者是澳洲昆士蘭科技大學的 Alethea Blackler 等人,他們因為論文「人生苦短,不該花更多時間看說明書 (Life Is Too Short to RTFM):使用者和說明書及產品累贅功能之間的關係」而獲頒獎項。

他們想知道大家到底會不會看產品說明書、會不會使用產品的所有功能,於是用了 7 年的時間蒐集了 170 份問卷,再搭配 6 個月的使用者日記與訪談,做了質化與量化的研究分析,證實了以下幾個現象:

  1. 只有 25% 的人會看產品說明書,並使用產品所有的功能。
  2. 看說明書會引起人的煩惱和負面情緒。
  3. 年輕人比年紀大的人還不喜歡看說明書。
  4. 教育程度越高的人越不喜歡看說明書。
  5. 男性比女性有可能會看使用說明書和使用產品所有功能,但兩者適應新產品所需的時間和正確使用率沒有差異。
  6. 大家買東西的時候,喜歡選擇功能比較多的那一種,但使用後就會嫌那些功能複雜而無用。

綜觀以上六個研究結果可以發現,似乎問題都出在使用者身上,明明使用說明書就擺在那裏,翻一翻就可以找到解答,為什麼大家寧可自己亂按或是問別人(然後被嫌棄),也不想看說明書?

為什麼大家不看說明書?

答案很簡單,因為很麻煩阿!

「為了實作而閱讀」對成人來說是很麻煩的。圖/pixibay

2001 年的一項研究發現,人們在閱讀說明書時,常常會越看心情越差,因為他們要花很多時間才能找到解答,就算找到了,也有可能因為資訊量不足而無法獲得幫助。有些說明書甚至會假設使用者知道某些事情,但事實上他們根本不了解,所以越看越疑惑。不只紙本的說明書會為使用者帶來困擾,一些電腦、網路上的使用說明或輔助工具也是如此,像是經典的 Office 小幫手,大眼迴紋針 (Clippy) 就是因為被使用者嫌棄而慘遭淘汰的產物。

Office 小幫手問你是否需要幫助。圖/wikipedia

然而,就算說明書寫得很詳盡、整體架構也很清晰,大家還是不太喜歡看它們,因為比起密密麻麻的白紙黑字,人們還是比較願意相信實際行動的結果;只有在不論如何實驗都無法正確操作的情況下,才會勉勉強強地打開說明書,抓到了關鍵資訊後,又繼續埋首亂按。「為了實作而閱讀」(Read to do) 這種不直覺的任務對成人來說是很麻煩的。

得獎者舉例,「客服的說明書」:看不懂說明書,找客服就對了。圖/截圖自Youtube影片

那麼,為什麼年輕人 (25 歲以下)會比較不喜歡看說明書?研究認為,因為他們強烈的好奇心使他們更願意嘗試自己摸索未知的產品。另一方面,老年人會比中年人更依賴文字的說明書,因為他們對現代推陳出新的產品較為不熟悉,技術的吸收能力也比較差。

論文也指出,教育程度較高的人越不會閱讀說明書,因為他們對自己的知識水平及新事物的吸收能力有較強的信心,所以偏好自己動手探索產品功能;但他們使用到的產品功能卻也比較少,這是因為他們為了節省時間,只選擇使用最有效益的產品功能。

產品功能越多越划算?

除了說明書與使用者之間的關係,Alethea Blackler 等人將產品的累贅功能作為此篇研究的另一個重點。隨著軟、硬體等產品不斷更新或推出新型號,如果設計者沒有考慮產品功能的效益與多寡,就可能會造成產品功能過多、介面設計越來越複雜的情況。

諷刺產品功能過多的笑話。圖/flickr

但事實上,產品功能越來越多,消費者也有部分責任,因為大家選購產品時,老是喜歡選擇功能較多的那一種,而設計者為了迎合市場需求,常常增添許多無用的功能,曾有學者用「產品功能戰」來形容這樣的現象。以 App 商店為例,許多應用程式都喜歡列出長長的功能清單,以博得消費者的青睞。

儘管買東西時,大部分的人偏好選擇功能看似較強大的款式,但在實際使用後,卻又覺得產品太複雜,只好拿起手邊的說明書尋求解答(心中順便給了產品差評),然後在用過某些產品功能後,才會真正發覺它們有多雞肋(心中對產品的評價更低了)。當產品功能越多,使用者使用某項功能的機率就越低,也會認為那項功能越沒用,這是研究者歸納出的現象。

打破框架吧!說明書和產品功能該怎麼設計?

在結論中,研究者強調,說明書和產品功能的使用有很大的關聯,如果完全沒有說明書的幫助,使用者很難了解產品的所有功能,但若是產品功能太多,介面設計不貼近人性,同時說明書又架構混亂或是資訊不足,就會讓使用者對產品越來越不耐煩。

他們給說明書設計者一些建議:說明書的設計最好能夠打破紙本說明書或是網路說明書的概念,舉例來說,影片或動畫就是很好的呈現方式,因為它們可以自然地融入網站或廣告之中,不易讓使用者感到厭煩。另外一點,因為每個年齡層偏好的說明書形式都不太一樣,所以可以讓多種說明書的版本並行。

教你如何組裝傢俱的 AR 應用程式。圖/截圖自vimeo影片

而關於產品功能的設計,研究者解釋到,他們不認為產品設計師要避免設計多功能的產品,也不是建議廣告上不能強調產品的多項功能,而是要找到適當的平衡點,讓產品的每項功能都有其效用。

他們也提到,產品功能過多的情況近年來有得到改善,因為部分消費已經者開始意識到並不是產品功能越多就越有價值,重要的是產品功能的效益;而產品設計者也注意到這樣的現象,所以開始仔細考慮每項產品功能是否會改善使用者體驗。

只有在產品貼近使用者需求的情況下,才能讓買賣雙方都皆大歡喜,而如果未來的產品都能朝這個目標邁進,我們也不用為產品功能而煩惱啦!畢竟人生苦短,不該花更多時間看說明書!

資料來源:

  1. Alethea L Blackler, Rafael Gomez, Vesna Popovic, M Helen Thompson; Life Is Too Short to RTFM: How Users Relate to Documentation and Excess Features in Consumer Products, Interacting with Computers, Volume 28, Issue 1, 1 January 2016, Pages 27–46
  2. The 28th First Annual Ig Nobel Prize Ceremony (2018)

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吃糖會活化癌細胞?藏在「專家說」背後的天大誤會

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科學新聞解剖室-案件編號 29

案情

從民國 71 年開始,癌症已經連續 35 年穩居國人十大死因冠軍寶座,屹立不搖的程度讓大家聽到「癌症」這兩個字,往往聞之色變、為之驚恐,為了不讓癌症有機可乘,人人無不小心翼翼、仔細留意身邊所有和癌症有關的訊息,無論吃的、喝的、穿的、用的,只要扯上癌症,立即就能引起大眾關切與瘋傳。解剖員爹娘也不例外,不時在 LINE 的家庭群組分享健康醫療小知識,如果是無關痛癢、充滿溫馨愛的健康常識,解剖員通常是遮一隻眼、閉一隻眼,但近日爹娘傳了下面這則簡訊,實在無法放過它:

不管是白糖、砂糖、黑糖、市售含糖飲料、果汁、糕餅、甜點等等數不完的食物都有糖,可以說生活中每天都會吃到,實在很難避開糖,現在卻通通都不能吃了?!解剖員看完簡訊不禁打了個寒顫,不僅僅是因為解剖員為甜食重度愛好者,更驚嚇的是,這一則簡訊可是有醫學院的學者專家背書,影響力不容小覷啊!

只是解剖員疑惑的是,不管吃多少糖都一定會讓身體發炎,活躍癌細胞嗎?如果糖真的這麼罪大惡極,為什麼黑糖就可以僥倖逃過一劫,其他糖就必須列入「得癌食物黑名單」?黑糖跟其他糖之間的差別是什麼呢?難道只要有專家掛保證,就可以把這些疑惑存而不論嗎?以上諸多疑點,就跟著解剖員一同檢視看看吧!

解剖

一、糖「千萬」不能吃?「吃糖讓身體發炎」任務待解

這則簡訊的內容中提到:「…她做過實驗,把糖放在癌細胞的培養皿中,癌細胞迅速增生…」為了不要讓身體細胞處於容易發炎的環境、增加罹患癌症機率,所以「千萬不能吃糖」。這個說法似乎讓「糖」一瞬間從日常調味料變成世紀劇毒,好像吃到一點點就會讓身體爆炸性中毒一樣,但是真的沒有商量空間、如此絕對嗎?真的連一丁點的糖都不可以吃嗎?

這則簡訊的內容嘗試想告訴我們:「吃糖→身體容易發炎→活化癌細胞」這樣的因果關係,就解剖員本身專業上所瞭解的「發炎」與「癌症」相關性研究確實算是比較成熟的研究領域,例如這篇 2010 年的研究就提到發炎反應會影響癌細胞的不同形成階段,像是誘發腫瘤生成、從良性轉化為惡性腫瘤,甚至某些發炎因子也會影響癌細胞轉移。

(螢光筆畫起來的部分在說)發炎反應會影響癌細胞的不同形成階段,像是誘發腫瘤生成、從良性轉化為惡性腫瘤,甚至某些發炎因子也會影響癌細胞轉移。圖/截圖自原始研究

那麼「糖」到底會不會就是讓身體容易發炎的元兇呢?解剖員從相關文獻的檢閱中發現,的確有不少相關研究提到「糖」與「發炎反應」的關係,例如 2011 年的研究就提到一位年輕且健康的男性每天喝下含 40 克以下的糖的飲料,三週後發現作為發炎反應指標的「C 反應蛋白」量有顯著上升。另外在今年(2018 年)五月的一篇研究中亦討論飲食中糖的攝取量可能引發發炎反應,但是這篇研究卻也提醒,未來還需要有更多、更大規模、追蹤時間更長、以及更好的實驗設計的研究才能支持「糖」與「發炎反應」的關係。

從前述具有權威性的研究報告中可以推知,「吃糖」與「身體發炎」之間可能具有關聯性,但是這相關聯性究竟會在何種條件之下成立?以何種型態展現出來?都還需要有更多證據支持才能定論。換句話說,科學研究是一條漫長的檢驗道路,要明確地宣稱兩種變數的因果關係是極度困難的事,以目前科學家所掌握的訊息來看,使用「千萬不能吃」這樣的措辭來警示糖的攝取,明顯是過度宣稱了。

「吃糖」與「身體發炎」之間可能具有關聯性,但要明確地宣稱兩種變數的因果關係是極度困難的事。目前來看,使用「千萬不能吃」這樣的措辭來警示糖的攝取,明顯是過度宣稱了。圖/ulleo @pixabay

二、到底可不可以吃糖:「控制血糖濃度」才是關鍵

如果吃糖真的有這樣些許的風險存在,那是不是就乾脆忍耐一點不要吃呢?反正人生還有其他各種選擇嘛(哭)。

但據解剖員所知,由於白糖、紅糖、黑糖等都是屬於「高升糖指數」(Glycemic index, GI)的食品,也就是吃進這些食物之後血糖會上升的很快,此時將有很高的機率使身體細胞對胰島素抗性上升,進而造成肥胖或是第二型糖尿病。在相關研究中也提到,當吃進高 GI 值的食物時,血糖迅速飆升確實容易刺激癌細胞的增生,促成腫瘤惡化。

但問題是,難道不吃糖就可以餓死癌細胞嗎?過去也有醫院的營養師針對這個謠言呼籲,「癌細胞愛吃糖」這種的說法太片面,因為關鍵應該不在「吃」或「不吃」糖,而是應該要能妥善地「控制血糖濃度」,讓自己體內的血糖濃度維持在一定範圍,不要吃太多高 GI 值的食物導致血糖值在短時間內突破天際,如此一來才能遠離肥胖與糖尿病,也算可以間接地降低癌症的風險。而且除了糖之外,高 GI 值的食物還包括白飯、白吐司或白麵包、貝果等精製過且人體可以快速消化吸收的澱粉類食物,都是日常生活中十分常見的主食,難道這些我們也都要一併禁食嗎?顯然就矯枉過正了。

高 GI 值的食物還包括白飯、白吐司等精製過且人體可以快速消化吸收的澱粉類食物,難道這些常見的主食也都要一併禁食嗎?顯然就矯枉過正了。圖/mikuratv @pixabay

由前述可知,各種糖並不是促發癌症的唯一路徑及兇手,所以與其百分之一百地排除,還不如透過更加均衡的飲食來控制血糖的濃度,才是真正避免活化癌細胞的重要方法。在面對這麼複雜的生理運作機制時,這則過度簡化的簡訊只有強化恐懼與不安,實在不可取。

三、眾糖皆毒,唯獨「黑糖」好棒棒?──流言主角還原真相

簡訊提到:「…除了黑糖有豐富的礦物質外,其餘的糖會讓身體產生發炎。」黑糖怎麼這麼厲害,不僅突破重圍、獲得青睞還免於被攻擊?

依據解剖員的瞭解,我們常聽到的白糖、黃糖、黑糖等等不管是什麼糖,提煉作法都是一樣的,而糖之所以會呈現出不同顏色、型態,是因為精製的程度不同,精製的程度越高、顏色越白、純度越高,比如白糖。而黑糖顏色深,精製程度較不高,相較於白糖而言多了礦物質跟些許蛋白質,不過整體而言每種糖的精製程度不會差異太大。

為了更加釐清這則簡訊的來龍去脈,解剖員致電簡訊中的主角──成功大學張明熙教授,試圖了解張教授對於簡訊內容的看法為何。仔細探究後才知道,原來這則簡訊是 2015 年 7 月 30 日那天,張教授接受電台訪問關於她的最新研究成果時,在訪問之外的非正式聊天場合中提及醣類與癌症的相關研究,張教授分享自己儘量不吃黑糖以外糖的私人經驗。因為一般的糖屬於精製糖,成分單一且容易讓身體發炎,如果不得已一定要吃,她才會以礦物質較多的黑糖代替。

黑糖顏色深,精製程度較不高,相較於白糖而言多了礦物質跟些許蛋白質,不過整體而言每種糖的精製程度不會差異太大。圖/Ben Winnick @Wikimedia Commons

從這個事件脈絡的還原裡面,終於澄清了兩件事:其一是張教授吃黑糖的原因,並不是因為黑糖的礦物質就可以阻止身體的發炎;其二是張教授也吃糖,她並沒有說「千萬不能吃糖」這樣的話。

那麼,為什麼這則簡訊最後會被建構成這個樣貌呢?我們大概可以猜測,或許是相關人員聽完教授的看法之後,像是得到天大的消息一般,在訪問後就急著發送這則簡訊,趕緊告訴親朋好友這個驚人的消息。當這種簡短、容易理解,又與健康息息相關的結論一出現,大家看到這樣的訊息真的是沒有理由不轉傳給身邊的親朋好友知道,於是這種過於簡化、遺漏科學脈絡且不完整的資訊就開始在 LINE 群組中大肆轉發,誤導大眾的健康知識。

四、專家背書的簡訊一定對嗎:掐頭去尾易扭曲原意

從前面的討論我們可以知道,若單純追究這則簡訊中的科學原理正確與否,它確實具有相關的科學研究依據,並非完全無中生有。問題是出在科學研發的過程中會伴隨許多特定的脈絡及條件,偏偏社群媒體中的簡訊卻是短短的一條,掐頭去尾之後,許多情境及前提都不見了,甚至出現了許多內在的自我矛盾,例如簡訊前半段以非常篤定的語氣說「千萬不能吃糖」,可是怎麼到了後面又說「盡量少吃甜食」?而且簡訊最後一句又莫名其妙地補白糖一槍:「白糖真的能活化癌細胞」、「請務必遠離」,相信所有看見這則簡訊的人,除了產生滿滿的驚恐之外,大概也無法搞清楚吃糖跟發炎、癌症之間的關係究竟為何?

主角的確是專家沒有錯,但聽者所呈現的內容是否完整表達教授的原意?別只看到關鍵字「癌症」就失去理智。圖/PDPics @pixabay

另外,解剖員認為這則訊息可怕的地方在於一開始先用 84 個字來說服你簡訊中的主角是個「超級大專家」,當我們看到新聞或簡訊中有這些專業的大人物出現,就像是品牌掛保證,有專業人士的背書,你怎麼能不信?成大抗體新藥研究中心的主任出馬耶!而且還不是普通的主任,是以四億元創下台灣技轉金新紀錄的超級大咖!所以接下來專家說的話我們一定非信不可。

我們都相信主角的確是專家沒有錯,但值得深入推敲的卻是後續所呈現的內容是否完整表達教授的原意?會不會其實專家說了一個很長的故事(例如告訴你哪些糖為什麼能吃、哪些糖為什麼不能吃,以及如果真的不得已非吃糖不可,什麼糖會是合適的選擇),但聽者在轉述專家的意見時,可能只擷取了長長故事中自己聽得懂的部分,再加上一點自己的話讓語句通順與吸引人,結果撰寫出來的訊息卻與教授原意大相逕庭。

認真說起來這種「專家背書」的例子還真不少,像是看到專欄文章「The Data Says “Don’t Hug the Dog!”」(數據說:「別抱狗!」)是「加拿大英屬哥倫比亞大學心理系退休教授」撰寫就覺得這是一篇教授研究成果而深信不疑;或是聽到超有名物理學家霍金說 2030 年是世界末日就嚇出一身冷汗,準備為未來的二十年打算,又或是一收到有標明「陽明醫院公衛所張武修教授」說茶裏王飲料有毒的簡訊就開始驚慌失措。在這個資訊氾濫的年代,在相信專家之前,也請務必要先相信自己的邏輯判斷。

在這個資訊氾濫的年代,相信專家之前先停下來問問自己:「這是真的嗎?所有情況都適用嗎?」冷靜下來,相信自己的邏輯判斷。圖/giphy

解剖總結

當一則訊息中的真假交錯,包含科學研究或專業人士背書,又夾雜訊息產製者的個人推論與浮誇裝飾,對於非此專業領域的人而言,什麼是對、什麼是錯變得難以辨別。或許簡訊製造者只是出自一片想幫助大家,讓每個人都活得健健康康的善心,但若是不小心錯誤傳達了專家的建議,就可能弄巧成拙,不但無法反應原意,甚至讓自己變成一隻披著「專家」皮的狼,成為製造謠言的幫兇。關於這種類型的「專家背書事件簿」,本解剖室給予以下的評價(15 顆骷髏頭):

(策劃/寫作:蔡旻諭、黃俊儒、賴雁蓉)

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