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取代動物實驗有望?以人工智慧預測化學毒性準確度更高

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聽到動物實驗,在你腦中第一個浮現的畫面是甚麼?穿著白袍的科學家在實驗室裡對白老鼠打針?或是化妝品廠商把化學物質滴進兔子眼睛,來測試商品刺激性?

實驗鼠對人類的貢獻絕對不只有這樣,繼續往下看!圖/tiburi @pixabay

動物實驗的管轄範圍可能不只你想像的這些!除了我們常聽到化妝品或人體清潔用品的安全測試,在生物醫學的研究場域中,實驗動物常應用在藥物與疫苗的安全測試,或觀察感染源與腫瘤的生長情形。在生理心理學的研究領域,也經常以動物作為研究材料,透過研究動物行為,期待能將研究成果類比到人類的心智活動。當然,也有很多單純研究動物本身形態、生活習性或行為特徵等等,也算是動物實驗的範疇。

國研院動物中心企劃推廣組組長秦咸靜提到,從 1900 至 2016 年為止,103 位諾貝爾生醫獎得主中就有 84 位做的是動物實驗。所以從歷史上來看實驗動物的醫療貢獻,如果沒有這些動物的犧牲,我們對於醫療健康的知識不會有這麼大的進展。

由此可見動物實驗的範圍有多廣,還有實驗動物對於人類的貢獻有多深遠。

是說單純為了研究動物而實行的動物實驗可能沒什麼大問題,但如果是做化妝品、清潔用品測試,或研究人類疾病這種單純只「為人類服務」的動物實驗,一直以來都具有爭議。不過好消息來臨!在上個月中,美國約翰霍普金斯大學團隊發表在《Toxicological Sciences》期刊的研究成果,或許能夠大大的降低動物實驗的比率。

或許在未來使用實驗動物的數量可以大大減少。圖/Rama, wikimedia commons

電腦不只會揀土豆,還可以預測化學物質的毒性

人工智慧的浪潮來勢洶洶,以前可能從沒想過 AI 可以減少動物實驗,如今正一步步邁向以電腦預測取代動物實驗之路。不過話說回來,這到底是怎麼辦到的呢?目前最常見的替代動物實驗的方式叫做「讀取」(read-across),由於具有相同化學結構的物質,對人體健康的影響也十分相似,因此研究人員合成新的化學物質時,可以依據它的結構來推測毒性強弱。

研究團隊依循「讀取」的核心理念,花了兩年的時間,從 80 萬個動物實驗結果建立約一萬種化合物的毒性資料。這些資料來自於歐盟自 2007 年開始的「Reach」法規(Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals)中,規範化學品公司皆需將化學物質之安全資訊登記於歐洲化學品主管機關(European Chemicals Agency)。而截至 2018 五月總共登記兩萬筆以上的化學物質資料。

美國約翰霍普金斯大學研究團隊的通訓作者 Thomas Hartung 表示:「從資料庫中可以發現同樣化學物質的動物實驗測試重複了幾十次,像是把化學物質滴在兔子眼睛測試刺激程度。」

從資料庫中可以發現同樣化學物質的動物實驗測試重複了幾十次,像是把化學物質滴在兔子眼睛測試刺激程度。圖/usda, wikimedia commons

那該如何避免這種情況發生?Thomas Hartung 的研究團隊再從 PubChem 的公開資料庫和美國 National Toxicology Program 中取得資料,建置成含有一千萬種化學結構的超大資料庫,再把資料庫中的化學物質兩兩配對,比較它們的化學結構和毒理學特性,像是對眼睛、皮膚的刺激程度,或是 DNA 受損程度。

經過了 50 兆次的兩兩比較之後,團隊依照各化學物質的結構與對人類的健康影響,畫出「化學特性地圖」。最後,為了要檢驗這花了好一番功夫畫出來的地圖預測力如何,團隊隨機選擇一個化學物質,根據地圖來預測這個化學物質的毒理學特性之後,再把預測的結果拿去跟動物實驗的結果比較。

一般來說,如果把先前做過動物實驗研究的化學物質,再拿去做一次一模一樣的動物實驗,所得到的研究結果有 81% 的機率會跟先前結果一樣。而 Thomas Hartung 團隊的研究結果顯示,「化學特性地圖」的預測結果與先前動物實驗結果平均有 87% 相符。

「這真是令人大開眼界!或許未來許多動物實驗能夠以電腦預測取代,且能夠取得更準確的研究成果!」 Thomas Hartung 這麼說。

動物實驗真的可以完全消失嗎?

這份「化學特性地圖」雖然能高度還原先前的動物實驗結果,並能良好預測化學物質是否引起發炎、疼痛等對人體較單純的影響,但如果要評估對人體更複雜的危害,像是是否導致癌症或影響生育能力時,目前仍需要倚靠動物實驗來證明。也就是說,化學物質對人類健康的影響層面多元又複雜,光靠大數據的分析與預測就想要大小病通吃,可能還有一段很長的路要走。

即使在不遠的將來,這份化學特性地圖越趨完善,動物實驗就真的可以完全消失嗎?

基礎科學的研究與藥物開發的臨床前試驗,動物實驗的地位可能還是屹立不搖。圖/Maggie Bartlett, wikimedia commons

就像在文章前頭曾經提過,動物實驗的型態百百種,目前看起來化妝品、清潔用品等屬於毒理學領域的測試可能可以慢慢以電腦模型來取代,但是基礎科學的研究(包含觀察感染源與腫瘤的生長情形,及以動物行為來探討人類心智活動)與藥物開發的臨床前試驗,動物實驗的地位可能還是屹立不搖。

值得開心的是,有越來越多取代動物實驗的方法出爐,像是哈佛大學的韋斯研究所(Wyss Institute)研發出能夠模擬人類器官的 USB 大小晶片,以矽膠物質模擬人類器官細胞,細胞旁緊鄰空氣通道,研究人員把化學成分注入這些通道當中,就能夠模擬心、肺、腸道對藥物的反應。

我們無法否認動物實驗對於科學界的重要性與貢獻,但近年來科學家也竭盡所能研發出能夠取代動物實驗的研究方法,或許在人工智慧發展越趨成熟之際,這篇以大數據漸漸取代動物實驗的研究能有拋磚引玉的效果。

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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磁碟格式化檔案就沒了嗎?數位鑑識如何找回失落的檔案?

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  • 文/慕容峰│從事數位鑑識工作多年,在分析證物的過程中,彷佛側耳傾聽證物娓娓道來一般,同時審慎客觀地仔細分析察看,即便是旁枝末節也不輕易放過,浸淫其中而樂此不疲。

說起數位鑑識(Digital Forensics),多數人是丈二金剛摸不著頭,搞不清楚它是什麼來著。但只要提及熱門的 CSI 犯罪調查影集,大家便能心領神會,甚至還可以憶及相關橋段,引發熱烈討論。

磁碟格式化時會發生什麼事?

沒錯,只要是與電子跡證有關的,便是數位鑑識的範疇。而由於電子跡證具有易遭污染破壞的特性,因此,簡而言之,數位鑑識科學便是用嚴謹的程序及工具,對電子跡證進行提取並加以分析,以還原犯罪事實及手法的科學。

而在一椿涉及犯罪的調查案件中,任何具有儲存電子跡證的儲存媒體,例如手機、硬碟、隨身碟、CD/DVD、記憶卡等等,皆是不可輕忽的證物。以下且讓筆者以 Windows 平台為例,來為各位說明磁碟格式化的奧秘。

各位應該都有將硬碟或隨身碟進行磁碟格式化(disk formatting)的經驗,如下圖所示。

在真正開始進行前,還會彈出一個視窗讓使用者進行確認:

只見不一會兒功夫便完成格式化,會彈出如下圖的確認訊息。

被格式化後的分區之中,其原有的內容竟已不復存在,成了空空如也的狀態,如下圖所示。

由於格式化一個硬碟分區的效果,看起來就像是轉瞬間刪除掉該分區裡的資料夾及檔案一般。因此,在進行格式化前,使用者應該都會先確認已做好備份工作的前置作業,才會放心地進行格式化。

磁碟如何存放資料?「檔案系統」的秘密

在這看似已空無一物的硬碟分區之中,其實背後還藏著秘密。在此先賣個關子,且容我先為各位說明傳統硬碟與資料的關係。當使用者在電腦上建立檔案輸入內容時,傳統機械式硬碟如何儲存數據呢?由物理層面來看,是因為磁頭於磁盤上繪出正負極磁性不同的「圖畫」所致,這些便是使用者所儲存在硬碟中的資料。因此,要傾刻間徹底清除硬碟裡的所有資料,就必須要「消磁」。

而從邏輯層面來看,硬碟存放資料與「檔案系統」(Filesystem)有所關聯。舉凡你在檔案總管之中進行資料夾或檔案的增刪修改,皆是在檔案系統的機制下進行。我接下來以圖書館的書目館藏來做比喻,大家應該有到圖書館借書的經驗,通常到了館內,來到「檢索區」使用電腦進行書目館藏的查詢,便可知道你想要借的書是否在館內,且是位於哪個區域的哪個架上。這些書是依循一定規則經過分類編目的,而能快速地查找到其所在位置則是索引(Index)的效果。

如同圖書館裡的大量館藏受館藏系統管理,儲存在硬碟中的檔案,也受到檔案系統管理。而使用者只要透過檔案總管,就像使用館藏系統一樣便能輕鬆進行相關操作。簡而言之,檔案系統有維護著一個表格,存放著目前有哪些資料夾或檔案,及其名稱與所存放的位置等資訊。

各位可以想像一下,若此刻館藏系統因故關閉無法使用,你要如何才能找到想借的書呢?也許有人會說,很簡單啊,問館員或自己到處逛,應該也可以找的到。把此情境搬到電腦之中,就如同把前述檔案系統所維護的那張「表」給拿掉,此時檔案總管中還能看到目前有哪些資料夾或檔案嗎?答案絕對是否定的。

如此一來,各位便可以理解了,磁碟格式化的效果就如同把圖書館的館藏系統關閉,讓你無法藉由系統進行查詢了。而此時雖然看似什麼書都查不到了,但其實書還在架上並沒有不見。因此,硬碟分區格式化之後,只是失去了記錄相關資訊的目錄罷了,資料本體仍存放在原處。

各位可能或多或少都曾有過不慎將存有資料的裝置進行格式化的經驗,現在聽了上述解說,你便可以了解到要對遭到格式化的儲存裝置進行資料救援,並非難如登天,關鍵就在於找回檔案系統維護的那個「表」即可。只要有了那個目錄,想找到格式化前登記在案的那些資料夾和檔案,就輕而易舉不費吹灰之力了。

找回檔案配置「表」,就復原了檔案!

至於如何找到那張「表」?聰明的讀者應該已經猜到它肯定是個檔案才是。沒錯,而不同檔案系統的管理機制有所不同,其代表檔案配置的表也不同,以 NTFS 檔案系統而言,那張表叫做「MFT」;而 FAT 檔案系統的表則叫 FAT(File Allocation Table)。

也許有人會說他根本沒在檔案總管中看過這些檔案,的確,這配置表是屬於系統保護檔案,無法藉由檔案總管存取,但仍可透過鑑識工具或資料救援工具進行存取。

我們再把焦點拉回前述我們已完成格式化的隨身碟,儘管看似空無一物,沒有任何檔案或資料夾存在其中,但經以專業工具進行回復,竟能順利找到那些代表檔案配置的「表」了,如下圖所示。

也許有讀者會感到好奇,找到的表不只一張,那究竟哪個表能讓我們回復出最多的資料呢?專業回復工具會把可回復資料最多的表列為最高優先,如上圖的分析結果所示。

接下來我們就來看看這張表能否按圖索驥找出那些仍然存在的資料夾及檔案,果然沒有令我們失望,分析結果如下圖所示。只要挑選欲回復的資料夾或檔案加以匯出,便可完成資料救援工作了。

在一椿電腦犯罪調查案中,若鑑識人員發現證物電腦的整顆硬碟或特定分區,裡頭竟是空無一物,便會合理懷疑可能是遭到有心人士進行格式化等滅證行為發生。為了找出與案情相關的線索,以還原犯罪事實及手法,鑑識人員便會採用專業鑑識工具進行資料還原,再對還原出的檔案內容進行分析,釐清相關案情。

數位鑑識是門嚴謹的科學,各位應該聽過一句俗諺「The footprint in the sand shows where you have been.」這與常言道:「凡走過必留下痕跡」毫無二致。至此相信各位對數位鑑識科學應有了進一步的認識,下回將為各位進一步說明檔案刪除的奧秘,敬請期待。

參考資料:

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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

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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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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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你說的美是什麼美:心理學如何看待審美觀?由「新身分證」票選談起

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  • 文/何崇瑋

為何美感會因人而異?

由內政部舉辦的「身分證明文件再設計」大起爭議,網路票選獲得將近十萬高票的作品沒有獲得評審的青睞,而評審選出的作品卻只獲得寥寥可數的 46 票,這讓許多人對「審美觀」產生質疑:「究竟是評審曲高和寡?還是大眾的美感有待討論?」

不過,在這快節奏的時代,大量資訊的出現分散了人們的注意力,這可能造成人們的對作品美醜喜好的票選只憑一眼就決定,就如作家盛浩偉所言:「網友比較可能先是單點式的(甚至少數有心人才會認真瀏覽全部作品),但評審卻先是全面式地接收」。難道大眾的審美就真的比較膚淺且不如評審嗎?

心理學上如何看人們的「審美」?

什麼樣的事物會讓人覺得美,心理學上有個著名的「審美流暢理論(Aesthetic fluency)」(Reber, Schwarz & Winkielman, 2004)。這理論非常「簡單直白」: 當觀賞者欣賞一事物時,如果大腦愈能順暢地解讀,觀賞者愈會覺得美。

因此,「美」是來自於大腦的認知處理歷程,當認知處理愈順暢時,觀賞者會感到愉悅進而感受到「美」。後人也研究發現,當圖形愈複雜、結構愈不對稱,大腦處理會愈不順暢,人會因而覺得圖形愈不美,反之亦然(Jacobsen, Schubotz, Höfel & Cramon, 2006)。在真實生活中也可以發現人們對對稱結構的著迷,就是因為大腦處理起來輕鬆順暢,如此才美。

欣賞對稱的景象,人皆會覺得美。圖/Julian Yu @Unsplash

此理論的精隨在於融合了對美的「客觀」與「主觀」:物品本身的特性會影響處理歷程順暢與否,例如對稱性;人過去的知識經驗也會影響事物解讀的處理歷程,因此才會有著「情人眼裡出西施」,不同人有著不同的美感。

當然,人的美感並非如「流暢理論」這麼簡單!

之後,有許多學者發現「審美流暢理論」並不能完美解釋人的審美。例如,按照「審美流暢理論」,人看到新事物時並不會感受到美,因為缺乏過去經驗,大腦無法順暢處理。但研究發現並非如此,人在欣賞新物品時也會感到美,且愈典型常見的事物也並不一定會覺得美(Blijlevens, Carbon, Mugge & Schoormans, 2012)。生活中也可以發現人們對新物品感受到美的例子,2007 年 Steve Jobs 展示第一代 iPhone 時,iPhone 的設計在當時並非手機的典型,人們卻望著 iphone 讚嘆它的美。相反的,人會看膩常見的事物,你會看著一塊常見的橡皮擦,然後欣賞著橡皮擦的美嗎?

初代 iPhone 的問世時,人們對此從未看過的手機讚嘆它的美。圖/Kim Støvring

因此後來有學者提出「審美流暢理論」的改版 :「愉悅─興致的審美模型(Pleasure-Interest Model of Aesthetic Liking, PIA Model)」 ( Graf, & Landwehr, 2015),此理論認為人在觀賞物品前會有所預期(我要來投新身分證的票囉),而在觀賞時勢必會遇到與預期不符的情形(喔!這個身分證設計跟我想像的不一樣),也就是大腦在處理看到的訊息時有了不流暢感(disfluency),此不流暢感會「序列性地」經過兩階段的審美處理:

第一階段:主要是受到物體本身的整體特性所影響,人們看到物體的第一眼時,大腦就會「快速自動地」處理產生不流暢的訊息,大腦並沒有多餘的意識介入。此時的自動處理可能產生愉悅感(哇有我喜歡的粉紅色)或厭惡感(畫面怎麼會有噁心的蟲),這都是受到作品本身特性所影響。

第二階段:當人們想要更進一步想賞物品時,就會進入第二階段。此階段主要受到觀賞者的動機以及背景知識所影響,需要有意識地動用大腦的認知資源。如果人們能動腦順利解開謎題時,會因而產生興致;如果人們就算動腦也搞不懂所看到的東西是何物時,就會因此產生困惑。

我們來做個小實驗,請你一起來觀賞下面這張圖。

是不是讓你產生了興致呢?乍看之下是個白雪公主(第一階段審美),但白雪公主好像有哪裡不一樣(不流暢感),仔細一看就發現原來還有福爾摩斯(第二階段的審美產生興致)。

值得注意的是,如果從頭到尾與預期相符,大腦完全流暢地處理看到的訊息,人就會因此感到無聊。因此,審美並非能讓大腦處理愈流暢愈好,而是要有適當的難度,讓大腦有適當的不流暢感。例如,畫面的「複雜度」會影響著人們的審美,不會太單調又不會太複雜的畫面最會讓人感到賞心悅目(Güçlütürk., Jacobs & Lier, 2016)。

研究發現人們會最喜歡不會太單調又不會太過於複雜的畫面。圖/Güçlütürk, Y., Jacobs, R. H., & Lier, R. V. (2016). Liking versus complexity: decomposing the inverted U-curve. Frontiers in human neuroscience, 10, 112.

如何用「審美理論模型」解釋票選行為?

前面提到大眾可能膚淺地只憑一眼就進行票選,確實有不少研究證實人會有快速審美的現象。例如,研究者呈現一網頁畫面給受試者看,但只短短呈現 50 毫秒。在這短短 50 毫秒之內,根本還沒仔細看清且還尚未親手操作,就已對網頁外觀產生美醜的印象,就算研究者把畫面呈現時間延長到十倍,其印象評分也與只呈現 50 毫秒一樣(Lindgaard, Fernandes, Dudek & Brown, 2006)。而這種快速審美也會影響後續決策,當人們覺得網站的外觀吸引力愈高,也會覺得網站愈容易使用,對其的信任程度也愈高(Lindgaard, Dudek, Sen, Sumegi, & Noonan, 2011)。此現象不僅止於觀看使用者介面,人對第一次見到的陌生人也是如此(Willis & Todorov, 2006)。

因此,如果網友是快速瀏覽就決定要投票給哪件作品,並沒有花更多的心思欣賞每件作品時,可能就只是讓自己快速審美這些作品。不過如果按照剛介紹的「愉悅─興致的審美模型」,就可發現這種快速審美是因為審美只停留在第一階段,並沒有過多的意識介入。在第一階段,人的確會看一眼就自動地對物品本身的特性評論美醜,但如果是願意花心思去欣賞(例如我想真實了解這件作品),讓自己進入第二階段的審美,說不定就會發現作品在第一階段審美時所沒發現的「美」。

快速且大量的接收新資訊,可能使民眾未能做出最合乎自身審美的選擇。 圖/fancycrave1 @Pixabay

總而言之,的確有可能有些網友的投票是受限於時間緊迫或其他因素,只憑第一印象去投票。但這不是大眾的美學素養膚淺,只是沒有花心思靜下心來好好欣賞而已。

說完了心理學對審美的看法,可以怎麼解讀「新身分證」評審與大眾美感上的不同呢?

剛剛提到的審美模型,有一點很重要:人的背景知識會影響審美

因此,評審與大眾選出來的作品不一樣就不是一件奇怪的事了。研究也的確發現,「受過美術訓練的專家」與「沒受過美術訓練的一般人」會因為背景知識的不同而有不同的審美觀:一般人覺得抽象畫比較不美,但覺得繪有具體事物的具象藝術比較美;反觀專家不僅覺得具象畫美,抽象畫也會覺得美。研究甚至還發現,「觀賞作品時的生理反應」與「觀賞者對作品『美』的評分」無關,反而是「背景知識」與「『美』的評分」呈現正相關(Van Paasschen, Bacci & Melcher, 2015)。

這時我們來看獲得評審青睞的「新身分證」,請各位想像自己是評審,進入審美第二階段來好好欣賞。此時可以發現,設計獎的新身分證背景有許多「抽象線條」,完全與上述提到的研究一致:專家覺得抽象畫美而生手覺得抽象畫不美。這時你是不是能理解評審為什麼會喜歡這件作品,而大眾比較無感了嗎?

設計獎的新身分證,可以發現背景有些許抽象圖案。圖/Identity Redesign

再來我們來看網友票選第一的「新身分證」,可以發現背景有非常具象的圖案──山脈。這時你是不是可以理解為何此件作品相較於設計獎的作品,比較會受到大眾的青睞了呢?

人氣獎的新身分證,可以發現背景有著具象圖案。圖/Identity Redesign

綜合上述,從心理學的角度可以發現,人的審美是有不同階段,而且會受到背景知識所影響的。因此評審或是大眾審美觀有所不同都是正常的,並沒有誰好誰壞的問題,不會有人故意選一件自己覺得不美的作品。這時,您是不是對這次的事件有了不同角度的理解了呢?

參考資料:

  • Blijlevens, J., Carbon, C. C., Mugge, R., & Schoormans, J. P. (2012). Aesthetic appraisal of product designs: Independent effects of typicality and arousal. British Journal of Psychology, 103(1), 44-57.
  • Graf, L. K., & Landwehr, J. R. (2015). A dual-process perspective on fluency-based aesthetics: the pleasure-interest model of aesthetic liking. Personality and Social Psychology Review, 19(4), 395-410.
  • Güçlütürk, Y., Jacobs, R. H., & Lier, R. V. (2016). Liking versus complexity: decomposing the inverted U-curve. Frontiers in human neuroscience, 10, 112.
  • Jacobsen, T., Schubotz, R. I., Höfel, L., & Cramon, D. Y. V. (2006). Brain correlates of aesthetic judgment of beauty. Neuroimage, 29(1), 276-285.
  • Lindgaard, G., Dudek, C., Sen, D., Sumegi, L., & Noonan, P. (2011). An exploration of relations between visual appeal, trustworthiness and perceived usability of homepages. ACM Transactions on Computer-Human Interaction (TOCHI), 18(1), 1.
  • Lindgaard, G., Fernandes, G., Dudek, C., & Brown, J. (2006). Attention web designers: You have 50 milliseconds to make a good first impression!. Behaviour & information technology, 25(2), 115-126.
  • Reber, R., Schwarz, N., & Winkielman, P. (2004). Processing fluency and aesthetic pleasure: Is beauty in the perceiver’s processing experience?. Personality and social psychology review, 8(4), 364-382.
  • Van Paasschen, J., Bacci, F., & Melcher, D. P. (2015). The influence of art expertise and training on emotion and preference ratings for representational and abstract artworks. PloS one, 10(8), e0134241.
  • Willis, J., & Todorov, A. (2006). First impressions: Making up your mind after a 100-ms exposure to a face. Psychological science, 17(7), 592-598.

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科研資源的分配也有馬太效應嗎?

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馬太效應」(Matthew effect)指的是即使兩個研究者的能力相當、對科學的貢獻也相當,但原本就有名的那位會比原本無名的那個得到更多的關注與認可。

比方說,只能有一個獲獎人的獎項通常會被頒發給原本就有名的那位(實驗室大老闆),而不是原本默默無名的那位(苦情研究生);於是有名的科學家愈來愈有名,相對地也能夠累績更多的名聲與資源。

馬太效應典出《馬太福音》「凡有的,還要加給他,叫他有餘;凡沒有的,連他所有的也要奪去。」圖/pxhere

馬太效應最初由社會學家羅伯特·莫頓(Robert K. Merton)於1968年所提出。但要如何解釋為何會有這樣的現象呢?一種可能的解釋會是:這些人得到了資源(不管是研究經費、人脈、或其他各式各樣的資源),後續當然更有機會有高品質的研究產出,有了產出後當然就能得到更多的獎項、資助與名望。

只不過,一項新研究顯示上述解釋恐怕不是唯一的原因。

圖/maxpixel

當然過去也有不少研究試圖釐清「馬太效應」的成因,但總是有個很大的限制──

搞不好獲獎人真的在某方面比沒得獎的人更優秀啊!

決定研究人生分水嶺的那一分

新研究克服這項限制的方法,得力於荷蘭的一個研究經費方案 Innovational Research Incentives Scheme 的機制。這是荷蘭的年輕研究者獲取初期研究經費的最主要來源,它機制的特別之處在於他們判斷申請者能不能拿到經費是基於每個人的分數是否達到標準。

例如,我們假設標準是 60 分,那就表示分數超過 60 分的人都可以得到經費,低於 60 分的人都拿不到。所以,61 分的人跟 96 分的人都可以拿到錢,59 分的人跟21 分的人卻都一毛錢也領不到。但是我們可以想像,61 分的人真的有比 59 分的人厲害到哪裡去嗎?就像考試的時候,猜錯一題選擇題可能就是及格與不及格的差別啊。

所以研究者們假設:

分數剛好通過、跟分數非常接近但未達標準的兩群年輕研究者的實力其實是相當的,但兩群人基於運氣好或不好,只有其中一個拿到了這筆重要的研究經費。那麼這些人在他們往後的研究生涯中,得到了什麼不一樣的待遇呢?

圖/flickr

結果顯示,在那些分數剛好通過標準因而獲得初期研究經費的這群人之中,有較高比例的人日後也成功獲得了其他研究經費(相較於分數接近但未獲得初期研究經費的那群人)。

這個現象不斷重複的結果,導致在八年後,其中一群人所累計得到的研究經費總額比另一群人所得到的經費的兩倍還要多(這還沒把第一筆錢算在內)!還有,在10-16 年之後,這群人有28%成了正教授,但另一群人只有 19% 獲得正教授的職位。

問題是,第一群人的研究產出真的有比另一群人高嗎?就像先前提到的解釋:

得到經費的人或許做出了更好的研究,因而幫助他們申請到更多的經費。

研究的結論恐怕不支持這項解釋。

圖/maxpixel

因為這兩群人在得到第一筆研究經費前後(前十年內與後五年內),兩者的論文發表數量(publication)、論文被引用次數(citation)、以及H指數(H-index,是一個綜合評量產出與品質的指標),都不相上下。

顯示至少在得到這筆重要的初期研究經費之後五年內,這群分數低空飛過的年輕研究者,之所以能得到更多其他的研究經費,並不是因為他們拿了這筆錢之後有了更好的研究成果。而或許只是因為他們的簡歷上,「研究經費」的欄目裡面多了一行。

這項新研究也發現,一開始申請失敗的那一群人,日後有較少比例的人會繼續申請幾個大型的研究經費(但並不是因為這些人離開學術界或搬到別的國家,就只是因為他們不願意再繼續申請)。當然除了鼓勵失敗的人不要灰心,可以繼續嘗試以外,更重要的是,制度應該有所改變了。

參考文獻

  • Bol, T., Vaan, M. de, & Rijt, A. van de. (2018). The Matthew effect in science funding. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(19), 4887–4890. doi:10.1073/pnas.1719557115

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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

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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讓手機「逼一下」就完成感應、支付、開鎖的 NFC 是怎麼運作?又有哪些應用呢?

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  • 作者/施登騰 中國科技大學互動娛樂設計系 助理教授 (右手寫古器物藝術鑑賞,左手寫博物館科技新知,是古今複合型大學老師)

既熟悉又陌生的 NFC

NFC (Near Field Communication)指的是短距離無線通訊,這是在 Android 手機上相當普及的無線支付、傳輸、感應、通訊應用。

NFC 技術是在 RFID(即大家熟悉的悠遊卡感應)基礎上研發的,早在 1997 年就使用在星際大戰玩具上,後來由 Nokia、Sony、Philips 三家大廠共同研發,並在 2007 年初次使用於 Nokia 6131 手機後,於 2009 年正式推出這項技術。隨後,Google 開始投入 NFC 的研發與應用,所以在 2010 年就由 Samsung 協助開發出 Google 第一款搭載 NFC 的 Android 手機-Samsung Nexus S;並在 2011 的 Google I/O 大會上宣布與示範 NFC 在遊戲,以及分享通訊、網址、應用程式、或影片方向的應用。

隨著無線支付機制與習慣的普及,搭載 NFC 功能 Android 手機在 2012 年就有 300% 以上的成長,在 2017 年更達到 20 億台。而原本只支援無線支付 Apple Pay 的 iOS 系統手機,則在 2017 年 6 月 Apple 宣布 iOS 11 以及 iPhone 7 與 iPhone 7 Plus 以上的手機開始支援 NFC App;自此 iPhone 手機就可以使用無線支付以外的應用,開發者也能透過 Core NFC 開發與發佈應用程式。Apple 此舉被視為移除了 NFC 應用的最大障礙。

NFC近距通訊認證標誌。圖/nxp

了解 NFC 近場通訊的歷史背景後,大家都熟悉又陌生的 NFC 使用方法與應用功能,其實就像其他的通訊資訊傳輸一樣,說明如下:

  • 資料傳輸:可分享圖文、網址、通訊錄、電話號碼、樂曲、影片或相片等資料,並可作為支付、驗核、電子票證等類資訊的發送、接收、與確認。
  • 使用方式:可進行非接觸式點對點資料傳輸,範圍是0~20公分。此即NFC重要的近場高頻無線通訊技術基礎上的特殊數位資料傳送方式。
  • 對接形式:NFC 裝置與標籤的對接傳輸形式主要是以下圖所示之兩類,也就是「『NFC手機』+『NFC Tag』」或「『NFC手機』與『NFC手機』」等。

左邊圖示為:「NFC手機」接收「NFC Tag」訊號;右邊圖示為:「NFC手機」與「NFC手機」傳通。圖/taptrack.com

來看看 NFC 的精采應用

Nokia、Sony、Philips 三家公司為推廣 NFC 應用,並推動 NFC 技術標準,進而成立非營利組織 NFC Forum。該組織以 2017 年公佈的「NFC Innovation Award Winners and Semi-Finalists」( NFC 創新獎)的精彩作品去介紹,會讓大家對NFC有更多的認識,並且也據以提出可能的應用。

最佳新創公司獎項得主:IO NFC Sticker (NFC貼紙)(支援Android 4.0以上)

Dimple 的 NFC 按鈕可透過手機設定並且直接貼在手機背面。圖片來源:youtube

「如果透過自己在手機機體上設定的NFC按鍵,一按就能馬上可以啟動手機裡的:相機、手電筒、電話、鬧鐘等功能。而且有專屬應用程式,要設定與更換按鍵功能都非常簡易,一排四個按鍵也不需電源,隨貼即用。」這聽起來是不是很實用呢?知名部落格 Unbox Therapy 對此產品也有很高的評鑑,他的拆封分享、設定使用、實際體驗等內容請見影片。

最佳手機應用程式獎得主Khushi Baby/ Healthy Baby (NFC穿戴項鍊)

此內建 NFC Tag 的數位項鍊是在印度鄉下推廣使用,它可以記錄幼童健康的數位資訊,而不需再用傳統的紙本紀錄,因為紙本既不方便又難維護,Khushi Baby 的 NFC 標籤,可以透過手機軟體即時更新儲存健康資料,使幼童健康履歷隨身攜帶,方便後續進行各式醫療前的個人健康資訊取得。況且 NFC 標籤既輕薄易用,又可放置在各式物品中。因此此為解決貧困鄉村醫療資訊問題的創新產品,也充分發揮「社會設計」的以設計手段解決社會問題的功能。

Khushi Baby項鍊內嵌NFC Tag。圖片來源:youtube

幼童穿戴Khushi Baby項鍊式NFC Tag的樣子,網站中也有更多的說明。圖片來源:khushibaby.org

最創新 NFC 產品、服務、成品決賽入圍:Blulog 溫度監控NFC卡

這項 NFC 應用是將 NFC Tag 設計在明片型大小的產品中,厚度僅有 2.5 mm,可與包裝箱隨運,並且全程記錄監控箱內商品的溫度,也具有 GPS 定位追蹤功能,可以說是具有多元智慧功能的溫度監控記錄數位標籤,是針對新鮮食品的低溫運輸系統(Cold Chain)所研發的科技產品。

此產品而且只要用以手機輕觸就可以讀取商品在低溫運輸過程中的溫度監控、GPS 歷程等資料,所偵測到的溫度誤差也只有 0.2~0.4℃ 而已。而且根據 Blulog 的官方網站資料, Blulog NFC 卡還有警報二極管(alert diodes)只要在低溫運輸過程中有問題,就會發出警示訊號,而且 Blulog NFC 卡最便宜的版本為 10 歐元,可維持 30 天到 1 年。

Blulog的溫度監控NFC標籤很輕薄。圖片來源:youtube

只要用手機即可讀取Blulog數據。圖片來源:youtube

最佳新創公司決賽入圍:內建 NFC 讀取功能分酒機〈Kuvee Connect

Kuvee Connect 是款創新產品,可以由下插入葡萄酒瓶於器體內,並作為分酒機,Connect 器身上還有 LCD 觸控螢幕,會在葡萄酒插入後讀取該瓶葡萄酒的NFC資料,而在LCD觸控螢幕上顯示包括評價、評等、推薦資訊、酒商、酒莊等資訊。是款具有食用分酒機功能,又具備NFC資料讀取應用的創新產品。可透過影片進一步了解使用方法:

最佳手機應用程式獎決賽入圍: Nestech Smart Lock (智慧門鎖系統)

Nestech Smart Lock是由台灣團隊所研發的,主要是將NFC技術應用在電子鎖、飯店發卡系統上。目前該公司的電子鎖產品已經量產,在許多購物網站上都可以看到,並在功能上特別介紹「手機App遠端控制並直接產生密碼」、「子母卡感應設定」、「NFC手機前台管理」、「200組密碼」等特色。

台灣團隊Nestech推出智慧門鎖系統。圖片來源:youtube

以上是 NFC Forum 2017 年公佈的「NFC Innovation Award Winners and Semi-Finalists」( NFC 創新獎)中幾款值得推薦的 NFC 應用產品。如果還有興趣了解NFC的應用,可以再看看部落客艾格所寫的「手機的NFC功能來能幹嘛?6個你應該知道的NFC更多應用」。

談談 NFC Tag 標籤

NFC應用的原理是主要以點對點方式,在20公分近距離內即可讓NFC手機或標籤進行交易存取。特別是NFC Tag 標籤是相當輕薄的晶片,共有5類,實際產品照片如下圖,就像張貼紙般。

NFC感應標籤十分輕薄。圖片來源:s.yimg.com

雖然 NFC Forum 網站也針對各類 NFC Tag 特性與功能提供說明  ,但在本文則引用臺灣科技大學整合數位服務實驗室所整理的簡報資料來介紹,而且該份簡報對於Android NFC技術有相當清楚的說明。

就如下圖所示,NFC Tag 基本上分為五類,共有 type 1-4 與其他類。這些類別在相容產品(Compatible Products)、記憶容量(Memory Size)、單價(Unit Price)、資料擷取(Data Access)方面均有不同。在台灣的售價大概是在 20~150 元左右。在形狀上共有:硬幣形、圓形吊牌形、貼紙形、電池釦形、卡片形等等,方圓均有,有些甚至與嵌入產品中,像是手錶、鑰匙扣、喇叭等等。

各類NFC標籤功能的列表說明。圖片來源:slideshare

博物館與展場可以如何使用 NFC 技術?

其實能找到的 NFC 博物館應用案例並不多,倒是 Nokia 在 2011 年與倫敦博物館(Museum of London)推出的 NFC 應用,算是比較早的案例。相對於掃描二維碼、圖文、物品,或由藍芽傳輸的等 QR Code、AR(Augmented Reality)、iBeacon 來說,NFC 確實是個簡便又迅速的資料傳輸/讀取技術。前面介紹過 NFC技術與 NFC 標籤,所以對 NFC 標籤可以內嵌數位資訊等候讀取的這個技術應該不陌生。但 NFC 如何應用在博物館展場提供數位服務呢?以倫敦博物館的案例來說,Nokia 在展區中設計了兩項 NFC 運用方式如下:

  • Find Out More : 在許多件展品的說明牌下方,另外貼有「Find Out More」的牌子,這牌子內嵌了儲存該展品的圖文、影片、網路資訊的 NFC 標籤,讓訪客用 Nokia 手機輕觸就可在螢幕上讀取資料,以更深入地認識展品。
  • Check In on Facebook / Sign Up to eNews/ Follow Us on Twitter:在服務區的 Check In/Sign Up/Follow 立牌中也內嵌 NFC 標籤,以手機輕觸後,即可登入或登錄專屬數位服務社群與新聞平台。

訪客正以手機輕觸說明牌去讀取展品資料。圖片來源:youtube

所以 2011 年 Nokia 在倫敦博物館所展示的 NFC 應用,也就是前面所介紹的 NFC 資料傳輸基本功能:「分享圖文、網址、通訊錄、電話號碼、樂曲、影片或相片等資料,並可作為支付、驗核、電子票證等類資訊的發送、接收、與確認。」

基本上,從慣用方式上去理解 NFC 功能其實能更清楚,那就是 NFC 手機為終端的接收器 (Receiver)、驗證機 (Verification)、交易卡 (Trading Card) 等功能,因此就如下圖,使用 NFC 手機可進行下列事項,也提供展場功能規劃的設計想法。

此圖提供很完整的 NFC 智慧服務功能。圖片說明:rfpage

  • 停車管理 (Parking Access Management):與目前停車卡與悠遊卡使用方式一樣,可以有效進行進出管制與流量監控。展區管理也可導入此技術功能。
  • 門禁控管 (Access Control):就像前面介紹目前已有多款使用NFC的電子鎖,用在無鑰匙門禁(Keyless Access)也是很常見的功能。展區的展件、裝置、設施的啟動均可使用此功能。
  • 票務 (Ticketing):電子票務已是兵家必爭之地,因為智慧票務(Smart Ticketing)或電子票務(E-Ticketing)結合NFC的數位標籤或實體標籤後,已可取代傳統票卷,而且可以置入行銷宣傳,提供海報、廣告、傳單、資訊的連結。
  • 資訊傳輸讀取 (Data Exchange Between Two Mobiles/ Receive From NFC Tag):這是 NFC 最常見的基本應用。目前也用在醫療服務、健康照護等等領域,所以已有廠商著手於搭配的NFC Tag功能的小型配件,像是手環、項鍊等等。這功能也能提供博物館/美術館等展館很多資訊提供服務的想像,不管是隨附於展品、安排在特定位置、整合於特定設備。
  • 行動支付 (Contactless Payment):目前以手機作為智慧卡(Smart Card)或支付卡(E-Wallet),已經是目前很普及的用途。這對於博物館/美術館等展館導入金融服務與行銷服務是相當有幫助的,像是聯名卡、跨館際消費、會員服務、優惠服務等等。
  • 運輸卡 (Transport Cards):此功能常見於貨品運送上,作為運輸過程中貨物資訊、溫度監控、GPS 定位追蹤等,都是運輸業很需要也很實用的功能。博物館/美術館展品管理與運送上也會有此功能需求。

因此,在前面的許多說明與範例介紹後,相信各位也瞭解與認同,無論是本文要刻意導入的博物館/美術館使用方面的想像,或者是其他的應用,NFC 都是相當值得期待的數位技術與產品。在此相當推薦進一步去了解一款目前已在紐約庫柏休伊特設計博物館 Cooper-Hewitt Smithsonian Design Museum 使用的互動筆( The Pen),此數位筆型裝置也是使用 NFC 技術去讀取與儲存展品資訊。

The Pen是曾為克里夫蘭美術館製作 Gallery One 成功案例的 Local Projects 為紐約庫柏休伊特設計博物館所研發的。The Pen不僅能在多媒體螢幕上創作與互動,也能夠讀取 NFC 標籤的數位資訊,並且透過雲端蒐集個人喜歡的展品資料。下圖是其設計概念。而庫柏休伊特設計博物館在宣傳上,將此筆在展場中的用途功能定調為三大項:Explore探索」、「Create 創作」、「Collect蒐藏」

 

The Pen的設計構想。圖片來源:cooperhewitt.org

作為發揮「探索」、「創作」」、「蒐藏」功能的重要數位裝置,The Pen 除了當作參與創作而在螢幕上繪圖的數位筆之外(畢竟此展館是著名庫柏休伊特設計博物館),也作為 NFC 標籤的讀取與儲存裝置,可用The Pen探索與蒐藏自己喜歡的展品訊息。不僅透過筆端的傳感器讀取嵌入在展品說明卡上的小型NFC標籤中的訊息。

也可以透過高解析螢幕的互動桌,讓訪客將 The Pen 所蒐藏的展品資訊,放到螢幕上觀看。此功能讓訪客有如在參觀過過程也擔任自己的策展人,設計自己專屬的展覽。所以在互動桌上整理編排好後就可以儲存到雲端(庫柏休伊特設計博物館管理),並且取得圖標(Collect Symbol)與編碼(Code)後,就可以到網站輸入專屬編碼,在家查看自己蒐藏的展品資訊。相關步驟如下面組圖,欲了解其操作請看影片

使用The Pen讀取資料。圖片來源:cooperhewitt.org

The Pen所儲存的訊息也可以在數位互動桌的螢幕上觀看。圖片來源:cooperhewitt.org

在博物館取得專屬編碼後,隨時都可上網登入讀取所蒐藏的展品訊息。圖片來源:cooperhewitt.org

小結

上面所介紹的 NFC 技術內容與範例,其實都提供了許多 NFC 應用在展示場域作為數位資訊或個人服務的許多想像。由於 NFC 標籤的價格不貴(前面提到約20~150元),也可透過許多 App 進行編輯與管理,而且相當輕薄可嵌入或黏貼於其他物品,或者製成特色商品,這些優勢都是值得納入服務構想的特色。下面有「Call to action」與「Participatory Experiences」等使用建議提供參考。

Call to action (行動呼籲)

非常建議採用「Call to action」的概念,以NFC手機為發想點,專注在NFC 手機作為終端的接收器(Receiver)、驗證機 (Verification)、交易卡與票卷 (Trading Card/Ticket)的功能,再去接軌各項適合訪客的數位服務功能。而且,使用像是「Find out more」的提示引導進行主動探索,以接續後面的蒐藏、讀取等服務。

The Pen算是目前比較值得了解仿效的數位 NFC 服務,其實若不考慮其數位繪筆功能的話,以 NFC 手機取代 The Pen 的方式,也能讓此展品資訊探索、蒐藏、讀取的操作方式與功能,在其他展館提供很直覺且客製化的數位服務。

Participatory Experiences(參與式體驗)

由 The Pen所提供的個人化展品資料庫功能,與參與式體驗(Participatory Experiences)形式,其實也和其研發公司〈Local Projects〉在克里夫蘭美術館所提供的 ArtLens Wall 服務很像,都能提供個人專屬展件資料蒐藏與讀取。當然其差別就是 The Pen是在參觀過程中讀取與蒐藏鍾愛的展品資訊,然後在數位桌讀取編輯並上傳專屬雲端位址;而 ArtLens Wall 則是讓參觀者在 40英尺長、720p解析度的多媒體螢幕上,由該館提供的 4000 多件數位典藏品中,選取自己喜歡的展品,並將資料下載到專屬 iPad 導覽器上,作為導覽輔助進行參觀。

因此,本文建議在展場互動上,可以鼓勵參與的 Call to action 去觸發動機,以個人化的 Participatory experiences 去創造專屬感,這樣的話,NFC 所提供的便利技術與數位服務也就能夠更有創意的使用在各式場域與活動中。

訪客在借用ArtLens Wall專屬裝置後,就放置在ArtLens Wall前座子上,等候接收個人鍾愛的展品資料。圖片來源:youtube

訪客可以在ArtLens Wall近40尺的螢幕上,從4000餘件展品選擇。圖片來源:youtube

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《科學美國人》雜誌創刊 │ 科學史上的今天:08/28

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1909 年 1 月 14 號發行的科學美國人 Automotive Number 封面,封面概念為左下紅字標題「競速(Speed Rivals)」。 圖/Wyoming_Jackrabbit License Source

1845 年的今天,《科學美國人》(Scientific American)雜誌創刊。是的,你沒看錯,這本影響深遠的科學雜誌已經 170 歲了!它比時代雜誌、紐約時報都還更早創刊,事實上,它是美國現存歷史最悠久的刊物。

《科學美國人》原本是只有四頁的報紙,每週出刊一次,訂閱一年份要美金兩塊錢。創辦人波特(Rufus M. Porter)的正職是壁畫畫家,也是個業餘發明家,發明了洗衣機、脫穀機、製繩機、……等各種可以節省勞力的動力機械。或許是因為這樣的背景,《科學美國人》剛開始的內容以介紹新發明為主,尤其是正在美國專利局審查的發明。不過,十個月後波特就將雜誌賣給別人了,直到 1948 年才又轉手易主,目前則是納入英國麥克米蘭(Macmillan Publishers)旗下的「自然出版集團」。

《科學美國人》向來就無意成為像《自然》那種學術性的科學期刊,而是要以淺顯易懂的方式向一般大眾介紹最新發明與科學新知。它也的確贏得許多發明家的認同,例如貝爾與愛迪生就都不吝於提供他們所發明的電話與燈泡的圖解給《科學美國人》;愛迪生還親自向編輯們演示留聲機的工作原理。萊特兄弟也在試飛飛機期間就邀請《科學美國人》的編輯前來拍攝記錄,拍下許多珍貴的歷史時刻。還有無數的科學家都樂意為《科學美國人》撰稿,其中還包括一百多位諾貝爾獎得獎者,例如愛因斯坦、薛丁格、波耳、克里克、……等等。

一百多年來《科學美國人》歷久不衰,目前還以十八種語言在世界各地發行(國內即是由遠流發行的《科學人》雜誌),始終是最有影響力的科學傳播雜誌。我們在此說聲:生日快樂!也祝它繼續以最長壽的紀錄保持者啟迪一代又一代的年輕心靈。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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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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想加入公民科學家的行列嗎?「台灣公民科學社團名錄」佇家啦──《意外的守護者》附錄

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  • 作者/林大利,特有生物研究保育中心助理研究員

圖/pxhere

由台灣自發的公民科學計畫,以生態相關的主題最為蓬勃。

● 二○○三年,國立東華大學楊懿如副教授著手推動「台灣兩棲資源調查」,從東台灣各級中小學出發,目前已擴展到全國各地,成為台灣最早的自發性公民科學計畫。

● 二○○九年,由政府機關、大專院校及民間組織共同發起的「台灣繁殖鳥類大調查」正式啟動,成為亞洲第一個執行繁殖鳥類調查的國家。在多元夥伴關係的合作之下,順勢進一步推動了「台灣鳥類生產力與存活率監測」、「台灣新年數鳥嘉年華」與「eBird Taiwan」等三項公民科學計畫,讓所有會出現在台灣的鳥類,幾乎都成為公民科學計畫的研究對象。

● 二○一一年,特有生物研究保育中心林德恩助理研究員於臉書設立「四處爬爬走:路殺社」,收集野生動物被車輛撞死的案件。然而,在參與人數逐漸增加、社群媒體、無線網路與智慧行動裝置的普及等無心插柳的種種原因之下,路殺社的成員與資料量快速增加。

路殺社的成功,以臉書社團為資料及平台的公民科學計畫如雨後春筍般快速增生,包括蝸牛、蜘蛛、蛾類及鳥類食性。讓「拍照打卡」不只是享用美食之前的小儀式,也成為公民科學家累積大量生物時空分布資料的舉手之勞,促成了這些機會型公民科學計畫。

除了生態相關的公民科學,天文學和氣象學也有許多大型公民科學計畫,不過大多是由國外機關發起,台灣的公民科學家直接參與計畫。例如「星系動物園」、「瓦普空間」和「氣旋中心」。

近年,台灣大學大氣科學系林博雄教授推動「都市微氣象網」,透過微型感測器與智慧型手機的結合,收集更細微的氣象資料。至今,公民科學已經不再是新穎陌生的運作模式,雖然改善了資料收集效率的問題,但是,面對龐大多源的資料,還需要相關研究人員分析,獲得解決問題的答案。

台灣公民科學社團名錄

台灣繁殖鳥類大調查(Breeding Bird Survey, Taiwan)

於二○○九年由特有  生物研究保育中心、中華民國野鳥學會及台灣大學生態與演化研究所共同發起,目的在於長期監測台灣繁殖鳥類的數量變化趨勢。目前全國大約有二百五十位志工,分別在三百個樣區執行調查,包括玉山主峰,每年出版年度成果報告。

台灣鳥類生產力與存活率監測(Monitoring Avian Productivity and Survivorship program, Taiwan)

目標是瞭解台灣繁殖鳥類的「人口金字塔」,也就是某一種鳥各個年齡和性別的數量,在生態學稱為「族群結構(population structure)」。有些鳥類的年齡和性別,必須抓在手上檢視才有辦法判斷。因此,徒手檢視鳥類外觀的「繫放技術」便成為這項計畫的重要能力,也讓此計畫的參與門檻相當高。目前共有七個繫放站。

台灣新年數鳥嘉年華(Taiwan New Year Bird Count)

目標是長期監測台灣冬候鳥的族群變化趨勢,尤其是度冬水鳥,包括雁鴨、鷸鴴和鷗等等。這是一個老少咸宜的公民科學,只要在活動指定的冬季期間和半徑三公里的樣區圓範圍內,與帶隊的「鳥老大」一起賞鳥,記錄觀察到的鳥類種類與數量,就能成為有效的記錄。目前約有一千二百名志工在台澎金馬各地的一七五個樣區進行數鳥活動。

台灣兩棲資源調查(Taiwan Amphibian Database)

台灣最早的生態類公民科學計畫,由國立東華大學楊懿如副教授發起,起初於各地校園展開兩棲類調查,逐年拓展為遍及全國各地的公民科學計畫,已經建立許多蛙類的分布模式。

土豆鳥大集合──雲林小辮鴴普查(Lapwing Count)

雲林縣元長鄉一帶是小辮鴴在台灣的主要度冬地,數量曾經達九千多隻,甚至很有可能是東亞地區最大的度冬族群。二○○九年起,雲林縣野鳥學會開始推動「雲林縣小辮鴴普查」,廣邀全國各地鳥友前來。二○一四年起將調查區擴及全國,希望能對小辮鴴在台灣的度冬族群有更精確的掌握。

黑面琵鷺同步調查

黑面琵鷺是東亞地區的特有鳥類,由於族群瀕臨滅絕,東亞各國為有效掌握黑面琵鷺的數量,每年冬天選定一天,由各國共同調查黑面琵鷺的數量。黑面琵鷺最大的度冬族群就在台灣,每年調查的這一天,全國各地鳥會與黑面琵鷺保護學會同時在各地展開調查,準確掌握黑面琵鷺的數量。

台灣珊瑚礁體檢

由中華民國珊瑚礁學會與海洋研究學者發起,作為響應全球珊瑚礁體檢監測的行動。二○○八年,台灣環境資訊協會、海洋環境教育推廣協會和中央研究院生物多樣性中心廣邀潛水愛好者加入調查行動,希望透過這些資料與行動推廣珊瑚礁環境的知識與重要性。

eBird Taiwan

eBird是目前全世界最大的賞鳥記錄資料庫及共享平台,由康乃爾鳥類研究室及奧杜邦學會共同營運,隨時收集來自世界各地三十萬用戶的賞鳥記錄。自二○○二年起,已經累積四億筆的鳥類分布資料。eBird緊緊抓住狂熱賞鳥人的心,提供賞鳥人方便輸入、管理、查閱、下載及展示賞鳥成果的服務。

eBird Taiwan則是eBird的台灣入口網站,由中華民國野鳥學會與特有生物研究保育中心共同管理,負責台灣賞鳥人提交的記錄,並舉辦各種活動與工作坊,目前已超過一千五百人。

路殺社──台灣動物路死觀察網(Taiwan Roadkill Observation Network)

路殺社是二○一一年八月於臉書平台所創建的虛擬社團,路殺社的宗旨在於建構生態友善道路以改善野生動物路死現象,並藉由公民科學方式,讓參與者關心環境議題、參與環境教育並加入科學研究。目前已累積十萬筆以上的資料。

慕光之城──台灣飛蛾資訊分享站

以蛾類為調查對象的公民科學計畫,目的在於收集蛾類的時空分布資料與典藏標本。主辦團隊運用社群網路平台號召蛾友分享資料,籌組蛾調志工,有系統地協助台灣蛾類的調查。截至目前為止,已獲得蛾類標本二萬份以上,資料建檔四萬五千筆。

蛛式會社──台灣蜘蛛研究

以蜘蛛為對象的公民科學計畫,透過臉書社團讓志工上傳野生蜘蛛出現的時間與地點,並由研究人員鑑定物種。屬於參與門檻低,只要願意觀察、拍照、上傳,都能夠成為有效的觀察記錄。

蝸蝸園─台灣陸生蝸牛交流園地

運用社群媒體收集蝸牛類生物時空分布資料的公民科學計畫,參與者只要上傳照片,並且留下確切的時間與地點資訊,就能成為有效的分布資料。

夜鷹首鳴回報

每年春夏為台灣夜鷹(Caprimulgusaffnis)求偶期,入夜後常可聽到響亮的「追伊~追伊~」的鳴唱聲,雄鳥藉此鳴聲來鞏固領域、吸引雌性並驅逐入侵的雄鳥。中南部地區多於一月聽到夜鷹首鳴,許多鳥友都會競相告知這項訊息,但卻一直沒有集中收集首鳴資訊的系統。如果我們能將夜鷹首鳴地點,像日本櫻花盛開區域般加以整理呈現,將會是新年初春期間一項熱鬧的活動。

農地毒鳥回報

透過臉書收集鳥類中毒死亡資訊的平台,每一例的毒鳥回報,都會成為科學家累積的數據,更成為農地毒物濫用改善勸說的起點。改善鳥類的中毒危機,也能釐清環境遭遇的問題,作為生活在這環境中的一分子,每個人都能透過公民科學,採取行動改善台灣的生態環境。

鳥類食性

這個社團的目的是透過照片確切瞭解鳥類的食性。首先,想要確切知道鳥類吃什麼。二來,是瞭解鳥類對食物的偏好,對擬態、天澤與演化、種子傳播的研究能有所幫助。第三,想要透過吃與被吃的關係,建立生物之間的交互作用。

做這件事,需要生物辨識與攝影的各路江湖好漢與舊雨新知,只要是「鳥類」、「正在吃」、「的食物」都具備的照片皆非常歡迎。也希望透過這個計畫,更加認識我們的大自然,並且把牠們的關係資料化及網絡化。

都市微氣象網

由台灣大學大氣科學系林博雄教授發起,以往,氣象局只能依靠定點且數量有限的氣象站,收集局部地區的天氣資料。但是,若要獲得更細微天氣資料,仍有所限制。都市為氣象網將微型感測器Skywatch Windoo與智慧型手機結合,能瞭解更確切位置的天氣狀況,提供更詳細的天氣資訊。

 

 

本文摘自《意外的守護者:公民科學的反思》,左岸文化

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集合公民參與與科學,才成就的「公民科學」──《意外的守護者》推薦序

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  •  作者/林德恩,路殺社(台灣動物路死觀察網)

圖/pixnio

藉由志工參與協助收集科學資料或協同合作解答科學問題的方式,在人類的歷史存在至少百年以上,並不是什麼新穎的觀念,然而這樣的觀念與方式,或許是受無線網路、社群平台和智慧型手機普及化的影響,直到近二十年來才在全球各地刮起一股強大旋風。

參與之規模少則數千人,多則甚至動輒數萬人的公民科學計畫因應而生,例如:

  • 星系動物園(Galaxy Zoo):二○○七年由英國開始,結合了「史隆數位巡天普查計畫(Sloan Digital Sky Survey)」「哈伯望遠鏡CANDLES普查計畫」所拍攝的龐大數量星系圖像,被有系統的開放上線,是讓全球天文愛好者協助判讀和分類的知名公民科學計畫。
  • 眼線:由美國麻省理工學院計算神經科學實驗室(Computational Neuroscience Lab)所發展推出,以3D立體拚圖遊戲的方式,讓任何一個人都能輕易加入,用輕鬆玩樂的心態參與解構人類全腦神經突觸聯結圖譜。

都是成果豐碩且參與者高達數十萬人的超大型跨國公民科學計畫。

這股風潮大約十年前也吹進台灣。

如台灣兩棲類保育網、慕光之城-蛾類普查、台灣繁殖鳥類大調查、路殺社、蛛式會社、新年數鳥嘉年華、空氣盒子…等,都相繼如雨後春筍般出現在國人的日常生活中。

然而無論是執行中的公民科學計畫主要規畫者,或是想要推動公民科學計畫卻不知從何開始的新手主持人、社會科學研究者、環境教育研究人員,甚至是參與計畫的公民科學家本身,對於公民科學普遍都會存有一個共同的疑問:

為什麼公民科學會大行其道,且會有人願意投注心力、無償耗費時間與精神協助某項計畫收集科學資料?

這個問題雖然不是公民科學計畫在開始設計規劃時,會去考慮和設想的主要重點,卻是至關重要,每一個公民科學主持人、推動者甚至參與者都該知悉,因為這個問題的答案,往往就是影響某一公民科學計畫是否能順利推動和維持長久的主因。

你以為有貓就給推嗎。圖/maxpixel

關於這個疑問,也許有人會說那是因為某某物種很可愛、很漂亮、很討喜,或參與者僅僅只是因為好玩、趕潮流或打發無聊時間,只是大家好像都能說出些理由來,卻又總在說完後心虛的一笑、沒有十足把握。

如果你和我一樣也曾有這樣的疑問,那麼這本書《意外的守護者:公民科學的反思》將會引領你找到那個滿意的答案。

和大部份的自然科普書籍不同,這不是一本科學領域佼佼者以由上而下的角度,鉅細靡遺的在談論科學理論、成果或應用,也不是科學家或參與者的詳細實地考察筆記,而是作者阿奇科.布希以其文學藝術家敏銳、感性又帶點哲學的思維,訴說親自參與多個發生在其幼時成長、離鄉多年後又再次回歸居住的哈德遜河谷的公民科學計畫後,內心深處對環境、生物及家鄉情景改變的感觸,以及為何有人願意日復一日、年復一年持續參與公民科學計畫,記錄一個不知道何時可以獲得意義的事實(單一公民科學家所發現和記錄的數據、事實,只是整個計畫資料庫的極小一部份,常常必須累計眾多參與者多年資料後,那些記錄才可能獲得或被賦與意義、回答一些問題)。    

就如作者在第一章簡介最後一段所寫,這本書是作者寫給自己曾經生活過的地方的一封散文書信。

不過你大可放心,雖說是散文書信,這本書一點也不濫情,也不會咬文嚼字讓讀者霧裡看花,而是以文學家的心,有條理的用說故事方式逐步完整建構一般民眾參與公民科學的緣由和心情。這樣的思維角度,正是一直以來我們所缺乏且極欲了解的。

圖/pixabay

在這個以 0、1 建構的數位化年代,科學研究已日益走向特殊化與窄化的專業領域,但何以精確度和準確度都不足的公民科學卻能大行其道?

為了說明公民科學的這個價值,作者以丹尼爾.史邁里研究中心專注且執著的觀察記錄精神為主軸談起:

過去一世紀以來該中心未曾中斷過,將每日的溫度、降雨數據及保留區和山屋附近的所有大自然觀察全都記錄在索引卡上歸檔和保存

這樣鉅細靡遺的廣泛記錄,正如大部份的公民科學家在參與調查記錄時常會有的狀況,如果不以記錄表限制填寫的內容,公民科學家常會不自主的想要寫下所有發現的細節。這樣發散且廣泛的包容性記錄看似不符合科學所強調的「精準度」,但經年累月不間段的持續記錄後,卻讓這些資料別具價值,成為物候學(phenology)的基礎材料。

作者認為丹尼爾.史邁里研究中心連續超過一百一十六年未中斷的氣象資料以及十萬筆各式自然記錄所展現的專注力,是一種典範,比其所提供的實際數據更具有意義。

這種作法讓人們得以見證地景的轉變,而且審慎、詳細,也有助於釐清含糊歧義。因為大部份的資料記錄,都不會在當下就展現其價值或意義,資料何時可以成為知識?能否在日後將所有事實整合歸納出一些簡單的真理?沒有人知道,大都是要到長久的日後才會彰顯出來。

這樣的精神與態度,正是公民科學計畫主持人及每一個參與的公民科學所需要抱持的理念。

圖/pixabay

那為什麼會有人願意持續不停地記錄呢?!

因為通訊技術大躍進和網路虛擬世界充斥每一個人的日常生活後,手機、電子郵件和社群網絡,讓人們可以輕易離開身處的地理位置後,造成人們對土地的歸屬感日漸喪失;歸屬感的喪失會讓人感到茫然、無助和莫名恐慌。

當人們對一塊土地的存在感磨損殆盡之時,公民科學的興起正好給了人們這個機會,在參與過程中透過累積大量的目擊資料、觀察與印象記錄,進而從中產生出一種對地方的感覺,重建了人們對土地的歸屬感,提醒人們這些地方的重要性;這樣的努力讓人們得以重新定位、生根。

圖/wikipedia

作者在第三章河上的雜草篇就寫到,在參與清除河上的外來種-菱角時:

河不僅是休憩的象徵,也是流經人們情緒景觀的重要動脈,在這個人們與自然界之間的關聯顯得特別疏離的時候,前去清除河裡叢生野草,可能也反應出人們對秩序感的集體需求,這個除草的工作必須不斷重複進行,而繼續回到河裡除草帶給其一種平和感。

這樣的平和感和歸屬感,正好可以映照在路殺社公民科學的參與者身上。

圖/wikipedia

多路殺社的參與者都反應,過往每每看到動物無辜遭車輛撞擊、輾壓死亡,總是讓人痛心和無奈,卻又不知該如何幫起。

現在透過參與路死動物的調查記錄、移除路上動物大體、掩埋或採集寄送做為標本、檢體送驗追查死因,或許單一事件記錄力量薄弱,但想到這些記錄逐漸累積,可在未來用以改善動物受威脅的情況後,內心感到稍平和,而且重新找回對土地的關懷。這樣的心情,也許可以說是一種自我救贖吧!

記錄不完的動物路死事件、清不完的動物屍體,就像作者在第五章水下絲帶中提及,清除這些外來種植物的工作沒有完成的一天,但每完成一階段的清除工作,都會有種完整的感覺,這種集眾人之力以便彙整出一個詳盡資料庫的活動,就相當於遠古祖先辛苦以體力建立金字塔和大教堂的工作一樣。

公民科學的確是如此:

集眾人之力成就過往單一團體或機構所不可能完成的任務。

圖/pxhere

就如同許多人開始參與公民科學的原因是「意外」一樣,作者阿奇科.布希的開始也是意外。

某一天研究人員追蹤一隻飛入作者家後山被上標的蝙蝠,請求作者同意他們進入私人領域蒐尋,進而引起了作者的好奇和跟隨研究後,開始了參與和關懷其居住地區的各式公民科學活動。

作者透過不同章節,以散文書信的方式來記錄自己對不同公民科學計畫的感想,並用不著痕跡的方式一一說明公民科學的幾個重要觀念。除了上述提到的歸屬感,例如在第五章提到參與計畫的公民科學家常會抱怨:

科學家在電腦上規劃的地圖或直線,和現地實況有很大的落差或不存在;「無」也是一筆資料,而且是很重要的資料,負面和正面債同樣重要的、缺席可以是一種強大的存在。

「數據」(data)是「給予」的,是科學家量化後,以百分比或等級的方式規範,再由參與者依實地觀察「給予」的。

數據的「給予」在第七章記錄鯡魚時更是深刻體會,因為水下的魚常因水面反光或水體混濁而難以判定,因此看到的不是發生的一切,而是取決於當下那裡的能見度條件,而這些條件是會變動的。這是「偵測率」的概念,視覺是會欺騙人的,這也是公民科學參與者常會有的抱怨:

不知該如何記錄和填寫數據。

有趣的是,這樣的「不確定」對於科學家來說則是有一精確的含義,和數據的變異有關,可以透過數學統計的方式非常精確地來測量這種不確定性,也就是統計中所說的「顯著」和「信賴區間」。

圖/pixabay

作者巧妙的以平易近人的散文書信方式,在十二個章節中說明了公民科學參與者如何在一次次的記錄中建立和土地的連結與歸屬感,以及公民科學家在參與記錄常會遇到的問題,例如電腦地圖和現地實況的差異、野外的不確定性、數據給予時的困惑、記錄者視覺和聽覺對科學資料的影響、長期固定記錄的重要性、耐心的消磨等等。

如果你是參與計畫的公民科學家,那麼一定要閱讀這本書,作者的這些經驗、感受和說明,想必會有許多地方讓你心有悽悽焉和恍然大悟的會心一笑;對於經營公民科學計畫的規劃者或推廣者,這本書將會是很好的顧問,可以了解參與者的內心想法、遭遇的問題和疑慮,這對於公民科學計畫的推動和長久維持,都會是重要且寶貴的意見。

 

 

本文摘自《意外的守護者:公民科學的反思》,左岸文化

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史上第一款治療白死病肺結核的藥品「鏈黴素」是如何誕生的?──《藥物獵人》

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編按:數千年前人類便會從植物當中尋求藥效,但大多都是知其然而不知其所以然。時至今日,藥理學、合成化學、生理學等領域輩出,藥物的開發應當也是蛋糕一塊、小菜一碟吧?

但殘酷的現實是,藥物的開發呈現的卻是與科技發展相反的倒摩爾定律(Eroom’s law);你手中能與身體產生剛~剛好反應的小小藥物,累積了不計其數的金錢、耐心和運氣。《藥物獵人》一窺藥物發現的歷史,來看看獵人們如何衝鋒陷陣吧!

圖/wikipedia

1944 年底,盤尼西林深槽生產法已臻完善,輝瑞成為全球最大的盤尼西林生產者,每個月都能生產足夠的劑量,治療一百名病人。雖然盤尼西林確實是神奇藥物,但有些細菌性疾病仍不受盤尼西林影響。

這些疾病中最可怕的應屬肺結核,也就是「白死病」,病人因貧血而顯得蒼白。

圖/wikimedia

歌劇熱愛的「浪漫之病」肺結核

十九世紀,肺結核被視為「浪漫之病」,病人消瘦憔悴、外表憂鬱,常被稱為「可怕之美」。劇作家與詩人深受這種疾病吸引,因為肺結核病患會散發出悲劇性的憂鬱感,而病程是緩慢奪去病人性命,讓病人有時間整理人生的戀情,彌補破碎的關係,之後才會戲劇性的死亡。

作曲家普契尼(Puccini)的作品《波希米亞人》(La Bohème)與威爾第(Verdi)的作品《茶花女》(La Traviata)中,女主角皆在歌劇的最後一幕死於肺結核;《茶花女》就在醫師宣布她死亡時落幕。說不定沒有肺結核,世上最大的歌劇院都得關門大吉。

圖/imdb

在現實生活中,肺結核毫不浪漫淒美。結核菌會感染肺部,緩慢且必然吞噬呼吸道,導致病人咳血,痛苦地日漸虛弱,蒼白消瘦。他們似乎被耗損了,愈見虛弱,因此肺結核最常見的名稱就有「消耗」之意(consumption)。

肺結核傳染性極高,患者只要咳嗽、打噴嚏、吐痰,都可能把病原體傳給其他人(禁止吐痰的法律最初就是為了對抗肺結核疫情擴散,如今多數美國城市仍保有此法令)。盤尼西林發明時,肺結核唯一的治療方式就是把病人隔離在療養院,期盼病患自行痊癒。但事情鮮少如人願。

高度演化的病原體,致死緩慢

掃描電子顯微鏡下的結核桿菌。圖/wikipedia

結核菌是殺人動作很慢的病原體,代表這種病原體高度演化。諸如人類免疫缺乏病毒(HIV)、嚴重急性呼吸系統綜合症(SARS)與立百病毒(Nipah virus)等新演化的病原體,通常會快速奪去病患生命。從病原體的觀點來看,這種策略是有瑕疵的,等於撕掉了飯票。行動太快的病原體沒有機會擴散到更多宿主身上,就已把宿主殺死。

相反地,高度演化的病原體會盡量延長在宿主身上得到好處的時間,讓病原體有更多機會感染他人。肺結核就是一種演化最先進的疾病,且歷史幾乎與人類差不多長久。時至今日,全球仍有約人口三分之一的感染者,每秒鐘都有新病例發生。所幸多數肺結核不會產生任何症狀,但即使如此, 2016 年,全球仍有一千四百萬慢性病例,每年造成兩百萬人死亡。

柯霍發現導致了結核病的結核桿菌,並於 1905 年獲頒諾貝爾獎。科學家試著以灑爾佛散對付結核菌,後來又用盤尼西林,但這兩種抗生素都無法對付這種異常活躍又適應力強的細菌。許多研究者指出,某些種類的病菌(例如結核桿菌)根本無法透過藥物殺死。但有個人持相反看法。

由土壤中的微生物找到結核病的救星

賽爾曼.亞伯拉罕.瓦克斯曼(Selman Abraham Waksman, 1888-1973)圖/wikipedia

賽爾曼.亞伯拉罕.瓦克斯曼(Selman Abraham Waksman, 1888-1973)出生於距離基輔不遠的俄國城市普里路卡(Priluka),後來移民美國,於紐澤西州就讀羅格斯大學(Rutgers College),1915 年取得農業學士學位。在農學領域中,作物的生長取決於作物與泥土之間的動態發展,土壤內的微生物也參與在內。

瓦克斯曼對這互動很有興趣,尤其是能滋養作物的深色沃土。他就以土壤為學術研究對象—尤其是土壤裡的細菌。每當有機物質落到地面,一定得靠著土壤中的微生物分解,這些微生物還能將有機物轉換為植物生長所需的養分。在農業學校任職的瓦克斯曼,盼能掌握土壤微生物學,進而提高作物產量。

科學界最大的發現,往往是學者無心插柳,意外碰上的其他事物。舉例而言,生物學家芭芭拉.麥克林托克(Barbara McClintock, 1902-1992)曾研究為什麼玉米粒有不同顏色,最後卻找到現代生物學最大的發現—轉位子(transposon),亦即從某 DNA 位置轉移到另一個位置的跳躍基因。

同樣地,神經學家史坦利.布魯希納(Stanley Prusiner, 1942 年出生)在擔任住院醫師期間,一名庫賈氏症(Creutzfeldt-Jakob,CJD disease)患者來求醫。庫賈氏症是神經退化疾病,死亡率百分之百。當時沒有人知道這種無藥可醫的怪病究竟如何發生,但布魯希納竭盡努力,想幫助病患,最後發現了普里昂蛋白(prion)──這是一種全新的蛋白質病原體,科學界之前並無人知曉。麥克林托克與布魯希納都是因無意間的發現而獲得諾貝爾獎,而此時的瓦克斯曼,還不知道他將摘下屬於他的諾貝爾桂冠。

結核桿菌在體外培養基上形成的菌落。圖/wikipedia

盤尼西林是土壤中一種常見黴菌的化合物,瓦克斯曼得知盤尼西林的成功之後,便馬上想到, 是否其他微生物也有抗菌特性。瓦克斯曼多年來都在研究一群稱為鏈黴菌屬(Streptomycetes)的微生物,這類細菌非常多,會有一般剛翻過的土的獨特「土味」。1939 年,他決定研究有沒有哪種鏈黴菌可殺菌,而且不只是要殺任何細菌──瓦克斯曼一開始就決定要搜尋結核病藥物,也就是盤尼西林無法對付的疾病中最致命的一種。

全球第一種肺結核藥物:鏈黴素

瓦克斯曼已知如何培養與隔離微生物,這畢竟是他的專業領域。但他不知道有效的鑑定方式,評估鏈黴菌屬化合物殺死結核病病原體的效果。雖然原則上,瓦克斯曼可在培養皿中培養結核桿菌,之後加入待測試的化合物即可──當初弗萊明就是這樣發現盤尼西林的效用。不過瓦克斯曼合理擔憂,大規模培養活的肺結核病菌會有危險,可能整個實驗室的成員都會被感染。

最後仍回歸到篩選的問題。瓦克斯曼解決這個問題的方式,是把鏈黴菌化合物用在恥垢分枝桿菌(M. smegmatis)上,這種細菌和結核桿菌關係密切,但是對人體無害。更棒的是,恥垢分枝桿菌比結核桿菌生長得快,因此更容易實驗。瓦克斯曼期盼,任何能殺死這替代細菌的物質,也能殺死結核桿菌。結果瓦克斯曼的假設正確,對芸芸眾生來說實在是一大福音。

灰色鏈黴菌的孢子排列。圖/wikipedia

瓦克斯曼的實驗室在 1940 年,發現了第一個候選抗生素──放線菌素(actinomycin),它可有效對抗諸多病原體,包括結核桿菌。但瓦克斯曼的興奮感只是曇花一現。他們在動物身上測試放線菌素時,發現毒性太強,無法成為有用的藥物。於是,他又回過頭篩選其他鏈黴菌屬化合物。

1942 年, 他的實驗室找到另一種候選抗生素, 亦即今天所稱的鏈絲菌素(streptothricin)。這種化合物也有很好的殺菌效果,且這回進行動物測試時並未造成動物死亡,至少一開始是如此。瓦克斯曼的團隊後來學到,原來鏈絲菌素會對腎臟造成緩慢傷害。

動物可短時間耐受抗生素,但長期下來會造成動物腎臟衰竭,進而喪命。抗生素是在細菌生長時攻擊細菌,細菌若處於休眠狀態(例如在孢子或胞囊階段),抗生素根本無用武之地。通常細菌生長得愈快,抗生素就愈容易殺菌。可惜高度演化的結核菌生長很慢,這表示抗生素需要很長的時間才能殺死所有細菌,連鏈絲菌素也沒用。

雖然瓦克斯曼的希望又再度落空,不過這位藥物獵人不屈不撓,依然保持信心,認為團隊遲早有成功的一天。他們繼續篩選鏈黴菌屬化合物,最後終於在 1943 年,找到了一種位於雞氣管的灰色鏈黴菌(Streptomyces griseus)菌株。團隊發現,用這種奇特的菌株所製成的抗生素能殺死許多種細菌,包括結核桿菌。他們先在動物身上測試,欣然發現它沒有毒。他們將之命為鏈黴素(streptomycin)。1949 年,默克藥廠推出鏈黴素商品,它是全球第一種肺結核藥物。總而言之,它救人無數。

杜魯多中心。圖/Mwanner @wikipedia

在美國,結核病在貧窮移民之間尤為猖獗,有半數患者在診斷後的五年死亡。在十九世紀末時,最好的治療方式就是陽光和山間的新鮮空氣。陽光普照的療養院在鄉間到處都是,尤其是落磯山脈附近的各州。

杜魯多中心(Trudeau Institute)正是赫赫有名的結核病療養院,位於紐約州上州薩拉納克湖鎮(Saranac Lake),由愛德華.李文斯頓.杜魯多(Edward Livingston Trudeau)醫師創立。怪的是,杜魯多中心的位置並非陽光普照,周圍也不是山間,但沒有關係—反正療養院的肺結核療效都不怎麼樣。

抗結核菌素藥物上市之後,情況出現重大改變。病人不用在療養院漫漫等待,期盼疾病哪天能夠自動消失,而是能回到家,信賴真正的藥物療法。如今,結核病患會用多種抗結核菌素的雞尾酒療法,和治療後天免疫缺乏症候群/愛滋病(HIV/AIDS)病患的雞尾酒療法差不多。

目前建議的雞尾酒療法包含四種抗生素:異菸肼(isoniazid)、利福平(rifampicin)、吡嗪酰胺(pyrazinamide)與乙胺丁醇(ethambutol)。如果適當投藥,可望完全治癒。

 

 

本文摘自《藥物獵人》,臉譜出版,2018 年 4 月出版。

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差點懷才不遇的「乙醚」所掀起的麻醉風暴 ──《藥物獵人》

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編按:數千年前人類便會從植物當中尋求藥效,但大多都是知其然而不知其所以然。時至今日,藥理學、合成化學、生理學等領域輩出,藥物的開發應當也是蛋糕一塊、小菜一碟吧?

但殘酷的現實是,藥物的開發呈現的卻是與科技發展相反的倒摩爾定律(Eroom’s law);你手中能與身體產生剛~剛好反應的小小藥物,累積了不計其數的金錢、耐心和運氣。《藥物獵人》一窺藥物發現的歷史,來看看獵人們如何衝鋒陷陣吧!

被大材小用的標準藥方「乙醚」

來自瑞士與德國的鍊金配方師帕拉塞爾蘇斯,是與科達斯同時代的人。他曾寫道,乙醚能讓雞昏睡「好一段時間」,且不會對雞隻造成傷害。不過,帕拉塞爾蘇斯並未想過,乙醚也可用來讓人類昏睡。同樣地,科達斯審慎實驗,耐心記錄下乙醚的幾種醫療用途,但是沒有紀錄顯示,他知道乙醚可做為麻醉劑。科達斯的乙醚配方在後續三個世紀,是醫用藥典裡的標準藥方,但卻沒有得到應有的重視,它可當做化學溶劑,也是頭痛、暈眩、癲癇、痲痺、歇斯底里、風濕病與諸多疑難雜症的用藥(想必非常沒用)。即使到了 19 世紀,最有遠見的醫師對於礬油用途的想法,仍不比中世紀藥師高明到哪裡去。

乙醚 (C2H5)2O。 圖/wikipedia

1812 年《新英格蘭醫學雜誌》(New England Journal of Medicine)創刊號的第一頁,出現了乙醚的建議用途。約翰.沃倫醫師(Dr. John Warren, 1753-1815)是哈佛醫學院的創辦人之一,是當時相當德高望重的人,他在期刊創刊號發表了一篇治療心絞痛的文章。心絞痛發作時,會覺得胸口被擠壓,相當疼痛。如今我們知道心絞痛是心臟缺氧所造成,但沃倫缺乏足夠的心絞痛知識,於是他推論出一套療法如下(但未必可信):腳泡熱水、放血、硝酸銀、惡臭樹膠、吸菸、鴉片,最後則是乙醚。

乙醚不僅是醫師推薦的心絞痛療法,到了 1830 年,一般人都知道乙醚是娛樂性毒品。比方說,維多利亞時代衣著拘謹的富家子弟,就會在宴會中使用乙醚狂歡,只為進入痴痴傻笑的狀態。他們吸了礬油的揮發氣體之後,走起路來踉蹌歪扭,有時撞到家具,甚至昏了過去。醫師也會把乙醚當做處方,用來消毒,或當做清潔溶液、咳嗽藥的去痰劑、驅風劑(治療脹氣),更令人難以置信的是,有時還結合更有效的芳香氨醑(aromatic spirits of ammonia),以臭味刺激昏倒的人。

不過,乙醚存在這麼久以來,倒是有一種醫療用途還沒被發現

維多利亞時代貴族極講求日常道德與禮儀規範,乙醚狂歡是少數可以放縱的時刻。 圖/《Victoria》劇照 via IMDb

在那個外科手術沒有殺菌與麻醉的危險年代

在 19 世紀中葉以前,外科手術並不常見。原因之一是外科手術很危險,任何手術都難逃感染的後果,病患最後仍常難逃一死。在 19 世紀晚期的疾病細菌論確立前,人們鮮少執行殺菌法。原因之二更糟,時人關於感染途徑的知識若非過於簡單,就是完全不存在,因此若非必要,不會動刀。

而最後一點則是,當時外科手術是不使用任何麻醉劑的,過程痛苦得不得了。

18 世紀的截肢手術。 圖/wikipedia

很難想像在沒有麻醉劑之前,外科手術究竟如何進行。不過我們可從喬治.威爾森(George Wilson)的說法中略知一二。威爾森是知名的醫學教授,在 1834 年面臨足部截肢的命運。他敘述了這恐怖的過程:

我感到巨大、黑暗的恐慌,有如遭到人神遺棄,幾近絕望。恐懼席捲我的理智,戰勝我的心靈。我樂於遺忘,卻永難忘懷。手術過程不僅引起疼痛,且感知莫名敏銳,即使有經驗的病人早已告訴我會有這情況,但如今回想起來,器具擺開時多令我不寒而慄,駭人景象歷歷在目:止血器扭轉、劃下的第一刀、以手指觸摸截下的骨骼、壓在皮片上的海綿、綁起血管、縫起皮膚、切下的肢體血淋淋放在地上。

在 19 世紀上半葉,手術是緊急的醫療手段,例如透過截肢來防止壞疽奪命、將感染的膿瘡引流,或以膀胱切開術來清除結石(這是少數比手術本身更痛苦的疾病)。手術刀下的病人會痛苦扭曲,根本不可能講究細膩的下刀技術。手術要能成功,最佳策略就是速戰速決。程序愈快完成,病人就能少點疼痛,也愈不會痙攣。

19 世紀初,觀看手術的人會坐在長廊,拿出懷錶,計算手術總時間。比方說,蘇格蘭外科醫師羅伯特.李斯頓(Robert Liston, 1794-1847)在倫敦大學學院醫院(University College Hospital)動手術時,便是以手法快速馳名。他曾在一次腿部截肢手術中,匆忙間連病人的睪丸也切掉了。在另一次快速的截肢手術中,李斯頓雖然饒過病人的睪丸,卻意外切斷助理的兩根手指。後來病人與助理雙雙死於壞疽,而一名在旁觀看這場手術的人,看見李斯頓匆忙揮舞手術刀,刀子戳破了外套,還以為李斯頓被戳死,因此嚇得休克,一命嗚呼。

在麻醉劑出現之前的年代,手術就是這麼危險。

如何不疼痛?牙醫威廉.莫頓的乙醚實驗

由於減輕手術疼痛的需求相當迫切,醫師開始試驗諸多可能當成麻醉劑的東西。酒精、印度大麻製劑(hashish)與鴉片都曾入列,但效果差強人意。雖然這些東西可稍微讓感知遲鈍,卻不足以麻痺手術刀割開肌肉的痛楚。至於物理學的應用方法,例如把肢體放在冰中,或者用止血器使之麻木也都無法奏效。疼痛總能趁虛而入。有些外科醫師比較大膽,甚至過分到把病人掐昏,或是乾脆重擊頭部,讓病人失去意識──盡管多數醫師懷疑這樣是否利大於弊。

在 19 世紀外科醫師所受的訓練中,血腥就和空氣一樣稀鬆平常,病人會不停扭動與吶喊,而手術就是要快手快腳。或許正因如此,一名不屬於外科的醫師開始思考能不能無痛手術。他便是波士頓牙醫威廉.莫頓(William T. G. Morton, 1819-1868)。

1843 年,24 歲的莫頓娶了前國會議員的姪女伊麗莎白.惠特曼(Elizabeth Whitman)。惠特曼家世顯赫,有貴族血統的父母看不起莫頓的職業──當時牙醫的地位不比理髮師高到哪去。惠特曼夫婦雖答應女兒嫁給莫頓,但條件是,莫頓要學地位崇高許多的醫學。

威廉.莫頓的乙醚麻醉實驗,徹底改變了世界醫療史。 圖/wikipedia

1844年秋天,莫頓乖乖進入哈佛醫學院,這時他上了查爾斯.湯瑪斯.傑克遜醫師(Dr. Charles T. Jackson, 1805-1880)的化學課。傑克遜熟稔乙醚的藥理特性,包括麻醉效果。但,即使傑克遜這樣優秀的執業醫師,顯然也未曾認真思考過在外科手術中使用乙醚的可能性。莫頓在傑克遜的一堂課中學到乙醚,而乙醚能讓人昏睡的強烈功用令他深感興趣,於是他以自己的寵物犬做實驗,並記錄道:

1846 年春,我以美國水獵犬做實驗,把牠的頭塞進底部有硫醚(sulfuric ether)的廣口瓶……牠吸入揮發氣體,不一會兒就在我手上完全癱軟。之後,我把瓶子移開。大約過了三分鐘,牠醒過來,大聲吠叫,蹦蹦跳跳進入十呎外的水潭中。

莫頓也以母雞和幾條金魚做實驗,全都癱軟。經過幾次成功經驗,莫頓自己鼓起了勇氣,吸入這聞起來有甜味的氣體。他昏了過去,之後又完全恢復,沒發現任何明顯的不良後果。最後,莫頓認為把乙醚應用在真正病患身上的時機到了。莫頓在他的波士頓診所執行了世上第一次無痛拔牙,拔的是一名商人的爛牙。根據記載,這位感激涕零的商人名叫艾本.佛洛斯特先生(Mr.Eben Frost):

傍晚時,一名男子進來,看起來疼痛不堪,想要拔牙。他說他很怕手術,因此詢問能不能先催眠。我告訴他,我有更好的東西。於是我將手帕用乙醚浸濕,交給他,讓他吸入。他幾乎馬上失去意識。當時天已黑,海頓醫師(Dr. Hayden)提著燈,而我用力拔掉這對尖齒。病人脈搏沒有什麼變化,肌肉也沒有放鬆。他一分鐘後恢復,根本不知道發生了什麼事。

眾所矚目在公開手術中的乙醚測試

1846 年 10 月 1 日,《波士頓日報》(Boston Daily Journal)刊登了莫頓的神奇實驗手術過程。這事傳到亨利.畢格羅(Henry Bigelow)的耳中,他是哈佛醫學院的年輕外科醫師。畢格羅很有興趣,說服麻州總醫院(Massachusetts General Hospital)聲望卓越的外科醫師主任,為莫頓安排公開測試。這可是大事一樁,堪稱 19 世紀醫學界的《美國偶像》選秀賽(American Idol)。麻州總醫院是當時全美國最受敬重的醫院,外科醫師主任是享譽全國、六十八歲的約翰.柯林斯.沃倫(John Collins Warren)。沃倫曾在父親創辦的哈佛醫學院擔任院長,也是《新英格蘭醫學雜誌》的重要推手。

這會兒突然事關重大,莫頓自知,他得承擔起極大的風險。在默默無聞的牙醫診所玩弄乙醚是一回事,畢竟沒有人對於粗魯任性的牙醫這門偽專業有多大期待。但是在醫學體系裡的菁英面前,於攸關生死的外科手術中測試藥物的性質,又是另一回事。1846 年 10 月 16 日,超過五十名心存懷疑的觀眾聚集在麻州總醫院手術堂,包括諸多美國頂尖外科醫師。有些人是真心好奇乙醚的效果,但大部分是想看一名江湖騙子公開出糗。

這次病患名為愛德華.吉爾伯特.亞伯(Edward Gilbert Abbott),頸部有個鼓起的巨大腫瘤。切除這腫瘤將會疼痛不堪──至少過去經驗是如此。現場有兩名壯漢護理員待命,準備和平常一樣,負責按住手腳胡亂揮舞、尖聲吶喊的病人。但是這次會不會有所不同呢?

觀眾坐在高處的成排座椅,病人被推進手術劇場。沃倫站在一旁等待。時鐘滴答滴答響,一分一秒過去,手術開始的指定時間已經過了,但莫頓沒有出現。沃倫轉身朝向觀眾說:「莫頓醫師沒來,他應該是有事。」病人咬緊牙關,外科醫師舉起手術刀。

美國畫家 Thomas Eakins 描繪賓州大學 David Hayes Agnew 醫生手術課的畫作。 圖/wikipedia

忽然,莫頓大步走上舞台。他遲到乃事出有因。由於過去未曾有人在外科手術中使用乙醚,因此缺乏讓乙醚穩定揮發的應用方法。莫頓一直忙著打造新儀器:一種圓底的化學燒瓶,裡面有泡過乙醚的海綿。燒瓶有兩個和銅管相連的開口,透過精巧的皮片裝置,可從一個開口中抽出乙醚海綿上方的空氣,並讓患者從另一個洞口吸氣。

沃倫後退一步說:「先生,您的病人已準備就緒。」莫頓就在沉默卻不帶同情的目光中,用他精心設計的玻璃道具來施打乙醚。病人慢慢吸了幾口揮發氣體之後,雙眼便緩緩閉上。莫頓對外科醫師說:「沃倫醫師,您的病人已準備就緒。」

手術於是展開。手術刀深深劃入病人脖子時,病人毫無反應。即使如此,他胸部緩緩起伏,顯示他還活著,且有呼吸。觀眾莫不瞠目結舌。如今,我們把麻醉劑視為理所當然,但當時的醫師肯定認為這有如魔法—某種神奇物質能讓心靈完全失去感知,然而身體的生理運作卻不受影響。這是醫學革命性的一刻,就像火藥對戰爭的影響,或是飛機為交通帶來創新。手術結束時,沃倫醫師轉身面對觀眾說:「各位先生,這絕非胡說八道。」

話一傳開之後,乙醚馬上成為每項大型手術的必備要件,需求量暴增。但是要滿足龐大的客訂需求,卻有很大的障礙。乙醚不容易製造,這需要先進的化學調配技術,那是藥房專業之外的範疇了。

 

本文摘自《藥物獵人》,臉譜出版,2018 年 4 月出版。

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麻疹流行是怎麼回事?哪些人該打疫苗呢?──〈科學月刊〉

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  • 文/臺灣公共衛生促進協會。

2018 年 3 月,臺灣民眾陷入一陣麻疹恐慌中,人人搶打疫苗,唯恐惹病上身。早些年,麻疹在臺灣是相當常見的疾病,幾乎人人都得過;而在後續的疫苗施打政策下,使目前青少年對麻疹病毒有免疫力。但為何這波疫情會引起這麼大的恐慌,值得我們進一步探究、分析。

回顧麻疹流行期間的新聞,似乎是媒體的資訊散播影響了社會大眾的行為,如以下報導標題:

〈麻疹傳染力強  醫師:併發症嚴重可致命〉、〈一人染病  禍及千人!麻疹防不勝防成年的你…反而最危險〉等。

這些新聞標題,似乎嘗試告訴我們其致命、散播及嚴重程度。若在不理解臺灣疫苗施打與曾得過麻疹民眾所形成的群體免疫力之下,確實易引起恐慌,其主要來自於對健康風險的擔憂,追本溯源是對傳染病的認識不足。甚至有人投書形容這波疫情的民眾行為,如同先前搶衛生紙風潮,人人搶打導致疫苗缺貨,而使醫護人員、機場勤務人員等第一線工作者沒有疫苗可用。

圖/pxhere

對傳染病的認識不足,因而對它產生懼怕,引起社會恐慌,這在臺灣社會並不新鮮。2003 年的 SARS、2006 年的禽流感、2009 年的 H1N1 流感、2012 年的 H5N2 疫情和  2015 年登革熱疫情等,類似的恐慌一而再地發生。而這些傳染病都在在警示著我們:

隨著交通便利、資訊傳播快速與健康風險意識抬頭,傳染病及其相關資訊──不論正確與否都會快速散播。所以,全民防疫的時代已來臨,民眾參與防疫是一項不容忽視的課題。

首先,對傳染病的教育紮根刻不容緩,若沒有正確觀念,容易因各式各樣的資訊及媒體報導而造成恐慌。有鑑於此,本文將初步介紹麻疹的基本知識及過去臺灣曾發生過的疫情,讓社會大眾對這個傳染病有基本的認識。接著,依照過去臺灣公共衛生促進協會所投入民眾教育的經驗,提出應重視公衛體系問題及民眾主動參與社區防疫的重要性。

麻疹的基本知識

之所以被稱為麻疹,除了其症狀會發高燒、鼻炎、結膜炎與咳嗽外,特別在發燒的 3~4 天後口腔黏膜上會出現柯氏斑點(Koplik spots),而在出現柯氏斑點的 3~4 天後,會出現全身皮疹,也是取名為麻疹的原因。主要由麻疹病毒引起的,傳染方式是經空氣、飛沫或直接與病人鼻腔或咽喉分泌物接觸,在出疹的前後 4 天內具傳染力。因其傳染力很強,在疫苗尚未問世前,幾乎人人都會被感染。

麻疹期間會在出現柯氏斑點的3~4天後,出現全身皮疹。圖/wikimedia

施打「麻疹、腮腺炎、德國麻疹混合疫苗(Measles, Mumps and Rubella, MMR)」進行預防,已是臺灣的常規疫苗政策。在小孩出生滿 12 個月及滿 5 歲、入國小前各會接種一劑,因此,大部分的人都對麻疹病毒有免疫力,使麻疹疫情不易在臺灣流行。

值得注意的是, 1980 年以前出生的成人,因自然免疫之故多有抗體。根據衛生福利部傳染病防治諮詢會預防接種組(ACIP)建議,1981 年以後出生的成人,雖小時候有打過例行性接種,但隨著時間抗體效力會逐漸減弱。所以,若要前往麻疹流行地區,建議自費接種 1 劑疫苗。疾管署也建議,在前往麻疹流行地區時,應該做好勤洗手、出入公共場所配戴口罩等預防措施。

圖/疾管署

麻疹的治療方法是以支持性療法〔註一〕為主,並注意避免中耳炎、肺炎與腦炎等併發症。雖然在疾管署資料顯示麻疹致死率達 5~10%,但這項數據僅限於兒童、營養不良、患有白血病,癌症及免疫缺損或生活環境較差的人。

過去麻疹在台灣的歷史

翻閱過去臺灣的麻疹歷史,不難發現臺灣曾是麻疹主要流行地區。根據臺灣省衛生處的統計年報記載,1953~1961 年間,每年有 700~900 個麻疹死亡病例,且佔 5 歲以下兒童十大死亡原因之一。

臺灣麻疹疫情曾在 1976 年大規模爆發,至 1978 年才開始實行對嬰幼兒施打麻疹疫苗的政策。完成兩劑接種的孩子,預防率可高達 99%,完成一劑接種,預防率也達 94 %。因此,除了 6~12 個月的嬰兒外,絕大多數的臺灣人對於麻疹是有一定抵抗力。

自 1968 年起,麻疹減毒疫苗就已引進臺灣,但一直到 1978 年政府才推動免費接種,全面推行出生後 9 個月和 15 個月各接種一劑,才讓麻疹疫情得以有效控制。1992 年 1 月,臺灣開始實施「根除三麻一風計畫」後,改為出生後 9 個月接種第一劑麻疹疫苗,15 個月再接種第二劑麻疹、腮腺炎、德國麻疹混合疫苗,因此近年未見麻疹再爆發大流行。

圖/疾管署

近年來,仍有些許麻疹群聚感染的現象發生,主要為與中國大陸或東南亞等麻疹流行地區交流頻繁,回臺後傳染給未施打疫苗的人所致。儘管如此,在大部分臺灣民眾皆施打疫苗的狀態下,此波麻疹疫情,實在無須過分擔心。

臺灣公衛體系問題與民眾主動參與:社區防疫的重要性

麻疹疫情爆發後,衛福部疾管署針對此疫情進行一連串的宣傳,包含「疾管署說明麻疹個案接觸者追蹤方式及困境」、「為因應 MMR 疫苗需求量遽增,疾管署呼籲讓高風險族群優先接種」等新聞稿,另外也製作許多麻疹衛教的海報,張貼和宣導相關資訊,嘗試讓民眾了解目前麻疹疫情與控制狀況、要如何預防與該如何自主管理。

但這樣廣泛的宣導,似乎無法完全有效抑制恐慌的蔓延。根據「衛促會」長年民眾教育的經驗,民眾對麻疹的擔憂來自於生命及健康風險。在疾管署、網路與媒體等各種資訊交雜下,勢必產生許多疑慮,而疑慮的化解,必須建立在與民眾和社區的雙向溝通管道,而不是僅透由單向的宣導策略。

圖/pixabay

「衛促會」自 2003 年起,發現公衛體系有嚴重的問題需要進行改革,例如公衛體系重醫療、輕預防。全國醫療保健支出,20 多年來都不到 5% 的經費是用於公共衛生、預防的工作上,絕大部分都是用在治療疾病上。

民眾教育缺乏經費投入,基層衛生人力也不足以應付突發的傳染病事件,無法建立起長期穩定與民眾溝通、互動的機制。「衛促會」為深耕民眾教育,也曾做過多次社區民情調查,根據調查,發現民眾對於傳染病疫情感到害怕,是因為不知道如何保護自己,對於傳染病的致病、傳染機制和疫苗功用等認識不足。

恐慌來自對傳染病的一知半解,就如醫生投書〈別搶打麻疹疫苗 醫師:20 年沒人重症死亡。〉。因此,「衛促會」認為唯有平時紮實的民眾教育,才能累積臺灣社會理性判斷的能量,並進而建立維持政府與民間的風險溝通的機制與信任。

在此也向政府、臺灣社會及公共衛生界建議,長遠目標應該扭轉公衛體系重醫療、輕預防的問題;短期而言則應該嘗試建立起與民眾風險溝通的平台與機制,制訂出有效的教育內容與推廣模式,以利平時的疫情風險溝通及疫情爆發時的緊急處理,以科學知識戰勝社會恐慌。

 

 

〈本文選自《科學月刊》2018年8月號〉

一個在數位時代中堅持紙本印刷的科普雜誌,

讓你在接收新知之餘,也能感受蘊藏在紙張間的科學能量。

 

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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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紅肉、香腸、培根會致癌?相對風險和絕對風險差在哪?──《廚房裡的偽科學》

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編按:這是個各種名嘴、網紅、帥哥主廚都能提出一套健康飲食理論的年代,《廚房裡的偽科學》則是屬於一位憤怒主廚的告白──他甚至在附錄直接列出了「食物世界胡說八道指南」。在眾多健康飲食的派別裡暈頭轉向嗎?來聽聽他怎麼說(踢館/翻桌)吧!

若要理解為何有些營養研究的結果會溝通不良,關鍵在於相對風險絕對風險的觀念。把複雜的流行病研究導入飲食和健康時,結果往往是一種相對風險。研究會先判斷兩個組別之間風險程度上的差異,找出某些特定行為和結果之間的關係。

聽不懂。(編按:此為作者內心話,本書多以類對話形式寫作)

讓我舉個例子說明。幾年前有個廣為人知的研究,顯示攝取培根是引發腸癌的風險因子。

噢!不!不要是培根。我愛培根。

抱歉,事實如此。為了方便說明,我簡化了一些數據,但這項研究顯示,攝取醃製加工肉品將明顯增加罹患這種可怕疾病的風險。族群研究顯示,在生活中每日平均攝取五十克培根的族群,罹患腸癌的機率比沒這麼做的族群高出 18%。

18% !!!好可怕。我以後再也不吃培根了。

「好可怕」的培根。圖/wikimedia

我知道我在試著灌輸給你有關相互關係、因果關係和潛在干擾因子的觀念。我也確信你可以想像每天都攝取五十克培根的那種人,不會是最健康的樣本。但這項研究運用了一些巧妙技術,確保其中的相關性真實無誤。腸癌是一種非常嚴重、極度令人不快的病,確實也有明確的證據證明,培根、火腿和其他醃製加工肉品與腸癌的發生率之間存在密切關連。看來培根是脫不了關係了。雖然美味,但值得你為了它冒那 18% 的風險嗎?

事實上,高出 18% 是依相對風險測出的數據,而大部分流行病學研究都是這麼做的。和較少攝取加工肉品的群組相比,攝取大量加工肉品的人(在任何干擾因子都謹慎調整之後),罹患癌症的風險相對高出 18%。但這個數字到底意味著什麼?

不管你吃不吃培根,在你生命中某個時間點罹患腸癌的風險都一樣高,大約是 6%。圖/wikimedia

讀者們,不管你吃不吃培根,在你生命中某個時間點罹患腸癌的風險都一樣高,大約是 6%。如果你每天都吃五十克培根(那可是不少的培根──一家五口如果都這樣吃,一個星期就要吃掉一點七五公斤),風險就會升高到 7% 左右。從 6% 增加到 7%,這數字算是一種絕對風險

這裡增加的 1%,到了和原先的風險比較起來時,就變成高出 18%。2腸癌和培根之間確實有連帶關係,相對風險也確實增加了 18%,但事實上根據這項研究,人們如果每天都吃很多培根,罹患腸癌的相對風險將增加 1%。雖然這數字不容輕忽,但看起來好像也沒那麼糟。由此可見,相對風險要比絕對風險更容易讓人擔心。

同樣的資料,不同的感覺?

同樣的資訊還可以用其他方法加以修飾,從而影響了我們的抉擇。如果我說吃培根將使你得到腸癌的風險增加 1%,就一種食材來看,聽起來好像還是滿高的。但如果我說不吃培根的人不會得腸癌的機率是 94%,而每天吃大量培根的人的機率是 93%,二者之間的差異聽起來就好一點了;如果我說讓一百個人從現在開始每天都吃一個巨大的培根三明治,其中有一人後來會罹患腸癌,這個風險好像就沒有那麼嚴重了。

耶!培根沒問題了。

不,培根不是沒問題。有強而有力的證據證明,大量食用培根的確會增加你罹患腸癌的風險,這種病很嚴重,能奪走很多人的性命;但是很明顯地,不同的措辭,能夠改變我們對於風險的思考方式。

都被弄迷糊了,倒不如像之前那樣害怕就好。圖/pxhere

那麼,到底哪一個才對?我都被你弄迷糊了。我還寧願像之前那樣害怕就好了。

都沒有錯,但是許多心理學研究顯示,如果你希望大眾能夠理解,最好還是用絕對風險來和大眾溝通。

簡單!所有人都用絕對風險就好了。

可惜沒那麼簡單。雖然眾所皆知絕對風險是溝通的最佳方式,卻很少被採用。可能是因為它比較不容易製造足夠震撼的標題。全世界都是以戲劇性增加的相對風險,來傳達腸癌和培根之間的關連。因此,雖然這項研究很重要,許多人可能會認為用這種混淆大眾視聽、製造不必要恐懼的方式來傳達研究結果,並不公正。

注釋

  1. 譯註:亦譯作「可用性捷思法」,是一種認知捷徑,指個體依據腦中最容易浮現的相關例子,作為判斷的基礎。
  2. 原註:我知道 1 不是 6 的 18%,但是如果確實的數目沒有經過捨入簡化,就是增加 18%。

 

 

 

本文摘自《廚房裡的偽科學:你以為的健康飲食法,都是食物世界裡的胡說八道》八旗文化出版。

 

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