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鹼性食物可以改變血液的 pH值?別再相信沒有根據的說法了──《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)的吧!

人體是很神奇的東西,為了維持不同功能,各個器官各有不同的 pH值。胃部是強酸性,在食物到達胃時,1.5 到 3.5 之間的 pH值有助於將食物分解。皮膚也是酸性,用來保護皮膚對抗細菌的感染。血液的 pH值則維持在 7.35 到 7.45 之間,呈弱鹼性。由於許多維持生命所需的過程都要靠血液,所以讓身體隨時維持在這樣的數值至關重要。就這個有限的方向來說,鹼性灰飲食的倡導者是正確的:

論及血液的 pH值,些微鹼性的狀態是更好的。

然而,鹼性假設的失敗在於,相信出於某種原因,攝取食物將會改變血液中的 pH值。這在單一的研究中確實屬實(經常被這種飲食法的追隨者引用),可見到某些特定食物具有改變血液 pH值的效果。3但研究沒說的是,改變的數值微乎其微(pH值0.014),完全落在正常範圍之內。

圖/pixabay

我們血液的 pH值若些微偏離理想範圍,身體便會啟動許多程序迅速做出應對,其中最重要的是呼吸系統:當我們呼出二氧化碳,便能提升血液的 pH值。這表示,與飲食控制相比,改變呼吸頻率是更有效能的。我們的血液和腎臟也有調節系統,要是血液 pH值過低,我們會迅速排除過多的酸性物質。

血液的 pH值即使有些微改變,後果都可能不堪設想。鹼中毒(血液 pH值不受控制地鹼性化)的後果相當嚴重,起初症狀是顫抖、肌肉痙攣和嘔吐,隨後急速發展成昏迷和死亡。因此,假如血液的 pH值平衡依靠我們所攝取的食物,我們應該會快速死去。

因此,建立任何酸性組成食物名單都只是製作出混淆和誤解罷了。而計算食物酸負荷量(acid load)的原始公式,也有些技術和分類問題4(為了那些不想去查參考文獻的化學愛好者,這是指陰離子和陽離子被錯誤地歸類為酸和鹼),導致很多東西被錯誤標示為酸性。這也普遍被認為太過簡單,忽略了身體裡很多互相矛盾的新陳代謝效果,它們都可能干擾酸性的產生。例如,最近更多關於牛奶的研究指出,牛奶會減少酸負荷量5,但在鹼性灰飲食的文獻裡還是將牛奶界定為「酸性」。

圖/pexels

很多鹼性灰飲食「假設的」健康主張要點是,磷酸鹽會影響鈣質的保留,導致骨質健康發生問題。但這些斷言並不符合磷酸鹽實際上具完全相反效果的壓倒性證據;6該證據顯示,在估算食物的酸負荷量時,應該把磷酸鹽排除在外。不過,鹼性灰飲食追隨者謹守這個飽受爭議的百年公式並不令人意外。

假如他們真的排除掉磷酸鹽,所有乳製品和穀類都將落入鹼性類別,而讓所謂的鹼性飲食變得和現在極為不同。鹼性灰飲食的追隨者經常被教導要測試尿液的 pH值,做為鹼性灰飲食效用的指標。雖然這對於瞭解你的腎臟功能是否運作良好是個很好的測試方法,卻不會告訴你關於血液的 pH值的任何事。下次艾勒.麥克法森又在試紙上小解時,請記得,她是在蒐集排泄物和腎臟功能的有用資訊,除此之外少有其他作用。

然而,鹼性灰飲食最讓人困惑之處是,關於其神奇健康效益的無稽之談是從何而來的?原始的文獻重點只在熱量計燃燒殘餘的 pH值,並未提到任何其他好處,但是鹼性灰飲食的追隨者卻提到有顯著改善、體重巨幅下降、增加活力與對於疾病的免疫力—還有令人不安的一點,能有效預防和治療癌症。食物的鹼性灰假設不過就是把複雜的化學簡化,導致其有益健康的論點太過瘋狂。至於這些論點的源頭幾乎沒被討論過,也就不令人意外了。

源自於怪異的羅伯特.O.揚案例

幾乎所有與鹼性灰飲食有關的健康訴求,都可追溯到羅伯特.O.楊格(Robert O. Young)的一個「突破性研究」。他是美國自然療法醫生和包括《酸鹼值奇蹟》(The pH Miracle)在內等書的作者,他在書中概述他的新生物學「理論」。其中大部分受到 19 世紀法國科學家安東.貝尚(Antoine Bechamp)的研究啟發,相信「多形性」(pleomorphism)7的概念,意思是物質可有很多不同的形態。

貝尚和路易.巴斯德(Louis Pasteur)在差不多相同的時間研究疾病成因,貝尚的假設和巴斯德的細菌理論直接衝突,貝尚相信巴斯德觀察到的細菌實際上只是症狀,是身體反應生病的狀態而產生的結果,而非疾病的成因。然而隨著時間進展,越來越多證據支持巴斯德的研究,貝尚的概念最終被漠視。巴斯德的細菌理論獲勝,徹底革新了地球上每個人的健康結局。

雖然現在我們可能覺得,細菌是身體反應疾病而製造出來的這想法有些瘋狂,但貝尚的假設不該單純被認定為只是危險的騙術。在追尋真理的過程中,科學需要盡可能發展出更多不同的假設,然後找出證據來證實真相。在當時知識有限的情況下,出現細菌是由身體製造出來的想法並非不可能。儘管最後證實是錯誤的,但我們應該表揚貝尚增加讓科學前進的辯論之功。雖然細菌是疾病的成因較符合直覺,但要創造一個理論,就必須漠視任何矛盾假設,絕不能因為它提供了簡單的論述就接受。

對大多數人來說,安東.貝尚和多形性只不過是科學年刊上有趣的注腳,但對羅伯特.O.楊格來說卻非如此。他認為貝尚始終都是正確的,而且所有疾病的根本原因都是因為身體變成酸性。這並非誇大之辭,在《酸鹼值奇蹟》一書中,楊格聲稱「體液和組織過度酸化是所有疾病的基礎」,從普通感冒、肝炎、愛滋病、過敏、糖尿病到流感,每一種疾病都是因為身體變酸而引起。他不只宣稱他的飲食提高了活力、精力和智力,還說他見過人們僅單純轉換成鹼性飲食,就治癒了第一型糖尿病和癌症。由於體液不會酸化,而且他對食物的分類是依據一百年前對化學的誤解,因此這些論點實在令人歎為觀止。

圖/pixabay

還不只如此!羅伯特.楊格也宣稱,曾看過人類紅色的血液細胞在酸性環境裡轉變成細菌的細胞,並相信微生物的遺傳物質會因飲食而改變。他進一步解釋,我們每天應該喝四公升的水,不過不是任何水都行,必須是蒸餾過的水,因為自來水充滿毒素,而瓶裝水是死的(dead)。

是的,我的確是說「死的」。從一些原因不明的方式來看,水的生物性可以是活躍的(active)或「活的」(alive),但如果它悲傷地死去,則可以藉由添加過氧化氫(是的,漂白劑)讓它更具鹼性而活過來。更棒的是,如果你在添加過氧化氫的水裡加上一些酸檸檬汁,就可以讓它更有生氣、鹼性更高(因為酸檸檬是鹼性的)。這些論點如此怪異,真的令我頭痛。

我希望有更多讀者可以從羅伯特.楊格的想法找出問題來,因為在科學的意義上,他的理論並非理論,而是從這個觀點引申出來的假設。要主張細菌不會引起疾病,你必須忽視將近一百五十年來科學的進步—而在這段時間,因感染而造成的死亡率大幅下降。假如微生物可以轉化和改變遺傳物質的想法有絲毫真實,我們的生物學也必須從頭開始,因為它所仰賴的概念是基因是會遺傳的;假如不知道為什麼水可以是活的或是死的,那麼所有的化學和物理學也都會是錯誤的。因此,假如楊格是正確的而鹼性灰飲食是可信的,那麼所有科學都是錯的。

圖/wikimedia

鹼性灰飲食追隨者必須瞭解,他們一旦接受這個飲食哲學,就代表他們也同時否絕了整個主流科學,或許是在不知不覺的情況下,但必須申明每個明星倡導者所相信的,其實只是最高級的偽科學胡說。雖然有些人可能認為,羅伯特.楊格和其他鹼性灰理論倡導者,只是讓人們吃了更多蔬菜,但我們無法迴避現實的黑暗面。

金.廷克漢(Kim Tinkham)就是盲目信奉者中最有名的受害人。她是羅伯特.楊格的病人,罹患乳癌第三期,卻拒絕手術,她相信經由飲食方式的改變,身體便可以自癒。金在因病過世之前,上了歐普拉(Oprah Winfrey)的脫口秀節目,熱情見證楊格的鹼性灰飲食計畫。而在楊格發布新聞宣稱她已遠離癌症後不久,她就過世了。雖然我們永遠不知道確切的細節,但很難認為羅伯特.楊格的錯誤信念在她的死亡當中沒有起任何一點作用。

不過,羅伯特.楊格的故事有個讓人開心的注腳──一個出人意外、最近才被揭露的注腳。2016 年,楊格因偷竊和無照醫療遭起訴,在我寫本書之時,他正被監禁在加州監獄中等待更多詐騙控告的審問。我真心希望他好好享受監獄裡的食物。

注釋

 

 

 

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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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!

口水的清潔效果很強呢!圖/By Corey Knipe @pexels

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」。

《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!

原來除了遇到三寶外,還有很多原因會造成「暴躁駕駛」。圖/State Farm @flickr

《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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我們只用了十分之一的腦袋嗎?不,從來都是百分百──《打破大腦偽科學》

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圖/《LUCY》電影視覺 via imdb

本章要談的是我最愛的腦迷思。如果要頒發「最受歡迎的腦迷思獎」的話,這則絕對是冠軍。你一定也聽說過我們只用了 10%的腦。換句話說,90%的腦閒置在那裡,等著我們去用。想像一下,我們可以一下子將腦功能提高十倍耶!

為了回饋花錢買這本書來看的讀者,我動手搜尋了一下這則謠言的來源。這個說法人盡皆知,想必有個科學根據吧。我瘋狂追查了好幾個月,終於確認:根本沒有可靠的科學來源或研究,也沒有半個像樣的科學家可以證實這個說法。我反而是在一堆心靈成長類書籍裡找到如何完全發揮腦子潛力,輕鬆克服 10%障礙的說法。

現在我們終於找到這個迷思如此根深柢固的原因了,原來是有人在到處散佈謠言!可惜腦完全沒有自衛能力,別人要怎麼搬弄是非都可以,不會受到處罰。再說,要驗算一個人到底用了多少腦容量,也沒有那麼簡單,需要全套的器材和科學操作技術。這些技術幾十年前根本還沒出現,一看就知道腦多麼適合當八卦謠言的題材。

而且,這個想法簡單又迷人。你一定聽過「潛意識」吧!──腦子由發生的事你渾然不知。所以,我們只用了一小部分的腦工作不是很合理嗎?生活經驗似乎也跟這個說法很吻合:最近我很不幸地不小心看到傍晚的電視節目,當下我真的很希望連續劇裡的主角只用了 10%的腦……

腦中的背景雜訊

腦科學怎麼看待這個說法呢?從本書的宗旨看來,你應該早就知道了吧:這簡直完全鬼扯!胡說八道!許多研究腦的工具都可以確認這個說法是錯的。

圖/wikipedia

讀本書時,你用到的注意力絕對超過 10%。有許多方法可以來觀察思考中的腦袋,所有的方法都顯示,腦無時無刻都在工作,絕對從來沒有偷懶的 90%

舉功能性磁振造影術(大腦掃描器)為例,我們都知道它靠測量腦部的血流狀況,來判定哪個腦區特別活躍。觀看這些電腦製作出來的血流模式圖時,可以看見某個地方是紅色的,其他地方則是灰灰暗暗的。你可能會以為這就是 90%定理的最佳證據。但是別忘了,其實這些圖是經過數位處理後,才看得到那些細微的血流差異,它們顯示的是「差異」

事實上,所有腦區都在工作,整顆腦的血流量分分秒秒都在變化,每個腦區(內含數以百萬計的神經細胞)的活化狀況一直都在變動。機器測量到的訊號非常複雜,得經過繁複的計算過程,才能辨識出這些測量到的訊號。因神經細胞網絡不停活動而產生的這些背景雜訊,並不侷限在某個區域。所有腦區都在活動,每一個對思考和感覺都很重要。

腦電波:神經細胞的集合掌聲

圖/wikipedia

除了造影技術,前面所提過的腦波圖也可顯示出,腦子忙得有多麼不可思議。腦波圖不是像測量血流那樣,間接推測神經細胞是否正在活動。繪製腦波圖時,受試者得戴上一頂好笑的帽子,上面裝滿了電極,這些電極會記錄神經細胞發出脈衝時產生的電場。有趣的是,由於神經細胞擁有喜歡聚集在一起的兄弟性格,所以訊號並不是單獨,而是彼此約好同時發送(也就是同步)。這是一件很棒的事,因為這樣產生的電場較大,比較容易從外面測量到。

你一定常聽到人們說,腦電波可以「導電」。聽起來好像很危險。不過這說法並不完全正確。事實上,透過腦波圖,我們可以確定的只有電場變強變弱的過程。令人驚訝的是,這些電場(和震盪)一直都在。不管測量頭部的哪個部位,不管是哪個時間測量,不管當時受試者是在睡覺還是吃冰,神經細胞都是不斷地成群發出脈衝,同步產生電場。

不變的法則是,這些電場的震盪愈慢,注意力就愈低。深睡時,電場每秒變化三次;如果你集中精神專注學習(希望就是你閱讀這段文字的此刻),電場可能每秒變化七十次。但是電場從來不曾消失。所以說,神經細胞會隨時保持活躍,相約好一起傳出脈衝。有趣的是,沒有人知道為何如此,又或者這個同步的過程是如何協調出來的。

圖/wikimedia

它和合唱團演唱美妙的歌曲的狀況不同,合唱團要靠指揮來協調歌唱者的聲波,才能讓原本的背景雜訊轉變成歌聲。然而,腦子裡沒有指揮。神經細胞也不需要指揮,因為它們除了規律地產生脈衝,什麼也不會。如果在培養皿裡培養神經細胞,不出幾個星期的時間,它們就會在沒有接收到任何指令的情況下,開始產生脈衝,完全自動自發。

當有許多神經細胞並列於腦部時,它們就會開始同步。最好的比喻就是一大群人一起拍手,一開始有點亂,也就是「拍手雜訊」,一旦拍手持續得夠久,節奏就會愈來愈接近──整個過程是自發性、自動組織起來的。腦部的神經細胞也是這樣。即使我們並非有意識地在思考什麼,「神經脈衝的掌聲」(可以說是腦袋裡的背景雜訊)也一直都在持續進行當中。

沒有在節能的:大腦就是個燈火通明的宮殿

就算是剛從床舖起來的露西依舊能量滿滿?圖/imdb

想像一下,如果腦子無時無刻都在工作,所有的細胞也辛勤配合,那麼腦需要很多能量,也就不足為奇了。另一個迷思你一定聽過:休息狀態下,雖然重量只佔全身的 2%,腦部消耗的能量卻佔了全部的 20%。你一定不信,但是這卻是真的!畢竟不斷產生神經脈衝、釋出傳導物質是非常費力的事。其他的器官沒有這麼積極,偶而也會休息一下:

肌肉和腸道有事做的時候,才會需要更多養分。不過腦不一樣,它的能量消耗很穩定。不管是唸書,還是之後睡覺夢到書的內容,總血流量幾乎不會改變。

你可能會問,怎麼會這樣?腦袋為什麼不乾脆休息一下(至少一部分)?這是好幾百萬年天擇演化的結果。當然,腦子不是 90%無所事事,但為何又徹底背道而馳,選擇不斷消耗這麼多的能量呢?

圖/flickr

在自己家時,如果你是個節省能源的人,一定只會在你做事的房間裡點燈。如果你的家是有十個房間的兩層樓透天厝(我絕對樂見其成!),而你大部分的時間都待在廚房,那麼所有可用的電燈裡,你只用了 10%。一般人想像的腦部運作就是如此,妥善地分配能源,只在需要的地方開燈。

事實完全相反。真要具象化來比喻腦部運作的話,腦並不是大房子,而是一座雄偉的宮殿,到處燈火通明,熠熠生輝。所有房間的燈都是亮著的,因為幾乎每個房間都有事情要做。總而言之,腦子的運作方式和我們習慣的職場世界,有著本質上的差異。

神經細胞和突觸越用才會越好用:整理鞋子原則

如果我們經常使用某件物品,因為磨損的緣故,它終有一天會壞掉。所以,為了讓它撐得久一點,用的時候要小心,也要不時維修。以鞋子為例,有些鞋子可能愈少穿愈好,如此一來,外觀和功能都可以更維持得更久。然而,腦完全不是這麼回事。

「我姊姊有一整個倉庫的漂亮鞋子。假設五十雙好了,有些鞋她常穿,有些比較少穿。」

如果有一天要整理自己的鞋子收藏,就像管理我們腦神經細胞,她的第一個動作就是檢查哪些鞋最常穿,並且不時維修,例如換個鞋跟或鞋底。那些漂亮卻從來不穿的鞋會先被挑出來,然後在某個時候丟棄。畢竟鞋子就是要穿,才能發揮它的功能。如此一來,她的鞋子收藏會漸漸減少,比方說剩下十雙經常穿的鞋子。鞋架上的鞋子沒有一雙是多餘的。剛開始篩選鞋子的時候,這些鞋的使用率是 20%,最後則是達到百分之百。她的鞋會隨著她的所在地變化,鞋子的數量也會增增減減,這些都和環境有關。

一如各種衣著的穿戴頻率會隨著環境改變:熱帶的泳裝總是多元;寒帶的大衣總是齊全,腦神經也會因使用狀況而「用進廢退」。 圖/Pixabay

當然,我不想把腦和我姊姊的鞋一視同仁,又製造出新的迷思來:不是喔,腦的主要任務並不是整理鞋子。不過這樣的比喻可能比較容易讓你了解腦部的運作模式。腦袋裡面沒有鞋子,而是神經細胞的連結、突觸;沒有人來負責揀選這些連結、把神經細胞丟出去(這點非常重要!),一切都是自發性的。基本原則和前面描述的整理鞋子的道理很像:

神經細胞和突觸必須使用,不然就會死亡。經常活化的突觸也會經常維修保養或擴建。如此一來,這些常用的細胞和突觸的裝備會愈來愈好。

 

本文摘自泛科學九月選書《打破大腦偽科學:右腦不會比左腦更有創意,男生的方向感也不會比女生好》,如果出版,2018 年 8 月出版。

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左右腦的理性與感性是真的嗎?兩個腦半球到底是怎麼分工進擊的?──《打破大腦偽科學》

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頭殼裡的兩個腦半球

其實我們的頭顱裡真的有兩個腦半球。雖然這聽起來有點瘋狂,但是它們的確有不同的任務,至少某種程度上是分工的。

人類的神經系統幾乎都是成對分佈。圖/wikipedia

首先,我們必須了解,人類的神經系統幾乎都是成對分佈。(給無所不知型的讀者:只有負責管理睡眠及甦醒規律的松果體會單獨出現。)有一條長長的細溝將人的腦子分為兩個半球。要是你以為兩個腦半球是對稱的,那就錯了。

腦半球在人的一生中會不斷調整、適應環境,因而改變了某些位置的形狀。舉例來說,大部分人的語言中樞在左腦(96%的右撇子是如此),且左腦的語言區比對應的右腦語言區稍微大一點。有趣的是,我們腦半球控制的是身體對側,也就是由右腦半球控制左手臂。感官知覺的運作也是同理:左腦半球能感知右手的觸覺。由此可知神經系統的基本原則是:

所有的知覺及運動神經纖維在傳進腦部前會先交叉。這樣的安排應該有它的道理──只是還沒有人知道為什麼而已,連腦科學家也沒有答案。

當然囉,兩個腦半球也不是完全獨立運作的。坊間不少自我提升類書籍在教人們如何「將兩個腦半球連接得更好」,我可以跟你拍胸脯保證,兩個腦半球不但早就連在一起,而且還藉由胼胝體連接得很好。

胼胝體(Corpus callosum)位於中央附近,顯示為淺灰色。圖/wikipedia

胼胝體位在腦中央,由厚厚的神經纖維束組成,負責左右大腦半球間的資訊傳輸。這裡的神經纖維分佈真的很密集:胼胝體只有拇指那麼大,但是包含了二點五億條神經纖維。這樣的數量足以讓兩個腦半球好好溝通了。

啊!兩個靈魂住在我腦子裡

如果把胼胝體切斷,分開左右腦半球,會發生什麼事?大家可能會猜想,那是個大災難吧。畢竟胼胝體不只能防止兩個腦半球脫落,也是腦內溝通不可或缺的角色。

某些情況下,比方說對於癲癇患者來說,阻斷胼胝體只是小問題而已。癲癇是某個腦區過度活動,進而擴及了大範圍的腦部區域。為了抑制過度放電的情形擴散得太嚴重,羅傑.斯佩里(Roger Sperry)和邁可.加桑尼加(Michael Gazzaniga)在 60 年代將這類病人的胼胝體切斷。結果發現,病人的腦功能並沒有受到太大的損傷,癲癇的情形也改善了。

研究「裂腦」(split-brain,也就是斷開來的腦半球)的運作方式是否有所不同,是很有趣的。斯佩里和加桑尼加經由一連串巧妙的實驗發現,左右腦半球竟然有某些功能是不一樣的。當主試者在右視野呈現一件物品時(例如橡皮鴨),左腦半球可以辨識出那是什麼物品;由於大部分的人語言中樞在左腦,所以病人也可以正確說出該物品的名稱(「這是一隻橡皮鴨!」)。如果把橡皮鴨放到左視野,影像則由右腦處理,但是因為右腦沒有語言中樞,病人便無法說出該物品的名稱。不過,由於右腦可以控制左手,所以病人可以用這隻手去觸碰橡皮鴨。

圖/PublicDomainPictures @Pixabay

這聽起來有點奇怪。不過,真正詭異的是接下來的實驗:裂腦病人的兩個腦半球陷入衝突。有個病人試圖用右手穿褲子,自己的左手卻不斷出手阻止。還有病人要用左手觸摸太太,右手卻出手制止。

這一連串的實驗指出,左右腦半球處理資訊的方式不同。就神經生物學的角度來看,這真是個迷人的發現;科普界更是趨之若鶩:左右腦半球大不同、感官感知沒問題卻無法唸出名稱的病人、下意識的行為相互衝突──好像我們的頭殼裡真的住了兩個靈魂一樣。

對那些似是而非的偽科學詮釋而言,這點正中下懷。乾脆直接把特定的人格特質歸咎於特定的腦半球不就好了?如果右腦比較擅長辨識整體的樣式和畫圖(事實上也沒錯),何不把創意活動全都包給「右腦」?結果就是:我們以為人類有一個擅長邏輯思考、能言善道,且大權在握的左腦,還有一個可憐的右腦,雖然懂得整體思考又有同理心,但是卻經常受到壓迫。

完全胡言的創意與邏輯分工

嚴謹的神經科學朝這個方向做了一些初步研究之後,很快就跟這種無稽之談劃清了界線。儘管想以現代的造影技術來觀察腦部活動並不容易(我想前幾章已經講得夠多了),不過功能性磁振造影術在此處卻十分管用。尤其是針對「右腦有創意,左腦懂邏輯分析」這個最受歡迎的迷思。完全是一派胡言!千萬別相信書籍上的這類主張,更別相信書中所承諾的,只要運用某些技巧就可以活化右腦,達到整體創意思考的效果。

想像自己在跳古典華爾滋和想像自由發揮的舞蹈,兩者腦部活化的模式不同。圖/pixabay

神經科學家什麼都研究,當然也研究當一個人發揮創意、想像自己在房間裡即興翩翩起舞時的腦部活化模式。結果可讓人意外了:想像自己在跳古典華爾滋和想像自由發揮的舞蹈,兩者腦部活化的模式不同。

受試者顯示出不同的腦部活動:古典華爾滋的腦部活化範圍沒有自由起舞的大(參加維也納華爾滋舞盛會的人別擔心,雖然你的腦子在跳舞時沒什麼創意,但是可以比較專注於精確的動作,而且抗壓性較高)。除此之外,自由起舞時,兩個腦半球的參與程度不相上下。實驗室裡的創意測驗(除了自由舞蹈、還有要求受試者想出一塊磚頭的各種可能用途等)測的就是這類東西。

受試者的任務不同,活化的腦區也會有所變化:有時在右腦,有時在左腦,有時是統整情緒的地方(如杏仁核),有時是控制動作的區域(如小腦),端看被賦予的創意任務而定,例如,自由起舞當然會和語言測驗不同。事實上,科學家沒有發現任何腦區是所謂的創意中樞,左腦裡沒有,右腦也沒有。之前提過的前額葉皮質(在額頭部位),幾乎在執行每個任務時都會活化──但這也沒什麼好大驚小怪的,因為這個區域負責調節注意力。如果要用創意解決問題,人勢必得集中注意力。

左右腦迷思造成的誤會,在此原形畢露:是人們言過其實,把事情搞混了。雖然有幾個具體功能特別集中在某個腦半球,但這並不能拿來解釋所有的人格特質。沒錯,語言中樞大都在左腦,但是右腦也負責了語言的音律。兩邊腦半球彼此合作,共同完成整顆腦的功能。

就連常被歸入左腦的數學思考能力,也是如此。某個腦區是所謂的「數學中樞」這種說法顯然根本不成立。藉由功能性磁振造影術,我們可以清楚看見,兩個腦半球合作得愈密切,數學問題解得愈好。如果只活化單側(大家信以為真的專司數理邏輯的左腦),並沒有辦法解決艱難的邏輯問題。所以啦,「藝術的右腦和數理的左腦」其實是無稽之談

即使是左右半球,仍是時時交流

腦部運作並不是老夫老妻各自考慮再討論,而是各個組成分子即時、持續地彼此交流。圖/pexels

偏好左腦或偏好右腦思考、將人分為「左腦型」及「右腦型」的說法,同樣也是瞎扯。有科學家研究了一千個人的腦部活動,發現很少有神經網絡會集中在單一個腦半球(如負責產生語言的布羅卡區)。大部分的實驗任務都需要兩個腦半球的不同腦區合力完成,而且有些腦區還相距甚遠。右腦型、左腦型和前腦型或後腦型一樣沒有意義。很顯然,腦子活動時並不是活化兩個「腦模組」,而是不同腦區之間的資訊交換──經過連接兩個腦半球的胼胝體。

有時候,也會有人拿「老夫老妻」來比喻左右腦半球的關係:隨著時間累積,左右腦就像幸福的夫婦,分工處理人生中的大小事。做決定時,一個比較衝動直接,另一個比較懂得邏輯分析,兩人彼此互補,共創所謂的「關係有機體」。這個有機體由兩種觀點組合而成,只要彼此間溝通順暢,就會構成一個天衣無縫的團隊。

然而,腦子的運作並非如此。儘管左右腦半球各有其專精的處理歷程(例如語言或空間方面),但只要胼胝體沒有被切除,它們就是整個網絡的一部分。所有資訊同時進入腦中,被分開處理,又隨時不斷整合,最終出現我們稱為「思想」的東西,並且產生行為。

腦部運作並不是老夫老妻那種先各自考慮再討論的模式(或者床頭吵床尾和,但是還是各持己見),而是單一器官的各個組成分子即時、持續地彼此交流。

 

本文摘自泛科學九月選書《打破大腦偽科學:右腦不會比左腦更有創意,男生的方向感也不會比女生好》,如果出版,2018 年 8 月出版。

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自己來肛肛好!不用假他人之手的大腸鏡──2018搞笑諾貝爾醫學教育獎

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「因為這真的太簡單了,所以我們決定多捅三次。」──2018年搞笑諾貝爾醫學教育獎獲獎論文 [1,2]

大腸鏡的不適,真的捅過才知道

想在 Facebook 上有張與眾不同的自拍嗎?想了解怎麼插入大腸鏡,才能避免不舒服嗎?那幹嘛不自己試試看呢?

一般來說,大腸鏡通常是臥姿才能操作。然而,部分患者採取臥姿較困難(如過於肥胖);另一方面,儘管經驗豐富,醫師操作大腸鏡時,總是很難體會「到底有多不舒服?」。

於是在2006 年,日本長野縣昭和伊南総合病院的中山佳子 (Yoshiko Nakayama) 和堀內秋良 (Akira Horiuchi) 醫師,真的決定親自上陣;而他們「坐著自己來」照完大腸鏡的感想,則被刊載於知名期刊《腸胃內視鏡》(Gastrointestinal Endoscopy)。

常見的大腸鏡檢姿勢。From: Wikimedia

兩位醫師使用 Olympus 生產的內視鏡,直徑約 1.03 公分 [註1],並以下圖的方式進行「坐著自己來」的大腸鏡檢。論文詳細地敘述操作的方法:「大腸鏡的把手可由醫師的左手控制,而插入的管子可由右手把持。」

「來,我們教你怎麼自拍自我檢查」。左圖:參考文獻 2、右圖:BBC News

據內文所述,醫師僅僅花了 4 分鐘 [註2],便很輕易地完成了到盲腸的完整內視鏡檢查。

論文也委婉地寫道:「根據『我們個人的』經驗,自我鏡檢真的非常簡單、容易。但不清楚是因為坐姿?這台內視鏡做得很好?還是操作者的技術不錯的緣故?」。文末甚至建議打造一張「坐姿大腸鏡」的椅子,以比較和傳統鏡檢的優劣。(以後患者自己來會打八折嗎?

誰要先?讓專業的來!

科學家和瘋子,只有一線之隔。

自體實驗的學者,超、多、的。數百年前的牛頓 (Sir Isaac Newton),就曾為了研究光學,拿粗針插入自己眼球裡「攪動」[4];上個世紀初的沃納·福斯曼 (Werner Forßmann) 醫師,也曾拿著導尿管插入自己的靜脈直達心臟,還照了張史上最著名的自拍之一[5]。

左圖:牛頓手稿、右圖:史上第一根心導管 X 光圖。From: University of Cambridge & Wikipedia

他們的好奇心戰勝了恐懼,更透過自己的親身感受,讓後輩科學家們了解那些動物們說不出的苦痛、不適感。

事實上,這已經不是兩位日本醫師第一次嘗試「自己來」了。早在 2003 年,他們也嘗試了「自己來」的胃鏡,不僅委婉地敘述:「進入鼻孔時,醫師感到輕微的疼痛。當一路經過食道時,沒有噁心、窒息或嘔吐感」,還恰巧發現原來自己有十二指腸潰瘍(囧rz) [6]!

而這種「真的,捅過才知道!」的自我犧牲精神,也感染了台灣慈濟醫院的胡志棠醫師 (Chi-Tan Hu, MD)。

胡醫師在 2010 年發表了經鼻胃鏡的自體實驗 [7],內文極具畫面感:「當我感到麻木時,我非常緩慢地將內視鏡滑進左鼻腔……」。此外,他更在文章裡認真地討論插入過程中「哪個步驟令人感到噁心?該如何改進?」以求未來的患者能更舒適地經歷胃鏡檢查。胡醫師的自體實驗的精神,令人感佩。

科學的路上有許多的醫師前仆後繼,用自己的肉身打開了科學的真理之門。感謝這些醫師,你們不只視病猶親,更是感同身受,謝謝!

左圖:中山佳子 (Yoshiko Nakayama) 和堀內秋良 (Akira Horiuchi) 醫師於 2003 年發表的自體實驗,恰好發現自己有十二指腸潰瘍;右圖:慈濟醫院胡醫師自體實驗經鼻胃鏡。From: 參考文獻 6, 7

本文感謝衛生福利部台東醫院檢驗科張昱維(Yu-Wei Chang)協助

  • 註 1:與之相比,現流通一元硬幣直徑 2 公分、iPhone X 厚度約 0.8 公分。
  • 註 2:相較於同兩位醫師於 2004 年發表的期刊 [3],標準大腸鏡完成的時間約 7.5 分鐘。

參考文獻

  1. Winners of the Ig® Nobel Prize. 搞笑諾貝爾官方網頁
  2. Yoshiko Nakayama, Akira Horiuchi (2006) Colonoscopy in the sitting position: lessons learned from self-colonoscopy by using a small-caliber, variable-stiffness colonoscope. Gastrointestinal Endoscopy. 63, 119-120
  3. Horiuchi A, Nakayama Y, Kajiyama M, Fujii H, Tanaka N. (2004) Usefulness of a small-caliber, variable-stiffness colonoscope as a backup in patients with difficult or incomplete colonoscopy. The American Journal of Gastroenterology. 99, 1936-1940
  4. Alla Katsnelson (2013) The needle in Newton’s eye. Nature. 494. 175
  5. Chiang Wei-Lun. “【科學簡史】納粹醫師心中的惡魔–人體試驗的黑暗史(1)" PanSci 泛科學. PanSci 泛科學, 16 January 2016. <pansci.asia/archives/90763>.
  6. Yoshiko Nakayama, Akira Horiuchi (2003) Small-diameter endoscope enabled endoscopist to detect his own duodenal erosion. The American Journal of Gastroenterology. 98, 2576. DOI: 10.1111/j.1572-0241.2003.08683.x
  7. Chi-Tan Hu (2010) Nasal anesthesia and body position changes: lessons learned from self-performed, transnasal EGD. Gastrointestinal Endoscopy. 71. 1277-1279. DOI: 10.1016/j.gie.2010.01.062.

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「細胞治療」正式開放,來認識這個新療法吧!

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  • 文/Jaffer Yang│畢業於成大微免所,現職醫學寫作。出於對醫學領域的興趣及工作經驗實務接觸,樂於將自己喜愛的科普知識,以淺白的文字讓更多人了解,曾著有《圖解醫學》一書

2018 年九月起可使用細胞治療的疾病程度與種類皆大幅度放寬,讓臺灣患者有更多的療法可選擇。骨髓移植是現今常見的細胞療法之一,圖為醫師正在從捐贈骨髓者的身上取出骨髓,準備移植進受捐贈者體內。 圖/wikipedia

2018 年 9月,台灣衛生福利部正式宣布修法開放「細胞治療」。這項新的療法被視為可以嘉惠病人之外,也可以推動醫療生技的發展。究竟細胞治療是什麼?目前開放的六大項項目適用於哪些用途?在細胞治療之前需要有哪些認知?就讓我們繼續看下去吧!

細胞治療是什麼?

細胞治療的原理簡單來說,是將自己的細胞也就是「自體(autologous)細胞」,或別人的細胞也稱為「同種異體(allogeneic)細胞」,經過體外培養或加工程序之後,再將這些處理過的細胞引進患者體內使用,以達到治療或預防疾病之目的。

舉兩個例子讓大家比較容易理解:

一、骨髓移植:

骨髓移植一般使用的就是「同種異體細胞」來進行治療,罹患白血病或再生不良性貧血等血液疾病的患者,由於疾病導致體內缺乏正常的造血幹細胞,需要靠他人捐贈正常的造血幹細胞(由骨髓獲取)移植到自己體內。然而,屬於身體防禦機制的免疫系統會攻擊外來物質,所以移植前必須確認人類白血球抗原(human leukocyte antigen, HLA)的配對相符,才不會引發嚴重的排斥反應,而骨髓移植配對成功率這麼低的因素,出自於每個人 HLA 的差異不小。

二、臍帶血:

臍帶血是為了避免上述發生的排斥問題、解決骨髓移植配對率低所發展出的方法,其使用的就是「自體細胞」。利用嬰兒剛出生時,臍帶內含有豐富的造血幹細胞,預先將這些正常的自體幹細胞保存起來,以防範未來不時之需。這也一如俗諺所說的道理:「靠山山倒,靠人人跑,靠自己最好。」

開放了哪些,其來有自──關於細胞治療的六大開放項目

目前細胞治療總共開放六大項目,在衛福部發佈的新聞稿裡,開宗明義的提到開放項目是:

國外已施行、風險性低,或已經於國內實施人體試驗累積達一定個案數,安全性可確定、成效可預期之細胞治療項目。

從上述這段說明,我們可以理解開放重點在於「安全至上」。而六大開放項目也全部都為排斥風險較低、安全較高的「自體細胞」療法。

六大項目看似繁雜,其實以目的論來看,主要可以分為兩大類(詳見下圖):「治療疾病」與「修復組織」。周邊血幹細胞與免疫細胞這兩項,大多是運用於治療癌症;而其他四項的細胞類型則屬於再生醫學,以幫助組織再生或修復為目標。

六項細胞治療的兩大主要目的:治療癌症、修復組織。

根據治療癌症、修復組織的兩大目的,接下來也舉兩個例子,來讓大家更方便理解細胞治療的細節與優點:

一、自體免疫細胞治療癌症:

T 細胞輸入療法的原理,簡單來說是先從患者體內分離出 T 細胞及樹突細胞(dendritic cell, DC),在體外一起培養後,篩選出具備識別腫瘤能力的 T 細胞,再將這些有作戰能力的精英 T 細胞擴大培養後,回輸到患者體內以殺死腫瘤細胞。此療法突破了一些傳統癌症治療的困境,例如無法進行手術切除的腫瘤(生長部位複雜或血癌等非實體癌)。此外,由於使用的是自體細胞,較無嚴重副作用產生,免疫細胞天生具有的記憶能力還可以抑制癌症的復發。

二、間質幹細胞移植修復膝關節:

間質幹細胞先從患者體內分離出來,因間質幹細胞經過誘導能分化成軟骨細胞,待在體外增生到足夠的數量後,就能移植到需要治療的關節軟骨。此療法的好處在於,因為關節軟骨自身修復能力很差,而現行的治療方法僅能緩解關節炎的症狀,就算是置換人工關節也有使用年限等問題。幹細胞幫助軟骨修復與再生的方式,能保持關節軟骨的壽命,延緩退化性關節炎的病程。

細胞治療特管法到底開放了哪些疾病?

衛服部發布的「特管法」的全名是《特定醫療技術檢查檢驗醫療儀器施行或使用管理辦法》,在 2018 年 9 月 6 日正式公告上路。雖然名稱看起來很複雜,但其實本次的修正條文,最重要的是放寬了條件讓更多患者能夠受惠。例如原本在草案中,自體免疫細胞治療只限用於實體癌的第 4 期患者,現放寬為對於「第 1-3 期」實體癌標準治療無效的患者,以及血液惡性腫瘤經標準治療無效的患者。除此之外,其他自體細胞類型也增加了不少可以治療的項目,所有現在核准可以治療的疾病(詳見下表)。

細胞治療項目及適應症(整理自特管法)(點圖放大)。

從這六項細胞治療的類型可以看出,幹細胞取得來源除了原本已運行多年的胎兒臍帶血,更擴大到了成人體內的幹細胞來源。讓沒有保存過臍帶血的人,也有機會接受細胞治療,可以想見不遠的未來有許多銀髮族,都能受惠於關節退化或脊髓損傷的細胞治療;或者是燒燙傷患者除了自體皮膚移植外,還多了自體幹細胞移植的選項;以及血癌患者除了骨髓移植,還多了自體周邊血幹細胞移植的方法。

細胞治療有哪些注意事項?

千呼萬喚始出來的細胞治療特管法,雖然推行的比國外相關法規來得慢,但現今終於等到解禁時刻。然而,首先要強調的觀念是「新方法不一定是最適合你的治療方式」。為何細胞治療在各國都以這種「暫時性許可證」的方式運行?最大的原因就是每種細胞療法的治療成效不一,無法像一般藥物在連續三期的臨床試驗中,呈現充足的數據來驗證其療效與安全性,並適用於一定數量的患者後,正式核准上市銷售。細胞治療也有不少正在面臨的挑戰,例如體外細胞培養導致基因不穩定而有致瘤性(tumorigenicity)、處理過程繁複與細胞保存條件嚴格、穩定度保持不易等問題。除此之外,細胞治療也是種高難度又耗費實驗室人力的個人化醫療服務,可以想見其治療費用絕不便宜,口袋的深度也是不得不考量的要素。因此,現在最大的好消息應是台灣的患者終於又多了一種治療選擇,不用為此再遠渡海外求醫;細胞治療正式上路,也讓台灣相關的生技產業有發展空間並跟國際接軌。

提供細胞治療服務的醫院尚待衛福部公佈

許多重症患者期待著新療法給自己帶來一線生機,不過每種療法都有其限制與風險,最重要的還是配合醫師的專業建議,才能有效治療。 圖/Parentingupstream @Pixabay

雖然特管法已正式上路,但除了目前還沒有醫院可以提供服務,患者們最關心的「如何申請」也都還沒有頭緒。接下來要先由各個醫院擬定計畫,並經由衛福部核准後,才可以執行細胞治療,所以未來可提供細胞治療服務的醫院尚待衛福部進一步公佈。衛福部也表示過去若是做過相關細胞實驗的實驗室,將可以加速審查,預計在 2018 年底陸續會有合格的醫療單位申請通過。

在此之前,打算進行細胞治療的患者,必須認知到細胞療法並非是萬靈丹或唯一療法也不是每位患者都適合使用,建議現階段仍需遵循並配合身邊主治醫師的治療建議,才不會導致病情有所延誤。除了以上的技術性問題,細胞治療的費用也十分昂貴,衛福部目前提出的初步想法是,未來希望以治療療效來收取費用,意指有效者的收費會比無效者高(尚未定案)。

在尚未公佈提供細胞治療服務的醫院之前,接納現有醫師之治療建議就是最好的方案,相信當能實行細胞治療的時刻到來,醫護人員會主動對適合的患者提供指示與協助。

參考資料:

  1. 維基百科-骨髓移植
  2. 維基百科-臍帶血
  3. 衛福部新聞-衛福部 9月正式開放細胞治療,嘉惠病人推動醫療生技發展
  4. 維基百科-再生醫學
  5. 趙榮杰,T 細胞輸入療法–癌症治療新境界
  6. 全新「T 細胞」療法將可保護人體,終身防癌!
  7. UDN 間質幹細胞 退化性關節炎最夯療法
  8. 特定醫療技術檢查檢驗醫療儀器施行或使用管理辦法 (2018 年 9 月 6 日公告)
  9. 台灣衛生福利部 2018 年 9 月 6 日 Facebook 發文
  10. 陳淵銓,來認識醫療新招式「細胞治療」及「基因治療」:在台灣的發展還需哪些政策配套?
  11. 財團法人醫藥品查驗中心 Stem Cell 治療產品臨床前的法規重點考量
  12. Heho 健康-《細胞治療特管法》 新增癌症 1-3 期標準治療無效也能使用!

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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。

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改造細菌代謝反應的「鍊成陣」,新招式將電能轉換為生質燃料

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  • 執行編輯|林婷嫻 美術編輯|張語辰

萊特兄弟和無數人參考鳥類飛行的原理,加以設計改良,創造出今日飛機的速度與功能。人類模仿自然、巧奪天工的能力,現已進展到更小的「分子」尺度。例如,中研院院長廖俊智先前與研究團隊參考自然界的光合作用、改造細菌細胞的基因,設計出電驅動的微生物系統,讓細菌能幫人類解決二氧化碳排放過量的問題、同時產出燃料。

取之自然,改之創造新功能

從古至今,生物學家致力於探究細胞內各種生物分子的作用機制。有些人會問,這有什麼用?中研院院長廖俊智說明,當我們了解得夠透徹,就可以利用自然界不同的生物分子,結合生物學、物理、化學與工程的概念,重新設計其反應作用機制,創造出自然界從未存在的新功能細胞,這就是合成生物學的概念。

一般的生物學,是從拆解中學習。合成生物學,是透過設計來創造。

例如,當今人們面對兩大生活難題:二氧化碳排放過多、化石能源污染性過高。廖俊智思考,其實可以把過多的二氧化碳,回收變成我們需要的燃料!

廖俊智與研究團隊的構想為,先花點功夫改造細菌細胞的基因,重新設計細胞內生物分子的合成反應途徑,就能讓細菌循環利用不同的碳源,並產出高碳醇類(例如異丁醇)作為生質燃料,特別可加工作為航空用油。

廖俊智與研究團隊,計畫讓細菌細胞進行的合成反應途徑:以二氧化碳為碳源 → 產生燃料 → 達成新的碳循環。
資料來源│廖俊智說明 圖說設計│林婷嫻、張語辰

改良細菌代謝反應,將二氧化碳變燃料

二氧化碳的循環利用,過程必須注入能源,在生物界中,最佳的能源來自太陽。為了讓細菌循環利用二氧化碳,廖俊智與團隊一方面研發新的二氧化碳轉化途徑,一方面改良古老又睿智的方法──生物經過演化所發展的「光合作用」。

光合作用分成兩部分,第一部分是光反應,將光能變成化學能;第二部分是利用這個化學能來固定二氧化碳。

所謂「固碳」,是指將二氧化碳轉化成高碳數的化合物,使其不再逸散至空氣中,而能被生物體所用。

光合作用是自然界的能量轉換機制。廖俊智思考一個問題:大自然使用「光」,但我們能不能重新設計細胞的反應作用途徑,改成用「電」來驅動生物的固碳反應?

為了找出答案,團隊以 Ralstonia eutropha 這種細菌為研究的標的,這個研究分成兩個部分。

首先第一部分,要營造出「電驅動」的環境。在布滿 Ralstonia eutropha 細菌細胞的水溶液中,研究團隊放入電極,作為電能來源。但沒想到,一開始細菌細胞都被「電死」了!因為電極在溶液中產生很多自由基,這些自由基會將細菌殺死。為了解決這個問題,研究團隊先分析電極在溶液中產生的自由基種類,進而確定這些自由基的半衰期。幸好這些自由基的半衰期非常短,因此,研究團隊加上一個陶瓷分隔層,在電擊和細菌之間隔出一點距離,讓這些自由基在觸及細菌細胞前就先衰變,保護細菌不被摧毀。

廖俊智與團隊改造的微生物系統:透過細菌細胞的合成反應,先將電能轉換為化學能,再用化學能合成產出燃料。
資料來源│Integrated electromicrobial conversion of CO2 to higher alcohols. 圖說重製│林婷嫻、張語辰

另一部分,除了設計電驅動的方法,團隊也改造了 R. eutropha 的基因,重新設計它的代謝途徑,「代謝」在此泛指「細胞內小分子的化學反應」。

當電極導電,將溶液中的二氧化碳還原成甲酸 (HCOO–),R. eutropha 就可以利用甲酸來合成化學能(NADPH),接著搭配溶液中的其他二氧化碳,進行卡爾文循環 (Calvin cycle),也就是光合作用中最後產生葡萄糖的「固碳反應」。當 R. eutropha 的小分子化學反應被重新設計後,就能使得最終固碳反應的產物轉化成異丁醇,這種高碳數的醇類可當作汽油的代替物、或加工成航空燃料。

這個改造後的電驅動微生物系統,除了可以固碳、產生燃料,也能用來儲存電能。

廖俊智說明,無論是風力發電或太陽能發電,再生能源最大的問題是多餘的電能難以儲存。儲存電能就會用到電池,但現行的電池壽命有限、且效益不高。如果出現系統能有效率地將電能轉換為另一種較易儲存的化學能(NADPH),就可以作為更有效的儲存;另一方面,也能利用這個化學能,來循環利用二氧化碳、轉化成生質燃料。這種方式可彌補電池之不足。

在研究團隊的實驗中,目前由電能轉化產出生質燃料的效率仍然很低,但廖俊智說明:「我們的研究,是全世界第一個這樣做成功的,目的是驗證這個做法的可行性」。研究團隊持續嘗試不同方法來提高效率,甚至不一定只用 R. eutropha 細菌和卡爾文循環為研究對象,還包括設計多種不同人工碳循環的反應途徑,並利用合成生物學的方式,植入不同微生物細胞中試驗。

有些人會擔心:改造細菌的基因,會不會對環境造成傷害?對此擔憂,廖俊智深思後回應:「這種細菌經過人工改造後,變成替人們生產的工具;但細菌本身長得不比原生種快,處於可控制的範圍」,並強調,科學家在研究過程中,要避免科學走上傷害環境的這一步;不能掉以輕心,但也不需過份恐慌。

合成生物學另一招:幫「脂肪代謝」蓋高速公路

「合成生物學」取之自然,改之創造新功能的知識技術,除了應用於微生物細胞,也可用來改造動物細胞的代謝途徑,藉此治療代謝異常。

例如,肥胖症 (Obesity)病人求診時,一般會透過調控體內荷爾蒙、或其他代謝控制藥物來治療;但廖俊智比喻,調控荷爾蒙或控制代謝,就像在塞車的區域拼命豎立交通號誌來控制車流量,卻沒有真正解決塞車問題。

為什麼會肥胖?肥胖的原因很多,基本上是因為脂肪累積過多、代謝不良。應該要加蓋「高速公路」把塞車的脂肪代謝掉。

脂肪在體內代謝後,會轉變成二氧化碳和水,並於過程中產生能量、供體內細胞使用。這個代謝過程就像一個龐大複雜的交通路網,當裡面某些途徑塞車時,脂肪堵塞積累過多,就導致了肥胖問題。

廖俊智與研究團隊加蓋的「高速公路」,由「酶」堆砌而成,用來幫助代謝脂肪。 資料來源│廖俊智說明 圖說設計│林婷嫻、張語辰

廖俊智與團隊以小鼠肝細胞做實驗,改造肝細胞的基因,並新增一條代謝脂肪的路徑,就像加蓋五股楊梅高架道路,來消化國道一號的壅塞車流量。經過小鼠實驗證實,這個方法可以讓更多的脂肪酸氧化,即使小鼠攝取了高脂飲食,也不再那麼容易變胖。

看到這裡,想減肥的朋友可能會問,這能否運作於人體?廖俊智說,這個實驗讓我們看到在高等生物體內,使用人工途徑(如基因療法)來提高代謝反應的可能性;但是人們應利用這項結果構想其他方法,以較緩和的方式達到相同的效果。否則,應該不會有人為了吃美食不想變胖,而改造自己肝細胞的基因。

實驗過程總有失敗,解法就是一次次面對挫折

無論是生產燃料的電驅動微生物系統,或是加速脂肪代謝的肝細胞工程,都尚有許多待改進之處。從目前的實驗原型示範,到未來大規模的市場應用,還有許多研究方法值得嘗試。廖俊智樂觀地說:「不可能一次解決所有問題,但不用擔心,總是能想到解決方案!」這就是科學的樂趣。

 All solutions have a problem, but all problems have a solution.

實驗的過程總是會有失敗,廖俊智坦言,這是科學家最大的挑戰。「從好奇的小朋友,變為成熟的科學家,過程中要面對、處理許多實驗失敗帶來的挫折感。」

遇到挫折的時候,廖俊智沒有什麼特別的方法,就是要面對問題、重新構思、解決問題。其實不只科學家會遇到失敗,像是王建民、陳偉殷、大谷翔平這些運動員所受到的挫折,也絕非外界能夠想像。

廖俊智言語中帶著力量地說:「每個人都要憑藉自己的毅力、和對科學的執著,就像這些選手對於運動的執著。」
攝影│張語辰

延伸閱讀

  • 記憶變差、反應變慢,神經細胞出了什麼問題?
  • 陳儀莊的個人網頁
  • 中研院知識饗宴「敵我難料──神經退化疾病中的星形膠質細胞
  • 註一. Schmidt et al., 2011, Intrinsically photosensitive retinal ganglion cells: many subtypes, diverse functions. Trends in Neuroscience, 34: 572-580.
  • 註二. Chien et al., 2013, Lack of Type VI Adenylyl Cyclase (AC6) Leads to Abnormal Sympathetic Tone in Neonatal Mice. Experimental Neurology. 248: 10-15.
  • Chang et al., 2016, Type VI adenylyl cyclase regulates NR2B-mediated LTD via a cyclase-independent pathway. Scientific Reports 6: 22529.
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本著作由研之有物製作,原文為《重新設計細胞的功能,解決人類的難題──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。

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愛貓也要很科學!那些年為主子做過的搞笑諾貝爾研究

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說到貓咪和人類的關係,那可真真是千絲萬縷。萌翻天的貓主子不僅是我們親密的家人,更是科學研究的寵兒,而這其中,最有名大概就是薛丁格和他那隻又死又活的貓了吧。不過呢,貓到底是生是死可能有些太難解,牠們是液體還是固體可能就容易觀察得多了!?(肉眼可見肯定是液體啊~)

貓咪怎麼可能是固體!圖/reddit

液體固體難解之謎,就交給貓體力學吧!

2017 年的搞笑諾貝爾物理獎得主 Marc-Antoine Fardin,便使用了科學的方式,來探討喵星人是否真的符合流體的條件。論文採用了底波拉數 (De) 作為依據,認為流動特性並非絕對、而是一種相對屬性,而若是底波拉數越小,就表示材料越近似液體,反之則接近固體。在他的分析中,若是老貓咪似乎更接近液體,而年輕好動的貓兒則更像固體。你覺得你家的貓是液體嗎?

  • 我們一起研究貓,一起喵喵喵喵喵!圖/科夥伴 怪奇事物所 提供

貓兒有氣質,連身上的房客都比較文靜?

而除了貓咪本人,科學家對於貓兒身上的房客──跳蚤也十分感興趣。2008 年生物學獎的研究團隊就拿了貓跟狗身上的跳蚤做比較,發現到狗狗身上的跳蚤似乎體力更好,牠們可以比貓咪身上的跳蚤多跳個 10 公分遠,垂直起跳的高度也高出 2 公分左右。

特製洗衣機,滿足主子的潔癖

不過,身為主人的你大概不希望自家的貓主子身上出現跳蚤吧,這時候你就需要特製的「貓狗洗衣機」啦!這可不是什麼虐待的惡作劇,而是兩位西班牙人想出的主意,他們打造出一台大型自動洗貓機,從上肥皂、沖洗到烘乾約需半小時。飼養者不僅可以依照毛孩子們的體型和特殊需求做出設定,也可以全程隔著玻璃窗陪著牠們。發明者表示,用這種洗衣機就像是幫貓狗做 spa 一樣,更說有狗狗洗到一半就睡著了呢。如此有趣的設計,讓他們順利獲得 2002 年的衛生獎。

洗完澡香噴噴最舒服~圖/publicdomainpictures

怕作業毀於主子掌下?讓軟體守護你的結晶

洗完香香的貓咪肯定心情也會不錯,看牠懶懶地打著哈欠、伸個懶腰,然後就一步步往你的鍵盤走去了!?等等,打到一半的論文還沒有存檔欸!各位貓奴們還請不用擔心,只要先在電腦裝上 2000 年電腦科學獎得主「貓咪剋星」,就不怕主子來亂了。這個軟體可以藉由鍵盤打出的內容偵測這些字是否出自人類之手,一旦發現是貓咪在亂跑,它就會阻止貓輸入任何資料,同時發出些噪音讓貓離開原處。

  • 防主子三步驟,貓咪貓咪不要來!圖/科夥伴 臺灣吧 提供

奴才心情太憂鬱,主子咬你喔!

被趕離的貓兒可能會有些暴躁,畢竟它原本可是趴得很舒服呢。為了表示牠的不滿,牠輕輕地咬了你一口。唉呀,這一口可真是不得了,獲得 2014 年公共衛生獎的團隊就專門寫了篇論文,研究貓咬和飼主心理。他們除了發現女飼主被咬的比例更高(在其他研究約為 2:1,在本研究中約為 3:1)也發現憂鬱跟貓咬之間似乎有所關聯,不過,研究者並未找到關聯的原因,也強調了兩者間非因果關係。

說了那麼多跟貓咪有關的搞笑諾貝爾獎項,你是不是對這個獎很有興趣呢?我們的科夥伴志祺七七特別拍了部影片介紹,快去看看吧:

這麼看起來,許多科學家都對貓咪的主題很有興趣呢,這或許是因為吸貓有助於研究吧(?)而除了貓咪之外,搞笑諾貝爾獎還有更多與眾不同而具有意義的研究,如果你還想知道更多「乍看令人發笑,後又引人深思」的實驗,那就絕不能錯過我們精心整理的「搞笑諾貝爾特輯」。

參考資料:

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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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為什麼有那麼多的語言都叫母親為 mama,父親為 papa?

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  • 文/大家的語言學│在科技業闖蕩的語言學人,有感於社會大眾對於語言學的誤解,因此致力於將語言學知識科普化,帶領你發掘生活中無所不在的語言學大小事。

為什麼有那麼多的語言,都要叫母親為 mama、父親為 papa? 這一切都只是巧合嗎? 或是其中有什麼樣的語言秘密呢? 今天我們要為各位解開,mama/papa 這兩個詞產生的謎題。

到底有多少語言稱母親為 mama、父親為 papa? 語言學家 George P. Murdoch 曾經調查了 470 個語言,發現這些語言中稱呼母親的詞,有 52% 都含有 ma、me、或是 mo 的音,稱呼父親的詞則只有 15% 含有 mame、或是 mo。他進一步發現,這些語言中用來稱呼父親的詞,有 55% 是含有 papotato 的音,但稱呼母親的詞僅有 7% 含有 papotato 的音。下方這張圖列出部分語言為例,我們確實發現,稱母親的詞,幾乎都含有 ma 的音,稱父親則多半有 pata 的音。

語言中母親、父親的說法。圖/作者提供。

假設 mama/papa 存在於原始語言中

語言學家首先假設,人類在很久很久之前,曾經有一個共通語,之後所有的語言都是從這個共通語發展而來。至於這個共通語到底是多久以前的語言,目前沒有人知道,只能假設或許在 10 萬年前的智人時代(Homo sapiens)就已存在 。截至目前為止,因為印歐語系(Indo-European)是語言學家研究最廣泛、深入的語系,於是,語言學家根據比較語言學的方式,建構了假想的原始印歐語(Proto-Indo-European),這也是目前語言學家所建構出印歐語系各個語言的共同祖先。

那麼,我們就假設 mama/papa 在原始印歐語就已經存在,並且流傳至今吧!這個假設看起來很完美:「很久很久以前,人類有一個最早的語言,這個語言叫母親為 mama,父親為 papa,並且流傳至今」。

但實際上語言學有個的重要概念,會推翻這個假設。在這之前,我們先來看看一個和 mama 的語意類似的詞──代表女性的 「woman」。以下我們列出在七個不同印歐語系中,代表 woman 的詞:

Woman在不同印歐語系語言的詞彙。圖/作者提供。

上方這些語料都是屬於印歐語系的語言。當我們試著找出這些詞的源頭, 我們發現各個印歐語言代表 「woman」的詞彙都不一樣,有些甚至差異甚大,已經很難推論在原始印歐語中,「woman」這個詞究竟是長什麼樣子。

然而,還是有語言學家很努力的用比較語言學的方法,推斷 「woman」在原始印歐語的形式是: ∗gwena。看到這裡,我們發現在上表這七個印歐語系中,已經很難找出和 ∗gwena 共同的語言特徵了。因為語言經過幾千年的演變,字型、語意、讀音可能都已經改變了。

這裡帶出來的語言學重要概念是:語言會不停地改變。假設在 mama/papa 這兩個詞在原始語言就已經存在,那麼,我們現在看到代表母親/父親的詞,就絕對不會是 mama/papa,因為,語言是一直在變的,不可能經過幾千年都沒有任何變化。

不斷演變的語言,不停轉換的語音

麻麻~麻麻。圖/《蠟筆小新》via imdb

以日文為例,現代日語稱母親為 haha,但根據歷史語言學家的研究,現代日語 /h/ 這個音,是從古日語(Old Japanese)的 */p/ 轉換而來。也就是說,母親在古日語的念法是 ∗papa;值得注意的是,這樣的演變才經過幾個世紀而已。也就是說,短短幾個世紀就有這樣顯著的音變,如果我們假設 mama/papa 存在數千了前的原始語,那麼字型、語義、讀音不可能維持和現在完全一樣。

更有趣的是,有些語言開始出現 mama/papa 的用法,但這些語言中傳統稱呼母親/父親的詞也仍存在著。也就是說這些語言有傳統代表母親/父親的詞,卻也新產生 mama/papa,使得傳統用法和新用法共存(如下表法語和義大利語為例)。這樣一來,我們假設 mama/papa 是存在於原始語言的說法,就無法成立了。

說到法文的 papa,筆者想到了一段有趣的影片,提供給各位觀賞:

在前面,我們假設 mama/papa 這兩個詞是從古老的原始語就存在了,因此,許多語言至今都還保留這樣的用法。這個假設看似完美,但實際上語言是會改變的,我們舉了古日語和現代日語的例子,才經過幾個世紀的時間,就有讀音從 /p/ 變成  /h/ 的音變現象,更何況是假想中幾千年前的原始語呢? 很可能拼法和讀音都會變化得完全不一樣了。

來自小孩的第一個發音:mama/papa

「呀語時期」的兒童,開始發出成人可以辨識的音。 圖/balouriarajesh @pixabay

那麼,mama/papa 究竟是從何而來?我們將根據語言學家 Jakobson 的分析,提供一個大多數人都同意的答案。Jakobson 可說是研究兒童語言習得的先驅,根據他的論述,mama/papa 這兩個詞很有可能是小孩的父母親創造的。

首先,我們先簡單介紹兩個兒童語言習得的階段:咕咕時期 (cooing)和 呀語時期 (babbling)。

  • 兒童在大約一個月大時,進入所謂的「咕咕時期(cooing)」,這個階段的嬰兒會開始發出一些聲音,但這些聲音是無法判別語意的,因此父母親不會認為他們的小孩是在說話。
  • 從三到四個月開始,進入了「呀語時期 (babbling)」,到了這個階段的兒童,開始發出成人可以辨識的音,包含一些母音和子音,且會慢慢出現重複音節的音。

我們假設有個小女孩名叫艾瑪,當她進入了呀語時期,開始發出他的父母熟悉且可以辨識的音。奇妙的事情在「呀語時期 (babbling)」這個階段發生了,她的父母親會認為,艾瑪開始在跟他們說話。但實際上,呀語時期這個階段對於艾瑪來說,主要是在練習發音器官,而不是在和大人對話;不過欣喜若狂的父母可不是這麼想,他們會很自然地認為,艾瑪是在跟他們對話。

那麼,艾瑪最有可能發出的第一個可辨識的音是什麼?這就與發音的困難度有關了,分成子音和母音來看,最容易發的母音是 [a],因為你只要張開嘴巴、震動聲帶、送出氣流,音就發出來了,舌頭和嘴唇幾乎都不用動;子音則是 [m]、[b]、 [p]。

因此,[ma]、[pa]、[ba] 可說是最容易產生的發音組合。

「叫 mama、叫 papa」就是常見的父母親和小孩的 baby talk。圖/balouriarajesh @pixabay

當小孩發出 mama 的音時,母親會很興奮的認為小孩在與他互動,並且認為小孩是在叫她,而不是在叫家裡的狗、桌上的食物等。接著,母親就會開始認為,這是他的小孩所說的第一個字,「叫 mama、叫 papa」就是常見的父母親和小孩的 baby talk。

接下來, mama/papa 這兩個詞會開始擴展,艾瑪的父母會向他的親戚好友說:「我的艾瑪會開始叫 mama/papa 囉」,於是 mama/papa 開始代表著父親和母親的意思,而不是特定指瑪的父親和母親。這是一個重要的轉折點,代表詞彙開始進入這個語言的系統裡,社會上越來越多人這樣使用。當艾瑪長大後,她也會知道 mama/papa 代表所有的父親和母親。

Jakobson 所提出來的這個解釋,還能夠幫助我們釐清為什麼有些語言中,父親叫 mama、母親叫 papa

喬治語 (Georgian)就是一個例子, 叫母親為 deda、父親為 mama,和大多數的語言正好相反。若用語言習得的角度來解釋,子音 [d] 也是屬於容易發出的音,所以有可能是因為喬治亞語在一開始有小孩在「呀語時期 」所發出的第一個音是 deda,於是他的母親認定 deda 就是她的寶貝在叫她;無獨有偶,恰好也有不少的喬治亞孩童的第一個發音也是 deda,慢慢地詞彙經過無數次的使用後,從此 deda 就進入了喬治亞語的系統,代表母親。

取自 Google 翻譯:喬治亞文的 deda 代表母親,mama 則代表父親。

行文到此,我們對這個主題做個總結:

  1. 語言是會改變的。原始語的文字拼法、發音,經過了幾千年的時間,可能都改變了好幾次,因此,要從目前的 mama/papa 去推判其原始語,非常不容易(且前提是假設真的有原始語)。
  2. 此外,有些語言的父親叫 mama,母親叫 papa,假設我們真的找到了原始語中的 mama/papa,該怎麼解釋這些用法剛好相反的例子?
  3. 若從兒童語言習得的角度來探討,兒童第一個發出的可辨識音節,通常是比較容易發出來的音;再加上父母親賦予  mama/papa 的語意,透過語言擴張、約定俗成後,就慢慢地進入語言系統。這就是為何有那麼多的語言都有 mama/papa 這兩個詞彙。

下回當你聽見有小孩在叫 mama/papa 時,相信也能會心一笑,體驗語言發展的魅力。

備註:依歷史語言學的慣例,未證實的形式會以星號標記岀來,例如本文的 ∗gwena “woman" 或 */p/ 是經語言學家推測,但目前仍無法證實的形式。

參考資料:

  • Jakobson, R. (1962) “Why ‘mama’ and ‘papa’?" In Jakobson, R. Selected Writings, Vol. I: Phonological Studies, pp. 538–545. The Hague: Mouton
    Where do mama/papa words come from?

本文轉載自大家的語言學,原文為《為什麼有那麼多的語言都叫母親為mama, 父親為papa?(上)》《為什麼有那麼多的語言都叫母親為mama, 父親為papa?(下)》

 

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腎結石痛如腰斬?來試試新的處方籤:雲霄飛車——2018搞笑諾貝爾醫學獎

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由於夏天氣溫高,排汗量多、尿量減少,而造成尿液濃度增加,礦物質堆積在腎臟中形成結晶沉澱,便容易形成腎結石 (BANG!),也因此夏季是腎結石的好發季節。最常見的腎結石成分是草酸鈣的結晶,若不甚掉入泌尿道,真的是,痛不欲生阿。

若您也是深受腎結石困擾的患者,除了多喝水之外,今年的第 28 次第一屆搞笑諾貝爾醫學獎提供給您一個更有趣的選擇:搭雲霄飛車。

醫學獎得主瓦廷格:「可以多多利用遊樂設施來預防與治療腎結石!」圖/maxpixel

來自病患的使用者見證:坐飛車還能邊排石

今年的搞笑諾貝爾醫學獎頒發給美國密西根州立大學的教授兼泌尿科醫師瓦廷格 (David D. Wartinger),和他同為泌尿科醫師的同事馬克米切爾 (Marc Mitchell)。瓦廷格領獎時笑著說,其實這一切都要歸功於他的其中一位病患。

這位下文會瘋狂提到的神奇病患(以下簡稱病患 P),從佛羅里達州的迪士尼玩回來之後興奮的跑來跟瓦廷格報喜!病患 P 告訴瓦廷格,他去搭迪士尼的「巨雷山 (Big Thunder Mountain) 」雲霄飛車回來,就發現自己的腎結石「移位」了。

瓦廷格獲獎感言提到:

「他(病患 P)搭巨雷山,玩完下車,過兩分鐘,一顆腎結石就掉出來了。他超有自信認為絕對是因為搭雲霄飛車才排出腎結石,所以他又跑回去排隊搭第二次。一樣玩完下車,過兩分鐘,又成功產下第二顆腎結石。他一個趾高氣昂、春風滿面決定再回去排隊……」(然後他就被「甜便便小姐 (Miss Sweety Poo)」(註)喊下台了……

瓦廷格:「所以他又跑回去排隊搭第二次。一樣玩完下車,過兩分鐘,又成功產下第「二」顆腎結石……」圖/第 28 次第一屆搞笑諾貝爾獎頒獎典禮直播截圖

(我幫他繼續說完)極富實驗精神的病患 P 為了證實這一切不是巧合,又再去多搭幾次巨雷山,發現每搭一次就掉出一顆腎結石。聽到病患 P 神奇經驗的瓦廷格大受啟發,便決定開始進行更詳盡嚴謹的實驗。

想知道療法有沒有效,帶著腎臟模型上車吧!

為了還原病患 P 的真實情況,證實其所言不假,瓦廷格和馬克依據病患 P 的腎臟斷層掃描的結果 3D 列印出一個矽膠腎臟模型之後,再裝進尿液跟病患 P 掉出來的三顆腎結石,大小分別是 4.5 立方毫米、13.5 立方毫米與 64.6 立方毫米。

瓦廷格和馬克把這些超重要的實驗材料裝進背包後,跑去搭了 60 次的巨雷山,也就是一種 size 的腎結石搭 20 次。包包裡腎模型的高度位置則精準模擬真人坐在雲霄飛車上的時候,體內的腎對應於雲霄飛車座位的高度。

此乃傳說中依據電腦斷層掃描結果,原型打造病患 P 的腎的矽膠模型。圖/參考文獻 2 Figure 2.

瓦廷格和馬克每搭一次雲霄飛車之前,都會詳實紀錄腎結石的位置,搭完再把飛出來的腎結石裝回去做下一次實驗。至於怎麼決定坐在雲霄飛車的前、中、後哪個位置?瓦廷格和馬克為了模擬遊客搭乘雲霄飛車時的真實座位分布情形,每次實驗都跟其他遊客一起排隊,因此座位選擇是隨機的。

資料蒐集完畢後,瓦廷格依據實驗結果,將雲霄飛車位置區分成前、後兩種,其中前面指的是第一車至第三車(第 1 排至第 7 排),後面則是第五車(第 13 排至第 15 排)。

瓦廷格將雲霄飛車位置區分成前面座位(第 1 排至第 7 排)與後面座位(第 13 排至第 15 排)。圖/參考文獻 2 Figure 3.

刺不刺激不重要,左彎右繞才是關鍵

瓦廷格和馬克這六十次的巨雷山實驗結果,發現搭雲霄飛車確實可以幫助排出腎結石。研究結果顯示,如果患者搭雲霄飛車時坐前面位置,有 16.67% 的機率可以排出腎結石;坐後面的話,排出腎結石的機率提高到 63.89%。

不過奇特的是,如果改搭「飛越太空山 (Space Mountain)」和「搖滾雲霄飛車 (Rock ‘n’ Roller Coaster)」這兩個更刺激的雲霄飛車,效果都沒有去搭巨雷山來的好。瓦廷格認為巨雷山大勝的原因,是因為巨雷山有很多快速上衝又下墜跟急速轉彎的設計,患者身體在強烈擺盪之下,便容易將腎結石排出。

因此瓦廷格下了一個小結:若想排出腎結石,不用去搭時速 110 公里,或是有高速迴轉的雲霄飛車,像巨雷山這種最高 35mph (時速 56 公里)的中等強度雲霄飛車,搭配眾多快速上衝又下墜跟急速轉彎,搭個兩分半鐘就很夠用了。

像巨雷山這種最高時速 56 公里的中等強度雲霄飛車,搭配眾多快速上衝又下墜跟急速轉彎,搭個兩分半鐘就很夠用了。圖/Wikimedia Commons

且慢!雲霄飛車處方真的每個人都適用嗎?

看到這裡的你,如果剛好也有腎結石的困擾,大概明天就想衝去搭雲霄飛車了吧!

但在決定要去三六九哪個遊樂園搭雲霄飛車之前,還是要提醒你一下:瓦廷格和馬克所做的這六十次實驗都只使用「同一個」腎模型跟「同一組」腎結石(都是病患 P 的原型打造),但是仔細想想,每個人「先天的腎」理論上長得不太一樣,「後天製造的腎結石」大小跟形狀也會有所差異。也就是說,同樣有腎結石困擾的兩人,透過搭雲霄飛車幫助排出腎結石的效果不盡相同。如果搭完發現效果還好也不要太難過喔!

這個研究成果只能告訴我們擁有怎樣大小與形狀的腎臟與腎結石的人,坐在「巨雷山」這組雲霄飛車的哪個位置,排出腎結石的機率如何,但確切雲霄飛車怎麼幫助排出腎結石的詳細機制還不是很清楚。

說是這麼說,不過瓦廷格認為有三種類型的患者,去搭雲霄飛車的效果應該不賴:第一種是腎結石比較小的患者,再來是曾經歷體外震波碎石術手術的患者(也就是患者的大腎結石已經被震碎成數個小腎結石)。第三種則是有懷孕計畫,且腎結石較小的女性患者(因為懷孕女性吃的維他命補品容易使腎結石變大)。

這麼看來,「雲霄飛車逼退腎結石」這個方法適用在情況較輕的病患身上,因此若是較嚴重的患者,在決定要不要搭之前還請三思了。

  • 註:搞笑諾貝爾獎的 10 名得主分別只有 60 秒可以發表得獎感言,如果超過六十秒怎麼辦?每年搞笑諾貝爾獎都會找來一名八歲左右的「甜便便小姐 (Miss Sweety Poo)」,在得主發言超過一分鐘時現身大叫:「停!煩死人了!(Please stop! I’m bored.)」喊到得主下台為止。

參考文獻:

  1. The 2018 Ig Nobel Prize Winners
  2. Mitchell, M. A., & Wartinger, D. D. (2016). Validation of a functional pyelocalyceal renal model for the evaluation of renal calculi passage while riding a roller coaster. J Am Osteopath Assoc, 116(10), 647-652.
  3. Riding A Roller Coaster Could Help You Pass Small Kidney Stones Popular Science, 2016.09.27

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打開大腦運作的黑盒子:神經活動的即時影像是如何運作的?

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今天要和大家聊另一個和光遺傳學並列前二名的神經科學重要技術──透視大法:神經細胞活動即時影像技術。也就是,讓科學家們能直接用眼睛看出神經細胞在避沙ㄇㄤˋ(=變什麼把戲、耍什麼心機),看出每個各懷鬼胎的人的大腦到底是怎麼運作。反正就是一眼看穿心思之術!

一眼看穿心思之術?無論如何不可能是跡部王國(茶)。圖/網路截圖

什麼?!可以看穿心思聽起來好嚇人啊!別急別急,科學距離真正讀心還遠著呢!不然歐巴馬就不需要還撥錢搞什麼 BRAIN Initiative 的偉大計劃啦。先來看個影片壓壓驚吧,影片裡面的一閃的就是神經細胞在傳送訊息的瞬間。是的,其實這個技術看穿的就是這樣一閃一閃的訊息傳遞。

為什麼看得到神經訊號很厲害?

Anyway,神經細胞活動即時影像技術讓原本是電訊號的動作電位變成視覺訊號,確實讓我們往了解大腦更接近了一大步。為什麼呢?

在此感謝烏賊大大對科學的貢獻。圖/Hans Hillewaert@wikimedia

神經訊號在細胞裡靠電訊號傳遞,因此以往要瞭解一個單獨的神經細胞對於外界刺激的反應(有沒有產生電位變化),我們只能插一個電極進到神經細胞裡(而且很難插,不得不用很大很大的烏賊巨大軸突細胞做實驗不然插不進去),用許多複雜的儀器,努力屏蔽所有的電磁雜訊,進行各種濾波才能量到。(非常艱難,相信我,蝦喵姊姊正是苦主本人。)

後來,雖然發展到可以不用直接插進細胞只要插在附近也能量到(量測細胞外電位變化),但一根電極能量到的細胞數目畢竟還是很有限。如果要同時看到很多個神經細胞的反應,就必須一次插超多電極把大腦插成刺蝟才行。(而且電極還要夠小根呦!)

但光訊號就不一樣了。如果神經細胞產生反應我們能直接看到,那我們只要用夠好的鏡頭,就能同時偵測鏡頭內每一個神經細胞對於不同刺激的反應。

在以往還在用電極的年代(其實這個年代還沒有過去),科學家常常會有觀測上的偏差,往往只會秀出有頻繁變化的神經細胞,那些安靜內斂的內向者神經細胞容易被忽視(哭哭)[1]。太安靜、只有一兩次電位變化的神經細胞,量測時不太能確定真的是神經訊號或是雜訊,或者其實只是隔壁神經細胞有點燒聲(沙啞)的訊號。

新技術以影像呈現,可以直接看到每一個單獨的神經細胞亮或不亮,所以即使只發聲一兩次,仍然會被記錄下來。

傳統電生理與神經影像的比較。圖/作者提供。

到這裡我們總結一下:光訊號很棒!(掌聲下)量測容易,且能同時記錄到很多神經細胞的訊號,也不會偏袒只記錄多話、頻繁產生訊號的神經細胞。

光訊號的缺點

圖/wikimedia

那光訊號有沒有缺點呢?其實也有。

缺點就是,光訊號雖然在空間解析度很好,在時間上的解析度卻沒有電訊號來得好。就是如果兩個以上電訊號發生在很相近的時間中,光訊號會變成一個訊號。所以當科學家看到神經細胞閃一次,很難知道到底神經細胞是產生一個動作電位,或是兩個甚至是多個。

如何從電訊號轉成光訊號?

目前我們並不是直接看到動作電位,其實是看到鈣離子的變化。

那看到鈣離子變化是怎麼做到的呢?科學家左手綠螢光蛋白(Green fluroscent protein, GFP),右手細胞內建的鈣離子接收器(鈣調蛋白,Calmodulin),兩手奮力一碰,啊──綠螢光鈣離子接收器

和其他會發光的鈣離子接收器統稱「基因內嵌鈣離子顯示器」(Genetically encoded calcium Indicator)[2]。

Uh!綠螢光鈣離子接收器。圖/wikipedia

從此,這種融合蛋白碰到很多鈣離子就會發出綠色螢光。而剛好細胞產生動作電位時,很多鈣離子會從細胞外流入細胞,流入的鈣離子正好碰到這種融合蛋白就會發出螢光啦!

因為這種融合蛋白並不是天生的,所以科學家就可以進一步決定到底要在什麼細胞裡面放這種融合蛋白。也就是可以只看到我們有興趣的那種神經細胞的變化。能直接把動作電位轉成光訊號的蛋白因為技術限制,發展得比較晚,目前正在發展改進之中。

應用一 頭戴式迷你顯微鏡,找出輪班的位置細胞

我當初接觸到這個技術時,最讓我大開眼界的文章就是頭戴式小顯微鏡在自由活動的小鼠上的應用。鈣離子影像最早是用在體外的細胞樣本。之後應用在動物身上時,多半也需要固定動物在巨大的顯微鏡下方才能看到漂亮的影像。

以頭戴式迷你顯微鏡觀察位置細胞的示意圖。其中可以發現A和D細胞在小鼠經過A區域時產生螢光訊號。圖/作者提供。

雖然被固定在顯微鏡下方的小鼠也能跑球、喝水、也能用虛擬實境讓小鼠以為自己在空間中移動,但相對於能自由活動的小鼠還是有許多限制。而 Mark Schnitzer 組發展出僅有 1.9 克重的小顯微鏡(miniature integrated fluorescence microscope)[3],這個乘載重量在小鼠的負擔範圍內,讓小鼠即使戴著顯微鏡仍然能以接近自然形態的方式活動。

這個技術最大的突破是在自由活動的小鼠上同時觀測五百到一千顆神經細胞 45 天[4]。用電極量測細胞時,一來不容易確認不同時間點量到的是否仍為同一個細胞。其次,即使從電極位置和波形推斷為同細胞,能夠持續量測一個細胞維持一週兩週以上並不容易,更別提一個半月。

小鼠的空間記憶實驗--點表明在記錄動作電位的位置,顏色顯示的神經元發出的動作電位。圖/wikipedia

這些優勢,讓作者 Yaniv Ziv 等人發現位置細胞其實是會輪班執勤的[4]。位置細胞(place cells)是一群只在小鼠在特定空間時產生訊號的細胞。不同的細胞有它自己職守的位置(又稱場域,place field),當小鼠走到 A 細胞負責的位置時,A 細胞會產生訊號,其他的細胞則保持安靜;而當小鼠走到 B 細胞負責的位置,則換成 B 細胞產生訊號。

每個細胞只在小鼠經過自己負責的位置時產生訊號。然而,長時間量測同一腦區,卻發現在特定區域產生訊號的細胞每天都會有些不同。

雖然每天小鼠走過特定區域都有特定的細胞產生訊號,但昨天負責 A 區域的是 A 細胞,今天卻換成了 A’ 細胞,而 A 細胞則非常安靜。(如下圖圖二)作者發現,雖然當 A 細胞有執勤的時候,A 一直都是負責 A 區域,但每天負責 A 區域的細胞不一定相同,而是會輪班。

位置細胞的輪班現象示意圖。一個位置細胞只會在小鼠經過一個特定位置有訊號,但第一天和第二天在相同區域有訊號的細胞不一定相同。圖/作者提供。

任兩天負責所有小鼠走過區域的位置細胞只有 15-25% 的重合,也就是有 75%-85% 的區域有別人頂替。(像是圖片中範例,第一天分別是 A、B、C 三個細胞負責 A、B、C 三區,但第二天只有 B 細胞固守崗位,A 和 C 區則改由 A’ 和 C’ 細胞負責。)這種位置細胞的輪班現象可能代表位置細胞不僅只記錄空間,也能記錄時間資訊。

應用二 光纖光度測定:訊號如何由腦區傳遞到另一個腦區?

另外一個應用光訊號的研究則是光纖光度測定(Fiber photometry):中腦腹側被蓋區(ventral tegmental area ,VTA))到伏隔核(nucleus accumbens,NAc)的投射與社交行為相關。

以光纖光度測定法研究腹側背核投射到伏隔核的突觸在社交行為的訊號示意圖。作者讓腹側背核的神經細胞攜帶基因內嵌式鈣離子顯示器,但將光纖放在伏隔核觀察腹側背核神經細胞軸突端的訊號。圖/作者提供。

上面的技術讓我們能同時觀測到很多神經細胞的細胞本體的訊號,但要觀測細胞突觸上的電位變化,就是一件充滿挑戰的事。如果觀察到細胞突觸上的電位變化有影響解析上的困難,那要怎麼知道兩個腦區之間彼此是怎麼溝通的呢?Lisa Gunaydin 等人不直接觀察單一一個突觸,而是將所有從一個腦區投射到另一個腦區的所有突觸訊號搜集成一個訊號觀察。[5]

如此一來,就不需要解析一個突觸的微小訊號,而可以直接觀察一個較大的訊號。她們的做法是:

將所有腹側背蓋區(VTA)的多巴胺細胞都植入基因內嵌鈣離子顯示器(Genetically encoded calcium Indicator, GECI),將光纖放到 VTA 的下游區域伏隔核(NAc)去搜集所有從 VTA 的多巴胺細胞投射到 NAc 的突觸鈣離子訊號。此方法被稱為光纖光度測定(Fiber photometry)

利用這個方法,他們觀察到這些突觸在小鼠進行社交行為的時候,會有許多訊號產生。這個技術雖然不能解析單一細胞,卻能讓研究者以簡單的方式研究從一個腦區到另一個腦區的所有突觸的整體訊號和行為間的關係。

這個技術的優點在於能以簡單的操作(埋光纖畢竟比埋顯微鏡容易)、相對低的經費(光纖比顯微鏡便宜)、對小鼠行為的影響較小的情況下(光纖的重量比起迷你顯微鏡仍然輕上許多),研究動物行為和大腦活動的關聯。雖然犧牲了單一細胞的解析度,卻讓小鼠有更多行為的可能性,讓研究者能研究更自然也更多元行為下的神經訊號。

註釋

  1. 動作電位是當神經或肌肉細胞內電位變化超過閾值時產生的超大電位變化,這種程度的電位變化產生後能迅速的向下傳遞,並透過釋放化學物質影響下游細胞。除了天生沒有動作電位的線蟲,動作電位大概就是研究非線蟲神經生物學家最在意的事。點我看植物的動作電位

參考資料

  1. Scanziani, M., & Häusser, M. (2009). Electrophysiology in the age of light. Nature, 461(7266), 930-939.
  2. Kotlikoff, M. I. (2007). Genetically encoded Ca2+ indicators: using genetics and molecular design to understand complex physiology. The Journal of physiology578(1), 55-67.
  3. Ghosh, K. K., Burns, L. D., Cocker, E. D., Nimmerjahn, A., Ziv, Y., El Gamal, A., & Schnitzer, M. J. (2011). Miniaturized integration of a fluorescence microscope. Nature methods, 8(10), 871.
  4. Ziv, Y., Burns, L. D., Cocker, E. D., Hamel, E. O., Ghosh, K. K., Kitch, L. J., … & Schnitzer, M. J. (2013). Long-term dynamics of CA1 hippocampal place codes. Nature neuroscience, 16(3), 264.
  5. Gunaydin, L. A., Grosenick, L., Finkelstein, J. C., Kauvar, I. V., Fenno, L. E., Adhikari, A., … & Deisseroth, K. (2014). Natural neural projection dynamics underlying social behavior. Cell, 157(7), 1535-1551.

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大考物理命題越來越新穎兼生活化?「素養導向命題」是怎麼回事?──〈科學月刊〉

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  • 文/簡麗賢,北一女中物理教師。

畫錯卡絕對是最令人最為懊悔的事情。圖/pxhere

每年 1、7 月的學測和指考可說是臺灣高中生的成年禮,各科試題出爐後,受訪考生、教師的反應和評論成為媒體爭相報導的題材。今(2018)年,受訪的考生和教師對物理命題的難易度反應不一,但共同點是:題目新穎、貼近生活情境,且需要閱讀理解題意才能作答,即大學入學考試中心強調的「素養導向命題」。

素養導向命題

何謂素養導向命題?閱讀今年的物理題,大概就能掌握其梗概。成績公布後,大考中心對媒體說明,未來的命題趨勢將以素養、生活及整合跨域等理念規劃命題,並呼籲學校應從期中考命題著手,讓學生適應素養命題方向。

據大考中心的說明,精進素養導向命題三大重點如下:

  1. 情境化:試題素材引用生活情境或學術探究情境。
  2. 整合運用能力:測驗學生是否能整合運用知識與技能,以處理真實世界或學術探究的問題,包含閱讀理解、邏輯推論、圖表判讀、批判思考、解釋辨析和資料證據應用等。
  3. 跨領域、跨學科:測驗學生是否能夠融會貫通,善用不同領域或學科所學處理一個主題中的相關問題。

圖/pixnio

以今年指考物理科選擇題「數位相機的光圈數與曝光時間的關係」為例:

照相機鏡頭透鏡的焦距和光圈直徑大小的比值稱為 f 數(也稱為光圈數或焦比),已知單位時間通過鏡頭的光能和光圈的面積成正比。某一數位照相機鏡頭透鏡的焦距固定為 50 公釐(mm),當 f 數設定為 2,可得最佳照片的正確曝光時間為 1∕450 秒,若將 f 數設定改為 6,則其最佳的曝光時間應為多少秒?

這一題被部分教師質疑「超出課綱」,其實不然,而是引用生活情境的「閱讀與理解」素養題。考生若能理解題意,以基本的數學能力,掌握 2 項關鍵「照相機鏡頭透鏡的焦距和光圈直徑大小的比值稱為 f 數」及「單位時間通過鏡頭的光能和光圈的面積成正比」,應能解出答案為 1∕50 秒。不過題目如能加上「通過鏡頭的光能不變」則會更完整。

圖/wikimedia

又以今年指考非選擇題的「微波爐」為例:

題幹中清楚說明「水分子H2O的負電荷(-q,q>0)靠近氧原子,而等量的正電荷(+q)靠近2個氫原子連線的中點,正負電荷分離固定距離r」定義為「電偶極」,並引導考生以數學向量式表達「電偶極矩」。考生若能依循題意「順藤摸瓜」,根據高三學過的「電位定義」,即可回答第1小題;以學過的力矩概念可證明水分子所受的力矩量值關係式,再代入已提供的數據,則可得到第2小題「水分子所受的力矩量值」。

第3小題「微波爐產生的微波可用來加熱食物,而一般市售微波爐的微波頻率約為數個GHz」,應用前一題「電偶極矩」和「力矩」定義,可判斷命題委員「不用計算,用文字說明微波爐能迅速加熱食物最主要原因」的用意,寫出類似參考答案「食物中的水分子為極性分子具有電偶矩,在外加電場作用下受力矩而使水分子以其質心為轉軸向電場方向轉動。故微波爐產生微波波段的電磁波後,食物內的水分子隨微波電場方向的變動,每秒產生數個109次高頻率的轉動,藉此與食物中周圍的分子擠壓與摩擦,因而快速產生熱量」的核心概念。

福衛五號飛越台灣上空的想像圖。圖/wikipedia

再以今年學測自然科「福衛五號衛星」為例,此題即為學術探究的新聞時事素養題:

臺灣首枚自主研製的高解析度遙測衛星「福衛五號」,於 2017 年 8 月順利升空在距地表 720 公里處繞地球作接近圓軌道運轉。一般在此高度繞地心等速圓周運動的衛星,其週期約 100 分鐘。已知地球半徑約為 6400 公里,若為特殊目的發射一新衛星,使其沿圓軌道繞行地球一周所需時間約為 800 分鐘,則此新衛星離地面的高度約為多少公里?

上述題目結合高中物理課程內容,就新聞時事設計成短文閱讀的學術情境素養題。考生若具有「克卜勒行星運動第三定律(週期定律)」的先備知識,依據資料數據判斷,應可估算答案接近 22000 公里。

以上的物理試題顯示學生培養「閱讀與理解」能力的重要性。題目取材自生活中的科學新聞,測驗目標在評量考生的理解能力,期望能理解衛星運行軌道的概念。學生能理解和說明生活現象的原理,就是一種「素養」。素養存在生活中,生活中表現素養,因此,素養導向命題的源頭在生活經驗與新聞報導中。

以新聞時是為例,說明科學、生活與素養

我們知道颱風天會影響飛機正常起飛,然而,氣溫太高也是影響因素,為什麼?

圖/pixabay

去(2017)年6月,國際新聞報導天氣太熱,飛機不能飛,美國鳳凰城市氣溫飆升到攝氏49度,有40多個航班被迫取消。媒體進一步報導「受全球暖化影響,未來飛機不能起飛的情況或許會更嚴重」。專家學者受訪時表示:

從飛機航行的科學而言,飛機無法在真空中飛行,飛行條件之一,必須有空氣形成氣流,透過流速與壓力差而形成升力效應,讓飛機具有動力而起飛,因此,可推論飛機無法在高溫下起飛。

「氣溫多高,飛機才不能飛行?」美國哥倫比亞大學(Columbia University)的科學家曾在2015年發表「極端高溫對飛行影響」的研究報告,指出高溫天氣會限制飛機載重量。並說明「檢視美國機場的條件,丹佛機場的緯度高,空氣層原本稀薄,飛機起飛時更容易受到高溫影響,改進之道是加長跑道。」「以波音737客機而言,在攝氏 37度的高溫下,若仍要依既定航班起飛,只能減少旅客人數和託運貨物重量。」閱讀上面這一則科學新聞,筆者的腦海立即縈繞素養命題的圖像。

圖/wikipedia

例如「依據上述短文和物理概念,天氣太熱,飛機不能正常起飛的最主要原因為何?」參考答案可為因熱膨脹會使大氣空氣層的氣體分子密度變低,機翼無法與足夠的空氣分子交互作用,形成機翼上下的壓力差,可能無法產生足夠的升力讓飛機起飛。其次,可繼續問學生:「因應高溫天氣,為不影響旅客權益,讓飛機能正常起飛,有何改善之道?」參考答案可為加長跑道以增加飛行初速率;減少搭乘班機的旅客人數及承載的托運貨物重量。

物理教師取材新聞報導內容作為命題素材,可延伸主題改寫短文,再從短文中設計題目,測驗學生閱讀理解能力,並繼續延伸問題,測驗學生的科學推理和表達能力。題型可為 1~2 題的選擇題,並搭配1題簡答題,混搭題型設計可達到素養導向命題的目標。

結語

有人認為命題很容易,是因為複製考古題。若要創新題目,符合素養導向命題的三大重點,可不簡單,誠如王安石的詩句:「看似尋常最奇崛,成如容易卻艱辛。」筆者只能說素養導向的創新命題看似容易卻實則艱辛。當我們看到大考中心設計出「漂亮」的升學試題,都該是「有讀、有回、有按讚」的現代「益者三『有』」。

 

 

〈本文選自《科學月刊》2018年9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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兩種恐懼的交會點:科學+寫作該如何進行?──《非虛構寫作指南》

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圖/pxhere

如果你有一班文學院的寫作課學生,並指定他們寫一篇關於科學的文章,教室裡會立刻傳來可憐兮兮的呻吟:「不要!不要科學!」學生都有共同的苦惱:恐懼科學。因為他們從小就被化學或物理老師認定沒有「科學頭腦」。

如果你有一班成年的化學家、物理學家或工程師,要他們寫一篇報告,你會看到近乎恐慌的反應。「不要!不要叫我們寫報告!」他們說。他們也有共同的苦惱:恐懼寫作。他們很早就被國文老師認定沒有「文字天分」。

這二者都是生命中不需要的恐懼包袱。不管你是屬於哪一方,我都希望這一章有助於減緩你的恐懼。本章的基礎就只有一個簡單的原則:寫作不是國文老師專屬的特殊語言。任何人只要思路清楚,下筆就會清楚,不管寫什麼題材都一樣。掀開神祕面紗後,科學無非也只是非虛構文類的另外一種題材,寫作也無非也只是科學家傳遞知識的另外一種方式。

在這兩種恐懼之中,我的恐懼是屬於科學的。我的化學課曾經被當掉,而且授課老師還是流傳三代學生的傳奇女老師,據說她可以教會任何人。及至今日,我對科學的理解也不會比詹姆斯.瑟伯(James Thurber)的奶奶好到哪裡去,他在《想我苦哈哈的一生》(My Life and Hard Times)書中說,她認為有「看不到的電(從牆上的插座跑出來)在家裡到處亂竄」。

但是身為作家,我學會了如何讓一般人也能理解科技題材。說白了,不過就是讓一句話接在一句話後面說。然而,關鍵就在於「後面」這二個字。在這個領域的寫作,必須更努力地寫出線性結構的句子;這裡沒有跳躍式幻想或是暗示真相的餘地,事實與歸納結論,才是這個家族的大家長。

很簡單:形容某件事物如何運作

我給學生的科學作業其實很簡單,就只是要求他們形容某件東西如何運作。我不在乎風格,也不要求優美的文筆,就只要他們告訴我—比方說—縫紉機如何做該做的工作,幫浦如何運作,蘋果為什麼會掉下來,或是眼睛如何告訴大腦看到了什麼東西。任何一種科學過程都可以,這裡所說的「科學」定義非常寬鬆,可以包括科技、醫學和自然。

圖/wikimedia

新聞學的信條是:「讀者什麼都不知道。」以信條來說,這句話並不順耳,但是科技作家卻要牢記不忘。你不能假設讀者已經知道你假設大家都知道的事,或是他們還記得已經解釋過的事。

我看過了數百次的示範,仍然不確定自己可以順利地套上空服員展示給我們看的救生衣:什麼「只要」將手臂套進帶子裡,「只要」將扣環用力往下拉(或是往兩邊拉?),「只要」從管子裡吹氣—但是不能太早。我唯一有自信能夠完成的步驟,就是太早吹氣。描述某個過程如何進行是有價值的,在於兩個理由:一是強迫你確定自己真的了解這個過程是如何進行的;二是強迫你帶領讀者,重新走過那些讓你了解過程的相同思考邏輯與歸納方法

我發現許多學生的思考邏輯欠缺秩序,對他們來說這會是一個很大的突破;有一位耶魯大學裡一個天資聰穎的大二學生就是如此。他到了學期中,都還是滿紙荒唐言的泛泛之談,說不出個所以然;可是有一天,他興致高昂地走進教室,問我可不可以讓他在課堂上朗讀他針對滅火器如何運作所寫的報告。

我原本以為會是一團混亂,結果他的作品卻簡潔有力、條理分明,非常清楚地解釋了如何使用三種不同的滅火器來撲滅三種不同的火源。他在一夜之間突然學會如何寫出邏輯連貫的文章,讓我感到十分得意,他也一樣。在大三學年度結束之前,他就出版了一本指南書籍,而且比我寫的任何一本書都還要暢銷。

還有許多其他思緒不清楚的學生也用了這樣的方法,此後文筆都變得清晰流暢。你一定要試試看,因為科技寫作的原則適用於所有非虛構文類的寫作。這個原則就是帶領一無所知的讀者,一步一步地掌握他們原本以為自己沒有天分、或是害怕自己太笨而無法理解的主題。

科技寫作是一個倒過來的金字塔

倒金字塔結構是絕大多數客觀報導的寫作規則。圖/wikipedia

想像科技寫作是一個倒過來的金字塔。從底部的基礎開始,第一句話先寫讀者在進一步學習之前必須要知道的一個事實;第二句話再擴充解釋第一句話的內容,讓金字塔變得更寬闊;然後第三句話再擴充第二句話的內容,依此類推,你就可以逐漸從說明事實,進展到說明重要性與推論—一個新的發明如何改變已知的世界,可能會啟發哪些研究的新領域,這些研究又可以應用在哪些地方。這個金字塔可以變得多寬,並沒有限制,但是唯有你從一個狹窄的事實開始著手,讀者才能夠理解這些寬廣的應用。

小哈洛德.史梅克(Harold M. Schmeck, Jr.)為《紐約時報》頭版寫的一篇文章,就是很好的範例:

在加州有隻黑猩猩擁有玩井字遊戲的天分。它能夠學習的證據讓訓練師很開心,但是另外一件事情卻讓他們更驚訝。他們發現可以從這隻動物的大腦判斷任何特定的動作將會是做對還是做錯。這取決於黑猩猩的專注程度,當這隻受過訓練的動物集中注意力時,它就會做出正確的動作。

好吧,這個事實還算有趣,但為什麼能登上《紐約時報》的頭版呢?第二段就告訴我了:

更重要的是,科學家能夠確認它專注的程度。利用電腦精密分析腦波訊號,他們學會了如何分辨可稱之為「精神狀態」的情況。

 

圖/wikipedia

可是,這不是以前就可以做得到的事情嗎?

這個計畫的企圖心,遠不只是簡單地偵測亢奮、倦怠、沉睡等粗略的精神狀態,而是踏出新的一步,要進一步理解大腦如何運作。

這個新的一步是要怎麼做呢?

加州大學洛杉磯校區的黑猩猩與研究團隊已經完成了井字遊戲的訓練階段,但是仍然持續進行腦波的研究工作。在太空飛行的實驗中,已經透露了一些有關大腦行為的重大發現,顯示有可能應用在地球上的社會與家庭問題,甚至改善人類的學習能力。

太好了,有太空、人類問題與認知過程,我簡直想不出還有什麼更寬廣的應用範圍了。可是,這只是個別的研究嗎?確實不是。

這是全美國與海外實驗室醞釀合作的當代大腦研究計畫中的一部分,涉及各類生物,從人類、猿猴,到鼠類、金魚、日本鵪鶉等。

我開始看到事情的全貌了。不過最終目的為何?

最終目的是要了解人類的大腦—這個只有三磅重的組織,有不可思議的能力,可以想像最遙遠的宇宙和原子的最核心,卻無法理解自身的運作與功能。每一個研究計畫都是這個巨大拼圖中的一小塊。

圖/pixabay

現在我終於知道加州大學洛杉磯校區的黑猩猩在這個國際科學研究計畫中所占的地位了。知道了這一點之後,我就準備好要進一步知道它在其中的特殊貢獻。

在教導黑猩猩玩井字遊戲的計畫中,就連受到嚴格訓練的眼睛也看不出這隻動物的大腦電波呈現在紙上的曲線有什麼異狀;但是藉由電腦分析,就可以分辨出哪一種軌跡顯示它會做出正確的動作,哪一種會出現錯誤的動作。

其中一個重要的關鍵,就是由約翰.韓利博士主導開發的電腦分析系統,它總是能夠預測出現正確答案前的精神狀態,就可以稱之為「經過訓練獲得的專注度」。如果沒有電腦來分析龐大而複雜的大腦電波紀錄,就無法偵測到這種狀態的「特徵」。

文章繼續以四欄的篇幅,描述這個研究可能的應用範疇—評量家庭緊張氣氛的成因、降低駕駛在交通尖峰時刻的焦慮—最後談到醫學界與心理學界已經在進行的一些工作。這樣的一篇文章,卻是從一隻黑猩猩玩井字遊戲開頭。

你可以協助讀者理解科學工作如何進行,藉此大幅度地降低科技寫作的神祕性。同樣地,這也意味著你必須尋找其中的人情趣味──就算你最後必須以黑猩猩為例,至少在達爾文眼中,那也是僅次於人類的次高級生物了。

 

 

本文摘自《非虛構寫作指南:從構思、下筆到寫出風格,橫跨兩世紀,影響百萬人的寫作聖經》,臉譜出版,2018 年 5 月出版。

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顯微鏡轉接拍照就靠這個啦!讓〈Reductive 疾速轉接器〉協助捕捉鏡頭下的世界

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  • 文/洪郁真

以顯微鏡開啟一花一天堂的繽紛世界,是許多人求學時代難以忘懷的記憶。在教學現場之外,顯微鏡也是許多醫生或科學研究者必備的工具,但這項工具有個令人心癢難搔的侷限:如果沒有安裝專業而昂貴的的攝影裝備,要在顯微鏡上完成拍照跟錄影的工作,在隨身手機已經可比小相機畫素的年代,居然比把大象放到冰箱裡還要困難啊!

使用顯微鏡進行觀察,想來是許多人難以忘懷的經驗。圖/「Reductive 疾速轉接器」團隊提供

舉例來說,在醫院的工作現場,對顯微鏡使用比較多的科別來說,若能簡單的取得紀錄病症的影像對醫生後續的追蹤確認,輔助值班醫師快速了解病患目前的狀況,或是製作醫院內部的會議報告都有很大的幫助。那該如何簡化這本來複雜且麻煩的流程呢?用顯微鏡照相能不能像「打開冰箱、放進大象、把冰箱門關起來」一樣的直接,就只要「把手機放到顯微鏡上、喀喳、拍照囉」呢?

「Reductive 疾速轉接器」的研發正是為了要讓這樣場景變成可能!

要找到合適的轉接器比找到真命天子還難

突然報出了名號好像很威,但不就是個轉接器嗎?跟夜市買的一支九十九元的手機架喬一喬有什麼不一樣?這事情有那麼難搞嗎?Reductive 創辦人,眼科 Y醫師向泛科學團隊解釋,以眼科為例,可以轉接照相工具的專業裂隙燈顯微鏡所費不貲,顯微鏡可能就要 60 至 80萬以上,如果還要照相功能可能往上加 20 萬甚至更多。所以一家有二十多個診間的醫院,也許只有一台機器可以照相,醫生如需要影像紀錄,必須另外安排病患與攝影技術人員碰面。

如能在診間安裝的轉接器,就可以由醫師直接拍攝記錄病患狀況,不需另行安排影像紀錄。圖/「Reductive 疾速轉接器」團隊提供

由於影像記錄需要額外花費來回溝通的時間與心力,降低醫生的使用意願,這讓 Y醫生感覺十分可惜,希望能找出更好的方法改善照相紀錄的簡便性;畢竟有時「一張照片勝過千言萬語」啊。於是他開始搜尋文獻及網路教學,嘗試製作簡易的手機版顯微鏡轉接器(adapter),也從國內外訂購現成的高階目鏡轉接器;卻在拆拆裝裝與微調焦屏中,發現了兩個難題:

第一、光學系統中,光軸(Optical axis)是一條定義光學系統如何傳導光線的假想線。如果光線和光軸重合,光將會沿著光軸傳遞。為了準確對接光軸,要找到兩者間正確的水平位置和傾角。此外,兩個光學系統間的距離也很重要。有目鏡的光學儀器有「適眼距」的設計:當你的眼睛(或手機)靠近目鏡到某段距離時,可以看清楚另一端的影像。一旦兩者距離太遠或太近,就會導致出瞳 (exit pupil) 或入瞳 (entrance pupil),後方接收的畫面會出現明顯漸暈,無法完整看到顯微鏡的全部視野,但目前市面上的轉接器幾乎都無法真正解決這個問題。

第二、市售轉接器常見的使用情境為,使用者先以肉眼調整好顯微鏡的焦距,一個一個步驟把轉接器與手機裝在目鏡上、微調後再拍照。如果轉接器設計不良、穩定度不足,點觸控螢幕的瞬間或意外碰到桌面都可能導致畫面搖晃,根本是訓練使用者屏氣凝老僧入定的神器。等好不容易照完了,要恢復用肉眼觀察時,只能將轉接器拆下,等下次要拍照時重複安裝與微調的步驟。

但對於需要連續觀察並且記錄的醫生、學生、研究者,或觀察快速移動物體,需要用敏捷的肉眼追蹤的人而言,無法快速切換肉眼與數位攝影模式的攝像系統,相當克難與不便。現有較完美的傳統解決方案就是將顯微分出第二或第三個光路接感光元件(CCD or CMOS),或用此多出來的光路轉接至相機或攝影機,價格十分昂貴,而且這種作法也無法利用不含分接光路的光學儀器。

在實驗室內的觀察,用轉接器就可以獲得昂貴攝像系統才能達到的基礎紀錄功能。圖/「Reductive 疾速轉接器」團隊提供

煩惱許久的 Y醫生,興起了「讓大家能用現成或手邊設備達到目的,降低成本又不失精確度」的念頭,希望透過功能越來越強的個人數位攝影裝置「智慧型手機」與更好的轉接器,幫忙那些苦於沒有足夠資金採買專業顯微鏡攝像設備的醫師及研究人員,最後造就了「Reductive 疾速轉接器」的誕生。

肉眼切換手機,快速又精準的關鍵是?

在工作空檔之餘,Y醫生著手分析各家產品的優缺,再融合自身使用經驗嘗試產品開發,這才發現想達到前面所說,讓光學系統相接後可以準確微調水平、傾角與距離真的沒有想像中簡單。

他為此持續學習 3D繪圖軟體與添購 3D列印設備,自己打模。為了讓產品更好,他請教了工業設計師與結構工程師,讓「Reductive 疾速轉接器」在調整角度與穩定度等結構層面、視覺與觸感的外型層面,以及工廠開模製作的量產層面都進一步完善。

過去轉接器的設計頂多考慮 X軸與 Y軸,卻沒辦法調整相機鏡頭與顯微鏡目鏡的傾斜吻合度調整,Y醫生苦笑:「即使是同一套顯微鏡與轉接器,想讓每個人每次安裝完都拍出同樣清晰的照片簡直就是在碰運氣,不可能全辦公室最會對焦的人隨時都在吧?」

他現場向泛科學團隊示範如何將 Reductive 疾速轉接器安裝於顯微鏡目鏡,再將手機「夾」至載台上,然後透過幾個精巧的設計,微調最關鍵的「Z軸」與手機的傾角,以及肉眼對焦完成後,將手機載台沿著滑軌向上一推,就定位後屏幕隨即跳出顯微鏡底下的畫面,且清晰明亮如肉眼直接觀察(小提醒,相機軟體需開啟M模式,不然你可愛的手機就會發揮「智慧」,使勁朝著目鏡裡頭對焦啊!),如果要切換下一個畫面,只要將手機推回原位即可。

幾秒鐘可切換一次的 Reductive 疾速轉接器,在實驗室中要做觀察與記錄轉換均十分方便。圖/「Reductive 疾速轉接器」團隊提供

除了要求穩定與符合人體工學外,Y醫生也考慮到各大品牌手機鏡頭位置有所不同或是側面按鍵可能卡到固定夾,設計出能讓使用者自己調整的彈性。

雖然專業攝影儀器對研究論文中需要的精密影像仍有不可取代性,但單純就醫院看診或研究工作,想在短時間取得大量又實用的影像,「Reductive 疾速轉接器」的便捷度與精確度都足夠了。不論是透過圖像加強與病人溝通,與其他專科醫生商討病例的診治,透過手機就能達成同樣的效果(當然要以維護病患的隱私為基礎),在教學示範與會議報告上都相當實用,有機會提升醫療品質與效率。

以 3D 列印製造出第一代「Reductive 疾速轉接器」原型後,Y醫師邀請醫療領域的朋友或同事試用,並從旁觀察大家安裝調整、上下推動軌道,切換肉眼與手機模式的速度。經過初步統計,從使用者開始在顯微鏡上安裝調整器與手機,到多次重複切換肉眼對焦與手機拍照的整套行為,近乎幾秒鐘可切換一次的Reductive 疾速轉接器,與傳統需要拆裝的轉接器相比,使用速度縮短了 20%~50%。

許多醫生使用後,對便捷性與精確性的回饋都很好,例如對眼科醫生而言,將Reductive 疾速轉接器裝在醫療診間的眼底鏡,就能在沒有系統輔助下,提供外眼攝影,以現代手機攝像鏡頭的水準,試用後可以清楚拍下眼周外部、角膜與水晶體等部位。

Reductive 疾速轉接器竟能成為追「鳥」神器?

但要說最讓楊醫生驚訝的使用者回饋,大概是有賞鳥愛好的朋友一聽完他設計的轉接器,立即詢問:「賞鳥活動可能也需要,這可以裝在單筒望遠鏡上嗎?」

原來全台各地有許許多多的賞鳥人士或自然生態志工,會舉辦體驗活動,邀請大大小小的朋友體驗。這時主辦單位會準備好幾支單筒望遠鏡讓大家輪流欣賞,但在實務教學中,有時會發生人太多,望遠鏡太少,鳥又是活的,老師找到鳥兒的身影大家開始排隊輪著看,鳥等不及被太多人欣賞(?)就跑到別處去。此外,也遇過有些小朋友第一次接觸單筒望遠鏡,不知道該怎麼「看」。

除了顯微鏡,另外令人驚喜的是使用於賞鳥望遠鏡。圖/「Reductive 疾速轉接器」團隊提供

不過在使用Reductive 疾速轉接器後,賞鳥活動的主辦人或解說志工一旦找到了目標物,可立即透過手機屏幕,讓圍觀的群眾邊聽解說邊享受賞鳥的樂趣。如果幸運遇上長得很像但又不同種的鳥同框,主辦人還能在一旁拿出圖鑑,讓大家同時與螢幕上的鳥做比對。不但切換迅速,臨時遇上好畫面只要能輕點手機屏幕,就能立即留下豐富的生態影像資料。(當然,清晰度還是看你手機原本的相機夠不夠力)

不論你是在使用顯微鏡拍照上苦惱不已的醫生和菸酒生,或者會用望遠鏡賞鳥的自然系夥伴們,「Reductive 疾速轉接器」都是最萬用的選擇。產品正在 indiegogo 進行募資,構想設計製作以及最後寄送均 MIT 來自台灣!有興趣的朋友直接可以到募資頁面支持,或到 Reductive 臉書粉絲專頁及他們的 YouTube 頻道獲得更多資訊。

同場加映:沒有用過 indiegogo 嗎?請見樓下使用教學喔。

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#快訊【2018年經濟學獎】想打造自強不息的經濟成長,別忽略知識和自然的力量

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今年的經濟學獎項頒給了 William D. Nordhaus 和 Paul M. Romer,他們藉由擴大經濟分析的範圍,分別針對經濟與自然、經濟與知識之間的互動關係做出了解釋。

所謂「經濟」的核心,其實就在探討資源的利用;自然資源決定了經濟成長的限制,而我們所擁有的知識則能決定我們如何在這些限制下充分地使用資源。

想拚經濟?那你得關心下氣候變遷

經濟學認為,在沒有外部性的情況下,市場力量會決定資源的最佳配置。如果有外部性,市場看不見的手則會失效,這時候就要想辦法將外部性內部化。Nordhaus 探討的是負的外部性對經濟成長的影響,而 Romer 討論的則是正的外部性對經濟成長的影響。通常,負的外部性會用課稅的方式來達成內部化,而正的外部性則是透過補貼的方式。

Nordhaus 在總體經濟學的分析中,納入了「氣候變遷」這項變因。他從 1970 年代開始嘗試了解社會和自然間的關係,那正是科學家開始對全球暖化日漸焦慮的時候。在 1990 年代中期,他率先做出了量化模型,去解釋全球經濟與氣候之間的相互作用。

Nordhaus 認為全球暖化跟經濟成長息息相關。圖/By TheDigitalArtist @pixabay

他的模型整合了物理學、化學和經濟學的理論以及實證結果,現今已廣為流傳,並被用以模擬經濟和氣候究竟是如何共同發展的。另一方面,他提出的模型也被用來檢查氣候政策干預(例:碳稅)的後果。

知識創造經濟、經濟增加知識

Romer 則在宏觀分析中採用了創新的技術,分析「知識」是如何驅動長期的經濟發展。

以往談到經濟成長時,通常會提到 Solow 的新古典成長模型,但是該模型只考慮人口成長與資本累積,而沒有關於人力資本、技術成長方面的探討,在該模型下,發展比較落後的國家經濟成長會比已開發國家來得高,長期來看,所有國家會達到一樣的經濟成長,稱之為所得收斂。

然而,實證研究發現這跟實際情況有出入,所以 Romer(跟他老師 Robert Lucas) 以人力資本跟知識創新的概念來解釋長期經濟成長。他展示出經濟是如何影響人們的意願,促使公司產出新的想法和革新。他提出了內生增長理論 (Endogenous growth theory),其核心思想是認為經濟能夠不依賴外力推動實現持續增長,內在的技術進步是保證經濟持續增長的決定因素。

知識是如何推動經濟成長的呢?圖/By qimono @pixabay

這個理論既概念又實用,他解釋了創意和其他經濟物品的相異之處,在於創意需要特定條件才能在市場中茁壯成長。他的理論也推動了大量研究去進一步了解那些鼓勵創新思想和長期繁榮的法規政策。

這兩位經濟學獎的得主都使用了方法論的角度,提供我們有關技術創新和氣候變化因果的重要見解。雖然他們沒有提供明確答案,但他們的研究將能幫助我們回答如何實現持續而永續的全球經濟成長。

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基本粒子的標準模型

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我想近代物理已無可否認地偏袒柏拉圖(Plato)。事實上,物質的最小單位已不再是我們一般所認為的「東西」,而是僅能用數學語言才能精確地表達的形式與觀念。
── 1932 年,海森伯(W. Heisenberg),1932 諾貝爾物理獎

大約在西元前 400 年左右,古希臘哲學家德謨克利特(Democritus)就提出原子論:世界萬物都是由不可再被分割之看不見的各種大小及形狀之固態原子(atom)所組成的。他可以說是人類歷史上的第一位基本粒子物理學家;他的此一想法終於這在十九世紀初完全被證實了。西元 1811 年道爾頓(John Dalton)提出了到現在還是整個化學基礎的「原子論」:化學反應──產生萬物──只是各種不同原子在空間的重新排列組合而已!西元 1869 年,門德列夫(Dimitri Mendeleev)提出元素週期表後;這一理論的發展可以說是達到高峰。化學家已不再懷疑原子的實在性;但儘管證據確鑿,大部分的物理學家卻遲至二十世紀初才相信原子之存在的!

就在物理學家開始相信原子存在之時,他們卻也開始覺察到原子並不是不可再被分割。物理學家不但相繼地發現了組成原子之電子、質子、以及中子,他們也了解到了那時已知的物理根本不適用於了解這些微觀世界的現象!因此在普朗克(Max Planck[1])及愛因斯坦(Albert Einstein[2])先後提出奇怪的觀念後,物理學家竟然群策群力地於 1920 年代末發展出一套更令人迷惑的「量子力學」(quantum mechanics)!1930 年代初,他們也漸漸清楚重力(gravity)及電磁作用力(electromagnetic force)不能夠解釋(1)為何質子及中子可以聚在一起組成原子核、及(2)放射性元素的蛻變,而意識到了微觀世界裡應該還有兩種新的作用力量存在:強作用力(strong force)及弱作用力(weak force)。

隨著加速器技術的發展,物理學家也不斷地繼續發現其它許許多多生命期甚短的新粒子!在相信上帝不應該會如此笨手笨腳地製造出這麼許多不同的「原子」的信仰下,經過 40 年的努力,物理學家終於在 1970 年代真正確定了不可再被分割的古希臘「原子」,以及瞭解了它們如何相互作用,建立了基本粒子的標準模型(standard model)。2012 年 7 月 4 日,當兩組歐洲核子研究組織(CERN)裡的科學家同時宣布在大強子碰撞機(LHC)裡偵測到了該模型中尚未被發現的希格斯玻色子(higgs)時,此一標準模型算是正式被「證實」了!

在〈規範對稱與基本粒子〉[3]一文裡,筆者已介紹了規範對稱及基本粒子的發展史,因此在本文裡,筆者將只做個基本粒子的標準模型之敘述性的總結。還有,在這裡我們也不談非常重要但甚弱的重力場(gravitational field)及可能存在的重力子(graviton)──雖然在這裡所談到的所有基本粒子都會與它作用。

基本粒子

標準模型的數學基礎是綜合了古典場論、特殊相對論、以及量子力學所發展出來之「量子場論」(quantum field theory)。古典場只是一個時、空的函數,但量子場論將它「量化」了:基本粒子只是充滿時空之動力場(dynamic field)的激態而已;因此每種基本粒子都有其自己的量子場。這些場的相互作用之「運動方程式」形式則受制於(需符合)「局部規範對稱」(local gauge symmetry)群 SU(3)×SU(2)×U(1) 。(詳見「群論、對稱、與基本粒子」[4]。)

基本粒子如下表所示分成兩大類,自旋(spin)數為 1/2 之費米子(fermion)及自旋數為整數之玻色子(boson):

費米子需符合費米─迪拉克統計(Fermi-Dirac statistics),不許兩個或兩個以上的粒子在同一量子狀態下,為構成不同化學元素的重要條件。玻色子則需符合玻色─愛因斯坦統計(Bose-Einstein statistics),比較喜歡群聚[5],為雷射及日常生活中之電磁波出現的原因。除了希格斯玻色子(higgs boson, H)外,其它玻色子都是因「局部規範對稱」之要求而「出現」,因此稱之為「規範玻色子」(gauge boson),為基本粒子之間相互作用的媒介。

費米子之間的相互作用可依其強度分成具 SU(3) 對稱之強作用及具 SU(2)×U(1) 對稱之電弱作用(electroweak interaction)兩種。雖然所有的費米子均能感到電弱作用;但只有最上面兩排的夸克(u,d,c,s,t,b)可以感受到強作用力。夸克之所以可感受到強作用力是因為每個均帶有稱為藍 (B)、紅 (R)、或綠 (G)之「強作用力電荷」的關係。因此嚴格來說,夸克不應該只 6 種,而是 18 種;但因為 SU(3) 對稱之關係,不同顏色的夸克[如紅、藍、綠之 u])應具完全同樣的性質,在實驗室中是無法分辨的──因此實在沒有另外給予名字的必要。傳達強作用力的「規範玻色子」稱為黏子(gluon):共有 8 種,因本身也帶強作用力電荷(同時帶顏色及反顏色[8]),故也感受到強作用力。

除了希格斯玻色子外,所有表中的其它基本粒子均因「局部規範對稱」之要求而不能具有質量!此一與實驗結果不符的要求,阻擋了「局部規範對稱」理論的發展長達十二年之久。不只如此,因為 SU(2) 對稱之關係,第一行與第二行之上、下夸克(u 及 d 等)應具同樣的性質,在實驗室中應是無法分辨的;同樣地,第三行與第四行之上、下輕子(lepton, υe 及 e 等)也應具同樣的性質,在實驗室中也應是無法分辨的!既然也像黏子顏色一樣在實驗室中沒辦法分辨,為什麼我們在這裡卻給它們不同的名字呢?原來是它們的 SU(2)×U(1) 對稱在宇宙的演進中被破壞了──因此在實驗室中可以分辨了!

自發對稱性破壞

「自發對稱性破壞」在基本粒子裡是一個非常重要的觀念,因此筆者在此除了重覆一段《量子的故事》裡的描述外,將進一步地用一數學例子來闡釋此一觀念:

「假設我們是生活在一個非常巨大的磁鐵裡,磁鐵的 N 極指向北方。磁鐵是由許多小磁鐵整齊排列而造成的,但決定此排列的作用力事實上與方向無關,磁鐵的 N 極沒什麼理由一定要指向北方,它照樣可以指向東方。但它一旦指向了北方,則對住在裡面的我們而言,空間方向的對稱性(均勻性)便被破壞了:北方對我們而言是很特別的。因為該磁鐵的極性影響了我們的所有實驗,而我們又沒辦法去改變其極性的方向,因此如果有外太空人告訴我們說:『自然界的物理定律是與方向無關的』,我們是很難相信的。小磁鐵間的作用力是不具方向性的,但它的「狀態」破壞了空間方向的對稱性。例如當溫度高得使小磁鐵的動能足以克服其與周遭之作用力時,磁鐵便不再具有極性,空間方向的對稱性便可顯示出來。當溫度下降,而致小磁鐵整齊排列時,此一對稱性便被隱住(破壞)了。」

如果你想進一步了解,且不怕看到數學方程式,那圓形鼓面的震動將是一個更具體的例子。圓形鼓面在(x,y)平面上具有圓形的對稱性,因此使用極坐標(r,θ)來表示將較方便。

鼓面受敲打後的上、下震動震輻 H(r,θ,t)的「運動方程式」可用牛頓力學導出;

式中 u 為波的傳播速度,t 為時間,R 為圓鼓的半徑。H(r,θ,t)為一時、空函數,在物理上稱為「場」。因為除了微分部份外,式中不含 θ,因此該運動方程式具有垂直軸旋轉的對稱(用 θ →θ +c(任一常數)代入,方程式不變;所有的常數 {c} 構成一個數學上的「群」[4])。下面是此運動方程式許多解中的三個解之圖形:

如果你在鼓面上一點輕輕一敲,鼓面的震動一般都會是相當複雜的(但可用所有可能的解來表示);但如果你「敲對」了,你將可能只激發了上面的一種震動形態而已!上圖中的左右兩個震動形態均保持著原來之垂直軸旋轉的對稱性;但中間的一個則不再具有原來之垂直軸旋轉的對稱,造成了所謂的「自發對稱性破壞」:從這一個特別解裡,我們看不出原來方程式所具有的對稱;此一特別解破壞(隱藏)了原來之對稱。

希格斯玻色子破壞電弱作用對稱

在宇宙出現時,「希格斯場」(Higgs field)即像其它場一樣充滿了宇宙;但它卻不像其他場一樣,其真空平均值(vacuum expectation value)不為零,其位能形狀則像酒瓶瓶底:中間內凸、(能量)較周邊為高。此一希格斯場具有以酒瓶中心為軸旋轉之對稱性(如上圖);因此在宇宙初現、溫度(能量)還是非常非常高之際,沒有任何基本粒子在意這一個不平的酒瓶瓶底。但隨著宇宙溫度的下降,希格斯場的能量也漸漸下降,最後終於像本無磁性之磁鐵需要選擇一個方向磁化下來一樣,掉到周邊之較低的能量溝內的某一點(自發對稱性破壞);因溝內那一點的位能不為零,因此破壞(隱藏)了原來之電弱作用的 SU(2)×U(1) 對稱性,將它分家成了兩種我們現在所知道的電磁作用(electromagnetic interaction)及弱作用(見下圖)。

電弱作用破壞前之四個 SU(2)×U(1)「規範玻色子」──B、W1、W2 及 W3 ⎯⎯因與此一希格斯場之作用而重新組合成帶電之 W+ 與 W-,以及不帶電之 Z° 與光子 (ϓ)。W+、W-及 Z° 成為弱作用中的規範玻色子(嚴格來說,弱作用不具 SU(2) 之局部規範對稱);新出現的光子是唯一還保持零質量的規範玻色子:正是具 U(1) 局部規範對稱之量子電動力學(quantum electrodynamics,QED)中的規範玻色子(但不是原來之 SU(2)×U(1) 中的 U(1))。事實上除了微中子 υe 、υμ、及 υτ 外,其它能感受到弱作用的所有基本粒子(包括 W+、W-、及 Z° 本身)也均因與希格斯場之作用而取得了質量(見表)!因為黏子不參與弱作用,故還可以保持不具質量的身材;可是這下子問題又來了:依照特殊相對論,一個質量為零的粒子應只能以光速運動,所以黏子應該像光子一樣,以光速傳遞強作用力到遠方才對,怎麼強作用力也像弱作用力一樣是短距的呢?

漸近自由

因為強作用力的規範玻色子(黏子)本身也參與強作用的關係,使得強作用力具有一種非常不尋常的「漸近自由」(asymptotic freedom)的性質:當兩個帶顏色之粒子漸漸接近時,它們之間的作用力越來越小!反之,當它們漸漸遠離時,它們之間的作用力將越來越大,最後將大到有足夠的能量產生新的一對帶顏色之粒子。換言之,帶顏色之粒子不可能單獨存在,它們將永遠地被綁在一起⎯⎯稱為「幽禁」(confinement)。正是這一個原因,使得黏子不能(不需)像光子一樣傳遞長距離的作用力!事實上,量子色動力學(quantum chromodynamics,QCD)裡還要求「穩定」的粒子均是白色的:說明了為什麼實驗室中所能偵測到的粒子均是由三個夸克(紅+藍+綠=白色)、或兩個夸克(顏色+反顏色=白色)組成的。

電磁作用力的規範玻色子(光子)本身則不參與電磁作用,因此不具有「漸近自由」的性質:電磁作用力隨作用距離之增加而降低。此一特性事實上也是因為規範對稱的關係;U(1) 在群論(group theory)上有一與 SU(2) 或 SU(3) 非常不同的性質:前者的對稱運作與先後次序無關[4]。事實上正是U(1) 之此一特性使得透過電磁作用之費米子(如電子)可以具有質量。所以我們可以說物理學家很幸運,不需尋找讓電子具質量的原因,很早就能成功地發展出具局部規範對稱之量子電動力學,成為後來發展強、弱作用之局部規範對稱理論的藍圖!誰說成功不需要靠運氣?

手徵性

事實上除了 SU(2)×U(1) 要求費米子不能具質量外,弱作用破壞了鏡像對稱[7]的這一實驗的結果,也要求費米子不應具質量!依照特殊相對論,一個質量為零的粒子應只能以光速運動,因此如果它具有自旋,則便應該有兩種可能的手徵性(chirality):自旋與運動方向相同或者相反( 如下圖 )。

但具質量之粒子不能以光速運動,因此當觀察者的速度由比它慢變成比它更快時,手徵性將由左撇改成右撇(或由右撇改成左撇),故具質量之粒子沒有固定的手徵性;換言之,手徵性不是具質量之粒子的性質。因此如果弱作用只能與左撇(left handed)費米子作用,顯然費米子也不應具質量!

與希格斯場作用的結果,費米子不但取得了質量,也透過希格斯玻色子使左撇及右撇費米子混成一個我們在實驗室中所觀察到的不具手徵性之費米子:同時具有左撇及右撇的量子態。因左撇及右撇費米子具有同樣的自旋及電荷,故依自旋及電荷「不滅定律」,做媒婆之希格斯玻色子的自旋必須為零且不帶電:正是實驗所發現的結果。

這許多因希格斯玻色子而取得了質量的費米子當中,很奇怪的卻不包括微中子[8];更奇怪的是:微中子如果沒有取得質量,就對稱的觀點來看,左撇及右撇都應該可能存在才對,但物理學家卻從未在宇宙或實驗室中發現過右撇的微中子!因此在標準模型裡認為右撇的微中子根本就不存在。

殘留強作用力

我們前面提過「穩定」的粒子均必須是白色的,因此質子是由分別帶紅藍綠之三個夸克 uud 組成的,而中子則是由分別帶紅藍綠之三個夸克 udd 組成的。可是它們一旦變成白色,依量子色動力學,它們之間便應該沒有強作用力了,那為何質子及中子可以聚在一起組成原子核呢?我們不是想了解此一原因才發展出強作用力理論嗎?

事實上我們早就在化學上碰到同樣的問題:氫原子是由帶正電的質子及帶負電的電子所組成的,因此是不帶電的,但兩個氫原子還是可以透過電磁作用力而結合成氫分子的。我們知道其原因是因為兩個氫原子核「合用」了它們外圍的電子,形成化學鍵所致。同樣地,質子或中子之間的作用也是透過帶有顏色之成份的 u 或 d 夸克來達成的:交換(合用)由一夸克及一反夸克組成之介子(meson),如不帶電之 π0(見上圖[9])。正像化學鍵比直接的電磁作用弱一樣,這稱為殘留強作用力(residual strong force)、核子強作用力(nuclear strong force)、或核子力(nuclear force)雖然比直接的強作用力弱得多,但是還是足夠克服質子間之靜電排斥力,將質子及中子結合成穩定的原子核(但不像強作用力,它的強度隨粒子間距離的增加而急速減弱,所以質子或中子可以是被分離、單獨存在的)!

我們說希格斯玻色子使許多基本粒子得到質量,但是這些質量卻不是我們周遭物體質量的主要來源:例如質子是由 uud 三個夸克組成的,但那三個夸克的總質量大約只有實驗室中量得之質子質量的百分之一而已!質子或中子之其它質量都在使那三個夸克在一起的束縛能量裡(m=E/c2)。

結論

物理學家於 1897 年發現了不可再被分割之電子;經過 100 多年的努力,終於在 2012 年發現了理論上必須存在的最後一種不可再被分割之希格斯玻色子,奠定了瞭解宇宙萬物組成與運行之基本粒子的標準模型理論。

現在的基本粒子雖然不是像當初古希臘哲學家所追求的只有一種,但是卻比化學上之基本粒子──化學元素⎯⎯少得多。如果不算反粒子及顏色[10],物理學上只有 12 種基本費米子、以及 6 種玻色子而已!就日常生活以及化學來看,我們所常「接觸到」的基本粒子事實上只有四種而已: u 夸克、 d 夸克、電子、及光子!離當初所追求的「只有一種」也算是不遠了!儘管如此,化學上的原子似乎還可以想像,讓人有「實際存在」(實在)的感覺;但現在物理學上的基本粒子則似乎是有點「玄」了!

注解:

  • [1]:「量子力學的開山祖師──普朗克」,《科學月刊》,1982 年 4 月號;《我愛科學》,第 51 頁。
  • [2]:「太陽能與光電效應」,《科學月刊》,2013 年 4 月號;《我愛科學》,第 155 頁。
  • [3]:「規範對稱與基本粒子」,《科學月刊》,2014 年 11 月號;《我愛科學》,第 186 頁。
  • [4]:「群論、對稱、與基本粒子」,《科學月刊》,2018 年 9 月號。
  • [5]:這命名正好與當事人相反:玻色較害羞內向,費米則非常合群外向。
  • [6]:黏子之所以有八種,乃是因所帶之顏色不同的關係。黏子同時有顏色(R,G,B)及反顏色(r,g,b),因此理論上應該有九種才對,為什麼只有八種呢?那是因為代表 SU(3) 之 3×3 矩陣只有八個獨立變數[4];就顏色的組合上來講,(Rr+Gg+Bb)組合不受 SU(3) 對稱轉換的影響,不能作為傳遞強作用的規範玻色子;(9 個自由度 – 1 個條件)只剩下 8 個在 SU(3) 對稱轉換下「相同」的黏子。
  • [7]:沒有任何物理學家知道為什麼:事實上當他們發現自然界竟然是這樣時,他們也非常感到意外;詳見「對稱與物理」,《科學月刊》,2010年3月號;《我愛科學》,第 178 頁。事實上不止微觀世界這樣,巨觀世界裡也是充滿著鏡像不對稱的現象。詳見「左旋還是右旋?化學對稱跟你我的身體有關!」, 2015 年 9 月 25 日泛科學;「 對稱與化學」,《我愛科學》,第 193 頁。
  • [8]:在物理及天文學家發現「微中子擺盪」(neutrino oscillation)之現像後,不少物理學家已認為微中子應該具有些微質量。詳見「微中子的故事」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;《我愛科學》,第 105 頁。
  • [9]:日本物理學家湯川秀樹 1935 年所提出的理論。湯川秀樹 26 歲就當了大阪大學的助理教授,29 歲時提出了這被忽略達兩年之久──但對以後基本粒子及其作用力研究影響非常大──的理論,獲 1949 年諾貝爾物理獎。原子核內的作用力事實上因多體(至少 6 夸克)、自旋、及角動量等關係,比這裡所形容的複雜得多。
  • [10]:除了 W+ 是 W-反粒子外,其它玻色子沒有反粒子(反粒子就是粒子本身)。

參考資料:

  1. 《量子的故事》,新竹市凡異出版社(1982 年;2005 年第二版)。
  2. 《我愛科學》,台北市華騰文化有限公司出版(2017 年 12 月)。本書收集了筆者自 1970 年元月到 2017 年八月間在科學月刊及其他雜誌發表過的科普文章。

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為什麼比起數據,人們更容易相信個案?

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社會中總會有許多來來去去的科學議題,從基改、食安到能源議題,每一個都能看到正反兩方戰到天荒地老。一方總是主要訴諸理性/科學/數據,另一方則是走感性/案例/經驗的路線。

這類的爭議總是來來去去,理性方每每準備好詳盡的數據與論述來回應,感性方則是以打動人心的故事來說服大眾。一兩則個案並不能代表什麼,大範圍的抽樣才有可信度才對啊。很多理性方的人不懂,明明證據都擺在眼前,為何就是有那麼多人不願意接受。

source:Wikimedia

在指責他人沒知識或不理性之前,或許可以先瞭解一些心理學,知己知彼才能百戰百勝。直接講結論就是,人天生傾向於接受個案而不是數據

不管數據說什麼,個案就是能說服你

有個實驗很有意思,研究找了 317 位大學生,聲稱研發了一個新藥,要請他們評估願不願意使用這個藥物。告知方法會說明這個藥物的成功率經臨床測試的成功率是多少(90%, 70%, 50%, 30%),同時也會講一位個案接受藥物後的情況,個案情況有成功也有失敗也有不確定。個案的說明內容大致如下:

  1. 個案情況良好:小強使用這個藥物後成效良好,病毒都被清除了,醫師認為病情不會再復發。治療完一個月後情況良好。
  2. 個案情況不佳:小強使用這個藥物後成效不好,病毒並沒有完全被清除,醫師認為病情還在持續。治療完一個月後小強失明了且失去行走的能力。
  3. 個案情況不確定:小強不確定使用藥物的選擇是不是對的,醫生也無法確定病毒是否都被清除了,同時也不肯定病情是否還會持續。治療完一個月後小強的情況時好時壞。

圖/pixabay

每位都會閱讀到關於此藥物的成功率以及一位個案使用的情況。為了避免先後順序的影響,有一半的人會先被告知成功率後再知道個案,另一半的人則相反。理論上要不要服藥應該著重於藥物的成功率,畢竟這是經過臨床驗證來的,個案因為只有一個很難做得準。

但是結果發現:

同樣是告知有 90% 成功率的藥物,後面加上失敗的案例的話,人們接受的程度就會由 88% 銳減為 39%,相當驚人的差異。而更有意思的是,同樣是告知成功率只有 30%,若加上一個失敗的案例,那麼接受程度只有 7%,但若是加上成功案例的話,接受程度會爆增到 78%!

我把兩個比較極端的例子獨立出來:

  • 90% 成功率+失敗案例 = 39% 接受度
  • 30% 成功率+成功案例 = 78% 接受度

看到上表數據就知道,個案的成功與否影響接受度非常大啊!幾乎是只要有成功個案就很容易接受、個案失敗就很難接受。

這樣數據派根本就是全面潰敗啊,雖然可以打臉打得很爽,但就是不容易說服人接受。

為什麼會這樣呢?我們來假想一個情況:

如果要你對一個不識字、不懂統計學概念的人談這件事,是講個案比較容易,還是讓他理解數據比較容易?

當然是前者。可以這樣說,對於他人的經歷的理解幾乎是每人都能作到,這或許是生物本能之一。然而對數據的解讀與理解卻是需要後天學習的,沒學過統計學就無法理解薪資平均數並不是指有一半的人有這樣的收入。所以說理解個案比理解數據容易多了,當然也更快。

圖/wikimedia

別讓天性騙了你:透過學習成為有理性的人

常看到的推銷、電視購物、廣告,就很常訴諸這種個案效果,不需要名人,只要找出一兩位個案站出來,說他用了這個產品多久就產生神奇的效果。對產品有疑慮的人一看了成功個案後,很容易就被說服而購買,這也是消費心理學的絕妙手法之一啊。

所以在電視購物、網路看到某個產品多厲害多厲害,要打電話或刷卡之前,請先想想:這效果是個案還是大部分人都會有用呢?千萬別因個案就以為自己也適用。也請記得廠商肯定有高人指點,知道透過成功個案會比較讓人接受,因此你可千萬別上當啊。

另如果是要筆戰,身為理性的一方,就該瞭解到要說服大眾光端出數據肯定是不夠的,得要雙管齊下、理性與感性同時並進才能獲得最佳效果。

心理學有非常多的例子來說明人有太多不理性的決策模式,之後有機會再一一跟大家介紹。那既然人生來就有不理性的決策,那是不是就沒救了呢?對心理學家而言,辭典裡是沒有「沒救了」這三個字的。固然天性影響行為甚大,但後天學習才是決定人最終將會是什麼姿態的關鍵。

天性的影響正說明我們必須對科學素養的培養非常在意又認真,因為唯有透過後天學習來增強理性的部份,才能夠盡量做出相對合理的決策,才有資格自稱為理性的人。

研究出處

  • Freymuth, A. K., & Ronan, G. F. (2004). Modeling patient decision-making: the role of base-rate and anecdotal information. Journal of Clinical Psychology in Medical Settings, 11(3), 211-216.

編按:身處在這越來越複雜世界,面對這麼多複雜議題,要做出合理的決策如此不容易,到底該怎麼辦呢?

這時你就需要科學思辨力

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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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