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    『大砲打小鳥』也許這可以說成是『用空間換取時間』的職能轉換方式吧

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    以「時間換取空間」,或「以空間換取時間」?

    「職能」轉換???「質能」轉換吧?

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用大砲打小鳥

「用大砲打小鳥」這句成語,大家都聽過,它和「殺雞用牛刀」,略有一些共同的味道,都是指著使用太過龐大的工具,進行細小的工作,顯得不是那麼恰當,甚至有些礙手礙腳,糗狀百出,在正常人的狀況,應該盡量避開,免得招惹旁人的笑話;不過,人生的無奈,有時候明明知道,可是卻不得不如此,在此就是一個例子,寫下來作為「我也幹過此等傻事」的人生記錄;按:本文內用諸多如「啥鳥蛋」的字詞,絕無任何壞念頭,請不要想歪了,哈哈。

言歸正傳,為何我這次真的是「用大砲打小鳥」呢?簡單來說,我用了應該是全國最大的儀器裝置,在新竹的國家同步輻射研究中心的設備,透過它諸多的先進儀器,分析研究我手頭上的一些有趣的化石,探討這些大約兩億和六億年前古生物化石的奧祕;有關國家同步輻射研究中心的簡介,我從他們網站抄錄這些介紹:

同步加速器光源是二十世紀以來科技研究最重要的光源之一,已廣泛應用在材料、生物、醫藥、物理、化學、化工、地質、考古、環保、能源、電子、微機械、奈米元件等基礎與應用科學研究,因而被稱為現代的「科學神燈」。目前全球供實驗用的同步加速器光源設施超過七十座,同步加速器光源設施的建造已成為各國高科技能力的指標之一。

台灣的科學神燈–國家同步輻射研究中心位於新竹科學工業園區內,設立的宗旨為有效運轉及利用同步加速器光源設施,執行相關尖端基礎與應用研究,提升我國科學研究之水準及國際地位。本中心的同步加速器由國人設計建造完成,於 1993 年 10 月正式啟用,為亞洲第一座完成的第三代同步輻射設施。自 1994 年 4 月起開放光源供國內外學術科技界使用,隨著近幾年周邊實驗設施逐漸興建完成,國內外研究人員使用本中心光源的人次快速增加,研究成果在質與量上亦呈現大幅成長,各領域已做出數量可觀的世界一流科學實驗。

電子束由電子槍產生後,經過直線加速器加速至能量為五千萬電子伏特,電子束進入周長為七十二 (72) 公尺的增能環後,繼續增加能量至十五億電子伏特,速度非常接近光速(0.99999995 倍 );注射器產生的電子束經由傳輸線進入儲存環,傳輸線的長度為七十 (70) 公尺。

電子束進入六邊形設計、周長為一百二十 (120) 公尺的儲存環後,環內一系列磁鐵導引電子束偏轉並維持在軌道上,如此一來,電子束便能於每一圈的運行中在偏轉磁鐵切線方向或插件磁鐵下游放出同步輻射光。由於電子會因輻射而損失能量,因此環內裝置高頻系統,用來補充電子的能量。

請注意官網所描述的同步輻射器的大小,最前端有個 72 公尺的增能環,透過 70 公尺的傳輸線,進入 120 公尺的儲存環,最後才把光束分到各個工作站,總共跑了 262 公尺;如此龐大的設備,難道還不足以稱之為「大砲」嗎?絕對是的。

每單次掃描所得的照片,請注意看左下角尺標。

在每工作站所分析的標靶面積,實在小得不能再小,每次的掃描範圍,所能「看」到的地方,以我所用到的來說,只有 16×16 μm2 而已,這麼丁點大的面積,或說 16 μm 到底有多小?我們一般尋常百姓人家,往往難以想像體會,拿我們凡人生活中的實例來說:10 張 80 磅影印紙堆起來的厚度,大約為 1.2 mm,也就是說每一張紙的厚度為 0.12 mm,換算成為 120 μm,亦即,每一張紙的厚度,是每次掃描長度或寬度的 7.5 倍,一張我們認為是已經很薄很薄的紙,在此還是厚如泰山,它的厚度方向,必須分成 8 次掃描才能完成;也就是說,拿這邊的設備來看我們的化石,可以看到非常非常小的細微結構;當今有些恐龍學者說,恐龍就是鳥,鳥也是恐龍(兩者的關係很密切難分),故此,把我要做的恐龍稱之為「小鳥」、恐龍蛋叫做「鳥蛋」,也沒有過份到那裡去;我用同步輻射的設備來看很小的小恐龍–世界上最古老、1.92 億年前還沒有孵化出來的恐龍胚胎,總稱之為「用大砲打小鳥」並不離譜,絕對不誇張,哈哈!

好了,既然我手中有「小鳥」等化石,也有機會利用國家「大砲」級的研究儀器,當然就不能客氣,就該好好「用大砲打小鳥」,如果還打不出什麼名堂來,真的應該好好打屁股了,沒有任何推托的藉口;於是,當被通知先去做樣本的準備切割之前,我就花了一番心思和時間,把想要做的 24 個幾類項目確定下來,選好每一類的化石樣本,還遵照宋博士所教導的,先把樣本埋在環氧樹脂(俗稱 AB 膠、哥倆好)、直徑約 2~3 公分的餅塊中,以便切割機切成所需要的薄片(厚度 30μm 以下),然後花了幾天的時間,從新店家到新竹去「上班」,開始進行來日用大砲打小鳥的樣本準備(Sample Preparation) 切片。

5x5張單次掃描所組成的一張馬賽克。

為了切割機能精密的切出所要的厚度,化石樣本必須先用環氧樹脂包起來,我還特地買了一公斤裝大罐的 AB 膠,又買了好多小朋友吃的果凍,勉強逼自己把那時候不知道有沒有含有毒塑化劑的果凍吃掉,拿果凍塑膠殼來當模子;這部份操作不算困難,只要抓住幾個要點:混和均勻、手腳快、抓好硬化時間只有五分鐘,把化石包埋起來,不算大問題;不過,在後來的切割中,發現當樣本要切得這麼薄的時候,如果環氧樹脂當中有氣泡,會嚴重地破壞切割效果,所以啊,以後我會在環氧樹脂硬化的過程中,用家裡的吸塵器加以抽真空,把樹脂起化學反應過程中所產生的氣泡消吸掉–不經一事,不長一智。

哼,不要以為上面短短幾句話的描述,說起來那麼簡單,實際做起來,卻是有些麻煩,最主要的關鍵是,每個切片的厚度要切到 30μm 以下,也就是說只是影印紙厚度的四分之一,要控制每個樣本都如此,真不容易;加上在這麼薄的情況下,當初用環氧樹脂時,沒想到裡面有好些小氣泡,切片時會捲起來,把那麼薄的樣本撕裂成無數的碎塊,要得到一片可用的樣本,可真是個大考驗;不過,在看著珍貴樣本在眼前粉碎成塵、心痛一兩次之後,馬上就想起了一個救急的方法,馬上在樣本上方,塗一點三秒膠,等三秒膠硬化之後,靠著三秒膠把樣本固著起來(其實貼上防水膠布也可以)–但是,如果樣本要拿去做有機分析(如弗立業轉換紅外線光譜,FTIR),用這些有機的膠水來包裹固定化石樣本,那就會自討苦吃。

總之,忙了一兩天,終於有了幾片勉強可用的,接下來,我們所申請的光束時間 (Beam Time) 還沒輪到,幸好,宋博士剛好有一點點空檔先給我,就把幾個樣本,先轉換到有如古代的銅錢(外園內方)的樣本框裡面,約略估計所要掃描的位置,放到樣本夾內,樣本夾中間有一條長度約 2 cm 的開縫,只有 1mm 寬度,圓心正中央的地方,有個 2mm 的圓孔,所要掃描的樣本,要大略對準樣本夾開縫的位置,並先在樣本準備室裡的定位儀拍照、測定出所要掃描的位置數據,然後放進 X 光透視顯微鏡 (TXM, Transmisstion X-ray Microscope) 去掃描;這些和接下來作業過程,承蒙該中心的宋、王兩博士的協助,衷心感激,沒有多久之後,在電腦螢幕上,就開始看到掃描的影像了,真是令人興奮。

前面說過,實際每單次掃描的區域,只有 16×16 μm2 而已,實在是很(太)小,所以通常會做相鄰的 5×5(或 5×15)次範圍的馬賽克 (Mosaic);即便如此,整個畫面影像的範圍,也只是 80×80 μm2 而已,以前面紙張的厚度來說,80 μm 只有 2/3 的紙張厚度!雖然一張馬賽克大小有 80×80 μm2,畢竟還是太小,所以,經常需要往上往下或往左往右,掃描多張馬賽克,以拼湊出較大範圍的影像:如此一來,時間很快地飛逝過去,幾個小時,算得什麼一回事情,一抬頭,已夜深人靜,匆忙趕著最後的一班車回家,累得呼呼大睡。

次日,把幾張相鄰的馬賽克拼在一起,成為一張比較大的照片,整體看看,發現似乎先前所做的樣本切片,並沒有切得夠薄,除了邊邊的一小區域之外,大部份地方的影像,並不是很清楚,所以,為了做三維的掃描,只能挑選樣本最邊邊,而且有明顯突出之處,也就是尖尖的地方,剛開始的時候,我搞不懂,為何要挑最尖凸出的地方,以此樣本來說,有這麼明顯的稜角,就是典型的方解石結晶形狀,正好是我所不想做成三維模型之處,我要看的是化石裡面的組織細胞結構,而不是礦物方解石的填充,那有啥好看的?

3x3張(5X5)馬賽克所組成的大照片,大小為240X240µm2。

宋博士很耐心地解釋說,一則這個樣本做得太厚,大部份區域的影像已經不是很清楚了,想要做成三維模型,效果會更糟糕,再者,這個設備做三維掃描的方式,和一般的電腦斷層掃描不一樣,它是以平面影像的縱軸為中心,把樣本往左和往右旋轉,最多到 90度,然後透過專用的軟體,把這些照片(最多 181 張)組合成為三維模型,也是因為它需要做如此的旋轉,哈!我終於明白了,為什麼樣本夾中央會有那一條開口,就是要讓 X 光能打到樣本上,也瞭解了想做成三維模型的部位,為何需要挑選尖端凸出之處,而非任何想要的部位,要不然,當樣本旋轉到大角度的時候,標靶兩邊的樣本部份,就會遮住標靶區,無法得到所要的相片;〔按:一般的電腦斷層掃描,是平行式的,有如用刀子切小黃瓜片。〕

哼!這一下子,以後就必須好好考慮如何做樣本的準備,不只是把樣本切磨得夠薄,也必須找出方法,能把從前端掃描看到想做三維模型的部份切下來,安裝在玻璃針尖上,避免被鄰近區域擋住;在實際的操作上來說,這有相當的高困難度,因為所要的樣本大小,必須小於16 μm2,想把這麼小的東西好好切下來,實際操作上非常困難,到底要用什麼樣的切割工具?在什麼樣的顯微放大之下才能做到?在在都是問題,接下來,把所切下的微米樣本安裝到針尖上,功夫可沒那麼簡單;當然,有一招碰運氣,我把它戲稱之為「散彈打鳥法」,以時間換取空間的「偷吃步」,那就是把樣本研磨成粉狀,在高倍光學顯微鏡之下,把一顆粉粒黏到一根針尖頂端,因為磨成粉之後,不知道那顆粉粒才是所要的,只能多多做一些樣本,一個個拿去掃描,米粒夠多的話,青瞑雞也會啄到米,把時間耗下去撒出天羅地網,總會找到一個可用的樣本,產生所要的三維模型。

說到這裡,或許對於這篇文章的題目「用大砲打小鳥」,該有比較多的瞭解,至少知道我是拿 262 公尺、8-11 keV 的 X 光「大砲」,打只有 16×16 μm2 的「小鳥」﹔現在來算看看,到底放大的倍率有多少?我們就不拿 262 公尺與 16 μm 來算是多少倍,這樣子除出來的數字,沒有意思﹔所要的是,到底用如此龐大的設備拍攝,可以拍出多麼細小的東西,也就是說,它可解析到什麼程度(尺寸)?據宋博士告知,她們這台穿透式 X 光顯微鏡的成像器,縱橫兩個方向,各有 1,024 個像素,各涵蓋 16 μm,所以,每個感光成像像素,對應於 0.015625 μm2,也就是大約 16 nm2 (奈米)平方的拍攝範圍,所要看的物件,只要大於 16 奈米平方,就可以解析出來﹔當然,如果把影像列印出來,可以列印大一些,也可以列印小一些,要算到底放大了多少倍,就要看列印的尺寸了。

從原始相片做出來(假色)的三滴模型, 最底下那一大片平滑亮面,是方解石,不是所要的, 上方那些密密麻麻孔孔洞洞才是所要的,但是看不出啥鳥蛋。

話說另一頭,因為初次樣本製作不是很好,這次用大砲打小鳥的效果,有一點俗語說的「烏龜吃大麥,糟蹋糧食」,不管是二滴(平面)或是三滴(立體)的,都不是很清楚,再加上,我對於到底這個樣本裡面會有啥米碗糕,到底我要看啥「鳥」,自己也根本不知道,所以該中心的王博士幫我做出的三滴影片,和自己手中列印出來的二滴馬賽克相片等,看來看去, 一直都沒有看出啥「鳥蛋」,一堆麻麻花花的黑白點,真的有看沒有懂。

從四月底拿到這些原始數據之後,不知道花了多少時間和心神,想要看出這些二滴和三滴的照片裡面所隱藏的奧祕,明明就在我眼前,怎麼會有看沒有給我懂出來?在漫長的一個多月的時間內,我不知道花了多少時間和精力,反覆了多少遍,使用各種影像處理的軟體,有二滴的,也有三滴的,斟過來看過去,就是有看沒有懂,有看沒有出來,我用人家那麼先進的大砲,到底有沒有打到了什麼鳥蛋?如果有打到,那又是打到什麼東東?這些相片裡面,到底隱藏了什麼奧祕?一直解不開謎底,真是沮喪,無形的心理壓力,也逐日累增,幾乎要爆炸了,同時也覺得非常對不起人家那麼熱心幫忙,此時只能怪自己有眼無珠,恨自己笨蛋到極點。

花了好大的力氣,把原來的三滴檔案放到OsiriX上後製作, 所得到的結果,還是花花花,有看沒有懂。

不知道什麼原因,王博士在處理製作成三滴影片的過程中,就是無法除去(橫切面看)最外圍的那層假的圓圈殼,我請他將檔案轉換成醫學斷層掃描用的 DICOM 格式,然後我在麥金塔上用免費的電腦斷層掃描軟體 OsiriX 做進一步的後處理,終於把蒙蔽內部的那層假殼去除掉,也輸出了新的三滴模型為蘋果公司的快時虛擬實境 (QTVR, QuickTime Virtual Reality) 格式,以便我在(也是免費的)快時播放器 (QuickTime Player) 7 版中,可以隨心所欲把模型放大縮小旋轉到任何角度,讓我從各種不同的方位,好好瞧瞧﹔不過,花了那麼多的時間和心血之後,還是沒看出什麼鳥蛋,真是洩氣,晚上睡覺都會做惡夢。

過了好幾個禮拜如此痛苦的日子,一直都得不到解決,這裡面的一個關鍵點在於:我真的不知道到底要看什麼?或說,我想要看的目標,到底長得什麼樣子,從來沒有人看過,也幾乎沒有人能請教,或找到相關的文獻參考,真是求助無門啊!這塊樣本是埃迪卡拉紀黃楊清蓮體終端的實體化石 (Body Fossil),據目前的資料顯示,到現在為止,我這埃迪卡拉紀實體化石的發現,乃為世界首見,全世界從未發現過,過去文獻上所發表的埃迪卡拉紀化石,都是鑄模 (Casts/Imprints) 化石,所以不可能看到埃迪卡拉紀生物體內已經變成化石的細胞結構﹔我面臨的窘況,用比喻來說就容易瞭解明白:醫學院的學生,無法拿灌鑄出來的人形公仔(銅像、石膏像)來做大體解剖實習,必須使用真人的屍體才可以﹔到我發現這些樣本之前,所有的埃迪卡拉紀化石,都是 5.4 億年(寒武紀)以前的「公仔」,研究學者無法探討這些古生物體內的結構奧祕–根本沒有適當的研究材料,想要做埃迪卡拉紀生物的大體解剖,只有我手頭上才有真正的埃迪卡拉紀生物屍體,這同時也就是說,從來沒有人看過埃迪卡拉紀生物的細胞結構,沒有人知道它們長得什麼樣子,再者,因為埃迪卡拉紀的生物分類(界門綱目科屬種),到目前為止它們到底屬於那個生物界 (Kingdom) 也還難以定論,所以這些細胞會比較類似於植物細胞、或動物細胞、或原核細胞、或真核細胞?誰也說不準,誰也不知道,搞不好,它們有另外一套遊戲規則,因為它們有可能是一個或多個已經完全滅絕的生物界。

說到這裡,我也不怕被人家笑,說我是自己被自己的幻想春藥灌醉了,七老八十了,還活在一個毫無經濟利益可言的虛幻世界﹔可是、如果、萬一、「不幸」、走狗屎運、…、死也不死,真的被我透過研究這些死傢伙,找到了已經滅絕五六億年、從來未曾被發現過的「新」生物界,給我機會對全世界宣告:The Lost Kingdom Found,人生不就很夠本了嗎?我們凡人一輩子,能有幾次如此的機會?

從M1-08單張照片(左)上,我把橢圓形的結構標示出來(右)。

5 月 20 日,對我來說,總統就職三週年,根本沒有任何的意義,只是尋常百姓人家很平凡的一天,不過,在我研究埃迪卡拉紀實體化石的過程中,這可是一個大日子,非常關鍵的一天﹔這一天下午三點多,我正忙著修理老爺摩托車,突然接到研究同僚謝博士的電話,他到台北來,即將搭高鐵回台南,希望能在火車站和我碰個面聊聊,討論研究進展,於是我匆忙地搭捷運趕過去,在捷運車上看人家美女打瞌睡很無聊,就把這些化石的馬賽克照片拿出來再斟酌,或許是車子搖晃,加上剛好的光線強度和角度,照片上面似乎「跳」出好多橢圓形的圈圈,這裡一個,那裡一個,到處都是,每一張馬賽克上面都滿滿地一大堆,它們的長軸直徑,大約都在 5~20μm(細胞大小)之間,哇塞!這些是啥玩意?摘下眼鏡,揉揉眼睛再看,果真到處都是橢圓圈圈耶!我沒有老人家眼花撩亂吧?打一下自己的頭,我沒有做白日夢啊!照著剛才電光石火剎那間的直覺,抓住了那個難以文字描述的要領,原來,雖然我先前的樣本準備不夠好,導致掃瞄出來的相片不是很清楚,花了這麼久的時間,都不得要領看不出眉目來,但在這一刻這一剎那,終於開始看到了一些「東西」了,謝謝謝博士喊我去碰面,要不是如此,這堆照片還可能要躺很久,至少要等到下一次的光束時間以較薄樣本重新掃描出來之後,或許,如果幸運的話,才能看出名堂來!在台北火車站短短的碰面中,我迫不急待地指給謝博士看,他終於也看出來,也同意這些 TXM 馬賽克照片裡面,的確有好多好多的橢圓圈圈,加上它們的長軸直徑 5~20μm,也符合細胞的直徑〔按:紅血球細胞直徑大約 10μm〕,尤力卡!

好了,既然在平面二滴的馬賽克相片上有看到不好計數的橢圓圈圈,如果以同樣的要訣重新檢驗那個三滴立體模型,理論上應該可以看到這些我認為是黃楊清蓮體細胞橢圓圈圈的三滴結構,也就是這個大約 5.65 億年前古生物的立體細胞形狀﹔於是乎,又歷經了好多輾轉反側難以入眠的夜晚,硬著頭皮好好用幾個免費從網路抓下來的醫學用立體渲染 (Volume Rendering) 應用軟體,如 OsiriX,VR-Render 等等,一面學,一面用,能做多少算多少,只要能讓我看出這些橢圓圈圈的三滴結構,在此階段,我就很滿足了。

埃迪卡拉紀黃楊清蓮體終端的立體細胞結構。

我沒錢買專業用的軟體,只能從網路下載免費軟體(Freeware),經過無數次的程式撞毀 (Program Crash),心理早就有準備,程式撞毀是必然的結果,總之,跌跌撞撞,東搞搞西摸摸,終於「切入」了前面的三滴模型,從立體的角度看到這些細胞的結構:右邊這張圖很清楚的顯現,這些外型如橄欖球細胞的四分 (Quadrant) 形狀。

什麼?你還是看不出來?那裡有立體的細胞結構?一堆黃色棕色黑色的點罷了﹔好吧,送佛就要送到西天,好人做到底,接下來的這張,我把此立體柱狀體的幾個交界線(總共 12 條)用綠色的虛線標示(7 條,另有 5 條被擋住看不見)出來,再把兩個部份細胞的位置,再分別以白色和藍色線標示出來;這個白色線所標示的細胞,其實只有(大約)整個外形如橄欖球細胞的四分之一,也就是說,想像你拿個橄欖球,像剖西瓜那樣,沿著長軸一刀切下去,切成兩半,這時候,你會看到一個橢圓的圈圈,接著,再從垂直於此剖面、同時也垂直於橢圓長軸的方向又切一刀,就會得到類似如此的四分切片,穿越此白橢圓圈圈的綠色虛線,就是長方立體柱的交界線,這就是這張圖所顯示的;說了這麼清楚,你還看不出來,那就是你的眼睛該去檢查一下囉!

三滴的埃迪卡拉紀黃楊清蓮體終端標示圖。

最後,來做個小階段的檢討算帳:我「 用大砲打小鳥」,有沒有打到東西?答案絕對是肯定的;有沒有打到很多「 小鳥 」?有,打到很多,沒有好好去算有多少個,也不必去算;那麼,到底打到了什麼「鳥蛋」?嗯,這個,這個,(我講話開始啼啼吐吐了)目前只能說,應該是外型如橄欖球狀的細胞結構;能確定是細胞的形態嗎?嗚,嗚,應該是吧!整個結構的長度,也符合細胞的長度,在 5~20μm 之間;那麼,假設真的找到了 5.65 億年前埃迪卡拉紀黃楊清蓮體的細胞,這些細胞裡面的結構又如何?啊,啊,莫宰羊,從目前的相片和三滴模型,還不夠精確,加上我根本沒有細胞組織學 (Cellular Histology) 的訓練,實在沒辦法置一詞,只能等下次光束時間重新掃描,取得更好的解析效果,並找到在這方面專精的學者專家,如謝博士等人,一起來研究,我們團隊應該可以提出更詳盡的報告來。

順便一提:我這個研究課題,絕對很有趣,對於地球生命演化,絕對重要,在此,我廣發武林英雄帖,誠心邀請能者跳到擂台上來,加入我的團隊,讓我們一起來幹一件驚動武林轟動萬教傻事。

現在,端午節到了,我要吃粽子去了!

本文同步發表於催眠恐龍[2011-06-06]

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