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科學就是不停的搞錯!歷經多次修正的原子說

LIS_96
・2016/07/28 ・1850字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

唐唐圖_道爾吞V3

文/唐啟軒

在學習科學的過成中,我們經常會讀到一些突破性,或是對往後科學發展有重大影響的理論或學說。各位有沒有好奇過,到底這些科學家的腦袋裝了些什麼,才能讓他們在知識與資源相對現代匱乏的年代,想出這些之於當代彷彿外星語言的理論?難道各個都是骨骼精奇、天生神力的學術奇才,用腦袋憑空就能想出這些精美的理論?

事實上當然不是如此!其實科學史如果攤開來,就是長江後浪推前浪,一代新人打舊人。如果觀落陰來看這些偉大的科學家,背後一定都有一排臉被打腫腫的前輩們。就拿原子來說好了,最著名的就是道爾吞(John Dalton)的原子說。也就是:

1.一切物質都是由不可分割的原子所組成

2.相同元素的原子質量大小皆相同,反之則否

3.化合物是由不同種類的原子以固定的比例組成的

4.化學反應是原子間以重新排列組合出新的結果。在反應的過程中,原子不會改變它的質量或大小,數量也不會增減。

德謨克利特
德謨克利特。圖/Pinterest

但其實原子這個理論,可是從好久好久以前,宙斯還在變身下凡把妹的古希臘時代,就已經成形了呢!

生於西元前四百年的哲學家德謨克利特(Δημόκριτος)認為,整個世界的本質由「原子」與「空虛」(或譯做虛空)所組成。原子是組成世間萬物不可再切割的小顆粒,不同顆粒間沒有性質上的不同,僅有排列次序、位置以及形狀的不同。而空虛是指空虛、寂寞、覺得冷的那種空虛嗎?絕對不是!我們看到的存在東西,都是由原子組成;至於我們沒看到的那些非存在東西,則是由所謂的空虛所構成的。

這些都是德謨克利特經由觀察水蒸氣,以及香味飄散等等的生活經驗,把這些科學現象透過哲學思考而來。所以初代版本的原子說,並不完全是科學理論,像是「空虛是『非存在』不等於『不存在』」,甚至最後得出「人便是一個小宇宙」這樣的結論,通篇充滿了哲學的味道。

墨子
墨子。

同一時期,中國恰逢百家爭鳴的戰國時代,墨翟,就是我們所熟知的墨子,也提出了類似的理論。中國自古信奉五行論,就是萬物都由金木水火土,五個元素所組成。這與西方的三元素說或四元素說類似,可以看出當時對於物質的理解是相對直觀的。而墨子卻在其著作《墨經》裡面提到:「端;體之無序最前者也」,意思就是物體切到不能再切以後留下的東西,就叫做「端」。這是中國首次有人提出,物質最終會呈現一個不可分割狀態的概念。

相對於同時期的公孫龍:「一尺之棰,日取其半,萬世不竭。」意思是木杖可以被無限次的被分成兩半再兩半,也就是物質永遠不會到達不可切割的狀態。換句話說,如果你失戀後說自己心碎成無數片了。公孫龍會點點頭,墨翟則會跳出來指著你的鼻子,告訴你:「不可能真的無數片,一定數的出來,只是你不夠努力!」

牛頓
牛頓。圖:wikimedia

至於我們耳熟能詳,除了白雪公主以外的蘋果最佳代言人——牛頓。他不止發現地心引力,以及發明讓許多大學新鮮人崩潰的微積分,同時他也是微粒說的擁護者。他引用了古希臘人,以及波以耳對於原子的看法。他把運動定律導入原子理論,從此原子說不再是原子亂飄亂排列,而是像小皮球般,受力就會移動、碰撞時會反彈,有了十分具體且可預測的運動模式。同時他也支持光也是像原子般的微粒,所以遵循直線運動、反射等等的運動定律。但他把原子的概念限縮在物質世界,對於所謂「空虛」或者是其他德謨克利特所提到的哲學思考分,則是不被牛頓接受而被果斷放生,真是一個不空虛的人呢!

後來就是我們在文章前面所提到的道爾吞原子說了,相信聰明的你一定有看出,其實道爾吞原子說的理論裡面,多少都能看出一些前人理論的影子。本文說提及的人物們,僅僅是原子理論發展史中,幾位比較代表性的人物。每次新的理論提出,都替原本的理論補齊缺失,亦或是修正錯誤的部分,總之就是替舊理論去蕪存菁。而原子說正是靠著這些科學家們,前仆後繼地打人臉然後被打臉。

其實道爾吞的原子理論也並不是完全正確的版本,他的四大理論中的三項也分別被湯木森(Joseph John Thomson)、拉塞福(Ernest Rutherford)等人修正,甚至後世的原子理論在量子力學的世界裡幾乎推翻,靠著不停的修正後重新到達全新的領域。所以說,科學就是不停的搞錯。重要的是虛心學習的同時,也要記得保持一顆謹慎懷疑的心。

本文轉載自LIS線上教學平台


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LIS_96
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就是想知道十萬個植物的為什麼!解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳,畢業自台灣大學植物系,在美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)進行博士後研究,研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究,在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機,可能很難立即知道失主是誰,甚至有點摸不著頭緒:因為她手機裡超過 80% 的照片,都是植物。為何會選擇植物作為研究領域?身為中研院分子生物研究所特聘研究員,在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說,這個決定其實「不太科學」,因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇,因為好奇而想要知道更多:許多 love story 都是這樣開始的,而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢?也因為一般人都不夠認識植物,聽不懂植物的細語呢喃,更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家,擔任植物駭客兼翻譯,讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事,從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。圖/劉志恒攝影

分子生物學突破:發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」,大幅提升了糧食生產量,餵飽了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要,然而植物透過什麼機制攝取氮肥?如何調控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮,是生物存活的重要元素;從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素,到與遺傳相關的核酸中,都有氮的存在。但對植物來說,要取得氮元素卻出乎意料地困難;大氣的組成中近五分之四為氮氣,但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」,其中又以硝酸鹽為主。

但是,硝酸鹽是帶電離子,無法自行通過脂質構成的細胞膜,那到底植物如何利用硝酸鹽呢?為了解開這個長年來的謎題,蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株,並利用當時最新發展出來的分子生物技術,試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示,這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株,在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現,這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹;卻直到她開始進行博士後研究,伴隨植物分子生物相關技術發展,才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰,因為新技術還不穩固,就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她,決定一邊持續研究氮代謝,一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術,1994 年,蔡宜芳從美國回到台灣,持續研究進一步發現, 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白,除了作為硝酸鹽的「搬運工」,還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中,植物是被動的吸收養分:但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時,植物會主動改變硝酸鹽的運作模式,這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換,因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1,植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度,幫助植物調控基因表現,以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控,在農業領域十分有發展潛力,蔡宜芳的研究進一步轉向,對接實際應用,期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外,她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式,增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失,因此多數的氮肥施放到田間後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能減少施肥的浪費,連帶減少製造氮肥耗用的能源,也讓農作物長得更好。

好消息是,透過基因調控,蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功,並取得相關專利,期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品:好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心,對她來說和植物有關的十萬個為什麼,猶如始終永遠拼不完的大型拼圖,從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意義),想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解,往往覺得植物跟動物一點也不同,然而在蔡宜芳看來絕非如此,她表示,已經有研究發現,當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間,植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫,但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其實都知道,只是用我們不懂的方式在表達,要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖/劉志恒攝影

當然研究也不能自己埋頭苦幹,交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年,但回憶起剛建立獨立實驗室的階段,面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題,當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人,被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點,一來一往的思辨與答辯,反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破,是因為被質疑的時候很生氣,可是不能光氣,也要想辦法解決。就在生氣的時候,想出來的方法,最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時,認真地給出言之有物的評論,幫她累積了領域內的信譽,才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練,對科學家的養成非常重要,然而蔡宜芳觀察,科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例,在美國課堂上,老師會要學生先讀一篇論文,接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人,都會把 paper 當作傳世經書在讀,讀懂它就覺得很開心了——要去批評它,我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦,但會痛就代表該變。

她就此改變了思路:面對知識,蔡宜芳要求自己不僅要讀懂,還要有餘力批評它,說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為,科學就是得永遠抱持著質疑的態度,在不疑處有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面,我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中,會不斷要求學生思考、批判。圖/劉志恒攝影

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她,在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了,革命十次稀鬆平常,如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走?那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力,身為科學界的女性,蔡宜芳認為,自己的成長環境中,性別造成的影響並不大,以她所在的中研院分生所為例,研究人員性別比例很平均。但若深入細究,「無意識偏見」(unconscious bias)仍難以避免。她以自己帶過的學生為例,生科領域在大學時期男女比例大約是各半,但隨著碩士、博士一路往上,男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候,往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先,這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」,成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她,時常是唯一獲獎的女性,而就在接受採訪不久前,她又獲頒一個獎項,直到頒獎當天的照片寄回到所上,「一片黑西裝裡面,就我穿黃色!」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時,也對她苦笑說:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西,做該做的事情。真正不平的時候,不要安靜不講。」儘管環境仍待改變,蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步,就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥,遇上一位不放棄的科學家兼植物迷,造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣,裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片,請別質疑自己是不是怪怪的,或許妳也將靠著研究,改變世界,這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。


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