養生新寵小扁豆基因定序完成——2016國際豆類年

本文由 高柏科技 合作，泛科學撰文

林唯耕剛回台灣任教時，曾在清華大學的實驗室裡用一立方公分的「氨」做實驗。沒想到氨氣意外洩漏，那股刺鼻的氣味瞬間瀰漫整棟大樓，引來眾多師生抗議。

「從此以後，我再也不敢在實驗室裡用氨了。」他在《思想實驗室》的訪談中，帶著笑意回憶這段往事。

這段插曲聽來像是一則工程師的寓言：在理論模型中，氨是太空熱控系統的理想介質；但在現實的辦公大樓裡，它首先是逼人逃竄的臭味。公式本身沒有錯，但現實世界永遠比公式更複雜——它包含了人、成本、風險，以及必須為後果負責的工程師。

高柏科技技術專家、清華大學榮譽退休教授林唯耕 ，曾任職於美國 OAO 工程部熱流組，深耕電子構裝散熱與熱管技術多年。隨著 AI 浪潮席捲全球，他鑽研一輩子的老問題再次被推向科技產業的核心：當晶片運算速度無止境攀升，那股伴隨而生的熱，究竟該往哪裡去？

熱不會讀新品發表會

科技巨頭在發表會上熱衷於談論大型語言模型、GPU 規格與驚人的算力。這些詞彙在投影片上光鮮亮麗，彷彿進步毫無邊界。然而，每一次數位運算都紮實地發生在實體晶片上。晶片會發熱、材料會疲勞老化，一旦設備過熱，系統便會降頻保護。在物理現實面前，再動聽的發表會敘事也必須低頭。

回顧個人電腦發展早期，晶片幾乎不需專屬散熱元件。隨後，鋁製鰭片、風扇、熱管到均溫板逐一登場。這段歷程常被視為技術升級，其實更像是對空間的極限勒索：晶片功率翻倍，發熱源的面積卻沒變大，機箱空間也不可能無限擴張。

林唯耕指出，散熱設計的核心只有三要素：功率、熱源面積與空間限制。他舉例，在標準的 1U 機箱中，若發熱面積約為三十乘三十毫米，氣冷系統在達到八百瓦時就會面臨瓶頸。這並非固定的物理常數，而是取決於空間、面積與氣流的動態平衡。最現實的代價在於，風扇轉速提升的背後，是噪音、電力損耗與空間占用。

因此，「液冷技術」的興起並非單純為了追求酷炫，而是算力密度提升後的必然選擇。它能更精準地帶走晶片廢熱，卻也將新的挑戰帶入機房：漏液風險、流道堵塞、材料相容性，以及維運時的難度。工程的進步，本質上鮮少是徹底消滅問題，更多時候是選擇一組「比較值得承擔」的新問題。

太空教他的，不是把答案搬回地面

太空熱控工程之所以迷人，是因為它剝奪了地球上最常見的散熱工具。在真空宇宙中，沒有空氣能讓風扇製造對流；受光面溫度破百度，陰影處卻極度嚴寒。工程師必須純粹仰賴熱傳導、熱輻射，以及熱管與環路型熱管（LHP）來搬移熱能。

熱管運作的關鍵在於「相變」——液體蒸發時吸收大量潛熱，冷凝後重回循環。林唯耕比較了銅與水的熱傳導能力：在他設定的特定條件下，實心銅塊約能傳導 120 瓦的熱能；但若每秒有一立方公分的水發生蒸發相變，移熱量可瞬間拉升至 2.4 千瓦（kW）。他強調「每秒」的觀念，因為散熱談的是動態流動速率，而非靜態的冷卻魔法。

儘管如此，太空科技並不能直接套用到地面。太空元件因考量重量、功耗與維修難度，偏好無馬達幫浦的被動式設計；但地面 AI 伺服器面臨更高的熱負載與環境溫度，往往仍需幫浦驅動流量。當年那場「氨氣洩漏」事故正是最好的提醒：技術是否「先進」，與它是否「適合」當下的場景，始終是兩回事。

好論文，為什麼仍可能造不出好產品

學術研究致力於證明「可行性」，而工業現場則要求「可重複性」——不僅要能運作，還得確保每台出廠的設備都不漏水。林唯耕將此定義為「從 0 到 1」與「從 1 到 100」的差別。後者涉及良率、成本、公差與客戶信任。論文中那次最完美的實驗數據，在產線上往往未必管用。

他從不避談失敗。在高柏科技早期與學界合作時，也曾遇過實驗數據無法複製，或研究方向偏離產業需求。這未必是雙方努力不夠，而是彼此對「成功」的標準不同。為了解決這道鴻溝，高柏科技推動「柏苗啟航創新培育計畫」，每年投入逾千萬資金與成大、中山、台科大等校合作，並指派專業人才在過程中持續微調、校正，確保研發貼近產線現實。

他分享了近期一項液冷工質校正專案。團隊使用非侵入式的超音波流量計進行觀測，但由於儀器預設以「水」校正，換成其他化學流體後讀數便出現誤差。最初嘗試用幫浦壓差推算，卻發現缺乏重複性，數據甚至推導出不合理的蒸發率。最後團隊回歸基本面，改用秤重法搭配能量平衡進行交叉驗證，才讓數據成功收斂。

這個故事真正的價值不在於「產學雙贏」的口號，而在於那段不夠優雅的挫折：假設失效、數據混亂、方法砍掉重練。也正是在這種時刻，企業需要的不只是會算數的人才，而是能洞察研究何時「走鐘」，並有權力喊停、要求重來的關鍵決策者。

林唯耕坦言，過去在校園裡總認為「技術第一、成本第二」，進入商界後才驚覺行銷與信任關係往往才是關鍵。這番話雖然不如科技突破那樣動聽，卻是產品能否進入市場的殘酷真相。再卓越的散熱設計，若無法穩定生產或贏得客戶信任，也僅止於一份精美的報告。

AI 會給答案，誰來負責出貨？

訪談尾聲，主持人國威提出了一個時代難題：假設 AI 能在彈指間生成散熱架構、材料配方與流道設計，企業該選擇全面擁抱 AI 的速度，還是保留緩慢但穩定的工程驗證，以規避潛在的失效風險？

林唯耕拒絕落入二選一的框架。他的觀點是：兩者並存。AI 擅長處理資訊、生成草案；但工程師仍須實作原型，進行嚴苛的性能與可靠度測試，最終由人決定是否出貨。這並非盲目崇拜人類直覺，而是基於一項事實：AI 的資料庫裡，通常沒記載下一次「意外洩漏」或「材料疲勞」的細節，且模型永遠無法為量產結果擔負法律與商業責任。

在 AI 時代，最稀缺的未必是熟練下指令（Prompt）的人，而是具備這種能力的人：能預判答案可能在哪裡出錯、能設計實驗將問題「逼」出來，並且願意為最終的量產品質負起責任。

大眾習慣將雲端想像成輕盈、無重量的空間。但現實中，雲端是由龐大的機房架構而成，裡面裝滿了晶片、管線、泵浦與冷卻液。虛擬算力的每一次擴張，都會在實體世界留下發熱的足跡。散熱工程師的價值，就是不讓這筆物理帳單，被埋沒在光鮮亮麗的投影片背後。

隨著科技發達，各種社群網路與監控、氣候危機、機器人與人、優生學是我們必須正視的議題，更多有關科學、生物、科技的精彩電影，請見 Giloo 紀實影音與台北當代合作，「未來近了」片單

蘋果出了史上最貴的 iPhone XS Max，一支要價 NT$52,900。可是，如果把一支智慧手機的所有化學元素都分開再賣給你，價錢還會這麼高嗎？蘋果公司出這價錢合理嗎？我們是不是該抵制一下這黑心的商業行為？

別急，如果把你身體分解成元素，不過也就主要是一堆碳、氮、磷、氧、氫等等的元素，加起來的價格又是多少？

製造一部蘋果手機並不是把一堆化學元素隨意混合而已，而是依一大堆零件的設計藍圖，在眾多工廠裡頭用精妙複雜的機器生產再組合起來。不管智慧手機多昂貴或多便宜，我們所買的，是用非常多資訊和知識製造組合，然後用軟韌體運行的高科技產品。

而要製造出一個像你我他一樣的人類驅體，也要有大量的設計藍圖，然後在各種細胞和發育的作用下，長成我們現在這個樣子，並按照類似軟韌體邏輯的運作藍圖來控制日常的生理、生化運行，這些生命藍圖編碼了奈米小機器人的資訊。我們人類正常來說，大概有兩萬多個這樣的藍圖，它們就是我們的基因，奈米小機器人就是蛋白質。

豐富多樣的藍圖庫

每個物種，都有一個獨特的藍圖庫，就是基因體。不同物種之間，有許多基本藍圖頗相似，也有不少藍圖內容不太一樣，甚至有新的藍圖，或者份數不同。其中一些動植物種，經過人類上千年甚至上萬的選拔，不同品系間的藍圖庫也有差異，其中好些藍圖有了新的資訊，造就出多樣的品種。

這些多姿多彩的藍圖庫，無論是改進人類食物食材的生產效率和品質上，或是提供天然的藥物上，都有著舉足輕重的影響。不過很不幸的，在氣候變遷下，或者資本主義講求的極致效率下，很多野生的藍圖庫也好，人工培育出的藍圖庫也好，都面臨著滅頂之災。而這部紀錄片《基因諾亞方舟》，談的就是演化生物學家、遺傳學家、動物學家、植物學家、微生物學家、農學家、生物物理學家、細胞生物學家、生化學家、病理學家、流行病學家等等 ⋯⋯ 合力為守護地球上繽紛多彩的生命歷經試煉一路演化來的藍圖庫而作出的努力。

死都要保護的種子庫

我們人類其實是種子控，不信你數數今天吃了多少種子：米飯、麵條、麵餅、麵包、豆製品等等，全都是用植物的種子做的。這些糧食多樣性的喪失，讓農作物曝露在疾病、氣候變遷等危脅中。蘇聯在納粹德軍圍城時，守護多樣種子庫的科學家，坐視滿室的食物仍寧可餓死，真是令人不勝唏噓和感動。

《基因諾亞方舟》的開頭，帶我們到挪威只有兩千多住戶的斯瓦巴群島 (Svalbard)。為了延續我們糧食的未來，科學家在那蓋了一個全球最大的種子庫  — — 斯瓦爾巴全球種子庫 (Svalbard globale frøhvelv)，利用極地天然的寒氣保存了來自全球兩百多個國家的各種作物種子，最多可以容納廿二億顆種子，現今已收藏超過一百萬份種子樣本。

生物組織蒐藏庫

生命的多樣性也取決於個體擁有多樣的組織器官。保存在細胞核的 DNA 存有各種生命藍圖，但就像工程師施工時不需要把整本工程藍圖都搬到工地或工廠一樣，轉錄作用把 DNA 上的生命藍圖拷貝成一份信使 RNA 的藍圖副本再送到核醣體去製造蛋白質，就像工程師影印奈米機器人製造藍圖副本到工廠施工，工作完成後就銷毀副本資源回收。透過窺視細胞中有哪些和有多少藍圖副本，我們能夠猜測生命的運作。

《基因諾亞方舟》同時也介紹德國野生生物的細胞銀行，用液態氮的超低溫保存各種生物組織，為我們凍結了不同物種的不同組織的藍圖副本。而在南台灣，屏東高樹鄉的辜嚴倬雲植物保種中心，植物學家也把植物的各部分小心剪下裝入小試管瓶中，再放入裝滿液態氮的大型鐵桶中，為後世子孫保存各種植物的生命運作秘密。這個自然科學博物館、國立清華大學及保種中心合作向科技部申請的「冷凍保種計畫」，目標是要在三年內完成三萬種植物的液態氮保存計畫，每個物種至少八份組織樣本，完成後將是世界最具規模的蒐藏庫。

很科幻又不科幻的基因資料庫

過去要定序一個人類的生命藍圖，也就是人類基因體，耗費了幾百億美元，還有三千多位科學家十幾年的寶貴時間。拜 DNA 定序成本比 IT 產業的晶片成本下降速度更快許多所賜，如今定序你我的基因體，費用快要比 iPhone XS Max 還便宜了！於是中國野心勃勃的華大基因 BGI，單單一家機構，正以佔全球定序總量六成的大規模，日夜不停機地要為上萬種脊椎動物的基因體定序。

但我們也別忘了，除了物種和作物品系的多樣性，你我也都是獨一無二的，即使是同卵雙胞胎也有表觀遺傳的差異，就像同一本教科書被不同學生劃的重點有差一樣，不同的後天環境會在相同的 DNA 上做出不同的標記。為了保存和研究個體間的遺傳異同，影片訪問中國、英國和奧地利的生物資料庫或基因銀行，這些基因資料庫或許有一天能幫助我們破解疾病和藥物代謝差異的遺傳因素。臺灣人體生物資料庫也基於臺灣獨特的生活型態和致病因素而成立，為生物醫學研究蒐集龐大的生物檢體與健康資訊，迄今已收集超過九萬人的樣本。而在不久的未來，科學家甚至可能試圖用基因體編輯的技術來修正我們的生命藍圖以治療疾病，或者改造人類，甚至把已滅絕的生物復活，我們將進入一個很科幻但實際上不再科幻的世界！

線上觀看《基因諾亞方舟 Golden Genes》

• 本文轉載自Giloo紀實影音 Medium，原文為〈《基因諾亞方舟》：生物奧秘的未來之夢〉。

小扁豆是近年流行的健康食品，有人榜標食用小扁豆能甩肉減重。加拿大科學家領導的國際團隊最近完成了小扁豆基因體的定序工作。

小扁豆（Lens culinaris）又名兵豆、濱豆，屬一年生草本莢果，種子可作食用，每株約 40 公分（16 英寸）高。小扁豆的顏色有黃色、紅橙色、綠色、棕色和黑色等。

小扁豆可能自陶器、新石器時代，就為近東一帶人們所食用。其蛋白質含量在蔬菜中排名第三，約有 22~35% 的蛋白質，也富含膳食纖維及葉酸，現已成為世界上很多國家的主要食品之一，特別是南亞次大陸（印度半島）。在歐洲和北美洲，小扁豆在去殼之後被用來做湯，經常和雞肉、豬肉、大米一起烹製。

加拿大是小扁豆的最大產國，印度居次。小扁豆適合在較乾燥的土地生長，因為是南亞和非洲小農常種植的作物之一。近年小扁豆被當作健康食品來推廣，因為小扁豆是低升糖食物，西方醫學家建議適合糖尿病、高血壓、心血管疾病患者食用，因此產量在過去半個世紀成長了五倍！

小扁豆有七對染色體，基因體大小為約 4 Gb。加拿大薩克其萬大學的植物科學家 Kirstin Bett 等人，最近（2016 年）完成並公開了小扁豆的全基因體序列。這將有助植物科學家利用基因體學工具來改良小扁豆的品種以提高小扁豆產量或縮短生長時間。

加拿大薩克其萬省政府和產業界都資助了這項產、官、學的合作計畫。過去，農夫們一直都是用傳統選汰的方式來為小扁豆育種，不過主要針對單基因性狀做選汰，可是不易針對複雜的數量性狀，因為複雜性狀除了涉及的基因數較多，也很容易受環境影響。

可是利用基因體的資訊，可以設計出更可靠的標記來協助育種的進行。因此小扁豆的全基因體序列，除了能夠協助育種，也能讓遺傳學家瞭解複雜性狀的遺傳學基礎。

參考資料：

• Shiv Kumar, Karthika Rajendran, Jitendra Kumar, Aladdin Hamwieh, and Michael Baum. Current knowledge in lentil genomics and its application for crop improvement. Front Plant Sci. 2015; 6: 78.
• University of Saskatchewan. “International lentil genome sequencing effort underway.” ScienceDaily. 11 January 2016.

編按：「紅豆！大紅豆！（芋頭！）ㄘㄨㄚˋㄘㄨㄚˋㄘㄨㄚˋ，你要加什麼料？」各種豆類不只是吃銼冰的好配料，它們默默成為我們生活中無比重要的一部分。 2016 年是國際豆類年，臺灣大學科學教育發展中心（CASE）針對各種常見豆類的基因體密碼作介紹，讓我們能更了解其中的「豆」知識。

本文原出自臺灣大學科學教育發展中心，其他單位需經同意始可轉載。

• 林翰佐／銘傳大學生物科技學系副教授，科學月刊總編輯。

萬那杜（Vanuatu）是指位於新幾內亞島東南方與斐濟（Fuji）西方海域上的島嶼，目前為萬那杜共和國的治權範圍。先前的考古學研究顯示，這個深入太平洋中心、由 80 餘個島嶼所組成的區域上，有關人類的活動僅能追溯到 3000 年前，幾乎可算是地球上最晚發現人類活動的區域，是地球上最後一塊被人類觸碰到的淨土。

萬那杜的居民從何處而來？

這是一個人類學上相當有趣的研究議題。語言學家們的研究發現，當地居民的語言根源於東南亞語系，透過與鄰近區域考古學證據顯示，第一批到達萬那杜的居民，跟其他遠大洋洲（Remote Onceania）島嶼上落地生根的先驅者應該同屬於拉匹達（Lapita）文明。

拉匹達文明最早發現於位於新幾內亞島東北部的俾斯麥群島（Bismarck Archipelago），是一個生活於沿岸，以採集為主的新石器文明。從已出土的文物當中發現，拉匹達文明已經具備相當精緻的製陶技術，並能利用貝殼製作大量的生活工具。

目前的考古學者認為，拉匹達文明源自東南亞，從文明特徵以及在大洋洲相關文明發現的時間序列來看，整個拉匹達文明可能源自於臺灣早期的原住民，在距今5000~6000 年前經海路逐步擴散到大洋洲的諸島。

這樣的人口擴散方式又是以何種形式發生呢？是逐步的擴散，每到一個地區便與當地人種通婚產生子代，落地生根以後再向其他島嶼擴散？或者是像有目的的旅行一般，在很短的時期不斷移動所造成？

在 2016 年發表的研究中，考古學家透過分子生物學技術，研究 3 具發現於萬那杜與東加群島的先祖遺骸，發現這些迄今 2600~3000 年前的遺骸身上鮮少有鄰近新幾內亞島上人種的 DNA 特徵，反而跟東南亞的人種在血緣上更為接近。顯示這些遠古先祖在遷徙的過程，可能鮮少與當地居民通婚以致沒有血統混合的現象，或者是因為這樣的遷徙是發生於短時間的，並非經歷數代所造成。一段源自臺灣原住先民透過海上旅行到達地球最後一塊淨土的傳奇故事就這樣被發表出來。

即便透過考古學以及語言學的深入研究勾勒出一段如史詩般的故事，但仍難以完美解釋我們目前所觀察到的現象；現今的萬那杜居民雖仍以南島語（Austronesian）作為主要的語言，然而從血緣的角度來看，現在的萬那杜居民，不論在骨骼型態的角度以及基因學上的表現，均已幾乎找不到先民們的血緣。這種語言與血統上錯位（mismatch）的現象更增添了這傳說中的神祕色彩。

全基因體定序用於考古學研究

分子生物學技術用於考古學上的研究其實至少有 3、40 年的歷史。透過位於染色體上基因序列的相似程度，來推算動物物種之間或是先祖遺骸與現代人之間血緣關係的問題。

傳統的研究當中，基因標的（target gene）的選擇相當重要，科學家們需要選擇適當的基因，以這些基因在不同來源材料之間的序列（sequence）差異，做為比較的基礎；通常這類基因需要具備「適當的變異，但又不能太有變異」的微妙特性，來符合判斷不同時間尺規（scale）中對親源性分析的要求。

像是利用分子生物學技術鑑定魚種間親緣關係（可能有數千萬年以上的差別）與人類人種之間的研究（數千到數萬年），所選擇用來比較的基因標的就會有所不同。

在眾多指標之中，粒線體DNA 是較為人所熟知的一個標的。粒線體是細胞當中的一種胞器（organelles），被認為是古代細菌寄生於細胞後共生的結果，稱作內共生學說（endosymbiotic theory）。

在高等哺乳動物當中，我們認為子代的粒線體皆源自母親的卵子，故粒線體DNA 可作為母系遺傳的重要指標。在早先的研究中，粒線體DNA的定序與比對數據提供了我們在形塑現代人類起源的概念上相當有利的參考，包括提出「粒線體夏娃（Mitochomdrial Eve）」的概念。

研究表明，目前世界人口中最接近的共同女性先祖，也被稱作是「幸運的母親」為非洲的單一人口，推測存活於距今14~20萬年前。

相對於先前需要以特定 DNA序列進行分析比對的研究方式，全基因體定序是截然不同的做法。所謂基因體（genome），就是人體所有的遺傳訊息，目前已知是包含有 32 億個鹼基對（base pair，DNA的單位）的龐大資料庫。

隨著電腦科技的進步與基因定序方法上的演進，針對研究標的進行全基因體定序並比對分析已成為可能，雖然這類研究的成本仍然相當的高（現今約新臺幣 30 萬元／每個人類基因體樣本）。由於並非針對單一與數個基因進行 DNA序列上的比對，全基因體的研究可以避免像是盲人摸象式的狹隘觀點，使得研究的結果更為可信。

這裡所提到有關萬那杜人口來源的相關研究，就是用全基因體定序分析的方式進行。

發生於距今約2300年的人種改變事件

今（2018）年2月，2 篇學術性論文的發表，分別對萬那杜人種之謎提出新的證據與看法。其中瑞克（David Reich）發表於《當代生物學》（Current biology）的研究當中，特別針對 14 具發現於萬那杜的先祖遺體以及 185 名現居於萬那杜的居民檢體進行全基因體定序以及分析，結果揭露出幾項更為明確的推測。研究團隊認為，最早到達萬那杜的第一批先祖應該是拉匹達文明，在距今約 2900 年前左右到達萬那杜群島。

但到了距今約 2300 年前，這些遠大洋洲先祖的 DNA 特徵便從現存的遺骨中消失，完全由生活於新幾內亞的種族所取代，這個現象一直到距今約 150 年前的遺骨中均有相同的現象，跟現代萬那杜人的基因體中同時具有 3 種新幾內亞人種特徵以及遠大洋洲人種特性的現象有截然不同的對比。

另一篇近期登載於《自然生態學與演化》（Nature Ecology & Evolution）的文章當中也提出相同的觀察結果。科學家們對於這樣的研究結果進行多種猜測，例如瑞克的研究團隊就認為，由於新幾內亞種族的移入，迫使原本生活餘萬那杜的那些屬於拉匹達文明的先祖們離開了這些島嶼。

先祖可能在附近區域進一步與新幾內亞的人種進行通婚，並將語言保留了下來。

這種可能性或許可以從萬那杜人所使用的南島語中發現，其實仍含有新幾內亞種族語言的特徵，例如雙脣顫音的使用，代表兩種文化間的一些交流，不過，這樣的語言特徵並未受到所有語言學家的認同；也有學者認為基因特徵的突然改變可能是一場滅族式的屠殺所造成，首批跨海而來的遠大洋洲先祖在這場種族間的爭鬥中消滅殆盡。

到底真相為何？依舊是人類學者持續想要解答的問題。更多先祖遺骨的發現與全基因定序研究的投入，或許能針對這個謎團有更進一步的發現。

延伸閱讀

1. Ewen Callaway, Ancient DNA offers clues to remote Pacific islands’ population, Nature, 2018/3/1.
2. Lipson et al., Population Turnover in Remote Oceania Shortly after Initial Settlement, Current Biology, Vol. 28:1-9, 2018.

〈本文選自《科學月刊》2018年4月號〉

什麼？！你還不知道《科學月刊》，我們48歲囉！

入不惑之年還是可以當個科青