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用科學打臉的先驅:波以耳與《懷疑的化學家》(中)

LIS情境科學教材_96
・2017/03/26 ・2859字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

以下內容承接上集,《懷疑的化學家》的出現就像是在科學界裡投下了一顆照明彈,將原本充滿神秘色彩的部分抽離科學,並且將科學實驗赤裸裸的攤在眾人面前。這本書參考了伽利略的《兩大世界體系的對話》以對話的手法來進行寫作,不過這回波以耳使用四個角色來進行對談。

書中的卡尼阿德斯,是波以耳的代言人(以下簡稱波派),波以耳藉他提出自己的疑問,表達自己的觀點;彌修斯是亞里斯多德學說的信徒(以下簡稱亞派);菲洛波努斯是三要素說的代言人(以下簡稱三派);埃留提利烏斯則是是一位中立者(中派?)。

至於內容就像你看漫畫一樣,每一個章節都是類似的套路,身為懷疑的化學家的卡尼阿德斯對現實或是過去的理論提出疑問,其他學者提出看法,接著卡尼阿德斯在拿出他的實驗觀察結果打其他人臉,接著再提出自己的看法。簡單來說就是主角先提出問題然後引誘其他人回答,等他們上鉤以後就說「哈哈!!你們錯了,你看我做的實驗結果根本不是這樣!所以你們給我乖乖聽我說」大概就是這麼嘲諷的一本書。

亞里斯多德
亞里斯多德。圖 / By After Lysippos – Jastrow, 公有領域, wikimedia commons

不過嘲諷歸嘲諷,波以耳也算是相當理性在討論各個問題,他維持了身為科學家的嚴謹風格,為了避免大家各說各的最後變成嘴砲大戰,在一開始波以耳就提出元素的定義(不過這個定義並不是在波以耳這時才出現的):

「我們說的『元素』就是指某些原始的、簡單的物體,或者說完全沒有混雜的物體,它們既不能由其他任何物體混成,也不能由它們自身相互混成,所以它們只能是結合物的成分,是它們直接組成成結合物,而結合物最終也將分解成它們。」

以上是書中文言的定義,簡單來說我們所說的元素,就是最原始的原料,物質由這些原料組成,而物質被分解到最後也是變回這些元素。如果聽不懂我舉個例子好了,雞蛋加麵粉可以做成蛋糕,所以說雞蛋和麵粉是蛋糕的原料,而蛋糕就是由雞蛋和麵粉所組成的結合物,那雞蛋裡有哪些原料?裡面有…..蛋白 + 蛋黃 + 蛋殼……,那蛋白裡面又有哪些原料?蛋白有可以分成蛋白質 + 水,那水再分下去有……,當我們分類到不能再分的原料,就叫元素

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雞蛋裡有哪些原料?裡面有…..蛋白 + 蛋黃 + 蛋殼……,那蛋白裡面又有哪些原料?蛋白有可以分成蛋白質 + 水,那水再分下去有……,當我們分類到不能再分的原料,就叫元素。圖 / By Susan Murtaugh @ flickr, CC BY-ND 2.0

在前頭把定義講完之後,波以耳開始對過去的科學家發動攻擊,第一題:請問水、火、土、氣或是汞、硫、鹽他們算是元素嗎?懷疑的化學家不愧是懷疑的科學家,立馬就懷疑了歷史悠久的四元素說以及當時科學主流的三元素說。

這時彌修斯(亞派)和菲洛波努斯(三派)就開始闡述他們認為自己學說正確的地方在哪裡,接著主角卡尼阿德斯(波派)嘴角一斜,拿出了實驗小本本,嚴肅地說道:「你們誰可以告訴我,如果物質都是由你們所說的元素組成的,那誰可以從金屬中提煉出硫或是鹽呢?那金屬能提出水土火氣嗎?就這個論點,我還認為黃金才是一種元素,我們可以取出雜質,但是黃金始終是黃金,怎麼也提鍊不出三元素說裡的鹽類,任何的反應都只會讓它的質量增加,這代表黃金本身就是最純的狀態存在。而且就這個例子我還拿了雲母做實驗,結果還是沒辦法像你們所說的那樣分離出你們所謂的元素,另外四元素裡你的實驗中燃燒出的煙霧在密閉的瓶子中會凝結成水,所以你所說的氣本質上就是水,敢問你們的元素觀的例子究竟是特例還是通則呢?」從這麽長的一段敘述中,我們不只能夠看出波以耳對這些理論的懷疑,裡面還有對這些學說的實驗依據感到荒謬。

此話一出,其他兩人頓時嘴歪,想反駁卻被波派一一駁回,於是這時就是身為中立派的埃留提利烏斯出來假裝打圓場的時候了:「好了好了,就我看來大家都有可取之處,波派講得十分有道理,但也沒說三派和亞派都錯呀,你說是不?只是大家有質疑的部分我們可以再多做討論就是了。既然這樣我們來聊聊別的吧?」

果然這種時候需要一個代表中立的人來控制一下場內情緒,主持人在這種場合還是很重要的。接下來這本書裡面波派大概問了十題來打三派和亞派的臉,不過裡面有些問題本身就和現今的化學觀有所衝突(像是物質本身都存有燃素嗎?可是燃素在過去被視為元素現在卻只是能量釋放的一種方式之類的),我們在此就只提幾個概念新穎又和現今化學觀相似的題目來談談。

波派在一開始得到了巨大的成功,在氣勢上佔了上風,於是他接著問:「那請問什麼東西才是元素呢?」亞派和三派又開始講他們的理論,而波派慢慢等他們說完,這回不拿實驗本本,冷靜地說道:「你們說的元素雖然我們定義一樣,但你們的元素不是物質,而是物質特性」。「對呀!那又怎樣!」三派和亞派異口同聲地說。

「你們依據一些微不足道的性質來定義元素,不覺得很可笑嗎?你說你用火分解出某種物質他不溶於水,你稱它叫硫;若是溶於水又有味道,你就稱他為鹽;照這個邏輯推下來,我敢說,接下來你不問這個物質的組成,只要他有揮發性,你就會叫他是汞,對吧?」「唔……對……」三派好像聽出來哪裡出問題了。

俗話說真金不怕火煉,馬桶不怕小便(?)那做個黃金馬桶也是剛好而已。圖/The New Yorker

「這哪有什麼問題!!」亞派一個暴走,看來他還沒發現他的理論比三元素說更有瑕疵,「唉……無知不值得炫耀呀,哥哥。當我們在探討物質組成的時候,我們就是在討論物質而非性質,雖然有物質就會有性質,但是你們用性質直接做分類,根本上就太過於粗糙了吧?」「喔~~,唔!?」亞派閉嘴了,因為他知道他再講話又要被嫌無知了。

波派眼看現場有點混亂,他便接著說:「前面我們定義了元素,他是物質最原始的原料,最純,又最無法再分類下去的物質,就我看來,元素應該有相當多種絕對不只有三種會四種,像前面的黃金我就認為可能就是元素,至於其他還有哪些元素我沒辦法給你所有的答案,但是可以確定的是,造物者在一開始就準備好了所有元素,接著將世界構築出來。」在這段談話中我們也能了解到波以耳對於宗教與科學在他的思考中是不牴觸的,而當時多數科學家也是如此。

這回合全場都被波派 HOLD 住了,接下來的幾回合也是這個狀態,誰叫寫這本書的人是波以耳呢?選手兼裁判要輸也很難。

還有下回喔。

用科學打臉的先驅:波以耳與《懷疑的化學家》(下)

參考資料

  • 《化學通史》凡異出版
  • 《門得列夫之夢—從煉金術到週期表的誕生》究竟出版
  • 《數理化通俗演義》好讀出版
  • 《不朽的科學家》洪建全出版
  • 《懷疑的化學家》北京大學出版
  • 波以耳—前人的足跡
  • 波以耳與近代化學的誕生—台灣化學教育
  • Robert Boyle—chemcal heritage foundation

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LIS情境科學教材_96
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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

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