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挑戰物理人的邏輯思維:這些實驗結果,怎麼都跟想像不一樣?——2016物理人挑戰

物理雙月刊_96
・2016/12/12 ・2306字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 478 ・五年級
  • 編按:學科學不一定是宅宅,學物理足以撼動世界,小至生活瑣事,大至宇宙定理,都是物理人關注的範疇。「物理人的挑戰」,是找出如何透過教育與職涯發展讓物理重回最性感的學科,讓「物理人」重回最令人驕傲的身份!本文為 2016 年 11 月 12 日「物理人挑戰—Beyond Physics Identities」文字紀錄。

講者/孫維新|國立自然科學博物館館長

文字記錄/林佳芳|國立中興大學物理系學生

國立自然科學博物館孫維新館長。圖/物理雙月刊提供

「在自然中看見科學,用科學來理解自然。」國立自然科學博物館館長孫維新用這一句話作為演講開頭,他還開玩笑說,除了是因為這句話包含了「自然科學博物館」的「自然科學」四個字之外,更是因為人們對物理的認識都是從自然而來。然而在理解自然現象背後的道理時,人們卻常常出錯,孫維新認為這原因有兩種:

物理知識不正確、大腦認知有問題,而更多時候是以上兩者的結合。

關於大腦認知有問題,可以從許多知名的錯視圖中發現,例如科夫卡環(Koffka Ring)、色彩明度錯覺(Color Value Illusion)、咖啡廳錯覺(Café Wall Illusion)、小精靈錯覺(Pac-man Illusion)等,我們在面對這些錯視圖時,大腦對於顏色、線條等圖形的解讀發生了錯誤,讓我們被騙;而除了圖案之外,研究也發現漢字的順序並不一定影響閱讀,即使打亂了文字,我們依舊可以知道句子的意義。也就是說,大腦會做一些奇怪的事情,讓我們的認知出現問題。但這些錯覺並不是毫無用處,像 VR 虛擬實境的科技,就是基於人腦的這種錯誤認知發展出來的。

科夫卡環,環的左右側顏色看似相同,其實是不同的。圖/The Koffka Ring
咖啡廳錯覺,圖中的橫線看似歪七扭八,其實是直的。圖/Cafe Wall Illusion

在物理知識不正確中,孫維新則示範了許多顛覆想像的物理實驗,藉此解釋有時我們認為是對的物理知識其實並不正確。首先是燃燒薯片的實驗,一片洋芋片裡究竟有多少油脂呢?現場觀眾看著洋芋片燒起來,才驚覺自己無意間吃下這麼多油,更有人開玩笑地說,在野外需要生火的話靠洋芋片就夠了!

燃燒薯片實驗,看過才發現原來我們吃下這麼多油!圖/物理雙月刊提供

接著是兩顆氣球的小實驗,兩顆氣球的其中一顆是灌較多氣的大汽球,另一顆則是僅稍微充了一點點氣的小氣球,孫維新要觀眾試著猜猜看,當他將兩顆氣球相連後會發生什麼事?兩顆氣球會變得一樣大、大的變大小的變小、大的變小小的變大,還是兩顆氣球不會有任何反應?多數人認為兩顆氣球會變得一樣大,但實際上做實驗卻發現,其實是大氣球變大,小氣球變小,空氣反而由小氣球進入了大氣球。孫維新解釋,這是因為小氣球內的氣體單位面積受到的壓力比大氣球大 ,於是兩顆氣球相連之後,空氣通通往大氣球跑去了。

兩顆氣球實驗,你原本覺得空氣會怎麼跑呢?圖/物理雙月刊提供

接下來的實驗孫維新形容,是個「有些暴力」的標槍實驗,他還擔心地說,不知道現場觀眾會不會帶著「孫館長很暴力」的印象回家。這個特製的標槍教具本身有兩種發射模式:直線發射及旋轉發射,每次都能發射一個小圓環,但兩種發射模式會影響到圓環的飛行速度和距離,但哪種發射模式會讓圓環速度較快、哪種又會讓距離較遠呢?實驗結果發現直線發射的速度較快,但圓環飛行時很不穩定,所以飛不遠;旋轉發射因為部分能量分給力矩,所以圓環飛行速度較慢,但穩定得多,因此飛得很遠。孫維新也說,這樣的小實驗所觀察到的現象,被應用在許多科技中,最簡單的例子就是在人造衛星的發射過程,也需要轉動的角速度,來幫助它順利飛行到目標軌道。

標槍實驗,旋轉發射因為部分能量分給力矩,所以圓環飛行速度較慢,但穩定得多,因此飛得很遠。這樣的小實驗所觀察到的現象,被應用在許多科技中,最簡單的例子就是在人造衛星的發射過程,也需要轉動的角速度,來幫助它順利飛行到目標軌道。圖/物理雙月刊提供

最後孫維新所示範的是雷射光的實驗。他在桌上準備了五顏六色的氣球,另外準備了雷射筆,他問觀眾如果他用綠色雷射光照氣球,哪些氣球會破、哪些不會破呢?答案是除了綠色和白色的氣球之外,其他全都破了。因為人眼所看到的顏色其實是物體反射的光,對綠色氣球而言,他反射綠光,吸收其他顏色的光;

對白色氣球而言,他反射所有顏色的光。因此這兩種顏色的氣球不會吸收到綠光的能量,因此不會破。但對其他顏色的氣球來說,他們都會吸收綠光,因此會吸收綠色雷射光所攜帶的所有能量,就承受不住爆炸了。

雷射光實驗,用綠色雷射光照氣球,綠色跟白色不會爆掉,因為它們都將綠色給反射掉了。圖/物理雙月刊提供

最後,孫維新也提醒在場的觀眾,每個人對物理的了解都是有限的,因此記得觀察大自然的現象,才能全面了解物理。而觀察大自然現象的方式,第一是多多走入大自然,第二就是走進自然科學博物館囉!


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臺灣半數肺癌患者沒吸菸!不吸菸肺癌的致病成因是?

PanSci_96
・2020/07/20 ・2263字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 605 ・十年級

肺癌傳統被認為與吸菸畫上等號,不過,臺灣的不吸菸肺癌患者卻比吸菸者多。中央研究院與臺大醫學院跨單位研究團隊以蛋白基因體技術建立臺灣早期肺癌病人的多體學大數據,找到不吸菸肺癌患者可能的致病機制。

研究主要有三個發現,首先是肺癌和人體體內APOBEC*突變特徵的高低、其次與致癌物的曝露有關;最後更發現一個從未被發現的新亞型肺癌,及其致癌基因突變的差異,有助早期發現臨床潛在的高風險肺癌患者。

*註:APOBEC的突變被認為跟癌症的發生有關。

研究主持人中研院化學所所長陳玉如表示,「這是東亞第一套結合深度多體學大數據及完整臨床資料,深度解析不吸菸肺癌成因的研究成果」,也是美國臨床蛋白基因體學腫瘤分析聯盟(CPTAC)首次和國際聯盟團隊(臺灣)攜手合作,以蛋白基因體學揭開臺灣及美國病人肺癌生物學的面紗。臺美二個獨立成果於今年(2020)7月9日同步發表在國際頂尖期刊《細胞》《Cell》上,並共同榮登本期雜誌封面。

肺癌致病的關鍵:APOBEC突變特徵、致癌物效應

肺癌是全球癌症死亡的主因,即使藥物治療近年有長足的進展,5年存活率仍低於20%,目前仍是國人癌症死亡頭號殺手。研究指出,在美國不吸菸者約佔肺癌患者的20%,而東亞地區(包括臺灣)的肺腺癌有獨特的特色,不吸菸者(尤其是女性)患病的比率高過於吸菸者。在臺灣有50%以上的肺癌病患並不吸菸,超過9成得肺癌的女性都不抽菸,而且近十年有年輕化的趨勢。為釐清東亞不吸菸肺癌的致病機制,此研究分析東亞地區103名肺癌病患,探究早期不吸菸肺癌的發病與進展。

癌細胞基因突變結果顯示,東西方病人突變的基因背景大為不同;肺腺癌癌變與APOBEC的突變特徵很有關。罹癌患者中,高達74%從未吸菸年輕女性(小於60歲)和所有無肺癌「表皮生長因子受體(EGFR)」 驅動突變的女性患者APOBEC突變特徵程度高,顯示APOBEC的突變特徵可能為女性早期肺癌的驅動因素;而高APOBEC突變特徵又與免疫療法療效呈正相關。因此,APOBEC突變特徵可能成為早期診斷和免疫治療的潛在生物標誌物。

此外,研究也發現,暴露於致癌物而引起的基因體編輯突變特徵,亦可能是癌症早期的主要驅動因素。在部分較年長女性(大於70歲)中程度較高,化學致癌物代謝和解毒過程及特定途徑的活化可能影響腫瘤癌化、惡化和免疫調節異常。換言之,減少生活中致癌物的暴露率可能是預防肺癌的有效策略。

發現「新亞型」肺癌 有助早期發現潛在高風險患者

過去研究已知,臺灣肺癌患者主要在EGFR基因上會發生Del19和L858R兩種突變,病患若是發生L858R突變,存活率較低,且容易產生惡性胸腔積液和癌細胞轉移,不過至今仍未發現明確的生物機轉。此次透過蛋白體學特徵可將肺腺癌分為五個亞型,其中有一個從未被發現的新型早期肺癌「類晚期」亞型。此亞型可區分出Del19和L858R突變的腫瘤在早期癌症之惡性特徵。因此,臨床醫師有機會可藉惡性特徵發現早期肺癌患者,進一步提供密集的監測和考慮可能的佐劑加以治療。此外,「類晚期」亞型的早期腫瘤也可發現顯著增加的蛋白,如間質溶解素MMP11等,可能可以作為檢測的生物標誌。

東亞第一個解析不抽菸肺腺癌之多體學大數據

工欲善其事,必先利其器,有賴於深度蛋白質基因體技術和多體學數據整合分析,及臺灣肺癌臨床團隊提供高品質檢體及臨床資料分析,此次跨領域及院校研究方能就東亞肺癌有此重大突破。肺癌團隊主持人楊泮池指出,「蛋白基因體學發現不吸菸肺癌患者在腫瘤發生和癌症進程上存在著人種和地域上的獨特性,此研究為早期不吸菸者肺腺癌提供了新的見解」。

除中研院之外,研究團隊成員由臺灣大學、臺北醫學大學、臺中榮總提供病人檢體、臨床數據及檢測技術等,共同呈現前所未有的東亞肺腺癌完整鳥瞰圖景,包括針對男女族群、吸菸與不吸菸族群,描繪出更清晰的肺腺癌疾病進程,並且發現新的癌症標誌物與找出導致臺灣肺腺癌的可能病因。

首次攜手合作 臺美「癌症登月計畫」重大發現

本院擁有領先世界的蛋白基因體技術、生物資訊分析平台與大數據分析技術,且臺灣醫療團隊具備完善的長期追蹤資料。藉此優勢,本院與美國國家癌症研究所(National Cancer Institute, NCI)於2016年簽署「癌症登月計畫(Cancer Moonshot)」合作備忘錄,參與國際癌症蛋白基因體學聯盟(International Cancer Proteogenome Consortium, ICPC)。同年10月臺灣通過生醫產業推動方案,科技會報將癌症登月計畫納入為「推動特色重點產業」策略之一,提供利用蛋白基因體大數據開發創新診斷及新藥研發之契機。

持續關注肺腫瘤生物學及早期肺腺癌的研究進展,將有助推動肺癌檢測開發和相關管理策略。「癌症登月計畫」臺灣團隊認為,臨床資訊、多體學技術及體學大數據為發展癌症精準醫學之必要基礎工程,為欲深入研究和發展肺腺癌精準醫療的研究人員和臨床醫生的最大後盾。若能進一步凝聚跨學研單位、醫學中心及跨部會及產學合作,透過與國際癌症登月計畫團隊分享各國數據與資源,持續研發新策略,有助未來發展臺灣特色的精準醫學。

記者會合影

論文共同第一作者為本院化學所陳誼如博士後研究員、本院統計所張雅媗博士後研究員及英國癌症研究所Theodoros I. Roumeliotis,本院資訊所陳鯨太博士後研究員及時任本院化學所林妙霞博士後研究員(現任臺灣大學)亦列為共同第二作者。研究團隊包括本院化學所陳玉如所長、臺大醫學院內科教授楊泮池(本院院士)、本院統計所陳璿宇副研究員、英國癌症研究所Jyoti S. Choudhary、臺灣大學醫學檢驗暨生物技術學系與基因體暨精準醫學研究中心俞松良教授、臺大醫院外科醫師陳晉興、本院資訊科學研究所宋定懿研究員及臺北醫學大學韓嘉莉助理教授等。本次研究經費主要來自科技部、中研院及臺灣大學支持。


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