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基因工程大突破!移除胚胎遺傳性疾病基因再也不是夢?

florinn
・2017/08/11 ・2978字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 565 ・九年級

美國科學家利用 CRISPR-Cas9 技術,首度成功修復人類胚胎的遺傳性疾病基因,成功率大幅提高至 72.4%,這項研究成果於今年八月二日發表在《自然》期刊,可說是基因編輯技術進展的里程碑,不過要將這項技術應用於臨床治療,還需要更多的實驗測試才能確定不會有罕見的錯誤發生。

圖/ZEISS Microscopy @Flickr

利用 CRISPR-Cas9 修正胚胎中的遺傳性疾病基因

帶領研究團隊的通訓作者,也是《自然》雜誌評選的 2013 年度十大科學家──美國奧勒岡健康與科學大學的米塔利波夫(Shoukhrat Mitalipov)教授,再一次為世界帶來劃時代的研究。他曾以開發出極受爭議的粒線體置換療法(也就是常聽到的三親嬰兒)和利用人類皮膚細胞培養出幹細胞而聞名於世,這次他的團隊的驚世之作,則是將目前超夯的基因編輯技術── CRISPR-Cas9 ──直接注射入胚胎,成功修正遺傳性疾病基因。

研究團隊選擇用來測試的,是常見的遺傳性心臟病──肥厚心肌症(Hypertrophic cardiomyopathy, HCM)的基因,這個疾病平均每500人就有一人患病,而且通常不會在年幼時發病,因此帶有這個遺傳性疾病的基因並沒有因為天擇而消失,好發於中年人以及年輕運動員。


影片/本文所提研究之實驗操作過程
(S-phase injection:受精後18小時注射,M-phase injection:受精前注射)

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研究人員為了測試這個方法是否能夠將遺傳性疾病基因修正,他們將 CRISPR-Cas9 注射到帶有一套正常基因和一套疾病基因的受精卵中,看看最後胚胎是否能成功被修正成不帶疾病基因。

實驗室將正常基因的卵子,以及帶有疾病基因的精子,進行體外人工授精,並且在不同的時間注射 CRISPR-Cas9 (「受精前(和精子一起注射)」和「受精後18小時」)。當 CRISPR-Cas9 注射之後,它會辨認出疾病基因,並將該段疾病基因剪切成DNA雙股斷裂,再交由細胞本身的DNA修補機制將DNA修復完成。

他們發現在「受精後」才將 CRISPR-Cas9 注射的話,因為受精卵已經開始進行細胞分裂,所以無法有效的修復胚胎內所有的細胞,使得部分胚胎內含有不同基因組的細胞(如下圖上排最右邊,藍色是正常細胞,褐色是仍含有疾病基因的細胞),而形成鑲嵌式胚胎(Mosaic embryo),或者是完全沒有被修復,胚胎內仍然具有基因缺陷。成功被修復的比例約 66.7%(36/54)。

如果在「受精前」將精子、CRISPR-Cas9 和正常基因片段一起注射,就能在 DNA 開始複製前進行修復,獲得較佳的修復結果。研究人員分析發現,所有的胚胎都進行了基因修復的步驟,72.4%的胚胎修復成功(42/58),剩下其他的胚胎則是正確辨認疾病基因的位置,但修復失敗了。

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圖/Ma et al., Nature

研究團隊還發現,在使用這個基因修正的方法時,胚胎會使用本身的 DNA 進行修復,而非研究人員額外加入的 DNA 片段,意思是在胚胎發育初期,只會根據原本就存在於細胞中的基因進行修正,而不會使用外來的基因片段。這和他們一開始預期的不同,顯示胚胎在發育的早期修復 DNA 的機制可能和後期所使用的不太一樣。

同時為了要檢驗 CRISPR-Cas9 在運作時,是否錯誤的處理到其他基因,造成了不必要的突變(這種突變稱為「脫靶突變 off-targeting mutation」),他們也做了胚胎的全基因組定序。他們發現在所有正常基因的細胞裡面,完全沒有這樣的現象發生,這也顯示了這個基因修正方法的可行性與穩定性大大的提高。

技術突破使成功率大增,但仍需要更多實驗確認安全性

這項研究是由米塔利波夫的團隊聯合南韓與中國的團隊共同進行。雖然在他們發表之前,還有另外三個中國團隊也發表過使用 CRISPR-Cas9 來修正胚胎基因的研究,但他們這項研究的重要性,在於首次有這麼高的成功率,能直接對人類胚胎進行基因工程修正遺傳性疾病基因,並且大大減少了鑲嵌式胚胎的數量,以及 CRISPR-Cas9 常被質疑的問題:脫靶突變的現象,也沒有被偵測到。

雖然成功率目前只有 72%,不過米塔利波夫對此有信心可以藉由調整實驗條件來達到成功率 90%以上。儘管如此,仍然要謹慎面對這項技術,這樣的技術算是生殖細胞工程(Germline engineering),會使得修正後的基因能夠傳到後代子孫,如果失敗的話,將導致突變或疾病基因代代相傳,研究中的實驗數據量也只有五十幾,還需要更多的實驗才能確定不會有罕見的錯誤發生

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設計出你的理想寶寶?還有很長一段路要走

未來想要設計出你的理想寶寶,會像現在選擇遊戲角色造型一樣簡單嗎?圖/Wiki

有人說:這個胚胎基因編輯技術成功後,「設計嬰兒」就指日可待了。《自然》期刊的評論員 Heidi Ledford 在 Nature Podcast 的訪問中表示,這樣的想法是個「滑坡謬誤」。這個利用 CRISPR-Cas9 修正胚胎基因的方法,只能將有問題的部分修改成原本就已經存在的基因序列(例如實驗中父方的疾病基因被修正為母方的正常基因),無法說我選擇要這樣的眼睛、這樣的鼻子、或者超高 IQ,然後提供一段基因片段,就把你的「完美寶寶」製造出來,這個方法做不到,而且技術上還有很多困難要克服,還有很長的一段路要走。而這大概也是通訊作者米塔利波夫堅持使用「基因修正(correction)」來描述他們的方法,而非使用「基因編輯(editing)」的原因。

麻省理工學院的一位癌症研究學者 Richard Hynes 認為,一旦胚胎基因修正技術的困難被克服,那我們就需要開始思考與討論這項技術對社會的影響,以及該如何立法規範這種技術的使用。而這篇堪稱里程碑的研究,就是告訴我們,是時候該開始討論了。

 

參考資料:

  1. Correction of a pathogenic gene mutation in human embryos, Nature (2017), Hong Ma et al., doi:10.1038/nature23305
  2. Biotechnology: At the heart of gene edits in human embryos, Nature | News & Views (2017), Nerges Winblad & Fredrik Lanner, doi:10.1038/nature23533
  3. CRISPR fixes disease gene in viable human embryos, Nature | News (2017), Heidi Ledford, doi:10.1038/nature.2017.22382
  4. In Breakthrough, Scientists Edit a Dangerous Mutation From Genes in Human Embryos, New York Times
  5. Deadly gene mutations removed from human embryos in landmark study, The Guardian
  6. First Human Embryos Edited in U.S. – MIT Technology Review, July 26, 2017

延伸閱讀:

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  1. 打造完美寶寶,工業技術與資訊月刊285期2015年07月號
  2. 「DNA編輯大師」張鋒與CRISPR / Cas9 / Cas9基因編輯技術 – PanSci泛科學
  3. 《自然》雜誌2013年度十大人物 – PanSci泛科學
  4. CRISPR發展之英雄榜 – 科學Online
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florinn
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曾任泛科學實習編輯,是個從學術象牙塔逃離的化學系、化學所學生。比起做實驗,更喜歡分享科學故事、聽科學趣聞,寫科普文的目的就是希望能和大家一起領略科學的力與美。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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藝術揭露科技,科技豐富藝術—曹存慧的生物藝術探索
顯微觀點_96
・2024/11/10 ・4459字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文轉載自顯微觀點

生物藝術家曹存慧博士於大稻埕接受訪談
圖/顯微觀點

透過質疑,引起反思

昏暗的實驗室裡,紅色的 LED 綻放光芒,電線連向一旁玻璃杯內的電極。5個盛裝深色液體的玻璃杯由電線與電極串聯,累積電壓,向 LED 供應電流,如同小學自然課以果汁發電的實驗配置。

日光燈亮起,玻璃杯內的液體呈現比 LED 更加深沉的暗紅色,桌後身穿實驗衣的藝術家/科學家曹存慧開口介紹,「人類血液中具有電解質,因此可以和鋅片與銅片組成的電極發生氧化還原反應,產生電流使二極體發光。」此時,她的手背上還貼著止血棉。

這是曹存慧與葛昌惠合力創作的生物藝術裝置《血電廠》。藝術家現場抽取自己和參與者的血液,透過簡單的氧化還原發電原理,在黑暗中得到光線。讓參與者親身體驗犧牲身體部位、承受健康風險以獲得能源的情境。

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抽血發電很容易引起對衛生與比例原則的質疑,但是社會日常仰賴的發電模式如燃煤、核分裂等,不是明顯損及環境或居民健康,就是藏有重大風險。《血電廠》抽血發電引起的憂慮與質疑,凸顯了現代社會為了滿足電能需求,選擇持續承擔的代價與風險。

透過藝術為科學除魅

《血電廠》並非曹存慧唯一具有爭議性的創作,甚至不是參與者反對與質疑最激烈的。她與「遠房親戚實驗室」夥伴的作品《有我在TM在國立台灣美術館現場帶領工作坊參與者進行自體基因轉殖,透過基因工程技術,將人類基因片段插入大腸桿菌染色體中。

這項讓參與者感到「轉殖自身基因的大腸桿菌與自己十分相似」(實際上僅有極小片段相同,不同參與者彼此間的基因相似性還比較高),足以讓人反思何謂「自我」以及物種間親近性的實驗,因為扮演「有我在生物科技股份有限公司」在虛擬的商業情境中進行實驗,事後被民眾檢舉未依法登記而執行業務。

藝術家們為了法律訴訟而傷神耗時,同時也凸顯基因工程技術對民眾來說,是需要被政府嚴格管理的行為。

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面對民眾的緊張,曹存慧說,「台灣人對基因工程態度其實相對輕鬆,在意的是健康與環保。不像歐美社會,有觸犯神權的那種禁忌感。」如果是在荷蘭,這種行動藝術場地外一定會集結抗議團體,主辦方也會開記者會說明。

曹存慧回憶《有我在TM》現場說,「我帶參與者們做 heat shock(熱休克,使質體進入大腸桿菌細胞膜的方法), 他們紛紛驚訝說『怎麼這樣就結束了?』。我希望可以讓一般民眾發現『基改並非一件深不可測的事情』」。這是她為生物藝術賦予的價值之一。

對於生物藝術的定義,曹存慧反思地說,「每一天我對生物藝術的定義都有一點變動。現在我採取的定義是『內容與生物學有關的』創作,比較符合大眾對這個特定領域的想像。」

她認為,單純討論生命與死亡,或媒材中採用生物材料,其實都是傳統藝術包含的作法。但是以生物學知識與討論為主題的創作,最接近生物藝術(Bioart)這個 1997 年由 Eduardo Kac 發明的創作領域。

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懷抱著創作願望的生物學博士

曹存慧從大學開始攻讀生物科技領域,專長分子生物學和生物資訊,於昆士蘭理工大學獲得博士學位後回到台灣,進入中研院從事博士後研究。聽起來是相當典型的生科系職涯發展,接下來就是進入學院擔任助理教授或技術人員、實驗室經理。

但是在扎實的學術訓練歷程,曹存慧始終懷著對藝術的喜愛與好奇,她說,「我對藝術的興趣明確存在,但是方向模糊。只是從小喜歡畫畫、會當學藝股長,沒有受過科班訓練。高中參加的還是生研社,不是美術社。」

曹存慧與生物藝術的接觸,是在昆士蘭讀博士班時,那時她正在疑惑「自己的生物科技專業,能不能結合藝術創作」。她回憶說,「千禧年過後,一個無聊的晚上,我上網 google “Bio + Art” 沒想到真的有這種藝術領域!」她投入創作的願望,在新世紀展開時逐漸活化。

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2009 年,曹存慧畢業歸國,參與了她的生物藝術展覽初體驗,也是臺灣第一場聚焦生物科技與醫學的創作展《急凍醫世代》。不僅是她第一次親眼看見生物藝術裝置,同時也得到參加研討會、工作坊的機會,可以聽到藝術家剖析自己的創作脈絡。

觀察了他人的作品,曹存慧開始想要親手創作,但是既缺少經驗,也不了解何謂藝術創作。同時,她的職業仍然是中研院分子生物學博士後研究員,她一面忙碌於實驗室工作,一面在陌生的創作領域摸索,讀藝術理論、了解當代藝術作品、與藝術家對談。

曹存慧回憶那段時光說,「探索新領域很有趣,但是也很掙扎,因為時間實在不夠用。」她維持白天做實驗,夜晚學習藝術的跨領域生活到 2011 年,帶著教學相長的期待,與其他藝術家合作向文山社區大學提案,開一門生物藝術課程。

一波三折的跨領域之路

文山社區大學對生物藝術課程的熱烈歡迎出乎她們意料,連臺北市其他區域的社區大學,也紛紛邀請她們開課。曹存慧笑說,「當時我們很開心地答應了,還擔心自己會忙不過來。結果報名截止那天,整個臺北市只有一個人報名,而且那個人還是我的朋友!」

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原來,「生物藝術」這個名詞當時在臺灣社會鮮少被公開討論,社區居民分不清楚究竟是生物課還是藝術課,自然不會報名。曹存慧教學相長的課程,只能暫且擱置。

曹存慧並未因此而放棄,為了投入更多時間嘗試創作,她在 2016 年申請荷蘭的生物藝術研究單位職缺,準備離開原本的工作,卻因為簽證問題而無法成行。

看似又一個深入生物藝術領域的阻礙,曹存慧卻視為重要的轉捩點。在輾轉詢問、求助的過程中,她結識更多生物藝術圈的同儕,也被拉進臺灣生物藝術社群,得到充沛的交流。她說,「那時我開始更清楚自己能做甚麼,也開始有策展人特地邀請我參展。」

曹存慧的第一個正式展出作品,是 2014 年於臺北市中山創意基地 URS21 的《愛@窒息》,在密閉小容器中裝入植物和日常物品的零件(如玩偶或是芭比娃娃的肢體)。展覽期間植物逐漸生長,人造物品被慢慢吞沒,只留下輕微輪廓。

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曹存慧在展期發現,室內展場光線不如室外明亮,作品中的植物不一定會如預期般生長。生物藝術猶如生物學實驗,比起使用無生命材料的同行,更加需要注意生物學性質。

她笑說,「我從那時開始體會,生物藝術家會遇到很多不可思議的環境因素,是其他領域創作者無法想像的。」

最誇張的經歷是,「大量的果蠅飛進展場,吃掉我的作品!密封的作品無法隔絕果蠅的嗅覺和食慾,展間裡、作品上都是果蠅。策展人、館方都氣急敗壞。」

一路挑戰創作框架與材料的限制,曹存慧獨具風格的創作逐漸被更多策展人認同,也登上國家美術館的展廳,讓她得到更多信心與創作欲。2018 年她辭去博士後研究員的工作全心投入創作,隔年卻回到了學術機構,這次領域不同以往——清大藝術學院聘任她為助理教授,並主持生物藝術實驗室。

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任教於清大藝術學院的生物科技博士曹存慧

現正創作:族群與語言的演變(螞蟻版)

擔任教職的曹存慧持續活躍的個人創作,她最近的作品是浪漫臺三線藝術季的邀約作品:名稱未定,以客家話和客家族群的流動變化為核心概念。

曹存慧說明,「現在臺灣人使用的客家話,發音和用詞與中國南方的客家話已頗有不同,臺灣不同客家族群間也有少許差異,但社會共識依然認同是應該被保存的『傳統文化』。」

而客家族群血緣方面,曹存慧提起馬偕醫學院教授林媽利引發激烈討論的分子人類學研究,該研究指出臺灣客家人的染色體單倍群比較接近中國南方人,不同於客家族群傳統故事中,客家人來自華北、華中的漢民族大遷徙敘事。

圍繞這個引起民族認同爭端的科學研究,曹存慧展開新的創作想像,「客家人從北方逐漸南遷的過程中,或許不斷有人加入、也有人在中途落地生根。到達南方、臺灣時,群體中的成員、家族組成與出發時早已不同,因此這個族群的基因庫也已經演進,如同語言的變化。」

曹存慧透漏,她計畫設計一個大型螞蟻飼養箱,其中糖漬洛神花排列成漢語拼音的客家話辭彙,涵蓋客家話各分支的用字、腔調差異。其中同時放置泥土、樹枝和水,讓螞蟻得以築巢、生活。

螞蟻覓食過程中,糖漬洛神花會被螞蟻集體搬動,拼音逐漸出現變化,仿擬語言在集體活動過程被重新建構。曹存慧說,「族群和文化特徵在演變過程會消失一部分,同時也會建構新的成分。演變是自然的,或許不是那麼需要抗拒的事情。」

至於醃漬洛神花,是因為現在洛神花是當前桃園客家文化景點的熱銷名產,被形塑為客家特色農作物之一。但洛神花並非當地傳統的作物,大概 2008 年前後才開始流行,其實是相當新的地區特色。

曹存慧以此說明,「客家族群的自我認同強烈,但文化演變本來就會一直加入新的元素,得到新的特徵未必是一件壞事。我想趁機探討『傳統』在文化演變過程中不斷建構並保存下來,是動態而非固著的概念。」

對於發想過程,她自我剖析道,「創作時我沒有很明確的政治性、社會性目的。但我想生活在這個社會環境,人本來就會注意社會議題並產生反應,也就是我每天看到和思考的內容。我想進行的創作,是和當下社議題密切相關的。」

年輕、階級扁平的教室與創作領域

在曹存慧的課堂上,每個人都以自取的綽號相稱,曹存慧在學生口中的稱呼是「跳跳」。

她解釋說,因為生物藝術是個很年輕的領域,輩分與階級都很扁平,「我和學生年紀不同,在教室裡的權力也不同。雖然一開始我是思考與創作的帶領者,但是希望可以讓學生感到互動框架是平等、可鬆動的。這樣在討論何謂生物藝術、評論作品時,可以自由地發展與表達想法。」

曹存慧認為,這樣的課堂情境類比了生物藝術圈的現狀,沒有太明確的權威與硬性框架,生物藝術的形式、目的與價值都還在共同創造及實踐中。

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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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從遺傳學角度剖析:女性能在體育場上超越男性嗎?——《運動基因》
行路出版_96
・2024/08/10 ・3712字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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科學期刊的預言:女性能追趕甚至超越男性?

我在 2002 年還在讀大四時,第一次看到兩位 UCLA 生理學家的論文〈不用多久女性就會跑得比男性快?〉,當時我覺得這個標題很荒謬。在那之前我花了五個賽季,進行 800 公尺中距離跑步訓練,成績已經超越世界女子紀錄。而且我還不是自己接力隊上跑最快的。

但那篇論文發表在《自然》(Nature)期刊上,這是世上極具聲望的科學期刊,所以一定有些道理。大眾就是這麼認為的。《美國新聞與世界報導》雜誌在 1996 年亞特蘭大奧運之前,對一千個美國人做了調查,結果其中有三分之二認為,「終有一天頂尖女運動員會勝過頂尖男運動員」。

1996 年亞特蘭大奧運前,一千位美國人中有三分之二認為,「終有一天頂尖女運動員會勝過頂尖男運動員」。 圖/envato

《自然》期刊上那篇論文的作者,把男子組和女子組從 200 公尺短跑到馬拉松各項賽事歷年的世界紀錄畫成圖表,發現女子組紀錄進步得遠比男子組急速。他們用外推法從曲線的趨勢推斷未來,確定到 21 世紀前半葉,女性就會在各個賽跑項目擊敗男性。兩名作者寫道:「正因進步速度的差異實在非常大,而使(兩者)差距逐漸縮小。」

2004 年,趁著雅典奧運成為新聞焦點之際,《自然》又特別刊出一篇同類型的文章〈2156 年奧運會場上的重要衝刺?〉(Momentous Sprint at the 2156 Olympics?)──標題所指的,正是女子選手會在 100 公尺短跑比賽中,勝過男子選手的預計時間。

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2005 年,三名運動科學家在《英國運動醫學期刊》發表了一篇論文,省去問號開門見山在標題宣稱:〈女性終將做到〉(Women Will Do It in the Long Run.)。

難道男性主導世界紀錄的情況,始終是歧視女性、把女性排除於競技場外的結果?

20 世紀上半葉,文化規範與偽科學嚴重限制了女性參與運動競技的機會。在 1928 年阿姆斯特丹奧運期間,有媒體(捏造)報導指稱,女性選手在 800 公尺賽跑後筋疲力竭地躺在地上,這讓一些醫生和體育記者十分反感,使得他們認為這個比賽項目會危害女性健康。《紐約時報》上有篇文章就寫:「這種距離太消耗女性的體力了。」〔1〕那幾屆奧運之後,在接下來的三十二年間,距離超過 200 公尺的所有女子項目,都突然遭禁,直到 2008 年奧運,男女運動員的徑賽項目才終於完全相同。但《自然》期刊上的那幾篇論文指出,隨著女性參賽人數增多,看起來她們的運動成績到最後可能會與男性並駕齊驅,甚至比男性更好。

運動能力的基因密碼:性別差異的生物學根源

我去拜訪約克大學的運動心理學家喬.貝克時,我們談論到運動表現的男女差異,尤其是投擲項目的差異。在科學實驗裡證實過的所有性別差異中,投擲項目一直名列前茅。用統計學術語來說的話,男女運動員的平均投擲速度相差了三個標準差,大約是男女身高差距的兩倍。這代表如果你從街上拉一千個男子,其中 997 人擲球的力氣會比普通女性大。

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不過貝克提到,這種情形可能是反映女性缺乏訓練。他的太太是打棒球長大的,輕輕鬆鬆就能贏過他。他打趣說:「她會發出一束雷射光。」那麼這是生物學上的差異嗎?

男性和女性的 DNA 差異極小,僅限於在女性身上為X或男性為Y的那單一染色體。姊弟或兄妹從完全相同的來源取得基因,透過重組母親和父親的 DNA,確保兄弟姊妹絕對不會相近到變成複製人。

性別分化過程大部分要歸結到 Y 染色體上的「SRY 基因」,它的全名是「Y 染色體性別決定區基因」。若要說有「運動能力基因」,那就非 SRY 基因莫屬了。人類生物學的安排,就是讓同樣的雙親能夠同時生育出男性的兒子和女性的女兒,即使傳遞的是相同的基因。SRY 基因是一把 DNA 萬能鑰匙,會選擇性地啟動發育成男性的基因。

我們在生命初期都是女性──每個人類胚胎在形成的前六週都是女性。由於哺乳動物的胎兒會接觸到來自母親的大量雌激素,因此預設性別為女性是比較合算的。在男性身上,SRY 基因到第六週時會暗示睪丸及萊氏細胞(Leydig cell)該準備形成了;萊氏細胞是睪丸內負責合成睪固酮的細胞。睪固酮在一個月之內會不斷湧出,啟動特定基因,關閉其他基因,兩性投擲差距不用多久就會出現。

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男孩還在子宮時,就開始發育出比較長的前臂,這使得他們日後投擲時會做出更有力的揮臂動作。儘管男孩和女孩在投擲技能方面的差異,不如成年男性和女性之間那麼顯著,但這種差異在兩歲幼童身上已經很明顯了。

性別分化過程大部分要歸結到 Y 染色體上的「SRY 基因」,會選擇性地啟動發育成男性的基因。 圖/envato

文化與訓練的影響:投擲項目中的性別差距

為了確定孩童之間的投擲差距有多少與文化有關,北德州大學和西澳大學的科學家組成團隊,共同測試美國孩童與澳洲原住民孩童的投擲技能。澳洲原住民沒有發展出農業,仍過著狩獵採集生活,他們教導女孩丟擲戰鬥及狩獵用武器,就像教導男孩一樣。這項研究確實發現,美國男孩和女孩在投擲技能上的差異,比澳洲原住民男孩和女孩之間的差異顯著許多。不過儘管女孩因為較早發育長得較高較壯,男孩仍比女孩擲得更遠。

普遍來說,男孩不僅比女孩更善於投擲,視覺追蹤攔截飛行物的能力往往也出色許多;87% 的男孩在目標鎖定能力的測試上,表現得比一般女孩好。另外,導致差異的部分原因,至少看起來是因為在子宮的時期接觸到了睪固酮。由於先天性腎上腺增生症,而在子宮裡接觸到高濃度睪固酮的女孩,上述項目的表現會像男孩一樣,而不像女孩;患有這種遺傳疾病的胎兒,腎上腺會過度分泌男性荷爾蒙。

受過良好投擲訓練的女性,能輕易勝過未受訓練的男性,但受過良好訓練的男性,表現會大幅超越受過良好訓練的女性。男子奧運標槍選手擲出的距離,比女子奧運選手遠大約三成,儘管女子組使用的標槍比較輕。此外,女性投出的最快棒球球速的金氏世界紀錄是 65 mph(相當於時速 105 公里),表現不錯的高中男生的球速經常比這還要快,有些男子職業球員可以投出超過 100 mph(相當於時速 160 公里)的球速。

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在跑步方面,從 100 公尺到 1 萬公尺,經驗法則是把菁英級表現差距定在 11%。從短跑到超級馬拉松,不管任何距離的賽跑,男子組的前十名都比女子組的前十名快大約 11%。〔2〕在職業等級,那就是個鴻溝。女子組的 100 公尺世界紀錄,跟 2012 年奧運男子組的參賽資格還差了四分之一秒;而在一萬公尺長跑,女子組的世界紀錄成績,與達到奧運參賽資格最低標準的男選手相比落後了一圈。

不論距離,男子組前十名的跑步速度普遍比女子組快約 11%。圖/enavato

投擲項目與純爆發力型運動項目的差距更大。在跳遠方面,女子選手落後男子 19%。差距最小的是長距離游泳競賽;在 800 公尺自由式比賽中,排名前面的女子選手,與排名前面的男子選手差距不到 6%。

預言女性運動員將超越男性的那幾篇論文暗示,從 1950 年代到 1980 年代,女性表現的進展遵循一條會持續下去的穩定軌跡,但在現實中是有一段短暫爆發,隨後趨於平穩──這是女子運動員,而非男子運動員進入的平穩期。儘管到 1980 年代,女性在 100 公尺到 1 英里各項賽跑的最快速度,都開始趨於穩定,但男子運動員仍繼續緩慢進步,雖然只進步一點點。

數字很明確。菁英女子選手並未趕上菁英男子選手,也沒有保持住狀況,男性運動員則在非常慢地進步。生物學上的差距在擴大。但為什麼原本就有差距存在?

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註釋

  1.  各報上氣不接下氣地報導 800 公尺女子選手紛紛倒在跑道上。正如運動雜誌《跑步時代》(Running Times)2012 年的一篇文章指出的,實情是只有一個女子選手在終點線倒下,其餘三名都打破了先前的世界紀錄。據稱人在現場的《紐約郵報》記者寫道,「11 位淒慘的女性」當中有 5 人沒有跑完,5 人在跑過終點線後倒下。《跑步時代》報導說,參賽的女運動員只有 9 個,而且全部跑完。
  2. 過去普遍認為,隨著比賽距離拉長,女子賽跑選手會超越男子選手。這是克里斯多福.麥杜格(Christopher McDougall)在《天生就會跑》這本很吸引人的書裡談到的主題,但不完全正確。成績非常優秀的跑者之間的 11% 差距,在最長距離和最短距離同樣穩固存在。儘管如此,南非生理學家卻發現,當一男一女的馬拉松完賽時間不相上下,那個男士在距離短於馬拉松的比賽中通常會贏過那個女士,但如果競賽距離加長到 64 公里,女士就會跑贏。他們報告說,這是因為男性通常比較高又比較重,比賽距離越長,這就會變成很大的缺點。然而在世界頂尖超馬選手當中,男女體型差異比一般群體中的差異小,而 11% 的成績差距,也存在於超級長距離的最優秀男女選手之間。

——本文摘自 大衛・艾普斯坦(David Epstein)運動基因:頂尖運動表現背後的科學》,2020 年 12 月,行路出版,未經同意請勿轉載

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