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基因研究的怪才,克雷格·凡特生日|科學史上的今天:10/14

張瑞棋_96
・2015/10/14 ・1038字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

1990年,由美國能源部和國家衛生研究院主導的國際人類基因組計畫正式啟動,預定花費三十億美元,以十五年的時間解出人類DNA的全部三十億個字母。結果2000年6月26日這一天,美國總統柯林頓與英國首相布萊爾就共同向世人宣布:人類基因組計畫的初步草圖已經完成。

美國總統柯林頓與英國首相布萊爾就共同向世人宣布人類基因組計畫的初步草圖已經完成。圖片來源:Individualized Medicine blog

這項重要的里程碑能比預定時間提早五年達成,關鍵人物就是當時站在柯林頓右後方的克雷格·凡特(J. Craig Venter, 1946年10月14日- ),一位極具爭議性的生物學家。

凡特於1984年加入國家衛生研究院。他一直鍾情於使用更快速的「霰彈槍定序法」來破解基因組;基本上就是將基因組打斷為數百萬個小片段,再根據小片段之首尾與其它片段首尾的重疊性,找出片段原來的順序。但這個方法的精確性頗有爭議,人類基因組計畫團隊大部分成員還寧可採取按部就班的傳統方式。為之氣餒的凡特在遇到金主願意出資讓他盡情發揮後,便在1992年辭職,成立新公司。

凡特雖然在流感嗜血桿菌上證明了他的方法確實可行,卻與主其事者在專利申請與運用上意見不合,終於在1996年憤而求去。但不久後,生產自動化定序儀器的廠商即主動表達全力支持之意,於是凡特於1998年成立的賽雷拉基因公司(Celera Genomics),大手筆的採用三百台最新的自動化定序儀,打算在兩年內就全面破解人類基因組。

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這個豪情干雲的宣告令國際人類基因組計畫團隊大為緊張,因為他們本著科學精神,總是將最新發現公諸於世。但如此賽雷拉便可直接取用,借力使力,卻不公布自己的成果,當然會率先達鎮。尤其此時整個計畫已花費約十九億美元,民眾若以為這個半路殺出的程咬金以兩年時間就完成他們的十五年計畫,他們如何交代!於是在美國政府出面協調下,雙方陣營才同意彼此合作,共享榮耀。

但如此一來,凡特當初打的如意算盤──將基因的優先獲知權賣給藥廠──就破滅了。賽雷拉的股價於記者會的第二天就下跌10%,到了2002年初更是一蹶不振,凡特因此黯然辭職。

不過凡特本人可未一蹶不振;他於2005年成立「合成基因組公司」(Synthetic Genomics),2010年宣布成功製造出史上第一個由人工合成基因組構成的人工生命,再度引起議論紛紛。充滿爭議性的凡特突顯了科學家的角色定位問題,其是非功過或許有待未來才能論斷了。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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人類基因圖譜初稿完成 │ 科學史上的今天:06/26
張瑞棋_96
・2015/06/26 ・861字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 539 ・八年級

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2000 年的今天,美國總統柯林頓與英國首相布萊爾經由衛星連線共同向世人宣布:人類基因組計畫已完成第一份草圖。由超過六個國家(台灣也沒缺席,負責第四號染色體)、一千多名研究員的共同努力之下,完成了解開人類基因組的初步草圖。

在官方的大肆宣揚下,人們以為科學家們攜手合作達成了重大里程碑。其實當時完成定序的基因只有 85%,只是白宮早就敲定了這個日期召開記者會,不想再延後──或許是為了避免夜長夢多,讓這科學研究背後的醜陋競爭早日畫上句點。

競爭來自於克雷格·凡特(J. Craig Venter)。1990 年,由美國能源部和國家衛生研究院主導的國際人類基因組計畫正式啟動,凡特正是一開始就參與此計畫的其中一員。但他卻在金主的奧援下自立門戶,於 1998 年成立的賽雷拉基因公司(Celera Genomics),大手筆的採購三百台最新的自動化定序儀,打算以兩年的時間完成國際團隊原訂十五年才能完成的計畫。

凡特是個相當具爭議性的人物,他之前就曾將基因申請專利,拿來做商業用途,如今還是宣稱賽雷拉會將成果申請專利保護,並將優先獲知權賣給藥廠或其它公司。另一方面,國際團隊卻是本著科學精神將最新發現公諸於世,賽雷拉還能從中借力使力,擴大領先幅度。

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國際團隊雖然鄙夷凡特的作法,卻在輸不得的壓力下,不得不也採用凡特的研究方法。於是雙方唇槍舌劍、互相指責,直到美國政府出面協調,雙方陣營才同意彼此合作,共享榮耀。

完整的人類基因圖譜要等到 2003 年 4 月 14 日才宣告完成。至於專利權的問題,直到 2013 年 6 月 13 日,才終於由美國最高法院的判決確立:人類基因不能取得專利權。

即便如此,我們可以預期此一重大的研究成果仍將帶來各種衝擊與爭議;當時柯林頓在記者會說:「今日劃時代的成就,只是一個起點,將來還有很多更艱辛的工作,等待要完成。」是的,艱辛的工作不只是判讀、診斷、醫療等技術方面,也將涵蓋道德面與法律面。

 

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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人工生命的發展過程! Craig Venter unveils “synthetic life”
Scimage
・2011/05/16 ・839字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 526 ・七年級

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在最小的生命研究上一直有兩種策略,一種是利用簡單的細胞不停地把不必要的基因剔除,直到找到最小可以支持自我複製生長的基因组,另一種策略是全部的基因組都由人工來合成,設計出可以自己複製生長的細胞,兩種策略都各有優缺點。

剔除的方式要面對的是牽一髮動全身的基因組;不同的剔除路徑可能中間有很多不能維持生命的中間基因組,而在全人工合成上,首先要面對的就是怎麼有效正確的合成大分子的DNA,接著是怎麼把合成出來的基因組放入當作容器的細胞並且激活。這演講就是介紹以合成的路徑,研究人員面對了多少技術困難,最後順利合成百萬鹽基對的染色體,然後順利放入細胞讓這些基因組真的開始工作。

裡面幾個關鍵的步驟是:大量正確合成DNA、分開的合成DNA怎麼被組裝成單一基因組、同類細胞間的基因組要怎麼替換、異類細胞間的基因組要怎麼替換、還有就是面對處理甲基化跟限制酶對外來DNA的破壞,這些工作花了參與的科學家15年的時間,不過其依賴的技術基礎是整個分子生物的技術。這樣的技術有危險性也有很多可能的應用方式,像是在生物能源或是細胞疫苗工廠上,希望這樣的技術會引導出很多能幫助人的科學進展。

本文原發表於科學影像Scimage 演講[2010-08-16]

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Scimage
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基因研究的怪才,克雷格·凡特生日|科學史上的今天:10/14
張瑞棋_96
・2015/10/14 ・1038字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

1990年,由美國能源部和國家衛生研究院主導的國際人類基因組計畫正式啟動,預定花費三十億美元,以十五年的時間解出人類DNA的全部三十億個字母。結果2000年6月26日這一天,美國總統柯林頓與英國首相布萊爾就共同向世人宣布:人類基因組計畫的初步草圖已經完成。

美國總統柯林頓與英國首相布萊爾就共同向世人宣布人類基因組計畫的初步草圖已經完成。圖片來源:Individualized Medicine blog

這項重要的里程碑能比預定時間提早五年達成,關鍵人物就是當時站在柯林頓右後方的克雷格·凡特(J. Craig Venter, 1946年10月14日- ),一位極具爭議性的生物學家。

凡特於1984年加入國家衛生研究院。他一直鍾情於使用更快速的「霰彈槍定序法」來破解基因組;基本上就是將基因組打斷為數百萬個小片段,再根據小片段之首尾與其它片段首尾的重疊性,找出片段原來的順序。但這個方法的精確性頗有爭議,人類基因組計畫團隊大部分成員還寧可採取按部就班的傳統方式。為之氣餒的凡特在遇到金主願意出資讓他盡情發揮後,便在1992年辭職,成立新公司。

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這個豪情干雲的宣告令國際人類基因組計畫團隊大為緊張,因為他們本著科學精神,總是將最新發現公諸於世。但如此賽雷拉便可直接取用,借力使力,卻不公布自己的成果,當然會率先達鎮。尤其此時整個計畫已花費約十九億美元,民眾若以為這個半路殺出的程咬金以兩年時間就完成他們的十五年計畫,他們如何交代!於是在美國政府出面協調下,雙方陣營才同意彼此合作,共享榮耀。

但如此一來,凡特當初打的如意算盤──將基因的優先獲知權賣給藥廠──就破滅了。賽雷拉的股價於記者會的第二天就下跌10%,到了2002年初更是一蹶不振,凡特因此黯然辭職。

不過凡特本人可未一蹶不振;他於2005年成立「合成基因組公司」(Synthetic Genomics),2010年宣布成功製造出史上第一個由人工合成基因組構成的人工生命,再度引起議論紛紛。充滿爭議性的凡特突顯了科學家的角色定位問題,其是非功過或許有待未來才能論斷了。

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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。