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千円紙幣上的細菌學家:野口英世誕辰|科學史上的今天:11/24

張瑞棋_96
・2015/11/24 ・982字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 523 ・七年級

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日本的千圓紙鈔上印著一位身著西裝、頭髮燙捲、留著小鬍子的男士,他就是日本人心目中的國民英雄,野口英世醫生。

日本1000日圓紙幣上的野口英世肖像。圖片來源:wikipedia

在美國紐約的洛克斐勒大學,圖書館二樓的角落裏,也有一座泛黑的野口英世半身銅像。這麼說,他在美國也備受肯定囉?不,學校師生沒有人知道他是誰;在西方,他早已成為歷史的灰燼。究竟為何會如此今非昔比,評價兩極?

野口英世出生於貧農家庭,一歲多時左手被火燒傷以致手指都黏在一起,但他並未因此自卑,反而積極向學,成績優異。後來小學的師生為他募款集資,才得以動手術,使左手恢復七成功能,野口因而立下懸壺濟世的志向。

野口於1896年自齒科醫學院畢業,但兩年後轉到北里傳染病研究所服務。1899年,美國醫學權威佛萊斯納(Simon Flexner)來日本訪問,負責引導的野口想必留給佛萊斯納深刻的印象,才會在第二年收到野口的主動徵詢後,答應他來美國擔任其實驗助手。

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佛萊斯納於1901年協助創建洛克斐勒醫學研究所,並擔任第一任所長;野口也於1904年跟著過來。1913年,野口成功培養出梅毒螺旋體而轟動醫學界,然而他被指控在兩年前為了實驗梅毒的檢測方法,對醫院一百多名與梅毒無關的病人注射梅毒螺旋體的萃取物,卻未事先告知他們。

隨後十幾年野口又陸續發現了小兒麻痺、狂犬病、黃熱病等傳染病的病原體,並發表近二百篇令人驚嘆的論文,被視為繼細菌學家巴斯德與柯霍之後的超級明星;如此輝煌的成就讓他在1913年至1927年間獲得諾貝爾醫學獎提名達七次之多。可惜他於1928年前往非洲研究黃熱病時,自己卻感染了黃熱病而客死異鄉。痛失愛徒的佛萊斯納親自主持野口的葬禮,並為他立了銅像。日本政府更是追贈他日本國民的最高獎章。

然而在他死後,他的研究開始受到西方科學家的質疑。許多人多方嘗試都無法重現他發表的實驗結果,他宣稱發現的各種病原體後來也都被確認是錯誤的。究竟這些錯誤是因為實驗過程不夠嚴謹或受到汙染,還是野口故意捏造資料,如今已不得而知。只是至今他在祖國日本與西方學界所得到的評價竟然有如此巨大的差異,實在頗耐人尋味。

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

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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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為什麼動物會傳染疾病給人類?認識「人畜共通傳染病」——《小大人的公衛素養課》
親子天下_96
・2021/10/16 ・1054字 ・閱讀時間約 2 分鐘

  • 作者/陳建仁、胡妙芬
  • 繪者/Hui

不只人傳人,動物也會傳給人

通常,親緣關係比較遙遠的動物,不會互相傳染疾病,例如魚和人,魚的傳染病通常不會傳染給人。但是,親緣關係較接近的動物,就有可能傳染共通的疾病,像是豬和人同屬哺乳類,豬的流感就會傳染給人,這一類的傳染病就叫做「人畜共通傳染病」。

自古以來,動物會傳染給人的疾病就不少,常見的像是從狗傳染給人的「狂犬病」、從牛羊而來的「炭疽病」,或由豬、馬、家禽而來的「日本腦炎」。但隨著人類生活與活動方式的改變,像是大量的畜養家禽、家畜,或是常常入侵野生動物的棲息環境,使得近幾年來人畜共通傳染病有越來越多的趨勢。

很多造成大流行的傳染病,像是 SARS、H5N1 禽流感、A 型 H1N1 新型流感和 COVID-19,都是二十一世紀後才冒出來的新興人畜共通傳染病。

我們都是狂犬病受害者

親緣關係相近的動物,不但身體構造比較類似,目標細胞外的化學物質也比較相近,所以容易被同一種病原體入侵,而得到共通的傳染病。例如狂犬病是一種由病毒引起的急性腦膜炎,被感染後一旦發病,致死率幾乎 100%。但是會傳染狂犬病的不只是狗,許多哺乳動物像是浣熊、果子貍、蝙蝠、狐狸、貓,也都可能傳染。所以如果不小心被這些動物咬傷或抓傷,應該緊急到醫院施打狂犬病疫苗。家裡的寵物貓、狗也應該每年接種狂犬病的疫苗。

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圖/親子天下

A 型流感也是人畜共通傳染病

在常見的流行性感冒中,B 型流感只能人傳人,而 A 型流感卻是人畜共通傳染病。

有時候 A 型流感確實比 B 型流感容易傳染,因為除了人類之外,還可以傳染給家禽或鳥類等動物,所以病毒很容易因為在不同的動物之間傳來傳去,並出現基因突變、重組而形成不同的新型病毒株。

下圖標明的病種,皆為 A 型流感突變而成的新型病毒株,並在不同的動物之間傳來傳去。

圖/親子天下
圖/親子天下

——本文摘自《小大人的公衛素養課:流行病學×預防醫學》,2021 年 9 月,親子天下,未經同意請勿轉載

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意外不只帶來新發現,也可能引發重大悲劇——疫苗科學的里程碑(二)
miss9_96
・2021/05/23 ・3661字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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科學終會勝利。Science will win. 

佐劑的發現,要從一個故意把麵包屑打進馬體內、故意讓傷口化膿的科學家說起。佐劑是疫苗科學的第三個里程碑,直至今日,它仍然在許多疫苗中扮演重要的角色。

這一章,我們不只談科學的進展,也談談歷史上的悲劇。近代史上,科學知識飛速發展,政府監管如未同時進步,將導致救命的疫苗變為致命的凶器,引發重大悲劇。

偶然發現的佐劑,為老人小孩帶來大大的便利

有些人的體質,疫苗無法在他們的身體裡產生足夠的免疫力。如:

  • 老年人服用抑制免疫力藥物(如:器官移植者、自體免疫疾病者)、特殊疾病患者(如:HIV感染者/愛滋病患者),他們的T細胞老化,或受到抑制,或受到感染
  • 嬰兒,他們的免疫系統尚未成熟

相較於一般人,疫苗在上述族群體內,更難激發出足夠的免疫力。因此需要一種可幫助疫苗效力的物質,也就是佐劑(adjuvant。該詞源於拉丁語 adjuvare,意為「助人為樂」)。

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1924 年,法國巴斯德研究所的獸醫-加斯頓·拉蒙 (Gaston Ramon) 正將白喉、破傷風毒素注入馬匹,讓動物產生中和毒素的抗體,再收集抗體,準備治療被白喉或破傷風感染的病人。然而,某日發現,若注射的傷口化膿,馬匹反而會產生更大量的抗體。因此他開始嘗試同時注入麵包屑、木薯粉等,結果發現,能引起局部發炎的物質,也能刺激身體生成更強的抗體 [1, 2]

純化白喉毒素,找到最有效的佐劑

而在對岸的倫敦,免疫學家亞歷山大·格蘭尼 (Alexander Glenny) 也正在做白喉毒素刺激動物產生抗體的實驗。他在純化白喉毒素時,利用硫酸鋁鹽讓毒素沉澱(因為蛋白質多帶負電,而鋁鹽帶正電且難溶於水。加入鋁鹽後,正負電吸附毒素蛋白質後,即可在底部收集乳狀沉澱物),收集後再打進天竺鼠體內 [3]。格蘭尼驚訝的發現,相較於純粹的毒素,毒素/鋁鹽乳狀物能引起更強的抗體。1932 年,鋁鹽正式成為人類疫苗的佐劑,並且沿用至今;現行二價 HPV 疫苗(保蓓 Cervarix,荷蘭葛蘭素史克)、COVID-19 疫苗(CoronaVac,中國科興。MVC-COV1901,高端疫苗)也用鋁鹽作為佐劑

約 19 世紀,科學家開發了向馬匹注射破傷風、白喉等毒素,抽取血液中的抗體作為治療用的技術,且沿用至今。圖/ Science
上圖:1809年畫作,描繪感染破傷風後全身痙攣的病徵,下圖:感染白喉可能會導至喉嚨腫脹。
圖/wikipedia & wikipedia

佐劑的種類、原理,以及重要性

佐劑在疫苗領域上有高度重要的地位 [3]

  • 疫苗裡增加佐劑,可協助老年人、幼兒等特定體質的族群,在接種後產生和足夠的保護力
  • 搭配佐劑,可減少抗原的使用。在緊急、須快速生產疫苗的情況,降低藥廠生產抗原的產線壓力
  • 部分疫苗的抗原難以刺激免疫細胞(如:蛋白質類型的疫苗),佐劑的使用可讓抗原發揮效力

而且單一佐劑系統可以搭配多種疫苗,如:美國 Novavax 公司開發的 Matrix-M™ 佐劑系統,同時應用在流感、伊波拉出血熱、新冠肺炎/COVID-19 等疫苗。而最古老的鋁鹽系統,被應用在 HPV 疫苗(預防子宮頸癌,葛蘭素史克二價「保蓓 (Cervarix)」)、新冠肺炎/COVID-19 疫苗(中國科興「CoronaVac」、台灣高端疫苗)等不同藥廠、不同疾病上。

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僅管佐劑在上世紀初已被發現,但原理直到近代才比較清晰。人體的免疫系統可分為:

  • 先天免疫 (innate immunity):不針對特定病原,只要疑似入侵者就吞噬、清除。反應快速,如:巨噬細胞、嗜中性白血球。
  • 後天免疫 (adaptive immunity):只有特定病原體才會啟動。反應較慢,如:產生抗體的 B 細胞、活化其他免疫細胞的 T 細胞。產生的記憶型免疫細胞可維持多年。

雖然疫苗的目標是活化 B 和 T 細胞,但近期研究認為,先天免疫對活化 B 和 T 細胞至關重要。局部發炎吸引巨噬細胞和樹突細胞 (DC, dendritic cell) 等到達現場並活化它們,而吞噬抗原後的樹突細胞,再將抗原傳遞給 B 和 T 細胞並活化後天免疫系統 [3]。因此,鋁鹽等佐劑能引起局部發炎,吸引樹突細胞、巨噬細胞聚集,進而活化後天免疫系統,以達到疫苗產生抗體、記憶型免疫細胞的目的。

而現今的佐劑多樣,可分為三類 [2]

  • 讓局部組織發炎/受損 (Damage-associated molecular patterns-type adjuvants),如:鋁鹽
  • 模仿病原體入侵訊號 (Pathogen-associated molecular patterns-type adjuvants),如:未甲基化的 CpG 序列 DNA
  • 讓白血球更有效地捕獲疫苗 (Particulate adjuvants):製備成奈米等級的顆粒,以利淋巴系統捕捉

儘管科學對佐劑的原理尚未完全理解,但佐劑已在 B 型肝炎、HPV(子宮頸癌相關病毒)等疫苗中,用實戰證明了它的價值。未來面對無法培養的病原體(如:C 型肝炎病毒)、無法誘導免疫力的抗原,相信都會因佐劑的加入而逐步看見曙光。無論是現在或未來,佐劑的出現,都為疫苗科學帶來無窮的潛力。

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疫苗科學在研究者的努力下,進步神速,彷彿疫苗即將幫助人民遠離所有惡疾。然而,政府監管卻沒能與時並進,一昧求快的壓力下,一宗慘案在上世紀 50 年代的美國發生了…

小兒麻痺肆虐的美國,急需疫苗來控制疫情

小兒麻痺在 20 世紀中期,仍是嚴重、兇殘的傳染病。病毒 (poliovirus) 透過糞口傳染,在腸道繁殖,藉由排泄物汙染食物和水,尋找新的宿主。少數病毒會侵入神經系統、破壞運動神經元,導致永久殘疾、癱瘓,甚至死亡。光是 1952 年,美國就有近 6 萬人感染,2 萬多人殘廢、數千人死亡。

上圖:因小兒麻痺導致殘疾之患者,下圖:古埃及 18 王朝(約西元前 1403~1365 年)的石版畫中繪製了疑似因小兒麻痺導致殘疾之患者。圖/wikipedia

1951 年,美國科學家喬納斯·沙克 (Jonas Salk) 開始研究小兒麻痺疫苗。他採取死病毒策略,用福馬林/甲醛殺死病毒,試圖在最安全的形式下誘發免疫力。初步結果發現,沙克疫苗 (salk vaccine) 活化了抗體,且安全無虞。不幸的是,暴發的疫情、劇增的死亡人數,讓監管疫苗的政府機關,壓力越來越大 [4]

政府釀成的悲劇——殺人疫苗,卡特事件 (Cutter incident)

1955 年 4 月 12 日,數十萬人的臨床試驗結果公佈,沙克疫苗可以阻止小兒麻痺,媒體一片歡欣鼓舞。當天下午,美國政府僅花了 2 個半小時,就許可了五家藥廠生產沙克疫苗,其中就包含出事的卡特藥廠 (Cutter Laboratories) [5]

1955 年 4 月 12 日,沙克疫苗公布臨床試驗結果,極佳的保護力獲得各媒體大幅報導。
圖/ wikipedia

4 月 26 日,疫苗大規模施打後僅兩週,兒童接種後癱瘓的消息開始湧入。追查發現,癱瘓患者都曾接種卡特藥廠生產的疫苗。政府緊急召回該廠的疫苗,但此時已有 38 萬劑注入孩童的體內。

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調查後發現,原本只能有死病毒的疫苗裡,在卡特藥廠的製造下,竟高達 12 萬劑的疫苗裡有活病毒。出問題的疫苗不僅讓孩童染病、更引爆社區大流行,4 萬人發病、近兩百人癱瘓、10 人死亡。原可阻止疫情的疫苗卻導致人民死亡,成了科學史上的大悲劇。事後調查認為,此事件的最大責任為政府監管單位政府未依照科學組織的建議,嚴格要求藥廠遵守嚴謹的生產規範 [6, 7]。儘管該事件提升了後續保護和監管,但人類應深刻的記住,若科學屈服在政治和輿論的壓力時,悲劇就可能會引爆,人命和公信力將危在旦夕。

系列文章

參考文獻

  1. Alberta Di Pasquale, Scott Preiss, Fernanda Tavares Da Silva and Nathalie Garçon (2015) Vaccine Adjuvants: from 1920 to 2015 and Beyond. Vaccine.
  2. Ian R. Tizard (2021) Adjuvants and adjuvanticity. Vaccines for Veterinarians. DOI: 10.1016/B978-0-323-68299-2.00016-2
  3. Amos Matsiko (2020) Alum adjuvant discovery and potency. Nature
  4. The tainted polio vaccine that sickened and fatally paralyzed children in 1955. The Washington Post. 2020/04/14
  5. Paul A Offit (2005) The Cutter Incident, 50 Years Later. The New England Journal of Medicine. DOI: 10.1056/NEJMp048180.
  6. Paul-Henri Lambert (2006) A successful vaccine that missed its target. Nature Medicine. DOI: https://doi.org/10.1038/nm0806-879
  7. 美國歷史系列147:卡特疫苗事件。美國在台協會
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蔣維倫。很喜歡貓貓。曾意外地收集到台、清、交三間學校的畢業證書。泛科學作家、科學月刊作家、故事作家、udn鳴人堂作家、前國衛院衛生福利政策研究學者。 商業邀稿:miss9ch@gmail.com 文章作品:http://pansci.asia/archives/author/miss9