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孫維新:接觸天文,會讓人變得慷慨、也會讓人變得驕傲──《宇宙必修課》推薦序

天下文化_96
・2018/01/08 ・2745字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 508 ・六年級

文/孫維新 │ 國立自然科學博物館館長

圖/M_Caballero @Pixabay

在廣大的星空下變得驕傲而慷慨

1989 年秋,我回到台灣,開始了天文領域的教研生涯,一晃就二十八年了。這超過四分之一世紀的心路歷程,我覺得,其實不是「教書」,而是「分享」,和學生分享老師眼中的宇宙,和老師心中的宇宙觀。

學習天文是讓人愉快的,接觸觀測則是令人感動的,這裡所說的「觀測」,不只是仰望繁星點點的夜空,還包含了因為出門觀星而親身碰觸的大自然:墾丁的綠閃光、大峽谷的七彩落日、青藏高原的壯麗山水,和大興安嶺的無垠雪原,是天文觀測的額外獎賞,也讓人可以從更為多元的角度,去認識我們頭上的這方宇宙,和腳下的這個地球。

接觸天文,會讓人變得慷慨,也會讓人變得驕傲,慷慨於分享自己在星空下曾有過的感動,也驕傲於自己曾經目睹宇宙作出的美妙演示。所以從過去到現在,在廣大民眾心中留下深刻印象的科普著作,多半談的都是宇宙星空,因為這個領域給人們最廣大的遐想空間,也最能引起人們心底的共鳴。

1980 年, 美國天文學家卡爾‧薩根(Carl Sagan)出版了「宇宙」(Cosmos)影集和同名書,以深厚的人文情懷,包裹著豐富的天文知識,風靡了全球,到今天快四十年了,仍然後繼無人。現在天下文化出版了《宇宙必修課》,由尼爾‧泰森(Neil Tyson)所著,泰森到哪兒都不吝於說自己是薩根的學生,顯然希望能步武前賢,讓人覺得他是薩根天文科普的嫡傳弟子,但這本書的結構內容,多天文而少人文,和一代宗師薩根的著作相比,還是有距離的,就因為他太想超越前人,所以開創新猷,想給一般讀者開講「天文物理」。

天文觀測的額外獎賞,讓人可以從更為多元的角度,去認識我們頭上的這方宇宙,和腳下的這個地球。 圖/PIRO4D @Pixabay

給想一窺「天文物理」堂奧的你

這本書的英文原名是「寫給忙碌的人們看的天文物理」,希望給人一種簡單易讀、碎片學習的印象,但其實這本書忙碌的人還真讀不了,因為書中強調的是「天文物理」,這是由天文現象的觀察分析,導出隱藏在現象背後物理原理的過程,嚴格說起來,這個學問是在十九世紀中期光譜儀發明之後,所發展出來的重要領域,比歷經千年、傳統單純的「天文學」檔次來得高太多了,但相對也就不再那麼直觀易懂。

光譜儀的成像原理。透過光譜儀對光線的分析,讓科學家得以實際「觀測」天體。 圖/Kkmurray [CC BY-SA 3.0] via wikipedia

泰森努力用輕鬆的語氣、有趣的比方,來輕量化這本書,但對一般讀者而言,許多天文物理的名詞術語還是高來高去,雲山霧罩。然而對真正想踏入天文物理一窺堂奧的讀者而言,這倒是一本入門好書,因為泰森提到了暗物質、暗能量、星系際物質、多波段觀測,和系外行星,這些新知的確是天文物理在世紀交會間的最新進展!

泰森在書中有幾處的描述讓人驚豔,像是他將全體人類分享地球的概念,使用水和空氣來表現,水和空氣的分子是如此之小,數量又是如此之多,在地球上長年周而復始地循環,是人類反覆經歷、日用而不知的重要成分,書中的比喻讓我們明白,我們每個人所喝的水,可能也曾經過蘇格拉底、張衡、傑佛遜、德雷莎修女的腸胃,我們所呼吸的空氣,可能也曾經過亞歷山大大帝、秦始皇、拿破崙、曼德拉總統的肺臟,這比起國際太空站上的固定笑話:「今天的咖啡,就是明天的咖啡」,以說明飲用水和尿液的循環,來得要有深度多了!

泰森指出了另外一個事實,以目前宇宙加速膨脹的趨勢來看,遙遠星系的退移速度愈來愈快,終究會陸續逸出我們的視野之外,兆年之後,等到最後一個鄰居星系離開我們的視線範圍,再出生的年輕一代就不會知道我們曾經有過許多「星系鄰居」,會以為整個宇宙就只有我們一個銀河系!這時泰森的反思是什麼?如果未來會發生這種事,那過去是否已經發生過類似的事情,讓我們的宇宙視野完全改觀,而我們根本不知道?還以為宇宙古往今來就這副模樣,從來沒有改變過?這是一個「困擾思緒」(Mind Boggling)的大問題,但卻是一個在科學上無解的哲學問題。

我們對宇宙模樣的認識,很大一部分倚靠「看得見」的範圍,但我們視野所未及的地方,又是什麼樣子?那仍是我們所認識的宇宙嗎? 圖/free-photo @Pixabay

讀天文物理,胸懷千萬里

泰森花了許多篇幅,說明元素週期表的意義和命名緣由,富含歷史和知識的趣味,但他也指出了重元素對人類世的重要性,沒有氫、氦、鋰之外的重元素,是不可能創造出我們今日再熟悉不過的物質世界來的,但這些重元素都是來自恆星的核心,無論是緩慢的(相對來說)核融合,或是急速的超新星爆炸,都是孕育重元素的胚胎環境。所以當年台灣的天文前輩沈君山校長,就曾經說過一句極為感人的名言:「我們每個人,過去都曾經是某一顆恆星的一部分。」聞者動容。但同樣的話,換個方式來說,卻可以十分搞笑,2009 年「全球天文年」巴黎揭幕式上,英國資深天文物理學家馬丁‧瑞斯(Martin Rees)受邀上臺做開幕演講,劈頭就說:「我們每個人都是核廢料!」(We are all nuclearwaste!)臺下一堆核廢料笑翻天。

克卜勒超新星的多波段合成照片。超新星爆炸提供了孕育重元素的胚胎環境。 圖/NASA

薩根的女兒小時候曾經問過他,有關已經不在世上的祖父母的事,問薩根是否希望和他們見面,談到了前世今生、靈魂輪迴的存在問題,薩根對他的父母極端思念,思考良久,仍站在科學工作者的立場,對女兒說了一句話,他女兒記錄了下來:

他溫和地告訴我:『你會想去相信那些你希望成真的事情,而這是很危險的。』

(Then he told me, very tenderly, that it can be dangerous to believe things just because you want them to be true.)

看了令人感動。無論生死真相為何,科學態度是認識宇宙道理的關鍵。

認識宇宙,就是一個學習謙卑的過程,我常提醒我自己,也告訴我的學生,我們今天在許多方面,仍然活在「前哥白尼時代」(Pre-Copernican Era),而我們常常忽略了我們的所知如此有限。

不過話說回來,仰望廣漠星空,我不會覺得人類渺小,心中只存著感恩,因為有那麼多有趣的事物,等著我們去認識、去學習、去分享!

希望您也能從這本書中,讀到許多泰森想表達的科學以外的東西!

 

 

 

本文摘錄自《宇宙必修課:給大忙人的天文物理學入門攻略》,天下文化出版。

 

 

 

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天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。


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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。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》