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堅持科學求真精神,帶來無鉛時代──派特森誕辰 │ 科學史上的今天:06/02

張瑞棋_96
・2015/06/02 ・1711字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 547 ・八年級
Photo: Geoffrey Notkin, Aerolite Meteorites of Tucson

他幾乎是一個人對抗全世界,也一個人拯救全世界。這一切都從一塊微小的隕石開始……。

二次大戰結束後,派特森(Clair C. Patterson, 1922-1995)進入芝加哥大學攻讀博士,他的指導教授布朗(Harrison Brown)建議他做一個題目:測出地球的年紀。嗄?我大學念化學,碩士是念分子光譜學,對地質學根本一竅不通啊!沒關係,你不是還參加了一年曼哈頓計畫,對於分離與測定鈾的同位素已經駕輕就熟了嗎?這就夠了。

原來打從霍姆斯(Arthur Holmes)於 1927 年利用鈾衰變為鉛的放射性測定,測出地球最古老的岩石有三十億年歷史,至今已再無進展。但畢竟岩石因地殼變動,歷經各種地質作用,已非最原始的狀態,所測得的數據無法代表地球的真正年紀。布朗教授的想法是拿隕石來分析;假設太陽系內的天體大約都在同一時期形成,那麼用鈾-鉛定年法來測隕石的年紀,就等於測出地球的年紀了。

派特森一聽覺得有理,就傻傻的答應了,他不知道將會面臨極為艱鉅的挑戰。

他花了一年時間準備妥實驗器材後才發現環境中到處都有鉛,而且鉛含量遠遠高於他手上那微量的隕石樣本。當時並沒有無塵室、正壓房,於是往後六年他大部分的時間都花在排除鉛的污染上面。他不厭其煩的不斷清潔所有儀器設備、桌椅、服裝、……,甚至空氣與水中也都有鉛!最終他只能將實驗室內的鉛含量控制在百萬分之一克,仍不足以達到測定地球年紀的要求,但他還是憑著發明的鉛-鉛定年法(由鈾衰變而來的部分同位素鉛會繼續衰變成穩定的鉛),可以更精確地測定岩石的年紀,而於 1951 年拿到博士學位。

第二年,派特森隨著布朗教授來到加州理工學院,終於得以打造他理想中的無塵室,很快地,他製備出鉛-鉛定年法所需的乾淨樣本,經過質譜儀分析後,於 1953 年對外公布令人吃驚的數字:45 億年,並於三年後再將地球的年齡修正為 45.5 ± 0.7 億年。往後數十年人們試圖尋求更精確的數字,但都相差無幾(最近的數字是 45.4 ± 0.5 億年)。

而派特森早已無意繼續競逐,他放不下心的是無所不在的「鉛汙染」

當時對於鉛中毒已略有所知,但鉛已為生活帶來太多便利:罐頭、鍋子、自來水管、油漆,就連汽油也因為加了四乙基鉛而令汽車跑得更順暢平穩,人們因而普遍相信廠商與專家所宣稱的:高劑量的鉛才會對人體造成危險。但如今派特森高度懷疑我們日常接觸到鉛的數量遠超乎想像。

他先調查發現加州沿岸的海洋沉積物,發現其中的鉛含量到了現代突然激增,而且海水表面的鉛含量遠遠多於深海的鉛含量。他猜測汙染源就是含鉛汽油。派特森繼續上山下海,足跡遍及荒野,發現汽車排放出來的鉛隨著大氣飄散各處。1965 年,他發表論文公布他的調查結果,從此開啟了一場艱苦的聖戰。

在地球年齡測定結束後,派特森轉而注意到,鉛汙染早已透過石油製品深入地球的許多角落。 圖/Wolk9 @Pixabay

就在論文刊登的第二天,四個來自石化工業的人來辦公室找他。原來他的研究經費都是布朗教授幫他以探勘油脈的名義向石油基金會要來的,他們怎能忍受派特森如此倒打一耙!他們給了他兩條路,乖乖回去研究地質學,石油基金會願意全力贊助,否則馬上斷絕給他的經費。

派特森此時仍只是研究員,還沒有可以確保未來衣食無虞的終身教授職,但他仍決心力抗到底。面對石油公司、石化工業、汽車公司等大型企業排山倒海的壓力,面對議員與學者們的汙衊與譏諷,面對政府官員抱怨他危言聳聽,派特森繼續蒐集更多證據。以他過去研究地球年齡時在微量測定上建立的公信力,加上瑞秋 · 卡森於 1962 年出版《寂靜的春天》後,民眾開始有了環保意識,派特森終於贏的這場聖戰。

1970 年,美國國會通過法案要求在 1986 年以前,逐年降低含鉛汽油的比例至零(實際上直到 1996 年才全面禁用)。派特森持續調查飲食中的含鉛量,促成立法禁止罐頭、鍋子、自來水管、油漆等器具使用鉛,將鉛趕出民眾的生活。截至九○年代後期,美國人血液中的含鉛量已減少 80%;而各國也都紛紛效法強制規定,保護民眾免於鉛的毒害。

派特森不只測出地球的壽命,他也延長了下一代的壽命。

 

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
423 篇文章 ・ 353 位粉絲
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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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》