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自行車的誕生 │ 科學史上的今天:06/12

張瑞棋_96
・2015/06/12 ・861字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 583 ・九年級

1815 年 4 月,印尼的森巴瓦島(Sumbawa)之坦博拉火山(Mount Tambora)爆發,這是人類史上威力最大的火山爆發之一。數量龐大的火山灰直衝平流層,導致之後一、二年全球的氣溫平均降低攝氏 0.4 到 0.7 度。1816 年成為「無夏之年」,北半球的農作物嚴重歉收,馬匹的食物來源自然也受到影響,而當時的主要交通工具就是馬車,德國發明家德萊斯(Karl Drais, 1785 – 1851)不禁擔憂萬一馬車就此停擺……。

1817 年 6 月 12 日這一天,德國西南部曼海姆市(Mannheim)的街頭上,行人紛紛駐足觀看一個奇特的景象:一位穿著燕尾服,還帶著禮帽的紳士跨坐在一輛木製的雙輪車上,兩手握著控制前輪方向的把手,雙腳輪流用力蹬著地面往前滑行。是的,這位紳士正是德萊斯,他所騎乘的就是史上首部自行車──他所想出來的替代方案。

不過他所發明的這部自行車沒有踏板,用雙腳蹬地前進的方式實在頗為笨拙;也且木製的輪子也沒有輪胎,騎在凹凸不平的一般路面既費力又顛簸,因此並不受民眾喜愛。直到四十幾年後,法國的米丘(Michaux)父子才在自行車的前輪加上曲柄與踏板,雙腳就不用落地,可以踩著踏板前進(上圖)。他們並將木製的自行車骨架改用鑄鐵取代,不但更為堅固,還能大量生產,因此自行車才自一八六○年代開始普及。

下一個重大改進要再等二十年。1885 年,英國發明家斯塔利(J. K. Starley)引進齒輪與鍊條到自行車上,並且將車身骨架設計為兩個三角形構成的菱形,解決了以往效率不佳、操作不便、重心不穩等問題,成為現代自行車的原型。1888 年,蘇格蘭獸醫鄧洛普(J. B. Dunlop)發明了充氣輪胎後,自行車的架構就大致底定了。

自德萊斯騎自行車上街至今已將近兩百年,也許他不見得真如一些史學家所認為的,因為火山爆發造成的氣候變遷才發明自行車,但可以確定的是,面臨未來氣候變遷的潛在威脅,無需燃料的自行車將因為其環保與便利性,長久存續,永遠都是構造最簡單,卻也最可靠的交通工具。

 

 

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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靈光一閃 PCR|科學史上的今天:4/8
張瑞棋_96
・2015/04/08 ・1162字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 544 ・八年級
聚合酶連鎖反應(PCR)簡要流程。圖/wikipedia

1983 年的今天,美國的生化學家穆利斯 (Kary Mullis, 1944-) 從位於舊金山灣區的公司下班後,載著也是化學家的女友珍妮佛沿著蜿蜒山路開往紅杉區,準備在林中小屋度過週末。他四年前才來 Cetus 公司從事 DNA 的大量合成複製,這雖然是種苦力的工作,但他還是甘之如飴,畢竟這可比前一個殺鼠取腦的工作有趣多了。

不過他還是不時在想難道沒有更好的辦法嗎?現在的做法得先用限制酶剪開 DNA,取得想要的片段,然後用連接酶將此片段插入質體,接著再將質體送入大腸桿菌細胞中,等大腸桿菌大量繁殖後,再從中分離純化出所要的 DNA 片段。整個過程繁瑣耗時又效率不佳。

車燈照著漆黑的路面,身旁的女友已熟睡,穆利斯的腦袋繼續想著這個問題。突然一個絕妙的想法逐漸成形:DNA 交纏的雙股在高溫下會分開,稍微降溫後加入事先準備好的「引子」;引子是短短的單股 DNA,其序列恰與目標片段的首尾兩端互補,所以會黏結到這兩個位置,就像用括號把句子前後括弧起來。於是我們有了兩個單股的 DNA 模板,此時再放進 DNA 聚合酶,使 DNA 材料結合到模板上,結果就形成兩個與目標片段一模一樣的 DNA。如此繼續如法炮製下去,所要的 DNA 就會 2、4、8、16、⋯⋯不斷地倍增,兩小時之內就可以得到上億個 DNA!

穆利斯興奮地把車停到路邊,顧不得會吵醒珍妮佛,彎身從她前面的置物箱中找出紙筆,將整個步驟寫下來。於是一個從此改變生物科技產業的發明於焉誕生,這個稱為「聚合酶連鎖反應」(Polymerase Chain Reaction, 簡稱 PCR)的方法大幅縮短合成 DNA 所需的時間,還能做到自動化,從此即使只有一點點 DNA 樣本,也能輕易大量複製以供各種實驗,從生物學、醫學、藥物研發、遺傳學,人類學到犯罪學都因此受益而突飛猛進。紐約時報如此比喻它的重要性:「生物學從此分為前 PCR 時期與後 PCR 時期。」穆利斯也因此獲得 1993 年的諾貝爾化學獎。

如果是電影,此時應該就打上 “The End”;不過若是傳記電影,通常還會在片尾打出字卡,交代主角後來如何。那麼穆利斯後來呢?呃──我只能說他越來越不像科學家。他不相信愛滋病與 HIV 病毒有關、不相信臭氧層破洞與氣候變遷,他認為這些都是環保份子、科學家與政府機構為了自身利益編出來的謊言。但他倒是相信占星學、相信迷幻藥令他心智大開,甚至宣稱他曾在那間林中小屋遇見外星生物。

另一方面,這也不是有著快樂結局的愛情電影。見證他靈光一閃的歷史時刻的女友珍妮佛在當年年底就離開他了。他想必受傷很深,才會在十年後的諾貝爾獎頒獎典禮上致辭時,最後幾分鐘都在回憶當時失去她的痛苦,「PCR 時代將臨的甜美氣息也無法取代珍妮。我那時非常寂寞。」這是他最後的結語。

 

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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真正的「斷開鎖鏈」!現代精神醫學之父:皮內爾誕辰 │ 科學史上的今天:4/20
張瑞棋_96
・2015/04/20 ・1065字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

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笛卡兒誕辰|科學史上的今天:3/31
張瑞棋_96
・2015/03/31 ・980字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

1618 年 11 月,參加志願軍而來到荷蘭 Breda 駐守的笛卡兒走到市集閒逛。22 歲的他雖然出身於法國貴族豪門,並於兩年前拿到法律學位,卻因為對於學校教育感到失望,而決定到處旅行,透過自身體驗探求知識。當他走過廣場的公佈欄時,目光不禁被上面的一張佈告所吸引──那竟然是一道數學題目?!他好奇地走上前去,央請一位正在饒富興味地讀著的路人解釋,才知道是在徵求解答,而這位路人竟是當地大學的助理校長 Beeckman。

在 Beeckman 的鼓勵之下,笛卡兒重拾數學與物理,並在一年後派駐德國時經歷了著名的「神啟之夜」,澈悟應以數學原理重新建立知識體系,並決心以此為一生志業。1620 年,笛卡兒離開軍隊,繼續遊歷歐陸各國增長見聞,八年之後定居荷蘭,開始著手整理他的思想體系,著作成書。

笛卡兒的著作跨及物理、數學與哲學,其中最著名的當屬 1637 年發表的《方法導論》以及 1641 年的《沈思錄》。其中放在《方法導論》之三篇附錄中的《幾何》這一篇,首度引進直角座標系與線段運算的觀念,幾何圖形因此可以轉譯為代數方程式,從此倚重直覺、解法繁複的幾何問題得以搖身一變為有明確步驟可解的代數問題。笛卡兒前無古人地將幾何與代數熔於一爐,開創了「解析幾何」,成為現代數學的第一個里程碑,也為微積分的發展奠下了根基。直角座標系因此被稱為笛卡兒座標系,也成為現代物理各種理論架構的基礎。

在《沈思錄》中,他主張我們應該懷疑一切,甚至包括所有從感官知覺得來的知識,因為我們怎知這世界不是由法力無邊的惡魔所製造出來的幻象(是的,就像《駭客任務》裡的母體)?若一切都可能是假的、都不存在,那還有甚麼是真實的呢?笛卡兒領悟到無論如何,這個正在懷疑一切的自我一定存在,否則懷疑的念頭從何而來?因此他提出了至今每個人都琅琅上口的名言:「我思,故我在!」笛卡兒這種質疑一切的精神與完全訴諸理性思考的主張,將西方哲學自教會的禁錮中解放出來,為現代理性主義開啟先河,並被譽為「現代哲學之父」。

1649 年.笛卡兒應瑞典女王之邀前往擔任私人教師,原本羸弱的身體不耐酷寒,不久即病倒而於次年因肺炎過世。直到 1667 年,他的遺骸才運回法國,一生在外遊歷的笛卡兒最後終於回到座標原點。

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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