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為何冬天打雷是不祥之兆?從歷史氣候研究找出端倪

研之有物│中央研究院_96
・2018/06/21 ・3214字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 557 ・八年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • 採訪編輯/歐柏昇 美術編輯/張語辰

中研院環境變遷研究中心的王寳貫主任,除了以雲物理的研究聞名,也致力於歷史氣候的研究。他從古代文獻中尋找線索,了解過去的氣候變遷,也發現氣候經常影響著人類歷史。

冬天打雷,代表什麼徵兆呢? 圖/Unsplash, Leon Contreras

氣象學家王寳貫,從小有個特別的興趣,就是閱讀古文。他說,小時候父親買了很多古書,「他其實自己沒有時間看,都是我在幫他看!」於是,《史記》這些書在小學就已經讀過了。

小時候讀古文,王寳貫一直有個疑問:為什麼冬天打雷不祥?他始終無法得到解答。後來進入台大地理系氣象組(現在大氣科學系的前身),老師也無法回答這個問題。直到他前往美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)留學,終於有了解惑的契機。那時,他看到中國大陸氣象學者竺可楨寫的一篇文章,談中國五千年氣候變遷。其中有條曲線,是利用古代文獻中「物候」現象的資料,拼湊出的中國歷史上氣溫演變曲線。

物候現象,例如燕子的來去、河水是否結冰。通常燕子應該某一天到,但今年燕子比較晚到,可能就代表今年氣候比較冷。若今年河水異常結冰,也表示氣候較冷。

中國歷史氣溫變化曲線(竺可楨,1973)。(此圖資料以年份為準,左側朝代為輔助說明之標示,故部分年份與朝代年代會有些許差異) 圖/王寳貫提供 圖說重製/歐柏昇、張語辰

到底為何冬天打雷代表不祥呢?

王寳貫看到竺可楨的研究方法,覺得非常有意思,直接從古代文獻來研究氣候。於是,他翻找二十四史,將氣象相關的資料找出來。目的就是解答多年的疑惑──為什麼冬天打雷是不祥的徵兆?

整理了史書中關於冬雷的紀錄之後,王寳貫把過去 2000 年中每 30 年的冬雷次數統計出來。最初猜想,冬天打雷應該是在比較溫暖的年份,因為溫暖的時候對流比較旺盛,產生雷雨,就會打雷。

王寳貫統計中國過去兩千年的冬雷次數,與溫度、降塵的關係。圖/王寳貫提供 圖說重製/歐柏昇、張語辰

沒想到,跟竺可楨的曲線一比之下,結果跟王寳貫預期的剛好相反。也就是說,冬雷多的時候,都是冷的年份,而且兩者的關係性還好得很!

做研究好玩的就是,你以為是那樣,結果卻跟你想的相反。

那為什麼冷的年份容易出現冬雷?目前還沒有定論,但王寳貫有個暫時的解釋:冬天產生雷雨,表示對流旺盛,但這個對流不一定是「熱對流」,而可能是冷鋒的對流。冷鋒附近,對流本來就比較強,而如果冷鋒後面的冷氣團特別冷,冷暖的對比特別強,在氣象上「斜壓性」強,容易造成「斜壓不穩定」。斜壓不穩定,容易造成強的對流,比較有可能造成雷雨。

回到「冬天打雷不祥」的說法,古人說「不祥」應是有反常現象,而冬雷伴隨的反常,就在於該年天氣寒冷。天氣寒冷,又對社會與政治有何影響呢?

氣候影響歷史:乾冷的氣候容易造成社會動亂

天氣乾冷的時候,農作物收成相對也較差,老百姓沒東西吃,只好搶糧倉、發生社會動亂。王寳貫舉例,明代末年進入了「小冰期」,氣候變得乾冷,發生大規模的旱災,民不聊生。李自成、張獻忠成為「流寇」,應與小冰期的氣候背景有關。

王寳貫說,也許明末的皇帝不是真的比較糟,而是運氣不好。相反地,大家會說唐太宗很英明,但現在知道唐代氣候溫暖,因此唐代的盛世可能也與此氣候條件有關。

從整個歷史氣候來看,統治體系比較不穩定的時候,往往發生在氣候比較不好、容易產生動亂的時期。

天氣乾冷,也與戰爭的頻繁有關。王寳貫曾與一位中國大陸學者合作,統計歷代戰爭的次數。他們發現,戰爭的次數,與冬天打雷的次數,呈現統計上很高度的相關。冬雷多的時候,戰爭會比較多,而且中國歷史上的邊界也會相對南遷。這顯示了天氣乾冷的時候,漢人與北方民族可能產生較多摩擦。

透過古代資料,了解今昔氣候大不同

王寳貫還曾經依颱風登陸站點,統計過明末清初的颱風路徑。他發現,當時的颱風幾乎都停留在廣東沿海一帶,不會北上到福建、浙江。

這個結果和現在的氣象理論吻合:颱風需要溫暖的海面才能維持,但是明末的小冰期氣候較冷,海面也就比較冷。於是,颱風只要往北一點,就沒有足夠的溫暖海面供應水氣、能量,很容易消散掉。

此外,王寳貫分享了一個有趣的例子,說明從古代詩文裡,也可看出東亞季風區的特性。

南宋詩人趙師秀,在 《約客》這首詩這樣寫:「黃梅時節家家雨,青草池塘處處蛙」。如果只看了那首,會以為黃梅時節每一家都下雨。可是,南宋時期另一位詩人曾幾的《三衢道中》,又寫道「梅子黃時日日晴,小溪泛盡卻山行。」看了這首,卻會以為黃梅天氣應該都很好。但是,南宋時期又有一首詩寫說「熟梅天氣半晴陰」,梅子熟的時後,天氣半晴半陰,出自戴復古的《初夏遊張園》。

你說,是家家雨、日日晴還是半晴陰?都有可能。東亞季風區的特點,就是它的天氣變率特別大。

甲骨文暗藏商代氣候的密碼

中研院引以為傲的甲骨文藏品,不僅是歷史文獻的紀錄,也可以用以進行氣候方面的研究。當中國學者還在關注古文字的意思時,德裔美籍學者魏復古(Karl August Wittfogel)從一個很有趣的思路來研究甲骨文:試圖從 317 片有時間記載的甲骨片推斷古代氣候的資訊。

例如,這片商代卜辭,是卜整個「旬」(一旬為 10 天)的有關天氣。卜辭作:「癸亥卜,鼎(貞),旬。二月。乙丑,夕雨。丁卯,明雨。戊(辰),小采日,雨,風。己(巳),明啟。壬申,大風自北。」 圖/中央研究院歷史語言研究所藏品:《殷虛文字乙編》(一九九四)圖版一六三片(如需轉載本文,請另向中央研究院歷史語言研究所申請此圖授權)

魏復古看了上萬片甲骨,蒐集具有天氣紀錄的卜辭。其中一項有趣的推論是這樣的──現在中國北方冬天不太會下雨,然而商代的卜辭中,冬天仍然常問未來幾天會不會下雨,這表示商代的氣候應比現在暖濕。

除此之外,魏復古還從打仗的季節,推出乾季、雨季的時間,因為下大雨的時候並不適合打仗。他的結論不能說完全正確,但是提供了許多有意思的思路。

從古代氣候研究,到歷史氣象資料庫

王寳貫幾年前回到中研院之後,展開了一個更龐大的計畫,把氣象相關的歷史記載,製作成資料庫。

我們現在把文字記載完全變成電腦編碼,降雨、下大雨、大雪都編一套碼,一套歷史的編碼系統,把它數位化。

這套系統,將結合中研院歷史語言研究所范毅軍研究員製作的中國歷史 GIS 地理資訊系統,讓學者可以很容易地查詢歷史上某時、某地的氣候資訊。這個開放資料庫即將上線供所有人使用,未來將造福許多領域的學者。例如想要了解古代社會的動亂是否與氣候有關,或想了解疾病的發生與氣候、環境背景的關係,都可以利用這套系統。

王寳貫期待歷史氣候與地理資料庫完成後,可以更容易做統計研究,鑑古推今,探究氣候與環境的變遷。 攝影/張語辰

延伸閱讀:

  1. 每天看到的雲,藏著什麼大學問?
  2. 王寳貫的個人網頁
  3. 王寳貫,〈從歷史文獻看氣候變遷〉,《科學發展》第 356 期,頁 52-59,2002 年。
  4. 王寳貫,〈怎樣從甲骨文導出商代氣候〉,《科學發展》第 360 期,頁 70-75,2002 年。

本著作由研之有物製作,原文為《冬天打雷為什麼是不祥之兆?氣象學家有解釋》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位





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研之有物│中央研究院_96
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這裡痛,那裡痛,全部都是壓力惹的禍!揭開纖維肌痛症的成因
研之有物│中央研究院_96
・2021/03/22 ・3906字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|歐宇甜
  • 美術設計|林洵安

日常壓力會誘發纖維肌痛症

纖維肌痛症 (fibromyalgia) 病患有全身慢性肌肉痠痛,可能伴隨失眠、焦慮和憂鬱等症狀,致病機轉一直是個未解之謎。中央研究院生物醫學科學研究所陳志成研究員與研究團隊,找到纖維肌痛症可能的生理與心理致病機轉和關鍵抑制劑,論文於 2020 年 9 月發表於國際風濕免疫科權威醫學期刊 (Annals of the Rheumatic Diseases)。

無藥可醫的纖維肌痛症

「纖維肌痛症 」最常見的症狀是全身肌肉慢性痠痛,伴隨疲勞、失眠、焦慮和憂慮,有時被稱為稍微累一點就全身痠痛的「公主病」。目前醫學對於該病的致病機制並不清楚,病人往往不斷轉診仍找不到明確病因,因此也尚未有專屬用藥,只能先緩解症狀,但效果相當有限。

纖維肌痛症是一種很常見卻又神秘的疼痛病。在成年人中,約有 2 ~ 6% 的人罹患此病,特徵是慢性廣泛性肌肉疼痛,並伴隨疲勞、失眠、焦慮和憂鬱,嚴重影響病人的生活品質,甚至導致失能。圖/iStock

不過臨床上發現,日常生活精神壓力會誘發或加重纖維肌痛症症狀。多數病患的背後都是一段故事,可能有家庭、親友、經濟、工作等各種問題。只是心理壓力和纖維肌痛症到底誰是因、誰是果?背後的致病機制是什麼?「我們必須建立一個可以反應纖維肌痛症的動物模式,以驗證心理壓力與纖維肌痛症的關係。」 陳志成說明。

在此之前,先來看看痠痛是怎麼引發的呢?

組織酸化誘發痠痛

過去研究認為組織酸化會誘發痠痛。1980 年德國人曾做過人體實驗,直接把酸性物質注射入人體,結果發現真的會引起痛感,而且流速越快、越痛,初步證明酸與痠痛的因果關係。但酸是透過什麼樣的分子機制來刺激痛覺神經,卻一直沒有定論。

陳志成嘗試以此建立纖維肌痛症的動物模式。他們先幫小鼠注射酸鹽水,然後以壓肌肉或用細尼龍線刺激小鼠腳掌,發現小鼠碰到刺激會縮腳,代表的確有「疼痛過敏化」現象,但這疼痛過敏化現象在 24 小時以後會消失不見。但如果五天之內在同樣位置再打一次,就會導致持續約一個月的疼痛過敏化,而且也會發生鏡像性的疼痛,成功符合纖維肌痛症的特徵。

這個小鼠實驗模式提供了一個平台,讓陳志成可以從神經學的分子機制上,深入研究組織酸化如何誘發慢性肌肉疼痛。

我們身上各個組織都有痛覺神經,神經上有許多可被酸給激活的離子通道或受體分子,最重要的包括酸敏性離子通道(ASICs),以及辣椒素受體蛋白 (TRPV1) 等等。陳志成實驗發現,如果以藥物抑制 ASICs 或 TRPV1,五天後再次的肌肉酸化刺激就無法誘發慢性疼痛。但是,如果再次的肌肉酸化刺激發生於第二天,仍會誘發 7 ~ 10 天的疼痛過敏化現象。因此,陳志成推論出,第一次肌肉組織酸化不僅是誘發短暫的疼痛過敏化現象,也讓肌肉痛覺神經產生了可塑性變化,所以五天以內再次肌肉酸化刺激,就足以發展成慢性疼痛。

我們身上所有組織都有痛覺神經,上面有許多離子通道或是受體分子,分別對應不同來源的痛覺,其中可被酸激活的是酸敏性離子通道(ASICs)以及辣椒素受體蛋白(TRPV1)。圖/研之有物

用噪音製造壓力源

了解痠痛的神經科學分子機制,下一步就是建立心理壓力造成痠痛的動物模式,怎麼做?噪音是好工具!一般的壓力來源很難定量,但是噪音可以換算分貝並以程式設定,比較好掌握。

他們讓小鼠待在籠中,不定時播放尖銳、人耳可能聽不見的超音波噪音,一天重複六次,隔兩天後再連續兩天重覆進行……結果,受到噪音壓力的小鼠,出現了疼痛過敏化現象持續約一個月。「我們發現,關鍵是要有不確定性、間歇性、重複性的壓力刺激,如果是給予短暫的壓力刺激,小鼠並不會出現慢性疼痛過敏化現象。」

此外,一般纖維肌痛症患者常出現共病,像焦慮、憂鬱等情緒問題。他們觀察具有疼痛過敏化現象的小鼠們,焦慮行為也變得明顯:一般健康的小鼠喜歡到處探索、玩耍, 放入十字迷宮時,敢走到兩側開放懸空的部分,但有焦慮行為的小鼠喜歡躲在隱蔽空間、不敢跑出來。

壓力 –> 氧化脂質 –> 疼痛訊號

建立一套動物模式後,接下來他和研究團隊想知道,體內有什麼東西誘發了痠痛?

他們分析小鼠血液中的脂質,發現小鼠在遭受壓力後,體內有一群特別的脂質被代謝出來。「我們發現到一種氧化脂質 LPC16:0 ,令人眼睛為之一亮!」陳志成說道。原來,幾年前有法國科學家發現這種氧化脂質 LPC16:0 可以專一性的刺激感覺神經元上的 ASIC3 酸敏性離子通道。賓果!全部事情似乎都可以串連在一起了。

經過反覆實驗,致病機轉的輪廓漸漸清楚了!外界的壓力源 (噪音),會導致小鼠體內的氧化壓力上升,造成脂質代謝異常,產生過量的氧化脂質 LPC16:0 ,活化肌肉感覺神經元上的 ASIC3 酸敏性離子通道,造成疼痛過敏化現象,持續刺激下轉變成慢性疼痛。

圖/研之有物 (資料來源|陳志成)

纖維肌痛症療法現曙光

在小鼠身上驗證後,回到纖維肌痛症病人身上觀察:他們體內是不是有比較高的氧化壓力?比較高的異常脂質代謝呢?研究團隊將病患根據症狀嚴重程度分類,一群是全身痛、但症狀比較輕微,一群是全身又痠又痛、症狀比較嚴重,發現全身痠痛症狀嚴重的病人體內的 LPC16:0 特別高,另一組症狀輕微的病患則沒有,兩組之間有明顯的差異。

圖/研之有物 (資料來源|陳志成)

而人體其實本有快速代謝 LPC16:0 的路徑,但在五天內重複刺激,就可能變成慢性痠痛;換句話說,很多纖維肌痛症患者的病因可能是長時間一直受壓力刺激,體內會持續產生氧化脂質 LPC16:0,導致肌肉長期慢性痠痛,「這也能說明一個奇特現象:許多纖維肌痛症病患即使用藥也不見效,但當壓力源去除,像是搬離不幸福的家庭,全身痠痛就可能突然不藥而癒。」陳志成補充。

研究人員證明氧化脂質 LPC16:0 是引起痠痛感的禍首後,就可以嘗試去阻斷它產生。研究團隊用一種可以抑制這種酵素的藥物–血小板活化因子乙醯水解酵素抑制劑 (platelet-activating factor-acetylhydrolase inhibitor; darapladib),打到小鼠的身上,果真成功降低壓力造成的疼痛反應,此發現已申請國際專利,未來可望運用在纖維肌痛症臨床治療。

纖維肌痛症的神祕面紗,至此終於稍稍揭開!這項重大研究成果於 2020 年 9 月刊登在國際風濕免疫科權威醫學期刊 (Annals of the Rheumatic Diseases) 上。不過這只是陳志成痠痛研究的一角。他首創「痠覺理論」,希望能從更深入、全面解答慢性痠痛的成因,尋找更有效的療法。

建立痠覺理論,尋找新一代止痛藥物

何謂痠覺理論?首先,陳志成認為:痠是痠、痛是痛,兩者並不一樣。

這點對華人沒有問題!在臺語詞彙中有痠(SNG)、也有痛,國語詞彙中有又痠又痛、腰痠背痛等,可是在許多國家語言中只有關於疼痛 (PAIN) 的詞彙,沒有單獨提到痠覺的字彙。目前國際上只有對於疼痛的定義,把痠痛視為同一件事,或認為痠只是比較輕微的痛覺。

但是痠痛成因其實相當複雜,與組織酸化的關係也有待釐清!

比方說,酸可能引起疼痛,但你知道它也有止痛的效果嗎?在上述的小鼠肌肉酸化實驗中,陳志成發現同時抑制 ASIC3 與 TRPV1 ,可抑制酸所誘發的疼痛過敏化現象。但奇怪的是,第二天對於小鼠再次進行肌肉酸化刺激,雖然 ASIC3 與 TRPV1 這次沒被抑制,但小鼠竟完全沒疼痛反應!由此得知:除了 ASIC3 與 TRPV1 之外,還有一個未知、但是很重要的受體參與反應。這個神秘的受體是一個可以止痛的酸敏性受體分子,讓止痛的效果從第一次實驗延續到第二次!

接著,陳志成發現這個受體分子被刺激後,會促使感覺神經末梢釋放重要的神經傳導物質–物質 P。他認為:當痛覺神經被刺激後,在肌肉端的神經末梢會釋放物質 P,物質 P 會抑制神經活性,達成止痛作用,宛如痠痛的煞車系統。陳志成隨即抑制物質 P ,果然一次肌肉組織酸化就足以誘發慢性疼痛,讓小鼠無止盡痛下去。

那麼,問題來了!既然酸可以誘發疼痛、又可止痛,那麼痠痛病人到底是抱怨痠,還是痛呢?痠顯然不只是一種輕微的痛覺這麼簡單!這個「酸止痛」的神奇現象,提供了痠與痛的另類思考,物質 P 也可能成為新一代的止痛藥物。

「我現在就像一個傳教士,必須努力說服大家,痠與痛不一樣!我也跟語言學家合作,了解其他國家的相關詞彙,希望不久後可以將痠覺清楚定義出來。」唯有正視痠痛的不同,分別了解痠、痛背後各自的分子病理機制,才能發展更有效的止痛或止痠療法,嘉惠更多受到慢性痠痛折磨的病患。

陳志成自許像一個傳教士,努力建立痠覺理論,並跟語言學家合作,希望不久後可以將痠覺清楚定義出來,進一步找出痠與痛的不同分子機制,發展更有效的止痠與止痛療法。圖/研之有物

研之有物│中央研究院_96
255 篇文章 ・ 2335 位粉絲
研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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經濟和疫情,今晚,你選哪一道?經濟學家找出各國的「最佳防疫政策」
研之有物│中央研究院_96
・2021/03/15 ・5638字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 598 ・九年級

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|蕭歆諺
  • 美術設計|林洵安

拚經濟 VS 顧性命,防疫政策可能兼顧嗎?

新冠肺炎席捲全球,各國紛紛祭出的嚴格手段,封城、禁足、邊境管制。但這類政策宛如雙面刃,控制人流接觸、傳播疫情,也可能同時衝擊經濟。性命要顧,生計也不能不管,政府該如何擬定政策才能兼顧兩者?當 Covid-19 可能趨向常態化,從嚴防守零容忍是長期最好政策嗎?中研院經濟研究所團隊建構出一套經濟學運算模型,在健康與經濟權衡間,找出適合各國的最佳防疫政策。

防疫是公衛與經濟的拔河

想像一下,你現在是防疫團隊的決策者,此時正與各領域專家開會。

一群學者嚴厲警示:防疫如作戰,務必嚴格限制邊境、在家工作,用盡一切手段把感染人數降到最低。但另一群專家立刻出聲反對:「沒錢也會沒命!」他們主張防疫必須適度寬鬆,盡量維持日常生活,才不會把人逼上絕境。兩邊爭吵不休,你怎麼決定?

對許多人來說,答案或許直觀:防疫首選應該是愈嚴密愈好,最短時間、最高防堵。但在經濟學家眼中,答案沒有這麼斬釘截鐵。

中研院經濟所助研究員林軒馳、楊宗翰和訪問學者許文泰,耗費近五個月,建構一套量化運算模型,試圖在健康與經濟之間權衡,找出各國的「最佳防疫策略」。

「隔離實在太無聊……」談到研究動機,三人半開玩笑地說,但他們隨後也點出了幾個關鍵動機。

首先,新冠肺炎的衝擊百年罕見,但觀察目前的國外研究,多半仍有限制。例如,總體經濟學家大多忽略國與國之間的互動,沒有納入國際貿易觀點;國際貿易學者則鮮少探討是否有共通的防疫政策。因此,三位學者試圖更全面地找出:在開放經濟體中,什麼才是最佳的防疫政策?

另一個關鍵動機是,他們發現權衡健康與經濟議題,國內輿論幾乎一面倒,「新聞裡的學者專家基本都是公衛或醫學背景,」防疫是公共衛生與經濟的拔河,畢竟健康重要,但放眼各國,長期全境關閉、封城禁足已衝擊眾多產業和商家的營運,擊垮無數家庭生計。因此,經濟問題也不可忽視。

「我們可能同時顧及公衛與經濟,找出經濟損失最少的防疫選項嗎?」,成為研究團隊的核心問題。

各國國情不同 客製化找疾病傳播速率

帶著這樣的問題,團隊以 2020 年初至 7 月 22 日的資料為基礎,建構出一套經濟學運算模型,檢視不同條件對疫情擴散、經濟損失的影響。

第一步,先了解各國疾病傳播速率。

他們使用流行病學的常用指標:基本再生數(Basic Reproduction Number, R0),意思是每一個感染者平均會傳播給多少人。當 R0 越大,代表疾病擴散快,疫情越難控制;若 R0 小於 1,傳染人數變少,疾病便會逐漸消失。

但即使是同一種疾病, R0 也並不是統一的。「我們根據模型裡人與人的互動參數,或是各國的防疫政策等,反過來推估計各國的 R0。」

許文泰解釋:「每個國家的國情、防疫措施都不同,例如亞洲人習慣戴口罩,歐洲人打招呼會親吻,所以我們進一步去『客製化』各國狀況——結合各國的 R0 、防疫措施,去計算出對應的有效傳染數(Effective Reproduction number, Re)。」

另外,他們也加入 Dingel and Neiman (2020) 的「各國遠距工作指數」、牛津大學的「防疫政策指標」等重要指標,來做為模型內的運算參數,以提供「客製化」的結果供各國參考。

防疫政策好理解,但為何遠距工作要納入模型?原因是,遠距工作的可行性,也會同時影響疫情傳播與經濟衝擊。楊宗翰舉例:「像美國肉品處理業、或是亞馬遜的雨林工業的工人,很難在家工作,使得工作地就成為群聚感染的破口。」

因此,若一個國家產業的遠距工作可行性愈高,受到的經濟衝擊也相對愈小。國內封城,人們還是可以遠距工作,以及透過國際貿易補足缺口、互通有無,經濟衝擊就可能降低。

結合流行病學、國際貿易的各項參數,建構出模型後,研究員開始進行各項模擬推算,了解實施不同的防疫政策下,經濟表現有何差異。

各國遠距工作、國際貿易的程度,都可能影響疫情傳播與經濟衝擊。台灣由於製造業占比多,在遠距工作的可行性排行上算是中等國家。
圖/研之有物

參照韓國防疫,「短期」經濟變好或變壞?

他們先以第一波疫情的模範國韓國作為參照。假設,世界各國都向好學生看齊,採用韓國政策防疫,各地的經濟狀況會變好嗎?

檢視經濟狀況的指標有兩項:實質收入(real income)和人民福祉(welfare)。

實質收入較好理解,即是指一國的實質 GDP。後者並非我們熟悉的社會福祉,而是考量了個人感受的效用(utilities)總和,包括風險趨避(risk aversion)、跨時間的替代效果(intertemporal substitution effect)等都納入衡量。簡單來說:當疫情愈穩定、個人收入愈平穩、一國的人民感受愈好,福祉就會愈高。

要特別說明的是,「套用韓國政策」並不是模仿施行一模一樣的政策,而是「讓疾病傳播速度限制在某個數值(Re)之下」。好比,台灣感染案例更低,因此採韓國政策就代表要增加現行 Re,也就是放鬆現行管制。

至於,為何對照組是韓國,而非超級優等生台灣?說來有趣,答案正是台灣太「模範」了!林軒馳分析:「去年七、八月時,台灣幾乎毫無疫情。如果以台灣做參照,各國經濟活動都要 shut down(全面中止),」台灣就像平行時空,R0 太低,多數國家難以企及。

因此,研究團隊以「韓國的有效傳染數(Re)」做基準,對比現行防疫措施,推算當各國都調整防疫措施,使傳播速度低於這個值時,是否能遏止病毒擴散?對經濟衝擊有何影響?

結果出人意表!除了中國、台灣,短期來看其他國家的實質收入、人民福祉,全都變糟了!加強防疫後,代價是經濟蒙受不小損失。細究原因,韓國疫情比絕大多數國家控制得好,各國需要收緊管制。因此若向韓國看齊,雖然能降低感染人數、少死一些人,但也得承受明顯的經濟衝擊。

若各國採用韓國防疫模式作為替代政策,不論是染病人數、死亡人數,幾乎都會大幅降低。
圖/研之有物(原圖、資料來源│楊宗翰、許文泰、林軒馳)。
但短期實施後,各國將面臨經濟衝擊。除了中國、台灣的經濟損失會減少,其他國家的經濟反而更慘烈。原因是,韓國比多數國家防疫限制更嚴格,經濟衝擊因而增加。
圖/研之有物(原圖、資料來源│楊宗翰、許文泰、林軒馳)。

看起來,以韓國作為標竿從嚴防疫,對多數國家經濟福祉並不利。難道,防疫真的是經濟殺手?

短期而言,答案似乎是肯定的。但是把時間拉長來看,問題將會複雜許多。因為死亡帶來的各種負面成本,會隨著時間發酵。

比如,一位 30 歲年輕人不幸染疫身亡,假設他原本活到平均年齡的收入、稅金、社會貢獻、消費、可能生養的孩子,將通通化為泡影。另外,狂飆的死亡人數也會讓恐懼陰影擴散,增加不安定的社會成本,「像是賭博一樣,政府都發爛牌給你,知道穩輸的感覺很差,」許文泰解釋。

參照韓國防疫,「長期」經濟變好或變壞?

因此,研究團隊又做了下一個模擬,假定在廣泛施打有效疫苗之前,需要長期防疫。若各國長期採用韓國政策,結果如何?

情況開始出現分流:有人退步,有人進步。也就是說,一半的國家需要收緊管制,另一半的國家需要放鬆管制,才能有較好的經濟表現。

韓國、台灣得放鬆管制,否則長期下來會承受經濟損失;美國、巴西、印度則應收緊防疫,雖然短期受到衝擊,但長期經濟表現反而更好。

把時間拉長來看,佛系國家若收緊管制,既能挽救更多人的性命,還增加整體經濟利益;中、台、韓等從嚴防疫的國家,則需要放鬆。只是後者調整政策的迫切性沒那麼大,因為實質收入雖然可顯著增加,但福祉並不會巨幅提升。

許文泰強調:「防疫該收緊的時候,請一定要做到,不管是收入、福祉、心理成本都有影響,這不是開玩笑的!」

找出各國最佳防疫政策

保錢、保命一定相互衝突嗎?Re 降到最低,就是最好的防疫政策嗎?顯然,答案未必如此。

從研究結果看來,長期的最佳政策必須在經濟活動、疾病控制之間,找到平衡。強力讓有效傳染數率急速歸零,不見得就能成為模範生,很可能撲滅疾病,但經濟也全面蕭條衰敗,付出慘痛成本,需要考量各國不同的情況,才能計算最佳的防疫政策。因此,下一步,

團隊根據實質收入、人民福祉兩項經濟指標,融合流行病學模型與數據,演算出各國的「最佳防疫政策」──也就是實質收入、人民福祉都能最大化的各國 Re 值。

世紀大疫爆發至今,應該強力封城或者佛系防疫,仍是爭論不休的議題。三位學者透過經濟模型找出最佳防疫參考值,運算出各國最適合的 Re 值,也成為這項研究的突破性發現!

【上圖】研究團隊運算出的各國「最適疾病傳播速度」,例如印度只需要把Re 降至 1.1 ,不須要小於 1。由此提供各國參考,現行政策應該放鬆或管制,才是最適合的防疫方向。
【下圖】若要獲得更好的經濟效益,藍線在0以上的國家,需要加強管制、降低 Re 值;藍線在負值的國家,則需要放鬆管制。
圖/研之有物(原圖、資料來源│楊宗翰、許文泰、林軒馳)。

研究團隊運算出最能降低經濟損失的最適政策後,接著,三位學者也進一步檢視,實施後有多大成效?

根據模型演算,如果各國採取各自最佳防疫政策,多數能增加 2.5% 福祉,包括美國、英國、印度。2.5% 聽起來微不足道,實際上,一兩年的差異如同發展基底,很有可能關乎後續深遠的經濟影響。

白線越短的國家,代表當時的防疫政策表現已接近最適政策。例如,大家印象中的防疫後段班義大利,在圖中表現突出,原因可能是義大利後來採取封城等嚴格政策,將疫情控制住。因此,從蒐集至 2020 年 7 月中的數據來分析,美國、義大利已呈天壤之別。(在此張圖表中,由於台灣當時已無新增案例,R0太低,因此部分失真。)
圖/研之有物(原圖、資料來源│楊宗翰、許文泰、林軒馳)。

如果有一個超級 WHO,該怎麼防疫?

除了最佳防疫政策,他們也做了其他有趣的模擬。例如,想像全世界是由一個機構(例如進化版 WHO),制定全球統一的防疫手段,結果會如何?

「我滿 shocked 的,最佳政策跟放任政策,整體來說實質收入沒有差很多!」林軒馳指出。

若全世界都走佛系路線,相較於採用各國最佳防疫政策,實質收入差距並不大。然而,人民福祉就有顯著差異!這意謂,若國家長期放任,社會必須承受龐大的心理成本,即使表面看來實質收入損失不大,實際上將重創人民福祉。總結本次研究,實施佛系防疫,無論在控制疫情、經濟表現,都明顯吞苦果;採用像韓國般的嚴謹作法,短期雖然會有可觀的經濟損失,長期而言對國家較有助益,死亡人數減少、經濟表現也更好。

值得注意的是,防疫絕非越嚴格越好!最佳防疫政策的推算,就是在控制疫情與經濟效益之間,尋求平衡。

佛系防疫是否可行?從實質收入來看,也許損失並不大;但人們會有風險偏好,當染病、死亡人數不斷攀升,沒有人喜歡隨時處在不安的恐懼陰影,死亡的長期經濟損失也會加成擴大,因而重創人民福祉。
圖/研之有物

另外,三位學者也不約而同談到了國際貿易的重要性。

許多人認為,高度的跨國往來讓病毒很容易搭上「順風車」,是防疫大敵。但研究團隊發現,國際貿易也可以是支援防疫的「後備軍」。

「二、三月的時候,一度出現反全球化浪潮。但實際上,有國際貿易的情況下,才能更良好地控制疫情,」楊宗翰說明,如果各國完全回歸自給自足,疫情可能更糟。比如逼得重災區如美國,工人仍得維持畜牧、肉品加工,因群聚而加速疫情傳播。有他國貨物支援下,國家才能加強防疫,減少經濟衝擊。

林軒馳補充,現代商業交易並非只有人流往來,多數貿易其實是貨運,補足各國生產缺口,反而對拉平疫情曲線有正向幫助。更遑論,許多醫療資源的跨國互助,也需要仰賴國際貿易。

要錢?還是要命?二選一的遊戲很殘酷,但現實中,這道抗疫選擇題不一定是零和挑戰,面對長期的病毒抗戰,社會需要更多面向的思考。隨疫苗研發成功,台灣在努力維持抗疫好成績之時,或許也可以納入經濟學家的意見,找到下一階段最適合台灣的防疫政策。

研究團隊林軒馳、楊宗翰、許文泰(從左至右),為了運算出各國最適合的防疫政策,三人傷透腦筋,但也因此,突破關卡後格外收穫十足。在高度抽象的模型、公式之外,三位研究員仍帶著投身人文社會科學的初心,關懷具體世界的焦慮困境,期盼能從經濟學觀點提供政策建議。
圖/研之有物

延伸閱讀

  1. Wen-Tai Hsu, Hsuan-Chih (Luke) Lin, Han Yang ❬Between Lives and Economy: Optimal COVID-19 Containment Policy in Open Economies❭,2020
  2. 許文泰個人網頁
  3. 林軒馳個人網頁
  4. 楊宗翰個人網頁

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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中研院持續追蹤新冠病毒,發現這種突變最可怕!
研之有物│中央研究院_96
・2021/01/27 ・4434字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 600 ・九年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|林承勳
  • 美術設計|林洵安

追蹤新冠病毒突變

新型冠狀病毒 (SARS-CoV-2) 足跡遍布全球,在傳播過程中一再出現新的突變種,讓防疫工作與研究均困難重重。中央研究院廖俊智院長組織研究團隊,根據全球共享流感數據倡議組織 GISAID 資料,分析三十萬筆以上的病毒基因序列樣本資料,將病毒劃分為六大類型,其中「第六型」佔目前流傳病毒類型的 99%。日前,中研院也成立「病毒變異全球即時監測網」分享資料,讓全世界均能即時追蹤病毒變異。

突變,到底怎麼變?

COVID-19 疫情自 2019 年底爆發,隨著時間流逝,疫情不但沒有趨緩,多國甚至掀起二波感染潮。因為在一年的時間裡,新冠病毒沒有被壓制,突變種還像雨後春筍般現身。日前英國更出現了傳染力更高的新變種病毒。究竟是什麼原因讓新冠病毒變化得如此快速?

新冠病毒在穿透式電子顯微鏡下現形,可見病毒表現突起的棘冠。因新冠病毒是 RNA 病毒,突變速度快。中研院團隊將目前新冠病毒變異分為六大類型,目前全球流傳的幾乎都是第六類型病毒,未來團隊將持續追蹤病毒變異。圖/Wikipedia

生物學中的突變 (mutation) 一詞,指的是細胞核裡的遺傳物質發生改變,可能是 DNA 最基本單位─核苷酸 (nucleotide) 發生一個或好幾個的缺失、重複或插入等變化。造成 DNA 突變的原因很多,像是 DNA 受到化學物質、紫外線、輻射或病毒影響,或僅僅只是細胞分裂、DNA 複製的過程發生失誤。

細胞全年無休,不停複製、分裂,DNA 受損或是複製出錯其實並不少見。但就像人類工廠對於商品會有瑕疵檢測、修復的 SOP,細胞對 DNA 突變也有相對應的修正機制。即使 DNA 序列異動後嚴重到無法修復,如果突變發生在無意義片段,或是單一核苷酸,大多成為沒有帶來任何影響的「中性突變」。

但,如果突變發生在會影響蛋白質製造的核苷酸片段(基因),就可能對生物有所影響。一般來說,這種基因突變的機率約莫是十萬分之一

這次的疫情元凶新冠病毒是 RNA 病毒,比起 DNA 病毒或是一般細菌,更加容易突變。

RNA 病毒突變,比你想得容易!

新冠病毒的遺傳物質是單股的 RNA (ribonucleic acid),RNA 結構不太穩定。」本次研究團隊的楊欣洲研究員幫讀者劃重點。相較於遺傳物質為 DNA 的病毒,RNA 病毒在複製遺傳物質 (RNA) 的過程,更加容易突變,如需要年年選株的流感病毒即為 RNA 病毒。

新冠病毒雖然有校對酶、突變速度比流感病毒稍慢,但突變速度仍高。

面對新冠病毒不斷冒出的變種,中研院研究團隊從最常見的突變——單一核苷酸變異 (single-nucleotide variantion, SNV) 著手研究。研究人員結合病毒變異分析與分類樹分析兩種方法,著手分析從全球共享流感數據倡議組織 (GISAID) 取得的 1932 株病毒基因序列樣本。

病毒變異發生位置與頻率方面,則以中研院統計科學研究所陳君厚所長的統計矩陣視覺化,解析新冠病毒近三萬個核苷酸的 RNA 序列中,各個核苷酸變異之間的關聯;另一方面,使用一種統計分類樹四種親緣關係樹,來瞭解各病毒株之間的距離與親緣關係。「各國上傳的病毒株樣本資料都會附註收樣時間,也多少輔助親緣樹評判定演化前後關係的參考。」楊欣洲補充。

14 個印記,快速分類六大病毒

研究結果顯示,目前世界上的病毒株可以被分成六大型,每一型都有一組自己獨特的單一核苷酸變異 (SNV) 位點,這樣的 SNV 位點印記共有 14 個。研究團隊在六千株、三萬多株以及三十萬株等,幾次擴大樣本數的病毒分析中都能得到重複的驗證。

上圖為新冠病毒六大型的突變位點,每一橫條代表某一型的 RNA 序列,向下的區塊為突變的單一核苷酸變異 (SNV) 位點所座落的基因。目前世界上的病毒株可以被分成六大型,每一型都有一組自己獨特的 SNV 位點,這樣的 SNV 位點印記共有 14 個。圖/楊欣洲

「未來不用再看完整病毒基因體,只要針對新樣本檢查這 14 個 SNV 印記,就可以在幾分鐘內將新病毒株分類歸檔。」楊欣洲指出。原本的分析方法是將病毒株樣本的 RNA 全部定序,但各國處理的標準操作程序不一、技術也存在些許落差,即使取得各國定序結果,因為提供的病毒全基因體長度不盡相同,也得再花費一番功夫比對。然而,當病毒基因序列樣本快速增加,病毒分類研究耗時耗力至幾乎難以執行。

但搭配分類樹與矩陣視覺化的新技術,讓病毒分析變得非常簡單方便。研究團隊還進一步開發出病毒株定型的快速演算法,即使有大量病毒株要定型也能在幾分鐘內完成,未來面對其他種類病毒的分型時也可以派上用場。

中研院團隊僅用 14 個 SNV 印記,用一對一序列排比 (Pairwise Alignment) 和文字探勘 (Text Mining) 兩種方法,幾乎只要幾分鐘就能完成分類,且正確率分別是百分之 100 與 98 以上。

第六型病毒大解析

今年四月,研究團隊定義出病毒六大型時,原先是以病毒株發生的地理位置命名,稱作亞洲一、亞洲二、歐洲一、歐洲二、美洲、大洋洲/亞洲型。但隨著病毒株在全世界各地快速交流傳播,很快就不再適用以地理位置區分,最後以Type I ~ VI 命名。

進一步分析發現,第一到第五型的病毒,除了有各自獨特的一組 SNV 位點印記外,在病毒外觀、致病力、傳染力方面還沒有觀察到顯著的差異。但第六型的病毒就不太一樣了。病毒樣本數據資料顯示,六種型的病毒在國際間交流競爭後,目前在世界各地均是由第六型勝出,成為主要的優勢型。

所謂的第六型,是將 SNV 位點分析結果與新型冠狀病毒株的參考序列 (MN908947) 相比,如果在 C241T、C3037T、C14408T、A23403G 四個核苷酸位點都發生變異,即歸類在第六型。楊欣洲認為,第六型成為全球優勢型,而非僅在少數地區盛行這個現象,透露出這四個 SNV 很可能為病毒株帶來較好的適應能力。

中央研究院根據全球共享流感數據倡議組織(GISAID)資料,分析二十萬筆以上的病毒基因序列樣本資料。發現病毒可歸類為六大類型。其中「第六型」(藍色線段) 自 2020 年 2、3 月開始在各國急速竄升,4 月雄霸一方,佔目前流傳病毒類型的 99%。圖/Tracking SARS-CoV-2 Variation

事實上,今年八月一篇發表在生物權威期刊《細胞》(Cell) 的論文指出,新冠病毒的核苷酸位點 A23403G 變異,導致病毒刺突 S 蛋白上、第 614 位置的胺基酸由原本的天門冬胺酸 (aspartic acid) 變為甘胺酸 (glycine) 後,會強化病毒的感染能力

但楊欣洲表示,單靠一個 A23403G 變異其實無法解釋:為什麼第六型能夠逐漸成為數量最多的一型,而是需要四個突變一齊到位。

四個突變到位,病毒生命力大增

原來在研究過程中,團隊曾經發現隔一段時間偶爾會出現 C241T、C3037T、C14408T、A23403G 四個核苷酸位點裡,只有其中幾個位點突變的病毒株。但是只要沒有四個同時突變,這些病毒都傳不久。「就算有 A23403G 但缺乏另外三個變異的話,病毒株還是沒有辦法持續傳播。」楊欣洲強調。當四個 SNV 不齊全的時候,突變對病毒沒有實質影響、甚至不利其傳播。

C241T、C3037T、C14408T、A23403G 四個突變位點齊全後,才會擴充病毒性能,提升第六分型的適應力與傳播力。

此外,其他研究似乎也暗示第六型的四個 SNV 疑似有帶來更多特殊功能。2020 年 11 月,一篇發表在著名學術期刊《科學》(Science) 的論文提到,新冠病毒會經由人傳給水貂,且會再回傳給人類。中研院團隊分析論文中的病毒樣本,發現人傳給水貂的病毒約有 22% 屬於第一型,76% 屬於第六型。但分析水貂回傳人類的十八個病毒株後,發現全部都屬於第六型

「這個結果實在頗耐人尋味。」楊欣洲指出,第六型病毒株適應力與傳播能力增加,很可能與 四個核苷酸變異之間的交互作用有關,背後的生物機制都還有待未來更多的追蹤與研究來解答。

著名學術期刊《科學》(Science) 的論文提到,新冠病毒會經由人傳給水貂,且會再回傳給人類。圖/Wikipedia

當前疫苗可以應付變種病毒嗎?

不過民眾最關心的,首推目前的疫苗能夠抵抗當前的變種病毒嗎?「跟疫苗研發與疫苗效果直接相關的,是刺突蛋白基因上的變異點:A23403G,也就是突刺 S 蛋白 D614G 突變。」楊欣洲指出,已有初步研究顯示,D614G 變異雖然會提升病毒的適應能力,卻不影響血清抗體對病毒的中和力。而且在這之前科學家們就已經發現這個帶有 A23403G 變異的病毒越來越盛行,各疫苗廠於研發過程中大多也都有將這個 SNV 的變異納入研發考量,因此目前第六型的病毒還不致讓疫苗失去防禦力。

病毒變異株雖互有消長,但尚不致影響防疫策略。

楊欣洲也坦白說,新的變異一直在進行,無法排除任何可能性。況且,研究會受到資料庫樣本的限制。 GISAID 目前約有三十萬筆資料,英國上傳大十四萬筆最多,美國居次;中國則宣稱沒有多少新增病例,即使前陣子北京發生二波感染,也就提供三隻病毒株,沒有資料,就沒辦法全面掌握病毒變化。

「現在病毒是以第六型為主,但隨著各國的邊境管制,各地又開始出現新興的子型病毒。像是北京提供的三個樣本,就是第六型的子型。」楊欣洲提醒。2020 年 12 月 21 日,英格蘭公共衛生署 (Public Health England) 的報告指出,在英國發現新冠病毒變種,並已造成單日新增感染案例暴增。英國立刻通報世界衛生組織此高傳染性的英國變種新冠病毒株,讓世界各國提高警覺,善盡世界公民的職責。

因應病毒的快速變異,中央研究院設置「病毒變異全球即時監測網」,廖俊智院長帶領,統計所研究團隊進行大數據分析,陳伶志資服處長開發網站,中研院病毒與生物化學專家參與討論,即時監測世界各國正在發生的新興病毒變異,發現需要密切注意的變異株時,盡速提供資訊給各個病毒傳播研究與疫苗研發單位,與全球繼續對抗這場世紀大疫。

中研院團隊設立網站,即時監測世界各國正在發生的新興病毒變異,發現需要密切注意的變異株時,盡速提供資訊給各個病毒傳播研究與疫苗研發單位。圖/Tracking SARS-CoV-2 Variation

延伸閱讀

  1. 病毒變異全球即時監測網
  2. Analysis of genomic distributions of SARS-CoV-2 reveals a dominant strain type with strong allelic associations.
  3. 廖俊智個人網站
  4. 陳君厚個人網站
  5. 楊欣洲個人網站
研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook