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漢森與拉馬納森,讓世人直面全球暖化議題的科學家──2018 唐獎永續發展獎

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2018/07/16 ・3374字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 556 ・八年級

本文由《唐獎教育基金會》委託,泛科學企劃執行

  • 作者/潘昌志

如果溫室氣體含量持續上升,能量不平衡而日漸暖化的地球,就像一顆令人憂心的定時炸彈……

──詹姆士 ‧ 漢森博士(Dr. James E. Hansen)

入世的科學家、秉持科學信念

本次獲「唐獎」永續發展獎的詹姆士 ‧ 漢森博士。圖/唐獎教育基金會提供

1988 年美國國會聽證會上,今年(2018)獲「唐獎」的漢森博士作證發言:「全球暖化已經發生了。」警告溫室效應會造成極端氣候、冰原融化、海平面上升。他的發言正式吹響了關注全球暖化議題的號角。

在遏止源自於溫室氣體排放的全球暖化已成為全人類共識的今日,需要稍稍回顧一下當代背景,才能明白漢森博士這句證詞的關鍵性。現今主導研究、評估全球氣候變遷效應的聯合國「政府間氣候變化專門委員會」(IPCC)直到 1998 年才成立;美國政府基於政治、經濟立場對於氣候變遷效應始終採取不積極應對的態度,直至今日仍未簽署「京都議定書」。更別提來自於各種意見團體、石油公司基於利益或懷疑論,對全球暖化始終抱持持懷疑或反對的態度。此舉種種讓「抑制二氧化碳排放以減緩全球暖化」的議題直至今日仍十分複雜。

也因此,作為一個研究大氣與氣候的科學家,漢森博士的關鍵證詞「全球暖化已經發生了」在三十年前可說是石破天驚。為求客觀與精確,科學家鮮見將論述內容表達得斬釘截鐵。漢森博士於國會上的發言,不僅僅由於議題之嚴重性需要引起世人注意,更是基於他長年研究的所獲得的科學證據。

工業革命後全球暖化的速度加劇,但人們直到 1980 年代才開始意識到這件事的嚴重性。 圖/Foto-Rabe @pixabay

由 1970 年末至 1980年代初期,已有許多證據指出大氣中二氧化碳濃度的急速上升與全球暖化有關聯,亟待更多研究。1981 年漢森博士的團隊的研究發表於期刊《科學》(Science),團隊進一步分析「如果二氧化碳持續排放、增加,會如何影響全球?」分析燃燒石化燃料造成的影響,將探討範圍由短期延伸至長期,並模擬擴展到未來可能發生的情境。這是首份研究點出人們對於環境的影響已然甚大,而很可能因氣候變遷而產生進一步如極端氣候、海水上升等影響生命財產的氣候災難。以目前經過無數科學家努力的研究成果來說,漢森博士當初提出的針對氣候變遷的科學預測大多是正確的,他持續三十年對此議題的堅持,可謂先知先覺。

漢森博士的研究不僅僅點出問題,更為人類尋找全球暖化的「解方」。

但即使是事關人類生存永續的氣候變遷議題,現階段縱然獲得解方依然「知易行難」。溫室氣體二氧化碳的排放,與人類大量使用的能量來源──化石燃料息息相關。而再生能源發展、修改能源政策替換化石燃料的使用,都非一蹴可及之事。有感於美國近年的能源政策的變動遠遠不足以改善氣候變遷的趨勢,漢森博士近年來更加積極推廣關於氣候變遷的議題與相關理念,如提出增加「碳稅」增加化石燃料的使用成本,經由市場機制減少化石燃料使用等能源政策提案;甚至直接加入抗議活動,提出司法訴訟等方式設法影響政策走向。

 

如果你知道我所知道的,你會怎麼做?」在 2012 年的 TED 講座中,這位氣候變遷議題最具代表性的科學家對台下如此提問。

長期任職於美國太空總署(NASA)的漢森博士和其他科學家最大的不同,在於退休前由於他對於全球暖化的發言飽受美國政府的壓力;退休之後更進一步設法對政府施加壓力,採取訴訟等手段希望迫使美國政府提出新的能源政策。但他最主要的動機,跟所有的科學人相同:著眼科學證據,讓人類的未來更加美好。

二氧化碳以外的多種溫室氣體

維拉布哈德蘭‧拉馬納森教授 ,2018「唐獎永續發展獎」得主。圖/唐獎基金會提供

談到溫室效應,討論二氧化碳的排放其實只談論了一半的問題。其他種類的溫室氣體還包括甲烷、一氧化二氮、CFC-12、HCFC-22、四氟化碳等,總和效應與二氧化碳相比也不枉多讓。本次「唐獎」永續發展獎的另一位得獎者,維拉布哈德蘭‧拉馬納森教授 (Dr. Veerabhadran Ramanathan)主要研究領域即是聚焦於「非二氧化碳」的溫室氣體研究。

平平是肝藥…啊不是,平平是溫室氣體,都會吸收紅外線,化學式不同,壽命、效果也不同。不同的溫室氣體,會有不同的「效果」,也就是溫室氣體造成的全球暖化潛勢(global warming potential, GWP),用來說明溫室氣體和二氧化碳相比之下能加熱大氣的能力,而這個值還需要考慮由於化學物質生命週期,在不同時間尺度會有不同的影響,圖表如下:

資料來源/wikipedia

上表中的計算把二氧化碳的潛能視為 1,以 20 年的時間跨度來判斷,可以發現甲烷提升全球暖化潛能的程度是二氧化碳的 84 倍,而最下面的氟化物則是數千或數萬倍;即使這些氣體的人為產生量遠遠不及二氧化碳,但效應龐大不容忽視。另一個重要的因素是「生命周期」(指該氣體發揮溫室效應作用的時間),氣體的生命週期越長,計算 GWP 時長期來說它的影響會越大,簡單來說也就是「遺禍萬年」。

但即使是像甲烷、CFC-12 這類短生命周期的溫室氣體,單位排放量造成的暖化潛能依然十分驚人。換句話說,如果我們想要「快速」的減少溫室效應,減排這些非二氧化碳的溫室氣體,確實是很速效的手段。我們對於這些氣體的理解,起源自拉馬納森教授的研究,他是率先指出氟氯碳化物也屬於溫室氣體的學者,並且還進一步發現了「非氣體但也會造成溫室效應」的物質:大氣黑碳。

大氣黑碳就是通稱燃燒排放的懸浮粒子,也就是近年關心環境議題的大眾很熟悉的 PM10、PM2.5 ,不是只有含「碳」;主要來源是物質燃燒不完全所致,可能是工業廢氣、也可能是燃燒煙煤的附加產物。黑碳在某些地區的排放量相當大,甚至可能比二氧化碳來得多;其生命周期相當短,所以減排的措施一旦落實執行,理論上對於溫室效應能達到立竿見影之效。這類汙染物對人體、環境都是額外負擔,實務上的減排相對容易執行。舉例來說,拉馬納森教授協助推動的 Surya 計畫,透過改善家庭烹飪能源、燃燒效率、替換燃燒能源,就能有效達到減少當地大氣黑炭排放,並且影響了數百萬民眾的健康。

近年躍為環境新聞寵兒的 PM2.5,其實就是物質燃燒不完全所產生的汙染物。 圖/3dman_eu @Pixabay

在發現了非二氧化碳溫室氣體的影響之後,拉馬納森教授亦實地加入了第一次「非二氧化碳」溫室氣體對氣候系統衝擊的評估會議;並且由他的研究起始,目標為減少端生命期氣候汙染物的「氣候和乾淨空氣聯盟」已有 33 個國家加入。

改善地球大氣系統的處境是條漫漫長路,但有了他們的研究,人類才終於有了覺醒改善的機會。

由基礎科學研究帶出的社會責任

在漢森博士、拉馬納森教授進行研究的初期,關於大氣與溫室效應的研究尚於起步階段,這類的研究起初可能被認為僅侷限於基礎研究、並未受到太多重視。但豈料這些研究成果最終證實與人類現在、未來的生活方式息息相關。

除了完成重要的研究成果,兩位研究者的貢獻更在於走出學術象牙塔,讓科學不再高不可攀,提供數據佐證,使環保不再流於濫情的口號。要讓人類的未來更加美好,我們需要基於科學證據,持續改進生活方式,走上「永續發展」的道路。

而或許,這也是科學能帶領我們走向的最好的道路。

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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》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》