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如果喪屍病毒大爆發,需要多少人接種疫苗才能達到「群體免疫」呢?

Jaffer Yang
・2019/01/30 ・3230字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 562 ・九年級

面臨喪屍大爆發,老梗電影劇情常見的對應之道無外乎兩種:其一是尋找安全的地方,躲避喪屍;其二是找出喪屍病毒來源,開發疫苗拯救全人類。

如果台灣爆發了喪屍病毒,這座四面環海的島嶼似乎無處可躲,疫苗看起來是唯一的救命稻草。那麼問題來了,如果出現了有效的疫苗,需要有多少人接種才有機會消滅可怕的喪屍病毒呢?

source:pixabay

求生必備!武器與免疫於喪屍的夥伴當然越多越好

影視劇裡喪屍的可怕之處,除了會失去理智、狂暴、極度攻擊性並且沒有疼痛感;更嚴重的是,一旦正常人被咬,就會立刻感染成為新的喪屍繼續傳染給下一個人。總是不會被咬的主角只能拿起槍炮武器,將喪屍群一個個爆頭來求得一絲生機,這時候若是有更多的同伴對病毒免疫、手上有武器,就越能保護手無寸鐵的弱勢個體。

相同的道理可以延伸在使用疫苗預防傳染病:當接種了疫苗、對傳染病有抵抗力的人越多,越能保護少部分沒有抵抗力的人。這在流行病學上稱之為群體免疫(herd immunity/ community immunity),表示在一群人當中,對某種傳染病具有免疫力的人數占了大部分,使得無免疫力的少部分個體被感染的風險也隨之降低、可受連帶保護。想像一下,沒武器的你正在逃命,有越多身邊的夥伴免疫於喪屍,當然比起他們隨時有可能受感染來得更為安全、生存率更高。

我的老天鵝!只有一個同伴怎麼打?圖/陰屍路@imdb

一傳十,十傳百:傳染病的傳染力怎麼計算?

因此防止喪屍病毒的傳播,除了將喪屍爆頭之外,還可以透過接種疫苗,讓人不會被傳染成新的喪屍,理論上就能逐漸控制喪屍病毒的傳播。但這裡重點來了,如果被喪屍咬到必然百分之百變成新的喪屍,除了消極的避免被咬,就必須全部的人類都打疫苗才能消滅喪屍病毒。

幸好,真實世界裡不同疾病的傳染力有高有低,而且也不太可能達到百分之百的接種率。根據疾病的傳染力,就能夠計算出達到群體免疫最低接種的人數門檻,推廣疫苗達到此門檻才是合情合理的可行辦法。為了計算出群體免疫門檻,在流行病學上有個專有名詞稱為「基本再生數(basic reproduction number, R0)」,是一種代表疾病傳染力的指標。當 R0 越大代表疾病傳染力越強,其定義簡單來說,是指一個感染者平均會傳染給幾個不具免疫力的健康者(沒有得過此病或沒有打過疫苗的情況)。

基本再生數可以用另一種比喻來設想,若是想要比較不同人傳播謠言的能力(簡稱八卦力),例如小明每次只會把謠言告訴身邊的 2 個人,而小強每次卻可以告訴身邊的 10 個人,顯而易見小明的八卦力等於 2,而小強的八卦力等於 10,小強傳播謠言的能力遠遠大於小明,要防堵小強傳播謠言的困難度也會比較高。

不同的人會有不同的八卦力,同理,不同的疾病也有著不一樣的 R0,如下表所示,其中麻疹病毒有著相當嚇人的傳染力,R0 高達 12–18。

不同的疾病有著不一樣的基本再生數,達到群體免疫所需的門檻也因此不同。source:參考文獻 [1–4]

傳染病百百種,群體免疫門檻各不同

看過表格後,眼尖的你應該已經發現,這些耳熟能詳的疾病其 R0 都大於 1,每名患者平均可以感染超過一個人,所以新增患者的個數將呈指數式增長,這也是病原能夠對全體人類造成毀滅性傳染的因素。因此,在數學邏輯上,只要能將 R0 降低到小於 1(R0 < 1),就有機會撲滅該疾病。

目前降低 R0 已知的辦法有三種:

  1. 增加人群間的距離:停止上班、上課或管制特定場所之出入,以減少人群彼此接觸。
  2. 治療或隔離患者:降低感染者的傳染力,以及減少傳染給別人的機率。
  3. 疫苗接種或抗病毒藥物預防性投藥:增加未感染者對該疾病的免疫力或抵抗性。

三個方案中最為治本、有效且經濟的辨法,就是疫苗接種了。人類歷史上就是藉由疫苗接種,成功撲滅了「天花病毒」這種可怕疾病,早在 1980 年世界衛生組織(WHO)就已宣布撲滅天花,1986 年所有國家更停止了天花的常規疫苗接種。

所以需要多少人接種疫苗才能達到群體免疫?其計算方法也是圍繞著 R0,其推算過程較複雜,讓我們直接跳到結果公式:

疫苗接種比例 = 1-1/R0

不同疾病的群體免疫門檻(即最低疫苗接種率)也列於上表,用不著我說,聰明如你應該已知道 R0 越大,群體免疫門檻值越高

所以說,到底要有多少人接種疫苗才有機會消滅喪屍病毒?

作者繪製;素材出處 @ flaticon

不喜歡公式夥伴們,讓我們以想像中的喪屍病毒舉例說明,可能比較容易理解。
每位和喪屍接觸的人都有可能感染喪屍病毒,不過這裡舉例設定的喪屍病毒比較弱一點:R0 = 2,代表一名喪屍出現後,平均會有 2 個人被感染。這裡我們假設每名喪屍在成為喪屍後到被爆頭前平均會接觸到 10 個人,最後會有 2 個人被感染,感染率就是 20%。但如果這 10 個人中已有 2 個人接種過喪屍病毒疫苗,則接觸到病毒能受感染的人只餘 8 個人(10-2 = 8),以接觸後的感染率計算,則每名喪屍只能感染 1.6 個人(20%×8),意即感染數就可以由 2 降為 1.6 人。

要撲滅疾病,就需要將感染數降低至等於或小於 1 人,我們可以得出運算式為 20%×(10-接種人數)= 1,此處接種人數的解答為  10 個人中至少要有 5 個人接種過疫苗,這意味著對抗這種(R0 = 2)喪屍病毒的有效群體免疫,必須要達到 50% 以上的疫苗接種率。

妥善利用疫苗對抗疾病,達成群體免疫的重要目標

不論今天面對的傳染病是否為喪屍病毒,疫苗的數學邏輯目標十分單純,只要達到「R0 < 1」,就能控制住傳染病。利用四則運算獲得解答後,接下來只要努力讓接種疫苗人數超過最低門檻,就能達到有效群體免疫。不過,真實世界當然不是數學題,還有變數層出不窮需要解決,例如:現階段的登革熱疫苗還有安全性疑慮,也尚未在台灣核准上市;腸病毒目前並沒有特效藥,而疫苗也還在研發階段。這也是為什麼面臨登革熱或腸病毒爆發,必須積極採取隔離或環境消毒措施。

一旦爆發沒有疫苗或藥物可以對付的傳染病時,人類能夠做的事情其實並不多,而這些慘痛的教訓並不遙遠。惡名昭彰的西班牙流感距今也不過 100 年(1918年),爆發當時全球三分之一人口受感染,造成約 5,000 萬人死亡;另一個記憶猶新的教訓,則是僅僅十幾年前(2002年)爆發的嚴重急性呼吸道症候群(severe acute respiratory syndrome, SARS)。

近幾年的喪屍影視劇裡,怕觀眾看膩了血肉橫飛的畫面,為了增加戲劇性及可看性,常常會再加油添醋引入「僵屍無腦但人心叵測」的劇情。可笑的是戲如人生,真實世界裡在面對傳染病這樣的「天災」時,若有疫苗能作為對抗的武器,我們應該要心懷感激並感到慶幸,盡力讓群體免疫得以實現。

然而,實際上目前世界各地有許多反對疫苗的流言蜚語,下篇文章我們接著談談,防疫工作遇到了哪些流言「人禍」?又該如何看待呢?

參考資料

  1. History and epidemiology of global smallpox eradication.
  2. Biggerstaff M, et al. BMC Infect Dis. 2014;14:480. Estimates of the reproduction number for seasonal, pandemic, and zoonotic influenza: a systematic review of the literature.
  3. Wallinga J, et al. Am J Epidemiol. 2004;160:509-16. Different epidemic curves for severe acute respiratory syndrome reveal similar impacts of control measures.
  4. Althaus CL, et al. PLoS Curr. 2014 Sep 2;6. Estimating the Reproduction Number of Ebola Virus (EBOV) During the 2014 Outbreak in West Africa.
  5. Diekmann O, et al. J Math Biol. 1990;28:365-82. On the definition and the computation of the basic reproduction ratio R0 in models for infectious diseases in heterogeneous populations.
  6. 疾病管制局 98年,流感大流行疫情模擬介面建置
  7. Pennington H, et al. Bull World Health Organ. 2003;81:762-7. Smallpox and bioterrorism.
  8. WHO Factsheet. Smallpox.
  9. Quanta Magazine, How Math (and Vaccines) Keep You Safe From the Flu
  10. 衛生福利部疾病管制署–登革熱
  11. Gretchen Vogel. Science. Apr. 19, 2018. A new dengue vaccine should only be used in people who were previously infected, WHO says.
  12. 衛生福利部疾病管制署–腸病毒
  13. Short KR, et al. Front Cell Infect Microbiol. 2018;8:343. Back to the Future: Lessons Learned From the 1918 Influenza Pandemic.
  14. 衛生福利部疾病管制署–嚴重急性呼吸道症候群
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Jaffer Yang
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畢業於成大微免所,現職醫學寫作。出於對醫學領域的興趣及工作經驗實務接觸,樂於將自己喜愛的科普知識,以淺白的文字讓更多人了解,曾著有《圖解醫療》一書。

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用這劑補好新冠預防保護力!免疫功能低下病患防疫新解方—長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2882字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022 年美、法、英、澳及歐盟等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示該藥品針對 Omicron、BA.4、BA.5 等變異株具療效。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
帕克斯洛維德
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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破解迷思!孕婦安心接種流感、百日咳疫苗,保護媽媽與寶寶
careonline_96
・2023/01/05 ・2207字 ・閱讀時間約 4 分鐘

「醫師,孕婦能不能打流感疫苗?」

「打疫苗會不會影響胎兒發育?」

接種疫苗能夠有效預防傳染性疾病,但是孕婦對於施打疫苗常有一些迷思,高雄醫學大學附設中和紀念醫院婦產部詹德富教授說,孕婦可能會擔心疫苗影響胎兒的健康,或影響胎兒的發育。不過,目前會建議孕婦施打的疫苗,都經過安全性檢驗,且有助於預防疾病,對胎兒有好處。

在懷孕期間,媽媽的免疫力會下降,較容易遭到病毒、細菌的感染。詹德富醫師說,另外,在懷孕的過程中,媽媽的心臟負擔增加,而且在胸腔受到壓迫的狀況下,呼吸會比較淺,如果出現上呼吸道感染,病情較容易惡化,可能需要住院治療。

孕婦施打疫苗後,可以讓身體產生抗體,預先準備。詹德富醫師解釋,當有病毒或細菌入侵的時候,身體才能夠及早做出反應,像是流感的傳染力很強,其實沒有辦法完全不受感染,但是在感染以後,能使疾病的過程比較輕微,恢復得比較快。

「有健康的媽媽,才會有健康的寶寶!」詹德富醫師說,肚子裡的胎兒完全仰賴母體供應,施打疫苗可保護媽媽,讓症狀比較輕微,對寶寶也有好處。此外,媽媽產生的抗體會經過胎盤,傳遞給胎兒,所以寶寶在出生之後,也能受到這些抗體的保護。

孕婦接種流感疫苗,呵護媽咪與寶寶!

流行性感冒是由流感病毒造成的傳染病,常見症狀有咳嗽、流鼻水、頭痛、發高燒、肌肉痠痛等,會比一般感冒嚴重許多。詹德富醫師說,慢性病患者、抵抗力較差的患者,可能出現嚴重併發症,例如肺炎、腦炎、心肌炎等,可能危及性命,也會對胎兒造成威脅。

新生兒的免疫力較弱,若感染流感病毒,較容易併發重症。詹德富醫師說,目前沒有可供 6 個月以下嬰兒接種的流感疫苗,而且嬰兒也不適合使用抗病毒藥物,僅能給予支持性療法。想要保護 6 個月以下的嬰兒,最好的方式是讓媽媽在懷孕期間接種流感疫苗,媽媽產生的抗體會經由胎盤傳給胎兒,讓出生後的寶寶獲得保護力。

懷孕婦女施打流感疫苗,自身罹患呼吸道疾病的情形至少降低 36%,寶寶出生後六個月內感染流感病毒的狀況也減少 63% 。

已有很多研究證實流感疫苗對於孕婦與胎兒的安全性,詹德富醫師說,任何週數都可以施打,只要進入流行季節,就應該盡快接種流感疫苗。

孕婦接種百日咳疫苗,呵護媽咪與寶寶!

百日咳是透過飛沫傳染,由百日咳桿菌引起的疾病,屬於第三類法定傳染病。詹德富醫師說,百日咳的症狀類似感冒,但是咳嗽會很厲害,且持續 1 至 2 個月以上。

百日咳沒有季節性,任何時候都有可能感染。嬰幼兒會被傳染百日咳,通常是因為父母或兄弟姊妹將病菌帶回家,詹德富醫師說,嬰幼兒得到百日咳時,病情會比成年人嚴重許多,較容易併發肺炎、中耳炎、抽搐、呼吸暫停等,嚴重可能導致死亡;發病的年紀越小,預後越差。

目前疾管署建議,在懷孕 28 週至 36 週之間接種百日咳疫苗。詹德富醫師說,孕婦施打疫苗,除了可以提升母體對於百日咳的保護力之外,我們也希望孕婦產生的抗體能夠經過胎盤,傳給小朋友。若在懷孕 32 週前接種百日咳疫苗,母體能有較充裕的時間產生抗體傳給胎兒,讓寶寶在出生後也能獲得保護力。

由於家庭成員都有可能將百日咳桿菌帶回家,再傳染給小朋友,所以可以使用「包覆策略」來保護嬰幼兒。詹德富醫師說,所謂的「包覆策略」就是替所有會接觸新生兒的家庭成員接種百日咳疫苗,給嬰幼兒更安全的環境。

雖然多數人小時候都接種過百日咳疫苗,但是經過 10 年後,百日咳疫苗的保護力會漸漸消失,所以替家庭成員接種百日咳疫苗,有助提升保護力。

「如果懷第一胎時已經接種過百日咳疫苗,當懷第二胎時需要再次接種百日咳疫苗嗎?」詹德富醫師解答,「懷第二胎時,建議再次接種百日咳疫苗,這樣母親才能產生較高濃度的抗體,保護嬰幼兒。」

貼心小提醒

流感、百日咳都會經由飛沫傳染,並對孕婦、嬰幼兒造成威脅。詹德富醫師提醒,請盡量戴口罩、勤洗手、避開人群,減少遭到感染的機會,並且藉由疫苗的協助,提高保護力。

孕婦接種疫苗能夠保護自己、保護胎兒,還能保護家人,詹德富醫師說,懷孕 28 週至 36 週間,可接種百日咳疫苗,至於流感疫苗,無論懷孕週數,都可以接種。家庭成員也可以接種疫苗,利用包覆策略來保護嬰幼兒!

careonline_96
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2022 年《Science》年度十大科學突破(上):持續進化的 AI 與韋伯太空望遠鏡
PanSci_96
・2022/12/30 ・3733字 ・閱讀時間約 7 分鐘

回顧 2022 年,有沒有讓你印象特別深刻的科學新聞呢?約莫兩星期前,《Science》雜誌公布了今年的十大科學突破,從農業到藝術、從細菌到宇宙、從百萬年前的生態到人類的未來,每一項突破都和我們的日常生活息息相關。

好啦,廢話不多說,現在就來揭曉答案吧!

十大突破之首——遙望宇宙的韋伯太空望遠鏡

今年,韋伯太空望遠鏡(JWST)帶來的震撼,相信你我都印象深刻。

韋伯發布的第一批照片拍到了 SMACS 0723 星系團。圖/Science

早在 1990 年,哈伯太空望遠鏡發射升空後,科學家就開始規劃下一步。他們不只想看見更遙遠的宇宙,也想透過不同的波長,分析地外生命存在的可能性。

哈伯望遠鏡的觀測波段以可見光為主。確實,紫外線和可見光波長最有利於觀測誕生不久的新星,但隨著數十億年過去,這些新星發出的光,穿過不斷膨脹的宇宙,來到地球,被拉伸到更長的紅外線波長後,哈伯就沒輒了⋯⋯

韋伯望遠鏡可以清楚看見狼蛛星雲的塵埃、氣體雲和碳氫化合物。圖/Science

那麼,要怎麼看見更遙遠的宇宙呢?去年底,歷時 20 年建造、造價 100 億美元的「韋伯太空望遠鏡」順利升空,開啟 150 萬公里的長征。韋伯搭載的科學儀器可以觀測紅外線波段,包括來自宇宙第一批恆星和星系發出的光。

韋伯利用四種不同的紅外線波段觀測系外行星 HIP 65426 b。圖/Science

今年 6 月底,韋伯開始收集數據,三星期後就傳回了第一批深空照片,讓科學家看見了更遙遠、更古老的新星系,徹底改寫我們對宇宙的認識。對於天文學界來說,這是一個充滿奇蹟的時代,韋伯望遠鏡也因此榮登 2022 年最重要的科學突破。

2022 年十大科學突破之首:韋伯太空望遠鏡。影/Science

研發多年生水稻 PR23,減輕農民耕作負擔

盤點世界上最主要的糧食作物,水稻肯定有一席之地!現今,大部分水稻都是一年二至三穫,每年收穫後都得重新種植,對農民來說是非常耗時、費力的工作。

今年 11 月,中國雲南大學農學院的研究團隊在《Nature Sustainability》發表他們十餘年來嘔心瀝血的研究成果——多年生水稻「PR23」。這是長雄野生稻和 RD23 栽培稻的雜交種,不但可以達到和傳統水稻相仿的產量,還可以省下農民的大把時間、精力與成本。

PR23 第一年的稻作成本與傳統水稻差不多,但從第二年開始,農民就可以跳過育秧、犁田、移栽幼苗的步驟,降低約 50% 的人力成本,到了第五年才需要重新種植。

在中國,PR23 的種植面積超過了 15,000 公頃,平均產量則是每公頃 6.8 噸,略高於傳統水稻。根據非洲和東南亞的試驗數據,PR23 還可以改善土壤結構、增加有機質含量、減少梯田和高地的水土流失。

與此同時,科學家也正在觀察兩個潛在問題:一、雜草和病原體是否會積累在田地中,導致 PR23 需要更多除草劑,二、是否會排放更多的一氧化二氮,加劇溫室效應。但目前不可否認的是,多年生水稻有助於降低成本、提高收益,確實是一項重要的突破。

有了多年生水稻,農民每年都能省下好幾週的工作量。圖/Science

誰說 AI 沒創意?AI 的創造力可是超乎想像呢!

說到 AI,有沒有讓你想起去年的十大科學突破呢?沒錯,去年的十大突破之首就是預測蛋白質 3D 結構的 DeepMind 團隊,而在今年,他們著手設計全新的蛋白質,用來開發疫苗、建築材料和奈米機器。

與此同時,DeepMind 發布了 AlphaTensor,用來找出更有效率的矩陣乘法演算法。高中就學過的矩陣是代數中最簡單的運算之一,可以用來壓縮網路資料、辨識語音指令、模擬與預測天氣、生成電腦遊戲圖形等。

另外,DeepMind 還發布了可以自主編寫程式、解決問題的 AlphaCode。在程式解題競賽網站 Codeforces 定期舉辦的比賽中,AlphaCode 甚至打敗了過半的參賽者,取得排名前 54% 的成績,跌破創辦人的眼鏡。

除了科學、數學、程式設計之外,AI 在藝術領域更是大放異彩。

繼 OpenAI 去年發布繪圖軟體 DALL-E 後,今年 4 月發布了進化版的 DALL-E 2,只要輸入幾個字詞,AI 模型就能自動生成圖像。在 9 月,有一位藝術家利用類似的 AI 繪圖工具 Midjourney 奪下美國科羅拉多州博覽會首獎。

此舉在藝術界掀起一股旋風,卻也引來了哲學辯論和道德抨擊,但毫無疑問的是,人類可以借助逐年進化的 AI 拓展創造力,開發出更多、更好的工具。

使用 Midjourney 創作的科羅拉多州博覽會首獎作品。圖/Science

超級華麗的大~大~大細菌!

在你的印象中,細菌是不是都很小、不用顯微鏡就看不見呢?今年 2 月,科學家在法屬西印度群島發現一種肉眼可見的巨無霸細菌——華麗硫珠菌(Thiomargarita magnifica),震驚了生物學界。

一般來說,細菌沒有細胞核和膜狀胞器,遺傳物質都在細胞中自由漂浮,但華麗硫珠菌真的很華麗,不只可以長到 2 公分,比多數細菌大上 5000 倍,而且還有隔間可以容納 1200 萬個基因組——這大概是多數細菌基因總量的 3 倍。

身為一種不應該有膜的原核生物,華麗硫珠菌的結構或許即將改寫原核生物和真核生物的定義,甚至有機會成為一塊拼圖,補足細胞進化過程中缺失的環節。

華麗硫珠菌挑戰了「細菌」的傳統定義。圖/Science

開發新疫苗,呼吸道合胞病毒治療現曙光

在這 COVID-19 肆虐之年,美國感染呼吸道合胞病毒(RSV)的病例數也急遽上升。呼吸道合胞病毒傳染性極強,通常只會引起類似感冒的輕微症狀,但在嬰幼兒身上,這種病毒會使肺部發炎,而在老年人身上,會使既有的心肺疾病惡化。

早在 50 多年前,就有科學家試圖開發呼吸道合胞病毒的疫苗,但在臨床試驗導致 80% 的接種者住院、2 名兒童死亡後,開發就此中斷。後來,科學家發現敗筆在於這種殺死病毒後製成的「滅活疫苗」所引發的抗體較弱,不只殺不掉活生生的病毒,還能反過來幫助病毒破壞氣管。

如今,莫爾豪斯醫學院(Morehouse School of Medicine)開發了能夠引發強效抗體的新疫苗。在輝瑞(Pfizer)和葛蘭素史克藥廠(GSK)進行臨床試驗後,證實這兩種新疫苗可以保護嬰兒和老年人,不會引起嚴重副作用,而在孕婦注射後,也能將抗體傳給胎兒。

雖然過往的失敗讓開發團隊心存疑慮,但目前沒有任何數據顯示疫苗不安全,其中幾種候選疫苗也可能將在明年獲得監管機構批准上市。

RSV 疫苗證實能有效保護易受感染的嬰幼兒和老年人。圖/Science

好啦~這篇到這裡,先介紹前五項突破就好!因為《Science》今年提供的內容實在是太精彩了,為了避免讀者一次閱讀太多字很累,只好拆成上下兩篇⋯⋯看完這篇後,如果你好奇另外五項突破是何方神聖,就來看第二篇吧!

接續下篇:2022 年《Science》年度十大科學突破(下):EBV 病毒與發燒的地球

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