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泛知識節紀實:柳田理科雄,空想科學研究所背後的瘋狂科學家

泛知識節
・2019/03/12 ・2413字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 458 ・五年級

「科學,不只是科學家的專利。是我們每一個人,在想科學可以做到什麼事就好了。就是這些天馬行空的想法,推動著科學繼續前進。」——空想科學研究所主任研究員 柳田理科雄

在 2016 年泛知識節華麗登板的頭號重量級講者柳田理科雄先生,是空想科學研究所主任研究員(謎之音:是說…… 還有其他研究員嗎?),也是啟發無數科學愛好者的《空想科學讀本》作者。這次他首度來台與眾多科學與知識狂熱份子,分享了空想科學的源頭、他對科學的想法、與促使他走上空想科學之路的人生觀。

跟太空時代一起來臨的男人!

1961 年 4 月,在胎兒時期的柳田理科雄正努力的增殖腦細胞,可能剛升級呼吸動作與作夢,也對媽媽肚皮外傳進來的光線有了一點點反應。此時此刻,離開地表、穿越大氣層,歷史上第一個太空人尤里.加加林(Yuri Gagarin),正搭乘東方一號完成了歷時 108 分鐘的首度太空載人飛行。這個事件讓日本南端種子島上的一位小鎮鎮長柳田長谷男,深覺「未來就是科學的時代了」,因此決定以「理科雄」,為自己的孩子命名。

歷史上第一個太空人尤里.加加林(Yuri Gagarin)。圖/NASA

在這個鐵炮傳入戰國日本的起點,比鄰著興建中的種子島太空中心。柳田理科雄從小就很喜歡觀察生物和星象等自然變化,追蹤颱風的成因與影響。也著迷於動漫影視中,不斷研發出各種神奇技術的科學家們,這讓他對科學保持著極高的熱忱。在求學階段的自然科學研修時,發現許多從小累積起來的問題,都一一地被解答了,更讓自己努力地走在科學這條路上。

然而,通往瘋狂科學家的路並沒有那麼的順遂。高中畢業後,柳田理科雄應試京都大學失利,雖重考進頂尖學府東京大學。但當時因驕傲氣盛的心態,而不滿學校的課程安排,最終從東大輟學。柳田理科雄說:「這是我在人生中最大的失敗。在座還在學的朋友,請不要因為對學校的不滿而葬送自己的人生。只要能忍耐改變一下,人生還是會繼續往前進的。」

如同我們看到許多偉大科學家的故事般,挫折只會讓有堅定信念的人越變越強(恩…… 動漫中二主角也是)。柳田開始經營了給小朋友的科學補習班,想要用有別於填鴨式的教育方式來教導科學,雖然幾年後因教學方式不受家長喜好而倒閉。但幸好在出版社朋友的建議下,柳田寫出了第一本《「空想科學讀本》」,開啟了空想科學蓬勃發展的時代。

回顧起從京都大學落榜、從東京大學輟學、補習班倒閉等等不順遂的事,柳田理科雄也勉勵大家:「如果你遇到不如意的事,這可能是得到幸福的轉折點。但從學校輟學的事,是絕對不可以做的!」

科學、空想科學與泛科學

在 11 月 19 日泛知識節開幕的這一天,柳田理科雄也跟大家分享了許多動漫娛樂中的空想科學,與他的探究歷程。

密度高得誇張的超人力霸王

卡通《超人力霸王》裡身高 40 公尺體重 35000 公噸的巨大機器人,對比高 330 公尺,並由 3500 公噸鋼筋組成的東京鐵塔相比起來,似乎重量重了太多倍。而且只要引進國一會學到的密度概念,就會發現超人力霸王的密度高達 41 g/cm3,然而,現實生活中根本不存在密度這麼高的物質。又由於所有的元素在這個宇宙中都是相同的,似乎代表著超人力霸王的組成材料或故事設定,搞不好根本來自於另一個平行宇宙了。

香吉士的月步,讓他可以一跳登月?

香吉士的月步,可以一跳登天嗎?圖/影片截圖

又例如像是動漫《航海王》裡的香吉士,他的踢技「月步」可以藉由踢擊空氣來騰空漫步,每踢擊一次就可以上升一公尺。柳田理科雄以此計算,估計香吉士若要藉由踢擊時,空氣阻力的反作用力來升空一公尺的話,這代表每一步踢擊的速度要達到時速 6000 公里,是正常人踢擊速度的一百倍快。但這也反過來代表,如果香吉士用力跳一下的話,就可以直接跳到 2000 公里的高度,可是名副其實的一步登天了。(謎之音:是說空島的設定是在海拔一萬公尺的白白海,換算一下也只有 10 公里……)

七龍珠的龜派氣功有可能實現?!

當然除了去思考或吐槽動漫作品中的合理性。柳田理科雄也很喜歡思考如何讓動漫中的橋段實現。演講中他特別提到曾經有一個大學生問他,有可能發出七龍珠裡的「龜派氣功」嗎?為了要能解答這個問題,我們就必須先試圖把這個問題給分解出來想想看。首先要想的,是人體裡有氣功般的能量嗎?當然是不可能有毀滅星球的能量,不過我們倒可以從悟空剛學會氣功時的狀況來想想,假設這時候的氣功威力就如同一個內含 200 公克火藥的小炸藥,換算起來大約是 200 大卡的熱量,也不過等同 22 公克的脂肪而已,足以代表人體裡有充足的能量可以使用。

再下一步要解決的,則是這些能量應該如何釋放出來。柳田理科雄估算出我們的手掌一天差不多會放出 10 大卡的熱量,雙手掌就是 20 大卡,換算起來,只要把雙手握在一起 10 天,就可以累積等同一個炸藥的熱量了!

柳田理科雄現場示範龜派氣功的動作。圖/2016 泛知識節

然而,就算能做到這一步,也還有一個問題要解決,就是我們能不能在掌間儲存熱量呢?如果你真的這麼做了,馬上會遇到的問題,就是掌間的溫度恐怕不會超過體溫,這是由於熱是由高溫往低溫流動,當掌間的溫度與體溫相同時,人體的熱量就無法在流動至掌間了。

不過,要顛覆熱是由高溫往低溫流動這件事,其實一點都不難,冷氣機裡所使用的熱泵,就是利用冷媒在液態和氣態轉換時的汽化/凝結熱,來將熱量持續由低溫處往高溫處送。雖然說我們好像沒辦法把一個熱泵裝在身上,但是「如何發出龜派氣功」這個問題,經過這一連串的空想,就化約成「如何在身上裝一個熱泵」這個看起來較單純明確的問題了。

這個將原本龐大的,甚至是幻想的問題或目標。分解成許多小部分或階段,再一一分析求解的過程,其實也就是科學探索的過程。柳田理科雄相信:

「科學,就是我們每個人在空想著科學可以做到哪些事情。這些空想推動著科學前進,帶來科學研究的突破點。或許,這就是泛科學的起點。」

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泛知識節
24 篇文章 ・ 4 位粉絲
從「科學太重要了,所以不能只交給科學家」,到「科學家太重要了,所以不能只懂科學」,再到「知識太重要了,所以不能讓它關在牆裡」,「泛知識節」為泛科知識召集之年度大型活動,承繼 PanSci 泛科學年會的精神與架構,邀請「科學」「科技」「娛樂」「旅行」四個領域的專家與耕耘者,一同談說、分享、攻錯。 這是一個大型的舞台,我們在此治茶拂席,虛位以待,請你上座。


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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》