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換到分子角度看世界:突破「臭氧層破洞」爭議盲點

研之有物│中央研究院_96
・2019/12/04 ・3547字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 515 ・六年級

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

  • 執行編輯|林婷嫻、美術編輯|張語辰

為什麼要研究「分子束化學反應」?

「分子」聽起來離一般人的生活很遠,但比起每個月收到的帳單,分子可是天天與你生活在一起,包含氧氣、水氣等等。透過觀察分子的化學反應,還能幫人類解決生存難題。

舉個極為重要的例子:臭氧層破洞的速度有多快?這攸關地表全人類如何受到紫外線危害。中央研究院原子與分子科學所林志民與團隊,透過轉向思考、默默累積的實戰經驗,將視野聚焦到分子大小,成功解決國際科學家苦惱的難題。

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人生中有一些問題,如果總是順著同一個方向想,會產生盲點,在這不順遂的時候如果又吹起水逆、犯太歲等風向,會讓人不禁想放棄自己的人生。研究化學也是如此,若遇到無法解決的難題、或是學術上的爭議,當傳統的實驗方法行不通時,除了放棄還有更好的選擇──不如換個方向想

所謂「轉向思維法」,就是在研究解決問題或發明設計時,背逆通常的思考方式,從另一個角度尋找機會。透過這個思考方式, 2009 年時成功解決國際間對於臭氧層為何破洞的爭議,而突破盲點的就是中央研究院原子與分子科學所林志民與團隊。

當「陽光」遇上「過氧化氯(ClOOCl)」會加速破壞臭氧層
圖片來源|StockSnap.io by Natalie Collins

享受春天燦爛的陽光,對人類來說療癒身心,但對於春天時南極洲上空的臭氧層而言,陽光卻是破壞臭氧的共犯。人類使用冷媒等物質所排放的氟氯碳化合物進入大氣後,會分解產生氯原子(Cl)。氯原子會快速地摧毀臭氧(O3),形成氧氣(O2)及氧化氯(ClO)。在臭氧層中,兩個氧化氯易結合形成過氧化氯(ClOOCl)。這時候問題大了!過氧化氯分子會吸收陽光而分解,並再次產生氯原子(Cl)。在這個光化學現象的循環下,只要陽光足夠,少量的氯原子(Cl)就會破壞千倍以上的臭氧分子(O3)。

等等,以上這段文字讓人看得眼疼?下面這張圖說,為你示意臭氧(O3)、氯原子(Cl)、過氧化氯(ClOOCl)之間的愛恨情仇。

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氯原子(Cl)會摧毀臭氧(O3), 而過氧化氯(ClOOCl)照到陽光會再次產生氯原子(Cl),讓更多臭氧(O3)遭殃
圖說設計|林婷嫻、張語辰

如果缺少臭氧的保護,就無法擋住陽光中會造成人類致癌的紫外線。而威脅臭氧的兇手就是「殺了一個我還有千千萬萬個我」的氯原子,和「遇到陽光就情不自禁分解」的過氧化氯。

但在 2007 年一項學術爭議,讓科學家們懷疑上圖中所描述的臭氧層破壞原因是否正確,其爭議點就在於「過氧化氯分子吸收陽光的效率,到底是快?是慢?」,要探究這個問題,過氧化氯分子的「吸收截面積」是十分關鍵的數據,愈大的吸收截面積,代表光愈容易被吸收,過氧化氯分子愈容易分解,氯原子產生的速率也快。

2007 年美國噴射推進實驗室研究發現:「過氧化氯分子(ClOOCl)吸收陽光的效率很慢」。對此,科學家們產生強烈的爭議。

若根據美國噴射推進實驗室發表的結果,目前大氣中已知的化學反應,無法產生足夠多的氯原子以解釋臭氧洞的形成。那麼,是什麼造成臭氧一直被破壞?對此,國際科學家們產生強烈的爭議,甚至連兩大科學期刊《自然 Nature》 與 《科學Science》都曾對此議題發表不一致的評論。如果臭氧洞的形成另有未知的原因,目前人們保護臭氧層的方法還值得信任嗎?

傳統實驗方法行不通,換個角度解決問題

中研院環境變遷研究中心梁茂昌,先注意到臭氧層破洞爭議,鍥而不捨地提醒:「這個問題很重要,更重要的是中研院可以來解決。」

在當時的中研院李遠哲院長號召下,中研院原子與分子科學所林志民與研究團隊進入這個未知的領域,一開始先蒐集資料、了解其他科學家的問題出在哪。哈佛大學、劍橋大學等研究團隊亦相繼投入此議題,重新量測過氧化氯分子的吸收截面積,但皆面臨同樣的困難:過氧化氯的純樣品難以製備,以致於實驗數據有誤差、不易獲得可信的結果。

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因為在實驗過程中,需要把過氧化氯(ClOOCl)裝在瓶子裡,但瓶中的過氧化氯很不穩定、會慢慢分解成氧氣(O2)和氯氣(Cl2),當過氧化氯樣品受氯氣汙染,很難分辨打入瓶中的光線是被過氧化氯吸收?抑或被氯氣吸收?

中研院從「分子」找答案 vs 傳統實驗從「光線」找答案
圖說設計|林婷嫻、張語辰

林志民與研究團隊思考,當一個分子吸收光線產生分解,這個化學反應過程中可以選擇測量「分子」或「光線」,但在實驗室氣體樣品不純的限制下,從測量分子下手較為適合。因為不同分子的質量不同,測量某個分子的質量,就可以知道它是什麼分子,避免把氯氣誤認為過氧化氯這類情況。

林志民與研究團隊利用質譜偵測器,量測分子束中過氧化氯分子的數量,當光線打下去後,就能算出過氧化氯分子被光線分解的效率,也能得到吸收截面積的關鍵數值。由於質譜偵測器可以篩選質量,過氧化氯分子的訊號不會受到氯氣等雜質的干擾,得到的數據有很高的可信度。

在「過氧化氯」不純樣品中量測「吸收截面積」,就靠這台自行設計製造的秘密武器
攝影|張語辰

雖然測量「分子」需要用到質譜儀與分子束的儀器設備,比起測量「光線」困難好幾十倍,這也是傳統實驗都從光線下手的原因之一。但當時台灣研究分子束、質譜的技術已經耕耘十幾年,有李遠哲、劉國平、倪其焜、林志民等團隊長期累積的實戰經驗,發展比國外成熟許多,因此從分子的角度切入觀察,花了一年的時間就找到答案。

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2009 年中研院實驗發現:「過氧化氯(ClOOCl)其實蠻容易吸收陽光」。再次證實人類活動所排放的氟氯碳化合物是破壞臭氧層的主因,而且破壞臭氧的效率較以往認知的更快!

林志民與團隊的實驗數據顯示,過氧化氯分子的吸收截面積不僅遠大於 2007 年美國噴射推進實驗室的結果,且較學界在 2006 年的評估認定值 (JPL 2006) 為大。將此數據代入現有的大氣化學模型中,就能解釋臭氧洞的形成過程,再次證實人類活動所排放的氟氯碳化合物正是破壞臭氧層的主因。先前美國噴射推進實驗室的研究,因為過氧化氯樣品受到氯氣汙染,所以發表的過氧化氯分子吸收截面積,才會比先前學界接受的值小了近十倍,讓科學家們捲袖隔空交戰。

林志民團隊發表的過氧化氯分子吸收截面積,與其他實驗室數據的比較
資料來源|林志民提供

解決問題不只靠腦力,說好的儀器呢?

重要的問題經常需要新的量測來提供答案或解題的方向,而新的量測往往需要新的儀器。

每一個成功的科學量測儀器,背後都有一群默默付出的設計製造團隊。林志民與團隊運用分子與化學的知識,設計出量測過氧化氯吸收截面積的儀器,但這時一切都只實現在科學家的腦海中。必須與中研院原子與分子科學所自有的機械工廠和玻璃工廠合作,透過和師傅們不斷討論與調整、加工零件、組裝,才能將腦海中的儀器變成現實。宛如 007 電影中強大的 Mr.Q ,量身打造各種「科學家的武器」,支持研究員在前線挑戰各個難關。

中研院原分所的 Mr.Q ─ 機械工廠(左圖)、玻璃工廠(右圖)
資料來源|林志民提供

2009 年中研院的實驗結果發表後,國際學術界相當意外,因為本來沒人知道中研院有涉入這個領域,而且竟能找到非傳統的方法量測過氧化氯的光化學數據,為大氣化學家提供了精確的參考數據。

對於臭氧層為何破洞的爭議,若因實驗室量測數據的誤差而導致錯誤的環保政策,受到紫外線侵襲的後果將由地表全人類和生物們共同承擔。也許真實世界沒有超人或神力女超人來保護我們,但透過分子束化學反應這類基礎研究,有助從分子的視角,找到永續生存的對策。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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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

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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。

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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。

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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?

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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。

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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。

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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。

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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

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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。

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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。

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「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。」

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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。

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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。

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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。

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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?

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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