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實驗就是從失敗中找成功:由大海中找出人類世的蛛絲馬跡──任昊佳專訪

Suzuki
・2019/12/19 ・2884字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 499 ・六年級

「抱歉,我剛帶孩子去幼稚園,小朋友比較多狀況,所以晚到了。」臺大地質系副教授任昊佳衝忙地趕來研究室。她的研究室古色古香,鋪著木地板,桌子和櫃子都是木頭質地,還擺著兩張五顏六色用印尼廢棄的船板做的椅子。研究古海洋和古氣候的她也特愛逛古物店,正如古生物的標本,每件古物背後都有它的故事和環境的刻記。辦公室的一小角放著寶寶圍欄,任昊佳笑著說:「我的二寶剛滿兩個月,現在還是媽媽幫忙帶,之後我要帶來研究室,邊工作邊帶孩子,我大寶就是這樣帶的!」

旁人看來雖然辛苦,但任昊佳覺得很幸運,教職工作的彈性,讓她可以同時身兼數職,無論是當母親,還是科學家或是老師,都是她最喜歡的事情。

女生只會考試,不會做研究?任昊佳不自我設限,研究屢登國際期刊

任昊佳在研究上也有卓越表現,曾獲得中研院榮譽博士後,32 歲至臺大地質系任教,是當時臺大最年輕的老師,專攻氮的生地化循環、古海洋和古氣候研究的她,發表文章數度登在《Science》與《Nature》等國際頂尖期刊上,在今年獲得由吳健雄學術基金會和台灣萊雅公司共同主辦的「台灣傑出女科學家新秀獎」。

儘管學術成就令人刮目相看,任昊佳自認不是會讀書的料,能夠上北京大學實是緣分。她笑說,自己是因為高中參加太多課外活動,因而獲得「山東三好學生」得到保送至北京大學地質系的機會。

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讀北大時,老師在課上說:「女生只會考試,不會做研究。」此時任昊佳正猶豫要不要繼續讀博士,為了確認老師說的是不是真的,就去圖書館找西蒙波娃的《第二性》來看。從中她理解到「女性所設下的限制大部分來自於自己」,所以決定聽自己的聲音——赴美國攻讀博士。

任昊佳是台灣相當傑出的地質學家,現為臺大地質系副教授(圖片提供/任昊佳)。

開發反硝化細菌的生物方式,解析氮同位素

在美國普林斯頓大學攻讀博士時,她的指導教授主要是做「氮 (N2)」的生地化循環研究,不過相較「氧」同位素可以直接對照是溫度變化的信號,氮循環相當複雜,因為每種生物使用氮的方式不同,所以很難確定是環境的因素影響氮同位素的訊號,還是生物本身的代謝影響,處理起來相當麻煩。

過往研究會分析泥土中的氮同位素,但泥土會受到生物作用的影響,訊號已經改變,難以做出合理的結果。此時,她的指導教授就給她一個任務,將未受干擾的有孔蟲殼下之氮訊號,透過反硝化細菌的生物方式來解開,因為反硝化細菌會將生物體中的硝酸鹽轉化為一氧化二氮氣體,最後再用「穩定同位素質譜儀」來測定一氧化二氮氣體的同位素組成。

藉由反硝化細菌的生物方式來做,會比傳統將有機氮燃燒為氮進行同位素分析的效果更好、靈敏度至少高 100 倍。任昊佳解釋,有機氮燃燒擷取氮的過程需在真空的環境下進行,容易受到汙染,測量難度相當高。

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有孔蟲的化石樣貌,大部分有孔蟲的大小是小於一毫米(圖片提供/任昊佳)。

可是,當時她只知道這個方式理論上行得通,但全世界還沒有人成功做出來,而使用生物方式的最大難題就是得找到細菌喜愛的生長環境,否則牠不分解,你也拿牠沒轍。

為了找到可行的測量方式,任昊佳不斷調整菌種的養殖環境,「每次實驗結果要出來,我都會好緊張,然後帶著電腦站在穩定同位素質譜儀旁邊等待結果,指導教授看到就跟我說『I like your energy!』。」

任昊佳實驗室內的穩定同位素質譜儀機,裡頭有許多設備是自行開發的,讀博士當年她就是常常站在機器旁邊等待實驗結果(圖片提供/任昊佳)。

她在經歷過無數的失敗後,花費半年才找到最合適的實驗方式,而這個氮分解的研究方式至今在世界上仍是數一數二。

任昊佳笑說:「我的個性就是很拗吧!越做不出來,就越想做出來,我認為凡事一定有解答,失敗就趕快試其他方法。」或許是這份對真實的執著,及渴望尋找答案的熱情,任昊佳坦言,自己特別適合從事學術工作,也喜歡挑戰困難、沒有人做過的研究。

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在珊瑚體內發現人類排氮污染的痕跡

「厲害的科學家都在學校裡!」任昊佳的老師曾這樣跟她說,因為知識是需要傳播和討論的,因此她在美國哥倫比亞大學、中研院完成博士後研究,就到臺大地質所任教。

任昊佳表示,臺灣的研究資源不多,但分配比較平均,讓每個老師都有充分發揮的空間,儘管做古氣候和古海洋的研究者不多,但臺灣做出來的東西在全球都有知名度。

她在臺大透過反硝化菌分解氮的方式,首次直接證實人類活動排放的氮已經影響到遠洋環境,研究成果登在《Science》期刊。任昊佳解釋,那時台灣剛好在東沙環礁群島成立研究中心,她與研究團隊就追蹤東沙環礁的珊瑚中的排氮訊號,因為人為排放的氮通常比自然環境中的氮含有更多輕的同位素,從中測量分析,得知珊瑚中有機氮的同位素組成。

東沙環礁群島的採樣照片(圖片提供/任昊佳)。

「我們那時候發現也相當驚訝!」她表示,之後研究團隊也在百慕達和澳洲大堡礁追蹤珊瑚的同位素,但就沒有像東沙一樣有顯著的發現,推估可能是東沙海域是邊緣海,生地化的調節效果不如開放海域好,所以人為造成的氮才會透過大氣,直接沉降在該區域的狀況比其他區域明顯。

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任昊佳與美國哥倫比亞大學研究團隊推翻盛行已久「把鐵加入海中抗暖化」假說,該假說認為鐵會促使海中藻類增加,能增加攝取溶於海水中的二氧化碳。

不過,任昊佳與研究團隊針對赤道太平洋約 2 萬年前冰河期海底沉積物進行研究,發現對海洋藻類施鐵肥,雖會促進特定藻類生長,但也會用光其他藻類所需的營養鹽,而限制其生長,因此施鐵肥在減少二氧化碳和減緩全球氣候暖化上效果不如預期。此篇研究推翻假說、具有新意,榮登頂尖期刊《Nature》雜誌。

近期任昊佳在綠島飼養有孔蟲,希望能找出有孔蟲紀錄海洋沈積物訊號的方式及原因。

活體有孔蟲的樣子(圖片提供/任昊佳)。

基於真實的研究,都能逐步累積知識

「我對於生物與環境的關係相當感興趣,因為研究的對象取自於真實世界,而我的研究也無法告訴大家是百分之百正確,只是給個說法讓大家來辯論。」任昊佳笑說,循著線索找答案,刪除比較不可能的選項,這件事情相當有趣。

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儘管自己的研究屢登國際期刊,但她坦言,只要是基於真實數據做出來,且能夠找出讓人信服的解決方式,都是很棒的研究,大部分科學研究都是這個領域的逐步累積,未必能夠這麼幸運能登上一流的國際期刊。

最後,研究古海洋的她也語重心長地對大家喊話:「地球是包容度很大的地方,它經歷過冰雪覆蓋,也遇過溫暖無任何冰河的環境,現在人類排放污染尚未完全改變它的平衡,但哪天會失衡,我們並不知道。」所以人類一定要正視這些情況,開始改變,而她身為科學家能夠藉由研究,進而改變政策,和喚起大眾對環境的重視,是一件很有意義的事情。

任昊佳(右三)與研究室夥伴、美國學者的合影(圖片提供/任昊佳)。
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Suzuki
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超純社會組學生,對未知的一切感到好奇,意外掉入科技與科學領域,希望在猛點頭汲取知識的同時,也能將箇中妙趣分享給大家。

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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徒手探索宇宙的超級偵探!——李瑩英專訪
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/12 ・6769字 ・閱讀時間約 14 分鐘

本文由 台灣萊雅 L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15 周年而規劃,泛科學企劃執行。

  • 2019 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十二屆傑出獎得主
  • 本文的採訪時間為 2021 年 1 月 25 日

在採訪李瑩英教授之前,照慣例做了不少功課,但不得不說這是最徒勞無功的一次,因為真的太難了。不過與其說我感到挫折,反倒是覺得興奮,並由衷佩服頂尖數學家在破解宇宙語言上的成就,對這次的採訪也更加期待。

李瑩英是 2019 年第十二屆台灣傑出女科學家獎「傑出獎」得主,在數學領域的成就當然不遜於任何一位過往的得主,但她與其他來自物理、化學、生物等領域的科學家之間,有著「巨大」的差異:她沒有實驗室、沒有任何一台身價不凡的研究設備、甚至連辦公室裡這台桌上型個人蘋果電腦,也只是用來打字寫論文,有或無絲毫不影響她的研究。

「我不太需要電腦去做計算。有的人可能弄的東西是比較複雜,需要幫忙處理複雜的計算。我做的東西大部分是推理,然後想出證明,所以不太需要用到電腦。」李瑩英說得輕鬆。於是我問:如果今天在家族聚餐、吃喜酒、同學會上,被問到「數學家在做什麼」會怎麼回答?她笑著表示,數學家通常可以獨立作業,也不太需要跟非專業者溝通,因此要回答這問題反而比較困難。

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攝影/呂元弘

從實體到抽象,再回到實體

她說,從一隻羊、兩本書等實體,抽取出「數」,再進行推導,就是數學。「數學會有用,就是因為它抽離出來,不直接連結到事情。」李瑩英表示當科學家研究一樣東西,可能就只對這個東西有用,但數學研究的是共通的規律,只要發現同樣的結構,規律就可以派上用場。

「一開始原始的問題可能出自自然界,但是當提了一個這樣的問題後,我們(數學家)就想說『這是不是共同的現象?還有沒有其他的可能性?它自己本身是不是完整的?』然後越推展越遠,有些人就覺得抽離現實的世界了。」她以「歐氏幾何」為例,其曲率為零,然而若不堅持第五公設,則能推導出曲率為正或負的「非歐幾何」,由此發展出的黎曼幾何就被愛因斯坦用在廣義相對論,描述重力現象。

此外,在量子計算中用到了數學家很熟悉的希爾伯特空間(Hilbert Space)、在物理學應用場論、在密碼學中則用上了數論及橢圓曲線,數學被運用在其他領域的例子屢屢可見。她認為數學就是在實體與抽象之間,與各領域不斷互動。也因此儘管身為純數領域的數學家,李瑩英積極跟外界對話。之前擔任中華民國數學會理事長時(109年~110年),便打算透過網站收集跟呈現數學的有趣應用和案例,希望吸引更多年輕人對數學感興趣。

她認為數學家的訓練讓他們能夠比一般人更快看到問題核心,而且比較嚴謹,就像是學語言學久了會有語感,學數學久了就會有數感。一般觀眾看《天才無限家》這部描寫印度數學家拉馬努金的電影,會被劇中拉馬努金天才般的能力給震撼,但同樣作為數學家,她在電影中看見的是拉馬努金透過不斷不斷地計算、磨練,才將數學能力磨成直覺。令她也心有戚戚。

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從數學到物理,再回到數學

雖然李瑩英從小知道自己數理能力好,解題就像遊戲般好玩,讓她享受從不知所以到豁然開朗,但她沒想過會成為數學家。記得升大學選填志願時,她曾在物理跟數學之間猶疑,「因為我都很喜歡」。她認為讀基礎科學打底肯定不會浪費,就算未來要轉到其他方向,如工程跟電資等科系也可以。本來填的第一志願是臺大物理系,不過就在最後一刻被高中同學說服,認為她更適合唸數學,而改選了臺灣大學數學系為第一志願。

念數學系能幹嘛?那時剛上大學的她對職涯沒太大概念,但因為都是自己喜歡的課程,她可說是如魚得水。後來大學畢業的暑假,她動了一場大手術,在復原期間讀了朋友送她的書《近代宇宙觀中的空間與時間》。宇宙的概念及有沒有邊界,是小時候困擾她許久的謎題,書中提到宇宙是一個三維緊緻無邊界的流形,而且還在不斷擴張。數學訓練讓她立刻理解這個說法,並解答了心中被遺忘多年對宇宙邊界的困惑。這再度喚醒她對物理的熱情,並開始閱讀一些物理、特別是數學物理的書籍。她形容當時再次接觸物理的自己「衝勁十足,因為物理把很多東西寫得很吸引人。」

但讀著讀著,她心中又泛起了迷霧。

「從物理書籍的敘述方式,我沒辦法清楚判斷及確認其中什麼是假設、什麼是推論。它全部都混在一起。 」李瑩英認為,相較於混雜的物理,數學非常簡單而清楚。何為定義、何為推理;什麼是對的、什麼是不對的,在數學裡沒有模糊空間;物理則是在迷霧中建構模型,以逼近解釋自然現象的道理。在物理學中,曾經被視為正確理論,還是可能會被推翻或修改,對於正確及論理的要求並不像數學那樣嚴格。雖然再次受到物理吸引,但當她感到兩門學術間文化的差異,她再次做出了選擇。

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想要解開更多數學問題的她,越鑽越深。然而要解答任一個數學問題,往往牽一髮動全身,時常得對整個結構、領域、現象都了解透徹,才能得到答案,過程中又會觸發更多問題,為了解答問題還得發展很多工具,接著又引出更多其他問題。「出發點可能只是為了解決一個人類的好奇心,但在過程中往往觸發了很多數學的研究。」她說。

就像李瑩英研究的專長之一為「拉格朗日極小子流形」(minimal Lagrangian submanifold,或譯拉格拉奇極小子流形),其實研究的出發點單純只是因為好奇,她也沒有想到會與物理學上的「超弦理論」(Superstring Theory)有關。「我們原來是從幾何的觀點,把黎曼結構跟辛結構結合起來,我覺得這個子流形有一些很好的性質,會是更自然的代表元,就想去了解這個東西。」她表示物理學家也很厲害,雖然是獨立發展,但與數學家所見略同,才能把拉格朗日極小子流形的研究跟弦論結合。

可以想像,理論物理學家跟數學家都很習慣獨自作業,然而跨域交流的確帶來更多可能,這也成為自 2021 年起身兼國家理論科學中心數學組主任的李瑩英的目標。「我必須說,過去交流都一下子而已,然後又各自忙了。我們希望跟別人多一點合作跟交流,不見得是我自己的研究,而是推動整個數學界跟中心的發展。」她表示。

身兼多職的她,除了會議跟授課,剩下的時間當然還是投入在研究中。每天她都會先上網看看 arXiv.org > 數學 有沒有更新,讀讀新文章,再繼續想自己的問題。當思考極度投入,算著想著就忘記時間是常態。「我有一個合作者是牛津大學的教授,以前去短期訪問他時,每天基本上就是早上 10 點一直談到下午 5 點。討論、提想法,閱讀相關文獻,各自計算論證及思索,然後繼續交流討論。不斷循環,直到柳暗花明找到突破點。」對數學家來說這就是做研究。

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在她辦公室,有一塊寫著各種算式的大白板。「有時候需要動手寫下來比較容易看得清楚。」她說她也曾把所有計算及證明寫在許多大張的月曆紙背面,鋪滿地板然後再連起來。據說 Maryam Mirzakhani(第一位,亦是唯一一位得到數學界最高榮譽菲爾茲獎的女性數學家)也會這麼做。這麼說來,儘管數學家不需要大間實驗室擺放各種實驗跟研究設備,但似乎也需要大坪數的辦公室?她開玩笑說:「不見得啦,因為沒辦法走那麼遠。」

攝影/呂元弘

從學生到親師,再回到學生

數學需要專心,越是念茲在茲,就越有「感覺」,對於數學家來說是這樣,對學生學習來說也是如此。自 1993 年起,教育部推動「建構式數學」與過往教學有極大差異,在教學現場接續出現許多爭議及問題,也引發許多社會輿論反彈。2000 年左右,眼見九年一貫進入試行,同時接受「建構式數學」的一代進到國中引發爭議,李瑩英與數學界其他憂心的學者一同投入改革,希望能扭轉造成傷害的趨勢,並且解決已經發生的一些問題。她表示,另一個促使她關心這個議題的原因是當時她女兒即將上小學,覺得有必要瞭解女兒即將面臨的教育制度及內容。

在花時間仔細閱讀各版本的建構式數學教材,以及 9 年一貫綱要後,李瑩英發現許多嚴重的問題,因此寫了一些文章發表意見,也和幾位數學界同仁一起去找當時的教育部長黃榮村,提出一些看法、憂慮與建議。後來對於臺灣的數學教育,李瑩英投入許多,從國際比較、綱要修訂、與數學教育界爭辯論述,到後來負責銜接補強計畫,以及擔任國立編譯館教科書審查的主任委員 ,在這 5、6 年期間,她所投入的時間及工作份量,幾乎是一個全職工作。

李瑩英提到:「建構式數學的原來出發點其實蠻好……但是學習一個東西,例如學習語言,首先要有些基本能力,才能談更進階的。而基本能力建立時,需要反覆練習,就像小朋友學說話,要不斷地模仿、不斷地練習。」李瑩英認為當時建構式數學的最大問題是,要求小孩在基本能力還未建立前,就要從嘗試中自己發現規律,例如重新發現加法、乘法、乘法交換律等,學習變得非常瑣碎。

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另外,要能教建構式數學,老師也需要有很好的能力,教學方式也要充滿彈性,但在臺灣的環境實在很難實踐。實際發生的狀況常例如學生已經會用乘法了,老師卻要求一定得用「建構式」連加法,學生用乘法明明得出了正確答案,卻還要被打一個大叉。

李瑩英不諱言當時跟提倡建構式數學的數學家之間的確有衝突,但後來還是能彼此合作、尋求共識,最終的方案也吸取了建構式數學的優點,可視為一種「改良式建構式數學」。在當時,除了主持最困難的小學數學綱要修訂,她還接著規劃新舊版綱要的銜接計畫,並擔任教科書審查、確認新版教科書能落實新綱要的要求。整個過程就像是穿著衣服改衣服。

十多年後的此刻,回望當時的努力跟後來的演變,她嘆息說:「我覺得教育改革中比較大的問題是無法累積成果,常常一個新方案就把舊的全部東西打掉,重來一次。雖然大家都花了很大的力氣,但是卻像向量和,不是在直線上累積,而是彼此抵消回到原點。」她認為教育改革最重要的是要先建立一個有效率的平台及機制 ,讓各方意見可以溝通整合、漸進調整,讓大家的努力及正面效益能不斷累積,不應該一味求快、期望某種做法能一體適用。

對於目前的數學教育,李瑩英表示這幾年並未投入時間及精力,僅就過往經驗分享一些想法。例如,每個學生的需求及能力不同,李瑩英認為硬性規定高中數學課程及教學時數並不合宜,她最關注的是要讓真正對數學有興趣及有需求的人能獲得扎實的訓練。她認為現階段臺灣高中數學的訓練,對未來有志往理工科技發展的前端人才並不足夠;與國外相比,許多國家優秀人才的學習其實跑得非常快、也很扎實。另外,許多人批評現在學生面對數學普遍不求理解、無法清楚論述答題。她建議要讓學生養成作題時仔細寫下每一個步驟,同時將理由註解在每一個步驟旁的習慣。如此假以時日一定可以論理清晰,數學功力大增,也不容易犯錯,這也是她國中時數學老師對他們的要求。

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「數學是結構性很強的東西,前面不懂,就會影響後面的學習。在學校可能進度比較趕,沒有讓學生照自己的步調把東西學起來……其實不管步調多慢,只要把東西搞懂,就會讓人覺得非常愉快。」她說,學數學的成就感,就來自於從本來不會,到後來能夠想通理解。最大的挫敗感,則來自一直沒辦法掌握,其癥結常常就是前頭有地方漏掉了,卻沒時間補起來。

她在協助修改課綱時,一些家長曾跟李瑩英說他們非常害怕數學,所以對孩子總是一副「你都不要來問我」的態度,這自然影響了孩子對數學的態度。她建議這些家長,陪著孩子重新學,肯定學得會,而當自己對數學的陰霾消散,就會有信心不排斥,也可以跟孩子分享自己以前哪裡搞不懂,以同理心給孩子支持。

當然,李瑩英並不是希望人人都能成為數學家,她也認為無需勉強不擅長的人,硬搞齊頭式教育,徒增痛苦。但數學是人類文化的重要資產,若能夠藉由數學熟悉抽象思考,對未來生活或是往其他理工科發展,都至關重要。畢竟小至看穿保險推銷員話術,大至面對人工智慧時代的各種黑箱演算法,都得仰賴抽象思考。

儘管在目前的中小學教育環境裏要做到因材施教、自訂進度,難度非常高,李瑩英表示已經有學校嘗試做跑班,也就是同一年級可以有不同的進度,讓一些人繼續衝刺、一些人逐步補強。她不認為線上教育是終極解方,因為在中小學階段,面對面與人互動、討論,能夠讓學生懂得去理解別人的思路,在學習上給老師的回饋也更直接。老師也能透過「小老師」制度,讓領先的學生協助落後的學生,同時增加學生的表達及其它綜合能力。

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從傑出科學家到研究生,再到高中生

李瑩英記得,小時候的自己就是這樣培養能力。她從小學到中學都常擔任小老師,負責出題且樂在其中。身為數理強的女生,不管是初中時男女合班,或是高中時讀純女校,她都不曾覺得受到刻板印象威脅。對此,她認為老師能不能設法平衡是關鍵,例如在一個班上,若一開始是男生數學比較好、舉手回答舉得很快,漸漸就會變得都是男生在發言;而老師也順水推舟的話,就可能讓班上的女生更不願意表現。當然,在女校也不見得就沒有其他的問題,例如若老師認為班上都是女生,所以教的數學偏簡單,也會讓競爭跟刺激不足。

李瑩英認為數學適合所有對數學有興趣的人,不會因為性別、年齡或階級而有差異。畢竟數學的對跟錯很清楚,而且數學人的個性,通常也不看重那些與數學無關的標籤。

數學也給予研究者很大的時間跟空間彈性,例如她的男性同事就有不少位負起接送小孩的責任。她認為政府可以透過提供優質豐沛托育環境跟養育設施、措施,讓所有人──不只是數學家或科學家──可以在工作與自我實現上更無後顧之憂。以數學家來舉例,若得照料小孩,許多學術會議可能就去不成,因此如果學術會議能提供托育相關措施,便能讓女性與男性都受益,不至於系統性地打壓了某一性別。

「在科技部也是有這樣的現象。女性計畫主持人相對來說比例較低,可能因為在職涯中有幾年專注在家庭,回來時就比較辛苦。因此應該要建立機制,看怎樣鼓勵及扶持,讓不管是男性或是女性,即使有一段時間中斷,還是有機會再投入研究,做出好成果。畢竟要訓練一個人真的很不容易,他們都是國家寶貴的資產。」她表示。

由於先前提到的量子運算、密碼學、人工智慧等熱門領域都高度仰賴數學,各國國安單位、華爾街的金融產業與矽谷的科技業都大量聘用數學家,其他最具發展性的職涯也多半與數學相關(如資料科學家、精算師、統計學家、資訊安全分析師、軟體工程師等)。根據李瑩英掌握到的消息,在國外許多大學一年級主修數學的人數可能多達 400-500 人,然而「在台灣,這個現象還沒有發生。」

像她這樣的數學研究者除了沒有實驗室跟眾多設備以外,相較於其他領域,其實還有一個很大的差異。在其他領域,博士生通常都已能幫老師做研究,但在數學領域裡,即使是博士生,多還在接受教導跟訓練,幫不上老師的忙。因此老師不太能收很多學生,更遑論收高中生來培育,實在是心有餘力不足。

因此,為了降低 “pipe-leaking” ──也就是隨著大學、碩博士、學術工作等階段,女性越來越少的現象,李瑩英認為女性科學家除了到學校演講吸引學生興趣,更應該給予大學生或研究生專業職涯上的協助。傑出學者能給正在抉擇關卡的研究生直接的協助,告訴他們在專業路上如何繼續走、碰到困難可以怎麼做,特別是在女性比較少的領域裏,這些幫助尤為重要。而研究生們也能協助帶領或與年輕學子分享,尤其年紀較為接近對學妹們可能更容易親近,達到力量的加乘效果。

因為頭會怕冷而戴著帽子的她,一談到如何幫助後進,語調雖然溫柔,眼睛卻特別炯炯有神,期望能發揮身為傑出學者更大的價值跟影響力,不怕自找麻煩,看見各種結構的規律,試圖算出最適切的解答。我想,這就是李瑩英的數學家本色吧!

攝影/呂元弘

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

台灣數學女超人李瑩英博士,頂尖幾何分析成科學金鑰-第十二屆台灣傑出女科學家獎得主/YouTube

本文由 台灣萊雅 L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15 周年而規劃,泛科學企劃執行。

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就是想知道十萬個植物的為什麼!解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪
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本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳,畢業自台灣大學植物系,在美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)進行博士後研究,研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究,在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機,可能很難立即知道失主是誰,甚至有點摸不著頭緒:因為她手機裡超過 80% 的照片,都是植物。為何會選擇植物作為研究領域?身為中研院分子生物研究所特聘研究員,在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說,這個決定其實「不太科學」,因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇,因為好奇而想要知道更多:許多 love story 都是這樣開始的,而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢?也因為一般人都不夠認識植物,聽不懂植物的細語呢喃,更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家,擔任植物駭客兼翻譯,讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

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故事,從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。圖/劉志恒攝影

分子生物學突破:發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」,大幅提升了糧食生產量,餵飽了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要,然而植物透過什麼機制攝取氮肥?如何調控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮,是生物存活的重要元素;從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素,到與遺傳相關的核酸中,都有氮的存在。但對植物來說,要取得氮元素卻出乎意料地困難;大氣的組成中近五分之四為氮氣,但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」,其中又以硝酸鹽為主。

但是,硝酸鹽是帶電離子,無法自行通過脂質構成的細胞膜,那到底植物如何利用硝酸鹽呢?為了解開這個長年來的謎題,蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株,並利用當時最新發展出來的分子生物技術,試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示,這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株,在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現,這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹;卻直到她開始進行博士後研究,伴隨植物分子生物相關技術發展,才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

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這樣的研究自然充滿了挑戰,因為新技術還不穩固,就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她,決定一邊持續研究氮代謝,一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術,1994 年,蔡宜芳從美國回到台灣,持續研究進一步發現, 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白,除了作為硝酸鹽的「搬運工」,還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中,植物是被動的吸收養分:但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時,植物會主動改變硝酸鹽的運作模式,這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換,因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1,植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度,幫助植物調控基因表現,以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控,在農業領域十分有發展潛力,蔡宜芳的研究進一步轉向,對接實際應用,期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外,她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式,增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失,因此多數的氮肥施放到田間後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能減少施肥的浪費,連帶減少製造氮肥耗用的能源,也讓農作物長得更好。

好消息是,透過基因調控,蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功,並取得相關專利,期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品:好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心,對她來說和植物有關的十萬個為什麼,猶如始終永遠拼不完的大型拼圖,從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意義),想靠自己解開植物現象背後的秘密。

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人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解,往往覺得植物跟動物一點也不同,然而在蔡宜芳看來絕非如此,她表示,已經有研究發現,當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間,植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫,但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其實都知道,只是用我們不懂的方式在表達,要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖/劉志恒攝影

當然研究也不能自己埋頭苦幹,交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年,但回憶起剛建立獨立實驗室的階段,面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題,當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人,被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點,一來一往的思辨與答辯,反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破,是因為被質疑的時候很生氣,可是不能光氣,也要想辦法解決。就在生氣的時候,想出來的方法,最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時,認真地給出言之有物的評論,幫她累積了領域內的信譽,才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練,對科學家的養成非常重要,然而蔡宜芳觀察,科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例,在美國課堂上,老師會要學生先讀一篇論文,接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人,都會把 paper 當作傳世經書在讀,讀懂它就覺得很開心了——要去批評它,我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦,但會痛就代表該變。

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她就此改變了思路:面對知識,蔡宜芳要求自己不僅要讀懂,還要有餘力批評它,說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為,科學就是得永遠抱持著質疑的態度,在不疑處有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面,我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中,會不斷要求學生思考、批判。圖/劉志恒攝影

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她,在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了,革命十次稀鬆平常,如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走?那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力,身為科學界的女性,蔡宜芳認為,自己的成長環境中,性別造成的影響並不大,以她所在的中研院分生所為例,研究人員性別比例很平均。但若深入細究,「無意識偏見」(unconscious bias)仍難以避免。她以自己帶過的學生為例,生科領域在大學時期男女比例大約是各半,但隨著碩士、博士一路往上,男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候,往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先,這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」,成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她,時常是唯一獲獎的女性,而就在接受採訪不久前,她又獲頒一個獎項,直到頒獎當天的照片寄回到所上,「一片黑西裝裡面,就我穿黃色!」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時,也對她苦笑說:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

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「先不要去想會有這個東西,做該做的事情。真正不平的時候,不要安靜不講。」儘管環境仍待改變,蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步,就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥,遇上一位不放棄的科學家兼植物迷,造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣,裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片,請別質疑自己是不是怪怪的,或許妳也將靠著研究,改變世界,這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

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