「黑死病」再現？談鼠疫的流行病學與防治追蹤──《科學月刊》

本文由 高柏科技 合作，泛科學撰文

林唯耕剛回台灣任教時，曾在清華大學的實驗室裡用一立方公分的「氨」做實驗。沒想到氨氣意外洩漏，那股刺鼻的氣味瞬間瀰漫整棟大樓，引來眾多師生抗議。

「從此以後，我再也不敢在實驗室裡用氨了。」他在《思想實驗室》的訪談中，帶著笑意回憶這段往事。

這段插曲聽來像是一則工程師的寓言：在理論模型中，氨是太空熱控系統的理想介質；但在現實的辦公大樓裡，它首先是逼人逃竄的臭味。公式本身沒有錯，但現實世界永遠比公式更複雜——它包含了人、成本、風險，以及必須為後果負責的工程師。

高柏科技技術專家、清華大學榮譽退休教授林唯耕 ，曾任職於美國 OAO 工程部熱流組，深耕電子構裝散熱與熱管技術多年。隨著 AI 浪潮席捲全球，他鑽研一輩子的老問題再次被推向科技產業的核心：當晶片運算速度無止境攀升，那股伴隨而生的熱，究竟該往哪裡去？

熱不會讀新品發表會

科技巨頭在發表會上熱衷於談論大型語言模型、GPU 規格與驚人的算力。這些詞彙在投影片上光鮮亮麗，彷彿進步毫無邊界。然而，每一次數位運算都紮實地發生在實體晶片上。晶片會發熱、材料會疲勞老化，一旦設備過熱，系統便會降頻保護。在物理現實面前，再動聽的發表會敘事也必須低頭。

回顧個人電腦發展早期，晶片幾乎不需專屬散熱元件。隨後，鋁製鰭片、風扇、熱管到均溫板逐一登場。這段歷程常被視為技術升級，其實更像是對空間的極限勒索：晶片功率翻倍，發熱源的面積卻沒變大，機箱空間也不可能無限擴張。

林唯耕指出，散熱設計的核心只有三要素：功率、熱源面積與空間限制。他舉例，在標準的 1U 機箱中，若發熱面積約為三十乘三十毫米，氣冷系統在達到八百瓦時就會面臨瓶頸。這並非固定的物理常數，而是取決於空間、面積與氣流的動態平衡。最現實的代價在於，風扇轉速提升的背後，是噪音、電力損耗與空間占用。

因此，「液冷技術」的興起並非單純為了追求酷炫，而是算力密度提升後的必然選擇。它能更精準地帶走晶片廢熱，卻也將新的挑戰帶入機房：漏液風險、流道堵塞、材料相容性，以及維運時的難度。工程的進步，本質上鮮少是徹底消滅問題，更多時候是選擇一組「比較值得承擔」的新問題。

太空教他的，不是把答案搬回地面

太空熱控工程之所以迷人，是因為它剝奪了地球上最常見的散熱工具。在真空宇宙中，沒有空氣能讓風扇製造對流；受光面溫度破百度，陰影處卻極度嚴寒。工程師必須純粹仰賴熱傳導、熱輻射，以及熱管與環路型熱管（LHP）來搬移熱能。

熱管運作的關鍵在於「相變」——液體蒸發時吸收大量潛熱，冷凝後重回循環。林唯耕比較了銅與水的熱傳導能力：在他設定的特定條件下，實心銅塊約能傳導 120 瓦的熱能；但若每秒有一立方公分的水發生蒸發相變，移熱量可瞬間拉升至 2.4 千瓦（kW）。他強調「每秒」的觀念，因為散熱談的是動態流動速率，而非靜態的冷卻魔法。

儘管如此，太空科技並不能直接套用到地面。太空元件因考量重量、功耗與維修難度，偏好無馬達幫浦的被動式設計；但地面 AI 伺服器面臨更高的熱負載與環境溫度，往往仍需幫浦驅動流量。當年那場「氨氣洩漏」事故正是最好的提醒：技術是否「先進」，與它是否「適合」當下的場景，始終是兩回事。

好論文，為什麼仍可能造不出好產品

學術研究致力於證明「可行性」，而工業現場則要求「可重複性」——不僅要能運作，還得確保每台出廠的設備都不漏水。林唯耕將此定義為「從 0 到 1」與「從 1 到 100」的差別。後者涉及良率、成本、公差與客戶信任。論文中那次最完美的實驗數據，在產線上往往未必管用。

他從不避談失敗。在高柏科技早期與學界合作時，也曾遇過實驗數據無法複製，或研究方向偏離產業需求。這未必是雙方努力不夠，而是彼此對「成功」的標準不同。為了解決這道鴻溝，高柏科技推動「柏苗啟航創新培育計畫」，每年投入逾千萬資金與成大、中山、台科大等校合作，並指派專業人才在過程中持續微調、校正，確保研發貼近產線現實。

他分享了近期一項液冷工質校正專案。團隊使用非侵入式的超音波流量計進行觀測，但由於儀器預設以「水」校正，換成其他化學流體後讀數便出現誤差。最初嘗試用幫浦壓差推算，卻發現缺乏重複性，數據甚至推導出不合理的蒸發率。最後團隊回歸基本面，改用秤重法搭配能量平衡進行交叉驗證，才讓數據成功收斂。

這個故事真正的價值不在於「產學雙贏」的口號，而在於那段不夠優雅的挫折：假設失效、數據混亂、方法砍掉重練。也正是在這種時刻，企業需要的不只是會算數的人才，而是能洞察研究何時「走鐘」，並有權力喊停、要求重來的關鍵決策者。

林唯耕坦言，過去在校園裡總認為「技術第一、成本第二」，進入商界後才驚覺行銷與信任關係往往才是關鍵。這番話雖然不如科技突破那樣動聽，卻是產品能否進入市場的殘酷真相。再卓越的散熱設計，若無法穩定生產或贏得客戶信任，也僅止於一份精美的報告。

AI 會給答案，誰來負責出貨？

訪談尾聲，主持人國威提出了一個時代難題：假設 AI 能在彈指間生成散熱架構、材料配方與流道設計，企業該選擇全面擁抱 AI 的速度，還是保留緩慢但穩定的工程驗證，以規避潛在的失效風險？

林唯耕拒絕落入二選一的框架。他的觀點是：兩者並存。AI 擅長處理資訊、生成草案；但工程師仍須實作原型，進行嚴苛的性能與可靠度測試，最終由人決定是否出貨。這並非盲目崇拜人類直覺，而是基於一項事實：AI 的資料庫裡，通常沒記載下一次「意外洩漏」或「材料疲勞」的細節，且模型永遠無法為量產結果擔負法律與商業責任。

在 AI 時代，最稀缺的未必是熟練下指令（Prompt）的人，而是具備這種能力的人：能預判答案可能在哪裡出錯、能設計實驗將問題「逼」出來，並且願意為最終的量產品質負起責任。

大眾習慣將雲端想像成輕盈、無重量的空間。但現實中，雲端是由龐大的機房架構而成，裡面裝滿了晶片、管線、泵浦與冷卻液。虛擬算力的每一次擴張，都會在實體世界留下發熱的足跡。散熱工程師的價值，就是不讓這筆物理帳單，被埋沒在光鮮亮麗的投影片背後。

• 文／Heidi
• 本文編譯自《Science’s 2022 Breakthrough of the Year: A telescope’s golden eye sees the universe anew》

接續上篇：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

看過 2022 年十大科學突破的前五項後，你是否迫不及待想知道另外五項呢？讓我們繼續看下去吧！

多發性硬化症的元兇：EBV 病毒

多發性硬化症（Multiple sclerosis）是一種中樞神經系統疾病，初期症狀只有視力模糊、手腳麻木、走路不穩等，到了後期便逐漸讓病患喪失視力、無法說話和行走。

• 延伸閱讀：免疫細胞誤擊友軍造成神經「短路」！——症狀千變萬化的多發性硬化症

長久以來，科學家懷疑多發性硬化症的元兇是「人類疱疹病毒第四型病毒」（EBV）。這種病毒主要透過唾液傳播，幾乎每個人一生中都會感染到，然後病毒會潛伏在白血球中。雖然患者大多都有 EBV 抗體，但 95% 的健康成年人也有，難以作為判定依據。

然而，今年 1 月刊載在《Science》的研究指出，感染 EBV 將導致罹患多發性硬化症的風險增加 32 倍。另一篇《Science》研究也發現潛伏在白血球中的病毒可能會「甦醒」，而病毒的其中一種蛋白質，會誘使免疫系統攻擊中樞神經細胞。

這些新發現給了科學家開發疫苗的方向。目前，有一種 EBV 疫苗正在進行臨床試驗，要是數據顯示疫苗有效，那麼在未來，多發性硬化症或許就能像小兒麻痺一樣，從此絕跡。

• 延伸閱讀：小兒麻痺疫苗的誕生——沙克誕辰｜科學史上的今天：10/28

美國簽署《降低通膨法案》，搶救發燒的地球

今年 2 月，聯合國 IPCC 第六次評估報告指出，若是全球平均升溫超過 1.5°C，各地都將出現多種極端氣候災害，部分地區也將不再適合人類居住。

• 延伸閱讀：IPCC 最新氣候變遷報告說了什麼？更熱的地球與更脆弱的人類

8 月，美國總統拜登（Joe Biden）簽署了《降低通膨法案》（Inflation Reduction Act），試圖從綠能、醫療、稅收等三大面向解決通貨膨脹的問題，同時減少溫室氣體排放，堪稱美國史上最重要的氣候法案。

身為全球第二的溫室氣體排放國，美國將在未來 10 年撥出 3690 億美元，投入綠能、電動車、核能發電等產業，目標是在 10 年後（2032 年）將溫室氣體排放量降低到 2005 年的 40%。

目前，全球平均升溫（相較於工業革命前）來到 1.2°C，而且今年的溫室氣體排放量仍持續上升，沒有下降趨勢。許多氣候科學家都認為升溫幅度必然超過《巴黎協定》規範的 1.5°C 上限，因此我們都需要盡快採取更多行動保護地球。

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逃過黑死病的方法，竟然是遺傳？

700 年前，橫行歐洲的黑死病殺死了 1/3 到 1/2 的人口。關於那些倖存者，科學家好奇了很久，想知道他們當初是如何逃過一劫，以及黑死病究竟帶來了什麼影響。

• 延伸閱讀：花粉揭秘：黑死病災情，歐洲各地很不一樣

今年 10 月， ㄧ篇《Science》的研究顯示倖存者體內可能有基因變異，提升他們對鼠疫桿菌（Yersinia pestis）的免疫反應。團隊分析了 500 多具遺骨中的古代 DNA，發現在英國倫敦爆發黑死病後，倖存者體內有 245 處的基因都有出現變異。

在這些 DNA 裡，內質網胺肽酶 2（ERAP2）引起了科學家的注意。這種蛋白酶有兩種變體：一種是完整尺寸，另一種較短，但都可以幫助免疫細胞識別、對抗病毒。科學家發現，遺傳完整尺寸 ERAP2 的人類存活機率是 2 倍，因為他們能夠生成更多細胞激素，協助免疫系統對抗鼠疫桿菌。

• 延伸閱讀：發炎反應的關鍵訊號「細胞激素」和它們的發現者—— 2020 唐獎生技醫藥獎

如今，約有 45% 的英國人體內還存有完整尺寸的 ERAP2 變體，但代價就是 ERAP2 也會增加罹患克羅恩病（Crohn’s disease）和類風濕性關節炎等自體免疫性疾病的風險。

碰！NASA 撞歪小行星！

多年來，NASA 持續監測直徑超過 0.5 公里的近地小行星，並且透過「雙小行星重定向測試計劃」（DART）研究多種讓小行星偏離軌道的方法。

• 延伸閱讀：披著喜劇外皮的警世寓言：《千萬別抬頭》背後的科學真相

今年 9 月，NASA 讓 DART 飛行器以 22,530 公里的時速撞擊小行星 Dimorphos，讓 Dimorphos 更靠近它繞行的另一顆小行星 Didymos，縮短了 32 分鐘的公轉週期，比 NASA 原先設定的目標還要高出 26 倍。

目前為止，天文學家估計軌道與地球軌道相交的近地小行星有 25,000 顆，大小都足以摧毀一座大城市。雖然行星防禦系統（Planetary Defense）尚未建構出完整情報，但針對人類首次改變天體運行的壯舉，NASA 署長表示「這是行星防禦任務的分水嶺，也是人類文明的分水嶺」，有助於降低小行星或隕石撞到地球的機率。

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從永凍土提取環境 DNA，重建古代生態系統

以往普遍認為 DNA 的保質期約為 100 萬年，但在今年 12 月，科學家從北極寒漠的永凍土中，提取了 200 萬年前殘留至今的環境 DNA 片段。透過分析這些片段，科學家還原了格陵蘭東北部皮里地（Peary Land）約 200 萬年前生態系統的樣貌。

英國劍橋大學研究顯示，在 200 萬至 300 萬年前，皮里地的平均氣溫比現在高 11℃ 至 19℃。從 5 處沉積層中提取的 41 個 DNA 片段，證實了當時有楊樹、樺樹、崖柏和各種針葉樹，也有野兔、旅鼠、馴鹿、囓齒動物，以及 1 萬年前滅絕的大象近親——乳齒象。過去從來沒有科學家料到乳齒象的活動範圍竟然延伸到那麼遠的北方。

可惜的是，因為缺少脊椎動物的化石，目前還不清楚確切的生物群落組成，但這項研究證明了利用環境 DNA 追溯 200 萬年前的古生物是可行的，而這也有助於科學家進一步探討生物和環境的演化。

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鼠疫桿菌導致的黑死病，史稱鼠疫桿菌的第二次大流行，公元 1346 到 1353 年的大瘟疫影響歐洲非常深遠。已知最早 1346 年的病例位於黑海附近，不少學者卻主張這波鼠疫桿菌來自更東方。2022 年發表的論文報告，在天山地區的古墓中，找到黑死病起源的線索。

威脅潛伏：來自黑海更東方的鼠疫桿菌

取樣古代 DNA 的技術成熟後，如今可以直接定序遺骸中的 DNA 片段，查看是否存在鼠疫桿菌（Yersinia pestis）等微生物。一系列研究得知，人類感染鼠疫桿菌的歷史超過五千年，因此在黑死病的年代，鼠疫桿菌並非新型傳染病，只是以前都沒有過那麼嚴重。

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鼠疫桿菌和所有生物一樣，會持續改變遺傳序列。假如黑死病源自黑海的更東方，那麼在比黑死病興起更早的時間點，黑海東邊的某處，應該能見到導致黑死病的鼠疫桿菌品系，變成黑死病品系之前，還差一點的樣貌。

最近一隊專家重新調查，早在一百多年前便已得知的遺址。用現代的國家疆域劃分，地點位於吉爾吉斯北部，伊塞克湖（Issyk-Kul）周圍的楚河谷（Chüy Valley）兩處遺址：Kara-Djigach 和 Burana。

早在公元 1885 到 1892 年，俄羅斯帝國時代的考古學家 Nikolai Pantusov、Daniel Chwolson 便探索過這兒。

世界各地的考古遺址，數量其實非常多，但是大部分都沒有受到重視。吉爾吉斯古墓時隔一百多年後又引起注意，是因為有些墓葬的石碑記錄提到「瘟疫」，剛好被新時代的專家聽到。

蒙古帝國宗教寬容政策下的新移民社群

接下來一段和黑死病不直接相關，卻不失為有趣的歷史，能順便認識現代的跨領域手段，如何探討這類問題。沒興趣的讀者可以直接略過。

石碑上紀錄的名詞為 mawtānā，這是敘利亞語（Syriac）的瘟疫。報導這回新發現的新聞對此都一提而過，論文正文受限於篇幅也沒有多作描述，所幸附錄中有較為完整的介紹，我覺得背後的歷史故事相當有趣。

Kara-Djigach 地理上位於新疆西方，天山地區的南側。政治上，現在屬於吉爾吉斯，黑死病年代算是大蒙古帝國的轄區，更早之前則是西遼的國土。

提及西遼和蒙古帝國是因為，在西遼統治的年代 Kara-Djigach 沒有住人（另一處遺址 Burana 有），要等到蒙古帝國統治時，才有源自西方的基督徒移民，長途遷徙到此處建立社區。等下！基督徒？

不少人對蒙古帝國有很殘暴的印象，成吉思汗堪稱人類毀滅者。但是征服時對敵人不手軟以外，蒙古帝國擺在當時，統治並不算暴虐，而且特別重視貿易。蒙古帝國算是繼承後世所謂的「絲路」，然而，中亞的民族、宗教、文化非常複雜，衝突屢見不鮮。

成吉思汗開創蒙古帝國以來，憑侍強大武力，持續實施宗教寬容政策，不在意子民信什麼宗教，不論摩尼教、伊斯蘭、基督教、佛教、道教、諾斯替、亞那毛毛……只要乖乖聽話，能創造利益，帝國就保障其地位與安全。

在此背景下，許多在原本居住地受到迫害、排擠的人，移民到新天地討生活（蒙古統治當然也沒有那麼美好，有些移民是受到蒙古帝國的迫害，被迫或主動搬家）。

創立 Kara-Djigach 社群的基督徒，不屬於羅馬、君士坦丁堡的兩大基督教系統，而是東方亞述教會（Church of the East，或稱作 Nestorian 聶斯脫里教會）。他們從西方移民到察合台汗國轄下經營新家園，他鄉變故鄉，一代一代的基督徒長眠於此，數百年來留下不少石碑。

公元 1338 年，塞琉古 1649 年，虎年瘟疫爆發

石碑大部份是敘利亞語，也有少數突厥語。總共 600 多個石碑，公元 1248 到 1345 年有 467 個，整理後能一眼看出光是 1338 一年就有 118 個，比例高的不尋常。其中 10 個出現 mawtānā：敘利亞語的瘟疫。

所以 1338 年這個年代，不是科學定年法的估計，而是直接的文字紀錄。但是石碑寫的不是公元 1338 年，而是「1649 年」和「虎年」。

Kara-Djigach 這群居民是基督徒，卻不使用根據基督生辰的曆法，他們遵循一套更古老的曆法：塞琉古紀年（Seleucid）。

塞琉古紀年來自亞歷山大大帝去世後，衍生出的塞琉古帝國，從公元前 311 年開始計算。因此塞琉古 1649 年，也就是公元 1338 年。那時還在用塞琉古紀年的人不多，堪稱活化石。

另一方面，突厥、蒙古等古代草原文化習慣以十二生肖紀年，不過動物項目和漢人略有不同。Kara-Djigach 所屬地區時常會與十二生肖紀年的人交流。公元 1338 年是草原十二生肖的虎年，也是天干地支的戊寅年。

已知最早的黑死病出現在 1346 年的黑海，1338 年只是短短的 8 年前。顯而易見，如果在 8 年前的吉爾吉斯找到鼠疫桿菌，便有機會追溯黑死病的起源。

為求簡便，本文之後稱這場虎年發生的瘟疫為「虎疫」。其實虎疫是以前日本人對霍亂的稱呼，但是名字帥，這邊先借用一下。

快要變成黑死病前不久的鼠疫桿菌

即使由於鼠疫去世，死人骨頭內也不見得會殘留鼠疫桿菌。幸運的是，Kara-Djigach 遺址的 3 位長眠者體內，順利偵測到鼠疫桿菌的古代 DNA。

3 個樣本的平均覆蓋率分別為 0.13、2.8、6.7。論文判斷品質比較好的兩個基因組，遺傳上或許完全一樣，因此後續分析時直接合併，變成覆蓋率 9.5 的一個樣本。

將虎疫和古代、現代鼠疫桿菌樣本一起分析，不得了，不得了，不得了。用虎疫當模板，再變化一點點，便可以衍生出所有 14 世紀黑死病的基因組！

• 延伸閱讀：中世紀黑死病，之後數百年的餘波

非常清楚，導致黑死病的鼠疫桿菌，由虎疫品系衍生而成。根據遺傳差異估計年代，導致黑死病的品系們的共同祖先，估計介於公元 1316 到 1340 年。因此 1346 年起大爆炸的黑死病，遺傳上只能追溯到不久以前的 14 世紀初期。

有派觀點主張，蒙古帝國 13 世紀主導的戰爭與貿易，促使歐亞大陸的大流動，與黑死病發跡有關。根據現有資訊看來，蒙古帝國起家的時刻，距離黑死病的發源還有點早。

遺傳上最接近虎疫的現代鼠疫桿菌，地理上都位於天山一帶，具體來說就是吉爾吉斯、哈薩克、新疆的土撥鼠（marmots，旱獺屬，統稱土撥鼠，不過有好幾個物種）。

論文推論黑死病品系的直系祖先，應該一直都在天山地區流傳。它在公元 1338 年的虎疫爆發，首度於吉爾吉斯留下記錄，8 年過後的 1346 年於黑海現蹤，然後繼續往西向歐洲廣傳，一發不可收拾。

貨出去，人進來，黑死病襲來

多數讀者大概不熟悉中亞地理。從新疆出發，往西是吉爾吉斯，再往西是哈薩克、烏茲別克，再來是土庫曼，接下來是裏海和伊朗，更往西是高加索地區，更西邊是土耳其和黑海。這應該就是黑死病，由東向西傳播的路線。

發生虎疫的吉爾吉斯 Kara-Djigach 在當年是人進來，貨出去的國際貿易中心，發大財之餘，爆發瘟疫並不稀奇。光從遺傳上比對，黑死病之前與大爆發之後的鼠疫桿菌，並沒有很明顯的變化。從公元 1338 到 1346 年發生什麼事，讓黑死病大魔王有登上舞台的發揮機會，值得繼續深究。

也很有趣的是，中亞發跡的鼠疫往西方廣傳形成黑死病，會不會也往東方傳播呢？公元 1338 年，統治中國的政權是元朝，元順帝的至元四年。

公元 1368 年創立明朝的朱元璋 1328 年出生，和元順帝是同時代的人，元順帝也是最後一位統治漢地的元朝皇帝。元朝末代皇帝任內的國家大亂，是否和鼠疫有關？

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• 18世紀初的鼠疫桿菌，大北方戰爭到馬賽大瘟疫
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參考資料

1. Spyrou, M. A., Musralina, L., Gnecchi Ruscone, G. A., Kocher, A., Borbone, P. G., Khartanovich, V. I., … & Krause, J. (2022). The source of the Black Death in fourteenth-century central Eurasia. Nature, 1-7.
2. Ancient plague genomes reveal the origins of the Black Death
3. Black death: how we solved the centuries-old mystery of its origins
4. 800-year-old graves pinpoint where the Black Death began
5. Ancient DNA traces origin of Black Death

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。