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2020年第十三屆台灣傑出女科學家獎出爐!傑出獎由中研院林淑端特聘研究員獲得

PanSci_96
・2020/06/18 ・3703字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 557 ・八年級

  • 「第十三屆台灣傑出女科學家獎」得主合影(由左至右):孟粹珠獎學金得主羅芊卉同學、傑出獎得主林淑端博士、新秀獎得主林曉青博士、新秀獎得主陳韻晶博士
  • 本文改寫自台灣萊雅新聞稿,更多詳情請至官方網站查詢

已連續舉辦13年,2007年開始台灣萊雅聯合吳健雄學術基金會共同發起設置的「台灣傑出女科學家獎」,是全台第一、更是唯一專為表揚台灣女科學家卓越貢獻所設立的獎項。

今年最高榮譽「傑出獎」由中央研究院分子生物研究所——林淑端特聘研究員獲得。為獎勵優秀年輕女科學家而設立的「新秀獎」,則頒發給中央研究院生物化學研究所——林曉青助研究員,和國立清華大學生物醫學工程研究所——陳韻晶副教授。鼓勵年輕博士班學生具科學潛力的「孟粹珠獎學金」,則由國立陽明大學分子醫學博士學位學程博士班三年級——羅芊卉同學脫穎而出。

引領RNA研究,為醫藥領域發展奠定重要基礎

本屆傑出獎由中央研究院分子生物研究所——林淑端特聘研究員獲得。一路走來,林淑端博士熱愛生命科學,童年生活在鄉間看見雞生雞、鴨生鴨的景象,而對物種遺傳產生興趣,因此高中也毫不猶豫地選擇生物丙組,林博士分享:「做選擇的時候很自然,對生命從無到死的奧秘想要了解更多,生物領域包羅萬象,小到細菌、大到生物界,不僅多樣、複雜且具次序性。」在重複「求真」的研究過程中,林博士樂於在科學的領域中實踐生命的傳承與延續,同時也坦言:「俗話說失敗是成功之母,做科學的人是最能理解的。其實95%以上的實驗都是失敗的,但成功正是奠基在失敗的經驗上。」

年幼時因家中經濟狀況不佳,林博士在求學階段仰賴老師集資幫助,得以完成學業,因而將教師視為人生志業,選讀國立彰化教育大學,並於畢業後投身台中大安及梧棲國中擔任導師4年,不僅曾熱血騎著49cc迷你摩托車到每位學生家進行訪談,更獲得「優良教師」榮譽。林博士有感於求學歷程受到好老師的啟發,從中學教師到研究學者的階段,均持續發揚作育英才的精神,於中央研究院國際事務處服務時,推動國際交流,招募國際研究生來台,培育國際科研人才,實驗室培養的博士後研究員更分布美國、西班牙、印度、新加坡等地。林博士對於提升台灣基礎研究成果的國際能見度,及推動台灣高等教育國際化,有顯著且具體之貢獻,不僅熱心作育英才,更為杏壇樹立典範。

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林博士在細菌RNA衰變的分子機制及闡明其生物意義上有多個創新的重要發現。

1996年,她發現細菌具有”RNA降解體”的分子器,其後每一個創新研究發現皆對RNA研究學界產生引領的影響力,其研究成果更在微生物細菌學門成為國際領軍人物。林淑端博士以普遍存在溫血動物(含人類)的腸道細菌”大腸桿菌”作為研究RNA衰變的模型生物。大腸桿菌一方面是腸道重要的益生菌,另一方面也是致病菌,林博士發現大腸菌生存的重要策略之一,是透過稱為”RNA降解體”之多蛋白複合體的核酸降解分子機制,扮演後轉錄調控基因表達的關鍵作用,可調控細菌存留及適應環境的能力。

林博士分享:「科學家最喜悅的就是你的發現,別人印證是一樣的,而且是在不同的物種,或者是在不同的運用上面。」在科技發展應用上面,2018年即有第一個RNA藥物的產生,雖是基礎研發,但台灣確實有這樣的研究能量,讓基礎研究協助科學持續發展,未來也有機會變成產業界的藥物。如同今年COVID-19病毒出現多樣突變,林博士的RNA研究,也為台灣在病毒防治上提供了重要的應用基礎。

探究天然物的生物合成機制

本屆新秀獎由中央研究院生物化學研究所——林曉青助研究員獲得。在宜蘭田野中長大的林曉青博士,從小就喜歡觀察、探討各種原理,常跟著是化學工程老師的爸爸一起組裝和修理東西。國小時對自然科學充滿興趣,透過閱讀報章雜誌的自然科學專欄了解動植物、昆蟲、自然現象以及日常觀察來探索世界。並在大學的實習課中受到啟發,找到自己有興趣、有熱忱的事,在家人的支持之下,義無反顧地踏上科研之路。林博士也認為,做研究不要執著於結果,要執著於過程,因為結果是由一段段清晰的過程累積而來,鼓勵對於科學有興趣的年輕學子,追求目標的同時亦思考如何衡量自己的人生,在工作方面,雖然我們無法準確預測十年後從事什麼工作會比較好,但只要有熱忱,就有機會做到頂尖,在這個世界上找到屬於自己的舞台

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林博士在研讀博士學位期間,合成生物學技術逐漸發展,林博士對於酶的催化能力著迷,因此逐漸將研究範圍由天然物化學擴展到天然物的生物合成。林博士在生物合成研究上有多項突破性的發現,對於與醫藥、農業相關之微生物以及其生產的天然物,尤其是萜類和生物鹼類化合物,解析其生物合成途徑以及開發新穎酶,催化各式化學反應,在基礎科學與應用價值上皆具重大意義。林博士分享:「天然物可想像是由積木所組成的模型,由不同基本元件以及工具進行組裝,成品具有不同的功能,透過了解大自然使用的元件和工具,我們可以應用在不同面向,例如在藥物的研發與化合物原料的製程,可減少許多時間以及經濟成本,並加速產能。」

林博士的多項研究成果不僅發表於J. Am. Chem. Soc.Angew. Chem. Int. Ed.等生命科學及化學相關領域的國際傑出期刊,其研究成就更受國際獎項的肯定,在2013年博士後研究期間曾獲美國生藥學會的Travel Grants for Active Members;回台獨立研究後,在2017年亦獲日本化學學會頒發的Distinguished Lectureship Award。

開發抗癌藥物及免疫療法

另一位新秀獎得主為國立清華大學生物醫學工程研究所——陳韻晶副教授。陳韻晶博士自幼學習大提琴,身為音樂資優班的學生,父母一直以來都希望她能成為一個音樂家,但國中時受到理化女老師的影響,赫然發覺原來自己對於數理、科學研究有濃厚的興趣,但家人的期許讓她開始家庭革命,即使在學成績不突出,仍努力達成媽媽提出的嚴苛條件「若未考取第一志願高雄女中,就繼續就讀音樂班」,陳博士以行動展現投入科研的決心,考上了第一志願,讓父母從反對轉而支持。

高中開始,陳博士對生物研究頗感興趣,大學進入生物科學系,更是確定興趣與目標。碩士就讀台大病理所時,正逢2003年SARS流行,台大急診急需診斷快篩工具,更確立陳博士邁向科學家之路,期許其能在此領域有所貢獻。陳博士認為每個階段都是跨領域的困難與挑戰,沒有一路順遂的情況。同時,也鼓勵對於科學有興趣的年輕學子謹記四點:(1)找尋每個階段的導師,並從中學習;(2)不要放棄或看輕自己;(3)開發科學以外的興趣,抽離在挫折中的壓力;(4)沉浸在研究的過程中,具備堅持和熱情的人格特質很重要

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陳韻晶博士於2013年回台時,在清華大學生物醫學工程研究所成立標靶藥物實驗室,主要研究方向為開發抗癌藥物及免疫療法。陳博士團隊利用高分子材料開發腫瘤標靶藥物/基因輸送載體,解決抗癌藥物無法長時間穩定釋放、腫瘤利用率過低等問題。陳博士提到癌症、肝硬化、腎臟及肺臟纖維化這類疾病在治療上較為困難,因此選擇此做為研究標的。研究分兩個階段,第一部分是生物機制上的研究,深入探討腫瘤或是肝硬化致病的原因及為什麼會引起抗藥性導致治療失效,了解後再進行藥物的開發,利用材料科學研究新的劑型,關注藥物輸送系統,而非藥物本身,也藉由材料的特性,試圖去克服抗藥性的問題,等於是生物科學與材料科學的結合應用。例如:奈米就是藥物系統的開發,主要提升藥物在血液裡的穩定性及半衰期,根據組織的特異性在奈米粒子表面做修飾,達到有效的運輸。

近期研究對於一氧化氮在癌症治療的應用,也帶來關鍵技術突破,透過一氧化氮的載體至腫瘤部位,改造腫瘤的血管,更容易讓藥物通透與滲透,以及深入探討利用藥物載體是否能夠克服抗藥性的問題,主要利用在標靶藥物上的改善,成為未來在癌症治療上的一個新平台,研究成果發表於國際知名頂尖期刊《自然奈米科技》(Nature Nanotechnology)。目前發表的國際期刊論文中,由陳博士擔任第一作者或通訊作者之22篇論文發表於頂尖期刊,像是《自然》子刊Nature Nanotechnology、Nature protocols、《科學》子刊Science Advances、Hepatology等,其學術論文被引用近3,400次、擁有5項專利獲證。

以細胞纖毛為研究主題,探討與疾病的關聯性

孟粹珠獎學金則由國立陽明大學分子醫學博士學位學程博士班三年級——羅芊卉同學獲得。羅芊卉同學在校成績優異,從臺北醫學大學醫技系拿到學士學位,進入陽明大學生化與分生所拿到碩士學位,其碩士論文更獲首獎。最令人為之一亮的是羅同學的研究經驗,在就讀博士班三年級時,已有一篇第一作者文章發表在以嚴謹著稱的Journal of Cell Biology期刊,分析細胞主纖毛(primary cilia)的形成。最近細胞纖毛是相當熱門的研究題材,細胞的主纖毛是細胞的觸角,可感覺外界的訊息並傳到細胞內部進行反應,缺乏主纖毛會引起多種器官的疾病,如大腦、腎臟、耳朵等皆會受到影響。羅同學的論文詳細探討纖毛的形成機制,並運用細胞生物的方法,精確地觀察纖毛的形成與蛋白質的關係,能在短時間內完成如此複雜的實驗,發現細胞纖毛與疾病的關聯,顯示出她的研究功力扎實。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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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

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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。

  • 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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・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 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。

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。

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