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麥哲倫的航海夢——繞行地球一週,證實地圓說│環球科學札記 (1)

張之傑_96
・2020/11/18 ・2462字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 535 ・七年級
  • 作者/張之傑

自序

今年元月間,新冠肺炎傳入台灣。經過SARS,一時風聲鶴唳,在公衛機構的宣導下,上了年紀的人大多宅在家裡。一些例行集會取消了,朋友絕少晤面,連兒孫也不敢來看我們。

在這特殊時期,應該寫點東西才對。首先想到的是,將去年的和平號郵輪環球日記(四月十九日至八月一日)整理出來。思及日記中有許多不足為外人道的私事,還是先做其他事為宜。又想到自短篇科幻小說集《什麼也沒發生》出版,去年一年沒出新書,何不再寫二十篇短篇輯成一本集子。

將要行動時,內人建議應該寫我的強項(科普),可將環球日記中與科學有關的部分摘出,或借題發揮,寫一本別開生面的科普書,連書名也想好了。內人還提出一些題目,如地中海飲食、原始飲食、救難演習等。這倒是個方便法門,環球日記十六萬多字,很多素材可資利用。

於是自元月下旬起,以紀實加上散射出的知識,根據時間軸一路往下寫。第一篇〈麥哲倫環繞地球〉,第二篇〈橫濱開埠的聯想〉,第三篇〈時區和時差〉,第四篇〈暈船和壞血病〉,第五篇〈黑水溝〉,第六篇〈另眼看香港〉……。五月三日殺青,計六十篇,約十萬字,每篇配上幾張圖,將是一本很像樣的小書。

昨日完工,今天適逢五四。許多人可能忘了,五四是中華民國的文藝節(中國大陸訂為青年節)。我年輕時曾經是文藝青年,在文藝節寫下這篇自序,對我來說有其特殊意義。(民國一○九年五月四日晨於新店南軒)

旅程的起點

2019 年 4 月 20 日,我們搭乘和平號從日本橫濱出航,同年 8 月 1 日回到橫濱,以 103 天繞行地球一週。

如今即便是小學生,也知道地球是圓的。從地球上的任一處,向西、或向東航行,都可以回到原點。可是在地理大發現初期,這還是個有待證實的學說呢。

不論東西,古人都認為大地是平的。

圖:Pexels

從推論到地球走一遭:地圓說如何被證實?

古希臘時期,學者們開始以科學觀點探討大地的形狀。西元前四世紀,亞里斯多德以三個例證說明大地是圓的。其一,越往北走,北極星越高;越往南走,北極星越低。其二,進港的船隻,先露出桅杆,再露出船身,最後才看得到整艘船。其三,月食時,地球的投影為圓形。

此後,西方學者普遍接受地圓說。然而,直到麥哲倫率領船隊繞行世界一週,才真正證實了地圓說。

麥哲倫環球一週航線圖。(點圖放大)彭範先繪

堅信地圓說,實踐航海夢:麥哲倫的繞地球計畫

麥哲倫(1480-1521)是葡萄牙人,他年輕時,葡萄牙人已取代了阿拉伯人,掌控從印度洋到東方的航路,並在很多地方建立起殖民地。1492 年,哥倫布發現美洲,西班牙成為另一個殖民帝國。

麥哲倫像,作者不詳,作於1848年,馬德里海事博物館藏。圖:Wikipedia

1493 年,教皇雖作出裁決:「雙方以子午線為界,線西歸屬西班牙,線東歸屬葡萄牙。」但葡、西兩國的競逐並未停止。

麥哲倫曾在東南亞參與殖民戰爭,他意識到香料群島(摩鹿加群島)以東,是一片大海,再往東可能就是美洲。他堅信地圓說,1518 年向西班牙國王提出繞行地球一週的計劃。翌年 8 月 10 日,率領一支由五艘海船,約 270 人組成的船隊出發了。

帆船時代:先有風,才有出海的理由

帆船時代航海,除了逆風,只要調整風帆,可以利用各種方向的風,但先決條件是要有風。

在大洋上,赤道附近及南北緯三十度(馬緯度)屬於低壓帶,不是沒風,就是風力微弱,不利帆船航行。然而,靠近陸地會有季風,譬如鄭和下西洋,都是冬季利用東北季風西去,夏季利用西南季風東歸。

南北半球的低緯度地區,即赤道至南北緯三十度,分別存在著東南信風帶和東北信風帶。它們風向穩定,很講「信用」。

帆船時代的遠洋航海,主要利用信風,所以又稱貿易風。在南北緯中緯度地區,即南北緯三十度至六十度之間,固定吹西風,稱為盛行西風帶。南北緯六十度至九十度之間,固定吹東風,稱為極地東風帶。這都是帆船時代遠洋航海所必須掌握的。

地球上的季風帶與環流。圖:Wikipedia

麥哲倫從西班牙出發,一路航向西南,到達南美,當時從西歐到南美已是一條熟悉的航道。

再沿著南美海岸線南下,1520 年 10 月間,從南美最南端找到一個出口(麥哲倫海峽),經過二十多天艱苦迂迴的航行,出了海峽眼前頓時呈現出一片風平浪靜、浩瀚無際的海洋。麥哲倫稱之為 Mare Pacificum,意為平靜的海,這是太平洋一名的由來。

地理和航海史上的革命——繞行地球一週

麥哲倫首次橫渡太平洋,在地理學和航海史上是一場革命。

此舉證明地球表面大部分地區不是陸地而是海洋;世界各地的海洋不是相互隔離,而是一個完整的水域。這為後人的航海事業起到了開路先鋒的作用。

圖:Pexels

此後他們航向西北,經過一百多天,船隊首次抵達有人居住的島嶼(馬里亞那群島)。1521 年 3 月 16 日,船隊來到現今菲律賓的霍蒙洪島。船上的一位馬來籍奴僕,聽出島民說的是馬來方言,由此證明穿越太平洋向西,也可以抵達遠東地區。

1521 年 4 月 27 日,麥哲倫因介入部落戰爭,在菲律賓宿霧的麥克坦島被殺。他的部屬繼承他的遺願,經香料群島,從帝汶橫渡印度洋,繞過好望角北上,1522 年 9 月 6 日回到西班牙,完成繞行地球一週的壯舉。

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張之傑_96
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張之傑教授,科學史家,為中央研究院科學史委員會委員、中華科技史學會創始人;另研究科普學、辭書學、民間宗教、民間文學、西藏文學等。寫作小說及少兒讀物大多使用筆名(章杰),其餘大多使用真名。其科普作品以文筆流暢、條理清晰、富含人文精神著稱。


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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》