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北極流言終結者:大便冰刀不太好用──2020搞笑諾貝爾材料科學獎

寒波_96
・2020/09/24 ・4287字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

搞笑諾貝爾獎每年都是新的開始,2020 年也不例外。今年「第 30 次第一屆搞笑諾貝爾獎」的材料科學獎頒給 7 位科學家,得獎理由是發現「冰凍人類大便做成的刀不好用(knives manufactured from frozen human feces do not work well)」。1

人類大便結凍後製成的冰刀,由金屬銼刀處理過邊緣,再置入攝氏−50 度的乾冰強化結構。圖/取自 ref 3

這個實驗其實算是人類學研究,也很有流言終結者的味道。今年 10 個獎項中它與管理學獎:「5 位中國殺手層層轉包,卻都沒有人下手」大概是最引人熱議的。不過為什麼有人想測試,冰凍大便的切割能力呢?起因自一則流傳的北極小故事。

延伸閱讀:疫情也阻止不了的2020搞笑諾貝爾獎!宅在家慶祝這充滿 BUG 的一年

人類學家的北極小故事

小故事的宣傳者不是普通天橋下的說書人,他是加拿大的不列顛哥倫比亞大學(University of British Columbia)的人類學家戴維斯(Wade Davis)。他在 1998 年出版的《Shadows in the Sun》書中記錄一則北極的伊努特人*故事,後來還在幾次演講時提到。

*註:伊努特人或翻譯為因紐特人,或發音類似單字的組合。

以北極伊努特人為主題的遊戲《永不孤獨》。圖/取自 ref 5

戴維斯自述,這個故事是加拿大北極區的巴芬島,一位伊努特獵人納基塔維克(Olayuk Narqitarvik)告訴他的。事情發生在 1950 年代,那時納基塔維克的爺爺不想隨眾人搬家,一個人留下;其他人為了促使他上路,把裝備、資源通通拿走。

納基塔維克的爺爺突發奇想,缺乏工具,就自己生產!於是他把自己的大便冰凍,做成刀的形狀,再用口水讓邊緣鋒利;接著殺掉一隻路過的狗,用狗的肋骨做成雪橇,又抓到一隻狗拉雪橇,就這麼消失在黑暗之中⋯⋯

這個故事據說流傳甚廣,不過有基本邏輯的人,一聽便能判斷是唬爛的。假如這些事都是由一個人單獨完成,旁邊沒有任何人,他最後又消失在黑暗中,那麼整個過程怎麼可能留下記錄呢?即使是作者戴維斯自己,也認為這則故事的真實性「可疑(apocryphal)」。

話說回來,人類從古至今利用過各種材料製作工具,不管北極小故事有沒有發生過,假如故事內容是真的,也可謂材料科學的一大發現。於是以美國的肯特州立大學為主的一隊科學家,真的進行測試,實驗結果強烈否決大便冰刀的可能性。2, 3

用大便冰刀和美豬做實驗囉

實驗過程其實不算複雜。一位研究者連續多天,吃高蛋白質、高脂肪的伊努特式傳統食物,然後把大便做成刀的形狀(用模型或是用手塑形),擺在攝氏−20 度到實驗開始為止。實驗開始前先以金屬銼刀把冰刀削利,再浸入攝氏−50 度的乾冰數分鐘,確保實驗時冰刀夠堅硬。

用人類大便製成的冰刀切割豬皮。圖/取自 ref 3

故事中的動物是狗,不過實驗切割的材料不是狗,是豬(在美國做的實驗,所以應該是美豬)。豬皮、豬肉、豬肌腱 3 種材料,先擺在攝氏−20 度很多天,實驗開始前 2 天再移到攝氏 4 度解凍。切割則是在攝氏 10 度左右的環境進行。

實驗結果非常清楚,冰刀連最軟的豬皮都無法無法切割,更不用說比較硬的豬肉、肌腱。即使冰刀一開始非常堅硬,與冷藏取出的美豬接觸後仍開始融化,甚至無法留下刀割的痕跡。另一位吃普通西洋食物的研究者,用一樣的步驟製作冰刀重複實驗,同樣無法成功。

豬皮下方的皮下脂肪,倒是能被冰刀切下一絲絲,但是冰刀接觸皮下脂肪後也迅速融化,無法繼續使用。

用人類大便製成的冰刀,切割豬皮的結果。冰刀融化後在豬皮表面留下痕跡,卻幾乎無法對豬皮造成傷害。圖/取自 ref 3

沒有任何狗受到傷害

戴維斯為了增加北極小故事的真實感,引用丹麥探險家福祿陳(Peter Freuchen)1953 年自傳的內容。福祿陳自述有一次在冰上被雪困住,他將自己的大便冰凍後作為鑿子,才成功脫困。

論文認為,儘管沒有理由認為福祿陳說謊,但是他的說法真實性存疑。而且就算福祿陳講的是真的,用鑿子除雪和用刀子切肉,難度不可一概而論。假如連最軟的豬皮都無法切割,要穿透一隻完整的狗根本毫無可能。

丹麥探險家福祿陳(左)的北極留影。圖/取自 alchetron

故事中另一段劇情:用口水讓冰刀邊緣變鋒利,論文沒有實際操作,但是強烈懷疑這會有幫助。因為早已知道水結凍製成的冰刀,只要接觸就會開始融化。

一系列實驗證實,用冰凍大便做成的刀肯定無法切割美豬,推論狗應該也沒辦法,所以戴維斯的小故事劇情不可能發生。

論文主張,人類學家會蒐集大量故事、謠言、口述歷史、都市傳奇等等記錄,有些情節卻不一定符合實際狀況。

人們愛聽千奇百怪的故事,而人類學家應該勇於驗證故事情節的真實性。

此研究在 2019 年發表於專業的考古學期刊《考古科學期刊:報告(Journal of Archaeological Science: Reports)》,由於題材奇妙,當時就引起一陣討論;隔年(2020年)獲得搞笑諾貝爾獎的材料科學獎,又引發一波轟動。

一位得主坐在馬桶上發表得獎感言。圖/取自搞笑諾貝爾獎頒獎影片

北極小故事原作者的反駁

論文在 2019 年發表後,小故事原作者戴維斯寫文章表達意見。從文字看來他不是很高興,他覺得在伊努特傳統文化逐漸消失之際,還有人浪費錢跟時間搞這種研究,實在不可接受。4

戴維斯自稱從未強調過故事情節的真實性,他沒有發表在正式的學術期刊、科學期刊,只在演講與普通文章中提及這個情節可疑、卻有象徵意義的小故事,目的是闡述伊努特人與冰的獨特關係:伊努特人不畏懼寒冷,懂得利用冰,才得以在嚴寒中生存。

儘管宣稱不在意真實性,戴維斯仍然質疑論文的實驗方法,和故事情節不一樣:狗皮和豬皮不同,豬皮切割失敗,不等於狗皮也會失敗;故事中是在冰天雪地下切狗,實驗卻是在攝氏 10 度進行。差異如此明顯,這個實驗一點都不客觀!

我們歸納一下戴維斯的論點:

第一,實驗根本沒意義,關心伊努特人才有意義。

第二,我從來沒說過那是真的故事。

第三,就算我沒說過故事是真的,實驗也無法證明故事不是真的!

小故事原作者戴維斯 2008 年的 TED 演講。圖/取自 TED

雖然冰刀無用,還是要關心逝去中的傳統文化

戴維斯展現出人類學家對現實人類的關懷姿態,但是他對科學的意見有沒有道理呢?我個人推測,就算改變條件,不會成功的實驗還是不會成功。

即使是在攝氏 10 度下實驗,冰刀的硬度多半不是問題,因為經過攝氏−50 度的乾冰處理,冰刀至少能保持一段時間的堅挺。如果一開始最硬的時候完全切不下去,狀況過更久應該也不會改變。

凍結人類大便製作的冰刀,角度正確的話可以擊倒狗,但是要再取出狗的肋骨,勢必需要切割。豬跟狗的身體當然不一樣,可是冰刀在已經分離過的豬皮組織,都無法留下切割痕跡,難以想像對一條完整的狗還有機會成功。(冰刀在北極可以隨處取材,要是真的能這樣用,探險還要帶那麼多裝備嗎?)

測試用的動物材料,若是用不久前還活跳跳的動物,殘留的體溫只會讓冰刀加速融化。經過一段時間讓肉體在雪地降溫後,太硬的肉還是會讓冰刀接觸摩擦時融化。處於冷藏狀態的肉,條件或許相對平衡,不過論文的實驗已經證明,切割攝氏 4 度的肉便足以令冰刀融化。

實驗失敗的關鍵,恐怕還是在於切割這件事會毀滅冰刀,只要開始切割,就註定會失敗。

北極伊努特人,與世界各地許多傳統文化正在消逝。圖/取自 ref 5

我想這個看似搞笑的研究背後,至少有兩件事值得認真, 一是科學,另一是人:

第一,故事不用在意真實性,但是仍然可以驗證,小處不可隨便。

第二,大家有興趣能多關注伊努特人,以及現代世界中漸漸消逝的傳統文化。

身為印地安人的遊戲評論員 Daniel Starkey,曾經在主打伊努特文化的遊戲《永不孤獨 (Never Alone,Kisima Inŋitchuŋa》評論中提到:5

「當我的文化益漸衰弱,我們曾經的一切彷彿也漸漸淡出而變得晦澀朦朧。要接受數百個文化豐富的歷史步入死亡,實在是再簡單不過了」

想看其他?第 30 次第一屆搞笑諾貝爾獎頒獎影片在這裡:

延伸閱讀

  1. 箕形門齒 X 美洲原住民 X 母乳——這三者源自冰河時期的神秘關係是?
  2. 黑曜石8000年前冰原歷險記,旅行1500公里
  3. 兩岸一家親的西伯利亞與北美洲,過去回來又過去的情慾流動
  4. 北境永不遺忘,西伯利亞,美洲人的交流分合
  5. 流言終結者:一場14年的「科普」爆炸!

參考資料

  1. 搞笑諾貝爾獎得主 https://www.improbable.com/ig-about/winners/
  2. Eren, M. I., Bebber, M. R., Norris, J. D., Perrone, A., Rutkoski, A., Wilson, M., & Raghanti, M. A. (2019). Experimental replication shows knives manufactured from frozen human feces do not work. Journal of Archaeological Science: Reports, 27, 102002.
  3. Scientists test to see if knives made from frozen feces can cut animal tissue
  4. The Problem with the Frozen Poop Knife Study
  5. 《Never Alone》:交織遊戲、群族記憶和生命文化的嘗試

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

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寒波_96
149 篇文章 ・ 343 位粉絲
生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。


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如果可以簡單,誰想要複雜?2021 諾貝爾化學獎得獎的是……讓合成變簡單的「不對稱有機催化劑」! ft. 陳榮傑博士【科科聊聊 EP62】

PanSci_96
・2021/10/26 ・3018字 ・閱讀時間約 6 分鐘
2021 年諾貝爾化學獎得主 Benjamin List 和 David MacMillan。圖/TheNobelPrize

化學反應中,能夠加快反應過程的物品就叫做「催化劑」。我們的生活處處都有催化劑,據估計,世界上大概有 35% 的 GDP ,是和某種化學催化有關的。但想想看,如果能讓催化劑的效率提升,是不是更能讓省去繁雜的製程,提高工作效率呢?

今年的諾貝爾化學獎,就是頒發給革新催化劑的 Benjamin List 和 David MacMillan!他們開發出「不對稱有機催化劑」,不只改善催化效率,也克服了「不對稱金屬催化劑」的缺點。說到這,什麼是「不對稱催化劑」?不對稱「有機」催化劑和不對稱「金屬」催化劑又有什麼差別?

為了解答這個問題,這次泛泛泛科學請到中央研究院化學研究所的陳榮傑老師,來替我們解說本屆獲獎的「不對稱催化劑」到底是什麼?另外,陳榮傑老師還說出 2020 年僅用兩週就做出轟動全台的「瑞德西韋」背後小故事!就讓我們一起來了解本次諾貝爾化學獎的內容吧!

本次專訪感謝 台灣科技媒體中心 的協助。

  • 00:57 陳榮傑老師的研究

中央研究院化學研究所的陳榮傑老師主要研究「有機合成」,包括天然物的全合成、不對稱有機催化反應。有時他的實驗室也會運用合成能力協助開發藥物,最著名的即是在 2020 年,他們僅用兩週就合成出可以協助治療新冠肺炎的「瑞德西韋(Remdesivir)」藥物,純度還高達 97%。

延伸閱讀:武漢肺炎/中研院7人團隊2週合成瑞德西韋 純度達97%

  • 03:39 2021 諾貝爾化學獎得獎研究

李斯特(Benjamin List)在研究催化性抗體時,雖然以前就有人以脯氨酸(proline)做催化劑,但卻因為當時沒有系統性發展,所以研究後繼無人。結果在他簡單的測試下,不僅證明脯氨酸是有效的催化劑,也證明它能驅動不對稱催化。

麥克米倫(David MacMillan)則是為了能夠讓不對稱催化劑能夠大規模工業生產,所以開始改良不對稱催化劑,最後他利用胺基酸的衍生物合成,開發出以他命名的催化劑 MacMillan catalyst。

延伸閱讀:

The Nobel Prize in Chemistry 2021

【2021諾貝爾化學獎】更高效率且環保的化學合成——「不對稱有機催化劑」

2021諾貝爾化學獎記者會 會後新聞稿

  • 06:33 想了解「不對稱催化劑」要先知道「鏡像異構物」

不對稱合成也可以稱為手性合成、掌性合成、鏡像異構物合成。有些分子會產生鏡像異構物(enantiomer),宛如一個分子照了鏡子,結構左右互換,又好似人的左右手雖然對稱但算是兩種不同的結構。同一組鏡像異構物的沸點、熔點、光譜都一樣,兩者唯一不同的是用偏極光照射時,正常分子是右旋的位移,但鏡像異構物則會產生左旋的位移。

延伸閱讀:左旋還是右旋?化學對稱跟你我的身體有關!

  • 09:37 不對稱合成

生物體內組成的基本單位如氨基酸、醣類,很容易會產生鏡像異構物,這些鏡像異構物也需要不同的酵素去辨認,如同你的左右手只能分別套上左右手的手套。在製藥上無可避免的須要只合成其中一種鏡像異構物才會有效果,而用化學的方式選擇性合成單一的鏡像異構物,這就叫做「不對稱合成」。

另外如有兩種鏡像異構物也需要分別測試,陳榮傑老師舉例 1960 年代的沙利竇邁(Thalidomide)事件就是不清楚沙利竇邁的右旋結構可以抑制孕婦害喜症狀,左旋結構卻會導致新生兒畸形,才會造成畸形兒比例異常升高。

2001 年時就有另一組人馬(William S. Knowles, Ryoji Noyori, K. Barry Sharpless)以不對稱催化獲得當年諾貝爾化學獎,不過當年開發的催化劑含有金屬成份,今年獲獎的催化劑研究則不含金屬,避免了金屬造成的問題。

延伸閱讀:鏡像異構物的分離方法(上)

  • 15:47 為什麼需要「不對稱催化劑」?

要達成不對稱合成,最好的方式是透過催化劑,讓反應活化能降低,加速反應進行。如果不採用不對稱催化劑加以控制,合成出的化合物會是各佔一半含量的異構物。

延伸閱讀:不對稱催化(Asymmetric Catalysis)(一)─ 不對稱氫化反應(Catalytic Asymmetric Hydrogenation)

  • 17:47 催化的重要性

根據估計,世界上有 35% 的 GDP,都在某種程度上涉及到化學催化 。因為催化劑可以降低反應活化能,原來需要高溫或高壓的反應,有了催化劑就可以在較低的條件下進行,節省了大量能量。諾貝爾化學獎至今頒發過七組關於催化的研究,不只是製藥,石油產業、高分子材料等等也都是催化研究的受益者,可見催化對我們的生活有著巨大的影響力。

  • 20:22 2001年也有不對稱催化劑的研究獲得諾貝爾化學獎,與今年的差別是?

2001 的諾貝爾化學獎由 William S. Knowles、Ryoji Noyori、K. Barry Sharpless 三位獲得,他們的不對稱催化劑含有金屬成份,有些還是貴金屬或重金屬,合成過程中需要特別去除重金屬污染,會有殘留的風險。而今年得獎的 Benjamin List 與 David  MacMillan 開發的「不對稱有機催化劑」屏除金屬,使用更精細的方式設計分子的立體結構。用量只要原來金屬催化劑的百分之一,還能維持效用與不對稱的選擇性,而且沒有重金屬的污染問題。比起許多酵素必須在人體內作用還有過往的金屬催化劑,不對稱有機催化劑能做的事情更多,未來延續性更加廣泛!

延伸閱讀:

The Nobel Prize in Chemistry 2001

【2001諾貝爾化學獎】催化性的不對稱合成

  • 25:32 Benjamin List 與 David MacMillan 的得獎關鍵

早在 1970 年代就有人在研究以脯氨酸(proline)用做催化劑,但卻沒有人繼續研究下去,Benjamin 認為可能是其效果不甚理想。抱著先試試的態度,Benjamin 測試了是否能夠催化讓兩個碳原子結合的羥醛反應(aldol reaction)。令他驚訝的是結果相當的有效。透過實驗,Benjamin 不僅證明脯氨酸是一種有效的催化劑,也證明了這種氨基酸可以驅動不對稱催化。

MacMillan 早年投身在天然物全合成領域,接受紮實的有機合成訓練。在研究有機金屬不對稱催化的過程中產生了避免使用金屬成分的想法,後來發展出與 Benjamin List 基底不太一樣但殊途同歸的研究結果。

  • 31:51 陳榮傑老師在「天然物全合成」的研究歷程

「天然物全合成」就是要動用所有可能的方法合成標的化合物,由於天然物的結構複雜,合成的方法也是非常紮實的訓練。

  • 35:07 科學家為了化繁為簡研究催化劑

可以簡單,誰想要複雜?為了把工作過程簡單化,並更有效率地完成工作,科學家們才願意研究催化劑。此外,化學反應的步驟越多,最後的產率可能會變低,所以如果能夠簡化步驟,就不會白白浪費物質與時間成本。

  • 42:39 2020 年轟動全台的瑞德西韋
  • 54:13 每個研究的背後,都有一個為社會付出的科學家

在每個領域,都有人在做很基礎的事情。希望能藉這次的化學獎,讓大家知道基礎研究的重要;大家也要想到,在這些受獎人的光環之下,其實背後也是有許多基礎研究在支撐的。

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