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海水怎麼是鹹的——從郵輪游泳池回溯到原始海洋│環球科學札記(5)

張之傑_96
・2020/12/16 ・1618字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 501 ・六年級
  • 文/張之傑

和平號只有三萬五千噸,是艘平民化的小型郵輪,和動輒七、八萬噸的豪華郵輪不能相比。舉例來說,和平號沒有舞廳、賭場和劇院,除了三餐,平時不供應飲食。以游泳池來說,差異就更大了。

豪華郵輪的游泳池通常十米,露天的甚至可達二十五米,池裡的水通常是淡水。和平號的八樓、九樓甲板上各有一座游泳池,長度僅約五米,裡面的水是抽上來的海水。

當船友告訴我,游泳池裡的水是海水時,我還半信半疑,伸手撈點池水舔一下,果然鹹得發苦。由於池子太小,又是海水,我們雖帶了泳裝和泳帽、泳鏡,但從沒下去過。

和平號十樓甲板上的小游泳池,水是從海裡抽上來的海水。作者攝

游泳池可以使用海水,烹飪、洗浴卻非淡水不可。和平號雖然是艘小型郵輪,也有約一千名乘客、近四百名工作人員,每日消耗的淡水量可觀。

日本人特別喜歡吃生菜,早餐至少有四種生菜,午餐至少有六種,都洗得乾乾淨淨,這也需要很多淡水啊!和平號並沒有海水淡化設備,淡水是靠岸時補給的。我們從檳城到埃及賽得港,在海上搖晃了足足十四天,可見船上有很大的儲水空間。

為甚麼海水是鹹的?水蒸發了,鹽分卻留了下來!

我當過老師,又喜歡發表議論,常有些船友問東問西。有次在九樓露天餐廳吃飯,旁邊就是游泳池,有人問我:「下去游過嗎?」我說:「沒有,池子太小,又是海水,豈不等於在鹹菜缸裡洗澡。」引得同桌的人都笑了。有位仁兄忽然提問:「海水為什麼是鹹的?」

這個問題看似簡單,回答起來還真不容易。怎麼說呢,大約四十六億年前,太空中的一團雲氣(含氫、氦、塵埃等)因重力而收縮,中央的部分成為太陽,剩餘的部分凝聚成直徑只有幾公里的「微行星」,它們互相碰撞,進而凝聚成行星,地球就是其中一員。

微行星互相碰撞,產生高溫,因而原始地球溫度甚高,呈熔融狀態,於是較重的元素如鐵、鈷、鎳等沉向球心,較輕的元素如矽、鋁等則浮在表面,更輕的氫、氮、氧、碳等則分佈在外圍。當溫度繼續下降,地殼變冷,於是所有的水蒸氣都降下來,這場雨一下就是好幾個世紀!地面開始積水,大水匯積形成原始海洋。

原始海洋即便有點鹽份,也很低。然而,隨著風化和侵蝕作用,岩石中的鹽類(礦物質)進入海洋。雨水含有少量從空氣來的二氧化碳,帶點酸性。當雨水降至地面,會溶解岩石中的鹽類,跟著水份進入溪流、河川,最後匯注大海。

海洋應經過長時間的累積和更替成為現在的樣貌。圖:PEXELS

隨著氣象因素引起的水循環,從海洋蒸發的水幾乎是純水,鹽類留下來,更多的鹽類繼續流入海裡,可是鹽類仍保持在百分之三點五左右,其中百分之九十以上是氯化鈉,也就是狹義的鹽。那麼過多鹽類往哪兒去了?

生物會吸收鹽類,例如珊瑚蟲、軟體動物和甲殼類會吸收碳酸鈣,矽藻會吸收二氧化矽,魚類會吸收碳酸鈣、磷酸鈣等。生物體內的鹽類終究會以屍體或糞便的形式沉到海底,成為沉積岩的一部份。地殼的板塊運動,可以使得海陸易位,所謂滄海桑田不僅僅只是個形容詞而已。如此這般,鹽類在海陸之間循環,使得海水的鹽類一直維持在百分之三點五左右。

海水的含鹽量並不平均。舉例來說,地中海是個半封閉的水域,因為蒸發的關係,含鹽量較高。紅海兩岸熱帶沙漠夾峙,降水量又少,含鹽量就更高了。孤立的水域只要注入的淡水不足,就可能會因為蒸發作用變得愈來愈鹹,死海就是最著名的例子。

死海南端,約旦和以色列的曬鹽池,中央堤防為兩國疆界。
2001年3月間,美國太空梭STS102號乘員所攝。NASA公佈圖片。圖:Wikipedia

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張之傑_96
66 篇文章 ・ 210 位粉絲
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》