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忘了收培養皿就去度假,回來後發現世上第一個抗生素!

賴昭正_96
・2020/12/23 ・4734字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 562 ・九年級

「發現」是看到別人所看到的,但思考著別人所沒想到的。(Discovery is seeing what everybody else has seen, and thinking what nobody else has thought.)

 

Albert von Szent-Györgyi Nagyrápolt——1937 年諾貝爾醫學獎

科學史上那些來自「意外」的大發現

許多謮者可能覺得科學的進展是有條有理的:每年向國科會提出研究計劃,然後按部就班地完成。但事實上科學上的許多大發現可以說大都是「意外」的:例如德國理論物理學家普朗克 (Max Planck) 謂他是靠「幸運的直覺 (lucky intuition) 」而意外地敲響了量子力學革命之鐘聲!一位名不見經傳,任教於東巴基斯坦的講師玻色 (Styendra Bose) 也以一篇 1500 字的論文糊里糊塗地意外開啟了量子統計力學之大門(見「量子統計的先鋒——波思」)!

許多科學上的大發現都是「不小心」的。圖/giphy

除了上面那類「意外」外,科學上還有一種靠天幫忙的「機緣巧合幸運的意外發現」(英文稱為 serendipity )。

例如諾貝爾 (Alfred Nobel) 炸藥之發現,有一傳說是因為儲存的硝化甘油意外泄漏,與用來包裝儲存鐵桶之板狀矽藻土混合,使他想到了試用此板狀矽藻土。經實驗後,他發現兩者相混之固體不但安全可靠(硝化甘油為液體,非常不穩定,一不小心就爆炸),而且還可保持原有之爆炸威力──這不正是他研究甚久而未能找到的「穩定炸藥」嗎(見「量子統計的誕生」)?!

醫學上這類的幸運發現更是層出不窮。例如 1889 年,為了瞭解胰臟的功能,法國兩位外科手術醫生梅倫 (Joseph von Mering) 及明考斯基 (Oskar Minkowski) 將狗的胰臟割除,發現這隻可憐狗整天口渴及隨地小便。

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數日後,一位助手覺得實驗室內的蒼蠅好像突然多了起來⎯⎯尤其是在狗小便過的地板處。分析狗尿及其血液後,梅倫及明考斯基很驚奇地發現裡面充滿了糖份!顯然地,胰臟具調解體內糖份的功能,它一旦受損,將導致糖尿病!就這樣,梅倫及明考斯基無意中發現了「困擾」人類三千多年之糖尿病的病源(見「胰島素與生技產業誕生的故事」)。

兩位外科醫生在小狗身上發現人類糖尿病的成因。圖/Pexels

在「認識病毒全攻略!病毒的發現、與細菌的不同、科赫假說和致病機制」一文裡,筆者提到了抗生素的發現是醫學史上最重要的突破之一。但多少謮者知道英國細菌學家弗萊明 (Alexander Fleming) 是靠機緣巧合及運氣而發現第一個抗生素——盤尼西林( penicillin,或稱「青黴素」)——嗎?

發現青黴素還把專利交給政府的辣個男人

弗萊明 (1881-1955年) 出生於蘇格蘭的洛克菲爾德 (Lochfield) 小城,七歲時父親去世。 弗萊明在當地學校接受了良好的基礎教育,13 歲時跟隨同父異母兄弟前往倫敦,十幾歲的時候就在攝政街理工學院 (Regent Street Polytechnic) 上課。在貨運公司工作了四年後,進入倫敦聖瑪麗醫院醫學院 (St. Mary′s Hospital Medical School)。

弗萊明為發現盤尼西林的研究者。圖/G.cz

原想成為一名外科醫師;但 1906 年在疫苗治療的先驅賴特 (Almroth Wright) 爵士帶領下的研究使他確信他的未來在於細菌學的新領域。他於 1908 年獲得學位後,便留校當講師,直到 1914 年因第一次世界大戰而從軍擔任陸軍醫療隊的上尉。1918 年回到了聖瑪麗醫學院,1928 年昇等為該學院教授,1943 年當選為皇家學會會士 (fellow) ,1948 年當選為倫敦大學細菌學名譽教授,於 1944 年獲封為爵士。 

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1999 年,弗萊明被《時代》雜誌評選為 20 世紀的 100 位最重要人物;2002 年,他在英國廣播公司 (BBC) 的電視民意調查中被選入為 100 個最偉大的英國人。弗萊明爵士不是因為發現了可拯救數百萬生命的抗生素而非常受人尊敬,而是他並沒有因專利成為一個很有錢的人。

弗萊明紀念郵票。圖/Wikimedia common

相反地,他了解青黴素具有克服梅毒、壞疽、和結核病等疾病的潛力,必須將其釋放給世界,以服務更大的群眾。因此在第二次世界大戰前夕,弗萊明將專利移交給了美國和英國政府,使他們能及時大量生產青黴素,救治了那場戰爭中的許多傷員。

在「胰島素與生技產業誕生的故事」一文裡,筆者也提到了發現胰島素之加拿大多倫多大學講師班廷 (Frederick Banting) 也應可賺大錢,但卻在取得胰島素萃取的專利後,將其使用權完全免費地轉給加拿大多倫多大學!這種清高的學術研究,在今日生物研究已成為一場金錢遊戲的社會裡(見「你的基因是別人的專利?生技產業的金錢遊戲由此開啟」)已經幾乎看不到,實在讓筆者非常懷念象牙塔的學府!

粗心致培養皿發霉,竟意外發現盤尼西林

弗萊明是一位粗心的實驗室技術員,1928 年夏在研究葡萄球菌1的某一天,他忘了將含有葡萄球菌培養物的培養皿放在培養箱中,留在實驗室工作台上就匆匆忙忙地離開實驗室去度假。命運就是這樣作弄人:那時室內的溫度及濕度均適合霉菌(mold,或譯「黴菌」)的生長;因此兩個禮拜回來後,弗萊明發現在敞開窗戶旁的培養皿因未加蓋而發霉。

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弗萊明忘了把培養皿收在培養箱裡,留在工作台上就去度假了,回來後發現了一些「驚喜」。圖/Pexels

一般的研究者大多會將這些被霉菌孢子污染的培養皿丟掉;但弗萊明這次卻心血來潮⋯⋯。他回憶說:

基於以前「溶菌酶」的經驗,也像許多細菌學家那樣,我應會把污染的培養皿丟掉,⋯⋯某些細菌學家也有可能(早就)注意到我(那時)看到的相似變化,⋯⋯但是在對天然產生的抗菌物質沒有任何興趣的情況下,都會順手地將培養物丟棄。⋯⋯但(這次)我沒有找個藉口丟掉受污染的培養液,相反地,我做了進一步的探討。

弗萊明細心觀察到:霉菌掉落處周圍的瓊脂凝膠 (agar gel) 被溶解和清除;他隔離霉菌並鑑定其為由「真核細胞」組成的青黴屬成員。進一步研究後他發現抑製或預防細菌生長的不是黴菌本身,而是霉菌產生的某些「黴汁 (mold juice) 」,因為產生它的霉菌為 Penicillium notatum,故將之稱為 Penicillin(盤尼西林);中文因為是由藍綠色黴菌分離出來的黴素,故又稱為「青黴素」。

在隨後的十年中,因在分離和穩定青黴素方面遇到的困難,弗萊明只能專注於青黴素作為傷口和表面感染的局部殺菌劑。

在哈密瓜上發現大量生產青黴素的方法

因之當時弗萊明本人並沒有真正意識到他的發現有多麼重要;而醫學界也很少注意到他發表在《英國實驗病理學雜誌》 (British Journal of Experimental Pathology, 1929 年 6 月) 上的論文。

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1938 年由牛津大學的弗洛里 (Howard  Florey) 和錢恩 (Ernst Chain) 領導的化學家團隊終於分離和純化了青黴素2,生產足夠做臨床試驗的青黴素,於 1940 年證明青黴素可以用作抵抗多種細菌性疾病的治療劑[抗生素 (antibiotic)3]。1945 年,弗萊明、弗洛里、與錢恩因「青黴素的發現及其在各種傳染病中的療效」獲得諾貝爾醫學獎。

起初弗萊明本人和醫學界並沒有意識到這個發現的重要,直到證明青黴素可以抵抗細菌性疾病。圖/flickr

弗萊明後來回憶說:

有時候,人們會發現不是自己在找的東西。我 1928 年 9 月 28 日拂曉後醒來時,當然沒打算通過發現世界上第一個抗生素或細菌殺手來徹底改變所有藥物。 但是我想那正是我(當時)所做的。

早期青黴素無法大量生產,弗萊明實驗室一個月所生產的青黴素,僅能供一個病人治療用,因此如何大量生產青黴素便成為重要關鍵。大量生產之方法的發現事實上也是屬於「機緣巧合意外的發現」。

為了趕上可能救治二次世界大戰傷兵的需求,弗洛里還飛到美國諮詢如何提取及製造青黴素。1943 年的一天,在伊利諾州皮奧里亞 (Peoria) 的農業部北部區域研究實驗室 (NRRL) 工作的亨特 (Mary Hunt) ,無意中在一雜貨店裡發現了一顆表皮長滿漂亮及金色青黴的哈密瓜。

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亨特在雜貨店發現一顆表皮長滿青黴的哈密瓜,並將它帶回實驗室分析。圖/Pexels

將它帶回實驗室,篩選出能大量分泌青黴素的菌株後,她發現該菌株產生的青黴素數量是 notatum 的 200 倍——她因之贏得「發霉瑪麗 (Moldy Mary) 」的綽號。在許多研究團隊紛紛加入菌種及製造方法的改良後,青黴素產量由 1943 年只能醫治不到 1000 人,一下子跳到 1944 年時,已有足夠的青黴素來治療每位需要的士兵,為第二次世界大戰提供了功不可沒的貢獻!也啓動了尋找其他抗生素的研究,開創了醫學的新紀元。

結論

青黴素被稱為是一種「神奇藥物 (wonder drug) 」,而事實也確名副其實: 在發現青黴素之前,今天看起來非常小的傷害和疾病(不管是由被感染的小傷口或是由鏈球菌性咽喉炎等疾病引起的),那時候都可能導致死亡;而梅毒和淋病等性病則更不用說。

因此在二次世界大戰後,青黴素以及其他抗生素的使用成幾何級數地增加,導致細菌耐藥性也以驚人的速度增強。 2019 年,世衛組織因此將細菌耐藥性增強列為對全球健康的十大威脅之一。事實上早在 1945 年,在諾貝爾獎領獎典禮的演講中,弗萊明就已經警告說: 「過度使用青黴素可能會導致細菌耐藥!」

弗萊明意識到自己的發現是偶然與機遇,他因此謙虛地說:「青黴素的故事蘊含著十足的浪漫色彩,有助於說明機遇及命運在一個人職業生涯中所佔有的影響。」

但儘管如此,因為「命運較照顧已有準備的人」4,請不要痴痴地等著機遇及命運來敲門!勸君惜取少年時,多一份準備,免得黃金掉到家門前都不知道!

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註解

  1. 葡萄球菌感染是由葡萄球菌引起的「疾病」;在少數情況下,這些細菌只會導致皮膚感染。但是如果細菌深入到體內,進入血液、關節、骨頭、肺、或心臟,則葡萄球菌感染可能致命。
  2. 牛津大學的 Dorothy Crowfoot Hodgkin 於 1945 年用 X 光晶體繞射確定了青黴素的化學構造(獲 1964 年諾貝爾化學獎);因為合成困難,麻省理工學院的John C. Sheehan 遲至 1957 年才完成了青黴素的首次化學合成。
  3. 早在 19 世紀,人類就已經觀察到某些細菌和黴菌之間的拮抗作用,並且將這種現象稱為「抗生作用 (antibiosis) 」。
  4. 「Fortune favors the prepared mind」出自因接種疫苗、微生物發酵、和巴氏滅菌法原理的發現而聞名的法國生物學家、微生物學家、和化學家巴斯德 (Louis Pasteur) 。

延伸閱讀

  1. 「量子統計的先鋒——波思」、「量子統計的誕生」、及「胰島素與生技產業誕生的故事」的內容,均收錄在《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017年12月出版)一書中。
  2. 有關量子力學發展的故事請參考《量子的故事》(第2版,新竹市凡異出版公司, 2005年),及《我愛科學》內的相關物理內容。

參考文獻

  1. Roberts, R. M. (1989). Serendipity: Accidental discoveries in science. Published by Wiley
  2. 賴昭正(1982)。〈量子統計的先鋒——波思〉,收入於《科學月刊》1982 年第 13 卷第 4 期,總卷號 148 期,39頁。
  3. 賴昭正(2015)。〈量子統計的誕生〉,收入於《科學月刊》2015 年第 46 卷第 1 期,總卷號 541 期,73頁。
  4. 發現能治療糖尿病的胰島素——胰島素與生技產業的誕生(上) – PanSci 泛科學
  5. 你的基因是別人的專利?生技產業的金錢遊戲由此開啟 – PanSci 泛科學
  6. 認識病毒全攻略!病毒的發現、與細菌的不同、科赫假說和致病機制 – PanSci 泛科學

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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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如何靠溫度控制做出完美的料理?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/06/21 ・2705字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 Panasonic 委託,泛科學企劃執行。 

炸雞、牛排讓你食指大動,但別人做的總是比較香、比較好吃?別擔心,只要掌握關鍵參數,你也可以做出完美料理!從炸雞到牛排,烹調的關鍵就在於溫度的掌控。讓我們一起揭開這些美食的神秘面紗,了解如何利用科學的方法,做出讓人垂涎三尺的料理。

美味關鍵 1:正確油溫

炸雞是大家喜愛的美食之一,但要做出外酥內嫩的炸雞,關鍵就在於油溫的掌控。炸雞的油溫必須維持在 160 到 180℃ 之間。當你將炸雞放入熱油中,食物的水分會迅速蒸發,形成氣泡,這些氣泡能夠保證你的炸雞外皮酥脆而內部多汁。

水的沸點是 100℃,當麵衣中的水分接觸到 160℃ 的熱油時,會迅速汽化成水蒸氣。這個過程不僅讓麵衣變得酥脆,也能防止內部的雞肉變得乾柴。

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如果油溫過低,麵衣無法迅速變得酥脆,水分和油脂會滲透到食物中,使炸雞變得油膩。而如果油溫過高,水分會迅速蒸發,使麵衣變得過於硬或甚至燒焦。

油炸時,麵衣水分會快速汽化。 圖/Envato

美味關鍵 2:焦糖化與梅納反應

另一道美味的料理——牛排。無論是煎牛排還是炒菜,高溫烹調都會帶來令人垂涎的香氣,這主要歸功於焦糖化反應和梅納反應。

焦糖化反應是指醣類在高溫下發生的非酵素性褐變反應,這個過程會產生褐色物質和大量的風味分子,讓食物變得更香。而梅納反應則是指醣類與氨基酸在高溫下發生的反應,這個過程會產生複雜的風味分子,使牛排的色澤和香氣更加迷人。

要啟動焦糖化反應和梅納反應的溫度,至少要在 140℃ 以上。如果溫度過低,無法啟動這些反應,食物會顯得平淡無味。

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焦糖化反應


焦糖化反應與梅納反應。圖/截取自泛科學 YT 頻道

油溫與健康

油溫不僅影響食物的風味,也關係到健康。不能一昧地升高油溫,因為每種油都有其特定的發煙點,即開始冒煙並變質的溫度。當油溫超過發煙點,會產生有害物質,如致癌的甲醛、乙醛等。因此,選擇合適的油並控制油溫,是保證烹調健康的關鍵。

說了這麼多,但是要怎麼控制溫度呢?

各類油品發煙點 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

科學的溫度控制

傳統電磁爐將溫度計設在爐面下,透過傳導與熱電阻來測溫,Panasonic 的 IH 調理爐則有光火力感應技術,利用紅外線的 IR Sensor 來測溫,不用再等熱慢慢傳導至爐面下的溫度計,而是用紅外線穿透偵測鍋內的溫度,既快速又精準。

而且因為紅外線可以遠距離量測,如果甩鍋炒菜鍋子離開爐面,也能持續追蹤動態。不會立即斷開功率關掉,只要鍋子放回就會繼續加熱,效率不打折。

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好的溫度感測還要搭配好的溫度控制,才能做出一流的料理。日本製的 Panasonic IH 調理爐,將自家最自豪的 ECONAVI 技術放進了 IH 爐中。有 ECONAVI 的冷氣能完美控制你的室溫,有 ECONAVI 的 IH 調理爐則能為你的料理完美控溫。

有 ECONAVI 的 IH 爐不只省能源、和瓦斯爐相比減少碳排放,更為料理加分。前面說了溫度就是一切的關鍵,但是當我們將食材投到熱鍋中,鍋中的溫度就會瞬間下降,打亂物理與化學反應的節奏,阻止我們為料理施加美味魔法。

所以常常有好的廚師會告訴我們食物要分批下,避免溫度產生太大變化。Panasonic IH 調理爐,只要透過 IR Sensor 一偵測到溫度下降,就能馬上知道有食材被投入並立刻加強火力,讓梅納反應與焦糖化反應能持續發揮變化。而當溫度回到設定溫度,Panasonic IH 調理爐也會馬上將火力轉小,透過電腦 AI 的迅速反應,掌握溫度在最完美區間不劇烈起伏。

不僅保證美味關鍵,更不用擔心油溫超過發煙點而導致油品變質,讓美味變得不健康。

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透過 IR Sensor 精準測溫並提升火力。圖/截取自泛科學 YT 頻道
IH 調理爐完美控溫 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

舒適的烹飪環境

最後,IH 爐還有一個大優點。相比於瓦斯爐,因為沒有使用明火,加熱都集中在鍋具。料理過程更安全,同時使用者也不會被火焰的熱氣搞得心煩意亂、汗流浹背,在廚房也能過得很舒適。而且因為熱能集中,浪費的能源也更少。

因為沒有使用明火,料理過程安全又舒適。圖/截取自泛科學 YT 頻道
Panasonic IH調理爐火力精準聚集在鍋內。圖/Panasonic提供

為了更多的功能、更好的效能,我們早已逐步從傳統按鍵手機換成智慧型手機。一樣的,在廚房內,如果你想輕鬆做出好料理,同時讓烹飪的過程舒適愉快又安全。試試改用 Panasonic IH 爐,一起享受智慧廚房的新趨勢吧!👉 https://pse.is/649gm5

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奠定現代通信基礎的克勞德.香農(Claude Shannon)
數感實驗室_96
・2024/06/06 ・743字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

以前小時候如果調皮不聽話,就會被大人叫去跪算盤,現在的家長家裡沒算盤了,反而會拿出電路板讓小孩跪。

咦?為什麼總是拿算數工具來懲罰小孩呢?

電路板上看似複雜電路板密密麻麻的,是電腦進行邏輯計算的關鍵。這小小的薄片能執行驚人的運算功能,背後的奧秘離不開一位傳奇科學家的貢獻。他不僅奠定了現代通信的基礎,還開創了人工智慧研究,這可不是一般人一生能做到的成就,但克勞德.香農(Claude Shannon)卻一次搞定。

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這位非凡的科學家是如何改變了我們的時代?

他讓我們今天能享受高效的通訊技術和智慧生活。如果你也覺得現在生活離不開手機和電腦,那你應該感謝這位數學和電機工程的天才。

對於 2000 年後出生的人而言,或許覺得用手機傳訊息、用電腦看影片再平常不過。但在 Shannon 出現之前,沒有人能系統性地定義「資訊」和「通訊」。他以其對動手實驗的熱忱,將這些看似無形的概念轉化為實際的理論,為世界帶來了一場資訊革命。

正是因為 Shannon 的卓越貢獻,我們才能享受如此便捷的現代通信技術。他不僅改變了科學的面貌,還深刻地影響了我們的日常生活。

Shannon 的故事也提醒我們,熱愛與好奇心是推動進步的核心力量。他用智慧和創造力,為我們打造現代通信的基礎,並開啟未來的無限可能。

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更多、更完整的內容,歡迎上數感實驗室 Numeracy Lab 的 YouTube 頻道觀看完整影片,並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊!

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數感實驗室_96
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數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

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古人用的超大型手機?從烽火臺到智能手機:通信科技的演進
數感實驗室_96
・2024/05/13 ・883字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

現代人手機普及率極高,你可能正在用手機閱讀這篇文章。

仔細想想,我們每天使用的手機真的很厲害。只需幾下操作,就能傳訊息、視訊通話,還能上網看影片、玩遊戲、使用社群網路等。

你可能知道全世界的第一支手機是 Motorola 在 1973 年 4 月 3 日推出的黑金剛,重達 2 公斤的程度。不過,早在幾千年前,其實已經有「手機」存在了。

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當時的手機不只兩公斤重或兩公升水壺大,甚至是有好幾層樓那麼高,那這些手機的傳輸速率也超級慢,看影片一定是不可能,連打電話聊天都辦不到。超級陽春,基本上只能傳遞「有」或「沒有」這樣的是非題。

應該有些人猜到了,其實就是「烽火臺」。

烽火臺是中國古代為了傳遞軍情所設計的通信系統。一座烽火臺上有幾位士兵,備有大量的稻草與木柴,如果看到敵人侵犯,或是前後的烽火臺燃起狼煙,士兵們就會立刻燃燒乾柴,釋放狼煙,傳遞攸關國家存亡的重要資訊。雖然,烽火臺的尺寸大小與現今我們常用的手機差很多,傳輸能力也差很多,但烽火臺還真是上古時代標準的通信設施哦!

接下來還會推出一系列「通信科技」相關的節目,內容囊括了通信發展的歷史故事、重要的通信科學家、通信相關的技術知識。

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讓你認識新聞報導中,常聽到的一些通信專有名詞,什麼是頻帶、頻寬?現代通信技術如此厲害的關鍵又在哪裡?甚至,這些技術跟我們平常在學校裡學到的各科知識,又有怎樣的連結呢?

這系列將用影片帶領大家進入這個有趣、改變全人類生活的通信世界,敬請期待哦!有更多想法也可以留言分享喔!

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