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「屎滾尿流」背後的科學奧秘 ——搞笑諾貝爾獎得主楊佩良專訪

科技大觀園_96
・2021/03/24 ・4824字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 477 ・五年級

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與胡立德教授(David Hu)團隊一同進行研究的楊佩良博士,曾以「尿尿時間是 21 秒」與「袋熊大便是方形」,兩次登上搞笑諾貝爾獎頒獎典禮。問起她是不是為了搞笑諾貝爾獎,刻意以「屎尿」作為研究主題,她只淡淡說了一句:「從頭到尾想都沒想過!」又追問她為什麼要做這些研究,楊佩良博士笑著說:「你不覺得這很有趣嗎?」

立定志向的演講

談起自己為何會開始生物力學的相關研究,楊佩良想起了大學時期聽到的一場演講,這場演講正是胡立德教授的研究分享,主題是「蛇的爬行方式」。

2015 年登上搞笑諾貝爾獎頒獎典禮的胡立德(頭上戴著馬桶蓋)、楊佩良(紅色洋裝)。(圖/ Improbable Research Youtube)

「如果光靠蠕動,蛇是不能前進的,還要靠鱗片的立放才能順利前進!」楊佩良說胡教授的分享為她的人生開啟了另一扇門,回想過去,小學時很喜歡看故事書,以為自己會當個作家,中學時則愛上了生物,到了高中又對物理與數學產生興趣,每個階段愛的都不同,「我愛的是生物加上力學,聽到兩者可以二合一的時候,有個念頭從我腦中一閃而過。」至於當時聽完胡立德的演講後有何感想,楊佩良說:

「很難的數學,很鬧的結果。」這就是楊佩良踏入科學研究的契機。

勇於面對質疑

在楊佩良求學過程中,其實也跟家人有過衝突,她說:「當然有阿!最常被問到的就是念了這個有什麼用?尤其我的博士論文(尿尿時間 21 秒)超怪的。不過畢竟是個博士,而且還是個不錯的博士(機械博士)。」

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不只是家人有衝突,許多大眾在過去也很不諒解他的研究,「在還沒得獎(搞笑諾貝爾獎)之前,許多人聽到我的研究都是毀譽參半。」楊佩良分享之前接受美國媒體採訪的經驗,採訪的主題正是她的博士論文,當採訪上傳到 Youtube之後,like 跟 dislike 數是差不多的。

「不過在得獎(搞笑諾貝爾獎)之後,這些事情就沒發生過了。」楊佩良笑著說,也對搞笑諾貝爾獎傳播科學的能力感到驚訝,「以前都會說我們是不務正業、浪費資源,現在都說我們是有『玩心』的科學家。」

研究尿尿的契機

說起研究尿尿的原因,楊佩良分享了胡立德教授的生活故事。放假時,胡教授在家裡帶小孩,閒著無聊就開始觀察起小孩,發現小孩上廁所花的時間跟自己差不多,這個現象引起了胡教授的注意。

「我小孩跟我體型差這麼多,他的尿才那麼一點點,怎麼尿尿的時間會跟我差不多?」接著胡教授又跑去觀察他們家養的狗,發現尿尿的時間也跟自己差不多。

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楊佩良研究發現哺乳類動物的尿尿時間都差不多是 21 秒,並以此獲得了 2015 年的搞笑諾貝爾獎。圖/Pixabay

「那時候我剛進(胡立德的)實驗室,然後我自己不是那麼喜歡坐在辦公室,所以我那時候跟他(胡立德)說,只要你讓我去動物園,我什麼都願意。」後來,胡教授便把研究尿尿的重責大任交給楊佩良,說:「那你去幫我調查全世界最大的(陸上哺乳類)動物,尿尿的時間是不是也差不多。」

尿尿觀測小組

為此,楊佩良與另外兩位學生組成了「尿尿觀測小組」,他們先是在網路上搜尋大象(最大的陸上哺乳類)的尿尿影片,也去附近的動物園駐點觀測動物尿尿,此外,也跟動物園協商某些動物是否能近距離觀察或採集尿液。

楊佩良提到動物園的動物,生活作息其實非常規律,有經驗的飼育員甚至能精準告訴你哪隻動物現在要準備尿尿,這讓數據蒐集與採樣變得簡單,但也有非常難搞的,像是動物收容中心裡的流浪狗。

「如果站在狗的後面,他們會直接跑掉。」這些流浪狗對人的警戒心很高,最後他們用了寵物尿墊蒐集尿液,以前後重量差異的方式來估算尿液的重量。

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NHK 再次驗證

研究發表後,不少人寄信給楊佩良,說這研究的誤差值太大(誤差值為正負 13 秒,平均尿尿時間也才 21 秒)或是自己尿尿的時間根本不是 21 秒,楊佩良解釋:「這可是 5 公斤到 5000 公斤的動物的數據,所以我想這應該是一個很小的離峰值。」此外,其他需要考慮的變數也很多,像是每個人對於「想尿尿」的感覺不同,有人可能膀胱還沒滿就跑廁所了。

「由於太多人問人類相關的問題,日本 NHK 就找我們,還協調了一位日本的泌尿科醫師來做這件事(測量人類小便的時間)。」在節目中,泌尿科醫生在車站外面招募參與者,請他們去上廁所並用碼錶記下自己上廁所的時間,最後收集了約有兩千位參與者的尿尿數據。

「平均起來大概是 20.5 秒吧。」這個數值十分接近楊佩良的研究結果,在分享這個數據的同時,楊佩良也鬆了一口氣,「其實我一直很怕自己做的東西無法適用在人類身上,雖然我的模型理論上是 21 秒,但我沒有(人類的)數據可以支持。」

古老的問題:袋熊便便是方的

「在沒看到樣品之前,我一直認為這是假的。」楊佩良博士如此說道。在澳洲,「袋熊便便是方的」如常識般流傳在民間,一般人認為這是因為袋熊肛門是方的,才讓便便變成方的。

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袋熊的方形便便。圖/Wikipedia

「為此,我們聯絡了澳洲當地的袋熊專家(Scott Carver),他跟當地政府配合處理路殺袋熊。」Scott 告訴楊佩良,在解剖袋熊屍體時,就能看到袋熊的腸道中有方形便便,Scott 把樣本寄到美國,楊佩良這才確認了袋熊便便真的是方的。後來,楊佩良也針對活體袋熊做了 CT 斷層掃描,發現袋熊的肛門形狀是圓的,肛門是方的說法也就不攻自破了。

這些現象直指袋熊「便便是方形」的秘密就在腸道中。在解剖路殺袋熊後發現,這些便便要到腸道末端才逐漸變硬、變方,而要形成我們所見到的方塊便便,則大約是到了腸道末端 8% 左右的地方才能見到。

方形便便的力學分析

會有這個現象主要原因,是袋熊的腸道肌肉發育不平均,如下圖 (a) 所示,紅色處代表肌肉較薄較容易變形的區域藍色則是肌肉較厚,較不易變形的區域

(a) 為袋熊腸道的截面模型。(b)為截面上的截點((a) 中的黑點)的力平衡分析。(c)、(d)、(e) 為腸道模型在不同狀態下(初始、蠕動後 7.9 秒、蠕動後 30 秒)的形狀。(f)、(g)、(h) 為不同狀態下,腸道模型各處的伸長量,可以看到在 0 – 90 度與 180 – 270 度處(模型紅色處),伸長量明顯變多。圖/參考文獻 1

我們可以把袋熊腸道的截面模型,當作兩種不同的彈簧組合在一起,紅色的部分是容易被拉開的彈簧,藍色的部分是不容易被拉開的彈簧。為了維持力平衡,各處彈簧連接處的受力必須相等,拉開角度與伸長量的分析方法如 (b) 所示。

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腸道蠕動的過程則可以簡單理解為有外力壓縮腸道,由於兩種彈簧受外力後的伸長量不同,因此腸道無法繼續維持圓形,最終形成類似橢圓形的形狀(如圖中 (c)、(d)、(e) 所示)。不過,這個模型是沒有便便在腸道中的模型,也沒有考慮腸道中兩種不同彈簧的受力伸長量(原文為 Stiffness,剛度)的差異,把這兩個變數考慮進去後,形狀就會接近正方形了!

(a) 在不同的腸道剛度比(C),與腸道內糞便的雷諾數(Re)下,腸道形狀上的差異。
(b) 腸道的剛度比(C)越高,糞便越接近正方形(Squarenss), 
(c) 糞便的雷諾數(Re)越高,糞便越接近正方形(Squarenss)
圖/參考文獻 1

註解:剛度比(C),數值越大表示腸道軟與硬的部分剛度差異越大;雷諾數(Re),數值越大表示流體慣性力越強,流體無法朝同一方向移動,此狀況下可簡單理解為糞便越乾越硬,不是稀稀水水的。

簡言之,如果腸道的肌肉分布越不均勻(腸道軟與硬的部分差異越大),以及糞便越乾,就越容易形成方形便便!這也說明了為什麼袋熊便便只會在腸道的最末端變成方形,除了多次擠壓之外,這時的便便也比較乾燥。

至於我們有沒有可能大出不同形狀的花俏便便呢?楊佩良則分享了一位腸胃科醫師的意見:「大腸癌的初期的患者,其實就是大腸的某個角落開始硬化,因此有可能大出來的大便形狀會不太一樣。」下次大便的時後,記得多看一眼便便形狀,搞不好能及早發現大腸的病變!

2019 年,楊佩良以解開袋熊方便之謎再度二度獲頒搞笑諾貝爾獎。(圖/Improbable Research Youtube)

為了好奇心,學會名為「科學」的工具

「澳洲人很早以前就知道袋熊便便是方的,為什麼會等到我來做研究呢?」楊佩良的話令我們沉默,對楊佩良來說,數學或物理並不是課本中會考的知識,而是解決問題的「工具」。

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也許澳洲人很早就發現了這個問題,也很想解開這個謎題,但這些想解開謎題的人,並沒有相稱的「工具」可以解謎,「澳洲袋熊專家(Scott)就是其中之一,因此當我告訴他想要研究這個問題的時候,他非常大方地提供各種幫助。」

其實澳洲人很早就知道袋熊擁有方形便便了,卻由來自臺灣的楊佩良解開「方便」的謎底。圖/Wikipedia

「如果不是為了好奇心,手腳就會動得慢!」楊佩良認為自己學習的動力就是好奇,只要真的想做,總會有方法解決。她分享自己在大學時遇到的外文與物理雙主修的學姊,雖然數學是個門檻,但學姊最後還是完成了雙主修。

「算了一下,這位學姊在大學時花在物理跟數學的總時數,絕對超過我們花在高中的總時數。」楊佩良認為並沒有命定論這回事,再次回憶起自己過去的學習歷程,都是順著自己的心意,認真想要回答自己遇到的問題,才會到處學各種新的事物。

為了不抹滅學生的好奇心,楊佩良在自己的流體力學課上,要學生針對自己有興趣的現象,做出「流體可視化」當作期末報告,她說:「只要拍出來我就給過。」

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楊佩良分享了幾位學生的題目,一位游泳隊的學生好奇為什麼自己在學校的泳池游泳比較快,錄下了在不同泳池游泳時的水流狀況,足球隊的學生則拍下了逆風與順風射門時的差異,而另一位沒有社團活動的學生,則拍下了無葉風扇的氣流是怎麼流的。

「生活中其實有很多流體力學。」像是香菸的軌跡,或是蛋白打發,都是流體力學的守備範圍。雖然深入分析需要流體力學與工程數學的協助,但「流體可視化」只要花點巧思,就能看見流體現象、比較差異,而這種回饋感,正是好奇心的來源,有足夠的好奇心,補齊「工具」也不會是難事。

無用的傳承與啟發

談起研究應用,楊佩良說:「有用的東西,是建立在無法運用的基礎上,傳承後的結果。」也分享近三年內,關於尿尿研究的後續研究成果,包含了智慧馬桶與導尿管的設計,「這些研究是我一開始沒有想到的,但如果沒有我的研究,他們也不會想到。」

未來,楊佩良也將繼續投入更多有趣(但可能無用)的研究題目上,像是鳥類(候鳥)群聚飛行時,為什麼不會有豬隊友讓他們撞在一起?而胡立德教授的團隊也持續研究各種有趣的現象,像是一大群蛆如何每隻都能吃到食物,或是動物舌頭的相關後續研究。

參考資料

  1. Yang, P. J., Lee, A. B., Chan, M., Kowalski, M., Qiu, K., Waid, C., … & Hu, D. L. (2021). Intestines of non-uniform stiffness mold the corners of wombat feces. Soft Matter17(3), 475-488.
  2. Yang, P. J., Pham, J., Choo, J., & Hu, D. L. (2014). Duration of urination does not change with body size. Proceedings of the National Academy of Sciences111(33), 11932-11937.
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科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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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

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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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成體幼體大不同:為什麼哺乳類的幼崽這麼「萌」?——《生物轉大人的種種不可思議》
商周出版_96
・2023/11/20 ・1765字 ・閱讀時間約 3 分鐘

無法分辨成體和幼體的生物

小孩與大人不一樣。但是有些生物的幼體形態與成體型態相同。

舉例來說,鱷魚的幼體與成體幾乎長得一模一樣,剛破蛋而出的鱷魚寶寶已經具有完整的鱷魚外形,出生後逐年長大,巨大的鱷魚可以長達好幾公尺。不過鱷魚的成長速度在不同環境和溫度下不盡相同,光從大小無法判斷年紀,只看外形也無法分辨是成體或幼體。有些生物的成體和幼體的形態則相差甚遠,好比蝴蝶和蛙類;也有些生物的成體和幼體沒有太大區別,如同鱷魚。

這兩類生物的差別是什麼?

海葵就是幼體和成體相差很多的生物。海葵幼體是一種很像水母的生物,叫做「浮浪幼蟲」 。浮浪幼蟲在海中自由自在漂游,找到喜歡的岩石區時就會落腳,落腳後就不再移動,附著在岩石上長成海葵。移動是海葵幼體的重要任務,長大後的海葵則是肩負產卵留下子代的使命。

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蛙類和蝴蝶的成體與幼體形態也各不相同,不過任務分配上與海葵不同,負責移動的是成體不是幼體。
由此可見,如果一個生物的幼體與成體各有不同任務,彼此的形態就不會相同,而沒有區分任務的生物就具有相同形態。

人類的大人與小孩 

我們人類又是什麼情況呢? 

人類不會因為長大而生出翅膀或尾巴消失。人類的大人和小孩的外型非常相似,但並非完全相同的個體。舉例來說,嬰兒在我們眼中看起來就很可愛。

小孩子可愛的祕密在於他們的寬額頭。嬰兒的眼睛和鼻子集中在臉的下半部,額頭顯得很寬闊,寬額頭會使得整張臉看起來就惹人憐愛。而且嬰兒頭大、四肢短,整體感覺圓滾滾的,帶有人類大人不具備的「可愛感」。假如出現了一個比成年人更巨大的嬰孩,所有人應該還是能夠辨識出他是個嬰兒。人類不像鱷魚,我們不會分辨不出來誰是大人、誰是小孩。 

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人類的大人和小孩具有不同的外型。除了人類,貓狗的寶寶也長得很可愛,即便是凶猛的獅子與灰狼,牠們的幼崽看起來還是很討喜。哺乳類動物的一大特徵,就是「幼體很可愛」。

哺乳類動物的一大特徵,就是「幼體很可愛」。圖/pexels

嬰兒為什麼可愛?

哺乳類動物的嬰兒擁有可愛的外型。

人類出生後先是嬰兒,嬰兒長大是兒童,童年時期的人類依然保有他們的可愛,但是在長大的過程中卻會漸漸失去這種特質。

蛙類的成體和幼體雖然具有不同形態,但是蝌蚪並不是很可愛;蝴蝶小時候是毛毛蟲,反而比較多人覺得毛毛蟲噁心,只有少數人認為牠們可愛。 

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既然如此,哺乳類動物的嬰兒為什麼會可愛?

原因就在於,嬰孩需要大人的保護。哺乳類動物具有育幼行為,牠們的子代需要親代的養育。小孩的可愛外形是為了獲得大人的保護。烏龜以堅硬的龜殼防身,毛毛蟲透過毒毛保護自己,而哺乳類動物的嬰兒則是把「可愛」當護身符。 

嬰兒的寬額頭惹人憐愛。圖/pexels

嬰兒的額頭很寬。為什麼額頭寬看起來就比較討人喜歡呢?因為大人的腦袋裡內建了寬額頭等於可愛的程式。 證據就是只要額頭寬,不管是不是嬰兒看起來都很萌。不過額頭寬並不是為了可愛。

如果說紅燈是「停止」的信號,寬額頭就代表「不可以攻擊」與「要保護他」的信號。

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對於哺乳類動物來說,大人要保護小孩,小孩要被大人保護。大人與小孩的外型相似卻又不盡相同,因為他們肩負不一樣的任務。這樣說來,小孩的任務是什麼呢?小孩的任務很明確,就是「長大」。一個人要有健全的童年,才能成為健全的大人,這就是小孩的任務。

不過近年來人類的大人和小孩越來越難區別了。 總覺得不像小孩的小大人一直在增加,長不大的巨嬰也很多。

——本文摘自《生物轉大人的種種不可思議:每一種生命的成長都有理由,都值得我們學習》,2023 年 8 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

商周出版_96
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人類有可能扮演上帝嗎?喬治.丘奇的基因科學之夢(上)——《未來的造物者》
臉譜出版_96
・2023/11/11 ・3188字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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上帝、教會與(有點長毛的)長毛象

幾乎所有文化在面對生命本源的問題時,都會用一些角色與故事回答問題。在希臘神話中,最初只有卡俄斯(Chaos)——虛無——的存在,接著蓋亞(Gaia)從虛無而生,然後生下天空烏拉諾斯(Uranus)。他們的後代包括泰坦(Titan)、獨眼巨人(Cyclopes)、百臂巨人(hundred-handed creatures)、諸神(赫斯提亞〔Hestia〕、狄蜜特〔Demeter〕、宙斯〔Zeus〕等),以及後來的人類。古蘇美人則相信母神納木(Nammu)生下了天與地,並且誕下動植物與人類。在拉科塔族(Lakota)傳說中,這個世界存在之前還有另一個世界,那個世界的人類罪孽深重,因此大靈(Great Spirit)用洪水淹沒大地,只有烏鴉康吉(Kangi)活了下來。大靈另外派三隻動物取了泥回來,由大靈塑造成土地與世界各地的動物,然後又用紅、白、黑、黃四色的泥塑造出男人與女人。而在基督教故事中,上帝先是創造出無形的荒蕪,接著創造光、天空、土地、動物,以及掌管所有生物、後來成為人類始祖的亞當與夏娃。

這些故事都編造於我們理解生物學、天擇與生命演化之前。《創世紀》(Genesis)記載了許多戲劇化的故事,故事中世界遭遇危難、一家人盼望生下孩子,還有人遠行尋找未來的家園,它的多位作者根本沒聽過好幾世紀後達爾文對於天擇的觀察,也沒聽過格雷高爾.孟德爾(Gregor Mendel)提出的遺傳法則。(若能研究《聖經》中幾個著名家族——例如撒拉〔Sarah〕、利百加〔Rebecca〕與拉結〔Rachel〕的家系——的基因序列,那也許可以找出她們難以懷孕或成功生育的原因。)

圖/wikimedia

蘇格蘭哲學家大衛.休謨(David Hume)曾觀察到,我們人類共同的這些創世神話之所以存在,是因為我們需要用有因果關係的故事理解周遭世界,也是因為當社會規則有前後文脈絡時,社會才能運作得更好。那麼如今,隨著合成生物學打破我們自古流傳下來的規則,迫使我們重新思考這些規則的合理性、挑戰自己原先相信的起源故事,我們又該如何是好呢?到了今天,科學家忙著在數百間實驗室裡幻想、設計與生產生命的未來——而在其中一間實驗室裡,一位備受敬慕的研究者邀我們檢視與調和自己對科學及信仰的信念。

***

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喬治.丘奇在生物學界絕對算得上「大」人物,他同時是麻省理工學院與哈佛大學的教授與實驗室主任。即使不穿鞋,他的身高也達六呎五吋(約一百九十五公分),校區內甚至有幾道門太矮,他必須彎腰低頭才有辦法通過。他擁有天使般大大的可愛笑容、紅潤的雙頰、一頭茂密的白髮,以及蓬鬆的長鬍子。簡而言之,他可說是聖誕老人的遺傳學家弟弟,脾氣也和聖誕老人同樣和藹可親。人們常因丘奇的研究主題而將他和查爾斯.達爾文——甚至是更偉大的人物——相提並論。在討論如何利用合成生物學設計與操控生物學未來時,喜劇演員史蒂芬.荷伯(Steven Colbert)一度打斷了丘奇,急切地問道:「我們有重新設計的必要嗎?」他接著說道:「第一次發明我們的是上帝,是創造天地的主。先生,你這是在扮演上帝嗎?你這個鬍子的確很有假扮上帝的潛力。」荷伯也許沒發現,他這句笑話其實有幾分真實,因為丘奇花費了大量心血想創造新生命,以及復活已死的生物。

患有猝睡症的科學家
合成生物學讓創造新生命及復活已死的生物變得可能。圖/giphy

丘奇在一九五四年誕生於佛羅里達州麥克迪爾空軍基地(MacDill Air Force Base),從小在鄰近坦帕灣(Tampa Bay)的中產階級社區長大,生活環境不算特殊。丘奇的父親是空軍中尉,同時也是賽車手、光腳滑水運動員,比起寧靜的家庭生活,他對刺激的活動感興趣得多。丘奇的母親則是律師、心理學者與作家,她優秀又有想法,早就受夠了丈夫的行徑。她兩度再婚,第二次對象是一位名為蓋洛.丘奇(Gaylord Church)的醫師,蓋洛正式收養了當時九歲的喬治。喬治立刻對繼父包包裡的醫療器材深感興趣,蓋洛教好奇的兒子如何消毒針頭,甚至偶爾讓喬治為他注射藥物。

這段時期,丘奇在天主教學校的老師都對他頭疼不已。丘奇雖然禮貌,卻頻頻提出修女們答不上來的問題,經常帶著老師們鑽神學的牛角尖。他高中就讀麻州名聲極佳的寄宿學校——菲利普斯學院,也就是馬文.閔斯基的母校——這所學校就比較適合他了。他在此鑽研電腦學、生物學與數學——卻也發現自己越來越無法在夜裡完全入眠,日間也難以保持清醒,即使在他深愛的數學課上也會打瞌睡。其他學生不停拿這件事笑他,代數學老師甚至叫他乾脆別來上課了:既然他這麼常在課堂上打瞌睡,那就自己想辦法學數學吧。丘奇為自己辜負師長的期許而感到羞愧,同時也恨自己無法融入群體。

後來他就讀杜克大學(Duke University),睡眠問題仍不見起色,他常在會議或研討課中不小心睡著,睡幾分鐘後聽見自己的名字,他又會像沒睡著一樣猛然驚醒、回應對方。有次在一位系主任的課堂上,系主任見學生斗膽打瞌睡,甚至氣得拿粉筆丟他。儘管如此,丘奇還是在短短兩年內拿到了化學與動物學的學士學位,接著繼續在杜克大學讀生物化學研究所。他很快便被晶體學(crystallography)吸引,這在當時是一門新學問,可用以研究轉運 RNA(tRNA)的三維結構,深入瞭解這種負責解碼 DNA、將遺傳指令運輸到細胞其他部分的 RNA。

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丘奇常在會議或研討課中不小心睡著,但聽見自己的名字又會像沒睡著一樣猛然驚醒、回應對方。圖/giphy

丘奇的睡眠問題並沒有好轉,大多數人都以為他不過是太無聊或在做白日夢,孰料他其實是無意間迅速進入了睡眠的快速動眼期(REM sleep)——也就是人們睡眠時做夢的階段——並且將清醒時的想法帶進了夢裡。在清醒夢狀態中,他看見了未來的各種可能性,探索了不同排列組合的科學方法——換作是清醒的人,絕不可能想到用如此古怪、瘋狂的方式應用科技。

在學生時期,丘奇老是因太過好奇與容易分心(當然還有打瞌睡)而惹上麻煩,他每週花上百小時做尖端晶體學研究,以致從不出席核心課程,最後想當然耳被當掉了。他被逐出了生物化學系,只能試圖轉系、繼續從事研究,然而他修的課程太雜、個人名聲不佳,而且研究領域又很奇怪,沒有教授想收他。此時的丘奇二十歲了,他發表過重大論文、獲得了著名的國家科學基金會(National Science Foundation)青年學者獎,卻被學術界的官僚體制拒之門外。

話雖如此,丘奇仍設法轉學到了哈佛,並下定決心讀完研究所。到了哈佛大學後的第一學期的早秋某一天,丘奇上課遲到了幾分鐘,於是他悄悄溜進教室、在最後一排找位子坐下。他取出筆記本、抬頭看向老師的投影片,赫然發現當日主題是自己的一篇論文。那堂課的教授是分子生物學界首屈一指的學者華特.吉爾伯特(Walter Gilbert),他沒發現丘奇也是這堂課的學生。(吉爾伯特在三年後因開發出 DNA 定序的早期方法之一而獲得諾貝爾獎。)

丘奇繼續做著生物化學相關的夢,提出了許多大膽的想法,其中之一是能低成本且快速解讀 DNA 的機器,還有一者是用現成分子改寫基因體、改良自然造物的方法。在他的想像中,他可以用特定的酶修改基因體當中不同的部分,還能讓神經多樣(neurodiverse)者——例如有強迫症或自閉症的人們——調控他們的特殊能力,而不是用藥物抑制這些能力。丘奇的想法被他帶進了實驗室,他致力於基因體定序與分子多工(molecular multiplexing)的研究,後者是能夠同時定序數條 DNA 的技術,不必像當時廣受使用的方法一樣,一次僅定序一條 DNA。這其實不是新技術,但大部分科學家認為這種想法太過荒謬,所以並沒有繼續順著這條路研究下去。丘奇證實了此事的可行性,一次定序多條 DNA 的方法很快便被許多人接受,大幅降低了 DNA 定序的成本。

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——本文摘自《未來的造物者》,2023 年 11 月,臉譜出版,未經同意請勿轉載。

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