美國科普記者伯罕農 (John Bohannon) 於 2008 年起,在《科學》(Science) 期刊與美國科學促進會 (American Association for the Advancement of Science, AAAS) 的贊助下發起「博士,跳起來 (Dance your Ph.D)」活動,請來諸多科學家與藝術家當評審,根據科學性、藝術性與創意性,在物理、化學、生物與社會科學領域中分別選出冠軍,並在這之中選出一組總冠軍,而這些「舞林盟主」們也將獲得 500~2000 美元不等的獎金。
雖說 2019 新冠病毒疾病 (COVID-19) 持續延燒,但主辦單位並沒有就此罷休,今 (2021) 年甚至新增 COVID-19 組,鼓勵各項領域的科學舞蹈家 (?) 嘗試為相關議題發聲。現在,就讓我們來一起回顧今年的得獎作品吧!
社會科學:科學很難?跳到你懂為止!
奧地利卡爾.弗朗岑斯格拉茨大學 (University of Graz) 所展示的研究主題,為比較在小學中使用不同的教學技巧,如何影響小學生的學習。
如果有一天,小學老師授課的方式,變成各路門派的帶動跳,你覺得孩子會學得怎麼樣?彷彿表演藝術課的展演式教學 (performative teaching),比起傳統的教學方法,能讓學生學得更好嗎?
跟「博士,跳起來!」這個活動,貌似有異曲同工之妙。
影片中,表情誇張又愛演的師生三人,先以動作為各位示範學習新事物的三步驟,即命名 (naming)、定位 (locating) 與形容 (characterizing)。換句話說,我們要能敘述一個物件的名稱、它所在的位置,以及這個物件看起來像什麼東西,才算是有學到東西。
研究團隊將受試學生分為兩組,讓他們分別接受傳統教學與展演式教學。
在傳統教學的片段中,老師與學生只以口語表達作為交換知識的媒介,而老師也會給予回饋和反思,大概就是平常我們的上課方式。而在展演式教學中,孩子需要透過各種動作來「描述」一件事或一個東西,包含默劇 (pantomime)、模仿圖片裡的東西等,過程中老師不會有任何回饋。
究竟展演式教學擁有什麼樣的魔力?除了好玩,它真的能強化學生的描述能力嗎?趕快跟著影片裡比手畫腳的師生們一起動.起.來 (?)
物理界的 S.H.E.,看天團如何說唱大氣科學
能歌善舞的芬蘭赫爾辛基大學 (University of Helsinki) 團隊介紹「大氣中的分子簇如何聚集、組合與穩定」,不僅奪得總冠軍,影片裡的氣勢跟歌曲的洗腦程度,根本可以出道了吧。
大氣中的分子簇會影響雲的生成以及降雨。序幕中,空氣中一片亂飛到 ㄎㄧㄤ 掉的舞者,象徵著大氣層中蠢蠢欲動的各式氣體分子,其中,氨、DNA、高氧化合物 (HOM)、硫酸和水等氣態前體 (gaseous precursor) 會形成衍生性氣溶膠 (secondary aerosol),它們經過碰撞、聚集後會變成分子簇 (molecular clusters),最終成為可讓水分子附著其上的雲凝結核 (cloud condensation nuclei),並發展成一個個雲滴 (cloud droplet)。
然而,並不是所有分子都能功德圓滿,撞著撞著就在一起了。
因此,研究團隊利用化學、物理與電腦的知識與技術,試圖在組態空間 (configurational space) 中模擬出穩定且不易蒸發掉的分子簇結構。
除此之外,他們以各種不同的方式排列分子,並設計程式對它們加以探索,把蒐集到的資料放到更進階的模型裡分析,再以大氣團動態編碼 (atmosphere cluster dynamic code, ACDC) 預測簇團的生成率 (formation rate),藉此分析適合分子簇發展的大氣條件。
雖然這部影片沒有交代太多實驗細節,但就詞曲與畫面的契合度來說,真的令人歎為觀止。
被化學家耽誤的演員,第一次飾演原子就上手
再來是舞風獨特的化學獎,由麻省理工學院 (Massachusetts Institute of Technology, MIT) 博士,現為軟體工程師的米奈爾 (Mikael Minier) 奪得,而他的主題是利用仿生配體 (biomimetic ligands) 複製甲烷單氧化酶 (Methane monooxygenase),並深入研究分子在溶液裡的反應與狀態。
由於存在強大的 C-H 鍵結,將甲烷 (methane) 氧化成甲醇 (methanol) 的過程相當艱難。不過,我們可以透過甲烷單加氧酶與氧氣的反應,將其內含的二價鐵(Fe2+)高度氧化,形成極強的氧化劑 (oxidant),如此一來就能順利地把甲烷給「掰彎」啦!(誤)
為了解析甲烷單氧化酶氧化甲烷的過程,米奈爾將仿生配體與鐵形成二鐵 (diiron) 錯合物晶體,並還原 Fe2+ 活性位點的結構,然後著手研究化學反應中是否存在其它不穩定的中間產物。先不論米奈爾的實驗最後是否有成功,但無論是身著紅藍上衣跳著機械舞的鐵原子先生,還是跳著大風車的核自旋,每個角色都超有戲,讓我們也能從原子的視角理解化學變化。
生物組:你當我是塑膠膩?
法國勒芒大學 (Le Mans Université) 生理學博士朱利安 (Fanon Julienne) 等人,則以類似歌舞劇的方式為大家介紹「塑膠材料的光分解作用」。
整體風格相當文藝的生物組得獎作品,以老奶奶為孩子說故事打開序幕,從簡介的草寫字體、具有目錄作用的色鉛筆畫,到希臘神話故事般的人物設定,每個環節都很引人入勝。
為了展示塑膠在各種環境條件下的老化過程,舞者們分別扮演太陽、水分子,以及排列陣勢不同的塑膠──聚乙烯 (polyethylene, PE) 和聚丙烯 (polypropylene, PP) 分子鏈 (molecular chain),並跳著熱情的舞蹈,還原塑膠與環境的互動狀態。
像是暴露在紫外線底下的塑膠,其分子鏈會產生鏈切斷 (chain scissions) 並與空氣中的氧產生氧化反應,造成塑膠表面硬化、收縮;而水則會減少塑膠在水裡的剛度 (rigidity),使塑膠更容易產生裂解。此外,不同的晶體型態,也會產生不同的老化與裂解結果和裂紋方向。
想知道更多塑膠的裂解之謎嗎?快跟著塑膠分子們洞次洞!
引發 COVID-19 的病毒體,也跳給你看
塑膠跳,塑膠跳,塑膠跳完病毒跳~
美國俄勒岡州立大學 (Oregon State University) 推出的影片,則是介紹病毒的核殼蛋白 (nucleocapsid protein) 研究,期待能藉此找到阻斷病毒 RNA 複製的方法。
影片一開始,一位身著黑衣的女子在海邊優雅地旋轉飛舞,她就是病毒體裡的核殼蛋白。在病毒體 (virion) 裡,病毒的遺傳物質 RNA 與核殼蛋白接在一起,若要釐清病毒體的結構與複製方式,就必須多瞭解核殼蛋白。
在舞蹈的佈局上,創作者相當用心,以硬派的舞風跟柔軟的身段,分別詮釋結構較頑強且被固定在特定位置上的蛋白,以及結構較具彈性的無序蛋白 (disordered proteins)。
而導致 2019 新冠病毒疾病 (COVID-19) 的病毒體 SARS-CoV-2,其核殼蛋白也含有部分無序蛋白。在 NMR 裡無線電射頻脈衝的幫助下,這群跳到快要失心瘋的蛋白們便開始自旋排列 (spin arrangement),好讓研究者瞭解蛋白的結構與運動方式。
在這之後,利用突變或轉譯後修飾 (post-translational modifications, PTM) 技術對蛋白加以調整,就可以知道這些外來物如何影響蛋白與它的功能,並在熟悉 RNA 的鏈結方式後開發藥物,阻止蛋白與 RNA 鏈結,限制病毒的能力與複製力。
誰說科學學術論文只能是「紙上談兵」?與其聽科學家嚼著一堆方程式、計算模型跟天書般的數學題,不如來欣賞他們的舞蹈,或一起下去跳一場吧!
參考資料
- Dance Your Ph.D. (n.d.). Wikipedia.
- Moutinho, S. (2021, Mar. 3). Watch the winners of this year’s ‘Dance Your Ph.D.’ contest. Science.
- Official rules for Dance Your Ph.D. contest. (n.d.). Science.