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真的假的,世界上竟然有不需施打就能散播的疫苗?

羅夏_96
・2021/08/05 ・3408字 ・閱讀時間約 7 分鐘

在新冠肺炎的陰影之下,疫苗接種已是民眾每天都在談論的話題。不過你知道除了打針接種疫苗,也有所謂的「自我傳播疫苗」嗎?這類疫苗可以在接種給少數個體後,藉由這些個體將疫苗傳播給其他未接種的個體上Nuismer & Bull, 2020。接下來讓我們一起了解這種特殊的疫苗形式吧。

圖/Pixabay

野生動物也要打疫苗?

現在的公衛體系如此發達,要給人接種疫苗並不困難,那為何需要這種能「自我傳播」的疫苗呢?其實這種疫苗的施打對象並不是人類,而是野生動物。那為何要給野生動物施打疫苗呢,這就與「人畜共通傳染病」有關了。

許多重大傳染疾病的來源,是人畜共通傳染病,也就是可以經由動物傳染給人的傳染病。這些疾病的病原體原本只能感染動物,但隨著病原體在動物群體內不斷感染的同時,病原體也不斷在演化,最終病原體就演化出能感染人的能力。而當人與這些被感染的動物接觸後,往往就是疫情爆發的開端。從禽流感、AIDS、SARS、伊波拉到現在肆虐全球的新冠肺炎 雖然新冠肺炎是否源於野生動物仍有爭議,這些人畜共通傳染病都對人類的健康造成巨大的威脅。根據美國國際開發署U.S.Agency for International Development在 2009-2019 年間的研究顯示,有 1,000 多種可能導致人畜共通傳染病的新病毒在野生動物身上被發現。可以肯定的是,新冠肺炎絕不會是最後一個人畜共通傳染病,人類未來必定還會再遇到。

面對潛伏在野外的人畜共通傳染病的威脅,難道我們只能被動地應對嗎?其實針對這個隱憂,科學家就提出不少應對方案,而其中一個方法,就是給動物施打疫苗。只要能給動物施打疫苗,阻止病原體在動物間的傳播,就能大大降低病毒的演化與對人類的威脅了。不過講得容易,做的難〜

1 Up Life GIF by himHallows
圖/GIPHY

養殖動物我們還能逐一為其施打疫苗,但要給野生動物施打疫苗,就是非常艱鉅的任務了。過去曾有用誘捕給野生動物施打疫苗的方式,雖然這有一定的效果,但只適用能被誘捕的動物,而且這種方式很難在野生動物中達到群體免疫的效果。另外不少野生動物生活在偏遠地區,我們難以誘捕,況且就算真到了牠們的棲地,牠們可不會乖乖地捲起袖子排隊等著你施打疫苗。

為了突破這些施打疫苗的限制,科學家就提出一個想法:製造一種能在野生動物之間自然擴散的自我傳播疫苗 (Self-disseminating vaccines)。而發表在 Nature Ecology & Evolution 的文章,就對自我傳播疫苗進行回顧(Nuismer & Bull, 2020)。

自我傳播疫苗的兩個類型

自我傳播疫苗主要分為兩類:可轉移疫苗 transferable vaccines傳播性疫苗transmissible vaccines,兩類疫苗都是希望藉由給少數個體施打疫苗後,讓疫苗能在野生動物群體間自然散播,以達到群體免疫的效果。不過這兩類疫苗的傳播方式並不相同,下面就分別介紹這兩類自我傳播疫苗。

可轉移疫苗

在一隻蝙蝠的毛皮塗上一些疫苗物質,當牠回到自己的棲息地,其他蝙蝠會因梳理該蝙蝠的毛皮而接觸到疫苗,藉此達到散播疫苗的目的。

可轉移疫苗示意。圖/Nature Ecology & Evolution

這個方法乍看之下傳播疫苗的效率並不高,不過根據計算,只要少數的個體攜帶可轉移疫苗,這種方式能讓足夠多的個體獲得免疫能力,從而根除病原體的。

但光有理論不夠,作者另外找到格拉斯哥大學於 2017 年,在秘魯針對吸血蝙蝠群體進行的可轉移疫苗對的研究。該研究找了三個蝙蝠群體,每個群體至少都有 200 隻蝙蝠。他們在每個群體中 20 到 60 隻蝙蝠的背部塗上含螢光的生物物質,一旦其他蝙蝠沾到這些物質,牠們的毛髮也會發出螢光。一段時間後,研究團隊分析群體中發螢光的個體數量,結果顯示至少 84% 的蝙蝠都會發螢光。這個研究的結果若應用到真正的狂犬病可轉移疫苗上,有很大的機率能讓夠多的蝙蝠產生對狂犬病的免疫能力,從而可以減少狂犬病爆發的頻率、規模和持續時間Bakker et al., 2019

傳播性疫苗

此類疫苗由活的病原體經修飾弱化後製成。將疫苗施打在少數個體上,就能利用病原體本身的感染能力,在群體間造成大規模的傳播。同時病原體因經過修飾弱化,其感染後的症狀已大幅降低,不會對群體造成太多傷害。

傳播性疫苗示意。圖/Nature Ecology & Evolution

這個方法面對數量龐大的野生動物群體是理想的做法,但風險並不小。雖然是使用修飾後的弱化病原體,但一旦設計上稍有不慎,很可能會讓這個病原體在動物群體中演化成新型疾病。因此比起直接使用修飾的病原體,重組疫苗 recombinant vaccine 是更安全的選擇。

重組疫苗簡單說就是將病原體的基因放到對宿主無害的病毒中,這樣就能借助病毒將疫苗散播到群體中。如果病毒在散播過程中遺失了病原體的基因也沒關係,因為剩下的病毒載體也對宿主無害。

在 1990 年代,馬德里動物健康研究中心的研究團隊,就曾測試過傳播性疫苗的效力。當時在西班牙一些小島上的野生兔子,正處在受致命出血性病毒感染的危機之中。研究團隊設計出重組疫苗,並將其散播在一個島上。一段時間後,研究團隊抽取當地兔子的血清進行分析,他們發現約一半的兔子其血清內都有能對抗出血性病毒的有效抗體,而且兔子並沒有出現其他副作用。顯示應用重組疫苗的傳播性疫苗,確實可行且有效(Torres et al., 2001)!

另外隨著分子生物技術的快速發展,現在我們已能精準設計出重組疫苗的使用期限,如此在給野生動物散播疫苗的同時,也能大幅降低病原體基因在疫苗中演化出有害突變的可能。

圖/Pixabay

使用自我散播疫苗的注意事項

雖然自我散播疫苗看起來是預防人畜共通傳染病的實用方法,但若真施行起來,仍有不少問題要克服。

首先是病原體預測的問題。前面提到美國國際開發署的研究顯示,在野外會造成人畜共通傳染病的可能病原體數量非常之多。我們要如何準確預測下一個可能引起人類大規模感染的病原體,並不容易。如果不能準確預測病原體,就無法知道該病原體的宿主——也就是野生動物群體,我們就難以設計出相對應的自我散播疫苗。

不同野生動物的生活模式,會影響自我散播疫苗的使用。例如前面提到的可轉移疫苗,用在會為彼此理毛的蝙蝠或許適用,但其他動物若沒有這種親密的肢體接觸,這種方法就不適合了。因此必須先知道野生動物的生活模式,才能決定使用的疫苗種類與方式。

另外在將任何生物性物質釋放到自然前,安全與生態的考量是非常重要的。我們都不希望放出的自我散播疫苗,最終變成危害自然甚至是人類的殺手。

圖/pexel

縱使仍有許多困難要克服,但使用自我散播疫苗的吸引力日益增加中。這次肆虐全球的新冠肺炎疫情,不僅威脅人類的健康,更對社會與經濟造成難以估計的損失。如果能在事前就阻斷病毒在野生動物間的傳染,這個成本明顯比疫情大爆發對人類社會的影響更低,因此越來越多的國家和研究單位,投入大量的資金到自我散播疫苗的相關研究上。

俗話說:「危機就是轉機」。這次的新冠肺炎疫情讓人們意識到,面對潛伏於野外的人畜共通傳染病,我們不能再被動應對了。是時候主動出擊,將下一波可能造成大流行的病原體,用自我散播疫苗等方法將其隔絕!

參考資料

  1. Nuismer, S.L., Bull, J.J. Self-disseminating vaccines to suppress zoonoses. Nat Ecol Evol 4, 1168–1173 (2020).
  2. 人畜共通傳染病
  3. Bakker KM, Rocke TE, Osorio JE, Abbott RC, Tello C, Carrera JE, Valderrama W, Shiva C, Falcon N, Streicker DG. Fluorescent biomarkers demonstrate prospects for spreadable vaccines to control disease transmission in wild bats. Nat Ecol Evol. 2019 Dec;3(12):1697-1704.
  4. Torres JM, Sánchez C, Ramírez MA, Morales M, Bárcena J, Ferrer J, Espuña E, Pagès-Manté A, Sánchez-Vizcaíno JM. First field trial of a transmissible recombinant vaccine against myxomatosis and rabbit hemorrhagic disease. Vaccine. 2001 Aug 14;19(31):4536-43.

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羅夏_96
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同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟


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既是科學家,也是樂團鼓手!──專訪數學物理學家程之寧

研之有物│中央研究院_96
・2022/03/11 ・5978字 ・閱讀時間約 12 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|郭雅欣、簡克志
  • 美術設計|林洵安、蔡宛潔

在學術與搖滾的多重維度上行走

還記得美劇《The Big Bang Theory》嗎?劇中常常出現的物理名詞「弦論」,是描述物理世界基本結構的理論。中央研究院「研之有物」專訪院內數學研究所程之寧研究員,她正是研究弦論的科學家,也是熱愛音樂的搖滾樂團鼓手,這種跨領域身份並不衝突,兩邊都需要創造力與紀律。由於天生斜槓的性格,讓程之寧在數學和物理領域大展身手,透過數學的深入探討,她試圖將弦論更往前推進。最近程之寧更跨足到人工智慧領域,為學界提供理論物理上的貢獻。

中研院數學所程之寧研究員,主要研究 K3 曲面(特殊的四維空間)的弦論,她發現模函數和有限對稱群之間有 23 個新的數學關聯,稱之為「伴影月光猜想」(Umbral Moonshine)。圖/研之有物

萬有理論和難以捉摸的「月光」

世界從那裡來呢?物理世界的本質是什麼呢?回答這樣的大哉問,一直是理論物理學家所追求的目標。從牛頓力學(日常應用)、廣義相對論(探討很重的物質)到量子力學(探討很小的物質),隨著物理學不斷發展,我們似乎一步步接近答案,但至今卻還未走到終點。

舉例來說,如果有個東西很重又很小,就像「黑洞」,或是大爆炸時的宇宙,我們要怎麼用數學描述?於是科學家試圖整合廣義相對論和量子力學,找出所謂的「萬有理論」(Theory of Everything)──能完全解釋物理世界基本結構的核心理論。

程之寧研究的「弦論」就企圖發展成這樣一個萬有理論。弦論一如其名的「玄妙」,它設定宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成,每一種基本粒子的振動模式不同,產生不同的粒子特性。

「人類一直以來的夢想之一就是,如果能用一句話解釋所有事情,那該有多麼美好。」中研院數學所研究員程之寧說道。

程之寧的研究牽涉到數學上的「月光猜想」(Moonshine)與弦論中 K3 曲面的連結。月光猜想是存在於模函數係數與特殊群之間的數學關聯,程之寧與其研究夥伴共發現了 23 個新的關連,並稱之為「伴影月光猜想」(Umbral Moonshine)。

基於弦論的假設,我們的世界是十維的,除了人們在日常生活中可以感知到的 3+1 維(空間+時間),還有六維是因為尺寸太小而無法用肉眼觀察的,這些看不到的維度影響著物理世界,最終也產生了我們這個物理世界所需的各種條件與特性。

綜觀程之寧的研究,橫跨了物理與數學兩個領域,她笑稱自己「天生斜槓」。在學術上,程之寧原先喜歡文學,之後卻走上數理研究的道路;在音樂上,程之寧喜愛搖滾樂,至今仍在自己的樂團裡擔任鼓手。

她如何看待自己一路走來的各種轉折?游徜在數學與物理之間,她又對這兩個領域的連結有怎樣的體會?在與「研之有物」的訪談中,程之寧侃侃而談她的經歷、想法,以及對學術研究的熱忱所在。

在弦論的設定中,宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成,每一種基本粒子的振動模式不同,產生不同的粒子特性。圖/iStock
  • 請問您是如何對數學及物理產生興趣?從何時開始?

一開始考大學時,其實我想去念中文系(笑)。不過,因為我高中是選理組,而且只念了一兩年,對文科考試比較沒把握,加上對工程科系沒興趣,最後就選擇臺大物理系就讀。

後來發生兩個轉折,第一個是我很認真的去修了大學中文系的課,結果發現真的沒有想像中容易。第二個就是我發現物理系的課還蠻有趣的,像量子力學和相對論,讓我覺得還想再多學一點、多知道一點。

我開始覺得如果念完臺大物理系就停下來,好像有一種小說沒讀完的感覺,所以就想繼續讀碩士班。那時還沒有覺得自己會走上學術研究的路,單純抱著想把故事看完的想法。

  • 後來是如何接觸到弦論?弦論是如何引起您的興趣?

後來我去荷蘭念碩士,指導教授是諾貝爾物理獎得主 Gerard ’t Hooft。他其實蠻不認同弦論,但他對於如何處理量子力學與相對論很有興趣。

當時 ’t Hooft 教授在建議我碩士題目時就說:「你也知道我不太認為弦論是一條正確的道路,不過聽說弦論最近真的在量子重力這一塊有一些成果。不如妳去讀一讀,看看是不是真的有一些東西在那裡,也可以比較一下其他量子重力理論。」

在我很認真的比較各個量子重力理論之後,就變成弦論派了(笑)。’t Hooft 教授對此也保持開放態度,他有幾個不錯的博士生後來也變成弦論學家,之後我在 Erik Verlinde 的指導下念博士時,就完全以弦論為研究主題了。

  • 研究理論物理會影響您對現實世界的理解嗎?

蠻多人會問我說,妳學了量子力學,是不是就會比較了解這個世界不是非黑即白?或問我量子力學跟宗教是不是有關?可是我覺得我分得很開,我不會去做這樣的連結,我還是活在現實裡,走路時大部分都在專注於自己不要跌倒之類的。

如果真的要講,我蠻感激我們的存在,因為我所學的東西讓我知道這是沒有必然性的。我們能這樣以一種人形的很奇怪的生物的形式存在,然後在這樣一個環境過一輩子,是機率很低的事情,而且我還蠻開心我是當人,而不是奇怪的阿米巴蟲或外星生物!有些人會從這裡連結到宗教或轉世,但我不會,我就停在這裡。

  • 來談談您的研究,伴影月光猜想與 K3 曲面弦論之間是什麼關係?

弦論中有很多的可能性,我們可以挑選特定的四維,然後假設這四維空間是個 K3 曲面。例如說,我們可以把兩個甜甜圈乘起來,在上面做特殊的奇異點,來製造出一個 K3 曲面。這個曲面有一些很有趣的對稱性。從弦論的角度來講,我們可以透過這個過程,找出一個解釋為何有伴影月光猜想的框架。

「把維度乘起來」這個概念很難想像,但這在數學上是成立的。我舉例一個我們能想像的「乘起來」:如果有一個空間是一條線,另一個空間是一個圓,乘起來就變成一個圓柱形,從一個方向剖面可以切出圓,另一個方向則切出線。而在數學上,不管幾維,能不能在紙上畫的出來,都可以這樣操作。

程之寧向「研之有物」採訪團隊解釋「把維度乘起來」的概念。圖/研之有物
  • 如何透過計算,發現捉摸不定的「月光」?

有時候這看似湊巧,一個數學上的函數正好就是弦論某個問題的答案。但其實並不是真的那麼巧,弦論看起來很有彈性,好像什麼都可以解釋,但它其實有非常多結構及限制。

當我在計算一個弦論理論時,它的內部結構可能原本就具有某些特定的性質,然後我再去觀察數學中,有這樣性質的函數可能就只有一兩個,只要再初步算一下,就能知道哪一個是答案。弦論學家日常的計算常常是這樣的,所以這是巧合嗎?是也不是。

  • 您曾經發現 23 個新的伴影月光猜想,您對這類題目特別有興趣嗎?

我覺得數學有兩種,有些數學家喜歡系統性的事情,就像蓋房子一樣,在數學裡建造一個很美麗、非常有系統性的結構,可以把很多事情都放入這個結構來理解。

另一種比較少數的,就是喜歡獵奇,去收集分類奇奇怪怪的特殊東西,例如有這些性質的函數在哪裡?可能你算出來就是 5 個,你也不知道為什麼。月光猜想很明顯就屬於這一類。

兩種的樂趣感覺是不一樣的,我覺得應該都很棒,但我可能是屬於偏好獵奇的這種。

  • 您的研究連結了物理上的弦論與數學上的月光猜想,您怎麼看待這兩個知識體系的互動?

弦論是一個需要很多數學理論配合的物理理論,它是一個有點繁複的框架,我們什麼都要會一些,才能看懂這個理論。當你把許多不一樣的學門的知識加起來,有時候就會在某一個學門──例如幾何──有意想不到的收穫。

弦論在數學上也扮演探索與找尋新方向的角色,讓數學家有新的發現。雖然最後數學定理的證明還是得仰賴傳統數學方法,但在這二三十年間,我們一直從弦論身上找尋數學研究的新方向或有趣的猜想,看到了弦論與數學之間的互動。

數學家有兩種,一種人喜歡建立美麗又有系統性的結構,另一種人喜歡尋找和收集奇怪特殊的數學物件(比如函數),程之寧表示自己屬於後者。圖/研之有物
  • 剛才一開始提到,您高中只念了一兩年,是因為對學校沒有興趣嗎?

其實我一直都覺得上學很無聊。我小時候臺灣教育和現在很不一樣,一班 50 幾個人,老師必須盡量軍事化管理,大家最好都一模一樣,比較好管理。我和學校一直處於互相磨合的狀況,我自認已經努力配合學校,但學校一直覺得我在反抗,這可能是一個認知上的差別。

舉例來說,我小學的時候不想睡午覺,可是老師說大家都一定要睡午覺,不睡午覺的人要罰抄課文,所以我早上到學校時就會把已經抄好的課文交給老師。我覺得我這樣做是在配合老師的規定,可是以老師的立場會覺得我在反抗,學校教育中我遇到了很多類似的情況。

還有就是不喜歡高中的升學氛圍,同學和老師好像都只有一個活著的目標,就是「考大學」。我當時無法習慣升學氛圍,感覺好像活在平行宇宙一樣。

  • 高中休學後,您去唱片行工作,可否談談當時的想法?

我國中開始聽音樂,這是我除了看書之外的重要興趣,我也很快就喜歡上了搖滾樂。高中休學的時候,我唯一的謀生技能可能就是我對音樂的各類知識吧!所以我就去了唱片行,這是唯一一個我會做又有興趣的工作,還好那時候還有很多唱片行(笑)。

  • 對音樂的熱忱,讓您與朋友共組了樂團,並擔任鼓手。您是否比較過樂團生活和學術研究之間的異同之處?

有些人覺得我這樣很跳 tone,但我自己覺得還好。音樂和學術都是我發自內心覺得好玩的東西,兩者也有相同之處,例如它們都需要創造性,也都有需要了解的框架。數學需要嚴謹的證明,音樂演奏也需要遵循結構,例如不能掉拍。

音樂領域還有一點和數學類似──玩樂團的圈子也是以男性為主。我們樂團則是只有一個男生,其他都是女生,可能我真的天生對框架有點遲鈍,玩團之後才發現:「怎麼大家都是男生?」

程之寧表示,學術界仍有許多性別不平等問題未受重視。圖/研之有物
  • 也就是說,目前數學學術圈仍是男性主導,在研究路上,您有因為性別而感受到一些衝擊或眼光嗎?您怎麼面對?

有。那感覺很明顯,日復一日地要去面對,尤其是年紀還比較輕、還必須每一天去證明自己的能力的時候,特別有感。

我遇到時的反應就是,在心裡暗罵一句髒話,然後繼續做我要做的事。我不會想改變別人的想法,感覺那是浪費時間,就算環境給我的阻礙是這樣,我還是繼續去做該做的事。

可是有些事情沒那麼簡單,現在我也當過老師,有時候會看到年輕女生在學術界因為性別而被欺負,或遭到不公平待遇、甚至騷擾。

對此我感到心痛,覺得為何我們學術領域還是這樣的狀況?甚至為什麼性騷擾至今還是一個議題?可以確定的是,學術界許多性別不平等問題未受到重視。

  • 您現在已經有傑出的研究成果,還會因為性別而遭受質疑嗎?

我現在比較會遇到一個狀況反而是來自學生的質疑。我在荷蘭阿姆斯特丹大學教書時,有時候學生會因為我是女教授,而且我的外表在許多歐洲人眼中看起來就像小妹妹,所以比較容易去挑我的毛病。

在課堂上,下面坐的可能都是男學生,只有一兩個女學生,那個氣氛就會變得很奇怪。例如說偶爾會聽到學生評論我的身材或樣貌。

我有和其他一些在歐洲或美國的女性教授聊過這樣的問題,似乎不少人都有類似的不太愉快的經驗。感覺不是很好。

  • 看到您最近的研究和人工智慧(AI)有關,為何會想往這個方向發展?

我有兩個動機。一個就是我真的想深入了解人工智慧。我也可以像普羅大眾,看看 AI 下圍棋,讚嘆「哇!好厲害!」這樣就好,可是我覺得我一定可以真的去理解它,這可能就是數學家的自大吧!

另一方面,我知道對科學研究來說,未來 AI 將會是一個非常重要的工具。這是「在職訓練」的概念,我可能會用到這個新工具,或以後我可能會需要教這樣的課,因為學生是下一代的科學家。因為這些原因,我覺得我需要去訓練自己使用新的工具。在我的領域裡,也有一些有趣的、還沒被解答的科學問題,是 AI 有可能幫得上忙的,我看到了一些潛力。

  • 弦論和 AI 感覺差距很大,AI 也可以應用到弦論的研究嗎?

乍看之下,弦論的確比較抽象,也不像其他許多實驗會產生大量數據。但其實弦論有大量的可能性,我認為使用 AI 來在這些巨量的可能性當中搜尋特別有趣的理論,是一個有潛力能夠加深我們對弦論理解的新的研究方法。

而且 AI 的應用絕不僅限於巨量資料。如果是面對一些比較新的挑戰,在沒有現成的演算法可以用的情形之下,可以自己做出需要的功能嗎?這過程我覺得也非常很有趣,而且應該是會有成果的一條路。這種不是那麼顯而易見的事情,我覺得很有挑戰性,也蠻好玩的。

除了用 AI 來幫助物理跟數學的研究之外,我也試著物理研究當做靈感來源,找出新的 AI 的可能性,我覺得這也是一個很有趣的研究方向。我現在有和 AI 的學者合作,嘗試做出一些創新的演算法,真的還蠻有趣的。

  • AI 對您而言是全新的領域,您如何面對跨領域遇到的門檻?

一開始會覺得真的要去碰這個新的領域嗎?其實現在也還是偶爾會有這樣的懷疑。我在弦論領域可能已經是專家,但去了一個新的領域,我學得不會比二十歲的人快,要怎麼去跟人家競爭?是不是在浪費時間?

但也會想,與其想這麼多,不如先做再說。到目前為止我做了兩年多,感覺還蠻好的,我有學到東西,也有做出小小的貢獻。

其實我還蠻感激有這樣的學習機會。對我來說當科學家最大的好處就是,去搞懂一個新的東西就是工作的一部分。當科學家雖然蠻辛苦,但就結果論來說,我還蠻開心能當一位科學家!

延伸閱讀

  1. Moonshine Master Toys With String Theory | Quanta Magazine
  2. Mathematicians Chase Moonshine’s Shadow | Quanta Magazine
  3. 林正洪教授演講 一 怪物與月光(Monster and Moonshine),《數學傳播》

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