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2021 諾貝爾物理學獎:極度燒腦的「氣候模型」及「複雜物理系統」ft.許晃雄老師、林秀豪老師【科科聊聊 EP63】

PanSci_96
・2021/11/02 ・3801字 ・閱讀時間約 7 分鐘

諾貝爾物理學獎這次由真鍋淑郎(Syukuro Manabe)、哈斯曼(Klaus Hasselmann)、帕里西(Giorgio Parisi)三位科學家拿下。本屆物理學獎的核心概念「複雜物理系統」,背後還證實了氣候變遷的意義,也鼓勵年輕學者放膽去做氣象學研究!

Nobel_2021_physic

得獎者帕里西用統計力學中的「副本方法(Replica method)」破解出複雜材料中的規律,進而了解「複雜系統」。而同樣為「複雜系統」的氣候,則由真鍋和哈斯曼教授各自開創出的氣候模型,讓我們從中「了解地球氣候」和知道「地球氣候如何被人類影響」。

泛泛泛科學邀請投身在氣象學和物理學多年的許晃雄老師和林秀豪老師,除了解釋三位得獎者的研究、「複雜系統」和「混沌」的定義與差異,更是說出了他們在做跨領域研究時遇到的困難、分享他們對跨領域的想法!

本次專訪感謝 台灣科技媒體中心 的協助。

  • 01:42 真鍋淑郎、哈斯曼、帕里西研究簡介

本屆諾貝爾物理學獎得獎者分別是真鍋淑郎(Syukuro Manabe)、哈斯曼(Klaus Hasselmann)、帕里西(Giorgio Parisi)。

真鍋和哈斯曼都是氣候科學家,他們創造了氣候模型來模擬全球暖化。透過真鍋淑郎的模型,讓我們可以了解全球溫度升高,和大氣中的二氧化碳的含量有關;從哈斯曼創建的模型則證實了二氧化碳,都是源自於人類活動,因此了解人類是如何影響氣候和複雜的地球系統。帕里西則是研究「複雜系統」的物理學家,他從無序的複雜材料中,發現了複雜系統中隱藏的模式,而這個理論後續也被許多的科學領域所應用。

延伸閱讀:
The Nobel Prize in Physics 2021
【2021諾貝爾物理學獎】如何觀測地球暖化?有「氣候模型」及「複雜物理系統」就搞定!
2021諾貝爾物理獎記者會會後新聞稿
2021諾貝爾物理獎官方新聞稿全文翻譯

  • 02:36 什麼是「複雜系統」?

複雜系統是「隨機、無序、難以理解」的系統,在自然界中最常被提及的複雜系統即為「椋鳥群飛」。「椋鳥群飛」是指雖然每一隻鳥的飛行路徑都無法預測,甚至會隨時調整,但當尺度放大到一整群後,卻變成可以預測。

自然界中到處都可見許多複雜系統,若要以我們的生活來舉例,這個社會也可以算是一個複雜系統。

  • 05:24 地球科學領域也有很多複雜系統的現象

地球科學領域中也有許多複雜系統,例如波浪原本是雜亂,但逐漸匯集變湧浪;或是海面上的小對流原本是雜亂的,但在匯集後則成為颱風。

天氣是一個雜亂的現象,想要預測非常困難,但若將「天氣」視為「天候」來看時,我們就能找出背後的系統,因此氣候變遷也算是一種複雜系統的現象。

  • 07:06 真鍋創造簡單的氣候模型,計算結果近乎超級電腦

真鍋淑郎是第一個地表模型開發者,而他所發展的模型,也讓大眾了解大氣中增加的二氧化碳含量,是如何讓地球表面溫度增高。

在 1960 年代,真鍋淑郎提出的氣候模型在考量溫室氣體時,他發現二氧化碳濃度變兩倍時,會讓地球溫度上升兩度,因此他的模型證實了全球溫度的升高,是和大氣中二氧化碳的含量有關。

真鍋淑郎所研究出的模型,除了可以去了解古氣候,也能去推測未來氣候,而這些結果和超級電腦所運算的結果是很接近的。真鍋淑郎的模型,提供屬於複雜系統的「氣候」一個可以模擬的系統,這個重要貢獻後來還供美國國家海洋暨大氣總署(NOAA)的 Geophysical Fluid Dynamics Laboratory 的全球大氣模型使用。

延伸閱讀:2021 諾貝爾物理獎得主真鍋淑郎——地表模型開山始祖,研究地表模式都要引用他的論文【2021諾貝爾物理獎】複雜系統

  • 18:00 真鍋的氣候模型無法模擬極端氣候

雖然說真鍋淑郎的模型能夠預測氣候,但是對於極端氣候或是尺度小的氣候,如:午後雷陣雨,則還無法做到。

  • 19:13 哈斯曼證明「氣候模型」可靠性、人類是加劇溫室效應的兇手

哈斯曼提出了一個把天氣和氣候連結在一起的模型。他以「隨機氣候模式」證實了天氣雖然混亂多變,但若把尺度拉大來看天氣現象,就能預測出氣候。他所提出的模型同時也解釋「氣候模型」在預測氣象上,仍是可靠的預測方式。

此外,哈斯曼還開發出可以辨識自然現象,或是人類活動時,在氣候中留下的痕跡。這個「指紋偵測模式」也證實了造成大氣中的溫度升高,並加劇溫室效應的源頭,都是來自於人類的活動。

延伸閱讀:氣候變遷議題躍上檯面、理解物理無序系統,2021 諾貝爾物理學獎得主出爐

  • 23:29 尺度對了,「複雜系統」就看得出來了!

當觀察的尺度過小時,就會不容易看出各種事物中的秩序或趨勢。但若把觀察的時間或模式尺度放大來看,就能找出規律。如同「椋鳥群飛」中單看一隻「鳥」會不容易看出規律,但把尺度放大到「鳥群」,則可以看出彼此間的交互作用,進而做出預測。

  • 28:12 帕里西找出複雜材料中的規律

要計算複雜系統是非常困難的一件事。有一種類似玻璃結構的複雜材料「自旋玻璃(spin glass)」,它是一種在非磁性金屬中摻入少量磁性金屬的合金的物質。但因為這些金屬排列方式隨機混亂,所以基本上無法預測。

但帕里西卻將要計算複雜系統時,需要使用的對數函數平均值,以副本對稱(replica symmetric)的概念映射到多項式平均值,最後成功解出了自旋玻璃的規律。帕里西的貢獻就是提供一個理論讓科學家能在複雜系統中找到規律,甚至有機會提出預測長期無序行為的方法,也能將這個理論運用在地球氣候變遷預測上。

  • 31:08 本屆物理獎背後意義:氣候變遷是科學嚴謹地觀測分析結果

本屆物理獎的各個獲獎成就,皆是圍繞在「複雜系統」,讓我們能更了解這個系統的特性和演化。同時,諾貝爾物理獎會頒發給氣象學家,表示溫室效應的加劇也終於被全世界意識到。

諾貝爾物理學委員會主席 Thors Hans Hansson 表示,今年的物理獎也顯示出了我們對地球氣候變遷的理解,都是透過科學嚴格地觀測分析。而這些科學家研究了複雜系統中的長期效應,也讓未來能開創新的研究領域。

  • 34:40 氣象學被物理學界肯定,可以鼓舞更多年輕學者

過去關於氣象學的研究,多半是不會受到諾貝爾獎的肯定。但透過這次的獲獎,表示氣象學也逐漸被物理學界看到,對於鼓勵年輕學者投入這個領域中,是很大的助力。

  • 37:10 諾貝爾獎的肯定是幫重要氣候現象做背書

1995 年諾貝爾化學獎得主 Sherwood Rowland 以發現氟氯碳化合物會對地球臭氧層破壞而得獎。也因為受到諾貝爾獎的肯定,後續相關政策和研究的推動,都能獲得更好的資源。

本屆諾貝爾物理獎也強調氣候變遷的問題,表示全球暖化的問題受到認同,才會向對此有貢獻的科學家致意,並希望能透過研究的獲獎,為這些現象背書,不讓這些議題繼續被泛政治化。

延伸閱讀:諾貝爾化學獎得主羅蘭德與臭氧層破洞

  • 39:02 有想做跟想解決的事,就放膽去跨領域

現今在美國與臺灣,學生們都是因為有想做跟想解決的問題,所以才會選擇自己想就讀的科系。

現在的研究與其去明確切分自己的領域,不如運用上自己所學,放膽去做研究自己想研究的現象。

  • 45:50 想在臺灣跨領域該怎麼辦?

「跨領域參與」是未來很重要的方向,但目前臺灣的學術界仍是較傳統分界狀態,學者如果想要跨領域,通常還是跟隨有經驗的研究者入門,才會比較容易。

雖然跨領域是未來趨勢,但並非每個人都該往跨領域前進。如果說能夠讓學生在專業領域基礎紮穩,但是目光能放到更遠處,對於跨領域不會有排斥感,這樣就能多少替學生開啟跨領域的一扇門。

  • 55:13 不用為了跨領域而跨領域,了解自己的想法最重要

學生除了把主領域知識做好,也應該要帶給他們跨領域的想法。但現在臺灣的教育行政體系仍很難做到,也是因為沒有太多的師資資源。

不過有時也能以合作方式去合作,不用強求每個人都具有跨領域的能力,了解自己最想做的事情才是最重要的。

  • 01:01:20「複雜系統」和「混沌」完全不一樣

「複雜系統」就是因為各種成分之間有主線交互作用,所以最後會形成複雜的穩定系統,如矽和氧結合,可以形成非常多型態的玻璃;「混沌」則是指因為各種成分間以特殊非線性動力學運動,所以只要起始設定有差異,導致的結果可能就天差地遠,是比較偏動力系統的問題。

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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》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》