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「彈指」的速度到底有多快?物理學研究揭秘:只要 0.007 秒!

超中二物理宅_96
・2021/11/25 ・1805字 ・閱讀時間約 3 分鐘

人體的哪個部位做起特定動作時會最快呢?

如果你的回答是「眨眼」,那就錯了,雖然文學上的確是以「一眨眼」、「一瞬間」來形容速度很快或是時間很短暫……但答案是手指。(喂,想到奇怪的方面的人,自己去牆角罰站!)

除了「一眨眼」、「一瞬間」之外,類似的詞還有一個:「一彈指間」。

答案就是「彈指」這個動作。

「彈指」僅耗時0.007秒,比眨眼還快20倍!

科學家發現,拇指跟中指互相卡住的「集氣」時間不算,從中指開始動,到中指打到手掌的拇指指根處,算是一次彈指,歷時只有 7 毫秒,也就是 0.007 秒,而眨一次眼睛的時間是 150 毫秒。也就是說,「一瞬間」的時間比「一彈指」長了 20 倍。

人類從很久以前就會做這個動作,古代經常是樂師或是舞者用來打拍子,維持音樂或舞蹈的節奏。例如一個希臘時代的壺,上面就有牧羊神潘恩一邊跳舞一邊彈指的圖畫。在武俠小說的世界中,「彈指」也是很厲害而且極具魅力的招數,像是古龍的「楚留香」,金庸的「黃藥師」。

近年來最有名的彈指,當然就是「復仇者聯盟」中,一彈就可以消滅全宇宙半數生命的「薩諾斯的彈指」。在 2018 年的「無限之戰」上映時,電影院中坐著一個男人:喬治亞理工學院(Georgia Tech)的 Saad Bhamla 教授。

一彈就可以消滅全宇宙半數生命的「薩諾斯的彈指」。圖/IMDB

利用4千fps的高速攝影,探究「彈指動力學」!

回到研究室中的教授,跟研究生討論電影劇情時,發生了爭論,因為教授認為「薩諾斯戴上看起來是金屬材質的無限手套後,摩擦力太小無法彈指」。理由是,在「聚氣」的過程中,拇指與中指之間必須有足夠的摩擦與彈性,才能累積足夠的能量,然後在彈指發動的那一刻(我本來要寫「瞬間」,不過瞬間慢了 20 倍,太久了)把彈力位能釋放出來。金屬材質的話,摩擦力不夠,一下子就滑開了。

於是 Bhamla 教授跟學生就決定對「彈指的動力學」展開研究,他們利用每秒可以拍攝 4082 幅的高速攝影機拍下彈指的連續動作,發現此過程中,中指的運動是以指根為軸的轉動,其「角速度」可以達到每秒 7800 度,一個圓周是 360 度,也就是每秒 22 轉——當然中指不會真的轉圈圈,大約轉 54 度,不到 1/6 圈就被手掌擋住了。

(a) 古希臘的壺上面有牧羊神潘恩彈指的圖畫,西元前 320-310 年。(b)在不同時刻拍攝到的中指指尖連續動作的合成照片。(c) 由下而上,力、角加速度、角速度、轉動角度對時間的關係。(d) 彈指連續動作圖。圖/Journal of Royal Society Interface

由於從靜止加速到每秒 7800 度、再減速到靜止的整個過程只花了 7 毫秒的時間,瞬間「角加速度」高達 160 萬度每秒平方,實在是非常驚人的數字。

他們也戴上不同材質的指套進行實驗,其中一個是金屬製的「頂針」(裁縫師傅用的指套,用來保護手指不被刺傷,上面有許多小凹槽,也可以用來推針),戴上這個東西後,果然就因為摩擦力不足無法打響彈指。但也不是摩擦力越大越好,乳膠指套因為摩擦力太大,蓄積的能量一下子就被熱能耗散掉了,也快不起來。

研究團隊所建立的理論模型,藍色為拇指(推壓中指),綠色為中指(蓄積能量的彈力系統)。圖/Journal of Royal Society Interface

所以這個研究的結論是:「薩諾斯你演錯了!無限手套不能用金屬製品啦!」

拍電影要小心,不要被物理學家抓包……

這個研究,於 2021 年 11 月 17 日發表在英國皇家學會的《Journal of the Royal Society Interface》期刊。

附帶一提,雖然「人類的彈指」看起來已經很厲害,不過比起「吸血鬼螞蟻」(Dracula ant)的下顎還差得遠,角速度可以達到每秒 2 億 4 千萬度(每秒 67 萬轉),角加速度更高達 15000 兆度每秒平方,這個數字真是難以想像是生物能做到的動作……

參考資料

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超中二物理宅_96
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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_96
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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》