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科學怎麼搞:神秘的旋轉雕像

YTLai_96
・2013/07/03 ・6590字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 485 ・五年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

圖片來自 happytreefriends.wikia.com

根據新聞報導(這裡這裡),最近在英國的曼徹司特博物館裡證實了有這麼一個『會轉身』的雕像。從雕像80年前入館之後,這個雕像似乎都沒有人碰過(80年來展館沒有整修展品動線沒有調整也太厲害),但是最近卻開始從正面向外轉為背面向外,彷彿是在賭氣一般。又博物館館員表示,他是唯一一個有鑰匙可以打開上鎖展示櫃的人,因此不可能是其他館員的惡作劇。當他第一次發現雕像轉身了之後,他打開了展示櫃,把雕像轉回正面後鎖上展示櫃,但是過沒兩天,這雕像又轉身了。於是他再一次的把雕像轉回正面,並且富有科學精神地架設了相機,以縮時攝影的方式揭露了這個神秘雕像真的會自己轉動,而不是空穴來風。

這下好了,既然已經證實了雕像會自己轉動,那麼接下來的問題就是『為什麼』雕像會轉動。博物館員言之鑿鑿,認為必定是因為雕像被下了詛咒,因此有了超自然的能力得以轉動。但是另一方面,也有人提出科學解釋,認為是人群走動的震動讓雕像旋轉。公說公有理婆說婆有理,那到底誰是對的呢?

這一次,科學怎麼搞吃了熊心豹子膽,想要從科學的角度瞭解可能被詛咒的雕像旋轉的箇中緣由。

你或許還記得,詳細的觀察是科學態度和方法不可或缺的第一步。所以讓我們再看一次影片,而且如果你願意的話,你可以跟我一起逐格檢視。

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在反覆逐格的檢視雕像轉動模式以及四周環境的變化之後,我們可以把這些因素都畫成下面這個圖:

箭頭與刻度為24小時制的時間,白色區塊與黑色漸層區塊分別是展示櫃開燈與關燈的時段,人影所佔區塊為群眾來參觀的時段,而紅色陰影覆蓋部分則是雕像旋轉的時段。

從圖上來看,你可以看到幾個我觀察到並且認為重要的變因,他們分別是時間(白天黑夜)光照(開燈關燈)、以及人群走動(有/無)。簡單來說,我的想法是,先不管背後的機制是什麼,雕像轉或不轉,可能是受到這些變因(之一或數個)的影響。而當我們有了這一次旋轉現象的精確觀察與記錄,把這些變因狀態和雕像旋轉與否擺在一起,其實就可以看到一些蛛絲馬跡了。

首先,這雕像其實並不是像新聞裡頭所說的『只有在白天人來人往的時候才會轉動,晚上關館了就不動了』,反而是『有時候人都還沒來的時候卻早早就開始轉,有時候人都走光了燈都滅了還在轉』。而既然雕像旋轉的開始和結束時間不固定,和光照與否的狀態也不同步,跟營運狀態也不一致(根據博物館網頁,博物館營運時間是每天十點到下午五點),那麼這幾個變因應該就不是讓雕像轉動的因素。而新聞中所提到的人群走動的震動讓雕像旋轉,因為每天有人參觀的時間都一樣,但是雕像卻不只在有觀眾的時候才轉動,於是也很不幸的被排除了。

這下好了,所有觀察到的變因都似乎不是導致雕像轉動的原因,難道這雕像真的是因為詛咒而轉動嗎?

當然不是。

首先,我們要拿出科學家面對實驗沒結果的常見藉口理由:樣本數太少。的確,在這個雕像轉動的事件中,我們只有這一次雕像轉動的記錄,真的要據此斬釘截鐵的說哪些因素相關或無關,實在是站不住腳。比較好的狀況,應該是我們要重複這個觀察,也就是像這一次的錄影一樣,讓雕像從面對觀眾轉到面壁不動,然後再把雕像擺回正面。如果能夠拿到這樣的錄影記錄十幾二十次,並且把每一次的狀況都做成上面那樣的示意圖,那麼,到底是哪些變因影響雕像轉動,或許才可以說得斬釘截鐵一點。

另外,根據這次的錄影,雕像從星期二(4/2)開始旋轉,到星期六(4/6)晚上就停了,星期日和星期一(4/7,8)兩天這雕像是絲毫不動。無論是巧合或是故意,這錄影的其間剛好就是一個星期,因此我們無從判斷雕像到底是只會轉到面壁為止而且過程需要五天左右,還是雕像其實是只在星期二到六轉,然後剛好這次轉到面壁就暫停,過了星期日和星期一之後又會開始轉。

所以,如果能夠重複觀察雕像旋轉過程的話,還得要在不同的週日期(也就是星期幾)把雕像復原然後開始整個觀察,這樣才能確定雕像到底是會不斷的轉圈圈但只轉星期二到六所以這次剛好只拍到雕像轉半圈就停了,還是雕像其實就是只會轉到面壁就停然後過程大概需要五天這樣。換句話說,就是確定雕像的旋轉與週日期(星期幾)到底有沒有關係(也就是雕像旋轉是不是以七天為週期)。

圖片來自http://www.myniceprofile.com/days-week-55913.html

當然,從這次的縮時攝影來看,因為照片的時間間隔都是固定8分鐘(除了第一天的前半小時,也就是0832-0900這段時間的照片間隔是4分鐘以外),我們可以藉此判斷旋轉的速度並且推敲一番。很明顯的,雕像的旋轉速度時快時慢不太平均,同樣是轉了大略45度,從面對觀眾開始到面對牆壁的四個45度所需的時間分別是(大約)11、15、10、以及27小時,也就是說接近面對牆壁的時候轉的速度明顯慢了許多。我們當然可以猜測,雕像是因為轉到面壁就會停止,所以接近面壁的時候旋轉速度就會慢下來。但是,真的想要做出這樣的聲明,無論如何都需要更多的重複和記錄,否則的話,誰敢保證雕像面牆的時候轉速漸慢,不是因為在放假日(星期日&一)之前的星期六就是要轉得比較慢?

總之,等到我們幸運地可以拿到這麼十幾二十個雕像旋轉的影片記錄之後,我們當然就可以更清楚的看出雕像之所以旋轉到底和時間、星期幾、光照、或人群走動有沒有關係。根據這麼多的重複觀察,我們很可能可以幾乎斷定某個因素絕對就是或不是雕像旋轉的原因,但是如果可以以實驗來證明當然更好。所以,下面這些就是我想像的簡單實驗方法,以及根據目前唯一的雕像旋轉影片記錄所推測的實驗結果。

如果雕像轉動是跟時間(幾點到幾點)有關,那麼姑且不論雕像到底是怎麼感應時間的(內建原子鐘或化學反應鐘?),在我們不可能改變時間前進快慢(如果雕像轉動與絕對時間有關)也無法瞬間移動(如果雕像轉動與時區時間有關)的狀態下,唯一可行的確認方法就只有不斷觀察然後推論了。但是,因為這個影片中雕像已經不是在特定時候開始或停止旋轉,而且星期日和星期一也不動如山,要說雕像是感應時間而每天固定從幾點到幾點轉動,我認為幾乎是不可能的。

如果雕像轉動是跟週日期(星期幾)有關,那麼姑且不論雕像到底是怎麼感應週日期的(四千多年前的古埃及有一週的曆法結構嗎?),在我們沒有瞬間移動能力的前提下(即使瞬間移動也只能改變一天的週日期啊),以不同週日期開始的觀察記錄應該是唯一的確認方法。而我猜想,無論背後的機制是什麼,雕像要能夠感應週日期,而且只在星期二到六之間旋轉,實在是機會渺茫。

不過,雖然我認為上述兩種假說的可能性很低,但是如果兩者是同時存在的話反而很有機會。也就是說,如果雕像轉動其實跟週日期和時間都有關係,一如往常的姑且不論背後的機制為何,那麼藉著不斷的、從不同週日期開始的觀察記錄,無論雕像到底是只會轉到面壁還是會不斷轉圈圈,應該都會看到雕像遵循著『星期二猴子肚子餓0800-2000、星期三0600-2400、星期四0500-2000….』這樣以星期為週期的時間表在轉動著。

而如果雕像轉動是跟光照(開燈關燈)有關,姑且不論雕像感光旋轉的機制(內建太陽能電池?)是什麼,這實驗方式總之很簡單。我們只要在每天正常的開燈關燈時段丟銅板,決定這個時段展示櫃裡的燈光開或關。也就是說,這雕像會經歷該開燈就開燈、該開燈卻關燈、該關燈卻開燈、該關燈就關燈這四種狀況,然後我們就來看看雕像是不是也跟著燈亮旋轉,甚至在燈關了以後還餘韻猶存繼續轉個幾小時(就像是上圖中關燈還繼續轉那樣)了。而我認為,從現有的影片看來,雕像轉動跟光照應該是沒啥關係。

又如果雕像轉動是跟人群走動(有/無)有關,姑且也不論這背後的機制是什麼(打卡上下班或人來瘋?或者是像物理專家說的一樣人群走動造成震動使得雕像底部跟玻璃展桌差微滑動),實驗方式也頗為簡單。我們只要藉由改變人群動線,讓雕像所在的展區經歷正常的有開館有人來和有開館沒人來,就也可以得到結果了。而我認為,從現有的影片逐格檢視看來,雕像轉動跟人群走動應該也是沒啥關係。

目前為止,我們從影片中觀察到的變因都討論過了。你應該可以看得出來,即使我們眼下只有一個影片可以觀察,我也沒有真的去做我想像的這些實驗,但是我的確認為,這雕像的轉動與日週期的時間無關(所以不會固定每天幾點到幾點轉動)、與新聞裡的專家所說『因為人群走動造成雕像震動』也應該無關(不然的話應該有人的時候才會轉沒人就不會轉)、當然也應該與光照無關(關了燈還會轉很久就是強而有力的否證)。不過,我認為雕像倒是有可能會有以七天為週期的旋轉規律,也就是雕像會固定在星期幾的某時段旋轉。然後,無論雕像旋轉有沒有七天的週期,我猜想雕像應該是像影片裡頭一樣,轉到面壁就會停止,而不會繼續轉下去。

看到這裡,你可能已經有點不耐煩了。畢竟通篇都是我想,什麼時候輪到你想?這雕像就是在80年的安然無事之後,最近卻開始轉了起來。就算我們真的重複了幾十次的觀察,還做了這些想像實驗,無論發現雕像轉到面壁就停止或可以轉一整圈也好,旋轉時間毫無規律或是有七天的週期也罷,還是沒有回答雕像為什麼轉了起來啊不是嗎?

是的,所以我又要開始我的鍵盤柯南科男推理,並且以另一系列的想像實驗來證明了。

圖片來自http://f90274.pixnet.net/blog/post/28662975-柯南猜謎十題

根據我們僅有的這個旋轉縮時影片,我的確是認為展場光照或人群走動跟雕像旋轉並沒有關係。之所以要設想實驗來證明,是為了要嚴謹的排除這兩個變因的可能性。至於,為什麼我對於雕像旋轉的時段和星期幾那麼在意,在設想實驗之後也不敢排除雕像旋轉有七天週期,以及固定在星期幾的特定時段轉動的可能性,再加上我不時的點出雕像也許是轉到面壁就停止或者是其實可以繼續轉一整圈,都是因為我有一個不一樣的雕像旋轉假說。

簡單的說,我的假說就是一連串的巧合讓雕像轉了起來。(先別噓,聽我說完)這些巧合分別是:雕像的因素(形狀、材質、表面紋理與重心)、展示櫃的因素(玻璃展面、傾斜程度)、以及外來的能量提供(但絕對不是詛咒或外星人,很抱歉)。

從影片看來,這雕像是由石頭刻成的。根據新聞所說,這是一種叫做蛇紋石的材質,看來除了頗為光滑之外,應該也很沉。而,因為這雕像整體呈個L型,加上對比起底座部分那高聳厚重的直立雕像,我猜想重心或許不會太穩,也因此重心的位置可能偏向底座的前端以增加穩定度(不然雕像很容易往後仰吧?而這個圖片也證實了我的猜測:雕像底座前端的確比較厚),甚至也可能有偏左或偏右(我猜是偏左)。當時的打磨技術想來不會太好,所以底座的底面可能不是精確的平面,因此放在光滑的玻璃表面上可能會只有某些部分與展桌接觸,而不是整個平面與展桌貼合。

而展示櫃裡頭的桌面既然是片玻璃,必定是光滑而少有摩擦力。從影片看來這展示櫃又是靠牆,也許水平就有點抓的不好,靠牆部分可能稍低了點。甚至,也可能是這雕像座落的部分就是特別的向牆面傾斜。

一直以來,如果真如館員所說,這雕像一直都放在這個展示櫃沒有移動過,那麼在沒有外力的影響下,這雕像也就靠著本身的重量和偏歪重心提供的堪可穩定度,以幾個部分而非整個底面跟展示櫃底部的玻璃接觸,相安無事地過了幾十年。

但是,最近應該出現了前所未有的外力傳達到雕像上。因為雕像處在密閉展示櫃中,從影片上也看不到什麼特別的線索,所以我猜想應該是影片中看不見的震動。這震動或許低頻,但是震幅應該不小,而且絕對不是由人群走動所導致,不然雕像就應該只在有人的時候才會旋轉。我猜想,這震動是來自於博物館內最近更新的硬體(例如說新冷氣或是新管線或是新發電機)、或者是館外的硬體工程(例如附近在蓋房子修馬路)造成的。館員們或許對這樣的震動幾乎無感,但是在展示櫃裡面本來就站得如履薄冰的雕像,就因為這個震動而開始搖晃,展示櫃或許因為共振而讓震幅更大,加上本來可能就稍微偏斜的重心,以及水平也許沒抓好、稍斜向牆壁的玻璃展面,於是便開始旋轉了起來。當震動存在的時候就轉,震動停止的時候就不轉,一直到雕像轉到『穩定』的狀態為止—也就是面對牆壁,偏斜的重心直指低處並且正好座落在低處的位置。

也因此,我認為這雕像應該不是剛好轉到面壁被暫停且之後還可以繼續轉,而是面壁才是雕像待在展示櫃中那個地點的最穩定狀態,在這個雕像有重心偏移、玻璃展面也有些微傾斜的前提底下,無論是從星期幾開始,不管要花多久時間,這雕像就是會轉到面壁就停止。這時候,雕像旋轉到底有沒有七天的週期,就不是那麼重要。但是,如果事實是玻璃展面沒有傾斜、雕像也沒有重心偏移的話,那麼照理說雕像就應該沒有所謂的最穩定狀態而會一直轉下去。這時候,影片中雕像面壁就不轉了,很可能就只是旋轉週期中週日週一雕像不轉的巧合。於是,七天循環的雕像旋轉週期就會成為唯一的『雕像面壁就停止』的原因,也因此事關緊要。

而這要怎麼實驗證明呢?

如果要從簡單的開始,那就先用水平儀測量展示櫃的玻璃表面是不是向牆面稍微傾斜,如果是,那麼藉著調整玻璃展面的水平與否,就可以測試這是不是導致雕像轉動的因素之一。但如果玻璃展面沒有傾斜,那…就算了。

另外,在展示櫃裡的玻璃展面上,也可以裝上震動測量器,以監測雕像是不是總在震動出現的時候轉動,並且瞭解震動的形式和震幅。同時,也可以藉由仔細的觀察,看看雕像旋轉的時候兩個表面之間到底是怎麼樣互動的,得到更多的線索。等到觀察告一段落,有點線索(例如知道雕像底面跟玻璃展面的接觸狀況、或是在震動時的互動方式)之後,我們也可以藉著改變展面材質(例如在雕像底下放塊壓克力板或墊張紙)、改變底面與展面的接觸方式(例如加個小架子把雕像側稍稍架高)、或是改變底面和展面的互動方式(例如加個小棉花團或墊塊布吸收震動吃掉空間)等等,來一一確認展示櫃裡的各個因素對雕像旋轉的影響力有多大。

還有,藉著清查雕像開始旋轉的前夕,博物館內外到底有什麼改變,也可能可以找到震動的來源。也許博物館換了冷氣、管線、發電機、或是有哪個格局改變,因此出現了原本不存在的震動源,導致雕像開始旋轉。也可能是館外的工程、修繕、大樓照明、發電機、挖馬路等等傳來的震動,讓雕像轉了起來。總之,一旦找到可疑的震動源,藉著比對震動源的運轉時段、展示櫃裡震動感測器收到的數值、以及雕像旋轉的有無,應該也就可以確定是不是讓雕像旋轉的原因。需要的話,還可以藉著開關震動源(或是說服工地停工),來證實雕像轉動的動力源頭是不是真的來自於此。

照理說,實驗做到這裡應該就可以真相大白打完收工了。但是如果你剛好很閒又很有錢,而且博物館也願意配合的話,其實你也可以好好的測量雕像,在精確量測雕像的尺寸、形狀、重量、材質、重心位置、底面紋理與摩擦力之後,複製出一座擁有相同性質的仿造雕像,以及幾個各只有一個性質不同(例如重心位置、底部紋理、底部平面程度、底面材質等)的A貨雕像。然後拿這些雕像來狸貓換太子,放到原本雕像的展示櫃中,趁著有震動的時候測試到底雕像的哪個性質是轉動不可或缺的重要因子。或者是另外起個玻璃平台,依照玻璃展面的傾斜角度架好,把仿造的雕像放上去,然後接上自製的震動源,依照之前記錄到的震動形式和震幅製造相同的震動,看看是不是能完美重現雕像旋轉的現象。

圖片來自http://big5.china.com.cn/aboutchina/zhuanti/sdfm/2009-01/21/content_17163868.htm

不過啊,落落長的寫到這裡。我突然想到,這雕像最近開始旋轉還有另一個可能,那就是這雕像在最近變成了指南針,所以就開始自己轉向南方了這樣。這個如果要確認當然簡單,就是測量一下雕像的磁性就可以。但是,這下又回到了原本的問題上:本來沒有磁性的,為什麼最近就出現磁性了呢?

再寫另外一系列實驗恐怕會要我的命,我看就當他是木乃伊的詛咒好了。囧興…

文章難易度
YTLai_96
48 篇文章 ・ 19 位粉絲
也許永遠無法自稱學者,但總是一直努力學著

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你知道基因改造,那知道「基因編輯」技術嗎?讓專家一次告訴你!
台灣科技媒體中心_96
・2022/06/29 ・3505字 ・閱讀時間約 7 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

英國環境食品與鄉村事務部(DEFRA)於 2022 年提出的《基因技術(精準育種)法案》。
圖/envato

英國環境食品與鄉村事務部(DEFRA)於今(2022)年 5 月 25 日提出的《基因技術(精準育種)法案》(Genetic Technology (Precision Breeding) Bill),6 月 15 日已過二讀討論,6 月 28 日將進入下一個審議階段。該法案針對精準育種的動植物,以及由這些動植物生產出的食品與飼料,提供開放銷售相關的風險評估。

台灣科技媒體中心邀請專家說明目前的研究與技術,4 位專家皆解釋精準育種技術更能縮短育種作物的時程,並指出該法案可供臺灣參考的面向。

法案修訂,提升糧食生產策略的重要性

臺灣大學生物科技研究所教授 兼 生物資源暨農學院副院長 劉嚞睿 表示,目前各國用基因編輯技術,做為基礎開發的新興精準育種技術產品,管理方式並不一致。所以目前國際上,是否以基因改造生物的規範來管理新興的精準育種技術產品,仍未達成共識,會影響新興精準育種技術產品的開發。

成功大學生物科技與產業科學系副教授 郭瑋君 指出,過去,美國對科技作物相對開放,而多年來歐盟強力反對。英國作為歐洲的三大強權之一,提出此修訂案,開放精準育種作物的產業研發及銷售,反應出此技術不再只是美國自身的國際貿易考量,而是提升未來糧食生產的重要策略。

英國開放精準育種技術,可能是提升糧食產量的重要策略。圖/envato

郭瑋君認為,這對全球有顯著的指標作用,相信此舉也會帶動歐盟未來思量修改相關法案。但郭瑋君也指出,該法案所提的專一基因編輯,在臺灣的精準育種技術只在研究單位進行,以分析作物的基因功能為主,目前仍未發展於產業育種。

郭瑋君表示,精準育種技術可以直接修改植物的基因,因此最大的潛力是可以去除造成植物生長弱勢的基因,而提高生長能力及永續栽培方法的應用。她說,精準育種技術可以顯著縮短育種時程,從 10 年縮短到 1 年半,這在因應氣候變遷造成每年極端氣候,加快培育有抗性的作物品種,有極大的助益。

郭瑋君舉例,自精準育種技術於 2013 年成功改變植物基因後,2017 年美國食品藥物管理局(FDA)即已核準了精準育種可抗旱的大豆、増加含油量的亞麻,及不會變黑的蘑菇上市。

臺灣大學農藝學系副教授 蔡育彰 表示,英國提出修訂精準育種法案,是繼美國、澳洲、日本等國之後,將基因編輯作物與基因改造作物做出區別。

目前已訂定法規中允許的精準育種作物,主要是影響作物本身特定的基因表現。

精準育種可以大幅縮短育種時程、因應快速來臨的極端氣候。圖/envato

蔡育彰認為,這種改變原本特定基因表現的作物,與現行一般育種方法所育成的作物相似,若再輔以目前成熟的全基因組定序分析技術,可完整的比對出精準育種作物與對照品種的基因組序列差異,後續相關安全性評估可與過去一般品種育成的流程相似。

臺灣海洋大學水產養殖學系副教授/前系主任 龔紘毅,同時也是執行科技部、農委會與多項產學合作的計畫主持人。龔紘毅指出,精準育種技術幫助我們減少對農藥及抗生素的依賴,減少對環境的影響並改善動物福利,增加動植物的營養價值,從而提高糧食系統的生產力、復原力及可持續性。

龔紘毅說明,臺灣現在發展的精準育種技術有「基因體選育」(Genome selection)與「基因體編輯技術」,前者需要有明顯不同性狀的族群樣品並選育物種,但相對也會投入很高的成本,較適合少數高產量與高經濟規模的物種。

臺灣現在發展的精準育種技術有「基因體選育」(Genome selection)與「基因體編輯技術」。
圖/envato

龔紘毅表示,臺灣在農業基因體學和遺傳技術有豐沛的能量及基礎研究,可借鏡英國法規,制定輕度監管的方式,釋放研發及促進農業產業發展的能量,且制定符合台灣最大效益的規則。龔紘毅提到,日本專家及政府在制訂精準育種法規的前瞻性、推廣經驗與鼓勵新創,也值得臺灣加以借鏡學習。

他指出,日本與臺灣均為水產消費大國,日本雖然在基因改造生物(GMO)法規上嚴格管理,但學界與政府認為基因編輯技術在精準育種具有龐大的發展潛力,因此在基因編輯法規超前部署,制定明確且兼顧產業發展與生物安全的法規制度。同時在科學教育及注重新興技術與民眾溝通、宣導和知的權利。

精準育種,相對縮短培育時程

劉嚞睿說明,依臺灣「食品安全衛生管理法」定義,基因改造是指使用基因工程或分子生物技術,將遺傳物質轉移或轉殖到活細胞或生物體,產生基因重組現象。基因改造技術食品含有外源基因,對人體健康與環境生態可能有影響。

不過他舉例,三種基因編輯技術中,其中兩種技術的衍生產品,不含有外源基因。所以除了歐盟仍以基因改造生物的規範進行管理以外,大多數國家認定風險與安全性應與傳統育種無異,故認為不屬於基因改造產品。

劉嚞睿指出,基因編輯技術可在不含外源基因的情況下,精準快速的改變生物體內特定的基因序列,大幅縮短育種時間,帶動新興精準育種技術的發展。但此精準育種技術,透過人為的操控物種基因體,甚至影響物種的基因多樣性,仍引起諸多道德倫理與社會價值的矛盾與衝突。

用人為方式改變生物基因的精準育種技術,仍有道德倫理上的疑慮。圖/envato

蔡育彰說明,精準育種使用的基因編輯技術,與傳統基因改造不同,傳統基因改造是經由外加的基因。他指出,實際應用的困難在於,精準育種此技術應用在不同作物、品種和品系上,效率也都不同。由於目前法規允許的精準育種技術有限制 DNA 序列的變異型式,應用於許多現行栽培的作物種類上可能預期效果較有限。蔡育彰也提醒,精準育種技術的應用也需要對目標作物的基因組序列有完整的了解。

郭瑋君指出,基因改造主要技術核心是,永久放置「非植物」的基因片段於農作物體內,如抗病或抗蟲或抗農藥基因,可能來源是昆蟲或細菌,以提高基因改造作物的產量。因此這些外來基因在作物內會產生外來的蛋白質,可能栽種時造成其它生物如昆蟲的生長或演化上的變異,在食用時可能成為人類食物的過敏源。

郭瑋君解釋,精準育種技術是直接去除或變異「植物」本身的基因片段,最終的育種作物不會有外來的基因或蛋白質。

與基因改造不同,精準育種的基因編輯技術,只會剔除、不會新增外來基因到農作物體內。圖/envato

龔紘毅解釋,精準育種中的基因編輯技術,讓科學家能幫助農民和生產者開發出有益處的植物和動物品種,這些也能通過傳統育種和自然過程發生,但基因編輯可以更有效和更精準的大幅縮短選育新品種所需的時間。

台灣科技媒體中心表示,目前英國的精準育種技術仍屬於基因改造生物(GMO)法規的監管下,若此法案通過,將有利於精準育種技術與產業發展,但是,使用精準育種技術的作物是否納入或獨立於「基改作物」的法規規範,仍待持續關注與討論。雖然英國、紐西蘭、澳洲等都有專家長年持續的討論基因改造作物與基因編輯作物的技術,但在臺灣仍十分缺少對此科學議題的專業看法與討論

台灣科技媒體中心總結,透過科學家說明目前的研究與技術,能幫助在科學技術被誤解之前,提供正確的資訊以利討論。雖然這次是在英國提出的精準育種法案,但未來臺灣若有相關發展,也可以做為參考的資料。

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天有多大?古埃及人用「駱駝」推算地球周長——天文學中的距離(一)
ntucase_96
・2021/10/01 ・2946字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 撰文|許世穎

本文轉載自 CASE 科學報天有多大?天文學中的距離(1)—從地球到太陽

天文學中要怎麼量測長度或距離呢?地球上常用的直尺、捲尺、雷射測距儀等恐怕不是那麼適合。比較近的天體還有辦法直接量測,遠距離的只好仰賴一些間接的推斷。我們先從古埃及利用井、尖塔、駱駝推算出地球的周長出發,進而介紹利用雷達天文學等方法量測太陽系中月球、行星距離的方法。

地球周長:井、尖塔、駱駝

平常我們怎麼量測長度或距離呢?如果是桌上的小東西,我們可以用直尺;如果稍微遠一些,可以利用捲尺;再更遠一點的話可以利用雷射測距儀。這些都是地球上常見、常使用的距離量測工具。那當距離更遠的時候要怎麼辦呢?我們該怎麼量測地球的周長呢?月球、太陽有多遠呢?更遙遠的天體該怎麼辦呢?

我們不能一步登天。要先從比較近的開始直接量測,接著再想辦法間接推敲出遙遠天體的距離。就讓我們先從最近的「地球周長」開始吧!其實早在古希臘,畢達哥拉斯就已經提出了地球是「球」的想法。埃及學者埃拉托斯特尼(Eratosthenes)在公元前 240 年,就估計出一個地球周長的數值。這個算法很有趣,讓我們搭配圖 1 一起來看看。

圖1:埃拉托斯特尼的地球周長量測方法。來源/Eratosthenes | Biography, Discoveries, Sieve, & Facts | Britannica [2]

首先,他知道在夏至那天,可以從埃及城市「賽伊尼(Syene,即現在的Aswan)」的一座井中,看到太陽從正上方來的倒影。也就是說,夏至這一天太陽光會剛好直曬賽伊尼。他進一步量測,在夏至這一天,亞歷山大城(Alexandria)方尖石塔的影子長度。從這個影子長度和方尖石塔的高度,可以計算出太陽的天頂角 α。而因為三角形相似形的關係,這個天頂角 α 同時也會是賽伊尼與亞歷山大城在地球上的夾角。這個天頂角 α  約為 7.2°,因為7.2°佔了整個圓 360° 的 50 分之 1,所以將距離乘以 50,就是地球的圓周長。

也就是說,只要找到賽伊尼與亞歷山大城之間的距離,再乘上 50,就是地球的圓周長…但是兩座城市之間的距離要怎麼知道呢?他從商隊那裏問到,這兩座城市要讓駱駝走 50 天,在經過一些計算即換算後,他得到地球的圓周長大約是 252000「stadia」(當時埃及的距離單位)。雖然他所用的單位「stadia」與現代長度單位的換算已經無法考證,但現代科學家認為他所量測出的這個數字約為 39,690 公里到 46,620 公里之間,與現代的公認值差異只有 1%-15% 左右而已![3]

月球距離:月食、雷射、反射鏡

有了地球的大小以後,再來讓我們來量月球吧!先從量測月球地球距離開始,其中一個方法是利用「月食」。這個方法可以追溯至希臘天文學家阿里斯塔克斯(Aristarkhos,310-230 B.C.)。他其實是紀載中最早提出日心說的人,可惜並沒有受到非常廣泛的認可。月食就是月亮進入了地球的影子。將地球影子的大小除上月食發生的時間就是月球移動的速度。而將月球移動的速度乘上月球繞一圈的時間(28 天左右),就可以得到月球繞地球的圓周長、半徑。

較為現代、更為直接的方法就是「雷射測距」,原理就跟雷射測距儀差不多。從地球上發射雷射光到月球上,藉由量測反射光,可以知道光來回所需要的時間,再乘上光速,就可以得到月球的距離囉。這個時間約為 2.5 秒,換算後的月地距離約為 38 萬公里。

圖2:阿波羅 14 號所放置的反射鏡。來源/NASA [4]

為了擁有更好的雷射光反射效果,人類還在月球上擺放了 5 個反射器,分別在 5 次人類登陸月球的任務中放置(3 次美國、2 次蘇聯,見圖 2)。這些反射器讓月地距離的精密度提升到了毫米等級。美國著名生活喜劇影集《The Big Bang Theory》裡面就有進行這個實驗的片段,讀者不妨去看看:Learn English with The Big Bang Theory: Blowing up the Moon(有字幕、英文教學版本)。

精確的月地距離量測也帶給我們有趣的發現。比方說發現或量測出:月球每年以 3.8 公分的速率離地球愈來愈遠;月球內部可能有著月球半徑 5 分之 1 大小的液態核心;月球除了原先的運動以外,還有著額外的晃動,稱為「天平動(libration)」…等 [5]

行星距離:雷達

量測行星距離的方法類似量測月球距離的方法,只是行星的距離通常太過遙遠,使用一般的雷射光的話效果不好,必須改使用微波的波段,這個學門稱為「雷達天文學(radar astronomy)」。雷達天文學所使用的設備必須要能夠向宇宙發射高功率的微波,過去常用的天文台包含「阿雷西博天文台」(Arecibo Observatory)與「戈德斯通天文台(Goldstone Observatory,見圖 3)」

(延伸閱讀:再見了:阿雷西博天文台!

圖 3:戈德斯通天文台(Goldstone Observatory)。來源/JPL [6]

雷達天文學被運用太陽系內天體的研究,畢竟再更遠的話反射的訊號會太弱。在過去,雷達天文學除了幫助我們量測行星的距離,還可以拿來觀測天體的表面狀況 [7]

太陽的距離:金星凌日

地球與太陽的平均距離稱為 1 個「天文單位(Astronomical Unit,簡稱 AU 或 au)」。要量測日地距離的話,總沒辦法用雷射測距了,太陽自己的光線太強、也沒辦法反射雷射光或微波,更不可能讓人上去裝設反射鏡。那該怎麼辦呢?我們可以利用「金星凌日」來幫忙!

圖 4:金星凌日。後面的黃色大球是太陽,黑色的小球則是金星,每隔一段時間拍攝一張相片疊在一起的結果。來源/NASA/SDO, HMI [8]

金星凌日是指從地球上看出去,金星從太陽前面經過的現象(圖 4)」。而這也是太陽、金星、地球接近一直線的時候。就好像是我們用手遮住陽光時,太陽、手、我們的眼睛會排列成一直線一樣。

根據克卜勒定律,我們可以計算出金星的軌道半徑為 0.72 天文單位。地球軌道半徑則是 1 天文單位。當太陽、金星、地球排成一直線時,可以得到金星與地球的距離是 0.28 天文單位。這時候只要量測出金星的距離,就可以換算出 1 天文單位的大小!

然而這個狀態下,在金星後面的太陽會嚴重干擾訊號,因此無法使用雷達來量測金星的距離。得靠別的方法來找出距離,這個方法稱為「視差(parallax)」。至於視差要怎麼使用,又怎麼讓丹麥天文學家、第谷使用正確的數據、正確的儀器、正確的推論、得到完全錯誤的結果,則是另一段故事了。

(待續)

參考資料

  1. Free Images / Bedouin watching a caravan passing by near the pyramids of Giza
  2. Eratosthenes | Biography, Discoveries, Sieve, & Facts | Britannica
  3. wiki / Eratosthenes
  4. The New York Times / How Do You Solve a Moon Mystery? Fire a Laser at It
  5. wiki / Lunar Laser Ranging experiment
  6. wiki / Goldstone Deep Space Communications Complex
  7. wiki / Radar astronomy
  8. SPACE / Venus Crosses the Sun for Last Time Until 2117, Skywatchers Rejoice


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ntucase_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

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化石先生遇到殘暴的蜥蜴之王——《恐龍一億四千萬年》
馬可孛羅_96
・2021/08/14 ・3960字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 作者 / 史提夫.布魯薩特(Steve Brusatte)
  • 譯者 / 黎湛平
圖/pixabay

暴龍家族的故事要從二十世紀初、名列暴龍科暴龍屬「霸王龍」的發現說起。當時,有位研究暴龍的科學家是老羅斯福總統(Theodore Roosevelt)孩提時代的老友,和老羅斯福同樣熱愛大自然、喜歡冒險:他的名字是亨利.奧斯本(Henry Fairfield Osborn)。一九○○年代初期,奧斯本可謂美國最引人注目的科學家之一。

奧斯本曾任紐約市美國自然史博物館館長,也是美國文理科學院(American Academy of Arts and Sciences)主席,甚至還在一九二八年登上《時代》(Time)雜誌封面。但奧斯本可不是普通科學家。他出身富貴:父親是鐵路大亨,舅舅則是併購教父、J.P.摩根公司的創始人約翰.摩根(J.P.Morgan)。紐約市內每一處壁木厚實、菸氣瀰漫的祕密俱樂部―標準美國南方佬風格―會員名單上似乎都能找到他的名字。奧斯本若不在博物館研究化石,大多時候都在紐約菁英位於上東區觥籌交錯的閣樓裡,談笑風生。

世人記憶中的奧斯本並不討人喜歡。他風評不佳,利用其財富與政治人脈推動優生學,滿肚子種族優越感,視移民、少數民族、窮人為敵。有一次,奧斯本甚至還組了一支科學探險隊,前往亞洲尋找最古老的人類化石,想證明他身上流的血絕不可能源自非洲―他無法想像自己竟是「低等種族」的後代。難怪他在今日多被貶為不值一提的偏執狂。

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美國自然史博物館(American Museum of Natural History)。圖/Wikipedia

要是我身處「鍍金時代」(Gilded Age)的紐約,大概也不會想跟奧斯本這種傢伙一起喝啤酒吧(其實比較可能是花俏的雞尾酒。話說回來,我猜他可能根本不屑坐在我旁邊,對我異族味兒十足的義大利姓氏萬分戒備)。話雖如此,奧斯本毫無疑問是個非常聰明的古生物學家,甚至可說是相當優秀的科學管理人才。任職美國自然史博物館館長期間(這座博物館地位崇高,宛如大教堂聳立在紐約中央公園西側,也是我博士研究的地方),奧斯本做了他職業生涯中最棒的決定之一:指派眼尖心細的化石收藏家巴納姆.布朗前往美國西部尋找恐龍化石。

我們曾在上一章短暫介紹過布朗(那個老了許多歲的他在懷俄明州豪伊化石場挖掘侏儸紀恐龍化石)。布朗是最不像英雄的英雄人物。他在堪薩斯州的小村莊長大,基本上是個煤礦公司設置的小城鎮,居民只有寥寥數百人。他的雙親說不定是受到馬戲團大亨「費尼爾斯.泰勒.巴納姆」(P.T. Barnum)啟發才給他取了「巴納姆」這個花俏的名字,期許他有朝一日能逃離辛苦乏味的農村生活。小巴納姆身邊沒什麼說話對象,但他有大自然作伴,因此他深深迷上了岩石、動物殼這類玩意兒。他甚至在自己家裡弄了一座小小博物館―我弟在看完電影《侏儸紀公園》以後也做過類似的事(他也是恐龍迷)。後來,巴納姆進大學念地質,二十出頭就離開沒沒無聞的家鄉、來到紐約這座大城市。他在紐約遇見奧斯本,並受僱為野外考察助理,負責將巨大的恐龍骨頭從杳無人跡的蒙大拿、達科塔大草原運回燈火通明的曼哈頓,讓從來不曾露宿野外的社會菁英們有機會瞠目結舌地瞪著這些叫人驚嘆的珍寶。

布朗(左)與亨利·費爾費爾德·奧斯本和梁龍標本 AMNH 223的腿骨。圖/《恐龍一億四千萬年:重新發現這個失落的世界

這也是布朗之所以在一九○二年來到蒙大拿東部這片荒原的原因。有天,他在丘陵地附近探勘,意外發現一堆骨頭―除了部分下顎骨和頭骨之外,還有一些脊椎和肋骨、零碎的肩胛和前肢骨、以及大部分的骨盆骨。這些骨頭都很巨大。若依骨盆大小推斷,這頭動物大概有好幾公尺高、體型肯定也比人類龐大許多。而且,這堆骨頭顯然屬於某種肌肉發達,且能以雙足快速奔跑的動物。照體格特徵判斷,這絕對是一頭食肉恐龍沒錯。儘管當時已經有不少掠食恐龍出土―譬如侏儸紀晚期的屠夫「異特龍」―但體型全都比不上布朗新發現的這頭巨獸。布朗即將邁入三字頭,而他的這項發現將成為他此生最重要的註解。

布朗把他的新發現送回紐約,奧斯本焦急地引頸企盼。這些骨頭實在巨大,大概得花好幾年才可能清理乾淨、部分組裝供公開展覽使用。幸好到了一九○五年底,相關工作已大致完成,奧斯本也同時向世人宣布這頭新恐龍的消息。他正式發表論文,將新發現的恐龍定名為「Tyrannosaurus rex」(霸王龍)。這個名字優雅地結合希臘文與拉丁文,意思是「殘暴的蜥蜴之王」。同時,他也在美國自然史博物館公開展示暴龍骨骼標本,因為這裡也是名聞遐邇的科學機構。這頭新恐龍立刻造成轟動,成為全國報章雜誌的頭條新聞。《紐約時報》封牠為「地球至今最強大、打遍天下無敵手的物種」,還有大批民眾湧入博物館;當他們終於親眼目睹這頭殘暴之王,無不驚駭於牠怪物般的巨大體型,而牠的古老歲數―當年估計是八百萬年(現在已知更老,足足有六千六百萬年)―更令眾人傻眼。霸王龍一舉成名,布朗也是。

美國自然史博物館的蜥腳類恐龍館。圖/Wikipedia

布朗永遠會以「發現霸王龍的人」留名青史,但這只是布朗事業的開端。他找化石的眼力一流,從採集化石的第一線工作者一步一步、慢慢爬到自然史博物館古脊椎動物館館長的位子,管理世界第一流的恐龍收藏品。今天,讀者若是造訪該館令人讚嘆連連的恐龍展廳,裡頭有許多化石都是布朗及其團隊採集回來的。難怪我在紐約的老同事、後來為布朗作傳的羅威爾.丁格斯(Lowell Dingus)都說,布朗是「史上最厲害的恐龍化石採集高手」,而我在古生物學界的諸多同僚也都給予相同評價。

布朗算是首位明星古生物學家,他講課活潑生動,在美國哥倫比亞廣播公司(CBS)每周一次的廣播節目亦大受好評。他搭火車經過美國西部時,還會有群眾蜂擁而至、只為看他一眼。到了晚年,他還曾協助華特迪士尼公司設計音樂動畫片《幻想曲》(Fantasia)的恐龍。然而布朗就像所有知名人士一樣,是個怪咖。他會在仲夏穿著毛大衣出門找化石,或者幫政府或石油公司蒐集情報賺外快。而且他頗好女色,以致他複雜的後嗣網絡至今仍是美西平原茶餘飯後的話題。我實在無法不這麼想:假如布朗活在我們這個年代,他應該會是某個綜藝實境秀的超級明星,或是政治明星。

Walt Disney Art GIF by hoppip
音樂動畫片《幻想曲》(Fantasia)一幕。圖/GIPHY

在這陣霸王龍旋風席捲紐約的數年之後,布朗再次披上毛大衣,重操舊業,長途跋涉越過蒙大拿荒野尋找更多恐龍化石。一如往常,他又找到了。這回是一副保存更完整的霸王龍骨架,牠有顆漂亮的腦袋―長度跟一名成年人身高差不多―還有超過五十顆尖銳、宛如鐵道釘的利牙。布朗發現的第一頭霸王龍骨骼太過七拼八湊,無法好好估算這種動物的體型大小。但他發現的第二副霸王龍骨架,則顯示霸王龍確實是「霸王」無誤:個頭足足三十五呎高的動物,肯定重達好幾噸。霸王龍毫無疑問是目前已知(已發現)體型最大、最駭人的陸上掠食動物。

下來數十年,霸王龍享盡顛峰榮耀:不僅成為全球博物館最受歡迎的展覽主角,還當上電影明星―牠打敗金剛(在電影《金剛》〔King Kong〕裡),還在柯南.道爾(Arthur Conan Doyle)被改編成電影的科幻小說《失落的世界》(The Lost World)嚇壞無數觀眾。然而如此名氣卻掩蓋了一個根本謎題:該怎麼把霸王龍放進恐龍演化這棵龐大的系譜樹裡?將近整個二十世紀,科學家都快想破頭了卻仍找不到答案。霸王龍實屬異類。與其他已知的掠食恐龍相比,牠的體型超出太多、特徵也極為不同,我們實在很難為牠在恐龍的家族相本裡找到合適的位置。

美國自然史博物館的霸王龍化石。圖/Wikipedia

在布朗初次發現霸王龍之後的數十年,古生物學家相繼在北美及亞洲挖出一些霸王龍近親化石。不意外的是,其中幾項重大發現也是布朗自己完成的,最出名的要屬一九一○年在加拿大亞伯達省(Alberta)挖到的暴龍大墳場。這些霸王龍的同科親友們―包括「亞伯達龍」(Albertosaurus)、「魔龍」(Gorgosaurus)、「特暴龍」(Tarbosaurus)―體型大小都跟霸王龍差不多,骨架結構也幾乎一模一樣。到了二十世紀末,岩石定年技術有了長足進步,因此科學家確定前述幾種暴龍科恐龍也跟霸王龍生活在同一年代,意即白堊紀末,約莫是八千四百萬至六千六百萬年前。但科學家這下頭大了:在恐龍歷史的顛峰時期,竟然同時有一大票暴龍科恐龍大量繁衍、共同雄霸食物鏈最頂端?牠們到底是從哪兒冒出來的?

這道謎題直到不久前才終於揭曉。誠如過去數十年來,我們對恐龍的了解奠基於化石標本;而近年大量出土的暴龍化石同樣讓我們對這個支脈的演化有了全新認識。這些化石有許多來自意想不到的地點,其中最叫人意外的或許要屬二○一○年首度在西伯利亞出土、體型不算太大、直到最近才被認為是暴龍家族最古老成員的「哈卡斯龍」(Kileskus)。我們一般在思索「哪裡有恐龍」這個問題時,大概不會一下子就想到寒冷的「西伯利亞」。但現在幾乎世界各地都挖得到恐龍化石,就連俄國最北邊的惡地也有。為了挖掘化石,古生物學家必須設法熬過酷寒嚴冬,或是蚊蠅大量出沒的潮濕夏日。

——本文摘自《恐龍一億四千萬年:重新發現這個失落的世界,2020 年 6 月,馬可孛羅
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