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氣溫升高攝氏二度將會造成大麻煩

商周出版_96
・2013/07/26 ・3931字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 526 ・七年級

2052單書封地球平均溫度在二○五二年升高攝氏二度的結果,人類將會在未來幾十年內,經歷愈來愈多更麻煩的氣候問題。這將會是一些極端氣候現象,像是,異常的大洪水,一再發生的乾旱,在新地點發生土石流,以及路線怪異的龍捲風、颶風和暴風。另外還會發生珊瑚白化、森林死亡,以及新的病蟲害。以上的每一種災害,都會引來眾怒並製造出對未來的恐懼。但在大部分情況下,短期的行動成本都會被視為高得難以接受,並因此而導致「考慮周詳」的決定,決定把重大行動延後。這些極端氣候導致的無窮盡災難所造成的後果,將會十分緩慢地創造出一個贊同採取真正行動的政治上的絕大多數。只有在幾十年後,全球社會才會投票支持進行額外的自願性投資,以大幅減少廢氣排放。

全球氣溫上升如果超過攝氏二度,將足以造成我們周遭正常環境的重大改變。最明顯的改變,將會是北極夏天出現冰融;極區之外的大部分冰河都縮小了;海平面上升一呎(主要是熱擴散引起的,並不是融冰的關係);氣候區分別向南北兩極移動一百公里;沙漠向外擴大、侵犯到熱帶的新地區,以及北方永凍土層的加速溶化。全球暖化甚至將摧毀美學價值:其中之一,可能就是奄奄待斃的生態系統出現醜陋的混合(例如,白化枯死的珊瑚和常綠的森林被甲蟲破壞死亡),以及生物棲地因為受到更接近赤道的物種的入侵,而造成生物棲地的恐慌(例如,寒帶的西洋菜〔watercress〕出現在溫帶地區)。

「未來之一瞥 5-3:陷入困境的北極海域」說明了全球暖化將會如何導致各個地區出現驚人的影響。

未來之一瞥 5-3

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陷入困境的北極海域

達格.賀森(Dag O. Hessen)

這則故事裡的主要演員都很小,一般只有幾公釐(mm)長。事實上,他們是屬於浮游生物的哲水蚤Calanus是螃蟹和龍蝦的親戚)。這提醒了我們,重要的演員不一定都是體型很大的。在北極海域,哲水蚤的數量很大,它們並且扮演著很重要的角色。它們屬於高貴的有機體族群,並且很明確地贏得關鍵物種(keystone species,又稱基石物種)的頭銜。只要了解,北極海域的海水溫度升高後,會對哲水蚤產生什麼影響,就可以讓我們充足了解未來高緯度海域生物的狀況了。

生態與經濟體系有一些共同點,包括要預測它們的未來是很困難的,因為它們的每一件事都仰賴另外的每一件事情。它們兩者的共同點就是,多重互相作用回饋循環──也就是因果關係的循環,不時會產生違反直覺的反應。有時候,改變是緩慢的。在其他時候,似乎小小的影響也可以引發大反應,並可能啟動一連串無法逆轉的大規模改變。

到二○五二年時,北方海域將會處於這種轉型期的半途,沒有人能夠真正說出這樣的轉變有多大。這有一部分是因為非線性生物系統的緣故。這個意思是說,生態系統對某一特定改變(像是溫度)產生的反應,也許不會是逐漸發生的,也不容易預測。在跨過某個時間點或門檻之後,可能會出現突然、劇劇性和明顯隨機出現的變化,這是因為物種轉換,或是在重要生態過程中的轉換,對整個系統造成一連串影響。這有一部分是因為:這是一個食物網,實際上真的就是一個網絡。例如,物種B也許很能忍受氣溫升高,但如果它的獵物(物種A)不能忍受高溫,那麼,物種B可能會因為失去了A,而受到因為天熱而引發的崩潰的影響──產生的一連串影響,可能還會影響到物種C、D、E等更多物種。或者,考慮海洋溫度上升的另一種潛在的回饋循環:熱吸收增加了,因為減少了雪和冰的覆蓋;永凍土溶化,造成二氧化碳和甲烷釋出;海洋酸化造成生物固定住二氧化碳的能力減少等等。我真的不知道這種情況會把我們帶向何處,但從二○五二年以後,將會是一個未知的未來──或者,更像是航入了未知之海(mare incognitum)。

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但我倒是知道,到了二○五二年,北海的溫度最有可能比今天平均上升攝氏一.五度。夏天的海水表面也許會上升超過攝氏二度。同樣的情況將一路發展到北冰洋(北極海),到二○五二年時,北冰洋在夏天將完全沒有冰,夏天並且可能出現相對較高的氣溫。因此,為什麼當冰冷的北極海域被加熱到似乎更舒適的溫度時,哲水蚤──這是專吃浮游生物的橈足類(Copepods)生物──和它們的同伴們反而會受苦呢?高溫不是會帶來高生殖力嗎?

不一定如此。首先,某些物種就是只能在低溫中生活得很好,因為它們演化的結果就是能夠適應低溫。但是,第二,水溫升高後會對浮游生物造成一些意外的副作用。我們預期,當海洋變溫暖時,浮游生物的生殖力和平均體形將會大幅減小

這至少有一部分原因,是因為缺乏營養浮游生物的海水表面將會被更快速的加熱,這使得它更難和含有豐富營養及浮游生物的深層海水混和。所以,高溫代表了哲水蚤的食物會減少──因為被混和進入表層海水的浮游生物更少了,而像哲水蚤這樣的橈足類生物,都是在表層海水中覓食的。這也表示食物更小了,部分是因為,在營養物極其有限的環境中,體形較小的物種要比體形較大的物種更能適應,但也因為細胞在氣溫升高時會變得更小。哦,當然了,哲水蚤也許很小,但藻類甚至更小,而更小的藻類代表哲水蚤很難一口就吃飽。

也許更糟的是,到二○五二年時,北極海域的海水的酸度也會改變,從歷史上一向很穩定的大約八.二左右,下提高到七.九。這可不是小的變化。我們將會看到,像哲水蚤這類甲殼類生物,以及其他有鈣化能力的有機體,包括植物和動物,都將會開始受苦,因為它們在建造它們的外骨骼時將會很困難。

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但我們也不要太想不開。到二○五二年時,北極暖化將會透過一連串的後續效應而影響到整個系統。新物種將會出現。不僅會出現新的橈足類和藻類物種,也會出現新的魚種。本來會在當地出現的鱈魚、鯖魚和鯡魚將會往更北方移動。很多底棲植物群和動物群將會從南方向北方入侵,取代部分的老居民。有些物種會比較好,但很多卻反而更糟。各種水母將會大為繁殖,因而犧牲了一些魚群。還有,我幾乎忘了鳥類。你可能再也看不到海雀和海鸚鵡在挪威西海岸孵化。到二○五二年時,這些鳥兒將會離去,飛向更北方。

有人也許會這麼期待,當冰從北極海撤退後,將會釋放出更多新土地,不僅可以供石油和天然氣探勘,也增加了海洋生物的生產量。好吧,我很擔心,這種樂觀想法太天真了。首先,海洋深處並不像上層海水那般充滿豐富的生命力。第二,這種奇特的冰下生態系統,是這種高極區海洋生態系統中很重要的一部分,但將來會消失無蹤。在現在的極區春天,你會發現,在大塊浮冰下面有著青綠的地毯。這些都是冰藻類,含有豐富的多元不飽和脂肪酸,十分營養。哲水蚤和它們的同伴在進入繁殖高峰時,就是聚集在這些冰下牧場裡覓食的。但當冰開始提早融化時,冰藻和哲水蚤的繁殖期將會愈來愈無法配合。如果哲水蚤的數量因此而減少,這就代表魚類的主要食物也跟著減少了──接著,就會影響到海鳥、海豹、北極熊和其他動物。這樣的影響會向外擴散。到了二○五二年,這個本來十分優秀的食物網,將只剩下很少的殘餘。

不過,還有更多新聞在一旁等待,等待在二十一世紀的後半段裡出現。到那時,格陵蘭的冰棚將會融化得更多,會造成其他不愉快的情況出現。更大的程度來說,灣流(Gulf Stream)輸送帶是被淡水和鹽分較高的海水之間的密度差異所造成的鹽度傾斜度推動的。如果在二○五二年後,淡水的注入中斷了這種流動,我會說:「你什麼都都還沒有看到呢。」

如果命運之神對我不錯,我將能夠在二○五二年,以一個很老的老頭子的眼光親眼見識這個世界,但這將讓我在我的臨終之前的日子裡很不愉快地發現:我,以及另外多位科學家,在二○○○年之前就大聲嚷嚷的這些憂慮,終於被證明是正確的。我是生物學家,對於人類在過去二十五年遵循的軌道,儘管有很明確的警告,還是讓我對人類的理性行為覺得很奇怪。更精確來說,我感到奇怪的是,我們的自私居然能夠獲勝,在演化上短視的理性,把目前的個人利益放到最大,超越了本來能夠用來避免發生危機的智性或是更多的理性。

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幸運的是,我可以用比較積極的語氣來結束這篇短文。我們將不會經歷到生態系統崩潰(這是我實在不喜歡的一個流行名辭,因為生態系統可以進行激烈改變,並且是以很不愉快的方式進行,但不會崩潰)。這個星球在以前曾經經歷過可怕的瓶頸,而生命總會找到它自己的出路的,但很明顯的,這要犧牲掉現在存在的很多生命形式。很明顯的,那兒會一直有各種細菌、藻類,甚至蟑螂存在。我相信,哲水蚤將會在某些棲息地生存下去,而人類其實也是相當堅強的。我真正擔心的是會自我強化的反餽──它們可能早已經開始了。到了二○五二年,我相信,即使是最全心全意的樂觀者也將會了解到,人類正面臨嚴重的挑戰。但我也相信,不管在社會、技術和心理方面,我們仍然被禁錮在「一切如常」的舊思維裡。

因此,我也許會在二○五二年覺得自己很幸運,在那時候,我在地球上的日子即將結束──但卻可以看到我的曾孫能夠在院子裡玩耍,這會讓我感到有點兒安慰。

達格.賀森(挪威人,一九五六年出生)是生物學教授。他發表過多篇有關於演化和生態學的科學論文,包括氣候變遷問題。他也出版過幾本大眾科學書籍和文章,並且積極參與有關氣候變遷的公開辯論。  

我沒有理由,也沒有資格不同意「陷入困境的北極海域」所呈現的未來場景。真正讓我擔心的是,在讀到這篇短文描述全球暖化在這個特定生態系統──北極區──所帶來的種種驚人影響時,像這樣的「驚奇」,可能也正在我並不熟悉的其他生態系統裡發生。

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氣候變遷對各地區造成的影響,彼此之間是有很大的不同。整個場景的一端將是「新北方」──加拿大北部、阿拉斯加、西伯利亞、俄羅斯和斯堪的那維亞半島北部──將享受到很多好處:氣候變得較暖和,出現新的貿易航道,以及更快速的農業和森林成長。另一端則是地勢較低的島國,將會被海水所淹沒,而且沒有地方遷移他們的人民。介於兩端中間的,則是傳統生產糧食的地區,將會失去原有的雨水與陽光都很充足的穩定氣候型態──有些地區變得十分乾旱,有些地區又會變得太多雨水。

 

摘自《2052》,由商周出版。

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從PD-L1到CD47:癌症免疫療法進入3.5代時代
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/25 ・4544字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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本文與 TRPMA 台灣研發型生技新藥發展協會合作,泛科學企劃執行

如果把癌細胞比喻成身體裡的頭號通緝犯,那誰來負責逮捕?

許多人第一時間想到的,可能是化療、放療這些外來的「賞金獵人」。但其實,我們體內早就駐紮著一支最強的警察部隊「免疫系統」。

既然「免疫系統」的警力這麼堅強,為什麼癌症還是屢屢得逞?關鍵就在於:癌細胞是偽裝高手。有的會偽造「良民證」,騙過免疫系統的菁英部隊;更厲害的,甚至能直接掛上「免查通行證」,讓負責巡邏的免疫細胞直接視而不見,大搖大擺地溜過。

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過去,免疫檢查點抑制劑的問世,為癌症治療帶來突破性的進展,成功撕下癌細胞的偽裝,也讓不少患者重燃希望。不過,目前在某些癌症中,反應率仍只有兩到三成,顯示這條路還有優化的空間。

今天,我們要來聊的,就是科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?

科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?/ 圖片來源:shutterstock

免疫療法登場:從殺敵一千到精準出擊

在回答問題之前,我們先從人類對抗癌症的「治療演變」說起。

最早的「傳統化療」,就像威力強大的「七傷拳」,殺傷力高,但不分敵我,往往是殺敵一千、自損八百,副作用極大。接著出現的「標靶藥物」,則像能精準出招的「一陽指」,能直接點中癌細胞的「穴位」,大幅減少對健康細胞的傷害,副作用也小多了。但麻煩的是,癌細胞很會突變,用藥一段時間就容易產生抗藥性,這套點穴功夫也就漸漸失靈。

直到這個世紀,人類才終於領悟到:最強的武功,是驅動體內的「原力」,也就是「重新喚醒免疫系統」來對付癌症。這場關鍵轉折,也開啟了「癌症免疫療法」的新時代。

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你可能不知道,就算在健康狀態下,平均每天還是會產生數千個癌細胞。而我們之所以安然無恙,全靠體內那套日夜巡邏的「免疫監測 (immunosurveillance)」機制,看到癌細胞就立刻清除。但,癌細胞之所以難纏,就在於它會發展出各種「免疫逃脫」策略。

免疫系統中,有一批受過嚴格訓練的菁英,叫做「T細胞」,他們是執行最終擊殺任務的霹靂小組。狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,這個偽裝的學名,「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, PD-L1) 」,縮寫PD-L1。

當T細胞來盤查時,T細胞身上帶有一個具備煞車功能的「讀卡機」,叫做「程序性細胞死亡蛋白受體-1 (programmed cell death protein 1, PD-1) 」,簡稱 PD-1。當癌細胞的 PD-L1 跟 T細胞的 PD-1 對上時,就等於是在說:「嘿,自己人啦!別查我」,也就是腫瘤癌細胞會表現很多可抑制免疫 T 細胞活性的分子,這些分子能通過免疫 T 細胞的檢查哨,等於是通知免疫系統無需攻擊的訊號,因此 T 細胞就真的會被唬住,轉身離開且放棄攻擊。

這種免疫系統控制的樞紐機制就稱為「免疫檢查點 (immune checkpoints)」。而我們熟知的「免疫檢查點抑制劑」,作用就像是把那張「偽良民證」直接撕掉的藥物。良民證一失效,T細胞就能識破騙局、發現這是大壞蛋,重新發動攻擊!

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狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,也就是「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, 縮寫PD-L1) 」/ 圖片來源:shutterstock

目前免疫療法已成為晚期癌症患者心目中最後一根救命稻草,理由是他們的體能可能無法負荷化療帶來的副作用;標靶藥物雖然有效,不過在用藥一段期間後,終究會出現抗藥性;而「免疫檢查點抑制劑」卻有機會讓癌症獲得長期的控制。

由於免疫檢查點抑制劑是借著免疫系統的刀來殺死腫瘤,所以有著毒性較低並且治療耐受性較佳的優勢。對免疫檢查點抑制劑有治療反應的患者,也能獲得比起化療更長的存活期,以及較好的生活品質。

不過,儘管免疫檢查點抑制劑改寫了治癌戰局,這些年下來,卻仍有些問題。

CD47來救?揭開癌細胞的「免死金牌」機制

「免疫檢查點抑制劑」雖然帶來治療突破,但還是有不少挑戰。

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首先,是藥費昂貴。 雖然在台灣,健保於 2019 年後已有條件給付,但對多數人仍是沉重負擔。 第二,也是最關鍵的,單獨使用時,它的治療反應率並不高。在許多情況下,大約只有 2成到3成的患者有效。

換句話說,仍有七到八成的患者可能看不到預期的效果,而且治療反應又比較慢,必須等 2 至 3 個月才能看出端倪。對患者來說,這種「沒把握、又得等」的療程,心理壓力自然不小。

為什麼會這樣?很簡單,因為這個方法的前提是,癌細胞得用「偽良民證」這一招才有效。但如果癌細胞根本不屑玩這一套呢?

想像一下,整套免疫系統抓壞人的流程,其實是這樣運作的:當癌細胞自然死亡,或被初步攻擊後,會留下些許「屍塊渣渣」——也就是抗原。這時,體內負責巡邏兼清理的「巨噬細胞」就會出動,把這些渣渣撿起來、分析特徵。比方說,它發現犯人都戴著一頂「大草帽」。

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接著,巨噬細胞會把這個特徵,發布成「通緝令」,交給其他免疫細胞,並進一步訓練剛剛提到的菁英霹靂小組─T細胞。T細胞學會辨認「大草帽」,就能出發去精準獵殺所有戴著草帽的癌細胞。

當癌細胞死亡後,會留下「抗原」。體內的「巨噬細胞」會採集並分析這些特徵,並發布「通緝令」給其它免疫細胞,T細胞一旦學會辨識特徵,就能精準出擊,獵殺所有癌細胞。/ 圖片來源:shutterstock

而PD-1/PD-L1 的偽裝術,是發生在最後一步:T 細胞正準備動手時,癌細胞突然高喊:「我是好人啊!」,來騙過 T 細胞。

但問題若出在第一步呢?如果第一關,巡邏的警察「巨噬細胞」就完全沒有察覺這些屍塊有問題,根本沒發通緝令呢?

這正是更高竿的癌細胞採用的策略:它們在細胞表面大量表現一種叫做「 CD47 」的蛋白質。這個 CD47 分子,就像一張寫著「自己人,別吃我!」的免死金牌,它會跟巨噬細胞上的接收器─訊號調節蛋白α (Signal regulatory protein α,SIRPα) 結合。當巨噬細胞一看到這訊號,大腦就會自動判斷:「喔,這是正常細胞,跳過。」

結果會怎樣?巨噬細胞從頭到尾毫無動作,癌細胞就大搖大擺地走過警察面前,連罪犯「戴草帽」的通緝令都沒被發布,T 細胞自然也就毫無頭緒要出動!

這就是為什麼只阻斷 PD-L1 的藥物反應率有限。因為在許多案例中,癌細胞連進到「被追殺」的階段都沒有!

為了解決這個問題,科學家把目標轉向了這面「免死金牌」,開始開發能阻斷 CD47 的生物藥。但開發 CD47 藥物的這條路,可說是一波三折。

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不只精準殺敵,更不能誤傷友軍

研發抗癌新藥,就像打造一把神兵利器,太強、太弱都不行!

第一代 CD47 藥物,就是威力太強的例子。第一代藥物是強效的「單株抗體」,你可以想像是超強力膠帶,直接把癌細胞表面的「免死金牌」CD47 封死。同時,這個膠帶尾端還有一段蛋白質IgG-Fc,這段蛋白質可以和免疫細胞上的Fc受體結合。就像插上一面「快來吃我」的小旗子,吸引巨噬細胞前來吞噬。

問題來了!CD47 不只存在於癌細胞,全身上下的正常細胞,尤其是紅血球,也有 CD47 作為自我保護的訊號。結果,第一代藥物這種「見 CD47 就封」的策略,完全不分敵我,導致巨噬細胞連紅血球也一起攻擊,造成嚴重的貧血問題。

這問題影響可不小,導致一些備受矚目的藥物,例如美國製藥公司吉立亞醫藥(Gilead)的明星藥物 magrolimab,在2024年2月宣布停止開發。它原本是預期用來治療急性骨髓性白血病(AML)的單株抗體藥物。

太猛不行,那第二代藥物就改弱一點。科學家不再用強效抗體,而是改用「融合蛋白」,也就是巨噬細胞身上接收器 SIRPα 的一部分。它一樣會去佔住 CD47 的位置,但結合力比較弱,特別是跟紅血球的 CD47 結合力,只有 1% 左右,安全性明顯提升。

像是輝瑞在 2021 年就砸下 22.6 億美元,收購生技公司 Trillium Therapeutics 來開發這類藥物。Trillium 使用的是名為 TTI-621 和 TTI-622 的兩種融合蛋白,可以阻斷 CD47 的反應位置。但在輝瑞2025年4月29號公布最新的研發進度報告上,TTI-621 已經悄悄消失。已經進到二期研究的TTI-622,則是在6月29號,研究狀態被改為「已終止」。原因是「無法招募到計畫數量的受試者」。

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但第二代也有個弱點:為了安全,它對癌細胞 CD47 的結合力,也跟著變弱了,導致藥效不如預期。

於是,第三代藥物的目標誕生了:能不能打造一個只對癌細胞有超強結合力,但對紅血球幾乎沒反應的「完美武器」?

為了找出這種神兵利器,科學家們搬出了超炫的篩選工具:噬菌體(Phage),一種專門感染細菌的病毒。別緊張,不是要把病毒打進體內!而是把它當成一個龐大的「鑰匙資料庫」。

科學家可以透過基因改造,再加上AI的協助,就可以快速製造出數億、數十億種表面蛋白質結構都略有不同的噬菌體模型。然後,就開始配對流程:

  1. 先把這些長像各異的「鑰匙」全部拿去試開「紅血球」這把鎖,能打開的通通淘汰!
  2. 剩下的再去試開「癌細胞」的鎖,從中挑出結合最強、最精準的那一把「神鑰」!

接著,就是把這把「神鑰」的結構複製下來,大量生產。可能會從噬菌體上切下來,或是定序入選噬菌體的基因,找出最佳序列。再將這段序列,放入其他表達載體中,例如細菌或是哺乳動物細胞中來生產蛋白質。最後再接上一段能號召免疫系統來攻擊的「標籤蛋白 IgG-Fc」,就大功告成了!

目前這領域的領頭羊之一,是美國的 ALX Oncology,他們的產品 Evorpacept 已完成二期臨床試驗。但他們的標籤蛋白使用的是 IgG1,對巨噬細胞的吸引力較弱,需要搭配其他藥物聯合使用。

而另一個值得關注的,是總部在台北的漢康生技。他們利用噬菌體平台,從上億個可能性中,篩選出了理想的融合蛋白 HCB101。同時,他們選擇的標籤蛋白 IgG4,是巨噬細胞比較「感興趣」的類型,理論上能更有效地觸發吞噬作用。在臨床一期試驗中,就展現了單獨用藥也能讓腫瘤顯著縮小的效果以及高劑量對腫瘤產生腫瘤顯著部分縮小效果。因為它結合了前幾代藥物的優點,有人稱之為「第 3.5 代」藥物。

除此之外,還有漢康生技的FBDB平台技術,這項技術可以將多個融合蛋白「串」在一起。例如,把能攻擊 CD47、PD-L1、甚至能調整腫瘤微環境、活化巨噬細胞與T細胞的融合蛋白接在一起。讓這些武器達成 1+1+1 遠大於 3 的超倍攻擊效果,多管齊下攻擊腫瘤細胞。

結語

從撕掉「偽良民證」的 PD-L1 抑制劑,到破解「免死金牌」的 CD47 藥物,再到利用 AI 和噬菌體平台,設計出越來越精準的千里追魂香。 

對我們來說,最棒的好消息,莫過於這些免疫療法,從沒有停下改進的腳步。科學家們正一步步克服反應率不足、副作用等等的缺點。這些努力,都為癌症的「長期控制」甚至「治癒」,帶來了更多的希望。

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末日模擬!從氣候變遷到核戰爭,人類未來將走向哪個結局?
PanSci_96
・2024/11/19 ・1957字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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科學家模擬的末日場景

隨著二氧化碳排放持續增加,全球的政治局勢日益緊張,世界上各國的承諾屢屢在國際會議中被辜負,戰爭的結束也似乎遙遙無期。警示世界末日的「末日鐘」越來越接近午夜,人類與地球的未來變得越來越悲觀。

這並非一種刻意的悲觀,而是基於氣候變遷和人類衝突升溫的現實。許多人或許和我一樣好奇,末日會不會真的臨近?如果會,那又會是什麼樣的場景?是氣候徹底失控的《明天過後》?還是生態浩劫後的全面沙漠化,需要武力生存的《沙丘》和《瘋狂麥斯》?或者是核戰之後,所有人生存在廢墟中的《異塵餘生》?

我們的未來走向尚未確定,但科學家已經率先模擬了不同的可能結局,讓我們可以一窺未來的模樣。這些模擬告訴我們,如果人類繼續走某些路徑,地球的結局將是如何。至於我們是否能避免這些結果,就得由全體人類共同決定。

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如何模擬出整顆星球的氣候變化?

要模擬整顆星球的大氣變化是一項龐大的任務,至少需要三大要素:理論、資料、和計算資源。

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首先,人類對氣候系統的物理和化學模式需要有足夠的了解,也就是大氣理論必須足夠完備。其次,需要足夠多的資料來模擬整個行星。這些資料包括地球半徑、自轉速度、海洋分布、太陽輻射、大氣成分等等,甚至是地表的狀況與地形。台灣的中央山脈就能影響到西太平洋的颱風走向,進而影響整個東亞的氣候。如果希望盡可能還原地球的真實情況,還需考量海洋的垂直溫度分布、植物分布導致的生物地球化學反應等。

最後,還需要強大的計算資源,也就是超級電腦。由於資料量龐大,每個參數的小誤差都可能引發蝴蝶效應,影響到預測結果。因此,科學家通常會微調各項參數,並對每組參數進行多次計算,這些都需要大量的運算能力。

模擬沙丘中的荒漠星球

科幻小說《沙丘》中的厄拉科斯,經布里斯托大學模擬,揭示未來氣候可能。圖/wikimedia

科幻小說《沙丘》中的厄拉科斯(Arrakis)是一顆完全荒漠化的星球,英國布里斯托大學的亞歷山大·法恩沃斯等人曾對這顆星球進行了模擬。他們使用在研究地球氣候變遷時使用的氣候模型,並結合小說中的設定,如大氣中的二氧化碳濃度和臭氧含量等,模擬了 500 年後的厄拉科斯氣候。

模擬結果顯示,厄拉科斯的赤道和熱帶地區夏季高溫達 45 度,冬季不低於 15 度。而高緯度地區則更為極端,夏季高溫可達 70 度,冬季最低可達 -75 度。由於大氣濕度和雲層的存在,極地反而比赤道更溫暖。此外,儘管小說中描述厄拉科斯幾乎沒有降雨,但模擬顯示高緯度和山區仍會有少量降雨。

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這些結果顯示,科學家不僅愛科幻,也樂於用科學方法來驗證科幻中的設定。這些模擬能讓我們更了解地球的氣候系統,並讓我們警惕荒漠化的危機。

核戰後的世界:核冬天的可怕景象

如果人類全面爆發核戰爭,戰後的世界會是什麼樣子?研究顯示,大規模的核武攻擊將產生大量的輻射塵和煙灰,進入大氣層並遮蔽陽光,導致「核冬天」的到來。

2019 年的一篇研究模擬了美俄之間的全面核戰爭,結果顯示,爆發後的第一年,全球氣溫將大幅下降,北半球的夏季溫度將下降 25 度,冬季氣溫則會降至零下,植物生長期縮短至僅剩 25 天。煙灰遮蔽陽光,導致全球糧食供應崩潰,第二年可能有 50 億人面臨飢餓。

這些模擬結果告訴我們,全面核戰將帶來毀滅性的後果,核冬天將使人類無法正常生活,這是真正的末日場景。

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核戰模擬顯示,氣溫驟降與糧食崩潰將致全球大饑荒。圖/envato

地球的未來會是如何?

地球未來的命運取決於我們今天的選擇。如果我們對氣候變遷置之不理,兩極冰帽將完全融化,海平面上升,許多沿海地區將被淹沒。雖然不至於像《水世界》中那樣極端,但低地區域的居民將面臨嚴重的生存挑戰。

如果人類選擇繼續衝突,甚至爆發毀滅性戰爭,我們的未來將如《瘋狂麥斯》或《異塵餘生》般,生存在廢墟中,面對乾旱、糧食短缺與持續的環境破壞。

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深海發現大型礦場和「暗氧」!是能源危機的希望還是潘朵拉之盒?
PanSci_96
・2024/09/21 ・2334字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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深海的暗氧:無光環境中的神秘氧氣生成

深海,被譽為地球最後的未開發疆域,隱藏著許多不為人知的奧秘。數千公尺深的海底沉積了數量龐大的多金屬結核,這些礦物因含有大量珍貴金屬,對現代技術,尤其是能源轉型,至關重要。然而,科學家在探索這些結核的過程中意外地發現了一種神秘的現象:暗氧,即在無光的深海環境中生成氧氣的過程。這一發現不僅可能改變我們對海洋生態系統的理解,還可能重新定義地球早期生命起源的故事。

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長期以來,科學界普遍認為氧氣的生成依賴於光合作用。光合作用是植物、藻類及一些細菌透過陽光將水和二氧化碳轉化為有機物並釋放氧氣的過程。這一過程主要發生在地球表層和淺水區域,是維持大氣和海洋中氧氣含量的核心機制。根據這一觀點,只有在陽光能夠到達的區域,氧氣才能被生成。因此,對於深達數千公尺的深海區域,我們的認識是,氧氣主要來自於表層水透過洋流輸送到深處。

然而,深海中缺乏光源,光合作用無法進行,這意味著氧氣在深海中的供應受到限制。雖然洋流能夠在一定程度上將氧氣輸送到深海,但這一過程極其緩慢,往往需要數百年甚至上千年才能完成一次循環。因此,科學家一直認為深海是一個缺氧的環境。

多金屬結核的發現,是新能源的關鍵,還是海洋生態的災難?

在這樣的背景下,科學家對深海進行了更深入的探索,並發現了錳結核(英語:Manganese nodules),又被稱為多金屬結核這一珍貴資源。多金屬結核是富含金屬的岩石,其主要成分包括鈷、錳和鎳等金屬。這些結核廣泛分佈於全球深海區域,尤其是太平洋海域,儲量高達數兆噸。這些金屬對綠色能源技術,如電池生產,具有極高的價值,吸引了全球各國的關注。

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然而,這些結核不僅是地球資源的寶藏,它們還隱藏著另一個重要的發現。2013 年,科學家安德魯·斯威特曼(Andrew Sweetman)在太平洋克拉里昂-克里珀頓區域進行深海研究時,意外地發現,在封閉的深海水域中,氧氣濃度竟然有所增加。這一現象引發了科學界的極大關注。

科學家探索深海的多金屬結核時,意外發現「暗氧」的存在。 圖/envato

暗氧的生成機制

斯威特曼的研究團隊推測,深海中的多金屬結核可能在某些化學條件下,充當了天然電池。這些結核通過電化學反應將水分解為氧氣和氫氣,從而在無光的環境中產生了氧氣。為了驗證這一假設,團隊在實驗室中模擬了深海環境,並確實觀察到氧氣從結核生成的現象。

不過,這一過程並非如想像中簡單。根據實驗數據,某些海底結核表面的電壓僅為 0.95 伏特,卻能夠生成氧氣,這與理論上需要的 1.6 伏特電壓不符。研究團隊進一步推測,這可能與結核的成分有關,例如含鎳的錳氧化物可能起到了催化作用,降低了反應所需的能量。此外,結核表面的不規則排列及空隙可能也促進了電子轉移和水的分解。

暗氧的發現挑戰了我們對氧氣生成的傳統理解。過去我們認為,地球上的氧氣主要來自於光合作用,但這一現象表明,甚至在無光的深海環境中,氧氣也能通過無機物的電化學反應生成。這意味著,我們對於地球早期氧氣循環及生命演化的認識可能存在重大疏漏。

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尤其值得注意的是,多金屬結核的形成需要氧氣,而這些結核大量出現在深海中,是否表明早期地球上就已經存在非光合作用的氧氣生成機制?如果是這樣,暗氧是否可能推動了地球上生命的起源?這一問題仍然未有定論,但暗氧的發現無疑為生命起源的研究開闢了一條新的途徑。

未來的挑戰:開採深海資源還是守護地球最後的「淨土」?

除了科學研究的價值,多金屬結核也吸引了全球對於深海資源開採的興趣。這些結核富含稀有金屬,特別是對電池生產至關重要的鎳和鈷。然而,大規模的深海開採可能會對海洋生態系統造成嚴重破壞。

對於發現的深海資源,是要開採?還是選擇守護海洋生態? 圖/envato

首先,深海採礦可能導致噪音和光污染,破壞深海生物的棲息地。此外,採礦過程中產生的懸浮物可能對海洋生物,尤其是水母等生物造成生理負擔。研究顯示,水母在模擬的採礦環境中會因應對懸浮物而消耗大量能量,這可能削弱其免疫系統並降低生存率。

因此,雖然深海資源的開採看似能解決當前的能源危機,但國際間對此議題的爭議仍然持續。全球已有32個國家支持暫停或禁止深海採礦,呼籲進行更多的生態影響研究以確保環境保護。

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暗氧的發現,不僅為科學研究帶來新的挑戰,也為深海資源的開採提出了更高的要求。在能源危機與生態保護之間,我們需要尋找平衡點。未來的技術或許能夠在不破壞環境的情況下,模擬自然過程生成多金屬結核,從而實現可持續的資源開採。

此外,暗氧現象的發現也為探索外星生命提供了新的思路。當我們在其他行星上發現氧氣時,不一定意味著那裡存在光合作用生物,可能是類似多金屬結核的無機反應在默默進行。這一發現或許將改變我們對地外生命的定義與尋找方式。

深海的秘密仍在不斷被揭開。從暗氧的發現到多金屬結核的開採,這片未開發的疆域將在未來的科學探索與資源爭奪中扮演至關重要的角色。無論是能源危機的解決還是生態系統的保護,我們都應以謹慎且負責任的態度面對這一未知的領域,避免打開潘朵拉之盒。

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