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征服夢想的火箭隊

阿樹_96
・2013/08/12 ・2244字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 487 ・五年級

今天要與大家聊的,既不是林書豪所屬的火箭隊,也不是神奇寶貝裡神奇的三流反派,是真的做出可以飛天火箭的團隊。而這篇Q&A,就是我對於來自新竹的建功高中的同學們所好奇的疑惑,或許今年在華山文創舉辦的Maker Faire Taipei可以看到他們的身影,不過或許很少人知道,火箭對於這些高中生的科學意義。

建功高中的火箭隊參加了今年五月於華山文創舉辦的Maker TaipeI,其中參與研究者包括陳柏翰(左一)、吳嘉薇(右二)與邱筠庭(右三)。
建功高中的火箭隊參加了今年五月於華山文創舉辦的Maker TaipeI,其中參與研究者包括陳柏翰(左一)、吳嘉薇(右二)與邱筠庭(右三)。

以下關於我的提問縮寫成”P”(但和P編無關,是因為我的姓氏),火箭隊的回答縮寫成「火」(因為是多位同學一起回答的,故簡略之)。

P:為什麼想要做火箭?

火:最初,是從一本小說《十月的天空》開啟的火箭夢想(在1999年有拍成電影上映),小說中的高中生抱持的夢想自己研究製造火箭,而男主角也進入了NASA研究,令人十分感動震撼。其實最初的想法,就是想用有限的資源製造出火箭,如果可以的話,還想探測高空。

P:怎麼開始做這項研究?

火:當然是有拜過google大神,從網路上、圖書館搜尋資料,就如同科展一般進行,而這個研究也是我們「研究方法課程」(註1)的專題,最後我們決定從火箭的「燃料」來著手,畢竟要完成火箭所用到的科學太多太廣,而綜觀大多的高中生自製火箭的研究變因多為機身或尾翼等物理條件,或許從化學切入燃料的研究,能提供不同的觀點。

P:火箭的燃料是什麼?

火:火箭的燃料其實有分固態和液態,兩者皆有使用,液態的優點就是可以透過調整流量來改變出力,甚至在必要時可以切斷來緊急煞車。而使用固態燃料的火箭結構比較簡單,而且產生的推力較大。以我們做的這種小尺寸的火箭,如果用液體燃料,勢必要做出一堆精密的儀器來控制,如果採用固態燃料就可以用一個火藥柱加上燃燒室與噴嘴就可以達成。

有模有樣的點火測試。資料來自建功高中火箭隊粉絲團。
有模有樣的點火測試。資料來自建功高中火箭隊粉絲團。

P:那用什麼東西來做燃料?

火:「糖」和「硝酸鉀」

P:那不是做煙霧彈用的?

火:不過會產生的大量的氣體,只要提高反應的速率,是有機會提升的。

P:那會有把實驗室燒掉的風險嗎?

火:所以製作時要小心,也在老師的指導下進行。一開始我們用實驗室的酒精燈當熱源,來嘗試熔化糖,讓糖和硝酸鉀慢慢的混合,不過一燒就直接冒煙毀了,後來改用溫控的加熱板,像在煮鐵板燒那樣,用低於150度的溫度來「炒」糖,最後再將混合的燃料放入紙捲,然後加入電熱絲(後端點火用)就完成了。

「炒」燃料!?
「炒」燃料!?

P:所以關於燃料做了哪些實驗測試?

火:有很多,從材料開始,像醣類就用了最常見的葡萄糖、蔗糖和麵粉等不同分子大小,甚至連「代糖」都來拿試了,不過嘗試的結果還是前兩者的小分子比較佳。另外還試了催化劑(鐵粉、氧化鐵粉)和管柱的截面積,不過測量的方式純粹用燃料的重量除以時間得到的燃燒速率來計算。

(P表示:其實這是蠻令我佩服的算法,燒的越快也意味著瞬間產生的氣體量會比較多)

P:剛剛提到的電熱絲是要幹嘛用的?

火:點火用的。

P:但我看實驗影片嚇死人,要用燒的?

火:用無線搖控啦!這樣才能確保安全(可以躲遠一點)。

P:無線?是用WIFI還是3G?(明顯是來亂的)

火:才沒那麼先進,是拆裝無線電鈴改裝重新接過,裝在保鮮盒裡,再加上電瓶,並且用紅色與藍色LED確認是否收到訊號。接收端的電源再接上燃料中的電熱絲就完成了。

(P表示:這個太威了,為什麼我會覺得很像電視上的炸彈客用的東西啊?)

超酷的電子點火系統

P:為什麼會想參加 Maker Faire Taipei?

火:這個理由簡單不過,就是想「開眼界」,不想龜在實驗室裡。

(由於我沒有參加到,所以著墨不多)

P:那麼經由製作火箭的過程帶給你們什麼感動?

火:其實在動作做實驗的過程覺得十分有趣,而且也認知道實驗與分析對於科學本身的重要性。當然也知道要完成一個火箭,背後有極其複雜的科學,需要許多人的通力合作,就如同在這次研究中缺乏的物理與機械等知識,或許有更多的知識,就會讓結果更加接近完美。也期待未來的學弟妹,能在研究方法課程中延續這樣的科學實驗過程。

其實在與火箭隊訪問過程中,旁邊一直有位剛升上高一的同學吳書凡,他是未來會接續繼續做相關實的小朋友,才剛要升上高一就充滿熱忱。同時也十分有想法,目標從夢想起飛的火箭,改為務實應用的「探空氣球」,希望可以結合空拍或其它的遙測技術,探索簡單而實用的探空方式。而看起來在過程中老師所扮演的角色為專業知識的提供者或協助者,學生的自主性極大,和以往的教育方式也不太一樣,本人是很樂見教育上有出現這樣的課程的。看到小朋友訓練出科學素養的過程,真的是感動萬分,尤其是在課業壓力下,還能擠出少有課餘的時間(註2)在做自己喜歡的研究,也是分欽佩。

註:

  1. 許多的高中會開辦特殊課程,來因應多元升學與十二年國教。本文提到的「研究方法課程」,主要的概念就是讓高中生能體驗研究生在做「研究」的始末,用深入的方法來切入問題,依照自己選組分別有理科與文科的研究。
  2. 研究方法課的時間有限,多是用來做方法上的教學,所以很多做實驗的時間要自己想辦法生出來,實驗的複雜度越高,也會越難完成,這也是實驗初期設計很重要的抉擇。

延伸閱讀:

  1. Maker Faire Taipei
  2. 建功高中-自製固態火箭

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文章難易度
阿樹_96
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地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。


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就是想知道十萬個植物的為什麼!解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳,畢業自台灣大學植物系,在美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)進行博士後研究,研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究,在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機,可能很難立即知道失主是誰,甚至有點摸不著頭緒:因為她手機裡超過 80% 的照片,都是植物。為何會選擇植物作為研究領域?身為中研院分子生物研究所特聘研究員,在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說,這個決定其實「不太科學」,因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇,因為好奇而想要知道更多:許多 love story 都是這樣開始的,而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢?也因為一般人都不夠認識植物,聽不懂植物的細語呢喃,更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家,擔任植物駭客兼翻譯,讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事,從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。圖/劉志恒攝影

分子生物學突破:發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」,大幅提升了糧食生產量,餵飽了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要,然而植物透過什麼機制攝取氮肥?如何調控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮,是生物存活的重要元素;從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素,到與遺傳相關的核酸中,都有氮的存在。但對植物來說,要取得氮元素卻出乎意料地困難;大氣的組成中近五分之四為氮氣,但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」,其中又以硝酸鹽為主。

但是,硝酸鹽是帶電離子,無法自行通過脂質構成的細胞膜,那到底植物如何利用硝酸鹽呢?為了解開這個長年來的謎題,蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株,並利用當時最新發展出來的分子生物技術,試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示,這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株,在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現,這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹;卻直到她開始進行博士後研究,伴隨植物分子生物相關技術發展,才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰,因為新技術還不穩固,就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她,決定一邊持續研究氮代謝,一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術,1994 年,蔡宜芳從美國回到台灣,持續研究進一步發現, 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白,除了作為硝酸鹽的「搬運工」,還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中,植物是被動的吸收養分:但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時,植物會主動改變硝酸鹽的運作模式,這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換,因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1,植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度,幫助植物調控基因表現,以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控,在農業領域十分有發展潛力,蔡宜芳的研究進一步轉向,對接實際應用,期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外,她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式,增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失,因此多數的氮肥施放到田間後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能減少施肥的浪費,連帶減少製造氮肥耗用的能源,也讓農作物長得更好。

好消息是,透過基因調控,蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功,並取得相關專利,期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品:好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心,對她來說和植物有關的十萬個為什麼,猶如始終永遠拼不完的大型拼圖,從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意義),想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解,往往覺得植物跟動物一點也不同,然而在蔡宜芳看來絕非如此,她表示,已經有研究發現,當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間,植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫,但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其實都知道,只是用我們不懂的方式在表達,要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖/劉志恒攝影

當然研究也不能自己埋頭苦幹,交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年,但回憶起剛建立獨立實驗室的階段,面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題,當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人,被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點,一來一往的思辨與答辯,反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破,是因為被質疑的時候很生氣,可是不能光氣,也要想辦法解決。就在生氣的時候,想出來的方法,最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時,認真地給出言之有物的評論,幫她累積了領域內的信譽,才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練,對科學家的養成非常重要,然而蔡宜芳觀察,科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例,在美國課堂上,老師會要學生先讀一篇論文,接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人,都會把 paper 當作傳世經書在讀,讀懂它就覺得很開心了——要去批評它,我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦,但會痛就代表該變。

她就此改變了思路:面對知識,蔡宜芳要求自己不僅要讀懂,還要有餘力批評它,說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為,科學就是得永遠抱持著質疑的態度,在不疑處有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面,我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中,會不斷要求學生思考、批判。圖/劉志恒攝影

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她,在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了,革命十次稀鬆平常,如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走?那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力,身為科學界的女性,蔡宜芳認為,自己的成長環境中,性別造成的影響並不大,以她所在的中研院分生所為例,研究人員性別比例很平均。但若深入細究,「無意識偏見」(unconscious bias)仍難以避免。她以自己帶過的學生為例,生科領域在大學時期男女比例大約是各半,但隨著碩士、博士一路往上,男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候,往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先,這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」,成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她,時常是唯一獲獎的女性,而就在接受採訪不久前,她又獲頒一個獎項,直到頒獎當天的照片寄回到所上,「一片黑西裝裡面,就我穿黃色!」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時,也對她苦笑說:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西,做該做的事情。真正不平的時候,不要安靜不講。」儘管環境仍待改變,蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步,就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥,遇上一位不放棄的科學家兼植物迷,造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣,裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片,請別質疑自己是不是怪怪的,或許妳也將靠著研究,改變世界,這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。


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