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以電晶體模仿細胞

only-perception ・2011/10/01 ・1800字・閱讀時間約 3 分鐘・SR值 588 ・九年級

當這個世界已變成較少類比且較多數位的時候 — 如錄音座與電視天線已被 MP3 播放器與串流影片所取代 — 電機工程師的思考習慣也跟著改變。在類比世界中，他們絕大部分都習慣就數量來思考，例如電壓，那是連續的，意指他們能採用無限範圍的值。現在他們傾向以 0s 與 1s 思考，數位邏輯的二元對立（binary oppositions）。

自人類基因組計畫（HGP）完成以來，二種欣欣向榮的學門 — 合成生物學（synthetic biology）與系統生物學（systems biology） — 已從觀察中浮現，在某方面上，導致蛋白質在細胞內製造的化學反應順序，看起來很像電子電路。一般來說，二種領域中的研究者傾向就二元對立來分析反應：若存在某種化學反應，就會發生某件事；若化學物質不存在，就會發生不同的事。

但 Rahul Sarpeshkar（MIT Research Laboratory of Electronics，RLE，的電機工程副教授）認為，那是錯誤的方向。”在細胞內的訊號並非 1 或 0，” Sarpeshkar 表示。”那是一種過度簡化的抽象化，那是對於細胞能做什麼事，最初的、粗糙的、有用的粗略估計。不過每個人都知道，那真的是錯的。”

在 11 月於 San Diego 舉行的 Biomedical Circuits and Systems Conference 上，Sarpeshkar、研究科學家 Lorenzo Turicchia、博士後 Ramiz Daniel 與畢業生 Sung Sik Woo（這些都屬於 RLE），將針對一份論文進行簡報，在其中，他們使用類比電子電路來塑模細胞內蛋白質與 DNA 間，二種不同類型的交互作用。這些電路以非凡的準確度來模仿細胞的行為，但更重要的是，他們辦到這件事所用的電晶體數量遠少於數位模型所需要的數量。

這項研究或能指出生物系統的電子模擬方向，那在製作上不僅更簡單，且更精確外，運作還更有效率。那亦指出一種新的框架，用以分析及設計統御細胞行為的生化過程。

模糊地帶（Shades of gray）

電晶體基本上就是一種開關：當它開啟時，它會導電；當它關閉時，它就不會。在一個電腦晶片中，這二種狀態代表 0s 與 1s。

但是在不導電與導電態之間移動時，電晶體會經歷過中間的每種狀態 — 輕微的導電性、中等的導電性、完全的導電性 — 就好比一輛車從 0 加速到 60 時，會經歷過中間每種速度。因為電腦晶片中的電晶體預期要進行二元邏輯運算，所以它們被設計成使這些過渡狀態不可偵測。但 Sarpeshkar 等人正是要利用它這種過渡狀態。

“譬如，這個細胞是製造胰島素的胰細胞，” Sarpeshkar 說。”那麼，當葡萄糖上升時，它會想要製造更多胰島素。但，那並非大霹靂。如果葡萄糖上升更多，它就會製造更多胰島素。如果葡萄糖下降一點，它就會至造少一點。那是梯度。那不是邏輯閘。”

把它當成一個類比裝置對待，一個電晶體擁有範圍無限的可能導電性，因此，它能夠塑模一種範圍無限的化學濃度。但是把它當一個二元開關對待時，電晶體只有二種可能的狀態，故塑模大量且範圍無限的濃度時，將需要一卡車電晶體。對於塑模細胞內之循序反應的大型電路而言，二元邏輯很快就會變成無法管理的複合體。但類比電路不會這樣。事實上，類比電路利用的相同類型物理現象，使細胞機器一開始就這麼有效率。

“如果你想一想，電子裝置是什麼？” Sarpeshkar 說。”那是電子的運動。那麼化學呢？化學是關於電子從某個原子或分子移動到另一個原子或分子。它們必定有深刻的連結：它們都與電子有關。”

驗證（Validation）

為了他們的新論文，RLE 研究者們完成他們自己的生物學實驗，測量細胞內二種不同蛋白質逐漸增加濃度的效應。二種蛋白質都會刺激細胞開始製造其他蛋白質，但它們以不同方式辦這件事：其中之一與一股 DNA 結合，並導致細胞開始製造某種特殊蛋白；另一個則使某種蛋白質鈍化，那種蛋白抑制了某種蛋白質的製造。

Sarpeshkar 等人能使用電路來塑模這些過程，而且每種過程只用八個電晶體。此外，這些電路結果證明正好形成彼此的鏡像，代表了「直接活化蛋白質製造」以及「使某種（鈍化他者的）鈍化劑鈍化」之間的差異性。最後，這些電路在塑模基因與蛋白質的交互作用上有著驚人的準確度。

“利用單一電晶體來實作整個等式的概念，無疑是種進步 — 那如果在數位電腦上實作，將用掉好幾行程式碼，而且如果你往設備裡面看，那將會是數百萬個電晶體，” Gert Cauwenberghs 表示，UCSD 一位生物工程與生物學教授。”生物系統中極端的變異性，以及該系統仍能有彈性地應付變異性，暗示著，類比電路，那與熱力學原理有些類似，且內含雜訊，將是一個良好的實作平台。”

Cauwenberghs 告誡，為了對生物學有用，一個遺傳迴路的類比模型得要比 RLE 研究者的那一套還要更加複雜許多。建立這樣的模型，他說，在產生有關細胞內化學濃度的準確資料上，生物學家要完成的研究與電機工程師一樣多。但 “那無疑是這二個領域間的綜效，” 他說。

資料來源：PHYSORG: Mimicking cells with transistors [September 28, 2011]

轉載自 only-perception

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#1 卓瑞安 2012/03/12

標題可以改成：以”類比電路”模仿細胞。”電晶體”太廣泛，這樣標題與內文給予的印象差距太多，感覺更有針對性一點比較好。

only-perception

153 篇文章・ 1 位粉絲

妳／你好，我是來自火星的火星人，畢業於火星人理工大學（不是地球上的 MIT，請勿混淆 :p），名字裡有條魚，雖然跟魚一點關係也沒有，不過沒有關係，反正妳／你只要知道我不是地球人就行了... :D

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CASE PRESS ・2021/10/22 ・3033字・閱讀時間約 6 分鐘

撰文｜許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機，也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種，讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹，大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引：標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後，我們終於要離開銀河系，開始量測銀河系以外的星系距離。在前作＜天有多大？宇宙中的距離（3）—「人口普查」＞中，介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠，發出來的光照射到的範圍就愈大，看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」，而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度，而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度，再搭配我們看到的亮度，很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說，我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書，得知這支路燈的光度，就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈，那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光（Standard Candle）」。可是下一個問題馬上就來了：我們哪知道誰是標準燭光啊？經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法，我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來，我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧！

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中，「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載：造父很會駕車，因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂，造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後，周穆王把「趙城」（現在的中國山西省洪洞縣一帶）封給造父，而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此，造父可是趙姓的始祖呢！（《史記‧本紀‧秦本紀》：造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂，造父為繆王御，長驅歸周，一日千里以救亂。繆王以趙城封造父，造父族由此為趙氏。）

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員（圖一），位於西洋星座中的「仙王座（Cepheus）」。一共有五顆恆星（造父一到造父五），清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆（造父增一到造父增五）。^[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克（John Goodricke，1764-1786）幼年因為發燒而失聰，也無法說話。1784 年古德利克（John Goodricke，1764-1786）發現「造父一」的光度會變化，代表它是一顆「變星（Variable）」。2 年後，年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。^[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化，變化週期大約是 5.36 天（圖二）。經由後人持續的觀測，發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質（週期、光譜類型、質量……等）與造父一接近，因此將這一類變星統稱為「造父變星（Cepheid Variable）」。^[5]

圖二：造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間，縱軸可以看成亮度。圖片來源：ThomasK Vbg^[5]

勒維特定律：週光關係

時間接著來到 1893 年，年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特（Henrietta Leavitt，1868-1921）她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林（Edward Pickering，1846-1919）為了減少人事開銷，將負責計算的男性職員換成了女性（當時的薪資只有男性的一半）。^[6]

這些「哈佛計算員（Harvard computers）」（圖三）的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據，然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說，她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提，這相當於現在時薪 9 美元左右，約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。^[6][7][8]

勒維特接到的目標是「變星」，工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星，包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到：這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關！愈亮的造父變星，變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠，可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後，就能得到一個「光度與週期」的關係（圖四），稱為「週光關係（Period-luminosity relation）」，又稱為「勒維特定律（Leavitt’s Law）」。藉由週光關係，搭配觀測到的造父變星變化週期，就能得知它的平均光度，能把它當作一支標準燭光！^[6][8][10]

圖四：造父變星的週光關係。縱軸為平均光度，橫軸是週期。光度愈大，週期就愈久。圖片來源：NASA ^[11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後，埃德溫‧哈柏（Edwin Hubble，1889-1953）就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星（圖五）。數個世紀以來，人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現， M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小，最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系，也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星，得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系，就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。^[10]

圖五：M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源：NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team ^[1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具，然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的，而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年，諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名，才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年，由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者，勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。^[12]