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左旋還是右旋?化學對稱跟你我的身體有關!

賴昭正_96
・2015/09/25 ・5864字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 583 ・九年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

文 / 賴昭正

如果你想得諾貝爾獎,這裡有一大片的肥沃土地等你去開發。

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所謂的「化學反應」,指的是原子核外之電子的重新排列組合,因此可以說化學反應其實是電磁作用的結果。而其他物理學家所發現的作用力,包括重力、弱作用、及強作用力,在化學研究上則可以忽略不計。

在筆者另一篇文章《對稱與物理》一文裡[1],筆者談到了馬克士威的電磁理論不但有許多時間與空間轉換的對稱,還具有電荷對稱(C)、鏡像對稱(或稱「宇稱性」,P)及時間對稱(T)。化學既然是電磁作用的結果,因此毫無疑問地也應具有這些對稱。所以不像物理,在化學上應該沒有什麼破壞對稱的問題。

雖然如此,但這並不意味著化學中的對稱就不會失去平衡。在《對稱與物理》文中雖然提及:所有物理定律均具電荷對稱,因此宇宙中應具有等量的物質與反物質才對,可是我們所看到的宇宙卻全為物質所覆蓋著:失去了物質與反物質的平衡。化學上是否也有類似的失衡問題呢?

互為左右手:鏡像異構物

鏡像對稱的化學概念則是像左、右手的關係一樣。例如下圖中,說碳原子(C)形成四面體時的結構。碳具有四鍵價,能與其它四個原子或化學基形成以它為中心的四面體。如果此四原子或化學基完全不同,則可形成像左、右手一樣,無法重疊的兩種鏡像異構物(enantiomer),例如生物體中不可或缺的胺基酸,即是一種以碳原子為中心的四面體鏡像異構物。

胺基酸的結構,即是一種鏡像異構物。它們彼此像是鏡中影像的關係,但3D結構上並不是同一種化合物。關於胺基酸,於下段會有詳細的說明。

不管怎麼轉,這兩個四面體像左、右手一樣,長得很像,但終究是無法重疊的!以下圖為例,不管X、Y、Z、W是什麼長相、多麼複雜的化學基,因為所有原子的相對位置完全相同,我們實在沒有任何理由相信左邊的結構會比右邊的結構穩定或容易生成——實驗室的結果也證明確實是如此。因此在自然界中,它們的出現與存在的或然率應該是完全相同的!

螢幕截圖 2015-09-23 17.40.41

同樣的道理,在外界環境不具任何對稱時,鏡像異構物的一般物理及化學性質也應均是相同的:例如具有相同的凝固點及化學反應速率。但是在與其它鏡像異構物作用時,它們就有反應發生難易的選擇性與差異,正如同適合左腳的襪子穿在右腳上就顯得彆扭一樣。但這選擇性應不會破壞化學反應之鏡像對稱(P):正如左手用左手套與右手用右手套一樣,兩者均同樣可能發生、且具同樣的反應速率。

早期化學家將鏡像異構物因其與極化光作用的不用,而分別冠以右旋(d╶式,dexterotatory)與左旋(l╶式,levorotatory)兩種。但現在都以與甘油醛之立體結構相比,而冠以「D╶式」(右式,dexter)及「L╶式」(左式,laevus)來區別具有鏡像對稱之的鏡像異構物,與實際對極化光之右旋或左旋已沒有直接的關聯了。

如前所述,實驗室中合成的鏡像異構物均應具有等量的「D╶式」與「L╶式」-―稱為「外消旋混合物 」( racemic mixture 或 racemate)。同樣地,科學家也都認為宇宙中的所有化合物,都是在宇宙的演進中慢慢由原子合成的,因此宇宙中的鏡像異構物,也應該全是外消旋混合物(D / L平衡)。

生物體的鏡像失衡

蛋白質在生物體的功能上佔有非常重要的地位,參與了新陳代謝的催化、DNA的複製、外界刺激的反應、分子在體內的傳遞······等等。蛋白質是胺基酸脫水而連結起來的複雜大分子,而組成蛋白質的胺基酸基本的結構圖示如下:

螢幕截圖 2015-09-23 17.50.12

因R基的不同,我們可以得到不同的胺基酸。已知的胺基酸大約有五百多種。除了R為一顆氫原子(H)的情形外,所有其它的胺基酸都應存在稱為「D╶式」與「L╶式」的兩種鏡像異構物。

如前所述,這兩種鏡像胺基酸在宇宙的進化中應隨時保持等量的平衡,因此由它們脫水組合而成的蛋白質也應具有等量的「D╶式」與「L╶式」胺基酸才對。可是科學家卻發現地球上的生物體中的蛋白質,幾乎清一色全是由「L╶式」胺基酸組成的!怎麼會這樣呢?

而且,事實上不只蛋白質有這種失衡的問題,組成主要遺傳物質的DNA分子也有類似的失衡現象。DNA的骨架是由磷酸根(phosphate, P)及去氧核糖(deoxyribose, S)脫水連結而成的大分子:

螢幕截圖 2015-09-23 17.53.22

氧核糖是由五個碳原子成環的分子,因此也具有稱為「D╶式」與「L╶式」的兩種鏡像異構物。奇怪的是:地球上生物體的DNA幾乎也是清一色地由「D╶式」氧核糖組成的!這又是為什麼呢?

生物體的效率

談到DNA,在此順便提一提與失衡沒有直接關係,但與對稱卻有點關係的另一生物謎題。

對稱代表簡潔。宇宙乍看之下千變萬化,非常複雜;但物理學家已瞭解到它的基本構造基本上是具有非常簡單、漂亮的對稱性質。對稱儼然已是近代物理用來探討自然界定律的一個主要工具,它甚至可決定物理定律的形式[2]。

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DNA上四種可能的含氮鹼基(上色處)。Source: wikipedia

組成DNA大分子的基本單位為核苷酸,依照上面所接的含氮鹼基差異而有四種類型:胞嘧啶(cytosine, C)、胸腺嘧啶(thymine, T)、腺嘌呤(adenine, A)、鳥嘌呤(guanine, G)。它們靠氫鍵與另一DNA長鏈結合成眾所皆知的雙螺旋DNA[3]。現在,我們已經知道遺傳碼(genetic code)是由三個核苷酸組成一個單位,告訴身體碰到這個遺傳碼時,應該要合成那一種胺基酸。

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遺傳碼對應合成之胺基酸的圖表,最外圈的英文字母代表著指導合成出的胺基酸種類或指令。Source: Duncan Hull @flickr

四種核苷酸,再加上三個核苷酸組成一遺傳碼因此應該有64(43種不同的遺傳碼來指導 64 種胺基酸的合成才對;可是胺基酸雖有 500 種之多,但實際上許多不同的遺傳碼卻指導了同一種胺基酸的合成,而我們身上的蛋白質只用了20 種胺基酸!

愛因斯坦曾說:我想知道上帝如何創造這世界。我對這個或那個現象、這個或那個元素的光譜沒興趣。我想知道祂的思考,其它的都是細節。」許多科學家與哲學家也都想了解上蒼為什麼那麼笨手笨腳、沒有效率呢?進化不是去蕪存菁、有效地利用周遭的自然資源嗎?

為什麼鏡像異構物會失衡呢?

因為基本作用力具有對稱性,所有不同之鏡像異構物均應等量出現與存在,那麼是什麼機制在進化之前、或進化的過程中破壞了此一平衡,造成某一類鏡像異構物能夠脫穎而出、成為地球上生物體的鏡像異構物唯一形式呢?現代的理論甚多,我們在此只能選幾個較有趣的來談談。

在許多理論中,最有趣的應首推「生命起源於外太空」。1969年,一顆大隕石墜落在澳洲的默奇森(Murchison);科學家檢驗它的化學成分後,發現其胺基酸含量不但失衡,其L╶式也像地球上之生物組成一樣,比R╶式還多!此後所發現的隕石也大都是如此。

因此,許多科學家不但認為這正可解釋我們今日在地球上所看到的現象,他們甚至更認為這是「生命起源於外太空」的一個強而有力的證據,遂而建立了一支「宇宙祖先」(Cosmic Ancestry)學說。在「宇宙祖先」的理論中,有些科學家認為胺基酸是在彗星塵埃中形成的;而胺基酸之所以失衡,則是因為星際間的輻射含有17%的圓偏極化。

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默奇森隕石(Murchison meteorite)及試管中自其分離出來的內含物。Source: wikipedia

我們知道從遠處來看,水面總是平靜無波,但近看則是小波起伏不斷;這些小波在物理學上屬於無規律變動(random fluctuation),存在於任何由許多分子組成之物理體系裡(事實上即使在真空裡也存在)。這些無規律變動造成短暫的局部對稱性的破壞失衡;但因物理體系最穩定的自然狀態總是具對稱的,因此這種失衡均是瞬間出現而立即消失。可是如果鏡像異構物具有自動催化機制,或正好碰上某一外在因素,則這一短暫的瞬間失衡可能因此被加強放大,而導致我們今日所觀測到的巨觀失衡――這有點像基本粒子理論中的「自發性對稱破壞」[1,2]。

此一「自發性對稱破壞」的兩大缺陷是:

  1. 是什麼外在因素或自動催化機制呢?
  2. 這些瞬間失衡均是局部性且隨機的,因此怎麼可能整個地球的生物全是一樣的呢?

自從楊振寧與李政道發現左、右手對稱不守恆後,當然馬上有科學家想到生物之胺基酸的失衡或許也正是起因於此。事實上實驗也顯示自旋極化的電子是較容易離子化某一類鏡像異構物;不僅如此,實驗上更証明了此一離子化作用較容易破壞「D╶式」胺基酸!

只是各種計算及實驗均顯示,這種失衡的比率在2%以下;因此許多科學家懷疑這麼小的比率可以壓過物理體系隨時想回到最穩定之自然對稱狀態,而造成今日之那麼大的不平衡―-很像已知之CP對稱破壞程度一樣,還不足以說明我們所觀察到的宇宙物質與反物質的不平衡[1]。包括中性弱作用[2]在的計算也顯示「L╶式」胺基酸的能量比「D╶式」胺基酸低,「D╶式」的能量也比「L╶式」低,只是其差值均實在太小了,不足以說明今日之那麼大的不平衡!

因統一電弱作用而得諾貝爾獎的薩拉姆(A. Salam),對此提出他的見解:此一微小的能量差可因波色-愛因斯坦冷凝(Bose-Einstein condensation;[4])而被放大,在大約250K的溫度時產生相變,將能量較高點之「D╶式」胺基酸改變成「L╶式」胺基酸。實驗資料好像顯示確有這種破壞宇稱性的相變可能,可是爭論也不少。但因在生物出現前,地球的溫度一直遠高於此一相變溫度;因此如果真有此一相變,或許生命真的得是起源於外太空?

以上的理論都是將生物胺基酸的失衡,歸咎於化學或物理的外在因素,而不是進化與生存競爭的必然結果。或許今日的生物失衡根本就是演化的結果?或許失衡根本就是演化所必要的條件――分子之間的「個體差異」?

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蛋白質作為酵素能夠幫助DNA分子複製,並協助除錯的工作。Source: wikipedia

DNA與蛋白質的一個不同點是前者可以自己複製;可是如果沒有蛋白質作為酵素的催化效果,此一複製不但沒效率,還會錯誤百出。可是蛋白質的合成不是須靠DNA的遺傳碼嗎?因此就衍生出形同「雞先生蛋、還是蛋先生雞」的疑問。

然而,由DNA轉錄出的另一種核苷酸長鏈分子--RNA,它像DNA一樣,可以儲存及傳遞基因信息;不但如此,1982年科學家發現它們比DNA還厲害,也能像酵素一樣催化化學反應時,許多分子生物學家開始相信它們或許可以催化它們自己的合成,避開「雞生蛋、蛋生雞」的問題迴圈,作為生命演化的源頭-―也就是「RNA世界假說」(RNA World hypothesis)。

1984年,當丘依斯(A. Joyce)還是位研究生時,他發現「D╶式」RNA雖然可以非常快地在「D╶式」成份中複製,但在外消旋混合物中卻完全停頓!此一發現顯然挑戰了RNA世界的假說、並證明了失衡必須在生命現象出現之前發生。但現在,已經在斯克里普斯研究所( The Scripps Research Institute)任教的丘依斯並不輕言放棄RNA世界假設的想法,後來終於在2014年找到了可以在外消旋混合物中複製純種RNA的RNA酵素(Ribozyme):「D╶式」RNA複製出「L╶式」RNA,複製出的「L╶式」RNA又可用來複製出「D╶式」RNA······。此一發現不但重新燃起了「RNA爲生命之開始」的希望,以及失衡是在生命現像出現後發生的理論;他甚至認為在實驗室中合成生命的日子可能不遠了。但是,「為什麼只有「D╶式」RNA生存下來呢?」,這個問題他們還得要好好想想怎麼解答。

遺傳碼這麼多,為何只有少少種胺基酸?

為什麼許多不同的遺傳碼指導了同一胺基酸的合成呢?此稱為「基因碼退化」(genetic code degeneracy)的研究比想瞭解失衡的理論少得多。當然,一個可能的解釋是「巧合」;但筆者認爲這不「說服力」,因此擬在此略談最近的一項研究結果。

2012年由哈佛大學及芝加哥大學組成的研究團隊(A. Subramaniam, T. Pan, 及 P. Cluzei)在研究大腸菌的基因碼退化時發現:在胺基酸充分的外在環境下,這些「異碼同族」(cognate)對蛋白質的合成能力完全一樣;但在胺基酸不足的惡劣環境下,它們的行為就出現差別。顯然「異碼同族」是多記載了些資料來應付進化中所可能遭遇到的不同惡劣環境―-正像為了偵測與修正錯誤,數位信息的傳遞必須加入些「多餘」的資料一樣[5]!如果真是如此,那「基因碼退化」就是演化與生存競爭的必然結果了。

待解的問題,還多得很······

地球上的生物體幾乎全含碳原子,因碳具有四價,能與四種化學基結合;如果此四種化學基不同,則可形成像左、右手一樣,無法重疊的兩種鏡像異構物。從化學與物理來看,這兩種鏡像異構物的合成與存在應該都是對稱的(相同的);可是爲什麼地球上的生物,其蛋白質幾乎清一色地由左式胺基酸組成的呢?同樣地,爲什麼地球上的生物,其DNA幾乎清一色地由右式氧核糖組成的呢?

還有,雖然已知的胺基酸有500多種,但生物體內的蛋白質卻只用了20種胺基酸;更令人不解的是:爲什麼DNA卻用了64種密碼來選用這20種胺基酸呢?

基本化學與物理具有很高的對稱性,可是生物好像不怎麼遵守對稱性的美與效率―正好與愛因斯坦相反(他創世紀的發現都是建基於深信上帝也愛對稱性的美與效率,[6])。爲什麼呢?如果你對自然科學有興趣,且想得個諾貝爾獎揚名天下、爲國爭光,那這裡還有很多待解的問題在等著你!

參考資料:

  1. 對稱與物理(科學月刊2010年三月號)
  2. 規範對稱與基本粒子(科學月刊2014年十一月號)
  3. 奇妙的水分子(科學月刊1979年元月號)
  4. 量子統計的誕生(科學月刊2015年一月號)
  5. 錯誤訊息的偵測與修正(科學月刊2009年三月號)
  6. A. Zee: Fearful Symmetry(2007年;台灣有譯本 )
文章難易度
賴昭正_96
34 篇文章 ・ 34 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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以科學為本!從 DNA 探索大未來——百濟神州(BeiGene)Kids Science 生物科學營,為小小醫生科學家鋪路!
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/12/27 ・3668字 ・閱讀時間約 7 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 百濟神州(BeiGene) 委託,泛科學企劃執行。

「小朋友們,當爸媽或家人生病時,你的心情如何?擔心、焦慮、想辦法讓他們好過一點?」

「希望家人最好不要生病」、「吃藥看醫生才能快快恢復」這是來自孩子們最純真直接的回應。

全球前 50 大生技製藥大廠百濟神州(BeiGene)副總裁暨細胞治療研發中心負責人黃士銘,日前率近 20 位企業志工和家人們一起至坪林國小,在泛科學協助下,舉辦「Kids Science 小小生物科學營」。課堂上,身為生物科學家的他,首次擔綱一日業師,在活動一開始即拋出了上述這個情境題,引導孩子們思考生物科學,其實是一門很有意義的學問,不僅貼近日常所需、更能真實地幫助許多人。

黃士銘表示:「BeiGene 是一家以科學為本,專注於創新癌症藥物研發,我們與全球各地科學家及醫師緊密合作,以病人至上的精神,致力為全世界患者帶來可近性及可負擔的高品質藥物。」身為一位科學家,我們相信『改變治癒未來』(Change is the Cure)。先進科學改變人類生活,而醫療科學為人類帶來治癒的力量。因此,在台灣,我們與這塊土地最頂尖的科學人才共同努力,專注於細胞治療在癌症醫學領域的研發,也因為台灣向來是生技產業人才搖籃,這更讓我們重視到,科學教育從小紮根的重要性,讓小朋友從早期開始培養科學核心素養,豐富孩子們的知識和視野,希望啟發他們對於生物科學的興趣。我們很期待透過 BeiGene 「Kids Science 小小生物科學營」,拋磚引玉,讓更多人重視科學教育的環境,挹注多元教學資源,發揮共好影響力,為台灣培育更多優秀的生技人才。

BeiGene 副總裁暨細胞治療研發中心負責人黃士銘,率近 20 位企業志工和家人們前進坪林國小,讓偏鄉小朋友從小開始培養科學核心素養。圖/BeiGene

有鑑於此,秉持以科學為本、病人至上的 BeiGene,致力「培育未來生物科學人才」作為品牌 ESG 關鍵的當責行動。於是乎,當觀察到台灣偏鄉科學教育資源與師資分配不均的狀況,便與全台最大科學知識社群–「泛科學」聯手,舉辦「 Kids Science 小小生物科學營」,BeiGene 企業志工於假日帶著家人們,前進新北市坪林國小進行教學活動,為偏鄉學童種下科學教育種子,希望藉由對生物科學的體驗與實驗過程,提升偏鄉學童對於環境觀察的敏感度與科學的認識基礎。

BeiGene 「Kids Science 小小生物科學營」,為學童打造出「適齡、適性」、結合理論與手作的生物科學探索課程活動。圖/BeiGene

生物科學樂趣多! 啟發學童對科學創造的想像

小學階段是最適合紮根科學教育的時期,但偏遠地區的學校由於交通不便與地理人文環境特殊,造成師資、設備、資源不足等情況。若能引進多元的教學資源,開啟偏鄉孩子們不一樣的視野,便能在科學的啟蒙之路上,燃起他們的學習熱情、啟發學童對科學創造的想像!

引導孩子們思考生物科學,其實是一門很有意義的學問,不僅貼近日常所需、更能真實地幫助許多人。圖/BeiGene

坪林國小校長王珮君表示:「科學是生活,舉凡食、衣、住、行都隱含著許多科學知識與原理,非常感謝 BeiGene,看見偏鄉孩子在專科教育學習資源的需求,舉辦『Kids Science 小小生物科學營』, 讓孩子從做中學習。藉由豐富有趣的課程,帶領學校的孩子不僅能從學習中獲得更多與醫學相關的科學知識,同時也能啟發他們擁有像『科學家』一樣地邏輯思考,像『醫師』一樣地解決問題!永保好奇心,持續不斷的創新與探索。」

坪林國小校長王珮君致力提供學生更好的學習資源,感謝 BeiGene 帶來豐富多彩的 STEM 教育課程。圖/BeiGene

親子共學玩實驗夯: 水果DNA切切樂、手作仿生鳥

身為全台最大科學知識社群——「泛科學」知識長鄭國威表示,孩子學習科學的目的,除了開拓視野外,更重要的是培養科學思辨的精神與態度!在這個以社群力=影響力的時代,泛科學希望與各界企業一起『加乘、共好』,透過彼此的核心職能,讓下一代對科學產生興趣。

孩子學習科學的目的,除了開拓視野外,更重要的是培養科學思辨的精神與態度。圖/BeiGene
利用簡單易操作的實驗一窺水果 DNA 的樣貌。圖/BeiGene

這次的課程,特別邀請到曾獲教育部殊榮的生物老師──簡志祥「阿簡老師」,帶領學童認識水果 DNA,利用簡單易操作的實驗一窺 DNA 的樣貌,了解生命細胞最初始的模樣;也體驗了解仿生科技在醫療上及生活上的應用,透過「仿生鳥手作實驗」引導學童思考有哪些生活用品是從仿生科學啟發而得來,並從手作實驗中獲得更多靈感與樂趣,最後的「仿生鳥飛行競賽」,讓學童用自己親手做的成品互相比拚,進一步體驗空氣動力原理,邊玩邊學、小朋友無一不感到新奇與有趣。

透過生活周邊常見產品實例,了解仿生科技在醫療上及生活上的應用。圖/BeiGene
透過「仿生鳥手作實驗」引導學童思考有哪些生活用品是從仿生科學啟發而得來。圖/BeiGene
「仿生鳥飛行競賽」,讓學童用自己親手做的成品互相比拚,進一步體驗空氣動力原理,邊玩邊學、小朋友無一不感到新奇與有趣。圖/BeiGene

本次課程活動獲得很好的迴響,孩子們邊玩邊學,不僅輕鬆提升專注力,同時對生物科學產生興趣。各位家長們,想要帶著孩子自己動手體驗 Kids Science 科學課程嗎? 以下分享 DIY 簡單步驟跟著做,親子共學樂趣多: 

【水果切切樂】

藉此實驗了解細胞各構造的特性,如清潔劑可溶解細胞膜的脂質,破壞細胞膜。 高濃度食鹽水可使 DNA 溶解在溶液中,DNA 不溶於酒精中,所以使用酒精萃取出 DNA。由於實驗材料簡單,且方法易操作,對生物科技有興趣的學習者也可以自行操作實驗不同水果的差異性。

教學影片。影/Youtube

材料:
萃取液(食鹽、水、清潔劑)冰棒棍、牙籤、離心管、塑膠杯、塑膠袋、紗布、竹籤、切塊水果、酒精

方法:
準備萃取液,內容是 1/3 杯的水、1/2 匙鹽和 1 匙的清潔劑混合。把切塊水果放進塑膠杯裡,倒進萃取液,能夠蓋住水果的量就夠了,用冰棒棍把水果攪爛。
把紗布鋪在另一個塑膠杯上,將攪爛的水果倒入紗布上,收集濾下的液體。
把酒精倒入液體中,過幾分鐘就會在上層的酒精裡看到白色的絲狀物。恭喜你,你拿到了這些水果的 DNA 了。拿牙籤輕輕攪拌這些 DNA,把它們收集到離心管裡頭吧。

原理:
為什麼這些材料就可以萃取出 DNA 呢?當你把水果攪爛和萃取液混合時,會破壞水果的細胞,清潔劑可以破壞水果細胞的細胞膜和核膜,而加入鹽則可以讓 DNA 溶解在萃取液內。最後加入的冰酒精,則會讓 DNA 從溶解的狀態被析出來,就成了你看到的白色絲狀物。

【手作仿生鳥】

結構仿生設計學主要研究生物體和自然界物質存在的內部結構原理在設計中的應用問題,適用與產品設計和建築設計。研究最多的是植物的莖、葉以及動物形體、肌肉、骨骼的結構。本課程從生活中引導小朋友去思考有哪些生活用品是從「仿生科學」啟發得來的。並從手作實驗中得到更多靈感與啟發!

仿生學小知識:

仿生學是模仿生物特殊本領的科學,目的在了解生物的結構和功能原理,來研發新的機械和技術,將大自然的智慧轉化成人類可操控的技術,可以說是「向大自然學習」的一門科學,例如達文西的「撲翼機手稿」就是藉由研究鳥類與昆蟲飛行所設計出來的。

像是出淤泥而不染的「蓮花葉」,除了表面上有蠟等物質可以防水,也發現葉面上有奈米等級的絨毛結構,這些結構使得水滴不易被戳破,讓水滴能在葉面上自由滾動,正是屬於仿生學的範疇,而這個發現也運用在現在的防水塗料上。此外,模仿蜘蛛絲做成的線非常強韌,可以拿來做防彈衣,這些都屬於仿生學的研究成果。

教學影片。影/Youtube

方法:
確認你的配件,包括翅膀、尾巴、木條、三條橡皮筋,將翅膀配件靠內的桿子套上右邊鐵鉤,靠外的桿子套上左邊鐵鉤,將木條插入翅膀的孔,另一端插入尾巴的孔,接著將橡皮筋套進兩端的掛勾,最後一步驟只要扭轉橡皮筋就可以飛行了。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

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【科學寶可夢】朱/紫中的骨紋巨聲鱷 & 狂歡浪舞鴨:一個締造火焰新紀錄、一個用腳踢破音速
Rock Sun
・2022/12/23 ・3132字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

身為一名訓練師,你真的了解你的寶貝們嗎?寶可夢圖鑑讀熟了沒?

其實圖鑑告訴你的比想像中的還多喔!跟著泛科空想寫手 Rock 一起來上一門訓練師的科學課吧!來跟大家分析這些寶可夢的戰鬥是多麼的「科學」。

骨紋巨聲鱷:火焰溫度新紀錄

Skeledirge - WikiDex, la enciclopedia Pokémon
圖/Bulbapedia

啊~火焰!

幻想世界中骨灰級的攻擊武器,也是空想科學寫作時常遇到的對手。

在過去的【科學寶可夢】中,火焰已經不是第一次出現了。第二篇關於噴火龍的科學中就有稍微提到,後來因為鴨嘴火龍和火伊布的圖鑑敘述都有提到他們火焰的溫度,所以在同一篇一起分析過,但那已經是第一世代寶可夢的事了~ 現在圖鑑都來到 900 號了,事情果然很不一樣。

溫柔的歌聲能治癒聽者的靈魂,會使用攝氏 3000 度的火焰把敵人燒成灰燼。」——骨紋巨聲鱷紫版敘述註1

骨紋巨聲鱷的敘述很直接,就是直接說出了牠噴出的火焰溫度,這簡直是一個福音,這樣我們就不需要到處拼湊,可以直接地將這個數字與過去的幾個得到的火焰溫度做比較。

噴火龍:至少 1400 ℃

鴨嘴火龍:1200 ℃

火伊布:1650 ℃

火爆獸:800℃

骨紋巨聲鱷:3000℃

這也太高了吧!?先別說生物怎麼有辦法產生這種高溫註2,真的要把人燒成灰燼哪裡需要 3000℃ 啦!

就算燒成這樣只要幾百度應該就夠了。圖/維基百科

一般把屍體燒成骨灰的火葬場,溫度只需要 1000℃ 就夠了,3000℃ 根本是大材小用,而你知道這個溫度能夠辦到什麼事嗎?

絕大部分我們知道的物質在這種溫度下都會熔化或者汽化,能夠倖存的元素大概只有鎢、錸、鋨這幾個金屬還有一些特殊的聚合物了;如果燒的是人的話,別說是燒成灰,整個身體一定在一陣白光下消失的無影無蹤……因為在這種溫度下,火焰不會是正常的橘紅色,而是白色的。

這時如果骨紋巨聲鱷的訓練師就直接站在它旁邊,就算不是被直接擊中,他那超過岩漿溫度兩倍的 3000℃ 火焰所散發出的熱氣和輻射熱註3,應該足以讓訓練師瞬間嚴重灼傷,再加上強光,這絕對是不支倒地然後變成逐漸變成焦屍,然後跟四周的花草樹木付之一炬。

所以如果要叫你的骨紋巨聲鱷使出噴射火焰的話,記得先閃的非常非常遠,放招後遠距離收回寶可夢,然後趕快離開被焚化、整個燒得亂七八糟的現場。

「我只是叫我的骨紋巨聲鱷用一下火花」。圖/envato.elements

狂歡浪舞鴨:這到底是哪一國的超強踢腿舞啊?

圖/Bulbapedia

如果要說格鬥系的寶可夢要怎麼在圖鑑中誇耀他們的力量,最常用的方式就是:把東西丟出去或弄壞。

在以前的的腕力+豪力+怪力的文章中,我們可以看到各種誇耀寶可夢力氣的方式,例如、「能夠跟 100 個成年人角力把他們摔出去」、「可以用一隻指頭舉起相撲選手」、「有辦法舉起一台垃圾車」、「把人打飛到地平線彼端」……等。

而這次,我們的狂歡浪舞鴨的特技是能夠踢翻一台卡車。

只要一腳就能踢翻卡車的強韌腳力,展現充滿異國風情的舞蹈。」——狂歡浪舞鴨朱版敘述註4

要計算這有多誇張,我們需要知道一個非常重要的資訊……究竟是哪一種卡車呢?

卡車這種交通工具有非常非常多的規格,最輕的例如小皮卡只有 2~2.5 公噸,最重的可以達到 15 公噸,甚至在某些重工業地區可以找到更重的運貨卡車。

寶可夢朱/紫據稱是參考西班牙為藍本設計的,經過一番搜尋之後,筆者得知西班牙地區是全歐洲輕型卡車比例最高的地方註5,這類卡車本身重大概介於 3~4 公噸之間,如果滿載貨物的話,重量可以達到 10 公噸以上,我們這邊就大概取個平均值 7 公噸好了。

像這類的卡車就是輕型卡車~ 圖/ISUZU

然後我們還得先定義踢翻卡車這件事情:我們就假設狂歡浪舞鴨用腳朝卡車的側面一半高的地方踢下去,然後車子會以一邊的車輪為支點翻過去,側面著地。

經過一些力矩的計算,我們可以知道要把一台 7 公噸重的卡車踢翻,需要從從中間給予大約 68600 牛頓的力……這可比一台小汽車引擎全力輸出時的力道還要強啊~

筆者自製大略圖解

但是最誇張的還在後面!

最後一步,我們想要知道狂歡浪舞鴨的這一腿到底有多快!要得到這個結果,筆者需要知道此鴨的整隻腳重量為何,因為畢竟是腳在對卡車施力的。

圖鑑上寫說狂歡浪舞鴨體重為 62 公斤,而牠的外貌滿接近人形生物的,所以我們先參考人體結構來預估。人類的一整支腳平均占全身體重的 16~18% 左右,我們的狂歡浪舞鴨看起來腿略長,而且既然是格鬥系的,那牠的腿應該很壯,我們就假設牠的整隻腿重量占比更多,大概是全身的 25%,重量的話就是差不多 15.5 公斤。

要計算牠這腿速度多少,我們最後剩下需要的假設的就是假設腿和卡車的接觸時間,依照之前的經驗,就姑且設定為 0.1 秒接觸,然後腿踢中之後立刻停下,再加上很不合理的力道 100% 轉換假設,但是相信我~不這麼做的話答案只會更扯。

套入牛頓第二運動定律的公式,我們可以知道這腿在停下來之前,速度高達秒速 443 公尺也就是音速的 1.3 倍,這也太快了吧!你的腳怎麼沒有被音爆撕裂啊?相較之下,泰拳高手秒速 17 公尺的踢擊根本是個笑話,如果被狂歡浪舞鴨的這一腳踢到,我看大部分的寶可夢應該是內臟破裂死亡了。

如果是普通人的話,被踢一腳一定直接全身骨折,內臟破裂,任督二脈也不用通了。圖/GIPHY

這真是太恐怖了,但狂歡浪舞鴨你為什麼無聊要去踢卡車啊?這種腳力你應該要去踢足球啊!還有這到底是哪一國的舞蹈會有如此的訓練呢?真想知道~

註解:

  1. 骨紋巨聲鱷的另一版敘述是「可以透過歌聲改變外形的火鳥,據說是靈魂寄宿在頭上的火球所形成的。」,從這個敘述我們知道牠的火焰跟某種靈魂力量有關,這大概就是為什麼火焰溫度能達到 3000 度的秘訣吧?話說筆者很確定是這裡的溫度是說攝氏,因為英文版的敘述中有寫是 5400 華氏。
  2. 也有可能……骨紋巨聲鱷根本不是生物!畢竟牠有幽靈屬性,但這表示牠的出現根本不是進化,而是死亡呢?
  3. 這裡我們因為 3000℃ 的火焰而傷透腦筋,但你知道嗎?這還不是寶可夢圖鑑裡最扯的,有兩隻寶可夢:熔岩蝸牛 和 噴火駝,他們的圖鑑敘述都寫到牠們能夠產生 1 萬度 ℃ 的高溫,前者是體溫,後者是噴出的岩漿,這確定不是多寫一個0嗎? 目前科學家有辦法產出最高的溫度只有 4990℃ 而已啊~
  4. 狂歡浪舞鴨另一版的敘述是「會用充滿異國情調的舞蹈迷倒看到的對手,然後揮舞以水構成的羽飾將其劈裂。」為什麼羽飾是用水構成的啊?這是怎麼辦到的?這跟強力水刀差在哪裡?
  5. 幸好這代寶可夢不是參考德國,因為這是歐洲重型卡車比例最高的地方,如果狂歡浪舞鴨源自這裡,他這一腳一定超出天際。

Rock Sun
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前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者

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薛丁格的貓是死是活?再不懂點量子就落伍了!——《我們的生活比你想的還物理》
商周出版_96
・2022/12/06 ・2327字 ・閱讀時間約 4 分鐘

奧地利的物理學家薛丁格最初閱讀愛因斯坦和德布羅意的論文後,也注意到物質波的概念,並進而闡釋發展成波動力學,促成量子力學誕生。薛丁格的波動力學是後來量子力學的具體論述之一, 薛丁格波動方程式更是量子力學最重要的方程式之一,也是現代人研究發展量子電腦的重要思維。

繼續討論薛丁格的想法前,容我「插播」兩種說法,一種是「哥本哈根詮釋」,一種是「愛因斯坦悖論」。

萬物受機率支配?愛因斯坦可不這麼認為

前面提到電子的雙狹縫干涉實驗,說明在微觀世界的電子具有波動性。在電子的雙狹縫干涉實驗中,為何被觀測到的電子只有在屏幕的一點留下痕跡呢?照理說,在屏幕的任意地方都能發現電子的蹤跡。然而,當我們「觀測」到屏幕的一「質點」的電子的瞬間,電子的波函數立即「塌縮」。

物理學家解釋這是因為電子的波函數與發現機率有關,亦即觀測電子時,電子波會縮小分布範圍, 呈現電子的粒子形式。活躍於哥本哈根的波耳等人認同這種融合「波函數塌縮」和「機率詮釋」的想法,因此成為「哥本哈根詮釋」。至於「電子波為何會塌縮?」是一個未解之謎。

自然界真的受到機率的支配嗎?真的大哉問啊!

愛因斯坦儘管預言光子存在,提出光量子論,但他強烈反駁「機率論」的觀點。對於哥本哈根學派的「機率詮釋」和「波的塌縮」,愛因斯坦以「上帝不玩擲骰子的遊戲」批判哥本哈根詮釋, 完全不能接受哥本哈根學派主張「決定一切事物的上帝竟然會依照擲出骰子出現的點數決定電子的位置」。

「上帝不玩擲骰子的遊戲」批判哥本哈根詮釋。圖/GIPHY

愛因斯坦也指摘「幽靈般的超距作用」。他認為未來已經確定,反駁「自然界曖昧不明」的不確定性,進一步指出「自然界並非曖昧不明,而是量子論還不完備,無法正確闡述自然界的緣故」。以上所提,是量子力學發展歷程的觀點論戰的故事,包含 1935 年,愛因斯坦和共同研究者波多斯基(Boris Podolsky)、羅森(Nathan Rosen)聯合發表觸及量子論矛盾的「EPR 悖論」(Einstein-Podolsky-Rosen paradox)。

迄今,我們已經知道微觀世界,電子等粒子會自己旋轉,具有「自旋」的物理量,或直接用專業術語「自旋角動量」,自旋的方向依據量子論會以多個狀態同時存在,並存或疊合。

愛因斯坦等人認為,對於相距非常遙遠的電子,不可能無時間限制,瞬時互相影響;根據狹義相對論的說法,沒有任何物體的飛行速度比光速還快。觀測相距遙遠的兩粒子之一,竟然會在瞬間同時決定兩者的狀態,這樣特殊奇妙的現象,愛因斯坦稱之為「幽靈鬼魅般的超距作用」。

沒錯!又要提那隻貓了

薛丁格曾以「量子糾纏」解釋愛因斯坦論文中的悖論現象,指出互相遠離的粒子的性質,並非各自獨立,而是成組決定,無法個別決定,這個現象是 2022 年諾貝爾物理學獎得獎主題的「量子糾纏」。如果能這樣思考,那麼就不會認為粒子是瞬間傳送並影響到遠方粒子,有如「幽靈般的超距作用」。

貓同時是活和死的「疊加」。圖/維基百科

談到量子力學,「薛丁格的貓」此知名想像實驗必定會浮現在讀者的腦海中吧?此實驗探討一隻貓的狀態究竟是活或死的,而實驗結果是:貓同時是活和死的「疊加」。如果以古典物理學來思考,會顯得極其荒謬;但若以微觀世界視之,這項理論其實符合電子波粒二象性的機率概念。

根據 1927 年量子力學學派的詮釋,觀察一個量子物體時,會干擾其狀態,造成其立即從量子本質轉變成傳統物理現實。原子及次原子粒子的性質,在量測之前並非固定不變,而是許多互斥性質的「疊加」。此觀念的知名例子就是「薛丁格的貓」實驗。

在這個想像的實驗中,一隻貓被鎖在一個箱子中,並有一個毒氣瓶,在量子粒子處於某狀態下毒氣瓶會破裂,但若該粒子處於另一狀態,則毒氣瓶會完好無損。如果將箱子封閉,此粒子的量子狀態是兩種狀態「共存」的情況,也就是說,毒氣既是已從瓶中放出,又被封存在瓶中,也因此,箱中的貓同時既是活的也是死的。當箱子打開時,由於此量子疊加狀態瓦解了,因此在那瞬間,這隻貓或許被毒死,或許得以保命。

當箱子打開的瞬間,這隻貓或許被毒死,或許得以保命。圖/《我們的生活比你想的還物理

物理小教室

  • 索爾維會議

量子力學是近代物理學的重要基石,與相對論被認為是近代物理學的兩大基本支柱,許多物理學理論和科學,如原子物理學、固態物理學、核物理學和粒子物理學,都以其為基礎。物理學界往往會在物理重要會議激盪出重要的論述,例如 1927 年第 5 次索爾維會議,此次會議主題為「電子和光子」,當時世上最重要的物理學家,都聚集在一起討論新的量子理論。

1927 年第 5 次索爾維會議,此次會議主題為「電子和光子」。

——本文摘自《我們的生活比你想的還物理》,2022 年 11 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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