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【Gene思書齋】絕地救援的火星任務

Gene Ng_96
・2015/10/14 ・4365字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

叫好又叫座的好萊塢科幻片《火星任務》……哦不……《絕地救援》(The Martian)被棒為大導演雷利‧史考特(Ridley Scott)十年來最佳的電影,我不僅同意,還想補充上「絕對是」,而男主角麥特‧戴蒙(Matt Damon)真的又創演藝事業高峰,在火星上的獨角戲,演活了一個理性又冷靜又幽默的科學家!

《絕地救援》的原著小說《火星任務》,是安迪‧威爾(Andy Weir)在 2011 年自費出版的科技驚悚小說,是他的處女作。他父母分別是微粒子物理學家及工程師,而他是熱愛物理相對論、軌道力學和火箭的電腦程式工程師。《火星任務》 裡頭有大量真實的科學,連美國國家航空暨太空總署(National Aeronautics and Space Administration,NASA)都讚嘆不已,主動邀請他參觀 NASA!

有人說《絕地救援》是火星版的《星際效應》(Interstellar), 因為麥特‧戴蒙在那飾演一位等待同胞到來的科學家曼恩博士(Dr. Mann),和《絕地救援》裡等待救援的植物學家,一邪一正,相映成趣!加上《搶救雷恩大兵》(Saving Private Ryan),麥特‧戴蒙是第三回守候援兵了吧! 無獨有偶,飾演戰神三號探險隊長瑪麗莎‧露易斯(Melissa Lewis)的潔西卡‧雀絲坦(Jessica Chastain) 也在《星際效應》擔任要角,飾演長大後的女主角墨菲(Murphy)。

我對《絕地救援》的評價要比《星際效應》高,因為後者還是有些灑狗血賺熱淚的煽情戲碼,然而《絕地救援》,編導卻很平實地呈現了一個在火星上等待救援的植物學家馬克·瓦特尼(Mark Watney) 該如何靠科學知識存活;地球上像熱上鍋螞蟻的科學團隊,又該如何在政治壓力和緊迫的時間下,用盡全力、善盡所長地設計各種營救方法。

相對於《星際效應》,《絕地救援》顯得冷靜許多,可是卻仍然扣人心弦,讓人又哭又笑,是部不可多得的優異科幻電影。上映前不久就有新聞說火星是濕的,科學社群也在討論:如果把如生物學家、物理學家、化學家、地質學家、大氣科學家或者心理學家等等,丟包到火星上,那個領域專家的生存機率最高?種種討論,讓《絕地救援》顯得話題性十足。

《絕地救援》也像是《浩劫重生》(Cast Away)和《地心引力》(Gravity)的火星版,瓦特尼靠自己的毅力、知識和巧思,養活了自己一陣子!《浩劫重生》至少是在地球上,《地心引力》的女主角和瓦特尼都被困在地球外極為尷尬的處境!只不過在《地心引力》中,女主角真的要靠她自己的勇氣來解救自己,而瓦特尼想盡辦法,終於聯繫上了 NASA,所以有一整個大團隊來營救他。

能到火星的太空人都是萬中挑一,有高超的心理素質,以及受過嚴格的科學訓練來應該惡劣的狀況。人類是群居動物,在獨自長時間孤單地勇敢活下去,很不容易,所以瓦特尼對著攝影機的自言自語,彷彿和人對話的時候,會緩解不少壓力,他也不斷用幽默樂觀的態度面對危機。

令許多科學家激賞的是:《絕地救援》在科學層面稱得上嚴謹,雖然沒有人實際到火星做過那樣的實驗,可是在火星上種植物,理論上是可行的。電影也展示了真正的科學研究過程,就是 NASA 的科學家到噴射實驗室,翻出原型機進行實驗,取得真實數據和瓦特尼比對討論,這比許多好萊塢科幻片不實際地把科學家當神,不需要進行實驗來獲取數據的過程有天壤之別。除此之外,《絕地救援》還在許多地方都展示了真正的科學方法,值得討論。

先來點科普知識吧!其實《絕地救援》也非完美,火星上的氣壓極低,只有地球的百分之一而已,相當於地球上空 35 公里,所以太空人才要穿上太空裝,從太空裝提供氧氣,這也是太空裝的頭盔玻璃破了、裡頭氣體就拚命往外衝的原因。要不是瓦特尼被天線刺傷時,血液和天線封住了大空裝的破洞,他絕對活不了多久,那就沒戲唱了!但就因為氣壓很低,所以影片中出現的風暴很不實際──那麼稀薄的空氣所產生的風,不太可能有那樣強的破壞力。我們姑且就把這個當作是為了劇情所需的犧牲吧!

另外,火星的土壤可能含鐵太高,不見得加了糞便就適合種植植物,光線也是個問題,加上糞便沒發酵過,植物恐怕無法有效利用……那些馬鈴薯不會長得太好吧?另外,火星的引力只接近地球的四成,所以除了在戶外要穿厚重的太空裝,在室內的活動應該更輕鬆才對。

九月底《絕地救援》上映前,NASA 就很故意地發出新聞稿,說火星有水。這就有趣啦,原來瓦特尼只要去打水就好了,不需要太費周張去合成,實驗過程還被炸飛──其實 NASA 對《絕地救援》的拍攝提供了大力的幫助,甚至專門製作了網站「The Real Martians」,順便宣傳 NASA 的火星計畫:在 2030 年把人送上火星!

2015 年 9 月 28 日,NASA 宣布在火星上發現液態水。根據火星勘測軌道飛行器配備的光譜儀獲得的數據,科學家在火星的神秘斜坡上發現了水合礦物。有暗色條紋表明火星地表隨時間變化有流水存在。在較溫暖的季節,線條的顏色變得更深,顯示水流在斜坡上出現,在較冷的季節,地表特徵變淺。

不過,縱然火星有水,可能也是含鹽的水,加上火星的水大多鎖在永久凍土和極冠等冰凍圈(Cryosphere),不太可能直接灌溉植物,單憑瓦特尼一己之力,也不容易取得夠多的量,但農作物的生長需要不少水分,所以瓦特尼用合成的方法,其實是很實際又可靠的──只要他找到不把自己炸飛的方法。瓦特尼合成水的方法,其實是 NASA 研究出來的,所以知識真的是力量,同學們要專心上課啊~

科學知識是會變的,因為科學一直在進步。所以,一部科技驚悚小說或電影,只要盡力呈現當時已知的知識,就是很盡責了;更重要的是,科學的進步,是一個怎麼樣的過程呢?《絕地救援》正好提供了很好的討論材料。很高興,雖然不是紀綠片,但《絕地救援》還是最大程度地呈現了科學知識以及科學研究的過程,而且充滿娛樂效果和戲劇張力,與《侏羅紀世界》(Jurrasic World)編導的白爛相比,真是天壤之別!

《絕地救援》非常正確健康地揭示:科學家常常必須以團隊的方式合作!除了少數領域,科學家極少單打獨鬥地進行研究,更甭提解決重大困難。他們要有阿宅在背後提供科學理論的支援,還有收集和分析數據,也要有長袖善舞者應付媒體作公關,有體能、毅力過人者親自到前線去探險,雖然有人嫌配角人數太多,可是實際的狀況是,電影中出現的所有配角,在這個大型協作的複雜營救任務中,一個也不能少!

《星際效應》就沒有呈現團隊合作的精神,因為電影中的科學家,似乎就只有一個老教授和長大後的女主角而已,不過《星際效應》中最大的科學問題屬於理論物理,所以這情況倒也無可厚非。然而,在《絕地救援》中可以清楚地看到各領域專家貢獻其所長,在地球上用團隊的力量為瓦特尼解決許多關鍵問題,讓他能順利到達 「戰神四號」(Ares IV)基地,並且升空和他的隊友們會合。

除了 NASA 位於林頓·詹森太空中心的科學家,加州帕薩迪那噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)的科學家也一起加入,合作試探營救的各種可能方案。JPL 由加州理工學院管理,負責為 NASA 開發和管理無人太空探測任務。JPL 是火箭迷的聖地,許多科技上的創新在那裡產生,讓人類能夠到外太空去探索。

JPL 有個英文名字和我同姓的華裔科學家 Bruce Ng,在他的領導下,科學家們日夜辛勤工作設計製造各種器具,這個突發狀況讓他們必須面對許多工程難題。我最愛看「國家地理」或「DISCOVERY」頻道關於工程的節目,這些節目不會一味空洞地宣揚科學家或工程師有多了不起,而是告訴我們,科學家或工程師常常面對計畫趕不上變化的狀況,他們如何一步步用團隊的力量,應用知識和智慧,突破解決一個又一個的難題。《絕地救援》很忠實地呈現科學家或工程師絞盡腦汁拚命解決難題的過程,而且他們還會慘遭失敗,不管是在地球,還是火星上。

其中一位非裔年輕科學家,凌晨在辦公室被喚醒時突然有了靈感,經過電腦模擬的驗證,這個初生之犢跑到休斯頓去跟長官提議,雖然過程頗為耍寶,可是長官們研究之後發現,他的提案雖然有風險,但最為可行!他們沒有因為他的年輕或魯莽而否決提案,雖然因為政治因素,必須讓一位主管扛起責任。

很有趣的,中國的國家航天局也參與了火星營救任務,他們如果見死不救,老美也未必知道,但他們還是選擇公開機密火箭,提供 NASA 必要的協助。加入中國因素,雖是好萊塢電影近來的趨勢,但原著小說《火星任務》其實就有這個橋段,不是電影刻意加入的。

事實上,我認為這是《火星任務》和《絕地救援》的一個亮點──面對人類開拓未知的領域,我們應該放棄政治成見,攜手合作!科學知識和理論是全人類的共同財產,不分種族國界,我們只有一個地球,要為後代子孫創造更有利的環境,文明社會間除了良性競爭,也該有積極的合作,因為我們為未來創造知識或物質的財富的過程,可以是非零和遊戲,跨國合作,是人類未來的希望。

人類對未知領域的探索需要大型團隊的合作,實際探險的科學家也會以團隊的方式進行,《火星任務》用不煽情且穩重的方式歌頌同袍同澤的情誼,友情和義氣,也成了改編電影《絕地救援》的大賣點!能夠在開疆拓土時互助,是我們人類這個靈長類物種,能夠從非洲草原擴散到全球各大洲的支柱力之一。

《絕地救援》電影毫不沉悶,以充滿戲劇張力的方式呈現,觀看《絕地救援》 時除了優異的科效和劇情,還能同時能享受到知識及科學上知性的感動!這是繼 2013 年的《地心引力》和 2014 年的《星際效應》後,好萊塢電影的影迷、科幻迷、科青、科宅絕對不容錯過的好片!

看了電影,更想要了解火星的話,有幾本科普好書可以參考:國家地理的《前進火星:尋找人類文明的下一個棲息地》Mission to Mars: My Vision for Space Exploration)和《火星零距離 好奇號任務全紀錄:人類史上最偉大的探險故事》(Mars Up Close: Inside the Curiosity Mission),以及以文筆幽默詼諧聞名的瑪莉‧羅曲(Mary Roach)的《打包去火星:NASA 太空人瘋狂實境秀》(Packing for Mars: the Curious Science of Life in the Void!還有以下幾篇科普好文:

本文原刊登於【閱讀‧最前線】,並同步刊登The Sky of Gene

 

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Gene Ng_96
295 篇文章 ・ 24 位粉絲
來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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用這劑補好新冠預防保護力!免疫功能低下病患防疫新解方—長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2882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。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022 年美、法、英、澳及歐盟等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示該藥品針對 Omicron、BA.4、BA.5 等變異株具療效。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
帕克斯洛維德
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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2022 年《Science》年度十大科學突破(下):EBV 病毒與發燒的地球
PanSci_96
・2022/12/30 ・2786字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

接續上篇:2022 年《Science》年度十大科學突破(上):持續進化的 AI 與韋伯太空望遠鏡

看過 2022 年十大科學突破的前五項後,你是否迫不及待想知道另外五項呢?讓我們繼續看下去吧!

多發性硬化症的元兇:EBV 病毒

多發性硬化症(Multiple sclerosis)是一種中樞神經系統疾病,初期症狀只有視力模糊、手腳麻木、走路不穩等,到了後期便逐漸讓病患喪失視力、無法說話和行走。

長久以來,科學家懷疑多發性硬化症的元兇是「人類疱疹病毒第四型病毒」(EBV)。這種病毒主要透過唾液傳播,幾乎每個人一生中都會感染到,然後病毒會潛伏在白血球中。雖然患者大多都有 EBV 抗體,但 95% 的健康成年人也有,難以作為判定依據。

然而,今年 1 月刊載在《Science》的研究指出,感染 EBV 將導致罹患多發性硬化症的風險增加 32 倍。另一篇《Science》研究也發現潛伏在白血球中的病毒可能會「甦醒」,而病毒的其中一種蛋白質,會誘使免疫系統攻擊中樞神經細胞。

這些新發現給了科學家開發疫苗的方向。目前,有一種 EBV 疫苗正在進行臨床試驗,要是數據顯示疫苗有效,那麼在未來,多發性硬化症或許就能像小兒麻痺一樣,從此絕跡。

新研究確定了 EBV 病毒(藍色)與多發性硬化症的關聯。圖/Science

美國簽署《降低通膨法案》,搶救發燒的地球

今年 2 月,聯合國 IPCC 第六次評估報告指出,若是全球平均升溫超過 1.5°C,各地都將出現多種極端氣候災害,部分地區也將不再適合人類居住。

8 月,美國總統拜登(Joe Biden)簽署了《降低通膨法案》(Inflation Reduction Act),試圖從綠能、醫療、稅收等三大面向解決通貨膨脹的問題,同時減少溫室氣體排放,堪稱美國史上最重要的氣候法案。

身為全球第二的溫室氣體排放國,美國將在未來 10 年撥出 3690 億美元,投入綠能、電動車、核能發電等產業,目標是在 10 年後(2032 年)將溫室氣體排放量降低到 2005 年的 40%。

目前,全球平均升溫(相較於工業革命前)來到 1.2°C,而且今年的溫室氣體排放量仍持續上升,沒有下降趨勢。許多氣候科學家都認為升溫幅度必然超過《巴黎協定》規範的 1.5°C 上限,因此我們都需要盡快採取更多行動保護地球。

《降低通膨法案》將補貼太陽能在內的綠能產業。圖/Science

逃過黑死病的方法,竟然是遺傳?

700 年前,橫行歐洲的黑死病殺死了 1/3 到 1/2 的人口。關於那些倖存者,科學家好奇了很久,想知道他們當初是如何逃過一劫,以及黑死病究竟帶來了什麼影響。

今年 10 月, ㄧ篇《Science》的研究顯示倖存者體內可能有基因變異,提升他們對鼠疫桿菌(Yersinia pestis)的免疫反應。團隊分析了 500 多具遺骨中的古代 DNA,發現在英國倫敦爆發黑死病後,倖存者體內有 245 處的基因都有出現變異。

在這些 DNA 裡,內質網胺肽酶 2(ERAP2)引起了科學家的注意。這種蛋白酶有兩種變體:一種是完整尺寸,另一種較短,但都可以幫助免疫細胞識別、對抗病毒。科學家發現,遺傳完整尺寸 ERAP2 的人類存活機率是 2 倍,因為他們能夠生成更多細胞激素,協助免疫系統對抗鼠疫桿菌。

如今,約有 45% 的英國人體內還存有完整尺寸的 ERAP2 變體,但代價就是 ERAP2 也會增加罹患克羅恩病(Crohn’s disease)和類風濕性關節炎等自體免疫性疾病的風險。

從 14 世紀英國倫敦的遺骨中採集 DNA 並紀錄變化。圖/Science

碰!NASA 撞歪小行星!

多年來,NASA 持續監測直徑超過 0.5 公里的近地小行星,並且透過「雙小行星重定向測試計劃」(DART)研究多種讓小行星偏離軌道的方法。

今年 9 月,NASA 讓 DART 飛行器以 22,530 公里的時速撞擊小行星 Dimorphos,讓 Dimorphos 更靠近它繞行的另一顆小行星 Didymos,縮短了 32 分鐘的公轉週期,比 NASA 原先設定的目標還要高出 26 倍。

目前為止,天文學家估計軌道與地球軌道相交的近地小行星有 25,000 顆,大小都足以摧毀一座大城市。雖然行星防禦系統(Planetary Defense)尚未建構出完整情報,但針對人類首次改變天體運行的壯舉,NASA 署長表示「這是行星防禦任務的分水嶺,也是人類文明的分水嶺」,有助於降低小行星或隕石撞到地球的機率。

寬達 160 公尺的小行星 Dimorphos。圖/Science

從永凍土提取環境 DNA,重建古代生態系統

以往普遍認為 DNA 的保質期約為 100 萬年,但在今年 12 月,科學家從北極寒漠的永凍土中,提取了 200 萬年前殘留至今的環境 DNA 片段。透過分析這些片段,科學家還原了格陵蘭東北部皮里地(Peary Land)約 200 萬年前生態系統的樣貌。

英國劍橋大學研究顯示,在 200 萬至 300 萬年前,皮里地的平均氣溫比現在高 11℃ 至 19℃。從 5 處沉積層中提取的 41 個 DNA 片段,證實了當時有楊樹、樺樹、崖柏和各種針葉樹,也有野兔旅鼠、馴鹿、囓齒動物,以及 1 萬年前滅絕的大象近親——乳齒象。過去從來沒有科學家料到乳齒象的活動範圍竟然延伸到那麼遠的北方。

可惜的是,因為缺少脊椎動物的化石,目前還不清楚確切的生物群落組成,但這項研究證明了利用環境 DNA 追溯 200 萬年前的古生物是可行的,而這也有助於科學家進一步探討生物和環境的演化。

環境 DNA 揭示了 200 萬年前格陵蘭的生態。圖/Science
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2022 年《Science》年度十大科學突破(上):持續進化的 AI 與韋伯太空望遠鏡
PanSci_96
・2022/12/30 ・3733字 ・閱讀時間約 7 分鐘

回顧 2022 年,有沒有讓你印象特別深刻的科學新聞呢?約莫兩星期前,《Science》雜誌公布了今年的十大科學突破,從農業到藝術、從細菌到宇宙、從百萬年前的生態到人類的未來,每一項突破都和我們的日常生活息息相關。

好啦,廢話不多說,現在就來揭曉答案吧!

十大突破之首——遙望宇宙的韋伯太空望遠鏡

今年,韋伯太空望遠鏡(JWST)帶來的震撼,相信你我都印象深刻。

韋伯發布的第一批照片拍到了 SMACS 0723 星系團。圖/Science

早在 1990 年,哈伯太空望遠鏡發射升空後,科學家就開始規劃下一步。他們不只想看見更遙遠的宇宙,也想透過不同的波長,分析地外生命存在的可能性。

哈伯望遠鏡的觀測波段以可見光為主。確實,紫外線和可見光波長最有利於觀測誕生不久的新星,但隨著數十億年過去,這些新星發出的光,穿過不斷膨脹的宇宙,來到地球,被拉伸到更長的紅外線波長後,哈伯就沒輒了⋯⋯

韋伯望遠鏡可以清楚看見狼蛛星雲的塵埃、氣體雲和碳氫化合物。圖/Science

那麼,要怎麼看見更遙遠的宇宙呢?去年底,歷時 20 年建造、造價 100 億美元的「韋伯太空望遠鏡」順利升空,開啟 150 萬公里的長征。韋伯搭載的科學儀器可以觀測紅外線波段,包括來自宇宙第一批恆星和星系發出的光。

韋伯利用四種不同的紅外線波段觀測系外行星 HIP 65426 b。圖/Science

今年 6 月底,韋伯開始收集數據,三星期後就傳回了第一批深空照片,讓科學家看見了更遙遠、更古老的新星系,徹底改寫我們對宇宙的認識。對於天文學界來說,這是一個充滿奇蹟的時代,韋伯望遠鏡也因此榮登 2022 年最重要的科學突破。

2022 年十大科學突破之首:韋伯太空望遠鏡。影/Science

研發多年生水稻 PR23,減輕農民耕作負擔

盤點世界上最主要的糧食作物,水稻肯定有一席之地!現今,大部分水稻都是一年二至三穫,每年收穫後都得重新種植,對農民來說是非常耗時、費力的工作。

今年 11 月,中國雲南大學農學院的研究團隊在《Nature Sustainability》發表他們十餘年來嘔心瀝血的研究成果——多年生水稻「PR23」。這是長雄野生稻和 RD23 栽培稻的雜交種,不但可以達到和傳統水稻相仿的產量,還可以省下農民的大把時間、精力與成本。

PR23 第一年的稻作成本與傳統水稻差不多,但從第二年開始,農民就可以跳過育秧、犁田、移栽幼苗的步驟,降低約 50% 的人力成本,到了第五年才需要重新種植。

在中國,PR23 的種植面積超過了 15,000 公頃,平均產量則是每公頃 6.8 噸,略高於傳統水稻。根據非洲和東南亞的試驗數據,PR23 還可以改善土壤結構、增加有機質含量、減少梯田和高地的水土流失。

與此同時,科學家也正在觀察兩個潛在問題:一、雜草和病原體是否會積累在田地中,導致 PR23 需要更多除草劑,二、是否會排放更多的一氧化二氮,加劇溫室效應。但目前不可否認的是,多年生水稻有助於降低成本、提高收益,確實是一項重要的突破。

有了多年生水稻,農民每年都能省下好幾週的工作量。圖/Science

誰說 AI 沒創意?AI 的創造力可是超乎想像呢!

說到 AI,有沒有讓你想起去年的十大科學突破呢?沒錯,去年的十大突破之首就是預測蛋白質 3D 結構的 DeepMind 團隊,而在今年,他們著手設計全新的蛋白質,用來開發疫苗、建築材料和奈米機器。

與此同時,DeepMind 發布了 AlphaTensor,用來找出更有效率的矩陣乘法演算法。高中就學過的矩陣是代數中最簡單的運算之一,可以用來壓縮網路資料、辨識語音指令、模擬與預測天氣、生成電腦遊戲圖形等。

另外,DeepMind 還發布了可以自主編寫程式、解決問題的 AlphaCode。在程式解題競賽網站 Codeforces 定期舉辦的比賽中,AlphaCode 甚至打敗了過半的參賽者,取得排名前 54% 的成績,跌破創辦人的眼鏡。

除了科學、數學、程式設計之外,AI 在藝術領域更是大放異彩。

繼 OpenAI 去年發布繪圖軟體 DALL-E 後,今年 4 月發布了進化版的 DALL-E 2,只要輸入幾個字詞,AI 模型就能自動生成圖像。在 9 月,有一位藝術家利用類似的 AI 繪圖工具 Midjourney 奪下美國科羅拉多州博覽會首獎。

此舉在藝術界掀起一股旋風,卻也引來了哲學辯論和道德抨擊,但毫無疑問的是,人類可以借助逐年進化的 AI 拓展創造力,開發出更多、更好的工具。

使用 Midjourney 創作的科羅拉多州博覽會首獎作品。圖/Science

超級華麗的大~大~大細菌!

在你的印象中,細菌是不是都很小、不用顯微鏡就看不見呢?今年 2 月,科學家在法屬西印度群島發現一種肉眼可見的巨無霸細菌——華麗硫珠菌(Thiomargarita magnifica),震驚了生物學界。

一般來說,細菌沒有細胞核和膜狀胞器,遺傳物質都在細胞中自由漂浮,但華麗硫珠菌真的很華麗,不只可以長到 2 公分,比多數細菌大上 5000 倍,而且還有隔間可以容納 1200 萬個基因組——這大概是多數細菌基因總量的 3 倍。

身為一種不應該有膜的原核生物,華麗硫珠菌的結構或許即將改寫原核生物和真核生物的定義,甚至有機會成為一塊拼圖,補足細胞進化過程中缺失的環節。

華麗硫珠菌挑戰了「細菌」的傳統定義。圖/Science

開發新疫苗,呼吸道合胞病毒治療現曙光

在這 COVID-19 肆虐之年,美國感染呼吸道合胞病毒(RSV)的病例數也急遽上升。呼吸道合胞病毒傳染性極強,通常只會引起類似感冒的輕微症狀,但在嬰幼兒身上,這種病毒會使肺部發炎,而在老年人身上,會使既有的心肺疾病惡化。

早在 50 多年前,就有科學家試圖開發呼吸道合胞病毒的疫苗,但在臨床試驗導致 80% 的接種者住院、2 名兒童死亡後,開發就此中斷。後來,科學家發現敗筆在於這種殺死病毒後製成的「滅活疫苗」所引發的抗體較弱,不只殺不掉活生生的病毒,還能反過來幫助病毒破壞氣管。

如今,莫爾豪斯醫學院(Morehouse School of Medicine)開發了能夠引發強效抗體的新疫苗。在輝瑞(Pfizer)和葛蘭素史克藥廠(GSK)進行臨床試驗後,證實這兩種新疫苗可以保護嬰兒和老年人,不會引起嚴重副作用,而在孕婦注射後,也能將抗體傳給胎兒。

雖然過往的失敗讓開發團隊心存疑慮,但目前沒有任何數據顯示疫苗不安全,其中幾種候選疫苗也可能將在明年獲得監管機構批准上市。

RSV 疫苗證實能有效保護易受感染的嬰幼兒和老年人。圖/Science

好啦~這篇到這裡,先介紹前五項突破就好!因為《Science》今年提供的內容實在是太精彩了,為了避免讀者一次閱讀太多字很累,只好拆成上下兩篇⋯⋯看完這篇後,如果你好奇另外五項突破是何方神聖,就來看第二篇吧!

接續下篇:2022 年《Science》年度十大科學突破(下):EBV 病毒與發燒的地球

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PanSci_96
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