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張瑞棋:我想呈現科學家榮耀的背後,和常人無異的一面

梁晏慈
・2016/03/31 ・2235字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 517 ・六年級

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「以古為鏡,可以知興替。」如果能在過去、現在兩點拉出一條直線的話,未來的趨勢也有機會在我們掌握之中;當我們遇到困難時可以透過過往的經驗,幫助我們下判斷。這就是歷史的重要性!同樣的,歷史的脈絡可以幫助我們學習科學,而且還有機會發現科學家並不是我們想像中的神聖不可侵。2015 年 12 月 22 日在胖地台北,泛科學的專欄作者張瑞棋帶著《科學史上的今天》,和我們分享科學家背後鮮為人知的小故事。

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「從小到大,科學家在我們心中非常偉大,無論是哥白尼的日心說,或者證明地心引力作用一樣的伽利略。這些科學家閃耀著光芒,直到越讀越多書後才發現,光芒的背後其實存在著陰影。這些科學家們的陰影來自信仰權威以及性別。」

信仰

普遍認為哥白尼的日心說之所以不被認可,是因為宗教的打壓。然而另一種觀點是由於哥白尼認為上帝創造的宇宙應該存在著完美對稱的幾何關係,也就是軌道應該是圓形的!但這會和他觀察到的天文現象不吻合,因此與其說日心說的發表示因為教會的壓力,其實哥白尼本身的執迷才是造成學說延宕的原因。又比如提出滅絕說的居唯葉,他認為物種會因為某些災難而滅絕,另一方面在創世後仍物種繼續被創造。由於他深信聖經的創世論,甚至抨擊達爾文的演化論,導致演化論的發展備受阻礙。

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讓我們一起來聽聽科學家背後鮮為人知的故事吧!

權威

除了信仰外,有時候科學家利用自身權威、堅持己見,抑制別派學說,亦會影響科學的發展。你能想像西元十六世紀,醫生們拿著的解剖經典是出自於西元二世紀的蓋倫,且內容漏洞百出嗎?蓋倫是根據其動物解剖的經驗來推斷人體的內部構造,當然和人體的構造有很大的出入。但許多人不改抵抗權威,使得錯誤流傳千年。直到維薩留斯的出現,人體的結構才終於被了解。維薩留斯憑藉著大量的人體解剖經驗,推翻了多年來的理論,加上他有美術的長才,得以將知識快速的更新、傳播。

另一個為人所知的例子是牛頓萊布尼茲。在微積分發展上,英國推崇地位較高的牛頓提出的流數,而非萊布尼茲的微積分,這導致英國的數學研究落後其他歐陸國家。最後一個權威造成的悲劇,讓許多產婦賠上了性命。十九世紀,醫生塞默維斯發現由醫院接生的產婦死亡率遠遠高出了由助產士接生的。他推測原因是醫學系的學生在解剖完大體後沒有清潔,而將細菌帶給產婦。然而其他高傲的醫生們認為:醫生怎麼可能害人呢?而摒棄了塞默維斯的想法。

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性別

女性在科學界受到的打壓也不少:在代數領域有傑出成就的埃米諾特,竟因其性別而無法擔任大學教授;華生看了羅莎琳.佛蘭克林的 DNA  X 光繞射圖片,終於發現了 DNA 的雙螺旋結構,並以此得到了諾貝爾獎。雖然華生得獎的時候佛蘭克林已過世,然而我們可以想像,在當時的社會氛圍下,即便她在世,女性科學家的得獎機率仍然很低;發現脈衝星的喬瑟琳貝爾其成就在天文界有目共睹,然而諾貝爾物理獎的獎座是被指導教授赫維許拿走;吳健雄透過實驗證實宇稱不守恆,但最後是理論學家楊振寧及李政道是拿到了諾貝爾物理獎。

有些時候科學家對抗的不是來自外界的輿論、權威,反對的力量反而是來自科學界:牛頓打壓虎克及萊布尼茲;愛迪生堅持使用直流電系統,並利用交流電椅製造世人對交流電的恐懼,藉此反對特斯拉的交流電系統;發明氫彈的泰勒對前主管歐本海默落井下石,聲稱歐本海默對美國不忠……

我想呈現的不只是科學家的榮耀,還有其與常人無異的一面

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跟著《科學史上的今天》的腳步,我們可以發現科學家或許只在智力上比一般人高超,但其品性仍和常人一樣:他們也會忌妒、也會排擠別人、也會為了得到權力耍手段。如果大家能用平等的角度認識科學家,去了解理論後的時代背景,那學科學就不再只是背公式和定理,而是和一段段生命故事相遇的奇幻旅程。

 

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梁晏慈
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梁晏慈,台灣大學化學系研究所。 喜歡聽故事、說故事,還有貓。

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雨後天空總是特別清澈,是什麼汙染了我們的天空?科學家化身「空污偵探」,把它們通通寫上名單!
研之有物│中央研究院_96
・2022/09/04 ・4755字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|陳儀珈
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術設計|蔡宛潔

空污從哪來?我們又要如何追查它的行蹤?

陽光、空氣和水是生存的三大要素,而空氣品質在工業快速發展過程中,逐漸受到世界各國重視。空氣污染中的懸浮微粒(particulate matter, PM),已被國際癌症研究署(International Agency for Research on Cancer, IARC)列為第一級致癌物。人體長期暴露在高污染的環境中,將可能增加罹患肺癌風險。空污從哪來?如何追蹤污染流向?中央研究院「研之有物」專訪院內環境變遷研究中心研究員兼空氣品質專題中心執行長周崇光,看科學家如何捕捉空氣污染物的行蹤。

把污染通通寫下來!每三年更新一次的「空氣污染排放清冊」

如果要瞭解並管制空氣污染,必須先知道:到底是什麼污染了空氣?

每隔三年,環境保護署會公布最新的「臺灣空氣污染物排放量清冊」(Taiwan Emission Data System, TEDS),收錄全國各種來源的空氣污染物排放,而中研院環變中心的空氣品質專題中心任務之一,就是持續發展新的技術,獨立驗證這個排放清冊,進而提供環保署做為改善的基礎。

空氣污染排放清冊將排放量數據分為四大類。圖/研之有物(資料來源:空氣品質改善維護資訊網

周崇光提到,空氣污染源在排放清冊中分為「點源」、「線源」、「面源」和「生物源」,這四類來源的監測、管制辦法都不同。

點源,例如工廠的煙囪、通風口等;線源,如道路交通工具的機車、汽車等;面源則像是火災、農業活動、河川揚塵、大陸沙塵暴等一整面的污染源;生物源,是指植物排放的揮發性有機物,例如大家很喜歡的芬多精,其實是反應性非常強的一大群化學物質,很容易在空氣中發生化學反應並衍生出臭氧或是懸浮微粒

空氣要如何計算?空氣被污染了多少算的出來嗎?

以點源為例,若我們想知道點源的污染排放量,最精準可靠的方式就是「直接量」。

例如,研究人員可以直接在火力發電廠的煙囪上裝設偵測器,長期或定期監測氮氧化物的排放量,獲得最準確的排放量數據。

可惜的是,許多污染物的排放量沒辦法用儀器直接測,例如火力發電廠的煙囪中,明明二氧化硫、氮氧化物都可以直接測,但我們卻無法準確測得細懸浮微粒(粒徑小於或等於 2.5 µm 的懸浮微粒,又稱 PM2.5) 的數據。

周崇光說,電廠煙囪內部環境相當嚴苛,水氣高、溫度也高,礙於當前儀器的技術, PM2.5 的偵測器非常難以在攝氏溫度高達 100 多度的煙囪中穩定地運作,也因此造成 PM2.5 監測資料的不足。

倘若沒有辦法直接監測,周崇光提到,研究人員可以算出「排放係數」,藉此推估多少的原料會產生多少的污染物,例如燃燒一公噸的煤,會產生多少公斤的懸浮微粒。

再退而求其次的話,則可以透過「質量平衡法」,以揮發性有機污染物為例,利用製程或化學反應式計算反應物的質量、能量進出,推估出污染物的大致排放量。

從直接的監測資料到質量平衡法,依照排放量的可靠度被列等為 A 級至 D 級,並將排放來源不明確的資料列為 U 級。

空氣污染排放清冊中,除了將排放分為點源、線源、面源和生物源以外,又可依照數據的可靠度,細分為 A、B、C、D、U 五類,A 數據可靠度最高,B 次之,以此類推。圖為臺灣空氣污染物排放量清冊(TEDS)第 11 版的點源排放量分布。圖/研之有物

在上圖第 11 版的臺灣空氣污染物排放數據中,屬於點源的總懸浮微粒(TSP)僅有極少的資料是直接且連續的監測數據,有 43% 左右的數據來自定期的管道檢測、56% 來自質量平衡法的推估。

由此可知,總懸浮微粒的數據背後具有一定的誤差,而相對的,硫氧化物(SOx)有三分之一的數據來自直接量測,較為精準。

從排放量的計算和推估中,其實可以看得出來,礙於技術和環境條件,空氣污染排放清冊存在不小的誤差。因此,當前科學家不斷致力改善儀器,或用其他可靠方式驗證這些排放量資料。

「看到了!」,用衛星捕捉污染物的流向!

空品專題中心的「臺灣中西部空氣污染之診斷與歸因研究」,為中央研究院 110 年度的關鍵突破研究計畫之一,在周崇光的帶領下,團隊致力破解中西部的空污謎題。此計畫中的其中一項子計畫,即是透過人造衛星的遙測技術,來協助驗證排放量和推估關鍵污染源。

衛星數據為 2021 年臺灣上空的二氧化氮(NO2)年平均柱密度(column density),表示單位面積懸浮在臺灣上空的 NO2 總量。圖/研之有物

研究團隊使用歐洲太空總署(ESA)發射的哨兵 5 號衛星的儀器,藉由分子光譜的特徵描繪出二氧化氮在臺灣的空間分布。

過往衛星對這些污染物的解析度僅有 20 x 20 公里左右,在這樣的解析度下,根本難以確認如火力發電廠般污染源的影響程度,但哨兵 5 號上的大氣觀測儀器(The TROPOspheric Monitoring Instrument,簡稱為 TROPOMI) 已經可以做到 7 x 3.5 公里的高解析圖像,讓研究人員得以大致推估出這些關鍵污染源的影響力。

由於衛星是從太空望向地球,因此單靠分析分子光譜只能獲得垂直的、像是柱子一樣的濃度數據,研究人員必須透過大氣方程式並考量化學反應的狀況「回推」,一個一個網格計算出二氧化氮的分布。

歐洲太空總署的哨兵 5 號衛星與下方展開的大氣觀測儀器 TROPOMI。圖/ESA/ATG medialab

排放清冊的排放量,是研究人員到各個污染源收資料、整理工廠申報資料,全部加總後,再算出空污排放量,是一種像是金字塔般的「bottom-up」(由下而上)作法。

而人造衛星與「到處收資料」的方式不同,衛星觀測是一種「top-down」(從上到下)作法,先從觀測了解某處增加了多少空氣污染物,再想辦法去回推污染源和各地參數的互動關係。

結合「top-down」和「bottom-up」,科學家可以將兩者相互搭配並驗證資料,確認空氣污染物的排放量與傳播途徑。

周崇光提到,以工業區或港口碼頭為例,柴油貨車每年進出的次數高達數萬趟,排放出大量的交通廢氣,但礙於技術,目前仍然沒有辦法精準定量這些污染並申報給環保署,推估排放量和真實污染量之間可能存在很大的誤差。因此,若能搭配人造衛星這種獨立且不受影響的偵測技術,就能夠更公正、更準確的驗證排放資料是否有誤。

最快的了解就是融入!特務 F 混入電廠的煙囪,破解空污來源

除了檢視排放量,了解空氣污染物「怎麼飛」,也是非常重要的課題。

為了找出空氣污染物的傳輸路徑,周崇光帶領的團隊曾經在 2018 年的時候和德國布萊梅大學的 EMeRGe-Asia 團隊合作,透過研究飛機「HALO」和特殊追蹤劑,調查臺中火力發電廠污染物的傳播途徑。

在一般的大氣環境中,即使研究人員確定了某地點的污染物濃度非常高,他們也很難判斷當地污染物的來源,到底是來自隔壁 A 工廠?還是從 B 電廠飄過來?

再來,其實研究人員也很難隨時掌握空氣污染源的流向,例如火力發電廠煙囪排出的污染物到底飄去哪裡了?

因此,在這次的跨國合作中,研究團隊使用了「全氟甲基環己烷」(Perfluoromethylcyclohexane, PMCH) 當作「追蹤劑」,就像是空氣污染物中的特務 F,被放入臺中火力發電廠的煙囪中,隨著煙囪中的空氣污染物一起被噴向天空、隨風飄散。

由於 PMCH 無論在自然環境或是工業污染中均相當少見,環境的背景濃度非常低,加上全氟化合物有不容易和其它物質反應的化學惰性,又可以在實驗室進行極低濃度偵測,因此非常適合當追蹤劑。

當時研究團隊在臺中火力發電廠的煙囪中投入了 10 公斤的 PMCH 後,分別以研究飛機和地面採樣站進行觀測,並跟著煙流的可能路徑針對不同的污染物進行採樣,調查中火污染煙流的傳輸路徑。

圖為德國航太中心的大氣研究飛機「HALO」(High Altitude and LOng Range Research Aircraft)。圖/flickr

研究結果發現:當東北季風盛行時,由臺中火力發電廠煙囪排出的空氣污染物主要會向南飄散,空氣樣品中 PMCH 、氮氧化物、二氧化碳和一氧化碳濃度同步的變化(見下圖),證實了大氣模式所描繪的污染路徑。

但可惜的是,這種研究方法只能當作一種「逼不得已的手段」,畢竟任何特殊的化學品都可以被視為一種污染,尤其全氟化合物吸收紅外線的能力非常強,是屬於國際公約列出的主要溫室氣體之一,因此只能在非常必要的時刻下使用。

周崇光表示,臺中火力發電廠的煙囪高達 250 公尺,加上排氣的動能和熱浮力,空氣污染物可以很快地上升到 500 公尺,甚至更高的空中,然後隨著大氣環流擴散和稀釋,傳統的高煙囪策略就是以此降低工業污染對鄰近地區空氣品質的衝擊。

然而在這次的調查中,研究團隊卻發現,臺灣附近的大氣環流非常不利於污染物擴散,以致於上午排出的污染物到下午還滯留在中南部的空中,許多原本預期會向外飄散的污染物最終仍然下沉,並對中南部的空氣品質造成衝擊。這次的實驗結果讓周崇光團隊獲得啟發,更加投入對臺灣邊界層環流的調查研究。

同時周崇光也強調,中研院空品專題中心非常感謝臺中火力發電廠協助這次的實驗,這個空污滯留現象是整個西南部區域的大氣特性,只是在這次研究藉由臺中火力發電廠案例表現出來。這表示臺灣西南部的大氣條件不利擴散,使得我們面對空氣污染的衝擊格外地脆弱。

2018 年周崇光團隊和 EMeRGe-Asia 團隊合作,使用研究飛機和追蹤劑 PMCH,調查臺中火力發電廠污染煙流的傳輸路徑,圖中可看到 PMCH 從臺中擴散到整個中南部的濃度趨勢,地點 1 為布袋附近,地點 2 為北港附近。從地點 2 的污染物數據,可看到 PMCH 、氮氧化物、二氧化碳和一氧化碳濃度有相同的變化趨勢。
圖/研之有物

以上,中研院空品專題中心致力解決臺灣空氣污染防制的瓶頸,首要第一步就是持續驗證空氣污染物排放清單。由於技術和環境限制,排放清單資料有一定誤差;因此需要透過衛星觀測做交叉檢驗,確認污染物的排放量與傳播途徑。有了排放清單的基礎之後,下一步就是研究造成臺灣西南部空氣擴散不佳的根本原因,以及深入探討都市區空污的主角「衍生型 PM2.5」。

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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相輔相成的數學與科學,誰才真的是「科學的起點」?或許,它們都不是最好的答案——《教出科學探究力》
親子天下_96
・2022/08/12 ・3626字 ・閱讀時間約 7 分鐘

數學絕對是科學上非常重要的工具,當科學面對重大疑難雜症時,往往確實是由數學來解決問題。歷史上有很多例子,可以用來說明科學家遇到科學問題時,發明數學工具來解決問題。

例如我們知道,一個物體如果維持每秒鐘 30 公尺的速度前進,那麼 100 秒之後,它會前進 3,000 公尺。但如果這個物體的速度是會穩定減少,平均每一秒鐘還會穩定的減少每秒 10 公尺,也就是一秒後它的速度就變成 20m/s、兩秒之後變成 10m/s,以此類推。

這樣的話,我們知道它 3 秒之後會停下來,但你能知道它前進的距離總共有多少嗎?

為了解決這個問題,牛頓發明「微積分」這個數學工具。

現代微積分是由牛頓與萊布尼茲所發展而成的重要工具。圖/Pixabay

先有雞還是先有蛋?先有科學還是先有數學?

物理學家為了要處理像是「位移」、「力」、「速度」這類問題,也發明「向量」這樣的數學工具來幫助物理學家解決問題。

這樣看起來,好像應該說「科學是數學之母」才對?

也有的時候,科學家為了精準簡潔的描述自然界規則,運用數學語言來作為描述的方式。

例如我們知道,兩物體之間永遠存在一個互相吸引的萬有引力,萬有引力的大小和兩物體的質量大小乘積成正比,和兩物體的距離平方成反比。這麼一大段落落長的描述,如果用數學符號來表達,就會變成:

\(F = G \frac{m_{1}m_{2}}{r^{2}}\)

這樣的表達既簡潔又精準,當然是很不錯的描述方式,很受科學人的喜愛。數學是科學中重要的工具,可以幫助科學解決很多問題。在學習科學或發展科學的某些階段,數學更是不可或缺的工具,沒有數學便跨越不了某些門檻。

即便如此,數學好像也說不上是「科學之母」。

科學始於好奇心,每個孩子都是天生的科學家

我總覺得「科學之母」的意思,應該是科學的產生者。那什麼才是科學的產生者?我認為是「觀察」。

觀察與好奇心促成科學的動機觀察的意思不是觀看,不是說用眼睛看到些什麼東西就是觀察。觀察是會產生疑問的,會勾起你的好奇心。看到一些「怪怪的」、好像跟平常不一樣的事物時,你可能會留心的多看個兩眼,腦袋裡想著:「昨天跟今天看到的太陽升起位置,是不是有什麼不一樣?」、「上次釀的酒跟這一次喝起來好像不一樣?」

察覺這些差異之後,你的好奇心可能就會接手,開始思考如何解釋這樣的差異。

如果你認真一點的話,可能會對現象進行系統化的描述記錄,將那些雜亂的事物根據相同處、相異處進行比較並分類,有時候或許能從中發現一些現象的規律性或者因果性。

例如我們的祖先們長期觀看著海,把每天看的海水高度做了記錄,時間一長就慢慢看出一些規律性,發現每天海水高度變化跟月亮的位置有關:滿月的那天,當潮水最高的時候就是在正中午。

我們的祖先們長期觀看著海,把每天看的海水高度做了記錄,時間一長就慢慢看出一些規律性。圖/Pexels

進而發現不同的月相和漲退潮的時間,有某種特定的關係。等蒐集到夠多的事實之後,很可能就可以發現規律性。

察覺這些規律性、相同處、相異處之後,有些人會興起強烈的好奇心,想要一探這些現象背後的完整詳細規則,或是探詢造成這些規則背後的原因,這時,科學的動機就出現了。

自文明誕生以來,有很長一段時間,人們只是用神話的方式來解釋自然,直到近幾百年才發展出有系統的科學方法,以極端嚴謹的態度來檢視心中的答案。雖然科學是近代產物,但產生科學的動機卻是每個人都天生具備的,那就是「觀察」和「好奇心」。

每個孩子天生就很愛問問題,這也是為什麼許多科學家會說:「每個孩子都是天生的科學家」,不過這句話的下一句是:「直到 XX 歲為止」。

為什麼等到我們長大以後,就不會提問了呢?

身為老師的我們都曾發現,學生到了國中之後,似乎就變得很不愛問問題。

我相信造成這個結果的原因有很多,例如我們的科學教材教法往往是去情境化、去脈絡化的;我們的考題有許多是脫離現實的;我們的課程也經常不是以學生親身觀察而產生的探究問題作為出發點。

此外,大量意義不明的數學練習,恐怕也是重要的原因之一。

天生的科學家們為什麼長大後就不發問了呢?造成這個結果的原因有很多。圖/Pexels

既然數學題目難以避免,我們該怎麼讓這些練習對學生而言,變得更有意義、更具有科學教育的價值呢?

數學在科學課堂上扮演的角色在科學的學習中,數學作為一種工具,其存在是必要且適當的。但我們應該注意的是:工具的使用必有其特定的使用動機和情境。

如何讓學生知道自己在幹嘛?以燃素說、氧化說為例

例如拉瓦節(Antoine Lavoisier)並不是一開始就在實驗室裡面計算數學,因而發現燃燒的本質是物質的氧化。他是因為用定性分析方式無法成功反駁當時主流的「燃素說」,才進一步使用量化實驗、測量精準的數據,得到足以駁倒「燃素說」的證據。

讓學生具備動機和情境後,在適當的難度下,引進必要的數學就會覺得理所當然。如果學生知道自己正在處理什麼問題,也知道為什麼需要運用這個工具的情況下,那麼在自然科裡面學習數學是沒有問題的。

需要透過有設計的教學,才可以激發學生思考、知道自己在處理什麼問題。圖/Pixabay

於是我在燃燒的單元中,設計了讓學生閱讀並比較史塔爾(Georg Ernst Stahl)提出的「燃素說」和拉瓦節的「氧化說」。兩個學說都是在描述學生熟悉的燃燒現象,但卻有著截然不同的解釋方式。

史塔爾的「燃素說」認為:

因為物質燃燒時,物質裡面的可燃成分(燃素),會從物質內逃逸出來與空氣結合,從而發光發熱,這就是火。並且因為燃素從物質中釋放出來,重量就變輕了,釋放燃素的物質只剩下灰。

但有些物質,像是金屬,它們內部的空隙就像容器一樣,裡面充滿燃素。燃素與金屬分離後,空出來的容器會被空氣填滿,容器裝著比燃素重的空氣,重量自然就變重了。

而且物質在加熱時,燃素並不能自動分解出來,必須藉空氣來吸收燃素,才能將燃素釋放出來,而且愈好的空氣吸收燃素的效果愈好。

拉瓦節的「氧化說」則主張:

物質燃燒時,不是物質內部的燃素釋放出來,而是物質和空氣中的氧氣結合。結合的過程中會發光發熱。

結合之後的物質,稱為氧化物。氧化物如果是氣體或者變成飛灰離開了物體本身,質量就會變小,就像紙張燃燒一樣。

如果物質氧化物和物質是依附在一起的,那就會看到質量變重,就像金屬的燃燒一樣。

你會發現兩者的說法看起來都能完美的解釋燃燒現象,如果只是觀察各種燃燒的現象,並不足以判別誰說的才對。這時,用量化方式精準測量燃燒過程中各階段物質的質量變化,就變成判別是非的關鍵所在。

量化實驗當然是比定性實驗更加困難,但當我們對於某個事件產生興趣時,這些困難就會瞬間變成讓人興致高昂、願意去挑戰和克服的關卡。

「燃素說」和「氧化說」的說法看起來都能完美的解釋燃燒現象,這時便需要科學的力量。圖/Pexels

數學的工具也是如此,所以我在運動學的課程設計中,利用交通安全宣導影片中常出現的「未維持安全距離」下產生的交通事故,讓學生感受到危險,並且產生「安全距離是怎麼計算出來的」的疑惑,激發學生解決問題的動機。

動機產生之後,我們就可以把待解問題轉化為比較嚴謹的文字敘述:「車子以 108km/hr 的速度行駛在高速公路上,因前方發生事故而緊急煞車。若車子能在 X 秒鐘之內停下來,我們的煞車距離有多少?」這就變成大家熟悉的考題了。

此時不管是使用公式也好,圖形法也好,學習起來就會比較自然而然、順理成章。在課堂上營造動機與脈絡,讓解決這些數學問題變成必要的過程,就是我們在課程設計上可以努力的方向。

——本文摘自《教出科學探究力》,2021 年 8 月,親子天下 ,未經同意請勿轉載。

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親子天下_96
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研究的樂趣來自於「不知道答案」——專訪林淑端
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/07/18 ・6048字 ・閱讀時間約 12 分鐘

本文由 台灣萊雅 L’Oréal Taiwan 委託,泛科學企劃執行。

不論是在分子生物研究所的實驗室裡,還是在中研院區內悠閒的林蔭步道上,我都沒辦法跟上林淑端的腳步,更遑論她話語中的資訊高密度,而我不是唯一跟不上的人。「最早從美國回來的時候,跟學生面試,問問題、看反應。學生竟然說『老師你講話好快、走路好快』,讓他有壓力。」談到自己怎麼挑人進實驗室,風格數十年不變的林淑端說「這樣就挑掉一些了」。

嗯,還好我只是來採訪的。

看不出來還有三年便七十歲的林淑端,身著輕便無印風的苔蘚綠寬鬆 T 恤與岩石灰長褲,圍著一條藏青色的短圍巾,像位遁居山林的高人,卻也像個躍躍欲試的孩子。

身為科學家,她表示做研究不外乎是因為現象「很有趣」,以及想了解此現象的「重要性」。1982 年,她毅然結束四年的中學教職,前往美國德州大學念博士班。起初她待的研究室重點是癌基因,當時學術界認為任何化學物質都會引發突變、產生癌化,但其實不然。因此觀察細胞一年之後,找不到重要性的她決定換一個研究室。

林淑端的新老師 Hans Bremer 研究細菌生長。細菌很小,眼睛看不到、種類繁多,「有許多有趣的想像空間」,又有重要的抗藥性議題,就這麼吸引了她。Bremer 博士當時研究的是 rRNA(核糖體 RNA)的轉錄調控,這機制跟細胞的生長快慢有關係;順著這個理路,她想那不妨來看質體(Plasmid)上的轉錄,質體是細胞染色體或核區外,能夠自我複製的 DNA 分子,而有些細菌的質體帶有抗藥基因,便產生了抗藥性。

「質體 DNA 的複製源頭其實是由兩個 RNA 在調控,但我想了解是正調控還是負調控。」簡單來說,正調控(positive control)是指能促發生物活性啟動,而負調控(negative control)則是抑制活性,使基因不表達。

當時林淑端讀了富澤純一(Junichi Tomizawa)這位日本科學家的研究,覺得驚為天人。「怎麼能把 RNA 的序列、突變的結合、次級構造,複製如何開始等等細節研究得那麼好!」見賢思齊且一向認真的她,當然也要把研究做到同等級。為了偵測細胞中的相關 RNA 濃度,林淑端不斷嘗試,她說自己運氣好,當時實驗室有好幾位來自德國的研究者,「他們的自製機械技工很好,但通常是做 DNA 電泳槽,但我想研究 RNA,他們就手工幫我做。」

使用毛細管轉移(Capillary Transfer)到膜上,透過探針偵測,她一步步逼近目標,「後來發現都對啊!」透過實驗,她證明 RNA 降解的快慢的確跟質體 DNA 的複製有關,作為博士班階段第一篇研究,也是她成為國際級 RNA 研究者的基礎。

現在歸納來看,林淑端認為好的研究要同時具備獨特切入點(例如極小的 RNA)與重要性(質體 DNA 複製的機制),這也是後續她做所有研究的必備條件。

然而若回到當時,身為 RNA 降解這一研究方向的拓荒者,她坦言「其實很 suffer」。

「大家做的都是 RNA 的剪接,問要切哪個位點結構才會對;好像做衣服,剪完不要的布就丟掉了,人家覺得降解是沒有用的。」林淑端坦言自己回到台灣之後,足足悶了五年,每一年進度報告審查,都被委員質疑「RNA 降解有什麼用?不是就沒了嗎?」但就像每一位貨真價實的科學家,她表示「我好奇、我有熱情、我感興趣,我就是要問到底。」

自從第一篇研究發現 RNA 降解的生物功能,林淑端已經有很清楚的概念:從穩定度可以知道半衰期,也就是濃度降低到一半所消耗的時間;半衰期跟 DNA 複製有關,從 DNA 可以看出強度、複製量。其中必須有特定的 RNA 酶,它的突變變得對溫度敏感並決定細胞存活,而這又帶出很多問題,例如為什麼細胞需要這個酶、為什麼失去活性細胞會死掉?她說,很多問題到現在還沒有很清楚的答案。她從多方著手解謎,從讀博士班到現在即將退休,從未停歇。

她說,科學家就是很執著的一群人,不然做研究這件事「95% 的時候是失敗的」,很難撐下去。然而重點不是 5% 做對了什麼,而是那 95%,「因為沒有那 95%,就沒有那 5%。」她形容到後來 5% 的時候,會感到「That’s it !」而在那個當下,整個團隊都進入了另一個狀態。這個最後一步的感覺,要靠累積磨練出來。

然而一道門開了,後頭有無限道門。為了研究室裡年輕研究者的職涯,將退休的林淑端已鎖定最後一道門,要在三年內找到鑰匙,「我要去證明這個領域裡一直沒有答案的問題。」她說,現階段想加入她實驗室的新人,需要全心全神認同她要問的問題,有共識且極為專注。

如今,因為冠狀病毒是 RNA 病毒,新冠疫苗也利用 mRNA 技術開發,全世界的人都知道 RNA 了,但知道歸知道,研究 RNA 獲得的新知還可以用在哪裡呢?

林淑端感嘆,回台灣前五年她之所以苦悶,就因當時學界普遍認為 RNA 降解根本不值得關注,何必研究?然而回頭看,不論是在大腸桿菌表現或藉由昆蟲細胞來量產蛋白,所有要在體外表現蛋白的醫藥,都要製造一個模板,讓 mRNA 表現蛋白,而要做到這件事需要先了解脆弱的 RNA 在細胞的穩定度如何維持,這時她自基礎研究發展的知識立刻派上了用場。

「我現在常常在想,RNA 疫苗如果要不那麼快降解,可以透過修改核苷酸,因為核糖核酸酶(RNase)是用正常的 RNA,又例如利用富含腺苷酸跟尿苷的元件(AU-rich elements, AREs,這是哺乳類動物細胞中 RNA 穩定性的最常見決定因素),控制 ARE 穩定性的分子機制,細胞表現的 RNA 就可不會降解……這個應用性很高,是吧!」對她來說,基礎研究科學的應用性不必強求,因為主要是增加新知識。當基本功扎實,想得到或者需要應用的人跟場景自然會刺激研究人員去想怎麼解決、如何應用。

打開學術生涯最後一道門

如前面提到,林淑端在退休前要解開一個問題:大腸桿菌在腸道最後段的缺氧環境會切換成厭氧消化,然而厭氧菌分解同樣多葡萄糖獲得的能量,比起有氧狀態下少了十倍以上,那麼 RNA 降解的機制是否也跟實驗室有氧狀態下的降解很不一樣?而這對人體的腸道微菌叢生態以及腸道代謝會有什麼影響?

分解葡萄糖產生能量,簡稱糖解(glycolysis),在生物分子層次可劃分出十個步驟、牽涉到十個蛋白酶,烯醇化酶(Enolase)是其中之一。林淑端團隊在 2017 年發表的論文中發現烯醇化酶在 RNA 降解中也有作用,並確認了它的功能,「證明烯醇化酶對無氧環境下細菌細胞分裂很重要,而且必須要在核糖核酸酶 E 上面,沒有烯醇化酶跟核糖核酸酶,大腸桿菌就活不了。」

在此基礎上,林淑端與研究團隊提出假說:糖解過程跟 RNA 降解兩者之間有某種交流,可能是蛋白與蛋白直接接觸,或是藉由「第二訊息」,比如被稱為能量貨幣的三磷酸腺苷(ATP)。例如,兩個過程可能對 ATP 互相需求而產生合作,因為葡萄糖最終產生 ATP,而 RNA 最終降解成為一個一個核苷酸,其中的二磷酸腺苷(ADP),就是 ATP 的前驅物。「RNA 沒有用,一定要降解,否則它的核苷酸沒辦法回收再利用。在細胞裡面沒有任何廢物,百分之百再利用,他們中間就是有默契,這就是我要證明的。」林淑端說,她們已經找到了完整的拼圖,只是還不知道怎樣拼起來,但方向看起來可行。

作為她研究生涯最後的計畫,在之前申請計畫階段,中研院邀請了外部審查委員審查,委員意見都給予很高的肯定,但也強調失敗的風險很大。「但風險越大,回饋也越大,所以他們其實很期待,風險是我在擔心。」林淑端笑著說。

師道無他,以身作則而已

大學畢業後,林淑端曾當過四年初中老師。這段不長不短的歷程,對她後來出國改走學術路線,有莫大的影響。

「我本來就住梧棲,到處都是養鴨的。從鄉下怎麼走到今天,想來也不可思議,非常感恩。」林淑端表示由於父親做生意,使得「家裡很多狀況」,但即使如此,林淑端的母親曾對她說,她這輩子最難過的是自己不識字,因此只要林淑端能念,就不要擔心。跟她只差一歲的姊姊,只唸到小學畢業,便選擇扛起家計,讓林淑端能專心唸書。

「還好我們需要很少,獎學金也夠,我教書四年一毛錢沒拿,薪水紙袋全都交給家裡,在家裡就是睡覺吃飯。」一直到要出國,林淑端才驚覺需要錢。當時她幫一位大學老師做研究,這位老師得知之後,二話不說將郵局存款給她,作為她可以在國外生活的證明。

「總之我沒有富裕過,也沒有缺乏過,也不覺得錢很重要,反正夠用,就這樣走過來了。薪水少或多,從來也沒有在意過,但興趣一直驅動著我,也一直很感恩。

雖然自己一路都是好學生,但林淑端不是典型的老師。當時補習風氣已盛,填鴨式教學成為時代產物,林淑端這位年輕教師反而帶學生跑操場、露營,這讓家長覺得很另類,也有點擔憂。

「我在大安教一年,童軍競賽就得獎,梧棲的校長就拿聘書到我家要聘我回家鄉,後來到梧棲任教才知道,所有老師教職員的孩子都在我的班級。」但是她發現,學生考試補習早班晚班排得滿滿的,壓力大、又被動。身為新來的導師,跟學生只差 10 歲的她就像大姊姊,把學生帶到操場上課、帶去露營,家長質疑「這個老師在搞什麼?」

不過這就是林淑端教學的秘訣。在當時的梧棲鄉下,她用非典型方式帶的班級升學屢破最佳紀錄,她說「我沒有什麼模板,但我知道我要把學生的興趣提起來,刺激他們做到最好。」自己求學過程中遇到很多好老師,當老師後深覺當時教育現況有很多問題,自己一個人無法辦到,然而如果想要影響教育體系,林淑端知道自己得爬得更高,加上她本身就熱愛研究,便決定結束教職與先生一同赴美深造。出國時,學生跟家長包了兩部遊覽車來歡送。「那時候不覺得怎樣,現在想起來才覺得自己就是做什麼就進入狀況。每個人只要找到他的熱情,投入做,就能做得好。

回台灣之後,林淑端建立自己的研究團隊,成員大多是讀過她論文、慕名遠來的外國人。外國人來台灣做研究,從簽證邀請函到落地租房,很多問題都要解決,來了也不像台灣學生,可以不合就走,林淑端對待外國研究者就像對家人一樣,唯有如此才能讓他們在自己的實驗室穩定發展,「雖然收的人不多,但都待很久」,她謙虛地說只有更好的學生,沒有更好的老師,老師可以啟發,但做出成果的是年輕人。她要為社會培育出能找問題跟解問題的博士級人才,這能產生最大影響,也能代代相傳。

她的團隊如家人般互相照料,但工作極具挑戰。每週一對一討論與每月大 Meeting 上,學術問答針鋒相對,有如不見血的拼搏,透過這樣的過程,林淑端認為重點是讓團隊中每個人都感到有幫助,才能落實科學求真的價值。曾經有印度學生一時無法接受而選擇回國,但反思之後,寫信對林淑端說:「我永遠是你的學生,因為我學到太多了。」

學術也是技術,技術就得從觀察中學,包括觀察團隊領導人對事情的投入、熱情、嚴謹、對問題的批判性,對成員的要求。「他每天都看到你,你每天都這樣,他就會學。」林淑端強調,做研究不要害怕,不知道就說不知道,不要假裝好像知道又好像不知道,「其實只有真的不知道,你的理論跟假說才不會亂講。一直那麼多年,我覺得真的就這樣而已。」

再來就是享受過程,「結果不是關鍵,過程才是關鍵」。她說這其實不是苦中作樂,因為思考過程,想到底缺了什麼,就是樂趣本身。

最後,驗證出來的結果要有趣地、有故事性地、有邏輯地說出來。發表是為了激發讀者思考。這些讀者可能是新一代的研究者或是同儕,把文章寫好才能刺激領域發展。

女性需要的是機會

身為 2020 年第十三屆台灣傑出女科學家獎傑出獎得主,林淑端表示 1987-1990 年在史丹佛做博士後時,就發現當上教授的女性很少,而且性別不同還影響薪資。回到台灣後,雖然跟美國比起來,學術工作薪資不高,但不分性別大家都平等,特別在中研院分子生物研究所,女性比例超過 50%,「我們蠻強勢的,而且男性同事都很紳士。」她說。

不過,在中研院處長,院長、副院長等主管中,女性就很稀有了。林淑端在 2007 年負責創建中研院國際處,並擔任國際處長一直到 2016 年,「我很幸運地跟翁啟惠院長同事,他很信任我,知道我對教育很感興趣。」林淑端知道要提高中研院的能量,需要學生加入研究,因此她創建並擔任處長的目標就是要將國際學生制度化,提出跟大學不同的獨特教育價值,也推動中研院能全英文運作。那段時間常跑教育部開會的她,也注意到當時教育部的科長、專員、司長大多是男性,「自然規律,性染色體是 ½,如果女性的資源也 ½ 的話,那社會就會不一樣。」

「我做行政的幾年的確有看到男女差異,但我在教育裡沒有歧視,不會偏好女孩。」林淑端認為提供機會最重要,而若有一些因素系統性地讓女性無法獲得機會,就該改變。例如研究單位必須提供日間幼兒照顧。她也指出,遇到 COVID-19 這樣的情況,若小孩生病,待在家照顧孩子的大多都是媽媽,這或許是女性的天性,但仍須思考這造成的影響。

少子化對學術界的衝擊很大,因此只要有研究熱情的年輕人進入林淑端的團隊,她都希望按照個性予以激發,讓他們成功。當她 2020 年起開始參與吳健雄基金會與台灣萊雅為女高中生舉辦的高中女校科學巡迴活動,就覺得特別振奮與開心。

「到高中去,讓我覺得很有成效,因為許多高中女生在一個非常單純的學校,很多在鄉下,對未來的願景不是很清楚,當我們去的時候可以告訴他這一路的風景,讓她們知道做的事是有用的。」例如林淑端在分享時會將國家生技研究園區的轉譯計畫、基因編輯嬰兒等跟 RNA 相關的新事件融入,讓台下的女高中生知道:「事情不是停在這,在你們的時代不知道會碰到什麼新知,但是你們做出來才會有新知。」只要聽眾中有一個人繼續走,她覺得就很值得。

她想起自己剛回台灣,學界同儕從她身上,往往只看到她老師史丹佛大學醫學院教授 Stanley N. Cohen 的影子,看不到她對研究的貢獻,曾有一段時間很不服氣、孤單、挫折,「但都要走過來,所以我現在才能幫年輕人。」

作育英才」短短四字,林淑端用一輩子來實踐,儘管即將退休,她的腳步與思緒仍舊飛快,吸引更多後進追逐;而當她被超越,也是她最欣喜的時刻。

台灣傑出女科學家獎設立於 2008 年,是台灣第一個專為表彰傑出女科學家、並鼓勵女性參與科學而成立的獎項,由台灣萊雅及吳健雄學術基金會共同主辦。

「創新 RNA 研究、貢獻醫藥基礎科研,並深具教育家精神的林淑端博士 – 第十三屆台灣傑出女科學家獎得主」。影片/台灣萊雅

本文由 台灣萊雅 L’Oréal Taiwan 委託,泛科學企劃執行。

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