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基礎交互作用與原力(第二部曲):光子力乍現—— 阿宅物理(5)

科學大抖宅_96
・2016/02/10 ・4774字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 556 ・八年級

在沒有很久以前、也沒那麼遙遠的銀河系裡……[1]
為了深入解析原力的祕密,我們回顧了基礎作用力之一的電磁力。不過,就像星際大戰需要許多部曲才能講完整個故事,除了電磁力,宇宙中尚有其他神秘力量,等待人類的發覺……

星際大戰開頭必備的跑馬燈
星際大戰開頭必備的跑馬燈

大抖宅小的時候(其實沒有很久以前,真心不騙),要說最受歡迎的熱血動畫,無敵鐵金剛大概必定會被提到[2]。每次看鐵金剛與機械獸對決,大抖宅都忍不住硬了(當然是拳頭),巴不得馬上化身主角跟惡勢力一決高下。當時雖不覺得奇怪,但現在仔細想想,就會發現動畫設定裡的玄妙之處。主角兜甲兒(舊譯:柯國隆)所在的光子力研究所(舊譯:原子光研究所),到底是在研究什麼?無敵鐵金剛的動力又是從何而來?機體上可沒接插頭,也沒看過電池。


〈無敵鐵金剛〉動畫裡的光子力研究所和無敵鐵金剛

一切的答案就是光子力!原作動畫設定裡,無敵鐵金剛的開發者(主角的祖父)在富士火山帶的地層發現了新元素Japonium[3],所謂的光子力即為「在Japonium核分裂的過程中所抽出的光能量[4]」。

問題來了,這可能嗎?為了一探究竟,我們必須先了解什麼是核分裂……

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核分裂和核融合

顧名思義,核分裂指的是,原子核[5]藉由核反應[6]或放射性衰變[7]而分裂成其他較輕的原子核。因其過程往往伴隨能量的釋放,原子彈以及核能發電便是利用核分裂的原理,從中獲取巨大能量。

相反地,當兩個以上的原子核互相碰撞並結合成一新的原子核,我們稱為核融合;其亦連帶有能量的釋放或吸收。每天給予我們光和熱的太陽,就是利用核融合產生能量。

現代物理學已經知道,不論是核分裂、或核融合,背後都存在著共通的原則。尤其,弱作用力(又稱弱交互作用 weak interaction)和強作用力(又稱強交互作用 strong interaction)扮演著關鍵性的角色。

弱交互作用

舉例來說,太陽裡核融合反應的第一步,是利用兩個氫原子融合成氘原子[8],連帶產生正子、中微子,與少許能量。

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兩個氫原子核(質子)融合成氘原子核(由一個質子和一個中子組成),並連帶產生正子(電子的反粒子)和中微子。(圖片來源:維基百科)
兩個氫原子核(質子)融合成氘原子核(由一個質子和一個中子組成),並連帶產生正子(電子的反粒子)和中微子。(圖片來源:維基百科)

根據示意圖,很明顯地,在融合成氘的過程中,有一個質子變成了中子,加上正子與中微子。這是怎麼做到的呢?

這有如萬能的天神一般神奇的力量,得要歸功於我們所謂的弱交互作用。在阿宅物理第三話,我們說明了質子由兩個上夸克加一個下夸克構成;中子則由一個上夸克加兩個下夸克組成。弱交互作用正好有辦法把上夸克變成下夸克,使得質子能夠轉換成中子。用前一回我們學過的費曼圖來表示,如下:

上夸克和W粒子作用後轉變為下夸克;W粒子又作用產生正子與電子中微子。也因此,前圖裡氫融合成氘才成為可能。
上夸克和W粒子作用後轉變為下夸克;W粒子又作用產生正子與電子中微子。也因此,前圖裡氫融合成氘才成為可能。

就像電磁作用依靠光子來傳遞,弱交互作用則仰賴W粒子(包括W+和W,其互為彼此的反粒子)作為媒介。藉由與W粒子作用,帶正電的夸克(上、魅、頂)可以和帶負電的夸克(下、奇、底)互相轉換(上圖左半邊);同時,W粒子也可以讓帶負電的輕子(電子、渺子、濤子)和相應的中微子互相轉換——上圖右半就是電子轉變成電子中微子的變形(如同巨人裡也有奇行種[9],you know)。所以了,第三話裡我們曾提到,電子和電子中微子是一對換帖的(換的帖就是W粒子)、上夸克也和下夸克配對,就是基於這個原因。

除此之外,還有電中性的Z粒子,也可以傳遞弱交互作用。不過,和W粒子的狀況不同:不論夸克或輕子,和Z粒子作用後都不會改變原本的特性。

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W粒子與電子交互作用產生電子中微子的過程,也可以有另一種變形:W粒子單獨產生電子的反粒子(正子)和電子中微子。同樣的交互作用可以有不同的變化形式,如同巨人也有通常種和奇行種。(圖片來源:〈進擊的巨人〉)
W粒子與電子交互作用產生電子中微子的過程,也可以有另一種變形:W粒子單獨產生電子的反粒子(正子)和電子中微子。同樣的交互作用可以有不同的變化形式,如同巨人也有通常種和奇行種。(圖片來源:〈進擊的巨人〉)

強交互作用

現在我們已經知道兩個氫原子是如何透過弱交互作用轉變成一個氘原子了。但是等等!氘原子核包含了帶正電的質子與電中性的中子,憑什麼它們可以黏在一起形成原子核?又,更重的元素帶有兩個以上的質子,彼此之間豈不是會因為電磁力而互斥嗎?這樣的話,那些元素怎麼可能生成呢?

上述問題著實困擾了二十世紀30到40年代的科學家。唯一看透了真相的,是一個外表看似小孩,智慧卻過於常人的名偵探柯南。[10]日本物理學家湯川秀樹(Hideki Yukawa)。他認為,有一種新的粒子(命名為介子meson)作為力的媒介,把質子跟中子結合在一起。1947年,英國物理學家鮑威爾(Cecil Powell)從宇宙射線中觀測到湯川秀樹所預測的介子(π介子),湯川和鮑威爾也因此分別於1949年與1950年獲頒諾貝爾物理獎。

時至今日,我們發現,把夸克結合成中子、質子,以及把中子、質子結合成原子核,基本上都是靠同一種力在作用——我們命名為強力(或稱強交互作用strong interaction)。強交互作用由膠子(gluon)負責傳遞;能夠參與強交互作用的基本粒子,只有夸克跟膠子[11]。湯川秀樹所謂的介子,則是由一個夸克和一個反夸克藉著膠子而合成的;因為介子內部包含了夸克跟膠子,所以某種程度上也稍微有傳遞強力的功用。於是,我們將輕子、以及(由夸克組成的)重子歸為不同類別,是有所意義的——它們參與的作用不盡相同。

光子力能否實現?

在掌握了核融合和核分裂的原理後,想必各位有如吃了千年靈芝,功力大進。讓我們回過頭來看看光子力的謎題:既然光子力是「在Japonium核分裂的過程中所抽出的光能量」,顯然相當類似於核能發電的定位。然而,目前核能發電技術所使用的元素是鈾,不是什麼Japonium;再者,根據設定,產生光子力的過程並不會有輻射的問題——這也有別於現今的核能發電。

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大抖宅至光子力研究所建築預定地考察。因為光子力尚未被發現,至今當地仍是一片樹海。
大抖宅至光子力研究所建築預定地考察。因為光子力尚未被發現,至今當地仍是一片樹海。

那麼,有沒有可能,有朝一日我們會發現新的元素,而且使用其做核能發電並不會產生輻射呢?

在動畫裡,Japonium是在富士火山帶所發現的新元素,說明它是相對穩定的,才能長時間存在於自然界。只不過,所有自然界中穩定存在的元素可說均已被發現,人類也不斷在實驗中製造出更重(但是更不穩定)的新元素。截至目前,並沒有符合Japonium特性的元素出現,就算以後還有新元素被合成出來,幾乎也不可能像動畫敘述的Japonium。

為什麼呢?

前面我們提到,強力可以讓中子跟質子結合形成原子核;它也可以克服質子之間的電磁斥力,讓原子核擁有兩個以上的質子——但這並不是沒有上限的。隨著質子數目的增加,原子核體內的怪物電磁斥力將愈變愈大、大到強力難以壓制,就像〈火影忍者〉裡漩渦鳴人控制不住九尾查克拉而暴走一般[12]。也因此,愈重(原子序愈大)的原子核傾向愈不穩定、生命週期愈短[13]。所以,我們只能在實驗室中製造出更重的新元素,而無法在自然界發現它們——要在富士火山帶、或者自然環境找到未知元素的機率可說微乎其微。

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〈火影忍者〉主角漩渦鳴人身上九尾的封印式。(圖片來源:〈火影忍者〉漫畫)
〈火影忍者〉主角漩渦鳴人身上九尾的封印式。(圖片來源:〈火影忍者〉漫畫)

又,未來人類合成的新元素,是否可能拿來發電呢?恐怕也是行不通。既然愈重的元素傾向愈不穩定,那就表示它們不但難以製造,合成出來之後也會馬上衰變成較輕的元素,難以具備發電價值[14]。而且,因為這些重量級元素的結構使然,一般而言其核分裂產物都擁有放射性。未來發現的新元素,如果要像動畫中的Japonium:既可在自然界找到、又能拿來核能發電、且無輻射污染,除非其擁有某些驚異的特性,否則基本上是不可能的事情[15]。(果然大機器人還是遙不可及的夢想嗎?只能學EVA接插頭惹~[16]

跨步吧!勇敢的少女/少年們!

到此,我們已經了解電磁力、弱力和強力的基本特性,離駕馭原力又更往前邁進了一大步。然而,力的世界如此深邃、不容被輕易摸透。我們即將面對最大的挑戰,力的最後一塊拼圖就要被拼上。套用電玩的概念,就是要挑戰最終魔王了(請別問本抖宅有沒有隱藏Boss)。就讓我們休息片刻、存個紀錄,下一話齊全裝備後再做挑戰!

continue

參考資料:

  • 1. David Griffiths (2008) Introduction to Elementary Particles, 2nd edition

註釋:

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  • [1] 請參考電影<星際大戰(Star Wars)>。該系列電影開頭總會有“A long time ago in a galaxy far, far away….”的跑馬燈字幕。
  • [2] 對〈無敵鐵金剛〉不熟悉的讀者,或許不妨找找比較近期的作品如〈無敵鐵金剛凱撒〉觀看。只要稍微看個十幾、二十分鐘,就能掌握到整部作品的主軸。
  • [3] 2004年,日本成功合成原子序為113的新元素,當時曾暫稱Japonium(後又稱Ununtrium),不過顯然性質和動畫設定裡的大不相同。
  • [4] 光子力研究所的弓教授(舊譯:余教授)在動畫第一話的解釋。
  • [5] 關於原子核,以及本篇諸多粒子名詞的基礎知識,請參照阿宅物理第三話。
  • [6] 核反應,乃是原子核與其他原子核或次原子粒子碰撞(交互作用),而產生不同(有別於原先)原子核的過程。
  • [7] 放射性衰變意指不穩定的原子核因放出輻射(包含次原子粒子或光子等等)而喪失能量的過程。
  • [8] 讀音ㄉㄠ。氫的同位素。
  • [9] 請參見漫畫〈進擊的巨人〉。
  • [10] 請參見漫畫〈名偵探柯南〉。
  • [11] 此單就現今已發現的粒子而言。又,因為強交互作用的一些特殊性質,物理學家借用了日常生活中三原色的概念,賦予夸克可以有紅、綠、藍三種不同的顏色;膠子則可以有八種不同的顏色組合——但這跟它們的實際顏色無關。有機會我們再另行深入介紹。
  • [12] 請參見漫畫〈火影忍者〉。
  • [13] 理論上,我們仍可能製造出相對穩定的超重元素,但因目前尚未成功,所以其穩定性也未知。有興趣的朋友可參考這裡
  • [14] 以註釋3提到的新元素來說,就算是最穩定的同位素,其半衰期也不過20秒。若要運用在發電上,不但必須製造出足夠的量,還得在其衰變前使用,相當地不容易。
  • [15] 不過,想要擁有比較安全、污染較低的核能發電,理論上並非不可能——相對於目前飽受爭議的核分裂發電技術,許多科學家正致力於發展核融合發電,其比核分裂發電要多上許多優點,但也更不容易實用化。詳細可參考〈給未來總統的能源課〉。
  • [16] 請參考動畫〈新世紀福音戰士〉。
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科學大抖宅_96
36 篇文章 ・ 1884 位粉絲
在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/

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從PD-L1到CD47:癌症免疫療法進入3.5代時代
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/25 ・4544字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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本文與 TRPMA 台灣研發型生技新藥發展協會合作,泛科學企劃執行

如果把癌細胞比喻成身體裡的頭號通緝犯,那誰來負責逮捕?

許多人第一時間想到的,可能是化療、放療這些外來的「賞金獵人」。但其實,我們體內早就駐紮著一支最強的警察部隊「免疫系統」。

既然「免疫系統」的警力這麼堅強,為什麼癌症還是屢屢得逞?關鍵就在於:癌細胞是偽裝高手。有的會偽造「良民證」,騙過免疫系統的菁英部隊;更厲害的,甚至能直接掛上「免查通行證」,讓負責巡邏的免疫細胞直接視而不見,大搖大擺地溜過。

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過去,免疫檢查點抑制劑的問世,為癌症治療帶來突破性的進展,成功撕下癌細胞的偽裝,也讓不少患者重燃希望。不過,目前在某些癌症中,反應率仍只有兩到三成,顯示這條路還有優化的空間。

今天,我們要來聊的,就是科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?

科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?/ 圖片來源:shutterstock

免疫療法登場:從殺敵一千到精準出擊

在回答問題之前,我們先從人類對抗癌症的「治療演變」說起。

最早的「傳統化療」,就像威力強大的「七傷拳」,殺傷力高,但不分敵我,往往是殺敵一千、自損八百,副作用極大。接著出現的「標靶藥物」,則像能精準出招的「一陽指」,能直接點中癌細胞的「穴位」,大幅減少對健康細胞的傷害,副作用也小多了。但麻煩的是,癌細胞很會突變,用藥一段時間就容易產生抗藥性,這套點穴功夫也就漸漸失靈。

直到這個世紀,人類才終於領悟到:最強的武功,是驅動體內的「原力」,也就是「重新喚醒免疫系統」來對付癌症。這場關鍵轉折,也開啟了「癌症免疫療法」的新時代。

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你可能不知道,就算在健康狀態下,平均每天還是會產生數千個癌細胞。而我們之所以安然無恙,全靠體內那套日夜巡邏的「免疫監測 (immunosurveillance)」機制,看到癌細胞就立刻清除。但,癌細胞之所以難纏,就在於它會發展出各種「免疫逃脫」策略。

免疫系統中,有一批受過嚴格訓練的菁英,叫做「T細胞」,他們是執行最終擊殺任務的霹靂小組。狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,這個偽裝的學名,「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, PD-L1) 」,縮寫PD-L1。

當T細胞來盤查時,T細胞身上帶有一個具備煞車功能的「讀卡機」,叫做「程序性細胞死亡蛋白受體-1 (programmed cell death protein 1, PD-1) 」,簡稱 PD-1。當癌細胞的 PD-L1 跟 T細胞的 PD-1 對上時,就等於是在說:「嘿,自己人啦!別查我」,也就是腫瘤癌細胞會表現很多可抑制免疫 T 細胞活性的分子,這些分子能通過免疫 T 細胞的檢查哨,等於是通知免疫系統無需攻擊的訊號,因此 T 細胞就真的會被唬住,轉身離開且放棄攻擊。

這種免疫系統控制的樞紐機制就稱為「免疫檢查點 (immune checkpoints)」。而我們熟知的「免疫檢查點抑制劑」,作用就像是把那張「偽良民證」直接撕掉的藥物。良民證一失效,T細胞就能識破騙局、發現這是大壞蛋,重新發動攻擊!

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狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,也就是「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, 縮寫PD-L1) 」/ 圖片來源:shutterstock

目前免疫療法已成為晚期癌症患者心目中最後一根救命稻草,理由是他們的體能可能無法負荷化療帶來的副作用;標靶藥物雖然有效,不過在用藥一段期間後,終究會出現抗藥性;而「免疫檢查點抑制劑」卻有機會讓癌症獲得長期的控制。

由於免疫檢查點抑制劑是借著免疫系統的刀來殺死腫瘤,所以有著毒性較低並且治療耐受性較佳的優勢。對免疫檢查點抑制劑有治療反應的患者,也能獲得比起化療更長的存活期,以及較好的生活品質。

不過,儘管免疫檢查點抑制劑改寫了治癌戰局,這些年下來,卻仍有些問題。

CD47來救?揭開癌細胞的「免死金牌」機制

「免疫檢查點抑制劑」雖然帶來治療突破,但還是有不少挑戰。

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首先,是藥費昂貴。 雖然在台灣,健保於 2019 年後已有條件給付,但對多數人仍是沉重負擔。 第二,也是最關鍵的,單獨使用時,它的治療反應率並不高。在許多情況下,大約只有 2成到3成的患者有效。

換句話說,仍有七到八成的患者可能看不到預期的效果,而且治療反應又比較慢,必須等 2 至 3 個月才能看出端倪。對患者來說,這種「沒把握、又得等」的療程,心理壓力自然不小。

為什麼會這樣?很簡單,因為這個方法的前提是,癌細胞得用「偽良民證」這一招才有效。但如果癌細胞根本不屑玩這一套呢?

想像一下,整套免疫系統抓壞人的流程,其實是這樣運作的:當癌細胞自然死亡,或被初步攻擊後,會留下些許「屍塊渣渣」——也就是抗原。這時,體內負責巡邏兼清理的「巨噬細胞」就會出動,把這些渣渣撿起來、分析特徵。比方說,它發現犯人都戴著一頂「大草帽」。

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接著,巨噬細胞會把這個特徵,發布成「通緝令」,交給其他免疫細胞,並進一步訓練剛剛提到的菁英霹靂小組─T細胞。T細胞學會辨認「大草帽」,就能出發去精準獵殺所有戴著草帽的癌細胞。

當癌細胞死亡後,會留下「抗原」。體內的「巨噬細胞」會採集並分析這些特徵,並發布「通緝令」給其它免疫細胞,T細胞一旦學會辨識特徵,就能精準出擊,獵殺所有癌細胞。/ 圖片來源:shutterstock

而PD-1/PD-L1 的偽裝術,是發生在最後一步:T 細胞正準備動手時,癌細胞突然高喊:「我是好人啊!」,來騙過 T 細胞。

但問題若出在第一步呢?如果第一關,巡邏的警察「巨噬細胞」就完全沒有察覺這些屍塊有問題,根本沒發通緝令呢?

這正是更高竿的癌細胞採用的策略:它們在細胞表面大量表現一種叫做「 CD47 」的蛋白質。這個 CD47 分子,就像一張寫著「自己人,別吃我!」的免死金牌,它會跟巨噬細胞上的接收器─訊號調節蛋白α (Signal regulatory protein α,SIRPα) 結合。當巨噬細胞一看到這訊號,大腦就會自動判斷:「喔,這是正常細胞,跳過。」

結果會怎樣?巨噬細胞從頭到尾毫無動作,癌細胞就大搖大擺地走過警察面前,連罪犯「戴草帽」的通緝令都沒被發布,T 細胞自然也就毫無頭緒要出動!

這就是為什麼只阻斷 PD-L1 的藥物反應率有限。因為在許多案例中,癌細胞連進到「被追殺」的階段都沒有!

為了解決這個問題,科學家把目標轉向了這面「免死金牌」,開始開發能阻斷 CD47 的生物藥。但開發 CD47 藥物的這條路,可說是一波三折。

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不只精準殺敵,更不能誤傷友軍

研發抗癌新藥,就像打造一把神兵利器,太強、太弱都不行!

第一代 CD47 藥物,就是威力太強的例子。第一代藥物是強效的「單株抗體」,你可以想像是超強力膠帶,直接把癌細胞表面的「免死金牌」CD47 封死。同時,這個膠帶尾端還有一段蛋白質IgG-Fc,這段蛋白質可以和免疫細胞上的Fc受體結合。就像插上一面「快來吃我」的小旗子,吸引巨噬細胞前來吞噬。

問題來了!CD47 不只存在於癌細胞,全身上下的正常細胞,尤其是紅血球,也有 CD47 作為自我保護的訊號。結果,第一代藥物這種「見 CD47 就封」的策略,完全不分敵我,導致巨噬細胞連紅血球也一起攻擊,造成嚴重的貧血問題。

這問題影響可不小,導致一些備受矚目的藥物,例如美國製藥公司吉立亞醫藥(Gilead)的明星藥物 magrolimab,在2024年2月宣布停止開發。它原本是預期用來治療急性骨髓性白血病(AML)的單株抗體藥物。

太猛不行,那第二代藥物就改弱一點。科學家不再用強效抗體,而是改用「融合蛋白」,也就是巨噬細胞身上接收器 SIRPα 的一部分。它一樣會去佔住 CD47 的位置,但結合力比較弱,特別是跟紅血球的 CD47 結合力,只有 1% 左右,安全性明顯提升。

像是輝瑞在 2021 年就砸下 22.6 億美元,收購生技公司 Trillium Therapeutics 來開發這類藥物。Trillium 使用的是名為 TTI-621 和 TTI-622 的兩種融合蛋白,可以阻斷 CD47 的反應位置。但在輝瑞2025年4月29號公布最新的研發進度報告上,TTI-621 已經悄悄消失。已經進到二期研究的TTI-622,則是在6月29號,研究狀態被改為「已終止」。原因是「無法招募到計畫數量的受試者」。

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但第二代也有個弱點:為了安全,它對癌細胞 CD47 的結合力,也跟著變弱了,導致藥效不如預期。

於是,第三代藥物的目標誕生了:能不能打造一個只對癌細胞有超強結合力,但對紅血球幾乎沒反應的「完美武器」?

為了找出這種神兵利器,科學家們搬出了超炫的篩選工具:噬菌體(Phage),一種專門感染細菌的病毒。別緊張,不是要把病毒打進體內!而是把它當成一個龐大的「鑰匙資料庫」。

科學家可以透過基因改造,再加上AI的協助,就可以快速製造出數億、數十億種表面蛋白質結構都略有不同的噬菌體模型。然後,就開始配對流程:

  1. 先把這些長像各異的「鑰匙」全部拿去試開「紅血球」這把鎖,能打開的通通淘汰!
  2. 剩下的再去試開「癌細胞」的鎖,從中挑出結合最強、最精準的那一把「神鑰」!

接著,就是把這把「神鑰」的結構複製下來,大量生產。可能會從噬菌體上切下來,或是定序入選噬菌體的基因,找出最佳序列。再將這段序列,放入其他表達載體中,例如細菌或是哺乳動物細胞中來生產蛋白質。最後再接上一段能號召免疫系統來攻擊的「標籤蛋白 IgG-Fc」,就大功告成了!

目前這領域的領頭羊之一,是美國的 ALX Oncology,他們的產品 Evorpacept 已完成二期臨床試驗。但他們的標籤蛋白使用的是 IgG1,對巨噬細胞的吸引力較弱,需要搭配其他藥物聯合使用。

而另一個值得關注的,是總部在台北的漢康生技。他們利用噬菌體平台,從上億個可能性中,篩選出了理想的融合蛋白 HCB101。同時,他們選擇的標籤蛋白 IgG4,是巨噬細胞比較「感興趣」的類型,理論上能更有效地觸發吞噬作用。在臨床一期試驗中,就展現了單獨用藥也能讓腫瘤顯著縮小的效果以及高劑量對腫瘤產生腫瘤顯著部分縮小效果。因為它結合了前幾代藥物的優點,有人稱之為「第 3.5 代」藥物。

除此之外,還有漢康生技的FBDB平台技術,這項技術可以將多個融合蛋白「串」在一起。例如,把能攻擊 CD47、PD-L1、甚至能調整腫瘤微環境、活化巨噬細胞與T細胞的融合蛋白接在一起。讓這些武器達成 1+1+1 遠大於 3 的超倍攻擊效果,多管齊下攻擊腫瘤細胞。

結語

從撕掉「偽良民證」的 PD-L1 抑制劑,到破解「免死金牌」的 CD47 藥物,再到利用 AI 和噬菌體平台,設計出越來越精準的千里追魂香。 

對我們來說,最棒的好消息,莫過於這些免疫療法,從沒有停下改進的腳步。科學家們正一步步克服反應率不足、副作用等等的缺點。這些努力,都為癌症的「長期控制」甚至「治癒」,帶來了更多的希望。

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用科學定義左邊:當宇稱對稱被顛覆時,物理學如何重新書寫規律?
PanSci_96
・2024/12/16 ・1895字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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揭開宇宙的對稱之謎

如果有人問你:「什麼是左邊?」你可能會說:「左手那邊就是左邊。」但如果對方問:「左手是哪一隻?」你可能回答:「心臟那邊的手就是左手。」這樣的回答對人類來說很容易理解,但如果對方是一個從未見過人類的外星人,該怎麼解釋呢?

這個問題看似簡單,實際上涉及了物理學中的深奧話題。1956 年,三位華人科學家楊振寧、李政道和吳健雄,通過實驗揭示了一個驚人的事實:我們的宇宙對「左」與「右」其實並不完全對稱。這一發現推翻了人類長期以來對對稱性的認識。

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宇稱對稱性:鏡子中的世界會一樣嗎?

要了解這個發現,我們需要先認識「宇稱」的概念。宇稱(Parity)是物理學中用來描述對稱性的一種方法。它的意思是,如果我們把空間中的座標 (x, y, z) 反轉成 (-x, -y, -z),自然界的規律應該還是一樣的。例如,當一顆蘋果從樹上掉下來,我們用鏡子看時,蘋果還是會掉向地面,而不是飛向天空。這說明鏡像中的世界和真實世界是對稱的。

很長一段時間裡,科學家認為這種對稱性適用於所有自然現象,無論是在宏觀還是微觀世界。然而,到了 1950 年代,一些基本粒子的行為挑戰了這種觀點。

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宇稱不守恆:弱交互作用的例外

在物理學中,有四種基本交互作用:重力、電磁力、強交互作用和弱交互作用。弱交互作用是描述粒子衰變的力量,比如中子會通過弱交互作用衰變成質子、電子和一個反微中子。

1956 年,楊振寧和李政道提出一個大膽的假設:在弱交互作用中,宇稱對稱性可能並不成立。他們指出,雖然大多數物理現象在鏡像中是對稱的,但弱交互作用的某些過程可能偏好「左手性」。

楊振寧與李政道提出一個大膽的假設,指出在弱交互作用中可能破壞宇稱對稱性。圖/envato

為了驗證這個假設,他們邀請吳健雄設計了一個關鍵實驗,這就是後來著名的「吳氏實驗」。

吳氏實驗:揭示宇宙偏愛左手性

吳健雄選擇使用鈷-60 原子的 β 衰變作為實驗對象。鈷-60 是一種不穩定的同位素,會釋放出電子和反微中子。她將這些原子冷卻到極低溫,並用強磁場讓它們的自旋方向統一。

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實驗的關鍵是觀察電子的發射方向。如果宇稱守恆,那麼電子應該會均勻地向各個方向發射。然而,吳健雄的實驗結果卻顯示,電子有明顯的偏向,總是傾向於與原子自旋方向相反的方向發射。

這一結果證明,在弱交互作用中,鏡像世界與真實世界並不對稱,宇稱不守恆。而且,它表明自然界偏好「左手性」,或者說弱交互作用是一個「左撇子」。

為什麼這個發現重要?

宇稱不守恆的發現改變了我們對宇宙基本規律的理解。物理學家過去認為自然界的規律應該是完全對稱的,但這一發現表明,在某些情況下,對稱性會被打破。

這項研究還引發了更多的問題。例如,為什麼宇宙會偏愛「左手性」?是否還有其他交互作用也會破壞對稱性?隨後的研究顯示,如果將宇稱(P 對稱)和電荷共軛(C 對稱)結合在一起,則可以恢復某種對稱性,這被稱為「CP 對稱」。

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然而,1964 年的實驗又發現,CP 對稱在某些情況下也會被打破,這進一步推動了對基本物理規律的研究。特別是 CP 對稱破壞可能與宇宙中物質多於反物質的原因有關,這是當代物理學的一個重要課題。

CP 對稱破壞揭示了宇宙偏愛「左手性」與物質多於反物質的可能原因。圖/envato

用科學解釋左與右

回到最初的問題:如果我們需要向外星人解釋「左邊」的概念,該怎麼做呢?現在我們知道,可以通過像吳氏實驗這樣的方法,用弱交互作用來區分左與右。簡單地說,只要觀察粒子的衰變方向,就能定義出哪一邊是「左」。

這個發現讓我們更深入地理解了自然界的基本規律。它不僅是一次物理學的重大突破,也讓我們重新認識到宇宙的奇妙與複雜。

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為什麼會被陽光曬傷?光有能量的話,為什麼照日光燈沒事?
PanSci_96
・2024/05/05 ・3185字 ・閱讀時間約 6 分鐘

唉!好曬呀!前兩集,一些觀眾發現我曬黑了。

在臺灣,一向不缺陽光。市面上,美白、防曬廣告亦隨處可見,不過,為什麼我們會被陽光曬傷呢?卻又好像沒聽過被日光燈曬傷的事情?

事實上,這也跟量子力學有關,而且和我們今天的主題密切連結。

之前我們討論到量子概念在歷史上的起點,接下來,我們會進一步說明,量子概念是如何被發揚光大,以及那個男人的故事。

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光電效應

在量子力學發展過程中,光電效應的研究是非常重要的轉捩點。

光電效應指的是,當一定頻率以上的光或電磁波照射在特定材料上,會使得材料發射出電子的現象。

在 19 世紀後期,科學家就已經發現某個奇特的現象:使用光(尤其是紫外線)照射帶負電的金屬板,會使金屬板的負電消失。但當時他們並不清楚背後原理,只猜測周遭氣體可能在紫外線的照射下,輔助帶負電的粒子從金屬板離開。

光電效應示意圖。圖/wikimedia

於是 1899 年,知名的英國物理學家 J. J. 湯姆森將鋅板放置在低壓汞氣之中,並照射紫外線,來研究汞氣如何幫助鋅板釋放負電荷,卻察覺這些電荷的性質,跟他在兩年前(1897 年)從放射線研究中發現的粒子很像。

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它們是比氫原子要輕約一千倍、帶負電的微小粒子,也就是我們現在稱呼的電子。

1902 年,德國物理學家萊納德發現,即使是在抽真空的玻璃管內,只要照射一定頻率以上的光,兩極之間便會有電流通過,電流大小跟光的強度成正比,而將光線移除之後,電流也瞬間消失。

到此,我們所熟知的光電效應概念才算完整成型。

這邊聽起來好像沒什麼問題?然而,若不用現在的量子理論,只依靠當時的物理知識,很難完美解釋光電效應。因為根據傳統理論,光的能量多寡應該和光的強度有關,而不是光的頻率。

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如果是光線把能量傳給電子,讓電子脫離金屬板,那為什麼需要一定頻率以上的光線才有用呢?比如我們拿同樣強度的紫外線跟紅外線去照射,會發現只有照射紫外線的金屬板才會產生電流。而且,當紫外線的頻率越高,電子的能量就越大。

另一方面,若我們拿很高強度的紅外線去照射金屬板,會發現無論如何都不會產生電流。但如果是紫外線的話,就算強度很低,還是會瞬間就產生電流。

這樣難以理解的光電效應,使得愛因斯坦於 1905 年一舉顛覆了整個物理學界,並建立了量子力學的基礎。

光電效應的解釋

為了解釋光電效應,愛因斯坦假設,電磁波攜帶的能量是以一個個帶有能量的「光量子」的形式輻射出去。並參考先前普朗克的研究成果,認為光量子的能量 E 和該電磁波的頻率 ν 成正比,寫成 E=hν,h 是比例常數,也是我們介紹過的普朗克常數。

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在愛因斯坦的詮釋下,電磁波的頻率越高,光子能量就越大,所以只要頻率高到一定程度,就能讓電子獲得足以逃脫金屬板的能量,形成電流;反過來說,如果電磁波的頻率不夠高,電子無法獲得足夠能量,就無法離開金屬板。

這就像是巨石強森一拳 punch 能把我打昏,但如果有個弱雞用巨石強森百分之一的力道打我一百拳,就算加起來總力道一樣,我是不會被打昏,大概也綿綿癢癢的,不覺得受到什麼傷害一樣。

而當電磁波的強度越強,代表光子的數目越多,於是脫離金屬板的電子自然變多,電流就越大。就如同我們挨了巨石強森很多拳,受傷自然比只挨一拳要來得重。

雖然愛因斯坦對光電效應的解釋看似完美,但是光量子的觀點實在太過激進,難以被當時的科學家接受,就連普朗克本人對此都不太高興。

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對普朗克來說,基本單位能量 hν,是由虛擬的「振子」發出的;但就愛因斯坦而言,電磁波本身的能量就是一個個光量子,或現在所謂的「光子」。

然而,電磁波屬於波動,直觀來說,波是綿延不絕地擴散到空間中,怎麼會是一個個攜帶最小基本單位能量的能量包呢?

美國物理學家密立根就堅信愛因斯坦的理論是錯的,並花費多年時間進行光電效應的實驗研究。

到了 1914 年,密立根發表了世界首次的普朗克常數實驗值,跟現在公認的標準數值 h=6.626×10-34 Js(焦耳乘秒)相距不遠。

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在論文中,密立根更捶心肝(tuî-sim-kuann)表示,實驗結果令人驚訝地與愛因斯坦那九年前早就被人拋棄的量子理論吻合得相當好。

這下子,就算學界不願相信愛因斯坦也不行了。愛因斯坦也因為在光電效應的貢獻,獲得 1921 年的諾貝爾物理獎。

1921 年,愛因斯坦獲得諾貝爾物理學獎之後的官方肖像。圖/wikimedia

光電效應的應用

在現代,光電效應的用途廣泛。我們日常生活中常見的太陽能發電板,利用的就是光電效應的一種,稱為光生伏打效應,材料內部的電子在吸收了光子的能量後,不是放射到周遭空間,而是在材料內部移動,形成正負兩極,產生電流。

而會不會曬傷也跟光子的能量有關。

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曬傷是皮膚受到頻率夠高的太陽光,也就是紫外線裡的 UVB 輻射造成的損傷。這些光子打到皮膚,會讓 DNA 分子裡構成鍵結的電子逃逸,引起皮膚細胞中 DNA 的異常變化,導致細胞損傷和免疫反應,這就是為什麼曬傷後皮膚會出現紅腫、疼痛和發炎的原因。

而頻率較低的光線,因為光子能量偏低,所以就不太會造成傷害,這也是為什麼我們沒聽過被日光燈曬傷這種事。

結語

從 17 世紀後半,惠更斯和牛頓各自提出光的波動說和微粒說開始,人們就聚焦於光到底是波動還是粒子的大哉問;19 世紀初,湯瑪士.楊用雙狹縫干涉實驗顯示了光的波動性,而到 19 世紀中後期,光屬於電磁波的結論終於被馬克士威和赫茲分別從理論和實驗兩方面確立。

經過約莫兩百年的研究發展,世人才明白,光是一種波動。

怎知,沒過幾年,愛因斯坦就跳出來主張光的能量由一個個的光量子攜帶,還通過實驗的檢驗——光又成為粒子了。

物理學家不得不承認,光具有波動和粒子兩種性質,而會呈現哪一種特性則依情況而定,稱為光的波粒二象性。

愛因斯坦於 1905 年提出的光量子概念,顛覆了傳統認為波動和粒子截然二分的觀點,將光能量量子化的詮釋也被實驗印證,在那之後,除了光的能量之外,還有其他物理量被發現是「量子化」的,像是電荷。

我們現在知道,電荷也有個基本單位,就是單一電子攜帶的電荷大小。

儘管之後又發現組成原子核的夸克,具有 -1/3 和 +2/3 單位的基本電荷,但並沒有改變電荷大小是不連續的這件事,並不是要多少的電量都可以。

如果你覺得很奇怪,不妨想想,我們用肉眼看會覺得身體的每一個部位都是連續的,但其實在微觀尺度,身體也是由一個個很小的原子和分子組成,只是我們根本看不出來,才覺得是連續的。

光子的能量和電荷的大小,其實也是像這樣子,細分下去就會發現具有最基本的單位,不是連續的。

事實上,量子力學在誕生之後,一直不斷地為人們帶來驚喜,簡直就是物理學界突然闖進一隻捉摸不定的貓。我們下一個故事,就要來聊量子力學發展過程中,打破世間常識的某個破天荒假說,而假說的提出者,是大學原本主修歷史和法律,擁有歷史學士學位,但後來改念物理,並憑藉博士論文用 5 年時間就拿到諾貝爾物理學獎的德布羅意。

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