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STAP死灰復燃?難道誤會小保方晴子了嗎?

高 至輝
・2016/05/20 ・3679字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 582 ・九年級

最近,日本的網路輿論因為德國海德堡大學所發表的一篇疑似重現 STAP 現象的論文,引起了部分對於前日本理化學研究所研究員小保方晴子的「STAP假說」護航的聲音。該篇名為「Modified STAP conditions facilitate bivalent fate decision between pluripotency and apoptosis in Jurkat T-lymphocytes(譯:改良版的 STAP 條件導致 Jurkat T-lymphocytes 在細胞凋亡或全能化間兩極的命運)」的論文,聲稱他們利用了改良版的配方進行研究,過程中發現了疑似全能化的細胞1

某些報導因此認為小保方所宣稱的「STAP 現象」可能真的存在,也認為小保方對於開啟 STAP 現象的研究有著或多或少的貢獻,不該全然的抹煞2。本篇文章希望透過一個生物研究者的觀點,來釐清海德堡大學的論文是否真的「重現」了 STAP 現象,同時幫小保方原始的論文中的「STAP 假說」找尋合適的定位。

STAP 現象是什麼?

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小保方提出的 STAP 現象。圖/by Niamh Higgins using Servier Medical Art

STAP 現象是在 2014 年,由小保方所發表的論文「Stimulus-triggered fate conversion of somatic cells into pluripotency (譯:由刺激所引發的體細胞全能化)」所宣稱的一個劃時代的發現3。他們表示能利用弱酸性(pH5.7)的刺激,將老鼠身上已經分化的體細胞,回復成分化前的全能狀態——像幹細胞一樣能夠分化成任意種類細胞的能力。

這篇論文無論是在發表時或是發表後,對於整個科學界帶來了軒然大波:一是如果該現象為真,這項技術將會對於再生醫療的發展做出極大的貢獻;另一方面,也有許多的人因為懷疑這件事情的真偽,試圖用同樣的條件加以檢驗,但是都無法得出同樣的結果。在事件懸而未決之際,身為該論文責任作者的笹井芳樹曾表示「該論文所看到的現象除了 STAP 之外恐怕很難解釋」來為該論文作出辯護。但隨著最終調查報告發現實驗樣本中有本來就是全能狀態的胚胎幹細胞混入4,論文中一切的現象也得到了合理的說明。最後,撇除該事件在社會上造成的餘波,在科學研究領域是以撤回論文宣告落幕。

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論文被撤回,就表示它毫無價值?

小保方在論文導論中提到類似於 STAP 的現象在植物界可以發生,因此他們的目的是試圖驗證這樣的現象是否在動物界也可能發生。因此要作為一篇有效的科學論文,他們必須要提供足夠的證據來回答兩個主要的問題:

第一: STAP 現象是否也存在於動物界?

第二:如果這件事情是可能的,怎麼樣的條件可以引發這樣的轉變?

就結果來說,實驗最終被判定為夾帶了胚胎幹細胞的污染,因此所觀察到的全能化結果極有可能是由混入的幹細胞所引起,而非原本認為的 STAP 現象。整篇論文對於 STAP 現象本身的有無也因此欠缺了任何的證明能力,加上實驗最終連作者本人都無法再現,因此對於這兩個問題,該論文確實沒有提供太多新的訊息,只留下了一個作者也無法加以證明的「STAP 假說」。

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小保方晴子公開在STAP HOPE PAGE上的實驗流程圖。圖/STAP HOPE PAGE

難道公堂之上,不可以假設一下嗎?

對於科學理論來說,為什麼實證或是邏輯上的必然性如此重要?因為在科學的世界裡永遠不缺乏假說,問題在於「是誰」,用了「什麼方法」,給予我們一個「現階段可信的結論」。這些在驗證上所下的功夫——不論是資料蒐集、邏輯演繹,或是提供第一手的證據——正是橫跨在科學領域發表的「假說」或「學說」,與社群網站上隨手寫下的「我的觀察」之間的鴻溝。

有人或許會問,為什麼在物理學上,像是愛因斯坦的相對論,或是霍金的黑洞理論的諸多理論被允許在欠缺實證之下被發表,甚至被廣為接受?事實上這些還沒辦法實證的理論背後,仍然有一套嚴整且可供查驗的邏輯論述——通常是透過數學方法的導證——來支持他們的假說,其他的學者也能夠藉此確認該理論在邏輯上的嚴整性,以及比對目前已知現象之間的異同。也只有這類型的「假說」,才有可能在未經實證之前問世並廣為流傳,然後交由後人想辦法進行實驗。這種狀況有時也被稱為「預言」,只是比起仰賴超自然力量的預言,這類「科學預言」的背後,需要的是厚實的基礎理論。

那麼在生物學上又如何呢?很可惜的,在生物學的世界裡,大多數的狀況下我們還無法利用數理邏輯的方法來準確的預測實驗最後的結果。一個可以想像的原因在於生物系統的複雜程度:一個簡單的現象很可能就有大量的分子參與其中,在窮盡當中所有的分子與其扮演的角色之前,我們很難用理論模型來對這種條件不齊備的系統做出準確的推測。另一個可能的問題是自然演化的過程中所做出的選擇:儘管所有存在的現象必然合乎邏輯,但是「合乎邏輯的假設卻未必被大自然所保留」。這些問題也讓生物學上的發現長期以來都以實證為優先,所有被提出的假說必須伴隨著一定程度的證據,如此不但避免生物學家本著無法以邏輯論斷的假說進入永無休止的辯論,也讓後續的研究不致於陷入信者恆信,無所適從的窘境。

同時,一個新的、重大的科學假說時常會引發後續研究在方向上的重大的轉折,也因此對資源與研究方向的分配造成深遠影響。為此,錯誤的資訊也將可能造成後續研究在金錢與人力的大量浪費,這也是為何提出科學假說時必須伴隨著極為沈重的「舉證責任」的原因之一。

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不是應該想辦法證實 STAP 現象,才是一種實事求是的科學精神嗎?

是,也不是。當然,去發現事情背後的原因一直是科學家努力的目標,但是在大多數的實驗數據失去可信度的前題下,小保方的 STAP 假說並沒有足夠的科學事實作為佐證,同時基於「植物如此,動物也有可能」的推論也並未經過充分的邏輯論證,以一個假說而言可信度實在是相當單薄。這個未果的研究作為一個社會事件這篇論文雖然曾經轟動一時,但平心而論,該論文的內容其實跟每個曾經努力過,但沒有得到預期結果的科學實驗並無二致。

再者,考慮每個研究計畫的成果都攸關各個實驗室未來發展,是否要將人力、資源挹注在一個論證、證據都相當薄弱的假說,針對一個不知有沒有可能存在的現象來進行實驗?恐怕只是個風險管理與願者上鉤的意願問題了。

但 STAP 現象不是被海德堡大學「重現」了嗎?

最近成為話題的論文由德國海德堡大學的團隊發表在期刊 Biochemical and Biophysical Research CommunicationsBBRC, IF 2.297 (2014, 2015))。該論文的主要發現在於修改過小保方的條件之後,他們的實驗顯示出酸性的刺激可以讓少部分的 Jurkat T-lymphocytes,一種癌化的免疫細胞,表現出全能細胞的標靶分子 Alkaline phosphatase1

這對於相信STAP現象的人來說乍看之下是一項佳音,但細讀該論文後除了發現對於STAP原始論文更多委婉的否定之外,他們新發現的全能化細胞很可能與小保方的假說可能沒有任何關係。

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首先,修改過後的條件已經將 pH 值從小保方採用的 5.7 大幅降低到 3.3,這個落差大約是從綠茶與紅茶之間降到黑醋的距離5。另外這項實驗所使用的細胞為一種癌化細胞,在性質上與小保方所使用的一般免疫細胞在性質上實在有相當大的差距。從以上的內容看來,本次的實驗很要稱為對於小保方 STAP 現象的「重現」,可說是相當勉強。更重要的是,先前小保方的實驗中所宣稱的細胞全能化與一種叫做 OCT4 的調節因子有關,機制上與 2012 年得到諾貝爾獎的 iPS 細胞有一定的相似性。然而本次德國的論文在他們的細胞中沒有發現 OCT4 的蹤跡,因此該團隊此次發現的全能化現象與小保方的假說,可以說是大異其趣。

結論是,該研究並沒有確認「小保方的 STAP 現象」,反而更多點出了小保方的論文當中的缺陷,同時,也不保證改善這些條件,小保方就能夠重現出當時自己所宣稱的「STAP 現象」。此外,海德堡大學的研究並沒有進一步驗證這些細胞是否真的具備嚴格定義上的「全能性」,因此本篇論文是否真的將癌細胞轉化成為嚴格定義上的全能細胞,仍然有待進一步的實驗來確認。

好吧,但某種程度上,小保方也算是預言了 STAP 現象吧?

小保方
圖/擷取自YouTube影片

小保方的論文中,從對植物現象的觀察推測動物細胞或許可以引發 STAP 現象的推論雖不無可能,但他們所提供的條件無法為自己的推測提供佐證,從現有的資訊看來該項推論終究是欠缺了任何邏輯上的「必然性」。論證、證據兩者皆無的狀況之下,確實很難說STAP假說有任何「科學預言」的性質,也無法說明小保方的想法包含了任何的先見之明。

當然,現階段我們仍不否定 STAP 現象存在於動物界的可能。或許哪一天,類似的現象仍會在不同的脈絡下為某個不同的團隊所發現,就算真有那麼一天,發現的內容恐怕也不是 2014 年小保方的「STAP 假說」可以有效預期的。

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與其他大多數領域一樣,想法其實很多人都有,但關鍵的問題還是在「誰」,想出了「什麼辦法」對現狀做出了實際的突破。儘管科學研究確實也有很多靈光一閃的瞬間,但科學家在為了證明這些想法的過程中,大多數的時間還是耗費在不斷的尋找與建立關鍵的條件和技術,這些實踐的過程,才是從光鮮亮麗的結論內部,撐起一個科學理論至關重要的筋骨與血肉。

參考資料

  1. Jee Young Kim , Xinlai Cheng , Hamed Alborzinia , Stefan Wölfl, (2016) Modified STAP conditions facilitate bivalent fate decision between pluripotency and apoptosis in Jurkat T-lymphocytes. BBRC, 472(4), 585–591.
  2. 大宅健一郎, STAP現象の確認に成功、独有力大学が…責任逃れした理研と早稲田大学の責任、問われる。Business Journal (http://biz-journal.jp/2016/05/post_15081_3.html).
  3. Haruko Obokata, Teruhiko Wakayama, Yoshiki Sasai, Koji Kojima, Martin P. Vacanti, Hitoshi Niwa, Masayuki Yamato & Charles A. Vacanti, (2014) Stimulus-triggered fate conversion of somatic cells into pluripotency Nature, 414 (6859), 641–647
  4. Daijiro Konno, Takeya Kasukawa, Kosuke Hashimoto, Takehiko Itoh, Taeko Suetsugu, Ikuo Miura, Shigeharu Wakana, Piero Carninci & Fumio Matsuzaki, (2015) STAP cells are derived from ES cells. Nature 525, E4–E5
  5. http://www.pro-enamel.jp/how-acid-wear-affects-you.html
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高 至輝
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東京大學醫學系研究科特任研究員。大學主修化學,從碩士轉攻結蛋白質構生物學,其後飛往日本攻讀神經生理學,畢業後留在日本繼續探索有關神經迴路形成的機制。私底下屬有跡可循的雜食性,對於理解各種人文或科學概念的發展進程充滿興趣。

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

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很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

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因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

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現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

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然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

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為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

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為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

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工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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關於科學的嚴謹與誠實
dr. i
・2014/09/18 ・766字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 557 ・八年級

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(本文同時刊載於 dr. i 部落格 Facebook

20140915003116
(圖片來源:網路)

許多媒體在報日本女科學家小保方晴子假造研究結果,被A片商拱脫衣露胸的事情,卻沒報導關於「假造科學研究結果」這件事情的嚴重性。科學研究是一個非常嚴謹的過程,拿到了實驗數據後要和理論值比對,若是電腦計算的結果一樣也需要找相關的實驗數據,每一步都不敢怠慢。

記得頭一年在德國唸博士的時候,教授就是在磨鍊我這方面的觀念,要確認再確認,不能確認的結果不值得被討論。那段時間我真正體會科學的進步是如何一步一步被堆積起來的。因為這些過程的繁複和耗時,年輕的研究生往往會認為沒有必要,貪便宜的人甚至會在時間壓力下造假,其實我當時就知道很多數據造假其實包括指導教授在內沒有人能發覺,因為他們不可能會一步步跟著我作實驗或計算。因此,科學家的道德和操守真的很重要,甚至科學家也要訓練他們學生的操守,否則就像小保方的指導教授因蒙羞而上吊自殺,而她的另一位在哈佛大學的指導教授維次堤也因此而辭職。

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也因為犯錯或造假很容易發生,因此在學術研討會上,一位研究者如果發表重大發現,會被其它學者更嚴謹的質問,因此答辯和蒐集證據的能力也是一位優秀科學家必須具備的條件。

近代造假研究結果的著名例子有2005年南韓動物複製(Cloning)專家黃禹錫(Woo-Suk Hwang)和2002年德籍凝態物理專家J. Schoen ,都是震驚學界的例子,希望後進學子會引以為鑒。

當然,也有很多例子是科學家被學界誤解,最後扳回一成獲得諾貝爾獎的例子,像是以色列物理學家特舍曼的故事《科學家意外發現的晶體與它的藝術美學》

相關報導:

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dr. i
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小時候的啓蒙師父是小叮噹,偶像是馬蓋先,並崇拜發明燈泡的愛迪生,當時志向是發明會飛的車。在歐洲旅居十二年後回台灣,目前投身科技與藝術的跨界整合以及科學教育和傳播,現任國立台灣師範大學科技與文創講座兼任助理教授。dr. i 一輩子最大的幻想,是能夠使用時光機和隱形風衣。如果您恰巧擁有其中一項,請拜託用以下的連絡方式連絡!http://facebook.com/newartandscience

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STAP細胞,致命的一擊。
活躍星系核_96
・2014/06/19 ・1244字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 594 ・九年級

本文由民視《科學再發現》贊助,泛科學獨立製作

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文 / 許淑真(東京大學醫科學研究所博士生)

2014年1月,日本理化學研究所(以下簡稱理研)的小保方博士,在著名的科學期刊《Nature》上發表了一篇論文,證實將剛出生老鼠脾臟中的淋巴球細胞以酸性溶液處理,即可變成具有全能性的萬能細胞,稱為STAP(Stimulus-Triggered Acquisition of Pluripotency cells)細胞。萬能細胞因為具有分化成各式各樣組織、器官的能力,可以應用於人造器官或是器官重建(所謂的再生醫療),因此是現在當紅的研究課題。2012年,日本的山中博士就以iPS細胞(induced pluripotent stem cells)拿下諾貝爾獎。

然而,胚胎幹細胞有道德倫理上的爭議,iPS細胞有腫瘤化的可能性,相比之下,STAP細胞簡單、安全,是幹細胞研究史上的重大發現。論文發表一個月之後,新聞熱潮絲毫沒有消退,因為世界上的科學家們竟然沒有人可以成功的做出STAP細胞!而此時更有人發現論文的數據中許多有更改過的痕跡,甚至,最關鍵的數據圖,居然與小保方博士以胚胎幹細胞為主題的畢業論文一致。從此,開啟了究竟STAP細胞存不存在的爭議。

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理研的研究人員,解析之前小保方博士公開的STAP細胞基因數據。結果發現許多STAP細胞具有三條的第八對染色體。在自然界中,具有三條第八對染色體的老鼠,在胚胎發育的過程中就會死亡,因此無法出生。這點,與STAP細胞採用剛出生的小鼠的脾臟製作而成的方法矛盾。然而,長久培養之後的胚胎幹細胞,卻會出現具有三條第八對染色體的這項特徵。因此,研究人員懷疑,所謂的STAP細胞,或許是胚胎幹細胞。

2014年6月,論文的共同作者之一的若山教授,則給了STAP細胞致命的一擊。當初由若山教授提供剛出生的小鼠給小保方博士,由小保方博士採取老鼠血液做成STAP細胞之後,再交由若山教授將細胞做解析。然而若山教授分析他所保有的STAP幹細胞卻發現,有八株STAP細胞株雖然與他提供的老鼠品系相同,但是插入的螢光蛋白位置卻在不同的染色體上。而另外兩株雖然插入的螢光蛋白的位置一樣,但是老鼠的品系卻不相同。因此推測若山教授所擁有的這些STAP細胞應該不是由若山教授提供的老鼠做出來的。

所以,若山教授推論,他提供的老鼠,無法做出STAP細胞。但是他仍然語帶保留的說,不能說絕對沒有STAP細胞。而另一篇報導中,小保方博士的指導教授則說,當初的老鼠實驗都是若山教授做的,如果這中間發生了什麼變化,若山教授應該要負責任。而若山教授發表此項資料的二天,小保方博士也提出聲明,說明所有的老鼠以及細胞都是由若山教授的實驗室提供的,沒有其他的管道。看來,這場科學羅生門依然熱烈上演中。

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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STAP死灰復燃?難道誤會小保方晴子了嗎?
高 至輝
・2016/05/20 ・3679字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 582 ・九年級

最近,日本的網路輿論因為德國海德堡大學所發表的一篇疑似重現 STAP 現象的論文,引起了部分對於前日本理化學研究所研究員小保方晴子的「STAP假說」護航的聲音。該篇名為「Modified STAP conditions facilitate bivalent fate decision between pluripotency and apoptosis in Jurkat T-lymphocytes(譯:改良版的 STAP 條件導致 Jurkat T-lymphocytes 在細胞凋亡或全能化間兩極的命運)」的論文,聲稱他們利用了改良版的配方進行研究,過程中發現了疑似全能化的細胞1

某些報導因此認為小保方所宣稱的「STAP 現象」可能真的存在,也認為小保方對於開啟 STAP 現象的研究有著或多或少的貢獻,不該全然的抹煞2。本篇文章希望透過一個生物研究者的觀點,來釐清海德堡大學的論文是否真的「重現」了 STAP 現象,同時幫小保方原始的論文中的「STAP 假說」找尋合適的定位。

STAP 現象是什麼?

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小保方提出的 STAP 現象。圖/by Niamh Higgins using Servier Medical Art

STAP 現象是在 2014 年,由小保方所發表的論文「Stimulus-triggered fate conversion of somatic cells into pluripotency (譯:由刺激所引發的體細胞全能化)」所宣稱的一個劃時代的發現3。他們表示能利用弱酸性(pH5.7)的刺激,將老鼠身上已經分化的體細胞,回復成分化前的全能狀態——像幹細胞一樣能夠分化成任意種類細胞的能力。

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這篇論文無論是在發表時或是發表後,對於整個科學界帶來了軒然大波:一是如果該現象為真,這項技術將會對於再生醫療的發展做出極大的貢獻;另一方面,也有許多的人因為懷疑這件事情的真偽,試圖用同樣的條件加以檢驗,但是都無法得出同樣的結果。在事件懸而未決之際,身為該論文責任作者的笹井芳樹曾表示「該論文所看到的現象除了 STAP 之外恐怕很難解釋」來為該論文作出辯護。但隨著最終調查報告發現實驗樣本中有本來就是全能狀態的胚胎幹細胞混入4,論文中一切的現象也得到了合理的說明。最後,撇除該事件在社會上造成的餘波,在科學研究領域是以撤回論文宣告落幕。

論文被撤回,就表示它毫無價值?

小保方在論文導論中提到類似於 STAP 的現象在植物界可以發生,因此他們的目的是試圖驗證這樣的現象是否在動物界也可能發生。因此要作為一篇有效的科學論文,他們必須要提供足夠的證據來回答兩個主要的問題:

第一: STAP 現象是否也存在於動物界?

第二:如果這件事情是可能的,怎麼樣的條件可以引發這樣的轉變?

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就結果來說,實驗最終被判定為夾帶了胚胎幹細胞的污染,因此所觀察到的全能化結果極有可能是由混入的幹細胞所引起,而非原本認為的 STAP 現象。整篇論文對於 STAP 現象本身的有無也因此欠缺了任何的證明能力,加上實驗最終連作者本人都無法再現,因此對於這兩個問題,該論文確實沒有提供太多新的訊息,只留下了一個作者也無法加以證明的「STAP 假說」。

小保方晴子公開在STAP HOPE PAGE上的實驗流程圖。圖/STAP HOPE PAGE

難道公堂之上,不可以假設一下嗎?

對於科學理論來說,為什麼實證或是邏輯上的必然性如此重要?因為在科學的世界裡永遠不缺乏假說,問題在於「是誰」,用了「什麼方法」,給予我們一個「現階段可信的結論」。這些在驗證上所下的功夫——不論是資料蒐集、邏輯演繹,或是提供第一手的證據——正是橫跨在科學領域發表的「假說」或「學說」,與社群網站上隨手寫下的「我的觀察」之間的鴻溝。

有人或許會問,為什麼在物理學上,像是愛因斯坦的相對論,或是霍金的黑洞理論的諸多理論被允許在欠缺實證之下被發表,甚至被廣為接受?事實上這些還沒辦法實證的理論背後,仍然有一套嚴整且可供查驗的邏輯論述——通常是透過數學方法的導證——來支持他們的假說,其他的學者也能夠藉此確認該理論在邏輯上的嚴整性,以及比對目前已知現象之間的異同。也只有這類型的「假說」,才有可能在未經實證之前問世並廣為流傳,然後交由後人想辦法進行實驗。這種狀況有時也被稱為「預言」,只是比起仰賴超自然力量的預言,這類「科學預言」的背後,需要的是厚實的基礎理論。

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那麼在生物學上又如何呢?很可惜的,在生物學的世界裡,大多數的狀況下我們還無法利用數理邏輯的方法來準確的預測實驗最後的結果。一個可以想像的原因在於生物系統的複雜程度:一個簡單的現象很可能就有大量的分子參與其中,在窮盡當中所有的分子與其扮演的角色之前,我們很難用理論模型來對這種條件不齊備的系統做出準確的推測。另一個可能的問題是自然演化的過程中所做出的選擇:儘管所有存在的現象必然合乎邏輯,但是「合乎邏輯的假設卻未必被大自然所保留」。這些問題也讓生物學上的發現長期以來都以實證為優先,所有被提出的假說必須伴隨著一定程度的證據,如此不但避免生物學家本著無法以邏輯論斷的假說進入永無休止的辯論,也讓後續的研究不致於陷入信者恆信,無所適從的窘境。

同時,一個新的、重大的科學假說時常會引發後續研究在方向上的重大的轉折,也因此對資源與研究方向的分配造成深遠影響。為此,錯誤的資訊也將可能造成後續研究在金錢與人力的大量浪費,這也是為何提出科學假說時必須伴隨著極為沈重的「舉證責任」的原因之一。

不是應該想辦法證實 STAP 現象,才是一種實事求是的科學精神嗎?

是,也不是。當然,去發現事情背後的原因一直是科學家努力的目標,但是在大多數的實驗數據失去可信度的前題下,小保方的 STAP 假說並沒有足夠的科學事實作為佐證,同時基於「植物如此,動物也有可能」的推論也並未經過充分的邏輯論證,以一個假說而言可信度實在是相當單薄。這個未果的研究作為一個社會事件這篇論文雖然曾經轟動一時,但平心而論,該論文的內容其實跟每個曾經努力過,但沒有得到預期結果的科學實驗並無二致。

再者,考慮每個研究計畫的成果都攸關各個實驗室未來發展,是否要將人力、資源挹注在一個論證、證據都相當薄弱的假說,針對一個不知有沒有可能存在的現象來進行實驗?恐怕只是個風險管理與願者上鉤的意願問題了。

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但 STAP 現象不是被海德堡大學「重現」了嗎?

最近成為話題的論文由德國海德堡大學的團隊發表在期刊 Biochemical and Biophysical Research CommunicationsBBRC, IF 2.297 (2014, 2015))。該論文的主要發現在於修改過小保方的條件之後,他們的實驗顯示出酸性的刺激可以讓少部分的 Jurkat T-lymphocytes,一種癌化的免疫細胞,表現出全能細胞的標靶分子 Alkaline phosphatase1

這對於相信STAP現象的人來說乍看之下是一項佳音,但細讀該論文後除了發現對於STAP原始論文更多委婉的否定之外,他們新發現的全能化細胞很可能與小保方的假說可能沒有任何關係。

首先,修改過後的條件已經將 pH 值從小保方採用的 5.7 大幅降低到 3.3,這個落差大約是從綠茶與紅茶之間降到黑醋的距離5。另外這項實驗所使用的細胞為一種癌化細胞,在性質上與小保方所使用的一般免疫細胞在性質上實在有相當大的差距。從以上的內容看來,本次的實驗很要稱為對於小保方 STAP 現象的「重現」,可說是相當勉強。更重要的是,先前小保方的實驗中所宣稱的細胞全能化與一種叫做 OCT4 的調節因子有關,機制上與 2012 年得到諾貝爾獎的 iPS 細胞有一定的相似性。然而本次德國的論文在他們的細胞中沒有發現 OCT4 的蹤跡,因此該團隊此次發現的全能化現象與小保方的假說,可以說是大異其趣。

結論是,該研究並沒有確認「小保方的 STAP 現象」,反而更多點出了小保方的論文當中的缺陷,同時,也不保證改善這些條件,小保方就能夠重現出當時自己所宣稱的「STAP 現象」。此外,海德堡大學的研究並沒有進一步驗證這些細胞是否真的具備嚴格定義上的「全能性」,因此本篇論文是否真的將癌細胞轉化成為嚴格定義上的全能細胞,仍然有待進一步的實驗來確認。

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好吧,但某種程度上,小保方也算是預言了 STAP 現象吧?

小保方
圖/擷取自YouTube影片

小保方的論文中,從對植物現象的觀察推測動物細胞或許可以引發 STAP 現象的推論雖不無可能,但他們所提供的條件無法為自己的推測提供佐證,從現有的資訊看來該項推論終究是欠缺了任何邏輯上的「必然性」。論證、證據兩者皆無的狀況之下,確實很難說STAP假說有任何「科學預言」的性質,也無法說明小保方的想法包含了任何的先見之明。

當然,現階段我們仍不否定 STAP 現象存在於動物界的可能。或許哪一天,類似的現象仍會在不同的脈絡下為某個不同的團隊所發現,就算真有那麼一天,發現的內容恐怕也不是 2014 年小保方的「STAP 假說」可以有效預期的。

與其他大多數領域一樣,想法其實很多人都有,但關鍵的問題還是在「誰」,想出了「什麼辦法」對現狀做出了實際的突破。儘管科學研究確實也有很多靈光一閃的瞬間,但科學家在為了證明這些想法的過程中,大多數的時間還是耗費在不斷的尋找與建立關鍵的條件和技術,這些實踐的過程,才是從光鮮亮麗的結論內部,撐起一個科學理論至關重要的筋骨與血肉。

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參考資料

  1. Jee Young Kim , Xinlai Cheng , Hamed Alborzinia , Stefan Wölfl, (2016) Modified STAP conditions facilitate bivalent fate decision between pluripotency and apoptosis in Jurkat T-lymphocytes. BBRC, 472(4), 585–591.
  2. 大宅健一郎, STAP現象の確認に成功、独有力大学が…責任逃れした理研と早稲田大学の責任、問われる。Business Journal (http://biz-journal.jp/2016/05/post_15081_3.html).
  3. Haruko Obokata, Teruhiko Wakayama, Yoshiki Sasai, Koji Kojima, Martin P. Vacanti, Hitoshi Niwa, Masayuki Yamato & Charles A. Vacanti, (2014) Stimulus-triggered fate conversion of somatic cells into pluripotency Nature, 414 (6859), 641–647
  4. Daijiro Konno, Takeya Kasukawa, Kosuke Hashimoto, Takehiko Itoh, Taeko Suetsugu, Ikuo Miura, Shigeharu Wakana, Piero Carninci & Fumio Matsuzaki, (2015) STAP cells are derived from ES cells. Nature 525, E4–E5
  5. http://www.pro-enamel.jp/how-acid-wear-affects-you.html
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高 至輝
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東京大學醫學系研究科特任研究員。大學主修化學,從碩士轉攻結蛋白質構生物學,其後飛往日本攻讀神經生理學,畢業後留在日本繼續探索有關神經迴路形成的機制。私底下屬有跡可循的雜食性,對於理解各種人文或科學概念的發展進程充滿興趣。