時間旅行難達成!霍金用超邊緣派對證明給你看

史蒂芬·霍金 (Stephen Hawking) 是全球知名的理論物理學家、宇宙學家,在近代物理學上做出許多重大貢獻。

他曾預測黑洞會發出輻射(現稱霍金輻射)、提出了結合廣義相對論和量子力學的宇宙論等等,其講述宇宙、空間與時間本質的科普著作《時間簡史》更是暢銷多年。

縱使身體因為漸凍症而愈來愈不方便,霍金的內心仍是自由奔放的,大膽思索著宇宙奧秘、翱翔於無盡空間。

史蒂芬·霍金 (Stephen Hawking) 是全球知名的理論物理學家、宇宙學家。
圖/wikipedia

霍金舉辦派對竟無一人赴約?

對於時間旅行概念感到癡迷的他,有一回為了驗證時間旅行的可能性,更是決定直接邀請時間旅行者來場特別的約會,事先做好一切準備,就等著時間旅者上門。

霍金仔細地寫好:「誠摯地邀請您參加時空旅行者派對」的戰帖邀請函,除了基本的時間、地點資訊,甚至連準確的經緯度都一併附上,就是要讓時空旅者沒有迷路的藉口。

然而,要怎麼把邀請函送到時間旅行者手上呢?答案其實很簡單:不要送就對了!

這封邀請函,霍金按著不表,打算等派對結束後直接昭告天下、讓它流傳百世,如此一來就不會有現在的人跑來湊熱鬧,未來的人們也都能看到了。

2009 年 6 月 28 日中午 12 點,原定的派對時間到了。霍金在劍橋大學的岡維爾與凱斯學院舉辦盛大派對,桌上擺滿了美食和一杯杯斟好的香檳,柱子也綁上一簇簇的紅、白、藍色氣球,看起來歡樂又溫馨。然而,時間滴答滴答過去了,等了又等、等了又等,最後卻一個人都沒有來。

霍金心裡苦,霍金不說。圖/泛科動畫截圖

就這樣,派對結束了,只是從頭到尾都只有霍金一人。(年度最邊緣蓋章認證)看來,未來人即便看到了邀請函,也沒有能力穿越時空來參加派對呀!(絕對不是不喜歡霍金)

時空旅行沒有想像中容易!時空旅行的悖論

其實,霍金對時空旅行已經有一套看法了。他認為我們頂多前往未來,但不可能回到過去

自從愛因斯坦提出相對論,我們知道了物質的質量愈大或速度愈快,時間流動的速度就會愈慢。所以只要將太空船靠近一個超大質量黑洞,或者以接近光速的速度來旅行,那麼船上的人可能才過了一年,地球上的人們卻已經過了十年,這時太空船再回到地球,相當於他們前往了十年後的未來。

至於要回到過去,科幻作家最喜歡使用「蟲洞」假說,指的是將兩個不同地點之間連結起來的時空隧道,然而蟲洞比分子、原子還細小,即使真的掌握到一個蟲洞,也不可能讓你全身穿過,還得放大個數億倍並保持蟲洞的穩定才行,實在難以執行。

許多科幻作家喜歡使用「蟲洞」假說作為時空旅行的實現方法。圖/flickr

然而,回到過去最關鍵的問題在於:會產生悖論。

最簡單的例子就是:你回到了過去殺了你自己,那麼你在被殺當下就死了,又是誰穿越時空殺了你呢?這樣因果錯亂、邏輯不通的情況,宇宙會陷入混亂啊啊啊!

此外,一旦蟲洞擴張,就可以讓輻射進入,引發「回授」現象,也就是來自未來時空的輻射通過蟲洞增加了過去時空的輻射,到了未來就又有更多輻射通過蟲洞增加過去的輻射,如此循環往復、正向回饋,蟲洞就爆掉啦!碰!

霍金雖然也想要回到過去看看瑪麗蓮夢露、拜訪伽利略,然而經過科學性的思考便知道這是不可能的。唉,這麼可惜的事情不能只有我知道,辦個時空旅行派對讓大家一起認清現實吧(邪笑)。

想知道各種神祕的時空悖論是怎麼回事?快來看看這部影片吧:

參考資料:


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找對地方著床好難?讓古代媽媽致命的子宮外孕──《人類這個不良品》

編按:《人類這個不良品》羅列人體的各種缺陷與設計不良之處,但其實這就是演化自然產生的結果。這些不完美成就了獨一無二的我們,也讓我們照見演化的歷史。

要討論女性懷孕和分娩時所承受的死亡風險,就不得不提到子宮外孕(ectopic pregnancy)。

在科學界,「ectopic」代表某個物體出現在不該出現的位置,或某個事件發生在不該發生的地方。子宮外孕的地點幾乎都發生在輸卵管(fallopian tube),也就是受精卵著床的位置在輸卵管,而不是子宮,這是十分危險的狀況。現代醫學出現之前,子宮外孕的女性幾乎必死無疑。

漂阿漂,卵子移動慢悠悠

卵巢排卵之後,卵子沿著兩根輸卵管的其中一根往下移動,最後抵達子宮。卵子不像精子具備可以幫助推進的鞭毛,而且卵子周圍有數百顆濾泡細胞(follicular cell)形成的保護層,稱為放射冠(corona radiata),這一點也跟精子不一樣。

卵子周圍由百顆濾泡細胞構成放射冠;精子有鞭毛幫助向前移動。圖/wiki

濾泡細胞也沒有鞭毛,於是卵子和這些濾泡細胞只能在輸卵管裡漫無目的緩慢移動,就像好幾艘綁在一起的救生筏,在廣闊的大海中漂流。卵巢距離子宮僅僅十公分,但卵子至少需要一個禮拜以上的時間才能抵達目的地。

相比之下,精子因為有鞭毛的推動,前進速度比卵子快多了。卵子移動速度慢,精子移動速度快,在輸卵管中漫遊的卵子碰上急忙衝來的精子,所以卵子受精的地點幾乎總在輸卵管。未受精的卵子通常在抵達子宮之前就會死亡。別懷疑,它移動的速度就是這麼緩慢。

移動太慢認錯壁,子宮外孕就這麼發生了

受精之後,合子內部會發生一連串的化學反應,為後續的發育做準備。

受精後大約三十六小時之中,合子開始不斷快速分裂。單細胞的合子一分為二, 二變四, 四變八⋯⋯一直到受精之後的第九或第十天,受精卵形成有兩百五十六個細胞的中空球體,也就是胚胎。

合子不斷快速分裂,並向著子宮移動。圖/Ttrue12 @wiki

這時的胚胎才有著床能力,並傳送訊息給母體,阻止母體月經來潮,孕期也從此時開始。之前我曾說過,胚胎面臨的第一項挑戰,也是最大的挑戰,就是阻止母體月經來潮,未能成功的胚胎會隨著下一次月經一起離開母體。

十天的時間應該足夠讓胚胎抵達子宮,不過胚胎就和卵一樣,移動起來漫無目的。偶爾,胚胎分裂至兩百五十六個細胞時,根本還沒有離開輸卵管,這時胚胎便會把輸卵管壁當成子宮壁,開始著床,子宮外孕就這麼發生了。

OMG,胚胎認錯地方啦!圖/Casey Fleser @flickr 

一暝大一寸,胚胎撐破輸卵管

孕期的前八週,胚胎還非常小,周圍組織滲透而來的養分和氧氣就足夠胚胎使用。因此在子宮外孕早期階段,無論是胚胎或是輸卵管,都無法察覺異狀。然而,隨著胚胎持續生長,問題就會逐漸浮現。

輸卵管不可能承受得了胚胎這樣持續生長下去,對輸卵管而言,胚胎簡直就像寄生蟲。

胚胎本身沒有任何方式能夠察覺這是不正常的狀況,因此繼續生長發育,對輸卵管造成極大威脅。懷孕過程一旦出現危險,子宮能以流產的方式終止母體懷孕,但輸卵管沒有這種能力。情況愈來愈失控,生長中的胚胎已經開始壓迫輸卵管壁,孕婦在這時候可能才發現事情不對勁。

李組長眉頭一皺,發現事情並不對勁。圖/pixabay

壓迫輸卵管壁的胚胎造成孕婦愈來愈嚴重的疼痛,如果沒有找上醫生協助處理,繼續生長的胚胎終有一天會撕裂輸卵管。除了帶來劇痛,還會導致內出血,如果不緊急動手術修補受傷的組織、縫合破裂的血管,孕婦很可能流血致死,而兇手正是那找錯地方著床的孩子。

卵巢到輸卵管其實沒有相連

另外還有更罕見、更奇異,也更危險的子宮外孕:離開卵巢的卵子根本沒有進入輸卵管。這種情況少之又少,說來奇怪,這竟是因為輸卵管和卵巢其實並沒有相連。

輸卵管的開口包圍著卵巢,這就好像水管開口太大,而水龍頭太小的狀況。輸卵管和卵巢並沒有實際接觸,有時候卵子離開卵巢後直接進入腹腔,而沒有進入輸卵管。

女性的生殖器官。由於卵巢和輸卵管並沒有實際相連,因此卵巢排出的卵子未必能進入生殖系統。圖/出版社提供

其實這種狀況也無關緊要,卵子幾天之後就會死亡,然後被環繞腹腔,高度血管化的組織—腹膜(peritoneum)重新吸收,並不會造成大礙。

腹腔也能懷孕?克服種種困難的奇蹟寶寶

然而,如果卵子進入腹腔之後,在一天左右的時間有精子趕到現場,卵子可能因此受精。這也是同樣罕見的狀況,因為精子必須跑到腹腔來搜尋卵子的蹤跡,而不是像平常一樣順著陰道前進,不過,這種事情偶爾就是會發生。

於是,完全不知道自己來錯地方的胚胎,就這樣開始生長、分裂,在附近的組織著床,著床地點通常在腹膜,偶爾也會發生在大腸、小腸、肝臟或脾臟的外膜上。

腹腔懷孕帶來極大的風險。在開發中國家,腹腔懷孕常常導致孕婦死亡;在已開發國家,可以藉由超音波掃描輕易發現這種狀況,並且透過手術移除注定無法長大的胚胎,修補任何受傷或流血的組織。

如果沒有先進的醫學和絕佳的運氣,奇蹟不可能發生。圖/pixabay

令人難以置信的是,有少數幾起腹腔懷孕的例子,孕婦和胚胎雙雙安然無恙來到孕期第二十週。經手術取出的胚胎根本尚未成熟,雖然伴隨著嚴重的併發症和發育問題,究竟也活了下來。大眾媒體總稱這些胎兒為「奇蹟寶寶」,但如果沒有先進的醫學和絕佳的運氣,奇蹟不可能發生。

 

 

本文摘自《人類這個不良品:從沒用的骨頭到脆弱的基因》,2018 年 12 月,天下文化出版。


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【Gene 思書齋】透視大數據的那些秘密

今天搭公車時,看到一個年輕男人以乎有些疲憊,勞基法愈修愈爆肝,他時而望著窗外,時而低頭沉思。

根據我多年的社會觀察和讀了心理學的書籍,我知道他一定是忘了帶手機或手機沒電了⋯⋯

好啦,這是網路上看來的一則笑話,我並沒有搭公車。可是如果有一天,手機不在身邊的話,我們什麼都不知道了,甚至會不會連我們喜歡什麼樣的人、喜歡吃什麼、喜歡聽什麼音樂、喜歡愛什麼電影,我們都要問問手機或社群網站,這會很令人意外嗎?

因為有了大數據和演算法,加上政府迫不及待要燒錢的 AI(人工智慧),有一天我們的手機或社群網站比我們自己還瞭解自己,並不是不可能。然而 AI 加大數據和演算法的三劍合璧,不只是讓我們選擇自己喜歡的東西,而是在找工作、買保險、看醫生時被挑選,會讓我們更幸福嗎?

有一天我們的手機或社群網站比我們自己還瞭解自己,並不是不可能。然而 AI 加大數據和演算法真的會讓我們更幸福嗎?
圖/pixabay

大數據亦正亦邪 一定要小心使用!

就像人類歷史上的最有工具一樣,大數據肯定是雙面刃,水可載舟、亦可覆舟。談大數據有多威的書籍可以汗牛充棟,可是人們畢竟是喜歡報喜不報憂的,如果要兼聽則明,我們能夠知道大數據有多可怕呢?《大數據的傲慢與偏見:一個「圈內數學家」對演算法霸權的警告與揭發》(Weapons of Math Destruction: How Big Data Increases Inequality and Threatens Democracy)是一本難得的好書。

不要以為大數據如何落入壞人手裡,才會有其破壞力,如果不懂得大數據,卻自以為地要用大數據,這樣即使落入良善的人手裡,也可能適得其反。不透明、不受管制的演算法,已經讓社會和個人付出慘痛的代價。

作者歐尼爾大爆料你不知道的秘密

《大數據的傲慢與偏見》作者凱西.歐尼爾 (Cathy O’Neil) 就是位「圈內數學家」,這本書算是爆料吧,雖然沒啥腥羶色,可是讀起來還是令人膽戰心驚。她是哈佛大學數學博士,曾任教於巴納德學院,隨後投身金融業,任職於對沖基金公司德劭 (D.E. Shaw)。離開金融業後曾於多家新創企業擔任數據科學家,負責建立預測人們購買和點擊行為的模型。

熱愛數學的歐尼爾卻稱那些被濫用的演算法為「數學毀滅性武器」。她過去在金融業中待過,很清楚華爾街的投資銀行如何籍由演算法就不勞而獲。姑且不論這公不公平,演算法的濫用好幾次釀成大禍,這已不是啥新鮮事了。裡頭的黑箱甚至連評級的公司都搞不清楚真正的風險,讓一堆 AAA 級的衍生性金融商品成了一個個不訂定炸彈。

《大數據的傲慢與偏見》裡,她著眼之處遍及我們想得到或想不到的地方,列舉出許多被大數據綁架而落入囚徒困境的例子,她指出這些都增加了不公平甚至還破壞了民主。身處在高教工作中,就非常能感受全世界大學莫名其妙受到營利機構不透明、自以為是的排名給綁架,迫使政府和大學高層被趕鴨子上架地隨波逐流,甚至踐踏學術尊嚴和專業來逢迎討好用黑箱作業搞排名的公司。

《大數據的傲慢與偏見》中提到一位教學認真優異深受學生、同事和家長喜愛的教師,在完全不知道數學模型哪裡錯得離譜的情況下,被解了僱,申訴無門;保險公司為了獲得更高的盈利使用了大數據,成為了一種勢劫貧濟富,讓窮人付出更昂貴的價格;因為性格測驗不公開的評分而無法找到工作;信用卡用在某些商店就被降低額度;專門欺騙窮人的不實廣告等等等。

這其中的錯誤可能永遠都無法被找到,使用大數據的人就可能像信仰宗教典籍一樣盲從。我們來做個想像,假設有個人被大數據誤判成犯罪機會高的人,這個大數據分析的標籤會跟著他一輩子,那麼他不時會被警察騷擾,或者也找不到正常的工作,所以他走頭無路乾脆作奸犯科,大數據好棒棒地準確預測了,所以大數據就永遠是對的?

使用大數據的人就可能像信仰宗教典籍一樣盲從,但大數據永遠是對的嗎?
圖/pixabay

使用大數據要慎而思之

我們很多人相信數學是「中性的」,一加一等於二不是件好事也不是件壞事。可是數學模型畢竟是人建出來的,是人決定要放什麼參數進去,要放在分子還是分母,以及如何估計出參數。只要是人,就有犯錯及無知的可能。何甭提就算不是犯錯,大數據也非完全不能操作的,尤其是在競爭激烈的選戰中。

對於操縱我們人生各階段的各種黑箱數學模型,歐尼爾認為那些建立模型的人應該為他們所創造出來的演算法負起更多責任,而政策制定者更應該負起監督管理的責任。然而要如何監管以免大數據破壞我們珍視的價值,這又是另一個大哉問了。

雖然身為數學家,但《大數據的傲慢與偏見》裡一條公式也沒有,只有一個又一個令人嘖嘖稱奇的真實案例,叫人觸目驚心,卻又不斷有精闢的分析,讓人忍不住要一口氣讀完,這是一本可讀性極高而且也很重要的一本書,值得所有公民一讀!

本文原刊登於 The Sky of Gene


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【Gene 思書齋】植物與我

如果有片地,希望能蒔花弄草,晴耕雨讀。不必歸隱故里,也能採菊東籬下,只是要悠然見水泥山⋯⋯

種種花花草草增加綠意,各種心理學和醫學的研究都指出,能夠增加幸福感、延年益壽,即使是在辦公室種些小盆栽也多少有些效果。

這應該是因為,即使我們的文明發展到現代化國家大部分人口都住在都市裡,可是我們過去上萬年習於蒔花弄草的基因還在我們身上吧。

圖/pixabay

過去的我所不知道的事

如果能種上些果樹或蔬菜,還可以天天有新鮮有機蔬果可吃。小時候,我們馬來西亞老家院子就有棵番石榴樹(也就是芭樂樹)。和台灣市場上甜到多吃會糖尿病的芭樂相比,馬來西亞的芭樂不太甜,可是老家那棵芭樂樹結出來的芭樂,經過我們兄弟的童子尿澆灌,特別的鮮甜好吃。

老家社區那整塊地,在建為住宅區前,是片農地。我們搬過去沒多久就發現,我們家以前剛好是種番薯的,因為院子會源源不絕地長出番薯葉,所以天天有吃不完的番薯葉。那時候最討厭的事之一,就是被阿嬷強押去撕番薯葉梗外層的粗纖維,因為一來很麻煩不符合我能偷懶就偷懶的個性,二來是晚餐又要有吃不完的番薯葉了。以致於有十幾年,我在外用餐一定避過番薯葉,誰堅持點番薯葉就和誰翻臉。一直到搬了家,沒源源不絕的番薯葉可吃了,我才開始想念番薯葉。

搬了家,院子沒了番石榴和番薯,但我媽種了幾棵木瓜。我妹來台灣唸了幾個月書,有次我們去超市買了棵木瓜,我切開木瓜時,她說裡頭的種籽看來很可口想吃,我驚呆了。我們家種了木瓜那麼久,她居然不知道種籽是要丟棄不吃的。原來她從小到大從來都是媽媽切好木瓜送到她面前餵她吃的⋯⋯

我也是一直到幾年前,才知道原來番石榴、番薯和木瓜,根本不是原生於亞洲的植物,還一直以為它們的原產地應該就是馬來西亞或台灣吧 XD 原來它們是哥倫布大交換,從美洲大陸遍佈全世界熱帶或亞熱帶地區的。不僅是番石榴、番薯和木瓜,玉蜀黍、番茄、辣椒、可可、馬玲薯、花生、草莓、香草、向日葵、南瓜、橡膠、鳳梨、腰果、四季豆等等重要的作物,也都來自美洲大陸。

植物精彩的故事

其實,在哥倫布大交換前,很多植物的產品,就是驅動長途貿易的最大動力了,沒有之一。即使是絲綢,也是蠶寶寶把桑葉透過生物體轉換出來的,沒有桑樹就沒有絲綢。其他的還有茶葉、胡椒、肉豆蔻、丁香等等。更甭提我們人類的主食就是各種穀類。

許許多多植物,都和我們的文明及文化有千絲萬縷的關係,塑造了我們物質和精神世界的豐富性,也治癒了我們的身病和心病。我們為了栽了方便、產量、美觀和口慾,改造了許多植物,植物反過來也改造了人類。我們人類就是為了栽種植物來養家糊口才定居下來的,也為了能激刺我們精神和口味的植物展開跨洋貿易的大冒險。

《形塑人類文明的 80 種植物》(Remarkable Plants That Shape Our World) 就是個人與植物交織出的故事。除了植物史家海倫與威廉‧拜能 (Helen & William Bynum) 為植物和人類可歌可泣的關係立的傳,還有精彩的故事,及與英國皇家植物園合作,也有收藏有 205 幅館藏植物手繪圖,藉以歌頌植物的歷史、人類的歷史,以及植物存在本身的偉大意義。即知性又賞心悅目,會是所有對植物及園藝甚至廚藝有興趣的朋友一讀。

《形塑人類文明的 80 種植物》分為八個部分,精簡扼要但又不失深度地探討了 80 種植物的文化、地理和經濟聯繫。這 80 種植物即使有些好像在我們生活中不熟悉,但讀了其中的故事,才驚覺原來我們社會早已深受其影響深遠。

我們的社會早已深受植物的影響。
圖/unsplash

讀出生活中植物為我們帶來的樂趣

〈改變世界〉的植物,介紹的是讓人類在全球許多不同地方展開定居生活的植物,包括小麥、玉蜀黍和稻米等主食。我們今天幾乎都能吃到這些各地的主食,遍佈到我們都忘了它們是原產何地。除了我們熟知的糧食,搾油的橄欖和釀酒的葡萄也列於其中。

當文明發展出來說,我們對食物的要求不僅只是量而已,〈味道〉探討的是令我們的飲食變得活潑豐富的植物,從基本、好用的蔥屬植物到香料和番紅花的奢華口味。番紅花是單位重要最貴的香料之一吧,要大量人力在清晨採摘,一顆花也只有至多三個寶貴的花柱。要不是歐洲人極渴望肉豆蔻、丁香、胡椒而展開大航海時代,我們就不會有現在的現代社會。馬來西亞和台灣過去在香料貿易中扮演極為重要的角色。馬來西亞料理就又辣又香,嗜吃辣椒和辛香料,讓我很久才適應他國食物;也別忘了啤酒也要加料,要用俗稱啤酒花的蛇麻提味。

植物對人類一個救命功能是能當藥,〈解藥與毒藥〉提醒我們,植物中的活性物質往往會達成一個微妙的平衡,在不同的劑量下,可以是救命仙丹,也可能是危險毒藥。這單元甚至可以單獨成好幾部的科普書,畢竟全世界最著名的藥典《本草綱目》就是用中文寫的。即使是西藥,現在仍有不少藥物是來自或本來自植物,例如阿斯匹靈和奎寧。現在我們也不斷發掘植物在藥用和美容上的藥果!

〈科技與力量〉描述是哪些植物幫忙創造了我們的物質世界,包括船隻、房屋、服裝和家具,甚至還有武器。在冷兵器時代,最常上戰場的不是只有刀劍,還有木製的弓箭。在這個金屬和塑膠製品又廉價又耐用的時代,本製品仍給人更多溫暖窩心的感覺。在人造纖維又廉價又耐穿的時代,還是有更多人選擇了棉、麻織品。

〈經濟作物〉檢視的某些植物的產品,例如茶葉、咖啡、可可豆、棕櫚油或橡膠,在全球的需求量龐大。很多人一天沒喝上至少一杯茶或咖啡就無法正常運作,我也不例外,早上必喝杯厚奶茶,工作熬了夜,更需要一杯接一杯才能在白天保持清醒。為了大量供應這些經濟作物,很多發展中國家剷平土地來耕作這些植物,這在馬來西亞尤其明顯,滿山遍野都是棕櫚或橡膠,沒幾處可再容下紅毛猩猩和犀鳥。如同這些植物的產品改變了我們的栽種、購買、交易、販賣和消費型態,對世界市場和財富仍然有強大的影響力,這些植物帶來了一連串的環境變遷,貪婪的人類還不知如何承受。

有些覆蓋了部分地表,乍看之下沒特別用處,但〈地景〉要訴說,有途植物以獨特的方式成為一種標記——加州高聳的紅杉、澳洲的桉樹、熱帶海岸耐鹽的紅樹林。它們每一種其實在歷史上和當代都扮演了一角,形塑或改變了人們對當地氛圍的認知。

〈崇敬與仰慕〉和〈大自然的奇觀〉,海倫與威廉‧拜能要歌頌出類拔萃、令人刮目相看、不再以實用性為主的植物。這樣的植物也塑造了我們的歷史和我們對歷史的視覺紀錄。例如在我們的文化下,蓮花就是代表出淤泥而不染的高貴品格,也是佛教的代表標誌之一。椰棗樹在聖經和古蘭經中多次出現;許多花卉,例如蘭花、鬱金香和玫瑰具有鮮明的視覺美感,啟發了不同文化的藝術家,把大自然短暫的時刻化為永恆。

讀了《形塑人類文明的 80 種植物》,在苗圃花園、廚房餐廳,或甚至生活任何方面,看到這些植物或其製品,都能生出不少樂趣!

圖/pixabay

本文原刊登於 The Sky of Gene


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2019 年最值得關注的5個天象

2019 年馬上就要到了,屋頂上的天文學家特別為你整理了 5 個精彩天象,不要錯過了喔!

彗星會是 2019 年最大的彩蛋嗎?讓我們拭目以待!影像來源:NASA,哈伯望遠鏡

1月4日(農曆廿九)象限儀座流星雨

以月相的條件來說,象限儀座流星雨是今年最適合觀看的流星雨,1 月 4 日的月相是農曆廿九,月亮對流星雨的影響不大,極大期時每小時最多可以看見 120 顆流星。

根據國際流星組織(International Meteor Organization)的預測,今年的象限儀座流星雨極大期發生在 1 月 4 日的早上 10 點。不像英仙座和雙子座流星雨極大期的時間長達數天,象限儀座流星雨極大期的時間只有短短的幾個小時,絕大多數的流星會在這幾個小時下完。所以今年要看象限儀座流星雨可以一大早起床,找個光害少的地方,數完流星再去上班、上學。

象限儀座流星雨。Stellarium軟體製作

加碼:

8 月 13 日(農曆十三)英仙座流星雨、12 月 14 日(農曆十九)雙子座流星雨

今年英仙座和雙子座流星雨發生時的月相都接近滿月,受到月光影響流星數會減少許多。

6月18日(農曆十六)火星合水星

6 月 18 日的傍晚,太陽西下後,可以在西方的天空看見火星合水星,兩顆行星非常靠近僅僅相距 0.27 度!相當於月亮的半徑寬度,相當罕見!

水星通常不易看見,不過 6 月 24 日就是水星東大距,也就是最適合觀看水星的時候,所以這次的火星合水星相當值得期待!

6月18日,火星合水星,兩顆行星在天空中僅僅相距0.27度。Stellarium軟體製作

7月17日(農曆十五)月偏食

今年唯一一次台灣地區可以看見的月食,時間是 7 月 17 日的清晨。這次的月食是月偏食,食甚發生的時間是 5:31。可惜的是當天月落時間是 5:15,所以食甚發生前,月亮就西落了。

7月17日清晨的月偏食,各個階段時刻為台灣時間。影像來源:NASA

10月20日(農曆廿二)水星東大距

水星東大距是水星位在太陽東側最遠的位置,這時是傍晚最適合觀看水星的時候。10 月 20 日的水星東大距,正好土星、木星、水星、金星四顆行星連成一線,非常適合觀賞!

10月20日,水星東大距,這一天不只適合觀看水星,傍晚的天空還可以同時看見土星、木星、金星。Stellarium軟體製作

12月26日(農曆初一)日環食

這次的日環食台灣地區只能看見日偏食,環食帶從阿拉伯半島南端通過印度南端、新加坡、婆羅洲。在台灣能看見的日食,愈南邊太陽被月亮覆蓋的程度愈大。

12月26日,高雄地區看見的日偏食,左上角的是木星。Stellarium軟體製作

加碼:

1月6日(農曆初一)日偏食

這次的日偏食只有台灣中北部可以看見,月亮從太陽的邊緣畫過,食甚時太陽只微微的缺了一角。

2019年彗星彩蛋

今年預計會有幾顆相當亮的彗星靠近,不過彗星的預測亮度相當不準確,請留意屋頂上的天文學家的臉書,隨時提供最新的消息。

  • 322P/SOHO 預計在 8 月底達到 7 等
  • P/2008 Y12 SOHO 預計在 10 月達到 -2.6 等
  • 289P/Blanpain 預計在 12 月達到 5.2 等

參考資料


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被稱為「毒塑膠」的聚氯乙烯為什麼還在我們生活中?要怎麼避免它的危害?

  • 撰文/陳衍達

圖/analogicus @Pixabay, CC0

2016 年八月,全台灣的中小學即將開學之際,不到百人的雲林麥寮橋頭國小許厝分校,因為台塑公司在六輕工業區的聚氯乙烯製程中排放的氯乙烯1,迫使政府決議遷校,學生們只能在陌生的環境裡開始新的學期。

然而聚氯乙烯和氯乙烯是何方神聖?為什麼讓政府做出這項破天荒的決定?站在外頭的我們耳聞各種消息,卻總是霧裡看花,不如就讓我們用科學的角度來揭開聚氯乙烯的面紗吧!

萬用的聚氯乙烯塑膠

聚氯乙烯 (Poly vinyl chloride, 簡稱 PVC) 屬於塑膠的一種,是由氯乙烯單體 (Vinyl chloride monomer, 簡稱 VC VCM) 聚合而成的塑膠,在臺灣的塑膠分類編號是三號。

PVC算是最早被發現的塑膠之一,在十九世紀分別被法國化學家 H. V. Reagnalt 和德國的 G. E. Baumann 意外合成,這個時期的 PVC 製程都是利用陽光將氯乙烯催化聚合,成品都是堅硬的高純度 PVC,應用價值不高;不過到了第一次世界大戰後,美國百路馳公司 (B. F. Goodrich) 的工程師 W. Semon 把塑化劑摻入聚氯乙烯中,讓它變得易於加工,開啟了 PVC 的商業量產之路2

高純度的聚氯乙烯質地堅硬的特性,因此很常被用來製作水管。圖/FlickreviewR @Wikimedia, CC-BY-SA-2.0

純度較高的聚氯乙烯質地較堅硬,可以製作成水管、窗框以及信用卡和提款卡的本體等等;如果摻入一些塑化劑將其軟化,可以製成塑膠袋、人造皮、防水塗層、電線包材還有許多醫療耗材等等。

聚氯乙烯的回收標誌是三號,是由含有一個氯原子的氯乙烯分子聚合而成。 回收標誌圖/ dejavu-font @Wikimedia, CC0;化學式圖/@Wikimedia, CC0

在成份上,聚氯乙烯因為含有氯的成分,不像其他塑膠易燃,所以選用防火建材時如果需要使用到塑膠,也會優先考慮使用聚氯乙烯3PVC 的用途非常廣,基本上日常生活中的塑膠製品幾乎都可以用 PVC 製成。據世界衛生組織 WHO 1999 年的報告,聚氯乙烯佔了全世界 20% 的塑膠使用量4

聚氯乙烯,一生都是毒?

然而,當我們在網路上以聚氯乙烯為關鍵字下去搜尋時,會發現這麼萬用的材料負面資訊壓倒性佔多,甚至於在國際上有共識要逐步禁用 PVC

圖/截圖自google搜尋頁面

如果單就上述討論過的實用性來看,這是讓人相當難以理解的事。這一切的一切要回到1940年代開始的一系列研究,蘇聯的 S. R. Tribukh 等人 1949 年時在《衛生Гигиена и санитария*》期刊提出聚氯乙烯工廠勞工肝功能異常的狀況,同時期歐美各地也有類似的案例出現,便有許多研究團隊長期追蹤4,5。隨著致病證據越來越多,國際癌症研究署 IARC 1987 年將氯乙烯列為確定對人類有致癌性的物質第一級致癌物,並將聚氯乙烯列為尚不確定致癌性的物質第三級致癌物

但是前述的致癌性,最主要影響的對象其實是工廠從業人員,對其它的平民老百姓好像也沒什麼太大的健康危害,那為什麼我們還要把聚氯乙烯稱做「毒塑膠」呢?

其實從生產、應用到廢棄,聚氯乙烯製品都會釋出許多健康危害物質。生產的部分,主要原料氯乙烯是氣體,在製造過程中很容易洩漏,像一開始提到的許厝分校,就是 PVC 製程的受害者;除此之外,製程中還有許多副產物及廢水,例如台塑仁武廠的汙染事件,而氯乙烯的原料-─氯氣是從更上游的鹼氯工業而來,二十年前的柬埔寨汞污泥事件以及引發公害訴訟的台鹼安順廠汙染事件都是相關的污染案例。

PVC 製品中也含有許多為了改良產品性質而加入的塑化劑或者安定劑,這些物質遇到高溫環境很容易釋出到周遭環境中7,儘管有些廠商會聲明 PVC 無毒無害,但已有國內研究在保鮮膜瓶裝水等生活用品中驗出塑化劑。

而廢棄的 PVC 製品大多會進到焚化爐,但因為本身含有氯的成分,它在燃燒的過程中會產生同樣屬於第一級致癌物的多氯聯苯8。簡而言之,聚氯乙烯的一生中,有毒物質總是如影隨形。

該如何避免可能的危害?

而身為消費鏈最末端的我們又要如何避免自己受到聚氯乙烯的傷害呢?儘管各國政府已經逐步減用 PVC,根據歐洲塑膠生產商協會 PlasticsEurope 的報告,2016 年歐盟國家的塑膠生產量中,PVC 仍有百分之十的佔比,高居第三位,僅次於聚乙烯及聚丙烯9

圖/ArkkrapolA @Pixabay, CC0

消費者如果想進一步自保,得先了解塑膠製品除了聚丙烯 PP 以外基本上都不太耐熱,所以中心原則就是:不管有沒有標示,只要沒辦法確定是 PP,就不要讓塑膠製品接觸到超過五十度的高溫耐熱程度最差的寶特瓶 PET、聚氯乙烯 PVC 和聚乳酸 PLA 攝氏六十度時就會部分熱分解10,並減少包裝和油脂接觸油脂會加速添加劑溶出11

再來就是少用聚氯乙烯製品,只要看到用三號 PVC 回收標誌包裝的食物就少買,購買塑膠製品時也盡量避免成份是「PVC」、「聚氯乙烯」或是「聚氯乙烯樹脂」的商品。

至於工廠排放的污染如何解決?我們仍舊可以利用公民參與的方式影響政府的決策,讓相關的管控更透明有效,有興趣的人可以進一步瀏覽下面列出的網站,持續關注並將這些想法傳達給周遭的人,不要再讓更多人受害。

* Гигиена и санитария的發音是Gigiena i sanitariya,英文意思是Hygiene and Sanitation,兩個字在中文都是衛生的意思。

參考資料:

  1.     蘋果日報-【六輕污染悲歌】許厝國小遷校 許厝人:居民能遷去哪?
  2.     PVC.orgHistory
  3.     維基百科-聚氯乙烯
  4.     世界衛生組織-Environmental Health Criteria 215: Vinyl Chloride
  5.     Environmental Health PerspectivesJ. K. WagonerToxicity of Vinyl Chloride and Poly(vinyl chloride): A Critical Review
  6.     國際癌症研究署-致癌物質列表
  7.     泛科學-搞懂七大類塑膠使用法,才不會餐餐吃「塑」
  8.     Reviews of Environmental Contamination and ToxicologyT. Shibamoto等人〈Dioxin Formation from Waste Incineration
  9.     PlasticsEuropePlastics – the Facts 2017
  10. 衛福部食藥署-塑膠食品容器宣導網站
  11. 泛科學-用塑膠容器會吃到塑化劑?都是擴散作用搞的鬼!

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米粥麻糬麵包洋芋片,從黏膩到酥脆,澱粉風貌百變的秘密是什麼?──《口感科學》

來自植物的兩種澱粉

澱粉是廚房裡的經典材料,最常用的增稠劑之一。在植物體內,澱粉以碳水化合物的形式儲存能量,主要集中在種子和可食根部,例如稻米、小麥、玉米和馬鈴薯。在全人類攝入的總熱量中,澱粉佔了約 50%。澱粉由直鏈澱粉支鏈澱粉這兩種多醣類構成,兩者整齊緊密地聚結在一起,在植物組織裡形成小的澱粉粒。不同種類植物裡的澱粉粒大小和形狀各異,稻米裡的通常很小(直徑約 5 微米);而小麥裡的大些(20 微米);馬鈴薯的澱粉粒則更大(30∼50 微米)。

構成澱粉的兩種多醣:直鏈澱粉(左)和支鏈澱粉(右)。圖/出版社提供

澱粉粒外圍包覆著多種蛋白質,這些蛋白質可以和水結合,而它們的性質決定了澱粉的吸水力和抵抗酵素作用的能力。低溫環境中,蛋白質含量高的澱粉比含量較低的容易吸水。蛋白質與水結合之後,澱粉粒之間會相互黏結,澱粉就沒辦法再吸收更多水,這也就是為什麼蛋白質含量高的澱粉特別容易結塊。

電子顯微鏡下生馬鈴薯的澱粉(左)和煮熟馬鈴薯的澱粉(右)。生馬鈴薯裡的澱粉粒直徑通常介於 30~50 微米, 煮熟後會因吸水而崩解,形成澱粉膠。圖/出版社提供

直鏈支鏈兩樣情

直鏈澱粉和支鏈澱粉之間的關係,在不同的植物中會有些許不同。直鏈澱粉通常佔澱粉成分的 20∼25%,但也有可能高達 85%。例如豌豆澱粉就有約 60% 是直鏈澱粉。但也有些澱粉幾乎完全由支鏈澱粉構成,這類澱粉稱為糯性澱粉(waxy starch),可見於糯米、玉米、大麥和綠豆等作物。

就澱粉做為增稠劑的功能而言,這兩種多醣扮演很不同的角色。兩種多醣都是由聚結在一起的大量葡萄糖構成,直鏈澱粉裡的葡萄糖形成長鏈,而支鏈澱粉裡的葡萄糖則形成大型的枝狀網絡,單個支鏈澱粉分子可能包含多達一百萬個葡萄糖。澱粉糊化的時候,直鏈澱粉分子會和水結合,並形成交纏的結構,而結構很大的支鏈澱粉分子不會互相交纏,並會形成比較密實的結構。例如取自木薯根(cassava root)的木薯澱粉(tapioca)裡有 83% 是支鏈澱粉,就可以形成非常厚重黏稠的凝膠。

澱粉深藏不露的強大吸水力

整顆的澱粉粒不溶於冷水但能吸水,最多可以增加 30% 的水分含量。但只要溫度升高,澱粉的吸水力就會明顯改變。這就是為什麼將馬鈴薯煮熟後可以搗成泥,而穀物可以煮成稀粥。溫度在 55∼70℃(131∼158℉)時,澱粉粒會開始融化並大量吸水,要加熱到 100℃(212℉)才能完全破壞澱粉粒整齊有序的結構。

澱粉粒經加熱時,吸收水分形成凝膠的示意圖。圖/出版社提供

直鏈澱粉含量高的澱粉吸水能力較佳。例如富含直鏈澱粉的馬鈴薯澱粉與水結合的能力就十分驚人,所以增稠效果勝過支鏈澱粉比例較高的玉米澱粉。澱粉粒吸水以後,可以膨脹成原本在生馬鈴薯裡體積的一百倍大。馬鈴薯磨成泥之後,可以輕鬆吸收原本馬鈴薯三倍重的水,卻還能保持原本的形狀。

澱粉粒吸水的同時,一些直鏈澱粉分子會開始向外滲入液體,讓溶液變得更硬。這些長鏈分子會逐漸交纏在一起,並且半困住澱粉粒,讓它們變得比較難移動。上述兩種效應都會讓澱粉溶液變得更濃稠。

馬鈴薯磨成泥之後,可以輕鬆吸收原本馬鈴薯三倍重的水。圖/pixabay

糊化增稠,澱粉吸收水的效果

如果直鏈澱粉分子的濃度夠高,在溫度夠低時,直鏈澱粉分子形成的網絡就會變硬,且形成類似固體的凝膠,而澱粉粒溶化和吸收水的過程就稱為糊化。如果去攪拌凝膠,直鏈澱粉分子形成的網絡會破碎成片,澱粉粒也會開始碎裂,凝膠的黏稠度就會降低。冷卻之後的凝膠只會有部分重組,因為直鏈澱粉分子會再次形成網絡,但澱粉粒本身還是碎裂的。想想看在肉汁醬裡加澱粉讓它更濃稠,還有煮粥時攪拌再放涼的情況,就會發現這些效應其實再常見不過。

除了溫度和水分含量,澱粉的糊化也會受其他因素影響。如先前所述,澱粉粒維持聚結成團的能力高低,取決於包覆其外的蛋白質,而脂肪在糊化控制上也扮演一角。這對於製作油炒麵粉糊(roux)就很重要,因為等比例的麵粉和奶油會限制澱粉粒吸水的能力。

放置過久水分滲出,直鏈澱粉的回凝離水現象

澱粉形成的凝膠靜置冷卻一段時間之後,凝膠會變硬且具彈性,開始有水滲出。其中不溶於冷水的直鏈澱粉分子,就會開始重新組成類似晶體的結構,但本質上和原本澱粉粒的緊密結構是不同的,這個過程稱為回凝(retrogradation)。這也就是為什麼不應該將麵包放在冰箱冷藏的原因了。雖然大家常說這樣可以防止麵包變得乾而無味,但其實沒弄清楚問題癥結。麵包放久會變得索然無味,不是因為流失水分,而是因為澱粉回凝。直鏈澱粉分子結晶化的時候會排出水分,就可能造成水分滲出,在此情況下稱為離水現象。用澱粉增稠的肉汁醬也可能發生同樣的狀況:肉汁醬靜置放涼一段時間之後會變硬,裡頭的水分可能滲出並累積於肉汁醬表面。

麵包放久會變得索然無味,不是因為流失水分,而是因為澱粉回凝。圖/pxhere

含有澱粉的冷凍食品也可能發生回凝。結果就是將食品解凍之後,裡頭的汁液會滲出,例如造成派餡滲漏。如果採用支鏈澱粉含量高的澱粉,某種程度上是有可能預防回凝。即使支鏈澱粉回凝,也可以藉由加熱來回復,但直鏈澱粉回凝就是不可逆的。另外,含有一定量的脂肪或乳化劑的麵包糕點,可能也不會產生回凝,因為脂肪分子能防止澱粉結晶。

將充滿澱粉的凝膠體如麵團加以烘烤乾燥,可能會讓澱粉形成玻璃態,這也是為什麼新鮮現烤的麵包脆皮、餅乾和洋芋片會具有特殊的酥脆質地。

 

 

 

本文摘自《口感科學: 由食物質地解讀大腦到舌尖的風味之源》,2018 年 11 月,大寫出版。


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綿密、柔韌、酥脆、耐嚼,食物的結構如何影響吃出來的口感?──《口感科學》

食物的結構與組織

食物的物理狀態和結構, 可以定義為和其物理組成( physical composition)有關的一切,也就是食物的不同部分和分子,從最小到最大各個層級是怎麼組合在一起。理論上,我們多少可以用量化的方式去觀察、測量和描述食物的結構。食物結構的一些層面是肉眼可以看到的,有些可以用顯微鏡觀察,還有些必須利用特殊儀器才能看到。無論物質是固體、液體、氣體、混合物或乳化物,都具有特定的重力、熱能和黏稠度等性質。

食物的「形狀」和「形態」這兩種物理性質,對於風味經驗中的視覺層面而言也極為重要。舉例來說,一顆又大又圓的蘋果、一粒小巧多瘤的核桃、一塊透明的果凍和一些可可粉的外觀,都會讓人心中產生不同的期待。

食物的外型會讓人們產生不同的期待。圖/pxhere

不管是物理狀態或結構,都是食物這個物質本身具備的性質,但質地卻是我們體驗食物之後的感覺,其中又以口感最為重要。雖然「質地」和「口感」兩詞一般使用時往往可以替換,但實際上,質地成了我們形容食物口感時最重要的概念。質地其實就是入口後感受和辨認出的食物結構。

我們通常是在將食物放入口中的時候,才會認知到它的結構,所以我們很容易搞混一些食物的結構和組織。吃義式冰淇淋的時候,要等咬嚼到小冰晶咔滋作響,我們才知道冰淇淋不是均質的。同理,吃果凍時要等果凍接觸上顎,並因為口中的溫度加熱而融化,我們才知道果凍柔軟易融;用餐時舌頭接觸到肉汁醬(gravy),我們才知道是濃稠有團塊或稀薄滑順。

要等咬嚼到小冰晶咔滋作響,我們才知道冰淇淋不是均質的。圖/pixabay

一個「質地」,各自表述?

質地的定義從前並不清楚一致,不同的科學家和食品產業界的專家各說各話。有些食品業界人士的用意,是希望使用的詞語,要有助於減少產品質地可能的缺陷或不一致。直到最近幾十年,科學界才逐漸發展出一套理性、精準的詞彙來描述食物的質地,包括「綿密」、「柔韌」、「硬脆」、「耐嚼」等描述用的詞語都有明確的定義,對於定量感官實驗的執行和食品工業的應用都有莫大助益。所達到的成效中,一方面在於描述質地時依據的不同參數的定義更加清晰,而在改良特定食物帶來的感官經驗方面,質地的運用也更形重要。

有些質地的參數只是機械式的性質,可以在實驗室裡以量化方式測量。有些參數則定義較不明確,最理想的是透過個人的感官印象以質性方式檢測。其中以口感最為重要,但視覺和聽覺也牽涉其中。由於食物入口之後會和唾液接觸,受到口腔中的溫度影響,並經過舌頭翻攪和牙齒咬嚼,其質地就會改變,一切就更形複雜。再者,進食時的機械式動作因人而異:嚼很快的人覺得硬脆的食物,由一個嚼很慢的人來吃,卻會覺得柔軟有彈性。

質地的感受會受口腔環境及咀嚼速度而改變。圖/wiki

很多種食物都處在不平衡的狀態,隨時會自動產生變化,而且變化速度時快時慢,這一點的重要性與食物本身可保存的特質有關。餐廳裡的菜餚都是現煮現吃,適用於現煮食物的,就不會適用於食用前可長久保存的量產加工食品。麵包等食物在質地上的變化,往往決定了該項加工食品的保存期限。

固態、液態和氣態,食物有多樣的相態

不管是生鮮食材或加工食品,是固體、液體或氣體,所有物質的結構都是與其物理狀態相關的一種靜態性質。但結構不會一直保持平衡,隨著時間過去,可能會從一種相態轉變成另一種相態,也可能因為受到外力而產生劇烈改變。舉例來說,糖的結晶原本是硬實的固體,可以放入嘴裡嚼碎;奶油是較軟的固體,含入嘴裡或放在長柄平底鍋裡加熱就會融化變形;果汁之類的液體會流動;食物散發出的氣體分子等氣味物質,被鼻子吸進之後會在鼻腔中盤旋向上。

未煮過的乾燥義大利麵(硬韌有彈性)和煮過變軟的義大利麵(可塑形)。圖/出版社提供

純物質平衡時的狀態判定起來相對容易,最典型的例子大概就是水了:凝結成固體時是冰,是液體時會流動,蒸發時是氣體。

固體多半呈結晶形式,例如食鹽的分子結構很有秩序,所有分子之間維持很穩定的關係。相對的,固體在分子層次的結構也可能混亂無序,可能是缺乏結晶體結構的非晶質(amorphous)物質,或是像焦糖這樣屬於玻璃態物質。非晶質物質的分子彼此之間的關係還算穩定,但經過長時間之後可能產生位移,會像極濃稠的液體一樣緩緩流動。玻璃態這樣的狀態看似怪異少見,但卻是影響多種食物的性質和口感的重要元素,舉凡巧克力、硬糖果、麵包脆皮、乾燥義大利麵、粉末和冷凍食品,都是玻璃態的食物。

液體的結構在分子層次很混亂。雖然分子彼此之間有部分相互結合,但多少可以自由移動。液體會流動,而像濃稠糖漿這樣的液體,流動的速度可能慢到不可思議。

氣體的分子彼此之間並未接觸,可以很自由地流動,甚至可以移動到很遠的地方,這就是為什麼有時候隔很遠也能聞到食物的味道。雖然沒有製成氣體狀態的加工食品,但食品本身卻可能含有大量氣體,包括打發鮮奶油(whipped cream)、蛋白霜(meringue)和烘焙食品。很多生鮮食材裡也含有大量空氣,例如蘋果全部體積裡有 25%是空氣。

顯微鏡下的蛋白霜。泛白的區域是氣泡,其中最大的直徑約 80 微米。圖/出版社提供

還有一種純物質稱為液態晶體(liquid crystal),它的結構屬於中間相(mesophase),也就是介於傳統的固體和液體之間的相態。很多種脂肪都可以形成液態晶體,常見的包括細胞壁裡的脂肪和巧克力裡的可可脂。

固液氣通通來,食物還能更複雜

食物裡只有一些是成分全都處於相同狀態,其中以液體居多,例如油、葡萄酒和啤酒,也有一些固體如純脂肪和焦糖形式的糖。但一般的食物飲料多半是由處於不同狀態的成分混合構成,狀態也就更為複雜。以沙拉醬、醬汁和啤酒泡沫為例,是由兩種不同狀態的成分構成,而奶油和黑巧克力的成分則分別處於三種不同狀態,聖代和牛奶巧克力含有四種不同狀態的成分, 至於白脫奶的成分則分屬五種不同狀態。

要知道不同的狀態如何在食物裡共存,可以舉幾個簡單的例子:魚肉裡有一滴一滴的魚油,固態的果凍裡會有水珠,還有乳化物裡混合了兩種液體。有一些食物的泡沫,是由氣體和液體混合組成的結構,狀態變化和固體相似。有些如優格和卡士達醬,則處於所謂的半固體狀態(semisolid state)。還有一些如膠凍等物質,雖然看起來不太像,但卻是貨真價實的固體。

還有一些如膠凍等物質,雖然看起來不太像,但卻是貨真價實的固體。。圖/pxhere

從「物理-化學」的觀點來看,食物的狀態和物理結構,基本上取決於本身成分以及融於或混合其他物質時接觸到的成分之間,發生的各種物理作用和分子間的作用力。這些作用力往往會互相競爭,而且在很大程度上受到其他因素左右。影響因素可能包括:可溶鹽類具有的帶電粒子,酸類和鹼基之間平衡決定的酸鹼度,或醣類和大的碳水化合物分子等高分子聚合物,與水和油裡對應之乳化劑的互溶性。有時候只要輕微的變動,就能造成一種成分結構的實質改變。例如,在煮菜的水裡加一點氯化鈣,就能讓蔬菜變得硬韌,在牛奶或奶油醬汁裡加檸檬汁會讓乳蛋白凝結成塊,在美乃滋裡加一點卵磷脂會讓油和醋的結合更穩定,而加入果膠有助於讓水果點心或果凍定形。

為了讓一些液體、溶液或混合物的口感更好,我們會想將它們變得質地更均勻、更黏稠或更硬實。傳統上有很多方法都可以運用,包括加入增稠劑、安定劑、乳化劑或膠凝劑,這些添加物可以改變食物或飲料的狀態、黏稠度以及與其他物質的互溶性。

 

本文摘自《口感科學: 由食物質地解讀大腦到舌尖的風味之源》,2018 年 11 月,大寫出版。


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2018《Science》年度十大科學突破

  • 本文由旻諭、馨香共同寫作

每年《Science》的編輯和記者們都會選出「年度十大科學突破」,再讓大夥們一起投票選出當年度最最最重大的科學研究。當然,今年也不例外!廢話不多說,就讓我們直接從最受歡迎的票選冠軍談起吧!

關鍵技術「三部曲」:追蹤受精卵裡的每、一、個細胞

你是否曾經疑惑過:人體的器官明明都是從同一顆受精卵不斷分裂而來,為甚麼卻可以長出心臟、肺臟、頭腦、手腳等等不同的器官跟組織?

其實這個問題也困擾生物學家很久了,從古希臘時代的醫生希波克拉底開始,生物學家一直很想了解:人類如何從單一細胞,發育成一個具有不同器官和數十億細胞的個體?

現在,出現了新的技術,讓我們很可能即將解開這個秘密!只要透過結合三個關鍵技術(合稱為 Single-cell RNA-seq),就能以「單一細胞」的超細微尺度,來追蹤每個細胞如何分化。這個技術組合可以大大促進基礎研究和藥物研究的發展,因此榮登 2018 年度最重大的科學突破!

如何進行呢?

  1. 從活體中分離出上千個完整細胞
  2. 為每一個細胞進行基因定序,得到每個細胞的基因表達情形
  3. 以電腦模擬或標籤 (labeling) 細胞的方式,重建細胞之間的時間與空間關係

透過結合三個關鍵技術(合稱為 Single-cell RNA-seq),就能以「單一細胞」的超細微尺度,來追蹤每個細胞如何分化。圖/NIH Image Gallery @flickr

從上千個細胞的基因定序結果,研究人員可以一窺個別細胞在特定時間點有製造哪些 RNA ,對應到細胞的最終分化型態,藉以了解對某種細胞而言,哪些基因表現是重要的。如此一來,我們可以便能了解器官與組織的發育過程,也能研究畸形或是特定疾病的發生,究竟是在發育過程的哪一步出了差錯。

來自遙遠星系的好消息:成功定位微中子

電磁波、重力波等訊號,就像是由遠~方捎來消息的信使,讓科學家得以理解億萬光年外的宇宙發生了什麼事。在今年,科學家首度成功定位出高能微中子的來源,讓微中子也加入了信使的行列。

位於南極冰川底下深約 1.5-2.5 公里處的「冰立方」(IceCube),是由 5160 個光感測器組成的微中子觀測站,總體積大約有一立方公里。2017 年 9 月,冰立方偵測到一顆撞擊冰分子的高能微中子,透過分析反推出微中子的入射方向,並即時向全球天文台發出通告。數天後,NASA 的費米伽瑪射線太空望遠鏡團隊指出,他們日前觀測到一顆正處於活耀期的耀變體 (blazar),其方位和冰立方指出的高能微中子來源是相符的。

今年 7 月,數千位研究者共同發表了正式報告,確定此高能微中子就是來自這一顆距離地球 57 億光年遠、正在發出強光的耀變體。耀變體會製造伽瑪射線和微中子,也很有可能噴射如質子、氦原子核等其他高能粒子,這表示,每天轟炸地球的宇宙射線有可能就是來自那裡。

南極的「冰立方(IceCube)」微中子天文台。圖/截圖自 youtube

以電子束掃描,快速鑑定分子結構

以前,想要確認有機化合物分子結構,可能要花上個好幾天、好幾週,甚至好幾個月。不過,就在今年 10 月,剛好有兩個研究團隊同時發表論文,這個新的掃描方法只要花短短幾分鐘就能確定小型有機化合物分子結構!

過去幾十年來,科學家們都是用「X 射線晶體學」的方法來確認分子的結構:將一個個分子排排站形成一個 3D 晶體結構之後,以各種角度發射 X 射線,再從 X 射線繞射的結果來推估電子密度分布,最後依這個電子密度分布解讀判定分子結構。

過去我們都是用「X 射線晶體學」的方法來定義分子的結構。圖/By Thomas Splettstoesser @wikimedia commons

但要讓目標的物質(通常是蛋白質)形成足夠大的晶體並不是那麼容易的事,因此往往成為確認晶體結構最大的門檻。新方法以「電子束」取代 前述方法中的「X 射線」,對著 3D 結構的晶體發射電子束,追蹤每一個微小角度變化的電子束繞射結果,就能在幾分鐘內推敲出分子結構。而更重要的則是,這個新方法所需的晶體大小僅需舊方法的百萬分之一!

能夠確認分子結構,可以幫助科學家更了解該分子的特性,這對新藥合成、分子探針設計和疾病追蹤等都有很深遠的影響。

發現格陵蘭冰川下的巨大火山坑

今年十一月,科學家透過飛機雷達發現,在一萬三千年前,有顆小行星砸在格陵蘭島西北部的海華沙冰川 (Hiawatha Glacier) ,不僅立刻蒸發了岩石,還在北極上空發出衝擊波,產生一個寬 31 公里的隕石坑(幾乎跟臺北市一樣大)。

海華沙隕石坑 (Hiawatha crater) 長年深埋在一公里厚的冰川之下,是地球上最大的 25 個隕石坑之一。雖然這次隕石撞擊地球的影響程度,沒有 6600 萬年前造成恐龍滅絕那次來得可怕,但海華沙隕石坑的形成可能對全球氣候產生巨大影響:當小行星撞擊海華沙冰川,其產生的衝擊導致融水湧入北大西洋,可能阻礙了通往歐洲西北部的暖流,使得溫度驟降。這項發現或許可以解釋具爭議性的新仙女木事件 (Younger Dryas)。

#MeToo STEM 運動發燒!拒絕科學界性騷擾

「我們必須改變這個繼續允許性騷擾的文化和環境。」──美國國家醫學院主席 Victor Dzau @華盛頓「預防性騷擾工作坊」(2018.11)

一直以來,科學界的性騷擾一直被低估、忽視。不過在今年六月,美國國家科學院、工程和醫學院發布了一份關於科學、工程學和醫學領域女性遭性騷擾的關鍵報告。報告指出,超過 50% 的女教職員工以及 20%-50% 的學生皆曾遭受性騷擾,其中最常見的形式包含語言及非語言的性別歧視。

今年,幾個機構開始採取行動,如美國科學促進會 (AAAS) 在九月通過了一項相關政策,說明美國科學促進會研究員一旦被確認是性騷擾者,將遭到終生剝奪名譽。美國國家學院主席也在五月承諾研究人員若被確定為性騷擾者,將從榮譽排行榜中被剔除。

幾位評論家認為改變的速度可能還不夠快。美國田納西州范德比大學的神經科學家 BethAnn McLaughlin 在今年成立倡導組織 #metooSTEM,她特別提到美國衛生研究院 (NIH) 並沒有通過任何防治性騷擾的政策或採取任何相關行動。McLaughlin 以 46 秒的沉默作為公開談話的開場,她說:「每一秒代表美國衛生研究院提供資金、卻不過問研究員是否違反性擾法規的每一年。」(1 second for every year that NIH has given money to scientists and doctors and not asked if they have violated Title IX)

  • 註:Title IX 第九條是 1972 年美國禁止對學生進行性騷擾的法規。

超過 50% 的女教職員工以及 20%-50% 的學生皆曾遭受性騷擾,其中最常見的形式包含語言及非語言的性別歧視。圖/surdumihail @pixabay

發現擁有尼安德塔媽媽、丹尼索瓦爸爸的混血中二少女

2012 年,研究人員在西伯利亞的一個洞穴中找到一塊來自五萬多年前女性的骨頭碎片,並從 DNA 的比對結果發現,她居然是尼安德塔媽媽與丹尼索瓦爸爸愛的結晶!這件出土的化石被命名為「Denisova 11」,長度 2.47 公分,且從皮質骨密度推估她去世時至少已有 13 歲(因此叫她中二少女應該不過份(笑)。

這塊骨頭的基因定序結果,顯示其 X 染色體片段數目與體染色體一樣多,表示她是女生。(不論男女,一對體染色體都是兩條,而性染色體女性有兩條 X,男性只有一條 X。)且她的粒線體 DNA,也就是完全遺傳於母親的 DNA 是尼安德塔型,因此可以確定母親為尼安德塔人,爸爸為丹尼索瓦人。如果細看她的基因體,可以發現她爸其實本來就混了一些尼安德塔血統。

在這之前,研究人員知道尼安德特人、丹尼索瓦人和現代人類,偶爾會在冰河時代的歐洲和亞洲進行雜交,卻未曾確切發現過他們的後代。

這次的發現還帶來了另一個驚人的研究結果:尼媽的血緣比較接近克羅埃西亞的人類,而和同在丹尼索瓦洞穴的同類血緣比較疏遠,代表尼媽這群尼安德塔人時常遷徙於歐洲和西伯利亞兩地之間。這項研究成果可說是提供更多人類的演化史線索!

Credit: Thomas Higham/University of Oxford

偵破懸案新星:「鑑識系譜學」時代來臨

今年四月,美國警方宣布他們成功破解了史上最撲朔迷離的懸案──金州殺人案 (Golden State Killer) ,逮捕了其中一位嫌疑人。

  • 註:金州殺人案是 1970 到 1980 年代在加州的一系列強姦與謀殺案。

警方利用從犯罪現場蒐集到的 DNA 樣本,比對公共家譜 DNA 資料庫 (public genealogy DNA database),進而鎖定嫌疑人的家屬。執法單位已經利用「鑑識系譜學 (Forensic genealogy)」成功偵破其他 20 件懸案,讓鑑識系譜學成為當代功不可沒的鑑識界新星。

在金州殺人案中,當局使用一個叫「GEDMatch」的公共線上 DNA 資料庫。GEDMatch 資料庫是由兩位德克薩斯州和弗羅里達州的業餘系譜學家負責經營,每個人都可以提交自己的 DNA 定序結果到這個資料庫中。調查人員把從犯罪現場蒐集到的 DNA 樣本資訊,上傳到 GEDMatch 資料庫之後,便可找到嫌疑犯的遠房親戚,進而確定嫌疑犯身分。

藥品新招!RNAi 藥物在歐美獲准上市

核糖核酸干擾 (RNA interference, RNAi) 是一種可以讓基因沉默(或者說把某個基因「關掉」) 的技術。理論上透過這個技術,我們可以用 RNA 分子「關掉壞基因」、讓疾病不會發生。RNAi 這項技術早在 20 多年前就已經發明,但因為 RNA 分子實在太脆弱,很難讓 RNA 分子在抵達正確的組織前不受破壞,因此這項技術一直都無法實際應用於藥物設計。

直到 2008 年,這項難題終於有解方!美國麻薩諸塞州劍橋市的 Alnylam Pharmaceuticals 公司提出解套方法:利用一種「脂質奈米顆粒」來保護基因沉默 RNA (gene-silencing RNA),確保這段 RNA 可以成功被送達目的地。

Alnylam 設計出的 RNAi 藥物「Onpattro」可用來治療遺傳性轉甲狀腺素介導的類澱粉變性 (hereditary transthyretin-mediated amyloidosis, hATTR) 所引起的多發性神經病變 (polyneuropathy)。當「Onpattro」和脂質奈米顆粒結合,並運送至肝臟之後,可以阻止摺疊錯誤的蛋白質產生,也就能避免因為蛋白持累積形成的心臟與神經損傷。

RNAi 藥物「Onpattro」在今年 8 月通過美國食品和藥物管理局 (FDA) 和歐洲藥品管理局的批准,並以每年 45 萬美元的定價進入市場。

從分子痕跡一窺五億年前的世界:世上最早的動物在這裡!

今年科學家偵測到了來自超過五億年前生物的分子痕跡,讓人們對於地球早期的動物有更進一步的了解。

九月,位於坎培拉的澳洲國立大學研究團隊試圖從一些特殊的古老化石上找尋有機分子。這些來自俄羅斯白海懸崖邊的化石,沒有經過高溫高壓,且上面有一層看起來由有機物質構成薄膜。研究團隊猜想或許能找到未被摧殘的有機分子,因此他們取下化石上的薄膜、溶解它,並以氣相層析法和質譜法分析。研究結果發現,他們在埃迪卡拉紀(據今 5.42 億至 6.35 億年前)的狄更遜水母 (Dickinsonia) 化石中找到類膽固醇的分子,由於類膽固醇分子是動物的象徵,代表某些埃迪卡拉紀生物很可能是地球上最早的動物之一。

狄更遜水母 (Dickinsonia) 化石。圖/wikipedia

而在今年十月,另一個研究團隊從距今 6.6 億到6.35億年前的岩層裡,發現一種只有海綿動物會製造的分子。這代表「海綿」這種型態的動物,可能比目前已知最古老的化石還早出現了一億年。

維持細胞運作的秘訣:形成「液滴」

細胞內的眾多蛋白質、RNA 是如何在茫茫大海中找到彼此,在正確的時間與地點行使功能呢?近年來,科學家逐漸理解到,答案在於這些物質形成的「液滴」(liquid droplets) 結構。

自 2009 年開始,研究者發現很多蛋白質可以分離、聚集形成一顆顆液滴。此現象類似於「液-液相分離」(liquid-liquid phase separation),如同水和油是分離的,在水中的兩顆油滴碰在一起時,可自然融合為一。愈來愈多證據顯示,細胞內蛋白質、RNA 構成的液滴是生化反應的關鍵,組織了維持細胞運作的工作秩序。

2017 年有研究發現,細胞核中有液滴會幫助染色質濃縮,使位於該區域的基因無法表現。今年,有三篇刊登於《科學》期刊的論文指出,促進 DNA 轉錄為 RNA 的蛋白質,會聚集成液滴附著在 DNA 上。雖然運作的細節還有待繼續研究,然而 DNA 轉錄為 RNA 是製造新蛋白質的第一步,這些研究透露了液相分離在「如何選擇性地表達基因」這個生命的重要謎團扮演一定的角色。

  • 如果想了解更多,歡迎參閱《Science》精心製作的影片

參考資料:


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【GENE思書軒】天才艾倫‧圖靈的一生

電影裡要描寫科學家,就讓他們穿白色實驗衣在實驗室和辦公室走來走去。可是現實中,如果我平時沒事就這麼做,同事和學生只會想說我是不是很後悔當初沒去唸醫科,然後忘了吃藥了 Orz

近年有不少描述科學家「真實」生活的電影或影集,如《模仿遊戲》(The Imitation Game)《愛的萬物論》(The Theory of Everything)《天才無限家》(The Man Who Knew Infinity)《關鍵少數》(Hidden Figures)《世紀天才》(Genius) 等等。

這些科學家的傳記能夠搬上大銀幕,當然是因為他們的故事非常戲劇化。即使是大部分諾貝爾獎得主的生平要搬上銀幕,大概只有他們在實驗室裡長時間玩弄不知名的儀器、長時間在辦公室裡讀文獻和打字、或者在課堂中上觀眾完全聽不懂的課⋯⋯

然而,人生的真實狀況有時間是比電影中還鬼扯,以致於編導都不敢照本宣科地搬上大銀幕,以免被影評奚落是亂灑狗血;至少,扣掉電影中那些為劇情發展而弄出的橋段,這些了不起的科學家,他們在人生中和科學上的豐富程度,是電影或影集都難以刻畫的,況且電影常為了製造張力討好觀眾而虛構重要劇情。

誰是艾倫‧圖靈 ?

如果沒有《模仿遊戲》的主角艾倫‧圖靈 (Alan Turing,1912-1954),電腦也應該還是會誕生,只是不知會晚多久。如果沒有他在第二次世界大戰期間加入布萊切利莊園 (Bletchley Park) 的團隊,破解了德國的密碼,二戰應該仍會結束,但也不知會晚多久,還會有多少寶貴的生命犠牲。如果他沒有因同性戀問題事發,受迫在當時英國法令規定下,被化學閹割後不久在身旁留下一顆毒蘋果自殺身亡,今天的人工智慧可能又會提前多早誕生?

他也提出著名的圖靈測試(Turing test,又譯圖靈試驗),是於 1950 年提出的一個關於判斷機器是否能夠思考的著名試驗,測試某機器是否能表現出與人等價或無法區分的智能。

圖靈測試內容是,如果一個人(代號 C)使用測試對象皆理解的語言去詢問兩個他不能看見的對象任意一串問題。對象為:一個是正常思維的人(代號 B)、一個是機器(代號 A)。如果經過若干詢問以後,C 不能得出實質的區別來分辨 A 與 B 的不同,則此機器 A 通過圖靈測試。

如此可見,圖靈是超越他時代的天才,不僅是位科學家也是位思想家,更是位真誠地面對自己的人,他的一生有許許多多值得我們深思的創見!

要認識艾倫‧圖靈這位真正了不起的科學家,一位讓我們對人類心靈和智能深入思考的科學家,影響力甚至超越科學,也給了哲學、藝術和文學等領域不少啟發,他那偉大又悲劇的偉人戲劇化的一生,《艾倫‧圖靈傳》(Alan Turing: The Enigma) 是最權威的傳記,沒有之一。

圖靈的父親朱利斯·麥席森·圖靈 (Julius Mathison Turing) 是一名英屬印度的公務員。1911 年,圖靈的母親在印度的懷了孕。因為他們希望艾倫在英國出生,所以回到倫敦,住在帕丁頓 (Paddington),並在那裡生下了艾倫。

父親的公務員委任使他在艾倫小時候經常來往於英倫和印度。由於擔心印度的氣候不利於兒童成長,他便把家庭留在英倫與朋友同住。圖靈很小的時候就表現出他的天才,後來就更加顯著。1931 年,圖靈考入劍橋大學國王學院。1934 年他以優異成績畢業。1935 年因為一篇有關中心極限定理的論文當選為國王學院院士,畢業後到美國普林斯頓大學攻讀博士學位,花了僅僅兩年就大獲得學位。

1939 年圖靈被英國皇家海軍招聘,並在英國軍情六處監督下從事對德國機密軍事密碼的破譯工作。兩年後他的小組成功破譯了德國的密碼系統 Enigma,從而使得軍情六處對德國的軍事指揮和計劃了如指掌。但是軍情六處以機密為由隱瞞了圖靈小組的存在和成就,將其所得情報據為己有。據說,圖靈小組的傑出工作,使得盟軍提前至少兩年戰勝了納粹德軍。

圖靈提出的理論是劃時代和極具開創性的,發明了電腦科學和電腦的許多概念,啟發了後世的許多研究。我算是外行,有不少概念似懂非懂,可是電腦科學的真正高手,往往被圖靈提出的許多概念折服!

艾倫‧圖靈 (Alan Turing,1912-1954)。
圖/wekipedia

天才圖靈不平順的人生

《艾倫‧圖靈傳》描繪出生動的圖靈,他還是一位世界級的長跑運動員。他的馬拉松最好成績是 2 小時 46 分 3 秒,比 1948 年奧林匹克運動會金牌成績慢 11 分鐘,要不是因為受傷,他可能真的參加了 1948 年奧林匹克運動會。

《艾倫‧圖靈傳》由的圖靈不造作,他沒有刻意隱瞞自己的性向,但圖靈因同性戀傾向而遭到的迫害使得他的職業生涯盡毀。1952 年,他和一名年輕的曼徹斯特男子交好,在那位同性伴侶協同一名同謀一起闖進圖靈的房子行竊時,英國警方的調查結果使得他被控以「明顯的猥褻和性顛倒行為」罪。《艾倫‧圖靈傳》指出,他沒有申辯,他並不認為自己有錯,並被定罪。

儘管他在科學上有極為卓越的貢獻,但還是在著名的公審訂罪後,被給予了兩個選擇:坐牢或雌激素注射「療法」(即化學閹割)。他最後選擇了雌激素注射,並持續一年。在這段時間裡,藥物產生了包括乳房不斷發育的副作用,也使原本熱愛體育運動的圖靈在身心上受到極大傷害。

1954 年,圖靈因食用浸過氰化物溶液的蘋果而死亡。很多人相信他的死是有意的,法官並判決他的死是自殺。但是他的母親極力爭辯他的死是意外,因為他不小心在實驗室里堆放了很多化學物品。

直到 2013 年 12 月 24 日,英國司法大臣才宣布英國女王伊莉莎白二世赦免 1952 年因同性戀行為被定罪的艾倫·圖靈。2015 年 2 月 23 日,圖靈的家人向英國首相府邸發出了一份超過 50 萬人簽名的請願書,要求英國政府赦免和圖靈一樣因同性戀而獲罪的人。2017 年 1 月 31 日,艾倫·圖靈法案生效,約近五萬位因同性戀定罪者被赦免。

電腦界諾貝爾獎:圖靈獎

為了紀念圖靈的偉大貢獻,電腦協會 (Association of Computing Machinery,ACM) 於 1966 年設立圖靈獎 (ACM A.M. Turing Award),專門獎勵對電腦事業作出重要貢獻的個人。設立目的之一是紀念這位現代電腦科學的奠基者。獲獎者必須是在電腦領域具有持久而重大的先進性的技術貢獻。大多數獲獎者是電腦科學家。是電腦界最負盛名的獎項,有「電腦界諾貝爾獎」之稱。

《模仿遊戲》的娛樂性多過知識性,如果你想知道一位劃世紀的天才在想什麼,問了麼了不起的問題,提出了什麼里程碑式的概念,可能還是好好讀讀《艾倫‧圖靈傳》才最實際!

本文原刊登於 The Sky of Gene


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