下一站,行星!要進行太空移民會碰到哪些困難呢?──《人類大未來》

y編按:快問快答,你覺得未來是什麼樣子?我們都在前往未來的路上,前面的道路會如何開展?景色又如何呢?泛科學2018年11月選書《人類大未來:下一個五十年,科技如何讓人類更幸福?》邀請多位科學家以及研究學者,一起描述未來,探討那些關於能源、科技、太空、氣候變遷、生物醫學……的真實與想望,讓我們邊前進邊一起共譜未來吧!

想移民外太空?先搞定太空船吧!

我們打造的太空船越快、力量越大,抵達其他星體的機會就越高,最終目標就是建造一艘能以接近光速的速度載著船員飛向太空的飛船。

這有兩個明顯的優點,第一點顯而易見,這段旅程會耗時較少,只需幾年就能到達附近的行星。第二個優點是,如果你航行的速度是光速的百分之九十九點五,根據愛因斯坦的相對論,時間本身就會變慢為原來的十分之一。所以在橫越一百光年的星際旅程中,太空人只會老十歲。但缺點就是,當他們回到地球時,他認識的每個人都老了一百歲。

像這樣的船隻需要力量強大到難以置信的推進引擎,也需要極其堅實的護盾來保護船身,承受小行星和太空垃圾的高速撞擊。從另一個角度看,與其努力變得更快,或許我們可以放慢腳步,好好利用這趟旅程的時間。假設太空船以百分之零點二的光速前進,便能在一萬年之間抵達好幾個行星,而人類將會在這樣的「世代飛船」(Generation ship) 上繁衍一個又一個世代。

人類將會在這樣的「世代飛船」(Generation ship) 上繁衍一個又一個世代。
圖/Pixar Wiki

世代飛船要載著數千位乘客撐過數千年嚴苛的太空生活,不僅要夠堅固,還得完全自給自足。所有人類賴以維生的能量、食物、空氣、水,以及值得信賴的電腦系統,完全由船上的「居民」來維護。船員以家庭為基本單位,孩子會在船上出生並受訓,準備有一天接手他們父母和祖父母的工作,維護並駕駛太空船。除了要克服硬體設備的技術問題,這些人同樣要面對重大的生物、社會和道德困境,尤其是關於自我價值的實現或規劃— 開創世代將無法活著看到自己的任務完成,中間世代則註定在過渡狀態下度過一生,死前無法看到努力的實際成果。在「中間世代」出生的孩子要如何感覺並面對自己被迫在這樣一艘船上生活的事實?

要解決這個問題,也許另一個方法會是更好的選擇,那就是讓多數或所有船員在睡眠艙內進入冬眠或假死狀態。

這樣一來,所有人都能活到旅程的終點。或是設計某種攜帶胚胎的星際船,將冷凍或休眠狀態的人類胚胎或 DNA 運送到目的地。但是這個方法顯然有漏洞,抵達目的地之後,誰要來養育這些人類胚胎?所以果然還是航行時間與人類生命週期相當的太空船最恰當。

讓多數或所有船員在世代飛船的睡眠艙內進入冬眠或假死狀態,就能讓所有人都能活到旅程的終點。
圖/imgur

理論物理學家弗里曼.戴森 (Freeman Dyson) 就構想了這樣一艘船,他稱之為獵戶座計畫太空船 (Project Orionship),動力來自核融合或核分裂。或者,我們可以建造以太陽能為動力的太空船。由已逝世物理學家史蒂芬.霍金 (Stephen Hawking)、Facebook 創辦人馬克.祖克柏 (Mark Zuckerberg)、俄羅斯富商尤里.米爾納 (Yuri Milner) 與美國太空總署合作的「突破星擊」(Breakthrough Starshot) 任務,計畫打造一個由光能推動的迷你機器太空船原型機。

太空船的主體只有晶片大小,外接超薄太陽帆,速度可達光速的百分之二十,比現有的所有無人太空探測船都更快。研究團隊計畫在二十年內發射這艘太空船前往南門二星系,以這樣的速度來看,需要二十年才能抵達目的地。

或許等待科技趕上我們對宇宙的渴望不是唯一的選擇。說不定科幻小說已經找到答案了?我們可以追隨《接觸未來》(Contact) 與《星際效應》(Interstellar) 這些電影的旅行思維,「只要」找到蟲洞就好了。無論這聽來多麼不可能,但我們都無法完全否認透過蟲洞通道隨意跳躍宇宙的理論可能性。然而,就算我們確實發現了一個蟲洞,目前仍沒有證據證明這個方法確實有用,或是對人類這樣脆弱的生命體算不算得上安全。

只要找到蟲洞,或許可以解決我們對宇宙的渴望。
圖/pixabay

時間還不是最磨人的:煎熬的太空船生活

除了科學技術的發展與巨額的花費,人類的太空探索計畫還有另一項挑戰,亦即人類脆弱的身體是否能承受如此漫長的旅程。假如未來的太空旅行者必須長期或甚至無期地在太空中滯留並且求生,我們就得了解太空旅行對人類的生理系統會造成什麼樣的影響和衝擊。這需要在實際狀態下測試,而實驗對象就是暫時住在國際太空站上的太空人。

在國際太空站上的太空人。source:wikipedia

人類需要太空船上的人造維生系統提供空氣、水、食物,以及維持船艙內舒適的溫度與壓力,還需要厚實堅固的外殼抵禦宇宙輻射和直衝而來的小隕石及太空垃圾。儘管科幻小說描寫的太空站有堅固的旋轉結構能藉由離心效應來產生人造重力,但是這種太空船規模太大了,目前尚未能建造出來。所以,在太空中缺乏重力這件事,仍舊是太空人必須處理的首要健康問題。

人類身體對於失重狀態的適應能力其實相當不錯,但在太空中生活越久,失重對身體的影響就越深。在太空站上的太空人處於微重力 (Microgravity) 狀態,代表他們的身體不再需要努力對抗地球的重力,自然會變得放鬆,結果反而讓肌肉逐漸萎縮、鈣質隨著尿液流失而導致骨質疏鬆等。

在太空中漂浮看來很輕鬆、很有趣,但如果太空旅行者只是成天飄浮的話,最終會虛弱而亡。他的脊椎會因為在太空生活而被拉長(平均可以長高二點五公分),還會因為體液逆流而出現臉部浮腫,甚至擠壓到眼睛而產生問題。幸虧一旦回到地球、腳踏實地之後,這些症狀多半都能恢復。不過,萬一在漫長甚至跨越世代的太空旅程中沒有這個選項,或是未來定居的行星重力比地球更小,該怎麼辦?

人類需要太空船上的人造維生系統提供空氣、水、食物,以及維持船艙內舒適的溫度與壓力。圖/LAVANGUARDIA

另一項同樣重要的條件是心理健康。生活在宇宙中,第一個要面對的挑戰就是如何長時間生活在狹小的空間中。太空人要忍受孤獨、疏離、單調的作息、活動受限、睡眠受到干擾、個人衛生條件不佳,以及和同一群人每天面對面。個人空間和隱私在外太空可是很奢侈的。目前最佳也是唯一的典範就是國際太空站,其規模大概等於一間有五、六個臥室的房屋。要「關」在室內六個月或更久,不論心理或生理上都不容易調適。所以人們假設並且希望,未來任何長程太空任務所使用的飛船,都要比國際太空站的規模更大。太空生活每天都有風險,這樣的精神壓力可能造成憂鬱、失眠、焦慮、人際衝突,甚至精神疾病。然而太空人和跑遠洋的水手一樣,早已知道自己必須面對樣的情況,也會事先做些心理建設。

大家應該都能想像,一包包的脫水太空食物有多乏味,而且調味料只有胡椒。太空冰淇淋和真正的冰淇淋完全無法相比!糧食種類有限,每天吃的菜色都差不多,長期下來有可能導致太空人沒有胃口,食慾不振,攝取的熱量和營養太少,導致體重下降及營養不良。所以任何長程星際旅行都需要大量新鮮好吃的餐點選擇,這不僅僅是為了滿足口腹之慾而已。

太空人要面對的挑戰之一是如何長時間生活在狹小的空間中。
圖/LAVANGUARDIA

未來的居住地在哪裡?

讀到這裡,讓我們暫停腳步,體會一下人類朝著未知的未來至今已經走了多遠。

自從一九六一年尤里.加加林 (Yuri Gagarin) 首次進入太空,我們接著將人類送往月亮,將探測機器人送往金星與火星;我們檢視了最大型的小行星,拍攝了木星與其巨大衛星的特寫照片,飛越了土星環和土衛二 (Enceladus) 的冰冷噴流;我們拍攝了天王星和海王星的詳細照片,終於揭露冥王星真實冰凍的美;我們甚至跳上了移動中的彗星一探究竟。

我們對太陽系的探索讓我們做好準備,開始認真考慮在地球之外建立一座自給自足的聚落。但根據我們目前的科技,不論在太陽系何處建立新基地都會是巨大挑戰。要想讓數百甚至數千人在充滿威脅的環境中存活,就需要克服這些挑戰。


作者簡介:露易莎.普瑞斯頓 (Louisa Preston)

英國太空署 (UK Space Agency) 極光研究員,在倫敦大學伯貝克學院 (Birkbeck, University Of London) 研究天體生物學。她曾參與美國、加拿大、歐洲及英國太空署的研究計畫,研究地球上的生命體如何在極端嚴苛的環境中生存,作為外人生命形式的藍圖並模擬可能的棲息條件。她曾受邀至 2013 年 TED 大會和大家談論如何尋找火星生命。她的第一本書籍創作為 Goldilocks and the Water Bears: The Search for Life in the Universe

 

 

本文摘自《人類大未來:下一個五十年,科技如何讓人類更幸福?》,三采文化,2018  年 11 月出版。

 

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合成生物學:基因「混搭」掀起的新革命! ──《人類大未來》

y編按:快問快答,你覺得未來是什麼樣子?我們都在前往未來的路上,前面的道路會如何開展?景色又如何呢?泛科學2018年11月選書《人類大未來:下一個五十年,科技如何讓人類更幸福?》邀請多位科學家以及研究學者,一起描述未來,探討那些關於能源、科技、太空、氣候變遷、生物醫學……的真實與想望,讓我們邊前進邊一起共譜未來吧!

從二十世紀跨入二十一世紀,遺傳學、基因工程和分子生物學也從嬰兒進入兒童期。想當初,人類基因組計畫不斷有新的發現和進展,相關領域的學者,包括我,都感到振奮不已。

但現在回頭看,我們的研究又慢又沒效率,每次做實驗前都得先想出怎麼操控 DNA;好比每次取樣音樂時,都得從頭把錄有氣笛風琴聲的帶子剪成碎片。在當年想要「混搭」基因,完全沒有慣例可循。

在當年想要「混搭」基因,完全沒有慣例可循。source:gagnonm1993

所有新技術的發明都得走過這一遭,不斷地實驗,試圖理出個頭緒,然後去蕪存菁,廣加複製與傳播,讓人人都能使用。新科技很快就會變得簡單又普遍。現在連小孩都會編曲混音,甚至用智慧手機就做得到。

我打這篇文章所使用的科技,在五十年前根本無從想像。當我敲擊鍵盤,電子便沿著電線、電路、邏輯閘、電晶體,抵達發光的二極體。這箇中奧祕我鐵定是弄不明白,但這就是將零件規格化和商品化的好處。我不必每次要用電腦就得自己發明二極體,只要買一個和別的零件組在一起就行,而這些零件也會如同我所預期的那般正常運作。也因為這樣,才促進了電子產品的蓬勃發展。

我敲擊鍵盤,電子便沿著電線、電路、邏輯閘、電晶體,抵達發光的二極體。
圖/pixabay

基因工程該如何零組件化?

現在電子零件越做越小,要設計越來越複雜的電路系統也簡單得多。人類的生活幾乎不能沒有這些電子產品,而幾乎每一個人也都習慣了這樣的生活。

創立合成生物學的先驅的確意識到了這一點。在美國史丹佛大學及麻省理工學院,電機工程師與數學家將基因視為可供編寫及覆寫的電子迴路,遺傳學者卻花了大半時間在重新發明他們的電路板。

如果基因工程的各個環節能像電子零件那樣規格化,在將生物轉變為「生物工廠」的研究就能進步飛快。

於二〇〇六年成立的生物積木基金會 (BioBricks oundation) 創立了一個開放的 DNA 標準環節資料庫。這類經細緻修改的環節能相互拼組,就像樂高方塊一樣。「拼組」可不是一種比喻:萃取出的基因及基因開關組成一條條 DNA 鏈,兩端皆經模組化,以便按正確的生物定向連接起來。當研究所需,就可以從資料庫調出各種基因環節,附著於小張試紙上運送至世界各地。要是添加溶劑,DNA 便會漂移,如積木般與下一個環節結合。就是這樣一個簡單的動作,成就了現代科學史上難以想像的基因工程。

於二〇〇六年成立的生物積木基金會 (BioBricks oundation) 創立了一個開放的 DNA 標準環節資料庫。圖/pixabay

「不好意思,我用的是DNA隨身碟。」

那些厲害的科幻小說家善於預測未來科技,卻誰也沒料見合成生物學能有如此進展。四十億年來,生物演化在錯誤中反覆摸索、嘗試,為建立生命形態提供了意想不到的資源。我指的,當然是各式各樣、無窮無盡的基因,被大環境的變遷磨練至完善,才能在生物宿主體內一代代地傳承下去。透過合成生物學,人類建立了一套系統,截取這些戰勝演化的基因重新組合,並非為了延長基因宿主的生命,而是為了達成我們自己的目的。

合成生物學有多種類型。有些研究者不僅為特定目的而重新編寫基因碼,更以這些「字母」重新編寫出自然界沒有的 DNA「語言」。其他學者則著眼於將 DNA 作資訊儲存之用,反正 DNA 對生物的作用說到底就是保存訊息。就這一點來說,基因即是資訊,DNA 則是極其穩定的數據格式。哪怕生物死了幾十年或億萬年,我們還是能取出其基因。

再說,以 DNA 作為儲存媒介,絕對不會有無法研讀其中資料的一天。

回看數位硬體的演進,數據的儲存規格每幾年就會汰舊換新,而非幾十年。誰還記得五英吋軟碟?誰還在用錄影帶?在世界各地已經展開許多研究計畫,將影像、莎翁十四行詩、書本內容,或是其他數位資料編碼進 DNA 中。DNA 是現知密度最大的數據儲存媒介,勝過藍光光碟幾千幾萬倍。但目前若把 DNA 當數位記憶體,無論讀或寫的速度都很慢,只適合長期存檔。未來電腦說不定會具備 DNA格式的硬碟,到時就方便多了。

DNA 是現知密度最大的數據儲存媒介。圖/pixabay

合成生物學在醫療上的應用

今時今日,合成生物學已走過第一個十年,除了種種不同凡響的構思,更具備空前的潛力,準備讓未來面貌一新。概念也好,技術也好,合成生物學所涉範疇之廣,教人驚奇。驅使這門科學不斷發展的最主要動力,則是為了製造出至今無人且無從生產的產品。

到目前為止,治療有史以來致死病因之冠,是合成生物學掀起的一波高潮。每年全球罹患瘧疾的人數介於二至五億,死亡人數高達四十萬,多半是未滿十五歲的孩子。

瘧疾彷彿人類歷史上揮之不去的鬼影,對人類性命的威脅非一般傳染病所能比。多年來,各種療法都只能紓解一時的疫情,然而未加管制、過度使用的結果,使得瘧原蟲 (Plasmodium) 對特定用藥產生了抗藥性與免疫力。青蒿素萃取自中藥黃花蒿,它是目前公認最有效的治療瘧疾藥物。但就和傳統農業一樣,黃花蒿的培植也受到景氣興衰影響,市價大起大落。

就在本世紀初,舊金山一家生技公司阿米瑞斯 (Amyris) 在研究酵母合成柴油的過程中,發現了青蒿素的前趨物青蒿酸。於是研究團隊提取出製造該物質的基因,以便在酵母細胞中大量生產,新闢製藥源頭。比爾.蓋茲伉儷基金會 (Bill and Melinda Gates Foundation) 挹注了好幾百萬美元,認定這項研究大有可為,能使青蒿素擺脫傳統產業的限制,更廣泛用於瘧疾治療。製藥公司賽諾菲 (Sanofi) 也獲得了許可,準備大量將瘧疾用藥商品化。

圖/素材公社

生物與生俱來的機制出奇地靈敏,例如人類的視網膜就有能力偵測到光線中的單一光子。從合成生物學發展之初,便有學者研究將細胞作為生物辨識元件,也就是接收訊息或刺激的感測器。如今,重新編碼過的細胞被用來檢測環境中無所不在的訊息,例如超商的包裝肉品有沒有變質,或體內是否有石化汙染物質或病原體。

我在天上飛~ 合成生物技術在太空的應用

此外,合成生物學的領地並不限於地球。

美國太空總署 (NASA) 對重新編碼的 DNA 很感興趣,投入大量人力物力發展衍生技術。因為細胞小之又小,重量趨近於無,而探索宇宙最龐大的支出就是來自重量。要讓區區一公斤的物體突破引力束縛、飛入太空,得花費三萬美元。要把人類送上別的星球,必須克服兩項難題。首先是人類並未演化到能在地球大氣層的保護之外生存,包圍太空船的宇宙射線與太陽閃焰,其輻射量比一般人一輩子接收到的量還多。根據往返火星的模擬任務,太空人返航後會罹患不孕症、白內障,而且有衍生癌症腫瘤之虞。對抗致命輻射線的最佳方法是用厚重金屬做護盾,但是造價也令人咋舌。

NASA 埃姆斯研究中心 (Ames Research Center) 的人員一直在思考如何應用合成生物技術抵禦輻射線,並且拿細菌來做實驗。當 DNA 受到輻射損害,正常的細胞會自動分泌細胞激素來修復損傷,加強免疫力。所以,要是能合成自動分泌細胞激素的細菌,就可以抵禦輻射線的傷害了。

NASA 推動合成生物技術的第二項原因是,當太空人抵達其他星球,就會需要氧氣、食物和安全的住所。在多項殖民發展計畫中,科學家運用標準化的生物元件 (BioBricks) 製造細胞迴路,來生成氧氣、食物,甚至磚塊。這些細胞迴路會分泌帶黏性的分子,植入模仿火星風化層的沙土後,將凝固成磚塊。這項技術需要一整個試管的細胞、一點水和火星上的沙子,而其中只有一種原料需要從地球帶過去。

圖/pixabay

只要想得到,合成生物學領域就沒有極限!

合成生物學領域朝氣勃勃,只要想像力別畫地自限,誰都可以打造基因迴路。

但是長期下來,真正能落實的美好設計太少。理想中的迴路到了活生生的細胞裡,表現未必合乎預期。如同研發中的電子產品,按設計原本該出現清晰的數位輸出,卻常被系統雜訊抵銷。生物感測器也好,藥物或燃料也罷,有太多的輸出都受到阻撓。NASA 的太空人保護研究要派上用場,還得等幾十年。阿米瑞斯研究的潔淨生質柴油終究難以量產,無法滿足商業需求。至於青蒿素,早有傳聞要大規模上市,但終究只聞樓梯響。在黑市倒是可以見到不少青蒿素產品流竄,然而使用者並未遵照世界衛生組織指導原則 3,已經引起了小規模青蒿素抗藥現象。

儘管如此,合成生物技術的前景並非幻象。的確有段時期常可聽聞天花亂墜的討論與報導,一如許多新興科技產業,合成生物技術並未跟上人們的期待。但我相信,那段天花亂墜的時期已經過去了,緊接而來的是更沉著、務實的計畫。科學家致力於存取技術與生物原件的標準化,過不了多久,就能推出實際可用的產品來解決世界各地實實在在的問題。研究者將 DNA 重新設計成軟體,更確切地說是「濕體」(wetware)。

而在編碼 DNA 外,濕體工程師正在著手修理即將上市商品的毛病。蜘蛛絲領帶只是個花招,用來展示將深深影響商品製造的一項技術。在科學的領域裡,往往得積沙成塔,才能迎接翻天覆地的革新。千百年來,我們透過培植、採集、提煉等方法取得原料,建造出我們生活的這個世界。不久,這些原料將可以透過活細胞生成,而基因迴路將由人類編碼,大自然一切基因將由人類混搭。

蜘蛛絲領帶只是個花招,用來展示將深深影響商品製造的一項技術。
圖/MIT Technology Review


作者簡介:亞當.盧德弗 (Adam Rutherford)

英國倫敦大學學院 (University College London) 遺傳學博士,BBC 熱門科學節目《科學內幕》(Inside Science) 主持人。曾任《自然》雜誌編輯十餘年,並長期為《衛報》、《連線》等媒體撰稿。他熱中將科學轉化成大眾都會感興趣的知識,出版了多部關於基因和生命起源的暢銷著作,他的第一本書 Creation: The Origin of Life / The Future of Life 入圍 2014 年惠康基金會科學寫作獎。他同時參與制作並主持了
《細胞》、《基因密碼》、《扮演上帝》等多部 BBC 紀錄片,還擔任多部電影的科學顧問,包括《末日之戰》(World ar Z, 2013)、《金牌特務》(Kingsman, 2014)、奧斯卡得獎電影《人造意識》(Ex Machina, 2015)、《滅絕》(Annihilation, 2018) 等。

 

 

本文摘自《人類大未來:下一個五十年,科技如何讓人類更幸福?》,三采文化,2018  年 11 月出版。

 

您最近是不是也有以下的感受?

1.各類議題中的科學及專業知識日益複雜,想懂實在太難。

2.資訊爆炸、真假難辨、覺得無所適從,甚至想不聽不看。

3.擔心身邊的人受偽科學與謠言所誤,但不知道該怎麼辦。

這時候你需要「科學思辨力」幫助你,建立自己的邏輯、跨過複雜議題討論的門檻、提升資訊選擇、處理與溝通的能力。

用 12 堂課讓你成為更能面對未來變化的公民吧!

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該如何解開「能源」議題裡的愛恨糾葛?在路途中想像未來吧! ──《人類大未來》

y編按:快問快答,你覺得未來是什麼樣子?我們都在前往未來的路上,前面的道路會如何開展?景色又如何呢?泛科學2018年11月選書《人類大未來:下一個五十年,科技如何讓人類更幸福?》邀請多位科學家以及研究學者,一起描述未來,探討那些關於能源、科技、太空、氣候變遷、生物醫學……的真實與想望,讓我們邊前進邊一起共譜未來吧!

能源與溫室氣體之間的糾葛該如何解?

根據國際能源署 (International Energy Agency) 的說法,能源的生產與運用占全世界溫室氣體排放量的三分之二。兩者的關係如此密切,因此,要解決氣候變遷的問題,不得不從能源著手。

該如何降低使用能源所產生的的碳排放?看起來最簡單的答案是停止燃燒石化燃料,但事實上要做到這一點非常困難。石化燃料已經與現代人的生活畫上等號,它確實在為我們的生活「加油」。在我們想到替代方案之前,要人們暫時別過原本習慣的日子,是不會被大家所接受的。對於那些能源取用相當受限,甚至要靠石化燃料才能發展的國家,要阻止它們的發展也不公平。所以我們需要一個計畫,可以按部就班降低我們對石化燃料的依賴。

停止燃燒石化燃料是降低使用能源產生的碳排放最簡單的方法。
圖/pixabay

首先,我們需要更有「效率」。

從一開始就不要燃燒石化燃料,才是減少溫室氣體最便宜的方法。在英國(在其他地區也一樣),人們無意間浪費了非常多的能源,例如在發電及輸電的過程中會耗損三分之二的電力,隔絕效果不佳的建築也會讓熱能白白散失。如果節約能源是件好事,為什麼我們沒有做得更好呢?部分原因在於人們就是對有效運用能源這件事不感興趣,而且獎金或補助對大多數人也沒有吸引力。

另一個問題是,效率會幫人們省錢,結果省下來的錢拿去用在其他會產生更多溫室氣體的事物上,造成「反彈效應」(rebound effect)。例如把節電省下的電費挪用在暖氣上,結果燃燒更多瓦斯,或者用這筆意外收入搭飛機去旅行,結果產生更多碳足跡。

第二個解決方法是用「更聰明」的方式經營能源系統。

多數能源系統的運作基礎是讓能源供給跟隨能源需求,讓供需維持穩定平衡,電力尤其如此。電力系統有其技術優先順序,包括總是保持開機的基本負載發電廠(如核能與燃煤)、變動型發電廠(如太陽能與風力)、彈性型發電廠(如天然氣),以及可以迅速啟動但相當昂貴的尖峰負載型發電廠(如柴油)。

舉例來說,如果你想把衣服洗乾淨,就得使用洗衣機。為了滿足這個需求,電廠的工作人員就會打開某個發電機或調高發電量。要是在繁忙時段,每個人都在洗衣服,那麼很可能就要追加使用石化燃料(天然氣或柴油)發電。而「聰明」的能源系統是要讓需求跟隨供給,在上述案例中,智慧型洗衣機或許會問你:「什麼時候需要乾淨的衣服?」然後在能量供給充足時啟動洗衣機(前提是符合你的時間需求),也就是說電廠不需要啟動額外的發電機。

第三點,尋找石化燃料的替代能源,有效減少溫室氣體或達到零排放的目標。

就發電來說,你可以選用低碳能源來取代石化燃料,像是可再生能源、風力、太陽能與生質能源(燃燒樹木或其他會生長的東西),當然還有核能。另一個選擇是運用碳捕集和封存 (carbon capture and storage, CCS) 技術,也就是設置一個大型的化學工廠緊臨發電廠,捕捉廢氣中絕大多數的二氧化碳。接著,這些二氧化碳透過管線運輸並注入停止使用的天然氣田或油田,讓二氧化碳(理論上)能永遠受困於此。如果在碳捕獲封存廠所燒的不是石化燃料而是生質能,而且你將二氧化碳捕獲,那麼你就能有負的二氧化碳排放!

碳捕捉(carbon capture and storage, CCS)示意圖。source:SaskPower

這是因為,樹木生長的時候會吸收大氣中的二氧化碳— 所以如果你將它燃燒並捕捉二氧化碳,你就會降低大氣中的二氧化碳含量(只要你有將樹木補足)。

但是並非所有生質能都是不排碳的,這取決於該生質能是如何種植、收成、補充、運輸,以及土地的利用方式。熱能的替代選項倒是不少。今日我們燃燒大量的天然氣(甲烷)來取暖,但其實有更好的替代氣體,例如用生質來製造生物氣體 (biogas),產生的溫室氣體淨排放量應該會比較低。另一個選擇是氫氣。燃燒氫氣的副產品是水,所以不怕造成汙染。問題是大多數氫氣都來自天然氣,利用甲烷蒸氣重組的程序取得,而這個過程會製造二氧化碳。我們也可以將水電解為氧和氫,但是這個方法需要鉑和鈀等昂貴金屬作為觸媒,電力也需要花不少錢。

運輸一向以石化燃料為主要動力來源(這是目前的情況,說不定有天就能使用氫氣),不過路上越來越常看到電動車和油電混合動力車,它們也越來越受消費者青睞,據統計,全世界目前已賣出超過一百萬輛電動及油電混合動力車。在我們的觀念中,一輛車靠一個油箱可以行駛幾百公里,而且加油只需幾分鐘,現在這個觀念將會受到挑戰。儘管電動車的電池技術以及充電站的數量都在迅速改善,但仍有一段路要走。

比起電力和熱能,人們行為的改變對於運輸的影響更為重要。近來調查顯示,英國人每天大約有百分之五的時間在開車。隨著自動車的開發、智慧公共運輸的發展、更好的城市自行車規劃,以及視訊會議技術的進步,在不久的未來就會改變人們往返兩地的模式。

隨著視訊會議技術的進步,在不久的未來就會改變人們往返兩地的模式。
圖/asian fortune news

破壞大爆發!

「破壞性科技」(disruptive technology) 指的是取代既有技術進而撼動市場的科技,或是某種足以開創新局、創造全新產業的產品。

看看能量領域,破壞正在發生。

能量領域的破壞正在發生。
圖/pixabay

首先,能源使用效率越來越高。

綜觀歐洲,節能標籤與產品標準化所省下的能源,相當於義大利一整年所消耗的能量。光是把一顆不起眼的白熾燈泡換成 LED 燈泡,就能節省百分之九十的電力。智慧科技也讓我們使用能量更有效率,例如智慧恆溫空調可以記錄人們的使用習慣,調節冷暖氣的使用度,進而省下一筆錢(不過當然也會發生前面提過的「反彈效應」)。

此外,能源技術也變得越來越平價。

太陽能光電板隨著全球性的布署而越來越便宜,其銷售量每增加一倍,價格就會下降大約百分之二十一。目前全球的太陽能光電大約三百兆瓦 (GW);不過十年之前,這個數字還僅接近十兆瓦。這麼解釋吧,如果我將家中所有電器打開,大約需要十千瓦 (KW) 的電力;一兆瓦等於一百萬千瓦,代表可以在尖峰時間處理十萬戶住家的用電。這將可以創造數以百萬的「生產性消費者」(prosumers),亦即在消費電力的同時生產電力。而下一件期待中的大事,就是能在住家中儲存電力的電池。

從全球性角度思考能源的未來

現在讓我們把眼光從個人與社群開始擴大,改以跨洲甚至全球性的角度來思考。當然,能源早已是全球性的重要議題,畢竟人們會在各國之間調動大量資源來生產能源。那電力也可以這樣移動調度嗎?

其實許多國家已經這麼做了, 例如多數歐洲國家的電力網路早已彼此連結,甚至英國也透過跨境輸電網(interconnectors,指水下電纜及輸送天然氣的管線)和法國、荷蘭和愛爾蘭互相連結。不過,這個規模有沒有辦法更進一步擴大呢?

英國透過跨境輸電網和法國、荷蘭和愛爾蘭互相連結。
圖/Power Engineering International

由同名基金會主持的「沙漠科技」(DESERTEC) 跨洲能源計畫,便是眾人相當期待的超級電網計畫。它的構想是在撒哈拉沙漠內部與外圍建設風力發電、太陽能板發電和聚光式太陽能發電 (concentrated solar power, CSP) 系統,並透過位於西班牙及義大利的全新高壓直流輸電 (high voltage direct current, HVDC)) 系統,將多出來的電力輸送到歐洲。

聚光式太陽能發電的原理有點像是用放大鏡來凝聚陽光,你可以想像滿地的鏡子都面向一座高塔,將光束折射至高塔上的集熱器,可產生攝氏一千度的高溫,足以像傳統火力發電廠那樣推動蒸汽引擎。聚光式太陽能發電所產生的額外熱能,都會儲存在巨大的熔鹽電池(將熱能導入鹽使其融化)內,之後還可以用於夜間發電。

科學家也想像在太空中放置太陽能板,然後將能源回傳地球。這聽起來像是 007 電影裡的陰謀,不過這個「太空太陽能」(space-based solar power, SBSP) 構想早在一九七〇年代就有人提出來了。當太陽光照射地球時,約有六成的能量會被大氣層吸收或散射。如果將太陽能板放置在大氣層外,就可以大幅提高太陽能的接收量。一旦想出辦法將太陽能板送上太空,下一個挑戰就是如何將能量傳回地球。透過微波或雷射光束可能是最好的方法。最後,你需要建立某種某種「整流天線」(rectenna),寬度或許要好幾公里,來接受這些光束並將它們轉化為電力。除了將能量光束射向地球之外,還有些關於政治和經濟的小問題,就是誰要來付這些費用,到時能源又歸誰所有⋯⋯

太空太陽能(space-based solar power, SBSP) 。
圖/ExplainingTheFuture.com

在路途中想像未來

以上是對未來能源的走馬看花,所有這些預測細節幾乎一定都是錯的,不過我希望各位能了解,我們與能源的關係隨時都有可能改變,也許更好,也許更糟。

最後,我想提出一些問題,也希望各位讀者一起來思考一下。

請大家暫時放下心中的懷疑與成見。如果能源可以完全免費呢?如果不再有電線和管線,事情又會變成怎樣?如果你能從空氣直接取得能源,就像用無線網路取得資訊一樣呢?

聽來有點誇張,不過並非不可能。

免費或非常便宜的能源可以來自超級便宜的太陽能(或許由太空發射回地球)或是其他可再生能源,又或許科學家終於解開了核融合的祕密(在地球的發電廠模仿太陽的運作方式)。此外,無線傳輸其實比你想像的更普遍。電動牙刷和行動電話已經可以使用感應方式來充電,或許可以使用那類技術來傳遞能源。至少我們可以使用微波或雷射光束,遠距離傳輸能源,好比太空太陽能的例子。然而這一連串問題的重點不在於經濟或技術層面的可行性,而是這些假設會如何改變未來我們與能源互動的方式。

如果能源是免費的,就像我們呼吸的空氣,人類與能源的關係會發生何種改變?

圖/pixabay


作者簡介:傑夫.哈迪 (Jeff Hardy)

倫敦皇家理工學院 (Imperial College London) 格蘭瑟姆氣候變化與環境研究所 (Grantham Institute) 資深研究員,專門研究低碳能源系統的未來發展,以及該系統與人們日常生活和企業營運的關係。曾任英國天然氣暨電力市場管制局 (Ofgem) 永續能源發展小組的主管和政府間氣候變遷委員會第三科學小組主任,並在英國能源研究中心 (UK Energy Research Centre)、英國皇家化學學會 (Royal Society of Chemistry)、約克大學 (University of York) 綠色化學小組、塞拉菲爾德核能實驗室 (Sellafield) 等機構進行研究。

 

 

本文摘自《人類大未來:下一個五十年,科技如何讓人類更幸福?》,三采文化,2018  年 11 月出版。

 

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積跬步以至千里:用專業為人類前進奠基的研究者們──2018 唐獎得主演講紀錄

本文由《唐獎教育基金會》委託,泛科學與法律白話文運動企劃執行

  • 文/文詠萱 文字編輯/翁郁涵

圖/唐獎基金會提供

9 月 22 日,2018 年唐獎得獎者齊聚台北,一同帶來整日的精采演說。由法治獎開始,漢學獎結束,得主們從各自的專精領域提出增進學術研究及人類社會發展的建議,以及多年研究的成果分享。

他們為青年學者指路,也為世人留下學習典範,有匪君子,終不可諼。

法治政府要如何守護公民權益?──法治獎約瑟夫.拉茲(Joseph Raz)

相較法治實務工作,拉茲著重在法治學理面的探討,是原創性的法學研究者。本次演講他以〈法自身之品性〉為題,分別就「法治與法的角色」、「法治的根本重要性」兩大主題闡述自身法治看法與建議。對於法治所蘊含之諸多原則,有詳盡且具體的說明。

圖/唐獎基金會提供

政府要依法而治,意味法律必須有「清楚」、「安定」、「公開」、「普遍使用的規則與標準」、「不溯及既往」等特性,並且在保有以上特性的前提下,確實保障公民的權益。拉茲認為,法治的目的是為了避免專制政府,而政府是否恣意妄為,正是取決於是否守護了被治理者之權益

需要注意的一點是:「法治本身無法決定政府是否成功」,拉茲說道。固然,法治可限制政府權力,但它也同時以「權威」角色存於現代社會,因此也需公民的理性思考與批判,甚或是反動等更多的方式檢驗,促使其進步。

此外,全球文化經濟因法治得以交流,卻不代表它須放諸四海皆相同。法治可以因地區、國家、自治組織而定,只是不可為特定文化的展現,而要以自身的中立性,使交流暢通、利益對等,建立各方多元發展的共同基礎。

法治的確是現代社會秩序的重要依據,但法治能否落實,須有相應條件配合,並在不斷的變動中審視、調整自身,適切地為政府、為人民所用。因為法治最重要的是:做公民權益的守護者。

被忽略的一小步,成為癌症發病機制研究的一大步──生技醫藥獎東尼.杭特(Tony Hunter)

今年以癌症研究為核心的生技醫藥獎,由得獎者之一;同時也是本次得獎研究的理論奠基者東尼.杭特,為生技醫藥演講打頭陣。

圖/唐獎基金會提供

世上許多重要的研究,都來自意外的發現,杭特的酪胺酸激酶研究就是一個例子。在研究蛋白質磷酸化的過程中,因為未調配新的電泳緩衝液、緩衝液酸鹼值下降,無意間發現了當時並不為人所知的「酪胺酸磷酸化」的現象。演講中,杭特分享了從 1979 年發表論文至今的種種研究,讓人一探他 30 多年來的豐碩成果。

酪胺酸激酶作為細胞的訊息傳遞者角色,若出現異常,便會連帶使得細胞產生異常的生理行為。最初杭特發現,多瘤病毒致癌的關鍵蛋白,就是酪胺酸激酶;因此失控的酪胺酸磷酸化機制,可能是癌症起源的關鍵之一,而後來的研究也進一步證實了「胺酸激酶的異常確實與許多癌症的發有關。

這項研究讓學界對癌症發病機制的認識大幅提升,也成了現今標靶藥物研發的濫觴,對癌症醫療影響深遠。以此為基礎,後人投入了分離酪胺酸激酶的研究,如今已找到了約 90 種的酪胺酸激酶。演講最後,杭特說接下來他將投入胰臟癌研究,因為這種癌症往往在晚期才被檢測出來,希望透過之前對發病機制的經驗,找到更有效的治療方式。

百年前是絕症的傳染病在今日已可以治癒,相信百年之內,癌症治療也將突飛猛進──生技醫藥獎布萊恩.德魯克爾(Brian Druker)

另一位生技醫藥獎得主德魯克爾,在 1990 年代結合了杭特的發病機制研究,提出構想希望製造出小分子以抑制異常活化的酪胺酸激酶,從而治療慢性骨髓性白血病(CML)。於是,第一代標靶藥物伊馬替尼(imatinib),商品名「基利克®」(Gleevec®) 誕生了。

圖/唐獎基金會提供

若人體骨髓造血細胞出現了染色體易位(chromosome translocation),便會使細胞開始製造 BCR/ABL 基因嵌合蛋白──一種異常的酪胺酸激酶,導致白血球異常增生,這是慢性骨髓性白血病(CML)的發病機制。儘管這個疾病在 1845 年就被記載,直到 1980 年代才真正了解前述的發病機制。演講中,德魯克爾介紹了慢性骨髓性白血病自 1845 年開始的研究歷程,以及自己從 90 年代起與眾多研究者共同開發標靶藥物的過程、研究發現。

伊馬替尼研發後成為美國 FDA 第一個核准的酪胺酸激酶小分子抑制劑,時至今日,德魯克爾的病患五年存活率已超過 90% 以上。在病患中有 60% 的復發是因為激酶的突變,但是若在癌症早期即開始服藥,復發率則極低,後續更研發出第二代、第三代的標靶藥物。

德魯克爾強調,目前的標靶癌症療法還在發展初期。未來希望能配合檢驗分析病患腫瘤細胞與周圍組織檢體,讓醫師做出最快的治療判斷,甚至更進一步將相關研究應用於預防與早期的診斷,成為癌症醫療的核心防線,增加病患存活率。

最後,他十分有信心的說道:「百年前是絕症的傳染病,在今日已可以治癒,相信百年之內,癌症治療也將突飛猛進。」

二十年磨一劍:讓單株抗體從飽受質疑到核准認可的艱辛成就──生技醫藥獎約翰.曼德森(John Mendelsohn)代表人洪明奇院士

美國 FDA 核准的癌症藥物,三種就有一種就是來自美國安德森癌症中心(MD Anderson Cancer Center),可見其對於癌症藥物發展的重要性。而安德森癌症中心有此成就,約翰.曼德森貢獻良多。生技醫藥獎演講最後,由中研院院士洪明奇,代表曼德森教授──另一位在癌症物研發領域居功甚偉的生技醫藥獎得主,介紹其多年來的研究與成果。

圖/唐獎基金會提供

1980 年曼德森與佐藤醫生提出假設,推測抑制 EGF 受體(EGFR)有可能成為抗癌的有效方法,並進一步開發單株抗體作為酪胺酸激酶抑制劑。

發展至今,單株抗體是研究藥物相當有效的方式,而且不僅限於治療癌症還包含很多其他的疾病。諷刺的是,當時大部分的人都懷疑單株抗體做為藥物的可能性,他們的假說因此被科學界輕視,甚至沒有人願意補助他們經費。之後曼德森與佐藤醫生的研發藥物 C225 單株抗體製劑,從發現到 FDA 核准,更用了整整 20 年的時間。

多虧他們的鍥而不捨,才有了現今用於大腸癌和頭頸癌的標靶治療、市面上稱之 Erbitux® 的抗癌藥物;後續也有更多研發跟進,讓應用單株抗體的藥物研發更為廣泛。洪明奇說,單株抗體能從飽受質疑走到被接納、應用,除了曼德森與佐藤醫生,整個科學界都付出了相當多心力。

癌症藥物研究不易,在抗癌的未竟之途上,有他們堅持,才有更多的可能戰勝病魔。

要給年輕研究者好工具、好方法來面對氣候變遷,並以科學態度、科學方法來改變世界──永續發展獎詹姆士.漢森(James E. Hansen)

如今,全球暖化是人盡皆知的事實,從學界到常民也都開始正視此一議題。而將此議題的迫切性帶入世人心中的功臣,便是 30 年前意識到人為溫室效應影響的漢森教授團隊。

圖/唐獎基金會提供

漢森說,過多二氧化碳和溫室氣體就像將棉被蓋在地球上,造成進入地球的能量遠多於散出的能量,讓地球能量失衡。漢森的研究團隊花了多年時間,透過分布全球的 3000 多支觀測器,監測海洋熱含量來了解地球暖化現象。結果發現,地球的熱含量變化正在失控中,能量正在急速增加,特別在淺海地區增加程度最明顯,目前估計地球每天增加的能量,約等於每年每天引爆 50 萬顆廣島原子彈(約一億八千萬顆)所產生的能量

1981 年漢森發表的論文指出,未來地球變暖的情況很可能會超過正常的變動範圍,冰層更會因為地球暖化融化,造成海平面上升,從而引發一連串的連鎖反應。這樣的研究結果,使他更加致力於讓世人理解溫室效應影響的嚴重性,同時他也發現地球能量急速上升的時期,發生在太陽活動極小期,與當時有些科學家認為,地球能量異常是因太陽造成的看法有所出入,於是提出了「地球氣候變遷與人類使用化石燃料有關」的觀點。

30 多年過去了,人類行為產生越來越多的二氧化碳,讓全球暖化持續加重,而當年漢森論文中的論述一一成真了。漢森表示,使用核能可以將人類活動碳排放降至近於零,但因為大眾對於核能的恐懼,讓核能發電研究極度緩慢。漢森強調他並非支持特定發電方式,而是為了完成零碳排放的理想,希望能有更多火力發電以外的技術,取代大量碳排放的發電方法。在零碳排放發電方法未臻完善前,在碳排放大國施行碳費制度,將燃燒化石燃料所產生的氣候變遷、生態破壞與健康影響等外部成本計算進碳費,向使用化石燃料的企業收取,並將收取的碳費直接回饋給社會大眾。透過不斷提高的碳費,抑制化石燃料的使用,是漢森認為目前較理想的解決方法。

人類活動帶來的壓力將使  20~50% 的物種滅絕,而海洋暖化已造成每年至少一種珊瑚礁消失的不可逆傷害,節能減碳不能只是口號,必須立即採取行動

氣候變遷的情況已經到燃眉之急,每個人都要採取行動──永續發展獎維拉布哈德蘭.拉馬納森(Veerabhadran Ramanathan)

同樣研究全球暖化現象的拉馬納森,發現除了二氧化碳,水氣、氟氯碳化物等也都是造成溫室效應物質,因此將其研究鎖定在「非二氧化碳」的溫室氣體研究。演講中,拉馬納森告訴觀眾,溫室效應不只比想像中嚴重,溫室效應的肇因也比想像中多更多。

圖/唐獎基金會提供

他與其研究團隊利用無人飛機,測量太陽照射地球能量與反射出去的能量,分析資料後發現氟氯碳化物亦為溫室氣體。拉馬納森將大氣層比喻為一件毯子,而這件毯子有厚有薄的地方,地球上的輻射會在薄的地方散熱至宇宙,而氟氯碳化物就是在這些薄大氣阻擋輻射排放的物質。

拉馬納森表示,看似無害的水氣,因為能造成空氣溫度上升,所以空氣凝水增加,也會增加極端氣候發生的可能性。在他的研究中更發現「非氣體但也會造成溫室效應」的物質──大氣黑碳(也就是大眾很熟悉的 PM10、PM2.5 )。物質燃燒不完全,煤炭煮飯、工業廢氣等都有可能產生大氣黑碳,更令他擔憂的是,大氣黑碳的在某些地區的排放量相當大,甚至可能超過二氧化碳。

當前暖化另一個嚴重迫切的問題是,當南北極的冰層因為融化露出深色土地,將加速南北極吸熱,無異於火上加油。他還表示,若能將 2050 年全球暖化的溫度控制在攝氏 1.5 度,即可減少 17 億人因熱浪死亡、極端雨量也可減少三分之一,2 億 5000 萬人則免於乾旱造成的死亡。

對於減緩全球暖化速度,拉馬納森提出了建議,與其針對化學生命週期長的二氧化碳(二氧化碳的生命週期長達數百年),如能先致力於減少化學生命週期短的黑碳粒子、氟氯碳化物等排放,降低生活中使用煤炭取暖、烹飪等行為,理論上可較快見效。除了碳之外,牲畜排泄物裡的大量甲烷,也亟待開發更先進的技術去處理。另外,拉馬納森籌組了專家團隊,其中包含物理學家、人文學家、工程學家等,共同對抗全球暖化,並利用經濟誘因來降低碳排放。

「氣候變遷的情況已經到燃眉之急,我們不能再坐以待斃,政府必須拿出政策來,每個人都要採取行動。」拉馬納森最後鄭重的呼籲所有人。

漢學視域與國學視域應相輔相成,文學研究也應突破領域限制──漢學獎宇文所安(Stephen Owen)

14 歲時在圖書館邂逅中國詩歌,讓後來的宇文所安開啟了用創新視角研究中國文學的學者生涯。相較於母語為中文的人,宇文少了自然形成的文化底蘊,但也因為身處不同文化環境,讓他在詮釋中國詩歌時,免去不少文化包袱。

圖/唐獎基金會提供

呼應演講主題「文章裡的意義:胸中之竹與腹中之竹」,宇文現場解析蘇軾的〈文與可畫篔簹谷偃竹記〉,從三位文人之間的議論,探討當時文人的美學、哲學觀,更加入當時的社會背景探討,讓紙上的「畫竹」成為窺見的時代思想的媒介。他表示,在文人治國的宋代,知識分子的價值觀,也代表著很大一部分的社會價值。

另外他也由畫竹延伸到《莊子輪扁》,宇文說,莊子散文內容常與生死有關,卻透過寓言、議論交替的方式,平衡議題的輕重,使文章不過於生硬,造就莊子獨特的語言風格:時而飄渺;時而言之有「道」。再回到主題,蘇氏兄弟與文同對於〈輪扁〉一文的認知接受,也是我們後人在解析蘇軾〈文與可畫篔簹谷偃竹記〉的重要參考。宇文認為,不同文本之間的解讀、比較,除了從彼此互文的地方下功夫,更要有「作者為何如此寫作」的問題意識。

交通與社會分工是唐宋經濟、社會整合的關鍵改革力量────漢學獎斯波義信

本日最後一位演講者──漢學獎得主斯波義信,專長中國文化社會史。這場演講中,他向聽眾分享了他對中國史上商人地位的了解,談及他們地位的變化,他們如何改變其時的政治體系,如何影響國家發展方向。斯波尤其強調社會發展最為蓬勃活潑唐宋時期。

圖/唐獎基金會提供

他以史料與實證的態度,分就交通變化、社會分工、社會移動和都市化研究中國商人的地位。他從《管子》士農工商四民之說談起,分析社會分工與封建體系的相互頡頏,以及由世襲促成的專業分工家族制對社會的影響。

斯波接著提到,中土運河的快速發展讓商業行為得以拓展到更遠的疆界,並大幅縮短貨運時間、成本,使更多商品有機會送往較遠的地區,增加彼此交流。此外,水運貿易讓專業市鎮興起,地域特產商號藉由獨佔市場累積大量財富,連帶也改變了當地經濟活動樣貌,更因南北資源不均,讓整體經濟呈現傾斜狀態,使南北政治勢力產生變化

但是改變並非完全由商人單向帶動。斯波最後提到,唐宋之所以成功,是因為國家順勢結合官營事業與民間商業勢力,補強財政、稅收,甚至軍事費用,從而也提升了國家資源的整合與運用效率。這是過去官僚制持續強化的歷史上,由民間力量帶動,因經濟改善政治的特別成功的史例。

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話總說不清楚該怎麼明瞭?你需要的是神經語言學──語言學研究員李佳穎專訪

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

  • 採訪編輯|江佩津、美術編輯|張語辰

語言是我們溝通的工具,中研院語言學研究所的李佳穎研究員,觀測語言使用時大腦的反應,構築出臺灣語言使用與大腦關係的資料庫,包含從嬰幼兒語言發展、學齡閱讀障礙、老年老化失智、腦傷者使用語言的情況。

除了探索語言使用和大腦的關係,李佳穎團隊也基於研究成果,設計遊戲與輔具,協助需要的人。
攝影│張語辰

為何想投入「神經語言學」研究?

李佳穎表示自己其實一開始並不是學語言學,是因為對人的行為很感興趣,而學了心理學。在高雄醫學大學受訓練的時候,除了心理學,還有機會學習人體解剖、神經解剖學,也會到醫院見習。

參與訓練時,失語症吸引了她的注意,患者因為腦傷,而使得語言、書寫相關的功能出了問題。她從那時就對大腦跟語言很有興趣,語言是人類跟其他動物的差異,因為語言能使知識有效地傳承下來,是帶來人類文明進步的基石。

神經語言學」就是在談大腦跟語言使用的關係。早期的研究是透過觀察失語症病人的語言缺損情況,來回答這類問題;但大腦受損後有其補償機制,就算腦損傷在同一區塊,表現出來的症狀也不會一模一樣,李佳穎因此覺得人的大腦真的是很奇妙的東西。

閱讀障礙怎麼判?腦波數據見分曉

研究團隊會觀測孩子的各種閱讀能力隨著年齡的發展變化,如果在該年級時某個能力沒有發展,可能就代表有落後的狀態。透過標準化測驗可以進行注意力評估等實驗,用來判斷是否有學習障礙、後續是否要給予輔導。

實驗人員以一對一的形式,評估幼兒的認知和語文智力發展。
圖片來源│大腦與語言實驗室

很多時候,「注意力缺乏」跟「閱讀障礙」會一起發生,但何者是原因很難區分。

有許多孩子在學習場域出現問題時,都會被說是「注意力」有問題,就帶去心智科。但其實也要探討其中原因,有注意力困難的,也有可能是「閱讀障礙」而造成的學習成績低落,進而造成情緒或人際問題。

李佳穎的團隊曾進行一個不匹配負向波 (Mismatch negativity, MMN) 的研究,他們與亞東醫院的神經小兒內科合作,發現「注意力」跟「閱讀障礙」在語音上呈現的大腦模式是不同的(註一),雖然在行為層次很難區分,但透過大腦的反應,其實可以區分得出來。

受試者戴著腦波實驗專用帽,看著電腦螢幕按按鍵、或是玩遊戲,藉此收集大腦的反應數據。
圖片來源│大腦與語言實驗室

孩子的閱讀障礙,能透過什麼方法協助?

閱讀障礙通常是到孩子「開始學習文字」時才會發現。臺灣學習文字的歷程是在小學一年級,先安排為期十週的課程學習注音符號,在這期間可能會發現有些孩子注音解碼的速度比較慢。在小學一年級發展較慢、情況很嚴重的,都可以直接透過測驗判定出來,但有些智力高的孩子可以死背,就沒有那麼容易判別。

另外,在臺灣社會中,有些來自低社經家庭、原住民或新住民的孩子,閱讀發展也會比較慢,使得他們在一開始的學習成就相對較低,報章雜誌也常報導這些小朋友的會考成績有些特別差。造成這種現象的一個可能原因是:學習閱讀所使用的語言,其實是他們生活上的「第二語言」;若要改善這種情形,則需要幫助這些小孩建立學習文字所需使用的口語詞彙知識。

基於這些研究發現,李佳穎和團隊設計了一些輔助教學的遊戲。像是這款打地鼠的《收割季節》遊戲,每次會出現字的「音旁」或「部件」,看到有相同部件的字就可以打下去,像下面這部影片示範:

透過這種遊戲,視覺上看到許多具有相同部件的字(不管認不認得),孩子在聽覺上又能聽到讀音,可以達到相輔相成的學習效果。在小朋友的大腦中,「文字」可以與「聲音」連結很重要,例如知道「小狗」這兩個字的讀音,就可以連結到既有的口語詞彙知識。大腦把「文字」跟我們所使用的「語音」、以及背後的「意義」連在一起,就可以達到認識文字與閱讀學習的目的。

所以我們做這些不只是為了幫助閱讀困難的孩子,也讓其他學習落後的孩子透過輔具、遊戲來補足這些語言學習的經驗值。

臺灣的神經語言學研究,和國外有何不同?

許多人會說「左腦管語言」,其實是、也不是。因為當語言表現到巔峰極致時,是左腦負責主要功能,但左腦有困難時,右腦很多地方會幫忙。

語言區是不是只在左腦?不是,「全腦都重要」。語言也不是單一功能,是很多系統互相扶持。

我們看到國外進行許多嬰幼兒語言能力的分析,研究顯示「語音能力」是後來很多閱讀能力的基準。嬰兒一出生時,其實對所有語音都有區別能力,可是如果有些語音沒有接觸的機會,到 6-10 個月大時會逐漸降低對這些語音的敏感度。

世界上有很多不同語言,存在各自的語音組合,在臺灣光是國台語就不一樣了。不同語言所使用的語音組合不一樣,例如,我們沒辦法將芬蘭的研究用到臺灣的語言習得研究上,因此必須建立臺灣本土的語言發展資料。李佳穎的團隊進行這塊研究已近十年,最困難之處在於「受試者」的尋找。

李佳穎熱愛科學研究,但更希望這些神經語言學研究的成果可以被使用並走進社會。在研究臺灣語言使用與大腦關係的過程中,她發現缺少了許多本土的資料庫可以用,然而不同語言各有其特異之處,即使國外有,也不能直接拿來使用。所以李佳穎很希望能在這方面有所貢獻,和實驗室成員一起將臺灣的語言使用與大腦關係資料庫建立起來。

如何探討「語言使用」與「大腦」之間的作用機制?

不同學科,只要是科學實驗,所使用的原則都相同:從提出問題,建立假設、設計與控制變項、搜集資料,再到分析與驗證。李佳穎研究的議題是「語言」,對語言的特性就要有所掌握,像是語音、語意、語法、語用等等,還有許多次領域。

在每個次領域都會找到其中更小的單位,語音最下面就是音節、聲調,音節裡有很多更小的聲音:子音、母音的構成。要了解這些小小的元素是怎麼合併、原則在哪。所以如果想要探討語言特性的存在與否,或是不同腦區如何掌控不同語言特性的學習與運作,就要把這些小小的元素結合進科學實驗的設計當中。

例如,中文有很多有趣的特性,像是中文有 184 個數量詞,團隊建立這些數量詞的使用資料庫,並透過實驗來探討:一般讀者如何使用不同的腦區,掌握量詞的語意與語法特型,甚至老化、失智對於這些語言特性的使用會不會有困難。因此這種數量詞的神經語言研究成果,也能用來檢視學童或第二語言學習者的中文語言能力精熟程度,乃至於應用在老人失智時大腦退化的篩檢上。

進行神經語言學研究,需要哪些能力?

李佳穎讀博士班時認識到了認知神經科學,透過功能性磁振造影 (fMRI) 可以看到語言使用時大腦的活動情況。但當時辛苦的地方在於:所使用的技術是從電機、醫學工程、物理學發展出來,分析資料還需要結合統計學、資訊科學,但她當時只有心理學、語言學的知識。

在那個年代還未有相關的教科書,所以李佳穎就到網路上的討論區提問,或是搜尋其他人的使用經驗,還有學習影像分析所需的程式語言,這樣一步步學起來。學會與不同領域的人對話,才能進行跨領域的合作研究。因此,現在實驗室成員也不是專一背景的,學生各自的專業很多元。

 

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腳踝扭傷除了冰敷處理,該怎麼做更快好?

  • 文/黃宗玄│物理治療師

腳踝扭傷了,該怎麼辦?

  • 腳踝的扭傷是許多人的夢靨。

對於扭傷後的處理,過往一般建議 48小時(3天)內冰敷減少腫脹,之後再熱敷以促進組織修復。這個老方法自美國醫師 Gabe Mirkin 於西元 1978 年提出後,就一直沿用至今。當時他建議使用冰敷處理急性運動創傷,也就是 R.I.C.E 的軟組織創傷處置方法,包含 R(rest:休息)、I(Ice:冰敷)、C(Compression:加壓)、E(Elevation:抬高患處)。這項準則很快就形成一股潮流,並寫入教科書中,變成現今大眾一致公認的作法。

近年來的新模式認為:「應減少冰敷與完全休息的時間,避免阻礙傷口組織的復原」。

在過往我們將「急性發炎反應」的紅、腫、熱、痛視為要盡力去除、抑制的大魔王;天真的以為用冰敷的方式,減輕疼痛消除發炎反應,就能夠促使傷口復原。然而事實並非如此,近來的研究都證實急性發炎反應其實是人體修復的重要過程之一因此,若採取過去 RICE 的處置方式,有可能反而造成急性發炎反應拖得太久,沒能完整跑完它的周期,而會造成組織損傷。

都已經痛到不行了還要思考,真是夠了。

當冰敷過長,導致損傷未及復原而拖過了前面的急性發炎反應期,反而會形成巨噬細胞開始作亂的「慢性發炎」。到了慢性發炎的階段,如果我們繼續藉由更多的抗發炎藥物、類固醇、痠痛藥布等等的醫療介入,嘗試抑制發炎反應,跟就會跟著抑制了人體的修復機制,造成打不破的惡性循環。在這樣的情況下我們就會發現,傷口恢復的速度變慢,甚至傷口沒辦法好好癒合,然後就留下了後遺症。

探究其中的癥結點,我們可以發現到, RICE 的處置會讓扭傷的腳踝,缺乏「及早活動」的機會,使得本來能在「數分鐘到數天」結束的急性發炎期,拖成「數周到數月」的慢性發炎惡夢。

因此,2014 年原本提出 RICE 的美國醫師 Gabe Mirkin 修正並提出:「應減少冰敷與完全休息的時間,避免阻礙傷口組織復原」的新準則,如此一來,避免「完全休息」,並且盡早活動,成為新準則與傳統模式最大的差異。由新準則延伸翻轉既有的認知,我們必須要加入一個很重要的概念:

急性發炎反應造成的疼痛,其實並不如我們想像的如此恐怖;藥物也沒我們想像的萬能!

由疼痛科學解析扭傷這回事兒

我們的身體會在腳踝扭傷後,啟動保護性抑制,使得腳踝感到疼痛。其中,急性發炎反應的紅、腫、熱、痛會讓我們對扭傷處的狀況不自覺地誇張以對,像是完全不敢踏地、走路開始跛腳、身體隨之歪斜等等,讓我們幾乎以為自己是個殘疾人士,其原因如下:

  1. 「未知訊息」:大腦對扭傷所造成的「傷害」與「嚴重度」,皆不清楚時,由於資訊不清的情況下,我們會不敢去使用腳踝,而產生保護性抑制的機制。
  2. 「過度想像」:大腦過度的想像導致無法清楚解讀感覺訊息,而將恐懼的訊號解讀為疼痛。

從疼痛科學的觀點來看,疼痛的目的為提醒身體遇到了危險,必須採取相應的措施(戰或逃),以趨吉避凶、維繫生命。當扭傷腳踝時,腳踝周邊的神經末梢會藉由釋放出促進敏感的因子和細胞素,以提醒身體減少神經元的壓力;但另一方面卻也會使鄰近的神經纖維過度敏感,反而更加疼痛,並且讓人不敢亂動。

而新的模式基於「提早活動能夠加速發炎反應的進程」,轉而建議在尚有疼痛感的階段就開始活動,以避免完全休息反而延長了復原時間。

然而,到底要怎麼動呢?首先,我們要打破大腦受「未知訊息」與「過度想像」的詛咒!透過冰敷降低疼痛感,由探索未知(建立安全感)、接受正確回饋(尋找舒服姿勢)、創造新的里程碑(尋找挑戰動作)。並且,把焦點放在:

「如何確立安全的活動模式,來減低疼痛感,以增進組織修復」。

別害怕疼痛!確立安全活動模式

在確立安全的活動模式時,可以依以下項目進行:

  1. 建立安全感疼痛會讓人不敢像平時那樣動作,但必須盡量嘗試,讓疼痛的位置與範圍變得更清晰
  2. 尋找舒服姿勢舒服的姿勢,就是可以安全活動而不造成疼痛感的動作與角度,在日常活動中才有安全感
  3. 尋找挑戰動作:在復原的過程中,要逐漸嘗試之前有疼痛感的動作與角度

實際案例上該怎麼運作呢?

從上面安全的活動模式,引起我的好奇。於是,在國小同學腳踝扭傷的急性期時,作了一個疼痛科學的小實驗。依照上述的安全活動模式,其問題與指令如下:

1. 活動的過程「安不安全」?

a. 什麼時候不適?
b. 什麼時候較輕鬆?

藉由腳踝向上、下、外、內的活動、探索,確認活動的過程安不安全。可以發現:「上下有點酸。內外腳踝裡面那顆骨頭周圍會痛」。在活動的過程,建立安全感與可活動的安全範圍。

2. 尋找「舒服」的動作。

c. 試著做較輕鬆的動作感覺看看。

尋找「舒服」的動作。在可以忍受的範圍內活動,然後逐漸增加活動的範圍與施加的力道。

3. 尋找「挑戰」的動作。

d. 記住好的感覺。
e. 持續嘗試、追蹤與調整。

當測試「腳踝向內扳」的動作沒問題後,在可以忍受的範圍內,將腳踝向「內上」、「內下」兩個方向緩慢扳動。如果沒問題,再換成坐著「直接將腳踝向內壓在地板上」,慢慢感覺到疼痛逐漸消失。並在隔日早晨的追蹤中,已經獲得改善。也結束整個疼痛科學小實驗的過程。

在這個小實驗中,我們嘗試:

  1. 冰敷不再是腳踝扭傷後,傷口修復過程的唯一選擇。相反地,冰敷成為降低人體巨噬細胞過度反應的一種抑制劑,讓個案更敢放膽去動。
  2. 確立安全的活動模式,從建立「安心感」開始,逐步增加挑戰,最後回復到正常功能。

下次再遇到腳踝扭傷的時候,千萬別急著「休息不動」。相反地,當覆上冰塊之後,可以在忍受的範圍內上、下、內、外「動動看」。藉由患部的活動,不僅可以「消除對疼痛的恐懼感」,更能「加快急性發炎反應的修復進程」,再也不用包好大包,又痛好久了!

參考資料

 

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環境荷爾蒙是什麼?為什麼走到哪遇到哪呢?

本文由行政院環境保護署毒物及化學物質局委託,泛科學企劃執行

各式各樣的塑膠材料,在我們的日常生活中幾乎無法避免。圖/hans@pixabay,CC0

「女童天天接觸塑膠製品,兩歲就來了初經」、「外食族男子,因為長期使用塑膠容器導致過度肥胖」這些年,作為人類最廣泛利用的材料「塑膠」,除了難以分解的環保因素備受矚目外,塑膠類也跟近年來很受矚目的「環境荷爾蒙」息息相關。

究竟環境荷爾蒙是什麼?為什麼走到哪遇到哪呢?

首先,可不要以為環境荷爾蒙只與塑膠類材料有關喔。環境荷爾蒙其實泛指進入人體後可以影響荷爾蒙作用、影響健康的化學物質。由於荷爾蒙在人體內有訊息調控的「傳令兵」角色,所以只需要少量這類的化學物質就有可能會有巨大的作用。其種類非常多樣,已知 323 種化學物質被歐盟列為環境荷爾蒙,主要包括農藥殺蟲劑(如 DTT)、工業產品(如多氯聯苯 PCB)、塑化劑(如鄰二甲酸酯類)、金屬污染物(如甲基汞)、其他化學副產物(如戴奧辛)等。

「環境荷爾蒙」最常見的來源就是人類的化學製程,可能是成品或是副產品。過去許多化學物質在沒有經過完整「化學生命週期」評估管控下,進入大規模生產後,才被發現到可能會出現影響人類與環境健康的嚴重副作用,而其中最嚴重、也是現在人類需要一同處理面對的類別就是「環境荷爾蒙」。

圖/analogicus@Pixabay, CC0

橫跨多部會管理的環境荷爾蒙管制

就如前面所提及的,環境荷爾蒙種類非常多,隨時有可能出現在我們生活周遭的任何一個項目中,也因此,要管控也絕非單一法令、部會就能夠達成的工作,需要藉由跨部會才有機會達成。環境荷爾蒙物質的管理橫跨了行政院環境保護署、行政院農業委員會、經濟部、衛生福利部、財政部與內政部,範圍不可不謂廣泛。

這項跨部會的任務目前由行政院環境保護署擔任「環境荷爾蒙管理計畫」之召集機關,對食品、食品容器器具包裝、奶瓶、兒童玩具、農產品、建材等項目中含的環境荷爾蒙進行管制,並且會進行市售產品抽測監控,以其將影響減到最低。(詳見:國內各部會環境荷爾蒙相關法規

「環境荷爾蒙管理計畫」近期的重要成果包括幾個項目,包括:

  1. 針對環境荷爾蒙,進行跨部會法規強化及增修訂達 35 項。如環保署近期擴大購物用塑膠袋限制使用的管制對象;研擬管制化妝品、個人清潔用品不得添加塑膠微粒等。經濟部則加強將水龍頭、旅行箱、開飲機等多項商品增列檢驗項目。
  2. 進行各項環境荷爾蒙檢測:在 2017 年的管理計畫中合計完成市場檢測指標物質或抽測總件數 4 萬 7,000 件以上;環境流布調查達 4,373 筆檢測數據。
  3. 加強民眾宣傳及溝通,舉辦環境荷爾蒙物質相關說明會、研習、記者會及教育訓練總數達 297 場次,環境荷爾蒙物質宣傳訊息或廣告 26 則,還包括相關網站維運,包括環保署建置「環境荷爾蒙管理計畫專區」平台、建立「毒性化學物質環境流布調查資訊網站」,以及衛福部持續更新管理「塑膠食物容器宣傳網站」。

政府各相關部會將持續積極執行「環境荷爾蒙管理計畫」,健全臺灣的環境荷爾蒙相關化學物質管理體系,針對國際管制資訊進行收集,並且研提後續的管理規劃,強化相關管理法規,減少相關物質暴露,確保民眾健康的生活環境。

該如何避免可能的危害?

圖/ArkkrapolA @Pixabay, CC0

而除了關心政府單位的作為,身為消費鏈最末端的我們又要如何避免自己受到環境荷爾蒙的傷害呢?

絕大多數日常生活中的環境荷爾蒙,來自於食衣住行中透過食物與容器而被人體吸收,因此需要注意的自然也是這幾個方向囉。在食物方面,應該要注意飲食的來源盡可能多樣化,避免毒素在體內累積;謹慎選擇餐具容器,避免不可靠的塑膠容器或者將不耐熱的容器再加熱;並且做好資源回收,讓廢棄物中的化學物質沒有流入環境中的機會。

就跟現今仍在使用的許許多多塑膠材料相同,環境荷爾蒙存在於我們生活中短期內仍是一項必然會遭遇到的風險,但隨著人們的使用意識提升,主管機關持續介入相關檢討與修改,終有一天環境荷爾蒙將從日常的潛在風險轉成為歷史名詞。

參考資料:

  1. 國際癌症研究署-致癌物質列表
  2. 泛科學-搞懂七大類塑膠使用法,才不會餐餐吃「塑」
  3. Shibamoto, T., Yasuhara, A., &Katami, T. (2007). Dioxin formation from waste incineration. In Reviews of environmental contamination and toxicology(pp. 1-41). Springer, New York, NY.
  4. PlasticsEurope-Plastics – the Facts 2017
  5. 衛福部食藥署-塑膠食品容器宣導網站
  6. 泛科學-用塑膠容器會吃到塑化劑?都是擴散作用搞的鬼!

延伸閱讀:

本文由行政院環境保護署毒物及化學物質局委託,泛科學企劃執行

 

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煤炭有幾種?可以洗乾淨嗎?──煤的旅程(一)前處理篇

  • 文/陳柏宇

燃煤發電,由於空汙以及全球暖化等因素,目前可以說是人人喊打、不受歡迎。但其實同樣是燃煤,也是有很多種燒法的咧。究竟目前的技術有哪些處理可以讓燃煤電廠不要造成那~麼多的污染?煤炭真的會經過「清洗」嗎?

要讓煤可以燒得比較「乾淨」主要有三道程序:燃燒前處理(pre-combustion)、燃燒中(combustion)、燃燒後(post-combustion)。每個階段都有其重要性和功能。就算真的有超級乾淨的煤但燃燒得不完全,其燃燒後的廢氣也就是煙道氣,未經處理直接排出,有烤過肉就可以想像結果。(當然烤肉燒的是炭,與煤的成因截然不同。)

本文會先由燃燒前處理開始談起。

斯斯有四種,煤炭有五種

讓我們追本溯源,先由煤炭的種類談起吧!煤至少可以分成五種以上,目前我們主要使用於能源生產以及金屬冶煉的煤炭,來自於植物死亡,並且歷經數百萬到數億年(石炭紀,三億年前)的地理作用而形成。煤炭以含碳量與熱值區分,主要分為無煙煤(Anthrathite)、煙煤(Bitumious)、亞煙煤(Subitumious)、褐煤(Lignite)、泥煤(Peat)

  • 泥煤:沒什麼利用價值,水份很多,熱值超低。
  • 褐煤:發電用途,水份多,固定碳量少,灰份偏多,但硫份較少。
  • 亞煙煤:發電與產熱用途,相較於煙煤灰份較少,熱值較低,硫份也較少。
  • 煙煤:存量多,因為熱值高,普遍用於發電與冶金(焦炭Coke)用途,固定碳成分多,灰份多,硫份也較多。
  • 無煙煤:又黑又硬,熱值最高,固定碳成分也最多,灰份較低,硫份也較低,普遍用於家庭產熱,也用於發電。

不同種的煤炭成分含量示意。(資料整理:陳柏宇 圖:泛科學重製)

不同煤種的成分含量。(資料來源:台灣電力公司 圖:泛科學再製)

如果燃燒相同、質量不同等級的煤,含高灰份、高硫份的煤所產生的直接污染會比較高(二氧化碳另計)。灰份最後會變成粒狀污染物,硫份則會變作硫氧化物;因此就成分表內容,亞煙煤的確比煙煤乾淨。至於為甚麼不燒熱值高、灰份低、硫份也低的無煙煤?偷偷告訴你,無煙煤的價格大概是煙煤的兩倍、數量也最少不具有商業規模。

但如果考量到相同熱值,或是說同樣發出一度相同電力,需要燃燒的亞煙煤會比煙煤還要多上 1.2~1.5 倍不等;此外亞煙煤含水量較多,有可能影響電廠的燃燒效率。因此,並不是通通用亞煙煤就比較環保,實際上會在後續的步驟中根據電廠的需要調整比例。

台電用煤來源與特性。(資料整理:陳柏宇 圖:泛科學重製)

煤可以洗乾淨嗎?

談完了煤炭的種類,每個地區開採出來的煤炭有各自的屬性,開採過後也不會直接使用,下個步驟會經過處理,也就是真的會把煤洗乾淨喔!煤礦在開採後,一定還存在許多雜質,這個階段的煤我們稱為原煤 ROM(run-of-mine)。如果直接拿去燒,呃,我沒有經驗也不敢想像,大概就是工業革命時期的倫敦。

原煤階段的煤炭會被送進處理場 CHPP (coal handling & preparation plant)進行「洗選」。將煤礦破碎成比較小的碎片;再用物理方法,如大小等進行篩分;接著泡進水床裡,用比重大小篩去雜質、並溶出污染物等;從水床拿出後再進行乾燥。完成此階段處理煤炭其的熱值、灰份與硫份都已經和原煤 階段大有區別,大約灰量減半、硫量減30%,依處理廠技術有所區別。去除這些雜質也能夠達到減輕運輸量、減輕鍋爐的沾污和磨損,並減少電廠燃燒後煤灰處理量。

而大家最關心的污染物之一大概要屬煤炭中的硫份了。燃燒前的脫硫方法,除了前述的「洗選」之外,還有微生物脫硫技術──把煤粉懸浮在含細菌的氣泡液中,細菌產生的酶能促進硫氧化成硫酸鹽,從而達到脫硫的目的。燃燒前脫硫技術中物理洗選煤技術已成熟,應用最廣泛、最經濟,但只能脫無機硫;生物、化學法脫硫不僅能脫無機硫,也能脫除有機硫,但成本昂貴,距工業應用尚有較大距離。

台灣很早以前還有類似的洗煤場設在菁桐,不過台灣煤礦工業已經 byebye 很久了。

大船入港,小心進廠

臺灣的煤炭都是由國外進口的。進口的煤由專門的運煤船運到專門接收港後,如果沒有處理好,有可能會對台灣的空氣品質造成風險。海港風大,如果煤炭裸露在外,將可能因為細碎煤炭顆粒四處亂飄而影響空氣品質。因此現在卸貨作業時,基本上都會盡可能全程密閉避免外漏,或是同步灑水減少粉塵四逸。運輸船打開儲艙後,會由抓斗式卸煤機 (Grab ship Unloader, GSU)或連續式卸煤機(Continuous Ship Unloader, CSU),將煤炭送至輸送帶上。目前連續式卸煤機的設計更能減少粉塵逸散。

臺灣的煤炭基本上都是靠運煤船漂洋過海而來。攝影/陳柏宇。

以 2014 年更新後的林口電廠為例,船艙打開後,會由連續式卸煤機卸煤至氣浮式密閉輸送帶上;經過約 2 公里的傳統式與氣浮式等密閉輸送帶,運輸至筒式煤倉(Coal Silo)儲存。電廠配置 10 座筒式煤倉,每座煤倉可儲存7萬噸燃煤,總儲存量達70萬噸。這些煤倉全數完工後能提供未來 3 部發電機組運轉所需的燃煤,並可儲備超過 30 天的安全存量。

氣浮式皮帶機在於燃煤的運輸過程中,使用空氣膜支撐輸煤皮帶支撐替代滾輪,這樣的設計讓運轉較平穩、摩擦較小,大幅降低噪音及煤屑的產生。密閉式的運煤輸送帶,將燃煤的運輸完整包覆,送入廠內日用煤倉、磨煤機,最後才進入鍋爐燃燒。

林口電廠的連續式卸煤機。攝影/陳柏宇。

卸煤作業常常會受到天候干擾,其實相當艱辛。當船隻因為風大不能進港;或是煤倉打開時因為濕度太大,煤炭潮濕導致輸送困難,這些零零總總的狀況都會影響運煤作業。

總之,從煤的分類、開採以及選洗過程,確實有許多方法可以讓煤燃燒得比較「乾淨」(污染較少)。但礙於台灣只能進口已經選洗過後的煤,在燃燒前處理這方面可以做的努力相對有限。而輸煤部分,近年來從林口電廠、興達電廠到台中火力電廠,都有相關措施進行改善,例如將過往的露天煤場改造成室內煤場等,這些都可以盡可能的減少對空氣品質的影響。

接下來,我們就把鏡頭移到棚內看看燃燒煤炭是怎麼回事吧!

參考資料

本文由台灣電力公司委託/廣告,泛科學企劃執行

 

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香香脆脆的滋味怎麼來?膨化食品製程大揭密

本文由衛生福利部食品藥物管理署委託,泛科學企劃執行

  • 文/Sophia

有種生活常見的食品,你一定吃過,卻不知道它是怎麼做出來的,它的名字叫做「膨化食品」,雖然聽來陌生,但在人生不同階段,你都嘗過它香香脆脆的滋味舉凡嬰兒米餅、早餐穀物脆片、派對活動零嘴、約會看電影吃的爆米花、甚至是喜宴上的米香餅,都是它的百變樣貌之一,當卡滋卡滋的聲音在耳畔響起,你品嘗的不僅是零食,更是滿滿回憶。

所謂的膨化食品,主要是以穀物、薯類或豆類為原料,經加壓、加熱或擠壓等方式製成,使食品組織結構及體積改變,呈現多孔且蓬鬆的口感。

不過,到底膨化作用擁有什麼樣的魔力,可以讓平凡的玉米、小麥、馬鈴薯、米等原料,變身為圓形、三角、螺旋、星星各種外型,而且嘗起來又酥又脆?

所謂的「膨化」,就是「爆米花」原理啦

輔仁大學食品科學系郭孟怡教授指出,想理解膨化作用,可以先從「爆米花」的原理開始解釋。

想了解膨化食品,先從爆米花開始!圖/pixabay

爆米花原料為外殼堅硬的乾燥玉米粒,功能有如壓力鍋,一旦加熱,玉米粒內部水分受熱,壓力逐漸增加,外殼較脆弱處成為壓力出口,高熱水分在出口處因壓力降低,瞬間變成蒸氣而膨脹,撐開玉米外殼,並且連帶將玉米核中澱粉顆粒糊化而成的柔軟膠狀麵糊推擠出來。

由於玉米粒內部瞬間膨脹的水蒸氣不只一處,它們就像玉米內部一顆顆的小炸彈,同時往外爆開,使得玉米內部組織產生許多小泡泡,整體體積也變大。玉米爆開後,小泡泡們融合在一起,並且冷卻而固化,水蒸氣同時間蒸散導致水份含量降低,原本濕軟的膠狀麵糊就變成了一朵朵漂亮白皙的爆米花。

因此,將含有澱粉與水分的食材加熱,有時甚至加壓,令食材間的水蒸氣撐開食物整體組織(也就是爆米花的「爆」),這一連串反應過程就是「膨化」。

街頭常見的「爆米香」也是用相同原理製作而成,差別是爆米香沒有堅硬的外殼,壓力的來源是專門的壓力鍋。爆米香獨特的「磅」音效,就是因為壓力鍋打開時,鍋內壓力突然釋放,米粒內的水分瞬間轉為氣體,內部高壓氣體來不及釋放而產生的聲響。

現代食品工廠製作各式各樣膨發食品時,主要搭配「擠壓機」。擠壓機不同於爆米香的壓力鍋,它能接受顆粒或粉末狀的原料,並且結合攪拌、揉捏、蒸煮等功能,還可以利用不同模孔做出動物、字母等立體形狀。

由於製作時也會同時加熱殺菌,以及降低水分含量,所以膨化食品不用防腐劑也能延長保存期限。

膨化食品依照製作方法還可以再細分為直接與間接兩種形式

  1. 直接擠壓膨化,常見的產品如乖乖、玉米棒等。當原料由機器轉軸攪拌後,利用快速剪切摩擦或是通入蒸氣加熱,短時間內提供膨化所需的高溫、高壓,再通過特定形狀的模孔擠壓出料、由切刀切割成所需的形狀。
    擠壓出料的時候會因為外界環境為常溫常壓,而達到膨鬆的效果。後續搭配烘烤乾燥,可以讓產品更為香、鬆、酥、脆。
  2. 間接擠壓膨化,常見的有寶咔咔、可樂果、滿天星、米餅(仙貝)等。由擠壓機提供攪拌、蒸煮與成形的功能,膨化則是交給烘烤、油炸或是微波加熱達成。這種做法可讓膨化食品擁有多樣化的紋路與口感,創造不一樣的食用體驗。

膨化作用雖然重要,但是想創造出讓人一口接一口、欲罷不能的零食,製程後段的各個環節也相當關鍵。

舉例來說,若在產品表面噴灑油脂後再烘烤,那麼不必經過油炸,仍可創造酥酥脆脆效果。因此,產品標示「非油炸」,僅能說明它沒有使用油炸製程,卻不一定等於少油喔。

不少人聞油色變,但從製造過程的角度來看,油脂其實肩負許多重要任務,能幫助產品品質更好。

例如,製作爆米花時,適量的油可以做為熱能傳遞媒介,讓乾燥玉米受熱平均,減少單點燒焦的現象;在調拌擠壓原料的時候加入油脂,可以避免產品過硬;在間接擠壓膨化的製程中,油炸能讓產品膨發,製造厚脆 crunch口感;而在調味階段噴灑油脂,可以讓調味粉均勻沾附在表面;運用奶油,椰子油等油脂,還可以為產品增添特殊香氣。

膨化食品往往也會添加大量的鹽與糖,它們主要發揮兩種功能調整口味、調整成品的膨發程度與多孔性。由於膨化作用仰賴水與澱粉顆粒所產生的糊化反應,因此,若在原料中加入少量可溶於水的糖與鹽,便能影響膨發零食的密度。

圖/pixabay

為什麼需要加入食品添加物

除了油、糖、鹽等原料之外,你一定曾在膨化零食的包裝上看過各式各樣的食品添加物名稱。

最常見的食品添加物應該是抗氧化劑,如生育醇也就是俗稱的維生素E可以避免油脂氧化;此外,添加少量品質改良劑,能讓原料在混合與烹煮過程中防止結塊、調節食品酸度、使油脂與水混合均勻,例如二氧化矽,葡萄糖酸 δ內酯,磷酸鹽類,碳酸鈣等。不過,具有以上功能的食品添加物種類很多,如何搭配使用就是各大廠商的祕方了。

有些產品為使口感更酥脆,會再加入膨脹劑(例如碳酸氫鈉,碳酸氫銨),讓原料在受熱時產生二氧化碳或氨氣,成品的組織因而更加膨鬆、輕盈。

你是否曾經疑惑:為什麼一定要加入這些食品添加物呢?事實上,膨化食品需要大量穀物農產作為原料,但是每批收成作物可能因氣候、水質等因素導致風味、品質不一致,所以需要借重食品添加物維持產品品質的穩定,以免消費者明明買同一款商品,口感卻不同。

所有加入食品內的食品添加物,都必須符合「食品添加物使用範圍及限量暨規格標準」,該標準清楚訂出食品添加物的使用限量、合法使用範圍,以保障民眾健康。

改良製程與技術,滿足市場需求變化

近年來為了迎合消費者口味喜好的變化,膨化食品業者也致力於運用新的加工技術及製程,企圖讓膨化零食持續受到市場歡迎,不被時代淘汰。

例如,為減少油脂含量,改以低溫真空烘烤取代油炸,或添購脫油設備;有些則是改良機型與加工條件,讓米粒可以直接膨化成米片,或是調整原料所含水分、膨發前的壓力、溫度等條件,以優化膨發效果,減少使用膨脹劑。

下次嘴饞想吃膨化零食前,別忘了看看包裝上標示的產品資訊,像是原料種類、成分比例使用量愈多,排序愈前面,有沒有含自己絕對不能碰的過敏原等等。

營養師黃楀軒還建議,可以閱讀包裝上的營養標示表,表中會揭露每份量及每 100 公克的營養素含量,或是每份量營養素含量與每日參考值百分比,方便消費者比較不同產品。從營養師角度來看,每日零食熱量最好控制在 250 大卡以下,所以,假如你經常陷入「To eat, or not to eat」的困境,不必再糾結啦,現在就去參考營養標示表,挑選合適的分量來吃吧!

參考文獻

本文由衛生福利部食品藥物管理署委託,泛科學企劃執行

 

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讓人連自己都遺忘的阿茲海默症,未來有機會靠打針吃藥就能預防嗎?

家裡長輩老是忘東忘西,戴著眼鏡找眼鏡、抹布放到冰箱去,你好心帶他去看醫生還被嫌棄。醫生叮囑要多補充維他命、多吃魚、多動腦、多下棋,儘管如此還是讓人擔心的要命,因為一天一天過去長輩的記憶力似乎沒有回復。

這樣的情況將會越來越普遍。世界衛生組織(World Health Organization, WHO)統計出 2016 世界前十大死因當中,阿茲海默症等失智症排名第五,在當年造成了兩百萬人喪生 [1]。而現在這個時間點,世界上共有五千萬人在阿茲海默症的病程之中。這個數據只會持續惡化,到了 2030 年全球將有七千萬人、2050 年將超過一億三千五百萬人受影響。而屆時阿茲海默症等失智症將會一路躍升成為十大死因的第二名,僅次於心血管疾病。而超過 85 歲的年長者如果僥倖躲過失智症的魔掌,身旁每二到三個人就會有一人失智 [2]。

右側則是患有阿茲海默症的大腦剖面,相較於左圖可以看到大腦大幅縮小。圖/wiki

預防勝於治療,所以我說那個醬汁疫苗呢?

阿茲海默症患者,通常需要他人提供長期的協助及照顧,然而我們是不是能拿回主控權,就如同感冒一樣吃藥了事呢?人類研究出天花疫苗讓天花病毒在地球上消失,那我們是否能夠發明阿茲海默疫苗或阿茲海默藥丸,讓所有人在使用之後永久性地免於記憶剝奪之苦呢?

預防阿茲海默症確實是近年來研究失智症的主要方向之一。2017 年,科學家 Eric McDade 和 Randall J. Bateman 在 Nature 發表一篇評論文章,藉由他汀類藥物(statins)為例,希望科學家能協力找出預防阿茲海默症的方法。他汀類藥物(statins)主要用於降膽固醇,最常見的他汀類藥物便是立普妥(Lipitor),這甚至是史上銷售最好的處方用藥。

有些患者有遺傳性的高血脂和高膽固醇,他們通常在青少年到成年的階段就會發展出心血管疾病,這些患者的平均壽命只有 30 歲。在 2015 年,阿姆斯特丹大學的研究員 Albert Wiegman 發現給予患者他汀類藥物可以有效延長壽命達 15 至 30 年 [3]!這是令人振奮的消息,科學家再次戰勝疾病。Eric McDade 和 Randall J. Bateman 發出宏願,希望科學家們能找到一種藥物以預防阿茲海默症,就如同他汀類藥物成功的預防了早發性的心血管疾病一樣。

要治療就要先了解,阿茲海默症的進程

阿茲海默症的疾病進程。(點圖放大)圖/Alzheimers Dement.

阿茲海默症的成因眾說紛紜,但疾病的進程大約可以由上圖來呈現。橫軸是通往失智症的幾個階段,縱軸則是出現異常的不同指標。可以看到最一開始(紅線)是由類蛋白 Amyloid-beta 堆積在突觸之間,接著會引發濤蛋白(Tau Protein)的纏結(綠線)、腦部結構異常(藍線)、認知失調(紫線),最後步入重度失智的階段。

打比方來說,阿茲海默症的進程就像是放入口袋的耳機線,不斷的纏繞糾結,最後變成一團亂,根本解不開;而最直觀的解決方法就是「預防」耳機線被放到口袋那樣可怕的環境。如果我們可以在類蛋白開始堆積(也就是上圖中紅色的線)之前就介入治療,想必會是最有效的預防方法。然而這並非容易的事情,要如何在患者完全沒有症狀的時候就診斷出有病症呢?這就好比還沒感冒就去看醫生,希望醫生能從你身上的蛛絲馬跡判斷你將來會不會生病一般。幸好透過日新月異的影像技術,科學家們可以在越來越早期的進程開始治療,甚至可以利用基因篩檢找出極有可能得到遺傳性阿茲海默症的患者,在他們沒有任何症狀的時候便開始治療。

啊啊啊!腦袋打結了!圖/劉馨香攝

類蛋白出來面對啊

大部分的科學家都同意類蛋白 Amyloid-beta 是非常好的觀察目標,將類蛋白清除似乎是預防阿茲海默症的好方法,因為有大量類蛋白堆積的患者幾乎都會發展出阿茲海默症,而且在上圖中的紅線可以看出類蛋白的堆積發生於所有事件的前端:就像是第一張骨牌一樣,只要防止它發生,後面的骨牌就會安然無恙。

然而在 2014 年,英國的科學家 Eric Karran 發表一篇文章質疑類蛋白假說,認為過去五年內針對類蛋白為治療目標的六個第三期臨床實驗都宣告失敗,Eric Karran 推測是因為由類蛋白堆積作為起點的假說不正確 [4],才會導致這麼多的臨床實驗都失敗。而另一部分的科學家卻樂觀地認為那是因為不夠早開始治療,他們認為會無效是因為第一張骨牌已經倒塌了,後面已經開始連鎖反應:濤蛋白開始無限纏結、腦部結構也逐漸異常。這時候即使設法清除類蛋白也無用武之地。換言之,如果能在一開始就不讓類蛋白在腦中堆積,也許便可以預防阿茲海默症,讓人們免於失去記憶之苦。

倒過來了!逃不了……嗚啊!圖/pxhere

任何研究都需要時間以及經費,在 2015 年,全球投入了超過 25 兆元台幣在研究阿茲海默症。阿茲海默症的進程往往長達數年,科學家們希望能用歲月換來對阿茲海默症病情的掌控、以及人們對記憶的主控權。我們也不必對此感到失望或焦急,也許將來真能開發出阿茲海默症的預防針或是口服疫苗也說不定。或許以後在掃完核磁共振之後,醫生便會跟你說:「嘿!你是阿茲海默症的高風險群,不過只要按時服藥就沒問題了!」

參考資料

  1.  Global Health Estimates 2016: Disease burden by Cause, Age, Sex, by Country and by Region, 2000-2016. Geneva, World Health Organization; 2018.
  2. McDade, E., & Bateman, R. J. (2017). Stop Alzheimer’s before it starts. Nature News, 547(7662), 153.
  3. Wiegman, A., Gidding, S. S., Watts, G. F., Chapman, M. J., Ginsberg, H. N., Cuchel, M., … & Bruckert, E. (2015). Familial hypercholesterolaemia in children and adolescents: gaining decades of life by optimizing detection and treatment. European heart journal, 36(36), 2425-2437.
  4. Karran, E., & Hardy, J. (2014). A critique of the drug discovery and phase 3 clinical programs targeting the amyloid hypothesis for Alzheimer disease. Annals of neurology, 76(2), 185-205.

(責任編輯/蔣維倫)

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