跨閱誌

0

生命如何從簡單走向複雜-植物的誕生

生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (7) 植物大約在4 億8 千萬年出現在陸地,它是從水中的綠藻演化而來。水塘裡的綠藻為什麼要到陸地上生活?顯然並非自願,可能是池塘乾涸、海退或陸地上昇等原因被迫上陸。陸地陽光充沛,二氧化碳濃度高,但水的供給成了最大的限制!因此陸生植物第一件要作的事,就是防止體內水份蒸發:葉面不透水的臘質與角質層解決了這個問題。但植物仍然需要呼吸,因此出現了葉面的氣孔。此外,植物還需要從土壤中吸收水分、礦物質,同時把自己固定在水邊,免得被風吹到乾旱的內陸。所以後來又逐漸發展出類似根的結構,陸生蘚苔植物的雛型就這樣形成了。 植物在陸地上站穩了腳步,彼此間的競爭就轉變成如何得到陽光的眷顧。爭先恐後向上伸展成了唯一的選項。但演化走向高大植物前,必須解決物質上/ 下輸送的問題:把根部從土壤中吸收的水份、礦物質送到樹頂,和把樹頂光合作用產生的養分送回根部。變異的基因創造出了一些新的細胞結構,使得植物有機會發展出「維管束」系統,解決了上/ 下輸送的瓶頸。這些植物立刻在陸上取得了繁衍的優勢,很快就佈滿陸地成為蕨類植物的祖先! 蕨類植物出現在4 億2 千萬年前,曾經是陸地上最豐盛的植物,蕨類植物的繁衍在3 億多年前達到頂峰,這些蕨類埋藏在地下成了今天的煤炭。因此古生代的分界把3 億6 千萬到2 億9 千萬年前這段時期叫作石炭紀。但是今天的陸地上,卻是那些會開花結果的被子植物的天下。誰決定了蕨類的退位與被子植物的興起呢?天候與動物提供了這個問題的答案! 3 億年前由於地殼板塊運動漸漸將原先幾塊分開的大陸聚集在一起,形成了一塊又乾又冷的盤古大陸(圖7-1)。盤古大陸的形成,使得在溫暖潮溼環境下生活的蕨類,完全無法適應極端乾旱寒冷的內陸氣候,於是全面敗陣下來形成今天的煤炭。 蕨類植物大量滅絕之後,釋放出的生存空間,讓另一個原先只是陪稱的小角色有了大展身手的機會,這個小角色就是裸子植物。裸子植物演化出花粉管的構造,擺脫了植物精卵結合需要在水中進行的限制,因而更能適應乾旱的環境。另外它把子代的胚胎加上一些養分周延地保護起來,成為種子。種子在環境惡劣時以休眠方式度過,比孢子更能耐受嚴苛的環境。化石的證據顯示,早期裸子植物可能與蕨類植物同時存在於溫暖潮溼的環境,那時它並沒有什麼特別競爭的優勢。但在乾、冷的盤古大陸上,它找到了它的利基,成為蕨類植物之後陸地上的新生霸主。 陸生植物的發展使得海中動物「上陸」後仍有生路!剛開始到陸地上的動物只是以植物為食物,或作為棲身之所。但植物又能藉重動物什麼樣的特點呢?一些聰明的植物發現,可以利用動物快速移動的能力,幫助拓展自己生長的領地。於是演化出花,產生花蜜來吸引昆蟲取蜜,離去時將順便沾黏的花粉播到遠方,增加授粉的機會。另外也可以把種子以甜美的果肉包裹,吸引動物取食,將不能消化的種子帶往他鄉。這種動植物間互利互惠的關係,使得被子植物成了今天陸生植物的主流! 植物細胞用堅固的細胞壁結合在一起,以至失去了移動的能力。那它怎麼應付動物覓食所造成的傷害?有些植物的策略是產生有苦味,或是吃了以後會不舒服的毒素來嚇阻動物。另外一種策略就是發展強大的再生能力,讓每個受到傷害的組織都很快能完全再生。像大家熟悉的例子:一點胡籮蔔的細胞可以培養、長出一顆完整的胡籮蔔!不能移動的植物除了不能逃避動物之外,還有那些生存上的困難需要克服? 生物的生殖有無性和有性兩種方式。無性生殖很簡單,細菌長大了,一分為二。孤雌生殖的蜥蜴,它的卵不需要受精,可以直接孵化出小蜥蜴。植物也可以利用根、莖、葉或是出芽方式直接進行無性生殖。無性生殖有很多好處:不需麻煩去找配偶;每一個後代都能繼續繁殖,不像有性生殖的後代只有一半能產生後代。但無性生殖有個致命傷,就是它所有的後代都攜帶相同的基因,彼此間的變異很少。一旦環境改變,這些後代不能適應,就很容易全軍覆沒而滅絕。因此用有性生殖來增加後代基因(表徵)的變異,以適應變化多端的環境,是生物演化一項很重要的策略。 植物有性生殖的過程明顯區分為二個階段:帶雙套染色體的細胞組成的個體稱為孢子體。孢子體中的細胞行減數分裂,產生大量帶單套染色體的孢子。孢子不是生殖細胞,它可從被風、水流散播各處後,生長/ 分裂形成多細胞的個體稱為配子體。配子體中再分化出生殖細胞,精子和卵子在同一個配子體中產生叫作雌雄同體,完成所謂的無性世代。接下來在適當的環境中,配子體釋放出的精子會很容易與自己的卵子結合,但也可能跑到其他配子體身上去和它的卵子結合,形成雙套染色體的受精卵再度形成孢子體,結束了有性世代。植物這種無性世代與有性世代輪替的繁殖方式,稱作世代交替。 植物為什麼要用這種複雜的世代交替來繁殖?生物繁殖除了要產生後代之外,還希望達成兩個目的:一是擴大子孫生存的地域:二是儘可能避免近親繁殖,增加子孫基因(表徵)的多樣性。對動物來說,快速移動的兩性就可以輕易完成這兩件事。但對不能移動的植物來說,這兩件事就成了天大的挑戰。而世代交替繁殖方式至少部分解決了這兩個難題。 首先讓減數分裂的孢子不立刻成為生殖細胞,先用風力、流水散播到遠方,再各自發育出多細胞的配子體,保護其中負責生殖的配子,伺機交配。這樣植物雖然不能移動,也能有效地將後代子孫散播各處。但是雌雄同體的植物怎麼避免自體受精?像產生花粉(內有精子)的花藥通常都位在柱頭(內有卵子)下方,這樣就不會一不小心讓花粉掉落到自己的柱頭上而受精!被子植物在花裡產生花蜜,吸引昆蟲來吸食,花粉自然就沾黏在昆蟲身上。昆蟲飛到另一朵花採蜜時,身上的花粉就準確掉落到那朵花的柱頭上,完成異體受精的傳粉。而受精卵形成的果實則再度吸引動物探集、食用。不消化的種子就又隨著動物的移動,擴大了散播的空間(圖7-2)。 被子植物的花、種子與果實是植物吸引動物最有效的手段,而動物主動協助播種的效率,使得被子植物在植物世界中獨領風騷,成為當今植物世界中最豐盛的物種。   參考讀物 1....

0

生命如何從簡單走向複雜-真核細胞的誕生

生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (5) 地球上最早誕生的生命形式,應該是一些構造簡單的單細胞生物。但經過近40 億年的生物演化,如今我們周遭是一個極為繁複多樣的生物世界。今天在我們周圍還充斥著這些單細胞生物的後代,包括原核(沒有細胞核)生物:細菌和古生菌。細菌和古生菌除了外表相似外,它組成的化學結構、基因的密碼序列都非常不同。因此被認為是從生命起源後,就開始分離並獨自演化出的兩種生命形式。其他所有的生物都是由真核(有細胞核)細胞構成:包括單細胞的藻類、原生生物,和多細胞的動、植物與真菌。所以傳統上的生物分類有三個獨立、不相隸屬的域:細菌、古生菌和真核細胞。 真核細胞的出現是生物演化史上承先啟後的關鍵,沒有它就沒有後來的動、植物和真菌。由化石的證據推測,真核細胞可能出現在18 到20 億年前。換言之,從第一個單細胞生物在地球上出現後,大約經歷了20 億年,才有真核細胞的出現。真核細胞究竟如何從簡單的原核細胞演化出來?我們如果比較原核與真核細胞的構造(圖5-1),除了有無細胞核之外,還有兩個明顯的不同:一是真核細胞不像細菌一樣,在細胞膜外還有層堅固的細胞壁;而是由內部的細胞骨架,來支撐柔軟的細胞膜抵抗水的滲透壓。另外真核細胞中還有各式各樣的胞器,像粒腺體、高基氏體、溶菌體等等。 真核細胞中最獨特的胞器就是粒腺體。它外層是由兩層類似細胞膜的結構所包裹,裡面還有一條環狀的雙股DNA,與細菌同源的核糖體,和在細胞內透過分裂的方式產生等等。這些特徵讓它看起來,像是一個躲在真核細胞內,沒有細胞壁的細菌!七十年代,科學家提出內共生的理論,認為粒腺體的前身可能是一種特定的細菌,在演化過程中被外殼柔軟的真核細胞吞噬,因為它的獨特功能(有氧呼吸)對宿主有用,就此長期共生互利,終究融合成為一體。 內共生的理論解釋了為什麼粒腺體會有許多細菌的特徵(除了不再需要的細胞壁),而真核細胞吞噬細菌的過程,解釋了粒腺體雙層細胞膜的來源:內膜是被吞噬的細菌所有,而外膜則來自宿主細胞。這個理論還預測了,生物界應該還有一些沒有粒腺體的真核細胞存在。的確如此!許多單細胞的原生生物從外觀看來,真的好像沒有粒腺體。但是內共生的理論仍然沒有回答:那個吞噬細菌的真核細胞是怎麼來的? 九十年代之後,科學家發現,原先被認為不帶粒腺體的原生細胞內,其實還是有一些過去沒有看到的微小胞器,有雙層膜的外套,但裡面已經沒有DNA 了。但其中許多組成蛋白的基因上,還可以看到粒腺體蛋白基因的獨特標記。雖然這種微小胞器存在於厭氧的細胞裡,也不負責有氧呼吸;但大家相信它是由粒腺體退化而來的。也就是說因為生活在缺氧的環境中,粒腺體英雄無用武之地,也就慢慢退化/ 消失了。到目前為止沒有例外,所有真核細胞都有,或曾經有過粒腺體。於是一個新的理論逐漸浮出水面:真核細胞的出現與粒腺體的內共生可能是同一件事!                   在蟑螂的腸子或是牛胃中,曾發現一些厭氧的真核細胞沒有帶粒腺體,但有另一種很特別的微小胞器,可以把葡萄糖分解產生的電子直接和氫離子結合產生氫氣和ATP。這種微小胞器也有雙層膜的外套,有些甚至還有小段和粒腺體相似的DNA,所以也可能是由粒腺體退化而來。這些粒腺體的遠祖細菌很可能在缺氧的環境中,有能力利用葡萄糖產生ATP 和氫氣。但在氧氣充沛的環境中,它不再產生氫氣,而改用氧氣作為電子接受者產生水。這個發現和真核細胞的誕生有什麼關聯?過去研究古生菌時,很早就知道有些古生菌沒有堅固的細胞壁,有的還會用氫氣作食物產生甲烷的副產品。那麼一個會產生氫氣的細菌,和一個要吃氫氣為生的古生菌相遇,它們還會想要分開嗎?僅僅相鄰不如乾脆直接住在一個屋簷下共同生活。一個全新的生命形態:真核生物就此誕生(圖5-2, 5-3, 5-4)!   當然從作朋友、同居到結婚融合一體,雙方都需要作出相當的調適。譬如被吞噬到古生菌中的細菌,當然不再需要細胞壁。而細菌合成脂肪分子的高效率,也讓真核細胞利用細菌合成的脂肪分 子去組成它的細胞膜,使得真核細胞的細胞膜與細菌完全一樣,而與古生菌截然不同。另外像細菌基因裡常帶了一些寄生的跳躍DNA。為了要防止這些跳躍DNA 從細菌中跳出來,插到古生菌的基因裡造成損傷。古生菌可以製作更多細胞膜,內陷之後形成保護古生菌基因的細胞核。分析細胞骨架蛋白也發現其中兩個最...

0

生命的能源政策

生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (4) 生命要維持它的運作,必須持續不斷地從食物中取得能量,能量是生命運作的動力。不同型式的能量可以互相轉變:電池的電能可以成為讓電扇轉動的動能;水從高處流下來的動能,又可以推動發電機產生我們可以利用的電能。 但在生命世界中,我們需要什麼樣的能量?而這些能量又從何而來?地球上所有的生命形式,從單細胞的細菌到人,都使用ATP 這個化學分子,作為共通的能量貨幣! ATP 在細胞內分解後會釋放出能量,這個能量的額度固定,大小適 中,剛好可以應付生命運作時所需(圖4-1)。 生命在地球上剛出現時,原始的生命型態一定是利用環境中自然存在的「食物」來製造ATP 供細胞使用,但環境中可用的「食物」必然有限,要延續生命的繁衍,生命就必須發展出新的「能源政策」。面對環境中有限的「食物」的供給,有些細胞就會不斷嘗試新的基因改造,企求獲得一些獨特的能力,來利用環境中原本無法使用的能量。地球生命史上最重要的一次「基因改造」就此誕生!那就是有些細胞開始能夠利用太陽光,把光的能量轉變成生物能夠利用的化學能:ATP。這就是光合作用。 細胞要能利用陽光,必先製造一些具有吸光能力的分子。光的能量會激活這些分子中的電子,高能量的電子就可以透過細胞膜上的「電子傳遞鏈」,逐步一點一點地把能量釋放,讓細胞利用這些能量去合成ATP。這個過程非常複雜,但我們也可以用一個簡單的比喻來理解。細胞膜好像是一個水庫的大壩,激活電子在「電子傳遞鏈」中釋放的能量,把氫離子從細胞膜的一邊輸送到另一邊,就好像把下游的水幫浦到上游的水庫裡存起來。在大壩底部有個裝了「發電機」的洩洪閘門,閘門一開,存在水庫中的水(氫離子)就順流而下,推動發電機產生ATP。這些細胞還會利用ATP,把二氧化碳固定成葡萄糖,將多餘的能量存起來,供日後之所需。 要讓光合作用持續進行,還有一個小問題需要解決,就是如何補充那些跑掉的激活電子?這個問題的解決方案很簡單:環境中的氫是電子最好的來源!氫是最簡單,也是宇宙中存量最多的元素。它由一個電子與一個質子組成。地球上最早行光合作用的細菌,可能就是用原始大氣中的硫化氫作原料,分解硫化氫產生一個電子、一個質子(氫離子)加上元素態的硫沈積在環境中。 硫化氫作為光合作用的電子來源有它的限制,因為它只在火山口等地存量較多,生命想要拓展它的領地,就必須找到更好的電子來源。水在地球上存量豐富而且無所不在。當原始細菌透過再次地基因改造,能夠用水作為光合作用反應所需電子的來源時,生命從此掙脫了居住地的限制,但用水作為光合作用原料時會產生一個前所未見的副產品:氧! 地球形成之初,大氣中是沒有氧的,當時所有的生命都活在無氧的環境中。一旦光合作用產生的氧釋放到大氣中,對當時所有的生物都是個大災難! 因為氧的化學性質活潑,它會快速「燃燒」所有可以被氧化的物質,包括脂肪、DNA 等等,進而破壞細胞重要的結構與功能。氧的出現,讓地球上所有的生命都立刻陷入絕境!所以這該是地球史上最嚴重的一次「空氣污染」。 每次地球上發生重大災難時,都會讓一些身懷「特異功能」的生物脫穎而出。電子傳遞鏈是所有生命共同擁有的一套能量轉換機制。不論是光合作用或是分解食物分子取得的高能電子,都是經由這一套機制將電子的能量轉變成生命共通使用的ATP。高能電子經過電子傳遞鏈將能量釋放完後,還得有個去處!在無氧環境下,生命利用簡單的無機分子像硫作為電子接受者。但是少數的生物發展出一套特異的機制,可以將氧放置在電子傳遞鏈的末端,接受電子加上氫離子形成穩定的水。擁有這套特異機制的生命立刻解決了氧的毒害作用。不僅如此,氫加氧形成水的過程中,還會釋放大量的能量供生命使用(想想氫加氧點火產生的爆炸!)。 在無氧的情況下,細胞分解1 個葡萄糖分子,只能得到2 個ATP 的能量。在有氧的情況下,分解葡萄糖後產生的電子,經由電子傳遞鏈到氧形成水一共可以產生38 個ATP 的能量。生物利用氧的過程我們簡稱作「有氧呼吸」。現在推測,地球上行光合作用的生物大約出現在22 億年前,而18 億年前,會利用氧的生物才緊接著出現。如果我們說光合作用是地球生命史上最重要的一次「基因改造」。那麼利用氧的能力,可稱得上是生命透過基因改造進行一次最成功的「工業革命」了! 從能量產生的觀點,在氧氣供應充足的時候,細胞分解葡萄糖後,當然是繼續「有氧呼吸」以期得到最多的能量。但當氧氣不夠時,「有氧呼吸」無法進行,葡萄糖分解成丙酮酸後,如果細胞還想繼續分解葡萄糖,細胞就需要不斷提供分解葡萄糖所需要的ADP 和NAD(圖4-2)。ADP 的來源沒有問題,只要ATP 被消耗就會產生ADP。但無氧的情況下,NADH 不能將電子釋放,透過電子傳遞鏈傳到氧形成水,讓自己再回復到NAD。因此細胞只能透過另外的化學反應,將丙酮酸變成乳酸,而使得NADH...

0

生命的起源

生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (3) 我們生活的地球大約誕生在 46 億年前,這個熾熱、初生的行星誕生後不到 6 千萬年,又遭逢另一火星大小行星的撞擊。撞擊後飛濺出的物質,形成了我們的衛星:月球。隨著地表的溫度逐漸下降,硬化的地殼形成了陸地。另外來自無數小行星造訪地球時帶來充沛的水分,形成了藍色的海洋。萬事俱備,就等待著生命的出現了! 我們熟悉的生命型式最早在什麼時候?在地球的那個角落出現?科學家只能從各地所挖掘出年代古老的岩石中去探究。推測生命最早出現的證據,來自科學家在西格陵蘭所發現 37 億年前形成的岩石,其中可以觀察到一些類似單細胞形態的岩石結構,猜想那可能是被包埋在岩石中生命的痕跡。但生命究竟如何從無生命的物質中誕生?我們可能永遠沒有一個確切的答案,因為我們永遠無法重複,生命在 37 億年前地球上發生的過程。而在今天的地球上,我們也不可能有機會再重新目睹新生命的誕生。但毫無疑問,生命的起源永遠是個吸引人們去思考與探索的課題。 達爾文在他 1859 年出版的《物種起源》書中,對生命起源的問題並沒有任何著墨。不過 1871 年 2 月 1 日,在他寫給友人的一封信裡,達爾文倒是非常清楚地陳述了他對生命起源的臆測:「如果(多大膽的如果)我們想像在一些溫暖的小池塘裡,充滿了阿摩尼亞、磷酸鹽等等,加上光、熱和閃電可能讓蛋白質形成,並朝向更複雜的形式轉變⋯。」。 達爾文的臆測一直到 1953 年才在實驗室中得到證實。芝加哥大學化學系的博士生米勒,把氫氣、阿摩尼亞、甲烷、水蒸氣等注入一個大燒瓶,在燒瓶裡插入兩根電極,接上高壓電,電極間就產生持續閃電。不一會兒,就有一些 物質凝集在燒瓶底部。分析這些凝集液發現了多種構成蛋白質的基本素材:胺基酸。因此簡單的氣體組成在適當的環境中,的確可以自動形成建構生命的基本材料。 有了建構生命的基本材料後,生命就會自動產生嗎?想想看,你如果把細胞打破、磨碎,再將組成細胞全部的材料裝在試管中。你有可能在試管中再重新得到一個活生生的細胞嗎?答案當然是否定的。科學家一直到今天,還沒有辦法在試管中用沒有生命的物質材料創造出一個有生命的細胞! 不過從今天對生命運作的瞭解,我們可以合理推測,生命起源的環境必須滿足一些基本條件。首先,生命最基本的單元是細胞,而所有細胞都具備細胞膜的結構,隔離細胞內部與外在環境,避免細胞內的物質與組織因擴散作用而消失。另外,細胞還必須透過新陳代謝的化學反應,持續不斷地從外界獲得能量與材料的供給。因此,生命只可能在一個隔離,但有能量與材料供給的空間中產生。顯然達爾文溫暖的小池塘沒有隔離的空間,縱使有一些像胺基酸分子可以自動形成,也會因為擴散作用而稀釋掉了。因此不能滿足生命起源的基本條件! 1977 年科學家在太平洋海底發現了一個狀似煙囪的熱溫泉,還真的不斷冒出滾滾黑煙,而且在黑煙囪周圍充滿了各式各樣的生物(圖 3-1)。熱溫泉的形成是因為海底大陸版塊移動,岩漿湧出、冷卻形成新的地殼。海水從附近裂縫滲入、加溫,同時溶解大量礦物質。高溫的海水尋隙湧出,礦物質碰到外面冰冷的海水,沉澱出微小的顆粒,隨著溫泉噴出。這樣獨特的環境,立刻讓人連想到生命可不可能在此誕生:高溫提供了持續的能量,噴發出的溫泉中充滿各种化合物,在缺氧的環境發生許多化學反應⋯。生命起源於黑煙囪的理論立刻風靡一時。...

0

生命的藍圖:人類基因組計畫

生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (2) 提到「基因」,大家都知道它是決定生物遺傳特徵的基本單元。也許有人還知道基因是由DNA 構成,而DNA 儲存了建構生物個體所有的遺傳資訊。就像電腦程式是用「0」與「1」兩個密碼建構而成。而在生物世界中,小至細菌,大至人類,都是以A、T、G、C 這四個化學鹼基字母作為密碼,細胞將長串ATGC 序列所組成的遺傳程式儲存在DNA 分子裡。然後,細胞會依DNA上A、T、G、C 特定的排序透過「轉譯機器」,去製造特定胺基酸排列順序的蛋白質,來執行特定的生物功能。當細胞分裂時,這套密碼程式必須忠實地拷貝一份,分別存到二個子代細胞裡。DNA 裡的遺傳程式,就這樣一代一代地遺傳下去了! 1953 年,華森和克里克兩人發現DNA 分子的雙螺旋結構,不僅解開了基因的化學結構之謎,同時也揭示了基因所攜帶的遺傳訊息,如何精確地從上一代遺傳到下一代。接下來的四十年裡,分子生物學家成功地確定了遺傳密碼的「翻譯原則」。也就是說DNA 裡的遺傳程式必須先轉錄到單股的RNA 分子上,然後細胞製造蛋白質的「轉譯機器」,會「閱讀」RNA 上記錄的指令,製造出特定胺基酸排列順序的蛋白質。從最小的細菌到我們人類,都用完全相同轉錄/ 轉譯的程序來解讀儲存在DNA 裡的遺傳程式。 90 年代後,對個別基因的認識,不論是結構、功能、還是其開啟/ 關閉的調控機制都日趨完備。分子生物學家開始野心勃勃地把目光投射到另一個更大的目標:我們是否可以決定「人類基因組(genome)」中所有遺傳密碼的排列順序,進而了解這些遺傳資訊如何決定我們人類所有的生物特性。「人類基因組」是什麼?簡單地說,就是人類所擁有全部的遺傳資訊。我們身體每一個體細胞裡都有兩套共計46 條染色體:其中一套染色體來自爸爸,另一套來自媽媽。而所有的遺傳資訊就儲存在構成這些染色體的DNA 裡。生殖器官裡一些細胞會經過減數分裂的過程,產生只帶單套染色體的精子或卵子。精子與卵子結合以後,再度形成一個帶有雙套染色體的受精卵,開始 一個全新的胚胎發育的週期。 一個受精卵呈現出的生命活力是個奇蹟,它不僅具有無窮生長分裂的潛力—從一個細胞發育出一百多兆個細胞組成的個體。在細胞分裂過程中,另外一套精緻的分化過程也同時展開—從開始看來完全相同的胚胎細胞,逐漸分化成外觀、功能完全不同,像神經、肌肉、肝、腎等細胞。這些不同的細胞還會聚集在一起、組成特定的器官。誰在發號施令,指揮這一系列細胞生長、分化的過程?這些指令加上製造身體所有蛋白質的藍圖資訊,全都存在人類的基因組裡! 「人類基因組」包含了大約30 億個遺傳密碼。90 年代初期,一個由英、美、日、法、德、中7 國,20 個研究機構共同推動的「人類基因組計畫」就此啟動。一共花了27...

1

薛丁格的大哉問:生命是什麼?

生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (1) 歐文薛丁格(Erwin Schrodinger)1887年出生於奧地利的維也納( 圖1-1)。1926 年他提出一系列波動方程式的論文,奠定了量子力學的基礎,在 1933 年獲得諾貝爾物理獎。這樣一位偉大的物理學家對生物學會有什麼深刻的看法?他又如何影響現代生物學特別是分子生物學的發展?要回答這二個問題,我們就必須把時空拉回到 1943 年愛爾蘭的首府都柏林。 二次大戰初,奧地利被納粹德國兼併,大批奧地利的精英紛紛逃離。薛丁格被愛爾蘭的首相邀請到首府都柏林成立高等研究院。1943 年 2 月 5 日,他在都柏林的三一學院發表了一個系列的公開演講。在二次大戰最高峰之際,在一所 350 年歷史的古老大學裡,面對包括愛爾蘭的首相在內的 400 位聽眾,薛丁格在他的演講中只討論了一個主題:生命是什麼?一年之後,這次演講的內容由劍橋大學出版社集結成書出版。書名就是:生命是什麼?副標:活細胞的物理面向。 薛丁格對生命的運作提出了兩項他的困惑,第一是最簡單的生命型式都有極度複雜的結構。但是物理學家奉為金規玉律的熱力學第二定律告訴我們:高度秩序的結構必然會自動瓦解而趨向最大亂度(熵)。那麼生命複雜的結構如何可能維持而不致崩壞?如果你仍然不瞭解上面這段話的意思,想想你的房間,是不是自動地會從整潔走向髒亂,那是一個標準遵循熱力學第二定律的範例! 生命為什麼可以違反熱力學第二定律,穩定地維持其複雜的結構?薛丁格提出了一個看法,他猜想維持生命需要不斷地吃進食物,那麼食物中一定含有一種負熵的東西,可以讓生命中的亂度不會增加。今天我們知道這個想法是百分之百的錯誤,熱力學第三定律告訴我們,完美晶體在絕對溫度為零時,它的亂度為零。因此世界上沒有負熵這樣的東西。 過去科學家的研究讓我們瞭解,生命必須不斷地從外界取得能量(食物或是陽光)和材料(食物、空氣和水),在體內進行新陳代謝來維持生命的結構。但是在進行新陳代謝反應的同時,必然會釋放熱到環境中,使環境的溫度增加,導致環境亂度的增加。所以生命內在的運作,加上環境的改變,整體的亂度還是增加的。因此我們可以說維持生命的秩序是以增加環境的亂度作為代價!生命仍然是遵循熱力學第二定律的規範在運作。我們可以用另外一個比喻來解釋生命的結構與亂度的關係,想想你怎麼維持家裡的整潔?你必須花力氣打掃,打掃出來的垃圾怎麼處理?不就是丟到外面嗎!所以同樣的道理:維持家裡的整潔是以增加環境的亂度作為代價! 薛丁格對生命的第二個困惑是每個生命都擁有龐大、可以世代相傳的遺傳資訊,這些遺傳資訊決定了每一個生命個體精密複雜的結構和功能。但這個龐大的遺傳資訊,在世代相傳的過程中如何精準地複製而不致出錯?薛丁格當時已經知道生命的特徵和運作是由基因在決定、操控。但基因究竟是什麼?當時大多數人還認為基因是蛋白質。進一步問基因裡的遺傳資訊如何複製?那就更是一無所知了!薛丁格對這個問題解答的猜測,倒是與我們今天的瞭解有幾分神似。 他首先推測基因可能是一種非週期性的晶體結構。這個想法其實就已經假設生命是用原本的基因作為模板來複製新的基因。因為晶體的成長就是以原來的晶體為模板,一層一層形成和原來晶體完全相同的結構。為什麼是非週期性呢?因為週期性的結構所能承載的資訊極為有限,所以必須是非週期性,這樣資訊的數量才能應付生命的需求。薛丁格另外認為儲存在基因裡的遺傳資訊,應該是由一種特定的腳本語言或是密碼所構成。 薛丁格發表演講的同年,美國生化學家 Avery 和他的同事共同發現,細胞裡的 DNA 才是攜帶遺傳資訊的物質。換言之,基因是由 DNA...

0

2016青少年跨域整合人才培育計畫─實踐想像的路

By Jwu-Ting Chen, Emeritus Professor Chemistry, NTU 前誌 這是S編退休後第一個幫忙的活動。培育營活動與107課綱中「探究與實作」的宗旨相合,教師先組成社群,共同備課,再付諸實行。此外,承襲SHS的精神,學生的活動注入跨領域整合的元素。 整體回顧,從五月到八月,大家的確做到了:團隊合作的學習,選擇社會關懷的務實主題,同時有環境永續的內涵,實作與探究的過程與結果兼備,師生共同參與,工作的格調與品味交融! 在簡菲莉校長和藍偉瑩主任的領導下,這些老師們才是我心目中的菁英。有理想,能實踐,重視學生的學習狀況超過本身的教學本事,科教館朱楠賢館長的全力支持,提供了環境與資源。 這並不是説活動已經滿分,這是第一屆,活動結束,檢討會還沒開,課程發展剛跨出第一步,歡迎明年有新的師生加入,一起走前面的路。 藍主任的網誌是第一手紀錄: 藍偉瑩 台北市立山高中教務主任·2016年8月21日 記得被找到科教館開會時,一頭霧水,看見竹亭教授、菲莉校長,館長和祝里主任開始談著想要做的事。跨域整合人才,這是個新的構想,坦白說我喜歡這個主題,因為和我的素養課程方向一致,但心裡同時擔心自己的時間還能夠做這件事嗎?跨域人才在新課綱中同樣的被重視,為什麼呢?對於學校課堂而言,跨域課程模糊了學科的界線,問題在真實世界被呈現,能讓學生不能單以學科知識回應,這使得學生不得不思考,不得不與夥伴合作,更重要是能夠發現每個人的與眾不同,才能真正互動共好。跨域課程比起學科課程情境複雜而有趣,需要的能力多樣,問題富挑戰,正因有趣讓學生能夠有動機與動力持續努力,更願意主動蒐集資料或資源,自學得以實現。又正因為解決問題需要的能力多樣,學生才會知道團隊的重要性,更因為問題富挑戰,讓學生能夠持續努力,一旦找到解決方法,這便代表學生已經改變,成長了。對於科教館而言,除了達成上述我所提到的能力外,更重要的是作為一個科普機構,培育未來所需人才是必要的責任與使命,我們的土地需要的不再只使讀好書上好大學的學生了,更重要的是能夠真正關懷土地、願意解決問題,並樂於自學,勇於挑戰的人。所以,能不參與嗎?當然要了。 第一天的會議,我們談定了方向、目標,也提出了大致流程。為了更了解大家對於跨域人才的理解與期待,便決定於104年12月20日辦理跨域整合人才計畫的OST。OST聚集了相關領域的教授、中學教師以及學生,大家針對何謂跨域整合人才、跨域整合人才培育需要的課程、自然探究實作課程、專題課程等主題分頭討論。這一天最後的成果對於整個計畫的方向確認是很有幫助的,雖然很多內容和原本會議中的構想相同,透過大家討論後,我們的心就更篤定了。跨域整合人才需要的能力其實就是21世界我們要培育學生的能力:發現問題、自學能力(搜尋、分析與解讀資料)、運用新科技能力、擬定方案與執行、團隊合作、表達分享、關懷世界、系統思考、設計思考等,這些能力不也是十二年國民教育課綱所追求的嗎。在討論過程中,讓我感到最有趣的是學生討論著這樣的活動是要選擇已經具有特質的學生參與,或是不具特質的學生呢?這個問題在後續的工作會議中也被討論過多次,我在活動辦理中找到答案了。沒有一個學生具備所有的特質,所以找來的學生可以說具備特質,也可以說不具備特質。由於在為期不長的活動時間內,我們期待找到的是願意接受挑戰,又有十足動能且具備基本能力的人。 第二次籌備會議,還是同樣的人,還沒加入新夥伴。這次我們擬定了跨域整合計畫內容。從書面審查、面談(含團體面談)、一日挑戰營、三日培育營。我心中理想的培育營是五日,但由於是第一次辦理,對於學生生活安排以及隊輔工作等需要確認事項甚多,故而還是訂為三日。而對於參與計畫的人員,也分為三圈。第一圈為計畫核心人員,負責規劃計畫方向、當年度主題與課程;第二圈為課程小組,負責課程內容設計與執行;第三圈為協助與輔導教師,負責課程實施時之協助與學生輔導工作。但由於是第一年辦理,因此三圈就先變一圈了,這也是為何第一屆的老師們格外辛苦,也因此培養出革命情感。 由於時程緊迫,所以在幾次密集會議後,決定了書審的審查原則,大家分別推薦了書審的各領域委員。面談的方式也在討論後確定了個別面談與團體面談兩個部分。面談的方式與內容取決於我們想要甄選的學生特質,這也經歷多次的討論(爭論吧)。個別面談要看出學生的思考、邏輯、冒險勇氣等特質,團體面談則是確認學生分析、整理能力及與人合作的情形。這樣的選才方式是否合適還要後續再分析與討論,才能確認是否有效度與信度。這個過程最要感謝的是辛苦命題的老師們,花的時間與心力應該是其他活動中少見,我們不像只是辦活動,而更是希望透過我們的嘗試,為未來這種課程或能力分析先做試驗。就這樣,近180件初審資料經過各領域評審的審查後,最終選出67位學生進入複審面談。為求初審客觀與嚴謹,我們對初審委員寄上本計畫,並說明計畫目標,並讓每件報名資料都經三位不同評審委員審閱,希望不會出現遺珠之憾的情形。經過兩天的面談,我們從67位同學中選出了25位,成為第一屆的學生。兩天的面談所花費的時間與心力,更重要的是用心,這更是其他活動不易見到的。 105年5月29日,正式課程展開,這一天活動共分兩個階段,上午是個人探究,由佳龍和華傑負責,各提供了一個目標明確,但又擁有學生發揮空間的問題待解。這個部分讓學生嘗試在沒有太多指導步驟下,自己設計與解決問題。在這樣的過程中,老師們可以就近觀察學生的個性,有些學生喜歡計畫後再行動,有些則喜歡邊做邊想;有些學生善於文字表達,而有些則善於繪圖表示;有些學生勇敢冒險,有些學生謹慎小心。當然,這樣的過程也幫助老師們看到學生可以努力之處,這對於後續的協助與輔導是很重要的訊息。下午是小組任務,而分組是依據面談時對於學生的觀察,讓各組內都分配了具有不同特色的異質組合,這樣的分配是希望學生能夠相互學習,也希望最終的成果是較全面的。下午課程是由學淵和育霖所設計的,複雜的遊戲規則,需要以創意解決問題的活動,這個過程讓小組學生們很快就熟悉了,展開初次合作。這樣的過程幫助老師們看到各組合作的情形,對於小組中較不主動的學生,老師們鼓勵他參與或給予表現機會;對於小組內互動不順之處,老師們也先讓學生們自己處理,再適時透過提問讓學生重新思考如何對話。這樣的觀察對各組老師後續協助各組完成任務是很重要的,很短的時間內快速了解每個學生在團體中展現的特質,也預想未來小組合作或完成任務可能遇到的困境。或許是第一屆,我想更或許是這群參與的夥伴都是平日對學生非常關注的老師,大家不只關照自己的小組,更相互注意其他組的學生,也常常交換意見,期望能夠給學生更好的協助,目的是能夠讓學習發生。 105年7月4日至6日,重頭戲「培育營」上場了。培育營三天的課程是整個活動成功與否的關鍵,如果學生無法在三天中了解到這個活動期望他們能從關心生活真實問題出發,我們期待的不是科學研究而已,更是讓學生們從發現問題,到了解與同理相關人等的感受,再藉此解決真正的問題,而非假想的議題。雖然從最後的成果發表中發現,由於課程時間太短,確實無法更清楚更學生們說明問卷的設計與意義,這是下一屆課程可以繼續努力之處。 三天的課程從讓學生學習簡便的測量APP與方法開始,第一天上午甫宜老師為學生安排了多樣的科學探究活動,透過探究活動,學習使用測量工具;下午則是小P帶來的研究方法課程。由於本次主題是水,為了結合這個主題,小P設計一個全新的探究課程─家庭水質測定,讓學生僅用三用電表,進行簡易的實驗操作,並能規劃變因、分析數據,最後還能整理數據與形成結論。 因為只有三天的課程,第一天晚上也就繼續安排了。為了讓第二天的課程可以開始聚焦,第一天晚上以團體共創為主題,讓學生們共同討論「值得被解決的問題」,問題特質是什麼?討論過程除了幫助大家釐清,也增加小組合作的機會。第一天晚上經過幾次的團隊共創,最後讓各組聚焦出想要探討的問題。這個活動也幫助老師們看到學生們對於想探討的議題認識多少,缺乏什麼。 第二天上午要展開真正想解決的問題了。設計思考的活動以簡化的方式運作著,要改變學生用想像找出問題或做研究的習慣,所以必須不斷地挑戰他們,希望他們思考遭遇這些問題的人認為的困擾或困境什麼(同理)?如何重新定義問題?目前相關問題已經解決了什麼?或相似的問題曾經被如何解決?這個問題真正的原因是什麼?有歷史脈絡嗎?如何發生,又如何變成現況?沒有解決的問題在哪裡?我們能夠或選定要解決的問題是那個(些)面向?就這樣學生被逼了一整天,做了兩輪的發表,第一是描述問題並說明問題的重要性,第二是問題包含的面向、要優先處理的面向、要如何做。相信這些學生沒有這樣一整天不停討論,不斷撞牆、不斷發散與聚焦的過程。這樣的過程幫助老師們看到團隊動能的特性與問題所在,不得不說這些老師們的陪伴功力都很強,也很有耐性,很能磨學生,也很能被學生磨。 第二天晚上為了讓學生邊放鬆邊學習,安排了士林夜市的學習之旅。除了逛夜市外,主要是觀察店家如何吸引顧客,如何讓顧客願意相信並接受。當然,重點還是讓學生放鬆一晚,也促進小組的融合。很多小組都利用晚上逛夜市的機會,順道訪談了路人有關小組研究主題的看法與問題。 第三天上午讓各小組學生可繼續討論,或是利用科教館實驗室的材料試做。前一天晚上學生們在夜市活動結束後,仍持續討論,所以這一天多數的組別都開始試做出設計的原型了。唯有原型做出且試行無誤後,才有可能思考如何精緻或變成更實用。 第三天下午進入重頭戲,各組須對當日到科教館參觀的民眾解說自己的設計。各組除完成問題解決的構想海報,如有原型了,也可一併展示。這個部分我們稱為募資資平台,學生透過不斷解說,以說服或感動參觀者,參觀者可依據自己對作品的喜歡程度,決定要贊助學生的金額(玩具紙鈔)。透過這樣短時間密集的說明,學生對於自己要解決的問題有更清晰的輪廓,也透過向人解說,觸發靈感而產生多樣可能性,使思考更完備。為了這個部份的活動,學生在短時間完成了研究架構的雛形,讓老師們看到學生的潛能是無限可能的。 105年7月21日的回流活動,上午的水資源議題OST,讓學生和參加的家長、同學、師長們有機會一同談談台灣的水資源問題,以及相關教育。這個過程能讓學生知道其他人對於水資源議題的看法是什麼,以及自己正在進行的研究是否可行或有意義。上午的談話看得出學生們還是很羞怯,常常都處於聆聽大人們說話的情形,對於能以平常心對等談話似乎還未被培養,或是過於客氣。而下午的研究進度報告,相信學生們都被大轟炸,研究的問題被師長與其他組同學挑戰。做研究總是很容易陷入只關注眼前的事物,而忘記所做的事在整體脈絡下的意義,簡言之,為何而做,做了為何。這樣的衝撞讓學生們離開科教館後真正開始上緊發條,也感受到時間的壓力,以及目標還很遠。終於看到學生更積極地動起來了,方向也因為被挑戰變得明確多了。 2016跨域整合人才培育計劃,結束了。看到學生們這一個多月來的產出與成長,成果遠超過我的預期,讓人感動。 這個歷程讓我自己對於明年的課程有更多想法,這個課程還能再增加與調整而這個歷程也提供了未來學校教育要發展跨域課程重要的建議。感謝這些參與的同學,讓我獲得未來課程發展需要注意之處,也讓大家更相信“只要相信” 就能實現。學生的潛力無限,我們真正的挑戰是如何讓我們的學生更勇敢更堅持,這才是台灣教育目前最困難之處,如何跨出舒適圈去冒險,這不只是年輕的學生的課題,也是老師們的。所以我的答案是讓他們留白,才能有創意與實作機會;第二個答案是提供培養能力的歷程;第三個答案是給他們夠挑戰的任務。...

6

能源與永續文明

By Jwu-Ting Chen, Emeritus Professor Chemistry, NTU (轉載自中研院知識饗宴系列 V9,2013) 楔子 能源和文明的永續到底有什麼關係? 華夏文化在世界文明中是綿延最久的文明之一。但是先跑的不一定贏,現在贏的也未必永遠贏。 從地球自然史的眼光來看人類文明,不過是永恆中的一瞬。我們創造出來的文明,在兩百年內,已經將儲存在地表上可用的淺層油耗盡泰半。好日子還沒過多久,突然能源危機就成了已開發及開發中國家的夢魘。能源危機就是指在經濟上能源供給發生了瓶頸壅塞現象。一般庶民更容易感受的是地區油電漲價反映在工業原料、交通燃料、或民生物資上,價格都明顯的上揚。全球油價的上漲趨勢是不可能回頭的。在二十一世紀,我們必需面臨方便開採的石油愈發供不應求。這是全世界的難題,而臺灣更是一個沒有天然能源的國家,我們將如何因應以度過難關? 歷史上的文明起落 從科學家的觀點,能源和資源其實是一體的兩面。地球上有多少能源?能供給多少人口過甚麼水平的生活?當科學家說地球上的能源和資源都是有限的,是根據那些知識的立論呢?首先我們先看看歷史上,人類有那些輝煌文明的起落。 二萬年前歐洲的克羅馬儂人在洞窟中留下了驚人的壁畫。三千年前中東巴比倫宏偉的城牆和城市,今天只能在博物館中找到斷垣殘壁。中國夏商的傳奇,一直到二十世紀出土的商墓中才獲得了實體的證據。三千年前埃及的金字塔已能將抽象的幾何之美融入建築技術;無獨有偶,八百年前墨西哥的阿茲特克人將天文融入金字塔的建築。南美洲祕魯高地的印加帝國(圖一)及柬埔寨的吳哥窟在近千年前都以精緻的灌溉工程與農耕技術創造了百萬人口的皇城。帝國樓起樓落,繁華落盡的輝煌早已湮沒在荒煙漫草之中,他們的後代淪落之時,都不知道祖先如何散盡昔日的光彩。 東太平洋有一個復活島,距離南美洲西岸不足500公里。以臺灣為文化母島的南島文化先民曾經乘風破浪,駐足於此。復活島曾經有過參天的椰子樹矗立在整個島嶼,現在只有向海環島而立高達數公尺的的巨石頭像,漠然地迎接著日頭的起落,唏噓過往的榮景(圖二)。 歷史上多少令人神往的文明,消弭猶如飛鴻踏雪。也難怪眾多無知之士穿鑿附會於神幻奇聞或外星玄說。利用群眾不求勝解的好奇,大賺收視率的銀子。今天的科學考古、語言文字學、生命科學、地球科學的知識都指向,無論是天災與人禍,一旦重創生態系統,不論多光鮮自豪的文明也可能無以為繼,失去永續的機會! 近兩百年來,歐美隨著工業革命之後,趁著資本主義的自由市場與科技文明急遽發展之勢,政治及經濟勢力如猛虎出匣的攫奪了全球大半的資源。另一方面,經歷理性主義與啟蒙運動洗禮的歐洲也促成了近代科學的崛起。科學使得人類獲得了認識物質世界新的窗口,不僅擴張了我們五官與經驗的疆界,正確的科學理論甚至使得人的心智思維無遠弗屆。當我們開始知道宇宙與自然之中物質與能的關係時,終於有了不同於昔日的知識來認識人類的過去與今日,甚至揣摩我們與週遭世界的未來。 科學家眼中的物質與能 希臘先哲赫拉克立圖斯認為世界是一種流變的狀態(fluxional state),每天升起新太陽,所以火應該是萬物之源。這種想法和今天「能」的流動變化概念及能與物質的關係儼然相似,卻又似是而非。 物理學家定義「能」可使事物作工、使力或發生功效或行為。換句話說,物質的改變必然伴隨能量的變化。而一般人對「能」的概念最直覺的印象應該就是「熱」。科學對「能」的尋根之旅終於在二十世紀找到了宇宙源自「大霹靂」(Big Bang)的證據。雖然大爆炸並不是產生「能」的終極因,但是哈伯望遠鏡更進一步的讓科學家知道大爆炸發生在137億年前,目前還在持續膨脹之中(圖三)。 在宇宙漫長的歷史中,伴隨著星雲、太陽系、行星的形成,有許多種形式的「能」伴隨著物質的演化。最早隨著宇宙出現的就是光與熱。19世紀麥克斯威爾才發現光就是電磁波。雖然人類的眼睛只看得見七彩的可見光,但是比可見光(光量子)能量更大的還有紫外線、X射線、伽瑪射線等;比可見光(光量子)能量小的依序為紅外線、微波、各種無線電波等。 愛因斯坦最有名的方程式就在陳述物質和能量在特定的條件下是可以互變的。 今天科學的宇宙觀認為宇宙初始的能量和質量互變,於是產生了一個粒子組成的世界。爆炸後的宇宙逐漸冷卻下來,一小部份形成次原子粒子,再形成原子。光譜學還告訴我們這些原子中約有60%的氫原子,約有37%是氦原子。太陽中最多的元素也是氫,約有73%,氦則是25%。 太陽是宇宙中典型的能源庫。太陽是恆星,不斷的進行核融合,將輕的元素轉變成重的元素,同時放出「核能」。今天的太陽大約已有五十億年的歲數,而且應該有過前世。因為恆星爆炸成超新星後,再重新凝聚,才可能形成元素種類眾多的行星。太陽核能的一部份能量以「光能」的形式釋出,地球就是最大的受惠者。 靠著「太陽能」的蘊育,地球是一個由88種元素組成的繽紛世界。最多的元素是鐵約35%,但鐵幾乎都在地心。其次氧原子佔30%,氧卻是地殼中最多的成分。地殼中次多的是矽,矽和氧就組成了砂、石、土壤的主要成份。地球組成並不均勻,88種原子以不同種類、不同數目、不同方式的結合而且變化,造就了多采多姿的大自然。 地質學的研究顯示地球已有46億年的壽命。這個不尋常的星球早就形成了一顆硬質行星,就是有固態的地表。克卜勒在約五百年前就發現地球的公轉軌道是非常接近圓形的橢圓。目前衛星最精密的測量得知,地球公轉半徑147,098,290...

2

科學在簡單和複雜之間(一):化學合成的誕生

By Jwu-Ting Chen, Emeritus Professor Chemistry, NTU 自從法國的拉瓦節在十八世紀的後葉,提出燃燒是物質與氧元素的反應,確立了元素的概念,和化學反應質量守恆定律,就奠立了化學的房角石。 十九世紀化學起飛 十九世紀的化學與浪漫派音樂同時展開了劃時代的旅程。1803年,貝多芬在奧地利演出了第三號英雄交響曲。從此,音樂不再只為貴族服務。英國的道耳吞則是在英國為他的「原子說」發表了第一篇關於原子與原子量的論文,他向世界宣告,我們的世界是由不同元素(element)的原子(atom)組成,原子不斷地排列組合造就了我們多樣多變的世界。 1809年,歌德完成了他的小說–「選擇的親和力」(Elective Affinity)。他用化學家認識自然界中物質的觀點來描述聚散離合:「親和力只有在離異時才顯得有趣。難道這個在今日社會裡經常聽到的悲傷字眼也發生在自然科學中嗎?的確,愛都爾回答,甚至把化學家稱為使一物和另一物離異的藝術家。對他們也算是一種恭維吧。但是如今已非如此,夏綠蒂說:現在合成才是好事。因為使事物結合才算更偉大的藝術和功勞,能夠將任何主題統合的藝術家,將會受到世人的歡迎。」 莫非歌德筆下的夏綠蒂是位化學先知?1911年,亞弗加厥根據給呂薩克的氣體反應實驗中各種氣體顯示的質量定比關係,提出氣體是以原子集結的「分子」(molecule)形式存在的假說(hypothesis)。原子為什麼要靠在一塊呢?哪些原子傾向靠在一塊呢?原子們又是如何的集結呢?懷疑原子說的科學家還少嗎?為什麼還要相信分子呢? 拉瓦節於1794年在混亂的法國大革命中不幸淪為仇恨的受害者,死於斷頭台上。其後的二十年中,當時許多歐洲的重量級化學家如英國的戴維、沃勒斯登,法國的安培,瑞典的貝吉理斯等,都忙著從自然界分離純元素,或發現新元素。年輕的沃勒1823年在海德堡修完藥學學位,北上斯德哥爾摩隨貝吉理斯從事化學研究。 沃勒跟著貝吉理斯工作的機會的確讓他參與了鈹(beryllium)、矽(silicon)元素的發現。更重要的是成功單離出當今最重要的民生建材之一的金屬鋁(aluminum),還有鈹、鈦(titanium)等元素。但是沃勒的傳世成就卻是有機化學的先驅,因為他在1828年成為世界上第一位從無機物質異氰酸銨(ammonium isocyanate, NH4OCN)合成出尿素(urea, (NH2)2CO)的人。事實上,化學史公認這是世界上第一次成功的「化學合成」(Chemical Synthesis),也是第一個「有機合成」(Organic Synthesis)反應。 有機化學與生機論 貝吉理斯在1806年才提出有機化學(organic chemistry)的名稱。在十九世紀之前,阿拉伯的煉金術士早就單離了酒精,就是乙醇(ethanol, C2H5OH)。蟻酸(甲酸)、醋酸、苯甲酸、琥珀酸(丁二酸)也是早先發現的有機物質。十八世紀一位品學兼優的實驗天才,瑞典的席勒還單離了草酸、酒石酸、檸檬酸、乳酸、甘油’、氰酸和一些芳香的酯類。當時世人都相信這些物質皆源自有生命的動植物,而且也只能來自於生命的器官(organism),無法從非生命的物質,譬如礦物中取得,這就是生機論(Vitalism)。 生命器官怎麼能與機械相提並論呢?類似生機論的想法或相關的哲學在東西方都可綿溯千年,又與鍊金術、煉丹術或各種宗教結合,深植人心。在十八世紀之前另一個困擾科學逾百年的學說是燃素論(Phlogistonism)。席勒和普利斯力都發現了氧氣,但是都深陷於燃素論的泥淖中,認為燃燒現象是一種從來沒弄清楚是蝦米碗稞的「燃素」在物質間進進出出。這些思想都難免古希臘的玄學思維,放眼今天坊間媒體似是而非的想像,譬如有機食療、另類療法、奈米水、善念烹調、特異功能…,又何曾少過? 化學革命 遐想、玄思、哲思、夢想、幻想…,哪一種更簡單?哪一種更合理?哪一種更簡單?哪一種更人性?生命值得投注在一個具有一致性、連貫性、歷史性、智人性的信念上嗎?科學究竟傾向選擇普羅米修斯(Prometheus)前瞻的深思遠慮,寧可獻上永遠的命運,也要為世人取得焉知禍福的火種;抑是薛西弗斯(Sisyfus)的後裔,昧於自以為是的智慧,驕傲的挑戰那無休無止的使命?雖然兩者都可能淺嚐瞬間成就的喜悅! 拉瓦節對科學的信念是伽利略、迪卡爾與牛頓的跟隨者,洞悉了物質與氧氣的化學反應(chemical reaction)不僅可以捨棄燃素論,解釋燃燒現象。也符合牛頓建立的力學系統下的物質世界。最重要的是經過他仔細研究的化學反應,皆能符合物質守恆的邏輯證據,擺脫糾纏逾千年,人各一把號的鍊金術的困惑。新的化學必須遵從理性、邏輯的推理,更要符膺有證據的實驗法則。而元素(element)正是無法再分解為其他物質的基本成分!如果還可以分解的純物質(substance)就是化合物(compound)。 人類可以複製,或甚至創造物質嗎?十九世紀初,貝吉理斯眼中的有機化學是有機反應背後必然有些未知的,和生命有關的調控力量。所以他把純物質分成有機化合物(organic...

1

教育傳播(Education Communication)

SHS計畫結案:檢討與建議(三) SHS計畫推廣「教育傳播」就是認為所有的專業都可以從事傳播,其基本概念就是大學或研究機構站出來承擔知識傳播的社會責任!   社會需要有信據的資訊 每一種學術專業都會發展出其面對或探究問題時必要的思維和認知模式。二十世紀,特別是兩次世界大戰後,許多學科加速發展,其偏重知識、技術而疏離價值、情意的趨勢較諸工業革命時代尤有過之。傳播本身也是專業,當然自有其理據和媒體的發展。逾半世紀的資訊和科技爆炸,傳播因為需要有信度的傳達不同專業的觀點,本質上就必須是站在「跨科際」的前沿。 生存倚賴資訊。就社會對資訊需求的情形看來,普羅大眾和各種專業包括媒體自己對資訊的關心和喜好,情況皆不盡相同,利害關係、語言及溝通習慣也互有岐異。譬如發生一件劣油食安事件時,政府在意法規,食品及分析專家會先著眼物料、技術和品管程序,很多民眾卻只在乎還有甚麼品牌的油能安心的食用。上中下游的食品產業、合法、非法的商業團體之利害關係又不同,所以何謂傳播「有信據的知識」,不僅事關個別媒體的信譽,也是社會系統運作機制、政治績效及公權力信任度的考驗。   重啟媒體與大學的跨界責任 當今高教的新興領域此起彼落,造成大學中科系所或研究中心的單位林立。不少「學科」課程中核心知識的角色模糊。楊照就曾經批評台灣很多新聞系的學生花了四年學了些半年就可入門的傳播技術,畢業時卻多無「專業」可言。入行時程度遠不如從「專業科系」跨界轉行的新聞記者。[1] 台灣的媒體其為公眾喉舌、針砭時局的社會良心角色漸趨式微,剩下的產業軀殼多在提供綜藝化、庸俗化、廣告化的雜碎資訊。這也許不能僅是怪罪媒體,即使以創造知識技術為重心的大學師生,對自己校園內有信據的資訊和知識從何或如何而來,都少有關心。校內的傳媒多在宣揚績效,殊少分析批判,有獨立媒體的學校更是極少。雖然BBS倡行,但較屬於學生互動平台,教師使用者少,師生缺乏跨界的交集。 今世代的大學不能只停留在傳統的「知識生產」(knowledge production)角色,專家們也應該主動的的承擔「知識傳遞」(knowledge transfer)的責任。[2]不論是站在公民科學(citizen science)、科技前景(technology foresight)、或跨科際學習的觀點,大學與研究機構必須重返社會,把專家的常識轉化成常民的知識。常民如果抱怨社會媒體資訊的混亂、不可信、或是沒有格調,通常只能消極的關機。學者專家與其抱怨社會媒體無能提供真實的知識,不如決心與行動並重,挑戰自身對社會的立場、價值、及工作。 就提供社會「有信據的知識」而言,除了媒體之外,大學為什麼不能學習善用日益普及的網路、多媒體工具,從事「教育傳播」呢?大學不提供知識傳遞就像不開放的圖書館、沒有流量的網站或無功能的資料庫。昔日留學美國時,就注意到許多大學都有自己的新聞社、出版社,發行獨立平面媒體或出版。許多專業學會都積極的對普羅大眾倡文興藝、教育社會。尤其現在文創及設計風行,自媒體傳播創業風起雲湧,校園媒體正可提供學生實務學習的機會,籌創自己的媒體,推動教育傳播,對外建立校園新傳播文化,對內打造師生對話管道及議事平台,此其時也!   專業知識的傳播 2008-2009年草創「台大科學教育發展中心」(CASE, http://case.ntu.edu.tw)時,有鑒於網路掌握了未來知識傳播的重要途徑,就決定仿效科學媒體流行的先進國家,擬定以「科學普及」和「科學傳播」同時支撐「科學教育」的策略。這種作法其實和目前以策展的手段推動教育的理念不謀而合。正是借重新興科技的多媒體工具及互聯網多元用途,以傳播的思維促進當時尚在襁褓的翻轉教學,讓科學教育走出教室、走入社會。 近年來,在SHS計劃(http://shs.ntu.edu.tw)中推動「跨科際教育」(Trans- Disciplinary Education),訴求不同專業的專家共同面對真實世界問題時先相互學習溝通合作,尤其是互動型專家(interactive expert)除了專研本科的知識,也要能主動向其他專家及社會大眾傳播有信據的資訊和前沿知識。[3]「教育傳播」認為所有社會需要的專業都可以從事傳播。學習跨領域傳播必須脫下專業象牙塔中傲慢的外衣,傳遞知識需要學習將專業術語轉換成閱聽受眾喜好或能理解的語言。進而鑑往知來、設身處地、更需要將心比心,才能有效發揮社會教育的傳播功能。這正符合當今大學發揮服務社會的大事業。 事實上,SHS總辦公室為了將計畫內容及執行過程同時傳播,就從不同背景科系聘了許多工讀生。他們的任務是由專任助理帶著設計網路、部落格、製作海報、協助記錄活動,編輯文字、特刋、現場攝影、撰寫研討會特寫稿、訪視訪談、演講現場聽打、逐字稿、撰寫活動側寫⋯等。工讀生雖未修習跨科際課程或傳播學分,但是寓學習於工作,實際上就是「做中學」。 這不是說新聞媒體工作不需要學科專業的基礎。傳播當然是專業,但是傳播技術的專業性範圍很寬,學生只是依工作的經驗啟發興趣和學習動機,再設定學習的優先順序,正是翻轉教學的精神。從跨領域學習的角度思考,新聞或傳播科系的學生的確可以鼓勵或要求雙主修(double major)或輔系。對就業取向的學生,任何科系的課程規劃都可以鼓勵選擇雙修、輔修、學程、實習的機會,提升高教的投資報酬率。No pain, No gain!...