Category: 跨科際閱讀

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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 主要的蛋白,一個來自細菌,一個來自古生菌。 近年來對不同生物基因體DNA 大規模定序的結果,使我們有機會全面檢視細菌、古生菌和真核細胞三者基因資訊間的關連性。DNA 序列的排比分析發現,真核細胞負責能量代謝的基因,大部分與細菌的基因有較高的相似度;而負責處理基因資訊像DNA 複製、轉錄、轉譯的基因,則明顯可能源自於古生菌。所以從基因體的觀點看來,真核細胞在漫長的演化道路上,早就把細菌和古生菌各自的長處融合在一起(圖5-5)。 真核細胞若真是細菌和古生菌內共生而成,那麼傳統生物分類的三域理論就必須改寫成二域。除此之外,真核細胞丟掉了厚重的細胞壁,身體更有長大的彈性。體積愈大,就可以容納更多的粒腺體;更多的粒腺體代表能量的來源更為充沛。能量與空間的解放,讓生命擺脫了從簡單走向複雜的限制。萬事具備,只欠東風,接下來就要看單一的真核細胞如何邁向多細胞生物的演化途徑了。 參考讀物 1.  生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (1) https://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32713 2. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (2) https://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32717 3. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (3)  https://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32719 4. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (4)  https://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32731 5. On the origin...

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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 轉變成NAD。類似的反應也會發生在酵母菌身上,只是酵母菌會把丙酮酸分解成二氧化碳和酒精,讓NADH 轉變成NAD,讓葡萄糖繼續分解。這樣的反應我們稱作「酒精醱酵」。 平時大家都有一個錯誤的觀念,認為釀酒的酵母菌只有在無氧的情況下才會進行「酒精醱酵」。其實這種酵母菌不論有氧、無氧,只要有葡萄糖存在下,它都只會進行「酒精醱酵」。酵母菌在有氧的情況下,為什麼不進行高產能的「有氧呼吸」,而仍停留在低產能的「酒精醱酵」呢?這個道理其實很簡單,「有氧呼吸」雖然產能高,但作起來很麻煩,需要準備很多複雜的「器械」。而葡萄糖是環境提供,不需要自己努力備製。所以只要環境中葡萄糖供應不中斷,為什麼還要辛苦地去準備「有氧呼吸」(圖4-3)?就好像說你家門口有一堆攤販,隨時免費提供各式早/ 中/ 晚餐加宵夜,你家裡還需要買菜、開伙嗎?現在對這個現象背後分子機制的瞭解也不少。高濃度的葡萄糖會給酵母菌一個訊號,抑制參與「有氧呼吸」那些蛋白質的基因表現。使酵母菌只能作「酒精醱酵」。直到環境中葡萄糖用完了,葡萄糖的抑制作用消失,酵母菌才會再重新準備「有氧呼吸」的配備,先將環境中的酒精變成醋酸,再分解醋酸去進行「有氧呼吸」產生能量了! 參考讀物 1.  生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (1) https://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32713 2. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (2) https://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32717 3. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (3)  https://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32719 4. Why, when, and how did yeast evolve...

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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。 生命真的可能誕生於海底黑煙囪的火山溫泉中嗎?如果我們仔細分析一下海底黑煙囪的條件,就會發現這似乎仍然不是一個生命理想的出生地。首先黑煙囪的溫度高達攝氏 350 度左右,在這樣的高溫下,大部份的有機化合物都會分解。另外黑煙囪的環境很酸(和胃酸相似),在這樣又熱又酸的環境中,是難以形成一個由細胞膜包裹的生命形式。其實海底黑煙囪欠缺了一個最重要的條件,那就是生命形成需要一個隔離的空間。在這個空間裡,支持生命運作的化學反應得以進行,建構生命的材料得以累積、濃縮。最後黑煙囪形成後只有幾十年的壽命,就會消逝。在這麼短的時間裡,生命難以完成它形成前所必須經歷無數的嘗試。 科學探索永遠會帶來新的驚喜! 2000 年 12 月,科學家在大西洋的海底,發現了另一個獨特的海底溫泉結構(圖 3-2)。白色碳酸質的煙囪群宛若柏拉圖所提到那個沉入海底的失落城市。於是失落的城市便成了這個海底溫泉的代稱。失落城市是個完全不同於黑煙囪的海底溫泉。首先它的溫度不高,只有攝氏 40 到 90 度之間;其次,它酸鹼度呈鹼性;最有趣的是它多孔、蜂窩狀的結構,洞穴彼此相連,大小與細胞相近。而它的壽命可以高達數十萬年。 失落城市的形成是因為海水滲入地層,與橄欖石作用形成蛇紋岩。在水合的作用下釋放熱和氫氣。源源不絕的氫氣從鹼性的溫泉中釋出,在蜂窩狀的洞穴中,與酸性海水中的二氧化碳作用可以形成甲醛。這也許是自然界中最早、非生物性的固碳作用。甲醛在熱的加持下,可以進一步反應,得到各種有機化合物。穩定的蜂窩狀洞穴提供了半隔絕的空間。大自然在其中經歷無數的嘗試,讓各种化學反應在其中連結與碰撞,生命的秩序與組織,很可能意外地就此誕生。另外化學反應產生的脂肪分子,可以黏附在洞穴壁上形成薄膜。而脂質分子的薄膜形成了細胞膜的雛型,同時也為生命提供了另一種可能:邁出洞穴,自由遨翔在大海中,去拓展未來無數演化的可能(圖 3-3)!   參考讀物 1.  生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (1) https://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32713 2. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (2) https://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32717...

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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 億美金,2003 年終於完成了人類30 億個遺傳密碼的排列定序。這個計畫的另一個特色,就是大家都同意每個團隊得到的DNA 序列資訊必須立刻對世人完全公開。在「人類基因組計畫」中,台灣的榮陽團隊雖未正式列名,但也貢獻了4 號染色體上1 千萬個DNA 的鹼基序列而受到肯定。 掌握了人類全部遺傳密碼的排列順序到底有什麼用?最簡單的答案就是它告訴我們:人之所以為人的道理!我們每個人都帶了一套完整的「人類基因組」。但把每個人所有遺傳密碼的排列順序拿來排比一下,會發現我們彼此之間遺傳密碼的排列順序並不盡相同。其間的差異大概是千分之一左右。所以每個人大約會有幾百萬個遺傳密碼排列與其他人不同。這些遺傳密碼排列的差異,叫做遺傳資訊的多樣性(圖2-1)。遺傳資訊的多樣性決定了你我之間的不同:身高、體重、生病的型態,對藥物反應不同等等。所以每個人擁有的那套獨特的遺傳資訊多樣性,就好像每個人的身分證號碼而這個身分證號碼決定了我們每個人獨有的生物特徵。 中國人可說是最早了解遺傳資訊多樣性的民族。像為什麼有人冬天怕冷?有人吃海鮮會過敏?很多人抽菸得了肺癌,但也有人抽菸抽了一輩子也沒事?我們最熟悉的解釋,就是因為每個人的體質不同所致。但什麼是體質?傳統的說法十分籠統,但用現代生命科學的觀念來解釋就很清楚:每個人所擁有的遺傳資訊多樣性決定了他獨特的體質! 遺傳資訊的多樣性如何決定體質?更準確的說法是問:什麼樣的遺傳資訊多樣性會決定什麼樣的體質?這是一個非常重要但又不易回答的問題。我們用抽煙是否會得肺癌為例。如何找出什麼樣的遺傳資訊多樣性,會決定抽煙是否會得肺癌?我們可以找一群七、八十歲,每天抽兩包菸而未得肺癌的人,另外再找一群三、四十歲,因抽菸而已經得肺癌的人,先決定出每個人的「身分證號碼」,然後再比較這兩組人,看看他們各自擁有的「身分證號碼」之間是否存在一些共有獨特的「標記號碼」。之後再找更多的病例來驗證這組「標記號碼」是否真的和抽煙致癌有關(圖2-2)。這個研究說來簡單,但要真正執行還得克服許多困難,例如說:怎麼花很少的錢就能準確地訂出每個人幾百萬個字母組成的「身分證號碼」!更困難的挑戰,在於如何從幾萬人的「身分證號碼」中,找出隱藏其中的那組決定特定體質的「標記號碼」。 「人類基因組計畫」開啟了未來能更精準瞭解與預測每個人獨特體質的大門。探索那一些「身分證號碼」決定了什麼樣的體質,將會是未來醫學研究最重要的方向與挑戰。當然這些研究結果的應用,也會衍伸出的一些社會倫理上重大的爭議,像是就業歧視或是保險費率等等問題。 但無論如何,基因資訊的時代已經來臨,未來預防醫學的景象,就是每個人出生時都會得到一本天書。書中會記載你獨特的那套「身分證號碼」,以及它所決定的體質。然後書中還會告訴你,根據你獨特的體質,你一生中會碰到那些健康的風險,然後去設計一套適合你體質的生活型態,作為你終身依循的準則。對這樣美麗新世界的來臨,我們不禁要問:基因資訊到底是解放了我們?還是讓我們成了它的俘虜!         參考讀物 1. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (1) https://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32713 2. Chial, H. (2008) DNA...

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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 而非蛋白質所組成。10 年之後,1953 年兩位年青科學家,華生和克瑞克 (Watson & Crick),在劍橋大學發現 DNA 的雙螺旋結構。立刻確定了 DNA 複製的原理:雙股 DNA 打開後,各自一股的 DNA 都可作為模版,再精確地複製與之互補配對的另一股 DNA。而遺傳資訊就是單股 DNA 上連續的鹼基序列(圖1-2)。 薛丁格的演講透過《生命是什麼?》這本小書影響了一個世代的年青學子。他非常清楚地告訴我們:生命現象的運作,必須以物理、化學的原理為依歸。雖然他試圖在生命系統發現新的物理定律的嘗試完全失敗。但他提出的問題與挑戰,鼓舞了年青學子探究生命奧秘的熱情,同時也指引出一個正確的研究大方向。 1993 年,發現 DNA 結構的華生教授,在美國冷泉港研究所慶祝 DNA 結構發現 40...

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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(https://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!   SHS Talks —教育傳播基本功的舞台 Communication在社會的面向是指傳播,在個體的面向是表達溝通,兩者都是跨科際學習的要素,而聽說讀寫的語文能力絕非竟日之功,一蹴可及。 個人溝通能力的培養可從課程中實施討論、報告、辯論等,加強聽說讀寫的基本語文素養。SHS計畫也效法TED的精神,舉辦跨科際短講(SHS Talks)活動,並且透過傳播呈現學生跨科際學習的綜合成效。這種以學生學習為本位的「知識舞台」可焦聚講者與公眾對於議題的關注,也落實溝通能力的養成。SHS Talks正式在2013年上路,不只是為了搭紅遍全球TED的順風車,也不僅是要為SHS計畫圖些熱鬧。台灣的舞台其實不少,獨缺以專業知識為底蘊的舞台。 每一個成功的知識文創事業絕不是只靠市場。TED的成功主要是讓IDEA(點子)在多媒體網路世代有了全新的詮釋。甚麼樣的點子值得傳播推廣?要有見解,能長見識和知識,它可以是好的、聰明的、用心的、投入的、原創的、獨特的、有趣的、感人的、啟發的、娛樂的……點子,在WEB2.0的場子上,點子可由專家教導,更可由普羅大眾來定義。庶民的點子與名流賢士有機會並列。常民能參與知識的舞台已經促成了專業之士和專家學者必須學習扮演新知識份子的角色。 同樣的道理,翻轉教室也在顛覆學校中教與學的關係。師、生之間原本不僅是有授受之別,更是社會倫理架構中的相對角色。大學的本業是研究。教師和學生在大學中的工作目標不論是學術、教學亦或是社會服務,基本功都在「研究」。大學研究的本質本來就是師生共學,或是教、學互長的求知活動,所以聞道者後發先至,青出於藍的例子早就所在多有。但是師、生的職分大多仍然受到社會倫理框架的約束,經不起學生在知識上挑戰的教師畢竟是多數。翻轉教室在東方的學校中真正的挑戰,應該是教師或制度能否讓學生參與一個有機會平起平坐,攜手共創知識與新倫理的舞台。 SHS計畫的目標是培養跨界人才,主張真實問題或議題導向的實踐學習。所以不僅可以順理成章的接受翻轉教室提倡的創新教、學的挑戰,更適合效法TED傳播知識或見識的精神。因為大學本當是生產專業知識的場所,而且教育和傳播的結合也能充分發揮跨科際教育的特質。讓學生把課程中所學的做個報告也許不是最難的事,但是要學生的報告講得讓聽眾聽了能覺得有見解、長見識,為講者叫好,佩服講者的用心、投入、原創、獨特,或受到感動、啟發、或因為有趣覺得喜悅快樂……,老師們就不得不謙卑的反省反省。 一所偉大的大學不僅應該創新學術、教育學生,也可以胸懷教化社會或為世界歷史文化啟智的雄心及遠見。所以大學跳出來做教育傳播正是要借重現代民主社會的特質與價值,貢獻大學於天下。何況語文的表達溝通本來就是知識份子跨界的基本功,SHS Talks不算創新,只是因緣際會的要把學生推到時代的浪頭上。但是SHS Talks當然不只是說說講講,因為網路多媒體世代的傳播更是要結合行銷和服務的概念。換句話說,就是為知識找顧客;用專業謀服務! 既然說SHS Talks是「知識舞台」,當然就不會拒絕「表演」或「綜藝」。在今天台灣的大學中談表演或綜藝或許已不足為奇,但是如果拿台灣演藝圈、人民議會或政治殿堂的表現來定義「表演」及「綜藝」,那就是邯鄲學步、井底窺天。如果說Hollywood重新定義了電影藝術;National Geographic重新定義了科學影像藝術;TED重新定義了提供知識的舞台,文化創新正是最能挑戰跨界實力的舞台。SHS Talks會有甚麼樣的面貌,就要看參加的師生如何投入表現,大學能否肩負教育傳播的工作,知識份子是否具備知識、文化傳承的思維和使命。 跨科際教育除了訴求跨越專業間的藩籬,也訴求高等教育必須跨越學術高塔,走入社會。專業使用傳播,正是硬實力可軟;傳播跨越專業,就是軟實力要硬!    

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科學家的視野—宏觀與微觀的邊際

  哈伯太空望遠鏡將人類心智視野引向宇宙的邊際 近二十年來,宇宙學(cosmology)絕對是最夯的新興科學領域之一,而且是吸引媒體關注焦點的專深物理題材。不僅是小說類的外星人、宇宙奇航,連黑洞或火星探險殖民都能成為好萊塢熱門電影的腳本。甚至希格斯粒子、重力波這類艱澀的物理學術名詞都成為新聞頭條,當然也是常民覺得好奇有趣的對象。 在諸多先驅的學術研究項目中,美國NASA主導的哈伯太空望遠鏡(HST),無疑是科學殿堂中的明星名流有如薩根、霍金者,其發現總是能博得全世界媒體的眼光。HST顧名思義是紀念主張宇宙仍在擴張的二十世紀美國天文學家哈伯。1990發射放置於拔海逾260公里的太空軌道,其上裝置有質淨2.5公尺的望遠鏡、各種光學相機,也有先進的近紅外光、可見光、紫外光、X-光光譜儀。自從約四百多年前,伽利略將望遠鏡指向星空,HST雖然孤獨的遨遊於太空,沒有了大氣的干擾,它絕對是提供了我們的宇宙距離大爆炸(Big Bang)已有137億年之久的主要貢獻者之一!           望遠鏡促成了科學革命 望遠鏡不只是一個科學工具;望遠鏡也不僅延伸了科學家眼睛的視力範圍。視野(scope)其實是投射出觀察者心智寬廣度的邊際! 人類歷史上第一位將望遠鏡指向星空的是被譽為實驗物理之父的伽利略。他曾說:「第一眼看上去認為不可能的事,有時僅用少許理性的分析或解釋,就可把遮蔽的掩飾除去,顯露簡單赤裸的真理之美。」正顯示了立志回復柏拉圖以數學和誠實的理性認識世界的典範。當他發現木星周圍有四顆環繞的衛星時,就決心放棄教廷及世人眾口鑠金的「地心說」,而承繼了哥白尼和克卜勒革命性的「地動說」觀點。      伽利略率先用數學非直觀的描述了力與運動的因果關係,並且提出地球重力論。科學革命的貢獻是近代科學家選擇站在歷史中自然哲學、理性哲學及形式邏輯的基礎上,學會設計實驗方法和工具,焦聚問題的核心,獲得了可驗證的數據和資訊。牛頓在1687年出版了自然哲學的數學原理(Principia Mathematica),提出運動三大定律和萬有引力定律,集物理力學之大成而完成了科學革命。 近代科學結合了實驗、批判思考和想像力,終於使心智突破感官的極限。宇宙學、天文學與理論物理學家的視野因而得以超越了歷史中的帝王對星象的幻想和遐思,甚至科學知識得以預測前人哲士賢者未曾思考、經驗甚至想像的現象! 顯微鏡揭開微觀宇宙 類似的例子是十七世紀荷蘭的魯文霍克將顯微鏡改良,並且指向視力無人能及的微生物世界。同時期英國皇家科學院的虎克不僅是牛頓的宿敵,他在1665年出版的「微觀視界」(Micrographia)中首創了細胞(cell)一詞。書中手繪的跳蚤讓倫敦民眾大為吃驚,這種肉眼難以辨識的黑黑小小來去無蹤的昆蟲,其有如變型金鋼的後腿可以讓它們一蹬可達一英呎。其力學效益好比一個人一躍三百英呎!雖然蚤目演化的歷史仍不清楚,從今日的電子顯微鏡下觀看這些可以寄生在各種哺乳動物或鳥類身上的跳蚤,其身體結構、生命週期、生活型態仍然讓我們驚訝不已。    更重要的是顯微研究為人類心智開啟了另一扇窗。超越人類經驗的空間與時間尺度雖非無稽,卻是處處受限於我們的感官。永恆和無限只有在上帝的國度才能被允許。所以從猶太教到基督教和回教的宇宙觀是以地球為中心。上帝以天頂蒼穹為邊際,攝下了空間的界限。祂是阿爾發(A),也是俄美嘎(Ω);無始無終,自有永有。但是霍布斯的世界有了新的階層,望遠鏡和顯微鏡先後應世,為科學家開拓了新的視野,也改變了科學家對世界觀和宇宙觀的想像! 思考與實證的聯姻邁出人類文明的一大步 十七世紀理性主義抬頭,培根和迪卡爾對思考的方法和對知識的態度,在數學與物理學上開花結果。但是對物質組成的思維仍然走不出煉金術的迷宮。牛頓對重力和萬有引力的力學研究滿足了人類對物質世界運作律則的知識,他也許認為鍊金術可能引向心靈世界的奧秘!科學革命跟隨宗教改革和文藝復興的步伐,如畫破黎明的曙光,世人卻多仍在夢鄉沉睡。 同時代的波以耳基於牛頓的物理成就,接受了霍布斯的機械哲學(Mechanical Philosophy)以及當時盛行的微粒論(Corpuscularianism)。不同的元素有不同的微粒,其排列、集合、重組、分解形成了多樣、形變的繁複世界。的確是非常先進的概念,波以耳甚至確立了以簡易有序、可以設計、理解重複進行的實驗,奠定詳實紀錄且可以檢驗結果的典範。 由於波以耳不能辨別釐清元素的真偽,也無法在實驗中切實區辨元素和化合物。科學界篤信「燃素論」是燃燒現象的原因,卻無人能證明燃素的存在。對於物質性質的變化,波以耳也無法捐棄鍊金術的窠臼,甚至狂熱的探索「哲人之石」的奧秘,迷失在科學、形上學、及宗教混淆的夢魘中。 波以耳雖然出版了「懷疑的化學家」,將alchemy 改成chemistry,直到十八世紀,拉瓦節才能真正的領師揮別了鍊金術的幻境,直搗近代化學的康莊大道。 關鍵詞(Keywords) 望遠鏡(telescope),顯微鏡(microscope),視野(scope),宇宙邊際(The edge of the Universe),宏觀與微觀世界(Macroscopic & Microscopic world) Reference: http://case.ntu.edu.tw/blog/?p=5726 薩根(Carl Sagan 1934-1996);霍金 (Stephen Hawking 1942~);哈伯(Edwin Hubble 1889-1953);伽利略(Galileo Galilei 1564-1642);柏拉圖(Plato 428/427 or 424/423 BC – 348/347...

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校長大哉問!

中正高中簡菲莉校長提出了大哉問! 這個世代的好老師應該具備的能力  素養  專業倫理….,有哪些是師資培育單位的課程與教學實習系統應該承擔的呢?」 校長關心的可能是師培單位針對「課程發展」的what & how。因為師培教育屬於職教,其實也應該包括教師評鑑準則和制度!據此,對以上的命題做一些分析,可以大致涵蓋下面的子命題: 教師資格的評效基準(benchmark)? 教師資格有别於其他專(職)業的關鍵內容? 教師資格如何與時俱進? 大學師培學程的課程規劃如何與以上的目標接軌? 師培實習系統的why? what? & how? 分析子命題有一些背景脈絡。不僅因為師資培育是職業教育,譬如西方大學長久以來就認定批判思考(critical thinking)是專業與公民養成的基本素養。批判思考的核心能力包括分析、推理、判斷。教師也屬於專業,更是社會公民的中流砥柱,當然要求具備批判思考能力絕不為過。 至於針對「時代性」的敏銳度應該獨立於批判思考的能力。因為能否體認時代變遷需要歷史、社會和國際局勢的素養,正所謂鑑往知來,因時制宜者也!如今十二年國教對國民素養訴求的目標是「自發、互動、共好」,的確也比往昔的「德智體群美」更有時代性,所以期許教師具備如此的質素也算合理。 依此,子命題就可暫時簡化為: 如何在師資培育學程中的「學科教材教法」與「師培實習系統」課程中有效的建立準教師因應中長教育目標的學科教學知能(PCK)? 更直接的問題是—師培和學校系統如何實施「學科教材教法」與「師培實習系統」的課程設計發展,使得準教師的課程發展能力能有效的與未來的工作、系統、生涯規劃接軌? 如此的解讀也許扭曲了校長原來的問題。其實已經不免置入了個人對教師資格及師培觀點。就是教師的主要工作責任絕不只是在教室中提供、甚至填塞學生知識,尤其是被劣質升學制度制約的僵化考試知識,而是執行課程設計發展。這個過程的經驗與學習才是轉植給學習者學習歷程的素材! 教師在課程發展的過程中,即使是每一次的備課,都需要前述的批判思考能力,也需要反芻「自發、互動、共好」的現世代教育目標,最直接的就是針對「學科教材教法」與「師培實習系統」的學習經驗無止境的反饋於自身的課程發展。PCK的檢覈點不只是學生特定的考試成績,更是他們生活、思考及成長素質的表現! 教學是教育的一環。教學絕不可以完全脫離於教育之外,教育提供教學的理據以至使命感。因為教育與政策、制度、文化、經濟等都有關,教育本身更是自有其不同的理論和價值信念。以工作順序而言,教學當然是教師的即時優先任務,然而教師能兼顧教學和教育嗎?。教師通常自然的注意到課程發展中教材教法的設計,其實就是教學的What and How。但是教育目標的意義是為何而教,其實就是教育的核心問題!Why teaching? 如果教師認真的把課程發展置於現場教學之前,就可以兼顧教學與教育。因為課程發展的工作核心並非教材教法,而是學習者的特性和學習目標。以學習者為中心的教學從學習目標發展出教材教法,以至於學習進路與評量,整個過程的思考其實就涵括了教育的判斷與抉擇。 「學科教材教法」與「師培實習系統」這兩門課在目前現實學校體制中的狀況如何呢?科編(JTC)個人的經驗沒有擔任過實習課的教師,僅有所耳聞。但是對物質科學的教材教法倒是有相當的認識。 講白了,目前高教的化學科師培學程中,我還沒有看到哪一個學校的在認真地執行「理化教材教法」的課程發展。事實上負責的師範大學提供的計畫說明書和計劃書格式就是毫無新意,完全不鼓勵課程發展。大家能相信物理或化學專科的畢業生因為有大學專科修課成績,就理所當然的具備這個世代理化好老師應有的能力、素養、專業倫理….嗎? 傳統的教材教法課用1/3~1/2學期的時間「試教」,根本就像在上「書報討論」(seminar)。我開授過一次此課,要求學生討論課綱、教科書,試寫教科書、教案,設計作業、考題,學生普遍反應與聽說的傳統課程不同,到學校主要是讓學生考高分,為什麼要學課程發展?焉知這就像為什麼高教重視研究,課程發展正是教師教學進路的研究方法! 實習教師更是經常被學校當雜役使用,就是做學校老師不願做、沒人做的事,包括行政事務。當然未必所有的實習課都是如此,而且從「做中學」的角度來看,在職訓練(on job training)本身就可以提供很好的教材教法學習。但是較好的安排仍然應該是學校的種子教師以mentor的身份先從教學上實施課程發展。學校中的教學實務不同於學程中的模擬,理論與實作經驗共振,專業與通識知識融通,這樣才能落實教師實習的意義。顯然,這其中隱藏了科編是主張教師分級的! 近來參與高中、國中、科教館、或師培的活動幾乎都是藉著教師工作坊推動課程設計發展。教材教法的內容幾乎都與「探究與實作」和「跨領域學習」有關。原因就是學習目標要扭轉僵化的片段式填鴨學習,過程通常包括問題或議題引導、資料檢索、資料或文本閱讀、選擇研究問題和方法、實作或行動研究、研究數據分析及歸納結果。當然其中必然會有競合討論,並且另外安排文字或口頭報告、壁報、甚至辯論或延伸的專題探究。這些經驗都將在未來逐一撰文介紹! 科編呼籲教育部在正式實施107課綱之前應該用心推動教師工作坊及用課程發展使在職和職前教師增能。師範及教育大學更應該將師培教育設為大學的辦學指標!那些併校的大學宜三思而行!  

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科技能單獨完成淨塑嗎(Plastic Cleaning)

By Jwu-Ting Chen, Emeritus Professor Chemistry, NTU  三月底參加了一個宗教團體主辦的「環境永續淨塑」研討會。淨塑是比限塑更為積極的環保永續態度。主題針對「淨塑」提出的3R從Refusing/Reducing/Reusing跨到眾人皆知的Replacement/Recycle,顯明這是一個兼具人文與科學思維的環保會議。 籌辦單位基於我推動SHS計畫的經驗,希望我擔任一位forum moderator。會議邀請的發言來賓則囊括了「產」如產業基金會、綠色企業、環保工業;「官」如環保署、環保局;「學」如環工、化工、材料專家學者,甚至宗教、公益團體、社會創新企業和NGO等。 主辦單位本身的積極目標主要在鼓勵信眾拒用塑膠袋,尤其是PVC產品的全面禁用。相關企業的包裝和物流全面檢討塑膠限用,至少要減量,中長期則圖思取代之道。因為了解要使善願往前行,需要科技的加持,所以兩天研討會的議題就設定為「藍色經濟解決方案 = REPLACEMENT替代 + RECYCLE回收再利用」和「綠色生活實踐 = 負責任的生產跟消費」。 第一天的講員、引言人及與談人發言內容的科技性頗高。其實很容易混用的集合名詞如塑膠、聚合物、高分子物質對常民已經十分吃力了。再如如生物降解(bio-degradation),解體(disintegration),堆肥性(compostablity),沒有相關專業者根本只能勉強望文生義,無從仔細分辨。 會中清楚的討論到PVC(Poly-Vinyl-Chloride)是氯乙烯的聚合物,但是PVC粉粒需要添加塑化劑、穩定劑…等才能製成各種塑膠成品。家居環境中的PVC(或PVDC)從塑膠袋、塑膠膜、塑膠容器、包裝塑料、填充物、發泡劑、玩具、仿皮製家俱、各種仿材地板、各類管線……,真是軟硬兼吃、應有盡有的神奇萬事通!   因為PVC塑膠依產品性質需要,各類添加劑含量可從5~70%不等,使用時接觸有毒添加物的機會甚高。許多常用塑化劑是環境荷爾蒙,在台灣已非新聞,法律仍無法完全禁絕。此外,PVC廢料不論燃燒或掩埋就算是分解、解體或被生物降解,仍可危害健康和生態。尤其燃燒後產生的戴奧辛,更是高度致癌的物質之一。               另一方面,多位專家也說明了常民較少知道的聚乳酸(PLA)塑膠。PLA是乳酸的聚合物,可以製成多種塑膠成品以取代PVC。譬如保鮮膜、塑膠杯等日常用品。但是因為容易發生解體或被生物降解,使用時間長的產品,其玉米原料、材質研發、製程的成本都要提高。不過PLA塑膠的廢棄物確是可以直接掩埋,當作堆肥!只要嚴格分類,就是符合環保、永續的綠化學塑料。 PET(Poly-Ethylene-Teraphthalate)則是典型的回收再利用塑膠。雖然解體、生物降解都不容易,也不能做堆肥。但是台灣一年46億個寶特瓶,不論燒掉或是丟入海中都是汙染源。所以有的回收做成綠建築的建材,更甚者進一步重新粉碎抽絲織成毛毯、或二、三度回收織成衣物、帳篷以供賑災。較粗糙的回收廢塑料也有裂解煉成柴油、煤油的。很明顯的是偏物理性的回收再利用成本低,偏化學性回收再利用的程序複雜,成本就較高。 研討會激發了一些值得省思的問題。塑膠當然是科技產物,而且引領著人類文明昂首踏入人工塑料的世代。但是,利用科技遂行大量生產(mass production)的始做俑者卻是資本主義的自由市場。而科技與資本主義兩者對20世紀以降的人口膨脹、資源競奪都脫不了關係。今天一旦發現資本、資源快速的轉為廢棄物,直接威脅人類的健康與生態的永續,真是尷尬唏噓兼而有之。 先進社會促成經濟文明的全球變遷,回頭不易卻又前途未卜。今天國際主流的科技與經濟體是否能夠繫鈴人兼解鈴人?樂觀與悲觀主義者的僵持徒然相互羈絆,卻疏於對話和合作。正需要第三種文化的積極介入,集公民科學與公民人文的革新思維,共創未來。 以國家經濟體和企業發展為例,為什麼一定要競逐高標的GDP和Net Profit?有些企業以其創新的永續價值爭取到價值認同的市場發展,一面繼續投入R&D開發更多環境友善產品,一方面將市場利潤回歸員工,並且擴大就業市場,解決在地人民生計。所以雖然GDP和Net Profit不夠「漂亮」,國家和企業仍然欣欣向榮。 再以推行有機農產的企業為例,台灣逾20%的農地廢耕,甚至淪入財團的不法剝削對象。近年卻有許多自耕有機農業,不僅在老年社群中獲得參與及迴響,也有年輕族群的社會企業往此方向發展。這種自給自足型態卻能重視永續淨塑農產企業雖然規模較小,或暫不足以外銷,卻能自力更生,在地興旺。但是仍然需要合適的國家政策和財政的鼓勵與品管,才有機會在多災的環境中穩固。 曾有人說社會企業創新的第一要件是要能生存,但同時要能揭櫫某些社會價值才算成功。所以並非只有能與國際資源金融遊戲接軌並行,名列Forbes才算成功企業的唯一準則。同理,世界上也並非只有地大物博,屯控全球能資源的國家才是偉大的國家。有許多國家人口不過數千萬,社會福利事業、制度、法律都得以異中求同,人民就有許多開發、創新、投入的工作空間,並且享受努力的成就,進而累聚豐厚的精神文化。雖非大國,卻有大氣。 值得注意的是科技的發展雖然可以提供積極、創新、理性、思辨的處事手段,人與人之間的互信、互愛,相濡以沫、彼此扶持的習慣,不免在人性、人文關懷的環境下更易於滋長。淨塑的價值與習慣在幼年時的基礎教育中更容易發生、茁壯。 勝利的競爭贏在起跑點絕不必是唯一的教育目標。養成自發、互動、共好的信念和能力仍不失為一個健康社會的個人素養。 淨塑運動也可以是一個社會學習跨界合作的起點!

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面對鄭南榕「自焚」的兩種生命態度—兼論何謂批判?如何批判?

作者:王咻咻 國立交通大學社會與文化研究所博士生 編輯:歐陽巽  跨閱誌  特約編輯     台南國立成功大學在2013年的校園改建後,成功、勝利兩校區間的圍牆被拆除而騰下一個廣場空地。是年11月,校方委由學生社團聯合會進行網路票選命名,11月30日,「南榕廣場」在3000名投票中以900多票獲第一名,但在多次的討論後,校方終以名稱涉及政治為由,於2014年1月15號的校務會議中以70比21票決議取消廣場命名。[1] 在15號的校務會議裡,成大歷史學系王文霞教授對鄭南榕及其自焚行為做出了不少評價,據新聞所述,王發言後「現場一片掌聲」,[2]但在會場外,透過校內異議性社團零貳社的現場錄音以及傳播相關訊息、動員抗議,其發言受到多日未平的各方批評。 王對於鄭南榕的評價集中在其自焚上,並從自焚事件上綱到對於「自殺」的總體思考:鄭南榕應不應該自焚?他自焚的意義為何?人們(尤其青少年)應不應該自殺?自殺的意義為何? 而對於王教授的相關質問中,批評者也針對鄭之自焚,提出了相對應而相反的詮釋;兩造的相反詮釋,反映了兩種自主放棄生命的生命態度。本文主在爬梳這兩種生命態度,並窺其涉及的政治人物評價、政治價值、歷史知識等問題。 最後,結論部分則透過兩造立場的呈現、兩種生命態度的糾纏,來看某種批判態度正在如何進行?而我們還能進行怎樣的批判?     一、不能自由擇死的自由、民主價值 當日發言中,成大歷史系王文霞從民主發展的貢獻、以及死亡之選擇這兩點 上,蓋棺以論鄭南榕:(1)關於民主發展的貢獻,王表示,「在台灣民主發展歷史過程裡面」,有太多人在民主制度、社會運動以及民主觀念的推廣上,「都比鄭南榕做的更多更多」,而她之所以會作如此發言,乃是回應「南榕廣場」理念發起人、成大政治系(並為校內社團零貳社成員)學生邱鈺萍的言論:「感念南榕學長的犧牲及努力,台灣才有今日的自由民主」。(2) 「面對生命各種災難」時,人們(尤其年輕人)應該勇於面對其中的「挑戰和磨難」,而不能、不該以「死亡」做為表達理念的方式,否則便像是「女朋友不理我了就跳樓,爸爸不給我錢我就去殺爸爸要不然我就自殺」、或者像是「伊斯蘭的自殺炸彈客,因為不合我意的時候我就去死,或者你們陪著我死」。 除了不能以死亡做為理念表達的方式外,王還進一步將「尊重生命」(其實也就是個人不能自由選擇死亡)視為「民主自由核心價值」,因為她認為唯有個體活著,自我的實踐、潛力的發展才能被充分發揮,而鄭南榕的死亡違背此原則,因此其「作法對我來說是完全違反自由和民主精神的」,王文霞如是說。[3] 這位歷史學學者的發言,逼使我們思考一個問題︰個人能不能自由、自願性地選擇死亡?王的發言給出了否定的答案,而她的否定答案則建立在 (1)某種民主自由價值的信念。(2)對鄭南榕自焚的去脈絡解讀之上。 在其發言中,生命之存活,是其所謂民主自由價值能被確立、被證成的核心要件,其建立其證成,則建立在個人對於某種自由選擇的放棄上——對自殺的自由選擇;這裡便形成了一個弔詭:唯有人們放棄自由死亡的權力,自由的核心價值才能被發揮。 那麼建立民主、自由的目的又何在呢?其目的在築構一個空間,益助個體於此空間中能「充分地實踐自我,去施展他的潛力」,但是所謂實踐自我、施展潛力卻藏存一個預設,即是,自我放棄生命,不能是實踐自我、施展潛力的目標或者手段。 此種預設忽略了死亡做為生命的一個進程,忽略了個人能透過死亡來完遂自我、或恰恰是自殺乃為自我完遂的可能性,正如王以「尊重生命」做為否定自殺的選項所示:自主放棄生命不是尊重生命的一種應擇方式。 然而,讓我們回望鄭南榕的生命故事,如果關於他的一般性生命評述大致無誤、如果他的自焚與「堅持百分之百言論自由」等信念密切相關,[4]那麼我們豈不能說,鄭南榕對於自我理念與價值的實踐,正是透過自主放棄生命來加以完成?     二、「實踐理念」或者「任意妄為」? 對於鄭南榕「自焚」與「實踐理念」的連結強調,在王文霞發言風波前已陸續存在、甚至被轉化運用。將時間軸拉返到2013年,是年4月7號的鄭南榕逝世24週年紀念會上,曾為成大零貳社社長、時為反媒體巨獸青年聯盟(青盟)要員的林飛帆受邀致詞時,在致詞稿中引述鄭自焚前的場景與最後幾句話︰「24年前,鄭南榕在自由時代雜誌社足不出戶,面對妻子葉菊蘭的詢問:『我們怎麼辦?台灣人民怎麼辦?』 他回應:『剩下就是你們的事了』」,[5]此段引述,原段落應出自《剩下就是你們的事了:行動思想家鄭南榕》裡葉菊蘭的記念文,但在葉文中,她對鄭南榕的詢問是「那我和竹梅怎麼辦?」而非「我們怎麼辦? 台灣人民怎麼辦?」[6]藉由林飛帆引述上的出入,原本「家-國」難以兩全的矛盾被撇在一旁,代之以對台灣、台灣人民的宏大關懷與全然擔憂(由葉菊蘭口中說出),而此關懷,在林的轉述出入後,帶染著世代傳承概念的話被鄭南榕道出︰「剩下就是你們的事了」(在原文中所謂「你們」特指鄭之妻女),道出不久便發生了自焚事件,於是這句話便成為了某種遺言、亦為遺志——召喚「你們」來對「我們怎麼辦?台灣人民怎麼辦?」做出回答。 如是,做為下個世代者的林飛帆,便接過此種遺志而做出如下堅定回答:「我們該回答他『對,擱來,就是我們的事情了』……用Nylon那個自信、輕快、堅定的語氣,喊出自己的姓名:『我叫作林飛帆,我主張台灣獨立。』」這段話中有幾個有趣轉折——林因著一個引述出入才被生產出來的「召喚」,對之做出了熱血回應。 於是,此回應的一問一喝可說都是同一個人,而此回應有個極明確的政治目標:「台灣獨立」,除此目標外,林飛帆且在致詞中表達了「反對媒體壟斷、拒絕中國黑手干預、捍衛新聞自由」特定政治訴求,而此訴求又以「做同樣的夢」來進行與鄭等不同世代間的同在、串連。 於是在上述致詞中,我們可看到,「鄭南榕自焚以實踐理念」一事不僅被大力強調,並且,其實踐理念的「精神」被轉為一種遺產,能讓不同時空者承繼,甚至在承繼的同時,理念「內容」可被承繼者因著時空需求而自我創發,譬如林飛帆對「反媒體壟斷」訴求的表達便為一例,而鄭南榕生前雖然大聲呼張過:「我是鄭南榕,我主張台灣獨立」,但這理念是否為鄭的遺志訴求之一?林的仿擬宣告:「我是林飛帆,我主張台灣獨立」是否對鄭進行了某種遺志代言?[7] 相對於林飛帆在鄭「自焚」與「實踐理念」間的強調與轉化運用,在王文霞口中,鄭透過自焚以進行理念的琢磨、追索一面全然被忽略;同時,更去歷史脈絡地忽略了戒嚴時代中,人們表達理念的受限性;忽略在此受限下,個人對於死亡的自主選擇,乃是表達理念的少數手段之一。 澄社等政治性社團對此事的聯合聲明中便說到:「王文霞教授……發言,重點在於面對生命挑戰,但以尊重生命的角度來論斷鄭南榕的自焚,忽略了威權時代黨國追殺的脅迫與恐怖,是一種去脈絡的狹隘看法」。 其實,王會做出去脈絡的人物評價,除了她否認自殺能做為一種生命選擇的態度(即所謂「尊重生命」) 外,還在於她做為學術體制認可下的歷史學者,卻缺乏史實明辯、缺乏歷史性的同理性理解,不思辯相異時空對於生命、死亡的相異看待,亦不思辯鄭南榕(「自焚以實踐理念」)與自身(「自殺不能做為一種生命對應」)間不同的生命態度是否源於時代影響? 聯合聲明接下來的談述,便是要所有關注此事件的「我們」能異時設想,去「思考在甚麼樣的壓迫下,導致有人不得不選擇自焚」。[8] 王文霞在缺少歷史的同理性理解之下,又透過一次又一次列舉以將鄭南榕的行為定在一個錯誤理解的座標,而所有列舉都指向如下評判:鄭之自焚乃出於一種「你愛怎麼樣就怎麼樣」的任意妄為。她當日做出的每一個比附,譬如「爸爸不給我錢我就去殺爸爸要不然我就自殺」、「女朋友不理我了就跳樓」,甚至類比做「伊斯蘭的自殺炸彈客」,都是要突顯鄭自殺內含的任意妄為、只憑己意而行。 她發言中最受爭議的炸彈客譬喻,並非要就之進行自殺、殺人之爭,也並非要強調他是否如恐怖份子是否引發大眾恐懼,而是,要藉之批判鄭南榕「不合我意的時候我就去死,或者你們陪著我死」的行舉,因為此行舉並非「面對生命的挑戰和磨難」時的良好應對。[9]     三、對自焚的崇高化解讀 面對王文霞如此去歷史脈絡地認知,批評者們紛紛強調鄭自焚的理想性,以區分王進行的類舉比附,譬如時事評論者魚夫便稱︰「一個人自焚,用生命去實踐他在政治上的爭取百分之百言論自由的主張,卻被一位……教授以極盡侮辱的字眼公開形容為『伊斯蘭炸彈客』或男女之間的分手傷害」,[10]然而,為何形容為炸彈客、分手傷害是錯誤類比?王究竟用了哪些「極盡侮辱」的形容字眼?漁夫以一種不需辯說的態度未加解釋。 署名「新一」者 (即《南之洛馱思》發起人陳奕齊),在「想想」上的評論文張與魚夫採取相似的區分策略,並在詳述二者何以為異的同時,更神聖化鄭的自焚之舉、更貶抑化情傷導致的自殺行為—他直稱鄭的自焚具有一種「殉道精神」,且將此精神與賽德克.巴萊以及耶穌進行比擬;另一端,情傷跳樓的行為則被此評論者加以「情緒智商低下」、「魯蛇行徑」等形容,如是,二者比附就新一來看乃是「不倫不類」、「妖魔化」與「貶低」。 然而,為何情傷自殺便如此不可取如此的充滿「魯蛇」(loser)意味?為何因著親密愛人的離去而自殺,在價值上,低落於為著想像出來的國民、國族而自焚?自願死亡的理由能否區分價值高下?如何區分?誰來區分?這些問題,新一都未詳答。 如是,王文霞在「生」、「死」 價值間做出的徑渭選擇,於兩位評論者筆下,則成了在不同死亡原因中做出評判—崇高鄭南榕對死亡的自願選擇之同時,貶抑了其他自殺的理由、生命經驗。 而另一些評論者則不僅崇高化鄭的自焚理念,甚至進一步,將「表達理念」推衍至「對理念的達成」,即是,透過鄭南榕的死亡,「對民主、自由的堅持」與「完成民主、自由的步伐」被混同為一了,譬如邱鈺萍便直接了當宣頌:「感念南榕學長的犧牲及努力,台灣才有今日的自由民主」,相類似的言論一直(尤其在社會運動圈中)存在、並於此次風波後更大量被生產,如鄭的遺孀葉菊蘭在事發當天、恰好是鄭南榕逝世25周年的紀念會上表示:「他的犧牲換來台灣言論自由的空間」;而到了隔日(16號),新台灣研究文教會基金會執行長陳嘉君在記者會發言中則稱:「鄭南榕的自焚解放了那個時代的恐懼……鄭南榕自焚後,才有後來的野百合學運」。 在這些談話裡,自由民主、解放時代恐懼、野百合學運….透過「才有」等詞彙的強力連結,而與「自焚」、「犧牲」等對鄭的死亡描述,進行了不斷不斷被確立被證成的直接遙繫;對於這種太快速而單線性的連結,已有人做出反思,東華大學教授魏貽君臉書上的一篇文章〈對於鄭南榕的一個批判觀點的致意〉便說到︰   「鄭南榕自焚之後的野百合學運、獨台會事件、廢除刑法一百條行動聯 盟,乃至於晚近的反核、同志運動以及諸般名目各異的政治社會運動,倘...