【物理好好玩S2EP03】遍地開花的科學創新

文|張嘉泓
(東方IC)

人類剛被新冠病毒整得七葷八素,但地球上的細菌已經對抗病毒將近上億年之久。有些細菌發展出了非常細膩的免疫系統,它配備一種蛋白質酵素,會把曾攻擊過的病毒的DNA序列,像剪刀一樣切下一段,連在細菌的DNA上。

莊子對知識有一個非常弔詭、卻又淒涼的評語:吾生也有涯,而知也無涯,以有涯隨無涯,殆矣。相較之下,我們現代人完全相信科學,實在是天真多了。在浩瀚無涯的自然中,有限的人類科學活動,竟然能得出普遍適用的知識。到 今天,這都還是非常詭異的事。連愛因斯坦都說,宇宙最不可理解的,就是它竟然可以理解。今天、我們堂而皇之,計算137億年前,宇宙創生後的第三分鐘,質子與中子如何結合成氘,再結合成氦的原子核。莊子會竊笑,科學家竟然相信,這些傢伙會完全按照地球上一個小小的實驗室內,所找到的規則來動作,毫不逾越。但、科學家可以如此回答莊子:宇宙中氦元素數量的測量值,與計算的結果,可是完全吻合。所以,這樣作、行得通!

為什麼自然科學是可能的?科學能得到普遍適用的知識,究竟憑藉是什麼樣的方法與原則?這件事很重要,因為它關係到科學家如何選擇研究的走向、與所問的問題。很令人遺憾的,科學家早就不管這個問題了。他們忙著遍地開花,如果你非得追問科學的態度,誠實的答案就是:無所不用其極,只要有用、行得通就行。這種務實的態度,鼓勵了研究的多樣性,什麼都可以拿來試一試,而多樣性大概就是科學可以不斷創新的原因。但對原則的輕忽,也養成了科學家唯用是圖的拓荒、打游擊的心態,只要有用,有什麼不可以呢?

我們地球的這位小夥伴,臉皮其實很薄

繼上個月介紹2021年科學雜誌年度突破,今天我們繼續介紹他們所選的十大入圍名單。審視一下這份名單,不難感覺到這種四處橫流爆發、粗獷的想像力。其中,緲子已經是這個節目的老朋友了,緲子不是日本女子的芳名,而是如電子一樣的基本粒子。它乍看平淡,卻神秘得讓人猜不透,去年實驗的測量,再次確定了,緲子的磁性,竟然比我們預期要來得強。這是讓粒子物理學家睡不著覺的大問題,我們會在五月的節目進一步地介紹。

在天文方面,最近有很多好消息,2016、17年的年度突破都是源頭上億光年遠的重力波,2019年是看見黑洞。有點意外,今年是地球旁邊的火星,出現另人驚豔的進展,果然是那人卻在燈火闌珊處,而且這次我們還真的揭露了這個人的內心。2018年登陸火星的InSight「洞察號火星探測器」,它的任務之一就是火星上的地震測量。但沒想到火星上地震非常稀罕,去年才好不容易測到了幾個搖晃。但透過地震波的資訊,科學家已經將火星的內心一覽無遺。我們地球的這位小夥伴,臉皮其實很薄,堅硬的地殼,少於40公里,比地球上的大陸地殼還要來得薄。火星的皮下組織,就是半固體狀的地函,與地球地函占半徑46%相當。另人興奮的是,資料證實了火星地函下的核心應該全是液態,整整佔了半徑的54%。不像地球比較複雜,是一層液態,包覆著固態的核心,有點真冷酷、假熱情。那個人果然才是真的很有心。

在地球上造一個太陽

還有一個科學突破也是驚喜,多年來科學家有一個夢想,就是在地球上造一個太陽,意思是可控制的核融合反應。氫原子核只含一個質子,融合為兩個質子加兩個中子的氦原子核後,因為質子間、及中子間,比電磁力更強百倍的核子力,可以釋放出極大的能量。我們在一月的節目就介紹過,太陽就是以核融合反應來產生熱能。相對於核電廠反應爐中,比較重的原子核分裂時放出的能量,核融合能量更大,而且產物幾乎沒有放射性,是非常乾淨的能源。但癥結是,如同人的感情,要靠近才會產生火花:質子與質子也必須靠得夠近,核子力的效果才會顯現。但質子要靠近,就得先克服彼此間的靜電排斥力。太陽依靠極高的溫度來拉近質子間的距離,所以地面上的核融合實驗,一面要將氫加溫到百萬度,一面得用極強大的磁場,來讓它懸浮著,與器材隔離。這個實驗,裝置形狀長得像甜甜圈,從二次大戰之後,從沒有間斷過,核融合的確會發生,但能量總是虧本的出不敷入。有人就嘲諷,把這一行的名聲形容為:對愛人承諾了一個星星,但卻從來沒有兌現過。

但去年這類的實驗似乎、可能、終於、即將岀現一點曙光。位於柏克萊的美國「國家點火設施」NIF,在八月的一次實驗中,反應幾乎達到能量損益兩平。他們利用192道全世界最強的雷射光交會,將氫的同位素氘與氚,擠壓在一個如胡椒粒般的小球內並加熱。這小球瞬間產生融合反應,得到了使用能量71%的產出。可惜這樣奇蹟般的結果只出現了一次,而且時間非常短暫,產生的能量值也較小。但核融合的實驗有非常多的點子在進行之中,許多私人投資也加入了努力的行列,有的用高溫超導磁鐵、有的使用粒子束,真的是遍地開花、無所不用其極。令人振奮的是,剛過完年的三天後,歐洲也傳來喜訊。位於英國牛津的「歐洲聯合環狀反應爐」JET,採用傳統的甜甜圈式裝置,在去年十二月的反應,將氫同位素加熱到一億度,核融合反應維持了驚人的5秒鐘,於是產生了59百萬焦耳能量。雖然這大概只夠煮沸60瓶熱水,而且使用的能量還是多了1/3,但能量總值已是世界紀錄。這個新聞倍受矚目,也為即將於法國啟用、花費250億美金建造的「國際熱核反應爐」暖身。這個寬達20公尺的巨型環狀體,將在2025年開始運作,希望很快就有好消息出現。

生物工程大放異彩

還有兩個突破性進展是在生物學的邊緣,科學家對早期胚胎發展的觀察越來越細膩。另一個有點跨界,去年科學家開始由土壤中收集到古老的基因DNA,而且加以解讀,這使得科學家可以追溯土地上棲息的生物與人類的遷移。

我曾經覺得這幾年會是大腦的研究出現重大突破,但等了許久,似乎都沒在年度突破上看到。今年的名單有一個更明顯的特徵,2021年是Bioengineering 生物工程大放異彩的一年,上個月所介紹的蛋白質折疊模擬就是這樣的突破。微生物學的發展,使得人類可以如設計一個器材,對生物體,尤其是DNA做工程上的操作,這種技術終於漸漸成熟。不難想像,這與疫情也有關係。與新冠病毒相關的科學突破就佔了兩個,對抗Sars-Cov-2的抗病毒藥物在2021年成功被開發出來,而人造的抗體也開始被用在傳染性疾病的治療上。人造抗體稱為單株抗體,科學家在實驗室內從人體分離出最有力的抗體,然後透過分子生物學的方法,像工業產品一樣大量製造。這個技術已經用在癌症與自體免疫方面疾病的治療,但去年開始被用來對付愛滋病、瘧疾等傳染性疾病。當然科學家不會放過這個機會,將它發展成為一個新冠肺炎的治療。美國已經核准了兩款新冠肺炎的單株抗體,只可惜抗體是針對原來的病毒設計,實驗結果果然顯示對抗Omicron變種,效用就降低非常多。

地球上的細菌已經對抗病毒將近上億年之久

分子生物學相關的突破還有公認的閃耀明星,編輯DNA的基因剪刀Crispr。這是2015年的年度突破,前年、以Crispr基因編輯為基礎的治療,開始進入實驗室階段,又入圍十大突破。去年這個技術開始被部署於真實人體,成功修補了部分先天有缺陷的基因,這次又入圍。

Crispr是縮寫,好念又有勁,源自一個非常冗長、但經過精心設計的英文學術全名。這是很奇妙的生物現象,話說,人類剛被新冠病毒整得七葷八素,但地球上的細菌已經對抗病毒將近上億年之久。有些細菌發展出了非常細膩的免疫系統,它配備一種蛋白質酵素,會把曾攻擊過的病毒的DNA序列,像剪刀一樣切下一段,連在細菌的DNA上。於是每一種遭遇過的病毒都有一段,一段接著一段。而段與段之間,像留白一樣,會插入同樣的一小截重複序列,成了Crispr的特徵。透過遺傳,DNA會留在細菌的所有後代體內,他們記得這個病毒,遇到時就會立即反應加以摧毀。你可以說細菌是隨身帶著一本歷史,這比人類的疫苗,需要加強針喚醒抗體反應,實在高明太多了。

Crispr在2003年開始被注意,很快科學家就分離出負責剪病毒DNA片段的酵素,稱為Cas9。而且還找到一種必須的導引Guide RNA,它負責複製留在細菌DNA上的病毒基因片段。當病毒再次來襲時,Cas9酵素會攜帶著導引 RNA,在病毒DNA上尋找,鑲嵌於對應的段落上。比對無誤,這時Cas9酵素就執行剪斷的工作。前年的諾貝爾化學獎得主道德納(Jennifer Anne Doudna)與夏邦提耶,在2012年更找到了,這個機制還需要第二條RNA,稱為tracrRNA。它除了負責生產出導引 RNA之外,還將導引 RNA連接於Cas9酵素上,使導引 RNA與Cas9酵素可以一起行動。於是Cas9酵素、導引RNA、tracrRNA三個簡單的要素就形成了驚人的Crispr機制。原則上,什麼DNA都能剪。

科學的進展是科學社群整體的成就

這個2012年六月發表的關鍵工作,石破天驚,在試管化學反應與無核生物的層次上,幾乎完全確定了Crispr機制這三個要素的成分與運作。下一步自然是將這個機制運用在有核生物上,特別是人類的基因編輯。基因編輯當時已經有一些方法,但要定位所想切的DNA段落,十分麻煩而費時。而在Crispr機制中,負責定位的是導引 RNA,非常容易設計並製造,因此原則上就可以想切下那一段、就切下那一段。切完之後,提供一個更改後的版本,被切斷的DNA會依據它來自我修復。因此、更改後的段落,取代了切下的段落,基因編輯工作就完成了。所以Crispr將是一個大眾化、平民化的基因編輯。

接下來的半年,只能說所有研究組的工作,都卯足全力、日以繼夜並高度保密,希望拔得頭籌。道德納的團隊自然也加入戰局,但她的實驗室是以生物化學為主,甚至從沒有做過人類細胞的實驗。這時如果有人類基因編輯的專家跳進來,很可能會異軍突起。才過了四個月,當時還是助理教授、在這一行還默默無名的基因編輯專家、中國移民第二代張鋒,果然在十月先一步完成Crispr機制在人體細胞的基因編輯工作。道德納的研究組,晚了好幾個星期。但更重要的是,有五個組幾乎同時完成了這個工作,包括在南韓的一個團隊。這代表:科學的進展是科學社群整體的成就,這與藝術文學作品不同。個人的貢獻自然重要,但科學的目的是對自然的探究,究竟是誰先揭露大自然的秘密,其實對所得到的知識完全無關宏旨。畢竟,若不是你作出來,其他人也很快會跟上。

遍地開花的創意發揮,是大眾給予的特權

但接下來的發展,與團隊精神顯然背道而馳。首先有許多的研究獎要發,得釐清哪一位完成、貢獻了什麼。而Crispr雖然一開始是純粹的科學探究,但成為基因編輯工具之後,顯然有驚人的應用價值。究竟誰值得擁有這個技術的專利,接下來就發展成科學圈最受人矚目的法律官司。這個故事讀起來,情節緊湊、情緒高張如同小說。簡單的說,道德納的柏克萊大學,在2012年六月,根據上述她那篇著名的論文申請了專利。張鋒所屬位於MIT校園的博德研究所,在十二月論文發表後也提出了專利申請,特別指定是用在人體細胞上。這兩個專利顯然彼此衝突,妙的是,博德研究所特別以急件送申請,一年後,美國的專利局竟然就先批准了,柏克萊的申請還在一般件的檔案夾中等著。可是在歐洲,張鋒的專利卻因一個技術細節被駁回,於是一連串法律攻防就此展開。基本上,道德納認爲她們2012年六月發表的工作,已經包含了所有關鍵的科學觀念,tracrRNA的角色更是關鍵。接下來,將Crispr機制運用到人體細胞的基因編輯是非常直接了當的事,並不值得以實驗成功的先後來決定專利的給予。但張鋒主張他的突破並不依賴道德納的工作,而且畢竟在時間上他的確是領先。

現在的狀態是,在美國以外國家,歐洲、日本、中國,基本上是道德納取得主要專利。在美國兩個專利都被接受,於是需要延長加賽,調解兩者衝突。二月初,美國的專利法庭舉行了第二次聽證會,雙方的專利律師繼續過去的爭議,還彼此加上一些新的、有點惡毒的指控,結果還未揭曉。除了律師之外,大家都狐疑:這個官司的雙方,都是以公眾利益為宗旨的知名大學,如果老早就在法庭外和解,不是對大家都有好處嗎?

也許科學家也是人,有時候會忘了面對自然與社會、我們必須謙遜、必須節制。而且、遍地開花的創意發揮,是大眾給予的特權,不能無所不用其極。

下一次節目,我將聊聊雷電與氣候變遷,歡迎繼續收聽。

更新時間|2022.05.09 01:10

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