遇見科學

「媽媽，為什麼無尾熊baby會住在袋子裡呢？」每到周休二日，許多家長總會帶著孩子一起參觀動物園，從獅子、貓熊、猩猩、企鵝到長頸鹿……，每種生物都有獨樹一格的自然生態，當中人氣最紅不讓的就是長相卡哇伊、宛如布偶般的無尾熊了，尤其台北市立動物園今年可說是喜事連連、陸續有三隻無尾熊寶寶誕生，讓前來參觀的學童有機會親眼目睹「熊寶貝」在母親育兒袋中的可愛模樣，讓許多大朋友、小朋友看了都興奮不已！
缺乏完整胎盤構造
無法給予足夠營養
談起有袋類動物，相信你跟我一樣，第一個想到的就是活蹦亂跳的大袋鼠，其實無尾熊、袋熊跟袋鼠一樣，也都屬於「有袋類」動物。台北市立動物園研究員趙明杰表示，我們常以「懷胎十月」來形容母親辛苦孕育孩子的過程，但對其他動物來說，卻不見得如此，以有袋類動物而言，因為本身不具有完整的胎盤來幫助幼兒在母體內發育，因此必須透過育兒袋來幫助寶寶繼續在裡頭成長，一直到發育完成才會離開。
以無尾熊為例，懷孕期就相當短，只有25至35天左右，原因就在於無尾熊媽媽缺乏類似哺乳類動物的完整胎盤構造，小寶寶無法藉由胎盤吸收從母體賦予的養分，所以不能像人類的嬰兒那樣，可以在母體待到十個月、吸收足夠營養後才哇哇落地！
動物園無尾熊館館長高紹文表示，無尾熊寶寶因為不能藉胎盤從母體獲得完整養分，因此剛出生時的baby就像是一顆「大紅豆」般的大小，大約只有1.9公分長、0.5公克重，外型十分迷你，可說是典型的「早產兒」。因為體積太小、發育不完全，因此這時候的無尾熊寶寶既聽不到也看不見，只有後頭兩隻腳可以看見一些雛形。
鑽進育兒袋吸母奶
發展成熟四肢
為了繼續發育、讓四肢俱足，此時的無尾熊寶寶必須靠觸覺從媽媽的產道，一路爬到母親的育兒袋中找到乳頭，繼續吸吮母乳才能獲得足夠養分。高紹文說，從產道至育兒袋的路途雖然看起來很短，但對剛出生的baby來說卻是一條「漫漫長路」。因此無尾熊第一胎的幼兒死亡率通常很高，根據統計，可達七成左右，原因是因為感染、胎盤發育不完全所導致。
有趣的是，一般人總認為動物排泄物是又髒又臭的東西，但對無尾熊寶寶而言，卻反而得仰賴無尾熊媽媽的軟便（pap）來當作生長歷程中必須要吃的副食品，才能幫助牠們順利長大。趙明杰笑著說，這種軟便含有來自媽媽盲腸中的半消化狀葉子，裡頭具有微生物菌，當無尾熊寶寶長到五個多月大時，就必須攝取軟便中的微生物菌，以便將來幫助消化吃進肚裡的尤加利葉，避免消化不良而生病。

高紹文表示，每年的9到11月是無尾熊開始繁殖的交配季節，當無尾熊長到2歲時就開始邁入性成熟年齡、可以進行傳宗接代的重責大任。無尾熊平均一胎以孕育一隻baby為主，偶爾會有雙胞胎出現，平均壽命為10至12歲。
「為了迎接三隻無尾熊寶寶誕生，動物園特別精心打造了育嬰房'」趙明杰笑著說，為讓無尾熊媽媽可以安心照護baby，園方特別將無尾熊一館打造成無尾熊育嬰房兼坐月子中心。此外，考量育嬰需求，動物保母也會特別多採集一些尤加利樹嫩葉為無尾熊媽媽「加菜」，使母體具備足夠營養，讓無尾熊baby長得頭好壯壯。
趙明杰表示，動物園引進無尾熊的時間相當早，1999年時，園方就已從澳洲引進無尾熊入住動物園進行生態教育展示，後來又陸續在2001年與2004年、2011年再度引進無尾熊生力軍，加上今年陸續出生的三隻無尾熊寶寶，總數目前已經增加到十一隻，陣容可說是愈來愈龐大。
除精心打造育嬰房讓無尾熊寶寶安心成長外，趙明杰說，由於這是動物園首次有三隻無尾熊baby接連出生，為讓大眾分享新生命誕生的喜悅，園方也特別舉辦「無尾熊新生兒命名票選活動」，讓喜歡無尾熊的民眾可以透過票選方式選出心中最喜歡的名字，最後票選結果將於十一月底公布，屆時三隻無 尾熊寶寶就會以民眾選出的新名字跟大家歡喜亮相。

就像我們必須在信封寫上收件者的地址，郵差才能順利送達信件的道理一樣，李秀敏表示，植物要能順利生長，也須透過「地址標籤」將蛋白質送往年老或年輕等不同生長階段的葉綠體，才能順利行使光合作用、獲取生命養分。
不過，也有人好奇為什麼研究團隊是以「豌豆」來作為研究主體呢？李秀敏笑著說，這是因為從一株豌豆植物身上，就可以同時看到年老以及年輕的葉子，適合用來可進行不同階段的葉綠體比對，加上豌豆比較容易抽取出葉綠體，相較之下比藻類等植物更適合用來研究分析。
研究成果可用來防治農作物蟲害
而透過這項從豌豆葉綠體及蛋白質發現的創新成果，未來也將有機會運用在植物生長的蟲害防治上，幫助農夫改善棘手的「蟲蟲危機」。
李秀敏以我們日常生活中每天都需要吃到的地瓜葉、高麗菜等蔬菜水果為例，有些菜蟲特別喜歡吃生長成熟的葉子，但如果要避免農夫辛苦種植的心血結晶被這些「不速之客」鯨吞蠶食的話，就可以在蔬果葉子中表現抗蟲蛋白，再透過「地址標籤」來引導抗蟲蛋白前往成熟的葉綠體中，以達到抗蟲效果、降低蟲蟲危機帶來的損失，讓科學研究成果也能為農業種植與蟲害防治助上一臂之力。

對生活在這個大千世界的各種動物來說，要讓自己活下去，除了須仰賴空氣、水等不可或缺的生命要素外，還得靠著進食來得到養分、幫助生長。但對植物而言，它沒有腳、不像動物可以跑來跑去覓食、隨時補充營養，既然如此，植物又是如何一天天地長高茁壯呢？答案是透過「光合作用」。
並非每種植物都能行光合作用
我們都知道，地球上許多生命都需要太陽的能量來賴以維生，植物就是最主要的例子，而光合作用（photosynthesis） 正是幫助植物吸收太陽能量的重要方式。中央研究院分子生物研究所研究員、並任教於台灣大學分子與細胞生物學研究所的李秀敏表示，就像人類需要食物才能活下去的道理般，植物也必須透過葉綠體來行使光合作用，利用太陽光的能量將空氣中的二氧化碳與水分相結合，變成高能的碳水化合物，也就是醣類，以此作為植物生長養分的來源，來幫助自己生存下去。
但如果你以為所有植物都能行光合作用的話，那可就大錯特錯囉！李秀敏解釋，有些寄生植物如「菟絲子」，因為會攀附在植物宿主身上吸取他們的養分，使得寄生植物不需要再自己行光合作用，久而久之菟絲子就因為演化而導致光合作用能力跟著退化，形成沒有葉綠體的寄生植物。
李秀敏表示，植物之所以能行光合作用，其關鍵就在於植物細胞內的葉綠體須輸入許多蛋白質，來啟動一連串的活動。她形容，「葉綠體」就像是一個「工廠」，是植物用來行使光合作用及製造脂肪酸的重要場地，而葉綠體內的「蛋白質」則如同是幫助推動光合作用進行的「工人」，兩者需相輔相成、分工合作。
創新發現改寫植物生物學認知
有趣的是，透過植物綠體與蛋白質的相關研究，李秀敏與研究團隊也從「豌豆」身上發現植物體內的不同蛋白質會進入不同成長階段的葉綠體，原因就在於蛋白質身上具有可用來導引傳送路徑的訊息，可以引導蛋白質通往不同年紀的葉綠體。這項創新發現不但改寫植物分子生物學的傳統認知，更一舉登上國際期刊《公共科學圖書館—生物學》（PLOS- Biology），引起科學家關注。
研究團隊前後花了四年時間、透過比對年老、年輕等不同成長階段的碗豆葉片得到一個新發現，原來葉綠體的蛋白質可區分為三群。第一群喜歡進入年輕的葉綠體，第二群則無特別喜好，第三群則喜好進入年老的葉綠體。李秀敏說，這項新發現打破了過去科學家認為蛋白質在植物細胞內的運輸與葉綠體年紀並無相關的既有認知，而且團隊更進一步從進入老年階段葉綠體的蛋白質中，首度找到用來導引其傳送路徑的訊息，團隊將此稱之為「地址標籤」，這就如同我們在汽車上安裝的GPS般，可以為駕駛者指導正確的行車方向與路徑。

眾所矚目的2012年諾貝爾物理獎，今年由來自法國的物理學家雅霍許（Serge Haroche）與美國物理學家溫蘭德（David Wineland）獲得，獲獎消息傳出後，不但引發物理學家高度關注，就連得獎者本身也驚喜萬分。諾貝爾獎委員會表示，透過兩位得主的研究創新歷程，讓世人得以觀測與掌控量子狀態，為未來打造量子電腦帶來更多可能性。
六十八歲的雅霍許，現任法國國家學術院與巴黎高等師範學院教授，長年鑽研物理學的他，研究出如何探究與捕捉光子的科學方法，為物理研究跨出新步伐。而與他同齡的溫蘭德則擁有哈佛大學物理學博士學位，任教於科羅拉多大學，曾研發出如何透過雷射技術將粒子冷卻至絕對零度的重要方式，不只為量子物理研究歷程寫下里程碑，更因此獲頒富蘭克林物理獎章。
為研發超級計算機
帶來更多可能性
從研究主題來看，雅霍許與溫蘭德的探究面向看似不同，但其實「殊途同歸」，都是為了深入了解光線與物質是如何進行交互作用，透過他們的研究成果，除了研發出可測量與操控個別量子的開創性方式外，也讓科學家得以承先啟後，有助於未來研發運算速度更上層樓的量子計算機，為日後「超級電腦」的誕生預先鋪路。
台中女中物理教師陳正昇表示，量子變化速度相當快，甚至比光速（每秒三十萬公里）更勝一籌，大家都知道，我們目前所使用電腦是採取「0」或「1」的二元碼儲存方式，其電腦運算速度是取決於電子的運動快慢。若將來量子電腦順利問世，將可提供更快速的運算速度，屆時可望為數位科技帶來突破性發展，這也是為什麼諾貝爾獎委員會將殊榮頒給兩位物理學家的原因之一。
除提高研發超級電腦的可能性外，透過雅霍許與溫蘭德的研究成果也有助於後人發明出時間更為精準的時鐘，其準確度不但比現行銫原子鐘超出百倍以上，還有可能成為未來計算標準時間的新基礎。
陳正昇笑著說，其實原本外界預期的熱門得獎者會是由發現可解開宇宙誕生之謎的希格斯粒子、也就是俗稱「上帝粒子」的科學家獲得，沒想到最後卻是由兩位量子物理學者獲獎，這也意味著量子研究對後世的傑出貢獻，對近代物理學來說意義非凡。

相信很多學生一聽到物理學就想豎白旗，總認為這是一門艱澀難懂的科學，其實物理跟我們日常生活息息相關，彰化師範大學物理學系教授吳仲卿表示，以廚房常見的微波爐為例，加熱原理就屬於一種物理現象，在微波照射下，食物中的水分子會來回不斷震動、相互激盪；透過分子間的摩擦來產生熱能，進而將微波爐的食品加熱。由此可見，物理學就在你我身邊，一點也不遙遠！
「與其透過理論式的紙上談兵，不如讓學生自己DIY，更能心領神會物理樂趣，」本身也在推廣科普教育的吳仲卿笑著說，透過學生動手做的過程中，不但可以將老師課本上教的知識融會貫通，還能從過程中學習如何舉一反三，讓物理學更生動活潑。
台灣大學物理系教授高涌泉語重心長他表示，在目前的教育制度框架下，讓學生在學習物理、化學等科學領域時，容易帶有功利主義的考量，往往是為了升學而學習，就連有些父母購買科普書籍的原因都是為了讓孩子從小打好科學基礎，以便於將來考上好學校、進入好公司，反而因此忽略啟發科學興趣的重要性。
物理現象無所不在
對此，陳正昇也心有戚戚焉。他表示，對許多人來說，物理是用來考試與升學的學科，但事實上，物理現象無所不在，像是摩托車或汽車引擎的運轉原理就是物理學的一環。為了讓物理更貼近生活，他常鼓勵學生每天早上出門後，試著找出日常生活中有哪些事物是與物理學有關連的，藉此開啟學生對物理世界的認知與了解，讓科學不再是一門令人感到高高在上的高深學問。
「我們不能把答案直接丟給學生，而是要引導學生如何去思考問題，」高涌泉強調，科學的發展是點點滴滴、一路積累的過程，要培養年輕學子對物理科學的熱情，教育單位、學校、家庭的角色格外重要，必須要多管齊下、提供一個培養科學素養的肥沃土壤，讓學生心中的科學種子可以從土壤中吸取養分、逐漸成長茁壯。

由於「G蛋白耦合受體」在生物體內扮演重要的訊息接收與傳導角色，因此與疾病治療息息相關，但長期以來，各國科學家都不了解其中的運作機制，以至於無法順利研發出具有標靶療效的新藥，直到兩人共同解開其奧妙，才得以讓藥物研發更上層樓，這也是為何兩人會獲頒諾貝爾獎殊榮的原因。
當中，列夫柯維茲（Robert Lefkowitz）是第一位發現「β－腎上腺素受體」如何運作的科學家，他和柯比卡（Brian Kobilka）兩人共同運用X光結晶學方法解析出β－腎上腺素受體的結構，在彼此攜手合作下，世人終於了解當細胞接收到外在訊息刺激時會出現哪些反應，研究成果可廣泛應用於藥理學、生理學、未來醫學等領域，對於研發治療高血壓疾病、抗憂鬱症等藥物都很有幫助。
藉由其成果，不只讓日後科學家可以從受體接收與傳導機制了解怎麼研發出針對各類疾病「對症下藥」的新藥，藥效也因此更能發揮特定治療功能、減輕副作用產生。以治療高血壓的藥物為例，其科學原理就是運用干擾β腎上腺素受體訊息接收與傳導的模式來讓人體血壓降低。
然而，一次成功，往往得經歷九次失敗。列夫柯維茲與柯比卡的獲獎固然令人稱羨，但研究成果卻也是經過一次次研究失敗與挫折才得來的甜美果實。
「科學研究就像在探索未知的科學領域，結果可能成功，也可能失敗，連諾貝爾得獎者都不例外」孫維欣表示，每位科學家在實驗或研究過程中都難免會受到挫折，因此具備正向樂觀態度很重要，如此才能再接再厲、愈挫愈勇，帶來更創新的研發成果。

拿鐵、卡布奇諾、焦糖瑪琪朵……，對許多人來說，每天早晨喝一杯咖啡不但是日常習慣，更是一天生活的開始，撲鼻而來的咖啡香更被上班族視為提神醒腦的秘密武器。但你可曾想過，為何我們的鼻子可以聞得出咖啡的味道，為何能分辨出這是哪種咖啡豆的專屬香味呢！這其中的運作模式也恰好說明人體細胞如何偵測與感知周遭環境變化、及傳遞訊息的過程。
有趣的是，這樣奇妙的生理機制也正好和今年諾貝爾化學獎得主研究主題─「G蛋白耦合性受體」運作模式密切相關，透過其研究成果不但為人類揭開細胞如何感知外在訊息的奧妙面紗，更為爾後的藥物研發之路往前邁進了一大步。
二○一二年諾貝爾化學獎得主名單日前揭曉，今年頒給兩名美國科學家、分別由現年六十九歲的杜克大學教授列夫柯維茲（Robert Lefkowitz）、與五十七歲的史丹福大學教授柯比卡（Brian Kobilka）共享榮耀，兩人因發現「G蛋白耦合受體」內部運作方式的重大成果而獲獎。不但為生物細胞感應與傳達訊息機制帶來突破性研究，更有助於科學家研發可降低副作用且更有效的藥物，意義重大。
我們常喜歡用成語「一日之所需，百工斯為備」來形容一般人每天穿的衣服、吃的食物、看的報紙，背後往往得仰賴各行各業的貢獻與付出，而類似道理也可運用在我們的人體中，無論是揮舞手臂還是聽一首歌、辨認味道，其過程都是靠著體內各種細胞的分工合作、相互協調才能順利完成。
中央大學生命科學系副教授孫維欣表示，「G蛋白耦合受體」其實是多種受體的統一稱號，其所在位置是位於細胞膜上，以人類來說，體內細胞就有七百多種受體都統稱為Ｇ蛋白耦合性受體，就像是一個「受體家族」般，是我們用來感知與接收外在環境各種訊息與進行訊息傳導的重要途徑，例如「β－腎上腺素受體」就是G蛋白耦合受體中的一種，可負責接收腎上腺素訊息的接收與傳遞。
孫維欣以汽車、鑰匙與鑰匙孔來作比喻，簡單來說，人體細胞就像是一台汽車，內部設有許多大大小小的線路，而「G蛋白耦合受體」如同是汽車的鑰匙孔，外在訊息則像是鑰匙，當受體感知與接收到外在環境訊息時，就像是用鑰匙「開啟」了鑰匙孔，啟動引擎等功能，讓汽車得以成功發動。這當中的科學原理就如同我們體內腎上腺素增高時，會出現心跳加速、腸胃乳動速度變慢等反應般，這些生理反應的出現，其實就是「G蛋白耦合受體」接收外在環境訊息、進行傳導與啟動生理反應的運作過程。

備受世界各國矚目的2012年諾貝爾醫學獎於十月上旬揭曉，今年由具有「複製教父」之稱的英國劍橋大學教授約翰格登、及日本京都大學教授山中伸彌同享桂冠殊榮，兩人不但分別在幹細胞研究領域中貢獻良多，更開啟另一扇希望之門，替再生醫學如器官再生、修復細胞組織帶來新發展，其成就有目共睹。
現年79歲的約翰格登（John Gurdon）被認為是開啟複製動物技術的研究先河，他在1960年代就已嘗試將青蛙的卵子用蝌蚪的細胞核來取代，從中發現一種完全分化的青蛙細胞，並培育出有別以往的蝌蚪，還能發育成青蛙，驗證即使是已經分化的細胞，也能發揮全能細胞的功能。這項新發現，帶動了複製生物與細胞核轉殖技術的重大發展，像是英國於1997年孕育的複製羊「桃莉」，其關鍵技術就是仰賴約翰格登當時的研究而成功問世。
格登對幹細胞領域的貢獻就如同瑞典皇家科學院在醫學獎頌辭中所言，藉由其研究不但改變人類過去對細胞如何特化的既有認知，也替疾病治療之路走出新方向。
有趣的是，當約翰格登在1962年透過青蛙細胞核移植實驗證明體細胞核也能發展成生命個體的研究時，山中伸彌（Shinya Yamanaka）正好也在那一年出生。兩人雖然年紀相差懸殊，但格登當年的研究卻影響山中伸彌後來發展出「誘導式多功能幹細胞」（簡稱IPS ）。
現年50歲的山中伸彌，是日本第十九位獲頒諾貝爾榮耀的得獎者。但光榮的背後，卻不意味著其研究歷程也是一路順遂。事實上，他一開始原本是立志要當臨床醫師，但因手腳不夠靈活，導致他連最簡單的打點滴都會出錯，別人半小時內就能做好的外科手術，他卻得花上兩小時才能完成，一連串的挫折與打擊讓他決定轉向幹細胞研究之路發展，沒想到因此開啟IPS細胞的研究方向。他透過老鼠實驗的成果，進一步將KLF4、OCT4、SOX2、C-MYC等四個基因放入皮膚細胞內，結果發現可發展成心臟細胞與神經細胞等不同細胞的誘導式多功能幹細胞 (IPS)，不但被視為具有「萬能細胞」的功能，更為日後的組織再生與器官移植發展帶來貢獻。
台灣大學醫學院藥理學科暨研究所助理教授林泰元表示，台灣幹細胞學會成立時，曾邀請山中伸彌來台，也因此讓他有機會和山中近距離接觸，在他看來，山中伸彌是一位個性不多話、研究嚴謹的學者，總是默默地埋頭做研究，如今成果獲得肯定，榮獲醫學獎殊榮，可說是實至名歸。

說到這裡，大家可能會好奇究竟什麼是「幹細胞」呢？林泰元解釋，其實幹細胞研究並非近年才開始，早在19世紀末就已被運用在生殖細胞演化與血液系統論述中。我們都知道，「細胞」是構成身體組織的基本單位，每個人都是從一個「受精卵」開始經由不斷增生與分化過程，而逐漸發育成人，像是我們身上就有近 270 多種細胞各司其職，維持生命運轉，但如果有一天細胞死亡或不再發揮功能時，我們就會開始生病。
而有別於這些在人體中扮演不同角色的「分化細胞」，幹細胞則是意指「尚未分化的細胞」，具有再生(self-renewal)與分化(differentiation) 兩種能力，除了可自我分裂產生新的幹細胞外，還能被分化成可發揮特定功能的細胞，像是皮膚、骨骼、血球等。若從分類上來看，幹細胞則可分為胚胎幹細胞 (embryonic stem cell) 與成體幹細胞 (adult stem cell)，像是我們這幾年常聽到的骨髓幹細胞與臍帶血幹細胞，就是屬於成體幹細胞的研究範疇。
長年投入幹細胞研究、現任馬偕醫學院教授的張南驥表示，藉由約翰格登與山中伸彌一前一後的研究歷程，不但成功發現原來細胞的發展歷程也能往回走，而非一去不回：也代表我們的成體細胞亦可望像胚胎那樣，發展成需要的器官組織，用來修復損壞器官，這不只為再生醫學帶來革命性突破，將成果運用在遺傳疾病防治與器官移植等領域，對幹細胞研究而言亦是意義重大。
而相較於國際對幹細胞領域的重視，發展腳步亦不算晚的台灣同樣也期盼能更上層樓。對此，張南驥和林泰元不約而同表示，美、歐、日等國長年挹注大量經費在幹細胞研究上，就連大陸近年也急起直追，但反觀台灣則還需要加加油。醫學研究的成果無法馬上立竿見影，政府當局不能短視，而是要有長遠規畫，而首要之務就是人才培育與資源挹注，期望政府未來能多投入資源，讓國內的醫學研究也能與國際並駕齊驅！