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自去年人類基因圖譜草稿之完成,National Human Genome Project 及Celera Genomics Inc. 分別在上個月於Nature 及Science 期刊中發表了完整的學術論文. 其中最令人驚訝的是,科學家發現人類大約只有三萬個左右的基因,並沒有比一些小蟲多了多少.據估計,人類的遺傳物質中只有百分之二左右真正用來指定蛋白質序列,其他部分之功能目前並不清楚.顯然的,無論是從學術探討上或是醫療的應用上,基因與蛋白質的研究目前仍僅處於開始的階段,還有太多的生命科學問題等待著我們去探討.初學者可參考本期科學網站介紹中的最後一個網址. 本期之科學新知延續上個月對去年之重大科學發現做一報導,我們並要感謝于淑君老師實驗室所提供的對除冰抗凍劑的介紹.我們一直認為,語言能力對學習科學是非常的重要.很不幸的,近年來學習科學的學生語言能力似乎在顯著的退步中.我們可以說是非英語系國家中在學校學習英文最久的地方;但所教出來的自然科學大學生或研究生的英文閱讀或發音能力可說是慘不忍睹.就連中文的論文寫作或簡單的中英翻譯也常不易找到幾句通順的句子.這些似乎是我們所有從事科學教育的人應該正視的現象,並應從整體教育制度中謀求改善之道.
2000 年科學界重大發現 中正大學化學 系陳永隆,沈建成,江安平,顏士堯,胡維平 譯自22
December 2000, Vol 290, p.2220 Science Ribosome revelations 去年科學家首次能仔細觀察一個細胞內非常重要的角色－ribosome，也就是細胞的蛋白質工廠。每個細胞必須讓兩個protein-RNA單體互相結合在一起，才能產生一個巨大的單元－核醣體－來製造蛋白質。長久以來生物學家一直想去仔細觀察核醣體如何準確製造蛋白質。在過去一年中，一些研究團體已將核醣體結構解出來，以清晰我們模糊不清的印象。這些清楚結構告訴我們核醣體中的小單體是如何與大的單體相互運動，使胺基酸能持續加入蛋白質的鏈上。 從大的單體結構告訴我們究竟核醣體的哪一個部份是製造蛋白質的地方。RNA本身扮演著酵素的角色來催化胺基酸與胺基酸間的鍵結。由此對於RNA活性了解更支持了RNA是最早存於生命體中的分子之一，而蛋白質是後來才生成的。 從在去年其他研究結果也得知－核醣體在生物演化早期中就存在。在一項研究葉綠體(植物行光合作用的地方)內核醣蛋白質的研究，發現其中有25個核醣蛋白質亦存在於細菌中，只有4種是植物所獨有的。以上這些研究支持了核醣體早在演化中動、植物分道揚鑣前就已存在了。 此外，科學家也發現一種稱為snoRNA的protein-RNA顆粒出現在稱為archaea的病菌中。通常snoRNA出現在一種稱為核小體(nucleolus)的物質中。然而，archaea並沒有核小體。所以，snoRNA應在核小體形成之前就已經存在。 另外，科學家發現當蛋白質的製造過程發生問題時，細胞會有一些保險的機制來解決此種現象。這些研究中發現核醣體有缺陷的肝細胞只會長大但不會複製。因此，這些細胞並不能夠繁衍下一代。其他一些研究與證明另外一種RNA－tmRNA能夠停止不正常的蛋白質合成，而且tmRNA會標示這些沒有完全合成出來的產物，來讓細胞內的組織把這些產物給消滅掉。 化石的尋找(Fossil find)： 人類學家長久已來已經一致同意最早的人種起源於非洲。但究竟什麼時候遷移出非洲仍是常引發爭論問題。 在去年五月，於喬治亞共和國和德國的史前歷史學家團隊報告發現明確的證據指出人類至少在 170萬年前從非洲遷移出來。這是由於在喬治亞共和國首都Tbilisi南方85公里處的Dmanisi，科學家找到兩個保存完好的頭顱，上述的發現凝聚人類學家罕有的共識。由這些史前化石中科學家找到兩條確定最早人類從非洲遷移的線索。第一條線索：在沈積岩中找到的頭顱距今 177萬年前，這也與用argon同位素定出在其之下185萬年前的火山岩層相吻合。第二條線索：這些頭顱與一種早期人類的頭顱極為相似－有些科學家稱為Homo ergaster，其他科學家稱為Homo eretus，而這些早期人類已經確定是在140∼190萬年之前住在非洲。科學家宣稱在 Dmanisi找到的頭顱說明早期人類在非洲形成不久後就遷移了，由此可知我們早期祖先已經是非常活躍的探險家。有機方面的重大發現 (One word -- organics.)去年底，諾貝爾化學獎頒給 1970年代的重要發現者，他們發現塑膠可以被製成具有導電性。這個偉大的發現使得塑膠可以像資訊革命中最重要的材料-半導體一樣，而且它激發大家從塑膠和其他有機分子來製造每一件東西，包括從雷射到電腦的電路。這些努力的成果終於在今年如波濤洶湧般地實現，例如牆壁型的電子顯示器和電子價格標籤。最近的塑膠電子學發展上，研究人員把 864個有機電晶體和另外的電腦晶片元件製造在便宜和柔軟的塑膠上。隨著電路設計的愈複雜，研究人員可以看到塑膠電路的應用愈形重要。研究人員也致力於有機雷射的領域，新材料通常藉由雷射的激發來產生雷射，但對於真實世界的應用而言，有機雷射需要被電子激發而不是光子，因此這些裝置必須注入大量的電流到核心材料，然後把電能轉換成光。為了得到這些電流，有一個研究團隊把並四苯 (tetracene)這種有機發光體楔入一對的電晶體之間，當我們把電源開關打開，這些電晶體將被注入充足的電流，使得並四苯產生雷射。新細胞的發現 (New cells for old.)科學家在今年完成了一些驚人的成果，是有關於莖細胞和無性生殖的技術，而且更進一步推翻了“細胞的發展路徑是不可逆的”這個老的觀念。在一向令人驚奇的實驗中，研究者證明了把成鼠的腦細胞注射到老鼠的胚胎時，會在成長的胚胎中形成心臟、胃、肝、和其他器官的細胞。另外有科學家指出，從接受成人骨髓細胞移植的病人身上發現骨髓細胞可以轉移成肝細胞。老鼠做骨髓細胞移植時可以轉移到腦，而且形成類神經細胞。若這些具有各種功能的細胞能被善加利用，研究者將有能力修復因脊髓腱受傷、心臟病和其它病而損壞的組織。 另外在研究操控細胞的功能上，科學家已經可以從類豬皮細胞複製豬，這是產生當做器官提供者的轉植基因豬的一個重要發展。另外一組科學家將一種野牛(來自印度和東南亞的兇猛動物)的細胞核注射入家牛的卵細胞，並將此卵細胞植到牛的子宮，並產出出小野牛的胚胎。 科學家擔心複製動物的細胞可能會比正常細胞的壽命短，但這種憂慮已經獲得紓解，因為至少有三個研究團隊證明被複製的生物具有和原來等長或較長的調聚物 (telomeres)。調聚物是染色體末端的DNA，它可能會隨著細胞分裂而變短，並可以決定細胞和它們的後代之壽命長短。水，水，到處都是水 (Water, water, everywhere) 今年的太陽系看起來愈來愈潮濕，因為天文學家揭示在木星的衛星 Europa有海洋存在，而且偵搜出火星上可能有水留下的痕跡。於是流傳著有水的地方就可能有外星生物存在。自從今年初伽利略太空船快速通過這被冰覆蓋的衛星後，這個 Europa上有海洋的理論看起來更為真實。伽利略太空船在靠近Europa的地方偵測到弱的磁場，它的方向隨著木星較強的磁場而改變。科學家只能夠想像出一種物質可以產生如此變化的磁場，那就是含鹽的海水。科學家仍然持續討論是否火星以前曾被海洋洗滌過？由最近水長久以來可能蜿蜒在火星的表面上或表面下之證據讓科學家感到非常振奮。從在軌道上繞行的監視者號 (Mars Global Surveyor)發現，過去百萬年內可能有類似泉水的小泉流在火山口壁上，甚至現在仍有可能還在流。很明顯地，水仍然以某些形式，如冰、鹽水或甲烷-水-冰混合物存在於地表之下。從監視者號傳回來的影像以及火星上隕石的分析，暗示著以地質學的年代而言最近的火山活動在過去幾億年間已經造成這些水份的遷移。而且在去年十二月初，由監視者號科學家發表的最新的影像訊號顯示，火星赤道範圍的大部分區域似乎在約4億年前曾經被不流動的水覆蓋，暗示著當時可能有較暖和潮濕的氣候。Cosmic BOOMERANG 在 1999年即將結束時，宇宙學家幾乎都是以顫抖的心情來面對新提出的預測。因為從在熱汽球上的望遠鏡，所觀測得到的天空初步模型，提供了一項令人訝異的證據，指出我們處於一個平坦的宇宙，這個宇宙正均勻的向四面八方膨脹，而不會回覆到原始的狀況。在 2000年結束時，由另一個獨立的實驗MAXIMA，更是完全的驗證了上述的說法，並且澄清了前面平坦宇宙的所有疑點，然而這些實驗結果也對於宇宙初始狀態的基本假設產生了一些疑點。根據宇宙膨脹的理論，在大霹靂後，新生的宇宙快速的膨脹。位測試這個理論，天文學家去觀測宇宙中最古老的光線 —宇宙微波背景輻射(CMB)。當宇宙剛開始形成時，高密度的物質捕捉了所有的輻射，而在三十萬年以後，密度下降到可以使光線穿透，所以背景輻射仍然保留了最早宇宙膨脹時的波浪狀的痕跡。在平坦的宇宙中,背景輻射波浪痕跡的寬度應約剛好在一度左右，這與BOOMERANG和MAXIMA觀測的結果非常吻合。然而，在這些觀測的資料中還藏著一個令人驚奇的發現.這兩個熱汽球的實驗也看到了一些約 0.5度寬的背景輻射強度變化,但卻較理論家預測的要少了一些.這短少的現象暗示了我們對於宇宙早期現象的簡單理論可能並不正確.這有可能是我們對正物質與反物質平衡的估計有少許錯誤，或者物理學家可能需要修正對造成宇宙早期平坦膨脹(inflation)之原動力的理論。Good reception 心血管疾病、糖尿病以及癌症都與細胞上的受體有關。去年科學界對受體於膽固醇和酯肪酸代謝過程的關聯上有了新的認識。科學家希望能找出新的基因片段以及可能的藥物，來阻斷或是加強這些受體的訊號，或許可以有效的對付這些棘手的疾病。 有些受體跟藥物與藥物間的交互干擾有重要的關係，在去年一月份時，有幾篇論文指出一種常見的藥草， St. John的麥苗汁會干擾許多藥物的藥效，如治療愛滋病很有效果的antiretrovirals，或是器官移植病人所服用的抗排斥藥物等。幾個月後，北卡羅來納州的一個小組指出草藥是藉由所謂的類固醇與體外受器(SXR)發揮藥效。 SXR會與某些藥物、荷爾蒙及化學物質反應，來增加肝臟製造解毒酵素的速度，使身體能夠分解及分泌其他藥物。為了證明SXR的重要地位，加州的科學家製造一批基因轉殖的老鼠，以人類的SXR基因來取代老鼠原來的PXR受體基因。結果發現擁有人類SXR基因的老鼠，對於在人體內有反應的藥物，一樣會有強烈的反應；而對一些原本只對老鼠有作用的藥物卻變的沒有什麼反應了。這將會是一個在測試藥物安全性方面的一個非常有價值的工具！！So NEAR.... 經過不到半年的時間環繞34公里的小行星Eros後,NEAR Shoemaker 太空船揭開了Eros小行星的最深處秘密: 在一片荒蕪的面具下,藏著一顆包含太陽系最原始物質的核心。這個發現解決了幾十年來一個令科學家困惑的問題,那就是到底是由何種小行星提供最常見掉落到地球的隕石。 天文學家很久以來一直無法找到一種所謂普通玄武岩隕石(早期構成太陽系主要成分之一).當科學家利用他們最佳的望遠鏡來測量小行星組成時發現, 在可見光及紅外線的範圍內, ordinary chondrites 和最常見的S-type小行星並沒有關聯。但有一些研究人員指出,長期暴露在外太空的險惡環境下, 可能使得ordinary chondrites小行星的表面變紅色, 使得它們看起來類似由石頭和金屬混合所形成,就如S-type小行星一般。 Near Shoemaker太空船藉由測量表面物質放出之X-Rayn所分析出的原素成分而結束了這個爭議。Eros小行星的成分的確和ordinary chondrites一樣, 而不是長年演化所形成的含金屬成分的岩石。顯然地, 由於遭受太陽風的侵襲, 使得Eros變成紅色, 而隱藏了它真實的原始面貌。 有趣的量子世界 (Quantum curiosities) 教科書曾經告訴我們,量子力學支配微觀世界而古典力學支配巨觀世界。然而去年的一些實驗報導推翻關於這個量子世界長久以來被認定的教條, 並幫助物理學家了解是什麼給予量子力學物質它們奇特的性質。量子力學的定律似乎違反我們日常生活的邏輯。例如, 所謂的 superposition 現象允許一個量子物體在同時間內去擁有看起來互相矛盾的性質, 像著名的薛丁格半死、半活的貓。然而, 貓畢竟是大的古典物體, 而量子物質是小的物體。 在去年三月, 物理學家表示, 他們已經能夠產生一種電流能同時以順時鐘及逆時鐘的方向環繞超導體的金屬線圈。雖然這離貓的大小還很遠, 可是這些電流環也有幾毫米的直徑, 比起物理學家所聯想到和量子力學有關的原子大小般的物質大多了。而這是有史以來看到有superposition現象的最大物體。 在去年年初我們看到了一個在量子計算的領域的奇妙現象。在量子計算的領域裡, 科學家藉由量子力學的性質, 去做似乎看起來不可能的事。直到去年年初, 科學家相信量子電腦的力量來自於一個量子性質稱為糾纏(entanglement), 也就是兩個量子物體的狀態是相關連在一起的。但是在去年一月, 一個科學家証明了要得到量子電腦的性質, 並不需利用到糾纏現象, 這使得研究人員感到相當困惑。
當駕駛員宣布天氣允許航行，而你所要搭乘的飛機也已推離登機門。此時你可以寬心，班機並沒有因為正下著雪和冰雹而取消。然而飛機也並沒有準備移動滑行的跡象。此刻，你或許感到納悶，到底發生甚麼事？坐在機翼附近的乘客或許可從窗口觀察到機翼開始噴灑出一些蒸氣狀物質覆蓋在機翼表面上。這一項新的技術就是目前在惡劣天候下廣為一般飛行器所使用的防冰抗凍劑。然後好奇的你不禁自問：那到底是什麼東西？ 大多數人所熟悉的除冰及抗凍劑多半為固態型式的化學抗凍藥品，它們經常在冬季裡被使用在人行道和鐵路上。除冰劑的功能在於使雪或冰容易的被除去。這些化學藥品（可視為溶質）在與冰或雪（可視為溶劑）接觸後便慢慢的溶入冰雪中產生鹽水，在這接觸的過程中，因有大量的溶合熱 （heat of solvation）產生而將冰或雪溶化成水。而抗凍劑的功能則在於防止解凍後的水再度結成冰。除冰及抗凍劑的主要成分有尿素或不同型式的含氯鹽類，如：含氯的鈣､鎂､鉀､鈉鹽等。一般鐵、公路上即是以這五種化學藥品或是將它們以不同比例混合之後作為除冰及抗凍劑，其中最有效也最普遍的除冰抗凍劑則屬 CaCl2。然而，上述五種含氯的金屬鹽類除冰抗凍劑並不適用於飛行器上，因為它們具有一定程度的腐蝕性。所以像汽車水箱中所添加的的抗凍劑和飛行器上所使用的除冰劑是以含有二醇 （glycol）的水溶液或二醇與適當添加劑的混合物。而添加劑則可依據實際的需要，有界面活性劑､高分子濃稠劑､酸鹼（pH）緩衝液､抗腐蝕劑､抗燃劑､或染料等不同配方。二醇和其它的化學除冰抗凍劑可有效地將水的結冰溫度（凝固點）降低。它們就像溶液中的溶質 （solute）一樣可降低溶劑（solvent）的凝固點（這裡的溶劑指的是水）。而1-2丙二醇(CH3CHOHCH2OH)或1-2乙二醇 (HOCH2CH2OH)則是目前飛行器上所使用的除冰抗凍劑中最主要的成分，其中，二醇類的化學成分約佔百分之三十到百分之七十的溶液總重量。像乙二醇､鈣鎂醋酸鹽､醋酸鈉､甲酸鈉､和尿素等成分則是經常被用在機場道路及飛機跑到上的除冰抗凍劑之中。由於乙二醇的成本低廉，所以它是一個最為普遍的液態型式除冰抗凍劑。它是一種無色、略帶黏稠狀，且凝固點為零下十三度的液體。它可以依據稀釋的程度將水的凝固點由攝氏零度降低到攝氏零下五十度。由於乙二醇本身帶有甜味，所以常會使人忽視它所具有的致命毒性。當有些動物舔到洩漏在地上的除冰劑時，常常會導致動物的死亡；同時，當人類誤食乙二醇時，即使是少量也會因嚴重地抑制中樞神經系統而致命。 丙二醇在室溫下也是一種無色且帶黏稠狀的液體，但它並不像乙二醇般具有確切的凝固點。不過它在零下五十一度時會變成玻璃態，而且它可以將水的凝固點由攝氏零度降低到攝氏零下六十度。由於丙二醇並不具毒性，所以依據 SRI國際R&D諮詢公司的調查，在過去五年中，它在美國航空飛行器的除冰抗凍劑市場上的佔有率已經從百分之十 (十二億四千萬磅重)成長到大於百分之七十(十四億磅重)。依據工業調查報告，每加侖的液態型式除冰抗凍劑的價位大約在美金 5到7元之間，而每年全世界的液態型式除冰抗凍劑銷售金額已超出二億美金之多。市場上幾個主要的生產銷售公司，如：Union Carbide、Lyondell、Clariant等在過去的幾年之間也一直維持每年百分之二到百分之三的固定銷售成長率。編號為 I型號的除冰抗凍劑流體最常被應用在飛行器的某些重要部分，如：機翼、機艙門和機身表面的除冰。而型號I的除冰抗凍劑主要由百分之九十的乙二醇及百分之八的水所組成，但是它可依實際天候的溫度需求予以稀釋。通常它們在高壓下噴灑出來的溫度約為華氏150到180度，而此熱度足以將冰、雪或是霜融化成水。雖然目前已有‘橋型台架’式的自動噴灑除冰抗凍劑的機器，但是，在氣溫低冷的天候下，每架飛機在推離登機門之前，或是在進入跑道前多半仍採用人工方式以手持噴嘴來進行除冰抗凍劑的噴灑工作。除冰抗凍劑的品質與效果好壞主要是以噴灑之後到飛機起飛之前的等候時間（即持滯時間， holdover time）長短來決定。例如：編號為I型號的除冰抗凍劑，其滯留時間大約只有5到15分鐘。所以，當噴灑工作完成之後，飛機必須立刻起飛，否則就必須等待再一次的噴灑除冰劑。當需要一個較長的除冰抗凍劑持滯時間時，則必須改用雙重的除冰過程。也就是在噴灑完 I型號的除冰劑之後，必須立刻進行噴灑編號為II型號或IV型號的抗棟劑，以防止前一步驟經融化解凍過的水再次結冰。目前II型號的抗凍劑已較少被使用，而IV型號抗凍劑的應用則較為廣泛。另外，早期經常應用於小型通勤客機上的 III型號抗凍劑則已遭淘汰。通常抗凍劑含有百分之六十五的乙二醇，且噴灑前不需再加稀釋，同時噴灑時並不需經過特殊加熱處理。編號為II型號和IV型號的持滯時間分別為三十分鐘和八十分鐘。除冰抗凍的工作除了需要考量使用的安全性之外，還需顧及環保的概念。除了乙二醇對一般哺乳類動物的致命毒性外，當它經生物分解過程溶於水中後，也會因對溪流與湖泊、河川產生厭氧而造成嚴重的水污染情形。除此之外，除冰抗凍劑中所含有的尿素等添加劑的毒性也不容忽視。其中尤以 tolytriazoles作為抗腐蝕及抗燃添加劑的毒性最為劇烈。美國環保署要求各地機場監管經除冰抗凍過程污染的雪、雨水的排放量。基於各級地方政府的經費考量而訂定機場廢水排放方法，如將機場廢水交由承包商就地進行處理後再逕行排放，或是經匯集後轉運至市屬的廢水處理廠經承包單位處理後再予以排放，甚至某些較不具污染的機場在合乎廢水檢測標準的情形下不予處理直接排放。在未來的幾年內，美國政府所屬環保單位可能針對除冰抗凍劑中化學成分的用量進行強制性地嚴格管控。一些機場已經開始使用除冰抗凍劑回收系統，特別針對乙二醇的回收和篩離其它毒性添加劑。而其它研發單位也與業界合作開始尋求不含化學藥品的除冰抗凍替代方式，例如使用紅外光或熱空氣，或在機翼上安置特殊的電子加熱控電版，或使用相機檢視飛機需除冰處理的部分。 所以在寒冷的天候裡，當你的班機在起飛前的一段等候時間中，你可從窗外看到在除冰抗凍的工作裡伴隨著一些有趣的化學現象。
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