科學月刊試閱版 2022-10月號 634期-統計科學 by 科學月刊 Science Monthly

20％ 55％ 67％ 65％ 93％ 35％ A B C D E F 統計科學從計算運動員身價、找出可口的米飯、預測經濟走向，到避免下一場流行病，原來我們的食衣住行離不開統計！ 634 2022 10 月號 ISSN:0250-331X 9 770250 331001 10 NT$249 基因啟示從解碼到編輯揭開神祕雙螺旋三部曲焦點評論來自海洋的新警訊熱浪來襲將造成珊瑚白化危機？經典專欄爲城市抹上一點綠認識美化周遭環境的行道樹

數據會說話不只是數字的統計科學封面故事引言本期以封面故事內提及的運動員身價、農業統計、經濟學、流行病學的統計作為主要角色，將圖片與統計圖表結合帶出動感、活潑的效果。背景是取統計學計算中使用到的符號，並穿插物件做出前後層次感。像是綿延山巒的圖像其實是三維的統計圖表，統計《科學月刊》2019 年至今的讀者回饋。X軸（前後）是讀者的年齡分布，從15～55歲分成七個色階，以不同的顏色表示； Y軸（左右）是雜誌期數，也代表時間；Z軸（上下）是人數。三點顯示最多人數的年齡層和期數。我們將讀者的每一份回饋，轉換為數據，再視覺化成圖形，這個過程就如同統計學的概念，透過整理龐大數據找出趨勢並詮釋。 Contents 2022 OCTOBER 634期 06 封面說說話學統計做什麼？邁向資料科學與大數據分析的統計科學封面故事1 洪英超 08 找出好吃的稻米！如何用統計分析農業試驗與育種的龐大數據？封面故事3 呂椿棠 20 統計學可以預測價格走向嗎？用過往資料分析、預測未來經濟封面故事5 許玉雪（Esher Hsu） 32 運動員的身價怎麼算？體育中的運動統計學封面故事2 沈緯鈞 14 空氣汙染和COVID-19 有關？以生物統計進行流行病學研究封面故事4 何文照 26

科學月刊　2022.102 News Focus 4 北太平洋垃圾帶的塑膠由五國家製造／過多的藍光讓果蠅加速衰老 5 摧毀「永久性化學物質」／全球哺乳動物的食物網正在崩毀 Contents-2 書　摘 78 《誰讓恐龍有了羽毛？》基因啟示 66　解開生命密碼找出基因在人體中扮演的關鍵角色／林承勳 70　改寫生命密碼 CRISPR-Cas9 基因編輯技術／雷雅淇 74　掌握生命密碼如何運用基因編輯創造「共好」的世界？／李依庭思辨之評 38　來自海洋的警訊阻止熱浪侵襲帶來的珊瑚白化危機／王立雪顯　影 42　太陽攝影／清華大學天文台（楊順嘉）專　欄 46 格物致知：結合電磁波以掌握環境訊息的遙測技術／林唐煌 52 生生不息：外來種行道樹有害身體健康？外來樹種對臺灣生態的影響／郭耀綸 58 潛移默化：當黑板樹開了花為什麼黑板樹開花時會產生難聞的氣味？／王升陽 62 物換星移：「湖」蘆壺裡糊裡糊塗的湖？一窺木衛六泰坦的神祕風景／戴夏飛、趙丰填問卷．拿新書只要於 2022 年 10 月 31 日前，完整填寫讀者問卷調查，就有機會獲得臉譜出版的新書《誰讓恐龍有了羽毛？》。問卷內容請至 reurl.cc/W1o8KZ 或掃描 QR code，並詳實填寫，否則將喪失抽獎資格。獲獎名單將於 2022 年 11 月 5 日之前公布於《科學月刊》網站（www.scimonth.com.tw）。 reurl.cc/W1o8KZ

SCIENCE MONTHLY　Vol. 53　No. 10 3 走進編輯室「我們如何界定什麼是藝術，什麼不是藝術？」這句話出自近期獲美國科羅拉多州博覽會（Colorado State Fair）美術競賽第三名的海爾（Jessica Hair）。她的作品 Judge, Jury, Executioner 輸給了最終獲得首獎的 Théâtre d'Opéra Spatial。不過，這個看似再平凡不過的美術競賽，卻因為第一名的作品是使用人工智慧（artiﬁcial intelligence, AI）創作而引發了一場關於藝術意義的大規模辯論。 Théâtre d'Opéra Spatial 的創作者艾倫（Jason Allen）在作品描述寫道：「這是透過 Midjourney 創造的數位藝術作品。」Midjourney 是一套圖像生成工具，能夠根據使用者輸入的關鍵字創造圖像。不僅可以畫出虛擬人物、物體和位置，還可以模仿視覺風格。使用者可以要求藝術作品看起來像卡通故事書、歷史圖表或照片，且因為能做出的細節與複雜度愈來愈高而成為近期 AI 熱門話題之一。艾倫也對 Midjourney 著迷。他透過關鍵字生成數千張圖像，嘗試做出各種場景和效果，並在每次創作後修正關鍵字。但真正引起他興趣的是 Midjourney 中的太空歌劇（space opera theater）系列，他先選擇一個簡單的影像，隨後花了 80 小時、超過 900 次的疊代（iteration）製作出如史詩般的場景，再加入「華麗」和「奢華」等關鍵字以微調整體基調和感覺，讓它最終在 596 件參賽作品中脫穎而出。但有些人對艾倫的說明並不領情，他們指控艾倫透過 AI 擊敗其他藝術家是一種欺騙的行為。他們認為 Midjourney 只是在學習數百萬件現有的藝術作品後進行模仿，是一件抄襲的作品，更表示它模糊現實的界限、扼殺了藝術、害從事創造性工作的人失業。儘管最後並沒有人對此結果提出正式申訴，不過這件事也留給世人一次反思時刻：如何看待數位創作、定義人為藝術的邊界？如同這期談到的統計科學，在電腦技術、科技日新月異之下，統計也和大數據、演算法、機器學習有了交集，逐漸往 AI 的研究方向前進。不過，在統計一步步走向 AI 之前，我們試著帶領讀者從生活中的食衣住行，找出不同以往的統計科學。副總編輯　李依庭臺北市科學出版事業基金會董事長：劉源俊董　事：于宏燦　朱慶琪　邱韻如　林翰佐胡維平　高甫仁　曾耀寰　蔡孟利顧　問：王文竹　周成功　林基興郝玲妮高涌泉　羅時成出版者：科學月刊社理事會理事長：蔡孟利理　事：曲建仲　于宏燦　朱慶琪林翰佐邱韻如　紀延平　曾耀寰　蔡政修執行總監：趙軒翎編輯部總編輯：林翰佐副總編輯：趙軒翎　李依庭編輯委員：王文竹　王伯昌　曲建仲　江建勳李志昌李精益阮明淑周鑑恆林秀玉　林宮玄邱韻如　金升光金必耀門立中　紀延平范賢娟倪簡白　高啟明高憲章張大釗張敏娟陳妙嫻陳彥榮陳鎮東陳藹然　單維彰景鴻鑫　曾耀寰　程一駿程樹德　黃正球黃相輔楊正澤葉李華　廖英凱管永恕劉宗平蔡兆陽蔡孟利蔡振家鄭宇君鄭運鴻　鄭宜帆　韓德生嚴如玉嚴宏洋蘇逸平編輯顧問：王明蘅　古宏海　朱麗麗吳明進吳家誠　周延鑫　周榮泉　洪萬生洪裕宏　胡進錕　孫維新　張　復張勝祺　陳文屏　陳章波　陳國成曾惠中　楊玉齡　劉仲康　駱尚廉魏耀揮　蘇益仁　蘇振隆編　　輯：羅億庭　張樂妍美術編輯：黃琳琇業務部業務專員：廖本翔財務顧問：江旻壕專案副理：林品婕創刊於 1970 年本期為第五十三卷第十期　第 634 期　發行於 2022 年 10 月中華郵政北台字第 0677 號執照登記為雜誌類交寄行政院新聞局版台誌第 0934 號科學月刊社地址：106013 臺北市大安區羅斯福路三段 77 號 7 樓電話：(02)2363-4910 　傳真：(02)2363-5999 網址：www.scimonth.com.tw 　電郵：scimonth@scimonth.one 製版印刷：赫偉有限公司總經銷 : 聯華書報社圖文版權有任何疑慮請洽編輯部，廣告刊登及雜誌訂閱請洽業務部。本刊所刊登文章內容皆為版權所有，非經本刊同意不得作任何形式的轉載或複製。

科學月刊　2022.104 NEWS FOCUS Lebreton, et al. (2022). Industrialised fishing nations largely contribute to floating plastic pollution in the North Pacific subtropical gyre. Science Reports, 12, 12666. Yang et al. (2022). Chronic blue light leads to accelerated aging in Drosophila by impairing energy metabolism and neurotransmitter levels. Front. Aging, 3, 983373. 北太平洋垃圾帶的塑膠由五國家製造過多的藍光讓果蠅加速衰老你今天花了多少時間滑手機呢？ 3C 產品的藍光對於健康的潛在影響一直受到關注，近期也有愈來愈多研究證實短波長藍光會對眼睛造成傷害，但目前我們仍不了解其中的作用機制。美國奧勒岡州立大學（Oregon State University, OSU）研究團隊為了找出藍光損害身體的生理機制，研究果蠅（Drosophila funebris）在藍光下的代謝反應。經過兩週的高強度藍光照射，科學家們發現果蠅快速老化，而且細胞中有關細胞生長和代謝的琥珀酸（succinate）濃度上升，而負責神經元之間交流的分子麩胺酸（glutamate）濃度下降，因此科學家推論這兩種物質的改變可能導致果蠅提早死亡。未來，他們也會繼續研究，找出當人體細胞暴露在遠在北太平洋的海洋上，漂浮著一座島嶼似的垃圾堆北太平洋垃圾帶（North Pacific Garbage Patch, NPGP）。因為洋流的推動，讓整個太平洋的垃圾幾乎都堆積在這個相對靜止的海域。根據估計，這些垃圾重達數萬噸，覆蓋面積更達數百萬平方公里。近期，荷蘭瓦格寧根大學（Wageningen University）的研究團隊從太平洋垃圾帶收集 500 多公斤的垃圾進行分析，發現約有 99 ％的垃圾是塑膠，其中無法辨識的塑膠碎片占 33％，29％來自漁業活動，其餘則來自塑膠容器、油桶、瓶蓋等。若進一步識別這些塑膠垃圾的品名和標誌，則會發現前五名分別來自日本（33.6％）、中國（32.3％）、韓國（9.9％）、美國（6.5％）、臺灣（5.6％）。研究團隊表示這些國家是太平洋主要的漁業國家，加上漁業廢棄物不可忽視的數量，強調漁業活動是影響海洋垃圾問題的關鍵因素。然而，像北太平洋垃圾帶這樣的漂浮垃圾，其實僅占全球海洋垃圾的 15％，還有更多海裡的汙染也需要找出源頭，才有降低垃圾排放量的可能。哪種強度下的藍光會產生相似的生理變化。但不論後續研究結果如何，從這項結果可以得知，過度暴露在藍光下確實有可能直接影響我們的細胞生理。往後讀者在盯著電子產品的螢幕時要多加注意了！（123RF）暴風雨後在舊金山海岸上的垃圾堆隨處可見，夾帶無數無法自然分解的塑膠碎片。（Kevin Krejci, CC BY-SA 2.0, flickr）

Trang, et al. (2022). Low-temperature mineralization of perﬂuorocarboxylic acids. Science, 377(6608), 839-845.

Fricke, et al. (2022). Collapse of terrestrial mammal food webs since the Late Pleistocene. Science, 377(6609), 1008-1011.

NEWS FOCUS SCIENCE MONTHLY　Vol. 53　No. 10 5

摧毀「永久性化學物質」全球哺乳動物的食物網正在崩毀全氟／多氟烷化物（per- and polyﬂuorinated alkyl substances, PFAS）又被稱為「永久化學物質」，意指它不能被細菌或任何化學方法分解。不過，由於它具有防水防油的性質，因此早在 70 多年前人們便開始將它使用在不沾鍋、化妝品、雨衣、速食的包裝、滅火器的泡沫、電子產品等。換言之，我們每天都會接觸到數百種 PFAS。但可怕的是，PFAS 早已被證實對生物具有毒性，而且從極區的冰層到世界各地的動物體內都有它們的蹤跡。不過，「永久化學物質」的永久性或許可以被破解了，近期美國西北大學（Northwestern University, NU）的研究團隊使用簡單又實惠的方法，成功分解食物網，由捕食者與獵物之間的關係組成，愈複雜的食物網也提供愈多物種共存的方式，進而促進生物多樣性和生態系的穩定性。生態系中生活於地面的哺乳動物因為棲地與人類重疊，過去 50 年來，已有 60％的哺乳動物因而絕種或只能在小區域內生存並瀕臨滅絕。為了量化哺乳動物消失對整個生態系的影響，科學家透過已滅絕動物的化石和現存哺乳動物的特徵、分布範圍、捕食者與獵物間的交互作用，建立深度學習模型，並調查了 13 萬年前至今的全球生物網變化，發現全球的陸域哺乳動物食物網有 50％以上已經消失，食物網的複雜度大幅下降。原因不僅來自於哺乳動物的大量滅絕，現有物種的個體總數下降、生活範圍大幅縮減，也造成動物的獵食選擇消失，顯示全球的食物網正在崩毀，生態浩劫正在發生。不過，模型顯示食物網崩潰的同時，也發現還有扭了十幾種 PFAS。碳－氟鍵是有機化合物中最強力的鍵結，也是 PFAS 難以降解的原因，但是研究團隊在碳－氟鍵形成的長鏈頭端發現一個帶電的氧原子，切除它之後會引發一系列分解反應，讓 PFAS 變成一個個不會汙染環境的氟化物（ﬂuoride）。即使距離分解 1 萬 2000 多種的 PFAS 還有千里之遙，團隊仍十分振奮，因為他們已成功證實「永久化學物質」將不會永遠存在。轉局勢的可能⸺恢復現有物種原本的活動範圍。在世界各地重建棲地並引入原有的野生動物，將會是恢復穩定生態系的唯一曙光。（123RF）

科學月刊　2022.106 封面故事 COVER STORY 數據會說話不只是數字的統計科學數字、數據在生活中隨處可見，但光看數字本身並沒有意義，因此如何將數字轉化成有用的資訊，就成了統計學家鑽研的目標。但令人意外的是，歷史上第一張廣為人知的統計圖表不是來自統計學家，而是出自一位護士之手，也就是人們耳熟能詳的白衣天使⸺南丁格爾（Florence Nightingale）。右邊的「極座標圓餅圖」（polar area diagram，或稱為南丁格爾玫瑰圖），是南丁格爾於 1854 ～ 1856 年間，統計了在印度的英國軍隊健康狀況後所製成的圖表。藉由這張圖表，她證明了排水不良、水汙染、通風不佳會導致高死亡率。讓英國皇家委員會開始重視軍隊的衛生環境，使士兵的死亡率大幅降低。作為資料視覺化和統計圖的先驅者，南丁格爾在 1859 年被選為英國皇家統計學會的第一位女性會員，之後也成為美國統計協會的榮譽會員。而她的這張玫瑰圖表，更是往後統計學家利用圖形展示數據的經典模範。

SCIENCE MONTHLY　Vol. 53　No. 10 7 藍色、紅色和黑色楔形的面積都是以共同的頂點為中心測量的。從圓心開始測量的藍色楔形面積代表可預防或可緩解的滋生性疾病造成的死亡，從圓心開始測量的紅色楔形為傷口造成的死亡，而從圓心開始測量的黑色楔形則代表所有其他原因造成的死亡。 1854 年 11 月，橫跨紅色三角形的黑線標示該月因傷病（Public Domain, wikipedia commons.）而死亡的人數與所有其他原因造成的死亡人數的界限。在 1854 年 10 月和 1855 年 4 月，黑色區域與紅色區域一致，所以沒有呈現黑色／紅色區域；在 1856 年 1 月和 2 月，藍色區域與黑色區域一致，僅呈現黑色。整個區域可以通過沿著藍色、紅色和黑色區域的線條進行比較。東部軍隊死亡原因圖

科學月刊　2022.1014 封面故事02 • 運動統計學的應用能解答運動領域的問題，透過界定問題特性、調查或實驗後記錄數值與分析，得到並詮釋結果。 • 應用統計的迴歸分析，可計算球員對勝率的貢獻和簽約金額。蒐集更多的樣本與數據後，統計結果能更接近實際情況。 • 科技進步使得資料取得容易，統計方法也影響運動領域的多個面向，例如理論、訓練、比賽策略和規則、產業等。沈緯鈞國立體育大學體育研究所兼任助理教授、台灣運動心理學會副秘書長。運動員的身價怎麼算？體育中的運動統計學 02 Take Home Message 今（2022）年臺灣的職業與半職業籃球聯盟百家爭鳴，賽季期間常有數個對戰同時段開打，球員在場上激盪出的火花及嶄新的對戰讓球迷們大飽眼福，聯盟選秀與選手薪資議題也受到大眾關切。實際上，職業隊伍的選才、運動員該領的薪資與身價，一直是全世界的運動團隊、運動員與運動迷所關心的議題，而這些議題其實可藉由運動統計來一探究竟。什麼是運動統計？統計學，是將我們所關心的現象以數學形式來描述的科學，透過觀察、抽樣、記錄、分析、呈現與推論數值來解答問題；而運動統計學，則是將統計學應用於各種運動脈絡的學科，在追求最佳表現的競技運動（sport）、提升身體適能與健康的健身運動（exercise），以及以身體活動達到教育目標的體育（123RF）

01 02 03 04 05 SCIENCE MONTHLY　Vol. 53　No. 10 15 （physical education）情境中均被廣泛使用。舉凡多數人從小到大做過的體適能檢測、智能手環的心跳率監控、乃至於奧運賽場上令人振奮的新世界紀錄，都是運動統計在生活中的體現。除了記錄數值本身之外，統計數值也是策略擬定的基礎，像是如何改善自身體重或血壓、提升運動團隊默契等，解決這些問題的歷程其實都是運動統計的應用。而統計的應用也反映出解答問題的步驟：首先確立所關心的問題，界定問題的特性，並確定這些特性是可以被測量的，後續選擇具代表性的族群來調查或實驗，並記錄數值與分析，再呈現與詮釋所得的結果。統計應用在運動領域的常見議題有：成績有關的紀錄、技術或動作分析、教學法的成效、影響表現的因素、產業經營與管理、現況調查與政策擬定。雖然所有可以被量化的數值都能夠被記錄與分析，但並不是所有數值都有意義，例如籃球運動員的彈跳高度會影響場上的表現，但對於撞球選手來說，彈跳高度就並非表現的關鍵。因此決定哪些數值應該被該記錄分析，就需要考量運動脈絡的特殊性，以及分析這些變項的目的。整體來說，運動統計就是解答運動脈絡中蘊含問題的一門應用科學，以下我們利用兩個例子來展示運動統計的應用。如果你是運動團隊的總經理，會跟哪位運動員簽約？運動員的年齡、能力、年資、聲望、合約長度等是影響運動員選擇的因素，其中，運動員的表現及對團隊的貢獻經常是決策者的主要考量，表一呈現了兩位籃球員的生涯個人數據，如果你是球隊總經理，你會選擇簽下哪位球員？個人數據（單位） A球員 B球員上場時間（分） 23.3 18.1 投籃命中率（％） 62 64 罰球命中率（％） 82 86 助攻數（次） 3.13 2.97 抄截數（次） 2.02 3.11 籃板球數（個） 5.08 4.87 阻攻數（個） 1.86 2.91 個人犯規（次） 3.72 2.69 失誤數（次） 2.88 2.61 （表內數值為模擬數值，非真實數據。）表一｜A、B籃球員的生涯個人數據統計應用的步驟

科學月刊　2022.1020 封面故事03 • 白米若要好吃，優良的水稻品種是很重要的條件。每個品種都經歷各種試驗考核後，才能脫穎而出。 • 水稻育種需要多年的田間試驗，調查與檢驗資料則須倚賴統計分析，才能選出符合目標的品系並通過審查，推廣種植與上市。 • 統計推論方法和相關、迴歸分析等統計學方法的應用，讓龐大的試驗調查資料得以被抽絲剝繭，找出最好吃的稻米品系。呂椿棠行政院農業委員會農業試驗所技術服務組組長。找出好吃的稻米！如何用統計分析農業試驗與育種的龐大數據？ 03 Take Home Message 米食是華人重要的糧食，也是亞洲各國人民的重要主食。中華文化上的各種節慶與祭祀也會以米製成各種糕餅點心，用來敬祈天地、祭拜祖先與祈求護佑國泰民安。現今臺灣的餐飲已逐漸西化，截至今（2022）年為止，每人每年的米食消費量約 44 公斤，創下歷史新低紀錄。與我們密不可分的米食文化水稻依據食味與外觀特性可區分為稉米（俗稱蓬萊米）、秈米、糯米三大類（圖一）。一般三餐飯桌上的白米飯大多為稉米，秈米又可分為硬秈，用來製作米粉、蘿蔔糕、發糕、碗粿等；另一個是軟秈，口感同稉米。糯米可再分為稉糯（圓糯）與秈糯（長

01 02 03 04 05 SCIENCE MONTHLY　Vol. 53　No. 10 21 糯），稉糯一般用於釀酒，甜年糕、湯圓、八寶粥、麻糬等，秈糯一般用於製作油飯、珍珠丸子等。經過上述概略的說明，或許可以讓讀者對於日常生活中米製品的來源，已經有初步的概念。農業統計學可以做什麼？找出優良稻米品系白米煮成飯若要好吃，除了煮飯的方法要對，白米本身還要具有優良的條件，也就是取決於品種與栽培方法，其中品種更是最重要的條件。要育成一個優良水稻品種，需歷時 6 ～ 10 年不等的時間，臺灣自光復（1945 年）至今已育成 230 多個水稻品種，絕大多數是由行政院農業委員會（農委會）的農業試驗改良場、所育成的品種。每個被命名的品種都歷經各種試驗考核，萬中選一最終脫穎而出，因此它們都具有優良米質及針對環境的良好抗性，倘若再經合適的田間栽培管理，最後皆能產出好吃的白米。不過「試驗考核」是指什麼呢？其實水稻育種的過程大部分都在田間進行試驗與調查工作，而收割後圖一｜臺灣常見稻米種類

顯影科學月刊　2022.1042 太陽攝影太陽作為距離我們最近的恆星，是天文學家觀察與研究恆星的最佳對象。然而如果到望遠鏡店逛逛，會發現大多數望遠鏡都有「警告使用者不要直接觀察太陽」的標示。這是為什麼呢？原因是太陽本身的亮度相當可觀，若沒有適當的減光措施就直接將望遠鏡指向太陽，對望遠鏡和使用者都非常危險。為了能夠觀察太陽的表面細節，科學家發展出投影法、減光濾鏡等方法，使太陽光的強度降低到我們足以觀察的程度。這類型的減光方法可以讓我們觀察太陽光球層（photosphere）上的可見光特徵，如亮度較暗的太陽黑子（sun spot）、遍布太陽表面密密麻麻的米粒組織（granulation），以及相對明亮的光斑（facula）。在光球層的位置上還有色球層（chromosphere），然而色球層的亮度很低，若使用普通的減光手段觀察色球層，當中細微的特徵會被光球層的高亮圖‧文｜清華大學天文台（楊順嘉）交大天文社前社長、清大天文台前管理員。度掩蓋而難以觀察。其中一個解決方法，是在日全食時觀察太陽邊緣，即可看到發出紅光的色球層。另一招是使用專門觀察色球層的日珥鏡（solar telescope），日珥鏡配有特殊的超窄頻（narrow band）Hα濾鏡，能夠過濾光球層大部分頻率的光，只讓色球層主要發射的 Hα譜線通過，使得色球層的特徵得以顯現。使用日珥鏡，能讓我們觀察向外凸出的日珥（solar prominence）與太陽表面的針狀體（solar spicule）。假如運氣夠好，還有機會看到日冕物質拋射（coronal mass ejections, CME），日珥向外擴張噴發成為日冕物質拋射的過程十分震撼。比起其他天體觀測，太陽觀測除了不用熬夜之外，另一個特色就是太陽十分活耀且變換多端。相較於星雲在人的一生中幾乎不變，我們可以在幾個月的時間尺度下觀察太陽的差異自轉（diﬀerential rotation，又稱較差自轉），以及黑子的形成與消失。如果有足夠倍率和解析度的日珥鏡，我們甚至可以在一分鐘內看到日珥的運動。目睹數萬公里高的電漿噴泉從在太陽表面翻滾、跳躍，是相當震撼的體驗。

顯影 SCIENCE MONTHLY　Vol. 53　No. 10 43 影像共有四個取景，由 12 張照片組成。每個取景有黑白、偽色、真實色三張照片。所有影像皆由黑白相機拍攝而成。真實色是套上顏色，使照片接近人眼目視望遠鏡、日珥鏡所見；偽色是套上色彩對應，由亮到暗為白、黃、紅、黑，用以凸顯特徵方便觀賞，也有美化作用；黑白代表僅經過亮度調整與銳化。色球由日珥鏡拍攝，日珥為色球的部分裁切並進一步調整亮度、銳化。光球由望遠鏡和太陽濾鏡拍攝，黑子為光球的部分裁切並進一步調整亮度、銳化。光球偽色真實色黑白

顯影科學月刊　2022.1044 日珥太陽黑子真實色偽色黑白真實色偽色黑白

顯影 SCIENCE MONTHLY　Vol. 53　No. 10 45 色球偽色黑白真實色

專欄文章Physics 科學月刊　2022.1046 結合電磁波以掌握環境訊息的遙測技術 Take Home Message • 電磁波不需要介質就能傳遞能量，因此被廣泛應用於通訊相關領域、衛星遙測中。 • 遙測是應用電磁輻射傳送過程中，不同頻率的電磁波與大氣、海洋、地表間的能量交互作用，計算目標物與所經路徑的物理性質。 • 衛星遙測能在短時間觀測大範圍地區，並提供全球尺度的觀測資料，讓人們能直接檢驗全球與區域範圍的現況，提供相關監測與防治措施的參考。林唐煌中央大學太空及遙測研究中心特聘教授兼主任。「電磁波」（electromagnetic radiation）能以波的形式傳遞能量，這類型的能量傳遞不需要介質，即使在真空中也可以傳遞，因此被廣泛應用於通訊相關領域。另外，電磁波也可以視為光子形式的輻射能量，又被稱為電磁輻射。根據黑體輻射（black-body radiation）原理，只要是絕對溫度大於 0 K 的物體就能發射電磁輻射，輻射能量則屬於頻率（波長）的函數，頻率（波長）愈高（短）則輻射能量愈強。（123RF）

格物致知 Physics SCIENCE MONTHLY　Vol. 53　No. 10 47 電磁輻射的頻率（波長）與輻射源的能量或溫度大小相關，例如太陽的絕對溫度如為 6000 K，最大輻射能量的波長約為 0.48 微米（μm），屬於可見光波段；地表 300 K 的絕對溫度，最大輻射能量波長約為 10 微米的熱紅光外波段，這也是地球系統常用來測量人體或一般物質溫度的波段。電磁波波長範圍是無限的，一般常用波譜由頻率（能量）高至低分別為伽瑪射線（或稱γ射線）、X 射線、紫外光、可見光、紅外光、微波、無線電波。電磁波在衛星遙測的應用除了廣泛應用於通訊相關產業外，電磁波不需介質就能傳送訊息的特性，更適合應用於太空中運行的衛星遙測。基本上，遙測是應用電磁輻射傳送過程中不同頻率（波長）的電磁波與大氣、海洋、地表間的能量交互作用，如吸收、發射、散射、反射、透射等變化特性，計算目標物及所經路徑的物理性質。一般大氣中的不同成分會選擇性吸收特定頻率（波長）的電磁波，藉由此特性就能利用電磁波譜中不同頻道的組合，遙測出大氣中的各項參數。例如透過二氧化碳和水氣吸收頻譜所得的垂直溫度和溼度廓線等訊息，就能獲得涵蓋大氣與海洋的相關參數。根據輻射原理結合輻射傳送方程式，可以模式化不同頻率的輻射能量與大氣中不同物質之間的交互作用，再經由衛星感測器頻道的選擇與組合，即可計算所需的大氣參數。國際上常用的遙測頻道主要有可見光、紅外光、微波等三個波段（圖一），三者的特性及觀測參數簡述如下：可見光波段的訊號來源主要為目標物的反射／散射作用；紅外光波段主要是觀測目標物本身的溫度或發射能量，例如大氣中的氣體，如二氧化碳、水氣、臭氧等；微波波段的主要來源為反射及發射，因波長較長，具有高透雲性及高光譜分辨率，適用於估算海面溫度、大氣垂直溫度分布、颱風強度、暴風半徑等觀測。圖一｜可見光、紅外光、微波波段訊號感測機制

專欄文章Chemistry 科學月刊　2022.1058 當黑板樹開了花為什麼黑板樹開花時會產生難聞的氣味？ Take Home Message • 由於生長快速、容易種植、不需特別照顧、樹形筆直等優點，因此黑板樹常被選擇做為行道樹、校園、公園的樹種。 • 黑板樹秋末冬初盛開的花含有大量的芳樟醇、α－松油醇、乙酸 2 －苯乙酯、萜品烯－ 4 －醇等濃烈的揮發性成分。 • 由於黑板樹屬於淺根性的樹，板型樹根也會破壞人行道、排水溝等設施，木材較脆容易因風災而吹斷，因此建議可選擇當地原生種作為行道樹。「入夜四處飄怪味居民怕爆！高雄環保局現勘元凶竟是它...」「走在路上聞到工廠廢氣？『兇手』可能是開花行道樹」不知道讀者是否曾在網路新聞上看過這些標題？每年 11 ～ 12 月是臺灣路邊常見行道樹⸺「黑板樹」（Alstonia scholaris）的開花季節，這時期會有一股濃烈的味道，常引起用路人不適，甚至還被誤認為是工廠排放的廢氣、豬屎味等。不過，這些味道究竟是黑板樹花中的哪種化學物質造成的？黑板樹是王升陽中興大學森林學系終身特聘教授兼循環經濟研究學院院長。（123RF）一款適合作為行道樹的樹種嗎？散發濃烈氣味的黑板樹黑板樹生長快速，在三年內能長九公尺。再加上容易種植、不須特別照顧、樹形筆直等優點，所以有一陣子常被選擇做為行道樹、校園、公園的樹種。黑板樹在原產地印度的名字叫做「Saptaparni」，這個字是由兩個梵文詞組成，分別是「sapta」（七）和「parni」（葉子），這是因為黑板樹的葉子大多以七片一組的形式附著在莖上，因此得名。黑板樹在花期釋放出的濃郁氣味雖然相當具有特

潛移默化 Chemistry SCIENCE MONTHLY　Vol. 53　No. 10 59 但是，如果植物釋放出來的氣味太特殊或太濃，就有可能造成民眾困擾。以黑板樹而言，它在秋末冬初盛開的花含有大量的芳樟醇（linalool）、α－松油醇（α-terpineol）、乙酸 2 －苯乙酯（styralyl acetate）、萜品烯－ 4 －醇（terpinen-4-ol），還有能分別形成呋喃環（furan）和吡喃環（pyran）的順式和反式芳樟醇氧化物（ cis-/trans-linalool oxide）。上述化學物質的揮發性成分有 90 ％為含氧化合物，也因此容易散發出濃郁的氣味。其實這些成分在低濃度的時候能令人有愉悅的感覺，但是在高濃度時卻會讓人聞起來不舒服。就如同在中部地區的校園或路邊所種植的掌葉蘋婆（Sterculia foetida）一樣，雖有美麗的花朵，但它的氣味正如它的屬名「Sterculia」在拉丁文為「糞便」，而種名「foetida」則是「臭」的意思，這樣讀者們應該可以想像它是什麼味道了吧？筆者過去曾研究過掌葉蘋婆花的揮發性成分，含量最高的是苯乙烯（styrene）。而苯乙烯在低濃度下帶有甜味，其實並不難聞；但在高濃度時味道就讓人受不了，且聞多了還會影響神經系統。另外還有一種比較特殊的主要成分是 3 －甲基吲哚（ 3-methylindole ），又叫做糞臭素（skatole，希臘文意思是動物的糞便），這樣讀者就明白為何它會有難聞的氣味了吧？在自然界中，3 －甲基吲哚是色胺酸（tryptophan）在消化系統中的產物，存在於哺乳動物的糞便、甜菜、煤焦油中，具有強烈的糞便氣味。在低色，但對大多數人來說相當困擾。因此在印度，黑板樹又被認為是魔鬼的居所，也被稱做「魔鬼樹」（devil tree），這可能是由於黑板樹會散發出令人「陶醉」的氣味，而這種氣味又在晚上特別地濃烈。所以這濃烈的氣味究竟來自於什麼物質？在樹木周而復始的生命週期裡，除了具有調節環境、降低溫室效應的功用外，更會製造出對人類生活有莫大助益的產物，例如林木為維持生命所需的能量而進行光合作用（一次代謝作用）所產生的氧氣，以及在二次代謝中製造出的許多產物。樹木的二次代謝物中，具有揮發性成分的物質主要有萜類（terpenoids）、酚類（phenolics）、烷類（alkanes）。而這些化合物裡有許多我們所熟悉的芬多精組成成分，除了具有殺菌、殺蟲等生物活性，還有鎮靜、消炎、提神等效果。另外，對於植物而言這些揮發性成分更具有「招蜂引蝶」的重要任務，能夠藉由特殊的味道來吸引昆蟲幫忙植物授粉、繁衍後代。黑板樹的葉子大多以七片一組的形式附著在莖上。（123RF）

科學月刊　2022.1066 找出基因在人體中扮演的關鍵角色（本篇照片皆由東臺傳播股份有限公司提供）新型冠狀病毒（SARS-CoV-2，簡稱新冠病毒）在 2019 年底首次現蹤，數月之內就引起全球大流行，至今確診人數累積已突破六億，是近代規模最大的流行病。在嚴重特殊傳染性肺炎（COVID-19）席捲全球超過三年半的時間裡，各國科學家致力研究病毒並開發治療藥物、疫苗，期間一度認為有機會壓制疫情，無奈新冠病毒變異株仍陸續出新冠疫情的爆發，大大改變人類的生活。在這場人類與病毒的攻防戰中，最關鍵的資訊莫過於病毒的「基因」了。在科技如此發達的現在，科學家掌握迅速分析基因的能力，更能夠進行基因編輯，改變物種的生命現象。只是，生物科技的發展，是否真能守住地球萬物的和平共存與生生不息？這是即將在民視播出的《基因啟示—解碼與編輯》的緣起，節目架構以「基因」為主，科技為輔，探討小至個體、大至整個社會所衍伸出的各種因果。本節目更邀請知名脫口秀演員曾博恩擔任主持人。曾博恩畢業於巴黎第六大學（Université Paris VI）整合生物研究所，對《基因啟示》裡的科學內容十分了解。他將以幽默風趣的口吻，深入淺出的介紹基因的奧祕。節目的第一集就要從新冠疫情的變種病毒切入，揭開「基因」的神祕面紗…… 解開生命密碼整理撰稿林承勳現。今（2022）年 6 月 17 日在美國知名科學期刊《自然》（Nature）發表的研究更指出，新冠變種病毒 Omicron 的亞型變異株 BA.2.12.1、BA.4 與 BA.5 不但發展出更強的傳染力，而且還能逃避人類感染 BA.1 後產生的抗體。未來即使曾經感染 BA.1，或施打針對 BA.1 設計的疫苗，依然有很高的機率重複染疫。（本文與《基因啟示》合作刊出）大家好～節目主持人博恩

SCIENCE MONTHLY　Vol. 53　No. 10 67 因此，了解一種生物的完整基因序列，就掌握了大部分的資訊。長庚大學醫學生物技術暨檢驗學系特聘教授施信如也在節目中提到，在擬定對付新冠病毒的策略時，基因序列是非常重要的資料，只要解開病毒的基因序列，就可以知道該病毒結構長什麼模樣，是經由什麼機制進到細胞裡，又會如何複製、誘發細胞凋亡。長久累積的基因研究為抗疫重要利器其實基因定序在幾十年前原本是耗費龐大金錢與人羅時成教授在《基因啟示》節目中，為觀眾介紹何為基因。施信如教授在節目中提到，了解新冠病毒的完整基因序列非常重要，因為就能藉此擬定作戰策略。生物的設計藍圖就在基因裡依目前病毒的突變速度，新冠病毒的大流行在短期之內還看不到盡頭，人類與病毒的攻防將持續下去。而人類在了解病毒發展與擬定對抗病毒的策略時，最關鍵的資訊就是掌握病毒的「基因」了。基因就像是設計圖，每種生物本身的基因都記載了該生物的各樣資訊，如外貌特徵和生長繁殖機制等。而子代從親代繼承這些基因，因此獲得與上一代相似的特徵，這樣的現象稱作「遺傳」。比較有系統性的遺傳概念最早是在 1866 年由奧地利科學家孟德爾（Gregor Mendel）提出，他進行一連串豌豆雜交實驗，並觀察豌豆子代的外貌特徵，發現有「某些物質」會經由親代傳遞給子代，並且依循著某些規則影響子代的外在形態。在將近百年之後，由美國生物學家赫雪（Alfred Hershey）與蔡司（Martha Chase）藉由放射性元素標示噬菌體在細菌進行複製的實驗，終於確認遺傳物質是去氧核醣核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）。在第一集《基因啟示》中，長庚大學生物醫學系特聘教授兼系主任羅時成告訴我們，DNA 是由腺嘌呤（adenine, A）、胸腺嘧啶（thymine, T）、胞嘧啶（cytosine, C）、鳥嘌呤（guanine, G）四種核苷酸為基本單位組合而成的雙股螺旋結構，漫長的 DNA 中摻雜著帶有功能或是沒有任何意義的核苷酸序列。作為遺傳物質的基本單位，「基因」就是一小段帶有訊息或功能的 DNA 序列，經由特定酵素轉錄成信使核糖核酸（messenger RNA, mRNA），再轉譯成相對應的胺基酸。最後經過連接、修飾才成為蛋白質，組成生物體的各個部位。

科學月刊　2022.1068 此基因變化的速度就取決於突變的機率。生命的變數—基因突變同樣曾經在世界各地引起大流行的天花病毒，遺傳物質是較穩定的 DNA，因此不易出現突變，很容易被接種疫苗後產生的免疫細胞辨認。然而新冠病毒跟流行性感冒病毒的遺傳物質有所不同，是由單股的核糖核酸（ribonucleic acid, RNA）組成，相較於雙股螺旋的 DNA，RNA 結構更不穩定，複製的過程中更容易出現突變。「不過，突變是否會讓新冠病毒的特徵或特性產生變化，還是要看突變發生的位點。」任職於長庚大學新興病毒感染研究中心助理教授龔于農也在節目中指出，突變如果不是出現在製造蛋白質的基因裡，而是其他沒有意義的序列中，那突變將不會對病毒有任何影響。就算是出現在有功能的基因中，隨機的突變也不知道會加強還是削弱病毒的性能。快速傳播、大量繁殖而增加突變機率的新冠病毒，從原始武漢病毒株一路出現 Alpha、Beta、Gamma 等，如今的優勢變異種 Omicron 比起原始株已經多出了 50 個以上變異點，還持續出現 BA.1 ～ 5 等各種力成本的研究，但現在使用的次世代定序儀能夠在幾天內快速地解開數量龐大的基因密碼。就像新冠病毒中三萬多個核苷酸的基因序列，可以在一兩天內定序完成，讓醫療研究人員針對關鍵的基因下手處理。「當我們已經知道哪些基因在病毒複製時扮演關鍵角色，就可以針對這些片段去尋找或設計小分子藥物來壓制該基因的表現，阻斷病毒的複製流程。」施信如舉例說明。而對抗病毒的另一種手段：疫苗，同樣也需要病毒的基因資訊。抗原是一種進到人體後能激發免疫反應並產生抗體的外來物質，以新冠病毒來說，病毒表面用來與人體細胞結合的棘蛋白就是常用的抗原。美國輝瑞公司（Pﬁzer）／ BioNTech 公司（BNT）、莫德納生物技術公司（ Moderna ）研發的 mRNA 疫苗，作用原理是把抗原⸺病毒棘蛋白基因的 mRNA 序列打進人體，該序列會在人體細胞中合成棘蛋白，讓未感染者的免疫細胞先接觸這些抗原特徵並產生記憶 T 細胞，進而活化 B 細胞變成漿細胞（plasma cell）分泌抗棘蛋白的抗體。要是哪天新冠病毒真的入侵身體，記憶 T 細胞就能夠快速啟動比先前更強烈的免疫反應，在病毒大量繁殖之前先將它消滅。不過，不同類型的病毒隨著疫苗問世卻有不同的結局，天花病毒隨著牛痘疫苗出現而被消滅；但新冠病毒卻還一直推陳出新，關鍵就在於基因的變化速度。就像工廠產線製造出來的產品，每個或多或少都會有些不同，生物的遺傳物質在複製過程中多少也會有些差錯，序列中若是出現單個或多個核苷酸重複、缺失或整段插入等變化就稱為「突變」，因運用次世代定序儀，使新冠病毒的基因序列能在短時間完成定序。

SCIENCE MONTHLY　Vol. 53　No. 10 69 亞型。「有新的變異株出現，我們就會去採集檢體做次世代基因定序，找出變異點來推測是否有哪些變異造成傳播力或免疫逃脫的變化。」龔于農說道。像是目前疫苗被認為可能難以防禦 Omicron BA.4 跟 BA.5，就跟棘蛋白上「受體結合區域」的幾個位點（D405N、L452Q、L452R 及 F486V）突變有關。一探個體健康與疾病風險的臺灣人體生物資料庫基因定序被用在了解、對抗病毒，同樣也被科學家用在探索人類身體狀況與各種疾病的關聯。《基因啟示》影片中也提到，繼各國陸續推動基因資料庫計畫後，中央研究院也在 2012 年受到政府委託，與各大醫院合作著手建立本土專屬的「臺灣人體生物資料庫」，藉由定序 1000 位臺灣人的全基因序列，分析出國人最常出現變異的 75 萬個基因位點。雖然健康狀況與疾病常常是由基因、環境、生活習慣等多種複雜要素的交互作用之下產生，但經由基因資料庫的分析，還是可以預測疾病發生風險的高低，像是肥胖、中風、糖尿心血管疾病、癌症等，都能先從基因是否帶有變異看出端倪。所以，《基因啟示》中也特別訪問了中央研究院生物醫學科學研究所博士後研究員蘇明威，以增加中風機率的 NOTCH3 基因突變為例，從資料庫蒐集到的樣本推估，將近有 0.9 ％的臺灣人，也就是 20 萬左右的人口帶有該突變基因。「雖然帶有該基因突變不代表一定會中風，但確實有某些程度上的風險。」蘇明威解釋。另外，《基因啟示》幕後團隊也採訪中央研究院生物醫學科學研究所特聘研究員李德章，他指出成立該資料庫，目標就是以基因關聯分析搭配醫療大數據資訊，找出與疾病預防、治療相關聯的生物標記，建立個人化的精準健康與醫療。然而，當人類逐步解開疾病與基因的關聯，除了在病發後的治療，也開始思考事先的預防：修改導致缺陷或疾病的基因。2020 年的諾貝爾化學獎就頒給發現 CRISPR-Cas9 基因編輯技術的兩位科學家。這項劃時代的新發現，讓研究人員得以精準地修改生物的遺傳物質，但同時也引起非常大的學術倫理爭議。究竟人類有沒有權力修改與生俱來的基因，是科學家們在走進修改基因的新篇章之前，首先要釐清的課題。延伸閱讀 1. 蔣維倫（2022）。誘發中和抗體、活化記憶型淋巴球？疫苗與狡猾病毒間的攻防戰。科學月刊，627，50-55。 2. 趙盈婷、許藝瓊（2022）。以「次世代定序」完成精準醫療，更能協助生命科學領域的探索。科學月刊，628，20-25。 3. 李依庭（2022）。研發 mRNA 疫苗技術帶領全世界對抗 COVID-19。科學月刊， 632，12-17。補助單位：國科會《科普產品製播推廣產學合作計畫》計畫主持單位：長庚大學製作單位：東臺傳播股份有限公司臺灣人體生物資料庫的首要目標，是協助專家學者解密臺灣人的健康密碼與改善醫療照護，圖為資料庫中存放生物檢體的液氮槽。《基因啟示—解碼與編輯》第一集：解碼

科學月刊　2022.1070 新冠疫情的爆發，大大改變人類的生活。在這場人類與病毒的攻防戰中，最關鍵的資訊莫過於病毒的「基因」了。在科技如此發達的現在，科學家掌握迅速分析基因的能力，更能夠進行基因編輯，改變物種的生命現象。只是，生物科技的發展，是否真能守住地球萬物的和平共存與生生不息？這是即將在民視播出的《基因啟示—解碼與編輯》的緣起，節目架構以「基因」為主，科技為輔，探討小至個體、大至整個社會所衍伸出的各種因果。本節目更邀請知名脫口秀演員曾博恩擔任主持人。曾博恩畢業於巴黎第六大學（Université Paris VI）整合生物研究所，對基因啟示裡的科學內容十分了解。他將以幽默風趣的口吻，深入淺出的介紹基因的奧祕。在節目的第二集，要談的是隨著遺傳密碼逐步被解開，科學家們也開始想像，人類有沒有可能自己「編碼」，改變動植物的基因？ CRISPR-Cas9 基因編輯技術（本篇照片皆由東臺傳播股份有限公司提供）孟德爾（Gregor Mendel）在 1866 年出版了他的論文，「基因」這個劃時代的概念悄然出現；而百餘年的現在，人類在科學、醫學領域裡，追求基因相關研究的突破仍是頂尖科學家們心神嚮往的聖杯。DNA 結構的發現、重組 DNA 技術的發明、複製和擴增基因等技術的出現、人類基因組計劃定序草整理撰稿雷雅淇圖完成……這些重要的里程碑推動著人類前進。在近年，CRISPR-Cas9 技術的發明，開啟了編輯基因體方法的重要篇章。這把能改寫生命密碼的「基因剪刀」是怎麼出現的？為世界帶來了什麼影響？又要將人類帶往哪裡呢？一切的一切，讓我們從小小的細菌開始說起。改寫生命密碼（本文與《基因啟示》合作刊出）

SCIENCE MONTHLY　Vol. 53　No. 10 71 央研究院生物與化學所助研究員凌嘉鴻，進入道納實驗室做博士後研究的前一個月。那時的他因為想學蛋白質結構分析而進入道納的實驗室，以為會平平淡淡的度過實驗生活，卻意外的坐上了 CRISPRCas9 這輛雲霄飛車。他在節目中回憶道：「我其實那時候就覺得整個實驗室就很像跟著 Jennifer 一同坐雲霄飛車，對，就一口氣就衝上去了，然後就是有高高低低、很多起伏、轉折。」在 CRISPR-Cas9 出現前的基因編輯工具，大多是利用「限制酶」來切割 DNA 片段。長庚大學生物醫學系特聘教授兼系主任羅時成在節目中解釋，「因為它可以辨識這個噬菌體上面的特別序列並把它切斷，所以我們稱它為限制酶。這個限制酶後來也成為基因工程非常重要的一個工具。」限制酶延伸發明出許多基因編輯工具，包含能更精準剪切、利用鋅指蛋白（Zinc Finger Protein）結合限制酶 FokI 延伸出的 ZFN（zinc-ﬁnger nuclease），和同樣也是用 FokI 來剪切，但相對來說更簡便的 TALEN 技術。國家衛生研究院分子與基因醫學研究 2012 年，被譽為上帝手術刀的基因編輯技術 CRISPR-Cas9 終於誕生。羅時成教授在節目中表示，基因編輯的重大突破來自於尋找對抗噬菌體感染的細菌。改寫生命密碼的基因剪刀 1987 年，當時在大阪大學微生物病研究所的石野良純和中田篤男，在大腸桿菌（Escherichia coli）的基因體中發現了不尋常的重複序列；而後這個現象也在古細菌和其他細菌之中被觀察到，西班牙科學家莫吉卡（Francisco Mojica）將它命名為「常間回文重複序列叢集」（clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated proteins, CRISPR）。那時科學家們認為這是細菌免疫機制，讓細菌被噬菌體感染時能存活。儘管當時對於它的機制並不清楚，但他們認為應該與 RNA 干擾（RNA interference）有關，而這正是美國化學與生物學家道納（ Jennifer Doudna）的研究領域。 2011 年，道納在波多黎各認識了法國微生物學家夏彭提耶（ Emmanuelle Charpentier ），本來就有在進行 CRISPR 研究的夏彭提耶和道納合作，利用 Cas9 蛋白會因為 crRNA（ CRISPR-RNA ）引導而切割外來 DNA 的特性，加入 tracrRNA（transactivating crispr RNA），設計出只需要使用 Cas9 和單一嚮導 RNA（single guide RNA, sgRNA）就可以進行基因編輯的簡便工具。這個劃時代的研究於 2012 年在《科學》（Science）上發表，而這正是中

科學月刊　2022.1072 青少年的「先天性視網膜裂損症（X-linked juvenile retinoschisis, XLRS）」，將遺傳物質包裹進奈米載體裡並送入眼睛，達到治療的效果；而目前研究已經完成動物試驗。除了遺傳疾病之外，癌症也是另一個重要的應用方向。「所謂的癌症，大部分都是我們成體的體細胞裡面，一些零星的致癌基因所累積的突變。」臺大醫學院基因體暨蛋白體醫學研究所副教授陳佑宗解釋，「也是因為現在有所謂的 CRISPR-Cas9 技術，讓基因修改的效率、編修的效率變得比較高，所以讓我們有機會可以在成體的體細胞中進行基因編輯，進而去修正累積的基因突變，達到治療癌症的效果。」因此，陳佑宗研究團隊便藉由 CRISPR-Cas 系統，所副研究員江運金在第二集的《基因啟示》中提到，「ZFN 主要分兩部分，前面的 ZFN 是扮演 DNA 辨識的角色，後面的核酸酶（nuclease）可以切 DNA，所以就可以到一個特定的基因的位置裡面去剪接 DNA。」但可惜的是，由於它的高成本與高複雜度， ZFN 在往後並沒有被廣泛使用，反而是與 ZFN 原理相似的 TALEN，因為設計的難度降低且辨識精準度提升，而成為當時基因編輯的主要工具。 CRISPR-Cas9為醫療領域帶來一陣春風然而，就在 CRISPR-Cas9 技術出現後，一切皆風雲變色。不同於限制酶在實驗設計上的諸多限制， CRISPR-Cas9 更為簡便，可以任意切割的特性，甚至能執行過往無法完成的實驗，開啟了無限可能。如同凌嘉鴻在《基因啟示》第二集中所說：「Jennifer 也會自己開玩笑，就是說這東西太簡單了，所以很容易大家隨便就上手；不管它是做哪一種物種，做植物也好、做細菌、做酵母菌、做老鼠也好、老鼠細胞、其他物種各式各樣的，只要有 DNA，只要有基因體，它都可以用。」方便的基因編輯工具不只讓育種研究變得簡單，在醫學領域，應用 CRISPRCas9 的基因治療更為許多原本的「不治之症」帶來曙光。「基因治療是全世界性的一個議題，那目前基因治療來講，已經不只是在實驗室裡面而已了，基因治療現在已經有不少已經成為非常有效的一個藥物。」臺灣大學醫學院小兒科暨基因醫學部教授胡務亮也在節目中表示，他認為基因治療最重要的意義，因為對於一些遺傳疾病，基因治療機會是病人唯一的希望。臺北榮民總醫院醫學研究部教授邱士華和他的研究團隊，便將 CRISPR-Cas9 技術應用在好發於邱士華教授將放入 CRISPR-Cas9 的奈米載體送入小鼠眼睛，進行基因治療修復。陳佑宗的研究團隊利用 CRISPR 技術改造小鼠胚胎。

SCIENCE MONTHLY　Vol. 53　No. 10 73 製作不同的體細胞帶有不同的突變等位基因的模式小鼠，取名為 ICE CRIM（inducible Cas9 effector/ CRISPR mutagen）。另外，長庚大學新興病毒感染研究中心主任施信如和她的團隊，則是用 CRISPRCas9 系統製作能抑制病毒生長的抗病毒藥物，有望提供多元化的抗病毒藥物可以選擇，如此一來也可以減低病毒抗藥性的產生。強大的能力與其伴隨而來的風險但 CRISPR 也不是萬能的，越強大的工具，也存在著對應的隱憂。無法控制的「脫靶效應」（off-target effects）是 CRISPR 技術無法被廣泛使用的關鍵阻礙之一。脫靶效應的種類很多，凌嘉鴻解釋，「大概有三種比較重要，有兩種我們可以歸類為所謂的『on-target』，on-target 就是代表它其實有到它該到的位點上，那另外一個是『off-target』。」其中 off-target 是指在剪切時沒有切到目標，反而是跑到其他的基因體上，「假如說它剪到不該剪的地方，而剛好又是一個很重要的基因的話，就有可能把那個基因破壞掉，造成 off-target 的問題。」ontarget 則是在剪完之後，在 DNA 的修復過程中出現預期外的情況。脫靶效應這個難題廣泛存在於基因編輯技術，凌嘉鴻提醒：「當你可以去重新設計那把剪刀的時候，你就得擔心，既然這個剪刀這麼有彈性……那我把它放在一個很高度複雜的 DNA 裡面的時候，它真的有辦法這麼精準嗎？」在完全克服脫靶效應之前，基因編輯必然存在著一定的風險。難以預測的風險、加上未解的倫理爭議，讓學研領域大多有共識還不能執行理論上可行的「用基因編輯工具修飾人胚胎」。然而在 2018 年 11 月，中國科學家賀建奎聲稱為了讓胚胎在發育的過程中對愛滋病免疫，利用 CRISPR-Cas9 技術修改受精卵中的 CCR5 基因，且被修改的胚胎的這對雙胞胎已經誕生。「他做這件事情其實對整個 CRISPR 領域傷害非常大，因為，那時候所有的科學家大家其實都有一個共識，這個東西很 powerful，但是要很小心的使用。」從與凌嘉鴻的言談之中，可以感受到這件事情的重要性。在《基因啟示》採訪的過程中，羅時成也語重心長的提醒，「基因療法跟細胞療法是未來醫學上必然的一個趨勢，但是它會不會造成倫理上的問題呢，這個值得我們好好的反思。」CRISPR-Cas9 系統的影響仍在不斷擴大，它的出現無疑將生物與醫學領域帶往了視野無限廣闊的下一個世代。但「能力愈強，責任愈大」，當強大的工具被發明出來時，學研圈也有相對的義務要去了解這項技術帶來的影響，並規範與限制它的範圍，避免技術造成的損害反而大於所帶來的利益。相信集眾人之力，在未來，我們會看到生命科學領域有更多意想不到的驚喜和重要的突破。延伸閱讀 1. 科學月刊（2022）。21 世紀諾貝爾化學獎 2001-2021，臺灣：鷹出版。 2. 羅億庭（2020）。意外搭上基因編輯這條大船―凌嘉鴻專訪，科學月刊，612， 30-33。 3. Zhang., et al. (2015). Off-target Effects in CRISPR/Cas9-mediated Genome Engineering, Mol Ther Nucleic Acids, 4(11), e264. 補助單位：國科會《科普產品製播推廣產學合作計畫》計畫主持單位：長庚大學製作單位：東臺傳播股份有限公司《基因啟示—解碼與編輯》第二集：編輯

科學月刊　2022.1074 如何運用基因編輯創造「共好」的世界？（本篇照片皆由東臺傳播股份有限公司提供）在 18 世紀之前，人們對於遺傳和基因的概念相當薄弱，基因遺傳「genetic」一詞甚至一直到 1830 年代才首次出現。不過，就在奧地利科學家孟德爾（Gregor Mendel）做了豌豆遺傳實驗、提出的遺傳因子的概念後，遺傳學家便踏上了尋找「基因」（gene）的旅程。1953 年，美國分子生物學家華生（James Watson）和英國物理學家克里克（Francis 新冠疫情的爆發，大大改變人類的生活。在這場人類與病毒的攻防戰中，最關鍵的資訊莫過於病毒的「基因」了。在科技如此發達的現在，科學家掌握迅速分析基因的能力，更能夠進行基因編輯，改變物種的生命現象。只是，生物科技的發展，是否真能守住地球萬物的和平共存與生生不息？這是即將在民視播出的《基因啟示—解碼與編輯》的緣起，節目架構以「基因」為主，科技為輔，探討小至個體、大至整個社會所衍伸出的各種因果。本節目更邀請知名脫口秀演員曾博恩擔任主持人。曾博恩畢業於巴黎第六大學（Université Paris VI）整合生物研究所，對基因啟示裡的科學內容十分了解。他將以幽默風趣的口吻，深入淺出的介紹基因的奧祕。第三集想探討的是，既然科學家找到了CRISPR-Cas9這把神奇剪刀，動植物的基因組可以經人為改變。那麼，我們如何妥善利用，找到與萬物和平共存的方法呢？掌握生命密碼 Crick）根據英國物理化學家與晶體學家富蘭克林（Rosalind Franklin）所進行的 X 射線晶體繞射圖，提出了著名的 DNA 雙螺旋結構模型，確認了基因的載體是 DNA。基因工程的演進基因本質的確定不僅是遺傳學的一大突破，也為爾後的分子生物學帶來顯著影響，與整理撰稿李依庭（本文與《基因啟示》合作刊出）

SCIENCE MONTHLY　Vol. 53　No. 10 75 生中心與「創新轉譯農學研究計畫」團隊，他們利用原生質體再生系統與 CRISPR-Cas9 育種技術，成功在高種原歧異度的秘魯番茄（Solanum peruvianum）中，驗證出與黃化捲葉病毒病有關的抗病基因（圖一）。團隊首先在取得秘魯番茄的細胞後，利用纖維酶（cellulase）消化掉它的細胞壁，剩下不包含植物細胞壁的原生質體（protoplast）。接著團隊設計能引導剪切的 Cas9-sgRNA 複合體或 CRISPRCas9 基因編輯載體，導入生物細胞中，以辨識細胞內的目標⸺抗病基因，進行 DNA 的剪切。經過基因編輯後的秘魯番茄會產生明顯葉片變細等病徵，直接證明抗病基因已被剔除。由於過程中沒有在細胞核以及祕魯番茄的基因組中加入任何的外來物種的 DNA，所以不屬基改作物的範疇。「傳統上只會針對編輯的區域進行定序，但是為了破除傳統對基因編輯的疑慮，所以我們使用全基因體定序，同時以生物資訊分析證實基因編輯沒有產生不必要的突變。」中央研究院南部生物技術中心研究員林耀正表示。除了利用基因編輯技術找出植物中的抗病基因，目前研究團隊也把目標鎖定在解決臺灣農業的問題，基因和 DNA 相關的研究也開始有了突飛猛進的進展。克里克於 1958 年提出的遺傳中心法則（central dogma），更為往後基因的複製、轉錄、轉譯、調控等方面的研究奠定了基礎。隨著人類對基因的了解，基因工程技術也相繼問世，改變生物遺傳物質的基因轉殖動物（transgenic animal）、基因缺失小鼠、基因改造食品（ genetically modified food, GMF）等相關研究也在 20 世紀開始蓬勃發展。然而，傳統的基因工程（genetic engineering）所需耗時，且須利用外來物種 DNA，作為基因改造食品的安全性也有待商榷。因此近年科學家將存在細菌免疫系統中、用來對抗病毒感染的 CRISPR-Cas9 系統，改造成能自由將細胞體內的雙股 DNA 切除並進行修復的 CRISPR-Cas9 技術，能高效率地在細胞中進行基因編輯。 CRISPR-Cas9 技術的問世無疑是科學研究上一個強大的工具，更可能改寫人類科學研究的劇本。目前，科學家也陸續聯手將這項技術運用在臨床治療、農作物、病蟲害防治，甚至是全球暖化議題上。如同前面所提及，為了解決糧食危機，科學家希望利用基改作物來對抗暖化與極端氣候。不過利用以往的技術製造出的基改作物，在食用上會有安全性的疑慮，擔心外來 DNA 會影響體內基因產生變異。另外，目前各國對於基改作物的規範也有所不同，爭議不斷。然而，CRISPR-Cas9 技術的出現，或許可以為人類解決這項問題。 CRISPR-Cas9在農業上的應用在第三集的《基因啟示》中特別訪問了中央研究院農左圖為利用原生質體再生與 CRISPR-Cas9 育種技術的祕魯番茄；右圖為研究團隊透過螢光蛋白來確認原生質體的轉染（transfection）效率。

科學月刊　2022.1076 過 50%，而這些基因就被稱作自私基因（ selfish gene）。自私基因可以讓族群中某基因出現的頻率大幅提升，打破傳統的孟德爾遺傳定律。2003 年，倫敦帝國學院（Imperial College London）的演化生物學家伯特（Austin Burt）也利用這項概念，提出一個稱為「基因驅動」（gene drive）的應用，讓像是可以改變蚊子性別或使蚊子死亡的特定基因，有較大的機率可以遺傳至下一代。當時伯特想利用 HEG（homing endonuclease gene）這個自私基因來改變蚊子族群的基因。雖然理論上能透過這個方式改變蚊子的基因，但是科學家實際操作後發現這項方法不容易成功，因為讓 HEG 準確剪切某一段特定基因並不容易。即使後來他們也曾嘗試使用鋅指核酸酶（zinc-ﬁnger nucleases, ZFN）和類轉錄活化因子核酸酶（transcription activatorlike eﬀector nucleases, TALENs）等編輯基因工具，但做出來的 HEG 驅動器不穩定，傳播效果也不好。以CRISPR-Cas9系統作為基因驅動不過就在 2012 年，美國生物學家道納（Jennifer A. Doudna）和法國微生物學家夏彭蒂耶（Emmanuelle Marie Charpentier）發表了 CRISPR-Cas9 技術後，徹底改變了基因工程。去（2021）年 7 月，伯特和義中研院農生中心研究技師林崇熙也在節目中表示，「目前我們已經利用生物資訊找出有利於在臺灣生長的十字花科農作物相關基因，像是花椰菜抗高溫與淹水等基因，未來希望將這些能夠抵抗環境災害的作物基因拿來育種。」「我們先利用基因定序或比較不同品系基因表現的差異，找到抗淹水相關的基因，再透過基因編輯修改目標基因，透過反覆修改驗證直到放到田間再次驗證能夠抗淹水，而且不會產生有害人體和環境的副產物，另外維持一定產量和品質才算完成。」林耀正補充說明。由於 CRISPR-Cas9 能夠精準且快速地編輯，擺脫傳統分子育種需要好幾代的時間，再加上原生質體再生的運用，沒有外源基因，也就是基改問題的疑慮，將更有利於運用在商業物種的培育以及提升臺灣種苗產業的發展。利用基因驅動改變病媒蚊數量不只是將 CRISPR-Cas9 技術應用在植物，科學家也試圖利用此技術改善病蟲害對人類帶來的威脅。在第三集的《基因啟示》中也提到，根據世界衛生組織（World Health Organization, WHO）的報告顯示， 2020 年世界上約有 2.41 億起瘧疾病例，造成約 62.7 萬人死亡，甚至在非洲，每兩分鐘就會有一個孩童死於瘧疾。「國際上病媒蚊傳播的疾病還是以瘧疾為主，特別是非洲國家。由於臺灣早期瘧疾就已經被根除，所以現在臺灣病媒蚊研究主要是針對傳播登革熱的埃及斑蚊。」國家衛生研究院感染症與疫苗研究所副研究員陳俊宏說道。為了解決全世界的病媒蚊問題，科學家注意到生物中存在著一些特別的基因，遺傳到子代的機率超林耀正觀察經 CRISPR-Cas9 基因編輯後的花椰菜生長狀況。

SCIENCE MONTHLY　Vol. 53　No. 10 77 大利微生物學家克里桑蒂（Andrea Crisanti ）的研究團隊以瘧疾主要帶原者⸺甘比亞瘧蚊（Anopheles gambiae）為實驗生物，結合 CRISPR-Cas9 和基因驅動技術，編輯了能決定病媒蚊性別的基因 doublesex。研究發現，當瘧蚊帶有一組編輯過的 doublesex 基因時，不會有任何改變。但是當雌蚊帶有編輯過的同型合子（homozygous）時，會同時擁有雄性和雌性的生理特徵，不過無法正常叮咬，也無法正常產卵，失去繁殖能力。而帶有同型合子則對雄蚊沒有影響，牠們仍具有交配繁殖能力，並能夠持續傳播 doublesex 基因。所以，研究團隊嘗試將基因編輯後的雄蚊野放，進而抑制雌蚊繁殖能力，藉此控制病媒蚊數量，且發現蚊子會在繁衍至第 7 ～ 11 代之後滅絕。「基因驅動的特性是只要釋放一定的數量之後，這些族群就會自動的每一代增加族群的比例，然後在一定的時間之內達到覆蓋所有區域的目的，所以在經濟上、成本上都是一個相當大的優勢。」陳俊宏補充說明。然而，就在我們成功解決病媒蚊的同時，不免也有些人或科學家開始質疑運用這些方法，會不會因此減少物種多樣性以及打破生態平衡？陳俊宏在節目中也坦言，「基因驅動確實會影響到生態系和生物多樣性，因為假設基因驅動成功的話，這個物種就會一直帶有這個所謂的抗病基因，我想這是一個未來值得思考的方向。」創造「共好」的未來基因工程的出現，讓人類得以自由改寫基因密碼。再加上 CRISPR-Cas9 技術，人類已進入一個什麼都可以「設計」的時代。如今我們能快速地產出抗病或高產量的農作物、透過基因改造蚊子以消滅病媒蚊，甚至是治療人體免疫或遺傳相關疾病。然而，所有的新興技術都可能是把雙面刃。如何在運用一項新技術革新的同時，又能達到與動、植物「共好」？如同 CRISPR-Cas9 技術的發現者道納在 2018 年接受《科學月刊》的訪問時曾提到，她自己有時候也很難評估或斷言基因編輯是否是件好事。所以，如何謹慎、妥善地利用這把基因剪刀，讓地球上的所有物種都能邁向更美好的未來，是人類不得不認真思考的問題。延伸閱讀 1. Andrew Hammond et al ., (2021). Gene-drive suppression of mosquito populations in large cages as a bridge between lab and field, Nature Communications, 12, 4589. 2. Kyros Kyrou et al., (2018). A CRISPR-Cas9 gene drive targeting doublesex causes complete population suppression in caged Anopheles gambiae mosquitoes, Nature Biotechnology, 36(11), 1062-1066. 3. 趙軒翎（2018）。基因編輯大浪襲來―CRISPR 技術先驅者珍妮佛．道納專訪。科學月刊，588，950-953。補助單位：國科會《科普產品製播推廣產學合作計畫》計畫主持單位：長庚大學製作單位：東臺傳播股份有限公司《基因啟示—解碼與編輯》第三集：共好在節目中陳俊宏也提到，雖然基因驅動能幫助人類解決病媒蚊，但也不得不考慮是否影響生態系和生物多樣性的問題。