【物理好好玩S2EP03】遍地開花的科學創新
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。
