2014年6月16日 星期一

如何讓我的汽水/啤酒保持冰凍?

炎炎夏日,加上是世界盃,一罐冰涼飲料一定少不了。罐裝飲料往往在室溫中「出汗」,但你知道那「汗水」正在把你的凍飲變暖嗎?

這些「汗水」的形成是由於空氣中的水份在罐的表面凝結成液態水。這個物態變化的過程會放出熱能(潛熱),而這熱能則被罐中的液體吸收。

這種暖化的過程會因空氣的濕度和氣溫而改變, 在又熱又潮濕的環境下,因潛熱而暖化就更厲害。


在美國華盛頓大學的科學家就做了這個研究。在35°C 的氣溫和大約75的濕度中,你的凍飲在5分鐘就由0°C變為10°C了!

 一罐12安士的水在5分鐘內在不同濕度下的溫度變化 
如何減慢你的凍飲變暖?用一個保溫罐套吧!

2014年5月11日 星期日

下雨的氣味

我們的嗅覺是很靈敏的,而嗅覺可跟我們的情感和記憶有聯系

試想像這個情境:那年盛夏的一個下午,下起當年夏天第一場大雨。雨停了,太陽又出現,你走到出面呼吸下雨後清新的空氣。雨後總是有一股很迷人的泥土味。你記得那味道嗎?你知道那是甚麽味道嗎?



總是有些浪漫的科學家會去研究這種東西。這些科學家給了這味道一個名字:petrichor. Petro 在希臘文是石頭的意思,ichor 是希臘神話中神的血的名字。Petrichor 就是「石頭中的精華」的意思。他們發現在印度一個叫Kannauj 的地方會在初夏在戶外曬黏土,在雨季前收起,再從中蒸餾出精油來做香水。香水的名字是 matti ka attar,就是「泥土香水」的意思。在泥土中蒸餾出一些油份,就有這種味道。於是他們就在實驗室裡嘗試做同樣的事,最後發現真的能在泥土中提煉出一些有petrichor 氣味的精油。

之後,其他科學家發現這種味道來自種叫 geosmin 的化學物 (希臘文:geo - 地,osme - 氣味)。Geosmin 是由一些泥土中的放線菌(actinobacteria) 和其它細菌釋出的。

當天氣熱而乾燥時,泥土裡的水份不,這些細菌會形成比較能承受惡劣環境的胞子。這些胞子會釋放geosmin。下雨時,這些胞子連同geosmin 被融入潮濕的空氣中,隨着風傳到我們的鼻子中。

有時候在下大雨前也會聞到這氣味,那是因為遠處下雨的地方揚起了這些細菌胞子,被風吹到我們所在的地方。雨雲隨着一樣的風,過了一會兒就到了。

資料來源/延伸閱讀





2014年5月9日 星期五

三種途徑讓每個人都可以做科研

小弟昨天讀書時看到愛因斯坦說過這一句話:



"Science is a wonderful thing if one does not have to earn a living at it." 

如果你不用靠它謀生的話,科學是一樣很棒的事。雖說是寓工作於娛樂,但當興趣變為工作壓力時,可能會讓人失去興趣。不是以科學謀生的你如果想為科學作出一點貢獻,除了讀讀網文和在Facebook上按讚 love science 到講粗口外,可以做甚麽更實際的事呢?

在最近幾年,網上出現了"citizen scientists" 的運動。Citizen science 就是用群眾的力量,讓不是「專家」的人們去幫助科學家去解答問題。它大概可以分為以下幾種....

3. 貢獻你的腦力

你有試過在網上登記或是下載東西時要你輸入一堆歪七扭八的文字嗎?它們的功能是為了分辨你是人,不是一些電腦程式。這背後的原理就是,即使最利害的字符識別程式在很多時候都比人類識別文字差很多,很多比較舊或者掃描得不好的情況下字符識別程式都不能應付,但人們就可以輕易識別。再加上每天數百萬計的人去用這樣的 "reCAPTCHA"技術,積少成多的幫助電子化古書或舊報紙,同時幫助電腦程式去改善識別系統。

隨着近年「資訊爆炸」的趨勢,很多實驗室每天產生的數據多得研究員沒有時間去分析。雖然有生物資訊學 (bioinformatics) 的幫助,但就如字符識別一樣,有很多數據只有人眼才可以辨別。

看圖醫癌

舉一個例子,全球最大的獨立癌症研究機構 Cancer Research UK (CRUK) 在2012年開始了一個名為 Cell Slider 的計劃。CRUK 有大量癌症病人的細胞組織切片圖片要分析。但由於細胞組織太複雜和多變化,這些圖片都需要肉眼分析,不能用電腦。於是它們就把這些圖片放到網上,給網民一些指引,讓網民們參與分析。根據它們的網站,至今已經分析了220萬張圖片了。這是在實驗室的研究員全心全意地花好幾年都不能做到的。這些數據分析可以幫助科學家發現不同癌細胞的分別,以及它們能否對治療作出反應。

Cell slider 的截圖
CRUK的另一個 citizen science 的計劃是一個手機遊戲 Genes in Space。它們把癌細胞的 DNA microarray 數據化為太空探索的遊戲,利用人眼分辨模式(pattern)的長處去幫助分析成千上萬的數據。雖然遊戲本身可能不如其它手機遊戲刺激,但是消磨時間之餘可以幫助治療癌症也不錯吧。

為大腦畫地圖

太容易?對癌症沒興趣?為大腦畫「地圖」又如何?

人類大腦的複雜程度你大概可以想象得到。科學家最近開始要為大腦畫路線圖。當我們知道大腦裡特別的神經形成怎樣的一個網絡,就可以開始推敲它們背後的原理了。

怎樣畫這地圖?原理就是好像小朋友的填顏色畫冊一樣,從一點開始,沿着同一條神經填上顏色,直到不能再前行為止。難度就在於神經線是3D地到處走的,你的填色畫冊是立體的;而且這些大腦切片圖可真的不容易看得清楚:

Source
Citizen science 的好處就是可以有十分大量的人去參與,所以即使小部份人可能會犯錯,但總合了幾百甚至幾千人的答案,最多人答的往往就是正確的。此外,人類的學習能力是電腦不能比擬的。這個 Eyewire 研究的負責人發現,參與者的準確度會隨着看過的圖片數量而增加,這是電腦至今都很難做到的,所以需要你的幫忙!

蛋白質摺疊

如果嫌這些看圖片的不夠挑戰性的話,你也可以試試 FoldIt。FoldIt 是一個把蛋白質摺疊(protein folding)的難題化成的電腦遊戲。

找出蛋白質結構對了解細胞功能和病菌、病毒有十分大的幫助。雖然組成蛋白質的就只有20種胺基酸 (amino acids),但是到現在我們還不可以用電腦去從胺基酸的序列去估計它們組成的蛋白質的結構,只可以靠 x-ray 晶體學或是NMR等費時和需要大量資源的方法去解蛋白結構。

FoldIt 背後用的是一個名為 Rosetta 的程式。這個程式可以可靠地預計比較簡單的蛋白結構,但卻需要很大的電腦資源運算,因為程式要試很多不同的可能性去找出適當的答案,而且要有經驗的研究人員才懂得使用。FoldIt 利用一眾遊戲機玩家的三維空間解難能力,以人腦去提議可能的答案,再用 Rosetta 程式去計算玩家提出的建議可不可行。玩家不用知道任何蛋白質結構的背景,只要根據「愈高分愈好」的原則玩就可以了。



可行嗎?有一種類似愛滋病的逆轉錄酶(Mason-Pfizer monkey virus (M-PMV) retroviral protease),科學家用了15年都不能破解它的結構。這是因為它的結構跟其它類似的蛋白不太一樣,即使有實驗數據,沒有一個 input 的話也很難去破解。研究員把這個難題放到 FoldIt 上,只需10天就有遊戲玩家找到合適的答案了。人類對比電腦的優勢是甚麽?在這個成功個案後研究員發現遊戲玩家比電腦程式願意冒險,去換取長遠的好處。在這些策略性的問題上電腦程式還是比人腦稍為落後,看來我們距離被機械人統治的時代還很遠呢!

FoldIt 可以在這個網站玩:https://fold.it/portal/

類似的citizen science project 還有很多很多

下次在家閒着時可以去試試。有挑戰性之餘也很有貢獻,還可以登上 Nature 這種知名科學期刊!

2. 貢獻你的觀察力

實在沒有時間精力去做上面的幾種 citizen science?或者你喜歡遊山玩水多於對着電腦?這一類的 citizen science project可能比較適合你。現在很多人都有智能手機,可以提供GPS定位。有不少自然機構就用這優點去開發手機程式,讓市民可以隨時報告他們所在的環境。

Globe at Night  是一個讓全球觀測夜空的活動。它們每個月都有特定的星座讓你觀測。網站上有詳盡的資料教你認識不同的星座,而在你找到比較亮的星座後,你可以匯報你看到的星星有多少。這樣他們就可以知道世界不同地方的光害的程度。有好心人寫了一個Android app (Loss of the Night) 讓你可以在戶外匯報。這個app會用你手機的GPS定位,測光,給你看星圖,教你找星座等等。



你可能會說:「我在香港怎麽可能見到星星?」首先,根據Globe at night 的網站,香港也有資料,你不去看又怎會知道呢。另外,有空找一晚到郊外走一走,你會發現可以看到的星是出乎意料的多。見過星空後,你就會知道光害有多壞了。

其他用類似手法的計劃有例如滙報海水中的浮游植物觀鳥等等。有興趣的google一下就可以找到很多有趣的例子了。

1. 貢獻你的電力

真的心有餘而力不足去參與以上的項目?但還是想貢獻?可以!在讀這篇文章的你應該有電腦吧?你應該不會24小時都在用它吧?那你就可以奉獻你的電腦運算功能,為各國需要大量運算的實驗室去分析他們的數據。

上面提過的 FoldIt 前身就是 Rosetta@home,你可以用你的電腦空閒時去幫他們運算蛋白結構。你可以實時看到它的計算步驟和成果,是很高檔的screen saver!

Source


另外一個類似的程式叫 Folding@home,詳細做的有一點不同,但都是蛋白結構。

想同時做不同範圍的研究?World Community Grid  或 BOINC 可以幫你實現。它們把幾個不同的 projects 放在一起,你可以選擇幫助其中你喜歡的研究。

想幫助尋找外星人?也可以

不喜歡科學?首先,歡迎光臨立雜。另外,你也可以幫助歷史學家分析他們的資料



很有趣吧?有這麽多途徑,你讀到這裡應該沒有藉口不參與了。與其心動,不如立即行動,快去找一樣你喜歡的 citizen science 去做吧!

2014年4月28日 星期一

愛滋病 (1):由最初一個關於不妥協的小故事說起

上星期有天和老闆coffee閒聊期間,新來的masters學生問他年青時有沒有想過離開英國,到晴朗的加州工作。

老闆是個頭髮花白、年屆七十的老教授。他說他早年曾推掉一個post,後來輾轉知道,最後接受該職位的科學家,接手了一些意料之外的麻煩事。

**

那是八十年代的事了。

1981年,愛滋病(AIDS, 免疫缺陷綜合症) 病例首次出現於男同性戀者之間。那時候,沒有人知道愛滋病是什麼,更不可能知道愛滋病由什麼病毒或細菌引起;唯一知道的是,病人都患上罕見的癌症、肺炎或其他傳染病,然後慢慢步向死亡。

當然,後來我們發現,愛滋病的元凶是人類免疫缺陷病毒 (HIV)。



那時候,怪病的病例不但沒有消失,而且還不斷增加。患者漸漸不止限於同性戀者和濫藥者,而擴散到其他人群。患者免疫力都嚴重降低,導致不尋常的感染。後來,醫生們發現新病人的一個共同點:他們都曾接受過輸血...。

其中一名病人,是一個出現一系列奇怪感染的20個月大的嬰兒。嬰兒在出生後不久曾接受多次輸血。血液的捐獻者,一個表面上健康的男人,在八個月後也出現了愛滋病的症狀。

這是愛滋病能通過血液傳播的其中一個早期線索。

斯坦福血庫(Stanford Blood Center)的免疫學和病理學教授Ed Engleman發現這不大對勁。他隱約覺得,新的病原體正透過血液在人群間傳播。但當你對這新病毒什麼也不知道的時候,如何檢驗血液有問題?

「未知的敵人太強大了,怎樣才可以好好保護病人呢?」



Engleman當初成立血庫就是為了研究人類免疫細胞, 包括在血液中為我們抵抗感染的白血球淋巴細胞 (lymphocytes)。徹夜難眠的他翻遍免疫學文獻,突然發現病人的免疫系統都很不正常。

我們的免疫系統的T- 淋巴細胞(其後慢慢解說~) ,有分為輔助性T細胞 (T helper cells, CD4+ cells) 和毒殺T細胞 (cytotoxic T cells, CD8+ cells)。正常健康的人,CD4+細胞的數量是CD8+細胞的兩倍。可是Engleman發現,染上這個怪病的人,CD4+細胞的數量大大減少。



於是他心生一計,在未有直接測試新病毒的方法下,可以利用CD4+細胞數量作為一個間接測試血液質素的方法。

對那年代的血庫來說,這樣的間接測試是很前衛的想法。

Engleman和他的團隊決定把這想法向醫學界和其他血庫公佈。可是....

「我滿心以為他們會熱情地歡呼,因為這測試提供了改善血液供應的方法。」他回憶說:「但事與願違。他們被嚇壞了,覺得這是最糟糕的事。這是一場痛苦旅程的開始。

「他們認為,如果我們進行這個測試,就是在說,血液供應已經被污染....血庫認為沒有證據證明疾病是由輸血傳播,篩檢反而會造成血液短缺。測試的成本也是個問題。」

當然,最令他們反感的,是把血庫和這種可怕的致命疾病聯想起來。

燃眉之急

打後的幾個月,關於愛滋病是否能從血液傳播,科學界和血庫團體爭論不斷。美國紅十字會和社區血液中心的理事會還發表了聯合聲明,向公眾保證因輸血而被感染的機率是“one in a million”。那時候,已經有血友病者和嬰兒懷疑因輸血而感染愛滋病。很少人意識到這是一種人類從未見過的威脅---患者可能染病多年,卻因沒有出現任何症狀,繼而去傳染更多的人。

面對業界的否定和攻擊,越來越生氣的Engleman,決定從1983年7月起,自行為斯坦福血庫所有血液供應檢測它們的CD4數量。斯坦福因此成為美國第一個檢驗HIV病毒的血庫。

慢慢地,可怕的事實開始證明Engleman的決定是正確的。開始進行CD4測試的八個月後,一名愛滋病患者因一種罕見的皮膚癌死亡。病人說,他曾在斯坦福大學和其他地方捐獻血液。Engleman和他的團隊追溯出,該患者捐贈的血液因異常的T細胞數量早已被篩走。

雖然這個測試並不完美,也會浪費一些健康的血液,但面對著一堆unknowns,感染HIV的風險相對地降低了。一直到聯邦政府批准的測試於1985年面世,血庫共丟棄了586個未通過審核的血液樣本。其中棄掉的11個樣本 - 即1.9% - 後來被證實呈愛滋病毒陽性。捐獻的血液通常分三部分 - 紅細胞,血漿和血小板 -再 輸到不同的病人身上,因此這11個樣本就代表有33人倖免於難。

直到1984年5月,愛滋病病毒正式在一系列刊於Science的報告中被確認。在1983年和1985年間,估計有至少20000人在美國因輸血而感染愛滋。

愛滋病的故事完全改變了美國FDA對血液安全的看法。十年後,美國醫學研究所批評血庫和其他聯邦機構當年「領導和決策的失敗和不足」,建議徹底改變FDA的監管過程。時至今天,HIV的測試已經有很大的變化,下次有機會再講。

**

故事說到此。老闆突然認真地說:「So never regret anything you do in life。」

才二十歲出頭的學生茫茫然點頭。我想她和我想的一樣...這樣的故事結論有點兒奇怪。

老闆吃一口餅,再補上:「Always move forward, and don’t look back。」

我想老教授的意思是,在科學的世界,不到最後,也不知誰對誰錯。

資料來源

Stanford Blood Centre


2014年4月26日 星期六

室外便溺 可以致命


最近一名小童在室外大便搞得滿城風雨。大部份的討論都是在於「核突」和「沒有文化」之類的論調。其實室外便溺也是很嚴重的公共衞生問題!

聯合國兒童基金近年來致力在各個國家推廣不要「室外便溺」,為甚麽?

  • 全球有7億8千3百萬人沒有乾淨的食用水,其中中國佔1億1千萬多人,印度9千7百萬。
  • 全球有十億人在室外便溺,當中有90是在農村。
  • 在這些地方,因為沒有足的衞生措施,室外便溺會染食水,傳播疾病。
  • 腹瀉是全球第二大五歲以下兒童的殺手。每天大概有2000個兒童因腹瀉死亡,而當中9成是跟食水衞生有關的。這些死亡是很容易解決的,只要有足的衞生措施和食水,和鼓勵人們使用廁所。

室外便溺怎樣傳播疾病?

糞便中有很多病毒,細菌,寄生蟲,寄生蟲卵等等。它們沒有令便者生病,但可能會讓其他人生病。

以下圖片取自聯合國衞生組織的小册子:
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從圖中可見,糞便可以經雨水沖走進入食水道,或用以灌溉而污染食物。另外室外便溺也會吸引蒼蠅傳播病菌。當然如果沒有洗手的話,便者的手碰到其他東西也會直接感染。

就在幾天前,聯合國兒童基金在印度發表了一個卡通MV“Take The Poo To The Loo",鼓勵當地兒童使用廁所。卡通很有趣,歌也很入腦呢!



雖然香港的衞生情況算不錯,但由於人煙稠密,傳染病很容易傳播,所以還是要保持衞生習慣。

資料來源/延伸閱讀

Progress on sanitation and drinking-water: Fast facts
Fact sheets on environmental sanitation


2014年4月18日 星期五

攻城記

病毒體積小小,但每一部分都是設計用來感染其它細胞,繼而「繁殖」然後感染其它細胞。它們就像當年的蒙古軍隊一樣,攻城,破城,擴大版圖。我們的細胞就像一個有多重守衞的城;病毒就是攻城的專家。孫子兵法中說:知己知彼,百戰不殆;我們現在就來看看它們的把戲!

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木馬屠城

相信大家都讀過木馬屠城記的故事吧。希臘人為了要攻特洛伊,造了一頭巨型木馬,把精兵藏在裡面,扮成禮物。特洛伊不以為詐,把木馬連同敵軍帶入城中,自取滅亡。

我們的細胞就像這個特洛伊城,城牆外有城門把關,平常很多貨物出出入入。城門的守衞會檢送貨人的信物。如果信物跟城牆上的信物吻合,守衞就會讓貨物人城。很多病毒就是靠這一點進入細胞。它們的表面有很多不同的蛋白,作為假信物。細胞外也有很多蛋白,用作分辨來者是否可以進入細胞。病毒表面的蛋白就是可以跟這些細胞外的蛋白吻合,讓細胞以為它是真的貨物,打開門讓它進去。

打開門就算了,病毒表面的蛋白還可以當八達通使用。在細胞表面時,病毒會發送訊號到細胞入面告訴它「有大型貨物要送入細胞核,麻煩安排交通」。細胞入面不疑有詐,安排大隊人馬擁護,派出車隊,送它上細胞入面的公路,大步大步往細胞核心進發。

記得它嗎?可愛的驅動蛋白。但其實往細胞核進發的是動力蛋白(dynein)。Image source


變型

成功入城後,在往細胞核的途中,就是發難的時機了。由於病毒被「車隊」(endosome)包圍,要發難也不是那麽容易。可是厲害的是,隨着endosome內的酸度愈來愈高,病毒表面的蛋白竟然變型,繼而突圍而出。這麽刺激的事當然要去片:

(變型由大約0:40開始看)

以上片段只是登革熱病毒的技倆,其它種類的病毒當然有其它辦法了。

騎劫

病毒為甚麽可以這麽小型,卻能造成大破壞?因為它們很會騎劫受侵略的細胞,用細胞內的機器和資源去幫它們大量複製。病毒可以用各種方法去停止細胞內的蛋白製造工場﹣核醣體(ribosome)製造細胞本身的蛋白,而去造病毒自己的蛋白。這樣的騎劫很有效,幾乎可以令細胞停止本身的運作,用所有資源去幫病毒複製。

再下一城

複製好零件,打包成新的病毒後,是時候要離開去攻下一個細胞了。這時候細胞已經力不從心,只能等死了(其實它們死前會盡力通知其它細胞,或是跟病毒同歸於盡,日後有機會再講)。有些病毒會直接「爆」出去,而其他的則會施施然走上細胞內的出城公路出去,臨離開時還要從細胞膜拿一點用來包裝,真的有風駛盡𢃇。

你有張良計,我有過牆梯

當然我們的細胞和免疫系統不會坐以待斃了。所謂「你有張良計,我有過牆梯」,免疫系統和病毒的關係就像蝙蝠俠與小丑一樣,千百萬年來鬥智鬥力,但沒有一方是完全勝利的。以後有機會談一下我們的免疫系統怎樣打這場仗。

以下的TED education 影片大約介紹了雙方的手法:



資料來源/延伸閱讀

2014年4月10日 星期四

芫荽的重口味

中學時代吃lunch,總喜歡到學校附近吃粉麵。那個年代的粉麵,芫荽、葱花都落得很重手;我的飯友們,十個有八個都需要走青,所以落單時我總得靦腆的說:「erm...咩都唔走吖唔該。」深怕在一堆女生中顯得份外大食和粗豪,想起來也甚是無聊。後來上了大學,才發現不止女生,不喜歡芫荽的男生也甚多,不喜歡芫荽的外國人更多。

問朋友為什麼討厭芫荽,通常都是簡單的一句:唔鍾意個味。直到有天和外國朋友吃印度菜,她很specific的告訴我,她不喜歡芫荽是因為好像在吃肥皂。 

這使我很好奇,同一樣食物,我們的味覺感知可以這樣不同?我可覺得芫荽很 refreshing 啊。

我的 5-a-day

芫荽的香味源自它含有一種天然化合物, (aldehydes)。相類似的醛,也可以從肥皂、潤膚劑,甚至一些昆蟲上找到 。芫荽的英文Coriander,就是從解作臭蟲(bed bugs)的希臘字演變而來的。昆蟲利用醛的強烈氣味,去吸引或排斥其他生物。所以,芫荽難頂其實是很理所當然的事。

 (aldehydes)


但為什麼,我們嗅著同樣的一棵芫荽,感受卻如此不同?

兩年前一項研究就發現,感知芫荽的味道是有遺傳因素的。科學家訪問了30,000名覺得芫荽味道很棒或感覺像肥皂的歐洲人,並為他們進行了基因測試。結果發現,有兩個基因變異SNP (Single Nucleotide Polymorphism) 和厭惡芫荽有關。

而有趣的是,其中一個變異是位於嗅覺受體基因群(cluster)中。這些基因影響著我們的嗅覺;其中之一,OR6A2,是對醛化學品敏感的受體(receptor) 亦是讓我們聞到芫荽的原因。

其他研究也指出另外一些有關係的基因,包括和苦味有關的基因;  換句話說,討厭芫荽應該是來自很多不同基因的影響。話雖如此,研究小組也同時指出,芫荽偏好來自遺傳的機會是相當低的,大概只有少於10%討厭芫荽的人是基於常見的遺傳變異。所以,你也不必急著拿自己的基因去驗了。

世界各地討厭芫荽的人比率也有大的差別。調查發現,有21%的東亞人和17%的歐洲人,卻只有3-7 的南亞裔或拉美裔人,不喜歡芫荽。這可能因為每個民族的基因差異,也可能和每個國家的飲食習慣有關。

Nature vs Nurture

的而且確,這可能還跟我們的生活經驗有關。

神經科學家認為,我們對芫荽的憎恨可能反映了原始人靠嗅覺和味覺求生的重要,以及大腦不停以經驗更新其資料庫的能力。

當我們第一次品嚐食物,大腦會搜索記憶去探索究竟這新體驗屬於哪一種味道。如果味道不符合一個熟悉的經驗,卻反而令人聯想起化學清潔劑、金屬和昆蟲,我們的大腦就會提示我們它的潛在威脅 ---- 我們就會作出強烈的反應,把它急急吐出。

所以,如果你想的話,你可以靠吃多一點芫荽,然後混一些美味的食物,來改變你對芫荽的看法。一項日本研究就發現,如果你把芫荽葉搗碎,葉酶就能把醛慢慢分解成沒有香氣的物質,口味就沒那麼重。把芫荽做成pesto意粉試試也會是個不錯的開始啊。

謹以此拙文獻給那些不厭其煩要把所有芫荽挑走的朋友們。


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