從果蠅之小 見生命之大
清華大學教授江安世的團隊對果蠅嗅覺腦圖譜的研究結果，發表於頂級生命科學期刊《細胞》上，除了描繪果蠅的神經系統，這項成就有著更深遠的意義：揭開人類大腦的秘密。
採訪/龐中培
家中的垃圾如果幾天沒處理，就可以發現許多芝麻大的小昆蟲在垃圾邊環繞飛舞，這些惱人的小昆蟲，十之八九是果蠅，牠們平常隱而不現，但只要垃圾飄出異味，往往就能聞「香」而至，一如人類聞香下馬。「聞香下馬」這四個字看似簡單，不過整個過程牽涉到許多交互作用：千千萬萬的氣味分子與嗅覺器官上的受體（蛋白質）結合後，產生的訊息傳遞到腦、腦解析這些訊息的意義後做出適當的反應，其中關係到複雜的神經網絡，以及訊息傳遞的路徑與組合方式。
2004年，艾克塞（Richard Axel）與巴克（Linda B. Buck）即以嗅覺受體基因的研究獲頒諾貝爾生醫獎。不過艾克塞與巴克所發現的是細胞上與氣味分子結合的受體，至於這些受體與氣味分子結合後產生什麼變化與刺激？相關的訊息經由哪些神經元傳遞？都有待釐清。至於神經系統更高層次的活動，例如訊息在神經系統的呈現方式、如何建立或喚起記憶及產生反應等，也都還不清楚。因此艾克塞與巴克的研究，只是釐清嗅覺產生的第一步而已。
今年3月23日，著名的生命科學期刊《細胞》（Cell）刊載了由新竹清華大學生物科技研究所江安世所率領團隊的研究成果。他們以果蠅為研究對象，揭開了嗅覺訊息在腦中傳遞的部份圖譜。《細胞》刊載論文被引用的次數，可與著名的科學期刊《自然》（Nature）與《科學》（Science）比肩。國內科學團隊獨立研究的成果，於《自然》與《科學》上發表過的不在少數；但是在《細胞》上發表，是江安世團隊拔得頭籌。
從技術出發，繪製果蠅神經圖譜
雖然人類腦中的訊息處理與傳遞，最令科學家著迷，不過由於人腦中大約有1000億個神經元、人類的生命相對而言比較長、又不可能任意操弄人體內的基因，因此許多神經科學的研究，只能以其他動物為對象，例如小鼠、斑馬魚和果蠅等模式動物。果蠅的腦大約只有13萬5000個神經元，也能夠展現記憶、學習等較複雜的行為，因此最受到青睞，成為研究神經科學的重要對象。此外，果蠅的所有基因都已經定出序列、生命週期又短（大約60天），也使得研究容易進行。
「工欲善其事，必先利其器」，在科學研究上也是如此。生命科學的進步，往往受到科技發展的推動，例如在電子顯微鏡技術成熟之後，人類才有工具在手，能夠剖析細胞中各種胞器的細微構造，同時看到濾過性病毒的樣貌。而DNA定序技術的發展與精進，讓我們能夠快速且大量的定出許多物種的基因組序列，對於基因的功能與演化，能展開深入而且廣泛的研究。江安世能夠率先得出果蠅腦中嗅覺的圖譜，其優勢是利用自行研發出的FocusClearTM溶液來處理組織樣本，使樣本變得透明，而有利於觀察；同時利用特殊的遺傳工程技術，讓果蠅腦中特定且單一神經元能呈現出螢光顏色…
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酒癮會遺傳嗎？
找出讓酒癮基因，將可對症下藥，並幫助高危險群做出聰明的人生抉擇。
撰文╱能柏格（John I. Nurnberger, Jr.）、彼拉特（Laura Jean Bierut）;翻譯／潘震澤
長久以來我們就知道，沉溺杯中物的習性具有家族遺傳。對某些人來說，那只不過是給這個複雜習性的昭彰惡名，多添上一筆罷了；但對科學家而言，卻顯示酒癮背後存有某種可以代代相傳的基因組成，讓人容易染上這個毛病。
過去10年來，隨著鑑定及分析基因?#92;能的科技進展，研究人員也越來越能夠掌握像是藥物濫用以及成癮等複雜毛病的生物學根源。他們具備的本事，包括在廣大族群中檢視遺傳的形態，以及調查每個人基因組當中成千上萬個微小變異，因此能夠找出對某人的生理及罹病風險具有或大或小影響力的特定基因。
酒癮與?#92;多其他的人類疾病類似，成因不只一端，自然也不全然由遺傳造成，但基因卻扮演了重要的角色。對於身體與大腦的運作，它們之間以及與個人人生經驗的互動，從而產生了讓人免於或易於上癮的不同作用，基因都有影響。要釐清這些作用是件困難的工作，到目前為止，經鑑定出跟酒癮有關的基因還不滿一打，可確定的是，仍有?#92;多基因有待發現。
這些已知基因的各式變異，對某人是否容易對酒精上癮只有些微的影響力，但由於這些基因變化在人類族群中相當常見，它們還可能影響了飲酒習慣、其他癮頭或不良行為，以及抑鬱與焦慮等毛病。因此，找出參與酒精反應的人類基因，並了解其作用，將使我們更了解?#92;多不同的疾病。如果曉得是哪些生物反應，造成人類對酒精上癮並沉迷其中，也將有助於挑選現有療法及設計新法，以破除這項惡習。
人類變異的線索
人類基因產生了約10萬種不同的蛋白質，每一種不是直接影響了身體與腦子的日常運作，就是調節了其他基因的活性；因此，基因對人體生理的影響，可是巨大無比。在發現了第一個可影響酒精成癮風險的基因之後，基本生理變異與某人是否容易對酒精上癮之間具有強烈相關，就更為清楚了。
數十年前，研究人員著手研究在華人、日本人或其他東亞人士常見的酒後臉紅現象。對飲酒容易臉紅者所做的抽血檢查，發現酒精分解產物「乙醛」的濃度增加了，因而造成了皮膚發熱、心悸及虛弱等不舒服感。到了1980年代，研究人員找到了引起這項反應的禍首，是某個參與酒精代謝反應的酵素：醛脫氫；最終，也發現了攜帶該酵素編碼的基因ALDH1。該酵素的作用是分解乙醛，但在飲酒容易臉紅的人身上，由於該基因DNA編碼的些?#92;變化，使得酵素作用較為緩慢。這些人在飲酒後，會有乙醛在體內堆積；而高濃度的乙醛可能具有毒性。
之後的研究發現，這項ALDH1基因的變異在亞洲人當中相當普遍：44%的日本人、53%的越南人、27%的韓國人、30%的華人（漢人則高達45%）帶有這種變異，然而在歐洲人後裔則屬罕見。可以想見，擁有這種基因變異、造成乙醛代謝緩慢的人，對酒精上癮的風險也較低，可低達1/6，這也是基因變異能讓人免於染上酒癮的例證之一。
此外，也有人研究分解酒精的其他酵素，譬如在酒精轉換成乙醛的過程中，負責第一步反應的醇脫氫（ADH），看它們對酒精成癮的影響力。事實上，醇脫氫是由一整個基因家族製造，其中每個基因都影響了這個酵素的不同性質，但以ADH1及ADH4這兩個基因群對酒精的代謝最為重要。最近，我們對某個歐裔美國人族群所做的研究提供了顯著證據，顯示ADH4基因群當中的變異，強化了該族群成員染上酒癮的風險。至於這些ADH4基因的變異如何影響酒精的代謝，仍屬未知。
酒精成癮的遺傳成因複雜，代表有多重基因的參與。若想要通盤了解造成這個毛病的來龍去脈，必須要先釐清這些基因彼此之間以及與個人環境之間的互動。人相當複雜，造成酒癮的方式也五花八門，特別是在起始的階段，但到了酒癮後期的臨床症狀就都差不多了。因此，在研究酒癮的生物學時，研究人員必須對這個毛病仔細定義，譬如要分辨清楚：患者是真的對酒精產生了依賴，或只是濫用而已，後者在醫學上是較不嚴重的症候。
無論是針對酒精還是其他物質的成癮，一項廣為精神科醫師使用的診定準則，是使用者在過去12個月內，出現至少三項下列症狀：承受得起大劑量、出現戒斷反應、無法控制該物質的使用、想要停用或減量時得耗費心力、花大量時間在這項活動上、放棄其他活動，以及無視身心出現問題仍繼續使用等。符合這些準則的人，通常在其家族中也有多起酒癮的例子。由於有這些人士的志願參與，我們和其他研究人員著手將病人的症狀與其生理根源，以及最終的禍首—基因連在一起。
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加滿氫再上路
要把氫氣灌入一般汽車的油箱，是個很大的難題。
研究人員正在努力開發各種方案，協助燃料電池車儲存氫氣，以行駛更長的距離。
撰文╱沙提亞派爾（Sunita Satyapal）、彼卓維契（John Petrovic）、湯瑪斯（George Thomas）;翻譯／甘錫安
1783年夏末，查理（Jacques Charles）做了一件驚人的大事。他將重量比空氣輕的氫氣充入表面塗佈橡膠的絲質袋子，並駕著這個氫氣球上升到1000公尺高空。他降落地面後沒過多久，嚇壞了的鄉下人就毀掉了這個氣球，但查理從此開啟了200多年來研究人員孜孜不倦的探索歷程：駕馭宇宙中最輕的元素——氫，將它的力量運用到運輸方面。
在為未來車輛提供動力這方面，不論是直接燃燒或是用於燃料電池，氫都是極具吸引力的選擇。原因諸如美國國內工業製造的氫可以來自各種原料和能源（例如再生能源、核能和化石燃料等），這種無毒的氣體還可當做完全無污染的能源，為多種機器提供動力。而且氫燃燒時不會釋出造成溫室效應的二氧化碳，另外如果將氫加入燃料電池堆（類似電池的裝置，可由氫和氧產生電力），可以用來推動電動汽車或貨車，產生的副產物只有水和熱（請參?#92;2005年4月號〈氫燃料電池車乾淨上路〉）。燃料電池車的效率，可比目前的汽車高出一倍以上。因此，氫有助於緩解?#92;多迫在眉梢的環境與社會問題，包括空氣污染與健康威脅、全球氣候變遷，以及對進口石油的依賴等。
但要真正用氫當做汽車的動力來源，還有很多障礙。如果以重量來比較，氫所含的能量是汽油的三倍，但氫的儲存方式目前還沒辦法像傳統液態燃料那樣簡單緊密。現今挑戰性最大的技術問題，是如何有效地將氫安全儲存於車內，以便為汽車駕駛人提供所需的行駛距離和性能，研究人員必須找出「正好適合」的「金字招牌」方案來解決儲存問題：儲存裝置的氫容納量必須足以達到目前可接受的480公里最低行駛距離需求，而且燃料槽的體積還不能影響乘客或行李空間。儲存槽必須以需要的流速釋放氫，以便在高速公路上加速，並在實際溫度下能良好運作；它還必須能在數分鐘內加滿或充電完畢，而且價格必須有競爭力。但目前的氫儲存技術距離上述目標，都還相當遙遠。
全世界的汽車產業、政府和學界研究人員，都投入極大的心力欲克服這些限制。國際能源總署於1977年簽署的「氫使用協定」，是目前規模最大的氫儲存研究團隊，成員包含來自13國的35名研究人員。成立於2003年的「氫經濟國際合作計畫」目前已有17國政府參與，致力於推動氫能源與燃料電池技術。另外，美國能源部也於2005年開始執行「國際氫儲存計畫」，成立了三所卓越研究中心，有?#92;多產業界、大學與聯邦實驗室攜手進行多項基礎與應用研究；單單去年一年，這項計畫就提供超過3000萬美元的經費給80項左右的研究計畫。
基礎建設障礙重重
氫燃料電池車難以普及的障礙之一，是其所涉及的問題規模十分龐大。全美國汽車每天的汽油消耗量達14億5000萬公升（每年約5300億公升），佔全美國石油消耗量的2/3左右，其中有一半以上的原油來自進口。如果要讓現今美國國內的汽車產業轉而生產燃料電池車，同時把遍佈全美各地的汽油煉製及輸送網絡改為處理大量的氫，必須投下的經費顯然將十分可觀。燃料電池車本身在價格和耐用程度上也必須能和目前的技術競爭，同時必須具備相同的性能。另外，氫燃料電池車還必須解決安全疑慮以及社會大眾心中揮之不去的一個陰影，大眾對1937年興登堡號飛船在空中燃燒的慘烈情況記憶猶存，並經常將這次事故跟氫聯想在一起。但根據可信的證據顯示，製作興登堡號飛船氣囊的易燃性蒙皮才是引燃火苗，並導致那次災難的關鍵因素。
將氫儲存在車內為什麼這麼困難呢？在常溫常壓下（一大氣壓約等於每平方公分1.03公斤重），氫是氣態，能量密度只有液態汽油的1/3000。容積75公升的箱子儲存一大氣壓的氫氣時，只能推動一般汽車行駛152公尺左右。因此要讓車內氫容納系統達到可用的程度，工程師必須提高氫的儲存密度。
由美國產官界攜手合作、開發未來汽車先進技術的「自由汽車與燃料合作計畫」，其主要運作目標之一，就是達成480公里的最低行駛距離。工程師在進行這類計算時，採用了相當有用的概算法：每加侖（約3.78公升）汽油所含的能量大約相當於一公斤的氫。目前一般車輛行駛480公里大約需要20加侖（約75公升）汽油，但由於氫的運作效率高出?#92;多，因此燃料電池車通常只需要8公斤的氫。依車輛型式和大小不同，某些車型達到這個行駛距離需要的氫可能較少，某些車型則可能較多。根據數家汽車製造廠商對大約60款氫燃料原型車的測試數據，目前的行駛距離大約為160~300公里之間。
為了達成在2010年實用化的目標（有些公司預測第一款量產型燃料電池車可能在該年推出），研究人員將各種儲存技術與「重量百分比6%」的標準進行比較，也就是在燃料儲存系統中，總重量中有6%是氫，假設某套系統的總重量為100公斤（以汽車而言為合理重量），則儲存的氫必須有6公斤。6%看起來不多，但要達到這個標準其實相當困難，科學家紛紛研發可在較低壓力下運作的儲存方案，但目前最佳技術成果的重量百分比還不到2%。除此之外，要讓系統總體積不超過標準型汽車油箱，可能會更加困難，因為用來容納這6公斤氫的儲存槽、閥體、管路、調節器、感測器、隔熱層和各種裝置必然會佔用相當多的空間。最後，達到可用程度的系統的釋氫速率必須夠快，讓燃料電池和電動馬達，足以為駕駛人提供所需的動力和加速性能。
目前已問世的數百款燃料電池原型車，大多將氫儲存在類似潛水用氧氣筒的高壓鋼瓶中。更先進的碳纖維繞線技術可製造強度更高的輕量化儲存槽，安全儲存壓力高達每平方公分350~700公斤（相當於350~700大氣壓）。不過如果只提高壓力，氫密度並不會成正比提高。即使壓力高達每平方公分700公斤，目前高壓儲存槽所能達到的最佳能量密度（每公升39克的氫），大約也只有同體積汽油的15%。目前的高壓儲存槽只能容納重量百分比為3.5~4.5%的氫。福特汽車剛剛展出名為Edge的混合式運動休旅原型車，動力來源為加裝式燃料電池混合系統，儲存壓力為每平方公分350公斤，可容納4.5公斤的氫，最大行駛距離可達320公里。
高壓儲存槽可以使用於某些較為龐大的車輛，例如公共汽車和大型車等等，這是因為這類車輛有空間可以容納足夠的氫，但是一般轎車卻很難做到這一點。另外，目前裝設這類儲存槽的成本，也比一般轎車可接受的價格，要高出了約10倍以上。
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