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00:00:00,000 --> 00:00:03,000
我想我要談一下大自然如何製造材料。

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00:00:03,000 --> 00:00:05,000
我帶來了一個鮑魚殼。

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00:00:05,000 --> 00:00:08,000
這個鮑魚殼是一個生物複合材料，

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00:00:08,000 --> 00:00:11,000
它百分之98的質量是由碳酸鈣組成

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00:00:11,000 --> 00:00:13,000
另外百分之二是蛋白質。

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00:00:13,000 --> 00:00:15,000
但是比起其他在同個地方成長的物質﹐

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00:00:15,000 --> 00:00:17,000
它卻硬了三千倍。

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00:00:17,000 --> 00:00:20,000
而且很多人或許會利用類似齙魚殼的東西，

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00:00:20,000 --> 00:00:22,000
像是粉筆。

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00:00:22,000 --> 00:00:24,000
我對大自然如何製造材料感到著迷﹐

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00:00:24,000 --> 00:00:26,000
對於如此精巧的工作﹐

12
00:00:26,000 --> 00:00:28,000
過程中有許多機密。

13
00:00:28,000 --> 00:00:30,000
部份的原因是因為這些材料

14
00:00:30,000 --> 00:00:32,000
雖然在結構上是肉眼可見的，

15
00:00:32,000 --> 00:00:34,000
但卻是在奈米尺度下形成。

16
00:00:34,000 --> 00:00:36,000
它們是在奈米尺度下形成的，

17
00:00:36,000 --> 00:00:39,000
而且它們利用基因編碼的蛋白質

18
00:00:39,000 --> 00:00:42,000
讓它們能夠製造出這些如此精巧的結構。

19
00:00:42,000 --> 00:00:44,000
所以讓我感到非常著迷的是

20
00:00:44,000 --> 00:00:47,000
如果你可以將生命賦予給

21
00:00:47,000 --> 00:00:49,000
無生命結構，

22
00:00:49,000 --> 00:00:51,000
像是電池和太陽能電池？

23
00:00:51,000 --> 00:00:53,000
又或他們擁有些像鮑魚殼一樣

24
00:00:53,000 --> 00:00:55,000
的能力，

25
00:00:55,000 --> 00:00:57,000
就是說可以

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00:00:57,000 --> 00:00:59,000
在室溫及室壓下

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00:00:59,000 --> 00:01:01,000
利用無毒化學物質，

28
00:01:01,000 --> 00:01:03,000
再加上無毒材料

29
00:01:03,000 --> 00:01:06,000
來製造非常精巧的結構。

30
00:01:06,000 --> 00:01:09,000
這是我正在想的願景。

31
00:01:09,000 --> 00:01:11,000
如果可以在培養皿內製造電池會是怎樣的呢？

32
00:01:11,000 --> 00:01:14,000
又或如果你可以給電池基因訊息

33
00:01:14,000 --> 00:01:16,000
讓它可以隨著時間

34
00:01:16,000 --> 00:01:18,000
表現更好，

35
00:01:18,000 --> 00:01:20,000
而且又是用環保的方法﹖

36
00:01:20,000 --> 00:01:23,000
所以﹐講回這個鮑魚殼，

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00:01:23,000 --> 00:01:25,000
除了是奈米結構，

38
00:01:25,000 --> 00:01:27,000
另外一個有趣的是

39
00:01:27,000 --> 00:01:29,000
當一公和一母的鮑魚相會時，

40
00:01:29,000 --> 00:01:31,000
他們會把「如何建造出這種精巧材料」的

41
00:01:31,000 --> 00:01:34,000
基因訊息傳遞下去。

42
00:01:34,000 --> 00:01:36,000
這就是如何在室溫室壓下利用

43
00:01:36,000 --> 00:01:38,000
無毒物質生產。」

44
00:01:38,000 --> 00:01:41,000
在矽藻上也是一樣，就是這種玻璃般的結構。

45
00:01:41,000 --> 00:01:43,000
每一次矽藻分裂，

46
00:01:43,000 --> 00:01:45,000
他們就會把這樣的基因訊息傳遞下去：

47
00:01:45,000 --> 00:01:47,000
「這是如何在海裡製造玻璃。

48
00:01:47,000 --> 00:01:49,000
完全是奈米尺度的。

49
00:01:49,000 --> 00:01:51,000
而且你可以一而再、再而三地做相同的事情」

50
00:01:51,000 --> 00:01:53,000
所以如果你可以對太陽能電池或是電池

51
00:01:53,000 --> 00:01:55,000
做同樣的事情？

52
00:01:55,000 --> 00:01:58,000
我會說我最喜歡的生物材料就是我的四歲小孩。

53
00:01:58,000 --> 00:02:01,000
任何一個有過或認識小朋友的人都知道

54
00:02:01,000 --> 00:02:04,000
他們是非常複雜的個體。

55
00:02:04,000 --> 00:02:06,000
所以如果你想要說服他們

56
00:02:06,000 --> 00:02:08,000
去做他們不想要做的事情﹐是非常困難的。

57
00:02:08,000 --> 00:02:11,000
所以當我們在思考未來的科技，

58
00:02:11,000 --> 00:02:13,000
我們會想利用細菌和病毒

59
00:02:13,000 --> 00:02:15,000
那樣簡單的生物體。

60
00:02:15,000 --> 00:02:17,000
你能不能說服它們用新的方法

61
00:02:17,000 --> 00:02:19,000
讓它們能夠建造出一個

62
00:02:19,000 --> 00:02:21,000
對我有用的結構？

63
00:02:21,000 --> 00:02:23,000
而且，我們思考著有關未來的科技。

64
00:02:23,000 --> 00:02:25,000
我們從地球的開端講起。

65
00:02:25,000 --> 00:02:27,000
基本上，地球經過了幾十億年

66
00:02:27,000 --> 00:02:29,000
才有生命。

67
00:02:29,000 --> 00:02:31,000
且很快的，它們變成多細胞生物，

68
00:02:31,000 --> 00:02:34,000
它們會複製﹐它們可以用光合作用

69
00:02:34,000 --> 00:02:36,000
來取得它們能量的來源。

70
00:02:36,000 --> 00:02:38,000
但直到五千萬年前--

71
00:02:38,000 --> 00:02:40,000
在寒武紀地質時期--

72
00:02:40,000 --> 00:02:43,000
生物才從海洋移到陸地。

73
00:02:43,000 --> 00:02:46,000
在那之前，生物都是柔軟蓬鬆的結構。

74
00:02:46,000 --> 00:02:48,000
也是在這個時期

75
00:02:48,000 --> 00:02:50,000
環境中的鈣、鐵和矽

76
00:02:50,000 --> 00:02:52,000
逐漸增加。

77
00:02:52,000 --> 00:02:55,000
然後生物們學會製造出硬的材料。

78
00:02:55,000 --> 00:02:57,000
那就是我想要做的--

79
00:02:57,000 --> 00:02:59,000
說服生物學界

80
00:02:59,000 --> 00:03:01,000
與週期表上的其他元素合作。

81
00:03:01,000 --> 00:03:03,000
現在如果你看看生物學中，

82
00:03:03,000 --> 00:03:05,000
有很多像是DNA和抗體

83
00:03:05,000 --> 00:03:07,000
還有蛋白質和核糖體這些你有聽過的東西

84
00:03:07,000 --> 00:03:09,000
都已經是奈米結構的。

85
00:03:09,000 --> 00:03:11,000
所以自然界早已經給了我們

86
00:03:11,000 --> 00:03:13,000
在奈米尺度下如此精巧的結構。

87
00:03:13,000 --> 00:03:15,000
如果我們能夠駕馭它們

88
00:03:15,000 --> 00:03:17,000
說服它們不要當抗體

89
00:03:17,000 --> 00:03:19,000
就像HIV那樣﹖

90
00:03:19,000 --> 00:03:21,000
或是如果我們可以說服它們

91
00:03:21,000 --> 00:03:23,000
為我們製造太陽能電池﹖

92
00:03:23,000 --> 00:03:25,000
所以這是一些例子：這些自然的貝殼。

93
00:03:25,000 --> 00:03:27,000
這是天然的生物材料。

94
00:03:27,000 --> 00:03:29,000
這個鮑魚殼，如果你打裂它，

95
00:03:29,000 --> 00:03:31,000
你可以看到它是奈米結構的。

96
00:03:31,000 --> 00:03:34,000
而矽藻是由二氧化矽組成

97
00:03:34,000 --> 00:03:36,000
且它們是超磁細菌

98
00:03:36,000 --> 00:03:39,000
製造出微小、單一結構磁鐵來幫助導航。

99
00:03:39,000 --> 00:03:41,000
共同點是

100
00:03:41,000 --> 00:03:43,000
這些材料都是在奈米尺度上建造的，

101
00:03:43,000 --> 00:03:45,000
且他們都有DNA序列

102
00:03:45,000 --> 00:03:47,000
可以轉譯成蛋白質序列

103
00:03:47,000 --> 00:03:49,000
給它們製造這些

104
00:03:49,000 --> 00:03:51,000
美好構造的藍圖。

105
00:03:51,000 --> 00:03:53,000
現在，回到齙魚殼，

106
00:03:53,000 --> 00:03:56,000
鮑魚因為有這些蛋白質才能製造這個殼。

107
00:03:56,000 --> 00:03:58,000
這些蛋白質帶有大量負電。

108
00:03:58,000 --> 00:04:00,000
且它們可以在環境中吸引鈣，

109
00:04:00,000 --> 00:04:03,000
鋪下一層鈣然後碳酸化、加鈣、再碳酸化。

110
00:04:03,000 --> 00:04:06,000
它擁有氨基酸的化學序列，

111
00:04:06,000 --> 00:04:08,000
說著：「這是如何建造結構。

112
00:04:08,000 --> 00:04:10,000
這是DNA序列、這是蛋白質序列

113
00:04:10,000 --> 00:04:12,000
才能完成這件事。」

114
00:04:12,000 --> 00:04:15,000
所以有趣的是，如果你可以選擇任何一種材料

115
00:04:15,000 --> 00:04:17,000
或是元素週期表上的任何一個元素，

116
00:04:17,000 --> 00:04:20,000
然後找到它對應的DNA序列，

117
00:04:20,000 --> 00:04:22,000
將它轉譯成相對的蛋白質序列

118
00:04:22,000 --> 00:04:25,000
來建造一種結構，但不是建造鮑魚殼--

119
00:04:25,000 --> 00:04:27,000
透過大自然來建造出一個

120
00:04:27,000 --> 00:04:30,000
大自然還沒有機會建造的東西。

121
00:04:30,000 --> 00:04:32,000
還有這是個元素週期表。

122
00:04:32,000 --> 00:04:34,000
我超愛元素週期表的。

123
00:04:34,000 --> 00:04:37,000
每年MIT進來的大一新生

124
00:04:37,000 --> 00:04:39,000
我都會給他們一張元素週期表在上面寫著：

125
00:04:39,000 --> 00:04:42,000
「歡迎來到MIT。現在你在你的元素中了。」

126
00:04:42,000 --> 00:04:45,000
然後你把它翻過來就是氨基酸

127
00:04:45,000 --> 00:04:47,000
以及它們在不同酸鹼度時的不同電荷。

128
00:04:47,000 --> 00:04:50,000
所以我給了好幾千人這樣的表。

129
00:04:50,000 --> 00:04:52,000
我知道它上面寫著是MIT﹐而這裡是加州理工學院，

130
00:04:52,000 --> 00:04:54,000
但我這有多出來的表﹐如果有人想要的話。

131
00:04:54,000 --> 00:04:56,000
且我很幸運的

132
00:04:56,000 --> 00:04:58,000
今年歐巴馬總統來MIT參觀的時候

133
00:04:58,000 --> 00:05:00,000
參觀到我的實驗室，

134
00:05:00,000 --> 00:05:02,000
而我真的很想要給他一張元素週期表。

135
00:05:02,000 --> 00:05:04,000
所以我熬夜跟我老公討論：

136
00:05:04,000 --> 00:05:07,000
「我要如何給歐巴馬總統一張元素週期表呢？」

137
00:05:07,000 --> 00:05:09,000
如果他說：「喔！我已經有一張了。」

138
00:05:09,000 --> 00:05:11,000
或是「我已經背起來了」的話那我該怎麼辦？

139
00:05:11,000 --> 00:05:13,000
所以他來到了我的實驗室

140
00:05:13,000 --> 00:05:15,000
到處晃晃 -- 那是一個很棒的拜訪。

141
00:05:15,000 --> 00:05:17,000
而之後我跟他說：

142
00:05:17,000 --> 00:05:19,000
「總統，我想要給你這張元素週期表，

143
00:05:19,000 --> 00:05:23,000
以備你在處於困境時會需要計算分子量。」

144
00:05:23,000 --> 00:05:25,000
而且我覺得比起分子質量

145
00:05:25,000 --> 00:05:27,000
分子量聽起來比較不會有那麼書呆子的感覺。

146
00:05:27,000 --> 00:05:29,000
然後他看了一下

147
00:05:29,000 --> 00:05:31,000
接著說﹐

148
00:05:31,000 --> 00:05:33,000
「謝謝你。我會週期性地去看它。」

149
00:05:33,000 --> 00:05:35,000
（笑聲）

150
00:05:35,000 --> 00:05:39,000
（掌聲）

151
00:05:39,000 --> 00:05:42,000
而之後他在一個乾淨能源的演講中

152
00:05:42,000 --> 00:05:44,000
把它拿出來說：

153
00:05:44,000 --> 00:05:46,000
「MIT那邊的人會分發元素週期表。」

154
00:05:46,000 --> 00:05:49,000
所以基本上我沒有跟你們說的是

155
00:05:49,000 --> 00:05:52,000
大約五億年前，生物體開始製造材料，

156
00:05:52,000 --> 00:05:54,000
但他們花了大約五千萬年才擅長製造材料。

157
00:05:54,000 --> 00:05:56,000
他們花了大約五千萬年

158
00:05:56,000 --> 00:05:58,000
才學會如何完美地製造出鮑魚殼。

159
00:05:58,000 --> 00:06:00,000
而且那樣是很難推銷給研究生的。

160
00:06:00,000 --> 00:06:03,000
「我有一個很棒的方案 -- 要花五千萬年的。」

161
00:06:03,000 --> 00:06:05,000
所以我們需要發展出一個

162
00:06:05,000 --> 00:06:07,000
可以更快做到的方法。

163
00:06:07,000 --> 00:06:09,000
所以我們利用病毒，

164
00:06:09,000 --> 00:06:11,000
一個叫做M13的無毒噬菌體，

165
00:06:11,000 --> 00:06:13,000
它們的工作是感染細菌。

166
00:06:13,000 --> 00:06:15,000
它有很簡單的DNA結構，

167
00:06:15,000 --> 00:06:17,000
讓你可以在裡面複製和貼上

168
00:06:17,000 --> 00:06:19,000
新加的DNA序列。

169
00:06:19,000 --> 00:06:21,000
這麼做可以讓病毒

170
00:06:21,000 --> 00:06:24,000
表現隨機蛋白質序列。

171
00:06:24,000 --> 00:06:26,000
這是非常簡單的生化技術。

172
00:06:26,000 --> 00:06:28,000
而且基本上可以重複幾億次。

173
00:06:28,000 --> 00:06:30,000
所以你可以進到幾億種

174
00:06:30,000 --> 00:06:32,000
基因序列相同的病毒中，

175
00:06:32,000 --> 00:06:34,000
它們之間唯一不同的在於它們尖端上的

176
00:06:34,000 --> 00:06:36,000
一個序列

177
00:06:36,000 --> 00:06:38,000
轉譯出一個蛋白質。

178
00:06:38,000 --> 00:06:40,000
現在如果你拿這幾億種病毒，

179
00:06:40,000 --> 00:06:42,000
把它們放進一滴液體中，

180
00:06:42,000 --> 00:06:45,000
你可以迫使他們跟週期表上的任何元素互動。

181
00:06:45,000 --> 00:06:47,000
透過選擇性進化，

182
00:06:47,000 --> 00:06:50,000
你可以在這幾億種病毒中找到一株能做到你想要它做的事的病毒，

183
00:06:50,000 --> 00:06:52,000
像是會製造電池或是生產太陽能電池的病毒。

184
00:06:52,000 --> 00:06:55,000
所以基本上，病毒不能自行複製，他們需要有寄主才行。

185
00:06:55,000 --> 00:06:57,000
當你找到你要的那株病毒，

186
00:06:57,000 --> 00:06:59,000
你可以感染細菌，

187
00:06:59,000 --> 00:07:01,000
你就可以得到幾千幾萬的

188
00:07:01,000 --> 00:07:03,000
相同序列的複製品。

189
00:07:03,000 --> 00:07:05,000
還有生物學上另一個有趣的地方

190
00:07:05,000 --> 00:07:07,000
就是生物可以給你非常精巧的結構

191
00:07:07,000 --> 00:07:09,000
且帶有好的鏈接效應。

192
00:07:09,000 --> 00:07:11,000
這些病毒是又長又瘦的，

193
00:07:11,000 --> 00:07:13,000
且我們可以讓它們表現出

194
00:07:13,000 --> 00:07:15,000
可用來生產電池

195
00:07:15,000 --> 00:07:17,000
像半導體或其他類似材料的能力。

196
00:07:17,000 --> 00:07:20,000
這是一個在我們實驗室長出來的高性能電池。

197
00:07:20,000 --> 00:07:23,000
我們製造出能夠撿起奈米碳管的病毒。

198
00:07:23,000 --> 00:07:25,000
就是說病毒的一部份可以抓住奈米碳管，

199
00:07:25,000 --> 00:07:27,000
另外一部份有一個序列

200
00:07:27,000 --> 00:07:30,000
讓它們能夠長出電池電極材料。

201
00:07:30,000 --> 00:07:33,000
然後它會自己跟自己連成一個電流集電極。

202
00:07:33,000 --> 00:07:35,000
透過選擇性進化，

203
00:07:35,000 --> 00:07:38,000
我們從一株可以致造不怎麼樣的電池的病毒

204
00:07:38,000 --> 00:07:40,000
進步到一個可以製造好電池的病毒

205
00:07:40,000 --> 00:07:43,000
再到一個破紀錄、高性能電池的病毒，

206
00:07:43,000 --> 00:07:46,000
且這都是在室溫下達成的，基本上就是在實驗桌上做出來的。

207
00:07:46,000 --> 00:07:49,000
這個電池到白宮參加了一個記者招待會。

208
00:07:49,000 --> 00:07:51,000
我把它帶來這裡。

209
00:07:51,000 --> 00:07:54,000
你可以在這個盒子裡看到--正在照亮這個LED。

210
00:07:54,000 --> 00:07:56,000
如果我們可以有規模的做，

211
00:07:56,000 --> 00:07:58,000
你可以用這電池

212
00:07:58,000 --> 00:08:00,000
來驅動你的普銳斯，

213
00:08:00,000 --> 00:08:03,000
這是我的夢想：可以開一臺病毒驅動的車。

214
00:08:04,000 --> 00:08:06,000
但基本上，

215
00:08:06,000 --> 00:08:09,000
你可以從幾億種病毒裡面挑出一株。

216
00:08:09,000 --> 00:08:11,000
你可以大量放大它。

217
00:08:11,000 --> 00:08:13,000
基本上，你可以在實驗室裡放大。

218
00:08:13,000 --> 00:08:15,000
然後你讓它自己組裝

219
00:08:15,000 --> 00:08:17,000
成為一個類似電池的結構。

220
00:08:17,000 --> 00:08:19,000
我們可以利用催化劑來做到。

221
00:08:19,000 --> 00:08:21,000
就像是利用光能

222
00:08:21,000 --> 00:08:23,000
分解水分子。

223
00:08:23,000 --> 00:08:25,000
我們目前正在做的是

224
00:08:25,000 --> 00:08:28,000
製造出一株病毒﹐讓可以吸收染料的分子們在

225
00:08:28,000 --> 00:08:30,000
它表面上排排站

226
00:08:30,000 --> 00:08:32,000
作用像是個接收器，

227
00:08:32,000 --> 00:08:34,000
這樣就能將能量轉移到病毒全身。

228
00:08:34,000 --> 00:08:36,000
然後我們給它第二段基因，

229
00:08:36,000 --> 00:08:38,000
讓它能夠長出無機材料，

230
00:08:38,000 --> 00:08:40,000
可以用來將水分解成

231
00:08:40,000 --> 00:08:42,000
氧氣和氫氣，

232
00:08:42,000 --> 00:08:44,000
可以作為乾淨能源。

233
00:08:44,000 --> 00:08:46,000
我今天帶來了一個樣本。

234
00:08:46,000 --> 00:08:48,000
我的學生跟我保證這個樣本是能運作的。

235
00:08:48,000 --> 00:08:50,000
這些是病毒組裝的奈米電線。

236
00:08:50,000 --> 00:08:53,000
當光照設在上面的時候，你可以看到這些氣泡。

237
00:08:53,000 --> 00:08:56,000
在這個例子中，你看到的是氧氣氣泡。

238
00:08:57,000 --> 00:09:00,000
基本上利用控制基因，

239
00:09:00,000 --> 00:09:03,000
你可以控制多種材料來改善你的器具效能。

240
00:09:03,000 --> 00:09:05,000
最後一個例子是太陽能電池。

241
00:09:05,000 --> 00:09:07,000
你也可以對太陽能電池這麼做。

242
00:09:07,000 --> 00:09:09,000
我們可以製造

243
00:09:09,000 --> 00:09:11,000
可以拿起奈米碳管的病毒，

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00:09:11,000 --> 00:09:15,000
然後在周圍形成二氧外鈦，

245
00:09:15,000 --> 00:09:19,000
就可以用在器具中來傳遞電子。

246
00:09:19,000 --> 00:09:21,000
我們發現，透過基因工程，

247
00:09:21,000 --> 00:09:23,000
我們真的可以增加

248
00:09:23,000 --> 00:09:26,000
這些太陽能電池的效能

249
00:09:26,000 --> 00:09:28,000
讓這類染色敏感的系統

250
00:09:28,000 --> 00:09:31,000
達到新的境界。

251
00:09:31,000 --> 00:09:33,000
我也帶來了一個這樣的東西，

252
00:09:33,000 --> 00:09:36,000
演講完畢後你們可以到外面玩一玩。

253
00:09:36,000 --> 00:09:38,000
這是個以病毒為建立基礎的太陽能電池。

254
00:09:38,000 --> 00:09:40,000
透過演化和挑選，

255
00:09:40,000 --> 00:09:43,000
我們將一個百分之八效能的太陽能電池

256
00:09:43,000 --> 00:09:46,000
增加到百分之11效能。

257
00:09:46,000 --> 00:09:48,000
所以我希望我已經說服了你們，

258
00:09:48,000 --> 00:09:51,000
關於大自然如何製造材料﹐

259
00:09:51,000 --> 00:09:53,000
有很多很棒、很有趣的事情等著我們去學習。

260
00:09:53,000 --> 00:09:55,000
然後再進一步的，

261
00:09:55,000 --> 00:09:57,000
看你們是否可以用強迫的方式，

262
00:09:57,000 --> 00:09:59,000
或是利用大自然製造材料的方法

263
00:09:59,000 --> 00:10:02,000
來製造出一些大自然還沒想到要去做的東西。

264
00:10:02,000 --> 00:10:04,000
謝謝。