「生命科學概論」的第一節課

本節課是「生命科學概論」，這是一個選修課程。我為什麼要在生物機電工程學系開一個生命科學概論的選修課程？由於這個課大部分選修的同學是生機系的同學，特別是大一的同學，所以我想先跟各位解釋一下這件事情。

各位生機系的同學應該知道將來在你畢業的時候，畢業證書拿的是「工學士」的證書，所以各位將來都是工程師，大部分同學工作的領域應該會以工程為主；就歷屆畢業系友的工作狀況，大部分也都是在工程相關的產業，不管是傳統的機械、電機產業或者是電子半導體產業，都有我們系上畢業的學長姐。那，為什麼我們要在一個以工程教育為主的科系加上生物的課程？為什麼我們的系名又要把「生物」擺在最前面？

我不曉得各位當初在填志願時選擇「生物機電工程」的原因是什麽？你對這個系、對系名中的「生物」兩個字了解又有多少？是糊里糊塗就填進來，還是反正分數剛好就填進來？不管怎樣，各位已經是個大學生了，接下來你在大學四年裡面，不管是修課、社團、交友還有深造或就業，你都會面臨到很多選擇，在做每一次選擇的時候，即便只是選擇每個學期想要修習的課程，我希望大家都要好好的思考。因為選擇了，接下來就要花時間，就像你選了這門課，接下來每個禮拜至少有兩小時得花在這邊聽課，當然你可能會翹課，但是我不建議這樣子；如果再加上準備考試，那一周花的就不只兩個小時。

實際上做了每個選擇之後都必須要投入時間，而投入這個選擇的時間，基本上就會排斥了做其它事情的時間。所以各位在做選擇的時候，不要太隨便、不要太隨興，都要仔細思考這個選擇跟自己的需求、自己的興趣是否契合。而在大學階段，我覺得「選擇」，還得要考慮未來發展的需求，畢竟各位來大學唸書，實際上就是在為未來做準備；所以你所選擇的跟未來的關聯性是什麼？我希望各位同學需要仔細思考一下。

好，在這個前提下，我們來談談「生物機電工程系」的「生物」到底意義是什麽？基本上我認為可以這樣講，生物機電工程的「生物」兩個字，彰顯的是另外一種選擇，也就是說，需要以工程技術去解決的問題，除了一般比較為人所熟知的那些機、電、資訊、化材、土木等等傳統工程項目的事情以外，許多與生物相關的領域，也是非常需要工程技術投入的領域。但這些生物領域又跟傳統工程應用的項目不一樣，因為在非生物的工程領域裡，基本上所處理的對象都不是活的。都不是活的，就代表說它的樣子就是那個樣子，它不會隨著時間的變化而主動變化；它沒有生長的現象，也沒有感應與繁殖，就是一個東西躺在那邊，一個死的東西躺在那邊任你擺佈。而且通常這些死的東西都具有一定的剛性，雖然也有的是流體或膠體，但流體跟膠體如果被擺在特定的容器中，不管是體積或是質量，還是個固定的樣子。也就是說，傳統工程領域所處理的對象是可以任你擺佈的對象，它沒有自主的意志，所以在做各種設計的時候，可以比較自由、比較隨心所欲，反正它就杵在那邊任你擺佈。

但生物不一樣。比如說，系上有老師在做植物工廠的研究，就是把菜啊、花啊，甚至水果都擺到一個工廠化的設施裡面去栽培，工程所處理的對象是植物，會生長、會繁殖的植物；而各位如果到醫院去做檢查，量心電圖、量腦波或是照Ｘ光也好，那些儀器設備所處理的對象，就是人，會動、會跑的動物。不管是對植物或是對動物，如果要用工程技術所做出的機電設備去對他做什麼的時候，那你的對象就不是一個呆呆板板杵在那邊的對象，他不是一個固定形狀、固定體積、固定質量的東西擺在那邊任你擺佈，他會變化，而且隨著時間進展會不斷的變化。

你可能會說：不會啊！我去量心電圖，基本上我都任由醫師擺佈，他叫我躺在那邊就躺在那邊，他叫我手拿起來就拿起來，他叫我不要動我就不要動啊！但是問題是，醫師叫你不要動你真的都沒有動嗎？沒有啊，你都在動啊，你還是在呼吸啊，胸腔還是不斷地起伏啊；而一些你沒有看到的也都在動啊，你的心臟在動、腸胃在動，甚至很多骨骼肌也都在收縮。表面上看起來你好像沒有在動，實際上你一直在動。那植物呢？也許說植物看起來就那個樣子啊，但實際上，如果你很微觀的去看，植物也時時都在變化，或許巨觀上很難發覺，但一些微觀的變化，例如細胞內的代謝，無時無刻都在變化。

也就是說，當工程技術要應用到這些活的東西的時候，那麼關鍵就不光只是說我的工程技術厲不厲害，也不光只是掌握那個活的東西當下的性質就好，你還得考慮他不斷在變化的過程，考慮變化的趨勢對你要量測或操控的東西會產生什麼樣的影響。這就是工程技術要應用到活的東西時，所會面對的挑戰。

那你可能會說，那我還是回到傳統的工程領域就好，反正我就處理那些可以任我擺佈的死材料就好。這當然可以，如果你不想處理那麼複雜的對象，當然可以回到傳統的工程領域，不要選生物機電工程系，你可以選機械、電機、電子，土木、化工或是材料等等傳統的工程領域科系。但問題是，以現在可以預見的產業發展樣態來看，實際上，把工程技術應用到活的東西這件事情，在現今的產業是越來越蓬勃、越來越受到重視的發展趨勢。

講個各位可能比較有感覺的例子。最近因為肺炎瘟疫所引起的危機，根本的解決之道，一個是疫苗、另一個是治療用的藥物。各位想想，先不管那個生物學的研發過程有多難，反正有人把疫苗研發出來了，但全世界人口七八十億，每個人都要打一劑就要生產七八十億劑，像現在不只要打一劑，要兩劑甚或是三劑，那總需求量就一兩百億劑；即便像台灣人口只有兩千多萬，需要的疫苗總量也得接近五千萬劑。所以藥廠的產能要多高？短時間內的產能都得要以億來計才行。那你想，假設一個玻璃瓶可以裝五劑，那一億劑就要兩千萬瓶，光是充填跟封裝，兩千萬瓶，絕對得靠自動化工程設備才行。

但是這個自動化過程所處理的不是一般的汽水或果汁，是DNA、RNA或是某些蛋白質，這些成分如果要維持活性，在灌進去的過程就有好多要注意的事情，不管是pH值、溫度與濃度甚或是光照，都必須要注意。在這之前還有生產的問題，那些DNA、RNA或是某些蛋白質在大量生產的過程，無可避免的一定會用到某些活的，可能是細菌或細胞來當作生產工具；即便不是用活的細菌或細胞當工具，也可能要用很多從它們體內所得到的酶來工作。所以在整個生產與包裝的過程中，實際上就會牽扯到這些跟活的東西相關的知識。

所以從這個角度來看，疫苗的大量生產絕對需要工程技術的協助，因為一定得要自動化。但是這些自動化技術處理的對象是什麼？要嘛就是活的東西，要嘛就是這些活的東西所製造出來的東西，或者是利用這些活的東西裡面的成分來幫你製造東西。也就是說，你避不掉一些生物相關的知識，一些關於這些生物成分的特性與運作方式的知識，不然你沒有辦法去設計自動化系統。

而這個產業的需求大不大？開玩笑，當然大，以目前來講，不管是藥物或疫苗，需求量一直都很大，各位如果去看全世界那種超賺錢的公司，你可能會很驚訝說，不是全部都只賣手機、賣電腦、賣汽車的在賺、也不是光FB或者GOOGLE這些網路巨頭，你會發覺說，實際上一些發展新藥的藥廠，都是規模龐大到富可敵國的公司。而且也不只是藥物的公司，實際上農林漁牧各個產業需不需要工程技術？也需要啊，如果一個養豬場要養三千頭豬，那三千頭豬要怎麼很有效率的飼養？光要把豬舍掃乾淨、幫豬清潔、餵飼料，在飼養的規模到達一定程度之後，如果要讓生產很有效率，就要借重這些工程技術。其實農林漁牧都是，不管是生產現場或是後續加工，牽扯到的都是活的對象，你必須要把工程技術應用到這些活的東西上面。那這些產業大不大？開玩笑，非常大，這是民生必需產業，產值非常大。

也就是說，跟生物相關的產業是非常重要的產業，這個重要包括它的性質很重要，因為他可能是民生必需的或是醫療相關的；也包括它的經濟價值是重要的，因為每個人都需要，就像現在每個人都需要打疫苗，那全世界有多少人？那如果不是打一次就終身免疫，變成每年都要打，開玩笑，你說這個產值大不大？

所以就回到說，各位當然可以選擇機械工程、電機工程、電子工程、化學工程這些純工程的科系，因為處理的材料基本上比較單純，但是換個方向想，如果你想要讓工程技術有更新、更多元的應用，以變換出更多樣化產值的可能，那這些跟生物相關的東西就是一個新場域，生物相關的知識就變成是重要的入門知識。

就像要設計一個溫室，你總需要知道植物在生長的過程中需要哪些環境條件吧？總得知道溫、濕度要調整到什麽程度，總要知道開花、結果或是可以收成的時期是多長吧？不然要怎麼去設計系統呢。今天如果要設計一個量測心電圖的機器，總要知道什麼是心電圖、總要知道為什麼心臟會放電吧？包括腦波、斷層掃描也是一樣，這些在醫院用的機器，你總要知道相對應的那個生理現象的基本原理是什麼，不然你怎麼設計呢？

各位不一定要成為生物學家，不一定要像醫師那麼厲害，知道心臟有什麼樣的疾病，然後心電圖會有什麼變化；當然如果你能夠跟醫師知道一樣多是最好，但基本上你不需要。你也不需要像那些育種人員、那些農民或是養殖人員對於動植物有那麼清楚的了解，例如看一眼就知道這隻豬健不健康、產肉率高不高。你不一定要知道到這麼多，但是各位至少要具備可以跟這些生物產業從業人員溝通的能力，這是非常重要的一點：「溝通」。也就是說，你必須要聽懂他們所講的東西，例如當醫師跟你說，啊這個心臟的動作電位大概多強，在心房心室、竇房結各有什麼不同時，至少你要聽得懂這些專有名詞指的是什麽。即便對這些專有名詞不是那麼清楚，至少回去翻書，也可以知道你要翻哪一本書。雖然現在GOOGLE很方便啊，但至少GOOGLE打了之後，那些說明你要看得懂，不要說打了一個GOOGLE，裡面說動作電位跟離子通道有關，然後你又說哇靠，來了更多看不懂的專有名詞，結果看了一個說明後又需要更多的說明。

這個「溝通」的能力基本上又分為兩個層次，一個層次是你必須要聽得懂這些專業人員的需求，當他們在告訴你想要量測或是操控的對象有哪些特性的時候，你能夠知道那些特性所代表的意義。第二個層次是，他們把資訊給你，相對的，你也要把資訊給他們；你必須要以他們聽得懂的方式跟他們對話，告訴他們你所想到、所擬定的解決方案。比如說，當醫師跟你講說那個動作電位傳到體表，電位差可能的變化是怎麼樣，那你可能要馬上想說，喔！這些電位差可能很小的電位差，量測時需要放大也會有很多雜訊的出現，要預想一些放大與濾波的方式，所以你必須要跟醫師解釋你在工程上的考慮。當然醫師都修過普通物理學，他大概可以聽懂那些跟電與濾波有關的事情，但是如果今天你跟一位養殖人員談設施的自動監測功能，那你得要有能力去轉化工程的內容，用他們能夠理解的語言來跟他們溝通。

也就是說，在這裡我想要跟各位講的是，生物機電工程的「生物」兩個字所彰顯的就是一種理解與溝通的能力；在理解以及溝通之後，運用你的工程技術去開創一個產值很高、重要性也很高的新應用領域。所以我們系的「生物」兩個字，目的不是在培養大家成為生物學家。

或許有不少同學當初在填生物機電工程的時候，可能只是看到「生物」兩個字，想說自己對生物很有興趣，所以就填了這個科系，以後想要做的，也是跟生物相關的工作。如果你是因為這樣而進來生物機電工程系，那我可能要稍微澆一下你冷水，也就是說實際上在這個系的主軸不是做生物學的研究，也不是培養生物學家，我們的主軸仍然是培養工程師；只是這個工程師對於生物的知識具有理解跟溝通的能力。

但你還是可以做很純粹的生物學研究！雖然系上的教學目標跟課程設計不是朝這個方向，不過如果你個人非常非常有興趣，那麽在選修課程的時候，還是可以選很多跟生物相關的課程，如果我們系上沒開，也可以到園藝系、動科生技系、森林系去選更多的生物課程。這就回到你個人的興趣以及對時間的支配，也就是說，回到「選擇」的問題。每學期都有很多選修的空間，你不能隨便選選，必須要衡量自己的興趣和需求才行。

而且，雖然我剛剛說要澆那些當初是因為「生物」才進來的同學一些冷水，但實際上我應該修正一下，我潑的不是冷水，其實只是潑個溫水而已；就是說沒有那麼冷，還是有點溫度。為什麼說還是有點溫度呢？

我的意思是說，如果你對真的生物非常有興趣，將來很想做生物方面的研究或工作，那我覺得唸「生物機電工程」其實也是個不錯的選擇。為什麼？如果我們看生物學的發展，你會發覺說，即便看起來好像是很純粹的生物學，但是都有工程的影子在裡面。為什麼？很簡單，例如最容易和生物學聯想在一起的工具是顯微鏡，因為只有透過顯微鏡，我們才可以看到細胞的世界。那各位有沒有想過，顯微鏡是誰做的？現代的顯微鏡，不管你用的是OLYMPUS、NIKON、Zeiss，或者只是一些沒有聽過的廠牌，那些設計與製造的人會是生物學家嗎？不是！生物學家沒有本事做這些事情，光顯微鏡的玻璃生物學家就磨不出來。更何況現代除了一般的光學顯微鏡，一些更高階的，比如說雷射共軛焦顯微鏡、電子顯微鏡，還有像原子力顯微鏡什麽的，這些機器從設計製造，不光只是生物學家沒辦法，這些顯微鏡之複雜，也不光只是某項工程技術很厲害就造得出來，那已經是高度跨領域的產品。

就像我前面提到的心電圖，醫院裡面用的心電圖機器，那會是醫師自己做的嗎？那些放大器還有濾波器，以及後端的資料輸出跟數據分析，你覺得醫師有辦法做這些事情嗎？沒辦法啊，這些仍然是各個工程領域甚至包含數學家的努力，才有辦法生出一台臨床用的心電圖機器。如果翻一翻諾貝爾獎的歷史，不管是化學獎、生醫獎的得主，常常得獎的人是技術的發明者。如果去看生物學的進展，也會發覺說，生物學每次很重要的進步，常常都是因為有很重要的研究工具被引進來使用，就像電子顯微鏡，就像Ｘ光的機器。這些很重要的研究工具被引進，生物學的內容才有辦法大放異彩。

回到我剛剛講的，如果你真的對生物學很有興趣，你想要做很好的生物學研究和很生物的工作，那麼先讓自己成為一個很好的工程師也是個很不錯的切入點，因為你就比那些只學生物的人擁有發展更多新工具的可能性，你也會比那些只學生物的人更會使用新工具。你想做生物學的研究，你選擇生物機電工程學系，你就擁有開創新藍海的可能；在這邊所學到的工程技術，就是將來開發使用在生物體上的新技術之基礎，甚至包括寫程式的能力、運用數學的能力，這些都可以讓你有更多樣化的可能，讓你比傳統讀生物的人擁有更多工具可以使用。

不僅如此，你可不可以擁有跟他們一樣多的生物專業知識？也可以啊，因為這是一所大學，剛好這個大學裡面也有生物相關的科系，所以你在選修課可以自由的補充。雖然修完128個學分就可以畢業，但是沒有人規定你不能修130、140個學分，只要你的時間允許，你願意投入時間，你都可以增加你想要的專業知識。

學校裡面也有輔系、有雙學位的設計。我曾經輔導過一位宜大的學生，她畢業的時候是拿了兩個學位，電子工程跟動科生技系的學士。你也可以這樣啊！甚至，如果我們學校沒有開那麼多你想學的生物課程，我們學校也接受學生跨校選修，你也可以到別的學校，不管是台大、清華、陽明交通，只要你的時間允許，你也可以跨校選修。大學在修課上有很多彈性、很多自由，可以順著自己的想像、順著自己想要去追求的事情發展。所以回到我們一開始所講的，你已經是成年人了，成年人要開始習慣幫自己做決定、幫自己做選擇，不是只聽老師的、不是只聽爸媽的，你要思考自己想要的未來是什麼？為了這個未來，現在你要做出的選擇是什麼？你又要為這些選擇做什麼樣的努力？這是一個成年人要學習的課題，這也是我想要提醒大家的。

回到「生物機電工程」的裡的「生物」。在我們系上，不光只是這個「生命科學概論」的課，下學期還有「生物技術概論」的選修課，然後「動物生理學」、「植物生理學」是我們的必修課，到了大三也有「人體解剖學」、「生物化學」的選修。這些，都是希望讓你具有溝通的能力，跟生物學家、跟醫師、跟農林漁牧的從業人員具有溝通的能力。所以我們的課程不會像一般生命科學系的那些專業課程，雖然他們叫做「普通生物學」，名稱普通，但是他們會學比較多的細節，因為他們的目標是要培養生物學家、培養專業的生物從業人員；但是我們的目的是培養具有溝通能力的工程師，具有跟生物相關領域人員溝通能力的、具有了解生物議題能力的工程師。所以我們在課程設計上不會講那麽深入的細節，所以如果你想要的是那種很深入的、很細節的生物學內容，那這個課程不適合你。我會建議你去修動科生技系的課程，因為他們是為專業的生物從業人員所設計的課程，這是課程一開始我要跟大家說明的。

所以我在這個課程只會談到一般生物學課本裡面，可能不到三章或四章的內容。為什麼範圍這麼少？因為我希望讓學生很清楚地了解一件事情，就是，生物體的運作是可以用基本的物理、化學原則來解釋。

生物現象非常繁雜、植物有植物的樣子、動物有動物的樣子，不同的動物又有不同動物的樣子，你今天看蝦子、螃蟹這種甲殼類跟人啊、牛啊、豬啊、老鼠啊這些脊椎動物，完全不一樣；水生、陸生，有脊椎、沒有脊椎，動物、植物，甚至一隻細菌，這個世界的生物樣態非常多。如果真要談各種細節，其實談不完，大概也沒有一個生物學家敢說他有辦法理解所有的生命細節。但是所有的生物學研究，基本上都在追求一件事情，就是不管你想研究的是什麽生命現象，都可以用已知的物理、化學原則來解釋。當然你會問說不是有很多超自然的現象存在嗎？我不否認有很多現象以目前的物理化學知識沒辦法解釋清楚，但是我傾向認為這只是目前我們能夠使用的物理化學工具與知識，可能還不夠充足。

比如說，各位將來在普物學到量子力學，那個時候就會學到物理學也有它的極限。像是，描述一個電子真正的運動軌跡就沒辦法，因為我們找不到不會干擾電子運動的量測工具，所以我們只能描述它在某個地方出現的機率。將來各位在物理學上就會學到為什麼量子力學會建立起來，因為量子力學基本上就建立在：我就是看不到、我就是不清楚，我就是沒有辦法完整的描述，所以我只能用一個機率式的解釋，也就是說現實世界上所使用的量測工具都有極限，所以我們對於所量測的對象之各種性質的描述，也一定有所極限。所以這世間一定有我們沒辦法完全解析的事情，當然在生物學裡面也一定會有這樣的謎團。當然探索生命現象的過程中，有很多議題已經是屬於神學的層次、信仰的層次。就像問我相不相信鬼神的存在，我可以誠實地說，我非常非常相信一定有鬼神的存在，但那是我的信仰，你不要問我為什麼，也不要跟我辯論鬼神是不是真有存在，因為那是無從辯論起的信仰問題。在生物學裡面，我們不會去處理這一塊。基本上我們處理的生物學課題就是在我們的物理、化學工具所能夠偵測到的、知識所能夠理解的範圍裡；只要能夠用已知的物理、化學方法量測到，那麼這個生命現象就有辦法用現有的理論來解釋。

我們還是可以很樂觀的相信，所有一切活著的東西的運作方式，基本上都可以用物理、化學的原則來解釋。所以我希望在這個課程裡面，可以很詳細的跟各位討論，怎麼利用這些基礎的物理、化學知識來理解生命現象；另一方面，我也希望在討論的過程中讓各位習慣思考，思考應用物理、化學的原則來解釋生物體的運作方式，這樣將來你去修讀進階課程的時候，甚至你要自修那些進階的課程，只要你有課本，而課本不要寫得太爛的話，基本上你就有辦法看得懂。因為那個論證的邏輯、那個原則是可以一以貫之的，只是討論的系統越來越複雜而已：本來只討論一個酵素的作用，後來進階成十個酵素的系統運作，再進階成胞器、成細胞、成組織、器官，然後再組成個體，個體跟個體又有更高層的族群，有生命的又跟沒有生命的混在一起成為整個生態系。這些層層疊加的架構，基本上論證的方式，都可以用我們在生命科學概論中所提到的原則去演繹。所以我希望這個課給予大家的，不是一些非常細節的知識，而是一個思考的脈絡，你要用什麼樣的思考邏輯來理解你所觀察到、量測到的事情，這是我們這個課程的教學目標。