關於香港桂冠論壇

歡迎大家來到香港桂冠論壇2023年1月份通訊。

新年快樂！新的一年香港桂冠論壇恭祝大家兔年大吉，「兔」氣揚眉！

每逢節日假期，特別是聖誕節和新年，很多人會和家人享受聖誕大餐、吃團年飯、或是外出到主題樂園遊玩。桂冠論壇乘著節日的喜慶，製作了一系列名為「Science @ Festive Feast」的短片和大家分享喜悅。短片會帶大家一同拆解聖誕蛋糕、爆谷、棉花糖、分子料理、團年必備的湯丸等美食背後一些和科學有關的原理和知識，請立即到我們的網站和YouTube頻道收看！

首屆桂冠論壇新一輪前奏活動系列的首兩個活動「科學界女強人 – 激發下一代力量」和「智者‧智講2.0」先後在去年7月和11月順利舉行。除了活動的精華外，活動期間抽空接受我們訪問的部分科學家的分享片段亦已經完成製作並上傳至我們的網站和YouTube頻道，歡迎大家重溫活動精華以及發掘各位科學家們的分享和寄語。

而前奏活動系列的第三個活動「探索新視野2023」已經定於今年2至3月期間舉行。桂冠論壇十分感謝香港本地各大學的科學家/研究團隊開放他們的實驗室和科研設施，讓我們可舉辦十多場的參觀和分享會。活動邀請香港高年級中學生參與，我們相信這個活動將為對科學有興趣的高中生提供寶貴機會，讓他們了解實驗室的環境，與科學家直接交流，了解更多科學家的工作、成長之路和科研過程中的高低起跌。透過活動，我們亦希望能夠提高高中生對科學的興趣以及對他們日後的科研發展有所幫助。「探索新視野2023」亦是「香港桂冠論壇中學生科學探索者獎勵計劃2022/2023」可獲取積分的最後一個活動。在結算後，獲得指定積分的參與學生將會受邀出席在3月份舉行的「伴你啟航」，屆時亦會舉行頒獎典禮。同學們記得留意我們的通知！

另外，有關周遭動植物的網上活動「周圍都係科學 – 第二回合」已經於12月21日順利舉行，得獎名單也於12月30日公佈。聯合國《生物多樣性公約》執行秘書Elizabeth Mrema曾經說過︰「生物多樣性是關於維持人類最終依賴的生命網絡。」事實上，在地球上，每一個生命都互相影響，相互倚賴。透過有趣的遊戲，讓大眾認識更多與我們呼吸同口空氣，住在同一土地上的「鄰居」。桂冠論壇在此感謝各位活動參加者的支持。更多有關論壇最新的消息和活動資訊，記得留意我們的網站、社交媒體和下一期通訊！

預測那「不可知」

預測流感病毒的演化

我們經常聽到有人問：基因突變不是隨機的嗎？如果是隨機的，病毒演化可以預測嗎？事實上，病毒演化不同於基因突變。突變是指病毒在複製過程中出現的隨機性錯誤，它沒有特定的方向。而病毒演化則是由病毒突變、宿主免疫反應、以及環境共同構成的一個複雜過程。因此，雖然病毒基因的突變難以捉摸，我們卻可透過模型追蹤宿主中優勢突變的動態來預測病毒的短期演化。正如儘管我們不知道風從哪裡來，但我們可通過觀察受風影響的物體來捉摸風的方向和力量。同理，宿主的免疫反應和環境增大病毒基因改變的壓力，其中一些關鍵的突變會體現出人體免疫反應的選擇趨勢和病毒的傳播情況。因此，透過研究病毒與其宿主共同刻畫出的歷史數據，我們便能夠了解病毒的演化特徵。

鋪墊了病毒演化預測的基本原理，建立病毒演化的模型仍是一份艱巨的工作，這需要收集大量的數據將病毒基因組和全球各地病毒流行的狀況串聯起來進行分析。比如，要捕捉H3N2病毒（季節性流感的其中一種主要亞型）演化的模式，我們要收集20 年間的基因數據以及十多個國家疾控中心（CDC）發表的流感監測數據，並從中學習。對新冠病毒，我們需要研究分析上百萬個病毒基因組。在演化生物學中，根據物種基因組之間的相互距離對物種進行聚類而建立的系統發育樹是一種經典的分析工具，它能清晰的展示毒株之間的祖源關係以及病毒的演化歷程。通過對系統發育樹的分支優勢（Luksza 及 Lassig，2014）或分支進程（Neher 等人 2014、Huddleston 等人，2020）進行建模，研究人員提出了幾種方法來預測病毒未來演化的趨勢。然而，我們採取了另一個角度來進行有關病毒演化的預測，不是如系統發育樹般把整個基因序列當作基本分析的單位，而是把核苷酸位點上的演化動態視為模型要捕捉的主要目標。這種方法源於觀察，即關鍵突變往往分階段發生，部分有利的突變在疫情爆發高峰前幾年已經出現，其餘的則在隨後幾年和高峰季節期間發生（Wang、Lou 等人，2021）。在宿主個體內，數十億計的病毒被複製，產生有利、有害和中性的突變。在宿主免疫的高度壓力下，携帶有利突變的病毒能避開如抗體識別的免疫機制，並大量複製。那些携帶重要突變的病毒更有機會傳播給其他宿主，其後產生的突變（亦稱為「尾隨」或「輔助」突變）常常具有維持病毒的功能或穩定其蛋白質結構的功能，促進主流變種病毒的形成。因此，在主流毒株形成以先，病毒已經在殘基置換下開始進行競爭和選擇。這表示，建立基於核苷酸位點的演化模型可能會讓我們更早找到影響演化歷程的重要突變。我們提出了幾個新的定量來量化這個過程，其中包括突變的有效期，它描述新變異在人群免疫反應下保持優勢的時間；以及突變爆發的門閥值，它描述突變體的適應性到達何種程度時該病毒會引發新一波的大量人群感染。基於這些以及其他信息，我們開發了一套預測模型beth-1，找出能夠代表未來病毒群組的最佳毒株，以作為製作疫苗的抗原藍本（Lou 等人，2022）。該模型所預測的疫苗株（如按設計生產），預計可使現有疫苗對 H3N2 的保護效力升高絕對11.2%（95% CI：3.5-18.8）。我們亦正為 SARS-CoV-2 病毒的演化開發預測演算法，目前數據顯示，該模型能夠在 Omicron 變種病毒在人群中成為主流病毒的 6-12 個月前，找到關鍵突變。

作者︰
香港中文大學公共衛生及基層醫療學院王海天教授

使用宇宙標準計時器測量宇宙

自人類於地球誕生，我們一直嘗試了解我們所在的宇宙。經過了數千載的觀察和思考，我們已經發展了一套宇宙學標準模型，可讓我們更好地描述宇宙熱大爆炸以來的演化。然而，隨著科技進步和精確測量技術的發展，更多結果顯示觀測和理論之間存在著矛盾，其中哈勃常數疑難，便是現代宇宙學中的一個迫在眉睫、亟待解決的問題。

解決問題，必先了解問題。為化解上述宇宙學危機，科學家提出了多種方法，包括修正基礎物理學和觀測上的系統偏差。另一邊廂，我們也為測量宇宙提出了一個名為「宇宙標準計時器」的新方法。採用此方法來研究宇宙動力學系統的演化，可讓我們了解宇宙在不同時期的狀態。掌握更多宇宙演化的信息，將助我們更好地理解宇宙學模型。

宇宙的演化

現代宇宙學始自於將引力描述為時空幾何廣義相對論。1917年，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）以廣義相對論為基礎，建立了他的宇宙學模型，並據此描述了一個靜態的宇宙。然而在宇宙擾動之下，這個靜態宇宙學模型是不穩定的。在二十世紀二十年代，亞歷山大·弗裡德曼（Alexander Friedmann）提出了廣義相對論的宇宙學解，認為視乎物質密度和時空曲率，宇宙既可能是膨脹的，也可能是收縮的。與此同時，喬治·勒梅特（Georges Lemaître）獨立提出了相對論化的宇宙學方程，並指出可能是一個原初原子的爆炸引致宇宙誕生。

直到1929年，宇宙演化的問題才首次獲得解答。埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）發現遙遠星系的光譜發生紅移，這意味著這些星系正在遠離我們，而且遠離的速度與它們和地球的距離成正比，這就是著名的哈勃定律（見圖1）。

圖1: 銀河外星雲的速度與距離關係

所以，哈勃的觀測證明了我們的宇宙正在膨脹。為了描述宇宙的膨脹速度，量化宇宙膨脹，我們把星系速度與距離關係的斜率定義為哈勃參數或稱之為哈勃常數。

作者︰
香港科技大學物理系博士後選人丁乾航先生

科學與科技在香港氣候行動的角色

城市在各方面的重要性無容置疑。目前全球居住在城市的人口有 45 億，超過全球總人口一半；城市佔據全球超過三份之二的經濟活動及生產，製造的溫室氣體排放量佔全球溫室氣體排放量的四分之三。隨著城市發展，城市的人口數目將會進一步增長，預計到2050年全球城市人口將多達70億。我們的科學認知已經非常清楚地表明，城市既是氣候變化的首要元兇，也是以創新的方法減緩、適應及應變氣候變化影響，從而達至可持續發展的重要來源。政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次評估（AR6）發表了三份工作組報告，內容包涵最新對氣候變化的科學理解及全球氣候變化影響、減緩、適應和脆弱度的研究。「城市政策制定者摘要」（Summary for Urban Policymakers，SUP）在去年11月第⼆⼗七屆聯合國氣候變化⼤會（《聯合國氣候變化框架》第⼆⼗七次締約⽅⼤會，即COP 27）期間發表報告，綜合IPCC這三份報告作出對城市面對氣候變化的啟示。本文將簡單點出當中的重點，並提出科學與科技在香港減緩及適應氣候變化的角色。

氣候變化對城市的影響

圖1：1958至2018年間全球表面空氣溫度（global surface air temperature）的趨勢，其中城市錄得顯著的溫度升幅。圖片來源：「城市政策制定者摘要」（Summary for Urban Policymakers，SUP）。

SUP的報告開宗明義指出，氣候危機正在發生。人類活動所引致的氣候變化，透過越來越極端的天氣，影響地球上每個角落及不同的生態系統。氣候變化對城市的影響特別嚴重。如圖一所示，不少城市的溫度在過去60年都錄得顯著的升幅，例如首爾有1.5°C升幅，伊朗德黑蘭及印度加爾各答的升幅甚至達到2.33°C及2.6°C。在這期間，香港的平均氣溫上升了0.41°C。我們不能少看這0.41°C，香港天文台就指出氣溫上升，令海水變暖和膨脹，導致海平面上升、雨量亦增加，極端天氣變得更頻繁。有氣候科學家預測，2050年海平面將上升0.5米，大大提高水浸的危機；高溫也令海洋的水溫上升，引發紅潮，令大量海洋生物在海床缺氧下死亡。全球暖化亦有利蚊子生存和繁殖，使更多人蒙受患病風險。

IPCC 就指出，城市本身和城市化的過程會加劇氣候變化對城市及其周邊地區的影響，熱島效應就是其中一個例子。

作者︰
低碳想創坊高級項目主任郭曉忠先生

2022年聯合國《生物多樣性公約》締約方大會 — 相當於自然界的《巴黎協定》？

經過兩周的談判磋商，聯合國《生物多樣性公約》締約方大會第十五次會議（COP15）在2022年12月19日於加拿大蒙特利爾圓滿結束。

隨著各國代表簽定《昆明—蒙特利爾全球生物多樣性框架》，COP15被視為是一個成功的會議。此框架的重點包括承諾在2030年前保護全球30%的陸地、水域和海洋資源（簡稱30 x 30承諾），及在2030年前投放2000億美元於生物多樣性相關的項目。有關COP15的更多詳細資料，可參閱聯合國氣候變化公約框架的網站。

聯合國《生物多樣性公約》執行秘書伊莉莎白．姆雷瑪（Elizabeth Mrema）引用具歷史意義的2015年巴黎協定，形容是次會議為「生物多樣性的巴黎時刻」[1]。而該協定被視為是解決氣候變化問題的分水嶺。

然而，很多專家對在使用農藥和防止物種瀕臨滅絕等方面缺乏更強而有力的措施表示遺憾。

究竟是次會議通過的框架會否成為標誌性協定，以阻止我們的生態系統惡化及生物多樣性喪失，仍是未知之數。說到底，能切實執行才是成功的關鍵。各國對執行《巴黎協定》的力度就是例證，目前只有少數國家能按照該協定的承諾減少碳排放，而已發展國家向發展中國家的潔淨能源項目提供的資金援助也不足。因此，我們都要拭目以待。