Datasets:

benchang1110

/

sciencetw

like 0

如何應用機器人照顧高齡者?可分成生理、心理、社會心理 3 大科技類型

臺灣在 2018 年 3 月底已正式進入高齡社會，在八年內更將邁入超高齡社會。隨著少子化趨勢，子女照顧負擔加重，高齡者照顧成為各國高齡照護的發展重點之一。現今機器人技術可以如何陪伴與照顧高齡者，改善高齡者生活品質，同時解決照護人力供不應求的困境？熟稔人機互動、機器人系統技術領域的國立政治大學資訊管理學系副教授簡士鎰認為，目前針對高齡人士而設計的資訊科技，大致可以分為生理、心理及社會心理三種類型：第一為生理類，指的是透過科技量測與記錄血壓、心跳等生理數據，或是提供用藥、輔具使用、復健相關衛教資訊等。 第二為心理類，指的是具備陪伴、深化與朋友或家人間情感連結的科技，典型案例為日本用來預防老年失智、抑鬱症的神經邏輯治療機器人，它同時具有無線語音和視頻傳接的功能，能讓照顧者與遠方的朋友和家人進行溝通。 第三為社會心理類，則是指可以增加高齡人士社會參與或社群參與的科技，例如創建地方社群，深化長者和社區的連結，或是結合人工智慧，根據長者的網頁瀏覽紀錄或偏好，推播相應活動訊息，鼓勵長者走進社會。 若進一步聚焦機器人領域，目前仍以生理應用機器人為大宗，像最早推出的搬運機器人，可以協助照護者移動行動不便的長者，例如將長者從床上搬到輪椅上。之後開發出的復健衛教機器人，則可協助護理師完成工作，例如推播衛教資訊、教導復健活動等，倘若整合感測器或其他資訊系統，機器人還能執行更多任務。 至於心理應用相關的機器人，近十年來也有越來越多創新的應用方式可以與長者互動、聊天及玩遊戲，外形上也越來越擬真，例如有的機器人除了有視覺、聽覺、觸覺外，它的狀態還可以隨著白天黑夜的變化，有時充滿活力有時愛睏，模擬實際生物的生理反應，讓使用機器人的長者就像在養真的寵物。機器人應用設計 2 大重點：彈性與資安「無論哪一種類型的機器人應用，在設計時一定要注意兩大重點，一是具備足夠彈性，二是評估該應用是否會造成長者及其照顧者有侵犯隱私的疑慮，」簡士鎰說。由於高齡人士是個體化差異很明顯的族群，包括居住地區、年紀、退休時間等，都會影響其科技使用習慣與偏好，因此開發者應該從長者角度出發，才能符合其使用需求。 簡士鎰進一步分享過往在某社區共餐中心導入機器人應用的經驗，當時為了讓長者更快速學習，特別在機器人系統結合語音輸入、人臉辨識等功能，希望長者可以用更直覺的方式與機器人互動，但在實際應用後發現，不同長者使用的語言和說話速度差異很大，且每一個的使用姿勢也不同，有人坐著、站著或蹲著，必須加掛更多週邊設備，完備的客製化需求才能貼近不同長者的應用情境。 結合社群力量，加速推動機器人應用在應用推廣上，簡士鎰建議可以結合社區和社群的力量，建立長者的使用習慣。因為目前生產機器人的成本仍然偏高，無法像電視機一般普及，導致長者沒有太多與機器人互動的機會。因此，可以在社區活動中心或共餐中心設置機器人，再結合社工、志工或比較擅長使用科技的高齡同儕的力量，透過旁人的輔助與引導，幫助長者習慣與機器人互動。 面對少子化趨勢，高齡者及失能者的照顧將會是未來必須面對的議題，而機器人可以有效減輕這些高齡照顧者或照護人員的負擔，提升高齡者的生活品質，進而打造一個健康快樂的高齡社會。

用呼吸調節負面情緒!專訪中國醫藥大學醫學系許儷絹副教授談如何建立「正向身體經驗」

呼吸是維持生命的指標之一，也是調節情緒的重要途徑。中國醫藥大學醫學系許儷絹副教授在 111 年度開始投入「探討身體覺察、情緒處理與體現情緒間的關係」研究計畫，進行身體覺察的科學研究。許儷絹從自身學習瑜珈的經驗切入，發覺當注意力全部集中在身體上時，就能讓情緒和狀態變得更加穩定，因此她開始閱讀如何透過身體舒緩學生焦慮情緒的學術文獻，並在上課時帶領學生體驗「諧振式呼吸訓練」, 慢慢吸氣與吐氣，把呼吸頻率降低至一分鐘六次，將親身體會過的正向身體經驗帶給學生。「做完十分鐘的諧振式呼吸後，學生也發現在接下來我所教授的腦與情緒、溝通理論與技巧、病人關懷與實踐等課程，比較能沉靜下來聽老師在講些什麼，」許儷絹分享學生的回饋令她感到非常驚訝，在連續三個學期的課堂進行呼吸訓練後，她也觀察到學生的焦慮現象有顯著改善。「這個成果讓我相信，好像從身體找到可以幫助學生的方式，是一個對的向度，」許儷絹舉例，當一位學生來到心輔中心尋求幫助，輔導老師主要採取的都是先安慰、瞭解問題原因的認知行為取向方式，但是當學生思緒極為混亂時，常常會伴隨呼吸急促、聲淚俱下與焦躁不安等反應，在這種狀況下，其實比較難聽到輔導老師提供「該怎麼做」的建議，「因此我覺得，如果可以從身體下手，會是幫助學生很好的起點，」許儷絹說。透過身體讓不舒服的情緒停止許儷絹分享，有一次在課堂上，一位學生因為心情不好，所以特別詢問是否有快速舒緩負面情緒的方式。在對答之後，許儷絹發現這位學生平時很喜歡打球，但近日卻因情緒低落而中斷，所以她便建議這位學生保持過去的運動習慣，不要受到心情影響，原因是不舒服的情緒跟念頭，其實可以在運動的時候先停止，並透過運動加深呼吸量，進而達到放鬆身體、舒緩情緒的效果。不過許儷絹也強調，運動不一定會帶來絕對正向的身體經驗，因為如果是被他人強迫，或是進行太高壓的訓練，那麼運動所帶來的就不會是正向的情緒。除了運動之外，像是彈琴、畫畫、烹飪等活動，只要是出自「喜歡」而做的事情，都可以從中得到正向經驗，放鬆焦躁的內心。從小建立正向身體經驗的重要性就許儷絹的觀察，近年尋求心輔中心協助的學生數量顯著增加，她認為「身體經驗不足」就是造成此現象的主因之一。由於現代父母工作忙碌，小孩多半都待在教室、安親班等空間中，比較少有機會進行戶外活動。在爬不夠、玩不夠的狀態下，孩童出現感覺統合問題的比例也會增加，顯現身體活動和兒童成長狀態的高度相關。第二個原因是科技發達伴隨而來的聲光刺激，讓孩子花費許多時間在瀏覽網路資訊及影片，並在緊盯螢幕的過程中忽略眼睛酸澀、腳麻、肩頸緊繃、頭腦脹痛等身體現象。許多人會覺得觀賞網路影音是一種放鬆，但其實這些聲光刺激會造成頭腦不斷運轉、思緒無法停止，讓自己更難覺察身體狀況。許儷絹引述加拿大心理學家 Niva Piran 關於身體經驗的研究，認為每個人現在腦中的自我，都是由身體從小到大得到的經驗綜合而來。如果小時候獲得良好的身體經驗，那麼在面對新環境的時候就會更正面積極；相對地，如果一個人從小就被關在教室內，他的身體就會因為缺乏經驗而畏懼外在的變化。因此若能從小建立正向的身體經驗，這個正向身體經驗也會幫助每個人建立正向的自己。將注意力從網路轉移回自己的身體許儷絹在研究正向身體經驗的過程中，曾蒐集學生飲食態度問卷，進而發現很高比例的學生有飲食失調的問題。造成這個現象的原因，也和身體經驗不足與社群媒體盛行有關。許多人會因為在社群平台上看見身材姣好、外表精緻的人，進而自我檢討、產生自卑感。「大家變得非常重視外表，卻忽略自己的身體其實已經非常緊繃，忘記自己應該靜下來呼吸，」許儷絹提醒，當越來越多人只重視外表卻忽略要照顧自己的身體時，就更難得到正向的身體經驗。許儷絹認為對中小學生來說，比起坐在教室學習，更多身體與社交的活動，會為成長帶來幫助。對於因忙碌而身心緊繃的成年人，許儷絹則建議可以停下來十分鐘做呼吸練習、靜下來覺察自己的身體狀態，並透過這樣的練習把雜亂的思緒淨空後，再裝進新的資訊與想法就會比較容易。不論是透過呼吸、瑜珈、身心中軸練習或是正念覺察，只要是能夠停下手邊的事情，讓專注力能回到自身，都是獲得正向身體經驗的好方式。未來許儷絹也期待將自己所研究的身體訓練計畫拓展至學校輔導、臨床治療與醫病照護等領域，協助更多人找到調節情緒、獲得正向身體經驗的方式。

不只應用在遊戲!VR 技術還能結合 AI ,以 3 大效益優化自閉症兒童療程

在 2017 年，美國發出全球第一張數位療法的 FDA 認證許可，證實了數位科技在醫療上的成效與價值，也顯示運用軟體或數位裝置來治療疾病的數位療法，將成為醫療產業的新趨勢。而長期關注兒童數位醫療研究的國立中央大學資訊工程學系吳曉光教授，在國家科學及技術委員會計畫支持下，與光電、心理診療、腦科研究、小兒科、軟體開發等不同領域專家組成研究團隊，針對自閉症類群障礙 (ASD, Autism Spectrum Disorder) 發展出一套數位療法，希望自閉症兒童能夠獲得更好的治療，並加速臺灣數位療法的發展。吳曉光說明，「兒童自閉症數位療法」以評估治療患者的社交功能與注意力為主要目標，在軟體上使用團隊自行研發的 ASD 社交功能與注意力模組，以 VR 遊戲的方式，評估與訓練自閉症孩童的社交功能及注意力，在硬體上則結合 VR 頭盔、腦波偵測器、眼動儀、呼吸感測器等裝置，搜集自閉症孩童在遊戲時的反應，並搭配 AI 人工智慧進行數據分析，檢視自閉症孩童是否因為數位療法而增進了社交功能及注意力。「ASD 社交功能與注意力模組裡的 VR 遊戲，都是根據過往心理治療師與 ASD 孩童的互動模式而設計，在搬到虛擬世界後，不只可以省下醫療人力與師長填寫自閉症兒童評估問卷時間，還能記錄完整過程，減少人為主觀的判斷，」吳曉光強調。VR 應用在「兒童自閉症數位療法」的運作模式吳曉光進一步解釋數位療法的運作模式：先就評估面而言，傳統的自閉症評估是非常麻煩、耗時且相對主觀的過程，孩童不只要與心理治療師面談及進行檢測，還需要家長和學校老師填寫問卷，最後才能交由醫師進行綜合評估。而「兒童自閉症數位療法」設計了 VR 虛擬教室，在孩童與虛擬兒童互動的過程中，觀察其腦波反應、行為表現及眼動狀態並給予綜合評分，協助醫師或治療師判斷其是否具備自閉症特質。與傳統評估方式相比，「兒童自閉症數位療法」的效益有三點，首先是可以減少孩童等待檢測的時間，只要為每位孩童安排獨立空間，就可以多人同步進行檢測；再來是可以突破距離限制，即便是位於偏鄉的孩童也能遠距評估，不會受到治療師人力不足而影響療程；最後以數據來判斷孩童的行為表現與生理反應，相對於傳統心理治療師判斷結果較為客觀。再就治療面來看，當確認孩童為自閉症患者後，接下來就進入訓練階段，運用 8 個星期的時間進行社交軟體遊戲，例如丟接球、紙牌、堆積木等，系統會以示範、行為鏈結、口語及視覺提示等方式，引導孩童做出目標行為，進而訓練其社交功能與注意力。AI 結合多模感測技術，讓兒童自閉症治療更精準吳曉光強調，過往與兒童自閉症相關的數位療法研究，多半只蒐集孩童的某一項生理反應，較少有包括腦電、眼球軌跡追蹤、頭部轉動、肢體動作、瞳孔大小以及眨眼頻率等多模態神經感測技術的研究，也沒有對於所有指標進行總體建模分析，更不用說使用人工智慧相關的方法進行數據分析。因此，「兒童自閉症數位療法」突破了傳統限制，將感測器與 VR 裝置結合，同步採集大量的多模態神經感測數據，再透過分離並運算各式特徵 (feature) 的方式，探索對於分類 ASD 具有合適敏感度的生物指標，以驗證觀察到的結果，再結合 AI 數據分析，可以更客觀的與家長溝通孩童在各項指標的表現。「參與本次研究計畫的 ASD 患者，在社交功能與注意力上都有很明顯的改善，」吳曉光說，顯見數位療法對兒童自閉症治療的助益。因此，吳曉光團隊未來將持續尋找更多不同的合作夥伴，希望能延續研究結果，讓數位療法可以真正落地到醫療環境，不只展現臺灣發展數位醫療的能力，更希望幫助更多孩子獲得更精準而有效的治療。

探索宇宙黑洞研究成果以及「超巨質量黑洞」的成長機制!

黑洞一般認為是廣義相對論的產物，但早在 18 世紀，英國的自然哲學家約翰・米歇爾 (John Michell) 和法國著名的數學家皮耶─西蒙・拉普拉斯 (Pierre - Simon Laplace) 就有提出類似的概念。想像我們拿一個排球往上拋，當我們愈用力排球就會飛愈高，儘管排球最後又會受到地球重力的吸引而掉落，但我們知道離地愈遠地球引力就愈小，因此如果向上拋排球的速度夠快，排球就有可能不再掉回地球表面，這個速度就是所謂的「脫離速度」。如果將排球換成一個天體，當天體的重力場大到使物體速度必須大於光速才能脫離，這時甚至連光都無法脫離這個天體，這個天體就無法被看到。從這種概念出發，約翰・米歇爾認為如果有一個直徑為太陽 500 倍、密度與太陽類似的天體，那麼這個天體將無法被看到，他稱這種天體為「暗星」, 如果將脫離速度用光速代替，就可以得到古典力學概念下暗星的半徑：R=2GM/c2。雖然這個半徑是出自古典力學的想法，但其結果卻與相對論中非旋轉的黑洞半徑一樣，另外約翰・米歇爾也提出可以利用周圍天體的運動來觀測暗星的概念，這與現代偵測黑洞的方法幾乎完全相同。古典暗星與現代黑洞雖然半徑一樣，但概念上卻有本質差異。現代黑洞的半徑並不代表一個實際表面，而只是一個空間界線，將黑洞半徑內外的空間分開。現代一些理論認為物質進入黑洞後，會直接往黑洞中心的奇點 (意即一個體積無限小、密度無限大、引力無限大、時空曲率無限大的點) 前進，因此可能沒有物質停留在黑洞半徑處，而且外面物質一旦進入黑洞半徑範圍後，就無法再來到黑洞半徑之外。宇宙黑洞研究的發展進程約翰・米歇爾和皮耶─西蒙・拉普拉斯概念中的暗星都非常巨大，但在 20 世紀後，天文學家開始發現一些質量大約在數個或數十個太陽質量的黑洞。這些黑洞的來源，一般相信是大質量恆星 (超過 25 倍太陽質量) 演化的最終產物。這些大質量恆星在其演化末期成為超新星爆炸 (恆星死亡時所產生的劇烈爆炸現象), 讓恆星外殻向外爆炸，恆星核心則塌縮形成一個黑洞。這種數個太陽質量的黑洞密度非常大，半徑約有幾公里大小，因此在黑洞半徑外圍附近，會具有很強的潮汐力。一般日常生活中的生物或儀器都無法抵抗這強大的潮汐力，因此無法安全到達這種數個太陽質量的黑洞半徑附近，更遑論進入黑洞空間內部探測。另一方面，20 世紀電波天文學 (是指使用無線電波的波段記錄來自天體的輻射發展出的天文學) 的應用，則發現「電波類星體」。這些是非常高紅移 (Redshift, 意即距離非常遙遠) 的天體，這些天體雖然體積極小，卻具有強大的電波與其它波段輻射，像是一個約太陽系大小的天體，就可以放出比整個銀河系更強的輻射。從電波類星體被發現開始，就有許多天文學家猜測它們強大輻射的來源，就是來自內部一個超巨質量的黑洞，然而這些超巨質量黑洞的存在，要一直到 20 世紀末、21 世紀初才有比較明確的觀測證據。有趣的是，這些黑洞的大小與密度，很類似約翰・米歇爾和皮耶─西蒙・拉普拉斯概念的暗星。超巨質量黑洞擁有大質量的秘密這些超巨質量黑洞究竟如何產生？這是現代天文學一個重大問題。目前已知黑洞都是位在星系中心，像是銀河系中心就有一個質量約四百萬太陽質量的巨質量黑洞，但星系演化與其中心黑洞質量的關聯，目前仍不清楚。例如最近發現許多紅移大於 7 的類星體，但當時宇宙年齡不到 8 億年，大部份星系應該都在演化的初期，但其中心的黑洞質量卻估計有 10 億個太陽質量，讓人不禁好奇這些黑洞如何在這麼短的時間成長到這麼大的質量？雖然黑洞能吸引物質，但大部份物質都有角動量 (Angular momentum, 是指物體轉動時會擁有的一種物理量) 和動能，所以不容易被黑洞吸收，像是太陽雖對地球有引力，但即使太陽變成黑洞地球也不會掉到太陽裡。因此要讓黑洞持續成長，必須有不同質量的天體發生碰撞而損失角動量，進一步掉到黑洞附近；或是當星系合併時，星系的分子雲會與其它的原子雲及恆星碰撞，相對恆星和原子雲具有很大質量的分子雲，便會損失能量和角動量而掉到星系中心的黑洞附近。最近模擬研究顯示，這樣的機制可以讓黑洞在 2 到 3 億年就長到約 10 億個太陽質量，這也許是提供一個早期黑洞快速成長的方式。目前我們比較確定的是超巨質量黑洞與星系演化有關，但其關係為何尚待釐清，例如是先有黑洞才有星系？還是先有星系再形成黑洞？或是兩者同時產生？直到現在超巨質量黑洞的形成仍是一個未解之謎，也是一個值得天文學家持續探究的有趣題目。

加速推動 5G 新興應用發展!專訪國立陽明交通大學資訊工程學系林靖茹教授談「軟體定義網路」

隨著世界各國陸續進入 5G 商用階段，不只 5G 用戶數正快速成長，相關應用也如火如荼的發展。為了加速 5G 應用發展，打造一個高效率、低維運成本及穩定運作的 5G 基礎架構，成為電信科技研發者的目標，而軟體定義網路 (SDN, Software-defined networking) 則是實現此目標的關鍵之一。什麼是軟體定義網路？國立陽明交通大學資訊工程學系教授林靖茹表示，傳統的網路設備都是由硬體來決定功能，即網路設備在出廠時已被決定具備哪些功能，如果希望使用其他功能，就必須購買新的設備。而 SDN 則恰好相反，它以軟體來決定設備的功能，當使用者想擴充設備功能時，只要透過軟體調整即可，無須額外購買新設備，相對傳統硬體網路設備，更具彈性、維運成本更低。舉例來說，現今很多路由器都具備防火牆功能，在出廠前就已經設定好所能提供的安全監控服務及可以防禦的攻擊型態，但資安攻擊手法變化速度很快，一台五年前出廠的路由器勢必無法抵擋近兩年才出現的攻擊，此時企業可以運用 SDN 特性，將新型態攻擊的防禦方式寫至路由器管理軟體中，便能省下重新採購硬體設備的成本。除了彈性擴充硬體設備的功能，SDN 也能將網路設備化為一台小型電腦進行簡單運算，善用網路設備既有的運算資源，發展出更多網路加值服務，例如結合 AI 進行即監控，及早發現或抵擋潛在攻擊。SDN 在 5G 應用的三大助益「SDN 所具備可彈性調整的特色，使其成為 5G 甚至 6G 發展中，不可或缺的存在，」林靖茹說，SDN 之於 5G 所能帶來的三大效益，包括加速布建 5G 網路基礎架構、提高使用者體驗及推動 5G 新興應用發展。先就加速布建 5G 網路基礎架構來看，目前電信營運商在布建時，遇到最大的困難點在於，過往布建的電信設備有許多都還在服役中，這些設備不僅價格昂貴且數量龐大，倘若全部淘汰，會耗費過高的成本和時間，但透過 SDN 將 5G 技術規格寫入既有網路設備中，即可克服這些問題，達成無痛轉移、加快布建速度的目標。再就優化使用者體驗而言，透過 SDN 管理新舊網路設備，可以讓使用者對網速的體驗更好。林靖茹以新舊網路設備比喻為公司的新舊員工，而 SDN 就像新進管理者，在舊有員工產能不變的情況下，透過管理模式改變 (即利用 SDN 規劃與分配網路流量), 去提升公司效能 (即提高網路服務的效率和品質)。此外，SDN 也可結合 AI 技術進行資料預判，只要事先定義好需要優先傳輸的的封包或資料類型，當 AI 偵測到符合此定義的封包或資料時，就會優先傳輸，確保使用者有良好的體驗。關於推動 5G 新興應用發展，有別於過去 4G 網路主要服務對象為一般使用者，5G 所具備超高傳輸、廣大連結、超低延遲與超高可靠的特性，不只加速 AR/VR、自駕車、智慧交通、智慧製造、遠距醫療等應用的落地，更讓 5G 網路的服務對象變更加多元，除一般使用者，包括自駕車、衛星、物聯網設備等，都有可能成為 5G 網路的服務對象。但在快速發展同時，相對在管理上也必須順應調整，才能確保其網路存取的順暢度，而 SDN 可以彈性且快速調整網路管理原則，比起傳統網路設備更貼近 5G 應用的使用需求。隨著 5G 的發展，未來需要更多跨領域的合作，才能加速 5G 新應用的問世，因此，林靖茹建議，應用開發者不能只站在自己的角度思考，應整合各個不同領域的技術與觀點，讓 5G 應用更完善和貼近使用需求。同時她也期待日後能有更多機制加速促成不同產業的跨域合作，讓臺灣企業有機會藉著這波 5G 風潮，從硬體製造轉型 5G 應用服務供應商，讓全球都能看見臺灣的「軟」實力！

走到哪學到哪的時代來臨!專訪國立雲林科技大學技術及職業教育研究所吳婷婷教授談科技導入教育

現今人手一機的時代，人們習慣於網路上獲取各類資訊。隨新冠疫情的出現，當時的隔離政策使教學模式鉅變，加上設備提升，讓師生對於科技導入教學的接受度提高。近年來，政府也積極將資訊科技導入教育中，其中最廣為人知的便是「班班有網路、生生用平板」政策。「這項政策是基於『行動學習』的初衷，希望學生可以『走到哪，學到哪』, 打破以往書本和教室帶來的空間限制，透過實際體驗，深刻學習書中內容，」長期致力於研究資訊科技導入教育，倡導智慧學習系統與行動學習的國立雲林科技大學技術及職業教育研究所吳婷婷教授解釋。她指出，平板的使用不僅給予學生不同學習體驗、增加課程互動性，老師更可以透過學生學習軌跡的紀錄，以數據掌握學生學習狀況，進而做出教學上的調整。以數據掌握學生學習狀況的應用實例拿英文科目為例，老師可以透過學生在單字上停留的時間，或是翻閱次數，去掌握全班學生對於科目的理解程度，進而對需要加強的部分做教學調整。除了常見的自然、社會等學科外，科技導入教育的概念也可應用於體育、藝術等多元領域。要將科技導入教育，實際執行則需顧慮更多細節，包含相對應的配套措施及師資人員的培訓等。談及其中的困難點，吳婷婷表示有三大挑戰，分別是：硬體環境限制、班級經營問題、研究人員與第一線教育者的想法落差。面對這些挑戰，她也分享了不同相對應的解決方案。首先是硬體環境限制。吳婷婷以疫情前在高雄教學的研究為例，當地因為網路建設不良，導致平板的教學畫面出現延遲或是無法顯示的狀況，造成學生學習體驗不佳。但隨新冠疫情出現，隔離驅動遠距教學的普及，眾人投入更多資源優化整體硬體設備，也逐漸打破了既有的硬體環境限制。第二大挑戰為班級經營問題。「學生拿到平板通常會有兩種反應：一種是對於拿到新學習載具而過於興奮，將注意力都放在平板上，可能會忽略上課內容或是在平板上亂下載應用程式；另一種是對於新載具感到害怕，怕弄壞平板而小心翼翼，」吳婷婷強調，當使用新載具教學時，老師扮演重要的角色，除了針對不同學習環境設計相對應的教案，例如傳授給學生正確使用平板的觀念或是針對課程設計進行調整，還必須給予學生使用平板時的適當約束，比如學生在上課的連網限制。針對學生的狀況做出彈性調整，才能將平板學習發揮最大功效。最後一個挑戰為研究人員與第一線教育者的想法落差。吳婷婷笑說研究計畫在接觸教學現場後很常需要打掉重練，「研究人員因為脫離學校太久，有時候會把教學狀況想得過於美好，會覺得這些東西或是想法應該沒有問題；但是對於站在教學第一線的人來說，老師們才是每天在接觸學生的人，所以根據長年累積的教學經驗，馬上能看出計畫在執行上的困難。」吳婷婷認為計畫需歷經多次討論、實際演練和修改，以補足雙方的想像落差，使計畫更貼近老師和學生的需求。老師、學生、家長對科技導入教育的反應對於科技導入教育的想法，吳婷婷教授分享她對老師、學生、家長三方的觀察，她表示在疫情前，都市的師生和家長都對於科技導入教育的接受度高，僅有部分家長會針對 3C 用品的使用有健康疑慮；而對非都市區域來說，學生對科技導入教育接受度高，老師和家長態度剛好相反，老師會因為硬體設備不足或是認為科技導入教育的急迫性和必要性低，故接受度不高，家長則是因為工作繁忙而不會排斥校方的安排。在疫情之後，隨著政策規劃與設備提升，整體的師生、家長對於科技導入教育的接受度普遍提高。吳婷婷表示，目前研究計畫正在進行中，仍需持續觀察成效。但她相信，透過資訊科技的導入，延伸出不同的教學與學習方式，無論是幫助學生更有意識的學習，或是協助老師更好掌握學生的學習狀況做教學調整，都會對教育本身帶來正面影響。

通訊科技:信號魔法師–通訊系統的調變方式

早在二十世紀初期，類比式的廣播系統–調幅、調頻，由於傳播的範圍廣闊，逐漸成為人們生活中接收資訊的一種方式。一九四八年，雪農 (Claude E. Shannon) 發表了《通訊的數學理論》後，隨著時間演進，通訊系統與通訊理論逐漸發展成熟，也因此拓展了資訊傳遞的距離，改變人類生活模式。 直至今日，數位式通訊依照用途不同，有線、無線與通道特性，各式各樣的系統於焉誕生。雖然種類繁多，用途亦有所不同，但是萬變不離其宗，這些系統的使命，即在透過電磁波傳遞訊息。然而如何透過電磁波完成這樣的使命呢？答案就是調變！通訊系統的架構 對於整個通訊系統而言，輸入的信號可以是類比或數位的，將此信號先經過調變，再送入通道，而通道就是傳送端與接收端間的媒介。若是在有線的環境中，以光纖為例，信號透過發光二極體或雷射將光源射入光纖中，光纖便是通道。通常我們以機率模型模擬信號在通道中受到的干擾或衰減，因此只要知道通道的機率模型，便能以數學的方式模擬或分析信號在通道中的變化。經過通道，接收端將信號解調變，信號的傳遞便完成了。 調變與解調變 調變是將信號轉換為一種適合於通道的波形，解調變則是利用調變後的信號特性，把信號從一團混亂中解析出來。 至於轉換的方式有賴於振幅、相位與頻率等特性。因此，如何轉換信號，並且應用這些特性完成信號的傳輸，就是調變有趣的地方。 調變可區分為：基頻調變與帶通調變兩種。在帶通調變的系統中，將信號提升到一個較高的頻率 — 載波頻率，以此載波頻率震盪的正旋函數形成電磁波傳播於通道中。換句話說，信號頻率的位準由零轉換到一個較高的位準，若是基頻調變則不需要轉換位準，直接轉換波形即可傳送至通道。 基頻調變比帶通調變要簡單而且直接多了，為何還要使用帶通調變呢？因為許多的應用都要在同一個通道中傳輸，如果每一種應用都把自己的信號直接往通道傳送，所接收到的信號便會混成一團，信號種類越繁多，能夠正確接收信號的機率就越低。所以，我們把各種應用分別提升到規定好的載波頻率上，也就是所謂的頻率分工，達成共享通道的目的。 廣播系統的調變 調幅與調頻是日常生活中最容易接觸到的廣播系統，使用的方式極其簡單，但是如何將聲音傳到我們的收音機？調幅是廣播系統採用的一種調變方式，屬於類比調變，在無線的環境下，使用的頻段為 540K 赫茲到 1,600K 赫茲。調幅廣播波長約在 200 到 600 公尺的範圍，屬於中波。除了調幅廣播應用了調幅的調變技術之外，在 3M 到 30M 赫茲高頻中的國際短波廣播，甚至比調頻廣播更高頻率的 116M 到 136M 赫茲飛航通訊，所使用的調變方式也都是調幅。 調幅就是調變振幅，具振幅變化的特性，屬於帶通調變，我們在使用收音機的時候，把載波頻率提升到 540K 赫茲至 1,600K 赫茲之間，調到某電台的動作，就是移動所要接收的載波頻率。 而信號是如何轉換的呢？信號原本是聲音，因此先將聲音轉換為電信號，形成有正有負的信號，調幅要先把信號全部提升為零以上的值，再將頻率提高至載波頻率，就產生了一個調幅的信號。在接收端，解調變只需要將信號通過波封檢測器或者低通濾波器，即可得出解調的信號。 調頻也是廣播系統採用的調變方式，亦屬於類比調變，使用的頻段為 88M 赫茲到 108M 赫茲。相較於調幅，調頻的頻段較高，波長較短。調頻在 28M 赫茲到 30M 赫茲間的調變方式，也應用在太空、人造衛星通訊方面。 簡單地說，調頻是將信號的強弱轉換成頻率的變化，因此，只需要判斷信號頻率的快慢，就可以解調收到的信號。 還有一種類比式的調變–調相，與調頻的產生方式約略相同，兩者最大的差異為前者信號對應的是相位，惟調相在實際應用上並不多見。 脈波調變 脈波調變信號的波形是長方形的，也就是在傳輸一個脈波的時間內，振幅不隨時間改變。脈波調變可分為類比式與數位式兩類。 脈波調變如同前述的類比式調變，針對振幅、頻率與相位三個特性，分別為脈波振幅調變、脈波寬度調變與脈波位置調變。不同的是，脈波調變可直接使用基頻調變。類比式脈波調變採用一對一的對應方式，先將輸入信號加以取樣，信號的振幅轉換為脈波的振幅、寬度與位置，接收端則依照接收脈波的振幅、寬度與位置解調。在光纖通訊中，脈波位置調變是一種經常採用的調變方法。 脈波符碼調變是數位式脈波調變中的一種調變方式，應用最廣。早期的通信，大部分是採用連續型類比信號來傳輸，但由於電腦及網路的蓬勃發展，以脈波方式直接在電腦中處理資料較為簡單與方便，脈波符碼調變乃應運而生。 脈波符碼調變，須先透過取樣，取得與原信號振幅成正比的脈波，即脈波振幅調變信號，再將此脈波的振幅區分為 N 個位階，被分到哪個位階就有其對應的位元組合，得到了相對應的位元即可透過纜線傳輸。在接收端，先將接收信號 k 個位元一組轉換成振幅，再解調回原始類比信號。由於脈波符碼調變信號屬於數位信號，對雜訊的抵抗力高，且可作分時多工的多重通訊，更可透過重覆器，在一段長距離傳輸後重整數位信號。因此，目前長距離電話語音通訊，大都採用脈波符碼調變方式傳輸。 數位調變 如果信號是連續的，譬如說將聲音轉換成的電信號，所採用的調變方式將會是前面兩個大主題所談到的調變方式；如果信號是數位的，也就是 0 與 1 的信號，調變方式將會不同於以往。以下我們為讀者介紹一些 數位信號的調變方式，同時討論的「輸入信號」都是數位的信號，也就是各種 0 與 1 的對應方式。 開關閘 開關鍵將 0 對應到 0,1 對應到 Acos (2πfct), 其中 A 是一個預設的振幅，cos (2πfct) 是餘弦函數，fc 是載波頻率。因此，發射端只需要一個震盪器，與一個開關閘。振幅移鍵的信號沒有完全的利用振幅的特性，使得 0 與 1 對應信號的差異不夠大，因此效能表現並不優秀，應用的機會也較少。 頻率移鍵 二位元頻率移鍵將 0 對應到 Acos (2πfct),1 對應到 Acos (2π(fc+Δf) t),Δf 是一段頻率的間隔，不同的接收方式與信號的頻寬都會影響可靠傳輸的最小頻率間隔。如果與振幅移鍵相互比較，假設傳輸的平均能量相等，兩者有相同的效能，但若以波峰能量相等衡量，二位元頻率移鍵有較好的效能。其缺點是頻寬的使用不具效率，效能也沒有突出的表現。 相位移鍵 二位元相位移鍵將 0 對應到 Asin (2πfct+θ),1 對應到 Asin (2πfct-θ), 其中 sin (2πfct) 是正弦函數，θ 是一個預設的相位，當 θ 為 90° 與 270° 時，會有最低的錯誤率，也稱做雙相位移鍵。假設信號在通道中會引入可加性白色高斯雜訊，最佳接收機的設計為經過一個關聯器、對積分於一個符元時間之內的值取樣，再判斷信號的正負，便得出解調的信號。大多在無線通訊系統。 經歷了一個世紀多的演進，人類對於通訊的想望帶動了調變、編碼的深度研究。每當夢想延伸，伴隨而來的便是新的考驗，在克服問題的過程中，許多新的想法、突破，如同雨後春筍般地浮現。這些研究的成果實現了曾經出現在腦海、電影中的幻想，日新月異的通訊系統將更加提升人類生活和工作上的效率。

板塊怎麼動?同位素和變質岩告訴你!

板塊運動怎麼知？臺灣人用「地動」來講地震，不但適切、達意，更生動地描述了地球表面板塊運動的活躍性。的確，自從地球形成以來，我們生活的岩石圈板塊，即無時無刻不在漂移，只是速度相當緩慢，如果不是發生地震，一般人可能無法察覺它的活躍性罷了！而在有限的地球表面空間內板塊的運動，必然造成不同板塊間的碰撞、隱沒或錯移，結果就形成了我們所熟知的山脈、裂谷與海溝等多采多姿的地形地貌，也帶來了深具毀滅性的火山爆發與地震等大家耳熟能詳的地質現象。 或許您會問：臺灣的地震是不是會停止？何時開始的？或更深入地問起相關問題，如臺灣島是如何形成的？臺灣島是在上升還是下陷？回答這些問題，首先必須先了解板塊運動的速度、影響的空間範圍與作用的時間等。而這些問題的答案，事實上都可以在岩層中找到蛛絲馬跡。 地球科學家即透過對岩層中的化石、岩石或礦物紀錄的解讀，推斷出岩層生成後的時空演化。例如，在板塊碰撞或隱沒作用過程中，常將下伏板塊內的岩層深埋至地底深部。由於地球內部溫度與壓力結構關係，越往地底深部溫度越高，壓力也越大。因此，岩石即會因深埋而產生變質作用，岩石內的組成礦物因而轉變成另一群穩定於高溫、高壓的礦物相，形成所謂的變質岩。隨著板塊碰撞，隱沒作用的構造運動，部分高溫、高壓的變質岩會被帶至地表。 地球表面由不同大小的板塊組成，板塊的漂移造成碰撞、隱沒或錯移，形成了地球豐富的地貌。(圖 / USGS,wikipedia, 中譯者不詳) 一九五○至一九八○年間，岩石學家利用高溫、高壓實驗與熱力學理論，推導出各種狀況下應有的穩定礦物群。因而，藉由高溫、高壓礦物相或礦物群的出現，我們可以理解板塊隱沒或碰撞過程中，岩層曾被深埋產生變質作用的深度。截至目前為止，從地球表面露出的變質岩被深埋的紀錄，顯示在板塊碰撞過程中，可以被埋至一百公里以上的深度。 然而，利用礦物相平衡反應關係所得的資料，只能提供我們發生深埋變質作用時片斷的空間分布，仍無法了解速率與途徑。如要運用此類靜態資料探討板塊運動狀態，就實用性而言，仍十分有限。 一九八○年代以後，為解決此類問題，近代岩石學研究乃結合精密的微分析技術與反應速率等相關理論，配合定年學方法，發展出所謂變質溫度 - 壓力 - 時間途徑的研究方法，進一步探討板塊運動過程中，岩層遷移的時空演化途徑。就研究形態來說，是從了解靜態紀錄為主的傳統變質岩石學研究，發展為探討板塊運動動態途徑的研究。 地球的時鐘：同位素定年分析 要探討板塊運動過程的速度等問題，「時間」這個參數是絕對需要的。例如，在探討地震發生的頻率、板塊漂移的速度、全球氣候變遷的速率、地殼變形、山脈抬升與盆地下陷等有趣的地球科學問題時，就非得考慮「時間」的參數不可。在地球科學界，研究「時間」這個參數的學問，稱之為定年學。 估計「時間」這個參數的方法有許多種，舉凡一切不可逆反應的結果，都可以當作定年的依據。例如，生物演化的「不可逆」過程，使得我們可以利用生物化石的紀錄，決定地層沈積的先後次序，進而建立起相對的地質年代。然而，此種利用化石所建立的時間序列 (或稱地質年代), 只能提供相對年代，對研究速率或絕對年代而言，仍嫌不夠。 一九○○年代，放射性同位素的發現，開啟了利用同位素定年學研究工作的大門。其基本原理在於利用不穩定同位素會發生衰變作用，由於這些衰變反應都發生在原子核內，且其反應的活化能都比一般化學反應來得高。 因此，同位素的衰變反應不易受到環境因素的影響。也就是說，衰變作用的反應速率可被視為定值。故只要精確地量測礦物岩石內衰變前後的同位素含量，配合衰變速率值 (衰變常數), 即可藉以推估岩石礦物生成的年代。 隨著科技的進步與分析儀器的精進，陸續發現了許多放射性同位素，而各同位素含量與衰變常數等也陸續提出，因此建立起各種同位素定年的方法。 一九七○年代以前，常用的同位素定年方法，例如鈾 - 鉛法、鉀 - 氬法、銣 - 鍶法與碳十四法等，基本上都已發展得相當完備。近年來，更出現鈹 - 鋰法、氯三十六法等可供分析沈積物與地下水年代的方法。 由於越來越多資料的出現，人們發現依據定年分析所量測出來的數據，具有許多規律性，不但可以作為年代參數資料，也提供了許多「時間」參數以外的訊息。 例如，利用同位素分析一塊岩石標本內各種礦物的年代，常發現其年代值隨礦物的不同及同位素的不同而不同。主要原因是元素在礦物岩石形成以後會產生擴散作用，不同的元素在不同礦物岩石內的擴散情形並不相同，有些很容易產生擴散流失，導致能記錄的年代就比較年輕；而不容易產生擴散作用的同位素系統，就會因此呈現相對年老的紀錄。 擴散作用的產生也會隨著溫度的增高而加速，更是擴散系統大小與溫度變化率的函數。換言之，同位素能封存於礦物岩石內，必須有它的所謂封存溫度。一般來說，不容易產生擴散的同位素系統，其封存溫度應該比容易產生擴散的同位素系統來得高。因此，如果能配合擴散理論的計算，定年分析不但能提供年代，更可提供封存溫度的資料。也就是說，如果能結合擴散理論與同位素定年分析，就可以得到礦物或岩石在形成後的冷卻曲線，或冷卻歷史。 同位素定年與擴散理論示意圖 (圖 / 科技大觀園編輯團隊) 就一般情況而言，岩石與礦物形成後，如果一直被深埋於地底深部的某處，由於地球內部溫度結構關係，應該一直維持在某一個溫度範圍內。因此，岩石礦物發生冷卻的情形，只有地殼變動抬升地表的狀況下才會發生。 換言之，如果地溫梯度為已知的狀況下，上述定年分析所得的冷卻曲線資料，應可進一步換算為岩層抬升的速度。當然，如果單選擇一種同位素系統進行區域性系統定年分析，也可以了解板塊變形與移動的情形。近來，臺灣的定年學家利用碳十四定年系統分析斷層的活動歷史與頻率，所依據的即是定年分析資料。 變質岩的妙用：一窺過去岩層深度 類似於同位素的擴散現象，組成礦物的其他元素在高溫下也會產生擴散現象。雖然鍵結於結晶中的一般離子，其擴散現象可能不明顯，但某些礦物卻能完整記錄一般元素的擴散情形。假如能結合相關的擴散模式計算，礦物內元素的分布也可以顯示礦物生成後的溫度歷史。另一方面，一些擴散情形不明顯的礦物，也可以利用礦物環帶成分，推導出各環帶生長過程中的平衡溫度 - 壓力情形。 例如，石榴子石即常呈現生長環帶，其化學成分常呈環帶分布。假設這些離子均屬不易產生擴散的情形，則環帶的成分變化應該可反映各生長環帶的平衡狀態。而石榴子石的生長，可以在不同溫壓條件下進行。 因此，石榴子石的生長環帶，應代表著板塊在隱沒、碰撞過程中環境溫壓的連續反應。利用熱力學定律，石榴子石由內向外的環帶分布，可推導出其平衡溫度 - 壓力。換句話說，石榴子石的生長環帶常可提供岩層的溫度 - 壓力過程。 美國自然科學博物館展出的鈣鋁榴石 (Grossular), 為石榴子石的一種。(圖 / Alkivar,wikipedia) 一般而言，地球內部環境壓力的來源，主要是來自上覆地殼物質的重壓。因此，藉由重力計算，上述所得的壓力值，應該是代表著岩層的埋藏深度。過去二十年間，岩石學家已成功地利用石榴子石的生長環帶，推估出世界主要山脈內岩層過去的深埋與抬升的溫度 - 深度途徑。 兩招分析板塊運動：定年分析與變質岩 誠如上述，定年分析可提供岩層生成後的溫度 - 時間演化歷史，而變質岩石學分析則提供了岩層過去所歷經的溫度 - 深度途徑。這兩類資料的結合，即可了解岩層在過去的歷史中所經歷的時空途徑，也就是板塊運動的演化過程。 以阿爾卑斯山地區變質帶的抬升冷卻歷史為例，阿爾卑斯山上的岩石在二千萬年前曾經是位處於地底約二十七公里深處，隨著造山運動，以每年大於二釐米的速度抬升到地表。這些資訊都是從礦物的定年與化學成分資料，配合相關熱力學與動力學原理解析所得。換句話說，造山運動的過程，可以由微細的礦物顆粒解析出來。 由於板塊運動的速度十分緩慢，緩慢到絕大部分生活在地球上的人類，可能一輩子都無法感受到它的活動性。但如果能藉由上述變質岩石學與定年學方法，有系統地分析各岩層的過去時空演化途徑，則整個板塊運動與相互作用碰撞、隱沒或錯移的方式與演化，就可以一目了然地完全呈現出來，具體顯現「見微知著」的研究工作本質。當了解了這一點，即使是生活在沒有明顯地震活動的地區，也可以明白「地動」的意義，體會大地的活躍性。

想要治療癌症、預防疾病,精準醫療是萬靈丹嗎?

目前在醫學界，「精準醫療」(Precision Medicine) 風潮正夯。但精準醫療真的是治療癌症、預防疾病的萬靈丹嗎？國外學者對此提出不少質疑。知名學術期刊《科學》刊載哈佛學者投書，文章指出，精準醫療建立在一連串的假設，當生物標記、檢測與藥物研發過程任一個環節出錯，便會導致巨額研究資源浪費，患者就醫權益也大受影響。 傳統醫療 療效發揮不到 60% 傳統醫療多講究「標準療程」, 患者治療用藥、療程大同小異。美國統計出這類傳統治療方式發揮療效機率不到百分之六十。目前基因體學蓬勃發展，「精準醫療」不只挑戰傳統藥物治療方式，也讓醫界、藥界更了解為何某些藥物只對特定族群有反應。精準醫療擁護者更希望透過精準醫療為患者量身打造治療計畫，以提升治療反應率。 根據台灣醫學會資料，「精準醫療」是根據腫瘤基因型、個人基因表現、個人健康狀況，以及臨床資料等資訊，量身打造、選擇最適合患者的療程、藥物，或根據這些資訊擬定預防策略，透過這種治療方式，希望讓藥物發揮最大效果，並讓藥物副作用風險降至最低。 菸草可用於製作流感疫苗 精準醫療 研究品質良莠不齊 然而，國外學者質疑，現今許多生物標記以開放科學模式進行，讓參與門檻大幅降低，在提出假設方式、實驗方式沒有一定標準的情況下，研究品質良莠不齊，研究可信度自然大打折扣。 以 2004 年美國食物藥品管理署核准的爾必得舒注射液 (Cetuximab) 為例，這種藥物主要提供給轉移性大腸直腸癌「表皮生長因子受體」呈陽性 (EGFR-positive) 的患者使用，許多健康保險給付將 EGFR 陰性患者排除。後續研究卻發現，此項藥物對 EGFR 呈陰性的病人同樣有效，這表示這款藥物與 EGFR 之間並沒有生物標記、藥物反應率關聯性，這結果不只造成金錢浪費，也讓許多原本可以接受治療的病人，因不符合給付條件而無法用藥。 精準醫療建立在一連串的假設上，當生物標記、檢測與藥物任一個環節出錯，將會導致巨額研究資源的浪費。(圖 / 撰稿團隊提供) 精準醫療研究 需有一致規範 生物標記檢驗標準不一的問題則在乳癌基因 HER2 檢測過程浮出檯面。這些檢驗多以檢視細胞表面特定蛋白有無為目標，但不同實驗室對陽性、陰性判斷臨界值卻沒有統一標準。另外，國外 33 份研究以肺癌標靶「核苷酸切除修複交叉互補組基因蛋白 1」(ERCC1) 為重點，但因診斷方式、測量方法的許多差異，導致結果出現歧異。以上兩個例子都顯示，相關研究若沒有一致的規範、評估機制，便會大幅增加臨床應用的難度。 在今年，美國國家醫學院生物標記、精確醫療相關委員會所發表的文章中，列出十項規範，釐清政府與法人單位的權責，以及衛政、藥檢、保險、臨床與研究機構等相關規範，透過這些規範，希望讓患者不至淪為「不準醫療」的犠牲品。 台灣精準醫療發展腳步遲緩 需更多整合以利進展 台灣生物產業發展協會理事長李鍾熙理事長接受媒體訪問時表示，在精準醫療領域當中，從基因檢測、基因定序，到臨床應用，往往需要投資大量人力。台灣精準醫療發展上，腳步有點遲緩。舉例來說，像台灣人體生物資料庫 (Taiwan Biobank) 與健保資料可以相互比對，但目前兩個資料庫沒有連結，這些都需要政府進行跨部會、跨領域整合，才能有所進展。 責任編輯：呂宗學

傷心的歌越聽越悲傷?

傷心的人聽悲傷的慢歌會更傷心嗎？當你在結束繁忙的工作或是在功課告一段落，想要用音樂來放鬆一下時，你會選擇欣賞那一種音樂呢？是古典、搖滾、爵士、巴薩諾瓦 (Bossa Nova), 或者像民謠一類輕鬆的曲調呢？不過，有時選擇小調般安靜或悲傷的曲子，也是不錯的選擇。 當你在欣賞悲傷的音樂時，其實並不全是為了感受悲傷而選擇這樣的音樂，其實被歸類為悲傷的音樂，和聽了該音樂實際上會感到悲傷是兩回事。日本理化學研究所的研究團隊，以科學實驗的方式進行了這個有趣的研究。 首先，研究人員從俄國作曲家葛令卡的小夜曲中擷取一些段落，這些段落通常會被認為是帶有悲傷情感的小調樂曲，把這些樂段編寫成 30 秒長的曲子。然後，將這段音樂播放給 18 歲到 46 歲的 44 位受試者聆聽，其中男性占 19 位，而女性則有 25 位。 並收集了像「悲傷」、「被憐惜」、「興奮」、或「被震懾」等 62 個形容詞，而這些形容詞所涵蓋的感情強度分佈則為 0 到 4 級，再請受試者判斷「這首曲子一般來說是屬於那一類的音樂呢？」、「這首曲子實際上會引發你什麼樣的感受？」等幾個問題，並針對這 62 個語句的回答當中，歸結出其中共通性較強的幾個要素。發現有「悲傷」、「激昂」、「羅曼蒂克」、「興奮」等 4 種因素被歸納出來。同時也發現到，人們在聽了悲傷的音樂之後，並不一定會產生「這首曲子令人感到悲傷」的實際體驗，反而對樂曲會有一股超越羅曼蒂克的情感。由此可知，悲傷的音樂本身，並不像一般所認為的那樣悲傷，實際上，聽眾是以自己對羅曼蒂克的體驗來認定是這是不是羅曼蒂克的音樂。因為聆聽者自己本身，以適當的悲傷為基礎，雖然是在欣賞悲傷的曲調，卻反而帶來了愉快的感覺。 以往認為悲傷音樂會讓人有不舒服、不愉快的印象，但在本次實驗的結果中，對人類感情組成的方式產生了一個新的觀點，並透過該研究提出一種可能，指出音樂能夠引發相異情感的理由，是因為人們很可能是經由「代理性感情」的存在，來觸動不同的情感。也就是說，當我們在聽音樂的時候，因為聽眾本身並不是處在直接受到危急的迫害狀態，而是處在安全的狀況之中，從悲傷的音樂中，代理性的體會悲傷，在放鬆的情況下，感受悲傷情感中的浪漫情懷，獲得正面情緒。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿) 責任編輯：陳藹然 | 國立臺灣大學科學教育發展中心

二○○一年生物化學與觸媒化學的重大發現

美國化學學會所發行的《化學與化工新聞》周刊 (Chemical and Engineering News, C&EN) 選擇了由 2001 年 1 月到 11 月化學相關領域的重要成果做為一年來化學發展的里程碑，並刊登於該刊 2001 年 12 月 10 號的專文中。本刊以該文為本，加上適當註解和國內的讀者共享。本期，我們將談談生物化學與觸媒化學這兩個領域的重大發現。讀者可從該專文中查詢到本文中所提的各項重大發現之深度閱讀資料。 生物化學方面 2001 年在生物化學、生物技術與分子生物學上具關鍵性的發展包括：能幫助藥物進入細胞的分子載運體、具有非天然胺基酸的蛋白質、具無限親和力的抗體─配位體對、發現以往不知道的抗體新功能、耐鹽性植物的培育、一個重要藥物與酵素間的作用機制，以及在醣類化學與結構生物化學方面的一系列研究。 細胞膜是由磷脂質分子所構成的雙層膜狀物，脂質部分是疏水性的，而含磷的部分因具極性，所以是親水性的。而細胞膜就有如三明治一般，面對細胞內與細胞外的部分是親水性，但細胞膜的中間則為疏水性。這種特性造成一般稍大的分子均不容易穿越細胞膜，無法自由進出。這樣雖形成一種物理性的屏障，但也造成一些藥物無法順利進入細胞內而發揮作用。 藥物要在生物體中發揮功效，必須具有足夠的極性才能溶解在生物體液中，但也需具有一定的非極性以便穿越細胞膜。2000 年 12 月在夏威夷舉行的太平洋化學會議，史丹佛大學的化學教授在初步的研究報告中，宣稱發展出一種分子載運體，係由精胺酸或類精胺酸組成的寡聚合體。在常態時有些藥物無法或很難進入細胞中，但當它與此分子載運體結合後，便可迅速且有效地被細胞所吸收。該研究團隊將此技術應用於如環孢素 A 與紫杉醇等藥物上。現在科學家們可進一步採用此分子載運體，把原來不易進入細胞而被埋沒的一些候選藥物發掘出來，並進行臨床發展上的研究。 上述的環孢素 A 是由瑞士山德士 (Sandoz) 藥廠自挪威一處高原土壤中之菌類所萃取出來的，1983 年 9 月由美國聯邦食品藥物管理局 (FDA) 核准上市，它能抑制人體免疫系統，防止器官移植引起的排斥現象，提高器官移植的成功率，這種菌素的發現是 20 世紀醫學的里程碑。而抗癌藥物紫杉醇是由北美洲的短葉紫杉樹皮內所萃取出來的，對治療卵巢癌及乳癌具優異功效，對肺癌與黑色素瘤亦有療效。 科學家們對非天然存在的胺基酸突變很有興趣，因為它們在設計新型蛋白質甚至新生命形式的研究上深具潛力。截至目前，在蛋白質中嵌入非天然胺基酸有兩種主要方法，第一種為停止密碼抑制法，即以化學方式合成轉運核糖核酸 (tRNA), 可攜帶非天然胺基酸，並且能辨認停止密碼。在蛋白質的生物合成 (或稱轉譯) 過程中，當此修飾過的 tRNA 遇到停止密碼時，即會將所攜帶之非天然胺基酸插入。第二種為營養缺陷型微生物法，由於此型微生物無法自行合成某種特定的胺基酸，故此法係將結構與此特定胺基酸相似的非天然胺基酸加入此微生物的培養基中，在該微生物的蛋白質中即可利用此種類似物而形成含非天然胺基酸的蛋白質。今年兩個不同的研究小組分別發展出一些改進的方法，可以創造出含有非天然胺基酸的蛋白質。 前述的第一種方法是由美國研究小組所提出，而該種特殊的 tRNA 很難以化學方式合成，今年他們改用經基因修飾後的細菌來代為合成 tRNA, 可以免除早先需以化學方法合成非天然胺基酸的 tRNA 的困難。 前述的第二種方法是由美國與法國的研究人員所報告的，他們利用一種突變的酵素，誆使細菌將蛋白質中的一些天然纈胺酸單體以非天然的纈胺酸類似物取代之，目前雖然非天然胺基酸的取代率僅達 24%, 但他們正朝向百分之百取代率的方向努力。此種方法可能製造出含新型多胜為基質的生物材料。 鳥素與生物素之間具有高親和力的結合作用，此種具選擇性的結合屬於非共價鍵形式，它們的結合常數為 1014, 科學家常利用此種特性來辨識或標定不同形式細胞上的分子。而加州大學戴維斯校區的研究人員及《生物結合化學》雜誌 (Bioconjugate Chemistry) 的主編將具有互補性的反應性官能基，以分子生物技術方式嵌入抗體與其對應的配位體之特定區域，發展出無限親和力的系統。該系統為一種新式的抗體─配位體，其間的結合屬於共價鍵形式，因此是不可逆的，且兩者之間的親和力為無限大。此新方法之應用範圍較鳥素─生物素的方法更為廣泛，並可能發展出新方法來發現做為特定細胞的影像或治療用途的標的作用物，與不同形式的指示性分子。 抗體的作用類似一種標籤，當它與致病原上的抗原結合後，可將致病原標示出來，使免疫系統更易於辨認進而加以摧毀。除了上述已知的功能外，一合作小組也發現，抗體亦能催化水與單重態氧的作用而形成過氧化氫。研究人員推測，抗體能藉此清除單重態氧而保護細胞不致受其毒害，抗體能產生高反應性的過氧化氫則代表它可藉此直接殺死致病原，抗體的這一項功能是先前所不為人知的。另外，一般空氣中的氧氣處於基態，屬於三重態，它的分子軌域中之未成對電子的自旋方向相同；而處於激發態的氧分子，屬於單重態，其未成對電子的自旋方向相反。 一般說來，當植物暴露在高濃度的鹽分中會脫水而死亡。但是加州大學戴維斯校區與多倫多大學的研究人員創造出經過基因工程修飾後的番茄株，能以海水 (200 mM) 灌溉，並產出外觀健康又好吃的果實。因為研究人員利用基因工程技術讓這種植物製造高量的離子往返轉運蛋白質，此種蛋白質可將多餘的鹽分排除，因此它們並不介意鹽水。若將這些鹽分耐受性延伸至其他種類的作物上，將可為缺乏淡水或含高鹽分土壤國家的農業帶來生機。美國康乃狄克大學的研究團隊也利用基因工程的技術來促進芥草對鹽分與乾旱的耐受性，此種技術可使人類更有效地運用日益枯竭的水資源。 抗癌的天然產物愛克田納西汀 - 743 是一種產自加勒比海海鞘的複雜化合物。在 1986 年首度由美國伊利諾大學奧本那香檳校區的化學教授純化出來。其化學結構在 1992 年確定，並於 1996 年由哈佛大學的化學教授完成其全合成。 在研究了將近十年後，終於確認了愛克田納西汀 - 743 的作用機制，它會與細胞中的 DNA 受損─修復系統作用，進而開發出愛克田納西汀類似物，其臨床實驗已經進行到第二階段。初步的實驗數據顯示，此藥對於肉瘤 (骨癌或結締組織癌)、乳癌、肺癌、與卵巢癌可能極具療效。美國國家癌症研究所的研究人員闡述此藥物一種史無前例的作用機制，發現它具有降低細胞中核酸剪裁─修復系統的能力。美國亞利桑納大學的研究人員也得到類似的發現。愛克田納西汀 - 743 會與 DNA 淺溝中富含鳥嘌呤的區域結合，因而中斷了核酸剪裁─修復系統的作用。該系統是負責將 DNA 在複製過程中所產生的錯誤予以切除並修正，對於細胞正常的複製非常重要。若此系統的能力降低，則有可能造成細胞無法進行正確的 DNA 複製，因而可以阻斷癌細胞的分裂。 美國的研究人員利用高解析的 X 光單晶繞射儀、定點導向突變、核磁共振光譜、與動力學研究等技術，首先揭示了醛醇縮酶是如何經由形成席夫鹼而進行醛醇縮合反應的完整機構。此外，該團隊利用蛋白質工程所獲得經修飾過的醛醇縮酶，做為新奇化合物的合成應用。 研究顯示，在醛醇縮酶的活化中心，水分子是如何調控抓取席夫鹼上的甲基質子，而形成烯胺中間物，以及顯示質子任意混合過程是如何促進反應的進行。 在新疫苗的研發過程中，所需要的各種動物試驗與臨床試驗是相當繁瑣複雜的。一般疫苗都將一種抗原連接於一連接分子上，該連接分子的安全性需通過測試；當使用多種單一抗原疫苗時，其各個不同抗原的連接分子，亦得一一測試。若能開發出一種疫苗，使用單一連接分子接上多種抗原，則不但可減少接種次數，更能縮短繁複的測試工作。 一項由美國研究人員所進行有關醣類的研究中，發展出一種先進的合成方法，可在同一分子上連結多種醣類抗原，即以醣類為基質的抗原區域連結至胺基酸上，再利用胺基酸耦合反應形成一種結合性疫苗。此項工作能得知免疫系統是如何辨識出多抗原並產生反應，亦可獲致新式抗病原物與抗癌疫苗。此次所採用的醣類抗原不僅出現在多種癌細胞的表面，且至今尚未分離出來，因此採用化學合成是唯一可提供其來源的實際方法。2000 年，他們合成了第一個具有多種醣類抗原的單一連接分子，而今年則正朝向含有五或六種抗原的單一連接分子努力。 有些天然物，包括抗生素及抗癌藥物，是由配醣體與天然醣類結合而成，研究者將非天然醣類與配醣體結合，以便研究其有用的新性質。目前利用有機全合成與組合式生物合成這兩種技術可達到此目的，但是均有其局限性。美國的學者發展出一種叫做「醣類隨機化」(glycorandomization) 的技術，使得製造這種含非天然醣類的天然物變得更快且更方便。即以蛋白質工程技術，將醣類活化酵素改良，使之由僅能活化天然醣類，改變為能活化非天然醣類，以便接到有機分子上。初步的結果顯示，它們利用來自細菌生合成途徑的兩種改良過的酵素，已可合成出接有非天然醣類的天然物分子資料庫 。 多醣類一向被認為扮演著重要的生物角色。它不但構成了生物結構的一部分，如植物的纖維素、動物的黏液、細胞基質等，也是一般醣蛋白質，尤其是膜蛋白質的結合物，可以做為抗原。此外，多醣類也與腫瘤的散布、學習與記憶，以及其他的細胞過程息息相關。每種多醣類都是經由多種酵素代謝合成而來，但是，它們詳細的功能卻不易研究。因為很難藉著調控處理多醣類酵素群的表現來關閉多醣類的製造，卻不會同時影響這些酵素所調控的其他生物步驟。美國加州大學柏克萊校區的研究人員藉著提供替代的化學方法，將一多醣類的代謝途徑予以中斷，解決了這項難題。研究者可利用一多醣類代謝途徑中的一個受質的類似物，來干擾此多醣類的生物合成。此項研究讓我們對多醣類的功能、新型抗癌製劑、與多醣類之生物合成的新型代謝抑制劑獲致更多的了解。 綠色植物在地球上扮演著生產者的角色，它們藉著葉綠體進行光合作用，可以把陽光的能量轉為生長所需的葡萄糖，維繫著地球上的生命。葉綠體中的光合作用系統是一種極複雜又龐大的分子，其結構一直是結構生物化學家的極大挑戰。 在歷經十年以上的努力後，德國一個包括生物化學家、物理學家與晶體學家的研究小組確定了光合作用系統 (一) 的高解析度晶格的三維結構，它是進行光合作用時，發生最初數個步驟所在的兩種蛋白質複合體中的一種。截至目前為止，如此大且附著在胞膜上的錯合物之結構被確認過的並不多。這個含三單元體的光合系統中，每個單元體包含了 12 種蛋白質次單元，並附帶著 96 個葉綠體和超過 30 個其他的輔因子。其構造相當奇特，例如，在葉綠體分子的中心具有一鎂離子，它是光合系統中最先接受電子的，此鎂離子並與鄰近的甲硫胺酸中的硫形成配位，這是非常少見的。這種特殊的葉綠體在自然界中是最強的還原劑，何以如此，無人知曉，很可能跟此含硫的配位基有關。它的結構可幫助研究人員了解這複合體是如何收集太陽能，在內部將其傳送，然後利用電子傳遞反應轉變成幾乎推動著地球上所有生命的化學能。 靜電間的作用在許多細胞的運作上扮演著相當重要的角色，例如在神經元中神經衝動的傳導。因此，若能提供大型分子的電荷密度分布圖，將對了解許多生物性分子的結構穩定度、運動、結合作用、機制提供極有價值的信息。一般傳統電荷密度分布圖的計算過程相當費時，分子愈大所需的時間就愈多。在一項結構研究中，一個合作團隊發展出一種電腦計算技術，能建立生物分子結構中的電荷密度分布模式，此分子結構要比任何以往可完成的都還要大。一般靜電模型僅適用於含有五萬個原子以內的構造，但是新的「平行式聚焦」法 (parallel focusing) 可用於比對巨分子、超分子複合體與具有超過一百萬個原子以上的細胞胞器中的電荷密度分布。簡單地說，平行式聚焦的概念就是將要解算的問題分成數個較小的部分，每個部分可用平行式處理，也就是同時使用多個電腦處理器來運算。因此，在一個多處理器超級電腦的運算下，可將運算速度提高 350 倍。 在生物體的蛋白質中約有三分之一含金屬蛋白質，其中許多金屬蛋白質的主要催化中心含有金屬鋅。由於含鋅離子之蛋白質不吸收紫外光─可見光，又因它無不成對的電子，也無法利用電子順磁共振光譜研究，它對核磁共振儀的靈敏度又很低，因此不易用核磁共振技術進行研究。但是對於可以生成結晶的金屬蛋白質而言，是可以用 X 光單晶繞射儀來研究它的結構，不過可獲得結晶的金屬蛋白質卻不多。所以到目前為止，我們仍無法知道在生物系統中，這種重要、具催化功能的金屬到底發生了甚麼反應。以前研究金屬鋅蛋白質時，一般都需要利用替代性探針策略，就是用鈷或鎘取代鋅，因為它們較為容易以光譜學來研究，卻不見得能正確無誤地代表鋅的特性。美國研究人員研發出一種便於觀察金屬蛋白質的含鋅中心的核磁共振技術，將一金屬蛋白質冷卻至近乎絕對零度 (接近攝氏零下 273 度), 如此可增強其對核磁共振的靈敏度，然後利用一種新型探針藉自旋─回聲步驟直接來分析位於鋅位置上的構造與其鍵結。此技術不但可用來探討含鋅的金屬蛋白質，對於含銅與含鐵的金屬蛋白質亦可適用。 觸媒化學方面 化學反應是否容易進行，是由其需越過的活化能高低來決定。而觸媒的功能就是可以降低反應的活化能，進而促使反應更容易進行，這是一般傳統上對觸媒的要求。今天我們對它的要求更高，希望能發展出更具有選擇性的觸媒，成就更具專一性的反應；或是能夠不需在溶劑中即可催化的反應；甚至於不但可以加速化學反應，進而可將原先對環境或人體有毒害的副產物轉化成無害的物質，對地球的環保有所助益。發展新型觸媒與催化技術一直是化學研究的重點。2001 年的重要發展包括：以微陣列為基礎的鏡像選擇性之測量、一種以空氣將有機化合物氧化的可溶性觸媒、能產生水為其副產物的「環保」觸媒。2001 年諾貝爾化學獎也與開發不對稱合成觸媒有關。 過去以高效篩選方式來發掘分子庫中具有鏡像選擇性潛力的觸媒，一直受限於缺乏快速且方便的鏡像選擇性鑑定技術。哈佛大學研究人員發明了一種能夠快速測量觸媒之鏡像選擇性的微陣列方法，可同時決定出幾千個化合物的鏡像選擇性。其即將手性官能基先分別以接觸式的印表機點在玻片上，再以共價鍵方式把待測的鏡像異構物附著於該手性官能基上。然後在每一點加入可和待測鏡像異構物反應之手性螢光探針試劑。其中，綠色的螢光探針試劑是用來偵測一種鏡像異構物，而紅色之螢光探針試劑則用來偵測另一種鏡像異構物。這兩種探針試劑與待測之鏡像異構物的反應速率不同，該過程稱為動力拆解。最後以雷射掃描器來測量玻片上各點之螢光，從各點上所得的螢光值可推算出該鏡像異構物之鏡像超值，而由紅色與綠色螢光之光點比率可決定出該產物之絕對組態。這裡所稱的鏡像超值，是兩個鏡像異構物之間的百分比差。而絕對組態是用來表示手性中心四面體結構的真正立體位向。 美國愛默立大學教授發現一種可溶性的觸媒，是一種三價的金錯合物，結構中含有兩個氯及一個硝酸根配位基，可在室溫下利用空氣中的氧來氧化硫醚形成亞。傳統的可溶性觸媒需在較高溫時方具活性，而此新觸媒僅需在室溫下即可作用，且其反應速率要比傳統的可溶性觸媒快上數十倍。它可摻入化妝品、塗敷物或紡織品中，做為觸媒來氧化空氣中的污染物。亦可摻入士兵所用的皮膚乳膏中，將造成皮膚起泡潰爛的芥子氣 (一種硫醚化合物 (ClCH2CH2) 2S) 氧化而達到解毒的功效。 造紙工業將木材中的木質素去除以形成紙漿的過程中所產生的廢水，往往含有毒的多氯芳香化合物，因此，發展更環保的方法是當務之急。美國農業部森林產品實驗室與愛默立大學的研究人員發現一種較環保且穩定的觸媒，可望應用到紙漿的製程上。該製程所採用的觸媒在水中是穩定的，是由五個多氧金屬化物離子所組成，可利用水中的氧選擇性地氧化有機受質。此系統可望用於發展造紙業中將木材去木質化的最初步驟且不產生廢液。 有兩個研究小組分別在氧化有機化合物的鐵觸媒上有所進展，這些鐵觸媒具環保性與較低毒性，且用過氧化氫做為氧化劑。其中一個小組是哈佛大學教授所發展出的一種新觸媒，可將烯類轉成內消旋性的環氧化物並具高轉換率，其特點是他們所採用的鐵觸媒不太會造成過氧化氫的分解，這是過去使用鐵觸媒時的潛在問題。美國明尼蘇達大學的研究小組則發明一種可將烯類進行雙羥化的鏡像選擇性觸媒。以反式辛二烯為例，該觸媒會促進 2,3 - 辛二醇的生成，其產率為 38%, 其鏡像超值為 82%(表示生成兩種鏡像異構物，其比率為 91 比 9)。這樣的結果，對鐵觸媒而言已經是相當驚人，何況仍有許多改善空間。這兩研究小組的觸媒，均由乙二胺衍生出的配位基配位到鐵離子製備而成。其特點是配位基不貴又容易製造，以過氧化氫做為氧化劑，其副產品為對環境無害的水。 所謂拜爾─偉利格 (Baeyer-Villiger) 反應是將酮氧化成酯或內酯的反應，一般而言均用過氧羧酸做為氧化劑，因此除產物外，反應也會產生等量的羧酸副產物。若能開發出以過氧化氫為氧化劑的拜爾 - 偉利格反應，其副產品為對環境無害的水，將會是有經濟價值且符合環保的製程。西班牙維藍西亞高分子科技大學研究人員發展出一種能加速拜爾─偉利格反應且對環境無害的觸媒，可廣泛地用在將酮類氧化成內酯或酯的工業上，形成內酯的反應亦具有超高的位置選擇性。他們所發明的沸石─錫觸媒是利用過氧化氫做為氧化劑，因而僅會產生對環境無害的水為其副產品。 不對稱合成的研究是要開發出如何才能得到高光學純度或單一鏡像異構物的技術。2001 年的諾貝爾化學獎，頒給在不對稱合成領域中，開發手性觸媒的三個學者，分別是美國蒙山托公司退休研究員諾爾斯 (William S. Knowles) 與日本名古屋大學的化學教授野依良治 (Ryoji Noyori), 他們兩人由於研究不對稱氫化的催化反應之重要貢獻而合得一半獎金。另外，美國斯奎布斯研究所化學教授夏普列斯 (K. Barry Sharpless) 則在研究不對稱氧化的催化反應上具有卓著的貢獻而得到另外一半的獎金 (約 47 萬 5,000 美元)。瑞典皇家科學院宣稱他們三位都發現了在製造單一鏡像異構物的手性觸媒而共享此項大獎。此項發現對學術研究、新型藥物與材料的發展上已帶來新的衝擊，並可應用在藥物與其他具生物活性化合物的工業合成上。有趣的是，野依良治、夏普列斯與法國南巴黎大學的卡港 (Henri B. Kagan) 三人在 2001 年共同得到以色列的伍爾夫獎，該獎項 2001 年亦表揚在不對稱合成化學領域有傑出貢獻者。野依良治與夏普列斯同時得到這兩項國際大獎，但諾爾斯與卡港則僅各得其中一個獎項。

自主學習 快樂而投入

傳統華人社會普遍認為老師的嚴管勤教，是資質相近的學生會在學業投入與成就表現上有很大差異的原因。然而也有人認為，外加壓力的鞭策雖然短時間可得到明顯的效果，但也會讓學生把讀書視為一件苦差事，一旦畢業之後外力消失，就不會再主動學習，這在當今強調終生學習的社會中並不理想。 政治大學師資培育中心施淑慎教授的研究支持了後者的想法。她在西方文獻中找到相關理論，證實教學環境中若能支持學生發展自主性、培養學生的內在動機，可對學生的學習產生正向效益。 然而跨文化的探討中也有學者質疑，這可能是因為西方文化重視自主性、強調個人主義。這個理論在重視集體主義、以服從長輩為尚的東方社會中恐怕未必適用。尤其華人社會以儒家文化為中心，強調家族價值與家庭凝聚力，重視人與人之間的相依互賴，甚至鼓勵犧牲小我完成大我，因此缺少自主性的氛圍，自我的概念無法充分發揮。 為了驗證這理論在台灣教學環境中的適切性，施教授針對國中生以問卷調查的方式蒐集資料。結果顯示雖然台灣社會中大部分的孩子願意順服師長的期望與意見，但是研究發現如果在教學中老師能以自主支持來激發學生內在動機，則對學生的學習行為和情感投入有正向的影響。 施教授的研究有項特點：她不以學業成績表現為唯一的標準，而是同時考量學生的行為投入與情感投入。她認為理想的學習是讓學生樂在其中，而非僅達到學業成就上所設定的單一指標。研究結果發現學生如果是出於自己的興趣，就可以在學習過程中體驗較多正向的情感；但是如果是外在其他因素所激勵出來的，則學生即使在行為上看似高度投入，但是情感上仍然缺乏正向的表現。 施教授根據這些研究而對教育工作者提出建議：既然學生因外在條件激勵下過於功利的盤算，而較難體會到學習本身的樂趣，為了讓學生能在離開學校後仍願意自動接觸新知，則在教學的過程中應該鼓勵學生的主動性。 在介紹相關理論的時候，施老師會強調該理論的基本假設，其中提到人與生俱來就有某些基本需求 (自主性的需求、追求能力表現的需求、和他人聯繫的需求), 這些基本需求如果能滿足，就會有比較適切的正面發展歷程，甚至可把外在的約束內化為自己的動機。 因為個人有追求自主性的需求和追求能力表現的需求，所以根本不需要老師強加，學生本身就會想做事、想從事活動。既然如此，對老師而言就該提供學生選擇的機會，尊重學生的觀點，不要用強制的方式，而是要把其中的道理原委解釋明白，讓學生能在有選擇與有自己想法的情況下，甘心樂意地從事學習活動。這些點滴的累積就會形成一種情境氛圍，潛移默化地培養學生擁有適應性的動機型態。 最後施教授還強調，雖然研究結果和目前教改提倡的理想很接近，但是教改所強調的快樂學習，容易讓學生以為輕輕鬆鬆就可學會一切東西，而忽略學習其實是要下功夫、花時間的。這樣的迷思容易讓學習流於表淺，這是需要教育工作者深思的地方。

一八八二年四月二十六日,達爾文入葬倫敦西敏寺

一八八二年四月十九日 (星期三) 下午四點，達爾文逝世。 且不談達爾文劃時代的科學成就，他的一生光是從終點來看，也極為圓滿，可說福壽全歸。人生七十古來稀，他卻能過完 73 歲生日。大限接近時，達爾文自己明白，家人也都有心理準備，彌留時刻有妻子兒女孫輩陪在身邊，他走得了無牽掛。此外，半年前他出版的《論蚯蚓與壤土》(1881 年), 幾個星期就賣出了幾千本，證明他並未昏瞶，創造力老而彌堅。 要說達爾文有什麼遺憾的話，絕不是在生前，可能是在身後吧。他沒有如願葬在生前選好的墓地，就是他住了 40 年的唐鎮 (Downe; 距倫敦 25 公里) 教區墓地–他摯愛的長女安妮 (1841-1851), 與情誼深厚的哥哥依拉士摩 (1804-1881) 都在那裡長眠，他的妻子 (表姊) 艾瑪 (1808-1896) 將來也打算埋骨於斯。他最後葬在英國國教的倫敦西敏寺。於私於公，這都是個十分矛盾的結局。 達爾文自認為是個「不可知論」者，對宗教仍有虔敬之心，但對基督教傳統早有定見。他在寫給家人看的自傳中說:「要知道聖經經文的意思很清楚：不信的人都要受永恆的懲罰，那就包括我父親、哥哥，還有幾乎所有我最好的朋友了。」 他會希望葬在西敏寺裡嗎？另一方面，生物演變論自 18 世紀末起，就公認是個與教會敵對的異端學說。達爾文隻手將過去半個多世紀以來的生物演變論改造成堅實的科學，使人類的自然根源更為顯豁，無神論者更加振振有辭、肆無忌憚 (難怪馬克斯的女婿對達爾文親善極了)。教會怎麼會讓達爾文堂而皇之地進駐呢？這兩個問題都涉及 19 世紀的科學在英國的社會地位。英文裡 scientist (科學家) 這個字，是 19 世紀 30 年代才製造出來的，當時只有富而有閒的紳士階層，才有從事知識活動的本錢。scientist 直到十九世紀中葉才逐漸流通，表示英國的科學家開始有機會成為以「科學」賺錢養家的「職業人」。 達爾文的葬禮其實凸顯的是職業科學家的地位。 職業科學家 達爾文不是職業科學家，他仍然是個傳統型的紳士科學家，一生從未領過薪水，絕無仰事俯蓄之憂，富而好禮，自費研究。他想出以「天擇」(自然選擇) 概念解釋生物演化的理論後，花了 20 年辛勤研究，直到 50 歲才出版《物種原始論》(1859 年), 史稱「達爾文革命」。不過，這本改變歷史的書只是個研究「摘要」。他隨後出版的書，可說全是《物種原始論》的註解。達爾文的專注投入當然是職業科學家的典範，可是我們若不了解職業科學家在當時的處境，逕自譽為典範，未免不食人間煙火。因此，專門在公開場合為達爾文演化論辯護的赫胥黎，特別值得我們注意。 赫胥黎 (Huxley, 1825-1895) 比達爾文小 16 歲，是 19 世紀英國第一批職業科學家的代表。他沒有受過正式教育，在醫院做過學徒，第一份正式職業就是上皇家海軍「響尾蛇號」擔任助理醫師，薪水每季 37 鎊。那時一架顯微鏡就要 13 鎊–超過他一個月的薪水。 赫胥黎隨「響尾蛇號」赴紐幾內亞、澳洲、紐西蘭測量海岸，費時 4 年。他在船上努力研究 (例如海鞘), 寫成論文寄回倫敦發表。因此他 1850 年回國時，已有聲名，不到一年就成為皇家學會會員。但是，這個榮譽卻給他帶來了困擾，因為當選會員後就必須繳交年費 14 鎊–超過他一個月的薪水。 皇家學會會員的身分並沒有給他帶來什麼好處，他找不到職業科學家的職位 (教學 / 研究), 只能靠打零工過活，例如在博物館整理標本或者翻譯。他雖然繼續研究在海上帶回來的標本，可是報告完成後卻沒有錢出版。他一直撐到 1854 年才時來運轉，在政府的礦務學校擔任教授，並在幾個公私機構講課，正式成為科學傳道人。這一年他的收入超過 500 鎊，終於可以將澳洲的未婚妻接來結婚了。(可是根本不用做事的達爾文，這一年的收入是 4,603 鎊)。 學術政治 歐洲的傳統社會講究的是門第與階級，知識活動本來就是上流社會的使命與裝飾。職業科學家出現後，為了與知識玩家競爭，不得不以精湛的學術、嚴謹的紀律證明自己的價值。為學術而學術的學術人逐漸成為知識社群的骨幹後，門第、家世反而成為裝飾了。同時，謹守學術紀律有時還是最好的自保策略。 演化論從 19 世紀初以來，就是社會底層激進份子的革命工具，達爾文對這一點十分清楚。因此，刻意謹守學術分寸，知之為知之，不知為不知。赫胥黎發明「不可知論」也出自同樣的考慮。他們反對特定的教義，但絕不因而無限上綱、激情演出，質疑宗教情操。他們都對「無神論者」的恭維敬而遠之。 達爾文的死訊傳出後，他的同志、戰友–新興的科學傳道人–立刻四處奔走，他們對戰略目標有高度的共識：將達爾文送入西敏寺，凸顯科學的地位。他們的策略很簡單：訴諸愛國情操，將達爾文比擬成牛頓。想來達爾文本人對這兩點都不會有異議。 最後呈送西敏寺教長的陳情書，由自由派國會議員拉博克 (John Lubbock, 1834-1913; 達爾文的鄰居、銀行家、科學家) 出馬，赴下議院徵求連署，很快就有 20 位議員簽名，可見新興科學人的勢力。西敏寺中也有人支持職業科學家的呼籲。這一點也不令人意外，因為教會一向是基督教世界中的學術堡壘。後來俗世學術機構興起，教會中的學術傳道人也扮演了重要的角色。達爾文當年在劍橋大學受益最多的良師植物學教授韓斯洛 (John Henslow, 1796-1861), 其實本職是英國國教的牧師，而不是大學教授。 達爾文的葬禮中，女王、首相，甚至達爾文夫人都沒有出席，更彰顯了科學的主角地位。達爾文的下葬地點，離牛頓只有幾步之遙。到場的英國科學界大老，以及美國、俄國、歐洲各國代表，都是為了他的科學成就而來的。 科學與宗教 科學與宗教的關係，在《物種原始論》之後一直處於緊張狀態，是不爭的事實。在達爾文入葬後第二天，倫敦艦隊街上的一家鐘表公司就發函給馬丁銀行，結束公司的帳戶，理由是公司負責人出席了達爾文的葬禮，等於支持達爾文的異端學說。這封信的結尾是這麼寫的:「最後審判日就要到了，到時候大火會降臨大地。誰說的才是真理，是上帝？還是達爾文？那時候我們就知道了。」這封信讓人覺得有趣的地方，反而是提醒我們：西方的科學與宗教若非同出一源，大概也不會這麼勢同水火了。 【科學史上的這個月】

蟹狀星雲與超新星爆炸

人人都愛看節慶中的煙火，砰然一聲煙花四射，絢爛光華瞬間在夜空中綻放，短暫的光之舞曲，令人驚豔、讚嘆、留戀。在浩瀚的星空中，也有如煙花一般瞬間燦爛四射、光芒耀眼令人驚豔的超新星爆炸事件。超新星，星空中的超級煙火秀，是重質量恆星死亡前的璀璨，是獵星人最渴望的獵物。只要在銀河系統中發現超新星，立即成為全球矚目的對象；例如 1987 年在大麥哲倫星系中發現的超新星 1987A, 就使得所有地面望遠鏡與太空望遠鏡，只要能夠看見超新星 1987A 的，都暫時終止原先的任務轉而對準這顆超新星。 日本與美國一些彗星狩獵者，早在 1980 年代就覺得搜尋彗星已經不再具有挑戰性，轉而搜尋超新星。只是，絕大多數發現的超新星都屬於遙遠的星系，再怎麼光輝燦爛，在數百萬光年至數億光年的遙遠距離外，看來也只不過是個小光點。而太陽又位於銀河系內塵埃密布的盤面上，無法穿透雲塵看到遙遠的星光，因此只能被動地等待附近的超新星爆炸事件。 在望遠鏡發明以前，歷史上有三顆最著名的超新星：1054 年發生在天關 (今金牛座) 的中國超新星，1572 年發生在仙后座的第谷超新星，以及刻卜勒在 1604 年發現，位於蛇夫座的刻卜勒超新星。再來便是轟動全世界的超新星 1987A, 於 1987 年 2 月被發現位於大麥哲倫星系中。大麥哲倫星系是我們銀河系的衛星系之一，距離只有 17 萬光年，從天文學的觀點來看，1987A 近得就像在隔壁的房間一樣。 發生於 1054 年的中國超新星，在中國古書上稱為「天關客星」。中國古代常將許多異常的天象紀錄稱為「客星」, 表示天上原來沒有這顆星，突然出現一陣子又消失了，像做客一樣，所以稱為客星。經過考證，發現其中有些客星是彗星，但有些確是超新星。 天關客星 《宋史會要》分別在 1054 年與 1056 年詳細記載了天關客星發生與消逝的經過。先是「至和元年五月 (1054 年 7 月 4 日) 楊惟德言：伏睹客星出，見其星上微有光彩黃色。謹案皇帝掌握占云:『客星不犯畢，明盛者，主國有大賢。』乞付史館，容百官稱賀」。兩年後的四月，同一書記載:「客星歿，客去之兆也，守天關，晝見如太白，芒角四出，色赤白，凡見二十三日」。 中國星野中的「天關」大約位於金牛座牛角尖附近；「畢」為二十八星宿之一，位於金牛座頭部。「守天關」表示停留在天關，沒有移動，明顯表示不是彗星。最亮時比金星還亮，光芒亮到連續 23 個白天都可以看見，一共出現 653 天才消失。由天關客星的亮度、變暗過程的描述，都符合超新星的情形。 宋朝天官楊惟德將天關客星做為占卜之用，認為客星不在「畢宿」出現，表示國有偉大賢能的君主。客星消逝後，便成為陳年往事，埋沒在浩瀚的典籍之中。 蟹狀星雲發現史 滿天星斗中，如果有任何明顯的異常現象，很容易引起注意。伽利略在 1609 年將自製的望遠鏡對著天空，觀察月亮、金星...... 之後，開啟了一扇通往宇宙深處的天窗。天文學家競相製作更大、更好的望遠鏡，來觀察種種天象。很快地，許多人注意到星空中除了星星以外，還有許多模糊、像雲一般的天體，稱為「星雲」。 英國人畢斐斯 (John Bevis, 1695-1771) 在 1731 年第一次注意到金牛座牛角尖附近有一個黯淡的星雲。隨後，法國業餘天文家梅西爾 (Charles Messier, 1730-1817) 在 1758 年 9 月 12 日晚上搜尋彗星時，也發現同一星雲。他原先以為是彗星，但失望地發現它動都不動。這使得梅西爾開始製作一份星雲目錄，免得誤認這些星雲為彗星而空歡喜一場。梅西爾在 1764 年出版的星雲目錄中，將金牛座發現的星雲編為第一號，因此稱為「梅西爾一號」, 簡稱 M1。 此後，許多天文學家如柏德 (Johann E. Bode, 1747-1826)、赫瑟爾父子 (William Herschel, 1738-1822 and John Herschel, 1837-1921) 都觀察過這個星雲。其中，羅斯爵士 (Lord Rosse, 1840-1908) 用當時最大的 36 吋反射鏡，在 1844 年觀測並描繪 M1, 發現它有許多絲狀體，看起來像蟹腳。羅斯爵士在 1848 年出版的一份天文目錄上用了「蟹狀星雲」的字眼，便一直沿用到現在。 蟹狀星雲在膨脹中 兩百多年來，蟹狀星雲一直是天文學家最喜愛研究與觀測的對象之一，只要有任何新技術，都會用來觀察蟹狀星雲。例如，天文攝影、電波望遠鏡、光譜、X 光天文衛星、哈伯太空望遠 鏡......, 都在最初階段就用來觀測蟹狀星雲。 第一張蟹狀星雲的照片是在 1892 年攝得，而史力佛 (Vesto Slipher, 1875-1969) 在 1913 至 1915 年拍攝蟹狀星雲的光譜，發現其中的譜線分裂成兩條，顯示星雲中有一部分靠近我們，有一部分遠離我們。顯然的，整個星雲在膨脹中，面向我們的部分在靠近中，背向我們的部分在遠離中。 在 1921 年，各地的天文學家對蟹狀星雲有不同的發現。其中羅威爾天文臺 (Lowell Observatory) 的藍姆藍德 (C. O. Lampland, 1873-1951) 使用口徑 42 吋 (85 公分) 的反射鏡拍攝到一些非常好的照片，他注意到星雲中某些單獨的區塊在移動與變化著。美國威爾遜山天文臺的杜坎 (J. C. Duncan, 1882-1967) 比對兩張相隔十一年六個月的照片，發現蟹狀星雲以每年零點二角秒的角速率在膨脹著。隆馬克 (Knut Lundmark, 1889-1958) 注意到蟹狀星雲的位置，與中國 1054 年天關客星的位置相符合。 如果蟹狀星雲一直以相同的速度膨脹，則應推算至 1054 年左右開始膨脹；若是考慮到膨脹速度會減緩，則回溯的時間會比 1054 年還要早。但是依據多位天文學家的測量與計算，蟹狀星雲的起點比 1054 年晚了一百年左右。例如，巴德 (Walter Baade, 1893-1960) 在 1942 年經過比較精確的比對分析，反推蟹狀星雲是在 1180 年爆炸的，他隨後又修正為在 1140 年左右爆炸。這顯示蟹狀星雲中的物質膨脹有被加速的情形，才會在比較短的時間內膨脹成目前的大小。顯然地，必須依據更多年代的數據，才能找出蟹狀星雲膨脹的模式。 蟹狀星雲、波霎與中子星 第二次世界大戰結束後，電波天文學興起。澳洲積極發展電波天文學，波頓 (John Bolton) 與史丹利 (Gordon J. Stanley, 1922-2001) 在 1947 年捕捉到金牛座有一個強電波源，稱為金牛座 A, 他們認為金牛座 A 電波源是蟹狀星雲發出來的。 當無線電脈動星 (簡稱波霎) 在 1967 年被休許 (Antony Hewish) 與他的研究生喬瑟玲。貝爾 (Jocelyn Bell) 發現後，電波天文學家使用位於波多黎各口徑三百公尺的巨大電波望遠鏡，在 1968 年 11 月 9 日偵測到蟹狀星雲中有一個無線電脈動星，每 0.033085 秒脈動一次，即每秒鐘脈動 33 次。兩個月後，在 1969 年 1 月 15 日發現它也是一個可見光脈動星，因此被用變星的命名方式稱為金牛座 CM 星 (CM Tau)。 天文學家早在 1930 年代就提出中子星的理論，但被視為純粹是理論上的產物而非實際上的物體，所以沒有引起太大的注意。直到波霎的發現，中子星理論才被用來解釋波霎的現象。依據天文物理的計算，一個質量比太陽大三倍以上的恆星，在其演化末期可能經由超新星爆炸，將恆星本身炸碎四散，而中心物質則被擠壓成密度極大、直徑約為數十餘公里的天體，其主要成分幾乎都是中子，所以稱為中子星。 中子星很小，自轉速率很快，慢的約數秒轉一圈，快的一秒鐘可以轉數十圈以上。溜冰選手在定點轉動時，兩手伸張時轉得比較慢，當瞬間將兩手縮回抱著自己或往頭的上方併攏時，轉速瞬間加快。同樣的情形也發生在中子星上，當超新星爆炸時，一個體積為太陽體積一百萬倍以上的龐大超巨星，縮成一個直徑數十公里的中子星，自轉速率被加快數百萬倍以上。 天文學家認為蟹狀星雲中的波霎，是一個直徑 10 公里、快速自轉的中子星，每秒鐘轉 33 圈。在可見光波段，它是一顆 16 星等的暗星，其絕對星等大約是 4.5, 比太陽亮一點。用可見光、紅外線、X 光、無線電波，甚至珈瑪射線，都觀測到脈動的現象，表示它是一個年輕的中子星。隨著時光消逝，中子星一直消耗能量，自轉的速率會逐漸減慢，首先珈瑪射線的脈動現象會消失，再來是可見光的脈動停止，最後只剩下電波脈動。經過約一百萬年以後，脈動現象會隨著自轉太慢而不復見，就成為一個沒有「波霎」現象的中子星。 中子星的性質與一般恆星不同，光是體積小、密度大這件事就顯得非比尋常。中子星的質量約為太陽的兩、三倍，但體積卻比太陽小了一兆倍左右，也就是說密度比太陽大了一兆倍左右。用一個小湯匙舀水，水重大約一克，而舀一小湯匙中子星的物質重約數千噸。如果將一小湯匙的中子星物質放在天秤的一邊，另一邊必須放上一艘「鐵達尼號」之類的郵輪才能平衡。 另外，一般恆星發光發熱是由中心區的核融合反應提供光與熱，而中子星並沒有核融合反應，只是靠著形成時的高溫散發輻射，以及帶電粒子在強大磁場下所發出的輻射。中子星擁有強大的磁場，磁場強度高達數百萬高斯以上。以地球做為比較，地球表面平均磁場強度約為半高斯，而一般屬於文具與玩具類的磁鐵約有數十高斯。 物理學家早就知道帶電粒子有加速運動，就一定會發出輻射，而且加速越大，輻射能量越高。加速能量最低的發出無線電波，能量高些則發出可見光，更高的則發出 X 光，甚至珈瑪射線。雪可夫斯基 (Iosif Samuilovich Shklovsky, 1916-1985) 在 1953 年提出同步加速輻射的理論，是說在磁場中運動的電子，會繞著磁力線運動，並且隨著磁場強度的增強而加速，發出輻射。由於同步輻射具有偏極性，因此很容易辨認。使用偏光鏡可以輕易地確定光源是否具有偏極性，而且可以量出偏極化的方向。這種同步輻射與一般因為溫度高低所發出的輻射不同，所以又常稱為「非熱輻射」。依據觀測，蟹狀星雲所發出的電波、可見光、X 光...... 都具有偏極性。 許多人都知道指南針所指的北極，並不是地理北極而是磁北極，也就是說，地球的磁北極與地理北極並不重疊，磁北極隨著地球自轉繞著地理北極轉。同樣的情形也發生在中子星上，中子星的磁北極與地理北極並不重疊，中子星的磁北極也隨著中子星的自轉而快速地繞著地理北極轉。在中子星南北兩個磁極區域的磁場最強，所以由極區發出很強的輻射。如果中子星的自轉軸角度傾斜適當，則當中子的磁極區對著我們時，可以觀察到由磁極區發出的輻射；而中子的磁極區轉到背面時，就看不見由磁極區發出的輻射了，這就形成了類似燈塔或警示燈一閃一閃的脈動效果。天文學家相信，波霎便是快速自轉的中子星所發出來的電波脈動。 到目前為止，哈伯太空望遠鏡是人類製作光學品質最精良的望遠鏡，是高科技產物下的藝術精品。哈伯太空望遠鏡在 1990 年進入環繞地球的軌道後，不負眾望傳回許多令人驚艷的影像。在 1996 年拍攝的蟹狀星雲影像中，顯示蟹狀星雲中環繞「波霎」的區域，產生了往外傳播的波動，而且傳播速度高達光速的一半。另外，也觀察到在兩極沿著自轉軸外移的噴流，在這噴流的尾端還可以看到震波高速掃過周圍物質累積成的弓形波形。 蟹狀星雲與 X 光 由於地球大氣吸收了對人體有害的 X 光，來自太空的 X 光在高空四十多公里處就被吸收殆盡，因此無法在地面上進行 X 光波段的天文觀測。早期的 X 光偵測儀是載在探空火箭上，升入大氣對流層以上的高空去偵測太空中的 X 光源，其解析度並不高，無法確定 X 光源的精確位置。 金牛座是黃道十二星座之一，月球軌道大致與黃道相近，月亮大約每隔十年會有幾個月的時間經過蟹狀星雲。美國海軍研究實驗室 (US Naval Research Laboratory, NRL) 的佛萊德曼 (Herbert Friedman) 及其研究群，利用月球經過蟹狀星雲的機會，在 1964 年藉載有 X 光偵測器的探空火箭進行觀測，確定蟹狀星雲會發出 X 光，並且清楚顯示 X 光並不是局限在其中一個點源上，而是整個蟹狀星雲都發出 X 光。這是第一個被確認的太陽系外的 X 光源。計算顯示，蟹狀星雲在 X 光波段所發出的能量，是太陽所有輻射總能量的一千倍。 哥白尼 X 光天文衛星在 1974 年 10 月 7 日利用月球經過蟹狀星雲的機會，證實整個蟹狀星雲大致均勻地發出 X 光，也顯示蟹狀星雲發出 X 光範圍的中心與波霎並不重疊。同時，利用探空火箭也觀測到同樣的現象。這種情形顯示，電子被強大磁場同步加速的過程遍及整個星雲，並不是只限於在波霎附近。而且，強大的磁場能夠將帶電的游離氣體加速，就說明了星雲膨脹加速的原因。 錢德拉 (Chandra) 是目前解析度最高的 X 光太空望遠鏡，解析度小於一角秒，相當於分辨在一公里外的一元硬幣大小。所拍攝的蟹狀星雲影像整體呈現模糊狀的鐘型，波霎周圍呈現明顯的環狀，內環直徑大約是一光年。而一道噴流狀構造延著垂直環狀的方向由波霎處噴出。 蟹狀星雲距離我們約 6,300 光年，直徑大約是 10 光年。總亮度大約是 8.4 星等，因此很容易看見它。比較各波段所拍攝到的蟹狀星雲影像，顯示 X 光範圍最小，無線電波範圍最大。錢德拉 X 光所拍攝的影像大約是可見光星雲的 40%, 但是可見光影像大小只有無線電波影像的 80%。 中國宋朝在 1054 年第一次觀測到天關客星，歐洲在 18 世紀注意到蟹狀星雲，到了 20 世紀初期發現蟹狀星雲在膨脹中，而蟹狀星雲中的波霎約在三十多年前被發現，上下歷時一千年，並且伴隨著電波望遠鏡、X 光望遠鏡、光譜...... 等技術的進展，才見識到蟹狀星雲的各種面貌。同時，也伴隨著同步加速輻射、中子星、重質量恆星演化等理論的發展，才將天關客星、蟹狀星雲、超新星與波霎等串聯起來，也才對超新星與蟹狀星雲的本質有具體的認識與了解。重現了重質量恆星演化末期的情節，了解經由超新星爆炸後，產生中子星與波霎的機制，以及殘骸膨脹的各種性質。 蟹狀星雲事件顯示天文觀測與紀錄的重要性、天文學傳承與開創新局的關聯，以及理論與技術相互激盪所產生的波瀾。正是這種多元與創意的環境，才認識到原先個別獨立研究的事件不過是重質量恆星在演化末期的一連串過程：蟹狀星雲、中子星、波霎、同步加速輻射......, 有如一顆顆晶瑩剔透的珍珠，天文學家匯集所有「珍珠」後抽絲剝繭，整合成一串「貫穿全局」的珍珠項鍊。 附錄 角度的單位是度、分、秒。一度有 60 分，一分有 60 秒。為了與時間單位的時分秒區別，天文學家把角度的分與秒稱為「角分」與「角秒」。 偏光鏡是一種濾鏡，只讓某一偏極化的光線通過。偏光鏡有許多實用性，例如玻璃反光具有偏光性，因此要從玻璃櫥窗外拍攝櫥窗內的景物，在鏡頭前面加上偏光鏡，旋轉到適當的角度，便能消除櫥窗玻璃的反射光，而清楚拍攝到玻璃櫥窗內的景色。大氣中的分子、綠草、雪地也反射陽光，因此戶外攝影時，也常用偏光鏡來消除反射的陽光，可以使藍天更藍、綠草更綠。而滑雪者所戴的太陽眼鏡也常是用偏光鏡所製成，可以減弱雪地的反光而比較不刺眼；偏光鏡所製成的太陽眼鏡也可以做為一般太陽眼鏡使用。如果使用兩片偏光鏡，轉動使彼此的偏光性質互成 90 度，則會將光線全都濾掉成為一片黑暗。 相關網站 http://www.seds.org/billa/twn/n1952x.html http://seds.lpl.arizona.edu/messier/m/m001.html http://sirtf.caltech.edu/Education/Messier/m1.html

新一代電腦與通訊網路科技:放另類風箏–翱翔於無線通訊網路的天空

控制另類風箏的工具 在無線通訊領域中，我們可以用光或無線電波來當做傳輸的媒介。其中利用光做為傳輸媒介的技術，主要包括紅外線與雷射的使用；而利用無線電波做為傳輸媒介的技術，最主要包括微波的使用、展頻及多工存取等技術。以下即針對上述幾項技術的特性略做說明。 紅外線 (infrared, IR) 經常使用於家電設備與筆記型電腦中，做為遙控或資料傳輸之用。因為紅外線是光的一種，具備直進的特性，也就是兩個通訊的端點必須彼此看得到對方，才能將訊號傳遞到對方。由於光無法穿透非透明物體，所以中間也不能有任何阻隔物。近年來新開發的散射式紅外線傳輸，就可以運用散射的原理，克服直進的限制；如此一來，通訊的雙方只要處於同一個密閉的空間 (如房間或辦公室) 內，便可傳輸訊號。另外，全方向紅外線則利用架設基地臺的方式，提供基地臺四周的工作站以定向的方式與基地臺連接。 雷射通訊就是利用光束能量集中的方式，將訊號射出，最主要是採用發光二極體 (LED) 或半導體雷射。由於雷射不易散射的特性，除了攜帶訊號的能力強外，也增加連線的距離，使通訊的兩個端點可以在比紅外線可及的距離更遠的環境下傳輸資料。因此，適合於點對點間的無線網路。 微波通訊：我們知道電波的頻率與波長成反比，頻率愈高者其波長愈小，它在空氣中傳輸時距離可以愈遠，由於波長短的關係，所以稱作微波。而窄頻微波傳送，是利用特定之高頻短波長的電波傳送，提供遠距離無線連接的點對點間訊號的傳輸；但是，微波通訊的兩端點也必須在相互看得見的方式下進行通訊。因此，我們時常聽到所謂的微波中繼站，便是藉由架設地面高塔的方式，來克服因地球天然屏障或是建築物所形成的阻隔，讓兩點在高空互相看得到對方。此外，因為我們使用特定的窄頻，可以將頻段限制在非常狹窄的範圍內，所以能夠防止不同通訊頻道間的相互干擾。 展頻的技術源自軍方，這是因為展頻技術具有抵抗干擾、不易被偵測以及可靠傳輸的特性，吻合軍事通訊的需求。一般窄頻的作法容易受到同頻率的其他通訊來源所干擾，導致通訊不良的現象。而展頻是利用將訊息展開到一個較寬頻帶的技術，再以此寬頻來攜帶訊號；當遇到雜訊或其他訊號來源的干擾時，由於這些干擾源所涵蓋的頻帶寬沒有展頻技術那麼寬，所以干擾源不會完全覆蓋所有的頻帶，展頻訊號依然可以順利傳遞。 多工存取：通訊是指在某一時間點時，利用某一個頻率來傳某一個數碼。因此，若想將多個訊號源一起進行通訊，那就必須適當地管理每一個訊號源傳輸的時間、頻率或是數碼，於是便發展出分時多工存取、分頻多工存取與分碼多工存取的技術。 所謂分時多工存取，是利用不同訊號源在不同時間點傳輸的方式來避免互相干擾。至於分頻多工存取，則是將不同訊號源分配到不同頻率上進行傳輸，干擾的狀況便可消除。至於分碼多工存取則是展頻技術的一種，透過不同訊號源乘以互相正交的不同假亂碼 (orthogonal pseudo-noise codes) 的方式來避免彼此的干擾；所以，即使兩個訊號源在同一時間點傳出同一個訊號，這兩個訊號經過不同的假亂碼編碼後，彼此已不會干擾。 無線的網路系統 無線網路依其所涵蓋的地理面積大小，大致上可區分為無線個人網路、無線區域網路及行動廣域網路三大類。無線個人網路涵蓋面積約為方圓 10 公尺的範圍，最主要的目的是將個人所能擁有的各種電子設備，透過無線個人網路互相連接。無線區域網路則是適用於辦公室、大樓、甚至校園的區域，提供使用者一個無線上網的途徑。至於行動廣域網路，所涵蓋的範圍通常普及一個城市、一個國家，甚至跨國的地球村。 無線個人網路 藍芽 (Bluetooth) 是一種短程無線電科技，可以串聯通信、資訊等產品的可攜式終端機，讓各產品彼此能自由傳送寬頻訊息的新技術。藍芽名稱的由來是紀念在西元十世紀，一位統一挪威和丹麥的維京國王哈瑞德。布雷坦 (Harald Blatand), 這位國王的稱號由丹麥文翻譯成英文恰好是「Bluetooth」。因為參與技術開發的組織，希望這項新技術能在一個標準下，整合所有的電子通訊產品，所以就以此字「Bluetooth」作為該項技術的命名。臺灣業者為了強調這個技術及應用尚在萌芽的階段，遂將 Bluetooth 譯為「藍芽」。 藍芽的概念誕生於一九九四年，是由電信大廠易利信公司的無線通訊部門所研發出來的。當初這項計畫，主要是為了提供手機和各種電子設備之間，一套低功率、低成本的傳輸方式，目的則是為了移除行動電話、耳機、電腦等設備之間的複雜線路。 藍芽是以小型化的基頻模組晶片，裝置在終端器中，使用無線電傳輸的一種技術。它可以在一定範圍內的不同設備間，作短距離的訊號傳遞 (10 公分到 100 公尺), 而且不具方向性，加上成本便宜，因此被視為是未來幾年內各類數位產品間最佳的無線溝通技術。 藍芽具有以下的特點：通信模組小、安裝容易、耗電低，可搭載於各式各樣的機器上；完全數位信號，聲音、影像、數據都可傳送；可實施一對一或是一對多機器間的雙向送、收信；不需連接線及複雜的網路設定，無線數位網路的架設非常容易。 藍芽的技術規格包括使用二十四億赫茲 (2.4 GHz) 頻帶 (2,402 MHz ~ 2,480 MHz)、相鄰兩頻道間隔為一百萬赫茲 (1 MHz = 106 Hz)、總頻道數為 79 頻道、一秒可傳出一百萬個符號位元、最大傳送速率約為每秒 720 千位元 (Kbps); 而其傳送距離則在標準半徑約 10 公尺，最大半徑約 100 公尺的範圍。而且數個使用藍芽的設備可以形成一個分網路，在一個分網路中，必定有一個設備擔任主節點 (Master), 而其他的設備則為奴節點 (Slaves)。此外，數個分網路可以互相連接成一個擴張網路。 一九九八年五月由英特爾 (Intel)、易利信 (Ericsson)、諾基亞 (Nokia)、國際商務機器 (IBM) 及東芝 (Toshiba) 組成一個藍芽特殊利益小組 (Special Interest Group,SIG), 來發展與制訂藍芽之短距離射頻、無線連接技術的技術標準。到一九九九年六月，SIG 共有 751 個會員，包括康柏 (Compaq)、戴爾 (Dell)、摩托羅拉 (Motorola)、3Com、惠普 (HP)、朗訊 (Lucent)、德州儀器 (TI) 等世界性通訊、資訊、電子廠商紛紛響應，SIG 小組成員們並同意制定一套免權利金的標準，來降低藍芽技術的成本，使藍芽能快速普及。一九九九年，臺灣也成立了無線通訊聯盟，積極參與藍芽相關產品的開發計畫，目前已有多家廠商加入，包括宏碁、神通、英業達、廣達、仁寶、華碩、 明碁、致伸、華邦、工研院電通所及資策會等公司及單位。 藍芽是一種最新的開放式無線通訊標準，能夠讓桌上型與筆記型電腦、個人數位助理 (PDA)、行動電話、印表機、掃描機、數位相機、甚至家電用品，以無線方式進行短距離連接的最新技術。這種技術使用了全球適用的二十四億赫茲 (2.4 GHz) 公開頻道，以確保能在世界各地通行無阻。 藍芽的應用大約可涵蓋三個領域：(1) 取代纜線：提供所有行動裝置的無線傳輸功能，如語音傳輸的免持式聽筒、數位傳輸的周邊設備，或是指令傳輸的控制設備等。(2) 個人隨意網路：建構一個隨時隨地提供網路通訊的環境，以分享網路內其他電腦的資源。(3) 網路存取裝置：透過有線網路或網際網路 (Internet) 的存取，讓使用者以無線方式存取網路上所有的資源，以提供更廣泛的網路傳輸應用。 藍芽可以使影片或科幻小說的場景逐一實現，舉例來說，透過藍芽可以讓筆記型電腦不需用電纜線就可與行動電話連接，這樣就可以用行動電話上網或接收電子郵件，同時在行動電話周圍 l0 公尺以內的各種數位電子產品 (例如數位相機) 都可同時連線。因此，當你在把資料或相片存入手機時，桌上的電腦也會同時自動更新資料；或是當你回到家時，家裡的鎖可以用無線的方式自動打開，迎接你回家，房間及走廊的燈會自動打開，家裡的空調也會開到預先設定的溫度。總之，透過藍芽無線技術，我們將可以在任何時間、任何地點，很容易、很簡單、很迅速地取得我們想得到的資料。 藍芽的未來藍圖跟電影的科幻片有些類似，消費者能躺在床上，透過藍芽遙控家裡所有的電子產品 (包括家庭保全系統、電話、電腦、電器周邊設備、印表機等), 等於隨時隨地可以管理、傳輸及儲存訊息。 除此之外，藍芽也可以裝在公司、汽車、公共場所 (機場或旅館等) 進行訊息傳輸，因此，以往出差時趴在牆角找接線孔的企業人士可以鬆一口氣了。有了整合家用電話、筆記型電腦、個人數位助理、行動電話，甚至衛星系統於一身的藍芽技術，無線的網路生活不再是夢想了。 無線區域網路 無線區域網路顧名思義就是利用無線電波做為資料傳導的媒介。它利用無線電波的技術，取代舊式的雙絞線所構成的區域網路，就應用層面來講，它與有線網路的用途相似，兩者最大不同的地方是傳輸資料的媒介不同。 與其說無線區域網路將用來取代有線區域網路，倒不如說無線區域網路是用來彌補有線區域網路的不足，以達到網路延伸的目的。通常在以下的情形中可以考慮無線區域網路的架設：有線區域網路架設受地理環境的限制、針對無固定工作場所的使用者 (如業務員或生產線上的監督員)、或是做為有線區域網路的備用系統等。由此可見無線區域網路與有線區域網路間的互補性。 一九八五年，美國聯邦通訊委員會決定開放兩個 ISM 頻帶 (industrial scientific medical bands), 即 2.4 ~ 2.483 GHz 與 5.725 ~ 5.875 GHz 兩個頻帶，提供給工業界、科學界、與醫學界做為實驗、開發產品及研究發展之用。上述三個行業利用此 ISM 頻帶收發訊號，是不必申請執照，也不需先經有關單位的許可便可進行。這一決策不僅滿足了當時對通訊頻帶日益增加的需求，對於無線網路發展更有著重要的影響。 到了九○年代初，使用 ISM 頻帶的通訊產品紛紛出現在市場上，為了使各種競爭的產品之間能夠互通，標準的制訂就成了重要的工作。由國際電機電子工程師協會 (IEEE) 於一九九七年公告的 IEEE 802.11 規格，如今已成為無線區域網路的公認標準。 一九九七年制定的 IEEE 802.11 無線區域網路標準，可說是無線網路技術發展的一個里程碑。IEEE 802.11 標準除了介紹無線區域網路的優點及各種不同效能外，也使得各種不同廠牌的無線產品可以互連。IEEE 802.11 標準的制定，使無線區域網路在各種有移動需要的環境中被廣泛接受。二○○○年八月，IEEE 802.11 標準修訂後更臻完善，並成為電機電子工程師協會和國際認證標準組織 (ISO) 的一個聯合標準。 IEEE 802.11b 的技術主要是應用在高速的無線網路上，其傳輸速率為 11 Mbps, 使用距離可達 150 公尺左右，它與只是為了連接周邊設備的藍芽技術不同。雖然藍芽技術也具有網路連接功能，但傳輸速率大約只有 1 Mbps, 且距離約 10 公尺左右；因此，對於長距離、高資料量的檔案傳輸及網路應用的環境來說，就需要靠 IEEE 802.11b 的技術才能勝任了。由於 IEEE 802.11b 訊號穿透力強、傳輸距離長，所以是大型企業或辦公室最好的選擇。 IEEE 802.11 的標準也規定軟體架構應符合那些功能才能滿足整個系統的需求，主要是要求收發站具備正確收送資料的能力，另外，也考慮到傳送資料的安全性。其整體的服務包括身分確認服務、隱密性服務、連結服務、取消連結服務、分送服務、整合服務與重連結服務。 對於無線網路中傳送資料的安全性與可靠性，IEEE 802.11b 也做了相關的規定，以確保資料的安全與隱密。無線網路以電磁波做為資料傳輸的媒介，本來就比較不安全，隱密性也較低，對於不法人士的入侵竊取，相對上防備也較不易。但除了透過射頻通訊調變方法，可防止資料被竊外，再加上資料加密功能 (64 或 128 bits) 的防護，安全措施已是相當周全。在 IEEE 802.11b 的標準規格中，還有一項稱為有線安全等級協定的資料加密方式，本身透過網路位址轉換功能，形成天然的防火牆，以提供一個無線網路存取的安全機制。 因為建構無線區域網路不必申請執照，也不需要特別的技術，再加上建構成本合理，所以可以在公眾場所鋪設所謂「熱門場所」來提供無線區域網路服務。目前亞洲地區公眾無線區域網路的發展，逐步邁向成長期。熱門場所的數量日益增加，在香港、新加坡、日本等地，許多公眾場所已開始透過無線區域網路提供顧客無線寬頻上網的服務，日本電信通訊公司更宣稱將在全日本布建無線 IEEE 802.11b 基地臺。 二○○○年十二月根據國際市場調查估計，全球無線區域網路的市場值達到 13.44 億美元，比起一九九九年大幅成長了 115%, 而估計二○○一與二○○二年也分別有 54% 與 48% 的市場成長率。全球無線區域網路市場在二○○○年大幅成長的主要原因有兩點：第一是 IEEE 802.11b 產品開始普及，傳輸速率由前一代 IEEE 802.11 產品的 2 Mbps 提昇至 11 Mbps; 第二是產品的單價大幅下滑，例如無線網路卡的平均售價由一九九九年的 282 美元降到二○○○年的 188 美元。在產品性能提升及價格日趨合理的情況下，市場需求量呈現倍數的增加，使得二○○○年之後的無線區域網路市場呈現前所未有的榮景。 就目前的市場現況而言，IEEE 802.11b 規格是市場上的當紅產品，預計在未來兩年內，無線區域網路的主要產品將以使用射頻通訊調變的 IEEE 802.11b 規格的製品為主，並可望能維持兩年的高度成長榮景。至於下一代利用 5 GHz 頻帶、使用正交分頻調變、傳輸速率更高 (54 Mbps) 的 IEEE 802.11a、高速無線區域網路等技術之產品的市場，估計在二○○二年後會逐漸興起。

無線通訊及網際網路:一個想法改變世界–網際網路的誕生與發展

全球網路示意圖 什麼是網際網路？簡單地說，網際網路就是將全球各地的電腦連接起來，藉由某些電腦提供資訊，而讓其他電腦可以讀取資訊。說網際網路是人類史上最偉大的發明之一，應是毋庸置疑的。 早在一九四五年，美國麻省理工學院副校長布希 (Vannevar Bush) 在一篇名為〈我們可以這麼想〉(As we may think) 的文章中提出：人類有一天會發明出名為 mexmex 的機器，它可以儲存人類需要的所有知識，當需要時，就可以從這臺機器取得。布希的這個構想，啟發了很多人，也經由許多人不斷地努力，再加上技術上的演進，才造就了今天蓬勃發展的網路社會。 現今網路使用日趨普及，對商業界、學術界，甚至個人等彼此間資訊的交流提供了快捷的服務。網際網路時代已經是不可逆轉的潮流，而且網路還繼續以驚人的速度改變著全世界。因為網際網路，人與人溝通的方式改變了，工作的方式也改變了，使我們遨遊於網路世界時，更顯得天涯若比鄰。 話說從頭 一九五七年，蘇聯發射了人類第一枚人造衛星史波尼克，時值冷戰時期，美蘇正如火如荼地展開軍備競賽。蘇聯的人造衛星飛越美國上空的事實，對美國造成了非常大的震撼，使得美國決定開始以國家力量來主導科學發展。美國國防部立刻成立了「先進研究計畫署」(ARPA, 於一九七二年改名為 DARPA), 希望能把先進的科技運用在戰略上。 由於當時正值冷戰時期，任何電子線路都可能在核戰時遭到嚴重的破壞，無法正常運作。故在一九六九年，由美國國防部出資，BBN (bolt, baranet and Newman) 公司架設了 ARPANET 網路。ARPANET 網路研究計畫的目的正是希望能創造出一個通訊網路，這個網路即使遭到部分的破壞，還是可以互相聯繫，並強調「各電腦主機間平等的對等通訊」。 ARPANET 網路使用的是一種稱為分封交換的技術，把較大的資料切割成較小的封包，並且將每個封包給予各自的目的地位址。封包可以用不同的順序及路徑到達相同的目的地。到達後，再由目的地的電腦將所收到的封包予以重新組合起來。這種觀念稱之為動態路由，在網路上的每臺主機都扮演同樣的角色。如果敵人想摧毀某一網路連線的話，必須摧毀附近所有的主機才能得逞。 ARPANET 計畫起源於國防所需，剛開始僅有四個節點，而後開始和美國各大學的主機連在一起。到了一九七一年，ARPANET 上已經有 23 部主機。一九七三年，更跨出了美國、英國，和挪威等國的大學相連。爾後 ARPANET 開始對大眾公開，吸引了更多學術單位及私人企業投入研究。 一九七九年美國國家科學基金會 (NSF) 也開始參與網路技術研究。一九八五年撥款協助近一百所大學連上網路，一九八六年布建 NSFNET 將全美五大超級電腦中心和各大學連結在一起，使得越來越多的學術界菁英加入了這項研究。 網際網路的演進 Internet 之父 (左) 與 Mosaic 瀏覽器發明人 (右) 想讓每一臺電腦能以網路相互連結，必須透過某種規則，因此就有所謂的通訊協定 (protocol) 出現。ARPANET 剛開始所採用的網路通訊協定是 NCP (network control protocol)。在網路技術越來越複雜時，不同電腦、不同軟體、不同系統的網路之間無法相容的問題越來越明顯。一九七四年，後來被稱為「Internet 之父」的文特・瑟夫 (Vint Cerf) 和同伴開始研發一套能通行於所有電腦上的通訊協定，那就是現在電腦上網所使用的 TCP/IP (transmission control protocol and internet protocol)。漸漸地，一個能用來儲存資訊、分享資訊的工具產生了，就是由勃勒李 (Tim Berners-Lee) 所發明的 WWW (world wide web)。 WWW 在近幾年快速發展，並且廣為人們所使用。事實上，在一九九○年代中期，使用者已逐漸在增加，但鮮少有人知道其發明人竟是一九八○年代的一位英國年輕人勃勒李。 WWW 發明人，提姆・柏內茲 - 李 (Sir Tim Berners-Lee)。圖片來源：Paul Clarke 當時他剛從牛津大學畢業，進入歐洲的高能物理研究中心 (CERN) 擔任臨時的軟體諮詢工程師。他寫了一個軟體叫做 Enquire, 這個軟體是用來幫助他將研究中心眾多的同事，及個別所負責的計畫串連起來。這軟體對他而言相當有幫助，因為在 CERN 這麼大的國際性實驗機構中，來自世界各地的研究人員實在是太多了。 勃勒李的夢想是創造一個透過網路，讓每個地方、每個人的電腦裡的資訊都能連結起來，也就是一個全球性的資訊空間。剛好有兩個技術可以幫助他實現這個夢想。布希的〈我們可以這麼想〉一文，主要是描述如何以「連結」的方式來儲存資料。而後，納爾遜 (Ted Nelson) 及道格拉斯。恩格巴特 (Douglas Englebart) 也延續布希的想法，提出了超連結的概念，允許讀者能從某一電子文件立刻跳到另一文件。勃勒李在他開發 Enquire 軟體時，便使用了這樣的概念。 一九八九年勃勒李提出了在 CERN 內部建立一套資訊網的系統。起初並未獲得回應，但他依然展開自己的理想。一九九○年他完成了超文件傳輸通訊協定 (HTTP), 電腦可以利用 HTTP 在 Internet 上傳輸超連結文件。此外，為這些文件在 Internet 上的位址做了設計，他稱這個位址為 URI (universal resource identifier), 這也就是目前我們所熟知的 URL (uniform resource locator)。同時在一九九○年末，他也完成了類似瀏覽器的程式，並取名為 World Wide Web, 讓使用者可以透過此程式瀏覽他想要的資料。 為了讓 Web 能發展得更順利，第一屆 WWW 研討會於一九九四年五月二十四日在 CERN 舉行。會中正式將 Web 定名為 World Wide Web, 並且超連結網頁以勃勒李所寫的超連結標示語言 HTML (hypertext markup language) 來撰寫。 此外，他也完成了第一套網頁伺服器軟體，可儲存網頁在電腦上，並讓網頁可以讓其他使用者存取，也放在 CERN 的 info.cern.ch 上。 著名的網路公司 Novell 執行長艾瑞克。舒密特 (Eric Schmidt) 曾經說過:「如果電腦網路是一種傳統科學的話，勃勒李會獲得諾貝爾獎的肯定。」 提到 WWW 就不可不提到 馬克。安德森 (Marc Andreesen)。當 WWW 開始風行時，他還是伊利諾大學的學生，並在美國高速電腦中心 (Natiomal Center for Supercornputing, NCSA) 兼任助理。當時多數的瀏覽器都只支援 Unix 系統主機，但是這類型的主機往往價格不菲，而且使用者介面也不是那麼的近乎人性，這也造成了 Web 在推廣上的障礙。於是，安德森決定發展圖形化的介面，且能讓使用者輕易上手的瀏覽器。一九九二年，他和 NCSA 裡另一名同事艾利克。比那 (Eric Bina), 終於開發出一套新的瀏覽器，並且命名為 Mosaic。 Mosaic 比起當時的瀏覽器更具圖形化且較容易為一般使用者接受。此外，和其他瀏覽器一樣，也可以瀏覽 HTML 文件，同時還加入了其他語法例如 center 等。更特別的是，Mosaic 還加入了 image (影像) 的語法，也就是讓 Web 也可以顯示出影像圖片。雖然早先的瀏覽器也可以顯示圖片影像，但是文字與影像需要不同的檔案，而 Mosaic 則可以讓文字、圖片影像都在同一個網頁中，圖形化介面及按鈕讓使用者可以更方便地瀏覽網頁。 一九九三年，Mosaic 開放可以從 NCSA 的網頁上自由下載使用，使得 Mosaic 很快地流行起來，一周內立刻被上萬名使用者下載使用。之後，安德森來到了加州矽谷，遇到了系統大廠 Silicon Graphics 的股東吉姆。克拉克 (Jim Clark), 兩人有了組織一間網路公司的想法，於是在一九九四年中，Mosaic Communications Corp. 便成立了。Marc Andreesen 擔任技術副總，他日以繼夜積極地開發新產品，希望新產品能比 Mosaic 功能更為強大。終於，著名的 Mosaic Netscape 誕生了。 Mosaic Netscape 包含了新的 HTML 語法，讓 Web 設計者有更大的發揮空間。於是許多網頁設計師便開始將新的 HTML 語法加入他們的設計中，同時也告知使用者「使用 Mosaic Netscape 將有更好的效果」, 結果當然使 Mosaic Netscape 的使用者越來越多，讓 Mosaic Netscape 網頁設計師及使用者皆大歡喜。 Mosaic Netscape 後來改名為 Netscape, 到一九九六年有近乎 75% 的網路使用者都是 Netscape 的用戶，使得 Netscape 的聲勢如日中天。然而，好景不常，軟體巨人微軟藉由 IE (internet explorer) 積極打入瀏覽器市場，從此 Netscape 開始走下坡。 TCP/IP 與 WWW 整合 Internet 之後，加上電腦科技及多媒體的發展，Internet 以爆炸性的速度成長。遠程終端模擬 (telnet)、檔案傳輸 (FTP)、電子郵件 (e-mail) 這三種應用服務，讓網路的使用更加的方便。由於使用量日漸增加，網路頻寬的問題也隨著受到大家的重視。 美國學術界為了滿足未來網路在教學和學習上的品質與速度，一百多所大學與政府共同進行 Internet 2 的研究與開發。柯林頓總統於一九九七年十月宣布了「下一代網際網路計畫」, 預計在三年內投資三億美元，希望再次發揮政府前瞻政策的引導作用，進而奠定下一世紀網路的基礎。 臺灣於一九九○年由教育部建置的「臺灣學術網路 (TANet)」, 實為我國網際網路肇始之基；翌年十二月，「臺灣學術網路」以 64 Kbps 數據專線連接美國普林斯頓大學，開啟了國際連網的第一步。目前更由財團法人國家實驗研究院國家高速網路與計算中心負責「臺灣研究網路 (TANet2)」(http://www.tanet2.net.tw)。其目的即為引進下一代網路技術，讓我國網路技術的研究可與國際同步。利用下一代網路所提供的高頻寬、低延遲，與保證頻寬的特性，刺激更多創新的網路應用產生，同時藉由積極參與國際標準的訂定，進而提升國內網路研究的地位。 對社會的的影響 Internet 從學術研究網路轉成商用系統後，因其技術成熟、網路使用價格便宜、資源的豐富與連通範圍的廣大，深深受到人們重視，加上 PC 與多媒體技術快速發展，簡化了電腦使用方式，使得一般大眾買得起電腦與敢用電腦，在這些驅動力下，Internet 急遽地成長。 自從人類發明了文字、紙張、印刷術，利用「文字媒體」擴展了溝通的空間範圍。如今我們已經可以運用電腦與網路的技術，將各種溝通媒體如文字、圖像、聲音、影像、動畫和錄影結合成不同的「多媒體系統」, 隨時隨地與不同時區、不同地點的人互通資訊。 Internet 已經是我們工作、娛樂、進行社會活動的地方。電子商務的興起，打破了傳統交易的方式；網路聊天室的匿名文化，使得一些互不相識的人能夠侃侃而談；線上遊戲的虛擬世界，也透過了網路而使得遊戲不像遊戲，卻像是真實的現實社會。這些新奇的商業應用，哪是當初為了國防需要而發展網路技術的人所能預料的呢？根據經濟部技術處委託資策會電子商務應用推廣中心 (FIND) 進行的「我國網際網路用戶數調查統計」, 經彙整及分析國內主要網際網路服務業者 (ISP) 所回報的資料顯示，截至二○○一年十二月底為止，我國網際網路註冊使用人口達 782 萬人，網際網路普及率為 35%。 網路的世界快速地成長，沒有人能夠預期往後幾年網路的動向。網路設計者甚至沒想到 e-mail 竟然成為人們不可或缺的工具。商業網路、學術網路甚至網路咖啡等，形成了網路世界百家爭鳴的情況。但水能載舟，亦能覆舟，雖然網路帶來了便捷，它的優點也正是它的致命傷。 色情網站的氾濫、網路犯罪事件層出不窮、駭客入侵與攻擊事件也是天天發生。電腦病毒原本是藉由傳統、單純的磁碟或磁片進行感染，但在網際網路風行之後，藉由網路快速地流竄及散播，範圍日漸擴大，所造成的損失也愈加嚴重，使得各大企業、政府機構或是個人電腦都深受影響，於是乎正邪之間的對抗天天上演，所浪費的社會成本相當驚人。雖然網路充斥著負面的影響，許多道德、法律的問題需要大家來思考，但不可否認的是，它所帶來的好處也是其它發明所無法取代的。 回首看 Internet, 我們發現，它的故事就是一部不斷革命的歷史演義，起初是先有一個宏觀的架構、一個清晰的理念，再去構思如何在技術上實踐。靠著許多人的努力讓網路慢慢地趨於完美，完全超出美國國防部最初對網路的規畫。網路不斷在進步，是因為無數不求回報的理想者與科學家不斷地在為網路付出。布希所提出的〈我們可以這麼想〉啟發了許多人。我們也都可以動腦筋想一想，說不定您的想像，使您成為網路發展歷史的主角之一。

顛覆傳統的製造革命–3D列印

還在各大模型商店奔波量身訂做個人造型公仔嗎？想化身成電影裡的鋼鐵人擁有機械手臂卻無計可施？現在，3D 列印能輕鬆完成你的夢想。3D 列印如火如荼的發展，一台 3D 列印機、一捲塑膠原料，就能完成列印服務，更是熱門創業新業態，美國總統歐巴馬甚至將它喻為第三次的工業革命。2013 年 11 月這項技術又有了新突破！顛覆以往使用的塑膠原料，已經能使用金屬粉末雷射燒結固化的技術。 3D 列印 (3D printing) 其實就是快速成形技術的一種，以數位模型檔案為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，以 3D 印表機逐層列印，透過材料一層層的累積形塑物品，因此也稱為累積製造 (Additive manufacturing), 其製作過程是將想列印的產品，經由電腦繪圖校稿或掃描物體後，再傳送至 3D 印表機中，有別於傳統的切削、鑽鑿、銼修的減法方式來塑型，而是透過逐層堆疊累加的加法原理方式來構造物體的技術進行列印輸出。3D 列印以往被用來製造模具、工業設計等專業領域的模型製造，但現在已逐漸用於產品的製造，甚至可以用來製作牙齒、高科技零件等更高價值的應用。例如：3D 列印能同時製造 200 顆牙齒，而非傳統計師一次只能加工一次假牙。而 3D 列印所帶來的好處包括：取件速度快、縮短產品開發週期、精準度高、加法製造原理、及無角度限制等優勢，相較於傳統的模型製作確實帶來了革命性創新。 3D 列印的市場逐漸擴大，有更廣泛的運用。在醫療方面，3D 印表機可「列印」人體骨骼，做為手術移植之用，舉凡斷掌骨骼重建、牙齒矯正、頸椎人工椎體等等，都是醫療科學上的一大突破；博物館可以 3D 列印的複製品展示，保護原始作品不受環境或意外事件的傷害；建築工程師和設計師們以 3D 列印建築模型，達到快速、低成本、節省材料的好處，更合乎設計者的要求來完成模型製作。此外，個性化配件及飾品，例如個性手機外殼、項鍊、戒指或獨一無二的飾品，都可透過 3D 印表機列印出來。 若是 3D 列印更加普及，就更能夠激發使用者的想像力及創造力，將自行設計的產品和模型列印出來。未來相片的列印，不只是平面的照片，也可能製作成人物或動物模型。然而 3D 列印也面臨艱難的技術挑戰，3D 列印至今仍未能取代量產的原因在於成本高且技術尚未成熟，目前仍有材料限制，材料受限導致產品的品質和傳統製造比起來仍有差距，因此要能達到量產各式產品仍有一段遙遠的距離。學者們正持續研究與克服，包含如何結合好幾種材料製造物件、將電子零件整合進 3D 列印產品，以及醫療領域中人體器官的列印技術。但對於客製化及少量製造的應用而言，這項技術將逐漸闊展市場並成功開啟新的製造革命。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫─網路科技、電子商務與創業，以及虛擬社群和社交網路」執行團隊撰稿 / 2014 年 4 月) 責任編輯：林芬慧 | 國立中山大學資訊管理系網路行銷研究團隊

基因工程與社會:人類基因體解碼後的商機

「基因」是由英文字 gene 翻譯而來，原指孟德爾遺傳定律中，用以產生性狀的因子，是學者約翰生 (Wilhelm L. Johannsen) 所創。在孟德爾的假設中，這因子是個顆粒，可在細胞內分散及組合。1910 年代以後，基因就被想像成是染色體上一條條細的橫帶，或是長鏈上的念珠。染色體是在細胞分裂期時才可觀察到的構造，每條染色體先複製再分裂為二，然後均勻地分散到新細胞中。1950 年代以後，科學家們了解了染色體是由去氧核糖核酸 (DNA) 和蛋白質所組成的雙螺旋結構，而基因就是 DNA 分子上的一小段。 1975 年發明了分析及定序 DNA 分子上核酸序列的方法，到了 1980 年代，以基博特 (Walter Gilbert) 為首的一些學者，倡議以眾多科學家的力量，把人類 23 對染色體，總共大約 30 億對的核酸 序列，都解讀出來，因為他們認為，能解讀製造人類特徵的基因藍圖，就能了解疾病及發育之類的過程。細胞內基因的總合稱 為「基因體」或「基因組」(genome)。 此項建議談了幾年後，逐漸有人贊成，先是美國能源部想撥款資助，隨即被健康及福利部大肆炒作，甚至成立了國家人類基因體研究所 (National Human Genome Research Institute) 主管此事。 雖然政治人物大多不懂尖端科學，但卻也想攬些「促進科學」的美名於其身，1989 年，當時的布希總統 (George Bush) 在白宮頒發當年的國家科學及技術獎時，不免要吹噓一下他及雷根總統主政期間的科學大事，諸如太空站、超導超級對撞機及基因體定序計畫，但他還不認得「genome」這個新創的字，老眼一花就將之唸成 gnome (即地底小精靈之意)。在場的科學及技術界高級主管們，沒有一絲騷動，或許他們那時對這「人類地底精靈計畫」也不太清楚吧！但現在已由純科學研究，演變成了投資數百億美金的工業，讓我們來看看其來龍去脈。 解碼競賽 由美國官方所支持的人類基因體計畫 (Human Genome Project) 花費了約三十億美金，完成解讀三十億鹼基的工作，此計畫的領導人柯林斯 (Francis S. Collins) 對這約可塞滿兩百本電話簿 A、T、G、C (腺嘌呤、胸腺嘧啶、鳥糞嘌呤、胞嘧啶) 四字母的序列，十分地著迷，他說:「這是一本製造你我的說明書，還有甚麼比這更吸引人呢？」 此計畫在美國設立了四個定序中心，另外英國劍橋的商格中心 (Sanger Center)、 日本、法國、德國、大陸及台灣等定序中心也都協力合作，約有 1,100 位科學家投入工作，歷時近十年即將完成之際，不料卻在 2000 年 4 月，一家私人新創的小公司賽雷拉 (Celera Genomics) 卻搶得頭籌，宣告他們已完成人類基因組解碼的初稿。為何私人對人體基因有興趣呢？又何以賽雷拉公司能晚發先至？原來官方的人類基因體計畫，是有條不紊地先從人類血球及精子細胞中，仔細分離 23 對染色體，將之切成片斷，先確定這些片斷的相對位置，然後再定各片斷內核酸的鹼基順序，正像是一頁一頁有序地撕下百科全書，讀完後，再一頁一頁地組裝回去。 而賽雷拉公司的策略大不同，它把百科全書拆散開來，同時找很多人來讀，再憑語句相重複之處予以連貫回來。在它的總部，同時有上百臺基因定序儀工作，且運用超級電腦將數以千萬計的鹼基序列編纂起來。該公司在 1998 年才開張，但在 2000 年 4 月就公布已知基因染色體的位置草圖。 其實賽雷拉公司頗有取巧之嫌，它原先預定要取好幾個人的基因體，來回定序十次，才宣布「共識序列」, 但它只拿一個人的基因體，來回念了三次。而且官方所得序列，都會立刻經網路輸入「基因銀行」(GenBank) 予以儲存，並公之於世，賽雷拉公司就隨時取用官方成果，用以填補自己序列的空白處，且檢驗已知序列是否正確，其輸贏已定矣！藥物基因體學的商機 官方既已投入三十億美元，何以私人又願意投下數十億美元做相同的事呢？因為不同的人，其細胞中的基因序列，可能有千分之一的不同。例如，某一相同的基因中如胰島素基因，某一位置你可能具有 A 這種核酸，而旁邊的人卻具有 T 這種核酸，此些微的差異稱為「單一核酸的多樣性」(single-nucleotide polymorphism, SNP), 也可能是麻煩所在。 這些微的不同，使有些人因而易患某病，而賽雷拉公司的創辦人溫特 (Craig Venter) 預測，很多藥物只對群體中百分之三十至五十的人有效，甚至有可能發生的是，某人的良藥是另一人的毒藥。溫特指出，瑞如林 (Rezulin) 是針對第二型糖尿病的藥物，但它在全球使用後，卻因對某些人的肝有毒性，導致 60 多人死亡。所以將來對症下藥時，應該設計簡單的基因檢驗方法，先篩選病人是否能接受這藥，以免反被毒害，這是一種商機，像賽雷拉這類的私人公司，不但想知道一般人的基因序列，更想為不同的個體定出其特異的順序，以期預測出此人將來可能易患何種病，警示他不要使用某一種對他有害的藥物，這種私人個別的服務，是要花大筆的金錢才能得到的！利用各人基因內鹼基序列的不同，來預測藥品的功效，只是新興藥物基因學的一部分目標。用某段基因鹼基序列來預測其所轉譯出的蛋白質序列，並預測其蛋白質的空間形狀，設計出藥物來嵌入此蛋白質的立體構型中，使蛋白質功能被抑制或激發，工作極其複雜。因此一家公司無法獨立完成，需不同公司間相互合作，目前策略聯盟的公司已有不少。 例如，紐約市的輝瑞藥廠 (Pfizer) 與加州帕羅何圖 (Palo Alto) 的因賽特基因體公司 (Incyte Genomics) 結盟，賓州費城的史凱必藥廠 (SmithKline Beecham) 與洛克維爾 (Rockville) 市的人類基因體科學公司 (Human Genome Sciences) 合作，而位於印地安那波里斯 (Indianapolis) 的禮來藥廠 (Eli Lilly) 則與位在麻州劍橋的千禧年藥品公司 (Millennium Pharmaceutical) 聯姻。有些商業分析家認為，個人化醫藥到了 2005 年，會有 8 億美元的市場。 專利爭議 如果臺積電申請一項製程專利，只要它不侵犯別人的發明，沒有人反對。但在生物技術行業，若有人要以人類基因當專利來申請，一定會惹很多人反感，每個人都擁有的基因，怎麼能變成某一公司的獨有財產呢？但這些生技公司說，如果我沒法擁有某些基因的專利，就不可能花大筆金錢，去研發有關某個基因之種種突變的偵檢試劑，因為若有別家公司也可以在稍後加入研發的競爭，但他們卻已省下了早期的研發投資，這樣，有誰願當第一個投入的傻子呢？以上的論點雖不能說服很多人，但卻能說服美國專利及商標局，他們已發給因賽特公司 (Incyte) 五百多個基因專利。該公司另外也提出七千多個基因的專利申請，像人類基因體科學公司也得到一百多個專利權，另外七千多個基因之專利也在申請中。 但很多科學家仍極力反對人類基因可變成專利的做法，其中一項理由是官方科學家所得到的序列，都報告給基因銀行了，而私人公司從銀行取走序列，稍加整理便申請專利，豈不太像強盜行徑了？例如 2000 年 4 月，光是一天之內，就有三萬五千人利用銀行的資料庫，其中當然有很多是屬私人公司的科學家。另一項理由是，私人公司還不明白某基因有何功能，便拿走專利，反而限制了此基因的研究，所以華盛頓大學的威爾生 (Richard K. Wilson) 教授警告大家:「如果資訊都鎖在私人資料庫裡，只有少數人花錢才能看到，會妨礙很多疾病的研究。」 反對的聲音雖大，既然專利及商標局已經頒發了那麼多基因專利，營利公司就可以用它來賺錢，2000 年 3 月因賽特公司已推出基因體的網路商品，付錢上網的人可以訂購基因的序列資料，甚至實際已選殖到質體 (可以獨立複製的 DNA 分子) 的基因，目前付錢訂購的製藥大廠包括輝瑞、拜爾 (Bayer) 及禮來，而賽雷拉公司也在網路上販售各種基因的資訊，例如哪些基因與高血壓有關、哪些基因又跟大腸癌有關，大公司每年的訂購費，約在五百萬至一千五百萬美元間，而學術實驗室可少付些，每年在兩千元至一萬五千美元之間。 基因測試 公司拿到基因專利後，便可開發基因檢驗試劑，目前已上市及開發中的，約有七百四十多種，可以查出受試者某特定基因是否有突變。但問題是，到目前為止，我們還不知道某突變基因與疾病發展過程的精確關係，例如，現在已有方法測定杭丁頓氏舞蹈症 (Huntington's Chorea) 基因的確切序列，但還無法明確地預言某人何年將發病，及發病後的嚴重程度與進展速度。 另一項大問題是社會的歧視，如果測出一個人具有杭丁頓氏舞蹈症的基因，未來會發病，此人有可能會被雇主辭退，被保險公司退保。為了防止這類歧視，美國前總統柯林頓在 2000 年 2 月發布了一項行政命令，禁止聯邦機構利用基因資料為依據，來聘用、擢升、或解雇人，私人公司是否會跟進，尚待觀察。 生物資訊學的商機 隨著人類基因體計畫的完成，其他許多生物的基因體也正在解讀中，業已完成的有果蠅、線蟲、酵母菌及近百種的古菌類 (Archaea), 正在進行中的則有小老鼠、黑猩猩、玉米、水稻、牛、羊等。由於各公私立機構的研究群不但有極強力的定序機器，也有好的軟體，因此他們定序能力驚人，例如因賽特公司每天能解讀出兩千萬個鹼基序列，是臺灣榮陽團隊幾年來成績的兩倍。 因此，全世界每天能解出的序列資訊何止億萬，如何處理是新興的「生物資訊學」範疇，有很多公司正爭取所衍生的商機，其中最有名的是總部在德國海德堡的獅子生科公司 (Lion Bioscience)、總部在馬里蘭州比賽大的最大資訊公司 (Informax)、總部在英國牛津的牛津分子群 (公司)(Oxford Molecular Group)、總部在俄亥俄州克里夫蘭的網路基因公司 (NetGenics)、總部在加州奧克蘭的雙扭公司 (Double Twist)、總部在以色列特拉維夫的電腦基因公司 (Compugen)。 最早處理 DNA 序列的機構，是前述的基因銀行，在 1980 年代初由美國能源部贊助成立，那裡有整屋子的技術員，將在各學術刊物所公布的基因序列鍵入電腦，隨後基因銀行將資料轉到美國國家衛生研究院 (National Institutes of Health) 的生技資訊國家中心 (National Center for Biotechnology Information, NCBI) 讓研究人員可直接用網路將序列存入其電腦中。目前擁有的資訊已超過七十億個鹼基順序，私人公司也經常上網去擷取資訊。 生物資訊學是綜合 DNA 序列、基因在各組織內的表現時機、蛋白質的形狀及互動等資訊，以發展適合各種疾病的不同藥品。例如，骨質疏鬆症是因骨質不斷降低而鈣化，對中老年人造成嚴重的威脅。1993 年，在費城史凱必公司 (SKB) 的研究人員從骨癌病人的破骨細胞 (osteoclast, 是骨組織中破壞骨質，而讓骨頭再生長、修補的細胞) 中分離出特殊的傳訊核酸 (mRNA), 並拿給人類基因體科學公司的科學家分析，他們先將互補 DNA (cDNA 也即是由基因表現後的 mRNA 反向轉錄成的 DNA) 選殖及定序後，再將其序列與基因銀行已有的 DNA 序列比較，居然發現一個鈣蛋白酶基因的序列與此相似，再回頭檢驗破骨細胞內這個蛋白質，果然其數量極高，似乎是破骨細胞消蝕骨質的利器。 幾週的功夫，就讓史凱必公司知道，若想治療骨質疏鬆症，設計一個藥物來抑制此鈣蛋白酶，應該是一個極佳的方向，這可省下了不少年的盲目實驗研究，若藥物能早一年上市，則所爭取到的額外專利權保護時效，即可能值五億美元呢！所以生物資訊學的商機，在於提供一系列不同的服務，或為各大小公司提供資料庫，或設計程式以整合整個藥廠的資訊交流，或替公司預測蛋白質的形狀，或設計藥物，這種運用電腦來模擬細胞內基因互動及蛋白質結構的學問，也被叫做「矽晶內之生物學」(silicobiology), 以對照活體 (in vitro) 及試管內 (in vitro) 生物學。 蛋白體學的興起 雖然決定人類及各種動植物基因序列的工作很重要，但一旦完成，就成了過去的成就，並不足以再激發熱情。雖然還有不少剩餘工作有待處理，例如群體內的各種變異、遺傳疾病的突變基因發生在何處、以及地球上尚有數千萬至數十億種生物基因體待解讀，但目前最熱門最炫的研究方向，已轉到「蛋白質體學」(proteomics) 了。 基因轉錄轉譯的過程，係基因轉錄出 mRNA, 需經過修剪和編輯以後，再運輸到細胞質中，由核糖體將之轉譯成蛋白質，蛋白質是執行各種生理生化功能的主要物質，也是細胞出現問題時的焦點，像是房子起火時的起火點。 整個基因體雖像是大樓藍圖，但建設某一房間時，只用藍圖中的極小部分，所以各組織內活躍的基因可能只有幾百個，這一小集合，可以稱為這特殊組織的轉錄體 (transcriptome)。例如，胰臟組織內的蘭氏小島細胞充滿了胰島素的 mRNA, 而在腦內的神經細胞內，則沒有這種 mRNA。 了解了各特化細胞內的轉錄體，對純科學或應用研究都有價值。例如，1998 年美國的國家癌症研究所 (National Cancer Institute) 推動「人類腫瘤基因索引」計畫，想把各種癌症內所出現的 mRNA 都登錄下來，由政府、學術界與一些藥廠共同合作。目前已找到各種癌症中共有五萬個活躍的基因，單在乳癌細胞中就有 5,692 個，而有 277 個基因在他種組織中是關閉的，這些基因所轉譯出的蛋白質，就是人類要以化學藥品來破壞乳癌細胞的目標 (蛋白質)。為了這個目的，美國國家癌症研究所也與食品藥物管理局 (Food and Drug Administration, FDA) 推動「組織蛋白質體創始計畫」(Tissue Proteomics Initiative), 準備花費幾百萬美元，找出癌細胞內特別出現的蛋白質。 其商機很明顯，如果藥廠營收每年要成長百分之十到二十，以滿足投資人的期望，那麼每年至少要有三到五個有希望的新藥進入臨床試驗的流程中，而目前每家大藥廠每年只有半個到一個半的新藥進入試驗。故要增加數倍的生產力，就只有仰賴轉錄體學找到可以用藥品來攻擊的目標蛋白質，而精通這領域的千禧年藥品公司答應幾年內交給拜爾藥廠二百二十五個已經初步試驗過可受藥品攻擊的目標蛋白質。 晶片的興起 目前臺灣許多生技公司以發展基因晶片為主要產品，希望利用積體電路產業所精通的微蝕刻技術來製作晶片。 在非常光滑乾淨的一小片玻璃表面上，以微小探針針頭點上成千上萬個小點，每個小點內是一個生物體內特殊的互補 DNA (cDNA), 這些單股的 DNA 固著在玻璃表面上後，有能力與互補的 RNA 序列形成很多氫鍵，於是 RNA 留在玻璃表面上，不被沖洗掉。 若我們分離同一生物某一種組織細胞內的 mRNA, 並裝上一個會發螢光的小分子於 RNA 的鏈上，然後均勻地散布在晶片表面，讓 RNA 與 cDNA 配對，洗掉沒配對的 mRNA, 再用雷射光來激發螢光分子，用機器閱讀光點並測量強度，就可知道這生物的某基因在這特殊組織細胞裡是否有表現了。 這種晶片可以探知某一基因在何種組織何種生理狀態會關閉或活化，對純化研究極有幫助。相似原理的晶片，也可以用做癌症及遺傳病的篩檢，目前在美國已有很多晶片公司及成品上市，其中最有名的是加州聖塔克拉拉的親和網路 (Affymetrix) 公司，它有一種產品可同時檢查六萬種人類 mRNA 的表現，另一產品可檢驗一千七百個人類與癌症有關的 mRNA, 價格極昂貴，要做個正確的檢驗，須花費新臺幣六十萬元左右。 蛋白質體學的挑戰 既然蛋白質才是重點，處理極多蛋白質的技術是新一波商機所在，例如加州的大規模生物學公司 (Large Scale Biology in Vacaville) 及英國牛津的牛津醣科學公司 (Oxford Glycosciences) 均開發機器人來做二維膠蛋白質電泳的工作。所謂電泳，即帶電分子在電場裡會向異極游動，而分子跑的速度與它的電荷量成正比，與分子大小成反比，因此不同種的分子片斷就會分開來。如果電場在含水的膠體內，不同分子片斷分開後，不容易再混合，就達到分離的目的了。蛋白質是質量很大的分子，用二維電泳，可以把成千的蛋白質分散在平面上。 機器人的長處，在於精確地不停地把膠上的蛋白質切割下來，分析甚至定其氨基酸順序，就知道其為何種基因所表現的。 除了鑑定蛋白質的表現及功能外，蛋白質間如何互動及蛋白質的空間結構均是科學家及生技界所注目的焦點。蛋白質結構的決定，以前是用 X 光結晶學的方法，分析其繞射圖，此法需先將蛋白質製成結晶，要耗極大功夫及碰運氣，常需數年努力才能完成一個蛋白質。 目前，美國國家衛生院以兩千萬美元支助學術中心發展「結構基因體學」, 許多生技公司也相繼投入，大家都想研發出半自動且可處理大量樣品的 X 光繞射儀。惟有掌握了蛋白質的精細三維空間，才能進行「理性的藥物設計」。

以評量為基礎的線上補救教學系統

在數位學習逐漸成為趨勢的當代，如何建立有效的數位學習環境，是新竹教育大學王子華教授多年來一直在思索的問題。 王子華教授持續探究哪些策略設計才是線上學習介面中最關鍵的元素，並於 2001 年確認了應以「評量」為研究方向與重心，且研發了數種評量機制，從早期的一般線上測驗、網路形成性評量，乃至網路遊戲化評量，更於 2010 年完成一套以「評量」做為教學與學習策略的動態評量系統。 一般而言，在數位學習的介面中，學生最常使用「評量」功能以自我評量，而自我評量在眾多研究中也被認為是提升學習效益的重要策略。為此，王子華教授努力讓線上學習的自我評量機制更為完整，也不斷思索其中的關鍵策略設計，最後決定把「作答和回饋機制」作為整體設計的核心。 在傳統課堂上，老師會依教學經驗問學生一些問題，藉由學生回答來評估學生的學習狀況。若學生答錯了，老師就知道學生可能是哪裡不明白，需要多做講解。老師問的這些問題即是教學性問題，與一般評量學生程度的考題性質不同。教學性問題必須基於教學經驗，問得關鍵、問得精準，才能在教學過程中協助老師快速確知學生的學習狀況。 然而，要問得關鍵、問得精準，資深老師或許做得到，但對資淺老師就是一項挑戰了。王子華教授的動態評量系統就是模擬資深老師的問答方式，協助系統清楚掌握學生的學習狀態，再給予適當的回饋與教學。 王子華教授相信，理想的教學是老師藉由適當的發問，從學生的問答過程中掌握學生的學習狀況，再給予適當的回饋。但是傳統的教學卻是在灌輸知識後進行考試，其教學和評量是分開的。為此，王子華教授研發了動態評量系統，讓作答和回饋變成教學活動的一部分，使評量可以成為數位學習環境的教學與學習策略。 當學生進入動態評量系統後，需先經過二階段診斷測驗，系統會組成適合這位學生的個別化動態評量學習歷程。換言之，即先用二階段診斷測驗來了解學生的程度，系統再模擬老師與學生間一問一答的互動模式，依據學生的程度提出教學性問題，並依據學生的作答再給予適當的回饋以協助其學習，最後系統會再提供適合他的進階數位教材。 王子華教授的動態評量系統主要是針對「補救教學」設計的。近年來，政府大力推行補救教學，其流程是先讓學生進行補救教學科技化評量測試，成績不符標準的學生則安排進入面對面補救教學。這個流程可能會造成一些盲點，例如有些孩子只是粗心答錯了，或只有部分概念稍微不懂，就被迫進入面對面補救教學階段，而傷了他的自信心。 王子華教授認為這個流程可考慮多增加一道自我學習的階段，即學生在進入面對面補救教學前，可先藉由動態評量系統進行自主補救學習。王子華教授說:「就像生病了，有些人可以藉由改變生活作息而自我療癒，不需要吃藥。」 動態評量系統在學生參與測驗後，會知道他的哪些概念較弱，並藉由回饋逐步引導他們自主學習。若是透過電腦系統就可學會，表示他們並不需再進行面對面的補救教學，不僅可省下重複學習的時間，也讓補救教學資源可以更有效地運用。 傳統教學認為學生只要把題目多做幾遍，成績自然就會理想，於是讓學生不斷地練習題目，或重複灌輸知識給他們。王子華教授指出，學習訊息若是一次給太多，反而會造成學生的負擔，其實只給「需要」的題目和回饋即可。何況，網路的資訊龐雜，若沒有「主動推薦學習」的功能，學習將如在茫茫大海中不知所從。 王子華教授就是以評量做為教學和學習策略，讓評量扮演老師的角色，評量不只是「診斷」, 還是「教學」的一部分，使學生在個別化動態評量學習歷程中，藉由一問一答與獲得回饋的過程自主學習。未來，這套動態評量系統可望延伸發展成「線上補救教學」機制，讓有限的補救教學資源得以更有效與更充分地發揮。

近代天文學的二個新發現–宇宙微波背景輻射信號和脈衝星

小百科 50 年前，天文學家對宇宙的形成歷程有許多不同的理論和學說，如大爆炸理論 (The Big Bang)、穩恆態理論 (Steady State model)、振盪宇宙 (Oscillatory universe) 等，大爆炸是當今廣泛被科學界證實和認同的理論。大爆炸的概論 — 宇宙是由一個極高密度和高熱狀態的奇異點 (singularity) 膨脹開始而延續到現在的狀態，它是描述宇宙誕生初始的條件和後續演化的宇宙學模型。 大爆炸的理論是 1927 年由比利時的物理學家勒梅特 (Georges Lemaître) 首先提出的。1964 年由彭齊亞斯 (Arno Penzias) 和威爾遜 (Robert Wilson) 無意中測量到宇宙微波背景輻射的信號，經過詳細分析而推測宇宙太初是經過瞬間的大爆炸，延續膨脹到達今天的狀態，這初始狀態大約存在於 137 億年前。彭齊亞斯和威爾遜因這項研究成果而榮獲 1978 年諾貝爾物理獎。 脈衝星 (pulsar) 是一種中子星 (neutron star), 它會周期性地發射脈衝信號。第一個脈衝星是由研究生伯內爾 (Jocelyn Bell Burnell) 於 1967 年無意中發現的，引起指導教授休伊斯 (Antony Hewish) 的注意，進而全心投入這方面的研究。休伊斯於 1974 年榮獲諾貝爾物理獎，這是諾貝爾物理學獎第一次頒發給天文物理學領域的研究人員。1974 年，美國普林斯頓大學的赫爾斯 (Russell Hulse) 和泰勒 (Joseph Taylor, Jr.) 發現了第一顆無線電脈衝「雙星」, 他二人因這項研究獲得 1993 年的諾貝爾物理獎。 靈機一動 1964 年，貝爾實驗室有 2 位三十來歲的電波天文物理學家彭齊亞斯和威爾遜，著手建造一部微波接收器從事一些銀河系中天體的測量。其中，彭齊亞斯的博士論文指導老師唐恩斯 (C.H. Townes) 是雷射的發明者，他因雷射的發明於 1964 年榮獲諾貝爾物理獎，真是名師出高徒。 他們在測量時，發現太空傳來的信號經常有一些令人討厭而無法解釋的背景雜音，於是就開始找雜音的來源。他們發現接收器的喇叭上有鴿子的白色糞便，也有幾條電線沒接好，二個人花一整天的工夫把接收器的內外都清理乾凈，並把電線接好，但是背景雜音仍然「陰魂不散地」不斷出現。請電氣技工來看也不得要領，找不出什麼物理現象可以解釋這些背景雜音，周邊的同事也愛莫能助。 有一天，彭齊亞斯去拜訪 MIT 物理系的布克教授 (Burke), 提起微波背景雜音的困惑。布克說他上一次開會時，記得普林斯頓大學 (離貝爾實驗室只有 30 英里) 迪克教授 (Robert Dicke) 的一位學生匹伯斯 (P. Peebles) 曾經報告過一些太空背景輻射的理論計算。於是彭齊亞斯就打電話向迪克教授求教，希望他可以提供解決背景雜音的線索。 迪克在通完電話後就向他的學生說:「我們被人搶先了。」原來迪克的團隊正在做宇宙微波背景輻射的計算和實驗，而彭齊亞斯和威爾遜在貝爾實驗室得到的背景雜音就是這個實驗。很快地，貝爾實驗室和普林斯頓的研究人員就聚在一起討論，彭齊亞斯和威爾遜恍然大悟，那些測量到的微波信號並不是雜音，而是宇宙大爆炸後的「餘音」。不久，貝爾實驗室的實驗結果和普林斯頓大學的理論計算的二篇論文同時刊登在《天文物理學刊》(Astrophysics Journal, 142:414; 142:420, 1965) 上。彭齊亞斯 (左) 和威爾遜 (右) 因宇宙微波背景輻射的研究榮獲 1978 年諾貝爾物理獎。 重要性 大爆炸理論的框架是基於愛因斯坦的廣義相對論，並在方程式的求解上做了許多簡化，如空間的均勻和各向同性。物理學家推測，原始的宇宙是由極高密度和極高溫度的核子反應形成，先由最小的氫原子開始，繼而有氦、鋰等，這也說明為什麼宇宙間存在著豐富的低原子量元素。如果能用大型粒子加速器在類似條件下進行實驗，有可能驗證這一理論。但是當前的加速器所能達到的能量有限，要用加速器證明宇宙膨脹的理論有技術上的困難。 1929 年，美國物理學家哈柏 (Edwin Hubble) 通過天文望遠鏡的觀測，發現地球與星系的距離和這些星系的紅移 (red shift) 成正比。也就是說，遙遠的銀河星系和星團都一直在快速地遠離地球，而且比較遠的星系的移動速度較快，因此當前星系和星團間彼此的距離不斷地增大，這說明了膨脹宇宙的觀點，也稱作「哈柏膨脹」(Hubble-type expansion)。 1964 年，彭齊亞斯和威爾遜發現了宇宙微波背景輻射雖屬意外，但他們的專業訓練是電波天文學。他們測量到的微波背景輻射溫度是 7K, 而且是各向同性的，後來發現這些背景雜音很接近黑體輻射溫度 3K 的訊號，因此彭齊亞斯和威爾遜的實驗提供了膨脹宇宙 —「大爆炸」理論 — 的一個有力證據。 大爆炸理論 — 宇宙是由一個極緊密、極熾熱的奇異點膨脹到現在的狀態。 脈衝星的發現 1967 年夏天，劍橋大學卡文迪斯實驗室 (Cavendish Laboratory) 的一位 24 歲的女研究生伯內爾檢測電波望遠鏡收到的信號時，無意中發現有些信號具規律脈衝，脈衝周期是 1.337 秒，而且十分穩定。伯內爾向她的指導教授休伊斯報告這個觀察結果，接著每天晚上 12 點鐘的時候，又測量到這些脈衝信號，起初她以為這是外星人「小綠人」(little green man, LGM) 發出來的信號。 到了 11 月初，一些脈衝信號變得非常強，於是伯內爾就開始找以前的實驗紀錄，發現以前也有相同的脈衝信號，只是沒有人理會而已。在接下來不到半年的時間，又陸續發現了數個脈衝信號，他們認為這是新的天體，稱為「脈衝星」。脈衝星的發現是 20 世紀天文學的「四大發現」之一；上述的宇宙微波背景輻射是另外一個大發現。休伊斯教授本人也因脈衝星的發現和研究而榮獲 1974 年的諾貝爾物理獎，但是伯內爾小姐未能同享殊榮，學界對這頗有微詞，不過伯內爾本人並沒有提出嚴重的抗議。 1968 年，有人提出脈衝星是快速旋轉的中子星。中子星具有強磁場，運動的帶電粒子會發出同步輻射，形成和中子星一起轉動的電波束。由於中子星的自轉軸和磁軸不重合，每當電波束掃過地球時，地球會收到一個脈衝。 脈衝星輻射電波會消耗自轉動能，因而自轉會逐漸放慢。但是這種變化非常緩慢，因此信號周期的準確度比原子鐘還高。而從脈衝星的周期就可以推測出它的年齡，周期越短的脈衝星越年輕。 1974 年，美國普林斯頓大學的赫爾斯和泰勒發現了第一顆無線電脈衝雙星，它們是兩顆互相環繞的脈衝星，軌道周期是 7.75 小時，軌道的偏心率是 0.617。當兩顆子星靠得很近時，極強的引力輻射會導致它們的距離愈加靠近，軌道周期會逐漸變短。通過精確的測量，無線電脈衝雙星軌道周期的變化可以間接證明引力波的存在，對驗證廣義相對論有很大的貢獻。他們二人因這項研究而榮獲 1993 年的諾貝爾物理獎。 恆星在坍縮成半徑很小的中子星後自轉速度變得非常快，電磁波只能從磁極的位置發射出來，形成圓錐形的輻射狀態。 掌聲回響 雖然這些天文的發現是無意中得來的，但是他們的專業和學術訓練使他們能專注投入研究而能有創新的解釋，這過程就是科學研究的程序。下次如果你有不解的疑惑，必須追究到底，說不定那不解的疑惑就是一個大發現。 註：大爆炸理論已經被主流物理宇宙學界接受，而許多宗教團體對大爆炸理論也做出了種種反應，有些很快就接受了大爆炸理論的科學依據，進而試圖把大爆炸理論和他們自己的教義併合，如基督教說大爆炸理論與「創世紀」的經文記載不謀而合。 深度閱讀 脈衝星的研究者：休伊斯、赫爾斯、泰勒。 Roberts, R.M. (1989) Serendipity: Accidental Discoveries in Science, Ch.19, John Wiley & Sons, New York, NY. Bryson, B. (2003) A Short History of Nearly Everything, Ch.1, Broadway Books, New York, NY. 黃崇源 (民 99) 膨脹的宇宙，科學發展，455,53-59。 http://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang http://en.wikipedia.org/wiki/Pulsar

奈米科技與DNA感應器

近年來，由於生物科技的進步，不斷地研發出許多新型生物檢測方法，其中用來檢驗特定基因中去氧核醣核酸 (DNA) 序列的技術更是蓬勃發展。 所謂基因就是一段特定序列的 DNA, 以去氧核醣與磷酸酯為主要骨幹，並含有四種鹼基：腺嘌呤 (A)、鳥糞嘌呤 (G)、胸腺嘧啶 (T) 與胞嘧啶 (C)。在兩條單股 DNA 之間，由於化學結構的相互吻合，可藉由 A 與 T,G 與 C 之間形成特定的氫鍵而相互吸引，構成雙股螺旋狀的 DNA 構造。 科學家可由一股已知的 DNA 鹼基序列，推測出互補的另一股 DNA 鹼基序列。例如，一條 DNA 序列為 AATTCGC, 則其互補序列就是 TTAAGCG。當二者序列完全吻合時，其間氫鍵吸引的力量最強；相對的，即使只有一個鹼基無法配對，就會使結合力減弱，在此種狀況下可以藉由增高溫度或是改變其所處溶液中的離子濃度，使錯誤配對的 DNA 序列脫離。 在長鏈 DNA 骨架中，以每三個鹼基為一密碼組，一個密碼組隱藏著一個特定胺基酸的信息。特定的基因在細胞核內先轉錄成信使核醣核酸 (mRNA),mRNA 即可攜帶錄自 DNA 的訊息經由核膜上的核孔到達細胞質，利用細胞質中的核醣體轉譯合成出特定的蛋白質，進而執行其在細胞中的生理功能而完成該基因的指令。有時即使僅有一個鹼基異於正常的基因序列，都有可能造成嚴重的生理缺陷。某些遺傳疾病，可藉由 DNA 的檢驗早期發現，及時治療。 科學家往往藉著此種 DNA 互補配對的特性，應用於基因檢測上。簡而言之，可先利用 DNA 合成儀製造一些特定的單股 DNA 序列，再藉由其互補配對的特性就能「抓住」欲檢測樣品中可與其配對的 DNA 序列。本文中介紹美國西北大學化學系莫金 (Chad Mirkin) 教授所領導的研究團隊所發展的三種以奈米科技為基礎的 DNA 檢測方法，這些方法首次將奈米科技與 DNA 序列結合應用於感應器上，其敏感度與選擇性均有重大突破。 奈米的特性 所謂奈米是一種長度的單位，而且是極為微小的一種單位。1 奈米為 10—9 公尺，大約是 10 個氫原子的併排寬度，這可能還是無法提供具體的奈米概念。若以人類身體構造為例，頭髮的平均直徑大約在 350 微米左右，也就是說約有 350,000 奈米，紅血球的直徑約為 7,500 奈米。 當物質以奈米級的大小存在時，不僅是體積的縮小，其導電性、磁性、電阻性、光學、物理及化學性質也會有很大的改變。舉例來說，這種 DNA 感應器所利用的材料是金 (Au) 奈米粒子。在一般人的認知中，黃金是黃色並帶有金屬色澤。但是，當它以奈米大小的粒子形式存在時，光學性質會因體積的極度縮小而有所改變，隨著粒徑的逐漸縮小，顏色的變化依序為黃、橘 (約 100 奈米)、綠 (約 50 奈米)、暗紅 (約 13 奈米)。不但如此，當奈米粒子的直徑、形狀稍作變化時，也會顯現出不同的顏色。 一般而言，圓形的奈米粒子較易製備，而製造三角形與三稜鏡形奈米粒子雖較困難，但均已找出製備的方法。因此，只要操縱顆粒的大小、形狀與種類即可達到不同的呈色結果。 下述三種 DNA 偵測技術中，都是利用金奈米粒子為材料，第一種是利用 DNA 抓住奈米粒子而呈色；第二種是以金奈米粒子顏色變化的特性為基礎，增加溫度後即可鑑別不同的 DNA 序列；第三種則是利用 DNA 促成奈米粒子整齊排列，進而形成電流通路，而達到偵測 DNA 的目的。由於這些偵測技術的選擇性極高，即使 DNA 片段中僅有一個鹼基的差異，亦能分辨得出來，因此應可取代螢光呈色的技術而應用在基因晶片上。 掃描式 DNA 感應器 莫金教授的研究群發表的掃描式 DNA 感應器，是以金奈米粒子的呈色為基礎。它的原理是以人工合成兩種不同長度的單股 DNA 序列，各為 12 個與 15 個鹼基，將它們分別固定在玻片與直徑約為 13 奈米的金奈米粒子上，在金奈米粒子上所連接的 DNA 序列稱為探針序列，另外在載玻片上的 DNA 序列稱為捕捉序列。這兩種 DNA 序列可分別與欲測樣品中具有 27 個鹼基長度的標的 DNA 的兩端互補配對，形成類似三明治般的構造。 如同一般的基因晶片，掃描式 DNA 感應器是預先在載玻片上將許多不同的 DNA 序列 a、c、d、e 等予以固定。其中只有序列 a 才能與標的 DNA 序列 (ab) 的一端形成互補配對。三者混合後，序列 ab 分別和玻片上序列 a 與金奈米粒子上的 b 形成結合。再用緩衝溶液將未配對或多餘的 DNA 序列清除。若樣品中標的 DNA 序列的濃度夠高，則會顯出淡淡的粉紅色，再以含有硝酸銀的溶液處理，由於金奈米粒子可促進銀的沈積，便可呈現黑色。 利用此種配對原理，可將金奈米粒子間接地固定在玻片上。當其序列間的鹼基能完全互補配對時，其結合力最強，若無法完全配對時，結合力即減弱，因此可藉著增加溫度，而使得非標的 DNA 序列脫離。 在經過增溫處理以確定僅存專一性結合後，存在的足量金奈米粒子會使樣品呈現粉紅色 (樣品莫耳濃度為 10-8、未以銀離子顯影液處理者), 但是當樣品中的標的 DNA 濃度降低時，粉紅色即變淡，無法以肉眼覺察 (樣品莫耳濃度為 10-10、未以銀離子顯影液處理者)。 為了解決這個問題，研究人員發現可加入含有銀離子的顯影液。因為金奈米粒子可促進銀離子與顯影液中所含還原劑 (氫) 之間的反應而生成還原態的銀，銀的沉積會顯出黑色，不但容易辨識，而且可用一般傳統的光學掃描儀器偵測。利用所得深淺不同的結果以灰階加以相互比較，就可區別樣品間濃度的高低，甚至能輕易地以肉眼觀察，因此大大提升了敏感度。即使當 DNA 序列間的差異只有一個鹼基時，都能區分出來。 由此掃描式 DNA 感應器所檢測的結果顯示，在較低溫時 (攝氏 40 度), 除了正確配對的鹼基 A 之外，其他三種錯誤的 G、T、C 鹼基對亦可結合。但是當溫度提升至攝氏 50 度時，僅有正確的腺嘌呤 (A) 仍然維持配對狀態，其他三種 (亦即 G、T、C) 的呈色會消失，因此決定選擇性的溫度是攝氏 50 度。若是溫度繼續升高至攝氏 60 度，即使是含有正確的腺嘌呤 (A) 的 DNA 序列也會脫離，而導致呈色完全消失。 以螢光為呈色的方法雖也有類似的結果，但是增溫範圍太小 (攝氏 15 度至 35 度), 決定專一性結合的溫度也較掃描式 DNA 感應器來得低。因此，溫度的變化只要高於正確結合的溫度攝氏 35 度，就會導致專一性結合的 DNA 序列脫離而使得呈色減弱。此外，由於實驗過程中需要反覆地以溶液沖洗，當正確序列結合的溫度太接近室溫時，會使得部分專一性與非專一性結合的 DNA 序列較容易一起被洗掉，因此其呈色普遍性地較為微弱。 由於掃描式 DNA 感應器的專一性結合溫度較高，就可以避免這種困擾。其敏感度較一般以螢光劑為呈色的方法高 100 倍，而且對於單一鹼基錯誤配對的選擇性也高出 3 倍。同時，因為掃描式 DNA 感應器的敏感度較高，對於樣品的量要求也就較低，因此優於一般以螢光呈色的 DNA 感應器。 以掃描式 DNA 感應器來偵測樣品中的 DNA 序列時，樣品中的標的 DNA 序列的濃度高低雖然可藉由灰階來推測，但是其結果僅能以黑白二色呈現，因此每次能檢測的種類數目受到較大的限制。以螢光分子為標幟的偵測法中能有顏色上的變化，較受一般檢驗人員的歡迎，而且若能以彩色呈現，就可以容許在檢驗樣品中一次含有多種待測的 DNA 序列，因此，如何將黑白變為彩色就變成研究人員的下一個目標。 彩色 DNA 感應器 簡單地說，彩色 DNA 感應器的基本原理與掃描式 DNA 感應器類似，但其差別為所用的金奈米粒子有兩種不同的直徑。研究人員研發出一種特殊的化學方法，可將與欲探測的兩種 DNA 序列互補的片段 DNA 予以修飾後個別連接在不同大小的金奈米粒子上，其粒子直徑分別為 50 與 100 奈米。其中一種 DNA (a) 與 100 奈米的金奈米粒子連結，另外僅有一個鹼基差異的相似 DNA (b) 則與 50 奈米的金奈米粒子連結。在玻片上事先固定有單股 DNA 序列 (c,d), 當此種帶有特殊序列的 DNA - 金奈米粒子，藉由標的 DNA (ac, bd) 分別與玻片上的單股 DNA 序列結合後，再以光照射，50 奈米的金奈米粒子呈現綠色，而 100 奈米的金奈米粒子則呈現橘色。 利用此方法，可偵測兩種不同的 DNA 序列。在較低溫度下 (攝氏 45~55 度), 二者均可與玻片上的 DNA 配對而呈色，但是將溫度升高至攝氏 60 度後，有差異的 DNA 片段就會因為其中唯一的一個相異的鹼基無法配對而結合力減弱，導致脫離，所顯現的綠色也因而消失。 在檢測的過程中，隨著溫度的升高，顏色隨之變化，進而綠色消失，以肉眼即可觀察到。由此結果即可判斷，能夠與直徑為 100 奈米的金奈米粒子配對的標的 DNA 與 50 奈米的金奈米粒子配對的另一種標的 DNA 含有不同的序列。 這種方法目前雖只能比較兩種樣品，但是未來仍有改善的空間。可藉著改變金奈米粒子直徑的大小或形狀的差異，產生不同的顏色而增加測試種類的數目。由於其專一性極高，不但可應用在一般的基因檢驗上，亦可用來偵測基因的單一核酸多型性 (single-nucleotide polymorphism,SNP) 差異與基因突變所導致的疾病。所謂單一核酸多型性差異是指某些基因在同種但不同的生物個體之間，其 DNA 序列僅只有一個核酸不同，雖然差異極小，但視其基因的重要性仍會造成明顯的個體差異。例如，可能會對某些疾病特別有抵抗性或是特別易受感染。 電子式 DNA 感應器 這個研究團隊又研發出另一種更靈敏的 DNA 感應器。他們在鍍有一層氧化矽的矽版上，以光蝕刻法製造出來一種微小電極，在電極間有一極細小的溝。在此溝中先固定一特定的 DNA 序列 (a), 再將電極浸入一種含有標的 DNA 序列 (ab) 與帶有另一特定序列 (b) 的金奈米粒子的溶液中。此標的 DNA 序列的兩端可分別與電極溝中的與金奈米粒子上的 DNA 序列配對結合，因此可將金奈米粒子固定在電極溝之間並形成緊密排列，再以含硝酸銀的顯影液加以處理。 因為金奈米粒子可促進銀的還原反應，而使得銀沈積在上面，浸在顯影液中的時間愈久，所沈積的銀粒就愈多，電子便可在兩極間形成通路而產生傳導，其電極間的電阻即大幅降低。因此測量電阻即可偵測出是否有 DNA 序列的配對結合。 由於非標的 DNA 序列與電極間序列無法完全配對，二者間的結合力較弱，因此使用含有特定濃度鹽類 (10 毫莫耳濃度的鈉離子溶液) 的溶液予以浸洗後，即可將電極間錯誤配對的標的 DNA 序列洗去。另外，也可以用上述彩色 DNA 感應器中增加溫度的方法來去除錯誤配對的 DNA 序列。所以可視當時偵測環境的限制，利用這兩種簡便的方法 (溶液沖洗或改變溫度) 中任意一種，來達到區分正確的互補配對 DNA 序列的目的。 研究人員並發現此方法所要求的樣品量可低至 5 × 10-13 莫耳濃度，這是一般以螢光分子為標幟的 DNA 偵測法所要求的樣品量的十分之一，而對於單一鹼基差異的選擇性更高達十萬倍。 從上述的各種檢驗方法中，我們看到科學家們針對各種問題不斷地加以解決、改進，巧妙地結合不同的科學領域，創造出更精密、更方便、也更快速的 DNA 感應器。在這些研究中，結合了有機化學、無機化學、材料科學與生物化學等多方面的知識，形成團隊，創造了更出色的研究成果。 這些 DNA 感應器可應用在各式生物檢測中，如細菌、病毒的感染、基因突變、遺傳篩檢，也可在戰爭中檢驗生物戰劑。例如，在這三種 DNA 感應器中，科學家們所設計使用的含有 27 個鹼基的標的 DNA, 就是九一一事件後名噪一時的炭疽菌所分泌的一種致命因子的基因片段。 除了上述這些檢測外，未來也用於基因缺陷的快速檢測，甚至能藉著檢測的數據提供我們許多到目前尚屬未知的解答，例如，核酸多型性差異與各種疾病、併發症間的關係，進而研發出診斷與預防的方法。人類因為有了這些成果，方能在醫療上大步邁進，期待有朝一日能達到「一切疾病，預防重於治療」的最佳境地。

光電科技:太陽電池

自從西元 1800 年義大利人伏特發明第一顆電池後，人類的生活就註定要與「電」結下密不可分的關係。1879 年美國人愛迪生發明電燈，不僅點亮了黑暗的夜晚，更照亮了人類光明璀璨的歷史文明。電的產生方式有很多種，包括：石油、瓦斯、煤、鈾、...... 等。但是這些能源的存量有限，在人類高度的開發利用下，終有消耗殆盡的一天。因此，世界各國無不積極地研發新的替代能源，太陽電池就是一種最佳的選擇。目前太陽電池已經在電力、通訊、電子產品及交通運輸等方面，占有舉足輕重的地位，尤其在太空及部分偏遠地區，更是扮演無可取代的角色。 取之不盡、用之不竭的能源 — 太陽能 隨著人類文明的進步，各種不同的能源：石油、天然氣、瓦斯、煤、鈾等一一被採用，雖然這些能源的出現，帶給人類物質生活上很大的享受，但是由於大量使用的結果，不僅使這些能源即將消耗殆盡，更使人類生活的環境受到嚴重的破壞。眾所皆知的溫室效應，就是因為燃燒效應所產生的熱與二氧化碳引起的異常現象。目前人們已經警覺到此一問題的嚴重性，並且積極著手開發新的能源。 根據國際能源代理業者估計，目前全球的石油儲存量只剩下 40 年，天然瓦斯只剩下 50 年，鈾礦只剩下 60 年，而煤礦也只剩下 120 年。因此，積極尋找新的替代能源，實在是刻不容緩。目前普遍受到國際間矚目的一種能源，就是再生能源。再生能源主要包括：太陽能、風力、水力、地熱及生物能等，它們不僅具有環保的優點，其中的太陽能更是取之不盡，用之不竭。 根據科學家的研究，從太陽表面所放射出來的能量是來自於核熔合反應，每秒鐘約有 6 × 1011 公斤的氫轉變成氦，其中有 4 × 103 公斤的質量損失，由愛因斯坦的關係式：E = MC2, 這 4 × 103 公斤的質量可轉換成 3.6 × 1020 焦耳的能量，這些能量藉由電磁輻射的方式發射出來，我們再把它換算成電力的單位，則約有 1.7 × 1014 千瓦，就算太陽光經過一億五千萬公里的距離，穿過大氣層到達地球的表面，也還有 1.2 × 1014 千瓦。只要太陽在地球的表面照射一小時所得到的能量能有效地轉換成電力，就足以供應全球一年的電力需求。如果我們能夠有效地運用此能源，那麼不僅能解決能源問題，連環保問題也可一併解決。 太陽能主要有兩種能量形式：光能與熱能。而利用太陽能來發電的技術主要有三種，第一種是利用特殊的半導體材料，製造出太陽電池，太陽電池經由光線照射後，把光能直接轉換成電能。第二種方法是把太陽能轉換成熱能，然後再利用熱能發電。第三種方法是利用太陽能與化學能間的轉換，把水分解成氫和氧，然後利用氫來發電。近年來，由於半導體工業的蓬勃發展，使得製作太陽電池的技術快速進步，製造成本亦逐漸降低，其在未來的電力結構中必會占有一席重要的地位。 太陽電池的產生 太陽電池是一種能量轉換的光電元件，它是經由太陽光照射後，把光的能量轉換成電能，此種光電元件稱為太陽電池 (solar cell)。從物理學的角度來看，有人稱之為光伏電池 (photovoltaic)。 太陽電池的種類繁多，若依材料來區分，可分為單晶矽、多晶矽、非晶矽；三至五族，包括：砷化鎵、磷化銦、磷化鎵銦；二至六族，包括：碲化鎘、硒化銦銅等。 第一個太陽電池是在 1954 年由美國貝爾實驗室 (Bell Lab.) 所製造出來的，當時是希望能替偏遠地區的通訊系統提供電源。不過由於效率太低 (只有 6%), 而且造價太高 (357 美元 / 瓦), 因而缺乏商業上的價值。 就在此時，開創人類歷史的另一項計畫 — 太空計畫也正如火如荼地進行著，而因為太陽電池具有不可取代的重要性，使得太陽電池得以找到另一片發展的天空。從 1957 年蘇聯發射第一顆人造衛星開始，太陽電池就肩負著太空飛行任務中一項重要的任務，一直到 1969 年美國人登陸月球，太陽電池的發展可以說達到顛峰。 可是因為太陽電池高昂的造價，相對地使得太陽電池的應用範圍受到限制。1970 年代初，由於中東戰爭，石油禁運，工業國家的石油供應中斷造成能源危機，迫使人們不得不再度重視太陽電池應用於電力系統的可行性。 1990 年以後，人們開始將太陽電池發電與民生用電結合，於是「與市電併聯型太陽電池發電系統」(grid-connected photovoltaic system) 開始推廣。此即把太陽電池與建築物的設計整合在一起，並與傳統的電力系統相連結，如此我們就可以從這兩種方式取得電力，除了可以減少尖峰用電的負荷外，剩餘的電力還可儲存或是回售給電力公司。此一發電系統的建立可以舒緩籌建大型發電廠的壓力，避免土地徵收的困難與環境的破壞。近年來，不斷研發出太陽電池的新結構與製造方法，其目的不外乎是希望能降低成本，並提高效率。如此，太陽電池才可能全面普及，成為電力系統的主要來源。 太陽電池的應用 太陽電池應用的範圍非常廣，如 (1) 電力：大功率發電系統、家庭發電系統等，(2) 通訊：無線電力、無線通訊等，(3) 消費性電子產品：計算機、手表、電動玩具、收音機等，(4) 交通運輸：汽車、船舶、交通號誌、道路照明、燈塔等，(5) 農業：抽水機、灌溉等，(6) 其他：冷藏疫苗、茶葉烘焙、學校用電等。 隨著電子科技的快速發展，各種電子產品也是日新月異，其中通訊與資訊產品，更成為人類日常生活中，不可缺少的用品，諸如手機、掌上型電腦與個人數位助理等，這些電子產品都必須要有電源供應才能發揮功能。因為電池沒電而英雄無用武之地的窘境，相信很多人都曾發生過，而這個問題即將在太陽能衣的上市後成為歷史。 最近德國的科學家洛雅恩與拉恩林研製出一種太陽能纖維，是由三層非結晶矽與兩層導電電極所組成的。當太陽光照射時，上層的電極產生自由電子，再經由內建電場的作用，穿過中間的非結晶矽層而抵達下層的電極，即形成一個基本的電池結構。據說這種太陽能纖維製成的衣服還可以放入洗衣機內洗滌呢！未來只要人們穿上這種太陽能衣，就不用再擔心隨身攜帶的電子產品面臨沒電而停擺的命運了。 太陽電池的發電原理 早在 1930 年代就已發現電解質電池照光時電流將會增加，證明了光生電流的現象，但一直到 1954 年第一個矽製的太陽電池才產生，當時的效率只有 6%。 太陽電池的發電原理，可以用一個構造最簡單的單晶矽太陽電池來說明。所謂的單晶矽，就是指矽原子與矽原子間按照順序規則的排列。我們知道，矽的原子序為十四，其電子組態為 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2, 其中內層的 10 個電子 (1s2 2s2 2p6), 被原子核緊密的束縛著，而外層的四個電子 (3s2 3p2) 受到原子核的束縛較小，如果得到足夠的能量，則可使其脫離原子核的束縛而成為自由電子，矽原子外層的這四個電子又稱為價電子，而矽的晶體結構是屬於鑽石晶體結構，每個矽原子與鄰近的四個矽原子形成共價鍵，如果我們在純矽中摻入三價的雜質原子，例如硼原子，此三價的雜質原子取代矽原子的位置，因為硼原子只有三個價電子可與鄰近的矽原子形成共價鍵，所以在硼原子的周圍會產生一個空缺，可供電子填補，此一可填補電子的空缺即稱為電洞。 電洞在電學中可視為一可移動且帶正電的載子，因為電洞可以接受一個電子，所以摻入的三價雜質原子又稱為受體，而一個摻入三價雜質的半導體，即稱為 p 型半導體。 同理，如果我們在純矽中摻入五價的雜質原子，例如磷原子，此五價的雜質原子，取代矽原子的位置，因為磷原子具有五個價電子，其中的四個價電子分別與鄰近的四個矽原子形成共價鍵，而多出一個自由電子，該電子為一帶負電的載子，因為五價的雜質原子可提供一個自由電子，故稱此五價的雜質原子為施體，而摻了施體的半導體稱為 n 型半導體。 一般太陽電池是以摻雜少量硼原子的 p 型半導體當做基板，然後再用高溫熱擴散的方法，把濃度略高於硼的磷摻入 p 型基板內，如此即可形成一 p-n 接面，而 p-n 接面是由帶正電的施體離子與帶負電的受體離子所組成。在該正、負離子所在的區域內，存在著一個內建電位，可驅趕在此區域中的可移動載子，故此區域稱之為空乏區。當太陽光照射到一 p-n 結構的半導體時，光子所提供的能量可能會把半導體中的電子激發出來，產生電子 — 電洞對，電子與電洞均會受到內建電位的影響，電洞往電場的方向移動，而電子則往相反的方向移動。如果我們用導線將此太陽電池與一負載連接起來，形成一個迴路，就會有電流流過負載，這就是太陽電池發電的原理。 太陽電池的材料 太陽輻射之光譜，主要是以可見光為中心，其分布範圍從 0.3 微米之紫外光到數微米之紅外光為主，若換算成光子的能量，則約在 0.4 電子伏特到 4 電子伏特之間，當光子的能量小於半導體的能隙，則光子不被半導體吸收，此時半導體對光子而言是透明的。當光子的能量大於半導體的能隙，則相當於半導體能隙的能量將被半導體吸收，產生電子 — 電洞對，而其餘的能量則以熱的形式消耗掉。 因此，製作太陽電池材料的能隙，必須要仔細地選擇，才能有效地產生電子 — 電洞對。一般來說，理想的太陽電池材料必須具備有下列特性：能隙在 1.1 電子伏特到 1.7 電子伏特之間；直接能隙半導體；組成的材料無毒性；可利用薄膜沈積的技術，並可大面積製造；有良好的光電轉換效率；具有長時期的穩定性。 我們知道矽的能隙為 1.12 電子伏特，且矽為間接能隙半導體，它對光的吸收性不好，所以矽在這方面並非是最理想的材料。但是在另方面，矽乃地球上含量第二豐富的元素，且無毒性，它的氧化物穩定又不具水溶性。因此，矽在半導體工業上，具有深厚的基礎，目前太陽電池仍舊以矽為主要材料。 矽原子依據不同的結晶方式，可區分成單晶矽、多晶矽及非晶矽。單晶矽的組成原子均按照一定的規則，週期性地排列，它的製作方法是把矽金屬 (純度為 99.999999999%,11 個 9) 熔融於石英坩堝中，然後把晶種插入液面，以每分鐘 2 ~ 20 轉的速率旋轉，同時以每分鐘 0.3 ~ 10 毫米的速度緩慢的往上拉引，如此即可形成一直徑 4 ~ 8 吋單晶矽碇，此製作方法稱為柴氏長晶法 (Czochralski method)。用單晶矽製成的太陽電池，效率高且性能穩定，目前已廣泛應用於太空及陸地上。 多晶矽的矽原子堆積方式不只一種，它是由多種不同排列方向的單晶所組成。多晶矽是以熔融的矽鑄造固化而成，因其製程簡單，所以成本較低。目前由多晶矽所製作出的太陽電池產量，已經逐漸超越單晶矽的太陽電池。 非晶矽乃是指矽原子的排列非常紊亂，沒有規則可循。一般非晶矽是以電漿式化學氣相沈積法，在玻璃等基板上成長厚度約一微米左右的非晶矽薄膜。因為非晶矽對光的吸收性比矽強約 500 倍，所以只需要薄薄的一層就可以把光子的能量有效地吸收，且不需要使用昂貴的結晶矽基板，而用較便宜的玻璃、陶瓷或是金屬等基板，如此不僅可以節省大量的材料成本，也使得製作大面積的太陽電池成為可能 (結晶矽太陽電池的面積受限於矽晶圓的尺寸)。 當非晶矽太陽電池剛發明時，由於具有低成本、製作簡易且可大面積製造等優點，有學者預言其可能取代結晶矽太陽電池，因此曾經引起廠商的興趣投入生產，從 1985 年到 1990 年初非晶矽太陽電池的比例曾到達全世界太陽電池總產量的三分之一。 但是，近幾年非晶矽太陽電池的生產比例有逐漸下降的趨勢，主要因素就是穩定度的問題。由於非晶矽材料在強烈的光線照射下，會產生缺陷而導致電流下降，造成供電不穩定。雖然目前有人採用雙重接面電池來提升它的穩定度，不過，在消費者的接受度上，仍有待努力。 除了上述以矽為主的太陽電池材料外，還有各種不同的化合物半導體材料陸續被研發出來。主要有：砷化鎵、磷化銦鎵、砷化鎵銦、碲化鎘、硒化銦銅、硒化鎵銦銅等。這些材料所製作出的太陽電池都有很高的效率，但是因為製程的成本較高，所以只用在少數特殊的用途上。 太陽電池的效率 要判別一個太陽電池性能的好壞，最重要的就是轉換效率。要如何製造才能提升太陽電池的轉換效率，一直是科學界努力的目標。主要的做法可從下列幾個方向著手: 將不透光的金屬電極作成手指狀或是網狀，以減少光線的反射，使大部分的入射陽光都能進入半導體材料中。 將表面製成金字塔的結構，並加入抗反射層，以減少光的反射量。 將金屬電極埋入基板中，以增加接觸面積，減少串聯電阻。 點接觸式太陽電池，此電池的特點為電極均做在同一面，如此可增加入射光的面積，且易於銲線。 將太陽電池製成串疊型電池，把兩個或兩個以上的元件堆疊起來，能夠吸收較高能量光譜的電池放在上層，吸收較低能量光譜的電池放在下層，透過不同材料的電池，將光子的能量層層吸收。 目前實驗室所製造出的太陽電池，其轉換效率幾乎可以達到最佳的水準，只可惜它們的製造過程多半過於複雜，而且價格昂貴，故未大量生產。 目前各種太陽電池的最高效率為：單晶矽 24.7%、多晶矽 19.8%、非晶矽 14.5%、砷化鎵 25.7%、硒化鎵銦銅 18.8%、多接面串疊型 33.3%。由於材料特性上的限制，對於結晶矽太陽電池的效率，幾乎已經達到最佳的水準，要再進一步提升的空間有限。目前比較具有成長潛力的應屬多接面的串疊型太陽電池，根據美國能源部研究人員的預測，到 2005 年時，其效率將可達到 40% 以上。 太陽電池的發展 受到能源危機及溫室效應的雙重影響，目前世界各國均大力推動再生能源的開發，其中太陽電池的市場每年均有 13% 左右的穩定成長。2000 年全世界的銷售量已經達到 279 百萬瓦，生產地以美國、日本及歐洲等為主。生產量較大的公司包括：Kyocera、聲寶、西門子、BP Solar、Solarex 及三洋等，其中 Kyocera 與聲寶兩家公司 1999 年的產量均已超過 30 百萬瓦，各占全世界總產量的 15% 以上。聲寶公司在 2000 年的產量更達到 50 百萬瓦，為目前全世界太陽電池產量最大的公司。 當前推行太陽能發電最積極的國家首推日本，日本的土地貧瘠，天然資源匱乏，因此政府非常鼓勵人民使用再生能源。1994 年日本實施獎助辦法，每戶三千瓦的「與市電併聯型太陽電池發電系統」, 政府補助 50%(逐年遞減)。在政府的獎助之下，太陽電池的發電成本幾乎與市電價格相當，而且沒有環境污染的問題，所以非常受到當地居民的歡迎。 由於申請裝置的戶數增加，使得系統成本逐年下降，因此，政府得以用相同的預算補助更多的戶數裝置。據統計，從 1994 年裝置戶數 539 戶，發電量 1.8 百萬瓦，到 1999 年的裝置戶數已超過 18000 戶，總發電量也超過 60 百萬瓦，預計到了 2003 年，裝置的戶數將可達到十萬戶，總發電量達 100 百萬瓦。由於政府的大力推廣，使得日本於 1999 年首度超越美國成為世界上最大的太陽電池生產國。 美國政府於 1997 年提出一個龐大的計畫，預計在 2010 年以前完成一百萬戶太陽能發電系統。其他諸如歐洲的德國、荷蘭、義大利，亞洲的印度、中國、伊朗等也都有類似太陽能屋的計畫正在執行。 值得一提的是，菲律賓正在推動一個大型的太陽能發電計畫，由西班牙政府與英國的太陽能公司 (BP Solar) 和菲律賓政府簽署協議，耗資四千八百萬美元，為菲律賓南部地區一百五十個村落提供太陽能電源。菲律賓是個由七千多個島嶼組成的國家，雖然人口大多集中於二千八百個島嶼，但該國的電力公司卻只有對其中的二十七個島嶼提供電力服務。主要是因為地理環境的限制，使得鋪設電纜的成本太高，不符合經濟效益，而太陽能發電則不受地理環境的限制，只要是日照良好的地區都可裝設。該計畫預計將可提供菲律賓偏遠地區的照明系統、抽水和灌溉系統、淨水及分配系統、冷藏疫苗和藥物等所需要的電源。如果能徹底落實此計畫，則意謂著即使在地球上最偏遠的角落，也能享受到人類文明的成果。 反觀國內，我國目前生產太陽電池的主要廠商包括光華、茂迪及士林電機等公司，其中光華公司自 1988 年開始即以生產非晶矽太陽電池為主，應用於計算機、手表及玩具等消費性電子產品，故市場需求不大。而茂迪公司則於 1999 年在臺南科學工業園區設廠，主要生產單晶與多晶矽太陽電池。同時，工研院材料所已開發出太陽電池的製造及封裝技術，並將此技術移轉給茂迪及士林電機公司，以推廣國內的太陽能發電事業。此外，經濟部能源委員會從 1999 年 7 月起推行「太陽光電示範與推廣計畫」, 預計 2004 年底前在國內設置七百萬瓦發電量的系統。 臺灣的天然資源匱乏，有 95% 以上的能源必須仰賴進口，而且臺灣地處亞熱帶，日照情形良好，非常適合使用太陽能發電系統。就技術層次而言，臺灣的半導體產業蓬勃發展，全世界排名第三，僅次於美國及日本。半導體製造業的人力素質高，製程能力強，因此生產技術絕對不是問題。 目前推廣太陽能發電所遇到的最大障礙就是市電過於普及，一般民眾只要提出申請就可以很輕易地得到電力，而太陽能發電系統則必須花費數十萬元來裝設，在經濟價值的考量下，要推廣實在不容易。惟以長遠的角度來看，在環保意識的普及與能源危機的影響下，太陽能發電仍有很大的成長空間，未來只要發電成本能大幅下降，在有利可圖的情況下，以臺灣優勢的條件，應該很輕易地就能夠趕上其他的國家，而在太陽電池市場上占有一席之地。 展望 太陽電池的一大缺點就是夜間不能發電的問題，日前即有日本的研究人員提出「用太陽電池與超導電線裝設全球供電系統」計畫 (Global Energy Network Equipped with Solar Cells and International Superconductor Grids), 把太陽電池用超導電線連接建構一個世界規模的太陽能發電系統，將太陽光可以照射到的地區，利用超導電線將電力傳送到黑夜的地區，即可解決夜裡不能發電問題。 美、日兩國正在進行「衛星太陽能發電廠」計畫 (Satellite Solar Power Station), 準備將數十億瓦之太陽電池，發射進入太空，由於在太空中可以免除黑夜、季節及氣候變化的影響，將太空中所獲的的電力，以微波的方式連續不斷地傳回地球，地球上的微波接收站收到後，再將微波轉換成電能。 目前太陽電池已經在一些領域中展現了優越的性能，隨著應用範圍的增加，將使工業界的生產規模擴大，並使成本逐漸降低。由於生產技術的改善，及人類對於無污染能源的殷切需求，更加使得太陽電池有可能成為未來能源的主要供應者。 人類的科技水準一直都在不斷的超越與突破，只要有需求，就會有發明。太陽電池肩負著創造人類歷史的神聖使命，相信在各研發團隊不斷的努力下，效率更高、價格更便宜的太陽電池，將會陸續發展出來。

新一代電腦與通訊網路科技:點矽成金

今日的煉金術 今天，積體電路已大量應用在各式各樣的電子產品上，從電腦、汽車、消費性電子產品到太空衛星系統等，積體電路在日常生活中可說是無所不在。什麼是積體電路？積體電路是將許許多多的電子元件做在一個約指甲般大小的晶片上，而晶片是由晶圓切割而成，一個晶片裏面含有上千萬個電晶體，有了這些電晶體，它就可以執行很多複雜的任務。 製作積體電路最常用的材料是矽，矽是地殼中很常見的元素，許多石頭的成分都是二氧化矽。平常的石頭不稀奇，但是製作成矽晶片後就非常值錢了。一片製作完成的直徑八吋的晶圓，可以切割成幾百個晶片，其總價值可以達到上萬美金，這中間的差異大得驚人。要將普通的石頭變成矽晶片，須經歷超過百道以上繁複的化學、物理和光學製作程序，這些過程是非常耗時且昂貴的，因此矽晶片與石頭之間的價值差異也就不足為奇了。把石頭變成矽晶片，可說是一項點矽成金的工程，也是近代科學的奇蹟。 矽時代的來臨 自從有人類以來，社會的演進可以用當時人類使用的器件來代表，從遠古的石器時代，到銅器時代，再進步到鐵器時代。今日，以矽為原料的電子器件的產值，已經超過了以鋼為原料的產值，人類的社會因而正式進入一個新的時代，也就是矽的時代。 矽，若依其導電程度來歸類，屬於半導體，所謂半導體就是導電程度沒有導體 (例如金屬) 那麼好，但又不像絕緣體 (例如橡膠) 那麼差。半導體在導電特性上，有個很吸引人的地方，就是其導電程度可以利用光、溫度或加入適當的雜質來控制，尤其是加入雜質可改變材料導電性的特點，是現今半導體元件製作上一個很重要的控制因素。然而目前所使用的半導體元件，何以大多採用矽來製作？其實在一九五○年代，那時最主要的半導體材料為鍺。但是由於鍺材料有一些缺點，例如鍺的含量在地球表層所占的比例很低，材料不易取得因而價格昂貴，而且鍺氧化物為水溶性，在製造元件上相當困難，諸多缺點使得用鍺材料製作半導體元件無法順利地推展。直到一九六○年代，因發現矽的諸多優點，例如矽的含量占地球表層的 25%, 容易取得，價格便宜，再加上矽經加熱可產生高品質的絕緣層二氧化矽，對於元件製作有很大的幫助。因此短短幾年後矽就取代鍺，到今日矽仍然是最主要的半導體材料。 雖然矽可以製作很多半導體元件，不過，因為其材料特性的限制，無法製作光電元件，但一些化合物半導體材料 (例如砷化鎵) 卻可以製作雷射等光電元件。此外，在外加相同大小的電場強度下，因為電子在砷化鎵裏傳輸的速率大於電子在矽裏傳輸的速率，所以砷化鎵等化合物半導體製作的元件，其操作速度比矽元件更快。但是因為這些化合物半導體價格非常昂貴，所以只見於特殊應用的產品上，而對於一般以價格便宜為首要考量的產品，矽仍是積體電路產業裏使用最多的材料。 積體電路的起源 積體電路是由非常多個電晶體、電阻、電容、電感和正負接面等所組成的電路。什麼是電晶體？電晶體 (transistor) 的英文是由 transfer 和 resistor 二字縮寫而來，意思就是轉換電阻，它可以利用一端的電壓來控制另外兩端之間的電阻，因而具有開關和放大信號的功能。電晶體由於有放大信號的功能，又稱為主動元件；反之，電阻、電容、電感等因無法放大信號，所以稱為被動元件。 在一九四八年發明電晶體前，是以真空管做為主動元件，由於體積龐大、功率消耗高、且可靠度不佳，因而限制了電子電路的發展。自從發明電晶體以後，這種以半導體為材料製成的新主動元件，因具備體積小、省電、耐用等優點，大量取代了真空管，使得電子電路邁入了電晶體的紀元。 雖然電晶體的發明改善了真空管的缺點，但是電子電路的性能與可靠度仍有待提升。因為當時的電路是把很多個單獨的電晶體、電阻、電容、電感等元件，藉由銲接技術組合起來，銲接點的品質往往影響了電路的可靠度；而且當電路愈複雜時，數量可觀的電子元件使電路的體積變大、速度變慢、功率消耗變大。這些缺點促使科學家後來找到一個改善的方法，那就是積體電路。 一個小而美的構想 一九五八年，美國德州儀器公司的基爾比 (Jack Kilby) 先生與快捷公司的諾斯 (Robert Noyce) 先生，不約而同地提出一個新的構想，他們想用鍺或矽製作一個完整的電路，也就是想辦法把以前由很多個單獨的電晶體、電阻、電容、電感等元件所組成的電路，製作在單一鍺或矽晶片上。 如此，不但可避免銲接的問題，電路的體積也可大幅縮小，因此電路的性能與可靠度有了革命性的改進，進而促成現今半導體工業的蓬勃發展。為了表揚基爾比先生 (可惜諾斯先生已於一九九○年過世) 對於積體電路的貢獻，二○○○年的諾貝爾物理學獎頒給了他，這也肯定了積體電路對於現代生活的影響。 積體電路的發展 回顧歷史，積體電路的發展有個重要的趨勢，每兩到三年，製程技術會提升一個新世代，此即著名的摩爾定律 (Moore's law)。每個新世代，元件的最小線寬變成零點七倍 (縮小 30%)、晶片複雜度變成三倍、電路速度變成一點七倍、但成本卻反而變成零點七倍，二○○二年的產品已將元件的最小線寬推進到 0.13 微米 (一微米等於百萬分之一米)。 在莫爾定律裏，元件的縮小化是積體電路進展日新月異的關鍵。因為元件縮小後，單位面積上的元件數會增加，這樣可以提高晶片的複雜度與功能。而且元件縮小後，信號傳遞的時間變短，操作的速度加快，因此電路的速度可以提升。再者，元件縮小後，單位面積上可以做出更多個積體電路，製造成本也可大幅地降低。 雖然積體電路的微縮化有上述三個好處，但要把元件做得愈來愈小是很不容易的，除了牽涉到製程技術上的限制外，在物理定律下，元件尺寸的限制也必須想辦法加以克服。 而第二個遇到的問題是，當積體電路的積集度增加到某一個程度之後，因為金屬線寬無法同樣依元件縮小的比例縮減 (這使導線的電阻上升), 以往單一層金屬層的設計，無法完成整個積體電路的連線工作，而必須以兩層、三層、甚至多到七層的金屬內連線層，來執行這項工作，因此多重金屬內連線技術乃應運而生。 但是多重金屬連線會使積體電路的表面，產生高低起伏不定的外觀，這種不平整的金屬線外觀，使得接下來做為金屬線隔離層用的二氧化矽沈積產生困難，甚至無法完全將金屬線間的縫隙填滿，嚴重時更可能導致下一層金屬層的製作無法順利進行。因此必須設法將這層因金屬線而產生高低起伏的部分平整化，平坦化技術已成為現今不可或缺的製程。 在積體電路的發展趨勢上，元件的尺寸會持續地縮小，但晶圓的尺寸反而會一直增大，從二吋、三吋、四吋、五吋、六吋、八吋到目前最熱門的十二吋晶圓。為何晶圓的尺寸要一直增大？其實使用較大直徑的晶圓進行生產，最主要的目的是要增加產量與降低生產成本。拿八吋晶圓與十二吋晶圓做比較，十二吋晶圓的面積是八吋晶圓面積的 2.25 倍，如果使用相同的製程技術，在良率相同的情況下，十二吋晶圓可產出的晶片數量約是八吋晶圓的 2.5 倍。若能設法控制十二吋晶圓技術的成本在八吋晶圓技術成本的 2.5 倍以下，就可以進一步降低生產成本。 雖然現今積體電路的功能已非常強大，研究人員本著精益求精的精神，仍不斷地思考新的發展，其中尤以系統單晶片、微機電系統與奈米科技最為熱門。 系統單晶片：系統單晶片 (SoC) 是具備完整系統架構與功能的晶片，其架構包含微處理器、記憶體、與周邊電路等。早期因為半導體製程技術的限制，元件還無法縮小到深次微米 (約小於 0.25 微米) 的範圍，導致單位面積所能製作的元件數目較少，若勉強將許多複雜功能的電路整合在單一晶片上，將會因晶片面積太大而導致良率低落。 當時的做法是將系統中所需的個別功能做在獨立的晶片上，然後在電路板層次進行組合設計。但現今元件線寬已縮小至深次微米的範圍，以目前英特爾的奔騰 4 (P4) 微處理器為例，使用 0.13 微米的製程技術，處理器內包含有五千五百萬個電晶體 (相對於一九七一年時英特爾所發表的第一個微處理器 4004, 那時是用 10 微米的製程技術，晶片內只有兩千三百個電晶體), 未來當製程技術再進步到小於 0.1 微米時，單一晶片裏將可製作超過一億個電晶體，屆時系統單晶片的構想將會實現。 由於系統單晶片是目前積體電路設計的重要趨勢，且能應用在資訊、通訊、光電、網際網路、微機電、能源、光通訊等多項產業上，因此交通大學校長張俊彥博士推出「矽導計畫」, 內容包括人才培訓、產品設計開發、前瞻平台開發、矽智材 (intellectual property, IP) 開發以及新興產業開發等五大部分，擬以系統單晶片的開發做為推動引擎，以設計、創新為導向，讓產業能夠轉型，促成我國半導體產業的躍升，以維持產業競爭力。預計在二○一○年時，相關產值可達十兆元，是現在竹科廠商產值的十倍。 微機電系統：微機電系統 (MEMS) 是指利用半導體製程技術，把機械結構做在矽基板上，這樣就可把機械與半導體元件整合在單一晶片上，做出具有多功能的全新微小系統，以提高系統的性能、品質、可靠度，並且降低製造成本。 在微機電系統裏的機械結構是可以動的，例如微鏡片、微鑷子等，其動作是由電壓或電流來控制。此外，微機電系統也可以透過溫度、壓力、氣體等的改變，影響系統的電壓或電流，以感測外界環境的變化，可對外界環境進行即時的偵測。例如在化學工廠裏，我們可以利用生物晶片，來偵測是否有毒性化學物質外洩。 微機電系統的發展始於一九九○年代，它整合了半導體製作技術、電子、機械、材料、控制、光學等多重科技，其應用更是涵蓋了微電子、資訊、通訊、生物醫學、光學、家電、汽車、航太、化學、環保等行業，因此微機電系統技術，被視為下世代的核心製造技術之一。 目前，各種以微機電系統技術加以改良的傳統裝置或嶄新的發明，如雨後春筍般出現。美、日、德等工業先進國家，已大量投資並積極研發此項新技術；國內工研院電子所的微系統技術中心，正結合半導體製程技術與微加工技術，準備開發微系統前瞻製程技術。國科會也在臺大、清大與成大，成立北、中、南三區的微機電系統研究中心，以整合各大學對微機電系統的研究，並對國內相關產業的研發環境提供協助。 奈米科技：奈米 (nanometer, 10−9 m) 是長度的計量單位，一奈米的長度是十億分之一米。物質在奈米尺度下，將呈現許多全新的特性，其電性、磁性、物性與化性等，皆與在巨觀世界時有很大的不同。例如奈米金屬塊的強度比一般金屬塊高上數十倍，同時又可像橡膠般富有彈性。所以奈米科技就是利用奈米尺度下物質獨特的性質，建構出新的材料、元件、產品以及工具的技術。 由積體電路的發展趨勢來看，元件的縮小化是積體電路日新月異的重要動力，目前這種由上往下的縮小方式，因微影等製程技術的限制，已接近極限。因此，如果能利用奈米科技直接在奈米層次製造新的元件，這種由下往上的組合方式，預期將在積體電路的功能、速度、製造成本等方面，產生突破性的進展。 民國九十一年五月，由臺灣大學物理系蔡定平教授領導的研究團隊，利用奈米光學技術，成功製造出容量超過 100 GB (一千億位元組) 的光碟片，其儲存容量為全球最大，是 CD 的一百五十倍，DVD 的二十倍，是目前國內成功利用奈米科技的實例。在國外，日本電氣公司 (NEC) 研究員飯島澄南在一九九一年發現的奈米碳管，是目前自然界裏最細的管子，美國利用奈米碳管研製記憶晶片，這種晶片的開關速度，是傳統電晶體的一百萬倍。 二○○○年元月，美國總統柯林頓宣布推動「國家奈米技術計畫」後，全球各國競相投入奈米科技的研發。我國在國科會、教育部與經濟部等相關部會的規畫下，「奈米國家型科技計畫」已經出爐，決定在未來六年內，分二個階段總共投入二百三十一億新臺幣，全面推動奈米科技研發，期使我國能迎頭趕上歐、美、日各國的研發進度，成為奈米科技產業化的世界領導者之一。 近三十年來，積體電路的日新月異，造就了點矽成金的奇蹟。今後，莫爾定律是否仍能用來描述積體電路的發展趨勢，系統單晶片、微機電系統與奈米科技會不會把點矽成金的奇蹟更加發揚光大，且讓我們拭目以待。

新一代電腦與通訊網路科技:光的峰迴路轉

光對於地球生物的重要性，如同空氣與水一般不可或缺。地球時時刻刻都有一半的表面積受到太陽的照射，植物因此得以生長，草食動物與肉食動物也直接或間接地從植物獲取生存所需的養分。動物死亡後的屍體再回歸泥土，成為植物的肥料，生物得以不斷地繁衍，而生生不息。 某些有趣的學說認為，人類對火光的使用，起源於雷電引起的森林大火烤焦了一些動物的屍體，人類發現烤熟的肉味道鮮美，進而設法由鑽木或碰撞火石來取得火苗，後來更進一步做成火把，以便取暖及照明之用。可是火到底是什麼？光的本質又是什麼呢？為什麼我們無法觸摸到它，卻又真實地感受到它的熱量呢？為何我們可以在水面上看到自己的倒影？又為什麼筆直插入水中的樹枝會出現彎折的假像呢？人類對光的探索和理解，如同在完全黑暗的甬道中摸索前進一般，過程非常艱辛而緩慢。即便是在科學昌明的今日，科學家仍對於如何駕馭這個只喜歡走直線，而且又是宇宙中速度最快的東西感到頭痛不已。似乎只要是涉及到光的元件，其研究發展就格外的緩慢。 在二十世紀中葉後 (其實也不過數十年前), 一九六○年雷射光的發明和光纖波導的觀念，正式為「光」通訊提供了一個無限的想像空間。另外，光子能隙的觀念在一九九○年後逐漸受到重視，這個觀念似乎提供一個可以控制光子的權杖，使人們可以隨意地支使光在極小體積內峰迴路轉。本文將試著描述光如何從歷史的黑暗甬道走到羊腸小徑，以及淺述光學理論和未來在通訊上的應用。 光的歷史甬道 鏡花水月常用來形容世間一些似有實無的虛幻事物，因為鏡中花、水中月只不過是光的反射，眼睛所見並非實體；而這一句成語也適切點出，物像可經由光滑平面將光反射而重現虛像的現象。根據歷史文獻記載，古羅馬時代所使用的「燃燒玻璃」, 其實就是一種凸透鏡。根據描述，它可以用來聚焦太陽光，並藉以產生火苗。此一古物已被考古學家挖掘出來，並證實其年代約在西元前一百年左右。大約在同一時期，古羅馬人也曾使用一種裝水的透明玻璃來放大物體影像，以便從事更精細的工作。由此可見人類很早就懂得運用光的折射現象了。 然而光學理論真正的發展，是在十七世紀之後。十七世紀是光科學發展的一個極為重要的時代，一些偉大的科學家在這個世紀發現了許多光的現象和重要原理，奠定了未來光科學的研究基礎。西元一六一一年，克卜勒 (Johannes Kepler) 發現光在大角度入射時的全反射現象，此一全反射現象就是目前通訊光纖內，光傳輸的基本工作原理。西元一六二一年，史奈爾 (Willebrord Snell) 發現了著名的折射定律，即 n1sinθ1 = n2sinθ2 其中，n1 和 θ1 分別為入射介質的折射係數和入射角，n2 和 θ2 則為傳輸介質的折射係數和折射角。史奈爾的折射定律是光學史上一個相當重要的發現，光的折射角度可以透過折射定律精確地求出。可是它終究只是一個現象的描述，是何種理由呢？那個時候，人們對光的本質究竟是什麼仍是一無所知。 一六六五年，虎克 (Robert Hooke) 發現光的繞射現象，並提出一個大膽假設：光如同水波一般，是一種向外擴散的能量波動。當時發現重力的偉大科學家牛頓，並不同意這種說法。事實上，當時已有一些實驗證明光具有粒子性，同時也有實驗證明光的波動性。而牛頓則傾向認為光應該是一種粒子，而且必須在一種叫做乙太的介質中才能傳播。之後的數個世紀 (十七～二十世紀), 科學家們就陷入一場光到底是波還是粒子的爭論。有趣的是，當時電磁理論的研究與光的研究幾乎是毫不相關的，也沒有人曾想過光其實就是短波長的電磁波，這個秘密一直到十八世紀中葉才被麥克斯威爾 (James C. Maxwell) 在完全偶然的情形下發現。 麥克斯威爾整合許多科學家的電磁實驗結果，將其歸納成一組具對稱性的完美方程式。從方程式中，他推導出電磁波在介質中的傳遞速度，而此純數學的計算結果居然與實驗中測得的光速值不謀而合。至此，光即是電磁波的觀念，才廣泛地被科學家們接受，而光的波動學說也因此有了難以撼動的基礎。 在科學的世界中，只有真理可以永遠存活，科學家的名望並無助於真相的釐清。牛頓對光的觀點最後被證明並不正確，乙太這種物質一直到一九○五年愛因斯坦提出相對論後才被大膽推翻，確認宇宙中並沒有乙太這種物質的存在，光不需要任何介質，可以在完全真空下傳播。至於光在實驗中所顯示的粒子性，則是隨著二十世紀量子理論的成熟才慢慢被釐清。由於量子學已經超出本文的範圍，在此就略而不提。即便是目前光波導 (optical waveguide) 的應用原理，其主體觀念也不過是光的全反射、折射定律及麥克斯威爾方程式的配合使用罷了。 全反射的應用 根據歷史記載，在古代戰爭時，人類就曾經利用銅鏡反射太陽光給遠方的陣營，以達到傳遞訊息的目的，這很可能是人類最早的光通訊方式。約從一九六○年代開始，美國及其他先進國家察覺到電話訊息流量的成長非常快速，他們預估一般電話線路系統不久將無法負荷如此龐大的資訊交流，因此積極投入研發，希望能找出有效的替代技術。其中有三種不同的科技發展：同軸電纜傳輸、微波無線通訊及光纖通訊，逐漸被認為是最可行的方案而成為主流。理論上，光纖通訊可提供最高的訊號傳輸量，然而其技術發展卻是最窒礙難行。光纖通訊困難之處並不在於光纖的製程，而是光纖兩端用以處理光訊號的光元件設計，研發尚未能成熟。 光纖波導的原理其實相當簡單，就是應用光波從高折射係數介質進入低折射係數介質時所發生的全反射現象。藉由全反射原理，光波能量被限制在內徑約 10 微米 (一微米等於百萬分之一米) 的玻璃纖維管內，做單一方向的傳輸。目前光纖製程技術已經非常成熟，市售的單模光纖能量衰減率可達每公里 0.3 分貝 (dB/km) 以下 (即每傳輸一公里，能量損失小於 6.6%)。以每公里 0.25 分貝為例，假設每當光的傳輸強度衰減至 0.1 倍時 (90% 的能量損失) 必須加以放大，則約每四十公里光纖就必須經過一個中繼信號放大器，以將訊號放大至原來的功率強度。如此，大約 20 ~ 30 個中繼信號放大器就可讓光訊號環繞臺灣一整圈。 光纖通訊之所以讓許多科學家和工程師抱以極大的希望，主要是因為它可以提供相當大的頻寬，遠超過電線電纜所能提供的寬度，而頻寬的大小，直接影響到波道 (頻率) 數目及資訊傳輸量的多寡。一條單模光纖內可以同時傳遞許多不同頻率的訊號波道，而各個波道間幾乎不會相互干擾 (或說干擾極小)。這就很像一條多線道的高速公路一般，如果我們規定各線道上的汽車不可互換跑道，則每一輛汽車可以在固定的線道上以極高的速度行駛；此外，交通流量又與高速公路的線道數目成正比。 但是問題是：如何把某一線道的車輛引出交流道或將其接引到另一條高速公路，而不會影響到其他線道車輛的行駛。在光纖通訊中，分波多工 / 解多工器 (wavelength division multiplexer/demultiplexer, WDM) 的功用是將許多波道的訊號匯流至一條單模光纖中，或是把一單模光纖內的各個波道分離出來。顯然，分波多工 / 解多工器的技術成熟度關係到光纖內可負載的波道數目，是光纖通信中關鍵性的組件。 目前已經商業化的技術有薄膜濾波器 (TFF)、陣列波導 (AWG)、光纖光柵 (FBG) 等技術。這三種技術各有優缺點，也各自占有一定比例的市場。其中薄膜濾波器由於原理簡單且製作成本低，目前約占 WDM 市場的 80% 左右。薄膜濾波器的原理是利用光的多次反射和干涉，產生出特殊的反射頻寬。由於此一原理與稍後提到的光子晶體能隙理論相似，在此先對它做簡單說明。 光的多層薄膜干涉 薄膜濾波器的工作原理，是利用光進入多層薄膜後，在每一層之間不斷地反射，彼此間由於相位干擾，造成一特殊的全反射頻譜，利用這一全反射頻譜，我們可過濾出想要的波道。 後來科學家進一步發現，當物體的厚度接近光波波長時，反射波的強度對於厚度的變化非常敏感。原因是：光進入物體內被第二界面反射後，會和通過第一界面的前進波產生相消或相長性干涉，造成反射波強度降低或反射波強度變強的現象。 科學家的直覺反應是：如果有好幾層的物質 (即使是透明物質), 每一層都恰好是使得反射波強度變強的厚度，譬如說四分之一波長時，這個波長的光是否可以被完全反射回去？的確，多層反射、干涉可使得反射光加強，而且頻寬變得更明顯，這也就是多層薄膜的應用原理。 多層薄膜的反射頻譜，可以應用在太陽眼鏡或一般眼鏡上，以阻隔有害的紫外光。它也廣泛應用在各式光學儀器上，例如雷射共振腔的前後反射鏡面上，就鍍有多層薄膜，可反射特殊頻率的光波，不同的多膜頻譜設計可改變雷射腔內的共振頻率。多層薄膜也可以用來擋掉不想要的光，而過濾出想要的光的頻率，這就是前面提到的訊號波道分波多工器 (WDM) 的原理。 一個相當簡單的周期性多層薄膜結構，就能有這麼多用途，科學家們不由得想到，是否在二度或三度空間裡具有周期性的結構，也有類似的現象和更為寬廣的應用空間。要求得多層薄膜的反射頻譜和光場強度分布，可以藉由符合邊界條件的傳輸矩陣來運算。然而這種運算方法，用在二度或三度空間中，具有周期性結構的物體上時，卻無法勝任。這時候就需要一個新的理論，來解釋在一度、二度及三度空間中的干涉現象，光子晶體能隙理論也就是在這種情形下應運而生。 光子晶體是一種人造的周期性空間結構。此一人造結構類似自然界物質的原子晶格排列，只不過原子的排列周期以埃 (1 埃 = 10−10 公尺) 為基本單位，而光子晶體周期則習慣以光的波長為使用單位。由於光波與電子的機率波都是波函數，因此我們可以合理猜測，光在光子晶體中的波形，應該類似於電子在物質內的分布模式。 能隙為能量帶間隙 (energy band gap) 的簡稱。光子或電子能量可能在一特殊結構下呈現不連續性，即是某些能量無法存在於此一結構下，此一不連續性的大小就稱為能隙寬度。既然電子在原子晶格內具有電子能隙現象，那麼光子晶體內也應該有「光子能隙」的存在。而符合此能隙的光波，因為無法存在於光子晶體內，所以當這種光波入射時必然出現全反射現象。簡言之，光子晶體可以看做是把一度空間的多層薄膜往二度、三度空間加以延伸，而解釋的方法則採用固態物理的電子能隙理論。 在光子能隙理論被提出以前，多層薄膜干涉的原理已為人所熟知，電子能隙理論也已發展成型。一九八七年，傑伯諾維契 (Eli Yablonovitch) 和貞諾普羅 (John Joannopoulos) 兩人不約而同地提出了光子能隙理論，理論提出之後，二維光子晶體的重要應用隨即相繼提出，如光子晶體雷射、90 度彎折光波導、高密度分波多工器 (DWDM) 等。在進一步探討光子晶體的應用之前，我們必須先解釋一個使光子晶體更有價值的結構──「缺陷」。 十全十美不見得就是最好的 「缺陷」是光子晶體的一個特殊重要結構，它其實就是在周期結構中故意製造的瑕疵空間，而此瑕疵破壞了晶體一貫的周期性。此一缺陷在光子晶體內的特性如同光子的陷阱一般，使得光子有「停留」在此一缺陷中的傾向。當然，光子是不會停留的，事實上，它是在這一缺陷內來回地共振。 讓我們從最簡單的多層薄膜來解釋，當我們故意把某一層薄膜的厚度從四分之一波長增加到二分之一波長 (或大於四分之一波長的合理長度) 後，此波長的入射光將從百分之百反射變成零反射，亦即百分之百穿透！而且其穿透頻寬非常的窄小，這個較厚的薄膜就是一個破壞周期的缺陷。若進一步推算電磁場在多層薄膜內的分布狀況，可以發現此缺陷薄膜內的光強度遠大於其入射強度，而穿透強度等於入射強度 (因為 100% 穿透)。很明顯地，光子進入多層薄膜後，會在此缺陷中來回共振許多次後才離開，同樣的原理和共振現象也存在於二、三度空間中。 這種因缺陷而產生的極為窄小的頻寬，可以提供精確的濾波效果。此種濾波結構並不一定是多層膜，它也可以應用在光纖上或是在半導體基板的脊狀波導上。所謂脊狀波導就是在半導體基板上蝕刻出如山脊般的形狀，使光被局限在脊內傳輸。在半導體基板上，一條脊狀波導被蝕刻出數個周期性排列的圓孔。但在中心處的間距比較大 (缺陷), 破壞了周期結構，使得只有中心頻率可以通過此波導而達到濾波的效果。 目前最小的雷射 光子晶體的二度空間結構一般也是在半導體的基板上加以蝕刻而成，它看來就像平面上布滿周期性排列的坑坑洞洞。二維光子晶體的應用之一是光子晶體雷射，它的雷射共振腔就是平面上不遵守周期性排列的區域，也就是光子晶體的一個缺陷。光子晶體雷射在一九九六年被發表，至今仍為世界上最小的雷射結構。因為其共振腔極小，所以它產生的雷射頻寬變得相當地窄小。 另外，光子晶體結構也可以降低雷射的臨界工作電壓 (即使雷射發光的最小電壓), 如此可減少能量的耗損；由於雷射在運作時，自發性光輻射是朝各個方向散發出去的，而貢獻到共振模態的比率非常少 (約在 10−4 ~ 10−6 之間), 因此一般雷射的電光轉換效率很低。二維光子晶體經過適當設計，可抑制二度空間的自發性輻射，所以自發性輻射貢獻到共振模態的比率可大幅提高 (~ 0.06)。目前也有理論提出，利用三維光子晶體做出零臨界工作電壓雷射的可能性。 光的強制左右轉 二維光子晶體的另一個重要應用，是製作大角度彎曲的光波導。在積體光學元件中，因為考慮到光的能量損耗及製程成本，我們希望能儘量縮小光元件的長度，並把許多元件製作在一個極小的基板上。如此一來，光就必須在這基板上做多次大角度彎折。一般脊狀波導和光纖一樣，都是利用全反射來傳遞光波，當這些波導彎曲角度過大時，全反射的條件就無法繼續維持，光波就無法在波導內傳遞，這也是積體光學元件長久以來面臨的困難。 二維光子晶體做成的光波導看起來就像是一條缺陷線，光的能量被局限在此一缺陷中，並沿著唯一自由度方向 (左、右) 傳遞。我們如果在兩平行波導之間安排一缺陷點，那麼此缺陷點的行為就像是對光子有誘捕功能一般，可以把光誘離原來路徑，並將之導入另一波導。當然，「誘捕」是擬人化的形容詞，實際上是光在波導內左右 (X 方向) 傳遞時，同時也在做上下 (Y 方向) 共振，當遇到缺陷點時，因為下方反射率由 100% 變成零，光自然往缺陷方向偏行。利用此現象，由二度空間光子晶體做成的光波導，可以讓光在極小的空間內連續做大幅度轉彎。這種控制光在半導體基板上「峰迴路轉」的能力，可大幅縮小積體光學元件的體積，降低能量損耗，並使元件密度大幅提高。 除了光波導和雷射的應用之外，光子能隙邊緣所出現的色散現象 (即是讓不同頻率的光，產生前進速度上的差異) 也可以應用在高密度分波多工器 (DWDM)、波道塞取器或光學編碼等通訊用途上。光子晶體能隙理論的提出距今也不過十多年光景，但是粗略估計，目前國外已有約五百多個研究團隊專注在光子晶體能隙理論的研究、驗證和應用的研發。 光的未來路 在對光的摸索中，人類從完全的無知，發展到對光本質的了解，現在已能初步控制光的方向和行為。相較於電子元件的進步，光的研究發展其實是極為緩慢的；可喜的是，眼前對於光的研究，正步入一個加速起飛的階段。除了上述所提的一些光通訊元件結構外，光顯示器 (如 LCD)、光儲存技術 (如 CDROM) 等，也是目前研究的焦點，而且發展也非常快速。 當我們預測未來光學研究會朝那個方向發展時，也許檢視過去的一個迷思，或可提供我們一個較為正確的方向。記得雷射光剛發明的時候，許多科學家曾聲稱光未來終將取代電，光腦將取代電腦。但是事實證明這只是一廂情願的看法，其實並不正確。因為光與電各有其無法被取代的優點，與其說兩種科技相互競爭，倒不如說光與電必須互相配合，才能使系統達到最高的效能。因此，光電元件的研發和光電系統的整合，才是光學未來的發展方向。我們很難預測這個世紀光子的研究會發展到什麼境界，但是可以確知的是，它必然是一個「充滿光明」的時代。

基因工程與社會:胚胎幹細胞研究的倫理爭議

1953 年，科學家首度描繪出去氧核糖核酸 (DNA) 的基本結構。此後，隨著 DNA 重組技術的發明，生物科技不斷地突破精進。除了醫療、製藥、疾病診斷、生物複製等用途外，舉凡基因改造食品、生態保育、農林漁牧生產、材料與能源研發、身分辨識等等，無不與生物科技息息相關。 生物科技之所以在近年來被喻為是一場革命，主要是因為基因知識、基因科技、和生殖技術的突破性發展。幾十年前，人類還是只能用接枝、雜交等傳統方式改良動植物品種；如今，在基因改造食品管制鬆懈的台灣，素食主義者某天可能會驚訝地發現，他們所吃的豆腐裡竟含有動物基因。 不但如此，科學家還可以透過 DNA 的排列組合，創造出前所未有的新基因、新染色體、新病毒、新生物。此外，隨著複製羊桃麗的誕生，以及各種基因改造動物的實驗成功，複製人和基因改良人種的出現，似乎也只是時間早晚的問題而已。不少科學家和趨勢觀察家宣稱，人類業已邁入一個新的紀元，即將用基因科技趕走上帝，並且自己扮演起造物主的角色，積極主動地干預、操控、改造、複製、創造包括人類在內的各種生命形式。 基因科技的潛力無可限量，但這種前所未有的科技力量在帶來希望的同時，卻也帶來了更多的爭議和隱憂。有鑑於此，「人類基因組計畫」(Human Genome Project) 在推展之初，即決定提撥部分經費鼓勵學者對這項新科技的倫理、法律與社會意涵進行研究。 近年來，關於基因科技的各種討論與爭議也已不再局限於專家團體內部，而逐漸成為公眾話題。相關報導紛紛在國內外報章雜誌上出現。例如，關於基因改造食品的安全性與標示問題、基因改造生物的生態顧慮、基因科技智慧財產權的界定、胚胎幹細胞研究的倫理爭議、複製與基因改造技術的管制、人工生殖的相關立法、基因治療、基因檢驗與基因篩檢的規範、異種器官移植是否妥當、人獸混種是否可行、基因資訊的隱私權、DNA 取樣權的界定、基因資料庫的管理、就業與保險市場上的基因歧視問題等等。 在基因科技、生物科技所引起的各類議題中，最具爭議的莫過於與「人命」直接相關的問題，如可否容許複製人、該不該讓基因改良人種出現、科學家是否可以為了研究幹細胞而摧毀胚胎、甚至逕行複製胚胎以供研究等等。 從桃麗羊到幹細胞 1997 年 2 月，《觀察家》(The Observer) 雜誌首度報導複製羊桃麗 (Dolly) 成功誕生的消息，一時之間，複製生物乃至於複製人成了全球的熱門話題。 在桃麗羊出現之前，多數生物學家認為使用體細胞 (somatic cells) 複製哺乳類動物的做法並不可行，所以複製人向來只是科幻小說中的情節。然而桃麗羊的誕生卻顯示，科學家已經突破了此一先前認為是難以逾越的技術障礙，這也使得複製人的問題成為眾人關注焦點。如果科學家能從成羊身上的一個體細胞拷貝出一隻小羊，同樣的拷貝技術應該也可以如法炮製在人的身上。這是為什麼桃麗羊一下子就震驚了全世界。 此外，複製出桃麗羊的體細胞核移轉技術也有助於基因改造技術的提升。過去，科學家認為，若要改變人類的遺傳物質，最直接的方式是對精子、卵子、受精卵、或胚泡 (blastocyst) 進行介入。在桃麗羊複製成功之後，科學家又多了一種改造人類遺傳物質的方式，也就是直接對體細胞進行基因改造，然後再運用細胞核移轉技術複製出基改人。不少科學家臆測，這種新基改技術的成功機率，可能比直接對生殖細胞進行介入還要來得大。 桃麗羊誕生的同時，「人類基因組計畫」正如火如荼地進行。這項耗資三十多億美元、以解讀人類所有 DNA 序列為目的的跨國合作計畫，進度自 1990 年起步以來已不斷超前，並確定於 2003 年左右大功告成。有了此一龐大的生命資料庫，科學家將可逐步判別出造成許多不治之症，乃至於影響我們記憶力、聰明才智、外貌、衰老速度、睡眠需要、和個性的基因到底是哪些，並加以篩選、治療、置換、改造。到時候，不但複製人已不再是新聞，經過基因改良的各種新人類也很可能陸續誕生。 近年來，歐美各國政府無不三令五申，強調現階段不容許科學家做複製人實驗，不容許拿人類生殖細胞進行基因改造實驗，也不容許在基因治療的過程中改變病患的遺傳物質而影響到下一代。然而，隨著科技的不斷精進，戒急用忍政策或許終會有鬆綁的一天。有朝一日，複製和基改技術可能會變得安全可行。屆時，堅決反對複製人和基改人的理由何在？主張有條件開放的理由又是什麼？或者，在哪些有利 (或不利) 的社會條件下，政府應考慮適度開放 (或全面禁止)? 在技術尚未完全成熟之際，「安全」問題仍是社會大眾的疑慮焦點，和政府禁令背後的最主要考量。但假以時日，安全顧慮必然會逐漸淡化，而倫理爭議則會日趨激烈。 事實上，拜桃麗羊之賜，這些生命倫理爭議可以說是已經提前登場。近年來，除了一再重申反對複製人的立場外，歐美各國政府還為了胚胎幹細胞研究的管制問題而大傷腦筋。日前，國內外媒體大幅報導，小布希政府已決定對聯邦經費補助之胚胎幹細胞研究進行更嚴格的管制。由於此一決定姍姍來遲，胚胎幹細胞實驗的支持者和反對者在這段期間無不使出渾身解數，希望影響布希的最終決定。於是，「幹細胞」一詞頻頻見諸報端，一下子從沒沒無聞變成了家喻戶曉。不少西方評論家認為，一場可能會持續百年之久、環繞著生命科技的倫理大戰，已因胚胎幹細胞爭議而提前開打，並將愈演愈烈。 令人好奇的是：幹細胞究竟是何方神聖？胚胎幹細胞研究的爭議點在哪裡？贊成者和反對者到底是為何而戰？以下我們將先從胚胎幹細胞在醫療上的潛力談起。 為什麼要研究胚胎幹細胞？幹細胞 (stem cells) 是一種尚未特化的 (unspecialized) 多能細胞，具有一分為二的自我繁殖能力，以及分化發展出各種特化細胞、組織與器官的潛能。幹細胞存在於胚胎、胎兒組織、臍帶血、和某些成人組織中，而醫學界普遍認為取自早期胚胎的胚胎幹細胞最具發展潛力。有許多疾病，像是帕金森氏症、阿茲海默氏症、心肌梗塞、糖尿病、各種癌症和免疫不全症等等，均涉及細胞、組織乃至於器官的壞死。如果科學家能夠準確掌握胚胎幹細胞向不同組織細胞「定向分化」的條件和機制，從而在體外進行培養，然後移植到病患體內去修復受損細胞，甚至在體外培育出整個器官以供移植，那無疑將是醫療上的一大福音。 但批評者指出，即使科學家有朝一日能夠精確掌握胚胎幹細胞的分化過程，其所培育出的細胞、組織或器官也未必能為病患身體所接受。由於幹細胞也能從病患本人的某些組織如骨髓、周邊血液、腦組織、皮膚組織中取得，又不致與病患身體產生排斥現象，那為何不從這些成人幹細胞下手，而拚命在胚胎幹細胞上動腦筋？對此，多數科學家的答覆是，成人幹細胞的研究固然非常重要，但其在醫療上的發展潛力卻明顯不如胚胎幹細胞。首先，成人幹細胞的種類有限，直到目前為止僅在少數組織中發現，而如心臟病患所需之心肌幹細胞，及糖尿病患所需之胰島幹細胞等，迄今仍下落不明。此外，成人幹細胞的數量亦十分有限，並隨著年齡的增加而遞減，要從病患身體 (例如腦組織) 中抽取出這些幹細胞也不是件容易的事。對重病患者來說，抽取幹細胞的過程可能是一大折磨，而在體外分離、培養這些幹細胞也得花上一段時間，很可能緩不濟急。更關鍵的是，成人幹細胞有可能隨著人體的老化而產生某些缺陷，其分化為他種組織細胞的潛能亦有限。 基於以上理由，醫學界相信胚胎幹細胞要比成人幹細胞更具醫療上的潛力。而為了從胚胎幹細胞中培育出不致與病人產生異體排斥的細胞、組織或器官，科學家認為至少有兩種途徑是值得嘗試的。第一種途徑是利用細胞核移轉技術，也就是複製出桃麗羊的技術，把病人的體細胞核植入已抽取出細胞核的卵子，然後從中抽取出胚胎幹細胞，進而分化出病人所需，又不致產生排斥現象的細胞、組織或器官。此一過程雖使用到無性生殖技術，但卻是以治療而非複製人為目的，因此通常稱作「治療性複製」。 第二種途徑是對胚胎幹細胞進行基因改造，從而培育出與病人相容的細胞、組織或器官。隨著基因知識和基改技術的不斷精進，也許有那麼一天，科學家會基改出某種或數種「通用」的胚胎幹細胞，進而大量生產出「通用」的細胞、組織或器官以供病患使用。 直到目前為止，前述種種還只是理論上的可能性而已，其可行性如何仍有待實驗證明。自 1998 年美國威斯康辛大學科學家首度分離出胚胎幹細胞株以來，至今已有六十幾條幹細胞株在實驗室中分離出來培養，但目前還不能精確地控制其分化過程。 至於利用細胞核移轉技術複製出胚胎以供研究的做法，目前仍為大多數國家所禁止。2001 年年初英國率先解禁，但在有效管理、從嚴審查的規定下，預估第一張「治療性複製」許可證要等到今年才發得出去。科學家指出，在卵子粒線體 DNA 的影響下，複製胚胎的基因構成可能不會與本尊一模一樣。所以，從複製胚胎所抽取的幹細胞是否能克服排斥問題，仍有待實驗和研究。 至於對胚胎幹細胞進行基因改造的研究途徑，一個潛在的爭議焦點是它是否涉及人類遺傳物質的改變而在禁止之列。不過不管禁令是否存在，目前基改技術水準仍十分低落，僅能做到為待改細胞「添加」額外基因，而所欲添加的基因是否會在目的地著陸，也還無法控制，只能多試幾次，希望隨機命中，因此被戲稱為是一種散彈槍打鳥的基改法。在更精密的「基因置換」技術出現以前，要基改出某種「通用」的胚胎幹細胞，恐怕不是件容易的事。 無論如何，胚胎幹細胞研究才剛剛起步，而我們也可以預見，這項研究肯定會大幅增進科學家對於生命，以及威脅生命的種種疾病的了解，從而帶動醫療技術向上提升。不過，就在這項研究才剛要起步之際，支持者與反對者之間的倫理大戰卻已愈演愈烈，並且深切影響了各國政策的走向。於是我們必須追問，既然胚胎幹細胞研究在發展生物學、疾病預防與治療等各方面皆深具潛力，為何又有那麼多人表示反對或保留？他們所反對的或有所保留的是什麼？理由又是什麼？胚胎是不是人？胚胎幹細胞研究之所以會在美國引起軒然大波，主要是因為在幹細胞的抽取過程中胚胎會被摧毀，因此冒犯了以「保護生命」為號召的反墮胎和宗教團體。雖然胚胎幹細胞研究的目的也在保護 (病人) 生命，但反墮胎人士認為胚胎從受精的那一刻起便算是一個人，所以摧毀胚胎就等於殺人，是絕對不能容許的。 胚胎幹細胞多半是從受精後三到六天的胚泡中取出，而許多國家 (如英國) 也嚴格規定幹細胞研究者僅能針對十四天之內的胚胎進行研究。不少科學家指出，胚泡在發育到第十四天之前，胚胎尚未分化出來，並沒有任何痛苦或感受的可能，也沒有任何一個細胞確定會成為胚胎或胎盤的一部分，所以稱之為「前胚胎」階段反而比較妥當。此一說法暗示著前胚胎可能不算是一個人，而在十四天之內銷毀前胚胎的幹細胞研究者，當然也就沒有殺人。不過，這種說法卻不為反墮胎人士所接受，他們認為從精卵融合的剎那起，即是一個新生命的開始；胚胎幹細胞的抽取使生命終結，因此與殺人無異，必須全面禁止。 在國內，持此說最力的是輔仁大學神學院院長艾立勤教授，他說:「無論現代人如何不斷自我催眠地說服自己，不把胚胎當作人，胚胎還是人而不是次人！因此很清楚地，使用人類胚胎的幹細胞研究雖然可以促使科學進步，可以幫助許多身受疾病折磨的病患，但它就如同是當時日本和德國科學家加諸中國人與猶太人身上的實驗般是道德上不可接受的，因為縱有多麼良善的動機或多麼大的好處，我們都無權剝奪人類胚胎的人性尊嚴，我們無權把胚胎的存在化約成實驗品，也無權擅自決定犧牲最弱勢的無辜胚胎之生命。至於有人認為依照法令，一些不孕症治療所剩下的多餘胚胎，冷凍期限一到即會被銷毀，何不拿來做實驗？然而，即使我們不去論究人工生殖技術產生大量胚胎及其引發的保存銷毀等問題，事實上單就上述的思考邏輯觀之，就能發現這與納粹把遲早要被送進煤氣室的猶太人當作實驗品，以及日軍把囚捕的中國人拿來做各種實驗，以便在死前予以充分利用的心態有著相同的理由，因而同樣是站不住腳的」。 在不得摧毀胚胎的大前提下，保護生命人士如艾立勤教授主張全面禁止胚胎幹細胞研究，否則便等於肯定納粹煤氣室、南京大屠殺等行徑。此外，他們也反對包括體外受精在內的各種人工生殖技術，複製人當然也不例外。這類生殖方法不但是人工的，其過程在技術條件的限制下，亦無可避免地製造而又犧牲掉許多胚胎，所以對保護生命人士來說，也是在道德上不可接受的。 在美國，與其他先進國家特別不同的一點是，以保護生命為號召的反墮胎和宗教團體構成了一股龐大的政治力量，所以無論執政的是民主黨還是共和黨，都必須與這股不容忽視的民意作一定程度的妥協。 1995 年，共和黨所主導的美國國會曾立法禁止聯邦經費補助任何會導致胚胎被毀的研究。到了 1999 年，柯林頓政府表示胚胎幹細胞研究並不在此法禁止的範圍內，其理由是「已與胚胎分離」的幹細胞既不是胚胎也不是人，而對這些已存的細胞進行研究也並未「導致」胚胎被毀。打個比方，研究因流產或墮胎而取出之胎兒組織並未導致該流產或墮胎的發生。柯林頓的政策意味著從胚胎抽取出幹細胞的「殺人」工作將完全交給私部門，而「道德的」公部門研究者則針對「已與胚胎分離」的幹細胞進行研究。這種奇怪的管制措施為美國所僅見，代表著與保護生命團體的政治妥協。 日前小布希政府已決定對胚胎幹細胞研究進行更嚴格的管制，限定聯邦經費補助之研究者只能對「已與胚胎分離」的六十幾條幹細胞株進行研究。這些幹細胞株是在小布希新政策生效之前所分離出來的，所以「既往不咎」。此外，就算私人研究機構在未來幾年內有了新的發現，如培養出新的幹細胞株，公費研究者也不得對其進行研究，因為這是在新政策生效以後靠摧毀胚胎而得來的新發現。此舉固然讓不少研究者覺得綁手綁腳，但總的來說，其在政治上的象徵意義遠大於對胚胎幹細胞研究的實際阻礙。私部門的胚胎幹細胞抽取與研究照常進行，六十幾條幹細胞株也足夠讓聯邦補助的科學家們忙個好幾年。此與保護生命團體所要求的全面禁止仍有一大段距離，但卻不能不說是對這股政治力量的再讓步。 美國和愛爾蘭之外的大多數西方國家，反墮胎團體並不構成一股舉足輕重的政治力量。所以，一般來說，爭議的焦點並不在於「胚胎是不是人」或「可不可以為了研究幹細胞而摧毀胚胎」, 最主要乃在於這些胚胎的來源及用途。科學家可以為了研究而製造或複製出胚胎來嗎？這是許多人最關切的問題。 為了研究而製造胚胎，可以嗎？在美國以外的大多數西方國家，「胚胎是不是人」可說是相對次要的問題。更具爭議性的項目是：除了使用人工受精後的剩餘胚胎進行幹細胞研究外，科學家可不可以為了研究而製造胚胎？如果這是可以容許的話，那麼除了運用體外受精技術製造胚胎外，是否還可以利用無性生殖技術複製出胚胎以供研究？此路一開，是否將使複製人提前到來？在反墮胎陣營之外，多數民眾同意幹細胞研究者使用人工受精後待毀的剩餘胚胎，儘管在抽取幹細胞的過程中胚胎會被摧毀。人工受精本是為了幫助不孕者繁衍下一代，但在技術限制下卻無法做到「一次 OK」, 所以會製造出許多用不著的剩餘胚胎。這些待毀胚胎之所以會存在，原是為了生殖，因此算不上是為了研究而刻意製造出來的。 對大多數支持不孕者生育權、主張開放人工受精的人士來說，允許科學家從剩餘胚胎中抽取幹細胞，並不算是什麼罪大惡極的事。這背後是否隱含著艾立勤教授所謂「反正早晚會死，還不如死前充分利用」的思考邏輯，筆者仍有所懷疑。如果胚胎研究的「目的」不純正或很邪惡，如以發展致命武器、製造人獸混種怪物為目的，那麼就算剩餘胚胎早晚會被摧毀，民主國家的公民們恐怕也不會允許科學家如此利用這些胚胎。 雖然許多人同意科學家使用剩餘胚胎以進行幹細胞研究，但卻未必同意「為了研究而製造胚胎」。這兩者之間的差異到底是什麼，正是爭議的一大焦點。 為了幹細胞研究而製造胚胎，可以嗎？反對者認為此與容許科學家使用剩餘胚胎有很大的不同，因為剩餘胚胎最初是為了「生殖」而創造出來的，所以道德上還站得住腳；至於為了研究而製造胚胎，則完全把胚胎當成是工具或手段，因此是道德上不可接受的。 主張有條件開放的人士則指出，剩餘胚胎仍將是胚胎幹細胞的最主要來源，但在某些特殊情況下 (如為了突破研究瓶頸), 或許有必要允許科學家為了研究而製造胚胎。如果「利用胚胎」真的是罪，那麼就連剩餘胚胎也不該利用。我們之所以同意科學家從剩餘胚胎中抽取幹細胞，乃是因為肯定了此項研究的目的及其潛在貢獻。基於同樣的理由，我們也不能完全排除為了研究而必須製造胚胎的可能性。 直到目前為止，大多數西方政府仍不允許科學家為了進行胚胎研究而製造胚胎，但英國則是個著名的例外。早在 1990 年，英國國會所通過的「人類受精與胚胎學法」即已允許研究者為了研究而製造胚胎，但條件是必須獲得精卵捐贈者的同意，必須在十四天內銷毀胚胎，必須通過「人類受精與胚胎學管理機構」的個案審查並取得執照，而能夠取得執照的研究計畫必須以促進不孕症治療、提升對先天性遺傳病的知識、增進對流產原因的了解、發展更有效的避孕技術、或發展診斷基因異常的方法為目的。從 1991 到 1998 年，捐贈給胚胎研究者使用的剩餘胚胎共有 48,444 個，為研究而創造出的胚胎則只有 118 個。這顯示直到 1998 年為止，絕大多數胚胎研究並不需要另行製造胚胎。 如果「為了研究而製造胚胎」所指的是研究者捨剩餘胚胎不用，而選擇重新操練一遍體外受精，那麼如前面數字所顯示的，這恐怕是多此一舉，禁與不禁的現實差別不大，也很難引起社會爭議。然而，桃麗羊的誕生和胚胎幹細胞研究的興起，卻使得情況有所改觀。 簡單地說，「為了研究而製造胚胎」之所以在近年來成為爭議焦點，並不是因為有許多科學家想要自行操演一遍體外受精，而是因為「運用細胞核移轉技術複製胚胎，然後抽取其幹細胞」被認為是胚胎幹細胞研究的一個重要環節。在複製羊已成功誕生，基改技術卻還十分落伍的今日，不少科學家認為細胞核移轉技術或許是解決異體排斥問題的較佳途徑，也因此呼籲有關當局儘速修法解禁。 反對「運用細胞核移轉技術複製胚胎」的人士則提出了兩項最主要的反對理由：第一，如前所述，為了研究而製造 (複製) 胚胎是不道德的，因其完全把胚胎當成是手段或工具；第二，所謂的「治療性複製」雖非以複製人為目的，不過一旦此項技術因開放而日趨成熟，則複製人的日子亦不遠矣。 直到目前為止，多數西方民眾仍對基因工程的人體運用存有諸多疑慮，因此也連帶地對「治療性複製」有所質疑。但「治療性複製」畢竟與全人複製有所不同，就連主張全面禁止複製人實驗的國際組織，如歐洲委員會和聯合國教科文組織，也不排除在一定條件下予以支持。 2001 年 1 月，英國率先成為第一個許可治療性複製的國家。此項修正案增訂了胚胎研究的可研究項目，並允許科學家進行以醫療為目的的細胞核移轉實驗，但條件是必須取得當事人同意，必須在十四天內銷毀胚胎，不得使用複製技術進行人獸混種，不得把胚胎植入子宮，研究項目必須符合規定，必須通過「人類受精與胚胎學管理機構」的個案審查並取得執照，還必須接受其後續追蹤及監督。按英國法令，擅自進行胚胎研究將受到嚴厲的刑事制裁。在美國，則只要是私人出資的胚胎實驗，幾乎都不受聯邦法律的約束。這兩種立場，一是「積極開放，有效管理」, 一是「公部門不得摧毀胚胎，私部門自由放任」, 到底哪一種比較「寬鬆」? 哪一種比較合乎「倫理」? 哪一種較能有效地避免生命科技所可能造成的危害？這些都是值得我們深思的問題。

基因工程與社會:基因.程式.哲學反思

科幻情節 2030 年，阿貴到住家附近的 7-eleven, 選一盒豆漿，盒子上印有「Monsanto Inside」(內含蒙山托) 的品牌標記。阿貴滿意地點點頭，到櫃臺結帳。他選的豆漿是由蒙山托基因作物公司所設計的基因培育出來的黃豆製成。結帳時，阿貴注意到店員額頭上有一行浮水印，有「Intel Inside」(內含英特爾) 的字樣。阿貴指著浮水印打趣說:「哦，新流行嗎？」店員回答:「不是的。那是品牌保證的商標，表示我是英特爾生物基因晶片培育出來的優質店員。謝謝您光顧本店。」阿貴一臉訝異。回家後，立刻脫掉上衣，仔細觀察左胸上一排字樣:「VIA MIT」(威盛，臺灣製造)。阿貴第一次對這排從小就帶有的字樣有了另外的想法和疑問。 基因。程式 如果上述科幻情節有相當的可讀性、可理解性，那意味著以下兩點所描述的情境已成為日常生活裡的事實: ̇基因工程產製出來的產品已藉由商業機制進入你我的生活。 ̇從電腦程式看待基因序列，已成為看待基因如何決定生物體 (包括你我) 會有怎樣生命型態的基本方式之一。 事實一：說出基因工程已非只是研究者的專門事業。複製與搭配商業利益而大量生產的趨勢已隱然成形。阿貴所經歷的科幻情節，將這趨勢推到極端：做為商業產品的消費者，在被捲入這發展趨勢的同時，也成為被消費的商業產品，而基因「品牌」決定你我做為一個「產品」能有的性格和特色。以前我們只能接受的生命事實，現在已落入實際可操弄的範圍或可設計的願景內。我們可以預期，這趨勢會對各生活領域、層面帶來重大衝擊，也無可避免地對生命意義的追尋與探索帶往尚不可測的方向。這預期，並不排除反制該趨勢發展的可能。走進 7-eleven 便利商店，你已可選擇購買標示非基因作物製造的豆漿產品。然而，有此標示則意味深長地透露出，基因作物製造出來的產品已廣泛地滲入你我的飲食生活中。 事實二：不只說出研究者看待基因的基本方式之一，它也經由大眾傳播成為大眾科技文化和商業文化裡規範我們如何看待基因的基本方式。在這看待方式下，破解基因碼就在解讀出含藏於基因序列裡的程式；在適當環境條件搭配下，啟動程式會決定製造出怎樣的生物「產品」。當然，程式的基本架構和執行方式不必只限於我們目前所知的範圍。破解基因碼也是探索新程式架構和新執行方式的歷程。這意味著我們也可以反過來從生物系統思考電腦系統。例如，電腦病毒是這思考方式形塑出來的看待方式，而近日防毒研究人員提出在網路裡釋放出「數位巨噬細胞」, 攔截、吞噬網路中流竄的電腦病毒，並將病毒資訊傳回「數位免疫系統」的構想，是這思考方式的精製與延伸。 如何看待事情會影響我們如何對待、處理被看待的對象。當被看待的對象涵蓋我們自身時，影響的不只我們之間如何相互對待，而且，更深遠地，會影響我們將走向怎樣的未來、活出怎樣的生活意義。雖然未來將如何仍有太多不可測的因素，但我們已累積相當的探索經驗與知識傳承，可以比較有系統地檢討、反思對我們已有而且明顯將有重大影響的一種看待方式–將基因看待為程式。 哲學反思 程式是一種以訊息調控因果歷程的系統設計。在以程式看待基因的取景裡，基因承載訊息，訊息的複製與因果歷程的調控，搭配適當的環境條件，決定生物的繁衍與成長。以下，我們依因果歷程、系統設計、訊息調控之間的概念關係探討這程式取景的內涵與後果。 因果歷程 設想一支筆直的竹竿，立在平坦的地上，光從上方特定角度照射過來，地上竿影斜出。在這設想的物理情境下，請看以下兩項敘述: ̇如果你知道光照射的角度和竹竿長度，你可以計算並推測出影子的長度。 ̇反過來，如果你知道光照射的角度和影子長度，你可以計算並推測出竹竿的長度。 既可計算與推測就表示我們已掌握相關事物的規律。然而，掌握相關事物的規律，未必表示掌握了其因果關係。請比較以下兩個敘述: ̇光照射的角度和竹竿長度造成影子的長度。 ̇光照射角度和影子長度造成竹竿的長度。 前者符合我們對該物理情 境因果關係的了解，後者則錯得有點離譜。我們知道實現這物理情境的因果歷程。由因果歷程的操弄程序看，可表述如下: ̇假如改變光照射的角度和竹竿長度，影子的長度會有系統性的改變。 ̇假如改變光照射的角度和影子長度，竹竿長度不變。 這例子要凸顯出的是: 因果關係有別於規律，它基本上還涉及物理情境的實現歷程和方式。掌握規律，使我們能做合理的推測。但能推測不等於能調控。掌握因果關係，則進一步給予我們系統性調控因果歷程而有調控物理情境的可能。 系統設計 設想發明輪子的情境。輪子配上裝載貨物的平臺，加上可以著力推動它的桿子，你有了一部手推車。這發明，從後見之明來看，相當簡易，但已具體呈現出系統設計的主要內涵: 系統設計在於收編我們已能掌握、調控的因果歷程以完成特定的工作。 設想一開始輪子是以木材製成。為了使木製輪子更易於使用，你開始鋪設適合它的路面，或開挖搭配輪距、方便輪子順著轉動前行的溝槽。這相當於整頓環境來搭配輪子的使用。配合已鋪設的路面，你還可以回頭改善輪子。這顯示: 系統設計不會只是器具的設計，也必須考慮環境因素。環境與器具必須搭配來考慮。或整頓環境，或改良器具，但總在整體系統考慮下進行。 設想你進一步將獸力收編進來，例如以牛拉車。原有的手推車必須做結構性的調整。你採用比較結實的木材，除掉原有適合手推的桿子，裝上可搭在牛背上以利拉車的道具。車子有了結構性的改變，變成適合拉，不適合推。雖有結構性的改變，但仍部分承襲原有的架構。這例子要說明的是: 在實際的發展過程裡，系統設計有其歷史性。改良、收編原有因果歷程的系統設計為常態；徹頭徹尾、全然新穎的系統設計，就算可能，常是例外。 以牛拉車，你不再直接控制車子。你控制牛，間接控制車子。這例子要說明的是: 系統設計的改良過程主要模式之一，在於引入新的調控方式來強化系統效能。 你可以繼續設想這般故事的發展。從獸力，到蒸汽機，到當代汽車引擎。輪子有了重大改變，調控方式也一再更新。但從系統設計看，這些發展，基本上都是以收編、整頓物理情境裡的因果歷程，來調控其他因果歷程的方式進行。直到當代，這收編、整頓的發展，才有重大改變。我們不只有系統設計，也有了程式設計。 訊息調控 程式設計下的訊息調控已經成為我們工作、生活的重要方式。你在洗衣機上按下所選擇的洗衣方式，洗衣機就會按內部程式設計訊息調控的流程，完成洗衣、清洗、脫水的工作。這類我們已相當熟悉的程式設計訊息調控方式，其主要架構在：以「如果這般這般，就執行那樣那樣的工作」式的指令，串連成恰當的調控程序，控制機器的運作。 這種程式架構，必須事先明確規劃要完成的工作，排定訊息調控流程，裝置於能按訊息流程工作的機器。它的優點是可預測性高：只要其間不出任何差錯，機器只執行、完成我們預先規定的工作。從這角度看，這種程式架構是一種強勢控制的架構。但它的缺點也就在：如果要完成的工作無法事先明確規劃 (偏偏我們生活裡面臨的工作常常是這類的工作), 或流程沒有明確排定，或執行時出了小差錯，機器就無法按我們所要調控的方式完成工作。從這個角度看，這架構是一種脆性結構的調控方式。 當我們從程式設計、訊息調控的觀點看待生物活動時，另一種訊息調控的方式隱然浮現：一種善於利用環境，將環境裡的因果歷程轉化成可資利用的訊息歷程的微幅調控方式。 棲息於枝幹上的貓頭鷹，偵測到聲波。聲波原本只是環境裡實現的一種因果歷程。但在貓頭鷹耳朵裡，這因果歷程，轉化為一種環境裡的訊息歷程，指示可能獵物 (例如老鼠) 所在的方位或移動的方向。不只如此，這訊息歷程，搭配已裝置於牠體內的程式訊息調控系統 (神經系統), 也被收編成牠撲殺獵物的調控歷程。牠體內的程式訊息調控系統，不必事先計算出獵物明確的位置，不必預先規劃好飛撲獵物的途徑與步驟，只要牠在迎向聲波飛撲的過程中，藉由調整自己的動作，逐步且及時將所接收到的聲波訊息調整成上下左右對稱的聲波訊息，牠所飛撲的途徑，就是撲向獵物的途徑。這例子要說明的是: 如果從程式看待生物活動是恰當的，生物活動的程式訊息調控方式，通常是一種善於利用環境的微幅調控方式，將環境裡實現的因果歷程轉化、收編成有指示作用且可調控其活動的訊息歷程。 再看另一個例子：白蟻築窩。牠們沒有建築師，沒有工程師，沒有設計藍圖，沒有事先分配工作，牠們只是如此做。每一隻白蟻搬運小泥團時，都會在小泥團上留下蟻族的生化訊息。搭配牠們體內的程式訊息調控系統，每一隻白蟻大都會將自己搬運的小泥團放到散發那生化訊息較強的地方。有些小泥團因此累積成泥柱，泥柱與泥柱之間所散發的生化訊息，又引導白蟻將小泥團放到泥柱上靠向另外一根泥柱的位置，泥柱與泥柱之間開始相互連結成拱門般的建築架構。白蟻世界裡摩天大樓般的蟻窩就如此逐步打造出來。這例子要說明的是: 善於利用環境的微幅調控，在改變環境的過程中，也可以同時利用改變後的環境，將環境歷程轉化、收編成有指示作用，且可調控生物群體互相搭配、群體完成工作的訊息歷程。 如果從程式看待基因是恰當的，如果在生物世界裡，程式調控的方式一般都是一種善於利用環境的微幅調控方式，而非強勢控制，我們可以預期，有怎樣的基因不會就決定有怎樣的性格和特徵。基因之外的環境也會扮演實質重要的角色。 聯合承諾 如果基因確實為一種微幅調控的程式，當我們做錯事或養成不良習慣時，就不能說「都是基因造成的」, 或「都是基因惹的禍」。因為微幅調控的程式並不強勢決定你我會有的性格和特徵。我們也不能輕率判定某某人有基因疾病，好像他注定低人一等，天生被烙下不良的基因。因為從微幅調控觀點看，需要被「治療」的或許不是基因，而是環境–我們聯合打造出來的環境。再者，修改微幅調控的程式可能帶來的不可測因素遠遠超過修改強勢控制的程式。在這情況下，即使我們已有能力修改基因，也不應當輕言修改。這些，至少是我們對地球上生物群體與未來世代應有的、且最起碼的的聯合承諾。 未來真相 阿貴發現他其實是威盛 75KANT12 生物晶片序號產製、培育出來的「產品」。這不是結束。恰恰相反。這真相，是界定他新人生、新探索的開始......。

基因工程與社會:醫生!我的小孩死了,您能為我複製她嗎?

小雲今年五歲，聰明活潑可愛，是陳先生夫婦唯一的女兒，陳太太生完小雲之後便停經。但一場意外奪去了小雲的生命，陳先生夫婦萬般不捨、悲痛欲絕，抓住一絲希望，向醫學中心婦產科求助:「醫生！我的小孩死了，您能為我複製她嗎？」 葉先生今年 25 歲，因為癌症經歷了放射線及化學治療，雖幸運地保住性命，卻喪失了生育能力。葉先生與妻子十分恩愛，他們希望擁有自己的小孩，但不希望使用其他男人的精子，夫婦倆打算求助於醫學中心婦產科，使用「人類無性生殖技術」。 如果「人類無性生殖技術」可以幫助上述兩個不幸的案例：為陳先生夫婦帶來一個與小雲神似的「雙胞胎」妹妹、給葉先生夫婦帶來血緣相連的兒女，基於什麼道德的理由，我們可以禁止他們使用這個科技？背景介紹 1997 年 2 月英國愛丁堡羅沙琳機構 (Rosalin Institute) 的伊安。威穆特 (Ian Wilmut) 教授等人在《自然》(Nature) 雜誌上向世界宣布了他們藉由無性生殖技術成功繁殖的複製羊桃麗 (Dolly)。這個複製技術，簡單地說就是：從甲羊的乳腺細胞取出細胞核，植入從乙羊身上取出、已經除去細胞核的卵子細胞，(威穆特首稱此技術為「體細胞核轉殖，somatic cell nu-clear transfer, SCNT」), 在經過適當的電流刺激後，這個卵子以為自己已經受精，於是開始分裂長成胚胎，再把這個胚胎放到丙羊 (代理孕母羊，事實上也可以是甲羊或乙羊) 的子宮中孕育誕生成桃麗。 桃麗的遺傳物質幾乎完全來自甲羊，除了乙羊卵子細胞質中的粒線體 DNA 可能對遺傳有些影響，牠不折不扣是甲羊的「全錄」(Xerox)。儘管威穆特的初衷是為了製藥工業可以大量生產具醫療效用的羊奶，但這項生物醫學的成就影響深遠、撼動全球，是生殖科技的新里程。同年 7 月，該中心又創造了人類基因轉殖羊波麗 (Polly), 其羊乳含凝血蛋白，可用來治療血友病。 桃麗羊複製成功後不久，美國奧瑞岡州海狸市的靈長類研究中心 (Oregon Regional Primate Research Center) 亦發布了獼猴體細胞核移植成功的消息；1998 年 7 月夏威夷大學宣布完成老鼠的複製；12 月日本近畿 (Kinki) 大學發表了牛的複製；韓國慶熙 (Keyonghee) 大學也宣稱他們進行了人類體細胞核的轉殖、並成功分裂發育成胚胎，但隨後由於倫理的考量而將它摧毀；2001 年 8 月台灣的農委會也有複製牛「畜寶」的誕生，不幸早夭。如果成熟的哺乳類能夠複製，那麼藉由相同的過程複製成熟的人類，可能也只是時間早晚的問題了。 倫理譴責與法律禁止 大部分科學上及政治上的領袖，對於複製人的回應是直接而強烈的譴責，就連威穆特也是如此。美國柯林頓總統在桃麗羊報告刊登後的幾天，立刻凍結聯邦政府對於研究複製人所提供的資金，並且要求私人研究機構的科學家停止相關的研究，同時要求新上任的國家生命倫理諮詢委員會 (National Bioethics Advisory Commission, NBAC) 成員對複製人牽涉到的相關倫理及法律議題進行審查，並在九十天內發表聲明。 NBAC 在經過各界專家公開討論後作出以下宣示:「不論是在公家或是私人機構中，是研究或臨床上，嘗試以體細胞核轉殖技術來複製小孩是道德上所不容許的......。專業和科學組織應聲明，任何由體細胞核轉殖技術來複製小孩，並將之置入女性體內的嘗試在此時是不負責、不道德與不專業的行為。國家應制定法令，防止任何人嘗試，無論在研究或臨床上以體細胞核轉殖技術來複製小孩。 但是這個法令應包含一個落日條款，以使國會在具體時間 (三到五年) 後，重新檢討這個法令是否繼續沿用。」 除了 NBAC 以外，世界衛生組織 (WHO)、聯合國教科文組織 (UNESCO) 也都聲明認定複製人是「不道德的」。世界人類基因組及人權宣言 (Universal Declaration on the Human Genome and Human Rights) 第十一條指出:「複製人類等違反人性尊嚴的活動是不准許的」,1997 年聯合國教科文組織的所有會員國均同意遵守，1998 年聯合國所有會員國亦都簽署同意遵守。歐洲生物醫學及人權大會之委員會則宣告:「對人類進行複製為非法之行為」。日本文部科學省科學委員會之生命倫理委員會中的複製組，則於 1999 年 11 月建議立法禁止複製人。包括紐西蘭、以色列在內，一些國家已明令禁止複製人。 然而也有少數的聲音質疑對於複製人的禁止是否太快了，並認為在有限制的環境下複製人有可能帶來某些好處。考量到人類向來對無限疆界及自我能力極限探索的好奇心、複製人類及其器官可能帶來的福祉 (或災禍) 及廣大市場商機......, 的確很難令人相信因為有法令的禁止，複製人的實驗已經停止進行了。事實上，已有少數科學家宣稱，已著手進行人類複製，例如美國一家與教派組織「雷爾運動」(Raelian) 有關的複製人公司「複製協助」(Clonaid) 表示，一名罹患不治之症的五十九歲男士正尋求他們協助，以進行自我複製。義大利熱衷研究複製人的不孕症專家安蒂諾利醫師，近日宣稱他已使用複製技術在阿拉伯聯合大公國成功地讓一名婦女懷孕八週，如果一切順利，今年底或明年初首位複製寶寶將在杜拜誕生......。 複製科技的應用和人類基因體組織的複製宣言 體細胞核轉殖術的用途不僅僅限於複製動物和人類，根據複製的目的可以再分為：基礎研究、治療性複製及生殖性複製。基礎研究指的是藉 SCNT 和其他複製技術對人類和動物進行包括基因表現、老化及細胞「自殺」之研究等等，以探究無數的科學問題。治療性複製指的是運用複製科技以製造像皮膚、神經、骨骼或肌肉...... 等類的特殊細胞及組織，以供應治療性移植所需，這個過程自然也涉及幹細胞的培養與研究的問題。生殖性複製指的是運用體細胞核轉殖的技術，創造與成熟的人或動物一樣基因組合的複製人或動物。 這些不同的複製科技應用都有它的目的及可能帶來的人類福祉，然而它們是否都是倫理上可容許的？可以全面開放或必須全面禁止？還是可以有條件地容許某些應用？人類基因體組織 (Human Genetic Organization, HUGO) 之倫理委員會 (HUGO Ethics Committee) 在 1999 年 3 月發表了「複製宣言」: 動物的複製：動物複製和其他動物實驗一樣，都應該遵守動物福利的法則；它的目的應該要明確，施行的步驟也應合乎、通過倫理審查程序；同時應該考慮在生物多樣性方面可能帶來的影響。 人類的複製：(1) 基礎研究：藉體細胞核轉殖術和其他複製技術對人類和動物進行基礎研究，都應獲得允許，以探究無數的科學問題。而這些基礎研究也應該遵守「基因研究行為規範宣言」中的倫理規定。(2) 治療性複製：如研究旨在運用複製科技製造像皮膚、神經或肌肉一類的特殊細胞及組織，以供應治療性移植所需，則應獲允許。(3) 生殖性複製：假設複製人在技術上是可行的，但是由於人們對於「能由一既存個人之體細胞核所帶的基因來繁衍出另一個體」的可能性，仍感到相當不安；利用複製技術所造出的孩子可能活在「既存個人」的陰影下；複製人在親子關係與手足關係上可能產生衝擊；對於由成熟體細胞造出孩子可能產生的結果等，我們應該非常小心謹慎......。因此不該利用體細胞核轉殖術，試圖由既存個體複製出另一基因相同的個體。 但是若能確定一疾病為粒線體 DNA、而非細胞核 DNA 出錯所引致，又若藉由體細胞核轉殖術能避免該疾病，我們可以允許這種做法。 反對人類複製的論點 反對人類複製科技的發展並指其為不倫理、不道德的理由主要如下.. 將人工具化，因此毀壞了人性尊嚴。世界衛生組織的秘書長 Horoshi Nakajima 博士曾表示，複製人將違背指導醫療協助生殖、尊重人性尊嚴及保護人類基因物質安全的基本原則。歐洲議會亦發表聲明指出，複製人由於將容許為了優生主義及種族主義的目的去創造人種，將嚴重違反基本人權及人類平等，因此侵犯了人性尊嚴......。聯合國教科文組織指出，人類基因必須被當作人類共有的遺產來保存，人類是不應該在任何情況下被複製的。 複製人由於未經兩性基因的重新組合，僅是一組基因的複製，將減少人類基因的多樣性，對全體人類不利。 歐洲議會指出，「每個人應該對其本身之基因身分有權利」, 這是附屬於每個人的個別性之上，人類的無性生殖將違反人們「擁有一個獨一無二、不被重複的基因組之權利」, 並因此使複製人遭遇基因認同或基因身分的問題。 人類對自己的未來或者說是對一個「開放的未來」應保有無知的權利，「複製人」生在「原型人」之後，很容易因目睹原型人生活的種種、因而知道或相信他知道太多關於自己本身的事物。因為在這個世界上，已經存在著另一個在起始點上與他擁有相同基因的人，此人似乎已經在他之先過他的生活、決定他的命運，以致於使他無法自由地開創屬於自己的未來，甚至於對被複製人造成心理上的痛苦和傷害。例如，如果「原型人」是位傑出人士，那麼複製人將會承受過度的壓力，因為他必須達成如同「本尊」般高標準的成就和能力。或者第一個或前幾個複製出來的人，可能會受盛名所累，他的誕生與一舉一動都受到大眾的關注，造成特殊的心理傷害。 這便是違反漢斯 - 喬納斯 (Hans Jonas) 所提出的「無知的權利」或喬 - 芬柏 (Joel Feinberg) 所提出的「擁有一個開放未來的權利」。 複製人沒有雙親，而每個人都應該有權擁有父親及母親，甚至有權享有來自兩個個體之基因組合，因此複製人的基本人權受到危害。 複製人將破壞家庭倫理，一旦複製人可行，女性可以複製自己、自行孕育，完全不需要精子配合及男女情愛關係，更不用談婚姻及家庭之維繫。另外，複製人單純為父方或母方遺傳的複製，並不同時具備父母雙方的特質，這個「孩子」將怎麼定義？以他的基因成分而言，複製人應該要算是原型人遲來的「雙胞胎」, 而不是兒女，縱然年齡差距可大可小。理論上，複製人基因上的父母應該是原型人的父母而不是他的原型人或代理孕母。然而，為他懷胎十月的生母理所當然可以是複製人的媽媽，但這個生母卻也可能、可以是複製人基因上的雙胞胎胞姊。如果當初的代理孕母是原型人的媽媽來擔任，為原型人生下神似的胞弟或胞妹 (基因上的雙胞胎), 那是否人倫關係之錯亂可以減少呢？複製人違反自然、扮演上帝。不經由男女正常受孕過程而生育下一代，反藉由無性生殖來拷貝人類，違背了自然法則，將導致什麼樣的後果無法想像。複製人的作為超越了上帝所賦予人類看管地球及其上生物的權限，違背了上帝對人類的計畫，其結果將是人類自取滅亡。 複製技術若被野心家、獨裁者利用，則可能用在優生主義或人種改良的目的上，加深種族歧視，或遂行其侵略野心。複製人同時也可能被用作賺錢的商業用途，想像一個胚胎超市，販賣各種具備特殊能力、特質或偶像如麥可。喬丹、老虎伍茲、克勞蒂雪彿、松島菜菜子、水果奶奶、阿妹或馬英九的胚胎。複製技術也最有可能被有錢人掌握，為了長生不死，以複製技術為自己儲備器官 (複製幾個自己但把他們弄成植物人養著，當這位「原型富人」需要心、肝、腎、肺等臟器時就不虞匱乏了), 也可以用來培養超人子嗣。如此一來，社會正義及人性尊嚴必受到重大挑戰。 複製程序會為複製人帶來不能接受的風險，無法滿足倫理上安全性和有效性的標準。以威穆特團隊的經驗而言，成功地複製出桃麗羊之前總共有 276 次的失敗。複製人過程中必然也可能會造成胚胎的死亡、損傷或其他預料以外的差錯，如提早老化、癌症傾向、發育障礙或早夭。這些醫源性的傷害若發生在人類胚胎或嬰兒身上，是無法被接受的。 對反對人類複製論點的反駁 儘管「複製人」的想法受到種種反對，再加上許多科幻電影、小說誇張聳動的渲染，使得複製人聽起來、感覺起來就很不道德。但是，仔細分析上述的反對理由，則不難發現其概念含混或說理不足之處。 即使複製技術可行，真正複製創造出的人數比起全球人口必然僅是極少數，自然方法生育的每一個人都是新的基因組合，其增加的速度必然遠超過複製人的增長，因此複製人對於人類基因多樣性的影響非常有限。 此外，基因身分認同及基因權利的問題也顯得含糊，到底是誰的認同或權利受到威脅？我們只要思考一下自然界每二百七十次懷孕就有一次機會產生同卵雙胞胎現象，許多問題就有解答。同卵雙胞胎基因相似程度更勝於複製人與原型人間的程度，但經過後天環境及教養的影響，有的雖依然神似，但更多的雙胞胎則顯出彼此在個性、喜好、特質上的差異，我們從不會把他們當作是同一個個體，他們是個別獨立自主而特殊的人，也沒有基因認同或基因權利被侵犯的問題。 有些反對是基於一個不清楚的、錯誤的「基因決定論」假設，也就是一個人的基因完全決定了一個人會成為什麼人、從事什麼行為和達成什麼成就。但是，使得莫札特、愛因斯坦、甘地...... 成為偉人的原因，真的是因為他們的基因嗎？還是他們獨特的天賦加上他們成長的環境，以及他們在歷史上以不同的方式所掌握到的時機匯合而成的？即使我們能複製出擁有和他們相同基因的個人，我們也不可能透過複製或任何其他方式，去複製他們所處的環境或歷史脈絡。我們不知道先天性和後天的培育在他們的偉大成就上所占的比重有多少，但是我們確實知道在所有的情形中都要依賴這兩者的交互作用。因此，複製人的技術不可能複製出那些如莫札特、愛因斯坦、甘地的偉大成就。同樣的，獨裁者想藉此技術創造出一個邪惡的帝國、或者宗教狂熱分子想複製他們的教主，恐怕會事倍功半，根本得不到他們想要的。 若說複製人生在原型人之後，原型人有些基因疾病後來發作了，複製人對自己將來會發生該病狀或對該「基因訊息」因而沒有保持無知的權利，或謂沒有基因隱私權，對他不公平，但是對於很多有家族性遺傳疾病的子女而言，他們也同樣無法擁有保持無知的天真。更何況這些基因資訊的獲得對於很多人來說，算是個好處，預先知道自己手上握有甚麼牌，可以先做打算，不見得對他們是不公平的。 也有學者主張使用複製人的生殖方法是屬於「生殖自由的權利」, 生殖自由不只包括選擇不要生殖的權利，例如透過避孕和墮胎，更包括了生殖的權利、包含積極使用各種人工生殖技術，例如試管受精與卵細胞的捐贈等。而使用複製人技術進行生殖的權利是一種「消極的權利」, 亦即是參與者出於自願而去使用協助生殖技術時，不應該被政府或其他人干預的權利。當某種生殖方法對某個特定個人而言，是使得他能夠生殖的「必要」方法時，允許使用此種生殖方法的理由是最強的。 因此，複製人技術最可能合乎倫理地被接納應用的時機，應該是「當它是唯一可行的方法，可以使不孕的夫婦擁有與他們基因相關的子女時」, 也就是除非靠複製，他們不可能擁有與他們遺傳相連的小孩，而這樣的「基因相連」對很多社會的文化傳統都是意義重大的。在這種情況下，選擇複製才會有複製人並連帶產生他或她所能擁有的生命、自主、權利及利益問題；拒絕複製則是虛無、什麼都沒有。相較之下，對於這些未來複製族群而言，「存在」必須優先於其他任何條件，權利、尊嚴的計較似乎也必須在「存在」以後吧！在傳統人倫家庭關係所將受到的衝擊方面，當代人工協助生殖及遺傳科技的進步，一方面造福了許多不孕的夫婦、男女，減少了遺傳疾病的發生，另一方面也帶來各種新奇的家庭關係。例如，南非有一位婦女出借子宮為生來無子宮的女兒生下外孫 (還是兒子？), 堅信傳統家庭制度的人或者會認為這多麼不倫不類；而能從其他角度考量的人則會覺得這是多麼溫馨圓滿，女兒生理上的生育缺憾，母親用愛為她彌補 (高齡產婦十月懷胎很不容易), 而一個新生命帶給一個家庭的滿足與希望是豐富的，旁人的批評責難也許就微不足道了。在過去，離婚的單親家庭常會受到社會的歧視，今日在某些社會，這樣的單親家庭已被視為正常。有些國家，同性戀者甚至可以合法地結婚、生育小孩；代理孕母在許多西方國家是法律許可的。 儘管哲學上我們常說「實然」不代表「應然」, 但是理論上自由民主的社會，應該傾向保障、尊重公民最大的自由，只要這樣的自由不妨礙他人及社會整體的利益。複製科技必會帶來新的家庭倫理問題，但從 1978 年第一個試管嬰兒露易絲。布朗 (Louise Joy Brown) 誕生以來，人類的家庭及社會制度似乎一直有它的包容力，去適應新科技帶來的挑戰，試管嬰兒最初被視為離經叛道，今日卻已是稀鬆平常。畢竟家庭倫理制度關切的是在其中的人們的福祉，複製科技的應用也不能違背這樣的關切。 至於違反自然、扮演上帝的疑慮，必須從釐清自然的定義談起，醫學與科學本質上就是人類了解自然、應用自然法則以介入自然的過程，要緊的是目的與結果會是什麼？人類是否能夠或樂於承受？複製技術如果成熟，將是一種強大有用的工具。任何工具都可能被善用或誤用，評價一個工具不能只拿它可能被誤用的情境去批評它，因而禁制了它被善用的原始目的與機會，妥善的立法規範管理似乎才是較理性的做法。也許有人會提出滑波理論 (slippery slope), 就是說一旦複製人技術發展成功，必然會被誤用，進而產生無法挽回的重大災難，因此必須一開始就禁止。對於持此觀點者，恐怕要先提出證明。 最後回到複製人將人工具化、違反人性尊嚴的觀點，學者基本上訴諸康德有關人性尊嚴的觀念，其「定言律令」(categorical imperative) 要求..「個人 (理性的存有) 不能永遠只被當作一種手段，也應當作一種目的」。把人當作人看待、當作一種目的而非僅當作一種手段或工具是義務論倫理學的基本要求，用無性生殖的方式製造孩子，把孩子當作一種商品、物品、工具來操控或利用來取得組織或器官，當然是違背人性尊嚴的，但是自然生育的小孩也可能被如此對待，而經由無性生殖生下的小孩卻不必然會被如此對待 (就如許多所謂試管嬰兒一樣)。複製出來的小孩，假使他的父母視他如至寶般地愛護，對待他如家庭的一分子，儘管複製人可能是拯救生命的一個手段 (如提供救命的組織給原型人或親人), 卻並不會排除他被當作目的而受到愛護與珍視的可能性。 然而人性尊嚴的觀念及此「定言律令」有關工具化的套用也並非沒有困難，例如為了傳宗接代、繼承祖業而生個兒子算不算把孩子工具化？因為魚水之歡而意外懷孕的小孩呢 (小孩一開始就不是交歡男女的「目的」)? 進行人工協助生殖、體外受精 (In vitro fertilization, IVF) 時總是會多製作幾個胚胎供植入之用，但不是全部都植入，那些沒有植入最後被棄置的胚胎是不是也被工具化了？別忘了他們也是人類胚胎哦！雖然已有許多對「人類無性生殖」的道德譴責及法令禁止，但是正如日本的一個民間組織生命與生物思索團體 (Life and Bio Thinking Group) 在經過四次的討論後，於 2000 年 7 月所發表的複製聲明中表示的:「若將來複製人的技術穩定成熟，可作為人工生殖的技術，或許能為不想借助捐贈精子而想孕育自己血緣的不孕夫婦帶來一線生機。與會人員對『此用法是否合乎道德』仍無共識。」 參與美國 NBAC 的生命倫理學者丹 - 布洛克 (Dan Brock), 在評價了人類複製倫理議題的正反主張後做出以下的結論:「在倫理上對於複製人的正反立場，就目前來看是相抗衡的，我們並不確定是否存在著一個在倫理上具決定性的例子，能夠用來支持或反對複製人的實行。生殖自由的道德權利可以為複製人提供合理的途徑，但是目前顯示出，使用複製人能夠帶來重大好處的情形，是很稀少的，並且複製人也無法滿足主要的、或急迫的個人或社會需求。另一方面，複製人似乎沒有危害道德權利，但它的確有著使個人或社會遭受重大傷害的風險，雖然大部分的傷害是基於一般大眾關於基因決定論、身分和複製人會造成哪些影響的困惑。由於大部分反對複製人的道德理由仍然是假設性的，所以目前這些理由並不足以作為在法律上完全禁止研究或施行複製人的充分理由。然而，對於複製人的使用和影響所做的道德考量，指出了我們需要對複製人發展的研究做謹慎的公共監督，同時也需在複製技術使用於人類之前，進行更廣泛的公共辯論和評估。」 我們回顧本文開始所提出的案例，如果有朝一日「人類無性生殖技術」已經成熟、安全、可行，可以幫助絕望的陳先生夫婦擁有一個與小雲神似的「雙胞胎」妹妹、帶給歷劫餘生的葉先生夫婦血緣相連的兒女，我們不禁要問:「基於什麼道德理由，我們必須禁止他們使用這個科技？」上述反對人類複製的理由夠強烈、夠充分嗎？每一種新醫療科技的發展都是為了可能會嘉惠某一群不幸的病患，但同時也會對社會帶來不同程度的衝擊，基因科技的發展更是可能影響深遠，不可不慎。然而討論基因科技相關的倫理、法律、社會意涵時，僅訴諸直覺、個人喜好、社會傳統是不可靠的，冷靜理性的思辯是基本的要求，必須秉持批判思考的態度並避免囫圇吞棗。人們渴望建立家庭並擁有與自己基因相連的、健康的子女是正當、合理的企盼，當醫療科技的進展能為這一群不幸的人帶來希望時，我們必須有適當、嚴肅而沉重的理由方能對他們說「不」。 深度閱讀 蔡甫昌 (2000) 從轉殖豬談複製人，臺灣醫學會會訊，19,2-7。 Harris, J.(1997) Goodbye Dolly?. The ethics of human cloning, Journal of Medical Ethics, 23, 353-360. Brock, D.(1997) Cloning Human Being-An Assessment of Ethical Issues Pro and Con, Commission Paper, National Bioethics Advisory Committee. http://bioethics.georgetown.edu/nbac/pubs/cloning2/cc5.pdf) HUGO Ethics Committee (1999) Statement on cloning, Eubios Journal of Asian and International Bioethics, 9, 70.

看不見的光–生活中的紅外線

顧名思義，「紅外線」就是在光譜上位於紅光外面的光線，而「紫外線」當然就是在光譜上位於紫光外面的光線了。人類眼睛可以看得到的可見光，分為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等「七彩」色光，這樣的順序代表的是這些色光的頻率。 可見光是電磁波頻譜中的一小部分，紅光的波長比較長，大約是 7,000 埃 (1 埃 = 10-10 米), 而紫光比較短，大約是 4,000 埃。如果套用現在流行的「奈米」(nanometer, 1 nm = 10-9 m) 為單位，紅光波長大約是 700 奈米，紫光波長大約是 400 奈米。一般人的眼睛只能接收 400~700 奈米這一段的電磁波，比 700 奈米長或比 400 奈米短的電磁波肉眼就感應不到了。 人類對於看得到的東西當然研究得特別仔細，而看不見的東西不免就馬虎一點。因此 400~700 奈米的可見光還被仔細地分成七彩色光，而 700 奈米到 1 毫米 (106 奈米) 這一段將近可見光波段 3 千倍的範圍，則被含糊地通稱為「紅外線」, 頂多再概略分成「近紅外線」(700 奈米～4,000 奈米或 4 微米)、「中紅外線」(4~40 微米)、以及「遠紅外線」(40 微米～1,000 微米或 1 毫米)。甚至不同學者對於「遠」、「中」、「近」範圍的定義都會有所不同。 由於這些是人類肉眼無法直接感受到的波段，所以以往進行研究比較困難。其實紅外線廣泛地出現在我們的日常生活中，只是常常因為看不到而忽略了它。底下就舉幾個常見的應用做為例子。 生活中最常用到紅外線的地方，大概就是「遙控器」了。現在只要是具有遙控功能的家用電器，幾乎都是利用紅外線進行遙控。隨著科學越來越進步，而人類越來越懶惰，紅外線遙控在家庭中的應用也越來越廣。現代家庭中光是客廳起碼都有三、五支遙控器，像電視、冷氣、音響、DVD 放映機，甚至電扇和電腦的無線滑鼠都使用紅外線進行遙控。 大家如果拿起遙控器看看前端的部分，就會看到一個像小燈泡的紅外線發光二極體。當按下其中一個按鍵時，我們並沒有看到任何光線，可是電視或冷氣等家電卻開始有了反應，這時就是紅外線在發揮作用了。一般家電遙控器所用的紅外線都是在「近紅外線」波段，波長大多在 1,000 奈米 (1 微米) 以內。 紅外線是一種不可見光，那我們有沒有辦法看到它呢？用眼睛直接看當然是沒辦法，但可以藉由「電荷耦合二極體」(charge coupled device, CCD) 把紅外線轉換成可見光。CCD 就是在數位相機和攝影機裡面，用來擷取影像並轉換成為電磁訊號的那一塊晶片。除了數位相機和攝影機之外，電視新聞經常提到、街頭巷尾到處都有的監視器，也是利用 CCD 的一個例子。 許多 CCD 不只可以接收可見光，甚至還可以接收近紅外線及近紫外線波段的影像。但是在數位相機或攝影機上如果多出了這些影像，那色彩就失真了，所以一般的攝影機或數位相機必須多加一些濾鏡把這些光線濾掉。如果把這些濾鏡拿掉，就可以拍攝到近紅外線的影像。有些用在保全上的 CCD 監視器，可以拍到近紅外線影像，因此能夠在入侵者自以為月黑風高神不知鬼不覺的情況下，把影像拍下來做為破案的線索。 遙控器或一般紅外線 CCD 感應的近紅外線波長，大多在 1,000 奈米以下。以波長 1,000 奈米為例，依據黑體輻射的估算，對應的溫度範圍在絕對溫度 2,900K 左右，大約是一般鎢絲燈泡的溫度。而一般人體的攝氏 37 度相當於 310K, 發出的熱輻射波長主要落在 9,350 奈米附近，屬於中紅外線的範圍。前幾年 SARS 傳染期間非常熱門的耳溫槍或紅外線熱影像體溫計，就是掃描這個波段的紅外線來判定人體的溫度。 除了遙控家電、拍攝影像和量體溫之外，在生活上另外一個經常會用到紅外線的地方，就是幫我們看門的電動門。大家應該都有到便利超商買東西的經驗，當我們走到超商門口時，店家的玻璃門就會自動打開，並且發出「歡迎光臨」的聲音。電動門為什麼知道有人走到門口了呢？這就是紅外線感應器發揮了功用。 常見的紅外線感應方式可以分成「主動式」(遮斷式) 與「被動式」兩種。所謂主動式感應器，是由一組發射器與接收器所組成，一般用在警告不速之客的場合比較多。這種感應器的發射器必須對著接收器發射紅外線光束，所以比較屬於「點對點」的感應方式。 當有物體經過其間而遮斷了光束時，接收器會因為收不到光束而發出警報聲或「歡迎光臨」的聲音。在許多冒險諜報影片中，劇中人物必須極盡所能地扭曲自己的身體穿過高科技的警報系統，那所謂高科技的警報系統，說穿了就是一套主動式的紅外線感應器而已。 那真的可以像影片中一樣，戴上一個特殊眼鏡就可以看到一條條的紅外線嗎？各位如果讀過前面的部分，就會發現電影中說得很玄的東西，說穿了根本不值什麼錢。由於這種感應器大多是使用近紅外波段，所以只要有一個好一點的紅外線 CCD 再加上一點點煙，就可以拍到這些光束，接著只要把影像接到螢幕 (影片中大多是眼鏡大小的小型液晶螢幕) 放映出來，這些紅外線就無所遁形了。 至於被動式的感應器，大多用於商店門口迎賓及送客之用。這種感應器不需要裝一個紅外線發射器，因為人體自己就是一個紅外線發射器。這種感應器使用的是接近人體溫度的中紅外線波段。 由於一般外界環境的溫度比人體低一點，所以平常不會有感應，但是當有人走進感應範圍時，感應器會感應到一個比較熱的發射源，這時就會跟你說「歡迎光臨」了。這種感應器不適合用在戶外，因為戶外溫度變化太大，甚至有時室外溫度會比人體還要高，那這種感應器就無法作用了。 在軍事用途上，紅外線常常因為肉眼不可見的特性，而被用於夜間突襲和偵搜。像美伊戰爭時，伊拉克地面部隊從頭到尾被美軍壓著打，很重要的一個原因就是美軍部隊的夜戰設備太多太好了，連美國隨軍記者的攝影機都有紅外線和星光夜視能力。在許多新聞影片中，伊拉克民兵還在街角探頭探腦時，美軍記者已經取好鏡頭調好焦距，等著一旁的美軍開火。敵暗我明之下，伊拉克民兵當然只有挨打的份了。 在我們的生活中其實充滿了紅外線，因為物體只要有熱就會發出熱輻射，這些熱輻射的波長會隨著溫度而略有差異。人類生存的地球環境溫度 (-50°C~+50°C) 所發出的熱輻射，都屬於中紅外線的範圍，因此我們周遭的每件東西都在發出紅外線。而近年來非常熱門的「溫室效應」, 就和地球環境中的紅外線有密切的關係。 所謂的「溫室」, 最早是中高緯度國家為了種植怕冷的熱帶植物，而興建的讓陽光進得來出不去的玻璃房，一般來說即使不加熱也可以比戶外高個十來度。像台灣這種最冷也不過到零度，可是熱起來可以到 40 度的地方，散熱降溫都還來不及，如果溫室內再比戶外溫度高個十幾度，不管是動物或植物都會受不了。 為什麼玻璃房可以當溫室呢？關鍵就在玻璃材質對於不同波長光線的透射率不同。我們對玻璃的印象是「透明」的，但其實玻璃的透明只限於可見光及鄰近的近紅外線、近紫外線。對於接近室溫的中紅外線，玻璃呈現出的性質完全不同。 由於陽光最主要的能量波段是在可見光範圍，這些光線可以長驅直入穿透玻璃進入溫室之內。當可見光被地面或植物吸收之後，室內溫度會略微上升幾度，這時地面發出的熱輻射是屬於中紅外線波段，由於被紅外線玻璃擋住了出不去，於是能量就被關在溫室內而使得溫度上升，這就是所謂的「溫室效應」。 地球的溫室效應主要來自二氧化碳等溫室氣體，它們和玻璃一樣有透過可見光而攔截中紅外線的性質，因此二氧化碳多的時候，行星會留住較多的能量而使溫度上升，金星便是一個溫室效應過度而造成惡性循環的例子。可是二氧化碳太少也不行，因為那樣又會留不住能量而使得溫度太低，火星便是另外一個極端的例子。 以往大氣中的二氧化碳濃度變化很慢，可是自從工業化之後，人類大量地燃燒煤炭、石油以取得能量，結果造成了二氧化碳快速增加。 有些科學家就擔心，二氧化碳增加會造成大氣攔截紅外線的能力上升，接著地球的溫度會升高，於是兩極冰山會融解，並且使海水蒸發增加，而水氣也是一種具有溫室效應的氣體，於是大氣攔截紅外線的能力就更加增強了。如果溫室氣體過多，地球溫度就可能步入一個「越熱越蒸發，越蒸發越吸熱」的惡性循環，最後可能會像金星一樣，整個海洋都蒸發掉。 為了避免人類走上這一條絕路，1997 年聯合國召集各國代表於日本京都簽訂所謂的「京都議定書」, 目的就是管制並減少各國的二氧化碳排放量。雖然許多國家陸續正式簽署了這項議定書，可是 2001 年全球二氧化碳排放的最大戶 (約占全球的三分之一) 美國宣布退出協議，使得這項努力可能因此而功敗垂成。 溫室效應和全球氣候變遷聽起來似乎離我們遠了一點，其實溫室效應幾乎每天都在我們身邊發生，而且是很激烈地發生。在哪裡呢？就在我們的汽車裡。在台灣，夏天溫度最高可以達到 40 度，但如果把汽車停在中午的太陽底下曬個一、兩個小時，車內的溫度就可以高達七、八十度，裡外溫度相差將近 40 度，這就是溫室效應的最好實例。 紅外線無時無刻不存在於我們的生活中，我們隨時都在享受著紅外線研究帶來的便利與舒適。在享受紅外線帶來的便利時，如果多了解一點紅外線的本質與應用，將使人類的生活更舒適，也可以讓人類避免踏上錯誤的死路。

都是電磁波惹的禍(上)

這幾年陸續有相關電磁波的報導，似乎都讓大家心生恐懼，其中有美髮師疑似過度使用吹風機而導致白內障、還有人講手機講到得腦瘤，難道都是電磁波惹的禍嗎？這個引起爭議的電磁波到底是什麼、又是如何產生的呢？電磁波簡單的說就是以波動形式傳遞的電場和磁場的振動。電磁波可分游離輻射及非游離輻射兩種：游離輻射的波長較短每一個光子的能量較大，譬如 X 光。而非游離輻射的波長較長每一個光子的能量較小。依照能量的大小，又分為可見光、紅外線、微波、無線電波以及長波等。而能量較高的非游離輻射像是紅外線會產生熱效應。譬如冬天使用的電熱器就是靠發出紅外線來讓人取暖。 除了人工製成的電磁波發設射裝置外，其實任何有溫度的東西都會產生電磁波。就連人體本身也會產生微波，我們使用的夜視鏡其實就是利用人類的體溫和環境溫度不同，所發出的電磁波波長不同的原理所製造出來的。另外除了大家熟知的手機、電視、電腦、電冰箱會發出電磁波，裝有馬達的按摩浴缸、隱藏在牆壁內的電線，也都是電磁波的來源。我們不但在吸收電磁波，也同時在發射電磁波。 你距離現在所有的家電產品，只要離開 (距離) 50 公分 (以上),(產生的磁場) 都小於 2 個毫高斯以下，那電磁爐可能超過 (產生磁場較大), 電磁爐中心那個地方，你的鍋子底部的面積，如果沒有辦法把那個，圓圈圈蓋住的話 (蓋住電磁爐中心), 那麼旁邊洩漏出來的地方，(磁場) 就是 4000 毫高斯 電器產品提供強大的便利性，但是近年來電磁波對於環境、人體的可能存在的威脅卻爭議不斷，除了有待科學界與醫學界進一步釐清真相之外，如何在便利和危機這兩者當中作適當的取捨，是人類目前要去面對的課題。 2007 年東森電視台《科學大解碼》第一期

人類的第七感–感測器

什麼是感測器 所謂「感測器」(sensor), 就是能把化學量、生物量、物理量等轉換成電訊號的元件。感測器可輸出各式各樣的訊號，如電壓、電流、頻率、脈衝等，並滿足訊息傳輸、處理、記錄、顯示、控制的要求。 感測器通常由感應元件和轉換元件組成。前者能感測到被測物並輸出訊號，後者則能把感應元件的輸出訊號轉換成可傳輸和量測的訊號。簡言之，感測器就是能把力、熱、光、磁場、電流、超音波等外界變化的狀況檢測出來，並轉換成電信號的元件。舉例來說，人類須借助感官來檢測外界環境的訊息，而眼、耳、鼻、舌、觸覺等就是感測器。 但只依賴感官並不能精確地感覺到某些環境中的變化，例如電磁場的強弱或無色無味氣體的濃淡。為克服這一限制，就開發出各種檢測裝置和自動控制系統，人類除了現有的五感及第六感外，感測器儼然已成為人類的第七感了！讓科技產品更人性化是科技發展的目標之一，感測器早期以手工機械式為主，接著發展出電氣機械式、電子式與微電子式。近年來在微機電製程技術快速發展下，已把感測器成品推向系統化、微小化與智慧化的境界，也便利並豐富了人類的生活。 生醫感測器 血糖計 傳統量測血糖主要是利用生化檢驗的方式，需要抽血及幾個工作天的繁瑣過程，無法達到快速檢驗的目標。現在是以電化學氧化 - 還原反應進行血液中血糖濃度的測量，配合血糖感測試紙的使用，可更快速地量測出血糖濃度。 電化學氧化 — 還原反應分為氧化與還原兩個步驟，前者是使葡萄糖失去電子變成葡萄糖酸，後者則由氧氣得到電子還原成水。血糖計就是利用這一機制達到快速測定血液中葡萄糖濃度的目的，這樣的感測器的確有效地節省了醫療人員與病人檢驗血糖的時間。 耳溫槍 耳溫槍是生醫感測器中最常見的產品。傳統量測體溫的方式，主要是由水銀柱受熱膨脹產生的高度變化換算而得。但在量測過程中，受測者須避免晃動以減少誤差，而且需時較久 (1 分鐘至數分鐘), 不利於兒童與病人使用。另外，應用水銀對環境的危害也是一大缺點。 感測器應用於耳溫槍解決了傳統量測的缺點，它的作用原理是利用紅外線測量從鼓膜釋放的熱能。當耳溫槍前端感測元件感測到熱能後，會把它轉換成電訊號，再經數位化處理後成為可判讀的資料。高精密的紅外線感測元件確實方便了我們的生活。 血壓計 血壓計的量測原理是把人體血壓的柯氏音，經由麥克風放大，因此即使不使用聽診器檢測，也可以輕易檢測到血壓脈動的聲音。傳統水銀式血壓計操作不易，並不適合家庭使用。但藉由電子血壓計裡感測晶片的量測，不但操作容易，而且只需在使用前校正，測得的血壓值誤差會比水銀量測的小，也無水銀污染的問題。 仿生感測器 電子眼 電子眼 - 矽視網膜晶片裝置的主要結構，可分成光敏區、光電二極體區及金屬電極區 3 個部分。藉由光敏區吸收外界光線，使光線通過光電二極體區轉變成電流，電流再傳遞到視網膜神經組織，藉由電流刺激晶片附近的視網膜細胞，產生視覺訊號傳遞到視皮層，恢復對光線、圖片及運動中的物體產生反應的能力。電子眼使患者能分辨光線強弱，恢復部分視覺功能，讓失明病患可以得到較好的生活品質。 電子耳 俗稱的「電子耳」是藉由外科手術植入耳蝸的電子裝置，經過這一裝置所放出的電流，能直接刺激聽覺神經而產生聽覺。這項技術源於 1950 年代，開始時是使用單電極進行聲音傳遞，今日已改良到使用多電極來傳遞聲音了。 電子耳的設計是仿自人類耳朵內部的構造，可以分成內部及外部元件。內部元件包含語言處理機及小型麥克風，外部元件則包含解碼器及電極。電子耳傳遞方式主要藉由麥克風接收環境的聲音，再經由語言處理機進行聲音轉換，以及過濾周遭環境的雜音，再把聲音轉換成聲波碼，經過特殊的轉換器傳遞到耳朵內的解碼器進行解碼。然後再傳遞到仿耳朵纖毛細胞的電極，使聽覺神經產生訊號，最後再傳遞到大腦以產生聲音。電子耳讓聽障者得以重新得到聽覺，大幅便利了聽障者的生活。 食衣住行類感測器 壓力感測器是汽車中重要的關鍵零組件，也是許多國外半導體大廠活躍於汽車電子領域的強項之一。目前輪胎氣壓有兩種檢測方式：直接式檢測與間接式檢測。直接式檢測法是利用壓力感測器檢測輪胎氣壓，間接式則是統計車上四個輪胎的運轉數，計算輪胎運轉產生的氣壓變化而達到胎壓監測的目的。 胎壓感測器在汽車行駛中能即時監測車胎的氣壓狀況，當偵測到胎壓不足或有爆胎之虞，可以在第一時間提醒駕駛者，避免車輛在高速行駛中發生危險。感測元件整合了半導體壓力感測器、半導體溫度感測器、數位訊號處理單元和電源管理器的晶片系統，以及可傳送到車內接收器的無線訊號裝置。 紅外線感測器 電子收費系統 (ETC) 是結合電子、紅外線感測器、電腦與通訊的自動化收費系統，這個系統是相當成熟的技術，已廣泛使用在世界各國的高速公路上。亞洲的日本、韓國、新加坡、香港、菲律賓、馬來西亞、印度、甚至巴基斯坦的高速公路，都已裝設這種收費系統。 電子收費系統的基本原理是在收費端裝置感應器 (有些在中途點，如台灣，有些則是在進出匝道口，如日本) 與信號收發器，當感應器偵測到車輛經過時，收發器就會發送電磁波信號給裝置於通過車輛上的收發器，同時車上的收發器也會接收到開始計程、扣款等信號。內裝的儲值卡就會自動扣款，然後回傳信號給收費點的信號收發器完成交易。 電子收費系統的信號傳輸大致有紅外線和微波傳輸兩種方式，目前國內系統使用的是紅外線傳輸。紅外線的傳送頻率比微波高，傳送頻寬也大很多，若把 1 GHz 想像是一個車道，紅外線可容納近 40 萬個車道，而微波只有 300 個車道，因此紅外線可以在短時間內傳輸大量資料。 電子收費系統到底有什麼好處呢？對於駕駛人來說，它可節省停車付費的時間，快速完成繳費動作，達到更高的行車效率及提供安全的行車環境。另一方面，對於高速公路的收費單位來說，最大的好處是電子收費取代了人工收費，降低服務人員在高速行車環境下的危險性，並減少人工成本的支出。 氣體感測器 「開車不喝酒，喝酒不開車」是降低交通意外的不二法門。交通警察藉由酒精感測器，測試駕駛呼出氣體裡的酒精濃度是否超過安全標準，以判斷是否能繼續安全駕駛。在環保方面的應用，氣體感測器可用來進行即時監測，如汽機車定期的排氣檢測及加油站的油氣監測。 此外，由於有害氣體會被空氣稀釋，使得人們很難辨別污染物及其來源。但藉由空氣感測器的協助，環保人員能快速準確地判斷，並即時防制污染的擴散與危害。例如瓦斯是生活中不可或缺的重要能源，但稍不注意便可能造成憾事，如一氧化碳中毒或氣爆事件。如今，氣體感測系統能提供即時的感測預警，減少意外事件的發生。氣體感測器也可以減少在坑、槽、井、洞、溝環境中作業人員的意外發生，或是預警化學廠易燃、致命毒氣外洩可能引發的災害。 人類感官的延伸 近年來感測器的應用越來越廣泛，繼續研發檢測範圍廣、準確度高、反應速率快、壽命長、抗干擾性高的感測器，是這一新興領域努力的目標。目前感測器正朝向以下幾個重要方向發展：智能化、微型化、多功能化、新型功能材料的開發應用、結合仿生技術、網路資訊數位化等。 感測器在日常生活中扮演著舉足輕重的角色，就像人類感官的延伸，不但豐富、便利了人類的生活，也使我們避免了許多不必要的危險，感測器儼然已成為人類的第七感！誌謝：本文作者感謝國科會大眾科學教育計畫 (人工知覺–各式感測器之演進及生活應用，NSC-95-2515-S-006-003) 的支持。

科學界的一盞神燈

國家同步輻射研究中心新發展出來的「同步加速器光源」顯微術，猶如一盞探照燈，把「光」打向肉眼看不到的地方。這種「同步加速器光源」顯微術，可以利用的電磁波範圍非常廣泛，它的一些特質讓臺灣科學界猶如有了「科學神燈」。 廣義來說，所有電磁波都叫做光。「同步加速器光源」顯微術所使用的光，涵蓋了紅外線、可見光、紫外線到 X 光的範圍，波長連續，範圍寬廣，藉由光束線分光儀的調變，便可完成各種不同類型的科學實驗。 1986 年科學界發現的巨磁阻 (giant magnetoresistance, GMR) 效應，可讓利用磁儲存的硬碟有機會越做越小。然而當時因為偵測器不夠靈敏，巨磁阻現象的物理原因尚未完全了解，使得運用巨磁阻現象發展硬碟儲存的技術遇到許多瓶頸。直到使用同步輻射光源的 X 光吸收能譜顯微術出現，才有機會解決。 國家同步輻射研究中心副研究員魏德新博士指出，目前較先進的第 3 代同步加速器光源，是在電子儲存環中加入特殊插件磁鐵，使得因電子加速時所產生的同步輻射光源比傳統 X 光機所能產生的光源亮 1 百萬倍。許多以往看不清的材料內部結構，在這樣強力的同步加速器光源探照下無所遁形。 另外，由於同步加速器光源的「光源波長可變化」特點，使得在分析材料時，有更多不同波長的吸收光譜可供對比參照，讓各種材料中的元素現身。加上磁物質具有磁極化性，X 光源正好也有左 (右) 旋偏振性，成了進一步探測磁性質的關鍵。第 3 代同步加速器光源在發展上日益精進，甚至更多了「空間」、「時間」的解析資訊，讓科學家又多了一個可操控的實驗機制。 這些技術精進都是增進磁現象觀測的有利工具，儀器的靈敏度提高後，可以觀測奈米尺度的磁薄片，也發現「磁區的排列方式」大大影響了巨磁阻效應及儲存空間的大小。未來只要善加利用磁區排列空間，輕薄短小但儲存空間超大的硬碟不再是夢想。 然而魏博士念念不忘的是國家同步輻射中心領航臺灣科學界的前鋒角色，「科學家每多問一個為什麼，我們就要為他們多架設一個儀器來了解」魏德新博士說。國家同步輻射中心設計出來的同步加速器光源重在「通用」,「要造福各方前來探問『為什麼』的研究室，而不只是我個人的實驗能夠順利就好。」 他希望未來臺灣科學界不必非要到美國、德國去做研究工作，這樣臺灣的研究才會有長足進步，也是國家實驗室該努力的方向。

防曬迷思

氣候變化多端，影響健康的，不只是溫度冷熱，還有看不見，摸不著的紫外光。陽光裡，有超過一半是紅外光，三成是可見光，以及不到一成的紫外光。紫外光會破壞 DNA 的結構，已被証實是引發皮膚癌的原兇，如果加上臺灣濕熱的環境，對人體造成的傷害可能超過預期。第八集綱要陽光裡有超過一半是紅外光，三成是可見光，以及不到一成的紫外光。紫外光會破壞 DNA 的結構，被證實是引發皮膚癌的原兇。如果加上臺灣溼熱的環境，對人體造成的傷害可能超過預期。一般大眾常以為陰天就沒有紫外光，或只要擦了防曬乳就不怕晒太陽等等。在科學家的研究下，防晒迷思一一被解開。愈來愈多研究證實，紫外光於皮膚的傷害，是累積而且不可逆的，防護措施必須徹底執行。基本上，外在的防護加上輔助的修護，比如說從營養下手，維生素 A、C 和 E, 負責修復皮膚組織；能抗氧化的青花素和兒茶素等，也能幫助修復紫外光造成的傷害。科技部 103 年度「臺灣科普傳播事業發展計畫」補助民視 (53 臺) 2016 年 08 月 13 日 (周六) 08:00【科學再發現】全集播出 (重播) 2015 年 11 月 28 日 (周六) 08:00【科學再發現】全集播出 (重播) 2014 年 08 月 23 日 (周六) 08:00【科學再發現】全集播出 (重播) 2013 年 11 月 30 日 (周六) 08:00【科學再發現】全集播出 (重播) 2013 年 05 月 18 日 (周六) 08:00【科學再發現】全集播出原節目：變天 (東臺傳播股份有限公司)

地衣的太空之旅

地衣是真菌與藻類的共生體，其中的藻類通常是綠藻。藻類寄生在真菌裡，以光合作用生產養分，供應自己也供應真菌。牠們是互利共生的典範。 最近，歐洲太空總署完成了一個叫做 Foton 的計畫，由西班牙的科學團隊執行，發現沒有受到任何保護的地衣可以在太空中存活兩個星期以上。 2005 年 5 月 31 日，俄國火箭把裝了兩種地衣的太空艙發射到繞地軌道上。那個西班牙設計的太空艙，在太空中自動打開，讓地衣暴露在太空中。15 天之後，太空艙關閉，返回地球。那些地衣必須忍受無氧環境，以及攝氏零下 20 度與攝氏 20 度之間的溫度，還有強烈的太陽紫外線。 結果，地衣全然無恙。 在太空中，地衣進入休眠狀態，一返回地球，就恢復正常的生命跡象，染色體也沒有受到損壞。也就是說，牠們經得起強烈紫外線的折磨。 地衣表面有一層膜，是礦物質的，非常強韌，可以遮擋紫外線。此外，表層還有層層的細胞，也能保護下層的組織。過去在實驗室裡，科學家已經發現地衣經得起強烈紫外線照射。 這個太空實驗結果，可以支持地球生命外源說。根據生命外源假說，地球上的生命種子 (複雜的有機分子) 來自外太空，那些生命種子到達地球後，再進一步演化出地球上的生命史。 此外，還有人從這個實驗結果想到地衣也能生存在火星上。因為火星的大氣層雖然稀薄，可是其中超過 95% 是二氧化碳，可以供藻類進行光合作用。但是火星大氣中氧氣只占 0.13%, 實在太低，地衣恐怕難以長久生存。 到現在為止，地衣是能在太空環境中生存的最複雜的生物。

畜產生物科技:借腹生子不稀奇

胚的大量供應 生物技術已公認是二十一世紀的明星產業，它主導了國家生物尖端科技的發展。在畜產科技應用上，胚胎工程又是生物技術領域中極為重要的一環，其應用面甚廣，涵括胚的生產體系研發以及其應用。自從前列腺素在一九七五年由美國食品藥物管理局批准使用後，畜牧業的胚移置技術，即於一九八○年代開始快速地發展。牛胚的生產已是本世紀家畜繁殖的主要技術，它兼具效率高、應用廣的特性，所謂生物工廠即指此意。 胚的生產可分為兩大體系：其一為體內生產，其二為體外生產；體內生產即一般利用超級排卵取得胚的方式，體外生產則包含了經由屠宰場取得卵巢，或利用超音波掃描卵巢的取卵技術經由活體取得。胚的生產系統不但為家畜的遺傳改良提供捷徑，也為胚胎工程發展，提供了大量的研究素材。 家畜的胚移置技術已有百年歷史 (兔，一八九○年), 所謂借腹生子就是胚移置的意思。一九三○年代以後，這項技術應用在許多家畜身上已獲得成功，例如綿羊、山羊 (一九四九年)、豬、牛 (一九五一年) 及馬等。而商業化的應用則始於一九七七年，畜牧業先進國家的胚移置公司，有如雨後春筍般成立，其目的乃在利用優良的母畜，大量繁衍其後代。將受精後七至八天的早期胚，移置到發情同期化，而且生理條件一致的另一頭受胚母牛子宮角內，完成懷孕。在台灣，牛胚移置技術雖起步較晚，也在一九八二年有了首例誕生，近年來每年仍有約百頭的胚移置小牛誕生。 胚體內生產 胚體內生產涉及的基本技術，包括超級排卵以及發情同期化。牛隻成長約七月齡後可見第一次發情，動情周期為 21 天，每次發情僅排一個卵，偶有例外。由於母牛最多僅能年產一胎，一生中的產犢數很有限，若要一次發情時能排多個卵，必須對供胚牛進行超級排卵處理。 超級排卵是胚體內生產的關鍵技術，同時也因受到不同因素的影響而有排卵反應的差異。其主要是利用濾泡激素來誘發，一頭牛經超級排卵處理後，平均一次可獲得五個可供移置的優質胚，台灣的最高紀錄曾達到 32 個。簡言之，若將此胚同時移置到 32 頭發情同期化的受胚母牛中，如果懷孕率為 50%, 即表示會有 16 頭經胚移置的小牛同時誕生，其生產效率之高不言可喻。乳牛一生中，平均大約生產七至八胎即被淘汰，而一頭牛一年之中可以進行三次超級排卵，每年平均可獲得 15 個胚，相當於可生產七至八頭小牛，小牛產值與其一生相等。 胚體外生產 「體外」一詞源自拉丁文「in vitro」, 其原意就是「在試管內」。世界上第一次將精子與卵子共置於玻璃試管或試皿內進行受精試驗，而非在體內時，即被稱之為「in vitro」受精。 初生母牛的卵巢中，約含有十至三十萬個卵母細胞，隨著成長過程，卵巢逐漸增大，重量亦隨之增加。卵母細胞的來源可以經由屠宰場取得的卵巢，採集卵巢上未成熟的卵母細胞，經體外培養使其成熟，或應用超音波掃描以觀察濾泡發育狀態，自活體吸取卵母細胞。 胚的體外生產系統包含：卵的體外成熟、體外受精及胚的體外培養等三大部分。早期研究體外受精技術甚為困難，一九九○年時，美國及加拿大經由體外受精生產的小牛，總數不超過一百頭；臺灣則在一九九八年十月九日，誕生了第一頭經由體外受精生產的小牛。 活體取卵是近十年來新發展的技術，經過不斷地改善，已經有商業化的儀器與設備供應。這些設備需要超音波儀，並配備固定功率的探頭，以及真空幫浦和採卵針。從超音波儀看到小濾泡時，立即將採卵針刺進小濾泡，負壓作用即將濾泡液和卵母細胞吸入離心管內。母牛每周以採集兩次所得的卵母細胞品質較好，數量也較多。平均每次約可收集到 10 個卵母細胞。 當牛隻發育成長，排卵前卵子重新進行減數分裂，使核增大。濾泡成熟的過程，需經過初級、次級、三級的發育階段，最後始成為成熟濾泡，當卵子由成熟的濾泡排出時稱為排卵。 在濾泡成熟的後期，卵母細胞也逐漸成熟，細胞核亦進行減數分裂，達到第一次減數分裂中期的階段，稱為初級卵母細胞。初級卵母細胞再經一次減數分裂，即分裂為次級卵母細胞以及一個稱為第一極體的較小細胞，此時達到第二次減數分裂中期。細胞分裂的過程中，當有第一極體排出時，即顯示核已達到成熟，可以準備受精，這是重要的標記，利用立體顯微鏡即可觀察到。發育成熟的次級卵母細胞，經排卵並被精子受精後，再繼續完成其減數分裂，直到排出第二極體後才會進行一般細胞的有絲分裂，發育成為早期胚。 從屠宰場取得的卵母細胞，必須經過體外成熟階段才能進行受精。體外成熟的培養液一般採用組織培養液如 TCM199, 另外再添加胎牛血清，它有促進卵子體外成熟及確保較佳的卵裂效果。 精子與卵發生受精作用之前必先經過獲能，這是一個非常複雜的精子生理變化過程。在體內受精情形下，精子必須先在雌性生殖道中，經過數小時的獲能準備才有受精的能力；在這段期間中，精子發生的生理生化改變，包括去除精子表面附著的抗原物質，以及進行頭帽反應，尤其是在頭帽內至少要有四種酵素的激活和釋放。精子欲穿過卵子的透明帶，必須要靠這些酵素來溶解卵丘細胞團及透明帶。 體外精子獲能的方法，主要是靠添加肝素或是咖啡因來處理。凡能促使鈣離子進入頭帽的刺激，均可誘發獲能。 體外受精即是將已經完成獲能的精子和成熟的卵母細胞，共同置於受精用溶液中，然後將之靜置於二氧化碳培養箱中培養 48 小時。 受精完成並卵裂為二至四細胞的受精卵稱為胚。經體外受精後的早期胚，在繼續卵裂發育的過程中，會發生發育阻滯現象。不同的動物出現細胞發育阻滯的時期不同，牛羊為八至十六細胞期，豬為四細胞期，小鼠為二細胞期。因此如何克服牛的細胞發育阻滯現象，確保其發育能越過十六細胞期，是早期研究的重點。最早是利用兔子的輸卵管，將受精完成並卵裂的牛胚，移入已結紮的兔子輸卵管中，移植後第五天，再從兔子的輸卵管回收已發育至桑椹期或囊胚期的胚，再進行胚移置到受胚牛。 目前用來克服早期胚在體外發生發育阻滯的方法，是採用細胞共培養系統。將胚與卵丘細胞、輸卵管上皮細胞或子宮上皮細胞等體細胞共同培養，即可克服發育阻滯現象，使胚能繼續發育，直到成為桑椹期或囊胚期，再做移置。 當母牛的生理周期與胚發育階段不一致時，移入的胚不能順利發育，而導致懷孕失敗，因此必須利用內泌素對牛隻進行處理，來調整母牛的發情周期使之同期化。其目的在使母牛於預定的時間集中發情，以便實施有計畫的胚移置工作，提高受胎率。 同期發情處理應用的內分泌素有多種選擇，最常用的是前列腺素；其功能是當卵巢有黃體存在時，經注射前列腺素後即被消解，於是在二至三天內又能誘發一個新的發情周期，因此能掌控排卵時間及胚移置的最佳進行時機。 當新鮮胚移置時，供胚牛與受胚牛的卵巢和子宮生理狀態亦必須一致，才有利於未來胚的持續發育及著床。胚在發育早期和子宮組織間尚未建立密切的關係，此一階段的發育，基本上是依靠本身儲存的養分，所以沖洗子宮後取得的胚，較易存活，一旦放回與供胚牛相似的受胚牛的子宮環境中，移置的胚即能繼續發育。 供胚牛與受胚牛的發情同期化程度，差異不得超過六小時，否則會降低受胎率；也就是說，供胚牛在發情、配種後七至八天取胚，受胚牛也應在相同時間接受移置。 在大型哺乳動物採用非手術法移置技術，此技術從一九七六年以後即廣泛應用於牛。牛胚移置的器材與人工授精相似，僅有口徑較小與長度較長的差異而已。移置前，將胚放入胚管並且裝入移置器；移置時，自生殖道插入移置器直到子宮頸外口，另一手則深入直腸找到子宮頸，緩緩配合將移置器送入子宮角內，並在預定的位置將胚注入。 生物工廠的未來 乳牛利用超級排卵及胚移置等操作技術，可在短期間內生產許多遺傳性能優異的種畜後代，加速遺傳改進的速率。同時，胚體外生產的科技亦提供了另一重要的胚源，這是生物工廠的濫觴。利用胚體內與體外生產系統、胚顯微操作等技術，與分子生物學結合，並且擴大應用的範圍，因而促進了一系列人工生殖科技的快速發展。

組織工程:巧奪天工的人類智慧–組織工程

組織再生？真是太神奇了！相信大家都看過《封神演義》這本家喻戶曉的神怪小說吧！其中有段關於小神童「哪吒」的故事是這麼說的：哪吒擊斃龍王三太子後，四海龍王前來復仇，哪吒為救父，遂自刎，削骨還父、剔肉還母而身亡，其師尊太乙真人以蓮花堆成哪吒身形，鍊成蓮花化身之軀以使哪吒復活。在 21 世紀的今日，各項科技突飛猛進，「蓮花化身」這種組織器官再生的說法，已不再只是出現在小說中遙不可及的神話。 器官再生在自然界中並非柏拉圖式的理想。壁虎遇到敵人襲擊時會自斷尾巴，趁敵人陶醉在香「尾」大餐時，一溜煙地跑掉，不過一段時間後，全新的尾巴又會自動長出來；另將海星砍成兩半丟入海中，海星不但不會死亡，且每一半都可長成獨立的個體，這種特性叫做「再生」。擁有這般器官再生的神奇功能，實在令人稱羨。近代科學家們憑藉著一股「臨淵羨魚，不如退而結網」的堅定信念，發揮「仿效自然」的巧思，重建受損的人體組織，這就是「組織工程」的主要精髓。 啥米是組織工程？「組織工程」在 2000 年 5 月分美國《時代》(Time) 雜誌中列為未來十大熱門工作的榜首，顯示這項技術正朝著蓬勃發展的前景邁進。簡單地說，組織工程主要是致力於組織和器官的再生與形成，利用材料科學與生物科技的進步，在一個模仿組織與器官形狀的材料中種入細胞，使細胞依著模型來長成新的組織與器官，以供修復人體的組織缺損。這項技術對於世界上許許多多因器官衰竭而亟待修復的患者來說，無疑是一大福音。 在認識什麼是「組織工程」之前，對於這項在科技學門中崛起的閃亮之星發展過程的了解，套句廣告詞：這是一定要的啦！傳統上，外科醫生對於受損組織的處理，都是以手術重建的方式進行，也就是對患處直接作手術縫合或利用人體組織移植以達修復的目的。不過，二次大戰期間，由於科技知識爆炸，以及各學科間的相互整合，科學家提出了「仿效自然」的想法，希望以人工製造方式，創造出與人體正常器官相同的取代物。首先是使用人工物質如合成高分子等，作為取代物的人工器官與生醫材料，這一波風潮在 1970 年代達到高峰。漸漸地，科學家們發現，人工合成的物質若長久置放在人體內，會有慢性發炎等免疫排斥問題產生。於是開始醞釀出新一代的思維模式，嘗試結合人體組織移植與人工材料修復的優點，開啟了組織工程的新紀元。 早在 1970 年代末，麻省理工學院的優金貝爾 (Eugene Bell) 實驗室就成功地在體外培養出了皮膚、血管等組織。在 1980 年代麻省理工學院的羅伯藍格 (Robert Langer) 教授、哈佛醫學院的約瑟夫佛坎提 (Joseph Vacanti) 以及其弟查理斯佛坎提 (Charles Vacanti) 等人，又透過一系列的實驗證實：利用可降解的高分子材料結合細胞的植入，可以培養出新生的軟骨組織。有了這些傑出科學家的細心投入，1990 年代組織工程原理的雛形遂大致建立，成為一顆崛起的新星。 如果把組織工程看作是一家人體組織器官的建設公司，那麼說起公司職員的身分背景，那可就琳琅滿目了：化學工程師、材料學家、生化學家、細胞學家、生理學家、分子生物學家、臨床醫學家、外科醫師、病理學家等等。可見組織工程並非是一項「獨門」的學科，乃是集各家所長之大成。 秘密武器！實現人體組織器官再造的夢想，支架、細胞及訊息因子，是構成組織工程不可或缺的三大要素。打個較容易理解的比方的話，支架就像是果農種植葡萄時所搭起的棚架，細胞就是種下的種子，而生長因子就好比所施予的肥料。 想要針對受損組織進行修復動作或實現人造器官的美夢，需要這三大要素之間巧妙的配合，針對人體中不同部位的組織需要，研擬出適合組織器官再生的策略，以達成組織工程造福人群的目的。 支架–細胞的家 想要讓細胞長成我們所預期的器官構造，如果缺乏細胞的立足點，也就是作為細胞生長溫床的「支架」, 是一件不可能的任務。組織工程利用特殊的生物高分子材料建構出三度空間的立體框架，讓植入的細胞可以在其中生長並增生。支架的功能不僅僅當作細胞生長的框架結構，更可以進一步地控制引導細胞朝特定的方向生長、分化。 適合作為組織工程的支架材料，基本上必須符合幾個條件：在人體內可以被降解，因為支架結構在體內存在時間過久，反而會有礙組織的再生，也就是說器官長成後所使用的支架材料必須會消失且可被人體吸收；良好的生物相容性，即沒有嚴重的免疫排斥問題；材料表面適合細胞的生長；以及具備相當的物理強度。 不過，無論所使用的材料為何，它們皆具有兩個共通的特性。首先是可塑性，可按照不同的組織器官構造，塑造出我們所想要的形態；其次是支架內部的孔洞結構，它就像是一間間的小房間，細胞植入後，如同攀岩一般先貼附在房間的牆壁上，然後慢慢地往房間中央伸展，最後細胞及其製造出的細胞外基質形成組織而占滿了整個房間，細胞彼此間穿牆而過形成聯合的整體，長成我們所要的器官。 細胞–組織再生的關鍵 組織工程的最終目的是讓細胞在體外生長分化為功能性的組織器官，採集少量的自體細胞加以培養，在體外大規模地增殖，再運用於體內器官的修復上。因此細胞是組織工程策略能否奏效的重要功臣。細 胞的類型大致上可分為兩種：已分化完全的「成熟細胞」, 以及具有分化成其他細胞能力的「幹細胞」。 成熟細胞的來源主要分為自體及異體細胞，當然，自體細胞自然是最為理想的細胞來源，因為不會產生免疫排斥的問題。雖然近幾十年間，體外培養細胞的技術已有令人矚目的進展，但仍有許多關鍵性的難題尚未突破。例如，如何有效地促進成熟細胞在體外的增生能力，以及細胞取得來源受限等問題，將是組織工程應用發展的一大絆腳石。 因此，最近三年間興起了一股研究「幹細胞」的熱潮，為組織工程的前景帶來一線曙光。藉由誘導幹細胞分化的研究，可以解決細胞來源不足的問題。且幹細胞具有在體外無限制增殖的特點，將解決組織工程的「細胞荒」問題。雖然目前對於幹細胞的研究尚未成熟，且針對「胚胎幹細胞」方面的研究因牽涉到倫理的問題而反對聲浪不斷。不過，由於許多科學家的投入，再加上幹細胞不僅只是存在於胚胎當中，在成熟的人體內依然可發現其蹤影，比方說骨髓中就含有造血幹細胞與間葉幹細胞，遂使得此一領域的研究正迅速地發展，相信在不久的將來，會有類似「細胞銀行」的機構出現，專門提供各式各樣的人體細胞，或培育客戶的幹細胞使其分化成為所需細胞，作為組織器官修復的重要組件。 訊息因子–所羅門之鑰 如果單單只靠支架及細胞的配合，要想完成組織再生的艱鉅任務，可說是「萬事具備，只欠東風」。唯有合適的訊息因子加入，才能誘導細胞在支架材料上正確地分化、遷移及生長，最後才有功能性正常的組織器官誕生。針對不同的細胞類型，必須對症下藥，施以相當的訊息因子，才能夠啟動組織再生的過程。 訊息因子指的是什麼呢？比方說像是能幫助細胞黏貼在支架上的貼附因子，或是促進細胞正常生長的生長因子，以及能夠引導幹細胞分化為想要的細胞分化因子等，通通都是屬於訊息因子的範疇。 然而，刺激組織器官再生的訊息因子並不局限於有形的分子，因為人體的細胞常置身於流場如血管之中，或必須承受相當的負荷如骨頭。因此，其他如機械應力或超音波等物理訊號，也會對細胞的增生與分化產生正面的作用。 研究各種訊息因子對於不同細胞類型的分化、生長、代謝所產生的影響，揭開訊息因子作用機制的神秘面紗，成為目前研究上的關鍵課題。藉由這方面的發展，勢必將組織工程的領域推向更深一層的技術高峰。 閃亮之星–組織工程 組織工程儼然成為 21 世紀的新星，在世界主要科技強國的發展中，受到了前所未有的重視。因為傳統的組織器官移植修復方式所費不貲，而且數量上又受到嚴重的限制，這對於眼前急需救助的病人而言，可謂雪上加霜。 組織工程這種再造人體器官的新生代醫學模式，解決了以上所言的難題，為醫療市場創造了無限的商機。更重要的是，在學術上開創了前所未有的新境界，讓人造器官的科學幻想付諸實現。 不過，組織工程是否能在未來大放光明，尚面臨資金投入的問題及社會大眾的考驗，最主要的關鍵則是法規及倫理上的規範。凡此，均有待組織工程技術研究者運用智慧來解決。

人類複製爭議再起

美國總統喬治。布希正在遊說聯合國通過決議:「禁止任何形式的人類複製」, 而世界各地的科學組織，包含了美國 (US National Academy of Sciences)、英國 (The Royal Society)、中國大陸 (中國科學院)、臺灣 (中央研究院) 等 67 個科學組織則主張禁止人類生殖複製，而研究或治療複製則不在此限。去年以些微的差距，這項議題被決定延後表決，今年聯合國已暫定十月二十及二十一日表決此一議題。雖然聯合國的決議並不具強迫性，其會員國仍可依據各國的國情而制定法律，但這項決議的結果，仍深受各國科學家的矚目。 讀者或許會問:「什麼是生殖複製？什麼是治療複製？兩者的差異何在？」 現行的複製主要是使用「細胞核轉移技術」。研究人員先把卵子的細胞核取出，然後把身體細胞 (卵子或精子除外) 的細胞核放入這個卵子中。在這個新建構的卵子中，只有來自前述身體細胞的染色體，而沒有原卵子的染色體。換句話說，新卵子中僅含有提供身體細胞者的基因組，所以我們稱之為「複製」。隨後如果把這個新卵子置入女性的子宮中，懷胎十月直至出生，這就是生殖複製。如果新卵子不放入子宮，而在培養皿中分裂生長，在兩星期以內，從中取出幹細胞另行培養，就是研究或治療複製。 在歐美國家，支持和反對人類複製的爭議和他們傳統上支持墮胎與反對墮胎有許多相似的論點。支持的人主張複製可以給予人類更多的選擇，例如同性戀者就可以經此繁衍他 (她) 們的下一代。反對的人則以宗教界人士為主，羅馬教廷認為複製人類就是邪惡，不該以任何理由把這種行為正當化。 學術界主張禁止人類生殖複製的主要理由是針對胎兒及孕母的危險性。從動物生殖複製的經驗中得知，懷孕期間胎兒畸形、死亡及新生兒不正常、死亡的機率都顯著地高於自然懷孕，複製出的新生命很可能健康不佳及短命，我們沒有理由假設複製人類會不一樣。而且懷孕末期，胎兒的死亡可能對孕母健康產生嚴重的威脅。不過反對禁止的人認為制定規則來規範何種情形可進行生殖複製，何種情形不允許，會比完全禁止更有利於人類。畢竟支持禁止的科學家也認為，這方面科學知識的增加有可能降低上述的風險。 世界各地的科學組織認為與生殖複製不同，研究或治療複製不會把新卵子置入子宮，並沒有危害孕母或發展成胎兒的疑慮，而且研究複製在增加人類的基礎知識上可以扮演重要的角色。舉例而言，在附文〈幹細胞〉中提到身體的細胞在分裂時只能變成同樣的細胞，如皮膚細胞只能分裂成皮膚細胞，不能變成血液的細胞。但從皮膚細胞中取出的細胞核放入卵細胞後，所得到的新卵細胞又可以分裂成各種的身體細胞，這種現象將是研究的重點。更長期的目標是如何使身體的細胞變成幹細胞，如此一來，就無需從胚胎中取得幹細胞，而這些都需要更多的研究才能達成。 人類治療複製將可提供病人所需的細胞、組織甚至於器官，所用的胚胎幹細胞的基因組與提供細胞核者相同，所以不會產生排斥現象。多功能幹細胞經過刺激以後，可以發展成特定的細胞，對於很多疾病來說，都是一個新的治療方式。例如帕金森氏症、老年痴呆病，都是腦神經細胞死亡所造成的，如果把足夠的神經幹細胞放入患者的腦部，長出新的神經細胞，就有可能治癒這樣的疾病。此外中風、心臟疾病、糖尿病，還有很多各式各樣的疾病，也可應用多功能幹細胞進行治療。 人類複製已經引起許多的道德爭議，以其可以增加人類福祉的理由是否可以使這種可能摧毀胚胎的行為正當化，仍將是這些爭議的核心。隨著聯合國表決日期的逼近，可以預見這爭議會持續增溫，表決之後，世界各國意見是否會趨於一致，或歧見更深？而我國對這項爭議應該如何因應？都值得讀者深思。 幹細胞 在卵子和精子結合後，形成一個受精卵細胞，經過十月懷胎發展成一個嬰兒，人這樣的一個複雜的個體，也都是從一個細胞發育而成。我們身體的細胞共有二百七十多種，比方說各式的皮膚細胞、各種的血液細胞，在繼續分裂的時候，只會變成原來的細胞。比方說真皮細胞只會變成真皮細胞，不會變成血液細胞或其他的細胞。而幹細胞能夠分化成不只一種的細胞，比方說血液幹細胞可以分化成紅血球、白血球甚至血小板，皮膚的幹細胞就可以分化成皮膚的各式各樣的細胞。 近來出現建議保留初生嬰兒臍帶血的呼籲，主因是嬰兒臍帶血中富含幹細胞，萬一未來可以用幹細胞治病時，能有一個快速取得的管道。 受精卵可以分裂成人類任何的一種細胞，所以我們稱受精卵具有全能性。在最初幾次分裂時，這個全能性還是保留著；之後的新細胞雖然沒有辦法變成完整的個體，也就是失去了全能性，但是牠們還是可以變成大部分的身體細胞，像這樣功能很多的細胞，稱之為多功能幹細胞或胚胎幹細胞。這些幹細胞再繼續發展、分裂，就形成上面提到過的血液幹細胞以及皮膚幹細胞等，從成人體中所得的幹細胞就是這一類，所以又稱為成人幹細胞。而這些幹細胞再進一步分化成各式各樣的體細胞、組織以及器官。 現行胚胎幹細胞有幾種主要來源，一是從人工受精診所得到胚胎，這些胚胎原本是不孕症父母預備用來繁殖後代的，由於準備得較多，手術後有剩餘，本來將被銷毀。得到捐贈者的同意之後，研究人員由胚胎中得到了多功能的幹細胞。另一來源是從醫院得到的合法墮胎的胚胎中取得。第三種來源就是本文中所提到的「細胞核轉移技術」, 用這種方法所得的胚胎幹細胞，其基因組與提供細胞核者相同，所以用於治療不會產生免疫的排斥現象。 二○○一年八月，美國總統布希針對「人類胚胎幹細胞」的議題，同意美國政府可以有條件地資助幹細胞的研究，但是他限制了胚胎幹細胞必須是現有已經得到的，不可以再取得新的胚胎幹細胞，他認為這樣子就沒有毀掉胚胎的疑慮。二○○四年八月，英國當局准許了新堡 (Newcastle) 大學的研究人員進行人類的治療複製，製造基因組與提供細胞核者相同的胚胎幹細胞。 成人幹細胞有沒有可能改變它自己的分化途徑，像胚胎幹細胞一樣可以分裂成各式各樣的細胞？在動物方面的研究顯示這是有可能的。老鼠的神經幹細胞放到骨髓裡面，可以生長成各式各樣的血液細胞。而老鼠的骨髓幹細胞可以變成肝細胞、肺細胞、小腸細胞和皮膚細胞。雖然在人類方面尚未發現這樣的情形，不過還是有可能的。所以有人主張既然成人幹細胞有可能達到和胚胎幹細胞一樣的功能，那就沒有必要從胚胎中取得幹細胞。不過本文中提到的科學組織認為到目前為止的證據不足以支持上述的結論。

諾貝爾獎與生活科技:權威與榮耀

自 20 世紀初以來，諾貝爾獎的鼓勵在科學發展上扮演了重要的推手，由於每年頒發的獎項有限，使其具高知名度與權威性。得獎者除了獲得巨額獎金及崇高的學術地位之外，更伴隨著優渥的研究資源，這也是科學家汲汲追求這項榮耀的動力。但科學研究的本質到底為何？卻值得我們深思。 永無止盡的探索 為了解釋自然界的現象，從古至今，科學家努力架構出有組織、有系統的知識，希望用簡單的規則說明所有的現象。無論是東方或西方，科學的興起多起源於對自然本源的思考。早期東、西方對於自然哲學的理論有許多相似性，但後來由於雙方的發展不同，以致產生了完全不同的結果。 在《莊子・天下》中，惠施曾說:「至大無外，謂之大一；至小無內，謂之小一。」意即物質世界在空間上往大的方向看，可以大到沒有邊際，稱為「大一」, 小的方面則可以到無限小，稱為「小一」。 惠施又進一步說明:「一尺之棰，日取其半，萬世不竭。」也就是說拿一支一尺長的木棍，每天對切拿去一半，天天如此重複，過了一萬年仍然可以繼續對分下去，這就是物質無限可分的觀念。墨家則採相反的論點，《墨經》中指出：有形的物體總是會分割到不能再分割的時候，稱為「端」, 也可稱為物質的最小單位。 在西方世界中，古希臘時代就開始思索：物質是由什麼構成的？西元前 6 世紀，「萬物一元論」主張「宇宙萬物的根本原理只有一個」。在西元前 5 世紀時，古希臘學者德謨克利特 (Democritus, BC460-371) 創立了「原子論」, 他主張物質由某種極小的粒子組成，並把它命名為「原子」。事實上，從文藝復興時代開始，西方的科學研究風氣日盛，人們仔細觀察了許多現象進行歸納、結論，然後提出新的理論及對未知的猜測。 但原子是組成物質最基本的粒子嗎？在 X 光、放射能發現後，科學家開始懷疑如果原子可以釋出放射線，不啻代表原子內應含有更微小的粒子。果不其然，湯姆生 (J.J. Thomson, 1906 年諾貝爾物理學獎得主) 在 1897 年發表了陰極射線的荷質比，並指出陰極射線是由比氫原子還小的「帶負電微粒」, 即現今所稱的「電子」所組成。 之後，拉塞福在進行 α 射線大角度散射實驗時，又發現原子的內部應有一個核，至此原子結構的形貌大致確定。為了把原子分解得更細微，科學家仍繼續追求基本粒子的存在。但在一系列的研究過程中，原子的模型也就確認了。 就一般的想法，研究物質的基本構造時，最簡單的方法就是把它切成一塊塊後再進行觀察。問題是：當物質已經小到某一程度時，以傳統的方法根本找不到合適的工具繼續切割。除此之外，觀察的工具又是另一個瓶頸，當粒子小到比可見光波長還小時，人們就無法「看」到東西了。為了解決這些問題，科學家就發展出電子顯微鏡，雖然無法實際「看」到原子內部的結構，卻可以間接了解它。若再透過電腦的協助，具體的形象就呼之欲出了。 粒子物理實驗所用的工具是「粒子加速器」。早期科學家研究所用的迴旋加速器，是由勞倫斯 (E.O. Lawrence) 發明的，他自 1929 年開始建造迴旋加速器，並做了許多研究，且在 1939 年獲得諾貝爾獎。這種使帶電粒子在電場中因獲得能量而加速，再透過磁場來約束粒子運行軌道的加速器，可以讓電子的能量因不斷加速而增高。由於物質波變短了，因此可用來觀察更微小的目標物。 為了追尋基本粒子，各國又相繼設立粒子加速器。各實驗室果然也發現許多新的粒子，科學家又開始猜想這些粒子是否如同當初的原子模型一般，是由更小的粒子所組成的？1960 年代便有「夸克」(quark) 模型及「部分子」(parton) 模型的提出，以解釋質子、中子及其他粒子的組成結構。丁肇中先生在 1974 年發現了第 1 個夸克–J/Ψ 粒子，同時證明了另一種基本粒子「魅 (charming) 夸克」的存在，因此在兩年後獲頒諾貝爾物理獎。至今，基本粒子的探求研究仍持續進行中。 諾貝爾獎的影響 近百年來諾貝爾獎的鼓勵，在科學發展上扮演了重要的推手。諾貝爾先生設立這獎項的本意，在於獎勵科學上重要的研究與創新，但是科學研究中怎樣的發現或發明才是最重要的？何人的創意是最新的？貢獻最多？諾貝爾獎實質的意義又是什麼？它鼓勵人們創新發明，還是爭名奪利？這一連貫的疑問一直是諾貝爾獎受人爭議的地方。 事實上，科學的研究有優勢累積的效應。優秀的師徒傳承、高才育高才的模式是無可避免的現象，而優勢的累積包含研究經驗的傳承及思考方法的啟發。此外，著名且高水準的科學研究機構也是促成這種現象的重要因素。傑出的科學家在研究單位內具有舉足輕重的地位，通常有了著名科學家的進駐，便可把其他獨立研究的科學工作者，以及包含經濟資源的必要研究資源吸引過來。這樣的群聚效應提供年輕的科學工作者絕佳的學習環境，更因此創造了所謂的熱門科學研究主題與科學研究機構。 針對歷年諾貝爾獎獲獎的研究主題做一歸納，可尋出脈絡驗證上述說法。因為優勢累積效應及一般科學家的認知，科學研究中各個專門學科的發展其實是不平衡的，速度也有別。在物理學方面，從 19 世紀進入 20 世紀時有一重大的變革，使人類對於自然界的法則有了更新的認識與解釋，對於這一蟬蛻，諾貝爾物理學獎得主的研究與發現厥功至大。 除了上述原子模型的建立及基本粒子的探求外，量子理論及相對論的提出也具劃時代的意義。在 20 世紀物理學的發展史上，愛因斯坦的發現顛覆了古典物理的觀念。1905 年，他發表了 5 篇論著，其中包含狹義相對論及光電效應，使他榮獲 1921 年諾貝爾物理學獎的不是著名的相對論，而是光電效應。 光電效應的理論也頗具革命性，因為它打破了二百多年來「光是一種波動」的看法，而主張光是以量子或光子的狀態，把金屬板上的電子撞擊出來。愛因斯坦援用蒲朗克的「光量子論」解釋了這一現象，促成日後量子力學的建立。而他提出的相對論，也迫使人們從根本上改變對時間及空間的概念，因為在極高速、極遠距和極長的時間下，物體的行為與我們直觀的想像甚為不同。 從古典物理到量子力學、相對論的提出，現今仍繼續探尋著構成物質的最基本粒子、宇宙的起源及場的統一等理論，至於新能源的生產、奈米科技的發展，也都是量子革命的延續。 在化學方面，有機化合物的組成及生物化學是歷年來熱門的研究主題。其中 1953 年諾貝爾化學獎得主施陶丁格 (Hermann Staudinger), 為高分子物質的研究，例如橡膠和纖維素的結構，奠下基礎。他證明了長鏈結構高分子是由小分子的化學結合形成的，而不是簡單的物理集聚，並且探討了構成網狀結構聚合物的條件，以及確定了高分子黏度與分子量之間的關係。這些成就對於開發塑料有很重要的貢獻。 由於他的發現，使得現代生活中高分子的應用變得非常廣泛。爾後導電高分子的發現，更促成了光電高分子的發展，成了近年來當紅的應用科技。 科技發展的省思 1867 年，諾貝爾先生發明了威力強大而又安全的炸藥，他的發明立即獲得全世界的讚譽，也使得諾貝爾的炸藥生產工廠迅速蔓延到二十多個國家。安全烈性炸藥的發明，有力地推動了和平建設，例如山洞、道路的開闢，同時也帶給人類痛苦的戰爭災難。諾貝爾痛恨炸藥的發明被應用到違反他所嚮往的世界和平與公理的戰爭上，他曾憤恨地說:「我將發明一種更有力的武器，使戰爭的雙方在一秒鐘內被消滅...... 或者迫使他們恐懼地退出戰場。」 很不幸地，類似的矛盾一再重現！科學家們埋首研究準備解開基本粒子之謎時，發現利用中子撞擊原子核產生核鏈式裂變，會釋放出巨大的能量。在此同時，由美國政府支持及物理學家費米 (1938 年諾貝爾物理學獎得主) 的協助下，啟動了世界上第 1 座可控制式核反應堆。這個實驗的成功，讓人類在科學研究及能源的運用上邁入了新紀元，但也陷入了永無寧日的核武威脅中。 另一個大家熟知的例子：絨毛膜篩檢技術的發明，原是用來檢查胎兒的染色體是否正常，許多人卻利用它來打掉自己不想要的女嬰。在可以預見的未來，人類的基因全盤解譯之後，對遺傳疾病治療而言是一大福音，但在複製生物的議題上仍然有許多爭議。 許多孩子會問：科學研究與基礎科學的學習目的是什麼？為什麼要學這些東西？學了這些東西與我們的生活有什麼相關？遇到這樣的問題，不得不反問孩子們：科學的研究一定要與人類的生活相關，對人類的生活有幫助嗎？還是一定有其應用層面，或可協助人類控制自然？也許，科學研究的目的只在於滿足人類的好奇心吧！科學的發現是僥倖和偶然的嗎？愛迪生曾說:「天才是九十九分的流汗和一分的靈感。」而愛因斯坦也說:「我相當清楚自己並沒有什麼特殊的才能。好奇、固執與忍耐，再加上自我批判，使我產生了我的觀念。」而從居禮夫人的不畏艱難與毅力，或可看到古往今來許多偉大科學家共同的人格特質。 科學研究已從依靠一位天才的時代，轉變成為團體活動的時代！這樣的現象在高能物理方面尤其明顯，以 1983 年《物理學報》(Physics Review Letters) 刊出的發現弱玻子的論文為例，列名的研究人員就有 135 位之多，其中還包含了諾貝爾獎得主的名字。就這樣的大計畫，幾乎每位研究人員都分擔了窄小範圍的專業任務，很難明確分出每一個人對該研究的貢獻程度，更難確認貢獻的排名。 科學的研究已不同於 20 世紀的年代時，侖琴或居禮夫婦等人在狹小的空間，使用自製的儀器獨立實驗而做出偉大的成果。這樣的轉變及趨勢，也為諾貝爾科學類獎項的頒發提出了一道難題。 許多人常會問粒子物理的研究到底對人類生活有何幫助？或與我們的生活有何相關？其實基礎科學的研究是走在商業化技術之前，所有的儀器設備或軟體的設計等，都是從無到有，為了研究實驗目的而設計的。例如 www 的設計源頭便來自歐洲核子研究中心 (CERN), 而今卻成了全世界共享的通訊舞台！相同地，加速器的建造與使用除了做為粒子物理研究的主要工具外，其中內含許多尖端科技的發明，也使科學研究對工業界、醫學界能有重要的影響。在功能強大的粒子加速器研究中，發展出醫學影像的診斷、平行電腦處理、超導磁鐵等科技，例如高能物理學家 Allan MacLeod Cormack 利用數學方法發展電腦斷層掃描 (Computed Axial Tomography, CAT) 掃描，而在 1979 年得到諾貝爾醫學獎。 在不同的科學領域中，透過科學家的研究，每天都可能有劃時代的發現或發明，但是科學研究的回餽是什麼？可以賺很多錢嗎？有更多的研究設備儀器、研究基金、研究人員或更響亮的名聲嗎？也許，科學研究的回餽只是更多的發現、更多的創造，以及更多的快樂！

諾貝爾獎與生活科技:地球的金鐘罩

1970 年荷蘭籍的科學家克魯琛 (P.J. Crutzen) 提出了氮氧基 (NO 或 NO2) 如何透過催化反應，加強臭氧損失的機制，他的理論把微生物活動與大氣結構連接，帶動了生物化學在地球科學上的發展。之後的幾年間，臭氧平衡的問題由氮轉變至人造的氯，這時整個臭氧層或大氣化學的研究都開始圍繞著氯打轉。 證實氯是破壞臭氧層元兇的，是美國科學家馬利納 (M.J. Molina) 及羅藍得 (F.S. Rowland) 兩人。在 1974 年間，這兩位科學家提出理論說明人造的氟氯碳化物 (CFCs, chlorofluorocarbons)(如 CFC-11、CFC-12 等) 在使用過程中或壽命結束後排放至大氣中時，氯自由基會扮演催化劑的角色，反覆地消耗臭氧分子，而破壞臭氧層。 這 3 位科學家先後對臭氧層濃度平衡機制的突破性貢獻，奠定了日後化學在大氣科學領域中的發展，也在 1995 年獲得了諾貝爾化學獎。至此，人造氟氯碳化物破壤臭氧層的爭議塵埃落定，人類成為破壞臭氧層的共犯。這個攸關人類未來生存的問題，該如何面對及解決，成了本世紀的最大難題之一。 南極上空臭氧層出現破洞的消息震驚了全世界，這層金鐘罩是地球的最後一道防線，當臭氧層漸漸稀疏，破洞愈來愈大時，帶給地球的影響是巨大的環境變異。如果多數科學家的理論是正確的，世界末日的來臨就不再是神諭，在世界末日來臨之前，還剩多少時間可以挽救這場浩劫？近年來，大自然環境不斷改變，異常的酷熱與豪雨不斷發生。2005 年的卡崔娜颶風席捲美國南端墨西哥灣，造成海水倒灌、潰堤、數千人死亡，數十萬災民被迫撤離。在卡崔娜颶風無情的打擊下，紐奧良也受到前所未有的重創，幾乎全毀。2007 年，歐洲出現了不尋常的持續高溫，不僅讓習慣涼爽氣候的歐洲人領教了酷暑，也造成許多人因為不適應高溫而死亡。生活環境變了，酷熱、豪雨不斷，全世界都在面臨生態浩劫，地球究竟出了什麼問題，我們應嚴肅面對及思考！大氣層的構造 針對環境異常，首先應了解我們居住的「地球」。地球外環繞著大氣層，主要成分是氮氣和氧氣，占 99% 以上。此外，還有少量的氬氣、二氧化碳、水氣及臭氧。雖然大氣中二氧化碳、水氣及臭氧的含量很少，對全球氣候的影響卻很大。包圍地球的大氣，其特性隨高度不同而改變，科學家便依照氣溫梯度劃分大氣的垂直結構，由下往上區分為對流層 (troposphere)、平流層 (stratosphere)、中氣層 (mesosphere) 及熱氣層 (thermosphere)。 由於大氣受重力吸引而環繞在地球四周，因此離地表越近，空氣密度越高。大約 90% 的空氣都聚集在離地表 30 公里的範圍內，到了離地 100 公里處，大氣密度已不及海平面的百萬分之一。若與地球半徑約 6,370 公里相比，大氣的確只有薄薄一層，這薄薄的一層卻扮演關鍵性的角色，不但阻擋了許多有害的射線，也孕育了適合生活的環境。 臭氧層 數億年前臭氧層並不存在，地表受到陽光中紫外線的強烈照射，陸地上也沒有生物生存。然而水能吸收紫外線，因此有少數的生物生存在水中。水中的植物不斷吸收大氣中的二氧化碳，釋放出氧氣擴散到空氣中。其中一部分上升至平流層受到紫外線作用，分解成活潑的氧原子，氧原子再與鄰近的氧分子反應生成臭氧。但臭氧仍會受強烈紫外線照射而分解，生成氧原子和氧分子，或與活潑的氧原子作用而分解消失。如此反覆不斷地生成與消失，使臭氧含量維持在穩定狀態，形成了保護地球的臭氧層。 臭氧是一種有刺激性氣味，略帶淡藍色的氣體，化學符號是 O3。大氣中 90% 的臭氧存在於離地面 15 到 50 公里的區域，也就是平流層 (又稱臭氧層)。距離地面 20 到 30 公里處的臭氧濃度最高，可吸收太陽光中大部分的紫外線。過多的紫外線會導致皮膚癌等疾病，由於臭氧層的保護，使得地球生物不致受到過多紫外線的侵害。 臭氧層的隱形殺手 臭氧層臭氧量減少的罪魁禍首有好幾個，其中主要元凶就是氟氯碳化物。約從 1930 年起，大量氟氯碳化物做為冰箱、冷氣機的冷煤與噴霧罐所需的推進劑。由於它穩定性高、不自燃也不助燃、不易起化學變化、價格便宜，因而普遍使用在各種工業及日常生活用品中。 另一組化學藥品「海龍」, 也證明是破壞臭氧的主要化學藥品。海龍是含溴的化合物，在工業上曾大量做為滅火劑原料，也有很高的穩定性，但相較於氟氯碳化物，海龍與臭氧層中的臭氧反應性更強、更快速。 在臭氧層內，氟氯碳化物和海龍會在紫外線下反應，當氟氯碳化物損失一個氯原子，海龍損失一個溴原子時，這些釋放出來的原子與臭氧反應，使臭氧分解成氧分子及氧原子。氯及溴原子則在連鎖反應中不斷進行反應，造成臭氧濃度持續下降。 當時科學家並未重視這些問題，認為可透過生態平衡機制使臭氧層濃度恢復，直到觀察到極地上空臭氧層的破洞，才驚覺事態比預期的嚴重。科學家在 1960、1970、1980 及 1990 年於北歐所做的監測，發現大氣中氟氯碳化物 (CFC-12) 的濃度分別是 100、200、400 及 750 ppt, 呈現持續增加的情形。但相對地臭氧濃度卻持續減少，且速度快得讓科學家們訝異。 破壞臭氧的反應機制 氟氯碳化物會對臭氧層造成嚴重的破壞，主要關鍵就在其中所含的氯。氟氯碳化物在工業上應用廣泛，而且非常安定，生命周期長達數十年，在環境中不斷累積，隨著大氣循環上升至臭氧層，在臭氧層中因受紫外線照射而分解產生氯原子。 這些氯原子的活性極大，喜歡與其他物質結合，因此遇到臭氧時便開始起化學反應，臭氧被迫分解成一個氧原子及一個氧分子，而活潑的氯原子就與氧原子結合。可是當其他的氧原子遇到這個氯氧化合的分子時，又把氧原子搶回來，組成一個氧分子，這時恢復成單身的氯原子又可以破壞其他的臭氧了！由此可見，氯在分解臭氧的反應中扮演著催化角色，促進不安定的臭氧反應生成安定的氧。而氯在反應中以不同面貌循環出現，因此少量的氯在重新分配的過程中就能造成大量臭氧的分解。科學家估計，由氟氯碳化物釋出的一個氯原子，經連鎖反應後能使大約 1 萬個以上臭氧分子消失。 臭氧層破壞的影響 臭氧是紫外線的剋星，具有強烈吸收紫外線的功能，可以吸收掉太陽光紫外線中對生物有害的部分 UV-B, 使得人類和地球上的生命能生存和繁衍。據估計，臭氧若減少 1%, 地球上 UV-B 大約增加 2%。 當大氣層上空的臭氧層變薄或出現空洞時，地球的陸地和海面接受的太陽紫外線照射強度也會明顯增加。過量的紫外線對人類及環境有很大的影響，可能導致農作物減產：植物中的葉綠素受損；破壞生態平衡：海中生物大量死亡，造成食物鏈失衡；動物死亡率上升：動物免疫系統受抑制；人體細胞突變：皮膚癌的罹患率增加；氣象變異：溫室效應加強，間接造成海平面上升。由此可見，臭氧層對於維持地球生態平衡的重要性。 正視臭氧層的問題 使用人造臭氧回補臭氧層，在理論上似乎可行，但實際上很難實踐。首先，修補臭氧層所需的臭氧量相當大，人工製造量並不足以修補。即使人造臭氧量足夠，要如何運輸至臭氧層，不僅技術上難以克服，所需經費也很龐大，恐怕難以估計。 針對臭氧層破洞的問題，1987 年 9 月 16 日聯合國通過「蒙特婁議定書」, 這是一份國際間對臭氧層問題的協議。它的內容主要是聯合國為了避免工業產品中的氟氯碳化物對大氣臭氧層造成損害，對氟氯碳化物的生產所做的管制規定，規定各國有共同努力保護臭氧層的義務，對於臭氧層有不良影響的活動，各國都應採取適當措施。 即使全世界立即停止使用氟氯碳化物和海龍，臭氧層的破壞仍會持續數十年。因為這些物質在大氣中滯留的時間很長，它們上升到高層大氣後，在強烈太陽紫外線輻射作用下會使臭氧分子持續遭到破壞。數十年前從噴霧罐、故障和棄置的電冰箱、空調設備，以及測試滅火系統時釋放出的氟氯碳化物，目前仍持續破壞著臭氧層。據估計，過去排放的氟氯碳化物約需要一個世紀才會完全消失於環境中。因此，為避免環境惡化，必須澈底禁用氟氯碳化物，以免禍害千年。 臭氧層的破壞及保護是全球性的問題，每個國家都有程度不等的貢獻，需要全球各國共同合作，始能克奏其功。我國雖非聯合國會員國，為了順應這一環境保護的世界潮流及提升國際形象，應配合蒙特婁議定書的規定，加強列管化學品的管制及替代品的開發，善盡保護大地的責任。 此外，消費者也不要購買氟氯碳化物製造的產品，在市場產生強制的機制，避免開發中國家為了經濟發展以低價傾銷物品，減少不必要的開發行為，避免污染物進入環境中。 保護地球刻不容緩，不使用氟氯碳化物、不購買氟氯碳化物產品及開發替代產品，應是目前較合適的方法。環境保護能延續地球的生命，讓人類活得更健康、更久，同時更有品質。一顆綠色心，共創好環境，為這個正在崩壞的地球盡一份心力，使地球容顏不再日漸憔悴。

開啟長生不老之門的鑰匙

在向來紛擾的人間世裡，人還是一直有個古老的夢想，透過「長命百歲」、「吃到百二」、「壽比南山」等祝禱之詞不斷地綿延著。近來幹細胞科技的發展，似乎讓我們長生不老的想望又更趨近了一些。 人壽到底可以有多長 自稱為萬物之靈的人類，早就體會出「死生有命」了。可是，自從有史以來，人們還是想盡一切辦法，除了希望可以擁有與天地同壽的生命之外，還可以青春不老，讓永續的生命也能兼有很好的生活品質。《聖經》上記載活的最久的人是瑪土撒拉，他在一百八十七歲生了個兒子拉麥之後又活了七百八十二年。但是，從瑪土撒拉以降的人類就沒有這麼幸福了。在中國的傳說中，最長壽的人除了偷吃雙份長生不老藥而直奔月球，迄今不知所終的嫦娥之外，就非彭祖莫屬了，但據說他也只活了八百歲。不過，這長達八個世紀的壽命，也足叫一般眾生豔羨不已了！常言道:「人生不滿百」, 即使在醫療科技發達的美國，一般人的期望歲數平均也只有區區七十八歲。而根據金氏世界紀錄的記載，人類最高齡是一百二十二歲。其實，死亡所造成的歲月限制並非是人唯一的恐懼，人一旦年紀老邁，在慢性疾病或衰老退化的現象纏身當中失去了良好的生活品質，也是很大的困擾。 個體的衰老與死亡 古今中外不乏有人想要得到長生的各種方術與丹藥；就算是科技發達如是的現代，人們也還是希望可以應用科學的方法找出死亡的肇因，以研發出可以讓人不死的妙方。 人為何會老化與死亡的理論有三：第一，認為死亡來自身體細胞中不可修復的突變的積累，於是在老年時就被天擇找上了！第二，認為族群為了種族的延續，所以保有對年老者有害的基因，以促成族群的新陳代謝，使得新生的後輩可以在天擇下保有物種的競爭力。第三，也是基於種族平衡的理由，認為在天然資源有限的環境中，為了種族的延續，失去生殖能力的年老者，必須把生存空間讓給種族裡具有旺盛繁衍能力的新生代，因此死亡乃是維持這種平衡所必須的生物機制。 由於身體是由細胞所組成，生物學家也從細胞學的研究中找到一些與壽命限制有關的線索。正常細胞染色體頂端的端粒在細胞分裂的過程中，都會產生不可逆的縮短現象，因此，端粒的長度與細胞分裂次數及細胞的生命期長短，有很重要的關係。細胞在代謝的過程中會產生具有很大生物活性的副產物，統稱為「反應性氧族」。這些代謝產物與細胞中染色體的端粒接觸後，會造成端粒的縮短。因此被認為與細胞分裂能力的戕害以及細胞凋亡程序的啟動可能有很大的關聯。除此之外，有越來越多的證據指出，反應性氧族代謝產物與許多老化的現象有關。 因此，我們是否可以假設:「如果有那麼一類的細胞本身能夠修復其細胞染色體端粒，使之不會在分裂的過程中縮短，那麼這一類細胞及其分裂產生的衍生細胞，是不是就不會老化死亡呢？」如果是，是不是就可以稱為「不死的細胞」? 這種理論上的不死細胞在現實的自然界裡到底存不存在呢？不死的細胞 動物體內或甚至於人體內，是不是真有「不死的細胞」尚屬存疑。但是，擁有可以恢復因為細胞分裂所縮短的染色體端粒能力的細胞，則的確是存在的！事實上，我們每一個人在還是一個細胞的受精卵階段時，甚至於在後續的胚細胞發育過程當中，直到以等比級數分裂成為八細胞階段，這八個稱為胚葉細胞 (blastomere) 的胚體組成細胞，全都擁有完整的恢復染色體端粒因為細胞分裂所縮短的長度的能力。也是由於在這個發育階段的胚細胞擁有這樣的能力，所以胚體才會再進一步地分裂與發育下去，然後在母親的子宮裡定植下來，並且逐漸形成與母體子宮溝通並供應胎兒營養的胎盤，以及構成身體的組織與器官而發育成為具有人體雛型的胎兒。 另一方面，在以動物為試驗對象的研究中發現，八個胚葉細胞以人為的方式分離開來後，每一個胚葉細胞經移置回子宮內，都可以分別形成胎盤與胎兒，並正常發育成為同卵多生的仔畜。也就是說，組成八細胞階段的胚，其八個胚葉細胞都具有分化成為胎盤以及胎兒體內各種細胞、組織與器官的能力，亦即擁有「全能性的分化能力」。 因此，我們是不是在人生的過程當中，體內的細胞在特殊時刻「驟然」地失去了這種「修復因為細胞分裂所縮短的染色體端粒之能力」? 而這種能力的喪失，是否就表示買下了人生的「單程票」, 注定走向死亡的不歸路了呢？通向死亡之城的單程票 人類的科技由方士的方術進展到今天的科學，仍然無法使人類完全擺脫死亡的陰影。因此，當日後發展成為具有六億個細胞的個體的那個精子與卵子結合之時，就真的是已經開始走向死亡的不歸路了。但是，如果理論上人的衰老與死亡是由於反應性氧族代謝產物對於構成身體的細胞染色體端粒所產生的破壞，並且構成身體的細胞無法修復染色體端粒的緣故，那麼從這裡出發，重建身體細胞修復染色體端粒的能力，或是讓身體的所有細胞都不會在生命的過程當中失去修復染色體端粒的能力，是否就可以避免這種「必然會走向死亡」的宿命呢？然而，胚胎學家與發生學家在研究中發現，身體發育過程中某些細胞的「死亡程式」之啟動卻是形成一個具有正常形體與功能的個體所必須的作為。在一直分裂到了成為外表看起來像是一顆桑椹而稱為桑椹胚的胚球階段，組成這個胚球的 16 個胚細胞，就必須要決定組成胚體的哪一部分胚細胞要降低大部分的染色體端粒恢復能力，以擔任下一個胚發生階段 - 囊胚中的滋養葉細胞，並在後續的胚胎發展過程中，形成與母體子宮溝通並供應胎兒營養的胎盤。另一部分的胚細胞，則仍擁有絕大部分的染色體端粒恢復能力，並發展成為位於囊胚內由滋養葉細胞所包圍的內細胞群，以便在後續的成長過程裡發育成為胎兒。 假使在這個由桑椹胚形成囊胚的階段，也就是在發生學上被認為是胚胎第一次分化的時候，分歧向滋養葉細胞與內細胞群細胞的「分工」出了問題，使得滋養葉細胞沒有正常地降低了大部分的染色體端粒恢復能力，那麼仍具有完整染色體端粒恢復能力的異常滋養葉細胞和內細胞群細胞就會不斷地分裂增生，形成畸胎瘤。畸胎瘤本身不但不會發育為正常的胚胎，甚至還會威脅到母體的生命。 在囊胚形成階段，桑椹胚中經過「命定」成為內細胞群的細胞，具有發育並分化為構成胎兒個體所有細胞、組織與器官的能力。另外，在以小鼠為試驗的研究中，發現分離自小鼠囊胚的內細胞群細胞在體外培養的環境下，並無法形成滋養葉細胞。而且，把已經和滋養葉細胞分離的內細胞群細胞逕自移置到母體子宮內，因其無法形成滋養葉細胞，所以沒有能力正常埋植及形成胎盤。因此，內細胞群細胞已不具有「全能性的分化能力」, 因為已失去了分化成為滋養葉細胞的能力，而為僅具有分化成構成胎兒各種細胞系的「多能性分化能力」。 這裡所提出的囊胚內細胞群細胞，以及前面所提到的八細胞胚階段的胚葉細胞，因為就像是植物的莖幹一般，從中可以進一步地衍生、長出枝葉花果來，所以也被稱為「胚幹細胞」。而且，因為囊胚內細胞群細胞已失去形成滋養葉的能力，所以算不上「全能」, 只能算是具有多能性分化能力的「多能性胚幹細胞」。 不論是全能性分化能力或多能性分化能力的胚幹細胞，其最主要的特性除了具有分化為胎兒體組成的各式各樣細胞外，就是能夠在適當條件下保持未分化狀態，並持續不斷地分裂或自我更新，且細胞不會因為經多次分裂而出現衰竭的現象。胚幹細胞的自我更新會一直持續到接獲來自周遭的訊息，才會啟動進一步分化程序而特化成為各有不同形質與功能的成體細胞。 在胚幹細胞不斷地分裂或更新的階段，同樣也會面臨細胞分裂過程中必然會遭遇到的染色體端粒長度縮短的問題。然而，由於胚幹細胞具有高度的端粒酶活性，可以讓胚幹細胞在分裂更新時恢復染色體端粒長度。因此，未分化的胚幹細胞可以在啟動分化機制之前，不斷地重複分裂而不會衰竭。另一方面，已經走上分化成 為特別形質與功能的體細胞，在分化或特化的過程中，細胞就會降低或失去端粒酶的活性，所以已經無法再像未分化的胚幹細胞一樣地不斷分裂更新。也就是說，特化的體細胞僅具有少數的分裂能力，而其能夠進行的細胞分裂次數，則決定在其染色體端粒的長度。 經「命定」成為內細胞群的細胞也不是一定就會在往後的胚胎發育過程中，一成不變地全部都擁有恢復染色體端粒長度的能力。舉凡分化形成原腸胚，進一步分化成為內胚層、中胚層與外胚層等三個胚層，以及後續的神經系統與器官形成的階段，也一直不斷有衍生自內細胞群的細胞，失去恢復染色體端粒長度的能力，或甚至進而啟動細胞凋亡程序的情形重複上演。也唯有如此，才能使得胚胎按照正常的程序，使形成的組織、器官與系統「雕塑」成為正確的形態並具有正常的生理功能，進而「組裝」成為一個正常、沒有畸形與缺陷的胎兒。 總而言之，雖然理論上，細胞失去恢復染色體端粒長度的能力，很可能就是造成人體衰老與死亡的原因。但是，如果在生命的過程當中沒有了這種「必然存在的限制機制」, 那麼連正常的個體都無法形成，更不用說有任何「談生論死」的可能了！因此，持平而言，細胞失去恢復染色體端粒長度的能力乃是構成生命體不可或缺的機制，雖然它也會為生命蒙上必然的衰老與死亡的陰影。 生命體的構成與維護 細胞失去恢復染色體端粒長度的能力是構成身體的必然而且正常的程序。然而，是不是胎兒在分娩或成為成年人之後，「建構完成」的個體體內就完全沒有具有恢復染色體端粒長度能力的細胞呢？生物學家從分子生物學的角度切入，研究組成染色體的去氧核醣核酸 (DNA) 雙螺旋鏈如何修復受到傷害的片段，企圖進而了解構成身體的細胞、組織或甚至器官在病變發生後的自我維修的能力。 經過多年的努力之後，發現在已經發育成形的胎兒階段，一群存在於以後會發育成為性腺的原始性脊中，會特化成為精子與卵子的生殖細胞，稱為始基生殖細胞，也具有很高的端粒酶活性。將小鼠的這種細胞從胎兒分離出來後，經體外培養與測試，發現這些始基生殖細胞的衍生細胞也和胚幹細胞一樣，具有能夠在適當條件下不斷分裂更新的能力，同時也具有多能性的分化能力。為了與衍生自囊胚內細胞群的胚幹細胞有所區別，遂將這類衍生自胎兒始基生殖細胞的分化多能細胞稱為「胚生殖幹細胞」。然而，這樣的命名實在有可能會造成誤導，因為這些衍生自始基生殖細胞的生殖幹細胞，事實上並不是來自尚未埋植的「胚」, 而是源自具有成體雛型的「胎兒」之原始性脊。 既然已經知道在胎兒的階段，體內尚存在著擁有多能性分化能力，並且有高度端粒酶活性可以不斷自我更新的始基生殖細胞。那麼在成體的細胞內，是否也有類似這樣的細胞呢？動物成體內的「不死細胞」 如果以具有多能性分化能力和高度端粒酶活性作為衡量的標準，檢視動物成體的細胞，那麼在即使已經發育成熟而具有繁衍後代能力的成體體內，還是有兼具這種兩種特性與能力的細胞存在。 其中之一就是令人聞之色變，且已經困擾人類很久的腫瘤細胞。這些成體的體細胞重新獲得高度的端粒酶活性，在體內以類似胚胎細胞的分裂速率、不受節制地、旺盛而快速地分裂，並攫奪體內其他正常細胞所需的營養，以支援本身快速崛起和擴張的細胞族群。因此，如果體內的機制或體外的干預無法將之控制的話，身體就會被這些具有高端粒酶活性的「叛軍」所攻陷以至死亡。 雖然目前科學家還沒有能夠找出這些腫瘤細胞為何會從已分化、特化的體細胞群中，重新獲得高度的端粒酶活性而能夠不斷地在體內分裂繁衍，並且使得其存在的成體與之共同走向毀滅之路的原因。但是這種腫瘤細胞，尤其是好發於睪丸的惡性畸胎癌，在從體內分離出來之後，於適當的體外培養條件下，仍然可以維持高度端粒酶活性與不斷分裂而不會衰竭。同時，如果給予適當的處理，這些腫瘤的衍生細胞也會展現出分化為組成身體內某些細胞系的能力。生物學家也在發現胚幹細胞與胚生殖幹細胞之前，就已經從小鼠和人類等分離株化出這類相似於胚幹細胞或胚生殖幹細胞的腫瘤衍生細胞，並稱之為「胚生殖腫瘤細胞」。 然而，成體內除了在特殊狀況下才會出現這種異常而且要命的胚生殖腫瘤細胞外，是否也存在著「正常」且符合「兼具多能性分化能力以及高度端粒酶活性特性」的體細胞群呢？在生物學家的尋尋覓覓當中，終於在 1964 年發現動物體內的確存在有幹細胞，而且這類「成體幹細胞」所存在的成體組織並非只有一種！舉凡骨髓、血液、血管、眼睛的鞏膜與網膜、大腦的海馬迴區與嗅球部位、骨骼肌、牙齦、肝臟、皮膚的真皮層、腸道內裡表層、胰臟等，都有成體幹細胞的存在。雖然生物學家聲稱已經在很多的成體的不同體組織中，找到了成體幹細胞的蹤跡，而且其體組織名錄，也還在不時加長當中。只不過，成體幹細胞存在於體內的數目，事實上真的只可以用「稀少」來形容！就以已知體內數量最為龐大的成體幹細胞群–骨髓裡的造血幹細胞而言，成體幹細胞與體細胞的比率也僅有區區的一比一萬到一萬五千之譜。 這些為數萬分有限的成體幹細胞在動物體內可以長期地分裂更新，並且能夠進一步分化成為先驅細胞，然後再分別完全分化成為一種或一種以上具有不同特殊形態與特化生理功能的已分化體細胞。也就是說，成體幹細胞在體內有兩種截然不同的命運，其一為透過分裂更新以產生和本身一樣的成體幹細胞；而當身體有需要時，某些成體幹細胞會走向分化的單向途徑，先分化成為先驅細胞，然後再進一步分裂，並且完全分化成為具有特殊形態與特化生理功能的已分化體細胞。 雖然所有成體幹細胞的命運與存在的作用–替代受到傷害或病變而失去執行正常生理功能的體細胞 - 基本上是相同的。但是位於身體不同組織內的成體幹細胞，在數量和分裂更新的速率上，則有很大的差異。有些如造血幹細胞之類的成體幹細胞，因其任務為替補壽命有一定期限且為數眾多的血球細胞，所以必須保持恆定的更新速率，以維持足夠的造血幹細胞。另一方面，也要讓部分庫存的造血幹細胞以持續而恆定的速率啟動分化的機制，先分化成為骨髓母細胞，然後再進一步分化成各類的血球細胞。而存在於大腦的神經幹細胞，不但數量更為稀少，且其更新以及分化成為神經元母細胞，或進一步分化成為各類神經細胞的速率，都遠遠不及造血幹細胞。 由於成體幹細胞的數量實在是少得可憐，所以也造成了研究上難以與已經有部分分化現象的先驅細胞或體細胞區分的困難。同時，在為數眾多的體細胞當中，要分離純化出極少數的成體幹細胞，真的好像是在大海撈針一般。 存在於成體組織內的成體幹細胞在正常的情況下，只會分化成為其起源組織的體細胞。例如，造血幹細胞就只會分化成為各種各樣的血球細胞，神經幹細胞就只會分化成為各類的神經細胞。但是，如果這些成體幹細胞被從其存在的組織分離出來，再移植到不同細胞系源的體組織中，也會有分化成為該細胞系的體細胞的現象。 從小鼠的試驗當中，研究者發現，當把自神經系統分離出來的神經幹細胞移植到非神經系統的其他體組織後，這些神經幹細胞可以依移入的組織分別分化成為血球細胞、骨骼肌細胞。而分離自骨髓的造血幹細胞在移植到骨髓之外的組織後，也已證明可以分化成為肝臟細胞、骨骼肌細胞、甚至腦神經細胞等體細胞。因為這些成體幹細胞在目前證據下，並沒有表現出像胚幹細胞或胚生殖幹細胞那般多能性的分化能力，所以研究者便稱呼這種成體幹細胞具有可以分化為不同細胞系源的體細胞的分化能力為「分化可塑性」。 然而，實驗業已證實，如果以顯微手術將成體的神經幹細胞注入到囊胚中，那麼這些成體幹細胞更會參與組成建構體組織的內、中、外三種胚層，展現出其多能性的分化能力。有待解答的問題是：成體幹細胞究竟僅具有分化可塑性還是多能性的分化能力？或者，某些成體幹細胞有多能性的分化能力而其他的成體幹細胞僅具分化可塑性？長生之鑰 如果源自成體組織的成體幹細胞具有分化可塑性或多能性的分化能力，是不是可以將「預備隊」藉著培養的方式在體外大量地擴充成軍，然後再引回動物體，用以替代已經損害而失去正常功能的組織，甚至器官。以這樣的方式，是否讓動物體永遠有源源不絕的「零件」可以更換，進而使得生命可以在維持一定的生活品質下活得更長久呢？在動物成體幹細胞的活體移植試驗研究當中，生物學家發現，以手術將成體幹細胞移植到損傷的心臟或肝臟，這些幹細胞會分化成為心肌細胞或肝臟細胞。當把成體幹細胞引入脊椎或腦部受傷的大鼠後，這些幹細胞可以使損傷的功能得到某些程度的恢復。類似的研究結果不斷地出現，讓人不禁對於「長生」充滿了希望。然而，畢竟一個個體內的成體幹細胞數量太少，且有難以分離和進一步純化的問題；即使分離純化出來，以目前的技術，也無法將這些數量有限的成體幹細胞，快速而大量地增殖到足夠的數目，實際應用於醫療性移植，以替補損傷的組織的需求。另外，如果提供和接受移植成體幹細胞的個體不是同一個，就必須面對等同於異體器官移植所遭遇到的排斥與免疫學上其他的問題。 另一方面，由於人體的組織和器官常是由多種不同的細胞組成，在目前的科技還沒有能夠準確地指導成體幹細胞分化成為特定的細胞之前，實在沒有把握移植入個體組織或器官內的成體幹細胞，會變成那一種體細胞。同時，也無法防制這些移植的細胞在體內轉變成癌細胞的可能性。具有多能性分化能力的胚幹細胞，在分離上較為容易取得形態一致的細胞族群，在體外培養的過程中，也較能夠維持未分化狀態下快速增殖的速度，因此可以解決成體幹細胞數量與純度方面的限制。但是，由於目前的科學發展對於細胞分化機制的了解仍然十分有限，所以目前應用在醫療性移植方面，和成體幹細胞一樣，還必須克服「如何控制胚幹細胞分化成為『正確的體細胞』」的問題。 一旦細胞分化的機制釐清，胚幹細胞的分化徑路可以依照需求而予以正確的調控，那麼人類對於醫療性移植就可以跨出一大步。一些因為細胞損傷或功能異常而產生的病變以及退化性疾病，諸如帕金森氏症、 阿茲海默氏症、糖尿病、慢性心臟病、脊椎損傷等等，就可以有很大的改善機會。如果再進一步配合組織工程的科技研發，找出器官形成的控制機制，那麼以胚幹細胞來產製替換老舊失靈器官所需的「器官零件」, 應該就是未來必然的發展了！生物科技的研發如果走到了這一個階段，長生並且擁有高品質的「退休」或「老年生活」, 就不會只是個一直被嚮往而追求不到的夢想了！

數學:蝴蝶定理

非歐幾何學的誕生，無疑為幾何學的發展開拓了一條前所未有的康莊大道，歐氏幾何學因此不再是唯一的真理，取而代之的是各種幾何學的蓬勃發展。然而，數學家並不滿足於這樣的榮景，各種幾何學之間的聯結與彙整，成了下一座有待超越的里程碑。 藉由變換群 (transformation group) 的概念，各類幾何學的圖形在各類變換下保持不變性。於是，幾何學與群相對應的過程，聯繫了貌似不相干的各種幾何學，不僅清楚地劃分了歐氏幾何、仿射幾何、射影幾何、雙曲幾何等不同幾何的本質，也建立起各種幾何學間的結構關係。譬如在克萊因 (Felix Klein) 的分類中，歐氏幾何是仿射幾何的特例，仿射幾何則是更廣泛的射影幾何的特例等。 界定了歐氏幾何、仿射幾何、射影幾何等不同幾何學之後，我們所擁有的一般幾何知識也就可以分類。例如，古典的希臘定理帕布斯定理，便可歸屬於 17 世紀才誕生的射影幾何，而由於畢氏定理涉及了長度的概念，因而只隸屬於歐氏幾何的範疇。就數學學習與解題來看，這樣的分類往往是重要而極具意義的。 當我們面對一個數學問題時，一旦使用了恰當的概念工具箱，這個問題或許會變得很簡單；反之，若是選了不合宜的概念工具箱，就可能變得相當複雜而困難。在本文中，以著名的「蝴蝶定理」為例，說明數學家如何從高觀點捕捉這個翩翩起舞的定理。 翩翩起舞的定理 蝴蝶定理 — 已知一圓與其上一弦 AB, 且 M 是 AB 的中點。過 M 點畫弦 PQ 與弦 RS, 令弦 PS 與弦 RQ 分別交弦 AB 於 U、V 兩點，則 M 也是線段 UV 的中點。 這個定理最早是以徵答的方式，出現在 1815 年英國出版的雜誌《男士日記》(Gentleman's Diary) 上。當時，自學成才的中學數學教師霍納 (W.G. Horner) 用初等幾何的方法給出了第一個證明。此後，熱愛數學或解題者相繼提出了不同的證法。不過，其中最簡潔的證法，莫過於利用射影幾何，而其關鍵便是應用交比 (cross ratio) 的概念。 至於「蝴蝶定理」(Butterfly Theorem) 這個名稱，則是首度出現在《美國數學月刊》(American Mathematical Monthly) 1944 年 2 月號中。顯然，這是由於定理中的圖形肖似飛舞的蝴蝶而得名。時至今日，仍然有一些數學愛好者持續研究這一定理，甚至在各種考試場合會出現變異的版本。不過，直到近數十年來，數學家才陸續發現比較簡單的初等證明，足見它的確具有本質上的難度。 初次面對這個問題時，一般人大概都會嘗試引入各種初等幾何學的性質，例如，作垂線、角平分線等輔助線，來觀察諸如角 S 與角 Q 相等的角，接著，再利用相似三角形或全等三角形的邊角關係來解決這個問題。但是，在沒有適當工具或提示的情況下，要想捕捉這隻翩翩飛舞的美麗蝴蝶，恐怕不是一件簡單的事。 當然，面對這類問題時，通常可以採取下列步驟。首先，引入平面座標系，把幾何問題轉換為代數問題，寫出各直線的方程式，再找出交點 U 與 V 的座標。只要願意並耐住性子，小心地進行代數符號操作與運算，最終便能確定 M 就是 U 與 V 的中點。 然而，從證明的功能與意義來看，這樣的方式除了能核證命題的正確性之外，並未提供進一步的說明或進行結構層面的溝通，更不用說獲得新的啟發或達成系統化的效用了。因此，在數學家的眼中，這種冗長的代數操作過程就像個黑盒子，無法為我們帶來洞見，當然更無助於深入了解所要解決的問題。 高觀點的證明 現在，試著尋找巧妙的想法。如果願意從不同的觀點重新檢視這個問題，說不定它的實質內容會變得簡單而清晰。其實，這也是多數數學家採行的方法。在這裡，把「蝴蝶定理」看成是射影幾何的命題，而不只是屬於歐氏幾何而已。如此一來，便可以跳脫歐氏幾何常用的概念工具，從更抽象且一般性的理論著手。 無論蝴蝶如何飛舞，左右翅膀始終維持相似形的比例對稱關係，而翅膀上的 U 與 V 點，就像蝴蝶天生的平衡感應器，永遠會在中心 M 的左右側達到平衡，使得蝴蝶能保持平穩地翩然遨遊。此外，若把 AB 下方的 S 點、Q 點與上方的 P、R 兩點進行角色互換，也可以得到相似的證明。 附圖中證明除了可達到核證命題正確性的目的外，也可做為讀者思維與智力的挑戰。更重要的，它還能清楚地說明定理為何成立，從而引領我們洞見整個定理及圖像背後的結構與對稱之美。此外，這一證明還可做為初等幾何學難題與抽象理論兩個層次之間的溝通橋梁。若再借助射影或反演變換，還可進一步把本定理進行系統化的延拓，從而發現嶄新的幾何性質。事實上，上述證明滿足了數學教育家 De Villiers 在 1999 年所發表的有關證明的六大功能，值得讀者品味再三。 對稱的本質 除了前述的簡潔證法外，在數學家或數學解題熱愛者的努力下，還有許多不同的方法問世。在這裡，筆者提供一個中學生可以理解的初等幾何證法。從這一個以及其他初等證明之中，可以很清楚地發現本定理蘊藏的幾何本質 — 對稱性。 證明方法 (利用初等幾何的對稱性) 如附圖，通過圓心 O 連接直線 MO, 作 R'R 垂直 MO 直線並交圓周於 R',R' 成為 R 關於直線 MO 的對稱點。因此，？R'MT ? ?RMT, 所以 MR = MR' (1) 連接 R'M、R'U 與 R'P, 因為 M 是弦 AB 的中點，所以 MO 垂直 AB, 因此 AB//RR', 則 ∠R'MU = ∠RR'M 且 ∠R'RM = ∠RMV。又因為 △R'MT~= △RMT, 所以 ∠RR'M = ∠R'RM, 即 ∠R'MU = ∠RR'M = ∠R'RM = ∠RMV (2) 但由於 R'PSR 四點共圓，可得 ∠R'PS + ∠R'RS = 180°, 也就是 ∠R'PU + ∠R'RM = 180° (3) 由 (2)、(3) 式，可得 ∠R'PU + ∠R'MU = 180°, 即 R'PUM 四點共圓，則 ∠UPM = ∠UR'M = ∠MRV (4) 最後，根據方程式 (1)、(2) 及 (4),△R'MU ~=△RMV, 因此，MU = MV, 證明完成。 上述證法僅僅利用了初等幾何知識而已。這種初等證法的策略，不外乎巧添與對稱或垂直有關的輔助線，藉以造出相似三角形或全等三角形，而得到線段的比例或相等關係。再加上本定理架構在圓上，因此，諸如等弧對等角、四點共圓等與圓相關的性質，也拓展了可應用的概念工具範圍。在本證明中，主要由於 R'PSR 四點共圓而得 ∠P =∠R, 再利用 R'PUM 四點共圓，把角 P 移至角 R', 造出△RMV 的對稱圖形△R'MU, 而得證。 由上述兩個證法可知，蝴蝶定理及它的證明揭示了幾何本質上的對稱性。不過，這一點也不令人意外！根據 Mario Livio 的說法，對稱性位於科學、藝術和知覺心理學的樞紐要衝，對稱性代表形式、定律和數學客體的強固核心，經過變換後依舊維持不變。 正如同蘊藏在許多自然律或人為現象背後共通的性質一般，在證明蝴蝶定理時，無論採用的方法是射影幾何的交比概念也好，其他初等幾何證明也好，「對稱性」的掌握都是一大關鍵。當然，條件中的圓是完美的對稱圖形，左右「翅膀」的相似性，還有線段 AM = MB 的性質，以及定理結論中的 UM = MV, 無一不具對稱的關係。 這些表面上不同的證明，卻說明了同樣一件事 — 這個定理的本質是對稱的。證明過程中所加入的輔助線，都呈現並保持了左右對稱的關係。也就是說，透過對稱性及外接圓，連結了左右翅膀上的圖形 (無論是線段、三角形或圓形), 從而證明了這個定理。這樣的對稱本質，也見證了蝴蝶定理，乃至數學結構之美。 高觀點帶來洞見與突破 當初次面對某些數學難題而感到束手無策時，訴諸高觀點或拔高理論層次，都是值得且可行的想法。就蝴蝶定理的例子而言，雖然它有許多初等的證明方法，但倘若從射影幾何的俯瞰角度切入，洞見蘊藏在內的數學結構，再利用更抽象而一般的工具，問題的脈絡就變得更加簡單而清晰。 事實上，數學發展史上也不乏類似的情況。數學家們苦思多年不得其解的問題，往往必須訴諸更抽象且一般性的理論，才能看穿隱藏在渾沌不清表象背後的數學結構，問題最終才得以解決。這些史實也呼應了克萊因的想法，當尋常的路徑不能導致成功時，不應輕易放手，而應激勵自己去尋找新的和比較走得通的道路。 譬如，古希臘人早已解決了二等分任意角的問題，但是經過了兩千多年，對於是否可以用尺規作圖三等分任意角、化圓為方或倍立方等難題，數學家們始終不得其解。然而，隨著符號代數和解析幾何的發明，數學家意識到透過不同路徑與工具來解決幾何問題的重要性，而不再局限於純粹的幾何方法。 在這種情況下，數學家不只關注於幾何物件 (object) 的屬性與操作 (是否一個角可以二等分或三等分), 他們更進一步地研究運算 (operation) 的本質 (其底蘊的代數表徵與結構), 進而把尺規可作圖性問題，轉換成為實數的可作圖問題。當數學家更深刻地研究與了解相關理論後，最終得以證明幾何作圖的可能性問題，也了解為什麼某些可作圖，另一些則否。 在解方程式方面，自 16 世紀義大利數學家塔塔利亞 (Tartaglia)、卡丹諾 (Cardano) 與費拉里 (Ferrari) 解決了三次與四次方程式的一般性公式解法後，五次或更高次的代數方程式是否存在一般性的根式解法，便成為數學家們的一大挑戰，而舊方法所面臨的阻礙與失敗，也引發數學家們對於數學前景的悲觀想法。後來，有賴於伽羅瓦 (E. Galois, 1811-1832) 引進群與體的概念，從高層次的抽象理論，了解並掌握四次方程可解與五次方程通常不可解的原因，代數方程式的根式解問題才完全解決。 總之，運用群論和體論的高觀點，數學家把古典幾何的 3 大不可作圖難題，轉換為實數的可建構性問題，或者把古典代數的方程式公式解問題，化約為可解群的問題，並最終得到解決。還有，困擾古希臘數學家的「不可公度量」(或無理數), 必須透過整個實數的結構與形式運算的表徵，才能更清楚地賦予意義。又，高斯藉由他的同餘理論，可以有系統地收納中國餘數等定理，並解決了不定方程的相關問題等。這些例子在在提醒我們，系統性與結構性知識的重要性。 另一方面，正如數學教育研究發現，專家或優秀的解題者除了在知識上具有良好的連結性，並因而組成豐富的認知基模 (schemas) 之外，他們在解題的過程中，也主要聚焦於問題的結構特性。當我們遭遇數學難題而摸不著邊際時，不妨拉高理論層次，重新看待。站在高觀點，從全新的視野俯瞰較低層次知識間的結構與連結，或許可讓我們洞見一條更寬廣而邁向成功的康莊大道。 翩翩起舞的蝴蝶定理為我們指引了一條美麗且明慧的道路，千萬不可等閒視之！

番茄裡的茄紅素

番茄的學名是 Lycopersicon esculentum, 屬於茄科中的番茄屬，是 1~2 年生的草本植物，原產地在南美洲安地斯山的原住民區。早在 16 世紀，當西班牙人占領南美洲時，祕魯人就已經開始種植番茄。到了 16 世紀末，英國、荷蘭和義大利也紛紛種植番茄。不過，當時的西方人雖然認為番茄美麗，卻誤認它具有毒性，所以只種在庭園中做為觀賞用。如今，番茄已普遍認為是營養豐富的食物，在美國也已經是排名第 3 的重要蔬菜。甚至美國的《時代》雜誌，在 2002 年初根據科學家實驗的結果，評選番茄是現代人十大保健食品的首位。 大約到了明末時 (西元 1621 年), 番茄才由葡萄牙人傳入中國，最早的記載出現在《群芳譜》。不過，在那個時候，番茄僅供作觀賞，大量栽培和普遍食用，則要等到 19 世紀初。至於臺灣，則是在荷蘭人占據臺灣時 (西元 1622 年), 引進做為觀賞用。到了 19 世紀末，日本人引進栽培品種，並由農業試驗機構推廣，成為高經濟價值的蔬果兩用園藝作物。 臺灣的番茄產地大多集中在彰化、員林、西螺、臺南、屏東等地區，而加工用的番茄，則多分布在嘉南平原一帶。目前，全球番茄超過上千種，主要是綠色和紅色品系。在臺灣市面販售的綠色系有一般和黑葉番茄，紅色系則有牛番茄、聖女番茄、粉紅番茄及桃太郎番茄。近年來，還出現黃色品系的黃金番茄。 根據 2002 年國際糧農組織 (FAO) 的統計資料，全球每年共生產 1.08 億噸的新鮮番茄，產值高達 42 億美元。其中，美國就占了 60% 的產量，其次是中國大陸、義大利、希臘、土耳其及印度；臺灣的年產量大約在 15.11 萬噸左右；歐洲每年生產大約 850 萬噸的番茄，其中有將近 18% 直接銷售給消費者。 全球人類食用番茄和番茄製品平均每人每年 5.6 公斤，其中以希臘人每年平均食用 187 公斤最多，其次是土耳其人的 107 公斤、義大利人的 95 公斤、美國人的 92 公斤、澳洲人的 24 公斤，國人則大約是 7 公斤。 番茄的營養 因為人類食用番茄以後，血液中的酸鹼度呈現鹼性反應，有助於清除人體循環系統中的毒素，例如尿酸等等，所以歐洲有許多大醫院都把番茄當成醫療食品。除此以外，番茄含有豐富的維生素，不但能淨血也有促進排泄的功能，甚至還可以和芹菜、甜菜、紅蘿蔔等其他蔬菜打製綜合蔬菜汁，最適合復原中的患者飲用。 番茄除含茄紅素外，還含有多種維生素、礦物質、微量元素、優質膳食纖維等高價值的營養成分，是人體抗衰老最佳的機能性食品。近年來，由於陸續發現番茄中的茄紅素具有很多的醫療功能，促使含茄紅素的醫療保健食品或用品紛紛上市，甚至拜媒體推波助瀾所賜，使得紅番茄汁成為時下的當紅商品。 茄紅素的特性 茄紅素 (Lycopene) 又稱作番茄紅素，分子式是 C40H56, 廣泛存在於番茄、葡萄柚、紅辣椒、西瓜、芭樂、木瓜、杏仁等紅橙色蔬果及其製品中。不過番茄是茄紅素主要的來源，而且越是鮮紅的番茄，茄紅素含量越高，也就是說綠色和黃色番茄中的茄紅素含量較少。臺灣的番茄製品，有番茄汁、蔬果汁、番茄醬、番茄湯、番茄糊、番茄土司、番茄餅乾、義大利麵醬及魚罐頭等，麵店甚至也賣番茄牛肉麵。番茄汁中多數是紅番茄汁，但目前已有黃金番茄汁上市。 茄紅素既是一種色素，也是一種類胡蘿蔔素 (carotenoid)。類胡蘿蔔素是一群黃色到橙色的脂溶性色素，目前已知的類胡蘿蔔素共有六百多種，其中超過 50 種具有維生素 A 的活性。雖然茄紅素並沒有維生素 A 的活性，但卻是所有類胡蘿蔔素中抗氧化能力最強的，它消除自由基或活性氧化物的能力，是 β- 胡蘿蔔素的 2 倍、維他命 E 的 10 倍，因此，備受醫學界、保健食品和飲料界的矚目。 番茄和一般新鮮蔬果主要的不同處，在於後者要趁鮮生食，而番茄反倒是經過烹煮以後，人體更容易吸收其中的營養成分。由於茄紅素是屬於油溶性的物質，而且穩定性相當好，所以不像維他命 C 等營養素會因為烹調而流失，反而因烹煮，破壞番茄的細胞壁和組織，釋放更多的茄紅素。哺乳動物不能自行合成茄紅素，必須從日常蔬果中獲得。茄紅素不僅可以保護植物不受陽光、空氣污染的傷害，在人體中也可以對抗許多種老年人退化性疾病。 茄紅素在人體內可以發揮抗氧化的能力，增強免疫力和抗老化，消除造成人體疾病和老化的元兇自由基。近年來流行病學的研究指出，茄紅素可以降低心臟疾病罹患率、防止紫外線傷害皮膚、抑制癌症的發生、提高男性的生育力、減輕香菸與酒精的傷害等等。 美國卡爾京 (Calgene) 公司在 1994 年上市的「佳味」(Flavr Savr) 番茄，是世界上第一種獲准上市的基因改造食品，隨後科學家也相繼開發出抗鹽性以及含有更多黃酮素的基因改造番茄。黃酮素也是一種抗氧化物，而且可以增加番茄中的茄紅素含量。 美國的科學家研發出含花青素的紫番茄，而花青素大多存在於藍、紫和紅色系的莓果、葡萄及其他蔬果中，這類的色素具有抗氧化的功能，可以保護人體免於氧化的損害，及其所導致的心臟病、癌症、老化等病症。醫生建議民眾每晚小酌葡萄酒，可以防止罹患心臟病，就是因為其中含有大量的花青素。 一般常用在食品及化妝品中的紅木素是茄紅素的前導物，原本是從胭脂樹中萃取得到的。如今，法國學者已能把紅木素的基因植入可以產生茄紅素的基改大腸桿菌中。在試管中的大腸桿菌開始產生紅木素的時候，並未改變顏色，因為茄紅素已經布滿這單細胞菌。學者下一步將嘗試把這一個基因植入能自然產生茄紅素的番茄或是其他水果中。 在食物保存方面，西班牙學者開發出利用紅辣椒和番茄延長漢堡在架上的保存時間，但是富含茄紅素的番茄所能延長的期限，大約在 8~12 日間，明顯不如紅辣椒的 4~16 日。另外，西班牙的維他提尼製藥廠，近期開發出利用三孢布拉霉菌合成茄紅素，經人體試驗後證實，服用合成與天然茄紅素以後，在血液中的含量並無明顯的差異。目前該藥廠正向歐盟申請上市中。 最後，歐盟中的荷蘭、德國、愛爾蘭、西班牙及葡萄牙等國的 11 個研究機構，共同參與一項利用番茄加工後的廢泥生產食品的番茄計畫。歐洲每年棄置約 400 萬噸的番茄加工廢泥 (果皮和種子), 研究指出廢泥中仍含有類胡蘿蔔素、蛋白質、醣類、纖維及蠟類等營養物，特別是番茄廢泥中的油類，因為具有不飽和脂肪，而有很高的價值。 由於番茄中的茄紅素是一種強力抗氧化物，現已成為抗癌和抗心血管疾病的聖品。由於人體不會製造茄紅素，需要由外界補充，以對抗各種因為過多的自由基所引起的疾病。又因為人體內抗自由基的系統會隨著年齡的增加而衰退，所以適時適量補充茄紅素可以減少疾病的發生和增強體力。 許多流行病學的研究證實，茄紅素在醫學上有許多功效，例如義大利人比較少罹患攝護腺癌和心臟病的主因，在於他們最愛吃的義大利麵的主材料就是番茄。茄紅素對人體的確有益，因此建議每人每日攝取大約 25~30 毫克的茄紅素，這大約相當於 1 瓶市售的番茄汁 (250 公撮) 或 2~3 個大番茄。 除了茄紅素以外，番茄還含有多種維生素、礦物質、優質的膳食纖維，例如果膠等高價值的營養成分，很適合添加在保養品中，發揮它的抗老化效果。番茄煮過或榨汁以後，它的營養成分比較容易被人體吸收，不過在選購時，仍要儘量挑選低熱量、低鈉和高纖維的番茄汁，以提供抗氧化物及營養素，而且增強抵抗力、預防癌症及增進健康。

發射屬於自己的衛星

人造衛星是太空飛行器的一種，以火箭、太空梭等載具發射到地球或其他行星周圍。當星球的重力場對人造衛星所產生的向心力和人造衛星繞行星球的離心力相等時，人造衛星就會在特定的軌道上持續環繞星球。1957 年 10 月，蘇聯成功發射人類第一顆繞行地球的人造衛星史波尼克號 (Sputnik), 不僅開啟了太空時代，也引發長達半世紀的太空競賽。 人造衛星 太空的眼睛 人造衛星的發明源自人類對外太空的好奇心。財團法人國家實驗研究院國家太空中心陳維鈞組長說，人造衛星一般由衛星本體 (satellite bus) 和酬載 (payload) 兩部分所組成，衛星本體有如卡車，酬載則像卡車裡的貨物。譬如台灣的「福爾摩沙衛星一號」上面有 3 個科學酬載，包括「海洋水色照相儀」、「Ka 頻段通訊實驗酬載」、「電離層電漿電動效應儀」;「福爾摩沙衛星二號」的科學酬載是「遙測照相儀」和「高空大氣閃電影像儀」;「福爾摩沙衛星三號」的酬載則包含「全球定位氣象量測儀」、「小型電離層光度計」及「三頻段信標儀」等。再者，衛星本體除了攜帶酬載到設定的軌道執行任務外，還可依酬載任務需求提供電力、控制姿態與傳遞訊號資料等功能。 儘管人造衛星遠在太空，卻和人們的生活息息相關，譬如全球定位系統 (global positioning system, GPS), 就以衛星來協助我們定位，讓我們在廣垠大地中不至於迷路。「Google Earth」也以衛星照相儀攝製影像，讓人們可以迅速掌握全球地理資訊。此外，衛星還能讓我們近距離觀察外太空的星球。近年推出的「Google Moon」和「Google Mars」系統，就分別以圍繞月球和火星的人造衛星來攝製影像，使用者只要透過網路，就能親臨實境般一窺月球和火星的地貌。 皮米衛星 體小量輕 人造衛星若以功能來區分，包含有科學衛星、通訊衛星、氣象衛星、遙測衛星、軍事衛星等。以規模來分類，則有大型衛星、中型衛星、小衛星、微衛星，以及 1 公斤以下的皮米衛星。100 公斤以下的小型衛星除較節省製作成本及發射費用外，成功發射的機會也較高。因為當衛星縮小至 100 公斤以下，就可利用「搭便車」的方式隨火箭發射，不需如中大型衛星在設計初期就得考慮發射載具的搭配。然而，小型衛星如奈米或皮米級衛星也因為體積小、重量輕，一般都用來執行較單純的任務，若要執行複雜的任務，得以衛星星系或衛星群的方式來部署，才能成為功能較為強大的衛星系統。 1990 年代以後，隨著電子裝備的微小化及功能的提升，衛星的設計與製作也進入小型化的階段。陳組長以智慧型手機為例，他說，小小的一支手機，功能除了通訊以外也囊括了導航、上網、指南針、照相、動作感知器、GPS 接受器等，而一枚衛星就如同一支智慧型手機，除了包含上述功能之外，衛星還有磁力機、星象儀，能透過觀測星象來辦別自己的位置。既然現在幾乎人手一機，未來有沒有可能每個人都能擁有自己的衛星？這似乎不再是遙不可及的夢想。 標準化才能普及化 「介面標準化」是產品得以大量生產的關鍵。隨著立方衛星 (cube satellite) 的製作技術在 1990 年代逐步標準化以後，製作成本低廉了許多，技術也更容易取得，奈米與皮米級立方衛星的發展變得更加迅速。 時至今日，衛星任務推陳出新，參與立方衛星計畫的機構也越來越多，許多先進國家的大學都躍躍欲試，而台灣參與開發皮米衛星的學校則有成功大學、中央大學、淡江大學、逢甲大學、虎尾科技大學等。 2002 年，國家太空中心研製出台灣第 1 枚名為「蕃薯號」(YamSat) 的 1 公斤皮米級的標準化立方衛星，其主要科學任務是應用微機電技術發展的微光譜儀，來研究大氣層變化及分析大氣成分。「蕃薯號」皮米衛星在製作過程中所需的太空元件，包括電磁線圈、太陽能晶片及電池等，都由國內廠商及科研機構供應。 標準化的立方衛星通常由許多通用元件組成，可跟隨其他任務的火箭一起升空。此外，多數立方衛星的壽命都很短，會在短時間內落回地面，不會增加軌道上的太空垃圾。由於立方衛星的成本低、開發時程短，適合做為教學工具，因此有越來越普及的跡象。可以預見的是，未來國家、公司、大學、高中等研究團隊，甚至個人，都有機會透過自製立方衛星，來發展自己的太空計畫。 下一站・太空 「2011 科學季：未來科技狂想曲」的展品「下一站・太空」, 主要想傳達人類移民太空的想望與可能性。過去幾十年來，月球是太空人的熱門登陸點，如今，火星成為人類探勘的新標的，包括美國、印度都有登陸火星的計畫。隨著科技的日新月異，人類慢慢發現銀河和太陽系的數量遠超過我們的想像，也許在太陽系之外還有其他適合人類生存的地方。 藉由「下一站・太空」展區的互動裝置，民眾可模擬發射屬於自己的個人化衛星，並執行通訊、遙測、太空科學研究、外太空探測等各種任務，進而啟發他們對未來太空科技的興趣與夢想。展區也播放未來太空影片，包括「太空旅行」、「光帆太空飛行」和「國際太空站」, 向參觀者介紹目前國際間的科技狂想：如乘坐太陽風帆進行太空旅行；透過蟲洞往來行星與行星之間；利用空間褶曲的理論，摺疊空間來縮短飛行時間。 人造衛星的微小化已成趨勢。目前，美國也在發展更微小的晶片衛星，而「編隊飛行」技術是未來微型衛星應用模式的趨勢。所謂「編隊飛行」是利用多個飛行中的小衛星組成一定形狀，小衛星之間能自動地相互聯繫、協同工作，共同承擔空間信號的採集與處理工作，大大提升執行太空任務的能力。陳組長表示，科技發展的基礎在於狂想，現在不可能不代表未來不可能，就像幾十年前，我們很難想像電話可以帶著走，現在卻幾乎是人手一機。因此，只要懷抱夢想，不斷精進，狂想也有成真的時刻。也許有那麼一天，每個人都可以讓屬於自己的衛星在宇宙遨翔，屆時外太空就更加熱鬧了。 【「2011 科學季：未來科技狂想曲」展品報導】 深度閱讀 財團法人國家實驗研究院國家太空中心:http://www.nspo.narl.org.tw/2011/tw/aboutNSPO/about.html 苗君易、Artur Scholz、莊智清、蔡永富 (民 100) 衛星能多小─皮米及奈米衛星，科學發展，457,51-55。

一九五三年一月,DNA分子遺傳學的開創

一九五三年一月，美國生物學家華生 (James Dewey Watson) 與英國物理學家克立克 (Francis Harry Compton Crick) 做出正確的 DNA 分子模型，開創了分子遺傳學。 遺傳學是一門有趣的科學。這裡說的不是它的科學內容或它的前景，而是它的歷史。 說來遺傳學是文明的基礎。人類直到新石器時代才開始生產糧食 (農業), 過定居的生活。舊石器時代長達兩百五十萬年，文化的進展十分緩慢，幾乎可說萬古如長夜，主要的原因就是還不會生產糧食。那時肉食得靠打獵，素食得靠採集，不可能終年定居，當然就不會形成大規模的社群了。只有大規模的定居社群才能發展文明，因此農業是人類文明史的楔子。而遺傳知識是發展農業的關鍵。 嚴格地說，現代遺傳學一九○○年才正式成立。不過一萬多年來，遺傳學的實際內容雖然不過是「龍生龍，鳳生鳳，老鼠生兒能打洞」, 它的歷史後果卻相當驚人。 所有現代生物學領域都在十九世紀開始蓬勃發展，遺傳學也不例外。達爾文 (Charles Darwin, 1809-1882) 的演化論，主要論據就是任何一個生物族群中都有大量變異。生物變異經過「天擇」一代又一代地篩選後，生物就「演化」了。 達爾文認為生物族群中的變異是隨機的，沒有方向性，因此天擇是唯一主導演化方向的力量。可是達爾文苦無證據。他發表過專著 (1868), 討論生物變異的遺傳原理，可是書出版後，連他的支持者都認為他的遺傳理論已經過時了。 當時孟德爾 (Gregor Johann Mendel, 1822-1884) 正在家鄉 (位於今日捷克境內) 從事著名的豌豆實驗，今日教科書中的孟德爾定律就是他在一八六○年代的實驗成果。不過當年沒有人將孟德爾的結論當作「遺傳學定律」。直到一九○○年才有三位遺傳學家不約而同地「重新發現」孟德爾論文的意義。 其實，孟德爾對自己的結論，與後人的了解不同，他只是以豌豆實驗證明「『雜交』不會形成新種」罷了，並不是研究遺傳的基本原理。不過，孟德爾定律無論如何都是現代遺傳學的基礎。 一九○六年，英國學者鑄造了遺傳學 (genetics) 這個詞，一九○九年，丹麥學者創造了基因 (gene; 遺傳的單位) 一詞。由於二十世紀結束時，人類基因組計畫也即將完成，因此二十世紀可以稱為「基因世紀」。 遺傳學在二十世紀上半葉發展得十分迅速。大約在一九四○年代，連「跳躍基因」的概念都產生了。可是到了一九五○年，科學界對遺傳學的物質基礎仍然沒有共識。這一年華生以二十二歲的年紀得到了博士學位。 華生畢業後不到三年就與克立克合作解開了 DNA (去氧核糖核酸) 分子構造之謎，開創了分子遺傳學。這個故事大家都耳熟能詳了，因為華生與克立克一九六二年獲得了諾貝爾獎生醫獎，而且華生在一九六八年出版了《雙螺旋》, 以坦白、直率的文筆敘述了整個經過。 在解開 DNA 分子構造的故事裡，有幾個事實特別值得我們注意。 首先，華生是個不懂化學的生物學家。他在大學部就設法逃避「任何看似困難的物理或化學課」, 到了研究所，他因為連最基本的實驗技巧都不懂，老師怕他闖禍，當然就免了他的化學必修課。 當年關於 DNA 分子結構的直接證據，是 X 光晶體繞射照片。解讀那種照片，必須了解當時算是尖端的物理學，華生就更外行了。他與物理學家克立克的遇合，大概是二十世紀科學史最重要的佳話。一九五一年華生到英國進修，克立克已經三十五歲了，博士都沒拿到。可是與克立克共事的人都承認他是個捷才，有人甚至因而敬而遠之。但華生這位年輕博士卻與他一見如故，相交莫逆。 華生不懂 X 光晶體繞射原理，甚至連最基本的化學鍵都沒有概念。他在一九五一、五二年再三研讀的《化學鍵原理》(當年的經典教科書), 就是克立克的，最後克立克還花錢買了一本送他。 但是，華生認定了 DNA 就是遺傳物質，而且 DNA 的分子結構必須能夠說明各種直接涉及遺傳的現象，包括複製以及基因編碼機制。此外，他還相信「成雙成對」的原則幾乎可說是生物學的「形上原理」, 也應該會反映在 DNA 的分子結構上。許多人說華生與克立克的合作中，華生只出點子，而克立克才是真正解決問題的人。其實只是部份事實。 偉大科學家的特質就是辨認重大科學問題與答案輪廓的本領。以後見之明來看，關於 DNA 的分子結構，許多重要的科學證據早在一九五○年之前即已發表。華生認定了 DNA 是遺傳物質，必須解釋許多生物現象，他的科學直覺加上與克立克的遇合，終於完成了重大的科學成就。 【科學史上的這個月】

從遺產繼承談DNA鑑識

DNA 親子鑑識 桃園地方法院日前受理一位老榮民的遺產繼承案件，由於當事人聲稱遺留財產的死者係自己的兄長，卻因當年隨軍來臺的父親鄉音過重，加上承辦戶政業務人員一時筆誤，竟將父親的姓氏弄錯，明明是同父同母的親兄弟，卻陰錯陽差地喪失了法律上的兄弟關係，以致無法繼承其兄長的遺產。 聲請人信誓旦旦，卻又苦無證據，乃聲請法院檢驗已入土亡兄屍體的 DNA, 獲得法官的認同之後，開棺由法醫為申請人與死者進行「DNA 親子鑑識」, 檢驗結果證明聲請人跟死者確是具有同一血緣的親兄弟，從而准許聲請人繼承死者的遺產。一場在過去近乎無解的遺產繼承疑案，拜親子關係鑑定科技成熟與普及之賜，經由 DNA 鑑識而圓滿落幕，不僅當事人高興，基因鑑識的功用也再度獲得各界的肯定。 在人際關係日益複雜的現代社會中，除了上述的特例外，DNA 親子鑑識還可以幫助有疑問的父母子女確認血緣關係，幫剛出生的新生兒 DNA 建檔，則可以避免遭誤抱，同時 DNA 鑑識也已成為世界各國辦理依親移民的先決條件。 另外，對於某些工作性質危險的從業人員，如航空公司的空勤人員、消防隊員、海事運輸、礦業員工、外籍勞工等，若能先將 DNA 建檔，則日後一旦有必要辨認時即可發揮作用。這些看似不相干的領域，都已將 DNA 鑑識列入運用的範圍，可見其神通廣大。 臨床上有關 DNA 鑑識常遇見的問題，包括鑑識的準確率、檢驗所需的時間及樣本取得的方式。其中準確率與所需時間視所要鑑識的血緣關係而定，若是父母子女間的血緣鑑識，準確率可以達到百分之九十九以上，且所需時間較短，只要三至十個工作天結果即可出爐。但若要鑑別兄弟姐妹或祖父母與孫子女間的血緣關係，則準確率較低，只有百分之九十左右，且鑑識所需的時間相對較長，約需要四到六個星期才能完成。 DNA 鑑識樣本 至於樣本取得的問題，以前多依賴抽血所得的血液來鑑識，目前則以口腔黏膜抹片較為普遍。由於 DNA 存在於身體的每一細胞中，口腔黏膜抹片收集到的樣本，其鑑識結果和血液樣本的準確率不分軒輊。收集樣本前先以清水漱口，然後用滅菌過的棉花棒在口腔內兩頰及舌下旋轉抹拭，既不痛又省事，如此不須抽血即可取得樣本。對某些受檢者，如血管細小不方便抽血的新生兒而言尤其方便，口腔黏膜抹片因此普遍受到認可，而成為採集樣本的主流。 另外懷孕期間的婦女若要在胎兒出生前確認「播種者」是誰，則有其他「蹊徑」可以提早做親子鑑識。一種是「絨毛篩檢」, 當婦女懷孕約 10 到 13 週時，在超音波顯像設備的指引下，用細針抽取絨毛膜 (即未來胎盤的前身) 上的絨毛細胞即可進行鑑識。另一種取樣方法則是「羊水抽取」。 同樣是在超音波顯像設備的導引下，於懷孕 16 週左右以長針直接插入子宮腔內，抽取環繞在胎兒周圍的羊水進行基因鑑識；由於胎兒發育較大、較成熟，且子宮腔也較開闊，比絨毛篩檢較少有副作用。萬一孕婦沒有在胎兒出生以前做 DNA 鑑識，則可以在新生兒出生時用臍帶血收集法，抽取臍帶血液，同樣可以精準地「正本清源」。 鑑識的準確率超過 99.9% 從一九八五年起，DNA 鑑識即被應用於親子鑑定，目前全世界的親子鑑定幾乎毫無例外都採用 DNA 鑑識。DNA 的全名為去氧核醣核酸，所有生物無論動物或植物細胞的染色體上，都具有這個來自父母雙方，外觀呈雙股螺旋狀的遺傳因子，基本上仍延續父母某部分的遺傳特性，但在每個生物體的表現卻與雙親不盡相同。 DNA 親子鑑定是從口腔細胞、血液或培養的組織中提取 DNA, 先用酵素將 DNA 樣本切成小段放進凝膠內，用電泳槽推動 DNA 小塊使其分離，再將分離開的基因放在尼龍薄膜上，使用 DNA 探針尋找基因，相同的基因會凝聚在一起，經由特別的染料染色，在 X 光照射下便顯出由 DNA 探針凝聚在一起的黑色條碼。這條碼一半與母親的基因條碼相符合，另一半則與父親的相符合。用幾組不同的探針，重覆上述的過程，每一種探針用於尋找 DNA 不同的部位並形成獨特的條碼，即可得到超過 99..9% 的分辨率。 上述基因鑑識其實是針對人體 DNA 的鹼基對進行鑑識，所謂鹼基對到底是什麼？我們如果從人體解剖由大而小來介紹可能比較容易了解。一個人的個體包含許多系統，諸如消化系統、呼吸系統、生殖系統。由系統而器官，如消化系統包括口腔、食道、胃、大小腸及肛門等器官。再從器官到組織，如表皮組織、肌肉結締組織、神經組織。由組織再細分即是細胞，細胞包括細胞質與細胞核兩部分，細胞核內有染色體，染色體上面帶有基因，基因由長短不一的「去氧核醣核酸」(DNA) 構成，DNA 則由鹼基對組成。 在一個基因組裡，通常有數百萬組鹼基對，若以英文的辭彙為例，鹼基對是最基本的二十六個字母，不同字母的排列變化造成不同的英文單字，鹼基對的排列變化則形成不同的 DNA, 每個人特異的 DNA 就是人與人之間基因上最基本的差異。 人體大約有三十億個鹼基對，但大多只選取其中一部分具有高變異性且不具功能的來鑑定。目前國內刑事實驗室進行鑑定的有十六種基因，若將這些基因的基因型相乘起來，其數目約等於 10 的 14 次方個基因型組合，如此龐大數目的基因組，理論上可能出現的相符率僅有 10 的 14 次方分之一，幾乎每一百兆個人才可能出現一次相同的鑑定結果。換言之，除非是同一個個體–意謂「自己」, 否則就不可能獲得相同的基因鑑識結果，但因基因組合有「常見」與「罕見」之分，實際上的鑑識符合率不至於那麼低。 目前在實驗室中有兩大系統可供基因鑑識之用，一個是限制性片段長度多型，另一個是聚合酶連鎖反應。前者的基因變易性較大，準確度較高，但鑑定起來較費時，且需要較大的檢體才能進行鑑定。反之，聚合酶連鎖反應的基因變易性雖略低，但鑑定手續簡便快捷，而且只需微量檢體即可鑑定，運用範圍較廣，是多數法醫實驗室普遍採用的鑑識系統。 相較於傳統的指紋或血型鑑識而言，DNA 鑑識無疑是可信度最高的個體鑑別證據。因此不僅可以運用於遺產繼承的證明，也廣泛使用於刑事案件的佐證及血緣關係的鑑定，甚至連考古學家也拿來辨認木乃伊所屬的人種。古今中外無處不可用，例如為了尋找外遇的證據，而把 DNA 鑑識技術動用到旅館垃圾桶內撿回來的衛生紙上面，已經超出尋常的科技運用範圍了。

原來光觸媒是這麼回事

光觸媒受光的催化，促進氧化還原反應，來分解病菌。 個性溫和 非強悍武器 光觸媒 (photocatalyst) 是一種「利用光能，進行催化反應的觸媒」。使用前，會先把它塗布或噴灑在物體表面形成一層薄膜，再透過光能的啟動，與附在物體表面的外來物質產生氧化或還原作用，以達到除污、殺菌、抑菌或使物體表面清潔的目的。 雖然光觸媒可發揮的功效仍在評估中，但與它相關的研究工作卻已如火如荼地展開。現今科學家對光觸媒消滅微生物的能力已給予不錯的評價，甚至預期，在未來的食、衣、住、行與空氣清淨、水質淨化等相關產業中，將有許多發展空間。只不過，面對市面上誇大的宣傳廣告，專家學者們又不免憂心忡忡而大聲疾呼：光觸媒不如想像中神奇！從科學實驗中證實，光觸媒在對抗細菌的環境淨化上頗具成效，但用來對抗 SARS 病毒卻是另外一回事。因為，迎戰 SARS 是一場分秒必爭、詭譎多變的戰役，需要更積極、更快速、更強烈的防疫武器，若把個性溫和，需要較長時間才能滅菌的光觸媒推上戰場，在防疫功效上緩不濟急；更何況，病毒不是細菌，到目前為止，我們仍未獲得光觸媒可消除病毒的確切證據。因此，光觸媒並不是對抗 SARS 的最佳選擇。 熱鬧有趣的搶電子遊戲 從化學作用來看，光觸媒是一種半導體結晶材料，被光照射以後，材料中的電子會跳出來，並留下一個具有強大氧化能力的帶正電孔洞，這些電子與電洞在化學上稱為「電子洞對」。 當電子與空氣中的氧分子 (O2) 相遇時，即生成反應性很強的超級氧分子 (.O2-); 當電洞與空氣中的水氣 (H2O) 相遇時，會透過光化學反應搶奪水中氫氧基的電子，此時，失去電子的氫氧基立刻變成不安定的氫氧自由基 (.OH)。一旦不安定的氫氧自由基遇到外來的、附在物體表面上的有機物時，又會藉由搶奪對方電子的方式使自己趨於穩定。如此一來，有機物即被氧化，變成水和二氧化碳，消散在空氣中。 光觸媒在光照下產生電子與電洞，使空氣中的氧氣與水分子變為不安定的自由基，再引發有機物質的氧化或還原反應。(圖 /https://doi.org/10.3390/catal3010189) 倘若以光觸媒淨化水質，則從光化學反應中產生的氫氧自由基，也會與水中的不純物發生反應，變成水、二氧化碳或沉澱物。這整個過程，就像一場熱鬧有趣的搶電子遊戲。 然而，氫氧自由基具有強烈的氧化作用，易破壞細胞膜、血管壁、蛋白質和基因，會使人體產生老化和疾病問題，因此有人擔心，在光觸媒反應中出現的氫氧自由基，是否會對人體造成傷害呢？一般而言，光觸媒反應是在物體表面發生，而氫氧自由基釋出到空氣中的可能性非常小，在光觸媒表面的濃度亦非常微弱，對人體應不致於造成傷害，不過相關問題仍需進一步確認。 光線問題傷腦筋 能夠利用大自然光源，使有害物質消失，且無二次污染，是光觸媒最具價值的地方。然而能激發光觸煤反應的最低能量是多少呢？這個答案與製造光觸媒的材料有關。適合作為光觸媒的材料必須具有半導體特性，例如氧化鋅 (ZnO)、二氧化鈦 (TiO2)、二氧化錫 (SnO2)、硫化鎘 (CdS) 等都是，而所有材料中，又以二氧化鈦的氧化還原力較強，並具有化學性質穩定、對環境無害、材料價格低廉等優勢。所以，目前使用的光觸媒材料大都以二氧化鈦為主。 令人傷腦筋的是，欲使二氧化鈦光觸媒產生反應的光子，必須要有 3.2 電子伏特 (ev) 以上的能量，亦相當於波長 380 奈米 (nm) 以下的紫外線。這樣的啟動條件，讓光觸媒的應用受到了限制，也因此，如何擴大光源利用，使波長 400~700 nm 的可見光也能激發光觸媒反應，成為科學家急欲突破的關卡。 陽光具有啟動能力 陽光中照到地表的近紫外線具有 1.0~10 mW/cm2 的照度，此照度已達啟動光觸媒反應的能量。由此可知，凡是陽光照得到的地方，如建築物外牆、窗戶玻璃、窗簾等，都可採用光觸媒產品。 當然，直接利用紫外線燈管釋出光線，讓光觸煤產生反應就更方便了。只是，除波長 300~400 nm 的近紫外線以外，其餘波長如 254 nm 的紫外線，雖可殺菌亦會傷害人體。因此，加裝紫外線燈管的光觸煤產品，只能在一定條件與環境下使用。 我們的室內光源大都來自照明用的日光燈。通常，從日光燈燈管表面放出的近紫外線只有 0.1 mW/cm2 的照度，由於照度與光源距離的平方成反比，因此，室內物體接收到的實際光線大約只剩下 0.1 μW/cm2 , 如此微弱的照度，無法使光觸媒產生有效反應。 新技術不斷冒出來 無法利用室內可見光的事實，使光觸媒的應用受到限制，但是，突破障礙的新技術亦不斷冒出來。例如，日本一家小型創投企業與日本產業技術總和研究所聲稱，已成功開發在 400~530 nm 的可見光下作用的二氧化鈦材料，如果這項技術能提出科學證據，將是研發上的一大進步。而我國科學研究單位亦已實驗成功在 400~500 nm 的可見光下啟動光觸媒的技術，只是，若要全面商品化仍需一段時間。 光線之外，影響光觸媒功效的還有鍍膜技術與二氧化鈦結晶構造。二氧化鈦結晶構造分為金紅石型、銳鈦礦型與板鈦礦型三種。傳統中用來製造塗料、油墨、化妝品、橡塑膠著色劑、顏料等的材料均以金紅石結晶為主；現在的光觸媒材料，則以活性較高的銳鈦礦結晶結構為主。 金紅石 (rutile) 的 3D 結構模型。(圖 / Ben Mills,Wikipedia) 所謂奈米級光觸媒是指所使用的光觸媒材料粒徑已達奈米級 (10~100 nm)。若以二氧化鈦來說，粒徑在 10 nm 左右的效果較佳。光觸媒材料經常以懸浮液或粉末方式出現，在功效上，懸浮液比粉末好。大部分工廠把材料買回去以後，再以塗布或噴灑方式將其附著在產品表面，或加工製成噴霧式水懸浮液。 此外，市面上亦出現以粒徑 100 nm 以上的非奈米級材料製造的二氧化鈦光觸媒。這類材料因為缺乏奈米微粒所具有的親和性，所以很難附著在物體表面，為了增加它的附著力，人們常在生產過程中摻入分散劑或粘著劑。只是，這些添加物可能與光觸媒表面產生反應而形成一層薄膜，這層薄膜會將光觸媒包覆，使得受光照射後所產生的電子洞對，無法穿過薄膜來與外界物質發生作用。 也有人疑惑，使用噴霧式光觸媒到底有沒有效用呢？這應該與使用方法有關。如果直接將光觸媒往口罩上噴塗，或在密閉空間內噴灑，會因為無法直接接觸到有效的光線，使得光觸媒效果不如預期中好。 國人已研發多項專利 全世界申請光觸媒專利的數量已超過一千件，日本是提出申請最積極的國家，歐美地區如德國、荷蘭、美國的化工業者亦日益重視光觸媒研發。而我國科學家亦已研發出多項專利，例如，在經濟部科技專案研發計畫下，中山科學研究院化學研究所與臺灣日光燈公司合作，已成功研發出光觸媒空氣清淨燈管，並獲得兩項我國與美國專利。 其中一項製作技術的專利，是以鈦醇鹽與螯合劑製得奈米級光觸媒微粒溶膠後，先將溶膠浸鍍於玻璃纖維布上，再把纖維布直接套在 365 nm 或 254 nm 的紫外線燈管外。另一項技術應用的專利，是在通風口處裝置光觸媒紫外線燈管，利用空氣對流原理，只要空中懸浮物沾上纖維布，即可利用光觸媒反應達到淨化空氣與殺菌、抑菌目的。 預防院內感染 可找光觸媒幫忙 二○○三年五月，SARS 疫情快速升溫，醫院院內感染問題引起很大關注。造成院內感染的原因很複雜，若能做好防止細菌散播、殺死細菌、抑制細菌繁殖等工作，即有希望降低感染。針對此部分，光觸媒被認為可發揮某種程度的功效。 一般大廈建築物內的中央空調系統，常被懷疑是散播細菌的重要來源。這類設備大都先將空氣吸回，經過熱交換處理，待空氣冷卻後，再經通風管將冷空氣送回各區域。萬一出現細菌，便有可能透過通風口四處散播。而且，這類系統內的過濾設備大都屬於活性碳、過濾棉式的高效能過濾網，因為只能過濾細菌無法殺死細菌，如果細菌在濾網上的累積數量過多，管理人員又未注意更換時，即易形成細菌溫床，造成感染。 一般大廈建築物內的中央空調系統，常被懷疑是散播細菌的重要來源。上述狀況的改善方法是，在各區內設立獨立的空調系統，使空氣不再集中循環。(圖 / Annie Spratt,Unsplash) 上述狀況的改善方法是，在各區內設立獨立的空調系統，使空氣不再集中循環，但因需要的改裝工程龐大，在時間與經費成本上相當驚人。較簡單的做法是，在各個通風管道設置 254 nm 紫外線燈管或光觸媒 254 nm 紫外線燈管，把經過的微生物殺死或氧化分解，或者在空調系統的空氣進出口安裝 365 nm 光觸媒紫外線燈管，直接進行空氣清淨工作，進而發揮除臭、殺菌功效。 尤其是醫院內的手術室，即使只有一丁點細菌，在裡面接受手術的病人仍很容易受到感染。倘若將手術室的地板和牆壁換成「光觸媒抗菌瓷磚」有可能解決問題。這是一種在瓷磚表面鍍上銀、銅等金屬離子的光觸媒瓷磚，由於銀、銅等金屬離子一直就是很好的抗菌劑，除定時使用紫外燈照射殺菌外，在沒有光線照射的時候，這類瓷磚仍可發揮抑菌功效。 另一個不錯的想法是，把病房內陽光照得到的地方換上光觸媒窗簾，利用空氣的自然對流，使窗簾發揮緩慢的殺菌、抑菌和淨化空氣效果。目前國內業者製造的人造纖維光觸媒紡織品上市未久，初期朝製作窗簾布、外出運動服、戶外遮陽布等方向發展。 借鏡日本 避免重蹈覆轍 日本的許多中小企業，因為看好光觸媒市場而投入資金。但因新產品優劣雜陳，生意人誇大競爭，消費者欠缺辨識能力，以及受到經濟不景氣等因素影響，使得此等新興產品上市未久，市場發展便逐漸萎縮。直到最近幾年，日本境內相繼成立與光觸媒有關的製品技術協議會、製品論壇等組織，並提供產品檢驗及評鑑服務，才使產品重回發展的正軌。 我國受到 SARS 疫情影響，五花八門的光觸媒產品已快速上市，為免重蹈日本覆轍，防止魚目混珠、混淆視聽，唯有訂定產品規格與功能評估標準，提供具有公信力的檢驗及評鑑服務，加強宣導相關知識等，才能促成全民環保與抗菌觀念的發揚光大。 據了解，由國內業者自行組成的「空氣清淨產業技術開發聯盟會」依照「日本光觸媒製品技術協議會」訂定的標準，已提供以光觸媒空氣清淨產品為主的檢測服務。檢測人員將大小 10 × 10 cm2 樣品裝入採樣袋，灌入乙醛標準氣，然後在 1 mW/cm2 的光照射強度下觀察，如果氣體濃度變化達 70% 以上，此產品便認為具有較好的光觸媒效果。 光觸媒的未來發展值得注意 總之，光觸媒一點也不神奇，它的應用範圍仍然有限，許多研究工作尚待開發，而且，所有研發技術在商品化以前仍須解決許多問題，但是，它的未來發展值得大家關心。 如果有一天「利用可見光使光觸媒產生反應的技術」研發成功了，光觸媒的特色將不只是除污、抑菌、抗菌而已，到那個時候，只要將浴室、廁所、廚房等處更換成光觸媒瓷磚，即可讓居住環境進一步達到乾淨舒適的效果。在紡織品方面，除了人造纖維外，國內科學家現正研究利用天然纖維製造的光觸媒紡織品。而在保持公路與隧道燈具的清潔與照明亮度上，採用光觸媒燈罩應為改進方法之一，只是，如何降低製造成本，讓工程單位樂於使用，又是另一個待克服問題。 光觸媒應用在水處理方面的發展亦值得注意。一九九二年首次召開的世界性「有關二氧化鈦光觸煤用於水及空氣淨化技術國際會議」中，來自加拿大、美國、日本、歐洲各國二百多位與會者展開五天熱烈討論後，對光觸媒的水處理問題達成共識，認為是今後非常重要的研究課題。只是，在實驗室內不是那麼困難的研究，一旦要實用化，就會出現很多待解決問題，而科學家經過多次實驗後亦發現，光觸媒適合朝製造超純水、去除微量污染物方面發展，但不適合使用於大量廢水的處理。

二○○三年諾貝爾化學獎

由於愈來愈多的學者和科學家投入生物化學領域的研究和發展，以及生物資訊的急速暴漲，使我們認識的蛋白質種類也愈來愈多，但是我們所了解和已知的蛋白質仍只是冰山的一角，因為還有太多的蛋白質結構和其作用機制仍然是個謎。 自一九五七年第一個蛋白質肌血紅素的立體結構被確定以來，目前約有二萬二千多個蛋白質的立體結構已被 X 射線結晶繞射或核磁共振等實驗方法解出來，並置於國際公開的蛋白質結構資料庫中。其中大部分人所感興趣的是蛋白的作用機制，因為某些蛋白質機制的失調很可能引起一些疾病，而科學家可以經由這些機制和蛋白質的結構設計出具有專一性的藥物，所以對於蛋白結構的探討是很迫切需要的，這也就是美國科學家彼得。阿格雷 (Peter Agre) 和羅德里克。麥金農 (Roderick MacKinnon) 奪得二○○三年諾貝爾化學獎的主要原因。 瑞典皇家科學院去 (2003) 年在十月八日發布的新聞稿中指出他們獲獎的研究都和細胞膜上的通道蛋白有關：彼得。阿格雷的研究是因為發現了「水通道」; 而羅德里克。麥金農的主要貢獻是在「離子通道的結構與作用機制上的研究」。 諾貝爾化學獎得主 在認識水通道和鉀離子通道之前，讓我們先大致了解一下這二位諾貝爾化學獎得主的背景。彼得。阿格雷現年 54 歲，生於美國明尼蘇達洲，一九七四年在巴爾地摩的約翰。霍普金斯大學醫學院獲得醫學博士，現在是該學院的生物化學教授和醫學教授。阿格雷有四個小孩，三個小孩已經上大學，在接受記者採訪時，阿格雷表示他最近在考慮一些社會問題，其中包括聲援在美國和世界其他地方受到迫害的科學家，所以他將用部分獎金來捍衛學術自由。當他做出突破性的發現時曾謙虛地說:「這不會成為治療癌症或其他任何疾病的方法，但是對人體祕密的了解又前進了一大步。」 羅德里克。麥金農現年 47 歲，在美國波士頓附近的小鎮長大，一九七八年在波士頓布蘭代斯大學獲得學士學位，一九八二年在塔夫茨醫學院獲得醫學博士學位，現在是紐約洛克菲勒大學分子神經生物學和生物物理學教授。麥金農家中連同他在內共有七人，他曾經說:「我喜歡觀察最微小的東西游動。」所以他從小就喜歡顯微鏡，至今還能回憶起在顯微鏡下觀察青草、樹葉和昆蟲的樂趣。雖然他拿到的是醫學博士學位，但是為了進行在生物化學領域的博士後研究，他放棄了行醫的計畫，他說:「我的科學生涯實際上是在 30 歲才開始的。」可是他的研究對人類的貢獻可謂是真正的無價之寶。 水通道的發現 水通道的故事要從一百多年前說起，早在十九世紀中葉，人們便猜測在細胞中一定有一些特定的通道負責水或其它物質的輸送和流量的管制，果然在一九五○年的中期，有學者發現在細胞中有一個專司水分子進出的通道。在這之後的 30 年間不斷地有學者做實驗來研究和推論，結果他們得到了一個更確定的結綸是：一定有個具有某種選擇性的過濾裝置，這種過濾裝置能阻斷離子和其它物質通過細胞膜，只允許中性的水分子自由進出，而且每秒鐘所通過的水分子有成千上萬個，並且普遍存在於各種器官組織中，這不禁讓人對造物者的神奇感到讚嘆！但是科學家們想知道的是，這個水通道蛋白的長相究竟如何？這個問題一直到一九八七年都無人能解出，也沒有人能分離出單一的水通道分子。然而到了一九八八年終於有了突破性的發展，當時阿格雷從紅血球中分離出一種蛋白質，而且在腎臟細胞中也發現同樣的蛋白質，在得知這個蛋白質的胺基酸序列和 cDNA 基因序列後，他驚覺這就是大家尋覓已久的「水通道」蛋白。 阿格雷更進一步做了些實驗來證明他的假設，在這實驗中，他比較含有這種膜蛋白與不含這種膜蛋白的細胞。當這些細胞放入水中時，那些含有這種膜蛋白的細胞會因為滲透壓之故吸收水分而漲大，而那些沒有這種膜蛋白的則沒有明顯的變化。在另外一個實驗中也發現，當人造細胞上植有這種膜蛋白時，水便可以自由地進出細胞。另外，由於阿格雷知道汞離子會阻礙細胞吸收及釋放水分子，而他所發現的這個膜蛋白也會因為汞離子的存在而抑制水分子的進出，這種種的現象讓他確信這個蛋白就是真正的「水通道」。阿格雷將他所發現的膜蛋白命名為「aquaporin (AQPI)」, 就是「水洞」的意思。 水通道的運作 二○○○年，阿格雷與其他的團隊合作找出了水通道蛋白質三維結構的高解析影像。由於三維結構的解出，終於可以解釋水通道的作用機制，例如：為什麼水通道只選擇讓水分子通過，卻不允許其它離子或分子通過，就連水分子和氫離子形成的水合質子 (H3O+) 也無法從中通過？原因是這種蛋白的構造會讓水分子成單一縱列進入彎曲狹窄的通道中，而通道中極性與偶極力會將水分子旋轉，並以適當的角度幫助水分子通過狹長的通道。此外，通道中有一個帶正電的區域，這個區域會排斥帶正電的離子，如此一來，帶正電的水合質子也就無法通過。 到目前為止，在人體內已知和所謂的水通道相似的蛋白質至少就有 11 種，而植物中的水通道更多，種類更高達 35 種以上，其中腎臟中的 AQP1 和 AQP2 二種水通道每天會自尿液中吸收 100~150 公升的水再回收至人體，進行循環利用。 水通道的重要性 生命現象與水脫不了關係，人體內約 70% 的成分是水，與生命有關的生理現象和生化反應都在水中發生，因此，負責調節水分子進出細胞的水通道蛋白就顯得格外重要。 水通道對腎臟特別重要，因為腎臟每天都得從尿液中回收水分以調節體內的水含量，而這些工作都要依靠水通道來完成。尿液中的水有 70% 藉由水通道 AQP1 回收至血液，有 10% 的水通過另一種水通道蛋白 AQP2 然後被吸收，所以許多腎臟和遺傳的疾病都和水通道有關，例如腎性尿崩症就是水通道蛋白的缺陷所引起的。此外，某些類型的水通道也和體液的排出有關，人體若有些體液發生滯留而無法代謝，就可能會引起例如鬱血性心臟衰竭的疾病。 當年阿格雷無心插柳地發現水通道，無疑奠定了下一個重要的生理及醫學領域的生化基礎，也帶動了現今研究水通道的熱潮。 神奇的離子通道 一九○九年諾貝爾化學獎得主奧斯華 (Wilhelm Ostwald) 在一八九○年就推測在活體組織中所量測到的電流訊號，應該是在細胞膜中進出的離子所引起的，而這個電化學的想法很快地就被大家接受。到了一九二○年代科學家又興起了另一種看法，那就是離子通道，科學家們認為應該有某種狹長的離子通道讓離子進出細胞。 一九五○年，兩位英國的學者何傑金 (Alan Hodgkin) 與赫胥黎 (Andrew Huxley) 有了突破性的發現，因此而得到了一九六三年的諾貝爾醫學獎。因為他們對烏賊巨大軸突細胞膜上的離子傳導研究而開啟了神經生理學的新視界。其研究結果顯示，透過神經細胞膜的離子傳輸，所產生的訊號可透過一個個神經細胞，以接力賽的方式傳遞，這些反應裡面最主要的角色就是鈉離子 (Na+) 與鉀離子 (K+)。因此，早在五十年前，科學家就已經對離子通道的功能有大概的了解，這些離子通道必須選擇性地只讓一種離子通過，而且這些通道也必須有能力打開、關閉、或只讓離子往一個方向流動。 其後關於鈉、鉀、鈣等離子通道的存在陸陸續續經由實驗證實，而關於離子的迅速傳輸、離子的選擇性、通道的開關、以及通道的去活化等概念也慢慢地發展齊備，但這些離子通道的分子結構和更正確細微的作用機制卻仍然不明。一九七○年代的研究結果已經確定，離子通道應該如同水通道一樣具有選擇性，大家推測它的構造上也會有一個篩選的裝置。一個有趣的例子是鉀離子通道，雖然鈉離子比鉀離子小，但是實驗發現有一種通道只會讓鉀離子通過，卻不允許鈉離子進入，於是科學家就把這類只讓鉀離子通過的通道稱為鉀離子通道。 對於離子通道的高選擇性科學家只是推測，但要進一步去證實這個猜測，和詳細地去了解整個的作用機制實在相當困難。唯一的方法是使用核磁共振法或 X 射線結晶繞射等方法來得到離子通道的三維結構影像，只要知道這種蛋白的長相就可以對它的一些作用機制得到一個合理的解釋。不過由於受限於核磁共振只能解出小分子的立體結構，而離子通道是非常巨大的蛋白，所以科學家們只能靠 X 射線結晶繞射的技術來求得它的三維立體構像。 離子通道通常是位在細胞膜上，是屬於膜蛋白的一種，要用 X 射線結晶繞射的技術去解出蛋白的三維結構，必須將蛋白結晶，而膜蛋白又是出了名的難以結晶，要使它結晶可能要花好幾年也不一定會成功，因此許多研究人員在這方面都無功而返。但是麥金農先生在一九九八年的四月發表了驚人的結果，他首先得到第一個離子通道的三維立體構像。麥金農先生所解出的離子通道屬於鉀離子通道，源自於鏈黴菌 Streptomyces liridans 的鉀離子通道蛋白，並將其命名為 KcsA。 鉀離子通道的作用機制 解出 KcsA 鉀離子通道的三維立體結構震驚了整個學界，因為我們首次可以從原子的層次看到一個離子通道是如何運作的。而且從 KcsA 的三維結構我們可以清楚地了解為什麼鉀離子通道具有篩選鉀離子的功能，其它離子則不允許通過；麥金農先生不僅解釋鉀離子如何通過此通道，從他所解出來的蛋白晶體結構中還可看到正要進入通道前的鉀離子被水包圍著。原來鉀離子通道具有篩選離子的「濾嘴」, 稱之為「selectivity filter」。 KcsA 鉀離子通道是由四個相同的次單元所組成的蛋白質，每個次單元由六個疏水性區段 S1~S6 構成，這四個次單元的 S5~S6 區段在細胞膜中環繞成一個供鉀離子進出的孔狀濾嘴，在進入濾嘴之前的鉀離子是由水分子所包圍的，而濾嘴裡的氧原子的位置和包圍鉀離子的水分子中的氧原子具有相同的相對位置，所以鉀離子進入通道之前會脫去包圍它的水分子，然後濾嘴裡的氧原子正好取代水分子中的氧原子，迎接鉀離子進入通道內。 相對於較小的鈉離子而言，它在濾嘴中的氧原子的相對位置並不像在水中時一樣，因此，鈉離子比較喜歡留在水中，而不願脫去水進入濾嘴中。以能量的觀點來解釋，鈉離子留在水中會有較佳的水合能。這種能讓鉀離子脫離水的包圍而不會造成能量上的損失的方法，是屬於一種所謂選擇性催化的離子傳輸。 麥金農先生還發現在離子通道的下方有一個區域扮演類似「閘道 (gate)」的功能，因為離子進入通道後細胞也需要能控制通道的開啟與關閉的元件，而這個「閘道」就是負責這個功能的元件之一，另一個元件則是控制閘道的開和關，其功能就像是「感應器」一樣。 麥金農先生藉由 X 射線結晶繞射方法所解出的 KcsA 通道結構是屬於關閉狀態。在二○○二年，他的研究小組也解出了鈣離子活化性鉀離子通道 (MthK) 的三維空間立體結構，這個結構則捕捉了鉀離子通道的開放狀態。將二者的結構進行比較，發現由於感應器構形的改變造成了閘道開和關的動作。不同的感應器會回應不同的訊號來開啟或關閉閘道，例如鈣離子濃度的增加 (鈣離子活化型鉀離子通道)、細胞膜二邊的電壓差異 (電位調控型鉀離子通道)、或是和某種訊息分子的結合 (基質結合調控型鉀離子通道)。 藉著不同的感應器與離子通道的連接，大自然創造了能回應眾多不同訊號的各種通道。離子從水中脫離，透過濾嘴進入通道，再經由感應器來打開閘門使離子進入細胞內的過程，這一連串的動作可能只有千萬分之一秒，甚至更快。對於離子通道這樣精密的設計可以說是一件精緻和美麗的藝術品，讓人覺得驚奇和讚嘆！很幸運地，剛好筆者的實驗室也搭上這股研究離子通道的熱潮，我們的目標蛋白是人體的電位調控型鉀離子通道 (Kv1.1-Kv1.6), 並利用同源比對法，以 KcsA 鉀離子通道為模板蛋白來架構目標蛋白的結構模型。研究結果顯示，目標蛋白在濾嘴部分的鍵結位置和 KcsA 是一樣的，其濾嘴的構形和 KcsA 是非常相似的。 這類的鉀離子通道通常位在神經細胞中，而一些蠍毒、蛇毒等類的毒蛋白，都會堵住位在神經細胞上的鉀離子通道，使鉀離子無法進出細胞，這麼一來就造成了所謂的神經性中毒，因此我們也利用蠍毒來探討這些作用機制，以期能增加對鉀離子通道結構的了解，並對往後藥物設計的發展有所幫助。 通道的應用發展 細胞膜上的通道是所有生命體的基本要件，很多疾病，例如一些神經系統疾病和心血管疾病就是由於細胞上的離子通道功能發生紊亂或蛋白結構的缺陷所造成。最近幾年歐洲的熱浪導致許多人死亡，部分是歸因於無法保持體內水分平衡的關係。因為各種不同的脫水現象和水通道有相當大的關聯，因此，增加對它們的認識是幫助了解許多疾病狀態的重要基礎。 另外利用不同的細胞膜通道，可以調節細胞的功能，進而達到治病的目的；例如，中藥的一個重要功能就是用不同成分的濃度來調節人體細胞內不同液體的成分，這當然是要通過不同的細胞膜通道來完成，所以有科學家認為，對細胞膜通道的研究可以為中藥的科學原理提供重要的途徑。水通道和離子通道等膜蛋白已成為製藥界開發新藥的目標，膜蛋白的研究還有非常大的潛力和應用空間。

巨人光環下的幕後英雄–魯克斯

幼年與求學經過 皮耶・保羅・伊密・魯克斯 (Pierre-Paul-Emile Roux, 1853-1933) 於 1853 年 12 月 17 日出生在法國康佛倫斯。康佛倫斯是位於法國夏朗德省維埃納河谷一個風景優美的小鎮，具有悠久歷史。他的父親是當地一所學院的校長，但是英年早逝，留下 9 個子女。歷史文獻上對魯克斯家人的記載不多，僅知他有 2 位兄弟曾加入軍隊，參加 1870~1871 年的普法戰爭，但都不幸死於戰場。 魯克斯幼年在家鄉就學，修習一般傳統的課業。及長，赴法國中央高原康塔勒省的首府奧里亞克，進入勒佩中學求學。1872 年，他進入奧佛涅省的克萊蒙費朗醫藥預科學院就讀，並遇到對他一生有重要影響的伊密・杜克勞斯博士 (Dr. Emile Duclaux, 1840-1904)。杜克勞斯曾擔任過法國微生物學大師巴斯德 (Louis Pasteur, 1822-1895) 的助手，當時是克萊蒙費朗學院的科學教師兼化學系系主任的助理。魯克斯進入杜克勞斯的實驗室接受指導及從事研究，並且在 1873 年發表了一篇關於咖啡對健康影響的論文。 之後，魯克斯轉赴巴黎繼續他的醫科學業，不久因獲得一筆軍方獎學金而加入軍隊，在瓦德・格哈斯軍事醫院跟隨拉佛朗 (Alphonse Laveran, 1845-1922) 學習。拉佛朗是研究原生動物的學者，首先發現瘧疾原蟲是導致瘧疾的病原，並於 1907 年獲得諾貝爾生理醫學獎。 但是魯克斯並不喜歡軍隊生活，因此在 1874~1877 年間，轉而追隨當時在巴黎天主醫院著名的比海 (L. J. Behier, 1818-1876) 教授學習，擔任臨床助手。1877 年魯克斯重新加入杜克勞斯博士的實驗室，這時杜克勞斯已經是巴黎農學院的教授了。 加入巴斯德研究團隊 巴黎農學院並沒有提供實驗室給杜克勞斯，但是卻安排他使用巴黎高等師範學院的巴斯德實驗室，因此使得魯克斯有機會見到鼎鼎大名的巴斯德教授。1878 年，杜克勞斯在巴黎索邦大學 (即巴黎第四大學) 開設一門微生物發酵的課程，並請魯克斯擔任課程的助手，魯克斯的表現極為優異，很快就引起巴斯德的注意。 巴斯德非常欣賞魯克斯的才華和實驗技巧，於是把他與尚伯朗 (Charles E. Chamberland, 1851-1908)、朱伯特 (Jules Joubert, 1834-1910) 一同收為實驗室的成員。從此魯克斯與巴斯德成為親密的工作伙伴，並展開他們二人廣受後人傳頌的合作關係，一直到 1895 年巴斯德去世為止。 巴斯德是名震歐洲的法國微生物學大師，他先前已經在科學上有許多重大發現，如發現酒石酸的旋光性 (1846 年)、微生物的發酵作用 (1857 年)、以鵝頸瓶實驗推翻生物自然發生說 (1861 年)、發明巴氏滅菌法 (1864 年)、找出蠶球蟲病的病原微生物 (1869 年) 等。而當魯克斯加入實驗室時，他正在進行家畜炭疽病的研究。 巴斯德是一位充滿創意的科學家，由於在 1868 年曾經輕微中風，造成左半身麻痺，行動不便，於是魯克斯便成為他最得力的助手，忠實地替他執行各項實驗。由於巴斯德是研究化學起家的，而尚伯朗等人又是物理學家，因此具有醫學與人體生理學方面專長的魯克斯，便成為團隊中不可或缺的關鍵人物。 研究炭疽病疫苗 魯克斯與巴斯德首先合作進行的研究主題，便是當時歐洲極為普遍流行的炭疽病。炭疽病是一種家畜常見的傳染病，往往造成畜牧業的極大損失，有時也會傳染給人類，是一種人畜共通疾病。從 1879 年開始，他們團隊陸續發表了 10 篇有關炭疽病的論文，詳細描述了這個疾病的病因、傳遞途徑、以及這個病原菌的內孢子特性和傳染的關係。魯克斯還研究如何弱化這個病原菌，以便發展出預防疾病的疫苗。他們用加熱的方法弱化菌株，使其不具致病力，當注射到牛和羊隻身上時，便可以使牛羊產生免疫的效果。 1881 年，巴斯德接受了一位獸醫師羅西格諾的挑戰，承諾在大庭廣眾的見證下，用他們的炭疽病疫苗公開進行實驗，來證明疫苗的有效性。這可是前無古人的大膽創舉，因為一旦失敗，巴斯德的一生名譽便要付諸流水了！這項公開實驗是在巴黎南端莫崙的普利堡農場進行，當地的農業學會準備了 48 隻綿羊，2 頭山羊及數頭牛給巴斯德進行實驗。條件是其中半數注射巴斯德與魯克斯研發出來的炭疽病疫苗，另外半數則不予注射疫苗，做為對照組。當免疫過程完成後，所有的羊隻都同時注射致命的新鮮炭疽病細菌，挑戰的條件是最終免疫組所有的羊隻都必須存活，而對照組的羊隻必須全部死亡。 當魯克斯得知巴斯德接受了這項條件嚴苛的挑戰時，不禁嚇出一身冷汗，因為這個疫苗還只是研發初期的產品，許多細節還不完全清楚。但是固執的巴斯德不顧魯克斯與尚柏朗的勸阻，堅持要這二位忠實的助手立刻進行準備工作。他大聲地說:「既然在我們實驗室中能成功地免疫 14 隻羊，那麼在莫崙的 50 隻羊也必然能成功！」 魯克斯與尚柏朗後來還是決定支持巴斯德，二人親手準備及進行了所有的實驗。5 月 5 日進行第一次疫苗注射，5 月 17 日進行第二次疫苗追加注射，5 月 31 日接種新鮮的致病炭疽菌，接下來就是難熬的等待了。魯克斯留在莫崙觀察羊隻，剛開始所有的羊似乎都病懨懨的。當晚魯克斯回到巴黎向巴斯德報告這件事，面對可能的失敗，巴斯德突然退縮了，把責任全歸咎給魯克斯，要魯克斯與尚柏朗二人對這事件負責並去面對公眾。但是次日卻傳來好消息，接種過疫苗的羊都恢復了健康。 6 月 2 日是檢驗成果的大日子，實驗是成功的，24 隻注射過疫苗的綿羊仍健康地吃著飼料。但對照組的綿羊就沒這麼幸運了，22 具羊屍躺在地上，另外 2 隻倖存的羊則口鼻流血，奄奄一息。見證委員會在 6 月 4 日正式宣布這次實驗是成功的，巴斯德接受各界的祝賀，他的聲望也達到前所未有的新高峰。而在接下來的一年中，隱身幕後的魯克斯與尚柏朗，辛勤地在小小的實驗室中賣命製造疫苗，並遠赴法國各地，替成千上萬的牲畜接種疫苗。困擾畜牧業多年的炭疽病，終於找到了預防的方法。 研究狂犬病 狂犬病是當時歐洲普遍流行的一種人畜共通疾病，由於病原體是一種濾過性病毒，因此無法以一般的細菌培養方式加以培養和分離。當被帶病原的野生動物 (如野狼) 或狂犬咬傷後，病毒會逐漸向腦部蔓延，而導致痙攣死亡。由於病人看到水時會引發喉部肌肉收縮，吞嚥困難，因此又常被稱為「恐水症」。 1881 年，巴斯德與魯克斯開始對狂犬病展開研究，希望找出致病的原因與治療的方法。他們首先嘗試把狂犬的唾液注射到健康的動物身上，以便建立動物的染病模式，卻發現發病的反應差異很大，動物有時經過一段很長的潛伏期才會發病。於是魯克斯改把狂犬的脊髓抽出液直接注射到動物腦中，實驗動物果然很快便發病了。接下來要做的，便是開發出可以預防狂犬病的疫苗。以微生物做為疫苗的首要之務，就是要先殺死或弱化病原生物，使其不能導致疾病，但仍能誘發免疫反應。 在研發疫苗的過程中，魯克斯充分發揮了他的創意。他把感染狂犬病病兔的脊髓取出，懸吊在一個大玻璃瓶中，利用風乾的過程弱化狂犬病病毒。除了瓶口外，他在瓶子靠近底端處再開一孔，分別用棉花把瓶口和這個開孔塞住，然後透過棉花從底端吹入空氣，加速風乾的過程，塞棉花的用意是避免空氣中的微生物污染脊髓組織。這個精巧的設計果然能有效地弱化脊髓中的病原體，14 天後，就完全沒有致病力了。這種瓶子因而被暱稱為「魯克斯瓶」。 魯克斯與巴斯德所發展出來的狂犬病疫苗注射程序是，在第一天把弱化 14 天的脊髓抽出液注射到狗的皮下，第二天注射弱化 13 天的抽出液，第三天則注射弱化 12 天的抽出液，依此類推，直到最後注射毒性最強的新鮮抽出液為止，這時狗就對狂犬病完全免疫了。為求謹慎，他們前後共對 40 隻狗進行了相同實驗，結果都是成功的。由於動物被狂犬咬傷後，潛伏期很長 (從數個星期到 1 個月左右), 所以他們發明的疫苗不但可以做為預防性的注射之用，同時也可以做為剛被咬傷後的治療之用。 1883 年，30 歲的魯克斯終於獲得他的醫學博士學位，畢業論文便是有關狂犬病的研究。論文中詳細記載了自 1881 年以來，他與巴斯德發展出狂犬病疫苗的經過，而世人也終於有了對抗這個可怕疾病的預防與治療方法。 有關這個狂犬病疫苗最廣為人傳頌的，當屬發生在 9 歲男孩約瑟夫・麥斯特身上的傳奇故事了。1885 年 7 月 6 日，麥斯特被他的母親送到巴斯德的實驗室，他在二天前被一隻狂犬瘋狂攻擊，渾身是傷，好幾位專家一致判定麥斯特必會死於狂犬病。在麥斯特母親不斷懇求之下，巴斯德命令魯克斯用他們的狂犬病疫苗，依前述的程序施用在麥斯特身上，幾個星期之後，健康如昔的麥斯特快樂地回家了。數年之後，視巴斯德為救命恩人的麥斯特重回到巴斯德實驗室，終生擔任巴斯德研究所的守門工。 1940 年，德軍攻占巴黎，入侵的納粹命令麥斯特打開巴斯德的棺柩 (巴斯德於 1895 年去世，墓穴設在巴斯德研究所的地下室), 忠心耿耿的麥斯特不忍見到敵人侮辱巴斯德的遺體，竟然自殺於巴斯德的墓前，令人不勝感佩與唏噓！開發白喉血清療法 白喉是一種常感染 2~5 歲兒童的嚴重疾病，侵入人體後在咽、喉頭、懸垂體處繁殖，產生白色的假膜，所以稱為白喉。這白色的假膜會阻塞呼吸道，引發窒息死亡，但是最嚴重的症狀卻往往由細菌所分泌的外毒素所引起。外毒素經由血液運送到全身組織，首先是神經受損，進而引發相關的肌肉無法收縮，而造成全身中毒症狀，包括視力無法集中、說話含混不清、喝水時從鼻孔外流、無法抬頭、心肌與其他臟器受損、以及呼吸困難等。 1888 年，魯克斯開始與耶爾辛 (Alexandre Yersin, 1863-1943) 合作研究白喉病。耶爾辛是一位瑞士籍微生物學家，在巴黎醫科學院習醫時，因解剖狂犬病人屍體時不小心割傷了手，曾受魯克斯的協助，以狂犬病疫苗救治過。魯克斯非常欣賞耶爾辛的才華，因此引他進入巴斯德實驗室成為助理。耶爾辛果然不負厚望，在 1894 年首先發現了鼠疫菌，之後並擔任越南芽庄巴斯德研究分所的所長，成為一位著名的微生物學家。 由於耶爾辛先前曾訪問過德國微生物學大師科霍 (Robert Koch, 1843-1910) 的實驗室，並在那兒觀察過羅夫勒 (Friedrich Loffler, 1852-1915) 如何分離白喉菌，所以魯克斯與耶爾辛在巴黎也很順利地從病童身上分離出相同的白喉菌。魯克斯把白喉菌培養在液體的培養基中，然後注射到兔子身上，成功地誘發出典型的白喉症狀。而先前羅夫勒也曾嘗試把培養在固態培養基上的白喉菌注射到實驗動物身上，卻無法誘發出白喉的症狀，這是因為白喉菌只有在液態的培養基中才能產生足夠外毒素的緣故。 魯克斯也解剖死亡的兔屍，發現從許多產生症狀的組織分離不出細菌，而白喉菌大多集中在喉部。因此他推測白喉菌可能藉由一種毒素，來影響遠處的組織。 為了證實這個推測，他與耶爾辛培養了大量的白喉菌液，再利用高壓空氣使菌液通過濾膜，去除細菌細胞。接下來，他們便把這種過濾液注射到實驗動物體中。起初一直無法誘導出典型的白喉症狀，經過許多次實驗才發現，菌液一定要培養 42 天以上才有效果。換言之，白喉菌確實是經由毒素造成人的疾病，而且這毒素必須長時間培養才會產生。魯克斯發現這個毒素的毒性非常強，他估計一盎司 (約 28.35 公克) 純化的毒素可殺死 60 萬隻天竺鼠，或是 7 萬 5 千隻狗。 1890 年，遠在柏林的范貝林 (Emil von Behring, 1854-1917) 和北里柴三郎 (Shibasaburo Kitasato, 1852-1931) 則發現了感染白喉而倖存的老鼠血液中，含有一種可以中和白喉毒素的物質，他們把它命名為「抗毒素」。這種老鼠產生的抗毒素血清，可以用來治療其他感染白喉的動物，自此開啟了利用血清治療的大門。 魯克斯在實驗室中也證實了范貝林的發現，對一位人道主義者的他而言，更關心如何用這種抗毒素血清治療人類的白喉病。他發現馬匹非常適合用來大量生產抗白喉毒素血清，而且品質與效果都比老鼠和兔子的血清好。 1894 年，他製造了一大批血清準備用人類來做實驗。原本的計畫是把巴黎兒童醫院的 300 個病童分成二組，一組以抗毒素血清治療，另一組則做為對照組 (不注射血清), 以便觀察血清治療的效果。可是他實在不忍心看到對照組的病童受苦，於是便對所有的病童都注射了抗毒素血清。這一舉動雖然破壞了最佳的實驗設計，但是全院的死亡率果然大幅降低，且遠低於同時間附近另一所醫院的白喉病童死亡率。魯克斯成功的實驗，為人類的抗毒素血清治療法鋪陳了一條康莊大道。 在醫學上的其他貢獻 1883 年，非洲爆發嚴重的霍亂，巴斯德指派史特勞斯 (Isidore Straus, 1845-1898) 領隊前往埃及進行研究。魯克斯暫時放下手中正在進行的狂犬病研究，和另一位助理舒利爾 (Louis F. Thuillier, 1856-1883) 隨行前往。當時，德國的微生物學大師科霍也率隊正在當地進行研究。 由於環境衛生太差，史特勞斯、魯克斯和舒利爾先後都感染了霍亂，其中舒利爾的病情最嚴重，不幸病逝於埃及的亞歷山大，這種為人類福祉而不惜犧牲生命的高貴情操，真是令人動容。就連一向與巴斯德互相競爭的德國微生物學大師科霍，也前來護送舒利爾的靈柩入土，並獻上花圈致敬。 除了前述的炭疽病、狂犬病、白喉、以及霍亂外，魯克斯也與其他研究人員合作，從事許多人類疾病的研究。例如他與諾卡德 (Edward Nocard, 1850-1903) 共同研究結核菌，發現甘油是培養這種菌的重要營養成分；與波瑞爾 (Amedee Borrel, 1867-1936) 合作研究破傷風；與諾卡德、波瑞爾、撒林貝尼 (Alexandre Salimbeni, 1867-1942)、以及杜賈定 - 包梅斯 (Edouard Dujaardin-Beaumetz, 1868-1947) 等人合作研究牛隻肺炎黴漿菌等。 魯克斯也與巴斯德研究所的梅契尼科夫 (Elie Metchnikoff, 1845-1916) 密切合作，研究梅毒螺旋體。梅契尼科夫原籍俄國，是一位著名的微生物學與免疫學家，以倡導細胞免疫學說而出名。 梅毒是當時歐洲重要的傳染病，據估計那個時代約 10% 的巴黎人口罹患梅毒。而研究梅毒最大的困難，在於梅毒螺旋體非常難培養，無法在一般的細菌培養基上繁殖。魯克斯與梅契尼科夫用梅毒螺旋體成功地感染了猿猴，使人類首次可以利用動物進行梅毒的研究，這在當時是一項重大的突破。魯克斯也因此於 1906 年獲頒法國研究院的歐西里斯獎。 卓越的教學與領導能力 魯克斯除了在研究上具有天分外，也是一位優秀的老師和卓越的領導人。從 1888 年起，他每年都在巴斯德研究所開設微生物訓練課程，傳授各種研究微生物學所需的基本知識與技巧。光是魯克斯親自指導過的學生就超過 3 千人，這些學生來自世界各地，結業後回到原來的實驗室，從事微生物學與免疫學相關的研究，對科學界產生了巨大的貢獻與影響。他被形容是一位充滿熱忱又優雅的老師，深受學生愛戴。 1904 年巴斯德研究所的杜克勞斯所長去世之後，魯克斯接任第三任所長，在位長達 29 年，一直到 1933 年去世為止。這期間，他以堅強的意志推動所內的各項工作，並協助所有的研究人員，所靠的不僅是豐富的學識，更因為他具有無比的熱忱。而巴斯德研究所也成為當時世界上最有名的微生物學與醫學研究中心。在他領導期間，巴黎的巴斯德研究所共有 3 位研究人員獲頒諾貝爾獎。 晚年與榮耀 在第一次世界大戰期間 (1916~1918 年), 歐洲遍地烽火，生靈塗炭。魯克斯動員了所內所有人員，為法國軍隊提供醫療服務，贏取戰爭。戰後，他的身體感到不適，變得虛弱怕冷，經常披著一件長披肩，用圍巾層層繞在頸上，在所中拖著腳步躑躅而行。日子一天天過去，他的身體更加虛弱了，但是他的精神意志仍然昂揚，繼續領導著巴斯德研究所向前行。 魯克斯終身未娶，全心貢獻給科學。自 1916 年起，他就一直住在巴斯德研究所的一間小小公寓中，過著修道院苦行僧般的生活，並由他的一位妹妹照顧日常起居。 1933 年，臨終前的數個月，他臥病在床無法起身，以前的一位學生卡密特 (Albert Calmette, 1863-1933) 前來探視他。卡密特因發明卡介苗而譽滿全球，當時正擔任巴斯德研究所的副所長。雖然卡密特來訪時仍然健康，但是卻不幸染病先一步於 10 月 29 日病逝。魯克斯聞訊，極為震驚與感傷。他僅多撐了 5 天，11 月 3 日也與世長辭。魯克斯臨終時仍念念不忘地說著:「有人在實驗室中工作嗎？一定要工作呀！」 雖然魯克斯的遺願是身後葬在他的故鄉康佛倫斯，但是社會輿論與媒體一致強烈要求法國政府給予國葬，以示尊崇。法國總統與各級政府高官都出席了在巴黎聖母大教堂舉行的葬禮，世界各地的科學家也紛紛致上哀悼。他的靈柩最後被安葬在他工作了近半個世紀的巴斯德研究所的花園內，供人憑弔。 魯克斯一生中獲得了許多的榮譽，包括二次法國研究院桂冠獎 (1884,1896)、二次國家醫學院桂冠獎 (1886,1896)、以及法國研究院的歐西里斯獎 (1906) 等。他也榮膺法國國家科學院院士、法國國家醫學院院士，應邀赴英國皇家學會演講 (1889), 並獲選為皇家學會海外院士 (1913), 以及榮獲科普利獎章 (1917) 等。魯克斯本身雖然沒有得過諾貝爾獎，但是他在科學及醫學上的貢獻，已經遠遠超過諾貝爾獎所能表彰的了。 1933 年 11 月 13 日出版的《時代》雜誌上，有一篇紀念魯克斯的文章，文中說:「他寬大的胸懷永遠為每一個人的痛苦而敞開，那些無數爭取為他舉行國葬的人民，許多是他曾救援過的窮苦寡婦、沒有工作的女性、以及失去子女的母親。」或許我們更可以從他如何恭敬又忠心耿耿地對待他的二位老師 — 巴斯德與杜克勞斯，如何體諒與鼓舞同僚，以及如何循循善誘和提攜他的學生，來了解他的為人吧！他是全人類的瑰寶，值得所有後人感恩和永誌不忘。

不可不知的地震原理

2006 年 12 月 26 號晚間，恆春地區罕見的規模 6.4 強震，震驚了整個南臺灣。臺灣因為特殊的地理位置、地質條件、和地形變化，經常受到地震等許多天然災害的侵襲，也常常造成人們生命及財產的嚴重損失。板塊之間的互相擠壓，是造成臺灣這座島嶼不時發生有感地震的最主要因素。兩個板塊在撞擊的時候，他會在衝擊的地區累積相當的應力。當這個應力超過岩石所可以承受的時候，岩石就會破裂，這時候就會發生地震。地震發生時，會產生兩種地震波，分別是 P 波以及 S 波。P 波行進速度比較快，而且幾乎是垂直射入地表。地震發生時，人們首先會感覺到較輕微的上下晃動，這就是 P 波。而隨後到達的則是波速較慢的 S 波，通常振幅比較大，也會引發較劇烈的左右震盪。一般來說，地震波的震幅會隨著傳播距離增加而遞減，不過有時候地震波會被地層反射，與後到的震波混在一起，使得距離震央較遠的區域感受到的震動反而較大。當震波傳遞到地表的時候，受到地形或土壤等介質的影響，而產生的種種不同現象，則是所謂的場址效應。以臺北盆地為例，因為臺北盆地裡面填充的是非常低速的沉積物質，所以當地震波進到臺北盆地的時候，它就會被陷在整個盆地裡面來回震盪。臺灣地處環太平洋地震帶上，每年平均發生一萬六千多次以上的地震。深入了解地震發生的原理，近一步探尋地震發生的可能前兆，甚至做到災前的防範，將地震對人類的傷害降到最低，是地震學家亟待努力的目標。看來，如何做到與地震和平共處，卻是我們每一個人都要學習的課題。2007 年東森電視台《科學大解碼》第一期附記：地震發生時不同地區會有不同的震動強度，強度的差異除了與震源的距離有直接關係外，另外還有三個原因：一個是震源效應，另一個是路徑效應，也就是所謂的波傳效應，最後是場址效應。當地震波的能量在地下傳播的時候，它會受到地層組成物質特性不同的影響，所以會有產生折射、反射等複雜的現象，造成較複雜的波動，這就是波傳效應。

薄膜科技的應用:什麼是薄膜–從馬克斯威爾的幽靈談起

西元 1867 年，近代電磁學理論的創始人馬克斯威爾 (James Clerk Maxwell) 提出了一個著名的假想實驗。 他假設在兩個連通的容器間有一個可以辨識分子的幽靈，幽靈手中掌握了連通口柵門的開關。容器中有兩種分子，一種運動速度快，另一種運動速度慢。當左邊容器中運動速度快的分子靠近連通口時，幽靈會把柵門打開讓分子跑到右邊容器中，然後馬上關上柵門。當右邊容器中運動速度慢的分子靠近連通口時，幽靈也會打開柵門讓分子跑到左邊，然後關上。幽靈持續管制分子的進出，時間久了之後，大部分速度快的分子會跑到右邊的容器中，速度慢的分子則會集中到左邊。 這樣的幽靈可以把原本混合均勻的兩種分子分開，因此系統變得較有秩序，亂度 (entropy) 因而減少。而且依據分子動力學，分子速度快的系統溫度較高，慢的系統溫度低，兩容器會產生溫差。這樣的結果會違反熱力學第二定律，因此，馬克斯威爾提出：只要有上述的幽靈存在，熱力學第二定律 (系統應朝向亂度高的狀態演變) 就不成立。這種可以辨識分子並管制其進出的幽靈，就被稱為馬克斯威爾的幽靈 (Maxwell's demon, 或稱馬克斯威爾的惡魔)。 馬克斯威爾的假想實驗，或許只是想跟研究統計熱力學的學者開個玩笑，卻引發許多後續的研究和討論。目前被大多數人接受的解釋是：馬克斯威爾的幽靈在進行分子的辨識和進出管制時，不可能如馬克斯威爾假想的完全不耗損能量或不增加亂度，只要把幽靈所需的能量或所增加的亂度納入考量，還是不會違背熱力學第二定律。不過這個假想實驗指出，以辨識分子並管制進出的方式分離原本混合均勻的兩種分子，是最節省能量的分離方法。 理論上，以上述的方法分離兩種沒有交互作用的分子的均勻混合物時，有機會在只使用最小能量 (根據熱力學第二定律，就是補償分離後的亂度減小所需的能量) 的狀態下，達成分離的目標。因此，馬克斯威爾幽靈的法力雖然無法高強到讓熱力學第二定律不成立的地步，但只要有可以辨識分子並管制進出的幽靈存在，就有機會在不違反熱力學第二定律的狀況下，以最小的能量分離混合物。當然，所需能量的大小和幽靈的法力高低有關。 自然演化的薄膜 具有辨識並管制分子進出能力的馬克斯威爾幽靈，事實上老早就存在於生物體內。在馬克斯威爾提出幽靈假想實驗的一百多年前 (西元 1748 年), 法國修道士 (也是著名的物理學家) Jean-Antoine Nollet 就觀察到豬膀胱壁會讓水通過，卻幾乎不會讓酒精 (乙醇) 透過。後來法國生理學家 Henri Dutrochet 發現細胞膜也具有選擇分子的能力，只讓水透過而不讓鹽透過，在 1826 年的一篇論文中稱這種現象為滲透 (osmosis), 且確認細胞膜是半透膜，開啟了人類對半透膜和滲透現象的研究。 隨著生物學和生理學的進展，科學家發現生物體內到處都有具選擇分子能力的半透膜，如腎小球處的血管壁可以讓尿素、尿酸等小分子透過，卻不讓血液中的蛋白質和血球透過；肺泡表面微血管則對氣體有很高的通透性。到了 20 世紀，當科技進展到可以分析細胞膜的結構和功能時，人類更進一步認識到，生物經千萬年演化後，所發展出來幾近完美的分子辨識和篩選能力。 細胞因有維繫生存和展現功能的需求，確有需要發展出控制分子進出細胞膜的能力，可以從周遭的環境中選擇需要的分子，讓它進入細胞，而把不需要的物質阻擋在外或加以排除。細胞若能用最少的能量維持生命和功能，在生存的競爭中當然占有優勢。經過千萬年演化出的生物細胞膜，已發展出一套十分有效率的分子辨識和進出管制方法，細胞膜是目前已知法力最高強的馬克斯威爾幽靈。 管制分子進出的方法 生物體管制分子進出最簡單的方法是利用分子的大小，如微血管就以血管內皮細胞間的孔隙管制分子的進出，比間隙大的分子 (如血球、血蛋白等) 就留在血管內，較小的分子 (如水、離子、葡萄糖、尿素等) 就可以隨意進出。細胞膜當然也可以利用分子大小管制物質進出，不過因為特別的需要，細胞膜會利用它的特殊結構更精細地管制分子進出。 細胞膜主要是由磷脂質分子以雙層排列的方式構成的，磷脂質是雙性分子，有親水的基團和疏水的基團。在細胞膜的雙層結構中，磷脂質的親水端朝向細胞內部和外部，疏水端則埋於膜內。這種脂雙層結構使得細胞膜較有利於脂溶性分子透過，而對水溶性分子形成穿透障礙。另外有一些蛋白質會嵌插在脂雙層結構中形成通道，這些通道是離子和一些水溶性分子進出細胞的門窗，細胞可以利用開關這些門窗管制離子和水溶性分子的進出。 上述的脂雙層是所有細胞的共同結構，但蛋白質構成的通道會因細胞功能的不同而發展出差異。以下簡單介紹細胞膜管制分子進出的方法。 利用分子大小的差異 當某分子在不同位置的濃度有差異時，分子會從濃度高處往濃度低處移動，稱為擴散。分子可以藉由擴散作用透過細胞膜，一般而言，較小的分子可避開脂雙層中磷脂質疏水基團的影響而擴散通過細胞膜，稱為直接擴散。較大的分子則無法避免和磷脂質疏水基團的交互作用，要在周圍是疏水基的環境下進行擴散，很像是先溶解於疏水基團中再進行擴散，通常稱為溶解擴散。不論是直接擴散或是溶解擴散，擴散速率都和分子大小有關，較大分子的擴散速率較慢。 水分子非常小，一般相信可以利用直接擴散的方式進出細胞膜，且進出的速度相當快，可視為細胞膜並不管制水分子的進出。較水分子稍大的一些水溶性分子 (如尿素), 也可利用直接擴散的方式進出細胞膜，不過因分子較大，進出速度就比水分子慢很多。更大一些的水溶性分子 (如葡萄糖) 和離子則無法進行直接擴散，須採用溶解擴散的機制，但因它們和磷脂質疏水基團間的親和性差 (溶解性低), 幾乎無法進入細胞膜，所以不能靠擴散機制進出細胞膜。 雖然水可以直接擴散穿過細胞膜的機制廣為學者所接受，但近年來研究顯示，細胞膜上有一些由蛋白質構成的水通道，水可以由這些通道直接穿過細胞膜。對水穿過速度較高的細胞膜 (如腎臟的部分細胞), 膜上的水通道才是水通過的主要途徑。 對脂溶性分子而言，由於和脂雙層的親和性較高，可以進行溶解擴散。細胞所需的氧氣和代謝後的二氧化碳，可以藉由這種機制穿過細胞膜。而分子量較大的脂溶性分子 (如類固醇), 也可以先溶解於脂雙層中再擴散進入細胞，不過擴散速率和分子量有關，較大分子的擴散速率較低。 利用分子和脂雙層間的親和性 對小分子而言，由於可以進行直接擴散，即使脂溶性低，仍可以穿透細胞膜。較大的分子則須以溶解擴散的機制透過細胞膜，這時細胞膜可以藉由分子的脂溶性對分子的透過速度加以控制。 脂溶性高的分子在膜中的溶解度高，單位體積內有較多的分子可以進行擴散，因此透過速度較高。而水溶性高的分子和脂雙層的親和性極低，脂雙層的結構形成了細胞膜對水溶性分子的穿透障礙，可以阻擋離子和較大水溶性分子 (如葡萄糖) 進出細胞。這些親水分子要進出細胞，需要依靠細胞膜上的通道。 細胞膜的脂雙層結構也會造成給藥到細胞內的困難。一般水溶性藥物無法直接透過細胞膜，通常是讓水溶性藥物和可以透過細胞膜的脂溶性分子結合，利用「攜帶穿越」輸送機制讓水溶性藥物穿過細胞膜。上述的方法常作為癌症治療的投藥方式，期能讓藥物進入癌細胞發揮功效。 利用具特殊辨識力的膜蛋白 細胞膜對許多分子具有辨識能力，能辨識出細胞所需的分子，允許它們進入；也能辨識出細胞所不要的分子，不讓它們透過細胞膜，或是不停地把這些分子由膜內送至膜外。 前述的分子大小和脂溶性，是脂雙層區別分子的方法，但只是對分子進行分類，並非精準的辨識，無法對分子進行嚴格的進出控管。細胞膜蛋白形成的通道則能對分子進行精準的辨識，可以利用蛋白質的結構辨識分子的形狀、大小和電性，挑選出可以進出細胞膜的分子。或許，離子、葡萄糖等水溶性分子對細胞而言是太重要的成分，細胞必須能有效管制它們進出，才能維持細胞功能，因而發展出如此細緻的細胞膜架構和有效的分子辨識方法。 細胞有許多和分子輸送有關的蛋白質，可大致分為通道蛋白 (channel protein) 和攜帶蛋白 (carrier protein, 或稱載體蛋白)。通道蛋白嵌插在脂雙層中形成具特定結構的空隙，只有具適當形狀、大小和電性的分子可以從空隙通過，這些空隙就稱為通道。離子要通過細胞膜，就必須經由這些通道。通常一種通道蛋白只能讓一種特定的離子通過，對離子的挑選能力非常強，如鈣離子、氯離子、鈉離子、鉀離子等都有專屬的離子通道。有些通道還有類似開關的裝置，要在和某種特定分子結合或在膜外有特定的電位差時才打開。 攜帶蛋白則會和特定分子結合，結合後蛋白質結構間的空隙會變大，讓分子穿過而進入到細胞內，以所謂「協助輸送」的方式通過細胞膜。葡萄糖是水溶性分子，幾乎無法利用溶解擴散的機制進入細胞，細胞就是利用攜帶蛋白從胞外把葡萄糖送入胞內。攜帶蛋白對分子的專一性非常高，如葡萄糖的攜帶蛋白就只對葡萄糖進行攜帶作用，對和葡萄糖分子結構十分類似的果糖 (葡萄糖的鏡像異構物), 就無法結合和攜帶，挑選分子的本領非常高強。 利用 ATP 幫浦的主動傳輸 不論是直接擴散、溶解擴散，或是利用膜蛋白挑選分子的離子通道和協助輸送，分子都是由高濃度處往低濃度處運動，也就是膜內濃度低的分子會由膜外往膜內運動，而膜內濃度高的分子會往膜外運動。但有時細胞為了維持某些功能，須讓分子從濃度低處往濃度高處運動。最著名的例子就是細胞膜外的鈉離子濃度遠比膜內高，但細胞還是可以把鈉離子往膜外送，鉀離子則是膜內濃度比膜外高，但細胞仍會把鉀離子送入膜內。 分子由濃度低處往濃度高處移動的逆濃度輸送行為，稱為「主動傳輸」, 需要供給能量才會發生，就如同把水由水位低處送至水位高處需要幫浦供給能量。主動傳輸只會用來輸送某些特定分子，因此需要專一性很高的膜蛋白來協助達成。細胞膜有特殊的膜蛋白，在和提供能量的腺嘌呤核苷三磷酸 (ATP) 結合後，可以把鈉離子送往膜外而同時把鉀離子送至膜內，所需的能量可由 ATP 轉成腺嘌呤核苷雙磷酸 (ADP) 時獲得。這種鈉鉀離子進出細胞膜的方式，通常稱為鈉 - 鉀幫浦。 人工製造的薄膜 西元 1860 年左右，大約和馬克斯威爾提出幽靈假想實驗的同時，英國化學家 Thomas Graham 利用羊皮紙來分離水溶液中的物質，比羊皮紙中孔洞大的粒子會被阻擋下來，而比孔洞小的粒子可以通過，他稱這種現象為透析 (dialysis)。約在同時，德國生理學家 Adolf Fick 以硝化纖維素做出了有孔洞的膜，可以進行透析。直到今日，以透析法分離不同分子量的混合物，仍十分廣泛地應用在各種產業中。 後來人類了解腎臟的運作事實上也是一種透析現象，讓較大的血球、蛋白質留在血液中，而讓水分、尿素、離子等較小的分子透過腎小球處的血管壁進入腎小管中。因此，就有人使用人造的透析膜來代替腎臟，幫腎臟功能喪失的病人進行血液透析，開啟了人工腎臟 (或稱為血液透析機) 的研究，也打開了透析膜的市場。 人類自發展出製造薄膜的技術開始，就不停地嘗試以人造薄膜取代自然演化出來的薄膜，並尋求薄膜的應用。不過初期因為大規模的製膜技術無法突破，且薄膜價格高昂，市場並不大，應用大多局限在實驗室中。 薄膜大量的應用開始於二次世界大戰的德國。在戰爭期間，由於各項設施受到破壞，衛生條件不佳，無法保障居民飲水的水質。為了確保水質未被細菌污染，便發展出以薄膜加速細菌培養的方式來檢驗水質。當水透過薄膜時，如果薄膜孔徑比細菌小，細菌就會留在薄膜上，再把這些薄膜上的細菌加以培養，就可以快速檢驗出水質受到細菌污染的情形。 這項水質檢驗技術讓薄膜的需求大增，薄膜大量應用因而開始，這種能阻擋細菌的薄膜稱為微濾膜。美國在戰後也開始發展微濾膜的技術，扶植出著名的 Millipore 公司，直到現在，微濾膜技術仍是薄膜在市場上最大的應用。 另一個很重要的薄膜應用是逆滲透 (reverse osmosis), 相關的研究源自於人類發現細胞膜可以讓水透過，但會阻擋鹽類透過。有人在 1931 年提出可以用這種阻擋離子透過的薄膜進行海水淡化，並稱這方法為逆滲透：加壓讓含鹽的水透過薄膜，由於鹽類被阻擋，可以得到純度很高的水。到了 1959 年，已可以利用醋酸纖維素 (cellulose acetate) 製備出透水但會阻擋鹽類的薄膜，不過由於需要很高的壓力才能讓水透過，因此無法商業化。 此問題在 Lobe 和 Sourirajan 兩位學者提出了醋酸纖維素的非對稱膜製程才得到解決 (請參閱本專輯的〈最小心眼的薄膜 — 逆滲透膜與奈米濾膜〉), 從 1963 年起，逆滲透除鹽程序開始真正商業化。自此而後，解決了許多薄膜分離程序的應用障礙，越來越多的薄膜程序得以商業化。 自非對稱膜的觀念和製程提出後，先是逆滲透膜除鹽程序正式商業化，接下來 Amicon 公司推出了孔洞大小介於微濾膜和逆滲透膜之間的超濾膜，1970 年後超過濾程序的商業化也陸續完成。由於膜分離程序的省能源性，越來越多的薄膜製程被推出來和傳統耗能的分離程序競爭。 隨著能源價格的高漲，這些薄膜程序也越來越有競爭力，其中包含了可以用來分離氣體混合物的氣體分離膜 (1980 年由美國 Monsanto 公司率先推出氫氣分離膜), 和分離液體混合物的滲透蒸發膜 (1982 年由德國的 GFT 公司正式推出可分離乙醇和水的薄膜)。 從 1860 年代 Adolf Fick 製備第 1 張硝化纖維薄膜開始，在大約 150 年期間，已有許多商業化的薄膜程序。隨著材料技術的進步，薄膜的分離效果越來越好，價錢越來越低，應用也越來越廣。目前每年全球的分離膜市場約為 110 億美元，再加上 13 億美元左右的血液透析膜市場，已是應用相當廣的技術。扮演馬克斯威爾幽靈的人造薄膜已到處可見，而未來的成長會更可觀。為了因應此一趨勢，中原大學在 2000 年成立薄膜技術研發中心，致力於薄膜分離技術的開發與整合。 人造薄膜的製作方法 在天然薄膜和人造薄膜的發展歷史中，兩者相互影響。當人類了解有天然薄膜存在時，就開始追尋以人工的方法製造出功能類似的薄膜。在人工薄膜發展成功後，在實驗室中發展出許多薄膜透過機制的理論，讓天然薄膜的功用和原理越來越清楚。就目前的知識和技術看來，用人工薄膜來控制分子進出的方法，事實上都早已存在於天然薄膜中。以下簡介人工薄膜常用來管制分子進出的方法。 控制薄膜孔洞大小 利用大小來區別分子，阻擋大過薄膜孔洞的分子，而讓較小的分子通過，是最簡單的分子管制方法。能否製備出具有適當孔徑的薄膜，是能否利用這方法分離分子的技術關鍵，而薄膜的阻力大小 (和分離所需的能量有關) 是薄膜是否具有商業競爭力的重要指標。 以下簡介製造薄膜孔洞的常用方法。製造孔洞的常用方法分為兩大類，一是微、奈米級孔洞的製造方法，通常用來製備微濾、超濾程序所用的薄膜；另一是分子級孔洞的調控方法，是用來製備逆滲透、氣體分離和滲透蒸發所用的薄膜。 微米級孔洞製備技術是薄膜製備技術中發展最久也最成熟的部分，已發展出包括燒結法、拉伸法、蝕刻法、模板法、溶膠 - 凝膠法、相分離法等。除拉伸法外，這些方法也可以用來製備具奈米級孔洞的薄膜，配合近 20 年來在奈米材料科技上的快速發展，奈米級孔洞的控制技術也逐漸成熟。但如何以低成本的大規模連續製膜技術製備出孔洞大小均勻的薄膜，仍是十分嚴苛的挑戰。 要控制分子級孔洞的大小，須建立能改變薄膜材料分子間距離或分子運動的技術。目前常用的方法有改變薄膜材料的分子結構，使成膜時分子堆疊距離發生改變；改變高分子鏈和鏈間的交聯情形，以改變高分子的堆疊和運動；控制分子的結晶行為，改變薄膜材料分子間的排列，進而改變分子間的距離。 調整分子和膜材間的親和性 如果薄膜孔洞比透過的分子大很多，當分子通過時，就幾乎不受薄膜材料的影響。但若孔洞和分子大小差不多，在穿過薄膜時分子受到薄膜材料的包圍，這時分子和薄膜材料間的親和性就會影響透過速率。對孔洞和透過的分子差不多大的薄膜，常用溶解和擴散來描述分子透過薄膜的行為，分子透膜速率決定於分子大小，以及分子和材料間的親和性，這和分子透過細胞膜脂雙層的行為類似。 在氣體分離、滲透蒸發等分離程序中，可以利用提升薄膜材料和透過分子間親和性的方法，使得大分子的透過速率反而較小分子高。例如在進行二氧化碳和氮氣的分離時，氮氣分子較二氧化碳分子稍小，理論上氮氣分子的透過速率應稍高，但許多高分子材料和二氧化碳的親和性比氮氣高，因此常看到二氧化碳的透過速率比氮氣高，有時可高達數十倍以上。另有一個例子：水分子比乙醇分子小很多，通常水的透過速率比乙醇高，但選擇和乙醇親和性高的材料來製膜，可以讓乙醇透過薄膜的速率比水高。 調控薄膜的電性 在離子透過薄膜時，薄膜可以利用本身的電性來選擇離子。帶正電的薄膜可以阻擋高價數的正離子而讓單價的正離子透過；反之，帶負電的薄膜可以阻擋高價數的負離子而讓單價的負離子透過。目前商業化的正、負離子膜比起細胞膜，在功能上仍遜色很多，細胞膜可以同時有不同離子的離子通道，這些通道具有非常高的選擇性，可以控制不同離子進出細胞膜的速率。 把離子通道的觀念引入人造薄膜是相當熱門的研究方向，例如在燃料電池中的質子傳輸膜，是一種負離子膜，有研究嘗試把質子可以通過的負電區域集中成離子通道，這通道只能讓離子通過而不讓燃料通過，可以達到提高電池效率的目的。人類向細胞膜學習以提高人造薄膜的效率，已逐漸成為研究上的新趨勢。 植入辨識目標分子的結構物 不論以分子大小、電性或和膜材的親和性來做為管制分子透過薄膜的方法，都只能依分子類別選擇分子，無法達到精細挑選分子的目的。若兩分子的類別容易區分 (如大小相差很多，電性相反，或和膜材的親和性相差很遠), 或許可以利用上述方法加以分離。但若分子屬於相同類別，勢必要能辨識分子，才能有較佳的分子選擇性。 生物體辨識分子的方法常利用分子的結構，特定的分子通常只能和生物體內具特定結構的蛋白質結合，因此可用這種特定蛋白質辨識這個分子，例如用抗體辨識抗原、挑選特定的酵素辨識特定分子。 目前人類在辨識分子的研究上雖有些進展，但和生物體相比，仍是十分落後。要製備具分子辨識能力的薄膜，目前是針對要分離的分子尋找自然界中是否有可以和它結合的特定分子，再把這些特定分子摻入薄膜中，希望它們能發揮分子辨識的效果。相關研究在近幾年來進步非常快，但要趕上細胞膜辨識分子的精確性和高效率，仍是遙遙無期。 向細胞膜學習 馬克斯威爾幽靈的主要法力是能夠辨識分子並管制進出。我們現在已經知道分子辨識和進出管制，仍需要能量或增加系統亂度，因此馬克斯威爾幽靈並不會違反熱力學第二定律。但只要能提升分子辨識和進出管制技術的效率，就有機會以較省能量的方式來分離混合物。 可能是生物體在演化過程中會找到最省能量的方法來維持生存，因此細胞膜所發展出來的辨識分子和管制分子進出的方法，精準的程度和高超的效率實在令人嘆為觀止。在人類發展的過程中，也一直希望能找到類似的技術，薄膜事實上就是辨識分子和管制分子進出的技術。雖然現在已大量使用薄膜技術，但目前擁有的技術和細胞膜相較，仍是十分落後。或許，應當努力向細胞膜學習，才能突破目前技術的瓶頸，而有機會讓法力高強的幽靈現身。

豬肉如何分辨好壞?

一般人喜歡買顏色看起來比較紅的豬肉，認為偏紅好像比較營養。但根據科學家對於肉質的分析，顏色過於暗紅的肉，保存期限可能較短，肉的衛生品質也較差。如果這些豬肉讓您來選，您會選擇哪一個呢？是看起來深紅的六號？還是乾乾淨淨的一號？事實上，顏色較深的六號肉，我們稱為乾硬肉，一號則是水樣肉。這兩種肉的口感、肉質，都不好。原因就在於 pH 值。豬隻被屠宰後，代謝機能立刻終止，但是肌肉裡面仍然進行著生理代謝變化，最後留在豬肉上的代謝產物，就是乳酸。而乳酸的產生，和動物的情緒，有很大的關係。豬在屠宰之前，牠的害怕緊張會消耗掉肌肉的能量，在短時間內會產生過多的乳酸，屠宰後的一個小時之內，如果豬肉的 pH 值小於 5.9, 肉會脫水、漏水，顏色泛白，這就是水樣肉。如果豬肉在 24 小時之內的 pH 值大於 6.0 時，豬肉呈現暗紫色而乾燥，就可判定為乾硬肉，不但容易滋生細菌，在保存上也可能產生問題。事實上動物牠只要緊張的時候，可能聰明的動物，牠就會希望不要進入這個環境。也就是說，牠覺得前面一定沒有好事，所以牠會害怕、會退後、會掙扎、會擠在一起。對於豬隻來說，看到前面夥伴的痛苦狀況，也會產生強烈的恐懼。所以避免豬肉變成水樣肉或者是乾硬肉的方法，就是儘量減少豬隻在屠宰之前的緊張，驅趕的方式成為一個關鍵。原始的他使用電擊棒的情況，可能趕 15 頭豬他要趕 2 分鐘 20 秒左右，但是我如果只用一個布或者是一個掃把的話，我只要一分鐘可以趕完。在愈來愈重視品質的現在，臺灣的業者在驅趕豬隻的做法上，不斷努力改善。看來，想要吃到優質肉品，不但是要養的好，就連在屠宰之前的驅趕動作，都要做得很人道。2007 年東森電視台《科學大解碼》第一期

壓力是肥胖的元兇之一

做不完的工作，寫不完的作業，小心這些壓力也會帶來減不完的體重。特別是長期的壓力不只影響情緒，還會讓人無法正常控制飲食，怎麼樣都吃不飽。你一有壓力的時候呢，生物總要有個出口。他這個碰到壓力的時候呢，我們人就會想說，我該怎麼存活下去，那存活下去就是你要大量的吃，儲存能量。研究發現人在短時間內感到緊張、有壓力的情況下，會因為交感神經興奮，使身體不自主的冒冷汗或心跳加快，另外交感神經分泌的腎上腺素也會加速脂肪的分解與燃燒，產生能量應付各種緊急狀況。但是在長期的壓力之下，交感神經會釋放出一種叫做神經胜肽的物質，促進脂肪細胞和附近血管的增生，於是脂肪增加的速度就會超過分解燃燒的速度，時間久了這些不斷增加的脂肪就會堆積在身體裡。那但是我們現在的很多壓力都是所謂的長時間的，當我們壓力變大的時候呢，我們還會比較選擇是屬於比較高熱量的食物，或是高脂肪的食物，就是這種熱量是比較有效，吃了馬上就可以當作是我的熱量能源儲存起來。於是身體就會把這些用不完的能量儲存在內臟脂肪的地方，特別是腹部，這就是為什麼肚子是最容易發胖的部位。吃東西或許可以作為舒緩壓力的方法，但是吃太多除了造成過度肥胖，伴隨而來的還有各種代謝的問題，進而引發像是高血壓、糖尿病等心血管疾病。其實最好的辦法，就是在忙碌之餘，去做些適量的活動，像是起來走動轉換心情，壓力少了，食慾自然也會降低，這麼一來就不會再有肥胖的困擾。2007 年東森電視台《科學大解碼》第一期

躁鬱症怎麼辦?

人的情緒有高有低，適當的波動都是屬於正常現象，但是如果起伏過度地激烈，甚至陷入了極端的思想，那就要特別注意了，這些很有可能是罹患躁鬱症的前兆。躁鬱症被稱為是雙極性的精神疾病，它的特點是時而過於亢奮，時而過於憂鬱，也就是躁期和鬱期反覆交替出現。通常躁鬱症患者會經歷憂鬱、輕躁及狂躁三個階段，在躁症發作時，患者會出現過度樂觀、話多、睡眠減少也不疲倦，自信心大增等現象，尤其在輕躁時期，頭腦變得異常清晰，使得許多患者甚至樂在其中，不去積極治療，忽略了狂躁時期將產生更多失控的行為。他的一些思考內容也會變得比較豐富，所以有可能在智商的測驗裡面會真的會變高一點，但是如果他的一個輕躁症如果再更明顯，變成一個躁症的時候，那時候就沒有辦法變高，那時候反而因為太亂了，思考太多太亂了，那時候反而會變笨。相反地在鬱症發作時，病患則容易感到低落悲觀、產生睡眠障礙、長時間無法解釋的悲傷和哭泣。關於躁鬱症發生的原因，至今仍是個謎。先天的基因遺傳具有影響，而後天生命受到重大創傷，例如面對親人死亡、情感因素等，情緒積壓找不到出口宣洩，很容易就發病。除此之外，醫學界透過磁振造影技術檢測患者的腦部，發現不管是躁或是鬱的狀態，大腦裡面的某些元素失去了平衡，一般推測是腦前額葉到掌管情緒的邊緣系統出了狀況。在輕躁症的時候其實對腦部就是一種傷害，以精神科的診斷來講，我們必須要有很仔細地去跟個案會談，然後要親自看到個案。然後我們去瞭解他的一個，這次發作的一些症狀，綜合判斷，然後才會下這個 (躁鬱症) 診斷。躁鬱症屬於慢性病，只要適當的治療，其實患者和常人無異。而社會大眾若是能用更開放的態度面對躁鬱患者，給予適度的關懷以及陪伴，說不定透過躁鬱症患者擁有的潛在能量，還能為我們開創不一樣的視野。2007 年東森電視台《科學大解碼》第一期

睡眠時的人體活動

睡覺的時候，你在做什麼？做夢、磨牙還是打呼？根據科學家的研究，人類在睡覺期間做的事，遠比這些還要多更多。晚上的睡覺，絕對不是只有躺在那邊，休息而已。正常人的睡眠其實它，還是很忙碌的，腦子不斷有些循環的事情在發生。所謂循環的事情，指的是人類腦波的睡眠週期。根據腦波的不同，科學家把睡眠分為兩種型式，非快速動眼期，及快速動眼期。從出現想睡的念頭開始，就進入睡眠週期。首先是非快速動眼期，一、二、三、四，四個階段，然後進入快速動眼睡眠期。每個階段大概是 60 到 90 分鐘，在整個睡眠過程中，循環重複，其中快速動眼時期的變化最讓人著迷。那個時候的腦波，甚至跟白天清醒時的腦波，一樣的忙碌。那呼吸會變得比較不穩定，心跳呢，好像腦子有在想事情一樣，所以那時候如果說，我們在快速動眼期，你把睡覺的人搖醒，它能夠，一般都能很清楚的告訴你說，剛剛做了什麼夢。快速動眼時期的夢，通常情緒明顯，而且比較容易被記得。如果以睡眠八小時，進入五次快速動眼期來計算，一年可以做上 1825 個這樣的夢。但作夢真的有其必要性嗎？夢本來就很正常，不做夢才要擔心。因為，譬如說有一些認知功能損壞，或是腦部受傷的人，他們其實已經喪失做夢的能力。按照臨床的觀察，做夢能幫助學習、增強記憶、整理情緒。不管是精彩還是平淡，不管我們記不記得，做夢都是睡眠過程中很重要的一部份。真正優質的睡眠，並非一覺到天亮，而是擁有完整的睡眠結構。所以說，可別小看了這表面上無所事事的八個小時。想要身體健康、學業精進、工作順利嗎？讓自己睡個好覺吧。2007 年東森電視台《科學大解碼》第一期

奇妙的物質第四態——電漿

雖然宇宙空間充滿電漿，而且在現代工業生產中也漸漸地廣泛應用，但大多數人對「電漿」可能顯得比較生疏，或許還有幾分神秘，這主要是因為在地球表面，自然存在的電漿不多。 我們都知道，H2O 是一種物質，在地球表面的常溫下，呈液態，稱之為「水」。如果溫度低於攝氏 0 度，它就會變成固態，叫做「冰」。如果溫度高於攝氏 100 度，它就會變成氣態，叫做「水蒸氣」。其實，不光是 H2O, 大多數物質都是這樣，溫度低時呈固態，中等溫度時呈液態，溫度高時呈氣態，這就是我們通常知道的物質存在的三種狀態。當然，這裡所說的低溫、中溫和高溫，對不同的物質是不一樣的。冰在高於攝氏 0 度時就會變成水，而鐵只有當溫度高於攝氏 1,536.5 度時才會熔化成液態。 物質是由分子組成的，一個分子可以包含一個或幾個原子。在固體物質中，分子之間的相互束縛力很強，以至於分子和分子之間的相對位置是固定的，不能隨便移動。對一固體加熱，其分子的動能增加，克服固定其位置的相互束縛能，使其間的相對位置可以改變，成為液體。分子在液體內雖然可以較自由地運動，但不能自由離開液體的表面。所以液體仍然是我們肉眼看得見，用手摸得到的凝聚體。對一液體再加熱，其分子的熱運動動能會繼續增加，而最終可以完全脫離表面的束縛，液體也就成為分子可以自由運動的氣體。 這種固、液、氣三態互變的過程稱為相變。它可以向兩個方向發展，一是對一固體繼續降溫，一是對一氣體繼續加熱。實驗結果告訴我們，前者只會引起物質性質的變化，但是，後者卻完全不同，它會使物質變成一種新的狀態–電漿態，電漿態是物質的第四態。 如上所述，物質是由分子組成的，一個分子可以包含一個或多個原子，而一個原子則是由原子核和若干個電子組成。原子核帶正電，電子帶負電，原子呈電中性。氣態時，電子在電場束縛下圍繞原子核旋轉。如果氣體被加熱，其電子的熱運動動能就會增加。一旦電子的熱運動動能超過原子核對它的束縛，電子就成為自由電子，這種過程稱之為電離。如果氣體中的所有原子都被電離，就稱為完全電離，如果只有部分原子被電離，則稱為部分電離。被電離的原子數與總原子數之比稱為電離度。電離度為 100% 時，即氣體被完全電離，就成為我們上面所說的物質第四態–電漿，也稱為等離子體。這是最嚴格定義的電漿，在實際應用中，部分電離的氣體，只要滿足一定的條件，也通稱為電漿。電漿中，失去電子的原子稱為離子。 因此，產生電漿的最簡單方法就是對氣體進行加熱使其電離，即成電漿。在實驗室和工業應用中，就是先把容器抽到比較高的真空，再充入所需要的氣體，但仍保持比大氣壓低的氣壓，然後再用放電或電磁波使氣體電離。 電漿球是人造電漿的裝置 (圖 /rawpixel.com,freepik) 在地球表面上，自然存在的電漿雖然有，比如閃電、極光等，但不多。我們接觸到的大多數是人工製造的電漿，比如日光燈、霓虹燈、火箭的尾氣、電漿電視，以及大量的實驗室和工業生產中應用的電漿系統。實際上，據估計，在宇宙中，99% 以上的已知物質是處於電漿態。現代天文知識告訴我們，很多星體，比如太陽，是處於電漿態，星體周圍的大氣及星際空間也充滿了電漿。就我們地球而言，大氣層以上的電離層，太陽風等等都存在著電漿。 電漿的基本特性 電漿與固體、液體和氣體最大的不同是，後者是由中性原子組成，而前者是由帶電的離子和電子組成。原子不產生電場，運動時也不會產生磁場。在電漿中就不一樣，組成電漿的粒子 (電子和離子) 有自己的電場，運動時會產生磁場，也會受到電磁場的影響。結果，相距很遠的兩個粒子，不必碰撞就可發生相互作用。同時，電磁場的運動和粒子的運動強烈耦合，結果就使電漿具有集體行為。也就是說，在電漿中，雙體碰撞不起主導作用，集體行為起決定作用。這是電漿的第一個基本特性。集體行為的研究在現代物理學的發展中很重要。 要了解電漿的第一個基本特性，需要先了解電漿的第二個基本特性.. 電漿具有屏蔽外加電場而保持自身為電中性的能力。如果將兩塊連到電池兩端的平板放入電漿中，則連接正極和負極的平板將分別吸引電子和離子。結果，電場只存在於平板周圍的一個厚度為德拜屏蔽長度的薄層內，而在電漿的其他部分，平板所產生的電場趨近於零。這種屏蔽效應稱為德拜屏蔽 (Debye shielding)。瀕臨平板邊界數個德拜屏蔽長度厚的薄層，一般稱為鞘層。 這種德拜屏蔽效應也發生於電漿中電子對於離子電場的屏蔽。存在德拜屏蔽效應而保持近似電中性是電漿的第二個基本特性。只有當電離氣體系統的尺度遠大於德拜屏蔽長度，而且德拜屏蔽層內的帶電粒子數足夠多時，該系統才會具有電漿的第二個特性。當上述條件產生時，電漿粒子的動能遠大於雙體碰撞的平均位能，集體作用的遠距電磁場對於電漿行為起主要作用，使得電漿具有第一個基本特性。 電漿的第三個特性是每一個電漿系統都有一個固有頻率，稱為電漿頻率。一束電磁波打到電漿的表面，如果電磁波的頻率小於電漿頻率，則該電磁波就會被屏蔽在外面而進不了電漿。其道理很簡單，如果，兩塊平板之間加的不是直流電壓，而是交流電壓，則當平板上的電壓改變時，電漿中的電子會被平板吸引或排斥。如果電磁波的頻率小於電漿的頻率，則電子的反應就跟得上電壓的改變，而將電壓屏蔽在外。 在電離度非常低而密度高的電離氣體中，帶電粒子與中性分子的碰撞頻率很高，即粒子間的平均碰撞頻率大於電漿頻率，則系統的性質將由雙體碰撞決定而不由集體效應決定，這樣的系統不能稱為電漿。在電漿系統中碰撞頻率小於電漿頻率的條件需要被滿足。這是電漿的第三個基本特性。 有一類電漿，存在於磁場之中，稱為磁化電漿，由於其廣泛存在且有重要的應用前景而特別值得一提。 地球周圍有磁場存在，星際空間也有磁場存在，因此這些地方的電漿都是磁化電漿。磁化電漿與非磁化電漿的重要差別在於磁場對帶電粒子的影響。為簡單說明，讓我們考慮單個帶電粒子的運動。沒有磁場時，空間是各向同性的，帶電粒子在各個方向都可以自由運動。有磁場時，假設磁場垂直於紙面，則在沿著磁場的方向，帶電粒子可以自由運動。但是在垂直於磁場的方向，即在紙面上，帶電粒子只能做圓周運動。電荷不同的粒子，其旋轉方向相反。這種運動稱為迴旋運動，其頻率稱為迴旋頻率，迴旋半徑又稱為拉摩半徑。我們不難發現，迴旋頻率和迴旋半徑分別正比和反比於磁場強度。前者是高頻電磁波源的基本工作原理，後者是磁約束熱核融合研究的基本出發點。 電漿的應用 人類對物質第四態–電漿的認識比對其他三態要晚得多，主要是因為在地球表面的自然環境中，電漿出現的機會不是很多。但是，隨著科學技術的發展和社會的進步，人類與電漿接觸的機會越來越多，人造電漿在實驗室和工業界大量出現，人類對電漿的依賴也越來越大。電漿研究對基本物理發展很重要，同時也因被廣泛地應用而呈現出更為廣闊的前景。 氣體放電 實驗室電漿研究始於 1830 年代，法拉第 (Michael Faraday, 1791-1867) 研究氣體的輝光放電效應。對大電流真空管的需求打開了電漿應用的大門，從此電漿開始在工業生產中得到應用。直到現在，電漿還在各種與氣體放電有關的工業生產中應用。最常見的有日光燈、霓虹燈、電漿顯示器，以及其他各種的電漿光源。此外，在電漿焊接、汞整流器、引燃管、火花隙等也會用到電漿。 電磁波源 帶電粒子在磁場中要在垂直於磁場的平面上做圓周運動，它的加速度方向是垂直於本身的速度方向。有加速度的帶電粒子會輻射電磁波，只是非單一頻率，強度也弱。若將一電子束射入磁場中，因為迴旋運動有固有頻率，而且電漿強耦合產生集體效應，所以可以產生很強的單頻集體電磁輻射，成為電磁波源。 值得特別一提的是，愛因斯坦的相對論指出電子質量和其能量狀態有關。電子束中的電子在和電磁波作用時能量變化，造成迴旋頻率會隨之變化而產生群聚效應增進輻射效能，這個效應稱為迴旋梅射。當外加磁場配置改變成垂直於原來電子束的行進方向而且磁場方向交錯地改變時，電子束運動也會有另一種相似的固定頻率的週期運動，而產生單頻集體輻射效應，這就是自由電子雷射的工作原理。這樣的電磁波源具有功率高、頻率高、定向性好的特點，在科學研究和工業生產中被廣泛應用。例如，在磁約束受控核融合研究中，不同頻率的這種電磁波可用來加熱電漿，以提升溫度，從而增加核融合反應的速率。 受控核融合 隨著社會的發展，人類對能源的消耗急劇增加。在過去的半個世紀中，人類每年消耗的能量大約增加了十倍。根據這個速度，地球上的煤和石油等化石燃料能源將會在一百年中消耗殆盡。做為下一代的能源，核能是最受重視的選擇。 核能有兩種，一種是重核 (如鈾 235) 裂變產生的能量。這種能量以劇烈爆炸的形式釋放，就是原子彈。以可控制的、緩慢的方式釋放，就是當今的核能電廠。地球上的重核資源也非常有限，所能提供的能源，大約也只夠人類用一百年左右。更重要的是，裂變核能電廠產生的廢料有很強的放射性，半衰期又長，對環境的影響十分嚴重。 另一種核能就是輕核融合，如一個氘核與一個氚核融合，產生一個氦核 (α 粒子) 和一個中子，並釋放出約 18 百萬電子伏特的能量。氘和氚都是氫的同位素。核融合能以劇烈爆炸的形式釋放，就是氫彈，其威力比原子彈還強。核融合能以可控制的緩慢方式釋放，實驗室中現在已實現，只是尚不能達到經濟效益，仍存在著許多物理和工程難題待解決，但它正是全世界無數科學家和工程師追求的目標。如果受控核融合電廠能實現，則可以滿足人類十億年的能源需求，而且還免去了環境污染的苦惱，可以說是最終解決了人類對潔淨能源需求的問題。 一個氘核和一個氚核融合成一個較重的氦核而釋放出能量的反應率是溫度的函數，而且在絕對溫度為數億度時最大。為了實現受控核融合，我們必須將氘和氚的混合氣體加熱到接近這個溫度。在這樣的溫度之下，氣體早就被完全電離而成了電漿。因此，電漿就成了實現熱核融合的必經之路。在歷史上，電漿科學主要是因核融合的研究而推動發展的。 溫度在一億度時，不存在任何固態物質，因此進行核融合的容器就是個大問題，解決這個問題的途徑之一就是磁場。組成電漿的帶電粒子只能繞著磁場做迴旋運動，而不能在垂直於磁場的方向自由運動。如果我們能構成一個磁力線閉合的磁場位形，則電漿就會被約束在其中，這就是目前磁約束熱核融合研究環形實驗裝置的基本工作原理。 如果沒有集體效應，帶電粒子橫越磁力線的擴散係數和熱傳導係數都正比於拉摩半徑的平方，從而反比於磁場的平方。也就是說，只要磁場足夠強，則擴散係數就可以降到足以維持足夠高的密度和溫度的電漿而產生受控核融合。遺憾的是，實驗結果顯示，在磁約束電漿中，集體效應發生決定性的作用，擴散係數和熱傳導係數並不隨著磁場的增加而平方反比下降。經過將近五十年的探索，科學界對此現象有了一些初步的認識，但真正的物理機制和變化規律，至今還沒有被人類所掌握。 解決電漿約束的另一條途徑是利用慣性，也就是在一個真空容器中心的小範圍內，以某種方式產生高溫高密度電漿，並讓其在極短 (十億分之一秒) 的時間內發生核融合反應。由於慣性的作用，在這短的時間內，電漿中的帶電粒子還達不到容器的內表面。因此，這種途徑被稱為慣性約束。在實驗中，目前比較通用的辦法是用多束強雷射來壓縮固態氫小球，使其在很短的時間內昇華成氣體、電離並發生核融合。因此，這一途徑有時也稱為雷射核融合。慣性約束核融合也有一些科學上和技術上的問題，有待進一步探索和解決。 地球的太空環境 人類所賴以生存的地球，處於太陽風的連續轟擊之下，太陽風就是從太陽發出的帶電粒子流，也就是流動的電漿。地球周圍的磁場，即地磁層，將太陽風偏轉而使地球的表面免受輻射的傷害。地磁層在太陽風的作用下也會發生變化。同時，地球上空五十公里到十個地球半徑的空間，是充滿了低密度電漿的電離層。太陽風與地磁層的相互作用、電離層的結構、狀態等構成了地球的太空環境。他們的變化會直接或間接地影響地球表面人類的生活環境，如氣候、通訊狀況等。為了有效地監測、預報地球太空環境的變化，就必須研究和掌握太陽風和地球周圍的電漿的性質和變化規律。所以，電漿在地球太空環境的研究中有著核心且不可替代的地位。 現代天文學 大多數恆星的內部和周圍的大氣都有很高的溫度而處於電漿態，例如，太陽中心的絕對溫度約為兩千萬度。該溫度下的熱核融合反應是太陽輻射的源泉。日冕則是比較稀薄和溫度較低的電漿。星際空間則是充滿了電離的氫，即氫電漿。電漿研究已經成了現代天文學的一個重要部分。太陽的活動，比如太陽表面黑子的增加對地球氣候和人類生活的影響正日益受到社會各界，尤其是學術界的關注。要解釋觀測到的現象，掌握太陽活動的規律，就必須應用和發展現有的電漿理論。 磁流體發電和電漿推進器 磁流體發電就是讓稠密的電漿垂直通過一個磁場，由於電漿中的帶電粒子在磁場的作用下運動方向會發生偏轉，正離子會打到上面的平板而電子則打到下面的平板，結果就會在兩板之間產生電壓，這就是磁流體發電原理。 這一原理反過來的應用就成了電漿推進器，將兩塊平板接上電源，在電場的作用之下，電漿中會產生電流，該電流與磁場的相互作用會使電漿受力而被推出火箭，其反衝力就會推動火箭前進。當然往外噴的電漿的總電量必須是中性的，不然，宇宙飛船就會帶上高電壓。 環境保護 塑料製品的廣泛使用給我們的生活帶來很大方便，但是塑料垃圾很不容易腐壞，不易消毀，不好處理，因而帶來了環境的問題。有些科學技術人員就想到把塑料垃圾粉碎後拌到水泥中，這樣既可以處理垃圾，又有可能改變水泥的特性。但他們碰到的一個問題就是塑料碎片表面不夠乾淨，因而與水泥不能緊密結合。解決這一問題的途徑之一就是把塑料碎片放到有電漿的容器中，接受帶電粒子的轟擊進行淨化。實驗結果顯示，經過淨化後的塑料碎片可以與水泥結合得更為緊密。這是用電漿進行淨化，從而達到環保目的的一個例子。 另一方面，如果讓有毒的或對環境造成污染的氣體，如工廠的煙囪廢氣和汽車尾管的廢氣通過電漿，則廢氣中的有毒化學物質就會在帶電粒子的轟擊下分解成無污染的氣體而排掉，或者變成固態或液態物質而更易於回收或處理。世界各國的科學家正在從事這方面的研究，而且已經取得可觀的成果。 高科技產業 伴隨有化學反應的電漿放電，已被廣泛地用來改變材料表面的性質。對全世界若干大材料處理工業而言，電漿處理技術至關重要。對於電子產業採用的超大型積體電路的處理而言，基於電漿的表面處理是不可缺少的。這樣的加工對航空、汽車、鋼鐵和生物醫學工業也有決定性的作用。用這種技術製造出的材料和表面結構是用其他生產方式得不到的，同時，材料的表面可以用很獨特的方式加以改進。例如，在矽膜中或基質材料中可以蝕刻出寬 0.2 微米、深 4 微米的溝槽。人類頭髮的直徑是 50~100 微米，也就是說，在一根頭髮那麼粗的一個晶片上，就可以刻上數百個這樣的槽和線路。另外，像鑽石薄膜，太陽能電池中用的非晶體矽等獨特的材料，也可利用電漿處理生產出來。 據統計，在超大型積體電路板加工中，三分之一的工序是以電漿處理為核心。電漿在積體電路的加工中，主要用於蝕刻。其工作原理就是利用電漿在臨近邊界 (即積體電路板面) 處產生的鞘層電場。這樣，電漿中的正離子就在鞘層電場的加速下，轟擊積體電路板而刻出所需要的槽紋。在傳統的化學蝕刻加工過程中，工件是放到化學溶液中，化學反應在空間各方向都可能發生，因而刻出的槽，其壁成弧形，影響了積體電路的品質。電漿蝕刻中產生了垂直於積體電路板面的鞘層電場，帶電離子只在電場方向被加速，因此而刻出的槽，壁是垂直的，這就提高了積體電路的品質。 電漿在材料處理中的另一應用就是鍍膜。電漿鍍膜的基本原理就是把被鍍的工件放到要鍍上去的材料的電漿中，在一定的條件下，電漿中的離子就會沉積到工件上而形成一層薄膜。被鍍的工件可以是金屬，也可以是非金屬材料。所鍍的薄膜可以是單一元素，也可以是多元素的混合體。這樣產生的薄膜可以根據需要而有耐酸、耐鹼、抗腐蝕性等特性。 採用電漿進行離子佈植改變物質性質已在工業生產中顯現其優越性。其工作原理與鍍膜相似，不同的是，在這裡，帶正電的離子必須具有較高的能量而能穿透工件的表面並沉積到工件材料之中，而不是沉積在表面。用這種方式，可以改變工件的性質。比如用不同金屬的離子來佈植鑽頭，可以成倍地提高鑽頭的硬度和使用壽命。 軍事用途 現代戰爭離不開先進的通訊設備，電漿在先進通訊設備，包括波源、傳播、接收和訊號分析設備中都有著不可替代的作用。 現代戰爭的一個特點就是遠程攻擊。為了使遠程的武器如飛彈、戰機等，達到目標而不被對方發現，就得想辦法躲過對方的雷達。雷達的基本工作原理就是向空中發射電磁波，當電磁波碰到飛行器時，就會被反射，雷達接收到被反射的訊號，就發現了飛行器。所以，要躲過對方的雷達，方法之一就是要讓飛行器吸收或折射雷達的電磁波而不反射，這就要用到電漿。我們知道，與氣體的分子不一樣，電漿中的帶電粒子會與電磁場發生相互作用，結果是一定參數的電漿可以吸收或折射一定頻率範圍的電磁波。所以，只要想辦法在飛行器周圍產生一層參數合適的電漿，對方的雷達就探測不到飛行器。這種技術叫做隱形，目前，世界各國都在發展這方面的研究，並得到一些初步的結果。 此外，不少新武器的研製也與電漿密切相關。比如微波武器就倚賴於電漿波源，某些雷射武器也與電漿中的自由電子雷射有關，還有粒子束武器等也與電漿科學密不可分。 大多數恆星的內部和周圍大氣處於電漿態。

地震研究:高空電離層透露的訊息

高空電離層分布示意圖。 地震前兆研究，需精確長期的觀測紀錄 長久以來，地震就帶給人類極大的恐懼與災害。地震發生時所釋放的強大能量，不僅造成建築物毀損，也會造成地形、地貌乃至地理環境的劇烈變遷。人類在經歷一次又一次的大地震之後，不禁要問:「如此強大的能量釋放，難道事前真的一點徵兆都沒有？」翻開典籍，卻又有一大批關於地震前蟲、魚、鳥、獸大量遷徙及異常行為的報導。其它如水井水位異常、地溫、地裂、地鳴、地震光、地震雲... 等的說法，更是不勝枚舉。 人類總是事後諸葛亮地在震後才猛然警覺到地震前似乎有些異常信息。然而，困難的是，每次地震前都可能有不同的異常現象出現，加上這些異象大多僅憑口耳相傳，沒有量化及確切之紀錄。即使出現了，亦不知何時？何地？以及有多大的地震將會發生？甚至，大多時候可能天下本無事，庸人自擾之。地震學家在經歷多次的失敗之後，對此一研究更為謹慎，且因經費減少，以致於有減緩相關的前兆科學研究的現象。 事實上，大陸、日本、俄國及美國有關地震前兆的研究不是進展有限，就是一再地失敗。其所以失敗可能有兩個原因：一為資料太少，另一則是資料沒有詳細量化。有些地方雖有大量資料，但地震發生的地點過於分散，以致就小地區平均而言仍是資料不足。由於科學家講求的是「實驗可以複製」, 因此，許多地震集中發生在某一小區域，是地震前兆研究的先決條件。此外，科學研究工作需要有詳實的數據。從前有關地鳴、地光、動物異常行為等現象的記載，最大的缺點和困難即是沒有明確量化，以致進一步的地震前兆研究十分困難。因此，精確且長期之觀測紀錄，乃是從事地震前兆研究的必要條件。 地震前，電磁透露的訊息 日本在一九九五年神戶大地震後即推動地震前兆研究計畫，六年來大量網羅世界各國科學家共同努力，並且蒐集相關研究經驗與成果。結果發現，地震前兆大多為地鳴、地熱 (紅外線)、地磁、地電乃至地光等現象。這些現象隱約說明地震前所蓄積之能量，大多是以電與磁之型式外露和釋放。有些科學家甚至在實驗室中利用中低速子彈，轟擊約 1 尺見方地底下挖來的深層岩塊，使其振動來模擬大地震前之地殼微小振動及地鳴等，結果發現，振動的岩塊竟會釋放出強大之電磁波輻射與電荷。 如果電和磁是震前能量釋放之主要型式，欲從事相關地震前兆研究，則必須有精密的儀器能長久、準確地紀錄地震發生前後，相關電場及磁場之變化及其影響。 那什麼會對電場及磁場變化有立即且明顯的反應？答案是.. 帶電粒子。在自然界中何處有大量且敏感的帶電粒子？答案是：就在我們頭頂上方的地球大氣層中。大氣密度隨著高度上升而愈加稀薄，距地表 50 公里以上，則稀薄到太陽光中的 X 光、超紫外線及紫外線，能輕易地將中性的大氣分子和原子，游離成為帶有正電之離子及帶負電之電子。這些共同生存的正負帶電粒子 (或稱為電漿) 散布於距地表 50 公里乃至數千公里之近地太空中 (一般稱為電離層)。這些帶電粒子對大氣中之電場及磁場十分敏感。事實上，地球表面附近電漿 (或電子) 濃度最大的區域就是電離層，而全世界電離層電子濃度最大的地方則是臺灣中壢到高雄這緯度的上空。 由於電離層會影響電波傳遞，為確保通訊、定位及導航的品質與安全，交通部電信總局自民國四十六年起即設立電離層觀測臺，並利用電離層雷達持續監測臺灣地區電離層 (長達四十餘年，自九十年一月起，因電離層觀測臺因經費短缺，暫時關閉)。由於臺灣地區之大規模地震多而且集中，且又有詳實完整的電離層電子濃度觀測紀錄，因此，十分適合進行大規模地震前兆之重複實驗和比對研究。 電離層電子濃度與地震 電離層透露地震前信息之相關研究，可以說是一項「無心插柳」之作。原以為電離層在大地震的同時，一定會因釋放強大能量而有明顯的變化。然而，分析民國八十三年至八十六年四年內，百餘個規模五以上的地震，由其發生前後的電離層電子濃度變化，可發現電離層產生明顯的異常變化，且大多發生在這些地震前一至五天。 經逐一檢視，該四年期間每十五分鐘的電離層雷達約十四萬筆的紀錄資料，可進一步發現，異常日中午至傍晚時段之電離層最大電子濃度會大量減少。由於臺灣地區平均約每十五天發生一起規模五以上之地震，為去除季節效應及避免其他地震之相互干擾，而以連續前十五天之中位數來建立統計參考。明確地說，如果某日下午時段觀測電子濃度顯著小於其對應前十五天的中位數，則視該時刻之電子濃度為異常。 科學研究必須有嚴格的檢測與驗證程序，因此，復利用民國八十三年至八十八年六年期間，臺灣地區規模 6 以上之地震來檢驗上述電離層電子濃度之變化現象。資料顯示，地震異常 (前兆) 日中午至黃昏時段之電離層電子濃度 (電漿頻率) 較其對應之參考日大量減少。同時，資料亦顯示，規模 6 以上之地震中，有一半於發震的前一天內即出現前兆，而有 86% 的地震於發震前三天內出現前兆。事實上，這些規模 6 以上的地震，在發生前六天內，皆出現上述之電離層電子濃度異常現象。 集集大地震的電離層時間與空間前兆 集集地震前四、三及一天出現電離層地震前兆。 進一步針對民國八十八年九月二十一日凌晨一點四十七分發生規模 7.6 之集集大地震進行電離層前兆研究。由資料可見於九月十七、十八及二十日 (集集大地震前四、三及一天) 電離層電漿頻率明顯地減少。值得注意的是，一般前兆大多出現於地震前五天內之某一天。 但是，集集大地震或許是規模較大，震前釋放之能量亦較大且頻繁，因此，於其前五天之內即出現了三次 (即前四、三和一天) 前兆。其中，於前四天及前三天出現之前兆強度，亦是近數年來最大的。截至目前為止，由電離層雷達觀測紀錄最大電漿頻率顯示，地震信息可能出現在大地震前五天內，而且最可能出現在前一天。這種信息是否能以其他儀器偵測到呢？近年來，通信、定位、導航已進入衛星科技之太空時代，交通和國防大量仰賴全球定位系統。由於這些衛星運行於距地心約兩萬公里高之軌道中，其所發射之訊號必定行經電離層。據此，科學家可利用衛星訊號推估電波所行經之電離層總電子含量。由於一個地面接收機，即可同時接收來自四面八方五至十個全球定位系統衛星之訊號。若地面上有數個至十來個接收機，則臺灣上空瞬間將有上百個不同地點之電離層總電子含量資料。經由全球定位系統衛星及其地面接收機之間相互位置的關係，可以進行電離層拍照，獲得臺灣附近東至西與南至北之二維電離層總電子含量分布圖像。 令人矚目的是，在集集大地震發生前四、三及一天，在震央附近之電離層總電子含量竟都大量減少，尤其震央四周減少量最為明顯。這是否意味著藉由前兆空間分布可推估地震震央？由於目前臺灣僅有十餘個全球衛星定位系統地面接收站，空間之解析度十分有限，而僅能提供有限且粗略的二維空間分布信息。因此，地震空間前兆研究工作仍有待進一步的努力與驗證。 或許有人不禁要問：什麼原因可能使高空透露地震信息？科學家目前提出各種不同假設，其中以重力波、地殼化學及地電磁三種機制最為可能。重力波理論認為，地震前，地表微細變化常會引起大氣極低頻振動，並顯現於距地表 80 公里左右之電離層電子濃度變化中。地殼化學理論則假設，地震前，地殼會大量釋放出各種氣體而擴散於大氣中，並且進入電離層，而引起電子濃度之變化。至於地電磁場理論則認為，地震前，氣體、地殼擠壓或微小振動，會引起地電及地磁場的變化，產生的電磁場變化又會進一步感應大氣及電離層中之帶電粒子而引起異常。雖然真正的原因目前仍有待釐清，各種地震信息研究仍處在未成熟階段，唯臺灣集集大地震前電離層雷達紀錄之時間前兆、以及全球衛星定位系統電離層總電子含量之空間前兆、已為高空電離層與地震相關性之研究邁進了一步。

太空人何時出門–對太空天氣的觀察

來自太陽風的粒子進入地球極區與地球粒子和空氣碰撞，產生美麗極光。(左圖：美國阿拉斯加州旅遊局；右圖:http://sohowww.nascom.nasa.gov/pickoftheweek/old/08oct2003/teepe e_tournay.jpg) 太陽擾動，一般是因為太陽黑子 (sunspots) 區的爆炸事件所引起，也就是發生所謂的「太陽風暴」或「太陽磁暴」。這時會產生太陽光強度和太陽風速的劇烈變化，進而顯著改變太陽系的溫度、密度和壓力環境，這就是「太空天氣」變化。因為地球在太空環境中，所以地球附近的太空區域會隨太空天氣而改變，尤其是利用衛星的廣播、定位和導航作業，都會受到太空天氣的影響。一般人出門前要看天氣以便決定穿著打扮；太空人或太空船進入太空時也要看太空天氣才知道何時出發最安全。 太陽活動極大期時，日盤表面布滿大大小小的太陽黑子，伴隨而來的「磁暴」和「閃焰」幾乎時時發生。太陽黑子增多，磁暴發生機率增高，對地球周遭的太空環境產生明顯影響，對在軌道上運行的太空船和太空人也會產生嚴重危害。地球大氣層中的電離層會因為瞬間增強的 X 光、紫外線，以及大量來自太陽風的帶電粒子而干擾衛星通訊。 如在觀賞衛星轉播的電視節目時，偶爾會因為「訊號微弱」失去精采畫面，原因可能就是 X 光和超紫外線急遽增強，導致太空天氣劇烈變化，使得電磁波訊號因為電離層吸收而衰減。現代生活仰賴大量的太空衛星科技，身處太空時代的我們，不只需要氣象預告，也要知道太空天氣的變化和預報。 太空中充滿電漿態物質 在了解太空天氣以前要先界定大氣、太空、天文的範圍。科學上的大氣範圍是指由地面延伸至 80 公里的高空；太空範圍是指離地面 50 公里一直到太空船能到的地方，現在界定的範圍是太陽系；天文範圍就是太空船到不了的浩瀚宇宙，因此恆星、星系、銀河等都屬於天文研究的領域。 太空中充滿物質第四態 - 電漿態 (體)。現代物理知道的物質態有固態、液態、氣態、電漿態、玻色 - 愛因斯坦凝聚態 (Bose-Einstein condensate) 及費米子凝聚態 (Fermionic condensate) 等六態。加入能量後的固態會變成液態；加入能量後的液態會變成氣態；加入能量後的氣態，其分子或原子裡的電子會被激發出來變成電漿態。 電漿態的正、負離子 (或電子) 個數相等，因此又稱為「等離子體」。生活中使用的日光燈沒有燈絲，裡面充滿水銀蒸氣 (汞氣體), 管壁塗布螢光物質。如果在兩端施予高電壓，就會產生高速電子撞擊汞原子而使得汞進入激發狀態，當被激發的游離電子回降至基態時，大都會放出藍光或紫外光。管壁螢光物質吸收這些光後，轉而發射波長較長的可見光。日光燈可以算是利用電漿態發光。 太陽核心溫度 1 千 5 百萬度 太陽是太空能源所在，釋放出來的能量由太陽光 (電磁波) 和太陽風 (電漿態), 兩者主宰著太空天氣的變化。太陽本體分成內部結構與大氣結構兩部分。內部結構有核心 (core)、輻射層 (radiation zone) 及對流層 (convection zone), 大氣結構由光球層 (photosphere)、色 (彩) 球層 (chromosphere) 及日冕 (corona) 組成。 核心是指由太陽中心點往外到太陽半徑 25% 的範圍，裡面有核熔合反應，溫度約 1 千 5 百萬度，也是產生 99% 太陽能的地方。由太陽核心往外到太陽半徑 75% 的範圍是輻射層，所有來自核心的光子不斷地在輻射層與粒子碰撞、被吸收、再輻射 (或稱散射) 而向外傳播。 由輻射層上方到太陽半徑 100% 的範圍是對流層，這裡幾乎不透明，所有從輻射層傳來的能量，在這裡以對流方式由高熱物質帶到太陽表面，冷物質則下沉，由於上下溫差很大，因此形成沸騰狀態。最後再由太陽表面把能量輻射至四面八方，這些能量從核心傳到太陽表面需要許多萬年的時間。 一般看到的太陽表面是光球層，範圍約是太陽半徑的 0.02%, 結構是由對流造成，溫度約 5,800 ~ 6,000 K (相當於攝氏 5,500 ~ 5,700 度), 底部是濃密的電漿態，會發射與表面溫度相當的熱輻射光譜，太陽黑子便是出現在光球層底部。 更上方的色球層沒有明顯上邊界，發光強度是光球層的萬分之一，被看到的機會不多，惟有在日全食的時候，當月球把整個光球層遮住時才能看到玫瑰色的色球層。如果色球層也一起被遮住，太陽四周會出現一片淡色的暈，稱為日冕。日冕層溫度非常高，可達 2 百萬度以上。日冕裡面粒子的熱運動速度非常快，某些粒子會脫離日冕層，從破洞，也就是從「日冕洞」溜出來形成太陽風，太陽風會以每秒 300 ~ 800 公里以上的速度吹出去。 進入太陽黑子新紀元 預測太空天氣要看太陽「臉色」, 也就是觀察太陽黑子的大小、多寡和位置。太陽活動極大期的時候，表面布滿大小黑子，最大黑子達地球直徑數倍。所謂的日珥、閃焰、日冕等太陽表面活動都與黑子直接或間接有關。太陽黑子的溫度約 4,000K (相當於攝氏 3,700 度), 因與太陽表面溫度 (約 5,800K) 比較起來相對較低，所以呈黑色。太陽是一種電漿體，電漿體是一種超導體，裡面會產生電流和磁場，因此太陽黑子也有非常強的磁場，大約是太陽表面平均磁場的幾百倍。太陽大氣層的最外層，在色球層外面的是乳白色的日冕層。(圖片來源:http://solarscience.msfc.nasa.gov/im ages/Ecl1991a.jpg) 太陽的自轉方式與地球的剛體自轉不一樣，它是一種「差動式自轉」, 接近赤道的地方轉得快，轉一圈約 23 天，而南北極轉得慢，轉一圈約 35 天。赤道與南北極旋轉速度的差異，造成太陽磁力線的糾結與纏繞。太陽內部擾流會因為磁力線糾結而部分浮出太陽表面，形成所謂的太陽黑子。太陽黑子大都成群結隊出現，通常隨太陽自轉移過太陽表面，磁力線因此越拉越長，最後扯斷，造成南北半球呈反對稱的成對出現。黑子數由極少 (小) 增至極多 (大) 再到極小，整個過程所花費的時間稱為太陽黑子的一個周期。 根據觀測資料，太陽黑子周期最長約 13.3 年，最短只有 7.3 年，平均 10.8 年，因此一般以 11 年為太陽黑子的平均周期。太陽黑子每經歷一個周期，南北極磁場就互換一次。若要南北極磁場再換回來，需要經過另一個黑子周期，因此太陽磁場周期約 22 年。繪製黑子分布圖時，若以年分為橫軸，以太陽黑子出現的緯度為縱軸，可看到同一個周期中，太陽黑子的分布形狀像隻蝴蝶，稱為蝴蝶圖。 太陽黑子出現時，「磁暴」和「閃焰」侵襲地球的機會加大，因此一般並不歡迎太陽黑子。可是太陽表面如果沒有黑子也會產生其他問題。譬如中國過去歷史上的嚴寒、夏寒、降水等，大都發生在太陽黑子極少或沒有的時候。此外，17 世紀中葉到 18 世紀初期近 80 年間，太陽表面沒有黑子 (一般稱為蒙德極小期), 影響所及使得地球經歷一次小冰河期。因此，黑子多寡會改變太空天氣，也會影響氣候。太陽黑子在 2006 年的 6、7 月進入第 24 周期，也就是說，我們已進入太陽黑子的新紀元。 地球有四大保護盾牌 太空中的太陽光、太陽風、磁暴、閃焰、隕石等會侵襲地球，幸好地球有四大盾牌保護。第一面盾牌是地磁層，可以阻擋太陽風。第二面盾牌是電離層，可以阻擋來自太陽的 X 光、超紫外線、紫外線等。第三面盾牌是大氣層，可以阻擋隕石。第四面盾牌是臭氧層，可以阻擋紫外線。 地磁場 地球磁場原本是對稱的，但在太陽風的吹襲下，形成迎太陽風面被壓縮、背太陽風面被拉拽的磁層結構 (magnetosphere)。這些磁層會與地球大氣層一起擋住來自太陽風的粒子，不過仍有少部分粒子由磁尾溜進地球極區與地球大氣碰撞，產生美麗極光。 電離層 離地面 50 ~ 2,000 公里的高空是電離層，裡面的電子和離子濃度非常大，可擋住來自太陽會傷害生物的高能光線，譬如 X 光、超紫外線、紫外線等。全球電離層濃度最高的地區南北半球各有一處，就是在地磁南北緯 15 度附近，臺灣正好位在北半球的異常區帶。 每天早上受到太陽光照射，菲律賓地區的磁赤道區因為光離化產生的大量電子和離子會向上噴發，最後降落在南北半球，使得臺北和高雄之間的電子和離子 (即電漿) 濃度達到全球最高。所以說臺灣位在「電離層赤道異常區」, 上空的太空天氣變化很大，導致電波傳播的雜訊相當大，通訊與定位導航作業經常受干擾。 大氣層 地球大氣層可防隕石，又可細分成對流層、平流層、中氣層、熱氣層及外氣層。對流層是離地面 10 ~ 12 公里的大氣層，這一區的對流作用旺盛，特徵是地面高度每上升 1 公里氣溫降低攝氏 6 度。 臭氧層 平流層是離地面 20 ~ 50 公里處，在這裡，部分氧氣受太陽光紫外線照射而變成臭氧，形成臭氧層。臭氧層能吸收紫外線保護部分地球生物。可能因為南極冬天照不到陽光，無法有效製造臭氧，所以南極冬天上空有個天然臭氧洞。近年來南極臭氧洞有擴大趨勢，北極和北半球臭氧量也大幅減少，情況嚴重，頗令人擔心。 中氣層是離地面 50 ~ 90 公里處，這裡的溫度迅速降低，達到大氣中的極低值。熱氣層是離地面 100 公里以上的地方，地球大氣溫度在這裡急速增至 1,500 ~ 2,500K 左右。外氣層是離地面 500 ~ 600 公里以上的地方，大氣分子會從這裡逃至太空，再也不回地球。 太空天氣與現代生活 太陽每秒鐘約有相當於 40 億顆氫彈的爆炸，平常釋出太陽光 (電磁波) 與太陽風 (電漿態)。太陽表面擾亂不安定時，會有太陽黑子區的爆炸事件，伴隨產生的是閃焰。閃焰會以光速傳至地球，擾亂地球電離層。太陽表面爆炸事件會釋出高能帶電粒子、日冕拋射物質、電漿雲等，並在 2 小時至 2 天後到達地球，引發地球磁場劇烈改變，這就是「磁暴」, 磁暴會造成惡劣的近地太空天氣變化。以下是幾個與太陽黑子、太陽風、隕石、閃焰、磁暴等有關的實例。 兩伊戰爭時，美國大量利用衛星科技，因此在攻打伊拉克前要觀看太空天氣，主要是看太陽黑子的位置是否正對地球。如果正對，就不發動戰爭，等黑子轉過去以後才開始攻打。為什麼呢？因為巡弋飛彈飛行時需要靠全球定位系統 GPS 定位和瞄準，而隨太陽黑子區爆炸事件產生的閃焰會干擾電離層，可能會造成衛星訊號偏移數公尺乃至數公里，所以要避開太陽巨大閃焰所引起的太空天氣變化。 此外，美國一座發電廠曾因太陽風暴產生感應電流使得整座電廠燒毀，造成北美五、六十萬用戶沒電可用，當時是冬天，很多人因為沒有暖氣而凍死。俄國地區也曾因為太陽風暴發生，地下油管因為感應起電而爆炸，還因此引起巨大火災。這些都是典型太空天氣引發的事件。 太陽黑子爆炸時，巨量的高能量帶電粒子、日冕拋射物質從太陽表面大塊飛出，幾百幾千個地球那麼大的電漿雲朝著地球飛撞過來，會把地球磁力線向內擠壓，使得同步人造衛星完全暴露在太陽風的轟擊下。這時候利用衛星科技的交通定位系統乃至導航、國防系統，都可能受到影響。 流星雨來的時候，如果人造衛星的太陽能板被打中，可能引起短路，燒毀人造衛星。因此流星雨發生時期，衛星姿態有時需要做適度調整與改變。此外，來自太陽的高能太陽風粒子，會因為撞到衛星上的電子元件而形成電荷堆積或電流。因此衛星上的電腦最好選用堅固穩當的古老型號，因為早期的線路比較粗大、比較堅固，不會一碰就壞。 衛星上使用的電腦元件也不能任意添加保護它的阻擋物，因為高能粒子轟擊阻擋物時，就像打撞球一樣，一顆變二、四、八...... 變成成千上萬顆粒子的轟擊，電腦在這樣的情況下被打到，很容易就毀損。 一顆價值幾十億元的人造衛星，有可能因為沒有注意太空天氣而被摧毀。科學家已提出警告，2010 年到 2011 年是太陽黑子第 24 周期活動的極大期，屆時衛星通訊和利用電離層反射電波訊號的能力，可能受到嚴重挑戰，因此需要加強監測並及早因應。未來世界將非常依賴太空天氣預報，萬一太空天氣劇烈變化，全球定位系統 GPS 定位可能出現嚴重誤差，衛星通訊可能中斷，定位導航容易產生誤差，這些狀況都會使得人類生活大受影響。從光球層和色球層竄出到達日冕層的熱離子氣體群，好像貼附在太陽邊緣的耳環，稱為日珥。(圖片來源:http://solarsystem.jpl.nasa.gov/multimedia/gallery/coronaloop_trace_big.jpg)

媽媽真偉大

母親節要到了，我們科學大解碼的單元，也來應應景，談談和母親有關的科學話題 - 懷孕。不知道您有沒有聽過一種孕婦會變笨的說法，今天的科學大解碼可要鄭重的告訴您，根據研究，懷孕不但不會讓女性變笨，反而，是變得更聰明呢！不過不知道是不是因為變得更聰明，憂鬱症也變多了，到底懷孕這件事，是怎麼改變女性的大腦呢，請看接下來的科學大解碼。內容大綱一個女人，是從什麼時候開始，成為媽媽的呢？不，應該更早一點；再早一點。沒錯，從懷孕開始，女人，開始蛻變為母親。而這種蛻變，不只是愈來愈大的肚子，還有妳的大腦。在動物實驗裡面，有懷孕的大鼠跟沒有懷孕的大鼠，她們腦裡面的神經元大小會不一樣。不只是大鼠，科學家發現，人類女性在懷孕時，卵巢和胎盤會產生大量的生殖激素，雌性素和助孕酮；而下視丘和腦下腺則分泌催產素、泌乳素及腦內啡等幫助生產、哺乳的激素。而所謂的母性更是其來有自，只要看著自己的小孩，媽媽大腦裡的報償區域就會活化，讓媽媽感到心滿意足；聽到小孩哭聲時，媽媽腦部的下視丘、前額葉及額葉眼眶面皮質也都活化起來。懷孕活化了大腦，我們可以說是母親為了孩子變的更聰明，更能幹，卻也容易因為過程中的壓力，誘發憂鬱症，最常見的，就是產後的情緒低落。小孩子生出來了，應該要很高興的，但似乎沒有太高興，有時候會無緣無故的掉眼淚。這種產後情緒低落的經驗，一半以上的產婦都有過，幾天就會回復。但如果已經符合憂鬱症的診斷標準，不管是產後或是懷孕期，都必須慎重考慮，接受藥物治療。事實上很多的藥是還是可以吃的，因為沒有吃藥的話，她的身體，比如說，她的身體狀況不好、精神狀況不好、營養狀況不好，這樣子對小孩子的傷害會更大。專家表示，25 到 44 歲，處於生育年齡的女性，本來就是憂鬱症的好發族群，需要特別注意。媽媽的母性也許是先天機制所造成，但媽媽的健康則要靠全家人共同來珍惜。2008 年東森電視台《科學大解碼》第二期

機緣與肯定,創造生命的價值–楊吉水教授

螢光高分子的概念竟然可以應用在爆裂物的感測器上，特別是掃描地雷的埋藏位置，靈敏度甚至比掃雷犬還要高！這是曾獲得中央研究院年輕學者研究著作獎、中國化學會傑出青年獎及國科會傑出獎的臺灣大學化學系楊吉水教授帶給全世界的驚喜。 長年面對的永遠是一群年輕活潑的大學生，楊老師身上流露著溫厚可親的笑容，詼諧的眼神、富含磁性的聲音與言談間充滿了對人生樂觀的態度，總會令人不自覺地感染到他研究生活的朝氣與活力。初次見到楊老師的國外學者都會不由自主地向他說:「You look so young!」, 此時他總會以幽默的口吻回應:「Of course! I am Yang!Always Professor Yang。」 國際化的成果 作為一名地雷終結者，目前也是亞洲光化學協會臺灣地區的代表委員，投入光化學及有機發光材料研究已有近 20 年的經驗，說話不疾不徐的他，談及掃雷工具研發的成果，能為國防科技與人類性命安全搭起緊密的橋梁，感到無比的欣慰。他說在美國西北大學就讀博士班時才開始鑽研光化學，畢業後抱持著到一流名校感受研究的風氣及貢獻他這方面所長的想法，順利申請到麻省理工學院擔任博士後研究員。當時美國籠罩在恐怖攻擊與國際戰事的陰影下，實驗室主持人正與國防部合作，進行一項關於地雷探測與掃除的軍事研究計畫，但始終毫無進展。 名校的博士後研究員薪水並不高，又身處物價不斷攀高的波士頓地區，生活相當不容易。為了爭取計畫主持人所承諾的加薪條件，楊老師憑著紮實的基本功夫，以 2 個月的時間突破瓶頸，研發出具有高靈敏度及高時效性的螢光薄膜，藉由這套薄膜材料的非實體接觸感應方式，能偵測空氣中黃色炸藥 TNT 所揮發的微量氣體，進而得知地雷的隱藏點。這項創新的學術發現多次刊載於《美國化學會誌》等國際一流期刊，更被多種專書及國際學者引用，平均每篇被引用次數達五百多次以上。此尖端技術不但獲得專利，後來也應用在伊拉克戰場上，成為解救軍人性命的靈丹。 自我探索 確立目標 當年為何走上化學研究之路？楊老師坦言主要是順著自己的個性及當時聯考成績的選擇。高中念的是高雄中學醫科班，儘管後來聯考成績可達陽明牙醫系錄取標準，在家人的期望下也曾一度徘徊在是否重考醫學系的抉擇中，但幾經思索，他深深覺得人的青春很寶貴，花在補習班重複閱讀已讀過的學科，相對也就失去其他學習的機會，況且醫科也不見得是自己一生的鍾愛，最後就依照著理科志願進入臺大化學系。 在大四進入實驗室做專題時，才開始近距離接觸教授及進入正式的研究生活，那一段時間他愛上了這種自由無拘束、探索新事物及富有創造力的空間，這樣的生活隨時充滿著挑戰的新鮮感，同時因為學者與同行間的交流，更有機會出國見識、體驗不同的文化差異，滿足小時候環遊世界的夢想。為此他先後在有機化學及電化學領域努力耕耘，把專題研究的分量擴充並獨立撰寫成 1 篇論文發表於國際期刊，也是他人生的第 1 篇學術論文。 楊老師以他第 1 次寫論文的經驗為例，雖然戰戰兢兢，花費許多修改、查證與整理的功夫，但這樣鞭策自己的過程越早開始，越能刺激自己去掌握完整的背景知識、思考整體的架構，以及實驗設計的邏輯性，也才是一個科學家展現求知欲望的源頭。 因緣際會進入光化學領域 楊老師謙稱在當時的時空環境下，能進入西北大學一頭栽進自己喜愛的光化學領域，除了師長的幫忙外，運氣的因素應是免不了。他說，在 64 天安門事件之前，臺灣學生申請就讀美國大學的化學研究所博士班相當容易，只要不是成績太差的都還能拿到全額獎學金。但天安門事件後，大陸開始加速改革開放，美國也給中國留學生名額上的優惠，導致大陸許多優秀人才大量湧入美國，嚴重擠壓到台灣學生的機會。再加上當時的西北大學化學系與大陸的蘭州大學有密切的合作計畫，每年都有 3 至 4 個保障名額，致使台灣學生能申請到該系的機會微乎其微。 為此，楊老師初始即以全美排名約二十左右的學校為申請目標，後來碩士班的導師劉廣定教授看到這些名單，認為他似乎自信不足，或缺乏遠大的抱負，因而鞭策他也要試著申請幾間排名較前的學校。 當時索取入學申請表格常耗時二個多月，如欲改申請排名較前之學校，時程已頗為緊迫；所幸恰好有一位助教決定放棄當年度入學申請，楊老師幸運地取得西北大學申請表格。最後，憑藉本身擁有的專長及研究成果發表於國際期刊，加以劉廣定、何東英教授兩位老師的推薦，終於被西北大學所錄取 (當時化學排名第 12)。他的生涯從此有了美麗的轉彎，有了喜悅與奮鬥的目標。 而從他後來的學術成就受到國際學界的肯定，更證明了他在光化學與物理有機化學領域所作的貢獻。目前，楊老師的研究工作橫跨有機與有機金屬小分子與高分子光電材料，他期許自己能不斷推陳出新，為相關領域的研究寫下精采的篇章。

熬夜會如何

現代科技使許多人喜歡選擇少睡或不睡的方式來消遣整晚的時間，尤其網路系統發達後，網路上許多資訊似乎都在向人招手，鼓勵人熬夜去探索無限寬廣的世界。許多老師都感嘆，學生熬夜上網的結果，白天的表現就不好，苦口婆心地希望學生作息正常。矛盾的是，繁重的工作量使得有些老師自己也常熬夜。 然而這些老生常談的金玉良言，對學生很難有規勸的效果，對需要熬夜的老師也不具說服力。看在認知心理學家的眼裡，會希望能有更充分的科學支持，讓看似陳腔濫調的話有新的力量為後盾；或者，熬夜後所犯的錯誤至少也要找到補救的方式。 原中正大學心理系的謝淑蘭教授 (目前任職於成功大學心理系暨認知科學研究所), 專長在人類認知功能，原同系的蔡玲玲教授，則以大白鼠來研究動物的睡眠行為。蔡教授注意到在人的睡眠研究中，還沒有探討過睡眠被剝奪者的錯誤監控，因此找謝教授一起設計實驗。 在她們之前的研究已經觀察到，人類的行為監控系統，會讓個體在快速反應作業中一旦發現錯誤時，下一項作業的反應時間會變慢，這被視為個體發現錯誤之後的自我調整和補償機制。而電生理方法還可看到受試者在發現錯誤之後，額葉中央會出現一明顯的負波 (ERN), 稍後還會在頂葉區域產生一個明顯的正波 (Pe), 這二者是探討錯誤監控歷程的重要電生理指標。 謝教授等人想安排睡眠剝奪者來參與實驗並不容易，因為要找自願者來實驗室，在人監控下整晚都不睡，然後再於隔天去做修改版的「旁側夾擊作業」。這樣的安排是讓受試者在電腦螢幕前面，根據螢幕出現的箭頭左右方向或某些英文字母，決定左手或右手按鍵。在目標訊息旁邊會有一些其他的干擾，有的會和目標一致，有的則會相反，因此受試者要有相當程度的專心才不至於做錯。 另外，還需找一天正常睡眠的日子，再做一次相同的測驗。實驗還要求在操控這一天前的一周內，一定要按照規律的作息有正常睡眠，好讓影響的因素單純化。 謝教授等人的一系列研究得到非常豐碩的成果，這裡簡單列舉幾點。首先，並不是任何一種難度的作業都可以看到睡眠被剝奪者的反應正確率下降、錯誤率上升、忽略未答的比率提高，且都達到統計上的顯著差異。謝教授認為可能是作業難度也有影響，目前看來過於簡單的差異會比較明顯，有點難度的反而差異不大，或許這時受試者必須提振起精神，因此認知功能會被激發到某種程度而驅走睡意。 另外便是睡眠被剝奪者的 ERN 和 Pe 的振幅都會縮小，但是 Pe 縮小的幅度未必達到統計上的顯著差異。這顯示認知功能並不會全面受到睡眠剝奪的影響，其中應該還有許多值得探討的地方。 謝教授還分析錯誤產生之後下一題的錯誤率，發現睡眠受剝奪者的錯誤率會有增加的情況，意味著這時個人犯錯之後自己提醒調整行為的能力變差，比較不能如同睡眠正常時察覺自己出錯而加以提醒。因此這種情況容易導致一錯再錯，如果出現在真實情境中，恐怕會造成非常大的傷害。 謝教授等人最新的研究有個特別的操作，就是在測驗前多加一句指導語，告訴受試者:「等一下測驗時，你如果發現錯誤，請馬上校正。」結果顯示，只要這樣外在明確的一句話，就能使得受試者的錯後調整行為無論在睡眠有無被剝奪時，都可達到一定的水準。 因此謝教授了解到，睡眠被剝奪後錯誤監控與即時調整的能力雖會下降，但如果能有適當的外在提醒，他們還是有可能自我發現而校正回來。因此她覺得重要的工作場所，應該舉目所及都有警語提醒工作者:「如果發現錯誤，請立刻修正。」這樣或許無法避免犯錯，但是可藉由個人的認知監控系統及時校正，避免產生無可挽救的錯誤，或許可謂「不怕念起，只怕覺遲」。 不過謝教授認為還是那句老話:「不要熬夜。」從事睡眠研究之後，謝教授觀察到睡眠被剝奪者會有些特殊的行為，她不只在學生身上看到，甚至開會時在同事身上也可看到。雖然這些人還是會誇口，自己整夜沒睡或只睡 2 ~ 3 個小時但精神很好，謝教授卻從專業觀察中擔心其決策品質可能下降了都不知道。學生還好提醒，但誰願意去提醒自信滿滿的同事呢？

現代文明疾病:保持健康的自然治癒力

與生俱來的自然治癒力 地球上除了人類在傷病時可尋求醫藥的幫助外，所有生物生病或受傷時都可以靠自己的力量恢復健康，這就是生物與生俱來的自然治癒力。相反地，人類社會醫藥發達，當患病或受傷時，大多通過醫療的手段以求身體復原。 在治療過程中，疼痛和發炎是身體發出的警訊，以誘發身體的自然治癒力。止痛藥最大的壞處是關掉身體受傷的警訊，使中樞神經系統無法得知身體已被病原體入侵，也因此未能啟動自然治癒力的機制。缺乏身體的自然治癒力而單靠藥物的支持，療效一定不大理想，還會帶來無法估計的藥物後遺症。然而，對病情的正面態度、開朗的心情，以及得到慰藉的心靈，對自然治癒力的驅動也是不可或缺的。 自然治癒力的機制 身體中大多數的蛋白質是用來支撐細胞和器官的，而骨骼、皮膚、肌腱，以至軟骨組織等的堅韌度，都是由韌性強而呈纖維狀的「膠原蛋白」所提供的。在皮膚深層和肌腱裡的「成纖維細胞」, 能不斷地產生膠原蛋白，使皮膚組織變得更健康，也讓肌腱與肌腱間更能緊密地結合在一起。當皮膚受到燙傷或肌腱受到外傷時，「成纖維細胞」會大量分泌膠原蛋白，把受到破壞和斷裂的部分重新連接起來，是身體自癒力的一種機制。 身體受到外來病原體入侵時，受到感染的部分首先會引起發炎反應，這是身體因入侵者所發出的警訊，受到感染的細胞會釋放出發炎反應物質，如組織胺、前列腺素、白三烯酸等。發炎反應物質會增加局部血管的通透性，因而產生紅腫和疼痛的現象，讓血液能大量注入受感染的地方。此外，發炎反應物質可通報中樞神經系統，使白血球能迅速派遣到受感染的部位以消滅入侵者，而嗜中性白血球、巨噬細胞及活化的淋巴球是主要防禦細菌、病毒入侵的免疫細胞。 一旦病原體被清除後，發炎反應的訊息隨即消除，跟著取而代之的是收拾因病原體入侵所造成的破壞，這就是所謂的「抗發炎」反應。這時，脂肪細胞會適時釋放出「抗發炎」的二十碳脂肪酸以修補戰場。嚴格來說，發炎反應扮演著敵前偵察部隊和善後工作的角色，也是身體自然治癒力呈現的一種機制。 由於內在基因變異和外在癌症誘導物的因素，使得人體中不斷地產生癌細胞，可幸的是人體中的免疫系統可識別癌細胞並把它消滅。可是，當人體免疫力下降時，癌細胞便有機可乘，繼續增生而成癌細胞腫瘤。在抵抗內生性的癌細胞時，免疫系統中的輔助型 T 細胞扮演非常關鍵性的角色。當輔助型 T 細胞偵察到癌細胞時，會釋放出不同的細胞因子來激活巨噬細胞、自然殺手細胞和殺手 T 細胞，以圍攻並殲滅癌細胞。 自然治癒力的原動力 發炎反應是身體防禦系統的最前線，當有外物入侵時，會適時適量地釋放出二十碳脂肪酸、組織胺等親發炎物，誘使免疾系統中的巨噬細胞吞食病原體。同時，巨噬細胞會釋放出白細胞介素 - 1 的求救訊號，並經由血液循環系統刺激大腦的下視丘，以調升中樞神經系統所設定的體溫，這就是身體受感染後的發燒現象。 高溫能促使免疫 B 細胞和 T 細胞的快速增生，同時，巨噬細胞在發燒的情況下，更加活化它的吞食並分解病原體的能力。當體溫超過攝氏 37 度時，病原體在細胞中的增殖受到抑制，因此發燒也可說是保護人體免於病原體入侵的一種機制。由此可知，發燒、炎症、疼痛等不適症狀，是免疫、神經、生理系統對病原體入侵所產生的綜合性自然治癒反應。 現代醫學只強調對症下藥：發燒時用退燒藥，發炎時用消炎藥、止痛藥，受感染時用抗生素。這樣，患者也許感到暫時好轉，可是這種治療手法只是在抑制症狀，但嚴重地擾亂人體中與生俱來的自然治癒力，只是拖延了疾病治癒的時程而已！替代療法 (或自然療法) 是指現代正統西方醫學以外的一切療法，包括傳統醫學 (含中、印、中東等的傳統醫藥)、針灸、指壓、芳香療法、輔助療法或草藥療法、呼吸法 (含中國氣功)、太極與瑜伽等。這些古老的醫療方法有助於提升自然治癒力，如果主流醫學能把人體的自然治癒力納入診療的考量，並與替代療法相輔相成，那會是廣大病患的福氣。 環境、壓力與自然治癒力 壓力是身心疲勞的主要因素，而壓力是來自多方面的。現代醫學已把壓力數量化，而量化指標包括社會和工作兩方面。前者包括「離婚」、「分居」、「刑事訴訟」、「近親死亡」等；而後者包括「被解雇」、「退職」、「新工作環境」等。一年中壓力指數持續過高的，有 79% 的人會罹患某種疾病，可見精神壓力和身體疾病有密切的關係。 憂鬱症是一種強烈的悲傷和失望感，對任何事情都不感興趣，人生陷入無力感的精神狀態。憂鬱症患者的淋巴球有弱化反應，使得自然殺手細胞的功能下降，因此患者罹患癌症的機率增高。壓力也會促進腎上腺皮質釋出可體松的類固醇，它是一種抵抗壓力的激素，但濃度高時會破壞腦組織中的海馬體，導致記憶障礙，嚴重的會造成老人癡呆症。此外，壓力也可提升血中葡萄糖和胰島素的濃度。因此，長期處於壓力的狀態是形成糖尿病、老人癡呆症、癌症等重大疾病的遠因。 在受到短暫壓力時，血中的副腎上腺素、腎上腺素、可體松等壓力激素指數會提升，促使自律神經系統 (包括交感神經系統與副交感神經系統) 做出迅速的反應。這時，交感神經亢進而令腦內釋出副腎上腺素，而副腎髓質會釋出腎上腺素，結果是心跳加快，血壓升高，同時促使肝臟把葡萄糖釋放到血液中，胃腸蠕動降低而導致便秘，這些都是交感神經系統亢進所產生的生理和病理現象。一旦壓力消除後，這些生理與病理現象便隨之消失而回復正常的狀態。 若長期處於壓力的狀態，訊息會慢慢地輸入腦裡，腦內會觸動另一個對壓力生理反應的「下視丘→腦下垂體→副腎」系統。下視丘會釋出副腎皮質釋放激素，刺激腦下垂體分泌副腎上腺皮質激素到血液中，因而刺激遠端副腎中的副腎皮質，使得它釋出可體松。長期分泌可體松會造成副腎肥大，又因腦下垂體不斷產生副腎上腺皮質激素，抑制了刺激睪丸或卵巢的激素、成長激素、毛髮黑色素等的產生，其結果可導致患者的睪丸或卵巢萎縮、停止生長、毛髮變白等的病徵。 可體松是哺乳動物維持生命不可或缺的激素，血液中維持一定量的可體松有其必要。然而，可體松分泌過量會使存放在肌肉、淋巴組織、結締組織等裡面的蛋白質大量分解成胺基酸，並把它們輸送到肝臟代謝成葡萄糖，產生能量以提升體能。在這情形下所引起的後遺症，就是淋巴球減少而使免疾力下降。因此，維持自律神經系統 (交感神經與副交感神經系統) 的平衡是調控可體松適量釋出的關鍵因素。 精神 (心靈)、神經及免疫系統是自然治癒力發揮的基本三要素，若這三位一體的互動失去平衡，就很容易罹患內在或外在的病變。因此，抱持希望的人會促進大腦活化，交感和副交感神經能保持均衡，強化的免疫系統會把病原體擊退。反之，灰心和失望所形成的壓力，會使大腦、交感和副交感神經系統失衡，致使免疫系統弱化而增加罹患疾病的風險。 然而沒有壓力的生活也不見得是一件好事，沒有刺激使人生變得無生氣。無目標的人生最後也會變成另一種壓力，久而久之會破壞腦組織中的海馬體，患者記憶力下降而引發老人癡呆症，這是「退休症候群」發生的一大因素。適度的操心與壓力在人生中是不可或缺的，學習如何處理和舒解壓力的方法，才是面對壓力的最佳態度。 強化自癒力的營養補充品 疲勞的病徵是缺乏活力、記憶衰退、注意力無法集中、動作遲鈍、工序錯亂、工作效率差等，壓力引起的疲勞是經年累積而來的，因此舒解之道是先正視壓力源的存在。 在壓力和慢性疲勞的情況下，會引起營養流失，而使免疫力衰退，細胞生長受阻，最後導致自然治癒力的下降。因此提升自然治癒力，可以從營養的補充做起。蛋白質、脂質及糖類是身體構造和能量來源的三大營養素，因此三大營養素的平衡攝取對自然治癒力的提升是必須的。營養素的攝取、吸收、利用，以及能量的轉換，必須靠 8 種維生素 B 群的協同作用始能完成，8 種維生素 B 群是 B1、B2、菸鹼酸、B6、B12、葉酸、泛酸和生物素。 營養素要靠酵素轉換，人體中超過半數的酵素是利用金屬鋅為協同因子，也就是說，缺乏鋅會使體內大部分的酵素不能發揮應有的作用，因此鋅也是提升自然治癒力的必需材料。但鋅在體內儲存量不多，必須在日常飲食中補充。糙米富含維生素 B1 和 B2、食物纖維，對糖類和脂質的代謝是必須的，同時也可促進腸道中廢物與毒素的排出，因而可提升免疫力，這也是糙米能提升自然治癒力的原因。 大蒜、韭菜與洋蔥中富含硫化丙烯 - 蒜素，能與維生素 B1 結合成蒜硫氨素，使維生素 B1 不致從汗水或尿液中排出。此外，大蒜可使腎上腺素釋出，導致交感神經亢進，提高能量生產、升高體溫、促進血液循環、提振精神等。人參中含有皂啟，不但能擴張末稍血管促進血液循環，還具有刺激中樞神經系統、促進代謝的效果。這是大蒜、高麗參等食物能提升自然治癒力的理論基礎。 在對抗因壓力而釋出可體松時，維生素 C 是不可或缺的，同時交感神經興奮時，也需要大量的維生素 C。維生素 E 有時用來治療自律神經失調症，可緩和肩膀酸痛、手腳冰冷等症狀，也可以使身體末端及表皮血管的血液順暢，這是排除壓力不可缺少的營養補充品。EPA 和 DHA 是深海魚類富含的兩種脂肪酸，具排除血管中膽固醇和中性脂肪的功能，可促進血液循環而提升自然治癒力。 活性氧是一種強力的基因誘變劑，也是癌症產生的主要原因之一。紫外線會使細胞產生大量活性氧；免疫系統中的巨噬細胞在吞下病原體時，為了殺死入侵者也會釋出大量活性氧；在粒線體上的呼吸鏈在產生能量時，也會產生活性氧。因此，若身體不能除掉活性氧，就有產生癌細胞的可能性。 幸好細胞中也含有大量的抗氧化劑，如超氧化物歧化酶、維生素 A、C、E、類黃酮等。在蘑菇類食物中的聚葡萄糖，是能夠抑制癌細胞轉移的一種多醣類，對免疫系統的巨噬細胞、B 細胞、殺手 T 細胞等具有強化作用，因此選擇正確的食物也能提升自然治癒力。 提升自癒力的正確態度 運動可提高體溫，改善血液循環，因此定期做適度運動的人，可增強身體的免疫能力，不易受病原體感染。可是，過量運動反而會降低免疫力，容易罹患感染症。有氧運動最能促進骨骼肌肉細胞對葡萄糖的吸收與代謝，有氧運動包括健行、慢跑、游泳、固定式腳踏車等。建立持續運動的習慣除了可強壯肌肉、健全心肺血管外，更可以消耗多餘的熱量以維持理想的體重，也可增強體內胰島素的功能，大大降低罹患糖尿病的風險。 在運動時，腦組織中的下視丘會釋出具鎮靜作用的化學傳導物：腦內啡肽和多巴胺，可使運動者有興奮的感覺，壓力也可藉以消除，使身心得以輕鬆。這種化學傳導物會使大腦產生成就感和陶醉感，這就是持續運動的原動力。對身體健康及自然治癒力的提升而言，交感與副交感神經系統的協調與平衡是必要的。老化與疾病都會導致副交感神經活性的下降，而下降的程度與疾病的嚴重性有直接的關係。因此，持續運動如練習太極、瑜伽等可調節自律神經系統的平衡，令身心得到健康。 幽默和笑有促進免疫系統活性的效果，同時，幽默和大笑與阿斯匹靈一樣有抑制疼痛的效果，也可以像抗憂鬱藥似地改變腦內的傳導物，如腦內啡肽、多巴胺等的種類與數量，使患者具抱持希望、自信等正面的情緒。常抱持期待和希望，以正面的態度對待日常發生的問題，儘量以幽默和大笑來調解工作上的緊張、憤怒、疲勞、混亂的情緒，可以活化人體的免疫能力，使自律神經系統得到平衡，進而提升身體的自然治癒力。因此，樂觀與幽默的人生，以積極和正面的態度面對問題，是最有效的壓力管理方法。

資訊科技與生活:網路世界中的性愛關係

資訊科技的進步使得過去不可能做到事情變得可能，如商品購買不再一定要面對面，透過網路，24 小時都可以進行購物交易。在男女性愛方面，也因資訊科技，可以透過網路建立遠距離的男女關係，使性愛關係產生快速的變化，而這些變化都和網際網路脫離不了關係。因此，明白網際網路對性愛關係的影響，有助於對 N 世代年輕人的性愛觀點的了解。 何謂網路性愛 「Cybersex」可譯成「網路性愛」、「虛擬性愛」、「視訊性愛」、「電子性愛」等。「網路性愛」, 是在網路虛擬世界中，男女雙方沒有實際的身體接觸，只透過視覺或聽覺的感受，建立類似真實世界中的性愛關係。線上互動的雙方可能認識，也可能不相識，而利用網路的線上交談 (如聊天軟體、聊天室、部落格等) 或以視訊方式 (如網路攝影機) 認識彼此，可能成為男女朋友，進行網路性愛關係，也可能只是一時興趣發生網路一夜情。 男女親密關係的建立，最初由線上聊天發展至進行網路性愛關係，整個過程可以用文字、說話語音、圖片或影像來進行。雙方以充滿挑逗性的文字、聲音或肢體語言互動交談來獲取性刺激，甚至玩性愛遊戲，如「誰輸就要脫掉身上衣物」, 直至雙方身上一絲不掛為止。更甚者可能會在網路攝影機前裸露或做出挑逗的性動作，如自慰，給對方欣賞。再則，若未透過視訊方式，只是透過線上聊天或文字傳送，由於彼此不相識，各自性別或身分可以隱藏，雙方能夠毫無顧忌地說出現實生活中壓抑在心中的話和對性的需求。 由於虛擬網路性愛可以「很率性」、「很豪放」、「很露骨」, 只要你喜歡，沒有什麼不可說、不可做，得以盡情在虛擬網路世界中滿足性刺激和性幻想。事實上，網路性愛已在網路世界中逐漸流行，也讓 N 世代的網路使用者漸漸接受的新男女朋友交往方式。 網路性愛是透過視訊方式如聊天軟體或 Skype, 看到對方表情和身體或聽到對方聲音，但是無法傳送實際性愛過程中的觸覺和感受。因此，透過視覺感受有多少人會獲得真正性愛滿足，不得而知。或許有朝一日，當人工觸覺技術 (artificial touch technology, 簡稱 ATT) 可以克服實際身體觸覺感官問題時，網際網路有可能讓人在網路上，感受到如現實生活中男女身體接觸的感覺。 現實和網路中的性別角色 在現實社會中，人類的性別區分鮮明可見，無論在服飾、空間使用、商品廣告等，都有性別的刻板印象。如公共廁所外部的標示符號，以穿著「藍色長褲」圖形代表「男性」, 穿著「紅色裙子」圖形代表「女性」, 使用主觀認知的顏色 (紅色代表女性，藍色代表男性) 和圖形，來區隔男女使用廁所空間的差異性。 在現實生活中，性別的區隔明顯，不易混淆，讓男女受到自我性別的某些規範。如在兩性關係中，女性特質應屬於被動且具害羞個性，男性特質則須主動積極且具果斷個性。在性愛關係中，當女性說「不」時，常被男性誤解為是被動害羞所說的反意思，以為女性說「不」其實本意是說「是」, 這樣的誤解常造成女性心理或身體的傷害。 事實上，無論男女都生活在性別壓抑的社會中。尤其對女性而言，如此嚴謹明顯的社會性別規則，讓女性的性愛關係因性別角色受到壓抑而難以突破。例如，男性看到女性身體常被視為是「賺到」, 女性自己的身體被男性看到常被視為是「賠本」。女性若不依自我性別扮演性別遊戲規則中的女性角色，則易招來他人的側目或責備，造成想突破性別規範的女性，感受到一股來自社會的極大壓力或自我的心理壓力。 由於女性常被期待須扮演純潔、忠貞的性角色，若表現出積極追求愉悅性愛，容易被貼上負面印象標籤，如淫蕩、蕩婦、豪放女等稱呼。換言之，女性在性愛過程中不被鼓勵追求自我性快樂，反而須扮演順從和依附者的被動角色。男性性角色則相反，須積極主動追求快感。 網路性愛關係能夠快速興起，主要是因為網際網路具有 3 項重要特質，就是所謂的「三 A 引擎」: 可接近性 (accessibility)— 網路隨手可得且方便訊息存取，更重要是，容易學習上手操作使用；可負擔性 (affordability)— 使用網路費用便宜且成本低廉，一般消費者都可以負擔得起；匿名性 (anonymity)— 網路世界中使用者的性別和身分不易曝光，雙方對性愛的表達可以比現實社會中的性愛關係更大膽和開放。 在網路上體驗性愛經驗者或談論者，或想購買情趣商品的使用者，都可以在網路匿名性的保護下做這些事，可以讓使用者覺得更自由自在。 男女對現實性愛的觀感，會影響自我對網路性愛的看法，使得現實社會中刻板化的性別關係會延伸到網路世界。 性學專家何春蕤教授在《身體情慾賺賠邏輯》一書中提到，「情慾流動其實被男強女弱、男進女退、男爽女虧的不平等權力關係所滲透。」由此，在虛擬網路世界中，使用者扮演女性角色時，可能會刻意做出對應現實中理想女性形象的行徑，如「傻笑、害羞、臉紅，而且動作不能具有侵略性」。當網路角色是男性時，則須「果斷、積極、大膽」, 會肆無忌憚地談性，甚至表示自我的「雄性威風」, 以達到吸引女性的目的。 現今網路使用者彼此間的交友或聊天互動，仍以文字交談方式為主，視訊方式尚未普遍。在虛擬網路世界中，雙方互動者的性別、年齡、外表、種族、身體健康情況等容易透過視覺和聽覺產生個人主觀判斷或偏見的因素，都可以克服或欺瞞。因此，在虛擬環境中，人們可以暫時脫離現實社會對性別角色的限制和規範，包括交友、性愛、情趣商品購物等活動。 在現實生活中的個性內向男女、性壓抑者、特殊性偏好者或性侵犯者，容易在虛擬網路世界中得到性慰藉。這些人可以在網路世界中扮演自己想扮演的性角色，或建立性關係，甚至透過色情網路滿足自我的性需求。網路世界的性別角色扮演充滿虛幻、浪漫和刺激，網路性愛關係可說是現實世界性愛關係的延伸。 網路世界中性愛關係的問題 網路世界中無疆界、無時間和地點限制的特性，使人和人之間的互動更顯得寬廣和多元，也使個人享有更多的便利和隱私。網路使用者面對的是一個虛擬的環境，若使用者缺乏誠信，刻意隱瞞自己的性別等個人相關資料時，會使互動的對方根本無法獲知真實的性別和身分。 在網路上為了性愛目的，使用者會上色情網站交性伴侶、看性愛圖片、從事性交易等。有些網友迷上網路情人，喜歡和網路情人從事性愛關係，導致疏忽自己的伴侶，甚至影響到婚姻生活。有些網友伴侶為讓自己伴侶遠離網路性伴侶，只好做出符合自己性伴侶的特殊需求，而導致身心疲憊。 網路原本希望能成為新的社交空間和方式，使用者可以透過網路彼此平等互動，而無關性別、年齡、種族或階級。然而針對女性所產生的性別歧視、性騷擾和性暴力，在網路世界中仍同樣存在。 有些男性網路使用者被女性網友拒絕交往時惱羞成怒，於是在網路上傳遞該女性電子信箱帳號、私人相片並附上挑逗文字，讓人誤會該女性網友是從事網路性交易者，造成女性使用者不斷收到性交易的查詢郵件，而在精神上和心理上飽受折磨，卻又百口莫辯。網路性騷擾事件的發生，以女性較容易遇到，因為女性常被視為「弱者」, 認為遇到性騷擾事件較不會聲張。再則，女性遇到性騷擾事件常被誤會是自找的或個人行為不檢所導致的，女性為維護自己形象以免被誤解，也只好沉默。 另一爭議性問題是在網上結識異性而發生網路性行為，算不算對自己伴侶不忠實呢？現今社會仍以「一夫一妻制」為主，並把伴侶和自己以外的人發生性相關活動都視為不忠的行為，雖然網上性愛無實際身體接觸，但是精神上的外遇讓大多數女性更難以接受。 多數人對自己伴侶看色情圖片或影片採接受態度，卻難以接受自己伴侶和自己以外的異性發生任何性相關活動，包括網路性愛關係。大部分女性或男性發現自己伴侶網路外遇時，最普遍反應是覺得被背叛、傷害和氣憤，鮮少能釋懷當作沒發生過。 網路上性愛方式變化多端，而且言詞文字挑逗性令人渾然忘我，會讓人忘記實際性愛關係中的羞澀，造成使用者願意花更多時間，追求線上性愛聊天或圖片欣賞，這種網路性愛上癮行為可稱為「網路性愛癡迷症」。 它的症狀就是在網上的活動開始干擾自己的工作、學習、正常娛樂及正常的社交關係。為了搜尋性幻想和色情作品，網路性愛癡迷者每周花在色情網站上的時間，會達到或超過 11 個小時，造成使用者心情沮喪、社交孤立、婚姻失和、熬夜影響健康、工作時精神欠佳，因而影響工作成效或導致失業。甚至因成人疏忽而讓孩童接觸到色情網站∕圖片等，造成使用者身心受創。 有些色情網站需付費才能觀賞網站中性愛內容或交友從事網路性愛遊戲，網路使用者為了網上性交易，付出高額金錢購買性愛圖片、光碟或觀賞影片，導致財物受損，甚至成為信用卡卡奴，造成債台高築或面臨法律問題。 這些網路性愛癮君子難以用意志力或道德勸說來阻止網路性愛的癡迷行為，唯有尋求心理諮商治療。若不願親自面對心理醫師或諮商治療師，可以透過相關網站提供的資訊來自我協助，如「兩性成癮者匿名會」(Co-sex Addicts Anonymous, 簡稱 COSA)。 網路性愛讓男女可以獲得性愛選擇的自主權和隱密性，讓男男女女可以瘋狂談戀愛。網路性愛甚至可能解決個人在生理方面的需求或對性愛的好奇心，疏導個人的性壓抑，或許也能防止真實社會中性病的傳播，如梅毒或愛滋病的傳播，但是透過色情網站所製造出來的電腦病毒更讓人頭痛。 網路性愛是一個新的性愛領域，也是性愛的革命，若能克服網路性愛帶來的負面影響，或許男女關係會因網路性愛關係而產生變遷。尤其對女性而言，或許是增強性自主和婦權、擺脫現實社會中的性別刻板印象的方式之一。

從人類基因解碼到未來新醫療體系的最佳利器 – 生物資訊

人類基因體計畫的完成，已成功地將去氧核醣核酸 (DNA) 上約三十億個核啟酸單元 (A、C、T、G) 的排列順序定出，這些龐大的資訊，足以填滿超過二千片的電腦磁碟或二百本每本厚達五百頁的電話簿。而在後基因時代中，科學家們將致力於研究蛋白質體學，此一領域主要在探討：不同的基因 (約四萬個) 在何時會在哪些細胞中作用；這些基因所表現出來的蛋白質結構，以及它是如何在細胞中作用的；各種基因在不同疾病上所扮演的角色等問題。這將會產生極為龐大的生物資訊，需要妥為儲存以供比對與運用，而生物資訊學 (bioinformatics) 將是處理這類龐大資訊的最佳利器。 生物分子 在還未進入生物資訊的主題前，先了解一些主要的生物分子，這些分子包含去氧核醣核酸 (DNA)、核醣核酸 (RNA)、蛋白質、醣類及脂肪等。每個生物細胞均是由這些重要的生物分子及水所構成。 DNA 是負責遺傳的主要分子，由 A、C、T、G 四種不同的單元依任意的順序排列，例如一個有 10 個單元的 DNA 分子，會有 4 的 10 次方種不同的排列順序，各種生物的遺傳雖然均由 DNA 分子負責，由於排列順序的差異，以致造成相互間極大的不同；RNA 是負責傳遞遺傳訊息的分子，它將 DNA 的遺傳密碼攜帶出來，並負責將 DNA 所下達的遺傳指令，合成相關的蛋白質。 蛋白質分子在生物細胞中，負責所有生化反應及新陳代謝的催化工作，如果身體中一個蛋白質功能失調，或合成的數量失衡，將導致生理機制失常的連鎖反應。由此可知這三種生物分子的重要性。 DNA 分子會進行自我複製，而 DNA 分子將遺傳訊息傳遞給 RNA 分子的過程稱為轉錄，RNA 分子根據 DNA 所提供的訊息製造出相關蛋白質的過程則稱為轉譯。 生物資訊學 生物資訊學是結合電腦科技與生物學的一門新興科技，負責蒐集與儲存大量的生物資料，架構功能強大的搜尋引擎及解釋這些生物資料的意義。這樣的工作，猶如電信公司儲存大量的客戶電話號碼資料一般，必須具備快速查詢及提供用戶詳細資料的功能。 生物資訊學最重要的工作，就是提供藥廠在新藥開發初期，能快速及準確地找到標的物。過去藥廠研發新藥猶如大海撈針一般，必須地毯式地篩選大量的分子；如今，利用生物資訊所提供的生物分子序列，如基因序列或蛋白質的胺基酸序列，及其結構訊息，能有效地縮小搜尋範圍，節省龐大的研發經費及時間，延長藥物自核准上市後到專利過期的時間，而為藥廠帶來相當於每年五億美元的龐大營收利益。目前，生物資訊的獲得已非難事，但更重要的挑戰是如何判讀這些龐大的生物資訊。讓我們將時間拉回到八○年代，來探索生物資訊的起源。 生物資料庫的建立 生物資訊最早始於對生物資料庫的建立，在八○年代初期，最有名的資料庫就是所謂的基因銀行，這個資料庫是由美國能源部所架構，用來儲存世界各地的科學家針對一些生物體內 DNA 定序的結果。目前這個資料庫已轉移給美國國家研究院轄下的國家生物科技資訊中心 (National Center for Biotechnology Information, NCBI) 來管理。透過網際網路的連線，全世界的研究學者，均可免費且快速地進入此資料庫，取得特定基因的序列。這個資料庫是目前全世界最大的公共生物資料庫，收集來自不同物種的 DNA 序列。 自從一九九○年人類基因體計畫 (Human Genome Project, HGP) 開始運作以來，存入此資料庫的 DNA 序列更是以級數般的速度累積。基因銀行每天與歐洲分子生物實驗室 (European Molecular Biology Laboratory, EMBL) 資料庫和日本 DNA 資料庫 (DNA DataBank of Japan, DDBJ) 進行同步交換。 目前存在基因銀行資料庫中的資料，有來自四萬七千個以上物種的六百二十萬筆序列紀錄，總計超過七十三億個鹼基。此外，NCBI 也提供一個方便易用的整合型檢索系統 Entrez, 以利研究人員調閱基因銀行中所儲存的 DNA 序列。生物資料庫的建立，顯然是生物資訊學中相當重要的課題，尤其是如何使資料庫能夠支援高效率的資料搜尋、比對及不同資料庫間的聯繫。 後基因時代 從美國瑟雷拉公司 (Celera Genomics) 在二○○○年四月公布人類 DNA 序列草圖之後，後基因時代已然來臨。這些由三十億個 A、T、C、G 鹼基對所組成的線性資訊，對於未來疾病診斷及藥物設計將有重大的影響。 人類基因體計畫始於九○年代初期，由美國官方贊助經費，結合美國四大定序中心及英、日、法、德、中國大陸等相關研究中心，超過一千位的科學家，其規模的龐大足以媲美登陸月球的計畫，然而卻由創立於一九九八年的瑟雷拉公司以不到三年的時間，率先公布了人體 DNA 序列。 在瑟雷拉公司宣布後不到一個月，這個官方組織 HGP 也不甘示弱地宣布了人體第 21 對染色體的 DNA 序列。同年的六月二十六日，美國總統柯林頓與英國首相布萊爾，聯袂宣布人類 DNA 密碼將完全免費地公開於公眾基因資料庫，任何人都可自由地由網路取得該資料庫中的資訊，並利用這些資訊。此舉不但為這個計畫的完成，建立一個劃時代的里程碑，同時也為後基因時代的來臨，揭開了序幕。 從官方組織與民間公司的競爭，可看出人類基因序列的重要性；然而，這些線性的訊息，卻無法解答人為什麼會生病、為什麼會衰老等問題。這些訊息所表現出的蛋白質體及其控制生理代謝的機制，才是後基因時代研究的重點。 根據美國佛羅斯特與蘇利文市場調查公司 (Frost & Sullivan) 的分析報告指出，全球的蛋白質體市場將從一九九九年的七億美金，快速成長到二○○五年的五百六十億美金，龐大的市場使一些生物科技公司趨之若鶩。在後基因時代中，能夠快速分析蛋白結構與功能，才能真正掌握市場的商機。 隨著人類基因解讀的完成，及未來研究更多蛋白質所產生的龐大資訊，科學家必須架構不同的資料庫予以儲存，並利用各式電腦軟體加以比對或計算。科學家不但對於在不同細胞中，有哪些基因會表現為蛋白質有興趣，並試圖了解在這些細胞及組織中，各種蛋白質間的交互作用及其在疾病產生上所扮演的角色。 此外，蛋白質的結構也是科學家研究的重點；要完成這些龐大又瑣碎的工作，生物資訊學乃是唯一的不二法門。很多大型藥廠不惜以相當大的成本，併購新興的生物資訊公司，以縮短其新藥開發的時程，拜耳公司以一億美金的代價與德國生物資訊大廠萊茵生科 (Lion Bioscience) 公司的交易，就是這些小型生物資訊公司，以其所建構的生物資訊工具及服務，換取高額報酬的著名案例。 先前提過，人類基因組是由大約三十億鹼基對所組成。如果將這些資訊儲存成文字檔，大約需要兩千片磁碟片才夠。而這只是一個開端而已，隨之而來的是更大量的分析資料，如利用微陣列晶片及蛋白質二維電泳等方式，決定不同的基因在何時表達，以及在何種組織器官中表達的相關資料；利用結晶 X 射線繞射及核磁共振，決定蛋白質的三度空間結構資料；各種蛋白質間交互作用的模式；以及單一核啟酸多樣性資料等，因而需要建立許多不同的巨型資料庫來儲存。 如果沒有電腦的輔助，這麼大量的資訊，就如同一本沒有按姓氏筆劃排列的電話號碼簿，一點價值都沒有。生物資訊學，正隨著這一波資訊潮流的突飛猛進而蓬勃發展，甚至有可能使整個生物醫學研究全面改觀。生物資訊學主要的重點，是有關如何儲存、管理、傳輸、進而分析與生物相關的大量資訊，然而由於生物資訊學本身仍在不斷地演化中，將來它的領域所包括的範圍可能更廣。 目前，許多相關的生技公司，把大部分的研究重點放在基因組序列分析和基因預測上，其主要的著眼點，在於第一時間取得基因專利的申請。一旦基因組定序的工作在一、兩年內全部完成，後基因時代即正式展開，屆時研究的重點將轉移至功能性基因體、蛋白質體、及單一核啟酸多樣性上。在一般藥廠中，生物資訊部門扮演的角色，主要在新藥研發的早期階段–尋找藥物作用目標，但是近來有開始參與全程新藥研發的趨勢。 基因組序列分析 隨著人類基因密碼解讀完成，伴隨而來的大量 DNA 序列資料，馬上產生一個重要的課題，即如何從這些資料中，找到大約四萬個人類的主要基因。人類的 DNA 序列中大概僅有不到 5% 是能產生蛋白質的基因，因此要從人類基因組中辨認出有功能的基因，首先就必須了解基因的結構。一般來說，人類基因可概分為以下幾個部分：啟動子、5' 非轉譯區、表現序列、內子、3' 非轉譯區、聚腺啟酸化作用點，其中只有表現序列才攜帶產生蛋白質的訊息。 因此，辨認基因的電腦程式，最主要的任務就是從 DNA 序列中，找出基因表現的開始與結束位置，即起始密碼與停止密碼，及接合點 (分為提供點和接受點), 進而將同一基因所有的表現序列拼湊出來，最終的目的就是建立出一個完整的基因。科學家研究使用電腦方法去預測散布在基因組中的基因，已經有 15 年的歷史。目前有兩種預測基因的電腦方法，一是根據機率與統計的方法，另一是尋找相似性的方法，隨著已知基因的大量累積，新的電腦程式大都採用尋找相似性的方法。 生物資訊與蛋白質結構 雖然人類基因體計畫，在科學界是一項吸引眾人目光的偉大工程，但是早在大量基因體序列被定序之前，歐美等先進國家的企業界，早就先一步跨足。人類基因體定序計畫完成後，才會引發的新一波科學研究熱潮中，那就是蛋白質的三度空間立體結構。這些企業界之所以一味地想捷足先登，彼此暗中較勁的最主要原因，就是蛋白質三度空間立體結構的決定，是未來新藥開發的動力。蛋白質的立體結構，可以協助搜尋並快速決定小分子藥物的構造，因此它將大幅降低新藥開發所需的時間與投資成本。 要取得蛋白質構造的大量資料，遠比取得 DNA 序列定序資料困難得多，因為 DNA 只是由四個鹼基對組成，所產生的直線序列，而蛋白質則是由 20 種胺基酸組成，並在立體空間上摺疊，產生複雜的螺旋、蓆狀、和彎曲的次構造。如果想直接從 DNA 序列去預測蛋白質的立體構造，即使利用電腦輔助，就算只是一個最簡單的蛋白質，也是一項相當艱難的工作。 由於蛋白質的三度空間立體結構如此不易決定，自一九五七年第一個蛋白質肌血紅素的立體結構被確定以來，到現在為止也僅有約一萬二千個蛋白質的立體結構被確定，同時輸入國際公開的蛋白質構造儲存庫中。 目前，以研究蛋白質三度空間立體結構為主的公司，有美國加州聖地牙哥的 SGX 公司、Syrrx 公司、SBI 公司、紐澤西州普林斯頓的 SFG 公司以及英國劍橋的 AT 公司等。 其中 SFG 公司使用核磁共振 (NMR) 技術，而 SGX 和 Syrrx 公司則採廣為運用的 X 射線晶體繞射技術，並將整個過程自動化，來決定蛋白質的立體結構。在採用 X 射線的過程中，蛋白質首先被純化，然後誘使其產生結晶，結晶物被 X 射線照射而產生繞射圖形，經繁鎖的電腦計算，進而推測出蛋白質內所有原子的立體結構模型。 這種自動化 X 射線晶體繞射技術使得 SGX 和 Syrrx 二家公司都宣稱，將在二○○三年另外確定出約一千個蛋白質的立體結構。此外，有些生物資訊公司則致力於軟體的開發，以便在蛋白質三度空間立體構造的預測上運用，從事這方面研究的公司有美國加州聖地牙哥的 SBI 公司等。 現行的相似性模擬技術在預測擁有極高序列相似性的蛋白質的主軸構造時，能發揮良好的功能，但在預測蛋白質表面構造時，並不那麼成功，而且沒有普遍適用的演算方法，可預測所有的蛋白質構造，因此 SBI 公司就專門致力於蛋白質模擬技術的研發。 SBI 公司的研發團隊，從 8~12 個成功的個別預測技術中，挑出有用的要素將它們組合，這種技術首先用來預測蛋白質的表面構造，找出其表面具有動態性的特質，並進一步預測蛋白質的彎曲結構，在做此預測時仍需符合相似性模擬的基本要求，亦即在預測同種類的蛋白質時，至少其同族性其他蛋白質的 X 射線晶體繞射資料或核磁共振構造資料必須已知。 SBI 所開發的科技，不僅能預測蛋白質的立體結構，並能從蛋白質的立體結構上，迅速地鑑定小分子的藥物模型，以從事藥物開發。目前杜邦製藥公司便與其攜手合作，計劃在未來的幾年裡，利用 SBI 的技術去探測各式各樣的藥物標的。 一九九八年間，SBI 和三個大藥廠已成功地將此一技術應用在六個臨床上非常重要的蛋白質特定物上，其中包括病毒蛋白質分解酵素、蛋白質激酵素、賀爾蒙以及與細胞死亡分解有關的蛋白質等，至於與心臟衰竭有關的內皮受體拮抗劑已進入第二階段的臨床試驗。 當前，不僅私人企業對蛋白質的立體結構深感興趣，就連某些政府及學術機構，亦積極致力於這方面的研究，其中包括美國國家衛生研究院、德國、日本及加拿大政府等。而這方面的總投資，將可媲美人類基因體定序計畫上的花費。這些政府所支助的研究計畫，其研究成果屬於公開性資料，免費供一般學術機構及私人公司運用，以造福全人類。 美國國家衛生研究院投入 1.25 億美元，以期在 10 年內定出一萬個蛋白質的立體結構，而這一萬個蛋白質是經過詳細挑選，希望能依各式各樣常見的的螺旋、蓆狀以及彎曲形次構造，將其分類成一千個不同種類的蛋白質，這樣做的目的，是希望能從這個建立起來的蛋白質構造資料庫中，預測陸陸續續從人類基因體定序計畫所定出的基因序列中蘊藏的蛋白質構造。

科學家的巧思–逆向思維

逆向思維 (reverse thinking) 是指改變一般人慣用的思考方式，換個角度從相反的方向來分析事情。它是一種屬於「反傳統、反向思考」的創作性思維程序與模式，主要目的在於擺脫大家常用的僵固框架，從不一樣的角度思考問題，希望能有新的發現與突破。 思考學家王舜清在民國 87 年出版的思考學名著《成功者的致勝密碼 —RT 逆向思維》中，介紹許多古今中外成功者如何運用逆向思維，幫助他們完成一些難度極高，一般人無法達成的任務，使他們獲得空前成功的果實。本文介紹 4 位科學家用逆向思維獲得成功的實例。 發電機的誕生 1821 年，電學之父麥可・法拉第 (Michael Faraday, 1791-1867) 設計了一個很有趣的實驗，第一次把電池產生的電能轉變為機械能。在一邊，法拉第把一個可以自由轉動的磁鐵放入裝滿水銀的玻璃杯中，用電線把磁鐵下的金屬棒連接到直流電源的陽極，並在玻璃杯上方放一條連在鐵架上固定的電線；在另一邊，把一個固定的磁鐵放在另一個裝滿水銀的玻璃杯中，用電線把這個磁鐵下的金屬棒連接至直流電源的陰極，並在玻璃杯上方放一條連在金屬架上可以自由轉動的電線。 當電線上的開關連通後，電線與水銀就會形成一條完整的電流通路。這時，杯中的磁鐵會繞著電線旋轉，而另一玻璃杯上方的電線會繞著磁鐵旋轉。因此，法拉第成功地把直流電源產生的電能轉變成機械能，做出史上第一部電動馬達。 這個實驗的結果促使法拉第產生一個非常有價值的逆向思維 — 這個實驗能把電能轉變成機械能，如果讓實驗過程逆轉，用機械能產生電能，會是一項很有意義的工作。1822 年，法拉第在日記中提出 —「既然通電可以產生磁力，為什麼不能用磁鐵產生電流呢？我一定要反過來試一試，用磁鐵產生電流！」 在這個意念的引導下，經過不斷地努力探索，1831 年法拉第把銅絲繞成圓筒形的線圈，用電線在圓筒線圈兩端接一個檢流計。當他把一塊磁鐵棒插入長筒線圈內，檢流計上的指針動了起來，接著他迅速抽出磁鐵，檢流計的指針隨即向相反的方向偏轉。為了驗證剛才的結果是否可靠，法拉第不斷地把磁鐵在銅線圈中插入、拉出，並且仔細觀察檢流計指針偏轉的方向。連續做了好幾次實驗後，法拉第才確信磁鐵移動真的能夠促使銅線圈產生電流！觀察檢流計指針偏轉方向，他歸納出以下結果。當磁鐵靜止時，檢流計的指針沒有偏轉，顯示線圈上沒有電流產生；當磁鐵移動時，檢流計的指針偏轉，顯示線圈上有電流產生；把磁鐵插入線圈與拉出線圈時，檢流計的指針偏轉方向相反，顯示線圈中產生的電流方向相反；磁鐵插入或拔出的速度越快，檢流計指針偏轉的角度越大，顯示線圈中的電流強度越強。 於是，法拉第得出這樣的結論 — 磁鐵運動是產生感應電流的必要條件，金屬線圈必須交切磁力線，才能產生感應電流。他把磁鐵運動產生電流的現象稱為「磁電感應」。 1831 年 9 月 23 日，法拉第終於做出第一部能把機械能轉變成電能的發電機。他在一塊大磁鐵的兩極間放置一個中心有搖柄的圓形銅盤，並把銅盤支撐在支架上。銅盤的中軸連接一根導線，另一根導線連接一片與銅盤邊緣保持接觸的金屬，這兩根導線和一只檢流計相連。用手轉動銅盤的搖柄，就能在連接銅盤的導線中檢測到源源不絕的電流，而銅盤的轉速愈快，電流的讀數愈大。 法拉第根據逆向思考，把機械能轉變成電能，成功地提供一種新的能源，為人類走向電氣化開闢了一條康莊大道。這篇研究報告發表時，震撼了科學界。後來科學家尊稱法拉第為「電學之父」, 並且把 1831 年 9 月 23 日定為電機工業的誕生日。 石墨變鑽石 諾貝爾化學獎得主亨利・莫瓦桑 (Henri Moissan, 1852-1917) 曾經有這樣的一個故事。有一名竊賊偷了他一台鑲有鑽石的實驗設備，令莫瓦桑感到十分氣憤，他猜想竊賊之所以會偷這台設備的原因:「很簡單，因為鑽石非常昂貴！」因而他突然想起英國科學家麥可・法拉第曾經在「星期五之夜討論會」中，講過如何把「鑽石變石墨」的過程。於是他運用逆向思維，想使「鑽石變石墨」的化學反應逆轉，並下定決心要研究出如何把價格低廉的石墨變成價值連城的鑽石的方法。 莫瓦桑知道鑽石和石墨是兩種由碳元素構成的同素異形物，但由於排列方式不同而產生兩種性質差異甚大的物質。只要改變石墨中碳原子的排列方式，就能把石墨變成鑽石。但如何改變石墨中碳原子的排列方式，一直困擾著他。 有一天，莫瓦桑參加一個在法國科學院舉辦的會議，會中有位礦物學家報告，在隕石內常常發現含有少量鑽石晶體的大鐵塊。莫瓦桑猜想這些鑽石晶體形成的過程，而設計出製造鑽石晶體的方法，經過多次試驗，終於找到使石墨變成鑽石的條件 — 高溫及高壓。 在極高的溫度下，碳原子的排列方式能快速改變，使石墨和鑽石達成平衡狀態。石墨的密度是 2.3 g/cm3, 而鑽石的密度是 3.5 g/cm3, 因為鑽石的密度遠大於石墨的密度，所以在極高的溫度下，鑽石的比率會隨著壓力的增加而增加。 1893 年，莫瓦桑和他的助手利用高溫使一大塊生鐵融化。在鐵水中加入石墨後，讓鐵水迅速冷卻。當鐵從液態冷卻成固態時，使得內部的鐵水產生極大的壓力，提供了高溫高壓的環境，讓高溫鐵水中的部分石墨變成鑽石。當鐵塊冷卻至室溫後，莫瓦桑用鹽酸溶解鐵塊，得到石墨與鑽石的混合物。從混合物中挑選出鑽石晶體，用水清洗，就得到「人造鑽石」。 莫瓦桑做出人造鑽石這項成就，促使許多化學家效法他的逆向思維 — 使化學反應反轉，成功地製造出許多有用的產品。 碳絲電燈的發明 在「世界發明大王」湯馬士・愛迪生 (Thomas Edison, 1847-1931) 年輕的時代，一般照明的設備是弧光燈。然而這種燈的光線太亮，非常刺眼，成本很高，壽命卻不長。 愛迪生決定發明一種既便宜，又耐用的照明燈。於是收集了許多耐熱的材料，做成細絲放在一個圓形的玻璃燈泡裡，他和助手把玻璃燈泡裡的空氣抽掉，再用銅絲與電池連接，當電流通過時，這些細絲會發出光亮。可惜的是，這些細絲很快就燒斷了。他先後試驗了一千多種材料，都很快就燒斷。 一般人常把失敗看作成功的絆腳石，做為不再嘗試的藉口。但愛迪生運用逆向思維，認為失敗是邁向成功最好的踏板，激勵自己努力做新的試驗。的確，大部分人會把這些失敗實驗當作一種挫折，認為「失敗這麼多次，應該不會成功了。」愛迪生之所以傑出，就是因為他有不同於一般人的思考模式:「我找到了許多種燈泡不耐用的原因，這些實驗並不是失敗的結果，反而是邁向成功的踏腳石。我從來沒有失敗過，每次實驗都讓我了解了更多導致失敗的原因，讓我逐步地接近成功。」 這樣的逆向思考鼓舞著愛迪生繼續尋找合適的材料，終於在 1879 年的某一天，正當他搧著竹扇乘涼時，突然想到用扇子的竹片製成的碳絲是一種很好的耐高溫材料。於是他從扇子中取出一段竹片，放在顯微鏡下觀察，發現它可能是一種很好的發光材料。他馬上進行測試，成功地利用竹絲做出第一盞能夠持續點亮 1,200 小時的碳絲電燈。不久之後，這種電燈走進每一個家庭，照亮整個世界，對現代生活有很大的貢獻。 愛迪生的逆向思維使他成為人類發明史上輝煌的明星，他的名言:「我才不會沮喪，因為每一次不當的嘗試都會把我往前更推進一步，更邁向成功。」這句話持續不斷地鼓舞著從事科學研究的人員。 鎢絲電燈的改良 1909 年，美國通用電器公司的研發人員用鎢絲替代碳絲電燈中的碳絲，因為鎢的熔點 (攝氏 3,410 度) 與沸點 (攝氏 5,900 度) 是所有金屬中最高的，並且能夠在通電後發出很亮的白光。因此當時科技界一致認為用鎢絲替代碳絲是一項重大的變革。 可惜的是，鎢絲通電後產生的高溫使得鎢絲越來愈脆，很容易斷裂，因此鎢絲燈的壽命不長。此外，在使用的過程中，鎢絲會緩慢氣化，形成黑色的沉積物附著在玻璃燈泡壁上，使得燈光越來越暗。 1909 年夏天，艾耳文・郎繆耳 (Irving Langmuir, 1881-1957) 進入通用電器公司，他的第一個研究任務就是改良鎢絲燈的性能，以及延長它的壽命。 當時通用電器公司的研發人員除了郎繆耳外，全都認為鎢絲燈使用壽命不長及燈光變暗的原因，是因為玻璃燈泡裡有傷害鎢絲的氣體。因此他們一致認為只有進一步把鎢絲燈泡中的氣體抽出，提升燈泡中的真空度，才能改善鎢絲燈的性能，以及延長它的壽命。只有朗繆耳根據逆向思維，建議採用相反的方法，把氫氣、氧氣、氮氣、氬氣、水蒸氣等各種不同的氣體分別加入燈泡中，觀察各種氣體會和鎢絲發生哪些反應，以及這些氣體會產生哪些效果。 在高溫中，氫氣與鎢絲反應產生氫原子，氫原子在鎢絲中產生氫化鎢，使鎢絲變脆；氧氣與水蒸氣在高溫中與鎢絲反應形成鎢氧化合物，氣化後使得鎢絲變細，鎢氧化合物蒸氣會凝聚在燈泡的玻璃壁上，使燈泡變黑，燈光變暗。 然而氮氣和氬氣在高溫中不但不會與鎢絲反應，而且從鎢絲氣化出來的鎢原子撞擊到氮氣分子或氬氣原子後，會反彈回鎢絲表面。因此氮氣和氬氣的存在會對鎢絲產生保護作用，降低鎢絲氣化的速率，減少燈泡壁上黑色沉積物的生成，顯著延長鎢絲的使用壽命，以及改善鎢絲電燈的照明效果。 經過 4 年的研究，朗繆耳就用氮氣和氬氣的混合氣體填充鎢絲燈泡，並且把鎢絲的形狀捲成螺旋狀，成功地改良了鎢絲電燈的效果和壽命。1916 年，他因此而獲得美國化工學會頒發的帕金獎章。 郎繆耳在評論自己的這項研究成果時，說出他如何使用逆向思維來改良鎢絲電燈的效果和壽命:「當大家使用一種方法時，從反向的方法進行研究，會是另一種可行的方法。例如在製造鎢絲電燈時，把燈泡的氣體抽出，使燈泡內形成高度真空是一種可行的方法，人們只把注意力放在提高真空度上，以為只要提高真空度，效果就會倍增。我懷疑這種方法，決定以相反的方法─往燈泡內填充氣體，於是贏得了一次成功的機會。」「用相反的方法」就是一項最典型的逆向思維。 目前國內的升學教育，由於教材內容太多、教學時數不足、升學壓力過大、考試題目偏重知識的記憶等因素，使得教師普遍採用傳統的講敘式教學法，把教科書的內容以強迫的方式灌輸給學生，不管學生是否能吸收消化。這種教學方式極易使學生陷入僵固的思考模式，而用這種思考模式想事情，很難有創新的發現。思考模式是影響我們行為與命運的最重要因素，誠如王舜清在《成功的致勝密碼 —RT 逆向思維》書中所言:「只要我們把逆向思維的觀念，變成一種生活上的好習慣，想要成功，一點也不困難。」

日本強震再掀海嘯陰影

2012 年 12 月初，日本東部外海發生芮氏規模 7.3 強震，日本即時對本州東部海岸發布海嘯警報。讓人聯想到去年 311 東日本大地震海嘯席捲而來的恐怖畫面。對於這從海上來的威脅，我們是否有足夠的認知以及更有效預警措施呢？海嘯發生原因為大量海水受到擾動，常見的原因如海底地震與火山噴發，其他像是海底核爆、山崩、隕石撞擊等等都可能造成海嘯。在深海地區海嘯的波長可達數百公里，但波高不超過 1 公尺；當海嘯逼近海岸，波高會迅速拉高，摧毀海邊的一切事物。 台灣最近一次釀成災情的海嘯發生在 1867 年的基隆，距今已經一百四十餘年，台灣人很久沒有經歷過海嘯的可怕力量。然而，只要我們居住於海濱，海嘯的威脅便一直存在著。 實際上，大規模海底地震容易發生在屬於板塊隱沒帶的海溝附近。例如 2004 年的印度洋大海嘯，發生於巽他海溝；而 2011 年的東日本大海嘯，便是發生在日本海溝。因此科學家十分關注數百年毫無動靜的海溝，這些地區有很高的風險會發生大地震與大海嘯。例如中美洲的加勒比海，許多科學家認為該地相當可能成為下一個海嘯侵襲的地區。 不幸的是，台灣南部附近的馬尼拉海溝也是一條危險的海溝。馬尼拉海溝從菲律賓呂宋島西側一路延伸到台灣南部外海，已經至少五百年沒有發生過大地震。若馬尼拉海溝發生芮氏規模 8.0 以上的地震，台灣西南沿海將面臨大海嘯的威脅。 新一代的海嘯預警系統 太平洋的海嘯警報主要由美國太平洋海嘯警報中心 (Pacific Tsunami Warning Center, PTWC) 發布。該中心隸屬美國國家海洋暨大氣總署 (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA), 當出現可能引發海嘯的淺層大規模地震時，會對太平洋四周地區發布海嘯警報，通知海嘯預計抵達時間以及海嘯高度。 台灣由中央氣象局負責發布海嘯警報，除了接收 PTWC 的警報資訊，當氣象局偵測到臺灣近海發生芮氏規模 7.0 以上的淺層地震時，亦會發佈海嘯警報。 在 2011 年日本大海嘯後，美國開始進行新一代的海嘯預警，以改善目前警報僅能預報海嘯高度的缺點。新世代預警系統將能明確指出會被海水淹沒的地方，讓居民知道自己是否處於危險地帶。 為了建立新的預警系統，科學家需要海嘯傳播時的即時觀測資料。深海海嘯評估與報告系統 (Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis, DART) 建置於 2001 年，用海床的監測器量測上方的水壓。海嘯通過時，與監測器連結的浮標會回傳海嘯資料，評估海嘯規模。目前太平洋已經有數十個 DART 測站。 東日本大海嘯是 DART 系統建置後第一次觀測的大規模海嘯，藉由這次 DART 測得的海嘯資料，NOAA 模擬海嘯的淹水範圍，發現與實際的淹水地區高度吻合，表示新一代的海嘯預警是可行的。 美國目前正在進行太平洋岸華盛頓州與俄勒岡州海嘯淹水潛勢圖的繪製，這是科學家認為美國最有可能遭遇大規模海嘯的地方。 雖然有精確的海嘯預警系統，如果缺乏對於海嘯的警戒意識，再精準的預報也是徒然。我們應對於潛在的災難威脅保持警戒，災難來襲時才能夠減少生命財產的損失。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿) 責任編輯：鄭國威 | 元智大學資訊社會所

氫彈之父:泰勒・愛德華爭議的一生

二次世界大戰期間，美國發展原子彈的計畫多虧了許多「猶太難民科學家」, 才能進展順利。他們都是因為母國的獨裁政權採取反猶太政策，才被迫離鄉背井的。「氫彈之父」泰勒 (Edward Teller, 1908-2003) 就是其中之一。 戰爭與革命交織的童年 泰勒出生於匈牙利布達佩斯。布達佩斯是個令人驚訝的城市，它是歐洲第一個鋪設地鐵的城市，一八九六年通車，全長超過三公里。許多在二十世紀科學史上大放異彩的人物，都在布達佩斯誕生，包括一九四三年諾貝爾化學獎得主德赫維西 (George de Hevesy, 1885-1966)、一九六三年諾貝爾物理獎得主威格納 (Eugene Wigner, 1902-1995)。而直接參與美國原子彈計畫的，就有三人：席拉德 (Leo Szilard, 1898-1964)、馮紐曼 (John von Neumann, 1903-1957)、泰勒。他們全在外國發跡成名，為「匈牙利人」創造了嶄新的形象。有人說，他們其實是從火星來的，但是冒充匈牙利人，因為匈牙利人說外國話總帶著強烈口音，因此火星人冒充匈牙利人，最不容易被人拆穿。 愛德華・泰勒，攝於 1958 年。(圖 / Greg L 和 Papa Lima,wikipedia) 泰勒剛滿 10 歲時，第一次世界大戰已進入尾聲，匈牙利仍是奧匈帝國的一部分，但是它的歷史也到了轉捩點，因為前一年俄國發生了革命，退出大戰。一九一八年一月，布達佩斯與匈牙利其他工業中心的工人發動罷工，共有五十萬人參加。六月，又發生了一次大罷工。入秋後，大批軍人、學生、工人聚集布達佩斯。十月，革命爆發，由一位公爵出面，籌組匈牙利國民諮議會。 布達佩斯許多人開玩笑說，「找不到一位公爵領導的話，我們連革命都搞不成。」一開始，大家都期待民主改革，諮議會發表宣言，主張匈牙利獨立、停戰，以及人民有言論自由、祕密投票、婦女參政的權利。十月底，奧匈帝國同意匈牙利獨立，布達佩斯的居民欣喜若狂，在街道上以菊花對著成列卡車上的軍人與工人歡呼。十一月，奧匈帝國正式崩潰。 一九一八年十一月十六日，匈牙利共和國成立。但是布達佩斯的新政府，難以號令全國，又無能阻止全國分崩離析的局勢。而十一月二十日，由俄境前線返鄉的軍人成立了匈牙利共產黨，國家前途迅速蒙上陰影。四個月後，匈牙利共和國轉變成匈牙利蘇維埃共和國，布達佩斯成了一個大「公社」, 國際歌響徹雲霄達四個多月。 那是一段混亂、惶惑、愚行交織，並摻了一些暴力的日子。共產黨政府將城裡居民的房子收歸公有，泰勒的父親是律師，辦公室在家裡，算是「多餘」的房間，所以住進了兩名軍人。他們一開始還四處搜索「私藏」的財物。這個經驗當然對泰勒有深刻的影響。 一九一九年夏，共產黨政府垮臺，傳統統治階層復辟，建立法西斯政府，以白色恐怖取代紅色恐怖。在紅色恐怖中喪命的人數，大約是五百人，白色恐怖變本加厲，有五千人受難。此外，反猶運動也興起了。 一九二○年，匈牙利政府下令大學必須按族裔比例招收學生。例如猶太人只占全國人口 5%, 大學每年招收的新生中，猶太人就不得超過 5%。 這段期間，泰勒的父親對他反覆叮嚀兩件事，第一、等他長大，一定要移民到能受到平等待遇的國家；第二、他必須出類拔萃，才能得到平等對待的機會。 泰勒後來回憶道，他愛好科學，也是因為科學讓他有機會逃離他的原生社會。一九二六年，泰勒到了德國，一九三○年在萊比錫大學得到物理學博士學位，指導教授是獲得一九三二年諾貝爾物理獎的海森堡。哪裡知道，這對師生後來分別參與了敵對陣營的原子彈研發計畫。 費米的猜想：氫彈的草圖 一九三○年，納粹黨成為德國國會第一大黨，泰勒想留在德國做研究的計畫變得不切實際，於是他輾轉到了美國，並在一九四一年成為美國公民。 那年九月，泰勒與從義大利出走的傑出物理學家費米 (一九三八年諾貝爾物理獎得主) 在紐約的哥倫比亞大學共進午餐。那時，美國尚未參戰，但已是「民主國家的兵工廠」, 而製造原子彈的可能性與迫切性，自一九三九年起就是原子核科學家之間的心頭重擔，羅斯福總統十月收到了那封愛因斯坦簽了名的著名信函。 費米 (Enrico Fermi), 二十世紀物理學家，被稱為「原子能之父」。(圖 /wikipedia) 在午餐中，費米心血來潮，突然提出一個主意：原子彈爆炸後產生的高熱，也許可以把氫融合成氦，並釋出更大能量 —— 這正是「氫彈」的基本原理。不過，費米說過就算了，泰勒卻將這個點子放在心上，最後竟然成了氫彈之父。值得我們特別注意的是，日本京都大學的物理學家在同一年稍早時也想到了同樣的點子，而當時美國政府還在考慮製造原子彈的計畫呢。 這一年年底，日本偷襲珍珠港，於是美國政府開始全力推動「曼哈頓計畫」, 製造原子彈。一九四二年六月，加州大學物理學家歐本海默 (J. Robert Oppenheimer, 1904-1967) 受聘為主任，將主要科學基地設在新墨西哥州羅沙拉摩斯 (Los Alamos)。 泰勒協助歐本海默組織在羅沙拉摩斯工作的團隊，等到全體人員在一九四三年春進駐羅沙拉摩斯之後，他除了臨時任務之外，專門研究「超級炸彈」。但是大多數人都同意，他們手上的正事是原子彈。而對泰勒而言，氫彈才是具有挑戰性的腦力工作。 兩顆原子彈之後？一九四五年八月六日上午八時十六分，第一顆原子彈在日本廣島上空五百八十公尺處爆炸，威力相當於一萬兩千五百噸黃色炸藥。到年底，死亡人數合計十四萬人，超過當時廣島居民的一半。 八月九日上午十一時零二分，第二顆原子彈在日本長崎上空 500 公尺處爆炸，威力相當於兩萬兩千噸黃色炸藥。到年底，死亡人數合計七萬人，接下來五年另外死亡十四萬人，死亡率與廣島一樣，也超過當時居民的一半。 從此，科學家在人類歷史上的地位，與過去再也不一樣了。科學家與國家，科學與人類社會的關係，再也無法以簡單的思路思考了。羅沙拉摩斯的科學家，不同的人對原爆浩劫有不同反應，但是絕大多數都希望立即恢復正常生活。 可是戰後的世界局勢似乎不容許人們過正常的生活。至少，蘇聯在東歐與中國東北的參戰活動，就使得戰後的世界政治版圖不可能回復大戰前的舊觀。 一九四五年九月二日，日本代表登上停泊於日本東京灣的美國軍艦密蘇里號，簽署降書。九月十九日星期三，美國軍隊還沒有開進北海道，美國戰略空軍的三架 B-29 轟炸機就利用北海道的一處機場，進行了一次「洲際」飛行，從日本飛到美國芝加哥，再從芝加哥飛往華府。當時《芝加哥論壇報》評論道，這次飛行「唯一的意義是，證明乘坐客機在一天之內從芝加哥飛到東京，似乎可行」。 但是，主管曼哈頓計畫的葛羅夫斯 (Leslie Groves) 准將在八月底就收到了一份文件〈蘇聯與中國東北一些城市區域的戰略圖〉, 上面註明了各城市的面積、人口、重要程度，且選出了 15 個主要城市，及 25 個重要城市，並估計了每個城市需要動用幾顆原子彈才能摧毀。由於 B-29 轟炸機的最大航程為五千公里，而基地也有問題，因此這份戰略圖最多只是一廂情願的點子罷了。可是它反映了美國對戰後世界的戰略思維方向。 科學家能夠輕易脫身，再世為人嗎？科學家的抉擇：義無反顧的泰勒 泰勒在二次大戰結束前，對蘇聯的敵意就日益增長。一九三四年底，蘇聯領袖史達林 (1879-1953) 開始大整肅，自一九三五年元旦至一九四一年六月，接近兩千萬人遭到逮捕，其中七百萬人被槍決，剩下的大部分死於牢獄中。廣島 (左) 和長崎 (右) 原子彈爆炸後產生的蕈狀雲 (圖 /wikipedia) 一九三八年四月，與泰勒合作過一篇論文的物理學家藍道 (Lev Davidovich Landau, 1908-1968; 一九六二年諾貝爾物理獎得主) 也被抓了起來。泰勒後來回憶道，「藍道本來是個狂熱的共產黨員，他回國不久就進了監獄，出獄後，就不再是共產黨員了。」史達林大整肅與藍道入獄，是泰勒反共的兩個理由。 一九四三年春，泰勒在羅沙拉摩斯讀了小說《正午的黑暗》(Darkness at Noon, 1940), 作者克斯特勒 (Arthur Koestler, 1905-1983) 也出生於布達佩斯，小說描述的是史達林的恐怖統治，以及革命理想的墮落，主角是一位懷抱理想主義的布爾雪維克黨人，因此更加強了他反蘇的立場。 戰爭一結束，大部分科學家都想立即離開羅沙拉摩斯，泰勒卻不。即使了解「超級炸彈」的戰略意義的科學家，也只願研究核融合的基本物理學，不想研發氫彈。一九二七年諾貝爾物理獎得主康普頓 (Arthur Holly Compton, 1892-1962) 甚至主張，「要是必須動用威力那麼巨大的武器才能獲勝，我們寧願認輸。」 而泰勒早在一九四四年十月底就指出，只要氫彈可能造得出來，就一定有人會將它造出來。言下之意，唯一的對策就是先發制人。 戰後不久，蘇聯就透過管道逐漸獲得美國原子彈計畫的詳情，包括原子彈的設計圖，甚至「超級炸彈」的初步構想。一九四六年一月二十五日晚上，史達林在克林姆林宮聽取三位物理學家的報告，裁示立即進行製造原子彈。三年半之後，也就是一九四九年八月二十九日，蘇聯成功試爆原子彈。而一年前，蘇聯封鎖西柏林的行動，已經使得東西兩大陣營的緊張情勢升高到空前的地步。此外，英美情報機構已發現核子機密外洩的情事。1952 年試爆氫彈 ——「邁克 (Ivy Mike)」, 為泰勒所促成。(圖 /wikipedia) 等到科學家確定了蘇聯試爆原子彈的情報，立刻有人想到蘇聯研發氫彈的進展......。美國總統杜魯門這才第一次聽說研發氫彈的點子。到了這時，總統有什麼選擇？科學家有什麼選擇？當時擔任哈佛大學校長的康南特 (James Bryant Conant, 1893-1978) 反對製造氫彈，認為那在道德上站不住腳。他認為氫彈只是廉價的國防工具，只會製造安全的假象。 費米與一九四四年諾貝爾物理獎得主拉比 (Isidor Isaac Rabi, 1898-1988) 則建議美國總統發表聲明，絕不製造氫彈，並邀請世界各國加入反氫彈的行列。 泰勒的論調是一貫的，「只有全力研發之後，我們才能確定氫彈是否造得出來...... 我們必須趕在蘇聯之前造出氫彈，要是他們搶先了，我們就完了。」 最後，美國總統接受了國防部參謀聯席會議的結論，在一九五○年一月批准發展氫彈的計畫。 來自「火星」? 充滿爭議的一生 泰勒主持氫彈研發，並於一九五三年在國會聽證會上指證歐本海默不值得國家信任，使歐本海默再也無法參與國家決策。此後，泰勒就與科學社群疏離了。三十年後，他支持雷根的「星戰」計畫，不僅吾道一以貫之，也表現了雖千萬人吾往矣的氣魄。 然而，我們還是很好奇，泰勒究竟是什麼樣的人？他念玆在玆的，只有「先發制人」這四個字嗎？難道他真是從「火星」來的？(按，在英文中，火星與戰神是同一個字。) 物理學家戴森在《宇宙波瀾》中，為我們留下了一則泰勒的小故事: 一九五五年夏天，我在柏克來租了一間大房子，...... 坐落於山丘上，可以俯瞰柏克萊校園。...... 有一個禮拜天早上，我們散步上山，房子一如往常沒有上鎖。我們回來時，聽到一種奇怪的聲音從敞開的大門傳出來。...... 是巴哈的第八號降 E 小調序曲！彈得極好，琴韻悠揚，而且和我父親彈奏的一模一樣......。(按，戴森的父親是英國知名音樂家) 我們站在門口，聽得入神。不管是誰在彈，他顯然把全副心靈都放進去了。琴音飄進我們耳中，彷彿一首發自肺腑的哀感合唱曲，彷彿靈魂在最深處的世界跳著霓裳羽衣曲。我們站著等到音樂結束才踏進家門，赫然發現坐在鋼琴前面的，竟是泰勒！(摘自丘顯正譯本，頁 161-163) 泰勒於今 (2003) 年九月九日星期二，在美國加州過世，享年 95 歲。

海嘯

海嘯，就是海上突然出現的巨浪，有時浪高可達十公尺以上。這種巨浪可能在同一地點持續數小時，重複幾十次，如果沖向陸地，所到之處，破壞設施、建築，會造成生命財產的重大損失。 二○○四年十二月二十六日清晨，印尼發生 9.0 級大地震，震央位於蘇門答臘島西北部的亞齊省西南外海 160 公里處。地震引發南亞大海嘯，巨浪沖向印尼、泰國、斯里蘭卡、印度這些印度洋周邊國家，甚至沖向遠在五千公里外的非洲東岸，一天之內造成數十萬人傷亡，數百萬人無家可歸。 海嘯發生的頻率並不低，以臺灣為例，二十世紀就有四次海嘯紀錄，但因規模不大，浪高都不及一公尺，因此未造成重大災害。規模像這次南亞大海嘯的，倒是很少發生，全球平均幾十年才有一次。 海嘯發生的原因 海嘯發生時，沖向陸地的巨浪，速度可達每秒數十公尺。以速度 V = 10 m/s 計算，質量 M = 1 kg 海水持有的動能 K 是 K = 1/2 × MV2 = 1/2 × 1 kg ×(10 m/s) 2 = 50 joule 而且，海水由海面沖向陸地，至少經過幾十秒的時間，也就是這些海水「持有」這些動能至少達幾十秒。 因此，海嘯的發生，一定是有造成局部海水突然獲得大量動能的機制，海水瞬間開始快速流動，形成巨浪，這種海浪以速度 V =(gh) 1/2 (其中 g 是重力加速度 9.8 m/s2,h 是水深) 向四面八方傳播。以水深三千公尺的海面為例，V = (9.8 × 3000) 1/2 m/s = 170 m/s 約等於傳播速度每小時六百公里。 若海水原本的平衡狀態瞬間被破壞，破壞的能量就會轉移到海水，使海水突然獲得大量動能而引發海嘯。這有以下三種可能的原因：(1) 巨大外物 (例如彗星) 撞擊海洋；(2) 海底山崩塌；(3) 海底淺層地震。 如果不幸有一顆彗星撞擊地球，且撞到海洋，則被撞的局部海水會因此被排開，並吸收彗星的動能，而形成巨浪，引發大海嘯。一九九四年曾有彗星撞木星的事件，至於彗星撞地球，雖然有史以來未曾發生，但在史前曾經發生過，未來還是有可能的。美國亞利桑那州就有一個三萬三千年前產生的直徑 1.2 公里的彗星撞擊坑。 海底山崩塌是可能引發海嘯的第二個原因。如果海底山發生崩塌，崩塌的部分會掉落海底地表，降低位能，轉換為海水的動能，使海水流動，產生巨浪而引發海嘯。海底山崩塌曾經造成一九九八年的巴布亞紐幾內亞海嘯。最近有人預測西非摩洛哥外海加納利群島中的巴爾默島，可能因火山爆發造成崩塌，而引發高達一百公尺巨浪的大海嘯。不過筆者對發生如此大規模崩塌的可能性，抱持強烈懷疑。 最常引發海嘯的是震源在海底的淺層地震。斷層是板塊邊界，若海底淺層地震造成斷層兩側的板塊產生垂直方向的相對位移，則覆蓋的海水也會跟著產生垂直方向的相對位移，海水原本的平衡狀態被破壞，抬升板塊上方的海水變得比較高，位能變得比較高，於是向位能比較低的下沈板塊方向流動。也就是說，海底淺層地震可能使震央附近的海水突然獲得大量位能，這個位能因地心引力立即轉換為動能，使海水流動，而引發海嘯。 依震源深度，可以把地震分為淺層 (深度 0 ~ 70 公里)、中層 (深度 70 ~ 300 公里)、深層 (深度超過 300 公里) 三種。斷層地震都發生在板塊邊界處，依照板塊之間相互移動的方式，斷層可分為平移型、發散型和聚合型三種。發散型斷層是上盤向下滑移 (下沈), 又稱正斷層，聚合型斷層是上盤向上滑移 (抬升), 又稱為逆斷層。正斷層和逆斷層都是傾斜滑移斷層。 如果海底地震是由平移斷層引發，斷層沒有傾斜滑移，則海底板塊只會發生水平位移。因海水是流體，雖然會跟隨發生水平位移，但位移量遠小於海底板塊的位移量，海水原本的平衡狀態被破壞得很有限。而且這種破壞僅限於水平方向，不涉及重力加速度，海水不會增加位能，因此即使發生海嘯，規模也不大。 如果發生海底傾斜滑移斷層地震，但震源很深，斷層破裂面並未延伸到海底地表，只局限在海底地表以下，則地震波傳到海水時，海水只是傳播震波的介質，震波傳過之後海水又恢復平靜。震波雖然可能產生盆地效應，即震波在一個封閉水體中來回擺盪而產生加成作用，但這種擺盪只會在小面積的水體，如湖泊或內海產生。由於封閉水體的水量有限，且傳播的只是震波，不是海浪，震波能量會由海水傳入海底而消散。 至於海水流入海底斷層的裂隙，不太可能是產生海嘯的原因。因為斷層的裂隙通常非常小，特別是傾斜滑移斷層，裂隙多在十公分以內，幾乎看不到。以臺灣一九九九年的 921 地震為例，在斷層面上兩板塊緊密接合，根本沒有裂隙，海水無法流入，因此不太可能引發海嘯。 斷層破裂面在陸上的地震，除非破裂面延伸到海底地表，否則海水的角色只是震波傳播的介質。地震波到達之後，海水雖短暫獲得振動的動能，卻無法「持有」這個動能，這個動能在不到一秒之內就傳播到別處，海水又恢復平靜，不會流動。所以陸上地震幾乎不可能引發海嘯。 最可能引發海嘯的，是斷層破裂面在海底地表的海底傾斜滑移地震。這種地震會造成斷層兩側板塊的地表產生垂直方向的相對位移，正斷層是下盤抬升，逆斷層則是上盤抬升，由於覆蓋在板塊上方的海水隨著板塊產生垂直方向的相對位移，在抬升板塊上方的海水面跟著抬升，於是高於下沈板塊上方的海水面，這個過程只需要幾秒鐘時間。隨後地心引力迫使具有較高位能的海水向下沈板塊快速流動，形成巨浪向四面擴散，而引發海嘯。 海底的斷層，大部分是位於海洋板塊衝入大陸板塊底下，或海洋板塊衝入另一海洋板塊底下的隱沒帶的聚合型斷層，屬於逆斷層，且斷層附近有海溝，發生地震時是上盤抬升，下盤下沈。雖然斷層也有平移型和發散型，但比較少。以這次引發南亞大海嘯的地震為例，就是印度板塊和澳洲板塊衝入緬甸小板塊和桑達板塊的逆斷層。 海底斷層傾斜滑移，抬升板塊上方的海水到底具有多少能量 (位能)? 以 1226 南亞大海嘯為例，斷層傾斜滑移造成上盤抬升達 30 公尺，斷層破裂面長度超過一千公里 (106 m)。假設上盤抬升與下盤下沈發生在斷層兩側各一百公里 (105 m) 範圍內，則上盤抬升的海水質量 M 是 (海水密度是 103 kg/m3) M = 106 m × 30 m × 105 m × 103 kg/m3 = 3 × 1015 kg 獲得的位能 U (以 U = mgh 計算，重力加速度 g = 9.8 m/s2, 海水平均抬升高度 h = 15 m) U = 3 × 1015 kg × 15 m × 9.8 m/s2 = 4.4 × 1017 joule 大約是兩千顆廣島型原子彈的能量！如此巨大的重力位能瞬間轉為海水流動的動能，可以想見造成海浪及海浪衝擊的力量有多大！由於抬升板塊上方的水體先流向下沈板塊，因此抬升板塊後方的海岸先發生大退潮，之後才會遭到海浪侵襲。相反地，下沈板塊後方的海岸不會因海嘯發生退潮。以這次南亞大海嘯為例，倖存的泰國普吉島遊客描述海嘯當時先發生大退潮，「來不及退游的魚在沙灘上掙扎，接著巨浪侵襲......」因為普吉島位於逆斷層上盤 (抬升板塊) 的後方，海水先向下盤流動，因此先發生大退潮。一八六七年基隆大海嘯也是先發生大退潮，是基於相同的原因。 哪裡可能因地震引發海嘯 板塊邊界可分為聚合型、發散型和平移型三種。中洋脊包括發散型和平移型板塊邊界，且占了海底發散型板塊邊界的大部分。由於中洋脊地殼溫度很高 (可能高達攝氏一千度以上), 只會發生小規模地震 (規模 4 以下), 不太可能引發海嘯。不在中洋脊的平移型海底板塊邊界則都是平移斷層，如前所述，不會引發海嘯。 由於隱沒帶占了海域傾斜滑移板塊邊界的大部分，因此可能引發海嘯的海底斷層大多是聚合型的逆斷層，只有少數是正斷層。海底聚合型板塊邊界主要分布在：(1) 環太平洋地震帶：由南美洲智利外海向北至中美洲，由北美洲阿拉斯加向西南，經阿留申群島、千島群島、日本、琉球群島、馬里亞納群島、菲律賓、紐幾內亞、所羅門群島到紐西蘭東部外海；(2) 阿爾卑斯地震帶：包括地中海、孟加拉灣、印尼南方外海。 這次發生南亞大海嘯的地震震央，印尼亞齊省西南方外海，就是阿爾卑斯地震帶的一部分。環太平洋地震帶大部分是海底隱沒帶逆斷層，阿爾卑斯地震帶則大約一半是海底隱沒帶逆斷層。 會引發海嘯的隱沒帶多在大陸邊緣，逆斷層上盤在近陸地的一邊，下盤在面向大洋的一邊。發生海嘯時，上盤抬升的結果，海水先向下盤方向流動，因此上盤後方海岸先發生大退潮。所以，對大多數海岸而言，海嘯的發生是先有大退潮，然後才是大浪侵襲。 臺灣是否可能發生海嘯？是的，一七八一年在臺南，一八六七年在基隆、淡水，都有大海嘯的紀錄。臺灣位於歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊邊界上，斷層經過臺灣陸地，由於南方海域及東北方海域都是板塊邊界的隱沒帶 (海底逆斷層), 因此，海嘯可能在南北兩端發生，侵襲臺灣。 海嘯災害防治 海嘯是自然現象，無法避免。既然無法避免，就要面對它，與它和平共存，設法把海嘯的災害降到最低。 海嘯的傳播速度是每小時數百公里，除非正好在斷層附近，海嘯由斷層傳到陸地，總有幾分鐘以上的時間，利用這一點時間就可以減少災害。 以 1226 南亞大海嘯為例，由震央 (印尼亞齊省外海) 到斯里蘭卡距離約一千六百公里，海嘯的巨浪到達需 2.5 小時，如果能預先發布警報，所有的人都有足夠的時間撤至安全地點。由於缺少預警系統，斯里蘭卡傷亡慘重，甚至遠在東非的索馬利亞也有數百人喪生。但在震央附近的印尼錫默盧島 (Simeulue), 島民憑藉「發生地震立即往山上跑」的古老傳說，據報導在這次南亞大海嘯中竟然全島無一人傷亡！由於地震發生後。鄰近的監測站可以在一分鐘之內測知，然後在幾秒內判定震央及強度，及時對可能受海嘯侵襲的地區發出警報，技術上不是問題。因此，建立海嘯預警系統，並且準備好發生海嘯時的撤離路線，是必須的。 臺灣如果發生海嘯，震央可能在臺灣南方或北方海域，與臺灣陸地有數百公里的距離，因此臺灣有大約一小時的預警時間，足夠避免嚴重損失，也因此臺灣有必要儘早建立海嘯預警系統。

好個睡眠障礙!

有句西班牙諺語說「睡眠時眾生平等」, 就是說任何人都需要睡眠。而且不只是人，鳥類、爬蟲類、以及哺乳類都需要睡眠。人類最忠實的朋友狗，一天要睡十個小時；睡的最多的蝙蝠，一天睡十九個小時；最少的長頸鹿，一天睡不到兩小時。不過就算是人類，光是年齡的不同，就有不同的睡眠需求。從這個小 baby (嬰兒) 一直到老人的話，事實上各個不同的睡眠週期，比如說，動眼期的分布多寡，基本上也是有變動。這個最主要是跟我們，隨著腦袋醒睡週期的變化、成熟有相關這樣。平均來說，人類一天花八個小時睡覺，一年大概有 122 天都在睡覺。這麼長的時間，要是睡不好的話，真的影響很大。而在眾多睡眠障礙中，失眠，是最常被討論的一個；另外睡覺打鼾，也逐漸引起重視。當我們形容某個人睡得鼾聲雷動，通常是指睡得熟，睡得好，但這裡頭卻有著潛在危機。打鼾的原因，是因為睡著後原先固定及撐開咽喉的肌肉鬆弛，造成咽喉部位變窄，裡頭的空氣由順流變成亂流，振動上呼吸道軟組織，造成打鼾。而如果情況嚴重到阻塞，造成呼吸困難，腦部會感應到身體缺氧，命令身體用力呼吸，造成慢性的間歇性缺氧。那這些病人在阻塞之後，他沒有呼吸，之後就會造成缺氧，二氧化碳就會上升；然後，但是呢，他又會再覺醒，又會再度呼吸。所以在臨床上容易看到的併發症的話，幾乎身體的每個器官都會影響到。如果只是單純的打鼾，也許只是擾人清夢；但如果是睡到一半會停止呼吸的睡眠呼吸中止症，就必須要透過睡眠檢測，進行矯正治療，預防鼾聲雷動的致命後遺症。

「媽祖」海纜保平安

2013 年的世界棒球經典賽當中，3 月 8 日中華隊與日本的比賽成為全國矚目的焦點，也有不少民眾注意到有日本球迷手上拿著「感謝台灣 311 賑災」的牌子。在日本 311 大地震即將屆滿兩周年的同時，世界各國沒有忘記地震對人類造成的影響有多深刻，台灣也不斷的發展地震觀測、預警技術，「臺灣東部海域電纜式海底地震儀及海洋物理觀測系統建置計畫」(Marine Cable Hosted Observatory,MCHO), 由於英文名縮寫發英與媽祖相似，又稱「媽祖計畫」, 也有保佑平安的意涵，是台灣近期地震技術的突破。 為什麼海底需要地震觀測站？過去中央氣象局的觀測網都在陸地，由於板塊在台灣的東部聚合，東北部地震頻繁，其實早在 2002 年就開始嘗試著要把地震觀測網往東部外海的方向拓展，因為如果要更準確的觀測地震，就必須要讓它成為「網內地震」。 那什麼是網內地震呢？簡單來說就是能被地震觀測站包圍住的地震。若將震央分別與周圍較近的幾個觀測站連成線，產生的線兩兩之間會有 1 個交角，其中最大的角度稱為「空缺角」, 如果它小於 180 度，我們就稱這個地震為網內地震，否則就是網外地震。 台灣島上的地震測站密集，如果在陸地上發生地震，幾乎都能形成網內地震，但是如果地震是發生在台灣東部的海域，所有的測站都偏向震央的西側，海上沒有測站，空缺角就大於 180 度了，這樣就是網外地震。在監測地震的經緯度、發震時間、震源深度，可能會有較嚴重的誤判，尤其在即時監測分秒必爭的需求下，一點點的誤差都影響甚鉅。 除此之外，海底的地震測站儀器中多半還具有海嘯觀測的功能，日本 311 地震時，位於日本東北外海的海底地震儀和海嘯壓力計分別在地震與海嘯波侵襲前提前觀測到，提升了地震與海嘯預警的時效。 台灣與日本的海纜有什麼不同？為了解決台灣東部網外地震的問題，中央氣象局從 2007 年通過「臺灣東部海域海纜觀測系統」的預算，至 2011 年，已經完成了第 1 期計畫，從宜蘭頭城往外海延伸 45 公里的海底電纜，末端節點的深度在水下 290 公尺，接上兩個平台:「地震海嘯監測平台」, 平台內包含海底寬頻地震儀、海底加速度地震儀、海嘯壓力計；與「海洋儀器平台」, 包括了溫鹽儀 (CTD) 和水下聽音計。 台灣的海纜技術是從歐美引進的節點式海纜，優點是它接連觀測站的節點是插座式的，也就是說觀測站可以像電器用品一樣，插在海纜的電源線上，並且可以更換不同的觀測平台。1 個節點的插座有 4 個，所以只要還沒超過上限，就可以增加平台的設置。 日本也是海纜技術相當純熟的國家，在 2014 年以前將完成 10 條觀測地震與海嘯的海底電纜。不過與歐美的發展方向不同，日本的海纜技術是屬於一體成形 (in-line) 式，也就是監測站的節點在海纜製造之時，就會連同線路一起被包覆在纜線外皮之內，因此無法單獨更換節點觀測儀器，或者加裝新的儀器，必須儀器、線路一併更換。 另外，日本的海纜是專門在地震及海嘯的觀測用途上，而台灣則是結合了海洋科學的研究用途加裝海洋儀器平台，除了功能的多元化，可以記錄海洋各種物理特性變化，跨單位合作也使得計畫經費較為容易申請。 實際運作狀況 台灣的地震觀測網包括「即時觀測網」和「強地動觀測網」, 前者可以透過連線即時傳遞觀測資訊，因此也能夠有地震預警的功能；強地動觀測網的主要功能是提供學者研究的資料，特別是強震下地表或結構物的震度反應，因此不一定需要即時連線，有許多測站仍由工作人員定期收集資料。 那麼媽祖計畫是屬於哪一部分呢？目前媽祖計畫中的海底觀測站，已經成為地震觀測網中「即時觀測網」的一部分，也就是能夠監測不分大小、各種規模的地震，並且與其它即時觀測網的測站連線，快速運算監測資料，回報中央氣象局。 雖然第 1 期的計畫已經完成並且順利運作，媽祖計畫還有第 2 期的提案，由於經費爭取不易，目前還在等待通過的階段。第 2 期的計畫主要是希望將海纜再往東邊延伸，這麼一來能夠包圍更多的地震成為網內地震，希望能提升台灣對於地震災害的預警能力。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿) 責任編輯：鄭國威 (元智大學資訊社會所)

滄海一嘯–從南亞海嘯談起

2004 年 12 月 26 日清晨 6 點 58 分 50 秒，位於北緯 3.298 度，東經 95.779 度，也就是印尼蘇門答臘西北方的海底斷層帶，突然造成規模 9.0 的地震。頃刻間，釋放了相當於 1 萬 6 千顆廣島級原子彈的強大能量，並隨海浪快速傳送。這股能量在印度洋沿岸掀起滔天巨浪，印尼、斯里蘭卡、印度、泰國首當其衝，距離較遠的馬來西亞、緬甸、馬爾地夫、非洲東岸也一樣災難頻傳，全球總計二十多萬人喪生，這就是舉世震驚的南亞海嘯。 尤其令人鼻酸的是，災難發生當時，有許多人正在歡度耶誕假期，災難發生後，歡樂氣氛嘎然中止，人們的心情盪到谷底，真是科學仍無法勝天！這場災難讓我們深深警惕，雖然大海嘯不常發生，但在未來仍會再度出現。我們該如何架構完善的預警系統，把未來可能發生的災害降到最低，實在是痛定思痛後的當務之急。 地震大到令人不敢相信 猶記得 1999 年的 921 地震嗎？那是全球公認的大地震之一，但與造成南亞海嘯的大地震比起來，又算幸運的了。 若以地震威力看，921 地震的規模是 7.6, 造成南亞海嘯的地震規模是 9.0。由於地震規模相差 1, 釋放的能量相差約 32 倍，所以南亞地震威力大約相當於 921 地震的 1 千倍。若以斷層錯動量看，921 地震時，車籠埔斷層地表破裂帶延續約 100 公里，我們已覺得不可思議，然而南亞地震斷裂從南到北大約 1,000 公里。再從事後資料看，南亞海嘯的能量傳送速度，從震央到印度、斯里蘭卡大約花了 2 個小時，而它沖向岸邊所掀起的海浪高達 10 公尺以上 (相當於 3 層樓高)。 事後回想起來，南亞海嘯的發生還真的有點詭異。因為在發生地震的同一個月分的稍早幾天，有一位日本地震學家發表文章表示，地球上曾經發生過規模 9.0 以上的地震。看到文章的人大都半信半疑！原來他在 1700 年 1 月 26 日的日本文獻中，發現一個浪高 15 英尺的海嘯紀錄，文中記載房屋破損、火災、死亡人數等資料，且在文獻所說的土地上仍留有一個海嘯標誌。奇怪的是，他在日本文獻中卻未能找到同一天與地震有關的紀錄，因此很好奇地進一步研究，想了解這個海嘯是從哪裡來的。 後來他推測，那次海嘯應該是從美國西岸傳過來的，可能是華盛頓州與加拿大交界處的一個隱沒帶發生地震所引起。他更推測，那次地震規模絕不小於 9.0, 因此才會引起這麼大的海嘯。文章刊出以後，很多人不相信，認為地球上不會發生這麼大的地震，誰知幾天以後規模 9.0, 造成南亞海嘯的大地震，就出現了。 海嘯形成的原因 發生南亞海嘯是因為：印澳板塊與歐亞板塊互相擠壓，把海底地殼隱沒帶往下推，使得板塊間的交接處出現斷層破裂，這個裂縫由南往北走，形成規模 9.0 的地震。巨大能量使得海底產生變形，海浪因而向上推高，快速往四處傳送，因而形成海嘯。地震所引起的地震波還一直繞著地球轉，力量大到連地球的自轉也受干擾。不只如此，這股地震能量的上下衝擊力也很強，強到影響地球的膨脹與收縮，致使地球表面像西洋梨般扭曲。 海底地震會引起海嘯造成災害，但是，海底地震與海嘯間的關係究竟如何呢？海底地層變動是引起海底地震的原因之一，一旦海底地形突然發生變動，就易引起海嘯。也就是說，當海底發生斷層、山崩或火山爆發時，都可能引起地形突然變動，一旦海底地形突然變動，海浪就跟著來。當海浪往外傳時，水愈深傳得愈快，水愈淺傳得愈慢；再加上波的反射、折射作用，使得波浪到達岸邊時，會變得很高而形成海嘯。 如此看來，在海嘯到來以前仍有一段逃命時間，逃命方法就是三十六計「跑」為上策。南亞海嘯發生時，就有一個印尼村莊的居民因為遵照祖訓:「看到海浪往後退的時候趕快往山上跑。」因此整個村莊沒人傷亡，這是古人留下來的生命智慧。另一個逃命實例發生在泰國，有些遊客在海嘯來襲前，因為往山上跑而保住性命。 只是人們如何知道有多少時間可以逃跑呢？科學上有這麼一個公式：重力加速度乘以海底深度，再開根號，就是波的傳遞速度。因此，預警人員可據以發布海浪到達的時間。 話說回來，推算時間是地震學家的工作，一般人能做的就是相信預警訊息，趕快逃命。倘若不相信，後果就不堪設想。例如，1946 年美國阿拉斯加州發生大地震時，在岸邊引起 35 公尺高的大海嘯，當時的人見到海浪往後退蔚為奇觀，還叫更多人出來看，後來的悲慘情況可想而知。 南亞海嘯送來的訊息 南亞海嘯對人類造成很大傷害，但就研究立場而言，它也為地震學家帶來很多意外收穫。前面說過，南亞海嘯能量很大，大到影響地球的轉動，因此世界各國的偵測儀都接收到很完整的震動訊號，這使得地震學家有能力去解析當中的波向到底是由哪一個訊號所造成的。這些訊號可協助科學家了解地球的內部構造，也可以協助算出海嘯到達岸邊的時間。 另外，研究者又從地震偵測中獲知，引起南亞海嘯的海底斷層長度約 1,200 公里，寬度約 40 公里，次地震斷層傾角約 17 度，最大滑移量約 20 公尺。根據這些資料繼續推測，這次的海底斷層應是由南到北，整個板塊抬升約 20 公尺 (相當 7 層樓高), 而且是垂直抬升的。 當研究者把「最大滑移量約 20 公尺」分成兩個分量來看時，地層的垂直變形大約 5 公尺，水平變形大約 10 公尺。這當中似乎存在一個困惑，區區 5 公尺的變形，怎會引發這麼大的海浪呢？於是大家更深入研究，這次的斷層傾角是不是真的只有 17 度？是否還有其他原因...... 說來真是幸運，臺灣在這次地震中並未受到波及。其實，地震發生時，臺灣也曾感受到能量，幸好這次能量往東傳的力道不大，加上很多島嶼和海溝的阻隔，使得臺灣受到的影響不大。甚至可以說，在這個地震中，我們還獲得許多寶貴資訊。 地震發生時，中央研究院的寬頻網曾接收到非常清楚、伴隨地震而來的表面波訊號，這些訊號非常不容易取得，它可以幫助學者從事臺灣西南海域的地殼構造研究。此外，學者在花蓮和那菝兩地的地下水位資料中也發現，在地震表面波通過時，這兩處的地下水位都出現改變。因而促使研究者開始思考，是否可利用地下水從事地震前兆或地震預測的研究。同時又想到，或許可利用這些資訊分析「地震與地下水位間的關係」, 或研究「地震在傳播路徑上對地下水位造成的影響」, 甚或研究地震所帶來的其他資訊等。 臺灣古海嘯耐人玩味 臺灣位在歐亞板塊與菲律賓海板塊接合處，當板塊推移時，臺灣境內和附近海域岩石受到擠壓而抬升或下陷，這就是斷層與地震發生的原因。同樣情形若發生在附近海域，臺灣沿岸就可能出現海嘯，因此研究者對於臺灣海嘯的歷史，以及多久會發生海嘯的問題相當關心。 只是臺灣成立地震偵測站的時間不長，若想研究較早期的海嘯，只能從文獻中推估。例如，1604 年泉州發生規模 8.0 的大地震，研究者在新竹站的文獻中就找到海浪變化的紀錄，雖然當時的浪高未達 20~30 公尺，但可以證實當時確曾收到一些訊號。又如，1867 年基隆發生大海嘯，那次也有明確的文獻記載。 然而讓學者感到驚恐的是，在 1741 年的文獻記載中，日本石垣島曾發生浪高 85 公尺的海嘯。能產生這麼高的海浪，顯然地震規模很大，但是截至目前為止，研究者並未在臺灣文獻中找到相關的地震或海嘯記載。照理來說，石垣島出現 85 公尺高的海浪，臺灣肯定會受到影響，但海浪到底多高呢？這是一條好線索，值得對臺灣海嘯歷史有興趣的人繼續追查下去。 此外，中央大學師生在 1995 年曾為臺灣海嘯歷史做過整理，結果發現整個臺灣沿岸都發生過海嘯，就連高雄外海也不例外，雖然當時高雄的浪不高，但仍造成一些災害。 海嘯預警的當務之急 臺灣位在活躍地震帶上，海嘯預警工作很重要。研究者推估，萬一基隆外海發生地震，應有約 19 分鐘的預警時間，如果西南沿海發生地震，則只有 6 到 9 分鐘。 當然，最精準的預警時間，仍需依地震發生的遠近決定。而且一旦海浪到達岸邊時，因為一個海浪周期約有 15 分鐘，所以一個浪頭下去以後再上來的時間，可用半個周期計算，也就是說，從海浪下去到上來大概有 5 分鐘可逃命。因此為了掌握時間，只要一發生地震，地震學家就忙著做地震定位，若能提早 30 秒預警，就有機會把災害降到更低。尤其海上發生地震時，有了地震定位，就可正確研判，並把警訊快速傳出去。 因為預警時間如此分秒必爭，所以需要先進儀器的協助。歐美國家現在採用一種叫做驗潮設備的儀器，在儀器下方有個感應器，萬一發生地震，感應器會把訊息透過儀器傳到人造衛星上，再由人造衛星送到地面，如此就可快速知道海浪的傳遞情形。目前國內因為這種儀器昂貴而無力添購，不過在海嘯警訊與研究方面，氣象局、海巡署已開始與地震站配合。 南亞海嘯發生後，我國地震學者警覺到臺灣需要更完整的海嘯資訊。又因臺灣地震頻仍，學者們因此認為，只要科技發展到什麼程度，我們就該做些什麼事情。至於哪些是該做的事呢？首先是對臺灣歷史上的海嘯有所了解。臺灣在 1604 年、1741 年、1771 年、1867 年曾發生海嘯，到底引起這些海嘯的真正原因是什麼？是海底山崩、海底地震、或是海底火山所引起的？這些都該去評估而且是可評估的。 接下來是對海嘯的危害性做評估。首先假設一個造成地震的原因，然後虛擬一個地震，假設地震規模 7.0 或 8.0, 發生地點在東南外海某處，如此便可估算出海浪會在幾分鐘內傳到沿岸。不過，做這項評估以前，必須先完成臺灣附近的海底地形資料，有了地形資料就可評估浪高，有了浪高就可評估整個因應範圍。一旦計算出浪有多高、面積有多大以後，就能知道海水體積有多大，然後算出海水淹到陸地的範圍是多少，這些都是與監測預警有關的工作。 如果更嚴謹一點，把事情做得更完善，那麼至少每隔 5 年要舉行一次海嘯演習，讓人們知道海邊警示訊號所代表的意義，以及萬一海嘯來時該往哪個方向跑，這些教育工作可把災害降到最低。當然，科學家還可以應用科學技術，依照評估出來的海嘯淹沒範圍，標示逃生路線，如此可再度降低災害的危害程度。

洪水與土石流:土石流防災知多少

從期待到驚惶 颱風似乎是每個臺灣人對夏天的共同記憶，許多人在懵懂天真的孩提時代，多少總會期盼颱風到來，好享有多賺到一天颱風假的「優惠」和喜樂。儘管兒時記憶中也曾烙印著颱風夜家中屋瓦被吹翻的驚恐，但在災害中總能竊取到一些樂趣，也許僅是賺到一天快樂的颱風假期，也可能是聽大人們談論街坊鄰居的哪隻豬不見了、誰的雞被吹走了等等趣事。那時天然災害帶來的軼聞像是平靜生活中的插曲，在平淡無奇之中點綴了些許趣味。 然而近年來頻頻發生的重大天災，所造成的嚴重傷害卻遠遠超過你我所能想像，也超越了人們能夠談笑視之的負荷界限，人人聞災色變，因為天災不再只是平淡生活中的插曲，而是足以澈底改變生活的「命運變奏曲」。 回顧二○○一年對臺灣造成影響的颱風，從五月的西馬龍到十月的海燕，總共有九個之多，這在臺灣的氣象史上是罕見的，其中令大家印象最為深刻的當屬七月底的桃芝及九月的納莉和利奇馬颱風了。桃芝颱風出奇不意地猛揮一拳，重創中臺灣及東臺灣，造成山區嚴重的土石流災害；納莉颱風搖搖晃晃蹣跚緩擺，竟使北臺灣創下最嚴重的水患紀錄；而利奇馬颱風對南臺灣雖然未造成太多的傷害，但補足了全臺灣版圖均屈服在颱風威脅的壓力下。 如果將這幾個著名的颱風名稱以臺語串成「你現在 (利奇馬) 逃到 (桃芝) 哪裡 (納莉)?」來描述上帝對福爾摩莎美麗之島的垂詢，我們大概也只能無奈地回答說:「在造物主面前我們無處可逃，也無言以對。」如今面對颱風，早已脫離了兒時記憶中「賺到假期」的興高采烈，取而代之的是驚惶、不安與疑懼。 天搖地動之後 臺灣為多山島嶼，約四分之三地區屬於山坡地，地勢陡峻、地質破碎、河短流急，不良的地質條件，加上颱風豪雨頻仍以及不時發生的地震，十分容易引發沖蝕與山崩，致生土石災害。近年來，又由於過度使用坡地資源、大量開發利用山坡地，使得水土資源保育問題日益惡化。再經過九二一地震，天搖地動、雷霆萬鈞的搖撼後，臺灣更有如柔弱的花朵，禁不起風吹雨打，很容易便憔悴凋零。 大地震造成了全臺地形景觀上的巨變，特別是中部山區處處崩塌，產生高達數千萬立方公尺的鬆散土方，嚴重危及山區農業經濟發展、道路交通建設及民眾生命財產安全；另外由於地震強烈的擠壓及錯動，也使原來就已經不穩定的山坡地變得更加脆弱。事實證明在過去幾年中，每遇豪雨，甚至一般性的降雨，都會引發規模不一的土石崩塌和土石流災害，如此明顯不同於以往的災害經驗，也使得防災工作更加艱鉅。 流動的殺手 現在每當雨季來臨，各種山坡地土砂災害便層出不窮，其中在各大傳播媒體上曝光率頗高、常為人所互道的嚴重災害就是「土石流」。自一九九六年賀伯颱風過境以來，這個自然界中流動的殺手，就大大打響了它可怕的名號，震驚了寶島臺灣每個人的心；「土石流」一詞如今儼然是山間豪雨成災的代名詞，更是山區居民傷痛的源頭。 土石流是一種水與泥沙、土石充分混合而成的流動體，外型與一般常見的混凝土砂漿極為相似，因此又被比喻成「天然預拌混凝土」。當這個令人驚駭的流動殺手發威時，巨大的石塊如千軍萬馬般自山谷溪流間奔騰而下，沿著河道一路攻城掠地，像是噬人的猛獸，只一瞬間就將許多人辛苦建立的家園摧毀殆盡。曾經矗立在山林中的紅牆綠瓦、曾經是人們安身立命的棲身之地最終變得土崩瓦解、面目全非。人們絕對難以想像，平日靜立山間難以撼動的巨石，在豐沛雨水的托動下，竟會帶來如此駭人的災難。 土石流災害事件近年來有逐漸增多的趨勢，最近一次促使這流動殺手大規模發威的是二○○一年七月二十九、三十日侵臺的桃芝颱風，其豐沛的雨量造成臺灣東部花蓮縣及中部各縣市地區，土石流竄、堤防潰決、橋梁沖毀、路基流失及居民房舍遭土石掩埋的慘重災情。由於桃芝風災發生在九二一大地震後，災害情況較之以往更為嚴重。因此讓民眾認識土石流災害，並建立避災防災的觀念與體系，可說是當務之急。 遏阻殺手行動 要遏阻土石流這個流動殺手的恐怖行動，就必須預先做好各種防護的措施，首先須了解土石流流動的誘因，以對症下藥。土石流發生的條件為：破碎裸露的地質、陡峻的坡度和豐沛的水量等，除去這些條件，令人聞之喪膽的流動殺手就只是山林中靜默不動的隱者，對人們其實不具威脅性，因此針對誘使殺手行動的因子加以防範是十分重要的。 在土石流的防治上，可運用良好的植被覆蓋大地來保護破碎裸露的坡地，再運用防砂壩及排水導引工程等，減緩河床陡峻的坡度並引開過多的水量。綜合來說，土石流的防治大致上可分為植生與工程兩種措施，但依據防護對象和土石流的特性，可將此兩類措施進行各種不同的組合。 植物生長保護河川大地 土石流防治的植生措施，主要是運用植物根系保土護坡的特性，來增強表層土壤對大雨衝擊的抵抗力。一般採用喬木、灌木及草類等植物，依據現場地形進行綜合配置並營造景觀，期能充分發揮防止土壤沖蝕、分散地表逕流、減少逕流量等功效，以削弱或根除土石流發生條件，讓土石的流動無由產生，進而達到預防和制止土石流發生或減小土石流規模、減輕危害程度的目的。 植生防治措施具有應用範圍廣、投資費用少、風險低、促進生態平衡、改善自然環境條件，具生產效益以及防治作用持續時間長的特點，可說是十分不錯的防治方法。只是植物生長需要較長的時間，因此植生措施初期的效果較不明顯，通常需要三到五年或更長的時間才能發揮顯著的作用與效益。所以在一些地滑或崩塌地區，單獨使用植生措施不一定能完全解決問題，通常必須和工程措施相互配合才能達到良好的防治成效。 工程構造降低殺手動力 土石流防治的工程措施，是在土石流的形成源頭、流通溝谷及最後堆積形成的扇形區域內，採取相對應的攔阻、調節和疏導等治理工程，用以控制土石流的發生和危害，即使真有土石流產生，也能藉由疏導工程順利將土石經由安全路線引流並堆積到預先規劃的安全區域。此類工程措施通常適用於土石流規模大、河道中有鬆散土砂堆積、重要保護對象 (如下游有村落、重要道路或古蹟等)、防治標準要求高、見效快以及希望一次解決問題的情況下，對於土石流流動的遏阻頗有成效。 實際進行土石流工程防治措施時，最好能兼顧坡面與溝谷，上下游統籌綜合治理。一般在溝谷上游以安定土砂為主，中游以整治水流為主，下游以排洪疏導為主。當土石流藉由上游穩定坡面、截導水流和中游攔擋土石、保護坡岸等工程設施時，產生土石流的鬆散土砂來源即可減少，這有利於下游的土砂疏導，進而可將土石流的危害減至最低。 雙管齊下對付土石竄流 由於土石流的發生、發展及危害與特定地質、地理環境和人類經濟活動有密切的關係，因此，土石流的防治須從全面的角度採取確實可行的治理措施，土石流發生區域應整體治理規劃，依據集水區上中下游的不同特性，結合植生與工程等不同的措施，才能讓山區土石安穩靜立，不隨大水四處流竄橫行。 針對土石流在上中下游不同特性的防治，分別有抑制、攔阻、淤積、疏導及緩衝等工程方法。抑制方法以施作工法的專有名詞來說，包括：固床工、潛壩、連續壩、山腹工、打樁編柵、源頭治理、坡面排水、植草造林等，主要應用於溪谷上游沖蝕劇烈的地方，目的在防止坡地沖刷、斷絕土砂石塊對土石流的供應補充。 土石流的攔阻方法如防砂壩，則是應用於溪谷的中上游，由於土石流流經此區時已含有大量土砂、巨石，濃度已近飽和，藉由堅實的工程構造物直接攔阻或使土石流脫水，可以阻止土石的流動。而淤積方法是在河道中下游增加淤積的土砂，例如將溪床寬度加大或者讓溪床坡度減緩，使土石流經該處時能夠自然淤積。 疏導方法則是運用在土石流流速漸趨緩慢的中下游區及扇狀堆積地上，利用渠道或導流堤道，誘使土石流沿安全的路線移動。至於土石流的緩衝方法，即是以樹木林帶做為緩衝，在溪流兩岸及出口扇狀地區廣植林木，以減緩土石流的衝擊力。 土石流潛勢區域整體工程防治配置系統 打樁編柵：主要用於崩塌地及土石流源頭的治理，目的在分散水流，穩定坡面，減緩土壤沖蝕，加速植生復育。 沈砂池：配置於土石流危險溪流的下游處，目的在淤積大量土石於安全區域內，避免掩埋危害下游居民及農田。沈砂池必須在雨季來臨前清除堆積物，以提供淤積空間。 緩衝林帶：藉由森林根系良好的抓地力及樹幹的阻擋作用，可以減緩土石流速度，降低衝擊力。 系列防砂壩：藉由一座以上串聯的防砂壩來攔阻上游崩塌的土石，同時可達到避免河床向下刷深及保護兩側坡腳的目的。但此種完全封閉式的防砂壩有阻隔魚類等生態系統的缺點，因此較適用在旱季沒有水流的野溪。 格子壩：屬於透過性壩的一種，目的僅在於攔阻大塊石，讓小顆粒泥砂可以向下游流出，保持河川的泥砂輸送平衡，避免海岸線因缺乏土石流出而內移。 梳子壩：因其構造像梳子而得名，作用與格子壩相同，由於格子壩與梳子壩不會阻斷河川生態系統，因此可配置於常流水的溪流。 與天災和平共存 在所有土石流防治方法俱都齊備時，是否可以認為人定勝天，從此就可高枕無憂？其實並不盡然，因為土石流的再發性非常高，而發生規模與頻率也非現今的科技所能掌握，因此最好的對策乃是遷村。遠離土石流危險區域，才能讓山區居民免於恐懼。然而臺灣地狹人稠，再加上居民戀土愛鄉的情懷，多年來的防災經驗告訴我們，建構一個能與天災共存共容的坡地社區，可能是較為妥當與可行的辦法。 以大家耳熟能詳的南投縣信義鄉神木村為例，該村幾乎年年發生土石流，但遷村之路卻仍是遙不可及，近年來隨著災害頻仍，居民習於面對天災，反倒是逐漸發展出社區防災的觀念。不過在建立防災社區的同時，卻也衍生出許多待解決的問題，首先是政府單位應在何時以及如何告訴居民土石流即將發生，其次是該如何撤離？這其中牽涉到預警與避難兩大系統的建立。 預先警告走為上策 人類無法控制天災不發生，而當土石流災害無可避免、當我們無法阻止自然界這流動的殺手行兇時，「三十六計，走為上策」是最好的選擇，但什麼時候該走卻是一門很大的學問，「土石流預警系統」於是應運而生。「預警」一詞顧名思義，目的在預先警告土石流危險區內的居民災害可能要發生，好讓居民有較充裕的時間進行疏散避難。但由於土石流的發生仍存在極高的不確定性及未知性，因此目前仍常面臨無法有效預測土石流發生時機及地點的窘境。 土石流的預警是以時間和頻率為二大主軸，而以驅動土石流的雨量條件為主要的預警觀測對象，透過統計分析，建立可能發生土石流的降雨預警基準。此外，並將土石流流動過程中所產生的異常現象，如震動、聲響、水位等徵兆，納入土石流預警的設計參考，希望在土石流發動可怕的攻擊行動前，能夠及時告知民眾遠離危險。 預警系統是否成功，取決於警報發布到民眾開始進行避難的時間是否足夠，這段時間愈寬裕，那麼成功避難的機會就愈大；反之，若時間過短，則會導致避難行動措手不及。臺灣地區會發生土石流的溪流長度多介於五百至二千公尺之間，一旦土石流自源頭奔流而出，經由現場監測儀器 (如紅外線攝影機、鋼索檢知器或地聲計等) 的警報反應，可以讓居民應變的時間不會超過十分鐘，因此現場監測預警的儀器都有反應時間過短的缺點，較難有系統地進行疏散。 從爭取足夠避難時間的觀點來看，必須將預警時間往前推，而目前以雨量做為土石流警戒通報的基準是較為可行的方式。藉由接收中央氣象局的即時雨量資料，推算危險地區的雨量是否達到土石流發生的警戒標準，一旦超過警戒標準，隨即通報居民進行疏散避難。然而以雨量做為判斷土石流是否會發生的最大缺點是準確度並不高，因此民眾常會有「狼來了」的受騙感覺。 基本上，土石流預警的技術目前尚處於試驗研究階段，因此預警準確度的提升，還有待專家學者們進一步的努力。只是我們也不應該過度依賴預警系統，將自身生命財產完全寄託在預警系統上，畢竟我們的科技仍無法全然抵擋大自然的反撲，對於天然災害仍應抱持積極走避、不與之正面衝突的觀念，並採取避難行動，才是上上之策！避開災難保命為要 當土石流災害即將發生時，居民究竟該往何處避難，又該怎麼逃才能躲開「流動殺手」的追趕呢？建立土石流危險區避難處所及規劃疏散路線，是政府相關單位與學術界目前正積極合作的防災工作。整體工作重點在針對土石流危險區域進行規劃，當某些特定地區被劃定為土石流危險區域後，政府相關單位必須對危險區內的人為活動嚴格加以限制 (如坡地開墾及房舍興建等), 同時也必須提出相對應的防災措施，更重要的是應著手制定和執行必要的疏散計畫。 當某一地區雨量一旦超過警戒值，可能在數小時內發生一定規模的土石流時，災害應變中心即須對該區居民採取緊急疏散避難或保護措施，所有民眾須強行遷至安全區域。疏散避難計畫內容應包括：疏散地域範圍、疏散的時間限制、疏散的交通運輸工具及路線安排、疏散的具體戶數及避難處所的安排、充裕的救援物資及通暢的對外通訊設備等，並建立統一指揮的行政防災組織系統。 防災團隊經由現場的實地勘查及與當地居民的對談溝通，讓民眾直接意識到自我防災的重要性，另外並與居民協調避難處所及路線的妥適性，以規劃避難地點與疏散路線。相關避難規畫是以危險村里為規劃單元、以鄰為各單元的自救單位，透過危險溪流的標示、防災避難處所及防救災疏散路線的規畫等宣導協談，將防災引入鄰里單位。利用現有的民政系統使鄰里單位兼具防災安全作用，依此建立一個完整的防災生活圈，並就人口規模適時調整防災疏散緊急通報範圍及防災避難的設施空間。 在二○○一年七月桃芝颱風所造成的土石流災害中，苗栗、南投及花蓮等縣有十餘個村落遭受土石掩埋，傷亡慘重。桃芝風災發生後，政府痛定思痛，立即委託學者進行十餘處土石流危險區疏散避難規劃研究，在訪視災區居民後，已共同規劃了緊急疏散路線與避難處所。 同年九月納莉颱風襲臺，造成臺灣多處地區嚴重的洪水災情，然而這十餘個鄉鎮村落，由於透過緊急聯絡網的聯繫與適時疏散到已規劃好的避難處所，因此並未傳出人員傷亡的重大災情，該次颱風對當地人民生命的威脅可說是減至最低。由此可知只要抱持著積極避災的態度並適時地避難，人們仍然可以和天災和平共存。 環境檢查 DIY 坐擁青山碧水，在大自然的懷抱中朝迎晨曦、暮送落日，大概是許多人的夢想，然而想要在翠綠山林中長住久安，遠離土石流的威脅，平日就應該多多關心周遭環境的變化。只要多留意，時時觀察居家內外的異狀，環境檢查其實不一定非專家不可，自己也可以 DIY。 首先要了解住家周遭的大環境有哪些地方需要注意，而山坡地又是在哪些條件下不適合建築？例如：陡峭的山坡地、活動斷層經過的山坡地、崩塌區、地層破碎或順向坡有滑動之虞者、河川扇狀堆積地或廢土堆上、土石流河岸或源頭易受侵蝕的地方等，這些或許仍帶有不少的專業性，但你我至少必須具備雨季來臨時少在山區活動的常識。此外環境的異狀也可由地貌的突然改變觀察得知，例如山腳下突然出現崩落的土石、坡面上有大面積的裸露或人為開挖...... 這些都是危險的警訊，應該隨時留意並通知相關單位處理。 明瞭周遭大環境的狀況後，接著可以觀察山坡地住家房舍內外的情形，如道路、水溝、擋土牆、房屋、廣場等是否出現龜裂的現象，山坡上直立的樹木及電線桿等標誌是否傾斜...... 這些異常狀況都表示地層有滑動的跡象，極有可能在雨季時發生崩塌或土石流。如果在住家或附近發現前述任何不平常的現象，就表示該處恐怕不適合人居，必須好好考慮是否應另覓安全居所！親愛大自然 俗語說:「有得必有失。」人們取之於自然，就必須相對地對大自然付出關懷，如果一味貪得，超過大自然所能負荷，那麼人們終會失去更多。在九二一地震後，我們更應該溫柔地對待傷痕累累的這塊土地，善待自然界中的一花、一草、一木，甚至一把泥土、一顆石頭、一條小溝，努力撫平大地的創痛。 土石流是大地向人們發出抗議怒吼的聲音，我們必須正視這個自然界中流動的殺手所帶來的嚴重問題。在平日親近大自然的同時也應該珍愛大自然，須知人不一定能勝天，面對這片美麗的土地，我們應有的態度是：敬畏大自然，傾聽大自然的聲音，盡力維護山林之美，避開可能發生土石流的危險區域。如此我們才能真正與大自然和諧共處，創造美麗寶島永續不絕的蓬勃生機。

沙塵暴的形成和影響

相信大家對於甘肅發生的沙塵暴記憶猶新，黃沙從天空蔓延到地面，猶如築起一道高牆。一旦大陸地區發生沙塵暴，環保署就會發布警訊來提醒民眾注意。這些飄洋過海的沙子，又是如何影響著臺灣呢？沙塵暴真正到達臺灣地區的時候，因為它的風速比較大，所以氣體污染物的影響比較小，主要還是顆粒污染物。 沙塵暴是一種風與沙相互作用的災害性天氣現象，形成的條件是要有豐富的沙源和地面的強風，加上不穩定的氣流。在冷、熱空氣交會的區域，空氣會快速地流動，較熱的空氣會造成強烈的上升運動，能夠把沙帶到高處。當沙塵被揚起之後，比較重的沙粒很快就會掉落到地面，但顆粒細小的，卻可以向上傳送到相當於 1000 公尺到 3000 公尺的高空，再藉由西風所帶來的氣流向東傳送。而到達臺灣來的，就是這種較為細小的顆粒物。 沙塵暴期間所測到的，都是 2.5 微米以上的粗、大顆粒，那 2.5 微米以下的顆粒我們稱為微粒、微塵，它增加的幅度沒有粗的顆粒來得大。不管是粗跟細，都是會影響呼吸道。 這些從大陸地區形成的沙塵暴，由於沙塵顆粒經過長時間的飄浮，會吸附空氣中的黴菌和致癌性的烴類化合物。因此被人體吸入之後，很容易引起呼吸道的疾病；若是進入眼睛，再用手搓揉，也可能造成結膜炎。如此惱人的沙塵暴，除了影響空氣品質，還具有什麼樣的特性呢？它的高濃度出現的時間，大概持續大概 2、3 個小時。譬如說在北部出現，持續 2、3 個小時，可是整個事件的影響時間大概可以持續 24 小時，然後還有另外一個特徵是由南往北慢慢傳送，然後再來是由北往東也會傳送。 近年來沙塵暴的問題逐漸嚴重，氣象學者認為是天氣周期的變化，正常的大氣環流被擾亂；也有一派學者認為是人類過度開發自然，使土地沙漠化的關係。無論如何，沙塵暴已經是一種具有威脅性的天氣現象。面對它的威力，還是要特別留意。

勇於突破框架,重新詮釋舊有研究報告——亞佛加厥與他的分子論

亞佛加厥肖像。(圖 / Wikipedia) 亞佛加厥的出生地：阿爾卑斯山下的「皮得蒙」 1766 年 8 月 9 日，亞佛加厥 (Amedeo Avogadro) 生於義大利北部皮得蒙 (Piedmont) 的小鎮波塔。蘇撒 (Porta Suse)。當時的義大利，已過了輝煌的神聖羅馬帝國時期，也過了文藝復興的鼎盛時代。這個位處歐洲南端半島的王國分裂成七個小國，經常彼此交戰，半島北邊的薩迪尼恩王國 (Sardinian Kingdom) 更是積弱不振，國王阿瑪迪斯三世的宮廷密探，卻四處分布在皮得蒙，牢牢地監控百姓的思想言行。 長期以來，皮得蒙有自己的語言與文化習俗，既不同於南方的義大利，與北部的法國也不同。薛西亞河 (Sesia River) 默默地流過皮得蒙山區，濃密的森林覆滿山頭，這裡幾乎是阿爾卑斯山區遺世獨立的一角。 自從十三世紀以來，亞佛加厥的祖先就擔任皮得蒙的律師或是行政官，是當地顯赫的世家。尤其在 1640 年間，可怕的黑死病傳到義大利北部，皮得蒙死了數萬人，許多人避居他處，亞佛加厥的家族卻留下來，並在法布吉歐。亞佛加厥 (Fabrizio Avogadro) 的率領下，搶救災民，因此深獲當地居民的尊重。亞佛加厥的父親菲立波。亞佛加厥 (Filippo Avogadro, 1734-1811) 在 1756 年擔任法官，後來升至國家大法官。 亞佛加厥生在律師世家，從小親族就認為他將來會接續律師或是法官的工作。1792 年，他進入皮得蒙最高學府杜林大學 (University of Turin), 就讀法律學系。亞佛加厥在大學裡最喜歡上的課，卻不是法律，而是物理學，尤好顏迪 (Vasealli Eandi, 1761-1825) 教授的「新物理」—— 電化學。 貝卡利亞一生教出四個傑出的學生，包括物理學家顏迪 (Vasealli Eandi, 1761-1825)。(圖 /torinoscienza) 亞佛加厥的物理求學之旅 在一個思想封閉的國家，當政者對物理學不會有很多的期待。杜林大學在 1720 年就設立「物理講座」。當時物理屬於藝術學系，物理學教授教什麼都不是很重要，重要的是負責宮廷管風琴的維修。宮廷樂師演奏時，物理學教授要隨時待命，樂器壞了還要能立刻修護。 在這種學習物理的惡劣環境裡，卻出了一位傑出的物理學教授貝卡利亞 (Francesco Beccaria, 1716-1781), 他是一位神學家，同時也是一個擅長數學的物理思考者。貝卡利亞對電化學特別有興趣，他在 1748 年就提出「溶液中的化學反應與電有關」、「物質帶電只在極表面的一層，電不會傳到物體的內部」、「雲層中的電荷運動是產生雷電的原因」、「暴露在空氣中的金屬，重量會逐漸的增加，是金屬表面與空氣起反應的緣故」。 十八世紀是化學的啟蒙時代，貝卡利亞堅持化學不是在一堆實驗中打轉，而是以符合邏輯的思考，去尋找物質變化的簡單法則。他以一個神學家的身分，提出探索大自然法則是有意義的，因為這些法則是優美而神聖不朽的，是上帝創造一切時立下來的律。貝卡利亞認為傳統的牛頓物理無法解釋電化學。牛頓物理所探討的是看得見的物質與移動物體的力，電並非肉眼能見的物質，電化學的改變也無法用物體的位移來表示，貝卡利亞認為電是一種粒子 ——「分子」產生變化所致，他將這種學問稱為「新物理」。 貝卡利亞一生教出四個傑出的學生，包括數學大師拉格朗吉 (Giuseppe Luigi Lagrange), 醫學大師西革南 (Gianfrancesco Cigna),「杜林皇家科學會」的創立者莫內西格立歐 (Count di Monesiglio), 與物理學家顏迪。貝卡利亞能教出不同領域的大師，是因為當時科學領域的劃分較模糊，物理尚未成為一個學系，是外系學生可以共修的課程。 顏迪的「新物理」, 當時深受一些學生的喜愛，這門課被稱為是「條理分明，教導一流，滿足對大自然充滿好奇的學生」。 時代的危機：法國民主革命思潮與「雷索吉曼多運動」 亞佛加厥在杜林大學唸書時，除了法律系必修課程之外，也修了顏迪教授的「新物理」、「物理與數學」課。物理的思索，像是一條看不見的線，立刻吸引了這位認真思考的學生。在課餘，他參與顏迪教授的實驗，並且經常與顏迪教授討論，這個物理討論之約，持續達十五年之久。 當亞佛加厥沉湎於新物理學時，另有兩股強大的政治運動在杜林大學互相激盪。一股是偏法國民主革命思潮的「雅各賓黨」(Jacobin), 他們認為皮得蒙的積弱不振，是缺乏法國式的民主，因此高舉推翻君王、成立民選議會的主張。另一股政治思潮則認為義大利分裂成七個小國，是遭受外侮的主因，所以義大利的強盛需要各王國聯合成為一獨立的國家，稱為「雷索吉曼多運動」(Risorgimento Movement)。當亞佛加厥唸大學一年級時，法國對皮得蒙宣戰，更激起這兩派學生的對抗，甚至經常在校園裡械鬥。 另一股政治思潮則認為義大利的強盛需要各王國聯合成為一獨立的國家，稱為「雷索吉曼多運動」(Risorgimento Movement)。(圖 / Wikipedia) 1795 年，亞佛加厥大學畢業，他又留校一年，取得法典學博士。同年，法國軍隊攻入皮得蒙，占領了大片的土地。阿瑪迪斯三世兵敗遜位，他的兒子以馬內利四世即位。這個阿爾卑斯山下的小王國，面臨亡國的危機。就在國家法律制度處於解體之際，亞佛加厥出任杜林法院的法官。 1798 年 7 月，法國陸軍在拿破崙的指揮下，繼續攻占皮得蒙殘存的城鎮。9 月，整個皮得蒙只剩下首都杜林未被攻下。杜林的居民與士兵死守杜林，與法國的陸軍進行浴血戰。兩個月後，法軍進入杜林，以馬內利四世逃到海外，皮得蒙完全淪陷。法軍搜捕雷索吉曼多運動分子，亞佛加厥看到許多同學被槍殺。法軍在杜林設立傀儡政府後，也設立新的法院系統，亞佛加厥仍居原職。 1799 年 7 月，占領皮得蒙的法軍，大批西調，參加拿破崙率軍攻打埃及的行列。奧地利與俄國聯軍趁機攻入杜林，皮得蒙又成為奧地利的一省，許多支持法國的雅各賓黨人因此被送上斷頭臺。1801 年 6 月，拿破崙率軍東來，打敗奧地利與俄國聯軍，再度占領皮得蒙，又有一批義大利精英被捕入獄。隔年，以馬內利四世遜位，將政權交給他的兄長以馬內利一世。 法軍控制皮得蒙後，開始派任一批新的知識分子管理杜林，亞佛加厥也在名單中，他升任參議院裡的法務委員，並兼任杜林市政府的法務秘書。 放棄飛黃騰達，亞佛加厥選擇更投入科學研究 戰爭是權力的重新排列，亞佛加厥可以在此時逢迎權勢，飛黃騰達。但是，他沒有如此做，而更加投入科學研究。1803 年，他加入「杜林皇家科學會」(Royal Academy of Science of Turin)。隔年，發表兩篇有關「電絕緣體」的研究報告。 亞佛加厥將玻璃置於陰、陽電極之間，實驗厚薄不同的玻璃的電導特性，他提出「電流在玻璃表面上的移動，與玻璃表面分子的排列結構有關。若電流較不易在分子間移動，則為電絕緣體。絕緣體的導電性決定於其表面分子層的結構是否容易使電流移動。」很可惜地，在那兵荒馬亂的時代，外界並未注意亞佛加厥的論點，大部分人注意的是捷報頻傳的拿破崙。 1805 年，拿破崙稱帝的意圖已經非常明顯，各占領區都派代表到巴黎的凡爾賽宮，擁護拿破崙稱王。皮得蒙政府也要推薦青年才俊前往巴黎慶賀，亞佛加厥來自皮得蒙的古老世家，擁有法典學博士學位，又出任要職，成為眾所矚目的進京候選人之一。 出人意外的，他卻在此時辭去法務工作。隔年，他到一所人數不到百人的「地方學院」(College of the Provinces) 擔任講師。人生如果是一場豪賭，亞佛加厥似乎是押錯了邊。當拿破崙稱帝時，他在偏僻的學校發表了一篇「絕緣體表面帶電的探討」。 亞佛加厥在這篇論文中提出:「電是分子的重要特性之一。摩擦生電是物質表面分子層的電，轉移到另一物質表面的分子層。電的移動過程會產生熱量，所以摩擦會生熱。摩擦愈大，不同物質表面分子層的電傳遞愈快，產生的熱量也愈大。電的移動只在物質表面薄薄的一層上，並不在物質的內部。因此，無論有多少的電流傳過物質，物質的特性並不改變。」 這篇論文只是假設性的推導，沒有任何實驗的佐證，雖然登在法文學術期刊上，也乏人注意。注意他的反而是拿破崙帝國下的密探，拿破崙稱帝時，為何有些皮得蒙古老家族的人拒絕逢迎呢？為了拒絕擁戴新政府的壓力，1809 年，亞佛加厥決定離開杜林，前往「維西里皇家學院」(Royal College of Vercelli), 擔任「數學與物理」教授，這所學校的規模比「地方學院」更小。 1809 年，亞佛加厥決定前往「維西里皇家學院」擔任「數學與物理」教授。(圖 / Pixabay) 在這偏僻的小學校裡，亞佛加厥大量閱讀道爾頓 (John Dalton, 1766-1844) 與戴維 (Humphry Davy, 1778-1829) 等人的研究報告。1809 年，亞佛加厥在《物理雜誌》(Journal Physics) 發表「酸性物質的原理」, 他提出「氧並非構成物質呈現酸性的主要成分，例如硫化氫不含氧，卻呈酸性。氫也不是構成酸性的關鍵因子，因為氨含氫，卻呈鹼性。物質的酸鹼性應與物質的帶電性有關。物質在水中，若表面易帶負電性，則易呈酸性。反之，負電性弱，則易呈現鹼性。物質間的負電性是相對的，因此不同物質的酸鹼性也是相對的。氧的負電性大，故含氧的物質在水中易呈酸性，若與比氧負電性更大的元素相遇，含氧物質則成鹼性。」 開創「物理化學」先河：以表面分子負電性決定酸鹼強度 在化學研究的歷程中，物質酸性與鹼性的探討，可源自中古世紀。人類很早就知道有些物質，如檸檬汁、葡萄汁、醋喝來都是酸性，石灰、海水、鹼土嘗來就是鹼性的苦澀，這是由口感的品嚐決定酸鹼。但是，有些人問得更深:「到底是什麼因素決定這些物質的酸鹼性？」 早期認為經過發酵作用，物質會變酸，如同酒發酵會變成醋，所以酸的英文字 acid, 是源自拉丁文的醋 acidns。阿拉伯人則認為經過燃燒作用，物質會變鹼，如同燃燒草後形成的鹼灰，所以鹼性的英文字 alkai, 源自阿拉伯字的草灰 al-qali。 中世紀的學者進而發現酸性物質與金屬接觸後，酸性消失，變成鹽類，酸性與鹼性接觸後變成水。十八世紀法國科學家拉瓦錫 (Antoine Laurent Lavoisier, 1743-1794) 分析水只含氧與氫以後，科學界就公認：酸性物質一定含氧，鹼性物質一定含氫，並將同時含氧又含氫的稱為 (酸鹼) 兩性物質。 拉瓦錫分析水只含氧與氫以後，科學界就公認：酸性物質一定含氧，鹼性物質一定含氫，並將同時含氧又含氫的稱為兩性物質。(圖 / Wikipedia) 亞佛加厥卻從另外的觀點解釋酸性、鹼性。他認為物質酸、鹼的「強度」, 決定於物質表面分子的負電性。他進一步解釋負電性是在分子表面「電荷分布的異質性」。亞佛加厥用物理抽象的觀念，去解釋物質化學的特性，不易為當時的科學界所了解，卻開創了「物理化學」的先河。 遷就現有理論，葛陸薩克與「分子論」錯身而過 1804 年，道爾頓發表的「原子論」震撼了科學界，許多科學家奔回實驗室重複氣體的溶解實驗，其中包括著名的法國科學家葛陸薩克 (Louis Joseph Gay-Lussac, 1778-1850)。他和亞佛加厥相似，出身法律世家，而在大學時，愛上物理。葛陸薩克本來反對道爾頓的原子論，認為太簡單了，後來他進行氨氣溶解於水的實驗後，轉而成為原子論的強力支持者。但是道爾頓的原子論也不全然正確，因他認為「原子的大小不同，所以一定體積的氣體，原子的數目也不相同。」 1808 年，葛陸薩克發表兩篇研究，一篇提到「1 體積的氮氣與 3 體積的氫氣，反應後變成 2 體積的氨氣。」照道爾頓的理論，應為 4 體積的氨氣，葛陸薩克一時不知道該如何解釋，為何反應後體積變小了？他認為這是在進行氣體混合實驗時，實驗的誤差。同年，他又發表「1 體積的一氧化碳與 0.5 體積的氧，反應後不是成為 1.5 體積的二氧化碳，而是 1 體積的二氧化碳。」他又認為這是實驗時，部分的二氧化碳氣體溶入空氣中的水蒸氣所致，以致實驗結果未符合原子論。這是非常可惜的事，葛陸薩克的實驗沒有誤差，他為了遷就現有的理論，沒有深入探討便認為是實驗的誤差。這使他與一個非常重要的未知理論–「分子論」錯身而過。 亞佛加厥定律的由來：對舊有研究報告的重新詮釋 這是很有意思的事，一個重要理論的發現，常具有雙面的影響，一方面成為未來科學進步的基石，一方面卻成為新理論進步的阻礙。 亞佛加厥讀到葛陸薩克的研究報告時，他只是一所小學校的老師，因為在科學界沒有什麼名氣，反而可以毫無忌憚地直指當時科學家看不見的盲點，坦白指出他認為正確的看法。1811 年，他在《物理雜誌》上簡短地寫道:「我在這裡提供一個非常簡單的假設。依我看來，這個假設可以簡單、有效地解釋葛陸薩克的實驗結果。我所提的假設是在同溫、同壓之下，相同體積的氣體，含有相同數目的分子。因為以分子的觀點來看，空氣反應後的體積雖然減少，但是在單位氣體體積分子的數目並沒有改變。」 亞佛加厥上述的假設，後來被稱之為「亞佛加厥定律」(Avogadro's Law)。依亞佛加厥的理論，葛陸薩克的實驗正好證明「分子的存在」。假設 1 體積的氮氣有 10 個氮氣的分子，3 體積的氫氣有 30 個氫氣的分子，氮氣與氫氣反應以後有 2 體積的氨氣，表示反應後產生 20 個氨氣的分子。很明顯地，這裡存在一個比例，就是每 1 體積的氮氣、氫氣與氨氣都含 10 個分子。 同理，假設 1 體積的一氧化碳含 10 個分子，0.5 體積的氧含 5 個分子，反應後 1 體積的二氧化碳也含 10 個分子。無論是一氧化碳、氧、二氧化碳每 1 體積皆含 10 個分子。 溫度與壓力都會影響分子間的距離。溫度愈高，分子間的距離愈大；壓力愈大，分子間的距離愈小。亞佛加厥認為若將影響分子間距離的溫度與壓力固定，那麼相同體積的不同氣體，皆有相同數目的氣體分子。 亞佛加厥一生都沒有提出 1 克的分子所含的數目有 6.02 × 1023 個分子，這是 1910 年，彌利崁 (Robert Andrew Millikan, 1868-1953, 1923 年獲得諾貝爾物理學獎) 在著名的「油滴實驗」所提出的。可惜的是，現在學校課本裡提到亞佛加厥定律，大都重在公式的計算或是推演，很少探索這個定律產生的背景與起初的臆測。物理科學最美的地方是在探索最基本的問題，這種對科學基本問題思索的美，也許可以鼓舞許多對物理、化學裹足不前的學生。 物理化學家:「簡單的法則」就是美 當時歐洲的主流文字是英文、法文與德文，在科學界裡很少人會研讀以義大利文發表的文章。亞佛加厥又沒有炫人的頭銜、職位，他一生從未參加過國外的研討會，也沒有得過任何獎項，以致於除了皮得蒙之外，沒有科學家知道亞佛加厥這個人，外界也不知道他從 1811 至 1821 年連續發表有關分子的理論。 亞佛加厥繼而提出:「1 體積的一氧化碳與 0.5 體積的氧結合，所形成的二氧化碳應該是一個碳結合兩個氧。」這是最早有關「分子式」的提出。他又提出:「氣體反應以後，體積若減少，密度就會增加，由其密度增加的相對量，可以算出相對的原子量。」依此，亞佛加厥算出硫的原子量是氧原子量的 2.32 倍，是氫原子量的 31.7 倍。 他也認為「原子是物質組成的基本粒子，分子則是表現物質物理特性的基本粒子。分子量愈大，分子間的結合力也愈大，所組成物質的密度也會增加，較易形成固體」。1821 年，亞佛加厥進而以分子去解釋固體結構，他以氧化矽為例，「氧與矽是礦石組成的要素，其結合會形成最小體積的晶格。依最小體積的排列，可以了解氧原子與矽原子在結合時的相對位置」。 1821 年，亞佛加厥進而以分子去解釋固體結構，並以氧化矽為例。(圖 / Wikipedia) 音樂家捕捉不同音符之間產生的美妙和弦，物理化學家在基本粒子的特性上探索簡單的法則之美。一顆礦石裡，看似有數不盡的氧原子與矽原子，但是在亞佛加厥的眼中，氧原子與矽原子不是胡亂的結合，而是有次序、有計畫地排成一個最小體積的晶體，再依相同的規則，不斷地重複組成肉眼所能看見的一粒石子。可見之物的實底，是含有肉眼看不見的法則，科學就是在尋找這些法則。 亞佛加厥與顏迪、貝卡利亞都是信仰非常虔誠的人，顏迪與貝卡利亞是修士，神學的法則不僅與自然法則和諧，而且使這些人在惡劣的政治環境中，以有限的人生，給未來的物理、化學留下永恆的影響。亞佛加厥在 1811 年的分子論中寫著:「由分子的觀點，大自然和諧而優美，也許物理永遠無法捕捉到這和諧與優美，但從氣體反應體積依一定比例減少，已可看到真理的影子。」 亞佛加厥如此重要的研究成果，雖像一粒粒的小石子，丟入沒人注意的小池子，泛起小小的漣漪後，就無聲無息地沉入水底。但是在科學裡有所發現，已是他最大的滿足。 血染杜林紅：亞佛加厥救學生不成亦被迫去職 1814 年，英國大將威靈頓公爵 (Duke of Wellington; Arthury Wellesley, 1769-1852) 在萊比錫之役大勝後攻入巴黎，不可一世的拿破崙遜位。以馬內利一世又重回皮得蒙掌權，許多在拿破崙時代被貶的官吏又獲重用，亞佛加厥卻拒絕回到杜林擔任官職，他仍留任維西里皇家學院。1815 年，他與伯西里鎮外比拉村的馬吉拉 (Felicita Mazzia) 小姐結婚，他們後來有七個孩子。 1820 年，在杜林大學擔任「物理講座」的顏迪教授退休，他推薦的繼任人選就是亞佛加厥。好老師是優秀學生的最佳知音，外界雖然不知道亞佛加厥是何許人，但是顏迪教授深知亞佛加厥是義大利的科學之寶，此時他才舉家回到杜林，擔任杜林大學「物理講座」的教授。 皮得蒙雖然脫離了法國的管轄，但沒有脫離義大利小國間的政治內鬥。1821 年 1 月，皮得蒙又動盪不安、革命紛起，以馬內利一世控制不了情況，遠走他國。菲立斯 (Charles Felix) 即位，採取高壓管制，引起更大的反彈。許多大學生占據杜林大學，菲立斯一方面派人與反對勢力談判，一方面去奧地利請求軍隊協助。 9 月初，亞佛加厥有一個任職於陸軍的親屬，告訴他菲立斯已經決定派軍鎮壓。他連夜與占據學校的學生溝通，請他們散去，學生領袖卻拒絕亞佛加厥的建議。夜裡，奧地利的援軍來到，快速的騎兵揮著軍刀攻入校園，那是血腥的一夜，超過三百個皮得蒙的精英，血染大地。鎮壓持續地進行，有一千多人被判長期監禁，許多教師被強迫去職。亞佛加厥因在校園屠殺前與學生接觸，被認為是「對政府與君王的忠誠度不夠堅強」, 也在 1822 年 7 月 20 日被迫去職，甚至連到其他學校任教的資格也一概被剝奪。 那真是一個悲慘的年代，亞佛加厥為了龐大的家庭開支，只好到政府單位做個記帳的簿記員，每個月的薪水六百里拉。不久，顏迪教授也病逝，彷彿他最後的一個支持者也走了。有十年之久，亞佛加厥很少發表研究報告。 重歸校園的單純：亞佛加厥任「數學與物理講座」教授 1830 年，法國軍事勢力逐漸強盛。1831 年，血腥鎮壓者菲立斯遜位，繼任的是愛伯特 (Charles Albert)。愛伯特是十九世紀義大利最英明的領袖之一，他從法國聘請數學大師柯西 (Augustin Cauchy, 1790-1857) 來杜林大學擔任「數學與物理講座」。自從 1822 年杜林大學屠殺之後，這教職就一直懸缺。柯西到杜林大學只任職一年，離去前，他推薦最適合擔任此職位的仍是亞佛加厥。 亞佛加厥擔任簿記員多時後，已成為著名的會計師，他對會計的計算，就像對數學物理一般的準確。愛伯特上任後，提拔亞佛加厥擔任「皇宮會計長」, 這個職位類似於現在的審計長。愛伯特問亞佛加厥的意願，他答覆:「我願過最單純的生活。」1832 年亞佛加厥又回杜林大學擔任「數學與物理講座」的教授。 亞佛加厥重任教職後，他用五年的時間 (1832-1837) 為義大利的學生撰寫「理論物理」的課本。亞佛加厥以分子的觀點，說明汽相 - 液相 - 固相的變化、結晶、比熱、密度與原子量。這本書有四千頁，分為五冊，後來成為理論物理的經典之作，對義大利的科學界有深遠的影響。 亞佛加厥在 1850 年退休，他晚年的研究有「水銀蒸氣壓的研究」、「分子量與比熱」、「分子量對密度的影響」等，不過當時世界注意的是皮得蒙的傑出宰相馬志尼 (Giuseppe Mazzini, 1805-1872) 與百戰英雄加里波地 (Giuseppe Garibaldi, 1807-1882) 統一義大利的功勳。1861 年，義大利方成為一個獨立的國家。但是亞佛加厥沒有看到這一天，他在 1856 年逝世，去世前，世界上的科學家還不知道他發表的「分子論」的重要。 什麼是科學家最終的獎賞？是什麼樣的動力，讓亞佛加厥長期處於被忽視的角落，卻一生持續探討一個不為當時世人所重視的分子理論，是因他喜愛物理的思索？喜歡過簡單的日子？有個虔誠的信仰？是個顧家的丈夫？或是必要時可由簿記員重新幹起的物理教授？

探索大地的能量–臺灣車籠埔斷層鑽井計畫

1999 年 9 月 21 日，臺灣集集發生規模 7.6 的大地震，引發車籠埔斷層破裂，使得豐原附近地表上下錯動高達 8 公尺，地下破裂甚至達 14 公尺。如此巨量的錯動景象，世所罕見，引起國際科學界的重視。 要了解地震的能量變化與生成機制，必須深入地底直接採取「岩心」加以分析。於是在國科會支持下，中央大學及臺灣大學研究團隊策劃「臺灣車籠埔斷層深井鑽探計畫」, 與美、日、德等國學者合作，展開地下 2 公里的鑽探工程。這項工程從震測找井位、鑽井及岩心取樣，都由國內公司負責，震測值誤差僅 10 公尺，岩心採樣成功率高達 99.9 %, 顯示我國鑽井相關研究技術精良，讓各國學者刮目相看。 計畫主持人之一中央大學地球物理研究所王乾盈教授表示，歷經湧水、崩井等危機，研究團隊終於深入地底 1,111 公尺取得車籠埔斷層帶岩心，更繼續深入至 1,720 公尺處取得三義斷層帶岩心。車籠埔斷層帶是研究的重點，也是各國學者積極爭取的研究樣本。為使各國各項研究都能分得重要的斷層帶岩心，研究團隊試圖「一箭三鵰」, 在距離 A 井 40 公尺外開鑽 B 井，並在 B 井中加取一段側鑽 C 井，於是 3 口井共取出了「3 段」車籠埔斷層帶岩心，讓各國學者各取所需。 此外，鑽探留下的 A、B 兩井還可進行「雙井實驗」。雙井實驗是把鹽水灌入 B 井，量測其到達 A 井的情況，藉此研究雙井間的滲透率、孔隙度等重要參數。除雙井實驗外，研究團隊還安裝 7 個井下地震儀，進行為期 4 年的斷層帶微小地震 (規模小於 0) 長期觀測，探討大地震後斷層面上殘留應力釋放的情形。 研究團隊進行岩心分析後有 4 個重要發現：(1) 12 公分厚的「主要滑移帶」至少滑過 33 次，每一層形貌非常類似，代表地震行為是會重複的；(2) 由斷層帶岩石磨碎顆粒大小計算出只有 6% 滑移量導致錯動，其餘都反應在熱及震波釋放上；(3) 由黏土礦物分析得知地震斷層發生時的溫度超過 1,100 度，把斷層帶岩石融熔成假玄武玻璃；(4) 斷層泥滲透率比一般低 1 至 2 個數量級，且化石材料有分解現象，顯示地震時引發溫度遽增，造成超高壓流體暴增甚或汽化，快速弱化斷層帶，導致巨量錯動。 就全世界地震斷層研究而言，這些發現都相當獨特，深具意義。王乾盈教授表示，以往地震學家沒有實證資料，只能假設地震會重複發生，車籠埔斷層研究則提供了準確、直接的數據。「The data cannot predict, but the model can.」王教授謹記這句名言，認為藉由「地震震源區鑽探」可以獲得正確且豐富的地震資料，並藉此建立地震破裂模型，對了解地震與地震預測研究都相當重要，希望國人能持續給予支持與鼓勵。 深度閱讀 中央大學地球科學系暨地球物理研究所：臺灣車籠埔斷層深井鑽探計畫:http://www.gep.ncu.edu.tw,4/25/2007 K.F. Ma, H. Tanaka, S.R. Song, C.Y. Wang, J.H. Hung, Y.B. Tsai, J. Mori, Y.F. Song, E.C. Yeh, W. Soh, H. Sone, L.W. Kuo, H.Y. Wu. (2006) Slip zone and energetics of a large earthquake from the Taiwan Chelungpu-fault Drilling Project, Nature, 444, 473-476.

古地震研究

隨著地震學家的腳步，我們來到了雲林古坑的一個山區，這裡正進行著槽溝開挖，為了一探九芎坑斷層的歷史。槽溝開挖，是以最直接的方式挖開地面，觀察地層的剖面，用肉眼來判別古代大地震時所發生的事件，在地層中遺留下來的訊息！一般槽溝寬約八到十公尺，長約二十到三十公尺，深約四到六公尺，每階高度約兩公尺，階面寬 1.5 公尺，為了研究方便挖成階梯狀。一邊開挖一邊以刮刀清理溝壁，讓細部的斷層和沉積構造顯現。最後溝壁上釘上網格，建立座標，方便記錄。我們這個槽溝開挖，最重要是要把斷層挖出來，看看裡面這些地層，它有沒有受到變動就是變形，那如果有錯動的話，就表示它這邊曾經發生過大地震。另外科學家會採取斷層附近土層中的碳物質，經過碳 - 14 定年的方法，就可以知道地震發生的年代。經過多個古地震事件的定年，和最後一次發生的時間，就可以計算可能在多少年後會發生大地震。像車龍埔斷層的話，它在兩千年來就有過六次，現在我們推算出來，大概在公元差不多兩千三百年的時候，會再發生一次像九二一這種大地震。. 到目前為止，世界各國對地震發生的時間、地點、規模等都還無法準確地預測，但地震學家仍不遺餘力地進行著活動斷層的解碼行動，透過槽溝開挖的方式，科學家就像一頁頁翻開地層歷史，希望在未來能夠準確地預知地震、減低地震對人們的危害。2007 年東森電視台《科學大解碼》第一期

耐震建築

不論是臺灣過去的九二一，還是四川現在的五一二，超級強震所帶來的撼動，不只是人心，還有更多建築物，為了應對無可預知的天災，研究學家不遺餘力的研發出，具有隔震效果的耐震建築和制震器，透過下列的報導，我們帶您一起了解。內容大綱 921 的恐慌，331 的驚恐，對臺灣來說，地震是最具有威脅性的天災之一，根據歷史的資料顯示，災情最嚴重的往往不是震央中心地區，這是為什麼呢？原因之一就是盆地效應，所謂的盆地效應，就像是敲打裝了水的臉盆一樣，停止外力敲打之後，水波仍然會持續蕩漾一段時間。同樣的道理，當震波進入臺北盆地無法立刻消散，就會產生共振放大，使搖晃程度更加明顯。雪上加霜的是，臺北受地震災害威脅的主因，不只是盆地效應，還有地層鬆散。研究發現，臺灣北部土壤間的緊密度不足，土壤中有許多孔隙，因此，地層較為鬆散。地層鬆散加上盆地震盪的現象，使建築物在地震發生時更加危岌。幸好目前臺北市災害應變中心，已經研究出隔震器來對抗地震的侵襲。隔震器是利用水平位移的原理來抗震，所以興建時必須設計隔震區，讓建築物有空間移動，提高搖晃的耐震程度。另外，我們也可以在建築物的樑柱之間，加裝制震器，來吸收地震的能量，減少震動，保護結構體和內部設備。像這個制震器，裝在樑柱之間，結構有變形的時候，就會讓這個制震器伸長或縮短，藉由伸長或縮短，它會吸收地震的能量。臺灣位於地震帶上，承受地震的侵襲，成了不可抗拒的宿命，921 地震重創後，為確保結構安全與耐震需求，政府將建築法規由原本 5 級耐震標準，提升到了 7 級，希望藉此提高建築物的結構性能，保障人民安全。與地震共處，我們除了機警、細心，還需要有更高的智慧，才能有效減低天災對環境的迫害。2008 年東森電視台《科學大解碼》第二期

地震研究:板塊間看臺灣地震

「九二一大地震來襲時，不少南投人驚嚇過度躺在地上，哀嚎呼叫，以為世界末日來臨，不及逃生而葬身家園瓦礫堆中。」 「集集大地震後，民眾生存在恐懼之中。由於餘震不斷，許多民眾不敢回家睡覺。連日來坊間又傳出大甲媽祖發爐：有一波波的大地震將繼續發生。繪聲繪影中還要民眾利用艾草等物品驅邪。由於傳言遍及全省，引發恐慌，......」 — 摘自民國八十八年九月二十五日中國時報 世紀末的集集大地震給臺灣帶來慘痛的災難，不但奪走了兩千多人的生命，也摧毀了許多人的事業和財產。除了有形的損失之外，還有難以估計的精神傷害。每個人在驚嚇之餘，內心都蒙上了一層陰影，時時惦念著「地震還會不會來？」。 會的！從地質學的觀點來看，地震是岩盤破碎時所產生的震動，是地球生命力的自然表現。臺灣位於活動的板塊邊界上，是島弧和大陸碰撞的焦點，碰撞所產生的巨大壓力，不但推擠出一道高聳的山脈，也壓得岩盤不斷地破裂，地震因而隨之發生。在過去二十多年中，臺灣每年有近千次的有感地震，5 級以上的地震年年發生。在集集大地震後的一年內，有感地震更高達三千次以上，其中 6 級以上超過十次。這些旺盛的地震活動，充分顯示臺灣的造山運動仍十分活躍，岩盤還持續破裂。我們身處如此動盪的地質環境中，想要地震不發生是不可能的，只有心平氣和地接受大自然的安排，勇敢去面對它。 「要面對它，就要了解它」。雖然臺灣的地震頻繁，但震央並非無所不在，它的分布和規模有脈絡可循，我們可以從板塊的構造和運動方式，配合地震和地質資料來加以探索。 板塊構造 臺灣位於兩個板塊的交界上。東南方有菲律賓海板塊，西北方則是歐亞板塊。這兩個板塊的邊界從北方的琉球海溝劃過臺灣，向南延伸到馬尼拉海溝。 從一千五百萬年前開始，菲律賓海板塊就不斷地朝西北方向移動，如今仍以每年 7~8 公分的速度，向著歐亞板塊邁進。在臺灣的東北方，菲律賓海板塊的西緣沿著琉球海溝俯衝到歐亞板塊之下，形成一道向西北傾斜的隱沒帶。在臺灣南方，板塊的隱沒方向相反，歐亞板塊向東隱沒到菲律賓海板塊之下。這兩套隱沒帶的上方發展出琉球和呂宋兩個島弧系統，分別延伸入臺灣，在臺灣北部交會。 由於菲律賓海板塊的比重在 3.3~3.7 之間，比地球深部地函的比重 (3.3) 高，因此，當菲律賓海板塊隱沒入地函時，就像一片鋼板沉入泥水中，沒有任何困難。但歐亞板塊不同，在中國大陸和緣海地區，它的上部蓋了一層大陸地殼，比重在 2.7 左右，比地函輕上許多。因此，當中國大陸向東隱沒到呂宋島弧之下時，板塊上部的大陸地殼就像一片木板插進泥水裡，受到浮力的阻礙而無法深入。這時大陸地殼就會被堆疊在隱沒帶的上方，一部分被擠壓抬升成臺灣的中央山脈，另一部分墊在呂宋島弧北段的下方，把島弧抬升成臺灣的海岸山脈。這種山脈的形成過程，就好像呂宋島弧撞進了中國大陸邊緣，因此，常被稱為「弧陸碰撞」。 弧陸碰撞並非今日才有，早在五百萬年前就已開始。由於呂宋島弧大抵呈南北走向，而大陸邊緣則沿東北 - 西南方向延伸，因此，呂宋島弧是北端先撞上大陸邊緣，而後碰撞作用再由北向南傳遞。如今在臺灣中部和南部，呂宋島弧仍在推擠大陸邊緣；但在臺灣東北部，板塊的隱沒方向已經反轉，碰撞造山運動停止，琉球島弧的火山和隱沒作用已然浮現。 地震活動 臺灣地區的地震活動和板塊的邊界有密切的關聯，這一點，我們可以從地震的分布狀況看出。在遠離板塊邊界的地區，如菲律賓海板塊和歐亞板塊內部，地震活動非常少；但在板塊的邊界附近，就有密集的地震。這些地震顯然和板塊的隱沒與碰撞有關，它們的特性可以分別從琉球島弧、呂宋島弧和臺灣碰撞帶三區來了解。 在琉球島弧地區，菲律賓海板塊正向北隱沒。順著向北下插的板塊，有一系列的地震活動從地表延伸到 300 公里深處，形成一明顯的班尼奧夫帶。這條地震帶向西伸進臺灣，潛伏在臺灣東北角的下方 (板塊隱沒和地震分布圖的 D-D' 剖面)。在隱沒帶的上方，歐亞板塊內也有不少淺層地震活動。這些地震多來自弧前地區的板塊摩擦，或者和弧後地區的沖繩海槽擴張有關，震源深度多小於 50 公里。 在呂宋島弧地區，歐亞板塊正向東隱沒。順著下插板塊也有一條向東傾斜的地震帶，從地表延伸到 250 公里深處 (A-A' 剖面)。這條地震帶從呂宋島向北延伸，潛伏在綠島、蘭嶼和臺灣南端之下 (B-B' 剖面)。在隱沒帶的上方，菲律賓海板塊內也有許多淺層地震，反應板塊受到擠壓而破碎，震源深度多小於 40 公里。 在臺灣，尤其是中南部，呂宋島弧正劇烈地衝撞大陸邊緣。碰撞的橫向壓力把臺灣的岩盤擠得支離破碎，造成密集的地震 (C-C' 剖面)。在臺灣東面的菲律賓海板塊也受到碰撞擠壓而破裂，產生不少地震。這些地震震源大多分布在板塊的中上部，深度多小於 50 公里。至於在地函深處，由於碰撞作用的阻礙，歐亞板塊似乎難以繼續向下隱沒，板塊下部甚至可能斷離。因此，伴隨隱沒板塊的班尼奧夫帶在這地區完全消失，全區沒有深部地震。 對居住在臺灣島上的人而言，琉球和呂宋地區的地震雖然不少，但由於距離較遠，影響有限；發生在臺灣島上的地震，則直接衝擊到我們的生活環境，不可不慎。從上述的板塊構造分析中，我們了解臺灣除了東北角和最南端外，地震活動都和弧陸碰撞有關。弧陸碰撞好比推土機堆雪，海岸山脈可視為推土機，中央山脈則是雪堆，當推土機向前推進時，雪會不斷地從前方插入雪堆，墊在雪堆底部，因此雪堆的前端和底部變形得非常劇烈。相對而言，雪堆內部的變形反而不大，只是不斷地被墊高。不過在雪堆的後背和堆土機之間，則因摩擦而產生變形。 臺灣岩盤的變形狀況就像一個雪堆，特別集中在中央山脈的前端、後背和底部。通常，變形大的地方岩層最容易破碎，地震也最多。我們從過去一百多年來的地震紀錄中可以發現，中央山脈兩側的地震的確特別多，尤其是大地震。例如，一九九九年的集集大地震發生在山脈的西前端，一九五一年的花蓮大地震出現在山脈的東後背。而另一方面，中央山脈本身並沒有很多的地震，似乎不太符合堆土機堆雪所做的推測。這種差異是因為山脈受到地熱的影響，愈往深部溫度愈高，通常在地底 15 公里以下的區域，溫度多已升高到攝氏三百度以上，這時岩層就像燒紅的鋼鐵一般，容易彎折，但不會斷裂。因此，山脈深部的岩層即使有強烈的變形，也不會發生地震，只有山脈表層的岩盤會稍微破裂，產生一些零星的地震。 在隱沒和碰撞作用的主導下，臺灣的地震應運而生。這些作用起源於板塊運動，在過去已經進行了五百萬年，目前仍在進行。只要板塊的運動方式不變，隱沒和碰撞作用持續進行，地震就會不斷發生。這股強大的動力來自於地球內部，不是我們人類微弱的科技力量所能阻擋。我們面對大自然的安排，既不能改變也無法逃避，只有無奈地接受。然而，是否我們就全然束手無策，只能把希望託付神明？七十五年二月四日，中國東北遼寧省的海城發生一場規模 7.3 的大地震。地震震垮當地 90% 的建築物，摧毀了鄰近許多鄉鎮，不過並沒有為三百萬居民帶來嚴重的損傷。一年後，同樣規模的地震襲擊河北省的唐山，不但把唐山市夷為平地，而且造成六十五萬人死亡，五十萬人受傷。何以威力相當的地震，有如此不同的傷亡？原因在於海城地震發生之前，科學家準確地掌握到地震的前兆，適時做了人員的疏散，而唐山地震並沒有預警疏散。 當九二一集集大地震發生時，臺中近郊的車籠埔斷層突然滑動。斷層東面的岩盤向西衝到斷層西面的岩盤之上，在短短一分鐘之間，沿著斷層形成一條 100 公里長的斷崖。斷崖上的建築物首當其衝，直接被斷層錯移 1 到 8 公尺，造成嚴重的損壞。爾後，地震波向四周擴散，在斷層東面的岩盤上引發了強烈的震動，造成嚴重的災情，但斷層西面的岩盤震動較小，災情也相對較輕。 這個慘痛的經驗告訴我們：即使在同一地震的影響下，不同地區的災情也不相同。倘使我們事先了解車籠埔斷層的特性，避免把重要的建築物蓋在斷層線和東面的岩盤上，或許地震的損害就可減輕許多。很可惜地，我們對臺灣的地震雖然有概括性的了解，但對地震何時何地發生並不能確切的掌握。我們可以推測地震斷層大概出現的地方，但對個別斷層的活動性質和產生地震的潛力認識不夠。在未來，如何去指認地震斷層的位置，評估地震的潛能，乃至於預測地震發生的時間、地點及影響範圍，是我們需要努力方向。 隱沒作用 地球是一個外冷內熱的物體，雖然表面的溫度不高，但內部大多在攝氏一千度以上。岩石在這種高溫狀態之下，即使不熔融，也變得相當柔軟，類似又黏又稠的液體，可以緩慢地流動。不過地表的岩層由於溫度較低，質地比較堅硬，形成一層厚約 100 公里的「岩石圈」, 蓋在軟弱的「軟流圈」上，岩石圈會隨著地函的環流而不斷移動，並分裂成若干獨立的塊體，稱之為「板塊」。在兩個板塊接壤處，倘若一個板塊向另一板塊下方俯衝時，就形成「隱沒作用」。 由於海洋板塊的比重較大，因此當海洋板塊向下俯衝時，隱沒作用可以持續不斷。如果大陸板塊俯衝時，就會因比重太低而無法下沉，這時隱沒作用就會停止，地表則發生造山運動。在臺灣東北方的琉球地區和南方的呂宋一帶，都有海洋板塊下衝的隱沒作用，但在臺灣島，則因中國大陸的下衝而發生造山運動。 當板塊進入隱沒帶時，會因彎折而下沉，形成一深邃的海溝。沉積物隨著板塊不斷地被拖入隱沒帶，就像礦場中的輸送帶，不停地把礦石載進工廠。一部分的沉積物會被刮起，堆積在海溝的內壁，形成「增積岩楔」; 一部分則被帶入隱沒帶深部，在高溫高壓的環境中變質。隱沒板塊同時將水帶入地函深部，促使「軟流圈」產生部分熔融，生成岩漿，當岩漿上升到地表噴發時，就形成火山島弧。因此，在隱沒帶的上方，通常會依序出現一套構造地形單元，包括了火山弧、弧前盆地、增積岩楔和海溝，組合成「島弧系統」。有些島弧的後方會出現一個張裂盆地，稱作「弧後盆地」。 在臺灣南方，歐亞板塊向東南隱沒到菲律賓海板塊之下。隱沒帶上方發展出呂宋島弧系統，有一條完整的火山弧從呂宋島向北延伸，經過蘭嶼和綠島，銜接到臺灣東部的海岸山脈。島弧前端的馬尼拉海溝也可從呂宋島的西方向北延伸，連接到中央山脈的西緣，海溝東緣的增積岩楔則銜接中央山脈。呂宋地區的弧前盆地可以向北追蹤到臺灣的東南外海，再向北，就因碰撞作用而沒入海岸山脈中。 在臺灣東北方，菲律賓海板塊向西北隱沒到歐亞板塊之下，隱沒帶上方形成琉球島弧系統。有一條明顯的火山弧，從琉球延伸進臺灣北部，火山弧的北方有一弧後盆地 (沖繩海槽), 向西連接到臺灣的宜蘭平原。島弧南緣有琉球海溝和增積岩楔，向西可延伸到臺灣島的東岸。 隱沒帶是一個板塊變形劇烈的地方，也是地震頻繁的地區。就下衝板塊而言，板塊在海溝附近會因彎折而破裂；進入隱沒帶 10~60 公里的深處，板塊頂部的岩層會受到板塊間的摩擦而破碎；當下插到 30~80 公里深度時，板塊的組成礦物會因受壓而產生相變 (如石墨變成鑽石), 使岩層的體積縮小，因而造成斷裂。這些岩層破裂的過程中往往會產生地震。由於這些地震大體上順著下衝板塊排列，因此，常形成一傾斜的地震帶，從地表延伸到地函深處，稱之為「班尼奧夫帶」。在琉球島弧和呂宋島弧的下方，都有明顯的班尼奧夫帶。 受到俯衝板塊進退的影響，隱沒帶上方的板塊也會隨之破裂，產生地震。如果下衝板塊向前推進，就會擠壓上覆板塊；如果下衝板塊向後回捲，則會拉著上覆板塊退卻，使上覆板塊張裂，產生弧後盆地。呂宋島弧就是位於被推擠的板塊之上，弧前弧後地區都有岩層受壓所產生的地震。琉球島弧是位在被拉張的板塊上，除了弧前有些擠壓破壞外，絕大部分地區都在張裂。 碰撞演化 早在一千萬年以前，臺灣島並不存在，臺灣地區是一片淺海，位於中國大陸邊緣上。當時，菲律賓海板塊遠在臺灣東南方的大洋中，不斷朝北北西方向移動，一方面向北隱沒到中國大陸邊緣之下，另一方面向西仰衝到南海之上。隨著菲律賓海板塊不斷向北北西移動，呂宋島弧也逐漸地靠近大陸邊緣。島弧的北端在一千萬年前左右，開始衝上大陸邊緣，揭開了弧陸碰撞的序幕。 從一千萬到五百萬年前之間，呂宋島弧逐步擠進大陸邊緣。當大陸邊緣被拖入隱沒帶時，大量的陸緣沉積物在海溝被刮起，塞進增積岩楔中，使得增積岩楔愈長愈大。 到了五百萬年前，呂宋島弧的北端衝上了大陸邊緣，並且把增積岩楔推出了海面，形成一座小島。當時島的位置在現今琉球的西表島附近，島上並沒有高山，只有一些丘陵，不過，已經形成碰撞山脈的雛型。 菲律賓海板塊在五百萬年前轉向，開始朝西北方向移動。呂宋島弧因而更加速衝上大陸邊緣，並推著碰撞山脈向西遷移。 在三百萬年前左右，碰撞山脈已上升成高山，規模和現在的中央山脈相當。隨著呂宋島弧持續地衝撞，山脈不斷地向西加寬、向南延伸，終於發展成今日的中央山脈。在碰撞的後期，呂宋島弧的北段也被擠壓抬升，貼附在中央山脈的東側，形成海岸山脈。 當碰撞運動向西南遷移時，琉球島弧下向北隱沒的菲律賓海板塊隨之西進，插入碰撞山脈北端的下方，造成隱沒作用的反轉。隨著隱沒的反轉，隱沒帶上方的山脈出現琉球島弧的火山作用，而山脈失去了碰撞的支撐則開始垮塌下沉，山脈的中央擴張成一裂谷盆地。 如今弧陸碰撞運動仍在運行，並不斷地向南傳遞。在臺灣的東南外海，呂宋島弧北端的綠島和蘭嶼正朝向中國大陸挺進。在臺灣的中南部，碰撞山脈仍在成長，但在臺灣的東北部，隱沒作用已經反轉，碰撞運動停止，原本碰撞所抬升的山脈正在垮塌；山脈的中央分裂成宜蘭平原，並不斷地擴張。 這一系列從碰撞反轉到隱沒的作用，到目前為止並沒有停息的跡象。假以時日，綠島和蘭嶼遲早會登陸臺灣，碰撞山脈還會繼續向西遷移、向南延伸。在另一方面，臺灣東北部的山脈會不斷地垮塌下陷，直到沉入海底；宜蘭平原也可能持續地張裂，最後發展成像沖繩海槽一般寬廣而深邃的海盆。 深度閱讀 劉聰桂、陳文山 (1999) 變臉的大地，龍騰文化事業公司出版，臺北。 經濟部中央地質調查所 (2000) 九二一集集大地震專輯，中央地質調查所專刊第十二號，臺北。 鄧屬予 (2002) 臺灣新生代大地構造：二十世紀臺灣地球科學之回顧，第一冊，頁 1-57, 中國地質學會，臺北。

海嘯的模擬

印尼外海在 2004 年 12 月 26 日早上 8 點 59 分，發生規模 9 的地震，不久就陸續傳出海嘯 (tsunami) 侵襲南亞海域及島嶼，甚至波及非洲東岸的索馬利亞、坦尚尼亞與肯亞等地區，造成前所未見的傷亡。截至 2005 年 2 月 22 日的調查統計，已有 305,276 人罹難及失蹤，透過電視呈現的景象，簡直是人間煉獄，慘不忍睹。 由於人類紀錄中未曾碰到如此巨大的海嘯破壞，一般人也無法想像海嘯來襲的威力，以至於毫無警覺性，當海嘯登陸時驚惶失措，不知因應，才會造成如此慘痛的傷亡。也因為如此，才會引起世界各國的重視，而引發一波海嘯研究的熱潮。 海嘯的生成與威力 海嘯是屬於周期 4 分鐘以上，由於地震、火山爆發或海底坍方所引發的重力長波。它的波高雖不是很大，但傳播速度驚人，可達每秒 150~215 公尺，幾乎與噴射客機同樣快速。海嘯貫穿力強大，可把淺灘或岸線處的物體 (包括人畜、斷木、甚至車子) 往內陸推移數公里，退水時則可把陸上的行人或物件回刷至較深的水域，威力驚人，因此頗受研究長波的學者重視。 美國西北大學地質學家司坦因 (Stein) 與歐卡 (Okal) 2005 年在《自然》(Nature) 發表的論文指出，印尼北部至緬甸間的海床以每秒 2.5 公里的速度裂開長達 1,200 公里，寬度則在 11 公尺至 200 公尺之間，由於海底底床有如此快速且巨大的變動，造成芮氏規模 9.3 的地震，而引發世紀大海嘯。至於這次南亞地震的威力有多大呢？為了讓讀者有較清楚的概念，以大家印象深刻的 921 集集大地震來做比較，南亞地震的威力足足有 200~300 倍大，由此可以想像南亞地震的可怕。 另外，南亞大海嘯除了造成人畜傷亡、陸上建築物結構破壞受損之外，對於附近環境生態的衝擊更是無法估計。附近海洋生態和珊瑚礁的美景恐已慘遭浩劫，因為海嘯侵襲海岸後，不但直接重創珊瑚礁，也把陸上許多廢棄物帶到大海而沈積在珊瑚礁上，嚴重破壞了海洋生態，若沒有長期的調養生息，恐怕很難回復生機。再者，海嘯來襲後大量海水溯上推移至內陸數公里，其間海水滲入地下，污染淡水水源及地下水，造成土地鹽化，也是改變內陸生態環境的重大原因，這也是日後重建災區的一大隱憂。 至於臺灣是否曾經遭受海嘯的侵襲？依據歷史記載，臺灣自西元 1661 年至今疑似海嘯的紀錄即有 6 次之多。其中較具爭議的是 1781 年發生在高雄的海嘯，相關記載的傷亡相差頗巨。而較為明確的則屬清同治六年 (1867 年) 的基隆海嘯，是基隆東北方的海底地震所引起的。當時基隆尚未建港，海域是漏斗形的海灣，海嘯進入海灣後，能量容易集中，使水位大幅提高而推升至陸上，捲走居民數百，市街全毀，重創基隆。由於臺灣曾有海嘯的紀錄，且四周海域地震頻繁，大型海底地震造成海嘯災害的可能性不能等閒視之。 海嘯的數值模擬 從已有的文獻或紀錄雖可得到人畜傷亡的統計資料，讓我們能夠想像海嘯對環境生態破壞的威力，但因發生的次數及實測數據太少，而無法由有限的資料去推估其生成、傳動與威力。因此，須藉由數值模擬與水工模型實驗來呈現海嘯運動的全貌，以協助我們對海嘯的傳動特性能有多一層的認識，並據以深入探討對環境生態可能造成的破壞，甚至建立預警系統，期能減低傷害。 什麼叫做海嘯的數值模擬？簡單地說，是把海嘯的運動方程式寫成計算的模式，利用計算機的強大計算能力，輸入地形邊界、深海處的起始運動條件，來計算海嘯生成後在傳播過程中的水位變化、流場中的運動，甚至在淺水地區的推升狀況，以研究海嘯的傳動及相關的運動特性。當然數值模擬的結果僅能做為初步的參考，而無法做直接的應用。若要把數值模擬的結果應用到實際的海嘯現象，必須經過非常嚴謹的校核與修正才能接受。 臺灣對海嘯的模擬推算最早是在民國 62 年 (1973 年) 進行的，當時是為了核能三廠取水口在海嘯來襲時也能安全取水的設計需要，由臺灣電力公司委託成功大學水工試驗所與水利系共同完成〈墾丁海域海嘯及颱風水位推算〉, 其中推算得知墾丁海域在外海地震規模 7.5 時的海嘯高度是 4.2 公尺、周期是 23.4 分鐘。至民國 72 年 (1983 年), 因臺電核能四廠的廠基高度及進水口安全取水的設計考慮，也由成功大學水工試驗所完成〈臺灣電力公司核能四廠海嘯研究報告〉, 其中推算得知在臺灣東北角外海發生規模 7.93 的地震時，海嘯高度是 7.02 公尺、周期是 44.28 分鐘。 由於座落在海邊附近的核能電廠須顧及海嘯來襲時，進水口的取水高度與安全取水量，同時也須避免廠基淹水，因此當年成功大學水工試驗所的數值模擬重點，在於外海地震發生後引發的海嘯波浪高度與周期。由於當年計算機的計算容量不足與數值模式的發展受限，因此無法模擬海嘯的傳播運動，以及海嘯在淺灘區間的溯上與下刷的現象。近十幾年來計算機的速度與容量大增，而且數值模式的運算技巧大幅提升，因此海嘯數值模擬已可就整個海嘯長波從深海發生到淺灘，甚至溯上至陸域的傳動進行演算，而且在與部分水工模型試驗相互校核、印證後，已漸趨成熟。 1990 年 8 月 15~18 日在南加大召開的國際長波溯上研討會中，對於海嘯的數值模擬就有十分深入的探討。歷經十餘年的研究發展，如今美國康乃爾大學、奧瑞岡州立大學都已有十分成熟的模式問世。由於成功大學水工試驗所與上述兩所知名大學都有合作研究，因此國內若欲建立海嘯數值模擬的研究，當可立即引入美國已建立的成熟模式，再經臺灣周邊海域環境的修正，以及水工模型試驗的校核驗證後，便可在短期內建立適用於臺灣地區的海嘯數值模式。 水工實驗模擬 海嘯水工模型試驗除了做為海嘯數值模擬演算結果的校核印證外，另一目的是藉物理模擬以增加對海嘯運動特性的了解。因此欲建立海嘯研究的深度，水工實驗模擬能力是不可或缺的重要項目。 一般人對於海岸的波浪運動較有概念，颱風來襲時的大風浪都可由電視畫面轉播或親身至海邊觀察加以體會。颱風波浪由深海傳至淺海附近碎波時，都很容易看到浪花四濺、波濤洶湧的壯觀景象。可是很少人知道，當波浪碎波時瞬間沖擊力量雖然很大，但碎波後的波浪威力隨即消逝大半，只要有適當的保護防制措施，縱使颱風波浪也不至於造成沿岸的重大損害。 海嘯則不然。由於海底地震、坍方或火山爆發都是瞬變的運動現象，所造成的海嘯高度在深海處雖不大，但它的能量集中，傳播速度迅速，及至淺水區域由於水深漸淺，海嘯逐漸推升，而產生較大的波高，繼續向岸貫穿傳播，甚至把海岸內陸的人畜及結構物體向前推移，直到海嘯溯上能量消散為止，然後再回流下刷，攜帶諸多的結構物體漂流返回海域，造成不可預知的重大災害。這是海嘯與一般波浪傳動不同的地方，而且海嘯外相雖不若暴風波浪的凶惡，但它對整體環境的破壞及造成的災害卻是暴風波浪所不及的。 有鑑於一般人對海嘯傳動的認知不足，也不了解海嘯潛在破壞的危險性，因此日本富士電視臺在今年 3 月 2~4 日派外景攝影隊前來成功大學水工試驗所，拍攝暴風波浪與擬似海嘯波浪的傳動現象。實驗畫面顯示暴風波浪在碎波時威力看似驚人，但碎波後，沿岸附近幾無破壞。但在深水處波高約 50 公分的擬似海嘯波浪，傳動至淺水處時，波高已推升至約 80 公分，而其前導波一直向前推移，甚至可破壞 5 公分厚的鋼筋混凝土板塊，由此可體會海嘯波浪的威力。 若要在實驗水槽中模擬海嘯波浪，造波機的功能除應具有造波信號與運動機構轉換系統外，模擬的波形也不可超越造波機的保護系統。由於海嘯波是瞬變的運動現象，即使是目前國際上最好的造波系統也不敢貿然進行海嘯波形的模擬，必要時須在滿足造波機保護系統的限制條件下，才能從事擬似海嘯的模擬造波。 成功大學水工試驗所在 3 月間讓日本電視臺拍攝的就是擬似海嘯的水工模型試驗。但若只要製造瞬變的海嘯傳動 (如以孤立波型態模擬), 則可不需借用造波機，而只需以人造結構瞬時插入或抬升水面以製造海嘯波浪，且更能符合海嘯傳動的特性。有關這項海嘯的模擬能力，包括海嘯溯上、推移、基礎沖刷及結構破壞等相關傳動特性，國內也已具備。 海嘯是一種天災，它的破壞力遠大於平常所見的暴風波浪。雖然目前對於海底發生地震、火山爆發或大規模坍方仍無法做有效的預測，但由其引發的海嘯的預警或相關的模擬研究，目前已累積甚多的成果，而臺灣在海嘯的研究上也已建立很好的基礎。由於地處太平洋地震環帶，有可能受到海嘯的侵襲，最好事前掌握海嘯災害的潛在地區，並進行相關的破壞研究。政府部門宜先整合國內的資源投入研究，掌握先機，事前做好防範規畫，便可減少可能的災害損失。

滔天巨浪

古諺有云:「仁者樂山，智者樂水。」意思是說人們與水相處需要很高的智慧。這句話說得很傳神，君不見平時河上潺潺流水是多麼詩情畫意，人們又用水形容女人的溫柔，更不要說把水和陽光、空氣並列為生物生存的三大基本要素，凸顯了水的重要性。但是當洪水來襲，潺潺流水變成滾滾洪濤時，無堅不摧的威力則令人敬畏。山洪暴發更在瞬間奪人性命，讓人聞之色變。所以說，與水相處需要很高的智慧。 把這句話用於形容海洋更是妥切。許多人在天氣好的時候喜歡到海邊戲水，消消暑氣，這時候海是多麼地美麗溫柔。但是天氣不好時，滔天巨浪常會帶來巨大的破壞與傷亡，這時候海又是多麼地可畏。 滔天巨浪是怎麼形成的呢？當然是從小浪變大的啦！那麼小浪又是從哪裡來的呢？這就得從波浪的生成講起。我們的老祖先雖然沒有現代所謂的科學知識，但是他們具體而微的觀察心得確實很有智慧。古語說:「無風不起浪。」這句話雖然在生活中用於表示事出有因，其實它對自然現象的表述即使放在現代科學的框架下檢視，也是全然正確的。 沒錯，波浪確實是因風而起的。現代科學在這句話的基礎上進一步闡述波浪的成長現象：風速愈大，能夠形成的波浪愈大；水面自風獲得能量是一個時間過程，也就是說，在相同的風速條件下，吹拂時間愈久，波浪愈大；波浪受重力作用必須向前運動，因此在風生成浪的過程中需要有空間距離，讓波浪在行進中成長。由此可知，波浪的成長需要三個要素：風速 (wind speed), 風吹時間 (duration) 和風吹距離 (fetch)。 人類自有航海事業以來，就對風生浪的關係有所認知。19 世紀初葉，英國海軍上將法蘭西斯・蒲福 (Sir Francis Beaufort, 1774-1857) 依據他航海生涯中蒐集的大量觀察紀錄，完成了世界第一個也是至今仍廣泛應用的「蒲福風級表」(Beaufort Wind Scale), 把風速分級並描述各種風速作用下海面的狀況。 後來美國國家海洋暨大氣總署 (NOAA) 把蒲福風級表中文字描述的海況轉化為波高數字，成為現今中央氣象局引用的蒲福風級浪級表。這個表中所列的浪高是指在大洋上這個風速連續吹拂十數乃至數十小時後的極限浪高，在海洋科學上稱為「完全成熟波」。 不過成功大學近海水文中心分析過去 6 年在臺灣西海岸實測的波浪顯示，在高風速下，實測值普遍小於蒲福風級浪級表所列的波高，也就是說，高風速下，在臺灣西海岸發生完全成熟波的機率是非常低的。 用科學方法實際在海洋上量測波浪，始於第二次世界大戰末期，而長期有系統地進行波浪量測，則晚至 20 世紀 70 年代由美國國家海洋暨大氣總署開始。國內從事波浪觀測技術研發始於民國 70 年代末期，由國科會資助成功大學從基礎理論研究做起。第一個我國自產的資料浮標 (data buoy) 於民國 85 年在臺中下水，開始執行長期作業化的波浪觀測。 資料浮標是一個直徑 2.5 米、鐵餅型扁平的浮體，在海面上隨著波浪上下運動。位於浮心處有一個加速度感測器，用於量測水面連續的加速度，把連續的加速度值對時間積分兩次就可得到波高的資訊。 資料浮標不只是量測波浪，它是一座浮在海上的無人全自動海氣象觀測站，同時可以觀測風、氣壓、氣溫、水溫、海流等多項海氣象因子。它利用太陽能發電，可以長期穩定地在海上執行觀測作業，還可以加掛儀器監測水質，為海洋環保把關。 目前在水利署、氣象局和觀光局的委託下，成功大學近海水文中心在環島及金門外海布放了 14 個資料浮標站，全天候監測海氣象，每兩小時透過無線電或衛星回傳資訊，使氣象局更能精確地掌握實際海況。颱風警報時更是每小時連續傳遞資訊給水利署，做為海岸災害搶救的依據。 最近 8 年，近海水文中心在花蓮、蘇澳等地曾經測到超過 11 米以上的巨浪。11 米還只是統計上的代表值，依照學理，其中最大波高應有代表值的 1.7 倍，也就是將近 18 米，足有 6 層樓高。試想：一個人花 6 秒鐘從 6 層樓高落到地面，馬上再花 6 秒鐘從地面彈到 6 層樓高，如此來回運動會是什麼樣的景象！民國 95 年 5 月下旬執筆為文時，近海水文中心的團隊正在前往蘭嶼東方 250 公里的途中，為氣象局執行深海資料浮標布放的任務。這個布放在西太平洋加呱海脊附近水深 4,800 米的浮標站，可以在颱風登陸臺灣前 8~16 小時準確掌握颱風結構，對氣象局提高颱風預報準確度有很大的助益。 在西太平洋，滔天巨浪大多發生在颱風來襲時，對來不及返航或避開颱風的船隻確實是極大的威脅。不過，拜氣象預報科技之賜，現在居住在陸地的人們可以提早獲得颱風動態資訊，及時遠離海邊，滔天巨浪尚不至於直接威脅生命安全。 然而風和日麗下的海岸並不是沒有潛藏的危機，三不五時總有人在看似水波不興的海岸邊，被突如其來的大浪吞噬入海而喪命。這種事件往往是大洋遠處颱風吹起的波浪，經過數百、甚至上千公里傳遞後形成長浪，在淺灘前崩潰產生強烈的水流所造成的。這時海邊往往沒什麼風，天邊還多半有五彩繽紛的彩霞，使人在欣賞美景中失去了警覺心，單一突來的大浪讓人猝不及防，一瞬間悲劇就發生了。古諺有云:「無風三尺浪。」說的就是這種情形，老祖先早就警告我們了，不是嗎？滔天巨浪奪人生命是最直接、瞬間看得到的災害，除此之外，滔天巨浪造成海岸地形變化所引起的危害也不容忽視。砂質海灘常年受到波浪、海流和風的作用，砂粒不斷運動，從不間斷。在同一地點不同時間所看到的砂，絕不會是同一堆。有些地方砂跑掉的多、跑來的少，形成侵蝕現象，海岸線向陸地後退。反之，則形成淤積現象，海岸線向大海推進。如果跑掉的砂和跑來的砂一樣多，雖然看起來海灘沒有變化，可是砂粒卻不斷來來去去，不曾停止，在學理上稱為「動態平衡海岸」。 無論海岸線前進或後退都對我們的生活造成影響。海岸侵襲使我們喪失寶貴的土地不說，即使是海岸淤積，如果淤積在核能電廠冷卻水進水口，使電廠抽不到足夠的海水冷卻機組也是一種危害，輕則造成機組跳機，使供電吃緊，重則造成機組熔毀，形成災難。 根據調查研究顯示，海岸變遷固然是常年持續進行，但它是一個緩慢的過程，每年可能只是幾米到幾十米的變動。可是「滔天巨浪」對海岸變遷的影響卻是快速而巨大的，往往一次巨浪所造成的地形改變，比平常好幾年作用下累積的變化量還大，這是我們必須面對的重大課題。 另一種「滔天巨浪」是海嘯。在外洋發生地震或火山噴發時，往往造成海底地塊的瞬間滑動，使水面形成一個同心圓的波浪向四周傳遞，就像我們丟一個石頭到池塘裡所看到的同心圓漣漪一樣。海嘯波在大洋上只有幾十厘米的波高，航行在外洋的船隻完全感覺不到。但是當海嘯波傳遞到淺海時，受底床摩擦的影響，波前速度減慢，波形產生扭曲，逐漸形成一道高聳的水牆，最大可達二、三十米，足足有 8、9 層樓高。 當這道水牆在近岸處崩潰時，形成一道強勁的水流沖向陸地，速度之快，在岸邊的人根本來不及閃避，瞬間就被吞噬了，車輛、房屋像火柴盒一般隨波逐流。看到 2004 年底南亞大海嘯造成數十萬人失蹤、死亡的災難，整個城鎮消失，真是令人觸目驚心。 臺灣近百年來雖然沒有發生災害性的海嘯，但是在歷史上確曾遭受過海嘯肆虐。張國棟引述徐泓的文章，發現 1781 年高雄曾發生大海嘯。徐泓集編《臺灣采訪冊》, 其中有關「祥異，地震」的記載: 「鳳港西里有加藤港，多生加藤，可作澀、染，工賴之，故名云。港有船通郡，往來潮汐無異。乾隆四十六年四、五月間，時甚晴霽，忽海水暴吼如雷，巨浪排空，水漲數十丈，近村人居被淹，皆攀援而上至尾，自分必死。不數刻，水暴退，人在竹上搖曳呼救，有強力者一躍至地，兼救他人，互相引援而下。間有牧地甚廣及附近田園溝壑，悉是魚蝦，撥刺跳躍，十里內村民提籃契筒，往爭取焉...... 漁者乘筏從竹上過，遠望其家已成巨浸，至水汐時，茅屋數椽，已無有矣。」 他又編輯《清代臺灣天然災害史料彙編》, 其中引述《淡水廳志》的記載:「同治六年冬十一月，地大震...... 二十三日，雞籠頭、金包里沿海，山傾地裂，海水暴漲，屋宇傾壞，溺數百人。」在基隆則曾發生「港水似已退落淨盡，船隻被擱於沙灘上；不久，水又復回，來勢猛烈，船被衝出，魚亦隨之而去，沙灘上一切被沖走」的現象。 可見臺灣曾遭遇「海水暴吼如雷，巨浪排空，水漲數十丈」且「溺數百人」的海嘯，我們絕不能掉以輕心。當我們在海邊看到海水異常後退，海底露出時，極可能是海嘯來臨的前兆，應立即向高處奔逃，稍有遲疑可能就有生命危險！

天然氣水合物

天然氣水合物是目前世界上討論熱烈的一種新型態能源，而在臺灣，最近的研究探勘，證實在西南部海域擁有豐富的含量，若是能夠有效開發，科學家估計能夠讓全臺使用大約 60 年左右，是相當振奮人心的消息。我們就採岩心，海底岩心、海床沉積後的岩心，然後作地球化學的分析，以及它沉積物的物理性質分析。那由它裡面的一些異常現象，來判斷它有沒有天然氣水合物富存的這種指標。自然界產出的天然氣水合物，外觀大都類似白色的冰晶，是由天然氣與水分子在高壓和低溫之下，所形成的一種固態結晶物質。水分子所組成的籠型結晶構造中，把以甲烷為主的氣體分子包裹在結構的籠形空隙內，在常溫、常壓下，很容易分解產生氣和水，所以一旦有火源將它點燃，就可以持續燃燒，形成冰火共存的特殊現象。而相較於傳統化石能源，天然氣水合物所含的甲烷氣燃燒之後，不會排放硫氧化合物，二氧化碳的排放量也只有燃油的 67%, 是一種比較潔淨的能源。天然氣水合物分布在地球的永凍層，或是大陸邊緣的深水地區。和傳統的天然氣田不同，它的儲存深度較淺，一旦受到減壓或是升溫的效應，海底下局部的天然氣水合物會開始分解，產生富含氣水的高壓流體，形成地層結構弱帶，一旦受到後期的重力或是地震作用，就可能引發海床滑動，甚至引起海嘯，而伴隨溢出的大量甲烷氣體，也對海洋生態造成衝擊。跟傳統油氣不一樣的地方，就是它必須要先把固態的天然氣水合物，讓它分解產生氣體之後，才可能把它開採出來。讓它跟環境能夠搭配的這種關鍵技術還在發展中。天然氣水合物潔淨的優勢和廣大的儲量已無庸置疑，然而對於環境可能造成的影響，勢必產生更多討論。能否善用天然氣水合物解決能源短缺，這將是人類所要面臨的挑戰。

一七九四年五月八日拉瓦錫走上斷頭臺

「拉瓦錫伉儷」, 由大衛所繪。 十八世紀的歐洲史以法國為中心，啟蒙運動、法國大革命、化學革命都發生在十八世紀的法國。法國大革命，是巴黎人發動的，用不著多說。我們一談到啟蒙運動，就會想起伏爾泰 (Voltaire, 1694-1778), 一談到化學革命，必然會從拉瓦錫 (Lavoisier, 1743-1794) 談起，他們都是法國人的驕傲。 最巧的是，一七八九年拉瓦錫出版了《化學元素》, 將化學定義成「研究元素性質的科學」, 為現代化學奠定了堅實的基礎，而法國大革命也在這一年七月十四日星期二爆發。可是，政治革命最後卻將發動化學革命的拉瓦錫送上斷頭臺。 據說拉瓦錫在革命法庭受審，被判死刑，拉瓦錫知道命運已定，仍然向法官要求寬限死期，因為他還有些實驗要做。法官一口回絕，說道:「共和國不需要科學家！」這個故事是後人捏造的，但足以反映後世對大革命的看法。雖然大革命一開始打著自由、平等、博愛的旗號，可是一七九三年一月處決了路易十六之後，就逐漸變質。到了這年秋季，公共安全委員會由激進分子掌權，開始大肆逮捕政敵，至少有三十萬人下獄，其中一萬三千人遭處決，許多人死在獄中，仍未經過審判。這場「大恐怖」(LA TERREUR) 直到一七九四年七月底才結束。 其實，拉瓦錫與伽利略不同，不是因為他的科學而遭迫害的。 家世 拉瓦錫出身中產階級，父親是律師，外祖父也是律師。他五歲喪母，父親帶著孩子搬到新寡的外祖母家裡，他與妹妹由外祖母與阿姨養大。拉瓦錫的父親一直沒有再婚，父子關係很親密。拉瓦錫從小受過良好教育，希臘文、拉丁文、法文作文的成績特別出眾，長大後也研讀法律，二十歲法學院畢業，第二年通過考試，獲得執業律師的資格。 但是拉瓦錫對科學也有興趣，在天文學、數學、植物學、地質學、化學這些領域裡，都受過名師指點，尤其是化學家侯艾爾 (Guillaume Francois Rouelle, 1703-1770)。 御花園 從一七四二年到一七六八年，侯艾爾是巴黎御花園 (Jardin du Roi) 的化學「演示師」(demonstrator), 負責以實驗「演示」化學事實。他的聲名遠播歐洲科學界，許多人專程到巴黎上他的課。 說到御花園，大家也許以為那不外是個奇花異草與亭臺樓閣掩映的地方，也許還有皇帝收藏的美女、骨董和古書，當然，皇帝偶爾也會在那裡祭祀、宴射什麼的。但是巴黎御花園卻是個科學研究機構，一六四○年開放。 原來法國的統治機器只要發現巴黎大學有缺失，就會設立新的機構彌補。過去因為巴黎大學拒絕教授希臘文、阿拉伯文、希伯萊文，國王就聘請「皇家講師」, 公開教授那三種文字，任何人都可以免費聽講。到了路易十三 (1610-1643 在位),「皇家講師」制度轉變成皇家學院 (即法蘭西學院前身)。 這座御花園也不例外，是衝著巴黎醫學院設立的。這所醫學院盤據著濃重的保守氣息，領導階層拼命反對哈維一六二八年發表的血液循環論，就是證據。此外，路易十三的御醫都來自南方的蒙佩耶 (Montpellier) 醫學院，他們提倡以化學方法從礦物提煉「新藥」。可是巴黎的醫生認為傳統的本草醫方才是正宗醫學，於是鼓動國會，不斷設計小鞋給御醫穿，幸虧有路易十三庇護，他們才沒吃癟。 當時的植物學就是本草學，設立這座御花園的始意，正是想解決新藥與草藥之爭。御花園中有三位「演示師」, 都由御醫擔任，他們公開授課，任何人都可聽講，「演示植物與所有藥物的成分，並研究各種藥物的成分，無論是草藥還是化學藥」。園中蓋了一座化學實驗室，專門研究新藥；化學立即成為御花園學程中的一環。直到一六四八年，巴黎大學醫學院仍然企圖禁止御花園開設化學課。 根據御花園的傳統，每一門課都由教授與演示師合作，一個動口，一個動手；教授負責講解，演示師負責提供事實，或以實驗「演示」教授講解的原理。這種安排反映了歐洲知識傳統的偏見，就是輕視「手工」, 認為動腦比動手還高貴。 但是侯艾爾經常以一絲不苟的實驗，顯示教授傳授的原理不符合事實。而且他演示時特別熱情，因此受過啟蒙思潮洗禮的巴黎知識階層，對侯艾爾的實驗演示非常著迷。當時法國所有重要的化學家，都上過他的課。到御花園觀看侯艾爾做實驗，甚至成為上流社會的時髦活動，講堂裡不乏名媛淑女的儷影。 化學革命 為了介紹拉瓦錫引發的化學革命，我們必須從希臘的「四行說」談起。所謂「四行」, 就是土、水、風、火。根據亞里斯多德的說法，世上萬物都是四行組成的。萬物各有各的性質，是因為各有特殊的四行組合。理論上，改變四行的組成，就能改變物性。煉金術就是變化物質的技術；到了十八世紀，日常經驗與煉金術都累積了大量有關物質變化的知識。 先前牛頓已經證明過，蘋果從樹上掉下與月球繞地球運轉，都服從同一套原理，也就是說，以極為簡單的原理，就能將宇宙中的運動現象統一起來。那麼，從龐雜的物質變化資訊中，是否也能理出頭緒，並以簡單的原理說明？拉瓦錫第一次直接挑戰古代的物質變化理論，就是以實驗證明「水不會變化成土」。原來，古人將水反覆蒸餾之後，往往會在容器底部發現沈澱的土質。歷來都將這個發現當做支持四行說的證據。拉瓦錫以仔細設計與執行的實驗，證明那些土質源自容器，而不是水變成的。一七七○年十一月十四日，他在皇家科學院公布了實驗結果。 今天我們知道，由於水是萬能溶劑，只要給它時間，就能將容器內壁溶解一些。只是在正常情況下，由於容器壁的溶解量極低，我們不容易發現容器損失了質量。拉瓦錫能夠證明沈澱的「土」源自容器，顯示他對實驗的設計與控制非常高明，而且對測量的精確程度要求極高。 以實驗與精確的測量發現事實，是現代化學萌芽期最重要的精神。 計量管理 事實上，拉瓦錫一開始就是以精確的計量管理本領引起法國科學界注意的。一七六五年，皇家科學院懸賞徵求有關街燈設計的論文。評審時，論文分為兩大類：數理類與工程類。拉瓦錫的論文，以比較各種設計的亮度與成本為主題，是唯一受青睞的「數理類」論文。科學院將獎金頒給了工程類論文作者，可是向國王推薦拉瓦錫的論文，建議頒發金牌。兩年後，拉瓦錫還沒滿 25 歲，就當選皇家科學院院士，這是史無前例的殊榮。 不過，這一年也決定了拉瓦錫日後的命運–他以母親遺留給他的遺產購買了收稅公司的股份，自己成了「稅吏」。法國的稅收制度很特殊，國家沒有直接的徵稅機關，而是由民間的放貸人，將錢借貸給國王與政府，購買徵稅的權力。在法國，收稅公司的規模相當大，是當時除了軍隊之外最大的僱用單位。在十八世紀中期，它的員工有三萬人，其中超過兩萬人配備武器，有權進入私人家戶搜查、扣留可疑「財產」, 例如未稅私鹽。 在法國，由於貴族、教會免稅，只有平民必須繳稅。而且，收稅公司徵的是貨物稅，不是消費稅，直接影響升斗小民的生計，私營事業的效率只會擴張民眾對收稅公司的不滿。因此在革命之前與大革命期間，收稅公司與公司的「稅吏」成為最突出的不滿對象，也是理所當然了。 巴黎的門 到巴黎旅遊的人，一定會注意到那裡許多地名都有「門」(Porte) 字，但是觀光客看不出那些門是做什麼用的。它們有的像臺北總統府前的景福門，依稀可以想像當年兩側有城牆，有的連門都看不見，只留在地名中。 事實上，當年收稅公司為防止走私，徵貨物稅，在巴黎四周建了城牆。這座城牆由拉瓦錫設計，高三公尺，全長近 20 公里，共有 54 個門，在一七八○年代中完成，巴黎民眾對這座城牆素無好感。根據教科書，一七八九年七月十四日民眾攻打巴士底監獄，法國大革命於是爆發。其實在十二日禮拜天深夜裡，巴黎群眾已經攻擊這座「稅牆」, 破壞 40 個門，家具與文書都放火燒了。從牆上取下的磚塊，有人就當做武器使用。 革命不是請客吃飯，總要清算鬥爭。一七九一年一月，激進派在報紙上點名攻擊拉瓦錫，罪名之一就是：拉瓦錫這個卑鄙小人每年收入四萬法郎，可是他配得上這樣高的收入嗎？他的大作只是花了三十萬將巴黎置於監獄中而已......。一七九三年十一月，收稅公司的主要稅吏都被捕下獄，許多人上了斷頭臺，拉瓦錫只是其中之一。 破壞與建設 現代法國人都對法國大革命抱著複雜的情緒，因為這場革命的長短期後果，有太多教人遺憾的地方，拉瓦錫的命運只是其中之一。拉瓦錫死後，數學家拉革朗日 (Joseph-Louis Lagrange, 1736-1813) 評論道：砍下那顆頭不過是一瞬間的事，但是即使一個世紀也出不了同樣的一顆頭。 破壞易，建設難，這種不對稱在變動不已的時代裡，尤其惱人。 【科學史上的這個月】

野馬與塵埃:大氣懸浮粒子

北宋元豐元年 (西元一○七八年) 青年詩人黃庭堅路過方城 (今河南方城縣), 順便去尋找他已逝長輩曾經題字過的地方。庭堅的七叔祖黃注，字夢升，是個豪氣干雲又才氣縱橫的文學家，不過一生仕途卻不怎麼得志，只作個「南陽主簿」的小官。黃庭堅對著舊題緬懷著這一位先輩，而今時過境遷，豪氣、文才早已化為烏有，因而寫了上面這首詩，並以「野馬與塵埃」來描寫人生的虛幻。 「野馬與塵埃」典出《莊子。逍遙遊》:「野馬也，塵埃也，生物之以息相吹也。」從莊子的語氣看起來，「野馬」、「塵埃」是兩樣不同的東西，但是它們之間的相同點是十分微小輕浮，乃至可以被生物微弱的氣息所吹動。然而後代文人往往不察，而把它們當成是同一個東西。這個誤解惹出北宋大科學家沈括的指正，在他的大作《夢溪筆談》裡列出: 「莊子言:『野馬也，塵埃也。』乃是兩物。古人即謂野馬為塵埃，如吳融言:『動梁間之野馬』; 又韓偓云:『窗裏日光飛野馬』, 皆以塵埃為野馬，恐不然也。」 吳融及韓偓的文章及詩句硬是把野馬和塵埃等同起來，的確是一個誤解。沈括不愧是科學家，從莊子的語氣中就推知野馬與塵埃是不同的兩樣東西，因此不會人云亦云。然而「野馬」到底是什麼東西呢？沈括接著指出:「野馬乃田間浮氣耳。遠望如群羊，又如水波。佛書謂:『如熱時野馬、陽焰』即此物也。」 用現代語言來說，「野馬」並不是一種「東西」, 而是一個大氣「現象」。白天地面受日照變熱，近地面的空氣也會因熱傳導而變熱。在氣壓相同時，熱空氣的密度要比冷空氣小，因此產生浮力而上升，而它周遭的空氣因較冷，因而較重，便可能下沉，或者因為暖空氣上升而被迫作出補償性的下沉運動，這便是「自然對流」運動。 很顯然在一個對流中的空氣層，即使是同一高度的空氣密度也不會均勻，而是有的部分密度大，有的密度小。當我們透過這一層對流中的空氣眺望遠方的草原森林時，那些被長草或樹木所散射的陽光進到我們眼睛之前，會先經過這層密度瞬息變化不定的空氣，結果光線的路徑也隨之彎來彎去 (這便是折射現象), 草原森林的影像一下子對焦，一下子失焦，像是隔著一層翻騰的氣泡。便形成沈括所說的「如群羊」, 像一群來回走動的肥羊，又「如水波」的波動，現代名詞稱為「閃爍」。 不落的「塵埃」: 細懸浮微粒 難道「野馬」與「塵埃」一點關係都沒有嗎？是又不然。「野馬」其實代表著空氣的不穩定性，也正是大氣的不穩定性才能夠支持大量的懸浮塵埃。要是「野馬」不夠「野」, 這些塵埃便要紛紛「落定」了，因此從這個角度看來，野馬與塵埃雖不是同一個東西，卻是緊密關連的。 一般人心目中的塵埃多半是像沙粒般的固體粒子，其實塵埃中也有不少液態的油滴、水滴，或外表為液體所包裹的固體粒子。只要它們的大小能夠被空氣擾動中的上升氣流所支撐，便得以長久懸浮在空氣中。像這樣只由氣態介質來支撐一些懸浮其中粒子的系統叫做氣溶膠，而其中的粒子則稱之為氣溶膠粒子或懸浮粒子，或簡稱「浮粒」。 浮粒的顆粒大小差別很大。大風起時，漫天風砂中的砂粒當然也是浮粒，但它們的顆粒相當大，在 1 毫米上下，用肉眼便可以清楚分辨出來。這樣大的粒子很難在空氣中長久停留，只要風力稍弱，它們便紛紛落回地面。 真正能在空氣中長久懸浮的粒子要比 1 毫米小得多，通常都在 10 微米以下 (1 微米是 1 米的百萬分之一)。大量的浮粒其實都在 1 微米以下，常被歸成一類，稱之為次微米浮粒。這些次微米浮粒已經小到肉眼不能直接分辨，通常須用顯微鏡，甚至電子顯微鏡才能看見它們。只有當它們的濃度相當大的時候，藉由強光的照射下才能讓我們的肉眼看到一層似煙似霧的東西。 而「煙」又是什麼東西呢？它其實是一團浮粒。由燃燒過程產生的浮粒有大有小，而它們的大小往往由它們被陽光照射時所顯出來的顏色便可大略探知。例如燒煤工廠中大煙囪冒出的滾滾濃煙，隔著陽光看若是黑褐色的，代表其中顆粒頗大，而且濃度頗濃。這樣的濃煙若是映著陽光，有時候看起來很白，代表煙中含有大量水分，而浮粒會被一層液態水包裹，而水滴反射陽光頗強，所以看起來是「白煙」。 然而有些工廠像煉油廠的煙囪有時會排出一些看起來是藍色的煙。這代表著煙中的粒子十分小，多半是次微米浮粒。這些小粒子的光學特性便是強烈散射陽光中短波的藍光，結果我們便會看到「青煙裊裊」。 「大粒子」的問題：不易離開空氣與人體 德國大氣化學家雍耶 (Christian Junge) 把大氣中的浮粒按其大小分為三類：艾特肯粒子 (Aitken Particles): 半徑小於 0.1 微米的浮粒；大粒子：半徑在 0.1~1 微米的浮粒；巨粒子：半徑大於 1 微米的浮粒。這種分類法很顯然地把「大粒子」的地位凸顯出來，因為它們的尺度界定得最清楚，這是有其道理的。 道理之一是，粒子的大小和它們能否在人體內停留頗有關係。當我們呼吸時，空氣中的浮粒當然也會隨著吸氣氣流進入鼻腔。我們鼻腔中的鼻毛便是一組空氣過濾器，氣流中若有巨粒子，大多數被鼻毛擋住過濾掉，而與鼻液凝合成塊，這是在空氣污濁的大都市中生活的人們的共同經驗！大粒子及艾特肯粒子則由於顆粒甚小以致它們可以溜過鼻毛的過濾而進入肺內。 眾所周知，人類肺臟中有數不清的彎曲通道。這些原為迅速吸收氧氣而「設計」的通道，對於微粒來說卻等於是「迷宮」一般。艾特肯粒子由於體型太微小，它們倒很容易從通道中又隨著呼氣過程而被排出體外。但是對「大粒子」而言，想要從小通道中「全身而退」就沒有那麼簡單了。結果許許多多的大粒子全被卡在通道中，阻礙了這些小支氣管的暢通。如果大粒子本身含有毒性的話，則後果更不堪設想！另一個和大粒子有關的現象是氣溶膠的老化現象。原來氣溶膠中剛被製造出來的時候，其中浮粒的尺度譜，或稱為「粒徑譜」, 可能很寬，因為有許多艾特肯粒子，也有許多大粒子及巨粒子。但是說也奇怪，如讓這團氣溶膠懸浮了幾天之後，無論它原來的粒徑譜是什麼型態，它會「老化」成一個幾乎是標準狀態，即以大粒子 (靠近 0.1 微米，有時稍小) 為尖峰濃度的譜型出現。這是什麼道理呢？原來這和氣溶膠的「動力特性」有關，也是雍耶的另一發現。浮粒在氣溶膠中會因遭受空氣分子不間歇的撞擊而產生隨機運動，這通常稱為布朗運動，因而兩個浮粒彼此相撞的機會也不小。兩個小粒子撞在一塊，如果良緣天定，就會合併成一個較大的粒子。沈括認為野馬與塵埃是不同的東西。 這一來當然便改變了粒徑譜的型態。這種因布朗運動相撞而合併的情形以艾特肯粒子最為迅速，因為它們個子小，以致布朗運動較為顯著的關係。於是乎，一團新鮮的氣溶膠在過了幾天之後，艾特肯粒子大都紛紛合併成為大粒子。 而巨粒子呢？它們並無顯著的布朗運動效應，但是由於它們的體型較大，有許多大塊頭在幾天之內便掉落地面，不再是氣溶膠的一分子了。反之，那些「大粒子」既無太迅速的布朗運動效應，因此不太會合併增長成為巨粒子；而另一方面，它們的體型又不夠大，不會像巨粒子那麼容易掉落，因此過了幾天之後，大粒子們還是大致保持原樣，掛在那裏。 所以，氣溶膠老化現象的總結果便是，艾特肯粒子與巨粒子迅速減少，而大粒子則略有增加。於是乎，尖峰濃度總是出現在大粒子的尺度附近。 微小卻關鍵：懸浮微粒在大氣中的角色 這些被野馬載奔的塵埃浮粒並不只是無所事事地掛在天空中漫遊。它們的存在對於大氣的物理及化學過程有相當大的影響。 首先，如果空氣中有大量浮粒的話，能見度馬上降低，整個地區會被一層煙霧似的浮粒所遮蓋而使景物的輪廓顯得模糊不清。氣象學上的「霾」便是這種浮粒的效果。在工業尚未發達的過去，霾的發生多半只和天氣過程有關，也不十分尋常。但是在工廠處處的今天，人工過程便會產生大量的浮粒，結果是在大都市地區通常都有大量浮粒，不只能見度降低，連市容 (尤其從上空看下去) 也倍覺醜陋。 而又由於浮粒的大小尺度接近可見光的波長 (0.4~0.7 微米), 它們會非常有效地散射太陽光。太陽的可見光是太陽輻射的尖峰值，幾乎是地球上天氣過程以及各種生物過程唯一的總能源，如果大量微粒懸浮在大氣中的話，顯然太陽可見光會被嚴重散射回太空中，導致地面所能接受到的總輻射量大減。這一來有可能導致氣候轉冷，進而嚴重影響生物過程。 對於侏儸紀時代耀武揚威在地球上的巨大爬蟲類 —— 恐龍 —— 後來為何會滅絕？目前有一種說法，認為地球表面遭受到巨大的彗星或隕石的撞擊，以致揚起遍布四海的巨大塵雲。塵雲者，浮粒是也。它們散射陽光，造成每天都是陰霾遍布似冬季的景況。恐龍們因受不了這種酷寒的氣候，兼之五穀不生，導致草食動物滅絕，連帶也滅絕了肉食物種了。 在八○年代，由於美國及前蘇聯各貯有可以互相毀滅對方好幾次的核子彈頭，因此科學家推算，如果發生全面核子大戰的話，由於核彈爆炸，所揚起的塵雲，也不下於大彗星撞擊地球的效果，所以也會造成「核子冬天」的寒冷氣候。現在蘇聯雖已解體，但是一些第三世界國家卻取而代之擁有核武器，所以這種「核子冬天」的憂慮仍然是存在的。世界大都市上空常可看到的景象，低層天空籠罩著一層工業活動及車輛廢氣造成的黑褐色光化學煙霧。 除了直接的輻射效應外，浮粒更可能由於「成雲效應」而對大氣產生更巨大的影響。一般人以為，雲的形成只不過是水汽凝結成水滴或是冰晶而已，其實真正過程絕非如此簡單。對於恐龍滅絕的原因，有一種說法認為地球表面遭受到隕石撞擊揚起巨量的塵雲，這些塵雲散射陽光，造成氣候快速變冷。 如果大氣中沒有雜質如浮粒者，水滴及冰晶就難以形成。正因為有這些浮粒存在，有的可以作為凝結核來形成水滴，有的可以作為冰核來形成冰晶，才使得蔚藍的天空中得以鑲嵌著美麗的白雲。此情此景，我們可以說:「氣至清則無雲」, 也就是說要是大氣中沒有浮粒，白雲則無從存在。 然而當前地球上空大氣的問題卻是浮粒可能太多，太多的凝結核與冰核可能產生大量的小水滴及冰晶，結果是「密雲不雨」, 導致天氣可能轉冷 (因為陰雲之故), 而且水滴及冰晶又太小使得雨滴無法形成，也下不來，造成大地乾旱。 這是個十分迫切的問題，因為目下第三世界國家產生工業用能源最省錢的辦法就是燒煤。燒煤除了直接產生煤煙之外，煤中的天然污染物硫，也會形成二氧化硫。二氧化硫和雲及雨的化學作用，除了產生酸雨之外，還會產生大量的硫化物粒子。如果國際協商無法達成改善的辦法，這些大量的浮粒可以預見是一定會發生的，其對全球氣候的影響也是可預期的。這絕對是一個要正視的問題。 深度閱讀 王寶貫 (1997) 雲物理學，國立編譯館主編，渤海堂印行。

空氣中的懸浮粒子

自然界中的火山爆發、沙塵暴、都市裡的交通廢氣、工廠黑煙，不管是自然或人為，這些現象的共同結果，都是空氣結構的改變。人們被成份複雜的氣體所包圍，雖然摸不著也抓不到，卻實實在在，隱藏著危機。新鮮空氣就是，氧氣啊、氮氣啊這些，可是空氣裡面有一些微量的氣體，也有一些微量的粒子，對我們的肺部影響都滿嚴重的，尤其是老人跟小孩。這些影響人體健康的物質，被稱為懸浮微粒。其中又以粒徑小於 2.5 微米的大氣懸浮微粒 —PM2.5 最受矚目。PM2.5 只有頭髮直徑的 1/24, 這些肉眼看不到的微小物質，可以輕易的進入肺部，一方面沉積在肺胞中，傷害呼吸系統，一方面透過換氣，入侵其他器官。再加上其易吸附的特性，時常夾帶有毒物質，對健康影響更大。正因為如此，世界衛生組織建議，24 小時內 PM2.5 的平均值不應超過 25 個單位。但臺灣都會區測到的數值，卻遠高於標準值，其最大的元兇，就來自於汽機車的廢氣。而國內科學家更發現，在交通路口等綠燈的機車騎士，可能面臨比平均濃度高兩倍以上的 PM2.5 污染物。懸浮微粒帶來的，不只是健康問題，它還是影響氣候變遷的主要原因。懸浮微粒是氣候變化的一個，最大的變數之一，因為懸浮微粒它會對陽光有撓射作用。臺灣差不多從 1970 年、1980 年以後，直射的陽光減少了很多，減少了百分之十五。除了減少直射陽光，過多的懸浮微粒還會改變降雨的形態和時間，影響農作物的正常生長，造成氣候異常、危害人體健康。懸浮微粒雖然看不見，卻不能視而不見。想要有所保障，除了戴口罩之外，也許我們還需要更積極的作為，才能真正大口呼吸。2007 年東森電視台《科學大解碼》第一期

容忍煉金術

化學的起源，與西方的煉金技術的發展有關。雖然現在多會以無稽之談來看煉金之學，但若能除去後見之明，而採「莫以成敗論英雄」的態度探索啟蒙運動前的煉金發展，仍可從其中找到鏡鑑之處。 中研院歷史語言研究所的張谷銘博士，專門研究 17、18 世紀的歐洲社會文化，他無意間被一篇以《一個政治問題：應否容忍煉金術士？》(A Political Question: Whether Alchemists Should Be Tolerated in the Republic?) 為題，1702 年出版的德國博士論文所吸引。 煉金術怎麼會成為一個「政治」問題？「容忍」代表了甚麼意思？歐洲當時已經有「共和國」的概念了嗎？基於這些問題，張教授便針對這篇論文展開研究。這篇論文的作者布蝶斯 (Friedrich Franz Buddeus) 是哲學家也是神學家，他的身分是這篇論文的指導教授。然而當時做法經常是指導教授撰寫論文，也因此通常被視為博士論文的作者。本文沿襲當時的方式，稱布蝶斯為作者。 論文首先討論煉金術是否為真。即使有些煉金術士並未具有其所宣稱的煉金能力，但不能以此認定所有的煉金傳說都是假的。另外，當時還有個觀念認為煉金術是種上帝恩賜的天分，並非每個人都可以擁有。因此布蝶斯希望能從歷史記載中，找尋明確可證其為真的敘述。 雖然布蝶斯未必有足夠的知識背景來分析煉金的真偽，但他也不認為當時的知識背景足夠論斷物質特性轉變的可行性，因此他採取一種「社會經驗主義」來辨證，這是針對事件的陳述及證人的可信賴程度，間接對其真偽做分析。文中所舉的許多歷史案件，結論幾乎都是「無從判斷真偽」, 但是最後引述一件在論文付梓前幾個月流傳的事，一位煉金家波特格 (Bottger) 於前一年秋冬之際剛宣稱煉金成功。 波特格當時雖然只是一位 19 歲名不見經傳的德國少年，但其煉金成果有 3 位證人目擊，兩位牧師及一位藥劑師。這些人在當時都是有名望、有道德者，既不可能存心欺騙，同時有人也有足夠的專業知識判斷其操作過程是否合理，所煉成的金與其他的金是否相同。因此這篇論文就認定，這件成功案例得以確定煉金可為真，接下來便是分析煉金所帶來的政治影響。 先要釐清的是，論文標題所提到的「Republic」。布蝶斯當時執教所在的普魯士是君主制的邦國，甚至當時日耳曼地區的所有邦國，都不是所謂政權由多人共享的共和制度。為此，張教授特地考據布蝶斯的其他著作，以及當時的字典與百科全書，指出 Republic 在當時也有「社會、國家」的用法，這也是布蝶斯的用法。 煉金的過程和結果都會令人著迷，但相對的，也可能給社會帶來經濟問題、道德亂象、社會失序。萬一過分沉迷的是君主，又會荒廢國政。如果煉金成功，還可能造成黃金價格降低與幣值的混亂。這些就形成了論文題目所說的「政治問題」。 雖然煉金看似有上述種種問題，但撇開招搖撞騙的人與過分沉迷的國王，煉金本身並未違法，沒有道德的瑕疵。何況他們還是真正虔誠的基督徒才能具有如此的能力，不會破壞公眾秩序與和平。如果真的能煉出金來，對自己的國家會很有幫助。 雖然論文中沒有提到國際競爭中要有雄厚財力這部分，但後來一些回應的文章會從這裡強調，為了怕別國先煉出金來財力漸大，國家不可能禁止人民煉金。因此衍生出「容忍」這樣的情緒，這意味著不是完全的贊同與支持，而是兩害相權之下有條件的接受。這樣的詞彙背景來自宗教戰爭之後，休養生息期間人民對戰爭原因的反省。大家逐漸培養出一種容忍的態度，即使你不認同其他宗教的教義，為了避免戰爭和衝突就要學習容忍，這是當時很重要的道德。布蝶斯便把宗教上的詞彙借用到政治上來。 煉金所引發的問題，可以用波特格自身的故事來做註腳。因為大家都耳聞他會煉金，因此他的國家普魯士國王要抓他，希望他能拯救困頓的財政。波特格怕失去自由便逃到鄰國薩克森 (Saxony), 結果造成兩國對峙，最後波特格還是被薩克森國王逮捕。在宮廷中，波特格並未成功地製造出更多的黃金，他退而求其次以煉金的知識，鑽研出生產白瓷的方法。先前製作白瓷的技術是東亞國家所獨有，波特格的突破為歐洲工藝史寫下新頁，也因此在歷史上有獨特的地位。 如果借用張教授的考究仔細玩味，白瓷本來在歐洲非常昂貴，後來因為可以大量製造，價格才逐漸降低。這似乎說明學者預測，若可以大量煉金則其價格會降低的理論是合理的。而德薩兩國的對峙，也說明波特格擔心的社會問題並非杞人憂天。 科學的發展並非直線成長，其中有許多的嘗試與失敗，最珍貴的是人類思維與行動在其中努力過的痕跡。現代科學發展百花齊放，恐也有不少就如同當年的煉金術，我們該採取甚麼態度呢？這篇論文有著許多面向可供參考。 後記：歷史長流容易被後人以不求甚解的態度壓縮搞混。本篇的完成，除了感謝張谷銘教授接受訪問與細心修正之外，也感謝范賢南先生協助澄清本人的歷史觀念，並提供一些有趣的解析觀點。 深度閱讀 Ku-Ming (Kevin) Chang (2007) Toleration of Alchemists as a Political Question: Transmutation, Disputation, and Early Modern Scholarship on Alchemy, Ambix, 54 (3), 245-273.

掌握關鍵10秒 減少震災損害

臺灣位於環太平洋地震帶的板塊交界處，600 萬年來的板塊運動引發頻繁的地震，地震的預防、警報一直是熱門的研究議題。臺灣大學地質系吳逸民教授採用「Τc」法和「Pd」法預估來襲地震的大小及強度，試圖在地震發生後的 10 秒內就能提出警告，讓鐵路、醫院等單位做好準備。除此之外，他也透過地震研究斷層構造，回到源頭，希望進一步了解地震孕育的過程，掌握地震發生的契機。 吳逸民教授表示，當地底斷層破裂時，兩側的岩體產生相對運動，釋放出累積的能量，就會造成地震。岩體快速位移，產生的推力形成「壓縮波」, 叫作「P (primary 或 pressure) 波」, 而沿著斷層面的位移，則形成「剪力波」, 稱為「S (secondary 或 shear) 波」。P 波的前進速度最快、最早抵達，也帶來可供預警的地震訊息；S 波雖然後到，主要的災害卻都是 S 波造成的。 吳教授以 1986 年 11 月的花蓮地震為例指出，雖然震央在花蓮，但主要的震災卻在臺北。根據震後資料，S 波從花蓮傳遞到臺北大約 30 秒，他認為若能研究、利用先到的 P 波發展地震預警系統，就算只有幾十秒，甚至幾秒的警告，也有機會減輕地震的災害。 從事地震預警研究多年的吳教授解釋，「Τc」是取 3 秒鐘 P 波訊號的地動位移和速度算出的地面「平均振動周期參數」。他分析許多地震數據後發現，地震規模 (Mw) 小於 8 的地震，Mw 和 Τc 呈線性關係；若 Τc 大於 2.1 秒，就可能有大於 6.5 的地震發生。「Pd」是「3 秒鐘 P 波訊號的地動位移的最大振幅」, 根據臺灣及日本資料分析，若 Pd 大於 0.5 公分，後面來襲的 S 波就可能會造成災害。因此，Τc 與 Pd 的數值可以運用在地震預警上。 他進一步運用美國南加州的資料得出，地震發生 7 秒後，就有數個觀測站記錄到 3 秒鐘 P 波的訊號。若加上 3 秒的網路傳遞時間，「Τc 法」的確有可能把反應時間壓縮到 10 秒，對於震央 30 公里外的地區都能發出警告。「通知高鐵減速、高科技廠防止毒氣外洩，甚至讓手術中的醫師也有準備！」 吳教授的研究團隊發現，1999 年發生 921 大地震時，臺灣大約要 100 秒才能提供警報，但在 2002 年已經大幅減少至 20 秒。他舉例，如果花蓮發生大地震，S 波從花蓮傳遞到臺北大約要 30 秒，還有 10 秒的反應時間！這是當時的一大進展，他們的研究發表於國際期刊上，更被許多著名期刊轉載。 吳教授說，用精密儀器觀測地震，其實是近百年來的事。以往的資訊不足、範圍不廣，因此目前世界上對於地震預測的發展程度都不高。他研究斷層帶的地質構造，藉由了解地質，希望能夠用統計方式來預估地震發生的機率。2006 年的臺東地震時，他的研究團隊第 1 次記錄到中央山脈斷層地震，也證實了中央山脈斷層平移帶逆斷層的特性，提出中央山脈造山的論點。 臺灣是研究地震及地質的寶地，快速的地殼變動使地震發生頻率高，引起許多國際地震及地質學家前來研究。吳教授認為，只要了解地質構造和地殼變形機制，建立長期的累積資訊，就有可能預測地震活動。對於生活在地震帶上的臺灣人，從短期內的人員撤離，到長期的土地利用開發，地震研究都有非常高的應用價值。 深度閱讀 吳逸民 (民 95) 如何利用地震初達波從事地震預警，自然科學簡訊，18 (1),8 - 11。 吳逸民實驗室:http://seismology.gl.ntu.edu.tw/main.htm 吳逸民著作:http://seismology.gl.ntu.edu.tw/publications.htm

指紋可能洩漏更多的資訊

現在大概沒有人不知道指紋是刑案的重要物證：指紋可以證明嫌犯曾出現在關鍵場合。最近，美國普度大學化學系分析化學講座教授庫克斯 (R. Graham Cooks) 發明了一種技術，可以更進一步分析從指紋上採取的跡證，以發現指紋主人接觸過什麼物質，如毒品、炸藥或毒藥。他設計的分析器已經在美國上市。 這個技術的英文縮寫是 Desi, 分析過程大致是這樣的：鑑識人員先以微量帶電液體，例如水、酒精、或水與酒精的混合液，噴在一小塊指紋上。液滴溶解指紋上的化合物，沖到分析器的表面上。分析器把溶液加熱、汽化，電子就轉移到指紋化合物上了。最後以質譜儀分析那些物質。反覆進行這個過程後，就能一點一滴地把整個指紋上的化合物全部採下分析。 庫克斯的團隊以各種化學物質做過實驗，如古柯鹼、炸藥。受試者用手沾過那些溶液，再觸摸玻璃、紙張及塑膠表面，然後研究人員以 Desi 技術分析那些指紋。Desi 的解析度相當高 (大約一根頭髮的寬度), 因此可以證明：古柯鹼的分布模式剛好就是某人的指紋。人與化合物的關係成為無從抵賴的鐵證。 美國印地安納波利斯 (印第安納州首府) 的一家小公司 Prosolia Inc., 取得普度大學的授權，已開始販售 Desi 分析器做為實驗室用大型質譜儀的附加設備。分析指紋所需要的那一型，今年上市，由於功能複雜，售價 6 萬美元。 不過，無論庫克斯還是 Prosolia 公司，都沒有把鑑識指紋當作研發重心。庫克斯說，這只是個副產品而已。他想研發的是可用於外科手術的技術。要是分析器可以縮小到外科醫師使用方便的程度，也許可以用來檢驗身體組織，偵測與癌有關的特定分子，以確定癌組織的分布。

防災預警科技(四):地動天搖 地震預警分秒必爭

台灣基於先天上位於板塊交界帶，後天又有人口稠密、高度開發等特性，因此對於地震是很脆弱的。但是另一方面，台灣也投入大量的研究能量在地震防災上，加上實際經驗豐富，國內的監測技術、預警技術發展相當積極。 在上一個專題「2012 全球災難回顧」當中，中央氣象局地震測報中心的郭鎧紋主任針對地震的原理和迷思，為讀者們上了 1 堂有趣的課；而在本專題「災害預報與監測新科技」, 郭主任更進一步介紹台灣的地震監測技術，並將地震預警剖為 3 個環節來介紹。 地震預警和地震預測是同一件事嗎？我們常常聽到地震預警、地震預測，它們究竟有什麼不同？以提前的時間來看，預測比預警更早，而且在地震波從震源傳遞出來之前，就能夠從某些徵兆預知地震發生，例如在地震之前可能會有地下水位、電離層等發生變化等現象，有些學者也發現在 921 大地震發生的 1 個半月前，地震活動有減少的趨勢。世界各國都希望能夠發展出地震預測技術，目前也有許多預測地震的研究方向，但至今還沒有一套放諸四海皆準的技術。 相較於預測，地震預警提供的應變時間較短，在地震發生後十幾秒到幾十秒之才能夠產生，也比預測還要容易做到，為什麼呢？地震波的速度由快到慢可區分為「P 波」、「S 波」及「表面波」等。表面波的振幅最大，其次是 S 波，這兩種地震波的破壞性較大；而振幅小的 P 波波速較快，有一種現地型的預警儀器，就是利用偵測 P 波來預警破壞性較大的 S 波。 中央氣象局的強震預警系統，是利用「地震速報系統」快速測出地震的規模、位置，然後利用電波傳遞比地震波快的原理，對離震央較遠的都會區提出預警。 地震預警必備條件：又快又準的監測資訊？要能夠快、狠、準的掌握地震到來的訊息，監測技術是關鍵。地震監測站可以獲得有感地震發生的 p 波及 s 波的到時數據、震度等資訊，在地震中心則根據這些數據計算震央位置、震源深度、規模等。 事實上，1 個地震的規模運算數據來自台灣各地的多個地震監測站，透過運算得到平均的結果。但是要多少個監測站一起運算，牽涉到資料處理的時間，因此依據不同目的，會在「時間」與「準確度」做出不同程度的取捨。 當地震波到來的初期，離震源最近的監測站會最先感測到地震波，這些少數稱為「子網」的監測站為了搶在第一時間發布訊息，不等待距離更遠的測站資料蒐集好一起運算，以快速為目標先發布訊息。 在全台灣能夠即時連線的測站統稱為「全區網」, 包含的測站共有 119 個，在 50 秒左右會統整全區網各測站的監測資料，修訂出準確度較高的規模數據。這就是我們在地震後一段時間，會看到新聞報導出現的較準確的地震資訊。 如果把沒有即時連線的觀測站一起含括近來，台灣總共有七百多個觀測站，稱為「強震觀測網」, 如果七百多個觀測站的數據都要在地震發生的第一時間就進行運算，將會耗費過多的時間，達不到預警效果。但是這樣完整的數據，更有利於地震後的研究，像是台灣各地的建物應該要有什麼樣的鋼骨結構才足夠耐震。 預警技術 3 環節 儘管地震預警提供的時間不長，卻可能避免人命傷亡，甚至挽救龐大的經濟損失，但儘管有了國家的地震監測技術，就可以做到了嗎？其實預警技術可分成上中下游，並不是單由「上游」中央氣象局發布預警訊息就可以了，傳播的通訊技術、如何使用預警訊息也都是重要的工作。因此「中游」的通訊業者需要研發技術、因應上下游的需求設計，才能將預警訊息傳遞出去；但是這些訊息要如何使用？依照不同的「下游」使用者〈例如：醫療單位、工業園區、學校、一般民眾......〉而有各種操作方式，則需要由下游的機關來決定。 舉例來說，醫院在發生地震時，可能會面臨手術房門卡住而無法打開的危機，因此收到地震預警，會自動將各種機門開啟並固定；而在一間工廠當中，不同設備受地震影響的程度不同、緊急停止需付出的成本也不同，因此由「下游」不同的使用單位來規畫如何反應。 當地震發生時，高速運行中的列車可能會發生出軌現象。雖然中央氣象局也提供地震預警訊息給交通相關單位，能決定高鐵列車是否剎車的只有高鐵自行設立的接收器，氣象局提供的訊息只有參考作用。 2009 年日本 311 大地震前，大部分的民眾都收到了地震預警的簡訊，雖然台灣的地震監測技術在世界上名列前茅，要同樣發布簡訊給所有民眾卻不太容易。主要的原因在於手機系統本身，日本的手機建置全國統一廣播系統，國家可以在發生重大事件時由政府發布廣播，如果台灣要有這種廣播功能，可能全國民眾的手機都需要更換才做得到。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿) 責任編輯：鄭國威 | 元智大學資訊社會所

氣候變遷的衝擊:百年來臺灣氣候的變化

體檢臺灣氣候 藉由百年來各地長期量測海水與陸地的溫度，全球明顯增溫的事實透過數據清楚呈現。地球系統的暖化，不只是單純使大氣溫度上升，也可能影響氣流、雲層，改變我們熟悉的氣候與環境。居住在臺灣的我們，是否也該關心這塊土地的暖化程度？臺灣氣候又發生了怎樣的變化？要檢驗氣候有沒有變暖，最直接的方法就是把歷年的溫度紀錄拿來比較分析，因此，可靠且持續的觀測是非常重要的。人類利用現代化的儀器進行氣象觀測已超過百年歷史，臺灣也有幾個超過百年的氣象站，如臺北、臺中、臺南、恆春及澎湖地區，早在西元 1897 年就已開始進行氣象儀器觀測，而東半部的臺東、花蓮地區隨後在西元 1901 年也設站加入觀測行列。透過歷年來氣象人員不間斷的觀測記錄，這些資料累積到現在已超過百年，也讓我們有機會檢視臺灣氣候的長期變化。 近 30 年來升溫加快 臺灣氣候變得多暖？觀測資料告訴我們，自 20 世紀以來臺灣的平均溫度在百年內大約上升了攝氏 1.4 度，是同期全球平均增溫速率的 2 倍。不過，雖說全球在暖化，世界各地因地理條件的差異，仍可能存在不同的增暖程度，比如陸地比海洋明顯，北半球又比南半球為甚。由全球測站觀測資料顯示，增溫最多的是在北半球高緯度地區，而臺灣所處的東亞季風區也是暖化程度較明顯的區域，這也告訴我們，臺灣氣候高幅度的增溫，是屬於東亞大範圍增暖系統的一個部分，而不是局部獨有的現象。 臺灣氣溫升高的現象不僅與全球一致，值得一提的是，百年來增溫的歷程也很類似。仔細觀察全球平均氣溫的變化過程，會看到：這部增暖列車在它百年的旅程中並非穩定地以等速往前跑，而是時快時慢，甚至在 1950 及 1960 年代還發生倒車回檔變冷的情形。最特別的是在最近的 30 年間，它竟像馬力全開似地以大約 3 倍於以往的速率加速奔馳。 行駛在臺灣的這部增暖列車也差不多是如此，先加速前行、放慢、然後再猛踩油門。以百年平均來看，臺灣的暖化速率比全球明顯，但是如果只比較最近的 30 年，臺灣的增暖速率則與北半球陸地相差不多。不過值得警惕的是，現在正是這部暖化列車開得最快的時候，未來的發展非常值得留意。 一年四季都變暖 臺灣氣溫變暖不只表現在平均值的升高而已，而是一年四季都變暖了。讓我們做個簡單的分析：分別對百年來每個月在早期 30 年與最近 30 年的氣溫平均值進行比較，很容易可以看到一年中每個月分都是變暖的。再仔細比較每個月分的增溫幅度，還可以發現有兩個時段是相對較高的，一個是春季的 2 月至 4 月，另一個則是秋季的 10 月及 11 月。 這是一個很有趣、也值得注意的現象，因為這兩個時段，一個是從冬季寒冷時節快速回溫的季節，另一個則是溫度大幅度下降準備進入秋收冬藏的季節。在這些時序交替的季節出現特別明顯的升溫，代表氣候改變的趨勢是傾向使天氣儘早脫離冷季，並使停留在暖季的時間變長，這種現象會讓人有夏季增長的感覺。 如果特別注意夏天及冬天的情形，可以看到百年來雖然同樣是增溫，夏天的升幅卻明顯比冬天的大。以 7 月來看，長期的平均增溫率是每百年攝氏 1.6 度，但 1 月卻只有 0.8 度。再比對溫度隨時間的變化，還會發現這兩個季節的增暖腳步也不盡相同，相對而言夏天是比較穩定地由冷變暖，冬天最清楚的變暖特徵則是最近二、三十年才有大幅度升溫現象。 夜間升溫尤其高 不只是一年中各月分增暖的情形不同，在一天中白天與夜間的增溫也有差異，這可以從每小時的溫度紀錄資料得知。從不同年代的溫度差值可以看到一天之中最明顯的升溫，大約發生在早上 8 點以前及晚上 7 點之後，也就是太陽升起之前與下山之後的時段。其實晚上增暖得比較顯著，並不是臺灣局地的特色，而是全球普遍的現象，這也是一個很有趣的科學議題。 我們現在已經知道，都市發展造成的環境改變會增加夜間的保溫效果，此外，天空中的雲量變多也可能是影響的因素之一。因為晚上是地面熱輻射大量返回天空的時候，如果雲層增多，地面宛若罩上毯子一般，會使熱輻射的流失減緩。另一方面，如果空氣變髒了，懸浮在空中的微粒增多也可能會使雲量增加，因而抑制了熱量的逸散。所以說空氣品質變糟可能也是造成暖化的因素之一，這些都是有趣且值得探討的議題。 寒流日數減少 從氣候平均狀態的統計數字，可以獲得溫度升高的結論，但對一般人而言，要感受到這股變暖的趨勢，或許還是得從炎炎夏日或凜冽冬日出場的多寡才能有直接的體會。若以臺北地區溫度高於攝氏 35 度以上的日數，做為臺灣高溫天氣多寡的指標，資料顯示在 20 世紀前半葉，高溫天氣最多不超過 30 天，但在下半世紀，出現四、五十天的情形已是常事。 另一方面，臺灣嚴寒天氣的出現主要是由大陸冷氣團帶來了寒流，這種會使氣溫降至攝氏 10 度以下的天氣，過去百年來有變少的趨勢。在 20 世紀前期，每年的寒流日數大約是十幾天，甚至有超過 30 天的，但最近幾年多在 10 天以下，甚至還有只出現 1 天的情形。不過每年臺灣冬季氣候的變化本來就較大，像是最近 2005 年的寒流日數又增多達到 17 天，這表示臺灣雖在暖化的大趨勢下，但仍受一些短期天氣系統的影響，因此還是有可能出現頻繁的冷型天氣。 比較高溫及嚴寒天氣的長期變化，可再一次看到冬夏之間的差異。百年來夏天高溫天氣變多的情形是逐漸進行的，但冬季寒流日數的減少，是在最近二十多年才有較明顯的轉折，這也說明了影響臺灣冷、暖季長期溫度變化的因素可能不完全相同。 冬期縮短 暖化是不是使冬天真正寒冷的時間縮短了呢？以固定的四季來分，臺灣的冬季是 12 月至 2 月，但是在這 3 個月之中，溫度還是有高低的變化。如果以臺灣平均溫度低於攝氏 18 度的日子做為每年實際冬期的參考，過去百年的前 30 年的平均冬期大約是在 12 月下旬至 2 月中旬。到了最近 30 年，大約就要等到進入 1 月以後平均溫度才會明顯下降至攝氏 18 度以下，而且在 2 月上旬時，平均溫度就開始出現迅速回升的趨勢。 如此看來，冬季最寒冷的日子在季節前後各縮短了約 10 天，冬期的確比以前短了。如果再從最近 10 年平均 (1997 ~ 2006 年) 的資料來看，低於攝氏 18 度的時段就只剩下 1 月下旬及 2 月上旬了。 各地雨日減少 除了氣溫之外，降雨現象是否改變也是觀察氣候變化的重點。氣象學家曾提醒，目前地球系統暖化的現象，可能會使水的循環受到影響，降雨型態及分布也會改變，不過雨量與氣溫二者之間的關係似乎並不單純。 一般而言，影響降雨的因素比較複雜，天氣預報對雨量掌握的困難度也比氣溫來得高。特別是對臺灣而言，氣候因同時受到海洋及大陸氣團的影響，颱風、鋒面、季風等系統都會帶來豐沛降雨的機會。不過這些系統每年活躍的程度差異甚大，其伴隨雲雨區的位置對台灣實際降水的影響，經常有「失之毫釐、差之千里」的情形。 另外，高聳的中央山脈地形也使雨水在臺灣各地分布不同，增加了臺灣雨量整體變化的複雜度。有時候，地形的抬升作用配合部分天氣系統，甚至帶來短時間的極端降水，也相當程度地影響總雨量的變化。 實際觀察臺灣年累積雨量的長期變化，的確與溫度的表現不同，各地年雨量時多時少似乎是常態，並沒有明顯持續增加或減少的趨勢。不過，氣候變化的觀察並不是只看長期平均量的趨勢，特別是像雨量這種具高度年際變化差異的氣象要素，若能配合多雨及少雨類別出現頻率的分析，應該可以得到更多的認識。 透過頻率分析，可以觀察到臺北在近 30 年較常出現雨量偏多的情形，以 1977 年至 2006 年的 30 年為例，多雨年與少雨年的比例是 13..4, 但臺南地區近 30 年則是以雨量偏少的情形佔了多數。 雖然臺灣各地降雨總量沒有一致性的長期趨勢，但是降雨的日數卻是一致地減少。不論是以日雨量大於 0.1 毫米 (大約是毛毛雨以上的程度) 做為雨日的標準，或是用稍微大一點的雨量 (如 0.5 毫米、1 毫米或 5 毫米) 做為標準，都同樣顯示下雨天數減少的趨勢。不過對於大一點的降水，像是至少達到 30 毫米以上的降雨日，就沒有長期減少的傾向了。 臺灣劇烈的天氣型態是否有增加的趨勢？這也是值得關心的事。不過如果問的是像龍捲風、冰雹等這種較少出現的天氣現象，因為其影響範圍通常較小，不易有完整的長期紀錄，所以目前並沒有足夠的資料可支持任何結論。不過如果以發生豪雨事件的次數來分析，可以看到最近十多年來，豪雨事件發生次數傾向兩極化，不是明顯偏多，就是偏少，並有間隔 1 或 2 年交互出現的情形，這個特徵確和先前的年份不盡相同。 另外，臺灣在近 50 年來，大範圍的旱澇現象交替出現，並且周期有逐漸縮短的情形。顯示在這個最暖和的時期，降雨型態可能受到相當程度的影響，但是這個結論還需要以更嚴謹的方法驗證。 日照減少 除了氣溫升高，下雨日數變少外，台灣近百年各地氣候比較明顯的變化，還包含了日照時數減少、平均相對濕度下降、起霧的發生日數減少等，這些現象也是很多地區氣候變化的共同特徵。因為溫度升高，空氣中的水氣比較不容易凝結，所以像起霧、晨間露水等現象會減少就不難理解了。 一個值得注意的現象是，台灣氣溫的增暖是百年前就逐漸發生的，但是雨日、日照時數、濕度等氣象要素的明顯變化，卻是起始於最近三、四十年間。有學者認為這可能是因為都市快速發展使環境惡化的影響，並且懷疑與空氣污染有關，這都是有待再深入了解的議題。 關心氣候 透過上面分項的介紹，我們對臺灣的氣候進行了一個體檢，了解到過去百年臺灣的溫度是上升的，增加曲線與全球趨勢一致，甚至速率更快，尤其是最近 30 年，而且又以晚上增暖最為明顯，這些特徵與全球大部分地區一致。如果說地球發燒了，臺灣也有同樣的症狀，而且一般發燒後會出現的併發症也自然反應出來，像是冷的天氣減少、高溫天氣增多、空氣變乾燥、起霧日變少、晴天變多等。 可是地球為什麼會發燒呢？這是大自然正常的韻律，還是有人為的因素牽涉其中呢？這就需要拿這些健康檢查報告書請專家會診了。事實上專家早就根據一些報告，分別成立團隊進行各式的診斷討論，其中一個結論是：大氣中有一群會讓空氣加溫的成分增加了，而且這還可能是人類活動所導致的。 臺灣和地球村子裡其他的成員一樣，現在都出現了發燒的症狀，發燒的原因須請專家們努力尋找，並且評估這個現象的影響。另一方面我們也要思考，既然症狀已經存在了，如果有不好的影響，就得想辦法控制解決。讀者們，看了上面對臺灣近百年氣候變化的體檢報告，有那些是你最關心的呢？你是否願意為孕育我們的這塊土地的健康貢獻一份心力呢？深度閱讀 洪致文 (2007) 臺灣氣象傳奇，玉山社出版社，臺北。 陳雲蘭 (民 96) 當「暖冬氣候」遇上「寒流天氣」, 清流月刊，3 月號，65 - 68。

揪出破壞墾丁珊瑚礁的元兇,汙水!

你聽見海底傳來的聲音了嗎？噓！讓我們打開耳朵，細細聆聽！來自海洋的聲音。 ● 潛水夫：四月真是風光明媚的好季節，今天水哥我就帶著新認識的好朋友–「千惠」一起到墾丁去潛水，看看南臺灣海水中的美景，走囉～● 潛水夫：等一下我們上岸，讓身體休息一下好了。千惠，有早上喝剩的飲料和雞排，你有沒有興趣？● 千惠：後～不要再欺負我了，我還不夠胖嗎？● 潛水夫：哈哈～我開玩笑的啦，不過海邊也有沒垃圾桶，反正飲料也是水，等一下我們就直接倒進海水裡面好不好？(這時候出現一段正氣凜然的音樂，有一個聲音迴響著：萬萬不可～) ● 千惠：啊～有鬼啊～● 潛水夫：千惠，他是我的好朋友–「珊瑚妹」啦。喂，珊瑚妹，七月又還沒到，你不要出來嚇人好不好？● 珊瑚妹：水哥，枉費我們是好朋友，你是要害死我們嗎？● 潛水夫：我知道亂倒垃圾是不對的行為，可是大海那麼大，倒一點點應該沒有關係吧？● 珊瑚妹：水哥，你知道嗎？墾丁就是因為過度開發，每年吸引將近四百萬人次的觀光人潮。人多垃圾就多，已經嚴重影響到我們的海底的生活環境了！● 潛水夫：喔？！.... 到底有多嚴重啊？● 珊瑚妹：你知道一個三十公分長的珊瑚如果死了，要過幾十年才能長得出來呢！有專家做實驗，證實殺害珊瑚的兇手，就是你們，人類！● 潛水夫：不會吧？！● 珊瑚妹：我說的都是實話！每年到墾丁遊玩的民眾擠滿墾丁的沙灘，排出來的污水，真是難以估計。污水中含豐富的營養鹽，會使水中的藻類尤其是松藻大量的繁殖，他們會覆蓋我們，讓我們體內的共生藻無法行光合作用，會影響我們的生存，嚴重的時候，甚至會造成我們珊瑚的死亡。現在這些大量的污水沒有經過處理，直接就流進了墾丁海域，造成沿岸的珊瑚正以倍速時間急速死亡，你們可不可以有公德心一點？！● 千惠：對對，水哥，珊瑚妹說的對，我們在欣賞海景的同時，也要守好自己的本分，不要再害死他們了！博士 OS 珊瑚礁必須生長在水質潔淨、營養鹽濃度低而且穩定、水淺、陽光充足以及溫度適中的海水中，但由於墾丁過度開發，每年吸引大量的觀光人潮，尤其是遊客聚集的南灣海域，水質優養化最嚴重。 研究顯示，這些污水的主要致命力，竟然是來自廁所或廚餘的污水，這兩種污水因為含有大量的「氮營養鹽」, 會造成珊瑚的死亡，如果要挽救珊瑚的生長環境，就必須儘早完成墾丁地區的污水處理設備，免得等到浩劫發生就來不及挽回了！又大又深的海洋裡，蘊藏了許多新奇的知識，歡迎您也一起加入城市廣播與科技部的行列，探索更多海洋的奧秘喔！

地震觀測站該設在哪?

地震觀測站在哪裡？3 月 27 日，南投規模 6.1 的地震在全台有感，但是嘉義港坪國小的學生在地震波到來的前十秒就準備好逃生了！這間國小設有地下地震儀，結合強震警報系統，感測到地震 P 波，強度 2 級以上的地震就會啟動警報。327 地震震央位於南投，正好被地震測站團團包圍，「空缺角」很小，預警會更準確。 事實上，不論是地震預警、地震測報或者強震研究資料，都和地震測站息息相關，中央氣象局是如何選擇地震監測站的所在位置呢？不同地震觀測網會有不同的考量。 即時觀測網重於預警功能，第一個考量是地震活動比較頻繁的地方優先設立，像是地震發生頻繁的花蓮地區；第二個考量平均建設，讓各地地地震監測站密度都能維持在一定的程度以上，避免產生漏網之魚；第三個考量是地形，高山地區測站的設置和維護難度很高，因此像是中央山脈的測站密度會相對較低一些。 強地動觀測網則希望針對大地震的強震資料建置防災資料庫，尤其在都會區和斷層帶特別密集，這些地區往往在大規模地震發生時發生最嚴重的人命傷亡。而強地動觀測網又可以分為結構物和自由場 (free-field) 觀測網兩種，結構物觀測陣列設置在橋樑上或建築物中，量測這些建物在遇到地震時的振動情形，許多耐震結構是透過結構物觀測陣列的資料研發出來的。自由場想要觀測的是地盤的震動，因此名稱意指相對於結構物觀測網，不在任何建築物內、不受建物影響的觀測點。過去大部分的自由場的強震觀測站設在地表，但是在都會區人為活動特別頻繁，因此近五年來中央氣象局正推動井下地震儀設置，來避免地上活動的影響。 不過即時觀測網與強地動觀測網並非完全沒有交集的地震觀測網絡，像全台灣有一百多個測站同時肩負了地震即時測報和強地動觀測的任務。 地震儀有幾種？不同的觀測站放的地震儀可能有所不同，目前主要在使用的地震儀有 3 種，分別為「加速度型地震儀」、「速度型寬頻地震儀」、「速度型短周期地震儀」, 它們各有特徵。 像是強地動觀測網主要使用的是加速度型地震儀，可以快速的算出震度，它的解析尺度大，能完整的紀錄規模大的地震資訊，但是單單背景的雜訊就可能將規模小的地震的訊號蓋掉，不過以觀測強震的需求來說算是很合適的儀器。 即時監測網用於預警功能，除了有加速度型地震儀，還裝設了速度型寬頻地震儀。速度型寬頻地震儀器有什麼特點呢？它比起加速度型地震儀更能捕捉小規模地震的訊號。而常見的速度型的地震儀有兩種，比較早期建置的是「短周期地震儀」, 能監測周期短、頻率高的地震波，但缺點是周期長、頻率低的地震就沒有辦法完整紀錄，在 921 大地震之後，中央氣象局建置的速度型地震儀都是「寬頻地震儀」, 雖然成本較高，但是能夠監測到不同周期長短的地震波。 我們知道波動的周期和頻率是成反比的，因此周期長的震波就相當於頻率低的震波。但是頻率高和頻率低的震波會有什麼差別呢？如果地震的頻率高，它在震央附近的地區會震的比較強烈，但是因為高頻率的波在傳遞過程中能量消逝的快，因此高頻率的地震波通常傳不遠，影響範圍小；相反的，低頻的地震可能可以影響到很廣的區域，但如果測站只有速度型的短周期地震儀，只能觀測到高頻地震訊號，就無法測量到低頻震波的資料了。 地震儀的應用與展望 地震的測報技術至今已能在 5 分鐘內快速精準的計算出地震的震央、深度與規模，並透過網路、電視等方式加以傳播，然而這樣的速度還是趕不上地震波，往往在有感地震發生後才能發布訊息，因此「地震預警」變成未來各國努力的方向。由於強震儀 (加速度型)、即時傳輸、電腦運算等技術的提升，目前台灣的地震預警技術日漸成熟，預警變的可行。 中國大陸自 2008 年四川大地震之後，便成立了「成都高新減災研究所」,2013 年 3 月 18 日對外宣布，至今境內共建設了 40 萬平方公里的預警系統，是目前世界最大的地震預警系統。預警系統的建置需要透過嚴密的監測站，目前中國大陸在西南部的 8 個省份共有 1,213 台地震監測儀器。 雖然台灣不會擁有「世界最大」預警系統的頭銜，主要原因是台灣本來就是一個面積精小的國家，但是我們的先天環境和後天的技術發展，在地震的防災的研究其實是走在非常前端的，也希望台灣的經驗與技術能夠提供世界各國參考。前一陣子，印度也計畫要採用台灣開發的地震預警系統，透過國際的合作，增加更多經驗，也有助於地震科技的發展。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿) 責任編輯：鄭國威 | 元智大學資訊社會所

混沌的地底:遠方強震與人為誘發的交互作用

鑽探井探測石油與天然氣，卻也無形改變地層壓力，導致人為地震。(圖片來源：Wikimedia common 作者 The Pinedale Field office of the BLM) 2013 年 8 月 31 日，中國四川與雲南交界發生芮氏規模 5.9 地震，今年同時也是台灣 921 地震 14 周年，但是你知道嗎，除了要擔心自然板塊運動所引發的地震，我們也要關注一下隨著石油開採、抽取地下水或興建水庫，或許也會意外讓大地變得更容易晃動！一般地震的成因是斷層兩旁的岩盤發生相對位移而釋出巨大的能量，隨著科技進步，人類開始有能力影響地底下的斷層狀態，例如改變斷層面的摩擦力或是改變斷層的壓力，從而誘發人為地震產生。對於此種人為誘發地震的憂慮近年來在美國逐漸攀升，尤其最近地震出現在出乎意料的地區時。 1967 年到 2000 年間，美國中部以及東部平均每年經歷 21 次芮氏規模 3 以上的地震。但在 2010 年到 2012 年的短短 3 年，同一地區卻發生 300 多次規模 3 以上的地震。在阿肯色州、科羅拉多州、俄亥俄州以及德州有越來越多的地震似乎與天然氣與石油開採有關。由於天然氣與石油不易流過不透水層 (impermeable shale), 所以石油公司透過水力壓裂 (Hydraulic fracturing) 的方式打穿岩層，透過用大量摻入化學物質的水灌入頁岩層進行液壓碎裂以釋放天然氣與石油。壓裂岩層本身不會導致地震，但是這些加壓用的液體卻可能對附近斷層施加壓力，導致人為地震。 其實，科學家在數十年前便已經知道把液體注入地底可能誘發地震，但是在絕大多數情況中卻沒發生，更重要的是，先前科學家無法預測人為誘發的地震會在何時以及何處發生。2013 年 7 月 12 日，地震學家發表一份報告，指出遠處大規模地震釋放出的地震波，可能會引起半個地球外的鑽探井附近小規模震動，這種小地震可能是斷層即將錯動的危險預告。 「當我們觀測到因為遠處強震造成的小地震，這似乎是更大規模的人為誘發地震的前兆，這代表這裡的斷層已經逼近臨界點。」科學家說。「每當我們改變地底的液體分布狀態，我們就將斷層更進一步推往發生錯動的邊緣。」 回顧自 2003 年至 2013 年的地震資料，2010 年智利規模 8.8 地震、2011 年東日本規模 9.1 大地震、2012 年蘇門答臘規模 8.6 地震，都引發位於奧克拉荷馬州、德州與科羅拉多州的 3 座鑽探井附近小規模震動，而在遠方強震後 6〜20 個月內，三個鑽探井附近分別發生了規模 4.3 至 5.7 的地震。 來自遠方強震的地震波可能擾動了斷層面上的液體，導致壓力增加。如果天然氣開採業者能夠辨認何時斷層會發生錯動，他們便能夠調整注入地層中的液體量甚至停止。但是由於只有極少數的地方會因為遠方地震產生小震動，要運用這種方法預測的實用性仍有很大的限制。 在美國境內有數以千計的鑽探井，然而並不是每個井都會誘發地震，目前科學家還不清楚為什麼有些井會導致地震，而大多數的則不會。此外，並不是每個發生人為誘發地震的井都有預兆，尤其當處理井非常靠近斷層時，只需要幾個月的時間液體量便足以誘發斷層滑動。在這種情況下，要利用發生頻率較低的遠方強震預測這些人為地震相當困難。不過即便有這些限制，這份研究仍然幫助科學家更加了解誘發地震的自然機制。 雖然在多數情況下，人為誘發的地震並沒有導致太多損失，但是將液體打入地底不過是近幾十年的事，要判斷這些井導致的地震風險，以及鑽鑿這些井的經濟效益與風險相較是否值得還言之過早。目前這些井僅分布於偏遠的德州西部地區，一些地表的小小震動並不會干擾到任何人，但是當開採業者逐漸在靠近人口密集的地區鑽井，例如達拉斯附近時，或許人們就要重新思考它們所帶來的地震風險了。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿) 責任編輯：鄭國威 | 元智大學資訊社會研究所

化石與地質分析

物種演變的不可逆性 化石是 1 萬年前或更早的生物，死亡後埋藏並保存在地層中的個體或其遺跡。由於生物的演化持續進行，生物的種類也隨著時間不斷地改變。生物演化的不可逆性，使得任一生物物種出現在地球上，只能持續一段地質時間，依物種的不同，這段時間平均約 2.5~5 百萬年，然後就絕滅。因此在往後的地質時代中，就不會再出現外形一樣、組織器官發生來源與功能也完全相同的物種了。利用這個生物存續的特性，古生物學家得以鑑定化石產出地層的地質年代。 另一方面，地層疊置法指出層序越下的地層，形成的年代越老，也就是說老地層位於年輕地層之下。相對地，層序越下的地層中所含化石的內容與外形，與層序越上的化石差異越大。因此，地層古生物學能藉以辨認地層層序的上、下與地質時代的新舊。 化石的產狀 化石在地層中的位置、保存狀態、以及與地層岩性的關係稱為產狀。根據化石的產狀，可以顯示該化石是「生於斯，死於斯」, 或者是「生死異處」, 甚至可用來辨認來自不同地質時代的化石。化石的產狀對了解化石的含意關係至為重大。臺灣地區西部麓山帶、雪山山脈及小部分恆春半島，以碎屑岩 (即砂岩、頁岩) 為主的淺海相地層中，化石的產狀大致可分成 4 種。 第一種是化石位於厚砂岩層底部，且化石破碎。這類生物原本不是生活在化石產出的位置 (指恢復為未造山前的原來沉積位置), 而是在淺海、高能量的物理條件下，被海浪、海流搬運、淘選後，在海洋能量逐漸減小時，因化石的重量較砂泥大，於是先沉積下來，隨後較細的砂、粉砂、泥才相繼沉降，形成岩性顆粒由粗向上變細的地層 (相對物理能量向上減弱)。在這種產狀下，化石較大，而且大都被波浪、海流破壞，外型相當破碎，這是典型的「生死異處」, 但這些生物被搬離其原生活的地方並不會太遠。 第二種是化石位於厚砂岩層頂部，且被厚頁岩層所覆蓋，化石保存良好。這類生物原本生活在化石產出的沉積位置，在海浪、海流的高能量環境下，沉積了厚層砂岩，當海洋營力能量逐漸降低到相對穩定時，生物就在這種穩定環境下生存。因為破壞、干擾生物生存的海洋營力能量減小，海洋中細顆粒的泥逐漸沉積，尤其在隨後發生海進時，細顆粒的泥快速沉積於生物群之上，使生物被覆蓋而死亡。 因為是在海進的初期發生，這些生物體被泥岩覆蓋而獲得妥善保護，因此化石保存極為良好，例如雙殼類貝類化石的兩瓣還完全閉合。這類化石常形成一化石密集帶，是生於斯、死於斯的原產地生物群化石。 第三種是化石分散在粉砂或頁岩層中，且保存良好，甚至仍保持其生存時原有的位態。這類生物原本生活在諸如石灰岩礁陸側的半封閉潟湖等相當穩定且安靜的海洋環境中，由於受到海洋破壞性的能量很小，因此化石不但保存良好，且能保持其原來活著時候的姿勢位態。 第四種是老化石再沉積。海洋沉積岩層經過地殼變形、造山而露出地表，開始受到侵蝕。沉積物及其中所含的化石，被河水攜帶到地勢低窪的氾濫平原及臨近的海洋再沉積。這些由山脈侵蝕而來的 8 百萬年前老化石，再次沉積於較年輕的 2 百萬年前地層中，這些老化石雖然不能用於了解化石的原來生態，卻提供了年輕地層沉積物的來源及盆地形成的歷史。 另外，在中央山脈西斜面、恆春半島及海岸山脈深海相沉積的濁流層裡，有 2 種化石產狀。一種是化石位於濁流層下側粗顆粒的底部 (A 產狀), 另一種是化石位於濁流層上側的細顆粒中 (B 產狀)。 濁流層是重力流所造成的沉積，當大陸棚上的沉積物逐漸增加，以致達到不穩定狀態時，一旦受外力作用，例如受地震搖動，沉積物瞬間由淺海區滑到深海環境，或因陸上河流入海後形成海底峽谷，繼續往深海盆輸送沉積物，造成砂、泥、海水混雜一起的重力流。當重力流到達坡度較小的深海區時，動能漸失，粗顆粒先沉積，而後細顆粒，在濁流動能漸小或停止後，海洋中懸浮物及微體化石才慢慢沉積。 在濁流層粗顆粒底部，一般是來自淺海區且體積較大的軟體動物化石碎片或有孔蟲化石，化石被濁流淘選後，反而相當密集，但也常因被濁流搬運過而保存不良。相對地在濁流動能漸小或停止後，泥及海洋中微體生物慢慢沉積下來，於是有生活於深海海床上的生物，在濁流層泥層部分保存下來，如體積較小的有孔蟲化石。因此濁流層的上部含有較多在深海環境生活的生物化石，化石保存也較良好，但在泥層的下部接近濁流層的砂層部位，可能還有源自淺海區的破碎化石。 臺灣地區常見的化石 臺灣位處亞洲大陸邊緣，是亞洲大陸東南側最年輕的造山帶，70% 以上面積被新生代海相地層所覆蓋，因此臺灣地區的化石主要是距今 6,500 萬年以來的新生代海相化石。 臺灣的山脈可以分成海岸平原、西部麓山帶、雪山山脈、中央山脈及海岸山脈。在西部麓山帶、雪山山脈新生代地層中，常見的淺海相化石如軟體動物的斧足綱貝類和腹足綱螺類、腔腸動物的珊瑚、節肢動物的蟹及介形蟲、棘皮動物的海膽、植物的藻類及花粉、孢子、樹葉、樹幹化石。另外肉眼看不清楚，必須借助顯微鏡才能觀察的單細胞動物 (有孔蟲) 也非常豐富。 中央山脈的西斜面、恆春西臺地及環礁除外的恆春半島及海岸山脈 (除石灰岩外), 幾乎很少發現軟體動物或棘皮動物化石，但有孔蟲化石卻極為普遍。因為上述地區過去主要是深海環境，有極厚的濁流層沉積，因此生活於淺海環境的軟體動物或棘皮動物，自然不見於上述地層中。 中央山脈東斜面的地質，原來深埋於山脈深處，在溫度、壓力較高的地質條件下形成了變質岩，然後在近 3 百萬年內，自山脈深處經剝蝕隆升後出露。在變質過程中，絕大部分化石經化學及物理變化，破壞了原來的生物結構，因此極少在這種地質中發現化石。在西部海岸平原地層的鑽井紀錄中，也曾發現有晚中生代軟體動物菊石類化石。 臺灣地區最古老的化石 臺灣地區已知最古老的化石，是 50 年前地質界前輩前臺灣省地質調查所顏滄波教授所發現報導，產自中央山脈東斜面大南澳群變質岩的大理岩中，包括石炭紀末到二疊紀 (約 320~245 百萬年前) 的蜓科有孔蟲及少量珊瑚化石。 由於中央山脈大南澳變質岩的前身，是緣自中國大陸東南的大陸地殼，在中新世中期 (約 16~15 百萬年前) 被以南海張裂的海洋地殼為前導牽引，一起沿馬尼拉海溝向東隱沒於菲律賓海板塊之下，再於 5 百萬年前因中央山脈增積岩體受侵蝕隆升後，而有機會在 3 百萬年前出露於中央山脈東斜面。這些變質岩早期在中國大陸東南部存在時，就已先受過一次變質作用，在 16~15 百萬年前，自隱沒作用發生到最後抬升出露期間，又遭受一次退變質作用。因此絕大部分的古生代化石都遭受破壞，不易被保存下來。 由岩性層序產生的誤判 生物的演化結果使得一個生物種在地質時代上只能持續一段地質時間，當這個生物種絕滅了以後，再也不會出現相同的物種了。同時生物的系列性宗族演化，使得某些物種彼此在地層出現的先後時間關係，有一定的次序。利用化石在地層中出現的次序與時間，古生物學者能在相隔遙遠的兩個地方，判定這二地層是否屬同一地質時代，這樣的工作稱為地層對比。 由於在同一地質時代，甲、乙兩地可能相隔數十公里或上百公里，兩地的沉積環境可能不同，因此岩性也可能有所差異，導致很難判別甲、乙兩地層間的關係。除非有詳細的古生物學研究，否則單依賴岩性層序，往往會發生誤判。 化石與地層變化的關係 在穩定大陸邊緣 (如臺灣海峽) 的沉積地層，受海平面升降的影響甚鉅，不但所沉積的岩層，如砂或泥會改變，岩層中的化石組成也會跟著改變。當全球海平面上升時，海岸線往內陸方向移動，由高能量環境帶動的粗顆粒砂沉積在海岸附近，而粉砂及泥，相繼在海能量較小的外海沉積。隨著海岸線向陸地方向移動，沉積相也向陸地方向移動，生活於其中的生物種類也隨著改變，當海岸線內移時，深海生物群化石會蓋在淺海生物群化石之上。多次的海平面上升，會顯示顆粒向上變細，生物相變深。 反之，全球海平面下降時，海岸線往海洋方向移出，原本在較深海環境 (如上陸坡 300~500 公尺水深) 沉積的泥質，逐漸被粉砂及海岸粗砂所覆蓋。因此在造山之後岩層出露，會顯示層序向上變粗，深海相化石逐漸被淺海相化石取代。根據穩定大陸邊緣沉積的地層及其中所含化石內容，常可反應全球海水面升降或海進、海退的歷史。 在不穩定的大陸邊緣 (有海溝存在，如臺灣 - 呂宋間海域), 地層一般是沉積在深海的濁流層，受到全球海水面升降的影響很小，但因為沉積所在的地殼不穩定，所以地層內的化石組合，受到地殼構造運動的影響較大。例如臺灣東部的海岸山脈，以及位於秀姑巒溪口長虹橋基座，該處的淺海相港口石灰岩被深海相的濁流層直接覆蓋。 五百萬年前的港口石灰岩，原本是呂宋火山島弧中的奇美火山島 (類似今日的綠島或蘭嶼) 停止噴發後沉積的石灰岩，含有淺海相的珊瑚、海藻、以及大型有孔蟲化石，代表水深小於 50 公尺的生物。 但是港口石灰岩卻直接被大約沉積在 1,500~2,000 公尺水深，3.5 百萬年前，內含大量深海底棲有孔蟲化石的濁流層所覆蓋。這是由於奇美火山島與歐亞大陸斜向碰撞，導致在奇美火山島內發生拉張作用，使火山島的一部分環礁在 5 百萬年到 3.5 百萬年前下沉了約 1,500 公尺，因而在淺海相的港口石灰岩環礁上覆蓋深海相的濁流層。 地質分析的另一項指標 化石的產狀反映生物死亡後是否曾被搬離其原來的生活環境，且可用於了解化石形成時的海洋環境，包括當時的海洋物理營力大小、盆地的特徵、地殼運動時間及造山過程。臺灣地區常見的海相化石有貝、螺類 (軟體動物)、珊瑚 (腔腸動物)、海膽 (棘皮動物)、介形蟲 (節肢動物)、有孔蟲 (單細胞動物)。根據這些化石在地層中出現的先後，能夠了解臺灣地層沉積的時代，並和其他區域的地層進行比對。 地質學家對於地殼的變動、相互間作用的關係、以及演變的過程，雖然可以從許多方法判斷地層的年代，如古地磁定年法、地層對比法、放射性元素定年法、核飛跡定年法，如果能再運用地層中各種化石的種類、成分，做進一步的比對，將能夠更正確地分析各種地質的成因與相互關聯。

珍貴的土壤資源

何謂土壤 土壤是指陸地上生物生長或生活的地表疏鬆層，它是由岩石經過物理、化學和生物作用風化而成，具有獨特的組成、構造和功能。簡單地說，所謂土壤是地殼表層具有三度空間、獨立且變動的自然體，是由母岩歷經幾千年甚至幾十萬年才風化生成的。 土壤是鬆軟的未固結物質，厚度不均且色澤不一，由礦物質、有機物、水分和空氣組成。土壤顆粒之間形成的孔隙充滿著空氣和水分，土壤中的空氣和大氣中的空氣組成差異很大，因為植物的根和微生物在土壤中會進行呼吸作用，造成土壤的二氧化碳濃度比大氣中的高。 土壤水分因為會溶解土壤固體中的離子，因此一般稱土壤水為「土壤溶液」。在土壤孔隙中，空氣和液體的比例隨著土壤環境的乾濕程度而有差異。當土壤較乾燥時，空氣增加，水溶液減少；當土壤變濕時，空氣減少，水溶液的體積就增加。當植物以土壤為立足點時，固體部分負有支撐植物使其不倒伏的功能，土壤溶液則提供養分和水分給根吸收，土壤空氣則讓根能夠進行呼吸作用。因此土壤的固相、液相和氣相都要維持一定的比例，植物才能正常地生長。 由大自然力量引起的風化作用，導致地表的岩石顆粒愈來愈小，風化過程中的岩石也會釋放出礦物質。在地表活動的所有生物，包括動物、植物和微生物，活動時產生的排泄物、死亡後留下來的遺體和殘骸等，都算是有機物質，當然也會堆積在土壤中。這些有機物質和由岩石風化作用而來的礦物質，便組成了土壤的基本架構。土壤含有豐富的礦物質和有機物，可以做為植物立足生長的基地。各種微生物也會以不同的土壤做為棲息環境，許多動物也活動於土壤環境中。 土壤和人類的發展 古云:「有土斯有財。」的確沒錯，因為有了土壤，才能帶來一切的財富。古今中外許多著名的戰爭，都是為了爭奪土地。例如南北朝時代的五胡亂華，就是因為外來民族覬覦中原地區肥沃的土地而興起侵略的念頭。世界四大文明古國之一的波斯王朝之所以滅亡，是因為肥沃的美索布達米亞平原土壤劣化，糧食生產不足，造成社會動盪不安而走向衰敗。 人類對土壤的認識起源於對糧食的需求，但真正使土壤學成為一門獨立的科學，則是在 19 世紀以後。由於物理學、化學、生物學、地質學、地理學等基礎科學的進展，才能有系統地進行土壤學的基礎和應用研究。20 世紀時，隨著全球人口的增加，對糧食的需求量也愈顯殷切。為了提高農作物產量以應付不斷增加的人口，農藥和化學肥料被大量投入土壤，許多森林和山坡地被開發成為農耕地。 最近越南、菲律賓等稻米生產大國的糧食作物短缺，非洲國家的居民出現嚴重饑荒。同時，能源作物又不斷地「搶走」糧食作物的生產地。21 世紀的今天，耕地不足和土壤品質變差衍生的糧食短缺問題，一點也不能忽視。 工業的高度發展和人類活動的破壞，造成 20 世紀中葉以來土壤資源遭受莫大的衝擊，其危害的程度和規模，直到現今仍不斷地擴大中，導致人類一直被人口、糧食、資源和環境交錯而成的複雜問題困擾著。因此，土壤資源是 21 世紀最重要的自然資源之一，應該加強重視和保育。 土壤的五大功能 提供植物生長的介質 植物的根必須生長在土壤中，透過土壤對植株的機械支撐力量，同時透過根部吸收養分而使植物能維持生命。因此在生態系中，不同的土壤性質就會產生不同的植被狀況，也會間接影響動物群落的型態。換句話說，土壤具有農業生產的功能，幾乎所有的農作物都得生長在土壤中才能有收穫。 植物的根從土壤中吸收養分，不足的部分由施肥獲得補充。除了少部分液態肥料經由葉面進入植物外，大部分的肥料必須施入土壤經由根的吸收而成為養分。因此，要提高農作物的質和量，維持健康的土壤似乎是唯一的手段。近年來雖然有水耕栽培的農業生產方式，但這種無土栽培仍有一些缺點，例如水耕廢液衍生的水污染問題、產品的安全性和營養均衡性等，再次證明了土壤的不可替代性。 做為生物的棲息地 土壤雖然是地表上薄薄的一層，但在田野間信手抓起的一把泥土，其中所含的微生物數量卻可能有數億個之多，這些微生物包括細菌、真菌、藻類、放線菌，原生動物等。除了微生物外，土壤中的動、植物相也極為複雜。動物相分為大型動物和小型動物，大型動物有鼠類、昆蟲、蚯蚓、蝸牛等，小型動物有線蟲和輪蟲；植物相則有綠藻、藍綠藻、矽藻等。 各種養分和有機廢棄物轉變的場所 在土壤中，許多物質和能量藉由輸入、輸出和轉換參與生態系中的養分循環。植物靠光合作用攝入大氣中的二氧化碳，當植物死亡而殘體腐爛分解後，變成腐植質而成為土壤有機質的主要來源，或經由土壤微生物的分解作用，轉變成二氧化碳 (或甲烷) 逸散至大氣中。大氣中的氮經由土壤中的固氮菌固定後，才能被植物吸收利用，硝酸態氮和銨態氮藉由硝化菌和脫氮菌在土壤中維持著動態平衡。 由於土壤對於環境污染物具有強大的涵容能力，一旦有污染物進入土壤，因緩衝能力的發揮，尚不致對整個生態系造成危害。但污染物濃度超過土壤涵容能力時，便會導致傷害。 提供水資源並淨化水質 土壤在化育過程中會形成許多孔隙，這些孔隙形成的原因包括土壤構造生成的空隙、植物根腐爛後遺留下的根孔、動物的洞穴或活動通道等。孔隙形成土壤中大大小小綿密的水分儲存空間和流動路徑，當雨水降落地面時，便能進入土壤而達到涵養水源的目的。 地球中的水，在扣除海洋、深層地下水和冰原後，只剩不到百分之一。這些微薄的水量散布在大氣、湖泊、河川和土壤中，其中土壤裡的水就占了 33% 強。 水分通過土壤時，由於土壤黏粒是帶電荷膠體，可藉由吸附、離子交換等作用去除水中的雜質。雨水經過土壤的過濾進入地下水體系中，地下水也因有了土壤的保護，才能為大自然保留的重要水資源。 做為工程施工的基地 陸地上的建築物包括房屋、道路、機場等，都必須有穩定扎實的土壤做為基地。例如某些土壤因含有大量膨脹性黏土礦物，很容易因水含量差異而膨脹收縮，導致道路或建築物結構的破壞。砂粒和水分含量都很高的土壤，受到壓力或振動時容易產生液化現象，進而造成地質災害。 土壤污染的來源 臺灣地區地狹人稠，近年來由於工商業快速發展，經濟活動頻繁，各種產業產生的廢氣、廢水和廢棄物直接或間接使土壤因物質、生物或能量的介入而改變品質，造成土壤污染，不但影響正常用途，也會危害國民健康和生活環境。台灣地區土壤污染物的來源有工業廢水、畜牧業廢水、空氣污染、廢棄物處置不當、農藥、肥料、地層下陷、油品洩漏等。 在各種土壤污染物中，以重金屬最受重視。因為重金屬在土壤中具有高累積、低移動和不易被微生物分解的特性，所以土壤中的重金屬污染不容易被移除，且可能藉由農作物的吸收而進入食物鏈，再經由生物濃縮作用危害人體健康。 土壤的保育和永續利用 在早期的觀念中，普遍認為良好的土壤品質就是指能夠提供作物充足的養分，使作物有最大的產量。但是這些年來，人類意識到環境保護、生態保育等問題，而對土壤品質的好壞有一個新的思考方向。 現今科學家追求的高品質土壤，已經不只是單純讓農作物產量提高，也應該注重環境保護和食物安全，以及動物和人類的健康。筆者認為良好的土壤品質必須符合：最小的沖蝕、肥力的維持、維持良好的構造和有機碳貯存量，以及維持良好的水質和溫度。 為了環境資源的永續發展，就要用永續性而非暫時性的方式管理土地。也就是可以隨時評估，能對未來做出模擬和預測，並隨時掌握現有土壤調查資料中的現況，包括發展永續土地管理的評估標準，建立可長期模擬的模式，作物殘體管理，土壤保持式耕犁，充分運用土壤調查資訊，實施有機農耕法等。 深度閱讀 陳尊賢、許正一 (2002) 臺灣的土壤，臺灣地理百科 —12, 遠足文化出版社，臺北。

礦物科技:透視地球深處的窗戶

什麼是極限環境 (extreme condition、extreme environment)? 極限環境是指相對於人類日常活動範圍的另一極端環境，譬如地底深處或太空。人類賴以生存的地球表面，溫度大約從攝氏零下數十度 (南極曾有 - 94.5 度的紀錄) 到五十幾度，而壓力大概是 1 大氣壓。 科學家利用太空飛行器及各種儀器觀察太空，得知太空是一高真空、極低溫 (攝氏 - 270 度左右) 的環境。人類雖已有能力發射飛行物至太空探測或搜尋外太空生物，但到 21 世紀的今天，人類在地球上所能工作的最深地方，也不過是離地面大概 3.9 公里深的南非黃金礦坑，以及位在俄羅斯北邊極圈、大約 12.3 公里深從事科學研究的超深鑽孔。這二者相較於地球的 6,400 公里半徑，有如雞蛋上薄薄的蛋殼。而地心深處壓力預估超過 300 萬大氣壓，溫度則高達攝氏 4,000 度以上。 對於地底深處，人類一直充滿好奇。最早描寫地底深處的科幻小說是 1864 年法國儒勒。凡爾納 (Jules Gabriel Verne) 的《地心歷險記》, 曾分別在 1959 與 2008 年拍成電影〈地心歷險記〉及〈地心冒險〉。另外，1990 年代美國普魯斯 (Paul Preuss) 的小說《地核》,2003 年也被拍成電影〈地心毀滅〉。 地下世界知多少 人類至今所能觸及的地球深度也就十幾公里，那我們如何了解地球內部？現在人類獲取地球內部訊息的方法，是從可能影響我們身家性命安全的地震，用一些數學模型把地震資料轉換成地震波速度，進而獲得地底物質密度與深度的關係。地震學家從速度及密度在某些深度呈現急遽變化，判斷地球剖面就如洋蔥般是層狀的結構。 就這層狀結構，地球物理學家把地球內部構造區分成地函及地核兩大部分，地函又依深度分為上部地函、過渡帶及下部地函，地核則分為外核及內核。根據剪力波無法在液體中傳遞的物理原理，地震波的資料告訴我們所謂的外核有可能是高溫液態的物質。雖然地震資料已提供地表到地心的物理狀態，但無法得知地球內部物質的化學成分、晶體結構及溫度。我們能從這些地震資料及地表所看見的岩石，來推測整個地球的成分及溫度嗎？透視地底 「工欲善其事，必先利其器」, 要了解地球內部的「祕密」也不例外。如果沒有哈佛大學物理系布立基曼 (Percy Bridgman) 教授從 1910 至 1930 年代對大體積壓力機的改進，地球科學家對地球內部的了解可能要晚很多年。布立基曼因為高壓方面的研究成果，榮獲 1946 年的諾貝爾物理學獎。 布立基曼改進的大體積壓力機，是以楔形設計的金屬砧尖端對壓產生壓力。1930 年代，布立基曼設計的壓力機可產生的壓力高達 10 萬個大氣壓，相當於地底 300 公里深處的壓力。當時哈佛地球科學系達理 (Reginald Daly) 教授認為，如能以這種高壓實驗設施來測量像地面所見的礦物在高壓下的物理性質，進一步比對地球物理資料如地震波速及重力資料，就可以進一步了解地球內部物質的成分。因此，達理與布立基曼在哈佛大學成立以高壓實驗為主的實驗地質學及地球物理學 (地震學) 兩個研究團隊。 布立基曼當時的博士班學生柏奇 (Francis Birch) 負責高壓實驗，他在 1952 年所發表的文章〈彈性性質及地球內部成分〉, 就是結合物質的物理性質測量及地球物理觀測來解釋地球內部為何是層狀結構，並提出地球內部的可能成分。從此揭開對地球內部的研究，他也因此被稱為「礦物物理之父」。 1950 年代末，科學家發明另一型高壓儀器 — 鑽石高壓砧，它會成為研究物質在高壓下特性的主要設備之一是個意外。1958 年，美國國家標準局的法爾肯保 (Alvin Van Valkenburg) 把試樣夾在兩鑽石砧面間，想導入紅外光線進行觀察，但因為這兩砧面沒平行對準，法爾肯保發現有所謂「高壓區」的產生，而在這區域的物質光學特性也改變了。這時科學家發現，用這樣的儀器可以直接觀察物質在高壓下的性質變化。自此，大體積壓力機及鑽石高壓砧同時成為研究地球內部物質的主流實驗設備。 過去 60 年來，鑽石高壓砧的發展在形式上沒改變多少，基本上是把兩顆珠寶業所稱的燦爛切割型鑽石頂點切平，然後使兩頂端面相對，在這兩鑽石外端施力，兩頂端面間，即樣品腔中，就會產生很高的壓力。在適當的砧面設計及操作下，鑽石高壓砧的壓力可達接近地心 300 萬大氣壓的壓力。 鑽石高壓砧產生高溫的主要方法有二。一是在這兩鑽頂端面夾一金屬或石墨做為電阻，在鑽石高壓砧外加電壓、電流使電阻發熱，而讓實驗樣品可同時處於高溫高壓狀態。二是所謂的雷射加溫法，即把高功率的雷射光引入鑽石高壓砧的樣品腔，使樣品吸收雷射光而產生高溫，這種方法可加溫高達 4,000~5,000K。 相對於鑽石高壓砧，這些年來發展出許多不同的大體積壓力機設計。因為是由液壓力機來產生高壓，所以其裝置體積比只有手掌心大小的鑽石高壓砧來得巨大。大壓力機所能達到的最高壓是 125 萬大氣壓，雖然不及鑽石高壓砧，但大體積壓力機所能工作的樣品體積，比鑽石高壓砧至少多出 2,000 倍以上，使大體積壓力機在某些高壓物理測量上有較好的定量結果。 大體積壓力機也可讓實驗樣品同時在高溫高壓下測量，簡單說，也是把特殊的較低電阻的石墨、金屬或陶瓷材料包覆樣品腔外施予電流、電壓使其發熱。 物質在極限環境中的反應 大多數讀者可能熟悉臺灣超級馬拉松跑者林義傑為挑戰自己肉體及心靈的極限，在地球表面極冷的南極冰原或極熱的沙漠中長跑。但我們是否見過有形物質在極限環境中的反應？日常生活中最常見的例子就是「水」。當把水置入冰庫中，就凝結成固體冰，而加熱到約攝氏 100 度的沸點，它會變成水蒸氣。水、冰、水蒸氣三者的不同點，在於水分子相互之間的排列方式。 分子或原子的排列方式稱為結構，當這些原子或分子在三度空間一直規律地重複延伸時，這結構就稱為「結晶相」, 例如調味用的食鹽及糖都是晶體結構的物質。在地質上，最知名的例子就是我們周遭常見的碳，它在地表環境常以軟滑、烏黑的石墨形態存在，在地底 200 公里深處以下則以堅硬而透明的鑽石存在。由石墨變成鑽石就是受溫度及壓力的影響，而且物理性質截然不同。 地球內部 地球表面的礦物會由於環境不同而產生結構變化，進而改變其物理性質，使得地球內部的地震波及密度在不同深度有不同的變化。1960 年代以後，地球科學家把地球上最常見的礦物以高壓裝置加壓加溫至地球內部的環境，觀察它們結構或成分的改變。將近 60 年的努力，這些高壓實驗的結果也大致解釋了地震波所建立的地球內部模型。 地函的組成是以矽酸鹽及氧化物為主，地函中那些震波速度或物質密度驟然升高的深度，都代表矽酸鹽在這些深度產生了結構變化。而所謂地核，應是鐵的合金，從地震波所顯示的熔融外核及固態內核，又可解釋地球磁場的生成機制及地球磁場反轉的現象。 雖然可用儀器測量地熱及用源自地底深處的岩石來判斷地溫梯度，但都局限在很淺的深度，頂多至地下 200 公里深，尚無法提供地球內部詳細的溫度與深度關係。地球內部的溫度關係到地球的內部動力，如層與層之間是否有物質交換？板塊隱沒的深度？在地表所看到的岩漿，如夏威夷島的融岩或冰島的火山岩漿，是從哪個深度上來的？地核到底有多熱？這些資料攸關地球過去的演化歷史，也可用來探討地球將來的命運。 地球內部的溫度可由前述的高溫、高壓實驗來模擬，再以地球物理觀測來探討。目前科學家對地函的溫度有比較確切的認定，但因實驗上要達到更深部的溫度及壓力以目前技術非常困難，所以有關地核深處的溫度及化學成分仍然有許多疑問，例如到底是何種元素與鐵在地核形成合金？這是現今實驗礦物學者與實驗岩石學者要一起努力的方向。 地球之外又如何 雖然人類活動範圍以地球表面為主，但對整個太陽系有太多想了解的未知。譬如太陽系的八大行星中，木星及土星的體積相當大，分別是地球的 1,320 倍及 760 倍，質量卻只有地球的 320 倍及 96 倍，因為這兩行星的成分以多量的氫及少量的氦等輕元素為主，不像地球固體部分以氧、矽、鎂、鐵、鈣等稍重元素為主。 在地球表面，氫及氦就我們所知都以氣態存在，在木星及土星又是怎樣的情形？從高壓實驗及天文觀測，可以想像我們在木星及土星表面將呼吸氫 — 氦大氣，但可能游泳或住在氫氦混合的大海中，在這大海的底部是混氦的氫金屬。 研究物質在極限環境中的變化，提供了對行星內部化學成分及物理狀態的了解，那還有其他的應用嗎？別忘了當初布立基曼發展高壓裝置是為了研究物質在高壓下的物理行為，自此這樣的研究一直延續至今，因此也發現許多新現象。譬如我們所知道的水在日常生活環境中的狀態有水、冰及水蒸氣，但在高壓時就有許多冰相 (已命名至 12 相); 或是原本所謂非金屬物質被施以高壓後能變成超導物質，如硼。學者可藉由這些新現象或新物質來檢驗現存的理論或發展新的理論，因此探討物質在極限環境下的反應，是開拓人類知識新視野的重要途徑。

精準觀測 減輕震災

臺灣位在歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊交界處，地形地貌多變，地震頻繁，這些先天條件使得我國境內每間距 5 公里就設置一個測站，以形成綿密的強震網，蒐集龐大資料提供全球研究使用。而高苑科技大學防災研究中心劉坤松副教授建立的「臺灣地區強震地動衰減模式」, 已躋身全球地震研究之林，他以 921 地震實測資料進行的一連串研究結果，也加深大家對於地震振動特性的了解。 地震發生時，震源、震波傳遞路徑、震波到達地點的場址效應等 3 種因素組合起來，就是我們感覺的搖晃程度。劉副教授在研究中得到的第一個結論是，地震時的場址震度與該地區的地質地形具高度正相關性，尤其傳到臺北、桃園、新竹、彰化、臺南、高雄、屏東、宜蘭、花蓮等都會區的震波，受到鬆軟地質的影響，場址震度全被放大，因此各區域內建築結構的耐震設計必須加強注意。 另一個結論是，臺灣東北部地層下方的莫荷不連續面 (Moho discontinuity) 上緣發生大地震時，由其反射出來的震波，因為聚焦效應會在距離震央 50 公里外的臺灣西北部放大，至於實際放大區域為何，須視莫荷不連續面的傾角而定。 南斯拉夫人安・莫荷洛維奇 (Andrije MohoroviËiÊ) 在 1909 年發現，震波介質振動時，主要有垂直振動 (P 波) 與水平振動 (S 波) 兩個方向。比較 2 組 P 波與 S 波的折射波與直接波可知，第 1 組折射波的震波會進入更深岩層後再折射出來，且其傳遞速度會受地質影響而急遽改變，屬較早抵達場址的震波，較晚抵達的 1 組是直接波，其震波直接從震源傳遞過來。 造成震波傳遞速度急遽改變的原因，與地層裡面的一層不連續面有關，這不連續面上緣的組成物質與下緣組成物質不同。後來安・莫荷洛維奇發現的不連續面稱為莫荷不連續面，也就是地殼與地函的界面。一般來說，臺灣地區莫荷不連續面的深度是 35 公里。 而以臺灣地區地動衰減模式為基準，審視宜蘭和苗栗臺中地區強震場址效應時得知，強烈地震出現時，若把得到的地震參數，如地震規模、震源距離等帶入衰減公式，再以場址效應特徵值修正，就可得到更接近的實際數值，而能更精準地掌握救災範圍。若在興建重要經濟建設或土地規劃使用前，把「場址效應特性」納入規畫，就可以減少地震災害的損失。 另在探討大樓高層震度放大因子時發現，震度放大因子會隨樓高及樓層數的增加而增加。不過，建築結構系統特性、局部場址效應、基底頻率內涵 (即共振效應) 等也是重要的影響因素，尤其是共振效應須特別注意。 中央氣象局播報的地震強度是指地表面震度，然而大樓高層感受的搖晃程度遠比地表震度大，這是因為受到放大效應的影響，而共振效應就是造成放大效應的主要因素。地震發生時必須審視 3 種振動周期，一是地震波能量所在周期，一是場址的地層振動周期，一是大樓層數乘以 0.1 的樓高振動周期。如果 3 種振動周期一致，地震時就會產生共振效應。 921 地震時，臺北地區一棟 27 層大樓頂樓的加速度放大 3~4 倍，隔壁 12 層大樓頂樓放大達 7 倍，主要因為地震波能量周期集中於 1 秒，正好與該地區的地層振動周期及 12 層樓的振動周期吻合，導致 12 層大樓震幅大增。這訊息告訴我們，興建大樓前，若能事先了解地質狀況、建築結構、建築高度、振動周期等，就有機會降低地震災害。

來去泡溫泉

天氣漸漸轉涼，泡溫泉，成為熱門享受。國內除了雲林、彰化及澎湖之外，各縣市都有自然湧出的溫泉資源，而且特色、泉水的水質各有不同，讓消費者有多種選擇。而今天的科學大解碼，就要帶您用科學的角度來泡湯，看看溫泉是怎麼形成的。內容大綱冷颼颼的天氣，配上暖呼呼的溫泉，寒意全消、通體舒暢，簡直是最高享受。尤其在臺灣，從南到北都有溫泉，任君挑選。最主要是因為，臺灣地底下擁有溫度比較高的熱源。臺灣又擁有豐沛的水源。再加上因為板塊構造的緣故，所以有比較深藏的裂隙，通到地表。熱源、水源和地層構造，是形成溫泉的三大條件。地球中心就像顆大火球，熱源從內部往外散發。而臺灣因造山運動，深處較熱的地層快速抬升至地表附近，加上陽明山及綠島又是火山區域，相對具有溫度更高的熱源。就算如此，卻不是到處都有溫泉，因為還有第二個條件，地下水。因為造山運動，讓地層快速的隆起。也會有比較多的斷層，如果有斷層的話，就讓這些地面的水有機會，下到地底比較深處的地方被加熱。有熱源，有地下水，只是加熱了我們腳底下的水，要它冒出來，成為人見人愛的溫泉，還得要有足夠的水壓，把熱水從地底下給擠上來才行。被煮熱了的地下水，密度和重量都變小，遇上不透水的岩層擋住去路，壓力就會愈來愈高。一旦找到裂縫，就直衝而上。上升之後的熱水，壓力減小，水裡的氣體則逐漸膨脹，進而減輕熱水密度，加速熱水上升。若有充足的降水補充到地底，就成了源源不絕的溫泉。至於出來的泉水，是什麼顏色，什麼味道，又是怎麼決定的呢？地下的熱水，當它流經不同的岩層的時候。因為不同種類的岩層，它所含有的礦物就不一樣，所以這些熱水就會溶出不同的離子出來。臺灣得天獨厚的地質條件，讓泡湯成為全民休閒。注意泡湯禮節和自己的身體狀況，不管是什麼水質，什麼顏色，只要泡得舒服、泡得愉快，就是好湯。

地震預警系統研究的突破者–吳逸民教授

地震可以預測嗎？多數人一感受到地震來臨，無不害怕與緊張，搖搖晃晃的情況更容易令人慌了手腳，無法正確找到逃生方向！若能研發出有效的預警系統，對所有人類是一大福音。 這個問題，臺灣大學地質科學系吳逸民教授會很雀躍地告訴你:「經由地震預警系統，的確可以在破壞性震波到達前提出警訊！」地球科學一直是吳教授的興趣，碩士專攻海洋科學，博士則養成於地球物理領域，雖然一直在國內求學研究，然而研究成果卻具有國際水準，讓各國專家學者紛紛前來取經，是 MIT 蜚聲國際的一項榮光。吳教授的例子證明了台灣的科技教育及研究能力，完全不亞於歐美先進國家。 在壓力中培養解決問題的能力 大三進入實驗室開始接觸工程地質與地球物理方面的研究，做出興趣後就在原實驗室繼續攻讀碩士班。此時，吳教授依循自己喜愛的主題以大地構造為日後的研究起點，除了探討台灣東部菲律賓海板塊邊界的作用力外，更延伸至山坡地開發的工程地質調查。畢業後，吳教授在一方面能貢獻所學，一方面能在相關領域擴展新主題的想法下，憑藉過去的實務經驗與紮實的專業基礎，順利通過國家考試，進入中央氣象局地震測報中心任職，歷任技佐、技士及研究員。 當時的地震測報中心正在開發地震速報與預警系統，速報系統的功能主要為地震發生後 1 至數十分鐘內提供確切資訊以加速救災反應；預警系統則是在地震後於破壞性的地震波擴散到各地的前數秒至數十秒內發布警告訊息，可讓人們提前進行生命與重要物資的搶救。然而該項計畫在當年卻處在一陣不被看好與質疑的聲浪中。 原因是美國、日本及歐盟在內的幾個科技強國都還未有卓越的成果，不僅準確度低，且錯誤預警次數也頗高，再加上我國當時的科技實力在此領域尚處於萌芽階段，相關的研究資源與人才延攬也都還未有系統地展開。因而吳教授在接下此任務時，確實面臨了許多的挑戰與考驗。他嘗試採用氣象局所裝置的即時強震網從事有感地震的觀測，進行大量數據的整合與案例分析，朝著解讀地震波程式的方向邁進，逐步建立起地震訊息的網路傳送模式。 在耐心的摸索與不斷修正測試條件下，終於有了雛形，接下來的問題是：該如何突破後續研發的瓶頸呢？這促使他為補足專業知識的缺口而努力。在長官的鼓勵及推薦下，吳教授透過在職進修的方式到以地球科學見長的中央大學攻讀博士班，每周都在中壢與台北間往返。憑藉著這麼一份學者的執著與傻勁，三年多的日子壓縮在學業、工作與家庭間，雖然少了許多生活的樂趣與自由的空間，但工作與學業結合的形態，不僅提升他統合的能力，也強化他分析問題所切入的面向，並影響了此後研究的視野和觀念。 吳教授從經驗體中悟出:「研究工作要有明確的目標及方向，比別人多花一點時間進行探索與思考，即使沒有滿意的結果也不要擴大負面情緒，耐心投入自然會找出有價值的主題來。」而這正是從事研究工作的人，進行長時間摸索與鑽研時所不可或缺的特質。具備這樣的特質也才能支持一個人在崗位上心無旁騖、努力不懈，才有機會找出問題的根源，進而激發解決未知問題的熱情。 前瞻性的研究成果與應用價值 吳教授前後花費十多年時間的開發，終於在台灣成功地設置災害性地震預警系統。除了能準確決定出震源的位置及規模外，更能搶先在地震波由震央傳送到各地前的 10 到 30 秒間發布警報，從訊號的接收到最後消息的發布完全自動化，可降低人員傷亡和財產損失。此研究成果發表於國際著名的《地球物理研究通訊及美國地震學刊》, 除了引起學界重視之外，也有許多國家開始建置地震預警系統。 這項設備若放置於醫院及學校等人口稠密的空間，可讓病患、醫護人員、教師及學生等快速做好應變措施以維護生命安全；對快速行駛中的高鐵或捷運列車能馬上減速，降低翻覆所構成的傷亡；使運作中的核能發電廠能啟動安全保護系統，發揮防災的功能；甚至也可讓我們在洗澡時來得及反應，不至於裸奔！因此，目前吳教授結合微機電技術，預計將此系統開發成可隨身攜帶的掌上型黑色盒子，以應付不同層面的需求。 讓實驗室研究在減災上發揮最大的價值，降低地震對整體社會、經濟的衝擊程度，正是他持續研究、貢獻社會的最大原動力。

海洋生物多樣性:不會老化的動物–珊瑚

生物是不是一定有老化的現象呢？我們都知道很多植物，例如盆栽的黃金葛沒有老化的現象，只要給予足夠的水分，它似乎可以一直分株、一直長出新葉。阿里山的神木已有幾百年的高壽，仍然能抽出新芽。至於動物界呢？珊瑚是一個有趣的例子。 不會老化的動物–珊瑚 珊瑚並沒有老化的現象，一株年紀很大的珊瑚與年紀很輕的珊瑚比較起來，並沒有死亡率較高的情況，也沒有生理機能降低和衰退的徵兆，在繁殖後代上更是老當益壯。比較正確的說法應該是，愈大的珊瑚生得愈多。雖然大珊瑚一定是活了很久，但活了很久的珊瑚卻未必都能達到很大的體型，主要因素在於珊瑚的生長方式。 珊瑚小時候是一隻像海葵一樣的珊瑚蟲，但是牠長大的機制，卻是靠增加珊瑚蟲數目的方式形成一個珊瑚群體。每隻珊瑚蟲有口、有觸手、及消化腔，群體內珊瑚蟲彼此之間也有組織相連。珊瑚蟲可以獨立地攝食，但是當同一群體內其他珊瑚蟲有需要時，也會傳送營養以互通有無，畢竟他們都是起源自同一顆受精卵，經由無性的方式增生而來的。 在珊瑚的成長過程中，並沒有一定的青春成長期和成熟生殖期的區分，不管年紀多大，牠都是一直在成長的。另一方面，珊瑚群體也一直在遭受其他生物或是惡劣環境的侵襲，例如群體內有些珊瑚蟲可能被海星吃掉，有些部位可能由於被海藻遮住光線和水流而無法繼續生存，泥沙太多也會把珊瑚悶死。但是，只要不是整個珊瑚群體都遭殃，活下來的珊瑚蟲總是可以繼續以出芽或分裂的方式，長出新的珊瑚蟲來延續生命。珊瑚蟲到了生殖季就可以發育出配子 (精和卵) 來。雖然同樣是成熟排卵，大珊瑚所產的卵數目可以是小珊瑚的十萬倍。這個可以無限上綱的生殖力，是珊瑚不會老化的原因之一。 沒有分化就不會老化了嗎？另一說法是，分化是老化的開始，若生物體內沒有分化的現象，老化就不會開始。人和果蠅一樣都有組織、器官的分化，細胞特化以後具有特定的功能，有些是很難被取代的，有些則是沒有再生的可能，但是在細胞分裂、繁衍的過程中，突變卻可能累積在粒線體或核內的去氧核醣核酸上。特化的細胞累積了太多的突變後，遲早會失去原有的功能，但是此時又無法由周圍的細胞重新特化出新的細胞來取代，因此功能就喪失了。長久下來，失去的功能愈來愈多，老化就愈來愈嚴重。這個累積的速率可能與細胞中氧的濃度有關，因為過氧化物容易造成突變，而抗氧化的功能就是促進過氧化物的代謝，使它成為無害的物質。 我們一般所知的維他命 C、維他命 E, 在試管內都有抗氧化的功能 (但在臨床上是否有抗老化的效果，卻未獲證實)。在沒有分化的生物裡，成體體內各種細胞仍然能由未分化的細胞特化而來，因此，不論那個細胞喪失了功能，都可以由其他細胞取代。通常這些未分化的細胞都分散在這類生物體內的各個部位，例如植物的形成層就可以分化成根、莖、葉，甚至花苞，進而開花、結果。珊瑚成體的各類細胞也都能由未分化細胞特化而來，因此，不論是表皮、黏液甚至消化細胞，都可以很容易地再生。是不是因為這個現象，使珊瑚得以免除老化的限制呢？不具分化的現象，對珊瑚造成的影響是什麼？珊瑚生存的秘訣 珊瑚沒有特化，如何能長到很大的體型呢？珊瑚靠無性生殖的方法增加珊瑚蟲數目，使得群體不斷長大，每個多細胞的珊瑚蟲也都保持不分化的狀態，這點跟果蠅具有器官分化現象是有很大的差別的。在綠島南寮港外有一株目前所知是世界上最大、最老的珊瑚。這株珊瑚有 12 公尺高，周長 30 幾公尺，估計應該有一千二百年的高齡。雖然在牠身上住了很多其他生物，但是仍然生長旺盛，生殖如常。事實上，很多目前仍活著的珊瑚都已非常高壽了，只不過牠們曾經斷裂、折損過，以至於歲月留下的痕跡早就消失了。截至目前為止，還找不到一個很可靠的方法來測定牠們的年齡。這就像家裡的黃金葛，到底當初種子發芽是在什麼時候呢？實在不得而知。 既然不會老，為什麼珊瑚不會長滿整個大海呢？不會老並不表示不會死，就算是人，大部分也都不是老死的。珊瑚可能被吃掉、被泥沙掩蓋，或被強風、巨浪所摧毀，這些都未必和年紀有關。事實上，只有在合適的海域中，珊瑚才能安然長到很大的體型。例如，水質清澈，光線才能穿透到海底；相當的水流，才能帶來足夠的營養；而適當的遮蔽，才能免於強風猛浪的侵襲。在綠島迎風的北邊海岸，珊瑚體型就明顯比下風處的西南邊小，這種差異顯然是當地環境因素所造成的。 既然不會老，珊瑚族群的年齡組成又是如何呢？大部分的珊瑚在浮游的幼苗期就已經陣亡了，能成功著床在堅硬底質上的只占少數，一直等珊瑚群體長到相當的大小，死亡率才會降低。一旦長到很大，就幾乎是逃離死神的掌握了。因此，一般潛水時看到的珊瑚都有幾十歲的年紀，而稍微大一點的 (大於 1 公尺), 就幾乎都是百歲以上人瑞級的珊瑚了。這也是為什麼珊瑚礁不容易形成的原因，因為採走了一個 1 公尺大小的珊瑚，就至少要等一百年才能再長得成。 根據目前研究珊瑚平均世代長短的保守估計，群體珊瑚一個世代都要 30 年以上，也就是說每一隻出生的小珊瑚的父母平均是三十幾歲，這種比人類還要長的世代，在動物界並不常見。 珊瑚看似牢固地黏在底質上一輩子不動，就跟陸上的大樹一樣。事實上，如同植物的花粉、果實是植物一生中的旅遊階段一樣，發育中的珊瑚幼苗，以及釋放到水中的配子，是珊瑚一生中的流浪時期。只有在這個時期，珊瑚沒有骨骼的羈絆，漂浮在水層中隨波逐流。 這段流浪的時期可能讓他們遠離父母的家鄉，去尋找自己的未來。這段時期很重要，因為家鄉未必永遠適合珊瑚居住，而對珊瑚的父母來說，把子女散布到遠近各個角落，或許是在風雲難測的大海中最好的生存策略。在沖繩研究珊瑚礁的學者，就很有興趣想知道當地的珊瑚當初多半是從哪裡來的。同樣地，臺灣珊瑚礁的研究人員、大堡礁的科學家，也都想知道當地的珊瑚是從哪裡漂來的。另一方面，當地出生的珊瑚苗又流落到何方了呢？海洋物理學家從海流的方向及流速，可以判斷出琉球的珊瑚苗應該是由黑潮從南方帶上來的，也就是說綠島、蘭嶼或臺灣東海岸所生產的珊瑚苗，應該是琉球珊瑚的重要來源。 同樣的道理，綠島、蘭嶼的珊瑚大概也可以循著海流逆向追溯到菲律賓等海域去找到父母親。由此看來，各個看似獨立的海島和珊瑚礁，實際上是藉由海流連結起來的，相隔兩地的生物間雖然彼此從不相見，但可能有很近的親緣關係，上游的珊瑚礁如果被破壞，恐怕就沒有新的幼苗在下游的珊瑚礁上附著。誰能說這個世界不是彼此息息相關的呢？這個現象也說明了若要保育珊瑚礁，光靠自掃門前雪恐怕是不夠的。科學家比較在乎的是，珊瑚苗到底漂流多遠，或是由反面的觀點來看，珊瑚礁上的珊瑚有多少是由遠方來的，又有多少是當地出生的。 珊瑚可以活很久，有什麼特殊的適應方式是其他短命的生物種類所沒有的呢？既然珊瑚不會老死，那麼長壽的秘訣是什麼呢？珊瑚礁是個擁擠的空間，固著生活的珊瑚最重要的是保住並且擴大自己的立足點，因此，最大的威脅往往是來自他的鄰居，也就是另一隻也想保住並且擴大立足點的生物。 珊瑚可將細胞特化成長長的觸手，藉由上面布滿的有毒刺絲胞來對付附近的生物，有些珊瑚會把消化腔翻摺出來，直接消化邊界上蠢蠢欲動的其他生物。發展出這些機制所花費的能量可能不少，以至於珊瑚群體邊緣的珊瑚蟲常常只有很低的繁殖力。有些珊瑚，尤其是軟珊瑚，還含有毒性的化學物質，可以抑制其他生物的著苗及生長，連魚都不喜歡吃軟珊瑚。這些天然物可能對抑制人體內腫瘤細胞會有幫助，目前是國內外化學家及藥學專家努力研究的對象。 珊瑚的致命危機 目前，引起全球注意的是珊瑚礁大量白化的問題，珊瑚細胞內的共生藻受環境波動，例如在水溫過高時，會離開珊瑚宿主，這時候珊瑚的組織會變得透明，連白色的骨骼都看得到。當大量珊瑚都白化時，海底由本來黑暗的色調變成白花花的一片，在船上、岸上都看得出來，白化若持續幾周，珊瑚就無法存活了。 一九九八年，全球很多海域的水溫都異常偏高，以臺灣東部海域為例，八月下旬至九月初的海表水溫，比過去高出攝氏 2.5 度，而八、九月又是臺灣一年中海水溫度最高的季節。短短一、二星期內，全臺灣的珊瑚礁都發生了大規模白化的現象。事實上，從當年二月開始，南半球就已傳出珊瑚礁白化的現象。由於電腦網路和衛星水溫影像的配合，使得這個全球大規模的白化現象，幾乎是即時被預測、監測及報導。 一九九八年全球年均溫是自一八五六年有溫度紀錄以來最高的一年，比起自一九六一至一九九○年三十年間的平均溫度，要高出攝氏 0.59 度。事實上，從各種溫度指標來看 (不是直接測量的溫度), 一九九八年是一千年來溫度最高的一年。而地球年均溫在過去一百年來，已經增加了大約攝氏 0.8 度。 很多地方的珊瑚礁嚴重白化，造成大規模死亡，顯然這個現象不能等閒視之。因為珊瑚礁的形成不是三、五年就可達到的，牠的生物多樣性、總生產力都是海洋中最高的，對漁業、觀光業的貢獻更使牠和地方經濟密不可分。 目前科學界的普遍看法是，地球由於大氣中二氧化碳的累積造成溫室效應，使得氣溫逐漸增加，而每隔三至七年為一個周期的聖嬰現象，又使海水溫度異常升高，一旦水溫超過攝氏 30 度左右，大規模的珊瑚白化就會發生。如果這些理論都是對的，類似一九九八年的全球珊瑚白化現象還會再度發生，而且會更嚴重，到時死亡的珊瑚將會更多。 儘管珊瑚不會老化，生命對牠們來說有無限延伸的可能，但是當適合牠們生存的環境改變時，珊瑚適應的潛力卻受限於牠自己太長的平均世代時間。細菌是最能適應環境變化的生物，一個適合高溫的細菌不到十天的時間就有布滿全世界的繁殖潛能。同樣的突變發生在珊瑚上，卻要經過好幾十年後，才能傳到下一代。 歷史上曾出現過比現在更高溫的時代，那時候的珊瑚是怎麼度過的呢？是分布到較高緯度的海域？或是到比較深的海床上？這些地方目前都不是適合珊瑚礁生存的海域。對珊瑚來說，一個變動、充滿不確定的未來正要開始。珊瑚礁顯然是受到全球暖化嚴重威脅的第一個生態系，牠將如何因應環境的變化，使其後代得以繁衍生長，值得我們深入研究並加以師法。

一代土壤學宗師–王世中院士

王世中院士誕生於民國二年，民國七十四年元月八日逝世於臺中榮總分院，享年七十有三。先生於民國二十三年自北平燕京大學化學系畢業，隨即投入國防行列任職軍醫署。民國二十六年赴德國萊比錫大學攻讀農業化學，民國二十九年獲博士學位後即返國任教於雲南大學作育青年，抗戰勝利後再轉往浙江大學任教。民國三十六年東渡來臺，從事臺灣糖業研究，其後半生則全心貢獻於寶島農業界。 民國四十八年先生以四十有七的英年當選為中央研究院院士，獲此殊榮，可謂實至名歸。然而其學術研究工作並非於焉而止，此後反而更年創一年，陸續發表論著於中外著名雜誌，為臺灣糖業公司、土壤學界，甚而全球農業界樹立若干重要里程碑。 先生治學嚴謹且博聞強記，故能學問精深。工作時，除動口傳授之外，亦動手示範，巨細靡遺而使受指導者深受其惠。對於後進，除施以科技方面之指導外，更因先生治學精神及為人處世的感召，莫不深受身教，感念良多。 先生用人唯才，雖然工作時威嚴不苟，但待人溫文可親，可謂「望之嚴，即之溫」。在糖業研究所時，對待後進可謂亦師亦父亦友。對於部屬則教導鼓勵，愛護提攜，有時恨鐵不成鋼，愛之深而責之切。 有時為了急切得悉研究成果，以證實所提出之理論假設，於是催促實驗的進行，急如星火之下，難免無法完全配合先生創新的需求。當自責之時，先生反而安慰同仁，要「站得穩才使得出力」、「切莫奢望一蹴即就，工作中有挫折，在所難免。」 民國五十九年應吳大猷先生之邀，兼任主持國科會醫農生物組，規劃安排全國生物科技的推展。於是南北兩地奔波，當時先生年方五十有餘，春秋鼎盛故體力精力尚稱充沛。然而人在臺北則關心臺南的研究工作，人在臺南則又關心臺北國科會的生物科技規劃。尖端研究實務與科技發展行政決策之間，著實使先生身心疲憊。 民國六十一年，筆者加入先生主持的後期研究行列，重要項目有「作物連作的土壤疲憊」、「土壤相剋生化物質」、「連作蔗田低產的改進」, 以及「土壤腐植質生成機制理論」等，曾發表著作多篇。當時「土壤腐植質生成機制理論」均與世界土壤生化界學者互相印證交流，互相辯論。投稿論文時，甚至因理念論點相左，而受審查委員排斥。 先生每周來回南北一次。於民國六十四年辭去組長一職時，曾慨然嘆曰:「吾五年來，南北奔馳，歷程已長達地球四、五周矣。」時鐵路尚未電氣化，更遑論班機。當時因尚無自強號，莒光號每趟需時六小時餘。先生常行色匆匆，與同仁研討試驗細節至最後數分鐘，始囑司機飛馳臺南車站。每次臺北返臺南，若在白天，必先至研究室垂詢研究工作。其熱衷之情，一致於此，焉能不積勞成疾？先生每每呵欠連連，猶勉強支撐精神與人研討，筆者嘗笑勸先生曰:「若要土壤不疲憊，恐先要先生不疲憊，始得見功。」先生答曰:「吾為六十叟，安能與你三十壯年比？時不我予也。」因此先生工作時，以紙煙或煙斗提神，而夜晚則以鎮靜劑助眠，習以為常。 先生天生心跳每分鐘 60 下，多人以此為長壽之徵。民國六十三年終因勞頓過度，病倒國科會臺北寧波西街宿舍。電召筆者北上之時，但見先生臉色蒼白，了無血色，脈膊變為三、四十，舒張血壓亦降至三、四十。王夫人與筆者皆暗中著急，然先生從容交談，仍然三句不離本行，盡是些腐植質、酚酸等研究細節，似乎生病乃他人之事。筆者心如刀割，想來沙場馬革裹屍精神，亦不過如此。誰云文人非勇者？其後先生終因心臟病況危急而住入三軍總醫院加護病房，住院中筆者前往探視之時，先生又以研究為話題，雖上氣不接下氣，甚而勉強只用筆談，勢似不罷休然。大夫多次婉言勸阻，先生慍曰:「爾等何其殘忍耶？吾欲為遺囑數語，竟不得諒乎？」 爾後雖痊癒出院，然身體弱因已種而小病不斷，先生亦深知自己身體狀況。尤其病中博覽醫籍，常與大夫討論醫理，幾度依勸戒煙。但工作一勞累，尤其整理撰寫論文稿件沉思時，即又鎮日一煙在手。戒煙歷程，屢戒屢犯，就筆者所知不下四、五次。 先生平素喜好美國「七九」牌煙絲，但當時尚不准正常進口，故曾囑筆者出差於臺北順道衡陽路小煙攤代購，乃知得來不易。民國六十九年筆者自美返國特帶回一大罐，心想或可救急一年半載。沒想到先生笑語已戒煙成功矣。暗忖先生決心戒除數十年的嗜好，必是健康更趨劣化。聆聽之後，不禁愴然良久，暗為其身體擔憂。 先生南北兩地奔波時，許多土壤科學上的理念常構思於火車旅途中。有時夜闌更深頓有所悟，即將心得急書於便條，或起程北上前交付吾等，或自臺北限時郵寄臺南，內中詳述試驗緣由、目的、方法等等，有時連參考文獻書目等亦一應俱全，吾等皆戲稱為「菜單」而不名。筆者收集先生手札及「菜單」不少，現在讀來，倍覺親切。 先生家學淵源，叔祖父為前清狀元。然筆者追隨先生十數年，未曾聽過先生炫耀家世。於兼受舊時家學及歐美新科技訓練之下，除國學素養深厚外，先生更精通英、德語，學問涉獵之廣，難以相信。除專精的化學及土壤學外，文史理工、古今中外，皆可與先生談，不致索然。 先生雖以古稀之年，猶日日閱覽新出版的科技群書，極樂於接受新知識，可惜當時尚無電腦信件傳送科技。筆者自視實驗紀錄原始草稿猶嫌雜亂無章，然呈給先生時，則見先生聚精會神頻頻點頭，足見先生的另一種雅量。 先生論學者人品，嘗云:「讀書人，那個沒有脾氣？」言下之意，儼然士志於道，只要專心治學，成一家之言，小節瑕疵，在所難免，不必計較，是亦先生寬以待人之道乎。然先生見心術不正，陽奉陰違並且一味鑽營求進之鄉愿，屢屢嗤之以鼻，甚者且至割席，情面在所不顧，是又可見先生的真性情。 先生對土壤中五種酚酸的萃取分析、作物生長抑制及其在土壤中之何去何從，發現甚多。在國際間聞名的土壤學雜誌發表論文多篇。初時，先生發現酚酸在土壤中的消長異乎尋常。有時在土壤中加入某種酚酸，竟可萃取出另一種酚酸，激發起土壤腐植質的組成，及其生成或分解的初步假說。後來更奠定了酚酸為確立腐植質主要成分的學說。 當時以傳統方法萃取出的土壤腐植質，令其與酚酸作用，發現其作用並不劇烈。而腐植質若在土壤中以原來的形式與酚酸作用，再萃取時其酚酸量則有增有減，蓋因為土壤腐植質在萃取時經鹼、酸交互處理，其特性盡失，化學性質已發生大改變。因此推論土壤中的腐植質實具有高度的活性，此點向為土壤學者所忽略。 土壤學者均知土壤中有 95% 的氮以有機形式存在於腐植質中。因此先生進而苦思，腐植質形成時氮素的結合問題，以及占有土壤 90% 以上的土壤無機成分，在形成土壤腐植質時所扮演的角色。非常意外地發現多種粘土礦物及其他土壤無機物，如石英、氧化鐵等，對酚酸聚合成人工腐植質的反應有觸媒作用。因此提出土壤腐植質的形成，並非全賴土壤微生物作用的重要觀念。腐植質形成全靠微生物作用的理論，在土壤有機物界暢行已久，理念根深蒂固，先生見解一時難為學者所接受。 最初吾等先以易於氧化聚合的一種酚酸–單兒茶酸聚合，證實可受粘土礦物的催化。一九七七年首篇發表於德國《土壤與植物營養》雜誌，而後更以酚類與氨共同在粘土礦物催化下聚合，並以胺基酸為結合的氮源，皆能製備出極類似天然的土壤腐植質。因此提出土壤腐植質的形成可以經由氧化異類觸媒作用的理論。 而後先生更在各種條件下，進行酚酸的聚合反應，比較其人工腐植質的生成量，因之引發出更多新構想。腐植質關係土壤肥力至鉅，提供作物大部分的氮素吸收。先生在此土壤學中，開創了一個極有價值的領域，不僅在基礎研究方面導出一個廣闊的範圍，在農業應用上，亦是極具潛力的一環。 先生淡泊名利，耿介之懷每溢於言表，嘗云:「高官厚祿，乃過眼雲煙，唯有立論著說，始可遺澤子孫，載諸史冊，留名千古。」先生兼任國科會生物組長期間，常以不能專心一志於土壤研究為病。並時時告誡筆者，學者當不以行政職位為滿足。因為史冊上的大哲大儒、大發明家或理論創見者，並非因其高官顯爵而留名後世。彼等之所以為千萬人景仰紀念者，皆因其鑽研成功的事蹟，而非其官位。竊以為是，此不亦 孫中山先生「要立志做大事，不立志作大官」的胸懷乎？民國六十六年先生極力推薦筆者出國進修，研究室行將乏人幫忙。臨行之前，除叮嚀鼓勵之外，其心情恰如行將嫁女，一則高興又可造就一個同道後進，另則擔心缺乏幫手。當時土壤腐植質的研究已漸入佳境，先生對該創見，得悟其道時如癡如狂，試驗受挫時則恒徹夜苦思。蓋先生行將於翌年自臺糖屆齡退休，恨不得一天當作 48 小時用。 猶記曾有一年在糖業研究所，於大年初一春節團拜時，先生偕夫人及長公子敦威兄等闔家皆在，筆者亦全家大小參與。廣場上全所同仁黑壓壓團拜時，先生忽然拉著筆者，興沖沖走向研究室。足足在實驗桌上討論兩個小時「老本行」。待到司機來催駕，始怏怏而返，是時團拜同樂廣場，早已曲終人散。 先生身體脩長，風度翩翩，美男子之譽當之無愧。與夫人陶芳辰女士結褵四十餘載，伉儷情深足為吾晚輩所仰慕與效法。王夫人乃前清官宦之後，系出名門，外公為兩廣總督。自幼在北京受教育，婚後與先生因抗戰而顛沛流離大後方。勝利後即來臺相繼任教於臺南女中及臺南一中，春風化雨數十年，真正桃李滿天下，造就人才不計其數。當時之青年學子，無論男與女，無有不認識「陶老師」者。三位公子皆有所成，是先生及夫人身教言教之功也。 先生年輕時身體強健，逾於常人。據聞，當年主持臺糖公司自營農場土壤分類調查時，在田野間操勞奔馳，日曬雨淋之下仍如生龍活虎。遇到開懷時，亦是千杯不醉。唯晚年甚少飲宴，即使偶而親朋歡聚，亦淺嘗即止。 先生不擅應酬，迎來送往之道非其所長；閱讀為先生最大樂趣，且亦喜勉勵後進讀書，並樂於介紹好書於人。先生要求筆者勤於用功，三數天即推介多篇讀物，惜筆者惰性天成，且悟性不高，未能達成先生所殷期，實感愧煞。 先生後 36 年恰為其半生，功在臺糖，功在臺灣土壤界，功在兩百年來之農業化學界，稱為農業一代宗師誠當之無愧。

鉤吻鮭身世

臺灣的環境資源不斷發出警訊，一直以來受到人們無限制的攫取濫用，無論是土地、森林、海洋還是各種動植物，整個生態系的生存空間已經遭到嚴重的摧殘，臺灣的國寶魚櫻花鉤吻鮭也不例外。到底生活在中高海拔山上的臺灣櫻花鉤吻鮭是個什麼樣的身世背景呢？在大談保育之前，還是先來認識認識，看看今天的科學大解碼怎麼說！內容大綱 今天氣溫多高多低，是很多人出門前都要關心一下的。住在溪河裡魚兒們也一樣，只是牠們關心的，是水溫的高低。其中有一種魚特別挑剔，只肯生活在水溫攝氏 17 度以下的溪水裡，他們是臺灣國寶，櫻花鉤吻鮭。 櫻花鉤吻鮭是太平洋鮭大家族裡的一支，而太平洋鮭在全球各大陸的寒溫帶地區河流中都可以發現得到牠們的蹤影。 大約八十萬到十萬年前的冰河時期，全球溫度降低，臺灣附近的海水水位下降，讓北方嚴寒地區的櫻花鉤吻鮭族群向南洄游到暖和的臺灣附近海域；後來到了一萬二千年前，全球氣溫又升高了，怕熱的鮭魚們只得又游回北方避暑，一些沒游回去的，就在臺灣大甲溪上游定居了下來。 但為什麼臺灣櫻花鉤吻鮭獨獨喜歡在大甲溪上游生活而不在其他的溪流呢？據研究學者推測，臺灣其他溪流的河床地勢陡峭，只有大甲溪溪流還維持著較為平緩的河川地形。而且櫻花鉤吻鮭挑剔的還不只是水溫，還有環境品質。在高山上的大甲溪，水量充沛且毫無污染，就算是夏天，水溫也能保持攝氏 16 度以下。不過近年來的人為開發和全球暖化，逼得這些魚兒的生活圈，退縮到七家灣溪上游五公里的範圍內。為了解決國寶魚的生存危機，目前最重要的任務就是擴展魚兒們的生存空間，給他們更寬廣的家園。 編按：影片中的櫻花鉤吻鮭影像有誤，正確為以下圖片。 櫻花鉤吻鮭。(圖 / 邱文強，Wikipedia Commons)

全球暖化的預測與因應:適應未來氣候

氣候變遷的挑戰 在 2007 年，氣候研究領域中最具權威的跨政府氣候變遷專門委員會 (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) 發表一系列評估報告，把全球暖化的起因與人類活動串在一起，並運用電腦建立 7 種氣候模型，預測出 235 種全球溫度的上升情形，以及預估本世紀末地球平均氣溫將比 20 世紀末上升攝氏 1.1 ~ 6.4 度。 在預估氣候變遷對於未來可能造成的衝擊時，回顧過去尋求前車之鑑不失為一項利器。過去一個世紀以來，全球需水量成長率似乎是人口成長率的兩倍。研究報告指出若延續現今的需水成長率，在 2025 年每 3 人中就有兩人將生活在供水吃緊的區域，這一現象對於東南亞、大洋洲、非洲等地區會造成嚴重的用水危機。 聯合國在 2005 年發表一份千禧年生態評估報告，這份綜合性評估報告是由 1 千 3 百位來自各國的專家歷經 4 年撰寫而成，報告內容主要針對過去生態環境進行了解，並評估未來可能會面臨氣候變遷衝擊的危機及提出相關說明。研究後發現地球上 24 個生態系中有 15 個正在退化，60% 的主因是都市污染、消耗過度、錯誤管理方法等，導致危害程度加劇，連帶影響到農林漁牧，以及人類不可或缺的水與空氣。更重要的是，對氣候變化帶來的影響欠缺了持續且穩定的規劃管理，正是導致未來危機增加的主要因素。 回溯過往，IPCC 指出了已經發生的事件，如 20 世紀全球地表溫度上升攝氏 0.7 度且海平面上升 0.2 公尺，此外，炎熱的天氣增加而寒冷的天氣減少等異常現象，嚴重影響到動植物生長習性。以民生飲用水的供給影響層面來看，氣候暖化現象可能使總降雨量增加，但這不表示下更多的雨能供給更多可用水，反而會造成更多額外的損失。 現今已超過 10 億人身陷於無乾淨水源可用的水荒災難中，預估至 2050 年可能還會增加 5 至 30 億人。德國全球環境變遷協會認為，雖然所需的水量會視氣溫升高多寡而定，縱使可利用海水淡化技術或運用管線進行長程運輸等因應手段來解決供水問題，但也應提早規劃施行。 電影〈冰原歷險記〉第 2 集中由於冰融危機，而急忙尋找那艘可拯救性命的諾亞方舟的景象或許不會發生，但未來溫度的變化可能會讓自然環境中極端事件出現頻率提高，如洪災旱象更為顯著、海平面上升威脅生存環境、降雨強度增加造成土石流危害等。除此之外，生態系統也將飽受威脅。許多證據顯示已改變的氣候與遭受威脅的環境，使得人類社會與生態環境都面臨實際且立即的危險，若不採取相關調適策略尋求解決問題之道，人類的安全、健康及生存都會受到威脅。 乾淨的水源、足夠的食物，保健等，這些與氣候息息相關的，人類社會發展的基本需求若受到危害，經由事後補救行動來彌補已造成的損傷，往往需要付出很高的代價。近年來環境災害一一浮現，喚醒了世人的警惕。人們意識到氣候變化所醞釀的新危機，對經濟、貿易、社會發展與環境生態都會造成根本威脅，且範圍會籠罩全球並具備影響其他活動趨勢的潛力，導致我們的未來變得更難預測。 面對氣候變遷的衝擊 暖化問題直接性的影響是來自二氧化碳的排放，何不積極控制人類排放二氧化碳而停止暖化呢？聯合國目前的目標在於管控大氣中二氧化碳的濃度穩定於工業革命前的兩倍，但縱使達成這個目標，氣候狀況早已不同於以往了。面臨一個新的環境將是無可避免的挑戰，而我們又該如何適應未來氣候呢？根據目前的研究顯示新的環境可能帶來更多災害，我們難道得看著災害發生才開始行動嗎？何不想想此刻可以做些什麼呢？預測未來雖具有相當高的不確定性，卻不應該因此而無所行動，如此消極的想法恐怕無法面對未來環境變遷的挑戰。氣候變遷與全球環境改變牽動的層面相當廣泛，若以單一個體的思維衡量自己能為地球做些什麼來面對挑戰，似乎過於自我膨脹。 但全球 60 億人看似無關的個別活動，卻逐步累積影響著氣候改變的步調與型態。身為地球環境中的一分子，對於氣候變遷造成的風險也應該提高警覺，開始思考該怎麼適應未來的氣候？該做些什麼來因應可能遭遇的危害？然而，提出問題很容易，尋求因應氣候變遷的調適策略卻非常困難。 回顧地球歷史，早期維京人之所以遷移至冰島是由於氣候變暖 (當時平均氣溫比現在高出攝氏 1.5 度), 北歐則因寒冷氣候導致民族大遷徙，這些人類為了適應氣候的歷史事件，帶給人類文明演化長達數百年的深遠影響。回到現今，由於全球性暖化導致海面上升，地勢較低的荷蘭為了因應這個問題，設計出適應水上生活的房屋，希望能夠成為當地人持續生活發展的諾亞方舟，這正是人類為了適應未來氣候而尋求對策的具體實例。 然而這樣的構思、規畫、興建到評估是否適用於因應未來氣候，需要一段充裕的施行時間。許多國家陸陸續續提出因應未來氣候變化的規畫，除了應規劃出可用於因應未來氣候變化的方案之外，更重要的是需要有足夠執行規畫的時間，希望能夠在危害發生之前，早一步做好防範的準備。因此，因應的完善預警機制需要慎重且嚴謹地加以討論。 預警與風險管理 氣候變遷帶來的最大挑戰，在於這樣的變遷將使得環境變化趨勢持續改變，進而有更多災害發生。但若當危機發生時才採取行動，付出的代價往往是難以彌補損失的。 強化人類或自然系統的調適能力必須花費時間，而在調適能力建構完成之前，仍有一段相當脆弱的時期，若這時發生災害，依舊需要面臨相當多的損失。為避免這種情況發生，除了對於可能面臨的危害，評估影響區域、危害程度與可能發生的時期，提出「事件預警」之外，更應該及早採取行動，並考量行動所需的時間，對採取行動最後時機發出警訊，這就是所謂的「行動預警」。 面對氣候變遷帶來的問題，國際間都提出因應方案，並呼籲儘快採取可行的調適策略。2007 年 4 月，IPCC 第二工作組對於未來氣候變遷的衝擊、調適與脆弱度提出評估報告，指出強化調適能力的重要性。而第三工作組於同年 5 月提出的評估報告，針對永續發展與減緩未來氣候變遷衝擊的影響，提出因應未來氣候衝擊的長期性規劃政策：建立能因應氣候變遷衝擊的預警系統，應是現階段用於適應未來氣候的最佳調適策略。 從管理角度而言，適應未來氣候的方案包含規劃策略與操作執行計畫。以水資源管理為例，可能需要花 20 年時間考量河川與流域的特性，以及根據社會經濟未來發展的需求，進行如水庫興建的設計規畫與開發。在水庫完工後，則需要針對未來數年的發展需求制定水庫運用操作的手冊，當有洪水或乾旱時，水庫須立即採取因應措施。為了滿足不同時間尺度的管理需求，預警系統大體可分為 4 大類：長期、短期、季節與即時性，這 4 類劃分的依據是時間尺度與對應管理措施上的差異。 長期預警系統的建立，用於因應氣候變遷衝擊而修正數十年時間尺度的規劃方案，如國土規畫或區域經濟發展與生態保育計畫。然而未來氣候情境與衝擊評估結果仍有相當高的不確定性，使得長期預警系統發布的警訊與採取的修正措施，也有失敗風險。但若藉由結合監測系統記錄的觀測資料發展短期預警系統，則可提升預警效益。 短期預警系統尺度以最近數年為分析時間尺度，藉由觀察實際發生的紀錄資料，分析是否達到系統失敗的門檻值，並檢驗長期預警趨勢是否符合，以導正長期變化預測趨勢。藉由實測資料評估未來數年達到區域性危害可能發生的門檻值的風險，可提供政策執行者在面臨不確定的未來氣候變化衝擊時，評估適當的執行策略做為適應未來氣候的手段。 為了適應未來的氣候，建立預警系統以強化適應的能力，根據時間尺度劃分不同，建構的資料也不相同。長期性預警是藉由未來氣候情境建立的，與利用監測資料評估建立的短期預警是不相同的。然而，藉由把兩者結合，不僅考量了氣候變化的長期性策略規劃修正，更考慮了短期發生的變動與實際執行的環境管理，可使氣候變遷造成的衝擊影響降至最低，甚至避免衝擊造成的危害。 利用 IPCC 評估未來氣候可能變化所建立的模式資料，可用於建立預警系統，並藉由每時期的預警指標分析評估未來變動的趨勢。而利用監測資料所建立的短期性預警，可評估觀察到的短期變動趨勢，以補強長期預警的不確定性。 至於季節性與即時性預警系統，則可做為方案執行時的操作依據，如供水水庫季節性預警能依據下季乾旱程度調整供水量、防洪系統則可提供數小時危害資訊以發布撤離警訊等。結合長期性與短期性預警系統，或許能因應氣候持續性的變化，但考量人為發展或極端事件的突發狀況，若能再配合季節性與即時性預警，則可大大提升預警系統效益。因此，一個完善的預警系統，應當囊括長期、短期、季節與即時性預警。 為了因應氣候變遷的衝擊，建立長期性與短期性預警提供策略規畫的方針，是必要與急迫的重要調適方法。季節性與即時性預警則可把人為因素納入考量，建構整體性預警系統，做為因應現今已受氣候變遷衝擊而發生改變的生態環境與社會經濟的調適策略。 適應未來 對於不可不知的氣候未來，除了了解氣候已經發生改變並影響全球社會、經濟與環境生態外，許多導因都指向人類是始作俑者，因而我們必須擔負責任並採取行動因應可能的衝擊。異常的氣候變遷，如暴雨、乾旱等極端事件發生頻率增加與全球暖化現象的加劇，都必須納入長遠規畫的考量。 在 2007 年歐盟執行部門歐盟執委會公布的綠皮書中，確定不斷上升的溫度已經對歐洲造成嚴重影響，歐洲人因而必須大大降低溫室氣體排放量，並開始適應氣候的變化，以減緩氣候變遷對人類、經濟和環境產生的負面衝擊。書中提出許多如水資源、農業、都市規畫等選項，協助採取因應方案面對氣候的變化，進而適應未來的氣候變化。 提早針對氣候變遷採取因應方案，可使在生態環境系統、人類健康與社會經濟發展上可能面臨的威脅降至最低。建立預警系統，並針對預警評估對環境更親和的因應方案，才是因應氣候變遷衝擊的必要調適策略。更積極的做法包括使企業從事無污染的綠色策略、整合再生能源及無污染科技等，除了適應氣候變遷外，同時創造新的經濟機會，並加強對環境的維護與妥善運用能維護環境的科技。如此一來，面對影響全球環境生態與社會經濟發展的氣候變遷，我們才能以維繫永續發展的正向策略迎接挑戰並適應未來。 深度閱讀 Pavel Kabat, Wim van Vierssen, Jeroen Veraart, Pier Vellinga and Jeroen Aerts (2005) Climate Proofing the Netherlands, Nature, 438, 283-284. IPCC Fourth Assessment Report, 2007. (http://www.ipcc.ch/)