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地球上最後一塊處女地— 萬那杜的居民祖先來自臺灣? | 萬那杜 (Vanuatu) 是指位於新幾內亞島東南方與斐濟 (Fuji) 西方海域上的島嶼，目前為萬那杜共和國的治 權範圍。先前的考古學研究顯示，這個深入太平洋中心、 由 80 餘個島嶼所組成的區域上，有關人類的活動僅能 追朔到 3000 年前，幾乎可算是地球上最晚發現人類活動的區域，是地球上最後一塊被人類觸碰到的淨土。這是一個人類學上相當有趣的研究議題。語言學家們的研究發現，當地居民的語言根源於東南亞語系，透過與鄰近區域考古學證據顯示，第一批到達萬那杜的居民，跟其他遠大洋洲 (Remote Onceania) 島嶼上落地生根的先驅者應該同屬於拉匹達 (Lapita) 文明。拉匹達文明最早發現於位於新幾內亞島東北部的俾斯麥群島 (Bismarck Archipelago), 是一個生活於沿岸，以採集為主的新石 器文明。從已出土的文物當中發現，拉匹達文明已經具備相當精緻的製陶技術，並能利用貝殼製作大量的生活工具。目前的考古學者認為，拉匹達文明源自東南亞，從文明特徵以及在大洋洲相關文明發現的時間序列來看，整個拉匹達文明可能源自於臺灣早期的原住民，在距今 5000~6000 年前經海路逐步擴散到大洋洲的諸島。這樣的人口擴散方式又是以何種形式發生呢？是逐步的擴散，每到一個地區便與當地人種通婚產生子代，落地生根以後再向其他島嶼擴散？或者是像有目地的旅行一般，在很短的時期不斷移動所造成？在 2016 年發 表的研究中，考古學家透過分子生物學技術研究 3 具 發現於萬那杜與東加群島的先祖遺骸，發現這些迄今 2600~3000 年前的遺骸身上鮮少有鄰近新幾內亞島上人種的 DNA 特徵，反而跟東南亞的人種在血緣上更為接 近，顯示這些遠古先祖在遷徙的過程，鮮少藉由與當地居民通婚達到血統混合的現象，或者是因為這樣的遷徙是發生於短時間的，並非經歷數代所造成。一段源自臺灣原住先民透過海上旅行到達地球最後一塊淨土的傳奇故事就這樣被發表出來。即便透過考古學以及語言學的深入研究勾勒出一段如史詩般的故事，但仍難以完美解釋我們目前所觀察到的現象；現今的萬那杜居民雖仍以南島語 (Austronesian) 作為主要的語言，然而從血緣的角度來看，現在的萬那杜居民，不論在骨骼型態的角度以及基因學上的表現，均已幾乎找不到先民們的血緣。這種語言與血統上錯位 (mismatch) 的現象更增添了這傳說中的神祕色彩。全基因體定序用於考古學研究分子生物學技術用於考古學上的研究其實至少有 3、40 年的歷史。透過位於染色體上基因序列的相似程度，來推算動物物種之間或是先祖遺骸與現代人之間血緣關係的問題。傳統的研究當中，基因標的 (target gene) 的選擇相當重要，科學家們需要選擇適當的基因，以這些基因在不同來源材料之間的序列 (sequence) 差異，做為比較的基礎；通常這類基因需要具備「適當的變異，但又不能太有變異」的微妙特性，來符合判斷不同時間尺規 (scale) 中對親源性分析的要求。像是利用分子生物學技術鑑定魚種間親緣關係 (可能有數千萬年以上的差別) 與人類人種之間的研究 (數千到數萬年), 所選擇用來比較的基因標的就會有所不同。在眾多指標之中，粒線體 DNA 是較為人所熟知的一個標的。粒線體是細胞當中的一種胞器 (organelles), 被認為是古代細菌寄生於細胞後共生的結果，稱作內共生學說 (endosymbiotic theory)。在高等哺乳動物當中，我們認為子代的粒線體皆源自母親的卵子，故粒線體 DNA 可作為母系遺傳的重要指標。在早先的研究中，粒線體 DNA 的定序與比對數據提供了我們在形塑現代人類起源的概念上相當有利的參考，包括提出「粒線體夏娃 (Mitochomdrial Eve)」的概念。研究表明，目前世界人口中最接近的共同女性先祖，也被稱作是「幸運的母親」為非洲的單一人口，推測存活於距今 14~20 萬年前。相對於先前需要以特定 DNA 序列進行分析比對的研究方式，全基因體定序是截然不同的做法。所謂基因體 (genome), 就是人體所有的遺傳訊息，目前已知是包含有 32 億個鹼基對 (base pair,DNA 的單位) 的龐大資料庫。隨著電腦科技的進步與基因定序方法上的演進，針對研究標的進行全基因體定序並比對分析已成為可能，雖然這類研究的成本仍然相當的高 (現今約新臺幣 30 萬元∕每個人類基因體樣本)。由於並非針對單一與數個基因進行 DNA 序列上的比對，全基因體的研究可以避免像是盲人摸象式的狹隘觀點，使得研究的結果更為可信。這裡所提到有關萬那杜人口來源的相關研究，就是用全基因體定序分析的方式進行。發生於距今約 2300 年的人種改變事件今 (2018) 年 2 月，2 篇學術性論文的發表，分別對萬那杜人種之謎提出新的證據與看法。其中瑞克 (David Reich) 發表於《當代生物學》(Current biology) 的研究當中，特別針對 14 具發現於萬那杜的先祖遺體以及 185 名現居於萬那杜的居民檢體進行全基因體定序以及分析，結果揭露出幾項更為明確的推測。研究團隊認為，最早到達萬那杜的第一批先祖應該是拉匹達文明，在距今約 2900 年前左右到達萬那杜群島。但到了距今約 2300 年前，這些遠大洋洲先祖的 DNA 特徵便從現存的遺骨中消失，完全由生活於新幾內亞的種族所取代，這個現象一直到距今約 150 年前的遺骨中均有相同的現象，跟現代萬那杜人的基因體中同時具有 3 種新幾內亞人種特徵以及遠大洋洲人種特性的現象有截然不同的對比。另一篇近期登載於《自然生態學與演化》(Nature Ecology & Evolution) 的文章當中也提出相同的觀察結果。科學家們對於這樣的研究結果進行多種猜測，例如瑞克的研究團隊就認為，由於新幾內亞種族的移入，迫使原本生活餘萬那杜的那些屬於拉匹達文明的先祖們離開了這些島嶼。先祖可能在附近區域進一步與新幾內亞的人種進行通婚，並將語言保留了下來。這種可能性或許可以從萬那杜人所使用的南島語中發現，其實仍含有新幾內亞種族語言的特徵，例如雙脣顫音的使用，代表兩種文化間的一些交流，不過，這樣的語言特徵並未受到所有語言學家的認同；也有學者認為基因特徵的突然改變可能是一場滅族式的屠殺所造成，首批跨海而來的遠大洋洲先祖在這場種族間的爭鬥中消滅殆盡。到底真相為何？依舊是人類學者持續想要解答的問題。更多先祖遺骨的發現與全基因定序研究的投入，或許能針對這個謎團有更進一步的發現。延伸閱讀 1.Ewen Callaway, Ancient DNA offers clues to remote Pacific islands’ population, Nature, 2018/3/1.2.Lipson et al., Population Turnover in Remote Oceania Shortly after Initial Settlement, Current Biology, Vol. 28:1-9, 2018. |
新型智慧玻璃 更便宜且效能更卓越 | 室內常見的窗簾與百葉窗，在未來可能面臨被淘汰的命運。特拉華大學 (University of Delaware, UD) 電子與計算機工程系副教授古森 (Keith Goossen) 與沃夫 (Daniel Wolfe) 去 (2017) 年開發新的「智能玻璃 (Smart Glass)」技術，可望在擋風玻璃及頂窗上加入及時切換光線的功能，屆時人們亦能在冬夏兩季受惠於這個方便的新發明。該技術的原理相當簡單，以 2 片相距甚近的塑膠片作基底，內含具反光 (retroflective) 功能的微小立方體結構，如自行車反光板般可將光線反射回源頭。該發明運用便宜的冬青萃取物──水楊酸甲酯 (methyl salicylate), 其能與可見光相互作用的特質與塑料的光學特性相當匹配，達到所謂的折射率媒合 (refractive index matching), 在注入入膠片間隙後，玻璃便呈透明。古森表示，此項發明可在光線穿越與折射的狀態間轉換近千次，且幾無耗損。而今 (2018) 年 3 月 5 日在丹佛舉行的「SPIE 智能材料與無損式能源評估系統 IV」會議上，古森發表了新的改進設計，將立方體的使用改為垂直分層的一維結構，使玻璃進行全內反射 (total internal reflection), 可在高達 60 度的入射角時具有高反射性。若該技術最終能以注塑成型 (injection molding) 等商業化的方式大量產出，也許在未來，只需按下一 個按鈕，便能輕鬆達到遮擋光線或採光的目的。University of Delaware, Smart glass made better, and cheaper: Engineers develop eco-friendly panels that switch from transparent to opaque, 2018/3/7. |
晶片上的器官 也能如活體般真實? | 為求消化系統疾病能得到更好的診斷與治療，科學家於《美國化學會刊》(American Chemistry Society) 提到，目前已開發出第一種以膠原為基底、在微晶片 (microchips) 裡使用的膜，該開發物也較其它膜類更為自然，可讓晶片上的器官更精準地複製健康腸細胞患病的過程以及它們如何對藥物治療作出反應。以往科學家多在實驗室培養皿上培養細胞，並使用動物模型研究疾病與其潛在治療方法，但這些方法都無法模擬人體內的情況。近日，科學家開發出了一種運用微流道晶片 (microfluidic chips) 培植活細胞的方法，由此法培植的活體 細胞通常被稱作「片上器官 (organ-on-a-chip)」。每個片 上器官通常一對彈性半透明聚合物或塑料組成，其圍繞著多孔洞的膜，而由人類器官提取的細胞可培養在聚合物或膜上。不過畢竟是由塑料製成，其可能破壞細胞相互作用並使 結果扭曲，故研究團隊試圖創造一種更加天然的膜，使人類細胞能在上面正常地發育、生長。這種天然的膜即為膠原蛋白 (collagen), 是人體常見的蛋白質之一，團隊將人類結腸細胞放入設備中 5 天，透過顯微鏡發現、將細胞培育在膠原膜上較其他對照裝置來得更可行，且細胞分化得更多。研究人員總結，片上器官加入膠原膜的使用，除了強化人類結腸細胞的生長、可用性和屏障功能，亦有機會拓展到來自其他器官的細胞。Chengyao Wan et al., Novel microfluidic colon with an extracellular matrix membrane, ACS Biomaterials Science & Engineering, 2018. |
聽力受損患者的福音 新興藥劑可望誕生 | 據世界衛生組織 (WHO) 統計，全球約有 3.6 億人因先天性缺陷或其他因素導致聽力受損，當中亦包含傳染病、藥物使用與噪音暴露等原因，然目前尚未有 FDA 批准用於預防或治療聽力受損的藥物。聖猶達兒童研究醫院 (St. Jude Children's Research Hospital) 研究人員於《實驗醫學誌》(Journal of Experimental Medicine) 發佈最新研究，使用 CDK2 抑制酶，可保護實驗鼠免受噪音或藥物引起的聽力受損，且能防止內耳細胞死亡，有望挽救全球數百萬人的聽力。團隊一開始針對順鉑化療 (chemotherapy agent cisplatin) 進行研究，該療法用於治療多種癌症，但在多達 70% 的患者中引起不可逆的聽力受損。由左健 (Jian Zuo, 音譯) 博士主導的研究小組，篩選逾 4000 種保護耳蝸細胞免受順鉑化療影響的藥物，其中 10 種最有效的化合物裡有 3 種就是 CDK2 抑制劑，而當中的 kenpaullone 可刺激細胞粒線體產生有毒活性氧 (toxic reactive oxygen), 抑制 CDK2 並保護毛細胞，較目前用於治療聽力損失的其他 4 種化合物更有效。此外，若在中耳注射 kenpaullone, 可保護實驗鼠免受順鉑療法導致的聽力受 損，且亦能在高達 100 分貝的噪音下保 護其聽力，而該分貝數是人類社會裡廣 泛出現的噪音污染範圍。因此，該藥物可望得到臨床應用，只要調整治療方案、利用優化的水凝膠藥物傳送法，並以藥物化學對化合物進行結構修飾，便能確認 CDK2 抑制劑在治療人類聽力受損的效能。Tal Teitz et al., CDK2 inhibitors as candidate therapeutics for cisplatin- and noise-induced hearing loss, The Journal of Experimental Medicine, 2018. |
睡眠時 仍可複習並鞏固記憶嗎? | 睡眠在新記憶的形成和保留裡扮演重要 的角色，其中標的記憶再活化 (targeted memory reactivation) 能促進睡眠時的記憶鞏固 (memory consolidation), 而記憶鞏固的過程與突然爆發的大腦振盪活動 (oscillatory brain activity) 有關，該活動即為「 睡眠紡錘波 (sleep spindles)」, 可透過腦電圖進行觀測。過去研究顯示，睡眠時的紡錘波數量可預測人隔日的記憶，而動物研究亦將睡眠紡錘波與大腦產生新連結 的過程相繫，然關於紡錘波與睡眠期間記 憶再活化的關係，之前仍存在許多疑慮。學者近期於《當代生物學》(Current Biology) 發布研究，指當人們進入睡眠狀態，所習得的全新資訊將會重播，以強化該記憶。英國伯明罕大學史塔西納 (Bernhard Staresina) 表示，直接誘發睡眠紡錘波，如利用經顱電刺激 (transcranial electrical stimulation, TES), 結合標的記憶再活化後，可使我們在睡眠時進一步提 高記憶表現。睡眠紡錘波為 0.5~2 秒間爆發的大腦活動，在腦電圖上所量測到的頻率範圍為 10~16 Hz, 該波段發生於非快速眼動階段第二及第三期。此外，腦電圖上的紡錘波使研究人員能夠辨別正在處理的記憶類型，如物體或場景，而實驗結果正如預期，研究員在受試者睡著時再度給予記憶線索，進一步增加了睡眠紡錘波。該研究對大腦處理與強化記憶過程的新見解，可解釋學習困難的個案可能在此環節出了差錯，透過該研究亦能發展出有效的介入手法。Scott A et al., Memory consolidation is linked to spindle-mediated information processing during sleep, Current Biology, 2018. |
從影像看社會—臺北科技大學通識中心 鄭怡雯專訪 | 臺北科技大學通識教育中心鄭怡雯老師的辦公室牆上貼了當時剛上映的紀錄片海報，書桌旁的窗戶下擺了幾株小植物，貼上了木地板，和過去訪問理工科老師的辦公室相比，一樣是書桌、一樣擺滿了書，感覺有些微妙的不同。鄭怡雯在荷蘭萊頓大學博士論文研究的是「中國政治經濟轉型」, 但後隨著因緣際會，再加上大學時期是傳播科系畢業，轉而投入「視覺社會學」領域。她也利用在荷蘭求學期間，進行歐洲勞工博物館類型分析計畫，對於勞動主題的展示與策展建構展開探索。多元化背景的她，目前任教於臺北科技大學，開設多門結合影像與社會科學的課程。前往荷蘭的機緣鄭怡雯的求學歷程有著諸多的偶然，在前往荷蘭之前，她認識了當時到臺灣做田野調查、也就是她後來的指導教授，見面時教授表示有項關於中國政治經濟轉型的整合研究計畫即將開展。「我碩士時是做中國的農民工研究，所以我對這個計畫蠻有興趣的，也是這個機緣，一年後我來到荷蘭。其實這也是荷蘭博士班入學的前提，就是你一定要找到指導老師。」鄭怡雯說。荷蘭的入學方式多元，「之前受邀參加一場荷蘭留學有關的講座，同時另外兩位講者也談到他們當初的入學，發現一樣是在荷蘭讀博士，但不同學校的入學方式和要求滿不同的。但荷蘭就是這樣子，同樣一件事，常有各種多元、彈性化的作法，其實是很難一概而論。」儘管如此，但在社會人文領域，有老師願意收且語言能力達一定門檻，這些普遍來說還是申請在荷蘭讀博士班的基本前提。另外大多數在荷蘭讀博士班不需要繳交學費，甚至在某些情況下，還會支付你薪水。「以社會人文領域來說，所謂讀博士班就是進行你的論文研究，而寫論文就是你的工作。」鄭怡雯解釋這裡薪水的意涵。至於語文方面，荷蘭說的是荷蘭文，但英文整體來說是可以通的。「雖然當地人講的是荷文，可是在學校，尤其許多博士生都是外國人，英文反而成了主要的交流語言，而且正因為大家的母語都不是英文，語言又回歸到彼此能夠聽得懂的溝通本質。」荷蘭教育的特色在荷蘭讀博士班與美國的教育方式有明顯的不同，「如果把美國的作法想成是生產線，那荷蘭就是處在轉型中的一對一師徒制，沒法進行大量生產。老師可以自由決定要不要收學生，因此是否要收學生、以及要不要讓他們畢業的標準會因人而異，而當學生被視為老師的延伸時，也可能會因此變地相當嚴格。」鄭怡雯博士論文則是在跨國合作研究計畫下展開的案子，該計畫由萊頓大學與北京清華大學合作，而兩校參與該計畫的博士生和指導教授，每年會在不同的地點共同開會，幾年後該計畫下總共出了兩本專書。「這樣的作法通常不太像是社會人文領域的主流，有點像理工科實驗室團隊的概念，但我後來發現在荷蘭，這樣的作法在社會人文方面並不罕見。」跨領域與自主學習荷蘭社會人文領域也存在著大量跨領域交流的傾向。「荷蘭社會人文的科系分野，在博士班階段其實並不太明確。我當時是在區域研究中心，這個中心在非西方的地域概念下，包括很多不同的領域，包含人類學、歷史、社會學和文學等，中心不定時舉辦各種大大小小的學術會議，讓中心的成員藉此進行跨領域交流，跟你待在某一個科系的學習氣氛，其實是很不一樣。」這種跨領域的學習和荷蘭教育作風，從小就給學生較高自主學習空間、強調自我摸索有一定的關聯。「對荷蘭人來說，求學的目的往往不是為了地位、不是為了錢，而是透過教育的過程，找出每個人的興趣和人生的熱情。比方我的老師會建議可以去上的課程，但要不要去是由我自己決定。當時我不只在萊頓大學上過課，也會到其他城市不同的大學修課，學習管道其實滿有彈性。這種方式也漸漸在無形當中，會讓人學習到怎麼去捍衛自己想法和做法。」......【更多內容請閱讀科學月刊第 581 期】 |
演化不等於進步 | 人們誤以為演化會使物種越趨進步，然而這種觀念上的謬誤可能導因於 不清楚演化的機制，同時也端看每一個人對進步的定義為何。對於一個物種，「進步」是什麼呢？是體形不停地變大 (巨碩的阿根延草食恐龍就代表進步嗎？)、動作越漸敏捷迅速 (地表上跑得最快的動物 —— 獵豹 —— 最進步囉？)、智能不斷地提升 (家裡會聽口令的狗狗也正在進步中嗎？) 生理結構更趨複雜 (有腦子、眼珠子、翅膀的物種都比較高級嗎？), 還是神經系統變得更細緻呢？(人類就是進步的頂點了嗎？) 當我們放眼欣賞當下自然界各式各樣的生命形態時，把演化視為一個進步的過程似乎合情合理。例如，同樣 由 4 億年前萊尼蟲 (Rhyniognatha hirsti, 帶翅昆蟲的祖先) 所演化而來，具有高度社會性的蜜蜂不就比那些到處亂竄的蟑螂更進步、更高檔嗎？(圖一) 或看看同樣由 1 億 3 千萬 年前的被子植物 (開花植物) 祖先演化而來的蘭花，其複雜的花蕊設計不是比簡單的鬱金香更先進、更前衛嗎？(圖二) 若要否認演化中的進步趨勢，連生物學家都會啞口無言，而很多人在解構生物的演化時，會不自覺地將演化視為一趨向進步的過程，因此在演化理論的發展過程中就曾經出現過直進說 (orthogenesis, 定向演化或直系發生) 這種一廂情願的誤判，認為生物的演化過程有預先設定的目標，一旦演化趨勢在一個物種內啟動，無論環境條件如何、該物種只依照某種驅動的力量發展，則演化的動力並非依循達爾 文 (Charles R. Darwin) 所主張的自然選擇 (natural selection) 機制。不論是進步、高級或優秀，這些敘述都是相對的，亦即經過比較或對照之後才能彰顯出來。然而，試問正在演化中的物種要跟誰去比較、用甚麼作參照呢？事實上我們不難發現，有些物種反而會隨著時間變得「不進步」, 例如那些一輩子都棲息在洞穴 裡的動物 —— 兩棲類的洞螈 (Proteus anguinus, 俗名 Olm)、甲殼類的盲蝦 (Munidopsis polymorpha) 和盲 蟹、魚類的墨西哥鮨鯉 (Astyanax mexicanus)—— 都沒有眼睛 (圖三), 因為視覺器官在牠們的棲息環境無用武之處，眼睛既然用不著就乾脆不發展出來；另外，一些腸道寄生蟲甚至會放棄自我移位的能力，這樣才能賴著不走。這就是退化 (regression)。退化這一招其實是 物種針對任何性狀 (trait) 的演化績 效而去設置的停損點，就是要省下不必要的花費，保留資源去發展其它對生存更有用的器官或技能。另外，生物個體有時會出現祖先曾擁有過、但在演化歷史中被拋棄的性狀，這種現象稱為返古 (atavism, 亦稱返祖)。例如每 500 條鯨魚中 就有 1 條出現後肢，這是因為牠們 的祖先曾經是陸地上的四足哺乳類動物；本應是單趾的馬蹄會多出一趾，因為 5 千 8 百萬年前馬的祖先是前 肢有 4 趾，後肢有 3 趾的多趾動物 (polydactyly); 人類也會出現尾骨外露 (即短尾) 或多毛的症狀。(但 若人類突然變成 3 隻腳不算返古，因 為人類的祖先從來就沒有 3 隻腳過。) 在個體上出現返古是 DNA 突變所致，讓本來關閉的基因重新啟動。......【更多內容請閱讀科學月刊第 581 期】 |
重力的幾何化— 愛因斯坦場方程式 | 廣義相對論是愛因斯坦歷經 10 年磨劍，從等效原理 (equivalence principle) 出發，在缺乏實驗證據指引之下，僅憑邏輯推理便橫空出世的完美理論，公認為理論物理學的典範，而廣義相對論的核心方程式 ——「 愛因斯坦場方程式 (Einstein field equations, 或稱重力場方程式)」, 甚至被其稱為「這一生中最珍貴的發現」。量子物理學界堪稱教父級的偉大物理學家波耳 (Niels Bohr) 曾說過:「 進入原子的領地，只能用詩一般的語言描述。」因為詩是創造一種意象而非關注對現實世界的描述，這句話恰如其分地點出量子力學的朦朧美。波與粒子這種既互斥又互補的概念的確像某些詩作一樣，只可意會難以言傳，但對於廣義相對論，愛因斯坦的傳記作家派斯 (Abraham Pais) 的評論卻更為生動，說它彷彿完美的交響樂章，有著「貝多芬作品的全部力量」。1907 年愛因斯坦坐在伯恩專利局的 辦公桌前，領悟到他一生中最快樂的想法:「一個失足墜落的人感受不到自身重量，是因為其所受的重力會與加速過程中感受到的慣性力 (高中物理多稱為假想力) 互相抵消，導致其處於『失重』狀態。」如果在下墜過程他放開手中緊握的蘋果，由於蘋果與他具有同樣的重力加速度 g, 故蘋 果相對於其而言處於靜止狀態；換句話說，對於這個倒楣鬼而言，他正飄浮在完全感受不到重力的局域慣性系 (local inertial frame) 之中。但學過高中物理的學生都知道地球重力場並非均勻重力場，其中 M 為地球質量、r 為物與地心距離，而 G 為萬有引力常數，故此局域慣性系必須夠小或者掉落時間不能太長，以免這個倒楣鬼察覺到週遭重力場的些微變化 (圖一)。愛因斯坦領悟到一個加速座標系中，觀察者感受到的重力完全可用對應的慣性力將其抵銷掉、使得重力在其中消失，即所謂等效原理:「重力場中每個時空點附近都存在一極小的局域慣性系，其中的物理定律與不存在重力時相同，換言之狹義相對論完全能適用於其中。」等效原理對愛因斯坦構築正確的重力場方程式而言至關重要，因為他發現重力的純量理論並不滿足等效原理，便放棄了純量重力場論。所謂純量理論就是只需用一個不具方向的位勢函數便足以描繪力場在空間中之分布樣貌，靜電學當中的帕松方程式 (Poisson’s equation) 即典型 的純量場論，若已知電荷在三度空間中之分佈，藉由解出電位滿足的偏微分方程式：便可得到電位在空間中之分佈情形。......【更多內容請閱讀科學月刊第 581 期】 |
影響近代物理學的 干涉現象 | 200 多年前，法國著名的數學家與天文學家拉普拉斯 (Pierre Simon Laplace) 曾經預測暗星的存在，他當時運用牛頓萬有引力定律與光的微粒說，推導出暗星附近連光都無法脫離的半徑，也就是現在黑洞理論中著名的史瓦西半徑 (Schwarzschild radius)。這個半徑對於太陽來說約 為 3 公里，對地球來說則不到 1 公分。以現在的觀點來看這個式子的推導，其實是有 2 個地方需要修正的。第一他所用的是牛頓萬有引力理論而不是後來的廣義相對論，其次是把光看成是單純的粒子，所寫出的能量式子也不完全正確；但巧的是這兩項錯誤就像互相抵銷似地，使最後的計算結果與正確值不謀而合。拉普拉斯在第一版與第二版的《天體 力學》(Mécanique Celeste) 一書中都提及此事，但是在第三版，他卻把暗星這一段悄悄地刪除了，原因是在第二版 (1799 年) 與第三版 (1808 年) 出版之間，英國物理學家楊氏 (Thomas Young, 圖一) 完成光的雙狹縫干涉實驗，證明光的波動性質。這項實驗結果不僅挑戰牛頓微粒說的權威主張，同時也改變當時拉普拉斯對天體物理的思考。而楊氏雙縫。干涉實驗也被列為十大最美的物理實驗之一，可見其重要性。干涉是波動的基本性質之一；以常見的水波為例，當 2 個水波交會時會彼此相互重疊，重疊時振幅改變的現象 就是干涉；2 個波峰 (或 2 個波谷) 重疊時振幅疊加的情形稱為建設性干涉 (或相長性干涉), 而波峰和波谷重疊時振幅抵減的情形就稱為破壞性干涉 (或相消性干涉)。從實驗結果可知，就像水波一樣，光也具有干涉的現象。楊氏在 1800~1807 年間進行系統性的實驗與論述，將聲音的干涉現象推廣至水波與光波，讓人類對光本質的認知從微粒觀點邁向到波動觀點。透過人為設計的實物機制與類比策略的詮釋，呈現自然現象的內在特質與規律，一直是實證科學的基本內涵；對於光的波動詮釋，干涉成為有效而直接的論證方式；楊氏的實驗因此成為運用類比的經典範例，也成功地啟動一次典範轉移。不過也因著類比，科學家對光的波動性產生了一些困惑；相對於聲波與水波都有傳播介質，光是否有傳播介質也就成為一項世紀大哉問。我們知道人類對於光本質的探索一直牽動著物理學的發展，探究假想中的光介質「乙太 (aether 或 ether)」就是其中之一。在 19 世紀末，美國物理學家邁克生 (Albert Michelson, 圖二) 設計的干涉儀除了準確地測量出光速之外，也強而有力地證明乙太是並不存在的。邁克生干涉儀中設有一個平台 (圖三), 平台中心處有一塊半鍍銀鏡，當一束光線射至半鍍銀鏡時，鏡子會把光束分成互相垂直的兩束光線，兩束光線會各自被另一塊鏡子反射回來復合重疊，並且形成光的干涉圖紋。如果兩束光線的光程差相同 (或是波長的整數倍), 那重疊的光束就會發生建設性干涉。接著調整鏡子的距離，讓兩束光線的光程差等於半個波長 (或半波長的奇數倍), 就會發生破壞性干涉。測量這個調整的距離就能知道波長，再把波長乘上頻率就可以算出光速。邁克生測定的光速值比羅莫 (Ole Rømer) 和菲左 (Armand Fizeau) 等人的測量值都還要準確。接著，邁克生與莫利 (Edward Morley) 改良這套裝置，想用來測量地球行經乙太的速度。他們設想，如果繞日公轉的地球是在一個均勻的乙太介質中運行，光速就會因為地球行經乙太的方向不同而有所不同，在干涉儀平台上兩束互相垂直來回的光線其時間差與光程差就會有些許變化。因此，在一年的不同時間裡，干涉圖案應該會有所改變。但是出乎意料的是，實驗中干涉圖案的變化並沒有發生，也就是說假設中的乙太並不存在。這個實驗在 1887 年完成，邁克生本來是相信乙太存在的，但結果讓他大失所望，一直到晚年他都還一再提及那「可愛的乙太」。......【更多內容請閱讀科學月刊第 581 期】 |
城市人工水幕聲景—純天然的解壓調劑 | 在自然的生活環境中，人們有很多機會聆聽到水的聲音，無論是來自雨滴落地面產生的雨滴聲、洗手台落水聲、水溝的水流聲又或是瀑布聲；而在日常生活裡，我們也能在萬千聲音景象裡，聽到各式水聲融合其中，包含噴泉、水幕和水簾等人工造景的聲響。除了悅耳的自然音，我們的生活也充滿許多噪音源，這些聲音多半來自營建工程及交通噪音，且經研究證實其會造成人類生理及心理上的影響，而隨著人類生活的發展與科技的進步，噪音及生活壓力應運而生。多年來，由於臺灣經濟改變以及社會持續的高齡化，臺灣人的壓力指數普遍偏高，根據《遠見雜誌》調查，2015 年有 47% 的民眾壓力指數皆在中高程度以上，且精神科診所增加 30%。足見應對壓力對國人來說是一件相當值得探討的議題。作為壓力源之一，噪音在行政院環境保護署公布的 106 年 1~4 月「公害陳情案件」各污染類別統計裡所佔的比例也是最高的 (31506 件，約佔 35.4%, 圖二), 其陳情案件數更是隨時間持續增長，過去 10 年已增至 7.8%(圖三)。噪音除了造成焦慮感增加，也可能導致如心跳加速、肌肉緊繃及血壓上升等生理變化，故削減噪音的需求也相對重要。然而，要完全將噪音消除其實相當困難，過往文獻裡普遍多利用水聲與噪音共存的「聲音屏蔽」, 來降低噪音所帶來的困擾。基於人體對自然音景：如鳥聲、水聲、風聲及蟲聲等，擁有正向的生理反應，即這種聲音能使人們在心理或生理上感到放鬆，故筆者團隊嘗試探討此法是否真能舒緩噪音所帶來的煩躁感、或甚至能使聆聽者感到放鬆。我們利用人工水簾或瀑布，來探討造景實質的屏蔽效果，並觀察這些水聲是否能有效遮蔽噪音，進而使聆聽者感到不那麼有壓力。此外，我們也運用問卷來測試其是否與所預測的變化吻合，藉以了解水簾及人工瀑布對受試者來說，是真能柔和噪音影響的效果、抑或只是再一般不過的日常景象。過去曾有研究提到，水聲被確定為強化城市聲景的最佳選擇，其暴露量與所帶來的效應關係是由定量的方法所得出來的，而與社區噪音相關的一般分析方法使用，亦可以定性分析的結果加以解釋。主觀感受則可以與煩惱水平相呼應，過去便是透過 ISO 15666 中的問卷，讓受試者聆 聽完後填寫問卷並分析噪音源的煩惱度，進而判斷人的年齡、性別、居住類型、健康狀況及受聲音舒適度和響度的影響。研究結果也發現，79 分貝 (decibel, db) 的水聲對於提升城 市聲景效果最為顯著，不過當噪音源總體音量在 90 加權分貝 (dBA) 左右時，水聲對城市聲景的正效應會開始變小。據當時估計，城市地區的短期噪音暴露在 70~73 分貝左右時，有 50% 的人非常煩躁，而在 66~67 分貝 的情況下，會令人不愉快。「 溪流」、「湖水波浪」等聲音被選為用以掩蓋城市噪音有效的自然聲音，且水聲應與城市噪音相近，甚至相差不低於 3 分貝。綜上所述，水聲確實能降低聆聽者的壓力，然而什麼樣的水聲種類帶來的效果又是最好的呢？......【更多內容請閱讀科學月刊第 581 期】 |
生物聲景與環境生態—以昆蟲為例 | 2014 年，IUCN World Parks Congress 講者巴克萊 (Leah Barclay) 在演講中提出「聲景 (soundscape) 是啟發下一世代的重要環境意識」的概念。聲景相對於地景 (landscape), 最早由謝弗 (Schafer, 1977) 於《世界調音》 (The tuning of the world) 一書中所提出，泛指在人耳接收能力範圍內，能與周遭環境有所連結的聲音。其後克勞斯 (Bernie Krause, 1998) 結合希臘文 bio (生物的) 與 phone (聲音), 造出生物聲音 (biophony) 一詞，聲景中有關生物的生命現象：營養、運動、感應、生殖等相關行為所產生的聲音及訊息，總合稱為生物聲音。生物聲音之外，根據克勞斯 (Krause, 2008) 報導 2001~2002 年蓋奇 (Stuart Gage) 在一個聲學研究計畫中將自然 界非生物產生的聲音與人類製造的聲音分別歸類為地理聲音 (geophony) 與人類聲音 (anthrophony), 自此構成聲景的三元素便確立。地理聲音囊括任何風吹草動、地球殼活動、河溪川流水及湖海浪拍濤等聲音；而人類聲音則包含說話、行走，或是藉由工具儀器在有意 (樂器演奏) 或無意 (汽車等交通工具或機具運作) 下製造出來的聲音。但當人類聲音的分貝過高或不悅耳時，就可能成為影響人類與生物聲音傳訊功能的人為噪音。根據我國行政院環保署 2006 年規定，一般所稱的「噪音」是指不想聽到或讓人感到不舒適的聲音。而在制定相關法規時，噪音管制法所指的噪音則是「受管制的噪音源所發出的聲音超過管制標準」的聲音。隨著都市化與交通網絡的發展，人為噪音已成為全球污染議題，噪音發生的頻率和聲學特色與自然界所產生的聲音相當不同 (Radford et al., 2014), 大多數能量由低頻至高頻遞減，最大能量集中於 3 kHz 以下 (Wood and Yezerinac, 2006), 且發生時間較為隨機，並廣泛出現在陸域與海域之中。嚴重的人為噪音，除了對人體本身造成心理及生理上的影響外，對生物的影響更是不容小覷。這需要由生物的生命現象中總結族群生命力表現的生殖開始談起。許多生物在生存與繁殖上倚賴聲音傳遞訊息，由遠方的呼喚到近距離的辨識、甚至是同種異性生理狀態的判別，甚至是否接受交配的回應也靠聲音訊號傳遞，人為噪音卻可能遮蓋掉這些重要的聲音訊號。過去幾十年來，越來越多研究探討人為噪音對各類生物的行為和生理所造成的影響。許多研究著重在鳥類，發現棲息於都市的鳥聲音頻率調高或聲音強度提高，得以減少聲音訊號被人為噪音所遮蓋的可能性。同種兩族群方面，帕里斯等人 (Parris et al., 2009) 指出，居住在吵雜環境中的青蛙族群，所發出的叫聲會比在郊區族群的聲音頻率來的高；凱澤 (Kaiser et al., 2011) 則發現噪音導致雄青蛙減少合唱天數與時間，可能造成都會區青蛙繁殖成功率下降。動物在繁殖過程中，除了交配行為之外，甚至各發育階段也需要聲音的溝通，生殖的成果需要維護，例如鱷魚卵在孵化前的撞擊卵殼聲音會引來母鱷魚的協助、幼鳥張開口啾啾呼喚，引來親鳥餵食、小雞群的叫聲與母雞的聲音當作互動的訊號雞群才不會走散，一直到成長階段，這些訊號才會改變或消失。由配對–交尾–護幼，動物的聲音組曲在自然環境下形成一片美麗的聲音風景，這是攸關生存的生命序曲，不是給動物界的後生晚輩的人類，附庸風雅的吟誦聆聽，幻想風花雪夜，創造歌曲辭調闕。......【更多內容請閱讀科學月刊第 581 期】 |
從自然聲景訊息中 擷取生物多樣性的變化 | 生活周遭的環境，無論是都市或是山林裡都充滿著各式各樣的聲音，像是氣候、地殼運動產生的環境音，各種野生動物發出的鳴唱叫聲，還有人類活動製造出的各種噪音，這種由環境音、動物音與人為噪音所構築而成的聲音景觀 (soundscape, 簡稱聲景) 蘊含著許多關於生態系、棲地環境變動的許多訊息。透過一小段的環境聲音，我們可以辨識出降雨、風吹等天氣事件，甚至可能從長時間錄音資料探討氣候變遷；從野生動物的錄音片段可以判斷哪些動物在鳴唱，也可以從許多地點、時間收集到的大量動物聲音分析物種多樣性的時空變化；從人為噪音的強弱，除了可以調查人為活動的頻度，更可以透過動物聲音和人為噪音之間的交互作用，探討人為開發對生態的潛在影響。因此，聲景不只是關於個人聆聽環境、生態的感受，聲景其實是一種觀測生態系動態變化的資訊平台，野地錄音也不只是等待我們聆聽的數位檔案，聲景已然成為生態科學中重要的監測資料。受到這種生態資料科學的刺激，許多 針對生態聲學 (ecoacoustics) 或是聲 景生態學 (soundscape ecology) 的研 究、應用也逐漸成長。隨著自動化錄音技術在近年的發展，大尺度的聲景監測網路已在全球各地的森林生態系建立，例如：日本東京大學在各實驗林架設的 Cyberforest 計畫 (https://global. pioneer/en/crdl_design/soundlab/cyberforest)、日本沖繩科學技術大學院大學在沖繩本島建立的 OKEON 美ら森プロジエクト (https://okeon. unit.oist.jp)、 美國普渡大學在全球各地以及透過公民科學方式建立 的 Center for Global Soundscapes (https://centerforglobalsoundscapes. org)。 海洋研究領域中，也有許多海洋物理的觀測網路配備有水下麥克風，例如：Listening to the Deepocean Environment (https://www.listentothedeep.net) 整合了許多國家的深海被動聲學觀測節點。臺灣在這波熱潮下其實也走得不慢，農委會林業試驗所早在 2014 年之前就 開始在臺北植物園、蓮華池與六龜等 地建構了長期生態感測網路 (https://iesn.tfri.gov.tw/forestDW), 收集許多蛙類的聲景資料，林業試驗所的陸聲山博士、王豫煌博士也建立起臺灣與東南亞國際合作的亞洲聲景平台 (https://soundscape.twgrid.org)。 中央氣象局也在 2011 年建立了臺灣東北海洋觀測站，在蘇澳外海約 277 公尺深的海床上架設了一組連接海纜 的水下麥克風，能夠 24 小時連續不間斷地聆聽深海中的各種聲音。2016 年開始，透過科技部獨立博士後研究專題計畫的支持，筆者和許多大專院校、研究單位、各地 NGO 合作建立的臺灣生態聲景長期監測平台目前已連結了至少 18 個長期陸域聲景測站 (https://goo.gl/6SnYNd), 並將大部分的原始錄音資料都公開在亞洲聲景平台中，希望以聲景建構出資料導向的生態監測網絡，並透過開放聲景資料來建立生態科學、資料科學與公民科學之間的跨領域合作。目前在臺灣生態聲景長期監測平台的各陸域測站，每半小時就會啟動 5 分鐘的錄音，日夜不停的累積觀測資料。儘管只是收錄人耳可聽頻率範圍的雙聲道錄音，一年下來單一錄音測站也會累積約 1TB 的資料量，如果 要收錄超音波頻率範圍，長期錄音的資料量將會更龐大。這麼大量的數位資料，幾乎不可能仰賴人工檢查、分析，因此除了「工人智慧」之外，勢必也須導入「人工智慧」來協助分析處理聲景資訊，才能實際落實以聲景為基礎的生態監測應用。跨領域整合生態領域和資訊領域的專業知識並不容易，因此筆者和中央研究院資訊科技創新研究中心的曹昱博士合作，開發聲景訊息擷取 (soundscape information retrieval) 的資訊工具來協助生態研究人員，透過大量聲景資料了解生態系與棲地環境的動態變化。聲景訊息擷取，顧名思義就是一種從大量錄音探勘聲景中關於環境、動物群聚與人為活動的訊息分析方法 (圖一)。 為了有效了解自然聲景的日夜、季節變化，首先可以產生長期時頻譜圖來觀察環境音、動物音與人為噪音的頻譜特性。長期時頻譜圖是一種透過統計方法壓縮錄音片段，達到減少資料量的方法，並可以藉由選定的壓縮時間比例來讓使用者視覺化不同時間尺度的聲景。例如，以 5 分鐘為解 析度壓縮頻譜觀察聲景的日夜變化、或以每天為解析度觀察聲景的季節變化。長時間頻譜圖其實是一種破壞性的壓縮方法，因此無法直接在長期時頻譜圖上觀察到原始的聲音訊號，但透過在地的生態觀察、聆聽經驗還是可以快速的在長期時頻譜圖上辨認出聲景中的各種主要元素，甚至能夠直接辨認出發聲動物的類群。......【更多內容請閱讀科學月刊第 581 期】 |
聲景:最安靜的環境運動 | 2016 年我收到義大利生物聲學者帕文 (Gianni Pavan) 教授的邀請，來到在密西根州立大學所舉辦的國際生物聲學研討會 (International Society of Ecoacoustics) 上發表了一篇〈臺灣聲景協會的寂靜革命〉(The beckoning silence-The quiet revolution of SAT in Taiwan) 的報告，這是我第一次用英文介紹這個 2015 年在臺灣成立的非政府非營利組織 (NGO), 也引起國際很多的關注。對於這群研究生物聲學領域的國際科學家而言，他們很好奇究竟為什麼在臺灣會出現如此前衛的組織，事實上生物聲學研究與監測生態環境仍是非常新的科學領域，而臺灣居然可以由一群公民來跨界整合科學、藝術與文化的領域，推動不一樣的環境政策與教育理念，並且以聲景來進行環境運動的作法，這種充滿創新前瞻的實踐經驗，全世界都在看。事實上，這是全亞洲第二個以聲景為名所成立的協會，第一個是於 1993 年成立的日本聲景協會，有別於日本，臺灣聲景協會的成立，一開始就以環境組織自居。身處在地狹人稠的環境中，我們深受聲音影響，情緒也隨著聲波而起伏，但是大部分的人並不了解問題的嚴重性。曾經有老師跟我抱怨現在孩子專注力越來越不夠，其中一個重要的原因是，他們活在一個很吵的世界，這些孩子根本靜不下來。這是一個「聲音覺醒」的時代，我們必須重新理解什麼是聲景 (soundscape), 為何需要關注聲景，以及如何學習重新傾聽那理所當然的一切，並思考聲音教育與聲景保育的各種可能。進而在公共政策制定上，把聲景當作可以為人類福祉而努力的目標。所有的根源必須要從教育來推動，怎麼把我們所關心的一切變成學校與社會教育，我們除了需要一個資訊鏈結與轉換的舞台，同時我也深刻了解，我必須非常清楚掌握國際上的趨勢與脈動。同樣也是在 2016 年，我去參加了國際自然保育聯盟 (International Union for Conservation of Nature and Natural Resources, IUCN) 在夏威夷所舉辦世界保育大會 (IUCN World Conservation Congress,WCC), 其中令我特別感到興趣的 工作坊，是討論關於環境噪音與自然聲景保育的主題，我也以臺灣聲景協會的名義加入自然聲音諮詢小組 (Natural Sounds Advisory Group, NSAG) 的工作聚會。NSAG 在工作坊中探討關於人類噪音 對保護區、野生動物、公眾健康、遊客權利、欣賞理解的關連影響，期待能從自然聲景的保護，對 IUCN 的 成員提供相關的實施綱領、價值標準，以及保育建議。身為一位野地長期錄音的工作者，我知道過去幾年來環境裡許多聲音都在改變中，但是這次的國際聚會，更讓我明白，保護自然聲景與監測人為噪音，已經是國際的趨勢及全球性的運動。不過，要如何在臺灣推動這些聲景保護的理念？我試圖以「寂靜山徑」與「717 聆聽日」作為可以努力的具體目標，因此在本文當中，除了會把聲景在國際發展的軌跡進行回顧之外，也會針對臺灣生物聲景研究與聲景協會成立的背景進行大略交代，並介紹目前臺灣聲景協會努力的方向以及成果，當然，這個新興的年輕組織所懷抱的願景也將會在文末進行分享，也期待能喚起更多有志於此的夥伴，共同用聲景來參與改變的行列。這是一個充滿聲音，卻也是讓聽覺弱化的時代。奇妙的是，全世界目前居然不約而同的推動各種關於「傾聽」的運動，很多人突然發現，長期仰賴視覺作為理解環境的方式，已經無法因應越來越快速轉變的時代。......【更多內容請閱讀科學月刊第 581 期】 |
黑潮、氣候、生活之情緣 | 2017 年初，人造衛星遙測海面高度資料和研究船「海研一號」探測資料顯示，原本緊鄰臺灣東岸北上的黑潮主軸遠離了臺東海岸，任職臺東成功水試分所的江偉全表示，當時的情況就是漁民口中的「苦流」, 捕不到魚。3、4 個月後，各項觀測資料顯示黑潮主軸又貼回臺灣東岸，這個期間成功海域鬼頭刀大豐收，一艘艘滿載鬼頭刀的船在成功新港卸貨後，還得動用俗稱「小山貓」的挖土機一斗一斗地堆上貨車。黑潮沿著北太平洋的西邊界向北流，若將邊界由南到北分成呂宋島東側、呂宋海峽到臺灣東邊、東海陸棚邊緣和日本南方等四段，它們大致對應到黑潮的幼年期、成長期、穩定期和脫離期，各階段面對不同的海底地形、周遭環境與外力干擾，因而各有其平均狀態與異動特性。相對說來，我們最熟悉自呂宋海峽一路到臺灣東北部海域的這段黑潮，投入的觀測資源與研究也最多。這段路程所行經的海底地形非常複雜，包括呂宋島弧、恆春海脊、蘭嶼海溝、花東海盆、琉球海溝、宜蘭海脊與東海大陸棚等 (圖一 a), 黑潮的路徑和轉向受到這些地形引導。從我國海洋研究船在此海域多年的隨船海流儀觀測資料統計結果平均來說，夏季西南季風期間黑潮主流約介於呂宋 海峽的兩道海脊之間，流速約 0.5~0.8 公尺∕秒；隨後黑 潮從蘭嶼海溝進入花東、宜蘭海域，在碰到東海大陸棚前由蘇澳附近脫離宜蘭海岸轉向東北，沿著東海大陸棚緣流 向日本 (圖一 b)。冬天強烈的東北季風作用下，呂宋海 峽黑潮主流左側部分洋流會入侵南海北部，於臺灣西南海域形成一順時針環流，其中少部分會經由澎湖水道流入臺灣海峽，即冬季黑潮支流，而環流的大部分會經過臺灣南端匯流回至黑潮主流。黑潮在蘭嶼附近常呈雙核心構造，但在花蓮外海則合而為一形成窄而強的強流，越過宜蘭海脊的黑潮，其主軸有季節性的擺動，夏季離岸較遠，冬季則較近。當黑潮向北進到了臺灣東北部海域，也出現季節性入侵東海陸棚的現象 (圖一 b)。黑潮在這裡轉彎「擦邊」東海陸棚邊緣時，常常在陸棚邊緣形成一直徑約 70 公里的反時針旋轉渦流，它的中心是從比較「營養」的黑潮次表層水爬坡上升，而形成冷丘水文結構，在夏、秋二季常常是很好的漁場。若以流速的北向分量 0.1 公尺∕秒作為判別黑潮邊界位置之依據，那麼臺灣東側黑潮流幅寬度約為 170 公里，最窄 處在蘇澳至與那國島之間的宜蘭海脊上，流幅寬度僅 120 公里，流軸中心最大流速約為 1.0~1.5 公尺∕秒，流層厚 度大約 600~800 公尺，跟東部外海水深動輒 4000~5000 公尺比起來，黑潮僅是海洋上層「薄薄的一層海流」。雖然只是薄薄的一層海流，其實這一路由呂宋海峽北上到臺灣東北海域，黑潮三度空間的形態隨著時間的變動仍然很大。OKTV (Observations of the Kuroshio Transport and Variability) 計畫探測資料的貢獻就在量化了黑潮的大幅擾動，其中流幅之寬度變化範圍可從 85~135 公里，流量在 10~23 百萬立方公尺∕秒之間，最大流速位置則可在離岸僅 20 公里到遠離東岸 100 公里之間變動，有如大龍擺尾相當驚人。......【更多內容請閱讀科學月刊第 581 期】 |
球賽中積累的撞擊 恐深深傷害腦組織 | 橄欖球可說是美國大學校園的經典活動，然而美國羅徹斯特大學 (University of Rochester) 研究團隊於《科學進展》(Science Advances) 期刊發布的一則研究顯示，運動員在球賽裡所受的頭部撞擊，即便未造成腦震盪，卻也讓腦袋瓜烙下受傷的印記...... 該研究針對 2011~2013 年為期 3 年的賽季，共 38 名受試運動員的安全帽裝上加速規 (accelerometer), 以測量練習與比賽期間的受力。此外，受試者也會在賽季前後接受腦部掃描，並以非等向性指標 (fractional anisotropy, FA) 評估影響神經訊號攜帶的大腦白質變化。結果發現，受試者於賽季結束後，其右中腦的平均非等向性指標分數較低；此外，與直接的衝擊力相比，此現象反而跟旋轉的衝擊次數有關。《科學新聞》(Science News) 報導指出，這些旋力可能對大腦組織造成很大的傷害，看來比賽裡累積的衝擊，不可輕忽。Adnan A. Hirad et al., A common neural signature of brain injury in concussion and subconcussion, Science Advances, 2019. |
捕食者帶來的生存壓力 不容小覷 | 常聞受害者經歷天災人禍後為創傷後壓力症候群 (post-traumatic stress disorder, PTSD) 所苦。事實上，其他動物也可能因捕食者引發的各種恐懼產生創傷後壓力症候群，過去雖有許多相關學科論述，卻缺乏實證連結 (empirical linkage)。加拿大韋仕敦大學 (Western University) 札涅特 (Liana Zanette) 等人日前組成研究團隊並於《科學報告》(Scientific Reports) 發布研究，指出黑蓋山雀 (Poecile atricapillus) 暴露在有捕食者聲音的環境 2 日後，即使長達 1 週處在安全環境，仍可在杏仁核、海馬迴等部位的神經迴路測得恐懼反應。研究員札涅特受 ScienceDaily 訪問時表示，此現象恐對野生動物的繁殖力與生活產生深遠影響。未來，該結果在生醫、心理衛生與生態等領域，可望能得到進一步的應用。Liana Y. Zanette et al., Predator-induced fear causes PTSD-like changes in the brains and behaviour of wild animals, Scientific Reports, 2019. |
全球暖化加劇 約書亞樹等林木恐成歷史 | 19 世紀中葉，一群摩門教徒在穿越美國加州莫哈韋沙漠 (Mojave Desert) 時看見短葉絲蘭 (Yucca brevifolia), 其獨特的外型讓他們想起《聖經》裡將手臂伸在空中向上帝禱告的約書亞 (Joshua), 後人遂稱其為「約書亞樹」。可惜，此樹種恐將在本世紀末成絕響！近日，《生態圈》(Ecoshpere) 期刊一則研究指出，全球暖化加劇，美國南加州約書亞樹國家公園裡的樹木將可能在 2100 年減少 80%, 甚至僅有少數樹種能存活。更糟的是，若人們持續排放溫室氣體，公園裡的樹將面臨夏季均溫上升 2.8~5°C、年雨量下降 75~180 釐米等困境。作為莫哈韋沙漠的招牌物種，也曾榮登知名樂團 U2 專輯封面的約書亞樹，究竟能否逃過這場劫難？這篇研究的成果，值得深思。Lynn C. Sweet et al., Congruence between future distribution models and empirical data for an iconic species at Joshua Tree National Park, Ecoshpere, 2019. |
看得你心發寒 預防海鷗搶奪食物的新方法 | 在海邊活動時，遭受海鷗攻擊或搶奪手上食物的事件時有所聞。面對猶如流氓行徑的動物，該如何保護自身手上的食物呢？對此，英國艾克斯特大學 (University of Exeter) 的研究團隊發布於《生物學報》(Biology Letters) 的實驗顯示，盯著海鷗看，或許能夠避免手上的食物被劫。團隊在英國康瓦爾郡 (Cornwall) 的沿海城鎮，海鷗聚集之處放置薯條實驗，由研究人員在一旁觀察，計算海鷗靠近薯條的時間。當時該區域共有 74 隻黑脊鷗 (herring gull), 但大部分的海鷗在薯條出現時立即飛走，只有 27 隻海鷗靠近食物。而實際參與實驗的海鷗更只有 19 隻，也代表會奪取食物的海鷗實屬少數。 實驗中，當研究人員緊盯著海鷗時，海鷗會花較長的時間才觸碰食物，平均而言，在被「監控」的情況下，海鷗會多花 21 秒接近食物。研究人員表示，該實驗並未研究個體的差異，會搶奪食物的海鷗，除了可能與本身的「個性」有關外，這些海鷗過去可能有被人類餵食的經驗，導致牠們看到食物便會一擁而上。下次，如果在海邊吃東西時，試著將目光放在海鷗身上，或許能夠降低食物被搶走的機率。Madeleine Goumas et al., Herring gulls respond to human gaze direction, Biology Letters, 2019. |
暴露於太空的低劑量輻射 可能影響大腦學習及記憶 | 太空中充滿各種輻射，對於執行任務的太空人，暴露於輻射中將造成健康危害。但以往的實驗，只有透過照射短時間且高劑量輻射的生物研究，而未以真實的狀況進行實驗。近日，由美國加州大學爾灣分校 (UC Irvine) 的研究團隊，以低劑量中子輻射照射小鼠，模擬實際太空環境的輻射劑量，找出低劑量的輻射將如何影響大腦，並為後續的太空任務提供風險評估。 實驗中，團隊以 18 毫戈雷 (centigray, cGy) 的低劑量的輻射照射實驗小鼠。在持續 6 個月的照射下發現，小鼠大腦暴露於輻射之中時，會損壞海馬迴 (hippocampus) 及前額葉皮質 (prefrontal cortex) 的細胞信號傳送，導致學習與記憶障礙。同時也發現小鼠會產生焦慮行為，代表輻射會影響杏仁核 (amygdala)。 研究人員表示，在過去的太空任務中，有大約 1/5 的太空人曾出現焦慮行為，1/3 的太空人則面臨一定程度的記憶障礙。因此，當太空人進行探索太空及火星等任務時，可能會面臨輻射損害大腦的風險，甚至影響任務當下所做的關鍵決策，未來相關單位需嚴密把關且給予適當防護措施。M.M. Acharya et al., New concerns for neurocognitive function during deep space exposures to chronic, low dose rate, neutron radiation, eNeuro, 2019. |
汗味掰掰 穿上散發香氣的衣服 | 臺灣夏季的天氣總是令人難以忍受，面對高溫悶熱環境時，戶外活動或工作都會使身體大量排汗，而更惱人的是流汗後所產生的味道。所以，若衣物具散發香氣的功能，或許是個不錯的選擇。近日美國化學學會 (American Chemical Society) 的研究人員設計出一款特殊衣物，在布料與汗水接觸的當下，會釋放出檸檬香氣。 團隊利用在衣物中添加 β 香茅醇 (β-citronellol), 並以 2 種不同的香氣載體與其結合，吸收衣服上的汗液並釋放香味。第一種香氣載體為氣味結合蛋白 (odorant-binding protein, OBP) 與碳水化合物結合模組 (carbohydrate binding module, CBM) 的合成物；第二種則以脂質體 (liposome) 為載體。為比較 2 種機制，研究人員將衣物暴露在酸性的汗液中，檢測氣味結合蛋白與脂質體釋放 β 香茅醇的濃度與速度。結果發現，氣味結合蛋白會快速釋放出香氣，但香氣維持時間較短；而脂質體雖然釋放香氣速度較慢，但香氣的維持則較持久。 研究人員指出，2 種方式都有機會應用在衣物上，根據不同的衣服款式及類型，選擇較為合適的香氣發散策略。或許，在不久後的未來，夏天進行戶外活動時就能擺脫令人尷尬的汗味了。Filipa Gonçalves et al., Release of Fragrances from Cotton Functionalized with Carbohydrate-Binding Module Proteins, ACS Applied Materials & Interfaces, 2019. |
辨識照片真偽 還是交給電腦吧 | 近年隨著電腦圖像處理的快速進展，各種修圖、後製及合成技術讓圖片虛實難辨。其中，透過人臉融合 (face morphing) 將 2 張完全不同的人臉完美結合，著實令人分辨不清。有專家警告，該技術很可能被有心人士利用，製造假護照等身份文件進行詐騙。對此，英國林肯大學 (University of Lincoln) 發布於《認知研究：原則與啓示》(Cognitive Research: Principles and Implications) 的研究，以不同人臉合成的照片，測試真人及電腦臉部辨識系統測試是否能判斷出其真偽。結果顯示，高達 51% 的假圖片沒有成功被受試者識破，甚至在後續給予提示的情況下，成功率也只上升至 64%。另外，就算測試前對受試者進行訓練及教學，仍舊無法提高偽造圖片的辨識成功率。至於電腦識別方面，團隊使用一般電腦的演算法區分正常及偽造圖片，正確率約 68%, 高於真人受試者。研究團隊認為，如果詐騙集團透過人臉融合技術偽造身分證明文件，利用人工辨識將難以防範，即使人員經由訓練也無法解決該問題。因此，未來資訊相關的安全單位或許該藉由電腦輔助，以降低識別的錯誤率。Robin S. S. Kramer et al., Face morphing attacks: Investigating detection with humans and computers, Cognitive Research: Principles and Implications, 2019. |
合成毒品的意外產物— 無心插柳成就神經科學新風景 | 許多毒品原作藥品使用，然因其成癮性、濫用性及社會危害性而被列管，或不再於醫療中被使用。與藥品一樣，有些毒品萃取自植物的天然物，如四氫大麻酚 (tetrahydrocannabinol, THC)、嗎啡 (morphine) 與古柯鹼 (cocaine) 等，有些則是從已有的天然物或化合物進一步合成為效果更強的衍生物 (derivatives), 如 安非他命 (amphetamine)、海洛因 (heroin) 及麥角二乙胺 (lysergic acid diethylamine, LSD) 等。在合成藥物的過程中，可能會有副產物出現，特別是有不良影響的副產物須被限制含量，因此在藥物研發的過程中，其合成步驟及製程的開發會經過一次次地改善，降低目標成分之外副產物的含量，以求產物品質符合要求。換到另個場景，毒品市場上的新興合成毒品層出不窮，其地下製毒工廠被起獲而出現在社會版的新聞也不少。由於製毒工廠未必能像藥廠一樣有一系列控管、把關產品純度、雜質含量的製造及檢驗流程，不同廠家也有其依循的製程，使得流竄於毒品市場上的毒品品質不一，甚至可能造成比服用毒品本身更大的危害。接下來要講的就是一個在合成過程出錯的毒品，致使服用者遭遇神經損害，卻意外促成中樞神經系統退化疾病 —— 帕金森氏症 (Parkinson’s disease, PD) 研究大幅進展的故事。1982 年，一名為卡里羅 (George Carillo) 的患者被送進美 國加州聖荷西的聖塔克拉拉谷醫療中心 (Santa Clara Valley Medical Center, 現為史丹佛大學的教學場所)。期間，卡里羅雖然意識清醒，卻無法動作或講話，整個人彷彿蠟像一般，也因此被稱為凍結患者 (frozen patient)。醫院裡 的神經科住院醫師認為卡里羅的診斷應是僵直性思覺失調症 (catatonic schizophrenia) 這類精神上的疾病，精神科醫師則認為是神經系統上的問題，雙方為此吵得不可開交。在對卡里羅做了一些檢查及觀察後，神經科主任醫師藍斯頓 (J. William Langston) 眉頭一皺，發覺案情並不單純，因為該案例與過去所見僵直性思覺失調症患者的表現並不相似。一般來說，當伸展或彎曲僵直性思覺失調症患者的手腕及肘部時，應該能感覺到不規則的抗力，但在活動卡里羅的關節時卻像齒輪一般不具阻力，即齒輪狀僵硬 (cog-wheel rigidity, 一種在帕金森氏症患者身上可見的典型症狀), 導致卡里羅看起來倒像是教科書上那些因尚未接受藥物治療而病程惡化的帕金森氏症患者。第一個線索就來自卡里羅本人。雖然看起來不能動作，事實上他的手指仍有著幅度極小的移動。一位醫學生注意到這點後，便讓卡里羅手握著筆並問了他一些問題，測試他是否能做出書寫的動作，並透過書寫回覆，在半小時後，卡里羅也開始能寫出些簡單的回答。雖然就連他自己也不曉得為什麼身體會突然變得無法動彈，但當問及其近來是否曾經服用過任何藥物時，卡里羅寫下一個關鍵的字眼 ── 海洛因。接著，藍斯頓醫師的同仁巴拉德 (Phil Ballard) 在與他院精神科好友相聚並討論著彼此遇到的特殊病例時發現，他院另一對病人兄弟也表現出與卡里羅一樣的症狀，且這對兄弟也服用了海洛因。......【更多內容請閱讀科學月刊第 581 期】 |
當醫學邂逅數學—精準預測的科學觀 | 生物醫學的瞬息萬變與平衡觀可以從巨觀延伸至微觀，並結合可逆與不可逆多階段事件之瞬間及累積風險特性，發展出目前最熱門的個人化精準預測醫學，以呈現疾病在不同個人特徵下動態時間進展，進而替病人設計量身訂做預防性健康投資方案。這樣的疾病進展就如同院內感染導致高血糖而至糖尿病 發生的馬可夫鏈 (Markov chain) 模式，釐清此模式對於解釋疾病的進展及介入效益評估有相當大助益。本文以高血壓來說明。現在國際間已有共識將個人的血壓狀態依照收縮壓 (systolic blood pressure, SBP) 及舒張壓 (diastolic blood pressure, DBP) 定義為正常血壓、前期高血壓、第一期及第二期高血壓，其中前期高血壓是可逆的，可以回復至正常血壓，如圖一所示。以臺灣某社區實證資料說明基本流行病學狀況，若以圖一的高血壓分期類別，將性別及年齡別盛行率列於表一，從表中可以看出，高血壓的盛行狀況在男女性有很大的差異，前期高血壓、第一期及第二期高 血壓在 30~49 歲的民眾中，女性的罹病率明顯低於男性，但在 50 歲之後 (更年期後) 的年齡層則發現男女間的差異明顯變小，這樣的現象如何解釋？是純粹因為女性的疾病惡化速率較男性慢，抑或是前期高血壓的女性有較高的機會返回正常血壓機率？如何以馬可夫鏈模式多階段轉移速率來解釋呢？應用數學馬可夫過程轉移速率，將圖一所示不同高血壓狀態間的變化轉移速率利用表一社區資料及所建構的馬可夫 數學模式估算出來，以馬可夫過程年轉移率矩陣 Q 表示 如下：在此族群中每年由正常血壓轉移至前期高血壓速率約為 52.71%, 但由前期高血壓回復至正常血壓速率也有 47.06%, 由前期高血壓至第一期高血壓為 30.77%, 由第 一期高血壓進展至第二期高血壓為 23.78%, 其中維持原狀 (以負值表示) 就是物理學的反作用力。......【更多內容請閱讀科學月刊第 581 期】 |
第一張中文週期表 | 今 (2019) 年是俄國化學家門得列夫 (Dmitri Mendeleev) 正式提出報告，宣布發現化學元素性質隨原子量增加有週期性變化的元素週期律與週期表的 150 週年紀念。聯合國以今年為國際化學元素週期表年 (International Year of Periodic Table of Chemical Elements), 簡稱國際週期表年 (IYPT), 而《科學月刊》594 期的封面故事也是在此一盛舉下所規劃。距今 30 年前，也就是門得列夫發表元素週期律的 120 週年，筆者因中國化學會與科學月刊社合作印製中文元素週期表，曾撰〈門得列夫週期表問世一百二十年〉一文發表於《科學月刊》231 期。其中，在介紹 12 種各型週期表時，也想找到最早的中文週期表。當時雖知 1901 年上海的《亞泉雜誌》有〈化學週期律〉一文，但由於各方資訊難以取得，只好在文中付之闕如。 現今，託網路之福，下載清光緒 27 年 1 月 23 日，即 1901 年 3 月 13 日之《亞泉雜誌》第六冊中〈化學週期律〉全文，得知為虞和欽原著，經編者杜亞泉稍予修訂。其中的「週期律表」, 應是已知第一張中文的週期表 (圖一), 共含元素 64 種，且為直式，與一般所見者不同。這一表的來源據虞和欽所述為英國人 Walker, 經筆者查閱後得知為英國化學教授沃克 (James Walker) 於 1899 年著《物理化學導論》(Introduction to Physical Chemistry) 一書，其中第 44 頁即有此表的英文版。......【更多內容請閱讀科學月刊第 597 期】 |
半導體雷射—點燃雷射商品化的火種 | 在人類歷史中曾經經歷過許多轉捩點，讓我們的生活有了突破性的改變，例如火在生活中的應用、鐵器的使用、引擎的發明、電力的發明和普及。就筆者的觀點，在 20 世紀中最重要的發明是「電晶體」和「雷射」, 這兩項重要的發明石破天驚般的改變了人類的文明發展。在現今的生活中，我們也隨時隨地享受著這兩項發明所帶來的便利甚至是負擔。和電晶體的歷史相比，雷射大概年輕了 13 歲 (1960 年與 1947 年), 但是它的相關應用和普及性卻絕對不會相形遜色。以 2017 年最火紅的 iPhone X 為例，裡面就有許多雷射的蹤影。其和相對應的微光學元件搭配後，主要是用來當作臉部辨識的關鍵性元件。除此之外，新一代的 HDMI 纜線因為超高畫質電視 (4 K×8 K) 的問世，也必須使用雷射和光纖來傳遞資料，以負荷如此巨量和即 時的影音資訊。然而，若是回顧 1960 年，人類第一台展示的紅寶石雷射，體積龐大、需要高壓電驅動，無法連續波操作等缺點都大大限制其微型化和商品化的終極目標。在此篇文章中我們將介紹讓雷射技術商品化的火種：半導體雷射。它的角色如同希臘神話中的普羅米修斯，為雷射技術點燃了希望的火焰和光明。在自然界中，常常見到生物體所發出的可見螢光，然而要發現自然產生的雷射現象光芒事實上不太可能。這是因為雷射現象要發生，一定需要將滿足特定強度的能量密度，注入雷射共振腔，其內有能夠產生光學增益的介質。才能使介質中的居量反轉發生產生雷射光。如何將能量有效率且方便的饋入增益介質，便是雷射是否方便使用的關鍵。一般說來，我們有幾種把能量饋入的方式，例如說使用強光 (閃光燈), 讓增益介質發生化學變化，或是利用高壓電弧光放電的效應。如圖一所示，為世界上第一支所展示的雷射：紅寶石雷射。我們可以看到，為了將能量饋入增益介質紅寶石中，發明人使用高強度的閃光燈照射紅寶石。然而，此方法無法連續讓紅寶石產生雷射光，而且閃光燈本身也需要類似真空管的結構，不僅需要高壓電驅動，也無法微型化。綜上所述，我們能了解若要輕鬆簡易的產生雷射，最容易的方法應該就是直接把電流注入增益介質，讓其居量反轉。但是紅寶石本身為絕緣體，電流根本灌不進去，而半導體雷射的誕生就如同救世主般的一樣種要。......【更多內容請閱讀科學月刊第 581 期】 |
Google、縱橫字謎與大數據 | 前陣子與韓國學者聊天，他們說現在在數學界找工作不易，因為什麼都要跟「大數據 (big data)」扯上關係。的確，大數據儼然是現在很夯的詞，臺灣的數學系所一共就這麼多，而我知道的就有 6、7 間打算要成立大數據中心，想要延聘的新人都需要有大數據的背景。什麼是大數據？顧名思義就是處理極大量資料的一門學問。電腦與網路出現與普及後，大量資料的處理變成新的挑戰。但這不是什麼新鮮的東西，幾十年來，歐洲核子研究組織 (European Organization for Nuclear Research, CERN) 的高能實驗物理學家早已習慣每秒要處理超過 1 千兆位元組 (terabyte, TB) 的巨量資料。然而，現今網路的普及，使 Google、 Facebook、Line 和 Tweet 等社交網路與廣告滲透到每一個人的生活，網路上宏觀的大量數據變得非常有趣。 2012 年 12 月 11 日紐約時報有一篇專欄文章，標題是「The Age of Big Data (大數據時代的來臨)」。TED 的一個演講簡明地介紹了大數 據的概念，相當值得一看。現在普遍接受的定義是，大數據處理的資料有 4 個特點，又稱 4V, 分別是多 (volumn)、 快 (velocity)、 雜 (variety) 與真偽難辨 (veracity)。 面對一堆資料，如何處理、如何擷取出有用的部分、 如何分析相關性、找到模式並預測趨勢等，這些大概就是大數據要做的事。以上的解釋都是概念性的，說實在還是很模糊。關於細節我不是專家，也無法深談。不過最關鍵的是，這些和數學有什麼關係呢？底下舉 2 個我覺 得有趣的例子。第一個例子講要發展大數據背後真的需要高深的數學，第二個例子是用大數據分析後最近得到的意外結果。第一個是 Google 的搜尋引擎的運作。 網路上有上千億個網頁，Google 搜尋 的強項就是它能很快找到有用的網頁，而關鍵就是把網頁排序。以下的例子 擷取自布基亞尼科 (Bucchianico) 的演講稿，假設只有 4 個網頁，互相連結的樣子如圖一。網頁 1 會超連結到 網頁 2、3、4 (不妨各給權重 1/3), 網頁 2 超連結到網頁 3、4 (各給權重 1/2), 以此類推。......【更多內容請閱讀科學月刊第 581 期】 |
地震之後,會發生海嘯嗎?潛藏臺灣東部海域下的海纜觀測系統 | 臺灣地處菲律賓海板塊與歐亞大陸板塊碰撞擠壓交界區域，地震活動頻繁且常造成社會大眾生命財產的威脅，其中芮氏規模 6 以上的中大規模地震，有將近 70% 分布於東部海域。東部海域的地震不僅威脅臺灣的安全，過去也曾發生數起宜蘭、花蓮雖未致災，卻在臺北盆地發生傷亡災情的地震事件，例如 1986 年 11 月 15 日芮氏規模 6.8 的地震，造成當時臺北縣中和市華陽市場坍塌、2002 年 3 月 31 日芮氏規模 6.8 的地震，造成當時正在興建中的台北 101 大樓頂樓大型塔式起重機吊臂斷裂砸落等案例。此外，地震伴隨著海嘯的發生，2004 年南亞大海嘯與 2011 年東日本大地震海嘯均造成嚴重傷亡與財產損失。而臺灣所在的環太平洋「火環帶 (Ringofre)」, 是全球 90% 地震的發生地，且過去也有文獻記載，臺灣及附近區域疑似因大規模地震或海底山崩引發海嘯衝擊，例如 1867 年臺灣北部基隆地區海嘯災害、1771 年鄰近的日本石垣島發生 85 公尺高海嘯災害，都顯示臺灣近海地區有災害性海嘯發生的可能性。 為此，科技部也曾針對臺灣鄰近地區的海溝型大地震引發海嘯侵襲的可能情境進行模擬分析，顯示出臺灣西南方的馬尼拉海溝 (ManilaTrench)、太平洋中的亞普海溝與花蓮外海 (琉球海溝) 是引發高海嘯災害潛勢的可能地震源。所以，如何防範東部海域大規模地震與可能的海嘯威脅，成為臺灣所需面臨的重要課題。地震海嘯防災工作的最重要基石是地震速報系統，而速報作業的主要關鍵包括測站分布、即時傳輸與維運管理。在 2011 年之前，交通部中央氣象局地震觀測網的測站均設置在本島與離島陸地範圍，對於發生於周圍海域的地震，偵測能力與計算精度都受到限制。如果能在臺灣東部海域設置地震海嘯海纜觀測系統，就能將海域地震納入臺灣地震網觀測範圍之內，既彌補陸上地震測站的不足，也能有效改善海域和近岸的地震定位問題。如此一來，也能強化氣象局地震觀測網強震即時警報系統的正確性和可信度，提供更準確的即時防救災資訊。 以同樣處於環太平洋地震帶的日本為例，日本的東部與南部海域也面臨地震海嘯的威脅，為此日本政府耗費鉅資建造「地球號」鑽井船，於日本南海海槽 (NaikaiTrough) 作深部地殼鑽探，研究板塊聚合帶巨大地震的孕震機制。同時，日本於周圍海域也建立 10 餘條海纜系統，裝置數十座地震與海嘯觀測站，嚴密監測海域的地震活動。2011 年 3 月 11 日芮氏規模 9.1 東日本大地震發生後，更投入超過 230 億日圓，於日本東部海域建置全長超過 5600 公里的海纜觀測系統，並設置 150 座以上的地震海嘯觀測站。海底的地震警報烽火台 在政府預算經費的支持下，氣象局於 2007 年起開始進行東部海纜觀測系統的設置，將地震海嘯監測的衛哨由陸域向外拓展到東部海域。這個海纜觀測系統就像是古代示警的烽火，在偵測到地震、海嘯時能迅速將資訊傳進地震偵測網。每個即時觀測站就是一座烽火台，由一個能抵抗海水壓力的長條型圓柱桶構成，內部封裝著各式偵測儀器，包含加速度型地震儀、速度型地震儀、傾斜儀、海嘯壓力計與水下聽音計等儀器 (圖二)。這些儀器就像烽火台上拿著火把的衛兵，一看情況不對就點燃烽火台，將警告訊息傳遞出去。而一個個圓柱桶會被橫放於海床上，並透過光纖海底電纜纜線進行電力供應與觀測資料傳輸。由於海纜系統資料傳輸速度近乎即時，結合氣象局既有陸上地震監測網測站進行海陸聯合觀測，面對臺灣東部海域中大型災害地震與海嘯的威脅，預期將可縮短強震即時警報系統的偵測時間，也能提高預警的效益。圖二：氣象局東部海纜觀測系統即時觀測站外觀圖。觀測站外殼為橫放的長條形耐水鴨外殼圓柱桶，長度約 2.26 公尺，透過海底纜線供電與傳輸資料，配置觀測儀器包括加速度型地震儀、速度型地震儀、傾斜儀、海嘯壓力計與水下聽音計。(作者提供) 氣象局於 2011 年 11 月完成第 1 期 海纜系統，由宜蘭頭城陸上站往東 南外海舖設 45 公里海纜，尾端設置 1 座即時觀測站。又在 2017 年 10 月完成第 2 期海纜系統擴建，將海纜長度延長 70 公里，總長 115 公里，並增設 2 座即時觀測站，將監測範圍擴展至和平海盆與南澳海盆鄰近區域。氣象局目前正在辦理第 3 期海纜系統的建置作業，規劃由第 2 期海纜系統尾端，向東南方穿過耶雅瑪海脊至加瓜海脊西側，再往西穿過呂宋島弧，轉向南邊繞經恆春半島外海至屏東枋山登陸，第 3 期計畫預計增建海纜 580 公里及新增 6 座即時觀測站，規劃於 2020 年底完成 (圖三)。氣象局東部海纜觀測系統路線圖。底圖為科技部自然司海洋學門資料庫與臺灣周圍海域海底地形圖，圖中實心橘線為 2011 年完成的第 1 期海纜路線，黃點連成的為 2017 年完成的第 2 期海纜路線，紅色虛線為正式執行的第 3 期海纜預定延長路線。海纜最終在屏東枋山路上站登陸，連同原有宜蘭頭城路上站形成雙邊登陸的完整地震觀測網；黃色圓點為現有 3 座即時地震海嘯觀測站位置，紅色圓點為第 3 期規劃設置 6 座觀測站位置。(作者提供) 過去所架設的海底電纜，最大的困境是遭受外力破壞損毀。舉例來說，在海底坡度較陡的地方，可能會因地震或颱風等因素而發生海底山崩。2006 年 12 月 26 日兩起芮氏規模 7.0 的恆春外海地震，就曾造成臺灣南方多條國際電信電纜斷裂，而嚴重影響亞洲網路傳輸。除此之外，因漁業活動致電纜損壞而中斷網路傳輸的例子，也時有所聞。針對上述情況，海底電纜本身可考量鋪設沿線的地質狀況，選擇不同類型鎧甲防護纜線，以降低自然因素或人為外力造成斷纜的風險。自然環境條件可藉由海底地形與地質調查分析、鑽井岩心採樣與洋流觀測資料，判斷最適宜的鋪設路線。海纜觀測系統主要有嵌入式 (inline) 與節點式 (node) 兩種架構系統，嵌入式是將纜線與內含觀測儀器的即時觀測站採一體成型方式製作，其優點是體型相對較小且可掩埋，較不易受外力損毀，缺點是個別觀測站儀器不能擴充；節點式系統則透過纜線連接節點，再由節點連接觀測儀器設備，其優點是可以自由擴充與更新儀器設備，但缺點為即時觀測站體稍大且因設置於海床上而較易受外力損毀。因此，在第 2 期海纜系統擴建時，便選用嵌入式的即時觀測站型態，同時也盡可能將站體設置於較深水域，分別為 945、1114 與 2732 公尺，且 系統沿線水深淺於 600 公尺的海纜需掩埋 1.5 公尺，以降低天然與人為破壞。除了前述提到的即時觀測站及電纜纜線，海纜觀測系統中還有一個位於陸地的陸上監控站。其所扮演的角色是海纜傳輸訊號「登陸」的機電與通訊控制端。在海纜觀測系統出現故障時，首先會透過陸上監控站來嘗試排除故障，當狀況無法解除，就只有海上作業一途。如果要維修水下的線路與站體，就需要利用特殊船隻與儀器協助，例如透過 無人水下載具 (remotely operated vehicle, ROV) 進行攝影巡視，查看海纜觀測系統的情況，排除可能威脅，降低海纜故障風險。而海纜與漁業活動如何和平共存，還需要更多的溝通與互信體諒。第 1、2 期海纜系統建置完成後，氣 象局均彙整海纜路由點位資訊，請海軍大氣海洋局協助進行長期航船布告。而第 3 期海纜系統擴建，也 在作業開始前拜會相關漁會進行說明，並請漁會協助向漁民宣導，以降低施工風險。作業期間，於每航次亦將事先備妥舖設作業區域圖、作業期程、作業船舶及人員名冊等資訊，請內政部、行政院農業委員會漁業署和相關漁會等機關單位協助宣導與溝通；另備妥舖設作業區域圖請海軍大氣海洋局協助發布航船布告，提醒航行作業船隻注意避讓。以上作為，皆是為了盡可能減少對漁業活動影響的措施。現今，氣象局海纜觀測系統已納入實際地震海嘯監測作業，2017 年 10 月 18 日至 2018 年 10 月 17 日這 1 年間，就在宜花海域監測 73 個芮氏規模 3 以上的地震事件。如果把海纜系統的監測結果納入強震即時警報自動定位的案例進行分析，發現這 3 座海底即時觀測站平均可提升地震定位準確度約 8.8%, 相當於水平與深度綜合定位誤差由 12.5 降低至 11.4 公里。另外，也能增加預警時效約 7.8%, 相當於預警報告 產製時間由 20.5 秒降低至 18.9 秒。 由於氣象局在發布強震即時警報或海嘯警報時，皆須依據震央位置與 地震規模推估各地的 S 波到時與預 估震度大小，因此提升震源參數的準確性後，可以增加警報的可靠性。臺灣四周環海，不僅地震與海嘯的防災作業非常重要，其他海域資源有關民生經濟的發展，亦需仰賴前瞻性的探勘研究與水下技術，因此需要海洋領域人才的培育與經費的投入。以海纜觀測系統建置為例，相關專業知識與技術門檻實屬困難，目前臺灣水下技術尚在起步發展階段，專業人才仍屬不足，短期內須仰賴國外專業廠商協助，所幸已有國家級海洋研究機構與部分民間業者投入人力物資開發研究，期待將來能累積更多實務經驗，厚植海洋科技發展。而氣象局仍將持續推動與建置地震海嘯海纜觀測系統，結合強震即時警報系統，發揮地震測報與災防預警效能。 |
氣候變遷下,如何聰明的與水共生? | 氣候變遷是個讓現代人感受深刻的議題，許多人都為此感到憂心。臺灣大學生物環境系統工程學系童慶斌教授則根據研究表示，我們所面對的是過去不曾見過的現象，很難從經驗中去找答案。然而，只要善用科學知識並具分析與整合的能力，說不定可從中找到發展的新契機，甚至開拓新的產業、聰明生活。今 (2018) 年 3 月 24 日，童慶斌在高雄科工館舉辦的「健 康科學大師在科工講座」跟聽眾分享「在氣候變遷的影響下，我們如何聰明的用水生活」。演講一開始他針對題目「用水生活」一詞更正，覺得或許用「與水生活」會更好，其中深意請讀者慢慢閱讀體會。臺灣山多且高，河川短急，降水後很快便流到海洋，雖然這在多人眼中是缺點，但從另外一個角度來思考，萬一淹水時就可以快速地排水恢復。在水資源供給上的缺點卻變成在淹水議題的一個優點，這是臺灣地形一個很有特色的地方。臺灣的天氣是雨季 (5~10 月) 與乾季 (11~4 月) 明顯，尤其南部地區一年約 2500 公釐的降雨量有 90% 是集中 在雨季，乾季僅有 10%。因此正常來講，4 月會是臺灣最缺水的時刻。如果 5、6 月適逢乾梅，7、8 月又少颱 風，那就會有更嚴重的缺水問題，因此在水資源管理上會是個考驗，因為大量的雨水很快就流掉了，能收集的很有限。而在全球暖化的影響下，極端旱澇交互出現，這些極端的氣候事件規模越來越大、頻率越來越高，的確增加了風險管理的難度。猶記得 2009 年莫拉克颱風來前原本預計會對北部帶來較 大的風雨，南部則希望能給極度乾渴的水庫帶點水，原 本 8 月 7 日水利單位還召開抗旱會議，沒料到 8 月 8 日 南部受到旺盛西南氣流影響帶來大量的雨水，留下許多歷史紀錄。想看看一個水庫管理者，從極度乾涸的低水位，看到幾個小時內水庫水位不斷上升，他怎麼知道未來流入的水量是水庫可以容受，還是要即早洩洪？2001 年的納莉颱風曾在 9 月 17 日造成臺北大淹水，當 初捷運的擋水閘門以百年回歸頻率洪峰的規模設計，沒想到輕易被超越，大量泥水進入包括臺北火車站的捷運地下空間，雖讓許多機具受損，但也及時成為蓄水池使得地表 淹水不至於更嚴重。臺北捷運當時有 10 多個站體空間都 淹水，但經過 3 個月的搶修，最後在該年 12 月 15 日全線恢復通車，這樣的復原速度相當快。童慶斌強調，世界上很少有地區像臺灣一樣雨量那麼大、那麼集中，臺灣的都市防洪設計標準是每個小時排水量大約 70 公釐，不過近年來的降雨常常超過此數字，自然會淹水。不過，國外有些區域時雨量 20 公釐就開始淹水，所以臺灣現有的排水設施絕對比多數地方還好，雖然在面對越來越多的短時大量降水，現有設施還是稍嫌不足。因此，應思考還能如何進行輔助，而非全然否定掉現有的方式，否則將會越改越糟。童慶斌建議，不要光靠一個中央集中方式來處理，例如可以讓建築物在降水時都可吸收儲存部份的水量。納莉風災時的水淹捷運站雖是個諷刺，代價太昂貴，但也的確可考慮建造人工溼地、蓄水池等方式，這些積少成多的做法，多少可以緩衝大雨來時的傷害。然而，實際執行會遭遇許多困難，例如若利用建築短暫的滯留降雨，就牽涉到建築法規的修改，故需要跨層級、跨領域、跨部會的溝通，這在現行體制下很不容易完成。童慶斌還建議大家心態上不要奢求大雨時完全不淹水，要達到這樣的成本太大；反之該抱持著如果雨量太大太急就能接受淹水事件，但要有良好的預警系統保護人命安全，而災後也可快速復原。善用知識與資訊，防災更聰明這些應變策略不該只是憑著個人經驗來思考，童慶斌建議要參考現在各部門既有的各項資料，然後根據「政府間氣候變化專門委員會 (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)」對氣候變遷風險的架構考慮三個面向作系統性的分析：一是危害 (hazard), 例如強降雨、乾旱等；二是脆弱度 (vulnerability) 用來表示我們所關心人事物的本身特質，例如在強降雨下是否容易淹水或坡地崩塌等；三是暴露 (exposure), 指的是在空間上的分布，也就是所關心的人事物是否會於該處出現。藉由指標分析與空間分布，可呈現氣候變遷下的熱點區域及各地區可能遭受特定災害的風險程度。藉由風險圖的等級區分及展示，了解風險區位相對分布，即可提供政府單位決策者參考。在童慶斌的分析架構當中，這不光是政府的事情，也要邀請利害關係人 (包括決策者、科學家、民眾等) 針對關鍵議題來討論，公私協力一起製作出危害地圖與風險地圖，進一步擬定策略。目前政府各單位已經建置許多資訊雲，但如何讓這些既有的「雲」凝結成「雨」降落下來，使其功用發揮，則似乎仍有段距離。或許從政府角度來說要思考該如何做不容易，但可以考慮放手讓資訊公開透明且正確，鼓勵有興趣的軟體開發者想辦法去開發相關的資訊服務應用，這說不定是最容易水到渠成的事情。而這些應用也不光用在防災，也可讓我們擁有更好的生活。例如你想去哪邊旅遊後，帶點名產回家烹煮，有個 APP 參考當地氣象、農產菜價之後，能提供一些建議。這些訊息的整合，可以讓我們更積極地迎向知天、順天、樂天的生活。然而，也有人會擔心有些資訊公開後會有重大影響，譬如知道哪些地段常淹水，說不定水災風險高的地方房價低靡，造成現行屋主抱怨。不過換個角度來看，過去汐止常淹水，房價曾經低靡許久，但後來政府意識到淹水嚴重性，推動員山子分洪道工程，2005 年完工之後多次啟用分洪，汐止淹水的問題就徹底解決，房價也水漲船高。因此，不須過度擔心資訊公開後短暫的衝擊，而該放長時間去看這樣才有助於讓大家正視問題，一起尋求解法。IPCC 氣候變遷風險。(IPCC 第五次評估報告) 結語童慶斌不斷提醒大家，臺灣特殊的環境讓我們所面臨的危機比其他地區還大，而國人在其中應變調適很快，恢復能力很強，因此在國際上跟別人分享臺灣經驗是很有價值的。未來就看國人在順應自然的時候，能不能掌握知識並用更富有創意的眼光去設想未來情景，結合臺灣產業在軟體、製造業的專長，譬如說設想水下生活、城市梯田等方式，用系統的方法與知識服務來支援發展調適路徑，以達成有品質的永續未來。最後，科工館在 5 月 26 日也邀請中央研究院環境變遷中心王寶貫研究員前來演講「氣候變遷、能源與健康」, 歡迎有興趣的讀者前去聽講。 |
近期臺灣西南部會有大地震嗎?從斷層錯動與潛移談起 | 臺灣西南部即將迎來重大災害性地震嗎？有個說法，認為地震有所謂的「能量釋放」, 那麼 2010 年甲仙地震與 2016 年美濃地震是否已經釋放一部分能量，讓大地震發生時間可以延後，甚至是已經全釋放了？之所以會有上述問題產生，是因為臺灣西南部發生過數起災害性歷史地震。讀者耳熟能詳的事件可能包含 1906 年的梅山地震、1946 年的新化地震、1964 年的白河地震或 1998 年的瑞里地震 (圖一)。從統計學的角度來看，似乎臺灣西南部每隔約 20~30 年就會發生一次重大地震事件 (圖二); 換言之，這幾年間似乎是臺灣西南部發生重大災害性地震的高危險期！如果從地震發生機制來看，地震的發生幾乎都和斷層錯動有關。由於斷層的錯動，導致累積在斷層上的能量以地震波的形式傳遞出去，才產生了威脅人身安全的地震。雖然目前人們還無法精確掌握斷層錯動的時間，以此進行地震預測，但可以尋找有可能產生地震的活動斷層 (又稱發震斷層) 為目標。因此，確認活動斷層錯動的可能性，成為人們評估某一地區地震發生機率的重要工作。那麼，要如何得知這條斷層會發生地震？首先，必須先從已知的地震歷史中觀察，知曉臺灣西南部發生過數次災害性地震，代表此區域有很多條發震斷層，並且也能暗示和幫助人們該往哪個方向去尋找發震斷層。此外，少數如 1792 年的嘉義地震和 1906 年的梅山地震由於發生位置非常接近，甚至連地震規模也近乎一致，若斷層釋放能量前的累積狀況類似，那麼這兩個地震則可能是在同一條斷層上重複發生。所以，將這些活動斷層的位置找出來，就能協助探討地震潛勢。那麼，近 10 年來的大地震和過去的災害地震是否相關？回顧過去重大歷史地震的位置，可以注意到一個地震空間分布特性：以新化 - 左鎮一線為界，在 2010 年的甲仙地震之前，主要的災害性地震幾乎都發生在此線以北的地方；直到 2010 年，才有甲仙地震與 2016 年的美濃地震在新化 - 左鎮一線以南造成嚴重的地震災害 (圖三)。換言之，2010 年的甲仙地震與 2016 年的美濃地震，和過去的災害性地震應該是屬於不同的「發震斷層系統」。不僅如此，根據野外地質調查、鑽井、槽溝開挖、地形特徵判釋、地震觀測、地球物理探測和大地測量監測等活動斷層調查成果，也分析出類似於上述的判斷。為了解地震發生機率，除了運用前述地質與地球物理方法找尋斷層位置，還需要知道現今「斷層的能量累積速率」, 才能計算斷層活動潛勢。利用大地測量手段獲得地表變形速率，則是其中一個評估斷層上能量累積速率的方式。一般而言，地表變形速率快，斷層累積能量的速率和斷層長期滑移的速率也會較快。根據目前的數據指出，除了東部縱谷地區之外，西南部是臺灣西側地表變形速率最快的區域，活動斷層能量累積速率也最高。此外，在臺灣地震模型組織 (Taiwan Earthquake Model, TEM) 即將發表的 TEM 2019 地震潛勢評估中，顯示西南部幾乎是全臺地震危害潛勢最高且範圍最大的區域。這也說明 2010 年的甲仙地震與 2016 年的美濃地震對於西南部地震能量的釋放，其實並沒有特別的幫助。然而，這就是最終的地震潛勢分析結果嗎？斷層活動研究與地震潛勢分析的工作中，有一個很重要的假設，那就是斷層的錯動會對應地震的發生。這一個假設，對於世界上絕大多數的地區而言都適用，但是，此假設是否也適用於臺灣西南部會提出這樣的疑問，首先，是因臺灣西南部有非常厚的泥岩層，例如有名的月世界地形 (惡地地形) 就和厚層泥岩的發育有關。值得一提的是，臺灣東部縱谷也有一個月世界地形，雖然其地形發育和臺灣西南部有些差異，但大體上都與泥岩或泥質基質有關，而其中的池上斷層就具有「斷層潛移」特性。所謂的斷層潛移，是指斷層在平時會透過不斷地緩慢錯動，在不產生地震的情況下釋放能量。潛移量升高時，此斷層的地震發生機率也會不斷地降低。巧合的是，如此的斷層活動行為也會產生很高的地表變形速率。也就是說，泥岩區中的高地表變形速率可能和高斷層能量累積速率無關；相反地，此結果可能和活動斷層的潛移行為有關，簡而言之，即臺灣西南部的地震潛勢可能沒有人們所想像的高！此外，過去臺灣西南部的構造發育被認為是脫逸構造 (tectonic escape) 在主導，簡單來說，就是高地表變形速率都和活動斷層的運動有關。但是，厚層泥岩的存在，至少還可能會發育出 2 種重要的構造型態，即活動背斜與泥貫入體 (圖四)。活動背斜指的是仍在發育中的背斜地層結構，同樣會造成高地表變形速率，然而也同時釋放其所承受的板塊擠壓能量。或許讀者不知道什麼是泥貫入體，但一定聽過泥火山。如果將泥貫入體與泥火山對應常見的火山活動，其就像是一個地底的大型岩漿庫，而泥火山就是地表的火山。再用擠牙膏來比喻，泥貫入體就是那一條正在被擠壓的牙膏，泥火山就像是牙膏口被擠出來的牙膏。在過去的想像中，泥貫入體的活動只存在於海域，陸地上的泥貫入體被認為不再活動。但是，成功大學測量及空間資訊學系與中正大學地球與環境科學系近期的合作研究成果指出，國道三號的南二高中寮隧道與 2016 年的美濃地震地殼變形特性，都極有可能和陸域泥貫入體的現今活動有關，並透過和既有活動斷層發生交互作用來主導臺灣西南部的地表變形型態。不僅如此，泥貫入體的活動同樣也會造成高地表變形速率，並釋放掉部分擠壓能量。儘管科學家進行眾多預測與分析，不過地震發生的背後，仍有許多大大小小的變因，牽動著每次地震的規模和型態。而泥岩層究竟在臺灣西南部的地震中扮演什麼樣的角色，仍需要地震學者更深入研究和評估，才能讓人們對西南部地底下的斷層有更詳細的了解。雖然在厚層泥岩的影響下，臺灣西南部實際上的地震潛勢可能需要重新檢視，但是目前學界仍在研究該如何估算被釋放的能量，因此，地震風險的評估，仍建議以現有地震潛勢的計算值來進行防震規劃。除了現今常見的防震準備與對防震教育的落實，如何改善地震保險機制，應該是另一件需要大家重視的焦點。就如同常見的意外險、醫療險或火災險，透過地震險的規劃，可以分散坐落在地震發生高風險區中建物的損害風險。然而，現有地震保險的計算方式，並沒有考慮到各地不同的地震風險，同時也普遍不被民眾所重視，是現階段需立即改善的地方。傷人的往往不是地震，而是倒塌的建築物，而是否會倒塌，主要和地震造成的地動強度有關。然而，根據 2016 年的美濃地震及歷史地震 所造成的災害型態都指出，過去臺灣西南部地震的地動強度可能都被低估。此外，不論是當年的甲仙地震、美濃地震、新化地震，還是更早梅山地震，都指出臺灣西南部在遭遇重大地震時會伴隨土壤液化，如 2016 年的美濃地震，造成的傾倒或受破壞的數棟大樓，皆是直接和土壤液化有關。儘管在中央地質調查所的努力下，全臺土壤液化潛勢圖已經公告，但其精確度仍需靠各界後續的研究工作來驗證與精進；而土讓液化所造成的危害，更需要被各界關注，不僅如此，在建物的設計上也需要審慎考量。最後，如本文前面所提及的，斷層潛移是臺灣西南部一個重要的地殼變形特性，雖然斷層潛移並不會對於遠離斷層的人員與建物造成任何損壞，但是，對於坐落在潛移斷層上的建物，卻會在平時持續性地受到斷層錯動而造成破壞，例如位於池上的大坡國小、玉里的玉里大橋與國道三號南二高的中寮隧道。因此，確認重要公共設施、重要工廠廠房或住家並沒有坐落在潛移斷層上，也是臺灣西南部面對地震與斷層相關災害時需考慮的重點。感謝中正大學地球與環境科學系温怡瑛教授、李元希教授與中央地質調查所陳松春博士提供本文相關專業資訊。延伸閱讀 1. Ching, K.-E. et al., Rapid deformation rates due to development of diapiric anticline in southwestern Taiwan from geodetic observations, Tectonophysics, Vol. 692: 241-251, 2016.2. 洪怡貞，〈利用 2002~2015 年大地測量資料探討臺灣西南部現今構造之運動特性〉, 成功大學，2017 年。3. 楊名等人，〈廣域大地變位之利用 GPS 監測分析 與解算─以國道 3 號田寮 3 號高架橋及中寮隧道 大地變位監測為例〉,《中華技術》, 第 119 期，122~135 頁，2018 年。 |
為什麼會感覺比震央晃?臺北盆地的場址效應 | 場址效應，是一種影響地震震度的因素。地震發生時，當震源的地震波傳到地表時，會因著地表表面地下介質的軟硬程度而影響震度大小。據筆者所知，最早記載有關場址效應的文獻是在距今超過 100 年前，由有現代地震學之父之稱的米爾恩 (John Milne) 於 1898 年所出版的《地震學》(Seismology) 一書，書中提到:「不難找到兩個相距不到 300 公尺的地震測站，但它們的水平向振幅差異卻可以達到 5 倍，甚至 10 倍。」由此可知，早在 19 世紀地震學家就藉由地震觀測，發現震度可能也會因地而異，而且落差可能相差很大！而造成極大落差背後的原因，就是地質條件差異，也就是所謂的場址效應。在地震發生後，一開始的地震波會在堅硬岩盤中傳播，但地震波從岩盤進入近地表的鬆軟土層時，會因為地層性質轉變發生一件生活在地表的人們覺得不太好的事，那就是：1. 地震波振幅加大，代表會搖得更大。2. 地震動延時加長，代表會搖得更久。所以，可想而知，放大後的地震波會更容易造成建築物的損壞、倒塌而加重地震災害，因此場址效應的相關研究在地震工程領域相當受到重視。筆者利用圖一來介紹場址效應，使用簡單的繩波實驗說明鬆軟地層對震波放大的現象，可讓一般民眾了解場址效應的現象。在臺灣，臺北盆地正好具備所有場址效應會發生的要點，堅硬的岩盤 (第三紀基盤) 和鬆軟的土層 (松山層), 而其西深東淺盆地外型，不僅造成不同週期的震波放大，也讓地震波進入盆地時更容易聚焦，進而產生共振及延長震動的持續時間，也因而讓臺北盆地內的民眾在地震發生時更加「有感」。臺北盆地在近代曾受過數次強震的影響，皆是由於盆地內的場址效應造成震波放大，而使災損更加嚴重，例如 1986 年芮氏規模 6.8 的花蓮外海地震，震央距離臺北盆地約 110 公里，仍造成臺北盆地內多處建築物倒塌或嚴重損壞；1999 年芮式規模 7.3 的集集地震，雖然發生在臺灣中部，卻在臺北盆地造成相當嚴重的災情，包括松山賓館和新莊博士的家兩棟高樓的倒塌，更有多棟建物嚴重損毀。圖一：以繩波在粗細不同的繩子間傳遞時的振幅變化來說明鬆軟地層對震波放大的現象。(國家地震工程研究中心《安全耐震的家，認識地震工程》科普書籍網頁版) 至於科學上如何量化場址效應，這時就不得不簡介一下「反應譜」。為了瞭解地震波對建築結構造成的影響，結構工程師發明加速度反應譜，橫軸為週期，縱軸為加速度，代表某地震波作用於建築結構時，不同週期地震力的最大加速度值。由於不同週期震波有各自的最大加速度值，分別計算後可繪製成加速度反應譜，故常在工程上作為地震力評估的依據。 而設計反應譜則是數筆強震記錄加速度反應譜所計算出的平均結果，加上專家適當調整後所制定出的人造反應譜，用來代表各地區可能受到的各週期地震動強度，可作為建築物建造時的耐震性能設計依據。因此，當在加速度反應譜上看到某週期的加速度值越高，代表其地震力越大，若超過設計反應譜則代表建築物會有損壞的可能。 以集集地震為例，位於臺北盆地內的民生國小強震站 (TAP014) 和臺北盆地外的指南宮強震站 (TAP067, 圖二) 的加速度震波比較，位於盆地內的民生國小測站，處鬆軟土層上，其最大加速度 (PGA) 值為 107 加爾 (gal), 而位於盆地外的指南宮測站，處堅硬岩盤上，其最大加速度值卻僅有 36 加爾，兩測站與車籠埔斷層的距離差異不大，但其加速度振幅卻差了近 3 倍。這也代表臺北盆地對不同週期震波會有不同的放大倍率，因此在臺北盆地內被大幅放大的震波，週期約 1 秒左右，更容易造成災損。 圖二：集集地震時，臺北盆地內的民生國小與指南宮測站的地震動加速度歷時 (右上), 右下圖為地形示意圖，非實際比例。(作者提供) 再來看另外一個例子：2002 年 3 月 31 日芮式規模 6.8 的花蓮外海地震，也造成當時施工中的台北 101 大樓頂樓的起重機吊臂掉落及多棟建築物受損，臺北的災情也較花蓮嚴重。墨西哥城的盆地效應 除了臺北，國外有無類似臺北盆地場址效應的案例呢？不止有，還發生過慘重的災情。墨西哥的首都墨西哥城，就位於盆地之中，而腳下鬆軟的湖泊沉積物就覆蓋在堅硬的岩盤上。1985 年，墨西哥近海發生震矩規模 8.0 的隱沒帶強震，距離震央 400 公里的墨西哥市，因其地質條件也產生強烈的場址放大效應而造成墨西哥市嚴重災損。如圖三中所示，位於盆地內的 SCT 測站，最大加速度為 170 加爾，而位於盆地外圍的 UNAM 測站的最大加速度僅 35 加爾，兩者差異將近 5 倍。由於 1985 年所發生的經驗，墨西哥政府早在 90 年代就開始推動地震預警 (Earthquake Early Warning) 系統，如臺灣目前強震即時警報的設置。因為地理位置的因素，墨西哥大規模地震都是發生在南部沿海一帶，儘管距離墨西哥市大約都有 300 公里以上的距離，但由於墨西哥盆地強烈的場址效應，本應當隨著距離而衰減的地震波在到達墨西哥市後又被放大。不過，數百公里的距離仍提供地震預警系統相當足夠的時間可以對墨西哥市民眾發布警報，以降低危害。話題回到臺北盆地，座落在地上的建物是否要將特殊地質條件所造成的場址效應列入考慮因素？當然需要啊！因此，臺灣的《建築物耐震設計規範》於 2005 年改版後已在 臺北盆地加入微分區的概念，並於 2009 年對其分區進行調整，即對盆地內不同的區域，依其地質條件及實測資料的強震特性，特別考量場址放大效應和長週期震波效應，並為各分區制定適當的設計反應譜。現行規範中，為因應盆地內不同的沖積層厚度造成的強震反應，而將其分為臺北一區、二區及三區，並分別制定不同的建築物設計反應譜 (圖四), 所考量的地震波週期由長到短依序為一區、二區和三區，也正好反應由深到淺的沖積層厚度變化。而此根據臺北盆地實測資料而制定的微分區規範，考量到位於盆地內的建築物會受到的震波放大效應和較長週期的震動，可確保符合此規範的建築物可以承受場址放大作用後的地震力。圖四：現行耐震設計規範的臺北盆地微分區圖。(耐震設計規範) 人類為生活便利逐水而居，而肥沃的沖積土壤更是孕育農作物的良田所在，因此，發展出許多位於沖積平原或盆地的大都市。但是，當地震發生時，這些位於軟弱土層的城市則必須承受更強的地震作用力。類似的例子履見不鮮，除了上述的臺北盆地和墨西哥市外，還有像美國加州的舊金山、洛杉磯及日本的東京、大阪等，都是位於鬆軟土層上而人口稠密的大都市。那要如何改善？砍掉重練、遷移居住在其上的人們嗎？目前世界上還未有能這麼實施的例子。但隨著科技的進步，先進國家會制定出合宜的耐震規範，只要按照規範施工，都能確保地震時建築物不會完全倒塌而保有生存空間。近年來，國內所發展的地震預警技術也越來越成熟，可爭取強震到達前數秒時間讓民眾就安全位置躲避。然而，臺北盆地內為數眾多的老舊建築，因年代已久且耐震力較弱，需要適當的補強或重建才能提高建物耐震力，以確保居住的安全。 |
處理學術造假的新思維 | 2016 年底在著名的「出版後同儕審閱 (post-publication peer review)」網站 PubPeer, 陸續出現 60 餘篇內容 有造假嫌疑的臺灣學者之論文於其上。2017 年 3 月 30 日臺灣教育部與科技部的調查結果共認定郭明良、張正 琪、蘇振良等人的研究團隊於 2004~2016 年 13 年間，共有 11 篇刊登在著名期刊上的論文造假。這些文章的 共同作者還包括有當時的臺大校長楊泮池、中研院院士洪明奇、臺大醫院副院長林明燦以及臺大醫院內多位擔任過高階行政職的醫師。沒想到事隔剛好一年，在 2018 年的 3 月 31 日，媒體揭 露了美國俄亥俄州立大學的調查報告，確認中研院生化所的前所長陳慶士特聘研究員，他在 2006~2014 年於美國 的任職的期間共有 8 篇論文造假。雖然陳慶士立即辭去 了中研院特聘研究員的工作，不過中研院仍然對外宣稱將調查此人於臺灣任職期間的研究成果是否也有問題。這兩起造假事件都重創了臺灣的學術信譽，讓其他眾多殷實工作的研究人員也蒙受群眾的異樣眼光。不過這樣 的論文造假事件，並非是臺灣的特殊狀況。在 2016 年 6 月美國微生物學會的電子期刊 mBio 出版的論文「生 物醫學論文中不當複製圖像的普遍性 (The Prevalence of Inappropriate Image Duplication in Biomedical Research Publications)」中，作者就檢視了 1995~2014 年間發表在幾本期刊上的 2 萬餘篇論文，發現平均有 3.8% 的文章出現了文內圖片與臺灣多篇論文一樣的造假情況。然而每當一件論文造假案被揭發時，一般社會大眾甚或是不少學術界的人士所關注的焦點，通常只是在造假之人有沒有受到相值的懲罰、被虛擲的研究經費能不能被追回、已刊出的論文是否有撤稿而已 (關於撤稿這點，臺灣的學術單位與官方則是毫不在意)。但是對於學術研究和以學術成果為基礎所發展的各式產業來說，如何降低或修補這些造假論文所帶來的傷害，也是需要處理的重點所在。就像是黑心食品被發現上架販售了，該處理的事情不僅只是將製造者法辦而已，食品如何迅速下架、已經吃下了這些黑心食品的大眾之健康是否有受到影響，則是更應該受到關注的兩個事項。但就學術界現在的運作實務來說，不管是調查發動程序的繁瑣與耗時、撤稿或警示問題論文的公告方式，以及問題論文所造成的損害之彌補與控管等，目前的做法均無法有效地抑遏造假論文的產生以及其危害的蔓延。首先，光是要如何發現哪些論文有造假嫌疑，就是個大問題。不管是期刊方面或是問題論文的任職單位，其調查的發動通常是非常被動的；雖然這些單位可以主動查察，但實務上大都是有人舉證告發了才會受理，因為這些單位不可能有足夠的人力與時間去進行大規模的查察作業。不過，現在我們可以利用資訊時代網路互聯的優勢來克服這些問題，例如，現在科學文獻的發行已經以電子期刊為主，特別是「開放取用 (open access, OA)」越來越盛行之後，電子期刊更將成為科學文獻來源的主流。因此，若能在每篇論文的網頁都仿造一些「開放取用」期刊的設計在文末附設討論區，甚至是更有效率的將諸如 PubPeer 這般專業的「出版後同儕審閱」之網頁內的相關內容也自動連結至該篇文章的討論區中，這樣期刊的編輯群就比較可能及時察覺問題論文之所在，而問題論文的讀者也可以從中得到即時的警示，自行判斷文獻的可信度。當問題論文浮現後，接下來的關鍵則是問題論文的調查能否更快速進行？近期在 PubPeer 所揭露有問題的文章，大部分均為圖表經過明顯的變造，包括切割圖像、剪貼翻轉、一圖兩用等，很容易就現有文章內容進行判斷是否造假。若這些粗糙的造假也要依以前之慣例請求作者任職的單位進行調查，那麼這些明顯造假的論文之確認時間將會被曠日廢時的行政程序拖延，徒增其危害蔓延的程度。若再碰到像臺大造假案如此複雜的情況，由於有造假嫌疑的論文作者牽涉到該校校長與其他高階主管，在處理程序上的爭議將更大、時間上也會拖延更久。所以關於此類手法粗糙的論文造假事實之認定，各期刊的編輯委員群是否有可能跳過原作者單位的調查程序，逕行裁定文章的真偽：若認定為可勘誤的無心之過則主動通知原作者；而認定為造假的文章則直接以撤稿處理？如果能以此方式處理，就可以讓有問題的論文盡快下架，降低造假論文對科研實務的衝擊，避免研究人員引用錯誤的參考資料。而那些屬於作者群與經費提供單位內部的責任歸屬以及懲處問題，則可在真假確定後再由作者的原任職單位依其所在國家的法律追究。當然，如果造假的情況是比較「細緻」的，需要到詳細調查實驗細節甚至得重複實驗的狀況，就還是得回到原有的調查程序為之。當問題論文的學術不端被確認之後，接下來一個更重要的課題則是：已被確認有問題的論文，要如何有效地廣泛週知科研社群？目前對於需勘誤或者是撤稿的文章，通常只有公告在該期刊本身的網頁以及紙本出版物。近年來，雖然有如 Retraction Watch 這類的網站出現，但基本上，都仍是屬於消極的被動作為，若是研究者不主動去這些網頁或期刊查看，就無法得知哪些論文以及其作者造過假、勘過誤。這些有問題的論文很可能還會一直的被引用作為研究計畫研提與撰寫新論文時的參考資料。因此，在網路技術發達的今天，各期刊出版社之間，是否能就已勘誤或撤稿的論文，建立起一個互相通報的系統，讓各期刊的編輯委員們，在審閱新投稿進來的論文時，對於投稿者的信譽 (reputation) 能有個客觀的參考依據，也對於新稿件中所引用的文獻之可信度，能夠更準確的判斷。此外，這些已勘誤或撤稿的論文，是否也能夠在公告的當下，同時將資訊主動傳給曾經引用這些問題文章為參考文獻的其他論文作者或是專利的發明者，讓他們能夠及時評估這些文獻對於其研究所造成的傷害程度並避免繼續誤用下去。隨著研究資源的日益緊縮但發表管道卻不斷增加之現實狀況，從事學術研究的工作者面臨了比以前更殘酷的發表壓力。因此可以預見的是未來學術不端的事情不會消失，而且會越來越嚴重。從最近臺灣所面臨的這兩場學術造假風波之經驗顯示，論文造假事件的處理已經到了必須尋找更迅速、更有效的方法才能對抗的時候了；這不只是臺灣的課題，也是全世界科研界的共同課題。 |
面對地震,人們準備好了嗎?在集集地震後的20年 | 上世紀後半災情最慘重的集集地震，給了臺灣地震學家一個沉重的功課。這 20 年來，筆者不敢說這份功課寫得好不好，但至少地震學家並沒有減少努力過，為的就是希望在下次大地震來臨前，能做好更萬全的準備。除了集集地震後針對車籠埔斷層、全臺活動斷層的研究各有成果外，在 2004 年更促成臺灣與美、日、德和義等多國共同參與的臺灣車籠埔斷層鑽探計畫 (Taiwan Chelungpu-faul tDrilling project, TCDP)。TCDP 計畫成功鑽探到集集地震的滑移帶，發現其厚度約為毫米等級，且含有非常細緻、奈米等級的黏土礦物斷層泥。此項鑽探結果也增進對地震能量分區的理解，更連結了地質及地震科學兩領域。 斷層泥的成因，主要是斷層在地震發生時，高速滑移而瞬間產生高溫、高壓的環境，使得斷層面上的岩石被剪碎，若裡面含有地下水的話，甚至還會產生化學變化。利用斷層泥的顆粒、泥層厚度的分析，可以推估斷層面上所釋放能量。這樣直接「看」到斷層面的研究方式在當時國際上也是少見的，而後 2008 年的汶川地震與 2011 年的東日本大地震也同樣採用此技術，以了解斷層面的摩擦係數。除了鑽井採樣之外，也有更一步的探測，例如雙井實驗，將其中一口鑽井注水、並在 40 公尺外的另外一井觀測地下水變化，來取得斷層帶的岩石孔隙度、透水程度等參數，進一步了解斷層面性質。而臺灣車籠埔斷層井下地震儀 (Taiwan Chelungpu Fault Drilling Project Borehole Seismometers Array, TCDPBHS) 計畫，則是直接將 7 台地震儀安裝在地下 950~1300 公尺深處，跨越斷層帶，以監測大地震後的斷層帶行為。在鑽井計畫和井下地震儀等計畫加持下，讓地震學家對於臺灣的地震又有更深的認識。首先，中央大學地球科學系教授馬國鳳的研究團隊發現一種只有 P 波、卻沒有 S 波的地震訊號。此特殊地震集中發生於斷層帶上，經過進一步驗證後，發現地底的水壓變化會誘發微地震。雖然地震規模不大，但這項研究是地下水變化會引發地震的直接證據，對於近來興起的頁岩氣和地熱井開發等使用水力壓裂技術的新能源發展，是一種從地震學角度的提醒。雖然人們無法預知下次大地震何時到來，但卻可以藉由深入研究已發生的大地震，讓地震科學向前進移，以增進知識、達到減少災害。1999 年的集集地震雖然是近 50 年來災情最慘重的地震，不過有許多關鍵的觀測與研究，是從更早之前就開始運作。1986 年的花蓮強震造成北部地區的中和華陽市場倒塌，遂使當代的地震學家與政府開始重視地震觀測與防災。於 1989 年成立中央氣象局地震測報中心，1993 年開始在各地架設強震儀，組成強地動觀測網。強震儀屬於加速度型地震儀，專門針對地表震度大的地震所設計，可以藉由量測加速度轉換成震度，提供防災參考，同時也能讓人們更了解大地震的地表振動行為。由於地震學前輩們的真知灼見，儘管集集地震災害嚴重，但也因為有當時世界上最密集的強地動觀測網與地震速報系統，在震後 2 分鐘之內就自動產出地震報告，相對於 1995 年之前，需要 30 分鐘才能得到可信的地震規模與震度，快速許多。而 900 多台強震儀的強地動資料，也提供極大量且完整的相關資訊，在當時世界各地強震網中也是相當罕見的紀錄。地震資料讓地震學家有機會仔細分析斷層錯動的模式，加上地表地質觀測的佐證，發現破裂的車籠埔斷層北段有高達約 12 公尺的斷層滑移量及長週期的大滑移速度值。南段雖無太大的滑移量，卻有高頻振動及較高的地震動加速度，這種大規模、高速的斷層運動行為也特別受到世界矚目。更多的地震知識與解析 地震動加速度與地震動速度，分別為地震波在經過時地表質點可以量測到的加速度值與速度值，兩者的意義與成因皆不同。在一地震中，通常同時具有長週期、短週期兩種地震波，會造成高地震動加速度的震波多為短週期震波，而長週期震波雖然通常不易產生高加速度值，卻容易產生高的地震動速度。過去，在地震工程中多半認為地振動加速度為致災主因，因此在震度的觀測方面多考量最大的地動加速度，加速度值越高，震度就越大。圖一：震波週期對於高樓建築的影響，左圖為短週期震波效果，右邊則是長週期效果。但從集集地震資料發現，除了地動加速度之外，地震斷層的滑移速度大時，會產生較長週期的震波。長週期震波即使加速度不大，但因為週期長、朝著同一方向的加速經歷時間跟著變長，進而導致擺動的速度更高。長週期震波對高樓大廈等大型建物的影響也更為顯著，通常在一瞬間就能達到很高的速度值，因此地震工程界又稱其為「長週期速度脈衝」。同時，對受災建築的分析，也發現地震破裂的複雜動力行為，故集集地震使地震學及地震工程領域深切了解斷層發生大規模滑移的物理機制及其災害特性。因而在耐震設計上，陸續也將「地動速度」與「振動週期」作為設計規範的考量。在 近 2 年氣象局更進一步推動調整震度分級，儘管仍在討論階段未正式公布，但也希望未來能跟上新的科學發現，更貼近防災需求。防災意識抬頭，學者與大眾對話 集集地震的隔年，政府頒布了《災害防救法》, 重大天然災害的防治開 始有法源依據。2003 年，成立防災 國家型科技計畫辦公室，而後轉型成國家災害防救科技中心，著力於科技研發、災害風險管理及防災意識的推廣。此外，據筆者觀察，近年來發生重大災害事件時，在新聞、談話節目及各種傳播媒體中開始有許多專家嘗試與民眾對話。相較於 20 年前集集地震發生時，政府與民眾的防災意識都提升許多。而在地震防災上，近年來最重要的兩面向分別是以災防告警系統發布強震即時警報及公告斷層、地震動與土壤液化等災害潛勢圖。災防告警，是人們今日能快速收到「地震預警」簡訊通知的最大關鍵。早在 2002 年，已經能達成在地震 發生後 22 秒產製初步地震資訊的功能，但直到通訊技術成熟、手機上能收到地震預警簡訊時，臺灣的地震預警成果才廣為人知。不過，在 這 20 年間許多產學合作已開始將地震預警技術推向應用層面，例如在科技園區或鐵路運輸上可以利用早期預警減少損失或災害；亦有業者將地震預警結合智慧家庭與自動系統，也期許未來有更多發展。結語 集集地震發生以來，地震科學的學術領域持續有突破性進展，在國際上亦有舉足輕重的地位。但地震科學的研究目的，除了對科學知識的渴望，也肩負防災減災的重責大任，因此如上述的風險管理、知識傳遞也應是地震防災的重要課題。筆者與馬國鳳教授成立「震識：那些你想知道的震事」網路地震科普平台，就是希望建立專家與民眾間的溝通橋樑、提升地震知識與防災素養，讓專業的研究能更貼近民眾，讓人們能與頻繁的地震和平共存。延伸閱讀 1. 馬國鳳、潘昌志，〈地震如何致災？科學家如 何知災？我們又該如何防災？〉,https://bit. ly/2YGGJ9k,2017 年 9 月 20 日。2. 馬國鳳，〈集集地震帶來的功課及學習〉,https://bit.ly/2KprLiF,2018 年 9 月 20 日。3. 臺灣地震損失評估系統:https://teles.ncree.org. tw/。 |
山脈不僅會吸收還會排放二氧化碳 | 科學家已經知道山脈侵蝕作用會暴露出新的岩石。新岩石內的礦物質會和空氣中的二氧化碳發生化學反應，吸收空氣中的二氧化碳，進而形成碳酸鹽礦物。 而一項新的研究表示，山脈的侵蝕作用 不僅會吸收大氣中的二氧化碳，同時也是二氧化碳的來源，且放出二氧化碳的速度遠比吸收速度快。這些二氧化碳釋放並不完全來自地質，而是由土壤中微生物排出，推測微生物吸收岩石中的碳，代謝排放出二氧化碳。研究人員研究地點為臺灣中央山脈，因著每年颱風侵襲特性，臺灣中央山脈成為全球侵 蝕速度最快的山脈。研究團隊蒐集基岩 (bedrock) 與河流沉積物，分析岩石中碳 的成分。伍茲霍爾海洋學研究所 (WHOI) 研究人員海明威 (Jordon Hemingway) 表示，在土壤底部的有機碳正在消失中，且在上面找微生物存在的證據，我們將與生物學家合作，更深入地進行研究。另外，研究團隊還表示，這樣尺度的二氧化碳排放，並不會對全球暖化形成直接的影響。Jordon D. Hemingway et al., Microbial oxidation of lithospheric organic carbon in rapidly eroding tropical mountain soils, Science, Vol. 360: 209-212, 2018. |
基因之上,演化之下從生物觀點雜談兩性 | 翻開 49 年前《科學月刊》第 9 期，一篇名為〈生兒育女〉的文章吸引筆者的興趣。華人世界中，對於生男、生女似乎有些根深蒂固的執念，弄璋弄瓦一事總是家族當中紛爭不合的來源。在古老年代中，雄性是主要勞動力的來源，也是國家總體戰力的基礎，所以重視男丁有其必然性。然而，這並不意味著雌性就是油麻菜籽命，只能嫁雞隨雞、專司生育。在社會變遷速度遠大於生物演化的今日，人類生活已有相當程度的改變，對於「能力」的標準也有很大的不同。女性細緻的思維、較為出色的語言及溝通能力，也許更能因應現今世界的需求。現代人生男生女是否仍需如此執著，其實值得深切思考。從生物學觀點來說，性別的存在主要是基於有性生殖的需要，有性生殖是生物因應環境變化中相當美妙而有效率的方式。老子曾於《道德經》上說:「天地不仁，以萬物為芻狗。」生物必須自立自強、迎接環境的試煉，種族也才能得以延續。亙古以來，生物「自立自強」的方式不外乎生出更多的子代，並使這些子代具有不同的特異性；這是一種博弈上分散風險的方法，透過多方押寶，提高子代因應變局下活存下來的機率。中華民族以龍的傳人自居，所謂龍生九子，各個不同。顯然，老祖宗們相當了解族群存續中最重要的生物學秘密。 從輪蟲 (rotifers, 圖一) 的生殖模式，可一窺最為古老的有性生殖策略。輪蟲是一種多細胞的浮游動物，也是水產養殖中的餌料生物。大多數的輪蟲種類可以同時兼行無性及有性兩種生殖型態：在資源充足的狀況下，無性生殖型態當道，靠著高效率複製同質性高的個體迅速搶占生存資源；在環境壓力的狀態下，為因應日趨惡劣的環境挑戰，則以有性生殖的方式產生變異性高的子代，進而分散族群滅亡的風險。雄蟲只有在有性生殖需求時才會被製造出現，相較於雌蟲，雄蟲體型相當小，功能也相當單一，只是個精蟲的提供者。 圖一：美國東北部一處池塘所採集的輪蟲樣本。 (By Matthew A. Robinson - Own work, CC BY-SA 4.0, Wikimedia) 生殖細胞大小，在生物學的概念上是定義公母的關鍵：所謂雄性，是指提供個體較小、具有泳動能力的生殖細胞，如精子；而雌性則是提供個體較大、不具泳動能力的生殖細胞。隨著演化，精子與卵在體型上的差異似乎有越來越大的趨勢，或許精子微型化是一種在增加受精成功率的同時降低生產成本的好方法。不過，有些生物的演化並非完全依照上述劇本發展，像二裂果蠅 (Drosophila bifurca) 就發展出長達 5.8 公分長的精子，足足為該果蠅體長的 20 倍。其實，果蠅精子本體原本就是精子界的巨無霸，本體長 0.187 公分，為人類精子的 300 倍長，而二裂果蠅更極端地演化出誇張的長尾巴。目前，人們仍不清楚為何會有這種現象，演化出這樣的精子到底有什麼樣的生殖優勢？不過可以預見的是，巨型精子的生產需要付出相當的代價；在尋常果蠅平均一生產出 1745 隻精子的狀態下，這種果蠅只能生產大約 221 隻的精子。......【更多內容請閱讀科學月刊第 597 期】 |
抵禦植物病蟲害的新技術 | 植物病蟲害不僅是損失農夫們辛苦耕種的 農作物，更可能影響全球的糧食安全。而 傳統上所使用的化學殺蟲劑雖然能有效抑制病蟲害的發生，不過卻有可能危害人體健康、影響生態環境。有鑑於此，科學家 正在尋求新技術來取代傳統農藥，由赫爾 辛基大學 (University of Helsinki) 與法國國家科學研究中心 (CNRS) 共同合作，開發出一種既能抵抗病蟲害又對環境友善 的 RNA 疫苗。研究人員表示此方法是藉由雙鏈 RNA 分子來抵抗病原體，疫苗透過與害蟲基因序列相同的 RNA 分子，誘發 RNA 干擾 (RNA interference, RNAi) 的反應，防止病原體分子的表達。如此一來，僅會針對植物病蟲害，而不會影響植物基因的表達。雖然目前在實驗室中已將此技術應用在受感染的植物上且證實其效用，然而，研究人員也表示由於疫苗現階段是透過化學合成製造出，此方法生產效率低且昂貴，未來若想是用這項新方法來保護農作物，其量產方法將會是一大挑戰。Annette Niehl et al., Synthetic biology approach for plant protection using dsRNA, Plant Biotechnology Journal, 2018. |
磁力線到規範場-從法拉第到狹義相對論談場論發展 | 19 世紀是電磁學研究的黃金年代。1820 年丹麥物理學家厄斯特 (Hans Christian Ørsted) 因發現載流導線周遭會產生磁場，導致附近磁針產生有別於地磁方向偏轉，暗示電與磁互有關聯，開啟後續一連串關於動電生磁的研究熱潮。1827 年，數學功底深厚的安培 (André-Marie Ampère) 出版專著，總結他對電磁學的研究成果，正式創造電動力學 (electrodynamics) 此門學問，將當時炙手可熱的電磁力研究與早已發展成熟的牛頓力學融為一爐，他因此被後人尊稱為電動力學的開創者。 與歐陸隔海相望的英國，有電學之父美名的法拉第對電磁學最大的貢獻莫過於 1831 年發現電磁感應定律，即俗稱的動磁生電現象。直到 1854 年為止，法拉第幾乎投注所有心力於電磁感應的實驗，然而因他的教育水平不高、專業數學能力過於薄弱，導致其撰寫出的論文幾乎不曾出現公式，取而代之的是對物理現象的直觀圖像詮釋，約莫在此時期他所提出的磁力線概念，不僅啟發後繼者馬克士威的研究思想，也深遠影響後世的物理學發展。 法拉第首創以磁力線說明電磁感應的產生原因：他透過實驗發現，只要導線切割磁力線或通過封閉線圈的磁力線數目發生變化 (圖ㄧ), 迴路便會產生感應電流 (induced current)。用磁力線機制解釋感應電流的生成，此概念本身雖然直觀，但當時學界卻普遍認為這只是一種便於思考的圖像工具，磁力線與電力線本身不代表真正的物理實體，甚至法拉第在發表初期亦抱持同樣的想法。圖一：產生感應電流的 2 種方式：(左) 拉動封閉線圈使其離開 (或進入) 均勻磁場區域，仍在磁場中的導線切割磁力線，產生感應電流；(右) 當磁鐵離開 (或進入) 螺線管，線圈內的磁力線數目發生變化，產生感應電流。然而，隨著對電磁現象的深入研究，法拉第的看法逐漸改變，他認為電力線與磁力線不只是幫助思考電磁作用的工具，更是某種真實存在的物理實體，為帶電體和磁體周遭空間都連續分布的「場」介質。電力和磁力正是透過場傳遞，而電力線和磁力線則是場結構變化的描繪，如同研究流體力學的科學家會用流線代表流體運動，無數多條分離流線融合在一起，形成連續流場。無奈法拉第的數學功底實在太過薄弱，無法將此抽象思維以高等數學的語言表述，所以普遍不被安培等擁護牛頓超距力學派的物理學家接受，但情況在馬克士威研究電磁學時出現翻轉。 馬克士威恰出生於法拉第發表電磁感應定律的 1831 年，足足比法拉第小 40 歲，卻是他的伯樂。1855 年，馬克士威發表論文《論法拉第力線》(On Faraday's Lines of Force), 在文中馬克士威展現以類比方式研究物理學。他給定法拉第力線明確的數學定義，將力線概念延伸為裝滿不可壓縮流體的力管，力管方向代表力場方向，而力管的截面積 A 與力管內的流體速度 v 成反比，再將流體速度比擬為電場或磁場，接著借用流體力學的數學框架，推導出一系列已知的靜電與靜磁現象。馬克士威電磁學研究的高峰，為發表於 1864 年的論文《電磁場的動力學理論》(A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field), 他在該篇文章中不再倚賴特定模型，而是整理出 20 條電磁場方程式 (經後人濃縮為 4 條), 同時明確宣示能量儲存於電磁場中，場是真實存在的物理實體，該論文等同宣告物理學理論揮別牛頓的超距作用，正式邁入場論的新時代，也在此篇論文中，馬克士威運用驚人的數學統整能力，推導出電磁波的波動方程式，並計算出電磁波速等於光速。1873 年，馬克士威將近 20 年來對電磁學的研究心得編纂成約千頁的專書《電磁通論》(A Treatise on Electricity and Magnetism), 以場論的數學語言統合解釋當時已知的電磁現象，視電荷與電流為空間中電場與磁場的來源，一旦得知場源分布，藉由馬克士威方程式就可計算出空間中的電磁場強度，而進入場空間的帶電粒子會感受到電磁場作用，場分布與作用力傳遞皆需要時間。1931 年，在馬克士威百年誕辰紀念上，愛因斯坦給予馬克士威高度評價，他盛讚馬克士威做出「自牛頓時代以來，最深刻、最富有成果的一場革命」。1982 年，在義大利西西里島的某次科學會議上，量子力學大師狄拉克 (Paul Dirac) 曾問楊振寧:「你認為什麼是愛因斯坦最重要的物理貢獻？」楊振寧答道:「廣義相對論。」而狄拉克顯然不滿意此答覆，他對楊振寧提到:「廣義相對論的確是很有特色的工作，但不及他在狹義相對論中引入的時空對稱性那麼重要。」楊振寧的回答其實是現今多數物理學家，尤其是理論物理學家公認的標準答案，調和相對性原理與馬克士威電磁學的狹義相對論固然重要，但重要性怎比得過耗費愛因斯坦 10 年光陰琢磨出來的廣義相對論呢？何況狄拉克也曾評論廣義相對論「很可能是所有科學發現中最偉大的」, 然而會後楊振寧稍加琢磨狄拉克的話語，便發現這位大師思想深邃的弦外之音，於是乎更加敬佩狄拉克對整體物理學發展的深刻見解。......【更多內容請閱讀科學月刊第 597 期】 |
具偵測地球磁場能力的鳥類 | 鳥類遷徙，是指鳥類會隨著季節的變化，往特定方向、進行有規律和長距離的飛行。而鳥類是如何辨別方向的呢？先前的研究發 現鳥類能透過磁覺 (magnetoreception), 偵測地球磁場，並定位自身的方向，爾後研究更發現鳥類此受器就藏在眼睛中。而近期，瑞典隆德大學 (Lund University) 研究團隊則找到鳥類利用地球磁場定位自身的關鍵蛋白。研究人員分析斑胸草雀 (zebra finches) 眼中各種不同蛋白質，發現 Cry4 蛋白與其他蛋白質不同，全天且在不同光照條件下蛋白量皆保持水平恆定。Cry4 蛋白屬隱花色素 (cryptochromes) 家族，是一類對藍光敏感 的黃素蛋白 (flavoprotein), 此類蛋白的功能主要是用來調節鳥類的生物時鐘和磁覺。研究人員表示在鳥類體內維持恆定的 Cry4 蛋白能幫助磁覺的發揮，而其餘的家族蛋白則會在一天中會有不同的變化，有助於體內生物時鐘的運行。研究團隊也表示其實不只是鳥類，許多物種都具有磁覺，未來也會持續更多的研究，以詳細地知道動物是如何與地球磁場相互作用。Atticus Pinzon-Rodriguez, Staffan Bensch and Rachel Muheim, Expression patterns of cryptochrome genes in avian retina suggest involvement of Cry4 in light-dependent magnetoreception, Journal of The Royal Society Interface, 2018. |
馴化陸生哺乳類動物 | 人類並非漫無秩序馴養自然物種，馴化陸生動物有 6 大關卡：需能適應人類提供的食物與環境、成長慢與生殖繁衍週期間隔拉長、陸生動物本能反應、不願在人工圈養環境下繁衍、人工圈養環境造成壓力動物易躁鬱。英國優生育種學家高爾頓 (Francis Galton) 就曾表示:「人類選擇馴化的動物，多具備強壯、具有親近人類的天性、安逸於人工圈養環境繁殖、能大量繁殖及容易照料等特徵。」幸運的是，多數可馴化的陸生動物都具有行為可塑性，使牠們適應人工圈養環境及廣範圍的非自然條件。另一方面，某些馴化陸生動物表型 (phenotype) 變異的幅度，有時也超過生物分類法中的屬甚至科的界線或定義。達爾文的演化理論，強烈影響 19 世紀歐洲的動物育種。馴化的研究多強調隔離馴化動物與野生同類及直接控制個體繁衍方面 (表一) 人類的角色為何，因此，一般認為馴化就必須創造完全與野生族群分開的族群。同時假設因瓶頸效應〔註一〕顯著地降低馴化物種基因的多樣性，每個特定地點的馴化物種只有一種或只發生一次。 高爾頓爵士為達爾文 (Charles Darwin) 的表弟，為英格蘭維多利亞時代文藝復興的優生學家與多才多藝的研究者，包含熱帶探險、地理學家、統計學家、心理學家和遺傳學家。一生中發表了超過 340 篇的報告和書籍，他在 1883 年率先使用優生學 (eugenics) 一詞，並主張人類的才能可透過遺傳延續。如何馴化陸生動物在馴化過程中，動物的改變主要涉及 5 個遺傳過程：近親繁殖、遺傳漂變、淘汰、反淘汰及管理控制。前兩者為自然不受控制的過程，源於創始群體過小，有時僅包含少數個體，並且在基因頻率產生隨機修改極端變動。 而淘汰與反淘汰則為管控的過程。淘汰是由圈養條件對族群的選擇所造成；反淘汰則是去除無法在人工飼養環境中繁殖的動物，選擇在人類提供的環境中能產生大量後代的物種，但不適合野外環境的動物個體。在沒有人為干預的情況下，馴養環境中的天擇強度取決於環境允許物種發育、物種典型的生物學特徵表達程度及被圈養物種的世代長度。由於物種對圈養適應力較低，因此在從野生到被圈養環境過渡後的第一代，天擇最為強烈。 反淘汰則包含降低天擇壓力。某些對圈養不重要，但對動物活存於野外環境卻非常重要的行為，如覓食、逃避捕食者及其他形態形質，在人工飼養中失去其適應意義 (adaptive significance)。因此，隨著馴化進行，這些性狀的遺傳和表型變異都可以變得更加可塑或易變 (variable)。最後為管理控制，因為物種的變化有方向性，又稱為主動選擇 (active selection)。人工選擇是馴化特有且唯一選擇性的機制，涉及人類的選擇來促成不同品種產生。而近親繁殖和遺傳漂變 (geneticdri) 則是兩個不受控制的遺傳機制，包括有限的族群數目與基因頻率的隨機 (randomness) 改變。人工圈養環境的天擇不能算是主動選育，而反淘汰算是由野生到人工圈養環境的過渡期，兩種為可控制的部分遺傳流程如圖一。圖一：馴化過程中，野生動物物種產生的演變，數字對應馴化等級。在馴化期間，野生動物將在遺傳和表型上產生改變進行演化，特別是當與野生同源物種的基因交換不再存在時。為了盡量減少野生動物產生變化，圈養動物應保持在前 3 個等級。一旦野生動物達到馴化等級 4, 通常被認為是已被馴化。返回野外的馴化動物稱為野化動物。野化和野生動物之間的差異，主要取決於野生動物被圈養經歷的時間，特別是沒有與野生同源物種交換基因的世代數。根據考古學、遺傳學和種族歷史的新發現，科學家推測早期馴化過程中，人類數千年來頻繁的交配圈養動物與野生動物。同區域的牛、綿羊、山羊、豬與野生同類，基因流動 (gene flow) 的現象存在很長的時間，後續圈養才與野生同類完全分離，並且因地而異。近代馴化的動物維持在圖一中 2、3 級相當長的時間，達到馴化等級 4 則屬近期。其中作為運輸使用的動物，如騾、馬及駱駝等尤其符合此假說。〔註一〕瓶頸效應 (bottleneck effect) 是指某個族群數量遭遇突然的災難，造成死亡或無法生育的群體數量急遽大量減少基因改變的事件。......【更多內容請閱讀科學月刊第 597 期】 |
日常語言是否能反映出人的自我發展? | 與個性有關的自我發展 (ego development), 似乎也與自然語言有所連結。蘭寧 (Kevin Lanning) 博士與佛羅里達大西洋大學研究 團隊日前於《 自然：人類行為》(Nature: Human Behaviour) 發布最新研究，其檢閱 25 年來所收集到、近 4 萬多份的華盛頓大學完成句子測驗 (WUSCT, 為一衡量自我 發展階段的指標) 短文樣本，亦使用語言查詢與字數統計 (LIWC), 根據語法構成和心理意義拆解樣本。研究表明，語言發展早期多與衝動與滿足有關，接著表達內容發展出如外表、適應性等議題，再來是最常見的自我懷疑和成為公眾焦點的成本問題，即人們對成就的 關注變得相對重要，而在較高階的發展中，抽象因素如特權，最終會導出更廣泛的人生目標。此外，較自我中心的語言 (如；我......) 在發展歷程裡的使用減少，而複雜性 (如：雖然......) 相對增加；與非正式和衝動 (如憤怒、性) 相關的 LIWC 資料常與自我水平 (ego level) 下降有關，而在發展後期贅言的比例亦有所增加。蘭寧表示，透過該研究將能更深入了解自我發展、與他人人格和個體的差異，以及其在形塑人、文本和文化背景中的效用。若自我發展能從日常的語言中進行評量，那麼從兒童故事、Twitter 到政治演講，都能為我們的道德、社會和認知發展狀態提供新的見解。Kevin Lanning et al., Personality development through natural language, Nature: Human Behaviour, 2018. |
在歐洲研究音樂與大腦-音樂家肌肉張力不全 | 前陣子響應了德國各地臺灣同學會主辦的「哲學星期五」知性討論系列，應邀做了場關於「鋼琴演奏的神經科學」演講。準備這場演講時，算是讓自己回顧了一番過去這些年來在音樂的神經科學領域裡的訓練，也是我第一次用中文講這個我熱愛的主題，可以說是點滴在心頭。我常常覺得會走上音樂的認知 (神經) 科學這條路的人，都是習慣於在許多不同領域間徜徉的。我所認識做這個領域研究的學者們，大都在求學過程中換了好幾次領域，從物理念到系統音樂學、從音樂演奏念到認知心理學、從資工念到神經科學，大有人在，而我自己也不例外。我從小就熱愛音樂，尤其是鋼琴演奏。但是除了因為熱愛而自己勤練鋼琴、持續地上私人鋼琴、大提琴以及樂理課以外，從來沒有進過音樂班接受系統化制式化的演奏訓練，只有透過國際考試獲得演奏文憑。我大學時就讀清華大學工業工程與工程管理學系，當時最有興趣的科目便是人因工程還有製造程序，畢業時夢想朝樂器製造以及樂器的心理音響學領域前進，便進了英國劍橋大學的工程系，開始在震動組念碩士，研究主題是小提琴的物理學以及心理音響學，論文則是關於小提琴顫音的心理音響學，以模擬的聲音探討不同程度的小提琴顫音，在不同的小提琴琴身所測量到的對於各個不同頻率的調變下，對於職業音樂家、業餘音樂家以及非音樂家的音樂聽覺上的影響。在劍橋的學生時光很愉快，但是就在做心理音響學研究的同時，我對大腦感到越來越有興趣。我個人的感覺是，心理音響學把大腦當作一個「黑盒子」、以「沒有腦」的方式研究大腦知覺。雖然心理物理學 (psychophysics) 絕對需要嚴謹的實驗設 計以及一定的分析功力，對我來說卻越來越把我推向認知神經科學「有腦」的方向，讓我希望能多認識大腦、直接研究大腦。於是我完成碩士後並沒有像一般念研究碩 士 (M. Phil) 的學生繼續就讀博士，而是 離開了劍橋，回臺灣屢行留學生獎學金返國義務後，再度前往英國，就讀屬於英國 倫敦大學系統的金史密斯學院 (Goldsmiths College), 全因為耳聞該學院在這年會成 立第一年開始招生、也是當時全歐洲唯一為音樂的神經科學量身打造的碩士課程。 我以利用神經反饋 (neurofeedback) 方 式訓練音樂創造力的論文，完成我的第二個碩士學位。在倫敦的這年，我終於開始接觸神經科學，也開始學習腦電圖 (electroencephalography, EEG)。 而就在 那段寫論文埋首於實驗室以及圖書館的期間，我讀到了一本關於音樂演奏以及運動 控制的書 (Music, Motor Control and the Brain), 在上網查了主要作者簡介後，因緣際會下開啟了我的研究生涯。這本書的作者之一是 Eckart Altenmüller 教授，是漢諾威音樂生理學晉音樂家醫學研究中心 (Institut für Musikphysiologie und Musikermedizin, IMMM) 的負責人，後來成為我一輩子亦師亦友、甚至更像家人的「博士爹 (德國人稱博士指導教授為 Doktorvater)」。Altenmüller 教授最近也開始擔任漢諾威音樂院的副院長，長久以來一向不遺餘力地在德國將音樂的神經科學「大眾化」, 更樂於教導音樂家關於音樂生理學或者神經科學的知識，常常奔走世界各地演講、診斷音樂家病人，在德國的神經科學以及音樂家圈子裡都很有 名。在看了 Altenmüller 教授以及漢諾威 IMMM 的介紹後，我發現該研究中心正好開了一個博士生的缺，從小很嚮往到歐陸做研究的我十分興奮，便馬上申請，在面試中也跟我的博士爹感覺「磁場很對」, 不久後就很幸運地搬到德國進行博士研究了。全球可以念認知神經科學的地方很多，可以做關於音樂的神經科學的地方也不少，但是漢諾威對於一個像我這樣熱愛鋼琴音樂的人來說，特別具吸引力。漢諾威音樂院的鋼琴部鼎鼎有名，那時的我樂於多認識漢諾威音樂院的音樂家們，除了以鋼琴家們當成我的實驗受試者，也常常去聽音樂院的學生演出、考試，也有機會跟漢諾威音樂院的鋼琴教授們上固定的私人課。雖然我的正式身份是個神經科學博士生，我在業餘鋼琴家的圈子比在英國時活躍很多。在劍橋時，我只有在我的學院辦獨奏會而已，頂多偶爾幫忙組織音樂會；但是人在漢諾威，比較容易在鋼琴演奏上進步，我便在博士期間常常參加業餘鋼琴比賽，也固定受邀於巴黎、慕尼黑、莫斯科等比較大的場地演出。......【更多內容請閱讀科學月刊第 574 期】 |
腸道與腦的直達車 | 訊息的內外有別人類的身體有覺察世界的「魔法」, 這些巧妙的功能，背後的機轉是什麼？首先，要從人體內接受訊息的細胞開始說起。依照訊息的來源，人體的感受器大致可分成「外受器細胞 (exteroceptor)」與「內受器細胞 (interoceptor)」兩大類 (圖一)。首先是感受體外環境的外受器細胞。感覺器官上有各種外受器密布器，用以偵測特定的外界訊號。拿到一塊巧克力蛋糕時，人們會先用眼睛來觀察巧克力蛋糕的裝飾，色澤與外觀；即使已食指大動，也會花不到兩分鐘的時間，用布滿口腔及鼻腔的化學外受器「品嚐」巧克力蛋糕的苦甜味及獨特香氣；至於蛋糕特別綿密的口感，則是透過密布在口腔上的觸覺受器來享受。 除了體表上的外受器，人體內也分布著各種不同的內受器細胞，以偵測來自身體內部的訊號、維持生理恆定。嚥下蛋糕後的數十小時內，身體會透過長達 9 公尺的消化道來「體驗」這塊蛋糕。當富含醣類及脂質的蛋糕進入腸胃道後，會刺激胃壁上的自主神經末梢，同時也抑制飢餓素 (ghrelin) 的分泌。接下來，這些食物會進入小腸，刺激腸道內壁細胞分泌許多種腸道激素，包括多胜肽 YY (polypeptide YY) 與膽囊收縮素 (cholecystokinin); 而這些腸胃道激素會活化胰臟以及腸道上的外分泌細胞，使其釋放消化酵素到消化道內，好讓蛋糕裡的營養素能夠被分解成為容易吸收的小分子，像是單醣、脂肪酸及胺基酸。最後，當這些小分子營養物質被吸收進入血液循環系統，會連同腸胃道激素一起作用於腦部的內受器神經元，產生吃甜食所帶來既心滿又飽足的愉悅。也就是說，有了這些不同的外受器細胞與內受器細胞彼此協調、分工合作，才讓人體豐富的感官如同交響樂團一般，激盪出肚子餓時滿是食慾的緊張前奏，與飯飽之際適時放下筷子刀叉的慢板收尾樂章。打開世界的大門：感覺受器細胞的基本結構這些感覺受器細胞與其他細胞有何不同？19 世紀時，德國著名解剖學家美克爾 (Friedrich S. Merkel) 藉由嚴密的觀察提出一個假設：感官系統是由神經元末梢及從上皮細胞特化而來的受器細胞所組成。 人類的神經系統中，神經元主要是透過電訊號來傳遞與整合訊號，但內受器細胞與外受器細胞能夠偵測的訊號源五花八門，族繁實難備載。例如眼睛上的內受器細胞能辨識光的波長與強度等物理性質；身體內有些內受器細胞如同敏感的生化監測儀，能區分不同的營養分子以及量測其濃度。就功能上說，這些不同的受器細胞有如翻譯機，能把外界的物理及化學資訊轉換成電訊號，讓人們「感覺」到外界發生的事物。但，它們是怎麼做到的呢？這些內外受器細胞如同神經元一樣，具有容易被興奮的細胞膜，當外界刺激到達一定強度時，受器細胞膜會被激發而產生動作電位。 ►動作電位是神經細胞間最常彼此溝通用的一種訊號，其能透過神經迴路向上傳遞，到達大腦的感覺皮層。長久以來，因為絕大多數的內受器細胞處於體內深處，這雲深不知處的神秘，讓內受器細胞即便身在人體這座「山」裡，人們也對它知之甚少。此外，相對於外受器，內受器所偵測的訊號比較幽微，解析度也相對模糊，舉例來說，人們可以輕易地確描述出過眼所見美女的嬌、貪吃狗的憨，但卻很難將飢腸轆轆的感覺，計時又稱量地解釋出來。大腦與腸道間，也能暗通款曲？目前已知，腸道上分布著數個獨立但彼此連結的神經系統，其中一套還是被暱稱作第二個腦的腸道神經叢。腸道神經叢密布於腸道壁的肌肉層間，而且不需中樞神經系統就能自主運作。腸道神經叢藉由消化道內的訊號，反射性地調節消化道的肌肉蠕動，形成腸道內皺褶，好促進物理性消化與養分吸收。然而，即便腸道神經叢能「自力自強」, 也還是得豎起一隻耳朵聽命於中樞神經系統。中樞神經系統仍能透過交感神經系統的腹腔神經節以及副交感神經系統的迷走神經來支配消化道。這兩套分別位於中樞與周邊的神經系統間彼此拮抗，藉由腸道肌肉的張力及消化腺體的活性，來維持消化系統的正常運作。......【更多內容請閱讀科學月刊第 597 期】 |
DNA奈米環 也能打造單輪車般的微型機器 | 日前波恩大學 (University of Bonn) 研究團隊於《自然奈米科技》(Nature Nanotech) 發布以奈米結構 (nanostructures) 建造的微型機器，長僅 30 奈米、畫面看起來就像兩個戒指扣在一起。波恩大學生命與醫學研究所教授法姆羅克 (Michael Famulok) 表示，該機器的主結構為 DNA 奈米環，兩環連結成鏈，其中 一個環的角色是「車輪」、另一個則為由 T7 RNA 聚合酶 (T7 RNA polymerase) 組成的「引擎」。聚合酶酶與引擎環以 DNA 序列為基礎合成 RNA 鏈，過程中釋放化學能促使 DNA 環進行旋轉，隨著輪體旋轉 RNA 聚合酶會不斷「織」出 RNA 鏈 (即引擎作用後的「廢料」)。組裝上，與一般認知的「機器」不同，微型機器並沒有焊槍或扳手等工具協助組裝，其必須自我組織 (self organization), 就像在活體細胞裡一樣，當相對應的組件準備好時，標的結構便自發產生。法姆羅克與團隊希望能盡快開發出更複雜的奈米引擎系統，望其能在以分子運動為基礎、執行邏輯操作的分子計算機 (molecular computers) 上得到應用，亦盼其能透過血液，將藥物傳送到需要 的地方。Julián Valero et al., A bio-hybrid DNA rotorstator nanoengine that moves along predefined tracks, Nature Nanotechnology, 2018. |
以章魚與蠕蟲為靈感的軟式機器人 | 今 (2018) 年 4 月 3 日於材料研究學會 (Materials Research Society) 春季會議上所介紹的自由攀爬機，有朝一日可在監督或檢查建築物時派上用場。該機器人外型像蠕蟲一般，受章魚吸盤構造啟發而製成的吸盤杯，能在垂直的表面上快速爬行。這隻以假亂真的蟲可在地面或海裡、粗糙或光滑的表面爬行，更驚人的是它可背負近自身 5 倍重的物品移動。在此之前亦有以堅硬材料打造、可攀爬的機器人，然而這些材料都過於笨重、價格不斐，也非常容易碎裂，反觀軟式機器人就比較沒有這些問題。這個長相十分「頭足類」的機器人是由矽橡膠製成的，並模擬蠕蟲進行移動。首先，它會將吸盤杯拆離牆面、伸直脊柱後再吸住牆面，其後將後頭的吸盤杯拔除、彎曲脊柱以向前拉動，不斷重複這些動作。費城天普大學 (Temple University in Philadelphia) 工程師湯義超 (Yichao Tang, 音譯) 表示，矽膠內腔室的空氣 進出可控制吸盤杯的吸附與抽離，加諸機 器人脊柱的彎曲與伸展動作進而產生爬行，目前科學家仍在進行改良，望能以更自由的方式來詮釋這個「人造蠕蟲」。Y. Tang and J. Yin., Design of switchable adhesion actuator for soft climbing robots, Materials Research Society meeting, 2018. |
科學寂靜 處於安靜環境對於人體的重要性 | 城市中充斥著各種聲音，包含車流聲、人群嘈雜聲等，人類的耳朵通常會選擇自己想要聽的聲音，而將車水馬龍與人群吵雜當作背景，好像噪音 並不存在；在休息時間時，也會戴上耳機聽聽音樂，生活中充滿了聲音。有些人認為聽音樂會讓人身心放鬆，不過在 2006 年一項關於聆聽音樂與寂靜對於人體的影響報告指出，安靜的環境較有音樂的環境更讓人體放鬆。研究人員研究 24 名受試者，其中 12 名為受過音樂訓練的音樂家，另外 12 名為未受過音樂訓練的學生，讓他們聽 6 種不同旋律、 節奏、和弦的音樂，但在音樂間穿插 2 分鐘的寂靜，發現到那寂靜的 2 分鐘，受試者的心跳、呼吸頻率等生理狀況明顯較趨緩，因此研究 人員在結論提到，安靜的聲音較音樂來的讓人放鬆。安靜也許是身體重新生長的要素之一。2013 年的研究，研究人員讓不同做的小鼠分別聽白噪音 (類似電風扇、吹風機運作時發出的聲音)、莫札特奏鳴曲、事先錄製狗的叫聲以及其中一組絕隔外界聲音，每天聽數小時。結果發現到在寂靜箱子中的小鼠，腦中負責學習與語言能力的海馬迴，長出新細胞的數量較多。躲不掉存在都市的聲音，有些人會使用耳塞來阻隔噪音，也有些人會使用耳罩。另外，「降噪耳機」也許是個選項，它看起來像是耳罩一般，但裡 頭藏有玄機其所使用的建築材料能阻擋某些高頻的聲音，而低頻的聲音，耳機外殼會感受外界聲音，內層再發出能抵銷噪音的波，利用破壞性干涉原理，抵消外界的噪音。偶爾讓自己在安靜的環境中，放鬆自己吧。延伸閱讀 1. L. Bernardi, C. Porta and P. Sleight, Cardiovascular, cerebrovascular, and respiratory changes induced by different types of music in musicians and non-musicians: the importance of silence, Heart, Vol. 92:445-452, 2006.2. Imke Kirste et al., Is silence golden? Effects of auditory stimuli and their absence on adult hippocampal neurogenesis, Brain Struct Funct, Vol. 220:1221-1228, 2013. |
科學省思 製藥產業的希波克拉底誓言 | 從古至今，人類無不為抗衰老、活得長久而努力。在東方，早至西元前約 250 年，秦始皇就為了尋求長生不老，派術士徐福渡海求神、找仙丹；而在西方也不乏許多不老神話與永生等傳說。 雖然從現代科學的角度而言，這些不過是無稽之談的故事，儘管如此，現今醫學對於藥物的研 究與開發，卻也近似如此，是以延長人類壽命為前提的目標追尋。研發藥物無非是為了治病，而製藥更是一項亙古的產業。過去，科學家主要開發以化合物為主的化學製藥，隨著醫療科技的進步，對於人體醫學研究越來越深入的同時，更是加速全球製藥產業的蓬勃發展，除了針對現有藥物的改良與修正外，新藥開發的範疇也不再只局 限在化學藥物上，更多的是生技製藥的研發。不僅如此，現今醫療更逐步發展出像是嵌合器 官 (chimaeric organs)、修飾缺陷基因的基因療法 (gene therapy) 或透過次世代定序 (next generation sequencing, NGS) 進行個人化檢測和相關生物標記診斷結果來找出最適化用藥的個人化醫療 (personalized medicine)。近年來，面對眾多不同類型的醫療方式排山倒海而來，美國食品藥品監督管理局 (U.S. Food and Drug Administration, FDA) 也在經過審慎評估後，嘗試向前邁進。今 (2018) 年 2 月，國際個人化醫學聯盟 (Personalized Medicine Coalition, PMC) 公布的「2017 年個體化醫療進展分析報告 (personalized Medicine at FDA: 2017 Progress Report)」中顯示個人化藥物批准的 數量與比例創下歷年來新高，所批准的 46 項新成分藥物中有 16 項為個人化藥物，去年更破天荒的首次進行 3 項基因療法的批准。這些嘗試與改變，在在顯示全球醫藥生技產業邁向醫療個人化與全面化的時代，也因此 在 2018 年的一開始，財經雜誌《Fast Company》在預測今年度最具創新力的前 50 大公司時，第 21 和 22 名分別為研發出 FDA 首例批准的基因療法、以治療兒童 B 細胞癌的諾華 (Novartis) 和提供基因檢測並預測藥物與病患體內 DNA 的交互作用、幫助病患評估找尋最適當藥物的 OneOme。而在排名前 350 大公司中，則有 10 多間醫療生技相關公司，包括開發出新型乳房檢測系統的 GE 醫療 (GE healthcare)、利用生物資訊系統和 AI 技術進行基因體學研究和血液、腫瘤解析的 Sophia Genetics 或是研發出多項神經退化性疾病藥物的百健 (Biogen) 等公司皆榜上有名。然而，就在全球藥廠致力為人類健康福祉追求的當下，製藥產業中卻也出現了哄抬藥價、詐欺、枉顧病患權益等不法行為，曾經傳奇一時、號稱只需要幾滴血就能進行各項檢測的血液檢測公 司 Theranos, 被發現公司所開發的血液檢測儀器「愛迪生 (Edison Machine)」檢測存在嚴重的數值偏差且不穩定，更在經營期間多項數據的檢測其實都是利用其他儀器進行檢測；2015 年 8 月，圖靈製藥 (Turing Pharmaceuticals) 壟斷了一種免疫力低下患者所使用的抗寄生蟲藥物 —— 達拉匹林 (Daraprim) 的市場，並在無任何改良或研發的情況下，將原本一片 13.5 美元的藥錠調漲到 750 美元，價格整整提高 56 倍。儘管在今 (2018) 年 3 月，任意哄抬 藥物價格藉此大發救命藥物財的圖靈製藥創辦人希克雷利 (Martin Shkreli) 因涉嫌詐欺罪名被判 7 年有期徒刑；Theranos 公司與其負責人福爾摩斯 (Elizabeth Holmes) 也遭美國政府指控欺騙投資者，最終判定需繳回從投 資者募來的 7 億美元與 50 萬美元的罰款，且 10 年內禁止在美國擔任高階管理職務，然而她卻不承認也不否認其 錯誤行為，已使患者招致傷害。這些負面例子為製藥業蒙上一片陰霾，不少製藥商除了公開表態譴責外，更表示這些事件將會逐步積累人們與投資者對生技製藥的不信任感，進而影響往後各項試驗背後龐大的資金來源。縱使大多數的製藥商強調創新性的生物醫療技術與生技製藥為人類帶來的各項優點，但這也不可諱言的點出現今製藥產業的問題，為數眾多的藥廠是以尋求利益最大化為優先，而不是患者。威朗製藥 (Valeant Pharmaceuticals, VRX) 前執行長皮爾遜 (Michael Pearson) 就曾公開批評現今的藥物的價格被過度 哄抬，利用提高價格迫使中盤商進 行大規模採購以達到銷售預期。長年投資生物技術相關產業的投資風險公司 Alta Partners, 其執行長摩爾 (Bob More) 也表示除藥物定價應透明化外，業界應相互監督以減少將利潤擺 在病患需求之前的公司，讓製藥產業擺脫只會提高藥物價格而不是價值的噱頭。他更表示為了提升製藥業業者的道德良知，不論是在學術界、產業界或金融界，應如同醫生行醫前進行希波克拉底誓言 (Hippocratic Oath) 的宣誓。因為，當投資者或病患對藥 物失去信心的代價將遠超過於這些短期利益。未來，製藥產業若想更加茁壯發展，在獲得更大利益之前，取得投資人與人們的信任則更顯重要。話雖如此，但不可否認製藥產業屬商業行為，是以利潤為前提所發展。不過，身處此行業的人們應該懷有為己 身受疾病所苦的病患治療，此一遠大的目標與使命。正如 1925 年創立默克藥廠 (Merck & Co.) 的總裁默克 (George Merck) 所言:「我們試著記住藥物開發是為了病患，盡量不要遺忘醫藥是為人們所服務的，而不是利潤。利益是伴隨而來的，若我們牢記這一點，它將不會消失、必定存在。而當我們越是謹記於心，便會獲得更多。(We try to remember that medicine is for the patient. We try never to forget that medicine is for the people. It is not for the profits. The profits follow, and if we have remembered that, they have never failed to appear. The better we have remembered it, the larger they have been.)」延伸閱讀 1. Bob More, Drug executives should take a Hippocratic oath, Nature, 2018/3/15.2. Personalized Medicine at FDA: 2017 Progress Report, https://bit.ly/2EZcOPu.3. The world’s 50 most innovative companies 2018, https://bit.ly/2Hxrubi. |
鳥類與土壤的小故事 | 土壤作為萬物重要的生長源頭，對於鳥類也是同樣重要的。鳥類沒有牙齒，但 卻具有相當於牙齒功能的特殊構造──「砂囊」, 這個由強健肌肉所組成的胃囊，也被稱為「筋胃」。許多鳥類所吞下的食物都依靠砂囊蠕動摩擦來攪碎，所以鳥類會在土壤環境中挑取細砂吃進砂囊中，以增加磨碎食物的作用。這些吃入的細沙會隨食物一起排出體外，因此還必須定期補充。光就攝食而言，就可看出鳥類和土壤之間的依存關係。自然界當中有很多鳥類需要在土壤環境 當中找尋食物來源，也因此牠們演化出 很多有趣的機制。地啄木是冬季有時會遷徙來到臺灣的迷鳥，牠是啄木鳥當中比較原始的類群，不像其他啄木鳥一樣攀附在垂直的樹幹上，也不會在樹上鑽洞，但喜歡搜尋森林底層枯枝落葉和土壤當中的螞蟻，特別是幼蟲和蛹，牠們發展出又長又黏的舌頭，用以舔舐土表的蟻丘和昆蟲。有時則以蹦跳的方式，沿著水平或傾斜的枝條於空中掠食。河 口濕地與海岸濕地土壤常常可以看到的鷸科和鴴科鳥類，這兩種鳥類被人們合稱為「鷸鴴科」, 但其實牠們不僅血緣關係遠，就連捕食的手法和生理結構也大不同。以紅腹濱鷸和歐洲金斑鴴這兩種鳥類為例，雖然牠們都屬於在廣闊地域出現的鳥類，兩者的覓食也都涉及精確地啄 食 (pecking) 或撲衝 (lunging) 等動作；但紅腹濱鷸主要是依靠觸覺來覓食，而歐洲金斑鴴則主要是依靠視覺來覓食。鴴科鳥類的眼睛通常又大又明亮，因此像是金斑鴴和小環頸鴴等鴴科鳥類雙眼，都具備精確啄食的正面視野，而鷸科正面視野的範圍相對比較窄。鴴科鳥類善於快速奔跑追捕在土面上活動 的小動物，例如各類招潮蟹或是貝類，除了運用視線來偵查，牠們還會用腳快速在灘地上踩踏 (foot-trembling) 製造震動，將泥灘當中的小動物驚嚇出來，然後吃掉。鷸科鳥類如丹氏濱鷸、磯鷸、三趾 濱鷸等，則具有長長的嘴喙，嘴喙上充滿 了血管和神經，同時嘴喙表面分布大量的感覺窩 (sensory pits), 在這些感覺窩當中具有一種被稱為赫伯斯特氏小體 (或稱為赫氏小體，Herbst corpuscles) 的受器，這是一種機械感受器 (mechanoreceptors), 能夠感測無脊椎獵物埋入沉 積物當中所造成的壓力梯度變化。因此鷸和鴴其實是各擅其長的泥土掠食者。鷸科鳥類根據嘴型 (嘴喙的大小長短), 也會將所吃食物做生態區位 (niche) 上的區隔，像是杓鷸類和濱鷸類的嘴長有別，所鑽入土洞覓食的深度及所採集獵物的種類也有所不同，這樣可以減少彼此因為食物競爭所造成的干擾。在許多都會公園與校園草地上，常常可 以看見的黑冠麻鷺，則是善於使用聽覺來感測牠們喜歡吃的各類蠕蟲在土壤中的位置，包含蚯蚓、甲蟲幼蟲、蝸牛、螃蟹、蛙類甚至小型蛇類等，很多會挖洞的小動物都能被黑冠麻鷺精確偵查到。許多鳥類會吃土中的小動物，也有許多鳥類會住土洞，住土洞的好處很多，包括掩蔽性高、可避免外界干擾、半封閉空間較 能維持常溫而不受外界天氣影響等，因此 在自然界其實有不少鳥類喜歡住在洞穴當中。有些鳥類不會自己挖洞，而是使用現成洞穴，即次級洞巢鳥 (secondary cavitynesting birds), 例如八哥和貓頭鷹等。鳥類當中以泥做巢最多樣化的是燕科鳥類，當中有掘洞為巢穴的燕子 (像是棕沙燕和灰沙燕), 也有修築碗狀泥巢的燕子 (像是與人比鄰而居的家燕或在橋下 築巢的洋燕), 還有的會建造鵝頸瓶般的封閉泥巢 (例如赤腰燕) 等。根據溫克勒 (David W. Winkler) 和謝爾登 (Frederick H. Sheldon) 在 1993 年針對 17 種燕科 鳥類的燕巢型態與 DNA 分子雜合實驗種系發生對應比較，發現燕科鳥巢的演化順序是土洞→碗狀巢→有覆蓋的碗狀巢 →鵝頸瓶狀封閉巢。燕科鳥類對於土壤巢材的應用也隨演化而演進發展，這是十分有趣的情形。鳥類的種類多元性高，牠們對環境的適應也相當多元，鳥類本身就有各類適應環境的策略，像是以葉子為主食的鼠鳥，常常肚子對著太陽，也許是為了讓肚子中的葉子比較高溫而容易被消化分解。有些鳥類還會灑尿在腳上用來散熱，這種特殊行為稱為尿汗。在自然界當中，鳥類其實是重要的生物監測員，牠們就像螞蟻一樣可以蒐集各處的環境樣本。像是巢材、食物搜集的過程等，都可能間接收集到環境中的不同樣本 (如種子、花朵、 植物的葉子或是土壤等等)。甚至鳥類自身的羽毛，也可能累積重金屬或各類有機汙染物，而成為科學家監測環境的重要對象。在自然界中，鳥類和土壤之間發生著許許多多的小故事，而鳥與土壤之間的關係也值得我們持續去探索。延伸閱讀 1. Graham R. Martin and Theunis Piersma, Vision and touch in relation to foraging and predator detection: insightful contrasts between a plover and a sandpiper, Proc. R. Soc. B, Vol. 276: 437445,2009.2. James R. Gould、Carol Grant Gould 編著，黃薇菁譯，《動物是天才建築師》(Animal Architects: Building and the Evolution of Intelligence), 商周出版，2009 年。3. S. Nebel, D.L. Jackson and R.W. Elner, Functional association of bill morphology and foraging behaviour in calidrid sandpipers, Animal Biology, Vol. 55: 235-243, 2005. |
從電子菸的環境與公眾健康危害談法律的管理與設計難題 | 希臘奧納西斯心臟外科中心 (Onassis Cardiac Surgery Center) 研究員法薩黎諾斯 (Konstantinos E. Farsalinos) 與義大利卡塔尼亞大學 (Università di Catania) 研究員波羅沙 (Riccardo Polosa) 曾於 2014 年對現有電子菸使用者進行實驗和臨床研究，系統性地評估審查它的潛在風險，並與既定的吸菸菸草的管理章程比較。 從現有證據指出，電子菸比傳統紙菸的危害要小得多，從傳統紙菸轉向電子菸的吸菸者對其健康會有較大的好處。其結論是：使用電子菸可有效作為吸菸的替代方式，但仍應建議及早通過適當的品質控制和標準，進一步界定和降低使用電子菸的最低殘餘風險。 話雖如此，但也由於該產品仍具爭議，因此，美國食品藥物監督管理局 (Foodand Drug Administration, FDA) 曾羅列電子菸相關產品的規範及監管方式，其與紙菸或無菸菸草大致相同。主要的規定包括: 1. 禁止 18 歲以下的人在商店或網上直接購買。2. 商家需要檢查任何 27 歲以下的人的身份證，才能購買電子菸。3. 電子菸產品不能在自動售貨機上銷售，免費電子菸樣品是禁止的。4. 在 2007 年後上市的電子菸，都必須經過 FDA 的安全和批准審查，才能進入市場販賣。 然而，部份人也批評，這類產品可能需要數年時間等待批准，但同時卻也可以販售，有點不盡合理...... 就法律上來說，臺灣自 2009 年 3 月開始，將含有尼古丁的電子菸納入藥品管理，但由於目前沒有任何電子菸產品取得藥品許可證，故業者只要販賣含有尼古丁的電子菸，或宣稱具有戒菸療效，都會違反《藥事法》, 最重可處 10 年以下有期徒刑，併科新臺幣 1000 萬以下罰金；即使不含尼古丁、也沒有宣稱療效，電子菸還是會因外型類似香菸而違反《菸害防制法》。 相關電子菸產品雖不斷更新，但主要構造不外乎就是霧化器、鋰電池和成分液體匣。雖說電子菸也有不含尼古丁的版本，然而衛生福利部食品藥物管理署過去 3 年於各地檢驗 2000 多件電子菸發現，將近 7 成都含有尼古丁，且通常含量約為 6~24 毫克。衛生福利部國民健康署認為，電子菸也可能會造成成癮且無助戒菸治療，其加熱後產生的甲醛及乙醛含量為紙菸的 10 倍，國內外甚至發現有電子菸填充劑含有大麻、甲基安非他命等藥物。 而部分電子菸內的霧化傳輸器，多未經藥物動力學的研究，許多內容物不明或不純，吸入後對人健康堪慮。此外，對於電子菸鋰電池的使用、充電、測試或未使用時的爆炸，也可能造成人體危害。雖然臺灣禁止公開販售電子菸相關產品，但國人使用網路或出國購買十分方便，要取得電子菸並非難事。根據國民健康署 (以下稱國建署) 調查，2016 年國人使用電子菸比例為 0.9%, 估計約 18 萬名成人使用電子菸，另在青少年吸菸行為調查中，也有 4.1% 國中與高中職生曾抽過電子菸，顯見電子菸在青少年族群日漸增多。 鑑於臺灣市面上出現實體店面與菸吧俱樂部，且國中生吸食者每年成長 1%、高中生成長 2% 的現象，國內民間團體要求國健署應依世界衛生組織 (WHO)《菸草控制框架公約》(Framework Conventionon Tobacco Control, WHOFCTC) 提出《菸害防制法》部分條文的修正草案，優先納入電子菸管理與菸價調整，以管制電子菸的氾濫，減少「不含尼古丁的電子菸是無害、不會成癮」的訊息誤導民眾。國健署署長王英偉也承諾，電子菸一定要納入《菸害防制法》管理，而且希望愈嚴愈好，不管成分有無尼古丁，皆應比照現行菸品管制為修法方向，不過至今仍未有實際的行動。......【更多內容請閱讀科學月刊第 597 期】 |
火山之歌—聽聽他們的鳴唱與心跳 | 過去歷史上曾經發生過許多火山災害，如 2000 多年前義大利古城龐貝 (Pompeii), 因維蘇威火山 (Vesuvio) 毫無預警的噴發，瞬間完全被毀滅。近期 2010 年冰島火山噴發，大量火山灰散布在歐洲上空，迫使許多機場關閉，觀光及商務旅客大量滯留機場外，航空貨運也大受影響。根據歐洲航空安全組織表示，短短幾天內，歐洲航空公司停飛的規模就已超過 911 恐怖攻擊，為第二次世界大戰以來最大規模航空業停飛事件，估計經濟損失達數十億歐元。 雖然地球上依舊存在許多火山，但是並非每個火山都有可能再度噴發。為評估每一個火山再度噴發的可能性，科學家利用多種不同的標準來界定火山種類，主要包括活火山、休火山與死火山：所謂活火山，就是未來具有再度噴發的可能性；反之，死火山代表未來完全不可能再噴發了；而休火山則是介於兩者之間，即目前沒有足夠的科學證據來說明它是死火山還是活火山。從防災的角度來看，如何認定「活火山」是人類最關心的目標。首先，科學家可以依據經驗法則去分辨火山種類：若一個火山在過去 1 萬年內曾經有噴發紀錄，建議考慮它是個活火山。除此之外，也可以依據現象法則來判斷：如果在火山的下方可以找到岩漿庫，也應該考慮它是個活火山。 根據上述的經驗法則與現象法則來做判斷，臺灣北部的大屯火山群與宜蘭平原外海的龜山島，應該都符合一般科學上活火山的定義。首先來探討一下龜山島上的火成岩，該岩石的熱螢光定年 (thermoluminescence dating) 結果證實，7000 年前曾經有火山噴發紀錄。而大屯山地區火山灰定年研究也發現到，最後一次噴發可能為 5000~6000 年前。如此，龜山島與大屯火山群就已經符合國際火山學會，一般認定活火山的經驗法則，即 1 萬年來曾有火山活動，通常便可歸納為活火山。為進一步確定這兩個火山的活動性，最近筆者的研究團隊利用地震 S 波無法通過液態物質的原理，分別證明大屯火山群與龜山島都有岩漿庫存在，因此這兩個火山也都符合國際火山學會認定活火山的現象法則標準。 雖然臺灣在人類歷史上沒有火山噴發紀錄，但未來因火山活動所造成的複合式災害也不能完全排除。這些火山是否有機會再次活動，不僅是值得研究的科學議題，更關係北臺灣居民的生命財產安全。為增進我國對於火山觀測的能力及了解現有火山活動的現況，政府已經於 2011 年在陽明山國家公園內的菁山保育中心設置大屯火山觀測站，而主要的火山監測方法包括有火山地震活動監測、火山氣體與溫泉水的化學成份分析調查、地殼變形的量測、地溫監測與噴氣即時影像監測等。 圖一：大屯火山觀測站之各項監測示意圖。目前主要即時監測方法的基本觀念如圖一所示。首先，當岩漿往上湧升或熱水系統壓力增加時，地殼常會膨脹隆起，地表產生明顯變形，這些外型變化可分別利用水準測量、GPS 及傾斜儀等精密大地測量技術來量測。此外，只要有火山底下岩漿活動，大量的火山氣體就會釋放到地表上，故火山氣體及溫泉水的化學成份分析調查，也是大屯火山觀測站重要監測工作。......【更多內容請閱讀科學月刊第 597 期】 |
科學碎碎念 意識的定義與本質 | 達爾文的自然選擇 (natural selection) 理論中，最簡單的細菌從環境中提取生存所需的物質並進行繁衍，最終在一個無意識與目的的演化過程中，出現了智人及許多擁有大腦的生物。然而在行為之上，誰才是一切的開始？笛卡爾曾說，意識是我們的存在裡不可否認的事實之一。那麼意識究竟是什麼呢？普遍認為，意識是一種對品質覺察的狀態，並作為心智 (mind) 的執行控制系統 (executive control system)。意識聽起來好似與認知 (cognition) 有幾分像、卻又有些許差異，哲學家丹尼特 (Daniel Dennett) 曾表示，人的認知並不包含理解，我們有意識的想法僅代表大腦處理訊息的某些片段。神經科學對心智功能 (mental function) 與相關行為背後的生理機制有著長足的研究，比方說意識的神經關聯，即研究受試者報告經驗與其腦中活動之關聯性，並找出特定的大腦活動區域、或整個大腦活動的模式；而先進的大腦成像技術提供我們大腦的生理過程與經驗間的相關性，如腹側下丘腦 (ventromedial hypothalamus) 受刺激引發飢餓的感覺。然而是什麼使這些事 件相關聯，且生理系統如大腦，是如何「經驗」的呢？哲學家查爾默斯 (David Chalmers) 曾提出「意識的難題 (hard problem of consciousness)」, 意指我們如何擁有現象上的經驗，以及感知能力如何獲取顏色與口味等質地或特性 (characteristics)。在伽利略 (Galileo Galilei) 之前、人們普遍認為物質具有感官品質 (sensory quality), 如番茄是紅色的、辣椒嘗起 來辣辣的、花兒聞起來是香甜的。伽利略曾表示，當有朝一日能以數學闡述哲學圖景時，數學便會成為自然科學的語言，然而這些感官詞彙很難以簡單而抽象的數學名詞捕捉。伽利略並未否認感官品質的存在，反之將其視為物質世界外的實體，並將其屏除在自然科學之外。從唯物論者 (Materialists) 的角度來看，他們仍渴望有一天能用最簡單的物理詞彙闡述意識一詞，通常他們會以「重新定義意識」來避免這個難題，並指稱意識並非經驗、而是與經驗相關的複雜行為功能，如人類監控內在狀態 (internal state) 的能力、或處理環境中的資訊，然解決意識的難題並不能只是將主體 (subject) 代換掉。各路學派對意識總有不同的定義與解釋，然而除提問「什麼」是意識，我們還可以想想「為何」 是意識凌駕其上，使萬物獨特地存在著。延伸閱讀 Philip Golf, Can science explain Consciousness?, Philosophy Now, 2017. |
歪斜、黑暗人生中的曙光—黃斑部病變、幹細胞與再生醫療 | 根據世界衛生組織 (World Health Organization, WHO) 的統計，黃斑部退化 (macular degeneration), 又稱老年性黃斑部病變 (age-related macular degeneration, AMD), 在全世界是造成失明的第三大原因。也就是說，黃斑部病變導致的失明的機率很高！人的年紀漸長伴隨著老化，使 60、70 歲的老年人罹患黃斑部病變，老年性黃斑部病變患者在臺灣地區 65 歲以上人口約占 10~15%, 其中更有約 30% 患者，約 5~10 萬人會隨著病程，視網膜 (retina) 及感光細胞 (photoreceptor cell) 產生不可逆的退化，導致中心視力變差，任何東西都呈現扭曲狀，嚴重則會導致失明。黃斑部位於視網膜中央的區域，是感光細胞聚集地方，是視力的中心，就如同相機鏡頭對焦位置，對於眼睛視力的解析度、清晰度與顏色的敏銳度、對比等，扮演著很重要的關鍵地位。 視網膜有 10 層，最上層是色素上皮細胞層，下面有感光細胞、錐狀細胞 (cone cell) 和視網膜神經節細胞等，當光線進入視網膜，過多光線能量會累積在感光細胞層和色素上皮細胞層內。因此，日曬、強光曝曬會造成視網膜慢性發炎，特別是感光細胞和視網膜色素上層細胞的退化和老化，促進視網膜內新生血管的生成 (圖一)。一旦視網膜內血管增生，就會破壞黃斑部視網膜原本的結構，加上視網膜內細胞持續發炎、血管脆弱之下，容易造成血管破裂並出血。據統計，10~15% 的 65 歲以上人口都有黃斑部病變的現象，高度近視者也是黃斑部病變的好發族群，另外，糖尿病末期併發症也會出現黃斑部病變。 老年性黃斑部病變可分為乾性和濕性兩種 (圖二), 乾性的老年性黃斑部病變並未形成脈絡膜新生血管，通常對視力影響較小。但在長時間之下，仍有可能惡化為濕性老年性黃斑部病變的。濕性老年性黃斑部病變可能因脈絡膜 (choroid) 新生血管產生黃斑部水腫和出血等現象，造成視力嚴重減退。不論是乾性或濕性，老年性黃斑部病變初期症狀都是中心視力所看到的直線或文字是歪歪的、變形的 (圖三右)。如果走路時發現地板怎麼浮上來、地面上的地磚的線條是歪的，就必須趕快就醫，由眼科醫師進行更精密的檢查，才能判定是乾性或濕性的黃斑部病變。圖三：阿姆斯勒方格表 (Amsler grid) 是一個包含橫豎線的表 格，可以用來確定人的中央視野，左圖為正常人所見、右圖則為黃斑部病變患者所見。 等到疾病進展到一定程度，病人會因為新生血管、血管破裂或出血等，視力便會惡化到中央出現黑影或視力不清楚等症狀 (圖四)。不少病人會在閱讀、看街上招牌時感覺中間的字不見了，但旁邊的字卻還好好的；或者看公車的中間車號不見了；也有一些人僅發生黃斑部單眼病變，此時一眼可以看到中間的字，另一眼就看不到或看不清楚中間的字。這邊也提醒讀者，若自身或周遭的人有上述的症狀，應盡早就醫，早期診斷與治療。圖四：黃斑部病變隨著病程進展，會從一開始的中心視力直線歪斜、圖像扭曲變形 (中), 逐 漸演變成影像中心部分會變暗、中心影像缺損，無法辨人臉或近距離視物 (右) 等，左圖為正常視力所見圖像。......【更多內容請閱讀科學月刊第 597 期】 |
海洋科學研究與科技研發的 基礎平台− 勵進研究船 | 臺灣四面環海，位處最佳的海洋地緣戰略位置，且特殊的地理與地質環境使得臺灣海域成為全球海洋生物多樣性最高的海域。臺灣除了四周海域蘊藏豐富的海洋資源，但也必須面臨頻繁天然災害的襲擊，如颱風與地震，以及衍生的暴潮與海嘯等。自從 1994 年 11 月 6 日「聯合國海洋法公約」施行以來，世界各國積極推展海洋事務，無非在於爭取海洋的資源，因而衍生繁多的海洋紛爭。臺灣目前正值積極推動海洋興國政策之際，該如何掌握自身豐富的海洋資源優勢，以落實海洋興國政策，進而發展臺灣獨特的海洋產業，實乃當前之重要課題。深耕海洋科技研發是海洋興國政策的基石，而海洋資源的探勘亦成為藍海經濟的命脈，然而在此發展過程中，海洋研究船扮演不可或缺的研發與探測平台功能。研究船是海洋科學研究與海洋科技研發的主要工作平台，目前國內海洋研 究探測的執行主要仰賴 20~30 年前 建造的海研一、二、三號研究船，然而隨著海洋研究與探測儀器的日益更新，該三艘研究船已經不敷使用，且海研一號 (800 噸級) 早已超過船齡使用年限；海研二、三號 (300 噸 級) 也極近使用年限。科技部所屬之國家實驗研究院 (下稱國研院) 的台灣海洋科技研究中心 (下稱海洋中心) 在 2013 年正式啟用 2700 噸級研究船「海研五號」, 在投入臺灣海洋的科研探測後已彌補過去海洋研究對遠洋探測能力的不足，與海研一、二、三號有互補的作用。海洋研究船藉由海洋環境調查，除了可有效提供國家海域災害的防治與海洋資源開發的有效資訊；另一方面，海洋研究船的活動不但是國力的展現，更是展示海上主權延伸的主張。然而，海研一、二、三號船體日漸老化，以及海研五號於 2014 年 10 月 10 日在澎湖海域因故失事沉沒後，我國海洋研究船能量的重建已刻不容緩。基此，在科技部的全力支持下，國研院海洋中心積極打造嶄新的遠洋研究船──勵進研究船，該船是由新加坡造船公司 Triyards Marine Services Pte. Ltd. 建造，於 2016 年 1 月正式開工，而於 2018 年 3 月 31 日交船。勵進研究船是臺灣深藍全方位探測之鑰，開啟了臺灣海洋科技發展的新篇章，希冀從此臺灣的海洋研究峰迴路轉，勇往直前邁向海洋新紀元！勵進研究船之船長 76.23 公尺、船寬 16 公尺、總噸位 2629 噸，以及最 大吃水深為 5.56 公尺；巡航船速為 10 節 (1 節 =1.852 公里∕小時), 最大航行速度可達 12 節，滿載船況 下能滿足海上 30 天的作業要求，如圖一所示。勵進研究船進行海上作業時，總計可搭載人數 43 位人員，其中配置 19 位專業船員，其餘 24 位人 員屬科研團隊。與現今臺灣海洋研究船的噸數相較下，勵進研究船猶如一座海上移動城堡，近海與遠洋任其航行，如下將分別敘述其研究船本身的特性與平台支援的功能，讓國人能夠清楚瞭解，並善加應用以發揮海洋的科研探測能量。海上航行過程中，船舶本身隨時受到海風、洋流或波浪等搖晃擺動，特別是遭逢惡劣天候時，不僅容易造成人員暈船等身體不適的現象外，船身擺動幅度過大，更可能危及船上人員與設備的安全。有鑑於此，徹底實踐「安全的海上作業環境」是勵進研究船的首要設計理念。因此，在船舶設計時已提高安全標準，船體的設計跳脫一般研究船單層殼體的設計框架，而改採船身與船底雙層船殼高規格打造。同時，為了追求更高的航行穩定度，船艙設計加入減搖水櫃，當船發生搖晃時，櫃內的水位會隨之變化，進而抵消船身的搖動，以盡量確保船體行進之平衡，提升船上人員登船作業時的穩定與舒適度。為了防患未然，萬一遭遇海難事件時能減少災損，雙層船殼已多了一層損害保障，同時亦設計高規格逃生設備，左右船舷各配一艘具有高乘載量之全包覆式救生救難艇，可提供超過 170 人逃生使用，這 相當於全船搭載總人數的 4 倍人數。......【更多內容請閱讀科學月刊第 582 期】 |
現代科技生活的墊腳石—半導體 | 1947 年，美國新澤西州莫瑞山丘貝爾實驗室 (AT&T Bell Labs in Murray Hill) 的巴丁 (John Bardeen)、布拉頓 (Walter Brattain) 和肖克利 (William Shockley) 製作首個以半導體材料完成的電晶體元件。在此之前，19 世紀前期半導體就有被探索的記錄，經過 20 世紀量子物理的解釋，並在實驗中對材料製備的掌控和精進，遂完善此發明。依據材料的導電性，半導體顧名思義，其導電能力介於導體 (金屬) 與非導體 (絕緣體) 間。半導體經由加入適當的化學元素做出改變與調整，可以依能帶理論 (energy band theory, 圖一) 解釋。原子間透過各自的外圍電子，以共價鍵為主的配對型式結合成半導體材料，若施以足夠的能量，鍵結的價電子可以脫離束縛並在半導體材料中自由移動，所需獲得的能量稱為能帶間隙 (band gap)。在室溫下，部分電子可由低能量束縛狀態的價帶，超越能隙，提升至高能量導帶的自由載子狀態，但因為能獲取的室溫能量有限，一般增加自由載子的方式是採取摻雜的方式，調控半導體材料的導電性。圖一：常溫下能帶，半導體導帶下緣的紅色部分為自由電子，價帶上緣的白色部分為自由電洞，代表半導體的自由電子能輕易從價帶躍遷至導帶。 半導體種類包含單一元素、二元、三元及四元化合物以上，四四族、三五族與二六族 (含氧化物半導體) 等，不下 600 種，結構分單晶、多晶及非晶。筆者在為數眾多的各種半導體材料中，挑選 3 種常見半導體晶材介紹。➡矽矽 (Si) 元素是地殼中除了氧以外含量最豐富的元素，矽元素在元素週期表上屬於第四族，外圍有 4 個價電子，各和 1 個矽原子形成共價鍵結四面體，為正立方體的鑽石結構。若用第五族的元素，例如 1 個磷原子取代矽原子，擁有 5 個價電子的磷在和周圍 4 個矽原子鍵結後，多出 1 個電子以弱束縛力處在磷原子附近，只需小能量就可以釋放此電子成為自由電子，形成負型 (n 型) 半導體。 相對而言，若加入如硼的第三族元素，外圍只有 3 個價電子，與矽原子鍵結時，可稍獲能量，從鄰近配對共價鍵的 2 個電子中取得 1 個電子，造成 1 個電子的空缺，稱為電洞 (hole), 此空缺又可被鄰近配對電子填補，形同電洞移動的狀態，成為自由電洞，形成正型 (p 型) 半導體。藉由摻入雜質原子的種類及多寡，調控自由載子的種類及濃度。若將正負型半導體相合，便成為現代電子元件的一大基石，稱作正負接面二極體。......【更多內容請閱讀科學月刊第 597 期】 |
人體神秘管路 竟為未知器官 | 日前科學家在內視鏡 (endoscopies) 檢查案例中，發現未知的人體器官，其為充滿液體的通道網絡，似乎能協助癌細胞在身體周圍作傳輸。研究團隊原期待看到膽管被堅實的組織包覆，然他們卻看到奇怪而難以解釋的現象，因此他們將這樣的結果 轉送至紐約大學醫學院，讓病理學家泰伊斯 (Neil Theise) 做進一步檢查。泰伊斯以相同的設備查看個案其他器官時，也看到類似的結果，並推測人體內的每 個組織都可能被這些通道網絡包圍，這些通道基本上就是一種器官。據團隊估計其 體積約為總人體體液的五分之一，且功能類似吸震器 (shock absorbers)。由於將人體組織進行處理並視像化 (visualising) 的標準方法會導致通道流失，以致人們從未認知到那兒存在一個器官，且這些方法亦會使維持網絡結構的膠原纖維崩塌，進而讓通道看起來不過就是個緻密堅實的保護性組織。此外，當泰伊斯的團隊觀察從侵入性癌症患者身上取得的樣本時，發現游離在原始組織外的癌細胞可進入這些通道，即該網絡也能協助癌細胞進行傳遞。研究團隊目 前正研究這些通道內的液體，望能釐清是否能藉液體分析診斷出早期癌症，並觀察 其是否與水腫、罕見肝病或其他發炎疾病等問題有關。Petros C. Benias et al., Structure and Distribution of an Unrecognized Interstitium in Human Tissues, Scientific Reports, 2018. |
太空時代2.0—當登上太空不再高不可攀 | 1958 年，第一顆人造衛星說穿了就只是一顆能發射電波的金屬籃球，但是短短 11 年後，人類竟然能登陸月球，其中的突飛猛進有如三級跳。活在當時的人們，一定會以為不久的將來太空旅行如家常便飯，甚至移民太空指日可待。登月前一年由庫柏力克 (Stanley Kubrick) 執導的經典科幻電影《2001 太空漫遊》(2001:A Space Odyssey), 片中預測在 2001 年，人們只需買張機票就可以到軌道上的巨大環狀太空站洽公和度假，而且月球上有大型基地，也有載人太空船遨遊太陽系...... 但 2019 年的現在，上述的一切都沒有發生。因為發射火箭非常昂貴，只有幾個大國才玩得起，對口袋不深的國家、組織或公司，太空是一個高不可攀的門檻，更別提移民太空站了。發射火箭有多貴呢？美國太空總署 (NASA) 當年估計用太空梭給國際太空站後勤補給的平均價碼是每公斤約 22000 美元，而外界的估計卻是 3 倍之多，也就是說，350 公克的瓶裝礦泉水上到太空站就要 20000 美元，這價錢都可以買輛車了。也因如此，當年 SpaceX 創辦人馬斯克 (Elon Musk) 誓言要大幅降低發射成本，其秘訣是：多次回收，重複使用火箭。他曾表示，SpaceX 目的就是要讓人類變成星際民族。要解釋可回收火箭如何降低成本，就要稍微說明傳統火箭的運作方式。多數的傳統火箭都有 2 節，第一節最大，負責把第二節火箭和酬載，例如衛星或太空站的補給船推上大氣層邊緣，燃料用盡後與第二節脫離，變成廢物落回地表。此時第二節火箭點火，把酬載送到預設的軌道後再與其分離。因第二節火箭體積小速度快，通常會成為太空垃圾一段時間後返回大氣層內燒毀。看到這裡，讀者一定發現一個大問題：只有小小的酬載留下來，其他絕大多數的火箭部件全是一次性，用完就丟。想像坐飛機旅遊，落地後飛機就當廢鐵賣掉，這樣的機票當然十分昂貴。 所以，回收火箭便是一個好的主意。以 SpaceX 的獵鷹 9 號火箭來說，發射總成本約 6120 萬美元，其第一節火箭佔總成本的 70%、燃料成本則只有 30 萬美元，不到總成本 0.5%。所以，即使回收後的火箭整理費用要 910 萬美元，每次發射分擔後的成本還是比用完就丟的火箭便宜太多。不過，首創回收火箭的並不是 SpaceX, 太空梭基本上就是為此所做目的設計，其燃料箱兩側的助推火箭可回收，利用降落傘落在海中再以船隻拖回，但事後證明太空梭反而又貴又危險。另外，以火箭本身的推力垂直降落也非 SpaceX 首創，1990 年代時麥克唐納道格拉斯公司 (McDonnell Douglas) 的三角快船實驗火箭 (Delta Clipper Experimental, DC-X) 就為此測試過火箭的垂直起降，而 SpaceX 的競爭對手藍色起源更首度用火箭垂直降落後再回收使用。不過，讓 SpaceX 聲名大噪的是其火箭為真正上外太空、又成功地用於商業用途的首例。SpaceX 於今 (2019) 年 6 月 25 日，搭載包括臺灣的福衛七號在內的 STP-2 發射任務，號稱是 SpaceX 史上最困難的任務。所謂的 STP 是指美國空軍的太空測試計畫 (Space Test Program), 它可說是 SpaceX 的期中考，如果通過了，SpaceX 的回收技術就有資格執行美國國防相關任務。任務艱難在於，除了要回收第一節的主火箭、兩側的助推火箭與整流罩外，還要酬載 24 顆來自不同客戶的衛星，且須部署在 3 個不同高度的軌道。除了增加軍事部署的彈性，在商業上也有重要的意義。舉例來說，若有天要從臺北搭車前往高雄，有的車行因為專門為一人服務，因此所費不貲；有的車行報價較便宜，但要坐滿才開，所以必須慢慢等。而 SpaceX 就像一家新的車行，有獵鷹重型這樣的大車，還願意載到不同目的地，所以若是有要去臺南、高雄等地的旅客，也可輕易湊滿一輛車，隨時出發，車資也便宜得多。圖一是本次發射任務的程序，火箭升空至 67 公里的高空後，2 台助推火箭燃料燒盡後同步脫離主火箭並反轉逆向噴射，返回原發射場，在降落程序中運用柵格翼 (gridn) 和火箭推力控制方向。助推火箭分離後的主火箭繼續推動到 128 公里的高空，因本次的酬載量大且有數個目的地，主火箭需攜帶更多燃料，與第二節火箭脫離後已經離發射場太遠，所以要降落在離發射場 1200 公里處等待的自動駕駛海上平台我當然還愛你號 (Of Course I Still Love You)。另外，火箭鼻端的 2 片整流罩也分離，先後靠本身的空氣阻力和降落傘慢慢落下，由另一艘船樹女士 (Ms.Tree) 張著大網接住。SpaceX 目前並沒有回收第二節火箭的計畫，但未來新一代火箭大獵鷹火箭 (Big Falcon Rocket, BFR), 如同子彈外型的第二節火箭是可回收的。STP-2 任務最後的結果是：酬載的衛星都順利部署，2 台助推火箭漂亮地降落在發射場旁，第一節主火箭在最後墜毀在我當然還愛你號旁，樹女士也順利地接住整流罩，美國空軍看來相當滿意。重複使用火箭與降低成本固然很好，但與文章開頭的科幻情節有什麼關係呢？因價格會決定技術的普及性，而普及的技術會擴大經濟規模，進而又刺激技術發展。可惜火箭技術似乎沒有進入此良性循環，電腦和太空科技幾乎同時始於二戰後，如今電腦已經進入每個人的口袋中，但上太空仍然是荊棘叢生的貴族遊戲，直到新興太空公司利用新技術改變原來死氣沉沉的太空科技，讓人們看見新希望。或許不久的將來，上太空的門檻會低到一個程度，讓人們敢於嘗試新的商業模式。不論是觀光、通訊、開礦、移民或現在還想像不到的目標，都有機會從目前賠本生意變成發大財，那就是從科幻到真實的關鍵。延伸閱讀 1. Vidya Sagar Reddy, The SpaceX Effect, New Space, 2019.2. Elon Musk, Making Humans a Multi-Planetary Species, New Space, 2017.3. A Brief Recap of Reusable Rockets, https://reurl.cc/eea2W。 |
化合生活的美好點滴── 第一化粧品工廠 黃國芬副總經理專訪 | 桃園市龜山區的華亞科技園區裡，集結全桃園市產值最大的幾間重要工廠，當中不乏華亞、廣達電等科技業龍頭。在一片計算機海的環伺下，我們不禁好奇作為一間化粧品工廠，第一集團當初選址的原因是什麼。走進第一化粧品工廠，無數草皮鑲嵌於鮮明的白色主題中，挑高一樓大廳裡，極簡風格的陳設，令人感到踏實而自在。以一席樸素卻淡雅的妝容現身，簡單寒暄幾句後，黃國芬副總經理便同我們工廠蓋在這裡的原因。「這塊地之前是個素地，工業區則是由臺塑集團所開發，當時我們覺得這裡蠻乾淨、清爽的。」而建築物落成後，似乎也發揮了這個環境該有的效益。「像這邊其實就算不開燈，自然採光也是相當不錯。還有像是綠能、綠建築與環保，當初在選址時考慮很多、也把很多東西拿來作應用。」秉持自然、簡單、無負擔的品牌理念，第一從場址的選擇開始，就已經說明了自己在產業裡的定位。在做化妝品前，第一集團是做化工原料起家的。當時的第一化工廠在原料 領域已耕耘近 30 年，隨著時間推移，也逐漸累積了各式各樣的客戶群。除了基本的實驗室外，也包含醫療及教育機構，甚至連做廣告特效的公司也會找上門。「 比如說『牛奶倒下來』這件事，過去不像現在有縮時、慢動作播放的效果可以使用，但又要做到很白、會彈起來的感覺，那肯定得找一些素材來代用。」由於經營客群眾多，發現某些專業領域的工作交由消費者自行執行，結果相當有趣，便從早期相對小眾的手染開始，一路到藍染與其他植物染進行試驗。「 以前做植物染時，我們提供很多化學原料，不是只有藍染，有很多素材像洋蔥皮，就要搭配不一樣的化學原料，有時含鋁或其他原料，使用不同原料出來的顏色也不盡相同，像咖啡色也可以有不同層次的咖啡色。」自生活周遭取材，也使這個產業能不斷找到可以發揮的面向。「 像臺灣的植物素材就相當豐富，只要知道如何使用媒染劑 (mordant), 利用化學原理能產生各種不同的顏色表現。」黃國芬表示。除了染布外，黃國芬也分享過去做過的有趣企劃。「 早期還教大家葉子加 入氫氧化鈉 (NaOH)、 得到葉脈做 成書籤這種比較軟性、有趣的原理，有點類似以前學生做科展，他們要找素材、找主題。」其後更是衍生出許多好玩的主題，如天氣瓶裡的結晶概念、保麗龍因有機液體所導致的腐蝕現象等。這些看似與化工原料風馬牛不相及的事情，其實背後所延伸的力量相當強大。「 要消費者不怕原料，才有機會讓更多人接處它，推廣前期很多時間都在做這一塊溝通。」只不過真要說到產業的轉型關鍵，就得從 2003 年的一場全球性危機說起。當時嚴重急性呼吸道症候群 (Severe Acute Respiratory Syndrome, SARS) 肆虐、人心惶惶，然而製作消毒用品的材料在當時並不容易取得。正因如此，若能提供消費者易取得的材料組合，除了能減緩大眾對疾病的恐慌，也能藉此推廣知識、養成習慣。「民眾會很擔心有染病的風險，於是我們教育大眾如何製作乾洗手。」對第一化工而言，每一個與消費者溝通的過程，都是洞悉情勢的機會。「再來也教消費者如何製作清潔、卸妝用的護膚品，那時教大家如何用橄欖油做卸妝油。」無論是乾洗手還是 卸妝油，DIY 最大的重點就是其趣味性，以及製作完的成就感；不過要促成這段因果，太麻煩的製程與背景知識恐會讓人敬而遠之。「 為了讓消費者不害怕也不嫌麻煩，我們準備配方，搭配 A+B 就完成的簡單步驟，風氣帶起來後，後來的原料行也慢慢提供這些素材，也才有你們所看到的『美妝材料行』。」儘管並未直接轉做化妝品，慢慢地從生活中的大小事做介入，仍能讓企業經營起獨特的品牌價值。除了老生常談的生物友善與環保理念，如何更接近消費者的日常生活，更是化工與化妝品產業相當注重的一 環。「早期做化工的經營模式為 B2B (business to business, 企業間的交易) 約 30 年前，因為運用化學而讓生活很便利，所以希望消費者對產品有更深層的認識。」既然要對所使用的產品做初步的了解，任何與化學有關的事情，都可以進一步探討。......【更多內容請閱讀科學月刊第 582 期】 |
動物的地震第六感 | 地震，只消幾秒的時間，就能不遠千里地穿越幾個國家或大陸，甚至衍生出海嘯等周邊災害。人類不斷在防災科技上做出改良，以探測地震來臨前的蛛絲馬跡，然而，有些動物似乎就內建這樣的能力，其所表現出來的怪異行為，也常被視為災難來臨的前兆。首先，就從寵物界的經典代表──貓與狗開始說起吧！中國遼寧省海城市，1975 年某天因當地狗狗出現怪異行為，政府決定撤離當地居民，結果幾天內便發生規模 7.3 的海城大地震；而 1989 年，美國的洛馬普里塔地震 (Loma Prieta earthquake) 發生前，也有許多狗狗開始吠叫、搔抓甚至逃離家中庭院。除了狗狗的躁動，貓咪對地震的激烈反應，也不遑多讓。影片 (https://bit.ly/2TNlZMj) 為日本大阪一家貓咖啡裡的「居民」們，原本各自處在放鬆狀態，但就在地震來臨前，幾隻喵星人察覺不對勁並四處張望。果然，幾秒後房間劇烈搖晃，牠們開始急切地尋找藏身處，不過當中仍有幾隻貓咪待在原地，不知是因為身經百戰顯得老神在在，還是被嚇到一個動彈不得。毛孩子們是真擔心災害即將降臨，還是一切純屬巧合？加拿大英屬哥倫比亞大學 (University of British Columbia) 心理系教授柯倫 (Stanley Coren) 曾追蹤溫哥華 200 隻寵物犬在地震來臨前的活動狀況與焦慮情形。報告指出，地震發生前一天，有 49% 的狗狗出現焦慮的狀況，47% 的狗表現出比平常更活躍的行為。柯倫當時臆測，這些狗狗可能「聽」得到地震的聲音，而後續也發現，患有聽力障礙的狗狗似乎沒有辦法感應到地震的前兆。此外，柯倫還發現耳朵外型較鬆軟的狗較能夠感受到地震的來臨，而頭型較小的哺乳動物也能聽到更高的頻率，因此頭部較小的狗狗也可能容易聽到地震所產生的聲響。而日本麻布大學獸醫系山内博之 (Hiroyuki Yamauchi) 等人，也在 2011 年「東北地方太平洋近海地震」後，針對距震央約 2000 公里內的貓狗飼主進行問卷調查，發現近兩成貓狗在地震發生前幾秒到幾小時內有不尋常行為，且這些行為與震央距 (epicentral distance, 震央至某一地點的距離) 間存在某種關係。看來，就只差毛小孩哪天突然開口說:「對，我就是感覺得到地震要來了！」更有趣的是，山内博之也在同一份調查報告中，對震央附近乳牛奶量進行研究。雖然產奶這檔事說不上是一種行為，且影響乳牛奶量的因素也有很多，但由於奶量數據是有被每日記錄的，因此，也不失為一種客觀的資料來源。結果發現，距離震央 340 公里內的牛隻們，在地震發生前一週都有產量下降的現象，而此範圍以外的乳牛並未受到影響。對於這樣的結果，讀者是否也恍然大悟：牛奶不只能拿來喝，似乎還有一些隱藏版功能。雖說動物預測地震的能力證據確鑿，但不代表能反向操作，把動物的不尋常行為當作地震的預測因子。筆者認為，單以動物的特殊行為判斷地震是否來臨有些武斷，畢竟，在重大且特殊事件後，人們會傾向將該事件與動物的行為 (或其他異象) 做連結，但如果這些行為的前後並無任何事件發生，人們便會忽略這些動物行為。其二，許多逃竄、恐慌、焦慮的行為也不具特異性，能讓牠們感到恐懼的事太多，實在也很難全數歸結為地震將至。唯一可以確定的是，這不會是什麼好事。 |
為何而容?—— 化妝需求與妝品消費心理學 | 外表的吸引力到底重不重要？以前常被教導「美麗是膚淺的」, 外國諺語也說「不要用一本書的封面來判斷它的內容 (Never judge a book by its cover)」, 也是在表達不要以貌取人。理性上多數人知道不能靠外表來決定一個人的本質內涵，但心理學研究卻發現面容姣好、具有吸引力的人，總是較容易獲得青睞，美貌似乎成了一種先天條件，但如果先天條件不足呢？那只好靠後天補足。也因此關於美的產業一直都具有廣大的市場，像是醫學美容、彩妝保養和美妝造型等。或許有些人認為美的判斷，是後天學來的，但是英國斯特靈大學 (University of Stirling) 心理學家格里菲 (Jack Griffey) 和利特 (Anthony Little) 就 讓 1~2 歲之間的嬰兒來判斷對面容偏 好的程度，因為嬰兒認知與知覺尚在發展，還沒學習到社會文化對外表的標準。研究發現，嬰兒對於成人評定吸引力較高的人臉照片，會花較多的時間注視，所以外表的吸引力或者面容似乎都透過某些運作的機制，影響我們的喜好判斷。雖然外表的美貌有個別主觀偏好，但不管怎麼樣大多數人都還是會認為外表的魅力，在社交場合上也比較容易和陌生人搭上線。這也為什麼每年有許多愛美的女性或男性，花了許多錢在購買化妝品、保養品及髮品等。而究竟是什麼造成人對美貌的既定印象？其實人本來就偏好美好的事物，所以在心理學中有個「美就是好」的刻板印象，也就是把外貌和其他正向特質連結起來，認為人只要打扮得質感佳，那可能就具有很好的個性和優點，縱使這可能是一種錯覺。哈佛大學 (Harvard University) 阿哈倫 (Itzhak Aharon) 的研究團隊 發現男生在看美女照時，會活化大腦裡關於愉悅酬賞的神經迴路，這些神經活化的區域在人看到金錢、吃到美食或者使用毒品時，也會產生類似的激發。所以，人若想吸引他人注意，除了衣裝以外，當然還得靠化妝。因為面容姣好，就會被認為比較聰明、成功、快樂、自信或人生勝利組，雖然這些現象只有部分正確，但是一旦曾擁有外貌的優勢，就會伴隨著壓力，哪天不美不帥了怎麼辦？歐道明大學 (Old Dominion University) 心理學家凱許 (Thomas Cash) 的研 究團隊，找來美國女大生在實驗室拍攝臉部特寫照和全身照，但是照片有分成素顏和平常習慣使用的妝容，然後再請男生和女生來評估這些照片的魅力程度。對男生來說，有妝容的女性比較有魅力，但是對女生來說，化妝前後的魅力程度沒有明顯的差異 (雖然女生對化妝後女生的好感評分偏低，但是沒有統計上的差異)。在凱許的研究裡，他也讓這些女大生在化妝前後對自己的外貌 (face)、身體 (body) 及整體外觀 (overall appearance) 做評分，結果發現化妝後這三個分數都明顯提高，這也意謂著妝後不只會讓人覺得魅力好感度提升，也間接提升自己對外表的滿意度，也就是化妝後自信程度會明顯提升。既然化妝後能提升好感度，那麼有沒有機會增加桃花運呢？法國南布列塔尼大學 (University of de BretagneSud) 的蓋剛 (Nicolas Guéguen) 則想研究在酒吧中，女生若化妝會不會比較引人注目。研究人員找來幾位 20 歲左右的妙齡少女來當受試者，其中一部分少女請專業造型師幫他們上妝 (就稱她們為美豔組吧！), 另外一部分則由造型師幫他們卸妝後，僅上些保濕乳液，以維持素顏的狀態 (那只好稱她們為素顏組了！)。然後讓美艷組和素顏組的女孩們出沒在浪漫法國的酒吧裡，研究人員則在旁邊當秘密客記錄，看有多少男人前來和這兩組的女孩搭訕，以及從注意到女孩到實際搭訕的時間 (也就是看他們忍了多久才採取行動)。 結果發現，有化妝的女生，比較受到男生的青睞，搭訕的人數也比較多。其實妝容又有分好幾種，基本上就有自然淡妝與豔麗濃妝；既然有化妝比較迷人，哪一種的好感度比較吸引人呢？哈佛大學艾特考夫 (Nancy Etcoff) 的研究團隊，透過數位技術將女模的照片進行後製，區分為素顏、自然妝和華麗濃妝三種，然後，請受試者評選對這些照片的印象。結果發現，臉上的 妝越濃，魅力指數 (attractiveness) 越高，但是好感度 (likeability) 和信 任度 (trustworthiness) 則略為降低；代表妝越濃雖越吸引人，但是也會讓好感和信任度打些折扣。所以，如果要進行行銷或推薦產品，選擇自然妝，增加客戶對自身的好感度與信任度，或許是一個不錯的策略。妝品可約略區分為保養品、彩妝品和香水三大類。......【更多內容請閱讀科學月刊第 582 期】 |
化妝品,不只是擦漂亮的——當代妝品中不可或缺的機能性 | 近年化妝品 (cosmetics) 產業蓬勃發展，根據經濟部統計處工業 生產統計，〈臺灣化妝品製品製 造產業產值〉自 2011 年起，即保持穩定成長，截至 2013 年該項產 值為新臺幣 13 億元。即使近來因全球經濟低靡或歐債危機造成全球化妝品產業市場規模呈現萎縮狀態，但臺灣的化妝品仍持續成長，2017 年我國化妝品產業出口額達 7.3 億美元新高，其中主要外銷國為中國及香港，且年增加率 13%, 故化妝品產業仍前景可期。一般化妝品市場每年約成長 5%, 機能性化妝品、藥妝品及醫學美容 產品市場之成長率則高達 15%, 加上近年醫學美容盛行，具特殊功 能訴求的產品，其需求與潛力不容忽視。其二，由於消費意識抬高及網路普及，消費者對產品有更多背景知識及了解，也同時促進化妝品品質、安全及功效性提升，甚至在購買化妝品時，也會更注重選擇有信譽且標示清楚的廠商。現今的化妝品型態是從何發展而來的？一開始，人類為保護身體、避免熾熱陽光及急遽溫度變化之傷害與威脅，便將油脂、泥漿或植物等混合後塗抹於身體，以達禦寒、降溫或抵禦陽光曝曬傷害的效果，之後才慢慢演變出多元的選擇。現今因科技及材料科學持續進步，化妝品無論是原料、調製、製造生產及包裝材料等，也越來越多元。 依「化粧品衛生管理條例」, 我國有關化粧品的定義為「施於人體外部，以潤澤髮膚，刺激嗅覺，掩飾體臭或 修飾容貌之物品」。在 107 年 4 月 10 日「化粧品衛生安全管理法」三讀通過後，加入了使用於牙齒或口腔黏膜相關產品，並將化粧品分類為洗髮用化粧品類、洗臉卸粧用化粧品類、沐浴用化粧品類、香皂類、頭髮用化粧類、化粧水∕油∕面霜乳液類、香氛用化粧品類、止汗制臭劑類、唇用化粧品類、覆敷用化粧品類、眼部用化粧品類、指甲用化粧品類、美白牙齒類等，規範及種類上更為完備；而且法規實施後，未來亦將強制化 妝品製造需有優良製造規範 (Good Manufacturing Practice, GMP) 認證 方可製造，除保障化妝品品質外，也連帶使化妝品產業有所提升。化妝品百百種，根據功能與所含成分的不同而各擁其名，先從機能性化妝品 (functional cosmetics) 開始說起。機能性化妝品主要指具有功能訴求的化妝品，而這些功能訴求包含美化肌膚、抗老防皺、保濕、防曬、美白、去角質、改善黑眼圈與肌膚黯沉、塑身、染燙及育髮、除毛、掩飾或改善體味等化妝品。只是，因為消費意識抬頭及網路普及，普羅大眾開始對各項產品訴諸強而有力的實證依據。此外，若要開發機能性化妝品成分或產品功效性，需結合皮膚科學及相關科學進行驗證，目前已建立許多相關科學研究方法及模式，另亦有許多儀器應用在與化妝品相關的項目，如減少皺紋、增加彈力、保濕、水分含量、膠原蛋白含量、祛斑或增加皮膚光澤度等，藉以進行驗證。當代常見的另一種分類，相對於一般化妝品，含藥化妝品 (cosmeceutics, 在〈化粧品衛生安全管理法〉裡稱為「特殊用化粧品」) 特指含有醫療或毒劇藥品的化妝品，其種類包含如防曬劑、美白劑、染髮劑、燙髮劑、止頭皮屑、止汗除臭劑、牙齒美白劑、角質軟化及預防面皰粉刺等化妝品。而這些含藥化妝品，可使用的藥品成分及用量，均有規範，目前依〈化粧品衛生管理條例〉尚需事前查驗登記，未來新法則將採業者自主管理，僅需上網登錄資料並備有產品之化粧品產品資訊檔 (Product Information Form, PIF)。而在一片機能與特用化妝品海中，防曬劑 (sunscreen) 就是一個常見且囊 括此二分類的化妝品。隨著化妝保養品知識提升，民眾日漸了解使用防曬劑保護皮膚的重要性，使用防曬劑不只是愛美、更是為了防止紫外線造成皮膚傷害或皮膚癌。早期認為肌膚白就是美，而白色肌膚也是社會及經濟地位的象徵；後來法國時裝設計師香奈兒 (Coco Chanel) 提倡古銅色肌膚代表健康、年輕及活力，加諸戶外活動盛行，使得消費者暴露陽光的意願增加，進而促使防曬劑的需求及發展。紫外線依其波長及生物效應，可分為長波 (UVA, 320~400 nm)、中波 (UVB, 280~320 nm) 及短波 (UVC, 200~280 nm), 如圖一所示。其中，短波雖能量強，但大部分可被臭氧層阻隔無法到達地表，因此防曬劑主要功能為防護長波及中波。長波穿透力強，可深入皮膚表皮層到達真皮層，甚至皮下脂肪，一般認為是引起皮膚老化、皺紋、變黑的主要因素，目前有研究發現其亦可引起皮膚癌；而中波佔的比例低，約為長波的 1%(圖一), 穿透力較差，僅能穿透皮膚表皮層，進入真皮層上層，但仍可使皮膚曬傷、變紅及暗沉，且會引起皮膚癌，因此防曬有其必要性。防曬劑的主要功能為保護皮膚免於紫外光傷害，可分為物理性防曬劑及化學性防曬劑，物理性防曬劑代表成分包含氧化鋅 (ZnO) 及二氧化鈦 (TiO2), 主要用以隔絕紫外光進入皮膚中......【更多內容請閱讀科學月刊第 582 期】 |
水嫩肌大小事─ 化妝保養品的保濕作用與對應成分 | 肌膚包裹著我們的身體，以防止外來的各種刺激和傷害，發揮保護人體的功用，一位成人全身皮膚面積大約是 1.6 平方公尺，厚度則隨著年齡、性別及部位的不同而有所差異。皮膚由外而內可大致分為表皮、真皮和皮下組織，另外還有毛髮、指甲等附屬器官。表皮是肌膚最外面的一層組織，平均厚度為 0.2 mm, 由外向內，可將表皮分為角質層、透明層、顆粒層、有棘層和基底層，這些細胞的成分大都是角化細胞，經代謝向外推展最後形成角質層。由於角質層暴露在外部環境，與身體內部比起來乾燥得多，正常肌膚的角質層含水量要在 10~15%, 且易於受到環 境的相對溼度的影響，普遍認為這是維持肌膚柔軟性和彈性的最重要因素。因此，身體內部含水量應該被關注之外，也必須有防止流失的屏障機能。角質層中擔任保持水分的是角質細胞中的水溶性成分，稱為天然保濕因子 (natural moisturizing factors, NMF), 其主要成分是胺基酸及蛋白質的分解代謝物。乾燥粗糙的肌膚是少部分角質化異常、胺基酸含量減少，使得保持水分的能力降低所致。含水量低到 10% 以下時，角質層變得又硬又脆，若遇到濕度不高的冬天，手掌腳底的肌膚會龜裂或有皮屑產生。角質層的水分屏障機能也是角質化過程的巧妙安排，脂質小體在移向角質層時，包在內部的脂質會釋放出來，在維持其構造之外，也相互融合成為細胞間質，此位在細胞之間的脂質，對於防止水分蒸散和天然保濕因子中胺基酸的流失，扮演著重要的角色，其主要是由神經醯胺、膽固醇和脂肪酸等構成。完美的屏障功能不只是取決於量，更多的是成分的組成比例，也與皮脂腺分泌混合形成的皮脂膜 (圖一) 有關。肌膚原有的水分可能由於許多外在因素，而失去平衡或逐漸流失，例如：長時間待在冷氣房，或者僅是季節變換，會使水分朝向乾燥的環境發散，若皮脂膜無法有效地發揮保護的功能，如此一來肌膚的含水量降低，而使表皮細胞呈現乾扁狀，甚至有脫屑情形。這時候就只能由外部提供水分，藉由化妝保養品中保濕成分的作用，使肌膚恢復原有潤澤光彩。保濕作用的重點在於水分要如何被獲得與保持，關鍵性材料來自皮脂膜的組成成分，可依屬性大概分為兩種，其一為皮脂腺所分泌之三甘油酯等的親油性成分，另一則是來自汗液混合的親水性成分。親油性成分透過其表皮屏障作用，以「鎖水」的方式使水分保留在肌膚裡，而親水性成分則是積極地由環境中捉取水分，以「捕水」的方式使水分停留在表皮區域。在化妝保養品中提供肌膚額外保濕作用 的可統稱為「潤膚乳 (moisturizer)」, 其中親油性成分多以油脂蠟、脂肪酸和合成酯為主，分類上稱為柔皮劑 (emollient), 包裹在表皮外以替代 流失的皮脂膜成分。天然的油脂蠟可依據來源分為動物性、植物性和礦物性油脂蠟，因原料氣味與適用性等諸多因素，目前以富含三甘油酯的植物性油脂蠟為主流，例如橄欖油、荷荷巴油、夏威夷核果油和乳油木果脂等，其次為動物性油脂蠟，會帶有些許特性臭味。這些親油性成分都是大分子物質，對肌膚說不上有深度吸收的效果，但勝在與皮脂膜的高度相容性，在肌膚上鋪展後可有屏障保護的能力，亦可軟化因失水而堅硬的表皮細胞。當然，借助於溶劑 (助滲透劑) 的作用是可以幫助有效成分被吸收到肌膚裡層，以達成某些進階的效果，但這與單純的表皮保濕作用無關。親水性成分之所以具有捉取水分的能力，乃因其化學結構具有可與水形成氫鍵的官能基，最常見的是羥 基 (hydroxyl group), 會以帶有 多個 - OH 的模樣呈現 (圖二), 稱為多元醇，分類上屬狹義的保濕劑 (humectant), 現在廣用的保濕劑指的是這類的親水性成分。多元醇的保濕能力會因結構中羥基的數量而提升，但也並非是絕對的因素，像是碳鏈的長度，較長的碳鏈會造成立體纏繞，反而捉不到水。像是甘油 (glycerin) 是多元醇中的捉取水分能力極佳，但是在配方中的使用量也不能無限上綱，它有可能把肌膚裡層的水分拉拔到表面上，反倒造成真皮層缺水，當真皮層缺水，皮膚摸起來雖會有水潤的觸感，看起來卻是乾燥焦黃顏色，稱為「甘油焦」。 因此，除了特殊目的之外，甘油等多元醇類於保濕製品配方中的使用量會在 10% 以下。......【更多內容請閱讀科學月刊第 582 期】 |
星星的搖籃—分子雲 | 仰望夜空，浩瀚無垠的宇宙中，有著數不盡的星星，而在這些恆星之間的黑暗空間中，實際上存在許多雲氣 狀態的物質，稱為「星際介質 (interstellar medium,ISM)」。一般而言，這些雲氣不會發出明亮的可見光，較難察覺其存在，但卻是培育恆星與其所屬行星的搖籃，也是宇宙物質演化循環中，不可或缺的一環。隨著環境不同，星際介質會受到各種吸熱與散熱的作用，而處於不同的物理狀態，稱為「態」。目前已知存在數種不同的態，基本上是以氫原子的狀態來區分，如熱電漿態、暖電漿態、暖中性態與冷中性態。不同的態彼此間以相似的壓力達成平衡，而共存於星際空間。大致上來說，吸熱過程有許多來源：如吸收恆星發出的高能量輻射、宇宙射線的散打穿透、衝擊波如超新星爆炸、恆星風攜帶的能量等。而散熱過程主要是以原子、分子或塵埃的輻射放光作用來冷卻，平衡吸熱與散熱的過程決定了一個態的溫度。在壓力相等的前提下，由理想氣體方程式可得知，溫度低的態，密度自然就高，而密度最高的態，就是「分子雲 (molecular clouds)」。 顧名思義，其主要的組成已是氫分子，溫度大致上在 10~20 K 之間，平均密度約在 100 個分 子∕公分 3 左右。分子雲內部的緻密核 (dense cores), 密度更可達到 106 個分子∕公分 3。因為分子雲的密度非常高，重 力的作用較為明顯，尤其緻密核更是恆星星團的誕生地。分子雲的規模有大有小，最大的巨分子雲 (giant molecular clouds, GMCs) 總質量可上達 107 太陽質量，也就是 1034 公噸。分子雲是宇宙物質分布中一個很特殊的態，佔了整體空間中不到 1%, 卻是許多物理現象交互作用的所在。大致來說，重力是萬有引力，處處存在，但若只有重力的作用，所有的雲氣就會在極短的時間內塌縮，進而形成大量的恆星，但觀測上並沒有看見這樣的現象，所以在不同的尺度上，應有其他的作用與重力相互抗衡，延緩重力聚集質量的效率，預告了紊流與磁場的存在。分子雲內部有著極為複雜的質量分布與動力學結構，基本上是紊流、磁場與重力交相作用的產物。數年前由歐洲主導的赫修 (Herschel) 衛星在紅外線波段的觀測發現了分子雲的層級絲狀結構 (filaments), 密度高的部分多呈現絲 條狀的型態，且對外連結密度較低的垂直絲狀結構，顯示紊流與磁場對分子雲的結構有重要的影響。近年來，阿塔加瑪大型毫米∕次毫米波望遠鏡陣列 (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA) 更大為提高觀測的解析度，不僅確認絲條狀結構的存在，更進一步探討絲條狀結構可能是由更細微的次結構所組成。分子雲內的溫度極低，以 10 K 來說，聲速僅有 0.2 km∕s, 也是熱運動所造成的分子譜線線寬，但實際 觀測到譜線線寬往往遠大於熱運動的值，因而推斷超音速紊流 (supersonic turbulence) 普遍存在於分子雲內。根據紊流造成似碎形般的氣體分布，估計維度約在 2.3 左右。早期拉森 (Richard B. Larson) 整合了數種分子譜線的觀測結果後，發現因紊流造成的譜線線寬 (Δv) 與分子雲的尺度 (L) 有明顯的正比關係，即「拉森法則 (Larson’s law, 下頁圖一)」。這種亂運動與尺度間的關聯性，恰恰符合能量分布遵循柯爾莫戈洛夫紊流 (Kolmogorov turbulence) 的特性 (圖二)。紊流的能量分布隨著尺度縮小而降低，由大尺度的結構驅動紊流，透過紊流漩渦的特性，將能量層級傳遞向較小的尺度結構，最後消散在最小的尺度 上。不同尺度上的能量，正比於測量尺度的 5/3 次方。磁場普遍存在於宇宙中各種物理系統內，小至地球等行星、太陽與恆星，大至巨大星系，都受到自身磁場的影響。星際空間內當然也有磁場的存在，強度一般約在 10-5 高斯左右。近年來，由高靈敏度的普朗克 (Planck) 衛星量測的全天磁場走向圖，顯示許多分子雲周遭與內部的磁場結構。一般而言，物質傾向於沿著磁力線流動，因而匯集到條狀結構內，但有時也會拖曳磁場，改變磁場的型態。......【更多內容請閱讀科學月刊第 582 期】 |
還原歷史的不可或缺— 鍊金術科學考古 | 很多歷史文獻能作為歷史時期研究的參考，然而除此之外，若考古學家直接對遺物本身進行研究，加上科學分析的輔助，能得到許多文獻無法提供的訊息。如流行文化中常見的名詞與概念──「鍊金術 (alchemy)」即為一例，不僅能從文獻裡看到許多「江湖術士」的傳奇，其分離貴金屬的方法，也悄悄打開了分析化學的扉頁......。提到鍊金術，除了日本動漫《鋼之鍊金術師》, 在《哈利波特：神秘的魔法石》中，哈利歷經千辛萬苦避免落入佛地魔手中的魔法石 (原書名中魔法石的原文為 Philosopher's Stone, 即哲學之石), 也與鍊金術的歷史有些關聯。鍊金術是中古世紀科學哲學傳統的一小部份，而傳說中的哲學之石能幫助他們達到的目標有二：第一是基於相信物質間能相互轉化 (transmutation), 欲將一般金屬 (如鉛或銅) 轉變成金或銀的「點石成金」, 其二則是哲學之石能使他們長生不老。在 12 世紀時，因阿拉伯鍊金術相關書籍被翻譯、引入歐洲，促成歐洲鍊金術的誕生，直至 16~18 世紀到達高峰，大量相關著作應運而生，也吸引越來越多人鑽研鍊金術，其中著名的代表人物是神聖羅馬帝國的魯道夫二世 (Rudolf II.)。魯道夫二世終其一生著迷於天文學和鍊金術，並集結全歐洲最優秀的鍊金術師到布拉格，希望能找到傳說中的哲學之石。除了在布拉格城堡，他也在布拉格猶太區建造一個與鍊金術有關的秘密地下實驗室，而這個 場景直到 2002 年一場大洪水，才被人發現。從中古世紀開始，一般對於鍊金術的印象無非是神秘而奇幻的，也因此到了 18 世紀，鍊金術開始被認為是一門偽科學，但其實鍊金術師這個角色對於了解金屬的物理和化學特性上有重要的貢獻，可說是科學史上最早的化學家。因為相信物質之間的轉化，所以鍊金術師累積了各種對於對於金屬物質的觀察，並發展提煉金屬的實驗步驟，其中又以 鍊金術實驗室常見的「火試金法 (fire assay)」最為著名。什麼是火試金法呢 (圖一)? 簡單來說，就是檢測手中材料裡含有多少貴重金屬 (通常是銀) 的一個步驟，假設鍊 金術師 A 手中有 500 公克的岩石 (自然界含銀的岩石通 常與大量的鉛共生), 他相信裡面可能有含銀、但不確定有多少，於是切了 10 公克的石頭下來，放到用來分離出 貴金屬的「骨灰製器皿 (圖二)」裡加熱，發現 10 公克的石頭裡有 1 公克的銀，故推論 500 公克的石頭裡含有 50 公克的銀。然而他們是如何把銀從含有大量鉛的岩石中分開的？其實就是利用鉛和銀對氧的活性和表面張力差異，進而將兩者分離。根據歐洲中古後大量文獻記載，該步驟所使用的多孔容器為骨灰製器皿，其可增加對氧化鉛的吸收力；而鉛的熔點較低且所以熔化後形成氧化鉛，當鉛被骨灰製器皿吸收時，銀則因為有較大的表面張力，故在器皿的中央形成小珠子。這個方法在歐洲中古後期除了用在鍊金術實驗室，也廣泛用在礦場跟鑄幣廠：根據含銀量，礦工需要知道開採某礦脈是否符合經濟效益；鑄幣廠需要對銀幣進行品管，確認出口的銀幣是否有符合法定的銀含量，否則銀幣含銀量下降會造成貨幣貶值。火試金法的步驟具有近代科學實驗中重要的條件 —— 再現性 (reproducibility), 且這種被視為分析化學中最古老的分析方法，因能確定材料的成分與含量，故至今仍被業界採用。......【更多內容請閱讀科學月刊第 582 期】 |
再生研究新方向— 探索生物體內的再生 | 為什麼要研究很會再生的動物？除了有趣、好奇心的驅使之外 (要是讀者曾看過渦蟲、蠑螈再生的影片，當下是否也有過這樣的念頭：家裡的剪刀不知道放在哪裡？要是讓我在路上遇到這些動物，我也要來試試看它們的再生能力！), 另一個重要的原因是在現今的時空背景下，研究會再生的動物具有其潛在的醫學應用價值。目前，不論是在臺灣或是美國，心臟病和癌症是名列人口死亡的前兩大原因，再來的排名則是許多因器官老化受損無 法修復所造成的相關疾病。以心臟病為例，病人的 5 年存活率跟一般癌症病人相比更不理想，主要的原因在於心臟在缺血受損後，心肌細胞無法進入細胞分裂週期，心肌細胞和心臟功能的喪失是永久性、不可逆的。所以，很簡單的想法便出現，要是可以在心臟受傷後刺激心肌細胞再生，則心臟功能是有機會完全恢復的。近幾年的研究發現一些再生能力強的脊椎動物，像是蠑螈和斑馬魚，除了可以再生身體外部容易觀察到的複雜組織，像是四肢、尾巴或尾鰭等，還能夠有效率的再生身體內部的複雜組織和器官，像是心臟、腎臟和脊柱神經等。以心臟受傷作為模式，成年的斑馬魚可以在失去 70% 的心肌組織後，於 30 天左右再生出所有失去的心肌細胞，進一步恢復完整的心臟功能。為此，若我們可以了解這些動物是如何再生？其體內的再生機制為何？是不是就有機會利用這些知識，啟動可能潛藏在你我體內的再生能力、突破目前醫療上所面對的瓶頸？除了電影《X 戰警》(X-Men) 中的金鋼狼，人類對再生 能力的想像，其實可以一直追溯到 2000 多年前的古希臘 時期。曾經在神話裡跟海克力斯 (Hercules) 打鬥的九頭蛇 (Hydra), 就有著不斷可以再生複雜組織 (蛇頭) 的能力。一直到 18 世紀，特朗佈雷 (Abraham Trembley) 才在真實世界裡發現再生能力不輸九頭蛇的動物 —— 水螅。 除了詳細記錄水螅的再生過程，特朗佈雷也幫這個新種的多細胞無脊椎動物取了一個再適合不過的學名 —— Hydra。僅相隔數年，義大利的斯帕蘭札尼 (Lazzaro Spallanzani) 更進一步發現有些脊椎動物，像是蜥蜴和 蠑螈，也具有很強的再生能力。斯帕蘭札尼仔細地紀錄成年蠑螈再生手臂和尾巴的過程，發現了幾個科學家到現在還無法解釋的有趣現象 (圖一), 像是再生速度會受到受傷程度的調控，切除手臂引起的再生反應，比僅僅只切除手指所引起的再生反應要快上許多；季節環境的變化也會影響再生的速度；但餵食與否，卻不會影響再生所需的時間等。這些現象在不同生物 (蜥蜴的尾巴、魚的尾鰭等) 的再生過程中都可以被觀察到。因此，科學家認為可能有一個相同的機制，在調控這些再生反應。有意思的是，250 年前斯帕蘭札尼的發現，直到現在仍尚未找出其調控機制，依然是科學家積極探討的研究課題。雖然有很多物種具有再生複雜組織的能力，但是，近幾年來卻發現有些動物在演化道路上很接近，卻有著截然不同的再生能力。例如以再生能力著名的渦蟲，竟也有渦蟲品系是不會再生的；一般實驗室使用的小鼠再生能力有限，但是親緣相近的非洲刺毛鼠 (African spiny mouse) 卻有很強的再生能力，可以完整再生毛囊、汗腺和大面積的皮膚組織而不會有疤痕的形成。對於此現象，可能的解釋為具有再生能力與否，並不會直接影響生物繁殖後代的機會，只要不受嚴重的傷，再生能力強的生物並沒有明顯的演化優勢。就算是對同一種生物來說，在不同的發育階段，也可以具有完全不同的再生能力。以實驗室的小鼠為例，成鼠是無法再生受損的心肌細胞或是指節，但是剛出生的仔鼠在 7 天之內卻可以再生這些複雜組織。因此，科學家興起一個有趣的想法，或許大部分的生物其實都帶有所有啟動、執行再生反應所需的重要基因，只是無法在關鍵的時候被適當活化。進一步利用不會再生的渦蟲品系作為實驗模型，科學家發現只要對單一基因進行調控，就可以讓不會再生的渦蟲，變成可以再生的渦蟲，重新長出被截斷的頭部組織。......【更多內容請閱讀科學月刊第 582 期】 |
媲美愛因斯坦貢獻的女科學家— 艾米•諾特 | ” 諾特是人類有史以來最重要和最有創造性的女數學家。 —— 愛因斯坦 ” 艾米・諾特 (Emmy Noether, 1882~1935) 出身於數學世家，父親是海德堡大學傑出的數學教授，哥哥是著名的應用數學家。起初，她像一般女孩那樣學習英語、法語和鋼琴，不久，她的興趣就轉向數學。當時德國大學不招收女生，諾特作為旁聽生修完大學本科的全部課程，她的畢業考試成績非常優秀，被授予相當於學士的學位。隨後，諾特轉入德國最著名的哥廷根大學繼續深造，獲得博士學位。那時，哥廷根大學是全世界的數學中心，諾特在那裡結識了許多傑出的數學家，包括為 20 世紀數學發展奠定基礎的希爾伯特 (D. Hilbert, 1862~1943)。希爾伯特教授非常賞識諾特的才華，試圖為她謀求在哥廷根大學當助理教授的教職，但當時德國大學根本不接受女性為教授。希爾伯特憤慨地說:「我不能理解以性別為理由拒絕她。我們是大學，不是澡堂！」希爾伯特退而求其次，諾特終於被任命為哥廷根大學的客座講師，以替希爾伯特教授代課的名義講授數學，很受學生歡迎。諾特除了授課以外，還傾心於數學研究。她嘗試過幾個不同領域的研究以後，決定專注於探索「不變數」, 事後證明這是正確的選擇，為她日後作出重大貢獻奠定了基礎。不變數的數學含義比較抽象，從物理方面看較易理解：考慮一個封閉的物理系統，包括許多不同成分及其間的各種相互作用，這些因素都在變化，系統的總能量始終保持不變。總能量是不變數，這是能量守恆定律在起作用。1915 年愛因斯坦 (A. Einstein, 1879~1955) 發表廣義相對論，隨後愛丁頓 (A. Eddington, 1882~1944) 率隊在東非觀測日食時，由星光為太陽引力所彎曲的觀測所證實，全世界為之轟動，哥廷根大學也幾乎人人都在議論。諾特將她的不變數理論應用於研究廣義相對論的一些複雜問題，從中獲得啟迪，最終證明了「諾特定理」。諾特定理是由邏輯推理得出的數學定理，卻具有極其重要的物理涵義：物理學的守恆定律與時空對稱性，兩者具有一一對應的密切關係。能量守恆定律對應於「時間平移對稱性」, 這太學究氣了，不好懂，通俗的解釋是：一個物理實驗在今天做、明天做、任何時候做，結果都一樣。這竟然和能量守恆定律密切相關，若非諾特嚴格證明，真的難以置信。動量守恆定律對應於「空間平移對稱性」, 通俗的解釋是：一個物理實驗在臺北做、臺南做，任何地點做，結果都一樣。槍炮射擊時產生反衝力，就是動量守恆定律在起作用。角動量守恆定律對應於「空間旋轉對稱性」。通俗的解釋是：一個物理實驗朝東做、朝西做、朝任何方向做，結果都一樣。旋轉的陀螺僅一點著地能保持不倒，就靠角動量守恆。由此可見，數學定理雖然很抽象，一旦與具體物理現象相聯繫，就具體化了，而且很有實用價值。單純就數學意義而言，諾特定理並非最重要的定理，其獨特之處在於與物理定律密切相關，具有非常深刻的含義。李政道和楊振寧提出「在弱相互作用中宇稱不守恆」, 經過吳健雄等以實驗證明，李政道與楊振寧於 1957 年獲得 了諾貝爾物理學獎。在此基礎上建立起正確的弱相互作用理論，成為量子場論標準模型不可或缺的組成部分。根據諾特定理，「 宇稱不守恆」對應於「空間鏡像不對稱」, 作一粗淺比喻，設想你以縮身術將自己變得其小無比，鑽到參加弱交互作用的基本粒子內部去照鏡子，就會發現鏡中的像與你不一樣！為何如此？只知其然而不知其所以然，這卻對正在探索中的統一場論 (通稱「萬物之理」) 提供啟迪。由此可見，諾特定理含義深不可測，數學之妙，妙不可言！愛因斯坦稱諾特為:「人類有史以來最重要和最有創造性的女數學家。」另一位獲得愛因斯坦類似高度評價者是兩次獲得諾貝爾自然科學獎的居里夫人。愛因斯坦對諾特評價如此之高，其來有自。廣義相對論將萬有引力歸結為時間和空間的彎曲，被稱為物理學之「幾何化」, 這是從物理學向數學靠攏。諾特定理則是從數學向物理學靠攏。愛因斯坦和諾特殊途同歸，英雄所見略同。稱諾特為「女愛因斯坦」, 當之無愧。既然如此，諾特為何鮮為人知？......【更多內容請閱讀科學月刊第 582 期】 |
出世靈魂入世心—談數學影劇中的人生觀 | 「我不曾做過任何『有用』的事情。不管是直接或間接，無論好或壞，我的發現從來不會、也不可能會對這優雅的世界產生一丁點的改變。以所有實用的標準來看，我數學生涯的價值是虛無的。」── 哈代 (Godfrey Harold Hardy) 在《一個數學家的辯白》(A Mathematician's Apology) 一 書中，偉大的英國數學家哈代 (上圖) 如此「謙卑地」表示他一生的數學發明對這世界毫無貢獻。但與其說哈代謙卑，倒不如說他是如此「驕傲地」宣告他的數學靈魂始終 保持一種出世的純粹。身為 20 世紀數學形式主義的掌門人，哈代擁護數學純粹的本質，不願數學研究沾染世俗的銅臭。但事實證明，哈代錯了，他的研究領域 ——「數論」, 不僅已成為密碼學的基礎，和傳奇印度數學家拉馬努金 (Srinivasa Ramanujan) 共同提出關於分割函數的「哈代–拉馬努金逼進公式 (Hardy-Ramanujan asymptotic formula)」也被應用於量子物理。另外，還有一件事情哈 代可能做夢也想不到，他的理念竟然可以被運用在戲劇上。他曾說:「數學家猶如畫家和詩人，都是創造模式的人」。但華麗色彩會退盡，文字語言會消失，惟抽象的數學模式不須借助於於任何物質，超脫於任何有形的文字或色彩。哈代進一步強調，數學模式最後一定是以一種具備和諧之美的形式存在，因為醜陋的數學在世界中沒有永久的位置。而這「模式」的數學理念恰成為戲劇創作者發揮的題材。《數字搜查線》(Numb3rs) 是美國哥倫比亞廣播公司於 2005 年推出的一系列電視劇，內容描述數學家查理。艾普 斯 (Charlie Eppes) 如何巧妙運用數學知識，替擔任美國聯邦調查局 FBI 探員的哥哥唐 (Don Eppes), 偵破數起 發生在洛杉機的重大刑事案件。數學怎能協助調查局辦案呢？重點就是在於尋找模式。第一季第 1 集「Pilot」中，發生數起連續殺人事件，因為無法確定下一次案發地點，FBI 苦無對策。但查理以庭院的灑水器為例，說明雖然我們無法預測從灑水器噴出去的水滴落下的位置，但由於灑水器噴出去的水滴皆以拋物線軌跡前進，即使無法預測水滴落下的確切位置，但是可以根據水滴落下的位置去回溯灑水器座落的可能範圍。同理，雖無法預測連續殺人犯下一個案發地點，但是連續殺人犯為躲避警方的偵搜，通常會選擇離其居住處一段距離的地點犯案，掌握住這模式就可以從每個案發地點回溯出該嫌犯住處的可能範圍。查理對尋找模式的熱衷在第二集更表露無遺。查理觀看著水池中的錦鯉，對著亦師亦友的物理學家賴瑞 (Larry Fleinhardt) 說:「就像這些魚，只要有足夠的時間，就能看出每條魚的行動模式。」賴瑞提醒查理:「數學家就是愛找模式，查理，我相信你可以預測魚和人的行動，預測的能力和控制的能力不能混為一談。」在劇中，賴瑞經常扮演醍醐灌頂的角色，每當查理沉浸於數學模式之中而無法自拔時，賴瑞往往一語驚醒夢中人。比方好幾次歹徒的犯案模式不符合數學模式的計算與推論，賴瑞就提醒查理:「數學家總是想找到完美的答案，但人類的行為無關完美，這宇宙充滿太多奇怪的變數，如果要用來解釋人類行為，方程式要更通俗，可以不必太精確，但說明性要強。看起來沒那麼漂亮，但推算起來更實用。」萬一連續殺人案件找不出共同模式時該怎麼 辦？第一季第 9 集「Zero Sniper」中發生連續狙擊案件，警方嘗試從被害人背景的共同特徵中去鎖定嫌犯，卻苦於無法找出共同特徵，查理因而無法建立數學模型。查理向賴瑞抱怨找出的模式好像是「沒有模式的模式」賴瑞說:「這形上學的看法很有意思，或許還是要加入人為因素。」因此建議查理練習射擊。......【更多內容請閱讀科學月刊第 582 期】 |
從日本時期臺灣的自來水能否生飲,到驗證真偽的否證試誤 | 近日有政治人物受訪時表示，因日本時期 (1895~1945) 在臺自來水的建設，使「當時的自來水，跟日本一樣是可以直接飲用的」。對比起人們小時候仍有水要煮過才能喝的印象以及今日國內外的旅遊網站，多會出現關於各國自來水能否生飲的疑惑與建議，日本時期的自來水是否真的如政治人物所述般可以生飲，似乎有必要提出質疑或否證。本文旨在整理與此時期自來水相關文獻，並彙總筆者於此議題討論時，關於推論方式的多方觀點。現在日本的自來水可安全生飲，也是歷經了近一世紀的努力，才有如此成果。日本厚生勞動省在該網站介紹日本自來水歷史時，在制度的更迭上，提及了從最早在 1890 年制定的「水務條例 (The Waterworks Ordinance)」, 至 1908 年新增作為水質檢驗標準的「水質檢驗共識原則 (Agreed Method of Water Examination)」均未規範飲用水水質標準。20 世紀初期，日本的自來水供水系統從港口和大城市開始設立並逐步提高鋪設率；1921 年，東京市首次在自來 水供水系統中加氯消毒；但直至 1940 年代，因戰後美國控制下加強的消毒措施，才開始顯著消減霍亂、痢疾、 傷寒和副傷寒等「水媒病 (water-borne diseases)」的病例。1957~1958 年間制訂的「水道法 (Waterworks Act)」, 更規定自來水需加氯消毒，使水源性疾病的病患人數有效減少，對日本近代自然水發展影響甚鉅 (圖一)。該法案也首次制定了嚴格的政策目標：自來水就算未煮沸也必須可以安全飲用。回到 1895~1945 年間。雖然我們對於臺灣當時的自來水品 質還不清楚，不過至少知道當時日本政府並未落實在自來水中投氯消毒。因此，這段時間日本的自來水，顯然不適合生飲。而政治人物對於日本時期時，「臺灣當時的自來水，跟日本一樣是可以直接飲用的」的主張，也明顯有誤。雖然在今日的自來水供水系統中，已經完全包含了水源處的取水到家戶管線的鋪設，包括曝氣、過濾和加氯消毒等淨水流程以及水質檢驗至可生飲的標準訂定。但從上述近百年來的歷史中，其實可以發現自來水、淨水設備或方法以及飲用水的標準，其實曾經是在 3 個不同時期出現，直至近代才被整合為一的技術思維。自來水是個早在公元前，羅馬人建立城市內的輸水渠道時就出現的概念。但關於水質的淨化與處理，在近代科學尚未發展起來以前，各個國家或民族也都發展出了關於飲水的指引。例如《周禮》內的百官分工有著「掌除水蟲。以炮土之鼓驅之，以焚石投之。」; 日本現存最早的醫書「醫心方」, 記述了「《養生要集》云：凡煮水飲之，眾病無緣得生也。」; 公元前古梵語和古希臘的著作中也推薦利用過濾、陽光曝曬、煮沸等水處理的方式 。時至當代，世界衛生組織依然建議將水煮沸，是因應缺乏消毒、不安全的飲水處理與儲存、急難狀況，或是無法確認水質等旅遊情境下，足以消滅致病細菌，病毒和原生動物的方式 。因此，雖然 1913 年起，日本政府成立「臺灣總督府研究所」承辦水質的生物學性檢驗，也有學者認為日治時期針對水質標準，建立了至少 10 項檢驗項目，因而達到相當程度公共衛生改善。但考量到二戰前日本仍未普及加氯消毒，也尚未建立飲用水標準，在衛生條件相較理想的歐美，自來水生飲也未成習慣，水源性疾病也未少到可忽視的程度，如果真穿越回 1940 年代，不管你的水是從何處取得的，我想還是先依循古法，煮過再喝吧！不過，上述論證方式在議題討論過程中仍引來多方評論。如慈濟大學生科系葉綠舒教授認為，上述論證雖能確認政治人物意見的謬誤，但不足以佐證當時臺灣自來水能否生飲。由於缺乏臺灣當時的水質資料，因此日本時期臺灣自來水能否生飲，仍欠缺進一步證據證明。「簡單哲學實驗室」創辦人朱家安則認為原始論述「當時臺灣的自來水，跟日本一樣可以生飲」, 可以代表兩種不同意義的命題：(1) 當時臺灣的自來水品質跟日本一樣，且當時日本的自來水可以生飲；(2) 當時臺灣的自來水可以生飲，且當時日本的自來水可以生飲。如果是 (1), 則前文中的考證足以證實原命題有誤；如果是 (2), 雖然無法提出足以證明原始論述中，對當時臺灣自來水品質的判斷是錯的，但至少也提供了理由去質疑原始論述。確實在前述論證中，是透過考證日本的官方論點，而不是臺灣的水質資料是否適合生飲，來判斷原始論述的真偽。但無論是考證日本或臺灣的資料，其實也都可以成為驗證原始論述真偽的途徑。在此，我們可以利用「假設檢定」的概念來理解為什麼不同驗證途徑，可以指向同樣的目標。假設檢定是基於波普爾 (Karl Popper) 所提出的否證論，由此發展出驗證真偽或運用於統計上判斷是否顯著的方式，亦即如果要證明某一個命題為真，則只要證明該命題的虛無假設 (與該命題互斥的所有假設) 不成立；反之若虛無假設成立，則代表原命題有誤必須修正。以檢驗「當時臺灣的自來水，跟日本一樣可以生飲」這個命題為例，這個命題的虛無假設可以有非常多種可能，例如：日本的自來水不能生飲、臺灣的自來水不能生飲、臺灣的自來水跟日本的自來水能否生飲的狀況不一樣、臺灣 (或日本) 沒有自來水等，對於以上幾種虛無假設，由於前文中已經有明確證據證明當時日本的自來水不能生飲。儘管並未對其他虛無假設提出驗證，但也足以宣告原始命題有誤。同樣地，如果能驗證其他虛無假設成立，也都可以否定掉原命題。由此可以發現，要檢驗一個命題的真偽，可以有很多種方式。對於想驗證同一命題的不同人，也可能會提出不同的驗證途徑，而有不同的資料需求或驗證方式。這樣的驗證方式，被廣泛運用於心理、公衛等仰賴推論統計的學科中。藉此可以試著體會否證論所標榜的科學精神：對於你所想要確認的論點，努力搜尋各種可以否證該論點的反例，再修正論點，並繼續搜尋反例。目的不在於找到永恆正確的真理，而是透過永無止盡的否證試誤，持續地邁向科學真理未明之境。〔註一〕文中關於日本的法案名稱，均以日本官方使用的英文名稱為準。本文之完成特別感謝朱家安於哲學與寫作的專業指正；感謝各方評論促使論述更為多元全面；亦感謝某政治人物對此議題的發言，促成深入探討動機。1. 三立新聞網，〈國民黨來之前自來水可生飲？王浩宇：課本不願意說的真相〉,https://bit.ly/2jngjHj,2018 年 4 月 16 日。2. Japan, Ministry of Health, Labour and Welfare, Water Supply in Japan, https://bit.ly/2rgvIgU.3. 沈佳珊，〈日治時期臺灣細菌性免疫醫學發展之研究─從中央研究機構的制度面考察〉,《臺灣學研究》第 13 期 161-184 頁，2012 年。 |
如何忠實重現人類醫學模式的樣貌? | 在穿過滅菌設備、緊急沖淋器與無塵系統等相關設備後，站在穿廊，一字排 開的是 3 間並排房間，從左邊緊閉的門上透明玻璃窗看去，映入眼簾的是一個個堆疊放置在特殊架上的系統缸，架下的泵浦則隆隆作響的負責水缸內的各種恆定；持續往前走，在還沒走至下一道門前，就能聽到陣陣撞擊金屬的聲響，金屬架上安放著一個個的塑膠籠，上頭覆蓋著不鏽鋼網蓋；走廊盡頭的房間，是在聽到逐漸靠近的腳步聲後，從房門的另一側傳來的騷動聲響也漸趨急促，倚著玻璃窗，可以看到一個個巨大的飼養籠。這裡是動物房，是斑馬魚、小鼠與兔子等各種模式生物的家，也是承載著每位研究者夢想與希望的所在。各種大大小小的生物學研究、基礎的生物醫學實驗或新藥開發前的臨床試驗皆離不開模式生物，牠們幫助人類預測出許多可能會發生的結果，找到全新的發現。長年以來，為了減少實驗中的變異，研究人員選擇讓模式生物居住在獨立且空無一物的空間中，以提升實驗的準確性。然而，越來越多的研究發現這樣的實驗方式可能會物極必反，不僅是實驗室之間再現性低之外，近期的研究也發現 9 種通過動物試驗的新藥，最終只有 1 種通過人類臨床試驗，這是否也代表著模式生物所生活的環境或許也是造成這些問題的一部份？現今實驗室中的小鼠，一隻隻住在只有約鞋盒大的籠子中，大鼠甚至無法站直身體；兔子也只能坐在與自己身形相去不遠的鐵籠中；有別於水族箱裡華麗的造景，透明的水缸內僅有幾隻斑馬魚游動著。負責提升實驗 動物福祉、史丹佛大學 (Stanford University) 的行為學家加納 (Joseph Garner) 表示，「 如果人們期望透過動物得知在人類身上會發生的事情，那必須對待牠們更像個人類一樣。」但實驗動物終究不是人類，要如何對待牠們更像人類一樣？科學家提出增加設備、使牠們生活豐富化 (enrichment) 的想法，提供相關設備讓牠們有機會探索、活動，臨摹動物在野外的生活。其實，實驗動物並不是一直都生活在這些狹小且荒蕪的空 間中。19 世紀中期，研究人員開始飼養大鼠 (rat) 來進 行科學性的實驗，當時的鼠籠中還會擺放相關設備供牠們 挖洞與跑步。但到了 1960 年代，由於動物規範與控制變 因等因素，各實驗室開始選擇單一、小型且便宜的無菌籠，因為對於研究而言，若實驗動物沒有明顯的外傷或痛苦，動物的天然習性就顯得為次要，並且不受到關注。現在，科學家所提出來欲提升實驗動物生活豐富化的這個想 法，其實從長久以來的文獻中也有跡可循。1947 年，心理學 家赫布 (Donald Hebb) 發現比起飼養在實驗室中的小鼠，飼養在家中能夠自由跑動的小鼠有更好的學習能力；到了 1960 年代，研究人員在飼養籠中放置木製積木和旋轉迷宮，能擴大大鼠腦中的感覺區域 (sensory redions);2000 年，澳洲墨爾本大學 (University of Melbourne) 神經學家漢納 (Anthony Hannan) 受到文獻中豐富化會激發新神經元 生長的啟發，嘗試為實驗室裡的小鼠增添生活樂趣，他準備了築巢的紙板、鮮艷色彩的球、爬梯和繩索，供小鼠攀爬和玩樂，發現相較於住在一般飼養籠中的小鼠，能成功地 延長亨丁頓舞蹈症 (Huntington's disease, HD) 的發病時間，這也是豐富化第一次證明在神經退化性疾病上的影響，爾後研究團隊諄循相同模式在自閉症、憂鬱症和阿茲海默症 (Alzheimer's disease, AD) 實驗也皆得到相似驗證。 |
材料即動能 驅力來源再添新選擇! | 常見的機器人，其驅動力可能來自栓鏈或繫繩的引導或複雜的電力系統，然而前者易限制關節活動角度、後者又常過於笨重。就在近日，加州理工學院研究團隊於《美國國家科學院刊》(PNAS) 發布 一項新興設計，將動力系統 (propulsion system) 的優勢發揮到極致。驅動機體前進的關鍵材料為一種記憶型聚合物 (shape memory polymer) 所製成的長條物體，其能在溫度變化下達成雙穩態 (bistable)—— 溫度較冷時形狀蜷曲，一旦溫度上升便會伸直。將這些長條狀物與機體上的「船槳」結合運作，可讓船槳在溫水中透過該材料的形體變化向前推進，甚至還能乘載一些物品。 此外，還能根據該聚合物的厚度做出不一樣的行進速度 (越厚的板子預熱時間越長，導致反應較慢)。該校工程與機械物理學教授達雷歐 (Chiara Daraio) 表示，這個自走式裝置 (selfpropelled devices) 設計最大的特點在於，單一材料本身便能產生機械上的功能，並能根據環境變化與用料大小，產生不同的推進效果。未來，研究團隊將進一步研究，在應用面上如何使該材料自主「重置」, 以為下一次的推力做準備。Tian Chen et al., Harnessing bistability for directional propulsion of soft, untethered robots, PNAS, 2018. |
「做決定」學問多 是誰在幫我們把關「代價」 這回事? | 在決定做一件事以前，人們通常會評估所要付出勞力或精神及可能得到的回饋，進而產生動機與所對應的行為。只是這樣的「盤算」在大腦裡是怎麼發生的呢？早先研究指出，大腦透過背側前扣帶迴 (dACC)、前腦島 (aI) 與背內側扣帶迴組成的網絡，來評估事件可 能帶來的風險、或不如預期的結果；而 腹內側前額葉皮質 (vmPFC)、背側前扣帶迴與前腦島，經編碼 (encode) 後會產生對交易價值的期望。然而，生活中與做決定有關的情境，可參考的線索不全然都會出現，故研究的第一作者阿魯帕拉加桑 (Amanda Arulpragasam) 與團隊設計實驗，讓受試者在「不勞而獲的 1 美元」與「根據勞動結果可得到最高 5.73 美元」之間做決定，以區分大腦針對付出與收獲建立的神經計算 (neural computations) 模式，同時以功能性核磁共振 (fMRI) 為受試者進行攝像。結果顯示，在受試者獲知參考資訊前，腹內側前額葉皮質便會考量要得到獎賞所需付出的代價；而背側前扣帶迴與前 腦島則形成受試者對結果的期望與應對策略。該研究除釐清腹內側前額葉皮質在人們做決定時的角色外，也旨在了解相關迴路機制，以期對如思覺失調症等具決定困難的患者，進行改善與介入。Amanda R. Arulpragasam et al., Corticoinsular circuits encode subjective value expectation and violation for effortful goal-directed behavior, PNAS, 2018. |
中研院發現特定基因標記能預測藥物抗體反應 | 【本刊訊】聚乙二醇 (polyethylene glycol, PEG), 又稱聚環氧乙烷 (PEO) 或聚氧乙烯 (POE), 此化合物有許多功用，像是修飾藥物蛋白、幫助細胞融合或製作糖果、巧克力時所添加的食物添加劑等。近期，由中央研究院生物醫學科學研究所的研究團隊，發現特異性免疫球蛋白基因 (IGH) 標記與臨床聚乙二醇修飾藥物抗體反應的發生具有高度關聯性。聚乙二醇是一種水溶性且生物相容性高的化合物，因此，在許多臨床藥物透過聚乙二醇修飾來增加藥物的水溶性，以延長藥物在血液循環中的半衰期，並減少免疫抗原反應的發生。然而，臨床發現部分病患在使用聚乙二醇修飾藥物後，體內會產生抗聚乙二醇 (antiPEG) 抗體，進而降低藥物的治療效果，並影響藥物使用的安全性。為了研究這項個體差異，研究團隊利用高密度基因型鑑定方法進行全基因體關聯性研究，並檢測健康成人中抗聚乙二醇抗體表現量。這項實驗找來了 885 位健康的受試者，根據體內抗聚乙二醇抗體的有無與種類，將之分為對照組或實驗組來分析族群間基因型是否有所差異。為了確認此實驗結 果，在第二階段更找了 110 位受試者進行進一步的驗證。結果發現，抗聚乙二醇抗體的產生與一群特定基因位點有高度關聯性，此特定基因位點為免疫球蛋白基因。進一步分析更發現，個體在此基因位點若帶有特定風險性等位基因 (risk allele) 則會有較高機率在體內產生抗聚乙二醇抗體，並且在血液中會具有較高濃度的抗聚乙二醇抗體，代表抗體基因序列的特異性將可能造成個體是否產生抗聚乙二醇抗體。這項研究已發表在《自然通訊》(Nature Communications) 期刊中。研究團隊表示雖然現今科學界對於抗聚乙二醇抗體產生的分子機制尚不清楚，不過這項研究發現了抗聚乙二醇抗體是如何產生，未來將可透過這些線索，尋找可用的生物標記，以提升患者使用聚乙二醇修飾性藥物的有效性與安全性。中研院，〈精準醫療新突破 — 新穎基因標記預測藥物抗體反應的發生〉,2017 年 9 月 21 日。 |
哥倫比亞大學研發出人造肌肉能使機器人動作柔軟靈活 | 【本刊訊】近年來，機器人與 3D 列印等技術快速且蓬勃的發展，眾多研究團隊皆嘗試突破目前的設備或裝置。以機器人為例，科學家期望有研發出接近人類肌肉的材料，使機器人的動作更靈活、更順暢。而最近，由哥倫比亞大學 (Columbia University) 機械工程實驗室的研究團隊研發出一種人造肌肉，讓機器人的動作能近似於人類。此人造肌肉是一種具有膨脹、伸縮能力 的人造組織，由 3D 列印所打造，且不像先前的機器人動作上需利用外部壓縮機或高壓設備，此人造肌肉能讓機器人的運動和行動像模仿生物肌肉系統一樣自然。此材料的膨脹程度為天然的肌肉的 15 倍，能提起比自身重量重 1000 倍的物品。在這項研發之前，沒有材料能表現出高壓時的應變能力，無法做出肌肉的柔軟作用。而現有的軟致動技術 (soft actuator technology) 通常也是利用提供氣體或液體後，彈性表面的氣壓或液壓膨脹來達到活動，較不具有靈活度。研究人員表示，目前已有許多研究能夠製造出完整、具智慧的機器人頭腦，而機器人的身體卻仍然躊躇不前。因此，為了突破這個難題，研究團隊嘗試研發新的致動器 (actuator)。也因受到生物體的啟發，研究團隊希望能製造出柔軟的材料讓機器人能夠複製人類的動作，執行拾取軟物體或做一些細微的動作。為了使制動器具高應變力，研究團隊運用 一種矽橡膠 (silicone rubber matrix) 為基體，且基體中有富含乙醇的微泡，使其具彈性與柔軟。這項材料一開始先利用 3D 列印製作出形狀後，在利用薄電阻絲和低功率 (8V) 進行啟動。研究團隊將此人造肌肉進行測試，發現它具有顯著的膨脹與收縮能力，當充電加熱到 80°C 時，人造肌肉能膨脹至原本體積的 900%。研究團隊發現人造肌肉在電腦控制下，能夠執行團隊所設計出的任何動作。研究人員表示此材料可以進行推、拉、彎曲、扭轉和提重物，是目前最接近天然肌肉的材料，將可能改變未來對機器人的設計方式與目標。這項研究成果已發表在 《自然通訊》(Nature Communications) 中。未來，研究人員會持續以此材料為基礎，嘗試結合導電材料來替代嵌入式電線，期望能加速肌肉的反應並延長材料的儲放壽命 (shelf life)。研究人員更進一步表示未來更深遠的目標為導入人工智慧來控制人造肌肉，成功打造出模擬人類自然活動的機器人。Columbia University, One Step Closer to Lifelike Robots, 2017/9/19. |
加州理工學院研發出微型分子機器人運輸分子貨物 | 【本刊訊】試想在生活中有機器人能幫忙打掃家裡、洗衣服、洗碗等家事的生活會是什麼樣子？雖然在生活中還未能得以實現，不過遊走人體內的機器人已經開發。由加州理工學院 (California institute of technology) 的研究團隊研發出一種能夠 能執行任務、奈米大小的微型分子機器人。此微型分子機器人是由單股 DNA (Single-stranded DNA) 所構成，除了主幹外，研究人員還幫 DNA 機器人建構出兩條腿、手臂以及手，而這每一個組件皆由幾個單股 DNA 內的幾個核苷酸所製成，使這些 DNA 機器人能夠自主的在表面行走，且拾取某些分子並在指定的位置放下。此 DNA 機器人是利用 DNA 獨特的物理、化學的特性所設計，這些單股 DNA 由四種不同的核苷酸組成，分別為腺嘌呤 (adenine, A)、鳥嘌呤 (Guanine, G)、胞嘧啶 (cytosine, C) 和胸腺嘧啶 (Thymine, T), 而這些核苷酸會進行特定結合，藉由腺嘌呤與胸腺嘧啶結合、胞嘧啶與鳥嘌呤結合，達到此微型分子機器結合或分開。此外，研究人員能藉由給予的特定 DNA 序列來計算核苷酸每次結合或分開的速度或所需要的能量消耗，使研究人員能夠控制 DNA 機器人的速度與執行任務時所需要的能量。並且，透過計算單股 DNA 或結合的 DNA 得知此微型分子機器每走一步的距離為 6 奈米，約為人類 1 億分之一步長。透過這些化學與物理原理，研究人員除了設計 DNA 機器人之外，還設計 58×58 平方奈米 (nm2) 的釘板 (pegboards) 進行行走測試。在釘板上有許多一段段的單股 DNA 排列著，而這些單股 DNA 則與 DNA 機器人腳上的單股 DNA 為互補序列。其中，當 DNA 機器人其中一隻腳與釘板上的單股 DNA 結合時，另一隻腳則是自由的搖晃。經過一段時間後，隨機的分子波動 (molecular fluctuations) 會使自由的腳遇到釘板上的另一單股 DNA, 進而互相結合，而原本釘住的另一隻腳則被釋放，完成行走的動作。除此之外，當 DNA 機器人遇到釘板上的單股 DNA 栓有貨物分子 (cargo molecules) 時，則需要用手去取下分子並攜帶著，直到偵測到放下分子的訊號。雖然 DNA 機器人移動的過程很緩慢，不過，此機器人設計是一種非常簡單且使用很少化學能量的方法。儘管現在研究還在初步階段，不過研究團隊表示未來會持續開發且研究 DNA 機器人的工程原理，希望未來能夠藉由這些 DNA 機器人來進行特定的藥物傳輸至細胞中或回收體內的廢物分子。Lori Dajose, Sorting Molecules with DNA Robots, Caltech, 2017/9/14. |
各國研究團隊嘗試進行異體移植的臨床試驗 | 【本刊訊】在美國，等待腎臟移植的人數約 10 萬人，其中更有許多人已在名單上等待多年。由於器官移植的缺乏，使得科學家嘗試利用其他動物的器官來替代。最近，在國際異種移植協會 (International Xenotransplantation Association) 上，科學家提出相關研究並著眼於人體測試。在過去幾年中，許多研究團隊在腎臟與心臟的異體移植上有重大的進展，雖然無法完全消除排斥現象，不過研究團隊們仍努力抑制其免疫反應。在美國埃里克大學 (University in Atlanta) 的研究中，由基因轉殖豬身上取得的腎臟移植到恆河猴體內，在經過 400 天後才有排斥現象產生，打破先前研究的 250 天。另外，在德國慕尼黑大學 (University of Munich) 的研究則是將豬心臟移植至狒狒 (baboon) 體內，實驗的設計為 3 個月內必須停止。研究人員表示至 90 天時狒狒狀態良好，沒有發生排斥反應。研究團隊目前正持續進行實驗，希望在未來的 2~3 年內展開臨床試驗。除了眾多學者的努力，在英國的阿拉巴馬大學 (University of Alabama) 研究團隊則嘗試研發新的免疫藥物和新品種的基因轉殖豬來克服免疫反應和豬病毒的傳播。 現今，利用 CRISPR 等基因編輯工具，能消除可能會感染人類宿主的病毒序列。雖然已有許多突破，不過研究人員也表示現階段還無法提供患者終身使用的器官，而且其他器官可能會面臨更大的挑戰，像是對於炎症敏感的肺部。儘管如此，研究人員認為對於每周要花上幾小時進行透析治療的腎臟患者而言，即使是短暫取代的豬腎臟還是能延長患者等待人類腎臟的時間。Kelly Servick, Scientists grow bullish on pig-to-human transplants, Science, 2017/9/22. |
2017台積電盃—青年尬科學透過科普書籍與影集學科學 | 【本刊訊】由臺灣大學科學教育發展中心 以及張昭鼎紀念基金會共同主辦的「2017 青年尬科學競賽」, 始於 2012 年首次舉辦。由於現今的教育制度大多以筆試作為升學標準，而此競賽則期望透過指定科學書籍的閱讀、寫作與口語表達的能力競賽，提升學生對科普的認識與科學素養。競賽分為初賽、複賽與決賽，先從指定的科普小說選取題材撰寫，晉級初賽的 60 組隊伍則準備分區的口試初賽。晉級的隊伍則需透過影集「數字搜查線 (Numbers)」中找尋題材、探討影片中的議題並和其他隊伍的相 互提問，最終選出 7 組隊伍晉級最後的決賽。通過層層關卡、晉級決賽的 7 組決賽隊伍來自全台各地的高中，分別為建國中學、北一女中、和平高中、新竹女中、曉明女中、彰化女中、精誠高中與新莊高中。他們從 210 支參賽隊伍中脫穎而出，進行最終的對決。參賽隊伍除了進行簡報之外，也需回答來自評審、對手的問題，評審再由口語表達與臨場反應進行評分。這屆的青年尬科學有別於以往，從初賽的科普書籍、複賽與決賽的影集等素材進行試驗，不僅考驗學生對於數學的了解，更期望學生能將數學靈活運用。比賽的結果由北一女中的「孝數」奪得冠軍，新莊高中的「measuring the world」與建國中學的「Homology」則分別拿下亞、季軍。主辦單位表示，期望透過此活動能激發學生對於基礎教育、科學背景與多元教學各方面的學習，以及在結合科普書籍與科學影集等題材之下，讓學生在生活中發現科學、體驗科學並活用科學。臺灣大學科學教育發展中心，〈青年尬科學最終戰 與你一起渾身解「數」〉,2017 年 9 月 12 日。 |
可乘式燃料電池教具及趣味能源教育之推廣 | 在面臨溫室效應、全球暖化、能源短缺與環境惡化下，「能源」、「節能」與「環保」等議題也一再地發酵。因此，各種「潔淨能源」的研究、應用及推廣，均如火如荼的進行。其中，氫能可算是一顆明亮之星，因為氫不僅可以直接燃燒產生熱能利用，也可將其化學能經由燃料電池與氧氣產生電化學反應轉換為電能使用，且過程中只會排放「熱」與「水」, 不會污染環境，為環保發電機，基於環境永續之發展，已被視為未來具有發展潛力的能源之一。教具為教學時重要的輔助工具，有適合的教具，才能營造出學習氣氛，達到事半功倍、寓教於樂的教育效果。因此，為了能源扎根教育及推廣「燃料電池」的知識及未來能源發展趨勢，國立科學工藝博物館 (簡稱：科工館) 開發一系列可以乘坐、與觀眾互動性高、演示效果顯著，且具有傳統與現代科技結合的「燃料電池」相關教具，激發參觀民眾及學生學習的興致及提昇學習的成效，進而輕鬆達成推廣節能減碳、燃料電池及環境保護的能源教育。燃料電池是火力、核能、水力，及風力、太陽能等再生能源發電技術以外的新發電技術，它不像傳統電池一樣只能充當電能的儲存單位，也不是如內燃機一般將燃料燃燒而產生熱來作功，而是利用電化學的原理，直接將燃料中的化學能轉化為電能的裝置，是一種環保發電機，如把燃料電池裝設於車輛上，搭配馬達及傳動系統，就成為電動交通工具，而且有優異的環保效益。燃料電池的種類一般可分為：質子交換膜燃料電池 (PEMFC)、鹼性燃料電池 (AFC)、磷酸型燃料電池 (PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFC)、固態氧化 物燃料電池 (SOFC)、直接甲醇燃料電 池 (DMFC) 等六種燃料電池較為常見。其中質子交換膜燃料電池，其發電原理是氫氣經由流場板至陽極，透過擴散層與觸媒層中的白金觸媒作用後，氧化為氫離子並釋出電子 (H2→ 2H++2e–), 而電子因電位差的緣故，經由導電層在外電路形成電流作功後輸送至陰極。氫離子和電子以及由陰極氣體流道輸送來的氧氣，藉由陰極觸媒層的白金催化進行電化學反應而產生水 (H2+1/2 O2+2e–→ H2O) 及一些熱氣 (如圖一)。教具之燃料電池系統是結合燃料電池與二次電池混合輸出電力之混合式燃料電池系統，系統內主要組件為氣冷式的質子交換膜燃料電池組、加濕器、4 支低壓金屬儲氫罐所組成的供氫模組、空氣供應模組，以及電控模組等組合而成，構成完整的燃料電池系統 (如圖二), 並設計電源管理系統，以穩定電壓供應乘坐式教具運行及減少燃料電池的故障率。混合式燃料電池系統，平時由燃料電池組直接供應載具運轉時所需的電力 (約 250W), 偶而需要更大電力時再由二次電池提供額外之電力 (約 700W), 以減少燃料電池的設計成本。燃料電池系統的運作方式非常簡單，只要打開主電源開關，系統內的供氫模組及空氣供應模組就會立刻啟動，使低壓金屬儲氫罐的氫氣先經壓力調節閥把壓力調整到約 10 psi, 再調整燃料電池反應所需的氫氣流量後進入燃料電池組內，並與加溼後由鼓風機送進燃料電池組內的空氣，產生電化學反應並輸出電力驅動馬達，帶 動機構使教具運行。因此，科工館積極投入將燃料電池系統裝置於教具上，發展出一些有趣又好玩的燃料電池發電機、燃料電池小火車及燃料電池木車馬等體驗式教具，進行能源扎根教具。博物館的學習主要是透過參觀展示、科教活動中達成，且博物館和學校教育不同之處，它主要是利用實物來展示一個「非文字」的世界，是透過參觀展示與科普研習中達成學習的目的。因此，本教具是採取物件的展示手法，以實際完整的燃料電池發電系統物件，呈現燃料電池的應用及環保效益的概念 (圖三)。其教育概念是將本教具之燃料電池各次系統機構：如燃料電池組、燃料供應模組、加濕器、 冷卻散熱模組 及控制器等五大組件分解成物件一一呈 現，並經由電腦控制逐步啟動燃料電池各次系統，最後讓燃料電池產出的電力驅動小朋友喜愛的小火車來繞行軌道行駛，使科技融入於趣味性中，吸引民眾駐足觀 賞學習，以提昇民眾學習的意願及樂趣。此外，民眾也可透過展示看板之燃料電 池系統基本架構圖及系統實體設備物的對 照及看多媒體影片介紹 (圖四), 了解燃料 電池系統的整體結構及系統各設備的功能，提高參觀民眾對氫能及燃料電池的興趣，達到自我學習的目的。另外本教具之互動式特性，也可讓觀眾一邊聽多媒體影片介紹，一邊看燃料電池發電化學反應所產生的水，會順著排水管慢慢的滴進燒杯裡面，也可以用手去感覺燃料電池的熱從旁邊的孔隙吹出，最後產出的電力驅動小火車繞行軌道行駛或讓電風扇轉動，以達到互動式學習的樂趣及效果。人類未來將會進入氫能時代，現在的小孩長大後多可能駕駛以氫氣為動力的燃料電池汽車，所以科工館建置燃料電池小火車，結合火車的趣味性及未來能源科技的新奇性，把質子交換膜燃料電池應用在乘坐式小火車上 (圖五), 不僅能吸引民眾接觸、體驗無汙染的燃料電池的發電方式外，也可以在搭乘活動中，讓民眾體驗燃料電池應用於電動車輛的基本概念，以推廣燃料電池新知及永續環境的教育。燃料電池小火車系統可以看到燃料電池組、供氫模組、供氧模組、加濕器、安全控制及與各模組間運作控制等設施之間的運作情形 (圖六), 因此；可藉由燃料電池小火車系統之實際運作，及配合說明板的解說或科教活動的進行，將能以寓教於樂的方式傳播燃料電池及氫能之相關知識。「燃料電池木車馬」是運用古代魯班木車馬的機構，而根據古書記載:「木車馬原由木頭人駕馭即可在無動力裝置下行走」。科工館為了推廣能源教具與國立成功大學中華古機械研究中心研究群合作，將其研發八連桿木車馬成果，裝上動力來源，設計成大型可乘坐式的仿生機器馬，讓參觀民眾藉由乘坐之趣味互動中，能瞭解其機械原理，並達成機械、仿生以及歷史相結合之教育目的。第一代可乘式木車馬製作時，是以木車馬復原之機構型式為主要展演重點，及突顯連桿運作在機械構造中之重要性，因此採最簡單且最容易取得之鉛酸蓄電池為動力來源。由於鉛酸電池在耗損後本身將成為污染源，為了配合環保理念推廣綠色能源及節能減碳教育，於是尋求乾淨且最具未來性之燃料電池，研發成為第二代可乘式的「燃料電池木車馬」(圖七、圖八)。其八連桿帶動腿部運動的機構，能仿照真實馬匹的外型與行走方式，實際行走呈現出傳統與現代，人文與科技整合，趣味又互動性頗高方式，吸引民眾觀賞乘座，以體驗燃料電池科技及其環保效益，進行能源及燃料電池教育之推廣。博物館時常會在展場中辦理各種科教活動的，以強調動手做及互動式的學習方式，運用多重感覺器官、從遊戲及體驗活動中學習方式，以及提供人際互動的機會，使得學習不再是枯燥乏味的事情，因此本館發展燃料電池發電機、燃料電池小火車及燃料電池木車馬教具，規劃各種科學闖關、體驗等多元科教活動，投入科工館內外各項能源教育，不僅相當吸引觀眾的注意，也成為活動的焦點 (圖九、圖十)。其實大自然中蘊含了許許多多可再生利用之能源，這些能源除了取之不盡、用之不竭外，更重要的是能兼具潔淨與環保，而燃料電池具備潔淨無污染、高轉換效率、低噪音、燃料來源廣等特點，不但是解決永續能源的問題，更可以減少環境污染並防止全球的溫室效應的擴散，所以成為世界各國積極研發及教育的目標。教學是博物館的一項重要目標，應以多采多姿的展示及科教活動來吸引觀眾，積極投入學習，提昇學習的成效，進而才能輕鬆達成推廣能源教育。 |
孵化環境溫度影響紅耳龜性別 科學家首度發現其分子機制 | 世界上有些動物，在孵化過程中若遭遇環境溫度改變，就很有可能就此「轉性」 了！杜克大學 (Duke University) 日前與 中國浙江萬里學院攜手研究，揭露紅耳龜 (Trachemys scripta elegans) 卵在孵化過程中，其溫度改變性別的分子變化。據研究表示，環境溫度為 32°C 時會孕育 出雌性龜，若為較低的 26°C, 則會生出 雄性龜。團隊發現，若溫度降至 26°C, 由 KDM6B 這個基因所編碼的蛋白會被 活化，並和與睪丸發育有關的 Dmrt1 基因組產生互動；而修飾組蛋白 (histone proteins) 的過程使 KDM6B 彷彿對 Dmrt1 進行解鎖，因而決定了胚胎的性別。然而研究亦發現，若剔除 KDM6B, 其 存活胚胎逾 80% 會產生性別上的逆轉、 成為雌性龜，但若是 Dmrt1 過度表達 (overexpress), 則性別逆轉的現象便不 會發生。領導該研究的細胞生物學教授 卡佩爾 (Blanche Capel) 表示，此次研 究對爬行動物 (reptile) 的遺傳機制以 及影響性別的溫度因子，建立了直接的遺傳關聯性；往後，研究團隊也將針對 與性別決定 (sex determination) 有關的 溫度感應機制作進一步探討。Chutian Ge et al., The histone demethylase KDM6B regulates temperature-dependent sex determination in a turtle species, Science, 2018. |
全球森林觀測揭露高大林木的獨特性 | 在森林的組成裡，樹木高低與大小，能為生態系帶來什麼樣的訊息？一直以來，科學家對生物多樣性有諸多研究，然而對林木種類分佈不同所造成的影響，卻較少被提及。為了解大直徑樹木 (large‐diameter trees) 的生物質 (biomass, 泛指能作為工業原料及燃料、活著或剛死去的有機體。) 含量多寡，及其對林分結構 (stand structure)、 物種豐富度間的關係，全球 98 名科學家與近千位的野外工作者，日前與史密森全球森林觀測站 (ForestGEO) 攜手合作，從全世界 48 塊大型林地中著手，比較胸高直徑 (diameter at breast height, 為約成人胸部高度下的樹木直徑) 大小、林種高低以及生物質含量之間的相關性。研究結果顯示，大直徑樹木的物種多樣性相對較低，然位在美國猶他州的研究人員發現，當中前 1% 高大的樹木與較古老的森林，卻囊括了全球近半數的生物質含量。此外，相較於分布密度高的低矮樹木，大樹對生物質含量的影響更甚。如研究第一作者拉茲 (Jim Lutz) 所述，高大的林種在全球森林碳循環 (carbon cycling) 中掌握著關鍵的控制潛力，且對森林的碳保存 (carbon storage) 也有著深遠的影響。Jim Lutz et al., Global importance of largediameter trees., Global Ecology and Biogeography, 2018. |
具快速分解塑膠能力的強力酵素 | 現代人生活離不開各種塑膠製品、寶特瓶的使用，而這些隨手可得的塑膠製品在經過 1、2 次的使用之後便被人們丟棄，由於無法被環境自然分解，導致全球積累出許多的塑膠垃圾，造成海洋與生態環境的浩劫。為了防止傷害持續擴大，最近，英國樸茨茅斯大學 (University of Portsmouth) 的研究團隊設計出一種酵素能夠快速分解「聚對苯二甲酸乙二酯 (polyethylene terephthalate, PET)」, 期望解決大量塑膠廢棄的問題。一開始，研究人員從塑料廢棄物中發現一種天然酶 PETase, 能幫助細菌降解塑料且作為食物來源。隨後，再利用同步加速器分析其 3D 原子模型結構，發現此酵素具有一個開放的活性位點 (active site)。 再進一步設計、改變活化位點後，團隊發現 PETase 突變體在分解 PET 能力比天然 PETase 更好。不僅如此，還能分解 「呋喃二羧酸聚乙二醇酯 (polyethylene furandicarboxylate, PEF)」, 一種嘗試用來替代 PET 的生物基塑料。目前，研究團隊仍持續利用蛋白工程和 更多工具嘗試繼續改良，期望找出在更短時間內分解塑膠或能分解更多不同種類塑料的強力 PETase。研究人員表示，未來若能利用此酵素發展出具工業規模的回收再利用技術、使其成為一種循環經濟，將能減少對環境的污染與傷害。Harry P. Austin et al., Characterization and engineering of a plastic-degrading aromatic polyesterase, PNAS, 2018. |
太陽系邊緣發現碳質天體 協助了解太陽系早期動力模型 | 太陽系古柏帶 (Kuiper belt) 位於海王星軌道外之區域，此區域由密集天體組成，呈圓盤狀天體分布方式類似小行星帶，但天體要大得多。由英國貝爾發斯大學思克爾 (Tom Seccull) 領導的研究團隊，確認歐洲南方天文台 (The European Southern Observatory, ESO) 中的超大型望遠鏡 (Very Large Telescope, VLT) 於 2004 年觀測到古柏帶中的天體 2004 EW95 是一顆碳質小行星。通常科學家會利用物理反射光譜判斷天體上的物質，然而一直以來，古柏帶的物體反射光譜較無特徵。於 2004 年的例行觀測資料中，科學家發現了與古柏帶不同的光譜特質，並推測出發出獨特光譜的天體含有碳元素，另外還有三氧化二鐵以及矽酸鹽存在，與古柏帶的組成相當不同，依成分推測此天體原本應屬於火星與木星間的小行星帶。科學家推測在太陽系生成早期、氣態巨行星形成時，形成的動力將一部分的內部小岩石推向太陽系外側的軌道，例如古柏帶。ESO 科學家海諾特 (Olivier Hainaut) 表示:「在古柏帶找到碳質小行星，對太陽系早期動力學模型建立有相當的幫助。」Tom Seccull et al., 2004 EW95: A phyllosilicatebearing carbonaceous asteroid in the Kuiper Belt, The Astrophysical Journal Letters, Vol. 855, 2018. |
海中群蝦運動能加速海水混合 進而影響海洋環流 | 過去，科學家在研究海洋表面水是如何與深海域中的水進行對流時，主要以風和浪為探討目標，而對於小型無脊椎動物的群聚運動是否會影響海洋環流一直是海洋學家欲解的一大問題。有鑑於此，近期史丹佛大學 (Stanford University) 流體力學家達比里 (John Dabiri) 想出一種 能在實驗室研究群蝦運動的方法。為了模擬海洋中群蝦運動，研究團隊建造裝有藍光設備的大水缸，並在注入水後，放入 13 萬 5000 隻蝦。等蝦落至水缸底部後，研究人員打開水缸內的燈光或雷射，使蝦游到水面上，並透過在水中添加微觀粒子 (microscopic particles) 來檢測水缸內的水流。結果發現，群蝦所引起的水流混合運動比一般的機械設備還快 1000 倍。達比里表示，單隻蝦的單個漩渦並不會 引起太大的作用，但是當牠們同時運動時，則會產生一個顯著的向下流動，產生集體效應。況且，在海洋中是由數百萬隻蝦所聚集而成的群體，其群體聚集範圍甚至可達數百米，每日遷移的距離更可長達 1 公里，對於海洋環流的影響甚至可能比風來得更大。海洋學家也表示此群體運動可以傳遞熱能、營養物質、微生物和碳等，對海洋產生強大的效應。未來，在嘗試了解海洋如何運作的同時，應該將此動物生態效應加入分析、探討。Isabel A. Houghton et al., Vertically migrating swimmers generate aggregation-scale eddies in a stratified column, Nature, 2018. |
進入結合謎題、數學與藝術的空間─ EnterSpace咖啡實驗室 | 在大眾的印象之中，數學通常給人生硬且有距離感，而認識數學的場所幾乎是在重複著計算與考試的教室，絲毫無法激起任何的想像力。讓人不禁想問，在學校之外是否還有其他親近數學的可能？放眼全球，德國 Imaginary 機構於海德堡策劃的數學購物中心，將數學元素融合於賣場中，是一個讓民眾親近數學的 空間；在這篇文章，我想向大家介紹臺北同樣有個特別的空間──EnterSpace 咖啡廳，結合了密室、謎題、咖啡、數學、藝術等多重元素。原本咖啡廳只是密室玩家的接待區，老闆們為了讓大家玩完遊戲之後，能夠有個地方能夠嘻笑討論與享用餐點，便決定設置咖啡空間提升整體質感。以「進入空間」為名，是希望來到這裡的每一個人，都能體會到各種新奇有趣的事物，無論是蔚為風潮的密室逃脫、咖啡廳的實境遊戲，甚至是創意餐點與飲品。像是店裡的招牌「可可實驗組」, 將未知口味的糖漿放入試管中，搭配額外附上 的熱牛奶、法芙娜 70% 巧克力與海鹽，讓客人用滴管吸取不同的糖漿品嘗，挑戰猜出各色糖漿的口味；還能夠在燒杯中進行味覺實驗，自由調配出獨一無二的風味，在餐桌上體驗探究未知的科學精神與樂趣。引人注意的是，每一張桌子上都有 3×3×3 之立方體積木，乍看之下就像索瑪立方體 (Soma cube), 其實是由科芬 (Stewart Coffin) 設計的 Half Hour Puzzle, 作者認為一般人應可在半小時內解出此積木的唯一解，因而命名之。不光是在桌上，Half Hour 積木化身成裝潢元素甘蔗板，以方塊形狀點綴輕工業風的空間，到處 充滿了謎題與數學驚喜。為什麼咖啡廳會有這些數學巧思呢？其 實是 EnterSpace 創辦人家中收藏了許多 puzzle 與數學科普書籍，他們父子認為這些東西不該只是私人收藏，更想與大 家分享數學的樂趣，因此在咖啡廳放了 不少收藏以及讓人會心一笑的彩蛋，讓整個空間就像是一個小型博物館，等待有緣人探索與發現。這間咖啡廳十分有趣且數學味濃厚，因此我在今 (2018) 年 1 月時加入 EnterSpace 團隊，希望能把小時候在葛老爹 (葛登能，Martin Gardner,1914~2010) 數學書中感受到的喜悅──「啊哈！我解出來了 (Aha! reactions)」, 以及數學本身蘊含的靈光與藝術美感分享給更多人。3 月 14 日是國際圓周率日 (π Day) 與國際數學日，也恰好是 EnterSpace 的生日。就在這別具意義的一天，我們推出了「帕索爺爺的數學寶物」解謎遊戲暨 集點挑戰，透過挑選難度與類型不同的 puzzle, 期待玩家可以手腦並用，感受空間解謎的樂趣！藉由故事與遊戲化的呈現，加上精緻的 視覺設計，成功引起許多玩家的好奇心，即使沒有接觸過，也能沉浸在 puzzle 的小宇宙。曾經有數學教授與家人來到 EnterSpace 咖啡廳，邊喝下午茶邊動手 解 puzzle, 最後一家人共同完成任務，玩得不亦樂乎。數學蘊藏了宇宙秩序的原理，其視覺化與 實體化就是一種藝術。我們決定在這裡做 個全新嘗試，以錯視藝術為主題策展，並且在 4 月 1 日愚人節進行展覽開幕。《錯視維度》(Dimension of Illusion) 這一檔展覽從主視覺設計到展品挑選，無一不是呼應其核心概念──呈現當代錯視藝術的多重面向與趣味。首先來看看展覽中的數學與藝術維度，吳寬瀛老師經典的〈柱面投影〉作品，利用軟體將正常圖像轉化成變形的圖樣 (anamorphosis), 再以不銹鋼柱面還原其原本面貌，製造出兩者之間的反差錯視。沈岳霖師生製作出立體碎形幾何──謝爾賓斯基四面體 (Sierpinski Tetrahedron), 將密碼〈YES, I DO〉巧妙藏在立體作品之中，得站在特定位置才看得到。此外，還有由杉原厚吉教授設計，讓人分不清到底是方還是圓的 Ambiguous Cylinder Illusion。《錯視維度》不只呈現數學與藝術，還包 含了文化與設計的維度。為了此次展覽，EnterSpace 特別與魔翻文創合作，以林國慶設計師的雙向字 (ambigram) 翻轉設計，製作出以臺灣地名為靈感的互動作品 ──喜「翻」台灣。每個臺灣人都可以在地圖上找到自己家鄉的雙向字，親自動手見證雙向字的奧妙。無獨有偶，我們還邀請到日本雙向字設計 師野村一晟參展，也包含上回花蓮地震特別創作的〈台灣加油〉, 為了讓觀眾了解雙向字創作的多元面向，同時呼應本次展覽主題，野村先生提供各種類型的雙向字作品，而這也是他首次海外展覽。本展規模雖然不大，但多元且精彩的主題甚至吸引南部的觀眾特地來看展；我以本檔展覽策展人的身份，誠摯邀請正在讀這 篇文章的你∕ 妳，進入空間與我們一起眼見為憑，享受《錯視維度》的多重驚喜。不單是遊戲與展覽，我們也嘗試以活動 的方式推廣數學與科普，以及關注各種與數學相關的議題，例如曾經舉辦過「積木與組木實驗與軟體操作工作坊」, 讓大 眾親手體會 puzzle 中的數學趣味與巧思；在「台灣女性數學家紀錄片影展」, 邀請 《數學女鬥士》與《學數學的女孩們》系列紀錄片的兩位導演至咖啡廳映後座談，與現場觀眾一同討論如何突破性別在科技中的既定框架後續我們會舉辦各類活動，6 月份將有結合數學與藝術的「針線間的幾何宇宙：日本傳統手毬體驗課程」, 可上 EnterSpace 粉絲專頁獲得進一步的資訊。在這裡，有時候會以為自己身在小型博物館，工作除了涵蓋博物館傳統的典藏、研 究、展示、教育項目；咖啡廳本身還是一個傳達數學趣味與美感價值的場域，而這 樣的空間很有可能是全球首創。未來，我們將持續把 EnterSpace 打造成公開展示數 學藝術的場域，以及不定期的選書和選品，讓大家從不同角度發現數學各種有趣的面貌，並且期許未來有更多元的跨界混搭。最後，EnterSpace 咖啡廳基於對科學、數學、邏輯與謎題的熱愛，我們願意提供學術活動的場地贊助，希望透過各種研討會、講座或活動，推廣這些有意義的主題。在此，我們想和各位讀者說，若需要場地或希望合作的話請來訊洽詢，一起讓大家體驗到有趣的新奇事物。延伸閱讀 Mathematikon: A Mathematical Shopping Center, https://imaginary.org/sites/default/files/violet_matt_ mathematikon_final.pdf |
演化沒有設計標準 | 很多人對於生物演化機制的誤解，除了誤以為演化是隨機的、是一種進步之外，亦以為演化的過程是有設計方針或者是有目標方向的。所謂有設計方向，就是有模版作為標準或藍圖，但如果演化會有一個終極完美的模樣作為選擇標準的話，則可以期待各個物種必然朝著同一個方向發展，要是這樣的話，我們就看不到現在地球上的生物多樣性 (biological diversity)。我們可以 用「整形」來做比喻，由於我們給俊男美女設定了一個標準 —— 華人的審美標準在歐美日韓文化影響下成為：美女要有汪汪大眼、長睫毛、雙眼皮、肌膚白晰、體形清廋，型男的的話則少不了鼻子高挺、唇紅齒白、輪廓深遂、淺色頭髮等特徵 —— 這樣就有一個藍圖作為模版，人們便可依照這個藍圖作為整形的方向，搞到最後那些整出來的型男美女都長得很像，這就是有方向、有計劃、有預設標準之下可能產生的結局。正如在〈壓力與差異的成就 —— 自然選擇三步曲〉和〈解構自然，論證選擇 —— 演化是否隨機發生？〉兩篇文章中解釋演化機制 —— 自然選擇 (natural selection)—— 的技術性原則時所提到，變異本身是隨機的，它不會刻意主動朝適應改進的方向發展，生物之所以能夠呈現出適應性的趨勢是基於非隨機的篩選。達爾文 (Charles R. Darwin) 認同演化能 使生物對環境有更好的適應，但他不同意演化等同進步，因為由自然選擇所推動的演化，也只不過是讓那些擁有較適合生存所需的性狀之個體，能夠通過環境的考驗存活下來，再經由繁殖去將性狀遺傳給下一代，生物就是用這樣一種代代相傳的累 積選擇 (cumulative selection) 循 環來適應變化多端的環境，整個過程沒有藍本作為依據、也沒有任何指導方針，所以不會有進步的趨勢、更沒有完美的終點，可以說達爾文的演化觀是一個沒有預設結局的過 程 (open-ended process)。由於植物學家格雷 (Asa Gray) 嘗試 從達爾文的生物演化理論中勾勒出神學觀念，故達爾文在 1860~1862 年 間寫給格雷的多封書信中向他強調，生物不是被設計出來的、更不是設計者的產物，達爾文呼籲格雷這位支持演化論的戰友要正視物種變異的性質:「經過設計的變異不會使我的信仰 —— 自然選擇 —— 變得多餘 ......, 大量未經設計過的變異是要透過自然選擇去迎合任何目的，讓蒼生蒙利。」 達爾文更在《物種起源》(Origin of Species) 之後出版的《育種變異》(The Variation of Animals and Plants Under Domestication) 的最後一段裡斷然否定格雷對於變異是「朝著有利的方向前行，如同水流流經設定好的水渠來灌溉田地一樣」的這種錯誤看法。雖然自然界不會有先見之明，也沒有洞察力，但這不會妨礙在自然界出現對生物有利的變化。鐘錶匠和設計者像格雷這樣以為生物的存在就印證有設計者在幕後主宰的想法，在達爾文的年代並不罕見。早在 1802 年，英國神學家培里 (William Paley) 在《自然神學》(Natural Theology or Evidences of the Existence and Attributes of the Deity, 圖一) 一書 中就做了這樣的比喻：在荒郊野地上 拾獲一只懷錶 (圖二 A), 它巧奪天工、設計複雜 (圖二 B)、報時準 確，但這只懷錶絕對不會無緣無故從天上掉下來，它必然是鐘錶匠的精心傑作，而我們地球上複雜的生命形態和牠們所呈現的適應特質也一樣，一定是出自一位設計者之手，因為不可能存在「沒有設計者的設計 (design without a designer)」這種事，這位巧手的鐘錶匠無疑就是上帝。培里用這招鐘錶匠類比 (watchmaker analogy) 開啟了設計論證 (design argument)—— 從生物精巧的設計來推論出造物者的存在。......【更多內容請閱讀科學月刊第 583 期】 |
蜜蜂與農藥的戰爭── 歐盟禁用新菸鹼藥物的始末 | 今 (2018) 年 4 月 27 日，歐盟認定新菸鹼類 (neonicotinoid) 藥物對蜜蜂有害，決議禁止含有益達胺 (imidacloprid)、 賽速安 (thiamethoxam) 或可尼丁 (clothianidin) 三種新菸鹼類農藥產品用於露天環境，一場持續超過 20 年的研究論戰才終於落幕。要說起蜜蜂與農藥的戰爭，得把時間 拉回到 1994 年的夏天。那時，風和日麗的法國田園，成片向日葵一如往常地隨風搖擺。在晴朗的天空下，綿延不絕的向日葵田間，偶有幾隻蜜蜂穿梭其中，牠們時而翩翩飛舞，時而駐足停留在向日葵上採蜜，並帶回自己所屬的巢穴供女王蜂與幼蟲食用。不過仔細一看，這些蜜蜂似乎不太正常，他們只會在同一個定點飛來飛去，而沒有辦法朝下一朵花移動或飛回自己的蜂巢。不只野蜂不回自己的蜂窩，就連人類馴養的蜜蜂也出現這樣的現象，蜂農紛紛發現自家蜂窩裡工蜂的數量越來越少。蜂農將矛頭指向這一株株的向日葵，他們認為都是因為蜜蜂從向日葵的花蕊上採粉、採蜜，才讓蜜蜂「迷航」、造成蜂農們損失慘重，並懷疑包裹葵花籽的披衣 (seed coating) 材料中含有一種會影響蜜蜂的物質。這項行之有年、為保護種子並供其營養的「種子披衣技術」, 會在 1994 年才開始出現問題，是因為法國在這一年剛好核准了一種可添加在葵花籽披衣材料裡的新農藥，這個新核准的農藥正是屬於新菸鹼類分子的「益達胺」。新菸鹼類分子並非 1990 年代才突然出現的，自 1970 年代起，就有不同 的新菸鹼分子前驅物陸續被合成出來，而科學家們也發現了這些分子具有殺蟲的效果，如黃色貝殼商標的殼牌 (Shell) 公司，他們就在 1970 年 代推出這類專利殺蟲劑，但是這個農藥的分子照光後卻會分解掉，使得英雄無用武之地、無法進行商業化產製賣給農夫使用。一時的失意，並不代表尋找更高效殺 蟲劑的旅程就此結束。1985 年，化學巨擘拜耳 (Bayer) 公司利用 10 年前殼牌公司的失敗產品做出第一個合成出來的新菸鹼類分子益達胺，比起之前各家廠商合成的各種前驅物分子穩定又有效。此後，拜耳公司將益達胺製成農藥，於 1991 年將產品推出上市，很快就在全球瘋狂熱賣。其他公司當然不會讓拜耳專美於前，在益達胺上市幾年後，同為全球市佔率數一數二的農藥生產商先正達 (Syngenta) 也推出了新的新菸鹼農 藥產品，這個新產品內含的新菸鹼分子是賽速安，也是一種殺蟲不手軟的分子。面對競爭對手的攻勢，拜耳公司繼續推出其他如可尼丁等產品，後來也相當熱銷。這次歐盟所禁用的新菸鹼農藥正是這三者：拜耳的益達胺、可尼丁，以及先正達的賽速安。令人驚訝的是，由於它們殺死害蟲的效果實在太好，以致於在 2007 年，這三種分子和其他 的新菸鹼分子農藥，在全球就有高達 25% 的市佔率總和。讓我們回到 1994 年法國工蜂迷航的 事件，當時蜂農發起的輿論持續的沸沸揚揚，這波民怨導致 1999 年法 國禁止益達胺用於種子披衣技術中，不過當時並沒有任何科學證據可以佐證「益達胺是造成蜂群減少的元凶」, 也就是說這項政策完全只是預防性措施。為了解事情的真相，科學家著手研究益達胺與蜜蜂迷航之間的關聯。新菸鹼類農藥會殺死蜜蜂嗎？什麼樣的濃度會影響到蜜蜂正常的行為？而新菸鹼類的農藥影響蜜蜂行為的原理又是什麼？......【更多內容請閱讀科學月刊第 583 期】 |
網路安全技術 與比特幣 | 去 (2017) 年的世界一大新聞是：比特幣 (bitcoin) 從年初的不到美 金 1000 元，在 12 月初暴跳到幾乎 美金 20000 元，最後以 16500 元左 右收盤！這一沒有任何政府做後盾的貨幣，如雲霄飛車的升降，實在很難令人相信人類的經濟活動是理性的 (《科學月刊》2014 年 5 月號)。 雖曾看過些比特幣文章，但除了一些名詞外，可以說什麼都沒學到；難道真有什麼特別的技術讓它值這麼多錢嗎？此一新聞突然讓筆者再次對比特幣感到興趣。作為一位喜好科普的科學家，當然心裡癢癢的，也想寫一篇比較深入點的技術性比特幣文章。底 下便是筆者猛 K 相關文獻後的心得報導，希望在這裡與讀者分享。資訊在網路上的傳送，最重要的當然是需要能保密。所以我們在這裡先談一談網路上的保密是如何達成的。保密當然並不是網路出現後才有的 —— 早在公元前 2000 年就有保 密的記載；二次世界大戰之聯軍所以能夠打敗德國，事實上可能還得歸功於解碼的成功：使得聯軍對德軍的一切行動瞭若指掌。保密是透過一定的規則將原來的資料改成無法理解的文字組合，在密碼學裡我們稱此一過程為「加密 (碼) (encryption)」。例如：I Love Science 透過「加密函數」變成 J3Mpwd5Tdjdodf 要想得回原來的信息，我們當然需要知道加碼規則才能「解 (密) 碼 (decryption)」。全世界有上億人口使用網路，因此每個團體都使用自己的密碼規則是不實際的。通用的「密碼函數」只有數種，因此除了加密外，還需加鎖。雖然你知道我所使用的加密規則，但沒有我特別製造的鑰匙，你還是無法打開我加密後的資料。如果用來開鎖的鑰匙與加鎖的鑰匙相同，我們稱之為「 對稱加密 (symmetric encryption)」, 其鑰匙稱為「(對稱) 鑰匙」; 如果不一樣，則稱之為「不對稱加密 (asymmetric encryption)」: 自己保有的鑰匙稱為「私鑰 (private key)」, 發給大家的鑰匙則稱為「公鑰 (public key)」。「私鑰」與「公鑰」是成對的：用「私鑰」鎖住的東西只能用其相對之「公鑰」來開。反之亦然：用「公鑰」鎖住的東西只能用其相對之「私鑰」來開。從上面的闡釋看來，加密及加鎖好像是先後使用的兩碼事；但事實上它們大部分都是同時使用上的：(資料 + 鑰匙)→加密軟體→diwlae;ajp2$(diwlae;ajp2$ + 鑰匙)→解密碼軟體→資料我們現在就用一個實際的例子來說明它們的使用方法：你在臺灣銀行有戶頭，想到臺灣銀行網頁轉一些錢到另外一個銀行的戶頭。當你上臺灣銀行網頁時，第一個注意到的應是網頁前 的「https:」: 與一般網頁前之「http:」 比，多的 s 是告訴你這是安全網站，一切資訊來往均需加密碼及加鎖保護。在經過一番「握手」談如何交換資訊後，臺灣銀行網頁就將它的「公鑰」寄給你，要你用同意後之加碼規則及它的公鑰、將你的電腦軟體製造之「對稱鑰匙」及其它資料加密及加鎖寄給它：此後你們的資訊來往就全使用這把「對稱鑰匙」來加密及加鎖 (圖一)。讀者可以自己分析一下：在上述的資訊交換中，萬一有人偷偷攔劫了，他會因為缺少正確的鑰匙，沒法得到任何保密過的資訊！......【更多內容請閱讀科學月刊第 582 期】 |
玲根石的故事與翡翠的來源 | 玲根石 (lingunite) 是國際礦物協會 (International Mineralogical Association) 於 2004 年以筆者的英文名字 (Lin-Gun) 命名的一種礦物，此礦物主要產於撞擊地表的隕石中 (圖 一), 當然地球 500 公里以下的深處，也可能存在這種礦物。玲根石的發現，始於我在 1977 年想 要探討各種鈉鋁矽酸鹽礦物相互間的關係和是否在高壓下有可能產生一些新的物質？地表上有兩種常見鈉鋁矽酸鹽礦物，一種是大家常見到建築物外表花崗岩中不透明白色的鈉長石 (albite), 另一種就是中國人喜愛的 翡翠 (jadeite, 或稱硬玉)。上世紀 60 年代初，科學家的實驗已證實鈉長 石在高溫高壓下會分解產生翡翠。我在實驗室裡用鈉鋁矽酸鹽做過許多高溫高壓的實驗後，在一張有 21 條明暗線條的 X 光繞射底片上，鑑定出 3 種共存的礦物 (翡翠即為其中之一), 但除此之外，底片上還另外存在著 4 條強弱不同的線，而這 4 條線是不屬 於那 3 種礦物的。在檢討實驗過程和 分析結果後，斷定這 4 條線是屬於 一種新的物質。有過這方面研究工作經驗的人都會知道，除非是立方晶系 的物質，想要依據 4 條 X 光繞射線 來求得任何一種矽酸鹽的新物質是一件幾近不可能的任務，更何況其中有兩條線還是繞射角度比較高的。經過日夜思索，我推論這是一種具錳鋇礦 (hollandite) 結晶形的新物質，根據 兩條低繞射角度線的晶面距，約略推算出晶格的大小和它應有的化學組成 (與鈉長石相同)。再經過仔細計算後，除了那 4 條線外，在底片上此新物質應該還有 10 條線，其中 7 條線和其他 3 種礦物的線是重疊的，剩下的 3 條是弱得看不到了，當然，那 7 條重疊的線也可能是弱得看不到的，完整的實驗結果發表在 1978 年的論文中。事隔十幾年後，有兩個日本大學的實驗室做了一些和我在 1977 年工作相關 的研究，他們先後於 1994 年和 1996 年發表了兩篇論文，論文結果並不支 持我 1978 年論文中所發表的新物質的 證據，且認為我 1978 年發表的新物質是不可靠或不存在的。但是他們忽略了另一位日本森 (Mori) 教授於 1990 年發表的一篇極短的日文摘要，這篇摘要發表在日本礦物協會的年度研討會上。作者在一種隕石中發現了一種新礦物，他把此礦物的晶體結構、晶格和化學組成 (隕石中的天然礦物，其中的鈉會被不少的鈣和鉀元素所取代) 和我 1978 年論文所發表的新物質相比對，推論兩者應是相同的物質。到了 2000 年，有一夥法國、德國和中國的科學家在 Science 期刊上發表了一篇論文，文中說他們在中國找到的隕石中，發現了一種新礦物，此礦物的晶體結構、晶格和化學組成都和 我 1978 年論文中所發表的新物質相同，而且這是世界上的首次發現。他們也忽略了那位日本教授於 1990 年 發表的那篇日文摘要 (英文的全文後 又於 1994 年發表), 否則他們不會 是首次發現。事實上，同年還有另兩位日本科學家在另一種隕石 (圖一中的泰能隕石) 中，也發現了這新礦物。 接著，2000 年以後各國的科學家在各種隕石中，陸陸續續都發現了這種新礦物。2003 年初，德國科學家戈爾西 (El Gorsey) 徵得我同意後並告訴我，他要請論文的第一作者 (法國科學家) 向國際礦物協會申請以我的名字來命名這新礦物。那時國際礦物協會規定首先在自然界發現新礦物的人，才有資格申請命名新礦物。......【更多內容請閱讀科學月刊第 583 期】 |
藥盒上面到底寫了些什麼? 藥品包裝類型與標示 | 藥品的包裝看似普通，但其實學問多多。想要讓一顆藥品在疾病治療上發揮最大的功效，除了先前藥品研發，設計與量產製造的努力之外，如何將一顆完整的藥品送至使用者的手上，也是相當重要的議題。藥品相較於食品，更需要高規格的防護及清楚的使用說明，因為任何一點破損或標示不清都有可能影響人體健康。作為藥物製程中的最後一環，包裝的功能包含提供藥品獨特性、保護、識別資訊、醒目提示、符合規範的儲存、劑量的控制以及病患使用的便利性，依照不同劑型提供相對應的包裝方式。根據世界衛生組織 (WHO) 公布的「藥品包裝指南說明」, 藥品包裝應具備以下特性：防止所有對於藥品品質有危害的外來影響，如濕度、光線、氧氣及溫度變化、保護藥品免於生物汙染、防止物理損傷 (例如碰撞)、包裝上需包含正確的藥品資訊及標示。一般藥品包裝容器可分四種：密蓋容器、緊密容器、氣密容器及避光容器。為保護內容物免於遭受外來固體物質的汙染，以及避免在一般正常處理、運輸或儲存及調劑情形下損失內容物，會使用固液體均不能隨意進出的密蓋容器；若要再限制氣體進出的話，則需使用緊密容器以達防潮、防風化或蒸發的效果；而需多次打開使用的容器，除避免氣體進出外，尚 須阻絕微生物接觸藥品的可能，這時便會使用設計為重複開關後仍能保持氣密的氣密容器，避免受到空氣或其他氣體的影響；最後比較特別的是，有些內容物容易受到光解而變質，就需要使用避光的容器進行包裝。在既有的印象裡，總是看著藥師從許多藥罐的藥架上拿下藥品調配景象，或於藥局中看到陳列櫃上整排圓形或方型瓶的罐裝藥品。罐裝藥品常用的材質為玻璃或塑膠，玻璃罐裝的優點可清楚看到瓶中的內容物，但價格相對來說較為昂貴，因此大多還是以塑膠瓶罐包裝為主。罐裝的藥品對於一般民眾來說較少使用，但是罐裝的保健食品卻很常見。開封後的塑膠瓶中，通常會有棉花或者塑膠袋，其目的為避免運送時的碰撞，導致內容物的損傷，開封後應取出後丟棄，避免棉花於罐內吸濕受潮，反而造成藥品的變質。另外，我們常認為保留瓶中的乾燥劑可以維持乾燥，但其實不然，瓶內的乾燥劑體積很小，因此一與空氣接觸後，即呈現飽和狀態，所以應取出丟棄，避免造成藥品的變質。相對於罐裝藥品，民眾也許更熟悉須動手將藥品擠破封膜的「泡殼包裝 (press through package, 又稱 PTP 包裝)」, 這也是應用很廣的包裝型態，不管是錠劑、軟膠囊、硬膠囊均 可使用 PTP 包裝，除了保持藥品的完整性、防止受潮、降低汙染等優點，許多廠商也會在慢性病藥品的設計中，加入貼心的巧思，例如標註日期、時間等，提醒患者定時定量服藥。不過，必竟不是所有藥品都是固體，若今天要做的是液體類藥品的包裝，則須考量藥品的特性及藥品會直接與外包裝接觸等因素，在材質上需 要評估是否耐水解性 (hydrolytic resistance)、 是否會與內容物產生 交互作用、是否產生或溶出小微粒顆粒等等。常見的液體包裝藥品如口服液劑 (如糖漿類)、口服懸浮液劑、口服滴劑、眼 (耳) 用滴劑與鼻用噴劑。其中較特別的眼用滴劑儘管有各種不同形狀的罐子，但眼藥水的滴嘴並不太會依外型變化而有所改變，因為眼睛在正常情況下，下眼瞼與眼球 間的空間 (結膜穹窿) 約僅有 0.01 毫 升的體積，一般的眼藥水，點一滴的體積約為 0.05 毫升，所以點眼藥水每次 1~2 滴就已經足夠。鼻用噴劑的 包裝設計為擠壓一次可噴出定量的藥物。但是因為這類藥品給藥方式較特殊，使用不當也有可能造成傷害，請記得於使用前詳細閱讀說明書及注意事項，充分了解使用方法後再使用。......【更多內容請閱讀科學月刊第 583 期】 |
宇宙中的金屬是怎麼來的? 宇宙中重金屬元素的起源 | 天上的星星會閃閃發亮與星球內部的核反應有關，核反應在氦融合形成碳、氧、氮、・・・・・・、鐵之後，即受 到能量守恆限制而無法繼續。其他比鐵更重的元素在宇宙中是如何生成的呢？科學家從某一次的重力波觀測中，找到重金屬生成的決定性證據。重金屬的開採及使用，在人類文化歷史進步及演變上扮演著無比重要的角色。而貴重金屬 (例如：金、銀、鉑等) 更由於其稀少及不易氧化的特性，一直是在歷史上，從王宮貴族到普羅大眾，皆為之心醉甚至瘋狂的珍寶。為何這些金屬如此稀少？又是如何從自然界中產生的呢？隨著知識進步，科學家對宇宙演化以及對核物理的了解 在 20 世紀初期至中期間有著突破性的進展，他們認知到 萬物的起源皆起於宇宙大爆炸 (Big Bang) 後的演化。 其中，各種元素的生成是由核反應的快慢決定。因此，核反應發生時的環境溫度和密度影響了哪些元素可以形成。一般來說溫度及密度愈高，核反應發生的就愈快。在宇宙大爆炸的初始階段，由於宇宙的物質與反物質數量相差很小 (小於億分之一), 正反物質湮滅後，物質密度相對的稀疏，核反應速率很快就因為宇宙膨脹及冷卻而降低。透過精確的宇宙學及核物理理論計算發現，大爆炸時的核反應只能將大約 24% 的氫核子融合形成質量數為四 的氦核子 (氦四) 以及其他少量的輕核子 (重氫、氦三、鋰六及鋰七), 因此大部分地球上存在的元素無法在宇宙大爆炸的時期產生。科學家在同時期也理解到，天空上之所以會看到閃亮發光的恆星，其能量源於恆心內部的核反應，例如：太陽現在正處於氫融合產生氦的階段。不同質量的恆星，在其數百萬至數十億年的演化過程中，能融合形成的元素也不一樣。小質量恆星如太陽，核反應在氦融合形成碳、氧、氮之後，就因為溫度不夠高而停止。對於約大於太陽質量十倍以上的大質量恆星來說，核反應可以一路進行到恆星中心形成一個「鐵核」。由於鐵的核融合是吸熱反應而非放熱反應，大質量恆星內部「鐵核」因此無法繼續融合，失去了能量來源，最後導致重力塌縮形成「中子星」, 並在這過程中將塌縮釋放的重力位能，一小部分轉換成驅動恆星爆炸的動能、熱能及光能，形成宇宙中最壯觀的景象之一 ── 重力塌縮型超新星爆炸，並透過爆炸將恆星演化中形成的鐵與比鐵輕的重元素釋放至太空中，與另一型態的「熱核爆炸超新星」一起成為宇宙中比鐵輕元素的主要來源。......【更多內容請閱讀科學月刊第 583 期】 |
藥到不會就此病除- 怎麼用藥,才能安全又有效? | 藥品的分級有點類似電影根據內容分成普遍級、輔導級或限制級 (圖一), 臺灣與歐洲許多國家如英國、德國等，均將藥品分成 3 個等級，依藥理∕藥 物特性及安全性分為「成藥」、「指示藥」及「處方藥」。「成藥」就像是「普遍級」, 老少咸宜、可自行取得，其藥性較弱、無積蓄性、耐久儲存且使用簡便，可依照需求自行購買。依其安全性又再細分「甲類成藥」及「乙類成藥」:「甲 類成藥」共包含 16 大類，如解熱鎮 痛劑、鎮咳祛痰劑、胃腸藥劑...... 等，需在領有藥商許可證之藥局才能買到；而「乙類成藥」共包含 6 大類，分別為清涼劑、外用軟油膏類、外用撒布劑、養毛髮劑、含藥酒類、漱口水劑，一般百貨、雜貨店及餐旅服務商均有販售。在購買時，大家可以注意這些藥品的外包裝字樣，只要有標示「衛部 (署) 成製字第 ××××× 號」 字樣，即保障所購買的產品通過政府審核、可安心使用。再來就是屬於「輔導級」的「指示藥」, 需要專人輔導陪伴、指導使用。指示藥的藥性溫和，其所含成分對人體具有相當的療效，需在專業醫師、藥師、藥劑生協助下，選擇最適合自己的藥品，故僅有經衛生主管機關核可的藥局才有販售。該級藥品外包裝上會標明此項藥品為「醫師藥師藥劑生指示藥品」, 若為臺灣自製會再標示「衛部 (署) 藥製字第 ××××× 號」, 如果是從國外輸入的便會標上「衛部 (署) 藥輸字第 ××××× 號」字樣。最後要來講講內容可能不適合某些族群、或者較激進難為人接受的「限制級」──「處方藥」, 在使用前需經由專業醫師監督診斷、開立處方箋才能到藥局領取使用。處方藥所含的藥品成分、含量相較於指示藥及成藥具有更顯著的療效，相對地，副作用及毒性也較大，需要專業醫師的診斷。除此之外，有時候還需要搭配生化檢查來輔助醫師進行診斷，並選擇最適當的藥品開立處方箋來治療疾病，使我們可以依著處方箋上醫師開立的藥品到藥局領取。處方藥品的開立是需要經過層層把關的，唯有這樣才能維護患者的用藥安全。在處方藥的外包裝上會標明此項藥品「限醫師處方使用」或「本藥須由醫師處方使用」, 且如指示用藥、同樣會標示「衛部 (署) 藥製字第 ××××× 號」或「衛部 (署) 藥輸字第 ××××× 號」字樣。至此，我們大致明白藥品的分級與類別，但這還是不夠的。藥能「治病」, 也能「致病」, 不論是使用成藥、指示藥還是處方藥，都有可能置人於險境之中，藥品的「使用」正確與否，也就變得相對重要。在使用各項藥品前一定要看清楚、問清楚，常見的方式為「用藥五問」, 即「問藥名、問藥效、問用法、問用多久、問注意事項」; 而「用藥五不」也是可以保護我們的小秘訣──「不聽別人推薦的藥、不信有神奇療效的藥、不買地攤、夜市、遊覽車上賣的藥、不吃別人送的藥、不推薦藥給別人」。這些像廣告的口訣可能聽起來有點膩，卻也是使用藥品基本的「篩檢關卡」。......【更多內容請閱讀科學月刊第 583 期】 |
為什麼有些藥是膠囊、有些是粉狀? 劑型設計與藥品的製程 | 偶爾感冒到診所諮詢醫師，問診後從藥師手中接過一包藥袋，打開一瞧：白色、綠色、粉紅色、各種大小、形狀的藥錠膠囊分布其中，再看看藥品清單，每顆藥錠分別有不同功能：止痛藥、退燒藥、止鼻水藥、止噴嚏藥、鎮咳祛痰藥、各種胃腸症狀藥。為什麼不同治療成分要分別做成不同的藥錠？顏色、外觀、大小各有什麼不同？內心的種種疑問才剛冒出，便隨著藥錠與水咕嚕咕嚕吞下肚。民眾用藥多由藥局取得藥品，藥劑師依照醫生處方及專業建議，由擺滿瓶瓶罐罐的藥局牆面及櫃子裡，調劑出安全且有效的用藥。在藥品工廠的分類中分為無菌製劑及非無菌製劑，其中無菌製劑多為注射劑，例如懸液注射劑、乾粉注射劑、注射液劑、凍晶注射劑。而非無菌製劑則分為液體劑型 (溶液劑、懸液劑)、半固體劑型 (軟膏劑)、固體劑型 (錠劑、膜衣錠、糖衣錠、顆粒劑、散劑)。 藥廠，除了符合國際 cGMP 標準 PIC/ S GMP 製造標準與法規規範的前提外，藥品的大小、形狀、顏色，也都與原廠藥相同。但對一般民眾來說，則依「使用方式」分類，分別為口服藥、外用藥及注射劑，常見的口服藥又分為錠劑、膠囊劑；外用藥則為軟膏劑、貼布及栓劑。常見的口服藥無論是錠劑或者膠囊，首先粉體的混合及製作很重要，無論是有效成分的釋放或是劑型的崩散等，第一個關卡就是粉體的品質。在藥廠中，「刷、刷、刷」聲不絕於耳，粉碎機正忙著將藥粉碎成更小的細粉。粉碎過程使粒子變小 (particle size reduction), 固體物質的粒子減 小至細微狀態會增加表面積，可增加藥物溶解速率，幫助藥品吸收。藥粉通過粉碎機成為更小的粒子，適當粒子大小的主成分加上其它非主成分 (賦型劑) 一起送入混合桶中，上下搖擺滾動混合成均勻的粉末，混合後直接分裝成 小包或小瓶即為粉劑 (powder)。 或 將粉末依照有效成份 (活性成份) 特性 (例如有效成份遇濕或高溫加熱會起變化), 選擇乾粒法 (乾式造粒法) 或濕粒法 (濕式造粒法), 這些小團塊或片狀物再通過特定孔徑大小的篩網後，形成一定粒子大小的顆粒或圓粒即為顆粒 劑 (granule), 直接分裝成小包或小 瓶即為粉劑 (power), 可供內服 (口服) 或外用 (局部用) 或者進一步製作成錠劑或充填至膠囊中使用。......【更多內容請閱讀科學月刊第 583 期】 |
專利也會過期? 剖析新藥與學名藥的智慧財產權 | 每次看完醫生接著到藥局領藥的時候，是否曾經注意同一種成份的藥品，可能由不同的廠商所生產，這其中有什麼差異呢？常聽說藥品有專利保護，為何有這麼多藥廠都在做相同成分的藥，難道不怕「專利侵權」? 首先，我們需要了解一個基本觀念：所有申請專利的產品都有時間限制，更具體的說，任何一個「新的發明或設計」提出專利申請，經過主管機關審定、核准之後，則由專利申請日開 始起算，專利權人都可以享有 20 年的專利保護。簡而言之，專利權人申 請通過之後的 20 年，任何人如果想要製造或販售專利發明的相關產品，都需要經過本人的同意授權，如果未經專利權人同意製造或販賣，則可能會觸法，也就是常聽到的「侵權」。但是，藥品的專利保護期間則可能會 超過 20 年！並不是藥品的專利相較 於其他發明享有較特別的待遇，其實，藥品專利保護制度的設計緣由，是因為藥品的開發需要經過長時間的篩選、研發及臨床試驗等複雜過程，直到實際應用上市，至少需要耗時 8~10 餘年的時間不等 (圖一), 且 開發的成本依研究統計平均約需 6.72 億美金，相當於 200 億臺幣。高昂的研發投資成本，且需要數年之後才能知道成敗，很明顯這是高風險的投資，而且失敗的機會相當高。如果專利制度設計上，沒有提供新開發藥品一個幾乎是壟斷市場、獨佔利益的誘因，藥商將不會願意冒此風險，研發出更有效或仍無藥可用的罕見疾病新藥。雖然專利制度使得新藥獲得更長的專利保護，但並非完全沒有限制。依臺灣現行專利法規定，從專利到期日開始起算，最多只能再另給予 5 年的專 利延長時間 (圖二), 而實際上新藥專利可以延長的時間，則是依臨床試驗從執行到完成的時間而決定，官方會依新藥申請者所提供的資料，逐一核實計算，作為新藥因執行臨床試驗而在專利有效期間無法上市銷售的補償。原開發廠的新藥在專利保護下，除了獨佔市場的優勢外，若想回收藥品開發時所投入的鉅額成本，想當然而藥廠對於新藥的定價通常並不太親民，甚至應該以高價來形容。就算藥物的療效對病患來說是一大福音，但相對高昂的藥價卻非政府或主管機關所樂見。......【更多內容請閱讀科學月刊第 583 期】 |
從藥物管制歷史中 談學名藥的誕生 | 製藥產業是一種高度管制且相當保守的行業，全世界皆然。主要的原因是因為藥物與大眾的健康息息相關，故各國醫藥管制單位皆有嚴密的法規來管理。製藥產業的環境變動較慢，產品的生命週期較長，一項經得起時間考 驗的藥品，例如阿斯匹靈 (aspirin), 從問世以來已經歷 100 多年，至今仍在販售，所以製藥產業在投資界向來擁有「永不衰落的朝陽產業」之美譽，其投資價值不易受景氣變動而有劇烈影響。隨著世界各國經濟的成長與全球人口高齡化的趨勢，製藥產業的整體經濟規模目前仍處於上升的趨勢。製藥產業的相關管制是屬地主義，在各國都有不同的法規規定。不過隨著貿易的自由化，世界主要的製藥強權嘗試將相關的管制措施進行統一，例如日本的厚生勞動省 (Ministry of Health, Labor, and Welfare, MHLW)、 歐盟的藥物管理局 (European Medicines Agency, EMA)、美國的食品藥品監督管理局 (Food and Drug Administration, FDA) 三個藥政法規單位及其製藥協會，於 1990 年共同發起成立的國際醫 藥法規協和會 (International Council for Harmonisation, ICH), 就藥物的品質 (Quality)、安全 (Safety)、療效 (Efficacy)、綜合 (Multi-disciplinary) 等四大面向的管制進行統合。經過 20 多年的發展，ICH 發布的技術指南，為藥品註冊領域的核心制定國際規則，已被全球主要國家藥品監管機構接受。最初針對藥物提出具體措施的是美 國。在 1849 年起陸續成立相關組織，協助並制定藥物管制相關規範。美國於 1906 年通過《純淨食品與藥物法》(Pure Food and Drug Act), 食品與藥物從此進入了管制的年代，消費者開始有知的權利。此法初步保障消費者權益，重視消費者知的權利，使其購買之產品標示與內容物一致，避免消費者受騙，然該法案仍未將新藥上市前審查制度列入規範，至 1930 年，成立食品藥品監督管理局，並於 1938 年，美國修法以《食品藥物與化妝品法》(Food, drug, and cosmetic act, FDCA) 取代前述法案後，情況才有所改變。在食品藥物與化妝品法案中，創建了新藥上市申請 (new drug application, NDA) 的程序，使得原開發藥廠必須經過上市前通知的程序，將「藥物安全性」相 關之資訊提供給 FDA 審核，透過此 措施排除問題藥品上市的可能性。此外，新法也重新規範標示 (labeling) 的定義，要求標示必須包含品名、內容物、淨重和製造商名稱等，此一規定提高了安全性的標準，更進一步保障消費者的權益。1960 年代的一場藥害事件，對藥物安全管制政策制定產生深遠的影響。格蘭泰化學製藥公司 (Chemie Grünenthal) 於 1957 年在西德推出沙利竇邁 (thalidomide), 用於幫助孕婦鎮定、安眠與減少孕吐，然而此藥上市後卻對胎兒的發育有強烈的副作用，估計至少造成 10 萬名胎兒受害，其中約 8 萬名死亡、2 萬名畸形。......【更多內容請閱讀科學月刊第 583 期】 |
近年日本火山噴發 反思大屯火山群的潛在威脅 | 陽明山國家公園大屯火山群是活火山還是死火山，一 直是科學家討論的問題，而在近期發現大屯火山下含有岩漿庫，不排除有噴發的可能性。讓我們從日本活躍火山活動的經驗，借鏡臺灣應該如何防範。臺灣與日本常常受到自然災害的威脅，尤其是每年幾乎都會遭受地震與颱風等天災侵襲，挾帶山崩、豪雨、洪水及土石流等，往往造成嚴重災情。巧合的是，臺灣與日本九州都是位於歐亞板塊與菲律賓海板塊碰撞邊界，總是伴隨地震與火山活動。既然天災無法避免，日本試著學習與自然災害共處，所以特別著重教育宣導與平時的防災訓練，以減低災害帶來的損失。日本截至 2018 年 4 月設有 34 個國家公園，其中有些與火 山的地形地貌相關，如：阿寒摩周國立公園、支笏洞爺國立公園、富士箱根伊豆國立公園、雲仙天草國立公園、阿蘇九重國立公園和霧島錦江灣國立公園等。這些國家公園除了設立告示解說牌之外，也有些設施裝備是為了防範火山突然噴發，造成可能的人員傷亡。讓遊客親近火山的同時，也多了份保障。筆者曾於 2015~2017 年在京都大學火山研 究中心 (阿蘇火山觀測站) 擔任非常勤研究員 (兼職研究員), 當時正值阿蘇火山噴發，參與記錄了這三年的火山活動。阿蘇火山除了是屬於阿蘇九重國立公園之外，在 2014 年獲得聯合國教科文組織認定，成為世界地質公園之一。 阿蘇火山是日本活躍的火山之一，平均噴發週期約 10~20 年，噴發活動主要集中在中岳第一火口，類型屬於斯通波利噴發 (strombolian eruption)。近期噴發活動始於 2014 年 11 月 25 日，在 2017 年年初逐漸休止，火口周遭設施嚴重損壞，經過了一年的復原，於 2018 年 2 月 28 日才重新開放。此外，偶而也會發生水蒸氣噴發 (phreatic eruption) 或岩漿水蒸氣噴發 (phreatomagmatic eruption)。......【更多內容請閱讀科學月刊第 583 期】 |
土壤碳固存,是否能成為氣候變遷的解藥? | 截至 2016 年 5 月，南極二氧化碳濃度於近 400 萬年來首次超過 400 ppm, 讀者想必多少知道二氧化碳與全球氣候變化間的關聯，而此次的種種跡象顯示，降低大氣中二氧化碳濃度，並加速土壤碳固存 (carbon sequestration) 的行動刻不容緩。一般認為，土壤為陸地生態系統中最大的碳庫，而將碳以不易分解的形式固定、儲存於土壤中的現象，就是所謂的「土壤碳固存」。講到碳固存，不得不提及 1997 年著名的「京都議定書」中所制定的「碳匯 (carbon credit)」補償機制，這 個關於碳的「交易」過程，實際上就是利用通過生態系統管理提高固碳能力，以抵銷一個國家進行碳排放時所超出的額度。簡單來說，碳匯就好比碳的「信用額」, 若 A 國排放的碳已超出被規範的額度，就必須向其他國 家購買碳匯 (圖一)。而《聯合國氣候變化框架公約》 (UNFCCC) 更將碳匯定義為：植物通過光合作用，將大氣中的二氧化碳吸收並固定在植被與土壤中，使大氣中二氧化碳濃度降低的過程。姑且不論定義上的細微差異，讀者也許會有進一步的思考：碳固存的重要媒介──土壤，究竟是透過什麼機制來留住碳的？更精確地說，土壤的成分百百種，哪一種才是碳固存過程中的重要素材？且讓筆者從「低碳農業」開始說起吧。利用光合作用來儲藏碳的方式中，最受到認可的是種植樹木，並保證在 100 年內不砍伐。然而這與地球上另一 個危機「糧食缺乏」相互牴觸，為了餵養全球在 2050 年預估成長到 96 億的人口，屆時地球也將不會有多餘 的農地可以轉變成森林。既然沒有東牆可以挖來補西牆，折衷的辦法便是利用更好的土壤管理方式來培養及保護土壤碳，並獎勵增加碳儲藏的農業活動。這種土壤管理稱為低碳農業 (low-carbon agriculture), 例如 2006 年在美國佛蒙特州成立的「美國碳農」公司。土壤裡 272.5 公斤的碳，相等於 1 公噸大氣所含有的二氧化碳，美國碳農將這些被保存在土壤裡的碳，以碳權 (carbon right) 之名作為商品，生產者為管理土壤的農民，買主為需要彌補碳足跡的人。這種做法與先前所提到的碳匯有異曲同工之妙，而在此運行模式中，農民不但可以生產糧食，還可以向消費者保證他們的食物生產有助於減緩氣候危機。雖然這種商業模式要達到降低全球碳排放的目標，有非常多的陷阱和問題需要解決，但此逐漸萌芽的概念──農民應從種出健康的土壤而得到報酬──已令人歡欣鼓舞。無論國際規範還是商業手段，都還是在碳交易的範疇，而接下來所要談的，就是土壤裡含碳的重點成分──土壤腐植質 (soil humus)。腐植質與土壤生物的細胞和組織、被分解的植物和動物體殘渣，都是土壤內的有機質，且土壤腐植質約佔土壤有機質總量的 50~60%, 為土壤有機質 的主要組成分，以腐植質狀態儲存在土壤中的碳，部分可以穩定地在土壤裡留存幾個世紀。除了碳固存外，有機質可以提供養分，使土壤形成良好結構、保存土壤水分，並增加土壤微生物含量，這些優點都使得土壤碳含量為評估土壤健康的指標之一。......【更多內容請閱讀科學月刊第 583 期】 |
翻硬幣與青蛙跳 | 今 (2019) 年的國際數學奧林匹亞數學競賽 (InternationalMathematicalOlympiad,IMO) 甫於 7 月在英國巴斯 (Bath) 舉辦。IMO 每隊 6 人，只考 6 題，每題 7 分，其中第五題是相當有趣的翻硬幣問題。 問題：小明把 n 枚硬幣由左至右排成一列，如果恰有 k 枚正面 (head, H) 朝上的硬幣，他就把從左邊數來第 k 枚硬幣翻面過來。一直這樣翻下去，直到所有的硬幣都是背面 (tail, T) 朝上為止，例如從 THT 會這樣翻：THT→HHT→HTT→TTT 亦即翻 3 次後停止。(1) 請證明不管一開始硬幣正反如何，一定能翻到全部背朝上。(2) 求出所有 2n 種硬幣狀態所需要翻的次數平均。例如說，3 個硬幣有 23=8 種初始狀態，把每一種都試一試，會有以下的結果：HHH→HHT→HTT→TTT (3 次)
HHT→HTT→TTT (2 次)
HTH→HHH→HHT→HTT→TTT (4 次)
HTT→TTT (1 次) THH→TTH→HTH→HHH→HHT→HTT→TTT (6 次) THT→HHT→HTT→TTT (3 次)
TTH→HTH→HHH→HHT→HTT→TTT (5 次)
TTT (0 次) 的確，不管初始狀態如何，最後都可以翻成全部反面朝上。而且，平均需要翻 3+2+4+1+6+3+5+0/8=3 (次) 一般來說，n 個硬幣時平均要幾次呢？答案公布在最後，讀者可以先闔上雜誌試試看。......【更多內容請閱讀科學月刊第 597 期】 |
限時禁食法在限制裡得到自由的節食策略 | 衛福部國民健康署去 (2017) 年出版的健 康促進統計年報指出，臺灣青壯年人口中，受調查的母群體裡約 2~4 成有肥胖或 過重的問題，年屆半百者甚至高達 4~5 成。 近年許多研究發現，過度肥胖者患有代謝 性疾病 (如第 II 型糖尿病、冠狀動脈疾病等) 的風險較高；適度減重所帶來的效益，除了減少這類疾病發生的風險外，還能降低壞膽固醇 (如低密度脂蛋白) 的比例，當然也不乏記憶力得到改善、精神得到提振的案例。坊間有許多關於減重的療程，有的靠運動、有的靠吃藥，另外有一部分的人也選擇節食的策略。節食方法百百種，而「間歇性禁食 (intermittent fasting)」是很多專家都提倡過的方式，多以每周 1~4 日、 採隔日進食或飲食比 5:2 的方式為之。 該法雖能達減重效果，然因各人自律能力 不同，恐難以長期被執行。近日，一研究即針對間歇性禁食的另一種子策略「限時禁食法 (time-restricting fasting)」進行人體試驗，而在 12 周內的 介入下、受試者平均減少 3% 體重，所攝 取的卡路里與收縮壓也有些微降低。研究 作者之一法拉第 (Krista Varady) 表示，儘管在數據上兩者沒有太大的差異，然限時禁食中包含每日固定 8 小時的自由進食、 其他 16 小時僅能喝水的安排，對案主而 言或許較易持之以恆。有考慮以節食改善肥胖問題的朋友，或許能考慮嘗試這樣的選擇唷！Kelsey Gabel et al., Effects of 8-hour time restricted feeding on body weight and metabolic disease risk factors in obese adults: A pilot study, Nutrition and Healthy Aging, 2018. |
墨西哥灣漏油與光輝映 殘留物恐危害周遭生物 | 光合作用與臭氧的形成，都與光化學的反應息息相關，然而殘留在環境中 的污染物，也有可能與光作用。2010 年發生了著名的「墨西哥灣漏油事件 (Deepwater Horizon)」, 逾 300 萬桶的油漏，對海洋造成難以抹滅的傷害。 近期，來自伍德霍爾 (Woods Hole) 海洋學研究所的化學家雷迪 (Christopher Reddy) 與其研究團隊發現，該區海面上的浮油與陽光的作用，甚至比同一類型、 不同地區的案件還嚴重。自事發後，研究員持續蒐集漏油區域的海面與沙灘採樣油渣資料，分析後發現，透過陽光照映、氧氣與油分子中的碳鏈和氫鏈產生化學反應，而這些氧化的碳氫化合物 (OxHC) 在這 8 年內居然沒有明顯降解的趨勢。一般而言，應可以某種化學特徵來識別 OxHC, 在這個案例裡 居然沒有，因此也不能把目前所有的油漏結果與效應與之相提並論。再者，由於墨西哥灣事件的油漏分子較小、可能觸及的海面較廣、更容易與陽光產生接觸，幾乎將陽光的因素 (如更多的光照與更高的反應溫度) 極致發揮，故其化學反應也相對劇烈。這些殘留物 不僅仍繼續在環境中游移，其持續存在也使鳥類或其他動物的毛髮得以沾染，或受海生動物攝食，這意味著若該物質 對生物具毒性，將會產生非常嚴重的生態問題。C. Aeppli et al., How persistent and bioavailable are oxygenated Deepwater Horizon oil transformation products, Environmental Science and Technology, 2018. |
電路也能有「軟筋骨」 穿戴式電子裝置新風景 | 穿戴式電子裝置的研發在近年相當熱門，幾項重點產品中，有的用來追蹤身體健康狀況，有些則透過數據蒐集來評估或預防疾病。以往大眾對這一類產 品的印象都相當「生硬」, 無論材料或成品，都好像無法擺脫這些硬底子的宿命。近日，中國國家奈米科學中心研究團隊在該領域又有新的突破，成功打造首款高導電與生物相容性兼具的軟性光電 (flexible electronics), 可望促進穿戴式及植入式電子裝置的新興應用。這項發明稱為金屬–聚合物導體 (metalpolymer conductor, MPC), 而其中的金屬並不如銅、銀等傳統固態導體，而是以稠密糖漿狀存在的鎵和銦。MPC 就 如同一片聚合物海中，有許多漂浮其中的液態金屬小島，底部含有一金屬外殼以確保導電性；研究員也發現，將這些金屬粒子嵌合至矽基聚合物 (siliconebased polymer) 的支持網絡，可產生具 功能性電路的機械彈性材料。除利用超彈性聚合物打造可伸縮的 MCP 電路外，選擇具生物相容性並可被生物降解的聚合物，確保材質接觸人體後不 會產生毒性或引起發炎反應，便有助於製作植入式的設備。而網版印刷 (screen printing) 與微流體圖像化 (microfluidic patterning) 等製造技術，可視液態金屬油墨之濃度，適應於任何二維幾何形狀、不同的厚度與電性能，其多功能的特性將可直接應用於生物醫學的領域中，如識別並緩解心臟病的貼布。Lixue Tang et al., Printable Metal-Polymer Conductors for Highly Stretchable Bio-Devices, iScience, 2018. |
古祕魯人技術了得 頭顱穿孔存活率高達8成 | 若回到 1000 年前，必須在頭顱上鑽個洞才能進行手術，存活率會有多高呢？近期《放 眼神經外科》(World Neurosurgery), 有學者針對這個光想著頭都要發麻的手術 進行歷史資料的分析研究，發現在古代祕魯、頭顱穿孔 (trepanation) 的術後存活率竟高過美國南北戰爭時期。邁阿密大學米勒醫學院的神經學家庫什納 (David S. Kushner) 與研究團隊針對 古代穿孔頭顱手術的人口統計、技術以及存活率進行分析。該研究蒐集西元前 400 年往後推算 2000 年間古代祕魯與中世紀、南北戰爭時期逾 800 副經穿孔手術後的頭骨，而這些素材也均來自祕魯或美國博物館與私人收藏。結果指出，於西元前 400 年至西元 200 年間，古代祕魯在一些較為淺層的手術上，其術後存活率並不如南北戰爭時期；然而在印加帝國期間 (研究中為西元 1000~1400 年), 其平均存活率居然高達 8 成，某些年代甚至可到達 9 成，而南北戰爭時期這類的手術也有近 4~5 成的死亡率。為探究其原由，研究員觀察顱骨的痊癒狀況，推測衛生問題可能為一重要因素，因若直接在開放傷口以手指探測血塊位 置，可能會提高感染風險；而研究員也推論，古祕魯人可能利用古柯葉 (coca leaf) 提煉麻醉藥，以便進行手術。影響古祕魯人手術成功的關鍵仍有待商榷，然可以確定的是：先民們在限縮的環境裡，仍嘗試提高自己的技術，來解決這些棘手的問題。David S. Kushner, John W. Verano and Anne R. Titelbaum, Trepanation Procedures/Outcomes: Comparison of Prehistoric Peru with Other Ancient, Medieval, and American Civil War Cranial Surgery, World Neurosurgery, 2018. |
利用火山「唱歌」監測火山活動狀況 | 位於厄瓜多爾的科托帕希火山 (Cotopaxi), 其圓柱型火山口可能是地球上最大的「樂器」。愛達荷州博伊西州立大學 (Boise State University) 研究團隊一項新研究發現，2015 年該火山一系列的爆發後，火山口的形狀發生變化，當火山活動時，空氣會在狹長的火山口迴盪，產生如管風琴般的構造。在 2015 年科托帕希火山爆發後，研究人員利用儀器監測到火山發出極低的頻率，這個頻率已超出人類能聽到的最低頻率。 研究團隊將這個聲音稱作「tornillos」, 聲 音每 90 秒在火山口來回震盪一次，每次能量越來越小，直至消失。博伊西州立大學火山學者強森 (Jeff Johnson) 與其研究團隊推測此聲音來源來自火山內部，且會因從火山口出來的氣體不同，有不同的頻率。造成這種聲音有兩項推測，研究人員認為有可能是部分火山底 (crater floor) 塌陷，或是因為火山口底部爆炸形成的波形所致。研究團隊認為了解每個火山的特殊聲紋，可以幫助研究人員觀測火山，避免不必要 的災害產生。強森表示，了解火山聲響相當重要，火山聲音若產生變化，研究人員就會意識到火山口正在變化，能協助提高火山爆發的警覺性。J. B. Johnson et al., Infrasound Tornillos Produced by Volcán Cotopaxi's Deep Crater, Geophysical Research Letters, 2018/6/13. |
火星發現有機分子 | 火星探測器好奇號 (Curiosity), 在火星地表附近的 30 億年沉積岩中，發現形成生命所需的有機分子。而美國航太總署 (NASA) 新聞稿表示，雖找到能支持形成生命形成的有機分子，不代表火星有生命，有可能是透過其他方式所創造。在探索過程中蒐集到的有機分子包括噻吩 (thiophene)、甲硫醇 (methanethiol)、二甲基硫醚 (dimethylsulfide) 等。NASA 研究人員愛真布洛德 (Jen Eigenbrode) 表示，好奇號進蒐集到有機分子的資料，目前還未確認有機分子的來源，不論其是否 為遠古生物留下來的記錄，都提供了火星有機物質形成過程中重要的化學線索。愛真布洛德還表示，火星表面直接接受 太陽輻射，而輻射等苛刻條件都會分解有機物質，而在地表附近能搜尋到有機物質，研究人員將會更深入的了解火星有機分子的故事，並展現對於理解宇宙的使命。Christopher R. Webster et al., Background levels of methane in Mars’atmosphere show strong seasonal variations, Science, Vol. 360: 1093-1096, 2018. |
專注度與否 影響人體嗅覺的變化 | 成語「廢寢忘食」, 是形容人因專心致志而忘了吃飯、睡覺；而在科學研究上也顯示當人忙於工作時可能會有錯過視覺線索 (visual cues) 的現象。最近，英國薩塞克斯大學 (University of Sussex) 的最新研究更發現其實不只是視覺，連嗅覺也可能被忽略。在此研究中，受試者會被帶入藏有咖啡 豆的房間中，並分成進行高專注度或較 低專注度的任務。當任務完成、離開房 間後，研究人員會請受試者描述房間情況 並填寫問卷。結果發現，高度專注組發現房間中有咖啡香氣的人比低專注度組減少 42.5%。此外，研究也發現若測驗結束後 再將受試者帶回房間中，有 65% 的人也 無法聞出咖啡香，顯示他們在先前進行任務時已習慣空間中的氣味。研究人員表示，先前的文獻已表明大腦對 於氣味的偵測約只有 20 分鐘，稱為嗅覺習慣化 (olfactory habituation)。因此，此項研究成果除了發現當人們處在高度專注時，可能會忽略周遭的氣味外，也意味著若周遭氣味的改變發生在此時期，可能會因此錯過發現異味的機會。Forster Sophie and Spence Charles, “What smell?” Temporarily loading visual attention induces a prolonged loss of olfactory awareness, Psychological Science, 2018. |