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烏克蘭情勢趨緩,原油價格下跌

新聞報導 俄羅斯與西方國家的外交人員正在為解決克里米亞危機較勁。由於西方國家可能祭出制裁，以及黑海衝突情勢升高，或將迫使航運中斷，投資人擔心俄羅斯出口會受到衝擊，導致油價近日劇烈震盪。 所幸，隨後烏克蘭的情勢趨緩，美國宣佈增加國內儲油，本周三原油價格下挫近兩個百分點。紐約商品期貨交易所四月份的原油價格下跌 1.8 個百分點、1.88 美元，收盤價每桶 101.45 美元。其他的能源期貨交易價格也都下跌。 美國能源署表示，上周境內原油供應增加 140 萬桶，與去年同期相比，近四周對天然氣與蒸餾油 (包括汽油與熱燃油) 的需求下降。 其它的能源期貨交易也情況類似，汽油批發價跌了五個百分點，每加侖 2.94 美元，熱燃油也下跌五個百分點，每加侖 2.99 美元。天然氣下跌 14 個百分點，每公升 4.52 美元。 農產品期貨價格呈緩跌。玉米五月交割價下跌兩個百分點，達每蒲式耳 4.82 美元。小麥五月交割價下跌一分，收在每蒲式耳 6.43 美元。大豆的五月交割價格下跌三個百分點，為每蒲式耳 14.21 美元。 金價小幅攀升、銀價也跟進，但銅期貨價小跌。四月的黃金合約交易量增，黃金每盎司價格上升 2.4 美元，達 1340.3 美元。 五月銀價上升五個百分點，達每盎司 21.27 美元。四月白金交割價增加 12.5 美元，達到每盎司 1476.6 美元。鈀的六月價格上升 9.05 美元，達到每盎司 772.85 美元。但銅價緩跌，收在每磅 3.2 美元。 新聞中的環境科學知識 戰爭危機不僅牽動國際貿易、能源價格，且高油價時代，能源無疑是一項有力的國際政治較勁的重要工具。 此次烏克蘭與俄國的爭端，俄羅斯除了以保護俄國僑民為名，出兵佔領克里米亞之外，新聞報導指出，俄國很可能再一次透過中斷天然氣的手段，逼迫烏克蘭在政治上讓步。 從能源政治的角度，石油、天然氣等傳統能源被視為是深具國際戰略意義的資源，各國間的實力爭奪不再只是軍事恫嚇，而改以經貿投資來展現實力。俄羅斯等擁有豐沛能源資源的國家，以能源輸出或中斷，也能夠展現外交上的影響力。2006 年俄國取消烏克蘭天然氣補貼，由每千立方公尺 50 美元提高到國際市場價格的 230 美元，藉此壓迫當時親西方的烏克蘭總統尤申科，首次引發俄、烏能源爭議。當時西方各國批評俄國以能源供應壓迫烏克蘭在政治、外交上讓步，隨後談判破裂，2009 年俄國正式中斷供應烏克蘭天然氣。 此舉不僅影響烏克蘭的能源安全，同時也衝擊到其他進口俄羅斯天然氣的歐盟國家。當時俄國天然氣供應佔歐盟的四分之一，其中 80% 的天然氣輸送取道烏克蘭，因此俄國此舉不僅影響烏克蘭，也衝擊了歐洲天然氣供應。 專家分析指出，隨著頁岩氣的開採，以及歐盟為分散能源風險，轉由中東和北歐進口天然氣，使得俄國的能源外交武器的威力不如以往。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫─環境科學傳播與新聞產製」執行團隊編譯) 責任編輯：張春炎 | 卓越新聞獎基金會 校編：卓亞雄 | 聯合報 審校：胡元輝 | 國立中正大學傳播學系暨電訊傳播研究所

科學中的隱喻

這學期我教的「科技與社會」課程，有個單元是「科學中的隱喻」。我選了 2003 年 7 月刊於《科學》的〈天敵：隱喻或誤解〉(Natural Enemies–Metaphor or Misconception) 做為教材。利用《科學》上的文章談隱喻，不消說，是借用《科學》的權威光環，讓同學知道即使頂尖科學高手，也必須了解隱喻對科學帶來的幫助與限制。 從學生分組進度報告中所見到的問題，我覺得國內理工科學生對「隱喻」這個概念有些陌生。就讀電資學院的組長拿著閱讀筆記認真發問，他們印象中的科學就如同「速度等於距離除以時間」, 定義極為清晰。組員的觀點接近實證主義的理想科學圖像，認為理論是自明的，並擁有數學結構來描述自然現象。至於隱喻，則與「光陰似箭、日月如梭」之類的詩興感懷，略無差異。本文靈感來自上課的經驗。 〈天敵：隱喻或誤解〉以這個故事開場：幾年前，美國馬里蘭州郊區的湖中發現了烏鱧 (Channa argus)。烏鱧又稱蛇頭魚，原產亞洲，性兇猛，是底棲肉食魚類。當地媒體大肆報導「科學怪魚」(Frankenfish) 入侵，並「怪罪」牠驚人的生殖能力，以致影響生態。州政府生物學家宣稱這種魚沒有「天敵」, 能長到 8 公斤左右，甚至還能走路！(因適應低氧環境，能在靜水淺灘處活動) 專家以激動的口吻說:「還要多說什麼嗎？如果抓到牠，殺死牠。」 類似的新聞不斷地傳送，烏鱧逐漸變成一種性格貪婪 (因為能吃能生)、能夠陸行的、並且可能對美國造成生態浩劫的魚！媒體成功操作「科學怪魚」入侵事件，引發公眾重視。 不過經仔細分析，學者發現烏鱧與馬里蘭州仍可發現的北美產弓鰭魚 (Amia calva) 外形與體型相仿，兩者同是凶猛的捕食者，也都能適應低氧環境，可說是趨同演化 (convergent evolution) 的實例。但是在缺乏進一步研究這兩種魚類以及牠們與環境互動的關係之前，政府便決定施用化學藥物毒殺「科學怪魚」。當然，化學藥劑發生了效果。但是別忘了，淡水湖中還有成千上萬其他的生物。 把問題簡化為「科學怪魚入侵」, 然後以化學方式解決入侵者，並視為成功的案例！聽起來荒謬，卻是 21 世紀科學大國州政府的理性決策。 在這個簡短的故事裡，作者有意無意地運用了許多隱喻。首先，「科學怪魚」的名號便來自於《科學怪人》(Frankenstein, 1818) 這本著名小說。根據紐約時報專欄作家沙斐爾 (William Safire) 的說法，在英文中以 Franken 當字首鑄造新字，首例似乎出現在 1992 年 6 月 16 日。 當年美國食品藥物管理局決定改變政策，不再逐案評估基改作物的安全性。波士頓學院英語教授路易士 (Paul Lewis) 投書《紐約時報》言論版，指控 FDA 政策放水。他指出，自從瑪麗・雪萊 (Mary Shelley) 虛構的主角在實驗室裡搞出了「改良人」之後，科學家就不斷地創造出這類「好東西」。現在，他們要賣「科學怪食物」給我們！這也許正是我們召喚村民，點起火把，向他們的古堡 (實驗室) 進發，去制止他們的時候了。(按，有興趣的讀者不妨觀賞電影〈凡赫辛〉(Van Helsing, 2004) 開演的那一場戲) 「科學怪食物」(Frankenfood) 這個詞從此流傳。接著，「科學怪水果」(Frankenfruit)、「科學怪種籽」(Frankenseeds)、「科學怪菜」(Frankenveggies)、「科學怪魚」(Frankenfish)、「科學怪豬」(Frankenpigs)、「科學怪雞」(Frankenchicken) 逐一問世。甚至，受污染的空氣是「科學怪空氣」(Frankenair), 被工業污染的水是「科學怪水」(Frankenwater)。表面上「科學怪 X」的說法，似乎只與意識型態或科學形象有關，而與科學實作較無牽連。然而，「科學怪魚」引發的行動，卻會直接影響科學技術。 科學研究並不只是按照實驗手冊操作的實踐 (praxis), 研究者為了跨進未知領域，還得把未知或複雜的現象，憑藉共同經驗，以直覺方式簡化、呈現問題。因此，為了連接已知與未知，我們其實無法澈底「淨化」科學語言。從科學史中許多著名的隱喻，就可以知道隱喻具有強大的認知價值。例如，18 世紀下半葉的神學家威廉・培里 (William Paley), 以「鐘表匠」(watchmaker) 隱喻複雜生物背後的設計者 (創世主)。這個設計論證直到今天美國的「智慧設計」(Intelligent Design) 論者還在沿用。 另外，演化論中的「適者生存」也是一例。雖然族群遺傳學者已經發展出量度「適應性」的方法，但是不相信演化論的人，仍在誇誇其談，指控所謂「適者生存」不過是套套邏輯 (tautology); 也就是說，演化論的核心論點根本站不住腳。這些人忽略了「適者生存」是演化論者用來解釋生物演化過程的隱喻，它的功能在引導與探索研究方向，而不是自明的真理。 或許從分子生物學的發展，更能看清隱喻的功能。根據美國生物學史研究者凱莉莉 (Lily E. Kay) 的看法，當今分子生物學的面貌，部分是因資訊科學典範進入生物科學之後所造成的結果。當代生物學者大談基因密碼 (code)、遺傳資訊 (information)、細胞傳訊 (signaling)、基因轉譯 (translation) 及 RNA 編輯 (editing), 就是證據。 以「密碼」為例，它已成為強而有力的隱喻。沒有「密碼」概念，我們已無從想像核酸與胺基酸之間的聯繫。不用程式語言與其功能的概念，我們好像找不到更好的說法，來顯示基因型與表現型之間的關係。以資訊科學為主的隱喻，把傳統生物學這門以形態學、生理學為語言的學科，轉變成生命科學，也就是用分子生物學語言為基礎的學科。 隱喻讓我們藉著已知經驗探觸未知領域，協助不同專業研究者之間的溝通。我們因而恍然大悟，科學中許多知識都是藉推論而來，而非直接透過感官觀察與發現。 再舉一例。生態學也充滿了隱喻。讓我們回到〈天敵：隱喻或誤解〉這篇文章題目中的「天敵」概念。「天」或「自然」這個概念在當今文化中的地位十分神聖，只要冠上「天然」兩字，許多事物便顯得高貴，可以賣高價，例如天然有機食品。至於「敵」, 則具有令人厭惡的色彩，避之惟恐不及，或必欲置之死地而後快。不過，即使是「敵」, 在某些「自然狀態」中，仍可搖身一變為環境保護者，這就是通俗的「天敵」概念。 「天敵」所以成為有價值的物種，是因為出現了「危險的入侵者」, 而「危險入侵者」這個概念本身也是個隱喻。曾有學者以全文搜尋 1997 年到 2003 年的《科學》與《自然》, 發現有 54 篇使用這個概念。其中 36 篇，行文中或明顯或概略地說明了其定義，但也有 18 篇的作者毫無解釋，把「天敵」及相關概念當成是自明的。 此外，「生物多樣性」也是個有趣的例子。若問生物學者，生物多樣性的定義是什麼，我們獲得的答案極為多樣：基因多樣、棲地多樣、物種豐度多樣、物種多樣，莫衷一是。原本的「生物多樣性」是用來描述物種在演化過程中有「分化」的傾向，到了後來卻在許多論述中變成演化的「目的」。從描述性轉為規範性概念，又變成可量測的指標，最後甚至具有倫理道德的意涵。 生物學史上還有許多著名的隱喻，譬如笛卡爾的身心二元論、德國人祜斯 (Wilhelm Roux) 的「發育力學」、德國人杜里舒 (Hans Driesch) 的「隱德來希」(Entelechie)(按，民初學者譯成「生命力」)、達爾文的「天擇」與「競爭」、道金斯的「自利的基因」、拉夫洛克 (James Lovelock) 的「蓋婭假說」等。若我們不把目光緊鎖在概念的「對錯或好壞」, 而去追溯那些概念 (即意義攜帶者) 在知識地圖中擴散的軌跡，或許更能掌握科學概念與實作之間的關係，也更能體會不同領域之間的交集與差異。 簡言之，掌握了隱喻的功能，有助於學習與評價 (源自西方的) 科學。

蝴蝶飛呀飛

我們都知道紫斑蝶會用遷徒的方式來適應環境，但除了遷徒之外，你知道美麗的蝴蝶還會用什麼樣的防衛機制，來捍衛自己交弱的生命呢。透過下列的報導，我們要告訴你，為什麼越美麗的蝴蝶毒性越高。內容大綱小小的蝴蝶可以飛多遠呢？有些蝴蝶為了躲避寒冬，可以飛過三四千公里的大洋洲；而有些卻為了適應氣候變遷，必須冒著生命危險舉家遷徒。蝴蝶找到棲息的好環境，牠就留下來了，這一個牠適應環境變遷的重要機制。其實，蝴蝶不只會用勞飛遷徒的方式，來適應環境、保衛性命。許多聰明又美艷的蝴蝶們，也各自有牠的一套防衛機制。像是珠光鳳蝶這一類的，牠就喜歡吃港口瑪兜鈴，那瑪兜鈴會產生瑪兜鈴酸，這是有毒的，所以牠就累積有毒的物體，在蝴蝶身上，造成蝴蝶可以防止牠的天敵來吃牠。而這個和珠光鳳蝶看起來很相似的黃裳鳳蝶，也很有危機意識。當牠們還是蝶蛹時，牠會模仿變色龍的專長，把自己包裹在葉片裡面，停棲在葉背底下，呈現出與環境相同的保護色，等牠們逐漸脫離蛹的成長階段，羽化成翩翩飛舞的蝴蝶時，牠們就會藉著觸角上的感受器，來偵測一、兩公里之外的花香，接著再以前腳來辨識味覺，最後，再透過下顎的吸食管，快速的深入花中，吸食花蜜，或是一些有毒植物的汁液，藉此保障自己嬌弱的生命，抵抗天敵的獵捕與殘害。那這種有毒的植物，和蝴蝶之間的共同演化，會造成我們幾百年幾千年，幾萬年以來，生物的進化。但是，再多的防衛機制都抵擋不了，生態的改變和人為的破壞。我們曾經因為得天獨厚的自然條件，而吸引許多蝴蝶棲息在臺灣這片土地上，但如果我們還想保有「蝴蝶王國」的稱譽，就應該正視這片土地的保育作業，否則人類恐怕才是蝴蝶生命中最大的天敵。2008 年東森電視台《科學大解碼》第二期

蚜蟲天敵知多少

蚜蟲 蚜蟲 (aphids) 屬於同翅目蚜蟲總科，臺灣終年可見，是農業的主要害蟲。牠危害的寄主範圍廣泛，以危害十字花科蔬菜、葫蘆科的瓜類、茄科、桑科為主。在臺灣，由於溫度適宜，蚜蟲族群生長迅速，目前已知有 270 多種，易對作物造成危害。蚜蟲體長 1.5 ~ 4.9 毫米，平均約為 2 毫米，分有翅、無翅兩種類型，以成蚜或若蚜群集於植物葉背面、嫩莖、生長點和花上。 蚜蟲分布於農田、草原、果園及森林區，是多種栽培植物或雜草上和菜園內最常見的昆蟲。成蟲及若蟲都能以刺吸式口器吸食植物汁液為生，不僅使植物生長受阻、枯萎，且是傳播植物病毒的媒介昆蟲，造成很大的危害和損失。蚜蟲的形態上最大的特徵，就是柔軟軀體的腹部背方具有一對刺狀的蜜管，稱為「腹管」, 並由此分泌蜜露，嗜食蜜露的螞蟻便和蚜蟲如影隨形，成共生的現象。當蚜蟲分泌的蜜露太多時，會引發植物的黴病，進而影響植物光合作用。 蚜蟲的生殖方式十分奇特，且生殖力頗高，除了行有性生殖外，雌蟲也能進行孤雌生殖，即若蟲從雌蟲的腹末排出。因食物、季節、營養、棲所等不同因子的影響，蚜蟲又可分成有翅型和無翅型，有翅型體側雖有翅膀，但飛翔能力有限，多半借助風力和氣流分散。 繁殖最快的昆蟲 蚜蟲的繁殖力很強，1 年能繁殖 10 ~ 30 個世代，且有世代重疊現象發生。雌性蚜蟲一生下來就能夠生育，而且不需要雄性就可以懷孕產生後代。當 5 天平均氣溫在攝氏 12 度以上時，便開始繁殖。在氣溫較低的早春和晚秋，完成 1 個世代需 10 天；在夏季溫暖條件下，只需 4 ~ 5 天。氣溫攝氏 16 ~ 22 度最適宜蚜蟲繁育，在乾旱或植株密度過大時，有利於蚜蟲為害。在春季和夏季，蚜蟲以胎生孤雌生殖繁殖後代，秋天低溫誘發出有性世代，產下卵過冬，稱為「完全世代型」。終年行孤雌生殖的，稱為「不完全世代型」。 蚜蟲一般以營異寄主來完成其完全世代型生活史。首先雌蚜 (由有翅性母卵胎生而來) 和有翅雄蚜交配產卵越冬，春天孵出的幼蚜以木本植物為第一寄主，這種無翅型蚜蟲以孤雌繁殖 2 或 3 代。之後在初夏產生有翅型的遷移蚜，遷移蚜以草本植物為第二寄主，再以孤雌繁殖數代至 20 餘代。最後在秋末發生有翅的性母蚜，並在冬季來臨前產生雄蚜，此性母蚜和雄蚜從第二寄主遷飛到第一寄主植物上，再進行下一世代的交配和繁殖。 蚜蟲的天敵昆蟲 天敵昆蟲是指可以藉由捕食、寄生、資源競爭和分泌有毒化學物質，殺死或降低其他生物繁殖力和族群數量的昆蟲。在蚜蟲的天敵中，捕食性的天敵包括鞘翅目昆蟲如瓢蟲科的七星瓢蟲、澳洲瓢蟲、黑緣紅瓢蟲等，雙翅目昆蟲如食蚜蠅科的大灰食蚜蠅、黑色食蚜虻等，脈翅目昆蟲如草蛉科的大草蛉等，以及半翅目昆蟲如花椿科的小花椿等。另外，寄生性的天敵包括膜翅目昆蟲如繭蜂科的蚜繭蜂、麥蚜繭蜂等，以及蚜小蜂科的日光蜂等。 做為有效的天敵昆蟲，一般應該具有的特性，包括較高的寄主專一性、族群能快速增殖、能夠和害蟲的發生具有同步性、搜尋害蟲能力高等，如此一來，將可以在田間有效地達到防治害蟲的目的。 捕食性天敵昆蟲通常不喜歡取食受到真菌感染的蚜蟲，除非是在飢餓無選擇的情況下，才會去取食生病的蚜蟲，否則仍以健康的蚜蟲為捕食的優先選擇。寄生性的天敵如寄生蜂，會選擇齡期 3 齡以上的蚜蟲來寄生，而蚜蟲會自動把生殖器舉起，寄生蜂得以順利插入產卵，卵孵化後在蚜蟲體內取食，這時蚜蟲仍可取食。當寄生蜂化蛹時，蚜蟲蟲體膨大，由原本的顏色轉為堅硬有金屬光澤的黃褐色，經兩天左右，成蟲羽化便咬破蟲體飛出。韓國曾自日本引進日光蜂而成功防治危害蘋果樹的綿蚜。 使蚜蟲發黴的真菌 自然界中能感染昆蟲的病原微生物種類繁多；如病毒、細菌、真菌等，昆蟲可被自然界中病原真菌寄生在蟲體上，這種真菌稱為蟲生真菌。蟲生真菌感染昆蟲時，目標昆蟲不需要主動取食到真菌，就可受到真菌的危害，病原細菌和病毒則必須經由昆蟲消化道才有致病的能力。蟲生真菌約占全部病原微生物的 60% 以上，目前約有 100 屬 700 種類。綜合文獻記載，感染蚜蟲的真菌包含接合菌亞門和不完菌亞門的真菌。 接合菌亞門的真菌，如蟲黴屬的普朗孔蟲黴、耳黴屬的暗孢耳黴、新接黴屬的弗雷生新接黴、蟲瘟黴屬的 Zoophthora aphidis 和新蚜蟲癘黴等。不完全菌亞門的真菌則如頂孢黴屬的 Acremonium crassum、白殭菌屬的白殭菌、黑殭菌屬的黑殭菌、擬青黴屬的玫煙色擬青黴、輪枝菌屬的蠟蚧輪枝菌等。 當昆蟲受到真菌感染時，會出現食欲銳減，身體呈現萎靡無力，皮膚失去原有的光澤等現象，最後導致昆蟲發病死亡。死於真菌病的昆蟲，屍體都有硬化的現象，屍體成乾枯的外形，因此一般又稱硬化病或殭病。當濕度條件適宜時，真菌會在死掉的寄主上行腐生生長，有些菌絲會穿破表皮生長，並在昆蟲屍體表面產生許多孢子，藉由孢子來傳播，造成蚜蟲流行病的發生，或是產生休眠孢子來越冬，待環境因子適宜再發芽，做為另一感染源。 利用蟲生真菌防治蚜蟲 利用蟲生真菌防治農業害蟲時，其優點包括不會造成環境污染；只寄生於欲防治的害蟲，對人類和其他動物較沒有致病性；害蟲不易產生抗性；易於培養繁殖，成本較合成農藥低；能於田間繁殖和再感染；寄主範圍廣，可同時防治多種害蟲。 相對地，缺點是受環境因素和氣候的影響很大；蟲生真菌易受紫外線輻射而失去活性；害蟲致死效果變異大或致死時間太長；易受田間施用化學殺菌劑而影響牠的存活；大量生產、製劑劑型和儲架壽命、保存的問題仍待克服。 蟲生真菌會受特殊環境條件，如溫度、濕度的限制，影響牠的病原性。大多數蟲生真菌種類在攝氏 15 ~ 25 度、相對濕度 80 ~ 100% 有最大活性。例如蠟蚧輪枝菌可感染的寄主廣泛，包括溫室粉蝨、介殼蟲、桃蚜、棉蚜、馬鈴薯甲蟲；利用蠟蚧輪枝菌來感染桃蚜，在溫度攝氏 20 度、相對濕度 100% 能產生最多量的孢子，並藉由孢子的釋放傳播，可感染其他的桃蚜來達到防治的效果。但在低濕度時，則會延遲和抑制蠟蚧輪枝菌孢子的形成和釋放，造成防治桃蚜的效果較不理想。 一般應用蟲生真菌防治害蟲成功的案例，大多是使用於溫室或網室環境。國外商品化製劑的菌株不耐高溫，而台灣地處熱帶和亞熱帶，微生物資源豐富，因此發展本土性的蟲生真菌來防治蚜蟲是有潛力的。未來仍可繼續尋找和篩選對特定蚜蟲有強致病性的蟲生真菌，並探討致病的作用機制。另外發展量產、製劑和施用技術等，都是開發蚜蟲真菌性殺蟲劑的必要條件和重要研究課題。

害蟲與天敵:利用蟲生線蟲防治害蟲

線蟲是一種簡單的圓形動物，目前歸屬在動物界中最大的一群──蛻皮動物總門中，常見的節肢動物也屬於這一群。現今已經知道的線蟲大約有 8 萬種，其中的 1 萬 5 千種左右是寄生性線蟲。具有害蟲的生物防治功用的蟲生線蟲僅有異小桿線蟲科及斯氏線蟲科，自 1990 年以後，分別研發出約 11 種及 46 種可做為害蟲的生物防治之用。 昆蟲與線蟲的關係，最早在 17 世紀初就有文獻紀錄，不過一直到了 19 世紀，才開始有線蟲引起的昆蟲疾病的紀錄，到 1923 年才在德國首度發現蟲生線蟲。到了 1929 ~ 1931 年間，美國才能以體外培養的方式繁殖蟲生線蟲，而且用在日本金龜子的防治上。到現在，已有多種蟲生線蟲商品可以應用在防治鱗翅目、鞘翅目、雙翅目、蚤目、直翅目等害蟲上，美國、英國、德國、荷蘭、瑞士、瑞典、中國、日本等，已經生產各種蟲生線蟲商品。 由於蟲生線蟲具有一些生物特性的優勢，使其能發揮防治害蟲的潛力: 可以感染各目的大部分昆蟲，寄主範圍甚廣。 體內含有共生性細菌，像在斯氏線蟲體內是異桿菌，光桿菌則與異小桿線蟲共生。這些共生性細菌可以在線蟲侵入昆蟲體內後快速增殖，引起敗血症，能在 24 ~ 48 小時內殺死寄主。因此利用蟲生線蟲防治害蟲，也可以稱為微生物防治。 目前已經可以用人工培養基大量生產蟲生線蟲，所用的大型發酵槽可以大到 150 公噸，生產非常方便。 能以各種劑型把蟲生線蟲製成商品，運輸及貯存極為方便，施用上能與大部分化學農藥相容，甚至可以配合灌溉操作一併施用。 部分蟲生線蟲具有寄主搜尋能力，也適用在土棲及鑽蛀性害蟲上。 蟲生線蟲只感染昆蟲寄主，對於非標的生物及人畜具安全性，也對環境無害，不具殘毒性。 有些種類具有可循環的持效性，可以發揮長期殺蟲效力。 在大部分國家，蟲生線蟲都不需要登記，只有少數國家需要一些較化學農藥或其他微生物製劑更簡單的資料。目前，只有日本不比照辦理，而需要登記。 以上的多項優點也促使蟲生線蟲被研發成為生物防治的工具，牠的效用頗令人期待。但是蟲生線蟲也有一些缺點，例如需要在水分高的環境下才能存活；容易受陽光紫外線的作用而失去活性；架存壽命短；配方較困難；葉面施用效果欠佳等。這些問題仍待研究人員解決，並且逐步尋求改進的方法，使牠們能發揮更好的效力。 我們有必要知道一些有關蟲生線蟲的生活史，以及牠們入侵寄主的過程，才能更容易地接受牠，並正確地使用在害蟲防治上。 蟲生線蟲可以產生具有侵染力的第三期幼蟲，特別稱作侵染性幼期。當牠們尋找到適當的寄主時，會經由口器、氣孔、肛門等的自然開孔，或由表皮較薄的部分侵入寄主。一旦侵入寄主蟲體後，侵染性幼期蟲會從線蟲的腸道內釋出共生性細菌，可以在 24 ~ 48 小時內引起寄主的敗血症，快速地殺死寄主昆蟲。 當線蟲成熟為成蟲後，斯氏線蟲是雌雄異體，進行交配；而異小桿線蟲是雌雄同體，進行生殖作用，釋出幼蟲。通常在數天內，便可以完成一個世代的生活史，產生許多新生的侵染性幼蟲以搜尋新寄主。 這種線蟲與共生細菌的結合，被形容成飛彈與彈頭的關係。線蟲有如飛彈，共生細菌充當彈頭，當線蟲侵入昆蟲體後，把共生細菌射到寄主體腔內快速地殺死昆蟲。因此，在大量生產蟲生線蟲時，除了繁殖線蟲外，還需要適當地接種與牠們共生的細菌，才能獲得有致病力的線蟲。 以蟲生線蟲防治害蟲時，要注意牠們的有效性。如果能利用線蟲行為上的特點，還可以發揮更好的效力。一般蟲生線蟲具有搜尋寄主的能力，因此可依想要防治的標的害蟲的習性，選擇適用的蟲生線蟲。目前常把蟲生線蟲的侵染性幼蟲，依牠們不同的搜尋寄主的策略分為以下 3 類。 伏擊型 這一類的蟲生線蟲都已經適應在「墩坐與等待」的策略上，善於攻擊活動性較高的昆蟲，例如野茅象鼻蟲、草坪燈蛾、切根蟲、螻蛄、行軍蟲等。當這些昆蟲從土表經過時，蟲生線蟲會原地豎立擺動，伺機跳上蟲體侵入感染。 遊走型 這一類的蟲生線蟲會活潑地移動，主動尋找寄主。牠們一般常存在於土壤中，因此適合用在防治土壤中比較不活動的蠐螬，以及黑葡萄耳象鼻蟲。 中間型 這一類蟲生線蟲介於上述兩型之間，可適用在防治土表及土中的活動型與非活動型害蟲。前者適用於防治洋菇蚋類，後者則可用在防治玉米穗蟲、柑橘根象鼻蟲、螻蛄等。 除上述的線蟲感染行為外，也要考慮與慎選同種線蟲中致病力不同的品系。由於品系的差異，牠們對標的害蟲也有殺蟲效力的高低之分。如果要發揮蟲生線蟲良好的殺蟲效果，需要在開發利用的過程中，篩選高致病力的品系加以繁殖及保育。 此外，開發蟲生線蟲供生物防治用，還是有不可忽略的大量生產的問題。這項工作可以分為活體培養及人工培養基體培養兩種方式。在 60 年代是採用大蠟蛾供作生物培養的用途，但由於這一個方式需要先飼養昆蟲，勞力、設備、產量等的成本都比較高，不符合經濟效益。後來開發的體外培養法，不但簡單有效，也容易商品化。 雖然早在 1931 年，人們就試著以體外培養的方式來得到大量的蟲生線蟲，但是當時不知道共生細菌與致病的關係，所獲得的線蟲的殺蟲效力欠佳。一直在 50 年後，到了 1981 年，才由澳洲的培丁 (R.A. Bedding) 首先用單菌培養共生細菌，加入固體培養基，才有效地培養出商品化的蟲生線蟲。 他還加入海綿塊增加培養基的三度空間，更能提高經濟效益。在培養基材料中大多添加動物成分或飼料，如此比較容易用來大量培養。固定培養基在操作上總是較不方便，培養的產量也比較低，因此後來開發以液體培養基大量培養的技術，更符合商品化的要求。 在發展培養基的過程中，要研究線蟲產量、育成線蟲的致病力、成本高低，也要考量培養基配方的適用性、培養設備，像是溫度、接種源大小、通氣率及共生菌接種的各種培養條件等問題。因此近年來，已經朝向以液體培養基來生產蟲生線蟲。 一般蟲生線蟲主要防治的對象是土棲性及隱蔽性害蟲，即為害草坪、菇舍、溫室、森林、蔬菜、果園等植物的害蟲，甚至貓蚤、蚊蟲類及為害家畜的害蟲，也都有顯著的功效。目前在各國登記使用的蟲生線蟲共有 7 種，商品超過 20 種。 許多學者研究蟲生線蟲防治害蟲的實用性，目前已有很多相關的研究報告。但是在田間施用的實例，仍以直接施用在土壤表面上，以防治像是金龜子科、金花蟲科、象鼻蟲科、夜蛾科等類的土棲性害蟲為主。 研究結果指出，如果使用 2.5 × 105 ~ 5.0 × 105 IJs/m2 (每平方公尺的侵染性幼期蟲數) 的 S. glaseri 或 H. bacteriophora 在田間防治日本金龜子，效率可以達到 80% 以上；使用 1.67 × 106 IJs/m2 的 H. bacteriophora 對象鼻蟲的防治率可以達到 90%。而 S. carpocapsae 對黑切根蟲特別有效，使用 2.5 × 105 IJs/m2 時的防治率也超過 90%。 在葉面施用上，主要以 S. carpocapsae 及 S. feltiae 為多。如果由本地存在的主要害蟲來說，使用 5.1 × 105 IJs/m2 的 S. carpocapsae 對玉米穗蟲可以達到 85% 以上的防治率，但對小菜蛾，用 2.5 × 105 IJs/m2 時只能獲得 40% 的防治率。 由於田間試驗受到環境因子的影響甚鉅，在各地所做的試驗結果通常差異很大。這一種因人、因時及因地制宜，乃是生物防治法的偏差因素。因此，發展蟲生線蟲供生物防治用，仍然需要根據本地的實際情況進行田間試驗，所得的資料才能做為本地應用的依據。 近年來，從花蓮地區分離到一種本土性的蟲生線蟲，對本地的多種害蟲都具有殺蟲效力。牠具有適用在攝氏 15 度下貯存的特性，而且能以太空包進行體外培養。如果能夠再篩選適當的品系，提高致病力及發展適用的配方製成製劑，可望用來防治本地像是亞洲玉米螟、黃條葉蚤、黑角舞蛾、斜紋夜蛾、貓蚤等主要害蟲。

藥用及保健植物:臺灣紅豆杉–抗癌藥物紫杉醇的另一個家

臺灣紅豆杉 (學名：Taxus sumatrana (Miq.) de Laub., 紅豆杉科) 或稱南洋紅豆杉，屬於裸子植物，是臺灣貴重針葉五木之一。臺灣針葉五木包括檜木類、臺灣杉、香杉、臺灣肖楠與本文所述的臺灣紅豆杉，它們都是臺灣最珍貴的樹種，木材品質優異，被分類為針一級木，多屬於高大的喬木。紅豆杉稀疏地分布在臺灣全島海拔二千公尺上下的山區，在相當於人的胸部高度處，量取的直徑都在一公尺以上，樹高達二十公尺以上，樹幹略扭曲，比起其他四種針葉木，它是樹形較矮胖、樹姿較醜的樹種。 可是別看它醜，它包被紅色假種皮的果實，狀如紅豆，是所有針葉五木中果實最鮮豔漂亮的。它的木材也比其他四種顏色豐富，樹心的部分是紅色，邊緣的部分是黃色，是很好的雕刻用材。木材雕刻家曾將臺灣紅豆杉木材雕刻成一人高的觀音，售價高達一千萬元。 民國七十年代，臺灣紅豆杉因懷璧其罪，不斷地慘遭盜伐；政府查禁後，初期對沒入的盜伐木，採取公開標售的方式處理，在民國七十八年時，一棵盜伐木標售到一百八十萬元，創下臺灣盜伐木標售的最高紀錄。為了杜絕這些破壞臺灣天然林木的山老鼠，先盜伐再藉政府標售方式合法取得，在民國七十九年時立法院特地立法禁止臺灣紅豆杉盜伐木標售，終於澈底斷絕臺灣紅豆杉遭盜伐利用的厄運。 抗癌藥物紫杉醇 約在民國五十五年時，美國的「國家癌症研究中心」從太平洋紫杉的樹皮中萃取出紫杉醇，發現它具有抗癌的效果，經過一連串的臨床試驗，民國七十八年正式製成製劑用來治療卵巢癌與乳癌。由於它的治療效果甚佳，使得太平洋紫杉被預言為「二十世紀對人類貢獻最大的植物」。 不過太平洋紫杉生長緩慢，從樹皮萃取紫杉醇的產量又甚低，以治療一個卵巢癌病患需要二公克紫杉醇而言，就需要砍伐二到三棵 50~60 年生的太平洋紫杉，如要萃取一公斤的紫杉醇，就需要砍伐二千至四千株的太平洋紫杉。所以當時一公克的紫杉醇售價高達八百美元，於是全世界研發人員開始投入如何量產紫杉醇的研究工作。 對林木育種家而言，最直接的方式就是選育高紫杉醇含量的品種，而且最好是枝葉含有高濃度紫杉醇的品種，畢竟枝葉是可以不斷再生、不斷採收的。如果紫杉醇的取得是來自於樹皮，因為樹木一經剝皮就會死亡，其生產成本勢必過高，而且收成時間也過久。 對化學家而言，則是利用合成的方式，由簡單且容易取得的化學單元體合成紫杉醇，民國八十三年實驗成功了，總共經過 28 個步驟，化學家可在試管內完全合成紫杉醇，當時可是一件大事！雖然最後合成的紫杉醇產率僅有 0.5%, 不過化學家並不氣餒，他們知道如果將合成的步驟縮短，就有商業化生產的價值。 經過多方尋覓，最後發現紅豆杉的萃取物中含有濃度甚高的紫杉醇主結構 10 - 去乙醯巴卡亭 III (簡稱 10-DAB), 這種成分在少數紅豆杉品種的枝葉中濃度高達 1,000 ppm (ppm, 每公斤乾重的毫克數), 是紫杉醇的三倍以上。利用 10-DAB 作為合成的起始物，只要約 10 個步驟就可合成紫杉醇，在實驗室中的合成率可達 80% 以上，這種方法稱為半化學合成法，以別於全合成法。 對生物學家而言，是積極尋找可以生產紫杉醇的微生物，他們發現寄生在太平洋紫杉上的一種真菌可以生產紫杉醇，由於真菌生長快，用來生產紫杉醇相當看好。對組織培養學家而言，就是想辦法在發酵槽內培養紅豆杉細胞，利用細胞來生產紫杉醇；組織培養學家本來就很有興趣利用細胞培養生產人類需要的藥物，但是成果並不理想，主要的原因是這些藥品的價格還沒有高到使廠商有投入量產的意願。如今終於有一種這麼昂貴的藥物，而且需求量又不斷增加。 根據最近的統計，紫杉醇在全球的市場需求量高達十八億美元，占所有抗癌藥物市場的 25%! 因此帶動了全世界細胞培養的研究熱潮，目前最大的發現就是找出了一種叫做甲基茉莉酸的誘導物質，它可使紅豆杉細胞生產紫杉醇的產量暴增 10 倍以上。 另外，目前最熱門的生物技術學家又如何看待紫杉醇的生產呢？他們則是從找尋合成紫杉醇的基因著手，近三年內他們差不多已經將這些基因選殖出來了，接著便是如何將基因轉殖到紅豆杉細胞中，甚至是微生物，讓它們為我們生產廉價的紫杉醇。 紫杉醇的原料來源 前面談了許多紫杉醇的生產方法，經過 10 年的開發，紫杉醇原料價格從剛開始的每公克八百美元，滑落到目前的三百美元，價格雖降低頗大，但是仍相當昂貴。大家一定很好奇，究竟哪種生產方法是原料的主要來源？答案有點出乎意料，目前是以半化學合成法為主，而原料就是 10-DAB, 提供 10-DAB 來源的植物，主要是歐洲紅豆杉的枝葉！採取半化學合成法的主要原因，除了 10-DAB 在枝葉中的含量是紫杉醇的三倍以上外，另一個重要因素是天然的紫杉醇再怎麼純化，總會含有微量的雜質，這些微量雜質會隨栽培方法、環境變化而異，造成品管上的困難。同樣是純度 99% 的天然紫杉醇，永遠難以保證不同批原料的雜質是一致的，這些雜質均須通過檢驗，證明它們對人體無害，才能進一步製成藥劑。 反之，半合成紫杉醇經過合成步驟，它的純度高且每批產品品質幾乎一致，合乎藥檢的標準，儘管比天然紫杉醇生產麻煩，但是生產成本不一定比天然紫杉醇高。目前 10-DAB 原料是每公克 90 美元以下，假如每二公克可合成一公克紫杉醇，那就是投入 180 美元可以生產三百美元的藥物，仍有 120 美元的價差，扣除生產成本後仍有極大的利潤。不過這種半化學合成法的技術已經成為專利了，用此一技術生產紫杉醇，要付出高額的專利費。目前，國內的製藥界另行開發了獨特的半合成技術，也可以利用 10-DAB 生產紫杉醇了。 當全世界紛紛投入紅豆杉屬相關樹種的開發研究時，臺灣紅豆杉究竟是否有潛力發展出跟國外具有競爭力的品種或生產模式？然而，當我們開始注意到本土的紅豆杉是否有開發價值時，已經是民國八十三年的事了，比國外的研究足足晚了將近五年。因此當國內學者提出臺灣紅豆杉的優良化學品系選育計畫時，就有人質疑是否可以跟國外具有十分完備的研究機構競爭？如果真有優良的化學品種，以臺灣如此高的土地與人力成本，還會有生產空間嗎？當學者們想進一步研發，利用臺灣紅豆杉細胞培養生產紫杉醇時，就有人質疑紅豆杉細胞的培養技術國外已經取得專利了，臺灣有能力跟國外競爭嗎？研發出來的技術可能也在國外專利的範圍內，還會有經濟價值嗎？常常我們也會自我反問這些問題，最後總覺得為了了解臺灣本土的資源，建立並保存可能產品化的機制，應該責無旁貸地進行相關研究。 前面提過臺灣紅豆杉的木材價值已經很高了，大家或許認為栽植臺灣紅豆杉經濟價值鐵定極大，可是針對 15 公分直徑小樹的年輪加以計算，竟然高達兩百多歲，對於胸徑一公尺的大樹需要多少年才能長成，就可想而知了。 為了避免這些大樹的基因流失，林業試驗所在民國八十三年，開始進行臺灣紅豆杉的調查與枝葉含紫杉醇濃度的分析；在進行調查分析的同時，也加以採種，利用種子發芽育苗，此外也採集枝條，利用扦插發根成苗，以保存該母樹的基因；更進一步從優良母樹的枝葉進行組織培養，誘導未分化的細胞團 (稱為癒合組織) 產生，探討以細胞培養生產紫杉醇的可行性；最後透過生物技術，將外來基因成功轉殖到臺灣紅豆杉細胞內。 不可否認的，國內對臺灣紅豆杉的研發工作仍是跟著國外的腳步，但是，這並不意味著我們的產品就會輸給國外。以下就讓我們來看看臺灣利用紅豆杉生產紫杉醇的研究與產業發展潛力。 利用臺灣紅豆杉生產紫杉醇 要在國內以大面積栽培臺灣紅豆杉，再利用機械化採割枝葉以萃取 10-DAB 原料，其栽培方式就像經營茶園一樣，被選育出來的臺灣紅豆杉化學品系必須具備下述條件：臺灣現有產業界具備將 10-DAB 合成紫杉醇的專利技術；10-DAB 在樹梢枝葉中的含量必須高過國外品種；枝葉產量高且耐修剪；由於臺灣低海拔面積較多，所以該品系必須具備耐熱性，可以在低海拔栽培。 為了選育具有這些條件的品系，於是從全臺灣採集天然母樹的枝葉，分析 10-DAB 的含量，將含量較高的品系篩選出來，利用扦插繁殖法，培育出跟天然母樹基因完全一樣的營養系分株，稱之為營養系苗，然後將這些營養系苗栽培到臺灣低中海拔，進行生長與 10-DAB 含量的檢測試驗。結果發現有一些優良的化學品系，可以符合上述的條件，在海拔約七百公尺左右，栽植四年後，它們的枝葉產量每株平均約可生產三公斤，曬乾後約有一公斤重，可萃取出一公克左右的 10-DAB, 如果一公頃種植一萬株，就可生產出約 10 公斤的 10-DAB。 此一產值吸引了具有合成紫杉醇技術的臺灣製藥公司加入量產的研發計畫，目前正積極利用扦插繁殖的技術，採集這些優良化學營養系的枝條，利用具有定時噴水系統的溫室，直接扦插在含有泥炭土與蛭石的介質中，約三個月就有 80% 插穗發根成苗，再經三個月培養後，就可移到栽培地栽植。此項計畫預計在五年內建立面積一百公頃的生產區，屆時臺灣就可以使用到由臺灣紅豆杉生產的紫杉醇了。 一般植物細胞培養的方法，都是先採集植物的組織或器官，如葉片、莖段等，經過酒精與漂白水消毒後，培養在含有營養成分與植物生長激素的固體培養基中。 在植物生長激素的誘導下，讓植物的組織細胞分裂成鬆軟的細胞團，然後將這個細胞團移入含有培養液的三角瓶內，培養液的體積一般是三角瓶體積的五分之一，約為 50 毫升，這樣可以增加液體搖盪的速度及溶氧的能力，然後將三角瓶放在迴轉式震盪器中培養，迴轉的次數一般都在每分鐘一百次左右。 鬆軟細胞團在培養液中不斷地迴旋震盪，1~50 個細胞左右的小細胞團就會脫離原細胞團，最後逐漸成為均勻的細胞散布在培養液中，此一過程稱為懸浮細胞培養。由於細胞整個浸泡在培養液中，吸收養分的面積比固體培養僅靠接觸表面的吸收來得大，所以細胞的增殖速率也遠比固體培養的大。 當細胞在培養液中已經快速生長且紫杉醇濃度產量也很高時，這時候就將它們移到 2~5 公升的小型生物反應器中培養。生物反應器的基本構造是一圓柱型玻璃或不銹鋼筒，內含攪拌葉片使細胞能懸浮在培養液中，同時設有通氣管，將空氣打入培養液內，提供細胞呼吸所需的氧氣。因為在相同的單位面積上，一個生物反應器可以培養比三角瓶大上數倍的容積，所以在商業性生產時就必須採用生物反應器。如果細胞在小型的生物反應器中仍然有很高的紫杉醇產量，在商業性量產規模的規畫下，此時生物反應器的容積可高達數十噸。 根據多年的研究，發現利用細胞培養生產紫杉醇，最關鍵的因子就是優良的細胞株！就像前面所述的化學優良品系選育一樣，來自不同母樹的細胞株，在培養液中的表現也會呈現極大的差異。優良的細胞株需要具備生長快、紫杉醇濃度高，而且經過長期培養不會降低生產力等特性。經過將近八年的努力，長期監控數十個細胞株的表現，終於選育出符合上述特性，可以用來生產紫杉醇的優良細胞株，目前如利用三角瓶培養，該細胞株可以每天每公升生產五毫克以上的紫杉醇。 根據報導，國外用來培養紅豆杉細胞的生物反應器的容積已高達 75 公噸，如果將該細胞株放入 75 公噸的生物反應器中生產，每天將可生產 75 公克的紫杉醇，也就是一年可生產約 27 公斤的紫杉醇！不過目前尚未看到產品。林試所的研究團隊證實將本土選的優良細胞株培養在二公升的生物反應器中，發現仍能維持很高的紫杉醇產量，此一結果已引起業界的投資興趣，規劃用更大的生物反應器來生產紫杉醇。 遺傳工程與生物技術被認為是影響二十一世紀人類生活最重要的科技。此一技術是否能用來增加培養細胞的紫杉醇產量呢？答案是肯定的！一個成功的遺傳工程除了要有影響紫杉醇合成的基因外，還要有將基因轉殖到紅豆杉細胞的技術。目前已知控制紫杉醇合成的基因大約有 10 個以上，其中最重要的基因是將 10-DAB 催化為巴卡亭 (BC) 的去乙醯巴卡亭轉移酶 (DBAT) 基因。 由於控制紫杉醇的基因數目太多了，在遺傳工程上要將這麼多的基因全部轉殖到紅豆杉細胞上，技術甚為困難，通常會選擇最關鍵的基因轉殖，來達到目標產物生成的目的。10-DAB 與巴卡亭都是極佳的產物，因為它們均可經半合成而成為紫杉醇，而且分子大約是紫杉醇的三分之二，細胞較容易將它們釋放到培養液中，所以從培養液中可以不斷地得到此二項產物。 如果將可令 DBAT 大量合成的順義 DBAT 基因或可抑制 DBAT 合成的反義 DBAT 基因轉殖到紅豆杉細胞內，前者會增加 DBAT 基因的表現，使 10-DAB 快速合成巴卡亭；而後者剛好相反，將 DBAT 基因的表現抑制，所以細胞僅能合成到 10-DAB, 如此一來細胞就僅能生產 10-DAB 產物。目前研究人員已經成功選殖出 DBAT 基因，並且嘗試將它轉殖到臺灣紅豆杉的細胞內，預期它能夠對細胞生產 10-DAB 產生影響，又因為它的分子量小於紫杉醇，可以不斷地分泌到培養液中，這樣就可以建立連續收穫 10-DAB 的生產模式。 目前基因轉殖的方法雖然很多，但以農桿菌為媒介的轉殖法最為常用。農桿菌原是一種土壤的病原菌，當植物受傷時，細胞會分泌一種酚類物質，誘使農桿菌內的小環形染色體 (稱之為質體) 中的一段去氧核醣核酸 (DNA) 切離菌體，移轉到植物細胞內，並嵌入細胞內的染色體中，讓植物細胞產生該段 DNA 上的各種功能。 該段 DNA 具有生產促進細胞產生腫瘤或不定根的植物生長激素基因，以及供農桿菌生長的特殊營養成分。當植物細胞帶有該段 DNA 後，就會形成腫瘤，或者形成毛狀根群。如果利用野生的菌種去感染臺灣紅豆杉，就會產生可自行生長的細胞腫瘤或毛狀根群，與正常細胞需要植物生長激素才能生存完全不同。由於此一段 DNA 插入到植物細胞染色體上的位置不同，插入的數目也不一樣，因此轉殖基因細胞與毛狀根群在生產紫杉醇的表現，也會產生很大的差異。 目前它們的生產量尚低於正常的細胞培養，不過生長速率卻相當快，培養容易且帶有獨特的基因標誌，不會侵犯到目前許多的細胞培養專利技術是其重要的特性。林試所從許多野生的菌種中篩選能夠很快感染臺灣紅豆杉的菌株，它們的感染率可高達 30% 以上，選擇此一菌種，利用遺傳工程的技術，將致病的基因切除改植入 DBAT 基因，然後再去感染臺灣紅豆杉的細胞，這樣就可獲得轉殖 DBAT 基因的紅豆杉細胞了！利用臺灣紅豆杉生產紫杉醇，在可見的未來，將會為臺灣創造數十億元的商機。利用大面積栽培臺灣紅豆杉是比較傳統的生產方式，投資額大，但植物產量容易控制，風險低。利用細胞培養或根部培養，是一種可以用自動化工廠經營的生產模式，然而每一個製程都必須小心，防止生物反應器可能遭受到細菌與霉菌的污染，同時還要防止細胞在培養過程中難以避免的變異 (突變), 也就是說每批產品可能會有相當程度的差異，不過由於目前細胞的產量頗高，細胞輕微的變異仍可以忍受。為了防止細胞變異的發生，需要開發出低溫保存細胞的方法，一旦利用生物反應器培養的細胞劣化，立刻可以用低溫保存的細胞加以替換。 轉殖有植物生長激素基因的細胞，因培養在不含植物生長激素的培養液中，產生細胞變異的機率比較小，又帶有基因標誌，可以避開國外在培養基與細胞株上的專利，是頗有發展潛力的技術，但仍須進行更多的研究，以提高紫杉醇的產量。至於轉殖 DBAT 基因以促進紅豆杉細胞生產 10-DAB 或 BC, 則是未來看好的細胞培養方式。 雖然國外科學家從太平洋紫杉與歐洲紅豆杉選殖出來的 DBAT 基因已經獲得專利，而從臺灣紅豆杉選殖出來的 DBAT 基因與該二樹種胺基酸序列的相似度高達 95% 以上，如果國內使用該基因必須付專利費；但紅豆杉的基因轉殖系統，其技術發展在臺灣已頗為成熟，相信一定可以比國外更早一步得到轉殖 DBAT 基因的細胞，尤其是反義 DBAT 基因 (並未被取得專利), 以大量生產 10-DAB 供臺灣業界直接使用。 最後，在臺灣紅豆杉的研究過程中，讓我們深深地體會到研發技術固然重要，但擁有豐富的植物資源更為重要！如果我們研究的是外來品種，要選出優良的化學品系本身就很困難，要適應臺灣的環境更是需要漫長的時間檢驗。臺灣紅豆杉的研發腳步雖然慢，但是整個研發體系是建立在最基礎的傳統育種收集，到各種珍貴品系的選拔，才能建立自有的化學品系、細胞培養與遺傳工程技術，加上國內的製藥界也不斷地追求技術的創新，讓國內的研究團隊，能夠有機會利用本土的臺灣紅豆杉，為臺灣創造大規模生產紫杉醇的產業。

石油探採及處理:油氣田及其生產動力來源

目前全世界已發現的油氣田，都存在於地下封閉構造或地層內，像是背斜封閉、斷層封閉或地層封閉。封閉構造內必須有具孔隙和滲透率良好的儲油層，這種儲油 (氣) 層通常是砂岩、碎屑岩及碳酸岩層。另外，仍需有緻密且滲透率很低的蓋岩如鍋蓋般覆蓋於儲油層上，以防止封存的油氣向上逸漏，常見的蓋岩例如頁岩、岩鹽、石膏、混岩等。 根據油氣移棲理論，儲油層最初充滿地層水，油氣從生油岩 (source rock) 生成後，因為比重較水低，會沿著具滲透性 (流通性) 的地層或縫隙往上移棲進入封閉的儲油層，逐漸把所含地層水往下排開形成油氣封閉，因此油氣層的下方都與水層接觸。地下水層大小不一，有的與地表的天水連通，形成開放型地下水層；不與天水相連通的稱為封閉型地下水層。儲油氣層內的地下水層範圍大小及其流通性好壞，攸關油氣田採收率 (油氣田最終油氣累計產量與原始油氣總量的比值) 的高低。 油氣層流體的組成 儲油氣層中的油氣 (稱為油氣層流體) 是自然生成的，由多種碳氫化合物混合而成，這類化合物的分子結構主要是石蠟烴、環烷烴、芳香烴等，少數油氣層流體也含有雙鍵結構的烯烴類。天然氣中的碳氫化合物，從碳數 1 的甲烷 (CH4) 至碳數 30 的都有，但低碳的碳氫化合物比率較高。原油則含有從甲烷至碳數 125 的碳氫化合物，所含高碳數的碳氫化合物愈多，原油比重愈高。 此外，油氣中也可能含有二氧化碳、硫化氫、硫醇、瀝青、溶解固粒、懸浮膠體等雜質。不同油氣田的油氣有不同的組成，全世界至今未曾發現過相同油氣層組成的油氣田。 井場分離器 通常油氣生產井井場都設有分離器，油氣由井口產出後，經降壓進入分離器內進行油氣分離，比重小的天然氣由頂部進入集氣系統，稱為分離器氣體。分離器的操作壓力大多在 10 大氣壓以上，分離器內下部的液態油因處於受壓狀態，尚含有部分溶解氣，因此由分離器排出後再進入貯罐槽內，於常壓常溫下釋放其所含的氣體，這氣體稱為貯罐氣，油則稱為貯罐油，這是二段分離器 (油中的溶解氣分二階段分離，因此稱二段)。 另外也有三段分離器，即在初級分離器及貯罐槽之間加設一中間分離器。其中，氣油比 (天然氣與貯罐油的體積比，在這裡天然氣是指分離器氣體加上貯罐氣) 是石油工業界常用的油氣層流體特性。 油氣井開發生產初期，可由分離器分別取分離器氣樣及油樣，或以井下取樣器至井底取樣分析，得到油氣層流體的組成成分，通常會分別列出氣體成分 (CO2、H2S 及 CH4) 及中間成分 (C2H6~C6H14) 的個別濃度，而把庚烷 (C7H16) 及以上的成分集合在一起以 C7 + 表示。C7 + 所占比率及其物性會直接影響油氣層中流體的相態變化，其濃度可用以判斷油氣在儲油層內是液態或氣態 (油層或氣層)。 油氣田的種類 為利於解說油氣的特性，先介紹單成分、多成分碳氫化合物的物理性質。 單成分化合物 純乙烷 (C2H6) 在常溫、常壓下是氣體，若地層孔隙內所含碳氫化合物是乙烷，由於地溫梯度的關係，地層內的溫度會高於常溫，如其溫度高於臨界溫度攝氏 32 度，則不管地層內的壓力如何，所含乙烷永遠是氣態，這地層屬於儲氣層。但若前述的地層孔隙內含純丙烷 (C3H8), 且假設在發現時地層靜壓較高，則其中的丙烷是以液態存在，這地層屬儲油層。 開始生產油氣後，地層壓力會逐漸下降，當降至某壓力時 (約 12 大氣壓), 儲油層內的丙烷會開始氣化，這時的壓力稱為泡點壓力 (也是丙烷在攝氏 32 度時的蒸氣壓)。不論是油層或天然氣層裡，所含油氣絕不是單一成分的碳氫化合物。 多成分化合物 在世界上所發現的油層或天然氣層所含的油氣，都是多成分碳氫化合物的混合物。若地層中的混合物是氣態時，稱為儲氣層；若以液態存在，則稱為儲油層。多成分的碳氫化合物在地層裡究竟是氣態或液態，與碳氫化合物的組成成分 (各碳氫化合物的含量比例), 以及地層的溫度與壓力有關。 儲油層內所含油氣最初發現時如果是以液態存在，就是油田，以氣態存在的則是氣田。油田可再細分為黑油 (低收縮性油) 及揮發性油 (高收縮性油), 氣田則可再分為凝結油氣 (因壓力下降使氣體內中間及重成分的油析出)、溼氣及乾氣 3 類，因此自然界存在的油氣田總共可分為 5 種類型。 黑油 — 黑油是指一般油田所產的油，雖然貯罐油通常呈黑色或深褐色，但稱為黑油主要是為了與揮發性油區分。黑油是一種低收縮性原油，因為它的地層體積因子 (formation volume factor, Bo) 都小於 2。地層體積因子是指在油層內需要多少桶油生產至地表後，經釋出其溶解氣及降溫後可得 1 桶貯罐油，Bo 愈大表示這種油收縮性愈大，可釋出愈多溶解氣，若 Bo 小於 2, 則稱為低收縮性油。 揮發性油 — 這類型油含較多中間成分的碳氫化合物，多以液態存在於儲油層內。當壓力降至起泡點之下時，溶解氣釋出，這是因為輕成分及中間成分逸出，液態體積立即明顯減少，因此也稱為高收縮性油，其地層體積因子都等於或大於 2。在壓力低於泡點壓力後，油層內氣液二相共存，都會流至井底而產出，揮發性油的氣體由井底流至地表時，會因溫度壓力之下降而有凝結油析出，地面上所得貯罐油有部分是由油層內的氣體而來，此與黑油田不同 (黑油油層內釋出的氣體是乾氣，不會再析出凝結油) 是揮發性油的生產特性。 凝結油氣 — 這種氣田最初在氣層內是氣體狀態，在生產過程中，因壓力下降，在氣層內會有凝結油析出 (這與氣體升壓液化，降壓氣化相反，因此也稱為逆變凝結油氣), 開始析出凝結油時的氣層壓力稱為露點壓力。大部分這種氣田於氣層內所產生的凝結油都不易流動 (或不易產出), 導致生產井所產出的油氣及存留於氣層內的油氣組成不同，且生產井所產出油氣的成分隨時間而改變。 溼氣 — 溼氣田的油氣除甲烷、乙烷外，尚含有中間成分及少量重質成分，在氣層內壓力下降時不會有液態凝結油形成，因此氣層內由生產開始至耗竭，所產出油氣的氣油比及成分都不會改變。但因為分離器的操作條件會落入兩相區內，所以地面上仍會伴產凝結油。 乾氣 — 乾氣田的油氣主要是甲烷及少量中間成分，在儲氣層內及分離器操作條件下，都不會進入兩相區，不會有凝結油形成。這類油氣大都屬於由細菌生成的生物氣，臺灣南部新營及官田二氣田都屬於這種類型。 油氣層流體的相態行為，必須經由具代表性的樣品在實驗室中以相態試驗儀測試才能獲得。然而代表性樣品通常並非來自第一口成功的探勘井，往往是在油氣田生產之初才取樣，其間已經過一段時日，如何判別第一口成功探勘井的類別？石油工業累積多年經驗，可從探勘井的地層測試所得的氣油比、原油比重、顏色及油氣組成的資料做初步判斷。 油田的產油動力來源 儲油層的石油能流到井底產出，主要靠油層內的壓力。當油層內的油氣產出一單位體積後，如無其他流體流入補充其原先所占的空間，油層內的壓力勢必逐漸下降而停產。使儲油層內的油氣持續生產的驅油機制稱為驅油型態，主要可分為：溶解氣驅 (溶解在石油中的天然氣膨脹)、氣頂驅動 (僅指石油上層天然氣的膨脹)、水驅 (油層旁的水層膨脹) 3 類，分述如下: 溶解氣驅 這種驅油機制的油田下面的水層，屬封閉型且範圍相當小。在產油過程中油層壓力下降後，地層水進入原先儲存油氣空間的量微乎其微。起初壓力下降時仍是單相液態油，主要靠油本身因壓力下降而膨脹使油產出。但一般這階段的採收率僅約 2 至 5% 左右。若壓力持續下降至低於泡點壓力，油中的溶解氣開始釋出小氣泡，壓力下降愈多，氣泡愈多，同時愈膨脹成大氣泡而推送原油流至井底產出。 這種驅油機制的油田生產特性是：油層壓力下降快；生產時，地層壓力下降到氣體起泡的壓力前氣油比維持不變，到泡點壓力後快速上升；一般無伴隨產生水；採收率低，僅約 5~25%。 氣頂驅動 油層內如果油帶上含有氣帽，且其下面水層是封閉型且範圍很小，不具水驅作用，即屬氣頂驅動。通常這類油田的生產井的穿孔生產區間位於油帶中，保持氣帽的氣體，以利用氣帽的膨脹把原油推向井底。含氣帽的油層都是飽和油，其油層壓力位於黑油的兩相區內或泡點壓力曲線上。 氣頂驅動油田的生產特性是：相對於溶解氣驅油田，其油層壓力下降較慢；無伴隨產生水；位於構造高區的生產井中氣油比增加較快；通常會保持氣帽，不生產氣帽中的天然氣，直至廢棄前才生產；採收率依氣帽大小、構造形貌及儲油層垂直向的滲透率而定，介於 20~40% 間。 水驅 儲油層下部必須是開放型水層，或範圍很大且滲透率佳、厚度足夠的封閉型水層。當油層壓力下降時，地層水會膨脹而侵入原儲存原油的空間，維持油層壓力。雖然水的壓縮係數僅約 4.4 × 10-5/atm, 但只要水層體積夠大，即使油層壓力僅下降約 7 個大氣壓，地層水因膨脹而侵入原儲油空間的量就相當可觀。水驅型油田的生產特性有：油層壓力下降較緩慢；氣油比變化較小；位於構造低區的生產井會先產出水；採收率約在 30~65%。 氣田生產及採收率 從儲氣層生產天然氣的動力主要來自天然氣的膨脹，換言之，當生產井打開後，井底的壓力下降時，天然氣由距離井口遠處地層的高壓處流向低壓的井口處而產出。氣田的生產機制有兩種。一種是原先儲存天然氣的空間固定不變，稱為耗竭型氣田；另一種類似水驅型油田，地層水會侵入原先儲存天然氣的空間。耗竭型氣田完全靠氣層氣體本身因降壓膨脹而生產，廢棄時氣層壓力較低，採收率約 75~90%。水驅型氣田廢棄時氣田壓力較高，採收率約 55~75%。當儲氣層的岩性異質性愈高時，採收率愈低。 儲油氣層中的油氣 (稱為油氣層流體) 是在自然界中由多種碳氫化合物混合而成，在世界上所發現的油層或天然氣層裡，都是多成分碳氫化合物地層。儲油層內所含油氣最初發現時，如果以液態存在，稱為油田，以氣態存在的則稱為氣田。 含液態碳氫化合物的地層稱為油層 (或儲油層), 基本上，油層可分為黑油及揮發性油，氣態的天然氣層可分為乾氣、溼氣及凝結油氣。儲油層內促使油氣持續生產的機制稱為驅油型態，主要可分為：溶解氣驅 (溶解在石油的天然氣膨脹)、氣頂驅動 (僅指石油上層天然氣膨脹) 及水驅 (油層旁的水層膨脹) 3 類。溶解氣驅採收率低，僅約 5~25%, 氣頂驅動採收率約介於 20~40%, 水驅採收率約在 30~65%。

石油探採及處理:石油和天然氣的生產

油氣井的完井工程 在鑽鑿油氣井前，石油公司利用先進的探勘法勘定井口位置及目標油氣層，並鑽鑿探勘井證實有豐富的油氣蘊藏後，還必須確認生產層的深度、壓力、產率、油氣成分等。然後，設置適當的井底及井口控制設備準備生產，這過程稱為完井工程。 接著，依據井場的地面環境，安裝地面生產設備，把井底的油氣輸送至地面。然後在井場初步分離後，再透過管線輸送到汽油廠或煉油廠進一步處理，才能正式進入生產體系，供應給客戶。 油氣生產層的深度由數百至數千公尺不等，其溫度大致可依地溫梯度計算，通常是每加深 100 公尺，增溫約攝氏 3 度；壓力則依水柱壓梯度來估計，每加深 10 公尺，每平方公分約增加 1 公斤或每平方英寸約增加 14.22 磅。生產層的流體包括液態的油、水，以及氣態的天然氣，這些流體會因壓力差自地層流入井內，再往上流到地面，是一種降壓、降溫的生產過程。 油井的特性及生產設備 生產層中若是以重成分 (即含碳數較多的碳氫化合物) 為主時，就是液態 — 油層，產出到地面後就是一般所稱的「原油」。因高溫高壓而溶解在油層中的少量較輕成分，會在生產過程中逐步揮發、氣化成天然氣，這種生產井稱為「油井」。油井一般深度較淺、地層壓力較低，且流體較重及膨脹性小，往上流動時壓力下降較大，位於井口處的壓力大多是每平方英寸數百磅。 油井的主要生產設備包括井下的油管，以及因外形特徵而被稱作「聖誕樹」的井口開關設備兩部分。以往有些人家附近會見到手壓唧筒式水井，現在在農場或漁產養殖場也偶爾可見電動沉水泵式的水井。油井與這些水井類似，它的完井生產方式及設備也與它的前輩類似。 原則上，深度較淺或產量較小的油井採用類似唧筒的泵抽完井方式。做法是在井內安裝抽油桿，以連接底部的單向止回閥。抽油桿頂端延伸至井口耶誕樹，再連接由馬達帶動的唧筒裝置 (美國俗稱「大約翰」, 臺灣則因它的動作而稱作「磕頭機」)。就像用水桶在水井汲水一樣，把井底的原油源源不絕地汲出井口耶誕樹，經側翼開關閥流入地面管線。 深度較深或產量較大的油井，因「磕頭機」無法負荷，必須改用馬力較大的電動沉水泵的完井方式。做法是在油管底端連接電動沉水泵後，再往上組接一支一支的油管，最後把沉水泵下到井底，油管頂端就吊掛在耶誕樹底部。油管組接時，也在它的外緣附接電纜線連接至地面電源，以供應沉水泵電力，生產時只要啟動電源，就可把原油往上泵出而流入地面管線。 氣井的特性及生產設備 生產層中的油氣若是含碳數較少的碳氫化合物時，就是氣層，產出地面後就是一般所稱的「天然氣」(其中含有因高溫高壓而成為蒸氣的少量較重成分，在生產過程中會逐步凝結成為凝結油), 這種生產井稱為「氣井」。氣井一般深度較深、生產層壓力較高，流體較輕且隨壓力下降而急速膨脹，由井底往上流動時的壓力下降較小，使得井口壓力常高達每平方英寸數千磅以上。 氣井因須使用耐高壓器材、減壓設備、防止洩漏的自動關閉裝置等，因此需要較多設備及較厚重的材料以確保生產順利及安全。 與油井相較，氣井通常深度較深且壓力較高，以氣體自身膨脹的方式生產，井底到井口都是處在高壓狀態下。一支一支組合接到井底的油管通常約 0.5 公分厚，是一體成形的無接縫、耐高壓鋼管。長而重的油管串除頂端吊掛在耶誕樹底部外，其底端也必須放置於特別設置在生產層上方的生產填塞器上，以承受部分油管串重量。 此外，完井後的天然氣生產是由地層流入填塞器下端的井孔，再進入油管往上流出。在生產填塞器的上方，油管與套管間的環孔充滿泥漿，泥漿柱有平衡油管內、外及填塞器上、下方壓力的功能，生產填塞器也有承受泥漿重量及隔絕上方泥漿與下方流體的功用。 氣井一般需在油管的適當位置裝設「井底安全閥」, 安全閥可利用特殊設計的鋼線設備放到油管內的預定位置，或在必要時取出檢修。安全閥裝設後，在正常生產狀態下，流體可自由流通。但若地面設備意外破裂而造成大量洩漏，導致超過設計量的流體通過安全閥時，會因壓力差過大而牽動安全閥彈簧，使閥門轉成關閉狀態，以達到自動關閉生產的目的。 氣井的井口耶誕樹除具有特殊加厚設計外，大都採用雙層主閥，並搭配一側翼閥的多重安全設計。一般操作僅開關上主閥及側翼閥，下主閥則保持常開狀態，僅在特殊需要時才關閉。 此外，因氣井的高壓特性，另裝設了下列二種附屬的井口裝置。在耶誕樹側翼閥之後，通常是立即連接類似於井底安全閥功能，但設計關閉壓力差較小的「井口安全閥」。任一地面設備的大量洩漏都會先導致這安全閥自動關閉，是防止洩漏的第一道防線。若這安全閥仍無法止住洩漏時，才會啟動第二道防線的井底安全閥並自動關閉。這兩道防線使氣井的生產安全獲得雙重保障。 一般家庭用的天然氣僅需約每平方英寸 3~5 磅的壓力，而氣井的井口壓力動輒每平方英寸數千磅，因此需要逐步減壓才能輸送至用戶端。一般在井口安全閥之後，會立即連接「井口節流嘴」的第一段減壓裝置，以及設置在「加熱器」中間的第二段節流嘴減壓裝置。節流嘴的節流減壓原理類似水龍頭開關，是在管線轉彎處加裝中間有小孔的圓棒，使得上游管線內的氣體流經小孔後再進入下游管線，以局部減少管線內流通孔徑的方式達到減壓的目的。 油氣井地面生產設備 一般而言，油井產出的流體以原油及少量的天然氣為主，但常伴隨產出地層水。尤其是在生產末期，有時產出的地層水量比原油還多。在高油價的時代，即使產能是 10% 原油、90% 地層水的油井，還是有生產價值的！氣井產出的流體則以天然氣及少量的凝結油為主，同樣也會伴產地層水。在生產末期還常因出水量太大而積存井內，影響產氣量或導致生產層天然氣被「壓死」而停產！依生產安全及維護作業，油氣井的生產井場需要考量多種因素，可以有單井或多井並排的欉式井等布置方式，約需有 50×100 公尺的範圍。井口及各種地面設備間也要保持一定距離，尤其是井口耶誕樹四周必須保留相當空間，供各種井下設備設置、取出、閥門開關、檢修等操作。一般的地面生產設備隨產出流體特性的不同而有變化，依安裝順序包括加熱器、分離器、生產歧管等。 加熱器 油井以產出較高溫的液體為主，一般不需加熱。但氣井產出的大量氣體則因井口耶誕樹的節流減壓而使體積膨脹、溫度降低，嚴重時甚至造成節流嘴下游的管線中產生冰狀水合物而堵塞，因此一般需要先經過加熱的程序。 「加熱器」類似家庭用熱水器，天然氣管線連接至圓筒狀的加熱器內，浸泡在水中的彎曲蛇管底部再以該井自產的天然氣燃燒加熱，以熱水間接加熱管內的天然氣。若壓力仍然過高，還會在加熱器蛇管的中段裝設第二段節流嘴來減壓及加熱，加熱的程度以管內流體能順利流動為原則。 分離器 油氣井產出的流體經加熱後，進入分離器以分離原油、天然氣及地層水或水蒸氣。「分離器」就是分離不同流體的設備，外形類似家庭用水塔，但它的內部依序裝置擋板、分隔板及液面控制浮筒。 管內三相 (三種) 流體進入較大內徑的圓筒狀分離器後，首先碰撞擋板以減低流動速率，然後在分離器後半部利用重力分離原理，天然氣由頂部管線引出，液體下層的地層水由底部管線引出。液體上層的原油則越過分隔板進入最後隔間，由底部的另一管線引出。 分隔板的前半部或後半部分別設置液面控制浮筒，控制液面在適當高度，以使三種流體各自流入正確的管線。 生產歧管 眾多生產井產出的流體，經各自井場的分離器分離後，原油、天然氣及地層水可利用「生產歧管」匯集或運輸至特定地點集中處理。各礦區生產井的原油可匯集至油槽等待載運，或直接由管線輸送至煉油廠煉製。天然氣則通常先經管線輸送至汽油廠處理後，再供應到用戶端。 地底下產出的地層水通常含有高鹽分，必須集中後重新擠注至地層中，或經特殊設備處理以去除油氣、鹽分、雜質、固粒等，經檢驗合格後才能排放至河流中。臺灣中油探採事業部的生產井產出的地層水，目前是以擠注入已通過地方政府環保單位核可的還原井為主。

除草劑與基因改造食品

近年來人人朗朗上口的綠色環保、綠色化學，指的是節省能源、資源回收、減碳、不汙染大自然的措施。但在 50 年前，綠色政策與綠色革命指的是提高農耕收成、解決饑荒的措施。 1960 年代不少國家鬧饑荒，尤以人口稠密的印度最嚴重。當時美國植物病理專家布勞格 (Norman E. Borlaug, 1914-2009) 提出了農耕機械化、品種改良、水利、肥料供給、除蟲、施用除草劑等政策以解決饑荒問題，這些措施先在墨西哥實行成功 (1950 至 1960 年)。爾後透過聯合國，印度與巴基斯坦都邀請布勞格擔任顧問，在這些國家實行綠色改革，5 年內糧食產量都各增加了好幾倍。因此布勞格被稱為綠色革命之父，由於他的卓越貢獻也榮獲 1970 年諾貝爾和平獎。 本文介紹綠色革命發展過程中的兩個新產品：除草劑及基因改造 (genetically modified, 簡稱 GM) 食品，尤其是孟山都 (Monsanto) 公司開發出來的二個產品：Roundup 除草劑及 RoundupReady 大豆。 小百科 Roundup 是 1970 年代孟山都公司開發出來並註冊的產品，是全球最暢銷的除草劑，2008 年的銷售總值是 30 億美金，占該公司盈利的一半。它的化學成分是嘉磷塞異丙胺鹽 (isopropylamine salt of glyphosphate), 簡稱嘉磷塞 (glyphosate, N-(phosphonomethyl) glycine), 作用是「抑制」植物的生長合成酶 (EPSPS,5 - 烯醇丙酮莽草酸 - 3 - 磷酸合成酶，5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase)。 EPSPS 是促進植物生長的酶 (enzyme), 因此任何植物吸收了 Roundup, 就會停止合成 EPSPS。沒有這種生長合成酶，植物會枯黃，幾天內就枯萎而死。 孟山都公司開發 Roundup 除草劑成功後，開始研究基因改造種籽 (GM seeds), 如玉米、大豆、棉花等。他們發現這些植物經過基因改造後，能產生類似 EPSPS 功能的酶，並能抵抗 Roundup 除草劑，因而不怕除草劑的侵犯。孟山都就順勢推出抗 Roundup 的基因改造種籽，叫做 RoundupReady 農作物。 靈機一動 孟山都原是化學產品製造公司，也是阿斯匹靈的大產商，在 1950 年代才開始從事農業產品，如肥料、除草劑等的開發。1960 年代成立農產品研究單位，由哈姆 (Phil Hamm) 負責農藥研究，並僱用了年輕化學博士弗蘭芝 (John Franz) 從事除草劑的研究。 當時的農藥都含有高毒性的無機材料如硫、鉛、砷等，佛蘭芝的工作是合成低毒性的有機材料，他開始尋找除草劑來控制雜草。當初的目標是找尋能除「雜」草，但不會傷及其他糧食農產品的農藥。 1969 年哈姆發現一些磷酸鹽可能有除雜草的功能，他就請弗蘭茲合成一些磷酸鹽的類似物和衍生物，希望能找到更好的除草活性，但是弗蘭茲合成的幾個磷酸鹽並沒有除草功能。於是他從植物代謝過程著手，嘗試找出這幾個化合物的特性，他開始記錄類似物的代謝產物和相關的化學反應等。 1970 年 5 月弗蘭茲合成了嘉磷塞鹽，初步測試顯示這種化合物有極佳的除草功能，幾乎所有噴灑到這鹽類的植物在幾天內就死光。這雖然沒有達成原來只除「雜」草的目標，但是它有如此強大的功能卻是驚人的。於是弗蘭茲又嘗試在未播種之前就先噴灑嘉磷塞鹽以除雜草，但種植期間仍然會有雜草出現，影響到農作物的收成。雖然弗蘭茲並不是第一個合成出嘉磷塞分子的人，但用它做除草劑卻是前所未有。 基因改造食品的開發 基因改造農作物及食品，如大豆、玉米、稻米、馬鈴薯、番茄、棉花等，已經逐漸上市。這些改造品各具不同特性，如基因改造的番茄不容易變軟壞損，因此可以提高 2 至 3 倍的保存期；基因改造的稻米能產生維生素 A; 改造的棉花不怕熱也能抗蟲害等。以下我們來看看第一個也是最受注目的基因改造大豆。 早在 1960 年代，孟山都的生物化學家賈沃斯基 (Ernie Jaworski) 博士就開始研究植物細胞組織結構與各種農作物的 DNA 構圖。1972 年他開始研究嘉磷塞鹽能殺死植物的機制，發現它能阻擋 EPSPS 的生產路線並抑制植物的成長。1981 年，賈沃斯基成立了一個分子生物學小組負責植物基因改造研究。1984 年，他們已經能把新基因引進植物細胞，並且進一步研究基因改造品種。 1980 年代，孟山都在路易斯安那州製造 Roundup 除草劑的工廠發現一種「超級細菌」, 這些細菌藏身在廢物處理設施中，能分解嘉磷塞鹽，也就是說有抗拒除草劑的作用。於是他們分析了這些細菌的細胞組織，尋找細菌分泌的蛋白質，想利用相關聯的基因來合成不怕嘉磷塞鹽的基因組。 孟山都的科學家發現細菌也如同植物能製造 EPSPS, 但有一細菌 CP4 雖能分泌類似 EPSPS (稱為 EPSPS-2) 的酶，但不會被嘉磷塞鹽破壞。他們就著手找那基因，再用基因工程的方式把那基因引進植物，這基因改造的植物也就不怕噴灑嘉磷塞鹽了。 孟山都 1996 年推出 RoundupReady 大豆，目前也有 RoundupReady 玉米。採用這些 RoundupReady 種籽及施用 Roundup 除草劑，其收成率及利潤可提高數倍，這些 RoundupReady 種籽就被稱為「超級農作物」(supercrops)。 健康與環保的爭議 一個處理有關生物界問題的新產品常常會帶來後遺症，尤其是除草劑或殺蟲劑。如 1950 年代的 DDT 殺蟲劑風光一時，發明 DDT 的化學家姆拉 (Paul Müller) 還得過 1948 年諾貝爾醫學獎。但後來發現 DDT 有毒性，會破壞人體的激素分泌系統，而被禁止製造與使用。近年來的研究也發現，Roundup 及 GM 食品的使用可能會引起健康與環保的問題。 先來看 Roundup 對人體的可能傷害。雖然 Roundup 的成分是用來終止植物生長酶的合成，以阻擋植物生長，動物和人類並沒有類似的合成酶，應該不至於對動物有什麼傷害。但是使用時為了使這成分容易滲入土壤以利植物吸收，它必須先溶解在界面活化劑 (surfactant) 及一些特定配方中。 動物實驗發現，如果接觸過多，會傷害到皮膚、肝臟、食道、喉頭、腎臟等，有文獻指出它也會破壞小鼠的胚胎細胞。這些研究結果已促使好幾個國家，如加拿大、澳洲等制定了禁止使用 Roundup 的規章。 此外，一些雜草也慢慢演化而有抵抗 Roundup 藥性的能力，澳洲就發現有些雜草不怕 Roundup, 被稱為「超級雜草」(superweed)。這很類似先前有一些容易被抗生素殺戮的細菌，轉變成兇猛而不怕抗生素的「超級細菌」(superbug)。所謂「道高一尺、魔高一丈」的現象，這是達爾文演化論的見證。 基因改造的食品來自改造基因的農作物，或在農作物細胞中加進一段不怕 Roundup 除草劑的 CP4 細菌基因，它對人體的健康會帶來什麼長期的影響，目前無法預測。難怪 GM 農作物並不是很受歡迎，尤其在歐洲與日本。 孟山都公司的 Roundup 及 RoundupReady 種籽的發明，改變了孟山都公司的屬性，由化學產品公司轉變成農業產品公司。孟山都公司的這兩個產品可提高農耕收成率數倍，因而在美國與南美洲都廣為採用。台灣雖然不使用 Roundup 產品，但是幾乎市場上的豆腐所使用的大豆都標明是 GM, 可能是來自中國大陸、美國或南美洲。 Roundup 的主要成分是嘉磷塞鹽，但是其詳細配方仍然是商業祕密。雖然專利於 1990 年就已失效，但它的 Roundup 註冊商標仍然有效，目前中國已經從事仿製，惟仿製的除草劑效果如何並不得而知。 此外，孟山都公司為了確保商業利益，在基因組合上放了一個標誌使農戶不能從種植的「改良」產品培養種籽，也就是每次都必須向孟山都購買基因改造種籽。 深度閱讀 http://nobelprize.org/nobel_prizes/peace/laureates/1970 http://en.wikipedia.org/wiki/Borlaug http://en.wikipedia.org/wiki/Roundup http://www.monsanto.com/

奈米科技的健康風險(五):五花八門的奈米產品

奈米科技是傳統產業提升競爭力、開創市場商機的利器，根據經濟部工業局所發布的新聞，台灣金屬機械、建材家電、紡織、塑橡膠及樹脂塗料等產業，奈米相關產品的產值在 2011 年高達新台幣 93.7 億元。工業局為促進奈米技術在台灣的紮根與落實，提升產業競爭力，透過奈米產業輔導、奈米菁英獎及研發聯盟等多項策略，積極推動奈米技術產業化，並且自 2004 年起推動全球首創的「奈米標章」產品驗證制度，以保障消費者權益，並鼓勵廠商生產優質奈米產品。目前至少有 34 家廠商 1,150 項產品，包括：馬桶、塗料、磁磚與紡織品等，獲得「奈米標章」認可，這些奈米產品都通過標準化的驗證，真正具有奈米尺寸與特殊功能。 台灣推動及發展「奈米標章」, 有幾點重要考量，主要是消費市場上標榜「奈米」的產品充斥，為保護消費者權益，避免對消費者造成混淆，授予奈米標章可資識別；另外，對優良奈米產品授予奈米標章，也可鼓勵優良廠商永續經營，並提升其品質形象及國內外市場競爭力。「奈米標章」有三大保證，分別是：(1) 絕對具有「奈米尺寸」, 也就是產品或使用的原料尺度必須小於 100 奈米；(2) 絕對具有「奈米功能」, 並以國際標準檢測方式，確認奈米產品能發揮其訴求的成效，如：抗菌、抗污、防蝕、脫臭、耐磨、空氣淨化等功能；(3) 絕對具有「優質性」, 確認奈米產品在使用時具備該產品應有之其他要求。 有趣的是，目前除了台灣外，並未有其他國家協助廠商認證奈米消費產品尺寸與功能的「真偽」, 反倒有國際環保團體，訴求化妝品與消費產品等「強制標示」其奈米成分。長久以來關注奈米科技健康風險的「地球之友」,2006 年在其奈米防曬品化妝品的報告中，列舉各種含有奈米氧化鋅成分的防曬產品，及含有富勒稀 (fullerene) 的高級保養品等，警告消費者「小成份、大危害」; 並於 2009 年完成奈米銀的報告，強調各種具有殺菌效果的奈米銀消費產品，可能造成重大的環境與生態危害。 由於奈米科技在化妝品的應用日益增多，對奈米化妝品的管理也成各界關注的重點，根據「歐盟化妝品政策」與「英國化妝品安全規範」, 化妝品製造商需確保產品在正常的使用下，不會對人體健康造成損害，進入消費市場前，須經過科學測試，確保使用安全，並且應註明所添加奈米微粒，使消費者有選擇機會。2012 年 7 月 4 日歐盟的「消費安全科學委員會」, 公布化妝品奈米材料的安全性評估準則，透過強制通報、安全評估，及禁止使用有害人體健康之物質等機制進行管理，以確保奈米化妝品的安全性。此外，化妝品若含有或使用奈米材料，製造者必須在產品包裝上的內容物清單標示。根據歐盟執委會評估，目前約有 5% 的化妝品使用奈米材料，主要是防曬油、口紅以及抗老化乳霜等。 美國的奈米化學物質由「毒性物質管制法」管制，而其他領域則由「食品藥物管理局」(Food and Drug Administration, FDA) 管理，以個案處理方式來判定奈米產品是否可接受。FDA 定位跨領域的產品為「結合型產品」; 但產品所衍生的問題，需依據奈米產品的屬性，再由專家審查。美國 FDA 主要管制產品，而非管制技術的使用。特別值得注意的是，具抗菌效果的奈米銀，已被美國環保署視為「殺蟲劑」管制；美國環保署的殺蟲劑專案辦公室擬訂新政策，在 2010 年 6 月的聯邦公報中，重新詮釋「聯邦除蟲殺菌滅鼠法」管理條例，正式回應美國環保署於 2008 年 5 月接獲的公民請願書，要求美國環保署管制在美國境內未註冊的近 600 種奈米銀產品。美國環保署視奈米銀為 1 種新的活性成分，含有奈米銀的消費產品，應依據殺蟲劑管理辦法進行登錄。 由於目前經濟部工業局並未核發食品與化妝品的奈米認證標章，因此食品或化妝品目前都不得標榜奈米。如果業者宣稱分子小，更易被細胞吸收或具高效能，都是「未經科學實證」的宣稱，根據目前的法規，化妝品標示誇大不實，可罰 10 萬元以下，食品誇大不實罰 4 萬至 20 萬元，若宣稱療效可罰 20 萬至 100 萬元。根據報載，台北市衛生局藥物食品管理處近年來已經查處、開立許多罰單，並限期要求化妝品下架及更改標示。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─電機科技新知與社會風險之溝通」執行團隊撰稿) 責任編輯：鄭尊仁 | 國立台灣大學職業醫學與工業衛生研究所

昆蟲如何抵禦殺蟲劑

夏天到了，蚊蟲的騷擾越來越嚴重。農夫辛苦的成果，遭到的最大威脅也是昆蟲，因此農人要使用農藥。現在大家對於農藥殘留量越來越敏感，於是科學家有越來越大的壓力，要開發既能殺死害蟲，又對人體無害的殺蟲劑。但是，科學家也必須面對昆蟲對於殺蟲劑會產生抗藥性的問題。 昆蟲是如何產生抗藥性的呢？根據基礎生物學，我們可以推論是基因突變讓昆蟲變得不怕農藥。等到農藥殺得死的昆蟲全死了，野外只剩下擁有突變基因的昆蟲，農藥就沒用了。但是現在科學家在實驗室中發現了更簡單的辦法，使昆蟲對農藥產生抗藥性。他們利用的是細菌。 這是日本產業技術總合研究所 (AIST) 北海道分部的菊池義智剛發表的研究成果。菊池是研究「微生物共生」現象的專家，他使用的農藥是撲滅松 (Fenitrothion)。菊池發現了一種土壤細菌，可以分解、利用撲滅松。換言之，他可以用撲滅松餵食那種細菌。那種細菌也可以在一種昆蟲的腸道中生存，就是蜂緣椿 (Riptortus pedestris)。蜂緣椿是害蟲，常見於大豆、花生、芝麻、蠶豆、豇豆、豌豆、絲瓜、白菜等蔬菜，以及稻、麥、棉等。 菊池義智拿可以分解撲滅松的細菌餵食蜂緣椿；估計 1 隻蜂緣椿，腸道裡有 1 億個細菌。結果，那些蜂緣椿對撲滅松產生了抗藥性。腸道裡沒有那種細菌的蜂緣椿，遭遇同一濃度的農藥，80% 會在 5 天內死亡。這個發現令人擔憂，因為土壤細菌容易散布，昆蟲獲得抗藥性容易多了，而透過基因突變獲得抗藥性太慢了。 有些專家批評菊池義智的實驗，說他使用的農藥濃度不高。在真實世界中，農人使用撲滅松的濃度高多了。不過，菊池義智的發現很重要，是毫無疑問的。 (按，撲滅松是觸殺性殺蟲劑；吞食、皮膚接觸、吸入都可能致命；會刺激眼睛；對水生生物毒性非常大，並有長期影響。)

軟銲

軟銲 (soldering) 是一種現代工藝常見的連結技術，尤其在電子產品中更是扮演了重要的角色。它是利用一種較低熔點的金屬，把兩種不同的基材連結在一起的「銲接」技術。 中國古代銲接技術 在漢代班固所撰的《漢書》中，已有「胡桐淚盲似眼淚也，可以汗金銀也。今工匠皆用之」。其中所指的「汗」就是「銲」。 現代銲接的技術種類很多，主要可以分為軟銲、硬銲 (brazing) 與熔接 (welding)。硬銲與軟銲較為接近，都是使用較低熔點的材料連結不同的基材。這種用於連結的低熔點材料，稱為銲料 (solder 或 braze)。軟銲所用的銲料熔點較低，通常低於攝氏 400 度。軟銲與硬銲的加工溫度高於銲料的熔點，但是低於待連結材料的熔點。在加工的過程中，銲料熔融成為液體，與待連結的基材接觸濕潤，冷卻後銲料凝固使基材連結在一起，成為不可分的一體。 由大陸曾侯乙墓出土，並被列為商周十大青銅器精品的「尊盤」, 已可見到銲接技術約在戰國早期的充分利用。尊和盤是兩件器具，尊用來盛酒，盤則用以裝水或冰，其用途是為了冷酒或冰酒。尊有 34 個組件，經過 56 處銲接；盤則有 38 個組件，經過 44 處銲接而成。所用組件與銲接點的數量之多，非常少見。 在出土的漢朝古墓中，也發現了銲接的古銅鏡。在西元前 3600 年的古埃及人，已使用錫銲接的銀擺設、銀銲接的管子、銅缽的銀把手，以及金銲接的護符盒，且在圖坦卡門 (Tutankhaumen) 法老的古墓內發現保存良好的銲接藝術品。西元 79 年的古羅馬，在被火山爆發埋沒的龐貝城中曾發現用錫鉛銲接的家用鉛製水管。 軟銲所用的銲料與待連結的基材，通常以金屬為多。金屬的表面常會形成氧化物而妨礙軟銲的進行，因此在軟銲的製程中，通常需要引進助銲劑 (flux) 去除氧化物並使表面潔淨，以讓軟銲的程序得以完成。 明代方以智所撰《物理小識》提到「銲藥以硼砂合銅為之，若以胡桐汁合銀，堅如石。今玉石刀柄之類銲藥，加銀一分其中，則永不脫。試以圓盆口點銲藥於其一隅，其藥自走，周而環之，亦一奇也」。這一記述明確指出了銅的銲接應以硼砂做為助銲劑，而銀的銲接可以使用胡桐樹脂為助銲劑，並且對銲料的填縫行為做了非常精彩的描述。 直到整個中世紀，銲接技術前進的腳步十分地緩慢，寶石飾品等的連結仍是主要的應用。隨著 19 世紀的工業革命，銲接技術開始蓬勃發展。這時候的銲接應用，主要是關於容器的密封、一些金屬的連結，以及水管組裝。 從 20 世紀起，軟銲技術開始融入電子產業。在電子產品的應用當中，除了把基材機械性地連結在一起外，通常尚需同時保有電路的連結。軟銲的技術有效地提供電子元件間所須的機械固定、電能傳送、訊號傳遞等需求，尤其是在製程上相對的簡易與價格上相對的便宜，歷經半世紀的發展，軟銲已成為電子產品中最主要的連結技術。 電子產品的銲接技術 一般的電子產品，除了輸出、輸入與電源部分外，都會有控制整個產品功能的印刷電路板或卡，例如電腦主機板與主機板上的元件。在主機板的印刷電路板上有著各式各樣的電子元件，這些電子元件都是使用軟銲的技術形成銲點，把它們連結在印刷電路板上。 全世界每年電子產品中銲點的數目，不可勝數，而銲點品質的良窳與電子產品的可靠度息息相關。一般電子產品不良的問題，除了不當使用的原因之外，銲點的破壞與失效是最主要的原因。因此隨著電子工業的蓬勃發展，軟銲技術更形重要，對銲點的分析與探討也更加受到關注。 軟銲的工業製程可以分為迴銲 (reflow soldering)、波銲 (wave soldering), 以及人工使用的電烙鐵 (solder iron) 銲接。迴銲的製程是先使印刷電路板上架，接著依序擺置銲料及待連接的電子元件，再使這組合通過迴銲爐，把銲料熔化，銲湯濕潤上下基材，當這組合離開迴銲爐後，銲料冷卻就形成接點。 波銲則是先使銲料在錫爐內熔融，把電子元件置於印刷電路板上，先通過助銲劑的熔爐，接著通過錫爐，銲湯濕潤界面後，冷卻形成接點。這個製程之所以稱為波銲，在於為了確保在短暫時間內有足夠量的銲湯進入接點，並且迅速濕潤基材，因此錫爐中有產生波浪的裝置，以達到最佳的連接效果。隨著製程的不同，銲料的型態也略有不同，大致上可以分成銲條、銲膏、銲線等。 目前銲接技術的挑戰 銲接技術已發展了數千年，但是隨著不同應用的拓展，各種問題仍然持續發生。軟銲在科學與工業應用上，仍然是非常具有挑戰性的主題。1998 年美國太空總署 (NASA) 所發射的軌道衛星 Galaxy IV 發生故障，經過調查後發現衛星的兩個控制處理器都已損壞，其中一個控制處理器的故障原因，是由一條寬度比頭髮還要細的錫鬚所造成的。 錫鬚是細長針狀的錫結晶，若是達到一定長度而與其他接腳接觸，會造成元件的短路。錫鬚一般認為是內部壓縮應力及表面氧化所造成的，它的成長是釋放應力的管道，我們可以想像成麵條由撐滿麵糰的塑膠袋破洞中擠出來的情形。衛星的造價十分昂貴，卻會因為銲點的問題而付之一炬。也難怪美國太空總署會設立一個專門討論金屬鬚的網站，以提供這類的資訊。 軟銲目前所遭遇到的技術上的挑戰，最主要是新材料的引進。長久以來，軟銲中所用到的銲料都是以錫鉛合金為主，因為它有熔點低、性質優良、價格低廉等優點。然而鉛具有毒性，近年來開始有禁用或限制使用的呼聲。 歐盟議會通過了 RoHS (Restriction of Hazardous Materials) 法案，規定成員國必須在 2006 年 7 月 1 日以後禁止大部分鉛的使用。日本的 JEIDA (Japanese Electronic Industry Development Association) 也訂定出無鉛銲料的使用時程，規定有鉛銲料在 2005 年以後只能用在部分特例上。之後許多國家相繼跟進禁鉛的計畫，也宣告無鉛銲料時代的來臨。 無鉛銲料的要求對各項產業帶來非常大的衝擊，因此發展國家非常重視無鉛銲料的研究，紛紛訂定各自的發展計畫，期望可以找到適當的無鉛銲料，把衝擊減到最低。 美國的 NCMS (National Center for Manufacturing Sciences)、NEMI (National Electronics Manufacturing Initiative)、歐盟的 BRITE-EURAM、日本的 NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization) 等機構，各自提出多種不同合金組成的銲料，例如 Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Ag-Bi、Sn-Ag-Cu 等，而目前最被看好的銲料，則是以錫銀銅合金為主的無鉛銲料。 無鉛銲料的開發與研究是目前非常熱門的議題，新組成的銲料必須有良好的性質。另一方面，以工業的角度來看，低成本並且與舊有設備有良好匹配性的銲料也是非常重要。 除了新材料的挑戰外，軟銲技術隨著電子產品往更小、更輕、更薄的方向發展，在技術上也不斷地推陳出新。如從 1990 年中期起，面積陣列式構裝開始發展，採用面積陣列式構裝的組件，是把組件底部的所有面積與電路板進行連結。最常見的面積陣列式組件是球柵式陣列構裝，最初是由摩托羅拉公司在西元 1989 年量產上模壓成型塑膠載體球柵陣列構裝而揭開序幕。 球柵陣列式構裝主要以小顆粒銲球做為組件與電路板間的連結，銲球可提供較短的電流傳遞途徑，如此會產生較小的電感，降低訊號的衰退，進而改善整體線路的性能。 近年來覆晶技術的發展，更使得軟銲技術層次更加地提升。在以往電子產品中，軟銲是用在已封裝完成的電子元件與基板間，而目前的覆晶技術則是直接用在積體電路與基板的連接。 覆晶製程首先由 IBM 在 1962 年推出，主要應用於陶瓷基板上做為固態邏輯技術。在 1970 年，IBM 把這項技術開發成 IC 所用的連接技術，稱為 C4 的技術。積體電路晶粒與基板的連結，是以晶粒上的銲料凸塊和在基材上的連接材料所形成的電路連結。目前覆晶技術炙手可熱，是正值大放異彩的構裝技術，已有不少相關產品出現在市場上，未來幾年必定能看到更多的覆晶接合產品。 電流通過銲點的效應，也是軟銲面臨的重要課題。電流的效應主要有焦耳熱效應、電遷移效應、電流聚集效應等。電遷移是金屬原子在電場作用下產生遷移的現象，原子的移出會形成孔洞，而多餘的原子移入累積會造成突起。孔洞與突起的成長會影響導線短路或斷路，導致元件失效。 電流通過所產生的焦耳熱效應，提高了銲點的溫度，因為銲料主要是低熔點的金屬，升溫會顯著加速銲點中的界面反應。而電遷移效應與電流聚集效應的加入，使得銲點的界面反應與微結構變化更加複雜與難以預測。在電子產品輕薄短小的潮流下，銲點與導線的尺寸不斷下降，通過的電流密度也隨著增加，更使得電流效應愈形重要。對軟銲銲點的探討，尤其是電流效應的研究，同時充滿著探討未知的學術趣味與工業應用上的重要性。 軟銲技術歷經數千年的發展，橫跨青銅器時代、古埃及，到現代歷久不衰。尤其從 20 世紀開始，成為電子產品的最主要連結技術，對人類文明的發展更有著重要的影響。電子產品科技日新月異，使得軟銲技術持續提升。近年來環保意識抬頭，無鉛銲料的轉換已對製程造成很大的衝擊。電子產品輕薄短小化的發展，則使電流效應更顯著地影響銲點的可靠性。如此古老的軟銲技術，卻在當今高科技工業上大量應用，並在科學上持續有新的挑戰，實在是令人驚嘆。

生物農藥:引發昆蟲流感的病毒–核多角體病毒

昆蟲核多角體病毒 昆蟲核多角體病毒 (Nucleopolyhedrovirus, NPV) 是一種桿狀病毒，桿狀顆粒大小大約是 (40~60)×(200~400) 微米，其遺傳物質核酸是雙股超螺旋環狀的 DNA, 分子量約 50~100 百萬道爾頓，僅在無脊椎動物體內繁殖。核多角體病毒感染寄主後，會啟動多角體蛋白基因，產生大量的多角體蛋白，以至於寄主細胞中的細胞核內出現明顯的包涵體或稱多角體，也因此而得名。 一般認為這一類病毒的寄主範圍狹窄，專一性高，只會在少數的昆蟲 (主要是鱗翅目) 體內生長繁殖，不會造成人類和植物的傷害。這項生物特性不但造就了 NPV 在微生物殺蟲劑研究開發上的潛力，也奠定了 NPV 在生物防治研究領域上的重要地位，目前巳有 32 種商品化的 NPV 殺蟲劑上市。在 1973 年世界食品安全衛生組織會議中，認可核多角體病毒是具有安全性的微生物製劑，所以核多角體病毒已被許可應用在殺蟲劑上，而且是最常使用的病毒殺蟲劑。 目前在世界各地，核多角體病毒已成功地用來防治許多農業及森林害蟲，包括蘋果蛀心蟲、花旗松毒蛾、甜菜夜蛾、松小眼夜蛾、秋粘蟲、甘藍夜蛾等。其中甘藍夜蛾核多角體病毒於 1993 年在法國註冊上市後，除了用來防治甘藍的甘藍夜蛾外，還可用來防治非洲地區棉花和番茄的害蟲，防治效果相當良好。 核多角體病毒在田間使用時，有極良好的防治效果。除了對害蟲有專一的感染效果外，其所含有的大量多角體蛋白，可稍微抵抗陽光、高溫及乾燥等氣候因子的衝擊，而使病毒得以繼續存活於田間，持續發揮防治害蟲的功能。 讓害蟲生病 核多角體病毒的致病機制，主要是被昆蟲食入後，在蟲體內的中腸鹼性環境下溶解，釋出其中包含的病毒粒子。這些病毒粒子的外膜會與中腸上皮細胞微絨毛融合，使病毒核酸被送至細胞核，進行核酸複製產生新的子代病毒。 當多角體蛋白量增加後，可包住留在細胞核內的病毒粒子，而形成包埋體病毒，待細胞裂解後釋出蟲體外，這種釋放至外界環境中的包埋體病毒，可再感染其他昆蟲而誘發昆蟲間的流行病，而達到實際有效控制農業害蟲的目的。此病毒的感染方式除可藉由上述水平式的感染，由昆蟲食入外界的病毒，以及經由碰撞、抓傷已受感染的昆蟲而被感染外，也可經由母代傳給子代，造成垂直性的感染。 由於核多角體病毒使害蟲死亡所需的時間較長，一般需 3~6 天或更久，且只對特定的害蟲有效，所以無法做為廣效性的生物防治製劑。因此，利用基因工程改造核多角體病毒，是最佳的改善策略。目前桿狀病毒專家們，紛紛把研究聚焦在病毒的分子生物學及遺傳學層次上，希望能藉由分子生物技術，增強病毒的殺蟲活性和擴增殺蟲範圍。 目前利用基因重組技術，依其目的的不同，可選用不同來源的基因插入病毒基因組中。例如昆蟲有專一性的酵素、激素或毒素等基因，病毒本身經基因的修飾及異源病毒的重組，即可改變病毒的殺蟲範圍或促進殺蟲的效果。例如北美毒蠍，會分泌神經毒素把昆蟲麻痺再進行取食，該分泌毒素基因已被選殖出來，目前已把這些毒素基因剪接到桿狀病毒上，使病毒具有表現神經毒素的能力，可快速麻痺受感染的昆蟲，以減少取食，進而縮短昆蟲致死的時間和減少農作物受損的面積。 此外，也有把類的神經毒素基因轉殖入桿狀病毒，這種神經毒素也可麻痺昆蟲並加速昆蟲的死亡，經田間試驗，證明具有良好、快速的殺蟲效果，可減少農作物受害的面積。 目前農委會農業藥物毒物試驗所與中原大學生物科技研究所合作，進行核多角體病毒表現載體–重組螢光病毒的生物活性檢測實驗，實驗結果證實，含水母綠螢光及珊瑚紅螢光病毒，能高效率感染擬尺蠖幼蟲，可做為感染的標誌 (研究結果正申請專利中)。 因此水母綠螢光及珊瑚紅螢光可成為有效的病毒追蹤標誌，有助於蒐集重組病毒在田間的感染率、傳播率、殘留率等生態流行病資料。對於日後進行重組病毒運用在田間的追蹤及風險評估，將扮演相當重要的角色。 由於核多角體病毒是無脊椎動物的病原，不會傷及天敵與哺乳動物，對環境和人類皆無傷害，因此，開發核多角體病毒殺蟲劑是目前全球生物農藥市場發展的重要趨勢，我國在這方面的研究與應用，自也不能落於人後！

壞蛋如何惹人愛?發酵蛋製品的開發

自有歷史記載以來，蛋就在人類的飲食中占有重要地位，不僅營養豐富且是經濟的食品，易烹調又便於搭配其他食材，因此幾乎成為每個家庭必備的食材。多年來的研究發展讓蛋有了更妥善的利用。 蛋的加工技術 禽蛋可概分為蛋殼、蛋白及蛋黃 3 部分，以雞蛋為例，蛋殼約占 11%、蛋白約 57%、蛋黃約 32%。若以可食用的部分而言，蛋白與蛋黃的比例約為 1.8:1。蛋白含水約 88%, 其餘幾乎全是蛋白質，蛋黃則含約 50% 的水、15% 的蛋白質及 33% 的脂肪。 蛋具有某些物理特性可供各種產品的加工製造，分為起泡性 (如蛋糕、蛋塔)、乳化性 (如沙拉醬、蛋黃醬) 及凝膠性，包括熱凝固性 (如滷蛋、茶葉蛋、溫泉蛋等)、鹼凝固性 (如皮蛋)、酸凝固性 (如糟蛋)、鹽凝固性 (如鹹蛋)、冷凍凝膠性 (如冷凍蛋黃) 等。 以蛋加工利用的型態來說，可概分為殼蛋加工、去殼蛋加工、蛋的成分利用等。殼蛋加工利用大多是傳統中式的加工品，包括皮蛋、鹹蛋、燻蛋、糟蛋等，可供直接消費。去殼蛋加工就是把蛋殼打破，利用蛋的內容物，目前以液蛋、冷凍液蛋及蛋粉為主，這類加工品多做為二次加工的原料，如沙拉醬、蛋黃醬、糕餅的製造及水產煉製品、火腿、香腸的添加物等。蛋的成分利用則是抽取蛋中的有用成分來利用，如溶菌蛋白、卵磷脂、伴蛋白等。目前蛋品加工利用仍著重於殼蛋的加工品開發，殼蛋加工則大多屬於膠化型蛋製品。 發酵技術 在沒有冷藏 (凍) 設備的時代，發酵是保存食物的重要方法，是利用有益的微生物形成主要菌相來抑制腐敗微生物的繁殖。在現今的食品工業中，凡運用細菌、黴菌、酵母菌、植物細胞等分泌的酵素，使基質 (有機物) 發生氧化、還原、分解或合成的反應者都可稱為發酵。 在生化和生理學上，發酵是指微生物在有氧或無氧條件下，與原料作用而產生能量的一種方式。更嚴格地說，發酵是以有機物做為電子受體的氧化還原反應，如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用，產生酒精並放出二氧化碳。 工業生產上的發酵則是泛指利用微生物製造或生產某些產品的過程，這些產品包括酒精、乳酸、胺基酸、抗生素等，也包括菌體細胞及其分泌的酶等。利用發酵加工食品的產品稱為發酵食品，種類繁多，舉凡酒類、醬油、味精、醋、豆瓣醬類、味噌、醃菜等，都是經由發酵而製成的。近年來，農委會畜產試驗所把發酵技術導入蛋品加工，陸續開發出紅麴酒糟蛋產品、鹹鴨蛋白類腐乳產品、發酵蛋飲品等，提供蛋品多樣化另一發展途徑。 紅麴酒糟蛋 糟蛋是中國特有的傳統蛋品，在清代曾是貢品，是經由酒糟醃漬而成的帶殼加工蛋品。紅麴具有保健功效及特殊風味色澤，結合酒麴與紅麴菌可開發具保健功能及特殊風味的紅麴酒糟蛋。 把生鮮殼蛋微微敲裂，帶殼浸入紅麴酒糟中進行 3 個月的發酵。酒麴有較佳的產酒精能力，紅麴則有較佳的產酸能力，酒精及酸在酒糟蛋風味及質地的形成上扮演重要角色。因此酒麴與紅麴結合應用於酒糟蛋的製作有相乘的效果，且紅麴具較佳的酵素 (酸性蛋白酶、解脂酶等) 活性，對產品風味及質地的改善有重要作用。 但若僅用紅麴製造酒糟蛋，由於蛋白質及脂質水解程度較大，略呈苦味，接受度會因此下降。而由於紅麴較酒麴具更佳的酵素活性，使產品的蛋白部位因酵素分解及脫水作用更為嚴重，造成質地空洞化而不適於食用，蛋黃則呈滑嫩的凝乳狀，十分可口，因此這類產品僅取蛋黃食用。 鑒於紅麴酒糟蛋僅蛋黃可食用，蛋白則廢棄，嘗試直接進行蛋黃浸漬製作紅麴酒糟蛋黃的構想自然孕育而生。若能保留殼蛋浸漬所得蛋黃的質地品質，則可減少以殼蛋製作產生的蛋白廢棄損失，達到充分利用全蛋的目的。紅麴酒糟蛋黃可做為糕餅、烘焙、中式麵點 (如包子) 等的餡料使用，以及作為進一步開發相關商品的基礎，使這傳統殼蛋發酵產品朝商業化應用之途邁進。 要把蛋黃直接浸漬發酵製作產品時，首先要使蛋黃固化。我們可利用蛋的物理特性來製作固化蛋黃，如熱凝固性 (熟蛋黃)、鹽凝固性 (鹹蛋黃)、冷凍凝膠性 (冷凍蛋黃) 等。經試驗，以鹹蛋黃製得的紅麴酒糟蛋黃產品的風味及質地最佳，這可能是因鹹蛋黃經鹽的固化已具風味及鹹度，再經麴液發酵後對風味產生加成作用；且鹹蛋黃硬度較高，較能抵禦微生物的酵素作用，並維持產品形狀，不至於過度液化。 鹹鴨蛋白類腐乳 鹹鴨蛋是傳統的中式食品，但消費量有限。而在大量使用的商業化加工利用上，僅取蛋黃用於粽子、糕餅等餡料的製作，蛋白則因為鹽含量可達 6% 以上而鮮少利用，多被棄置，殊為可惜，因此長久以來鹹鴨蛋白一直是產業亟須解決的問題。雖然許多專家學者致力於鹹蛋白的鹽分去除及做為乳化製品黏著劑的利用，但由於去鹽的效率、去鹽後的蛋白功能性、設備成本、廢液等因素，仍止於學術研究；把鹹鴨蛋白應用於乳化製品，則因其鹽分依然存在而減低了應用價值。 在日常菜餚中，有個同樣是傳統中式平民美食，也含有 6~8% 鹽的豆腐乳，讓我們想到，鹹鴨蛋白是否可以製成同樣是以蛋白質為主的豆腐乳？但要實踐這個想法，菌種是首要課題。傳統上，會選用源自豆腐乳產品的菌株直接接種於鹹鴨蛋白，但由於基質不同，其發酵結果也不會相同，若不調整成分將無法製作類似豆腐乳的產品，或者另尋適合鹹鴨蛋白的菌種，但篩選菌種是個繁重的工作。調整成分對增進鹹鴨蛋白利用性而言非最佳選擇，我們在傳統食材中尋獲答案 — 豆豉，是一種以大豆為原料接種製麴，當大豆長滿菌株及孢子後就出麴再經乾燥製成的產品，常用於中式料理而賦予菜餚特殊風味，如豆豉蒸魚。 大豆發酵產品中的菌株通常是麴菌屬、毛黴屬及一些酵母菌。豆豉上的菌株原就生長於大豆上，自然可使大豆發酵良好，產生豐富的酵素及風味，而這對於鹹鴨蛋白發酵的質地及風味形成的助益甚大。藉由豆豉發酵再接種至鹹鴨蛋白，可有效進行鹹鴨蛋白的固態發酵程序，製得令人滿意的產品，且不需調整鹹鴨蛋白成分，可以用百分之百鹹鴨蛋白製作產品，對於鹹鴨蛋白的再利用，具有重要參考價值，也可建立以發酵介質開發禽蛋發酵產品的模式。 發酵蛋飲品 乳酸菌發酵自古就用來製造或保存食物。由於乳酸菌種不同且具備有益健康的功能特性，近年來酸酪乳消費市場版圖大增，也有更多不同形式及種類的酸酪乳陸續開發上市。目前國內液蛋仍局限於糕餅烘焙或團膳使用，鮮少應用於其他產品加工，若能開發類似酸酪乳或可爾必思等的新式蛋飲品，則可開拓原料蛋消費的另一市場。 發酵蛋飲品的開發也運用發酵介質的模式，先把乳酸菌株接種於牛乳發酵製作菌酛，再把含菌酛的凝乳接種於不同比例的全蛋液發酵。結果以含 50~70% 全蛋液經 12 小時發酵所製成的蛋飲料具有較佳的質地及風味，這是因為全蛋液中的油脂使產品具滑嫩口感，蛋香、乳香更層層交疊出風味的層次感，且發酵終了時產品中的乳酸菌數可達 108 cfu/g 以上。 這項產品除了結合雞蛋及牛乳的風味與營養外，還有發酵乳中乳酸菌的加持，希望可以藉由發酵技術找到液蛋原料的新式產品型態，增加蛋的消費量，並豐富蛋加工品的多樣利用性。

奇妙的化妝術

化妝前後大不同 在人類文化發展中，化妝 (makeup) 是一種自古已存在的行為，也是具歷史性、社會性的產物和橫跨時空的人類行為。 如果追溯至古埃及時期的化妝形式，在上流社會中，最流行的典型妝扮就是在眼睛部位化妝。而且不論男女都會使用眼膏塗抹在眼眶周圍，目的除了追求美觀之外，也帶點實用防護功能，避免眼疾的發生。17 世紀的法國宮廷中，男人更喜歡在臉上塗上白粉，塑造出一種陰柔的氣質。在東方，中國歷代的仕女圖中，也可以觀察到各種不同朝代的女性有她們流行的眉形、唇形。如今化妝的行為已不再是少數人的專利，每個人都可以利用化妝來美化自己的容貌、提升自信，成為一種社交場合的禮儀。 好的化妝技術可以讓恐龍妹幻化成美女，醜小鴨變天鵝，因此學習如何化妝甚至成為一項熱門的社會學科，一種更為專業化的技術。化妝品製造商為了產品的推廣也投下大筆資金，透過訓練品牌化妝師來教導人們如何正確地使用化妝品和學習化妝的美感。 電視節目更發展出以教導女性如何化妝和造型的單元，邀請專業人士以真人現場示範化妝前後的不同，和如何透過化妝來改善皮膚的缺陷，例如遮蓋黑眼圈、凹洞、斑點、胎記，透過眼線、假睫毛把小眼睛變成明眸大眼，或者利用陰影修飾讓五官看起來更立體、臉形變得更完美。由此可看出，外在的「美麗」和內在的「自信」不再是完全與生俱來的。 至於臉部整形技術，雖然也日漸風行，但動輒上萬的手術費和必須歷經的風險，加上手術後痊癒所需的時間往往讓人卻步。因此，化妝的技術還是目前最被人所推崇和接受的。 時代潮流趨勢 隨著使用者的需求和科技發展，人類創造了數以萬計的化妝品。在彩妝用品中，最普遍且使用量最大的非「粉底」莫屬。粉底的發展已從過去的單一性需求，轉變成講求功能性的產品。過去粉底最主要的目的在於改變氣色和膚色，而且顏色都是以白人的膚色為指標。因此早期的時裝伸展臺上不論是黑人、亞洲人，全都是使用淺白顏色的粉底，不但顏色不合適，更不適合亞洲人和黑人的膚質。 隨著使用人種逐漸增多，粉底的發展也針對不同膚色、不同膚質的人設計，已從阿嬤時代的粉條、粉底膏，逐漸演變成粉底霜、粉底乳、粉底液、兩用水粉餅、粉凝霜、粉底慕斯等形態，還有近期講求防曬、保溼、保養多功能合一的 BB 霜 (Blemish Blam Cream)。粉底的需求除了顏色選擇的改變外，更講求塗抹在肌膚上的感覺和呈現出來的特殊效果。 今日的妝感講求更自然和更薄透的特性，也把粉底的使用細分成季節系、不同年齡層和不同場合必須使用不同的粉底，以達到視覺上所應該呈現的效果。這些效果指的是遮瑕力、滋潤程度、清爽度、光澤感等。 化妝品的改變除了針對使用者改變之外，有很大一部分是隨著攝錄技術的發展而改變的。現階段開發中國家或已開發國家都已開始邁入數位電視的時代，依據電視系統全面數位化的影像解析度定義，由標準解析度 (standard definition, 簡稱 SD) 演進至高解析度 (high definition, 簡稱 HD)。HD 攝錄技術的發展不但可以更逼真地呈現眼睛所看到的視覺畫面，在高清電視 HDTV 高解析度下，畫面顆粒更細膩，更能抓住一般人眼睛較不注意的瑕疵。 為了追求在 HD 鏡頭下有完美的畫面，針對電視電影粉底專用的化妝品就此出現，稱為 HD 彩妝。HD 彩妝的特性在符合高清特性，具有質料輕盈、融合度高、非常細緻、防水、防印染等特色。而這些粉底相關性產品的變化，主要在於粉體的質地分子大小和油分水分比例。 化妝造型工具新寵兒 目前市面上有許許多多的化妝用品，除了用海綿、刷具、或臉上專用的彩繪筆來化妝外，噴槍也在近年成為化妝的新型工具，是許多造型師喜愛的新寵兒。 噴槍原本是藝術家繪圖的工具，第一支噴槍在 1876 年由 Francis Edgar Stanley 所發明，目的是噴灑水性顏料，方便於上色作用和繪製圖案畫面陰影等功能。後來噴槍除了被藝術家用來製圖外，更運用在各種技術性的行業中，例如商業設計、汽車烤漆、油漆牆壁、美容美髮、美甲等。 噴槍開始運用在化妝上，是用在電影中。於 1930 年代，MGM 電影製片公司在拍攝時，使用噴槍替數百名臨時演員化妝。之後，噴槍化妝開始受歡迎，且在短時間內被接受。 目前用來化妝的噴槍機型，依口徑大小分別是 0.4 mm、0.35 mm 及 0.3 mm。口徑越大的噴槍通常方便於大面積的上色，多用在身體彩繪或上臉部粉底，因為口徑大，顏料噴出的範圍較廣。相對地，口徑越小的噴槍適合用在指甲彩繪，或眼影、眼線這些比較需要細緻線條的功能上。 噴槍化妝能流行的主要原因有: 因應攝影技術的發展需求 隨著影視科技的發展，化妝的方式也有了改變，從過去利用海綿、刷具上妝，現代化妝技術也把過去美工用的噴槍改良成化妝的工具。主要目的在配合高畫質的電視、電影技術，達到均勻且粒子更細緻的化妝質感。而傳統的化妝方式容易結塊或產生裂紋，在 HDTV 中可以輕易看見。 提高方便及衛生的特性 傳統利用海綿化妝的方式，需要經常更換海綿，否則細菌容易滋生，更容易造成皮膚病的傳染。另一方面，海綿也會因為使用時間而崩解，長久下來更換海綿的錢也是一筆可觀的費用。相較之下，噴槍化妝不但較衛生，更可以用完全不接觸到被化妝者皮膚的方式上妝，讓對於衛生方面所產生的過敏現象降到最低。加上噴槍的材質是不銹鋼，因此可以使用酒精，或以噴槍專用的界面活性劑全面性的消毒、殺菌。由於乾淨衛生，不接觸被化妝者的方式，噴槍也常運用在往生者大體化妝的產業中。 上妝快速及顯色度高 噴槍的上色非常適合用在舞臺妝或需要顯色度高的妝效，因為噴槍上妝的方式猶如噴印式印表機，顏色可以輕易層層堆疊達到想要的色彩濃度，更不用擔心重複用色造成顏色混濁。只要簡單的練習，就可以利用噴槍進行各種質感的創造、噴灑或圖案繪製。過去傳統眼影利用按壓方式上色，往往需要花較多的時間，效果不彰且容易脫妝，更不易顯現色度。 配合噴槍的化妝原料日漸普及 在歐美和日本，噴槍已經漸漸普及到個人使用，也有越來越多的自創品牌選擇研發新的噴槍顏料做為商品的特色。近年來臺灣也嗅到這股商機，因此也有專門為噴槍設計的化妝品，讓化妝品有了新改變。 為了讓化妝品可以通過噴槍微小的口徑均勻地噴出，化妝品也跟著改良。粒子過大的化妝品或顏料，不但無法順利通過噴槍出口，還會造成分布不均，顏料量無法精準控制，嚴重的則容易卡住噴槍出口，無法彌補清洗。除了奈米化之外，使用於噴槍的化妝品也必須能輕易清洗，因此配套的清潔用品也是研究和開發的產品。 讓藝術創作更有彈性 現今身體彩繪的線條可以不再像過去一樣必須用筆刷描繪，可以依靠簡單的小道具或模板描繪圖案。此外，噴槍也很適合用在道具上色，比如像是電影裡較特殊角色的怪獸或精靈等較奇幻的人物。 造型市場的高度需求 現在噴槍也成了新娘化妝市場的新寵兒，新娘化妝一直以來強調創造沒有瑕疵的皮膚，因此噴槍化妝理所當然成了第一選擇。為了讓學生也能跟上國際潮流，目前臺灣許多所大專院校的化妝品科系都開設了噴槍化妝的課程，大多集中在造型和美甲方面。 特效化妝術 特效化妝在好萊塢已經有百年的發展歷史。相較於一般美妝產業，特效化妝的目的不只是把人變美麗，而是利用各種可行的化妝技巧改變演員原本的面貌，不論是妖怪或是變老變醜。如〈班傑明的奇幻旅程〉(The Curious Case of Benjamin Button)、〈MIB 星際戰警〉(Men in Black), 或是以前的〈異形〉(Alien) 系列電影、〈星際大戰〉(Star Wars) 中的造型，都堪稱是特效化妝的經典，流傳至今。 然而這些特殊造型，除了靠著特效化妝的技巧外，有些還必須搭配電腦特效來達到電影所要的效果。比如班傑明從老變年輕的過程，不但需要各個階段的特效化妝，還得在每個變化過程中，利用電腦特效使畫面完成更細膩的變化。奧斯卡最佳化妝得獎電影〈鐵娘子〉(The Iron Lady), 不僅呈現出精湛細膩的特效化妝技巧，更幫助演員梅莉史翠普 (Meryl Streep) 成功演出柴契爾夫人而拿到奧斯卡最佳女主角獎。 在臺灣，特效化妝目前還在起步階段。比較常見的應用範圍，除了舞臺劇、活動派對、角色扮演 (cosplay), 或一般藝術家的影像創作需求外，最主要的部分仍是電影或電視。一般的電視模仿節目大多屬於舞臺妝而非特效化妝，裡面的人物角色利用粉底和彩妝色彩的明暗度應用，來達到接近所要模仿角色的經典面貌，塑造出要表現的人物特色。 特效化妝的材料必須使用經過安全檢測的化妝品，目的在於放心地使用於人體上。比如製造流血受傷用的血漿，是利用葡萄糖和色素所調製出來的假血漿。而需要特殊造型時，如精靈耳朵、怪獸的角，可以使用乳膠製成的假皮或發泡乳膠假皮，搭配醫療性接著劑上妝來達到想要的造型。有時當演員需要光頭造型時，便可以利用配戴光頭套來取代剃髮。因此特效化妝可以說是一種偽裝的藝術，它不僅可以製造出觀眾想看的面貌，也保護演員可以在安全的環境下演出。 特效化妝造型大破解 有看過音樂劇〈貓〉(Cat) 嗎？是不是被裡面的造型所深深吸引，是否想知道裡面貓的造型是如何畫出來的呢？當一位演員或舞者因角色需要，臉部必須呈現貓科屬性的動物造型時，方法有很多種，包含以筆刷手繪化妝方式呈現。若要呈現出立體逼真寫實效果，則可搭配噴槍和假皮，不但增加創作的多樣化，且可以在短時間內達成。 化妝的程序是先在眉毛上塗上化妝用黏著劑白膠或黃膠，順著眉毛生長方向平貼黏住皮膚蓋眉 (封眉)。再以化妝用黏著劑白膠或黃膠把貓鼻子假皮黏貼在臉部皮膚上，待乾後請模特兒做做表情以確認牢固。固定後再以遮瑕粉底膏把膚色塗抹均勻，並用噴槍使膚色更均勻且具精緻感。待乾時，如需快速完成，可用吹風機以冷風方式加速顏料快乾，再刷上密粉固定妝容，並檢視臉部每個角度是否均勻。 完成以上的底妝後，便可進行臉部彩繪的部分。當操作者對於構圖較沒有把握時，建議先以白色彩繪筆描繪輪廓線條，再以油性彩繪顏料描繪上圖紋，並輔以模型版放置在所需的斑紋圖樣位置，以噴槍把顏料噴在模型版固定位置上，並描上其他顏色的花紋和圖案線條，以形成生動活潑的斑紋圖樣。最後在嘴唇的地方塗上紅色口紅就大功告成。 特效化妝最奇妙的地方，是不僅可讓人變得美麗有自信，也可讓人因各種角色需求而改變容貌，堪稱是奇妙的化妝術。

農業安全思維下的害蟲防治:以病毒防治農業害蟲

昆蟲占全球生物物種的 80 % 以上，具耐逆境的適存特性，然而也與其他動物一樣，在自然環境中會遭受病原微生物的感染而死亡。這些蟲生病原菌具有專一性，包括細菌、真菌、病毒、微孢子蟲、立克次氏體、線蟲等。其中，核多角體病毒可以直接應用在農業害蟲防治上，也可搭配基因工程製造疫苗幫助人類抵抗疾病。 自 19 世紀至今，國際上已上市的病毒微生物製劑商品逾 40 種。而田間實際應用結果也證實，核多角體病毒的防治效果甚至比化學藥劑好。最常應用的實例多屬於鱗翅目及葉蜂害蟲的防治，如防治森林害蟲吉普賽蛾、天幕毛蟲、紅頭松葉蜂、黃松葉蜂、花旗松毒蛾及美國白蛾；防治蔬菜害蟲小菜蛾、甜菜夜蛾、斜紋夜蛾、玉米穗蟲、甘藍夜蛾、大豆夜蛾、黎豆夜蛾、黃地老虎、紋白蝶、蘋果蠹蛾、棉鈴蟲等。這些都包含在昆蟲桿狀病毒科中的兩屬病毒群 ─ 核多角體病毒及顆粒體病毒 。 奈米級的結構 核多角體病毒是由雙股去氧核醣核酸與蛋白質外鞘組成核蛋白鞘，包裹在脂蛋白的被膜內，其外再由多角體蛋白質以晶格狀排列形成多角體，或稱包涵體，直徑約 1~10 微米，包含數十或上百個病毒粒子。 多角體蛋白質可保護病毒在田間抗陽光紫外線、乾燥或其他化學因子，使病毒的活性不受破壞。多角體表面又圍著一層富含碳水化合物的外鞘，對病毒的穩定性有增強作用，因此在自然界的土壤中可存活十餘年。 昆蟲的致病途徑 病從口入是絕大多數病毒感染的重要途徑。病毒多角體經由幼蟲取食進入腸道，藉由鹼性腸液及特定蛋白質分解酵素的作用溶解多角體蛋白質，釋出具感染力的病毒粒子。病毒粒子的被膜與寄主中腸柱狀細胞微絨毛膜發生膜融合作用後，核蛋白鞘進入細胞中，移向細胞核表面再以一端對上細胞核膜孔，鞘蛋白則在細胞質內分解，使得病毒核酸進入寄主細胞核內。 接著，在核仁中產生反覆的核酸複製、蛋白質組裝，再形成新的病毒。病毒在昆蟲血體腔內就感染所有的組織及細胞，包含脂肪體細胞、真皮層細胞、肌肉鞘、氣管鞘、血球、神經細胞等。病毒在細胞核內大量複製多角體後，受感染的昆蟲細胞核腫大而崩解，釋出無數的病毒。 感染病毒的昆蟲 健康的昆蟲與生病毒病的昆蟲如何分辨呢？罹病蟲體在末期會呈現明顯的病徵，如體節間腫脹、體壁顏色淡化、喜爬至高處呈倒吊姿勢、體腔及表皮細胞全數病變，最後導致蟲體潰爛死亡，並流出乳白的大量病毒多角體。 昆蟲感染病毒的發病情形與人類感染流行性感冒很類似，幼蟲感病後經過 3~9 天的潛伏期才呈現病徵。其速度依感病幼蟲齡期、病毒劑量、環境的溫溼度等而有很大差異。昆蟲和人類一樣，年幼的個體較敏感易受病原侵害。幼蟲對病毒的感受性隨著齡期的增長而有下降的趨勢，即老齡的幼蟲會表現對病原的抵抗性，稱為成熟免疫性。 病毒接種濃度愈高，則死亡率愈高，潛伏期也愈短。即使病毒劑量未能在幼蟲化蛹前使其罹病死亡，也會形成不正常蛹或降低繁殖力，甚至影響下一代卵的孵化率及幼蟲存活率。隨著溫度的下降，幼蟲發病的潛伏期及罹病死亡的時間也明顯延長，隨著溫度的上升，感染時效及嚴重性都會增加。 病毒的田間傳播 這種病毒如何在田間自行傳播呢？由於自罹病蟲體釋出病毒會殘留在田間植物表面上，使得經過或取食葉片的其他活蟲也因此而感染，產生水平傳播的疫病。病毒也可由捕食性天敵或寄生性天敵傳播，受病毒包涵體汙染口器的食蟲蝽象可使網室內擬尺蠖的蟲口密度下降。膜翅目的小繭蜂科和姬蜂科雌蜂在產卵的過程中，也會扮演傳播病毒的角色。 病毒也可經由附著卵表面的汙染或經由受精卵的傳染，使病毒由母代傳給子代，達到垂直傳播的效果。一旦環境條件適合，這流行疫病可以造成害蟲棲群的大量死亡，農作物就可免於害蟲危害，因而有微生物防治的效果。 雖然核多角體病毒具寄主專一性，須在特定種類的寄主活體細胞內感染增殖，不需擔心會汙染環境或對人畜及其他有益昆蟲產生影響。但就防治多元性害蟲的實務需求上來說，這生物特性的缺點就是寄主域窄及殺蟲時效慢，且在潛伏期間罹病幼蟲仍會繼續為害作物。這是農民無法接受的弱點，在防治效率上遠不如高毒性、速效性的化學藥劑。 為改進病毒在防治害蟲上的缺點，自 1980 年代起，已有許多專家學者試圖利用基因工程改造核多角體病毒，以加速殺蟲時效及範圍，包括以其他節肢動物如蜘蛛、蟎或蠍的神經毒，以及微生物的毒素、昆蟲本身的激素，或分解酵素基因片段轉殖到病毒的染色體內。 大量生產病毒的方法 想要應用病毒做為防治害蟲的天敵，首要克服的關鍵問題就是如何自行大量生產。由於病毒是絕對寄生病原微生物，無法用一般培養基進行體外繁殖或發酵，通常是用蟲體進行感染來繁殖病毒。因此農民的第一步就是向試驗機構或大專校院取得核多角體病毒後，先噴布於田間有害蟲的地方，5~7 天後在植株頂梢採集罹病蟲體，貯存於小塑膠罐並放入冰箱中。待收滿約 500 毫升，再把所有病蟲加 10 倍清水稀釋，用果汁機均質打散後以紗網過濾，再用 50~100 倍體積的水稀釋後噴灑於田間。 或者，採集田間健康幼蟲放進大型尼龍紗網內封口，並放入植物供幼蟲食用。然後把整袋蟲隻浸入病毒稀釋液中，約 1~2 分鐘後再把蟲袋取出置於田園無太陽直射處。5~7 天後收集網袋內病蟲，田間溫度愈高則罹病速度愈快。利用上述方法循環增殖病毒、收集病蟲、均質過濾，就可持續利用田間害蟲自行量產病毒供防治害蟲用。病毒宜儘量貯存在冷凍箱中以保留完整活性。 防治效果的確保 有了足夠的病毒做為殺死害蟲的利器，也要注意降低負面因子的影響，才能確保有好的防治效果。昆蟲病毒雖然可以在環境中續存很長的時間，但其致病活性仍然受到田間許多因子的影響，如紫外線的傷害、不同溫度下的穩定性、對酸鹼的忍受性、在植株及土壤中的持久性等。 早在 1950 年代已證明波長 280~400 nm 的短波紫外線會使病毒失去活性，經自然陽光曝曬一天後就有 50 % 以上的病毒失去活性。溫度、溼度、pH 值等的影響都較小，雖然攝氏 15~45 度的田間溫度對多角體的穩定性並無影響，貯存於攝氏零下 20 度及 5 度下，直至 15 年後仍不失其活性。 一般強酸或強鹼都會造成多角體的破壞而使活性降低。於 pH 值 7.0 時活性不受影響，pH 值 4.0 及 9.0 時活性稍微降低 (<15 %), 在強酸、強鹼及含高濃度氯離子的溶液中，則易喪失活性 (pH 值 1.2 及 12.4 時，95 % 以上無活性)。另外，福馬林及次氯酸鈉會嚴重破壞病毒活性。 多角體在葉面上的持續性受到葉片種類、構造、分泌物及露水成分的影響。為了延長病毒在田間的生物活性，以提高其在田間的感染率，也開發了利用抗氧化劑、亮光劑、染劑、活性碳或胺基酸等做為保護劑，以加強病毒對紫外線具不同抵抗力的效果。 國內本土的甜菜夜蛾核多角體病毒也於 1996~2000 年間在宜蘭三星及壯圍地區推廣試驗，目前該區農友依上述 DIY 方式自行生產病毒施用防治甜菜夜蛾，每公頃既可節省約 10 萬元的農藥費用，又可解決過度依賴化學殺蟲劑而造成殘留的問題。 然而，在田間施用時要特別注意：稀釋病毒的水體不可直接用自來水，因為若水質中含有高濃度氯離子，病毒會失去致病活性，也需避免使用工廠排放的廢水，而應以中性清水及未受汙染的地下水為宜。病毒在自然日光照射下很容易喪失活性，尤其是夏秋之際應避免在中午時分施用，可考慮在傍晚日落時噴灑。雖然病毒可與其他化學農藥混合使用，但應注意混合農藥的酸鹼度及含氯濃度。 微生物蟲生病原菌無法像有機磷或胺基甲酸鹽類的神經毒殺蟲劑一般速效，病毒施用後尚需一段潛伏期 (夏秋約 4~6 天、冬春約 7~10 天), 罹病蟲體才會死亡，且感病期間仍會繼續為害作物。欲利用蟲體繁殖大量病毒時，避免與上列速效型化學殺蟲劑混合，以免蟲體短時間內死亡，導致病毒在蟲體內增殖時間不足而降低病毒產量。病毒對害蟲具極高度寄主專一性，因此必須確認害蟲種類以對症下藥，如防治斜紋夜蛾時應施用斜紋夜蛾核多角體病毒，才能達到良好的防治效果。 防治害蟲的利器 許多國家長期過度依賴化學藥劑的施用，易造成農業生態系失衡、加速害蟲抗藥性的產生，且有違反農產品農藥殘留安全容許量規定的疑慮。在日益高漲的環保意識與農民操作安全的考量下，如何研發非農藥防治資材以合理減量用藥，並提供農民防治害蟲的有機利器，是當前重要的植物保護課題。 核多角體病毒及顆粒體病毒可感染多種害蟲，造成罹病蟲體腫脹、組織潰爛死亡，並會降低雄成蟲的繁殖能力及子代存活率。且經由水平傳播或垂直傳播的途徑，在環境中以害蟲體內增殖的方式永續存在於田間，甚至可引起流行疫病，造成害蟲棲群遽降或瓦解。由於其對標的害蟲具高度致病性及寄主專一性，且對環境及人畜無害，因此可做為安全有效的微生物資材。 由於各種病原菌都有特定的適用條件及優缺點，透過使用方法與施用時機的改良，可建立利用多種微生物天敵綜合應用的防治技術，以提升生物防治效益，落實微生物天敵資材的實用性，並解決目前因濫用化學農藥致使菜農遭受殘留超量而滯銷的問題。 這類病毒除了可以單獨使用防治害蟲外，尚可搭配蘇力菌、蟲生真菌如黑殭菌、白殭菌，以及蟲生線蟲等病原微生物。綜合應用各種病原菌時，須謹慎考量其感染途徑、作用機制、致病力、生物生態特性、適用條件及優缺點，並配合作物栽培環境及氣候條件，才能充分發揮微生物防治的效果。 我國目前僅進口甜菜夜蛾的核多角體病毒製劑，而本土性桿狀病毒的研發進度，包含斜紋夜蛾、甜菜夜蛾、玉米穗蟲核多角體病毒，以及小菜蛾、小白紋毒蛾、紋白蝶顆粒體病毒等，都局限於大專校院及試驗改良場所的室內研究與小面積田間試驗，尚未能突破量產進入商品化的階段。期望在未來能依循我國法規，透過產學合作，完成技術轉移與農藥登記許可證申請流程，儘早把這類病毒開發成微生物農藥，以響應政府提倡的安全農業政策。

化妝品與化學

化妝水和面霜 美麗忙了一整天的客戶拜訪，路程中不免接觸到汽車排放的酸性廢氣和黑色碳粉，以及路面揚起的灰塵。因此回家第一件事就是做清潔的工作，把皮膚或頭髮上的污物清除乾淨，使用的洗髮精、潤髮乳、洗面皂、沐浴乳和肥皂就是第一線、最初級的化妝品，它們的主要成分是界面活性劑 (surfactant)。由於界面活性劑的特殊化學結構，能自發性地吸附在皮膚和污物表面，並且是有位向性的吸附，因此能降低界面張力而達到清潔作用。 但是，界面活性劑也把皮膚製造的自然化妝品 -- 皮脂膜一併洗掉。皮脂膜是人體為了保護皮膚而產生的自然化妝品，它的組成有來自於皮脂腺分泌的油脂 (如三酸甘油酯、膽固醇酯、三十碳六烯等), 和表皮細胞分泌的油脂 (如脂肪酸、神經醯胺、卵磷脂、膽固醇等), 再加上汗腺分泌的天然保濕因子 (natural moisturizing factors, NMF, 如咯酮酸鹽、胺基酸、乳酸、尿酸、尿素、鹽類等)。 這些成分在人體表面自然形成一層保護膜，它有良好的保濕作用和柔軟作用，可防止水分經由表皮流失。若使表皮最外層的角質層的含水量保持在 10 ~ 15%, 皮膚就會水嫩水嫩的。 皮脂膜含有脂肪酸、乳酸、胺基酸等，使皮膚呈弱酸性 (pH 5.0 ~ 5.5), 這酸性有利於常駐型菌的繁殖，並控制病原菌的感染。皮脂膜表現出的疏水特性，使水分、汗水和水溶性物質 (極性物質) 不會輕易地穿透過表皮而進入真皮，甚或被微血管吸收。另一方面可以幫助一些脂溶性物質，例如維生素 A、D、E 等可以經表皮吸收被人體利用。可見由人體皮膚製造的天然化妝品，對我們有很大的助益。 肥皂、沐浴乳雖然達到了清潔、衛生的效果，但是也把這天然化妝品洗掉了，為了彌補失掉皮脂膜的缺陷，因此再發明了酸鹼平衡化妝水，把皮膚表面的酸鹼調回弱酸性 (pH 5.2)。強調 pH 平衡為訴求的化妝水，是利用乳酸和乳酸鈉或檸檬酸和檸檬酸鈉的組合加入化妝水中，使它們具有緩衝溶液的功效。 當皮膚表面的 pH 值平衡後，皮膚仍缺少柔膚功用的油脂和保濕劑，因此需要使用面霜或乳液這類化妝品來補充被洗掉的皮脂膜。面霜的組成含有柔膚的油性原料 (油脂、蠟、鮫鯊烯、綿羊油等) 和保濕的水性原料 (天然保濕因子、保濕劑、水等)。為了把非極性的油和極性的水混合均勻，則需藉由界面活性劑 (在此稱作乳化劑) 使它們產生乳化作用做成乳液或面霜。 乳化作用就是把兩種不互溶的液體，使其中一種液體以微細顆粒 (粒徑 0.3 ~ 200 μm) 分散在另一種液體中形成乳液。乳化會使油 / 水接觸面積明顯增加，例如每邊 10 公分的正方形牛油塊完全浸泡在水中，則油 / 水接觸面積是 600 平方公分。如果把牛油切成每邊 1 公分的小牛油塊 (共有 1,000 塊), 則油 / 水接觸面積增加到 6,000 平方公分。如果繼續切割下去，直到每邊只有 1 微米的小立方體，且完全浸泡 (分散) 在水中，則有 6 千萬平方公分的油 / 水接觸面積。 當油 / 水混合物乳化後，很容易恢復原來不互溶的兩相分離狀態，這是因為油∕水的界面張力的關係。界面張力是指增加單位界面面積所需做的功，乳化使油 / 水接觸面積增加，因此乳液是處於較高能量的狀態，而會傾向恢復原來油和水分離的狀態，即油 / 水接觸面積最小的狀態。如果要維持穩定的乳化狀態，則需降低油 / 水之間的界面張力。當在乳液中加入適當的乳化劑，可使界面張力降低到接近於零，乳液也就能保存較長的時間。 在乳化過程中，如果是把油相分散在水中，所形成的乳液稱為水包油型乳液 (oil-in-water emulsion, O/W), 反之稱為油包水型乳液 (water-in-oil emulsion, W/O)。影響乳化型態的因素有很多，其中乳化劑是很重要的一環。乳化劑同時具有親水基和疏水基，可溶於極性的水中和非極性的油中，因此稱為兩性化合物。若親水基的親水性強，乳化劑對水的溶解度較好，則較易做出 O/W 型的乳液。 Bancroft 氏曾歸納出一個法則來預測乳化型態，即：所選用的乳化劑的溶解度較好的那一相 (油相或水相) 會成為外相 (或稱連續相)。另外，兩相的體積比、乳化時的溫度或乳化器的器壁極性等，都會影響到乳化型態。 防曬乳液 第二天又是一個晴朗的好天氣，美麗上班前，除了打扮化妝外，也不忘擦上一些防曬乳液。防曬乳液已經不再是到海邊遊玩的專用化妝品，而是日常化妝品之一了，用來預防紫外線對皮膚 (表皮和真皮層) 和細胞的傷害。因為大氣層中離海平面 10 公里到 50 公里高度的臭氧，受某些物質的催化分解，使得局部區域臭氧濃度稀少，即臭氧層產生了破洞。這些能使臭氧分解的物質，以氟氯碳化物為禍首。 臭氧吸收波長 200 ~ 310 nm 的紫外線，分解成氧氣和氧原子，氧原子又可以和氧氣生成臭氧，氧原子也可以和臭氧結合成氧氣。臭氧層對生活在地球表面上的生物是一個很重要的保護層。當它產生了破洞，不僅使地表上紫外線增加，也增加了地表上空氣中的臭氧含量。 臭氧本身的氧化力很強，地面上高濃度的臭氧會對肺部和呼吸道產生刺激並引發氣喘。美國的空氣品質指標建議臭氧濃度在 105 ppbv 到 124 ppbv 對人類是不健康的；濃度到 0.1 ~ 1 ppm 時，會立即使人有頭痛、眼睛紅的現象。臭氧層破洞對人類的另一個影響是紫外線強度增加，致使皮膚癌發生率增加。 紫外線 B 區 (UVB, 280 ~ 315 nm) 和紫外線 C 區 (UVC, 100 ~ 280 nm) 能被 DNA 或蛋白質吸收，易造成 DNA 的損壞和膠原蛋白的破壞，曝曬過量時，會引起皮膚灼傷和皮膚癌。紫外線 A 區 (UVA) 稱為黑光，波長在 315 ~ 400 nm, 照射後會使皮膚黑化 (黑色素合成增加), 雖然能量較弱，但會產生活性氧自由基，引起膠原蛋白的傷害和破壞維生素 A, 使皮膚產生皺紋 (或稱為光老化)。最近也有研究認為 UVA 引發的自由基，也會間接造成 DNA 的變異。 部分的陽光被大氣中的臭氧層吸收 (經由氧氣和臭氧的平衡機制) 後，到達地表的陽光只剩 10% 是紫外線，其他的是可見光 (45%) 和紅外線 (45%)。到達地面上的紫外線大部分是 UVA (98.8%), 剩下的是 1.1% UVB 和 0.1% UVC。理論上 UVC 會被臭氧層吸收，但由於臭氧層破洞，使高能量的 UVC 成為漏網之魚而到達地表。 一般的玻璃有隔絕紫外線的功能，對波長短於 300 nm 的紫外光有 90% 的阻隔作用，但對波長大於 350 nm 的只有 10% 的阻隔效果。一般衣服也有阻隔紫外線的功效，棉織品可以阻隔 80% 的 UVA 和 95% 的 UVB, 尼龍織品可以阻隔 60% UVA 和 80% UVB。但是，在夏天不能把人用衣服包裹起來，只留下兩個眼睛，然後戴上太陽眼鏡來保護，因此就有防曬劑的發明和使用。 最早開發防曬劑的是 Franz Greiter (1938 年), 然後 Piz Buin 公司製造成稱為 Gletscher Creme (Glacier Cream) 的商品。第 1 個廣泛使用的防曬劑是 Benjamin Greene 於 1944 年推出的紅色凡士林 Red Vet Pet (red veterinary petrolatum), 它藉著反射、散射等物理作用來隔絕紫外線，但效果有限。 芳香族化合物，尤其是具有共軛羰基的化合物，能吸收紫外線，例如 avobenzone、benzophenone、水楊酸、對 - 胺基安息香酸等稱為光化學作用防曬劑。含有共軛羰基鍵的芳香族化合物中，原來在基態能階的 π 電子，因吸收紫外線能量後被激發至激態能階。當電子由激態恢復到基態時，會以螢光或熱能的型態放出能量，回到基態的 π 電子可以重複地發揮防曬 (吸收紫外線) 的功能。 由化學觀點來看，苯的紫外線光譜最大吸收波長是 203.5 nm (UVC)。當苯環上有取代基時，最大吸收波長會往長波長移動，例如酚 210.5 nm、苯甲醚 217 nm、苯胺 230 nm 及安息香酸 230 nm (UVC)。如果苯環上有兩個取代基，會往更長波長移動，例如水楊酸 310 nm (UVB)、對 - 胺基安息香酸 284 nm (UVB)、對 - 羥基安息香酸 251 nm、鄰 - 胺基安息香酸 327 nm (UVA) 及桂皮酸 305 nm。 因此一般化學防曬劑可歸納為下列的化合物或衍生物：對 - 胺基安息香酸類、水楊酸 (鄰 - 胺基安息香酸) 類、苯酮類及桂皮酸類。最近歐盟核准了一種奈米結晶 (<200 nm) 有機化合物 bisoctrizole (methylene bis-benzotriazolyl tetramethyl butylphenol, 商品名是 Tinosorb M), 是同時兼具反射、散射和光化學作用的防曬劑。 防曬乳液都會標示 SPF 或 PA, 前者是陽光保護係數 (sun protection factor) 或稱防曬指數，標明對 UVB 的防護能力，後者是 UVA 保護係數 (protection grade of UVA)。防曬指數 SPF 的測定方法，是以曝曬陽光使皮膚開始產生紅斑時的紫外線劑量為基準。在每 1 平方公分的皮膚擦上 2 毫克的防曬液和沒有擦防曬液，二者被曬出紅斑的紫外線劑量的比值就是 SPF 值。 因為產生最小紅斑的紫外線劑量 =(照射時間) 乘上 (紫外線強度), 如果用相同強度的紫外線測定，則 SPF =(擦防曬液產生紅斑所需要的時間) 除以 (未擦上防曬液產生紅斑所需要的時間)。因此 SPF 可以稱為擦上防曬液後的皮膚耐曬倍數。平常黃種人產生紅斑的紫外線劑量約相當於在夏天中午的陽光下曝曬 15 分鐘，當擦上 SPF10 的防曬液時，則 150 分鐘後皮膚才開始曬紅或灼傷。選用防曬產品時，要依使用時間和地點的不同 (如日常使用、到海邊或登山、到非洲旅遊或加拿大旅遊) 選擇適當 SPF 值的產品。我國化妝品管理條例規定 SPF 值最高只能標示到 SPF50, 以避免被化妝品廣告濫用。 PA 指數是指對 UVA 的防護，UVA 不至於使皮膚起水泡、灼傷，但是會使皮膚曬黑 (黑化), 因此 UVA 的防護對於希望有白皙皮膚的女性有較迫切的需求。最近的研究發現 UVA 是皮膚老化的重要因素之一，UVA 會引發活性氧，間接傷害細胞的 DNA, 破壞真皮的膠原蛋白和彈力蛋白，使玻尿酸分子鏈斷裂而減少其水合能力，因而產生皺紋。因此 UVA 的防曬劑漸漸被化妝品化學家和皮膚科醫生所重視，希望藉著塗擦防曬化妝品能同時兼具 UVA 和 UVB 的防護效能。 通常採用間接的方法測定 PA, 因為皮膚的黑化現象經日曬後二、三天才漸漸顯現出來，在直接測定上有困難。PA 的間接測定方法是：先選一個具有光刺激性化合物，例如 8-methoxypsoralen (8-MOP), 經紫外線照射後，會對皮膚產生刺激性的紅斑，因此被測試 PA 的志願者，先口服或在皮膚表面塗抹 8-MOP, 然後用 UVA 光源照射，像測定 SPF 一樣觀察並計算 MPDD 值 (minimal persistent pigmentation dose), 決定 PA 係數或 PFA (protection factor of UVA)。 目前日本的法規用 + 號表示，PA+(= PFA2 ~ 4) 表示對 UVA 有輕微的防護力，PA++(= PFA4 ~ 8) 表示對 UVA 有中度的防護力，PA+++(= PFA8 以上) 表示對 UVA 有高度的防護力。歐洲國家則採用 PPD (persistent pigment darkening) 和 IPD (immediate pigment darkening), 用色度儀器直接測定皮膚的黑化現象。 化妝品是一種結合化學知識的藝術產品，能帶給人們愉快的心情和美化的生活。製造化妝品的化學知識涵蓋極廣，其中的界面活性劑化學或界面化學是最重要的入門知識。若再輔以其他相關的知識，就能成為一位優秀的化妝品化學家。 深度閱讀 郁仁怡，最新化妝品學，復文書局，臺南。 光井武夫編 (2001) 新化妝品學，南山堂株式會社出版，合記圖書出版社發行。 Lowe N. J., Sunscreens, Marcel Dekker. De Polo, K.F.(1998) A Short Textbook of Cosmetology, Verlag fur Chemische Industrie, H. Ziolkowsky GmbH.

米放久為什麼會生米蟲?

發媽：什麼！下午睡得太舒服，結果醒來這麼晚了，要來不及煮飯了。柚子：媽！煮好沒，我肚子餓了。發媽：好啦好啦，我趕快來洗米。橘子：等一下！這包米裡面怎麼有小黑點阿？噁～柚子你看，竟然還會動耶！柚子：拜託～什麼小黑點阿，那是米蟲好不好。發媽：夭壽喔，怎麼會長這麼多米蟲？柚子：是阿！家裡有「米蟲」, 最大那隻還會說話呢。橘子：不 好 笑！媽，你快想辦法，這米我不敢吃了拉。發媽：奇怪，我買的時候都沒有阿，這些米蟲是從哪裡生出來的啊？發爸：咳！米蟲其實是象鼻蟲的一種，經由藏在米中的蟲卵孵出，只要把米洗乾淨，還是可以吃的。柚子：我看是來不及煮晚餐了，乾脆打電話訂 PIZZA 吧。 專家的話 由於臺灣氣候溫暖潮濕，適合昆蟲繁殖，在小包裝米中發現米蟲實在稀鬆平常，最常見的是一種叫做「米象」的象鼻蟲，不到 3 mm 的超迷你身材，頭部前端突出的口器特化如象鼻般略向下彎曲的長管子，用於咀嚼食物。米象出現的管道大約可分三種，一是稻穀收割後入倉儲存期間；二是碾米過程；三是銷售期間。稻子結穗，在未收成前米象媽媽就已經把卵產在稻穗中 <註>。收割後雖經過碾米步驟也不致破壞其孵化環境。產卵過程中，米象媽媽會用它發達的大顎將米粒咬出一個洞並產卵於洞內，再以分泌物將米粒上的洞口封住。等到製成食用米後，因周遭環境暖和或空氣介入，適合蟲卵孵化，幼蟲便在米中漸漸發育，經成蛹、羽化後再出來找伴，就是我們看到的米象。不僅稻米會長「米蟲」, 綠豆、紅豆、乾麵條...... 等也有豆象鼻蟲類寄食繁殖。 建議：1. 可以選用不易讓米蟲生長的真空包裝，或儲存於密封米桶也可抑制米蟲繁殖。2. 將米置於冰箱冷藏儲存，品質風味可維持長久不變。3. 常溫保存可在米桶中放幾粒乾辣椒、蒜頭防蟲；4. 丟進冷凍庫裡冰 2 到 3 天，若已發現有米蟲，將米拿到太陽底下曝曬也可趕走米蟲。可藉由洗滌去除米蟲，米依舊可以烹煮食用無虞。<註> 根據家裡開碾米廠的讀者麻知一派於 2013 年 3 月 27 日星期三以 FB 訊息寫道：米象不是在稻子結穗時產卵的。米象主要是在稻米以糙米或白米狀態儲藏時產卵和成長的，在稻穀的狀態則因為米象口器無法穿透稻殼，所以稻穀時的積穀害蟲以能咬破稻殼的穀蠹為主，不過開始碾米之後就是把卵藏在米粒裡不怕碾掉的米象的天下了。而且稻子結穗後在發育時如果遭受蟲害，就會因為受損和喪失稻殼保護層而造成發育畸形或發黑，色彩選別機就會把他們挑掉了，再說米象的移動力根本是昆蟲界的嬰兒車，要怎麼爬到位於水田裡的稻株上。經本園查詢，其意見呼應農委會農業知識網 (積穀害蟲 - 米象) 內容：此蟲原無法直接危害稻穀，因此在稻穀倉之發生危害並不普遍，但隨著濕穀進倉，全部機械化流程導致稻穀破損率增加使害蟲發生率有逐年增加趨勢。另建議的部分，讀者麻知一派也回應幾點意見提供參考：1. 要放密封米桶抑制繁殖可以，不過你沒有要打開來吃嗎？米象那麼小隻，搞不好可以靠桶內殘存的氧氣活個一兩代。2. 放蒜頭辣椒沒有抑制發育的功能討厭的臭味只會在他成為成蟲時盡快地爬出米桶，所以用在家庭也許可行，只是米店裡出了一個米桶還有千千萬萬個米桶，所以不會這樣考慮。3. 拜～託～不～要～曬～太～陽曬太陽可能會趕走米蟲沒錯啦，不過沒包覆稻殼的米粒在太陽下會因為失水過多讓口感變硬，更可能因為水分梯度差距過大讓米粒裂開，煮成飯會爛糊糊，是傷敵三分傷己七分呀！所以還是請放冰箱或是買少量多次來保持米的鮮度，也能讓米更好吃。太陽電台 FM89.1 製作、提供國科會「台灣科普傳播事業催生計畫─媒體製作試辦方案」補助

臺灣科學家如何看待科學與宗教:林朝棨與「進化神學」

老師，暑期營隊是否能幫忙上科學與宗教單元？學期結束，外系學生邀請擔任暑期營隊講師。我好奇，學生怎麼對科學與宗教這個議題情有獨鍾？這不是第一次了，過去幾年，只要課程中有這方面的安排，科學與宗教總是學生首選的報告題目之一。 只是多年來，無論學生為何青睞，也無論學生如何切入，案例幾乎全是家喻戶曉的偉大科學家，如伽利略、牛頓、達爾文等。討論重點更脫不了教科書的陳述，強調科學啟蒙與宗教教條之間的論辯。當然有時也有學生能觸及自然神學與科學本質的見解，但是學生的興趣似乎還是在「對立」這個點上。 無論如何，我總覺得這些科學家的經驗有些遙遠。這些經典案例不是不好，只是若能適時添加自己身邊的人物，或許可以給學生更多啟發。我們的學生，特別是選讀自然科學的學生，其實常有類似困擾。他們不見得是基督教友，但是對「科學」做為整體有著萬分的好奇。因此，在地科學家對科學的根本思考，或許更能讓學生領略，前輩探觸科學前緣研究時，如何勇敢面對知識最根本的預設，並如何為自己求得安身立命的藥方。 安頓心靈，宗教雖非唯一妙方，但的確是重要途徑。臺灣科學家中不乏虔誠基督教人士，他們努力思索科學與宗教的關係，有些更嘗試在學問上整合看似對立的體系，「臺灣地質第四紀之父」林朝棨教授 (1910-1985) 便是一例。他受法國古生物學家、哲學家，以及耶穌會教士德日進 (Pierre Teilhard de Chardin 1881-1955) 神學思想影響，曾提出「進化神學」。 林朝棨，字戟門，臺中豐原人，被視為臺灣本土培養的第一位地質學家。他出身早期中部地區信仰基督教的望族，14 歲在豐原教會受洗。1934 年於臺北帝國大學畢業，是地質古生物學第一屆畢業生，畢業後留校擔任地質古生物學科副手。1935 年進臺陽礦業株式會社任地質師，從事臺灣油田地質、瑞芳金礦及中央山脈的地質探勘工作。 之後原欲赴山西礦物局服務，不料適值 1937 年「七七事變」, 因此在老師早坂一郎安排下，到「滿洲國」新京 (長春) 工礦技術院 (後易名新京工業大學) 任教。1939 年前往北平任北京師範大學地學系教授，1942 年任系主任。 戰後返臺，曾任臺中師範教務主任半年，1946 年轉赴臺灣大學理學院地質系擔任教授。1957 年完成《臺灣地形》,6 年後發表論文〈臺灣之第四紀〉(1963), 並以這著作於 1967 年獲得日本東北大學理學博士學位，被學術界譽為「臺灣第四紀地質學之父」。第四紀是地質時代最新的一個紀，包括全新世和更新世，大約有二百多萬年。林朝棨並沒延續大學時期對第三紀的研究，當時第三紀地質與石油藏量關係是學界顯學，他卻選擇第四紀為研究重點，因為他認為第四紀地質是當代人類文明基礎，必須詳加了解。 1968 年林朝棨與考古團隊發現臺東縣長濱鄉八仙洞，首次發現臺灣舊石器文化遺址。1969 年鑑定臺灣北部外海發現的龍宮貝活化石，次年創立中華民國貝類學會。林朝棨教授的發掘工作，為臺灣地質與考古研究累積了豐碩成果。 這麼一位走在科學研究前緣的科學家，繁忙研究工作之餘，積極參與教會活動。他深入研究《創世紀》第一章，於 1960 年到 1965 年間接受臺灣神學院邀聘，不支薪擔任神學系的「自然科學」課程兼任教授。林朝棨不接受演化核心為競爭的觀點，不把演化論與社會達爾文主義連結。他認為科學與宗教的關係，在於以最新地質學知識見證神學。 林朝棨不認為人類必得在科學與宗教認同之間擇一，他清楚表示科學與宗教在本質上有所不同，他視科學為求真的事業，宗教則追求真善美。其次，他強調科學研究的對象是自然規律，是變化系統的因果律，宗教則關注人類的精神與靈性。另外，他更提醒我們，科學受人類智力與研究工具限制，無法達到絕對精密，但宗教認知不受這些限制，因為它奠基於人類的體驗、信仰與靈感。 雖然他主張科學為認知，宗教為救贖，但要大家了解兩者並不相斥，而是需要溝通。譬如，林朝棨自己便以地質學與神學為基礎，探討創造 (creation) 與進化 (evolution) 之間的關係。他強調創造是原動力，進化是生長史。他特別比較《創世紀》第一章內容與地質學上的研究成果，完成〈地史與創世記第一章比較表〉, 做為在臺灣神學院教授「自然科學」時的上課講義。 無論是在〈地史與創世記第一章比較表〉或在其他專業著作中，林朝棨一再表達「進化」是事實。他稱「進化」是上主造化的代名詞，也是上主不斷創造的方法。他說:「宇宙間所有的萬象都沒有一刻維持現狀而沒有變化。大由宇宙、星雲、恆星，小至濾過性毒、細菌、分子、原子、電子等，都在運動變化。」「地層中的古生物化石更告訴我們這個事實。這是上帝的大權能和愛心的表現，也是由上帝賞賜生物的『生存能力』。」 這些對古生物複雜結構的深刻掌握與體認，來自他撰寫《臺灣地質》第四篇古生物誌的經驗。古生物誌總共有 11 章，共 222 頁，詳細記錄了臺灣所產化石的種類與分布情況。 林朝棨接受德日進立場，肯定進化事實，強調過程與變化。德日進認為以變化過程看待進化事實，暗示展現在人類面前的世界並非確切穩定，也非完美，也因此可能有未盡完美的黑暗面。如此推論，讓他肯定宗教救贖的必須。 德日進心目中的上帝並不像亞里斯多德的「不動的推動者」(Prime Mover), 是所有運動的起始點。德日進主張進化是朝向一個 Omega 點前進的過程，上帝就是 Omega 點，召喚世界「向上」, 吸引世界「向前」運動，宇宙各種變化在向上、向前的過程中整合匯聚。創造就是持續統整的過程 (creatio est uniri),「愛」(love) 則是統整的關鍵。 也因為朝向 Omega 前進，所以林朝棨受德日進啟發的神學才稱作「進化神學」。為了說明統整階段各種「愛」的特性，也為了證明愛是生物基本的屬性，林朝棨寫了一篇〈愛的分析與進化〉, 在其中以人類行為與中國歷史上種種事蹟討論各進化階段中愛的意涵，成為他「進化神學」最具特色的地方。 林朝棨雖然沒有機會完整建構「進化神學」體系，但是他不以神學或倫理學 (進化等於競爭) 理由駁斥科學理論的發展，也不把科學視為「唯一」認知世界方式的態度，顯示同時身為科學家與基督徒並非不可能。更顯示出科學與宗教並非只是如課本所說，是啟蒙或理性對錯的問題。 林朝棨的簡單故事，提醒了我們應該留意臺灣科學教育中許多被視為次要的事情。首先，科學與宗教的關係不是只有伽利略被審判，達爾文被消遣。科學發展史不應變成科學理性掃除「蒙昧」或糾「錯」的歷史。其次，為了討論科學與宗教，其實必須回到何謂科學，何謂宗教這件事上。姑且先不論宗教教育，光是何謂科學一事，就非常棘手。 這幾年來，臺灣對於「科學」做為整體的研究，有許多新視野，諸如科學哲學、科學史、科學與性別、科學治理、科學溝通，以及科學、技術與研究等，這些可能都是科學教育或科學普及運動不能不涉及的觀點。 最後，做為第一線的科學家，林朝棨曾孤單但勇敢地從基督神學立場思索科學本質與界限，乃至科學與生命意義的問題。神學觀點不是重點，前輩科學家探索知識與生命的謙卑與熱誠態度，或許才應該是我們年輕科學家的榜樣。 深度閱讀 董芳苑 (1982) 論「創造」與「進化」: 地質學家林朝棨教授的「進化神學」探討，臺灣神學論刊，4,63-82。

化妝品安全性知多少

現今的化妝品種類琳瑯滿目，讓許多愛美人士趨之若鶩，也造就了目前台灣化妝品高達 1000 億元的市場商機，但在數以萬計的化妝品成分當中，有些不僅無益於皮膚，甚至可能傷害身體，不得不當心。 愛美是人的天性，近年來科技的發達，更是讓化妝品的訴求更加的多元化，如清潔、保濕、抗皺、美白、修護、潤色、抗菌及防曬等功效，因此增添許多化學或生物來源性的原料來加強效果，但也衍生出皮膚的刺、癢、灼熱、紅斑、白斑、脫皮、腫、丘疹及水泡等問題。因此在購買或使用化妝品時，應注意以下幾點事項: 1. 不購買成分及來源不明的化妝品：在坊間仍有許多低價的化妝品，未標明製造廠商名稱及地址，或未標示化妝品的全成分，這在產品出問題時，常會讓消費者求助無門。 2. 學習認識化妝品的刺激性成分：防腐劑是皮膚刺激性來源的主因之一，如甲基異噻唑啉酮 (methylisothiazolinone), 歐美限量為 0.01%, 然台灣的化妝品法規卻並未列入管理。根據 2013 年《International Research Journal of Pharmacy》報導，防腐劑中的對羥苯甲酸丁酯 (butylparaben) 會破壞內分泌系統，我國法規規範對羥基苯甲酸酯類 (paraben) 總限量為 1%。常用的陰離子界面活性劑十二烷基硫酸鈉 (sodium lauryl sulfate), 會引起皮膚中度刺激性。常用於染髮劑的對苯二胺 (p-phenylenediamine), 是很強的過敏原，國外已有因使用含對苯二胺染髮劑致死的案例，使用前最好能做多次皮膚的敏感性測試，並減少染髮的次數。 香精的成份也可能引發刺激性，依據最新《Contact Dermatitis》期刊報導，組合式香精更可能增加皮膚的敏感性。我國化妝品的管理已算嚴格，遵循法規的限量一般來說並不會有太大的問題，但因化學藥劑種類多，增加速度快，實在很難完全掌握，如杜鵑醇 (rhododendrol) 在民國 100 年 5 月被歸為一般化妝品，法定濃度不得超過 2%, 但今年佳麗寶白斑事件後，衛生福利部於民國 102 年 9 月 17 日的公告 (部授食字第 1021651120 號), 將杜鵑醇歸為化妝品禁用成分。 3. 瞭解自己的皮膚性質：如乾性的膚質過度清潔反而容易造成皮膚受損；油性肌膚清潔不夠則可能產生丘疹。瞭解自己的肌膚，選擇適合自己的化妝品，才能將過敏原屏除門外。 4. 避開傷口或問題肌膚：皮膚傷口處對藥品的吸收率會比無傷口處高出很多，因此原本不會有刺激性的成分，可能因吸收的濃度過高而導致刺激性或副作用。綜上所述，選擇適合自己的化妝品並養成每日清潔習慣，搭配良好的作息及飲食習慣，內外兼修，才能確保有健康的皮膚。(本文由國科會補助「健康醫藥新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿) 責任編輯：林永昇 | 弘光科技大學化妝品應用系暨化妝品科技研究所

黑死病

西元 1348~1353 年，歐洲爆發黑死病，估計當時人口 1/3~1/4 死亡。(那時東亞也不平靜，正當元朝至正年間，天下大亂、群雄並起。) 後來黑死病在歐洲反覆爆發。1834~1835 年，黑死病在埃及造成了 32,000 人死亡。 1894 年 5 月，中日甲午之戰還沒爆發，廣州的黑死病疫情已經蔓延到香港。香港殖民政府向世界各國求救，日本派出了 6 人研究小組；法國巴斯德研究院也派人到香港，但只有葉赫森醫師 (Alexandre Yersin, 1863-1943) 一人。結果葉赫森成功分離出黑死病病原：一種桿菌，後來命名為葉赫森菌 Yersinia pestis (舊稱 Pasteurella pestis)。 但是一直有人懷疑葉赫森菌是歷史上的黑死病病原，因為葉赫森菌引起的病，似乎沒有歷史上的黑死病那麼可怕。其實這是醫學史研究的困難之一：我們往往不容易判斷古人生的是什麼病、吃的是什麼藥，難以判定古人的醫學水準與療效。 最近，德國與加拿大的專家從倫敦黑死病死者公墓中，挖出西元 1348~1350 年病死者遺骨，抽取病菌 DNA, 與現代的葉赫森菌基因組比對。結果，專家發現兩種細菌基因組的關鍵部位，就是與致病毒性有關的部位，共 9,600 個鹼基，幾乎完全一樣。這是第一個直接證據，證明葉赫森菌就是古代黑死病的元兇。 這種研究最怕標本受到汙染。過去學者做過類似的研究，但沒有仔細控制汙染，因此結論沒有受到重視。現在這個團隊，基因組專家與考古學家各自施展絕活兒，以堅實的證據證明自己分析的標本沒有遭遇過汙染。因此，他們的結論非常可靠。

藏族的高原適應

青藏高原號稱世界屋脊，不適人居，除了氣候寒冷、生活資源貧乏外，低氧壓是最大的生理限制。海拔四千米以上的大氣氧壓是海平面的 40%。可是藏族在青藏高原上存活了下來，而且還發展出獨特的文明。 學者早就注意到藏民特有的生理適應，例如他們的嬰兒死亡率比漢人移民低，而且生育率較高。慢性缺氧是子宮內發育限制與妊娠毒血症的主因。青藏高原上的漢人移民生下的孩子體重較輕，孕婦發生妊娠毒血症的風險較高。此外，藏民與平地人對於低氧壓的生理反應也不同。大部分人的反應是：提升血紅素的濃度，藏民則不會。專家認為，提升血液的血紅素濃度無異增加血液的黏稠度，反而可能促成心臟病發。 對藏族的高原適應，學者對涉及的基因也做了調查，最近幾年有一連串研究報告問世。例如藏民在低氧壓情境中不會發生紅血球增多症，可能是缺氧誘發因子 (HIF) 反應途徑在高原上發生了適應性演化的結果，因為 HIF 是低氧壓環境中基因調控的樞紐。而幾個研究團隊都指出，HIF 中的轉錄因子 EPAS1 是藏族高原適應的關鍵。 最近大陸深圳的華大基因與美國加州大學合作，詳細分析了藏民與漢人 DNA 的 EPAS1 區域，這一區域包括 12 萬 9,000 個核苷酸 (129 kb)。研究人員發現，藏族與漢族雖然血緣非常近，可是 EPAS1 區域的變異模式卻有顯著的分化。藏族特有的變異在漢族中只發現一小部分，而未出現於世界其他族群。更驚人的發現是，藏民特有的 EPAS1 區域變異模式也出現在史前的丹尼娑瓦人身上。 2008 年，考古學家在阿爾泰山舊石器時代遺址丹尼娑瓦洞 (Denisova Cave) 5 萬年前的地層中找到一節人的指骨，後來又有一節趾骨出土。科學家從骨頭中萃取出的古 DNA 判定他們不是尼安德塔人，而是近 40 萬年前就與尼安德塔人分化的一個支系。根據 DNA 證據，現代智人來到亞洲大陸的時候，曾與尼安德塔人、丹尼娑瓦人邂逅並混血。現代智人族群中，美拉尼西亞人基因組中還有一些丹尼娑瓦人的遺緒。其次是漢人與華南原住民傣族，不過只有美拉尼西亞人的 1∕25。 這次中美合作的最新研究結果顯示：攸關藏族高原適應的基因，可能直接來自丹尼娑瓦人。 參考資料 Saey, T.H. (2014) Tibetan high life aided by old DNA: Extinct hominid passed on extreme-elevation adaptation. Science News, August 9, 2014, p.8.

微生物農藥:植物病蟲害的非農藥防治

臺灣地處熱帶與亞熱帶，氣候高溫多濕，適合多種病蟲害的發生與傳播，因而嚴重影響農產品的產量與品質。自二次世界大戰後，化學農藥陸續問世，為傳統農業解決了許多病蟲害問題，並帶來了農業的豐產與興盛。隨著科技的進步，人們逐漸發現長期使用化學農藥的許多潛藏問題與可能風險，諸如害蟲抗藥性的產生、次要病蟲害的崛起、誤殺非標的生物而影響了生態平衡、農產品的農藥殘留影響人體的健康、化學代謝物質對自然環境的破壞等，都已逐漸浮現在周遭環境中。 近年來，政府提倡並極力發展「有機農業」與「永續農業」。在病蟲害管理方面，鼓勵研發安全且有效的非農藥防治方法，逐漸降低對化學農藥的依賴，以保障國民的健康、生態的平衡及農業的永續經營。到目前為止，已經研發成功並且經常使用的非農藥防治策略，包括健康種苗、抗病育種、土壤添加物、栽培管理措施、誘導性抗病、拮抗微生物、非農藥殺菌物質與營養液、抗蒸散劑或乳化植物油、植物萃取液等方法。 健康種苗 許多農藝或園藝作物必須以無性繁殖來綿延後代。然而，引起系統性病害的病毒、類病毒、菌質、營養苛求細菌及引起萎凋病的鐮胞菌，因為生存在植物的維管束內或分布在整個植株體內，所以可以經過像是種薯、種球、嫁接使用的接穗等無性繁殖過程，繼續傳播到下一代。有些豆類病毒，甚至可以經過種子來傳播。 一旦植物罹患上述的病害後，通常因為無藥可救，只有放棄與銷毀的命運。此外，許多根部的病原真菌、細菌、線蟲等也會緊隨著幼苗傳播至田間，造成病害防治上的莫大困擾。因此，培育與栽培無病原的健康苗木是病害綜合管理的首要任務。目前國內已實施或正在培育的健康種苗作物，包括柑橘、香蕉、百香果、馬鈴薯、甘藷、甘蔗、綠竹筍、長豇豆、火鶴花、百合、文心蘭、夜來香等。健康種苗因為沒有帶重要病原，所以生育快速，而且產品的產量增加、品質優異。 抗病品種 直接種植抗病品種以降低病害的發生，可以說是最簡單、有效的病害防治策略。惟抗病品種的育成，需耗費相當的人力與時間，因此在臺灣的抗病品種應用，除了像是水稻、甘蔗等類的大宗作物，有比較多的品種可以供選擇利用外，其他作物則因為人力及物力投入較少，抗病品種也比較少。 根據民國 88 年「臺灣農業動植物新品種名錄」的記載，自民國 70 年至 88 年間，各試驗改良場所成功培育出的植物新品種共計 164 個。其中，對病蟲害具抗病性的品種總計 73 個。而 88 年以後推出的育成品種中，根據調查也有 22 個品種對病蟲害具抗病性。 在水稻方面，目前抗病育種的對象以稻熱病、白葉枯病、縞葉枯病、褐飛蝨等為主。在雜糧作物方面，抗病育種的對象以抗露菌病、白粉病及銹病為主，其他病害為輔。在果樹方面，木瓜的抗病育種對象以抗木瓜輪點病毒和疫病為主；香蕉以抗黃葉病為主；芒果以抗炭疽病為主。在蔬菜方面，茄科作物的抗病育種主要針對番茄嵌紋病毒、青枯病及萎凋病；豆科作物則針對抗露菌病、白粉病育種；葫蘆科作物的抗病育種對象，則以病毒、露菌及白粉病為主。 在目前推廣的育成品種中，已有 95 個抗病品種可以運用在病害防治體系中，對於降低農藥的使用有很大的助益。未來更應朝向培育質優、病蟲害高抗性的優良品種方向努力，期待能使栽培的農民及消費大眾有更多選擇的機會。 土壤添加物 利用土壤添加物防治土壤傳播性病害的原理，不外乎三方面：土壤添加物直接抑制病原菌；誘生拮抗微生物的族群數量；提供作物營養以產生抗性。 在國內已研發出多種合成的土壤添加物，其中如 SH 混合物用在防治十字花科根瘤病、西瓜蔓割病、芹菜黃葉病、菜豆立枯病、甜椒白絹病、番茄青枯病、薑軟腐病等，還有增產的效果。SSC-06 混合物具有抑制甘藍立枯病及抑制軟腐病菌為害番茄與甜椒幼苗的功效。AR 3-2 系列土壤添加物可以防治球根花卉作物、菜豆及胡蘿蔔的白絹病。LT 有機土壤添加物可以應用在防治葡萄根瘤線蟲、柑桔類根瘤線蟲、柑桔線蟲及螺旋線蟲、西瓜根瘤線蟲等。這些土壤添加物的效果都相當顯著。 抗蒸散劑或乳化植物油 植物病原菌可以直接或經由自然開口、傷口等途徑侵入植物體，至於植物體則以角質層的先天性抗病結構抵禦病原菌的入侵。在做法上可以把一般食用油經過乳化、稀釋的步驟製作成防治噴劑，並把防治噴劑噴灑覆蓋在一般植物表面與病菌上。這個食用油噴劑便會在植物體表面形成一層薄膜，能阻隔病原菌孢子發芽與菌絲生長，減少植物水分的散失。最重要的是，它不會影響植物的呼吸及光合作用。 實驗結果顯示，多種食用油都有降低病害與促進植株生長的效果，只是有強弱程度的差別。在目前，以葵花油的防治效果較佳。當食用油使用濃度稀釋到 1,000 倍時，可以降低番茄白粉病約 50%; 使用稀釋倍數在 200 ~ 500 倍時，可以降低病害至 10 ~ 20%。 栽培管理 良好的栽培管理，對植物病蟲害防治有事半功倍的效果。例如，適當的肥料培植與灌溉管理，以維持樹勢的強壯，增強作物抵抗力；適度的整枝修剪，以維持園地內日照充足與通風良好，製造不適合病害發生的環境；完善的雜草防除，以維持田園內的清潔，消滅病菌棲息的場所，降低病媒蟲的密度；清除罹病組織並銷毀，避免病害四散蔓延造成嚴重疫情。 對於不同的病害，因為發病有一定的環境生態條件，因此在究明病害發病的原因及環境生態後，可以選擇或創造一個不利病害發生的環境，也能有效達到病害防治的目的。例如，可以與非病原寄主的作物進行輪作。腐霉菌和十字花科根瘤菌喜歡酸性土壤，馬鈴薯瘡痂病菌則好發在鹼性土壤中，預防這些病害，可以選擇不適於病害發生的各種酸性或鹼性的土壤種植。 另外，像是根部線蟲喜歡砂質土壤，因此可以選擇黏質壤土來避免；靠水分傳播的病害，則可以用土壤覆蓋法，鋪覆厚紙板、銀白色塑膠布、不織布、紙草蓆等，防阻病原菌飛濺傳播。 其他的例子，像是高經濟價值的水果，可以用套袋來隔絕病原菌，或是利用各種物理方法阻斷害蟲的入侵，例如利用溫、網室等設施栽培，避免瓜、果實蠅等的害蟲入侵或傳播植物病原菌。對於木瓜輪點病這一類以病蟲媒傳播的病毒病害，可以把木瓜種植在網室內，阻隔攜帶病毒的蚜蟲接觸木瓜而傳播病毒。瓜果套袋處理可以防蟲、鳥害；樹幹基部纏覆紗網，則可以避免天牛產卵為害。 利用昆蟲對特殊顏色反射光譜的偏好習性，也可以用來誘黏害蟲，例如黃色黏板可以誘黏瓜、果實蠅、粉蝨、葉蟬等，藍色黏板則可誘黏薊馬類害蟲等。此外，利用夜行性昆蟲以光源做為導航的趨光習性，可加以誘捕而防治蟲害。 也可以利用化學合成等物質的特殊氣味，結合誘捕裝置，在作物種植區外進行誘捕及誘殺。例如，含毒的甲基丁香油及克蠅可以分別用在誘殺東方果實蠅及瓜實蠅上，合成昆蟲性費洛蒙可用在誘捕特定蛾類或干擾其交尾行為等。誘黏及誘捕等物理防治技術，除了直接減少害蟲的數量以外，實地應用在田間栽作上的各類害蟲的偵測或監測，會更有價值。 誘導性植物抗病 有些特殊的微生物分泌物或化學物質能刺激植物啟動防禦系統，產生抗菌物質對抗入侵的病原菌，這也稱作後天系統性抗病或誘導系統性抗病。也就是說，當特定的病原菌入侵時，植物可以辨識，立即啟動防禦系統，產生植物防禦素對抗病原菌入侵。 在拮抗微生物中，像是木黴菌或膠狀青黴菌就具有這種功能，它們除了直接對抗病原菌外，也有增強植物防病的功能。在化學物質方面，例如水楊酸可以防治灰黴病、亞磷酸可以防治藻菌類病害、寡聚醣和幾丁聚醣也有相同的功能。尤其是亞磷酸，使用得當幾乎可以完全預防某些作物的疫病。 生物之所以能有效地應用在作物病害防治上，依作用機制可分為下列 5 種：抗生素的產生 —— 直接殺害病原菌；營養競爭 —— 直接或間接造成病原菌養分缺乏；超寄生 —— 直接殺死病原菌；產生細胞壁分解酵素 —— 直接分解病原菌的細胞壁；誘導植物產生抗性 —— 直接或間接抑制病原菌。 目前常用在植物病害的拮抗微生物，主要包括農桿菌防治癌腫病；螢光假單胞細菌防治多種病原引起的病害，也可以做為種子處理及防治根瘤病；放線菌防治菌核病；木黴菌及膠狀青黴菌防治多種病害等。雖然仍有其他拮抗微生物，但其中研究最多、用途也最廣的，首推木黴菌、膠狀青黴菌、枯草桿菌、螢光假單胞細菌等。 這些有益微生物除了可以防治多種作物病害外，尚有促進植物生長的功能。截至目前為止，在臺灣商品化的只有一種用在防治豌豆白粉病拮抗微生物的枯草桿菌。 我們也可以利用瓢蟲、螳螂、寄生蜂等寄生性或捕食性的天敵，防治害蟲及抑害蟲族群的繁衍。但是在自然的環境下，天敵的出現往往是在害蟲已經大量發生以後，這時已無法有效達到防止農產品受害的目的。因此，近年來積極開發各類天敵的飼育技術，以便能在適當時機把大量飼育的天敵族群釋放至田間，提升適時的防治應用價值。 此外，昆蟲也會遭受病原微生物的侵襲、感染、發病，甚至致死，這些蟲生病原微生物包括細菌、真菌、病毒、線蟲、立克次氏體、原生動物等。這一類的微生物應用稱作「微生物防治」, 也是生物防治的一部分。 非農藥殺菌物質與植物營養健素 有一種新型的非農藥的農用殺菌劑 —— 核胺光動素 (地吉), 目前已經登記有案，而且被推薦應用在瓜類白粉病的防治上。除了瓜類白粉病外，它也已經證實對豌豆、茄子、芒果、非洲菊、番茄、草莓、青椒等多種作物的白粉病，都有媲美傳統農用殺菌劑的防治效果。這一個新型的農用殺菌劑，主要是由維他命 B2、甲硫胺酸、硫酸銅等所組成，它的口服毒性 (LD50,50% 死亡率) 大於 1,800 mg∕kg。由於兼具低毒、低殘留等環境安全性特質，在實際的應用上甚符合農業永續發展的訴求。 近年來，應用有機質、腐質酸、海草粉、植物營養液等方式，也可以有效地建立無毒病蟲害的防治系統，且已經普遍引起環保人士的重視與共鳴。因此，中興大學植病系採用農作廢棄物的殘渣，配合 SH 混合物及荷格蘭氏養液，開發具有防病與忌蟲效果的 CH100 植物健素。在田間試驗後，證實 CH100 可以防治韭菜銹病，梅、李白粉病與黑星病，且可以減少紅蜘蛛對草莓的危害，並有減輕台灣紋白蝶危害十字花科的蔬菜等功效。此外，CH100 也有提高果樹的著果率、甜度等功能。 在自然界中有多種天然的中草藥植物，富含許多特殊的抑菌物質，例如配醣體、生物鹼、萜類、酚類、鞣質、類黃酮素、皂素、類胡蘿蔔素、香豆素等。這些物質具有特定的生物活性，可以用在抑制多種植物病原菌上。直接萃取這些成分，並且施用在目標栽培作物上，也可以達到防治病害的效果。 天然植物資材，例如大蒜、辣椒、木醋液等，也已用來防治作物病蟲害的發生。花蓮區農改場曾測試丁香油及肉桂油的抑菌範圍；中興大學則曾嘗試利用丁香及其主成分防治甘藍苗立枯病，以及應用中藥材抽出物來抑制線蟲的活性。

環境荷爾蒙–從限用塑膠袋說起

為何要限用塑膠袋及免洗餐具 二○○三年二月下旬，筆者應邀到臺灣、中國大陸及日本進行訪問、演講及參加國際學術研討會。走過城市有上海、北京、東京、京都、仙台、廣島、福岡等，只見到臺灣限制使用塑膠袋。雖然在臺灣停留的兩個禮拜覺得不很方便，但仔細想想，不禁為臺灣的環保慶幸，這是從何說起呢？讓我們先來看看塑膠袋的成分，它包括聚乙烯 (PE), 化學符號是 [—CH2CH2—] n,n = 4,000 ~ 5,000; 聚丙烯 (PP), 化學符號是 [—CH2CH (CH3)—] n,n ~ 6,000; 聚氯乙烯 (PVC), 為含氯塑膠，比較硬的塑膠袋就屬於此類，化學符號是 [—CH2CH (Cl)—] n; 聚酯 (PET), 化學符號是 [—CH2CH (HO2CC6H4CO2)—] n; 聚苯乙烯 (PS), 化學符號是 [—CH2CH (C6H5)—] n, 許多塑膠容器，包括免洗餐具大都屬這一類。又如一般發酵乳品的容器是未發泡的聚苯乙烯，保麗龍則是發泡的聚苯乙烯。這些塑膠用品的成分皆以 [—CH2CHX—] n 表示。此外在塑膠製造過程中有時也會添加一些塑化劑。 這些塑膠類不像紙張或植物原料，即使久埋地下也不會自行分解，故使用後的塑膠廢棄物處理常成為環保的頭痛問題。歐、美、日本的處理方法是由民間作垃圾分類、回收等廢物處理的預備工作，然後用不同的方法進行處理。塑膠類一般均以焚燒方式為主，雖然科學家已經研發出多種掩埋後可以自行分解的塑膠，但是受限於製造成本過高，目前還沒有經濟價值。 在正常情況下，這些塑膠類不會引起健康傷害。但若處理廢棄物時將之加熱到高溫，則可能產生一些「毒氣」, 如戴奧辛。而戴奧辛是一種「環境荷爾蒙」, 它會破壞人的免疫與生殖系統，甚至引發癌症、降低智能、不孕及雌性化效應等。 環境荷爾蒙是什麼 荷爾蒙是英文 hormone 的音譯，中文常以「激素」來表示。「環境荷爾蒙」是指外來或人造的化學物質，藉由空氣、水、土壤、食物或其他途徑進入生物體，產生類似荷爾蒙的作用，對原有的內分泌系統產生干擾，進而影響生物體的發育及生殖功能。 許多塑膠用品，如塑膠袋、保麗龍等，經過不當焚燒處理會變成有機氯或戴奧辛。這些物質會隨著氣流轉移他地，故「環境荷爾蒙」的危害性是全面性的，絕不容忽視。 世紀之毒戴奧辛 戴奧辛 (dioxins) 是無色、無味的多氯環氧多苯的有機化合物。戴奧辛也常見於受熱的多氯雙苯 (PCB)。另外在製造殺蟲劑三氯酚醋酸時也會產生少量戴奧辛。 根據美國《化學與工程新聞》周刊的報告，美國空氣中的戴奧辛有三分之一來自焚化爐，三分之一來自鄉間焚燒廢物，其他如醫院焚化廢棄物、銅鐵礦冶及水泥凝固等都會產生戴奧辛。其中以塑膠類，尤其是聚苯乙烯 (PVC), 在焚化過程中產生的戴奧辛最為顯著。 理論上，戴奧辛會在燃燒溫度超過攝氏 850 度以上時分解。據臺灣環保署資料，臺灣大型焚化爐燃燒溫度均在攝氏一千度以上，故釋放在大氣中的戴奧辛含量應該是微乎其微。但是一九九九年十二月臺灣環境品質文教基金會公布：臺灣焚化爐釋放的戴奧辛含量超過管制標準，其「致癌風險值」是美國的 9~32 倍，而附近居民的「致癌負擔」是美國加州標準的數百到二千多倍，這真是駭人聽聞。甚至二○○一年十一月七日《中國時報》還報導，木柵焚化廠排放的戴奧辛仍然偏高。唯據環保署的資料，木柵焚化廠於二○○二年年底加裝去除戴奧辛設備後，其測試結果已低於排放標準。 但是焚化廠的燃燒溫度控制及其他處理方式也可能會出差錯，故專家建議唯有減少焚化廠塑膠類的輸入量方能避免風險，這大概是臺灣環保署限用塑膠袋及免洗餐具的一個主要原因。又如美國《化學與工程新聞》周刊的報導，民間露天焚燒垃圾，燃燒溫度偏低，以致產生大量的戴奧辛，故臺灣嚴禁露天焚燒垃圾確實是正確的政策。其實日本也有戴奧辛的污染問題，如一九九九年日本環境廳 (相當於我國環保署) 公布，日本焚化爐釋放的戴奧辛總量是每年 4.0 公斤，而美國則是 2.8 公斤，可見這是文明社會的通病。 傷害是如何造成的 不論從空氣或經由皮膚，短暫的接觸戴奧辛，造成的傷害並不大。但是戴奧辛很容易溶於生物體的脂肪組織中，而又不易被生物體代謝掉，故會長期累積在體內，當累積到某一濃度時，就會造成傷害。 又若戴奧辛從焚化爐釋放到大氣層，它會流動而轉移地區並散布在河川、海洋及平原上的植物中。生活在這些區域的魚、貝等水產生物首當其衝遭受污染，而我們若長期食用這些魚、貝後，就會「中毒」, 喝了受污染牧草區的牛奶也可能無辜受害。如一九九九年六月，比利時乳製品傳出戴奧辛污染事件 (有可能是多氯雙苯污染), 使得世界各國大為恐慌，紛紛禁止比利時的食品輸入即是一例。 日本的「戴奧辛容忍量」標準是每日每公斤體重四比克 (一比克是一公克的兆分之一), 這也是國際衛生組織的標準，「容忍量」是指超過這個濃度時，就會傷害到身體。譬如 60 公斤體重的容忍量是每日 240 比克。一九九九年四月十三日，日本大阪醫大植木實教授發表的報告指出，戴奧辛會直接穿過孕婦的胎盤而影響胎兒。他針對 10 位母親做實驗，結果發現，這 10 位婦女的血液，平均每一公克脂肪即含有 22.7 比克的戴奧辛，而胎兒的血液 (臍帶血) 也含有 20.5 比克。這比日本政府規定的容忍量要高出幾倍。 一九九九年，臺灣環保署曾經公布一份民眾血液中含戴奧辛濃度的檢測報告。報告中指出，臺南市有一個里的 50 位里民，平均血液中的戴奧辛含量高達 47.3 比克 / 克脂肪；而一般工業化國家人民的平均含量值只在 20 至 40 之間，可見確有偏高的現象。另據成功大學環醫所的研究顯示，五十例 (男 16 例，女 34 例) 中，戴奧辛含量最高者達 104 比克 / 克脂肪，最低者 14; 為求周延，該檢驗另外提驗當地血庫中的 22 袋血清，發現戴奧辛含量也高達 67。研究人員推測，可能是當地曾為鹼業公司廠房，因此空氣與環境受到五氯酚的污染，而當地又靠海，居民常吃受污染的海鮮，因此中毒而仍不自知。 戴奧辛的毒性 如同上述，戴奧辛會在生物體的脂肪層累積而帶來傷害，因此被列為「環境荷爾蒙」黑名單之首，也是草擬中的國際公約「常續性有機污染物」的管制毒物之一。目前的研究已知，戴奧辛除了可能為致癌物質外，也會破壞人體的免疫系統、干擾內分泌、影響生殖能力，造成幼兒生長與學習遲緩。 一九九七年，日本九州大學醫療技術短期大學長山淳哉副教授報導：餵食母乳的幼兒，罹患異位性皮膚炎的機率，比餵食人工乳還高。其主要原因為母乳受戴奧辛污染的程度比人工乳高出 10 倍左右。 人類過去曾經兩度遭受戴奧辛的大規模污染。一次是一九七○年代越戰時美軍大量散布枯葉噴藥，而枯葉噴藥即含有戴奧辛的雜質，受害者超過百萬人。另一次則是一九七六年七月十日，義大利北部西比索市發生化學工廠爆炸，其主要產品是三氯酚，副產品是戴奧辛。這次爆炸造成戴奧辛四處流竄，有好幾千人遭到毒害。當時被污染地區的許多孕婦流產，或生出多種缺陷的嬰兒。 近年來科學家的追蹤發現，遭受戴奧辛嚴重污染的父母，幾乎都只生出女嬰。科學家並指出，在這起事件發生後的八年內，唯有雙親血液中每克脂肪的戴奧辛濃度在一百比克以下者，才有生男嬰的機會。直到一九八五年，也就是血脂肪內的戴奧辛濃度逐漸減少之後，這地區的男女嬰出生率才恢復到各一半的狀況。此一事例顯示戴奧辛的確會改變弄璋弄瓦的機制。科學家推論，戴奧辛之類的化學物質一進入體內，就會擾亂荷爾蒙，這樣的「環境荷爾蒙」就成了左右生男生女的機制之一。因此科學家推測「環境荷爾蒙」會導致「女性化 (雌化)」, 並影響到人類生態的平衡。 最近成功大學的郭育良教授針對一九七九年臺灣中部發生多氯雙苯事件做了一個研究報告 (The Lancet 360: 143, 2002): 如果當時的受難者是未成年的男性，那婚後生男嬰的機率顯著降低，但如果當時受難者是女性或已經超過二十歲的男性則生育男或女嬰的機率並沒有顯著差別。故環境荷爾蒙對未成年男性的傷害較大。 環境荷爾蒙的種類與干擾機制 下面我們來看另外幾種環境荷爾蒙與所能引起的干擾。目前已經證實的有二氯雙苯三氯乙烷 (DDT, 是一種殺蟲劑), 多氯雙苯 (PCB, 潤滑與絕緣油質，早期多用在變壓器中), 雙酚甲烷 A (Bisphenol-A, 塑膠用品的原料，也常被用來做牙齒的添補物), 六氯圜戌烷 (BHCH, 溶劑) 等。為什麼這些不同形狀與結構的環境荷爾蒙會產生類似的生理反應呢？據研究有三個可能性：能與荷爾蒙受體結合；能模擬或阻擋正常荷爾蒙的反應；能直接改變細胞信息傳遞程序與其他複雜機制，而不會被受體的結合限制。 以前科學家都以為，只有特定的荷爾蒙才會啟發某種受體，產生特定的生理作用。由於化學結構的限制，荷爾蒙只能與特定受體結合，就像一支鑰匙只能開一個特定的門一樣。環境荷爾蒙的結構雖然與體內的荷爾蒙不很類似，但它用「魚目混珠」的方式欺騙，就像小偷開鎖後進入大樓，騙過守門的受體，到屋內喧賓奪主一般。荷爾蒙受體一旦被結合占住，就會啟發細胞的特定程序，這種被活化的荷爾蒙受體，接著會啟發某種基因，啟動一串類似正常荷爾蒙的反應，如此就擾亂了體內荷爾蒙的運作與平衡。最近日本東京大學的加籐茂明教授 (S. Kato et al., Nature, 423: 545, 2003) 發表論文詳細討論戴奧辛與女性性激素受體結合的機制。 並不是所有內分泌系統的干擾物，都是靠受體結合的手段來改變荷爾蒙的功能。有些僅是以分子信息間接啟動基因，改變細胞的成長與分裂。譬如六氯環己烷，它不會與荷爾蒙受體結合，但是有可能會促進 DNA 的轉錄程序，所以會引發基因的表現，而帶來了動情激素的反應，使得細胞分裂與成長，其後果就如同乳癌的惡性成長。 「污染物」並不是一朝一夕造成的，由於這些有機氯「毒物」不易分解，而隨著大氣、雨水流入大海，再經由環環相扣的食物鏈，蓄積在魚類、牡蠣、蔬菜、牛乳內。這些污染不一定會使食用者馬上「中毒」, 但卻很可能遺害後代。故愛惜資源、回收並減用塑膠袋及免洗餐具，進行垃圾分類，這些努力可減少環境荷爾蒙的形成。 環境荷爾蒙所帶來的嚴重傷害，並非即時就可以看出，有時候要到第二代或第三代才會出現，正因為它具有「延宕長期效應」, 所以也被視為跨世代之「毒」。《失竊的未來》(Our Stolen Future) 一書中指出: 「我們最害怕的不是絕種，而是人類在不知不覺中，慢慢被侵蝕。我們擔心干擾荷爾蒙作用的化學物質將改變人類之所以為人類的行為、智力、組織等能力。」所以我們應該及早防備「環境荷爾蒙」所帶來的威脅，不要讓人類居住的環境變成失樂園。 深度閱讀 林天送、楊明珠 (2001) 環境荷爾蒙危機，元氣齋出版社，臺北。 Colborn, T., Dumanoski, D. and Myers, J.P.(1996) Our Stolen Future, Penguin Books, NY .《失竊的未來》(臺灣譯本)。 Gomez, I. del Rio, Marshall, T., Tsai, P., Shao, Y., and Guo, YL (郭育良)(2002) The Lancet, 360: 143-144. Ohtake, F., Takeyama, K., Matsumoto, T., Kato, S. et al. (2003) Nature, 423: 545-550. http: //www.tmc.tulane.edu/ECME/eehome/

起雲劑 VS. 可塑劑

發媽：天啊～你們快來看，新聞說你們最喜歡科的那個運動飲料有毒耶！這些商人真的是太沒有良心了啦... 橘子：蛤？還會致癌喔！發媽：對阿～想不到走了個三聚氰胺毒奶粉，又來個毒飲料，這是要我們怎麼生活阿？柚子：我不敢喝了啦～但是... 新聞上說的什麼可塑劑、起雲劑的，到底是什麼東西啊？聽都聽不懂～橘子：爸～你一定知道對不對？快跟我們說... 發爸：其實，起雲劑是一種「合法」的乳化劑，除了運動飲料外，不少果汁、果醬也會添加，主要在幫助混合均勻，不會上下分離，還能增加濃稠的感覺，讓賣相更漂亮。 發媽：難怪我自己做的果醬，看起來都醜醜的，顏色也都很淺，一看就覺得好像不好吃！柚子：既然起雲劑可以吃，為什麼還要添加那些有毒的可塑劑？發爸：起雲劑的成分是阿拉伯膠、乳化劑跟棕櫚油調配而成的，但是棕櫚油成本是工業塑化劑的 5 倍，黑心廠商於是用塑化劑來取代，好降低成本，大賺黑心錢！發媽：夭壽喔～這種錢也敢賺！那我們如果已經喝了那些黑心飲料，該怎麼辦？發爸：不要緊張，除非你一天喝掉十幾瓶這種飲料，要不然對於身體並不會有立即上的危險，以成人來說，一般 24 到 48 小時就會隨著尿液排出，只是這些不好的物質，都會慢慢累積在體內，長期來看，對身體還是有不好影響的。 專家的話 起雲劑是一種合法的食品添加物，通常是由阿拉伯膠、乳化劑、棕櫚油及多種食品添加物混合製成，幫助食品的乳化，常添加在運動飲料、果汁及果凍等食品，但也可能用在優酪或檸檬果汁粉末等食品。合法的起雲劑不會使用 DEHP, 不肖業者為了降低成本及增加產品穩定性等原因，而惡意以 DEHP 取代合法的食品添加物。 DEHP 是鄰苯二甲酸二 (2 - 乙基己基) 酯的簡稱。DEHP 為塑膠製品常用之一種塑化劑，為無色、無味的液體，在一般的塑膠製品中通常可發現 DEHP 存在。DEHP 會在塑膠製造添加時釋放至空氣中，或燃燒塑膠過程中釋放。人體接觸到 DEHP 通常藉由飲食、水及空氣接觸或呼吸，但仍以食入為主。在剛漆完油漆的房間或是最近才裝好地板的屋子，室內空氣比室外空氣含有更多的 DEHP。DEHP 對動物的急性毒性低，在高劑量時會影響大鼠的生育系統與提高發生肝臟腫瘤之機率，但對人類影響為何，目前還未有科學證據證明。國際癌症研究中心 (IARC) 將 DEHP 歸類為第 2B 類致癌物，即確認為動物致癌物，但人類資料尚不充分。DEHP 屬於環境荷爾蒙的一種，所謂環境荷爾蒙泛指「來自環境的內分泌干擾物質」。一些人工合成化學物質所造成的環境污染後，透過食物鏈再回到我們身體 (或其他生物体內), 它可以模擬體內的天然荷爾蒙，干擾荷爾蒙作用，進而影響身體內的最基本的生理調節機能，又環境荷爾蒙化學污染物可經由母乳傳給下一代，因此環境荷爾蒙可能會影響生物體的生殖機能與發育。在動物試驗中，DEHP 在 24~48 小時內絕大部分會隨尿液或糞便排出體外。

治療更年期症狀?非天然激素有利有弊

多運動，尤其是載重運動，即抗地心引力的運動，如走路、慢跑、登山、舞蹈、爬樓梯，乃至網球、游泳等都是很好的選擇，可以強化肌肉及血管、保護骨骼及心臟。(圖片來源：Pixabay) 女性月經的周期與兩種主要的荷爾蒙–雌激素和黃體素的濃度變化有密切的關係。通常在 45~55 歲間，雌激素的分泌會明顯減少，同時導致黃體素的減少，以致無法排卵。月經周期可能開始出現不規則的情形，或長或短，有時甚至數月沒有排血。 這些女性荷爾蒙濃度的降低，可能會伴隨一些所謂的更年期症狀，如突然的熱潮紅、盜汗、心悸、容易失眠、情緒不穩、憂鬱、陰道乾燥變薄、骨質加速流失 (容易骨折)、心血管疾病如中風、高血壓、心肌梗塞增加等。每個人的情況不一，約有 10~20% 女性的症狀會十分嚴重；多數人只有部分症狀，或稍覺不適，可以忍受；有人則幾乎沒有感覺。 人工提煉和成的荷爾蒙混合物–普馬林和黃體酯酮對人體有利有弊 西方國家自七十年代以來，常使用「荷爾蒙替代療法」來緩和上述的更年期症狀。但是過去的一、二十年來，不斷地有報告指出，使用荷爾蒙替代療法的婦女，罹患乳癌、卵巢癌、子宮癌、子宮內膜癌，及子宮頸癌的機率明顯增加，尤其是有家族性遺傳基因者，或已有此類癌細胞者。 進一步的研究發現，早期的荷爾蒙療法只使用了雌激素，它似乎會促進這些女性特殊器官癌細胞的生長。但是如果加入黃體素，則可以產生抑制的作用。因此，目前的荷爾蒙療法都是同時使用這兩種荷爾蒙。 然而二○○二年七月美國國家衛生院公布的一項大規模實驗結果，顯示長期使用合成雌激素與黃體素的更年期婦女，罹患乳癌的風險提高了 26%, 其它心血管相關疾病機率增加的百分比分別為中風 41%、心臟病 29%、血栓 100%。但是，的確會降低罹患直腸癌的風險 (37%), 造成骨折的機率也會降低。 在荷爾蒙替代療法中所用的兩種荷爾蒙，其中之一為雌激素，英文商品名為普馬林 (Premarin), 是一種提煉自懷孕母馬尿的荷爾蒙混合物。在介紹這個混合物之前，必須先澄清幾個概念。一般常提及的雌激素，或稱動情素、動情激素，其實都是一種混合物，泛指司控女性性徵的數種荷爾蒙，其中作用最強的成分為雌二醇。 本文所提的荷爾蒙替代療法中的荷爾蒙，以及一般使用的女性避孕藥荷爾蒙，與女性身體內自然合成的各種性荷爾蒙分子結構並不完全一樣。由於它們的結構類似，因此合成的藥物與體內生成的荷爾蒙功能近似，具有替代的作用，但是絕對不是完全相同的化合物。 那麼普馬林究竟含有那些成分呢？它主要的成分為雌素酮 75~80%、馬烯雌酮 6~15%、雌二醇 5~19% 及其他二種馬動情素。前述人體自然合成、俗稱的雌激素混合物中作用最強的為雌二醇，但是它在體內的含量並不高，混合物中各成分的比率為雌素酮 10~20%、雌二醇 10~20%、雌三醇 60~80%。 雌三醇是雌素酮與雌二醇的代謝產物，分子形狀與雌二醇十分類似，水溶性更好。至於馬烯雌酮究竟是何物呢？它是馬身上的一種雌激素，與人體中的雌素酮分子結構相近，由於多了一個雙鍵，代謝不易，停留在體內的時間很長。 在荷爾蒙替代療法中，另一最常使用的黃體素荷爾蒙，英文商品名為普羅弗 (Provera), 是類似天然黃體素的一種合成化合物，簡稱黃體酯酮 (MDPA), 它其實也是一種長效避孕藥「狄波」(Depo) 的主要成分。 在荷爾蒙療法中加入了合成的黃體酯酮，的確會降低合成雌激素引起子宮內膜癌和卵巢癌等癌變的機率，但也會抵銷雌激素對心臟和血管的保護作用，而且在防止骨質疏鬆症方面並沒有幫助，最爭議的則是罹患乳癌和心血管疾病的機率並未因此降低。 雌激素的主要功能之一，是刺激子宮內膜與乳房細胞上的受體，促進它們的增生，為懷孕和泌乳做準備。如果體內這些器官已有癌細胞，那麼雌激素也會促進癌細胞的生長。經由研究發現，黃體酯酮會抑制子宮內膜的生長，但是對乳房細胞的抑制作用並不明顯。 前述雌激素處方藥普馬林中的馬烯雌酮，是另一爭議的焦點。由於馬烯雌酮不是人體的荷爾蒙，在體內代謝的速率慢，停留在脂肪組織的時間長。它的代謝產物之一的活性比原來的混合物強八倍，大大地提高了普馬林荷爾蒙對作用細胞的刺激功能，以致易生癌變。 天然的荷爾蒙尚好 荷爾蒙替代療法的兩種用藥「普馬林」和「普羅弗」都是註冊專利的藥，也就是說具有極高的商業價值，這些藥物的使用與藥廠的利潤、以及所有經手人的利益都有關係。 而天然的荷爾蒙，如雌三醇、黃體素是不能申請專利的，就好像空氣、水、維他命、褪黑激素等自然界已存在的物質不能拿去申請專利一樣。但是天然物質的衍生物或特殊配方就可以申請專利，這些衍生物進入人體後，可能立即經由代謝轉變成與人體所合成的化合物相同的物質，也可能作用十分近似，分子結構仍有所不同。這些許的不同可能沒有影響，也可能有一時不易證明的不良影響。 至於這裡所說的天然物質，並非指一定是從自然界、動植物體內分離而得到的，而是指與天然物質分子結構一模一樣的化合物。這些化合物，如各種維他命、雌三醇、黃體素，如欲從自然界萃取提煉，由於它們的含量低，因此成本極高。所以化學家不斷地研究改進，在實驗室或藥廠中可以合成與天然物質完全相同的分子結構，這些合成的物質，在化學家眼中看來，它們的化性、物性與生理性質經由各種儀器及實驗測試，與天然物質無法區分，可視為同一種純天然化合物。 人體合成的天然雌激素混合物中，以雌二醇的作用最強，雌三醇在血液中的濃度最高。過去醫藥界認為雌三醇不過是雌素酮和雌二醇的代謝產物，作用很弱，並不重要。 但是愈來愈多的研究報告指出，人體雌三醇最主要的作用就是它的弱效應和高濃度。由於濃度高，足以與雌素酮、雌二醇競爭搶占作用細胞的受體，而抑制癌症的發生。由動物實驗得知，如果在使用雌素酮、雌二醇時，合併使用雌三醇，可以降低致癌的危險。如果單獨使用雌三醇，也不會增加子宮內膜癌的機率。一些更年期的不適症狀，也可以藉雌三醇得到緩解。 人工合成的黃體酯酮對防止骨質疏鬆並無助益，但是人體合成的天然黃體素卻可以促進骨骼再生，如果再加上一種類雄激素 (簡稱 DHEA) 和俗稱的雄激素 (睪丸酮), 效果更好。 吃黃豆能改善更年期不適和保護心臟血管 過去很多報告都指出，一般來說東方女性的更年期症狀比西方女性緩和，症狀嚴重的人的比例也較少。原因是在東方人的飲食中，豆類的比例較高，如豆漿、豆奶、豆腐等原料來自黃豆 (大豆), 其中所含的異黃酮 —— 黃豆草就是一般所指的植物性荷爾蒙中的一種。 它的分子結構與天然或合成的性荷爾蒙完全不同，不屬於類固醇類，但是它卻可發揮部分類似女性荷爾蒙的作用，如改善更年期不適和保護心臟血管。由於這種植物性荷爾蒙的作用較弱，必須在高劑量的補充之下效果才明顯。對一些深受更年期症狀困擾，又不想使用荷爾蒙替代療法的婦女來說，大豆異黃酮素類的植物荷爾蒙提供了另一種選擇。 如果更年期症狀不明顯，心血管狀況也很好，只有骨質疏鬆的問題，現在也有幾種藥物的效果十分受到肯定。例如鈣穩錠 (raloxifene, 商品名 Evista) 可以有效減少骨質流失，增加骨質密度，而且對心臟血管有保護作用，可貴的是對乳房和子宮沒有副作用。 另外一種非荷爾蒙類雙磷酸鹽藥物福善美，商品名 Foxamax, 化學成分為 alendronate 鈉鹽，也會明顯提升骨質密度，減少骨折的發生。但是此藥會引起食道炎，有潰瘍的人不能用，服用時也較麻煩。此藥也可治療男性骨質疏鬆症，是目前唯一男女皆可使用的骨鬆用藥。 抑鈣素 (calcitonin) 是另一緩解骨頭疼痛與鈣質流失的處方藥，它是一種含 32 個胺基酸的胜月太類小蛋白質荷爾蒙製劑，不能口服，副作用少，但是長期使用效果則有限。目前的藥劑多取自鮭魚，效果比人體自然分泌的強 30~40 倍，劑型以噴鼻和針劑為主。當然，鈣質的足量補充 (每日需要量約 1000 毫克)、維他命 D 和陽光的攝取，以及適度的有氧運動，永遠是最經濟、最容易做到的健康之道。 也有一派女性主義者極力呼籲回歸自然，他們認為更年期是身體各階段變化的一部分，絕不是病態，不需要利用任何藥物治療。我們的祖輩從來未服用什麼荷爾蒙，她們不是一樣走過人生？各種合成荷爾蒙藥物，表面上固然可以緩解一些更年期症狀，但是很多研究都不夠完整澈底，副作用與後遺症層出不窮，這些藥物不過是在龐大的商業利益下以女性為試驗品。 女性其實還有很多其他選擇，譬如改變飲食，少吃高脂肪、高蛋白的食物，多吃高纖維食物，因為蛋白中的磷鹽會加速鈣質的流失。多運動，尤其是載重運動，即抗地心引力的運動，如走路、慢跑、登山、舞蹈、爬樓梯，乃至網球、游泳等都是很好的選擇，可以強化肌肉及血管、保護骨骼及心臟，同時維持身體的彈性與平衡，自然會減少骨折與心血管疾病的風險。還有一些傳統中醫藥，針灸、整脊、氣功等療法都有不同的療效，值得去了解與嘗試。 更年期症狀各有差異，自己的身體狀況可能自己最清楚應如何調適，我們一方面參考專業醫生的建議，另一方面也同時增長自己對醫藥健康方面的認識，如此方能為自己的身體做出最好的選擇。 深度閱讀 V. Wright, Jr. and J. Morgenthaler, 王桂良譯 (民 88) 自然荷爾蒙療法，元氣齋出版社，臺北。 吳嘉麗 (民 88) 化學、醫藥與社會，中國化學會，臺北。 Facts About Postmenopausal Hormone Therapy:http://www.nhlbi.nih.gov/health/women/phtfacts.htm

害蟲與天敵:小花蔓澤蘭的古典生物防治

小花蔓澤蘭原產於中南美洲加勒比海沿岸，在原產地長期共演化的結果，已受到當地昆蟲及病原微生物的制約，並不會造成顯著的為害，而能和生態系和諧共存。在 20 世紀初期，它被南亞、東南亞一些國家引進種植當作綠色植被。由於旺盛的生命力、生長勢和拓植能力，多年來它已遍布大洋洲、澳洲、印尼、巴布尼幾亞、馬來西亞、印度、中國廣東、香港等地。 至於它何時入侵臺灣，雖不可考，但由中研院植物所和臺灣大學植物系在屏東採集的標本顯示，至少於 1986 年已在南臺灣立足。其後短短二十幾年，向北蔓延已超過 150 公里以上。據臺灣特有種生物研究中心的調查，全臺 23 縣市，除臺北縣市、新竹市，以及離島的金門、馬祖、澎湖外，至少已有 18 縣市，共約五萬多公頃的農林棲地已被入侵。 俗稱「綠癌」的小花蔓澤蘭具優異的生長、生殖遺傳特性，又可產生數量驚人的種子。發育後的藤蔓善於攀沿、纏勒，繁盛的莖葉覆蓋鄰近的灌木甚或喬木，致使被攀附的植物無法進行光合作用，生長衰微，最後枯死，是最具侵略性的入侵雜草。 小花蔓澤蘭的入侵除造成農林作物的經濟損失外，對於本土生態系的生物多樣性與結構也產生巨大影響。為防止它的猖獗，政府所轄的農政單位無不卯足全力，極力防治。目前所採行的方法，不外乎化學性的殺草劑或物理性的剷除，但兩者都是治標，且不符成本效益，常使人有「雜草鋤不盡，春風吹又生」之嘆！最後的另類選擇「生物防治」, 也許能峰迴路轉，柳暗花明，帶來一線生機。 雜草的生物防治模式 一般而言，對於本地原生雜草的防治，最常使用的是化學性殺草劑。雖可收到立竿見影之效，但無法永續，須一再噴撒，帶來的後遺症是環境污染、生態系平衡的破壞，以及抗殺草劑的超級雜草出現。 另類的防治方法是淹沒式生物防治，這種做法須預先調查、篩選本土可寄生目標雜草的微生物，一般以真菌為主，行大量繁殖，研發最佳劑型，然後在田間施用。這種真菌性殺草劑，應選擇具有寄主專一性，只侵染目標性雜草，而不侵染其他重要農林作物的種類，例如利用不同專化型的炭疽病菌，防治各種不同的雜草。或是利用不具寄主專一性，但在傳播能力範圍內，並無寄主作物存在的病原真菌，如利用卵菌的厚膜孢子製成殺草劑，來防治柑桔園的雜草。 這些淹沒式的生物性殺草劑的共同特性，是本土性、大量人工繁殖和大量噴撒，但不一定具持續性效果。另一方面，對於入侵性，已立足且大面積蔓延的外來雜草，通常最有效的防治方法就是所謂的古典生物防治方法。這種方法是引進可有效抑制平衡入侵雜草的天敵，如昆蟲或真菌。引進後，以人工大量繁殖，然後在入侵雜草的棲地釋放，藉由取食或寄生導致入侵雜草群變小，生長受到限縮，達到抑制效果。 古典生物防治成功案例 入侵雜草是一種在原產地和生態系平衡共存的植被，而非一般界定的雜草。它在原生地並無顯著的不良影響，主要是受當地長期共同演化的天敵所羈絆，而無法如脫韁野馬到處蔓延。然而一旦被人為引進、引種到新的棲地，無天敵剋制，加上特具的遺傳、生理優勢，往往生育擴展神速，影響當地的生物多樣性，破壞原食物鏈及生態系的平衡。 過去在澳洲大陸意外引進一種雜草 rush skelton weed (Chondrilla juncea), 危害當地的小麥和牧草產業，最後於 1970 年由這種雜草的原生地地中海沿岸諸國，引進它的天敵銹病菌 (Puccinia chondrillina) 進行古典生物防治，終於成功控制，扼止這種雜草在澳洲的為害。鑑諸澳洲成功的典範，美國西部各州也引進這種銹病菌來防治入侵西部各州的 rush skelton weed, 成功地抑制這種雜草的為害。 類似澳洲的例子也發生在 19 世紀的智利。由於歐洲移民的移入，意外地引進一種黑莓，演變成極具侵略性的雜草，至少為害 5 百萬公頃的農地和牧場。1973 年，智利由德國引進黑苺的天敵銹病菌，應用古典生物防治方法，約 7 年之後，成功壓制黑苺的為害。 此外，南非曾遭受由澳洲引進的相思樹 Acacia saligna 的為害。由於它的樹冠層遮蔽、火災的頻率增加、土壤流失等因素，造成生態多樣性降低、作物難以種植等重大生態災難。1987 年，南非由澳洲引進相思木瘤銹病菌防治這種入侵的相思木，歷經 15 年的連續追蹤調查，證實可降低入侵樹種的族群密度，收到抑制的效果。 值得一提的是，至目前為止，所釋放的銹病菌天敵未曾有對非目標的農林作物侵染的報導。這些例證可以降低百姓對於引入銹病菌病原以防治入侵雜草，所可能帶來的生物安全性的莫名疑慮。 在臺灣的防治做法 背景 臺灣的農林生態系廣受入侵的小花蔓澤蘭為害，已罄竹難書。如何有效防治這種入侵雜草，真需費神思量。還好溯古證今，它山之石可以為錯。似可借鏡前述的古典生物防治雜草的成功典範，引進這種入侵雜草原產地的天敵，以期可以壓制入侵的小花蔓澤蘭，恢復本土生態系的永續平衡。 引進天敵及病原專一性測定歷程 臺灣大學植物病理與微生物學系應用真菌研究室，在行政院農委會國際合作處的經費協助下，著手進行為期 3 年 (2006 ~ 2008 年) 的古典生物防治計畫。 首先經行政院農委會防檢局的核准後，獲得英國聯邦國際農業總署 Dr. Carol A. Ellison 的合作和協助，引入業經其驗證，原產於南美洲厄瓜多爾，可嚴重侵染小花蔓澤蘭，具同主寄生生活史的銹病菌天敵的菌株。在亞洲世界蔬菜研究中心 Dr. Robert de la Péna 的協助下，於亞蔬基改溫室以小花蔓澤蘭大量繁殖這種銹病菌天敵，並進行病原性和寄主範圍檢測。結果顯示這種引進的銹病菌天敵極具寄主專一性，對 45 科 115 種本土重要農林或觀賞作物都具免疫反應，不受這種銹病菌的感染，也再度證實牠的生物安全性。 天敵的釋放 在 2008 年 1 月上旬，經農委會動植物防疫檢疫局召開的專家諮詢委員會議同意可於野地釋放。2008 年 5 月上旬，獲行政院農委會林務局的協助，在林務局屏東林管處所轄的高雄六龜工作站苗圃，以及鄰近的扇平坡崁等小花蔓澤蘭叢生的地方，釋放繁殖的銹病菌接種源。釋放銹病菌天敵後，於 2008 年 6 ~ 11 月間，每個月進行追蹤調查，觀察野生的小花蔓澤蘭的葉、葉柄、藤蔓是否已被所釋放的銹病菌侵染，並追蹤評估病勢進展。若鄰近植被呈現疑似銹病菌感染的病斑時，也鏡檢驗證它的屬性。 天敵族群建立評估 歷經幾個月的調查，證實釋放銹病菌 1 個月後，六龜、扇平兩處的野生小花蔓澤蘭的葉片、葉柄已被銹病菌天敵所侵染，並產生典型的病徵。其後，隨著梅雨季的來臨，在適宜的溫、濕度和飛濺雨、氣流的協助傳播下，罹患釋放的銹病菌天敵而產生的病灶，就逐漸增多而易於發現。 感染的葉片常有畸形、變小、脫落的情形，而藤蔓被感染也膨大呈紅棕色、生長點死亡。坡崁下方約 10 公尺隔一馬路邊坡的小花葉片下表面，也發現有小型紅色病斑，切片鏡檢也確認是銹病菌天敵所致。坡崁鄰近的路旁斜坡 40 ~ 50 公尺處，也有不少小花漫澤蘭蔓延生長，因地形過於陡峭，不適攀爬觀察，所以無從判斷是否也被銹病菌天敵所感染。結果顯示，基改溫室所繁殖的銹病菌天敵可以感染野生的小花漫澤蘭，產生典型病灶，再生冬孢子堆、冬孢子、擔孢子為接種源，進行重複感染。 野外銹病菌寄主專一性追蹤、評估 釋放處鄰近植被的後續長期監測，是為了了解所釋放的銹病菌天敵的專一性，以及是否會侵染其他非目標的植被。監測顯示釋放處周遭，尤其是坡崁，不少種類的雜草，如串鼻龍、針刺草、咸豐草等，也常被銹病菌所感染。但罹病組織經徒手切片、鏡檢所顯示的銹子腔、夏孢子堆、冬孢子等特徵，卻和所釋放的銹病菌有所不同。 侵染其他雜草的銹病菌，有些是 Puccinia 屬，有些則否。至於牠真正的屬性，則會配合病徵、病灶、病原的微細形態構造特徵，以及 rDNA 的核酸序列比對 NCBI 基因資料庫的既有資料後，再做最後確認。追蹤監測再度顯示這次釋放的銹病菌天敵，極具寄主專一性，結果和亞蔬基因溫室所進行的寄主範圍、病原性測定結果吻合。 展望 由英國聯邦國際農業總署引入原產於南美厄瓜多爾，可以侵染原產地的小花蔓澤蘭的銹病菌天敵，並在亞洲世界蔬菜研究發展中心的基改溫室，以小花蔓澤蘭幼苗做為寄主繁殖這種銹病菌天敵。這種天敵經行政院農委會動植物防疫檢疫局專家會議審查，於 2008 年 1 月 10 日核准在和外界隔離的地區釋放。 2008 年 5 月上旬，在行政院林務局屏東林管處、高雄工作站的苗圃，以及鄰近的扇平坡崁，以感染的盆苗當作接種源，以靠接野生的小花蔓澤蘭的方式釋放這種銹病菌天敵。2008 年 6 ~ 11 月間的連續追蹤觀察，證實這種銹病菌天敵可感染野生的小花蔓澤蘭的葉片、葉柄、藤蔓，並產生典型病斑，可偵測到的擴散面積至少已達 10 平方公尺左右。 有鑒於這種小花蔓澤蘭的銹病菌是短周期的銹病菌，生活史中只具冬孢子，以及牠產生的擔孢子，傳播速率較慢，傳播距離較短，未來在中、南、東部釋放這種天敵時，應多點、多次釋放，以及改以高架高掛多盆接種源的方式釋放。這次釋放處鄰近的雜草如串鼻龍、針刺草、咸豐草等，也發現被銹病菌感染，但鏡檢證實是被其他屬種的本土原生的銹病菌所感染，再度證實小花蔓澤蘭的銹病菌天敵的寄主專一性。 此外，在執行後續的實驗計畫時，應取得本國植物分類專家學者的協助或合作，設立永久性樣區，共同長期監測、調查天敵釋放點鄰近植被的多樣性，以及釋放前後小花蔓澤蘭的消長，包括葉、藤蔓、乾重量、種子數量等資料。有鑑於執行防檢業務相關人員或一般大眾對古典生物防治的相關資訊並不十分熟悉，應舉辦講習會、研習會以推廣和加深國人這方面的相關知識或技藝。希望在執行第二階段的防治後，可以明顯抑制入侵的小花蔓澤蘭，降低它的族群密度及恢復本土生態系的永續平衡。

世間的精靈–昆蟲:蟲癭–昆蟲與植物共舞

你我都曾吃過癭 癭 (gall) 是由外來生物刺激植物所引起的不正常生長，相信對許多人而言相當陌生。但如果您知道自己曾經吃過癭，想必相當驚訝！其實，每逢中秋節許多人常拿來烤著吃，或是日常當蔬菜來炒的筊白筍就是一種癭！它是由菰黑穗菌感染禾本科植物所引起的真菌癭，如果植株沒有感染，只會像稻稈般細，感染後才會變得肥嫩膨大如筍，早在唐朝時中國人就知道可以拿它來當食用蔬菜了！能夠刺激植物產生癭的生物有昆蟲、梁蜱、線蟲、真菌、細菌等，其中由昆蟲引起的癭就稱為蟲癭。「癭」字正確的發音是「一ㄥˇ」, 簡單地就蟲癭來拆字，可以說是「植物生病了，因為有昆蟲寶寶住在裡面」。 蟲癭就像一座由昆蟲操控植物幫它建構的房子，多數蟲癭是由孵化的幼蟲取食所引起的，但有時則是母蟲產卵刺激形成的。然而不論是孩子或媽媽造的癭，住在裡面獲得保護的主要是在幼蟲期，基本上當牠們變為成蟲後，就不再生活在癭裡面了。癭雖然不是昆蟲的專利，然而其他非昆蟲的生物所製造的癭，複雜度與多樣性都遠不及蟲癭。 造癭昆蟲、寄主植物與蟲癭所形成的三角關係，具有相當複雜的交互作用，不論在造癭昆蟲的類別、所利用的植物種類與部位、蟲癭組織的分化情形、造癭者與植物之間在生態上的配合，以及參與蟲癭的其他生物如寄生蜂、客居生物與真菌等之間的互動，在在顯示出蟲癭可謂是昆蟲與植物交互作用的極致表現。 蟲癭長在哪裡 癭因為是長在植物上，從產癭者的角度來看，也可稱它們是植物癭。每種植物上幾乎都可發現蟲癭，從草本到木本、蕨類到維管束植物、闊葉樹到針葉樹、陸生到水生植物、甚至寄生性的植物上都可發現它們的蹤跡。 雖然整體而言，蟲癭廣布在各類群的植物中，但是就每種造癭昆蟲分別來看時，會發現牠們其實是非常挑食的。一種昆蟲通常只在一種植物上造癭，有些則在數種近緣的植物上造癭，僅有少數的例子顯示造癭者會廣泛地利用不同的植物。這種對特定植物的強烈倚賴關係好像寄生者對寄主般，因此我們也稱呼牠們所利用的植物為寄主植物。 造癭昆蟲不僅對植物類別具有專一性，形成蟲癭的位置也經常有偏好。通常一類蟲癭只發生在植物的某一特定部位，葉片上的蟲癭最常見，至於其他部位如枝條、芽、花或根也有蟲癭形成。而在葉片上造癭的，牠的造癭位置也往往是特定的，有些昆蟲只在葉脈上造癭，有些則在脈旁，有些一定長在葉緣，有些則經常在葉肉部分，甚至連長在葉面或葉背上也有固定的傾向。 哪些昆蟲會造癭 造癭的昆蟲廣布在 6 個目，分別是雙翅目、膜翅目、半翅目、纓翅目、鱗翅目與鞘翅目。然而並非各目的成員都是造癭者，每一目中造癭者的比率各有不同，重要的甚至把癭字納入科名中，如雙翅目的癭蚋科與膜翅目的癭蜂科，可見造癭習性在該群的重要性。相對地，鞘翅目與鱗翅目雖是昆蟲綱中種數名列前茅的兩個目，但所包含的造癭種類卻不多，癭的變化也相對較少。 半翅目與纓翅目的造癭者則散布在許多科中，但每一科的造癭者比率又不盡相同。主要原因是各類群的祖先發展出造癭習性的時間不同，如果該科昆蟲還沒分化為許多種以前，其祖先就有造癭習性，後代成員也都承襲這種造癭能力，則目前所見這科成員幾乎都是造癭者，例如癭蜂或榕小蜂等。如果造癭習性在該科昆蟲分化以後才發展出來，則造癭者會局限在一些種類中，例如在木蝨、葉蜂及許多小蜂總科的昆蟲。 此外，寄主範圍的大小也反映出昆蟲與植物的歷史發展關係。例如癭蚋與癭蜂是兩大造癭類群，但是癭蚋的寄主植物範圍相當廣泛，幾乎所有的維管束植物都可以找到癭蚋的蟲癭。而癭蜂利用的植物卻局限在殼斗科與薔薇科的植物，尤其在橡樹上，不論是蟲癭種數與形狀等變化都相當大。這種強烈對比的原因在於癭蚋的祖先很早就在植物的祖先上造癭了，因此當顯花植物大量分化時，牠們也跟著分化。相對地，癭蜂則是在植物分化成不同科後，才到橡樹等植物上取食。 大自然的遺傳工程師 造癭昆蟲在植物上產生原本不存在的蟲癭結構，如果把蟲癭比喻成植物的腫瘤，其實是小看了蟲癭！因為癭不僅僅是植物細胞的增生與增大而已，多數的蟲癭具有高度的組織分化，並形成種類互異的特定外形，常見有圓形、橢圓形、梭形等，而有些有柄，有些具有稜起等。在組織分化上，蟲癭的多層細胞中，通常最內層是營養細胞層，提供內部造癭者營養。緊接著的是木質化的細胞層，形成堅實的保護。最外側則是薄壁細胞層或厚皮層，其內廣布維管束，形成輸送營養的網絡。 蟲癭猶如銅牆鐵壁般把其內的幼蟲團團圍住，活在自製的牢籠裡究竟有甚麼好處呢？就像夏天我們喜歡躲在冷氣房裡避暑一般，生活在惡劣環境中的昆蟲，可以藉由蟲癭獲得多一層的保護，減少水分散失或防止輻射線等傷害。蟲癭還發揮避難所的功能，躲在其中可避免被天敵攻擊，例如有些寄生蜂的產卵管不夠長，就無法突破蟲癭的厚壁將卵產生在癭內的昆蟲上。另外，蟲癭改變了植物組織，也改變了營養物質輸送的流向，讓植物各方的營養匯集於此。 這 3 種情況說明了蟲癭的適應，雖然早期也有人認為蟲癭的形成是植物的一種保護機制，就像珍珠把沙粒包被，不過這種說法比較不被人支持，因為獲利的一方似乎大多是昆蟲。至於相互獲利的情況並不多，造癭在無花果隱頭花序內的榕果小蜂是一例，小蜂雖會取食其寄主的果實，但也是唯一能幫助寄主傳粉的生物。 生活在蟲癭內顯然有許多好處，也因此常常引來不速之客，有的是衝著造癭者而來，例如寄生或捕食的天敵。但前來寄生的天敵也可能引來牠自身的天敵，形成二次寄生或多次寄生的情形。還有針對蟲癭而來的客居生物，牠們在蟲癭還沒完全封閉時跑來加入，因而一併被包含在癭室中，有時與原來造癭的主人和平共存，有時則喧賓奪主，搶奪食物與空間資源，進而導致造癭者死亡。 因此，我們剖開一個蟲癭後所發現的昆蟲，不見得就是造癭者！其間關係複雜，可以涉及好幾層的食物鏈，在一種橡樹癭蜂的蟲癭中，曾有多達六十多種生物的記錄，蟲癭儼如一個小小的群聚。 更複雜的情形是有些造癭者並不是以植物產生的蟲癭組織為食，牠們在蟲室內養真菌，以真菌為食。而這些真菌往往就只長在蟲癭裡，其繁衍也須靠蟲子帶入蟲室內成長，形成互相依存的密切關係。 癭蟲成熟後離開的方式也相當多樣而有趣。具有咀嚼式口器的造癭者，例如癭蜂或葉蜂等，可以自行咬出洞而離開。但僅有刺吸式口器的造癭木蝨，無法咬出洞而離開蟲癭，多數的木蝨蟲癭在成熟時就自動裂開，蟲子因此得以出來。 北美朴樹上的造癭木蝨則很特別，牠們靠自己身體尾部骨化的齒狀結構，搖擺尾部把蟲癭鋸出洞後，再離癭羽化為成蟲。至於口器不發達的癭蚋，也是用鋸的，只是鋸子長在蛹期的頭部，靠兩片邊緣有鋸齒的骨化板片把蟲癭組織切開。這些造癭昆蟲離開蟲癭的方式，真可謂是各顯神通！造癭昆蟲能在適當的時機，在牠所取食或產卵的植物內注入化學物質，讓植物為牠製造出適合自己生存的避難所，這種操縱植物生長發育的能力，堪稱是生物界的遺傳工程師。而為了達到有效的刺激作用，造癭昆蟲在生活史等多方面都須與植物的生長相互配合，二者之間不論在時機上或物質交流上，都有著密切且細緻的交互作用。而其產物 - 蟲癭，可謂是橫跨動植物兩界間生物共舞的極致表現！

你到底講完了沒阿?–談語言中的段落訊號

講演綱要 本演講，馮教授將簡述她帶領的，探討說話中的段落訊號如何為聽者使用的研究，共分四個實驗進行。實驗一與實驗二為一組，分別測試時間向量訊號與段落所在及段落大小之間的關係，所研究的時間訊號包括段落前倒數第一與第二音節的延長，及段落停頓長度對聽者所產生的感知效果。實驗三與實驗四為一組，分別測試音高向量訊號與段落所在及段落大小之間的關係，所研究的音高訊號包括段落前句子之音高及段落後句子之音高上提程度。 結果顯示，時長訊號呈現互補現象。段落前倒數第一音節時長對於指涉段落所在位置較具決定性影響，而段落停頓之長度則與段落大小呈正相關。音高訊號則呈現集中現象。段落所在與大小皆主要以段落後句子上提的程度呈現，與段落前句子的音高較無關係。 講演內容整理 每當觀賞一部外國電影，或無意間在捷運上聽到幾個外國人的談話，不管聽到的是日語、法語、或阿拉伯語，儘管根本不理解這種語言，我們也能大略知道一段話中分成幾句、整段話是不是已經結束。你可曾好奇，人類的語言中埋藏了什麼奧秘，讓我們得以判斷段落所在？語言中，除了字詞與文法結構本身的內涵，每個字的音高與長短其實也傳達了豐富的訊息。馮教授透過研究，分別由語言的表達及理解層面探討語言訊息，結果發現，人類主要透過幾種方式判斷話語的段落。 首先，研究者紀錄實驗參與者看完無聲電影後的談話，從其聲波圖形可以看到，一句話即將結束時，聲音的音節將會延長。句末字音拉得越長，人們越可以輕鬆而快速地判斷，這是一個段落的結束。 就像歌唱的樂句之間需要換氣，說話也是如此，兩個段落之間，語句也會稍稍停頓。當聽到對方的語句出現停頓，我們便能意會：他的表達告一段落，現在是可以回應的時刻。 另外一種實驗，則請實驗參與者聆聽一連串無意義的語音，若認為語句結束，即刻按鍵反應，藉由改變語音的高低與長短，發掘影響段落判斷的關鍵因素。實驗結果顯示，談話中的音高的上揚或下降，不但能幫助加強語氣，也是塑造語句單位的要素之一，在語言中，兩句話之間的語音高低是不連續的，自然情境下的語言，句子會以低音作結，而下一句的開端音調則會上揚。第二句音調提高愈多、兩段的音高差距愈大，則愈容易辨別出段落。 判斷話語的段落，對於語言發展十分重要。當小嬰兒初出生，面對父母連串的陌生語句，勢必得依靠其他線索，判斷自己什麼時候該回應，進而模仿、學習，建立符合人際互動的語言使用模式。 語言的韻律更可能進一步影響聽者感受，創造出戲劇性的效果。在美國，語言學家發現，歐巴馬的演講具有特別的停頓與延長模式，因而製造出吸引聽眾的韻律感。舞臺劇演員在說話時也誇大了許多日常語言中的微小訊號，才能把強烈的情緒直接表現給觀眾。 由此可見，語言所蘊藏的訊息，絕不只是文字本身的意義。不知不覺間，我們還運用語音的細緻差異，傳達了許許多多複雜的訊息，才得以溝通無礙。 全文轉載自「精神健康基金會」網站:http://brainlohas.pixnet.net/blog/post/27815121 - 你到底講完了沒啊？

人是如何思考的?戴麗娟的非主流歷史道路

休謨 (David Hume) 曾說，追溯人類心智的歷程，是歷史學家的責任，而非編年史學家的工作。身為歷史學家的戴麗娟，自 2001 年由法國返台後，研究範疇雖從法國史逐漸延伸至世界史，但仍始終背負著這十字架，持續追索著人類思考的脈絡。她說:「這種追尋，不只是為了撫觸歷史中曾經存在的那個人或物的容貌與樣態，也希望能藉此窺見寄形於其中的那個時代、那個社會的精神與魂魄。」 多元學習 生長於台北的戴麗娟，坦言自己從小生活順遂，未經大風大浪。雖然非教徒，卻因緣際會進入了教會學校。從小學到中學，她沈浸在多元發展的學習空間裡，藉由聖經的故事，看見了世界有多廣闊，深深體會到教會學校帶給她的不只是智識和宗教，更重要的是多元文化的薰陶。因此，在高中時代，戴麗娟就懂得讓自己過得很多元，她活躍於社團，參與校刊編輯，盡可能嘗試各種學習與事物。 「我從小就對時間造成事物狀態的演變，特別敏銳，也很感興趣，無論是人的改變、街景的變化，或是堆放在家裡的舊雜物，都會讓自己很有感觸。」戴麗娟說，高中時遇到一位很好的歷史老師，她將個人的生命經驗融入教學，使得歷史不再只是課本中的文字敘述，而是栩栩如生的鮮活影像。「這位老師的教學充滿熱情，啟發了包括我在內的許多同學，紛紛對歷史產生極大的興趣。」 進入政治大學歷史系後，戴麗娟不只修習本校的學分，也跑到鄰近的大學去聽課。此外，她還加入話劇社，展開極具創造性的生活。「大一、大二幾乎都窩在話劇社，什麼都學，包括編導、舞台監督、場記，樣樣都做過。」當時，他們演出的話劇，主要是改編自西方的前衛劇作，從中，戴麗娟汲取了不少的人文養分，同時也藉由文學、電影認識了法國，進而對這個國家產生興趣，遂於大三開始學習法語，甚至大學一畢業就決定去法國留學。 法國治學經驗 「去法國，原本只是浪漫的情懷，打算念一、兩年學好法文就回台灣。」孰料，一去就是十一年。戴麗娟表示，本來是要念劇場碩士的，但法國學制很重視學歷，若堅持要念劇場，就必須從大一讀起。考量現實，使她不得不回到歷史領域。然而，在歷經歷史研究的樂趣後，竟對研究工作產生了熱情。完成碩士論文後，她決定再待一年，之後更取得了博士前修階段的文憑。此時，是不是該回台灣？戴麗娟陷入兩難。 「作研究，有點上癮了。老師也覺得我做得不錯。當時若離開法國，感覺像是入寶山，才剛到洞口，還沒進到真正精彩的地方。」因此，戴麗娟決定奮力一搏，留下來繼續攻讀博士學位。而她的博士論文也選擇挑戰一個全然法國背景的題目：法國人類學建制化過程與殖民的關係。她說，困難是一定的，過程雖然辛苦，學到的東西，卻是紮實一輩子受用。 「法國學術訓練重視的是論述的能力，而非考試分數。我在法國共寫了三篇論文，題目雖各不同，但每次都是為了用更大的視野去回答前一個階段還沒解決的疑問。」她表示，法國的歷史研究很注重歷史原始檔案。而他們訓練學生，會期待學生在研修過程中，把相關資料從頭到尾讀過一遍，然後再提出個人的見解，等於是要求學生在這個題目上獨當一面，使之畢業後即可成為這個領域的專家。 戴麗娟完成博士學程後，成為「法國人文學科發展史」與「法國殖民史」雙重領域的專家。對她而言，法國的治學經驗彌足珍貴。因為時至今日，去法國留學仍是非主流的選擇，更何況是當年。「歐洲有豐富文化底藴，而法國思想的人文深度很深，精細度和思辨的複雜度也比較高。所以就連美國也得引進像傅柯 (Michel Foucault)、德希達 (Jacques Derrida) 這樣的哲學家。」而法國經驗也讓戴麗娟擁有和別人不一樣的眼光，她看事情的角度相對比較多元、開放、有彈性，也不容易為主流思想所左右。 限制與開放 去法國前，戴麗娟懷抱的是劇場夢，法國行後，戴麗娟卻成為一名歷史學家。她依舊喜愛劇場，只是，對歷史的研究更抱有一種難以言喻的執著。「作研究最大的挑戰，就是去挖掘別人所未知的領域，或把別人已知的東西，以新的角度再做更透徹的詮釋。」從探索「範圍模糊的知識」變成「大學學科」建制化過程為起點，戴麗娟持續追尋著知識的形態，她不斷追問:「為什麼我們是這樣思考事情的？為什麼那時代的人會把事情組織成那樣的狀態？」 對於自己的研究對象始終以知識份子為主，戴麗娟也曾思索是否要有所突破。但是，她終究意識到–人要有自知之明。「這是一體的兩面，知道自己的限制、弱點，相對的，你就會知道自己可以發揮的強項在哪裡。」她說:「我的生活相對平穩。但有些人的童年卻較顛沛，有朝一日當他成為學者時，也許就容易想為農民、工人等弱勢族群發聲。我既然沒這些背景，也不用去強加正義訴求、或去追求所謂政治正確。重點是讓自己保持開放心態、同理心。跟我較接近的，也許就是這些知識人、文化人。以之為標的作研究，比較不勉強。」 當年，戴麗娟以一個外國人的身份，研究法國歷史，她坦承過程確實辛苦。除了研究回顧、挖掘資料文獻等繁複的工作內容外，最困難的莫過於提出自己的觀點。「選題前，要搜尋很多資料，把談過這個問題的所有資料文獻都看過一遍，這是基礎。之後才能從裡面發現大家所忽略的面向。而你論述的方式，和運用的材料也有很大的關係。即使找到沒人用過的材料，也要對其有相當的敏感度，才能分析它們，不然就可能講出和別人一樣的見解，得到沒有創意的結論。」然而，所謂敏感度是否又和天分有關呢？戴麗娟相信，像傅柯這類成功的學者，是具有天分的。但是，除了天分，仍需要時間去累積經驗，最重要的是，必須要非常「用功」。她說，今年是傅柯逝世三十年，法國有一些紀念他的活動，包括展出他生前的讀書筆記。「傅柯挖掘問題、關照問題的方式，是穿越時代的，而他的論述方式也很具顛覆性。看到法國國家圖書館介紹傅柯的筆記，深深了解為什麼這個人可以寫出那些書。原來，他是這麼的用功。這些筆記，都是他思考的軌跡。」 多年來，戴麗娟撫觸著時間的遺痕，尋索人類思考的脈絡。她說，不管自己身處哪裡，都會注意那個大社會的變化，並且，會希望做當地的題目。所以，無論是現階段在台灣，或是前往美國哈佛燕京學社作訪問學者，她都會盡可能善用當地的歷史資源，進行深入而獨創性的研究。然而，在無涯無際的時間洪流裡，總會有一條細絲，牽繫著她和法國，「如今，不管我做什麼題目，夢裡都會回到那裡，用不同角度反覆去瞭解那個國度，一點一滴，累積著更深的理解。」

遺落的未來–環境荷爾蒙

臺灣人喜好熱食，「外食族」三餐在外，用塑膠袋裝熱食的普及，景觀為全球僅見。滾滾的湯麵、麵線、肉羹，打包裝進塑膠袋、免洗碗，這是臺灣人生活常見一景，但這樣吃會帶來 ­ 什麼問題？研究發現，市面上小吃店、攤販常用來裝熱食的塑膠袋，只要溫度達 60°C 就會溶出環境荷爾蒙 — 鄰苯二甲酸酯 (PAEs)。過去國際研究即顯示，亞洲婦女體內的環境荷爾蒙濃度高於歐美各國；如今本土的研究更進一步指出，國內懷孕婦女尿液的鄰苯二甲酸酯濃度，是美國婦女的 20 倍，這個報告已經敲 ­ 響警鐘，提醒國人不能再忽略環境荷爾蒙對國民健康的危害。化妝品、保養品也是婦女暴露於環境荷爾蒙的一項重要來源，成大環境醫學研究所教授李俊璋調查懷孕婦女尿液中的環境荷爾蒙濃度，發現鄰苯二甲酸酯濃度最高的，是一位擔任美容 ­ 師長達十幾年的女士。這個研究結果雖不能完全證明環境荷爾蒙與某種化妝、保養品有關，但頗具參考價值，顯示化妝和保養品的添加物質有必要進一步調查、管制，甚至推動生活中 ­ 的「環境荷爾蒙清除運動」。即使在短期內無法以法律禁用、限用，但至少要加強檢驗、宣導，並要求廠商正確標示，以目前市面上想買瓶不含壬基酚 (環境荷爾蒙之一) 的洗潔劑，竟然有困難的情況來看，台 ­ 灣的下一代的健康，是無法讓人不擔憂。國科會「臺灣科普傳播事業催生計畫 — 媒體製作」補助慈濟大愛電視臺製作，2008 年 01 月 19 日首播本系列節目每週六晚 09:00 ~ 10:00 於大愛電視臺 (CH09) 播出部分已播畢內容可在本園及《發現》節目 YouTube 頻道重溫

學習外語的訣竅

美國記者、作家艾拉克 (Michael Erard) 大學時主修英文，對語言感興趣，到海外教英文，並報導、寫作。他訪問了許多懂得很多語言的人，以《巴別塔，再見！》(Babel no more , 2012) 一書報導了那些訪談，他的結論值得有志於學習外語的人參考。因為全球化帶來了風險，也帶來了機會；懂得外語的人，比較可能利用那些機會。 所謂懂得很多語言的人，可以拿美國學者赫爾 (Kenneth Locke Hale, 1934-2001) 當例子。他是研究美洲原住民語言的專家，MIT 教授，1990 年當選美國科學院院士，據說懂得 50 種語言。不過，像赫爾這樣的人並不多，而且從來沒有人對他們做過科學研究。 艾拉克發現，懂得許多語言的人即使名符其實，也不可能自然而流利地切換語言；他們能夠自然而流利地切換的語言，不可能超過 5∼6 種。即使如此，那也是很高的成就。有趣的是，他們比較內向而不是外向；他們學習外語，寧願閱讀文字，而不是想找人談話。 有些人提出的理由值得深思，其實我們很少從交談中獲得樂趣，你記得多少令你難忘的交談呢？他們學習外語的動機，不是與人交談，而是吸取蘊藏在文字中的智慧。 另一方面，根據艾拉克，懂得許多語言的人，可能有所謂的語言天分，但是他們不是天才。他們最大的本事是耐煩。學習外語最重要的，不是名師、不是補習班，而是耐煩。反覆練習、大量閱讀都需要耐煩；不耐煩的人學不好外語。

兒童與青少年腦中的語言網絡

講演綱要語意網路的運作，可以透過語言溝通中的意義使用來達成，文字的使用即為一例。使用中文在字形，字音，及字義的處理上，呈現與拼音文字 (例如英文) 不同的方式。這些語言處理上的差異，如何在孩童發展的過程中彰顯出來，使得我們可以理解文化差異如何塑造語言處理的神經機制，以及幫助我們探索語言功能缺陷的孩童的生理基礎。使用功能性磁振造影 (functional magnetic resonance imaging), 心理系周泰立副教授過去的研究發現以英文為母語的孩童，在處理字義時會在右腦半球的前額葉及左腦半球的顳中葉，隨著年齡增加而呈現神經活動增加的現象。以英文為母語的閱讀障礙孩童，在處理字音時會較健康的英文孩童在左腦半球的前額葉，呈現神經活動減弱的現象。臺大團隊近年的研究也發現以中文為母語的孩童，由於中文在字形與字義的對應較英文更為直接，在處理字義時會產生與英文孩童相同及相異的腦區活動，在左腦半球的前額葉及顳中葉兩個區域，隨著年齡的增加，大腦的神經活動也伴隨著增加。以中文為母語的孩童，由於中文的同音字數目較英文來得更多，在處理字音時會較英文孩童在左腦半球的前額葉產生更多的神經活動。語言及發展的神經機制除了在特定的腦區產生特化 (specialization), 也會在不同的腦區之間產生神經活動連結 (connectivity) 的變化。臺大團隊的研究發現中文成人在處理字義時，負責語意提取的左腦半球下額葉至顳中葉，在神經活動的連結上會更活躍；目前則在探索語意發展的變化，是否在不同腦區之間的功能性連結會隨著年齡增加而更緊密。臺大團隊目前採用縱貫式 (longitudinal) 的長期追蹤研究，對於以中文為母語的孩童在神經系統運作的變化，能夠有深入且持續的觀察。目前也強化和臺大總區與臺大醫學院與附設醫院的合作案，對於注意力不足過動症患童 (attention-deficit hyperactivity disorder), 自閉症患童 (autism spectrum disorder), 及精神分裂患者 (schizophrenia) 對應於同齡健康孩童及成人，在結構性與功能性連結的異同，進而瞭解孩童 / 成人的語意網路及對應的神經系統運作之異同。講演內容整理想到「椅子」, 你會想到什麼？心理學家運用「自由聯想」技術，探討人們腦中語言網絡的運作，周泰立教授引研究指出，當人們看到一個字彙:chair (椅子), 大多數人都會連想到 table (茶几)、seat (座位)、sit (坐)、furniture (傢俱) 等與「功能、成份、材質、分類」有關的詞彙，但是，有些人會有與眾不同的反應，天馬行空的聯想可能代表獨特的創意，但也可能反映了具有精神疾患的腦部運作模式。為深入研究人類大腦裡的語言結構，研究者用成對的字彙，讓受試者判斷此兩字的關聯性。結果顯示，人們普遍認為某些字彙具高關聯性 (如刀、劍), 但有些關連性則較低 (如扣、敲)。當實驗者在判讀高關聯字時，大腦左側頂葉較活化，而在遇到低關聯字時，大腦左前額葉卻活化，一般認為，前額葉執行「思考、判斷」的功能，換言之，遇到低關聯字，受試者須多花費心思「判斷」兩字關聯程度。語言運作時，活化的腦區以左腦為主，那是因為人腦有高度的腦側化現象，大多數人的左腦為強勢的心智運作中心。但在某些會發生思考紊亂、語言與社交功能退化的精神疾患如精神分裂症、自閉症患者身上，則發現了不同的活化狀況。研究發現，讓精神分裂症患者接受本文提到的自由聯想測驗時，他們的答題時間較長，且答案往往與眾不同，譬如從 chair (椅子), 聯想到 boy (男孩)、color (顏色)、size (尺寸) 等，作關聯字測驗時，會發現其右腦與左腦活化區對稱處，也會活躍起來。類似現象，也能在自閉症患者身上發現。因此我們可以推敲，語言網絡牽涉到不同腦區的運作，而精神疾病患者的大腦運作也與一般人不同，相關議題還有待進一步探討，除了對人類語言現象的探究，也為病友復健尋求契機。全文轉載自「精神健康基金會」網站：兒童與青少年腦中的語言網絡。

乳癌罹患率的趨勢

4 月 19 日出版的《新英格蘭醫學學報》刊出了一篇研究報告，指出美國婦女罹患乳癌的比率，一反自 1980 年代以來的上升趨勢，最近下降了。研究人員分析美國國家衛生院癌症研究所的全國資料，發現 2003 年比前一年下降了 6.7%,2004 年保持這個幅度，並沒有進一步下降。專家利用回歸分析，發現下降趨勢始於 2002 年年中，到 2003 年年中平緩下來。2004 年與 2003 年相比，沒有什麼變化。但是比較 2004 年與 2001 年的資料，乳癌的年罹患率下降了 8.4%。 可是，只有 50 歲以上的婦女乳癌罹患率下降了 (超過 1 成);50 歲以下的婦女，乳癌罹患率繼續維持 1.3% 的增加趨勢。以類型而言，下降幅度最大的是動情素受體陽性類的乳癌 (專家相信動情素會刺激這類乳癌組織生長、發育), 特別是 50-69 歲的婦女。 是什麼因素促成這個逆轉趨勢的呢？這篇報告的作者認為，2002 年 6 月公布的一個消息可能是最重要的因素。當時美國國家衛生院宣布終止一個大規模的荷爾蒙補充療法 (HRT) 實驗，因為已經蒐集到的證據顯示：荷爾蒙補充療法 (同時服用動情素與黃體素) 會提升婦女罹患乳癌的風險 (見本刊 2002 年 8 月出版的第 356 期)。這個消息披露後，美國使用 HRT 的婦女大幅下降，到了當年年底，已減少了 38%。 2003 年的 HRT 處方只有 2,700 萬份，比 2002 年少了將近 2,000 萬份；2005 年只剩 2003 年的 2∕3。相應地，專家估計，每一年診斷出得了乳癌的婦女減少了 16,000 名。 不過，有些學者不認為乳癌罹患率的遽降趨勢，與停止使用 HRT 有因果關係。耶魯大學醫學院婦產科副教授泰勒 (Hugh S. Taylor) 醫師是生殖內分泌學與不孕症專家，他指出:「即使兩者有因果關係，我們也不該期望在 5 到 10 年內就看得出來。」 5 月初，另一個研究團隊以不同的方法分析了同一批資料，發現美國 45 歲以上婦女的乳癌罹患率，其實在 1998-1999 年就已開始下降。他們指出，那時美國 45 歲以上婦女接受乳房 X 光攝影檢查的比率達到最高峰 (約 7 成), 然後開始微幅逐年下滑。由於乳房 X 光攝影是診斷乳癌的工具，自 1980 年代以來美國婦女的乳癌罹患率不斷上升，可能只是這個診斷工具普及的結果。 另一方面，2002-2003 年，50-74 歲婦女的乳癌罹患率大幅降低，固然可能是停用 HRT 的後果，但是 75 歲已上的婦女也降低了，如何解釋？

PVC的使用風險與控管

今年二月，美國加州大學的 Rochman、Browne 等學者，在 Nature《自然》期刊的文章當中，呼籲各國政府制定政策，強制要求廠商為有毒塑膠加註警語。文中點名的塑膠包括了 PVC、PS、PU 和 PC, 並且估計有毒塑膠約佔總產量的三成。其中，一般認為最「毒」的 PVC, 也就是「聚氯乙烯」, 到底有多大危害？請聽以下科學三分鐘，與您分享：PVC 的使用風險與控管 聚氯乙烯 PVC 這種高分子聚合物，是一種耐酸鹼腐蝕，而且不易燃燒的白色固體。它在歷史上反覆被發現，也就是說，前幾次雖然發現了，卻沒人能找出它的用途。直到 1926 年，科學家才找出加入塑化劑，來軟化 PVC 的加工法，並申請了專利。加了塑化劑的 PVC, 由於可以控制柔軟度，廣泛應用在纜線外皮、塑膠軟鞋、人造皮製作的皮包、皮衣、皮沙發，以及建築、裝潢材料等。因此，PVC 產品除了本身的毒性之外，還有含塑化劑的問題。 聚氯乙烯 PVC 為什麼有毒性呢？首先，所謂的「聚氯乙烯」, 顧名思義，它是由「氯乙烯」的單體聚合而成的。氯乙烯單體是有毒的物質，被國際癌症研究機構分類為 G1 類「肯定致癌」物。在工業生產環境上，如果管理不當而外洩，會對工人的健康造成很大危害。 另外，如果用過的 PVC 沒有經過適當回收，廢棄後進入土壤，會逐漸被雨水沖刷到海裡，經過長久緩慢的過程，可能產生不容易分解的聚氯乙烯小粒子，甚至滲出氯乙烯單體，累積在海洋中，毒害食物鏈的底層。最後，也可能提高人類致癌的風險。 再者，就是用塑化劑 DEHP 軟化 PVC, 所帶來的塑化劑風險。我們常用來包雞湯的保鮮膜，可能含有 PVC, 甚至溶出塑化劑；不肖業者也可能用 PVC 來製作食物的容器，造成風險；而在醫院，也廣泛使用含有 PVC 的軟膠手套、點滴袋及其他軟膠醫療器材，並不容易找到替代的材料。另外，PVC 也被應用在玩具上，可能因為幼兒舔食或觸摸，讓他們不慎攝取到塑化劑。 目前在醫學上已經證實，人類攝取塑化劑 DEHP, 會引發心血管疾病和生殖系統的疾病。另外，PVC 產品當中的氯乙烯成分與安定劑等等，也可能造成肺臟與肝臟的癌症。因此，添加塑化劑 DEHP 的 PVC, 在歐盟等地已經全面限用，並且希望在 2015 年淘汰。以全球的現況來說，目前還是存在著很高的風險，所以我們強烈建議盡量少用 PVC。 總而言之，PVC 的毒性，在生產和廢棄的過程中，都可能影響環境，如果誤用在食品包裝、或被兒童誤食，也有風險。由於 PVC 用途廣泛，比方我們常用的保鮮膜、咖啡杯蓋等，在生活中很容易會接觸到。因此，除了呼籲政府立法規定，強制廠商加註毒性標示以外，也呼籲大家牢記 PVC 的塑膠分類標誌號碼是：3 號，換句話說，當您看到分類標誌號碼為 3 號的塑膠品，就要思考是否使用它，並盡力做好垃圾分類。 建議您，對於含有 PVC 的保鮮膜，不只熱湯、熱食，就連冷盤或水果，都儘量不要用，或儘量改用不含聚氯乙烯 PVC 的產品。另外，也要注意幼兒玩具的成分標示，以免兒童受到 PVC 的危害。 今天的科學關鍵字，就是 聚氯乙烯 PVC 您可以透過這個關鍵字，進一步查詢或做延伸閱讀。 【本單元由行政院國家科學委員會補助製播】

引領閱讀的編排設計

編排設計的概念 編輯或編排的作用，是把傳播者的資訊明確且有效率地傳達給接收者。傳播者經常會面對眾多的接收者與大量的資訊，若把所有的資訊以同等價值出現，接收者會因為無法處理這些混亂的訊息，而接收不到具體且有效的資訊。因此，編輯者應把具有關聯性的資訊加以分類、整理，並依據內容性質，規劃不同的順序與比重，再以對應的字形、色彩等視覺語言，呈現相關的資訊。 廣義的編輯設計，包括電影的影像、音樂的聲音、閱讀的圖文等的組織，相較於強調視覺效果的編排設計，編輯設計著重在內容與視覺的合理安排與個別層面的協調性。而廣義的編排設計，是包括室內裝飾、人機介面與版面配置，包含分類、整合、美化等概念的視覺規畫。 編排設計的條件 我們生活周遭充滿著各種不同的目的訴求、屬性定位、視覺風格，以及厚薄大小、價格不一的各式出版物。做為資訊的接收者，讀者可以自由選擇認同與否，但站在傳播者的立場，不僅要知道出版物的機能與目的，更需要洞悉讀者的視覺心理。編排的具體目的，在於透過有效率地處理字形、色彩、影像、插畫、圖表等版面構成要素，把資訊明確地傳達給接收者。但是明確的資訊未必等同有效果的資訊，因此在彙整資訊時，仍應理解版面的易讀性、識別性、造形性等視覺條件。 易讀性的編排 易讀性是編排的基本條件，為了避免閱讀的視覺抵抗，必須注意文字與文字、文字與圖片之間的合理間隔與對齊方式。長篇大論會降低讀者的閱讀意願，因此編排要把資訊分類並單元化處理，以減少每個視覺區塊的資訊量與閱讀負擔。 其次是安排良好的視覺動線，無論是文字或圖片的配置，縱向編排應是右上到左下，橫式編排則從左上到右下。前者以文藝屬性的內容為主，配合楷體或宋體等古典字形，以傳達正式或傳統意象。後者則以科技屬性的內容為主，配合黑體或圓體等近代字形，以傳達明快或現代意象。明體字形則兼具二者，縱橫於各式編排之中。知識學習的參考書籍與文字資訊量較大的商業或藝文雜誌，為高易讀性編排的代表。 識別性的編排 識別性的高低會影響編排的索引機能。高識別性編排的規劃，需要明確的內容分類與視覺群化，資訊之外的留白空間便成為重要的構成要素。留白不是圖文編排後的剩餘空間，而是等同加入線條、色塊等要素，考量整體效果而營造出來的和緩空間。當留白的比率越高，圖文資訊的版面率相對偏低，視覺效果也會趨於舒朗和緩，詩文類型的版面是其代表。而報導類型的版面，大多充分利用空間，呈現圖文豐富的高版面率。 此外，字形的種類、大小、粗細等差異，或是包圍的框線、分割的線條與襯底的色塊，都是經營識別性編排的視覺要素。強調資訊種類多元的休閒雜誌，以及圖文資訊量均多的電腦雜誌，是高識別性編排的代表。 造形性的編排 造形性是編排的基礎條件，雖然編排首重資訊的整理、傳播等機能，但是造形性卻成為誘導閱讀或增加書籍魅力的間接條件。圖文的編排形式，有些著力於具體內容的文字傳播，有些則採取形象重於文字的設計方法。前者以資訊的告知或曝光度的提升為主，知識性雜誌是其代表。後者則是當資訊類型已具有普遍性，為了進一步創造差異或引發興趣所採取的形式，時尚雜誌是其中的典型。 今日的數位化出版，不但大幅縮短製作時間，也發展出多元的編排技術，再加上流暢的通路，易讀性與識別性已經無法滿足每天接受不同視覺刺激的現代讀者，版面的造形性就成為競爭的利器。當然，規劃妥善的造形性也有助於易讀性與識別性的提升，好的編排設計應該能夠以造形調節的方式，同時兼顧視覺與文字資訊的傳達。 編排設計的素材 具體的設計實務，有些部分可能取決於設計者的經驗或感性。但是出版與編輯畢竟是深耕於文化土壤的人文產業，包括字形、色彩、圖像等構成要素，都具有歷史、文化、生活、心理等層面的意涵，唯有理解這些視覺要素的造形特質，才能無誤地驅使這些構成版面的視覺語言。 字形與編排 文字傳播中的最大變革，莫過於印刷技術的發明與應用。唐朝中後期發明的整版印刷術，成就了宋朝高度的文化發展。初期印刷字形的發展與西方發展頗多類似，多沿用當時最普遍的書寫造形。宋元明清各朝，因應不同的歷史背景、時代需求、製作技術等因素，個別發展出各式的印刷字形。這些字形歷經近代的金屬雕鑄、照相打字後，至今仍然活躍於數位媒體上的古典字形，有宋體、明體、以及完成於清朝前期的楷書。 宋體字形源自於唐代書法的書寫造形，爾後發展為略呈縱長矩形、右側筆畫些微上揚的雕印風格字形。因為宋體字是最早的漢字專業印刷字形，加上纖細的體態，並融合書寫與雕印特質，現今多使用於詩詞文藝等文化性編排。明體字形源自於明朝中葉直追漢唐文藝的復古運動，經由宋體字的模仿與快速雕印，逐漸發展為略呈正方、橫直筆畫整齊的形式化字形。因為明體字的平整方正，呈現客觀的識別性，橫直都適宜，多使用於報章雜誌等一般性編排。 楷體字形源自於清朝前期忠於書寫造形的軟筆系統，經由識別性與易讀性的調整，發展成今日的標楷體。因為楷體字的正確與工整，呈現正式與傳統的意象，多使用於教科書、文學作品等教育或文化性編排。此外，黑體字源自於 20 世紀前期日本模仿西方的無襯線字樣而成。因為現代主義的推波助瀾，呈現冷靜理性的黑體字，被大量使用於科學或設計類別的編排。 在西方世界中，15 世紀谷騰堡發明的活字版印刷術，造就了文藝復興的斐然成果。從當時的 4 種哥德體 (Gothic) 書寫字樣中，谷騰堡選擇了最為工整且易於生產的平整形態。在 15 至 16 世紀文藝復興時期的義大利與法國，復古的古典羅馬字樣 (Old Roman) 則成為主流。 隨著散播的時間、地域與技術的差異，在產業革命時期流行的現代羅馬字樣 (Modern Roman) 之前，17~18 世紀的荷蘭與對岸的英國發展出多樣的過渡期羅馬字樣 (Transition Roman)。19 世紀前後，現代羅馬字樣為了因應經濟競爭帶來的文宣需求，發展為筆畫粗大均一、視覺強烈的埃及字樣 (Slab-serif), 因為當時正值埃及考古熱潮而得名。在進入現代主義全盛的 20 世紀中期之後，去除過剩裝飾的機能主義抬頭，沒有文化負擔的無襯線字樣 (Sans-serif) 成為時代主流。 在編排適性方面，哥德體雖然識別性不佳，但因為是最早的西方印刷字形，其「傳統」的意象多應用於產品標籤、證書等編排，電影中的魔法書就是一例。古羅馬體如同宋體字充滿文藝氣息，多使用於文化性編排。過渡期羅馬體具有地域性的多元風貌，使用於表現文化差異的地方性編排。 現代羅馬體如同明體字，表現大量生產的整齊劃一，多使用於時尚或流行性編排。埃及體的筆畫與襯線都相當明確，常使用於教科書或童話書編排。而無襯線體如同黑體字呈現理性的無機形態，多使用於設計與科技類書籍，或是交通識別系統的編排。 色彩與編排 以文字為主要訴求的書籍，大多在規劃上謹慎地選擇印刷字形與營造留白，期能創造爽朗舒適的視覺空間。近年隨休閒風氣的普及與國際化的影響，圖文並茂且設計精緻的雜誌相繼創刊。這些來自歐美與日本的國際中文版，以及受其影響的本土雜誌，在文字與版面空間的規劃之外，影響視覺效果甚大的色彩更是廣泛應用。 在資訊量繁多的雜誌之中，色彩不僅可以左右版面的意象傳達，更可以色相、明度、彩度與色調的組合方式，發揮其強勢的整合機能。色相是紅、橙、黃等色彩的相貌，明度是色彩的明亮程度，彩度是色彩的鮮豔程度，而色調就是明度與彩度的總合呈現，因為在真實的色彩計畫中，明度與彩度的屬性經常是合併考量的。 以同屬漢字文化圈的日本雜誌為例，如打工訊息雜誌 Arbeit News, 除了以文字標示地名、以數字標示日期外，更輔以色彩表示地區與星期。如此一來，除了統一視覺、增加印象之外，檢索機能也相對提升。又如男性雜誌 Biztage, 屬於擁有共通條件的主調配色調和，上方偏向以黃色色相為支配的「色相主調」配色 (淺黃、深黃、暗黃), 下方是偏向深色色調的「色調主調」配色 (深黃、深橙黃、深橙)。 再看郵購雜誌 Look!s 的編排。上下圖例在初期的視覺效果，都是在大面積的基調色 (主要色) 之上，依不同的意象發展配合色 (點綴色)。上方圖例的基調色 (紫、藍) 與配合色 (紅) 雖然互為鄰接色相，但是色調 (淺、淡、深) 與面積比例的差距較大，因此呈現對比效果，使整體配色產生視覺聚焦的強調效果。 下方圖例雖然五彩繽紛，但卻不失調和，主要歸功於主要色彩的支配。右頁的多彩建立在相同色調 (鮮明) 與鄰接色相 (黃、橙) 的基礎上，左頁則以大面積的相同色相 (紅)、漸層色調 (淡、淺、鮮明) 為基調色，搭配小面積的藍色為配合色，屬於典型的基調配色。 時尚雜誌 Marie Claire 則每個色塊單位都由具融合性的「色相主調」配色 (同一色相、不同色調) 構成，而不同色塊間又以「色調主調」配色 (同一色調、不同色相) 營造協調。 至於 Memo 是一男性居家雜誌，由於訴求對象非常明確，文字的配置與色彩的運用也相對明快。前述各式版面設計所重視的色彩調和，顯然不是 Memo 編輯的主要目的，風格獨樹、個性鮮明才是這類版面的設計意圖。如同各個國家的國旗配色，雖然不容於任何調和理論，但是視覺特徵卻相當明顯。 編排的思考方向 除了字形與色彩之外，圖像也是編排設計中重要的視覺要素。圖像包括輔助文字說明的圖表或圖解、氣氛營造的插畫或照片、引發注意的符號等，因此把字形、色彩、圖像等視覺語言作適當的配置，以營造良好的閱讀空間，就是一般定義的編排設計。 編排與大部分的設計領域相同，不問喜好，只問符合目的與否。有些編排極盡變化之能事，強調版面的風格與視覺效果，有些編排則是退居第二線，忠實輔助主題與內容的傳達。在設計態度上，前者是作品的創作，後者則是內涵的詮釋，入門者大多容易被前者所吸引，在理解編排的機能與目的之後，才會逐漸領略到後者的內斂。畢竟，編排不是單一個人的藝術作品，而是引領大眾閱讀的一種視覺規劃。

化被動為主動-于第圖資長讓科普閱讀登上學習殿堂

上課用的課本總是令人昏昏欲睡的教科書嗎？那就來本趣味十足的科普讀物吧！以往圖書館的藏書總是靜靜躺在書架上等著有緣人來賞識，景文科技大學于第圖資長運用自身圖書資訊管理的專業作為助力，讓對科普有興趣的教師們能夠在課堂上主動推廣科普閱讀，帶領學生進入科學的奇妙世界。 「飛碟早餐」養出對科學的好奇胃口 在開車上班的途中，于圖資長總是會習慣打開廣播收聽唐湘龍所主持的「飛碟早餐」。于圖資長說:「每次科學人雜誌新出版，主持人就會邀請總編李家維教授上節目專訪，雖然對科學沒什麼專長，但每次聽那個訪談都覺得好有意思，總會有” 原來如此” 的領悟，每次就會覺得科學好像沒有這麼難懂。」于圖資長表示她在臺灣師範大學進修博士班時，曾參加過臺師大圖資所及圖書館所合辦的科普講座，邀請到中央研究院李國偉研究員來主講「談科普寫作、出版、與閱讀」。在聽完李教授的分享後，不但減低了過去對於科學的陌生感，反而對推廣科普閱讀產生了興趣與認同。 于圖資長引述臺師大圖書館館長陳昭珍教授曾表示科普閱讀未能受到一般學生的重視，還有多項調查結果顯示除非學科背景為理工科的學生外，絕大多數學生對於科學與科普讀物的接觸明顯較為不足。於是于圖資長也在校內進行調查，意外發現近 95% 的學生表示不知道什麼是「科普」, 也不知道什麼是「科普讀物」。于圖資長認為，一向注重專業技術訓練與養成的技職校院，也應該隨著現今推廣科普閱讀的腳步，積極加強學生對於科普知識的學習與取得，以培育科學的基本素養。 發揮圖資專業 協助教師將科普閱讀融入課程 三年前，景文科大圖書館就開始積極推動教師與學生的自組性讀書會，以及班級導讀會來培養學生閱讀習慣。為了學生們能夠全心於閱讀和討論上，于圖資長開放圖書館具有投影設備的討論小間，讓學生們無須費心找尋適合的讀書會場地，並且讓教師參與讀書會，來為學生們做導讀。而班級導讀會也受到教師和學生們的熱烈迴響。于圖資長將其歸功於資訊服務組黃久華組長及同仁們，由於她們的完善規劃，讓讀書會的推動大獲成功。基於以往讀書會成功的推動經驗，于圖資長便將其運用在科普閱讀的推廣活動上，希望藉此提高技職校院學生對科普的認識與瞭解。 于圖資長說:「本校企管系的張盛華老師，雖然他的背景並非屬科學，但他對於我們推動科普閱讀非常興奮與積極，因其過去對於外星人等事情就非常有興趣，因此不少導讀活動會以該類的書籍 (包含電子書，順便也推廣了本校電子書的使用，一舉二得) 為主。他也很興奮地表示，能讓商科的學生接觸一些科學的故事，開拓學生對生命的體認。」以往有心推廣科普閱讀的教師們總是辛苦地單打獨鬥籌備各項事務。 為了讓教師們能在台上無後顧之憂地盡情講解及引發學生對科普讀物的興趣，于圖資長及圖書館行政團隊支援教師們蒐集館藏科普類實體圖書、多媒體影片及電子書目錄清單，並設計學習反思單表格給學生填寫，以確實落實執行品質。此外還規劃了教師進修課程，讓教師們學習如何將教材及讀書會回饋成果彙編成電子書，掛置於景文的雲端電子書平台，圖書館團隊亦協助將活動成果編製成短片上傳至 youtube 影音平台分享。 景文首建科普閱讀推廣模式 六校館際合作互助互惠 以景文科技大學圖資處為首，協同合作學校包括：臺北城市科技大學、健行科技大學、台南應用科技大學、美和科技大學以及慈濟技術學院共六所技職校院圖書館的館長及館內同仁們，跨校際協同教師融入課程推動科普深耕閱讀。 于圖資長及其團隊首當其衝建立起一個適合圖書館與教師協同推廣科普閱讀的模式，讓教師們在推廣科普閱讀時不會單打獨鬥，能有圖書館行政團隊的協助作後援。而圖書館的豐富資源也能有效地被運用於教學上。「建立模式是繁雜且辛苦的，但一旦模式的流程建立起來，合作的學校就不用再浪費時間重複同樣的事，就能夠將心力放在執行推廣上」。于圖資長期望透過此項科普閱讀計畫的執行，能夠在六所技職校院圖書館的播種下，未來即使沒有經費補助，各校圖書館也能依此模式將科普閱讀推廣繼續發揚光大。 除了讀書會之外，于圖資長舉辦了「閱讀集點樂」活動，鼓勵學生們自發性地借閱書籍及分享閱讀後的心得。接著籌辦了「瘋科普 ̇樂閱讀」巡迴書展，利用經費採購近百本的科普讀物，於六所合作學校輪流展出。讓各校圖書館可配合圖書館週等館內活動來增加科普讀物的曝光率，讓進入圖書館的學生或民眾可以一次覽盡精選出來的科普讀物。對於展出的書籍有興趣的讀者，可以在巡迴書展結束後，利用全國館際圖書互借服務，向景文科大免費申請借閱書籍。 除了讓學生以文字表達閱讀回饋，于圖資長更大膽嘗試舉辦「戀戀科普風，盈盈微電影」微電影跨校徵選活動，並規劃資訊素養系列課程，聘請專業講師來教導學生短片製作方法，期望年輕學子能發揮創意，以影音的方式來表達從科普書籍當中得到的啟發，預期微電影的徵選在今年五月底就能開花結果。 于第 景文科技大學圖資處 圖資長 「技職校院圖書館協同授課教師推廣科普深耕閱讀計畫」計畫主持人 e-mail:tiyu@just.edu.tw 1.「瘋科普 ̇樂閱讀」科普活動計畫網站:http://sciread.just.edu.tw/ 2. 科普深耕閱讀 FB 粉絲團:https://www.facebook.com/sciread?ref=hl

更年期的意義

虎鯨 (Killer Whale) 是海洋掠食動物，獵物是其他鯨豚與海豹等海洋哺乳動物。許多人根據牠的英文俗名叫牠「殺人鯨」, 是天大的誤會。事實上虎鯨並不會主動攻擊人，傷人紀錄很少。 虎鯨引起科學家的興趣，是因為雌虎鯨和女人一樣有更年期：雌虎鯨到了三、四十歲就會停經，然後可以活到 90 歲。而哺乳動物中，其他的長壽物種都是因衰老而停止生育，例如大象可以生到 60 歲以上，鬚鯨 90 歲以上；一旦停止生育，就到了生命的盡頭。演化生物學家對更年期非常感興趣，因為動物成年之後，應該把握活著的每一刻努力生殖。生殖是生物的天命、使命。生命的意義在創造宇宙繼起的生命。人類女性停止生育之後，還能活二、三十年，就「生命的意義」而言，簡直是浪費生命。 關於人類女性更年期的演化功能，目前最流行的是「祖母假說」, 大意是：對人類女性，懷孕、生產、哺乳是身體的沉重負擔；過了 50 歲，這樣的消耗風險更高。因此女性提前停止生育，轉而照顧孩子的子女，才是利用餘生更好的方式。簡單說，帶孫子比生孩子更有利。這個祖母假說還有一些人類學資料支持。 不過，學者仔細盤算後，發現帶孫子的利益似乎彌補不了提前喪失生殖能力的損失。因此英國埃克塞特大學的學者提出了另一個假說，就是「生殖衝突假說」, 主旨是：要是兩代同時生殖下一代，例如母親、女兒同時生育，母女之間就會發生生殖利益的衝突。同一物種同一族群同一遺傳背景，必然有同一需求，而生存資源是有限的，追逐的個體越多，競爭越激烈、也越慘烈，因為都是自己人。 最近埃克塞特的研究團隊利用一個虎鯨的資料庫，計算了母女檔同時生產的風險。那是美國學者對北太平洋海岸海域兩群虎鯨的觀察紀錄，已累積了 43 年，包括 200 頭虎鯨。我們知道，母鯨 15 歲就有生育能力，持續至三、四十歲；然後活到大約 90 歲。 根據這個虎鯨資料庫，如果雌鯨與女兒同時生孩子，母親生的孩子死亡率是女兒生的 1.7 倍。既然自己生的孩子不容易存活，孫子比較容易存活，那麼母親停止生育，專心幫助子女養孩子，就比較有利。因為其他的田野資料顯示，熟年之後的雌性虎鯨是族群的資產，牠們比較可能領導整個群體的覓食行動。 參考資料 Croft, D. P., et al. (2017) Reproductive conflict and the evolution of menopause in killer whales. Current Biology, 27, 298-304. Published online: January 12, 2017.

魚類溝通管道的多樣性

魚類生活在水體中因為水的物理特性，使得祂們演化出許多獨特的感覺系統，才能有效的偵測到同種間、異種間及環境中的訊號以活存。由於魚類是最早生存於地球的脊椎動物，因而祂們所具有的感覺系統，仍可以在人類身上看到相同的器官。魚類演化出內耳及側線，去感知水下的聲音與震動。不少魚類也能藉由發出聲音，達到傳遞訊息的功能。魚類視覺能力會受到棲所深度的影響；甚至在洄游的過程中，也會受到體內賀爾蒙濃度的影響。牠們身上的色彩有偽裝、欺敵甚或廣告的功能。鼻腔內的嗅覺細胞和口器附近 (甚或身上) 的味蕾，則是用來感知水中的化學訊號；有些魚種可分泌費洛蒙或警戒物質，進行種間的溝通，以達到交配或避敵的作用。有些魚種則演化出可被動的偵測生物電場的受器，或主動的發出電流，以便進行種間種內的溝通或攻擊獵物。魚類種類多 (約佔脊椎動物種數一半)、棲息地多樣性，在長遠的天擇機制運作下，演化出多樣化的神經感覺機制，以促進溝通管道的運作。生物多樣性的美妙，可以透過瞭解魚類的感覺神經生理的特性，而加以認識。聽講心得 (撰文 | 周文豪副館長) 感謝嚴宏洋大師帶來的講題「魚類的溝通多樣性」。題目改成「嚴宏洋的溝通多樣性」也合適，他演講的肢體語言特多、表情豐富，又演又講的，堪稱「唱作俱佳」, 儼然名嘴大師。猶記得 E. O. Wilson 于 2007 年獲頒「TED Prize」時，頒獎後給了一個 24 分鐘的演講，我至今未忘他說了一段話:「單單一克的泥土裏就有 6,000 新種細菌，一百億個細菌；那麼一噸沃土就有近四百萬種的細菌。我們要問：那些傢伙到底在裡頭幹嘛？答案是：我們根本不知道。」台灣海域有 3,130 種魚類，約占世界總數的十分之一，物種多樣性奇高。我們同樣要問:「那... 這些傢伙到底在海裡幹嘛？」聽了一席「宏洋」之講，讓我們很輕快、可以不猶豫地回應:「我們知道，牠們一直在海裡『溝通』。」嚴大師真不是蓋的，這位老調皮有令人無法不愛他的特質，他用自己的研究鋪陳這次演講，原汁原味，最是了得。說起「我們每個人體內都有一條魚！」還真有這麼一回事。魚，多樣的溝通方式有聽覺、視覺、嗅覺、味蕾、費洛蒙、側腺、放電等，除了側腺，我們人類也都有了。那您說:「放電呢？」「呵！不是說有的姑娘眼睛會放電嗎？」hmmm... 千萬別跟我老婆說。整理一下演講中魚類的「眼、耳、鼻、舌、身」的溝通特性。眼：不同深度的海域因能到達的光波長不同，生活其中的魚類能夠看到的光色也不相同。有些魚類小時候生活在淺水域，適應紅光環境，長大後移往深處，改適應藍或紫光環境。耳：內耳能感知水下的聲音與震動；有的魚能發音求偶、搶地盤。量音大、頻率低、能持久等要素，可做為求偶搶地盤的輸贏判斷。鼻：外鼻孔就只有嗅覺，並沒有呼吸功能。在迴游的過程中，嗅覺扮演重要的角色，能分辨原棲地的味道；在水產養殖上，可在飼料內加入小卷粉，那是魚類喜歡的味道，能引誘魚來吃，否則飼料白費、血本無歸。舌：魚的舌是個閒差，因為魚的味蕾可分佈到口腔內壁、口的附近、或全身幾處，用來感知水中的化學訊號。身: 1. 身上的色彩有偽裝、欺敵甚至有廣告彰顯的功能；2. 有些魚種可分泌費洛蒙或警戒物質，行種間溝通，具交配或避敵作用。3. 有些魚種會發出電流，或演化出接收生物電場的受器，進行種間、種內溝通或攻擊獵物。嚴大師習得一身武藝，念一口好魚經，曾被延聘到巴拿馬 IATTC 協助養殖上的問題，在那兒黃鰭鮪的幼魚死亡率居高不下。嚴大師受重託，鉅金禮聘飛往解決，一到養殖場，右眼一瞄、左眼一掃，馬上洞悉癥結。他運用幼魚的視覺特性，只換了燈泡改變養殖場的照明波長，就把存活率提升超過八成，真嚴神也！可是嚴神感嘆了，怨說:「我們成了成功的受難者。事情一次解決後，隔年就不再找我們去了，早知道就應該有些謀略，先留一手分幾年完成，可多賺一點...。」顯然他在基礎研究上成功得意，但在應用戰略上失算了，只能怪老頑童本性純真。欸... 這也難能可貴啦。我雞婆地問:「在許多生物族類中，可清理出許多演化適應的戰術 (strategy) 類型，但魚類有沒有戰略 (tactics)?」大師的回應改日再來討論。演講途中，大師要二位學生上台演示，讓二人面對面相隔 3 公尺，一聲令下二人同時前進，當兩人要相碰時，兩人各向一邊閃開，並沒撞上。為什麼沒撞上？我們想像得到，當兩人越走越近時，二人都在注意對方往哪個方向閃，以致於在即將接觸那一刻驟下判斷閃過去了。大師用此演示來說明弱電魚平常以同一頻率放電，可是當兩魚相遇時，放電頻率竟然會錯開，形成一高一低的情形，稱為「避免干擾反應」(Jamming Avoidance Response)。過去我們稱此為「性狀錯位」(Characters displacement) 的例子，發生在族群或相近物種間，演化導致性狀錯位利於資源區隔，但這兒是同種魚個體間的頻率錯位，可避免相互干擾。曾閱讀一則科學報導，說：鳥為何在空中不會相撞？因為基因讓鳥在閃避時都向右，所以面對面而來的二隻鳥各自向右閃而避開了。可是，大師所提的是放電頻率相閃，由誰決定誰往高頻閃誰往低頻閃？如何決定？說實在，這和二人或二鳥「靠左 / 右相閃」是不同的。大師答說，一開始，正面遭遇二魚所發出的頻率確實會上下震盪，不知如何是好，可是過一下子就頻率錯位了。總之，錯位之前會有一段過程，到底在這過程中發生什麼事？令人好奇。有學生舉手發問:「請問魚有沒有『自由意志』。」又是一個大哉問。我大學時老師就提過，就我所知，「人有無自由意志」本身就是一個吵不完的大問題，更不用說「動物」了！演講結束後我遇上該生，我問為何有此一問，你們哲學系不是會討論嗎？他說:「只想聽科學家親口說。」好樣的，這才是求知態度。當「自由」一詞定義多元時，辯論就沒有了結的一天。我用「simple and elegant」的思維，選用 Martin Heisenberg 的觀點來說明。Heisenberg 採用康德的說法：如果一個人出於自願，為其所欲為，就可以稱之「自由行事」。Heisenberg 主張只要人類的適應行為是自發性的，就可視為「自由」。看起來，Heisenberg 主張人有自由意志。行動 (action) 和反應 (reaction) 是 M. Heisenberg 用來論述的兩個詞彙，其區別在於前者不依靠外界的刺激。動物有許多行為模組，根據大腦的反應與隨機變化而被激化。當動物在無心理準備、訊息不明、不及因應之際，就必須找到可供調適的模組。大腦會隨機、持續地被提前激化，或擱置另選模組，直到完成〝反應〞。Heisenberg 強調:「有很多證據顯示，動物的行為不能化約為反應。」他的實驗顯示果蠅會主動產生避開危險的行為，並有穩定的方向感。至於兩隻弱電魚相遇，各自調整脈衝頻率成一高一低，是「自由意志」嗎？恐怕有得聊了。 週末 Let's go! 分享大師視野粉絲專頁

環境與廢棄物(五):世足戰「紗」場 臺灣把廢塑膠變成綠金

新聞報導 2014 世界盃足球賽於巴西舉行，來自世界各國 32 支球隊進行 64 場比賽，角逐冠軍榮耀，我們雖然沒有球隊參加，但並沒有缺席，因為多個國家球員身上穿的球衣，很可能是 MADE IN TAIWAN, 而且是用回收的塑膠容器製造的環保衣。 我國廢容器回收商目前約 290 家，處理業 24 家，包括 PET、PE、PP、PVC、PS 等廢塑膠容器，經過回收分類處理後產出的再生料，可廣泛應用於各種塑膠製品，如 PET 再生料可製成紡織品、PE 再生料可製成工具箱、PP 再生料可製成塑膠棧板，此外，還有假髮、拉鍊、包裝盒、不織布、聚酯布料、衣物、毛毯等。 以寶特瓶為例，8 支回收寶特瓶可製成一件環保球衣，售價上千元。2010 年世界盃足球賽，荷蘭、德國、韓國等九支球隊的運動球衣，就是我國回收寶特瓶製造生產，2014 年世足賽亦然。 以國內最大廢 PET 處理廠亞東創新公司為例，2002 年廢 PET 年處理量為 8 千 2 百公噸，營業額約為 1 億 2 千萬元，歷經技術改進，2013 年廢 PET 年處理量提升為 1 萬 8 千公噸，年營業額逾 5 億 4 千萬元。慈濟回收的寶特瓶所製成的毛毯，在很多災難現場發送，讓受難者感受到無比溫暖。 供應 NIKE 環保球衣原料的遠東新世紀化纖部協理黃全億表示，寶特瓶回收後壓成瓶磚送至工廠，工人將有顏色的瓶身，瓶蓋、標籤篩選去除之後，經過粉碎、清洗、加熱、熔融、抽絲、假撚加工之後，製成服飾用紗，這就是環保衣的原料。 環保衣重量輕，球衣兩面皆有通風區設計，這些通風區是由多達 200 個雷射切割的小洞所構成，使球員上半身保持涼爽舒適。 黃全億表示，這些國際知名品牌業者對品質及生產者要求很高，遠東新世紀取得 GRS (Global Recycle Standard) 及環保標章認證，品質及技術深獲國際肯定。 環保署資源回收管理基金管理委員會執行秘書馬念和表示，我國廢塑膠容器每年回收率約八成，約 19 萬至 20 萬公噸的廢塑膠，回收率相當穩定，經過業者轉換為再生料後價值增加，過去三年分別達到 48 億、43 億、45 億產值，廢塑膠容器變成綠金，也吸引很多國家來臺取經。 看守臺灣協會長期關心廢塑膠容器回收制度，秘書長謝和霖表示，環保署的廢塑膠容器回收再利用變成綠金，這方面的技術發展和世界各國比較，成效不錯，但臺灣很多塑膠製品為一次性使用，用完即丟，所以回收率再高，我們煉油廠的規模並未減少，因此塑膠容器從源頭減量還是比發展再生料重要。 另外，謝和霖強調，環保署目前公告應回收塑膠製品種類太少，譬如塑膠玩具、食品塑膠托盤、包裝用的複合材質塑膠袋，並未回收，形成塑膠製品回收的一大漏洞，環保署應該擴大塑膠製品回收範圍，更有效建立廢塑膠容器的回收制度。 新聞中的環境科學知識: 塑膠或寶特瓶回收的方式有許多種，大致可分為物理方式和化學方式二大類。物理方式指在不改變聚酯性質的條件下將聚酯回收再利用，以寶特瓶為例，先將寶特瓶碎片除濕、乾燥，再送入押出機，熔融押出成為新的回收聚酯粒。相對地，化學法主要利用化學藥劑或高溫高壓的方式，將聚酯分解成原料單體或低分子量的碳氫化合物後，再度產生重聚合反應取得新的回收聚酯產物。在重聚合反應過程中，反應溫度、化學觸媒的添加量及聚酯原料來源的純淨度都會影響重聚合的反應成果。 以化學法將塑膠回收再製成紗，回收的聚酯或寶特瓶片在化纖廠加入色母，經過結晶、乾燥、溶融、過濾後，依照一般的紡絲工程製成聚酯原絲，再經過假撚工程後就成為與一般原生產品無異的加工絲，可以用來織成新的衣物、毛毯等產品。 另根據臺灣紡織協會的研究，聚合原料的品質對聚合物的物性影響甚大，甚至會影響後續工程的進行，例如寶特瓶在回收取得原料的過程中，瓶上的汙染物、雜質未清除乾淨，將會影響瓶片的明亮度及色度，也會影響聚酯的可紡性及其纖維的色相與織物的色彩，因此對原料來源的篩選需慎重進行。而原料品質則可在回收的各階段，包含回收站分類及處理廠清洗、去標籤、分類的過程中進行控管。 此外，若將物理和化學方法進行比較，物理法的製程相對簡單，投資少，對環境的影響也較小，但缺點是熔融過程中會產生低聚合物，影響產品的品質和顏色。化學法的優點是能夠得到相對純淨的 PET 原料，相對地費用也較高，環境危害也較大。 責任編輯：張春炎 | 卓越新聞獎基金會 校編：曾耀寰 | 中央研究院天文所 審校：胡元輝 | 國立中正大學傳播系電訊研究所

溫度決定雌雄!澳洲石龍子的性別決定機制

學名為 Tiliqua nigrolutea 的一種石龍子 鳥類、哺乳類的性別決定機制很簡單，就是性染色體。哺乳類有兩種性染色體，X 及 Y。要是受精卵裡的一對性染色體，分別是 X 及 Y, 就發育成雄性；兩個都是 X 染色體，則是雌性。鳥類也一樣，和哺乳類唯一的差異，就是兩個不一樣的性染色體 (ZW), 決定的是雌性；兩個一樣的性染色體是雄性 (ZZ)。 爬行類的性別決定機制則複雜一些，就是讓環境因素扮演制約的角色。也就是說，環境因素可以否決性染色體，那個環境因素就是溫度。爬行類的胚胎在發育過程中的特定時刻 (不妨稱它為「關鍵期」), 要是卵周圍的氣溫比較低，性染色體就失去了決定性別的權力：基因型是雌性的胚胎會發育成雄性。 簡言之，許多爬行類的性別決定機制有兩套。氣溫正常時，由性染色體決定性別；氣溫不正常時，則由氣溫決定性別。 最近，澳洲的科學家研究澳洲的一種土產蜥蜴，又發現了一種新的性別決定機制。那是一種俗名「石龍子」的蜥蜴。石龍子是蜥蜴中最大的一科，有超過 1,200 個物種。澳洲科學家研究的這種石龍子，是澳洲特有種，生活在澳洲東南及塔斯馬尼亞島。過去這個團隊研究這種石龍子的性別決定機制，已經發現牠們的卵若在低溫環境中孵化，雌性胚胎會變成雄性，身體只有雄性生殖器官。他們在 2002 年發表了這個發現。 那時研究人員也注意到，凡是孵出雌性的卵，都比較重一些；孵出雄性的卵比較輕。當年研究人員並不清楚這個觀察的意義，現在他們終於以實驗發現了關鍵線索，可能是解開「卵的重量與性別的關係」這個謎團的鑰匙。 研究人員從 130 窩蛋裡收集了 807 個蜥蜴卵，分別秤了重量記錄下來。 首先，他們確定了「重的卵生雌性」是每一窩蛋都有的現象。也就是說，這是每一隻雌蜥蜴都會製造的現象，而不是雌蜥蜴之間的分化 (如有的專門生大的卵，有的專門生小的卵)。原來每一窩蛋裡的卵，大小不等是常態。在同一窩蛋中，重的卵較可能孵出雌性；孵出雄性的卵，總是輕一些。雌雄卵的重量差異不過幾十毫克，研究人員把重量的差異歸結為卵黃量的差異。 接著研究人員把卵分為幾個實驗組，控制組、減卵黃組 (以細針抽出卵黃，平均 37 毫克)、增卵黃組 (以細針注入卵黃，平均 26 毫克)、偽操縱組 (以空針刺入卵黃，不抽出卵黃)。此外，每一窩蛋分為兩組孵化，高溫攝氏 22 度及低溫攝氏 16 度。 結果他們發現，卵在氣溫超過攝氏 20 度的環境中孵化，平均重量較重的一窩蛋，並沒有明確的雌性偏向。而且，高溫組的性比例是一比一，無論操不操控卵黃都一樣。 可是低溫孵化的卵，要是減少卵黃，成為雄性的機率大增；要是增加卵黃，成為雌性的機率大增。 換言之，要是孵化的溫度低，卵黃的多寡成了控制性別的主要機制。至於為什麼，是進一步研究的問題。也許卵黃中含有與性別發育有關的荷爾蒙；荷爾蒙夠多，才能啟動雌性的發育機制。

養兒方知父母恩——雄性小鼠照顧幼鼠的關鍵?

當了爸爸後才學會當爸爸嗎。(圖 / Chris Fleming,flickr) 知名廣告人孫大偉曾創造一句廣為人知的廣告語:「我是當了爸爸後，才學會當爸爸的。」當時這句話讓很多人心有戚戚焉，因而蔚為一陣風潮。女人經歷近 10 個月艱辛的懷孕過程，逐漸可認知到自己即將身兼母職，因此在小孩呱呱墜地前，多少已對成為母親有心理或身體上的準備。 然而男人在生理上沒有辦法經歷這些身體的劇烈轉折，在從男孩轉變為父親的時間點、或生理機制，就留下了一個很大的問號。 以生物學的角度來說，哺乳類動物繁衍下一代的行為中，往往包含一段或長或短的育兒期。在這段時間中，幼兒無法獨力生存，必須依賴父母的哺育和教養才能學會各種生存的技能，以便獨立生活、進而繁衍下一代。而人類在所有哺乳類動物之中，育兒期可說是最長的，而且隨著時代與社會的演變，似乎是越來越長。在這樣的繁衍機制中，父母的對自身親職角色的認知，對孩兒的存活與後續發展便非常重要。 然而，相較於女性有明確的生理改變來促使自己準備成為母親，到底是什麼因素才可以讓男性了解到自己即將成為父親，並展現出照顧的行為？2013 年日本的理研腦科學研究機構發表了一篇神經學研究探討了這個議題，這篇研究是使用小鼠作為研究對象。一般而言，雄性小鼠對陌生幼鼠會出現攻擊的行為，而這種行為非常不利於繁衍。 然而要是讓雄性小鼠和雌性小鼠交配、並在懷孕到分娩之後都與此雌鼠同居，有這種同居經驗的雄鼠在幼鼠出生後，不但不會攻擊幼鼠，他們竟然還會更進一步地開始築巢、或照顧剛出生的幼鼠。也就是說，父職行為的出現與母鼠在懷孕期的共同生活經驗有絕對的關係。 雄鼠嗅覺器官 —— 犁鼻器 可是，會扭轉雄鼠行為的生活經驗是從什麼生理機制來接收呢？這篇研究還發現，犁鼻器對於雄鼠的父職行為中非常關鍵，因為只要破壞這個器官，雄鼠便不會去攻擊自己的親生幼鼠，反而會展現出照顧幼鼠的行為。 犁鼻器是一種嗅覺的輔助器官，它對賀爾蒙等氣味分子很敏感。當雄鼠未曾交配、也不曾和懷孕的母鼠同居，當他們遇到初次見面的幼鼠，幼鼠的氣味經由犁鼻器經入大腦，會使得雄鼠本能地出現攻擊行為。 然而當雄鼠有了交配、同居雌鼠懷孕生產的經驗後，犁鼻器到攻擊行為的神經路徑就會被抑制，雄鼠才能展現親職行為。 而研究者們更發現相應的基因反應，與懷孕的雌鼠同居時，這些嗅覺經驗會關閉特定基因，進而抑制雄鼠的攻擊性，當幼鼠出生後，幼鼠的氣味不會再經由犁鼻器觸發攻擊反應，這些雄鼠便能自然地展現出照顧的行為。 從這個研究看起來，只要抑制了攻擊本能，男性便能自然而然地當個好爸爸。也就是說，只要多照顧懷孕的配偶，就能夠準備好當一位父親了。然而這個研究結論，並不代表人類的親職行為也是由嗅覺所影響。 該研究使用的研究動物是小鼠，對於這種動物來說，為了在黑暗中也能尋找到食物，嗅覺是主要的感覺器官之一。而以現在的研究結果來說，人類身上是否存在犁鼻器、或與之功能對應的器官，還沒有一致的結論。 因此，從這篇研究我們可以確定的是，與懷孕女性同棲的經驗，會使男性理解到自己即將成為父親的事實，而這樣的準備是包含著生理機制的改變。然而經由什麼神經機制使男人開啟或關閉這樣的行為，則還有待研究者進一步探討了。 責任編輯：周成功 | 長庚大學生物醫學系 註解: 1. 理研腦科學研究機構 (RIKEN Brain Science Institute) 2. 犁鼻器 (vomeronasal organ) 參考資料: Tachikawa, K. S., Yoshihara, Y., & Kuroda, K. O. (2013). Behavioral transition from attack to parenting in male mice: a crucial role of the vomeronasal system. Journal of Neuroscience, 33 (12), 5120-5126. doi: 10.1523/JNEUROSCI.2364-12.2013

現代化農業:園產品抗老回春術

乙烯 (Ethylene, 化學式：C2H4 或 H2C=CH2) 的生物合成途徑是由楊祥發博士發現的，一般稱為蛋氨酸循環或楊氏循環。合成乙烯的前體物質是蛋氨酸 (甲硫氨酸), 先轉化為 S - 腺苷蛋氨酸，並在 ACC 合成酶的作用下，生成 1 - 氨基環丙烷 - 1 - 羧酸 (ACC) 及 5'- 甲硫腺苷。5'- 甲硫腺苷可以經過一系列反應再轉化為蛋氨酸形成循環，ACC 則可以與氧氣反應得到乙烯。 目前很多抑制植物成熟的轉基因方法，都是透過抑制 ACC 合成酶的作用產生，也就是透過調控或抑制乙烯的生物合成來控制植物的老化過程，使香蕉皮不再變黃，番茄不會變紅，蘭花花朵不易凋謝。 自然老化的祕密 促使產品老化的乙烯是一種植物荷爾蒙，以氣體狀態存在。植物在逆境時會產生乙烯來調適，後熟性水果在後熟時也會產生大量的乙烯來自我催熟。植物在生長過程中本身就會產生乙烯，也可能碰到外來乙烯氣體而促進老化，尤其是切花類植物如康乃馨、玫瑰等。 乙烯會促使花朵快速萎凋，縮短瓶插壽命。後熟性水果則可使用外來乙烯或類似物質來催熟，控制後熟品質。經由對乙烯的調控，如去除乙烯或使產品對乙烯的敏感性降低，都可有效降低乙烯的不良影響。 乙烯是一種低分子量氣體，會降低觀賞植物產品的品質。常見乙烯為害的徵狀包括：康乃馨的睡眠病，即花瓣向內捲曲，花朵不張開的現象；金魚草花序上小花的散開；荷苞花花瓣的脫落；蘭花萼片的乾枯；盆栽植物葉片的黃化或落葉等。 乙烯的禍害遍及各種植物。在鮮花方面，往往只要有有十億分之三十至六十 (30~60 ppb) 濃度的乙烯，就足以造成產量減少。觀葉植物，雖較鮮花有抵抗力，但也在乙烯濃度達 1.0 ppm 時會受到傷害。 乙烯的來源有數種。幾乎所有的植物都會自行合成乙烯，蔬菜、水果也和花卉一樣會產生乙烯，尤其是成熟的蔬果，因此花卉不宜與蔬果共同貯藏，觀賞植物也不宜與柑桔類共同運輸。患病或受傷的植物產生的乙烯量比健康正常植物高。在城市及附近區域的大氣層中，往往含有足以引起花卉生理病變的乙烯，它的主要來源是各種形式的內燃機或燃燒石油的發熱爐。另外，霓虹燈管漏氣會引起乙烯外洩，在某些情況下，電動馬達或照明設備也可能釋出乙烯。 老化造成損失 水果、蔬菜及花卉屬園產品，園產品的特性是易劣變或腐敗。在已開發國家，園產品採收後的損耗約 10~20 %, 其他國家則高達 20~50 %。造成損耗的原因有環境因素及植物本身的生理劣變，因而加速產品的老化現象。 全球人口不斷增加，造成糧食不足的危機，愈落後的國家愈嚴重，除了生產技術不足，缺乏保鮮處理技術造成採後的大量損失也是重要因素。為了降低損耗或改善品質，園產品採後處理技術的研究成為近年來重要的農業課題。 採後處理技術的改良使園產品能抗老回春，而有較佳的保鮮貯運期。國內已有許多農產品因採後處理技術改良而擴展外銷及改善市場到貨品質，如結球萵苣、胡蘿蔔外銷預冷保鮮處理，火鶴花、文心蘭、洋桔梗等切花外銷保鮮技術，芒果、木瓜等外銷貯運條件的建立等。 真空預冷保鮮技術 高溫是造成產品老化及腐敗的重要因素，因此溫度管理是農產品保鮮的基本手段。大多數產品可使用低溫保鮮，低溫可抑制乙烯作用而延緩老化，降低蒸散作用而減少因失水導致失去外觀品質，以及抑制病原菌生長而減緩腐爛。但外銷時，短時間內要使大量產品降溫並不容易，需有特殊的技術及設備。 產品在運輸或貯藏前，在短時間內使大量產品降溫的技術稱作預冷保鮮技術。一般要使產品降溫，最先想到的是放入冰箱或冷藏庫中。但使用冷空氣降溫速度慢，尤其結球型葉菜類，靠熱傳導使產品中心降到接近攝氏 0 度要數小時到 1、2 天的時間，而產品新鮮度往往在降溫過程中已降低。 歐美、日本等國家早先就有一種方法使農產品快速均勻降溫，稱為真空預冷。就是把產品放置在可耐低壓並配置真空幫浦的真空槽中，啟動真空幫浦使真空槽減壓。由於壓力降低時水的沸點也會降低，當壓力由 760 torr (1 torr 是 1 個標準大氣壓的 760 分之 1) 降至 4.7 torr 時，水的沸點會降至攝氏 0 度，也使得產品表面的水分會不斷蒸發直到產品溫度達到攝氏 0 度。通常攝氏 30 度左右的產品會在 20 分鐘內降至 0 度，且內外均勻降溫。 臺灣農產品外銷時，最缺乏的是大型低溫集貨處理場。為解決降溫問題，便引進真空預冷技術，並自行開發商業應用設備，產品在包裝後裝櫃前，採用真空預冷設備預冷保鮮。預冷機每次處理量是 4~6 棧板，每 2 小時可預冷一個 40 英尺貨櫃量，一臺中型真空預冷機每天最高可處理 6~10 櫃。由於預冷保鮮技術改進，使國產結球萵苣的市場到貨品質優於美國。自 2001 年起開始外銷，至 2012 年外銷量已達 8,311 公噸，外銷期達半年，外銷值達 2 億 3 千萬元。主要外銷國是日本，占 69 %, 其次是新加坡、韓國等。 抗老激素的應用 臺灣屬熱帶及亞熱帶地區，很適合火鶴花的栽培。1999 年起，臺灣由荷蘭引入多色系的火鶴花新品種生產切花外銷，13 年後外銷日本年達 1,500 萬支，占日本市場的 89.6 %。 火鶴花產業的發展並不是一開始就很順利，業者在種植新引入的品種後，發現瓶插壽命較原有紅色的丘比特品種短，無法長途運輸，當初要外銷日本的夢想可能因而無法實現。 後來，採後處理的專家研究並建立一套外銷處理標準流程，包含適當採收方式，全程用消毒水進行衛生品管，再用抑菌劑保鮮套管運輸。在包裝前噴上具有保鮮效果的 BA 生長激素，能使已經略顯黃化的花序轉為新鮮的綠色，切花貯運期也由 7 天延長至 21 天。業者稱這是回春效果，含有 BA 生長激素的保鮮液則稱為回春液或青春液。這生長激素濃度很低，成本不高，保鮮效果明顯，切花外銷量因而不斷衝高。 抗老保鮮劑 文心蘭開黃色小花，花朵頗似穿著膨鬆舞裙迎風招展婆娑起舞的女郎，因此又稱為跳舞蘭。切花主要外銷日本，但長途運輸中會碰到由乙烯引起的落花問題。由於花朵分岔多，包裝時多少會受傷而誘發乙烯，使花朵離層掉落。為克服乙烯的不良影響，研究人員採用乙烯作用抑制劑來改善。 1966 年，美國 Sisler 實驗室發現一些環丙烯類具有很強的乙烯抑制作用，其中以 1 - 甲基環丙烯 (1-methylcyclopropene, 1-MCP) 效果最穩定，美國環保署也確認它對人畜及環境無害。 1-MCP 對乙烯是一種競爭性抑制劑，經 1-MCP 處理的產品會失去對乙烯的敏感性，後熟性水果會暫時失去後熟能力，蔬菜黃化情形會受到抑制，花朵老化也會減緩，保鮮效果在攝氏 24 度下長達 12~15 日。1-MCP 在常溫下是氣體，因此處理園產品時，需有密閉的設備，在溫控下以燻蒸方式處理。 文心蘭切花採收分級後，包裝前進入冷藏庫中以 1-MCP 氣體燻蒸處理，可以有效延長切花貯運壽命。經處理後的切花以海運 (9 天) 外銷日本，較空運 (4 天) 未處理有更長的瓶插壽命。由於保鮮技術的提升，產品由空運改為海運，成本降低一半以上。在競爭力提升下，外銷量不斷擴增，2012 年外銷日本達 2,700 萬支，占日本市場的 91.9 %。 另一因抗老回春技術應用成功而攻占日本市場的是洋桔梗切花產業。洋桔梗花形優美、花色多、吸水性佳、瓶插壽命長，發育完全的花蕾也能順利開花。這些特性使得洋桔梗受到消費者的喜愛，尤其在日本。 由於氣候條件的限制，日本的洋桔梗產地在冬季需以溫室加溫才能生產，成本較高。但這時臺灣天然溫度條件正適合其生長，因此 11 月至隔年 3 月是栽培洋桔梗外銷日本的好時機。由於品質受到日本市場的肯定，外銷訂單逐年增加，但外銷量增加後，單價則逐漸降低。為降低成本提高利潤，希望由空運改為海運，但保鮮貯運技術則需要提升。 為確保洋桔梗切花海運外銷的新鮮度，採後的處理流程主要分為 3 部分。首先，加強溫度管理，田間採收時應避免田間熱，勿曝曬於高溫中，並儘快送到空調集貨場分級包裝，再置於攝氏 5 度的冷藏庫中預冷。其次，把切花基部放在含糖及抑菌劑的保鮮液中保鮮，運輸時則不再使用保鮮套管。再次，於攝氏 20~25 度下以乙烯作用抑制劑 1-MCP 燻蒸處理 4 小時。洋桔梗切花經以上保鮮技術處理後，2012 年外銷日本達 884 萬支，占日本進口量的 95.85 %。 保鮮技術改進為先 自從解開使植物老化的乙烯生物合成祕密後，對植物老化機制及其調控的研究獲得重大的進展，也逐漸應用在園產品的保鮮技術上。例如使用最佳的溫度管理技術降低產品對乙烯的敏感性，以乙烯拮抗生長激素 BA 促進花卉的新鮮度，使用乙烯作用抑制劑 1-MCP 去除乙烯的不良影響，延長切花瓶插壽命等。 產品在良好的保鮮技術下，得以延長貯運期、降低運輸成本、提高品質，使農產品外銷競爭力大大提升，創造具有國際競爭力的農產業。相信未來對農產品保鮮技術的深入研究，能創造更多新興的國際產業。

研究人員的性別可能影響實驗鼠的疼痛反應?

研究人員的性別會影響動物實驗結果。(圖片來源：種子發) 加拿大麥基爾大學神經科學講座教授莫及爾 (Jeffrey Mogil) 的團隊發現，研究人員的性別會影響老鼠的疼痛反應。 他們以小鼠、大鼠做實驗，得到同樣的結果。實驗分兩個步驟。首先，在老鼠腳踝注射化學物質誘發疼痛，並以攝影機拍攝老鼠的反應。然後，對待老鼠的方式分 3 種：一、老鼠單獨在實驗室裡；二、女性研究人員作陪；三、男性研究人員作陪。結果：男性作陪時，老鼠的疼痛反應較不明顯。 進一步的實驗證明，男性研究人員不必待在實驗室中也有同樣的「鎮痛」效果。拿前一天晚上睡覺時穿過的棉汗衫，或是沾有腋下分泌物的紗布，都成。事實上，不止男人有這種影響力，雄性狗、貓、老鼠睡過的墊子也有效果。推測都是雄性荷爾蒙作祟。有趣的是：在一件男性汗衫旁邊擺一件女性汗衫，就能抵銷男性汗衫的影響力。 為什麼？老鼠真的不覺得疼痛嗎？於是莫及爾測量老鼠血液中的壓力荷爾蒙濃度，結論是：老鼠是被雄性動物嚇得不覺得疼痛。 這個發現很重要，因為生物醫學領域的女性研究員特別多，而動物身體的壓力反應會影響許多生理機能。在科學實驗中，控制變數是成敗關鍵。有時一個實驗結果公布了，其他實驗室卻無法複製，我們就必須注意實驗情境是否完全一樣。 參考資料 Sorge‭, ‬R. E‭. ‬et al‭. (‬2014‭) ‬Olfactory exposure to males‭, ‬including men‭, ‬causes stress and related analgesia in rodents‭. ‬Nature Methods‭, ‬doi ‭:‬ 10.1038 ‭/‬ nmeth.2935‭.‬

停經怎麼辦?荷爾蒙不是抗老仙丹

女性生殖系統圖示。 美國最大規模的實驗顯示，荷爾蒙不是抗老仙丹。 美國國家衛生院進行的荷爾蒙補充療法 (hormon replacement therapy,HRT) 實驗，本來預定 2005 年結束，結果在今年 7 月 9 日突然叫停，理由是服用動情素與黃體素的停經婦女，罹患乳癌的風險會升高 26%。 由於惠氏藥廠是美國市場主要的 HRT 荷爾蒙供應者，這個消息立刻使股票大跌 1/4。去年，惠氏藥廠銷售 HRT 荷爾蒙，營業額達 20 億 7 千萬美金。 我們究竟應該怎樣解讀這個消息？最重要的當然是事實，美國國家衛生院認為這個實驗必須立刻停止，是因為併用動情素與黃體素的停經婦女 乳癌風險增加了 26% 中風的風險增加了 41% 心臟病的風險增加了 29% 腿與肺出現血栓的風險增加了一倍 但是補充女性荷爾蒙也有好處，就是 直腸癌風險降低了 37% 髖關節骨折的風險降低了 34% 全身骨折的風險降低了 24% 因此，美國國家衛生院對停經婦女的建議是，要是妳想補充荷爾蒙，而且要併用動情素與黃體素，妳必須知道..(1) 這個處方不是用來防止心臟病的。婦女必須找醫生諮商，尋找其他的預防方法，例如改變生活形態，或使用降膽固醇、降血壓的藥物。 (2) 為了預防骨質疏鬆，婦女應該與醫生諮商，評估得失。事實上，還有其他的方法可以預防骨質疏鬆與骨折。(3) 婦女應定期檢查乳房。 (4) 這個研究的目的不是短期風險，婦女為了減輕停經症狀而短期服用，也許收益大於風險。婦女應與醫師討論這方面的問題。 不過，雖然我們常聽說「數字會說話」, 數字卻未必能把話說清楚。這則消息傳出後，正在服用荷爾蒙的停經婦女感到恐慌不說，各界的評論眾說紛紜，徒亂人意，反而讓數字無法呈現真相。我們不如回歸美國國家衛生院的這個實驗，追問為什麼要做這個實驗？預防醫學計畫 婦女健康主動出擊 原來這個實驗是「婦女健康主動出擊」(Women Health Initi-ative) 的子計畫。美國國家衛生院針對停經婦女規劃了一個大規模研究計畫，叫做「婦女健康主動出擊」, 研究造成停經婦女死亡、失能、生活品質下降最常見的原因，以心臟血管疾病、癌症、骨質疏鬆為研究焦點。1991 年，美國國會通過這個計畫的預算，以百萬美元作單位，預定進行 15 年，到 2005 年結束，是美國最大規模的預防醫學研究計畫。 主動出擊計畫分為「臨床實驗 / 觀察研究」、「社區預防研究」兩個部分。臨床實驗除了荷爾蒙補充療法之外，同時還要評估飲食療法與鈣 / 維生素 D 補充療法的療效，分別回答「低脂食物是否能防止乳癌、大腸癌、缺氧性心臟病？」以及「服用鈣片與維生素 D 是否可以防止乳癌、直腸癌？」 這三個臨床實驗一共招募了 16 萬 1,000 位婦女參加，年齡介於 50~79 歲之間。光是招募實驗者，就花了近五年時間。 HRT 實驗在 1998 年正式開始。參與的婦女有 27,000 名，她們分為兩群–有子宮的一群，子宮已切除的是另一群。 HRT 實驗結果。 有子宮的婦女分為實驗組與對照組，實驗組的婦女服用動情素與黃體素，對照組服用安慰丸。不過，所有的婦女都不知道自己究竟服用的是荷爾蒙還是安慰丸。實驗叫停的就是這一群。 子宮已切除的那一群，實驗組的婦女只服用動情素。這一群的實驗仍在進行，也就是說，研究人員還沒有發現值得注意的風險。 關於這個實驗，還有一個重要的事實我們不可忽略，就是實驗組的婦女服用的荷爾蒙是惠氏藥廠出品的，那主要是從馬尿提煉出來的有機荷爾蒙，而不是合成荷爾蒙、或者植物荷爾蒙。美國國家衛生院的解釋是，由於惠氏藥廠生產的女性荷爾蒙銷路最好，因此評估它們的效益 / 風險更為迫切。此外，過去發現女性荷爾蒙會增加乳癌風險的研究，也是以這種類型的荷爾蒙做的實驗。 其實這個實驗滿兩年的時候，婦女健康計畫辦公室發布過訊息，明確指出：服用荷爾蒙的婦女發生心臟病、中風、血栓的病例稍微增加了一些。但是，長期的趨勢仍不清楚。而且實驗組的這些病例數，就比例而言，也比全國性的統計數字低。 去年 6 月，累積的資料仍然呈現同樣的傾向，研究人員開始不太確定這個傾向會成為長期趨勢，還是會減弱、消失？他們認為還無法確實回答「荷爾蒙補充療法是否所失大於所得」, 因此實驗繼續下去。 到了今年五月底，累積的資料讓研究人員覺得實驗組與對照組的差異在統計學上已經達到顯著水準，才決定停止實驗。 我們必須留意的是，從這份 數據，我們不可能做出簡單的結論。任何人說「服用荷爾蒙會得乳癌」, 都是錯誤的。即使不服用荷爾蒙，每一年每一萬人中還是有 30 人罹患乳癌。 另一方面，由於這個實驗的目的是找出長期服用荷爾蒙的效果，而且針對的主要是攸關性命的疾病，因此沒有蒐集短期效果的資料，例如有些婦女報告過補充女性荷爾蒙可以緩解更年期症狀，像是熱潮紅、盜汗等等。 至於其他類型的荷爾蒙，效果是否與動物性荷爾蒙一樣？這個計畫也蒐集了相關資料，但目前尚未完成分析。不過，到了 2005 年整個計畫結束時，一定會公布。 臨床實驗與觀察研究 雌性腹部側剖圖。 正當停經婦女為併用動情素與黃體素的長期後果而擔憂的時候，路透社在 7 月 16 日又從美國芝加哥發出了一則消息，說是停經婦女若是只服用動情素，「20 年後，罹患卵巢癌風險是未使用荷爾蒙療法者的三倍」。 這則消息源自美國醫學會學報 (JAMA) 7 月 17 日刊出的一篇報告，這一期也同時刊載了「婦女健康主動出擊計畫」荷爾蒙補充療法臨床實驗的正式報告。 這篇報告是觀察研究的結果，不是臨床實驗，可是媒體記者並未特別強調。研究人員追蹤了 44,241 位登記參與乳癌防治計畫的婦女，結果在追蹤期間一共發現了 329 名婦女罹患了卵巢癌。研究人員以統計模型分析資料後，發現「服用動情素」是甄別因素。因此「服用動情素」與「罹患卵巢癌」的關連不能說是因果關連。 最重要的是，「婦女健康主動出擊計畫」的動情素臨床實驗仍在進行，因為五年多之後研究人員仍未發現實驗組與對照組有顯著的差異。 事實上，關於停經婦女補充動情素的長期後果，自 1975 年起就有研究報告指出各種健康風險。但是，有些婦女發現補充動情素的確可以緩解更年期症狀，如熱潮紅、盜汗、失眠等。至於更年期症狀的起因，我們目前還不了解。 停經婦女該怎麼辦？首先，絕對不要相信荷爾蒙是「恢復青春」的仙丹。第二，若想控制或緩解更年期症狀，提升生活品質，可以考慮短期服用。不過，服用前應先與醫師討論各種風險因子。

糧農植物基因資源國際條約

糧農植物基因資源國際條約和氣候變化綱要公約 (UNFCCC) 一樣，是聯合國所組織形成的，2001 年成立，2004 年生效。但是 120 個簽約國一直在爭論如何出錢、做什麼事。6 月初，在突尼西亞召開的會議中，有錢的國家終於同意在 5 年內出資 1.16 億美元，成立利益共享基金，展開工作。這個基金的目的是：保存受忽略或沒有充分利用的農作物品種，使它們不至於消失；保存主流農作物的多樣性。挪威、義大利、西班牙、瑞士已經捐了 50 萬美元，這筆錢將用在 11 個項目中。第 1 個項目已經在祕魯展開，就是請當地原住民種植各種馬鈴薯，為全人類照顧世上所有的馬鈴薯品種。他們會在不同海拔高度、不同氣候條件下栽種那些馬鈴薯，萬一世界上任何地方的馬鈴薯生產出了問題，祕魯能立即提供適合的品種取代。 糧農植物基因資源國際條約先前做的另一個工作，是在挪威建一個國際種子儲存庫，2008 年啟用。那裡已經收集了 110 萬個植物品種的種子。無法以這種方式保存的農作物品種，就由利益共享基金去規劃。 馬鈴薯屬於茄科，與旋花科的甘薯 (地瓜) 沒有親緣關係，不過都是美洲的原生物種。1492 年，哥倫布抵達加勒比海，發現甘薯是土著的主食。馬鈴薯原生於南美安底斯山區，直到 16 世紀中，歐洲人才帶回種植。一開始，並不受歡迎。到了 18 世紀，成為窮人缺糧時的主食；19 世紀，成為窮人的日常主食。從 17 世紀末到 1841 年，愛爾蘭人口增加了 9 倍，就是馬鈴薯的功勞。1840 年代，歐洲各地都發生馬鈴薯遭微生物感染而歉收的情事，以愛爾蘭的災情最嚴重，許多人移民美國，最糟的年分一年就達 25 萬人。到了 1851 年，愛爾蘭的人口減少了 1∕4。

RNA的功能

1845 年，愛爾蘭發生「馬鈴薯瘟疫」, 造成嚴重饑荒，因為馬鈴薯是農民的主食。到了 1849 年，直接、間接因而死亡的人數超過 1 百萬，上百萬人移民海外。美國總統歐巴馬的祖先中，就有當年來自愛爾蘭的移民。 當年的禍首是一種類真菌微生物 — 根腐菌 (Phytophthora)。這一屬生物中有許多農作物殺手，牠們是分布廣泛的土壤真菌，會使農作物根部腐爛與潰瘍。現在根腐菌仍然為禍世間，每年 Phytophthora infestans 侵襲馬鈴薯造成的損失高達 60 億美元，Phytophthora sojae 侵襲大豆的損失大約 20 億美元。 最近美國加州大學河濱校區的研究團隊找出了根腐菌致病的分子機制。原來牠們會釋出一種蛋白質，在寄主細胞內抑制「RNA (核醣核酸) 干擾」(RNA silencing) 機制，使寄主無法對付根腐菌，於是根腐菌能夠長驅直入。研究人員發現，許多不同的農作物病原都會使用這一招，包括病毒、細菌及真菌，不只是根腐菌。 什麼是「RNA 干擾」機制呢？關於 RNA 的功能，我們中學就學過分子生物學的「中心教條」: 基因資訊是單向傳遞的，就是從 DNA→RNA→蛋白質。換言之，RNA 扮演的角色是資訊傳遞者。但是科學家已經發現，細胞質中有許多短鏈 RNA 分子能夠打斷基因表現。根腐菌厲害的地方，就是能夠對付農作物用來自衛的短鏈 RNA。

美洲來的窮人救星–馬鈴薯

美國世界史學家威廉。麥克尼爾認為馬鈴薯變成主食使歐洲人口激增，也使其海軍、陸軍人數增加，而能在海外用兵，使數以百萬的歐洲人移民美國與其他地點，他認為馬鈴薯改變了歷史。 高水分利用效率的馬鈴薯 麥特。戴蒙在〈絕地救援〉中扮演植物學家的角色，他受困在火星等待救援，必須在援兵抵達前種植能延續自己生命的食物，劇本選擇了「馬鈴薯」! 為什麼？世界上有四大糧食作物，包括水稻、小麥、玉米與馬鈴薯，劇中的環境限制因子是水分、面積與人工光源，依據 FAO 資料，水稻、小麥、玉米與馬鈴薯的水分生產力分別是 0.5~1.1 Kg∕m3、0.6~1.9 Kg∕m3、1.2~2.3 Kg∕m3 與 6.2~11.6 Kg∕m3 (http://www.fao.org./docrep/006/y4525e/y4525e06.htm), 缺水時當然選水分生產力最高的馬鈴薯。 依據 FAO 2005~2015 年全世界四大作物的單位面積產量，最高是馬鈴薯 (16.69~20.05 公噸∕公頃), 次高是玉米 (4.8~5.57 公噸∕公頃), 第三名是水稻 (4.09~4.54 公噸∕公頃), 最低是小麥 (2.83~3.26 公噸∕公頃), 因此在有限面積下也最好選馬鈴薯。最後是人工光源問題，水稻、小麥與玉米都需在高光強度下才有好的表現，而馬鈴薯原生地在安地斯山，即使在高山寒冷光照不佳下仍能生存，把養分貯在塊莖中，因此當然選能耐低光照強度的馬鈴薯。 馬鈴薯的起源與傳播 馬鈴薯是食用塊莖的作物，原生於南美洲的安地斯山脈，西元前 2,000~3,000 年已栽培，而栽培馬鈴薯的阿爾提普蘭諾 (altiplano) 海拔高度達 12,500 英尺，降雨量少，常年低溫，且日夜溫差大。馬鈴薯能把同化物貯藏在塊莖中，適應惡劣氣候，當地人民把收成的馬鈴薯利用夜間的低溫乾燥變成馬鈴薯乾 (chuño), 放在封閉的地下貯藏室中，可貯放數年不改變其營養價值。 由於食物貯存能力建構，使印加帝國在約西元 100 年建立。而西班牙征服印加時，在波托西 (Potosi) 銀礦採收工人主要的食物就是馬鈴薯乾。把這些財富帶回歐洲後，對世界財富與分配造成很大的影響。 雖然在 1532~1533 年西班牙已經征服印加帝國，但馬鈴薯傳回西班牙約在 1570 年。至於如何傳回西班牙，可能是水手隨手帶回；也可能由南美開船到西班牙航程耗時，合理的食物補給是美洲的主食馬鈴薯與玉米，且馬鈴薯自然休眠可達 2~3 個月，在這期間不冷藏也不會發芽，加上長期食用除供給能量外，其中的維他命 C 可減少壞血病的發生，在主客觀情勢下，便把馬鈴薯由南美帶到了西班牙。 西班牙巴斯克 (Basque) 的漁夫以馬鈴薯做為航程中的食物橫渡大西洋，而巴斯克漁夫會到愛爾蘭西部卸貨與補給，馬鈴薯就順理成章地落地愛爾蘭，成為當地主要糧食。約在 1560 年，西班牙的船把馬鈴薯帶到義大利，剛開始在 Po 河谷的庭院中種植。 在 1567~1609 年期間，西班牙與其原本統治的荷蘭爆發戰爭，西班牙急於把士兵運輸到荷蘭的戰場，但海上被叛軍控制，因此西班牙的阿爾巴公爵 (Duke of Alba) 規劃出「西班牙路」(Spanish Road), 先經由海上到達義大利北部，再由義大利出發越過阿爾卑斯山由陸路經法國的阿爾薩斯、萊茵到達荷蘭戰場。而「西班牙路」不僅是軍事用途，更是商品運輸路線，馬鈴薯也隨著這條路往北傳播種植。 在戰爭期間，穀倉或任何地上能收割的作物會被軍隊搶奪，唯有地下的必須挖掘，軍隊一方面懶得動手，一方面有時間壓力，因此馬鈴薯逐漸變為「西班牙路」沿線農民的作物。只有當他們需要時，才挖出來吃，在亂世中依賴馬鈴薯求生。歐洲當時人口主食依賴穀物免於饑荒，但隨著戰役規模愈來愈大，歐洲軍隊規模從 1450 年開始擴大，而馬鈴薯尚未普遍栽培，因此在大型長期的「30 年戰爭」(The Thirty Years War, 1618−1648) 中，軍隊徵用農村的糧食造成饑荒，加上戰爭的因素，日耳曼各邦國減少了 25~40% 的人口。 18 世紀歐洲的穀類作物生產為了控制雜草，每隔 2~3 年須休耕 1 年，1 年內耕犂田 3~6 次。耕犂使休眠雜草種子發芽，在尚未開花結籽前再犂入田中，確保來年的耕作少雜草。但因雜草種子隨風而來，所以 2~3 年須進行 1 次。馬鈴薯栽培為避免雜草競爭，栽培過程中需要以鋤頭除草，剛好可做為休耕年的作物，馬鈴薯因而成功成為輪作制度的一環。且馬鈴薯每英畝產生的卡路里是穀類的 2~4 倍，可以供養更多人。 在易北河東部會栽培一種生育短的黑麥，但當氣候溼潤時容易感染真菌病害麥角 (ergot), 人食用會降低生育率，產生幻覺，嚴重時死亡。自從改種馬鈴薯，得以改善健康，提高生育率，使德國、波蘭與俄國的勞工增加。19 世紀麵包從未從歐洲日常飲食中消失，但從比利時到俄羅斯的窮人，以馬鈴薯取代麵包成為主食，因為水煮或烤的馬鈴薯較麵包便宜，卻一樣營養，而且不需磨粉、揉、發酵、烤等繁複過程，而單位面積提供的能量是穀類 2~4 倍。 戰爭與饑荒的情仇 由於馬鈴薯對於戰爭時農村人口的重要性，從 1560 年開始栽培面積持續增加。雖然法國在 17 世紀的 Comptế與 Burgundy 議會曾禁止栽培，但為求生，農民還是偷偷種植。 植物學家卡羅盧斯。克盧修思 (Carolus Clusius) 發現馬鈴薯是在 1588 年，13 年後他出版的《Rariorum plantanum historia》提到馬鈴薯在義大利已經普遍栽培，供作人的食物與牲畜的飼料。由這資料推估約在 1560 年義大利開始種馬鈴薯。 比卡羅盧斯。克盧修思更早的紀錄是英國的文獻，在 1580 年英國由法蘭西斯。德瑞克 (Fracis Drake) 繼麥哲倫後完成環球航海，他由南美帶回馬鈴薯，英國的植物學家約翰。傑勒德 (John Gerard) 在他 1597 年出版的《Herball, or General historie of plantes》中描寫馬鈴薯的性狀，並稱它為「potatoes of Virginia」。在 17 世紀，馬鈴薯在愛爾蘭、英國東北部與部分地區種植，做為預防穀類作物失敗的救荒作物，但在大部分歐洲北部馬鈴薯還僅是小規模栽培。 到了 18 世紀，馬鈴薯由花園的園藝作物變為大面積栽培的農藝作物。在 1750 年後，歐洲大陸許多田地轉變為馬鈴薯田，愛爾蘭則是由佃農租小塊農地栽培馬鈴薯，地主主要還是栽培小麥與養牛供應市場。在愛爾蘭 1 英畝的馬鈴薯與 1 頭乳牛，就足夠供應 1 個家庭 1 年所需的食物。如果額外生產的馬鈴薯養 1 隻豬，賣掉豬的錢足夠提供工資、土地租金、衣服與日用品，可見馬鈴薯對愛爾蘭鄉下農人的重要。 在蘇格蘭，1718~1720 年穀物歉收，幸好有燕麥與馬鈴薯而能安度危機。由於馬鈴薯普遍栽培，在 1753 至 1791 年間，愛爾蘭人口增加一倍。至 1845 年晚疫病大發生，造成百分之四十的損失，到了 1846 年，晚疫病更造成馬鈴薯百分之九十的損失，使得饑荒與疾病蔓延。1847 年移民人數增加，接著 1848 與 1849 年晚疫病嚴重，期間死亡人數超過 1 百萬人，移民人數也有 1 百萬人，史稱為「大饑荒」(Great Famine)。一個作物一個病害影響一個國家，也改變了歷史。 馬鈴薯的價值在戰時尤其明顯，普魯士的腓特烈大帝在「奧地利王位繼承戰」(1740−1748) 中體認到馬鈴薯在戰時對小農存活的重要性，因此在 1744 年命令政府繁殖馬鈴薯送給小農並教導其種植，這個措施讓小農在「七年戰爭」(1756−1763) 即在普魯士與歐陸奧地利、法國與俄國強權戰爭中，靠著吃馬鈴薯還能殘活。 奧地利、俄國與法國政府也看到馬鈴薯的價值，開始引導農民種植。法國軍醫安東尼。帕門提耶 (Antoine Parmentier) 在「七年戰爭」中被普魯士軍隊俘虜，監禁期間只有馬鈴薯可以吃，他體認到馬鈴薯的價值，回國後研究馬鈴薯的營養價值並著作宣揚。 他受到法王路易十六的重用，並向法王路易十六推介把藍紫色的馬鈴薯花別在鈕釦上，王后瑪麗。安多奈 (Marie Antonetto) 甚至以馬鈴薯花蕾做為頭飾，把馬鈴薯塑造成上流的時尚作物；另外以馬鈴薯做出 12 道佳肴，宴請知名人士；並且為證明馬鈴薯不會損壞地力，在巴黎市郊兩千畝的砂質荒地種馬鈴薯，白天由 1 位皇家護衛站崗，晚上撤哨，可想而知農人晚上會偷馬鈴薯種植，達到不推自廣的目的。 法國在 1770 到 1840 年期間鼓勵氣候適合種植馬鈴薯的法國北部地區種植，產量由 1815 年的 2 千 1 百萬公石至 1840 年已達 1 億 1 千 7 百萬公石。美國世界史學家威廉。麥克尼爾 (William H. McNeill, 1917−2016) 認為馬鈴薯變成主食使歐洲人口激增，也使其海軍、陸軍人數增加，而能在海外用兵，使數以百萬的歐洲人移民美國與其他地點，他認為馬鈴薯改變了歷史。 馬鈴薯傳入台灣的發展 荷蘭人約翰。斯特勞斯 (John Struysl) 1650 年在台灣的觀察，提到「台灣非常富庶，其中最富庶地區是大肚王國 (the King of Middag, 位於中部), 出產水稻、小麥、大麥...... 薑、糖，許多果樹與水果，包括柑橘、檸檬、香水檸檬、石榴與番石榴，洋香瓜多而且美味，西瓜與南瓜非常好吃而且多汁，此外還有種「馬鈴薯」、甘藍與朝鮮薊 (artichoke)......」因此台灣栽培馬鈴薯可追溯至 17 世紀初期。 而日本人有一說是 1580 年由長崎傳入，另一說在慶長 (1596−1610) 期間由荷蘭人經長崎傳入。中國的最早記載是康熙 39 年 (西元 1700 年) 福建的「松溪縣志」記載馬鈴薯，但有學者認為這應是黃獨 (Disorea bulbifera)。 根據何炳棣歸納 1755~1929 年馬鈴薯在河北 (1 篇) 稱為「土豆」, 湖北 (13 篇) 稱為「洋芋」, 湖南 (3 篇) 稱為「洋芋」, 四川 (17 篇) 稱為「洋芋」、「羊芋」與「陽芋」, 山西 (1 篇) 稱為「陽芋」、「山藥蛋」, 甘肅 (3 篇) 稱為「羊芋」、「土芋」、「土卵」、「土豆」, 福建在 1903~1929 年不同縣誌稱為「馬鈴薯」(2 篇) 與「洋薯」(1 篇)。由不同縣誌看來，馬鈴薯的主要栽培地區也如原產地，在不易有其他穀物生產的山區種植，且具單位面積產量較高的特性，因此能在中國立足。 根據 FAO 2012 年的統計，中國馬鈴薯的總產量 8 千 7 百 26 萬公噸，全世界最高，約為第二名印度的 2 倍 (4 千 1 百 48 萬公噸), 約為第四名美國的 4 倍 (2 千 99 萬公噸)。台灣目前栽培馬鈴薯面積近 5 年 (2011~2015 年) 平均是 2,143 公頃，較 1988~2002 年平均 1,628 公頃略有增加，主要原因是: 馬鈴薯生育期間短 (約 90~110 天) ─ 適合第二期水稻與第一期水稻之間時間並不長的裏作栽培，如歐洲早期馬鈴薯栽培融入其穀類作物的休耕年，台灣的馬鈴薯則成為水稻栽培制度下的裏作蔬菜栽培。它的優點是水稻後旱作的雜草較少，限制則是生育日數以 90~110 天品種較適合，超過的品種較不易接受，而歐美品種有的甚至達 140 天，因而限制了其產量。 健康種薯制度建立 ─ 馬鈴薯以種薯無性繁殖，如果種薯因為感染病毒、青枯病、輪腐病、黑痣病等病害，雖不會全部死亡，但會造成田間生長勢差與缺株，產量逐年下降，稱為「退化」。為預防這種情形，會先找到與確認健康的植株，或利用組織培養配合熱療等措施去除病害建立健康母株，再以組織培養繁殖，前面世代在溫室與網室繁殖，配合檢測建立健康種薯。 或許有人問為什麼不用組織培養的苗直接生產，因為繁殖的倍率低，成本太高，另外組織培養苗的第一代往往只生產出多而小的薯球，並不符合商品規格。此外，繁殖代數太多，易感染病害，各國都是以限制繁殖代數來降低風險，在健康與成本考慮下，一般栽培是繁殖第四代～第六代的薯球供農民種植。台灣目前已建立制度，而且有認證單位，由栽培面積增加，可見制度建全，產業往正面發展。 機械化程度高 ─ 台灣農民的平均年齡高，馬鈴薯作畦、施肥、定植、覆蓋一貫作業的曳引機日益普遍，中耕機也普遍應用，噴藥可以請人代工，採收時已改利用收穫機挖起，但因牽涉選別與捨棄感病薯與破損薯，機械挖起後主要還是靠人採收，但有專業採收集團，不需煩惱。需特別注意的是水分灌溉的時間與量的控制，噴藥的種類與時間的決定，因為省力化，所以種植意願高。 有效萌前殺草劑的使用 ─ 台灣栽培除利用水稻後減少雜草外，與世界先進國家一樣利用滅必淨 (Metribuzin)、施得圃 (Pedimethalin), 配合中耕覆土措施進行雜草控制，幾乎不用再人工除草，因而降低栽培勞力與成本，提高了農民種植的意願。 冷藏庫的應用 ─ 蔬菜有「菜金菜土」的說法，量少貴如金，量多則賤如土，馬鈴薯的供應鏈常自豪不需政府出面補救過量問題，因為台灣本土馬鈴薯在採收後，經冷藏可視情況釋出市場。一般冷藏至每年 6~8 月可以在不影響品質下供應市場，9~12 月初則仍需依賴進口馬鈴薯。 消費人口與習慣的改變 ─ 台灣近年洋芋片的消費量有增無減，雖然有許多人口外移至中國與東南亞，但東南亞也有許多人在台灣工作，而其消費習慣是吃較多的馬鈴薯，市場需求因而提高，使馬鈴薯栽培面積增加。加上氣候變遷，蔬菜價格波動大，馬鈴薯價格較便宜，因而有利於其產業的發展。 但由於水分含量高、檢疫病害問題、單價低、冷藏成本高等因素，馬鈴薯鮮薯較偏向在地化產業，種薯則可能高度競爭，因具有單價高的特性。但從另一角度來看，台灣冬季生產的種薯如果能拓展至中國北方、菲律賓、越南、印尼與泰國的高冷地春至夏季使用，甚至在自然休眠狀況下，不需冷藏可耐 2~3 個月運輸與貯藏後馬上種植，彼此成本都是最低，何嘗不是台灣的另一次機會。 深度閱讀 何炳棣 (民 102) 附錄美洲作物的引進、傳播及對中國糧食生產的影響，摘自:「何炳棣思想制度史論」頁 473-520, 中央研究院、聯經出版事業股份有限公司，台北。 賴瑞、查克曼〔著〕、李以卿〔譯〕(民 99) 馬鈴薯，藍鯨出版，台北。 Cambell, W. (1903) Formosa under the Dutch. pp. 251-257. Kergan Paul , Trench, Trubner & Co. Ltd., London. McNeill, W. (1999) How the potato changed the world’s history. Social Research, 66 (1), 67-83.

經痛有多痛?她的辛苦需要你懂

臨床調查發現，90% 以上的婦女在經前會感受到身心變化，而 30-50% 有輕度或中度的經前症狀，另有 10-20% 女性有經痛的不適症狀，並嚴重影響到家庭功能、人際關係及工作效率等。(圖片來源:shutterstock) 女性加入勞動職場的比率節節上升，台灣從 80 年代的 39% 升高至近幾年之 49.9%, 已與日本之 48.5%、韓國之 49.2% 相當。女性加入勞動市場象徵自主權性提高，但經常面臨職場與家庭的雙重挑戰，易讓女性工作者易忽略自我的健康！因此，在育齡期的女性，最容易出現與月經相關的疾病。 經痛或經期不適就是婦科中最常見的問題，這是職場女性常見的請假原因。臨床調查發現，90% 以上的婦女在經前會感受到身心變化，而 30-50% 有輕度或中度的經前症狀，另有 10-20% 女性有經痛的不適症狀，並嚴重影響到家庭功能、人際關係及工作效率等。 女性加入勞動職場的比率節節上升，從 80 年代的 39% 升高至近幾年之 49.9%, 已與日本之 48.5%、韓國之 49.2% 相當。(圖片來源：撰稿團隊提供) 研究指出，高壓力的、身心疲勞的、精神緊張的、低友善職場環境的 (如：低工作控制權、同事間低社會支持度、較低工作安全感等)、輪班型態的、暴露在有害環境的、寒冷環境的、不健康工作姿勢的工作等，會影響內分泌及易出現經期相關疾病。因此，我國在 2013 年底通過性別工作平等法的修正案，用來保障女性申請生理假的權益。 但生理假對以女性為人力密集的產業上，在人力調度上有影響！有部分主管對女性勞工申請生理假的舉動抱持質疑的態度！造成許多女性勞工最後仍選擇用病假來處理。 女性月經來潮前會出現的各式不適症狀，包含生理上及行為上的症狀，統稱為經前症候群。在身體方面，痛經發生時除了子宮痙孿痛外，常伴隨面色蒼白、冒冷汗、四肢冰冷、感到倦怠、易頭暈及頭痛、腰酸、及乳房脹痛等不適現象。 而經期的疼痛壓力，會導致經痛者腦部旁側和中側額葉之體積萎縮變小，下視丘和中腦皮質變厚。進而造成無法控制脾氣，容易出現憂鬱、暴躁、易怒等情緒。痛經因此影響女性的生活品質，對工作及人際互動亦會造成影響。因此，不適所造成的身心痛苦，可能會影響工作效率。 每個月的經期來臨，對女性是平常又自然的事。但對於經期不適的女性朋友，卻是最難熬的日子。目前改善方法中，常見的止痛藥、熱敷、及飲食療法等。 研究發現，經痛婦女的疼痛問題會影響婦女的希望感！但是，現有的方式僅提供「痛」的感覺做減緩，對經痛的根本問題仍未解決。因而 2015 年最新研究倡導，透過有氧運動方式來改善骨盆腔血液循環，減緩子宮缺血、缺氧等狀況，進而改善經前易產生的不適症狀 (例如疲勞，注意力不集中等)。 瑜珈 (yoga) 源於印度又稱身心運動 (body-mind), 過程中蘊含著心靈的放鬆，對身心健康有正面的效益。瑜珈透過不同體位法、呼吸的配合與意識的集中，讓身心保持在平衡狀態，國內近期的研究倡導有經期不適的女性可參加短期的瑜珈運動來讓自己紓解心理上的緊張與壓力。(圖片來源：撰稿團隊提供) 瑜珈 (yoga) 源於印度，又稱身心運動 (body-mind), 過程中蘊含著心靈的放鬆，對身心健康有正面的效益。瑜珈透過不同體位法、呼吸的配合與意識的集中，讓身心保持在平衡狀態。相同的，國內近期的研究倡導：有經期不適的女性可參加短期的瑜珈運動，來讓紓解心理上的緊張與壓力。因此，國內外學者一致認為，藉由適當運動可有效舒緩經痛。 近幾年，勞工安全研究所與學者積極舉辦職場女性友善的健康促進活動，促使女性更重視健康，及知能提升。將工作場域轉變成為健康的助力，讓職場持續針對女性工作者的特性與需求，建立友善的職場。 事實上，目前國內職場中已有安排以瑜珈為核心的健康促進活動，來減緩女性勞動者在經期不適的狀態。筆者認為，友善的健康職場將可大幅提升工作競爭力。 (感謝科技部補助「新媒體科普傳播：健康醫藥新媒體科普傳播實作計畫 III, MOST 104-2515-S-214-001」。) 責任編輯：蔡夙穎 審校：王英基，黃耿祥

機器能聽懂人說話嗎?

深度學習模型是以類神經網路模擬人類的大腦神經元，使機器得以建立學習的能力。 機器可以聽懂人在說什麼嗎？今日你對智慧型手機或智能音箱下指令，它們如果聽懂的確能夠做出回應 (雖然大都還是很笨拙，常常出錯)。在電影〈雲端情人〉(Her) 中，人工智慧系統莎曼珊 (Samantha) 有迷人的女聲，不僅能幫男主人打理工作，還會和男主人聊天，善解人意又幽默風趣，偶而還會露出自己的喜怒哀樂，讓男主人深深地愛上了它。回視現實，今天的人工智慧和莎曼珊還差了多少呢？本文介紹機器從聽到人說的話以後到做出回應所需要的 4 項關鍵技術：語音辨識、語意理解、語句生成、語音合成，這些技術都是以一種深度學習 (deep learning) 的機器學習方式為基石。深度學習模型是以類神經網路 (artificial neural network) 模擬人類的大腦神經元，使機器得以建立學習的能力。本文不會對深度學習技術作深入的討論，有興趣的讀者可以自行參考〈什麼是深度學習？〉(數理人文期刊第 10 期)。 語音辨識─從訊號到文字 語音辨識的目標是辨識出語音訊號對應的文字，相信讀者對它不會感到陌生，因為這已是智慧型手機必備的功能。然而仔細想想，你會發現語音辨識其實一點都不容易，因為同一句話由不同的人說出，產生的語音訊號固然不同，但同一個人說同一句話，每次的語音訊號也會有差異。 希臘哲人赫拉克利特 (Heraclitus) 就曾說過:「人不會兩次踏進同一條河流。」對此學者的發現，由同一人說 3 次「你好」的語音訊號果然都不相同，因此就算研究人員寫程式告訴機器說，前述 3 句的語音訊號都是「你好」, 要機器記起來，但當第 4 次實驗者說「你好」時，出現的語音訊號仍可能跟前述 3 段訊號不同，導致機器無法辨識。 從上述論點看來，語音辨識果然是難如登天。難怪約翰。羅賓森。皮爾斯 (John Robinson Pierce) 在 1969 年發表的〈語音辨識何去何從 (Whither of Speech Recognition)〉一文中對語音辨識的可能性抱持悲觀的看法，並把語音辨識視為把水變成汽油般的不可能。 前述實驗的 3 段訊號雖然不同，但人腦經仔細觀察下仍應可擷取出它們共通的特徵，因此就算新輸入的語音訊號和前述並不完全相同，但人腦若發現其具有這些特徵，就可以判斷這段訊號是「你好」。這個任務人類大腦執行起來可以很自然不知不覺就達成，但對程式設計師來說，要寫成程式語言讓機器執行是很困難的。 不過深度學習技術解決了這個困難，我們可以讓機器模仿人類大腦的功能，只要蒐集大量的語音訊號和其對應的文字給機器，告訴機器說這些語句是「你好」、這些語句是「大家好」等，機器就可以找出同樣的文字與其對應的語音訊號間的共同處，進而達成語音辨識功能。 有了深度學習技術後，這幾年來語音辨識技術突飛猛進，微軟 (Microsoft) 在 2016 年 10 月率先宣稱，其語音辨識系統已經超越人類，在標準語料庫 Switchboard 上機器的語音辨識錯誤率是 5.8% 左右，人類則是 5.9%(這些和機器較量的人類都不是等閒之輩，他們都是專業的聽寫員)。在隔年的 3 月，IBM 也不甘示弱宣稱其語音辨識系統的錯誤率更優於微軟，達 5.5%(有趣的是，IBM 找來和機器較量的人類比微軟更強，得到 5.1% 的錯誤率，因此 IBM 並沒有宣稱其系統超越人類)。 不過雖然在標準語料庫上機器能和人類並駕齊驅，但並不代表語音辨識這個任務已經解決。事實上在日常生活中，機器聽到的聲音可能有背景雜訊、可能有多人同時說話、說話者和麥克風可能有一段距離，這時機器的語音辨識能力就會遠遜於人類。 在語音辨識技術方面，近年雖已取得重大突破，但是機器的學習方式和人類相比仍然差得很遠。機器通常需要輸入上萬小時的語音和文字的對應關係才能學會語音辨識，也就是說，如果要讓機器學會一種新語言的語音辨識，需要耗費很大的成本蒐集資料、標註資料、教導機器，因此要完成一個語音辨識系統所費不貲。 就算谷歌 (Google) 的語音辨識系統今天已經可以支援上百種的語言，但相較於世界上語言的總數，其所涵蓋的語音總數其實還不到 2%。也就是說，目前僅有少數較多使用者的語言得以有準確的語音辨識系統。 不用人教也能學會語言？人類的小孩到了一個新語言的環境，通常可以在幾乎沒有人教導下就自行學會新的語言，機器能否做到同樣的事情呢？有學者就勾劃出，有一天機器的學習能力或許可以和星際大戰中的機器人 C-3PO 一樣。C-3PO 出廠時並沒有內建伊渥克 (Ewok) 語，但在伊渥克人包圍期間，卻自行學會了這一新的語言。 在臺灣大學語音處理實驗室就進行著這議題的研究，致力於讓機器在沒有人類教導下可學會新語言的語音辨識，這種學習的情境叫做非督導式學習 (unsupervised learning)。機器在日常生活中可以聽到大量語音訊號，但沒有人告訴它這些訊號對應的文字是什麼，對機器來說這些語音訊號就好像是那種加密後的文字，機器必須嘗試破解密碼。例如機器可以在網路上閱讀大量的文章，知道「的」是中文中使用頻率最高的字，那麼語音訊號中最常出現的模式，可能就是對應到「的」。 目前在實驗室中沒有人教導下，給機器新的語言，機器已經可以自行學到 36% 左右的辨識正確率 (音素 (phoneme) 辨識正確率)。雖然離成功還有一段很長的距離，但是這個結果顯示就算沒有人教導，機器還是可以自行學習新語言到一定程度。 語意理解─從文字到語意 把聲音訊號轉成文字，對機器而言，每一個詞彙只是不同的符號罷了，機器並不知道這些符號代表的含意。語意理解的目的則是希望機器可以了解這些符號 (也就是詞彙) 間的關聯性，例如「高興」和「快樂」這兩個符號雖然外觀不同，但其實背後的含意是類似的。 如何讓機器知道某個詞彙所代表的意思呢？透過大量閱讀，機器可以根據詞彙的上下文自動學到詞彙的意思，機器閱讀的文章越多，學習成果就越好。我們嘗試讓機器閱讀大量 PTT 的文章後，機器真的可以學到部分鄉民用語的意思。 當我們要機器找出和「本魯」意思最相近的詞彙時，機器的答案是「小弟」、「小妹」、「敝人」等詞彙 (「本魯」是「本魯蛇」的簡稱，就算你本來不知道「本魯」是什麼意思，看了機器的答案後應該略知一二了)。機器還可以做出簡單的推論，當問機器「魯蛇」之於「loser」, 等於「溫拿」之於什麼，機器的答案會是「winner」。 有了語意理解技術後，我們想知道機器可以聽懂人類的語言到什麼程度。在人類世界中，如果學生想出國留學，要考英文能力檢定，以檢定的結果證明自己的英文能力。因此在臺灣大學語音實驗室我們也讓機器做托福聽力測驗的試題，藉以了解機器可以聽懂人類語言到什麼樣的程度。 在托福聽力測驗中，受試者會先聽一段聲音，內容可能是學校生活對話 (例如某位學生和宿舍管理員討論問題) 或是教授講課的片段，接下來受試者要根據考題，從 4 個選項中選出正確的答案。機器目前的測驗成績最好可以答對 55% 的試題，這遠比隨機猜還要好，不過這樣的英文程度當然還不足以申請美國名校。 機器理解人類語言後，可以對人類生活帶來很大的幫助。例如在 2013 年的電影〈雲端情人〉中的人工智慧莎曼珊就可以幫男主人過濾郵件，並幫忙回覆郵件，而今日谷歌的 gmail 也已經可以做到類似的事情了。 機器從聽到人說一句話到做出回應所需要的 4 項關鍵技術：語音辨識、語意理解、語句生成、語音合成。 語句生成─機器能夠和人對話嗎 當機器能夠聽懂人說話後，有沒有能力自行創造出適當語句來回應呢？如果可以，機器應該就有能力和人聊天了 (今天市面上的語音助理多數都有支援和人對話的功能，但事實上這些語音助理只是根據事先建立好的規則，從資料庫中挑出一則罐頭訊息作為回應，多數市面上的語音助理都還沒有能力自行創造出沒有事先設定好的回應)。 不過要產生一句適當的回應可真不容易，仔細想想當你的朋友對你說:「最近好嗎？」你很自然地會回答:「還不錯。」(而不是回答「我叫小明」) 可是你知道你的大腦已排除了多少不合理的答覆嗎？我們來想想世界上有多少可能的句子吧，以中文為例，一般高中畢業生至少認識 4,000 個中文字，假設一個句子的長度固定是 15 個字 (為了簡化計算，忽略句子長度的變化，因此正文中其實低估了中文句子的數目), 世界上就有 4,000 的 15 次方 (也就是把 4,000 連乘 15 次) 那麼多句子。這個數目有多大呢？大約是 10 的 57 次方，遠超過地球上海洋中水分子的總和。因此要做出正確的回應，這個任務的難度不只是大海撈針而已，而是大海中撈出某個特定的水分子。 但今天我們透過深度學習技術，讓機器在看過大量的電視劇和電影台詞後可以學習人類對話的方式。在給機器一句輸入時，它可以做出回應，雖然機器創造的回應通常是符合文法的，卻往往答非所問。要做到和莎曼珊一樣可以陪伴寂寞的人聊天，還有很長的路要走。 在電影中，莎曼珊有自己的喜怒哀樂，讓男主人跟它互動時，覺得它像是一個真實的人類。在臺灣大學語音處理實驗室，嘗試讓聊天機器人可以自己學會展現不同的情緒，輸入同一句話，在不同情緒設定下機器人就會有不同的答覆。 在初步實驗中，讓機器人可以自動學出正面和負面兩種模式，給予同樣的輸入，正面機器人會給予正面回應，負面機器人則給予負面的回應 (不知道誰會要負面聊天機器人)。以下是實驗室中得到的實際例子 (感謝臺灣大學王耀賢同學提供實驗結果), 聊天機器人的答覆是它自己產生的，而非人類預先設定的。 人類：What do you feel? 正面機器人：I feel good. 負面機器人：I feel so embarrassed. 人類：I love you. 正面機器人：I love you, too! 負面機器人：I am not ready to start a relationship with you. 語音合成─怎麼說一句話 機器可以創造出回應後，還需要進一步以語音合成技術把回應用語音唸出來，例如莎曼珊就有著迷人的女聲。語音辨識是把語音轉為文字，而語音合成正好相反，是把文字轉為語音訊號。今天語音合成也是用深度學習完成的，研究人員只需提供機器大量的文字和對應的語音訊號 (和語音辨識需要的資料一樣), 機器就可以自動學到把一段文字轉為語音訊號唸出來。藉由深度學習的技術，語句中該有的停頓、抑揚頓挫等，機器都可以自動從訓練資料中學得，也能夠控制合成出來的語音特性 (例如男性或女性的聲音)。 機器不只可以合成語音，還可以做語者轉換，也就是把某 A 的聲音轉為某 B 的聲音。這個技術讀者應該不會陌生，這就是柯南用的領結變聲器。通常想要達成語者轉換，需請 A 和 B 至少唸數十句同樣的句子，機器才知道要如何轉換這兩個語者的聲音。也就是說，柯南在用麻醉槍把毛利小五郎迷暈前，必須先拿出一張紙條要求毛利小五郎唸數句指定的句子，這樣等一下機器才知道如何把柯南的聲音轉成毛利小五郎的聲音。這顯然很麻煩，使得過去語者轉換在實際應用上有很大的局限。 不過近來有了新的技術，即生成式對抗網路 (generative adversarial network), 機器只要聽過 A 的聲音，再聽過 B 的聲音，A 和 B 不需唸一樣的句子，甚至 A 和 B 不需要講同樣的語言，機器就可以知道如何把 A 的語音轉成 B 的語音。以下是在實驗室中得到的實際例子 (感謝臺灣大學周儒杰同學提供實驗結果)。 A 是筆者，以下連結是筆者的聲音: http://speech.ee.ntu.edu.tw/~tlkagk/VC_demo/source.wav (筆者用中文說「歡迎加入台大語音處理實驗室」)。 B 是某位外國女性，以下連結是她的聲音: http://speech.ee.ntu.edu.tw/~tlkagk/VC_demo/target.wav (英文)。 機器把筆者的語音轉為外國女性的語音: http://speech.ee.ntu.edu.tw/~tlkagk/VC_demo/source2target.wav (有趣的是機器從來沒有聽過那位外國女性說中文，卻能模仿那位外國女性的聲音用帶有腔調的中文說出「歡迎加入台大語音處理實驗室」)。 有關生成式對抗網路的原理，請參考拙作〈機器透過互相砥礪來學會如何創造 — 對抗式學習〉(科學月刊第 580 期)。 隨著深度學習技術的發展，今天當你對機器說一句話時，機器已經可以辨識出語音訊號背後的文字並理解其語意，甚至機器回應的能力也在進步中，能把回應用語音表達出來。雖然今日機器還不能像科幻電影中的人工智能般和人類自然對話，不過隨著技術的突飛猛進，這樣的情節在日常生活上演應是指日可待的。 註：感謝國家實驗研究院科技研究與資訊中心助理研究員黃意植博士試閱並提供建議。

水產保鮮

你聽見海底傳來的聲音了嗎？噓！讓我們打開耳朵，細細聆聽！來自海洋的聲音。 ● 潛水夫 OS: 哎呀！我是水哥，今天真是忙死人了，早上接到魚大嫂的電話，說神仙魚大哥吃到了不乾淨的食物住進了海底醫院啦！我趕快把東西整理完就要出發去探望他了。 ● 水哥：大嫂，我來看神仙魚大哥了，他還好嗎？● 大嫂：是還好啦！就是吃到了不乾淨的東西，一直拉肚子又吐的，就只好來掛急診，醫生說是輕微的食物中毒，打個點滴就可以回家了。 ● 水哥：呼！還好，害我嚇了一大跳。不過，大哥到底是吃到了什麼不乾淨的東西呀？● 大嫂：就是昨天他跟一群朋友去海產攤喝酒續舊，聊的開心就叫了蝦子來當下酒菜呀！但那蝦子好像不新鮮，吃了沒多久就開始上吐下洩了，真的很糟糕耶！● 水哥：啥？！真是太誇張了！現在都已經有這麼進步的保鮮技術了，怎麼還會把不新鮮的蝦子拿出來給客人吃呢？● 大嫂：黑嘛！像我都知道人類所謂的「保鮮三 C」技術，那就是 Cool - 保鮮、Covered - 包裝，還有 Clean - 清潔，其實海鮮類的東西呀，只要你好好的做到這三個步驟，就會比較新鮮了！● 水哥：唷！看來大嫂你，還滿賢慧的嘛！不過你知道嗎？現在陸地上也有發展出來新的保鮮技術喔！那就是從植物裡面提煉萃取出來物質，而製作成的「錄色保鮮劑」, 非常的天然喔！它可以有效的抑制海鮮的活性，防止蛋白質的變質，讓海鮮可以有更好的保鮮能力，而且連顏色都可以維持的很健康呢！● 大嫂：喔！這麼厲害！好好好！那我等一下就去跟那個餐廳的老闆講一下有這個東西，叫她不要再拿不新鮮的海鮮出來害人了！博士 OS: 又大又深的海洋裡，蘊藏了許多新奇的知識，歡迎您也一起加入城市廣播與科技部的行列，探索更多海洋的奧秘喔！「來自海洋的聲音」第 78 則 城市廣播網製作播出 科技部補助

重現棲地生態–觀賞魚繁養殖技術

觀賞水族以其多樣的種別和品系組成，加上特殊環境造景所呈現的生態景觀，深深吸引愛好者參與投入，並使飼養觀賞水族成為僅次於犬貓以外的第三大寵物市場。過去多由野生採捕或人工養殖供應觀賞水生動植物，近年來為呼應生態環保和動物福利的潮流，已逐漸轉為以繁殖培育的種苗，取代自天然環境採捕的野生個體；加上進步的繁殖科技可選汰並培育多種類品系，讓飼養對象充滿迷人的形質特徵，對觀賞水族的流行更有推波助瀾的功效。 引人入勝的觀賞水族具有多數人難以抗拒的色彩和形態魅力，特別是近年來生態飼養和景觀營造的風氣盛行，藉由一方水族缸模擬雨林或珊瑚礁環境，多能在有限空間中，重現特定物種的微棲地景觀。繁養殖科技的快速發展，不但降低了對自然資源的倚賴，也確保在不影響特定物種、棲地及生態環境下，發展商業性觀賞魚產業，讓普羅大眾實際感受到觀賞水族的特殊魅力。 實際參與觀賞水族飼養活動，或僅藉由參觀水族館或寵物店，感受特定物種和造景所帶給人們的視覺美感和精神放鬆，必定會被水槽中琳瑯滿目的多樣水生動植物所吸引，並對繽紛形態和豔麗色彩、獨特的生態行為、棲地環境，或在適當混養下所呈現出的自然景觀，留下深刻印象。 觀賞水族飼養對象大致可依據棲息水域特性，區分為淡水 (大約 4,000 種) 和海洋性 (大約 1,400 種) 物種。其中不但包括各式水生植栽、脊椎和無脊椎動物，還有由於地理變異和人為改良培育的各種品系，再加上種內的性別特徵和個體差異，讓水族愛好者飼養對象的選擇高達近萬種。 例如一般市場常見的孔雀魚，原是產於千里達的卵胎生花鱂，但目前已成為觀賞水族市場中最常見並廣泛飼養的小型淡水硬骨魚類。雄孔雀魚具有鮮豔體色，標準體長也只不過 2~3 公分，然而經過長時間的選汰和改良，不論在體色、花紋和鰭形上，都有非常特殊的表現；並在不同特徵的搭配組合下，創造出近百種的品系。然而這眾多品系組成的龐大族群，仍僅是四千餘種淡水觀賞魚中的一種。 供應來源 目前有超過 100 個國家從事觀賞性水生生物的採集、繁養殖培育和貿易銷售，活體生物的供應流通除了是產業發展的主軸外，也牽動著觀賞水族的發展和流行趨勢。另外，活體生物也最具技術需求，同時有成本低、附加價值高的優勢。 活體生物有野生採捕和繁養殖培育兩大供應源，種類組成則有狹義和廣義的定義。狹義的觀賞水族活體生物，僅指以水域為主要棲地的各式淡、海水性軟、硬骨魚類、水生植栽和水生無脊椎動物；廣義的觀賞水族物種，則包含飼養環境、照養資材和管理技術相近的節肢動物、兩生類甚至爬行動物等。 淡、海水觀賞性物種的消費市場，不僅在參與人口、消費金額和物種組成上顯著不同，在供應來源上也呈現差異性。淡水觀賞性物種 8 成以上是由人工繁養殖培育，並以亞洲地區為主要生產和供應來源。海洋觀賞性物種的貿易流通，則有 9 成以上來自熱帶和亞熱帶區域，例如從珊瑚礁水域直接採捕野生個體，經蓄養後供應全球消費的需求，以印尼和菲律賓為主要供應國家。 淡水觀賞性物種的主要資源集中在世界三大雨林區，因此諸如加拉辛科、鯰科、慈鯛、多鰭魚、小型鯉科等特殊種類，都來自以亞馬遜河和奧利諾科河為主的南美雨林，或位於非洲大陸的剛果盆地和東非三大湖。亞洲地區則因為雨林分布多呈破碎狀的島嶼形式，增加了採集和供應上的困難，然而地理分布和隔離，反倒讓種內或種間有豐富的多樣性變異，意外地成就了在觀賞水族市場中的特殊商品價值；例如諸多種類和具地理變異特徵的迷鰓魚便是最好的例子。 在建立繁養殖技術和貿易供應的發展上，淡水觀賞性物種明顯超越海洋物種，主要原因在於生物特性、操作技術需求和較便利的管理特性。目前流通於消費市場中的物種，除少數罕見、新發現和首次採獲的種類或品系外，高達 8 成以上都來自繁養殖培育。甚至部分以孔雀和滿魚為代表的卵胎生鱂魚，或素有「熱帶魚之王」稱謂的七彩神仙，以及發展歷程最久的金魚，都是在不斷的繁養殖培育下，藉由雜交和選育等技術，而逐漸累積創新、別具形態和色彩魅力的品系及個體。 海洋觀賞性物種的來源雖然包括印度洋、加勒比海、紅海及太平洋沿岸等有珊瑚礁分布或相關資源的熱帶和亞熱帶國家，並供應多種多樣的軟、硬骨魚類、以珊瑚和海葵為代表的刺絲胞動物、軟體動物、棘皮動物及部分藻類，然而主要供應源仍以在貿易市場中占有率高達 9 成以上的菲律賓和印尼兩國為主。其餘諸如巴西、肯亞、美國 (夏威夷)、斯里蘭卡、越南等國，雖也提供具特色地理分布的物種，但在生產量值上尚無法和菲律賓及印尼兩國相提並論。 自天然棲地採捕野生個體，影響所及不僅是物種的族群量，而且涉及以化學藥物破壞性魚法等非法且傷害生物和環境的作業，多致使生態遭到難以回復的嚴重衝擊。 供應現況 淡水觀賞性物種大多以繁養殖培育供應，海洋觀賞性物種目前則多受繁殖技術限制，使多數生物來自具有野生資源和種別多樣性的珊瑚礁環境，即以野生採捕為主要供應源，其中印尼和菲律賓兩國的供應量值幾乎占全球消費市場的 9 成以上。 目前幾乎全球各地區及國家都有觀賞水族的產業活動，其中活體生物的野生採捕、繁養殖培育和貿易流通，多有促進產業發展，引領流行風潮和提升商品附加價值的效果，因此從事相關活體生物生產和流通的國家，針對相關範疇莫不傾全力積極發展。另外，世界三大雨林區和珊瑚礁環境分別是淡、海水觀賞性物種的主要供應來源，由於生產基地和消費市場間有明顯的時空及環境差異，必須仰賴穩定的蓄養和健康管理、妥善密閉包裝及長途空運技術，才能提升商品在消費市場中的附加價值。 例如，俗稱「紅蓮燈」的小型脂鯉和俗稱「公子小丑」的眼斑海葵魚，分別是水族館常見且具消費市場偏好的淡水與海水觀賞魚種，但不論是自亞馬遜河雨林深處或東南亞珊瑚礁區被漁民捕獲，都無法直接進入消費市場，而必須經由當地村落和較具規模鄉鎮的集魚商及轉運點，進入都市或交通便捷的據點，才得以由貿易商或出口商挑選後，進入貿易供應鏈。 體型嬌小脆弱的各式觀賞性水生生物安全抵達目的地後，還得陸續經過貿易商、批售商或扮演不同功能的產業環節及從業人員分層處理，才能進入水族館，最終成為水族愛好者的飼養對象。 縝密複雜卻又環環相扣的觀賞性水生生物供應，在野生採捕供應源如此，而在人工繁養殖培育者亦然。特別是在繁養殖溫室中，由於具有種別和品系的多樣性，加上長時間的投餵管理和日常照顧，增加了生物暴露在疾病感染下的風險。因此觀賞性水生生物的供應，絕非僅是單純的買賣或銷售行為，也不單純是在水族館中的商業交易，而是銜接緊密且互有關聯的產業鏈關係。 觀賞水族雖然在產業屬性、技術需求及主要生產對象上，和水產養殖有密切關聯，然而最大的差異在於觀賞水族活體生物的商品價值，完全受生物健康、活力、形質特徵甚至性別所影響，不必等到個體罹病或垂死，一旦失去色彩、健康或形態的完整性，就意味著失去了市場的商業價值。不像水產養殖商品會因保存方式、鮮度狀態，而有活生、冰鮮、冷藏和冷凍商品之別，價格也有差異，觀賞魚一旦失去完整外觀、活力或有罹病風險，若不即時處理，商品價格恐在消費市場中直接歸零。 繁養殖技術 在全球貿易市場中，超過半數的淡水觀賞魚來自以人工方式繁殖培育為主的亞洲地區；而海水觀賞性物種，迄今為止，以人工途徑生產者雖然比率極低，卻因為受到諸如海馬、硨磲貝、硬珊瑚等特定物種的資源保育和流通限制，所以業者積極投入發展，而且成長速度驚人。例如目前在帛琉、越南和部分南太平洋國家，生產培育者不在少數。 繁養殖技術對於觀賞水族產業的重要性，絕非僅在於數量的累積，或單純滿足消費市場的需求，在物種、環境和生態保育等方面有更具深遠的意義。 藉由人工培育過程中的親種組合、培育或選汰，在符合動物福利的前提下，還能創造別具欣賞價值的品系或個體，除豐富飼養對象組成外，並可活絡產業持續的發展。 以美國和印尼的海水觀賞魚繁養殖為例，藉由人工培育生產多種類的蝦虎、海葵魚和硬珊瑚，不但明顯降低特定物種和生態環境在人為採捕上的壓力，同時具有別緻色彩和體表紋路變化的海葵魚，儼然成為別具欣賞價值的飼養對象。更重要的是，透過繁養殖環境持續選育野生生物環境沒有的特殊個體，除可提升商品的市場價值外，還可建立業者的專業形象甚至是品牌價值。 以繁養殖方式培育特定淡水、海水觀賞性物種，分別對物種、棲地、生態環境和產業發展具特殊意義。首先經由挑選繁殖親種，除可培育別具體色和形態表現的子代外，在不斷選拔下，也可使原本偶然出現的個體形質表現逐漸發展成為穩定的品系。例如分別僅占淡水觀賞魚種四千分之一的孔雀魚、滿魚和金魚，透過人工育種便各自以百餘種的特徵品系，成為以品系為飼養或欣賞主軸的觀賞魚種。 此外，台灣繁殖多種類的非洲礁湖慈鯛、南美江魟和鯰魚，或印尼以人為方式培育產自非洲的弱電魚、多鰭魚、南美小型加拉辛科等，雖然僅是依據市場偏好決定生產種類，然而上述物種的生產培育，也明顯降低了相關物種受商業需求所造成的漁獲壓力，以及採集過程對棲地所造成的干擾。同時因成熟、穩定的操作技術，降低了捕捉、蓄養和包裝運輸過程中的損失，不論對於物種或棲地環境而言，都超越了單純的商品價值，並彰顯生態保育的意義。 新近繁殖技術的發展 穩定且持續發展的觀賞水族產業，多以活體生物生產和供應為主軸。目前有超過 100 個國家擁有活絡發展的水族產業，產業型態也以各式淡水、海水觀賞性物種的野生採捕、生產培育和貿易流通最具代表性。 單就觀賞魚的生產和培育而言，北美、亞洲與歐洲地區就有明顯的差異。受限於地理位置和氣候條件的歐洲，多以溫室形態為主，在生產成本較高的先天條件下，多以培育技術性高、單價昂貴和精緻的特定物種為主。此外，純熟的科技也讓歐洲繁殖者在多品系培育上具領先優勢，愛好者也建立個人溫室，培育特殊表現的種類或品系成為量稀價昂的供應源。 亞洲和北美則因腹地遼闊，因此以戶外或半戶外的硬池形式為生產培育場所，並以生產可大量供應消費市場的慈鯛、小型鯉科、加拉辛科及多種類和品系的卵胎生花鱂為主。 妥善挑選親種、強化水質和投餵管理，並且依據消費市場需求選擇生產物種，是觀賞水族繁養殖培育的基本條件。妥善的光照和溫度的調控、科學的投餵、環境刺激，以及藉由生物載體的概念強化餌料生物的滋養，則增加了生產速度並明顯提升品質，讓以人工繁殖培育的種類、品系和個體，擁有和野生個體相同甚至超越的形質表現，並逐漸取代野生採捕供應源。 新近的繁養殖技術除在量上有明顯增長外，品質也多所提升。除了傳統繁殖技術的應用外，導入了近年來迅速發展的環境生理、飼養和營養，甚至分子技術等觀念，這些技術廣泛應用在種類鑑別、親種選拔，以及特定形質特徵的固定和強化上。因此多樣性的觀賞性水生生物，就如精緻的花卉園藝一般，除有突出的附加價值外，未來的發展也令人充滿期待。 在東南亞地區，藉由荷爾蒙催熟處理，進行特定鯉科、鯰科和多鰭魚的繁養殖培育，或藉由有計畫的雜交和選育，讓子代同時展現分別來自種間親緣獨特的色彩或形質特徵，以及諸如孔雀魚、滿魚等卵胎生花鱂的品系培育，都凸顯出觀賞水族產業純熟的操作技術，同時在消費市場不斷推陳出新，滿足兼具流行性和資訊性市場的殷切需求。 觀賞水族的未來發展除朝向小型化、生態化、精緻化和資訊化外，也會逐漸改變僅具休閒娛樂目的的現況，朝向寵物市場發展。不論是生產培育、貿易流通和飼養管理，都必須建立在符合物種特性、動物福祉、生態保育等諸多基礎之上。各式淡水、海水觀賞性物種的繁養殖培育，除藉由多樣性的種類和品系組成，滿足消費市場需求外，令人更加期待的是對野生動物資源和棲地環境保育的正面意義。 例如俗稱紅龍的亞洲骨舌魚、澳洲肺魚和所有種類的海馬，都因為 CITES 的規範和要求，而使商業市場中的個體除了必須悉數來自繁養殖培育，並至少累代至 F2 的要求外，更因為在貿易流通進出口時，必須提供人工繁養殖證明和相關准證，甚至以植入可供讀取的晶片以確認流通個體的身分，都有效地確保了物種資源的利用和維護。 藉由繁養殖培育提供更多樣、穩定和健康的個體，並降低生物在蓄養、運輸和銷售上的損耗，期能更符合動物福祉和消費需求，由原本僅具休閒娛樂功能的產業屬性，逐漸提升至如同犬貓般的寵物水準，進而使整體產業發展更為完整健全。

蛙蛙世界的公民科學與蛙類生態保育

台灣蛙蛙世界 根據外部形態及內部骨骼結構，台灣蛙類可以分成 6 科。種類最多的樹蛙科有 13 種，樹蛙的指 (趾) 端膨大成吸盤狀，有利於在樹上活動；有些樹蛙身體背面呈綠色，非常美麗可愛，例如台北樹蛙、翡翠樹蛙；但也有褐色的樹蛙，例如褐樹蛙等。 赤蛙科有 10 種，例如在生物實驗課中常用的美洲牛蛙、叫聲像狗的貢德氏赤蛙等。赤蛙有修長善於跳躍的後腿，經常在地面活動，身體的顏色通常呈褐色或夾雜一些綠色，可和地表顏色相混達到隱蔽的效果。 台北樹蛙是台灣特有的中小型樹蛙，分布在南投縣以北一千公尺以下的地區，繁殖期在秋冬兩季，雄蛙會在遮蔽物下挖洞鳴叫，經常僅聞其聲不見其影。(圖 / 李鵬翔) 褐樹蛙是台灣特有的中型樹蛙，分布在台灣低海拔山區，平時棲息於森林環境中，夏天遷徙到溪流繁殖。(圖 / 李鵬翔) 貢德氏赤蛙是大型的蛙類，常見於平地池塘環境中，春夏繁殖期間，雄蛙發出的鳴叫聲像狗，因此被暱稱為「狗蛙」。(圖 / 李鵬翔) 叉舌蛙科有 4 種，外型和赤蛙科很像，但身上有許多棒狀凸起，例如在都市中常見的澤蛙。狹口蛙科是頭小、身體圓胖的一群可愛蛙類，台灣有 5 種，其中體長約 2 公分的黑蒙西氏小雨蛙是台灣蛙類中體型最小的。蟾蜍科的皮膚布滿大大小小疙瘩狀的毒腺，眼睛後面有毒腺集中形成凸起的耳後腺，這是牠們的特徵，台灣共有 2 種。樹蟾科僅有 1 種，即中國樹蟾，牠的外型像綠色樹蛙，有吸盤，在樹上活動，但胸骨及脊椎骨結構和蟾蜍類似，因此稱為樹蟾。 澤蛙是台灣平地常見的中型蛙類，生活在沼澤濕地環境中。背部有長短不一的棒狀凸起，花紋顏色多變，有些個體背部中央有一條明顯的淺色背中線，有些個體沒有，變化很大。(圖 / 李鵬翔) 體長不到 2 公分的黑蒙西氏小雨蛙，身體呈三角形，因背中央有兩個小括弧 () 花紋，又稱為小弧斑姬蛙。牠主要棲息在台灣中南部的平地草澤濕地環境中，在春夏繁殖。(圖 / 李鵬翔) 中國樹蟾是小型的綠色蛙類，從吻端經眼睛到鼓膜 (耳朵) 有一道深色的條紋，好像戴著黑眼罩，這是保護花紋，讓敵人看不清楚頭部較脆弱的眼睛及耳朵。(圖 / 李鵬翔) 蛙類是體溫隨著外界環境而變的外溫動物，利用肺及布滿微血管的皮膚與口腔內膜呼吸，皮膚裸露並具有透水性，以保持潮溼進行氣體交換。因此台灣的蛙類多半棲息於溫暖潮溼的平地及低海拔山區，中高海拔山區比較不容易見到牠們的蹤跡。 蛙類的生存危機 蛙類屬於兩棲類，幼體蝌蚪在水中生活用鰓呼吸，成體在陸域生活用皮膚呼吸，都直接與自然環境接觸，也迅速反映各種環境變化。從 1980 年以來，許多科學家持續關注全球兩棲類族群減少的議題。 2014 年《自然》期刊 12 月發表的有關物種快速滅絕一文指出，1,957 種 (41%) 受評估的兩棲類面臨滅絕的威脅，是所有生存受威脅的生物中最危急的一群。造成物種滅絕的原因包括：人為使用、棲地退化及改變、棲地消失、氣候變遷、外來入侵種、汙染及疾病，都和人類活動有關。因此，如何提升人類對於蛙類的認識，並以實際行動保護牠們，已經是刻不容緩的事。 溫暖潮溼的平地適合蛙類棲息。(圖 / Pixabay) 蛙類喜歡棲息在溫暖且濕潤的環境中。(圖 / Pixabay) 台灣兩棲類保育志工團隊 台灣蛙類究竟面臨哪些威脅，該如何幫助牠們呢？這需要長期、有系統地全面普查，並建立分析系統以適時發布警訊。進行資源調查時，必須考量時間、經費及人力，若能有效運用志工人力，相較於聘用專業的調查人員，以同樣的花費能夠進行更大尺度及長時間的調查，有助於建立蛙類的長期監測。 公民科學是指志工參與科學計畫，這些志工也稱為公民科學家，通常是熱愛自然或關心環境問題的業餘者，志工和科學家建立伙伴關係一起解決真實世界的問題。這些計畫結合研究及推廣，也有助於大眾察覺生物多樣性遭受的威脅，促進公眾的參與及擬定保育政策。 東華大學兩棲類保育研究室自 2003 年開始，在林務局的補助下推動公民科學，發展兩棲類保育志工的培訓課程、調查方式、志工招募模式以及製作教材，訓練關心生態保育的民眾成為兩棲類調查志工，利用台灣兩棲類資源調查資訊網 (http://tad.froghome.org) 回報調查結果以建立資料庫。 2007 年至 2011 年在科技部數位典藏與數位學習國家型科技計畫支持下，設置蛙蛙世界學習網 (http://learning.froghome.org) 及蛙蛙世界數位學院，不僅分享台灣蛙類生態資料，也持續辦理各項數位課程，打破時空限制，培訓更多民眾成為兩棲類調查志工。 為了讓志工發揮更大的保育影響力，於 2007 年 12 月 15 日成立台灣兩棲類保育志工團隊，在 FB 臉書社群網站成立社團，展開全台灣定期定點的兩棲類監測。每年都召開志工大會發表監測結果，希望藉由志工團隊的調查，迅速累積台灣兩棲類的資料及推動生物多樣性保育。 兩棲類保育志工團隊成員包括教師團隊、民間保育組織、社區組織、家庭團體等，他們都屬於公民團體，這些公民團體在台灣各地自發性地監測蛙類生態、推動環境保育行動，在公共生活中扮演著極為重要的角色。2015 年有 55 個團隊，參與志工超過 400 人，615 個志工調查樣區遍布全台灣。2015 年調查資料庫內的資料超過 16 萬筆，是監測台灣兩棲類族群變化趨勢的重要資料庫。 台灣兩棲類保育志工團隊的成果 台灣蛙類生物多樣性熱點 生物多樣性熱點 (biodiversity hotspots) 的概念最早由學者 Myers 於 1988 年提出，他把擁有高度特有物種聚集，且正面臨棲地破壞與流失的地區，稱為生物多樣性的熱點，他認為應儘快保護這些區域，以免生物多樣性快速地消失。2014 年底，在科技部召集下，國內許多兩棲類學者參考 2006~2014 年志工調查結果及其他資料庫資料，劃設台灣蛙類生物多樣性熱點，範圍包含雪山山脈北段、蘭陽平原周遭山區、阿里山山脈、海岸山脈北段、南台東山區。 這是台灣第一個陸域生物多樣性熱點，並從 2015 年 8 月開始，在科技部整合性計畫支持下，結合志工及兩棲類學者，調查各熱點的族群特徵與群聚結構多樣性，探討各物種如何利用及適應環境，進而影響該地區的蛙種群聚組成；並評估在氣候變遷衝擊下，蛙類族群的適應性與脆弱度，以做為制定保育優先性及策略的參考。 2014 年底由台灣多位兩棲類學者劃出位於 100 ∼ 800 公尺低海拔山區的雪山山脈北段 (烏來 — 獅 潭)、中投阿里山山區 (太平 — 觸口)、蘭陽平原 周圍山區 (頭城 — 福山 — 南澳)、海岸山脈北段 (壽 豐 — 玉里) 及南台東山區 (利嘉 — 達仁) 為蛙類生 物多樣性熱點。(圖 / 龔文斌) 台灣蛙類族群現況 自 2006 年開始至今，已累積 167,439 筆調查資料，這些長期監測的資料足夠做為評估台灣各地蛙類變化趨勢的基礎資料。2015 年調查範圍涵蓋了 18 個縣市，若把調查資料轉化成 2 km × 2 km 的方格系統，全台灣共計有 433 格，約占台灣面積的 5%。 2015 年各種蛙類在這方格系統中的分布方格數，以拉都希氏赤蛙 (236 格)、澤蛙 (228 格)、黑眶蟾蜍 (222 格) 較多，豎琴蛙 (1 格)、海蛙 (1 格) 較少。蛙種數高 (>15 種) 的樣區集中在雪山山脈北段、蘭陽平原周遭山區與阿里山山脈北段，與過去比較變化不大。 黑眶蟾蜍是平地住家附近常見的蛙類，因眼睛周圍有黑色凸起稜脊，好像戴著黑眶眼鏡而得名。趾端黑色，像是擦了黑色指甲油。牠的皮膚有毒腺，但人們接觸不會中毒，食用才會中毒。(圖 / 李鵬翔) 拉都希氏赤蛙是 2015 年志工調查發現分布最廣的蛙類，從平地到中海拔山區的池塘、草澤、溪流、森林都能見到其蹤跡。牠的繁殖期以春天及秋天為主，叫聲是綿長的「嗯啊」, 好像腸胃不適，因此有人暱稱牠為「拉肚子的青蛙」。(圖 / 李鵬翔) 從 2011 年至 2015 年，台灣全島共計 52 個樣區已完成連續 5 年、每年 4 季的調查，分析這些樣區歷年的蛙種數可了解台灣各地蛙類變化趨勢。52 個樣區中有 9 個 (17.3%) 的蛙種數下降，38 個 (73%) 維持不變，蛙種減少的樣區集中在雲嘉南地區。 另類的公民科學計畫 — 蛙調比賽 為探究造成雲嘉南地區蛙種減少趨勢的原因，2016 年將在台南辦理台灣第二屆蛙調比賽，透過調查競賽的有趣方式，動員各地兩棲類保育志工團隊組隊參與調查，希望藉由系統性的調查競賽，在短時間內獲得較全面性的調查成果。 2015 年曾因苗栗沒有兩棲類保育志工團隊，為了彌補苗栗蛙類資料的不足，於 2015 年 6 月 27~28 日在苗栗辦理台灣首屆蛙類調查比賽。依海拔及環境把苗栗縣劃定為 30 個樣區，參與的 19 個團隊、78 位兩棲類保育志工共調查到 18 種蛙類 1,721 隻次，其中日本樹蛙 292 隻次最多，澤蛙分布最廣。單一樣區最多可以記錄到 10 種蛙類，最少觀察到 2 種；呈現西側臨海區域的種類最少，慢慢往東側淺山區域逐漸增加的趨勢。在泰安司馬限調查到的蛙種及數量都最多，是苗栗蛙類熱點。 以蛙類調查競賽方式辦理的公民科學計畫，不但可完成蛙類資源普查，也能達到凝聚志工情感及資訊交流的目的，產生共同的話題與記憶，有助志工持續參與監測。 外來入侵種斑腿樹蛙控制保育行動 斑腿樹蛙原產於華南、香港、海南島、印度、中南半島等地區，台灣最早是在 2006 年由志工林正雄先生發現。他從彰化田尾帶水生植物回到台中梧棲家中時，意外引入其蝌蚪，之後變態成樹蛙，他原認為這種樹蛙是與其外型相似的台灣原生種布氏樹蛙。2010 年兩棲類保育志工詹見平校長通報台中石岡土牛村發現斑腿樹蛙，之後陸續有志工在新北市的八里、觀音山、新莊和蘆洲，桃園鶯歌和龜山等地發現其蹤跡。 斑腿樹蛙是台灣最新記錄的外來種蛙類，體長約 4∼ 6 公分，背部褐色有 X、條紋或國字「又」形花紋，大腿內側呈黑底白點。牠的繁殖期在春夏兩季，這時從樹林遷徙到池塘或有積水的環境，適應很好，正快速擴散中。(圖 / 李鵬翔) 2011 年開始在林務局經費補助下，運用志工控制及監測斑腿樹蛙族群。在 2011 年斑腿樹蛙分布點周圍設置 572 個 1 km × 1 km 方格，由志工團隊於 2012~2014 年進行每年至少 1 次的調查，藉此計算每年斑腿樹蛙分布方格的比率，以評估擴散的程度。 調查結果顯示斑腿樹蛙的方格分布比率從 44.8%(2012 年) 增加至 63.2%(2013 年),2014 年則增加到 65.2%, 顯示斑腿樹蛙不但分布廣泛，也明顯持續擴散。分布比率高於 50% 的地區包括：新北市的觀音山、林口、樹林與鶯歌，桃園縣的中壢、八德、龜山與大溪，彰化縣的田尾、溪湖、員林。 斑腿樹蛙對於人為活動頻繁的環境適應良好，大部分的紀錄都出現在都市或郊區的綠地 (公園、校園)、農牧用地 (竹林、菜園、果園)、水體 (人工濕地、溝渠、水池) 等。另外在火車站、大賣場等也有數筆紀錄，顯示斑腿樹蛙能夠利用的環境類型相當廣泛。 春夏是斑腿樹蛙的主要繁殖期，雌蛙一年多次產卵，每次產卵平均 600 粒，可高達 1,000 粒，比台灣原生樹蛙都高。卵在一星期內孵化成蝌蚪，蝌蚪期約 1.5 個月，但會過冬，這時蝌蚪期可長達半年。蝌蚪對溶氧的需求不高，經常在很多蛙類無法生存的汙濁、低溶氧水域環境發現斑腿樹蛙蝌蚪。 斑腿樹蛙的繁殖力強，成體及蝌蚪對環境的適應都很好，這可能是斑腿樹蛙能夠在西部平原快速擴張成為優勢種的原因。而在野外調查曾發現斑腿樹蛙捕食小雨蛙成體，其蝌蚪也會捕食小雨蛙蝌蚪。2015 年志工在 41 個過去曾有外來種斑腿樹蛙與原生種布氏樹蛙共域紀錄的地點調查發現，其中 40 個地點有斑腿樹蛙，僅 17 個樣點發現布氏樹蛙，顯示斑腿樹蛙可能對台灣原生蛙類的生存造成威脅。 為了控制斑腿樹蛙族群，2011~2015 年培訓及運用志工在八里挖仔尾、鶯歌碧龍宮、台中都會公園、彰化田尾等地，每個月進行一次斑腿樹蛙移除控制。比較 2012 年至 2015 年斑腿樹蛙在各地的移除數量，發現控制必須持續數年才能看出成效。 挖仔尾的斑腿樹蛙族群在移除控制的第三年 (2014 年) 捕捉到 746 隻最多，但在 2015 年下降至 382 隻；台中都會公園也在 2014 年捕獲 538 隻最多，隔年下降至 231 隻；族群量最小的碧龍宮在 2013 年發現 124 隻最多，之後 2014 年僅捕獲 24 隻，2015 年 53 隻；彰化田尾族群量下降較不明顯，2012 年至 2015 年斑腿樹蛙占共域蛙種的比率都在 65% 以上 (2012 年：94∕144;2013 年：360∕546;2014 年：289∕442;2015 年：207∕283)。 外來入侵種斑腿樹蛙從 2010 年至 2015 年的分布圖，可看出斑腿樹蛙隨著人為意外引入與本身的擴散能力，從入侵地點逐漸往外擴散形成面積廣泛的區域。(圖 / 龔文斌) 移除控制活動開始時，都由兩棲類保育研究室成員或志工伙伴帶領進行蛙類簡介及保育宣導，參與的對象包括成人、親子、各級學校學生等，也有老師帶領中學生參與，做為社團活動或服務學習課程。大家都很樂意從野外觀察學習蛙類生態知識，並對台灣蛙類保育有所貢獻。活動的資訊都公布在台灣兩棲類保育網及台灣兩棲類保育志工社團臉書專頁，開放民眾參與。 在 2010 年 10 月辦理兩棲類志工保育焦點座談會，討論出志工團隊發展的目標有 7 大項：棲地保育、推廣、教育、參與、紀錄、知識技能、凝聚情感。回顧 2003 年進行台灣蛙類保育公民科學計畫以來，每年培訓擁有蛙類知識及調查技能的志工，志工持續參與調查，累積的調查紀錄協助劃設台灣蛙類生物多樣性熱點，監測外來入侵種斑腿樹蛙的族群擴散。此外，辦理志工大會及蛙調比賽凝聚情感，志工也協助辦理各項教育推廣活動，讓更多人了解及保育蛙類。 然而最重要的棲地保育一直有所不足。未來將參考調查資料，協助志工團隊評估住家周圍的濕地環境與蛙類族群現況，評選出適合的據點，再輔導志工團隊結合社區居民進行蛙類監測調查及棲地復育規畫，由點而面逐步攜手共護台灣蛙蛙世界。

傳染病與政治經濟:從伊波拉疫情談起

這次在非洲爆發的伊波拉 (Ebola) 疫情來勢洶洶，除了截至目前為止已經造成四千多人死亡之外，美國疾病管制局在 9 月中旬估計，如果未能實施有效的檢疫措施，明年 (2015 年) 1 月中旬可能會有高達 140 萬人遭到感染。 為了因應急遽升高的疫情，除了美國緊急出動 3 千名部隊前往協助防疫之外，目前世界銀行、國際貨幣基金會等國際組織也都採取了應變措施。自從在 1976 年發現伊波拉以來，由於它的高致死率、病人出血的戲劇性症狀，乃至病毒的奇特形狀，使得這個疾病激起許多興趣與想像，不少科普作品都曾以它為主題。 當年參與發現這病毒的研究工作，目前擔任倫敦衛生與熱帶醫學校 (London School of Hygiene and Tropical Medicine) 校長的皮奧特 (Peter Piot) 博士在英國《觀察家》周刊 (The Observer) 10 月 4 日刊出的訪談中指出，過去爆發的疫情都是地區性而短暫的，但這次疫情的嚴重程度出乎意料。 他並形容這是一場「完美風暴」(perfect storm), 因為以下幾個因素相加讓疫情擴大而難以控制：這次疫情發生在賴比瑞亞、獅子山共和國與幾內亞 3 個西非國家，前兩者經歷過內戰不久，幾內亞近年則政局不穩且剛發生政變，這些國家的醫療體系都因政治局勢而遭到摧殘，醫療人員嚴重不足。 這次疫情偏偏又爆發在這 3 個國家交界處的人口稠密地區，因此難以追蹤病人接觸過的人。當地人民有歸葬的習俗，在地親友會僱用小卡車或計程車把外地死者運回家鄉，更增加傳染的危險。 皮奧特曾經擔任過世界衛生組織 (World Health Organization‭, ‬WHO) 全球愛滋病防治計畫主持人，但他在訪談中直指世界衛生組織這回反應遲鈍，原因是該組織的預算受到大幅刪減，防疫部門受影響尤深。此外，他還指責 WHO 非洲部門人員的錄用主要靠政治關係，而非適才適任。 英國的《衛報》在 9 月 7 號的社論中同樣批評 WHO 的表現，表示這次疫情也凸顯出 WHO 的病情嚴重，以致其表現遠遜於 1976 年對抗薩伊的伊波拉疫情，或之前對抗東亞的 SARS 疫情。 除了會員國在金融危機後捐款減少，導致經費刪減、人員縮編外，《衛報》還批評 WHO 近年的政策是協助國家建立防疫體系，而非自己跳下去從事防疫工作。《衛報》認為這種策略理論上很好，實際上卻完全不適用於飽受戰亂之苦的貧窮國家，以至於這次疫情蔓延了 3 個月之後才被注意到，而且還是「無國界醫師」這個慈善組織最先發出警訊。 雖然目前媒體報導常聚焦於新疫苗研發或新藥物在疫區的試用，但從前面的討論可以看出，在許多專家看來，防疫策略、國際與國內衛生組織健全與否，乃至於當地的政治經濟狀況，對防疫都有重大影響。這其實不令人意外，因為從疾病史的觀點來看，歷史上重大傳染病的疫情發展確實和上述因素息息相關。此外，疫病也常會帶來社會與政治衝擊，甚至引發重大變革。 就以俗稱「黑死病」的歐洲中世紀瘟疫 (plague) 為例，它的發生就和當時歐洲的社會經濟狀況密不可分。對於瘟疫的起源和最初的傳播路線，歷史學者只能用有限的史料來推測。 其中最有名的假設之一，是麥尼爾 (William H‭. ‬McNeill)‭ ‬在名著《瘟疫與人》中所提出的瘟疫起源於中國雲南的鼠疫；由於蒙古大軍在 13 世紀後半侵入今天的雲南地區，導致當地老鼠與跳蚤跟著大軍糧草與戰利品旅行，病原 (鼠疫桿菌) 被帶到中亞大草原感染齧齒動物，然後隨著貿易路線傳播到歐洲。近來英國醫學史學者哈里森 (Mark Harrison) 則認為瘟疫 (黑死病) 可能是由中亞經過中東來到歐洲。 這場疫病最早於 1347 年出現在西西里，次年由陸路傳到比薩，再由海路傳到馬賽。短短 1 年便散播到西歐與中歐大部分地區，以及英格蘭南部。隨後橫掃整個英國，並由海路抵達挪威，在北歐與東歐造成嚴重疫情。 哈里森的分析強調歐洲當時的社會經濟條件對疫情有很大的影響。羅馬帝國崩壞後，歐洲經過一段混亂，之後中世紀社會經濟逐漸穩定繁榮，帶來人口成長。到了 13 世紀，歐洲人口對糧食需求的增加，已經超過農地開拓與技術改良所能提供。糧價上漲，糧食供應不穩；屋漏偏逢連夜雨，1315 年到 1317 年又發生一系列的飢荒，接著出現牛與羊的家畜傳染病。此外，中世紀的經濟繁榮導致城鎮與貿易興起，人口更加密集，與外來人口接觸更為頻繁，構成有利新傳染病流行的條件。 疫病的來臨也激起各種的社會與政治反應。教會透過神學來理解瘟疫，認為這是上帝對不虔敬的人的懲罰。商業的繁榮富裕讓人縱情聲色物欲，疏遠了上帝，只有徹底悔改才能求得上帝原諒，讓瘟疫天譴停止。因此教會要求信徒禱告、懺悔、朝聖，並舉行大型宗教儀式與贖罪遊行。但朝不保夕的恐懼，卻激起另一種截然相反的反應與行為，如薄伽丘的文學經典《十日談》所描繪那種把握當下好好盡情享樂的心態。 哈里森認為更重要的是行政當局的政治與衛生措施，他們認為瘟疫是外來者帶來的疾病，因此開始建立隔離與檢疫制度，一些城邦開始對外來的人與貨物進行檢疫。位在今天克羅埃西亞境內的拉古撒共和國 (Ragussa), 在 1377 年開始對來自疫區的人與貨物進行 30 天檢疫，1397 年起延長到 40 天。英文的檢疫 (quarantine) 一詞，字根就來自拉丁文的四十 (法文的四十拼字是 quarante)。馬賽在 1383 年也採用檢疫制度，威尼斯、比薩、熱內亞等義大利重要貿易城邦先後跟進。 此外，城邦也建立隔離所和醫院來收容病人，包括設置專門收容瘟疫病人加以隔離的「疫病所」(pest house)。市政當局並訂定法規與聘用專責人員改善城市公共衛生狀況，包括清除骯髒汙穢、防止監獄過度擁擠、規定屍體埋葬的規則等。這些措施成為日後公共衛生運動的啟發，對黑死病的預防措施成為現代國家制度的濫觴。 ‬ 中世紀之後，瘟疫仍定期侵襲歐洲，但疫情嚴重程度逐漸消退。歷史學者對這現象有不同解釋，包括歐洲老鼠生態改變、環境氣候變遷、城市與個人衛生的改良等。然而，19 世紀以來的疾病史清楚顯示，衛生措施對傳染病預防的重要性無庸置疑，而公共衛生的成效更有賴社會與政治條件的配合。 這波嚴重的伊波拉疫情，無疑是對國際醫療衛生的一大挑戰，也讓我們有機會見識歐美各國是否有足夠強大的政治決心，彙整必要的資源與人力，協助貧窮的非洲國家克服這場災難。 深度閱讀 Harrison‭, ‬M‭. (‬2004‭) ‬Disease and the Modern World‭: ‬1500‭ ‬to the Present Day‭. ‬Polity Press‭, ‬Cambridge‭.‬

新一代電腦與通訊網路科技:溝通無國界–多國語音電腦輔助翻譯

源起 語言及語音是人類溝通思想、傳遞訊息與表達意願最基本與最主要的工具，近年來，由於資訊快速膨脹及國際間的互動日趨頻繁，人與人之間溝通的障礙已由地理上的隔閡轉為語言間的隔閡。根據統計，全球大約有九千種語言，以歐洲共同體為例，它就涵蓋了約九種的官方語言，而在國際網路市場行銷公司二○○○年的研究中指出，目前全球約四億七千六百萬的網際網路人口，使用的語言超過 10 種以上。 由於學習語言是一條漫長的道路，除了母語之外，要通曉某種外語已是相當困難的事，更何況要應付各種的語言。而人類在進行溝通時，語音是一個最自然的溝通方式，它包含了語言資訊和講話情緒，並能夠透過網際網路進行傳輸，因此發展一個能將語言障礙打破的語音電腦輔助翻譯機器，對不同語系間人們的交流及資訊的互通，都將產生劃時代的影響。 由於現代人多少都必須和使用不同語言的人一起工作或交談，所以即時的口述語言翻譯器變得日趨重要。而這波研究語言溝通風氣的興起，要歸因於以下幾方面：國際化的商業活動頻繁，尤其是在歐洲及太平洋地區；通訊網路使用普遍化，未來將發展「高速資訊網路」, 屆時不同語言間的資訊流通將更快速且豐富；與政府機構和商業團體進行業務往來的多國語言需求；在國外旅遊和從事娛樂活動的次數增加；世界各國在語言發展上的多樣性；包含聲音的相關多媒體應用程式及使用手冊普及化。 雖然用圖案描繪和肢體語言，有時可以取代口述語言翻譯來做溝通，但是仍有幾點是無法達到口述語言翻譯擁有的便利性：一、這些方法並非適用於所有的場合，例如利用電話溝通或是做多媒體的簡報時；二、並非隨時可以用來表達意圖，例如當眼睛和手需要做其他動作的時候；三、不見得能適當地描述當時的情境，譬如在國外買日常用藥時，只藉由肢體語言是很難描述出自己的需求。 通常在某些場合下，稱職的口譯員是非常需要的。然而，自動化口述語言翻譯也提供了一個重要的市場機會，這是由於幾項因素：一、僱用口譯員的開銷是相當昂貴的，尤其是將這筆費用和自動化翻譯服務所花費的成本相較下；二、合適的口譯員可能一時無法尋得，特別是在需要一些專業知識的時候；三、稱職的口譯員無法一天 24 小時待命，然而大部分的多媒體應用程式都有這方面的需求；四、在大部分的應用場合裡，口譯員並不一定是一個適當的解決途徑，例如一個編譯好的多媒體軟體系統，無法將一個活生生的口譯員硬嵌在此系統裡。 發展現況 自從一九九○年初期以來，就有一些機構開始從事關於多國語音翻譯的研究，其中著名的研究機構「國際語音翻譯研究協會」(C-Star, 網址:http://www.c-star.org) 集合了美、日、德、法、韓、義等國協力合作，研究領域著重於觀光旅遊，包括行程安排、資訊查詢、預訂服務及會談協商等。 這個協會早期在一九九一至一九九三年只有美、德、日三國參加，到一九九九年陸陸續續有韓、法、義三國加入，至今共有 19 個單位加入研究。目前研究成果包括了在一九九三年由德國聯邦教育科學研究科技部主持的八年語音轉語音翻譯計畫，這個計畫共花費一億六千九百萬德國馬克，主要在處理德、英、日三語的多國語音翻譯。歐洲資訊科技研發議程中的開放式長程研究計畫，則從一九九六年起進行了五年的德、法、義三語例句式語音翻譯系統的發展。此外，從一九九○年開始美國卡內基美隆大學、日本國際電氣通信基礎技術研究所、德國西門子公司等相關機構共同研發約十年的雅里斯相關系統，目前已具有英、日、德、韓、義、法六種語言的互譯功能。 C-Star 第三階段工作從二○○一年正式啟動，到二○○四年結束。其目標是利用公共電話網路和網際網路，在四年內實現透過手機、電話、電腦終端機等設備，進行不同語種人類之間，在旅行期間的同步場景對話，包括預訂旅館、購買機票、餐館對話、外幣兌換等。更重要的是，這項計畫把多國語音的直接翻譯視為一個科學工程！透過建立系統性的平臺、演算法推動該技術的迅速發展，在 30 至 50 年內達到徹底掃除人類之間語言障礙的目的。 另外根據一九九九年日本電報電話公司的報導，日本政府與約 70 家廠商，自二○○一年起的五年內，投入約一百二十億日圓開發多國語音翻譯技術，預估在二○一○年後多國語音雙向翻譯市場將急速擴大，在爾後的 15 年內相關產值累積可達七兆八千億日圓之譜。在二○○○年亦有相關報導指出，美國警方正在測試一套語音翻譯機，希望能把英文翻成西班牙文、廣東話、越南話，在緊急狀況發生時就能立即藉由機器進行溝通。 目前市面上還沒有語音轉語音的網路溝通系統，就實驗室成品來看，先前介紹以伺服器架構的語音轉語音翻譯系統 (Verbmobil), 著重於語音對語音轉換處理。使用者可藉由手機、電話、網際網路與此系統聯繫，透過此系統使用者可使用自己所熟悉的語言，與其他使用不同語言的人進行對談及溝通。 多國語音電腦輔助翻譯技術 在這些系統中，除了強化多國語言的語音辨識模型及語音合成模型外，機器翻譯中的來源語言理解模型、轉換模型及目的語言生成模型，仍是目前需進一步研究的課題。而如何辨識語者的真正意圖，並轉換成正確語句給聽者，則是現階段系統研發的主要目標。在語音翻譯領域裡，研究範圍涵蓋了語音訊號處理、自然語言處理及機器翻譯。研究的困難處在於人類的自然語言現象非常複雜，想把語言的原理與結構研究透澈，就如同想解開人類腦部活動的祕密一樣深奧且艱難，故目前語音轉語音的研究方向，仍著重在特定領域的應用 (如觀光旅遊)。 就處理架構而言，可分為循序式處理和內嵌式處理。所謂循序式架構，是以語音辨識、機器翻譯、語音合成的三個步驟，來處理同步語譯；內嵌式架構則是將語音辨識與機器翻譯整合做語譯處理，將文句生成後再做語音合成。一般而言，多國語音轉語音翻譯系統的架構，可分為語音辨識、機器翻譯及語音合成三個部分。 語言辨識：多國語音辨識到底是如何運作的？為了將使用者的語音辨識成電腦可處理的文字，這個步驟可分成兩個階段，分別是語言鑑別及語音辨識。 語言鑑別是根據各種語言的差異性來處理多國語言，以國語、英語和德語為例，國語是手寫文字，而德、英兩語是發音文字，德、英兩語是羅馬拼音文字，不需再做斷詞處理，而國語則需斷詞，英語的詞態較簡單，國語和德語的詞態較複雜。透過差異性分析，使得在語音辨識的處理上更具效率和準確性。對於自動語言鑑別有兩種處理方式，一種是權重式鑑別，透過多國語言或幾個單一語言的辨識器，記算每種語言辨識後的分數，並選擇最高分數的語言；另一種是可靠度鑑別，利用隱藏式馬可夫模型，找出語音段最可信賴的語言區間。 隱藏式馬可夫模型是目前連續語音辨識常用的演算法，由於語音訊號具有短時間穩定的性質，因此當人類聲道處於某種發聲組態時，可以將它看成是具備某種統計特性的狀態，用一些連續的狀態，便可以模擬人類說話過程中聲道的改變，這種模擬方法可用一個由左至右的隱藏式馬可夫模型來表示。這種雙重隨機程序，包括狀態轉移機率與狀態觀測機率。狀態轉移機率是一個隱藏的隨機程序，它決定停留在原狀態或是遷移到下個狀態的可能性，也就是在說話時，發聲組態不變或是改變到另一個組態的機率；狀態觀測機率則描述在每個狀態觀察到某個現象的機率大小，意即在某個發聲組態下，發出某個聲音的可能性。 機器翻譯：目前機器翻譯的架構可粗略分為直接式、轉換式和中介式三類。所謂直接式是採取逐字翻譯，這是最簡單的方式，而此架構主要的問題在於不同的語言間其詞組並非是一對一的關係，進行選詞時會產生混淆；此外，不同的語言有不同的詞序規則 (中英文的動詞通常接在主詞之後，而日文的動詞則放在整句之末)。故在轉換式架構中，利用來源語言剖析、轉換語言及目的語言生成三個步驟來處理上述的問題，雖然轉換式架構比直接式架構有更多的語言分析處理，但由於缺乏一個共通性知識語意的了解，所以在翻譯句子時仍會有誤譯的情況發生。 轉換式架構的另一個缺點，是在 M 個來源語言及 N 個生成語言之間，除了 M 個來源語言剖析及 N 個目的語言生成外，還需發展 C (M,N) = M (M − 1)(M − 2) ... (M − N + 1)/(1・2・3・...・N) 種語言轉換規則組合，這對發展多國語音轉譯系統是一項負擔。因此在轉換式架構外另有一種中介式架構，所謂中介式架構是利用國際人工語言來表達知識的形式，不易被一些特定語意的表達方式所影響，能有效地指出在多個語言間做轉換的問題所在，透過這樣的架構，只要 M 個來源語言剖析及 N 個目的語言生成的處理即可。然而，如何發展一個有效及嚴謹的國際人工語言，則是此一架構下的重要課題。 介紹完了機器翻譯的處理架構後，在這些架構下發展的機器翻譯系統又可再分為三類：以語言學分析為背景的系統、以語料分析為背景的系統及混合式系統。 目前以語言學分析為背景的系統，是知識式機器翻譯系統，為了理解人類構句的行為，所以從語言學上的觀點來分析。此一系統主要在發展關於詞彙提供的詞態、句形及語意的深層資訊，它較能提供全域且高品質、全自動化的翻譯，而其缺點是知識庫索引的建構及蒐集，需要耗費相當大量的人工、時間和金錢。而中介式的架構，便是此系統發展的目標之一。 以語料為背景的系統，目前是以統計式機器翻譯與例句式機器翻譯為研究方向。所謂統計式機器翻譯，是藉由所蒐集的大量雙語語料，估測目的語言組合機率模型、詞彙轉換機率模型及雙語間詞序的可能對應機率模型。此系統十分仰賴特定領域所提供的資訊，較無法應用到全域處理。而例句式機器翻譯系統是透過所蒐集的雙語語料，從語料中搜尋與來源語言最相似的翻譯例句，進行詞彙修正或合併處理，這類系統所產生的譯句的正確性及品質，與所蒐集的雙語語料有相當大的關聯性。 混合式系統則是以語言學分析為背景，結合類似統計式及例句式的優點，進行更適當的翻譯處理程序。 語言合成：指的是文字轉語音處理，這是將經由轉譯出來的結果 (通常以 ASCII 碼表示), 再轉變成人類語音輸出，這個步驟中需要將人類發音的基本單元，透過適當的演算法來運算。 在發音的基本單元部分，每種語言大約具有 30 到 50 種發音方式，而透過這些發音方式可組合成音節，以中文單聲調為例，就有 408 種以上音節，所以在這個部分是要挑選出哪些是適合做為合成語音的合成單元。由於語音合成有自然度與可辨度的要求，在不同的應用發展上有不同的處理方式。若以在個人電腦上的應用為範圍，則由於個人電腦可提供大量記憶體儲存合成單元，故在合成單元的選擇上，可以句子為單位錄製，因此往往需要錄製到上千句或上萬句，再從大量的合成單元中透過適當的搜尋演算法，尋找適當的合成單元。 但多國語音電腦輔助翻譯，在即時性的需求下，使用者會藉由記憶體較小的裝置 (如個人數位助理) 進行溝通，故在合成單元儲存空間上有所限制。因此在這種條件下，需要仰賴特別語音編碼技術來提高合成單元儲放空間，而且還能保有合成單元大量的語音資訊。語音編碼的方法，廣泛來說可以分成波形編碼法、參數編碼法和混合編碼法三類。 以參數編碼法或是混合編碼法來說，這兩者都是運用以聲道模型為基礎的口腔合成濾波器。所謂口腔合成濾波器，基本上是由線性預測觀念發展而來，亦即假設一個語音樣本，可以由以前的 p 個語音樣本之線性組合來預測，而其做法是將實際語音樣本與預測樣本二者的誤差減至最小，如此可以找到最佳預測器。而預測器內的係數，即線性組合所需的係數，稱為線性預測係數，任何一種透過線性預測參數，來做數位語音編碼的演算法，在解碼端都需要經由數位語音合成濾波器，來合成語音，濾波器的輸入訊號為語音激發訊號，進入數位語音合成濾波器運算後的輸出便是合成語音。 展望 目前國內的多國語音電腦輔助翻譯正處於發展初期，對產、官、學界而言，都是屬於值得投入的領域。當前世界研究趨勢，正在發展一種特殊的新語言–國際人工語言，屆時只須將要翻譯的語言 (最終需要翻譯的主要語言會寥寥無幾) 在電腦裡先轉換成國際人工語言，便能簡單地譯成各種其他不同的語言了。人類各種族的語言障礙一旦除去，科技文明必將更迅速普及全球，開啟一個新智慧的紀元。在未來幾十年內，全人類將再次聯合攜手共建一座新「巴別塔」, 透過特定領域知識及先進的即時性硬體技術所提供的幫助，使得「走到那兒，說到那兒」的多國語音電腦輔助翻譯服務得以實現。

典藏科技:臺灣電腦的始祖

臺灣自製電腦的起源 「電腦」是臺灣重要的產業之一，日常生活中常常可以看到它們的身影，像是電子告示牌、醫院掛號與看診、購物刷卡、銀行提款或網路 ATM 轉帳等。就連現今最流行的智慧型手機，也可說是一臺不折不扣的小型電腦。 臺灣資訊發達，幾乎家家戶戶都有一臺以上的電腦，普及的程度可見一斑。時下年輕人對於電腦術語一點也不陌生，如中央處理單元 (central processing unit, CPU)、隨機存取記憶體 (random access memory, RAM)、唯讀記憶體 (read only memory, ROM)、主機板、硬碟、顯示卡等，它們的規格與各品牌的差異，也都可以朗朗上口。 但你可知道臺灣製造的第一臺 8 位元電腦，曾與全球知名的蘋果 2 號 (以下簡稱 Apple II) 有關嗎？當年由於風行全球的 Apple II 售價甚高，就連仿冒品也高達新臺幣 1 萬元左右，讓很多人望而卻步。國內宏碁公司因具有代理 Zilog 公司的微處理機及美國德州儀器公司半導體零組件的兩大優勢，再加上當時積體電路技術不斷精進發展，因而有機會與能力和 Apple II 一較長短，於 1981 年製造出低成本且體積輕薄的「小教授 1 號」(Microprofessor I, MPF-I) 微電腦學習機，並以 70 美元的低價推出。 「小教授 1 號」不但在國內的電子展中大出鋒頭，就連在美國的「西部電子展」(Western Show) 和日本東京的晴海電子大展中也都獲得很高的評價，也是國人第一個以自有品牌外銷的微電腦產品。 「小教授 1 號」採用當時流行且執行效率甚高的 Zilog Z80 為 CPU,1 秒鐘可執行 1.79 百萬次 (1.79 MHz) 的指令，RAM 與 ROM 的容量分別是 2KB 及 4KB。鍵盤與現在常用的不同，含 RESET 鍵只有 36 個鍵，並直接設計在機體上。顯示器則採用 6 個 0.5 英寸的 7 段式紅色 LED 燈，只能顯示數字與字母。至於喇叭，也只有 2.25 英寸並附在機板上，且只是單聲道。 電腦產業的先河 為壓低成本及節省空間，「小教授 1 號」沒有採用高價的外接或內建 8 或 5.25 英寸的軟碟機，仍使用外接錄音帶的方式，透過錄音線連接「小教授 1 號」與錄音機，以便把 RAM 的資料載錄到錄音帶，或把錄音帶上的資料傳到 RAM。最特別的是，它全部都放在一個類似語言錄音帶的塑膠外殼內，從外觀看來像是一個語言教學用的錄音帶產品。 有趣的是，當時西德電子專業雜誌《晶片》(CHIP) 把宏碁的英文名字 Multitech 錯寫成全友電腦的 Microtek, 因此造成大量訂單誤流至全友電腦。又加上幾年後 (1987 年) 宏碁的英文名字因同名之累，侵犯到美國數據機製造公司 Multitech 的商標權，所以必須停用。 種種的意外，促使有「電腦教父」美名的宏碁創辦人施振榮先生，意識到品牌的重要性。因此宏碁決定放棄已在國外市場行之有年，且當時價值高達 2 千萬美元的「Multitech」品牌，而從數萬個徵選的名字中，挑選出簡單易記又有「優秀」與「傑出」之意的「Acer」, 來取代原來的英文公司名稱。 「小教授 1 號」以物美價廉之姿大放異彩後，宏碁乘勝追擊，迅速在 1982 年推出功能擴充版的「小教授 1 號 Plus–工程型」。它仍使用 Z80 為 CPU, 並升級為 4 KB 的 RAM 和 8 KB 的 EPROM。此外，鍵盤增加為 49 鍵，採用目前大家熟悉的 QWERTY 排列，並維持與機體結合。顯示器則改為綠色螢光管，可顯示 20 個英文字母或數字，喇叭則與「小教授 1 號」同。至於資料存取，仍採用卡式錄音機，但增加了「培基」(以下簡稱 BASIC) 語言的功能。 「小教授 1 號 Plus」因為記憶體容量太小，僅能算是工程用的微電腦學習機，而不能算是電腦，且它的市場定位是給電子、控制工程師等專業人士使用，讓他們了解如何操作電腦及清楚內部構造。此外，選購的配備也增加了熱感應印表機、EPROM 燒寫器 (可把重要指令寫入 EPROM 中)、語音合成板、音響產生器等。 因為「小教授 1 號 Plus」是定位給專業人士使用，所以光操作手冊就有 186 頁，說明非常仔細，包括電腦的軟硬體規格、電路圖、記憶體分配表、螢光顯示板的構造說明、Z80 CPU 的腳位描述及指令集、錄音帶資料的格式等，甚至還包含如何依照個人的需求去修改線路的詳細解說。但這些對一般的民眾而言，卻太過艱深，因為使用者必須具有電子學及控制學的專業知識才能了解。 「小教授 1 號 Plus」雖然功能變強，但畢竟只能給少數專業人士使用，再加上當時轟動全球的 Apple II 的激勵，宏碁於同年 (1982) 再推出「小教授 2 號–學生型」(MPF-II)。除鍵盤與「小教授 1 號 Plus」一樣外，MPF-II 在外形與配備上都與「小教授 1 號」大異其趣，其體積只有 25 × 18.2 × 3.2 公分，僅約一本筆記本大小，攜帶非常方便，可說是當時全球最輕薄且體積最小的家用電腦。 小教授 2 號的轉變 「小教授 2 號」的 CPU 改用與 Apple II 同等級的 1 MHz MOS 6502,RAM 和 ROM 也大幅增加到 64 KB 與 16 KB, 顯示器則改為綠色的單色螢幕，但可配合個人需求改由彩色或黑白電視輸出。喇叭可發出 5 個 8 音度的聲音，並可透過外接方式與 55 鍵的鍵盤、軟碟機、專用印表機、錄音機、遊戲桿等連接以擴充功能。最特別的是它使用中文 BASIC, 並與 Apple II 不完全相容。 「小教授 2 號」也可透過卡匣接續器，把主機與外形相同並可顯示 2 萬 2 千個中文字的天龍字型產生器結合，利用所附的天龍字母銘板便可打出中文字。雖然它無法像 Apple II 一樣由硬體產生文字模式，而是由軟體「畫」在螢幕上，卻是能降低成本且使用較少記憶體的經濟方法，這也是小教授 1 號與 2 號較明顯的差異。 此外，「小教授 2 號」雖缺乏自己專屬的應用軟體，但能透過錄音機把修改過的各種 Apple II 軟體，如教育、娛樂、學習、益智等，儲存於錄音帶，再下載到「小教授 2 號」使用。就便利性而言，「小教授 2 號」雖然可以透過修改的方式分享 Apple II 的各種軟體，但不如後者能直接透過磁碟片載入後，即可使用來得方便。 「小教授 2 號」以「中國人的家用電腦一定要有中文的功能」及「從 7 歲到 70 歲都會使用的電腦」兩大訴求為行銷策略，不僅擴大了使用者範圍，更以每臺僅新臺幣 7,950 元的廉價擄獲人心，深受國內及海外二十多個國家的喜愛，並掀起「電腦家庭化」的熱潮。 「小教授 2 號」不但榮獲 1982 年外貿協會主辦的優良外銷產品與包裝設計選拔的 4 大獎項：最傑出產品設計獎、經濟部長獎、佳作獎、創作獎，同時是臺灣製造的第一臺 8 位元電腦產品，更獲得西德的《晶片》雜誌評選為當年度「十大個人電腦代表作」的榮譽。 1983 年正當「小教授 2 號」廣受好評，並熱銷到美國之際，突然被美國海關擋關扣押。起因是蘋果電腦公司指控「小教授 2 號」仿造 APPLE II 的軟、硬體設計，侵犯了該公司的著作權。 雖然「小教授 2 號」的研發的確參考過 APPLE II, 但是經過重新設計，有些功能與配備甚至比 APPLE II 好，例如 APPLE II 就沒有「小教授 2 號」的中文處理功能，因此以當時的時空背景而言，蘋果電腦的控訴是無法成立的。然而該公司卻以「小教授 2 號」說明書「看漫畫學電腦」為題，指出部分說明是翻譯自 APPLE II, 甚至把 APPLE II 的英文說明直接放進書中。這舉動被認定是罪證確鑿，宏碁被要求支付每臺 20 美元的賠償金。後來因舉證不足，才改把「小教授 2 號」予以扣押收場。 為提升性能，宏碁再於 1983 年推出「小教授 3 號–行家型」(MPF-III) 家用電腦。MPF-III 不論在外形與大小都和小教授 1、2 號大不相同，除 CPU 仍沿用「小教授 2 號」的 MOS 6502 外，RAM 和 ROM 都小幅增加為 66 KB 與 24 KB, 鍵盤也由國人設計改良並與主機分離，並增加了 F1 到 F12 的功能鍵、九宮格數字鍵及特殊鍵，成為共 90 個鍵的超薄型鍵盤，遠遠多於 Apple II 的 53 鍵，且透過外接的螢幕可一次顯示 24 行，每行 80 欄的文字。 這機型除了可發出 36 個音階的聲音外，也增加了音響產生器，可發出機槍聲、爆炸聲、鋼琴聲、鈴聲、木琴聲等聲效及各種舞步伴奏節拍，更擁有完整的介面，以連接印表機、錄音機、電視機、遙控器、中文卡、顯示機、CP/M 卡及 SLOT 接孔，可外接 2 個軟碟機，使用 MS-DOS (Disk Operating System) 3.3 的作業系統。同樣地，它也可加裝「天龍中文卡」顯示中文字。 走入歷史的小教授 3 號 整體而言，「小教授 3 號」除具有 Apple II–e 所沒有的中文處理功能外，在 ROM、鍵盤、音響產生器、體積及價格方面都優於當時的 Apple II–e, 更是國內、外二十多種品牌電腦中最受好評的一款家用電腦。 儘管如此，「小教授 3 號」還是因為無法與 Apple II–e 相容，以至於不能透過改寫其相關軟體以擴充及豐富所使用的軟體種類。這種因不相容所造成的結果，漸漸引爆使用者無言的抗議，再加上 Apple II 的仿冒電腦在市面上充斥，更壓縮了「小教授 3 號」的存在空間，以致銷售量銳減，最後只好黯然退出電腦的舞臺。 30 年前宏碁公司所推出的「小教授」系列，不但外表不像時下的電腦，內部連散熱風扇、硬碟、顯示卡都沒有，更沒有滑鼠、讀卡機、藍芽、無線上網等配備，甚至 CPU、RAM、ROM 等都遠不如目前最陽春的智慧型手機。以現在的眼光來看，雖然該系列產品猶如「石器時代」的作品，卻是促使宏碁公司轉型成個人電腦領域的關鍵機種。 「小教授」系列產品在當時不只新潮且頗受好評，更享譽全球，也是台灣第一項大量外銷的電腦產品。而且該系列產品的誕生，不只是臺灣電腦產業的開路先鋒，更是帶動臺灣其他如模具、電腦零件、外殼、IC 等相關產業起飛的幕後功臣。 電腦產業汰舊換新的速度很快，如何讓民眾了解電腦的發展歷史？這時博物館典藏的相關文物就扮演了相當重要的角色，因為這些典藏品可以讓民眾一睹過去電腦的實際樣貌，真實地感受現在與過去的差異。 博物館典藏的意義，在於把過去具歷史意義與代表性的文物加以妥善保存維護，並透過不同的展演方式，讓民眾了解當中的意涵以增廣見聞，從而激發其創造力與想像力。透過前人的知識經驗，未來臺灣的電腦產業也能在國人的努力下，開發出比蘋果公司的 iPhone 智慧型手機或 iPad 平板電腦更具魅力且實用的產品，進而引領臺灣電腦產業再創高峰。

兩棲類生存危機

青蛙與蟾蜍，普遍的生存在我們周遭，是兩棲類動物的最佳代表，但你可知道，兩棲類目前正面臨著重大的生存威脅，而且數量急速減少？請聽今天科學三分鐘的主題：兩棲類生存危機。 相信大家在雨後的水岸，都曾經聽過悅耳的陣陣蛙鳴；而大雨過後的積水處，也往往能看到成串包在膠質裡的蟾蜍卵。在水中的蝌蚪，長大後成為跳躍的青蛙與蟾蜍，對人們而言，是最熟悉的兩棲類動物。 兩棲類家族還有另一群長著尾巴的親戚，包括棲息在山區的山椒魚、河川裡的蠑螈、以及俗稱娃娃魚的大鯢，也都是兩棲類這個大家族的一份子。 兩棲類出現於三億多年前，牠們普遍有較低的代謝率，只需要少量食物就能維持生命。因此，即使經過好幾次嚴重的生物大滅絕，牠們仍然在地球上安然繁衍、數量眾多。 但近年，來自各地的研究卻顯示，我們所熟悉的這群生物，數量正急速減少。背後的原因，則包括了環境汙染、疾病、以及棲息地的破壞等多種原因。 相對於哺乳類、爬蟲類等等，兩棲類的皮膚對水具有「通透性」, 外界的物質比較容易滲透到牠們體內。因此，如果雨水和土壤裡，存在有毒的化學物質，兩棲類會更容易受到影響。例如，人類噴灑的殺蟲劑與除草劑，隨著雨水進入河川湖泊，往往會造成兩棲類蝌蚪生長遲緩或大量死亡，也可能提高外寄生蟲的寄生率，間接導致蛙類嚴重畸形，多長出額外的腿。. 還有一類稱為「蛙壺菌」的真菌，以水做為傳播的媒介，受感染的蛙類死亡率非常高，近年來在北美洲西部、中美洲與澳洲等地流行，造成蛙類數量大幅下降。由於患病的青蛙膚色通紅，被稱為兩棲類的「紅死病」。 除此之外，氣候變遷、外來種的競爭等因素也都威脅著兩棲類，儘管威脅眾多，但實際上對牠們生存危害最大的，還是人類的經濟活動。土地開發不只造成許多兩棲類賴以生存的原始棲地破碎化或消失，一旦失去了植物的掩護與食物來源，任何物種都難以存活。 雖然感覺上，兩棲類與我們的生活交集不大，但牠們在食物鏈當中的位置，卻能有效控制許多害蟲的數量，惱人的蚊子就是其中之一。試著把眼光放遠，我們會發現：生態系統非常敏感，牽一髮動全身。當兩棲類消失，我們很難預測將會對人們生活產生多麼嚴重的影響。青蛙鳴叫，卻不會說話，只有我們能夠為牠們發聲；保育兩棲類的棲息地，維護生物的多樣性，也只有靠人類來共同努力。 今天的關鍵字，就是 兩棲類 Amphibian 您可以透過關鍵字，進一步查詢或做延伸閱讀。 【本單元由行政院國家科學委員會補助製播】 2013-04-21 16:55:00 播出

過去的記憶 未來的想像

近年來，對未來想像的研究正快速成長，科學家也逐漸形成了「前瞻性大腦」的概念，認為大腦的重要功能之一就是儲存訊息以供想像、模擬和預測未來事件。因此，記憶具有創造性，由過去經驗加上新經驗重複組裝而成。 記憶是什麼 還記得前天早餐吃了些什麼？甚至上周五音樂會的曲目、前次到虎頭埤健走的趣事嗎？在日常生活中，我們藉著海馬迴不斷地把生活經驗儲存在腦中，等到未來要用到相關資訊時再提取出來，這就是記憶。 然而，人類的記憶經常夾雜著許多錯誤的訊息。哈佛大學心理系主任沙克特 (Daniel L. Schacter) 教授寫了一本書《記憶七罪》(The Seven Sins of Memory), 描述人類可能犯下的七種錯誤記憶類型，例如，隨著時間逐漸褪色或消失的「遺忘」、忘東忘西的「沒頭神」, 或誤把妄想當作事實的「錯認」等。這些錯誤提供了研究記憶非常重要的依據。 早在 1932 年，巴特里 (Frederic C. Bartlett, 1886-1969) 就認為「情節性記憶」可以讓人回憶時間、地點及個人經驗，這可能是經由片段的經驗重新組合、建構而成，而非完全複製過去的經驗。就像我們可以藉著照片回憶小時候的樣子，而對某個特定事件印象深刻，例如千禧年冬天，爸媽邀請了班上同學為自己慶生的熱鬧場面，卻無法很仔細地描述當時來了多少人、收了哪些禮物。 為什麼情節性記憶是透過類似拼圖的過程，把過去的經驗與訊息片段地拼湊起來，而非像播放光碟或影帶般呢？越來越多的研究顯示，錯誤記憶很可能是其中的一個理由。 有一個著名的實驗，實驗者讓受測者注視依次投影在牆上的字詞：疲憊、床墊、作夢、棉被、床單、夜晚、打鼾、枕頭等。過了一段時間後，實驗者問受測者方才是否出現過「打鼾」這個字詞，大部分的人可以篤定地說:「有。」再問是否有「麵包」, 多數人會肯定地說:「沒有。」 若再問是否出現「睡覺」時，受測者則開始出現困惑，並很可能說出錯誤的答案:「有。」這樣的情形稱為「錯誤再認」, 因為他們相信「睡覺」與清單出現的一系列字詞相關，睡覺在這裡是一種語意誘標而產生的要旨記憶，因此造成誤判。 用功能性腦部磁振造影術對健康成人進行類似的字詞回憶研究發現，大腦的海馬迴與頂葉、額葉區，不論對「正確決策」或「錯誤再認」都出現相似的反應，顯示這些腦區掌控了大腦能否正確提取過去記憶的功能。因此，重新確認字詞是否出現在清單中，是大腦整合新舊記憶的運作過程。而且，僅記住過去事件的主軸是一種儲存經驗最便捷的方式，不需把繁雜細節且不相關的記憶也納入。 除此之外，情節性記憶還有其他的功能嗎？想像未來與回憶過去 以色列學者都戴 (Dudai) 和美國學者卡魯什司 (Carruthers) 在 2005 年指出，人從過去提取經驗，是為了想像與模擬可能發生在未來的相關事件。當我們在想像明天開會，或下禮拜出國旅遊可能發生的種種情景時，就是把自己投射到未來的想像，這樣的想像植基於過去累積的經驗。 但是，未來事件的想像並不會完全複製過去經驗，而且如果記憶系統儲存的訊息過於簡單，則能夠模擬未來的資源會變得很小，也就縮小了想像力的範圍。因此，夏克特和澳洲學者阿迪司 (Addis) 提出了結構性情節模擬假設 — 模擬未來情節需要一個能夠彈性地結合過去事件細節的系統，而「記憶」正是可以用來模擬的有用資訊。 過去一個多世紀以來，對記憶的研究多著重在回憶的經驗，而究竟在回憶過去與想像未來之間，是怎麼搭起一座重要橋梁呢？想像未來的研究 巴特里認為情節性記憶可能是個建構系統。同時期，加拿大的記憶學學者陀芬 (Endel Tulving) 也認為，大腦的特定腦區具有能夠回憶個人經驗的系統，也可以進行「心靈時光旅行」。藉著想像，不僅可以回到過去，也能進入未來，而這能力是人類特有的。但後來的研究卻發現，動物也可以進行心靈時光旅行。 過去認為，動物當下表現出來的任何行為，都是為了使牠們能夠在未來得到報償的暫時需求。例如著名的史金納箱實驗 — 老鼠肚子餓了會想吃東西，於是研究者把食物放到器皿裡，老鼠必須按槓桿才有食物吃，久而久之，就學會在想吃東西時，就壓桿來得到食物。 這樣，我們可以說老鼠也有記憶，記得要壓桿來獲取食物。但是，究竟牠能不能「回憶」食物的氣味，或吃東西當時的情景呢？換言之，動物是否也能像人一樣，記得一個情景所包含的時間、事物、地點等訊息呢？科學家於是研究了一種會儲存食物的歐洲樫鳥，這種鳥能從牠們找尋食物的經驗中提取極為細微的訊息，例如記得藏了什麼食物、藏在哪裡。這是不是說，樫鳥除了時間之外，可能也具備人類所擁有的自傳性記憶？隨後的實驗發現，鳥兒會判斷「不同時間」所儲存的食物，並選取存取時間較近的食物來吃，因為牠們可能知道時間較近，儲存的食物較新鮮美味。 就算動物可能也有時間的記憶，但是否也能像人類一樣預想且規劃未來？如果能，則牠們的行為必須能夠滿足非即時、尚未出現的需要，就好像當我們知道颱風即將來臨時，會先做好防颱準備。那動物有類似的行為嗎？研究發現，樫鳥和人類一樣，也會安排早餐的菜單！在不同的盒子放著不同的穀物如花生、松子，但只有其中一個盒子可以在早上打開。幾天後，樫鳥知道不是所有的盒子在早上都能打開，因此牠會開始預先儲存食物，以確定隔天早上可以吃到所有種類的穀物。但仍有科學家認為動物不可能像人可以知道現在是早上 8 點、過了 6 小時後是下午兩點，因此尚難以確認牠們是否有時間的定向感。 除了鳥類之外，靈長類如黑猩猩、猴子，及囓齒類如老鼠等哺乳動物，都具有憑藉過去經驗計劃未來的能力。但這類動物缺乏語言能力，因此難以描述牠們心靈時光旅行的內涵。 人類又是如何發展出心靈時光旅行的能力呢？兒童發展的研究發現，兒童可以做時光旅行，但「情節性回憶」和「想像未來」的能力則較晚，大約在 3 至 5 歲間才發展出來。這樣的能力與兒童何時能夠談論心靈的內容，以及是否已經累積足夠的生活經驗密切相關。 前已述及，建構性情節模擬假設強調了情節性記憶對於模擬未來事件的貢獻，但語意性記憶的角色也不容忽視。語意性記憶就像是所有知識的本源，也是事件的主要內容，而且可能用來引導建構未來的情景。 從學會說話開始，我們就不斷地運用情節性與語意性記憶來描述生活經驗，例如「台灣的小孩從小學開始要接受國民義務教育」是一個普及化的語意性記憶。若曾在上小學前在美國住了一段時間，就會了解「美國的小孩每天都進行許多活動，像在教室養小動物、時常參觀博物館，或趴在美術館裡臨摩」, 與台灣小孩必須每天穿著制服坐在教室聽老師上課的經驗很不同，這就是一個親身經歷的情節性記憶。 以往典型的想像未來研究，常用字詞或圖片引發正常受試者想像事件並詳細描述，再把錄音資料謄成逐字稿以定量未來想像，或分析文本內容的內部成分 (情節性細節) 與外部成分 (語意性細節), 從內部成分的豐富性可以推斷受測者是否真的身歷其境。但如果是腦部受傷、精神疾病引起失憶的病人，或甚至是盲人，他們回憶過去與想像未來的機制與正常人是否不同？腦傷病人 K.C. 是一位科學史上著名的失憶症病人，他在一次嚴重腦部受傷後失去了全部的情節性記憶，如果問他個人過去經驗或想像未來時，他只會回答一切都是「空白」。 十多年前，學者發現有自殺傾向的憂鬱症病人，在回憶過去和想像未來之間的連結出現問題。病人對於特定字詞線索，難以從過去事件中提取特定訊息，回應概括且籠統的描述，對於自傳性未來事件所含的想像成分也很少。 至於精神分裂症病人，僅能回憶少量的特定過去事件和想像少量的特定未來事件，且後者的能力優於前者，這也許和病人的正向症狀 (幻覺或錯覺) 而非負向症狀 (冷漠情感) 有關。同時，他們想像的內容可能是脫離現實、虛構的，與個人經驗無關，因此描述的內容無法有系統地記住相關細節。 後天性盲人 國內學者曾訪談長期從事視障教育的老師，發現他們必須透過各種生動活潑的描述，把正常人所見的事物灌輸給盲生。 而盲人會用想像的方式掌握這些看不見的事物，可以經由他人轉述，借助語言來理解色彩、繪畫、光等視覺圖像。統計資料指出，大部分的盲人喜歡看電視勝於聽廣播，顯示盲人與正常人一樣，除了聽覺、觸覺、嗅覺等感官外，視覺經驗更在他們的生活中扮演了重要角色。 高齡者 研究發現，高齡者在回憶過去事件時，所提到的情節性記憶少於年輕人。更重要的是，在想像未來事件時，高齡者同樣比年輕人有較少的情節性記憶。高齡化社會中常見的阿茲海默氏症病人，由於大腦掌管記憶的內側顳葉區出現病變萎縮，不論在回憶過去或想像未來事件時，比健康高齡者都有較少情節性記憶。 與想像未來相關的腦區 澳洲學者阿迪司等人以功能性腦部磁振造影 (MRI) 的實驗，進一步說明想像未來情境究竟是活化哪些腦區以及代表的意義。一開始，要受測者回想過去 (憶往) 或預想未來 (瞻前), 稱為「建構歷程」。接著，要同一受測者盡可能產生瞻前憶往的細節，稱為「精緻化階段」。 他們發現，在建構歷程階段，受測者活化的腦區主要是後視覺區與左側的海馬迴，這可能是引發索引的視覺區與指向記憶痕跡的海馬迴之間的互動。而在精緻化階段，兩者活化的腦區彼此重疊部分頗多，包括前額葉、內側顳葉區 (含海馬迴、海馬旁迴), 以及接近前楔葉的後側中線區。而高齡者在想像未來和回憶過去時，大腦顳葉區分野也出現了類似的神經活化。 另外，實驗者提供事件的線索，引導受測者回憶特定的過去事件和想像特定的未來事件，或想像某個熟悉人物 (例如美國前總統柯林頓) 的特定未來事件時，在前額葉和內側顳葉腦區也出現了重疊活化的現象，在後中側腦區或接近前楔葉也有活化現象。但是，這些區域在想像柯林頓的個人事件時並不會受到激發，顯示瞻前憶往的建構與「個人經驗」相關。 這個研究再次證明了前幾個研究以自傳性「瞻前憶往」事件時，大腦系統的活動區域產生重疊的現象，也說明了瞻前憶往的歷程與大腦核心系統的功能有關，包括前額葉、中顳葉區和後腦區 (含前楔葉、後壓部皮質)。這些腦區活動的連續性與大腦網絡的組成相關，也影響了記憶的提取。 2007 年，英國哈薩比思 (Demis Hassabis) 的團隊利用功能性腦部造影術的研究發現，傷及海馬迴的病人無法想像未來發生的情境，受測者預想未來事件時與回憶情節性記憶時所活化的腦區多所重疊，特別是在想像虛構、非個人親身經驗的事件時。這也證明了想像未來需要憑藉個人經驗的論點。由此可知，預想未來的大腦認知歷程所動用的資源與腦區多來自情節性記憶。 由上述提到的眾多腦區可以知道，想像未來發生情境的認知功能涉及許多相關高次大腦功能。英國認知科學家馬乖爾 (Eleanor Maguire) 曾經用「搭景」的概念，來說明涉及到由視覺引起的刺激與儲存記憶的互動歷程，也呼應了盲人使用視覺圖像的經驗。 越來越多證據顯示，想像未來也可以應用到很多情境。例如，預想到一個未來將抵達的地方，當受測者經由某種管道或認知歷程把自我移到一個情境，就與認路功能發生了密切關聯，當事人也必須假想未來即將抵達目的地的情景。但如果當事人不曾走過那條路或看過地圖，要假想行經的路線就較為困難。 盲人呢？對多數全盲者來說，進入一個陌生環境時，經常無法完成有效的定向行動。相對地，在熟悉的環境中，即使其他感官不靈敏，不會使用手杖與缺乏外在環境的抽象概念，盲人依然可以輕鬆地完成定向行動，而且和是否曾經受過定向教育無關，顯示他們也可以透過先前建立的認知地圖輕易地完成定向行動。 此外，臆測他人的想法、計劃未來和想像即將發生的情境，很可能都是同一個認知歷程，而且共用一個核心大腦系統。這就不難了解，想像未來的能力與日常生活息息相關。 不妨想想看，若有一天突然對生活失去方向，不知道自己下一刻應完成什麼事情，或不知道怎麼做，對忙碌的現代人來說，這會是多麼大的衝擊？

在經驗塑造下的腦部發展

雖是場腦科學演講，但李立仁教授一開場就期勉聽眾，以「來關心小朋友」的心情聆聽這場演講，如此，能讓生硬的腦科學知識鮮活起來。首先，李教授簡介了胎兒大腦的發展歷程是如何從神經板、神經管發展成大腦雛型，並介紹了神經元、神經突觸等大腦運作的基本原理。李教授特別說到，大腦的發育是「基因」與「環境 (早期經驗)」共同作用而成，發育之初，大腦生長了相當大量的神經元細胞，因此嬰兒時期的大腦具有相當高的可塑性，而後，依「用進廢退」的原理，大腦進行神經元細胞的「穩固與移除」, 大腦的可塑性也因此隨年齡降低了。李教授提到，0 ~ 3 歲為大腦發展的關鍵，而不同的腦功能亦有其不同的突觸形成關鍵期，如感覺功能在 0 ~ 6 個月，語言功能約在 1 歲左右，而由前額葉主管的高層認知的功能則較晚，1 ~ 2 歲左右為其高峰，事實上，人類的前額葉一直到青少年時期後才算發展完成，這也是為什麼青少年容易衝動的原因。掌握大腦發展的進程與特性，給予適當的刺激與引導，便有助於嬰兒的心智發展。出生早期的感覺經驗，對嬰兒未來的發展有著重要影響，其中，觸覺是胎兒最早發展的感覺，約在受孕後兩個月，胎兒便已具備觸覺受器，而七個月的胎兒便可以開始感覺到「痛」。李教授以心理學家 Harry Harlow 以猴子所做的「鐵絲媽媽與布媽媽」實驗說明，小猴子傾向依附在質感較溫暖、柔軟的布料，勝於冰冷的鐵絲，而這些接觸經驗也對小猴子日後的情緒發展具有相當影響力，因此，嬰兒早期的觸摸經驗，在其日後情緒與社會行為發展上，扮演重要角色。另一個值得關注的早期感官經驗是聽覺。李教授說，胎兒在出生以前，就已經具備分辨音樂、說話、心跳聲之不同的能力。研究也發現，媽媽如果每天經常地對嬰兒說話，當孩子長到 2 歲大時，所會的字彙會多出同齡孩子約 300 字，但如果是用電視機播放，則沒有這樣的效果，這說明了「互動」所帶來的社會線索對心智發展的重要性，對於孩子的教育，這一點頗具啟示性。嬰兒若遭受早期經驗的不當對待，對未來發展恐不利。李教授指出，不當對待包括「不該有而有」與「該有而沒有」兩大類：不該有而有，包括：化學因子：如藥、酒、毒以及環境荷爾蒙等，會傷害大腦結構，例如酗酒的母親，可能造成「嬰兒酒精症候群」, 不管在老鼠或是人類身上均發現，此類嬰兒在外貌上沒有人中，鼻子、臉頰較扁，而日後易出現癲顯、過動或語言控制力較差等行為狀況。物理因子：如噪音、輻射等，也會對孩子身心發展造成不利影響。然而李教授也特別提到，我們不用過度對日本 311 大地震的輻射危害恐慌，因為安全的環境輻射最大量乘以 20-30 倍，才會對嬰兒發展造成重大影響。生理、心理因子：如疾病感染、壓力、暴力等。實驗指出，持續對懷孕的母鼠施以光照、搬家、噪音或是讓牠聞到狐狸的味道，其所生之公鼠會出現「去雄性化」的現象，且此「去雄性化」的狀況甚至會在公鼠的後代持續發生，顯示不當的高壓環境，會影響基因的表達 (儘管基因的序列未變), 不可不慎。該有而沒有，包括：營養：包括熱量、蛋白質、維生素、礦物質...... 等，母親最好於懷孕前便開始補充營養，儲備懷孕的能量。感官刺激：如聲音、氣味、觸摸...... 等，實驗顯示，剪除幼鼠的觸鬚，會影響大腦體感覺皮層的神經元樹突棘的密度與型態，幼鼠在神經元「穩固與移除」階段留下太多日後用不到的神經元，使腦功能受影響，該類老鼠也有過動的傾向，推測可能是因為「感覺」功能遭剝奪，而以改「動」的方式去尋求環境訊息的獲得。依附關係：若依附關係遭剝奪，會增加個體對壓力的敏感度，或造成過度倚賴、自我封閉、情緒控制不當等情況。綜上所述，李教授提出幾件對早期發展有益的建議：有計畫的懷孕：及早開始補充營養、遠離菸酒、維持好心情等。哺育母乳：哺育母乳除了能提供嬰兒可吸收的大分子蛋白質，也增加了親子的親密，以及孩子的觸、視、嗅覺等多重經驗，李教授提醒，媽媽宜至少哺育至 6 個月到 1 歲，但有 42% 的臺灣小孩從沒喝過母乳，值得改善。建立親子親密關係：包括擁抱、鼓勵、常說話等，並提供安全的成長環境。給予豐富的感官與社交經驗：包括接觸音樂與節奏、接近自然環境與動植物、多與兄弟姊妹及玩伴互動、培養和諧的家庭氣氛等。 演講尾聲，李教授指出:「喜樂乃良藥」, 帶著喜樂心情迎接每個新生的嬰兒，便是孩子最好的成長支柱全文轉載自「精神健康基金會」網站：在經驗塑造下的腦部發展

生物多樣性與新興傳染病

愛滋病、SARS、新流感都是新興傳染病，病原都來自動物。有人懷疑，自然界的生物多樣性大幅下降，才使得人類更容易暴露於受感染的情境中。而維持複雜生態系的完整，使物種之間維持平衡關係，也許就能控制由動物散布的病原，讓人不容易接觸帶原動物。 例如漢他病毒症候群，是第二類法定傳染病，是因感染漢他病毒引起的。這種病毒在野外的宿主是囓齒動物，特別是老鼠。人吸入或接觸帶原鼠的糞、尿，就可能感染。根據衛生署的資料，我國自 2001 年起，共有 10 名確定病例。美國一年有 500 人死於由鹿鼠 (common deer mouse) 感染的漢他病毒。 美國波特蘭州立大學的研究團隊，在波特蘭四周的 5 個公園內，連續 4 年放置了捕捉動物的陷阱。每個公園捕捉到的動物，哺乳類的種類及帶原鹿鼠的比率都不同。哺乳類多樣性越低，帶原鹿鼠的比率越高。哺乳類多樣性最低的公園裡，鹿鼠帶原的比率高到接近百分之百。 同時，美國、墨西哥、巴拿馬的專家組成的團隊，在巴拿馬做實驗，證明減少環境中的小型哺乳類的種類，會使囓齒動物的帶原率上升。因為常有肉食哺乳動物出沒的區域，鹿鼠的活動範圍並不大，因此不易感染病毒。一旦肉食哺乳類少了，牠們膽子就大了，很會亂跑，容易接觸到病原。 □

電子科技新旋風:數位家電生活

數位家電的歷史與概念 數位家電 (information appliance,IA) 的概念並非最近的事，早在 1987 年司科瑞克在〈2010 的智慧家庭〉(The Intelligent Home of 2010) 一文中，已經有所描述：在未來的家庭裡會有一個網路閘道器，它對外連接通訊網路，提供家庭通訊功能，對內則連接家用設備，用以監控家電。隨著資訊、電子技術的進步，這樣的概念已經逐漸實現。 德國的西門子公司描繪未來的數位家庭中，燈光是不需要開關的，它可以自動啟閉，或者透過鍵盤設定開啟與關閉的時間；當人們外出時，不必要的家電會自動休眠，門禁保全系統則會自動啟動。韓國 LG 公司則推出一臺可以連接網際網路、收發電子郵件、下載食譜的網路電冰箱。 美國的伊萊克斯公司設計了一種智慧吸塵器，名為三葉蟲，它可以自動偵測、尋找並規劃清潔路徑。當使用者開啟電源後，會自動清潔地板，如果電力不足了，也會回到充電器充電，待電力充足後再繼續工作。當然它也會避開樓梯口，以防止掉落損壞。日本的本田公司推出另一種具有人工智慧的機器人 ASIMO, 可以隨著音樂節奏與人互動共舞，一般認為它已經具有管家的雛型。 數位家電不僅賦予舊式的家用電器新的機能，有創意的新家電也不斷地出現。例如麻省理工學院的謝爾德教授做了一個智慧湯匙，可以顯示食物的溫度與甜鹹，這種湯匙即是人工舌頭的雛型。另外互動式電視不只是收看視訊節目，更可以連上網際網路，隨意點播節目，或上網購物、上課、甚至看病等。由上述的例子，可以預期數位家電應該可以提供居家服務、娛樂、教學與醫療保健等較以往更為舒適的家居生活。 就市場需求而言，根據資策會統計，2002 年臺灣數位家電產值大幅成長了 140.1%, 達 41 億 9 千萬美元，是 6 大硬體產業中表現最好的。樂觀預估，臺灣 IA 總產值在 2005 年應可達 64 億美元，占全球市場的 34.9%, 是臺灣繼資訊產品後，另一重要的新興市場。 數位家電的特點 綜觀數位家電過去的發展，不難發現它具有兩項特點：智慧型操作介面與優異的通訊能力。 所謂智慧型操作介面，就是跳脫過去的鍵盤與開關，可以接受更自然的指令，包含語音、口令、甚至行為動作與情緒等，而且這些家電設備具有學習或尋找最佳工作模式的能力。例如房間內的感應器可以依據人的口令或自動感測是否有人來決定開啟燈光，或藉由偵測室內溫度控制冷氣或暖氣，或使用者可以用語音指揮音響的播放曲目、電話的撥號、電腦的資料搜尋等。這些智慧型的操作介面讓家電可以識別指令，讓使用者可以更輕便、自然地操作家電用品。 數位家電也都普遍具有良好的通訊能力，可以相互連結或連接網際網路。家電設備具有通訊能力就可以接收來自外部的命令，以及通報自身的內部狀態，因此可以實現遠端控制與家庭保全的功能。家人外出時也可以透過網際網路連接家中攝影機，來觀看是否遭人侵入，或控制家裡電器的開關。 除了使用者可以透過網路連接設備之外，家電設備也可以相互連接通訊，例如當攝影機偵測到有外人入侵時，會通知錄影設備錄下入侵者的影像；當有煙霧或火焰發生時，會自動通知消防隊或在外的家人；冰箱裡的牛奶喝完了，就上網訂購新鮮牛奶並宅配到家；冷氣機啟動時，會自動關閉門窗；此外，也可以連接到音樂公司下載最新專輯，人們就不需再跑唱片行了；電子書包也可以每天依課表更新應帶的書本，小朋友就不用天天背負沈重的書包了。這些都是通訊網路帶給數位家電的新功能與價值。 另外一個值得注意的趨勢是個人化的操作介面，也就是數位家電可藉由本身的學習能力來學習使用者的操作習慣與需求，提供不同的操作建議或內容讓使用者選擇。舉例而言，電視可以提供使用者個人喜好或分級的節目內容，以幫助使用者更快且更準確地找到想要的內容。 數位家電的基本技術 要使家電設備具有智慧操作與網路通訊的能力，就必須使家電用品具有環境感測、資料計算與資料傳輸的能力，因此數位家電設備多半具有下列的軟、硬體技術。 有效的感測元件 感測元件主要是感測環境物理量的變化，並轉換成電子訊號加以應用。例如光線、溫度、濕度、氣體等物理量的變化，可藉由感測器元件轉換成電阻、電流、電壓、電容等訊號的變化做為控制的依據，使系統維持在最佳的運作狀況。近年來因為資訊科技的進步，影像與聲音可以經由影像處理及語音識別技術加以運算，而得到不錯的辨識效果。所以影音的感測元件也廣泛地使用在家電中。 高效能的計算平臺 如何從多個與多種感測元件所得到的資料中，分辨出具有意義的訊息，進而調整家電的運作，必須有一個高效能的平臺來完成。例如，感知光線強度後決定燈光的開閉，偵測溫度的高低決定冷氣的調溫，檢查屋內影像的內容，找出入侵者的位置，以及分析使用者的的語音訊號，以便得到使用者的語意等。這樣的計算平臺恰如一般的電腦系統，我們把這包括硬體與軟體的計算平臺稱為嵌入式系統。 嵌入式系統與個人電腦最大的不同在於系統資源有限，不易擴充，且執行的任務固定，只具備特定功能。所以要為家電設備設計專屬的嵌入式系統，必須把有限的系統資源，如 CPU 時間、記憶體空間等做有效率的分配與應用，並且整合原有的家電與周邊感測元件的功能。近年來微電子技術甚至可以把這計算平臺整個實作於單一晶片上，也就是系統晶片，讓數位家電更具效率與可行性。 完整的網路介面 要使數位家電能透過網路連接，就必須讓家電設備具有完整的網路介面。目前廣泛使用的有線或無線區域網路技術，包括 IEEE802.3、IEEE802.11 與 HOME PLUG 都可以讓家電設備連接網際網路。利用通用序列傳送介面 (USB)、IEEE1394 與藍芽 (Bluetooth), 也可以讓家電設備之間相互連接，它們可提供的連線距離、速度與傳輸介質都不相同。 IEEE802.3 也就是一般使用 RJ-45 接頭的乙太網路，是目前最廣泛使用於連接家用電腦的網路。新型的被動式光纖乙太網路傳輸速度可達每秒數十億位元，可以用來連接家庭閘道器與網際網路。 IEEE802.11 與 HOME PLUG 也有這種功用，不過 IEEE802.11 採用 2.4 GHz 的無線電訊號，HOME PLUG 則採用家中的電力線路做為電腦網路的傳輸線，所以兩者都不需重新布設網路線，也是目前架設家用電腦網路最常使用的解決方案。尤其 HOME PLUG 可以讓數位家電直接由電源插座連接網路，最適合用來構建數位家電網路。 USB、IEEE1394 與藍芽目前已經大量使用在隨身碟、數位相機、數位攝影機、耳機、音響設備上。其中 USB 與 IEEE1394 所提供的不需重新開關機就可以連接設備的熱插拔功能，以及短距離但高傳輸速度的特性，已經可以支援影音娛樂家電的高品質要求。 訊號處理技術 為了提供智慧型個人化的操作介面，數位家電設備必須具備聽覺，能聽得懂使用者的語音，以及視覺，能看得懂使用者的影像，所以必須有良好的訊號處理技術。而且為了能即時傳送大量的影音資料，壓縮技術也十分重要！舉例而言，如要以每秒 30 個畫面的速率傳送解析度為 640 × 480 × 3 的電視畫面，則需要 640 × 480 × 3 × 30 bytes / 秒 = 27,648,000 位元 / 秒的網路頻寬，這對現有的網路是十分困難的。而資料壓縮技術可以把多媒體資料以高壓縮比、低遺失率的方法傳送。 常用的方法有國際標準組織 MPEG 所提出的 MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4, 以及國際通訊聯盟所制定的 G.723、G.729 等。MPEG 系列的壓縮技術已經廣泛使用在影音光碟片上，例如 VCD 上的 MPEG-1、DVD 上的 MPEG-2, 以及目前常用於數位相機或行動電話錄影功能的 MPEG-4, 而 G.72x 系列則適用於網路電話語音壓縮。 人機互動技術 人機互動技術是指如何讓使用者與設備的溝通介面更加人性化的技術，也是如何實現智慧型個人化操作介面的技術。它包括如何針對一個應用或設備來設計、評估、最後實作出有效易用的人機介面，甚至使用者所處的情境都可以被機器辨識。所以這項技術所涵蓋的範圍不僅限於計算機科學，還包括人性因素的研究，如認知科學，以及以使用者為中心的介面設計方法、媒體的處理與呈現、實用性的評估與測試等主題。 新的數位家庭生活 新的資訊技術讓傳統的家電設備有了新的風貌，也改變了我們過去的生活習慣，當然人們與「家」的互動也會不同於以往，未來「家」不僅只是硬體，更是可以親和互動的軟體。 在未來家庭中會有個服務閘道器整合家庭內部網路，包括電腦網路及家電網路，並且提供使用者一個整合的家電操作介面，以便操控家電，統整訊息設備，包括電子郵件、簡訊、電話、傳真等讓使用者享有單一化的訊息服務，並協助使用者在網路上快速地找到所需的服務，包括網頁、資料庫、多媒體等。 為了要達到這項目標，每個使用者都會有專屬的個人代理，所謂個人代理通常是一個軟體程式，負責專為一個使用者服務。這個個人代理會依據使用者的指令與授權，與網路上的其他個人代理或伺服器互動。在數位家庭中，個人代理由 3 個功能模組組成，它們是家電控制器、訊息管理員與服務導航器。 當使用者想找尋某一服務內容時，服務導航器可以接受使用者語音、關鍵詞的指令，並轉向閘道伺服器查詢。閘道器依據內容索引查詢使用者想要的服務內容及儲存於何處，再把資訊傳回服務導航器，然後個人代理可以直接向服務伺服器要求下載服務內容。個人代理的好處是可以提供良好且友善的操作環境，讓資訊系統或設備可由過去的專業化操作逐漸邁向公眾化，並藉由人機互動技術讓數位家電的操作不會因功能的增強而變得複雜。 智慧型人機互動介面與網路服務，是成就數位家電生活美夢成真的兩大關鍵。提供簡單的介面與複雜的功能是智慧型介面設計的目標，透過有線或無線的網路服務更能夠延展數位生活的空間與自由。人們可以透過各種隨身裝置，無論是手機、PDA 或筆記型電腦，在家中的任何時間都可以針對自己的需要得到最好的服務。而未來的房子就像是一個善體人意的好管家，在你需要的時候，給你最貼心的服務，讓你愉悅地享受數位生活。

色彩恆常性

這顆紅蘋果，在白光下是紅的，在黃光下是紅的，就算拿到綠光下，它還是顆紅蘋果。這段聽起來理所當然的敘述，裡頭學問可大了，因為這說明了我們在認知上的一種機制，科學家稱之為「色彩恆常性」。 在這些不同的光源照明條件底下，其實呢，物體表面所反射出來的光線的色彩，它應該有的變化是非常劇烈的。人類的色彩恆常性，這種視覺的功能，它使得我們所看到的色彩，不會產生劇烈的變化。 我們可以把「色彩恆常性」解釋成一種主觀認定的現象，因為色彩並不是真的恆常不變。以綠葉為例，日光下，葉片中的綠色素吸收掉日光中的長波與短波，只將中波段的光線，也就是綠色，反射進我們眼裡；而同一片葉子，在幾乎只有長波的燭光下，看起來更應該是紅色的。物體的顏色明明受到光源影響而改變了，大腦卻因為記憶，或先入為主的認知，自動修正色彩的變化。 實驗室裡，科學家請受試者透過小孔，在不同的光源下，觀看孔內的紙張。對受試者而言，每換一次光源，紙張的顏色就會有很大的變化。而當受試者在正常無遮蔽的狀態下，看同樣的紙張時，不管光源怎麼變換，受試者的大腦都會告訴他，這是一張「白」紙。因為有「色彩恆常性」的存在，我們的生活才不至於眼花撩亂。 如果我們人類的視覺系統，沒有色彩恆常性的話，我們生活當中會有很多很奇怪的現象，比如說在看投影片，窗簾拉下來 (只有室內燈光), 等到影片放映完了，把窗簾一拉開 (光源改變), 如果沒有色彩恆常性，我們可能會驚覺，怎麼我們週遭的人衣服完全換了一件，換了完全不同的顏色。 因為色彩恆常性，我們對日常所見的事物顏色，有了既定的刻版印象。它幫助我們辨視物體，讓我們對色彩的認知不至混亂。在大腦不知不覺的微調下，我們的世界才能那麼理所當然的多采多姿。

思覺失調症的病理

思覺失調症是一種精神病，過去叫做精神分裂症，大眾並不陌生，因為通俗小說、電影中常出現症狀類似的患者，例如《簡愛》(1847 年)。但是對於這個疾病，醫學界自始就非常棘手，定義、診斷、治療都極為困難。它是大腦病變的結果，19 世紀便有病理解剖的證據。而早在 1848 年，醫師就知道大腦的前額葉若受傷，人格會改變、社會行為也受影響，可是醫師面對的患者絕大多數沒有明顯的腦傷。 1960 年代，著名的瑞士認知發展學者皮亞傑 (J. Piaget, 1896-1980) 推測，認知發展部分依賴大腦的生物機制，若是那些機制有缺陷，大腦的發育就不正常，結果成為必須找醫師治療的病人。但是當年理會這個想法的人不多，理由是缺乏證據。 十多年後第一批證據才問世。1979 年，美國發育神經科學家哈頓拉克 (Peter Huttenlocher, 1931-2013) 宣布了一個令人意外的發現。他以電子顯微鏡觀察不同年齡人的大腦切片，計算突觸 (synapse) 的數量。突觸是神經元之間傳遞訊息的門戶，無論傳出還是接收。哈頓拉克發現，人出生後，腦子裡突觸數量就不斷增加；到了 10~20 歲之間，趨勢逆轉 — 突觸數量大幅消減，20 歲以後才逐漸穩定下來。不久，研究睡眠的美國醫師芬伯格 (Peter Feinberg) 也發現了相關的現象：青春期前後的孩子，睡眠腦波會發生變化，而思覺失調症患者也在這段期間逐漸展露症狀。 學界仍然沒有反應，主要理由可能是哈頓拉克只有一個青少年腦子的數據。20 年後，他累積了更多數據，支持先前的發現。於是才有其他的團隊仔細觀察思覺失調患者的大腦，證實他們的大腦皮層涉及高級認知功能的區域裡，突觸數量比常人少。這便是思覺失調症的芟刈假說 (pruning hypothesis): 大腦在正常發育過程中，必須芟刈大量突觸；若這個過程出了紕漏，腦子功能必然會受影響。 兩千年之後，支持芟刈假說的證據越來越多。學者比較患者與常人的基因組，發現第六號染色體上幾百個與免疫功能相關的基因涉有重嫌；現在已鎖定與芟刈過程有關的特定基因。例如 C4 是微膠細胞 (一種免疫細胞) 用來標示芟刈目標的蛋白質；C4 有幾個版本，產生的 C4 蛋白質數量不同，而 C4 蛋白質的數量與思覺失調症有正相關。 可是與思覺失調症有關的其他基因散布在基因組各處，表示它們涉及的是其他的蛋白質。可見突觸芟刈機制不只一個，也許分別涉及腦子裡不同的線路 (傳訊通路)。 參考資料 Johnson, M. B. and B. Stevens (2018) Pruning hypothesis comes of age. Nature, 554, 438-439.

透視人體的利器–電腦斷層掃描系統

常言道「眼見為憑 (To see is to believe.)」。從我們身體感官系統所直接感受到的訊息最為直接，最容易讓我們信賴，視覺是最佳實例。映入眼簾的不只是一張圖片或影像而已，隨著時間演進，我們大腦可以從圖片或影像的動態變遷，串接成連續的訊息或資訊，讓我們了解身體外在的環境，其生動與變化遠遠勝過語言或文字描述。所以在影像處理這門學問中有句名言:「一張圖片勝過千言萬語 (A picture is more than a thousand words.)」。 在醫學診斷方面也是如此，回想我們生病上醫院看醫師時，若用工程觀點來解析醫師的診斷治療過程，醫師對病情資料的蒐集是首要的步驟。為了顯現人體內部的病變，往往需要仰賴透視人體的利器–醫學成像系統。 醫學成像在醫療診斷中的重要性 醫學往往被稱為經驗的科學，經由文字與圖片記錄方式，累積過去所見所聞的經驗與知識，然後才有能力進行診斷、治療，甚至預防。我們可以說西方醫學的基本信念是基於了解造成病變的成因，才可以預防、診斷與治療。 綜合而言，疾病的定義可以從幾個方面來看：第一是病徵，經由病原所產生的單一症狀；第二是症候群，意指由病原所引起的多種症狀；第三是已知病原所特定攻擊的組織器官；第四是指組織器官的外形變化。其中前面三種是可以經由觀察、測量與研究得知；但是第四種則非得由人體外部直接透視觀察不可。過去都是透過人體解剖，才有辦法認識與了解各種組織器官的基本外觀；透過病理切片的觀察得以明白細胞組織的病變。因此長久以來，人類一直有夢想，希望能夠以非侵入方式透視人體解剖結構，醫學成像系統正是實現夢想的工具。 電腦斷層掃描的原理 電腦斷層掃描系統 (computed tomography 或 computerized tomography, 簡稱 CT) 一九七二年由郝殷斯費 (Godfrey Newbold Hounsfield, 1919-) 發明問市以來，在醫學臨床診斷上一直扮演著舉足輕重的角色，雖然 X 光有輻射危險之虞，但是此系統可以讓醫護人員以非侵入方式，透視人體各部分器官的形態變化，對於病變的診斷有很大助益，突破傳統解剖等醫療技術。 這項劃時代重大發明讓郝殷斯費與建立電腦斷層掃描系統的線積分基礎的物理學家柯馬克 (Alan Cormack, 1924-1998), 共同分享一九七九年諾貝爾生理或醫學獎，這對沒有受過傳統大學教育的郝殷斯費及物理學家柯馬克是極大的殊榮。不過其中有關線積分數學理論基礎，其實早在一九一七年就被奧地利數學家拉登 (Johann Radon, 1887-1956) 推演過，因此電腦斷層掃描技術中的物質密度函數沿著直線的線積分也被稱之為拉登變換。 什麼是電腦斷層掃描技術或系統呢？我們可以用簡單一句話來加以說明:「從基本原理的觀點，電腦斷層掃描技術就是測量體表每個角度的能量束通過人體所形成的交互作用量，然後應用電腦系統計算，重建出該橫截面的組織特性影像。」 從上面的說明，我們可以清楚地知道，電腦斷層掃描系統的組成可以歸納為以下幾個主要部分: 第一個主要部分是能量源，一般電腦斷層掃描系統是使用 X 光源做為能量源，使用不同能量源可以讓我們透視人體組織的不同特性，所以有不同的電腦斷層掃描系統成像類別。 使用放射線同位素，注射到所要重建影像的部位，如同 X 光電腦斷層掃描系統一般，我們可以重建出人體內部同位素的分布狀況，進而了解各種血流或新陳代謝等功能的影像，這就是目前臨床上所謂的單光子放射電腦斷層掃描系統或正子放射電腦斷層掃描系統 (positron emission tomography, 簡稱 PET)。使用靜磁場與射頻磁場作為成像的能量源，我們可以建立磁振造影系統 (magnetic resonance imaging, 簡稱 MRI); 前面所說明的幾種系統在臨床治療上經常使用。 使用超音波作為能量源，則能建立超音波電腦斷層掃描系統，可以顯示組織的折射率影像，或衰減率影像，這與目前臨床的超音波影像系統並不相同。使用低頻電流 (十千至一百千赫茲) 作為能量源的電阻抗影像系統 (electrical impedance tomography, 簡稱 EIT), 可以建立人體橫截面組織電阻係數影像或介電常數影像。後面兩種醫學成像系統尚在研究實驗階段，較少人知道。 第二個主要部分是組織與能量間交互作用，不同組織應該有不同作用量。如傳統 X 光電腦斷層掃描就是 X 光子在不同組織的線性衰減係數。磁振造影系統就是不同組織內的質子分布量，或不同組織的弛緩時間。第三個主要部分是具有可以測量的裝置與技術，否則上述的交互作用無法顯現。第四個主要部分就是有控制方程式與其影像重建演算法。 目前電腦斷層掃描系統所使用的影像重建演算法–濾波反投射法是應用傅氏截面定理，把從體表所測量到的數據，加以計算而得體內橫截面的組織特性資料。 磁振造影技術 磁振造影早期稱為核磁共振造影 (nuclear magnetic resonance imaging, NMRI), 為了避免與核子輻射產生混淆，造成誤解，才轉變成現有的名稱。這是目前最為昂貴的醫學成像系統，但是不僅不像 X 光電腦斷層掃描一樣，沒有輻射傷害的問題，而且可以掃描任何方向的截面，同時也可以獲得解剖與功能影像，是目前神經認知科學有關腦功能研究的利器。 磁振造影與電腦斷層掃描的空間解析度差不多，但是電腦斷層掃描對骨骼等硬組織有較佳解析能力，磁振造影則對臟器等軟組織有很好解析能力。不同醫學影像系統彼此間有互補作用，並不會如同個人電腦般，有被淘汰之虞。 磁振造影簡史 一九二四年奧地利物理學家鮑立 (Wolfgang Pauli, 1900-1958) 首先提出原子中的電子有自旋現象，可以產生磁場的學說，而獲得一九四五年諾貝爾物理獎。其後美國物理學家拉比 (I. I. Rabi, 1898-1988), 在一九三七年也確實驗證原子核的角動量，而在一九四四年獲頒諾貝爾物理獎，拉比並創造了核磁共振這個名詞。一九四六年薄賽爾 (Edward Purcell, 1912-1997) 與布洛赫 (Felix Bloch, 1905-1983) 因發現在外加磁場下，所有物質只要是有奇數個質子或中子皆可以形成共振現象，能發射特定射頻信號，而在西元一九五二年榮獲諾貝爾物理獎。這項發現早期應用在化學物質的檢測上。 一九七一年美國物理學家達馬迪安 (R. Damadian) 利用核磁共振方法鑑別出老鼠腫瘤具有與正常組織不同的弛緩時間，而建立病變組織的磁振造影成像基礎。一九七三年美國化學家勞特伯 (P. Lauterbur) 提出核磁共振造影在液體中成像的方法和英國物理學家曼斯菲爾德 (Peter Mansfield) 建立核磁共振造影在固體中的成像原理，真正建立現今磁振造影成像技術，在二○○三年分享諾貝爾生理或醫學獎榮耀。 磁振造影成像原理 現在我們知道在外加一靜磁場時，原子核的淨磁矩會以特定角度繞著此靜磁場做旋進運動。旋進頻率，稱為拉莫頻率，與原子核種類特性有關，也與靜磁場強度成正比。 當淨磁矩繞著磁場做旋進運動時，若加入此原子核的拉莫頻率的射頻電磁場，則在低能階的平行狀態淨磁矩因吸收能量而轉變成高能階的反平行狀態；把此射頻電磁場切斷時，原子核會逐漸釋放能量而恢復原來狀態，此一過程就稱為弛緩時間。這個時間有兩個分量，一則沿著靜磁場方向稱為自旋 - 晶格弛緩或 T1 弛緩，另一則在靜磁場垂直面方向稱為自旋 - 自旋弛緩或 T2 弛緩。不同組織或病變組織具有不同的 T1 和 T2 弛緩時間，以及質子密度，這些就是磁振造影成像參數。 其次是對所要掃描的切面外加一具有拉莫頻率的磁場梯度，就相當電腦斷層掃描的動作，由於此一線性變化磁場，不同空間位置的相同分量的原子核淨磁矩會產生不同頻率的信號。經過傅氏變換，這個頻率分布就相當於物質的空間分布，這就是磁振造影成像原理。 醫學成像技術日新月異，我們從過去醫學結構影像、醫學功能影像，一直進步到醫學分子影像，由巨觀到微觀，將對人體內部的祕密，從器官、組織、細胞、分子等一一加以解開；更有共軛聚焦顯微鏡、原子力顯微鏡、微正子放射電腦斷層掃描系統、微電腦斷層掃描系統、功能性磁振造影、腦磁圖等新式系統也將廣泛應用在分子醫學與認知科學方面的研究與應用，希望未來能夠積極促進解開人體生理與心理的各種奧祕，對人類身心健全有進一步的具體幫助。 附錄 心臟磁振造影健康檢查 心臟血管疾病一向是國人健康的隱形殺手，僅次於癌症及腦血管疾病，成為第三位死亡原因。因冠狀動脈阻塞，引發急性心肌梗塞時，病人往往可能在數分鐘內致命。即使因搶救得宜，挽回了生命，但其心臟機能與生活品質也會大受影響。而坊間的一般健檢項目中，相關的健檢並不完全，大多僅限於理學檢查及靜態心電圖。案例中的高血壓、高血脂等慢性病病患，除了應注意飲食外，定期做心臟健檢更有其必要。而非侵入性的磁振造影檢查同時能診斷冠狀動脈狹窄程度及位置，還可評估心臟收縮功能 (特別是左心室功能，包括心輸出量與心壁運動、心肌厚度、肌肉量), 提供其他工具無可比擬的診斷優勢，檢查約需 40 分鐘。 磁振影像的大腦皮質表面對位技術 大腦灰質、白質表面的側面圖及頂視圖，顏色表示局部曲面形狀的平均曲度。許多腦內疾病不只在功能上會產生障礙，也會導致腦局部的體積變化 (如阿茲海默症、過動兒等)。發展一套以相對應點為基礎的大腦皮質對位技術，包括對磁振影像中大腦皮質的自動化選取及大腦皮質三度空間的重建，把一個標準腦對應到一位受試者的腦部皮質區並把其間的變化量計算出，以區分正常的腦部變化和不正常的腦部變化，這種分析方法近年來在國外日益受到重視，而且已成為一種早期發現疾病的工具，例如對於阿茲海默症病人而言，在多數的國外研究文獻中都顯示，病人的腦部磁振影像中管理記憶及語言的額葉及管理動作的運動區都比同年齡的人退化，因此利用腦部結構影像的變異，可以協助醫師早期診斷出罹患阿茲海默症的病人，再加以適當的藥物控制，減緩不可恢復的功能性喪失。 磁振泌尿道造影 (MRU) 傳統檢查泌尿道系統有很多種方式，各有優缺點。超音波方便、快速、便宜，又沒有輻射性，因此是最佳的第一線工具，但是中段輸尿管因為沒有腎臟或膀胱當作介面，常成為診斷的盲點，另外超音波也不容易把兩側腎臟、輸尿管、及膀胱同時做三度空間的呈像。靜注泌尿道攝影 (intravenous urography, IVU) 可以看到中段輸尿管，也容易把兩側腎臟、輸尿管、及膀胱同時做三度空間的呈像，但是它具有輻射性，且需靜脈注射含碘顯影劑，因此不適用於對顯影劑過敏或腎功能障礙的患者，而對於孕婦及嬰幼兒，也需審慎評估游離輻射所可能造成的傷害。另外，對於腸氣太多、大腸內容物排泄不完全、過度肥胖、及泌尿道嚴重擴張的病人，也因泌尿道被遮蔽，或顯影劑在擴張的泌尿道內被稀釋，而不易做完整的評估。電腦斷層 (computed tomograhy, CT) 因為是橫切面的影像，所以不會受到腸氣、腸內容物、病患肥胖、及泌尿道嚴重擴張的影響，而能夠輕易地把泌尿道阻塞的程度、位置、甚至阻塞的原因診斷出來。此外，它對鈣化的敏感度非常高，能夠偵測到很小的含鈣泌尿道結石。不過電腦斷層也具有輻射性，可能需要靜脈注射含碘顯影劑，但是不容易將兩側腎臟、輸尿管、及膀胱同時做三度空間的呈像。順行性及逆行性腎盂輸尿管攝影 (Ante-/Retro-grade pyeloureterography,AP 或 RP), 主要適用在泌尿道阻塞的病患。阻塞的近端因為泌尿道擴張稀釋顯影劑，或因腎功能障礙無法排出足夠的顯影劑，阻塞的遠端則因尿液貯積在近端不易流下，因此不論阻塞的近端或遠端都不易由靜脈泌尿道攝影得到三度空間的立體影像。借由經皮腎臟造口術在阻塞的近端打入顯影劑，或在內視鏡的幫助下把導管放進輸尿管，在阻塞的遠端打入顯影劑，如此將可了解阻塞的範圍，及其與相鄰泌尿道的立體關係。不過，這種檢查的侵襲性較高。上述的各項檢查，有些無法評估腎功能，有些只能對腎功能做定性分析，真正要對腎功能做定量分析，了解兩側腎臟各分擔多少百分比的腎功能，傳統上主要靠利尿性腎臟閃爍造影術 (diuretic renal scintigraphy, DRS), 這種檢查需要注射放射性同位素，同時因為空間解像度較差，所以不容易精確定位病灶的解剖位置，也不容易描繪病灶的型態。磁振泌尿道造影 (MRU) 是最近幾年新興的檢查方式，它具備上述各項檢查的優點，可以將兩側腎臟、輸尿管、及膀胱同時做三度空間的呈像，可以了解病灶與相鄰泌尿道的立體關係，借由橫切面、冠狀切面、矢狀切面、斜切面等多平面組像，以及各種不同的脈衝頻率，可以對病灶的特性做更深入的分析，同時經由動態攝影以及時間 - 強度曲線，也可以對兩側腎臟的腎功能作定量分析。此外，它不具輻射性，也不需靜脈注射含碘顯影劑，可以說是相當安全的檢查。不過它對鈣化的敏感度較低，檢查費用較昂貴，磁振造影機器數量有限，因此磁振泌尿道造影目前只建議使用在對含碘顯影劑過敏、腎功能障礙、及對游離輻射有顧忌 (如孕婦、嬰幼兒等), 而超音波檢查又無法提供足夠資訊的病友。 核磁共振攝影 (MRI) 核磁共振攝影 (亦稱磁振造影，magnetic resonance imaging, MRI) 是近年來在臨床診斷上相當重要的影像工具。使用這種準確而不必侵入人體的方法為人體內部器官造影，對醫學的診斷、醫療和後續工作都十分重要。核磁共振是指原子核在靜止磁場中，受電磁波激發而產生的共振現象。磁振造影利用磁場原理，經由儀器改變體內氫原子的旋轉排列方向，原子核就會釋放吸收的能量，能量激發後放出電磁波信號，再經由電腦分析組合成影像，就是一般看到的 MRI 影像。人體是個充滿水分的有機體，水分子的擴散是三度空間的隨機運動，會受到周圍環境的影響而改變運動速度。如果將人體視為一盆水，用力拍打盆子外緣，裡面的水會泛起一圈圈漣漪，此時如果將手指插入其中，原本呈同心圓的漣漪就會受到破壞。同樣的原理，人體內的水分子含有很多氫原子核，這些氫原子核本身又具有磁場特性，如同一個小小的磁鐵。核磁共振掃描是把人體置於強大且均勻的靜磁場中，再利用特定的射頻無線電波脈衝，激發人體組織內的氫原子核。MRI 對人體不具侵襲性，不會產生游離輻射，可多方向掃描，提供三度空間影像，又有高對比的解像力，是現代醫學不可或缺的診斷工具。它的好處之一是不論使用多少次，都不會像 X 光等傳統檢查方法一樣對病患造成傷害。當體內出現異常組織時，水分子的擴散即受到阻礙，我們就能透過核磁共振掃描所偵測的水分子運動速度差異，精確區別出正常與異常的組織來。早期，七至八成 MRI 檢查都是用在中樞神經系統，例如大腦、脊椎等，是檢查脊髓的利器。尤其是頭頸部構造複雜，相較於 X 光和電腦斷層，能夠多角度掃描的 MRI 更是診斷利器。近年來，MRI 的運用愈來愈廣泛，不僅逐漸應用到骨骼神經系統、腹部及胸腔，也可以用於血管攝影及膽道攝影診斷。目前可經核磁共振掃描檢出的疾病包括多發性硬化症、長期下背痛、惡性腫瘤、中樞神經感染疾病、先天性脊髓畸形、心臟血管疾病、新生兒代謝疾病、老年人退化性疾病、孕婦胎兒影像、腦功能性影像、腦微灌流影像、腦微擴散影像、三度空間重建影像、氫質子化學位移影像、脊椎脂肪抑制影像、腦脊髓液動態影像、腦下腺高解析動態灌流影像、腹部疾病如血管瘤肝癌等動態灌流影像、直腸攝護腺高解析造影、肝膽胰道造影、心肺血管造影、乳房動態灌注影像等軟組織病變。此外，外科醫生還可以利用「磁振造影」科技繪製路線圖，做為動手術的指引。此一科技可以讓醫生在手術前獲得許多有關病人病況的資訊。除了針對人體構造進行診斷，最新發展的功能性磁振造影檢查還可以觀察人體生理變化，例如可用於腦部探索心智功能，如了解過動兒腦內生理異常之處、使用不同語言的腦部變化等；也有人著手研究結合 MRI 和電腦斷層 (CT) 等其他檢查技術，呈現體內虛擬影像，如果技術純熟，就可以進行虛擬內視鏡檢查。

光電的應用:透視人體的奧祕

二○○三年諾貝爾生醫獎由美國伊利諾大學香檳分校化學教授羅特博 (Paul C. Lauterbur) 與英國諾丁罕大學物理教授曼斯菲德 (Peter Mansfield) 兩人，因在一九七○年代發展的磁振造影 (magnetic resonance imaging, MRI) 相關研究而共同獲得。而一九七九年的同一獎項，也是頒給電腦斷層掃描 (computed tomography, CT) 的發明人。 這兩種醫學成像系統的發明，打破了諾貝爾生醫獎一向頒發給生物或醫學研究者的傳統，而頒給工程及物理研究者因醫學成像技術所作的貢獻。由此可見生醫影像對醫療診斷及生醫研究的重要性，已為世人所公認。而生醫影像蓬勃發展下帶來醫療照護品質的提升，以及延續人類生命與健康福祉的貢獻，也是科學發展造福人類的最佳範例。 事實上，生醫影像的種類相當多，因其成像原理各不相同，能取得的資訊也不一樣。又因為解析影像能力的不同，我們可以從巨視到微觀，從整個人體、器官、組織到細胞，甚至更微細的分子、基因也能一覽無遺。以下針對醫院放射部及核醫部經常見到的 X 光造影、電腦斷層掃描、超音波、磁振造影、正子放射斷層、單光子放射電腦斷層等醫學成像技術依序介紹，並簡述其相關應用。 X 光造影 在診療過程中，醫師往往需要知道人體內部病灶區域究竟出了什麼問題，但是礙於這類侵入性的檢查會造成病患的不適，或者因考量動手術的不便而無法達成。直到一八九五年德國物理學家侖琴 (W. K. Roentgen) 在陰極射線研究中意外發現一種新的射線，取名為 X 射線，於是影像醫學技術自此開始發展，進而開拓出一個嶄新的領域。 X 光是肉眼看不到的，它對物體的穿透力很強，人體構造中密度較高的部分，如骨骼，能吸收較多的 X 光，所以會在感光底片上留下陰影，也就是說，人體組織密度的不同，會在感光底片上留下深淺不一的陰影。 常見的 X 光攝影有胸部 X 光檢查，以觀察病人的肺部是否有異常陰影，還有用在骨折病患的骨骼攝影，以找出骨折的位置，並觀察他們每一根骨骼及骨頭相連的關節部位。另外，近年來女性罹患乳癌的比率逐年增加，X 光乳房攝影也益顯其重要性，由多個角度攝影的結果來判別微小鈣化群或是其他細部乳腺組織的變化，對婦女乳癌篩檢的助益很大。 然而，X 光檢查無法看到腸胃、泌尿、肝膽系統以及血管，因此後續發展出多種顯影劑，把它們注入人體中，藉其有效吸收 X 光的特性，可把上述器官呈現出來。許多特別檢查，如上消化道攝影、大腸鋇劑灌腸攝影、靜脈注射腎盂攝影、子宮輸卵管攝影、脊髓造影等等都是藉這方法達成。另外，經由腹股溝或手肘穿刺動脈放入導管，把導管逆行操控到特定的血管內，再注入含碘水溶性顯影劑，就可觀察這條血管所灌注的某個器官，如大腦、心臟、肝、腎等的即時血流影像，這就是所謂的血管攝影術。 電腦斷層掃描 另一方面，我們希望能看到人體一層層的斷面影像，以避免在同一位置可能有多個器官交互重疊而擋住了醫師所要觀察的目標。一九七一年結合 X 光攝影和電腦組成二度空間影像的電腦斷層掃描 (以下簡稱 CT) 在英國問世。這項重大科技成就也讓發明人杭斯菲爾德 (G. N. Hounsfield) 及科馬克 (A. M. Cormack) 在一九七九年獲頒諾貝爾生醫獎。 早期第一代 CT 僅能進行頭部切面的掃描，之後發展至全身斷層掃描。整個 CT 的發展歷史，都是以如何利用最少的時間得到更好的影像為出發點。隨著電腦速度的增進，處理的運算也就越複雜。目前螺旋式 CT 可作連續切面的掃描，取得的已經是具有體積特性的資料，再利用電腦進行三維空間重組而得到三維立體影像。這樣經由電腦處理的影像訊號，不但清晰、準確、靈敏，使病患的呼吸、器官蠕動等干擾因素大幅減低，還能配合診斷需求放大、強化影像，讓醫師對病情的判斷更有把握。 CT 由於檢查速度快，以及全身各處都適用的優點，即使在其他非 X 光檢查儀器如超音波、磁振造影等陸續發明的同時，依然無法完全被取代。尤其在急診室，CT 更是僅次於 X 光最主要的診斷工具。 另一方面，由於 CT 快速成像以及非侵入性檢查方法的快速發展，心血管疾病的病患不再像過去一樣需要以穿刺方式作 X 光血管造影檢查，而可透過快速十六探頭 CT 的立體成像，配合影像處理技術，醫師可以從冠狀動脈影像中的任意切面觀察血管組織，甚至血管內壁，藉以進一步判斷該部位是否因病變而產生血管堵塞或鈣化。 超音波成像 X 光攝影固然簡單且操作容易，但其放射性以及使用顯影劑卻讓人造成疑慮。另一方面，超音波掃描儀利用聲波頻率造出影像，其探頭內的晶片具有壓電效應，可把機械能 (音波) 與電能相互轉換。超音波探頭的晶片受電擊時，發射出音波在介質中行進，當音波經過兩個不同阻抗物質形成的界面時，部分音波會反射回探頭。這反射波或回音經收訊晶片轉換成電子訊號，再經儀器數位化處理後形成影像。 和現有臨床常用的其他醫學影像系統相較，超音波成像儀更具有低價格、非侵入式、無輻射性危險、即時影像、釐米級的空間影像解析度、可攜性並可量測血流等諸多優點。 事實上，超音波儀器在醫學上的應用比 CT 還要早，適用於一些實質性的器官，如膽囊或腎臟結石，在婦產科，尤其能避免胎兒的輻射危險。而現代國人因生活習性與忙碌壓力所造成的肝臟病變，更可以由肝臟超音波及早發現。因為超音波可用以觀察肝臟的質地和表面，由超音波影像與紋理的明亮度、細緻度和質地的均勻度，就可判讀正常肝、肝炎、肝硬化及肝癌等病變狀態，是國人健檢中的重要項目之一。另外它的可攜帶性很適合作為病房床邊檢查、輔助穿刺引流之用，但礙於超音波不能穿越頭骨及肺臟，使其在這兩個領域的應用受到限制。 從超音波的進展史來看，最先從一維線條超音波、二維平面超音波開始，之後的二維即時超音波在影像品質上才有顯著的改善。接著出現能評估血管血流等生理資訊的都卜勒超音波，近幾年三維立體超音波技術快速發展，更有即時立體超音波，即所謂 4D 超音波的出現，提供醫師與使用者很好的診斷依據。另外，在生醫科技領域上，使用高頻超音波的顯微影像技術來進行小動物胚胎及腫瘤血流的評估，預期可在未來對癌症治療、基因研究、藥物開發及發展生物學等重要的研究課題中做出貢獻。 磁振造影 談到這裡，讓我們回到本文一開頭所提及的磁振造影 (以下簡稱 MRI)。當八○年代第一部 MRI 掃描儀用於臨床醫學檢驗時，影像醫學再度展開新頁。 磁振造影是利用磁場原理，把人體置於強大且均勻的靜磁場中，再利用特定的射頻無線電波脈衝，激發人體組織內的氫原子核。由於人體內的許多分子都含有氫原子核，這些氫原子核本身又具有磁場特性，如同一個小小的磁鐵。若使儀器改變體內氫原子核的旋轉排列方向，原子核就會釋放吸收的能量，能量激發後放出電磁波信號，再經由電腦分析組合成影像，這就是一般所看到的 MRI 影像。 進行 MRI 時，先把病人放在一個像隧道的大磁鐵裏，利用電磁波刺激病人，再以偵測器收集病人所釋出的回波。在經過多次複雜的「刺激 — 回波」手續後，便可以根據這些龐大的資料重組出具有高解析度的影像。由於不同的組織受到刺激後，釋出不同的回波，因此在影像上便會產生非常良好的對比。 同樣能做全身掃描，過去 CT 只能提供軸狀斷面影像，但 MRI 可以進一步提供矢狀面和冠狀面的影像，甚至看到 CT 可能遺漏的小病灶，幫助醫師做多方面的診斷。同時，MRI 同樣不具侵入性，而且它不產生游離輻射，做多少次都不會造成傷害，因此在某些應用上有逐漸取代 CT 的趨勢。 MRI 操作的時候，病人只需靜躺在掃描儀裏，配合閉氣的指示，很快便能完成檢查，不需繁複的事前準備。唯一要注意的是，因為 MRI 會釋放磁波，干擾體內醫療器械的運作，所以病人若裝有心律調整器、接受過腦血管動脈瘤結紮、腦部留有血管夾及體內裝置各類電擊傳導器，即不適合 MRI 造影診斷。 MR 成像技術的進展一日千里，例如 MR 標記化影像 (MR tagging image) 可以幫助我們檢視心肌運動的功能。藉著 MR 成像在心肌組織上加入網格線，並經由影像處理技術，可即時分析心臟肌肉的收縮與舒張，並藉由網格點每個時間的位置變化，觀察其變形的模式及心肌部位的應變圖，可方便醫師對病患進行最佳的即時診斷與比較。 MRI 不僅可以透視人體，對於農產品、畜產的篩檢、改良，也是極為重要的工具。自九○年代後，MRI 慢慢由靜態進入動態，由解剖進入功能，成像不斷加速化，內容不斷功能化，不僅可針對生理及物質的靜態解剖進行偵測，對於大腦作用等動態功能的研究，也扮演重要角色。 功能性磁振造影 (functional MRI,fMRI) 把相關研究從傳統解剖醫學帶入認知醫學的領域，例如以 MRI 進行人類大腦辨識符號的研究，給予受測者不同的光亮等動、靜態的刺激，再以 MRI 掃描觀察在不同刺激時，腦部各區域反應的差別，以研究腦部區域各控制著哪些功能。 另一方面，結合核磁共振分析光譜與 MRI 成像於一體的光譜 MRI (spectroscopic MRI), 也大幅提升 MRI 的功能面，使我們得以在人體上直接觀察到特定組織的生化反應及異常組織的範圍。其他如三維流場量測、溫度分布圖、化學分子濃度分布圖、彈性係數、壓力場、應力分布圖等都正在發展中。即時監測的手術用影像系統 (MR intervention) 也開始使用，其影像本身不但使用在手術前的計畫，更直接應用在手術中，以得到即時的反饋。 隨著基因體的發展，生醫分子影像得以在活體上直接觀測到特定的基因表現與蛋白質表現，其對空間解析度、時間解析度及信號雜訊比的需求，預期將使 MRI 在可見的未來，產生劃時代的改變。除了醫用 MRI 系統不斷成長外，配合生技製藥使用的微型磁振造影系統也不斷推陳出新，朝微米級、微機電及可攜帶式的 MRI 發展。 核子醫學影像 核醫科使用的正子放射斷層 (以下簡稱 PET) 和放射科常見的 CT 與 MRI 基本上並不相同，它必須依賴放射性同位素藥物在衰變過程中放出帶正電荷的正子得到影像。正子在人體組織中運行不到一毫米的距離，即會與帶負電荷的電子撞擊而相互抵銷毀滅，過程中質量不見了，於是以能量的形式放出來，而放出來的能量是以兩道方向相反的加馬射線呈現。正子放射斷層造影儀可同時偵測這些成對的加馬射線，並利用電腦重組正子同位素在組織或器官內分布的圖像。 主要的正子放射同位素有氧 - 15 (15O)、氮 - 13 (13N)、 碳 - 11 (11C) 及氟 - 18 (18F), 這些同位素可合成體內存在或需要的代謝分子，如葡萄糖、胺基酸等，適合於研究人體正常或病態的代謝功能。上述四種短半衰期的正子同位素是經由迴旋加速器製造出來的，因半衰期短，因此正子斷層掃描設備通常都設置在迴旋加速器附近，以方便取得檢查用藥。目前在臨床上最常使用的正子同位素藥物是 [18F] 去氧葡萄糖 ([18F] 2-fluoro-2-deoxy-D-glucose, 簡稱 FDG)。 PET 是目前醫界診斷癌症、心臟病及神經精神疾病最具有突破性意義的診斷工具，它的最大貢獻是讓癌症無所遁形，而它在基因治療等尖端醫學上也扮演著重要角色。另外，PET 基本上可視為分子影像的一環，分子影像最重要的目標在探索活體內生物學與生物化學的處理過程，以期得到與疾病診斷或治療上相關的資料，而 PET 可提供包括葡萄糖代謝影像、細胞增生影像、氧代謝影像、接受體分布影像及報導基因影像等重要的分子影像。 同屬核醫影像的單光子放射電腦斷層 (以下簡稱 SPECT) 的原理，則是利用放射性同位素衰變放出的加馬射線，經過準直儀 (collimator) 以消除散射加馬光子，然後由偵測儀獲取影像。常用的加馬射線同位素有鎝 - 99m (99mTc)、碘 - 123 (123I)、銦 - 111 (111In)、鎵 - 67 (67Ga) 等。SPECT 可多角度偵測目標器官，再經影像的重組，形成三度空間影像後，更能發現病灶的相關位置。 例如臨床上我們會用鎝 - 99m HMPAO 當作顯跡物 (tracer) 觀察腦血流，評估病患腦功能。但由於取像時的時間長短、輻射藥劑施打劑量、能量衰減及病患頭部位置等些微變化，需要借助影像處理技術來作資料的比對分析。原影像經過亮度調整與空間對位後，可以藉由牛眼圖展示法作半定量分析，比較腦皮層各區域的功能性反應。同時依靠統計分析的方式找出兩筆影像資料有顯著性差異的位置，以提供醫師作臨床上的可靠驗證。 醫學影像處理 在今日各種造影術蓬勃發展的同時，我們可以利用各種不同的醫學成像方法獲得所需的影像資訊。但影像是死的，一些重要資訊往往埋藏其中而不被肉眼輕易得到，於是醫學影像處理分析變成一項熱門的研究領域，透過演算法來賦予影像新的詮釋，才能給予影像生命力，也告訴我們究竟得到了什麼。 影像重建、影像分割、影像增強、影像對位、以及影像視覺化等千百種演算法由此孕育而生，成為臨床醫師診斷上強而有力的幫手，同時借助統計與數學理論，我們對影像有了新的體會。一張影像不再只是簡單如同我們所見，背後龐大的故事才是真正病灶判讀的關鍵所在。 然而，影像處理分析的強大能力往往需仰賴良好的影像品質，為使醫師獲得精確的資訊，醫事檢驗師、臨床醫師、影像處理人員三方面需要有良好的溝通。在每個環節都能滿足各自需求的條件下，才能對病患做出及時、迅速的診斷，採取最適當的醫療照顧，為病患擺脫疾病的困擾，這也才是醫學影像領域帶給人類最大的福祉之處！

究腦學.用腦學.為腦學

學習有沒有關鍵期？一般人發揮了幾成的學習能力？有甚麼方法可以增加學習效果？這些問題的答案，都藏在複雜而充滿可塑性的人類大腦中。大腦主宰了我們一切的感受、觀念、行動，也決定了我們如何學習、記憶、遺忘。透過精確的認知實驗，配合尖端的腦神經造影工具，科學家對於大腦運作的機制累積了豐富的知識，對於大腦學習的基礎也掌握了關鍵的原則。在這場演講中，我們將揭開大腦的神秘面紗 (究腦學), 說明大腦中的神經傳導如何支持學習歷程 (用腦學), 並介紹可有效加強大腦學習能力的方法 (為腦學)。歡迎一同來認識大腦、幫助學習！聽講心得 (撰文 | 周文豪副館長) 又是一個心靈飽滿的午後！中央大學認知科學研究所所長吳嫻教授的「究腦學、用腦學、為腦學」演講，顯然十足擄獲在場近 300 參眾的心，滿足大家的求知慾。她的演講句點畫上之後，竟然有近 20 個問題伺候，明明再說下去就要趕不上高鐵了，她寧願不負場眔的殷盼，一一仔細的回應。我代表全場的朋友，給予誠摯的感謝。當然，若有適當的機緣，還是要再請她來分享。吳所長用一個研究成果開啓她的演講。話說一位雙手癱瘓數年的婦人，在研究人員的協助下，可以用腦波讓一個機器手臂拿著一杯可樂讓她飲用。當婦人喝完可樂，機器手放下杯子，婦人露出微笑，演講廳內發出了驚喜聲。這個應用，乃因本世紀腦科學突飛猛進的表徴。有個晶片植入婦人腦中適當的部位，她得以發號施令，讓機器工作；只有腦科學家知道要在哪個部位植入晶片才有效果。在上個世紀末，美國布希總統已經非常重視腦科學的發展，2013 年歐巴馬追投 450 百萬美元的研究經費，而歐盟丶日本也紛紛跟進。眼前支持腦科學研究的政府或私人單位，都有類似往昔英國的皇家地理學會般的情懷與慷慨，其實他們都知道，探勘一塊處女地大有可能開創歷史與新局，最終將之納入版圖。社會生物學家 Edward Wilson 説:「我有幸能在有生之年親眼看到分子生物學的英雄時代、地質學的板塊構造論，以及演化生物學的現代綜合學說，現在輪到大腦科學上場展身手。」21 世紀會是腦科學的世紀將是不假。吳所長說:「大腦主宰了我們一切的感受、觀念、行動，也決定了我們如何學習、記憶、遺忘。透過精確的認知實驗，配合尖端的腦神經造影工具，科學家對於大腦運作的機制累積了豐富的知識，對於大腦學習的基礎也掌握了關鍵的原則。」她說明大腦的分葉與各區負責的功能，並表示大腦各區的灰質所聚集的神經元才是大腦的作用單元。我們的大腦至少有一千億個神經元，百萬億到千萬億個突觸，突觸的化學物質不平衡或不通暢，就會產生機能障礙。突觸著實令人著迷，它扮演兩個神經元溝通的橋樑，而大腦的學習塑性也受制於突觸的「用進廢退」。這原是海伯定律 (Hebbian Law),Eric Kandel 則在海蛞蝓身上觀察到有用的突觸有反應，沒用的就退化了。所以熟能生巧，其來有自。「學而時習之，不亦樂乎」也有科學基礎。一般而言，人在出生時每個神經元有 2,500 個突觸，到 2 ~ 3 歲時就已經有了 15,000 個。而大腦的可塑性展現在成長過程中突觸的修剪。有個實驗很有趣，養在複雜環境的老鼠神經元比簡單環境的老鼠多出許多突觸。聽到這個實驗，我就在想，在科博館長大的孩子，可能培訓出特別的強項，這該是不錯的研究題目。另外一個實驗也很有創意。一群上「零堂」體育課的美國高中生 (不是「靈堂」。大學住校，有的老師喜歡把課排在 7 ~ 8 a.m., 在第一堂之前，稱為「零堂」, 我們開玩笑戲之為「靈堂」), 學習效果比較好，所以運動是有助於學習的。但是，主動去運動和被動運動是有區別的。大家都曾看過老鼠跑滾輪的裝置，一晚可以跑 6 公里，真是過動鼠。有個實驗設置了兩個鼠籠，一個放進跑輪，老鼠一放進去就主動的跑；另一邊沒滾輪，但籠底是個移動的墊子，當一邊滾輪轉起來時這邊的墊子也連動，老鼠不得不動。所以，兩邊的老鼠都運動到了，不同的是一個主動一個被動。結果，主動運動者的腦被激發的程度比被動者佳。除了健身可健腦外，睡眠也很重要，而且要熟睡過 REM (Rapid eye movement, 快速眼動) 期，這已人人皆知，問題是年輕人往往不信這一套，信了也不實踐。人們常問，民間的皮紋檢測可不可信？學習有沒有關鍵期？一般人發揮了幾成的學習能力？有甚麼方法可以增加學習效果？神經元能不能再生？吳所長說:「這些問題的答案，都藏在複雜而充滿可塑性的人類大腦中。」她侃侃而談，ㄧㄧ詳細說明。1906 年拉蒙卡霍獲諾貝爾獎，他分享心得:「昆蟲學家追捕珣麗多彩的蝴蝶，我則在灰質的花園裡，追索那形體優雅的細胞，那是神祕的靈魂之蝶。也許哪一天，這蝶的翅膀一振，將抖出人類心靈的秘密。」吳所長的精彩演講，説明這隻蝴蝶已在新世紀正展翅高飛。 週末 Let's go! 分享大師視野粉絲專頁

人的嗅覺不靈敏嗎?

每一個物種都有特別敏感的氣味 (圖 / 種子發) 狗的嗅覺比人靈敏，是常識。原因也是常識，因為我們是靈長類。靈長類的特徵之一就是視覺發達、嗅覺退化。有點學問的人接著可能會提醒大家：盲人的聽覺非常靈敏也是同樣的道理。或者補充道：靈長類的祖先生活在樹上，因此需要發達的視覺才能自在、安全地在樹與樹之間移動。更有學問的人還會舉出數字，證明人的嗅覺比狗還差是鐵案如山的科學結論：人的嗅覺細胞數量只有狗的百分之一。可惜這些都是想當然耳。 根據美國羅格斯大學嗅覺神經生物學實驗室的麥建教授 (John P. McGann), 關於人類嗅覺的流行常識部分源自 19 世紀中葉的法國神經解剖學家布洛卡 (Paul Broca,1824−1880)。他不僅是神經科醫師，也是一流的學者，例如他確定「失語症」病人的病灶位於大腦左半球額葉，為神經語言學奠定了基礎。不過這個發現也使他更加堅信「唯物論」—— 一切人類特質都有物質基礎，靈魂是莫須有，甚至子虛烏有的事。 靈長類的嗅球小，因此嗅覺不靈敏？布洛卡把哺乳類分為兩類，大多數物種依賴嗅覺，只有少數不依賴，包括靈長類、鯨豚類。他的證據也分兩類，一類是由嗅覺驅動的行為模式，例如狗幾乎到處都嗅聞不已；另一類是解剖學觀察，無論靈長類還是鯨豚，大腦底部的嗅球都非常小。哺乳類中，靈長類的腦子特別大，而人的腦子更大，在巨大腦子的襯托下，人的嗅球顯得更渺小。對布洛卡來說，這是人有自由意志的旁證 —— 人不再受嗅覺控制。(嗅球是傳遞嗅覺訊息的中繼站。鼻腔的嗅神經元先把訊息傳送到嗅球，再由嗅球傳送到大腦前額葉的嗅覺中樞。) 總之，布洛卡根本沒有人類嗅覺貧乏的實證，只有一些經驗觀察 (行為模式與解剖學), 以及言之鑿鑿的推論。 嗅覺靈不靈，不可一概而論 要是只論嗅球大小，人類的嗅球比大鼠、小鼠大多了。更有趣的事實是，其中的神經元數量都一樣，大約是 1,000 萬個。可是人類嗅球的組織與大鼠、小鼠大不同。嗅球的功能單位是嗅小球，每一個都接收許多嗅神經元的投射，不妨視為嗅覺資訊的初級「微處理器」。人有 5,600 個嗅小球，小鼠只有 1,800 個，大鼠 2,400 個，要是數字會說話，它們會說人處理嗅覺資訊的能力很強，還是很弱呢？當然，以上的討論都是紙上談兵。人的嗅覺究竟靈不靈？當然不可一概而論。偵查電線桿上的尿漬，人比不上狗，可是品評美酒的氣味呢？每一個物種都有特別敏感的氣味，那是演化史的產物；演化史不同、生活方式不同，攸關性命、福祉的氣味就不同。比較狗與人的鼻子，一開始絕不能犯對牛彈琴的錯誤。 參考資料 McGann, J. P. (2017) Poor human olfaction is a 19th-century myth. Science, 12 May 2017, DOI: 10.1126/science.aam7263.

神經的運作與圖譜

大腦主要是由上億個神經細胞彼此連結所組成，主宰我們行動，感官，心靈，記憶的主要中樞。然而我們對於這些神經細胞的連結及功能的了解，卻是非常片面。過去 20 年若說是解開人類基因體的重要世代，那麼未來 20 年，將是科學家努力解開大腦連結的時期。過去 100 多年來科學家對於神經系統有了什麼樣的了解？為什麼要到現在，我們才能打開大腦這個神奇的黑盒子？神經生物學到底難在哪裡？我們可以藉由基礎的腦科學知識，來一探大腦的奧妙。 講演綱要 (撰文 | 王希文) 在所有人體方面的研究中，腦科學大概是其中最難研究、瞭解程度也相對不高的一個區塊。而由於腦是由眾多神經元 (約 1 千億顆) 所組成，科學家的首要目標便是瞭解了神經元；因此神經元是什麼？它怎麼運作？它該用什麼方式來研究呢？成了科學家們必須先回答的問題。 神經的起源相當混亂，它的發現最早可追溯至西元前 500 年，一位希臘的哲學家阿爾克邁翁在解剖動物時發現了視神經，而後在西元前 100 年時又由羅馬哲學家蓋倫提出「腦是思考的中心」, 推翻了過去亞里斯多德的學說 (心是思考的中心), 由此奠定了神經生物學的基礎。 到西元 14、15 世紀時，科學家們已經對神經的解剖有很多的瞭解，但對於怎麼運作的以及它的功能的認知仍停留於西元前蓋倫的學說，認為神經就像血管，靈魂可透過神經流動，做為大腦與身體觸覺間的橋樑。 直到約西元 1890 年，才由西班牙神經學家桑地牙哥・拉蒙卡哈 (Santiago Ramón y Cajal) 用銀染色法將細胞染色、畫出了神經細胞，並提出我們如今所熟悉的神經元學說。德國科學家伯恩斯坦則在 1900 年提出神經是用電傳遞訊息一說，並由英國科學家埃德加・阿德里安，第一代阿德里安男爵 (Edgar Douglas Adrian, 1st Baron Adrian) 及查爾斯・斯科特・謝靈頓 (Sir Charles Scott Sherrington) 拼出特殊的放大鏡，將神經細胞微小的電放大 6000 倍，證明神經用電傳訊，關於神經的基本訊息才正式確立。 然而神經學研究的瓶頸還未破除。神經系統就如地圖上的眾多路徑，從 A 到 B 有許多不同的路可以走，因此要先知道路線結構，以及它們如何互相連結，才能細分它們各自的功能。但神經元在人體內有約 1 千億顆，光是圖譜便難以建立，一個實驗室花上 10 年的功夫也不過畫出 3 萬顆而已。另一個難處是，神經的活性 (電流傳遞) 只能透過活體間接觀察，無法在體外直接觀察到，若單看神經元的外觀無論何時都是一樣的。 到近期，為了更瞭解神經科學，科學家們用銀染色法搭配光學顯微鏡，以光刺激活體後一次記錄幾百個神經細胞對光的反應，儘管無法一個個做記錄，累積數據後在未來才有機會解答腦中幾億顆細胞都在做什麼。 其中光學顯微鏡在這其中扮演了相當中要的角色，而在它的使用上，有幾個重要的指標：對比、解析度、穿透深度和影像速度 (即拍攝速度)。其中最重要的是對比，目標物與背景等有強烈對比我們才「看」得到物體，顯微鏡近 100 年中重要的進展也都與對比有關，如暗視野 (將背景變黑的)、相差顯微鏡 (利用光學上的設計讓邊緣便清楚、銳利，不用染色)、微分干涉相差顯微鏡 (DIC, 增進對比觀察未染色的透明樣品) 及螢光。 而神經科學 (或腦科學) 必須使用光學顯微鏡的原因，是因為在神經科學上必須進行活體觀察，解析度和穿透深度也必須夠高，而其他顯微鏡無法辦到這一點。舉例來說，醫院常用的 MRI 穿透深度儘管夠，解析度卻僅有 0.1 毫米，約為一顆蒼蠅腦的大小，觀察到的是血液的流動 (充氧 / 缺氧) 而非電流，只能做為腦活動的間接證據。若是一般的電子顯微鏡雖然解析度夠，卻只能在真空下操作，無法觀察活體。 由於要做活體觀察，光學顯微鏡必須能穿透肉體看到裡頭的神經活動是相當重要的一件事，不過相信多數的人小時候都有做過將手指之類的放到顯微鏡下看，卻發現一般的光學顯微鏡無法看到手指裡面。這是因為有太多層東西，所有的訊號疊在一起，沒有對比。 這個問題在 50 年前被解決了，有人發明了共聚焦技術，使得只有目標焦點的光可以到探測器所在的地方，稱為提高「軸向的對比」, 產生類似濾波鏡的效果。不過這種技術有一點問題：因為它是以激發一堆光的方式來得到目標的光，除了浪費光之外，使用螢光也會有漂白的效果，以有好幾層的物體來說，如果一開始觀察 A, 等要觀察 B 層的時候 B 層就被漂白到不會亮了。 後來在 1990 年科學家們提出的新的技術，稱為共軛焦多光子影像技術，用 2 光子各 2 倍光激發產生 4 倍光的方式取代過去 1 光子 2 倍光激發產生同樣 2 倍光。這樣做的好處是在很厚的組織中只有一個會成像，稱為雙光子成像，因此在腦中可以看到一層很乾淨的影像。 不過腦是立體的，並非平面，神經的傳遞亦是，所以接著他們要解決的問題就是怎麼一次看到很多層。目前已研發出一種透鏡，內部以聲波共振做為傳導方式，造成一下看凸透鏡、一下看凹透鏡的效果，製造一萬赫茲速度跑來跑去的焦點，可對腦子做快速的來回掃瞄。這項技術，搭配雙光子讓人可看到平面上的一點，並知道每個位置的高度 (深度), 讓人們能快速做 3D 影像，觀察整個腦的螢光變化，譬如週期性地提供氣味來找到嗅覺中樞，找出每個神經元何時發出訊號。 人腦神經眾多，譜出每一個神經元的功能及傳導的方向等等是神經科學的最終目標，而相信經由推動光學顯微技術的進步，一定能離這個目標更近一步。 ● 科學史沙龍官方網站● 科學史沙龍特稿與影音●臺大科教中心 facebook 粉絲頁

智能增益:從果蠅身上所學到的知識

智能增益：從果蠅身上所學到的知識 江安世教授是清華大學腦科學研究中心主任，利用果蠅的基因遺傳學工具研究腦神經網路如何控制動物行為，是國際知名的神經科學專家。 藉由繪製果蠅腦中的神經傳遞圖譜，江教授的團隊不斷有突破性的研究成果發表於國際頂尖期刊，對下個世代的腦神經體學貢獻卓著。江安世並引用未來學家庫玆維爾的說法，類似摩爾定律在電腦科技的發展，2045 年人工智慧將超越人腦。江安世則認為「現今神經科學專家已經可以藉由改變腦神經元的基因表現與活動來遙控動物的行為，這些發生在實驗室中的研究，20 年之內將會發生在人類身上。」腦科學的研究成果甚至將影響未來的人工智慧，乃至於增益人類智能的發展。 大腦組織變透明 建構腦網路體是一件大工程，如何分析果蠅的腦結構和各神經元網路間的關係，組織的處理是很重要的。藉由開發光學組織澄清的技術，江安世研究團隊讓果蠅大腦組織變透明，在共軛焦顯微鏡下腦內各類細胞、甚至細胞內胞器及分子空間分布都因組織透明而變得清晰，並透過不同的螢光標示使腦中的神經元結構可被清楚看見，這項發明首先以「果蠅腦內嗅覺神經網路地圖」發表於國際頂尖學術期刊《Cell》, 替繪製腦網路體跨出第一步，被國際上同類研究引為參考指標。 繪製果蠅大腦 3D 影像資料庫 為了探索基因在腦神經網路的表達、分佈與功能，江安世研究團隊創新發展了系列的高解析 3D 影像技術，利用嶄新的科技建構了「果蠅腦神經網路體」。在教育部及科技部深耕計畫的支持下，團隊應用這些創新科技與網路體資料庫的經驗於建構人腦圖譜，未來將成為人腦醫療及人工智慧發展的基石，江安世說。 腦與 AI 的結合 江安世指出，所有動物的行為都受大腦神經網路控制，神經科學家認為，人類許多異常行為是基因表達錯誤，但基因與神經網路如何發展出可控制各種行為的功能，則是科學上艱難的挑戰。江安世研究團隊的重要里程碑之一，是利用果蠅建立全球第一個「全腦基因表現及神經網路資料庫」。他表示，果蠅跟人類一樣，擁有嗅覺、味覺、聽覺、視覺、痛覺、睡眠、學習和記憶等腦功能，甚至有類似同性戀及各式腦退化所產生的不尋常行為。若能完成果蠅大腦神經網路地圖，對了解人腦功能及研究腦疾病治療方法有很大幫助。利用完成的部分腦神經網路圖譜，研究團隊首度發現儲存長期記憶的單一腦神經元及神經資訊在特定網路轉軌的機制，先後發表於國際頂尖學術期刊《Science》。 腦神經網路體的研究產生了巨量的資料，人工智慧正幫科學家快速理解腦的運作，而腦功能的理解又將創造出更聰明的人工智慧。江安世指出，腦科學與人工智慧的結合，有如第二次工業革命，將對人類的生活型態帶來全面性的衝擊。 (本文由科技部補助「科學短講 (Tech Talk) 計畫」執行團隊整理)

腦科學教你改善記憶的方法!

記憶作業需要多個不同腦迴路協同運作。(圖 /pixabay) 記憶與我們的過去、現在、未來都有高度關聯，以至於我們不能離開記憶而生活。中央大學認知神經科學研究所教授鄭仕坤從腦科學的角度，介紹記憶的多樣性、不完美，也談及科學上已知增進、改善記憶的方法。 記憶與過去、現在、未來 記憶保存了我們過去累積的經驗，決定了我是什麼人；假如失去了記憶，我是誰便成了問題。記憶也讓我們能對現在所處環境作出適當反應，與我們現在有關。 記憶甚至幫助我們準備未來。美國哈佛大學的一個研究，讓參與者回憶一個過去經歷過的活動 (例如去年的出遊), 以及設想未來進行同樣的活動 (例如明年的出遊)。結果發現回想過去時能想得越多的人，在敘述未來時也能設想較多的細節。他們使用功能性磁振造影 (fMRI) 也發現回憶過去與設想未來牽涉到高度相似的腦部迴路。 記憶非單一系統，由多個不同腦迴路協同運作 鄭仕坤教授以電腦的記憶體以及硬碟來比喻，人的記憶也可分為長期記憶與短期記憶。 鄭仕坤以電腦的記憶體以及硬碟來比喻，人的記憶也可分為長期記憶與短期記憶。短期記憶容量有限，例如記一連串隨機數字，如果沒有複誦，三秒內便會忘記。然而不需複誦我們也能記得許多事情 (例如今天的早餐), 顯然和短期記憶的是不同系統。各種不同類型的記憶，其容量大小、保存時間、表徵型態、存取方式都不同。 記憶作業需要多個不同腦迴路協同運作。例如「語文的短期記憶」與「視覺空間短期記憶」, 用到的腦區、位置都不同。日常生活中還有更複雜的記憶作業，例如前瞻記憶：決定進行某項活動，但並不馬上執行，而是等一段時間後，在適當的情境下才執行。前瞻記憶是個體獨立生活的重要條件，需要注意力、執行功能、記憶等多項認知功能的協同運作，牽涉到的腦區也更多。 記憶並不完美 德國人艾賓豪斯 (Herman Ebbinghaus) 首先用科學方法探討人的記憶問題，畫出新背誦的數百個無意音節隨時間遺忘的曲線。心理學家羅夫塔斯 (Elizabeth Loftus) 讓受試者回憶幼時經驗，包含真實發生過的事件及一個虛構事件，受試者一開始雖然否認虛構事件發生過，但第二次、第三次就開始認同了。更進一步，給受試者看編輯過的假照片，第一次就有 30% 受試者認同照片中的情景。可見得記憶很不完美。 我們的記憶系統是為了因應不同的生存挑戰演化而來，並非預先設計好的完美系統。 改善記憶的方法，物理與心理刺激 透過物理性及心理性的刺激都可以改善記憶，前者如藥物、電、磁的刺激；後者如學語言、玩麻將，兩者都是透過改變大腦運作的方式來達成。 物理刺激方面，已知腦深處的海馬迴和形成新記憶有關，發現在適當時機刺激海馬迴，記憶表現會變好。而靠近表面的左後側頂葉是和長期記憶相關的腦區，鄭仕坤實驗室用「經顱直流電刺激」施以此區微弱電流，發現可以短暫讓記憶增加。 在心理刺激方面，有所謂的「測驗效果」(testing effect): 相對於一再重複學習 (例如背單字), 如果針對已經學過的材料給予測驗，會產生較佳的學習表現。透過腦電波觀察，也可發現測驗改變學習的神經迴路，讓腦部活動變得更活躍。另外理解也能幫助記憶；相對於比較容易的學習，比較困難的學習也讓我們有較好的記憶。 所以現在就來刺激你的大腦吧！鄭仕坤推薦中研院語言所和中央大學認知科學研究所合作發展的「每日腦點心」APP, 可以輕鬆上手，幫助刺激你的注意力、記憶、數學、認知、語言等不同能力。 【整理 | 科學人】

死豬卻有活腦?——腦的生命比你想的還要強韌

根據常識，腦子只要缺氧幾分鐘，就會發生不可逆的損傷。(圖 / TheDigitalArtist,Pixabay) 美國耶魯大學醫學院的一個團隊到屠宰場買下新鮮的死豬頭，加緊送回實驗室取出腦，連上特製的維生系統，供應氧氣、營養。那時豬已死了 4 個小時。接下來 6 個小時，研究人員做了一系列觀察。 在細胞層次上，接上維生系統的腦能維持原有的結構，而對照組的腦細胞已開始崩解。接著發現有些細胞已重新啟動了正常的代謝活動，研究人員也能啟動一些神經膠細胞的免疫功能。一些神經元的突觸結構保持完整。進一步的實驗顯示，那些神經元的電生理學特徵仍然存在，對電的刺激有反應。也就是說，它們能接收或傳遞神經衝動。 不過研究人員強調，他們觀察的是一個個的細胞，整個過程中並沒有觀察到涉及「大腦整體」的活動，例如腦波 ——「活的腦」必然有的生理現象。事實上，研究人員刻意抑制了神經元的激發機制，以避免意外。(例如癲癇就是局部腦組織過度活躍、不受約束的後果。) 他們明白指出，使死豬腦的神經生理活動復甦，並不等於恢復大腦功能。研究人員顯然想與換頭、大腦移植等不切實際的點子劃清界線。 根據常識，腦只要缺氧幾分鐘，就會發生不可逆的損傷。耶魯醫學院的這個研究提醒了我們：腦也許比我們想像的強健得多。 參考資料：Reardon, S. (2019) Pig brains kept alive for hours outside body. Nature 568, 283-284.

一九五五年四月十一日愛因斯坦過世「愛因斯坦大腦傳奇」誕生

一九五五年四月十一日凌晨一時許，愛因斯坦在美國普林斯頓醫院過世。上午九時驗屍，證實死因是腹腔的主動脈瘤破裂。這是六、七年前醫生就發現的痼疾，愛因斯坦早認命了。他的家人、好友遵照遺命，當天下午就將遺體火化。至於他的骨灰在哪兒化做春泥、縱浪大化，從未公開過，因為愛因斯坦對於身後的「命運」非常敏感。 愛因斯坦自從一九一九年十一月「暴得大名」之後，就成為二十世紀最受矚目的科學家。他一九二一年六月初訪美國，為耶路薩冷的希伯萊大學募款，所到之處，都有群眾簇擁。愛因斯坦卻對自己受到的待遇，極為惶惑: 在我看來，個人崇拜永遠是不公平的。稟賦人人不同，我當然知道。但是，感謝老天，許多人的稟賦都很好，而且我相信，他們大多數都過著沒沒無聞、不受打擾的生活。挑出少數人，給予無限上綱的推崇，將他們的心靈與性格貼上超人的標籤，我認為不但不公平，更沒品味。 這就是我的命運，我的能力與成就在大眾心目中的分量，與現實比較起來，簡直太離譜了。事情變得這麼離奇，知道了反而教人難以忍受。 愛因斯坦的大腦 難怪愛因斯坦要走得乾乾淨淨。不過，他並沒有完全如願，因為他生前也答應過，要將大腦捐出供科學家研究。他的遺體在火化前，大腦已由醫院的病理科主任哈維 (Thomas Harvey) 摘下，儲存在福馬林液裡。然後哈維將大腦切成 240 塊，分別請他信任的學者研究。 現代神經科學自十九世紀誕生後，就有人收集各種天才的大腦，當做發掘大腦與心靈關聯的鑰匙。愛因斯坦的大腦令人特別感興趣，因為他對自己的「天才」有過這樣的解釋: 正常的成年人絕不會停下來思考空間與時間的問題。這些問題他童年時都想過了。但是我的智能發展並不順利，結果呢，我成年後才對空間與時間發生興趣。 第一位收到愛因斯坦大腦標本的學者，是紐約愛因斯坦醫學院院長齊末曼 (Harry Zimmerman), 他是神經病理學家，曾在耶魯大學醫學院教過哈維。根據齊末曼的看法，愛因斯坦的大腦完全正常。值得報導的也許只有一點：愛因斯坦過世時已 76 歲，他的大腦卻沒有退化的跡象。不過，齊末曼從未公布過他的觀察結論。 科學報告 第一份愛因斯坦大腦的研究報告，直到一九八五年四月才問世。美國加州大學的專家發現，愛因斯坦大腦左半球頂葉皮質內的神經膠細胞，比一般人多了百分之七十三。由於大腦中神經膠細胞的數量至少是神經元的 10 倍，功能又極為複雜，創造了神經元的工作環境，因此學者假定這種細胞越多，神經元越能發揮功能。 一九九六年六月，第二份研究報告正式發表。美國阿拉巴馬大學神經學家安德森 (Britt Anderson) 醫師，發現愛因斯坦大腦皮質的運動中樞與一般人的似乎不同。大腦皮質有六個神經細胞層，通常越深的層，神經元越少，而愛因斯坦的運動皮質，神經元的分布極為均勻。不過，整體而言，愛因斯坦的運動皮質裡，神經元的大小與數量都與一般人無異，唯一的差異就是愛因斯坦的皮質薄了一點。換言之，在愛因斯坦的大腦皮質中，神經元的密度較高。 但是，這個差異會不會是大腦從人體取出 40 年後所產生的變異呢？誰也不能回答。安德森只找到五個人類大腦標本，與愛因斯坦的大腦比較。他告訴哈維醫師，加拿大安大略省漢彌爾頓市麥克馬斯特 (McMaster) 大學心理系教授魏脫森 (Sandra Witelson), 收集了大量人腦標本，因此哈維應該請魏脫森研究愛因斯坦的大腦。 一九九五年五月，魏脫森發表過一篇論文，指出大腦皮質語言區的神經元密度，女性比男性高。這個發現立即引起了媒體的興趣，哈維讀到了這個消息，就與魏脫森連絡。他在一九九六年一月，給了魏脫森 14 塊愛因斯坦的大腦，包括左、右顳葉，左、右頂葉。 結果，魏脫森發現，愛因斯坦大腦的側腦裂 (Sylvian fissure) 似乎與常人不同。哺乳類中，只有人類的大腦有明顯的側腦裂。一九九二年，魏脫森就指出，人類的側腦裂在形態上變異度很大，不易確定它在哪裡終止。愛因斯坦的側腦裂卻不明顯，尤其是左腦。因此愛因斯坦的大腦頂葉比常人的大。由於許多高級視覺中樞位於頂葉，而愛因斯坦說過，他思考時並不依賴語言，而是圖像，所以這個特徵似乎可以解釋愛因斯坦的天才。 魏脫森的論文一九九九年六月十九日在英國知名的《刺絡針》(Lancet) 周刊發表，又引起了媒體的注意。不久，漢彌爾頓市一位商人，就捐款在麥克馬斯特大學設立一個神經科學講座教授職位，由魏脫森擔任。此後，魏脫森還由經紀公司安排演講事宜，每次演講酬勞高達三千五百美金。 列寧的大腦 比較起來，研究列寧大腦的科學家就平實多了。一九二四年一月，列寧過世，蘇聯中央決定開放列寧遺體供民眾瞻仰 40 天，然後組成「不朽委員會」研擬、執行遺體的防腐工程，並取出列寧的大腦供科學家研究。一九九四年，莫斯科大腦研究所所長宣布，列寧的大腦並沒有任何出奇之處，任何將人生前的成就與大腦解剖觀察結果聯繫起來的嘗試，都不過是臆測，而且是對複雜事物的「粗糙簡化」。 一九九五年七月二十八日，齊末曼過世。過世前，他對一位年輕醫師嘲笑過新聞媒體對愛因斯坦大腦的炒作。他的比喻很傳神：飛毛腿死後，解剖他的腿，能找到他跑得快的祕密嗎？【科學史上的這個月】

膳食纖維控制食欲

飲食中的纖維含量，是古今飲食的最大區別。估計人類在舊石器時代，也就是 1 萬年前，每日膳食纖維的攝取量超過 100‭ ‬g, 現在是 10~20‭ ‬g。美國飲食學會的建議是成年男人每日 30‭ ‬g 以上；女人 20‭ ‬g 以上。(按，估計 1 根香蕉含 2.8‭ ‬g。) 另一方面，舊石器時代攝取的食物纖維，都是可以發酵的，也就是大腸細菌可以利用的食物。現代人從飲食攝取的纖維，有很高的比率腸道微生物無法利用。 現在有越來越多證據顯示：腸道細菌利用膳食纖維，能生產有利於我們生理健康的化學物質。10 年前，有一個比利時團隊以大鼠做實驗，觀察食物中可發酵纖維的量對於食欲、體重、體脂肪的影響。3 個星期後，纖維量最多的實驗組，每日食物攝取量 (熱量) 最低、體重最低、體脂肪也最低。這個團隊還發現，膳食纖維的量與控制食欲的腸道荷爾蒙有關。換句話說，食物中可發酵纖維的量可以控制食欲。但是後來的研究沒有得到一致的結果。 現在一個倫敦的研究團隊以小鼠做實驗，研究目標放在膳食纖維發酵後最大宗的產物：短鏈脂肪酸。他們發現，那些短鏈脂肪酸會影響大腦的食欲中樞，降低食欲。也就是說，研究人員找到了膳食纖維控制食欲的關鍵機制。要是我們能夠操弄這一機制，也許就能改變食欲，因為要增加我們飲食中的纖維量並不容易。舊石器時代的人每天攝取那麼多纖維，也許是不得已，因為他們只能找到高纖食物。 參考資料 Frost‭, ‬G‭. ‬et al‭. (‬2014‭) ‬The short - chain fatty acid acetate reduces appetite via a central homeostatic mechanism‭. ‬Nature Communications‭, ‬5‭, ‬Article number ‭:‬ 3611‭; ‬doi ‭:‬ 10.1038 ‭/‬ ncomms4611‭.‬

學習:一門結合心理學、神經科學與機器學習的新科學

你對學習的認識有多少？我們從小到大都在學習，你可曾想過，「學習」本身其實也是一門學問？人類祖先在物競天擇的壓力之下，產生了獨特的學習能力，也因而促成了文化的演進，並奠下科學、藝術與語言發展的基礎。如今，心理學、神經科學以及機器學習的新發現，更為人類凝聚出新的學習原則，不只導致教育學說的改變，也讓學習環境重新設計。 人類的先祖在天擇壓力之下，產生了獨特的學習 (learning) 技能，進而促成了文化的演進 (culture evolution), 奠下科學藝術與語言發展的基礎。在眾多生物中只有人類擁有促進學習的系統包括教師、學校、課程。 人類智力的來源至今還是個謎，不過藉由兒童發展 (child development), 人腦的可塑性 (the plasticity of human brain) 以及運算學習 (computational approach of learning) 的研究已經讓學習成為一門新的科學，藉此也讓我們對人類的心智更加了解。 人類學習及文化演進的基礎是以一種生物學上自相矛盾的適應為基礎 (paradoxical adaptation): 人類出生時仍未成熟 (We are born immature)。初生的嬰兒不能說話、走路、使用工具、了解他人，這種未成熟需要嬰兒本身及成人付出極大的代價：嬰兒腦部消耗 60% 的能量而成人則必須長期照顧自己的嬰兒。在嬰兒的腦子裏，無數的神經元細胞忙著建立數以千億計的連結，腦子持續成長直到青春期才達到成人的大小。 腦皮質的發育有其敏感期 (sensitive period), 在此期間神經元之間的連結更有可塑性 (plasticity) 也更容易受到環境的影響。感覺處理 (sensory processing) 在發育早期即告成熟，高等的皮質功能則較晚成熟，至於 (prefrontal cortex) 則要到成年期早期才會成熟。 人腦出生時的未成熟雖要付出代價，但卻極具價值，因為此種未成熟讓早期的經驗可以影響發育中的神經迴路連結而有利於往後的學習。在本場演講中，謝教授將介紹「學習」這們跨領域的新科學，帶你探索人類大腦暨奧秘又驚人的可塑性。

香蕉會什麼會由綠變黃?

柚子：肚子好餓喔！【翻箱倒櫃的聲音】 柚子：有香蕉耶！【咬一口】 柚子：口丕！口丕！口丕！怎麼那麼難吃？！媽～發媽:【小跑步】安怎啦！(台) 柚子：這香蕉壞了啦！吃起來澀澀的！發媽：我今天才去菜市場買的，怎麼可能壞！你吃囉？柚子：我肚子好餓！發媽：厚！還不能吃啦，你沒看到香蕉還沒變黃喔！柚子：買回來不就可以吃，還要管變成什麼顏色喔！發媽：厚！老爸，你跟他講啦！他很盧耶！發爸：咳，柚子，阿爸跟你講，香蕉在未成熟時，看起來是綠色的，是因為香蕉的表皮細胞中，所含的葉綠素比葉黃素多，成熟時，細胞中分泌的酵素會與葉綠素起化學變化。 專家解說 香蕉會變黃的原因，是由於香蕉本身會產生一個所謂的催熟素的生物激素，就是乙烯，乙烯的化學結構是 CH2= CH2, 他是系列最簡單的物質，那像在很多的食化工廠他們有所謂的食化鏈結場，他們也產生大量的乙烯；但是呢，在植物體內乙烯以一個生物條理非常重要的激素，他可以以氣味的形式微量助用在植物上面，刺激或調整果實的成熟開花，還有植物的落葉等等，因此以氣體的形式來擴散甚至會影響到別珠，或者是整個群體的作用。 所以當你把香蕉放在家裡的時候，由於他本身的乙烯會逐漸的產生，有產生乙烯之後會將你的香蕉催熟，就會慢慢的將本身的澱粉轉換成糖類，因此綠色的香蕉吃起來會比較澀，是因為他澱粉含量較高，等到熟成的香蕉本身都已經將澱粉轉成糖了，所以吃起來就比較好吃了。 除了乙烯之外，在古時候我們有用所謂的電石將香蕉熟成，電石產生的並不是乙烯，而是乙炔，乙炔正好在對植物來說相當好的一個植物酵素，他也是做催熟的效用，不過他的效用以乙烯的來說大概只有三千分之一，所以利用乙炔一樣可以把香蕉催熟，有這樣的催熟技術之後，我們就可以將所需要的果實在綠色的時候將他採收下來，做運送的動作，等到目的地之後再加以用乙烯或者是乙炔，就可以將我們的植物做熟成的動作，所以說在美國，吃番茄或者是香蕉等等，其實都是在綠色的時候就將他從樹上採收下來，然後送到目的地之後再將他收成，所以一般來說他是比較沒有水果的香味。所以在台灣我們是非常幸福的，因為我們都可以吃到自然收成的各式水果。

光電的應用:近場光學新視界

遠場光學與繞射極限 一八七三年，德國物理學家阿貝 (Ernst Abbe) 認為觀察者與被觀察者在遠場光學的範圍中 (即遠大於一個量測波長的距離時), 無法避免由於光的波動性質所造成的干涉與繞射效應。所以在傳統光學顯微鏡中，僅能獲得約二分之一個量測波長的空間解析度，這稱為光學繞射極限。 之後，英國的瑞賴 (Lord Rayleigh) 針對這一點寫下了所謂的 Rayleigh 準則：兩物體的距離必須大於或等於 (1.22λ/2n sinθ) 才能清楚地分辨出來，其中 λ 是所使用的光波長，n 是所在的光學介質折射係數，θ 是用來收集或聚光至感測器所用的物鏡光孔穴的半角。 因此在遠場光學的環境中，欲獲得高空間解析度，可利用 (1) 縮短使用光波的波長，如使用紫外光、X 光乃至電子束等短波長的電磁波；(2) 高折射係數介質，如油鏡或浸漬技術；(3) 光孔穴半角大的物鏡，如大口徑與高曲度的物鏡。其中，為增加空間解析度而提高數值孔徑 (numerical aperture,N.A.=n sinθ) 的方式，雖然較為簡便，但效果有限。只有縮短光波波長的方式，效果最為顯著且較為普遍，如電子顯微鏡，利用短波長的物質波可以得到奈米 (nm) 級的解析度。但這種方式必須在高真空的環境中，且非金屬的樣品 (如生物樣品) 須先鍍上一層導電層，才可達到該有的解析度。而且在電子顯微鏡中，磁鏡的像差、高能量電子束造成的電荷累積、以及對真空程度的需求，也會對樣品產生影響，甚至破壞樣品本質。此外，上述的幾種方式其實都還是受光學繞射極限的限制。因此，如何突破繞射極限以及不破壞樣品本質，又可提供迅速且具高解析能力的量測方式，是光學顯微術研究人員努力的目標。 近場光學的發展 英國的辛格 (E. H. Synge) 及美國的歐基夫 (O'Keefe) 分別在一九二八年及一九五六年提出在近場光學中 (即遠小於一個量測波長的距離) 進行光學量測，可避免因大於一個波長的距離之後，光波動性質的呈現與干擾，便可獲得超越繞射極限的空間解析度。但受限於當時的工程與技藝，無法證實這一概念。 直到一九七二年亞許 (E. A. Ash) 與尼可斯 (G. Nichols) 才以波長是三公分的微波，證實的確可在近場範圍中達到 1/60 波長的空間解析度。但他們希望以可見光波長來進行近場顯微觀測的計畫，卻依舊受限於無法有效地控制約百分之一波長的近場光學距離及製作奈米尺度光孔穴的技術，而未能在當時實現。 一九八六年，賓尼 (G. Binnig) 及羅勒 (H. Rohrer) 因為在一九八二年製作出第一臺電子掃描穿隧顯微儀 (scanning tunnelling microscope, STM) 的重大貢獻，而獲得當年度諾貝爾物理獎。當時同在瑞士 IBM 研究中心的普爾 (D. W. Pohl) 立即了解到，可利用 STM 的技術解決近場光學顯微儀的技術問題。於是在一九八二年到一九八八年之間，費雪 (Fisher) 等人在德國哥廷根的馬克士普郎克研究中心、普爾等人在瑞士 IBM 研究中心以及路易斯 (Lewis) 等人在美國康乃爾大學，分別以 STM 的探針控制技術進行近場光學顯微儀的製作。 其中較佳的結果是以微細玻璃管做成的探針，外鍍一層鋁膜以形成奈米尺度的光孔穴，再在樣品表面上約數個奈米的固定高度以壓電陶瓷來精確控制及掃動這近場光學探針，可說是近場光學顯微儀的初步雛形。在這期間，空間解析度由 100 奈米到 20 奈米的結果都有，但在穩定性及重覆性上都不佳。所以如何製作更好的近場光學探針，來提高解析度以及有效地控制近場光學探針的高度，以避免微細玻璃探針與樣品的受損是當時努力的目標。 近場光學顯微術 隨著一九八六年賓尼等人在美國史丹佛大學發明的原子力顯微儀 (atomic force microscope,AFM) 的發展，各種利用 AFM 技術以控制各式不同探針的方法，迅速地在一九八八年後發展成各類的掃針顯微術 (scanning probe microscopy, SPM)。 一九九二年美國 AT&T 實驗室的 Eric Betzig 及羅徹斯特理工學院 (Rochester Institute of Technology) 的傅耶茲 - 伊拉凡尼 (Mehdi Vaez-Iravani), 分別提出以剪力顯微鏡 (shear force microscope, SFM) 的技術作為近場光學顯微儀光學探針的高度迴饋控制，並證實可獲得極穩定及重覆性頗佳的近場光學影像。其顯著的優點在於可同時獲得樣品表面的近場光學影像，與由原子力顯微儀所產生的表面形貌 (topography) 影像。兩者由獨立的檢測方式同時測得，如此可提供極有效的對照及研究參考。 從一九九二年起，近場光學顯微術開始在應用上展露其特點。近場光學顯微術的空間解析度大約是 50 奈米至 20 奈米，接近於電子顯微鏡的高解析度，但也兼具傳統光學顯微鏡的優點，屬於非破壞性方法，可量測到真實表面空間，樣品不需繁複製備手續，也不需在真空環境中進行檢驗，而可在空氣中、水中或各種溶液中進行觀測。同時也有其他光學訊息的優點，包括可利用光波的偏振性、相位、波長及螢光性等來作為光學顯微影像的對比，加上可對樣品進行反射、透射及各種光譜學訊息的分析及量測，尤其是所獲得的訊息是極為區域性的光學訊息，理論上能提供樣品表面小至分子尺寸的影像光譜訊息。 近場光學的應用 近場光學顯微術 (near-field scanning optical microscopy, NSOM) 的光學空間解析度，主要取決於光纖探針末端光學孔穴的大小，因而只要控制好探針上光學孔穴的大小，就可以獲得解析度是奈米級的三維空間影像，很接近電子顯微鏡的解析度。 對於高品質的數位影音多媒體及資訊儲存容量的需求迅速增加，具高儲存密度的光碟存取系統日益重要，而記錄點尺寸的縮小成為達成高密度儲存的必要條件。 由以往商業化 CD 光碟片，到現行市場主流的數位影音 DVD 光碟片，存取數位信號的記錄點直徑由八百奈米縮小到四百奈米，在藍光光碟片中，記錄點直徑更縮小至大約二百奈米！然而記錄密度的提升，卻因利用傳統光學原理的存取機制，而受到光學繞射極限的限制，故只能藉由縮短光源波長及提高光碟讀寫頭數值孔徑等方法來求取有限的成長。 相較之下，近場光學顯微術因可突破繞射極限而獲取超高解析度，所以可應用在高密度光資訊存取上。即利用近場光學顯微儀，使光纖探針尖端與樣品間保持約一到十奈米的距離，再以不同的波長及功率的雷射光，經光纖探針送至記錄層的表面，使光與之作用，再觀察其幾何形貌或近場光學影像上的變化。 但利用光纖探針來收光、送光的方式，有一些困難，如需要精密地控制光纖探針在記錄層表面上大約幾個奈米的高度、光纖探針易因外力而損壞等等，都使得超高密度近場光學存取技術的實現，面臨很大的挑戰。 一九九八年七月底，在美國聖地牙哥 SPIE 的年會上，由日本通產省工業技術研究院的富永淳二 (J. Tominaga) 研究群提出，可由一層奈米級的光學薄膜的材料特性及厚度，有效地控制寫入記錄點的大小，以及用近場光學的原理來分辨對小於繞射極限間距的記錄點傳遞的訊息，以達超高密度近場光學記錄的效果。 近場超解析結構 (super-resolution near-field structure, Super-RENS) 的記錄方法，澈底簡化了近場記錄所需的設備，使得近場光纖探針所遇到的困難一一排除，甚至只用目前商用 DVD 光碟機的設備便可以有近場記錄的效果。 近場超解析結構 (Super-RENS) 發展出來之後，不僅是近場光學及光學資訊儲存的一大突破，也是其他應用奈米科學和技術的一大突破。對光學記錄而言，可以發展越來越小的光碟片，而記錄密度卻是現在 DVD 容量的好幾倍，隨之而來的便是播放機的縮小、讀取速度的增進、不需再攜帶現今使用 12 公分直徑大的光碟片等，資訊儲存工業將再向前推進一個新的世代。 此外，近場超解析結構並不只適用於光學記錄上，更可應用於半導體工業的奈米線寬製作上，只需透過近場超解析結構的效應，在光阻上做好刻板模型，不需極高的成本，就可製作出極微小的電子元件。 放眼「小」世界 展望新未來 近場光學顯微術的發展，得到了許多前所未能測得的光學訊號及應用物理上的新發展，如單一染料分子的螢光近場顯微光學影像，單一分子及單一蛋白質的近場光化學及其超快光學動態量測，近場區域性 (100 奈米) 拉曼光譜在鑽石表面上的量測，以及近場超解析結構對超高密度儲存記錄的發展等等。預期此一新技術會被大量且迅速地應用在生物、醫學、半導體及高分子材料等的研究上。 此外，在奈米技術的領域中，近場光學顯微術除了可用以取得極小區域的光學訊號作為光學影像或光譜研究之用以外，也可成為研究樣品表面上奈米尺寸的區域中，改變或主導樣品表面結構或物理性質的一種新工具。相信在不久的將來，也會成為奈米製造技術中一個重要的部分。 附錄 近場光學顯微術 孔穴直徑與其到待測物表面的距離都遠小於一個波長，近場光學訊號因為這一光孔穴的存在而產生，於是記錄樣品表面上每一點的近場光學訊號強度，並把它做成二維平面排列後，便可得到近場光學顯微影像。 超解析近場光碟片 傳統的光儲存技術在記錄密度愈來愈高時，也都會面臨訊號寫入或讀出的問題，如「光學繞射極限」的限制。目前一般的光學儲存媒體，如 CD 及 DVD, 是把光源經由透鏡聚焦於記錄層上以進行光學讀或寫的作用，算是一種遠場光學的儲存技術，其可辨識出的記錄點的大小，會受到繞射極限的限制，而近場光學的記錄方式則是在遠小於所使用的工作波長的距離內來做記錄，因為光的波動性質還未呈現出來，故近場光學記錄是不受繞射極限限制的一種新的光學記錄方法。近幾年來的一些近場光學記錄研發，主要是超解析結構近場光碟片，這種技術可以用一般光碟機的讀寫頭，在記錄層上寫入或讀出一個小於光學繞射極限尺寸的記錄點，公認是超高密度奈米光學資訊儲存技術的一大突破。 數位影音光碟片的發展趨勢 為達到儲存容量增加的要求，利用記錄軌與軌之間的間距縮短、高數值孔徑透鏡的使用及短波長光源的方法，來達到記錄點尺寸的縮小，以在相同面積中可以達到更高的儲存密度。但無論如何改善以上的方法，都還是受到繞射極限的限制。 掃描探針顯微術 掃描穿隧顯微儀的主要物理原理是利用量子力學中的電子穿隧效應，當一個金屬探針被帶到導電樣品表面 1 nm 左右的距離範圍內，電子可由樣品或針尖 (端視加在針尖及樣品兩極間的電壓 V 的相對極性) 穿過真空位障抵達相對的電極。由於穿隧的機率和兩極間的間距成指數反比的敏感關係，所以藉偵測穿隧電流的大小並以回饋系統控制兩極的間距，可以維持兩極的距離固定在 0.1 埃 (1 埃 = 0.1 nm) 的精度內。因此，藉著掃描金屬探針在可導電樣品 (例如金屬、半導體等) 的表面，我們可以獲知樣品的表面形貌。更由於穿隧電流主要發生在針尖上最突出的一顆原子上，掃描穿隧顯微儀可具有原子級的橫向解析力。其早期發展的最驚人功能即是證實人類可以獲得實際空間的原子影像，其中最具代表性的工作是賓尼 (G. Binnig) 及羅勒 (H. Rohrer) 等人在早期以掃描穿隧顯微儀獲得矽面上 7 × 7 重構的原子像，第一次讓人們看到這個著名重構表面的真實面目，從此奠定了掃描穿隧顯微儀在決定固體表面原子結構上的重要地位。隨著其技術的發展，科學家很快地發現，它除了可用來提供表面原子的排列訊息外，也能用來觀察動態現象：如原分子擴散、吸附及表面磊晶成長等。

用神經科學的手術刀,剖開經濟學的黑盒子–神經經濟學淺談

大多數人都知道民生經濟的重要，但對於經濟學可能就有些陌生，如果剛聽聞到經濟學與神經科學結合想必是不知其所以然吧？王道一教授於台大經濟系任教，其研究領域就是聽來新鮮的「神經經濟學」, 為了讓聽講的民眾能用淺顯易懂的方式入門此學科，本次講座將從傳統經濟學做引言，接著闡述神經經濟學為何物，並介紹藉由哪些現代的神經科學技術，為經濟學領域開闢新的研究疆土。 經濟學傳統定義上因資源有限，而研究聚焦在用來「生產」有價值的財貨，如何「分配」給不同人，滿足社會成員的需要與渴望。現今身處在知識經濟時代，經濟學轉而研究與人類對制度與資訊的反應，意即俗話說「上有政策，下有對策」, 會有這樣的轉變，主要是人們對「誘因」有反應。制度是概略的統稱，舉凡市場機制、全民健保、社會規範等都可視為制度的個例。因研究範疇廣泛，有人認為經濟學如帝國般征討、入侵其他學科，如心理學、社會學、政治學等，但王教授覺得其實是經濟學領域與各學科的良性互動，激盪火花，增進彼此研究可能性。 王道一教授於現場實際執行「LUPI 大樂透」遊戲，只要從 1 至 100 這些正整數中，選到最小且沒有其他人選的數字就得勝，藉此闡述經濟學問題。遊戲結束後王教授說明人們在遊戲中的普遍反應，通常一開始會有非常多人選擇「1」, 但經過多次遊戲後選擇者「1」的人數會下降，因為民眾知道「1」雖然是最小正整數，但會因其他人選擇同樣的數字而喪失得勝的機會。如何挑選最小的正整數，又得確保沒有其他人的選擇與自己相同，這決策過程與結果就是經濟學問題，其中可討論：依循的規則、個人決策謀求最佳化、如何因應他人決策、理論預期與實證資料契合度、個別差異如何解釋等。然而從古老經濟學理論、理性選擇理論、行為修正版理論、廠商理論之中，卻發現經濟學家仍測量不出人們認定的「效用」為何，客觀價值與主觀感受有落差，神經經濟學則試圖以神經科學工具，討論不同腦區、認知控制、神經網路如何互動溝通，共同決定個人的行為，以探尋傳統經濟學研究中隱而未覺的因素。 有多種工具可協助研究神經經濟學，如 fMRI (功能性磁振造影) 有良好的空間解析度，但資料結果有許多雜訊；PET (正子掃描) 可直接測量血糖流向，但卻因使用具放射性葡萄糖而有風險疑慮；研究腦傷病患可建立因果關係，樣本卻有限，可遇不可求；此外尚有 TMS (穿顱磁刺激)、紀錄單一神經元、EEG (腦電波儀)、MEG (腦磁波儀)、GSR (膚電反映) 與心跳等間接生理反應等，而王道一教授目前研究取向採用眼球軌跡追蹤技術，紀錄資訊蒐集過程與瞳孔放大反應，表示個人對誘因的反應。工具各有優勢與限制，但可在研究上截長補短，除了提供既有理論的證據，更可能指出其他能影響行為的因素。未來研究方向上，可思考多重思維模式的大腦模型是如何運作，甚至哪些神經科學證據會反過來影響行為。傳統經濟學只考量人們最終的「選擇」, 但透過神經經濟學，或許我們能同時考量人的「決策過程」。

天才也要吃苦—— 努力與挫折造就愛因斯坦

愛因斯坦晚年肖像。 大學低空飛過 畢業即失業 二十世紀的科學家裡，愛因斯坦 (Albert Einstein, 1879-1955) 是世人最熟知的一位。但是很少人知道，愛因斯坦在德國中學沒畢業就到瑞士考大學，結果沒考上。他是在瑞士花了一年取得中學文憑後，才申請進入蘇黎世的聯邦理工學院的。 愛因斯坦在大學期間並不用功，教授也沒看出他的潛力。一九○○年，他的畢業論文只得了七十五分，學科考試成績也不好，在五位應考的學生中是第四名，而教授決議不讓最後一名 (第五名) 的學生畢業–她就是愛因斯坦的未婚妻米勒娃。 米勒娃必須留校重讀一年才能畢業，愛因斯坦就先向本校的教授申請助理的職位，一方面薪水可以養家，另一方面，又可以從事研究，取得博士學位。可惜他的成績無法撩起教授的愛才之心。他向其他大學申請同樣的職位，但是他的導師為他寫的推薦信不可能強而有力，因此，愛因斯坦沒有得到任何繼續留在學術界的機會。 這段經歷對愛因斯坦來說，是極為痛苦的記憶，直到十年後，他已是布拉格大學的正教授，聽說當年的導師過世，仍然忿恨不已。甚至後來他的母校提出極為優厚的待遇，邀他返校擔任教授，他還要重提舊事: 十八年前，我申請過低微的助理職位，要是得到了，我不知會多麼高興。但是，我沒有得到。這個世界真是個瘋人院，名氣就是一切。 愛因斯坦無法在學界找到頭路，家裡又無法給他經濟支援，幸好同學的父親與瑞士專利局局長熟識，為他捎來了好消息，那可是有終生保障的職位。但專利局暫時沒有缺，愛因斯坦必須等待。在等待期間，他到中學代過課，擔任過家教。 相對論曾不被學術圈看好 一九○二年六月二十三日，愛因斯坦終於到專利局上班了，掙扎餬口的日子才算結束。但是，他始終沒有放棄從事科學研究的志向，在他到職以前，居然發表了三篇論文，頭兩篇雖然沒什麼看頭，第三篇卻已展露創意。 1915-1916 年間愛因斯坦首次解釋廣義相對論的手稿 (圖片來源:wiki) 一九○五年，愛因斯坦完成了四篇論文，奠定他的聲名，其中一篇就是「狹義相對論」, 著名的質能互變公式就在裡面。有意思的是，愛因斯坦拿那篇論文向蘇黎世大學申請博士學位，卻遭到拒絕，於是他另選了一篇論文去申請，那篇論文的特色是：不太有革命性、又不具玄思，結合了具體的假設、傳統的數學、基於實驗的研究，結果通過了。那年夏天，他就是愛因斯坦博士了。 兩年後，他仍然在專利局擔任技師，但是福至心靈，掌握了發展廣義相對論的鑰匙。不過，他花了八年時間才完成「愛因斯坦方程式」, 一九一六年，世人才看見完整的廣義相對論。這時第一次世界大戰已經爆發了。 根據廣義相對論，可以做許多預測，例如，重力場會使空間「彎曲」, 穿越這個空間的光線會因而「偏折」。日全食發生時，觀測太陽周遭出現的星星，就會發現他們的位置與太陽不在的時候稍有不同。利用愛因斯坦方程式，可以算出星光偏折的程度。因此，日全食的觀測紀錄，就能用來「考驗」廣義相對論。 少數理解廣義相對論的科學家 —— 艾丁頓 一九一八年十一月十一日上午十一時，第一次世界大戰正式結束，次年一月，各國在巴黎召開和會，歐洲科學界開始恢復正式的學術交流。戰爭期間，愛因斯坦的廣義相對論論文只流入英國一份，收到論文的人是劍橋大學的天文學家艾丁頓 (Arthur Eddington, 1882-1944), 他立刻就為「愛因斯坦方程式」傾倒不已，成為英語世界中宣傳相對論最力的學者。 一九一七年，英國的天文學界就已經知道，一九一九年五月二十九日會發生一次日全食，最適合觀測的地點在非洲與南美洲。由於到時候太陽會進入金牛座的中央，那裡有著名的畢宿星團，由超過 200 顆的藍巨星組成，是難得的考驗相對論的機會。最後，艾丁頓負責策劃兩個觀測隊，他自己率領一隊，目標是接近西非海岸的一個葡萄牙屬小島。另一隊由格林威治天文臺的學者組成，到巴西去觀測。這樣安排是為了避免因為天候的緣故，錯失了寶貴的機會。 兩個觀測隊都排除萬難，順利拍攝到了日全食的照片。艾丁頓那一隊隨後就將照片沖洗出來了，日食時的星星位置，果真偏移了，而且偏折程度與預測值沒有太大的差異。他們七月十四日就回到英國。 巴西的那一隊，則是把照片帶回英國沖洗，結果印證了艾丁頓得到的數值。於是英國皇家學會與皇家天文學會在十一月六日舉行了聯合會，由皇家天文學家戴森爵士 (Sir Frank Dyson, 1868-1939) 與艾丁頓分別報告了這次日全食觀測的來龍去脈，以及觀測結果的理論意義。用不著說，他們都支持愛因斯坦的相對論。現場有些人提出反對意見，但是辯論之後，聯合會主席宣布：這是自牛頓以來，有關重力理論最重要的科學發現。要是愛因斯坦的理論站得住腳，就是人類思想的最高成就。這個理論的弱點是，要把它說清楚，實在太難了。 於是「世上只有幾個人了解相對論」的說法，便不脛而走。據說在那場盛會之後，有位天文學者向艾丁頓致賀，他說，「艾丁頓教授，世上只有三個人能了解廣義相對論，你當然是其中之一。」艾丁頓聽了有些遲疑，似乎不知如何做答，這位學者馬上接著說，「別客氣啦！」艾丁頓這才答覆:「倒不是客氣，我是在想第三位是誰？」 《倫敦時報》第二天刊出的新聞，以橫欄標題宣布了「科學革命–推翻了牛頓的觀念–空間『會彎曲』」。接著，美國的《紐約時報》, 以及世界各地的報章雜誌，都以同樣的方式報導了這個消息。從此，愛因斯坦暴得大名，成了家喻戶曉的人物，象徵理性的革命精神。 愛因斯坦訪日 激起大眾對科學的興趣 一九一九年，《改造》雜誌在日本創刊，代表當時興起的一股民主潮流。改造社社長山本實彥第一次聽說愛因斯坦的名字，是在京都大學哲學教授西田畿多郎那裡。他立即向東北大學物理學教授石原純打聽愛因斯坦的成就，因為石原純是日本第一位在蘇黎世與愛因斯坦合作研究過的學者。 愛因斯坦與第二任妻子愛莎曾同遊日本 (圖片來源:wiki) 當時羅素受北京大學邀請，正在中國訪問。改造社派人邀請羅素訪問日本，羅素就在一九二一年七月十六日抵達神戶，受到熱烈的歡迎。山本實彥請羅素推薦三個人，由他邀請訪問日本。羅素立即回答:「第一位是愛因斯坦，第二位是列寧。然後就沒有人了。」 於是山本實彥下定決心，一面請石原純、桑木彧雄 (九州大學教授 / 第一位在波昂見過愛因斯坦的日本理論物理學家) 等人修書給愛因斯坦，並去電駐英國記者赴柏林，在日本大使館的協助下，與愛因斯坦會談了三次，取得了非正式同意。一九二二年春，改造社又派人赴柏林，會同京都大學哲學助教授田邊元，直接與愛因斯坦商談訪日事宜，最後簽約，言明改造社邀請愛因斯坦夫婦訪問日本，並公開演講相對論，預定六場針對一般大眾，六場針對科學界，報酬是兩千英鎊，扣除來回船資七百英鎊，實得一千三百英鎊；在日期間，食宿由日方招待。 愛因斯坦這時已與米勒娃離婚，並與表妹愛莎結婚。他們倆一九二二年十月八日自法國馬賽登上日本郵輪「北野丸」。十一月九日，瑞典諾貝爾基金會宣布愛因斯坦是一九二一年物理獎得主，「北野丸」已離開香港，正朝著上海駛去。十一月十三日上午十一時，「北野丸」駛入上海港，守候的讀賣新聞社記者立即登船採訪。第二天早上，「北野丸」離開上海，《讀賣新聞》刊出了訪問稿，愛因斯坦否認了「世上只有十二個人懂得相對論」。十一月十七日，「北野丸」駛入神戶港。 愛因斯坦訪問日本所掀起的熱潮，後來日本第一位得到諾貝爾獎的物理學家湯川秀樹，根本比不上，即使先前訪問日本的外國軍政名流，也比不上。在東京，群眾麇集在他下榻的旅館之外，只等他走到陽台上，一睹風采。那樣的熱情教他擔憂，他對妻子說: 沒有一個活人受得起這樣的接待。...... 我怕我們根本就是騙子，只是還沒給關進大牢罷了。 十一月十八日，他在東京慶應義塾大學大講堂發表第一場通俗演講，由石原純翻譯，一共進行了五個小時。前一年，羅素也是在那裡演講的。當時擠進了兩千三百人，改造社出售的門票，全票三圓，學生票二圓，相當於十份午餐的價錢，並不便宜。這充分展示了改造社的造勢運籌能力。 十二月號的《改造》雜誌就是愛因斯坦專號，上市後立即銷售一空，改造社還同時推出了世界第一套愛因斯坦全集，分裝四冊，也非常暢銷。 愛因斯坦的學術演講是在東京大學理學部物理學教室中央講堂發表的，自十一月二十五日起一連六天。然後，他就到日本幾個大城訪問、演講，如仙台、京都等地。十二月十七日，他在京都回答西田畿多郎的提問，第一次公開談論他發展相對論的心路歷程，由石原純翻譯，答詞是一份珍貴的史料。 愛因斯坦訪問日本，合計四十三天，對日本的印象非常好。至於他對日本的影響，最具體而直接的就是促成一般大眾對科學的興趣，一些科學雜誌趁勢創刊。後來得到諾貝爾物理獎的湯川秀樹 (1946) 與朝永振一郎 (1965), 都在一九二九年自京都大學畢業，算起來當年都是初中生，不可能未受這股科學熱的影響。 諾貝爾獎的頒發難題 愛因斯坦早就知道自己會得諾貝爾獎，他只好奇與他的成就有關的重要科學家，哪些人會先得獎。此外，在離婚協議中，他同意得到諾貝爾獎後，獎金就給米勒娃當贍養費。其實，在他動身赴日之前，瑞典方面已有人暗示他，說是十二月希望他到斯德哥爾摩去 (領獎)。但是，赴日之約早已簽下，獎金已有歸屬，愛因斯坦毫不考慮屆時親自赴瑞典領獎。 於是，由誰代表愛因斯坦領獎就成了問題。根據慣例，不能親自出席的科學家，就由那一國的駐瑞典大使代表領獎。那麼，愛因斯坦是哪一國人呢？他在德國出生，一家人搬到義大利，他到瑞士求學。他在大學畢業前申請瑞士國籍，等到他進入專利局工作前，已取得瑞士公民權。他此後四處旅行，都以瑞士護照通關。一九一○年，他到捷克的大學任教，兩年後回到瑞士母校，一年後再到柏林落腳，正職是支薪的普魯士科學院院士，並在柏林大學擔任不必教書的教授。 一開始，瑞士與德國的外交部都宣稱愛因斯坦是本國人，後來柏林科學院出面澄清，說愛因斯坦是德國人，瑞士方面就打退堂鼓了。頒獎典禮之後，德國外交部發現了愛因斯坦其實是瑞士人。柏林科學院的律師立即會商，認為愛因斯坦在普魯士科學院任職後，就間接地成為國家公務員，因此是德國公民。此外，還有別的證據。但是，愛因斯坦返回柏林後，立即通知普魯士科學院，他就職前明白表示過他要保留瑞士國籍，這是他就職的條件。 由於這時獎章與獎狀已在德國外交部長手上，諾貝爾基金會想出的解決辦法是：他將獎章、獎狀交給瑞典外交部長，再由瑞典外交部長頒給愛因斯坦。 後來愛因斯坦入了美國籍，仍然以自己做過瑞士公民為榮。 看透名利的本質 堅持對的價值 愛因斯坦的認同問題，其實值得注意。他當年到瑞士念書，初衷就是不滿德國學校教育以權威強迫服從的作風。他改變了科學宇宙觀的革命成就，不就是這種心態的產物？但是，他在日本受到歡迎，部分原因卻是日本人當他是德國人，而日本社會瀰漫著崇德情結，從哲學到醫學，都以德國為師。 1921 年愛因斯坦在維也納講學的照片 (圖片來源:wiki) 日本人認為愛因斯坦代表德國科學的光輝，在德國，愛因斯坦卻因為是「非日耳曼的猶太人」, 而遭到攻擊。他無法改變不明就裡的異國景仰者，只好自行設法寬解。有一次，大阪市長午宴，席前他受到德國國歌、國旗的致敬，他說受禮的不是他個人，而是科學–他代表科學接受世人對德國的敬意。 至於科學界是否算得上「智者共和國」呢？他胸中自有丘壑: 如果我的相對論證明是對的，德國會說我是德國人，法國會說我是世界公民。如果相對論錯了，法國會說我是德國人，德國會說我是猶太人。 如果他的訪日之行有什麼遺憾的話，那一定是日本青年沒有聽進他的勸告。他警告，日本即將面臨的問題包括：人口過剩導致工資下降，以及軍國主義，他鼓勵年輕人超越狹隘的國族主義，致力於國際合作與組織。這與羅素的睿見並無二致。改造社邀請的外國「激進」名流，除了羅素、愛因斯坦，還有美國的山額女士 (Margaret Sanger, 1879-1966), 她是節育運動的先驅。羅素與山額訪問日本時，都受到當局嚴密的監控，只有愛因斯坦受到空前歡迎，可說是上下一心。但是，他們三人都無法改變日本的歷史命運，教人對歷史不禁產生一種莫名的敬畏。 【科學史上的這個月】

深入生命科學–從果蠅的研究歷史及未來展望談起

二十一世紀的人類，相當熱衷於生命科學研究。提到生命科學，又讓人想起果蠅，別瞧牠個頭小，生命短暫，卻是非常受歡迎的實驗材料。有時候，研究人員把牠變得奇形怪狀的，然後驚喜地向世人宣布最新的研究成果，這時，剛完成使命的小果蠅已走向生命終點，所以果蠅在科學家心中是美麗的、可愛的，是會發光發亮的。 全素食昆蟲 果蠅又稱小果蠅，英文全名 fruit fly。牠和危害農作物的果實蠅不同，果實蠅危害瓜果類果實非常嚴重，是農業技術上的一大隱憂。有時候人們只用一個英文單字 fly 稱呼果蠅，因為蒼蠅的英文字也是 fly, 所以很多書上把果蠅翻譯成蒼蠅，這種張冠李戴的錯誤，常讓喜歡果蠅的科學家覺得渾身不舒服。 幸好果蠅的屬名 Drosophila 就清楚多了。希臘文中 droso 是露水的意思，phila 是喜歡的意思，人們一聽便知，果蠅是喜歡潮濕環境的。一般到山林裡採集果蠅時，可在水邊較濕潤的地方找到牠，而牠所吃的食物，也都是些腐敗的蔬菜水果，很顯然地，牠是一種健康的全素食昆蟲。 經濟實惠的實驗材料 在遺傳研究中，果蠅與科學實驗室結下了深厚緣分。科學家要發表研究成果時，必須提出科學證據或實驗報告，但做實驗需要龐大經費，到底該去哪兒找錢呢？所以，科學家不只要做研究，還要爭取經費，更要尋找經濟成本較低的實驗材料。正因如此，優點很多，無須和其他實驗生物一起集中照顧，飼養起來既經濟又方便的果蠅，一百多年來都被科學家養在實驗室裡，隨時聽候差遣。 果蠅屬雙翅目昆蟲，居住空間不大，只需要一個小小封閉的瓶子，裡面放些水果殘渣，牠就很高興地搬進來住，如果雌果蠅來了，就會在裡面繁殖下一代。一般研究人員多以實驗室裡的玉米粉基本培養基餵養牠們。果蠅的生活史很短，大概兩個禮拜到一個月完成一個世代。一旦成蟲交尾產下卵以後，從卵發育到幼蟲需要一天時間，這些幼蟲會像我們過年時更換新衣一樣，在攝氏 22~25 度的溫度中，約一個禮拜時間，歷經三次不同齡期的蛻皮，然後化成蛹，再約一個禮拜即羽化成蟲。 做科學實驗，有時候需要很多的觀察數據，果蠅除了容易飼養、費用便宜、生活史短、污染很低等好處外，還有一個優點──若有充分營養，一次可產下上百隻，甚至上千隻後代。這些優點非常適合拿來做遺傳上的研究。 孟德爾與豌豆實驗 如今果蠅已是生命科學研究的重要實驗材料，但牠是如何做到的呢？在此之前，必須先從孟德爾 (Gregor Johann Mendel) 和他的豌豆實驗說起。 後人尊稱孟德爾為遺傳學之父，主要是因為他的豌豆實驗使世人對遺傳學有了一些概念，並促成現代遺傳學的發展。他是十八世紀的一位神職人員，住在聖僧會修道院內，有名的豌豆實驗就在教堂的庭院裡進行的。他把豌豆顏色、豆莢形狀、植株高矮...... 等七種不同性狀的豌豆種在地下，然後觀察這些植物的外形變化。 當高莖豌豆與矮莖豌豆雜交後，第一子代長出來的全是高莖豌豆，矮莖性狀完全不見了；之後他又試著讓第一子代高莖豌豆交配，結果矮莖豌豆又出現了。經他仔細計算後發現，高莖與矮莖性狀在第二子代出現的比例接近 3:1。由於第一子代豌豆全是高莖的，他就把高莖性狀稱為顯性，把矮莖性狀稱為隱性，這是遺傳學上稱呼顯隱性的開始。 只不過，這項實驗結果似乎與當時的主流學說不太一樣。當時的主流學說僅從生命的外形觀察，他們認為，從上一代遺傳到下一代的性狀是一種混合形式；就好像人們見到剛出生的嬰兒，會說他一半像爸爸一半像媽媽一樣。但孟德爾所做的一系列一個性狀的實驗，卻都符合同樣的特徵。於是他在一八六五年奧地利布隆市召開的「自然科學會」中向世人發表豌豆實驗論文，之後，更據以提出遺傳學的兩大定律。 遺傳學邂逅生物學 孟德爾遺傳學第一定律，亦即生物遺傳學的「分離定律」認為：每一個細胞都有控制性狀的因子 (現在稱為基因), 這些因子在細胞中是成對的，一旦受精時，精子、卵子各帶一個因子，會結合成一對新的因子；這些成對的因子，雖然亦有顯隱性之分，但當顯隱性因子一起存在時，並不會發生混雜現象，而且能保持各自的獨立性。他的遺傳學第二定律，亦即生物遺傳學上的「自由組合定律」認為：精子、卵子受精時，所有的性狀因子都會前來參加，這些因子會自由地組合。 可惜當時的人們對於遺傳學無啥了解，且在孟德爾論文中看到的大多是實驗數據，較少看到相關的理論，以至於對他的論文並未給予應有的注意，大家反而去研究很多與數量有關的性狀，譬如身高、體重...... 之類的議題。 說到這裡，必須將時間回溯至十七世紀的微生物學先趨，荷蘭籍科學家列文虎克 (Thonius Philips van Leeuwenhoek)。那時的人已知道細胞是構成生物體的最小單位，列文虎克則是第一個在顯微鏡底下觀察細胞的人，在他之後，很多研究細胞學或細胞遺傳學的人開始積極地在顯微鏡底下觀察細胞。如果剛巧看見細胞正在分裂或增長，就可看到染色體；這些物質在細胞分裂時先從一份複製成兩份，再均勻地分配到兩個子細胞裡，這種分裂模式與孟德爾兩大定律的模式類似。 在孟德爾發現遺傳定律的同時，與他同一期的細胞生物學者對於細胞分裂情形已觀察得很仔細，只可惜他的遺傳學說仍舊沉寂了好長一段時間，直到一九○○年春天，荷蘭的德弗里斯 (Hugo de Vries)、德國的柯倫斯 (Carl Erich Correns)、奧地利的丘歇馬克 (Erich Tschermak von Seysenegg) 分別重複驗證豌豆實驗後，大家才知道，原來遺傳學定律的模式在很多生物裡面都普遍存在。 染色體假說出現 二十世紀初，美國一位年輕科學家薩頓 (Walter S. Sutton) 把一些與遺傳有關的舊理論拾掇起來。他根據豌豆實驗和其他遺傳實驗，把所有的事情串起來並開始思考：細胞分裂時其型態會改變，但在細胞複製時，卻有一些物質能夠均勻地分配到子細胞裡面，這些物質，是不是和遺傳有關係呢？他又想到，上一代的性狀會遺傳給下一代，而且，下一代從上一代接收到的特殊物質，也不過是卵子與精子兩個細胞而已，這麼說，控制遺傳性狀的因子應該在生殖細胞裡面囉。一九○三年，薩頓鄭重地對外宣布他的染色體假說：在細胞分裂中看到的表現物質，是控制性狀的遺傳因子，應該在染色體上面。 事實上，二十世紀初的科學家已經意識到，染色體在細胞分裂時的行為，應與孟德爾的遺傳因子在世代間傳遞的原則有些相似，他們也感覺到，染色體與遺傳之間應該有某種關係。 果蠅雀屏中選 同一時期，仍有很多人以植物為材料，不斷地重複孟德爾的研究，但也有人投入動物學的一系列研究。那時候，一位美國科學家摩根 (Thomas H. Morgan) 想要挑選一種適合的代表性生物做實驗，他曾考慮蚯蚓或海洋生物，而且，一開始並未針對孟德爾的遺傳學做研究，後來一位朋友向他推薦果蠅，從此，經由摩根實驗室的研究，果蠅在科學界的知名度愈來愈高。 孟德爾所做的豌豆研究，只進行雜交配種實驗，即長出不同外形的豌豆。但從野外採集回來的果蠅卻不行，牠們的狀況就像人類的某些遺傳疾病或性狀一樣，光從外形上根本看不出來，必須帶回實驗室裡飼養後，才能發現在牠們身上的某些突變或一些自然存在的變異。後來，科學家果真在果蠅實驗中發現了遺傳上的變異。 染色體假說變學說 有些昆蟲要辨別性別相當不容易，果蠅的性別卻很容易辨認。以最常見的黃果蠅為例，雄性果蠅個頭稍小，尾部末端較黑；雌性果蠅個頭較大，尾部呈條紋狀，所以從腹部斑紋或外部生殖器即可確認性別。若發現果蠅有遺傳上的變異或型態上的差異時，就可用牠做遺傳上的研究；倘若能夠分辨果蠅的品系，也可用來做遺傳上的實驗。 有一天，摩根發現瓶子裡有一隻白眼果蠅 (正常果蠅是紅眼), 他很興奮，將牠分離出來，讓牠和一隻正常的雌果蠅交配，結果交配後產下的第一子代全都是紅眼的；這與孟德爾的豌豆實驗，第一子代全都是高莖豌豆一樣。之後，再讓第一子代交配，果然，第二子代有紅眼的也有白眼的，而且，紅白比例正如孟德爾定律所言，接近 3:1。這件事重複驗證了孟德爾的豌豆實驗。 之後，摩根又另外做了一個新實驗，他讓白眼果蠅與紅眼純果蠅交配。在豌豆實驗中，雌雄問題並未被注意到，孟德爾只做交配實驗而已，而新實驗所產生出來的第一子代，竟然有紅眼的也有白眼的，這是怎麼回事呢？摩根仔細地思考，難道與性別有關係嗎？於是，他將性別放進去考慮，竟然發現，白眼果蠅大部分發生在雄性身上。 從染色體的角度看，雌果蠅有兩個 X 染色體，雄果蠅有一個 X 染色體和一個 Y 染色體。當時已經知道，細胞裡面有一對染色體的行為是和性別有關的，摩根想到薩頓的染色體假說：控制性狀的遺傳因子應該在染色體上面。而他自己的實驗也清楚地證明，有一個性狀與性別有關。那麼，染色體上跟性別有關係的，不就是這一對不一樣的染色體嗎？摩根實驗證實了薩頓的染色體假說，後來也因為「遺傳染色體學說」而獲得一九三三年諾貝爾獎。從此他不斷地以果蠅做遺傳研究，直到壽命終止。 摩根有三位優秀的學生，布里吉斯 (Calvin B. Bridges)、史德特文 (Alfred H. Sturtevant) 與模勒 (Hermann J. Muller)。我們現在使用的染色體圖譜就是布里吉斯決定下來的，而他也是把基因與染色體之間的關係連接起來的人；史德特文和實驗室裡的人一起辨認基因在染色體中的關係，而且知道，基因在染色體中是呈線性排列的；模勒是三位學生中最出名的一位，除跟隨摩根外，之後他也建立了一個實驗室，又因為發現 X 射線可以引起生物變異的學說，獲得一九四六年諾貝爾獎。 以果蠅做行為研究 二十世紀七○年代，大家都忙著拿果蠅做遺傳研究，突然有一位叫班賽 (Seymour Benzer) 的科學家提出一個怪想法，他想拿果蠅做行為研究。多誇張啊，行為又不是百分之百由遺傳性狀控制，小小的果蠅，除了會飛、會吃、會生蛋外，還會什麼呀？那次的宣布在生物界引起很大震撼，大家抱著看笑話的心態，認為他一定不會成功。有一本獲得普利斯文學獎的書，書名是《時間、愛情與記憶》(Time, Love and Memory, 1999), 主要就在描寫班賽做行為實驗的心路歷程和他的後續研究。 在科學研究上，如果你有一個很好的議題，接下來，如何設定、如何做研究也很重要。而班賽設計的實驗計畫就非常聰明，他從研究果蠅的白天和晚上活動開始，因為除了夜行性動物外，大部分生物是白天活動、晚上睡覺的，而且都有一個固定的活動與休息周期，果蠅是不是也一樣呢？為此，他設計了一個觀察與記錄果蠅活動的機制，也為了看更多的變異情形，他還用化學藥劑或 X 光去照射果蠅，結果真的照出一些狀況來。 凡是正常的生物都有一個生物時鐘──即使沒有光線，也有一個活動與休息的正常周期，班賽的實驗證明，這個周期是由基因所控制的。其實，人類也一樣，我們的生物時鐘有很大部分由是基因控制，這個時鐘可透過光線照射的方式調整，例如從亞洲到歐洲旅行時會出現時差問題，但是只要到室外曬曬太陽，接受一下光線刺激，即可依個人體質，慢慢地把身體裡的生物時鐘調整到和當地的晝夜周期一致。 發現限制酶與跳躍基因 二十世紀三○年代，專門做玉米研究的女科學家麥克林陶克 (Barbara McClintock) 發現了跳躍基因。她以玉米為材料，進行著和孟德爾、摩根一樣的遺傳實驗，但卻發現一個令人無法了解的問題:「好像有一個基因在染色體上面跳來跳去，沒有固定的位置。」那時的科學界好不容易才對遺傳學有些了解，怎麼又突然多出個跳躍基因呢？這個發現和孟德爾的論文一樣，長期得不到人們的重視。 緊接著在一九五三年，華生 (James D. Watson) 和克立克 (Francis H.C. Crick) 發現 DNA 雙股螺旋結構模型，科學界開始熱衷於分子生物學的研究。一九七○年，大家又發現一個重要酵素–限制酶 (restriction enzymes, 另稱分子剪刀), 這種酵素能把 DNA 裁剪開來，可用在基因重組技術上。所謂基因重組，就是把兩個不相干的 DNA 分子放在一起，重新組成一個新的 DNA。由於各個實驗室對基因研究的熱衷，人們在不同的動物實驗中發現，確實有一類基因帶有跳躍性質。一九八三年，麥克林陶克因為發現跳躍基因而獲得諾貝爾獎。 跳躍基因與基因轉殖 傳統上，研究人員用果蠅做實驗時，會拿兩個不同的體系，如紅眼與白眼果蠅，進行交配、產子，只是如此產下的後代往往有些問題，當中常有些果蠅會發生突變。後來大家才知道，以兩個不同品系交配時就會產生這種現象，主因在果蠅的一條染色體上，有一段稱為跳躍子的基因序列，此序列兩端又各有一小段特定序列，這些特定序列在跳躍子 DNA 插入染色體時會產生一些影響，而且，這些跳躍子 DNA 還會製造蛋白質 (限制酶) 幫助它的跳躍動作。 當跳躍子跳到其他位置時，會在可能發生的狀況中挑選一種方式表現。例如，它可能先把自己複製一部分，再跳出去，因為複製程度的不同，所留下的物質亦不同；因為留下的物質不同，染色體可能出現的情況就不同。而且，在插入染色體的時候，沒有固定落點，只是鎖定一個範圍，咚，直接跳進去！如此一來，有可能在插入染色體時促成了基因的變化，致使生物體發生突變，如此好玩有趣的現象，激起了生物學家的高昂興致，他們興奮地計劃著，若能把跳躍子應用在基因轉殖研究上，豈不妙哉！所謂基因轉殖，簡單說，就是把我們想要的基因，在適當時間內，放進預先設定好的染色體位置，並希望出現的結果是我們所期待的突變現象。由於在傳統遺傳實驗中已證實，果蠅身上帶有跳躍子，於是，生物學家開始拿果蠅做基因轉殖的各種研究。他們的想法是，透過對基因轉殖果蠅的研究，或許能了解一些與人類的遺傳疾病或與癌症發生有關的問題，他們甚至想到，若把人類的基因送到果蠅裡面去，或許可了解更多與人類有關的問題。 果蠅忙不完了 除了基因轉殖實驗這類偉大複雜的研究工作外，實驗室裡以果蠅做研究的項目也愈來愈多。例如篩選藥物的工作，雖然目前在科學界尚未出現與這類工作有關的重大議題，但它的確是一項重要工作。如果能請果蠅幫忙做藥物篩選的工作，或是疾病方面的研究，都是果蠅可以在科學上被用來做實驗材料的發展方向。 科學是一種生活的態度，是一種運用邏輯思考的方法和追根究柢的精神，去解決在日常生活上和宇宙探索中所遇見的問題的態度。為了讓社會大眾了解科技發展的趨勢，由國科會主辦，中央大學理學院科學教育中心承辦的「2003 展望系列演講」於焉誕生，本篇為秋季「探索未知」系列民國九十二年十一月七日第七場講座的演講實錄。

世間的精靈–昆蟲:紅眼睛的歐索費拉博士

在蔡依林的〈野蠻遊戲〉專輯裡有句歌詞「老虎、老鼠傻傻分不清楚」; 同樣地，在現實生活中也有果蠅、蒼蠅都是蠅的困惑。 「果蠅危害柳丁造成農家損失」,「 新點子，比賽抓果蠅，防蠅害還能領獎金」, 每隔一陣子總能在電視、報紙上看到記者們以誇張的語氣與聳動的文字來形容果蠅有多可怕，對果樹所造成的損失又有多嚴重。對於這些非生物專長的無冕王而言，果蠅是人人得而誅之的超級大害蟲。 其實果蠅背負著很多的無奈，長久以來「果蠅」經常被誤認為另一種惡名昭彰、會造成果樹大量落果、嚴重影響產值的「果實蠅」。果蠅與果實蠅在分類學上同屬只有一對翅膀的雙翅目，與其他目別不同處在於其他目別的昆蟲具有兩對翅膀，也就是有 4 隻翅膀，而同是雙翅目的果蠅只有 1 對，也就是兩隻翅膀，原因是另外 1 對翅膀已退化成為平衡棒。 果蠅是果蠅科昆蟲，它的英文全名是 fruit fly, 其實以醋蠅或渣蠅稱呼應更貼切。在日本，果蠅叫做猩猩蠅，是以紅色的眼睛、喜歡在酒精發酵過的食物旁聚集，這些習性與特徵和戲劇裡同樣有著紅色眼睛、喜歡喝日本酒，酒後又喜歡跳舞的猩猩相似而得名，1906 年由著名的昆蟲學家松村松年所命名。 早在亞里斯多德時期便曾發現果蠅從醋的殘餘物中生出來，但是直到 1823 年才有果蠅科昆蟲的記載，當時是與禾蠅科分在一起。果蠅是一種小型蠅類，體呈黃褐色或黑色，成蟲體長只有 3 毫米，約同米粒般大小，比普通蒼蠅小得多，又有 1 對明顯的紅色大眼睛。果實蠅則屬於果實蠅科，是農業上最嚴重的害蟲，會直接危害植物的莖、葉、花、果實和種子。這兩種蠅類不僅親緣關係不近，長相也不盡相同。 果實蠅對瓜果類果實的危害非常嚴重，是農業生產的一大隱憂。根據美國糧農部門的統計，加州每年因地中海果實蠅危害造成的損失就超過 12 億美元，世界各國都把果實蠅害蟲的檢疫列為重點，嚴格禁止闖關輸入。 有時候人們只用一個英文單字 fly 稱呼果蠅，因為蒼蠅的英文也是 fly, 所以很多書都把果蠅譯成蒼蠅 (家蠅科), 這種張冠李戴的錯誤，常讓研究果蠅的科學家既好氣又好笑。如果看果蠅的屬名 Drosophila 那就清楚多了。希臘文中 droso 是露水，phila 則是喜歡的意思，從屬名的意義可以得知，果蠅喜歡潮濕的環境。一般到山林裡採集果蠅時，可在水邊較濕潤的地方找到牠，而牠所吃的食物也都是些腐敗的蔬菜水果，很顯然地，牠是一種健康的全素食昆蟲。 在芝加哥大學生態演化學系龍漫遠教授的辦公室外掛著 Lab. of Dr. Osophila and Gen. Omics 的招牌，直接翻譯就是歐索費拉博士和歐米克斯將軍的實驗室。不過眼尖的人一定可以看出如果把 Dr 和 Gen 的縮寫逗點去掉，再合併鄰近的兩個字，就成了 Drosophila 與 Genomics, 說穿了其實這就是一個以果蠅為主題研究基因體的實驗室。 歐索費拉博士 (Dr. Osophila) 可是源自加州大學戴維斯校區昆蟲系退休教授普烙的創意！如果你在任何果蠅研究室看到 Dr. Osophila 的名牌，可猜得到這個研究室多少和他有關，而且可看得出百年來果蠅研究學者間師承關係的脈絡。 果蠅得以進入研究殿堂，是 1901 年卡叟接受加州大學柏克萊和戴維斯兩個校區昆蟲系的創始人屋德沃斯教授的建議，成為第一位用果蠅做為實驗主題的學者。他也是演化理論大師萊特在哈佛大學博士班的指導教授，他的助理路芝曾向摩根推薦果蠅，因此啟發了摩根對果蠅的研究興趣。 著名的細胞學家同時也是哥倫比亞大學動物系系主任威爾森，說服摩根「了解發育的關鍵在於了解遺傳」, 因為只有透過遺傳，才能保證精子與卵子能把親代的性狀傳遞給下一代，因此控制發育的元素應該與遺傳現象有關。摩根隨後開始進行遺傳研究，他先從植物下手，再研究動物。但是他覺得老鼠的繁殖速率太慢，不適合遺傳研究，經過種種的嘗試，最後才決定以果蠅為題材。 摩根從 1904 年開始用果蠅進行遺傳學的研究，他在哥倫比亞大學建立了世界上第 1 個「果蠅研究室」, 並在 1933 年以〈果蠅染色體在遺傳中的作用〉傑出研究成果得到諾貝爾生理學和醫學獎。他對科學的貢獻是證明了遺傳的染色體學說，其中有關基因在染色體上的觀念，驅動了 20 世紀生物學的發展，嚴謹的實驗方法更開創了全新的生物學，是研究果蠅與遺傳學史上的第一人。 他在 1928 年接近退休之年帶著布里吉斯 (曾提出染色體的不分離、複製、移位、缺失、性別決定與建立染色體遺傳圖譜，可惜 49 歲就英年早逝) 和史德提文特 (是第一位體認到連鎖強度的變化可用來決定染色體基因的相對位置) 從哥倫比亞大學轉到加州理工學院，並接納都布冉斯基為訪問學者，成就他日後以遺傳學的角度詮釋完整的演化過程，並成功地整合了孟德爾的遺傳學說和達爾文的演化論，成為現代演化生物學的奠基者。 都布冉斯基在 1971 年從洛克斐勒大學退休後，轉到他在哥倫比亞大學的博士生阿亞拉所任教的加州大學戴維斯分校擔任退休教授。中國遺傳學之父談家楨則由都布冉斯基向摩根推薦到加州理工學院攻讀博士，並且是都氏的第一位博士生。 都布冉斯基在 1973 年為對抗創造論曾有一名言 - 唯有透過對演化學的了解，一切事物才變得有意義 (Nothing in biology makes sense except in the light of evolution), 這一珠璣芮語三十多年來仍到處為人傳誦。 德州大學奧斯汀分校動物系派特森原本是胚胎學家，在 1908 年應聘到德州大學任教，後來漸漸對遺傳學感到興趣，經常和摩根以及學生們接觸，因而對摩根的另一個學生繆勒留下深刻的印象。繆勒於 1920 年應派特森的邀請，建立「第二個」果蠅研究室。他用 X 射線成功地誘導果蠅的突變，使果蠅的突變率增加 150 倍，成為研究突變細胞遺傳學的先驅，是繼摩根之後第二位獲得諾貝爾獎的「果蠅人」, 派特森的支持功不可沒。 演化學上有所謂「繆勒氏棘齒」, 是指大多數的突變都是有害的，就像無性生殖的種類由於缺乏重組，因此有害變異會越積越多終至滅亡，這一術語就是為了紀念繆勒的成就而命名的。 雖然繆勒在德州大學只待了 12 年，但是奧斯汀學派對果蠅的研究並沒有因此而中斷，派特森繼續繆勒所建立的良好基礎，並從洛克斐勒基金會和學校申請到經費，持續研究了 30 年之久。當史德提文特和都布冉斯基鍾情於擬灰果蠅研究的同時，派特森認為唾液腺染色體可以把種間的不同和染色體的差異連結起來，因此他便專注在果蠅種類的採集，研究種間染色體差異的比較。這也使得果蠅研究從當初對黃果蠅的研究，擴大為對整個果蠅屬的研究，也是美國本土第一次有計畫性的採集。 跟隨派特森從事野外採集的兩位學生當中，最有名的當屬惠勒，惠勒原本在密蘇里從事蚊子的研究，史德提文特慧眼識英雄把他挖角到德州大學。畢業後他就一直留校服務，直到退休，是繼史德提文特之後美國果蠅系統分類學家的第一把交椅。 派特森當時有許多野外採集回來的研究成果，卻苦於無處發表，因此便透過德州大學出版，德州學報很快地便獲得果蠅研究學者的歡迎。在 1940 到 1957 年間總共出版了 9 冊。1959 年起更出版了一系列的德州大學出版品，主編史東是派特森的得意門生，第一年為了慶祝派特森 80 大壽出版了專輯，1960 年起的系列則特別加註是遺傳學研究。奧斯汀學派果蠅研究實驗室在 1951 年搬遷到新的建築物，每個實驗室都各自獨立，再加上派特森在 1960 年過世，第二個果蠅研究室至此正式宣告解散。 自從摩根在哥倫比亞大學開創果蠅研究室以降，至今果蠅學研究的開枝散葉，大致是以摩根為開宗祖師。除了摩根早期 3 大弟子史德提文特、繆勒和布里吉斯之外，奧斯汀學派又可以分為兩個分支。一是繆勒到德州大學傳了史東，另外派特森門下也出了惠勒 (今年 90 歲，仍住在德州的奧斯汀) 和徐道覺 (由談家禎啟蒙的近代細胞遺傳學之父，1952 年首度辨認出人類有 23 對染色體)。 跟著摩根到加州理工學院的史德提文特，則培養出路易斯。 路易斯、努斯萊佛哈和維紹斯 3 位在 1995 年以對果蠅發育遺傳學的研究貢獻卓越，而獲頒諾貝爾生理學和醫學獎。他們的研究指出，在胚胎發育的過程中，許多的因素在生命形成之初就已經決定了。這個成長的過程就像蓋大樓一樣，一個階段接著另一個階段完成，而且每個階段都是由一群基因所控制的。果蠅發育中許多重要的基因，在人類中也有同源基因，果蠅胚胎發育的研究也為其他生物研究打下了良好的基礎。在短短 106 年的諾貝爾歷史上，至此共有 5 位科學家以果蠅為研究材料而得獎，也算是個異數。 在演化生物學方面，摩根到了加州理工學院又帶出了都布冉斯基，都氏再傳了談家楨 (開啟了中國遺傳學的研究，現居上海) 和阿亞拉 (現在是加州大學爾灣校區講座教授)。另外還有一支不是來自摩根的支系，卻也在果蠅分類、遺傳和演化學上大放異彩的就是卡森。卡森是夏威夷大學的族群遺傳學教授，師承賓州大學雙翅學家史岱柏勒，論文是以黑翅蕈蚋的細胞學研究為題目，於 1944 年發表後，頗受都布冉斯基的讚賞。 卡森畢業後應聘到華盛頓大學任教，會開始接觸果蠅是因為在 1963 年德州大學的史東和夏威夷大學的哈地 (被尊為夏威夷雙翅學和演化生物學之父，一生中發現近 3 千種、34 科的雙翅目新種) 發起了夏威夷果蠅相的調查，卡森於 1963 至 1967 年間應聘到夏威夷大學擔任訪問教授成果豐碩。1971 年他離開華盛頓大學到夏威夷大學，一直到 2004 年以 90 高齡壽終。卡森在夏威夷群島研究果蠅選汰、生殖隔離與演化，他提出夏威夷島果蠅親緣關係的遠近和各島距離的遠近成正相關。 此外，在冷泉港實驗室有一位克羅埃西亞裔的遺傳學家狄美瑞克也是赫赫有名，他所著的《果蠅生物學》, 至今仍是果蠅研究學者的聖經。他和布里吉斯在 1934 年所創辦的果蠅資訊服務通訊，是前網路時代學者們心得交換、技術交流的主要期刊。The Fly Room 曾是摩根實驗室的代名詞，但是在果蠅研究學者不斷增加、開枝散葉的情況下，現在一個研究單位常常會有數個果蠅研究室。 很多談果蠅的文章僅提到生物學上的好處，但是這領域學者間的相互提攜與支援，也是果蠅研究重要的酵素。摩根的偉大或許在於開創近代遺傳學的研究，但他無私的貢獻出果蠅品系和分享實驗心得，則是促成現今果蠅成為一重要模式生物研究的一個關鍵因素。 後記 本文部分靈感來自林飛棧教授生前手稿，林老師是臺灣第一位從事果蠅研究的學者。他從師大博物系畢業後，曾任基隆女中教師，1960 年轉到中央研究院動物所任職。 林老師早期從事哺乳類組織學的研究，1966 年起開始採集果蠅。1968 年芝加哥大學史洛克摩頓來臺灣和菲律賓採集，林老師全程陪伴，自此興趣轉以果蠅為研究題材，並在史洛克摩頓的推薦下，公費赴惠勒門下受教，回國後致力於果蠅演化學的研究。 他生前致力推動果蠅社群的建立，積極扶持後進，再加上中央研究院分生所孫以瀚教授的推動，使臺灣現有以果蠅為研究材料的實驗室數目增加到 23 個之多，並且每月有固定的集會討論，另外也開設共同課程訓練研究生。林老師於 2004 年過世，這是臺灣果蠅社群的一大損失。卡森，路易斯也在同年辭世，這算是科學史上的一個巧合吧！

生物活性及仿生物材料設計

最近在自然科學領域中，掀起了「仿生物學」的一股風潮。從某一角度來看，生物體的確具有非常理想的機能。例如，自然界中蠶和蜘蛛等動物的紡絲現象、生物皮膚功能、荷葉撥水性、人體數十年來跳動不息的心臟、幾乎不發熱的螢火蟲發光系統、超微細草履蟲的鞭毛運動等，都是周遭所見易於了解的實例。「生物科技」、「生化科技」等名詞，也是近年來在報章雜誌中經常見到的熱門詞彙。這些科技與人類模仿生物結構、機能所做的材料設計息息相關。 生物體中所發生的化學反應經常是在常溫、常壓下完成的，具有觸媒催化的高立體選擇性，如核酸化合物，亦具有傳遞遺傳資訊的優異反應性。「生物有機化學」即是探討如何將這些化學反應在實驗室中完成。此一課題已日益受到重視，而且目前也有相當的成果。「生物材料學」則是由植物及動物體中所使用的材料來探討材料進化與機能間的相關性，並進而研發出具有「新機能性」的材料。 與生物技術相關的產業正在蓬勃發展中。即使是生物科技以外的領域，大家也都憧憬著在相關生物技術的導引下，能有意想不到的技術突破。由材料學觀點來看，如今的材料研發已無法用完即丟棄，而應朝向可分解、再生的方向發展，亦即使用時需具有優越的物性，使用後卻又可簡單地分解，再回歸到土壤和大氣中。 以生物材料或天然高分子來說，使用後幾乎可完全回歸到土壤及大氣。亦即經由自然分解，可回歸到分子及原子層級再循環使用。因為生物體中存有蛋白質系高分子「酵素」, 可將生物體中使用後的物質及材料作高效率的分解。 反觀由石油化學所研發的合成高分子材料，除少數外，大都無法被大自然分解。人工合成材料大多是經過精密技術與設計所合成出來的，這些反應大都屬於「單行道」, 並未考慮到使用後的分解設計。目前雖已有生物分解性高分子材料的研發，但若加上可分解的要求，則合成反應的設計將較往常困難。而且，即使研發出某些可分解性高分子材料，也無法立即取代目前所有的工業化產品。雖然如此，在研發新世代高分子時，環保材料的重要性是絕對必須重視的。 以下針對生物材料的活性與機能性高分子設計的相關性，以及仿生物技術的可行性，以纖維為例作一簡單描述。 仿天然纖維及仿皮膚觸感纖維的研發 人類一向對自然界中蠶和蜘蛛等動物的紡絲現象有深厚的興趣，也一直研究如何模仿其紡絲製程及功能。這些生物所紡織的絲線，均由單純的蛋白質所構成，亦即由蛋白質的氨基酸聚合而形成高分子。其中由蠶所紡製的絹絲，因具有保暖、柔軟及美麗光澤等優點，早在絲路時期以前就已是人類廣泛使用的一種纖維。 另外，隨著高分子合成技術的進步，近年來以石油化學原料為基礎，已合成出相當多的高分子材料。其中，可與絹相匹敵的高分子材料，應屬於具有單純聚氨基酸的尼龍，及芳香族系中具有許多類似龜甲結構的卡夫拉 (Kevlar) 及娜美克絲 (Nomex) 高分子材料。這些高分子統稱為「聚醯胺纖維」, 具有絕佳的機械物性及耐燃性。然而，人造聚醯胺纖維是以化學合成方法，將原料混入、經聚合反應所製得，它在技術上完全無法與天然絹相比。因為絹絲係以數種氨基酸為原料，經由核酸基因密碼的控制，使分子以特殊立體結構及立體順向方式進行聚合反應而得。 不僅如此，蠶在紡絲時以絲心蛋白，利用由絹絲腺吐出時的張力，使高分子鏈整齊地形成平面化的「β 結構」排列；而且在高分子鏈間以平面上氫鍵的作用力，形成堅固的結晶結構。 所謂 β 結構係蛋白質中 α、β 結構中的一種，很多個分子上下整齊排列，其間藉著氫鍵巧妙地結合成串，正如同摺疊衣物時的摺痕結構。當蠶在紡絹絲時，由口中吐出絲並左右拉動，此時粘稠蛋白質溶液就巧妙地配向，而形成此 β 結構。 蜘蛛絲與蠶絲雖各有用途及目的，但均具有非常優越的機械特性。它們的伸張率高達 35%, 而且拉張強度亦可媲美高強度的合成纖維。若要破壞這些絹絲，所需的能量可得高於破壞纜線或鋼絲線呢！蠶的紡絲技術 人造纖維在紡絲時，一般是將聚酯及聚醯胺等高分子材料，利用各種紡絲技術製成絲線。例如，「嫘縈」以濕式紡絲法，醋酸纖維以乾式紡絲法，聚酯及聚醯胺則以熔融紡絲法來製備。然而，蠶是如何紡絲呢？當然絕非如同人類需使用大量有機溶劑，或需在極高溫的熔融狀態下操作。 日本農業生物資源研究所的馬越淳博士，曾針對蠶的紡絲機構進行研究。根據他的說法，蠶紡絲時，先使要形成絹絲的絲心蛋白在體內形成洋菜般膠狀，再以液晶態經由細管從蠶頭部的紡絲口拉出體外而形成纖維。 蠶的紡絲系統具有將膠狀蛋白質經由體內鈣離子及酸、鹼值控制使形成液狀的技術。在吐絲時，水分可急速蒸發而使纖維形成極多的微細孔洞，這些孔洞使得絹絲具有優越的吸濕性及染色性等。馬博士發現，若以每分鐘約 50 公分的速度將液態人造絹紡絲，則可製得具有天然絹絲強度的纖維。而蠶的紡絲速度約為每分鐘 60 公分，此與實驗值相符。蠶紡絲時，需以一定速度且不停地擺動頭部，方能紡製出高品質的絹絲。由技術面來看，堪稱已綜合所有紡絲技術的優點於一身，而且是常溫、常壓下的製程，真是神乎其技，令人讚嘆不已！蠶及蜘蛛所紡製的絹絲均為聚醯胺纖維，絹絲的分子構造也大致解析出來了。絹絲所使用的氨基酸種類中，含有大量的苯胺及甘胺酸等簡單的氨基酸結構。 超越絹絲的纖維 具有如絹絲般光澤及特性，手感極佳的纖維，杜邦公司已在一九三八年以聚醯胺合成纖維成功開發並量產化。最近，日本東洋紡織公司亦有商品「西隆」問世。此係將牛乳中所分離出來的酪蛋白與壓克力系高分子結合，並添加適當溶劑紡絲而製得。它不但具有絹絲的光澤及手感，亦可防蟲，且可用洗衣機來洗滌，可謂具有超越絹絲功能的纖維。由此可知，人類正朝著合成技術的夢想一步步前進，而且已漸有成果。 具有皮膚功能及觸感的仿真皮纖維 觸覺或皮膚觸感是高等動物，尤其是人類，最重要的五種感官之一，具有非常精密的機制。在這個領域中，較值得重視的課題是研發具有生物皮膚機能的製品及材料。皮膚的結構，如下圖所示。 以吸水纖維的研發為例，平常人體中每日排出的水分約為 0.9 公升，夏日運動後所排出的量更為可觀。將水分有效排出體外的機制，全由皮膚所控制，因而引發對具有吸水功能的纖維的研究動機。此纖維需具備毛細現象的高吸水性，日本旭化成公司所研發的合成纖維「西貝」即為一例。這種纖維是以尼龍為基材，纖維斷面具有迴旋 V 形可提升吸水性。與一般合成纖維相比，天然羊毛及棉的吸水性特別高。此項產品即是模仿這些天然纖維的構形，以提升吸水性的研發成果。其他尚有多孔性壓克力纖維，及中空斷面結構聚酯纖維等產品。 另外，帝人公司也推出模仿荷葉表面結構的纖維商品「麥窟羅夫特。雷窟達斯」。此種設計可使皮膚排出的水氣排到纖維外面，又可避免雨水等水滴滲入。它是由聚酯超細及稍粗兩種尺寸的纖維所構成，係模仿荷葉及芋葉表面結構的設計。雨水中最小的水滴直徑大約在 100 微米以下，因此如果織布表面具有更小的凹凸面，便可具有撥水功能。雨滴無法通過纖維細孔，但皮膚所排出的水蒸氣及二氧化碳，由於比細孔更小，可順利地排出體外。這種纖維表面的撥水機制與荷葉非常類似。 在製造合成纖維時，若盡可能使用超細結構，並使微細空間中充滿空氣，就可以擁有相當不錯的保溫功能。水貂的毛即具有此類結構，由於可有效地抓住空氣，故保溫性佳。另外，設計保溫性纖維時，摻入少許具有轉換太陽能為熱能的碳化鋯粉，則可製成薄而保暖的合成纖維產品。 事實上，模仿動物毛皮結構及機能，來開發具有各種觸感的合成皮革，尚有非常寬廣的研發空間。目前市面上已有多種觸感絕佳的合成纖維製品，例如日本東洋嫘縈公司所產製的「頁庫協奴」, 它是由超細纖維所製成，以具有鹿皮的柔軟觸感而聞名。它的內皮結構，與天然皮結構非常類似。 合成纖維與天然纖維 人類不斷地在纖維合成技術上努力研發，也一直成功地提升纖維的機能及特性，未來是否有可能使合成纖維超越天然纖維的特性呢？這答案或許見仁見智，但如何兼具天然纖維複雜且巧妙的結構，又能在常壓、常溫極其簡單的條件下合成，實在是技術上高難度的挑戰！人類仿蠶絲而研發出尼龍，仿羊毛觸感而研製出壓克力纖維。然而如前所述，蠶對絹絲原材料的前處理方式，以及紡絲製程所反映在絹絲特性上的技術，目前人類的研發成果尚無法超越生物世界。但是，天然纖維所未具備的各種機能，例如感光性、導電性等，在合成纖維方面均可藉由各種合成技術而導入。未來，應針對所需的機能不斷地改善設計，甚至結合基因工程等生物科技，來開發出全新的機能材料，進一步造福人類。 (本文取材自日本國立大阪大學名譽教授竹本喜一博士的《仿生物新材料》, 講談社出版。)

鯊魚裝與機器魚–淺談仿生減阻與仿生推進

仿生流體工程學 傳統的生物學主流不論是研究生物的組織、結構、形態、類別及生態，或是二十世紀中葉以後的分子生物學，怎樣也輪不到生物力學，特別是其中看似沒有明顯用途的流體力學，除了人工心臟與血管相關的問題外，大概沒人會注意這方面的研究。但是這些年來，一些生物物理學家與流體力學工程師們，已經默默地將生物物理學與流體工程結合在一起，為人類科技的進展提供一條新的路線。在內流場方面，人工心臟及人體血液循環系統的研究成為追求長壽者的希望所在；在外流場方面，各式交通工具必備的推進系統也有諸多模仿生物的發展，以尋求更有效率、節省能源的推進方式。 在實驗室裏，工程師們有時會將「魚類尾鰭重新吸收流場中的動能以增加推進效率」這一類生物運動的原理應用到工程機械上，我們稱這種模仿生物的工程應用為「仿生工程學」。仿生工程在機械、化工等各方面都有發展，在此我們以流體力學方面的例子說明科學家與工程師是如何發展仿生工程的。 對流體力學家或工程師而言，諸如船與飛機等交通工具的阻力與推進是密不可分的問題，運動性能與操控也是如此，這兩者都是他們最關切的問題。因此，當人類想要在流體中有更好的交通工具或機械時，不免會見賢思齊來模仿生物一番，看看動物有何妙招可以減少阻力、提高推進效率、或增加運動操控性能。 雖然「仿生」一詞是近年來的產物，其實這種想法早就存於我們遠祖的腦中。游泳正是最好的例子：蝶式的下半身擺動是學魚類的擺尾；近年來仰式很流行的出發及轉身時的潛泳也是學魚類的擺尾，如果練習得當，此方式既有效率又快速，所以已經被國際泳協明文規範限制以此方式游行的距離。否則，一來大家要比誰憋氣較久，二來仰式可能要變「潛式」了。過去就有選手曾經在國際大賽中，出發後以此擺尾潛泳方式游了近 40 公尺才冒出水面換氣的例子。一般而言，提升或改良某種事情不外乎開源與節流兩種方法，最好能雙管齊下，提高推進效率也是如此，以下我們分減阻與推進兩方面來看。 仿生減阻 流場控制是減低阻力的方法之一，藉著改變物體表面附近的流場來達到減低摩擦阻力的目的。生物學家觀察許多魚類及鯨豚類的皮膚後發現這些皮膚並不單純，經過仔細的研究，想出了各種模仿魚類或鯨豚類皮膚的方法。 表面構造減阻法：在適當的位置上挖一些微小的壕溝，這些壕溝會改變貼近物體表面的流場紊性邊界層中原有的結構與速度分布，因而減少摩擦阻力。在鯊魚表皮上發現這些微壕溝有特殊的 V 形結構，且以特別的方式排列，這些壕溝的形狀與尺寸大小是否有不同的影響，是近年研究的重點。游泳選手的新泳裝從頭包到腳，稱為鯊魚裝，可以減少阻力，就是這原理的應用。另外，這兩年才在蓮葉上發現的奈米級微小突起結構，改變了水滴的附著能力，它就是導致蓮「出淤泥而不染」的原因；這種微小突起結構，也是未來應用奈米科技於交通工具減阻上熱門的研究課題之一。 一九六○年代，科學家發現海豚的皮膚不只光滑而且有特殊的彈性。於是他們分析海豚的皮膚構造，發現除了表皮外，下面有兩層柔軟的脂肪層，而這樣的組合稱為柔順性表面，可使皮膚隨著水流略微改變外形。據此，許多科學家模仿這種結構進行減阻實驗，但是並非十分成功。不成功的原因究竟是在於未能適當地模仿，或是這樣的柔順性表面根本與減阻無關，至今仍有爭議、尚無定論。 主動壁減阻法：這種減阻方法主要是藉著物體表面的活動來改變紊性邊界層中原有的結構與速度分布，但是這牽涉到如何藉著微偵測器感應紊性邊界層中的流場速度變化，再加以適當地讓物體表面配合活動。此類技術的困難度相當高，現有的研究報告並不多，但隨著微機電系統開發的日漸成熟，或許將來大有可為。 表面材質或分泌物減阻法：科學家在研究魚類及鯨豚類的皮膚時還發現，牠們的皮膚會分泌特殊的分泌物覆蓋在表皮上。因而，科學家又想到另一類改變摩擦阻力的方法，這種改變表面材質的減阻方法有下列數種: 塗裝減阻法是藉著在物體表面塗裝不同的漆料，以不同的化學性質改變物體表面與流體的摩擦係數，而減低摩擦阻力。這種表面加工技術對人類而言是最簡便的，只要找對塗裝漆料就似乎大功告成。然而，如何發現適當的塗料，什麼塗料適合何種運動，以及在應用上須克服的腐蝕與剝落等問題，都亟待進一步研究。 微噴減阻法是將微小物質由物體表面噴入周圍的流場中。依噴入流場中物質的差異，微噴法也分為兩種：同質流體與非同質物。這些方法如果運用得當，可以有效減低 50% 以上的阻力，但是若應用不當，反而有增加阻力的反效果。 噴入邊界層中的可以是流場中相同的流體 (如用於飛機的空氣或船的水)。美國航太總署與空軍曾以 F-16 戰鬥機為原型，聯合開發一種三角翼的實驗機 F-16XL, 並在其機翼上裝上感應及微噴 — 微吸系統，來研究藉著改變邊界層中原有的速度分布，以控制邊界層的剝離，減低黏性壓差阻力的可行性。 與表面構造類的技術一樣，微泡注入法也是想藉著改變紊性邊界層中原有的結構與速度分布，來減低阻力。其原理是利用氣體與邊界層中液體不同的密度與速度，來改變流場結構與速度分布。目前已發現微泡須注入紊性邊界層中靠近中間區的緩衝層才有明顯效果，日本學者也已在實驗室中成功地應用於平底船的船底上。 加入的物質也可以是微小的高分子聚合物，或是以高分子聚合物結合微泡注入法形成一種混合物注入邊界層中，以模仿魚類皮膚特殊的分泌物，藉著改變流體分子間的摩擦力，使流體 (一般而言是水) 的黏滯性局部改變，從而改變摩擦阻力。但是這種方法需要另外準備高分子聚合材料，無法就地取材。 目前國內與造船工程相關的幾個校系正進行這一方面的整合型研究計畫，以船型及表面材質或分泌物的減阻方式為研究重點。 在此值得一提的是，高分子聚合物的加入會改變流體的黏滯性與表面張力，使其應用範圍擴大，目前有許多基礎研究環繞在高分子聚合物對流體各種行為的改變上。法國的科學家最近發現，在液體中加入少量特別的高分子可以改變流體的黏滯性，使水從牛頓流體 (即流體的剪應變與剪應力成線性正比) 變成非牛頓流體，而使一滴液體落在固體表面時減少、甚至不會四濺，這項成果或可用於與噴嘴有關的應用中。另外有一種減阻技術是在物體尾部噴出流場中的流體，利用此噴流來改變流場中的流線，從而減少黏性壓差阻力。此方法已被德國人成功應用於汽車上。 仿生推進 在推進方法上，人類的模仿也是多采多姿，有的是直接模仿生物推進的方法與型態；有的僅僅是應用相同的原理；有的是介於二者之間，應用生物推進的原理來改良人類原有的設計。 擺動翼片：除了前述人類游泳的方式外，擺動的翼片可說是我們最早模仿生物來推進交通工具的例子。我們現在可能無法確定中國人傳統船隻上搖櫓的方式是否得自生物的啟發，還是純粹試誤的結果，但是搖櫓的推進原理與魚類擺尾推進是一樣的。近年日本的研究指出，一般櫓的推進效率與現代設計良好的船用螺槳不相上下，甚至在特別良好的狀況下，其效率可達 80%, 超過目前一般的螺槳。至於歐美近代的一些發展，則可以確定是來自觀察魚類運動的靈感，這些包括一八四八年英國人佛禮士 (Robert Fowles)、一八六二年美國人強生 (William H. Johnson) 及一九二九年居瑞 (Manfred Curry) 的嘗試，這些早年的嘗試由於對其原理並非十分了解，顯然不太成功。 機器魚：隨著我們對水中生物研究的增加，以及機電、控制、材料方面技術的進步，模仿魚類的擺尾式運動變得越來越有可能。除了麻省理工學院海洋工程系研究群研發的機器鮪魚與機器梭子魚外，英、美、日等國也有許多大學研究團隊及公司在進行研發，例如三菱公司曾發表幾可亂真的水族館展覽用機器魚，德州農工大學正為美國海軍研發應用特殊記憶合金與彈簧為結構來擺尾的隱形魚形潛艦，而國內也有大學正在發展「仿生型自主式水下載具」。這些都是著眼於水中生物擺尾式前進的高效率與低噪音，但是要學好生物的運動需要先徹底了解其運作的機制，再結合流體力學、材料、控制、機電整合、微機電及奈米科技等領域的成果才能成功地模仿生物，這是困難度相當高的高科技，有待國內有心結合傳統產業與新興科技進行科技整合者的投入與研究。 垂直螺槳與直昇機葉片：傳統垂直螺槳乃由數片葉片附於一轉動圓盤上所構成，葉片的控制方式由複雜的機械連桿組成，而各葉片間的相對俯仰角固定。因此，各葉片動作時未必能達到最高效率。類似的情形出現在航空界對直昇機的研究，他們發現直昇機葉片震動的原因主要是來自前方葉片的紊性跡流中的漩渦，我們又無法避免其發生，也無法控制使後方葉片能避開此紊性跡流。 近年的研究發現當流場中有漩渦接近一翼面時，翼面的升力及阻力均會受到漩渦的影響而改變。因此，除了從入流角方面進行改善以提高效率外，直昇機或垂直螺槳葉片的俯仰角須再做額外的微幅調整，以求能如魚類擺動身體及尾鰭般，適當地切入前面葉片尾跡流所產生的漩渦中，如此方能利用漩渦的動能提高效率，並減少不當切入前面葉片尾跡流所造成葉片震動的噪音。目前對垂直螺槳的研究，在荷蘭、加拿大、英國、義大利與台灣均有發展，在荷蘭還有人大膽提議將葉片改成水平的，因此被稱為「鯨尾推進輪」。 青出於藍？麻省理工學院研究機器鮪魚的傳塔菲羅 (Michael S. Triantafyllou) 教授有這樣的感想:「在實驗室裏模擬的機器鮪魚，只是我們探究魚類游泳奧秘的第一步。當我們的機械模型越精緻，我們越會對自然演化出來的魚類生物讚嘆不已。一旦這些億萬年來神秘的演化過程被一步步地了解，或許有朝一日，人為的設計還可能超出魚類的巧妙呢。」然而，當我們向生物看齊時，美國杜克大學長年研究生物流體力學、比較人類科技與生物演化結果的史蒂芬・佛格教授，於《貓掌與彈弓》一書中也提出一些他的研究心得，指出一些我們在模仿生物時不該忽略的事: 尺度越小，仿生的前途越光明。從人類文明的進化過程來看，人類對於大型構件的創造遠較小型構件為優，然而生物的演化往往是從組成個體的細胞開始演變，最後才產生結構上的變化，這一演化的事實似乎暗示著從材料科技仿生著手，遠比從結構或機械系統的仿生更有前景。 天擇與人類發明間固然有許多相似處，但相似處多半是必然的物理定律或環境條件造成的。相反地，兩者的設計理念與方式往往差距甚遠，相異處其實更多。 自然有時確實能提供一些典範給我們，但是自然原則卻不必然是人類效法的指標；我們不要誤認所有的問題只要回歸自然、崇尚自然的方法或法則後就能迎刃而解。 自達爾文以降，生物學家了解到來源不同也可能產生相似的結果。這種趨同原理暗示了環境限制及誘導的作用，同時指出了何者容易發生與何者較為重要。在我們比較人類科技與演化結果時，也當注意這原理的暗示。 或許當我們能夠洞察其他生物的各種運作原理，並且十分了解我們所需要解決問題的本質與各種限制時，才是我們可以開始判斷在科技上是否能成功地模仿生物的時機。也只有當生物學與物理學發展到某一程度，二門科學能相互融通，使得我們對大自然有了更深入的了解時，我們才會慢慢體會到這宇宙既簡單又複雜的本質，也才會逐漸領悟到「崇法自然」也不盡然是對的。

法天地之造化–仿生科技

二十世紀科技的發展突飛猛進，人類征服自然的宏願似乎指日可待，然而在尖端技術不斷推陳出新，對各種現象日趨明瞭之際，驀然驚覺原來這些技術在自然界早已運用有年了。讓人類不得不承認自己的渺小，回過頭來還是必須效法自然，並且從自然中學習、模仿或是取得啟示，進而用於人類科技文明的發展，這就是「仿生學」(biomimetics/bionics) 的概念。 雖然人類自古以來就不斷模仿自然，但「仿生學」這個名詞始於 1960 年，它橫跨了生物、物理、化學、數學等基本學門，並且與航太、通訊、材料等應用科學相互交織成新的研究領域。近年來，有越來越多的科學家投入仿生學研究的行列，更結合了新興的奈米科技、智慧工程、以及組織工程等 3 大熱門主流，為人類 21 世紀的科技發展開拓了一條嶄新的道路。 模仿自然提供了許多優勢，因為自然界的各項功能存在既久，並且方便有效，是歷經演化所保留下來的最佳方式。人類模仿大自然的巧門，創造出能夠應用於人類生活的發明，即使是微不足道的小發明，對於人類生活的影響卻可能非常深遠。 例如我們日常生活常用的「魔鬼沾」, 是瑞士的一位工程師喬治。邁斯楚由野外會沾上衣服的芒刺所想到的點子。他在顯微鏡下觀察沾在他衣服上的芒刺，發現芒刺像一排鉤子互相連結在一起，能夠緊緊地鉤住接觸到的衣料或動物的皮毛。根據芒刺的構造，歷經 8 年不斷地研究和修改，他設計出一種實用的按扣，就是我們目前在日常生活中隨處可見的魔鬼沾。今日無論是衣服、鞋子、表帶、背包、甚至汽車、飛機、降落傘、太空裝或太空梭，都可以看到魔鬼沾的應用。 然而有時候完全模仿大自然也不見得能夠生效，例如人類試圖複製鳥類的翅膀來飛翔，可是沒有成功，反倒是藉由大自然的啟發，創造出許多偉大的發明。藉由鳥類飛行的啟發，配合氣體動力學的原理發明了飛機，終究還是讓人類飛上天空。 本文介紹利用人類感官的仿生科技，藉由模仿感官的機制，使人類恢復失去的感官功能，或是應用在日常生活、醫療行為，甚至太空科技上。例如模仿聽覺的機制，為失聰者開啟一扇希望的窗，走出無聲的世界；模仿嗅覺的機制，用於疾病檢測或工業污染防制；模仿肌肉的機制，則可應用於太空科技。 人工內耳 聽覺對於人類似乎不是必要的，喪失聽覺的人依然可以生活，但是會造成許多不便，尤其是在與他人的溝通方面。聽力可能因為天生殘疾或後天的疾病而受損，輕微的聽力障礙，可以藉由助聽器輔助或進行聽力復健而達到改善的目的。由於助聽器的功能在於收集聲波，並放大送到耳朵裡面，最後還是要透過聽神經把訊號傳遞到大腦，對於內耳神經受損嚴重的患者，助聽器就無能為力了。這時必須藉由外科手術，植入人工內耳才能改善聽力。 人類耳朵的聽覺機制，大致上是透過外耳廓收集聲波，通過聽道震動鼓膜，推動聽小骨 (包括槌骨、砧骨及鐙骨) 把聲波放大，傳到耳蝸上的卵圓窗，引起耳蝸內淋巴液的流動，帶動耳蝸內纖毛的擺動，使得與纖毛相連的神經細胞產生微小的電位變化。神經細胞再把訊號傳進大腦聽覺專區，經過解讀後便產生了聽覺。 人工內耳是藉由模仿人類的聽覺機制，使失聰者可以恢復聽覺，以取代原本喪失功能的耳朵。這項技術的起源，可以追溯到 1790 年，科學家在實驗中無意間發現，置於耳朵附近的通電電極會使人聽見雜音。不過這方面的研究一直要到 20 世紀中葉才有重大的發展，進而實際應用於醫學領域。 人工內耳系統包括外部的麥克風、聲音處理器和發送器，以及內部的接收器和電極。先由體外的麥克風收集外界的聲音，並轉為電子訊號，傳送到聲音處理器加以放大或過濾，再藉由體外的發送器，將訊號傳送到植入皮下的接收器。 新一代的人工內耳是以無線電波的方式傳送信號，代替過去利用電線穿過皮膚的方式，降低了細菌感染的可能性。接收器再把聲音訊號傳送到植入失聰者耳內的白金電極，進一步把電子訊號轉成微小的電位來刺激聽神經，使大腦產生聽覺。由於白金的低活性，置於耳內不易和組織起反應而變質，安全性相當高，但價格偏高是其缺點。 在我們的耳朵內，聽小骨把震波傳進耳蝸之後，由於耳蝸本身形狀、大小的變化，加上受到內部淋巴液質量和密度的影響，聲音在傳入耳蝸內部的途中，頻率會由高至低被過濾出來，並且不同位置的纖毛也會對特定頻率的震波產生不同的擺幅。所以內耳對於不同的頻率高低和震動大小，對應出不同強度的神經訊號，使我們可以分辨周遭不同的聲音。人工內耳也必須具有類似的功能，才可以使佩戴者辨識不同頻率的聲音。 西元 1970 年，麥克森和愛丁頓等人發展出以多電極直接刺激耳蝸內聽神經的人工內耳系統，把各種不同頻率的接收電極放在耳蝸的不同區域，雖然能夠大幅提升對聲音的辨識率，但是距離正常聽覺仍有很大一段差距。近十幾年來，人工內耳技術比起早年有了大幅的進步，目前最新的人工內耳已植入多達 24 個電極來刺激聽神經，可以使部分失聰者不用藉由判讀唇語便可與人溝通，甚至可以像常人一樣講電話。 不過根據國外實驗結果顯示，對於大多數失聰者而言，即使佩戴目前最新型的人工內耳，所能恢復的聽覺仍然有限，不及正常人的一半，對於日常生活中的背景聲音，分辨率仍然非常低。因此人工內耳在聲音辨識率的發展上，仍有許多亟待突破的瓶頸。 此外，人工內耳的無線電傳收系統，訊號在傳遞時常常受到外界干擾而產生雜訊，使得聲音聽起來失真。在製造材料方面，由於體外的部分必須長時間佩戴，選用的材料必須能抵抗汗水的侵蝕，而體內的部分因為置於組織中，所以必須選用可抵抗組織液侵蝕的材料。 目前電子內耳的研究方向，在於設計出更好的聲音處理程式、降低刺激電極之間彼此干擾產生雜訊的機會、改進電池耐用度、元件材料的選用、以及體積微小化。藉由神經生理學、電子學、電池設計、以及材料科學等學科的整合研究，未來一定可以研發出使人能夠完全恢復聽力的人工內耳系統。 電子鼻 嗅覺對人類的必要性似乎不及聽覺，但是人類之所以能夠享受美食，90% 是靠嗅覺之賜，如果沒有了嗅覺，就會食而無味。哺乳動物的嗅覺機制主要可以分成 3 部分：接受、傳導及顯示。不同氣味的分子，經由呼吸進入鼻腔，與鼻腔中嗅覺細胞纖毛上的嗅覺受體蛋白發生作用，形成各種不同的特殊鍵結，造成不同的神經脈衝訊號。再藉由嗅覺神經發出動作電位，傳輸到大腦的嗅覺專區，透過大腦的判讀，利用從前的學習經驗來判別氣味的種類。 電子鼻，顧名思義是利用電子儀器來模擬哺乳類動物的嗅覺機制。電子鼻的技術是利用電腦模擬嗅覺受體蛋白與氣體分子之間的作用，進一步以人工方式合成受體蛋白，並把人工受體蛋白製成「接受膜」, 取代人類嗅覺細胞，用來連結傳導介質。 傳導介質則是以壓電石英晶體所製成的模組晶片，採用矩陣式排列，氣體經由接受膜吸收後，增加的質量導致諧振頻率的改變，透過諧振頻率測量出氣體物質的質量與濃度。並透過統計分析或人工神經網路處理，與預先建立的資料庫比對出氣體的種類，最後透過電子螢幕以圖像及數據顯示氣體的來源。由於要檢測的氣體分子往往非常微量，濃度通常在十億分之一的層級，所以接受膜的感測敏銳程度及專一性是這項技術的關鍵。 這方面的技術，初期是用於香水、葡萄酒和食品工業等方面，用來做為食品保存監控及風味鑑定的工作，或是應用於環境中有害氣體的監測，例如汽機車廢氣、工業廢氣等，還有軍事上對於毒性氣體的監測等。 近年來，電子鼻的技術也應用到疾病診斷上。大家或許都有經驗，在某些特殊病人的身上，可以聞到某些獨特的味道，因此可從特定疾病患者的呼氣檢體進行疾病檢測。中醫廣泛運用的望、聞、問、切、觸等的診斷技術，其中也包括了「聞」。利用電子鼻來做診斷工作，只是把原本是人的鼻子，變成了電子儀器。 傳統的呼氣檢測方式是根據標準的呼氣採樣程序採集檢體後，再用氣相層析儀配合質譜儀判定化合物種類。這方法不僅儀器昂貴、耗費時間，且其分析的過程必須把大約 3 公升的呼氣樣品濃縮後，才可達到儀器能偵測的最低極限值。電子鼻技術所需的分析成本不但降低很多，而且呼氣樣品也只要 10 毫升左右，不但操作簡單、反應快速，而且僅數分鐘就可完成檢測。 目前國內也開發出若干電子鼻的技術應用於疾病檢測。例如尿毒症患者呼出的氣體中，含有微量的三甲基胺、二甲基胺等氣體，可以利用特殊的嗅覺受體蛋白進行感測。目前尿毒症診斷模組的技術已進入臨床實驗測試，可以區別正常人與血液透析患者、腹膜透析患者、慢性腎功能不全、慢性腎功能衰竭等不同嚴重程度的腎臟疾病患者的呼氣檢體，準確程度可達八成五。 此外，肝硬化患者本身會呼出微量的二甲基硫氣體，也可以利用相同的技術進行模組的研發，準確程度可高達九成三。未來電子鼻的技術可以擴展到更多的疾病，如肺膿瘍、糖尿病、精神分裂症、腸胃道疾病、肺癌等，可以提供快速的檢驗方法。 人工肌肉 我們之所以能夠行動、舉起重物，靠的是肌肉與骨骼的協調運動。肌肉的最小單元是肌纖維，肌纖維由肌動蛋白和肌凝蛋白兩種蛋白質交錯排列而成。當肌肉收縮時，肌凝蛋白不動，而肌動蛋白往中間滑動，使得整體長度縮短；反之，當肌肉伸展時，肌動蛋白則往外側滑動。 十多年前，美國太空總署為了在外太空工作，計劃開發新型的機器手臂，來完成傳統油壓機器手臂無法做的精密動作。藉由模仿人類手臂肌肉的動作，開發出多種材料，可以藉由電流的通過產生收縮現象，這類的材料稱為電致動聚合物。 電致動聚合物的動作原理和肌肉收縮原理有些不同，隨著電位大小的變化，會產生不同程度的形狀改變。通電時，電致動聚合物內部分子受到電位的影響，使分子排列從原本的結構變成偏往某一端聚集，整個外觀看起來，就像是整條電致動聚合物如同肌纖維一樣彎曲、縮短或伸長。當電位的方向改變時，又會使電致動聚合物向另一個方向彎曲。電致動聚合物的這種特性，為其贏得了「人工肌肉」的稱號。電致動聚合物主要可以分成電子型及離子型兩大類，工作原理都是利用導電使形狀改變，不過電子型是直接通電刺激，離子型則是透過溶液中帶電離子的移動來傳遞電荷。 人工肌肉可以應用於機器手臂，由於聚合物的重量比金屬輕了許多，應用於外太空可以大幅減少載重。目前國外已經成功利用電致動聚合物製造出機器手臂和機器臉，機器手臂已可做出如伸出某支手指這種精密的動作，未來可以開發出手術用的機械手臂，機器臉也有能力做出像是眨眼或動嘴唇的表情。 值得一提的是，西元 1999 年美國人巴科恩對全世界的工程師提出一個挑戰，徵求利用人工肌肉設計出一個人工手臂，用來和人類進行腕力大賽。第一次的比賽於 2005 年 3 月 7 日在美國聖地牙哥舉行，一個 17 歲的年輕學生擊敗了參賽的 3 個人工手臂，最好的人工手臂僅撐了 23 秒，儘管如此，電致動聚合物的發展潛力仍然深受矚目。 電致動材料的發展與應用目前尚處於初期的階段，現有的電致動聚合物仍有許多缺點等待克服，如降低驅動電壓、增進機械強度、加大變形程度、以及加快反應速度等。除了上述機械手臂和機械臉的應用外，電致動聚合物也被製成機器昆蟲或可以在水中游泳的機器魚。電致動聚合物也可以用在醫療方面，例如量血壓用的壓脈帶，甚至用來替換受損傷的肌肉組織。當病患的肌肉壞死無法動作時，醫療人員便可利用電致動聚合物植入患處，配合適當的電刺激，使殘障者可以重新活動，不需要再倚賴輪椅和柺杖了。 藉由仿效自然法則，模擬感官接收、傳遞、運作的方法與機制，可以為人類帶來許多福祉。未來仿生科技結合奈米材料及生物技術，可以製造人工視網膜、人工味蕾、人工神經傳導系統等更複雜的人工感官系統，必會對人類的生活提供更多的助益。

自然科學之母–物理科學

如果想增加對物理科學方面的認識、興趣與學習的效果，可以嘗試從下面幾個方向著手：物理學的研究對象與內容、物理學發展史、理論的建構方法與數學的關係、理論與實驗、物理與應用科技、物理哲學以及物理與人文等。 有關上述各主題的相關書籍為數不少，本文僅就物理學的研究對象與內容、物理學發展史二方面作摘要的說明，希望藉由本文的介紹，能讓讀者了解物理，進而欣賞物理。其實如果稍加留意，即能發現物理科學就在我們的身邊，它早已和我們的生活融為一體了。 研究對象與內容 物理學是自然科學之母。自然科學是指研究自然現象的基本學科，一般大學理學院內的科系如物理學、化學、生物學、地球科學、大氣科學等均屬之。數學研究的對象雖非自然現象，但它是科學與工程上非常重要的語言與工具，所以也是理學院的基本學科之一。 物理學被稱為自然科學之母是有原因的，因其研究對象是自然界的基本現象，所建立的觀念、基本理論與知識，構成了其他科學的基礎。此外物理學的研究方法，包括理論的建構、數學語言的應用、實驗觀測與分析方法，也成為一般科學的典範。至於工程科學，則是以這些自然科學為基礎，在生活應用方面進一步的運用與研發。 物理學所探討的是自然界的基本物理現象，它分別建構出機械學 (運動與動力學)、電磁學、熱力與統計熱力學、量子力學等四大力學，這些都是物理系學生研讀的核心課程，從名稱中我們可以了解「動力學」是物理學的主題與核心。同時，這四大力學的基本理論均可用來處理生活中的各種物理現象。 依據研究對象系統的尺寸大小、作用力型態與結構，物理學又可區分成宇宙學、天文學、太陽系行星系統、地球物理、大氣與海洋物理、固態物理、表面科學、奈米科技、分子物理、原子物理、原子核物理、高能與基本粒子物理等學科。 古老的自然科學是與哲學融合在一起的，稱為自然哲學，後來物理學獨立發展，專門探討自然界的物理現象，重視實驗觀測，經分析歸納後形成基本觀念，最後建立物理模型與數學的表達方法及推演方式，逐漸發展成現在的物理科學。物理學的發展，一般常以一九○○年為劃分點，在此之前的稱為古典物理，之後的則叫做近代物理。 古典物理的時空背景，是以巨觀體系的物理現象為探討對象，以人本身或一般簡單儀器設備為觀測工具，所建立起來的物理觀念與理論。古典物理基本上已建立了相當完備的機械學、光學、電磁學、熱力統計學等基本理論體系，形成了古典力學、電動力學、熱力與統計熱力學三大力學。隨著物理學的發展與實驗科技的進步，科學家開始注意到高速運動系統與微觀體系 (如原子、分子與原子核等) 的物理現象，因而建立了相對論與量子力學，它們構成了近代物理的部分。 要學好物理，需要通曉四大力學的基礎理論以及具備相當程度的數學能力。至於要熟諳各種學科領域則是一項不可能的挑戰，畢竟研究某項尖端科技或理論，是一項相當專業的工作，需要專精的知識，以及經過長久磨練所累積的經驗。 成為此類科研人才並非大部分物理系學生的最終目標，但建立良好紮實的物理學理論基礎與實驗方法，則有助於未來在教學或與物理相關的工作領域上，有良好的發展和表現。這些知識與技巧同時也是學習新知的基礎，它不但對物理系學生有用，對工程科系學生而言，也是受用無窮！科技日新月異，各類資訊充斥，適當地選擇資訊、吸收知識、應用知識就顯得非常重要，為了跟得上社會的進展，也必須具備終身學習的學習觀。 牛頓與物理學 古典力學是描述具有質量的物體受力時，其運動方式的變化以及相互間的規則。在牛頓 (Isaac Newton) 之前，描述物體運動的基本觀念與數學方法皆已大致建立，其中的代表性人物是克卜勒 (Johannes Kepler)(太陽與行星運動的規律性) 與伽利略 (Galileo Galilei), 但最後集大成的是牛頓。大家或許都熟知運動三大定律與萬有引力定律的內容，但不一定了解它們的重要性以及對日後物理學發展的深遠影響。 牛頓在物理學上的貢獻可以歸納成幾個方面：他把描述運動現象的運動學發展成動力學 (即描述運動現象與作用力的關係), 將各種運動現象的根本原因加以整合，使其適用於天體及地面上的各種運動；發明並利用微積分處理物理學的運動分析，建立動力學理論；把數學公式化的理論方法與架構運用到物理理論上，使物理理論展現出清晰、明確與嚴謹的定義，和強而有力的推演能力，並以數學關係式表達物理量間的定性與定量關係；建立動力學理論的標準模式；也是歷史上第一位提出有自然力 (萬有引力) 存在的人。所以牛頓被稱為科學史上最重要的人物之一。 牛頓不但將人類在力學上的紛雜觀念，整合為一簡潔而完整的理論，可適用於大部分的運動現象，既是古典力學的基礎，也是古典物理學的基礎，它同時也影響了古典熱力學和古典電磁學的發展。他所發展出來的理論模式是物理學的典範，牛頓本人大概也沒料到他的貢獻與影響會如此遠大。隨後發現的基本自然力，包括電磁作用力 (發生在帶電粒子與電流之間)、強作用力 (發生在原子核內及基本粒子之間)、弱作用力 (發生在核內粒子的電子放射衰變過程中), 一些相關理論也多少受其影響。 我們若要了解某系統的物理現象，根據動力學的理論，其處理程序是：了解系統的組成分子與結構；掌握組成分子的質量與相互作用力的型態；正確使用運動變化法則與運動方程式；依據統計分配法則與統計資料計算結果。由運動方程式或統計分配法則與計算，我們可以獲知系統的物理現象，包括穩定狀態時的結構與性質、受外力作用時的變化情形。 這種動力學模式，事實上隱藏在牛頓力學的理論體系內。構成物理學的四大力學，即是描述不同物理系統的基本動力學理論。而各種尺寸大小、作用力型態與結構不同的物理體系，也在這種基本動力學模式下，建立起本身的物理細部理論架構。 理論力學的貢獻 牛頓力學處理質點系統、剛體、流體與連續介質系統的運動現象都非常成功，它主要是建立在力與加速度的觀念，以及描述運動軌跡的運動方程式二項基礎上。經由其他運動物理量的介紹與數學技巧的應用，定義出動量、功與動能、位能與角動量等觀念，最後產生了動量守恆、能量守恆與角動量守恆等重要的物理定律。 這樣一來，不但可避開一定要知道作用力的困難 (某些問題一開始是不知道作用力的), 使解題能力加強、解法變得容易，同時也促成了理論力學的發展。能量與能量守恆觀念的應用，在熱力學、化學與量子力學中都非常重要。最重要的一點是，在理論力學中，原始的作用力與質點軌跡觀念已被能量與物理狀態所取代了。 在古典力學理論 (理論力學) 的發展上，分別有拉格朗日 (Joseph Louis Lagrange) 與漢彌爾頓 (William Rowan Hamilton) 等力學理論，其法是藉由通用化的動量與通用化座標等觀念，定義出系統的力學函數，再依數學上泛函數的運算規則推導出運動方程式。這套理論的特點是「作用力」的觀念消失了，而運動規律可以由抽象的理論得到，當然它的結果必須和運用牛頓力學所得的結果相同才可以。 隨著通用化動量與通用化座標的運用，也相繼導出能量與物理量守恆定律，使得處理力學問題的能力更為加強，力學理論也得以更深入，應用也更加廣泛，對往後的力學發展，如場論、量子力學與高能量基本粒子間的作用等更加抽象的理論，皆有深遠的影響。 古典與近代物理的分水嶺–相對論 相對論可分為狹義相對論與廣義相對論二大部分。狹義相對論討論的是慣性 (加速度為零) 系統內運動的相對性與動力現象，愛因斯坦 (Albert Einstein) 根據運動的相對性基本原理與光速恆為常數 (即光速對任何相對運動觀察者而言皆為定值，此一假設是由實驗得知，後由愛因斯坦加以引用) 兩大假設推導出狹義相對論，此理論與牛頓力學不同，並對牛頓力學做了某種程度的修正。 牛頓力學與伽利略的運動轉換公式相匹配，相對論則與羅倫茲 (Hendrik Antoon Lorentz) 的運動轉換公式相匹配，當相對運動速率遠小於光速時，羅倫茲的轉換公式與伽利略轉換公式結果相同，因此，牛頓力學體系是相對運動系統在相對速率遠小於光速時的特例。 狹義相對論力學不但修正了牛頓力學中相對運動的轉換公式，修正了時空結構，也修正了運動方程式，結果產生如長度縮短與時間拉長這種令人驚異的現象。在牛頓力學體系內，時間是絕對的，即一事件所經歷的時間長短與觀測者的座標相對運動速度大小無關，但在狹義相對論下，時間的量測值不再是一個絕對的結果。 依據羅倫茲轉換公式，時間的長短與觀測者的空間座標以及相對速度的大小有關，而空間座標也與觀測者的時間和相對速度大小有關，時間不再是獨立於空間外，也不再是單純描述運動變化的參數而已。時空結構在相對論動力學下已合而為一，稱作四度空間。在狹義相對論中，速度、動量與能量的定義均受到修正，導致光速成為任何物理體系的最大速度，而具有質量的物體其速度均小於光速，能量修正的結果使得質量與能量可以互換 (發生在高能的物理現象與原子核系統內)。 廣義相對論是討論非慣性系統曲線運動 (加速度運動) 的動力現象，它主要是把一般因力作用而產生的加速度運動與在空間作曲線運動 (加速度運動) 的行為等同看待，把慣性質量與萬有引力質量等值看待，利用場的觀念處理重力作用，空間的結構因重力作用 (因質量而產生) 而產生彎曲。它可以用來描述宇宙星球間的重力作用、宇宙的空間結構與宇宙的演化等相關問題。 操作性物理定義 操作性物理定義是指物理基本觀念的定義應與實驗結果符合 (如相對論的時空定義), 而不再拘泥於固有的傳統觀念 (如牛頓力學體系的時空定義)。雖然牛頓力學與伽利略轉換公式較符合我們日常生活的經驗，但基於實驗事實與建構一完整且合乎各種情況的理論體系，我們仍然必須從根本上去修正那些顯然符合我們日常生活經驗的基本觀念。這種操作性物理定義也出現在量子力學的理論發展上，是近代物理發展過程中相當重要的關鍵，它影響了物理哲學與物理學的理論建構方式。 科學家從物理學的發展史體認到，每一階段建立起來的基本觀念與理論均有其適用範圍與限制，也可能受到修正而擴大其適用範圍。即使是被公認為最完美，是物理終極理論的牛頓力學，到後來也受到相對論的修正。那麼，古典物理中的質點運動軌跡觀點與物理量為連續值的現象，在量子力學中完全受到否定，甚至其基本觀念也截然不同，似乎也就可以被接受了。 這種在科學理論上被階段性地修正，甚或完全改頭換面的現象，勢將影響人類在社會、政治、經濟、人文藝術等各方面的看法與思維，鬆綁了人類對固有思想的堅持，大大增加了想像與創造的空間。 微觀世界裡的量子力學 近代物理中的另一個主角是量子力學。普朗克 (Max Planck) 是量子力學發展的先驅，他首先提出電磁波的能量不是連續的，而且是量子化 (能量有一最小單位，不能再加以分割) 的觀念，成功地解釋了黑體輻射的物理現象。然而，在古典電磁波的理論中，電磁波的能量與電場強度的平方成正比，其值是連續的。 其後，有多位科學家對量子力學分別提供貢獻，共同建立了量子力學理論，其中包括愛因斯坦 (光電效應，晶格振動能量量子化)、波爾 (Niels Bohr) 與索菲爾 (Arnold Sommerfeld)(原子論)、德布羅意 (Louis de Broglie)(波 - 粒子雙元性)、包利 (Wolfgang Pauli)(不相容原理)、海森堡 (Werner Heisenberg)(測不準原理與矩陣量子力學)、薛丁格 (Erwin Schrodinger)(波動力學)、狄拉克 (Paul Adrien Maurice Dirac)(相對論量子力學、矩陣力學與波動力學的統一) 等，這些人也都獲得了諾貝爾獎。 在古典力學裡，物體運動的現象可想像成質點受力作用在空間形成的運動軌跡，而運動方程式即是描述此質點運動軌跡的數學式子，這種觀念是古典牛頓力學的理論基礎。至於它的特點包括了：視物體為一幾何質點；若初始條件已知 (即最初的位置與速度為已知), 則質點爾後的軌跡可完全確知；不論在何時，質點的位移、速度、加速度、動量、動能均可明確加以計算；質點的能量、角動量均為連續值；物理量測值 (即軌跡函數) 直接出現在運動方程式中，若解出此物理量，其餘的物理量均可藉由定義該量的數學方法推導出來。 牛頓力學的觀念和描述質點運動的法則，是由巨觀體系推導而得的結果，它與我們日常生活的經驗相吻合，此即所謂古典巨觀的物理理論模式。但在如原子或分子內的電子運動行為，或分子的振動與轉動現象的微觀世界裡，則無法利用古典牛頓力學模式加以解釋。 在原子與分子的系統裡，原子和分子有特定的能階，能量為不連續；相同原子有相同的電子組態結構與能階 (不論其來自何處，此即表示與最初的狀況無關); 電子繞原子核運動，若電子處於最低能階狀態時，並不會產生電磁輻射，也不會掉落到原子核內；電子束與原子束有波的性質，具有波才有的干涉現象；電子與光子的統計現象與古典統計力學的分配法則不同，其群體結果也不同，此即為周期表與原子結構的成因。 根據光波 (電磁波) 具有粒子性 (光子)(經由光電效應與康普頓 (Arthur Compton) X 光散射獲得確認) 的概念，德布羅意 (Louis de Broglie) 提出與此相對應的假設：帶質量的粒子 (如電子) 具有波的性質，即粒子同時也具有波長和頻率，這種質點所具有的波稱為物質波，於是建立了波 - 粒子雙元性的概念，在此理論下光與電子二者皆具有雙元性，成為一體的兩面。然而波與粒子在古典力學上是截然不同的性質與觀念，二者的數學表示法不同，所呈現的現象也不同，使得波 - 粒子雙元性的說法，在古典力學中是無法得到相對應的模型加以解說。 所幸，後來有以電子束對晶體表面進行繞射的實驗，其結果證實了電子具有波動性，其波長與物質波理論相符合；隨後又有薛丁格依據電子的波性質，建立波動方程式描述質點的運動現象，把它應用在原子系統，以計算電子能階的能量，其結果也與實驗相符合；至此，微觀世界的量子現象終於獲得了初步的解答。後來科學家波恩 (Max Born) 根據散射實驗的結果，提出波函數的物理意義代表粒子在某一空間與時間內出現機率的觀念，使得波─粒子雙元性的物理意義更加明確與完整。 在古典力學中，對粒子和波動二者的認知與其運動行為皆已深植在我們的腦海中，兩者是完全不相同的事物。在量子力學裡要把這兩個不相干的理念融合在一起，對初學者而言是一項相當大的挑戰，若要學好量子力學，這是一個首先需要克服的重點。在此，我們要借用操作性物理定義的抽象思考，來克服古典物理中傳統認知方法所存在的障礙，對量子力學做進一步的了解。 從動力學的觀點來看，量子力學以波 - 粒子雙元性代替了古典力學中粒子與波動的絕對性，系統的物理狀態由一狀態函數表示，也就是薛丁格方程式裡的波函數。波函數的平方代表粒子被發現的機率大小，在實驗中偵測到的光子或電子訊號，是代表一顆顆完整粒子被偵測到的最大機率，系統的狀態函數 (穩定態) 以及它隨時間變化的情形由波動方程式主導。 對一個封閉系統而言，如原子或分子系統，它的能量與角動量只允許有某些特定值，且不連續；狀態的轉換受到更多的限制，轉換的發生由轉換機率決定，此一機率可依據相關理論計算獲得。由於量子力學接受波 - 粒子雙元性的看法，使得動量與位置無法同時準確得知，這與觀測技術的好壞無關。又因為狀態轉換是隨機現象，決定於轉換機率，導致狀態的能階寬度與狀態的存在時間 (生命期) 長短有關，這些現象使得量子力學出現了測不準原理。 由以上的敘述，可知在量子力學中具有：粒子運動狀態沒有明確的軌跡可循，粒子的動量與位置無法同時準確得知，量測時可能會對系統狀態產生干擾等問題，難免會產生困擾。其實這些都不是問題，量子力學裡有非常有效的方法來處理，透過機率的計算，我們可以準確地預知原子、分子與固態系統內的各種性質與變化情形，其精確度比古典力學測量的準確性還高。在量子理論的體系內，我們並不見得需要同時準確得知動量與位置，就可以獲得其他相關的重要資料，而且沒有不準確的問題存在。 量子力學是近代科技最重要的物理理論之一，只要能夠清楚認知它的基本觀念與理論計算方法，就能進入量子力學之門，窺其堂奧之妙。要拋開古典力學的方法，去接納波一粒子雙元性與物理事件會有機率現象，不去計較動量與位置需同時精確要求，是一件不太容易的事，讓我們再次擁抱操作性物理定義的哲思，敞開思緒來接納量子力學吧！近代物理與科技的應用 近代物理的發展，在微觀尺度，對物質結構與性質 (如基本粒子、核子、原子、分子) 及對能量有更深刻的了解，促成我們在材料、工藝與科技應用上有革命性的發展，其成就對人類的生活有重大的影響，當然也決定了一個國家民族的國防力量、經濟力量和生活水平。在材料科技方面，有半導體、超導體、奈米材料與薄膜等革命性的發展。在一般科技應用上，則有雷射、積體電路晶片、掃描顯微技術、核磁共振、核分裂與核融合反應爐 (核能的產生器) 等的突破性成就，它們的理論基礎都是近代物理。 附註：除太陽系圖外，餘均出自 D. Halliday, R. Resnick and J. Walker 合著的《普通物理學》。 深度閱讀 Halliday, D., R. Resnick and J. Walker (1997) Fundamentals of Physics, fifth Ed.. John Wiley & Sons, Inc, New York.

教學評量:國際國中科學奧林匹亞競賽

為了紀念愛因斯坦發表相對論一百周年，國際間紛紛展開各種科教活動，來紀念愛因斯坦的偉大貢獻。 印尼政府認為科學對一個國家是非常重要的，為了使年輕學生保持對科學的興趣，且能因而從事與科學相關的職業，提出舉辦較低年齡的國際科學競賽的想法。印尼物理學會以「愛因斯坦 100 年」為主題，經印尼政府的全力支持，於 2004 年 12 月在雅加達舉行第一屆「國際國中科學奧林匹亞競賽」(International Junior Science Olympiad)。這個科學競賽除了提供青少年參與國際競賽的機會外，也希望形成科學社群間的友誼，增廣學生的國際文化視野，同時促進各國自然科學教育的國際交流。 國際國中科學奧林匹亞競賽的學科內容，以物理、化學和生物 3 科為主，實質上涵蓋數學運算、宇宙行星、能源與資源、保健與消費等議題，因此學生必須學習所有自然學科的知識，不可偏頗任一學科。競賽測驗分為測驗題、理論題和實驗題 3 項，每項測驗時間是 3 至 4 小時，除了測驗學生的各科科學知識外，也測驗學生是否能夠用科學方法來解決問題，包括能否從觀察或記錄的數據做推論，然後利用圖表呈現結果並解釋數據資料；能否透過實驗操作和測量，對假設進行測試。 各國代表隊原則上由 6 位未滿 16 歲的學生、3 位領隊和數位觀察員所組成。最初幾屆的實驗測驗是以個人為單位，從第三屆起，以 3 人為一組，這也成為國際國中科學奧林匹亞競賽的特色之一。整組實驗內容同時包含物理、化學和生物 3 科，同一組 3 人所獲得的實驗成績相同，因此團隊合作和默契成為獲得好成績的重要關鍵。 我國國家代表隊的選拔和培訓工作，由臺灣師範大學理學院和科學教育中心組成的團隊負責，從第一屆參加競賽至今，我國每年都獲得亮眼的成績。因此各國領隊對我們國中的科學課程深感興趣，我國如何選拔和訓練選手，成為競賽期間領隊們最常被問到的問題之一。 我國國家代表隊參加國際國中科學奧林匹亞競賽獲獎情形如下: 第一屆：5 面金牌、1 面銀牌、1 面理論特別獎。 第二屆：5 面金牌、1 面銀牌、2 面實驗特別獎。 第三屆：5 面金牌、1 面銀牌、1 面理論特別獎、1 面總成績特別獎。 第四屆：6 面金牌、1 面理論特別獎、1 面總成績特別獎。 第五屆：6 面金牌、1 面理論特別獎。 第六屆：4 面金牌、2 面銀牌、1 面理論特別獎、實驗銅牌。 第七屆：4 面金牌、2 面銀牌、1 面理論特別獎、1 面總成績特別獎。 我國國家代表隊選手的選拔過程主要分成 3 個階段。首先是各國中校內報名選拔，各校依規定的名額自行決定選拔方式，選出學生參加全國初選筆試。初選筆試分 7 區，在臺北、新竹、臺中、嘉義、高雄、花蓮、臺東等地同時舉行，試題內容包含數學、物理、化學、生物、地球科學各學科的選擇題和非選擇題，依考試成績錄取 25~35 人進入複選。 複選選拔以研習營方式進行，為期 10 天的研習營課程包含數學、物理、化學、生物、地球科學等學科，研習期間分科舉行測驗，由各科專家評定成績，依研習成績錄取國家代表選手 6 人。 國家代表隊選手 6 人遴選出來後，隨即進入選手三個多月的培訓課程，共分 3 個階段進行。第一階段是在暑假末期舉行為期 5 天的集訓，目的在使選手對自己即將參加的競賽有更進一步的認識，同時調整自己進入準備參加比賽的狀態。第二階段是在周末舉行的集訓，約連續 10 周，利用周末上課，重點在加強培養學生的實驗操作能力。第三階段是賽前 7 天的集訓，目的在提升團隊合作的默契和出發前的準備。 參加國際國中科學奧林匹亞競賽對我國學生有什麼影響呢？對於及早培養優秀科學人才來說，國際國中科學奧林匹亞競賽是一個很好的途徑。透過評量和選訓，優秀的年輕學生可以走向國際，學會如何和同儕切磋成長，見識到知識的浩瀚，發覺自己真正的學科興趣和潛力，並且參加一趟國際文化之旅。 重要的競賽舞臺 我國學生在國中階段所需面對最重要的挑戰是高中入學考試，對科學資優學生而言，應付高中入學考試不是一件困難的事，但是挑戰每年只有 6 個名額的國際國中科學奧林匹亞競賽國手選拔，就人人沒把握了。有不少資優生進入國中後，就以代表我國參加國際國中科學奧林匹亞競賽為努力的目標。參加過選訓或國際競賽的經驗，使得這些學生更深刻體會全力以赴競賽的樂趣和獲獎的榮耀，也為他們日後參加各類高中奧林匹亞競賽或科展奠下更扎實的基礎。 經由學校報名參加初選筆試的學生，他們的數理成績在各校都是名列前茅，而獲選進入複選選拔研習營的，更是全國鳳毛麟角的學生。參加選拔研習營對大部分學生而言，是第一次面對這麼多來自各地優秀的學生一起競爭，他們從別人身上看到優點，也會發現自己能力不足的地方，因而更加鞭策自己學習，有時也改變了他們對事情的看法。雖然處在競爭的環境中，同儕間仍彼此不藏私地一起切磋學習，促使他們在選訓期間進步特別快，彼此間也建立了珍貴的友誼。 國家代表隊的選訓是由大學教授負責授課和指導，優質的學習環境和豐富的教學資源，大大增長了學生的學習視野，使學生見識到知識的浩瀚。學生會早一點接觸到高中以上的教材，以及接觸較多的實驗課程，由於對每一學科領域都有接觸，學生會逐漸發覺自己真正有興趣的科目是什麼，激發出對科學的好奇和熱忱，進而會花較長時間鑽研自己有興趣的科目，使學習更為融會貫通。 培養的能力終身受用 選訓過程除了教導學生科學知識外，也訓練學生探究科學的能力，包括歸納、統整、分析、推理、實驗操作等。這些能力使學生學會更主動提出問題，找尋解決問題的途徑，運用資料來解釋現象，享受解出答案的喜悅。由於培養出較高的認知能力，他們知道自己未來追求的目標是什麼，讀書效率也跟著提高，有時間讀自己喜歡的書，甚至安排和規劃自己學習的步調。 國際比賽是一個讓年輕人相會和建立友誼的國際舞臺，很多各國學生是第一次出國，也是第一次接觸不同文化背景的人，學生們因體驗不同國家的風情而拓展知識和視野。當然在學習如何和不同文化的朋友相處時，英文是彼此溝通不可或缺的工具。競賽活動期間，主辦單位安排的各種參訪或休閒活動，讓學生親自在各國感受當地文化特色，過去只在書本或媒體上曾經出現過的人事地物，可能轉眼間就矗立在眼前，因此學生參加國際奧林匹亞競賽，儼然進行了一趟多元文化之旅。

畫有黑貓的卡片入水後,為什麼會變白貓?

老師手中拿著一張卡片，卡片上畫了一隻可愛的黑貓。將卡片垂直放入水中，從水面向下看，咦！黑貓竟然變成了白貓。將卡片從水中取出，白貓又變回了黑貓。 黑貓與白貓的光學秘密 為什麼黑貓在水中會變成白貓呢？現在揭開謎底：老師在卡片上畫了一隻黑貓，在透明塑膠袋上畫了一隻未著色的貓的框架。將畫有黑貓的卡片放入透明塑膠袋中，塑膠袋上的貓的框架與卡片上的黑貓重合，因此我們只看見黑貓。將塑膠袋放入水中，從水面向下看，只能看見塑膠袋上貓的框架，卻看不見卡片上的黑貓，因此彷彿是黑貓變成了白貓。 為什麼塑膠袋在水中時我們看不見卡片上的黑貓呢？這與光的全反射有關。 我們先談談光的折射與反射。當光行進至兩個不同介質的邊界時，一部分光反射回到第一個介質，另一部份光折射進入第二個介質。當入射角大於臨界角時，全部的光都反射回到第一個介質，無法進入第二個介質，此種現象稱為全反射，由刻卜勒於 1604 年時首次觀察到。 現在我們可以解釋黑貓為什麼變成白貓了。將塑膠袋放入水中，從卡片反射的光由袋中空氣進入水中時產生折射。水的折射率比空氣折射率大，因此當光由塑膠袋中的空氣進入水中時折射角小於入射角。折射後的光抵達水面時入射角會大於臨界角 (48.5 度) 而產生全反射，無法穿透水面。所以從水面向下看，只看到塑膠袋上未著色的貓的框架，看不到卡片上的黑貓，彷彿黑貓變成了白貓。

畜產生物科技:動物基因轉殖

經由遺傳工程技術，透過人為方式，將外源遺傳基因殖入或將特定的基因組 (去氧核醣核酸，DNA) 序列刪除或更改的動物，均稱基因轉殖動物。目前將外源基因轉殖至動物染色體，以產製基因轉殖動物的方法有數種，包括原核顯微注射法、胚幹細胞載體法、精子載體法、反轉錄病毒感染法及體細胞核轉置法等。其中以顯微注射法應用最廣，而體細胞核轉置法最具研究發展潛力。 原核基因顯微注射法 自從一九八○年代起，以原核基因顯微注射法成功產製基因轉殖動物以來，經過不斷地研究創新，證實此一方法不但有效且具穩定性，故已被廣泛應用。 使用原核基因顯微注射法的優點甚多，包括外源基因在宿主動物染色體上的整合效率較高，且被轉殖的基因可保有其整套的序列。由此產生的基因轉殖動物，其所有的組織和細胞中，被嵌入的外源基因仍可正常地經由生殖細胞系傳承給子代。 然而，應用顯微注射法亦有缺點，例如需具備嫻熟靈巧的顯微操作經驗。以豬胚為例，豬胚因含有許多不透明的脂肪物質，需經遠心分離處理，並在顯微鏡下將胚旋轉至適當角度，顯露其細胞核後才能注入基因，因此其顯微操作速度緩慢。更重要的是外源基因注入胚原核後，係以隨機方式嵌入體基因組 DNA 中，是以原核顯微注射法無法掌握基因嵌插情形。 具有純熟的顯微注射與胚移置技術的操作者，進行小鼠的基因顯微注射，其外源基因整合成功的機率約為 24~31%。 反轉錄病毒感染法 此法的原理乃是利用反轉錄病毒具有感染宿主細胞，並將其 DNA 嵌入細胞染色體 DNA 中的能力。當反轉錄病毒侵入細胞後，反轉錄病毒的單股 RNA 鏈即反轉錄為雙股的 DNA, 進而嵌入 DNA 中成為前驅病毒，前驅病毒可以整合到宿主染色體中任意位置。 本法的主要步驟係將選殖的基因，先行嵌入一適當的反轉錄病毒載體，然後再將此等帶有該選殖基因的反轉錄病毒載體，與透明帶已被移除的 4~8 細胞階段胚，在體外共同培養 16~24 小時，以便將外源基因帶入胚的基因組中。 本法的最大優點乃一次可同時處理數目眾多的胚，且只要實驗室中具備反轉錄病毒操作經驗者，即可輕易完成。惟其最大缺點在於常會產生鑲嵌體的後代，且所產生的基因轉殖仔鼠，其外源基因在生殖細胞系中被傳承之比率，較利用顯微注射法產製者為低。 利用反轉錄病毒法針對哺乳動物做基因轉殖，在一九九八年即有成功的先例。利用體外經 16~17 小時培養的成熟牛卵母細胞，以顯微注射方式將反轉錄病毒顆粒注入卵黃膜間隙，經感染後，再繼續其體外成熟及受精培養。體外受精後的早期胚培養至囊胚期階段，再移置於受胚牛的子宮中，結果順利生下四頭小牛。經分析證實四頭小牛均為基因轉殖動物，出生動物的轉殖效率達 100%。 胚幹細胞法 胚幹細胞係源自囊胚期之內細胞群細胞，經體外株化後所建立的細胞系，此類細胞具全能性分化能力或多分化潛能。當株化後的胚幹細胞或內細胞群的細胞團注入早期囊胚腔後，可與宿主的內細胞群發生嵌合，並參與宿主細胞的分化，發育成胚體的各部組織。設若此等注入的胚幹細胞，能成功地參與性腺分化，則可成為生殖細胞系的成員，使此等源自胚幹細胞的遺傳物質得以傳承至其後裔。 目前已有多種外源基因轉殖至胚幹細胞的方法可供選擇，例如化學藥劑誘導法、生物媒介法及物理或機械處理法，藉此產生嵌合胚。經由此等嵌合胚所產生的嵌合體動物，經過迴交配種後，可獲得真正的基因轉殖動物。 應用胚幹細胞融合法進行基因轉殖的基本前提，首需建立有效的胚幹細胞系，且此等幹細胞在生殖細胞系中亦需具有高傳承率。目前為止，在小鼠方面已成功建立許多良好的胚幹細胞系，且已用之多年；然而，源自家畜胚的幹細胞，則仍未能有效建立。在應用胚幹細胞進行基因定位或剔除時，可將外源基因以同源重組的方式，植入胚幹細胞的基因組內，再依前述方法注入囊胚腔中；或配合先行育成具組織專一性的基因轉殖動物，再將其與該指定位置基因轉殖動物配種，以生產組織專一性基因轉殖及剔除的動物。 精子載體法 本法於一九八九年，由義大利科學家勒維特雷諾 (Marialuisa Lavitrano) 開創成功。他先將小鼠精子與外源基因於體外共同培養，令該外源基因與精子相結合後，再以此等帶有外源基因的精子，進行體外受精，將外源基因成功帶入受精卵的基因組中。 一九九九年，斐瑞 (Anthony Perry) 利用小鼠卵母細胞的細胞質內單一精子注射技術，證實了外源基因可藉由精子頭部作為載體，達到基因轉殖的目的。最近，在魚、小鼠、豬和牛的身上，亦陸續用精子載體法，成功產下基因轉殖子代。 體細胞核轉置法 早期複製同源家畜個體的研究，偏重於以胚葉細胞當供核者的核轉置技術，然而欲獲得為數眾多的同源個體仍有其限制。近年來，為加速畜群的遺傳改進及提高家畜生產效益，胚的無性增殖及基因轉殖技術漸受重視。 一九九七年，威瑪特 (Ian Wilmut) 將成年綿羊的乳腺上皮細胞，以逐漸降低培養液中血清含量的方式，將供核細胞之細胞周期回歸至 G0 期後，成功獲得核轉置羔綿羊–桃麗。因此，已分化的細胞核，亦可經由卵母細胞的孕育而調控至分化前的狀態，此創舉突破了家畜體細胞核轉置及基因剔除技術的研究瓶頸。 體細胞核轉置技術，一般除應用於複製人類所需的特殊種源動物外，在畜產上也可用以複製相同遺傳背景的高產性能家畜。若進一步配合分子生物學及遺傳工程技術，將可取代原核顯微注射技術及胚幹細胞法，生產基因轉殖動物。 一九九七年許尼克 (Angelika Schnieke) 等人首先在體細胞核轉置技術結合分子生物學及遺傳工程技術方面有了突破性的發展。他先在體外進行綿羊胎兒纖維母細胞的初代培養，再將綿羊 β 乳球蛋白啟動子與人類第九凝血因子和抗新黴素基因構築成的融合基因，轉染送入胎兒成纖維母細胞中，同時在體外培養期間以新黴素篩選，挑選出帶有外源基因的細胞作為供核細胞，配合血清飢餓法調控，進行核轉置動物的產製。 結果在五頭出生存活的仔綿羊中，經 DNA 分析證實五隻皆帶有該外源基因，基因轉殖的效率達到 100%; 相較於以原核顯微注射法產製基因轉殖羊的效率 (4.35%) 高出了許多。使用未經血清飢餓法調控細胞周期的胎牛成纖維母細胞當作供核細胞，配合細胞轉染技術，也成功地產下基因轉殖犢牛和山羊。 以供核體細胞株為載體進行家畜的基因轉殖，若先在體外進行基因轉殖後的細胞篩選，則能有效提升產製效率，未來將可利用此法進行基因定位及剔除的工作，有助於做最適當的基因調控。 近年來，國內外分子生物學、基因工程及基因轉殖技術的研發，均已達純熟的階段，臺灣亦已建立完整之技術平臺，可供基因轉殖動物的研究。惟目前被選殖及構築的基因，其調控機制與功能性的了解仍占人類整體基因中的少數。其中具有經濟價值，並可於家畜獲得適當表現，如提高家畜生產性能及抗病力者為數尚少。所幸，近年來動物、植物、甚至人類等的基因組譜定序工作，均在全球各地陸續展開，並持續解密中。相信在人類及其它生物基因的奧祕逐漸被解開後，將有更多具經濟價值的標的基因能被人類應用。

基因篩檢面面觀:透視新生兒篩檢

新生兒篩檢 新生兒篩檢是「新生兒先天代謝異常疾病篩檢」的簡稱。新生兒先天性代謝疾病是新生兒體內的新陳代謝發生異常，使應該代謝的物質積存在身體內形成毒性物質，有些甚至會造成身體機能與智能永久性的障礙，這些疾病的早期症狀不明顯，時常在超過有效治療期限後才檢查出來，而錯過了治療的黃金時間。 新生兒篩檢的主要目的，在於檢查出幾種常見而可在新生兒期間治療的先天性代謝異常疾病，使患病的孩子能正常發育，不致造成終生不治的身心障礙與家庭的遺憾。新生兒篩檢能達到預防與治療的雙重目的，在兒童的預防醫學中扮演重要的角色。 由於先天性代謝異常的疾病非常多，但不是所有疾病都可進行新生兒篩檢，判斷某疾病是否適合進行篩檢的必要條件有四: 該疾病一旦被診斷出，有治療或防範後遺症的方法。 在新生兒時期，疾病的症狀並不明顯，如不及時治療會急速惡化導致嚴重的後遺症。 現行科技已有經濟且可靠的篩檢方法。 該疾病的發生率高，有全面篩檢的必要性與價值。 新生兒篩檢是先針對整個新生兒族群做篩檢，以找出危險性較高的個案，再進行複檢或確診。國內新生兒篩檢工作始於一九八四年一月，由榮總和臺大兩個工作小組展開先期作業，那時著重在篩檢作業流程的規劃，而後在一九八五年七月正式開始全國性的篩檢服務。目前分別由「臺大醫院新生兒篩檢中心」、「財團法人臺北病理中心新生兒篩檢室」與「財團法人中華民國衛生保健基金會新生兒篩檢中心」負責檢體篩檢的工作。通常新生兒在開始餵奶至少滿 24 小時後，在出生的醫院或診所由新生兒的腳跟兩側部位採取血液，塗抹在檢驗用的濾紙片上，然後寄交篩檢中心檢驗。現在衛生署指定篩檢的疾病包括先天性甲狀腺低能症、苯酮尿症、高胱氨酸尿症、半乳糖血症與葡萄糖 - 6 - 磷酸脫氫酶缺乏症 (俗稱蠶豆症) 等五項，檢驗費用是二百元，其中衛生署補助一半。 國內的新生兒篩檢服務至二○○○年已達到 99.7% 的篩檢率，這項公共衛生政策已使許多患童能得到早期治療或預防措施，避免疾病的發生，也避免智能不足、發展遲緩等嚴重的後遺症，因而減少患童父母照顧的負擔，並降低醫療與社會成本，可謂立意良善，成果斐然。 近年來更由於檢驗技術的進步，逐漸把過去一種疾病需要一套檢查方式的篩檢模式 (如：以細菌抑制法檢測苯酮尿症；以酵素免疫法偵測先天性甲狀腺低能症等), 轉變成可利用「串聯質譜儀」的分析技術，同時檢測多種胺基酸、脂肪酸代謝產物的篩檢方式。透過這項檢測，即可篩選出胺基酸代謝異常、脂肪酸代謝異常與有機酸血症等二十多種疾病的可能個案 (不是確定個案)。現行篩檢制度亦提供父母自費篩檢先天性腎上腺增生症及串聯質譜儀篩檢服務，例如罕見的先天性代謝異常疾病的篩檢。 國內新生兒篩檢制度至今已有 18 年，基於保護新生兒無能力行使同意權的理念，新生兒篩檢採全面性參與方式，對於兒童健康已有明顯的貢獻。然而在其實施過程中，若要使新生兒篩檢能更加完善，仍有一些相關議題需待進一步探討與改善，大致分述如下。 訊息告知過程 新生兒篩檢雖已行之多年，然相關知識訊息仍未廣泛為大眾所了解，由於多數民眾對於新生兒篩檢仍感陌生，父母對於新生兒篩檢的了解程度及相關的決策過程，多仰賴醫療院所提供的資訊。目前對於新生兒篩檢相關知識訊息的提供多以衛教單張為主，少有醫療專業人員的口頭說明。且現行衛教單張上的內容，以簡介篩檢疾病的種類與其症狀、預後為主，並未提及篩檢的意義 (即篩檢並非確定診斷，仍有偽陽性與偽陰性的可能) 與治療的限制 (如串聯質譜儀所篩檢出的疾病，目前僅約有一半的疾病有可積極治療的方式) 等，因此父母對新生兒篩檢多沒有清楚的認識。 醫療院所多採「篩檢結果正常則不通知，若有問題才會通知家長」的方式。因此，初檢結果正常的父母，除出院前所接受的資訊外，幾乎不會再接受到新生兒篩檢的相關訊息，甚至有些父母並不知道孩子曾接受過新生兒篩檢，或不知其內容或篩檢項目為何，甚而以為篩檢結果正常，如同獲得健康寶寶的保證書一般，認為寶寶身體完全正常健康。 若新生兒初檢結果是 (疑) 陽性，則會通知父母須回出生醫院或指定醫院接受複檢。由於在此時期 (新生兒出生一個月內) 父母不易從新生兒的外觀察覺疾病相關的異狀，事前若又對新生兒篩檢缺乏足夠的認知與心理準備，突然接獲初檢結果為陽性或疑似陽性時，通常很難接受新生兒可能有異常的情況，可能會拒絕複檢或相關的治療；相反地，也有父母誤將篩檢結果視為最後診斷，因而甚為憂慮、惶恐不可終日。 篩檢 (疑) 陽性結果並不表示確定診斷，由於父母往往是最先獲得篩檢結果通知者，倘若篩檢結果告知過程並未如同告知診斷般地受重視與處理，且未提供適切的諮詢，則父母在未對疾病有足夠的了解，且不清楚篩檢意義的情況下接獲複檢通知時，可能會對部分父母及其家庭造成相當大的心理及社會衝擊，甚至影響親子關係的建立及家庭生育計畫等，這實非新生兒篩檢的原意。因此，父母對於新生兒篩檢的了解程度，實有賴新生兒篩檢事前與事後訊息的提供與諮詢服務的落實。 目前三家篩檢中心皆已提供網站或電話語音查詢系統，以便在父母查詢新生兒篩檢報告時，能快速得知篩檢結果，亦有相關網站 (如衛生署網站，新生兒篩檢中心網站等) 可提供新生兒篩檢的相關資訊。然而現今無論是網路或電話語音查詢的使用率均尚未普及，一方面是因為相關資訊並未全面宣導，許多父母尚不知可自行透過網路或語音查詢的管道主動查詢，另一方面則在於並非所有的父母都有運用網路查詢的能力與設備。因此大多數父母仍然處於等候採檢單位通知檢查結果的狀態，而相關資訊也多來自醫療人員，從網站上主動學習相關知識的情況則相對較低。 因此，各採檢單位在進行新生兒篩檢的相關衛教時，除了發給衛教單張之外，若能配合說明篩檢的目的、方法、陽性結果的意義、查詢結果的方法，以及得知結果後如何追蹤處理等，將可使父母對新生兒篩檢的意義有初步的了解，減少其等待期間的擔心與得知陽性結果時的恐慌，並提升複檢的意願與配合度。另外，由政府相關單位或篩檢中心提供網站、光碟、書面資料，以供父母自由上網查詢、索取，亦不失為具高效能的族群宣導方式，除可以全面的方式滿足父母知的需求外，並能確保資料的正確與適當性。 倫理議題 新生兒篩檢亦屬基因檢測的範疇，根據聯合國世界衛生組織人類基因組在一九九七年議定的醫療遺傳學及基因服務的國際倫理指導準則中指出，基因檢測應是出於自願而非強制性，然僅新生兒篩檢除外；因為早期診斷與治療先天代謝性疾病可促進新生兒的健康，故新生兒篩檢應是強制與免費的。但在篩檢之前，應該提供父母有關篩檢意義、目的、可能的結果與後續處理等訊息；對於被告知篩檢結果異常的新生兒父母，則應配合遺傳諮詢服務，以協助父母面對此一衝擊。 現今醫療院所多將傳統的五項新生兒代謝異常篩檢視為常規檢查，且認為執行新生兒篩檢是對新生兒有益的政策，因此在執行新生兒篩檢前，經告知或提供相關資訊後，若父母未主動提出反對，則視為同意接受篩檢。而部分醫療院所對自費給付的項目雖有簽署同意書的過程，但常見同意書上的說明，主要乃提供父母篩檢項目名稱與所需的費用，較少對篩檢的疾病內容或篩檢的意義加以解釋。但是，串聯質譜儀篩檢的二十多種疾病中，約有半數現今尚無有效的治療或預防方法，故此篩檢對檢查出有問題的新生兒並無益處，只是可以減少其確認診斷所花費的時間及金錢，並提供父母親做為未來生育計畫時的決策參考。這種情況與傳統上擇定新生兒篩檢項目的標準顯然不符。 綜合上述論點，若醫療院所直接將新生兒篩檢列入常規檢查項目中而未告知父母、未取得同意，或於篩檢後才告知，無形中已剝奪新生兒父母知與選擇的權力，也有違醫療倫理。美國小兒科醫學會提出針對新生兒篩檢的知情同意，形式上可不要求簽署同意書，但必須提供父母篩檢的目的與篩檢陽性結果等相關資訊。所以，最重要的應是提供父母同意前的足夠資訊，而此過程與父母對於新生兒篩檢知識的了解程度與決策能力息息相關。 值此醫療觀念演變之際，新生兒篩檢是否仍是對新生兒絕對有益，而成為強制執行的政策，或在強制執行的原則下，為因應新增的篩檢項目，需增訂適當的配套措施、遺傳諮詢服務與法令來加以規範，又其知情同意過程，是否也應有新的理念與模式來執行？這些議題，都須重新評估與思考，使之能夠尊重新生兒父母知的權利，並降低服務過程中，對於父母所帶來的心理衝擊或負面的影響。 專業人員訓練 由於新生兒篩檢不僅是一套篩檢的體系，其過程尚包含事前的資訊提供與事後的診斷、追蹤、評價。而無論新生兒篩檢是否以法律明訂為強制實行或自願參與，更重要的應是重視篩檢執行前的資訊提供過程。此過程中專業人員所提供的訊息是父母對於新生兒篩檢決策的基礎，故對於知情同意模式中的資訊提供過程，應訂定一套明確的規範與標準，以確保新生兒篩檢資訊提供的內容與品質。 當新生兒篩檢的作業流程有所更動，或有新的技術、知識產生時，專業人員的教育訓練也是向民眾傳達相關知識的重要一環。基於這些考量，政府相關單位或篩檢中心過去也曾規劃有系統的教育訓練課程或教育訓練方案與教材，如詳盡的工作手冊、教學錄影帶或光碟等，使各醫療院所可依一定的教材內容與方式，自行舉辦相關人員的職前或在職教育訓練。如此大規模的全民篩檢，雖然是為新生兒健康把關，但若缺乏與新生兒父母充分溝通之下即進行檢查與結果告知，卻也可能會對父母、家庭造成不必要的負面衝擊與長期影響。 隨著人類基因組計畫的完成與檢驗技術的日新月異，未來也許有更多先天性異常疾病可在新生兒時即可篩檢出來。然而假若專業人員與新生兒父母的認知及知識跟不上科學進展的腳步，將衍生出更多醫學倫理的問題與爭議。因此，新生兒篩檢訊息的提供、知情同意的過程、遺傳諮詢的角色和專業人員的教育訓練等，都亟待建立完整的執行模式，以求落實新生兒篩檢的各項環節，讓父母與專業人員確實融入篩檢計畫中，使其倫理與實際執行面，皆更臻完善。 附錄 立體 (4D) 超音波檢查 「4D 立體超音波」是醫療診斷科技的一大進步。所謂「4D 立體超音波」之不同於傳統的 3D 立體超音波，在於除了能夠看到傳統的 3D 立體靜態影像外，也能看到即時的胎兒動態影像，而且高達每秒 8∼16 張影像的掃描速率，使看到的動態影像相當清晰流暢。操作者並能在掃描過程中即時調整 X、Y、Z 軸，如此則更能清楚地看到胎兒上下、前後、左右的畫面及相關位置。準爸爸媽媽可以利用「4D 立體超音波」, 準確地注視著胎兒在子宮中的一切動態。由於它的 4D 立體效果不論是色彩、空間感都更加精準，您可以在畫面上清清楚楚地看到胎兒伸伸手、踢踢腳、吸吮大姆指、打哈欠，甚至連胎兒臉部細微的表情都一覽無遺。準媽媽在立體超音波螢幕上直接看著自己寶寶的活動，甚至情緒的變化。藉由孕婦對胎兒進一部的認知，能使準媽媽在懷孕過程中，心情放鬆、情緒穩定，進而提供胎盤血流正常，使胎兒順利成長。另一方面胎兒自五個月之後，觸覺、聽覺與視覺逐漸發育，具有敏感的知覺、心智與極明確的喜惡情緒反應。因此發育中的胎兒也能感受子宮外的情境，並有學習記憶的能力。準媽媽在接受「4D 立體超音波」掃描後，也可以在家播放各類的音樂，與胎兒進行喃喃對話，藉著「4D 立體超音波」給您的具體影像，想像胎兒的反應，如此更能強化母親與胎兒之間的親蜜感覺，同時也是一種優良的胎教。不僅如此，「4D 立體超音波」提供給產科醫生更準確的產前診斷。由於它的解析度、空間感，超越一般普通的超音波功能，因此能使婦產科醫生更精準地判斷胎兒在子宮內的成長與發育，若有先天性畸型也能即早發現。

強力超音波

您一定聽說過超音波，可能還曾經照過超音波，尤其是懷孕期間的媽媽們，在不同時期，要照很多次不同種類的超音波，有高層次的、3D 的、2D 的，到底照這些超音波，有什麼用？這麼多種類的超音波又有什麼不同的功能呢？請看今天的科學大解碼。內容大綱我們往下看，這個小朋友是一個小男生。透過超音波檢測，準媽媽向還在肚子裡的孩子打招呼，醫師也趁機把胎兒的健康狀況看個仔細，這是我們最熟知的超音波應用方式。雖然它叫做音波，我們卻聽不到任何聲音。這是因為人類所能聽到的聲音，約在 20 ~ 20 萬赫茲之間；而醫學上使用的超音波，其音頻至少都在 100 萬赫茲以上。但這些聽不到的超音波，卻能讓我們看到原本看不到的東西。聽不到，卻看得到，關鍵就在於音波通過物質時，因為不同密度所產生的反射及折射波。超音波光束射出後，開始向外傳播，遇到身體裡不同的器官，就會因反射或散射現象而產生回波。透過波紋的形狀和強度，我們可以推算出發生位置，並立即顯示在螢幕上，就成了我們所看到的超音波影像。超音波，原則上它是一個構造性的檢查，它並不是功能性的檢查。當然，超音波本身解晰度也是有限，很細微的東西可能就看不到。雖然有所限制，但由於超音波不必擔心輻射影響，仍然是產檢的最佳選擇。在懷孕的過程中，可能會做很多次、不同等級的超音波檢測，頸後透明帶測量就是其中之一。小朋友在這個週數 (11 ~ 14) 的時侯，正常的小朋友他就會有體液，堆積在這個地方。如果小朋友有心臟不好，或著說他循環不好，淋巴腺有比較不好有阻塞，那他那個地方 (頸部透明帶) 會增厚。增厚的頸部透明帶，可能伴隨著染色體的異常，在第一孕期就能發現；還有一種高層次超音波，則是在懷孕 20 週到 24 週時進行，以系統方式，檢查胎兒的重要器官。這個是他的側腦室，表示他的腦室沒有擴大。利用聽不到的超音波，我們看得更多、更深入。這項原本屬於蝙蝠、海豚的超能力，被人類拿來發揚光大。不管是讓準媽媽提早和小寶貝見面，還是軍事上的應用；超音波都讓我們的視野，更加寬廣。

創造人類生殖醫學新紀元

試管嬰兒的緣起 愛德華茲 (Robert G. Edwards) 教授早年由研究小鼠到兔子精卵的實驗，繼而投入研究人類體外受精的機轉。 作者和愛德華茲教授 (右) 合影 三、四十年前的醫療器材 (尤其是陰道超音波) 尚未發展成熟，要取得卵子只能剖腹 (當時剖腹是相當危險的大手術) 或藉由腹腔鏡的技術。當時的腹腔鏡儀器也不如現在的進步，好不容易找到一位專精腹腔鏡的婦科醫師願意合作，但當時英國醫學界及劍橋大學充斥著眾多不同的意見，許多人質疑取卵手術可能造成婦女傷害；有更多的人則擔心胚胎在體外受精和成長的安全性，憂慮是否會造成畸形胎兒？在備受各方阻撓的惡劣環境中，他堅守自己的理念二十餘年，終於在 1978 年誕生了人類史上第一名試管嬰兒，露易絲布朗 (Louise Brown)。 揭開試管嬰兒的神祕面紗 試管嬰兒就是合併體外受精和胚胎植入 (in vitro fertilization and embryo transfer, IVF-ET) 兩個名詞的簡稱，是使精子和卵子在孵育箱內受精，培養發育成早期的胚胎然後植入母體。所謂的試管嬰兒技術，包括下列幾個部分：誘導排卵、卵泡成長的追蹤監測、取卵手術、配子 (卵子與精子) 的體外處理、體外授精、體外胚胎的培養發育、胚胎植入。 女性卵巢於出生時約有一、兩百萬個原始卵泡 (濾泡), 隨著年齡長大、卵泡不斷退化萎縮，到青春期開始時，卵巢約剩下 30 萬個原始卵泡。從初經開始，每個月經周期都有一群 (約數十顆) 卵泡被喚醒而成長發育，但這群卵泡中只有一個會發育為成熟卵泡，而其他卵泡都會在過程中萎縮。 為了得到數量較多和品質較好的卵子，以增加每個周期的懷孕率，醫師會使用荷爾蒙藥物刺激卵巢，誘導多個卵泡同時生長。近年來，誘導排卵藥物的進步，加上臨床應用普遍，使誘導排卵方面有更好的控制和成效。 由於誘導排卵藥劑以傳統肌肉或皮下注射進入人體，半衰期較短 (小於 40 小時), 因此婦女都需每日注射藥劑，以期有較多卵泡成長成熟。近兩年，藥界研發一種半衰期長達約 70 小時的長效型藥劑，可持續一周的效用，惟價格高且仍需併用目前的短效劑型藥物。 筆者近年研發以表淺顯微注射法施打傳統的誘導排卵藥劑，發現半衰期可超過 100 小時，因此婦女不必再面對每日注射針劑之苦，多數婦女不必接受 9~10 日的注射，僅需 1 至 3 日的注射針劑就可進行試管嬰兒的療程。此外，也能使用較低劑量的排卵藥劑，大大地解決不孕婦女精神上的壓力和困擾。 在控制排卵的過程中，必須定期接受陰道超音波檢查，測量和追蹤卵泡大小及發育情形，並監測血中荷爾蒙的變化，調整排卵藥物的劑量，據以決定取卵的最佳時機。 成熟的卵泡影像 在 1980 年以前的取卵手術，都是經由腹腔鏡手術來完成。1985 年以後，由於超音波儀器解像力增強和技術提升，開始有經陰道採卵成功的報告。目前都採用陰道超音波手術採卵，而腹腔鏡採卵手術目前僅在以陰道超音波取卵不易時，或極少數進行禮物嬰兒 (配子輸卵管內植入術) 時才使用。在採卵當日，以附有照明設備和控溫裝置的解剖顯微鏡檢查卵泡吸出液，並且仔細搜尋卵子的存在，所有的試管、培養皿和吸出液都須處在攝氏 37 度的恆溫狀態中。 取出的卵子以優質的培養液培養 4 到 6 個小時讓卵子更成熟之後，再和精子受精。在授精前，必須用特殊的培養液使精液中精蟲和精漿分離，並篩選出健康且活動力強的精子，和卵子在培養皿中受精。 胚胎的體外培養在培養皿中進行 精子和卵子受精後稱為早期胚胎，從形成受精卵後，早期胚胎便每天不斷地分裂發育。精卵結合後大約 12~18 小時稱為原核期，約 20~24 小時後會分裂成兩個細胞，48 小時後會分裂成四個細胞，72 小時後會分裂成 6 至 8 個細胞，96 小時後會分裂成桑椹期。品質良好的胚胎會在 5~7 天內發育至囊胚期，品質較差的胚胎通常無法順利發育到這個階段。 囊胚期的胚胎可以直接植入子宮，並且和子宮的蛻膜組織同期化，理論上可提高著床率。目前國際生殖醫學界採行的胚胎植回時間，多以受精後第 3 天，即 6 至 8 個細胞，或受精後第 5 天的囊胚期植回母體子宮。 植入的胚胎數目愈多，臨床懷孕率就愈高，但多胞胎妊娠發生的機會也愈大。在試管嬰兒技術發源地所在國 — 英國，法定可植入胚胎上限數目是 3 個；在美國，上限胚胎數目是 4 個；在臺灣，植回胚胎數目也是 4 個以內。近幾年來歐洲國家推廣單一受精卵植回 (single embryo transfer, SET), 期能降低多胞胎的機率。植入前，醫師會講解胚胎的狀況和適合植入的胚胎數。植入手術不需麻醉，把含有胚胎的植入導管細心地從子宮頸置入子宮腔內，利用超音波導引把胚胎放到適合的位置。 提高懷孕率的輔助生殖技術 單一精蟲顯微授精術 對於無精蟲症或嚴重的男性不孕症患者，卵子自然受精的希望非常渺小。當精子的濃度、活動力、形態上有多重缺陷時，體外授精的成功率更是大大地受到影響。這樣的問題，可以使用顯微授精的技術，把單一隻精蟲直接注入卵子細胞質內使卵子受精，這技術已成為治療嚴重男性不孕症的最佳方式。 使用顯微針穿破卵子透明帶把精子注入細胞質內 單一精蟲顯微授精術受精率約為 60~80%, 失敗的主要原因是卵子品質不好。經顯微授精的受精卵和一般自然授精的受精卵發育並無差異。全世界第一例顯微授精寶寶於 1992 年出生，長期觀察寶寶成長發育和一般胎兒並無不同。 睪丸 / 副睪丸取精術 對於無精症、輸精管障礙或脊椎損傷等無法射精的患者，以往只能借助精子銀行捐贈的精子。近年來，經皮下副睪丸穿刺術或睪丸切片取精術，把取得的精蟲配合單一精蟲顯微授精術及試管嬰兒技術，便能達到受孕的目的。 雷射輔助胚胎孵育術 人類的胚胎必須經過卵殼透明帶脫殼而出的程序，胚胎的細胞才能直接和子宮內膜接觸，達到著床的目的。許多高齡或卵子透明帶較厚的婦女不易受孕，很可能是胚胎脫殼的動作異常，因而無法順利著床於子宮內膜，輔助孵育術就是針對這種情況而研發的。 以往使用顯微玻璃針尖使卵殼透明帶開口，或以酸性的化學物質使透明帶溶開一個洞口，以利胚胎孵出。這二種方式都需相當精巧的實驗技術且費時，因此對胚胎有較大的潛在危險。雷射輔助胚胎孵育術則是利用雷射光束，瞬間在卵子透明帶上造成一個缺口，大幅減少胚胎暴露在體外的時間，是目前輔助孵育術的最佳選擇，這技術也廣泛應用在胚胎基因鑑定中。 胚胎基因鑑定 胚胎基因鑑定 (preimplantation genetic diagnosis, PGD) 是針對某一特定基因片斷的變異或染色體的結構進行著床前的診斷，胚胎基因篩選 (preimplantation genetic screening, PGS) 是泛指篩選染色體數目正常的胚胎，期能提高受精卵的著床率。胚胎基因鑑定在近年快速發展應用到試管嬰兒的療程，使用於鑑定是否有唐氏症或其他染色體問題；也用於高齡接受試管嬰兒治療的婦女，或曾經數次試管嬰兒療程失敗的婦女。 在顯微鏡觀察導引下，從體外受精的早期胚胎取出 1 個或 2 個細胞，利用某些特定基因的單株抗體和胚胎上的基因做原位雜交反應，鑑定染色體的數目和結構是否正常，再把健康無疑慮的胚胎植回母體，這技術能避免生下帶有遺傳性疾病和染色體異常的下一代。胚胎基因鑑定也使用於如地中海貧血、血友病、肌肉萎縮症等基因疾病上。 改善子宮環境和子宮動脈血流灌注 人體受孕成功與否取決於受精卵的良莠和子宮內膜的接受度，筆者於 1991~1992 年在愛德華茲教授和布林登先生 (Mr. P.R. Brinsden) 的指導下，證明受精卵的著床須有良好的子宮血流灌注。 他們和英國劍橋試管嬰兒中心合作，以彩色都卜勒超音波掃描，測量婦女接受冷凍胚胎周期的子宮動脈血流灌注情況，發現子宮動脈血流不良的幾乎鮮少受孕。當時首創以低劑量阿斯匹靈來改善婦女的子宮血流，提高接受冷凍胚胎婦女的著床率。筆者於 1992 年回國之後，把偵測子宮血流以及使用低劑量阿斯匹靈引用到臺灣的不孕症病患，受到國內及全球生殖醫學界的仿效，造福無數病患。 冷凍胚胎 冷凍胚胎是利用冷凍保護劑處理人類胚胎，可分慢速冷凍法逐步降溫和玻璃化超高速冷凍法，胚胎冷凍後保存在攝氏零下 196 度超低溫的環境中。冷凍時機可以在受精後的原核期，也可以在胚胎發育至兩個細胞以上或到囊胚期才進行。 胚胎發育時程 對不孕症夫妻而言，冷凍胚胎技術可以留下一些胚胎，而在將來有再度植入的機會時，也可避免一次胚胎植入數目過多。有些幸運的婦女，新鮮的胚胎植入一次就已著床，生下健康的寶寶，一、二年後若還想生育，便可使胚胎解凍植回；或新鮮的胚胎植入後並沒有受孕，醫師會安排一個適合的周期，在治療過程中，省略施打誘導排卵針劑和取卵步驟，直接把冷凍胚胎解凍植入母體子宮內，對不孕夫妻來說，減少了身體和經濟上的負擔。 除了冷凍胚胎外，同樣的技術可應用於冷凍人類精子和卵子。冷凍精子常用於捐贈的精子，經睪丸和副睪丸取得的精子，或先生的精子質量較差、不穩定時，以及夫妻未能同住一地 (例如南北、兩岸分隔，甚至先生常住國外)。冷凍卵子目前應用在婦女罹患癌症，需進行化學治療或放射性治療前，可取出卵子或卵巢組織冷凍保存，以備將來使用。少數情況於太太取卵時，先生無法即時取出精蟲，這時也得冷凍保存卵子。國外也有把較年輕未婚婦女的卵子冷凍保存，以防將來年紀大了而不孕。 精卵捐贈 不孕症治療必須在太太有很好的卵子，先生也有很好的精蟲的條件下，再使兩者結合受精。 如果先生無法使用自己的精蟲，則需借助他人捐贈的精液。由於 AIDS 的檢疫有 6 個月的空窗期，因此他人捐贈的精液須先貯存於精子銀行，等待 AIDS 檢疫合格後才能解凍使用。若太太的排卵機能很差或卵巢已經衰竭無法再製造卵子，想要受孕就必須採用別人的卵子。通常捐贈卵子者需接受類似於試管嬰兒誘導排卵的過程，使取出的卵子和不孕夫妻中先生的精蟲結合受精，再把受精卵種回接受者太太的子宮裡，以達到受孕的目的。 目前臺灣大約有 30~35 萬對的夫妻深受不孕之苦，試管嬰兒技術儼然成為治療不孕的終極利器。在許多不孕專家的努力下，成功率不斷提高，但在醫療上所產生的併發症，如卵巢過度刺激、多胞胎、早產等問題，以及性別篩選、捐贈精卵及代理孕母所衍生道德和宗教方面的爭議，仍需進一步思考。 【2010 年諾貝爾生理醫學獎】

著床前遺傳篩檢的安全性

卵子受精 3 天後，成為 8 個細胞的胚胎，為了確定這個胚胎發育長大後是個健康的孩子，只有一個辦法，就是摘取 1 個細胞做檢驗。 現在以體外受精技術製造的胚胎懷孕的人不少，生下的孩子媒體通常稱為「試管嬰兒」, 其實並不正確。因為精子、卵子在試管裡送做堆，可是胚胎還是要送入女性子宮著床、發育，足月後才能出生。但是，以體外受精技術製造的胚胎缺乏品管，因此我們對於那些胚胎最後發育成什麼樣的孩子，難以評估。 在自然狀態下，受精卵有很高的比率會自動流產 (估計 75% 胚胎在第 8 周前死亡), 有時甚至婦女本人都不知道。科學家並不清楚其中的機制，他們唯一清楚的是，卵子受精後要經過極為複雜的過程，才可能成功地發育成胚胎，而大部分受精卵根本沒有機會完成初步發育，即使胚胎著床後，也不容易發育到足月、出生。因此每個來到人世的新生命都代表一個奇蹟。 總之，現在利用體外受精技術製造的胚胎懷孕的人越來越多，事先做遺傳篩檢的需求也就越來越大。目前有一種做法，就是在受精卵發育到 8 個細胞的胚胎階段，摘 1 個下來檢查，確定沒問題後才植入子宮。這個手續英文縮寫是 PGD, 意思是「著床前遺傳篩檢」。 現在世上有 5 千人是通過 PGD 後才發育成人的，到目前為止，還沒有任何案例顯示 PGD 會對胚胎造成不良影響。但是 2005 年 10 月下旬，美國生殖醫學會在加拿大蒙特婁召開年會，許多專家都對這個技術的安全性表示疑慮。 具體地說，他們辯論的問題是：一個 8 個細胞的胚胎，摘下 1 個細胞就等於拆掉胚胎的八分之一，這會沒有不良影響嗎？以冷凍胚胎做的實驗顯示，摘下兩個細胞後，胚胎的存活能力就會打折扣，不容易發育到足月。(在歐洲，某些實驗室一次會摘兩個細胞做檢驗。) 此外，摘下哪一個細胞最安全，也是討論的重點。2005 年 3 月，有個研究團隊指出，即使是 8 個細胞的胚胎，都可能已經開始分化。也就是說，那 8 個細胞彼此並不是等值的，因此摘取不同的細胞可能會產生不同的後果。 還有，卵子表面有一層保護層，叫透明帶，精子得穿過透明帶才有機會進入卵子授精。這個透明帶在受精卵發育後仍然存在，受精卵分裂成 2 個細胞，2 個分裂成 4 個，4 個分裂成 8 個，都在透明帶內進行。而摘取細胞必然會破壞透明帶，破壞透明帶對胚胎會不會有不良影響，也還是沒有答案的問題。 目前 PGD 技術通常用來篩檢以高齡婦女的卵子製造的胚胎，可是這次大會上，有兩份報告指出，供體外受精技術使用的捐贈卵子中，有一半是不正常的，即使捐卵人是年輕婦女也一樣。例如美國馬里蘭州一個團隊檢驗了 275 個胚胎，捐卵婦女的年齡分布於 21~31 歲之間，看來都很健康，結果其中 137 個胚胎有染色體異常。(其實，光是這個研究結果就引發了新的問題：婦女為什麼會製造異常的卵子？有沒有個人差異？) 由這個結果看來，以體外受精技術製造的胚胎，最好先做篩檢，免得製造悲劇，而且目前沒有其他的可靠辦法選擇胚胎。醫師通常以幾個卵子製造胚胎，然後選一個出來植入女性子宮，全靠肉眼判斷，沒有客觀依據。一位專家以流行的目視標準分析了 787 個胚胎，結果發現符合高品質判準的胚胎裡，75% 染色體不正常。而以 PGD 技術判定健康的胚胎，只有 18% 通過肉眼的判準。 總之，PDG 技術是否安全？這是一個如何面對風險的問題。認為 PDG 技術有風險的人，只能拿出理論的推測及間接的經驗證據。可是，目前對於 PDG 技術的正面價值，卻有堅實的經驗證據支持。我們在日常生活中，或是一個社會、國家在做政策選擇，面對的經常都是這類問題。

天外有天–從單一宇宙到多重宇宙

人類從伽利略四百年前首次把望遠鏡指向天空以來，就不斷地對我們所生存的宇宙有拓展性的了解。首先，他從望遠鏡的觀察證明了哥白尼的太陽中心學說，在其後的四百年裹，科學家們先是了解太陽系只不過是銀河系中千億個星球之一而已。過去一百年中，天文學家又進一步發現銀河系就只是宇宙間百億個星系之一。而近 20 年我們才知道，宇宙中有 95% 的成分稱為『暗質 (dark matter, 或稱黑暗物質)』及『暗能 (dark energy, 或稱黑暗能量)』, 其性質科學家們尚無法確定，更令人吃驚的是，我們的宇宙有可能並不是唯一的，而是千千萬萬宇宙中的一個。踏著伽利略的足跡一路走來，我們不禁要問，人類在宇宙中的定位為何？仰望浩瀚星河，心中浮現的問題常是宇宙有多大？有其他的宇宙嗎？臺灣大學梁震次宇宙學與粒子天文物理學研究中心主任陳丕燊說，現在有科學家認為，我們所處的宇宙並非唯一，而是有不斷的分身。 而我們所處的宇宙為什麼會是這樣的形態，陳丕燊說，從超弦的觀念來看，有各種各樣可能的宇宙存在，人類存在的宇宙是因為暗質 (dark matter) 和暗能 (dark energy) 配合的成分剛剛好適合人居住。就是所謂的「人本原理」─宇宙之所以如此，是因為其條件恰適合人類存在。 由國科會主辦，臺灣大學物理系及天文物理研究所協辦，聯合報、公共電視、科學人雜誌、NEWS98 合辦的 2008 秋季展望演講，昨天舉行最後一場演講，由臺大梁震次宇宙學講座教授陳丕燊主講「天外有天─從單一宇宙到多重宇宙」, 引領聽眾進入宇宙學的世界。 不均勻性拉扯出星系 陳丕燊說，宇宙是從一個非常小的「奇點」從大霹靂 (Big Bang) 誕生的。宇宙形成的前 40 萬年，相當均勻，只有 10 萬分之一的不均勻性；由於萬有引力的牽引，經過 137 億年，慢慢演變成宇宙現在的形態。 他舉例，總統府前原本整整齊齊站了 10 萬人，但其中有一人不舒服離開，出現不均勻。但那裡比較空，被其他地方拉扯，空的地方變更空，擠的地方更擠，結果變得愈來愈不均勻，才能生成星球、星系、更聚集成星系群。 但是總的來說，宇宙仍是非常均勻。可是浩瀚宇宙的不同角落怎麼能夠互相遘通，使得性質如此相近？為了解釋這個均質性，宇宙學家提出「超膨脹」理論。 大霹靂後突加速膨脹 「超膨脹」理論主張在大霹靂後非常短時間，在 10 的負 35 次方秒中，宇宙突然膨脹了 10 的 48 次方倍，把所有不均勻都拉平了。 宇宙未來會如何？1998 年科學家發現，宇宙膨脹速率不但沒有慢下來，反而加速遠離，這是 20 世紀末最重大的科學發現。許多宇宙學家相信，宇宙加速膨脹，表示宇宙中充滿一種暗能，提供「反重力」, 把星系互相推開。 20 世紀出現很多偉大的科學成就，但到了世紀末，科學家才發現，我們已知的所有物質，只占宇宙總成分的 5%。其他 95% 又是什麼？陳丕燊說，其中 20% 為暗質，75% 是暗能。沒有如此多的暗質，就無法解釋觀測到的星球運行；也就無法解釋宇宙的加速膨脹。暗質和暗能目前科學界知道的不多，也成為 21 世紀科學家最想解釋的現象。 宇宙有什麼成分？夸克是目前已知的最小物質結構。但是夸克又是什麼組成的？是「超弦」(Superstrings) 嗎？超弦理論宇宙有分身 陳丕燊說，宇宙中有四種基本作用力：萬有引力、強作用力、電磁力與弱作用力。現代物理學殿堂有三大支柱：其中量子力學結合狹義相對論，成功地建構了強作力、電磁力與弱作用力的理論基礎。廣義相對論則成功地描述了萬有引力。但是要把四種基本作用力完全結合起來，還需要有個橫梁。有了橫梁，才能架構起宇宙學這個屋頂。超弦理論 (弦論，String Theory) 會是這塊橫梁嗎？長久以來，物理學家面對一困惑：萬有引力為什麼比其他 3 種基本作用力弱得太多？超弦理論基於理論建構的需要，必須引進額外維度空間。陳丕燊說，提出超弦理論的科學家主張，重力是唯一延伸至額外維度空間的基本作用力，所以它被稀釋得比其他作用力弱很多。 他解釋，人生活的 4 維空間，像是多維空間中的一張紙，其他 3 種作用力都只存在這個平面上，重力卻可無所不在，卻也因此變弱了。此外超弦理論主張的多維空間，可讓不同成分暗能存在，提供多重宇宙存在的可能性。 「超膨脹」理論的發明人之一 Andrei Linde 認為，超膨脹理論中不可避免的量子不確定性，必然導致宇宙不斷分身，就好像有不同的山頭不斷冒出來一樣。這個世界因此可能有很多生生不息的多重宇宙。 宇宙定位永遠的追尋 最後，陳丕燊引用了高更著名的最後遺作:「我們從哪兒來？我們是誰？我們往哪裡去？」來反思。他說，藝術家用畫筆問這個人類亙古以來的問題。科學家則用望遠鏡和實驗器材、用數學公式和計算機，來追求同樣的大問題。但不論是用藝術、科學或文學的手段，人類對自我在宇宙間定位的追尋是貫通的，且永不止息。 【2008/12/08 / 聯合報 / 記者楊正敏 / 臺北報導】

太空塵粒含水量高

地面上發現的太空隕石中，以含碳球形隕石最罕見，科學界已知的還不到一百塊，這些隕石中有大量富含鎂的礦物，例如輝石、橄欖石等，還有許多有機分子，包括胺基酸。這種隕石很珍貴，因為許多科學家相信它們是原始太陽系星雲的孑遺，對於太陽系的起源提供了極為珍貴的資訊。 含碳球形隕石是已知最原始的隕石，它們在太空中形成之後，一直到科學家觀察它們的時候，經歷過的變化最小，因此它們的元素組成也許與原始太陽星雲中的物質很相似。除了矽酸鹽、氧化物、硫酸鹽之外，它們還包括水或受過水影響的礦物，還有大量的碳，包括有機化合物。最「清新」的含碳球形隕石，從未受過攝氏 50 度以上的高溫。這種隕石有兩個亞類，含水量相當高，約占重量的 10~20%, 不過它們的數量很少，只占全體的 2.8%。 有意思的是，每年有三萬噸太空塵粒落到地面，它們都是 20~400 微米的顆粒。這些塵粒在化學與礦物學組成上，都與含水量高的含碳球形隕石相似。相對說來，含水量高的含碳球形隕石為什麼那麼少呢？流行的說法是，它們比較經不起大氣層的「折磨」, 因而大部分在墜地前就喪失了水分。 日本神戶大學理學部地球行星科學系教授留岡和重領導的團隊，今年五月一日在英國的《自然》周刊上發表實驗結果，指出含水量高的星際物質，受到壓力後容易粉碎。因此在星際間，大塊的高含水量含碳物質，在還沒有墜入地球引力圈之前，本來就不多。

學壁虎趴趴走

壁虎創意 壁虎效應的功用，只要發揮一點點的想像力，就能產生無限的創意，像是抓地輪胎、攀岩手套、大樓清潔員的防護設施、隨處可黏的背袋、不需鈕扣的外衣、太空站的維護等，都很吸引人。 由於奧特姆教授與眾多學者在基礎科學上的不斷努力，壁虎神功的奧祕逐漸明朗，人類盼望已久的「黏著之夢」因此展露出一絲希望。從 2000 年起，奧特姆教授的研究團隊便開始致力於壁虎效應的應用，希望能找出經濟實惠的方法複製神奇的「壁虎貼布」。 團隊成員包括美國加州大學聖塔芭芭拉分校知名的化學家伊色拉戚維里 (Jacob Israelachvili) 教授、卡內基梅隆大學機械工程學系梅汀。斯提 (Metin Sitti) 助理教授、加州大學柏克萊分校電機與電腦科學系菲爾林教授等人，他們首先對壁虎的黏著力做精密的理論計算，再以奈米壓印技術 (nano-imprinting lithography, NIL), 把掃描式穿隧電子顯微鏡的探針壓印在蠟模上，複製出直徑約 10 微米、高度 20 微米的錐體，整體看起來就好像散布在膠帶上的顆粒。 這樣的結構與壁虎剛毛相比雖然顯得簡單，卻能夠產生 200 × 10-9 牛頓左右的黏附力，只不過比起壁虎腳上層次狀的結構來，仍然無法與表面緊密有效地接觸。後來斯提博士與莫菲 (Michael P. Murphy) 博士進一步改善製程，製造出直徑 4 微米的規則陣列結構，使得人造剛毛不僅分布更均勻，密度也更高，黏著效果因此大幅提升，但因材料性質的限制，在重複使用上仍有困難。 自我組裝技術 奧特姆教授的研究團隊曾參與美國國家科學基金會贊助的研究計畫，過程中斯提博士提出一套由小到大的成形技術，期望有朝一日能透過分子自我組合的方式達成目標，這就是奈米自組裝技術。 通常分子在特定條件下為了確保最穩定的狀態，會自行相互結合，有別於以往由大到小的製造概念，這方法透過精微的參數控制，不僅可製造出極高「高寬比」且具有耐久性與疏水性的人造剛毛，或許還能有效降低成本並增進生產速率，大量運用在生產製造上。 動人的壁虎貼布 2003 年，來自英國曼徹斯特大學物理暨天文系的傑姆 (Andre Geim) 教授帶來了新的突破。他首先針對材料特性挑選出性質良好的聚亞醯胺 (polyimide), 再以成本昂貴的電子束微影製程與乾蝕刻技術，成功製造出規則排列的剛毛陣列，實現令人眼睛為之一亮的壁虎貼布。 只是礙於製造成本，傑姆教授的貼布僅有 0.5 平方公分大小，但所能提供的黏附力，卻可把 15 公分高、40 公克重的蜘蛛人玩偶吊在天花板上。 這樣的壁虎貼布缺點還是很多，除了製造成本特高之外，重複使用性與耐久性依然是棘手的問題。雖然以聚合物製成的剛毛能產生不錯的效果，但在撕離時卻很容易斷裂，且會因為剛毛凝聚而塌在底部的基材平面上，使效果大打折扣。此外，人造材料的強度始終比不上壁虎的天然角質剛毛，這是目前在材料上亟待克服的難題。 奈米碳管異軍突起 由於奈米碳管兼具強度與彈性的優異性質，2005 年美國壬色列理工學院的阿則葉 (Pulickel Ajayan) 教授與俄亥俄州亞克朗大學化學工程研究所的研究生貝杜爾。亞杜瑪肯 (Betul Yurdumakan), 為了克服先前壁虎貼布材料性質的限制，提出一套多層奈米碳管的化學氣相沉積製程，製作出孔隙度達 87% 的開放式發泡體薄膜結構。這結構由排列準直的奈米碳管陣列組成，在微觀下具有強大的黏著效果。 這個結構不僅具有壁虎乾式黏著的特性，奈米等級下的黏附力量甚至遠勝壁虎剛毛兩百倍有餘。然而以奈米碳管做為貼布材料，除了成本並不便宜外，微小碳管對人體的不良影響至今也尚無定論，且同樣有剛毛脫落與斷裂的問題。整體說來，奈米碳管在人造壁虎貼布的應用上仍有相當大的改進空間，但不失為一種可能的壁虎貼布材料。 魚與熊掌不可得兼 材料性質的改良目前仍有賴化學家的努力，而在工程技術上也面臨如何大量製造與降低成本的困境。此外，如何製造出如同壁虎腳的多層次結構，以達最佳的黏著效果，也是相當關鍵的問題。 2003 年斯提博士提出一套製作多層次結構的方法，主要藉由成熟的微機電製程與半導體製模技術，分別完成微米與奈米尺度等級的模具，再以澆鑄、凝固及脫模的方法，得到結合微米剛毛與奈米匙突的結構。按照分裂接觸的概念，這樣的結構將有效增進壁虎貼布在粗糙表面上的適應能力。 「壁虎化」設計 為了讓人造剛毛更加「壁虎化」,2005 年來自美國加州大學聖芭芭拉分校機械暨環境工程系的金柏莉。特納 (Kimberly L. Turner) 博士成功地運用微機電製程製造出整體化的多尺度順從結構，這是科學家首次成功利用成批生產技術大量製造。 這一方法所得到的成品是 1 平方公分的黏著板，內含 2,500 個多層次結構組成的陣列，其中每個結構的微板經微影加工都具有多樣的幾何外形，因此可獲得極佳的彎曲特性。微板上密集地覆蓋著許多準直排列的有機桿，至於底下則以高寬比極高的單晶矽圓柱做為支撐。 這種層次化結構整體看來共有 3 層：第 1 層是模仿剛毛的單晶矽圓柱，高約 50 微米、直徑由下而上遞減成 1 微米的頂針；第 2 層是模仿剛毛分叉的方型矽晶片，厚度是 2 微米，面積是 100 微米乘 150 微米；第 3 層如匙突的有機桿，約 2 微米高，直徑在 50 微米到 200 微米之間。 這種結構比起傳統單層剛毛具有較佳的黏著效果，且若增加其表面疏水特性，可進一步加強黏附力量。因此特納博士推測疏水性質或許是強化壁虎黏著能力的一項重要原因。 研發過程中最重要的莫過於突破剛毛的重複使用性。傳統單層剛毛結構隨著使用次數的增加會逐漸失去黏性，但整體性的多尺度順從結構在多次使用後，依然能保持幾乎完全相同的黏著效果。特納博士發展的製程技術，非但提高壁虎貼布量產的可能性，也為以往仿生黏著中困擾已久的重複使用問題帶來新的解決之道。 機器人未來式 具備攀附能力的機器人能完成許多傳統機器無法勝任的工作，保障工作者的人身安全，例如石油工業與核能發電廠的儲槽檢驗，高樓大廈的清潔，甚至是太空站的維護等。 基於從壁虎得來的靈感，卡內基梅隆大學機械系微型機器人實驗室的斯提博士與菲爾林教授，在 2003 年討論有關攀牆機器人的可行性，思考如何把這種既乾燥、又不受磁性與動力來源限制的黏著功能運用在機器人的發展上。 以往這類機器人大多仰賴真空或磁力，但磁效應只能在磁性金屬表面上發揮作用，真空吸力則受氣壓與表面平坦度的限制，一旦斯提博士的夢想成真，具有壁虎黏著能力的機器人就再也不需要背著泵浦，也不需擔心會在凹凸不平及非磁性的表面上摔跤了。 披荊斬棘創新機 縱然壁虎貼布尚未量產，但斯提博士與研究同仁卻早已開始設計攀牆型的機器人。2004 年斯提博士提出兩種源自壁虎創意的攀牆機器人，其中一種是左右輪各有 3 片黏墊的輪足型機器人，另一種則是像戰車般有黏性履帶的機器車，雖然在設計上使用的仍是傳統黏膠，但兩者都能在平滑的垂直面上行進，前者可在 110 度近乎倒懸的平面上移動，後者也能在 70 度的坡面上攀爬。 2005 年他們克服輪足型機器人轉彎上的限制，使輪足型機器人在遭遇行進過渡區域時也能穩穩地從水平面爬上垂直牆角，且在 110 度的表面上，更能以每秒 6 釐米的速度前進！不僅如此，斯提博士的團隊在詳細分析壁虎步伐與運動力學後，更研發出移動速度約每秒 1 釐米，行動模式有如壁虎般能夠順利行進、轉向，且順利地爬上 85 度過渡區的壁虎型機器人，而這兩種機器人都能透過紅外線通訊進行半自動化的操控。 目前斯提博士的團隊除了持續提升壁虎型機器人的爬行能力外，也致力於開發乾燥、重複性高，及具有自我清潔能力的壁虎貼布，藉以改良目前使用的人工黏著劑。 無論是壁虎貼布或是壁虎機器人，在不久的將來，都會出現在日常生活中，成為新興科技的焦點。 師法自然 人類對於壁虎的研究歷經了數千年，如今才有較深入的了解，而在取法自然的過程中所得到的創意與啟示，遠遠超乎人們的想像。看似平凡的花花世界裡，有誰知道還有多少意想不到的物外之趣？縱然大自然不曾言語，卻默默地顯露著深遂的智慧。老子《道德經》有言:「人法地、地法天、天法道、道法自然。」自然界永遠是人類最好的老師，人類除了要善於觀察自然、師法自然，更應當尊重自然、保護自然，才是源遠流長的恆久之道。

杭丁頓氏症:基因現形

杭丁頓氏舞蹈症 (簡稱杭丁頓氏症，Huntington's disease) 是一種遺傳疾病，主要症狀是身體出現不由自主的動作，病人無法如意地控制自己的運動，此外還有情緒、認知的問題。 這種疾病一八七二年才正式登錄在西方醫學文獻中。第一個以堅實臨床證據報告這個疾病的醫師，是在美國紐約長島行醫的喬治。杭丁頓 (George Huntington, 1850-1916), 因此才以他的名字做為疾病的名字。對於杭丁頓醫師，我們所知不多，他似乎一生只發表過這一篇科學論文。一篇論文就能名垂青史，現在的學者大概做夢都不敢指望吧。 杭丁頓醫生在 22 歲發表了描述這個疾病的論文，此後以他的名字為此病命名。(圖 /wikipedia) 什麼是杭丁頓氏症？根據美國的資料，白人新生兒中大約每兩萬人有一人會得杭丁頓氏症，亞裔、非裔則很罕見，約百萬分之一。杭丁頓醫師一開始就注意到這種運動神經系統疾病是遺傳的。病人通常到了壯年才發病，因此有機會成家，養兒育女。這種疾病繼續在人間流傳，就是這個緣故。 成年人發病後，通常可能經過十年以上才去世。由於醫師束手無策，他們的子女除了必須負擔照顧責任外，內心還要受好幾重煎熬。第一，就是親眼見到自己的至親逐漸變成完全不同的人。同時，他們還要擔心是否正在目睹自己的下場，甚至要為自己的子女擔心。 杭丁頓氏症的症狀，直接原因是大腦基底核神經元大量死亡。大腦基底核是中樞神經系統中運動系統的重要元件。大家比較熟悉的運動系統疾病，是巴金森氏症，它的病理也涉及大腦基底核。至於杭丁頓氏症的遺傳基礎，我們得從伍迪。古思利 (Woody Guthrie, 1912-1967) 談起。 伍迪是美國民謠形成期的傳奇人物，他對美國流行音樂的影響，舉鮑伯。狄倫 (Bob Dylan, 1941-) 就足以說明了。狄倫年輕時，對伍迪極為仰慕，還主動到紐約協助照顧晚年的伍迪。他出道時，就以模仿伍迪成名，無論音樂風格、打扮、姿態全都維妙維肖；狄倫是明尼蘇達人，可是他連咬字都模擬伍迪的奧克拉荷馬腔。 伍迪參與了三、四○年代的「民謠政治運動」, 以歌曲控訴社會的不公不義。二次世界大戰他還因為反法西斯的理念而入伍。戰後他與第二任妻子與孩子定居紐約康尼島，寫出了一系列童歌，極受歡迎。可是不久他的行為與身體就開始不穩定了，家庭與事業都受到影響。他離家出走，離婚、再婚。由於精神、身體每況愈下，他不得不終止走唱生涯，回到紐約。一九五四年起，他就不斷出入醫院、換醫院。十三年後伍迪逝世。 伍迪。古思利是美國民謠的重要人物，於 1967 年死於杭丁頓氏症。(圖 /wikipedia) 一開始醫師對伍迪的診斷包括酗酒、精神分裂，最後才確定他得的是杭丁頓氏舞蹈症。伍迪還是個孩子的時候，母親就給送到療養院，也是因為這個病。美國人今天紀念伍迪，除了他在美國流行樂壇上的成就，還為了他在杭丁頓氏症研究上扮演的角色。 研究杭丁頓氏症的背後推手 其實應該說是伍迪的第二任妻子馬喬莉 (Marjorie 曾是瑪莎。葛蘭姆舞團的舞者), 伍迪晚年一直由她照料。伍迪過世後馬喬莉組成了「抗杭丁頓氏症委員會」, 不斷到國會山莊遊說，終於使國會在一九七七年通過法案，在美國國家衛生院神經疾病研究所 (NINDS) 設立「杭丁頓氏症委員會」, 負責向國會建議對抗杭丁頓氏症的方案。 這個委員會聘任了年方三十的南皙。魏思樂 (Nancy Wexler) 為執行長 (現任哥倫比亞大學醫學院講座教授)。南皙也是在杭丁頓氏症的陰影下成長的，她的母親、三個舅舅、外祖父都死於這個病。南皙與妹妹、父親眼睜睜看著母親的身體出現無法控制的動作，心智也逐漸退化。她的父親是位精神科醫師，在一九六八年，醫師診斷母親得了杭丁頓氏症那一年，成立了遺傳疾病基金會，支持科學研究。 杭丁頓氏症委員會在一九七八年提出了建議案。南皙便到神經疾病研究所主持實現那些方案的經理工作：她招募優秀研究人員，審核研究計畫，分配經費。她與父親兩人，一個在公家、一個在私人基金會，互相配合，創造成功的研究故事。這個故事除了馬喬莉、南皙之外，還有許多不幸的家庭及許多科學團隊。 一開始南皙的科學顧問決定的研究方略，就是個正在成形的科學點子 —— 直接向 DNA 下手。回顧起來，現在常識豐富的新聞記者隨口就能娓娓道來的科學點子，七○年代末可是石破天驚的新花樣，前途未卜。許多資深科學家就認為南皙決定尋找「杭丁頓氏症基因」是瘋狂的，無異於大海撈針。 現今已知杭丁頓氏症為遺傳疾病，故病症源自基因。但在七○年代這仍是嶄新的想法 (圖 / National Cancer Institute,Unsplash) 杭丁頓氏症家族與致病因子 這時南美一個更大的悲劇提供了重要的科學資訊：委內瑞拉發現了一個龐大的「杭丁頓氏症」家族。重建族譜的結果，發現在八代一萬一千人的家族中，「杭丁頓氏症基因」可以追溯到十九世紀初的一個婦人。已知歷年罹病者共有三百七十一人。這個家族還活著的人就有九千人，大多數都在四十歲以下。估計還有六百六十人體內有「杭丁頓氏症基因」, 只是年紀還小尚未發病。 利用這個家族的血樣，科學家不久就確定這個基因位於第四號染色體上。本來大家以為找出基因，以及它的功能 (致病機制) 是指日可待的事。哪裡會知道，大約十年後這個基因才真正現形。一九九三年的正式報告中，共有六個團隊列名，合計超過六十位科學家。 過去九年中，我們對杭丁頓氏症的致病機轉因此而有新的理解嗎？首先要強調的是，「基因」最簡單的定義就是「製造蛋白質的指令」。所謂的杭丁頓氏症基因，其實是一個正常基因插入了大量的 CAG 序列，而 CAG 是對應穀氨酸的基因碼。因此正常基因製造的蛋白質中插入了長串的穀氨酸。 至於正常基因製造的蛋白質有什麼功能，現在只有兩類資料可供推敲。第一、缺乏這個基因的人，根本活不長。第二、這個蛋白質與神經元的內吞作用有關。而杭丁頓氏基因製造的蛋白質，目前只知與大腦基底核的神經元死亡有關。但是這些知識仍然無法解釋杭丁頓氏症為什麼通常在三十歲以後才發病，而且發病前沒有徵兆。 最近英國實驗以胚胎神經元移植到杭丁頓氏症病人大腦中的療法，臨床評估報告去年年底發表。初步結果是某些病人症狀改善了，也有人一點改善的跡象都沒有。 杭丁頓氏舞蹈症的故事提醒了我們，人類基因組計畫不是一切生物醫學問題的解答。即使二十一世紀是「人類基因組世紀」, 別忘了今年 (2002 年) 只是二十一世紀的第二年。二十一世紀還有九十八年。

變形金剛是不是機器人

高雄駁二特區之大黃蜂變形金剛。(圖片來源：國立交通大學科技與社會中心授權刊登) 變形金剛 (Transformers) 系列電影每回推出，都備受矚目，也得到熱烈的迴響；從 2007 年首部曲到 2011 年第 3 集以來，票房不但席捲全球，且許多機器人迷已開始期待第 4 集。導演麥可貝 (Michael Bay)─這位時常執導動作大片的名導─在片中大量運用特效，並以華麗、流暢、目不暇給的金剛變形過程，提供觀眾視覺上震撼。在首部曲中並加入了身為青少年的主人翁山姆 (席亞拉畢福演出，Shia LaBeouf) 與他略顯歇斯底里的父母間之互動，及山姆與暱稱大黃蜂的變形金剛間之情誼，其碰觸了青少年議題，讓此集不僅僅只是提供聲光效果；第 2 集幾乎為眼花撩亂之大車拼所淹沒；到第 3 集則加入登入月球的陰謀，增添了故事性與趣味；而第 4 集則已決定至中國拍攝影片，並預計於 2014 年 6 月上映。 就在大家以機器人電影來看待變形金剛系列時，一個弔詭的問題是:「變形金剛是機器人嗎？」變形金剛的基本外型是人型機器人，它可轉變成汽車，或是坦克、飛機等，但只要是外表看起來像機器人就是機器人嗎？以工程角度來看，機器人的定義是什麼？也就是說，機器人指涉的是怎樣的科技議題呢？在深入討論前，我們轉換一下，先談談人與工具間的關係─遠古時，當人類站起來後，隨之空出了雙手，這件事情影響相當深遠，因我們開始能使用工具，而大多四足哺乳類動物並無使用工具之能力；早期人類使用骨頭、石頭、樹枝等為工具，之後漸漸能駕馭牛、馬等獸力，當可使用長矛、弓箭之際，已算是能利用工具產生遠大於人力所及之能力；在漫長歲月後，工具史上重大事件即是 18 世紀英國瓦特 (Watt) 成功建造實際可行之蒸氣機，也引發之後的工業革命。蒸氣機的意義在於人類擁有具有巨大動力的工具，讓我們得以完成許多以往無法完成的工作，而為駕馭此強大工具，也讓控制技術隨之發展，直到近代，另一個重要角色「電腦」之出現，代表機器智慧的來臨，讓「工具」在面對變化與不確定的工作環境與程序時，具有一定判斷能力。 總結來說，機器人出現在當今工具史的後端，它具有可移動性 (Mobility) 和自主性 (Autonomy), 前者說明它必須會動，且具有一定靈活度，後者展示它能因應環境變化，運用智慧產生合宜的應對；由於它結合了動力及智慧，是我們所擁有的工具中最有能力的，雖然力量也許不是最強大，但試想一下，一部具有行動能力的電腦比起汽車、冰箱、智慧型手機等產品，它對我們的生活能產生多大的影響！回頭來看，變形金剛符合機器人的定義嗎？就如同人類一樣，變形金剛和人類都符合機器人的定義，那人類是機器人嗎？這時我們需要啟動另一個定義:「機器人作為工具，本質上是機器，而機器與人的基本差異則是，機器沒有意識」。電影中的變形金剛是具有機器人外形的外星人，他們是擁有意識的，以此觀點來看，變形金剛不是機器人；他們也沒有遵守包括機器人不得傷害人類的機器人三大定律 (或稱機器人三大法則，註 1); 不過，以原著來看，變形金剛是外星人的機器人。也許他們仍然有他們所謂的機器人三大定律，但那又是另外的故事了。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─電機科技新知與社會風險之溝通」執行團隊撰稿) 註 1. 機器人三大定律: 第一定律：機器人不得傷害人類，或袖手旁觀坐視人類受到傷害 第二定律：除非違背第一法則，機器人必須服從人類的命令 第三定律：在不違背第一及第二法則下，機器人必須保護自己 責任編輯：黃承揚 | 英商牛津儀器海外行銷有限公司

機器人成為滅火戰士!

2012 年 10 月底的珊迪颶風 (Hurricane Sandy) 不只造成美國東岸嚴重淹水，紐約皇后區更因為強風毀損電線而引發大火，火勢蔓延到多處民宅，造成複合型災難。當這樣的情形發生時，消防人員往往焦頭爛額，雖然依舊身先士卒，但容易陷入險境。有沒有新科技能夠降低消防人員救災的風險呢？或許「Thermite」可以幫上忙。 RS1 原本是一台由浩威兄弟科技公司 (Howe and Howe Technologies) 研發、用來作戰的機器人。你是否看過〈星際大戰〉、〈阿凡達〉的戰士坐在機器人的身體裡面？現在讓我們重新想像這台由 RS1 改造的滅火戰士，他的名字是「Thermite」。 Thermite 的原意是「鋁熱劑」, 是由鋁粉和三氧化二鐵依比例組成的混合物，能夠在引燃時大量放熱，溫度最高能上升至 3,000 度，足以將鐵熔化，因此常用於軌道焊接。而這台同名的火場機器人其工作場域也是高溫的火災現場，故以 Thermite 為名。 這台迷你坦克機器人每分鐘能夠噴射近 1,800 公升的水，負重雖然高達 600 公斤，卻可以爬上每階落差小於 45 公分的樓梯，而消防隊員安全地站在 800 公尺之外操控，遠離高溫的威脅。 「機器人是協助救火的工具，並非消防員的替代品。」企業主管萊姆說:「當火勢很強的時候，派消防員親自滅火是很危險的，機器人能夠衝破重圍鎮壓火勢。」 的確，Thermite 並非自動的滅火機器人，它就像是 1 條「智慧水管」, 除了能夠透過即時影像進行遠端操控，還能夠掃描周遭的熱度分布，提供消防員判斷機器人的動線，小心避免觸及爆炸區域。 科技公司要研發這台機器人，面臨的第 1 個問題就是如何克服高溫。高溫是所有電子機械的剋星，但滅火機器人卻是在幾乎融化所有物體的高溫下接觸火場環境。 為了解決這個問題，機器人在開始滅火的第 1 步，就會在輸水過程將機體內部沾上 1 層冷卻劑，機器內部也運用抽風扇，在機體溫度升高時，吸收外部灑水系統的小水滴來冷卻內部。 更驚人的是，這台小小的滅火機器人能夠每分鐘噴出超過 1,800 公升的水，如果再加上消防人員加裝的水管，甚至能夠噴出 3 倍水量，幾乎達到了 1 台消防車的效能，比起消防車滅火機器人還能夠衝進火場！製造商承諾，未來消防單位只要花費 7 萬美金就能購買滅火機器人，畢竟這款機器人不是戰爭的工具，而是用來消防減災。 責任編輯：鄭國威 | 元智大學資訊社會所

機器人挑戰大賽開跑!

美國五角大廈的國防高等研究計畫署 (Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA) 在 10 月 24 號展開為期 27 個月的機器人挑戰大賽 (DARPA Robotics Challenge,DRC), 並宣布將提供兩百萬美元高額獎金。 「現在我們的目標轉向不一樣的技術挑戰。」比賽專案經理伯特說。美國國防部是國防高等研究計畫署的主管機關，其中一項任務是實踐人道主義，協助國內外的災害應變。像是日本 2011 年的福島核災，核電廠的工作人員需要在高危險環境下進行工作，如果能由機器人處理核災任務，可以降低工作人員付出的健康代價，並且提高操作效率。 為了能夠有效因應災害多變的環境，機器人的設計也需要能夠在危險、崩塌的空間達成複雜的任務。實作的參賽者要利用普遍能夠取得的工具和材料，從機器人的手部動作到移動方式，都要能夠適應困難的環境。 在接下來的比賽期間，參賽隊伍將要透過軟硬體設計及測試，發明能在災難發生時緊急反應的機器人。「我們的目標是促進機器人科技在不同方面的發展，使機器人的能力更強、成本更低，並且容易操作。」伯特說。 比賽總共分成四組，每個組別都有不同的競賽項目。像是 A 組要同時進行機器人的硬體及軟體設計；B 組則運用主辦單位提供的現成機器人，去設計操控機器人的軟體程式。 針對有軟體設計能力卻沒有硬體資本的參賽者，或者有時空限制的國外頂尖高手，可以選擇報名 C 組，使用雲端模擬器的資源就能夠在網路上進行虛擬競賽。伯特說:「雲端模擬器的價值是讓來自不同地點的天才能夠有共同空間去訓練、設計、測試、合作，並且不需要具備昂貴的硬體設施和模型，開啟創新的大門。」 這個盛大比賽的參賽者來自世界各地，有大學、企業的代表隊，也有以個人名義報名的參賽者。「我們覺得很興奮，能有國際的參賽者支持這個比賽。」伯特說，自然和人為的災害是全世界共同的挑戰，希望在全人類的共同目標下，透過國際性的比賽使防災科技更加進步。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿) 責任編輯：鄭國威 | 元智大學資訊社會所

日本工業機器人成功之道

現今談起機器人，一般想到的也許是會走路的人型機器人 Asimo、栩栩如生的接待機器人、會幫忙打掃的吸塵機器人、或是機器寵物狗 Aibo 等，甚或是科幻電影、小說中的機器人。但若要說到真的有在「工作」的機器人，除了前述幫忙家務的吸塵機器人 (現在也有拖地機器人) 外，在醫院、療養院協助照顧失智、孤獨銀髮族的海豹型機器人 Paro 算得上一個，另有些機器人亦會運用在教學輔助上。 然而在我們生活環境中，其實大多數機器人是屬於玩具、寵物型態，並沒有正式的工作。再仔細檢視一下，我們周遭並沒有許多的機器人，那麼機器人到底是在哪呢？事實上，絕大部分的機器人是在工廠服務的工業機器人，因相對於我們日常環境的複雜、多變，工廠則井然有序、有條有理，也是目前機器人最能發揮功能的場所，因此工業機器人確實是我們應加以重視之機器人類型。而談到工業機器人，就一定得介紹領先世界的機器人大國 - 日本。 近期，媒體報導工研院產業經濟與趨勢研究中心舉辦了「日本機器人雄霸全球之競爭策略」研討會，此中心長期分析產業未來發展趨勢，希提供台灣業界前瞻發展之方向。而此次針對日本工業機器人議題，乃邀請了日本幾家在全世界機器人市場居領導地位之公司在台代表分享產業策略與產品特色等。此會議於台中科學園區舉行，業界參與相當踴躍，會中同時也傳達諸多有趣訊息。 自 60 年代工業機器人問世到邁入 21 世紀以來，除了金融海嘯期間外，工業機器人市場一直是穩定成長。工業機器人之單機價位並不低，但包含生產線、自動化整體系統之產值卻是其利潤所在。工業機器人技術起源於美國，日本引進後積極投入於生產製造，而其得以成為製造王國的原因，在於日本業界將機器人視為能改善產品品質的利器，並非著眼於短期獲利，而是能以品質、整體技術、以及生產力的提升，訴諸於長期市場的佔有率，也因此在機器人相對高價時，願意加以投資，並建立完整的產業鏈。日本廠商將工業機器人視為先進製造技術的代名詞，也造就其成為全球最大工業機器人生產國。 他山之石，可以攻錯。作為鄰國的台灣，在工業機器人領域上是否有可著力之處呢？由這幾年鴻海企業與許多台商企業在中國所遭遇之缺工問題，可感受到台灣發展自動化產業之必要性；再者，高階工業機器人與其周邊、及整體自動化系統具有極高產業價值與可觀的獲利率。然另一方面，此類產品需具高度整合性，及在後續的現場配置、生產線與維修的考量下，它亦需要一群素質高且整齊的團隊，以確保整體系統可靠度，且同時能與用戶進行有效率的溝通與互動，而這也正如我們對日本、德國等此領域一線公司團隊的印象。而台灣的機會呢？相對於日本與歐美的高工資與急追直上的中國在人才高度落差下，以台灣之普及教育，與人才一定程度的均質性和彈性度，應仍占有相當的優勢，這也是台灣在工業機器人發展的契機。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─電機科技新知與社會風險之溝通」執行團隊撰稿) 責任編輯：黃承揚 | 英商牛津儀器海外行銷有限公司

2007年諾貝爾生理醫學獎

2007 年 10 月 8 日，一如往年，瑞典卡洛琳斯卡大學醫學院在位於諾貝爾路一號的諾貝爾論壇樓，宣布了當年度諾貝爾生理學或醫學獎得主。這項殊榮由美國猶他大學的馬立歐・卡佩奇 (Mario R. Capecchi) 教授、英國卡地夫大學的馬丁・艾文斯 (Martin J. Evans) 教授和美國北卡羅萊納大學的奧立佛・史密西 (Oliver Smithies) 教授獲得，主要是因為他們在基因標的 (gene targeting) 和基因剔除小鼠 (knock-out mice) 技術上的貢獻而得獎。 馬立歐・卡佩奇教授於 1937 年出生在義大利，他的父親是義大利人，母親是德國、美國混血。卡佩奇教授年幼時，父親在二次大戰的空襲中失蹤，母親因為反對法西斯政權而被送進集中營，因此在他 4 歲半到 8 歲半的期間曾流浪街頭和孤兒院之間，還曾因為營養不良而差點喪命。二次大戰結束後，他的母親從集中營釋放出來，隔了一年母子才重逢。在 1946 年，由母親在美國的親戚協助下，卡佩奇教授隨母親來到美國，時年 9 歲。 剛到美國時，雖然一句英文也不會說，但憑藉著聰穎的天資及過人的努力，在中學和大學時代，表現就相當傑出。大學畢業後，卡佩奇教授前往麻省理工學院，本來想鑽研數學和物理學，然而在波士頓求學期間，他開始接觸分子生物學，並產生極大的興趣，因此便轉到哈佛大學，進入發現 DNA 雙股螺旋構造的詹姆士・華生教授實驗室，並在 1967 年取得博士學位。 畢業後，卡佩奇在哈佛大學進行了兩年博士後研究，並擔任兩年助理教授，1971 年升任副教授，1973 年轉換跑道接受猶他大學的教職，爾後 30 幾年都在猶他大學任教並進行研究工作。卡佩奇教授在基因剔除小鼠技術方面的貢獻，主要是利用同源重組 (homologus recombination) 的技術把想研究的基因剔除掉，因此獲頒諾貝爾獎。 第 2 位共同得獎人馬丁・艾文斯教授，1941 年生於英格蘭。艾文斯教授在幼年時，就對自然科學表現出極大的興趣。1963 年畢業於劍橋大學後，轉往倫敦大學學院 (University College London) 就讀研究所，並在 1969 年從解剖學研究所得到博士學位。1978 年他接受劍橋大學的邀請，前往劍橋大學遺傳學系任教。在那裡，他和他的研究伙伴開始了小鼠胚胎幹細胞的研究。1999 年起，他在卡地夫大學擔任教授至今。 馬丁・艾文斯教授主要的貢獻，是建立了自小鼠囊胚中分離和培養胚胎幹細胞的技術。這項技術首度於 1981 年發表，經由這項技術，科學家得以利用同源重組技術，針對想研究的基因製造基因剔除小鼠。 第 3 位共同得獎者奧立佛・史密西教授，1925 年生於英國，1951 年在牛津大學取得博士學位。1953 ~ 1960 年，他前往多倫多大學工作，1960 ~ 1988 年，在威斯康辛大學麥迪遜分校任教。從 1988 年起，史密西教授被北卡羅萊納大學禮聘任教至今。他在科學上主要的成就，除了基因剔除小鼠的製造外，較不為人知的是他在 1950 年發明了凝膠電泳法 (gel electrophoresis), 而這個方法奠定了日後許多分子生物學實驗技術的基礎。 隨著基因圖譜定序的完成，科學家可以在動物身上研究特定基因的功能，而所謂的基因標的是進行這類研究不可或缺的。 簡單地說，利用 DNA 同源重組，可在小鼠胚胎幹細胞中剔除掉想研究的基因。然後把經過基因剔除的胚胎幹細胞植入另一個小鼠囊胚 (blastocyst) 中，再把它注入母鼠子宮，待它著床、懷孕、子代小鼠出生後，檢查它的生殖細胞是否已有嵌合 (germ line transmission) 的現象，再使這樣的子代彼此交配，而得到基因剔除小鼠。藉由觀察基因剔除小鼠和正常小鼠表現型 (phenotype) 的差異，便可以得知剔除的基因在小鼠生長、發育，以及各種生理功能的維持上所扮演的角色。 3 位教授的貢獻，使得科學家能夠針對要研究的基因進行基因標的，製造基因剔除小鼠。這樣的技術配合基因圖譜的定序，使得生物醫學研究者能夠在特定基因的功能研究上，向前邁進一大步。3 位學者早在 2001 年就已經獲得美國的 Albert Lasker Award for Basic Medical Research, 這次榮獲諾貝爾生理醫學獎，可說是實至名歸，再次證明了生物科學界，特別是生物醫學研究領域對 3 位教授貢獻的肯定。