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中央大學與國際GROWTH 團隊合作首次確認由中子星相撞的重力波事件 | 【本刊訊】2015 年，科學家首次偵測到了重力波的存在。而近期，由中央大學天文所研究團隊參與美國加州理工學院所主導的「全球瞬變現象聯測網 (Global Relay of Observatories Watching Transients Happen, GROWTH)」, 成功將重力波偵測器所偵測到的結果加以確認來源。而這項最新研究成果也發表在 Science 期刊中。早在 19 世紀初，愛因斯坦發表廣義相對論時就預測了重力波存在，認為重力是時空發生彎曲的結果，在宇宙中所發生的活動會引起時空曲率以波的形式向外傳播的擾動。不過，由於重力波的偵測極為困難，只有在極度緻密的天體，例如黑洞、中子星等天體合併或爆炸才會發出足夠的訊號。為了證實愛因斯坦的預測，無數科學家嘗試用各種方法來偵測重力波的存在。由魏斯 (Rainer Weiss)、索恩 (Kip Thorn) 及巴利許 (Barry Barish) 領導的研究團隊開發出觀測設備 —— 雷射干涉重力波天文台 (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO), 在 2015 年 9 月 14 號首次探測到由兩個黑洞合併所產生的重力波，之後陸續觀測到合計 4 次因黑洞合併所產生的重力波，驗證了愛因斯坦廣義相對論的預測。而研究團隊也因為成功偵測出重力波的這項發現，因此，今 (2017) 年諾貝爾物理獎頒發給他們以表彰建造重力波偵測器和人類首次偵測到重力波的成就。然而，由於前幾次重力波事件只有美國的 LIGO 偵測器進行觀測，對於重力波源的定位能力有限，無法得知重力波源自哪一個星系。和人類首次偵測到重力波的成就。然而，由於前幾次重力波事件只有美國的 LIGO 偵測器進行觀測，對於重力波源的定位能力有限，無法得知重力波源自哪一個星系。於是，GROWTH 團隊和其全球聯測網，在往後 2 個星期利用全球各波段的望遠鏡，包含可見光、紅外線、無線電及 X 射線波段，持續追蹤觀測，將觀測結果與中子星合併理論模型進行比較後，發現 GW170817 重力波與 LIGO 前幾次因黑洞合併造成的重力波事件不同，確認這是由兩個中子星碰撞合併所產生的重力波事件。研究團隊也表示，由於現今的超新星爆炸理論無法解釋宇宙中重金屬的形成，而藉由這次研究也發現了在中子星合併的過程會產生比鐵更重的元素，將有助於解釋重金屬的形成。GROWTH 團隊這次偵測到中子星合併所產生的重力波與後續的多波段觀測，除了是首度發現外，更是重力波天文學的一大突破。中央大學，〈首次目睹產生重力波的中子星相撞 天文所參與全球聯測成果登上《Science》〉,2017 年 10 月 17 日。 | science |
周緣性淡水魚類是淡水魚還是海水魚? | 海洋是地球生命的母親，魚類起源於約 5 億 3 千萬年前的寒武紀，鹹水 (saltwater) 是所有魚類原始生存的環境，直到地震和火山活動等地質事件創造了孤立魚群的條件。這些被孤立的魚群不是適應新的棲息地，包括淡水和食物來源，就是死亡。演化適應，包括時間和天擇有助於創造新的淡水魚 (新物種)。淡水魚類 (freshwater fishes), 可以狹義的定義為無法存活於鹹水的魚類；或者廣義的解釋為存活於淡水的魚類，這就包括有些洄游魚類因為牠們生活史的某個時期會出現在淡水。2017 年 7 月 19 日林務局在臺北舉辦「2017 臺灣淡水魚類紅皮書名錄論壇」, 論壇中計畫主持人說明：因為淡水魚類的生活史十分多樣化，本論壇以鹽度耐受性程度定義淡水魚，將淡水魚分成三種，分別是：(1) 初級淡水魚 (primary freshwater fish): 指終其一生都僅棲息在淡水環境的種類；(2) 次級淡水魚 (secondary freshwater fish): 幾乎只生活在淡水水域，但可耐受或偶爾可進入鹹淡水或海水中活動或棲息；(3) 周緣性淡水魚 (peripheral freshwater fish): 主要在海水或半淡鹹水環境中棲息，但其生活史可能會游進淡水域中生存，或是進入鹹淡水域中活動，這包含絕大部分的溯河性魚類、降海性魚類及偶見於河川的汽水域魚類。那麼周緣性淡水魚類到底是淡水魚還是鹹水魚？筆者參考臺灣坊間或圖書館中臺灣淡水魚研究者的著書、圖鑑或文章，多不約而同的將周緣性淡水魚類定義為:「指能棲息在海水或半淡鹹水域，但在其生活史中會游進淡水域生活，或是進入半淡鹹水域中活動的魚類。」有些作者還會附上例子，包括溯河性魚類 (如鮭魚)、降海性魚類 (如鰕虎、日本禿頭鯊、日本鰻等) 及一些偶爾溯入河川生活的海水魚 (如鯔、牛尾魚、鑽嘴魚、鰺、蛇鰻等)。周緣性淡水魚類應該是臺灣淡水魚研究者翻譯 peripheral freshwater fishes 所產生的專有名詞，而此專有名詞應源於達靈頓 (Philip Jackson Darlington) 所發表的文獻定義。其實，最早提出將淡水魚劃分為初級部門 (primary division)、次級部門 (secondary division) 似乎是美國魚類學家梅耶 (George Sprague Myers)。不過，根據更古早的文獻，美國魚類學家尼可斯 (John Treadwell Nichols) 才是首位定義周緣部門 (peripheral division) 的研究者。梅耶在其「淡水魚的耐鹽性與動物地理學問題 (Salt-tolerance of fresh-water fish groups in relation to zoogeographical problems)」一文中，依照淡水魚的鹽度耐受性與能否穿過海洋屏障擴散的能力差異，將淡水魚分成 6 個部門：(1) 初級性 (primary)—— 完全不耐鹽度；(2) 次級性 (secondary)—— 嚴格局限於淡水，但至少短期間相對耐鹽度；(3) 代理性 (vicarious)—— 被陸封的海水魚；(4) 補足性 (complementary)——, 只有在初級、次級缺乏或不存在的情況下在淡水中具領導地位；(5) 海淡水洄游 (diadromous)—— 在生命週期 (life cycle) 中，在淡水或鹹水有規律地遷徙的魚類；(6) 偶爾性 (sporadic)—— 可在海水或淡水生活和繁殖的魚類，偶爾進入淡水，但不是真正的洄游。由於有些魚類在若干情況符合數個梅耶所劃分的部門，加上太過複雜，後來的學者達靈頓，由生物地理學的觀點把梅耶分法的 3~6, 共 4 個部門合併為周緣性部門，但兩人都強調周緣性部門的淡水魚起源自海洋。魚類學家尼可斯也說周緣性淡水魚與鹹水魚很親近，因此，儘管周緣性淡水魚定義很模糊卻還是廣被使用。後來的英文魚類書籍和回顧文章更點明：周緣部門魚類家族來自海洋祖先，這些海洋祖先使用海洋作為擴散路線。而有些英文魚類書籍，例如由博尼 (Quentin Bone) 和摩爾 (Richard H. Moore) 在《魚類生物學》(Biology of fishes) 第三版中，將其淡水魚類一節中，說明初級淡水魚和次級淡水魚之後，就直接介紹海淡水洄游魚類：包括 (1) 降海洄游 (catadromous) 淡水魚；(2) 溯河洄游 (anadromous) 淡水魚及 (3) 兩側洄游 (amphidromous) 淡水魚。世界自然保護聯盟淡水魚專家網站 (IUCN Freshwater Fish Specialist Group) 更已不再使用 peripheral freshwater fishes 一詞。這些作者們將周緣性淡水魚歸類為海水魚，此專有名詞似乎已成死語。日本學者則依照淡水魚的生態將淡水魚分成三大類：純淡水魚、海淡水洄游魚及周緣性洄遊魚。並把 primary freshwater fish 譯為第一次性 (或一次) 的淡水魚：指全生活週期都在淡水域的純淡水魚類，海水中無法生存。而 secondary freshwater fish 則譯為第二次性 (或二次) 的淡水魚：通常生活週期都在淡水水域，但耐鹽性比第一次性淡水魚類高，可生存於海水，甚至能游過短距離海域，例如目高魚和吳郭魚可橫渡狹窄的海峽。他們再將第一次性淡水魚與第二次性的淡水魚加上陸封型淡水魚歸類為純淡水魚。陸封型淡水魚泛指原本是海淡水洄游魚類後來被陸封於淡水域，完成其生活週期，例如臺灣鮭魚。而第二大類是海淡水洄游魚類，泛指生活史的一部分在淡水或海水水域移動的魚類，包括降河洄遊魚、遡河洄遊魚及兩側洄遊魚。降河洄遊魚 —— 泛指下海去產卵的魚類，例如日本鰻；遡河洄遊魚 —— 溯河產卵的的魚類，例如鮭魚；而遡河洄遊魚又可分成 3 型：I 型為成熟魚溯河產卵，孵化後的幼魚直接下海；II 型為成熟魚溯河產卵，孵化後的幼魚在淡水域生活一段時日後才下海；III 型為未成熟魚溯河、成熟產卵，孵化後的幼魚在淡水域生活一段時日後才下海。兩側洄遊魚則泛指幼魚期在海河之間往返的魚類，其移動是為了成長而和產卵行為無關，這個特徵是和降河洄游與溯河洄游魚類為了產卵而遷徙移動最大的差別。後來的學者更將兩側洄游魚細分為淡水型兩側洄游和海水型兩側洄游；例如香魚 (淡水型兩側洄游)、鱸魚 (海水型兩側洄游)。無獨有偶，日本學者也將第三大類 peripheral freshwater fishes 譯為周緣性淡水魚：意指本來是海水魚，所以對鹽度耐受性極高，生活週期的某一時期進入半鹹水或淡水水域的魚類。後藤晃更把周緣性淡水魚大分為海淡水洄游魚類與周緣性洄游魚類；周緣性洄游魚類再細分為半鹹水性和偶來性淡水魚，半鹹水性和偶來性淡水魚兩者皆可以短暫離開半鹹水或海水進入淡水水域，但仍需在非淡水水域完成生活史。此外，日本學者都將周緣性淡水魚定調為緣自海洋的海水魚。總的來說，日本學者和歐美學者似乎不謀而合盡量少用周緣性淡水魚以免造成混淆與困擾。淡水，泛指鹽分濃度低於千分之 0.5 的環境；鹽分濃度高於千分之 0.5 的水通稱鹹水。2015 年，方力行劃出一張根據魚類的鹽度耐受性，簡單明白區分淡水魚為初級淡水魚、次級淡水魚及周緣性淡水魚。若是根據一般狹義淡水魚的定義，系指能生活在鹽度為千分之 0.5 以下的淡水中的魚類就稱為淡水魚。由於周緣性淡水魚不能存活在鹽分濃度低於千分之 0.5 的水域環境，所以周緣性淡水魚應該算是海水魚。筆者早在 2007 年《臺灣鮭魚還能夠洄游嗎？》一文中主張，廣義的淡水魚泛指「生活史 (life history) 或生命週期的某個時期曾出現在淡水水域，或無法生存於海水的魚類」。淡水魚類，可以狹義的解釋為存活於純淡水的魚類；或者廣義的解釋為存活於淡水的魚類，這就包括一些洄游魚類，因為牠們生活史的某個時期會出現在淡水。世界自然保護聯盟淡水魚專家網站這樣定義淡水魚：淡水魚是終生生活在淡水、或其生活史中的某關鍵時期曾在內陸淡水或鹹淡水河口度過的所有魚類。這個定義包括：所有的初級 (不耐鹽或狹鹽性) 淡水魚，例如鯉魚、脂鯉、慈鯛；所有的次級 (耐鹽或廣鹽性) 淡水魚，例如鮭魚、鰻魚、魟和鋸鰩魚 (軟骨魚類); 河口魚，例如蝦虎和在鹼湖、鹽湖的魚類。但這個定義不包括在紅樹林中產卵的珊瑚礁魚、偶爾從海中進入淡水及棲息於珊瑚礁地下淡水透鏡體 (freshwater lense)〔註一〕。臺灣是否應該與世界同步，捨棄周緣性淡水魚的稱呼，否則容易因詞害義將這些海水魚誤認為是淡水魚。〔 註一〕珊瑚礁型地質結構缺乏保水岩層，地下之淡水猶如一個透鏡體般懸浮在海水層之上的魚類。延伸閱讀 1. Darlington, Philip J., Jr., Zoogeography: the geographical distribution of animals, Wiley & Sons, 1957.2. Bone Quentin and Richard Moore, Biology of fishes, Taylor & Francis, 2008.3. Myers, G. S., Salt-tolerance of fresh-water fish groups in relation to zoogeographical problems, Bijdragen Dierkunde, Vol. 28: 315-322, 1949.4. Nichols JT., Fishes of the White Nile, Amer Mus Novit, Vol. 319: 1–7, 1928.5. Berra, Tim M., Freshwater fish distribution, Academic Press, 2001.6. Closs, Gerard P., Martin Krkosek, and Julian D. Olden, Conservation of freshwater fishes, Cambridge University Press, 2016.7. Lévêque C. et al., Global diversity of fish (Pisces) in freshwater, Hydrobiologia, Vol: 198 (595): 545–567, 2007.8. McDowall, R. M., Some Essentials of Freshwater Fish Biogeography, Fish Life Histories, and the Place of Diadromy, New Zealand Freshwater Fishes, 2010.9. 方力行，〈我的水中夥伴：生物學家談臺灣溪流魚類和環境故事〉, 八旗文化，2015 年。10. 郭金泉、黃永森、周以正，〈臺灣鮭魚還能夠洄游嗎？〉,《科學月刊》,2007 年 9 月號。11. 陳義雄、方力行，〈溪流河川：臺灣淡水魚的來龍去脈臺灣的淡水魚類〉, 科技大觀園，2002 年。12. 水野信彥、後藤晃 (編),〈日本の淡水魚類 - その分布、變異、種分化をめぐつて〉, 東海大學出版社，1987 年。13. 長田芳和、細谷和海 (編),〈日本の希少淡水魚の現狀と系統保存 - よみがえれ日本產淡水魚〉, 綠書房，1997 年。14. 後藤晃、塚本勝巳、前川光司 (編),〈川海間洄游的淡水魚 — 生活史的進化 (川と海を回遊する淡水魚 - 生活史と進化)〉。東海大學出版社，1994 年。15. 陳義雄、曾晴賢、邵廣昭，〈臺灣淡水魚類紅皮書〉, 行政院農業委員會林務局，2012 年。16. 楊正雄等人，〈臺灣淡水魚類紅皮書名錄〉, 行政院農業委員會特有生物研究保育中心，2017 年。17. 曾晴賢，〈臺灣魚類的生態特色 —— 跨世紀台灣環境生態教育論文選集〉, 農委會，1999 年。 | science |
新儒林外史:產學媒合作篇 | 某日，子張陪同工部李尚書來見夫子，夫子頗感意外，問道：李尚書光臨敝學院真是稀客，我儒家學院一向講的是做人的道理，貴部同仁大多不屑，認為讀書人沒有技術真本事，只好耍嘴皮子，講些空泛不用負責的玄學。你們打交道的對象都是那些科技學院，今日有何貴事，欲來敝院商量？李尚書長嘆一聲：我要不是走頭無路，也真不會來找您老人家。想我們工部為了配合朝廷以科技報國的指示，這些年推動了幾個國家型大計畫，您也是知道的。當初那些科技大老自己規劃，自己分錢，自己執行還拍胸脯保證十年內讓我們魯國的經濟煥然一新，增加多少賺錢行業，哪知十多年過去了，鈔票都成了打水漂。現在那些御史大人，個個都是磨刀霍霍，準備好好修理我們工部，我發慌了去問那些科技大老，他們居然兩手一攤，怪我主管的這些企業不識貨、程度太差，無法消化他們研究出來的創新好料，我們真是啞巴吃黃蓮，有苦說不出。所以，我們部內沈侍郎建議我來拜訪您老人家，他說您總是能化腐朽為神奇，白的能說成黑的，說不定可以救我一命？夫子嘆氣：怎麼到今日你還不醒悟，我們學術大老，不論哪一領域基本原則就是搶錢爭名、個個高明；真要落實交卷則厚顏推託，毫不臉紅，至於自我反省承認錯誤，那更是千古奇聞。只是談到技術，我實在不熟悉，但是我有位弟子名叫子貢，是位企業天才，今天剛好在學院的 CMBA 專班上課，他一定能為你分憂。子張，你去傳子貢來我這兒。子張匆匆將子貢帶來內室，子貢了解狀況後稍加思索，即對李尚書說：尚書，你來我們儒家學院，真是找對了地方，我們最擅長是做無米之炊，化不可能為可能。你要知道，這些科技大老比我們儒家弟子還無恥。我們儒家裡外皆虛，人人皆知，我們自己也心知肚明，不敢多要錢只申請一些補助款，辦 CMBA、儒學產學碩士專班，就好混日子。那些科技大老，明知做不出什麼好東西卻心狠手辣撈進大筆經費好不威風痛快，過了幾年做不出成績，就推說時間太匆促，於是計畫由一期變成二期、三期。硬是拖不下去，沒辦法的，寫一份報告，結案了事。當年給錢的部門，也不敢伸張，否則自己也有責任。甚至有辦法的，還能改頭換面，另闢戰場又是一條好漢。你現處此窘境，既不能認錯又不知如何結案，我們儒家學院或能解你燃眉之急。我們儒學專講「仁」,「仁」之本義就是二人之間的糾紛。你要把目前的大難題包裝成小事一椿，就說這是業界與學界溝通上有些障礙，就像那青年男女，明明彼此需要但就是老鬧彆扭，成不了家。所以，二人之間就需要一位媒婆，儒家雖不擅長技術，但最懂得做產學間的媒婆，你就在工部提撥一筆錢，指定我們學院來主辦產學媒合專案，宣稱可以使雙方歡喜合作產生技術結晶。如此貴部和科技大老的面子也都保住了。李尚書聽了大為興奮：子貢，難怪老夫子如此器重你，你才是產學雙棲的典範。但是當年那些大老做研究時，為何就不能與業界早一點溝通合作？子貢：我們魯國沒有誰是產學雙棲的典範，但是產學雙欺的典範倒是不少。這些大老哪會不知道企業的真正需求，也不是不曉得去溝通談合作，只是明知自己肚子裡的貨色賣不出好價值，真要提升品質要花多少氣力？現成可從政府拿到錢，吃香喝辣，誰還願意花腦筋冒風險？李尚書，你也別以為我們真的能幫你撮合什麼好事業，我們只是幫你救急，渡過難關，做出一些假象，就像媒婆，安排相親、約會弄一番熱鬧形象。其實男女雙方條件太差，大家心裡有數，神仙也弄不成什麼佳偶。反正最近魯英公各方政績都差，不久可能就下台，到時候新人新政，誰還理會這幾個舊計畫，你們不是就過關了？李尚書嘆氣道：也只能走一步算一步，今後我寧可聽你們儒家的招術，也強過撒錢在那些科技大老身上了，尤其聽說現在學部對產學合作也很積極，到處說我們工部壞話，說我們工部績效不彰，再不趕快放些新消息，死馬當活馬醫，這些科技大老死不了，我這尚書地位是先不保了。 | science |
與會分享:永續科學國際研討會 | 中央研究院於 2017 年 10 月 22 日，舉辦永續科學國際研討會，邀請四位國際上重量級講者，討論能源轉型和空氣污染的問題。四位講者分別為曾任美國能源部副部長的 Arun Majumdar 教授、曾任日本東京大學校長的小宮山宏 (Hiroshi Komiyama) 教授、美國加州大學聖地牙哥分校大氣科學中心主任 Veerabhadran Ramanathan 教授，及美國哈佛大學健康與全球環境中心主任 John D. Spengler 教授。為期一天的研討會，學術界除了中研院廖俊智院長、李遠哲前院長等人參與主持，政府方面蔡英文總統親臨開幕致辭，陳建仁副總統於閉幕致辭，並有經濟部、環保署首長等人參與公開論談，足見臺灣對於這場研討會的重視。雖然筆者與會心得無法涵蓋會議所有內容，也不是這個議題的專家，希望藉由本文分享給關注此重要議題卻無機會參與會議的讀者。能源轉型的迫切需求，與全球氣候變遷與暖化習習相關，也與空氣污染的問題有關。目前全球產生能源的方式，仍以火力發電為最大宗，如圖一所示，火力發電包括燃油、燃煤與燃氣等。根據 2014 年的統計，全球火力發電方式所佔的比例高達 91%。2016 年臺灣火力發電的比例，約為 77%, 其它方式包括再生能源，則約佔 9% 左右。火力發電所產生的碳排放量不容小覷，也是全球暖化很重要的因素。全球暖化的後果除了使大量的冰融化，造成海平面上升，可能導致許多土地被海水淹沒，近期人類較明顯感受的是極端氣候所造成的天災。另一方面，燃燒所排放的微小粒子，也會對造成空氣污染。最近大家開始關心的氣象指數，可能多了 PM10 或 PM2.5, 指的是空氣中懸浮粒子小於 10 微米或 2.5 微米的濃度。長期吸入過多懸浮粒子對於人類身體健康有危害。而使用「煤」、「石油」、「天然氣」做為燃料產生能源，其實有相對乾淨與否的差別。許多問題的思考與策略討論，可以從了解問題，甚至問問題開始。Majumdar 教授在專題演講中，提出三個問題有關能源的巨大挑戰：一、如何兼顧減碳目標與經濟成長？二、如何提供每個人經濟可負擔的能源？三、如何更有效率的運用能源並使其穩定運作不受氣候等因素威脅？其進一步指出，我們正處於能源轉型的階段，而關鍵推手在於 3 個 「D」:Decarbonization (減碳)、Digitization (數位化)、Diversification (多樣化)。由於火力發電與氣候變遷的相關性，全球有很強的動機致力於減碳，減少火力發電的排碳量與溫室效應氣體，因而將能源產生方式轉型。顧及經濟成本的減碳方式，可從幾個大方向著手。首先，火力發電短期內仍然會是產生能源的主力，但是燃燒天然氣比燃燒煤，所產生的碳排放量較少，如何降低成本開採天然氣資源因此為主要方向。其次，Majumdar 教授提到，應積極將再生能源整合到發電電網，並降低核能發電的成本，以達成低碳目標。發電系統有「基載發電」與「尖載發電」。由於電力需求隨著單日不同時間與單年不同季節起伏，基載發電特性是啟動與停止發電耗時，但運轉成本低，因此全天候持續運轉以提供全年最低需求，通常由核能與燃煤火力發電做為基載發電。而尖載發電必須能快速起動與停止，譬如水力發電可配合尖峰用電突增而調配。介於基載與尖載的「中載發電」, 臺灣目前是由燃氣火力發電擔任。臺灣未來目標為非核家園，若還要加上低碳努力，勢必要積極改變目前「基載發電」的主要來源 —— 核能與燃煤火力發電，譬如以燃氣火力發電取代。臺灣政府最近積極推動的風力發電與太陽能發電等再生能源，屬尖載發電，且受氣候因素影響。這也是為什麼如何將這類會受氣候因素影響的新興發電方式加入發電網，仍持續提供穩定電力是很重要的課題。甚至如何設計與規劃，將一般民眾自行安裝的太陽能板加入電網，也是發展的目標。再者，關於「多樣化」與減碳關聯性，是指燃料方面有更多低碳的選擇。運輸業如飛機、車輛所需燃料，可選用低碳或無碳的來源。譬如「氫氣」做為驅動車子的燃料，所產生的水是乾淨的。其他較佳的替代燃料有甲烷 (CH4) 與甲醇 (CH3OH) 等，譬如生物質能與甲烷相關，可從植物萃取燃料，當作運輸工具的能源。最後，所謂開源節流，減少能源的浪費與碳的排放是同等重要。「數位化」可精進自動化製造，降低能源需求並減少成本。另外，鋼鐵、混凝土、石化等產品，製造過程需要燃料維持高溫，生活應用中是否能有其他材料能取代。會中最讓筆者驚訝的訊息，浪費食物 (food wastage) 也是造成碳排放的主要因素，浪費食物包括損失 (loss) 與浪費 (waste) 兩類。「損失」包含製造食物的過程，因氣候因素造成的農損，也包括不良的供應鏈及運送保存技術不佳等因素，在運到市場前所造成的損失。而「浪費」指的是已經到市場或是人們手上，因為食物過期或吃不完，所造成的浪費。根據聯合國糧食及農業組織統計 (Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO), 生產最終沒有被吃掉的食物佔食物總生產量 80% 左右。其所造成的二氧化碳排放量，僅次於全球兩大碳排放國：美國與中國，而排名第三。生產過程中，肉食比蔬食製造出更多碳排放。雖然「吃素救地球」、「惜福不浪費食物」其來有自，每個人多多少少可改變習慣，盡些微薄之力，但改善食物生產的方式、物流與供需效率，可能才是降低總排放量的關鍵因素。(畢竟，要求人人吃素是很困難的。) 小宮教授提出了他對日本 2050 年時的想像：白金社會 (Platinum Society)。他進一步提出想像，如果物質不虞匱乏，人類擁有各式物品、資訊、行動力與長壽，還會想要什麼？答案應該是「生活品質」。他提出的白金社會，指的是擁有生活品質的富裕社會。當永續科學發展成熟，能更有效率的節能過生活，不需要積極採煤提供能源，生活所需的物質可以再利用而不需積極採礦時，開採原物料將不會是經濟成長的主因，而新的商業模式會出現，並圍繞著白金社會的需求。資源方面是節能與再生能源的需求，而資源回收再利用就是重要一環。生態方面的需求是解決污染問題，如何面對全球化環境與增加生物多樣性。人類在工作之外將會有更多時間選擇文化、藝術、運動，並需要終生學習，能夠健康活到老的需求。創新技術是達成白金社會目標的關鍵，並提供人們新的就業機會。開發中國家，人們發展經濟為基本生活。若能發展為資源永續成熟的國家，人們會改為為提升生活品質而發展經濟。在這樣的情況下，工業會轉型，人類的工作形態也會改變，且必需終生學習。簡單說，永續發展會使人類生活品質提升，也會有更多產業為提升品質而產生。譬如老人只要能思考，如何有輔具幫助行動、生活自理，仍維持心靈上的富足，不需要有另一人的照顧。Ramanathan 教授的演講提到，霧霾造成能見度不佳，主要的粒子成分包括硫化物、有機物、黑碳和灰塵等。其進一步指出，全球氣候變遷 (暖化) 的污染源，與空氣污染的源頭相同，主要來自燃燒石化燃料與生物。發展再生能源與節能裝置，因此也能改善空氣污染。目前他協助解決印度空氣污染問題，從五個大方向著手。一、交通工具儘量使用低硫的燃料，並多使用鐵路與水路運輸。二、住家方面，增加節能裝置，並改善烹煮方式減少空污源。三、發展食物適量生產的模式，並將過剩的食物轉為能源。四、需規範工業界排氣需過濾，使氣體對環境友善。建議法規限制使業界加入碳交易。五、灰塵的污染，靠吸塵器道路清潔。其在最後總結提到，石化能源已過時，也要很認真的把所產生的污染源視為傷害健康的毒物。解決能源與全球暖化問題，其實也能同時解決空氣污染。而空污對人類健康的危害是最大的動機可以說服大眾一同努力。他希望，即使是全球最貧窮的 3 億人，也應擁有乾淨能源。除了科學家、政治人物等致力推動，他認為宗教領袖的支持非常重要，可引領信眾一同加入解決問題的行列。筆者想到最近臺灣的議題:「是否能減少燒香以降低空氣污染？這也確實與宗教領袖意見有關。臺灣其實已經有不少廟宇與佛寺，加入不焚香的行動，以臥香或其他方式取代。Spengler 教授提到，永續科學首先需考慮三個因素：材料 (製造資本)、人類資本 (需求) 與自然資本 (生態系)。若要不破壞生態、不耗盡地球材料、同時滿足人類需求，則有賴於社會及知識。所謂社會就是如何在不同機構間整合，為永續做努力。而知識指的是創新的能力，也就是前面所提，發展再生能源與節能裝置，都需要知識創新。最後，他的演說著重在如何建立起各界的合作，為氣候變遷做努力。許多私人公司其實認同這個理念，擁有企業責任一同為永續而努力。總結永續科學國際研討會的主題：能源轉型與空氣污染。發展再生能源，並使用節能裝置有效利用能源，除了對抗全球暖化，也同時能解決空氣污染。這不單單依賴科技的創新，也需要各界的支持，除了科學家與政治人物，宗教領袖與企業界的支持同等重要。當永續成真，人類的生活形態與工業形態將轉型，將會圍繞著如何提升人類生活的品質來發展經濟。延伸閱讀 1. 周鑑恆，〈臺灣的海浪發電仍大有可為〉; 龍世俊，〈房間裏的大象：PM2.5 之社區污染源〉,《科技報導》2017 年 8 月號。2. 倪簡白，〈全球清潔能源的持續成長〉,《科技報導》2017 年 7 月號。3. 商文義，〈臺灣離岸風能發電與環境之評估〉; 蔡振明，〈推動「能源教育」趣味談〉,《科技報導》2017 年 6 月號。4. 黃得瑞，〈臺灣發展綠能產業的策略〉,《科技報導》,2017 年 5 月號。 | science |
2017年諾貝爾生理學或醫學獎 | 今年諾貝爾生理學或醫學獎頒給美國緬因大學霍爾 (Jeffrey C. Hall)、布蘭迪斯大學羅斯巴希 (Michael Rosbash) 及洛克菲勒大學楊恩 (Michael Young) 博士，肯定三位學者「發現控制生理時鐘的分子機制」。長久以來，雖已知生物體內擁有生理時鐘，協助生物期待晝夜循環，調適最佳生理及行為狀況以適應每天作息。但生理時鐘相當抽象，實際上如何運作，並不了解。三位學者以果蠅為材料，首先發現了控制生理時鐘的基因，此基因表達的蛋白質，夜間在細胞核內累積而白天被分解。進而發現和此機制相關的蛋白質，清楚勾勒出調控生理時鐘的分子機制。這些成果解釋了植物、動物及人類如何適應其生物韻律和地球運轉同步。了解生理時鐘作用機制，有助治療氣喘，失眠，心臟病及憂鬱症患者。生理時鐘能調控體內生理狀況，例如行為、荷爾蒙濃度、睡眠、體溫及新陳代謝重要功能。當外在環境和內在生理時鐘不協調時，也將影響日常生活或較易罹患某些疾病。18 世紀法國天文學家德馬蘭 (Jean Jacques d Ortous de Mairan) 發現含羞草，白天當葉子及花辮面對陽光時打開，黃昏時合起來。他想，若把植物長期放在黑暗處，會如何？結果發現不論是否有陽光葉子仍持續正常開合，結論植物體內似乎擁有自己的生理時鐘，但當時沒人相信。生物學家林奈 (Carl Linnaeus) 也發現不同種開花植物會在不同時間開花。1910 年，瑞士弗雷 (August Forel) 醫師觀察到蜜蜂似乎對時間有記憶。許多研究人員也發現，不只是植物，動物及人類也擁有生理時鐘以利調節體內生理狀況，應付每天的起伏，但如何運作，仍是一謎。科學家如何揭開此謎底呢？第一，1971 年，本澤 (Seymour Benzer) 博士和他學生卡諾普卡 (Ronald Kanopka) 問是否可能從突變果蠅細胞中找到控制生理時鐘的基因。他們首先發現未知基因的突變，能破壞果蠅生理時鐘，稱此基因為 period。但此基因如何影響生理時鐘呢？1984 年，三位學者仍以果蠅為材料，分離出 period 基因。霍爾及羅斯巴希接著發現此基因表現的蛋白 PER, 此蛋白質夜間累積在細胞核而在白天被分解。這蛋白貿濃度增減，以 24 小時為一循環，和生理時鐘同步。第二、PER 蛋白貿濃度隨晝夜增減現象如何產生？假設 PER 蛋白質會阻止 period 基因，霍爾及羅斯巴希便推測 PER 蛋白質能阻止 period 基因的合成，是透過負回饋作用，循環以調控 PER 蛋白的濃度。例如，當 period 基因被活化時，合成的訊息 RNA 將被運送到細胞質並製造成 PER 蛋白質。然後，PER 蛋白質再從細胞質進到細胞核內累積，進而抑制 period 基因表達。第三、此調控模式相當吸引人，但 PER 蛋白質如何進入細胞核呢？1994 年，楊恩發現第二個生理時鐘基因 timeless, 轉譯出 TIM 蛋白，乃正常生理時鐘所必須。利用實驗，他證明一旦 TIM 和 PER 結合，將一起進入細胞核並阻止 period 基因的表達。這樣的回饋調控機制也解釋細胞內蛋白質濃度波動情形。不過科學家又提出疑問，是如何控制波動的頻律呢？楊恩又發現一基因稱「doubletime」, 能轉譯出 DBT 蛋白，此蛋白能延後 PEP 蛋白質的累積，將波動能調整到接近 24 小時。生理時鐘和調控複雜的生理功能有關，生理時鐘使生物維持最理想生理狀態以適應每天不相同時期的需要，協助生物求生存，在演化上佔重要角色。三位學者從不斷提出的簡單問題中，不急不徐地逐步鋪陳，利用抽象思考抽絲剝繭，終於揭開生理時鐘的分子機制，建立生物研究領域新平台，也提供治療疾病的新展望。 | science |
共享經濟的商業模式與法規挑戰 | 「共享經濟」近年成為熱門名詞，狹義而言，它指的是藉由媒合個人所擁有的閒置資源與其他個人的需求，以提高原本閒置資產生產力的經濟模式。一家以「共享經濟」模式為主的公司，則是能夠媒合具有閒置資源與對該資產有需求的買家與賣家交易的公司。依據此定義，拍賣平台 eBay 就是一家以共享經濟模式為主的公司，它提供平台讓買家和賣家得以互相交換價金與貨品。而近年來，最有名的共享經濟企業，莫過於 Airbnb 和 Uber。與早先的 eBay 平台不同的是，eBay 是媒合商品之間的交易，而 Airbnb 和 Uber 則是媒合服務之間的交易。但隨著共享經濟的商業模式受到歡迎，它的定義也逐漸擴大，例如，最近爭議頗多的 oBike, 雖然它所投放的單車，並非原本閒置不用的資源，其商業模式乃是一項物品的分時利用，與傳統的租賃無異。但廣義來說，租賃型態的利用，讓許多人可以對同一樣物品有使用權利，提高對資產的利用效率。若要定義租賃為共享，似乎也並無不可。因此，「共享經濟」如同一頂大帽子，內裡可能包含各式各樣不同的商業模式，除了為它們找到一個共通的定義，更重要的，是因應各種不同的商業模式，平衡消費者保護、勞動權益、產業公平競爭、公共管制等不同面向的法規挑戰。各種共享經濟模式，固然都有其相對應的法規難題。但其中以狹義的共享經濟模式，充分發揮數位平台的功能、將閒置資源媒合達到前所未見的效率與優化程度，以至於其營運規模、營利模式均超乎從前人們對媒合營運模式的想像，從勞僱關係、企業管理，消費保護等各面向，都顛覆了傳統以中心制為主的傳統行業法制。筆者將狹義的共享經濟，定名為「數位共享經濟」, 以下並將以兩個共享經濟的代表：Uber 和 Airbnb, 說明狹義共享經濟的商業模式特性，並進一步以 Uber 為例，說明去中心化的數位平台，乃是共享經濟營利模式的核心，而也因此衍生許多數位法律的新興議題、與傳統行業管制思維格格不入。根據商業情報公司的統計，各式各樣善用網路及行動通訊科技的數位共享經濟型態衍生，創造愈來愈多的經濟產值。2013 年，數位共享經濟模式產值為 150 億美元，傳統的租賃模式產值為 2400 億，但至 2025 年，數位共享經濟的規模可達 3350 億美元，與傳統的租賃模式產值並立。共享經濟之所以迅速崛起，可歸結為兩個因素：閒置資源的特性 (lumpiness) 以及數位科技的進步。首先，是閒置資產的特性。美國知名的科技智財法學者 Benkler 以汽車為例指出，這是一種 lumpy 的物品。因為消費者會購買超出立即所需要的分量，但消費者會購買這樣的物品，是因為這物品可使用周期的總體價值超出了它的價格。並非只有汽車是具有 lumpy 特色的物品，像房子、公寓、辦公室、腳踏車等物品，都具有同樣的特性。消費者一旦購買上述物品之後，都買進了超出他們立即所需要的產能 (capacity)。易言之，這些物品的特性，就是一定有「閒置時間」, 不被消費者立即所能使用的過多產能，閒置一旁。閒置資產的特性，是讓共享經濟發展的因素之一。Benkler 的觀察，也得到 Uber 創建時期的技術長 Oscar Salazar 的呼應:「在很多國家，汽車數量甚至超過人口總數，這是共享經濟的發展基礎。」但閒置資源的特性並非今日才出現，數位共享經濟發展的另一個因素，是數位科技 (digital technology) 的進步。包括大數據的分析技術、低成本的雲端儲存、社交媒體的廣泛使用以及消費者普遍擁有手機等因素的總結。單單是閒置資源的使用，其實早先的租車服務，也是一種讓閒置資源極大化的類型，但加了科技因素的結果是，如今的數位共享經濟業者如 Uber, 自己並不擁有汽車，而是透過數位科技的發達，以低成本快速媒合有閒置汽車資源者與需求汽車搭乘服務者的需求。提供計程車以外的選項。讓使用者可以利用其 App, 鍵入所在位置及所要前往的目的地的資訊，然後 App 就會聯絡距離最近的閒置車輛司機，媒合雙方需求。Airbnb 亦同，它在 2008 年成立，本身並不擁有旅館，而提供消費者旅館飯店以外的選項，讓有住宿需求的使用者，造訪其網站或下載它的 App, 以便瀏覽其他閒置房屋使用者張貼的房屋資料，雙方透過 Airbnb 平台媒合交易。一方面，有需求的使用者可以用低於旅館的價格，住在不同風格的民宿中；另一方面，閒置房屋的使用者，也可以優化閒置房產的效率。數位共享經濟的模式，似乎讓使用數位平台媒合服務的需求者與提供者，與平台達到三贏的結果。但仔細探究，它也因為顛覆了傳統的市場秩序，而造成許多法規的挑戰。共享經濟模式雖然發展快速，但在各國都遇到與在地法規調適的問題。業者慣常的主張是，共享經濟是一種新的經濟模式，政府不應讓陳舊的法規、扼殺了新經濟的生命力與創造力。而基於共享經濟模式的使用者愈來愈多，這樣的論調似乎也愈來愈受重視。但鼓勵共享經濟的發展、與法規調適之間並非兩個極端。再以 Uber 為例，它透過手機 App, 提供整合式高級叫車服務，在全球許多國家掀起風潮，但也引起許多違法爭議，可說走到哪，法律抗戰就到哪。在歐洲，荷蘭因為 Uber 未能保證司機有專業執照而開罰，西班牙因為 Uber 違反私人汽車不能收受載客報酬而開罰，Uber 在其他歐洲主要城市如巴黎、布魯塞爾、柏林，也全數撞到法律門檻。在亞洲情況依舊，泰國 Uber 因為牌照問題業務受挫；在中國重慶與臺灣，Uber 都面臨了主管機關的警告與調查。而在大洋洲的澳洲，則因為雪梨人質事件時藉機向急於離開的乘客抬高車價而備受抨擊。最近一次，則是原本得到倫敦法院判決許可營運的 Uber, 卻被交通部門否決了 Uber 繼續營運的申請。但就如同 Uber 的創辦人在接受《紐約時報》專訪時說:「如果你將自己定位為要求只在某個已經合法的範圍內經營，你會發現你永遠不可能推出服務。腐敗的計程車產業會確保你永遠無法進入市場。」Uber 似乎對挑戰現有法律樂在其中，對主管機關的開罰與計程車業的抵制也相對無感，不但在全球持續擴張，新的融資與商業計畫也源源不斷，前景雖然充滿挑戰，但仍然受到市場高度關注，也引起一片政府應該修改法令以免扼殺新創服務的呼聲。許多人將 Uber 與臺灣的第三方支付相提並論，因為兩者都是網路創新模式與舊有法律衝突的例子。不過，早生的第三方支付比晚出現的 Uber 命運坎坷。從法律門檻來說，要取得運輸服務業許可，與取得金融業許可，雖都是特許行業，但難易度不同，若無第三方支付專法，Uber 比較輕鬆。再來，第三方支付在歐美均早已於法有據，相對保守的是臺灣，和四處烽火的 Uber 相比，第三方支付被國際認同的程度高。尤其，如果 Uber 值得受到鼓勵，臺灣的第三方支付產業更值得大力推動。畢竟從臺灣產業面而言，Uber 是一家外國公司，但有心臺灣經營第三方支付業務者 (或電子票證), 已經有既定的規模。若由 Uber 的案子，批評臺灣政府不鼓勵創新模式，那似乎也言過其實，Uber 收取平台仲介費又需要手機定位付款，由保護乘客的角度出發，納入管理無可厚非，且納入管理和開放經營並不相違。易言之，Uber 只要接受交通部的管理規定申請，仍然有機會合法經營叫車服務，然後為臺灣消費者提供更好的服務。這也是我們需要討論共享經濟與法規調適，讓雙方達到平衡的目標。共享經濟衍生的法規挑戰，可以分為幾個面向：首先，數位共享平台本身的營運，必然會遇到的挑戰就是資訊安全的標準與管理，其次為衍生網路犯罪的防制。再來，是平台媒合閒置的物力與閒置的人力，物力有物品管理規範、人力則有勞動係的規範。首先以物力而言，傳統上，計程車的車輛有較嚴格的管理標準，而一般偶爾作為搭便車使用的車輛，所受的管理密度不像計程車那麼高。但當作為搭便車使用的車輛，透過數位平台媒合大大提昇效率，從「一年幾次」到「一天幾次」、然後也從「免費」到「收取費用」時，這些車輛已無法和一般車輛等同視之。但又因為其保有某程度的「自用」彈性，車輛使用形態介於「營業用」和「自用」之間，目前允許 Uber 合法營運的國家，對 Uber 車輛的管理強度，也就很自然地介於營業用車輛的高強度與自用的低強度之間。人力運用方式的改變，則引發了司機資格的認定及勞僱關係究竟屬於何種形態的爭論。在美國，Uber 司機曾集體提起訴訟，主張以自己的營業行為及營業頻率而言，並非兼職司機、而是長期受僱的勞工。在英國，計程車司機考試以嚴格著稱，計程車司機聯合向政府抗議，為何 Uber 可以避開國家考試、以兼職身份與這些通過嚴格考試的人們一起競爭？第三，則是行業類別的管理。如同前文不斷強調的，共享經濟的獲利核心，乃是強大的數位資訊平台，得以將媒合閒置資源的行為最大程度的優化，換句話說，也就是人們原本「偶一為之的兼差行為」, 得以因為數位平台的功能強化，大幅提高兼差頻率與獲利可能性，而逼近「日日為之的專職行為」的工作樣貌。但不管數位平台是用來媒合搭車需求與開車服務或是媒合買房需求與賣房供應，平台的內涵，乃是資料處理，從主管機關的角度而言，往往是以平台設定的功能為行業管理的標準，如媒合搭車與開車的 Uber, 人們首先想到的應該是以它設定功能最類似的行業 —— 計程車業的管理規則、比照適用。但由業者的角度而言，平台的核心功能就是資訊處理，應屬於資訊服務業。美國加州最早提出一個折衷式的概念 —— 網路運輸業 (Transportation Network Company, TNC), 並就網路運輸業的公司營運方式、司機資格與車輛保險、檢查等規範，均設立了一個較傳統計程車業寬鬆、但較一般私人車輛嚴格的標準。最後，也是最重要的，消費者的權益與消費者的安全保障。Uber 曾經強調，比起傳統的管理方式，公司透過數據資料掌握司機的行踨，科技更能保障消費安全。但從各地此起彼落的犯罪案件來看，科技並非萬用仙丹。尤其，除了一般性的保險與消費規範之外，數位平台掌握了司機與乘客的相關數據，如何確保這些資訊受到妥善保存與合法運用，更是屬於數位平台的特有消保議題。2017 年 8 月，Uber 剛與美國聯邦貿易委員會 (Federal Trade Commission, FTC) 和解，爭議點就在於 Uber 沒有提供足夠的資訊安全措施、導致第三人得以輕易取得乘客的個人資料，妨礙消費者權益。閒置資源的有效運用改變了人們對於資產所有權的傳統概念，人們對「所有權」的概念正逐漸移向「共享」嗎？或許更具體點說，是人們已不再以購買物品為目標，而是因為科技讓人們可以購買那些物品所擔負的「功能」。例如，傳統上的概念是購買汽車，如今人們透過數位共享經濟，所購買的是「移動的服務」。傳統上是購買房屋，如今人們透過數位共享經濟，所購買的是「居住的服務」。這些觀念的改變與新科技的發展，在在為以傳統情境為規範核心的法規帶來挑戰。而為何人們樂於成為共享經濟的一環呢？學術論文分析著共享經濟的經濟與社會效應，提出原因不一而足。商業分析報告則直指，共享經濟吸引人們的最重要因素，還是因為它能有效率的、讓人們以更低的價格取得所需的服務。有趣的是，在普華永道 (PricewaterhouseCoopers, PwC) 所做的調查中，固然有 81% 的受訪者認為「共享」比「獨自擁有」更便宜，然而亦有 78% 的受訪者認為，使用共享經濟模式所提供的服務，有助建立更大更緊密的社群團體，尤其值得注意的是，86% 的受訪者認為使用「共享經濟模式」是一個有趣的經驗。人們可以分享使用 Uber 或是 Airbnb 的經驗，譬如說遇到有趣的司機一起聊天或是有趣的房東介紹當地一些觀光的景點。使用者的社群連結經驗，為消費體驗帶來了一些附加價值，也成為共享經濟的一個特色。隨著數位科技的進化，共享經濟的成長可期，但如何既鼓勵新興經濟模式的發展、同時兼顧消費者保護與產業公平競爭，將是發展共享經濟的重要課題。法律落後於科技發展，並不令人意外，但法律是社會的產物，終究不可能對產業發展無動於衷。19 世紀出現了汽車，當時許多人感嘆馬車即將消失。但今日我們有汽車的便利、而仍能保存著馬車的優雅與詩意。因此，筆者相信，即使在共享經濟發展的過程中，處處顯現科技與法律的矛盾，但歷經衝突與協調的過程，擁抱讓人們生活更美好的科技，乃是不可阻擋的趨勢。如何針對數位共享經濟的特性，提出一套對應的法制措施，讓被顛覆的市場秩序可以重新找到平衡，將遠比單純禁絕數位共享經濟的新模式來得困難、但也是更值得我們去努力的目標。 | science |
中正大學與嘉基合作 發現能抑制膀胱癌細胞的關鍵 | 【本刊訊】近年來，由於新藥的研發越來越困難，且從開發到最後的上市中間需經過重重考驗、時間與金錢。因此，老藥新用 (drug repurposing), 是近年來常見的醫學上常見的方法。最近，由中正大學與嘉義基督教醫院的研究團隊合作，研究發現一種常見的抗組織胺感冒藥能夠有效的抑制膀胱癌腫瘤的生長。這項研究主要是中正大學與嘉基共同合作的一項大型研究計畫，由於嘉義為膀胱癌的好發地區，列全臺人口之冠。因此，為有效找出膀胱癌的致病機轉與藥物開發，研究團隊投入許多的人力進行研究。不過，會發現此感冒藥具有抑制腫瘤的效果其實是一個意外的發現。此感冒藥在市面上販售已有 2、30 年之久，而先前嘉基醫生在對患者進行看診時就觀察到若有服用此感冒藥的肝癌病患，其腫瘤會有顯著的減小甚至是消失。藉由這些臨床數據，研究團隊決定研究此藥物對癌細胞的影響。透過研究團隊 5 年來的研究，發現在膀胱癌中有顯著的抑制效果。首先，研究人員在帶有惡性膀胱腫瘤的小鼠進行投藥試驗，發現服用藥物後的小鼠腫瘤能縮小 50%, 能有效的抑制癌細胞的生長。得到此結果後，研究團隊進一步想找出此藥物能抑制膀胱癌的分子生物機制。研究團隊發現在膀胱癌細胞中有一個 ANGPTL4 基因，是抑制膀胱癌的重要基因，當 ANGPTL4 基因被抑制時，會加速癌細胞生長。而此藥物則能夠使癌細胞中的 ANGPTL4 基因被活化，進而抑制癌細胞的擴散或轉移，以提高病人的存活率。這項研究目前已發表在 Oncogene 期刊中。研究團隊表示，透過先前的數據已知此藥物能改善膀胱癌與肝癌的病患，目前也已積極的申請人體臨床試驗，未來將嘗試讓易復發或已轉移的膀胱癌病患進行此藥物試驗。不過，研究團隊也表示，由於尚未進行完整的人體試驗，患者若未經醫生指示，不可擅自買藥服用。新聞來源：中正大學，〈治療膀胱癌新發現 中正與嘉基聯手揭「抑制腫瘤」生長關鍵〉,2017 年 11 月 22 日。 | science |
神經科學研究展示知覺的反覆特質 | 【本刊訊】我們的意識經驗看似連續，但知覺 (perception) 與注意力 (attention) 本質上具節律性，這使人們對行為的理解產生偌大影響，其中包含我們如何與環境互動並作出決定。由雪梨大學 (University of Sydney) 臨床心理科學院的阿萊 (David Alais) 教授、佛羅倫斯 (University of Florence) 大學神經科學院的波爾 (David Burr) 教授以及比薩大學 (University of Pisa) 轉譯醫學所的莫倫 (Maria Concetta Morrone) 教授共同合作，針對知覺的重複本質提出最新實證，其中包括：(1) 聽知覺資訊會隨時間擺盪，且知覺高峰 (peak perception) 會在雙耳間反覆改變，其對人類定位環境中的事件來說非常重要；(2) 聽覺上的資訊選擇亦會擺盪；(3) 這種擺盪的現象在知覺裡是一種常態，而非視覺獨有。研究團隊以簡單的實驗偵測到微弱聲響並未持續輸出，反之其隨時間作有節律的波動，這種反覆的現象近年已在視知覺的領域中被發掘，然卻是首次在聽知覺領域裡發現類似現象。阿萊表示，實驗結果證實聽知覺也奉行這種被動的循環，並推測所有感知透過反覆、有節律的方式展現其功能。這種聽知覺循環以每秒 6 次的頻率進行著顯示人類可在聽知覺擺盪的 1/6 秒內對資訊作出反應。兩耳間的擺盪亦有其變化，其交替盤踞於波動的高峰，而擺盪的速度之快可謂迅雷不及掩耳，僅能透過實驗中精細的時間軸得知其數據。這看起來似乎很快，但在神經科學的研究裡，大腦的波動可是每秒 100 次上下。然而，一顆會「頻閃 (strobe)」的大腦是如何運作的呢？當人們在細究一個場景時，並非所有資訊都是一樣重要的，某些資訊會得到較多注意並優先處理。大腦這樣的策略有助其專注在特定物件或事件，並限制其認知資源 (cognitive resource), 而非稀釋掉大腦空間裡的資源去處理每一件事情。同樣地，這種擺盪式的注意力將在極短的時間區段裡產生更多相類似的結果，避免一種制式的分配發生。那麼為何大腦要以這種反覆的方式對資訊作取樣？理論上普遍的想法就如研究所示，這反映了看似神經活動快速爆發的注意力。約莫 10 年前，大概不會有人料想到知覺有這種持續頻閃的現象，對此阿萊教授總結道，大腦可說是個非常複雜的機器，需利用科學測試釐清其複雜性，然仍存在太多未知，而本次研究澄清了這種感官知覺 (sensory perception) 宛如閃光燈般擺盪的基礎本質。新聞來源：Hao Tam Ho et al., Auditory Sensitivity and Decision Criteria Oscillate at Different Frequencies Separately for the Two Ears, Current Biology, 2017. | science |
透過磁力協助 藻製機器人將於人體內自在潛游 | 【本刊訊】近 10 年來，各地工程師希望有朝一日能打造如 1996 年科幻電影《神奇旅程》(Fantastic Voyage) 般，既能在身體裡傳送藥物、也可以動動小手術的「醫用機器人」。時至今日，科學家已利用一種可作為食物供給的微植物 (microscopic plant)── 螺旋藻 (spirulina) 穿梭人體並針對其磁場訊號作回應。如此的雜生 (biohybrid) 機器人可望能將藥物攜至體內特定區域、降低副作用，更有甚者其磁性塗層亦能殺死癌細胞。螺旋藻在顯微鏡下看起來像個迷你彈簧，研究員經嘗試後成功以棒狀、管狀、球型或籠子等形式製作機器人，且成品都較細胞來的小。然能源供應極具挑戰，且大部分可行的燃料都對人體有毒，且驅動微型機器人的過程中需在蛋白質與其他分子間竄動，除了要控制其動作外，還得知道如這些分子的所在之處。香港中文大學 (Chinese University of Hong Kong) 材料科學家張蘇立 (So Li Zhang) 因此轉而研究磁性與生物體間的關係。體外產生的磁場可在組織內運行且不造成傷害，並能使體內的磁化物作移動。為求移動性最大化，螺旋體將以扭轉的方式前進，馬克斯普朗克智慧系統研究所 (the Max Planck Institute for Intelligent System) 物理化學家費雪 (Peer Fischer) 曾表示這種自然界產生的結構之方便令人感到驚奇。此外，在數年之後，張與他的團隊開始以藻類本身合成微型機器人，亦研究如何偵測它們。這些藻類會製造閃閃的螢光，利用這股螢光可以追蹤機器人於人體表面運行的進程，輔以醫學影像科技中常見的核磁共振 (nuclear magnetic resonance, NMR), 在成像發生前偵測病人體內被置放的磁性顆粒，以看照其它進入深層的部分。研究團隊近日於《機器人科學》(Science Robots) 發表「一步磁化藻類」的方法，他們將數百萬的螺旋藻浸潤在氧化鐵奈米粒子中，浸潤越久越容易控制、然短時間的浸泡使螢光偵測更為容易；若機器人所在之處過於深層，其塗層亦能為核磁共振偵測，團隊甚至在過程中利用磁場作用，讓這些微型機器人「大舉入侵」實驗鼠的胃裡。加州大學奈米工程師王 (Joseph Wang) 表示，這種可以偵測機器人位置的方法使研究前進了一大步，並在研發多種不同的醫用機器人後發現，藻類機器人具有良好的生物相容性，且造價相當便宜。體內的機器人會在數小時至數日間分解，其分解的快慢視外塗層厚度而定，且不傷及大部分的細胞，除癌細胞外。經研究發現，90% 培養皿中的癌細胞在碰到螺旋藻的 48 小時內便會死亡，其塗層對癌細胞而言具有毒性，也是此次研究的意外發現。然關於醫用機器人仍有很長的路要走，接下來必須探討如何將藥物裝載或附著於機器人之上，且較食用藥物更有效地發送至身體各處。王表示此法目前未能於醫學領域作使用，相信 10 幾年後、大家都能親眼見證微型機器人的「神奇旅程」。新聞來源：Elizabeth Pennisi, This robot made of algae can swim through your body—thanks to magnets, Science, 2017. | science |
成大研究指出生態系改變對人類生活影響深遠 | 【本刊訊】氣候變遷導致生物分布改變，已經全面影響生態系與人類生活。氣候變遷造成生物分布改變，但生物分布改變又帶來什麼影響？成功大學生命科學系助理教授陳一菁與國際團隊，回顧過去二、三十年的研究證實「生物分布改變，不只影響生物本身，還衝擊生態系統、人類糧食安全與健康，甚至造成氣候的反饋效應。但檢視現今國際保育及永續發展策略，尚未充分考慮生物分布改變的深遠影響，仍需全球合力面對與改善。」陳一菁表示，要達成永續發展的目標，需正視「生物分布變遷」對現在及未來造成的影響，這是人類面對全球生態改變必需要做的準備。氣候暖化造成全球生物快速往極區、高海拔或較冷水域移動。陳一菁博士過去研究指出，陸域生物約是以每十年 17 公里的速度往北移動；另有研究估計，海洋生物移動的速度是每十年 72 公里。此研究則進一步證實生物分布改變正在衝擊生態系健康與人類生活。研究團隊呼籲，「生物分布變遷」與多項聯合國永續發展指標息息相關，包括零飢餓、人類健康、潔淨水源、資源明智利用等。就算現在停止溫室氣體排放，人類還是得承受氣候與生物分布變化持續產生的衝擊。新聞來源：成功大學，〈成大陳一菁教授與國際團隊呼籲重視生物分布改變 論文登頂尖期刊 Science〉,2017 年 3 月 31 日。 | science |
德國與義大利研究團隊透過基因治療 成功讓皮膚進行再生 | 【本刊訊】表皮溶解水皰症 (Epidermolysis Bullosa, EB), 在臺灣俗稱此疾病為泡泡龍症，是一種由基因缺失或突變導致的疾病。罹患此疾病的患者皮膚十分脆弱，經稍微摩擦就會破皮、起水泡或流血，嚴重時也會使口腔、食道與腸胃等部位也會有破皮、長出水泡等病徵，使患者進食困難造成營養不良，且造成皮膚變形、肢體逐漸萎縮等，影響其日常生活，更會危及生命。然而，目前尚無能完全根治的治療方法，只能透過每天替患者敷料包紮，降低皮膚沾黏與傷口感染。2015 年，一位名叫哈桑的 7 歲男孩被送到了德國波鴻大學附設醫院 (Katholisches Klinikum Bochum), 由於身體有 60% 的表皮脫落，進而引發敗血症，體重下降至 17 公斤，所有能做的治療都不見療效。因此，主治醫生赫希 (Tobias Hirsch) 與義大利摩德納 - 雷焦・艾米里亞大學 (University of Modena and Reggio Emilia) 的德路卡 (Michele De Luca) 教授合作，選擇一種實驗性的基因治療 (gene therapy)。由於哈桑是因體內缺乏 LAMB3 基因而致病。因此，研究人員取下患者身上一小部分 (約一張郵票大小) 的皮膚，並在實驗室中進行培養。透過反轉錄病毒攜帶正常的 LAMB3 基因，並將此皮膚細胞培養至 50~150 平方公分。 隨後，利用手術將所培養的皮膚重新植回哈桑的手臂、背部和胸部等部位。一個月後，這些移植的皮膚已經開始進行再生，且有 80% 已覆蓋在哈桑身體表皮上。2 年後，哈桑移植後的皮膚已不再出現水泡，並且在 2016 年已出院，現今已能上學、踢足球，過著與一般孩童無異的生活。德路卡表示，雖然此治療方法能讓基因缺失導致蛋白質缺乏的患者得以被治癒，不過卻無法運用在基因突變導致蛋白質功能失調的患者。德路卡進一步表示，未來科學家在面對基因突變這種錯誤時，將需仰賴像 CRISPR 的基因編輯技術來進行相關的基因治療。雖然此案例的成功帶給研究團隊更多的信心，不過，其他的科學家卻也擔心反轉錄病毒隨機的插入基因組，可能會導致癌症的發生。因為在 21 世紀初，有 5 名罹患嚴重複合型免疫缺乏症 (Severe Combined Immunodeficiency, SCID) 的兒童因參與基因治療試驗，最後引發了白血病。即使目前並沒有證據顯示其基因的插入影響或活化其他的癌症基因，不過，能否不再重蹈覆轍先前的案例，未來需要研究人員進行更多、更深入的研究。新聞來源：Kelly Servick, A boy with a rare disease gets new skin, thanks to gene-corrected stem cells, Science, 2017/11/8. | science |
愛丁堡研究團隊發現當氧氣量低時 會促使海洋生物演化 | 【本刊訊】動物需要在有氧的區域才能存活，海中的生物也是如此。而近期，由愛丁堡大學 (University of Edinburgh) 的一項最研究發現，在遠古時期缺乏氧氣的海洋中能幫助海中生物的演化。現今，一般的海域中每公升的海水中約有 5.4~8 毫升的氧氣，不過，也存在著一些特殊的低氧海域，稱作最少含氧區 (Oxygen minimum zone, OMZs)。像是在東太平洋某部分地區的水中含氧量只有正常地區的 1%, 此海域環境中也只有線蟲或是少部分的魚能適應。而根據先前的研究顯示遠古時期的海洋就像現今的最少含氧區，海洋生物可能全都生活在低氧環境中。因此，研究團隊嘗試透過各項數據來觀察含氧量較低的海域是否對海中生物帶來影響。研究人員將化石紀錄、生物的遺傳數據與海中的氧濃度結合，繪製出相關圖，發現其中有三個時期，當海洋中的含氧量從低變高時，會增加物種多樣性。在 6.35~5.41 億年前的埃迪卡拉 (Ediacaran), 此時期的海洋含氧量低；而至 5.41~4.88 億年前的寒武紀 (Cambrian) 時，海洋生物則逐漸演化出擁有某些關鍵性狀，像是心臟、中樞神經系統、產生骨骼或四肢等。研究人員認為含氧量的改變是一大關鍵，更是驅使生物特徵出現、生物多樣性增加，進而出現寒武紀大爆發 (Cambrian Explosion) 的原因。 不只是這次，在寒武紀末期時海洋中的含氧量也降低，長達 300~400 萬年之久後，奧陶紀 (Ordovician) 時期再次增加，同樣也讓奧陶紀時期的生物多樣性突增，形成奧陶紀大輻射 (Ordovician Radiation) 的發生。而另外一次海洋中含氧量降低則回溯至 2.52 億年前的二疊紀 - 三疊紀滅絕事件 (Permian-Triassic extinction event, P-Tr), 不過在大量滅絕後，由化石紀錄則發現陸續出現大量的珊瑚、海綿動物門和與已滅絕的魚龍相似的海豚等海洋新物種。研究人員認為這些物種可能是在含氧量低的海域中就已出現，而等待至海洋含氧量較高時才大量繁衍、穩定族群。研究人員也表示，對於生物而言，低含氧量不會是一件好事，不過，就長遠來看，它可能會促使演化的產生。目前，研究團隊尚不清楚低含氧量如何驅使動物演化，未來則嘗試至現今尚存的低含氧量海域進行研究，期望找出相關成因。新聞來源：Lucas Joel, When oxygen disappeared, early marine animals really started evolving, Science, 2017/11/17. | science |
中研院研究團隊找出造成子宮內膜異位症的疾病機制 | 【本刊訊】子宮內膜異位症，是一種常見的女性婦科疾病，主要是因子宮內膜生長在子宮腔以外的地方，像是附著並生長在子宮肌層則會造成子宮肌腺症；若附著生長在卵巢中則會造成巧克力囊腫。除了這些較常發生異位部位，也有少部分患者子宮內膜會生長在輸卵管、子宮頸或膀胱等，除了導致身體病痛外，更造成不孕的風險增加。有鑑於此，近期，由中研院、臺北榮總與高雄榮總的研究團隊共同研究並發現發炎相關的受體分子 ——DcR3, 是增加子宮內膜細胞具強黏著力的關鍵，進而造成子宮內膜異位的可能。先前的文獻顯示，發生子宮內膜異位的原因在於隨經期剝落的子宮內膜細胞，逆流進入骨盆腔造成一連串的發炎反應。除此之外，這些子宮內膜細胞更會造成骨盆腔沾粘，造成慢性的骨盆腔疼痛，進一步也會破壞子宮周遭的卵巢與輸卵管的功能，造成不孕的現象產生。目前的治療主要為透過服用非類固醇類止痛藥、黃體素、雄性素、性腺激素釋放素抑制劑或手術等方式，不過這些方式會伴隨著許多副作用，像是無經期、水腫或不孕等。 因此，這次研究團隊則發現造成子宮內膜異位的主要因素在於 DcR3 分子。DcR3 可透過核因子 B 細胞 κ 輕鏈增強子 (Nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells, NF-κB) 的活化，大幅增加單核球的黏著力，並增加細胞黏附分子 (Intercellular adhesion molecule 1, ICAM-1) 的表現。而在 DcR3 基因轉殖鼠的實驗中，也發現子宮內膜異位腫瘤有顯著的變大，而 DcR3 也能夠增加小鼠體內的細胞黏附分子及歸巢相關細胞黏附分子 (Homing associated cell adhesion molecule, HCAM), 使子宮內膜細胞的黏著力增加，更加速子宮內膜異位症的惡化。進一步研究更發現，若將 DcR3 基因剔除後，則 ICAM-1 與 HCAM 的表達量會顯著降低，並降低細胞的黏著與移動。此研究團隊中的謝世良特聘研究員也表示，藉由多年來對 DcR3 的研究，終於找到造成子宮內膜異位的機制，在深入了解後，也期望未來有機會透過藥物的開發，能找出治療子宮內膜異位症的方法，或針對子宮內膜異位症進行根本且無副作用的治療。新聞來源：中研院，〈發現關鍵因子 DcR3 可望根本解決子宮內膜異位症〉,2017 年 11 月 9 日。 | science |
功虧一簣 印度月船二號登陸失敗 | 今 (2019) 年 7 月 22 日由印度太空研究組織 (Indian Space Research Organisation, ISRO) 發射印度自主研發的月船二號 (Chandrayaan-2) 月球探測器，經過一個多月的航行後，本應於上 (9) 月 7 日登陸月球，但就在著陸階段、距離月球表面 2.1 公里時，突然與控制中心失去聯繫，登陸任務宣告失敗。 ISRO 曾於 2008 年時成功發射月船一號 (Chandrayaan-1) 探測器至月球軌道，其為印度首顆繞月人造衛星，以月球極地區域為主要探測目標，並推測該區域可能存在固態水。繼月船一號後，ISRO 計畫發射月船二號探測器並軟著陸 (soft landing) 於月球表面，研究月球地形、礦物及大氣層等。 月船二號由軌道器、著陸器和月球車三個部分組成，計畫以軌道器繪製月球表面 3D 地形圖，並預計在地面操作月球車，進行為期 14 個地球日的運作。但卻在最後的緊要關頭與探測器失去聯繫。ISRO 主席希文 (Kailasavadivoo Sivan) 表示，探測器的降落流程正常，目前研判可能是降落速度過快所導致，任務失敗的原因仍需釐清。 本次的任務如果成功，印度可望成為第四個擁有月球軟著陸技術的國家，可惜最終結局與今年 4 月以色列的「創世紀號 (Beresheet)」月球探測器雷同，任務都在登陸前功敗垂成。至於月船二號的軌道器，則仍在月球軌道上運行，持續進行探測及分析。Lisa Grossman, India lost contact with its first lunar lander just before touchdown, Science News, 2019. | science |
抗菌物質的新選擇-生物多胺製成的抗菌材料 | 在人類所處的世界中，到處都有細菌的存在。其中，有些細菌對於人畜會造成很大的傷害，例如金黃色葡萄球菌、沙門氏桿菌等；輕則上吐下瀉、發冷畏寒、呼吸不順或皮膚潰爛，重則危害生命。在 1928 年弗萊明 (Alexander Fleming) 發現青黴素 (Penicillin) 前，醫生在面對細菌感染時能做的治療十分有限，因此患病後的存活率也不高。 自從抗生素陸續被發現後，對抗細菌的侵襲有了全新的醫療方法。抗生素主要是由微生物 (包括細菌、真菌、放線菌屬等) 代謝所產生，具有抑制其他細菌的生理現象，例如細胞壁合成、核酸複製或蛋白轉錄等，以達到抑制或殺死細菌的效果。由於具有效果明顯、副作用低且使用方便等優點，抗生素的使用快速地拓展到全球各地，人類的醫療也開始進入了一個嶄新的「抗生素時代」。在這個時代中，可以有效地控制或治療細菌性疾病，使得存活率以及生活品質大幅度的上升，而禽畜及水產動物也因為疾病控制而得以量產，且品質大幅提升。然而，生命總是出人意料，在人類使用抗生素對付細菌的同時，細菌也開始演化出對抗細菌的方法，包括增加排出進入體內抗生素的主動運輸能力，以及產生分解抗生素的酵素以降低抗生素影響。這些細菌使得殺死或抑制它們生長需要更高的抗生素濃度，甚至沒有效果，因而產生出了抗藥性的細菌。這些抗藥性細菌的出現，對人類目前的生活將產生很大的衝擊，影響包括農牧水產業的生產，以及人類的公共衛生，甚至生命安全。透過最近的新聞，可以知道這些影響已經慢慢地發生中。人類要如何才能克服抗藥性細菌對我們的影響呢？當務之急是減少抗生素的濫用。在應用實務上，並不是一種抗生素就可以對抗所有的細菌。因此，如果使用不正確的抗生素，不但達不到殺滅細菌得效果，反而在環境中對環境細菌刺激，促進其產生抗藥性。因此，對於抗生素的使用必須有所限制，以確保其能在必要的狀況被正確的使用，減少抗生素對環境的衝擊，延緩抗藥性菌的產生。目前，世界各地的農牧或醫療法規，對於抗生素的使用限制越來越嚴格，例如需要醫師或獸醫師處方後才能取得及使用、禁止為了促進動物成長在動物飼料中添加抗生素等措施，即是著眼於此。除科學家研發抗生素替代物以供人類醫療外，畜牧及農業使用，也是目前科技業努力的方向。所謂抗生素替代物，即是運用異於傳統抗生素殺滅細菌的方式來抑制細菌的成長，殺滅細菌以降低人類對於抗生素的依靠。其實在自然界中，除了微生物所產生的抗生素外，也有其他的物質具有抗菌的能力 (包括細菌的病毒 — 噬菌體), 其會寄生於細菌中殺滅細菌、細菌間的群體感應分子可以抑制細菌的生長 / 益生菌來與病原菌競爭生物資源或是動植物 / 中草藥中的抑菌成分等，刺激動物非特異性免疫反應以增加對疾病的抵抗力，以及利用奈米銀等抗菌物質進行抗菌等。然而，目前這些方法有些需要在較高濃度下才能具有抗菌能力，有些則在使用上有許多限制，有些則對於物理化學 (例如較高溫度) 處理十分敏感，有些則對於活體生物毒性較高等等。目前尚未有單一物質可以取代抗生素，因此相關研究仍在持續進行中。本文將介紹目前一個新穎抗菌材質研發成果，用生物性的多胺 (polyamine) 作為材料所製成的抗菌材料。多胺是一種具有兩個或多個主要胺基 (-NH2) 的有機化合物。在動植物及微生細胞中也有許多不同的多胺類分子存在，這些多胺可由細胞自行合成，參與包括調節基因表現、細胞生長、螯合劑及離子通道等多種生理反應。多胺類分子在過去的研究中被證明具有些微的抗菌作用，甚至與抗生素並用時，可以增強抗生素的抑菌效果。然而，透過新穎的加工過程，可加強生物多胺的抗菌效果。在對於不同的細菌，如格蘭氏陰性的大腸桿菌、綠膿桿菌以及格蘭氏陽性的金黃色葡萄球菌與枯草桿菌等，以其最小抑菌濃度 (minimalinhi bitory concentrations, MIC) 單獨使用生物多胺，有些微的抗菌作用，然而透過加工後，抑菌能力提高了 2500 倍 (圖一)。同時，在對具抗藥性的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌 (MRSA) 時，其抗菌能力也與其餘細菌無異。此結果顯示，以生物多胺所製成的抗菌材質對抗細菌的能力，不會受到細菌是否具有抗藥性影響。進一步透過電子顯微鏡觀察，發現在與細菌作用後，細菌會發生破裂崩解的現象，意即生物多胺所製抗菌材質的主要殺菌機制為裂解細菌的外殼。 而不同溫度與酸鹼度下的反應結果則顯示，在 200°C、pH3~10 的環境下並不會影響抗菌效能 (圖二), 這種對於環境具有高耐受性的抗菌特性，有利於材料後續的加工處理，具有很高的應用潛力。為證明此種抗菌材質在生醫與農牧業的應用潛力，研發團隊在不同領域的應用中進行研究。在應用於生物敷料時，團隊添加生物多胺所製成的抗菌材質於實驗動物的傷口上。結果發現，傷口上的細菌數目明顯降低，而傷口癒合的速度較快；就組織學的觀察來看，傷口的癒合程度也比較好。在另一個生物多胺所製成的抗菌材質、抗生素以及奈米銀的比較研究中顯示，健康眼角膜中使用生物多胺所製成的抗菌材質以及抗生素並不會造成發炎或其他不良的組織反應，而奈米銀則會對眼角膜造成刺激性的影響。在實驗動物中，眼角膜感染病原菌後分別用三種物質治療，結果生物多胺所製成的抗菌材質僅需抗生素的 1/10 劑量即可阻止細菌侵襲，而奈米銀則無法滲入組織中治療感染。這些結果顯示應用生物多胺所製成的抗菌材質在控制傷口感染及外用上，可替代抗生素的使用，對於組織接觸沒有刺激或其他不良的反應且效果十分良好。水產品及農牧方面的應用潛力研究，則在不同的動物上進行試驗。在白蝦試驗中，先將生物多胺所製成的抗菌材質添加在蝦飼料中，餵食 7 日後開始以浸泡方法感染病原弧菌，結果發現食用抗菌材料的蝦子可以多出 30~40% 的存活率。在另一個試驗中發現，生物多胺所製成的抗菌材質除了有對抗細菌性病原外，對於蝦子的病毒性病原白點病毒，也有一定程度的抑制能力。而在魚類的試驗中，以石斑魚作為實驗動物的試驗中也顯示，以添加在飼料的方式給予生物多胺所製成的抗菌材質，再以病原性弧菌攻擊，發現實驗組可以增加約 30~40% 的存活率，類似的試驗結果也出現在吳郭魚的病原性鏈球菌攻擊試驗。在肉鴨的試驗中，則是在抗生素停藥期中添加於飲水中作為抗生素的替代物。結果可以在停藥期中增加約 30% 的鴨隻存活率。這些結果都顯示在水產及蓄牧業中使用生物多胺所製成的抗菌材質，將可以有效增加動物的存活力，以減少疾病所帶來的損失。然而，在食物中使用生物多胺所製成的抗菌材質，是否會對生物體本身，或是人體造成不良的影響？首先，抗菌材料所使用的生物多胺，本身即是細胞中的物質，對人畜無害。不過為了進一步證明，研究團隊委託第三方實驗室對於生物多胺所製成的抗菌材質進行急性毒性、慢性毒性以及基因毒等多項生物安全檢查，這些檢驗皆一一通過，證明材料的安全性沒有問題。鑑於生物多胺所製成的抗菌材質有效與安全的特性，為目前所知具有潛力的抗生素替代物質，因此研究團隊開始對於此一新穎材料進行應用上的準備，其中包括量產製程的研發、製造成本的優化以及在不同農漁牧物種間的實際田間試驗，包括重要的經濟魚種吳郭魚、午仔魚、石斑魚、白蝦以及其他禽畜動物，盼能在農漁牧業開始推廣，以實際減少目前在產業中使用抗生素的現況，進一步改善目前食安上所面臨的困境。 展望未來，這項產品除了應用在禽畜產業上，同時將有可能應用於生物醫材、化工塗料、紡織、健康食品、藥物及其他對抗菌有高度需求的使用上。對於解決抗生素抗藥性的問題，提供另一個抗菌物質的新選擇。 〔誌謝〕感謝科技部價創計畫的支持，使得此產品化得以開始進行。延伸閱讀 1. D.H. Kwon and C.D. Lu, Polyamine effects on antibiotic susceptibility in bacteria, Antimicrob Agents Chemother, 2007.2. Y.J. Li et al., 2016. Synthesis of Self-Assembled Spermidine-Carbon Quantum Dots Effecive against Multidrug-Resistant Bacteria, Advance Healthcare Materials, Vol. 5 (19), 2545-2554.3. H.J. Jian et al., Super-Cationic Carbon Quantum Dots Synthesized from Spermidine as an Eye Drop Formulation for Topical Treatment of Bacterial Keratitis, ASC Nano., Vol. 11 (7), 6703-6716, 2017. | science |
產業地圖走一遭-亞太生技展圓滿落幕 | 上 (2019 年 7) 月 25~28 日，生技產業協會 (biotechnology innovation organization, BIO) 與台灣生物產業發展協會共同舉辦的「亞洲生技大展 (Bio Asia-Taiwan)」於南港展覽館盛大展開。今年度展覽以「生物科技帶動下一波亞洲經濟」為題，展出包含醫藥與醫材、精準醫療與基因檢測、細胞及再生治療等技術主題，也設有政府及學研、創新育成與新創等鏈結產、官、學、研的攤位，主題數創歷年新高。 此次與會廠商遍及全球，隨著近年臺灣生技產業蓬勃發展，其潛在商機也讓此次展會吸引美國、加拿大、英國、德國、瑞士、義大利、比利時、荷蘭、波蘭、奧地利、韓國、印度、澳洲、紐西蘭、泰國、香港、新加坡及菲律賓等 18 個國家組團並各自設立國家館，就投資、經濟與文化等事務進行交流。 專門研究與開發創新營養保健品的波蘭 - 日本生物技術公司 Nomi Biotech, 近期最新研發的新產品 alcorythm® 針對飲酒後的健康問題做處理，可防止如宿醉、發炎等狀況。而另一家新創公司 BactoTech 則生產高校生物活性產品，取材自大自然，其細菌製劑也廣泛運用在居家、農業、工業及環境保護的領域。由「活細胞療法」創始者妮漢斯 (Paul Niehans) 創立的瑞士國寶級大廠博妮漢斯 (PAUL NIEHANS), 以實驗室限量生產的獨家配方保養品為主軸；而同為瑞士製造的 INTERFUZI.INC, 則是將尖端技術與阿爾卑斯山植物結合，生產出多樣化的護膚產品，都在此次展覽驚豔全場。 另外，展方也特別設立「新創產業規劃專區」, 展出亮點產品與技術之餘，也讓這些生技心血獲得交流與媒合的機會。本次展覽共有超過 20 家新創廠商進駐，如利用精準檢驗進而提供醫療決策的吉蔚、透過腦部軸突完整性評估來預測失智症患病的上頂醫學影像、開發「全方位站立式防跌裝置」的逸安醫材，以及臺北醫學大學的新創衍生公司醫守等。除了藥物開發、疫苗製劑、學名藥、原料藥及植物藥等醫藥產品展出，此次展覽也有許多醫療器材的研發成果。如科技部轄下 3 個科學園區生技廠商、國家實驗研究院及生技醫藥核心設施平台共同組成的「科技部創新聚落」, 便有致力於高門檻醫療器材技術研發的台灣骨王公司、專注生產醫用護具的愛民衛材等廠商參展。此外，該主題曲亦不乏日常生活中會使用到的相關醫材，如口罩、保潔墊、防水外套等，展出產品相當多元。而近年備受關注的精準醫療、基因檢測、檢驗試劑和晶片等相關技術，也是展覽的亮點，包含冷泉港生物科技針對脊髓性肌肉萎縮症 (Spinal Muscular Atrophy) 研製的「基因分型試劑盒」、上準為流體發表的「罕見單細胞檢測及分離平台」以及金萬林所開發的「追蹤癌症復發基因檢測」等，各項特色產品與技術，都顯示出臺灣生技產業的研發潛力無可限量。在設備方面，亞太生技展亦安排「製藥設備與儀器」區，展出實驗室的儀器、製藥設備、相關零組件耗材、生技食品包裝與整廠設備等物。歷史悠久且經多年轉型的老字號本土企業光大，此次展出全自動膠囊充填機、膠囊與錠劑技術機及鋁箔包裝機等藥品包裝機械。而專注於藥廠滅菌設備逾 40 年的一中工業，則以無菌無塵高溫乾燥滅菌機、全自動洗瓶機與隧道式乾燥滅菌機等機台展現專業的滅菌方法與操作流程。產製設備的主題，除了上述展出實體的幾家廠商外，也有結合貿易基礎與技術知識服務的特色企業，如立方科技。立方提供學研單位在研發時可快速獲取化學試劑，生產階段亦能提供各式矽膠填料與純化設備，不僅讓整個過程資源容易取得，也兼顧時效性。不僅在產品上貢獻卓越，由生物技術所衍生的服務，同樣也是亞洲生技大展執得一逛的主題區，包括臨床及臨床前試驗服務、生產代工、法規顧問以及藥品運輸等內容。 像是台美檢驗科技，便有委託研究機構 (contract research organization, CRO) 協助試驗商品取得認證、上市或出口的服務。而成立 30 餘年的伯昂興業，除了代理國內外生命科學研究設備、儀器與耗材等產品，也透過團隊的技術支援、教育訓練等服務來解決客戶實驗上的問題。另外，亦有像其他比較接近大眾的生技服務，如保康特生技，其將日常健康管理與高科技通訊技術結合，發展可攜式快篩體外檢測系統，盼藉此達成個人化醫療服務的需求。雖說此展區聚集許多醫療相關產業，其他領域的研發與產品亦不遑多讓，像是以香料作物及水生植物見長的格園社會企業、針對山竹果進行成分萃取與純度技術開發的潤鴻等，足見生技產業新星橫跨眾多主題的驚人能量。 而向來與產業界十分緊密的中興大學，也派出國際產學聯盟向民眾展示他們近年與大自然、佳和等生技公司合作的成果。另外，中興大學生物科技學研究所教授曾志正亦與嘉品生技合作，獨家開發縮時熟化、萃取與冷凍乾燥技術，將烏龍茶轉化為具有老茶風味的即溶茶粉，並在現場提供試喝 (圖一)。此次亞太生技展內容豐富且精彩，宛如一幅生物科技的產業地圖。在各單位科研成果、外國廠商進駐、研討會交流與新創團隊展示等重點項目的呈現中精彩落幕。未來，期待生技能與更多在地元素連結與統合，走出屬於臺灣獨特的產業風貌！ | science |
京都大學研究發現閃電中的γ射線可能產生反物質 | 【本刊訊】人們對於閃電來襲前的震懾強光與轟隆作響並不陌生，淡藍色的光束充滿了神秘感，而科學家也發現閃電會導致物質與反物質湮滅 (matter-antimatter annihilation) 的現象。日前，日本京都大學科學家江東輝明 (Teruaki Enoto) 的研究團隊在 Nature 期刊發表最新研究並表示，閃電裡的 γ 射線如何與空氣作用產生放射性同位素 (radioisotopes) 或電子的反物質──正電子 (positrons)。而就目前所知，雷雲與閃電會發射 γ 射線，研究團隊假設其會與大氣中的環境核心因素作反應。日本西部沿海地區在冬季時非常適合觀察強力的閃電與雷雨，因此，研究團隊於 2015 年著手製作一系列的 γ 射線探測器，並將其置於沿海各處，然而實驗中卻遇到資金上的困難。為了繼續其研究並與對此研究主題感興趣的大眾有所接觸，研究團隊轉戰網路、透過《學者網》(Academist) 進行募資，並向群眾解釋團隊的實驗方法以即可帶來的幫助。 受募資計劃成功鼓舞研究團隊，並於後期製作更多探測器並設置於本州北海沿岸。2017 年 2 月時，新潟縣柏崎市 (Kashiwazaki city, Niigata) 幾百公尺外閃電落下後，4 台偵測器記錄到大量的 γ 射線峰值 (spike)。團隊針對數據進行分析，發現有 3 種不同的 γ 射線爆發：第一個持續不到 1 毫秒、第二個為 γ 射線的餘暉 (afterglow) 並在幾十毫秒內衰減，最後一波則在一分鐘內持續排放。江東表示，第一個 γ 射線爆發點來自閃電打下的瞬間，而透過團隊的分析與計算發現第二個爆發點與第三波的持續排放皆為如此。閃電與大氣中的氮氣反應產生了第二波的餘暉，其中閃電所排放的 γ 射線有充足的能量從氮氣中撞擊中子，而大氣中的顆粒對中子重新收進而產生餘暉。最後，中子貧乏且不穩定的氮原子分解，於湮滅事件 (annihilation events) 中放出正電子並與電子碰撞釋放出 γ 射線。研究團隊最初以為反物質僅存在於科幻片的場景裡，誰又會料想到這個事情可以在雷雨交加中被發生？江東非常感謝在《學者網》上資助團隊進行研究的群眾，而團隊成員仍維持日本沿岸設置的逾 10 台探測器，並持續蒐集資料，也希望能看到普通公民參與研究、擴大科學發現的範圍與可能性。新聞來源：Teruaki Enoto, et al., Photonuclear reactions triggered by lightning discharge, Nature, 2017. | science |
工業4.0再進化—成大團隊全球首創工業4.1 | 工業 4.0 看似前途無量，但目前面臨最大的問題在於，其不斷強調提升生產率，但卻忽略提升產品的良率 (quality)。對此，在科技部的支持下，來自成功大學的鄭芳田教授 (圖一) 與其團隊致力於改善工業 4.0 所面臨的困境，並以「工業 4.1」與智慧製造為目標，為未來的工業生產提出全新的願景。「工業 4.0」一詞源自於德國政府所提出的高科技計畫，又稱為第四次工業革命。其概念為透過物聯網 (internet of things, IoT) 與虛實整合系統 (cyber-physicalsystem, CPS), 結合目前工業相關的技術、銷售及產品體驗，並透過人工智慧建立具有適應性、資源效率及人機工程學 (human factors and ergonomics) 的智慧型工廠，更在商業與價值流程中整合商業客戶，提供完善的售後服務。未來的工業 4.0, 將可運用電腦預測，如天氣、公共運輸系統及市場調查等，精準生產或調度現有資源，降低多餘成本的浪費。過去，鄭芳田與其研究團隊就曾三度以全自動虛擬量測系統 (Automatic Virtual Metrology, AVM) 獲得經濟部頒發的「國家發明創作獎」, 團隊在虛擬測量領域中備受各界肯定。後續根據國家實驗研究院科技政策研究與資訊中心的統計結果顯示，鄭芳田在 AI 運用於製造領域的專利數在學術界名列前茅，其專利價值更是當前學界最高。鄭芳田分別於 2012、2015 與 2017 年，執行國科會「智慧製造雲」、科技部「先進製造物聯雲」計畫及榮獲電機電子工程師學會 (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) 自動化科學與工程國際學術研討會的最佳論文獎，為後續工業 4.1 計畫奠定完善的基礎。如前所述，工業 4.0 雖強調提升生產率，但對於提高產品良率卻恤近忽遠。對此，鄭芳田認為，採用 AVM 可線上即時提供所有產品進行全檢，當系統找出任一不良品時，可立即將其挑出不交貨，達到產品接近零缺陷的目標。另外，鄭芳田也表示，對於被挑出的不良瑕疵品，利用智慧型良率管理 (intelligent yield management, IYM) 系統找出不良品的缺陷主因，進而改善並防堵類似不良再現，使所有產品達掉近乎零缺陷。去 (2018) 年，鄭芳田於成功大學成立了智慧製造研究中心 (iMRC), 研發智慧工廠自動化 (Intelligent Factory Automation, iFA) 的智慧製造雲端服務系統。iFA 擁有 AVM、IYM, 可完成智慧製造所需大數據資料收集、進行邊緣運算的關鍵物聯網元件 (Cyber-Physical Agent, CPA)、先進製造物聯雲 (Advanced Manufacturing Cloud of Things, AMCoT) 架構及可預測機臺剩餘壽命的智慧型保養 (Intelligent Power Module, IPM) 等智慧化服務系統。鄭芳田表示，運用 iFA 將可超越目前的工業 4.0, 並協助國內製造業達成產品零缺陷的目標。對於工業 4.1 的推廣，成大以於去年 12 月與中華電信、智能生產方案服務公司及先知科技共同成立智慧製造方案戰略聯盟，將 iFA 平台商品化。鄭芳田表示，此服務特別適合中小企業，加速臺灣產業升級。另外，iFA 也已於日月光、漢翔及台塑等公司生產線上使用。未來金屬積層製造的應用將遍佈全球工業，為有效解決製成問題與提升品質，鄭芳田同時也將 AVM 技術與 iFA 平台應用於此，此相關研究將於金屬積層平台實際上線，並申請美國專利，改善現階段工業端的應用，實踐工業 4.1 的願景。 | science |
熱帶植物的諾亞方舟—辜嚴倬雲植物保種中心特別報導 | 擁有「熱帶植物諾亞方舟」美名的辜嚴倬雲植物保種中心，2007 年於屏東縣高樹鄉成立，目標是保育熱帶與亞熱帶植物，並以永續地球的生物多樣性，目前由清華大學生命科學系李家維教授 (圖一) 擔任執行長。保種中心目前擁有高達 3 萬多種活體植物蒐藏，物種數量持續增加中，發展出包含液態氮、臘葉、浸液及原色標本技術等標本蒐藏，並規劃蒐藏物種的線上資料庫，提供分類學、植物生理學、生態學、藥物學及園藝學等學門完整的資源服務。李家維表示，保種中心目前為非營利組織的方式營運，主要是台泥企業團支持，另外也包含科技部與國際合作發展基金會的各個不同專案與計畫支持。2007 年 1 月，由台泥企業團贊助成立財團法人辜嚴倬雲植物保種暨環境保護發展基金會，推動保種中心營運，並於同年 3 月興建第一棟溫室，到今 (2019) 年為止，已建立 17 棟溫室。辜嚴倬雲植物保種中心目前為全世界最重要且豐富的植物保種中心，預計在 2027 年，蒐藏物種數將達 4 萬種。辜嚴倬雲植物保種中心的物種蒐藏初期設定為 12 類群，分別是蘭科、鳳梨科、芭蕉科、棕梠科、山茶科、薑科、天南星科、赫蕉科、竹芋科、蘿摩科、苦苣科及蕨類，後面又陸續新增芸香科、秋海棠科、竹亞科、水生植物、食蟲植物、多肉植物及苔蘚植物等。截至今年 7 月 1 日止，保種中心蒐藏多達 33309 種活體植物 (表一), 為目前全世界植物蒐藏物最豐富的植物園，其中的蘭科、鳳梨科、秋海棠科、蕨類與苔癬植物的蒐藏量更是世界第一。在植物學的研究中，縱使近年來分類學中大量使用分子親緣鑑定，標本仍舊是最主要的保存方式，其在物種的存證、DNA 素材與物種型態描述扮演相當重要的角色。而溫室中的植物雖然能得到完整的照護，但依舊有遭遇害蟲侵擾與人為疏失等的風險。對此，拍攝植物的細部影響、冷凍保存與製作標本實屬必要。一般而言，野外調查採集而來的樣本，透過壓製臘葉的技術製成標本。由於其製備簡便且容易收納，製作的程序有相關規範且發展成熟，在植物分類學上長期以來普遍受青睞，但臘葉的標本只能夠維持最基本的形貌，植物的原始顏色與立體型態卻無法維持，因此只能憑藉採集的紀錄作為資料依據。除了上述的方法，浸液法為另一種常見的標本製作方式：其利用特定比例的酒精與福馬林等防腐作為水溶液，以植物原始色調添加保存液，用以暫時保存無法利用乾燥壓平的纖維構造等部位。另外，目前雖然有許多浸液法的改良研究，但這些研究僅只在水溶液配方，所以對於保存植物的類型與種類仍有限。臘葉及浸液法雖然製作較為簡單，但能保存的資訊有限。對此，近年發展的液態氮低溫保存技術，不只能較完整保存 DNA, 同時也可保存轉錄組 (transcriptome) 的訊息。目前許多生命科學領域的研究紛紛改以液態氮進行細胞保存，不過實際應用於物種保存的案例並不常見。如美國史密森尼學會 (Smithsonian Institution) 於 2015 年起為全球物種基因進行保存作業，並與美國國內及世界各地的植物園合作，透過物種採集部分的組織進行液態氮的超低溫保存作業，該學會預計在 5 年之內蒐藏所有動植物科別，保存超過半數的物種樣本。臺灣方面，中央研究院生物醫學科學研究所與和信醫院合作，對人體病理組織進行保存；食品工業研究所與國立自然科學博物館進行真菌菌種做超低溫保存；中央研究院生物多樣性中心則建立國家野生物遺傳物質與生命條碼資料庫，保存 3000 多種臺灣野生動物，達 1 萬餘件的冷凍基因樣本。保種中心方面，2014 年起進行小規模植物組織的液態氮超低溫樣本保存，初期以種子及蕨類孢子為主；2016~2019 年間，保種中心與國立自然科學博物館合作，推動科技部支持的「全球熱帶植物基因組及轉錄組超低溫保存」計畫。針對每種植物，採集根、莖、葉、花、果實與種子等組織，並在每個部位採集兩次，平均每個物種都保存 3 個部位與 6 份組織樣本。目前保種中心已採購 40 具大型液態氮儲存槽 (圖二), 每具儲存槽可存放達 6000 份標本，全數約能容納 24 萬份標本，大概包含 3 萬個物種。目前保種中心已存放 4492 個物種與 24952 份液態氮冷凍標本，而其對應的引證臘葉標本則存放於國立自然科學博物館。李家維表示，保種中心以拯救熱帶地區的植物物種，達到永續豐富化地球上的生物多樣性為目標。作為全世界收藏最多植物樣本的單位，辜嚴倬雲植物保種中心在植物的生態保育領域的貢獻，也為生命科學領域提供完整的植物資料庫，並參與世界熱帶植物保育計劃，期望後續能晉升為世界級的植物保種基地。 | science |
魚與熊掌可兼得能生產水與電的太陽能板 | 【本刊訊】環保及再生能源近年來討論熱度不減，在面對極端氣候及全球暖化等環境議題時，永續發展將成為未來最火熱的話題。對此，近日由來自沙烏地阿拉伯阿布都拉國王科技大學 (King Abdullah University) 的研究團隊，發布於《自然通訊》(Nature Communications) 期刊的研究指出，科學家藉由在太陽能板的背部裝設水蒸餾系統，並在系統中置入汙水，水分透過裝置轉換，使太陽能板不只能夠產生電能，同時也可提供乾淨的水資源。 該設備的運作方式，是透過太陽能板收集太陽光並產生電能時，同時將來自太陽光的輻射熱能驅動面板背後的水蒸餾系統。當蒸餾系統中的水分蒸發時，水蒸氣通過內部裝設的多孔聚苯乙烯薄膜 (porous polystyrene membrane) 後，過濾掉水蒸氣中的鹽分及其他汙染物等雜質，並讓乾淨的水蒸氣在薄膜的另一側凝結，以提供乾淨的液態水。研究人員表示，該技術不只不會降低太陽能板本身的發電量，又能提供乾淨的水資源，因此將有助於面對水資源匱乏的地區，解決全球日益增長的水需求議題。 研究人員表示，在實驗過程中，團隊將此太陽能板置於實驗室內，透過照射類似太陽光的燈光進行測試。結果發現，太陽能板能將約 11% 的光能轉為電能，與一般商用太陽能板 10~20% 的轉換效率差異不大，因此未來或許能夠成為商業用途的全新替代品。另外，研究人員也將含有重金屬物質的鹽水及汙水放入水蒸餾系統中進行測試，實驗結果顯示，長度達 1 公尺的裝置，每小時可過濾約 1.7 公升的水量。此太陽能板系統的相關研究，後續將著重於實際應用端的測試，例如太陽能板的部屬位置為重點考量。舉例而言，如果將系統放置於房子屋頂上，水分的來源將是一大問題；將裝置設置於海洋，在面對瞬息萬變的海流與海浪等，其穩定性便十分重要。因此需將各種因素列入考量，使該裝置能順利進入實際應用階段。 | science |
「研講堂」屏東場蓄勢待發主題更深入在地 | 【本刊訊】中央研究院今 (2019) 年 6 月於臺中國立自然科學博物館舉行科普單元「研講堂」的首場講座，探討語言學習的方法、神經系統的發炎與退化，以及人工智慧與多媒體的議題，活動結束後佳評如潮。因此，研講堂將於今年 9 月 7 日於屏東大學民生校區舉辦屏東場。根據中研院新聞稿，院長廖俊智表示，盼能透過研講堂將親民又不失厚度的「厚科普」知識帶給全國民眾，讓大眾更了解中研院在做什麼，同時也鼓勵更多年輕學子人投身基礎科學研究。 與臺中場的主題不同，屏東場將以接地氣且有深度的講題與民眾見面，從民間信仰、天氣預報到免疫細胞治療，讓科普的養分得以向下滲透。 民間信仰部分將談到：人民透過信仰向神明訴求正義的「神判儀式」究竟是如何解決紛爭的。該講座邀請到中研院近代史研究所特聘研究員、宗教學者康豹，將以「當宗教遇上司法：臺灣民間信仰的法律面向」為題，針對解決紛爭的方式，包括私下調解、法院官判及宗教儀式作說明。此外，康豹亦曾任中正大學歷史所副教授與國立中央大學歷史所教授，近代中國和臺灣宗教社會史即為其主要的研究領域。 而天氣預報的主題，將由中研院環境應變中心特聘研究員、大氣科學家王寶貫主講「雲和雨的科學」主講。王寶貫曾任臺灣大學客座教授及美國麻省理工學院、德國麥因茨大學、德國馬克斯 - 普朗克化學研究所及義大利費拉拉大學等校的訪問教授，對雲物理學、雲動力學、氣膠物理及歷史氣候學頗有研究，屆時將透過科學資料帶民眾了解成雲致雨的機制，以及氣象局做出更準確的預報的方法。此項講題在夏季豪雨不斷的屏東尤為實用，民眾除了可以了解天氣的科學知識，也能接觸到實務面的預報製作與災害預防等議題。 免疫細胞治療專題，則探討癌症治癒的可能性。從去 (2018) 年諾貝爾獎到最近衛福部剛核定兩家醫院可執行免疫細胞療法，目前臺灣的進展到哪了呢？現任中研院生物醫學研究所研究員、致力於病毒免疫學和癌症免疫學研究的陶秘華，當天將與民眾聊聊新一代的免疫治療，如何使癌症變成可以「治癒」的疾病，以及未來可能需要克服的問題。 活動當天將同樣由中研院院長廖俊智親自主持，想了解更多相關議題的民眾，絕對不能錯過這個精采的講座。 新聞來源〈到國境之南聽「研」講─揭開神判儀式、雲雨科學與癌症免疫治療的神秘面紗〉, 中央研究院，2019 年 8 月 1 日。 | science |
利用超級電腦的圖像分析解決亂流問題 | 【本刊訊】當水或空氣等流體，在極高速的運動之下，通常會有亂流 (turbulence) 的現象產生。當亂流出現後，流體內部的速度與壓力等數值會隨機變化，造成觀測及研究的困難。而亂流的研究雖然困難，但其對於空氣動力學等工程領域極為重要，舉例而言，噴射機的噴射引擎系統便是根據亂流的研究為基礎設計。因此，對亂流的研究越透徹，工程師便有依據研發出更高效能的傳動系統，甚至是設計更符合空氣力學的車型，例如一級方程式賽車 (Formula 1)。 然而，一般關於亂流的研究與工程，通常仰賴過去的觀測結果進行預測。因為與亂流相關的物理機制十分複雜，過去的研究人員只能完全靠經驗行事。對此，近日英國倫敦帝國學院 (Imperial College London) 的研究團隊，利用超級電腦，在最初作為電腦遊戲開發所使用的圖像處理器進行模擬與分析，試圖找出亂流潛在的物理原理，並解決這項長期困擾著學者的問題。 該研究成果發布於《流體力學》(Journal of Fluid Mechanics) 期刊，研究團隊試圖建構全新的運算機制與模型，進而優化流體力學工程中的各種設計。帝國學院航太系的文森 (Peter Vincent) 表示，透過利用此分析方式，可以完整解釋過往工程師所依賴的經驗法則，並解決亂流的問題。他提到，目前亂流的研究遇到的一項問題：一個通道中具有亂流特性的流體出現擾動時，此擾動將如何在流體中消散？舉例而言，假設水流瞬間從水壩中傾瀉而出釋放到河流中，這股水流的衝擊將如何影響河流。 為了找出問題的答案，團隊需要模擬出流體內各個微小的振幅與衝擊，並計算亂流的平均振幅擾動。研究人員表示，過程中需以超級電腦進行上千次的亂流模擬，而每一次的模擬都經過高達數 10 億的計算才能完成。藉由模擬，研究團隊才能確定這些流體內部的各項干擾與衝擊消散的確切參數，進而確認過往使用的經驗法則是否可行。 根據 ScienceDaily 報導，研究人員切爾努申科 (Sergei Chernyshenko) 表示，過去 40 年間，許多流體力學相關的學者都嘗試找出亂流相關問題的解答，但由於問題過於複雜，始終沒有一個全面的成果。如今 40 年過去了，透過利用超級電腦的演算，該問題終於能夠獲得完整的解答。 | science |
擁有觸覺並以大腦控制的機械義肢手臂 | 【本刊訊】對於失去手臂的截肢患者及身障者而言，使用義肢將能提升其生活品質與便利，但一般的義肢在操作上面臨許多的挑戰。舉例而言，使用者無法精準控制義肢抓握物品的力道，也無法進行更為精細的手部動作。因此，設計出能產生觸覺的義肢是許多生物醫學工程團隊的目標。近日美國猶他大學 (University of Utah) 的研究團隊，成功研發一款讓使用者能感受到觸覺，同時也可透過大腦進行操作的機械義肢，並發布於《科學機器人》(Science Robotics) 期刊。該實驗的受試者沃格瑪特 (Keven Walgamott) 在 17 年前的意外中失去左手手臂，研究團隊為他裝設的機械義肢手臂後，他表示現在不僅可以順利抓握物品，又能感受抓取物品的「感覺」, 可輕易控制力道，而這一切都可透過大腦傳輸信號，直接對義肢下指令，猶如正常的手臂。研究人員表示，該義肢可讓使用者感受物件的軟硬程度，藉此控制握取的力道，並且可執行精巧的手部動作，以達到過去傳統的義肢無法完成的目標。團隊中的克拉克 (Gregory Clark) 表示，該機械義肢手臂經過長達 15 年的研究，利用機械馬達與矽作為主要材料，並由外接電池驅動，再以線材連接至電腦進行操作。而義肢的系統能與受試者的神經連結，使大腦的信號傳遞至義肢。研究人員解釋，義肢的系統中包含 100 個微電極與電線，並與外部的電腦進行連接，透過電腦將機械手臂內部的神經傳遞轉換為數位信號，執行手臂的動作。另外，為了模擬機械手臂抓握物品的力道及方式，克拉克的團隊利用大量的數學運算及記錄來自靈長類的手部脈衝信號，建構出機械手臂與大腦神經傳遞的運算機制，以達成類似真實手臂運作的系統。 目前的機械手臂需透過傳輸線連結電腦，活動範圍受限。因此團隊未來的目標是開發出可隨身攜帶的義肢，透過無線傳輸系統，將不需藉由線材連接至電腦，增加使用者行動與操作的便利性。此外，除了傳遞觸覺的信號，團隊後續將導入感受溫度與痛覺的系統，更貼近真實手臂。克拉克也表示，現階段的機械義肢只涉及手肘以下部位，後續研究將延伸至手肘以上的範圍，造福更多義肢需求使用者。新聞來源 J. A. George et al., Biomimetic sensory feedback through peripheral nerve stimulation improves dexterous use of a bionic hand, Science Robotics, 2019. | science |
The Bakery加速器進駐南科臺灣新創邁新頁 | 南科為因應科技部創新創業政策，於 2015 年起提供南臺灣地區創新創業相關服務。經過多年來的努力，現階段已取得相當成果。對此，英國 The Bakery 加速器宣布，今 (2019) 年 7 月 9 日加入南科園區，提供國外資金、新創資源、聚集人脈與產業整合，為臺灣新創產業注入新血。 回顧過去，南科已有 TAIRA 加速器、南科 AI_ROBOT 自造基地及南科創業工坊等資源，今年南科與旗訊數位 (股) 有限公司引進英國知名加速器 The Bakery, 成立 The Bakery 亞洲營運中心，後續將協助整合 AI 與機器人相關創新項目。近年來，加速器 (accelerators) 一詞大行其道，其為針對新創公司在固定期間內提供投資、輔導及訓練課程等的機構，後續訓練結束後，將帶領受培育公司向眾多創投爭取更多投資機會。對此，南科的新創基地前仆後繼設立與引進加速器。而本次進駐南科的 The Bakery, 為英國知名的加速器。 The Bakery 總部位於英國倫敦，以全球市場為導向，提供新創團隊與企業的綜合性加速器，現階段於全球約有 10000 家企業夥伴。曾協助輔導的團隊領域十分多元，包含金融業、製造業、AI、媒體及生醫產業等。而 The Bakery 在獲邀前來南科前，就曾考慮於新加玻及上海等地開設亞洲營運中心，在後續相關新創資源與潛力的評估下，最終選擇南科作為營運中心。本次 The Bakery 的加入，科技部長陳良基表示，南科作為重要的創新基地，數過去數 10 年來，各企業與團隊努力之下的成果。陳良基坦言，科技部最初決定在南科建設 AI 等創新基地背負不少壓力，也曾有外界質疑臺南的新創能力不足以支撐一個基地。但陳良基認為，越是困難才更有挑戰價值。經過多年來的努力，連 The Bakery 都選擇落腳南科，更是證明當初對於南科的新創政策方向是正確的。 南科局長林威成也指出，The Bakery 是第 2 家加入南科的加速器。第一家為工研院的 StarFab, 其聚焦於智慧製造、智慧醫療、智慧金融與智慧農業等領域，並陸續與 20 加新創企業合作，募得 1.2 億的資金與千萬元訂單。 The Bakery 的進駐代表臺灣的新創產業進入全新的階段，也讓臺灣在軟硬體整合方面具備強大的潛力。在未來的科技趨勢當中，AI 與智慧服務等創新項目將成為主流議題。而臺灣所擁有軟硬體整合能力與人才培育技術，將是這股科技浪潮中穩定向前的關鍵因素。 | science |
光合作用演化史恐被改寫 | 【本刊訊】陽光的能量能讓植物行使光合作用 (photosynthesis), 透過化學反應進而製造出糖類。許多植物、藻類及部分細菌在這個過程中會將水分解以產生能量，並釋放氧氣作為廢料，其稱為「產氧光合作用 (oxygenic photosynthesis)」, 而有些細菌則會利用水以外的分子來行使無氧光合作用 (anoxygenic photosynthesis)。無氧光合作用屬於一種初級 (primitive) 過程，科學家普遍認為，產氧光合作用便是從這邊演化過來的：無氧光合作用出現約 35 億年，產氧光合作用則為 10 億年。然而英國倫敦帝國學院 (Imperial College London) 研究團隊日前分析某種古老菌種的結構，推測其產氧光合作用裡的某個關鍵步驟，可能比人們所知道的要更久！根據 ScienceDaily 報導，來自倫敦帝國學院生命科學系，此篇研究第一作者卡多納 (Tanai Cardona) 指出，團隊在研究中獲取早期細菌光合作用系統的結構與功能數據，發現其與現存光合作用的演化歷程有所出入。團隊所研究的嗜中溫日光桿菌 (Heliobacterium modesticaldum) 主要行無氧光合作用，可在溫泉、土壤或浸水的田野間被發現，其與行產氧光合作用的主要細菌──藍菌門 (Cyanobacteria) 關係較遠。即便如此，兩者在數十億年前仍有共同祖先，因此它們也有許多傳承自祖先的相同特性。研究團隊針對嗜中溫日光桿菌與現代藍菌的結構進行分析，在不同型態的光合作用下，卡多納發現兩者有著驚人的相似點：它們都含有執行產氧光合作用中關鍵步驟──分解水──的位點 (site) 結構。一般認為，產氧光合作用首次出現在藍菌的進化史中，然而嗜中溫日光桿菌也同樣有這個位點，這意味著產氧光合作用的建構組元 (buildingblocks) 比想像中要古老的多。卡多納指出，產氧光合作用或許並非無氧光合作用的產物，且該結果有助於解釋成就光合作用與氧氣生成系統的背後原因，只不過，要有這樣的理解，就必須翻轉人們對光合作用演化的既定觀念。傳統認為，無氧光合作用早在產氧光合作用前，就已運行約 10 億年或更久，也是這期間唯一的一種光合作用型態。照理來說，這些位點結構不應存在於無氧光合作用菌種中，或許該研究可望改寫光合作用的演化史。新聞來源 Tanai Cardona and A. William Rutherford, Evolution of Photochemical Reaction Centres: More Twists ?, Trends in Plant Science, 2019. | science |
國家與自然的關係,因科學悄然改變...... | 【本刊訊】日前，臺灣大學地理與環境資源學系教授簡旭伸，以中國目前積極發展人造雨科技背後的政治、社會分析為例呼籲，人類應謹慎面對地球工程帶來的社會發展及國際局勢影響。儘管世界氣象組織並不鼓勵各國動用國家資源積極發展人工影響天氣技術，但中國仍廣設相關辦公室，甚至許多省市舉行大型戶外活動，如 2008 年的北京奧運開幕式，竟有確保藍天、不下雨的要求。此案例也突顯出政策為達目的不計成本、不顧專業意見的現象。而為實現政策刻意影響天氣，最後所導致的人員及牲畜傷亡，其為天災或人禍，也引發道德質疑。簡旭伸再以 2012 年倫敦奧運開幕式以一朵雲調侃倫敦多變天氣為例，說明威權與民主國家在國家 - 自然關係 (state-nature) 上的差異：相對民主國家體現日常生活、與天氣和諧共處，威權國家卻展現積極控制天氣的能力與權力。國家政治權力的競爭發展，已從平面大地思維，逐漸轉為立體空間的概念，垂直向上擴展至大氣圈或向下至地下空間，試圖透過控制、改變自然環境來回應空間新政治與社會難題，如地方與軍隊空權使用、跨界大氣資源競逐與分配爭議等。簡旭伸指出，人類不能只借助科學技術，同時也必須關注技術過度使用的問題，如能結合自然與人文社會科學進行跨領域合作，將可促進更人性化的研究成果。 延伸閱讀〈人定勝天！？「馴化天氣」的人與自然新關係〉, 科技部，2019 年 8 月 7 日。 | science |
環保技術潛力無窮有機廢棄物處理商業化 | 【本刊訊】臺灣有機廢棄物無適當去處，除了造成業界的處理困難，不肖業者隨意棄置的行為也間接導致環境問題，甚至可能造成食品安全上的危害。中央研究院院士楊秋忠，日前以環保酵素技術結合反應設備，並將有機廢棄物快速製成肥料，去 (2018) 年起陸續吸引許多廠商投資，更獲選為 2019 臺灣科技十酷新創企業。 該項技術讓有機廢棄物搖身一變，成為可用的有機質肥料，不但落實廢物再利用，這項處理技術更是全球唯一且最快的有機廢棄物處理法；傳統堆肥製程動輒 3~6 個月的時長，該技術卻只需花費 3 小時便可產出肥料！楊秋忠先前透過科技部價創計畫，成立了地天泰農業生技股份有限公司，並於上 (2019 年 7) 月底啟用核心酵素工廠正式落成、啟用，其有機廢棄物處理技術相關設備與環保酵素產品也已取得京都念慈菴、泓橋環保、隆來環保及新福綠地等國內業者訂單，將進一步協助處理中藥渣及廚餘問題。 此外，該技術亦能用於果菜渣、生活污泥、枯枝落葉與污泥處理，其業務更擴及食品加工廠、屠宰場、餐廳、造紙廠與皮革廠等不同類型的產業，未來也將瞄準馬來西亞及印尼每年累積上億公噸、無法處理的油棕廢棄物，預估每年有 5000 億元的市場規模。 根據科技部新聞稿，科技部司長邱求慧表示，價創計畫協助學界，將具有潛力的技術商業化；截至目前已有 12 件個案出場成立新創公司，向國內外投資人成功募得逾 12 億元的資金，成果不俗。 新聞來源〈價創計畫喜獲訂單肯定教授創業解決有機廢棄物處理難題〉, 科技部，2019 年 7 月 29 日。 | science |
國衛院攜成大舉辦科普活動讓科研成果更加深植民心 | 【本刊訊】國家實驗研究院 (以下稱國研院) 與成功大學 (以下稱成大), 日前聯合舉辦「科學家的秘密基地」科普活動，盼透過此活動讓民眾對科技有更多了解，並散播科學的種子，讓孩子體驗到科學的趣味性。國研院集齊轄下 8 個中心的科學家，佈設天空基地、奇幻基地、探測基地、智慧基地與科學樂園五大主題，除了福衛七號模型外，也展出搭載其升空的獵鷹重型火箭模型，更將勵進研究船的探測結果以生動有趣的方式呈現。另一方面，國研院也安排極光、虛擬實境、方塊感測、耐震建築結構、小鼠行為觀察及 Pride 資料庫等互動體驗，讓民眾感受國家級實驗中心的豐富面貌。成大則邀請校內科教中心展出多樣科普教具，透過簡單操作讓民眾了解光學、數學及物理等基本科學原理。此外，成大也展出學生團隊打造的極輕量化環保節能電動車 Phoenix (鳳凰)、先進智慧型機器人，以及系統實驗室研發的家用型服務機器人等產品。值得一提的是，該活動落實 STEM〔註一〕教育理念，不僅涵蓋新科技的各項領域、準備豐富的展品與互動體驗，更發揮跨領域及動手做的精神舉辦多場手做活動，包含「深海夾夾樂 - 液壓機械手臂操作」、「遇見你的 DNA - 萃取實做體驗」、「登陸小星星 - 空氣火箭射準遊戲」、「小小空拍員 - 空拍機實際操作」、「紫外線串珠 - 紫外線變色珠吊飾實作」和「陀螺轉不停 - 戰鬥陀螺動手做」等主題。國研院新聞稿指出，院長王永和在致詞時表示，本次活動將國研院的研發成果轉譯成孩子可親身體驗的遊戲，搭配本 (2019 年 8) 月初在臺南所舉辦的「南部實驗室體驗活動」, 透過國家級實驗中心的開放與系列暑期活動，盼能讓民眾對科學產生新的興趣，在動手做、參觀和互動體驗的過程中體認科學的驚奇。成大副校長張俊彥也提到，該活動不僅具備科普知識和樂趣，更讓成大藉此展示高度的研究能量、善盡大學的社會責任，並將科普知識帶入生活，扭轉科學總是艱澀而深奧的印象。 〔註一〕STEM 由科學 (science)、技術 (technology)、工程 (engineering) 及數學 (math) 等學科組成，旨在結合各領域專業知識，將課程融入真實生活情境，激發學生對新奇事物與知識的好奇心。新聞來源〈科學家的秘密基地 - 國研院暨成功大學科普活動開展〉, 國家實驗研究院，2019 年 7 月 27 日。 | science |
人工蛋白質工具引曙光細胞治療的新時代來臨 | 【本刊訊】許多安全、有效的治療方式，都建立在正確的施藥時間與精準的劑量上，若給藥時機不對、劑量過多或過少，都可能使該藥物的效能大打折扣，甚至造成傷害。不過，這個狀況現在有改善的機會了！美國加州大學舊金山分校 (UC San Francisco) 博士艾爾薩瑪 (Hana El-Samad) 與華盛頓大學博士貝克 (David Baker) 領軍的研究團隊，日前於 Nature 期刊發布兩篇研究，他們設計一組類似自主機器人 (autonomous robots) 的智能細胞並展示相關科技，不僅能偵測損傷與疾病，還能在對的時間點遞送適量藥物。 研究團隊以電腦設計出首創人工蛋白質──儲物櫃蛋白 (Latching Orthogonal Cage-KeypRotein, LOCKR), 並在實驗室裡加以合成，其可在活體細胞內建立新的生物迴路；而該迴路能將普通細胞轉化為智能細胞的特性，過程完全不需人為介入。 根據 ScienceDaily 報導，艾爾薩瑪指出，生物技術庫 (biotech arsenal) 中許多工具都採用可在實驗室中被重新利用的天然分子，反之，儲物櫃蛋白在性質上並未有相對應的物質使蛋白質與細胞其他組成間的交互作用可被精準控制，進而處理一些生物學上待解決的問題。 該蛋白為一類桶狀結構，在打開的狀態下會露出一個分子臂，能被設計來控制大多數的細胞過程，研究人員形容其可指揮細胞內的分子交通、降解特定蛋白質並啟動細胞的自毀過程。不過，該結構在一般的狀態下呈關閉狀態，除非遇到與儲物櫃蛋白的「鎖」相對應的分子「鑰匙」, 才能將其打開。這類初級且高度微型化的開關，如開啟 iPhone 與桌機等智能設備的複雜積體電路 (complex integrated circuits), 其實也包含在現代電子產品的基本建構組元內。利用儲物櫃蛋白，科學家便能在細胞中的迴路建立生物等價物 (equivalent)。 除了學術方面的論述，艾爾薩瑪與研究團隊也展示了新科技的驚人潛力。研究報告指出，利用 degronLOCKR 這項工具，便能透過開關來降解標的蛋白質。此外，他們所構建的迴路也能根據細胞內外的環境線索，動態性地調節細胞活動。在包含遺傳編碼感測器的迴路中，若檢測到正常細胞活動中斷，degronLOCKR 便會破壞造成細胞損害的蛋白質，直到細胞恢復正常。從儲物櫃蛋白到 degronLOCKR, 該技術讓細胞編碼 (program) 成為可能，並做到現行藥物所無法擴及的治療服務。例如，腦傷患者的發炎症狀雖可透過藥物控制，但有可能抑制過頭進而阻礙大腦正常癒合；若能運用 degronLOCKR 將細胞智能化，類似的問題便能迎刃而解。 新聞來源 1.Robert A. Langan et al., De novo design of bioactive protein switches, Nature, 2019.2. Andrew H. Ng et al., Modular and tunable biological feedback control using a de novo protein switch. Nature, 2019. | science |
第13屆永信李天德醫藥科技獎 鼓勵臺灣生技醫藥開發 | 近年來，隨著生物與醫藥的相互結合，越來越多的基礎研究也配合著臨床實驗的共同開發，一步步實現科學家對轉譯醫學 (Translational Medicine) 的期許 ——「從實驗室到病床邊 (from bench to bedside)」的目標。有鑑於此，永信藥品集團除了在內部進行相關的製藥與醫藥開發外，為促進醫藥學門與基礎研究的合作無間，並鼓勵各學術研究單位優秀的學者，因此創立永信李天德醫藥基金會。且自 2005 年起，舉辦「永信李天德醫藥科技獎」, 鼓勵學術單位投入生技醫藥的研發。其中，又將獎項分為「卓越醫藥科技獎」、「青年醫藥科技獎」與「傑出論文獎」, 以表彰與鼓勵優秀的學者。今 (2017) 年，「永信李天德醫藥科技獎」已邁入第 13 年，本屆邀請中央研究院、國家衛生研究院與科技部等學術單位的學者，共同組成評審委員會，從上百位申請者的研究論文中，經過一連串嚴格且激烈的審查之後，評選出優秀的研究人員。此頒獎典禮於本 (12) 月 5 日於晶華酒店舉行，並邀請產官學界多位貴賓蒞臨與頒獎。本屆「卓越醫藥科技獎」, 由李德章與蘇燦隆研究團隊獲獎；「青年醫藥科技獎」得主分別為張書森、許惠真與劉志銘博士獲得此項殊榮；而「傑出論文獎」則由國內 10 位優秀的學者獲得。李德章與蘇燦隆研究團隊長期研究癌症致病機轉，並將這些研究實際應用在癌症藥物的開發上。李德章博士從基礎研究切入，研究致癌物質與基因突變之間的關聯性，並深入探討基因、蛋白質與分子間的交互作用；而蘇燦隆博士則以這些分子機制基礎為證，進行藥物的分子設計、合成與開發。在兩位的合作無間之下，部分藥物已和相關生技公司進一步進行開發合作，不論是在研究或產業上皆有卓越的結果。而在 3 位榮獲「青年醫藥科技獎」的研究者中，精神科醫師張書森博士對自殺行為深入研究與探討，結合臨床與個人的行為進行系統性的研究，分析並找出影響自殺風險之多元因素，提供自殺防治的相關資訊。許惠真博士則致力於幹細胞研究，透過建立果蠅幹細胞活體模式，了解幹細胞的老化相關機制。劉志銘博士主要著手在幽門螺旋桿菌的研究，除了建立幽門螺旋桿菌抗藥性的研究平台外，更開發出幽門螺旋桿菌的基因檢測並進行多項創新的臨床治療。在「傑出論文獎」, 則共有 10 位優秀的獲獎者，分別為王怡人、王曼彧、王麗婷、呂嘉勳、李志元、郭曉縈、陳靖昀、葉大瑋、郭媛元與羅曉帆博士。其科學研究的成果，對於神經傳遞、癌症、基因調控、免疫反應或醫學再生等領域，有重要的貢獻。永信李天德醫藥基金會李芳裕董事長表示，除了恭喜各個得獎者之外，也感謝產官學界的大力支持，才能讓此獎項自強不息。並透過這些獎項的頒發，鼓勵長期致力於醫藥產業與基礎研究的學者，期望能提升臺灣生技醫療產業。 | science |
區塊鏈應用發展與案例分析研討會 探討金融科技新發展 | 近年來網路世代的串燒，貨幣的方式也不再侷限於鈔票、信用卡和銀行等實體脈絡的連結，新興網路貨幣比特幣 (Bitcoin)、區塊鏈 (blockchain) 的應用興起，也顛覆了人們對於金融科技的想像。面對來勢洶洶的 21 世紀全新電子貨幣與區塊鏈科技，對現今的金融科技產業而言，也是一項全新的突破與挑戰。有鑑於此，今 (2017) 年 11 月號的《科學月刊》就以比特幣與區塊鏈為專題，大篇幅的解釋與探討時下最新的電子貨幣與金融新科技的結合，邀請專家、學者深入淺出的撰寫一系列的文章，包含〈數位黃金比特幣〉的介紹、〈顛覆金融業的區塊鏈〉與〈區塊鏈進階應用的問與答〉, 期望此領域不只是金融科技產業知曉，而也能讓尚在就讀的莘莘學子得以學習、了解。 而也因著 11 月號的專題，《科學月刊》為了讓更多金融科技方面的專業人士或想更深入學習的讀者對比特幣與區塊鏈有更進一步的認識，科學月刊社與臺灣大學資訊管理學系數位未來研究中心 DFRC、東吳大學富蘭克林金融科技開發中心共同主辦『區塊鏈的應用發展：7 個概念驗證計畫 (POC) 案例分析』研討會。此研討會於 11 月 21 日於臺灣大學管理學院正大國際會議廳舉行，當天所邀請到的講者有政治大學科技管理與智慧財產研究所曲建仲助理教授、臺灣網路認證公司策略長杜宏毅博士、東吳大學富蘭克林金融科技開發中心蔡宗榮執行長與臺灣大學資訊管理學系曹承礎教授，透過演講與相互問答的方式將知識分享給聽眾。雖然研討會主題為區塊鏈的實際應用與發展，不過在研討會的一開始，曲教授還是從區塊鏈的由來 —— 比特幣的興起開始著手，除了介紹比特幣的起源、交易流程、原理等工作細節外，並提出比特幣的三大特性：交易識別確認、資料無法竄改與節點資料同步。而其中，第二項特性就是透過「區塊 (Block)」與「鏈結 (Chain)」, 確保交易資料無法篡改，也就是區塊鏈應用的前身。透過曲教授由淺入深的將比特幣的特性、操作流程、技術的演進，甚至是其問題與限制等逐一進行細微的探討後，杜博士則針對金融業務應如何使用區塊鏈、在金融技術的操作與作業模式需如何改變、且此技術對資本市場的適用性、流通性、私密性與成本影響等，做更進階的介紹與探究。縱使現今已有區塊鏈的案例在進行，不過對於區塊鏈的應用，還是有其限制與挑戰。在演講中，杜博士也提供各項國外已進行的不同案例進行剖析，並表示區塊鏈雖有其優點，但也有其痛點，更進一步提出未來要如何因應的辦法與目標。研討會的最後，透過杜博士、蔡執行長與曹教授的相互問答，並與與會聽者共同討論現今或未來國內、外各種區塊鏈的應用與實際遇到的阻礙或風險等，為研討會劃下一個完美的句點。 | science |
全民玩轉 LHC 公開實驗數據- 探索希格斯粒子之美! | 在開始分析數據之前，要先介紹大型強子對撞機 (Large Hadron Collider, LHC) 實驗資料的格式。讀者如果 接觸過粒子物理分析，應該會聽過一套稱叫「ROOT」 的物件導向分析工具。ROOT 是由其前身 PAW 在歐洲 核子研究組織 (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire, CERN) 的開發團隊，發展出 來的一套結合統計與專業製圖的軟體，對數據分析略知 一二的朋友，可以把它視為是結合 R 與 GNUplot 的工 具軟體，可以使用圖形界面與互動式指令處理各種數據。緊湊緲子線圈 (compact muon solenoid, CMS) 實驗 團隊先前所釋出的 2010 年數據，是以 CSV 純文字儲存 整理過的資料，並且用逗號隔開不同的欄位，再用 GZip 壓縮格式。這種格式無論使用 Python、C/C++ 甚至試 算表軟體都可以直接讀取。但是這次 (2011∕2012 年) 的數據實在過於龐大，同時為了保留其他研究者的應用彈 性，便直接以 ROOT 的原生資料格式釋出。ROOT 的資料結構是以事例 (event) 為單位，對於每 一個對撞的事例，會有多個資料集 (tree) 的分支記錄 (branch), 像是事例參數、光子集合 (collections)、 電子集合和渺子集合等。分支的末端是葉 (leaf), 也就是各種量測的物理量。而這些集合又分成模擬生成子 (GEN) 階段、偵測器模擬 (SIM) 階段、偵測器記錄 (DIGI) 階段與事例重建的 (RECO) 階段。對分析者而言，GEN 與 RECO 才是主要使用的；而這次 CMS 提供的數據層級，稱為分析物件資料 (analysis object data, AOD) 的合集，當中則包含了 GEN 與 RECO 階段的必要部分，方便分析者專注在有興趣的物理上。......【更多內容請閱讀科學月刊第 585 期】 | science |
費爾茲獎二三事 | 世界盃足球賽前陣子熱鬧結束，但數學界可能更關心的為 同樣是 4 年一度的費爾茲獎 (Fields Medal)。就像東尼獎之於舞台劇與音樂劇、奧斯卡獎之於電影界、曼布克獎之於英文小說、普立茲獎之於新聞或諾貝爾獎之於科學界，費爾茲獎是數學界是最受矚目 2 個獎之一，另一個則 是阿貝爾獎 (Abel prize)。 趁著今 (2018) 年費爾茲獎剛頒發，本 (9) 月來介紹這個對大眾而言相對陌生的獎項。費爾茲獎的正式名稱為「國際傑出數學發現獎 (The International Medals for Outstanding Discoveries in Mathematics)」, 最初是由加拿大數學家菲爾茲 (John Fields) 捐款籌設的。從 1936 年起，每 4 年在國際數學 家大會上宣佈得主並頒發獎牌。此獎在眾多數學獎中特別著名可能來自於幾個原因。首先，人人都知道的諾貝爾獎包含物理、化學和生理學或醫學等獎項，卻沒有數學獎。為什麼諾貝爾獎沒有數學獎這已是無頭公案，總之沒有數學獎是事實，因此，一個與諾貝爾獎相當的數學獎就備受關注。再者，費爾茲獎每 4 年才頒發 1 次，且每次得獎人不超過 4 位，比起年年都頒發的諾貝爾獎，感覺更是稀有。不僅如此，費爾茲獎的規則也吸引眾人的目光，就是「只 頒給 40 歲以下的數學家」, 更精確地說，得獎者需在頒 獎該年元旦前未滿 40 歲。此規則加強社會大眾對於「天才」的想像，更加深「數學」的困難、神秘與深度。這真是一個極端嚴苛的條件，就以臺灣學界的正常進程來說，拿到博士學位、完成博士後研究，得到教職通常都已 30 出頭，而要得獎，等於得在短短 10 年內攀爬到學術的最 頂端。比起諾貝爾獎得主的蒼蒼白髮，費爾茲獎得主正當盛年，看看得獎者的照片，每一個真的都是一時俊彥。為什麼只頒給 40 歲以下的數學家？因為數學界「大致上」 認同數學家最具原創創造力時期通常會在 40 歲之前。當然這有兩面的看法，樂觀的看法是此限制激勵年輕的數學家盡最大的可能，在年輕有體力也有創意時，研究出最好的結果。的確，從歷來得獎的學者可發現都非常傑出。悲觀的看法則為這是否表示 40 歲以後如果做不出偉大結果，就「無用」了呢？所幸這幾年有幾個例子駁斥這個悲觀的觀點，例如張益唐關於孿生質數猜想的重大進展，是在接近 60 歲時才發表。平心而論，數學的世界如此廣大與深邃，許多研究與數學家還是要經過時間的淬鍊才能真正彰顯價值。40 歲距離退休真的還有很長一段時間，有些數學家的長期工作與影響力，經過幾十年的累積後是相當不得了的。因此，從 2003 年開始，數學界多了一個阿貝爾獎，得獎者都是年紀較大的超級大師，得獎原因都是以學術生涯的整體成就衡量而來。好事者可能想知道獎金有多少，費爾茲獎獎金約 35 萬臺幣，而阿貝爾獎則將近 3000 萬臺幣。比起費爾茲獎，阿 貝爾獎更像數學界的諾貝爾獎，也因此，費爾茲獎現在被認為是年輕數學家的最高榮譽，而阿貝爾獎比較像是終身成就獎。2018 年的費爾茲獎得獎者有 4 位，分別是英國劍橋大學 的比爾卡爾 (Caucher Birkar)、瑞士蘇黎世聯邦理工學 院的菲加利 (Alessio Figalli)、德國波昂大學的舒爾策 (Peter Scholze) 及美國史丹佛大學的文卡泰什 (Akshay Venkatesh)。比爾卡爾的研究領域是代數幾何，得獎原因為在法諾曲 體 (Fano varieties) 和最小模型程序 (minimal model program) 的貢獻；菲加利獲獎原因是因對最優運輸理論 (theory of optimal transportation) 的貢獻；舒爾策 則發展出算數代數幾何的理論與嶄新的上同調理論 (cohomology); 而文卡泰什得獎是由於對表現論、拓樸學與數論的綜合貢獻。......【更多內容請閱讀科學月刊第 585 期】 | science |
從升學考試題目談素養導向命題 | 每年 1、7 月的學測和指考可說是臺灣高中生的成年禮，各科試題出爐後，受訪考生、教師的反應和評論成為媒體爭相報導的題材。今 (2018) 年，受訪的考生和教師對物理命題的難易度反應不一，但共同點是：題目新穎、貼近生活情境，且需要閱讀理解題意才能作答，即大學入學考試中心強調的「素養導向命題」。何謂素養導向命題？閱讀今年的物理題，大概就能掌握其梗概。成績公布後，大考中心對媒體說明，未來的命題趨勢將以素養、生活及整合跨域等理念規劃命題，並呼籲學校應從期中考命題著手，讓學生適應素養命題方向。據大考中心的說明，精進素養導向命題三大重點如下：一、情境化：試題素材引用生活情境或學術探究情境。二、整合運用能力：測驗學生是否能整合運用知識與技能，以處理真實世界或學術探究的問題，包含閱讀理解、邏輯推論、圖表判讀、批判思考、解釋辨析和資料證據應用等。三、跨領域、跨學科：測驗學生是否能夠融會貫通，善用不同領域或學科所學處理一個主題中的相關問題。以今年指考物理科選擇題「數位相機的光圈數與曝光時間的關係」為例：照相機鏡頭透鏡的焦距和光圈直徑大小的比值稱為 f 數 (也稱為光圈數或焦比), 已知單位時間通過鏡頭的光能和光圈的面積成正比。某一數位照相機鏡頭透鏡的焦 距固定為 50 公釐 (mm), 當 f 數設定為 2, 可得最佳照片的正確曝光時間為 1∕450 秒，若將 f 數設定改為 6, 則其最佳的曝光時間應為多少秒？這一題被部分教師質疑「超出課綱」, 其實不然，而是引用生活情境的「閱讀與理解」素養題。考生若能理解 題意，以基本的數學能力，掌握 2 項關鍵「照相機鏡頭透鏡的焦距和光圈直徑大小的比值稱為 f 數」及「單位時間通過鏡頭的光能和光圈的面積成正比」, 應能解出答案為 1∕50 秒。不過題目如能加上「通過鏡頭的光能不變」則會更完整。又以今年指考非選擇題的「微波爐」為例：題幹中清楚說明「水分子 H2O 的負電荷 (-q,q>0) 靠近氧原子，而等量的正電荷 (+q) 靠近 2 個氫原子連線的中點，正負電荷分離固定距離 r」定義為「電偶極」, 並引導考生以數學向量式表達「電偶極矩」。考生若能依循題意「順藤摸瓜」, 根據高三學過的「電位定義」, 即可回答第 1 小題；以學過的力矩概念可證明水分子所 受的力矩量值關係式，再代入已提供的數據，則可得到第 2 小題「水分子所受的力矩量值」。第 3 小題「微波爐產生的微波可用來加熱食物，而一般市售微波爐的微波頻率約為數個 GHz」, 應用前一題「電偶極矩」和「力矩」定義，可判斷命題委員「不用計算，用文字說明微波爐能迅速加熱食物最主要原因」的用意，寫出類似參考答案「食物中的水分子為極性分子具有電偶矩，在外加電場作用下受力矩而使水分子以其質心為轉軸向電場方向轉動。故微波爐產生微波波段的電磁波後，食物內的水分子隨微波電場方向的變動，每秒產生數個 109 次高頻率的轉動，藉此與食物中周圍的分子擠壓與摩擦，因而快速產生熱量」的核心概念。再以今年學測自然科「福衛五號衛星」為例，此題即為學術探究的新聞時事素養題：臺灣首枚自主研製的高解析度遙測衛星「福衛五號」, 於 2017 年 8 月順利升空在距地表 720 公里處繞地球作接近圓軌道運轉。一般在此高度繞地心等速圓周運動的衛星，其週期約 100 分鐘。已知地球半徑約為 6400 公里，若為特殊目的發射一新衛星，使其沿圓軌道繞行地球一周所需時間約為 800 分鐘，則此新衛星離地面的高度約為多少公里？上述題目結合高中物理課程內容，就新聞時事設計成短文閱讀的學術情境素養題。考生若具有「克卜勒行星運動第三定律 (週期定律)」的先備知識，依據資料數據判斷，應可估算答案接近 22000 公里。以上的物理試題顯示學生培養「閱讀與理解」能力的重要性。題目取材自生活中的科學新聞，測驗目標在評量考生的理解能力，期望能理解衛星運行軌道的概念。學生能理解和說明生活現象的原理，就是一種「素養」。素養存在生活中，生活中表現素養，因此，素養導向命題的源頭在生活經驗與新聞報導中。我們知道颱風天會影響飛機正常起飛，然而，氣溫太高也是影響因素，為什麼？去 (2017) 年 6 月，國際新聞報導天氣太熱，飛機不能飛，美國鳳凰城市氣溫飆升到攝氏 49 度，有 40 多個航班被迫取消。媒體進一步報導「受全球暖化影響，未來飛機不能起飛的情況或許會更嚴重」。專家學者受訪時表示：從飛機航行的科學而言，飛機無法在真空中飛行，飛行條件之一，必須有空氣形成氣流，透過流速與壓力差而形成升力效應，讓飛機具有動力而起飛，因此，可推論飛機無法在高溫下起飛。「氣溫多高，飛機才不能飛行？」美國哥倫比亞大學 (Columbia University) 的科學家曾在 2015 年發表「極端高溫對飛行影響」的研究報告，指出高溫天氣會限制飛機載重量。並說明「檢視美國機場的條件，丹佛機場的緯度高，空氣層原本稀薄，飛機起飛時更容易受到高溫影響，改進之道是加長跑道。」「以波音 737 客機而言，在攝氏 37 度的高溫下，若仍要依既定航班起飛，只能減少旅客人數和託運貨物重量。」閱讀上面這一則科學新聞，筆者的腦海立即縈繞素養命題的圖像。例如「依據上述短文和物理概念，天氣太熱，飛機不能正常起飛的最主要原因為何？」參考答案可為因熱膨脹會使大氣空氣層的氣體分子密度變低，機翼無法與足夠的空氣分子交互作用，形成機翼上下的壓力差，可能無法產生足夠的升力讓飛機起飛。其次，可繼續問學生:「因應高溫天氣，為不影響旅客權益，讓飛機能正常起飛，有何改善之道？」參考答案可為加長跑道以增加飛行初速率；減少搭乘班機的旅客人數及承載的托運貨物重量。物理教師取材新聞報導內容作為命題素材，可延伸主題改寫短文，再從短文中設計題目，測驗學生閱讀理解能力，並繼續延伸問題，測驗學生的科學推理和表達能力。題型可為 1~2 題的選擇題，並搭配 1 題簡答題，混搭題型設計可達到素養導向命題的目標。有人認為命題很容易，是因為複製考古題。若要創新題目，符合素養導向命題的三大重點，可不簡單，誠如王安石的詩句:「看似尋常最奇崛，成如容易卻艱辛。」筆者只能說素養導向的創新命題看似容易卻實則艱辛。當我們看到大考中心設計出「漂亮」的升學試題，都該是「有讀、有回、有按讚」的現代「益者三『有』」。 | science |
癌症化療先驅者─李敏求 | 癌症治療，在漫漫長夜中演進，至今已將近 2 個世紀。從 一開始的手術切除、放射治療和化學療法等，直到近 20 年的標靶療法與免疫療法，終於露出曙光。與感染疾病相比，癌症療法的發展相當緩慢。一方面是因為癌症十分複雜，另一方面則是癌症易於演化、擴散與產生抗藥性所致。雖然癌症療法日新月異，機制也各有不同，但基本原理是一樣的：除去癌細胞的速率必須超過癌細胞生長回復的速率，並壓制其至某個界限以下。如此一來，連續治療的毒性可能過高，必須採用間歇治療，同時在過程中還需監控癌細胞數量，以免復發。這個原理看似簡單，但早期的研 究者認為只要除去腫瘤即可，並沒有「殘留疾病 (residual disease)」與「復發 (recurrence)」的觀念，以至於治 療只有暫時作用，甚至完全無效。發現此原理的醫學界先驅，幾乎可謂是現代癌症療法的發明人。而他是誰呢？他叫李敏求 (Min Chu Li), 人類歷史上第一個治癒腫瘤 (solid tumor) 的醫師。事實上，他是腫瘤化療的「真正」發明人。在他之前，惡性腫瘤是無藥可救的。這樣的先驅，大多數人卻不聞其名，為什麼呢？我來說說他的故事。人們對化療有不好的印象是正常的，因為化療的發現不是來自於光明的醫學研究，而是極為黑暗的殺人工具──化學武器。一次大戰時，有艘載運芥子氣 (最早的化武) 的貨輪停靠義大利港口，卻意外洩漏，造成慘重死傷，病理檢驗發現死者體內的骨髓細胞全部死光。當時白血病是絕症，因此便有人想到，白血病是生長不受控制的骨髓細胞，而芥子氣專滅骨髓細胞，也許可用於治療白血病？不過芥子氣太毒，於是化學家將之改造，成為芥氣 類烷化劑 (alkylating agents), 其中一種化合物──環磷醯胺 (cyclophosphamide) 一直到現在仍在使用，並 從那時候興起篩選化療藥物的熱潮。不久後，哈佛大學 (Harvard University) 的法柏 (Sidney Farbe) 醫師利用毒性較低的葉酸拮抗劑──氨甲蝶呤 (methotrexate) 治癒白血病童，因而聲名大噪。但治癒的終究是少數，且因有劇烈副作用，多數專家仍不喜歡化療，更不用說一般人聽了就害怕。因此惡性腫瘤的治療，開刀還是優先選擇，但患者時有復發的現象。面對復發，醫師通常怪罪當初切除的「不夠乾淨」, 以致切除範圍越來越大，病患聞之色變。1944 年，李敏求從瀋陽盛京醫科大學畢業之後，前往美國繼續深造。大概因國共內戰的慘烈，他沒有返鄉，而留在美國擔任住院醫師。1953 年，他前往紐約知名的史隆・凱特林癌症中心 (Memorial Sloan Kettering Cancer Center) 進行早期的化療研究，也使用氨甲蝶呤治療子 宮毛膜癌 (choriocarcinoma), 腫瘤卻似乎沒有反應。不過，他發現開始治療後，病患尿液中的人類絨毛膜促性腺激素 (hCG) 持續下降。他認為 hCG 是由腫瘤分泌 的，因此當化療殺死癌細胞後，激素明顯降低。治療其實是有效的，只是因除掉的癌細胞不夠多，腫瘤又長回來，化療的結果才看似無效。李敏求不但構想出化療的正 確方式，而且發現癌症治療史上第一個腫瘤標記 (tumor marker), 成為後來所有「癌症指數」的濫觴。1955 年，李敏求帶著滿腦子的構想，加入國立癌症研究院 (National Cancer Institute, NCI) 內分泌科主任赫茲 (Roy Hertz) 的團隊，擔任助理產科醫師，繼續研究以化療治療絨毛膜癌的方法。某天，一名海軍牙科技術員的妻子被緊急送往國家衛生研究院 (National Institutes of Health, NIH) 的臨床研究中心。絨毛膜癌已擴散到她的肺部，像葡萄般一顆顆聚集，造成肺部破裂，血液滲滿胸腔。醫生們手忙腳亂地從她的肺部抽出血液，暫且穩定住病情。但哪怕是最樂觀的醫生，都認為她熬不了幾天。 與藥理學專家進行一番討論後，李敏求決定放手一搏，以氨甲喋呤治療。腫瘤迅速消退，她的狀況也穩定下來。 治療持續幾週後，患者狀況明顯改善。幾個月後，李敏求與赫茲驚訝地發現，X 光片上已看不到腫瘤的蹤跡。他們重新檢查一次，確認這項結果。這是史上第一次以化療「治癒」轉移的惡性腫瘤。 赫茲的團隊很快地完成論文，投稿也迅速被接受。這是劃時代的成就，編輯迫不及待將其刊登。但李敏求發現許多病患尿液中的 hCG 量仍超過標準值甚高。他想，唯一的解釋是腫瘤細胞沒有消除殆盡，雖然肉眼看不見，但它們還躲在組織的角落裡。若殘留的腫瘤未完全清除，不久後便會捲土重來而「復發」。雖然沒有明確地寫進論文，但李敏求實際上發現「殘留疾病」的觀念、癌症復發的機制及第一個腫瘤標記，這也是現代癌症藥物治療的三大基礎。 他認為腫瘤雖然消失，但化療應持續到 hCG 回復標準值才停止，現在稱此方式為預防性輔助化療 (adjuvant chemotherapy)。但在 1955 年，即使是專家也害怕化療的毒性，臨床委員會要求李敏求停止化療。不過他堅持繼續投藥，使委員會大怒，認為他不顧人命而將他開除。走投無路的李敏求回到史隆・凱特林癌症中心，要求老友收留。李敏求被迫離開後，那些腫瘤消失後就停止治療的患者全都復發，而在他離開前持續治療、直到 hCG 恢復正常標準的患者，腫瘤再也沒有回來。李敏求的同事弗雷瑞奇 (Emil Freireich) 寫文章為他翻案，表示他的三大觀念是「癌症治療中非常重要的新原理」。在李敏求試驗成功前，90% 的子宮絨毛膜癌患者在 1 年內死亡。如今，任何狀況的子宮絨毛膜癌幾乎無需手術，都可以化療治癒。 回到癌症中心後，李敏求繼續研究化療。1960 年，他證明轉移性睾丸癌可以透過化療來治療。1970 年代，至紐約拿索醫院 (Nassau Hospital) 擔任醫學研究主任，後來轉到洛瑪琳達大學醫學院 (Loma Linda University School of Medicine) 擔任醫學教授。1977 年，他發表氟尿嘧啶 (fluorouracil, 5-FU) 可改善結腸癌患者的生存率，使氟尿嘧啶成為結腸癌化療的標準用藥，直到今天依然如此。他的研究奠定現代癌症化療方法的基礎。1960 年代，阿拉巴馬南方研究所 (Southern Institute) 的史基柏 (Howard E. Skipper) 利用小鼠模型試驗李敏求的觀念，發展出化療的「比例消滅 (fraction kill)」數學模型，成為醫學教科書上化療的標準觀念。因此，稱李敏求為「現代化療之父」, 一點不為過。 1972 年，他與當年 NCI 的 15 位同事一起獲得醫學界的最高榮譽──拉斯卡獎 (Lasker-DeBakey Clinical Medical Research Award), 表彰他們對開發癌症化療的貢獻，其中包括李敏求被開除時不置一詞的赫茲。如今，在 NIH 臨床中心的走廊，還能看到他們兩人的照片掛在相鄰的位置。李敏求比任何人有資格成為第一位獲諾貝爾生醫獎的華人，但他連中研院院士、中科院院士也沒選上過。不，是連提名都沒有，今天的醫學生更是沒聽過他的名字。 1980 年初，李敏求因心臟病併發腦血栓逝世，享壽 61 歲。 | science |
《科學月刊》與楊國樞先生 | 楊國樞先生於今 (2018) 年 7 月 17 日清晨辭世，享壽 86 歲。回想 1969~1970 年間，楊先生曾在《科學月刊》在臺創刊期間，有重要的貢獻，特寫本文以誌紀念。楊先生是社會心理學家，他與《科學月刊》是怎麼會扯上關係呢？這其中有些特殊的因緣，話說 1963 年 8 月，楊先生初任台灣大學心理學系講師，開始在學界嶄露頭角；這時林孝信與我是臺大物理學系二年級的學生。大四時，有次，「新希望社」在新落成學生活動中心的小討論室舉行座談會，邀請楊教授參加，這時我們初次聆聽到他的學術見解。《科學月刊》草創期的參與 1967 年 9 月，林孝信、曹亮吉與我等同學赴美留 學，翌年 9 月都通過了博士資格考試。林孝信與曹 亮吉兩位與從清華大學到芝加哥大學 (University of Chicago) 進行研究的李怡嚴教授商議後，發心 要為臺灣辦《科學月刊》雜誌。1969 年 3 月，林孝 信、李怡嚴、曹亮吉與我等 11 位在美國的同志共 同發起，於是，為了《科學月刊》的創辦，林孝信 開始風塵僕僕地到各大學串連鼓吹。3 月底，林孝 信訪問距離芝加哥較近的幾所大學，並在伊利諾大 學 (University of Illinois) 見到即將完成博士學 位的楊國樞先生，乃說服他暑假回臺後與李怡嚴共同負責在臺出版諸事 (當時的稿件則在美國收集與 整理)。 同年 5 月，眾人決定要在 9 月出第零期試 刊號後，林孝信與李怡嚴又再度前往伊利諾大學，拜訪楊國樞先生並與他敲定合作日程。同年 7 月，林孝信將第零期稿件寄到臺灣，8 月初，李怡嚴與楊國樞在臺北市召開第一次籌備會議。 在 8 月中的第三次籌備會上，李怡嚴與楊國樞 2 位 被推為召集人──分成李督導編校組與楊督導總務組。總務組又分為經理與調查兩股，楊國樞先生找 來心理研究所的 2 位研究生劉凱申與瞿海源幫忙。 第零期出版後的讀者調查工作，就是由臺大心理學系的一群師生幫忙完成的。第零期出刊後的反應十分熱烈，《 科學月刊》乃決 定如計畫於翌 (1968) 年元月創刊。1967 年 11 月下旬，召開第一次社務委員會，李怡嚴被推舉為主任委員，楊國樞則為副主任委員。在這樣的工作 分配下運作約 4 個月後，楊國樞先生建請劉凱申自 1970 年 4 月起擔任社長 (劉凱申於 1970 年底出國 進修，往後則由宓世森接任), 於是卸下負擔。......【更多內容請閱讀科學月刊第 585 期】 | science |
馬雅文明為何殞落? | 長久以來，各界對於馬雅文明殞落的原因 眾說紛紜，有人說起因於西班牙人的入 侵，另一派的人認為馬雅遭逢戰亂而衰 敗，也有一派認定是氣候異常所導致。而在 1990 年代，有研究人員找出馬雅文明 時期相關的氣候記錄，懷疑是嚴重的乾旱 造成整個文明瓦解。現今，來自佛羅里達 大學 (Universities of Florida) 與劍橋大學 (University of Cambridge) 的研究團隊找出氣候變遷與馬雅文明滅亡的相關證據。先前研究認為馬雅文明的衰敗是因遭遇乾 旱，但當時氣候的乾燥程度科學家並不是 那麼清楚。以往對於馬雅文明氣候的描述 純粹是比較乾燥程度而非數據化呈現，例 如某時期比另一個時期還要乾燥或潮濕。 但發表於 Science 的最新研究提供馬雅文明的濕度與降雨數據。研究人員利用墨西哥馬雅文明當地湖泊中 的石膏沉澱物，測量石膏內部晶體結構 內的同位素成分，進而分析當時的氣候 狀況。結果發現，大約在公元 800~1000 年間，馬雅文明當地的年降雨量平均減 少了約 41~54%, 而在乾旱的高峰期的降雨則下降 70%。另外，研究團隊也 首次發現，當時的環境濕度比現今低了 3~8%。一個文明的衰敗不會是單一原因，但這項研究首次揭示馬雅社會遭遇乾旱的時間、嚴重程度和對其農業、社會等方面所 造成的衝擊，提供一項馬雅文明興衰的可能因素。Jin Gu et al., Reagentless preparation of shape memory cellulose nanofibril aerogels decorated with Pd nanoparticles and their application in dye discoloration, Appl. Catal., B, 2018. | science |
溫度影響電動車充電時間 | 對於電子產品來說，溫度是直接影響電池效能的主要原因。近期一項研究顯示，電動車的充電時間與環境溫度大有關係。美國愛達荷州國家實驗室 (Idaho National Laboratory) 的研究人員表示，電池在低 溫的環境下充電效率會降低，雖然是個已 知的事實，但由於實驗結果通常是使用較 小的電池進行實驗，而非來自實際電動車電池數據。此外，電動車商一般只向消費者提供概略的充電時間，也不會明確表示 要在哪種環境條件下進行充電。研究團隊利用 500 組直流快速充電電池，並在攝氏 - 8~39 度之間進行實驗。結果顯示，以攝氏 25 度進行充電 30 分鐘，電量可達 80%。但若以攝氏 0 度進行測試，電池電量卻只達到 44%, 另外最低溫與 最高溫的充電速度相差 3 倍。此研究結果對於溫暖地區的駕駛不會造成太大的困 擾，但在寒冷環境的駕駛就不同了。對於 需要長時間駕駛的行業，像是計程車駕駛，充電時間越長就代表無法賺錢的時間越多。研究人員最後表示，這項研究為公領域的充電設施提出問題。舉例來說，在不同的氣候條件下，充電設施的位置與數量的需求也不同。電動車未來或許漸漸成為主流，此議題也是未來開發商與政府不容忽視的一塊。Yutaka Motoaki, Wenqi Yi and Shawn Salisbury, Empirical analysis of electric vehicle fast charging under cold temperatures, Energy Policy, 2018. | science |
記憶遊戲能增進大腦的記憶嗎? | 某些遊戲長期以來被大眾視作可以增加記憶力、改善認知能力及訓練大腦。但近期加拿大西安大略大學 (Western University) 的研究顯示，遊玩記憶類型益智遊戲並不會增強記憶腦力。研究團隊想利用記憶遊戲的訓練找出能否 增進人腦功能。團隊設計先讓受試者玩某 一款記憶遊戲後，再玩另一款需使用相同大腦活動區域的遊戲，如果受試者在第二 款的遊戲表現較佳，這或許能證明記憶遊戲的確可以增進大腦的記憶與理解。但最終的結果卻並非如此。受試者雖然在 第一款遊戲中獲得高分，但在第二款遊戲 卻不一定得到相同的好表現。而且玩第一 款訓練大腦的記憶遊戲的受試者，得分竟然與沒受過第一款遊戲「訓練」的受試者 差不多。研究團隊表示，在這場實驗中完 全找不到能佐證記憶遊戲對大腦有益的證據，遊玩記憶類型遊戲並無法增進大腦的記憶與大腦能力。研究人員最後表示，想要提升大腦能力，最佳的辦法還是睡眠充足、規律運動、飲食正常及接受有系統的教育方式。如果想 藉由玩遊戲或是所謂的大腦訓練來改善大腦認知，還是省省吧！不如到公園運動散散步，或和好朋友出去玩更能有助於大腦健康。Bobby Stojanoski et al., Targeted training: Converging evidence against the transferable benefits of online brain training on cognitive function, Neuropsychologia, 2018. | science |
咖啡因恐不能抑制食慾 | 過去研究指出，咖啡因會加速人體新陳代謝，並且使交感神經感到興奮，達到抑制食慾的效果。因此，許多人想藉由喝咖啡的方式達到減肥的目的。但近期來自紐約州立大學水牛城分校 (SUNY University at Buffalo) 的研究顯示，飲用咖啡後並不會抑制食慾。研究團隊找來 50 名年齡介於 18~50 歲 之間的成年人，每週至實驗室進行實驗。 實驗時，受試者需飲用含有咖啡因的飲 料，其中又分為 3 種飲用型態，分別是無咖啡因、含 1 或 3 毫克 / 公斤咖啡因 的飲料。30 分鐘後，提供受試者豐盛的自助早餐食用。此外，受試者需定期記錄自己的飲食量及食慾狀況。結果顯示，喝含咖啡因飲料的受試者，在早餐的食用狀況雖然比平常減少了 10% 的飲食 量，但此狀況卻無法維持一整天。受試者表示，後續的餐點食用量與平常無異，甚至 將早餐減少的份量在中餐及晚餐時段補充 回來。另外，報告也顯示咖啡因的劑量與食慾沒有太大的關聯。研究人員表示，這項研究的重點在於強調良好的飲食習慣，想減肥並不能依靠單一 的偏方，甚至是利用不健康的方式，最重 要的還是回歸均衡的飲食，正常的作息才 是上策。Leah M. Panek-Shirley et al., Caffeine Transiently Affects Food Intake at Breakfast, Journal of the Academy of Nutrition and Dietetics, 2018. | science |
專屬湖泊的「科技海綿」 三兩下還你乾淨透明 | 染劑能豐富產品的色彩，無論是紡織工 業、食品加工、各式紙類與塑膠的製程 裡，多少都能看到染劑的蹤影。然而，上述產業中所使用的染劑，目前約有 1 ∕ 10 未經傳統汙水處理程序，即流入湖泊、池塘等環境裡，而紡織業常見的紅、藍染劑，更可能使這些水域的能見度降低，導致植物無法行光合作用，最終影響到整個水生生態系統的運作。來自美國華盛頓大學 (University of Washington) 生物資源科學與工程系的助理教授迪奇亞拉 (Anthony Dichiara) 表示，這些染劑只要一點點，就會使大量水體被染色。為此，華盛頓大學研究員 研製一種可快速、有效去除染劑顏色的氣凝膠 (aerogel), 並於近日發布於《環 境中的催化應用》(Applied Catalysis B: Environmental)。研究員將木漿與鈀 (palladium) 以特定方法混和，並持續加熱 2 小時，最終將鈀的奈米顆粒 (PdNPs) 固定在纖維素奈米纖維 (cellulose nanofibril, CNF) 上，製成名為 CNF-PdNP 的氣凝膠。CNF-PdNP 在使用上類似海綿，只要把它泡在受汙染溶液裡，或將染色溶液澆到氣熔膠上，就能 瓦解染劑裡產生顏色的結構，使擠壓或流出來的溶液呈透明無色。該研製產品的製程不僅對生物相當友善，即使重複使用多次，也能有高達 91~99% 的變色效率 (discoloration efficiency)。 研究人員表示，未來只要在受汙染的湖泊 放置一些 CNF-PdNP 氣凝膠，並像泡茶包一般拖行「海綿」, 就能讓湖水恢復原來的顏色。Jin Gu et al., Reagentless preparation of shape memory cellulose nanofibril aerogels decorated with Pd nanoparticles and their application in dye discoloration, Appl. Catal., B, 2018. | science |
那些藍光是如何危害眼睛? | 隨著各式科技產品，如筆電、智慧型手 機、平板等相繼問世，人們普遍不再像以 前一樣日出而作、日落而息。然而，這些 產品所發射的藍光對健康造成的危害，輕 則使生活作息失律，重則可能導致嚴重的黃斑部病變 (macular degeneration), 這也是目前美國失明案例中最常見的主因。近日，美國托萊多大學 (University of Toledo) 生物化學系助理教授卡魯那拉涅 (Ajith Karunarathne) 與其團隊於《科學報告》(Scientific Reports) 發布最新研究，並找到藍光接觸眼睛後所發生的變化。人類的眼睛存在名為視黃醛 (retinal) 的代謝產物，對感光細胞 (photoreceptor cells) 來說，它就像是補光捉影的天線，藉此感光細胞便能得到視覺訊息 (visual information)。然而，當視黃醛吸收藍光的能量後，會產生許多具光毒性的活性氧 (reactive oxygen species, ROS) 來摧毀感光細胞。為進一步釐清這些變化的源頭，研究人員讓感光細胞在有∕無視黃醛與藍光的環境下進行測試。結果發現，處於黑暗環境時的視黃醛未發生明顯變化，然而暴露於藍光環境中，感光細胞便會受到破壞。其中，光感受器發 色團 (photoreceptor chromophore) 裡的一種視黃醛 11CR 及其光產物全反式視黃醛 (ATR), 受藍光激發後會扭曲與細胞膜結合的一種磷脂──PIP2, 並破壞其功能。研究人員推論，受藍光激發的視黃醛可能加乘細胞的光敏感性，未來將嘗試篩選出能降低該毒性的分子，以減緩活性氧 對細胞造成的損害。Kasun Ratnayake et al., Blue light excited retinal intercepts cellular signaling, Scientific Reports, 2018. | science |
花香也要穿越劇─ 古花化石分泌組織與現代雷同 | 無論出席正式、隆重的場合，或私人的小 約會，現代人都免不了在身上噴點香水或 古龍水，藉此打點自己在氣味上的「外在美」。然而這些妝品所含的花香精華 (essences) 在恐龍活躍的幾個時代裡，似乎就已經透過類似的機轉吸引著萬物生靈。美國奧勒岡州立大學 (Oregon State University) 昆蟲學家波伊納 (George Poinar) 與他的兒子研究白堊紀中期 (midCretaceous) 與第三紀中期 (mid-Tertiary) 琥珀 (amber) 裡的花化石，發現其中幾 個與花香產生有關的腺體構造，竟與現 代花有異曲同工之妙。研究指出，白堊 紀中期緬甸的腺月桂 (glandular laurel flower) 與脈星花 (veined star flower), 其內含部分化合物可能類似現代花香。 波伊納表示，即便無法直接分析花化石 的氣味，仍能從這些化合物對應的分泌組織著手。這些組織包含產生香氣與甜味沉積物的蜜腺 (nectaries)、製造並發送分泌物的腺毛 (glandular trichomes) 以及專門發 射香氣的氣味腺 (osmophores) 等。由 於這些組織的結構與現代花極其相像，波伊納推測它們血屬同脈，並產生類似 的精華。此外，兩人亦研究多明尼加的 乳草花 (milkweed flower) 與合歡花 (acacia flower) 化石，並得出相同的結論，尤其合歡花至今仍深受蜜蜂喜愛，其釋出芬芳的腺體也早在第三紀就已存 在在世上。花朵製造與傳遞氣味訊息的結構歷久不衰，波伊納打趣地說道，或許連恐龍也愛不釋手。George Poinar and Greg Poinar, The antiquity of floral secretory tissues that provide today’ s fragrances, Historical Biology, 2018. | science |
益生菌食用不當 小心頭昏「腹」脹 | 許多人習慣透過益生菌 (probiotic) 來照顧腸道健康，但攝取量可要多加注意。 近日，《臨床與轉譯腸胃病學》(Clinical and Translational Gastroenterology) 研 究報告指出，益生菌雖能調節腸道微生物，卻可能導致腹脹 (belly bloating), 甚至讓人產生注意力不集中、記憶減退和溝通遲鈍等「腦霧 (brain fogginess)」 現象。過去研究曾在 30 名受訪者中，發現伴隨 腹脹、注意力不佳等問題的病人裡，高 達 22 位都有在服用益生菌；研究人員 猜測，這個幾乎被奉為「腸道守護者」 的健康食品，除影響細菌繁殖，也可能導致腦部功能失常。美國奧古斯塔大學 (Augusta University) 臨床消化系統健 康研究中心主任拉歐 (Satish S.C. Rao) 表示，益生菌能使食物中的糖降解後產 生對腦細胞具毒性的 D - 乳酸 (D-lactic), 這個原本在小腸內為數不多的物質，大 量產生後恐影響人的認知與思考能力，甚至產生時序混亂的狀況。患有短腸症後群 (short bowel syndrome) 的朋友可得更注意，由於腸道條件本就 較差，且易累積許多未被消化的碳水化 合物、使小腸細菌過度增生，最終產生過量的 D - 乳酸。大量的細菌，意味著糖的發酵反應會非常瘋狂，其反應後的氫氣與甲烷量，恐令人感到「一肚子氣」。成人小腸近 19 呎長，藏在人體中心難以做活體觀察，至今仍然藏著許多謎題。 雖說腸道細菌對人體相當重要，但可別因保健過了頭，反危及健康。Toni Baker, Probiotic use is a link between brain fogginess, severe bloating, Augusta University, 2018. | science |
索倫森救難隨筆─奪命深淵走一遭 | 今 (2018) 年 6 月 23 日，一泰國少年 足球隊與其教練共 13 人，在進入泰 國北部清萊府的探鑾洞 (Tham Luang Nang Non) 探險後驚傳失聯，在澳洲 醫師哈里斯 (Richard Harris) 與當地救 援人員合作潛入洞穴探勘、擬訂計畫 後，受困者才於 7 月 8~10 日陸續獲救。此次救援過程中，哈里斯得在漲滿水 的洞穴裡潛游至受困者的所在地，才有機會解救這群人。這裡的「洞潛 (cave diving)」與一般休閒潛水不同，屬於極限運動的一種，不僅有去無回 的機率極高，截至 2012 年成功的洞潛 救援也僅只 4 例。然而，並非所有潛 水愛好者都深諳這危險，資深洞潛專 家索倫森 (Edd Sorenson) 就曾在《衛 報》(The Guardian) 分享他 6 年前 的一段救援經驗。2012 年 4 月，索倫森從美國佛羅里達 州塔拉赫西 (Tallahassee) 的一處洞穴 裡，將一名男子帶回岸上，當時這名 男子脫下他的裝備以穿越狹縫卻不慎 被卡住，索倫森抵達案發現場的同時，男子早已回天乏術。一周後，索倫森 再度接到緊急電話，對方表示 1 名潛 水客受困於佛羅里達的磨坊塘 (Mill Pond), 由於當時索倫森正在湖的另 一頭教課，若這通電話再晚些打來，恐怕神仙也無力回天。尋求協助的是帶著兒女 2 人一同潛水的父親，事發前他曾帶著孩子進到「雙 子洞 (Twin Caves)」這個洞穴系統遊 玩。由於未受過專業洞潛訓練，當地 潛水客看到幾人踢腿 (flutter kicks) 前 進的樣子本想對他們發出警告，然而 幾秒後 3 人便消失在眾人的視線範圍 裡。有別於開放水域裡的潛水運動，洞穴裡多泥沙淤積，若未攜帶設備貿 然前行，加上錯誤的踢腿動作，將造成洞穴能見度降低。好在經探勘過的洞穴通常會被安放一 條名為「救命繩索 (gold line)」的尼 龍線標記逃生路線，父子 2 人有驚無險 順利脫困，只是女兒並沒有跟著出來。 索倫森接到消息後，帶上他的隨行裝備，並到商店拿了雙氣瓶 (double tanks) 與備用呼吸器 (spare breather), 便 趕往雙子洞的所在位置。然而，就在他 到達指定深度後，氧氣瓶內的氣體僅剩 3~40 分鐘的供應量，且當時水中的能 見度相當差，索倫森還一度找不到洞穴入口。時間一點一滴過去，再這樣下去不但 救不到人，連自己的氧氣也會消耗殆 盡。要與水下洞穴搏鬥，對洞穴結構 的每一分認識都相當重要，而索倫森 也順利憑藉過去的洞潛經驗找到洞口，並在 10 分鐘的搜索後意外碰撞到女孩 的腿。女孩非常幸運，因為她就這麼剛好地被卡在一個有氣室的地方，期 間她曾試圖折返，但被鋸齒狀的岩石 勾住，只好再次回到氣室區。面對這進退維谷的窘境，女孩害怕地哭了。索倫森告訴她:「我現在要帶妳離開這裡，但妳必須先冷靜下來。」 水下的世界裡，任何一個危險的心理 素質，都有可能造成更多傷亡，就像 電影《驚天洞地》(Sanctum) 裡主角 瑪迦耶 (Frank McGayre) 試圖解救女 助手脫困時，因女助手過於驚慌失措，不僅丟了自己小命、還差點「買一送一」帶走瑪迦耶。最終，索倫森成功 救出倖存的女孩，他表示很開心每個 人都能回家了，畢竟這種事真的「很少發生」。索倫森因著這壯舉，獲頒潛水警報網 (Divers Alert Network, DAN) 英雄獎，而女孩親筆寫下的感謝信，也靜靜地躺在他的辦公桌上。儘管泰國探鑾洞與雙子洞的地形條件 並不一致，但在洞潛救援上都相當困 難而棘手，因為即便擁有充足的知識 與體能，大自然總有不為人知的秘密，而且誰也無法保證，事發當下的心理 狀態是否能讓人挺過這生死一瞬。不過換個角度想，或許這種不確定性，才是洞潛最令人著迷的地方吧...... 延伸閱讀 Edd Sorenson, Experience: I rescued someone from an underwater cave, The Guardian, 2018. | science |
挑戰摩爾定律—成功大學微奈米科技研究中心特別報導 | 位於臺南成功大學的微奈米科技研究中心成立於 1997 年，前身為國科會南區微機電系統研究發展中心，後續於 2002 年更名「微奈米科技研究中心」, 並作為臺灣奈米科技研究重鎮。 在科技部補助的八大微奈米中心評比中，成功大學微奈米科技研究中心目前為規模最大，且服務與研究績效傲視全國，同時也是全臺首個「石墨烯暨二維材料元件中心」, 每年服務約 15000 人次師生、超過 50 間廠商與 100 件以上的產業檢測報，藉由學研交流，加強校內外機構組織合作，提升成大微奈米中心的知名度。目前中心具有四大核心技術團隊：奈米微影製程技術、奈米表面與磊晶技術、奈米材料分析技術及生醫暨非破壞分析技術。該中心除了培育人才及累積許多研究成果外，近年來積極引進高階設備，配合過往所累積的研發量，協助半導體及光電廠商開發量產技術。同時在今 (2019) 年吸引日本等大廠進駐，開發及提供臺灣半導體廠商原物料。另外，在科技部價創計畫的主導下，以微奈米中心的研發技術成立成大技術延伸公司。在半導體的研發過程中，摩爾定律影響甚鉅。所謂的摩爾定律，指的是積體電路上可容納的電晶體數目，每隔約 2 年會成長 1 倍；而預計每 18 個月，晶片的效能將會提高 1 倍。隨著近年來半導體的技術發展，電晶體越來越小，該定律受到嚴峻的挑戰。 為了突破積體電路微縮化的 3 奈米製程極限，微奈米中心試圖改變電晶體設計，由過往的 2D 平面轉為 3D 結構設計。該中心研究人員表示，為了使縮小的積體電路具有優異的物理特性，且能為縮至原子尺度的電晶體材料，3D 的結構設計將能滿足上述需求。現階段，微奈米中心研發以二階段合成技術，成長高品質且大面積的層狀二維材料二硫化鉬 (MoS2) 及二硫化鎢 (WS2), 並與光學微影、電子束微影、乾溼蝕刻製成及原子層沉積系統整合，發展出奈米尺度的製程平台。微奈米中心的奈米材料分析技術團隊，可提供電子顯微檢測分析。另外，也可透過全新雙數型聚焦離子束設備，進行離子束影像分析及建立 3D 圖像建構分析。而新開發的液態電子顯微鏡檢測技術，可直接在電子顯微鏡中進行液態、膠態、濕式與含水式等樣品檢測，近期更成立液鏡科技新創公司，進行液態電子顯微檢測技術開發及應用。 微奈米中心由林光儀博士領導團隊，基於考量開發臺灣自有技術，自製的超寬坡長「多光子顯微鏡」, 除了在生醫領域的應用外，更有辦法研究新興的二維半導體材料。目前團隊與中山大學陳昶孝助理教授合作的研發工作受台積電重視，並在中研院李連忠博士於今年發布於 Nature 的文章中引用。2D 半導體目前公認為延續與拓展摩爾定律的最佳候選材料之一，歐盟執行委員會甚至已投入 10 億歐元進行石墨烯研發計畫 (GrapheneFlagship),2D 半導體材料粹來的應用潛力無窮，半導體產業或許也將進入全新的紀元。 | science |
SI基本單位的重新定義 | 今 (2018) 年 11 月預定在巴黎舉行的第 26 屆國際度量衡大會 (CGPM), 將正式採用國際單位制 (International System of units, SI) 基本單位之重新定義，並預定在 2019 年 5 月 20 日的世界計量日正式施行。SI 是世界上最普遍的標準度量系統，包含了 7 大基本量 (長度、質量、時間、電流、溫度、物量以及光強度)。為追求長期穩定的標準，SI 重新定義的趨勢為利 用自然界的物質或是基本常數來取代過去的人為物，並於 2011 年的 CGPM 會議上達成共識，質量 (kg) 以普朗克常數 (Planck constant) h、電流 (A) 以電子電量 (elementary charge) e、溫度 (K) 則以曼常數 (Boltzmann constant) k 以及物量 (mol) 以亞佛加厥數 (Avogadro constant) NA 重新定義。為確保常數的精確性以及新舊定義間的一致性，CGPM 與科學技 術數據委員會 (CODATA) 之中的基礎數工作組 (TGFC) 合作，收錄來自各國國家標準實驗室的量測結果，制定出精確的基本常數的數值，而上述 4 個常數已於 2017 年由 CODATA 發布，其數值與對應之基本單位如圖一所示。此篇文章將介紹 4 個重新定義的 SI 基本單位：質量、電流、溫度和物量的發展歷程以及新的實現方法。現今質量的定義起源於 1989 年召開的第一屆國際度量衡大會，該次會議宣布 1 公斤等於國際公斤原器 (international prototype of the kilogram, IPK) 的質量。IPK 是一個直徑與高皆為 39 公釐 (mm) 的圓柱體，其材質 90% 的鉑 (Pt) 與 10% 的銥 (Ir) 組成的合金 (圖二 a)。 IPK 與它的 6 個複製品這 100 多年來保存於法國巴黎附近塞夫爾 (Sèvres) 的國際度量衡局 (BIPM) 的地下室，以三層的玻璃鐘罩重重保護，使其不受外在環境的影響，而其他 40 個鉑銥合金複製品則是送往各個國家，作為各國的質量標準。質量是現今 7 個 SI 基本量中最後一 個以人為物所定義的，要決定一個複製品法碼的質量需要與 IPK 進行質量 比較，即 IPK 的質量是 1 公斤，我們可以透過質量比較法知道複製品與 IPK 之間的質量差值，決定出複製品的質量。但這個方法衍生出一個問題，若是 IPK 的質量起了些微的變化，那 1 公斤的標準也就隨之改變。IPK 與他的 6 個複製品每隔一段時間就會進行質量比較，結果顯示他們之間的質量差值有逐年增加的趨勢，在 2014 年最大的差值已達到了 50 微克 (μg), 如圖二 b 所示。可是依據質量定義我們無法知道質量的改變是來自於複製品抑或是 IPK, 因此計量學家們決議以自然界不變量：普朗克常數重新定義質量。普朗克常數是一個量子物理的常數，用以描述能量與電磁波頻率的關係。利用普朗克常數來實現質量的新定義的方式有 2 種，其一為瓦特天平法 (watt balance), 紀念已故的發明者基布爾博士 (Dr. Bryan Kibble), 2016 年則正式改名為「基布爾秤 (Kibble balance)」; 另一為 X 光晶體密度法 (XRCD method), 又稱為矽晶球法，此方法亦為目前物量單位莫耳最準確的實現方法。如圖三所示，瓦特天平法由英國國家物理實驗室 (NPL) 首先提出，分為靜態與動態模式 2 種。靜態模式的方法是在天平的其中一端施加法碼，另一端則是在輻射狀的磁場中放置線圈，當線圈通以電流 I 可以使天平達到靜力平衡 mwg=ILB; 動態模式中使線圈以等速 v 移動則產生感應電動勢 V, 將圖三的公式整理之後得到電功率與機械功率平衡 VI=mgv, 因此最初以功率的單位瓦特來命名，透過量子電量標準 V=fh∕(2e) 與 RH = h ∕(ie2), 使質量連結到 普朗克常數。X 光晶體密度法為國際亞佛加厥計畫 (IAP) 所發展之技術，參與者主要有德國聯邦物理技術研究院 (PTB)、日本國家計量研究院 (NMIJ) 以及義大利計量研究院 (INRiM), 透過計數矽晶球中矽原子數量的方式來實現新公斤定義。取自自然界的矽經過純化、長晶、切割、研磨與拋光多道程序，製造出 28Si 純度超過 99.99%、直徑為 93.7 公釐且真圓度為數十奈米的完美球體，藉由計數矽晶球內含有多少顆矽原子來計算出矽晶球的質量 (矽晶球質量 = 矽原子質量 × 球體內矽原子數量)。......【更多內容請閱讀科學月刊第 586 期】 | science |
亞洲造山運動三部曲 | 2018 年 7 月，中研院舉辦第 33 屆院 士會議，在會議前後期間，中研院也邀請新科院士對社會大眾公開演講。然而本屆的新院士還沒選出，此處演 講的「新院士」指的是 2 年前、上一 屆新選出的院士，這裡就來介紹數理科學組的鍾孫霖院士的演講內容 ——「亞洲造山研究：絲路計畫與東南亞實驗」。仍有不足「板塊運動」是現在大家所熟知的地質學理論，它告訴我們，全球地表不是一個完整的陸地，而是分裂成不同的板塊。板塊底下有軟流圈 (asthenosphere) 進行熱對流，相鄰 兩處的移動方向不同時，兩者的相互作用使各板塊發生相對運動。有的地方如中洋脊 (mid-ocean ridge), 持續張裂讓內部的岩漿源源不斷地流出，形成新的海洋地殼；有的地方如板塊交界處會碰撞擠壓，密度比較高的部分就下沉隱沒到地函 (mantle)。經過幾十年的發展，目前板塊構造學說已從最初籠統的樣貌演進到今天越 來越清楚的輪廓，並劃分出全球 50 多塊的大小板塊。板塊的邊界是跨越國界的，而且還與地表的山、海和河流等自然界線沒有直接的關係。鍾孫霖特別拿著英國地球物理學家麥克肯澤 (Dan McKenzie) 年輕時在加州 野外考察的照片來說，當時他雙腳跨 站在一個排水溝的兩側，根據地質 研究，那正是聖安地列斯斷層 (San Andreas Fault, 圖二) 通過之處，因此他非常霸氣地站在兩個板塊的交界上。雖說板塊構造學說已是顯學，然而早 在 1975 年，麻省理工學院 2 位年輕學者莫納兒 (Peter Molnar) 與塔波 尼兒 (Paul Tapponnier) 就根據他 們在亞洲大陸的研究大聲宣告：即便 板塊運動的學說不錯，但在我們研究 的範圍並不適用。他們挑戰的關鍵在於，板塊構造學說討論範疇，主要是透過海洋下板塊觀察所建立起來的，其可解釋板塊的水平移動，但沒有解釋陸地怎麼碰撞變形、隆起，形成像西藏那樣的大高原。而莫納兒與塔波尼兒的研究範圍主要就在亞洲，這裡的地質相對於全球其他地方而言比較年輕，許多地質過程還在進行，這也吸引著鍾孫霖來這裡尋找研究題目。1995 年，鍾孫 霖先從越南開始進行研究並有了突破性的發現，他認為這裡是印度板塊北移撞上歐亞大陸板塊後，部分質量往中南半島延伸出的「新大陸」, 並將此稱為「脫逸作用 (continental extrusion)」。不過有些論點跟莫納 兒與塔波尼兒的解釋不一樣，因此在論文審查的過程受到許多刁難，幸好最後仍能發表。至今雙方仍會對此繼續辯駁，卻也各留空間給對方揮灑。目前國內仍有學者繼續研究中南半島，但 1997 年後鍾孫霖的興趣則開 始移到西藏，想以第一手研究的方式了解世界屋脊的成因。鍾孫霖於 1997 年參與臺灣地質學者 所領銜的國際研究團隊，以申請國科會 (現科技部)「東亞地體構造演化 整合型研究計畫 (Comprehensive Research on East Asia Tectonic Evolution, CREATE)」。 此計畫每 3 年審查一次，目前 21 年已經完成 7 期，進入第 8 期。他的研究主題是亞 洲造山演化與大陸的板塊構造，從印度板塊與歐亞大陸板塊碰撞造山的地 方 —— 西藏出發，然後向西進到 CIA (Caucasus-Iran-Anatolia, 即高加 索 — 伊朗 — 安那托利亞，是阿拉伯跟歐亞大陸板塊碰撞造山的另一塊地方), 現在則移到東南亞 (South East Asia, SEA), 那裡是澳洲板塊往 西北前進準備撞上來的新造山角力場。......【更多內容請閱讀科學月刊第 586 期】 | science |
介紹自然界的力 | 根據科學研究，自然界中存在 著 4 種基本作用力: (1) 萬有引力 (2) 電磁力 (3) 原子核內強作用力 (4) 中子衰變的弱作用力本文在此做簡單的介紹。物理學上任何具體的運動形式 (機械相關、熱相關等) 都可以從一個物體傳遞至另一個物體，這種傳遞的形式，亦即從一個物體對另一物體物理作用的度量，稱為「力 (force)」。 如同物質的運動，力不能與物質分割。自然界沒有，也不可能有任何非物質的超自然力。科學是如何說明自然界的力呢？原來一切事物及無數的自然過程中，在極 大程度上可以解釋為物體間的 3 種相 互作用:「引力作用」、「電磁作用」及「核子作用」。對應於這些作用就 有 3 種基本形式的力:「引力 (又稱 重力)」、「電磁力」及「核子力」。引力，是 1687 年由英國科學家牛頓 (Isaac Newton, 圖一) 發現的。引力存在於任何具有質量的物體之間，也就是萬物皆具有。其大小與相互作用的物體質量乘積成正比，而與物體間的距離平方成反比，屬於「遠距離 的作用力」。 假使拿 2 個質量比較不大 的物體，兩者間的引力相對很小，例 如，2 人各重 60 公斤，距離 10 公尺，彼此之間的引力總共只有 20 克。而 原子與分子間、電子與原子核間的引力更是小到難以估計。原子尺度下的引力與電磁力相比，幾乎可以忽略。但地球與太陽等物體間的相互作用卻完全是另一種情況，地球與太陽的引 力有 3×1018 噸。地球與月亮及太陽系 星球間的引力也都相當巨大 (圖二), 即使和宇宙中相隔非常遙遠的銀河系也有相互作用的引力存在。引力，也可以在地球上感覺到，從地球上的各個物體都有一定的重量而察覺，這種引力就是俗稱的萬有引力，例如某人體重 60 公斤，即指地球以 60 公斤的力吸引他的身體。地球上比 較不大的物體具有較大的重量這個事實，說明了地球的質量是很大的。雖然引力作用的物理本質還很不明確，但有一點是無可爭論的：引力不涉及任何超自然的概念，它是可以度量的，並且在度量的基礎上，可以作出行星、恒星及其它天體運動性質的重要結論。更重要的是，歷史上引力的發現曾對宗教所描繪的宇宙及太陽系構造觀點給予致命的打擊。由於萬有引力定律的發現，科學家才能根據太陽對行星的吸力及行星間的相互作用力精確地計算行星的軌道。正因如此，過去的歷史曾證明，在藉由望遠鏡裏觀測星球之前，利用純理論方法便可預言未知星球的存在。電磁力，是比引力更複雜、更多樣性的一種力。電力是由帶電物體間的電荷相互作用引起；而磁力則由電流間的相互作用引起。在這個領域 之中，英國科學家法拉第 (Michael Faraday, 圖三) 的主要功績是把物 質的「電場」與「磁場」概念引入物 理學中。在 19 世紀以前，物體間的 相互作用一直是被認為是透過虛無空間的相互作用之「遠距離作用理論」。但這個理論卻被法拉第提出的「近距離作用理論」所取代。根據法拉第的理論，相互作用的物體周圍會產生 「場 (field)」, 一個物體的作用經 由場才能傳遞給另一物體。因此，直接作用在已知物體上的是另一物體產生的場，而非該物體本身，由此可以明確表明力與場概念的關係。電磁現象在我們周圍的宇宙中扮演極其重要的作用，因為一切原子是由各種帶電的「基本粒子」組成的。在原子核的組成成份中，才有中性的粒子 ——「中子 (neutron)」。同性電荷相斥，異性電荷相吸，假使電荷是相對靜止的，那麼電荷只需藉 由電場而產生相互作用。2 個點電荷 間相互作用的力是與電荷量大小成正比，並除以電荷之間距離的平方 —— 與前面的牛頓引力定律相同。但是當電荷開始運動，電荷便會在周圍空間產生與電場並存的磁場，這磁場的大小、方向與電荷的遠近及電荷運動的性質有關。磁場中也有力作用在其它電荷上，磁場對不運動的電荷一般是不作用的，而電場與磁場則是極緊密地相互聯繫著的。......【更多內容請閱讀科學月刊第 586 期】 | science |
以大數據分析 揭開臺灣海洋生態面紗 | 有些真相的出現，並非由於對已知的執著，而是出自對未知的好奇。聯合國為今年世界海洋日設定的主題項目之一是「瞭解海洋」, 國家新設的海洋委員會則肩負著未來海洋永續發展的任務，但是回歸根本，我們對臺灣周遭海洋的瞭解有多少？過去幾十年來，以基因為主的分子生物研究，一直是生物學的聖杯，可見的未來它仍然將引領風騷。雖說生態學從來不是主流，但諷刺的是：任何生物都得生活在生態系中，沒有完好的生態系，再厲害的基因也將面臨消失或冬眠的命運，所以雖然筆者的研究專長是海洋生物生理及生物化學，但一談到複雜又牽扯眾多生、地、化因素的生態領域時，總認為傳統的觀察、描述、簡單連結和質性推論，做科普推廣固然有餘，要更上層樓是不夠的；若政府再據此制定生態管理的政策，更可能因誤判情勢，影響深遠。可是這個問題要如何解決呢？沒有偷懶的方法，一定要有長期、完整、大量的數據收集，專業跨域的生態素養，再加上強大有效的分析方法，或許還要有接納不同想法的寬闊心胸，才有接近真相的可能。約莫 1980 年代中期筆者參與臺灣環 境監測作業開始，每個計畫結束後，都會將數據小心保存，並持續在覺得重要的地區自力收集採樣，以累積足夠的資訊。這樣做有什麼好處，其實筆者並不清楚，只是覺得投身科學本就該「明其道不計其功」, 行有餘力時，理應該多做些事而已。直到周偉融進入實驗室後，因為師生有同樣興 趣，就一起開始持續了 20 幾年的「臺灣水域生態大數據分析」之旅。研究初期，我們先將實驗室累積多年的南部海域生態調查資料做全面的整合分析比較，看看各地區的生態特性是什麼，許多結果頗為出人意料，其 中之一就是在 90 年代汙染極為嚴重，看似一灘黑水的高雄港區內生態系結構，比高雄鄰近海域看似風和日麗，但拖網漁船在海底掃來掃去的生態系 結構還要穩定，而且組成和相隔 50 公里外完全沒有工業開發，在外觀和地理連接上都風馬牛不相及的臺南七股潟湖甚為類似，兩者皆生機滿眼、洋洋大觀。這個發現發表後，直接燃起了社會對高雄港海洋生態可以復甦的希望，也促成了後來各項整治、保護及觀光旅遊的政策方向。之後我們又收集了 10 年，將中鋼數 百萬噸煉鋼後產生的爐渣石海洋拋置區裡各種生物監測資料做了細緻的數理檢視，結果同樣曲折離奇。之前環保界及學者都一致預測：如此大量的爐石海拋一定會造成海底棲地掩埋、海水汙染、生物死亡、漁業減產等，但採樣所得卻是每年都物種增加、個體數量提高，周邊的漁獲也增加，連 10 年的最終平均數也是如此。那麼 海拋是有利生態的嗎？我們的時間序列分析卻發現沒有這麼簡單，生物種類和數量在第七年有一個急遽降低，之後海拋區群聚的組成與豐度特性和原先的對照區比較，就一去不回頭了 (圖一)。原本沒人能回溯這幾百呎的水下，在過去的年份中所發生的事，但利用不同物種和獨特棲地結合的特性及適當的統計程式做探針，我們卻重現了一個水下故事：海底堆的像小山一樣的 爐石碎塊 (約 10~30 公分) 在單調 的沙泥地形成了「人工魚礁效應」, 礁岩生態系的特性讓魚種、數量都大量增加，而且因為海拋區禁止拖網漁船進入作業，甚至形成保護區的效果，養護了魚源並造成外溢，增加周邊的漁獲。然而，第七年時碰到一個超大型的颱風「葛樂禮」直接襲擊這片海域，特大的海浪打散了海底一座座結構並不穩定的爐石山。當時其實已有許多柳珊瑚、海綿、藤壺、牡蠣長在爐石上，並逐漸開始生物膠合 (圖二), 坍塌後的爐石在海底流的推送下，就像陸上的土石流一樣，橫掃了底棲性的海洋生物群聚，如蝦、蟹等，造成慘重傷亡，但是對魚類的影響則相對較小，因此從一般以魚為主的生態資料分析上來看，雖有波動，看起來好像也沒什麼大事。這個案例給我們的啟示是：改變環境不見得一定不好，要是能依照如棲地、物種、穩定度、自然災害、干擾強度與頻率、預期變遷等的巨觀生態運作原理先做好規劃設計，就有可能造就多贏局面。......【更多內容請閱讀科學月刊第 586 期】 | science |
此物只應天上有 | 電影中的這種生物，和 1950 年代追尋外星人的電影中可能會看到的那種「小綠人」天差地遠。但是，這兩種生命形式真的有哪一個比較接近真實的嗎？關於外星人的長相，當然有很多不同的選項；就我們對這顆行星上的生命演化所知，我們可以用還算豐富的資訊，推測一下某些外星人的模樣。但是，因為我們所有的知識都限於這顆行星上的生命演化，所以我們幾乎不可能理解其他的可能性。不可避免地，我們最後只能以「我們知道的生命模樣」進行大部分的思考，因為我們根本不知道怎麼思考那些，呃，不像我們的生命。碳是地球生命的積木，這是一種特殊的元素，會形成很美妙的長鍊「骨幹」, 讓各種可能的東西附著上去。此外，它也能和其他穩定但可分裂的元素結合。因此，碳與它的化學夥伴 —— 氧、氫、氮、磷和硫 —— 共同盡責地支撐著這顆星球上的生命。但也不是非碳不可。矽經常被視為另一種生命形式的替代積木，因為它和碳有很多相似的化學特質。不過說到底，矽看來還是沒那麼適合當前的 (巨大) 任務。一個主要的問題是：碳和氧結合時會形成氣體二氧化碳，但是氧化的矽會形成固體的二氧化矽。氧化作用對我們而言，是一個重要的生物化學過程，而形成固體對有機體來說，會帶來一個嚴重的問題：你要怎麼處理它？雖然不是不可能，但不可否認處理氣體產出物比較簡單。所以，讓我們回到我們知道的例子。以碳為基礎的生命很快就在地球上出現。我們認為，簡單的生命 —— 原核生物，小小的單細胞有機體 —— 大約在三十八億年前誕生，就在我們這顆火熱的小岩石冷卻到足以出現生命的幾百萬年之後。這些生物現在依舊與我們同在，細菌就是一個例子。如果所有的外星生命都在細菌的階段就停止發展，真的無聊得要死。但是我們必須承認這是一個可能。事實上，有非常多的理由說明生命為何可能會出現，但毫無進步，無法進行星際旅行。然而，我們就不要討論太多這個令人失望的結果了。更何況，現在我們已經能合理地猜測，如果生命真的好好扮演自己的角色，最終的演化成果會是什麼樣。其中一個很大的問題在於智慧的演化，這是必然的嗎？我們在《決戰猩球》裡討論過，我們沒有肯定的答案。但是，以我們自己的世界為例，我們看到了許多生物都各自獨立演化出智慧與解決問題的能力，從海豚到人類到烏鴉都有。......【更多內容請閱讀科學月刊第 586 期】 | science |
科幻分類學 | 分類是最基本的科學方法，無論研究任何一門學問，第一步都應該是做好分類的工作。科幻領域的探索也不例外，從 1818 年瑪麗・雪萊 (Mary Shelley) 發表的《科學怪人》(Frankenstein) 算起，科幻文學累積了兩百年的豐碩成果，想要對它有全盤的瞭解與認識，最好的方式就是從分類著手。就科幻小說而言，可以考慮用年代、語言、類型、目標讀者當作分類標準；如果是科幻電影，通俗性也是很好的指標。不過這些分類屬於入門等級，在登堂入室之後，若想更上一層樓，就有必要使用更深刻、更微妙的分類方法。比方說，科幻迷都知道科幻小說有軟硬之分，這就是比較進階的二分法。大體而言「硬科幻」注重科學考據，「軟科幻」則是披著科幻外衣的純文學。不過嚴格說來，軟科幻與硬科幻都是極端案例，還有很多科幻作品不屬於這兩個範疇，因為它們或是軟硬適中，或是軟硬兼施。所以更正確的說法是，科幻小說的「軟硬」是一種連續參數，若從最軟排到最硬，大致可以連成一條直線。至於有沒有不連續的科幻參數，可以產生真正的二分法，答案當然是肯定的。以下的例子包括科幻小說與科幻電影，因此從現在起盡量用「科幻故事」這個統稱。一般人對「科幻」最常見的誤解是將它和「未來」畫上等號。事實上，固然大多數的科幻故事屬於未來，可是仍有少數例外，例如《星際大戰》(Star Wars) 系列就是發生在很久以前的故事，而且想必原創者盧卡斯 (George Lucas) 認為這點很重要，每集電影 開演前都會不厭其煩提醒觀眾一次：A long time ago in a galaxy far, far away... 因此，我們可以用「是否屬於未來」當作標準，將科幻故事分成兩大類。這個分類不會隨著時間改變，因為所謂的未來是以創作年代為準。例如《絕地救援》(The Martian) 是 2015 年出品的電影，時代背景則是 2035 年，所以即使半世紀之後，它仍舊是一部「未來式的科幻片」。另一方面，《 頂尖對決》(The Prestige) 則是標準的過去式科幻，它的故事發生於十九世紀末，比上映年份 (2006) 早了一百多年。必須強調的是「非未來」和「過去式」不盡相同。原因之一，有少數的科幻 故事其實屬於現在進行式，《MIB 星際戰警》(Men in Black) 系列就是 很好的例子，為了營造強烈的真實感 (外星人就藏在你身邊), 它的時空背景設定為此時此刻的地球。此外，有些科幻故事的背景相當模糊，無從確定屬於過去、現在還是未來。科幻 大師艾西莫夫 (Isaac Asimov) 的成名作《夜歸》(Nightfall) 就是這類作品，故事發生在一顆和地球毫無關係的行星，讀者根本找不到可靠的時間參考點。至於那些發生在平行宇宙的故事，既然屬於另一個時間軸，也就更加無法定義時態。針對未來式的科幻故事，我們還可以根據「過期與否」再做一次二分。在此的過期有個明確的操作型定義：一個科幻故事，如果其中的年份全部早於今年，就屬於過期的未來科幻。例如《二十世紀的巴黎》(Paris in the Twentieth Century) 是法國科幻之父凡爾納 (Jules Verne) 早期的作品，大約創作於 1860 年，故事背景則是百年後的 1960 年代，因此對我們而言，這本書已經過期半個世紀。電影方面，《 2001 太空漫遊》(2001: A Space Odyssey) 這部經典堪稱範例，顧名思義它的故事主要發生於公元 2001 年。前面提到的《絕地救援》則是尚未過期的例子，而改編自名著的《機械公敵》(I, Robot) 與《關鍵報告》(Minority Report) 也屬於這 一類，前者的故事年份恰好也是公元 2035 年，後者則是 2054 年。此外，如果某個科幻故事從頭到尾沒有可靠的年份，但其中存在明顯的指標，同樣可以判斷它有沒有過期。 例如「科幻先生」海萊因 (Robert Heinlein) 1952 年創作的《滾石家族遊太空》(The Rolling Stones), 故事從月球殖民地講起，是否過期就不言而喻了。科幻故事或多或少會對科技發展做些預測，因此對於那些「過期」的作品，我們很容易評斷其中的科技預言是否成真。不論答案是什麼，通常都能帶來發人深省的啟示，以下舉兩個典型的例子。成功案例:《世界解放》(The World Set Free) 是 1914 年出版的英國科幻小說，作者是同被譽為科幻之父的赫伯特。威爾斯 (H. G. Wells)。雖然他的代表作都不算硬科幻，這本名氣較小的《世界解放》卻是例外。威爾斯根據拉塞福等人對放射性的研究，大膽預測人類遲早會發明一種可怕的 武器──原子彈 (atomic bomb)。 換句話說，威爾斯至少是「原子彈」這個名詞的發明人。有些科學史家甚至認為真實世界的原子彈也是本書催生的，因為它影響了曼哈頓計畫中的一位關鍵人物──匈牙利物理學家西拉德 (Leo Szilard)。失敗案例：在《2001 太空漫遊》這部電影中，二十世紀末人類已經在月球上建立永久性基地，並有能力發射載人太空船前往木星。如今回顧，這當然是個非常失敗的預測，但如果你仔細研究它的拍攝年代 (1964~1968), 就不難理解這部電影的兩大推手── 大導演庫柏力克 (Stanley Kubrick) 和科幻大師克拉克 (Arthur Clarke) ──當年為何會那麼樂觀。......【更多內容請閱讀科學月刊第 586 期】 | science |
科幻中的未來醫學 | 說出來大家可能感到訝異《星際大戰》電影系列令筆者最為震撼的一幕，不是那些長度超過一公里的太空 船、死星 (Death Star) 的最初現身，或是凌厲激烈的太空戰爭場面 (因為這些都只是科幻小說經典情節的視覺重現), 而是男主角路克。天行者 (Luke Skywalker) 被黑武士達斯。維達 (Darth Vader) 斬去手臂後，手臂重新生長而完全康復的那一幕！一心以為手臂被斬後，男主角會成為好像武俠電影《獨臂刀》中的悲劇英雄人物。枉我是個科幻迷，卻跟其餘觀眾一樣被編劇愚弄，竟然一時間忘記了：未來世界中當然有「未來的醫學」囉！如果大家跟我一樣是第一代的《星艦迷航記》迷的話，則我們對科幻世界中的「未來醫學」其實很早便有認識。 還記得「企業號 (Enterprise)」上的醫生李奧納德。麥考伊 (Leonard H. McCoy) 手上常常拿著的醫療器材「三度儀 (tricorder)」嗎？當頸上掛著聽筒仍然是醫生的最重要標誌之時，麥考伊的三度儀，只要掃描人體就能判斷疾病的超級功能就跟魔術 (巫術？) 差不多。筆者萬萬想不到的是，這個本應在 23 世紀 (《星艦迷航記》所設定的時代背景) 才出現的科技，在有生之年已經出現了。大家在閱讀本文時，手腕上可能已經帶著一隻不斷監察著你的身體狀況的多功能手錶，包括測量每日走路步數、心率、睡眠品質等。不要忘記現在才是 21 世紀初，有誰知道真的到了 23 世紀，麥考伊的三度 儀是否已經過去，甚至要在博物館才找得到？此外，船上醫療室每張病床 床頭的生理狀態動態顯示，在 1960 年代屬非常先進，但在今天病床旁都有生理監視器，能夠隨時測量病人的血壓、心跳、心電圖、血氧飽和濃度和呼吸等數值，基本上已實現。一些人認為成書於 1818 年的《科學怪人》是歷史上第一本科幻小說。如果我們同意這個觀點，那麼醫學和生物改造一早便和科幻創作結下不解之緣。大家可能知道，作者雪萊是受到剛剛發現的「生物電 (bioelectricity)」 現象而獲得到創作靈感的。200 年後，在公共場所幾乎到處可見的「自動體外心臟電擊去顫器 (automated external defibrillator, AED)」所用的原理，跟佛蘭克斯坦用以激活「科學怪人」的技術幾乎一樣。至於激烈程度小得多的應用，最普遍的，則是復健醫學常用的電療法之物理治療方式。(現今中醫的一些派別，也把微電流刺激與針灸結合起來。) 有關生物改造的經典科幻作品，當然是科幻大師威爾斯於 1896 年寫的《莫羅博士島》(The Island of Dr. Moreau)。令人驚訝的是，遺傳學在當年仍只在萌芽階段，而基因的確立和 DNA 結構的發現還在半世紀後 的未來，但威爾斯已經大膽地假設人類 (至少是故事中的瘋狂科學家) 擁有改造生物的能力，從而將人和獸之間的界限模糊起來。然而，筆者印象最深刻的「未來醫學」故事，首推中學時期讀的、由美國作家西里爾。孔布魯斯 (Cyril M. Kornbluth) 於 1950 年所寫的短篇故事《黑箱子》(A Little Black Bag)。要知當年醫生出診時，都必然帶著一個黑色的醫藥箱 (多是皮革製並於開口處由橫向的金屬條封口), 而故事正正描述一個庸醫，因為無意中拾到一個來自未來的「醫療箱」而成為了一代名醫的經過。這是一個十分精采的科幻意念。的確，另一位科幻大師克拉克 (Arthur C. Clarke) 的名言是:「任何足夠先進 的科技文明將會跟魔術無異。」請試想想，在 500 年前的醫生看起來，今天的醫生所能做的，不是跟魔術一樣不可思議嗎？不要說 500 年後，就只是 100 年後，我們的醫學會變得如何不可思議？這固然是任何人都想知道答案的問題，更是科幻作家不能勿視的重大課題，因為它既是創作意念的一大靈感泉源，也是描述未來世界時必須考慮的道具佈景 (就像「天行者」的斷臂一樣)。《黑箱子》是短篇小說，在長篇科幻小說之中，以醫學為題材的首推詹姆斯。懷特 (James White) 所創作的 《太空醫院》(Sector General) 系列 (共 13 本作品，創作橫跨上世紀 60~90 年代)。系列的背景是較為遙 遠的未來，那時人類已經跟眾多的外星族類建立起友好的關係，而故事主人翁是一間星際太空醫院裡的出色醫生。系列的故事便是講述他遇上各種稀奇古怪的醫療事故，不少都跟外星人有關。系列中既有短篇故事集 (如 Hospital Station), 也有長篇的小說 (如 Star Surgeon 和 Blue Code – Emergency)。在筆者看來，這些小說雖然未算頂級的科幻，但其中包含了豐富精采的想象也很富娛樂性，是最被人忽略的一個科幻系列。......【更多內容閱讀科學月刊第 586 期】 | science |
科學出走 雪之大谷 | 如果說富士山是日本人心中一抹神聖 的存在，那立山則為世界各地旅人對 日本北陸的一大嚮往。位於本州中 部、臨日本海的北陸地區以山和雪聞 名，日本三大名山中更有兩山坐落於此，立山則為其中之一。立山，有日本阿爾卑斯山的美稱，之 所以受到旅人們的青睞，全因其特殊 地理景觀。冬天時，從北而降的西伯 利亞冷空氣受山脈的阻擋，時常為此 地區帶來猛烈的暴風雪，使立山成為 世界上少數的豪雪地區。經過冬季皚 皚白雪的一番洗禮後，山上道路早已 被厚厚雪層所覆蓋。當春天將至，透過人為將道路上的積 雪清除，兩旁殘雪堆疊成數十公尺高 的雪牆，於每年的 4 月官方會舉行「漫 步雪之大谷 (雪の大谷ウォーク)」, 在為期約 2 個月的時間供旅人們前往 朝聖，體驗漫步在高聳壯麗雪牆間的 驚嘆。然而，事前的除雪作業可不如 人們所想的容易，每年 1 月，工作人 員利用一台台鏟雪車，將道路上的雪 往前推，再透過工程車將路面上的雪 掃起，並向兩旁噴濺出大量雪瀑。在 歷時 3 個月反覆作業後，綿延 30 公 里的雪之大谷路程才得以完成。若想一睹位於海拔 2450 公尺雪之大谷的魅力，除了拾起行囊、穿上登山 裝備，熱血地徒步上山外，也可以選 擇於 1971 年開通的立山黑部阿爾卑 斯山脈觀光路線，透過 7 種不同交通 工具的搭乘抵達，包含登山纜車、高 原巴士、無軌電車和架空索道等。經 由每一段路線所搭乘的不同交通工具 拾級而上，也能時時刻刻觀賞在各海 拔所到之處、不同的大自然景觀。 在旅人還醉心於雪之大谷的碩大感 時，不知不覺間已順著觀光路線、在 各種交通工具的轉換間來到黑部湖，此站為唯一一個不倚靠交通工具的徒 步區。走在通往下一站的隧道中，可 以感受到當年開發的艱辛；而在穿越 過隧道後，映入眼簾的是位處海拔 1500 公尺、日本最大的拱型水壩── 黑部水庫。不只每年為日本帶來 10 億 千瓦小時 (kWh) 的發電量，坐落下方 的黑部湖更提供超過 2 億平方公尺的 蓄水量。而當黑部水庫洩洪時，其放水量可高 達每秒 10 立方公尺，也因此在 2011 年，日本知名動漫《名偵探柯南：沉默 的 15 分鐘》中的場景之一──北之澤堤壩，更是以此水庫為雛型進行動畫設 計。伴隨著微風、走在連接水壩的徒步 區，實在難以想像腳下沉穩平靜的水 庫洩洪時的氣勢磅礡。只能遠眺著黑部水壩，期待下一次相見時能有幸親 眼目睹那包含力與美的衝擊。除身歷立山、黑部其中，近距離欣賞 外，搭乘黑部峽谷鐵道列車則是另一 種遠觀的方式。當年此鐵道的建立是 為了運送建築水壩所需搬運的物資，而在建設完成後，遂逐步發展成觀光 產業，讓旅人們能夠乘上小火車，沿 著鐵道行駛在黑部峽谷間，感受峽谷、水壩與河川之間的壯麗與險峻。雖然今 (2018) 年的漫步雪之大谷已落 幕，不過，阿爾卑斯觀光路線則會從 4 月中旬一直開放至 11 月底，供各地旅人感受立山不同季節的魅力。順帶一提的是，在此觀光路線中，連接 黑部水庫與扇澤站、54 年來搭載超過 6000 萬人次、透過頂上集電桿供電駕 駛的關電隧道無軌電車，將在行駛至 今年 11 月底後功成身退，未來將由 電動巴士取代。所以，提起行囊吧，縱使今年已看不到偌大的雪牆，不 過，或許還能在立山上幸運地看到有 「神之使者」美稱的岩雷鳥 (Lagopus muta) 並趕上關電隧道無軌電車的末班車，一睹它最後的風采！ | science |
2017安謀設計競賽 由清大「來自新心的秘密」團隊獲得冠軍殊榮 | 【本刊訊】安謀設計競賽 (ARM Design Contest), 是由安謀國際科技主辦、國研院晶片系統設計中心與意法半導體進行協辦，是自 2005 年起，每年在臺灣舉辦的校園設計創意競賽。此競賽的參賽者以全國大專院在校生為主，並以團隊為單位進行報名，團隊中包含一位老師進行輔助、指導，而參賽隊伍需透過參加主辦單位的訓練課程，並利用所提供的硬體開發平台進行產品設計。今 (2017) 年，此項競賽以「Arm Strong,Make it BIG!」為主軸，吸引超過 180 個團隊報名參加。各團體也在經過初賽與決賽的激烈廝殺後，最後，由清華大學「來自新心的秘密」團隊奪得冠軍、亞東技術學院「阿公回來了」團隊奪得亞軍、臺灣科技大學「貝斯特藝術家」團隊則獲得季軍。近年來，指紋、虹膜與人臉等生物辨識的相關行動支付出現。然而，這些辨識系統皆為外顯特徵，容易遭竊取或仿冒。有鑑於此，清大團隊的「來自新心的秘密」, 是利用每個人心跳的細微差異，開發出全新的生物辨識系統，並與 APP 結合，研發出心電訊號 (ECG) 作為生物辨識的行動支付系統「Instacardeal」。 清大研究團隊表示，由於每個人的心臟大小、位置與胸腔在構造上皆有差異，所產生的心電訊號也不盡相同，況且，只有在人還活著時，才有心跳能進行辨識、作為生物辨識的依據。因此，研究團隊嘗試分析心電圖的跳動形狀，並利用演算法進行計算，目前，此裝置已達到 98% 以上的辨識率。而亞東技術學院則是為失智症患者設計出一種「位置追蹤與迷走救援」系統，此系統結合 GPS、相關的無線傳輸系統和所需電力裝置，並將此裝置放入鞋子，失智症患者穿上後能及時將所在位置上傳至雲端，使家屬能即時掌握失智患者的行蹤。除此之外，系統中提供求救功能，能在遠端進行遙控，提醒患者周圍的人進行相關協助。「貝斯特藝術家」, 是臺科大團隊開發出的「互動式多節點復健輔助」系統，目的是為了幫助腦性痲痺兒童的骨骼與關節發育。此輔助系統透過多個節點偵測，提供患者個人化的姿勢相關數據，期望藉由此系統幫助腦性痲痺兒童矯正各種不當姿勢，而數據也能提供醫生協助各種治療，使腦性痲痺兒童的姿勢與骨骼有良好、正確的發展。此競賽已連續舉辦了 12 年，主辦方期望透過校園創意競賽鼓勵學生將所學所知與創造力結合，並培養臺灣未來的科技人才。 新聞來源：清華大學，〈「心電支付」 清華團隊發現來自新心的秘密〉,2017 年 11 月 20 日。 | science |
在熱誠之中追尋人生理想-許雅儒專訪 | 地震是否可能改變一個人的生命方向？大多數的地震災難，留給人類的是生命的消逝與磨難，像是 2016 年臺灣美濃地震所造成的維冠大樓倒塌，還有 2011 年至今仍未能從核災恢復的日本福島。但對於科學家來說，他們仍從中窺見了希望的火光。1999 年，許雅儒從中央大學碩士畢業後，隨即在中研院擔任研究助理，並暗自下了一個決定，準備在一年內到社會上尋找心目中理想的工作。但 7 月才剛報到，9 月卻意外碰上了集集大地震。隨即她便投入災區的工作，在現場搜集許多珍貴的研究數據，因緣際會下，她再度回到了學術研究的道路:「 其實，我在當時剛好也沒有找到真正 喜歡的工作，因此在以前指導老師的鼓勵下，誤打誤撞之下繼續念了博士班。」其實，許雅儒會投入地球物理領域，也是在一個很偶然的機會下。她在高中選填志願的時候，因為不想再像國、高中一樣只是不斷唸書，而尋找著是否有符合她志趣的科系。熱愛自然活動、喜歡爬山的她，發現在地球科學系可以前往臺灣各地參與許多野外觀測活動。於是，她選擇了地球科學。十幾個年頭過去，她已成為獨當一面的科學家。她活用 GPS (全球衛星定位系統) 研究斷層活動、前往臺灣與菲律賓各地考察與蒐集數據，並試圖將斷層活動研究應用到山崩現象上，期望能解決長久以來的環境問題。今年，她在 2017 年獲得了第十屆臺灣傑出女科學家獎的「新秀獎」, 肯定她在地球科學領域中的豐碩成果。科學月刊 (以下簡稱科): 您就讀博士班時，曾經到美國加州理工學院、史丹佛大學參訪，這些地方和臺灣的研究環境有何不同？許雅儒 (以下簡稱許): 國內的研究環境其實較為封閉，討論氣氛沒有像國外這麼熱絡，而且美國的教授常常有許多天馬行空的想法，對於一個研究課題都能從不同的角度切入，發表自己的想法，你會從中學習如何更深入觀看一個問題。譬如你要解決一件事情時，可能存在著 5 種驗證方法，在臺灣，你或許只做其中 1~2 種就夠了；在國外你就必須 5 種都要做，然後得到同樣的結果後，才歸納出一個正確的結論。在這種訓練過程中，促使我去思考各種不同的面相。當我得到一個結論後，我必須去思索在其他不同的事物裡頭，是不是也存在著可以佐證這項結論的可能性？對研究的觀點會因此變得更為廣泛、深入，並且拓展跟很多不同的人合作的機會。科：談談您在 2004 年蘇門答臘大地震的國際合作經驗。許：蘇門答臘地區的地震週期非常長，可能超過一千年，所以 2004 年地震發生前，學界一般認為這裡不太可能會發生大地震。但還是有人有遠見，在 2004 年蘇門答臘地震發生之前，加州理工學院的謝凱瑞 (Kerry Sieh) 教授已在蘇門答臘外海採集了許多珊瑚礁來做定年。因為珊瑚礁如果受到地殼變動抬升出露海平面的話，珊瑚礁就會大規模死亡。所以如果我們想要得知當地較久遠的地震活動歷史，除了人類紀錄以外 (僅能涵蓋數百年時間), 就必須要去尋找其他的資料。而這位教授將珊瑚礁剖開後，採取可供定年的標本，並定出珊瑚礁大量死亡的年代，就可以回溯到以前的地震事件。我覺得這非常有趣，他知道要怎麼利用其他的資料來尋找久遠以前的地震事件。因為這個地震規模很大又引發海嘯，幾乎當時所有的加州理工地震觀測實驗室的教授都有參與，大家討論也都很踴躍，最後集結所有人的精華發表了許多研究成果，在這整個過程當中我學到很多。科：在野外觀測時，有什麼印象深刻的例子？許：我們的野外觀測必須要量測全臺灣各地的 GPS 點位的位置變化。有一次我們前往嘉義梅山尋找一個 GPS 點位，因為這個點位一年僅觀測一次，草已經長得比人還高，使得我們必須一邊看著點位位置圖一邊四處尋找。但是，當我一翻開草叢時，一個墳墓就突然出現在我的眼前，同時，我的目光剛好對上墳墓上的一張人像，頓時覺得有股電流就從腦袋上頭一路穿過我的脊椎，那是我第一次體會到所謂「背脊發涼」的感覺。那個時間剛好是山區午後下雷陣雨之前，天色很黑，我的潛意識告訴我趕快離開那個地方。我認為那次是最驚恐的一次。因為點位位置圖上並沒有標示點位在墳墓區，我完全沒有預期到會有這種狀況。......【更多內容請閱讀科學月刊第 569 期】 | science |
柏拉木幼葉形成斑紋的原因 | 【本刊訊】野生動物在野外求生，為了躲避天敵因而在身上演化出了多種不同紋路或花紋，以便其增加存活率。而最近，由中興大學生命科學系與新加坡、美國的學者共同組成的團隊，則發現不只是動物有花紋來增加防禦，連植物也會有其現象。研究發現，在植物當中的柏拉木 (Blastus cochinchinensis) 幼葉的白斑與動物身上的花紋功能相同，是提升存活的機會。除此之外，此斑葉形成的機制多達 5 種，其中 2 種為首次發現。而這項全新發現也刊登在《植物研究》(Journal of Plant Research) 期刊中。一開始，研究人員在野外調查時發現柏拉木有有斑和無斑的小苗，而且近一半的幼苗為有斑型。相較於秋海棠植物的斑葉大多能持續到成株，柏拉木的斑葉僅出現在幼苗期，是一種「幼年期斑葉」。而研究人員也表示這種白斑可提供視覺訊號，而白斑與其中心茸毛細胞內的晶體，可嚇阻草食動物達到防禦作用，所以柏拉木的幼年期斑葉具有演化適應的意義。因此，這項實驗則深入研究柏拉木的葉片結構，並且再使用了東南亞的另 2 種斑葉植物加入輔助，分別是蜂鬥草屬的 Sonerila heterostemon 和彩葉孔雀薑 Kaempferia pulchra 共同研究，以探討斑葉的機制成因。結果發現，植物的斑葉形成的原因有 2 類，主要為色素 (化學色) 和結構 (物理色) 相關。除此之外，造成柏拉木幼葉形成此白斑的機制則多達 5 種共同作用而成，包含了葉肉細胞、表皮細胞、細胞間隙、晶體與葉綠體變異，而其中晶體與葉綠體變異為這次研究所新發現的機制，相較於一般斑葉植物只有 1、2 種機制，此幼葉的形成明顯較多。研究團隊也發現越多的機制會使得這些作用有加強效果，可讓柏拉木斑葉呈現出的斑蚊更加明顯與耀眼。而研究人員也比較了柏拉木無斑幼苗的綠葉和斑葉的白色區與綠色區的葉表特性，也發現了許多差別，包括了厚度、氣孔和毛狀物等。驚訝的是，在斑葉綠色區的光合作用表現竟然顯著高於綠葉，研究人員推斷可能是為了彌補斑葉白色區光合作用略低的作用影響，而有了這樣的現象發生。此次的斑紋發現主要在柏拉木的幼葉中，研究人員也表示若在爬山時看到了柏拉木幼葉也不要因為美麗的斑紋而伸手去摘，因為在它們長大後這些亮麗的斑紋就會隨即消失，因此，在爬山時則透過眼睛觀察美麗的柏拉木幼葉，讓它們能夠順利健康長大。新聞來源：中興大學，〈幼苗斑紋有助防禦 興大學者揭斑葉成因〉,2017 年 3 月 9 日。 | science |
「嵌合體」研究挑戰人類道德邊界 | 嵌合體 (chimera) 原意是指一種希臘神話當中的神獸；同時擁有山羊頭的獅子配上毒蛇構成的尾巴，不過在生物科技研究上，嵌合體指的是一種同時擁有不同來源細胞所構成的個體。在基因剔除鼠 (gene knock-out mice) 的實驗操作當中，嵌合體是一個必要的中間產物，唯有製造出這樣的個體並令其近親交配，才會有機會獲得在特定基因上完全剃除的老鼠品系，供後續研究使用。在操作實務上，嵌合體個體的製備需要使用胚胎幹細胞 (embryonic stem cells), 將這些具備完整之多能分化性 (pluripotency) 的胚胎幹細胞利用顯微注射的方式植入到另外一個囊胚期 (blastocyst) 的受精卵中，這些幹細胞便可以完美的成為胚胎中的一部分，與原來的受精卵細胞共同分化成為身體的各種組織。由於這樣的個體身上同時具有兩種細胞的來源，所以科學家們以嵌合體命名之。自 1990 年代起由於基因剔除鼠的技術趨於成熟，嵌合體老鼠大量的被應用在研究當中，這些黑白相間的小傢伙世世代代，默默地為人類生物科技貢獻了有近 30 年的歷史。如同前述，胚胎幹細胞是嵌合體生物製造過程中的關鍵，自從 1988 年小鼠胚胎幹細胞培養技術確立了之後，科學家們便嘗試著建立其他物種的胚胎幹細胞株。當然，其中最具有指標意義，蘊含龐大商機的，便是人類胚胎幹細胞。由於胚胎幹細胞株的取得需要建立在破壞受精卵的基礎，人類胚胎幹細胞的研究很快地便受到了國際社會的高度關切。除了宗教議題上的討論之外，這種藉由某種程度上的殺生以完成所謂造福人群的作法有無違背人類道德底線？這樣的議題引起相當的討論。所幸的是，日裔科學家山中伸彌在 2006 年提出「誘導式多能幹細胞 (induced pluripotent stem cells)」, 藉由基因轉殖的方式將體細胞轉變成為具有多功能分化能力之幹細胞的方法，似乎為科學界提供了一條擺脫道德包袱的出路。幹細胞的魅力在於其再生能力，人們寄望著幹細胞的研究最終得以運用在疾病上的治療，或者更深一層的，希望透過這些再生的魔力讓人青春永駐、返老還童。不過，現行醫療上利用外科手段執行修復醫療時，組織上的縫補仍是主要的方式，這意味著幹細胞需要先行製造成一塊「有功用的肉」才能供醫療使用。而這塊「有功用的肉」其實一點都不簡單，它可能需要有數種完全分化的細胞共同組成，才具備執行組織的功能性，並且需要有相當的間質纖維來提供有效的物理性支撐。現今組織工程 (tissue engineering) 方面的專家，主要的研究主題就在於此，他們嘗試的利用天然或人工合成物製作「生物支架 (scaffold)」, 並且應用最新的 3D 列印技術，嘗試著將幹細胞與生物支架有效的整合，生產「有功用的肉」供臨床醫療上使用。另外一群的科學家則有著不一樣的想法。如果說可以用其他生物生產人類可用的器官，何必勞師動眾的以純然人工組合的方式製造呢？對免疫學稍有概念的讀者馬上會想到免疫排斥的議題。是的，這類異種移植 (xenogeneic transplant) 雖在醫療上行之有年 (例如用豬心瓣膜治療人類心臟瓣膜破損的疾病), 但病友需持續的服用藥物來控制排斥現象的發生。利用異種嵌合體的製備，是否有機會實現在動物身上製造完全由另一種生物細胞所構成的器官，來減低未來移植時免疫排 斥上的問題呢？在 2010 年由中內啟光教授所率領的哈 佛大學研究團隊，在 Cell 期刊中發表的文章中證實了這 樣的可能。研究團隊利用無法形成胰臟中 pdx1 的基因 缺陷小鼠囊胚期胚胎為材料，以顯微注射的方式植入擁有多能分化性的大鼠幹細胞，便可在這個異種嵌合體上成功的培育出近乎純然由大鼠所構成的胰臟。大鼠–小鼠嵌合體試驗的成功暗示著後續的龐大商機。人類的幹細胞能否也能與體型或血緣相近的動物胚胎形成異種嵌合體，作為生產可供人類移植時器官供應的一種方式呢？今年初發表於 Cell 期刊中的文章提出了這樣 的可能性。這篇由美國沙克研究所所發表的論文有著兩 個重要的結論：其一是透過 CRISPR 基因體基因剪輯技術，團隊可以將大鼠的受精卵進行前處理，使其 pdx1 基因造成缺損，來提高這個異種嵌合體之胰臟中源自小鼠細胞所佔的比例。第二點其實頗有爭議性，該團隊嘗試著將人類幹細胞與豬胚胎進行異種嵌合體實驗，並將嵌合體胚胎移入孕母豬的子宮內進行著床測試，來驗證人類幹細胞形成異種嵌合體的可能。因為深知整個實驗的敏感性，研究團隊僅就著床後 21~28 天進行初步的探討。就應用的層面來看，整個實驗仍談不上成功，在這個人豬異種嵌合體中，人類的幹細胞僅有少量的嵌合，目前約占整體胚胎細胞中的 10 萬分之一不到。人豬異種嵌合體研究自發表以來便受到廣泛的關注，有的報導專注於實驗內容的描述，有的報導則持樂觀的態度，認為此項研究為長久以來外科移植治療上捐贈器官不足的問題開啟了一扇希望之窗。華人社會中也有些戲謔性的報導，談論著在未來西遊記中的二師兄是否會真實的出現在眼前，少有報導能嚴肅地看待整件事情的發展。個人認為，利用人類幹細胞所進行之異種嵌合體研究，在某種程度上有如開啟潘朵拉之盒，需集思廣益及早訂定相關規範因應。以目前分子生物學相關技術的進展，想要改進前述實驗當中人豬異種嵌合體中人類細胞所占有的比例有著相當樂觀的進步空間 (沙克研究所的論文報告已經暗示著用 CRISPR 技術增進細胞比例的可能), 或許我們得開始 思考，當異種嵌合體中人類細胞的比例高過於一定的標準時，我們能否仍可單純的將其視之為非人類的動物個體，而對它們的器官予取予求？這類研究所造成的模糊化種間界線的現象將無可避免地衝擊人類的道德基礎。畢竟在傳統道德認知上，殺生與殺人之間還是有段相當的差距。心智 (mind), 似乎是人之所以異於其他物種的關鍵，某些報導中受訪的科學家關注於人類幹細胞在異種嵌合體當中構成大腦的比例問題。雖然有科學家樂觀的解釋人類大腦與豬大腦在發育時程上有相當的一段差距，暗示在人豬異種嵌合體中豬腦仍舊是豬腦的可能性，再則，在異種嵌合體當中人類腦細胞數目的多寡也許並不意味著擁有人類心智的多少，不過生命也許正會以出人意表的方式呈現。當回顧歷史，大多數的科學家在西元 2000 年左右時其實對於大小鼠異種嵌合體成功的機率抱持著相當懷疑的態度。延伸閱讀 1. Wu, J. et al., Interspecies Chimerism with Mammalian Pluripotent Stem Cells. Cell, Vol.168 473-486, 2017. | science |