科學人(第126期/2012年8月號): SM126

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重點提要 

■人們以為演化純粹是狗咬狗的生存鬥爭,然而實際上,合作一直是演化的動力。 

■從細菌到人類,物種成員間的合作都出於五種機制。 

■人類因間接互惠機制而特別樂於助人,我們會根據個人聲譽而幫忙樂於助人的人。 

2011年春天,在一場致命的地震和海嘯後,日本福島第一核電廠的反應爐爐心融毀,一名20多歲的維修工人自願加入福島壯士的行列,返回核電廠試圖控制災變。他知道廠內空氣有毒,也清楚這樣的選擇會讓他失去結婚生育的可能,因為健康問題會成為家人的重擔,但他還是穿過福島電廠的大門,進入輻射瀰漫的廠房內展開工作。除了平常微薄的薪資,他沒有額外補償。這名希望保持匿名的工人,去年7月告訴英國《獨立報》:「這項工作只有我們幾個人能做,我年輕又單身,我覺得幫忙解決這個問題是我的職責。」 

在自然界裡,無私的行為比比皆是,雖然不是所有例子都如此偉大壯烈。生物體內的細胞會互相協調,維持分工並避免癌症形成;許多種螞蟻的工蟻會犧牲自己的繁殖力來侍奉蟻后和蟻群;同一獅群的母獅會互相哺育幼獅;而人類則是從食物取得、找尋伴侶到捍衛領土等所有事情都互助合作,儘管助人者未必冒著生命危險,卻仍冒著犧牲生殖成就的風險來成全他人。 

數十年來,生物學家為了合作現象傷透腦筋。演化論的主流觀點就像詩人丁尼生(Alfred Lord Tennyson)的生動描述:「沾滿鮮血的獠牙與利爪。」達爾文以天擇說來闡述演化時,稱這競爭為「最激烈的生存鬥爭」。天擇說主張帶有適合性狀的個體比同伴有更多繁殖機會,因此生育較多後代。如果把這個邏輯推論到極致,我們很快就會得到這樣的結論:永遠不該幫助對手,反而要不惜投機取巧以求領先,管它是利誘還是詐騙,贏得生命競賽才是最重要的事。 

那麼為什麼無私行為會如此常見?過去20年來,我用賽局理論的工具來探討這看似矛盾的問題,我的研究顯示,從第一個細胞的形成到智人的出現,合作一直與對立競爭共同影響著地球上生命的演化。因此生命絕不只是鬥爭求生,它還需要「相擁」求生。利他對人類演化的影響尤其深遠,我的研究結果解釋了其中原因,也暗示著互助除了造就人類過去的成功外,對人類的未來也至為重要。
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Publisher
遠流出版
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Published on
Aug 1, 2012
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Pages
132
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Language
Chinese
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Genres
Science / General
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生命來自黑洞效應

位於銀河系中心那隻吞噬萬物的野獸,或許能用來解釋地球之所以存在並適宜生命的原因。

撰文∕沙爾夫(Caleb Scharf)
翻譯∕李沃龍

重點提要
■黑洞(例如潛藏在我們星系中心那個400萬太陽質量的東西)並不只是單純的消費者而已,當它們吞食周遭物質時,也會輻射出巨大的能量。
■黑洞的攝食習性對於星系的影響令人驚訝。過多或過少的黑洞活動,可能會大幅減少星系中適合生命存活的環境。
■銀河系有個適度活動的黑洞,使星系內恆星族群數量保持穩定,可說是最適合生命存在的星系。
■黑洞與生命之間的關聯很複雜,但銀河系中心的黑洞似乎已為我們此時此地的生存,做出了極大的貢獻。

我們生存在宇宙這一方微小角落的時間是非常短暫的,大自然完全無視於我們的需求,在廣闊無垠的時空尺度上揮灑其偉大的作為。或許我們唯一能寥以慰藉的,就是我們擁有對於居住地點提出質疑並尋求答案的無窮能力。我們存在的獨特環境,如何與統籌了眾多恆星、星系與黑洞的雄偉宇宙藍圖緊密連結,就是我們現在要問的問題之一。

有許多宇宙現象能影響生命的存在,但有些會比其他的重要一點,擁有獨特本質的黑洞就是其中之一,宇宙中沒有其他物體能比它更有效率地將物質轉變成能量;也只有它能像個極巨大的旋轉電池般,將物質以近乎光速彈射到數萬光年之外。黑洞誘捕周遭物質的能力同樣無與倫比——它們是宇宙裡最強大的終極食客,就像個大胃王似的,它們通常不會細嚼慢嚥,而是狼吞虎嚥地吞食物質。

墜入黑洞的物質並不會默不作聲。在接近事件視界時,它們會以極高的速度運動,若黑洞正在旋轉,它們更會在其周邊跟著超高速旋轉。一旦物質遭遇並撞擊擋在路徑上的任何東西,所釋放出來的巨大動能就可以轉化為原子與次原子粒子的運動,以及電磁輻射。由於這些粒子和光子在到達事件視界前便已產生,它們可以掙脫黑洞的控制,洶湧地奔回宇宙。浴缸裡嘈雜的排水過程可用來粗略比擬這個現象,當液體墜入排水管時,水會猛烈撞擊空氣分子,使得某些旋轉動能轉化成聲波。由於聲波速度比水快,它們可逃離排水孔。在巨型黑洞的狀況裡,這種事件驅趕出的能量會對周遭的星系造成廣泛的效應。

當天文學家談到物質被餵進超大質量黑洞的現象時,他們會說那是個「負載循環」,就像洗衣機的洗衣過程一樣,出現斷斷續續的晃動。黑洞負載循環的速率,代表了它吞食物質和靜止狀態之間往復變動的頻率。位在銀河系中心的超大質量黑洞目前雖然處於靜止狀態,但它也會不時啟動。天文學家推估銀河系中心黑洞的負載循環,恰好與星系的整體特質息息相關。它也對太陽系為何能夠支持生命的存在,提供了引人入勝的線索。

  獨家披露

 

  第一個複製人胚胎

 

  2001年12月,一群美國科學家發表了複製人胚胎的研究成果,在國際間引起了相當大的震撼與熱烈討論。這群科學家強調,複製人胚胎可為醫療複製提供源源不斷的幹細胞;但是,技術上的困難與重重的道德考量,卻是複製熱潮背後值得我們再三深思的議題。

 

  撰文/希貝里(Jose B. Cibelli)、藍札(Robert P. Lanza)、威斯特(Michael D. West)、伊澤爾(Carol Ezzell)

 

  翻譯/黃榮棋

 

  這些胚胎雖然只是如此微小的點點,卻孕育著無限寬廣的希望。經過連月來的嘗試,我們終於在2001年的10月13日,於先進細胞科技公司實驗室的顯微鏡下,目睹我們一直期盼的東西——分裂的細胞小球。這些連肉眼都看不見的細胞球體,看來雖不起眼,卻非常珍貴。因為就我們所知,這還是第一批利用核體移植技術(也就是大家熟知的「複製」)製造出來的人類胚胎。

 

  運氣好的話,我們希望能誘使這些早期胚胎繼續分裂成約100個細胞、狀如中空球體的「囊胚」。我們想從囊胚裡分離出人類幹細胞,當作原始材料,以培養替代用的神經、肌肉以及其他組織,希望有朝一日可用來治療各種疾病。可惜的是,只有一個胚胎發展到六個細胞的階段,其後就不再分裂了。但在另一個類似的實驗,我們卻能讓卵子在未經受精作用下,成功以「孤雌生殖」的方式發育到囊胚期。我們相信,這些研究成果(發表在2001年11月25日的網路期刊《電子生物醫學:再生醫學期刊》)代表著一個醫學新紀元的開始,證明複製療法不再是遙不可及。

 

  醫療複製(複製療法)的目的,是想利用患者自身細胞的遺傳物質來製造例如胰島細胞以治療糖尿病,或製造神經細胞以修復受損的脊髓。這種醫療複製和生殖複製是截然不同的。生殖複製是將複製的胚胎植入母體子宮,並令其產下複製嬰兒。我們相信生殖複製對母體與胎兒都有潛在的危險,現階段並不可行。我們也認為,在安全性與道德問題尚未解決之前,生殖複製應該要受到限制。

 

  令人不安的是,鼓吹生殖複製的那些人(見第44頁〈生殖複製:他們要製造嬰兒〉一文),正利用著「醫療複製」之名,宣稱他們使用複製技術,是為了製造嬰兒給那些用盡各種手段都還無法受孕的夫妻。我們反對這種說詞,並且認為,宣稱這種行為是「醫療」的說法,只會造成混淆。

 

  我們做了什麼?

 

  2001年初,我們開始嘗試複製人類胚胎。第一步是徵求道德諮詢委員會的意見,這個委員會是在1999年籌組成的,成員包括有倫理學者、律師、不孕症專家以及法律顧問,是以常設性質指導我們公司的研究方向。在達特茅斯學院倫理研究所所長葛林的領軍下,道德諮詢委員會仔細討論了五個主要議題之後(見第40頁〈醫療複製的道德考量〉一文),認為我們可以開始進行複製研究。

 

  緊接著我們要徵召願意捐出卵子供複製研究的婦女,同時也要收集願意被複製的人(即捐贈者)的細胞。複製過程看似簡單,成功與否卻有賴許多小因素的配合,其中有些我們也還不是很清楚。這種基本的細胞核移植技術是利用一根非常細微的針管,將成熟卵子裡頭的遺傳物質吸出來,再把捐贈細胞的細胞核(有時會用到整個細胞)注射到去核的卵子裡頭,然後將卵子培養在特定環境下,讓它繼續分裂生長(見下圖「醫療複製:是怎麼做到的?」)。

 

  我們在波士頓地區的刊物上刊登廣告,找到了願意以匿名方式捐出卵子供我們作研究的女性。我們只接受來自年齡24~32歲,且至少生過一個小孩的女性的卵子。有意思的是,對我們的構想表示有興趣的女性,不同於那些願意提供卵子給不孕夫妻做人工受精的人。回應我們廣告的這些女性,之所以願意提供卵子是因為它的研究用途,許多人不願意卵子用來製造她們永遠也見不到面的小孩。(捐卵者的招募以及卵子的收集工作,是由麻州索麥維的鄧肯荷理生物醫學公司的季斯林古柏團隊負責。季斯林古柏本人也參與卵子捐贈等相關道德問題的研究。)

 

  為確認捐卵者的健康狀態,以及確保捐卵過程不會傷害到她們,我們要求可能的捐卵者通過心理與生理檢查,包括傳染病的篩檢。最後我們找到12位不錯的捐卵人選。我們同時還從其他數位匿名者身上取得皮膚的活組織,從中分離出稱為「纖維母細胞」的細胞,以供複製之用。這些提供纖維母細胞的捐贈者,有來自不同年齡層的健康人士,也有些是糖尿病或脊髓受損的病患——可能就是會因醫療複製而受惠的人。

 

  2001年7月,我們做了第一次的複製實驗。時間點的選擇全視捐卵者的月經週期而定,捐卵者必須接受數天的賀爾蒙注射,使她們一次可以排卵十顆左右,而不是平常的一兩顆。

 

  我們終於在第三次實驗見到成功的曙光,因為注入卵子的纖維母細胞的細胞核似乎有分裂的跡象,但最終還是沒有分裂成兩個完整細胞。所以在下一次的實驗裡,我們決定利用若山照彥及其同事曾經使用過的方法。(這些科學家在1998年創造了第一隻複製小白鼠。當時若山照彥任職於夏威夷大學,現在則在先進細胞科技公司。)我們雖如往常一樣,把皮膚的纖維母細胞的細胞核注入卵子,但我們同時也選用了另一批卵子,改而注入稱為「卵丘細胞」的卵巢細胞。這些卵丘細胞在卵巢裡,通常會提供養分給發育中的卵子,在卵子排出後有時還會黏在卵子表面。因為卵丘細胞很小,所以可以整顆注入卵子。終於在七位志願者共捐贈了71顆卵子之後,我們複製成第一個早期胚胎。在注入卵丘細胞的八顆卵子當中,有兩顆分裂成胚胎初期的四個細胞,有一顆甚至分裂到至少有六個細胞才停止生長。

 

  孤雌生殖

 

  我們也想知道,卵子是否可以無需精子的受精作用,或不必去核再注入其他細胞核,就可以直接分裂成早期胚胎。在正常的狀況下,為了避免受精後胚胎含有雙份基因,成熟的卵子和精子各攜帶體細胞一半的遺傳物質,但是卵子只有在快要成熟的時候才會減半其遺傳物質。如果卵子在這個階段之前就被活化的話,還是會擁有完整的一套基因。

 

  以這種孤雌生殖方式活化病患的卵子,其分裂細胞中衍生出來的幹細胞,應該不會在移植後遭到排斥才對,因為這些細胞與病患本身的細胞十分相似,而且也不至於製造太多自身免疫系統不熟悉的化學分子。(不過,因為卵子與精子形成過程中必然會發生的基因洗牌效應,所以這些細胞也不可能與病患本身的完全一樣。)比起那些取自複製的早期胚胎之幹細胞,這類細胞對某些人而言也許比較不會引發道德爭議。

 

  想想下面的情節,一位患有心臟病的女子,也許可以收集自己的卵子,讓它在實驗室裡活化並分裂成囊胚。之後科學家就可以利用各種生長因子,將分離自囊胚的幹細胞誘變成心肌細胞,並養在實驗室的培養皿裡,將來可以用來彌補這位女子心臟缺損的部位。但若想使用類似的「孤雄生殖」技術製造幹細胞來治療男人的話,可就要麻煩得多,可能需要將男人的兩個精子注入去核的卵子當中。

 

  有研究曾經報導過,若將小白鼠或兔子的卵子暴露於化學藥劑,或接受例如電擊等物理刺激的話,就可以誘使卵子分裂成胚胎。早在1983年時,羅伯森(現在任職於哈佛大學)便已證實,自小白鼠的孤雌胚胎分離出來的幹細胞,可以分化成包括神經與肌肉在內的各類組織細胞。

 

  在我們的孤雌生殖實驗當中,我們把22顆卵子養在可改變細胞內離子濃度的化學藥劑裡。經過五天的培養,其中有六顆卵子發育成形似囊胚的東西,只不過沒有任何一個含有可產生幹細胞的所謂「內細胞群」。

 

  為何而做?

 

  我們渴望有這麼一天,可以利用複製療法或孤雌生殖的細胞療法來治療病人。現在我們把心力投注於神經與心血管系統方面的疾病,以及糖尿病、自體免疫疾病,還有與血液、骨髓相關的疾病。

 

  一旦我們可以從複製胚胎得到神經細胞,我們希望不只可以用來修補受損的脊髓,還可以治療如帕金森氏症這種腦疾。帕金森氏症是因為製造多巴胺這種化學物質的腦細胞壞死,因而造成無法控制的顫抖與癱瘓。阿耳茲海默氏症(老人癡呆症)、中風以及癲癇等,也都有可能會利用到這種治療方法。

 

幹細胞除了可以生成胰島細胞,用以製造胰島素來治療糖尿病之外,幹細胞也可以誘生成為心肌細胞,用來治療充血性心臟衰竭、心律不整、以及心臟病發作後受損的心肌組織。

 

  還有一種應用可能更為有趣,這或許和誘導複製幹細胞分化成血球與骨髓細胞有關。自體免疫疾病的產生,像是多發性硬化症或風濕性關節炎,是因為源自骨髓的免疫系統的白血球攻擊了自己體內的組織。初步研究已經顯示,因接受高劑量化療而導致骨髓受損的自體免疫疾病癌症病患,在接受骨髓移植之後,其自體免疫疾病的症狀有減輕的現象。注入可以製造血球細胞的複製幹細胞,或許可以「重新啟動」自體免疫疾病患者的免疫系統。

 

  然而,複製的細胞(或以孤雌生殖方式產生的細胞)正常嗎?只有臨床試驗才能真正告訴我們,這些細胞是否安全到可以應用到病人身上,但我們的複製動物實驗顯示,這些複製出來的動物都很健康。我們在2001年11月30日的《科學》雜誌中報導我們複製牛的成功經驗。在30隻複製牛當中,有6隻出生後不久就死亡,其餘的體檢結果一切正常,而且免疫系統的檢驗結果也與一般牛隻沒有兩樣。其中兩隻母牛後來甚至還產下健康的小牛。

 

  複製過程似乎也會重新設定複製細胞的「老化時鐘」,所以這些複製的細胞,在某些方面似乎比原來的細胞要來得年輕。2000年時我們曾報導過,複製小牛的染色體端粒(染色體兩端的帽蓋),與一般小牛的長度是一樣的。染色體端粒的長度,一般會隨著生物體年齡的增加而變短或受損。因此複製療法也許可以提供「年輕」細胞給年老人口。

 

  2001年7月,麻州劍橋懷海德生物醫學研究所的傑尼西及其同事,發表了一篇備受重視的報告。他們發現複製小白鼠身上會有所謂的「胎跡缺陷」現象。胎跡是發生在哺乳動物許多基因上的一種印記,會因基因遺傳自父方或母方,而對基因的開啟與否有不同的影響。胎跡程式一般在胚胎發育過程中會「重新設定」。

 

  雖然胎跡對小白鼠好像很重要,卻沒有人知道這種現象對人類是否有任何意義。除此之外,傑尼西及其同事並沒有研究從成鼠身上的細胞(例如纖維母細胞或是卵丘細胞)複製出來的小白鼠。他們的小白鼠都是從胚胎細胞複製而成的,因此變異性可能也會比較大。有些研究顯示,複製自成鼠細胞的小白鼠有正常的基因胎跡。這些結果已經被學術期刊接受,預料近期就會刊出。

 

  另一方面,我們也會繼續進行我們的醫療複製實驗,製造可產生幹細胞的複製人胚胎或孤雌人胚胎。總而言之,科學家才剛輕扣這個寶庫的大門呢!

 

  黃榮棋,長庚大學生理科副教授,本刊編譯委員。

聚焦物理世界──認識時空、物質、宇宙與量子力學的24堂進階課

你一定好奇:時間是如何流動的?重力從哪來?為什麼有質量?然而課本裡卻沒有答案。本特輯除了解答上述基本問題之外,還要告訴你:粒子物理與宇宙學怎會搭上關係,以及自己也可以動手做的量子實驗!

精采單元:

時間之謎從粒子到物質無垠宇宙量子樂園尖端應用

導讀

讓大師領你踏進物理之門──台灣大學物理系教授 高涌泉

《科學人》這份著名科普雜誌進入台灣社會已近10年,這本特輯即是《科學人》這些年來所刊載物理類文章的精華選集。現今科學發展迅速,已經沒有人得以理解一切科學新知,即便單以物理這一學科而論,也不可能有人可以全面掌握各物理領域的進展。《科學人》的主旨在以深入淺出的方式,介紹科學上重要的新進展,所以如果我們想要大致了解物理學在過去10年間有何重要發現,這本特輯是最好的起點。

我們可以從這本特輯的文章分類得知,物理學在過去10年中,所關注的對象仍舊是在「量子」與「時空」這兩個歷久彌新的主題,而粒子物理、凝態物理、原子物理、量子電腦與宇宙學也還是當今物理學中火紅的領域。

更具體一點講,這本特輯觸及的物理題材包括:為人預期能夠找到希格斯粒子的大型強子對撞機(LHC)、有奇特性質的石墨烯、能產生超短脈衝的光頻梳、新型超導體、出人意料之外的宇宙加速膨脹與暗能量、全像宇宙、黑洞等。以上每項題材都已引出上千篇研究論文,有些已受諾貝爾獎肯定(石墨烯與光頻梳),有些可以預期未來會得到諾貝爾獎(從大型強子對撞機得到的發現)。這些廣泛的題材如果沒有行家帶領,很難自行摸索、一窺究竟。我可以想像一位物理教授指導其正要進入實驗室開始研究石墨烯性質的研究生,先閱讀〈一枝鉛筆畫出奈米碳網〉一文,在知道一點石墨烯的大概之後,再去鑽研專業性論文。

《科學人》主篇文章都是在作者與編輯一起句句琢磨之後,才得以與讀者見面,而作者本人(或作者群)也多是文章所介紹科學發現的當事者或是名筆,我要在此特別點出這本特輯中的幾位作者:〈度量時間,以光為尺〉的作者之一霍爾是2005年諾貝爾物理獎得主;〈一枝鉛筆畫出奈米碳網〉的作者之一蓋姆是2010年物理諾貝爾獎得主,此文另一作者金也被某些內行人認為應該與蓋姆一起分享此獎;〈重力是一種幻覺嗎?〉作者馬多西納在文中解說自己的全像重力論,是當今最受矚目的理論物理學者;〈粒子物理革命即將來臨〉的作者奎格是知名粒子現象學者,曾領導美國費米加速器實驗室理論部門10年;〈宇宙的起源〉作者特納是整合粒子物理、天文物理與宇宙學的先驅,以及「暗能量」一詞的命名者;〈奇妙的量子棋步〉作者尼爾森是第一本也是最暢銷的量子計算教科書的兩位作者之一;〈時間是雙向的嗎?〉作者卡洛爾出版過暢銷相對論教科書與科普書;〈神秘的時間流〉作者戴維斯也是多本暢銷科普讀物的作者。

在介紹新知之外,《科學人》偶爾也會刊出以科學哲學、科學史、微妙科學概念的解說、科學人物等為主題的文章。例如,這本特輯中〈粒子宇宙學開創史〉的作者凱薩是美國麻省理工學院物理學家兼科學史家,他在文中介紹了粒子宇宙學這門新興學問誕生的歷史,又例如〈艾弗雷特的異想世界〉一文介紹了艾弗雷特這位只活了51歲的物理界非主流人物,如何在1950年代於美國普林斯頓大學發展出現今為科哲專家重視的「量子力學的多重宇宙詮釋」的故事。而〈你也誤會了大霹靂?〉一文目的在於破除有關宇宙膨脹的一些誤解,這些誤會是連一般物理學家都可能不知不覺的。這類文章的教育意義比起新知介紹的文章,有過之而無不及。

由於本書內容的多樣性,無論你有多少科學背景,是高中生、大學生、研究生、業餘科學愛好者,甚或是物理專家,都可以從本書學到一些東西。?

導讀者簡介

高涌泉

台灣大學物理系教授、《科學人》編譯委員會召集人。研究專長為量子場論,亦致力於科學教育與科普寫作,著有《另一種鼓聲》、《武士與旅人》等科學散文集,長期為《科學人》撰寫專欄「形上集」。

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推薦

【推薦文一】?

小時候,往往在跑遍圖書館和書局後,仍苦惱地找不著像是「宇宙有多老」這類問題的可靠答案;在今日,網路資訊過度發達,卻也不免讓人迷失於知識爆炸的洪流中--到底哪個版本才是對的?《科學人》長是此症的良藥,而本特輯不但性屬特效,更是十全大補。在此難得當下,謹題一詩共勉:?

科技日新奇

學思無止息?

人間天地事?

笑問科學迷?

--吳俊輝(台灣大學物理系暨天文物理所教授)?

【推薦文二】?

無論馬上、桌上、枕上,每回翻開《科學人》,就是另一次無法放手的開始。我自身較為熟悉的領域在物理和天文,自然更為眷顧相關文章,這次《科學人》精采100特輯《聚焦物理世界》將過去10年之間精采紛呈的物理文章重新整理,輯為特刊,內容涵蓋尖端物理的各個方向,以饗對物理發展抱持高度興趣的讀者,委實功德無量。?

--孫維新(台灣大學物理系教授、國立自然科學博物館館長)?

【推薦文三】?

Scientific American的作者往往是極負盛名的科學家,所以一些國內教授也樂於予以翻譯,引介最新潮的知識。《聚焦物理世界》涵蓋了時空本質、量子計算、宇宙學的進展等,主要著重在基礎物理,其他領域的文章雖不多,但也有最熱門的鐵基超導體、石墨烯,以及光頻梳技術等三篇,後兩篇的作者裡都有諾貝爾獎得主。我相信讀者一定可以從這些高品質的文章中獲益良多!?

--張明哲(台灣師範大學物理系教授)?

【推薦文四】?

還記得小時候對生活周遭的各種現象充滿好奇,不停地追問為什麼的日子嗎?然而甚麼時候開始「長大」的我們不再好奇?直到有一天聽見人們談論宇宙的起源、時光旅行的可能、量子力學的最新科技等等時,似乎有那麼一點點好奇心重心被燃起,卻又不敢再向前。如果有一天,對知識的需求單單只是為了滿足我們的好奇心,不用被考試所束縛,是否可以不再害怕而單純享受知的喜悅?《科學人》再科普推廣的深耕是有目共睹的,這一次將之前的精彩文章編為特輯,一次滿足我們對知識的渴望,期待與您分享這場饗宴。?

--張清俊 (北一女中物理科教師)

科研極限 步步突破

人類可以更長壽、更聰明、悠遊網路世界,透視生命奧秘,探索原子世界與浩瀚宇宙,全來自科學研究的創新發明。《科學人》精選了近年來台灣10項具突破性的科學研究,讓我們一同超越極限吧!

電漿子奈米雷射
撰文∕郭雅欣

半導體雷射元件尺寸的微型化是這個產業必然的趨勢,但長期以來受制於光學繞射的限制——要能得到雷射所需的回饋機制,光共振腔必須有至少光波長的長度,與現今只有幾十奈米的電晶體尺寸差距不小。

清華大學物理系果尚志帶領的國際團隊開發出一種可突破繞射極限的新型奈米半導體雷射,以電漿子共振腔取代傳統的光學共振腔,成功將雷射元件體積縮小到奈米尺度。

果尚志採用的是「金屬–氧化物–半導體」(MOS)奈米結構,先在矽基板上磊晶成長一層銀膜,並在銀膜上方鍍一層僅五奈米厚的二氧化矽做為介電材料,最後堆疊上氮化銦鎵半導體奈米結構做為雷射的增益介質,由於材料皆具有極高品質的結晶特性,因而成功做出了全球最小的半導體雷射。

這種新結構的回饋機制,是利用銀表面自由電子密度的集體震盪及其量子化產生的準粒子「表面電漿子」。由於銀的表面電漿子共振頻率在可見光波段,當氮化銦鎵受激發出可見光時,兩者間會形成光子與電漿子的耦合態,構成回饋機制,並將電磁波能量有效地局限在中間的二氧化矽介電層內。因此,二氧化矽夾層扮演著電漿子共振腔的角色,不但不受光繞射的限制,而且在奈米尺度下耦合共振效果更好。

然而這類電漿子共振腔結構一直以來的瓶頸,就是表面粗糙及多晶結構的銀膜會導致嚴重的電漿子散射與損耗,使得元件尺寸一旦縮得很小,就無法得到有效的增益。果尚志與美國德州大學奧斯丁分校的施至剛合作,利用新穎的量子磊晶方法成長原子級平坦的單晶銀膜,大幅降低了電漿子的能量耗損;並結合了果尚志研究團隊分子束磊晶技術成長的增益介質,將此具有極高光增益係數的半導體增益介質,搭配上低損耗的電漿子共振腔,實現了尺寸可比擬電晶體的半導體奈米雷射。

電漿子奈米雷射和電晶體同為MOS結構,光元件尺寸一旦縮小到與電晶體相仿,就可在矽晶片上與電晶體結合。願景則是將此雷射運用於光運算系統,取代目前的電運算,發揮光運算高速、寬頻、低功耗等優勢。電漿子奈米雷射的誕生,可說是往此目標邁出了重要的一步。

發現天文之美──目睹星體誕生、前進太空世界的24次航程

絢爛的星空裡藏著多少秘密?無垠的宇宙正展現著哪些令人嘆為觀止的美景?其他的星球是什麼模樣?跟地球一樣有生命存在嗎?身為擁有無窮好奇心的渺小人類,該如何探索如此美麗又神秘的天文學?就從這本特輯開始吧!

精采單元:

深入星空天文奇景星際奇航探索之眼

導讀

國立自然科學博物館館長 孫維新 專文導讀

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在星空下盡情探索,在荊棘中蹣跚前進

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《科學人》將2002年創刊以來的精采天文文章編纂成集《發現天文之美》,嘉惠學子大眾,功德無量!

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自古以來,在靜靜的星空下仰觀天象,就是一件令人著迷的事情,這是為何我們常說:「天文學,是離我們最遠的一門科學,卻也是離我們最近的一門學科。」最遠,是因為我們研究的星星銀河,都在萬千光年之外;最近,是因為我們抬頭就看得到!

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回首科學發展的滄桑過程,就是一部「自然」、「科學」,和「人」之間的互動史。「自然」深刻影響「人」的生活,而「人」藉著辛苦發展出來的「科學」,去了解「自然」背後的道理,這個三方互動的過程,在天文學的發展中尤其明顯。隨著科學的發展,今日天文學的研究已經不再受到政治和民粹的干擾,而能讓科學工作者單純地根據所觀測到的現象探討其背後的道理,也逐漸發展出了「欣賞-探索-認知-珍惜」四階段的心理歷程,使得天文研究最終走上了科學的道路。然而即使如此,天文科學的研究路途也不是一馬平川的康莊大道,天文學家一直在不斷認錯的荊棘叢中蹣跚前進,究其原因,天文研究中「直觀的現象」和「真正的本質」常常天差地遠,需要付出時間精力和創意思索的代價,才能接觸天文現象的真正本質。

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遠者如托勒密的「地心說」和哥白尼的「日心說」之爭,已經頻繁地見諸史冊及教科書,我們不再贅言;近者如20世紀三大有關「距離」的爭辯,卻值得我們參考深思!

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遙遠天體的「距離」測量,一直是天文學家的心頭之痛,因為「有距離才有

真相」!在清楚知道一個天體的實際距離之後,天文學家才能精確地算出它的「光度」,也就是每秒鐘這個天體實際放出的能量,也才能開始計算具有真實物理意義的天體參數。

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20世紀第一個有關「距離」的大辯論,發生在1920年4月26日的晚上,來自威爾遜山天文台的夏普里(Harlow Shapley)和來自里克天文台的柯蒂斯(Heber Curtis),在美國華盛頓D.C.的國家科學院中,就「星雲」的本質和「宇宙」的尺度,各自表述,總共用了1小時又15分鐘,時間雖短,影響深遠,這場遇合後來被天文史家稱為「大辯論」(TheGreat Debate)。但究其內容,夏普里使用了一連串正確的推導,卻得到了錯誤的結論(大多數星雲是「近」處的雲氣);柯蒂斯使用了一連串錯誤的推導,卻得到了正確的結論(大多數星雲是「遠」處的星系)!不過文人嘴上相爭,從來不會有具體勝負,直到哈伯在1923年10月5日和6日晚上,使用新啟用的威爾遜山2.5米望遠鏡,拍了M31仙女座大「星雲」,找到了第一顆M31中的造父變星,計算出我們到M31之間的距離,終於清楚知道M31絕對是一個獨立於我們銀河之外的星系!從此以後,就如同許多其他「星雲」一樣,M31被更名為「仙女座大星系」,也終結了20世紀第一場關於「距離」的辯論。

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有趣的是哈伯對M31的距離估算其實誤差極大!今天我們知道M31的距離為254萬光年,誤差正負6萬光年,但是當年哈伯因為不知道造父變星有兩種,用了錯誤的定標公式,得到了30萬光年的數值,但無巧不巧,當年對我們銀河大小的估計也是錯得離譜,今天我們知道銀河直徑為10 ~ 12萬光年左右,但當年以為銀河只有3萬光年大小!哈伯就是如此幸運,這兩個錯誤的方向一致,所以哈伯仍然可以做出正確結論:M31是在我們銀河之外!

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第二個距離辯論出現在1960年代,當施密特(Maarten Schmidt)發現「類星體」(quasar)光譜中的奇怪譜線其實就是紅移之後的正常氫原子譜線之後,天文學家先是驚訝於這些類似恆星的天體竟然「遠」在宇宙邊緣,但接著又驚訝於這些天體竟然能放出極大的能量,讓我們在地球上都能偵測得到!也正因為物理上看似荒謬,就有人站出來反對這個說法,認為類星體其實是「近」處星系的核心噴發出來的物體,因為噴出的速度極快,所以產生了很高的紅移,讓大家以為這些天體很遠。這個學說的代表人物以柏比奇(Geoffrey R. Burbidge)及阿爾普(Halton C. Arp)為主,他們在幾個例證圖像中,觀察到類星體(高紅移)和鄰近星系(低紅移)之間似乎有著物質關聯,但是這個學說的最大敗筆,是無法解釋類星體被噴出來的方向都是「背向地球」,只有「紅移」而無「藍移」!雖然這兩位學者的學說幾乎已經被近年來的觀測淘汰,但是直到我念研究所當博士後時,每有國際會議,仍會看到兩位老先生上台重述他們的理念和「新的」觀測證據,大家在底下面面相覷悶不吭聲以示尊重,科學家的堅持有些時候真的令人難以想像。

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第三個距離辯論出現在1995年4月,一方面為了紀念第一個大辯論的75週年,另一方面有關「γ射線爆發」(gamma-ray burst, GRB)的距離爭議方興未艾,這類天體在1970年代被美國空軍發現,原先以為是邪惡帝國的太空核爆,後來才知道是宇宙中隨機出現的爆發性天體,它雖然在高能波段光芒萬丈,但是一閃即逝,偵測距離極端困難,所以才會導致第三場大辯論。當時「民心」所向多半都認為這類天體很近,不過是銀河周邊的「高速中子星」,只因為它們的光變尺度和高能譜線似乎都和中子星的性質有關。這場辯論由藍姆(Donald Q. Lamb)對上巴辛斯基(Bodhan Paczynski),前者贊成中子星理論,說這類天體「近」得很;後者獨排眾議,說這類天體其實「遠」在宇宙邊緣,能量極大。辯論過了沒有多久,地面的快速反應光學望遠鏡和軌道中的γ射線望遠鏡聯手,偵測到了剛剛爆發天體的光學影像,得到光譜之後,發現又是一個「遠」字!

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即使在賭場中擲骰子開寶賭大小,也很難連續開出三個「遠」來!但是20世紀的三場辯論,卻結結實實地給我們上了一課震撼教育,宇宙似乎隨著人類知識的越來越豐富,反而變得越高越遠!

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各位喜愛天文的朋友們,不要因為押寶不中而懷憂喪志,今日的我們,在力學上懂得比牛頓多,在電磁學上懂得比馬克士威多,在相對論上懂得更比愛因斯坦多!這些進展其實一一反映在連篇累牘的天文科普文章之中,我真的很高興也很慶幸,《科學人》雜誌能將過去這些年的天文文章彙整出版,回饋廣大的天文愛好者!

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這本精選集將會帶著我們看「太陽發火」、欣賞「行星創世紀」、參與「恆星嘉年華」、「深入星空」探尋「星系傳奇」,在「多麼希臘的星空下」「向哈伯致敬」,致敬之後再「超越哈伯」? .。這是一本讓所有的天文愛好者都會著迷的天文合輯,只希望大家在欣賞之餘,也能多做推介,讓更多人走出戶外、仰觀宇宙。畢竟,星空是大家的!?

導讀者簡介

孫維新

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台灣大學物理系暨天文物理研究所教授,並擔任國立自然科學博物館館長。主要研究活躍星系核、類星體、星際物質,以及參與國際合作計畫研究星系的交互作用:長期致力於天文科學的研究與教育推廣,主持墾丁天文台,並推動興建青康藏高原天文台,完成後可由台灣遠距遙控。著有《孫維新談天》。

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推薦

【推薦文一】

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從眼前花蕊的排列,到遙遠星系的螺旋結構,大自然的美麗無以言喻。觀測儀器與技術日新月異,我們的知識地平不斷擴展,矮行星、系外行星、棕矮星、不同種類的黑洞,俯拾皆是疑問。能以簡單的數學、物理原理提供答案,令人折服;能以簡單文句理解穹蒼奧秘,讓人覺得幸福。感謝《科學人》收集,幸福就在這些字裡行間。

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-- 中央大學天文研究所教授 陳文屏

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【推薦文二】

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科學人雜誌這本天文特輯,的確精彩。四個單元由近而遠,從太陽系的行星、衛星,一路看向無垠的宇宙大尺度結構,並兼顧天文的歷史與未來,十分全面。所有選文,都出自名家手筆,生動活潑,深入淺出。令我最感驕傲的是國內專家特地為《科學人》所撰寫的文章,篇篇都有國際水準。因為原文即以中文撰寫,更顯流暢。其他選自Scientific American的文章,也多由國內名家翻譯,信雅達兼備,可讀性極高。對天文有興趣的,不論是青年學子或是社會大眾,這都是一本很理想的入門書。

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-- 台灣大學講座教授兼梁次震宇宙學與粒子天文物理學研究中心主任 陳丕燊

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【推薦文三】

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古人形容有學問是「上通天文、下達地理」,現在則是愈通達天文、地理的學者愈不敢數說自己的學問,因為,學的愈多,會知道「未知」才是更多,以至於所知卻是相對愈少!人類的科學之路曾經徬徨蹣跚,曾經篳路藍縷,曾經躊躇滿志,現在終於學會了謙卑。在「天何言哉」的簡單、完美、奇妙、無盡想像力的大自然面前,誰又能夠不謙卑呢﹖莫言「知識就是權力」,那樣太功利﹔期待您在本特輯中,得到尋求知識的喜悅,體會在大自然面前的謙卑。

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--中央研究院 地球科學研究所 研究員 趙丰

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【推薦文四】

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零下2度,我在武嶺之巔,摘星。幾位夜衝的大學生,在我近旁閃耀著青春。「好冷哦?」「好美哦?」我靜靜聽他們興奮呼喊了好一陣子,他們也發現了我這位正在拍照的怪叔叔。攀談了幾句,我透過相機背面的顯示螢幕,分享了剛剛摘得的星空。「X?我不要當演員了,我要當天文學家!」

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在閃閃凍人的星空下,很開心又有幾位年輕人,領受天文的感動。想一窺天文堂奧,我推薦《科學人》的《發現天文之美》精采特輯,其所收錄的24篇報導,緊貼著十年來天文與太空領域的新近發現,精美的圖繪表格,以及洗鍊的文字說明,相當適合在欣賞星空之餘,作為更進一步學習的敲門磚。

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--「用教育 捍衛地球!」部落客謝隆欽
主編的話

抗生素無敵的時代已經遠去了,愛滋病等重大疾病的疫苗發展卻停滯不前。人類對抗病原體的戰爭,距離落幕還遠:狂牛病依然讓人捉摸不定,瘧疾每年帶走數百萬條人命,抗藥性細菌在各大醫院中肆虐,新興疾病與基因不斷重組的流感病毒,從各種動物竄向人類傳播。在《尖端醫學》特輯中,站在最前線的科學家,執筆寫下與病原鬥智鬥力的過程、在各戰役中的貢獻,以及對未來醫學的看法,帶給我們警惕,同時也帶來希望。

除了藥物,許多新技術不但能夠對抗疾病,還能搶救因休克而瀕死的病人。原本是毒素的肉毒桿菌毒素,已廣泛使用於醫學美容,還能緩減頭痛。科學家結合了幹細胞與組織工程的技術,做出人造肌肉、在試管中培養牙齒,人工器官也已在望。電子科技讓患者在虛擬世界中減緩真實的疼痛,讓膠囊大小的無線內視鏡仔細檢查人體內部。這些醫學技術上的最新發展,都在《尖端醫學》特輯裡從頭細說。

導讀

百年來細菌與病毒帶給人類的啟示 蘇益仁

雖然人類與微生物在自然界相處,可上溯自人類初始,但微生物被發現與人類疾病息息相關,也不過是一百多年前的事。法國的巴斯德與德國的柯霍在19世紀末與20世紀初期,揭開了微生物引發人類傳染病過程的序幕。繼而病毒在電子顯微鏡下的真面目也為科學家所觀察到,微生物在自然界的生態及對人類的威脅也逐漸明瞭。到了21世紀,科學的發展已能經由監測工作及分子基因診斷而發現早期的疫情,並開發藥物及疫苗來預防。2003年的SARS及2009年的豬流感pH1N1(p代表豬),幾乎都在疫情發生的幾個月內就受到控制,免除全球性災難的發生,這在19世紀之前是不可思議的事。

然而「道高一尺,魔高一丈」,在20世紀末人與微生物的戰爭中,科學家發現,對於微生物的控制,不如20世紀初抗生素如盤尼西林剛被發現時的樂觀,細菌及病毒自有一套生存之道,就如俗語所說「一枝草、一點露」,這些病原體在抗生素及抗病毒藥物的攻擊下,衍生出一系列的防衛做法,得以茍活殘存。細菌而後演變成金剛不壞的「超級細菌」,病毒則發展出對抗藥物的機制,這都令科學家及醫藥界傷透腦筋、疲於奔命。人類會不會面臨到無藥可用、被微生物反噬的地步,正是目前醫學界面臨的課題。人與微生物間如何共存,其實是科學家必須好好思考及研究的主題。

本特輯中的五個單元其實勾勒出科學界在過去一百多年間,從人與微生物互動的經驗中所獲得的寶貴知識。在第一單元「防治傳染病」中,指出自然界生態的改變及破壞,是人類傳染病大流行發生的根源。自然界環境中,生物的互動經歷長久的演化,已達成共生平衡的狀態,人類只不過是這個生態系統中的成員而已。但隨著人類的戰爭、遷徙、對資源的採取與利用,使得原始的生態環境中的平衡遭受破壞,原本只存在動物間的微生物開始傳染到人類,形成人畜共通(zoonotic)感染。

人畜共通感染幾乎是20世紀及21世紀以來人類全球疫情的主要來源。狂牛症、瘧疾、水患而來的血吸蟲病及鉤端螺旋菌、鼠疫、愛滋病、SARS、禽流感等引起大疫情的疾病,其病原體幾乎都和環境及動物間的傳播有關。因此,監測環境中生物的病原,也成了世界衛生組織及各國疾病管制局最重要的任務。2003年引發恐慌的SARS,最後被證明其原始病毒本來存在於野生的蝙蝠,之後傳到市場的果子狸,最後再傳給人類。在這一連串的人畜傳播過程中,病毒為適應不同宿主的免疫攻擊,不斷演化,終至造成危害人類的傳染病。

與人畜共通病毒傳染的演變類似的是細菌的演變。第二單元的「細菌戰爭」其實也代表著抗生素發明以來醫學的勝利與困境。如上所述,細菌在抗生素的攻擊下,衍生出一系列針對細胞壁、蛋白質、核?酸等不同藥物的突變及抗藥性。現在金黃色葡萄球菌、腸球菌、結核分枝桿菌等許多病菌,都已出現這樣的情況,構成嚴重的威脅。目前在醫院中,尤其是加護病房,都存在著這些超級細菌,有5~20%的病人因住院而感染這些抗藥菌株,而必須以最後一線且昂貴的抗生素治療,但依然有很多人死於這些細菌造成的疾病。

在第三單元的「疫苗妙用」中,代表人類發現抗生素後另一項對抗微生物的法寶,即疫苗的開發。在人類醫學史上很多疫病的消失或控制,都有賴疫苗的發展,這是人類科學的勝利,天花、小兒麻痺等的絕跡或控制,都與疫苗的應用有關。對愛滋病及瘧疾的疫苗開發,並不成功,乃因病原體的突變過快,所開發出的疫苗無法應付這些狡猾的病原。人類的免疫系統雖然健全及完整,但整體免疫系統的弱點也在這些病原的攻擊下呈現出來。科學家正竭盡全力研究如何增強人體的免疫系統,例如以新佐劑去增強原始免疫系統中的樹突細胞(dendritic cell),以便活化T細胞,配合抗體的產生,聯合夾攻病毒,或對病毒引起的癌細胞提供免疫治療。

21世紀初繼人類基因組計畫完成之後,美國國家衛生研究院另外開啟微生物基因組的研究,其中最重要的成就,是發現人類腸道菌與益生菌之間的精采互動,也許可以為人類與微生物的互動提供發展應對方向及策略。醫學界開始利用對人體有益的細菌以對抗病原菌,或應用細菌毒素(例如肉毒桿菌毒素),來增進人類幸福。這也是本書第四單元「公衛焦點」與第五單元「五花八門新醫技」中,所嘗試要探討的主題,這些內容是21世紀生物科技的全新發展方向。

醫學的發展中,新創造的原理其實並不多,主要的還是去探討已存在的生物奧妙,進而提出良方去治療疾病。所有的發展都必須根植於細微的觀察、好奇心的驅使、科學能力的養成以及跨領域科技的應用方能成功。過去一百多年來的科學發展已告訴大家,匯集全人類的智慧是可以一步步解決微生物禍害,更進而藉由新科技去發現對人體有益的微生物及其產物,最終造福人類。

作者為國家衛生研究院感染症與疫苗研究所所長


推薦

這本特輯收集25篇與醫學發展有關的文章,從防治疾病到飲水加氟及人造器官、試管牙齒等與健康息息相關的知識,非常?得閱讀。《科學人》的文章一向圖文並茂,不但內容精采、深入淺出,生動易懂的插圖更讓一般民眾可以很容易了解先進的科學知識,甚至對在這些領域的專家也很有啟發性。這本書雖然是集結這幾年的文章,但我查閱最近有關的論文,並沒有發現更新的觀念或進展,它仍然提供了這些領域最好、最正確的知識,對年輕學子的學習特別重要。我建議中學及社區的圖書館都應購置它,來提昇我國的科學教育。──徐明達(陽明大學特聘講座、生化暨分子生物研究所教授)

《科學人》雜誌發行的《尖端醫學》特輯,集結了2003至2010年間,很多位國際知名學者的精采醫學科普文章,他們以流暢易懂的文筆、精緻豐富的圖解,深入淺出地介紹最新的醫藥新知。本書內容涵蓋傳染病防治、細菌戰爭、疫苗妙用、公衛焦點、創新醫技等,不僅讓一般讀者興趣盎然而獲益良多,也讓醫藥領域的讀者溫故知新而見賢思齊。近年來,台灣的醫藥科技研發蓬勃發展,給世人帶來平均壽命的延長和生活品質的提升,希望未來能看到台灣傑出科學家所撰寫的尖端醫學科普文章。──  陳建仁(中央究院副院長、基因體研究中心特聘研究員)

《科學人》雜誌結合科學趨勢與前瞻思維,有此科學與人文對話的平台實為廣大讀者的福氣。不同於其他科普期刊,《科學人》由編輯與各領域具代表性之專家合作,運用深入淺出的文字闡述科學新視野。10歲時它就已是我最喜愛的科普期刊。個人與《科學人》淵源深遠,1988年我為其寫了篇封面故事,分享免疫系統中的殺手細胞如何辨識與殺死目標,之後幾乎每10年我就為它寫篇文章,發表最新研究。很高興獲知《尖端醫學》特輯即將發行,其內容結合尖端技術與實用議題,相信必能為讀者開啟科學新思維。──楊定一(長庚大學奈米材料實驗室主持人、長庚生技董事長)

在人類歷史中,死於傳染病的人數不遜於死於戰爭的人數,而醫學對人類最大的貢獻就是抗生素的發現及疫苗的研發,終使人類脫離瘟疫的威脅,所剩下的就是一些難纏的細菌、寄生蟲、不斷出現的新病毒及抗藥細菌,尚待科學家持續與之搏鬥。《科學人》雜誌在過去10年介紹了許多有關傳染病的新知識,以及幹細胞、生醫材料等新醫學科技的進展,這些文章集結成為《尖端醫學》特輯。它淺顯易懂,引人入勝,讓我們更加了解對付傳染病的新武器,同時也是現代人了解現代醫學必讀的書。──賴明詔(中央研究院分子生物研究所特聘講座 )
愛因斯坦100年

在科學家開始領悟到愛因斯坦1905年五篇論文的重要性之前,Scientific American就已經收錄愛因斯坦的理論以及對其理論的詮釋與迴響。讀些我們的報導吧,其中有些還是由當時引領風騷的物理學家寫的呢!

撰文∕施萊諾夫(Daniel C. Schlenoff)

翻譯∕周忠憲

Scientific American以及主流物理學家,花了好幾年才開始仔細思考愛因斯坦在1905年所詳述的革命性提案。他拋棄了以直觀的方式來理解宇宙,是很難令人接受的:

在1905年,一位瑞士籍物理教授愛因斯坦提出了一篇看起來不矯揉造作、枯燥乏味的論文〈關於運動物體的電動力學〉,造就了一個根本的以及劃時代(就如同未來的歷史學家可能會說的)的貢獻。它發表在《物理年報》上,一本類似美國《哲學雜誌》的德國出版品。在當時它並沒有引起任何的迴響,很難被注意到。但是在當前這個時代,你很難在翻開一本物理學期刊時,找不到關於愛因斯坦的相對性原理的文獻,而且還越來越多。──傅尼葉

Scientific American Supplement

1911年11月11日

但是,相對性原理正確嗎?那必須由實驗來判定。它的基本假定目前正被無情的數學邏輯所檢測,而它們成立與否需視實驗證據與理論推導是否相符。截至目前為止,相對性原理對數學家來說,似乎有不可抗拒的魅力。但是對許多物理學家來說,卻也同樣的令人憎惡,因為除了空間會彎曲,他們很難設想時間會是速度的函數,或是想像第四個維度的樣子。

Scientific American

1912年6月8日

Scientific American持續追蹤愛因斯坦為推廣相對論所做的努力,並且對他那1916年的學術論文做了以下的回應:

相對性原理嚴格來說已經是通過實驗驗證的。如果它長期看來令人困惑,而且目前對部份物理學家而言仍是如此,那是因為它似乎與馬克士威和勞侖茲的電動力學理論無法取得一致。尤其是理論所導致的光速恆定似乎令人難以接受。現在還有一個根本重要性的範疇,是我們以經驗為主的知識所難以提供的,即使加上相對性原理(它是一般理論的堅固基礎),也是一樣。所以,這個基礎必須由物理假設來使其完備。而這個範疇就是重力。

Scientific American Supplement

1917年9月19日

不管以太的本質是什麼,它缺少了那些能使其成為一個空間中參考座標的物質特性。或許我們最好把以太想像成為一個均勻充滿在閔考斯基時空連續體中的四維流體,而不是三維的物質流體,佔據了獨立的空間和時間。我們目前所達到的,就是我們稱之為相對性原理的東西。就一個物理理論而言,它似乎被大量的實驗結果所證實(除了與重力相關的之外)。──艾丁頓

Scientific American Supplement

1918年7月6日

在1916年論文中提出來的理論缺乏實驗證據。幾位天文學家(包括艾丁頓爵士,當時負責劍橋大學天文台)利用1919年5月29日的一次日食當做驗證理論預測的機會。理論預測:從星球發出的光,在行經太陽的重力場附近時會偏折。當此預測被證實為正確時,愛因斯坦受到科學社群所喝采,並在一般大眾的心中幾乎被尊奉為神:

在5月29日,日全食所得的結果,最後於11月6日在倫敦皇家學會以及皇家天文學會的聯合會議上發表。由放置在巴西北部索布拉爾的四英寸透鏡所得到的結果最令人滿意。星體的影像清晰可辨,而且它們在食盤與檢驗盤上的特徵一樣。在星體邊緣的偏移結果是1.98弧秒,加上0.12弧秒的可能誤差。我們將會看到這個結果相當接近愛因斯坦的預測值1.75弧秒。在此次會議中,一般公認這項吻合加上水星近日點運動的解釋,確認了他的理論是一個客觀真理。當時的會議主席湯姆森爵士,宣稱這是個劃時代的證明。──克洛梅林

Scientific American Supplement

1919年12月6日

但是現在一般大眾足以了解這個複雜的理論嗎?Scientific American為了尋求一個簡明扼要的解釋而辦了一場徵文競賽,第一名將可得到總計高達5000美元的獎金(折合今日的幣值超過五萬美元)。有報導指出愛因斯坦曾說,「我是我那群朋友中唯一沒有參加的……我不相信我能做到。」大眾對此有著熱切的興趣:

我們目前有個具卓越重要性的新興科學主題,它在一般出版品及大眾心中所佔據的位置,是以往晦澀難懂的科學教條所難以望其項背的。在此我們以最愉悅的心情宣佈,希金斯先生,他是一位定居在巴黎的美國人,也是本雜誌的多年好友,願意藉由Scientific American提供5000美元給能解說愛因斯坦假說的最佳短文。

Scientific American

1920年7月10日

為了這5000美元獎金,許多潛在競爭者紛紛來信,幾乎直截了當的問我們,他們在哪裡可以找到關於愛因斯坦理論的題材。對於這些必須問這種問題的人,我們可以想見他們對於相對論的知識和興趣,是最近才被引起的,我們對他們能贏得希金斯先生提供獎金的可能性,並不抱多大期望。

Scientific American

1920年8月28日

獲勝論文的作者波頓先生,雖然他是該領域中的傑出專業人士,但我們可以公平的說,他在科學上幾乎沒沒無聞。他是英國專利局的職員,這讓人想起了愛因斯坦自己也曾在瑞士專利局工作了幾年。
改變,正在進行

新的科技諸如各式造影技術和實驗方法,提供了新的科學證據;新證據聚合成新觀點,讓我們對人類心智有更多新的認識,以往視為神秘境地的「心」與「腦」也因而連結成為美麗新世界。

人類從有文明以來,就在追尋「存在」的意義──我從哪裡來,要往哪裡去?所以,我們想了解行為的遠因(ultimate cause,為什麼會有某個功能)、近因(proximate cause,某個機制如何運作)、近果(developmental origin,個體發展)以及遠果(evolutionary,何時演化出什麼結果)。

這一連串「窺探心智」的過程,就像是拼圖或解謎。科學家在過程中提出了很多重要問題,也進行嚴謹的實證研究,試圖揭開人類心智的奧秘。

訓練與控制

幾十年來新知識不斷累積,我們逐步對人類複雜的心智運作有所了解。舉例來說,我們是如何養成「習慣」?在本書《窺探心智》的〈從腦養成好習慣〉一文中提到,大腦會把高度重複而可能成癮的行為變成「自動化歷程」,好處是節省大腦資源、反應快速,壞處是難以改變;〈積習可改〉告訴我們如何養成好習慣,以及如何調整並改變對個體不利的自動化歷程。

習慣化也可以解釋盲點。〈高手盲點〉提到,大腦傾向於用熟悉的方法來解決問題,使我們對更好的做法視而不見,這就是「定勢效應」(einstellung effect)。這也可以解釋「確認偏誤」(confirmation bias),亦即傾向尋求支持自己信念的證據而忽略反例,例如神經科學的先驅布羅卡(Paul Broca)比較人的腦容量時發現法國人平均比德國人小,他解釋這是因為法國人體型比德國人小,但當發現女性腦比男性小就不以體型來解釋,因為他本就認為女性智力不如男性。〈高手盲點〉的作者認為沒有人能不受確認偏誤的影響,但是他提出妙方,要避免類似錯誤,可以效法博物學家達爾文:只要看到與自己想法相左的資料,立刻記錄下來。

心智能力也可以訓練與控制。〈鍛鍊你的心智肌肉〉提到過去認為「自尊」(self-esteem)高的人、成就也高,現在認為「自我控制」才是關鍵,「如果你征服了自己,就能征服世界」。文中也提到著名的棉花糖實驗,給受試小朋友選擇立即或晚一點拿糖,長期追蹤後發現,自我控制能力高的人較有成就。

〈運動場上的心理學:如何成為頂尖選手?〉提到,除了先天的生理條件,很多運動好手也具有獨特的心理特質,在巨大壓力下得以展現過人的專注力和意志力。此外,教練的領導風格也是影響選手表現的關鍵。

日本旅美職業棒球選手鈴木一朗以43歲的高齡,在競爭激烈的美國職棒大聯盟敲出了3068支安打,至今打擊率仍然在三成以上。他接受訪問時表示,自己隨時處於恐懼不安及壓力之下,若只想愉快打球,無法存活於職棒世界。其實他也討厭重複一成不變的練習內容,但因為有目標,當努力有了成果就很開心。

美麗與神秘

科學家不只著重理性思維,也關注對美感的解釋。美,不只是抽象的表述,也有生理學上的基礎。〈審美的生物基礎〉寫道,所有的知覺經驗都是「具身的」(embodied),「我們把所有的知覺訊息都穿到身上,把身體當做一個經驗或知識的模擬中心,試試那感覺,從而獲得最終的經驗內涵。」〈設計背後的思維〉說明人類在美感上有共同喜好,而「熟悉度」是影響的關鍵,因為熟悉帶來安全感,並且越熟悉的物件越容易被辨識出。此外,一般而言,我們偏好大而圓、對稱、複雜的圖形,這在神經科學或認知心理學中都有所解釋與佐證;例如相較圓滑形狀,尖銳形狀會強烈活化腦中恐懼中心杏仁體(amygdala)的神經元,或許是因為尖銳物品往往代表危險。

那麼音樂呢?〈大腦怎麼聽音樂?〉提到,三萬年前人類就開始會吹奏骨笛、打擊樂器,然而,大腦並沒有專門處理音樂的區域;在知覺層次上,內耳有3500個毛細胞,眼睛則多達一億個感光細胞,聽覺和視覺卻同樣豐富。還有,音樂家聆聽鋼琴演奏時,比起非音樂家,左腦活化的區域多了25%;一般來說,左腦較擅長處理訊息的結構,左腦越活化,代表除了旋律之外,我們還能更深入欣賞節奏之美。

對美學和音樂的感受

或許抽象,另一個議題則更顯神秘且令人著迷,那就是意識。〈潛意識,左右人心的潛在力量〉以及〈行為也能改變潛意識〉剖析潛意識如何影響行為、行為同樣也可以影響意識。

執行簡單的「推拉實驗」就對戒酒、降低社會焦慮有意想不到的幫助。近年重症醫學越來越受重視,〈植物人還有意識嗎?〉討論植物人腦中是否有「隱藏意識」,研究發現,處於麻醉狀態的健康受試者,大腦語言區的活化程度與清醒時不相上下;在病人身上也有類似發現,這讓我們需要重新思考植物人的意識狀態。

〈在睡眠中修剪記憶〉的研究發現,睡眠時很多神經線路的神經元會自發放電,這會弱化清醒時建立的突觸反應,節省神經元能量,並降低神經元受到的壓力,讓神經元的活性回到基準線。睡眠時藉由「下調選擇」機制,使我們的大腦不至於超載,在此,「少就是多」。〈剝奪睡眠,也剝奪注意力〉指出,17小時沒睡,注意力表現相當於血液酒精濃度0.05%,24小時沒睡相當於0.1%,令人驚訝。

〈該睡覺了!〉討論到缺乏睡眠會致命:實驗中,老鼠一個月沒睡,全數死亡;在人類身上,失眠對人體免疫力也有嚴重影響。此外,30年前就有致死性家族性失眠症(fatal familial insomnia)這個遺傳疾病的案例,病人先是連續失眠、最終死亡,病理解剖發現他們的視丘(thalamus)有大量神經細胞消失。睡眠的重要性不在話下,沒有優質睡眠就沒有好心情、良好的記憶力和學習能力。

理解與應用

心智研究還是新興的學科,無論在解讀資料或實際應用上都必須特別小心。例如〈心智演化的爭議〉討論到,通俗演化心理學主張人類是「現代的頭顱裡裝了個石器時代的腦」,但是在考古和演化資料闕如的情況下,這可能會犯下嚴重的推論謬誤;因為既然生理可以改變,為什麼心理演化不會發生?

而談到演化,〈人獸有別,在於心智〉點出人類和黑猩猩有99%相同的基因,也擁有許多相同的工具使用和認知能力,關鍵差別在於「造成大不同的小差異」,例如人類具有高度的社交能力(即社會腦)、能夠察知他人在想些什麼從而促成合作、會把知識傳遞給他人並進一步改良。

大腦運作講究平衡,例如睡眠與清醒有一定的比例;壓力與放鬆都是重要的任務;你可以運用意志力、努力不懈,也需要喊停稍作休息以「保存」耗損的意志力,心理學、腦科學及相關的研究結果都強調平衡運作。在台灣,這一點尤其重要。孩子不需要在才藝班和補習班之間團團轉,畢竟,行為是在個體發展的過程中受到先天和環境因素影響慢慢形成的。先天我們無法改變,而環境因素,其實無論成人或孩童,想要培養有益身心的行為例如欣賞音樂、培養美感、訓練體能,從「習慣化」(變成自動化歷程)做起,一旦養成,就能對個體有長遠影響。反之,對於有害的行為例如藥物或網路成癮,檢視有哪些維持這些行為的因素,逐漸改變或以好的習慣取代,相信也有修正的一天。

大腦是適應能力強大的器官,面對新的環境、新的挑戰、新的適應,改變,正在進行。

誰解我的痛?

醒來一片漆黑,身泡冰涼水裡,抬手摸到鐵片及碎玻璃,額頭流著溫熱。顯然我受傷了,卡在墜落溪中的車底。奮力爬出,沒了眼鏡,矇矓中見到幾乎全扁的車子,我在哪裡?發生了什麼事?全然失憶無知。但還能快速唸出一大串生物學名和親友名字,腦子沒壞。接著劇痛襲來,我明白了,必然是剛遭嚴重創傷,人體的自我保護機制移除了昏迷前的短期慘痛記憶,快速分泌的腦內啡也暫時壓抑住身軀疼痛。癱在溪石上,哆嗦中等待黎明曙光和救援。

32小時後,我被尋獲,上了擔架,急送新竹馬偕醫院。加護病房裡,傷情快速明朗:血色素過低,輸了一公升血;顱內小出血,為防腦內不正常放電,吃了抗癲癇的藥;胸骨、骨盆和腳踝多處骨裂,只能等待自然癒合;緊急的是血液中的肌酸激酶(creatine kinase, CK)濃度過高,正常人CK值該在200 以下,而我已達11000,若處理不及,就會腎衰竭。當身體受重創,肌肉細胞敗壞,CK值就是指標。床邊立了三個點滴架,得快速灌水稀釋,再加利尿劑排水。半夜突然心悸,每分鐘心跳150以上,又是個身體壓力症候,及時以心跳調節劑舒緩。另外就是血胸了,肋膜積血,醫生曾考慮插管引流,最後他拍拍我,說身體還可以,待自行吸收吧!

住院兩個星期,清楚感受日益健康的喜悅,更衷心禮讚現代醫學的進步。出院了,儘管全身肌肉鬆垮,我已能佇著四腳拐杖小步走路。但是五天後,我陷入疼痛的低潮,先是左胸肌肉緊痛,接著又蔓延到後背肩胛,痠痛難忍,又只能淺呼吸。按時服用的止痛藥妥美亭(Tramacet)顯然不濟。這是普拿疼與類嗎啡Tramadol 的複方,強力作用於中樞神經。醫師猶豫另加消炎藥,擔心腎臟承受不了。劇痛之際,救星出現了,清華大學生命科學系的王同學自告奮勇,用手指輕拂(指帶)加藥酒來理順我的「瘀氣」,竟然能止痛兩、三個小時!感激之餘,為求根治,我求助於一隱名的退休中醫師。他同意指帶確是好療法,不同的是,當他的手指拂過我的肋間,皮膚立現紅斑,再貼黑糊膏藥,疼痛澈底消失了!如此經驗,我當然要在回診時分享眾醫師,大家咸稱了不起。

我這一個月的際遇,恰和本期《科學人》的一些內容相呼應。讀了〈維多利亞時代外科現場〉、〈我懂你的痛〉以及「科學人新聞」的〈吃東西讓人快樂〉,我們對醫學與科技的進展和福祉會有更深的期待。

擁抱科技.禮讚先知

掌聲雷動,全體起立,2000人恭迎星雲大師進場,這是我上個週末在佛光山的震撼體驗。英國牛津大學的麥爾荀伯格(Viktor Mayer-Sch?nberger)為這場「科技與宗教的對話」揭開序幕。他說理明晰,帥氣活潑,暢談近20年來巨量資料之湧現,對比過去2000年人類知識之緩慢積累,期勉年輕人該在這大數據時代聰明創業及創新。聽他說明Google的工程師在2009年利用大數據分析,比美國疾病管制局更早預測並掌握流感疫情,我立即想到今年7月號《科學人》的〈細菌終結登革熱〉以及正肆虐台南的登革熱。顯然我們既未取經前例、疏忽警訊,又再度採用原始的藥劑滅蚊法,現在不僅南部漫天殺蟲煙霧,各縣市也跟進了,可以想像昆蟲都即將絕跡於城市及鄉野。剛接到通知,水木清華的百公頃校園,除了蝴蝶園,已全面殺蟲。人與自然的衝突,莫此為甚。

「科學發展大趨勢:對人類的禍與福」是我被指定的講題。一如往例,我由講古開場,談20萬年前現代智人崛起於非洲,走過石器、青銅及鐵器時代。中國歷朝因無力抗天,承氣候變遷而起的災荒及戰亂,人口曾14次悲慘劇降。是工業、綠色及醫藥革命把人的壽命大幅延長,人的消費也超越了環境承載力;是剪接基因的生物科技讓糧食增產,但也開啟了可能脫韁的組裝生命時代,這門新學問當然也奠基於處理大數據的生物資訊學。

智者高希均憂心台灣民粹當道、政府無能、國會失控,我們曾有傑出成就,但可能就要迷失於新時代的浪潮。他呼籲視野不再盯住本土、心思不再鎖在家園、格局不再限於島內,唯有自信地開放台灣,我們才有希望。

星雲大師為這一天的論壇做了智慧結語:科學是探索心外世界,求真與求知,有宏觀與微觀。而宗教是探索內心世界,求善與悟道,有靜觀與定觀。治心與科研皆難,他勉勵大家要不斷自我修持。

網際網路的巨量資料源自於知識與記憶的數位化,而這是先知愛因斯坦眾多理論的實踐之一。事實上,我們在這現代化的光電生活中,已是「天天遇見愛因斯坦」。為了紀念他在1905年發表照亮人類的五篇重要論文,聯合國認定2005年為「世界物理年」,當時《科學人》出版了特刊《愛因斯坦影響100年》。今年又適逢他提出廣義相對論100年,《科學人》以10月號整本專輯來禮讚。

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