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。

窺探大腦挑戰思考、記憶與意識形成的25道難題

大腦主宰了我們理解世界與思考的方式,但我們對大腦卻所知有限。

從大腦基因與神經連結,能否解開記憶的編碼與意識的形成?藥物可以讓人更聰明嗎?先進的神經造影技術,能否讀出我們的思想?且讓本特輯與你一同遨遊腦海。精采單元:

從基因、神經元到大腦意識與記憶之謎心智功能再提升奇幻旅程

導讀

中央研究院院士 曾志朗 專文導讀?

大腦揭密,快跑;欲窺全貌,還早!?

「你的心裡在嘀咕什麼?」這句話意含著我們對世事的很多盤算皆來自「心」的運作。但科學和醫學研究也都告訴我們,這個「心」字指的絕不是生理器官的那個心,因為那些心臟移植成功的病人,並沒有因變心而改變性情,更沒有因此失去「自我」而不知道「我」是誰。所以這個「心」,指的應該是每個人經驗累積的存放平台,是抽象的情緒感受器,以及對記憶中意象和理念重組的資訊轉換機,更是能在意念和意念的碰撞中、在壓抑和活化的意識亂流中,衍生出新意念的萬花筒。至於那些能做比對、計算、算計以及能量分配的認知方式,只不過是讓思維凝聚的必然程序,是所謂「心智」的總體表現中不可或缺的一個層面。?

用這樣的角度來看心思和智慧,科學家就可以先拋開捉摸不定的「心思」,而以科學論證的方式來建構「心智」的運作平台。不論是用哪一種隱喻去比擬心智的運作(硬體如感受器、轉換機、萬花筒等,軟體如比對、計算、算計、能量分配、決策等),都需要有一個生理上的操作實體,做為感官、記憶、計算、決策、理解等知識運作的中介平台,那就是我們所熟知的「腦」——由一兆個神經元所組成,塞在空間不夠大的頭殼裡,形成彎彎曲曲充滿皺摺的灰質和白質,掌管神經資訊的傳遞和加工,包括感知、辨識、回應和儲存,而且串連不同腦區對特定的認知作業形成即時有效的神經迴路。這些複雜但又井然有序、由生理到心理層次的運作,通過現代高科技的各種腦神經顯影儀的掃描,科學家已經握有非常明確的證據。雖然影像的時空解析度仍待加強,且成像的分子基礎尚待釐清,但我們已經可以很科學的問「你的腦子裡在想什麼?」而不會感到「心」虛了!?

確定思維運作的所在地是「腦」之後,科學家就不再像早期的哲學家只能坐而思,必須起而行,走進實驗室,以更精密的神經顯影技術,搭配設計巧妙的實驗和高超的統計分析方法,由各個面向去探討腦的功能。如各種不同認知作業的神經資訊(what),會在腦的哪一個區塊內部活化或在哪幾個區塊(上皮質、下皮質、新皮質、舊皮質,還有小腦)形成連結的迴路(where)?特定迴路之間如何完成連結、如何相互激盪產生消–長的能量(how)?為什麼會演化出這樣的結構和功能(why)?這些不同面向的議題,觸及生命現象的各個層次,從最基層的基因研究,到神經系統的發展和組合,到行為的產生和規範,到意識的覺知和情緒的感受,到最高層的是非判斷,在經過數個「腦的十年」的實驗探討與理論建構,慢慢揭開了腦的神秘面紗。但科學家在期待下一個「腦的黃金十年」時,也心知肚明有更多問題等待解決。?

在新一代的腦研究中,有一個特性是不可忽略的:即每一個議題的提出,都有很清楚的跨領域內涵;各領域的研究進展和成就,都會影響其他領域對本身研究的重新思考。例如,緊接著人類基因組定序計畫的完成,腦科學研究也整合了基因研究與蛋白質分析技術的進展所帶來的新發現,以基因轉殖或基因剔除動物為對象,再搭配高密度神經元群體記錄的尖端技術,開展了腦神經演化的近因及遠因解密工作。此外,由於物理學家在低溫超導的技術革新,以及對核磁訊號的分析模式越來越成熟,各種神經影像的時空解析度也就越精準,帶動了認知神經科學的全面發展,並促使跨顱磁性刺激(TMS)在介入性的實驗研究和臨床治療上,發揮極大的效能。這些跨領域的研究,引領著不同專業的學者,把各自的觀點聚合(converge)在如何理解生命現象的共同問題上。?

生命現象本就錯綜複雜,但這些複雜現象的背後,仍然是清晰可見的自然規律。因為人類只有一個腦,它的運作遵循著生物演化的原生設定,也在這個基礎上,和周遭環境所給予的不同社會壓力,形塑個體的行為型態,所以每一個人的行為不但代表個人腦神經的生物傾向,也反映出腦做為資訊的轉換平台的抉擇與適應過程,代表的是社會的集體規範。就腦生長發展的觀點而言,個別差異是遺傳的結果,也是環境的縮影,更是在兩者長期適應(accommodation)和同化(assimilation)的互動下所形成的產物。這其中的奧秘,科學家目前還不很清楚,但由疊積的有限知識,已經讓科學家充份了解,靠單一領域的研究欲窺腦的全貌,絕對是不可能的任務,沒有超越領域的合作,就無法解開大腦的秘密,這已經是全世界腦科學家的共識了。?

目前,歐美的科學家都把腦科學的研究,由基因到神經發展的生化變化,到認知運作,到行為表現的整合,訂定為本世紀最重要的科研項目(我刻意不寫「之一」)。美國早已走在前面,歐盟也急起直追,在正進行的第七期科研架構計畫(EU FP7)中,特別設立一個主題,名之為「人類心智及其複雜性」(Human Mind and Its Complexity),探討腦在人類文明所扮演的角色。我是這個主題的諮詢委員之一,有幸見聞數百件由研究有成的學者提出的計畫案,我們審核的標準是跨領域的整合,和提出有風險但能清楚界定「腦的複雜性」的實驗設計。我國在這一方面的整合,比之歐美的大步進展,就顯得很薄弱。神經科學的個別研究散在各研究機構,沒有整合的機制;認知神經科學的概念,在台灣的學術界仍待建立。?

為什麼會產生這麼一個荒蕪的景象呢?我想,傳統學科本位的心態阻止了跨領域研究的思維,而新世代的社會科學研究人員在生物演化和認知哲學的知識背景也明顯不足,使他們對新興的腦科學研究望之卻步。為了開創新局,讓所有愛科學新知的科學人,都能更了解腦科學的進展,《科學人》雜誌編輯部集結了過去相關的文章,以四個單元去介紹腦科學研究和生命現象的關係,希望借由這些比較令人感興趣的生活面,看到腦神經運作的複雜性。男女有別嗎?人類以右手傾向者居多,反映左右兩腦功能的不對稱,那其他動物也如此嗎?你吃螃蟹時會注意牠是右利、還是左拐子?有增進記憶的藥丸嗎?學會讀寫漢字的腦和學會讀寫英文或其他拼音文字的腦有差別嗎?腦中神經訊息流動澎湃,是我們的夢之源?那「出槌」的流動是創意之母嗎??

太多的問題待解,但了解腦就是了解自我,了解社會文化,了解人在宇宙間、在萬物中、在歷史長河裡的定位。文明是腦的反映圖像,是腦的創作,也反過來規範腦的成長。我正在用演化中的腦、用腦創作的語言去談腦。也許,我觸動你或他的腦,產生出會改變腦的能量。人腦雖皺,潛力無窮。欲窺全貌?還早!

導讀者簡介

曾志朗

中央研究院院士、語言學研究所特聘研究員,陽明大學神經科學研究所特聘講座教授,《科學人》雜誌榮譽社長。開創漢語文神經語言學的研究領域,也是研究記憶、閱讀和注意力的國際知名認知科學家,並致力於科學文化的提昇。在《科學人》雜誌的專欄「科學人觀點」10年不曾間斷,曾獲金鼎獎最佳專欄寫作獎。

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推薦

【推薦文一】?

神經科學是上世紀70年代才出現的新興學門,結合了基礎的神經解剖、生理、藥理、病理與化學等學門,臨床的神經與精神病學,再加上行為與認知科學,乃成為真正的整合科學。神經科學之所以能夠結合這麼多領域的人才,乃是因為它研究的是大腦的運作,最終目的是了解人的意識與思想,甚至個性與人格。《科學人》這本專刊裡的文章,都是一流神經科學家的第一手研究成果,配合由淺入深的說明與精心繪製的圖表,絕對是神經科學最佳的入門讀物。?

--美國奧克蘭大學客座教授 潘震澤?

【推薦文二】?

腦子是天生內建好的,所以八週大的嬰兒就已知道喜愛協和、而不喜愛不協和的樂音,所以男人與女人的腦構造與功能會有所差異,所以經歷災難也會懂得驚恐。但腦子也會學習,透過神經元群將記憶編碼;同時參與形成記憶的這些神經元群,還可以萃取出普遍化概念。經驗更可以重塑腦子,改變其構造與連線,讓音樂家擁與不同凡響的音樂腦。且讓《科學人》精采100特輯,為我們說明腦子的神奇之處。?

--長庚大學生理科副教授 黃榮棋?

【推薦文三】?

小自一個眼神,大至一個精密的創作、神奇的發現、偉大的親情流露……,在無盡的時空中,人類所有文明的總和都來自這裡—腦子。現在,世界各地許多聰明的腦子傾全力去探索人類腦子的奧秘,精采的成果讓我們更清楚自己,也更增添心中的讚嘆,讚嘆我們共有的奧秘。揭露越多奧秘會發現還有更多奧秘,窺探大腦是個無盡的、精彩的探索之旅。也是一個教師可以放在身邊,了解自己、認識學生的最佳寶藏。

--花蓮高中生物科退休教師 廖美菊?

【推薦文四】?

這是一本能讓讀者盡情享受的腦科學彙編,我們可以跟隨二十一世紀科學家的腳步,一起解密這顆令人目眩的腦。不論是腦的構造、功能與疾病都能在其中得到有用的見解。想想看閱讀這本腦的奧義書時,正使用著腦的種種功能來認知理解腦的種種奧秘,這是多麼奇妙呀!地球上只有人類可以用腦來了解腦喔,邀請您與我一起探索迷人的腦內大千世界吧!?

--北一女中生物科教師 孫譽真?

【推薦文五】?

神經科學要有很多研究工具,要讀懂這方面的論文,也需要有深厚的神經解剖以及神經生理的基本素養,這方面,科學人雜誌的翻譯及編輯團隊表現優秀,能讓讀者了解體會,甚至運用於日常生活,現在集結成書,對讀者更方便了,我樂於推薦。?

--陽明大學教授 程樹德

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