科學人(第150期/2014年8月號): SM150

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科學人(第150期/2014年8月號)習慣成自然?積習不難改!

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每天回家坐上沙發,你會順手打開電視機?走進捷運車廂,你就不自覺滑起手機?說你有「資訊焦慮症」、「網路上癮」可能太嚴重,但很明顯,這些行為已經成為一種習慣,在大腦未經思索的情況下就自然而然完成。

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可不就是「習慣成自然」嗎?如今這句話有了神經科學的解釋:科學家在大腦皮質與紋狀體之間找到多條連結的神經迴路,讓有意識的重複行為〈從腦養成好習慣〉。習慣的神經迴路有什麼好處呢?原來大腦可以騰出精力與時間,把資源用在其他更重要的事情上,卻也因此忽略了這些行為所造成的後續影響——特別是壞習慣。

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更進一步,科學家已經可以利用光學遺傳學,操控實驗老鼠走迷宮的習慣。想要戒除壞習慣,以往臨床心理學家就有不少方法可以幫助你,如今再佐以這些神經生理學的知識與證據,我們一起實踐〈積習可改〉!

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金融危機一爆接一爆、股票詐騙案層出不窮,許多像「老鼠會」一樣的金融騙局充斥於我們生活周遭,這類詐騙手法歷史悠久,你只要找得到「下線」,「上線」就能夠獲利。股市越早進場獲利越多?各種社會保險只是債留子孫?〈揭發龐茲騙局〉告訴你各式龐茲騙局的伎倆,〈誰是最後的笨蛋?〉教你判斷龐茲騙局的兩大要件。

還有更多不及介紹的精采內容,請見《科學人》雜誌2014年8月號。?

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Publisher
遠流出版
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Published on
Aug 1, 2014
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Language
Chinese
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Genres
Science / General
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科學人(第151期/2014年9月號)

當今最火紅、堪稱台灣資訊產業下一個浪頭的「物聯網」,可不只是把健康手環、google眼鏡、智慧冰箱等設備自顧自地連上網路。把資料送上雲端給醫生、讓你遙控家裡的冷氣,那又怎樣?但如果連上網路的,不只有家電設備,而是更加無所不在的各式感測器?而如果這些感測器得到的數據,可以全部整合、互通有無呢??

美國知名電腦與通訊科學專家魏瑟(Mark Weiser)23年前即在Scientific American預言了「遍存計算」(ubiquitous computing)的時代,如今麻省理工學院(MIT)媒體實驗室的團隊更利用遊戲引擎,把這些資料影像化,讓你可以隨時看到遠方某處的真實情況。這套設備與軟體顛覆了「親臨現場」的意義,一旦這些感測訊息直接連上大腦或神經系統,〈物聯網上身 你我都有超能力〉可一點都不唬人!而結合虛擬實鏡與擴增實境的初階版,〈虛實聯網 延伸你的感官〉早已悄悄發生在我們生活、教育與娛樂之中!?

伊波拉病毒持續肆虐,人體實驗中的單株抗體藥物Zmapp效用尚未確認,新藥研發刻不容緩。生物科技界一致看好〈RNA未來醫療新勢力〉,科學家利用短小干擾RNA(siRNA)已經治癒了實驗室中感染伊波拉病毒的恆河猴!羅賓.威廉斯因憂鬱症自殺,舉世同弔。讓我們認識〈自殺背後的憂鬱推手〉,從大腦迴路一起防止悲劇。?

更多精采內容,請見《科學人》雜誌2014年9月號。

  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。
走過演化──驗證達爾文理論、重建物種起源的26步驟

演化是生命科學的核心問題。天擇理論的內容與驗證的試驗,物種形成的原因和過程,都可以在本書中找到答案。而從演化角度,人類和其他生物間的界線並不明顯,雖然我們現在已經有能力改變環境,但是人類演化的腳步卻不曾停止。

精采單元:

透視演化論物種的起源動物演化之路人類演化史身而為人

導讀

清華大學生命科學院教授 李家維專文導讀

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從演化歷史看生命未來

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坐在寒武紀開端的岩石上,有無比神聖的感覺,陳均遠細細教我如何辨別碎石塊裡的指標化石。這些被統稱為小殼化石的生物遺骸必然是動物軀體,牠們活在5億4000萬年前,被界定為現今動物的始祖。每個灰黑色的管子可能就是個小動物體,也可能是隻渾身長刺的較大動物死後抖落的一小根。

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16年前我初遇陳均遠,他應國立自然科學博物館之邀來台講學並舉辦「寒武紀大爆發」的展覽。接風席上相見如故,這位來自中國科學院南京古生物研究所的地質學者學問可真好,令我非常傾心,當即決定辭去科博館的館長工作,重回清華大學轉行學習。一個月後,我們在雲南澄江縣見面了,開始約10年的合作研究,這段時光真是美好,想來都是滿心笑意。

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澄江的地層裡埋藏著5 億2000萬年前的大量海洋生物化石,是古生物學的聖地,代表動物的體形與體制突然放大和複雜化,這被稱為寒武紀大爆發的演化之謎,曾被列為上個世紀的10大科學疑題。我們常租輛馬車,往返化石露頭地,白天在野地敲化石,頂著陽光又一身灰,晚上在小館子吃炸馬蜂蛹、抗浪魚和苦蕎麵餅,隨時討論這寒武紀之謎,什麼原因使牠們如此快速演化?什麼原因使牠們如此完整被保存?

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有一天夜裡,我們仰脖大喝香醇的仙湖春,開懷大笑,因為當天一鋤頭敲出了七條罕見的雲南蟲,牠們背上有根脊索,是脊椎動物的始祖。然而隔天我們被跟監了,最後所有的化石都被沒收,罪名是非法採集,我離境時還遭搜身。原因是中央與地方之爭,中國科學院在澄江的研究揚名國際,而雲南的本地學者沾不上邊,就爆發了這場化石資源戰,驚動北京,隔年我被聘為雲南省的科學顧問,和解了事。

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在情勢緊繃之際,陳均遠和我轉移陣地,改到貴州瓮安縣,研究5 億8000萬年前的前寒武紀生命世界,找到了已知最早的動物化石群。之後再回雲南澄江,發現了有頭、腦、眼和脊索的海口蟲。因之獲美國航太總署的支助,擴大成國際團隊,建立工作站,也利用高解析的同步輻射X光源來探討化石內部的顯微立體結構。六年前,陳均遠轉行研究免疫系統的演化,我則投身熱帶植物保育,談起過去的革命情誼,確實回味不已。生命演化史橫跨30餘億年,粗略架構已知,但仍處處是未知的精采環節。我初嚐動物早期演化之甜頭,還看著碗外羨慕,因此常找藉口參與其他團隊的研究,例如到河北薊縣的18億年前的地層,了解多細胞藻類的起源,到東北的遼西看1億2000萬年前的多樣帶毛恐龍,另外也參與了聯合國科教文組織的考古團隊,到過澳洲的不毛內陸、俄國的極區白海和非洲的納米比亞沙漠,增長了見識,結交各國學者,也聽聞這行業的眾多甘苦事,更重要的是我認識了地層裡物種的興衰節奏。

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自寒武紀以來,地球生命曾遭受五次大滅絕事件,那指的是在短的地質時間內,超過75%的物種滅絕,可想像這是99%個體死亡的慘況。災難本是地球的宿命,每次大小滅絕似乎都隨機性的左右了生物的演化方向,但災難間的承平時代也有物種的演替,地層記錄顯示每個物種平均存活約100萬年。

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然而人類正在推動第六次生命大滅絕,物種以100 ~ 1000倍的速度在消失中。這個數字範圍確有所本,容我舉例說明:現生的鳥類約有一萬種,若平均存活100萬年,那麼我們應預期每100年有一種鳥消失,但回顧過去的百年,鳥類的滅絕超過了100種,也就是能趨吉避凶的鳥類以100倍的速度在消失中;台灣的淡水魚記錄約有110種,原該預期每一萬年滅絕一種,但現在有10種僅見於博物館的標本瓶中,表示台灣淡水魚正以1000倍的速度在消失,台灣並非特例,舉世的淡水魚皆面臨同樣命運。這樣的認識,是我再轉行積極推動現生物種保育的背景。

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生命演化並非只是過去式的考古,它是現在進行式,也是更該關注的未來式。這麼重要的一門學問,在現今台灣各大學卻鮮少有相關課程。這本《走過演化》特輯精選了《科學人》10年來的精采演化文章,既是自修者的範本教材,也是尊重自然和經營未來的基礎知識。?

導讀者簡介

李家維

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《科學人》雜誌總編輯、清華大學生命科學系教授,生物礦化與古生物演化專家。曾任國立自然科學博物館館長,在科學普及與科學文化的傳播別具個人風格; 熱愛蒐集,目前已是辜嚴倬雲植物保種中心的執行長。

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推薦

【推薦文一】

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全球暖化、能源危機、糧食問題、生物多樣性的快速消失,21世紀的我們正面臨?前所未有的挑戰。此時,《科學人》一本推動科普教育的重責,將過去刊登過的數十篇演化生物學的文章,集結為《走過演化》特輯。這些文章分為五大單元,循序漸進將演化生物學介紹給全世界的華文讀者。這樣的章節編排,引導我們了解生物演化的重要理論、探索人類及其他生物的演化史,並深思我們的現況與未來。《走過演化》特輯將生物演化的概念在華文世界扎根,我也推薦將此特輯列為所有大學新鮮人必讀的科普書。

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-- 台灣大學生命科學系、動物學研究所副教授 丁照棣

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【推薦文二】

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科普教育是博物館展示與民眾教育中很重要的一環,《科學人》精選出版的《走過演化》將因通俗的表達方式與豐富的內容,而惠及普羅大眾;我也期許《科學人》在科學說中文的路上,更加精益求精。

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這本《走過演化》,藉由「透視演化論」、「物種的起源」、「動物演化之路」、「人類演化史」與「生而為人」五單元,整個演化的機制、人類的演化過程與人類在基因上的特殊性(一如所收錄的〈人為何生而為人〉這篇文章),都清楚呈現在這本特輯當中,其所蘊涵的內容,方便讀者形成一個概括而完整的知識架構。

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-- 台灣史前文化博物館助理研究員 林秀嫚

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【推薦文三】

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《科學人》將與演化有關的文章集結為冊,圖文並茂,深入淺出,讓您一卷在手,就可神遊在億萬年的時空,一窺萬物生生滅滅的奧秘。從恐龍與鳥的瓜葛到人類智慧的起源,從兩側對稱動物在寒武紀的開始到家貓在千萬家庭中的受寵,從分子生物的細膩機轉到物種演化的宏觀原則……篇篇精彩,引人入勝,在輕鬆閱讀中,體會演化真諦。舉一反三,由見山是山, 到見山不是山,又復見山是山; 對大自然生命的蓬勃生機,已然有不同層次的領悟。

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-- 中央研究院院士、美國南加州大學病理系教授 鍾正明

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【推薦文四】

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剔去了演化的生命大戲,是沒有脈絡的零碎片段;不探究演化意涵的生物課本,只是充斥細節的無味文本。演化於萬物的美麗,就如同數學於宇宙,是一個乾淨的邏輯,一個適用於各個階層的簡單機制。

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200年前,物種起源還是謎中之謎,達爾文提出了演化論的核心,代代科學家將細節描繪得更清楚。不只要說得通的理論,還要看到站得住腳的證據。盡力客觀演繹證據、趨近真實的過程,呈現了科學作為一種信仰的美麗。《走過演化》集結了從分子生物到物種、從兩側對稱到生理的演化等各階層及各方面的研究歷程,讀者必定能抓住脈絡,看一齣有骨有肉的精彩大戲!

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-- 竹東高中生物科教師 韓中梅
超越費曼圖
將大自然的各種力統一起來,或許沒有物理學家原來所想的那麼困難。

重點提要
■物理學家對於粒子碰撞的了解,最近經歷了一場寧靜革命。知名物理學家費曼所引入的觀念對於很多應用而言已到達極限。作者與合作者已經發展出新的方法。
■物理學家利用新方法,可以更可靠地描述在大強子對撞機(LHC)那種極端條件下普通粒子的行為,這將幫助實驗學家尋找新粒子與新作用力。
■新方法還有更為深刻的應用:它讓一種於1980年代被物理學家放棄的統一理論有了新生命,重力看起來像是雙份的強核力一起作用。

春天某個晴朗的日子,本文作者狄克森從英國倫敦地鐵的茂恩都站進入地鐵,想前往希斯洛機場。倫敦地鐵每天有300萬名乘客,他瞧著其中一位陌生人,無聊地想著:這位老兄會從溫布頓站離開地鐵的機率有多大?由於此人可能搭上任何一條地鐵路線,所以該如何推算這個機率呢?他想了一會,領悟到這個問題其實跟粒子物理學家所面對的麻煩很像,那就是該如何預測現代高能實驗中粒子碰撞的後果。

歐洲核子研究組織(CERN)的大強子對撞機(LHC)是這個時代最重要的探索實驗;它讓質子以近乎光速前進並相撞,然後研究碰撞後的碎片。我們知道建造對撞機及偵測器得用上最尖端的技術,然而較不為人知的是,解釋偵測器的發現同樣也是極為困難的挑戰。乍看之下,它不應該那麼困難才對,因為基本粒子的標準模型早已確立,理論學家也一直用此模型來預測實驗的結果,而且理論預測所依賴的是著名物理學家費曼(Richard P. Feynman)早在60多年前就發展出來的計算技巧,每位粒子物理學家在研究生階段都學過費曼的技巧;關於粒子物理的每本科普書、每篇科普文章,也都借用了費曼的概念。

然而費曼的技巧對於當下的問題而言,其實已經無效!它雖然提供了一種直觀、近似的方法來掌握最簡單的過程,但是對於更複雜的過程或是更精確的計算來說,卻是無可救藥地繁雜。和預測一位地鐵乘客會往哪裡去相比,預測粒子碰撞後會出現什麼結果難太多了。即便是LHC中一次很普通的碰撞,我們就算是用上全世界的電腦,也沒有辦法推算出其結果。如果理論學家不能就已知物理定律與已知的物質形式做出精確的預測,那麼就算對撞機真的產生了新東西,我們又怎麼知道呢?就我們所知,LHC可能已經找到了大自然某些奧秘的答案,但是我們卻仍被蒙在鼓裡,原因就是我們對於標準模型方程式的解還不夠精確。

近年來,我們三人以及合作者已經發展出一種新的辦法:么正法(unitarity method),來分析粒子反應過程,它可以避開費曼法的繁複性,基本上等同於一種可以預測地鐵乘客會往哪裡去的高度簡便方法,其關鍵在於體認到每當地鐵乘客面臨選擇時,他的選項其實是受到相當限制的,因此我們可以把要追求的答案分解成一連串行動的機率。這個新方法已經讓我們解決了粒子物理中很多原本無從解決的理論問題,因此我們能夠更深入理解現今基本粒子理論的預測,辨認出新發現。這個方法也可以用於另一個有趣的模型,而得到很多結果;這個模型和標準模型類似,但是所描述的是一個理想化的世界,物理學家對它很感興趣,因為它被視為追求最終理論路上的墊腳石。

公正法不僅是有用的計算技巧而已,它暗示了粒子交互作用理論其實有一個嶄新的形式,此形式是由意料之外的對稱性所掌控,這意味著標準模型具有尚未受到重視的精緻面。特別值得一提的是,長久以來物理學家致力於將量子理論與愛因斯坦廣義相對論結合成量子重力論,么正法在這方面揭露了一個很奇怪的轉折。1970年代以前,物理學家一直假設重力的性質和其他基本交互作用是相似的,所以便設法推廣既有的理論以包容重力。但是當他們將費曼的技巧用於這類理論時,卻發現要不就得到荒謬的答案,要不就被複雜的數學給困住了;所以,重力看起來終究和其他力完全不同。因此沮喪的物理學家便轉向更革命性的點子,例如超對稱以及後來的弦論。

可是么正法讓我們能夠實際執行1980年代就試圖要做但無從做起的計算,結果發現某些原先料想的矛盾其實並不存在。也就是說,重力的確看起來和其他力是相似的,只是其方式令人意外:重力的行為像是「雙份」把核子束縛在一起的強核力。由於強核力是由膠子傳遞的,而重力應該是由稱為重力子的粒子來傳遞,么正法所提供的新圖像即是每個重力子就像是兩個縫在一起的膠子。這個概念相當奇怪,即便專家也還無法好好想像它的意義。無論如何,這個「雙份」的性質提供了一個嶄新的觀點,來探討重力如何能和其他力結合。

從一棵樹變成了森林

費曼的技巧何以那麼令人信服與有用?關鍵是它給了我們一個圖像式的規則,來對付極為複雜的計算。費曼法的核心是一種圖(常稱為費曼圖),讓我們以視覺方式來看待兩個或多個粒子碰撞或相互散射。在每個探究基本粒子物理的研究機構裡,你一定會看到黑板上畫滿了這種圖。理論學者在做定量預測時,會先畫一組圖,每個圖都代表粒子碰撞過程可能的進行方式,如同倫敦地鐵乘客可能選取的各種路徑。理論學者只要依循費曼以及戴森(Freeman Dyson)等人所定下的一組詳細規則,就可以賦予每個圖一個數字,代表該事件如圖發生的機率。

費曼法的缺點是我們可以畫出的圖太多了,原則上是無窮多個,不過就費曼當初發展這個方法的目的而言,這項缺點並不太要緊。他當時研究的是量子電動力學(QED),目的在於描述電子與光子的交互作用。此交互作用是由一個稱為「耦合係數」的量所控制,其大小約為1/137。由於這個電磁耦合係數很小,使得較為複雜的圖在計算中所佔的份量就比較小,因此......

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2012年第124期6月號】
跨越量子分界線

量子力學所描述的現象既奇異又隨機,但我們所見的現實是明確的。新的實驗想要探測量子力學與古典力學的界線。 撰文∕佛爾吉(Tim Folger) 翻譯∕張明哲

 

重點提要 

■微觀世界與巨觀世界沒法無縫接軌:微觀世界依循量子力學的機率特性,而巨觀世界卻呈現較有邏輯的古典法則。

■物理學家一直不了解量子領域和古典領域的界線何在,但即將進行的新實驗可望檢視不同的理論。

■連續自發局域化(CSL)理論認為,量子機率會隨機塌縮到古典明確值。如果真是這樣,則宇宙裡這些塌縮產生廣泛的背景振盪,便可經由實驗測得。

 

戈洛巴哈(Simon Gr大部份的自製作品,我們都無法以肉眼看見。他在荷蘭德夫特科技大學實驗室設計了一項機械裝置,長度僅幾微米、比細菌大不了多少,厚250奈米、僅一張紙的千分之一。戈洛巴哈無疑能把這項裝置縮得更小,但他另有目標:他想放大裝置,而非縮小。他從電腦螢幕上點選出圖片時說:「我們想把它變得非常、非常大。」戈洛巴哈其實是實驗物理學家,「非常、非常大」指的是我們幾乎不需顯微鏡就可以看到的「一公釐乘一公釐大」。 在這不算巨大的尺度下,戈洛巴哈希望回答一個重要問題:單一巨觀物體能否同時出現在兩個地方?例如,針尖大的物品能否同時既在這裡又在那裡?這種近乎不可能發生的情況,對原子、光子或其他粒子來說卻是常態。根據神奇的量子理論,在最基礎層次的現實有違常識:粒子沒有固定的位置、能量或其他明確的性質,至少在沒有人觀看的時候是如此。粒子同時具有許多狀態。 但是我們所見的現實並非如此,物理學家仍然不清楚其中的緣由。在我們的世界中,包括肉眼無法看到的物體,似乎完全不具有量子特性。很大的物體(意指任何比病毒大的物體)永遠坐落在一處,而且僅出現在單一位置;在德夫特科技大學的實驗室裡,只有一位戈洛巴哈對著一位有時差、正在做筆記的記者說話。這件事暗藏謎團:如果所有物體都由具有量子性質的物質以及能量所組成,為什麼我們感受不到奇異的量子特性?量子世界的邊陲止於何處?而所謂牛頓物理學的古典世界又始於何處?尺度夠大時,量子效應就消失,我們所見的現實是否有界線?還是說,量子力學處處適用,只是我們感受不到? 「我們知道微觀世界是量子的,但無論如何,我們是古典的,先不提這到底是什麼意思。」義大利的港大學理論物理學家巴希(Angelo Bassi)說:「對於微觀世界與巨觀世界間物質的真實本質,我們一無所知。」自從一個世紀前量子理論誕生至今,那個無人探查的領域一直困惑著物理學家。但這幾年來,戈洛巴哈和其他科學家開始進行一些極為精巧的桌上型實驗,有一天或許能揭露物體從量子世界到古典世界的驚人轉變。這些研究會解決量子理論的謎團,還是加深謎團,沒人敢斷言。但研究人員在探索這荒蕪而混亂的量子邊陲時,有機會發現全新的物理學。


測量問題 

雖然量子力學有各種弔詭,卻仍是迄今最具威力、最精準的理論,理論的預測與實驗相符的程度精準無比,在某些例子的精確度超過百萬兆分之一。這套理論顛覆我們對原子結構的了解,改變了科學的許多面向,從生物學到天文物理學。沒有量子理論,就沒有電子業、沒有手機、沒有Google。但是這套理論有個明顯的缺點,美國普林斯頓高等研究院的理論物理學家艾德勒(Stephen L. Adler)說:「量子力學裡,事情不會發生。」 艾德勒這句難懂的話指的是,量子理論的基礎方程式提到(或沒有提到)的現實本質。依據波函數,方程式給出的是物體在不同狀態下存在的機率。牛頓物理學中的蘋果、行星和其他所有物體總是有明確的性質,但量子物理不同,本質上是隨機的。在某種意義上,透過波函數所描述的粒子,甚至無法視為完整存在;粒子沒有固定的位置、速度或能量,只有機率。但是科學家一做了測量,一切就改變了。僅僅想要觀察粒子,真實而可觸及的性質似乎就會冒出來。量子理論不僅沒有說明測量為何導致這種轉變,也沒有說明在諸多可能性中為何只顯現其中一個、而非其他。量子力學描述測量可能導致什麼結果,而不說到底發生了什麼事。換句話說,這套理論沒有一個機制能夠說明,諸多可能性如何轉變成實際結果。 為了在量子力學裡「讓事情發生」,這套理論的一位傳奇建立者提出近乎形而上的論點。1920年代晚期,海森堡(Werner Heisenberg)發展並提倡一個想法:正是測量本身讓粒子的波函數「塌縮」(collapse),讓許多可能發生的結果瞬間化約成單一觀測結果。這個想法唯一的缺陷在於,量子理論的方程式裡完全沒提到塌縮會發生,也沒有一個物理過程來解釋塌縮。海森堡的「解答」基本上是把新謎團引入物理學:波函數塌縮時到底發生了什麼事?這個量子難題現在稱為「測量問題」(measurement problem)。 過去90年,或許物理學家已經習慣塌縮的概念,但是他們從未真心喜歡它。在關於宇宙如何運作的最基礎理論,人類的行為(測量)扮演著中心角色,任何一位偏好客觀實在性的人都難以接受這個想法。 「就基礎而言,關於物理理論該是怎樣,我有個理想的看法。」1979年諾貝爾物理獎得主、德州大學奧斯丁分校的物理學家溫伯格(Steven Weinberg)說:「物理理論不應該以任何特定方式提到人類。所有其他物體,包括任何能以系統化說明的化學、生物或人類事務,都應該能從物理理論衍生而出。自然律的一開頭不應該涉及人類。然而,如果不採用這種詮釋性公設來指稱人們選擇測量某物時發生了什麼事,我看不出該怎麼描述量子力學。」

允我一個優雅的未來

離開成允病榻後,我一夜無眠。30年的交誼,我們相互戲謔,爭執觀點,也共創了得意的辜嚴倬雲植物保種中心,往事歷歷。矇矓中,徐燕宗來電,他驚慌急問辜董事長怎麼了?燕宗是苗栗南庄的小泥水包工,四年前我們相偕在鄉下一簡陋鐵皮飯店喝酒吃肉,他炫耀工程品質之好是因不計成本,堅持用台灣水泥。話鋒一轉,竟開始嚴詞批評台泥的包裝袋太差了,禁不得摔,損耗大。我當場撥了成允電話,讓他們對質溝通。燕宗臉紅氣躁,嚷了一陣怨言,最後對我說:「這業務員還挺不錯,有禮貌、客氣又承諾反應改善。」隔天,燕宗酒醒,才驚覺業務員竟是辜董事長。這就是我的摯友成允,他澈底擄獲了小包工的忠誠。

去年3月,清華大學生命科學院和《科學人》雜誌合辦了盛大的「生技產業論譠」,我負責邀來傑出成功案例的三位主角:陳垣崇、黃達夫和辜成允,同台回顧龐貝氏症孤兒藥的研發過程。對於這被譽為現代醫藥的典範,成允坦言當年贊助並無圖利之思。全場300位師生和業者皆動容喝采,有位學生起立發言,讚美成允是「舊時代的優雅」,我與有榮焉。

保種中心的花房裡,匯聚了全球最豐富的活體植物蒐藏,我知道這不是榮耀,而是責任,得設法深化其意義。這些植物來自各個熱帶地區,異地保種只是過渡,終極目標是移回原棲地,或另覓合宜新棲地,而且得擴大族群,才能永續。跨國轉運及重建生態系都不是易事,更迫切的是培育熱血人才。成允和我有共識,去年開啟了植物組織的深度冷凍計畫,要為奇花異卉留下基因血脈;也展開「未來地球生態學程」,分三期培育100位生態勇士;今年初我們決定推出「百種興盛」行動,要為瀕臨滅絕的物種打造繁殖計畫。

成允是《科學人》的忠實讀者,在三個洗手間各放一本當期雜誌,不諱言和平電廠的成功碳捕捉行動源自《科學人》的文章啟發。面對生存危機,植物被迫異地保種,動物亦然,我確信成允也會詳讀〈帶瀕危動物離家出走〉的無奈抉擇。好友仙去,我朗讀此文以緬懷這位希望的播種者。

總編輯有難,發行人挺身報告

如果你和李家維總編輯一樣,深夜開車一不小心衝進20公尺深的溪谷,車子四輪朝天,安全氣囊爆開,你感覺肋骨有些痛,右眼上方額頭似乎流著血,手機掉下水了,但你終究爬出車子,等待救援。你怎麼解釋或看待這樁遭遇?

如果你有宗教信仰,會說天主保佑?菩薩保佑?如果沒有宗教信仰,會說老天爺眷顧?運氣太好了?一般人會祝賀你吉人天相、大難不死必有後福。就這樣嗎?

11月23日感恩節清晨七時,清大生科院師生和家人及南庄救難隊找到困坐溪谷30小時的李家維時,他沒有理會大伙的焦急,不失幽默,第一時間跟兒子勁葦說:「來,先幫我拍個照!」接著又懊惱地對太太說:「昨天找不到紙筆,沒有寫成總編輯的話,妳等下打電話跟榮文說。」即使面對災厄狼狽,李家維不忘保留真相,如同前幾年的繞道手術,他也公開自己堵塞的心血管提供科學說明。

在科研道路上,他是好奇寶寶,無所不愛。他要收集並研究地球上30萬種熱帶植物,結合企業家辜成允,希望辜嚴倬雲植物保種中心成為台灣人對世界的一種貢獻。他的研究興趣廣泛,愛物成癡,對待書畫陶瓷神像動物植物昆蟲化石收藏,和他待人一樣平等敬謹,也可以談笑風生百無禁忌。他是台灣難得的博物學家,是另類台灣之光。

幾年前他關注流浪神像,很快地神像成了他收藏的新品項。不久之後,大尊的佛祖、羅漢、菩薩、觀音也都上門了。家維是無神論者,但他提供一個以王羲之「仰觀宇宙之大、俯察品類之盛」為名的美麗玻璃屋給神佛。他在那裡接待各方賢德,聽到無數神話,但他不為所動,用一貫敬謹態度對待祂們。李家維這個科學家一本科學精神按知識分類追查雕像身世,動用碳14、X光、顯微鏡研究材質年份。面對未知的神佛,科學精神與宗教信仰並非不能分存。

此次總編輯遇險倖存,雖然有科學機率的幸運成份,我寧願相信老天有眼、菩薩保佑。此刻他在新竹馬偕醫院接受詳細檢查,190期《科學人》截稿在即,雖然知道他很想親自跟大家報告本期精采內容,但我們終究不忍,就由我來報告他的現況,大家放心,他很快會康復的!

暫時停止生命

 

──以人工冬眠換取急救時間

 

 

暫時停止人體功能的運作,可以保護重傷患者,或延長待移植器官的壽命。在動物的試驗已經有初步成果,人工冬眠將可期待。

 

撰文╱羅斯(Mark B. Roth)、尼斯圖爾(Todd Nystul)

 

翻譯/黃榮棋

 

 

以暫停生命(suspended animation,休眠)來延長人類生命的可能性,長久來一直讓科幻小說作家著迷。在虛構故事中,這種技術讓書中人物能夠「睡」過幾世紀的星際旅行或地球災難,醒來時不帶有歲月留下的痕跡。這些故事很有趣,但從生物角度而言,連影子都還沒看見。事實上,人類似乎沒有能力可以改變生命的進程速率。我們無法暫停細胞忙碌的活動,就像我們無法停止呼吸超過幾分鐘,否則,重要的器官將受到嚴重的傷害。

 

然而,自然界有許多的生物,能夠也確實讓自身的基本生命過程暫時停止,有些生物甚至可以一次停好多年。科學家用不同詞語來描述這種現象,像是靜止(quiescence)、休眠(torpor)與冬眠(hibernation)。這些辭彙都代表不同程度的暫停生命現象,也就是大幅減緩能量的製造(代謝)與消耗(細胞活性)。更甚者,處在這種狀態的生物,在面對極端溫度、缺氧等環境壓力,或甚至是身體的傷害時,都表現出超強的抗壓力。

 

撇開科幻小說的情節,要是能夠讓人體處於這種狀態,光是醫療而言,意義就可能十分重大。例如,有些準備用來移植的器官,像是心臟與肺臟,只能在體外存活六個小時。其他像是胰臟與腎臟,則無法超過一天。因此,器官移植能否成功,取決於速度。也就是說,只因為沒有足夠時間在器官損壞之前送達,就必須放棄某些可能的配對。美國每年雖然有數萬次成功的器官移植手術,但因為時間緊迫有時會造成失誤,要是時間充裕的話,或許就可以避免。

 

如果能夠讓這些寶貴的器官進入休眠狀態,或許就可以保存幾天甚至幾個星期。急救團隊也可以利用這項技術,為受重傷的患者爭取時間。讓這些患者進入休眠狀態,醫師處理傷害時,也能夠避免患者組織的衰敗。

 

最近我們在美國西雅圖哈欽森癌症研究院的實驗室,以及其他研究人員所做的成果指出,在天生不冬眠的動物身上,可以誘發出類似冬眠的狀態。而且,當這些動物處在這種休眠的狀態下,似乎就不會受像缺氧這種失血常見的結果所影響。這些實驗結果令人興奮,因為人體或許也可能進入休眠狀態。的確,我們團隊用來誘發實驗動物與人體組織休眠的方法,暗指許多生物體內,或許還潛藏著這種源自地球原始微生物的能力。
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