科學人(第165期/2015年11月號): SM165

遠流出版
2
Free sample

仰觀實驗物理大師

摸得著、看得見,是我的私欲,也因此酷愛蒐集化石、礦物和動物植物標本。隨時上手把玩,也放進顯微鏡下細看,似乎盡享自然生命奧妙了。然而吃在碗裡,看著碗外,每當想到天文宇宙,時間之前有時間嗎?空間之外又是何物?總感陣陣顫動。王羲之的豪語「仰觀宇宙之大,俯察品類之盛」,我只能親身享受後半段,總是憾事。

今年暑假,吳健雄科學營在溪頭迎來了科學沙皇丁肇中,我興奮又仔細聆聽了兩場大師演講:「我所經歷的實驗物理及我的體會」和「尋找宇宙的起源」。這位實驗物理學家如此霸氣開場:實驗是自然科學的基礎,理論如果沒有實驗的證明,是沒有意義的;當實驗推翻了理論後,才可能創建新的理論,理論不可能推翻實驗。他的諾貝爾桂冠是在眾人嘲諷中找到世界上的第四種夸克,大海撈針的情節是一個 J 粒子藏身於100億個已知粒子中。之後他又發現了原子核內的膠子,也證明電子及夸克均無體積。而過往的20年,他啟動了驚天的宇宙起源探索,集16國、60個大學及研究所,和600位科學家之力,把反物質磁譜儀 (AMS) 送上了國際太空站。要在往後的10來年,攔截來自宇宙邊緣的3000億個宇宙射線訊號。初步的分析顯示了暗物質可能存在的證據,未來期待的是找到由反物質組成的宇宙。

我聽得如痴如醉,下課後立即聯絡我們的編輯部,務必報導此壯舉的前沿成就,這就是資深編輯洪志良撰寫〈天外的線索〉之背景。我也極度欣賞《聯合報》記者陳皓嬿的長文〈萬字解析鋼鐵人物理學家丁肇中〉,傳神詼諧寫實丁大師的演講與課後互動。保證精采!請大家上網享讀。

AMS偵測的是帶電的宇宙射線,只宜在太空中捕捉,而謎樣的直線橫行微中子,則是中性的宇宙射線,就可直接在地球上攔截了。想像你我的身上,每秒都有數千億個微中子穿透,接著它們又暢行無阻穿過地球揚長而去,多奇妙啊!〈緝捕超高能微中子〉是在南極冰層中進行的極限實驗,已有54個落網,其中有些還明確來自遙遠的銀河系外。

今年的諾貝爾獎再度頒給了微中子的狩獵者,〈怪盜變身,微中子大振盪〉是洪志良為這深奧學問改寫的易懂科普版。

Read more
5.0
2 total
Loading...

Additional Information

Publisher
遠流出版
Read more
Published on
Nov 1, 2015
Read more
Pages
114
Read more
Read more
Best For
Read more
Language
Chinese
Read more
Genres
Science / General
Read more
Content Protection
This content is DRM protected.
Read more

Reading information

Smartphones and Tablets

Install the Google Play Books app for Android and iPad/iPhone. It syncs automatically with your account and allows you to read online or offline wherever you are.

Laptops and Computers

You can read books purchased on Google Play using your computer's web browser.

eReaders and other devices

To read on e-ink devices like the Sony eReader or Barnes & Noble Nook, you'll need to download a file and transfer it to your device. Please follow the detailed Help center instructions to transfer the files to supported eReaders.
總編輯的話──餐桌上的海鮮革命

爭議中,美國食品及藥物管理局(FDA)為基改鮭魚亮了綠燈,而且不必特別標示是基改食品。世界各主要媒體都顯著報導這里程碑,因為人類吃了基改穀物20年,終於有了第一道動物餐。支持者讚譽廉價的美味可期,大洋中的捕撈壓力也可望舒緩;反對者則擔心對人體健康不好,逸出的基改鮭魚可能亂了生態,也要求各大連鎖超市表態抵制。

我正在新加坡大學演講訪問,並參與東協保育會議,驚喜得知隔壁辦公室的丘才良教授是此事件的核心主角,《海峽時報》大幅報導了他的成就。丘教授也是我此行的接待者,相識10年了,他不曾提及過此風光。

話說近40年前,丘才良在加拿大研究保護魚類寒害的抗凍蛋白,咖啡館裡,一位養殖鮭魚的同事訴苦說池子裡的魚都凍死了,也挑釁問分子生物學家有何花招能解決問題?當時他年輕、大膽,就開始試圖把比目魚的抗凍蛋白基因轉入鮭魚,結果成效不彰,卻同時發現若能讓鮭魚長快一些,就自然能抗寒,也因此展開了這影響深遠的研究。

大西洋鮭魚被選為改造對象,生長激素的基因只在腦下垂體表現,又有季節性,這就限制了成長。他的手邊正好有太平洋鮭魚的生長激素基因,冠上美洲大綿魚尉(ocean pout)抗凍蛋白基因的啟動子,再注射進大西洋鮭魚的卵子裡。選殖的後代就有了兩份生長激素的基因,且外源基因會在全身表現,造就了生長快、飼料轉換率高、又抗病的新品系了。大量生產時,用的是水產養殖業廣為應用的策略,只養三倍染色體的不孕母魚。繁殖場又是設在遠離自然生育地的巴拿馬內陸。多重考量,確保不污染野生族群。

這項面面俱到的成功創新,贏得《時代》雜誌2010年的50大新發明榮譽,卻命運坎坷,反基改、護動物權的多個團體齊聲反對。延宕到三年前,法案才送進白宮,只待總統簽署。據說是助理御廚的干預,又讓歐巴馬猶豫了。20年來,丘才良創辦的公司因財務而三度易主,專利權過期,他的股份被稀釋到不及1%,又飽受多方的嘲諷、責難,他就澈底低調了。11月19日的核准公告來得突然,也戲劇性地宣示餐桌革命的首部曲。

我在新加坡,火線訪談關鍵人物,特為之記。

  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」。

?

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)

總編輯的話──花、草、魚的異想世界

小兒飛葦來信,就一句話:猜我隔壁辦公室是誰?Benito!他們相識九年,合作研究發表了共同論文,卻未曾謀面,此次意外相逢,當然興奮。飛葦剛由美國杜克大學畢業,到加州大學柏克萊分校進行博士後研究,而Benito則是由新加坡植物園退休後,也來此任研究員。

我是他們兩位的中介者,那年我到新加坡,拜訪國際聞名的苔蘚學者,Benito Tan。在他的辦公室裡,見我直盯著水族缸看,就主動介紹一薄片分叉的不知名水生植物。水族業者普遍認為那是苔蘚,但構造簡單,特徵太少,他也不認得。我提議帶一小塊樣本,給立志當不開花植物專家的飛葦看看。那時飛葦剛上大學二年級,運用才學會的分子生物學技術分析DNA的序列,鑑別出它該是蕨類的配子體,也很可能是蘿蔓藤蕨屬的成員。它是個多倍體,失去了產生精子的能力,不能受孕長成孢子體,也就無以由外觀來判定它是蕨類了。他組織了個五國團隊,合寫一篇論文,算是進學術圈的敲門磚。

在過往,形態特徵是分類學的主要依據,但現在DNA序列的差異成了分辨物種的新利器。案例之一,是2015年10月發現的加拉巴哥群島新種象龜,牠與同住在聖克魯茲島上的另一象龜外觀相似,長久以來被認為是同一物種,是DNA分析給了牠新身分。同樣的本土案例是這期《科學人》的〈紅玉飄香——台灣山茶〉,近來流行又價昂的好茶「紅玉」就是源自我們山林間的原生特有茶種。茶痴們必讀此文,這是茶席上的好話題。

上個月我在新加坡,這個滿是奇花異卉的花園城市,對物種的跨國流通毫不設防,我也就在街邊的水族館大開眼界。台灣水族館裡遍尋不著的水生蘿蔓藤蕨配子體,赫然就在架上,同時我數了數還有九種水生苔蘚出售,包括標為 ”Mini Taiwan” 的種類,新加坡的水草痴顯然幸福多了。看過豔紅和亮藍來自華南和印度的陸蟹之後,店裡主角就是各式慈鯛了。慈鯛是全球水族缸的寵兒,也是演化學裡的經典案例。〈百變慈鯛〉和〈水族世界的七彩寶石〉是這期《科學人》的多采篇章。帶我去一探水族館的是研究生劉必偉,他研究新加坡集水區的魚類生態,說60%以上的魚種是外來慈鯛,棄養者眾,這在台灣亦然啊!

  量子傳訊,

 

  絕對機密

 

  利用量子技術來傳送秘密鑰匙,

 

  資料的保密將更為安全。

 

  撰文/史蒂克斯(Gary Stix)

 

  翻譯/張明哲

 

  在在IBM的華生實驗室裡,班奈特(Charles Bennett)是位知名而優秀的理論學家,也是量子計算這個新領域的創始者之一。就像其他多數理論學家一樣,他待在實驗室的經驗並不多。他對於外在的事物漫不經心,有一次甚至把茶壺放在隔水加熱器太久,從綠色煮成紅色。不過,在1989年,班奈特和同事斯莫林(John A. Smolin)以及布拉薩(Gilles Brassard)決定放手一搏,著手進行一項開創性的實驗。他們根據量子力學的原理,展示了一種新的密碼技術。

 

  在這個實驗裡,他們讓光子在一個暱稱為「瑪莎阿姨的棺材」的光密盒裡走了30公分。光子振盪(偏振化)的方向,代表一連串量子位元裡的0與1。量子位元構成密碼的「鑰匙」,可以對訊息加密或解密。竊聽者之所以刺探不到鑰匙,是由於海森堡的測不準原理—這是量子物理的基礎之一,當我們在測量量子態的某個性質時,會使另一個性質受到擾動。在量子密碼系統裡,任何竊取者在偷看光子束時都會更動到它,而被發送者或接收者察覺。原則上,這種技術可以做出無法破解的秘密鑰匙。

 

  從班奈特辦公桌上的臨時設計一直發展至今,量子密碼技術已經有了長足的進展。現在美國國防安全署或聯邦準備銀行已經可以向兩家小公司購買量子密碼系統,而且未來還會有更多的產品。這種加密的新方法結合了量子力學與資訊理論,成了量子資訊科學的第一個主要商品。未來,從這個領域誕生的終極技術可能是量子電腦,它將具有超強的解碼能力,而要避免密碼遭破解的唯一方法,可能得用上量子密碼技術。

 

  現代的密碼專家所遇到的挑戰是,如何讓發送者與接收者共同擁有一把鑰匙,並保證不會外流。我們通常用一種稱為「公開金鑰加密法」(public-key cryptography)的方法發送「秘密鑰匙」(簡稱密鑰或私鑰),對傳送的訊息加密或解密。這種技術之所以安全,是因為應用了因數分解或其他困難的數學問題。要計算兩個大質數的乘積很容易,但要將乘積分解回質數卻極為困難。目前在公開金鑰加密法中,最常用到的RSA密碼演算法,就是應用因數分解的原理。在發送與接收者之間傳遞的秘密訊息,是以「公開鑰匙」(簡稱公鑰)加密,這個公鑰是一個很大的數,例如408508091(實際上用的數會遠大於此)。資料只能以接收者握有的密鑰解開,這把密鑰是公鑰的兩個因數,而在這個例子裡就是18313與22307。

 

  由於破解公開金鑰加密法很困難,因此在未來10年甚至更久,密鑰的安全性仍舊很高。但是隨著量子資訊時代的來臨(尤其是量子電腦可以快速算出嚇人的高難度因數分解)可能預示了RSA及其他密碼技術終將失效。英國布里斯托大學電子及電機工程系教授瑞若堤(John Rarity)說:「如果量子電腦成真,一切都會不一樣。」

 

  量子密碼術和公開金鑰加密法的差別在於,前者在量子電腦出現後仍然牢不可破。要在兩端傳遞量子加密鑰匙,其中一種方法就是以雷射發出單一光子,光子會以兩種模式中的其中一種偏振。光子的第一種偏振方向是垂直或平行(直線模式);第二種則是與垂直呈45度角(對角模式)。不管是哪一種模式,光子的不同指向分別代表0或1這兩個數字。依慣例,密碼學者通常稱發送者為愛麗絲,她以直線或對角隨機模式送出光子,發射出一串位元。至於接收者則稱為鮑伯,他也隨機決定以兩種模式之一來量測射入的位元。根據海森堡的測不準原理,他只能以一種模式來測量位元,而不能用兩種。只有當鮑伯與愛麗絲選用相同的模式時,位元的指向才能保證是正確的,不會影響原來的數值。(見左頁說明)

 

  在傳送之後,鮑伯與愛麗絲互相聯絡,這時不需要保密,鮑伯告訴對方他是用哪種模式接收個別光子。不過他並沒有說明各個光子的位元是0或1。接著愛麗絲告訴鮑伯他哪些模式的測量方式是正確的。他們會刪除沒有以正確模式觀測的光子,而以正確模式所觀測出來的光子便成為鑰匙,用以輸入演算法來對訊息加密或解密。

 

  如果有人(稱為伊芙)想攔截這道光子流,由於海森堡原理的關係,她無法兩種模式都測。如果她以錯誤的模式進行測量,即使她將位元依照測到的結果重傳給鮑伯,都一定會有誤差。愛麗絲與鮑伯可以選擇性地比較一些位元,並檢查錯誤,來偵測是否有竊聽者。

 

  從2003年起,瑞士日內瓦的id Quantique以及美國紐約市的神奇量子科技(MagiQ),都發表了可以傳送量子密鑰的商品,傳送距離超過在班奈特實驗裡的30公分。還有NEC的產品,它傳送了150公里遠,創下紀錄,並將在2005年初上市。除此之外,IBM、富士通以及東芝等也正在加緊研發。(見上表)

 

這些上市的產品,藉著一條光纖便可將鑰匙傳送到幾十公里以外的地方。神奇量子科技的產品每個售價7~10萬美元。在1999年時創立了神奇量子科技、曾任華爾街量化交易員的葛爾方(Robert Gelfond)評論道:「少數顧客正在測試、使用這個系統,不過還未在任何網路上廣為配置。」

 

  有些政府及金融機構擔心,如果把今天所截獲的加密訊息存放10年以上,到時候量子電腦就會解開它。美國洛沙拉摩斯國家實驗室的量子密碼研究員休斯(Richard J. Hughes),提到一些其他必須長時間保密的資訊:人口普查的原始資料、可口可樂的配方,或是商用衛星的指令。(還記得「午夜船長」嗎?他在1984年曾竊據了HBO四分多鐘。)量子密碼系統的其他可能客戶,還包括了提供客戶超機密服務的電信業者。

 

  目前,想將量子密碼技術放到實際網路上(而非點對點聯繫)的首次嘗試,已經開始在進行。美國國防高等研究計畫署資助了一個計畫,連接六個網路節點,涵蓋麻州劍橋的哈佛大學、波士頓大學,以及BBN科技公司(這家公司在建立網際網路上曾扮演關鍵角色)。密鑰透過專用的連結發送,然後將加密過的訊息,透過網際網路傳送出去。BBN負責這項計畫的艾略特(Chip Elliott)說:「這可是第一次在實驗室外連續操作量子密碼網路。」這個網路傳送的是一般非機密網路訊息,目的只是用來證實這個技術確實可行。艾略特表示:「我想與這裡唯一有關的機密,就是哪兒有停車位。」2004年秋天,日內瓦的網際網路服務供應商Deckpoint,與id Quantique共同展示了一個網路,可以將日內瓦內的好幾個伺服器資料備份到10公里外的站台,並透過量子加密網路,頻繁地發送新鑰匙。

 

  現在的量子密碼術僅限在地區性的網路上。這項技術的威力在於,任何人只要刺探鑰匙的傳送,都一定會更動到鑰匙。但這也意味著,我們沒辦法藉著網路設備將攜有量子鑰匙的訊號放大,然後繼續傳輸到下一個中繼器。光學放大器會破壞量子位元。

  北極冰融全球暖化

 

  就2003年9月底,北極最大的一座冰棚也裂成了兩塊……

 

  撰文╱席圖姆(Matthew Sturm)、裴洛維奇(Donald K. Perovich)、塞瑞茲(Mark C. Serreze)

 

  翻譯/姚若潔

 

  冰晶刺痛我的臉頰,鬍子和雪衣邊緣鑲上了一層雪花。風颳起時,五名同伴的身影在大雪紛飛中變得模糊。這段橫越阿拉斯加極區長達1200公里的雪車旅程,我們走了800公里。我們於2002年晚冬啟程,為的是測量雪掩的厚度、估計其隔熱能力;這是維持多年凍土熱平衡的重要因子。我叫大家稍停,決定到底該怎麼辦。風越吹越大,溫度只有-34.4℃,顯然我們必須找個藏身處,而且越快越好。我把臉貼近一位夥伴的雪帽旁大喊:「確定大家都在一起。我們必須離開這片光禿禿的山脊。」

 

  我們可能為了尋找全球暖化的證據而凍死,但當時這諷刺的想法完全沒進到我腦中,後來在溫暖舒適的帳棚裡,我才開始為這其中的矛盾大笑起來。 —席圖姆

 

  北極的改變多到令人訝異:四個世紀以來最暖的氣溫、海冰覆蓋面積的縮小、格陵蘭冰棚的融化量、阿拉斯加冰河以空前的速度縮短。此外還有:俄羅斯河川流量的增加、北極的生長季每10年增加數日,以及多年凍土開始融冰。這些觀察加總起來,透露出單項測量無法顯示的警訊:北極正在發生徹底的轉變。過去10年,不同領域的科學家開始比較彼此的發現後,北極轉變的程度才為人所知。現在,不少科學家開始彼此合作,試著了解變化的各個細節,並預測北極與整個地球的未來。

 

  他們這些成果的重要性是全球性的,因為北極能調控氣候的程度非常巨大,如同水壩的溢洪道可調節水庫的水位,極區則調控著地球的熱平衡。由於熱帶地區比南、北極吸收更多的太陽能,風與洋流持續把熱運向極區,交由極區大量的冰雪決定其命運。只要具高反射率的冰雪依然完整遼闊,射進北極的陽光絕大部份會被反射回太空中,便能使得北極不僅維持寒冷,也成為吸納低緯度地區熱能的良好倉庫。但這片冰雪如果開始融化縮小,反射的陽光便會減少,倉庫的效用也變得較差,最終將會使整個地球的氣候暖化。

 

  然而,要釐清即將發生什麼事,卻十分困難。北極的氣候受到錯綜的回饋系統所掌控,衍生出極端複雜的狀況。有些過程是正回饋,將變動放大,可以把輕碰變成猛擠;有的則是負回饋,作用如同煞車,使變動緩和下來。

 

  這些回饋系統中居首要地位的是「冰反射率回饋」(參見〈冰與水交織的網絡〉):溫度上升使冬季縮短、冰雪覆蓋面積減少,伴隨著漣漪效應一路直達中緯度地區。另一種回饋與碳有關。北極區有大量的碳以泥煤形式被冰凍,當氣候變暖、泥煤解凍,便會將二氧化碳釋放到大氣層,使暖化不僅發生於北極而遍及全球;此現象稱為溫室增溫。

 

  問題的關鍵是,對於某些回饋過程如何獨立運作,我們都還不太明白,就更不用說要了解它們之間如何互動。我們知道的是,北極是一個複雜的系統,一件事情改變,每樣東西都會起反應,有時反應的方式還違反直覺。

 

  氣溫上升,冰晶提早融化

 

  我們觀察得越仔細,就發現越多變化。過去30年間,北極氣溫已經以每10年0.5℃的速度上升;大部份增溫發生在冬季和春季,其餘的增溫則可從夏季溫度的代用指標記錄(冰心與泥煤岩心、湖泊沉積物)得知。這些記錄顯示,20世紀末與21世紀初的溫度,是400年來的最高點。同樣的記錄也說明,這高溫是北極脫離小冰期後,100年來穩定增溫的結果。小冰期是一段嚴寒的時期,結束於1850年左右,而過去50年的劇烈升溫將之徹底終結。

 

  最近的升溫趨勢,也反映在其他時序上。例子之一是自小冰期以來,北極與北半球的河冰與湖冰形成較晚、融化較早,冰封季節的總天數比1850年少了16天。在阿拉斯加,席圖姆(作者之一)家附近,有一場累積彩金30萬美元的賭局,猜測每年春天塔那那河於何時破裂。賭局從1917年成立至今,答案已平均提早約6天。高科技的衛星影像資料則顯示,從1970年代以來,北極無雪的時間每隔10年都會延長幾天,生長季也會增加四天。

 

  ----------------------

 

  【冰與水交織的網絡】

 

  鳥瞰融化的海冰,青綠色的水是冰融造的水塘,這是從冰表面上的雪融化而成的淡水;近似黑色的水是海。兩者都比白亮的冰吸收更多熱能。

 

  北極有許多回饋系統運作,使得預測北極區未來的狀態益加困難。這些系統中,冰反射率回饋(ice-albedo feedback)是最主要的一個。它的作用方式為:陸地、海洋與冰都會反射一部份入射的陽光,最後散至太空中,不會參與氣候的升溫。這些反射的比率稱為反射率。反射率為1的表面會反射所有的光,反射率為0者不反射任何光,而北冰洋竟然涵蓋了這整個範圍。在冰凍、有雪覆蓋的地區,反射率居自然界所有物質之冠,約為0.85;但在沒有冰的地方,反射率最低,約0.07。

 

  晚春時節,浮冰上覆蓋著雪,又白又亮。這樣的表面反射大部份但非全部的入射陽光。有些冰融化了,使得冰緣後退,那些亮而高度反射的冰就變成了深色、吸光的海水。另外,除了北冰洋邊緣,融雪製造出的許多水塘,反射率也比較低。這兩處的融化都降低了反射率,又引發更嚴重的融化,如此惡性循環。

 

  如果冰反射率回饋的運作是獨立的,甚至現在就有可能預測全球氣候。可惜事實並非如此。相反的,多種回饋共同運作,有的正向、有的負向,它們的淨效應很難估計。例如,如果反射率降低,效應是氣候暖化,但接著大氣中會有較多水蒸氣,雲量將增加。

 

  雲的作用像是一把傘,可以減少地表的光照量(造成降溫);但是也會如地毯般留住地面上的長波輻射(造成暖化)。在冬季這個效應很明顯:沒有陽光、沒有傘,只有地毯,雲的回饋是正回饋。

 

  但當夏天陽光充足時,情況又是如何?野外研究顯示,這得依雲的性質而定。高而薄的雲主要由冰組成,雨傘效應強,雲輻射回饋是負回饋;若是夏季常見在低空而由液態水組成的雲,則地毯效應強,為正回饋。的確,當這些低雲出現時,冰的融化比晴朗的日子還多。

 

  科學家正試著釐清,在北極複雜網絡中的回饋系統,究竟何者最需被關注。目前的確有一些標的,像冰反射率回饋,可以把已經發生的改變變得更大、速度增加、影響範圍擴張。它們可能把系統推出邊緣之外。

★《全觀奈米新世界》特輯 小尺度的大事業 撰文∕高涌泉

  奈米研究是最近幾年席捲全球科學與工程領域的一場風暴,各個科技先進國家都競相投入資源在奈米科技這個主題上。以美國為例,設立於各大學的奈米科技研究中心就有數十個,來自政府的研究經費合計每一年都有好幾億美元,民間的投資還更多。除美國之外,其他國家花費在奈米科技的經費總額每年將近10億美元。

  在台灣,國科會也很快地把奈米科技列為應加強補助的國家級重點研究計畫。這股熱潮引發了一般人對於奈米研究的興趣,大家都頗好奇奈米到底是什麼新鮮玩意兒。其實這問題還不容易回答,因為奈米和常見的基因、夸克等科學名詞不同,它不是具體的物質,只是一個長度單位(十億分之一米),大約是10個氫原子並排起來的長度。顧名思義,奈米科技要處理的對象就是奈米尺度大小的物體(更恰當一點地講,這些物體或系統起碼有一個維度的尺寸在0.1~100奈米之間)。如果是這樣,奈米科技必然是跨領域的研究,因為奈米尺度本來就是凝態物理、化學、材料、電子、生化、醫學等領域都會碰觸到的,所以奈米科技並不是任何一個傳統科技學門的專利;相反地,很多學門都可以宣稱他們其實早就在從事奈米研究。

  那麼這一波奈米新熱潮究竟新在哪裡?答案在於當今我們遠比從前更能夠掌控奈米尺度結構的物理與化學性質,甚至有時可以依據需求,而將它們組合成更大的結構。如此一來,我們就可能建構出有更佳化學、力學、光學、或電學性能的材料──這正是奈米科技的長遠目標:隨心所欲地,在自然定律的範圍內,將原子或分子組合成符合需要的系統。

  第一個公開談論這個目標的人正是傳奇物理學家費曼,他在1959年一次著名的演講中舉例說,沒有什麼道理我們不能將整套《大英百科全書》寫在針頭上,或是做出極小的馬達。今天奈米科技蔚為風潮,原因就在大家體認到費曼的夢想不全然是天方夜譚。

  為了讓大家進一步認識奈米科技,《科學人》特別出版這一冊《奈米特刊》,其中主要內容如下:第一部份是「台灣篇」,相信這是讀者最關心的部份──台灣奈米科技發展有什麼樣的願景?目前台灣產業發展的現況如何?有什麼樣的前景?為了追求奈米科學和產業的目標,台灣在教育上又做了什麼努力?此外,中央研究院院士鄭天佐長期研究奈米科學,也特別為《科學人》的讀者全面介紹了奈米的科學和技術。

  第二部份是國際篇,主要取材自2001年9月號Scientific American的「奈米科技專輯」,以及過去兩年來有關奈米科技的文章。這些文章內容非常廣泛、深入,包括物理、結構、電子學、資訊學、醫學、機器人學、甚至科幻小說……除了Scientific American的文章以外,我們另加一篇很有意思的書評,作者是名物理學家/作家戴森,所評的書是暢銷作家克萊頓的新著《奈米獵殺》。從這篇書評大家可以了解為什麼有人要杞人憂天地認定奈米科技可能對人類構成威脅。最後,我們附上「奈米科技之父」費曼1959年那篇歷史性的經典演講稿──〈這下面空間還大得很呢!〉。
總編輯的話:假作真時真亦假

「川普來了!」一聲大喊後,眾學生尖叫四散逃避。這是美國中學校園的新興遊戲,它的前身是大學校園裡的不安、憂傷和抗議。美國總統大選後,社會嚴重分歧,知識殿堂的反應倒是齊一:康乃爾大學的學生聚會,用哭喊來哀悼,職員們送上紙巾和熱巧克力;杜克大學和堪薩斯大學提醒學生,有輔導室和療癒狗可供撫慰;密西根大學提供黏土和著色繪本給學生紓壓。

校長們也紛紛寫公開信來安定師生:加州大學校長強調多元文化和包容是其驕傲,絕不容許偏狹的言論損及這核心原則;哈佛大學校長說這令人震驚的結果已危及國家及人類價值,400年來哈佛學者度過重重難關,現在輪到這一代勇於承擔了;麻省理工學院校長指出,謙遜、積極和追求真相的科學狂熱是立校精神,沒有任何事可以改變我們對氣候變遷、潔淨能源、網路安全和人類健康的承諾。這些話語都直指對新總統川普的不信任,因為他宣稱氣候變遷是騙局,要解除開採化石燃料的限制,公開指責接種疫苗會導致自閉症,也認為抽菸和肺癌無關。科學界當然擔心這位反科學的新領導人,會大幅刪減科研經費。

在這資訊時代,知識普及本該理所當然,但對科學而言並非如此。浮誇、偏頗與禁錮成了鴻溝,〈科學新聞:從實驗室到你我之間〉是這期《科學人》的專題企劃。期待普羅大眾有更多的科學知識,進而支持資助,首要條件是對科研有信心。求真本是科學的基本精神,對同一現象可以暫時有不同解讀,等待後續的反覆驗證。但要不得的是捏造數據,這是當前台灣社會對學術界的嚴厲批判話題。

最近我迷上了古陶瓷,因緣際會,也蒐藏了一些歷朝的代表作,時時撫之,深感歷史文化的充實與滿足。按著書本看它們的時代特徵,樣樣符合判真標準,例如哥瓷的紫口鐵足和金絲鐵線、鈞瓷的釉變和蚯蚓走泥紋、定瓷的芒口和淚痕等。這些都是珍稀的寶物,中國歷代匠師努力仿製,但都難達宋代境界,怎麼輕易進了我書房?讀了吳樹的警世採訪錄《誰在收藏中國》,更驚覺古玩領域之水深了。他直擊假文物製造基地,不識字的貧農和現代窯廠都能做出鑑定專家和高科技檢驗不出的仿真品!假作真時真亦假,《紅樓夢》中賈寶玉可以神遊太虛境,作假在學術研究卻是一條不歸路。台灣的科學家們,千萬別重蹈假文物的千年騙局。

  先回答下面三個問題︰

 

  1)有羽毛的動物就是鳥類?

 

  2)先有鳥才有羽毛?

 

  3)羽毛是鳥類為了飛行才演化出來的?

 

  答案是︰以上皆非!

 

  最近在中國遼寧省發現的許多恐龍化石都有羽毛,使得過去對於鳥類及羽毛的看法全都得推翻!

 

  牠是恐龍還是鳥?

 

  撰文/普蘭(Richard O. Prum)、布魯希(Alan H. Brush)

 

  翻譯/姚若潔

 

  審訂/程延年

 

  羽、髮、鱗、毛:大自然設計的所有體表覆蓋物之中,最多樣也最神秘的,便屬羽毛了。這些韌性非凡、重量超輕、極端複雜的附屬物究竟如何演化?又是從哪兒來?直到過去五年間,我們才開始能夠解答這問題。近來,幾個研究領域交會出一個驚人的結論:羽毛在恐龍身上演化出來的時間,比鳥類的出現還要早。

 

  羽毛的起源其實只是一個特殊事例,背後所代表的是更為普遍的問題:演化上的新形質是如何產生的?演化新形質,指的是在祖先身上沒有明顯的先行特徵,且同時期的親緣種屬也沒有類似構造(即同源體)。對於生物整體及局部在大小、形狀等方面的較小變化,演化理論雖然提供了強有力的解釋,但對於全新的構造,如趾頭、四肢、眼睛和羽毛的出現,則沒有太多的指引。

 

  至於解答羽毛起源之謎的進展,也受到一些如今看來有誤的想法所阻,例如過去認為最初的羽毛是由爬行動物的鱗片延長、分裂而來,或者認為羽毛是為著「飛翔」這個特定功能而演化出來的。缺乏原始的化石羽毛也是另一困境。多年來,我們僅有的最古老鳥類化石,一直是生存於侏羅紀晚期(約1億4800萬年前)的始祖鳥,但是始祖鳥無法對羽毛演化提供新的看法,因為牠們的羽毛與今日的鳥類已近乎無異了。

 

  就在最近,來自幾個不同領域的成果已經平息了這些老問題。首先,生物學家開始發現新的證據,認為個體發生過程(生物個體成長至完整形態與大小的複雜機制)可以為物種解剖構造的演化開啟一扇窗子。這個想法因「演化發生生物學」(簡稱演化發生,evo-devo)的興起而獲得新生,為我們探索羽毛起源之謎提供了工具。其次,古生物學家在中國發掘出一系列體覆羽毛的恐龍,牠們擁有各式各樣原始的羽毛構型,演化程度不像今日的鳥類甚至始祖鳥那般進步,因此提供了至為重要的線索,讓我們了解現代鳥類那些繁複附屬物的結構、功能與演化過程。

 

  綜合這些證據,便能描繪出十分詳盡的革命性圖像:羽毛的起源與分化都發生於肉食性、兩足步行的獸足類恐龍身上,比鳥類的起源、甚至飛行的起源都還要早。

 

  由管子形成的羽毛

 

  這幅令人訝異的圖像得以拼湊完成,很大程度上要感謝新知識的進展,讓我們能夠了解羽毛到底是什麼,又是如何在現代鳥類身上發育。如同毛髮、趾甲與鱗片,羽毛是皮膚的附屬物,是在皮膚最外層的表皮上,由增生受到控制的細胞(會產生角質蛋白)所形成的皮膚器官。典型的羽毛有一根主軸,叫做羽軸(參見右頁〈認識羽毛〉);有一連串與羽軸接合的分支,叫做羽枝。羽枝本身也有分支,就像是碎形般重複羽軸與羽枝的分支型態,由一系列稱為羽小枝的成對細絲融接到羽枝的主枝上。在羽毛的基部,羽軸延伸形成中空管狀的翮,或叫羽根,插入皮膚裡的毛囊。鳥在一生中會週期性地換羽,新的羽毛會從同樣的毛囊長出來。

 

  羽軸、羽枝、羽小枝的形狀與顯微構造的變化,創造出非常豐富多樣的羽毛。不過,無論如何多變,大部份的羽毛都可歸為兩大類。典型的「正羽」(pennaceous feather)由顯著的羽軸與羽枝形成平坦的羽片,其中羽枝藉由一對對特化的羽小枝相互固定在一起;這些伸向羽尖的羽小枝長有一排極細的小鉤,與相鄰的羽小枝彼此鉤住。正羽覆蓋鳥的身體,這些緊緊靠攏的羽片,為翅膀與尾部塑造出符合空氣動力學的身體表面。而與正羽迥異的絨羽(plumulaceous feather)只有不完全的羽軸、一堆雜亂的羽枝,上頭有長長的羽小枝。長而亂的羽小枝讓絨羽有絕佳的特性:質輕、保暖、舒適。單一支羽毛也可以由頂端為正羽、基部為絨羽組合而成。

 

  基本上,所有的羽毛都來自一根管子的各種變化,這根管子由表皮增生而來,其中央則是位於皮膚上負責提供養份的羽髓。雖然羽毛分支有如樹枝,它們卻像頭髮一樣是由基部開始生長的。這是怎麼辦到的呢?

 

  首先,表皮上的基板開始增厚,並拉長成一根管子,稱為羽芽(見上方〈羽毛的成長過程〉)。環繞羽芽有一圈細胞不斷增生,在基部形成圓柱狀凹陷,稱為毛囊。角質細胞在毛囊的表皮部位(像毛囊的領子)生長,迫使較老的細胞往上、往外推,終而製造出一整支羽毛;整個過程有如複雜精細的舞步,堪稱自然界的奇景。

 

  進一步細察這段舞步,其中「毛囊領」分裂成一連串縱脊(稱為羽枝脊),製造出各個羽枝。在正羽上,羽枝以螺旋形繞著管狀的羽芽生長,在管子的一側接合在一起形成羽軸,同時在管子的另一側形成新的羽枝脊。在絨羽上,羽枝脊則直直生長,不做螺旋形移動。而不論是何種羽毛,從羽枝主枝延伸出來的羽小枝,都從羽枝脊表面叫做「羽小枝板」的單層細胞長出來。

 

  當羽毛遇上演化發生學

 

  綜合許多研究者之力,我們認為,鑽研羽毛的發生過程可以推測羽毛的演化前驅物,以及這種原始構造的可能本質。我們提出的發生理論是:羽毛演化經過一連串的變遷,每一階段都可由某個演化新形質(新的成長機制)標定出來,一個階段的進展也成為下一階段新形質的基礎(參見36頁〈以演化發生生物學來研究羽毛〉)。

 

  1999年,我們提出演化模型如下。階段1,基板從毛囊與羽芽開始做管狀拉長,產生了最初的羽毛,是無分支的中空圓柱。階段2,由一圈表皮組織所構成的毛囊領開始分化(或稱特化),內層變成縱向裂開的羽枝脊,外層則變成保護鞘。在這一階段,有一簇羽枝會與中空圓柱融合在一起,形成翮(即羽根)。

 

  下一階段,在我們提出的模型中有兩種可能性:羽枝脊開始以螺旋狀生長並形成羽軸(階段3A),或者是羽小枝的產生(階段3B)。目前還不清楚究竟哪一步驟先發生,因為羽毛的發生過程並未清楚顯現何者較早。在階段3A,從毛囊生出的羽毛有一個羽軸及一系列簡單的羽枝;階段3B的毛囊則產生一簇羽枝,並分支出羽小枝。不管何者先發生,演化到階段3A+3B之後,便產生第一支有雙重分支的羽毛,擁有羽軸、羽枝與羽小枝。由於這個階段的羽小枝還沒有分化,因此這支羽毛是張開的正羽,也就是說,它的羽片並不會像羽小枝相互鉤在一起的羽毛那樣,形成密集緊閉而固定的平面。

 

  階段4演化出羽小枝的分化能力。這個進展使得毛囊可以長出末端有小鉤的羽小枝,鉤住隔壁羽枝的溝狀羽小枝,創造出羽片閉合的正羽。一旦演化到階段4之後,其他各種不同的羽毛才能夠演化出來,包括我們在階段5看到的各種特化羽毛,例如飛羽的不對稱羽片。

©2018 GoogleSite Terms of ServicePrivacyDevelopersArtistsAbout Google|Location: United StatesLanguage: English (United States)
By purchasing this item, you are transacting with Google Payments and agreeing to the Google Payments Terms of Service and Privacy Notice.