科學人(第29期/2004年7月號): SM029

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  幹細胞的挑戰

 

  幹細胞療法帶來的曙光與實際的臨床治療之間,橫亙著哪些障礙?

 

  撰文╱藍札(Robert Lanza)、羅森塔爾(Nadia Rosenthal)

 

  翻譯/涂可欣

 

  幹細胞(stem cell)為衰敗的器官和目前無可醫的疾病,燃起了重生的希望。病患看到幹細胞幾乎神乎其技的報導後大受鼓舞,然而大部份炒得最熱的科學研究,隨後都遭到反駁。在爭論人類胚胎的幹細胞取得的正當性之際,還有其他研究結果也遭扭曲失真。

 

  聳動與對立的聲音,已讓大眾和大部份科學家迷惑,究竟幹細胞治療在醫學上可不可行。如果美國和其他國家現在就撤銷對幹細胞的法律與經費限制,是不是隔天醫師就可以開始利用幹細胞來治療病患?目前可能不行,因為還有許多技術障礙有待克服。在幹細胞能安全地實現它們的許諾前,得先解決一些懸而未決的問題。

 

  舉例來說,光是確認真正的幹細胞,就是一件很棘手的事。要讓科學家能夠分享研究結果,並評估控制幹細胞行為技術的成功率,首先得確定研究中使用的細胞,的確具備做為根源—或莖幹(stem)—的能力。它必須能夠衍生出各種細胞類型,而自身仍維持能繼續衍生的狀態。但儘管對幹細胞的詳審究查,也無法憑外表將它們區分出來,因為幹細胞是根據它們的行為而定義的。

 

  在各種形式的幹細胞中,最多才多藝的就屬「胚胎幹細胞」(embryonic stem cell, ES cell),而最早的胚胎幹細胞是在20多年前從小鼠的胚胎中分離出來的。胚胎幹細胞來自非常早期的胚胎,在正常狀況下,它們會形成較晚期胚胎中,三種不同的胚層(見第41頁插圖),最後再衍生出身體內所有不同的組織。由於胚胎幹細胞保有製造體內任何類型細胞的潛在能力,因此它們是多能性的(pluripotent)。

 

  全世界大部份現存的人類胚胎幹細胞,都源自體外人工受精後未使用的胚胎。科學家在研究這些胚胎幹細胞後發現,它們通常在冰凍和解凍後能夠復原,並在培養皿中分化出各式各樣的細胞。現在我們也越來越清楚,這些人類胚胎幹細胞株並不完全相同。

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Publisher
遠流出版
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Published on
Jul 1, 2004
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Pages
110
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Language
Chinese
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Genres
Science / General
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  基因療法讓你壯!

 

  本來用於醫療的基因療法,可能會改變運動的本質嗎?

 

  撰文╱史威尼(H. Lee Sweeney)

 

  翻譯/涂可欣

 

  運動員必須藉由密集訓練來鍛鍊肌肉,圖中這名奧運選手級的划船手展示的是他努力後的成果。但基因治療將可讓運動員在更短的時間內增加更多肌肉,而且不需要進一步鍛鍊,也能維持較久的時間。

 

  2004年8月,運動員在雅典雲集,參加2000多年前源於希臘的傳統競技活動。當全世界體能最優秀的代表,測試著人類力氣、速度和敏捷的極限時,其中有些人,可能還會從事另一項近代才開始出現,卻無法激勵人心的奧運傳統:使用藥物來提升成績表現。儘管一再有醜聞揭發,許多運動員還是無法抗拒禁藥,只為了不輸給其他使用禁藥的對手。在勝利至上的心態下,運動選手願意把握任何機會,爭取速度上零點幾秒的差距,或是更持久的耐力。

 

  運動管理單位憂心,有一類新型的違禁法將無法偵測、也難以防範。這種療法能讓肌肉組織再生、增加肌肉力量、使肌肉免於衰退,將很快在臨床試驗上醫治肌肉耗損症。在這些療法中,有些是給予在病患體內能維續多年的人工合成基因,這種基因可大量製造人體原本用以建造肌肉的化合物。

 

  這種基因療法可大幅改善年長者和肌營養性萎縮症患者的生活,但不幸地,也能讓那些想使用禁藥以投機取巧的運動員夢想成真。這些化合物和它們同功能的自然產物之間並無差別,而且只限在肌肉組織中出現,沒有東西會進入血液,因此,主管單位無法由血液和尿液檢驗是否違禁。世界反違禁藥物組織(WADA)已請求科學家協助,以發展方法,防止基因療法成為最新違規手段,然而當這些治療進入臨床試驗,最後廣泛使用時,幾乎是不可能防止運動員透過管道利用。

 

  基因療法會成為運動界高科技作弊的基礎嗎?當然有可能。基因療法將來是否會變得平常,使得大眾能接受操縱基因來提升運動成績?或許吧。無論如何,今年可能是全世界欣賞沒有基因增益的運動員在奧運場上演出的最後機會。

 

  肌肉細胞內充滿著肌原纖維,每條肌原纖維又是由一段段稱為肌節的單位構成,每段肌節內整齊地排列著肌凝蛋白和肌動蛋白。當這些細長的蛋白質滑動而彼此重疊時,會造成肌節的收縮,當肌節集體收縮時,整個肌纖維就會收縮。

 

  肌肉的得與失

 

  以基因療法來增進肌肉大小和力量的研究,最初並不是為了那些運動明星而發展的。我的研究就是從觀察我家族中的成員開始,他們很多都活到80~90歲,雖然他們身體一般的健康狀況良好,但老化引起的身體衰弱,卻影響了他們的生活品質。人體從30~80歲,肌肉的力量和質量可能減少三分之一。

 

  人體內實際上有三種肌肉:在體腔管道(例如消化道)內襯的平滑肌、心臟的心肌,以及當我們提到肌肉時就想到的骨骼肌。骨骼肌是人體最大的器官,然而也就是骨骼肌(特別是其中力量最強的快縮纖維)會隨著年紀增長而衰退。當這些肌纖維失去力量,身體變得容易失去平衡,也較難在跌倒前扶住自己,一旦跌倒,造成髖關節骨折或其他嚴重損傷後,就會完全失去了行動能力。

 

  骨骼肌隨年齡增加而衰退的現象,在所有的哺乳類動物身上都會發生,可能是肌肉正常使用時的損傷沒有修復,日積月累的結果。令人好奇的是,骨骼肌隨年齡的改變,似乎和一般所知的肌營養性萎縮症(MD)有相似之處,只不過老化時衰退得比較慢而已。

 

  最常見、也是最嚴重的肌營養性萎縮症,是裘馨氏肌營養性萎縮症(Duchenne's muscular dystrophy, DMD)。患者因遺傳性的基因突變,缺乏一種名為肌肉萎縮蛋白(dystrophin)的蛋白質,這種蛋白質可保護肌纖維在一般性的運動中不致因施力而損傷。肌肉雖然能夠自我修復,但是DMD患者肌肉再生機制的速度,卻趕不及過快的耗損。在老化的肌肉中,受損的速度雖正常,但修補的機制較遲緩。因此,在肌肉老化和DMD中,肌纖維同樣都會死亡,並被滲入的纖維化組織和脂肪所取代。

 

  相對的,微重力下的太空人和因殘疾而無法行動的人,所出現的嚴重骨骼肌耗損,則是肌肉修復和生長機制都完全關閉,同時細胞凋亡(或稱計畫性細胞死亡)速度加快所造成的。這種稱為廢用性肌肉萎縮(disuse atrophy)的現象,雖然還沒未完全釐清,但從演化觀點來看卻很合理。維持骨骼肌在代謝上極耗能量,因此讓肌肉大小和活動力保持緊密關係,將可節省能量。骨骼肌敏銳地因應功能的需求而調整,不用時會萎縮,經常鍛鍊則會使體積增大。當肌肉承擔的負荷增加時,有一些訊號傳導途徑會啟動,引導肌纖維中增生新的細胞組成物,改變肌纖維類型,在極端的條件下,還會增加新的肌纖維。

 

  為了能夠左右肌肉的生長,科學家正拼湊自然狀況下肌肉建造和耗損在分子層次的細節。肌肉細胞和一般細胞不同,肌肉細胞中並沒有液狀的細胞質和單一細胞核。肌肉細胞是長圓柱體,具有多個細胞核,細胞質主要是許多細長的纖維,稱為肌原纖維(myofibril)。肌原纖維又是由一排排稱為肌節(sarcomere)的可收縮單元組成,當肌節集體變短時,肌肉就收縮了。但肌節產生的力量,如果沒有向外引導的話,也會傷害肌纖維,DMD患者所缺乏的肌肉萎縮蛋白,能將這股力量傳導到肌肉細胞膜上,而保護肌纖維。

 

  然而即使有肌肉萎縮蛋白的緩衝效應,肌纖維在正常運作下仍然會受傷。事實上,一般認為這正是運動能增進肌肉質量和力量的機制。肌肉施力造成肌纖維的微小拉傷,啟動了化學警報,進而引發組織再生,但這並不代表肌肉中會有新的肌纖維產生,而是修補原有肌纖維的外膜,並使肌纖維內的肌原纖維增加。而要製造這些新的蛋白質,就得先活化肌肉細胞核中相關的基因。當肌原纖維的需求量很高時,就需要額外的細胞核來維持肌肉細胞的生產力。

 

  位於肌纖維外的衛星細胞會回應這些訊號。首先,這些肌肉專屬的幹細胞會經由正常的細胞分裂增生,增生出的一些細胞,會融入肌纖維,將它們的細胞核提供給肌肉細胞。肌肉的增生過程中,促進生長和抑制生長的因子都會參與調控,引發衛星細胞多次細胞分裂的第一型類胰島素生長因子(IGF-1)是促進因子,另一種生長調節因子肌肉生長抑制素(myostatin),則會抑制衛星細胞的繁殖。

 

  在掌握了上述的機制以後,大約七年前,我在美國賓州大學的研究小組,與哈佛大學羅森塔爾(Nadia Rosenthal)的研究小組合作,評估利用IGF-1來改變肌肉功能的可能性。我們知道,注射到動物體內肌肉的IGF-1,在幾小時內就會消失,但如果讓基因進入細胞,只要細胞活著,基因就能夠發揮作用。肌纖維的壽命很長,注射單一劑量的IGF-1基因到年長者肌肉中,可能在他們有生之年都能發揮功效,於是我們開始找尋將IGF-1基因直接送入肌肉組織的方法。

  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)

   量身訂做新稻米

 

  結合傳統育種方式與最新遺傳工程技術,可以設計出新的稻米,能夠減少農藥使用、抗旱耐蟲害,而且更Q、更有營養。

 

  稻米是歷史悠久的糧食作物,也是世界上最重要的熱量來源。水稻基因組定序即將將在今年底完成,水稻的分子生物學從此會有完整的基礎,可幫助農業學家改良水稻的品種,也使我們更容易研究與稻米同屬於禾本科的玉米、小麥、高梁及燕麥等。這些成就,無疑將會對充滿紛爭的作物基因改造,起推波助瀾之效。

 

  撰文╱高夫(Stephen A. Goff)、薩美隆(John M. Salmeron)

 

  翻譯╱涂可欣

 

  幾千年來,農民巡視田地,仰望天空,期盼風調雨順,年年豐收。當農民發現某些特別的植物,能夠產量豐富、安然度過惡劣天候,或可抵抗摧毀周圍作物的病蟲害,很自然地會想拿這些植物與其他植物雜交,好留存理想的性狀。但這些嘗試的結果難料,無法窺見植物內在,並確知造成理想特徵的因素,農民所能做的,只有將植物配對雜交,期盼有最好的結果。

 

  儘管這種方法盲目隨機,但成果卻相當驚人。一萬多年前,當我們靠獵食與採集維生的祖先開始定居生活時,他們的農業發展已讓人類社會禁得起人口爆炸。現今人口數仍節節升高,使得提高農業生產的需求也仍持續增加。

 

  今日99%的農產品,只仰賴24種馴化的植物物種,其中稻米、小麥和玉米是人類最主要的熱量來源。這三種極重要的榖類,每種年產量都超過五億噸。根據預測,2050年人口將增為90億人,如果要維持現在每人每日平均0.41~1.5公斤的穀物消耗量,在糧食作物耕地日漸減少的情況下,每年還需增產1.5%。

 

  植物學家相信,作物的產量尚未達到理論最大值,找出讓植物發揮潛力、並將產量推到最極限的方法,是各國科學家努力的目標。可喜的是,現在藉由一套嶄新的工具來追尋這三大主要糧食作物的起源,或許可以找到一些解答。

 

  打造現代作物

 

  分子及遺傳研究顯示,小麥、稻米、玉米,還有大麥、小米和高粱等其他禾本科植物,彼此的親緣關係遠比我們過去所想得近。因此重新認識其中一種物種,都有助於改良其他物種。此外,從這些作物野生祖先的遺傳寶庫中擷取有用的性狀,能以雜交來移入現代品種中。

 

  穀物都衍生自同一種禾本科植物祖先,它們在5000~7000萬年前開始分歧,散佈到全世界地理上分隔的區域。咸認大約在一萬年前,地中海新月沃土(兩河流域)的農民開始種植馴化的小麥,可能在1000年後,現今墨西哥地區的農民開始種植現代玉米的祖先,古代中國農民則在8000多年前栽種水稻。

 

  當我們祖先馴化這些植物時,也會利用和現代植物育種方法非常相似的程序。他們從野生種開始,選擇性地繁殖和雜交具有理想性狀的植物個體,像是榖粒更大或更多。不會散佈種子的植物特別受到注意,雖然這項特質讓植物得依賴人類才能繁殖,但卻有利於榖粒的收割。早期耕種者還會篩選植物的營養特質,例如種子外殼較薄以便食用,或是挑選澱粉黏稠度最適合製作玉米薄餅的玉米變種。透過這種方式,作物植物和它們祖先的歧異越來越大,到最後幾乎不再與野生種雜交。玉米和其祖先大芻草的外觀大相逕庭,直到最近,有關它們的起源的爭議才平息(見上圖)。

 

  從史前時代開始,人類從未停止經由選擇性繁殖和雜交來改良榖類植物。過去一世紀來,作物的穗在篩選下變大而使產量增加,由於高產量的穗比較重,因此水稻和小麥的高度也在配種下變矮,以避免植物受風吹折。對疾病的抵抗力、環境壓力的耐受性和更有效利用氮肥等特性,也大幅增加作物的產量和穩定性,引發1960年代的綠色革命。以美國為例,玉米每公頃年產量自1950年起增加了將近400%。

 

然而即使在農業蓬勃發展期間,植物育種專家並不比早期的作物耕種者有更多資材可用,大部份仍受限於植物的可見特徵或標記,像是種子大小或植物構造,做為進一步增殖理想品系的依據。

 

  儘管如此,穀物的基因組研究,說明了史前耕種者在選擇可見性狀時,不知情地選擇出特定的基因。德國萊比錫的馬克斯普朗克考古人類學研究所帕波的研究團隊,分析了從墨西哥玉米栽培起源地附近發現的玉米穗軸中,特定基因的對偶基因(基因型)。他們證實,在4400年前的栽培玉米中,已具備所有現代玉米品種中控制植物分枝、蛋白質及澱粉品質的對偶基因。而在玉米的野生親戚大芻草裡,這些對偶基因的出現率只有7~36%,顯示出早期農民對偏好的對偶基因,施予的選擇壓力很徹底而且快速。

 

  事實上,當育種家各自培育各種穀物物種時,已經不知情地選擇了類似的基因突變。性狀定位是找出負責某一性狀的基因在染色體上特定區域的技術,經由這種技術,顯示出人類對現代穀物物種造成的改變,都可回溯到相關植物基因組上類似的基因座。而導致這種相似性的原因,是不同作物的基因組結構本來就很相像,儘管這些穀物經歷了數百萬年的獨立演化。

 

  收成基因組

 

  科學家已在各種栽培榖類的染色體上,定出了上千個控制性狀的基因座。比對這些植物的遺傳圖譜,顯示這些圖譜驚人地相近。這種高度對應性稱為同線性,所有禾本科植物基因組的同線性,讓科學家能將它們視為同一遺傳系統,也就是說從某一種穀物發現的任何基因或基因的功能,都能協助科學家了解和改良其他穀物。

 

  學名為Oryza sativa的水稻,可能會是最先能提供許多新看法的榖物,因為水稻將是第一個完成整個基因組定序的榖物植物。本文作者之一高夫已發表了美國和日本較常種植的粳稻(蓬萊米)大致的序列,中國的研究者也發表了在亞洲廣泛種植的秈稻(在來米)大致的序列。「國際水稻基因組定序計畫」預計今年年底就可完成水稻12條染色體詳細的序列。

 

  水稻基因組是所有榖物中最容易解決的,因為它比其他榖物小許多,只有4億3000萬對鹼基,相較之下,玉米則和人類的基因組相當,有30億對鹼基,大麥的基因組含有50億對鹽基,小麥的基因組更是驚人,有160億對鹽基。目前玉米基因組定序計畫已在進行中,科學家也開始考慮小麥的定序。而從現有的稻米序列中,已鑑定出數萬個基因,不過知道基因組上某一段序列為基因,並不能讓我們知道該基因的功能。

 

  目前有幾個策略可判定基因的功能,最直接的方法,是搜尋所有已知基因的資料庫,看看是否有序列相似的基因。負責細胞基本活性的基因,通常會和已研究過的微生物或其他生物的基因幾乎相同。估計在稻米3~5萬個基因中,大約有2萬個基因序列和從前發現、功能已知的基因相似,因此研究者能推測出這些基因在水稻中的角色。
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

科學人(第157期/2015年3月號)主編的話

尼安德塔人?

那是一個熟悉的名詞、一個陌生的人種,乍看與我無關,卻可能隱身在你的體內--他,就是尼安德塔人!?

因為額頭寬大、體格粗壯,這群歐洲古人類被視為呆笨一族,因為鬥不過從來自非洲的智人,他們滅絕了!可別慶幸自己和尼安德塔人無關,智人和他們曾於歐洲共存數千年,除了戰爭,難道不會發生其他浪漫的事??

越來越多的出土遺物證明,尼安德塔人懂得裝飾、使用精細工具,可能有某種程度的文明。他們慣用右手,可能使用符號,那麼他們會說話嗎?這一次,科學家從大腦與基因看起:他們的腦容量不輸智人,翻模顯示前額葉和智人幾乎相同;和語言有關的FOXP2基因,尼安德塔人的版本和我們非常相近。把尼安德塔人的基因序列與智人比對,竟然發現:我們身體裡大約有1.5~2.1%的DNA片段和尼安德塔人相同!?

至於前幾年才出土的丹尼索瓦人、黑水溝撈起的澎湖原人,和我們有何關係?要如何利用放射性同位素判定古人類年代?2015年3月號《科學人》有完整而深入的報導。

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日本311大地震四年了,海嘯退去,福島災民仍無法重回受到核能輻射污染的故鄉。〈福島的燕子有沒有春天?〉一起來關注放射線劑量對健康的影響。台灣最年輕的大學生論文登上《科學》,〈兩個水分子才夠!〉細說克里奇中間體的研究理路。

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。」

  對付炭疽有新招

  隨著恐怖分子散布的炭疽信件,炭疽研究再度成了大眾注目的焦點。如何中和炭疽桿菌的毒,是目前科學家努力的方向,也可能是最有希望的解藥。

  撰文/楊恩(John A. T. Young)柯里爾(R. John Collier)

  翻譯/黃榮棋

  美國本土在2001 年秋天,首次發生了蓄意散播炭疽菌孢子的事件,受害者中有五人死於吸入性炭疽。這些人剛開始並沒有特別令人擔憂的症狀,但即使是給了密集的抗生素治療,他們都還是在幾天後死去。另外六人也都病得很嚴重,但還是活了下來。這整個事件凸顯了炭疽病必須要有新的治療方法。

  幸運的是,早在2001 年秋天之前,我們的實驗室還有其他的科學家就已經開始研究肇事的炭疽桿菌(Bacillusanthracis),並尋找解毒劑。近來的發現正引領我們找出新藥以及更好的疫苗。其實光是去年,我們兩人,加上我們的合作伙伴,就已經發表了三種極具潛力的藥物原型。

  難以捉摸的殺手

  這些對抗炭疽的新觀念,來自我們對炭疽桿菌如何致病與致死的持續研究。炭疽桿菌並不會傳染;只有在超強的孢子透過皮膚傷口進入體內、或吃了污染的食物、或吸入充滿孢子的空氣,人或動物才會生病。孢子進入體內後,會蛻變成「繁殖生長型」(即快速分裂)的細菌。落在皮膚或消化道的炭疽菌,剛開始只會造成局部傷害,也可能會造成自限性的病痛:前者像是出現黑色潰瘍或腫脹;後者可能像是嘔吐、腹痛以及出血。但是如果細菌持續在皮膚或胃腸道滋生,這些微生物最後也許會進入血液,造成全身性的疾病。

  吸入的孢子如果深入肺部,通常會很快轉變成繁殖生長型的細菌,並且進入胸部中央的淋巴結,從這兒,炭疽桿菌可以輕易進入血液。(同時,殘留胸內的病菌會在肺內堆積液體,造成呼吸困難。)血液內大量繁殖的細菌通常是炭疽病致死的主因。炭疽桿菌之所以能這麼快速增長,是因為它釋放了兩種稱為「毒性因子」的物質,嚴重破壞人體的免疫反應。其中一個因子會把繁殖生長型細胞包在聚合物組成的莢膜裡,以抑制巨噬細胞與嗜中性白血球的吞噬作用(上述這兩種細胞是免疫系統的清道夫,可消滅致病細菌)。與莢膜搭檔犯罪的毒性因子,就是毒性非比尋常的炭疽毒素,它會想盡辦法進入巨噬細胞,干擾正常的殺菌功能。

  炭疽毒素還會進入人體中的其他細胞。一般相信,它之所以會引起致命的疾病,不只因為降低了免疫反應,還有更直接的作用。支持這種看法的證據包括有,毒素本身無需炭疽的存在也會殺死動物;而誘使免疫系統中和掉炭疽毒素,則會讓炭疽桿菌喪失致病能力。

  炭疽毒素是在1950 年代,由英國威特夏微生物研究機構的史密斯及其同事發現的。知道毒素是炭疽致死的主因之後,許多研究人員開始致力研究這個物質如何造成細胞的中毒--也就是,如何進入細胞並破壞細胞活性。這些細節,對如何阻止毒素作用是項不可或缺的知識。1980 年代,列皮拉、佛萊德蘭德,以及當年他們在美國陸軍傳染病醫學研究中心的同事,開始從事這方面的研究。後來我們兩人,還有其他科學家也都挑起這項任務。

  研究結果顯示,炭疽毒素由三種蛋白質組成,名為保護抗原(PA)、水腫因子(EF)、致命因子(LF)。這三種蛋白質互相合作,但不一定都黏在一起;在它們還沒有以高度協調的方式結合到細胞表面並進入細胞之前,各個都是無害的。

  首先,保護抗原會結合到細胞表面,然後會有酵素剪掉保護抗原的最外端。之後,七個剪裁過的保護抗原分子會聚集起來,形成一個環狀構造,稱為「七聚體」(heptamer),藉此抓住另外兩種因子,再一起送入細胞內一個稱為「內小體」(endosome)的膜狀構造。內小體的微酸環境,會改變七聚體的形狀,使得水腫因子與致命因子可以穿越內小體的膜,進入細胞質(細胞內的基質),進行其破壞工作。七聚體實質就像一管注射針筒,裡面裝滿了水腫因子以及致命因子,而內小體的微酸環境則令注射針筒戳破內小體的膜,把有毒因子注入細胞質。

  水腫因子和致命因子分別催化細胞內的不同分子反應。水腫因子會搗亂細胞膜對水與離子的調節,因此造成組織腫脹。而在巨噬細胞裡,水腫因子還會耗盡巨噬細胞原本用來吞噬細菌的能量。

  致命因子的真正行為還不是很清楚,但可能比水腫因子更要命。科學家知道的是,致命因子是一種蛋白A(會切割蛋白質的酵素),它快速分裂中的炭疽桿菌,排成長鏈,有如火車一節一節的車廂。

  楊恩與柯里爾多年來合作研究炭疽毒素。楊恩是美國威斯康辛大學麥迪遜分校麥克阿德癌症研究實驗室的田名癌症研究講座教授。柯里爾研究炭疽毒素達14 年之久,是哈佛醫學院毛德-普利斯里微生物暨分子遺傳學的講座教授。
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