窺探大腦:挑戰思考、記憶與意識形成的25道難題: SM910

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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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About the author

目錄

精采單元

導 讀
大腦揭密,快跑;欲窺全貌,還早! 撰文╱曾志朗第一單元 看分工?找基因!
男腦女腦真不同左右腦分工之路大腦為何這麼皺大腦白質有價值解開大腦基因之謎尋找智力基因第二單元 意識與記憶之謎
名家論戰:意識如何產生?腦如何知道我是我深植記憶找尋神經編碼記憶的0與1漢字閱讀:腦中現形記大腦暗能量第三單元 心智功能再提升
幫大腦充「電」!用行為重塑大腦邁向專家心智之路釋放創意精靈聰明藥,幫大腦快速充電?更棒的腦到底好不好?第四單元 奇幻旅程
為何要睡覺?透視催眠魔術與大腦讀出你的思想駭入大腦隨心而動——以意念操控機器中英名詞對照
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Publisher
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Published on
Oct 1, 2011
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Pages
210
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Language
Chinese
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Genres
Science / General
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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
★《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!〉。
科學人(第147期/2014年5月號)

封面故事

Brain世紀大解密

32 人腦螢光圖譜?文╱尤斯特(Rafael Yuste)、邱契(George Church)?

世界上最複雜的機器:人類大腦,是如何產生思想與情緒?大型的腦科學研究正積極研發各種創新技術,希望闡明這個世紀之謎。

40 大腦基因地圖?文╱雷恩(Ed Lein)、霍瑞里茲(Mike Hawrykycz)?

我們常以動物來進行腦科學實驗,但是從基因在大腦中的活動分佈地圖,可以明顯看出人腦和鼠腦存在著巨大的差異!世人深信已久的大腦皮質功能理論,受到了挑戰。

48 中央研究院院士曾志朗:智慧從何而來??整理╱鄭靜琪?

腦科學研究真正應該要探究的是人腦不同部位間的功能性連結,進而了解人類的智慧。台灣可以做小規模但具特殊地方性的研究,把自己的平台準備好,未來就可以與國際平台整合。

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50 中央研究院院士蒲慕明:應從社會急需著手?整理╱陳品妤?

如果要對人類有貢獻,腦科學研究應該從腦疾病著手,整合各界的資源進行早期診斷與治療,並針對腦退化疾病與精神疾病開發新藥,這才是社會急需的!

52 清華大學腦科學研究中心主任江安世:先期收穫,單點突破?整理╱龐中培?

許多國家最近都展開了大型的腦研究計畫,台灣應該用獨特的創意做出貢獻,並與既有的電子產業結合,使得研究成果能很快得到應用。?

 從達爾文到愛因斯坦,即便是最穎異的心智也會犯下嚴重的錯誤。

然而,正因為這些錯,才讓後繼者知道什麼是「對」


「最令人驚異的頭腦也並非不會犯錯,他們只是幫人類更高層次的理解先行鋪路罷了。」

——馬里歐.李維歐


人類歷史就是充滿一連串的錯誤與試誤的過程,不論在哪種領域,從聖經、希臘神話、哲學……一直到軍事領域的典籍都是如此。李維歐在本書中討論了五個偉大科學家的嚴重錯誤,包括達爾文、化學家萊納斯.鮑林(Linus Pauling)、物理學家開爾文男爵(Lord Kelvin;William Thomson);英國著名的天文物理學家和宇宙學家弗雷德.霍伊爾(Fred Hoyle)以及愛因斯坦;他們在其所建構的偉大理論中所犯下的錯誤及其細節;還有這些細節所引發的意想不到的結果。


李家維(科學人雜誌總編輯)推薦


◎達爾文對於遺傳學的理解完全錯誤:在他的時代,遺傳學幾乎是一門還不存在的學科,而對於這方面的無知也使得他最著名的天擇(Natural Selection)理論幾乎失去了解釋力。

◎英國首屈一指的科學家卡爾文爵士算錯了地球的年紀,地球的實際年紀要比他所計算出來的「老」上五十倍。因為他認為地球的核心是固態的,而且會以同樣的速率傳遞熱能。

◎鮑林(曾獲得諾貝爾化學獎)提出了DNA的模型,然而他對DNA股數(stands)數目的理解卻是錯的。

◎偉大的天體物理學家霍伊爾痛斥大爆炸理論。他認為,宇宙會永久保持不變,新的物質會讓宇宙不斷的增生。

◎愛因斯坦的名字幾乎就是天才的同義字,不過他在他的方程式中加上了「宇宙常數」,以確保宇宙在自身的重量之下不至崩塌,之後他拿掉了這個部分,但這兩種解釋方式在實際上都是錯誤的。

他們所犯下的這些錯誤,都和「演化」的脈絡有關:包括了生命、地球、星辰和整個宇宙。

透過書信與個人歷史的耙梳,李維歐勾勒出這些科學家的錯誤,解釋他們究竟是如何犯下這些錯誤的。同時他試著分析這些失誤的可能原因,並且盡可能的揭露這些失誤與這些偉大心智的特徵與限制之間的神祕關係。

《從達爾文到愛因斯坦:科學理論的美麗錯誤與演進》是一本關於科學家及其成就的著作,也是一場迷人的心智揭密。


出版社 商周出版(城邦)

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
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