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: SM907

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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)

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目錄

導讀──讓大師領你踏進物理之門

第一單元 時空之謎

神秘的時間流時空一體重力是一種幻覺嗎?時間是雙向的嗎?彎曲時空歷險記第二單元 從粒子到物質
為什麼有質量?物理學的明日世界格物致知──大型強子對撞機粒子物理革命即將來臨接班者──國際直線加速器撞見台灣見證歷史的一刻──LHC啟動粒子宇宙學開創史第三單元 無垠宇宙
宇宙的起源你也誤會了大霹靂?操控宇宙的幕後黑手宇宙能量正在流失第四單元 量子樂園
與光子玩捉迷藏量子實驗,自己動手做艾弗雷特的異想世界奇妙的量子棋步第五單元 尖端應用
一枝鉛筆畫出奈米碳網度量時間,以光為尺高溫超導解謎鐵鑰中英名詞對照

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Publisher
遠流出版
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Published on
Jun 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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變遷中的環境──面對全球暖化、生態與資源浩劫的29個真相

你還不了解全球暖化嗎?二氧化碳越來越多、冰川一塊塊崩裂,人類與全球物種正在一同面臨存亡危機。

除了節能減碳,我們還可以做些什麼?又應該做什麼?而經濟成長與保育環境資源,有辦法併行嗎?

精采單元:

全球暖化生態與資源浩劫拯救環境行動減碳愛地球

導讀

追求環境與人類的永續 ──台灣大學大氣科學系教授 柳中明?

全球氣候到底是不是在改變?這個命題,讓全球許多科學家、政治家、環保人士、詭辯者,費盡了心思。個人乃以「人間氣候」稱之,即是氣候的變與不變,是人類由人的角度觀察而定之。?

大自然的氣候,由地球形成以來,就一直在改變。但是,現在全球人口即將到達70億,2050年時可能是90億。若果全球氣候無法維持穩定,或是所謂的風調雨順,則許多人可能將會因為缺水斷糧而渴死餓死,更且可能不用等到那種絕望時刻,就會為了搶水搶糧,發生全球大暴動與頻繁的地區性戰爭。?

所以要思考變遷中的氣候,關鍵就是過去百年與未來百年,是否氣候正在往會衝擊人類生存安全的變動方向前進。特別是:是否是因為人類本身的行為所造成?也即大家所熟知的:大量溫室氣體的排放,是否正促成全球暖化,並會持續上升??

氣溫儀器與氣候模式等,當然都已提供了許多氣候暖化的證據。但是,最直接的,還是看到全球的冰山、冰原等,正逐漸在融解。譬如喜馬拉雅山的冰河,此乃是南亞、東南亞、南中國的重要水源,若真有一日,冰河全部消失,這些地區的民眾將會面臨難以想像的災難。至於北極海冰的融解,雖不會造成海水位上升,卻是最明確的氣溫上升指標;而且,因此下降的地表反照率,將會讓更多太陽輻射進入北極地區,使得當地的冰融現象更加速,並擴及格陵蘭島上的冰原。而冰原的大量融解,則一定會讓全球海水位上升,所以這必須同時監看南極冰原的變動(請見第一單元〈全球暖化〉)。?

除了人類擔憂氣候暖化,受衝擊最大的就是生態。因此,全球許多科學家都在觀察生態系統變化,特別是尋找與氣溫變化之間的關聯。譬如台灣玉山國家公園內,國內生態學者就提出低海拔地區的鳥類,正向3000公尺以上的高海拔地區遷移。但是,國內生態監測的研究與資訊並不長久,所以仍需多參考國外的研究發現。其中,英國自然學者老菲特先生47年的植物手寫記錄,最是珍貴,其所觀察到385種植物的開花日期平均提早4.5日,甚至還有14日的,充份證明:生態系確實已受到氣候暖化影響。不過,改變最大的,還是在北極地區。其中,北極苔原正逐漸北退,而灌木群則突擊入高緯度地區。但是,雲杉等寒帶樹木卻因為熱浪、乾旱、火災、蟲害等,反出現領域縮減現象。顯然,氣候暖化對於生態系的影響,是非常多元的。?

陸域生態系中植物是無法走動的,所以變動緩慢,需要長期觀察。動物卻是可以走動的,譬如海冰持續融解,北極熊能遷移的區域越來越小,衝擊極大。至於海洋生態系中如珊瑚礁,會因為海溫持續上升而出現白化面積擴大;另外,各地魚群則已出現北移的現象。再者,海洋吸收大氣的二氧化碳量越來越多,則會出現海水酸化現象,其對浮游動植物的生存衝擊,會進而影響食物鏈下游的魚群、海鳥等,進而影響及人類的食物來源,非常值得關心(請見第二單元〈生態與資源浩劫〉)。?

自1962年美國卡森女士發表《寂靜的春天》以來,世界各地均越來越重視拯救生態系的生存環境。相關的行動,如訂定「瀕臨絕種野生動植物國際貿易公約」等,使得許多強制性的生態保育工作,在各地發芽生根。其中,如何保護水域中的生命,是最具挑戰的工作。原因無他,人會搶水,更會污染水,而最豐富的生命群,都聚集在水域內。?

由於各地氣候變化越來越顯著,同時人口持續成長,再加上有系統地大量灌溉或工業用水等,全球各地的內陸湖泊都面臨水位下降與面積縮減的困擾。至於人工興建的水庫、攔水壩等,則隨著淤泥持續累積,及蓄水量不足等,也面臨著拆除及是否興建新水庫取代的紛爭。人為改變的地形地貌,正在反撲衝擊人們的生存安全,並滅絕數以萬計的生態物種。改變已是必要,問題則是由何開始??

許多人以為節能減碳是在救地球,其實是在挽救人類免於滅絕。對於地球而言,人類不過是長期演進史中,現今主宰生態系生存安危的重要物種。但是,若果全球的生態系(包括人類自身)因為人類無法停止的破壞而滅絕,地球本身並不會因此停止演進,不過就是重新開始另一個新的生態體系的演進。因此,現今談永續發展,課題就是:如何拯救人類免於人類本身的威脅,而得以讓人類永續(請見第三單元〈拯救環境行動〉)。?

現今人口持續增加,而且識字、受教育且具備高知識與高智慧的人數持續增加。其趨勢是:人人都知道要追求經濟成長、改善生活品質,也都知道如何最有效改善自我的未來,期以追求自我的夢想。結果是近70億人口都在追求成長,無論是追求溫飽,需要大量糧食與衣著;或是追求財富與舒適生活,需要更多物品生產。這些都需要耗能、耗資源,甚至伐林、興建鋼筋水泥建築等,如此全球性的環境破壞與污染,以及溫室氣體持續排放入大氣等,基本上是無法停止的(請見第四單元〈減碳愛地球〉)。?

1970年代,羅馬俱樂部提出《成長的極限》,可是現今各國仍多認為成長是無極限的,所以每位掌權者都在追求經濟成長,並期望降低失業率。顯然,短期內要想改變如此趨勢,應是不可能的。但是若不改變此趨勢,地球又如何能供應無窮的資源,讓人類揮霍?所以,「21世紀議程」、「氣候變遷綱要公約」、「森林原則」等許多不具強制約束力,但具期望改善未來人類生存環境的行動,正逐漸開展。其中,當以「氣候變遷綱要公約」最為重要,其所推動成功的「京都議定書」與未來新的議定書,將或能減緩全球暖化速率,讓下一代人類不受氣候變遷威脅,生態也才得以永續。

導讀者簡介

柳中明

台灣大學大氣科學系教授,曾任台灣大學全球變遷研究中心主任,現任中華民國低碳環境學會理事長。研究專長為氣候變遷與永續發展,並長期呼籲大眾正視全球暖化可能帶來的災害,曾經為《科學人》撰寫專欄「變遷中的氣候」。

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推薦

【推薦文一】

很多地球環境變遷的知識,是以前我在學校受教育時未曾學過的,因此唯有積極自我學習,才能回應許多優秀高中生提出的各式問題和看法。幸好有《科學人》雜誌!《變遷中的環境》特輯精選了各期中不同科學家有關環境的文章,更方便我們比較他們所提出的論證,也能讓我們對相關知識的建構更完整。

--李文禮 (台北市立建國中學地球科學教師)?

【推薦文二】?

環境變遷牽涉的議題多元又豐富,大氣與海洋各有複雜且相互影響的系統,人類究竟了解多少、掌握多少?《變遷中的環境》特輯從幾個重要的角度切入詳述,集結當代的研究成果,剖析現象背後的科學解釋,更進一步提出因應變遷的策略與方案,帶領讀者一窺環境變遷的科學堂奧。?

--吳俊傑 (台灣大學大氣科學系教授、系主任)?

【推薦文三】?

近期面對環境快速變遷的考驗,源自內心的好奇,驅動人們跨越時空探索環境改變帶來的衝擊,然而已解開的謎總是揭露出更多的未知,未來的世界我們能夠預想多少?《變遷中的環境》特輯整合了相關領域活躍的前沿知識,引領我們體認永續發展的倫理,共同來經營地球成一個精神終極愉悅的環境堡壘。?

--吳育雅 (北一女中地球科學退休教師)?

【推薦文四】?

氣候變遷所導致的災害,已獲得各界的正視,但過度捕撈、棲地破壞、污染及入侵種等人為因素所造成的衝擊,卻反而被輕忽,成為另一不願面對的真相。要改變唯有靠科學教育。很高興《科學人》雜誌能把過去所刊載的文章彙編成輯,讓關心環境與生態的朋友能更方便閱讀,善盡其科學教育的社會責任。?

--邵廣昭 (中央研究院生物多樣性研究中心研究員、執行長)?

【推薦文五】?

當大家因為環境巨大變遷而驚慌的時候,如果我們能夠積極找出一些建設性方案,似乎對地球和生態比較有意義。然而過去我們對於生物學和生態學的研究非常缺乏,難以提出什麼建設性構想,這才是主政者應該省思的問題,以及科學家應該努力的方向。而《變遷中的環境》特輯提供了我們更全面的思考!?

--曾晴賢 (清華大學生命科學系教授、系主任)

★《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。

透視生命奧妙了解基因與細胞運作、最新生物科技的22個必修學分

地球上的生命是如何出現而又演化成現在的樣子?細胞為何能從事許多令人驚嘆不已的工作?最新的生命科學發現是怎麼應用到日常生活中?未來的人可能會享有哪些先進的醫療?生命科學最前緣的研究內容,盡在本特輯中。精采單元:

生命的根源細胞的奧秘你我的生命學議題生物科技最前線萬物皆靈

導讀

就算無法定義生命,也不減探索的樂趣!──長庚大學生理科副教授黃榮棋專文導讀?

薛丁格的《生命是什麼?》一書在1944年問世,至今已過了67個年頭,這個問題依舊沒有令人滿意的答案,如同世人對生命的定義始終沒有共識一般。但若要找一個最接近生命定義的,代謝應是首選。由於代謝,生物體可以不違背熱力學第二定律,利用能量來建立生命所需的分子秩序。生命或許就是源自能量驅動的小分子化學反應網絡,最終發展出複製能力,並以達爾文演化機制來適應環境。?

果真如此,病毒這種無法獨立自營生活、必須仰賴其他生命才能代謝的個體,又該如何歸類?就這個問題而言,病毒與暫時停止代謝活動的休眠種子一樣,似乎超越世人的生命概念。無論如何,病毒攸關人類健康,並賦予人類與細菌共有的基因,在生物演化上扮演舉足輕重的角色,或許就像諾貝爾獎得主勞夫所言:「病毒就是病毒!」第一單元〈生命的根源〉,將引領你深思這些帶點哲學味道的問題。?

想更具體了解生命如何運作,第二單元〈細胞的奧秘〉會給你完全不同於以往的視野。生命的基本單位是細胞,同一個體的細胞都含有一樣的基因組。雖然如此,基因表現卻非一成不變,而是會受到調節。例如有一群特殊的基因,可以在生物處於逆境之時,協助防衛身體,增進個體的健康並延長壽命。研究證實,限制熱量的攝取可以活化這些基因,延長小鼠、大鼠與狗(甚至靈長類)的壽命。了解這些「長壽基因」的調控,人類長命百歲就不再是夢想。?

細胞也可以藉由所謂的自噬作用,利用細胞內的微小「自噬體」來清除廢物以及入侵的病毒和細菌。這種自噬作用似乎對神經細胞特別重要,像阿茲海默症與老化,就可能與腦神經元自噬功能的衰退有關。知道如何抑制或促進自噬作用,將有助於疾病的治療,甚至也一樣可以延緩老化。?

基因表現通常是透過特殊蛋白質結合到基因的調節區,來促進或抑制mRNA的轉錄。近10年來科學家卻在各種生物細胞,發現到一種類似糾察隊的「RNA干擾」(RNAi)系統,可在細胞出現有害的基因表現時,適時攔截該基因的mRNA。RNAi這種「消音」功能只會針對特定的mRNA,而不會影響其他基因的訊息。科學家若能找出誘導RNAi的方法,應該可用來抑制與癌症、病毒感染與其他疾病相關的基因表現。?

基因組雖攜帶製造蛋白質的訊息,但蛋白質才是細胞功能的執行者。一個個體中的細胞雖有著相同的基因組,卻因為表現出不同的蛋白質,而能執行不同功能,以符合生理之需。因此,若能明白特定細胞的蛋白組以及蛋白質之間的功能互動,就更能充份掌握這些細胞的特性。例如癌細胞表現的特定蛋白質,或可用來做為檢驗與治療的標的。?

但因為不同細胞會表現不同的蛋白質,而且一個基因還可以不同的剪輯方式製造多種蛋白質,蛋白組學遠比基因組學複雜困難得多。蛋白組學已廣泛應用在臨床醫學與生命科學研究,也創造了蛋白組學儀器與耗材的無限商機。可以預見,蛋白質當家的時代已經來臨,蛋白組學將繼續提供寶貴的生命科學知識。?

另外一些熱門而切身的話題,包括幹細胞與維生素D等,則在第三單元〈你我的生命科學議題〉中有所討論。幹細胞是一種未分化的細胞,具有分化成各種不同功能細胞的能力,因此可用來移植以修復組織與器官。幹細胞研究雖具爭議,尤其是利用胚胎幹細胞所引發的倫理道德議題,但依舊是目前許多無法醫治疾病的一線希望。?

流行病學與生理學證據指出,演化造就了人類膚色在地球上的分佈狀況,這是因為攸關生殖成就的葉酸與維生素D,都會受紫外光輻射影響的緣故。此外,維生素D還具有強大的抗癌作用,對免疫系統的調節也很重要。最近的證據指出,維生素D會與細胞核內的受體結合,並影響基因的表現,因此具有廣泛的作用:起碼會對全身12種不同的組織、調節1000種以上的基因。這或可說明現代文明生活下,日曬普遍不足所產生的諸多問題。?

生物科技的進展已經趕上科幻小說,可以讓狗兒「冬眠」一小時,並在甦醒後安然無恙。同樣技術若能成功應用在人體,不僅可以保護重傷患者,還可以延長移植器官的時效。結合遺傳工程學與光學來研究特定細胞類型的新領域:光學遺傳學,已讓神經科學家可以準確地描繪,甚至控制腦內的神經線路,這對於研究神經線路與功能有重大的貢獻。?

利用遺傳工程技術來改造細胞、重新組裝生命,可以協助製造化學成份和抗癌藥物,甚至處理核廢料與生化武器。隨著生物科技的進步,或許不久的將來,DNA定序科技的普及,讓你只要花上三萬元就可以快速取得個人的基因序列。第四單元〈生物科技最前線〉帶你搶鮮體驗未來可能的醫療科技!?

生命世界的多采多姿,在動物生理與行為上也充份展現,你絕不能錯過第五單元〈萬物皆靈〉。有些動物雖然智力不如人類,但是感官上卻有過「人」之處,例如昆蟲和鳥類能夠察覺到紫外光,而鯊魚有特殊的器官,能夠感知周遭的電場變化,這是超越五感之外的另一種感覺能力。?

為何有些動物特別聰明?大象、海豚、鸚鵡、烏鴉以及大猿等社會化的動物,似乎都能展現非凡的智能。但透過對紅毛猩猩的研究,「文化提升智能」這個理論或許最能解釋智能的演化。行為經濟學的研究指出,卡布欽猴、黑猩猩與人一樣,都會分享食物。這種共享的心理可是致力合作生活的靈長類特有的演化產物。?

這本《透視生命奧妙》特輯廣泛涵蓋了生命科學領域的眾多重要議題,諸如生命起源、細胞生物學、生物科技以及行為演化等,也收錄了病毒學與肢體再生等有趣題材。想一窺生命玄機的讀者,絕不會失望。

導讀者簡介

黃榮棋?

長庚大學醫學院生理暨藥理學科副教授、神經生理實驗室主持人,《科學人》雜誌編譯委員。研究主題為生物時鐘的機制與細胞離子通道的表現,長期協助《科學人》雜誌生命科學、神經生理學以及生物科技等領域文章的編譯。

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推薦

【推薦文一】?

現代科學不僅帶給我們豐盛的物質享受,同時也影響了對自己和外在世界的認知。但面對排山倒海而來的科學衝擊,大部份學生在填塞了課本上的知識以應付考試後,多半從此就不再碰及科學。要大家有興趣持續認識科學,第一個需要克服的難題就是怎麼讓「科學說中文」!「科學人」將過去的文章,依類別結集成冊是一個新的嘗試。在此先預祝它成功!未來如果每篇文章後面能有更淺顯而周延的解說,那就更理想了。?

--周成功 (長庚大學生物醫學系教授)?

【推薦文二】?

我喜歡「科學人」。?

我喜歡「科學人」翻譯的「科學美國人」文章。?

我也喜歡「科學人」裡頭「科學台灣人」自己撰寫的文章。?

翻譯的也好,本土的也好,都一樣高水準。?

現在,「科學人」精選了近年來生命科學方面具有趣味性和教育性的精彩文章,收集成冊出版。這本特輯不但惠及一般讀者,也是很好的課堂教材及討論會讀物。?

期待「科學人」將繼續在其他領域出版這樣的專集。?

--陳文盛 (國立陽明大學生命科學系及基因體科學研究所教授)?

【推薦文三】?

科普文章一直是科學教育中重要且有效的一環!《科學人》的各期文章不但文筆順暢容易閱讀,又涵蓋了眾多的科學領域,不但幫助讀者掌握科學新知,也討論了許多科技發展所產生的社會議題,實屬珍貴的教育資源。將《科學人》的精彩文章依主題整理分類,方便讀者能一窺完整的知識架構,全方位討論科技的應用與衝擊,亦是讀者的一大福音。?

--蔡任圃 (台北市中山女高生物科教師)?

【推薦文四】?

形成生命的基本單元是什麼?基因?細胞?這些單元又如何形成複雜的個體?生命的機制雖是眼不能見,但每天發生在我們的周遭,叫人無可推諉。而要維持生命,生物就必須能和環境互動,趨吉避凶,這是個更引人入勝的問題。在人類基因體計劃完成後,生命科學在基因與細胞研究的基礎上快速的進展到系統生物的層次,最新的技術已能藉由改變神經細胞活性而遙控動物行為。「科學人」集結出版了近幾年討論相關議題的文章,好讓讀者能感受最新生命科學研究的脈動,這是值得推薦的智慧典藏。?

--江安世 (國立清華大學生命科學講座教授)

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