2010年12月24日

開啟學生創意及思考之窗

在師大求學時的教學實習課程,鄭湧涇老師總是不停地告誡我們這群即將執起教鞭的新老師一段話:「教書是一件藝術工作,教師是一位雕塑學生的藝術師,所以絕不要把自己當成教書匠。」這句話一直伴隨著我的教書生涯,也因為自己的成長及時代更動,雖然教書已快30 年,仍是忙碌在備課、進修及自己有興趣的生物研究領域上努力。

現在就提出2個小實驗或課堂上可以進行的小觀察,讓大家偶爾也可以運用一下,提升生物學的教學氣氛或進行額外的生物活動。

一、蚯蚓卵繭的觀察:

材料:紅蚯蚓盒(在釣具店可以買到,買時可選較重的,表示內部蚯蚓狀況良好)。

進行時間:約3~5 分鐘可找到蚯蚓卵繭,約10 分鐘可找到10 個左右,依老師要求之觀察

難度可加長時間。

觀察主題:觀察主題可依老師想進行或想訓練學生的能力而做不同設計,但第一次必須先有下列項目:(一)卵繭的形狀為何?(二)卵繭顏色相同嗎?(三)卵繭大小相同嗎?

以上的3個觀察題目,對只要找得到卵繭的人都可輕易回答,但接下來的題目或許可以與學生討論,有哪些還想知道的?學生應該會提出許許多多千奇百怪的題目,例如:卵繭的顏色為何會變化?因何而變?形狀為何不是圓的?其他蚯蚓的卵繭都一樣嗎?只要讓學生提問,學生腦袋中就有無限創意或思考想像,每個問題再經過一定的研究,日積月累老師就成了這方面的專家了;學生也能在過程中學習到小小生物也有大大的可看性,進而感受到生物多樣性的美。


圖一:蚯蚓的卵繭

例如:筆者在帶活動時,把蚯蚓卵繭給學生觀察,就有學生提出蚯蚓的卵繭有點透明又不會受感染,它的材質是什麼?將來是否可量產來保護生病的人避免被感染呢?這就是給予小小的觀察目的之一,激發學生提出無限創意,或許日後許許多多的生物科技或基因工程的材料,就起源這小小生物上;而這群學生就在我們所設計的活動中,讓創意及思考悄悄發了芽,日後就是科學家了

劉月梅:任教新竹女中生物科

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張衡地動儀之謎破解


張衡地動儀復原機械圖。(A)新模型之外觀。(B)內部結構說明。

近年來接連發生的汶川海地智利和玉樹大地震等,無一不牽動著世人的心,也讓人類更關注地震的預測和預報其實,這種關注早在古代就開始了

據史籍記載,世界上第一台觀測地震的儀器——地動儀,是中國東漢科學家張衡於西元132 年發明的,它比國外的同類設備早誕生1000 西元134 12 13 日,這台儀器成功地實測出甘肅天水一帶的隴西大地震,初步揭開了地震這一自然災害的神祕面紗張衡地動儀是人類第一次利用慣性原理成功測出地震方位的驗震儀器,是中國古代科學技術具有代表性的輝煌成就之一,它的問世,開創了人類用科學儀器檢測地震的新紀元

然而,由於年代久遠和自然災害戰亂等原因,這台地動儀早在1700 多年前就神祕地消失了,它的原理和外觀,長期以來成為人們心中的不解之謎所幸的是,後漢書張衡傳等歷史文獻,對地動儀做了如下記載:「……以精銅製成,員徑八尺,合蓋隆起,形似酒尊,飾以篆文山龜鳥獸之形中有都柱,傍行八道,施關發機外有八龍,首銜銅丸,下有蟾蜍,張口承之……」,根據這一史料,百餘年來,中外科學家一直試圖破解它復原它

十九世紀末,中國日本和英國的科學家曾先後繪製出復原模型直到二十世紀70 年代,國內外相繼提出了13 種不同的模型,但這些都屬於概念模型,未能製成樣機

現在陳列在許多博物館內沿用多年廣為人知的地動儀模型,則是中國歷史博物館科技文獻專家王振鐸於1951 年設計的,其內部採用了直立桿原理,即在儀器的底部豎立起一根直立桿但是,地震學界對這台儀器模型的科學性一直抱有懷疑,因為它不能實測地震

2002 年起,以中國地震台網中心研究員馮銳為負責人的研究小組,在有關單位的資助支援下,開始了對地動儀原理復原的新一輪研究他們依據後漢書續漢書等史料的記載,並充分利用了唐山越南雲南等四次大地震的實際案例資料,通過電腦的控制,在液壓振動台上實現了相當於當年隴西大地震,導致京師洛陽之極其微弱的地面振動,然後把新復原模型放到振動台上驗證

驗證中,他們緊緊抓住史料中中有都柱,傍行八道這個原理復原的關鍵,從地震學理論出發,考證了都柱的基本詞義,在振動台上對原本框架結構的懸掛都柱進行了嚴格試驗,證實了新模型只對地震引起的水平運動有反應,而對垂直運動和其他非地震的人為干擾(如人工爆炸)未出現誤觸發的反應,從而證明:張衡地動儀的工作原理應當是懸垂擺原理,即地動儀是利用了一根懸掛柱體的慣性來驗震的,而不是沿襲多年的直立桿原理

王瑞良:任職江蘇常州市科學技術局

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2010年12月12日

蘇花改啟示錄

最近「台9線蘇花公路山區路段改善計畫」(蘇花改)環評,環評大會「有條件通過」此案。有人立即說此事件顯然背後是受到政策導引、輿論影響與花東民眾的感性訴求,事實上環評審查速度可以快、也可以慢。如果環評委員多為純環保主義派,環評勢必會成為卡住重大工程或開發案最久的環節,但環評委員又不敢直接否決,就是因為有現實上的顧慮。

環 團:「不要急、不要趕」。

花蓮人:蘇澳到花蓮路廊源自西元1876年,當時僅是人行步道,經過百年進展,台灣西部交通「已發展到這個地步」,但蘇花公路卻僅是略高於產業道路的五級公路。

環 團:「給一條真正安全的路!」。

花蓮人:蘇花改環評過程非常嚴謹。蘇花改從「蘇花高速公路」(蘇花高)、「蘇花公路替代道路」(蘇花替)計算起,前後已經歷十幾年環評,地球表面上,連萬里長城都沒有那麼長的準備時間!環保署數次預審、實地探勘,可說是「史上最嚴謹」。

環 團:蘇花改速審是政治力干預環評的最差示範,政治人物靠衝突、威脅的方式達到目的,「是環評史上最黑暗的一天!」

花蓮人:環保署表示,環評過程均依《環境影響評估法》規定審慎審查,做出嚴格要求。

環 團:數千名花蓮鄉親北上抗爭,揚言不通過就要「埋鍋造飯、抗爭到底」,這才迅速達成「有條件通過」的決議。

花蓮人:環評委員之一的國科會副主委、台大地質系教授陳正宏表示,引用30年前北迴鐵路開發的地質資料依舊是可靠的,但需要用30年後的眼光再重新檢視。除了大規模地震或表層侵蝕、風化作用,地質是「千年不變」。交通部強調,已參考鐵、公路等38 座相關隧道施工紀錄,加上蘇花高、蘇花替鑽孔調查結果,資料非常豐富。

環 團:蘇花改路線經過複雜的變質岩區、斷層和地質敏感地帶。

花蓮人:規畫蘇花改時,就已掌握中央地質調查所、工研院、中研院等地質資料,以及北迴鐵路、蘇花公路等資訊。加上1992 年(民國81年)起為蘇花高所進行的調查,至今已累積13年、開挖32 處、鑽孔838處的資料。該隧道選線時,就已參考過去施工資料,避開2個密集斷層帶及湧水帶。總之,這是妥善考慮過的工程,不是急就章的。(林基興)

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2010年12月7日

微型核糖核酸的大世界!

微型核糖核酸是分子生物學中非常熱門的領域,最初是由安伯斯與其夫人於線蟲中發現,本文介紹這些科學家找尋未知事物過程中的有趣故事。

一提起微型核糖核酸(microRNA),就讓我想起一位美麗的女士,同時也勾起早已沉澱在心底的往事,那是三十多年前的日子呢!當時敝人尚是美國哈佛大學醫學院的博士生,正進入實驗室從事致癌病毒的專題研究,指導老師即派新來的助理當我的幫手,她就是羅薩琳‧李(Rosalind Lee),聰明又端莊,我們呼她小名為「糖果」(Candy)。

糖果與安伯斯

李是美籍華人,祖先移民至美國已不知多少代了,但她父母似乎脫離不了中國人傳統的幾種行業——菜刀、剪刀、剃刀及洗衣。她是家族中第一個進入麻省理工學院就讀的孩子,雖已完全不會講中文或念漢字,但對中國人還是相當親切。上大學期間,她認識了同班來自佛蒙特州的一位小帥哥安伯斯(V i c t o r Ambros),兩人相戀,畢業沒多久就結婚了。安伯斯先到史丹佛大學的生物化學系念博士,不過難以承受系主任孔伯(Arthur Kornberg)的高壓,就轉回麻省理工學院。

談到孔伯,就讓人聯想到二十世紀50 年代以後的生物化學;當時蛋白質分離的技術逐漸增多,純化蛋白質是每位博士生必備的本領,從而釐清蛋白質所催化的反應是當紅的研究熱潮。孔伯即是分離出「第一號去氧核糖核酸聚合」(DNA polymerase I),並且以此合成了一個小病毒的全套基因體,而得到諾貝爾獎的肯定。

他是日夜苦幹、毫不停歇的人,因而主掌史丹佛生化系後,率領全系師生夜以繼日、日以繼夜地苦幹,當然對研究生,也附之以嚴苛的審核及淘汰。雖然很快將生化系的聲譽推上頂峰,但這種治學方式,恐怕不適合所有的人。我們熟知的DNA雙螺旋模型,便是由一位博士後研究生華生與一位博士生克立克,在喝茶、討論、拼湊化學分子模型、打網球、刺探別人實驗數據中得來。若他倆未顯達時,棲身於孔伯的生化系,定被大聲喝斥,甚至逐出門庭呢!

安伯斯回麻省理工學院以後,選了巴爾底摩教授(David Baltimore)當指導老師。巴氏那時紅透半邊天,諸事繁忙,實驗室充塞著幾十位博士後,博士生相對少,老師注意不到,反倒多了選題及作息自由,更能向諸博士後請益,安伯斯過得很愜意。而糖果則在哈佛大學與我同事,每天在測酵素活性、做蛋白質電泳之際,會告訴我美國這個新奇社會的種種。她為了「相夫」而犧牲自己學業,但也充滿正義感,常解釋大學生抗議活動的緣由。

圖一:糖果與安伯斯在達特茅斯學院時期的照片。

線蟲研究緣起

安伯斯將畢業之際,毅然下決心投入「線蟲」領域,而拋棄了「病毒」。線蟲研究源於英國劍橋大學的布瑞納(Sydney Brenner),他在二十世紀70 年代之末,認為分子生物學的技術,該可以向多細胞動物進發,以探索個體在胚胎發育過程中,基因如何開關。

為了要回答這問題,所用的實驗動物不能太大,最好只有幾百個細胞、最好能知道每個細胞的來龍去脈。此外,這種動物必須很容易養殖,以便從千千萬萬個體中,挑選出某個特性產生變化的突變種,符合這些選擇標準的,居然是「線蟲」。線蟲的種類多,除了為動植物的寄生蟲外,也可獨立生活於土壤或淡水、海水內。科學家選出的一種,叫「優雅的新小桿線蟲」(Caenorhabditis elegans),專吃大腸桿菌維生,身體透明,故可用光學顯微鏡觀察到每一個細胞,當然也能看其整體的行為。

布瑞納擇定這新的模型動物後,就積極招收門徒,皈依者其中一位,是劍橋大學的蘇斯頓(John Sulston)與哈佛大學的霍維茲(Robert Horvitz)。他們花了幾年,在顯微鏡前把受精卵發育到成蟲的所有細胞譜系都畫清楚,更增添了線蟲的吸引力。不久霍維茲受聘回其母校麻省理工學院任教,在他設立起實驗室之後,收到一群博士後及博士生,其中就包括安伯斯。

我們可見到這是一個新方向,也可說是新運動,用原本在細菌及病毒領域發明的方法及觀念,應用在一個簡單的動物身上,針對以前尚不能詢問的問題找出答案,例如動物不會爬行了,是因為何種基因的突變呢?是肌肉不能收縮?還是神經傳導失常呢?用線蟲當實驗動物是較佳的材料。

在研究運動早期加入,正如人民起義的從龍之士,通常能有很高的報償,二十多年以後(2002 年),布瑞納及他最早的兩位徒弟——蘇斯頓及霍維茲,就齊獲諾貝爾獎。安伯斯很有眼光, 1979 年即進入霍維茲實驗室,找出發育時間出錯的突變,因此1984 年就獲哈佛大學聘任為助理教授,而糖果在多年的生子辛勞後,終又回到丈夫的實驗室當助理。

線蟲中的新發現

哈佛對教員的升遷甚嚴,能被長聘者不多,一般受聘者都希望在那幾年裡收些好學生,以便讓研究進入良性循環,但多數仍難留下,安伯斯在8年後離開,轉到達特茅斯學院(Dartmouth College)任教。就是在這關頭,糖果有幫夫運,他們研究一株「譜系四號」的突變基因,這突變改變幼蟲發育,使牠們不能變為成蟲。當譜系四號基因正常時,能讓另一個譜系十四號蛋白質減少,反之,當譜系四號基因突變,則譜系十四號蛋白就會回升。

程樹德:任教陽明大學微免所

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寓教於「笑」—2010搞笑諾貝爾獎

一年一度的「搞笑諾貝爾獎」(Ig Nobel Prizes)也稱「幽默諾貝爾獎」,由美國幽默的科學雜誌《不可思議研究年報》(Annals of Improbable Research, AIR)所主辦,共有10 個獎項,除了包含諾貝爾的5個獎項——物理、化學、醫學、文學與和平,還增加了公共衛生、生物、工程與其他學科等研究。搞笑諾貝爾獎主要是以詼諧有趣的手法模仿真正的諾貝爾獎頒獎儀式,獲獎的研究非常五花八門,唯共同點是論文內容通常能展現研究者的奇發妙想,時而讓人瞠目結舌,時而「笑」果十足。

依照慣例,每年的搞笑諾貝爾獎都會在真正的諾貝爾獎前些日子揭曉謎底,今年也不例外。2010 年的搞笑諾貝爾獎已邁入第20 屆,並在9 月30 日於哈佛大學宣布,主題為「細菌」,首度以YouTube的現場直播方式呈現給大眾。

今年頒獎典禮的主持人為1985 年和平獎得主穆勒(James Muller)和2004 年的諾
貝爾物理獎得主威爾切克(F r a n k Wilczek),為了典禮效果,他們甚至戴起
了女性胸罩外形的口罩,犧牲形象只為博君一笑。說起這個造型特殊的口罩可是大有來頭,它是2009 年搞笑諾貝爾獎的獲獎作品——「胸罩防毒面具」,現已量產上市。其他參與的頒獎者還包括1979年與2005年的物理獎得主格拉肖(Sheldon Glashow)和葛勞勃(Roy Glauber),以及1976 年化學獎得主李普斯寇姆(William Lipscomb)。

今年的搞笑諾貝爾獎以英國科學家的表現最為突出,總共拿到4個獎項;其中最令人為之捧腹的獎項,是他們與中國科學家在生物學上的研究——發現果蝠有口交的性愛行為,證實此種性行為方式並非人類獨有。

儘管搞笑諾貝爾獎看似荒誕滑稽,或對於真正的諾貝爾獎帶點揶揄味道,不過其立意深遠:旨在藉由評選一些乍看之下好笑,實則能發人深省的研究;並鼓勵科學家在各領域的研究上勇於嘗試,發揮想像力和創造力。因此大部分的得獎者也將它看成一種「特殊」的榮譽。

2010 年搞笑諾貝爾得獎名單如下︰
生物獎: 來自英國布里斯托大學(University of Bristol)的瓊斯(Gareth
Jones)與中國廣東昆蟲研究所譚敏等一群學者,以科學觀察的角度拍攝了果蝠的口交紀錄片。他們發現果蝠交配時出現了口交行為,被口交過的公蝙蝠生殖器的勃起時間較長;並在論文指出:「我們的觀察首次發現,除人類之外,其他的成年動物也經常有口交行為。」此觀察動物口交行為的搞笑研究,一舉拿下了生物獎。

林快樂︰科普作家

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發現狗獾

人類日常生活中使用許多動、植物材料,如木、竹、藤、麻、骨、角、牙、貝等,但因有機物一般比較容易腐壞,所以考古學者發掘史前遺址時,挖到的多半是陶器、石器、金屬之類的無機物。但如果遇到理想的保存環境,有時也能發現動物的骨頭或炭化的植物。考古學者可根據這些自然遺存,知道古人吃些什麼,以及遺址周邊當時是怎樣的生態環境。這類研究目前已經成為考古學重要的一環。

鹿寮遺址位於台中縣沙鹿鎮,大致分布在鹿寮國中附近,地形屬於大肚台地西側的山腰緩坡。2000 9 月到2001 6 月,國立自然科學博物館人類學組的考古隊在這裡進行發掘,由筆者帶著工作人員現場開挖。為了不遺漏細小的遺物,工作人員將挖出來的泥土,放在紗窗網上用水篩洗,結果找到大量陶片、鐵器、骨器、琉璃珠與玉髓珠。根據碳14 測年結果, 可知鹿寮遺址的年代大約距今400~1000 年,可能與平埔族中的拍瀑拉族密切相關。

鹿寮遺址有貝塚,在文化層中含有大量的貝殼,都是古人吃剩丟棄的,結果卻使埋在一起的獸骨保存得特別好筆者雖然不是動物學者,但多少看得出來,其中以鹿骨和豬骨占絕大多數,它們大概是史前居民主要的狩獵目標但也有許多獸骨筆者不認得,其中最引人注目的是一塊上顎骨(圖一),有大而銳利的犬齒和整齊而結實的門齒,一看就知道是食肉目的動物;在它出土位置附近還挖到一塊下顎骨,臼齒磨損比較嚴重,看來不年輕了


圖一:鹿寮遺址出土的狗獾上顎。

筆者把這一大批破碎的動物骨頭,拜託動物學組的陳彥君小姐幫忙辨識她費了很大的工夫,利用科博館藏的動物標本,帶領學生逐件比對,辨認每一塊獸骨的部位與所屬的物種結果認出梅花鹿野豬山羌山羊鼠類鳥類魚類等動物,其中有些還可以知道死亡時的年齡許多獸骨被利刃切削劈砍過,可能是屠宰時造成的,也可能是古人製作骨器時留下的加工痕跡但是陳彥君在辨識上述兩塊食肉目動物的顎骨時,卻意外地遇上了難題台灣已知的原生食肉目動物有11 種,加上雖然不屬於原生動物,但被史前人帶來台灣,已經飼養了五六千年的狗,一共有12 首先可以排除熊科的台灣黑熊犬科的狗,以及貓科的石虎雲豹,因為顎骨的形狀與門齒的樣子完全不同靈貓科的麝香貓白鼻心,以及科的食蟹,也不需要考慮太久,因為臼齒的差異較大如此一來,牙齒形式最近似的物種,只剩下貂科的黃喉貂鼬獾水獺和大小兩種黃鼠狼了她鎖定這五個貂科物種,一顆顆牙齒仔細比對,沒想到竟然沒有一個物種的體型與牙齒形式,與鹿寮遺址出土的標本完全相同因此結論只有一個:這兩塊顎骨屬於一種從來沒有在台灣發現過的貂科動物

劉克竑:任職國立自然科學博物館

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閱讀時間 --2010.12(492)

《探索時間之謎》
對於「時間」一詞,我們雖然不陌生,但如何定義這個實際上看不到、
聽不到、聞不到也摸不著的時間,可是傷透了許多專家的腦筋。自古以來哲
學家與科學家不斷地思索這問題,愛因斯坦也投注許多心力在此議題,但仍
舊無法掌握時間的確切答案。事實上,時間的複雜性遠超過我們想像,它有
太多的謎團;絕不只是單純的物理問題,還可從考古學、生理學、心理學、
語言學、人類學、哲學,甚至是地質學的角度來思考。
因此本書就是本涵蓋各個學門,多方探討時間的書。此外,書裡的有趣
問題,諸如時間真的會「流動」嗎?若失去記憶,我們還能感受時間的變化
嗎?我們可能回到過去改變歷史嗎?都可從書中例子看到不同觀點的回答。

《藥安全:一本醫師沒時間告訴你的書》
看病吃藥是人人皆有的經驗。在醫院、診所也經常可看到大排長龍候診
的民眾,由於門診的時間有限,常常醫師開藥後不見得有時間再向病人說明
用藥安全的相關事項。但即便大醫院中附設有「藥物諮詢室」,實際詢問的
人也門可羅雀,顯示出國人對於「用藥安全」缺乏正確觀念,所以常疏忽或
不知其重要性在哪;雖然吃藥可以治病,但用藥不當也可能引發其他疾病。
而《藥安全:一本醫師沒時間告訴你的書》是一本在生活中,關於用藥
知識上非常實用的書籍,作者集結國內各醫院、診所以及專業藥局的藥師。
透過書中對各類藥物的分類、整理,輔佐清晰易懂的圖片,能幫助大家輕鬆
地了解正確的用藥觀念,也為身邊的人或自己的健康把關。

《婆羅洲雨林野瘋狂》
位於東南亞赤道上的婆羅洲為世界著名的熱帶雨林區之一,面積僅次於
亞馬遜河雨林,終年高溫,只有旱季、雨季之分;但卻造就了它豐富的生態
環境,使其成為地球上生物最豐富的地方之一,也是一座天然的基因寶庫。
婆羅洲的物種目前發現的約只有島上的三分之一,因此還有更多的物種有待
人類發掘與研究。
作者因為2000 年的一趟婆羅洲雨林之旅愛上當地,在多次的造訪過
程,深刻體驗大自然的奧妙並啟發人生;因此決定用自己的專長——「攝
影」,將雨林原始的美呈現給大眾。本書是作者用「心」攝影,記錄雨林豐
富的生態,盼能以精彩的圖片引起大眾共鳴,進而珍惜保護這片雨林。

《心智拼圖》
我們都知道大腦的運作機制非常複雜,從它延伸的問題更是如此;當我
們在思考、感覺、希望或想像時,大腦裡面發生了什麼事?如何才能記住想
要的,忘記不要的?我們可以變得更快樂、更聰明、更健康或更慈悲嗎?如
果改變了,我還是我嗎?長久以來,人類一直思考這些問題。
現在由於科技發達,透過大腦掃描技術,神經學家能夠觀察生病、受
傷、吸毒、憂鬱症、老人失智與快樂、正向情緒等不同狀況下大腦的運作情
形,以及造成的影響,有助於了解大腦的成長、學習與改變。而這些精彩內
容皆收錄在《心智拼圖》,從中不僅可以看到各式大腦實驗與圖片、知道最
前線的大腦研究,書中的許多案例也有助於正確地回答一般人的切身問題。

《馬來群島科學考察記》
馬來群島為亞洲與澳洲間一批相連成群的島嶼,在十九世紀中是個不為
人知的蠻荒島群,除了一些歐洲的殖民地區外,在自然與人文都呈現最原始
的樣貌。而作者華萊士克服了氣候、疾病、語言與民情差異等種種障礙,在
群島間穿梭70 次,展開8 年的旅程。他一路記錄各式生態物種的考察心
得,包括島上的人文風貌,以及在這原始土地的各種體驗,讓這本150多年
前完成的遊記至今仍是歷久彌新的地理考察經典之作。
此外,華萊士在馬來群島考察時所得到的結論,與達爾文發現的自然選
擇論相同;不僅如此,他所發現的華萊士線(Wallace's Line),將馬來群
島的生態區分為亞洲和澳洲,也使後來物種的區分更為清楚。

《愛上中國的人:李約瑟傳》
本書的作者溫契斯特是位英國作家,他透過書中主角——英國的生化學
家李約瑟,與親友的書信、日記及史料等,以豐富的想像和故事手法,寫出
這位科學家70多年前來到中國的一段經歷,描繪出李約瑟對中國文化的熱
情、遭遇,以及研究中國科學史、撰寫《中國之科學與文明》等的過程。
不過由於作者是外國人,也許是對中國了解不夠深入,或是李約瑟自身
的錯誤認知,亦或有所隱瞞,所以在重現主角的這段經歷中,有些不符史實
之處。雖然如此,書中內容精彩,故事栩栩如生,可以看到主角的鮮明個
性;若單純從另一個角度來看外國人對中國的觀點,或者窺探當時的歷史文
化背景,也別有一番滋味。

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不孕患者的希望之歌—試管嬰兒的漫漫長路

從兔子的人工受精到人類試管嬰兒, 40 多年的漫長旅途,愛德華茲終於在今年獲得諾貝爾生醫獎的榮耀。
神說,我們要照著我們的形像,按著我們的樣式造人,使他們管理海裡的魚、空中的鳥、地上的牲畜,和全地、並地上所爬的一切昆蟲。神就照著自己的形像造人,乃是照著他的形像造男造女。」(摘自《創世紀》1:26-27)

自古以來,傳宗接代以延續繼起之生命一直為人類的社會所重視,而在此同時,大約有十分之一的夫妻正為不孕症所苦,直到1978 年,一項偉大的研究替這些求子若渴的夫妻帶來曙光。本年度的諾貝爾生醫獎,頒給了英國學者羅伯特‧愛德華茲(Robert Edwards)——他創立了人類「試管嬰兒胚胎植入」(in vitro fertilization)方法,並成功地讓全球第一例試管嬰兒順利誕生。

最初的動物實驗最早在1880 年,美國科學家申克(S. L. Schenk)便開始嘗試研究哺乳動物的體外受精,但技術尚未成熟。直到1930 年代,另一位美國生物學家平克斯(G. G. Pincus)著手研究兔子的卵子成熟週期,並成功地達成兔子的人工受精。當時他們認為同樣的方式應該也可以運用在人類身上,因而影響後續學者應用類似的方式製造試管嬰兒,結果卻都失敗了。直到1959 年,華裔科學家張明覺(M. C. Chang)完成世界上最早的哺乳動物體外受精,並培養出第一個試管動物——兔子。

1952 年,愛德華茲結束二次世界大戰的軍旅生涯,接連在英國班格(Bengor)的威爾斯大學(University of Wales)以及蘇格蘭的愛丁堡大學(Edinburgh University)攻讀博士學位。他致力於研究鼠類的胚胎發育過程,嘗試進行老鼠的人工授精,進而研究鼠類胚胎的染色體變化。然而老鼠排卵時間常在半夜,所以為了等待排卵的時刻,愛德華茲必須整晚待在實驗室;要改善這樣的情況,就必須想辦法控制老鼠的排卵週期。

此時,來自美國的學者蓋茲(A. Gates)發現,注射從懷孕母馬血中萃取的促濾泡成熟激素(follicle stimulating hormone, FSH)以及人類絨毛膜性腺激素(human chorionic gonadotropin, hCG)可以誘導老鼠排卵。這對愛德華茲而言無疑是項福音,之後愛德華茲便與當時研究老鼠生長激素的學者福勒(R. Fowler,後來成為他的夫人),成功地發展出誘導老鼠排卵與胚胎植入的方法。這項發現激起愛德華茲對於生殖醫學的興趣,並讓他聯想到運用在綿羊甚至人的身上。


人類卵子體外培養

1958年,愛德華茲成為倫敦英國國家醫學研究所(National Institute for Medical Research)的正規科學家,並專心致力於研究人類受孕變化。但要怎樣才能取得人類的卵子呢?愛德華茲與一位埃奇韋爾綜合醫院(Edgware General Hospital)的婦產科醫師羅斯(M. Rose)合作,在多發性卵巢症候群
(polycystic ovary syndrome)病人進行部分卵巢切除手術的同時,取得一小部分病人的卵巢切片來萃取卵子,開啟愛德華茲與臨床醫師合作的第一步。然而最初兩年,他試著利用體外培養讓卵子成熟,但都失敗了。後來愛德華茲發現,人類卵子成熟時間與兔子截然不同,證實當時平克斯理論錯誤之處。

經長期觀察愛德華茲得到一個結論:人類排卵的時間點,在黃體激素(leuteinising hormone, LH)大量釋放或者是注射人類絨毛膜性腺激素後37 小時發生。在觀察以及體外培養卵子有了進一步的心得後,愛德華茲開始研究體外受精方法。那時正值張明覺第一隻試管動物成功誕生,藉其經驗,愛德華茲有了一些概念。他甚至設計一種方法來研究人類精子的活動能力:在一個內襯含有微孔內膜的小腔室裝滿精子,然後將其置入正好在排卵期的婦女子宮內,隔夜後觀察其變化;但後來發現受精失敗,甚至還因為這些小腔室造成婦女子宮內膜的發炎反應。

之後,愛德華茲到劍橋大學任教,偶然
地在《刺胳針》(The Lancet)期刊上讀到一篇由派屈克‧史泰普托醫師(Patrick C. Steptoe)發表的腹腔鏡(laparoscopy)研究文章。史泰普托醫師發現,藉由腹腔鏡可以執行某些卵巢輸卵管的手術並觀察人體內各器官的情形。愛德華茲認為這樣的手術應該可以運用在擷取卵巢的組織上,甚至可以在排卵前從卵巢濾泡中取出卵子,於是他很快地聯絡上史泰普托並展開合作。幸運地,這些取出的卵子在經過培養後,成功地與離心過的精子達成體外受精!這無疑是一項成功又令人雀躍的事情,讓愛德華茲離臨床上治療不孕症患者更進一步。

瓶 頸

完成體外受精後,下一個課題便是受精卵是否能成功分裂發育成胚胎。利用不同的培養基,愛德華茲等人觀察到受精卵分裂成4細胞、8細胞、16細胞及桑椹胚的變化,甚至在第九天時,觀察到囊胚產生「孵化」(hatching)的動作,脫離卵子的卵膜(zona pellucida ,亦稱為透明帶)開始著床。有了這些發現,愛德華茲開始著手下一步驟——把胚胎置入子宮並成功讓婦女懷孕。


曾啟瑞:台北醫學大學醫學院院長

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2010年12月6日

源於普渡的師徒情誼—根岸英一教授與我

羅芬臺先生赴美留學時曾受今年諾貝爾化學獎得主根岸英一先生的指導,在此分享他與根岸教授交流的親身經歷,期許啟發後進。

我在美國普渡大學的博士論文指導教授——根岸英一先生今年獲得了諾貝爾化學獎,他的獲獎著實讓我人生中的願望之一得以實現。大家一定很好奇,我的指導教授是因為何種成就而獲得諾貝爾化學獎?他平時與人相處和研究的態度又是如何?就讓我從頭說起吧!

普渡歲月

我在1980 年由當時在清華大學化學系任教的劉高家秀教授推薦,申請到美國普渡大學的獎學金,當時根岸英一教授名氣還不是很大,倒是他以前在普渡的博士後指導教授布朗(Herbert C. Brown ,英國倫敦出身的猶太人,於1979 年獲得諾貝爾化學獎)名氣正如日中天。可以在諾貝爾家族的光環中學習,加上根岸教授已經訂好我很感興趣且屬於有機合成的研究主題,不用我再花時間找題目。而且我比其他美國學生多花了五年(當預官、助教和念碩士),年紀已經不小,雖然我聽說會辛苦一點,但學的會比較多一點,並且可以預期在四年內畢業,所以我認為跟隨根岸教授做研究準沒錯。

第一次在根岸教授的辦公室碰面,他就送給我一本自己剛出版的書,書的名字是《有機合成中的有機金屬, 第一冊》(Organometallics in Organic Synthesis, Volume One),還在第一頁的空白處寫了一些勉勵的話,並且簽上他的大名(圖一)。
圖一:筆者第一次與根岸英一教授會晤時,受贈的書籍首頁與側邊。根岸教授在自己著作的首頁上簽名題字,勉勵作者在普渡學業有成(In anticipation of your success at Purdue. With best wishes.)。

這本書寫得相當仔細,收集了相當多的文獻,而且淺顯易懂,對於當時剛踏進這個領域的我而言,非常有幫助。當時要出版化學書籍,稿件的文字都是靠打字機,化學結構式都要用模版來畫,可說是既費時又費力的苦差事,我在序言中得知,這本書的打字都由師母一人包辦,真了不起。

我特別注意到這本書是第一冊,因為裡面只寫到週期表裡幾個主族元素在有機合成上的反應,對於當時他正在研究的過渡金屬在有機合成上的反應還未提到,雖然類似主題的書在它之後陸續都有出版,不過我認為根岸教授的書寫得最好,所以至今一直期待該書的第二冊能夠早日出現。

根岸教授無論在教學上或對研究生和博士後的指導上都非常認真,我每週都會在實驗室或他的辦公室和他討論研究的事情,偶爾他會對光譜和實驗簿的紀錄詳細詢問。至今,我實驗室裡實驗簿的書寫、整理光譜和文獻的方式,都是從他那兒學來的。

有時實驗告一段落後,就會看到他從辦公室的抽屜裡,拿出一些他之前記下來的新構想,要我們去做實驗試試看。我們的小組討論大多是在每週三晚上舉行,每人輪流上台報告研究進展和相關的新論文,這也是他教給我們一些新概念和實驗技巧的時候。

羅芬臺:任職中央研究院化學研究所

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挑戰不可能的任務— 製備石墨超級薄片

從石墨中抽取出單原子層石墨片似乎是一件不可能的任務,而兩位科學家從平凡中創造神奇,完美達成任務並掀起研究熱潮。
今年的諾貝爾物理獎,由兩位任教於英國曼徹斯特大學的52 歲俄國裔科學家安德烈‧蓋姆(Andre Geim)以及年僅36 歲的康斯坦丁‧諾弗瑟列夫(Konstantin Novoselov)獲得。在一個星期五的晚上,他們突發奇想用膠布反覆撥開的方式,挑戰製造單原子層石墨片這個不可能的任務;而這個看似荒謬的想法,讓他們首次成功地製備近乎完美的二維度單原子層石墨片,達成高科技設備所無法完成的任務。他們在2004、2005年分別發表於ScienceNature 的兩篇論文,震驚全世界並引發薄石墨片的研究熱潮;由於其具有極為獨特的物理特性及優越的材質特性,這股熱潮將引領現代科技及科學發展進入新的紀元。

歡迎來到碳的世界

碳為元素週期表中,大家熟知的一個元素。它的原子序等於6,由六個質子、六個中子及六個電子所組成。如果將地球表層所有物質做含量的分析,碳為地表中含量第十二多的元素,每100萬個矽原子便相對有約5000 個碳原子;於人體內,也有20%的體重是源自碳元素;若再進一步擴大至宇宙的尺度,由原子組成的物質中(僅約占宇宙組成物的5%,其餘95%乃由暗能量及暗物質組成),碳元素約占0.46%,僅次於氫、氦及氧。因此,我們確實是生活在一個富含碳的世界。

碳除了以各種形式的碳化合物存在之外,亦有許多單純只有碳元素所組成的物質,例如鑽石與石墨(表一),儘管組成元素皆只有碳元素,但是它們的外觀、硬度與價值等,卻有如天壤之別。鑽石中碳原子四個能量相近的外層電子軌域互相混雜,形成sp3混成軌域,因而每一個碳原子皆與四個最鄰近的碳原子形成鍵結,其晶格結構為正四面體而呈109.28 度夾角。相較之下,石墨中只有三個外層電子混雜為sp2混成軌域,每一個碳原子僅與三個鄰近之碳原子形成鍵結,晶格結構為三角形而呈120 度夾角,剩下的一個外層電子則可於石墨中自由移動,也因此石墨具有良好導電性,而鑽石卻是絕緣體。
我們常用的鉛筆芯主要成分便是石墨。石墨的晶體是由一層一層的單原子層石墨片堆疊形成,而層與層之間僅靠凡得瓦力(van der Waals force)連接。如圖一所示,單原子層石墨片厚度為3.4 埃(1 埃= 10-10公尺),學名為石墨烯(graphene),因此由30 萬層「石墨烯」所堆疊出來的石墨片約略等同於一張台幣百元鈔票的厚度(近似0.1 毫米)。

單原子層石墨片的晶格結構為蜂窩結構(honeycomb),呈現正六邊形網狀結構,每一個頂點皆有一個碳原子,而最鄰近之碳與碳間距為1.4 埃(圖一)。儘管其結構非常簡單,早在1947 年已有相關的理論計算研究,然而直到約60 年之後,石墨烯才首次由蓋姆及諾弗瑟列夫於膠布實驗上獲得。
圖一:一般鉛筆芯的主要成分為石墨,石墨的晶體是由一層一層的單原子層石墨片堆疊形成,層與層之間僅靠凡得瓦力連接。單原子層石墨片學名「石墨烯」(graphene),每片厚度3.4 埃,晶格結構為蜂窩結構,如圖呈現正六邊形網狀,每一個頂點皆有一個碳原子,而相鄰之碳與碳的間距為1.4 埃。「碳六十」及「奈米碳管」是著名的碳奈米同素異形物,兩者皆可由單原子層石墨片獲得其結構。

碳六十(fullerene ,富勒烯)及奈米碳管(carbon nanotube)為另外兩個著名的碳奈米同素異形物,其結構皆可由單原子層石墨片獲得。如圖一所示,若選取圖一A 所指部分之單原子層石墨
片,可包覆成表面有12個正五邊形及20個正六邊形的碳六十結構;若選擇圖一B 所指部分,則可捲曲形成奈米碳管。然而碳六十及奈米碳管在實驗上的發現與獲得均比單原子層石墨片早約20 年。

值得一提的,碳六十乃於1985 年由兩位天文物理學家及一位化學家共同發現,其靈感來自於外太空富含碳的星際塵埃, 11年後他們三位獲頒諾貝爾化學獎;相較之下,蓋姆及諾弗瑟列夫的實驗突破在短短6年後便獲得諾貝爾物理獎,確實十分難得。

李偉立:任職中央研究院物理研究所

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國際期刊傳真 --2010.12(492)

企鵝的燕尾服之謎

雖然企鵝是不會飛的鳥類,但在水中可是悠遊自在,且能適應極為寒冷的氣候。這是因為牠們的翅膀以及羽毛和其他鳥類大為不同,不過之前尚未有化石證明企鵝羽毛演化的歷程。最近古生物學家在祕魯發現了約3600萬年前始新世時期的企鵝化石,其中還保存了羽毛部分,可藉此分析企鵝的演化。

美國德州大學Clarke等人發現的化石,比現今最大的國王企鵝大上約兩倍。遠古企鵝翅膀的形態和主要的羽毛已有現代企鵝的雛形,包括還沒分化的飛羽、形成身體輪廓的廓羽,但遠古企鵝化石羽毛中所含的黑色素顆粒(melanosome)和現代企鵝不同,而與現今的水鳥比較相似,鳥羽中的黑色素顆粒是決定羽毛強度與顏色的關鍵因子,故推測企鵝祖先外表很可能是灰色和紅褐色而非今日黑白模樣。

修剪神經的幫手

神經系統中的小神經膠質細胞(microgila)是特化的免疫細胞,會吞噬病原體與受損神經元,在腦部受傷後負起保護的功用。這些細胞也可能會修剪神經元的連結,也就是神經間的突觸,而神經元修剪機制正是學習與記憶形成的重要關鍵。

美國羅徹斯特大學的Majewska 等人利用電子顯微鏡觀察老鼠的大腦切片,並將觀察到的小神經膠質細胞與突觸間的結構重組成3D 影像。他們發現到大部分的小神經膠質細胞都與神經突觸相鄰,特別是位於容易被修剪的樹突附近。

研究人員再將實驗老鼠置於光、暗交替的環境,觀察神經的變化,經過一段時間的刺激後,有些小神經膠質細胞表現出吞噬突觸的動作,故推測這些細胞可能會主動修剪突觸,改變神經網路,促進大腦學習和記憶。

蛋白藥物新進展

許多蛋白質藥物被用來治療荷爾蒙、代謝等相關疾病與癌症;然而,多數藥物進入人體後因快速水解而失效。

由於聚合物可增加蛋白質的穩定性,因此美國杜克大學的Chilkoti 等人研發一種蛋白質外加聚合物的新方法,可延長蛋白質藥物在體內的半衰期以增加腫瘤細胞的藥量。他們在綠色螢光蛋白(GFP)碳端加上內含(intein),當內含被切除時會留下一個硫酯官能基,作為原子轉移自由基聚合的起始點,只要再提供「寡(乙二醇)甲醚丙烯酸甲酯」(OEGMA),OEGMA便會自動在GFP 的碳端聚合。動物實驗顯示,相較於未修飾過的蛋白質, GFP-C-poly(OEGMA)滯留血液的時間增加15 倍;注射24 小時後,累積在腫瘤細胞的含量也提高50 倍。此法有助研發更多蛋白質藥物。

是水非水分不清

蝙蝠具有在黑暗中準確捕捉獵物的優異能力,但牠如何辨識像水面般具有延伸性的物體,仍是個謎。

德國普朗克研究院的Greif和Siemers 認為當蝙蝠飛過水面發出高頻聲波定位時,多數聲波碰到水面會反射而遠離,就像光線照在鏡面的反射作用,只有少數的聲波以垂直方向碰到水面反射,讓蝙蝠聽到回音,而牠就以這樣的反射模式分辨水面。為了測試這假設,他們研究15 種野生蝙蝠的行為,結果蝙蝠會將具有光滑表面的大薄板誤認為水面,不論薄板是由木頭、金屬或塑膠製成。由於平滑表面的反射模式和水面一樣,導致口渴的蝙蝠會嘗試在平滑薄板上吸水,卻不會去吸食粗糙薄板。這樣的水面定位機制是與生俱來的能力,即便未曾接觸池塘的年輕蝙蝠也會試圖吸食光滑薄板。

爸爸胖女兒病

過去許多研究指出若母親的飲食不健康且有肥胖問題,子女的新陳代謝也會出現異常,肥胖的可能性大增。

澳洲新南威爾斯大學的Sheau-Fang Ng 等人首次發現「父親」的飲食也會影響女兒健康。餵食高脂食物的雄鼠,除了過重,也表現出第二型糖尿病的主要症狀:抗胰島素現象與血糖代謝障礙。有趣的是,下一代雌鼠雖然體重沒有受到影響,但也有抗胰島素和血糖調節障礙。而相較於對照組,父親肥胖的雌鼠有胰島萎縮的現象,其細胞中有642 個胰島基因的表現發生變化,其中Il13ra2 基因出現低程度甲基化(hypomethylation),使得基因表現增加1.76 倍,推測甲基化作用在此機制中扮演重要角色。此研究在人類身上是否會有相同結果仍是未知數,但注意飲食絕對是維持健康的關鍵。

用玻璃儲存3D 影像

人類的資料傳播與儲存從石頭刻字,紙張書寫,演進到以光碟存取的形式。然而各種形式的光碟儲存,仍僅限於二維資料的儲存,且光碟還有壽命上的疑慮。因此未來資料儲存的媒介,除了提高容量外,也會朝著3D與永久儲存的方向前進。最近Canioni 領導的法國研究團隊,似乎找到了符合的理想材料。

玻璃是生活中不可缺的材料。而當光敏感的玻璃嵌入3D矩陣的銀團簇(silver clusters)後,便即刻變身為夢幻的資料存放媒體。研究人員將三位法國諾貝爾獎得主的數位影像存在這樣的材料中,再利用共軛焦螢光顯微鏡讀取,就可以在不同的聚焦斷層面看到立體的三層影像。這種玻璃媒體除了有藍光光碟80倍的容量外,在溫度和溼度上有更好的耐受性,資料的儲存壽命可望達到數世紀。

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多方塊的謎題

俄羅斯方塊現在不太流行了,但讀者應該都知道是什麼東西。以前還有大型機台電動玩具時,俄羅斯方塊可是非常轟動。如圖一,可以把這五片分別稱為IOLNT
圖一:俄羅斯方塊5 個的基本圖形。

數學上把n個方塊構成的類似俄羅斯方塊的圖形,就稱為是一個「n –方垛」或「n –方塊」(n-polyomino)。如果翻面或旋轉都視為相同一種,則4 –方塊只有5 片, 5 –方塊有12 片, 6 –方塊有35 片, 7 –方塊有108片, 8 –方塊有369 片。圖二就是6 –方塊的35 種圖形組合。
圖二:35 種由6 個方塊構成的圖形。

多方塊的流行要歸功於數學科普大師加德納(M. Gardiner)在科普專欄的介紹,用多方塊可以玩非常多的謎題,網路上可以找到甚多。至少就有兩本書「整本」都在講多方塊,作者分別是哥倫布(Solomon W. Golomb ,polyomino 這個詞就是他發明的)和馬丁(G. Martin),書中羅列了非常多的有趣謎題。

這些謎題中,智力測驗畢竟還是比較和藹可親。比如35個6–方塊可以拼成一個環狀的長方形,或是突出一格的長方形,或是一個等腰直角鋸齒三角形,如圖三。讀者可能會想,總面積210=6 × 35 = 14 × 15 ,理論上應該可以拼成14 × 15 的長方形,或是6 × 35 的長方形。不過這是不可能的,絕對拼不成!為什麼拼不成留給讀者思考,這是個非常好的習題(提示:把平面塗成西洋棋盤般的黑白二色)。
圖三: 35 個6 –方塊可以拼出許多有趣的圖形。

還有更炫的謎題,以下這個是我喜歡的:35 片6 –方塊拿掉十字架的那一片,剩下的可以剛好鋪滿邊長是 34 的正立方體!而拿掉的小十字架本身也可以摺成一個小立方體!(圖四)
圖四:扣除掉左上角十字架形狀的6–方塊,剩下34片剛好可以填滿邊長為根號34的正方體展開圖的面積。

游森棚:任教高雄大學應用數學系

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海洋永續發展

大約西元前290 年間,莊周就提到:「天下之水,莫大於海,萬川歸之,不知何時止而不盈;尾閭泄之,不知何時已而不虛;春秋不變,水旱不知。此其過江河之流,不可為量數。」(摘自《莊子外篇》,〈第十七 秋水篇〉)。此外,根據《康熙字典》,西元1067年司馬光對「尾閭」的解釋為「海水最後的聚集之處,位在扶桑(日本)東方」。可見一、兩千年前的先賢就已經知道大海之大。

之前已經介紹過,海洋占地球表面面積71%,為植物和動物提供了生活環境,並且是人類食物的一個主要來源;海洋通過與大氣、陸地和生物圈的相互作用,更對維繫地球上的生命,提供了不可缺少的生存條件。然而,人類在陸地上的活動,對海洋環境的健康和生產能力都造成重大威脅。海洋中的絕大部分汙染物,包括城市∕工業∕農牧業廢棄物、地表逕流以及大氣沉降物,大都來自陸地活動,並直接影響到海洋環境生產能力最高的區域,例如河口和近岸水域。此外,船隻和海流還從遠方帶來威脅人體健康和生物資源的汙染物。

全世界有一半人口居住在離岸100公里內的沿海地區,而且還在增加中。沿海地區居民的健康和福利,甚至在有些地區是人類的生存,都取決於沿海生態系統的健康和景況。這些沿海生態系統包括河口、溼地、相關集水與排水區、近岸沿海水域等。人類在這些地區能夠永續的發展,最終將取決於有一個健康的海洋環境,反之亦然。

近年來台灣由於汙水排放,已使沿岸海域的漁場環境遭受嚴重汙染,導致主要河口海域的水產物如牡蠣等發生病變,造成漁民重大損失。復因沿岸、近海漁場之恣意開發利用,甚至有些漁友更為貪圖一時之利益,不惜以電氣、炸藥、毒物、三層網等非法濫捕,迫使沿岸漁場環境遭受嚴重破壞,漁業資源呈現衰退,甚至枯竭現象。

養殖業的社會成本亦高,尤其大量抽取地下水造成地盤下陷、土質鹹化情形,更為嚴重。基於此政府已擬訂減養措施,將使用淡水養殖的魚蝦逐步列入管制範圍,並將加強開發海洋牧場;而更積極的做法則是開發其他海洋生物資源,如研發天然抗癌藥物、培育珊瑚礁∕紅樹林漁業以及拓展藥物、礦產、能源、空間、遊憩資源等。

海洋環境的保護工作是一個極為複雜的問題,涉及為數眾多的人類活動,因而需要結合採取各類性質不同的措施。須記住海洋環境與陸地是不可分割的,釋放到生物圈中的每一種物質,最後幾乎都進入海洋;海洋環境與河川集水區流域之間有密切聯繫,而全世界的沿海及沿河地區,均已人滿為患,顯示海洋環境問題的重要性。有鑑於此, 1992 年在巴西里約熱內盧召開的聯合國環境與發展大會,通過了《二十一世紀議程》,把「永續發展」由一個理想的概念,進一步推進為人類共同追求的實際目標。

陳鎮東:任教中山大學海洋地質及化學研究所

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「財富月」和「9」

有一位朋友說:「我發現《科學月刊》的每個專欄都很有趣耶……」,稍微遲疑之後接著說:「除了你的以外。」我的反射回應是:「我也這麼覺得耶!」每個月收到《科學月刊》後,最先讀的是〈一月紀聞〉,然後按照順序讀〈昆蟲與人〉、〈咱的海〉、〈游理數‧數裡遊〉專欄,然後翻到最後看〈科月書評〉和〈科學史話〉;休息幾天之後,再慢慢讀封面故事和其他文章。這個專欄的內容越來越無趣,再這樣下去就壞了科月招牌了。

幸好,最近我連續收到兩封很「白目」的廣播依媚兒(E-Mail),提供了比較「生活化」的話題。

有一封依媚兒的標題是〈2010/10 財富月〉,也許有讀者也收到了,內容是:

2010 年10 月有一個非常有趣的現象,這個月非同尋常:它有5 個週五, 5 個週六, 5個週日,這要823年才發生一次。這樣的月份被認為是財富月,把這一發現發給8個好友,4 天後你會得到很多錢。

我不知道「浪費大家的時間,製造垃圾郵件」,對這封信的創造者有什麼好處?以至於他(她)要大家轉寄給「8 個好友」?(足堪安慰的是,收信人可以發現自己是某人的「好友」。)

如果這封信不是過度誇張地寫「823 年才發生一次」,我或許不會多想而直接刪了它。但是這個「命題」實在太離譜,與直覺相去甚遠;更何況,我收到的那一份依媚兒還附了一張2010 年10 月的月曆圖。看著那幅月曆的形式,就更容易發現:只要某個月有31 天,也就是「大月」,而當月的首日是週五,它就會有5 個週五、5 個週六、5 個週日,也就是所謂的「財富月」。

稍微想一想,就知道當月是大月的機率是7/12,當月的首日是週五的機率是1/7,所以「財富月」發生的機率是7/12 ×1/7 =1/12 ——大約每年出現一次。

其實,某月首日之星期數,是命中注定的(deterministic)而不是碰運氣的 (stochastic),我們不應該用機率處理上述問題。但是,機率的思考方式顯然是個很具有啟發性(heuristic)的「概算」。雖然「十二分之一」不盡正確,但是至少表明了「823 年才發生一次」絕對不該採信。

有了「大約每年出現一次」的信念之後,我就不願意多花腦筋了。直接打開電腦裡的月曆,一個月一個月地翻下去,很快就發現明年(2011 年)7 月又是個「財富月」。

單維彰:任教中央大學數學系

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昆蟲保育工作重點

動物的保育大致包括以下兩大措置:一、禁止狩獵、採集;二、進行棲所之保護及維持;但就昆蟲的保育而言,第一點大可不必,第二點則至為重要。

先談第一點。昆蟲體型小、繁殖力強、發育快速,大多數種類可產上百至上千粒卵,甚至也有如蝙蝠蛾可產下上萬粒卵的,而糞金龜這種一隻雌蟲只約產20 粒卵,則是例外中的例外。產卵數大,表示昆蟲遭遇天災或人為捕獲,雖然當下隻數減少,但具有立刻恢復存活數的潛力。更值得注意的是,極大多數雌蟲找到適當的產卵場所產卵後便離開,讓孵化的若蟲或幼蟲自立,沒有親代照顧後代的習性,因此即使雌蟲被捕殺,後代依然能順利地發育。

以菜園常見的紋白蝶(Pieris rapae)為例,雌蝶羽化後不久即交尾,此後邊吸蜜邊將卵產在可當幼蟲食物的十字花科植物葉片上,產完一粒卵就飛離,再找另一葉片產卵。從卵孵化的幼蟲取食葉片長大,在幼蟲身邊未曾看過母蝶的身影;換言之,母蝶的死活完全不影響孵化幼蟲的存活。但鳥類、哺乳類動物的雌性則不然,必須要餵養後代一段時日,且常是雌雄合作,因此當親代其中一隻遭到不幸,往往殃及整個後代;也就是說,捕獵對牠們的生存造成很大的壓力,因此禁止狩獵保育類鳥獸是絕對必要的。

持平而論,人類的採集行為對昆蟲造成的衝擊甚為有限,我們再怎麼對昆蟲進行捕殺、採集,牠們都永遠殺不完。已知在原野、山坡地,以不破壞棲地為原則的採集行為所採集到的昆蟲數目,頂多是整個族群的幾分之一,不致影響整個族群的命運。但法令上明文規定禁捕的昆蟲仍是不應採集的,因為守法是文明人該有的基本態度。

而第二點——棲所、環境的保全,才是昆蟲保育的重點。過去台北近郊的河邊、稻田,到處可以看到螢火蟲,但現在要到遠離台北的保護區才看得到。究其原因,並非人為採捕所致,而是撒布農藥的結果。舉凡稻田土地利用方式改變、河川汙染、水泥堤防出現等,皆會改變螢火蟲的生活環境,使牠們無法存活。

再舉一個例子,小灰蝶身體雖小,但有些種類長得很美且數量不多,成為部分愛蝶人士的最愛,常以高價交易。由於牠們常在樹冠部飛翔並產卵,一些不肖人士為了採得較多的卵,將其飼養為成蟲收藏或出售,會砍掉整棵樹以找尋樹冠上的卵。該種小灰蝶因而失去產卵的場所,雖然仍有成蟲活著,但已無適當的產卵場所,種族的生命就到此為止。蒼蠅、蚊子等衛生害蟲雖不是值得保育的昆蟲,但有關單位一直強調處理垃圾、積水等地方,無非是要消滅牠們的發生源。從此即知,不管對象是不是害蟲,野外生活環境的改變對昆蟲的影響是巨大的。

朱耀沂:台灣大學昆蟲系名譽教授

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一月紀聞國外篇 --2010.12(492)

大強子對撞機 成功模擬大霹靂

11/7 瑞士歐洲粒子物理研究中心(CERN)日前宣布,他們已成功用大強子對撞機(LHC)模擬出迷你規模的大霹靂(big bang)。科學家希望在分析這次實驗成功後獲得的數據,能夠解開宇宙與物質誕生之謎。

根據物理學家的估測,宇宙是在137 億年前發生大霹靂後誕生。當時宇宙先是處於一個高密度高壓的狀態,而後隨著宇宙急速地膨脹、冷卻,讓原本呈現融解狀態,密集的粒子變成現今的物質,慢慢形成現在的宇宙。

這次的模擬實驗,是讓兩個鉛離子,以極高速度在大強子對撞機的地下環狀隧道內進行相撞,在瞬間產生出高過太陽核心溫度100萬倍的劇烈高溫,這樣的高溫過去只有在大霹靂發生後的第一個10億分之一秒內存在過。在這樣的狀態下,連組成原子的基本粒子——質子跟中子都會融解成更基本的夸克及膠子,這種狀態可說是現今物質的起源。

參與這項實驗的英國伯明翰大學(Birmingham University)的埃文斯博士(David Evans)表示:「我們對這次實驗結果感到非常滿意,這是首次利用大強子對撞機,模擬出大霹靂並產生前所未有的高溫。在這樣的高溫下,中子跟質子都會融解成夸克、膠子,透過研究這些處於融解狀態的粒子,物理學家同仁希望可以進一步了解,讓夸克結合在一起的強作用力(strong force)是怎麼運作的。」

加拿大細胞研究 皮膚直接造新血

11/8 加拿大麥克馬斯特大學(McMaster University)巴提亞(Mickie Bhatia)團隊研究出一種新方法,能夠直接將皮膚細胞轉化成血球細胞,並且不需要先把皮膚細胞轉化成幹細胞,研究成果發表在Nature

研究團隊先從人體採取皮膚纖維母細胞(fibroblast),透過病毒將Oct4 基因導入細胞中,再以充滿細胞激素(cytokine)的培養液培養,啟動Oct4 以轉化皮膚纖維母細胞成為血液細胞。實驗結果顯示,這些皮膚纖維母細胞能夠被轉化成常見的三種血液細胞,也就是紅血球、白血球及血小板。

Oct4 基因是日本山中伸彌(Shinya Yamanaka)教授用來製造誘導性多能幹細胞(induced pluripotent stem cells, iPSCs)的基因之一。巴提亞團隊雖然使用了這個基因來轉化皮膚纖維母細胞,但是在檢驗所有細胞轉化後的基因表現,確認這些細胞都沒有幹細胞化及癌化的現象,初步證實其安全性。

研究人員指出,這個新方法不但比其他以細胞造血的方法過程簡化,還可以避免利用人類胚胎幹細胞製血造成的爭議。未來如果確定此法對人體無害,將對患有血癌或造血功能不全的病人
大有助益,他們不必再苦等符合的骨髓出現,而只要用自己的皮膚就能製造出需要的血液。

終結超級細菌威脅

11/19 英國格拉斯哥史崔克萊大學(University of Strathclyde in Glasgow)研究團隊開發出一種滅菌光線,能夠殺死具抗藥性的超級細菌,並且沒有傳統滅菌方法的副作用(如人體直接照射紫外線殺菌,可能會造成人體細胞內的DNA 突變)。

這種滅菌光線為一種高強度窄光譜(high-intensity narrow-spectrum, HINS)光線,利用可見光中的窄光譜光線來激發細菌體內的分子,產生化學物質來殺死細菌,其成效甚至能夠消滅對青黴素具抗藥性的金黃葡萄球菌(methicillin-resistant Staphylococcus aureus, MRSA)。

研究人員表示,臨床實驗已證明這種能夠和傳統照明一起使用或是取代傳統照明的滅菌光線,可以針對光線所照射的區域進行消毒,與傳統清潔、消毒方法相比,可多降低環境裡60%的病原菌。這是由於光的滲透性質,使得滅菌光線不管是直接照射或是經由反射,都可以消毒環境中的空氣或任何表面。由於這項技術可以殺死病原菌,又對病患及工作人員無害,未來可望在醫院大規模使用。

頻繁使用電子設備影響睡眠

11/1 根據美國近日出爐的一項研究調查結果,每天習慣長時間使用手機、網路的人,可能要大幅調整他們的生活作息了。

美國甘迺迪醫學中心(JFK Medical Center)日前以8~22 歲的青少年為對象,針對他們使用的電子設備,如手機、電腦的時間跟睡眠狀況進行了一項調查,結果顯示有睡前傳簡訊或是使用其他電子設備習慣的人,比較容易導致失眠、腿痛等症狀。研究人員波羅斯(Peter G. Polos)表示:「其他的後遺症還包括影響白天上課的認知能力,或是產生過動、焦慮、沮喪、學習困難等現象。」

研究人員認為,瀏覽這些電子設備顯示的影像以及為了快速回應簡訊而頻繁操作電子設備,讓使用者過量地接收訊息,導致他們無法安心成眠。美國胸腔學院(American College of Chest Physicians)院長古特曼(David Gutterman)也表示:「有鑑於失眠或睡眠失調會影響學習能力,加上研究證實這種例子越來越多,因此醫師在診斷兒童睡眠問題時,應該納入使用電子設備的習慣,以更準確評估病情。」

天文新發現 見證黑洞成形

11/15 美國航太總署(NASA)透過錢德拉X 光太空天文望遠鏡(Chandra X-ray observatory),在距離地球5000 萬光年遠的室女座M100 銀河系,發現一個超新星SN1979C 可能已轉變成一個新生黑洞。

航太總署是根據錢德拉X光太空天文望遠鏡蒐集到的數據,顯示SN1979C 已成為一個穩定的X 光源,並且從X 光光譜得知,這個光源正在吸收周圍可能是超新星爆炸後殘留的物質,綜合這些證據判斷SN1979C 已經爆炸並形成一個新生的黑洞,估計其爆炸的時間距今僅30 年。

SN1979C是人類目前在宇宙中發現最年輕的,也是目前唯一一個人類有機會見證其成形過程的黑洞,為超新星爆炸後形成黑洞的理論提供了重要證據。

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2010年12月5日

一月紀聞國內篇 --2010.12(492)

全球首創調控基因大鼠平台

10/21 國家實驗研究院實驗動物中心利用新開發的大鼠基因轉殖技術,建立全球第一個可調控基因轉殖大鼠的技術平台,成功開發出可調控紅綠雙色螢光蛋白表現的基因轉殖大鼠,經由調控基因的開關,可將紅光大鼠轉化為綠光大鼠。研究人員可依據大鼠發螢光之顏色與位置的不同,判斷轉殖入的基因表現情況。

應用此技術平台,日後可製造多種人類疾病模式動物,並可精確地調控其發病時機,藉由同步直接觀察螢光變化,用來作為藥物效果的篩檢工具,不但精確、快速,而且不必解剖動物就能觀察到結果,減少動物的使用量。

由於大鼠的繁殖較難掌控,使得基因轉殖實驗大鼠的產製技術難度較高,這項技術上的突破,為台灣生技產業發展注入一劑強心針。實驗大鼠在生醫研究上有其不可取代之地位,新藥開發過程中的臨床動物先期試驗,通常採用大鼠,這是因為大鼠與更常用來進行動物實驗的小鼠相比,在體形及生理特性上更接近人類,因此有些研究,例如心血管疾病、神經退化疾病、代謝疾病、記憶及學習相關行為模式等,都以大鼠進行實驗較佳。

未來透過動物中心「國家實驗鼠種原庫」的分享機制, 將能接受各方訂製,生產帶有各種疾病基因的實驗大鼠,提供國內外研究人員,促進重要藥物的研發,對生技醫療實驗的品質,帶來重大的突破與貢獻。

成大奈米剪 排除致癌基因

11/5 成功大學發表全球首創光控基因奈米剪技術(artificial targeting light activated nano scissor, ATLANS),以奈米分子結合光波成為奈米剪,能夠針對癌細胞進行標靶治療,研發成果發表於國際期刊《生物材料》(Biomaterials)。

一般治療癌症,除了以外科手術直接切除癌症源頭的腫瘤外,還會輔以放射線、化療等治療方式,但根據臨床研究,癌細胞可能會對化療使用的藥物產生抗藥性,造成治療的困難度。由
謝達斌領軍的研究團隊,便是針對癌細胞的抗藥基因研發出ATLANS技術,使用的奈米剪有如應用在分子生物實驗的限制,進入細胞後,再經由特殊波長的藍光激發其活性,可針對特定基因進行切割。

團隊以對癌症藥物產生抗藥性的小白鼠為對象,在其皮下注入奈米剪,放入可控制光波長的光罩箱內,以特定波長的光線照射小白鼠啟動奈米剪的活性,成功剃除小白鼠體內的抗藥基因
STAT3

謝達斌表示,這些人工合成的奈米剪,在進入實驗動物體內後,不只可以自動搜尋到帶有抗藥基因的癌細胞予以治療,更重要的是,不會被免疫系統瓦解。這對於解決癌細胞產生抗藥性的
問題,可說是一大進展。專家認為成大的ATLANS技術可適用於所有癌症,未來應可進一步發展,針對其他疾病也能進行基因治療。

新型醣晶片 快速辨流感

10/27 中央研究院近日研發出新型疾病偵測醣晶片,可有效研判受檢者是否患有流行性感冒。研究團隊指出,只要少許的唾液檢體,便可在短短幾分鐘內迅速判斷出患者是否患有流行性感冒及其類型,為病患爭取診療的黃金時效。

這個醣晶片是運用病毒進入人體後,與細胞表面的醣分子結合的原理設計,將人工合成的醣分子,植入玻璃材質的生物晶片上,透過醣晶片與患者檢體接觸的作用關係,就可得知檢驗結
果。另外還可依不同類型的感冒病毒會跟不同的醣分子結合的原理,來判斷患者得到的是哪一類型的感冒,其中包括禽流感跟新流感H1N1 ,可望在未來提供準確又廣泛的病毒檢測。

實現隱形夢想的超穎材料

11/4 台灣大學物理系教授蔡定平與英國南安普敦大學跨國合作,發表可以改變光線路徑的環型線圈式超穎材料(toroidal metamaterial)。該成果受到國際高度重視,刊登在Science期刊。

超穎材料指的是以人為合成方式製造出來,擁有一些自然界沒有的性質的材料。例如超級透鏡跟隱形斗篷等技術,都是超穎材料的應用研究。而跨國團隊研發出的環型線圈式超穎材料,可以改變光的路徑,使光繞圈圈或轉彎,如果能夠應用在大件物體上,便成了可使人憑空消失的隱形斗篷。

肺癌治療延壽新指標

11/2 台灣大學腫瘤醫學研究團隊對於肺癌療程有新發現,對於帶有表皮生長因子接受器突變(epidermal growth factor receptor, EGFR)的肺癌患者,若提早進行標靶治療,可延長病患壽命1~2 年。

所謂的標靶治療,是利用可以辨識癌細胞並專門消滅癌細胞的藥物,來達到治療癌症的效果,跟以往會同時傷害正常細胞與癌症細胞的化學治療相比,對病人產生的副作用較小。團隊成員楊志新表示,過去是以患者是否抽菸、性別等條件,作為是否讓病人接受標靶藥物治療依據。但這項研究,讓使用標靶治療藥物有了更明確的基準。

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2010年12月2日

環遊化學世界

由於2011年時逢國際化學會組織(IUPAC的前身)創立100周年,所以聯合國將2011年定為國際化學年,本期的封面故事就以2011國際化學年為題,介紹化學界重要的慶典,讓民眾體會化學好好玩!

國際化學年以「化學-我們的生活,我們的未來」為口號,推出五花八門的化學活動,希望激發大眾對化學的興趣及產生更多的熱情(第31頁);而水與生活息息相關,也在綠色化學中扮演舉足輕重的地位,因此國際化學年也以「水」為主題,舉辦全球性的水實驗,這個活動需要大家的幫忙,合力完成水源酸鹼值的全球圖形(第36頁);還有,國際化學年也期待化學帶給人類更好的未來生活,因此也介紹化學在環保與醫療上的應用,看科學家如何利用奈米化學技術,有效檢測環境毒物以及人體的健康狀況(第41頁)。

另外,2011年也是發現鐳的居禮夫人榮獲諾貝爾獎100周年,於是國際化學年強調女性科學家對於科學的重大貢獻。本期要向讀者介紹這位偉大的女性--居禮夫人,她用生命做研究,畢生為科學奉獻,她的諾貝爾光環背後有著令人動容的故事(第48頁)。而焦點回到台灣化學界,許多女性科學家在學術與教育方面表現不凡,我們有幸訪問到台大創校以來理學院第一位女院長王瑜教授,同讀者分享從事化學研究50年的心路歷程,及如何發掘自己對科學的愛(第52頁)。

希望讀者在看完這一系列的封面故事,能對化學這一門學科有新的看法,像是最近因編輯工作所需,總是在蒐集化學的相關資料,有天靈機一動(或是忙裡偷閒),嘗試搜尋「有趣的化學故事」、「生活中的化學問題」還有「化學笑話」之類的關鍵字,本只是想灌溉灌溉心靈,沒想到搜尋結果可真不得了。

例如提供搞怪化學實驗的網站,教網友如何製造臭彈;專門蒐集「愚蠢的化學分子名」的網站,有一種「沒有鼻子的化學分子」即是命名為nonose的九碳醣(壬醣),讀起來還真的是「沒有鼻子」,甚至還有一群科學家為「銫」創作寫歌(銫,為質地最軟的活潑金屬),原來化學不只是教科書上嚇人的方程式,科學家可以很搞笑,學科學也能學得很開心。

年節將至,寒風颼颼,《科學月刊》用最溫暖的祝福同您迎接建國100年。相信大家在大啖冬至湯圓,品嘗尾牙美食和享受年末抽獎後,都在期待即將到來的春節吧!新年新氣象,我們歡喜推出3個新專欄,分別是〈百年大紀〉與〈永續發展與綠色科技〉專欄,讓大家回顧歷史、放眼未來。此外,還有〈科學教育 我有話說〉專欄,要來討論台灣科學教育界的大小事。最後,祝福大家在即將到來的新年,美夢成真。

2010年12月1日

《科學月刊》第492期勘誤

第935頁,左欄第1行,
「(Talidomide)藥害事件」更正為「(Thalidomide)藥害事件」。

感謝讀者何祖德先生細心指正
以上錯誤謹向作者與各位讀者致歉。
科學月刊編輯部 敬上