呂凌霄／中央大學地球科學院太空科學研究所教授，研究領域包含太空電漿物理、電腦數值模擬、太陽物理、磁層物理、行星際空間物理、激震波等。

太空天氣（Space Weather） 這個名詞， 早在距今約六十年前，也就是蘇、美首顆人造衛星升空的年代（1957~1958 年），就已經被提出來使用過了。可是當時科技不夠發達，因此太空天氣的變化，對一般民生的影響，微乎其微。因此其後的三十年，太空天氣這個名詞很少出現在文獻與新聞報導中，但是科學家仍沿用氣象中storm（暴風雨／暴風雪）這個字眼，來描述某些特殊的太空天氣事件，例如，日磁暴（solar magnetic storm）、磁暴（magnetic storm）、磁副暴 （magnetic substorm）、電離層暴（ionospheric storm）等。隨著科技的進步，同步衛星、全球衛星定位系統（GPS）、長距離的電力傳輸、越洋航空、太空探險，都深受這些太空中 storms 的影響。因此在三十年前，太空天氣再度被提出來，並成為太空科學家與一般民眾溝通的重要話題。

什麼是太空天氣？

太空天氣就是太空中的游離態氣體與磁場所構成的電磁環境與變化。雖然太空中好天氣的時間佔一半以上，但是談到太空天氣，大家想到的都是惡劣的太空天氣。驅動太空天氣的能量來源是太陽。圖一顯示太陽內部的結構。太陽的核融合反應產生的高溫讓太陽的大氣成為游離態氣體（電漿，plasma）。而影響太空天氣甚巨的太陽磁場，則是在太陽的對流層中產生的，其中表面對流層是超米粒組織與黑子的產生區，也是浮出太陽表面之暗紋與日珥等磁繩結構的主要產生區。

在繼續解釋之前，先看看太陽內部結構

圖一

對流層 Convective Zone

位於距離中心0.7~1 太陽半徑的區域，由於太陽外部為寒冷的太空，導致此區氣體溫度快速向上遞減，造成不同程度的對流不穩定。透過游離氣體的對流運動，太陽的磁場在對流層產生。反過來，對流層的磁場也會影響游離氣體的運動。

輻射層 Radiative Zone

位在距離中心0.25~0.7 太陽半徑的區域，它就像X 光檢查室外的厚重鉛門，阻擋致命的短波輻射X ray 與γ ray。太陽的核反應所產生的短波輻射，被輻射層中的粒子不斷的吸收、放射，以至於平均大約要花150~200 萬年（也有人估計不到100 萬年），才能穿過這個緻密的輻射層，並成為較長波的紫外線與可見光。

核心 Core：位在距離中心0.25 太陽半徑以內的區域為太陽核融合反應區。

米粒組織 granulation

是太陽表面的一種極淺層快速對流。成因是因為越接近太陽表面，溫度梯度越大，對流也越旺盛。米粒組織中央明亮邊緣較暗，是造成觀測上「太陽五分鐘震盪」的主因。米粒組織對太空天氣的影響甚微，但它們卻是太陽觀測上最糟糕的天然雜訊，嚴重影響科學家對太陽對流層的觀測。

超米粒組織 supergranulation

是位在米粒組織下方的對流系統，約涵蓋0.9~1 太陽半徑的區域。超米粒組織邊緣為徑向強磁場區。更深層的高溫游離態氣體，可沿著這些磁場直達太陽表面。因此超米粒組織邊緣比中央區域更為明亮。

太陽黑子 sunspot：通常在超米粒組織邊緣形成。太陽黑子深度也差不多是0.1 太陽半徑。

日磁暴造成的惡劣太空天氣

用氫–α（H-alpha）光譜觀測太陽，在太陽盤面可以看到長短粗細不同的暗紋（filaments），暗紋轉到在太陽盤面邊緣就是光亮浮起的日珥（prominence），如圖二所示。長又粗的大尺度暗紋，生命期超過半個月（太陽自轉週期約一個月），開始上升後，要一天左右才會噴發。太陽黑子群附近對流旺盛，容易形成細又短的暗紋，生命期只有兩三天。開始上升後，只要幾小時就會噴發。在活動區一條細短暗紋噴發後，很快又會形成另一條細短暗紋。暗紋噴發時，會遇到上方的日冕（corona），於是就會像幼兒用筷子撈麵那樣，一部分麵條滑落麵碗，形成太陽閃焰（solar flare），一部分麵條打入空中變成日冕物質拋射（coronal mass ejection, CME）。噴發後的暗紋就變成磁雲。在磁雲與CME 的前方會形成激震波。這整個過程就構成了日磁暴事件。因此當一團黑子群出現在太陽盤面時，我們就可預期未來半個月，會持續有多次的日磁暴事件發生。至於盤面上大尺度的暗紋噴發，就像非地震帶的地震，很難預測！

圖二：太空中大尺度的磁場與電漿交互作用，就像浸泡在糖漿中的棉線與糖漿的交互作用，糖漿動可以帶著棉線動，拉動棉線也可以讓糖漿移動。根據日震學的觀測，0.9~1 太陽半徑的區域，高低緯的徑向速度切很強，且方向相反。這樣的速度切所造成的渦流會逐漸旋緊通過該區的磁場，形成強磁場的磁繩（magnetic flux rope），並逐漸將電漿排除在外，使磁繩重量減輕，浮出太陽表面。磁繩中剩餘的電漿，在強磁場中容易輻射冷卻，變成由部分游離的電漿所構成的暗紋（filaments），側面看過去就是日珥（prominence）。這張影像是大熊湖太陽天文台（BBSO）套疊「盤面」與「邊緣」兩張影像所建構而成的。高低緯上層對流層的速度切不同所形成的大尺度暗紋在中低緯度浮出對流層時，還會帶動附近的對流（白色光亮的活動區），導致黑子以及黑子附近小尺度「細短」暗紋的形成。圖／Big Bear Solar Observatory

日冕洞與高速太陽風造成的惡劣太空天氣

太陽除了藉著日珥噴發，噴出密度高、速度快的電漿外，平時太陽表面的電漿也會因為外太空電漿密度低所造成的壓力梯度力，持續吹出太陽風（solar wind）。由於日冕洞（coronal hole）區域的磁場接近徑向，因此來自日冕洞的太陽風，平均風速可達每秒800 公里。相較之下，來自日冕區的太陽風，平均風速只有每秒400 公里左右。當日冕洞移到緯度比較低的區域時，隨著太陽自轉，就有可能出現從日冕區吹出來的低速太陽風，被後方來自日冕洞的高速太陽風追撞，而形成行星際激震波（Interplanetary shock wave），如圖三所示。因此，只要在太陽X 光影像（solar X-ray image）中，看到一大塊日冕洞，正掃過太陽盤面中央區，科學家就會預測未來一兩天會有惡劣的太空天氣了。

圖三-1
太陽活動極小週期，日冕洞出現在南北兩極（黑色區塊）。
慢速太陽風來自日冕區（約400 km/s）
高速太陽風來自日冕洞（約800 km/s）

圖三-2
太陽活動上升期或下降期，日冕洞可能出現在低緯地區。
橘色線：太陽風中的磁場，在黃道面上的投影。
粉紅色區塊：高速太陽風追撞低速太陽風，造成行星際激震波。

宇宙射線與太空天氣

太陽閃焰與各種激震波都可以有效的加速粒子。其中帶正電的粒子，質量比較大，一旦被加速後，就很難被減速，因此在日珥噴發後，會發生太陽高能正質子事件（solar proton event）。外太空超新星爆炸所產生的激震波，也會產生高能的粒子，且能量更高。這些粒子也會進入太陽系，影響太空天氣。由於這些高能的正離子，以接近光速的速度前進，因此早期的科學家，誤以為它們是一種光，所以稱它們為宇宙射線（cosmic ray）。由於宇宙射線是一種高能的正離子，所以科學家就把它們比做太空天氣中的「雨」，取諧音為cosmic rain。宇宙射線雨和太陽風合起來就是有風有雨的太空天氣了！

磁暴與磁副暴造成的惡劣太空天氣

除了太陽閃焰與各種激震波可以產生高能的帶電粒子，地球的磁場風暴也會產生本土性的高能粒子事件。浸泡在太陽風中的磁層，可說是一座最好的風力發電機，可將太陽風的能量，轉換為電磁能，推動磁層與電離層中電漿的環流運動。然而穩定的環流，很容易被異常的能量來源所破壞。當高速太陽風、行星際激震波吹過磁層時，或是太陽風中的磁場具有南向分量時，都會在地球的磁層中，灌入異常多的能量，是造成地球磁場風暴的主因。地球上的磁場風暴可大致分為兩種，磁暴與磁副暴。地面上的磁場擾動，是高空電流強度與位置改變所造成的。磁暴發生時地表的磁場變化是因為位在六個地球半徑以外的環電流（ring current）位置內移且強度增強所致。磁副暴發生時地表的磁場變化則是因為高緯100 公里高空的電離層中電流增強所致。雖然環電流的總電流量改變很大，但是距離遠，在地表產生的磁場改變量只有磁副暴的五分之一左右。不過也因為它距離遠，所以影響範圍是全球性的。磁暴持續時間可達數天到一週之久。磁副暴的影響只及中高緯地區，持續時間不超過兩小時。磁副暴發生時，會有極光的活動。通常一個磁暴期間會發生好幾個磁副暴。但是偶爾也有單一磁副暴事件，這意味著來自太陽風的能量變化不足產生磁暴與多個磁副暴。

太空天氣對於我們有什麼影響？

惡劣的太空天氣對民生的影響，至少可歸納為以下三種型態：輻射傷害、通訊干擾、與電磁感應造成的破壞。

輻射傷害

宇宙射線的穿透力強，可以打穿太空船與人造衛星，導致儀器設備受損；也可打穿人體，造成細胞受損，增加罹癌風險。日本的希望號火星探測器（Nozomi Mars Probe），在飛往火星的途中，就不幸遇到了「太陽高能正質子事件」而受損。如果換成是宇航人員在執行任務時遇到此種事件，將大大提高罹癌的風險。因此，除了早期不了解此種事件的嚴重性時，有幾次太空人登陸月球的紀錄，後來的太空探測，都以無人探測為主。

進入地球磁層後，大多數的宇宙射線被束縛在范艾倫輻射帶（Van Allen radiation belt）中。因為范艾倫輻射帶的底部約在500 公里高空，所以安置太空站的位置，都選在約400 公里高空，以降低太空人的輻射傷害。磁副暴期間磁場結構會發生大幅改變，因此不受磁場束縛、直接落入中高緯電離層與大氣層的高能粒子數量，會大幅增加。因此在磁副暴期間，跨極航線需要停飛或改道。其他長途飛行所接收到的輻射量，也會隨太空天氣不同而有數十倍以上的差異。

通訊干擾

地表上空100~250 公里的電離層，電漿濃度相當高。地面與衛星的通訊，包括GPS 衛星，都要穿過此層。由於衛星通訊所採用的高頻電磁波會受到傳播路徑上電子濃度的影響而偏折。因此任何造成電離層電子濃度不均勻的物理機制，都會影響地面與衛星之間的通訊。造成電離層電漿密度不均勻的原因很多。磁暴與磁副暴期間，地球磁場結構改變，會導致部分夜側電離層電漿大量流失到磁層中，造成該區電離層電漿密度異常下降，影響通訊。電離層電漿，也會受到日出、日落、與中性風場的影響，產生各種電漿不規則體，影響通訊，這也是臺灣電離層研究特別關注的課題。地表的無線電通訊也會受到太空中激震波所產生的大振幅無線電波的影響而長時間斷訊，這就是所謂的無線電暴（radio burst）。由於大振幅無線電波是沿著磁場傳出去。因此即使該激震波沒有撞到地球，只要激震波的磁場線連到地球附近，地表就會發生無線電暴。

電磁感應的傷害

太陽閃焰所發出來的短波輻射，以及磁副暴期間落入中高緯電離層中的極光高能粒子，都會增加電離層的電子濃度與導電率。即使是同樣強度的電場，若導電率增加，電流就會增加。電離層的電流增加，會導致地表的磁場改變，產生感應電場，導致地表電力系統短路毀損，也會對網路通訊設備、精密的IC 製造業、與心律調整器造成影響。同樣的，磁副暴發生時，同步軌道區域的磁場變化很大，因此感應電場也很強。如果同步通訊衛星上的電磁防護設備做得不夠好，就很容易受損。

展望

過去三十年來，太空天氣預報，已經成為先進國家太空單位的例行任務。了解太空天氣，不僅可以避免災害的發生，未來也可化災害為能量，利用感應電場開發出另一種天然的乾淨能源。

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文／郭陳澔｜現任國立中央大學地球科學系助理教授、應用地質技師、美國紐約州大學賓漢頓分校地球物理及地震學博士。

2016 美濃地震災後 35 小時，倒塌的維冠金龍大樓。圖／由ScoutTz – 自己的作品，創用 CC 姓名標示-相同方式分享 4.0，wikipedia

2016 年 2 月 6 日所發生的美濃地震，確實衍生出許多我們平常所忽略的問題，在工程、防災與科學等層面上皆有，也需要讓我們在深切地思考後作出相對應的防護措施，以降低日後類似地震所造成的傷害。姑且不論工程與防災上的問題，在科學研究上也留下一堆問題待解決，例如，造成此次地震的地下斷層破裂形貌、發震原因與為何有如此強烈的地表振動等。一般而言，從主震發生後所產生的餘震分佈，可以用來解釋主要的斷層錯動方式，但光從美濃地震發生後餘震分佈的複雜性，就已經需要學者專家們花許多時間消化了。

不過，這也點出了臺灣島地底下的世界是多麼的變化多端，並非可用簡單的地體構造理論來解釋！此外，在媒體的關注下，對於此地震的不斷報導與討論中產生出一些對於專有名詞理解上的問題。地震發生後，學者與官方的發言不約而同說出了「盲斷層」，而後更有「雙主震」等名詞，這兩個專有名詞著實讓一般民眾十分的困惑，難道這個地震真的非常特殊或嚴重，才需要用這麼多的名詞去形容它！在地震之後的一次學術研討會上遇到氣象局地震測報中心主任郭鎧紋，閒聊之下也發現民眾對於這兩個名詞的不熟悉，在經由媒體大量的傳播後而造成的驚恐所打來的關切電話，紛至沓來，著實令地震中心的工作同仁們疲於應付。因此，值得對此兩個專有名詞源由與意義做更深入的討論。

何謂盲斷層？

盲斷層示意圖。圖／USGS, 2013

大家對於「斷層」的定義應該一點都不陌生，也常應用於一般的生活當中，通常是用來形容事件的不連續與間斷，例如，人才斷層、年齡斷層與知識斷層等。而在地球科學領域則指地層間不連續且有錯斷位移的地帶。斷層的發現在早期皆以野外露頭調查為主要方法，因此眼見為憑，劃定斷層的方法為依據地表有無相對錯動特徵來判定，而「盲斷層（blind fault）」則指位於深部的斷層並未破裂延伸到地表附近，因而在地表未能發現斷層的蹤跡。

在了解什麼是盲斷層後，接下來的問題是，我們是如何知道盲斷層的存在呢？究竟有多少盲斷層在臺灣島底下呢？這兩個問題確實很困難，因為我們無法在野外實際直接觸摸的到，必須依靠其它的方法，例如，鑽井、挖溝、地球物理探勘與微震觀測等四種。前兩種方法由於施測價格昂貴且探測範圍有限，一般以後兩種方法為先遣部隊，可以較廣大的範圍探測，之後確定其位置後再施以前兩種方法做精細的調查，但這也僅止於 2~3  公里深的盲斷層，更深的盲斷層調查則必須仰賴地球物理方法了。

這次的美濃地震深度約為 17 公里，因此須採用地球物理方法探測來了解盲斷層的幾何分佈。但由於地球物理探勘所獲得盲斷層的位置屬於間接方法，必須考慮其調查方法所產生的差量，其誤差量的大小取決於調查的方法與精細程度，各有其優缺點需要相互配合。

以目前的地球物理調查方法來說，反射震波測勘有最好的解析度，其誤差量可達數公尺內的等級，但因利用人工震源，其能量穿透力有限，僅止於十數公里深，也受限於現地的環境，並非隨處可測。若以微震觀測為手段，其解析度則取決於地震觀測網的密度與對於地下構造的掌握，地震網密度高與地下構造清楚將有助於提升微震位置的精確度，其誤差量為數公里，雖然觀測的深度可達數十公里，但此方法無法達到反射震波測勘的解析。

以中央氣象局所發佈的地震位置為例，在水平方面一般約有 1~3 公里的誤差，而在深度則約有 5 公里的誤差。因此，經由上面的敘述可以顯示出盲斷層調查的困難性。此外，由於臺灣身處於劇烈的碰撞環境，不論是地表斷層或盲斷層活動皆十分的活躍，從長期的背景地震觀測，深部盲斷層的分佈時有所見，只是在過去並未造成重大的災害，所以並不受到十分的重視，但近年來，不少深部地震的發生造成極大的地表振動且規模都在 6 以上，例如，2010 年甲仙地震、2012 年霧台地震、2013 年南投地震以及 2016 年的美濃地震。因此，值得進一步作系統性的分析到底有多少潛在的盲斷層。

美濃地震等震度圖。圖／交通部氣象局

雙主震是什麼？

「主震」已是大家耳熟能詳的地震專業用語，主震為在一地震序列中規模較大的地震稱之，而其地震序列可能包含主震來臨前的前震以及之後一連串數量與規模迅速衰減的餘震群。地震序列則是指空間與時間上連結緊密的一群地震。在極少數情形下，主震發生過後，在數秒或數分鐘後，發生一個規模大小相似的地震，發生的位置可能在同樣的斷層系統或不同的斷層系統，而稱之為「雙主震（doublet earthquakes）」。

臺灣在過去曾發生過雙主震，例如，2005 年宜蘭地區曾發生兩個規模 5.9 的地震，時間前後差約數十秒，距離也十分靠近屬於同一斷層系統。在 2006 年屏東外海也曾發生規模 6.9 的雙主震。但雙主震是如何發生的呢？在目前一般的解釋可分為兩種，第一種為發生在同一斷層系統，因第一個主震破裂不完全而伴隨第二個主震發生；第二種為發生在不同斷層系統，可能為第一主震發生後因應力的轉移觸發鄰近甚至或一段距離外已經非常脆弱的斷層系統產生錯動，若第二個主震因距離較鄰近城市區域則可能比第一個地震所帶來的災害更為嚴重。

2011 年，南美智利曾發生規模 7.1 的強震，經過 12 秒後，距離第一個主震 30 公里的地方觸發第二個深度更淺的主震，比第一個主震更有產生海嘯的風險。有趣的是，這個第二個主震的發現是經過 4 年後（2015 年）科學家仔細地研究地震波形後才發現的，主要是因為第二個主震所產生的地震波被第一個主震地震波所掩蓋相互交疊，需要花非常大的力氣才能將這兩個地震的訊號分離出來，也顯示即時偵測的困難性，因此在地震速報所要求的時效性上相當難以達成，屬於科學研究上的範疇。若要能夠挑戰這項快速的偵測任務，也需要學界做先期的研究之後並與官方合作找出可以偵測的技術方法，抓出隱藏在背後的第二個主震。

本文選自《科學月刊》2016 年 4 月號

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圖／CERN

文／葉致微｜曾經只為學測唸物理，現在卻為瞭解物理學家發憤自習；把粒子物理當文化觀察，以社會學理解知識的生產與傳播。現就讀於英國愛丁堡大學。

2013 年是物理學界風光的一年，位於瑞士日內瓦的歐洲核子研究組織（CERN）正式對外宣布，實驗物理學家在大型強子對撞機（Large Hadron Collider, LHC）的實驗中，發現了希格斯粒子。別稱「上帝粒子」的「希格斯粒子（Higgs boson）」，在主流的粒子物理理論「標準模型（Standard Model）」中，扮演著關鍵角色：它負責給予基本粒子（fundamental particles）質量。自 1964 年被希格斯（Peter Higgs）與恩格勒（François Englert）等數名理論物理學家提為假說後，物理學界便殷殷期盼著高能物理實驗能夠證實此粒子的存在及作用。50 年後，期待成真，高齡 84 歲的希格斯與高齡 81 歲的恩格勒，也於同年獲頒諾貝爾物理學獎。大型強子對撞機因此得以順利閉關升級，兩年之後，撞擊能量翻倍成長，來到 13 TeV（13×10¹² 電子伏特），新任務是在 2020 年之前，更瞭解希格斯粒子的運作機制，以及探索任何超越標準模型、超越對稱性的物理發現。

希格斯粒子的發現引發了媒體爭相報導，一時間成為科學新聞的熱門話題。為了模擬宇宙大霹靂爆炸瞬間的高能量撞擊，建造號稱人類史上最大型實驗儀器的大型強子對撞機，必須鑿開深 175 公尺，長 27 公里的地底隧道，期間耗費無數時間、金錢、人力。因此，自 21 世紀初開始建造後，即成為媒體及社會大眾關注的焦點。在對撞機正式運轉之前，媒體論述關注於對撞機的實驗風險，擔憂如此高能量的軌道撞擊，恐在地球表面引發類似黑洞的效應：以龐大的引力吞噬地球上的物質。歐洲核子研究組織認真看待媒體及社會大眾對對撞機的觀感，所以，為排除此風險疑慮，成立了一個由獨立科學家組成的安全評估小組，監督對撞機的實驗安全性。2008 年之後，對撞機開始運轉，全球金融海嘯卻延燒各國經濟；緊縮的資源，使得歐洲對純科學、探索未知的資助，在媒體及輿論的關注下，備受爭議，歐洲核子研究組織甚至面臨預算被刪減。於是，延續著十餘年來社會對歐洲核子研究組織、大型強子對撞機的關注、猜疑，希格斯粒子的發現，不僅對物理學家意義非凡，對媒體、公眾來說，也終於有線索可以嘗試理解高能粒子物理的研究貢獻與價值。

在媒體報導希格斯粒子的熱潮中，除了文字說明之外，一批色彩豔麗、線條清晰的數位影像被大量使用（例如首圖及下圖）；它們像是照片，似乎捕捉了希格斯粒子在對撞機內被發現的瞬間。然而，我們真的能夠以肉眼見證比原子還小的粒子嗎？如果答案是否定的話，這些數位影像呈現出了什麼樣的事實？身為一個觀看者，這些問題縈繞在我心中，久久不去。

圖／CERN

希格斯教授獲頒諾貝爾物理學獎的當下，我恰巧在他任教的學校：英國愛丁堡大學，開始了科技與社會研究（Science and Technology Studies）的學業。著迷於科學溝通的我，參與了多場於愛丁堡（蘇格蘭首都）及倫敦（英格蘭首都）舉行，向社會大眾溝通希格斯粒子的推廣活動。因此，在一場位於蘇格蘭國立博物館舉行的科學講座，我旁聽到一段非常有趣，與這些數位影像有關的，物理學家與社會大眾的對話：

“請問，在這些影像當中，希格斯粒子在哪裡？”──社會大眾

“其實，影像裡並沒有希格斯粒子，我們只能看見它的行經軌跡。” ──物理學家

這段對話間接回答了縈繞在我心中的疑問：我們的確無法以肉眼見證希格斯粒子的存在。但是，在圖文並茂的媒體報導、溝通推廣情境之中，觀眾似乎以為他們能夠透過影像看到希格斯粒子；不過，溝通者卻明知事實並非如此。那麼，這些影像究竟意圖呈現什麼？我想要瞭解科學溝通者使用這些影像的用意。

我訪問了上述對話中的物理學家安潔莉卡（化名）。安潔莉卡曾是希格斯的學生，目前在愛丁堡大學物理系任教，同時也參與了大型強子對撞機的實驗。因此，她十分瞭解希格斯粒子研究，也有豐富的公眾溝通、科普教育經驗。她告訴我，這些影像是在實驗結束，以實驗數據重建而出的模型。她在蘇格蘭國立博物館的講座所使用的影像，由和她一起在對撞機進行實驗研究的博士班學生設計。歐洲核子研究組織自行開發了一套數位影像製作軟體，提供給成員使用，當有人需要圖像輔助說明，特別是在公眾場合解釋希格斯粒子研究時，這些學生便將對撞機所記錄下來的實驗數據輸入影像製作軟體，篩選出畫面最清晰、線條最乾淨的資料視覺化（data visualization）結果，再輔以更生動的 3D 圖像設計、更鮮豔的色彩配置，完成一張張美觀的數位影像。這些影像在對外流通之前，需要經過內部審核；它們要被上傳到組織內的共同檔案空間，沒有成員提出任何疑慮或異議之後，才能開放使用。也就是說，這些影像並不是物理學家們拿來觀察、分析、判斷希格斯粒子是否存在的第一手實驗證據；它們是為了方便展示實驗結果，促進溝通而被創造出來的影像。

對於粒子物理學家來說，沒有人能夠親眼目睹希格斯粒子。粒子物理以量子力學為理論基礎；理論上來說，粒子具有波動性，會隨著時間移動，並產生能量與質量的轉換，所以，希格斯粒子並非具有固定形狀、位置的物質。負責給予基本粒子質量的希格斯粒子，其實是希格斯場的擾動（像是水面上的漣漪），一旦測量到擾動，便能證實希格斯場的存在。另外，對測量方法而言，對撞機每秒製造出 6 億次撞擊，裡頭的粒子以近乎光速的速度前進，撞擊後又以不到 10-22 秒的時間衰變。實驗物理學家根本來不及看到，更無法捕捉希格斯粒子，只能設計最先進的探測器，記錄衰變瞬間對撞機內的物理現象，並將之數位化。隨後，再根據衰變數據，例如：各種粒子的軌跡、動量和能量等性質，分析是否有符合理論預測的希格斯粒子衰變，間接證實希格斯粒子的存在。因此，發現希格斯粒子的過程，跟視覺上的觀察毫無直接關係，而是一連串的數據演繹；統計圖表（例如下圖），反而是粒子物理學家在社群內部經常使用的影像，它們所代表的特定數據，正好符合希格斯粒子及其衰變的物理性質。也就是說，物理學家們，其實是透過數據，「看」見了希格斯粒子。

圖／CERN

然而，縱使安潔莉卡知道希格斯粒子無法由肉眼觀察，她仍然認為那些實驗完畢之後才設計出來的影像，對一般觀眾來說，就好比相片，逼真地呈現出希格斯粒子在對撞機裡被撞擊而出的模樣。這也是為什麼，影像中並不會顯露出實驗數據（頂多保留實驗發生時間），因為唯有如此，畫面才會像是一張張捕捉瞬間的相片，讓觀者產生身歷其境的感受。科學史學家謝平與夏佛在 1985 年出版的《利維坦與空氣泵浦》一書中，論述過「親眼見證」實驗的操作成功，對於科學能取信於人，並廣為散播，有著關鍵的作用。所以，我認為這些如相片般的生動影像，也有「親眼見證」的功能；由於親眼目睹大型強子對撞機的實驗過程，以及希格斯粒子的存在，是一件理論、實務上皆不可能的任務，因此，為了在媒體、社會大眾之間，製造「虛擬的親眼見證」的效果，粒子物理學家們運用了想像力、創造力，以及藝術天分，「具象化」了希格斯粒子的存在；而觀眾，在科學溝通、教育推廣的情境之中，除了以理智瞭解希格斯粒子的意義，更以感官、想像，去體會希格斯粒子的存在。

歐洲核子研究組織所創造出來的這些數位影像，大量的出現在科學公眾溝通的情境之中：電視、網路、報章雜誌、博物館、科學節等等。歐洲核子研究組織甚至號召藝術家，以這些影像為靈感創作，串聯出蝴蝶效應一般的親眼見證、集體共感。這種影像與觀者的互動關係，與我們的刻板印象，認為科學是理性、邏輯的；科學影像是客觀、真實的，有所不同。科學傳播的過程，在這個案例之中，是理性與感性、邏輯與美感的緊密交織。換句話說，縱使希格斯粒子並不具備可供肉眼觀察的性質，實體影像依然扮演著溝通橋樑的角色，將物理學家抽象的知識追尋「翻譯」成生動的獵捕、發現瞬間，提供社會大眾一個具象的學習媒介，領略科學的博大精深。然而，觀看者若是能反思溝通情境中，「轉譯之必須」所帶來的「失真之可能」，也許當前大舉「有圖有真相」的影像溝通文化，可以受到更多的懷疑與檢視。下次，在看到科學影像時，不妨大膽提問影像和真相、溝通者和接收者之間的交互關係究竟是什麼。

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採訪、撰文／陳其暐｜正努力在科學傳播領域裡掙出一道縫隙，《科學月刊》主編；蔡孟利｜宜蘭大學生物機電工程學系教授，《科學月刊》總編輯；黃向文｜國立臺灣海洋大學海洋事務與資源管理研究所教授兼所長，《科學月刊》副總編輯。

2016 年，蔡英文與陳建仁當選中華民國第十四任正副總統，也代表著臺灣新局面的開始。然而，這次的副總統當選人很不一樣，在宣布參選之前，身為中央研究院院士的陳建仁，時任中央研究院副院長，是一位十足的科學人。在新任正副總統於五月即將上任之際，我們好奇一位這樣具有豐富科學資歷的副總統，對於生技產業、健保及教育有著什麼樣的看法？這些與科學密切相關的事務，新政府是否會有不一樣的做法？就請讀者和我們一同與陳建仁對談，找尋臺灣新的下一哩路。

讓科學家放眼應用與產業

科學月刊（以下簡稱科）：政府早期推了不少生技相關的國家型計畫，但是一般都認為不算成功，因為沒有創造出有高市場價值的產品。新政府未來推動生技產業時，對於從基礎研究到產業的連結上，是否有別於以往的做法？

陳建仁（以下簡稱陳）：首先以 1980 年代臺灣推動肝炎防治與生物科技的連結說起。B型肝炎的防治需要有診斷試劑與疫苗，當時希望臺灣能自己製造試劑與疫苗供應全國使用，這樣至少就有內需市場，產業可據以發展。初始幾年確實如此，從帶原者血清做成的B型肝炎疫苗算是成功。但幾年以後，國外知名製藥公司默克公司（Merck）發展出「基因重組疫苗」，因為有些學者認為重組疫苗比較安全，要求政府改用重組疫苗。後續的追蹤研究發現臺灣因為疫苗的普遍施打，對於B型肝炎防治非常成功，大幅降低肝硬化及肝癌發生率和死亡率；但在生技產業上來說卻是失敗的，因為本土生產診斷試劑和疫苗的公司全倒了！

為什麼會倒呢？重要的原因就在於，產業的發展除了要有尖端研究外，產品開發的中間過程，包括動物模式、毒理學試驗、藥物動力學，以及之後的臨床一期、二期、三期試驗都是關鍵。但是臺灣在 2000 年之前，這些開發階段的工作，並沒有準備好。所以早期的生技類國家型計畫，就只能著重在上游的科學研究，例如找到分子標的，或頂多作到有希望的候選藥物而已。我們沒有鼓勵公、私部門將研發工作推進到臨床試驗階段，所以生技製藥計畫也好，基因體醫學計畫也好，大多數都是進行「創新發現（novel discovery）」，並沒有進入「藥物發展（drug development）」的階段！這也是為什麼在 2008 年，我們決定把基因體醫學跟生技製藥合併，變成「生技醫藥國家型計畫（National Research Program for Biopharmaceuticals, NRPB）」。

NRPB 的目標跟以往不同，著重於臨床應用潛力的開發。申請計畫的學者必須把目標放在開發出新產品，包括診斷試劑、疫苗或藥物。這中間有個重要的立法配套，就是在 2007 年所通過的「生技新藥產業發展條例」。我們要求計畫申請者，最起碼要把研發目標放在將產品推進到新藥開發的第二、第三階段才行。從那時起，有不少生技新藥研發公司開始成立。目前臺灣的生技產業雖然市值不錯，但產值仍有大幅努力的空間。目前的產值大多來自於學名藥、原料藥或是醫材，很少是新藥，所以臺灣的生技產業還算是在起步階段。

如何消彌學界與產業之間的落差，是新政府上任後的一大難題。圖／pixel

值得注意的是，臺灣目前的經濟已經進入對以效率為基礎的製造業不利的時代，我們在規劃政策的時候，會特別強調以創新為基礎的研發產業，應該培植成立的是生技醫藥創新研發中心，不是製造中心。

科：但當前的困難可能在於臺灣大多數學者並沒有實務經驗，不知從何著手？您認為該如何解決這個問題？

陳：我們在召開 NRPB 計畫說明會的時候，就跟學者們說清楚，藥物研發時程很長，是好幾棒的接力賽，我們歡迎從第一棒開始，從第二棒開始也歡迎，從第三棒開始更是歡迎。但是設定的研發方向時，必須預先規劃要向前推展二至三棒。如果只想做純科學的探索性研究，就不要申請國家型計畫，轉而申請其他的主題計畫。從 2011~2016 年到現在的 5 年推動期間，我認為最大的成就便是改變數百位臺灣學者的觀念！臺灣從事生命科學研究的科學家可能有數千人，我們已經讓數百位改變了研發的觀念，使他願意進入產品開發的嘗試。

觀念的改變很重要！在學生的教育過程中，也要想辦法培養學生的創業家精神，將創業精神融入訓練課程當中，使得將來從事研究的年輕人有新的思維與作風。政府當然應該鼓勵一些人去做很頂尖的純科學研究，但是不應該臺灣所有科學家都做純科學的研究，必須需要有適當的區隔。很尖端的研究，可以一次給足五年的經費，讓他專心探討原創而嶄新的科學課題；除此之外，也要鼓勵大家進行應用研究，改變研究的目標，思考將科學研究成果，進一步發展成生技關鍵技術或商品，來加速臺灣的生技產業發展。

以我自己的經驗來說，我以前做了很多 B 型肝炎的基礎流行病學研究，但在 2000 年就有人問我：「你這些流行病學研究，對人類健康維護有什麼貢獻？」我們的團隊就開始發展出 B 型肝炎患者的肝癌風險評估指標，利用一些病毒學與臨床學參數就可以推算病人未來產生肝癌的風險，這些指標也被採納於許多國際肝臟學會的 B 型肝炎臨床指引。我們把流行病學基礎研究的結果，變成臨床上的實用工具。我想傳達一個理念：「科學家要有智慧去追求新知，也要有慈悲去發展對人類福祉有益的貢獻或產品。」所以科學家可以在從事基礎研究時，多想想他的研究成果如何對人類帶來好處。許多重要的科學發現也許現在看不到應用層面，但未來的發展可能不可限量，所以很有創意的基礎研究絕對值得鼓勵。

基礎三成，應用七成

科：您認為基礎研究與產品導向研究的預算如何分配較恰當？

陳：基礎三成，應用七成。這裡的「基礎」指的是純科學的基礎生物學研究，而流行病學、農業跟醫學都應該算是應用研究。我希望對於純科學的研究，應該一次給予五年的經費，鼓勵探討一個全新的、艱深的、冷門的，甚至從來沒有人有勇氣去研究的難題；更不能要求執行一年就要有成果。我以前在當國科會副主委的時候，就推動過以「三年期計畫為原則、一年期計畫為例外」的補助方法。像中研院現在給年輕學者的探索研究時間是八年，八年沒有做出成果才請他走路。不要讓作純科學研究的學者，只追求「me-too study」以便多發表論文；我們要鼓勵的是困難、有風險、需要長期投入的開創性研究。

政府對於經費給予的眼光要更長遠，才能鼓勵科學家做出有挑戰性的研究。

科：大家認為臺灣生技產業會興起，所以相關系所陸續成立。但生技公司能收納的就業人口其實不多，在人才供需上可能失調，您覺得該如何處理？

陳：最近一家生技公司的總經理告訴我，他們要徵聘 250 個博士等級的人才。但是他發現臺灣的畢業生有能力進入該公司的人並不多，因為大多數都沒有產業經驗。

生科系畢業生的所學無法在產業界立即可用，就應該鼓勵就學期間的產學合作，讓學生一面在校修課，一面在業界實習。我 37 歲到了哥倫比亞大學做分子流行病學研究，需要用到冷凍切片，以進行致癌物大分子鍵結物的組織染色，因為 20 歲時我在動物系學過冷凍切片，那時跟我合作的病理學教授很好奇地說：「哇！我從來沒看過流行病學家可以做這麼好的切片。」所學與所用未必即時銜接，很多基礎課程也是很必要的。但是政府可以幫助及早開始吸收產業經驗。例如，新科博士若想進入生技產業，政府可以給好的廠商博士後研究員的名額。國家出錢的博士後研究員不一定只能留在學校或官方的研究機構。如果每年有幾百位政府出資培育的博士後研究員進入產業，學術與實務的經驗落差就可以快速彌補起來了。

教學跟產業的連結甚至可以更早進行。我最近在加州大學洛杉磯分校（UCLA） 看到的案例，學校一棟五層樓的建築，一到四樓是老師的實驗室，五樓是新創公司！因為公司就在樓上，所以學生在學期間就可以進入產業，產學之間有了更密切的連結。要這樣做，得先破除「圖利廠商」的迷思。很多官員都害怕被控圖利廠商，但實際上政府應該協助廠商的發展，以促進經濟發展、擴大就業機會。我常開玩笑說：「科技部是最大的圖利廠商者。」科技部主管的竹科、中科、南科，把科學園區的土地、道路、水電、廢棄物處理等基礎建設都整備完善了，就讓臺積電、友達等高科技廠商進駐發展。每年幫助了產值高達兩兆的廠商！這是富國利民的作為，因為科技部從來都沒有意圖要圖利「特定」廠商。

勇於投資，失敗為成功之母

科：這個公司在實驗室樓上的例子，臺灣可能推動嗎？

陳：如果有很好的創新產品，為什麼不可以呢！那層樓不是學校免費給予的，而是由該新創公司付費，就像將來南港國家生技研究園區建好以後，在園區內的育成中心就會有數十家新創公司進駐，這些公司跟中研院、臺北市各研究大學和醫學中心的研究單位都是距離很近，可以自然形成一個生技聚落。

新藥研發需時很長，如何讓業界願意先期投入，也是發展新藥很重要的關鍵。臺灣通常都等到臨床一期、二期以後，才有廠商願意承接新藥的開發。我們應該鼓勵廠商更勇敢些，去投資開發只在動物實驗成功，甚至才剛發現「標的分子」的新藥物。生技研發業跟製造業不同，不是廠房蓋好生產線一開始就能賺錢。新藥研發是一個高投資、高風險，但也是高報酬率的產業，雖然一家研發公司的新藥有九成的機率在三年之後會失敗，但如果投資了十種新藥，只要有一種新藥成功的話，所有投資的金額可能不到一年就可以全賺回了！這是和製造業不同的的投資思維，生技產業是燒錢的產業，燒錢的主因是研發容易失敗。但是所有創新研發產業，一定要容許失敗，才會成功。

藥品試驗的投資，十次可能只有一次會成功，但只要一次成功或許就可以彌補所有虧損了。

不要說民間投資者，政府本身對失敗的容忍度也很少，因為一旦補助計畫失敗了，官員就擔心會被人冠上給特定對象好處的「圖利他人」罪名。有位學者國內出身的美國新藥公司董事長告訴我，他的新藥研發計畫在臺灣申請不到任何補助，因為官員擔心風險太高。但是以色列政府卻給他150萬美金補助，即便五年後研發失敗也沒關係，以色列政府就是著眼在成功後的高產值，以及從失敗中可以得到的知識和經驗，繼續改良研發新的藥物。為什麼以色列政府敢，我們的政府不敢？關鍵就在於經濟部若把5000萬臺幣的科專經費給了這位科學家，要是研發失敗了，就會被砲轟利益輸送。

科：新政府敢容忍研究者的失敗嗎？

陳：這就是我們要改變的，一定要學習在失敗中找到新出路。以標靶藥物的治療為例，以前治療肺腺癌標靶藥物的臨床試驗之整體結果是無效的，但對於癌細胞有 EGFR 突變的病人，這藥的治療效果很好，但是對於沒有 EGFR 突變的肺癌就完全無效。這新藥失敗了嗎？整體的臨床試驗雖然失敗了，但這個藥還是得到美國的藥物許可證而上市了，專門提供給有 EGFR 突變的肺癌病人使用。我一直相信科學是在不斷的失敗中得到成功的。

以政策鼓勵疫苗研發

科：像登革熱、腸病毒，這些每年在臺灣都會上演的戲碼，防治上我們也失敗了很多年。就您的看法，我們有沒有可能終止這些每年循環的戲碼？

陳：有可能啊！去年《刺絡針》（Lancet）期刊已發表了登革熱疫苗的論文，只是目前的效力大概只有六成，和目前常用疫苗的九成以上的保護力相較仍有差距。臺灣現階段應不應該全面接種疫苗呢？我認為還要評估這個疫苗在臺灣的有效性和成本效益，因為臺灣登革熱有四型，必需有本土的臨床試驗才能有效評估可行性。

在疫苗可以普遍接種之前，防治登革熱最重要的是病媒蚊的控制，這屬於公共衛生的層次。我以前在衛生署的時候，病媒蚊的控制需要農委會、環保署加衛生署三個單位，一起鼓勵民眾配合做好孳生源清除。那時設有聯繫會報的溝通機制，這種作業方式是有效率的。公共衛生，特別是傳染病防治的工作一定要跨部會，SARS 的防治也是一樣，當時二十幾個部會通通由防疫指揮中心來統籌指揮，政府展現出很強大的執行力。但病媒蚊管控只是目前防治登革熱的做法，盼望臺灣未來在疫苗的研發上能夠順利成功，因為這是最好的防治方法。

每年暑假席捲南台的登革熱，是否也能有完全被根絕的一天？圖／wikipedia

科：但是像腸病毒這種沒有病媒蚊的疾病該怎麼辦？

陳：最好的對策是發展疫苗，在有效疫苗問世前，避免感染和早期發現是可行的方法。目前大陸已有疫苗上市，臺灣的71型腸病毒疫苗也在發展中。為了扶植本國生醫產業，很多國家像日本、韓國，在健保給付藥物或疫苗時，都是以國產藥物為優先。生技產業界常見的抱怨是健保署核定的新藥價格，跟國外售價差了一大截。國內一家新藥公司發展出的新抗生素，健保局核定的價格只有 50~60 元臺幣，但在國外卻可以賣到 400 元，最後逼得這個新藥無法在臺灣上市。

我國如果能夠像日、韓一樣立法規範國內研發製造的產品，在品質如等同於外來藥物的條件下，應該優先採用。如果臺灣的法律規定，國產的藥物應該要回饋母國的研究補助，必須要給國人優惠的價格，這樣一來，臺灣廠商就可以對外國客戶說，在臺灣賣得比較便宜是因為法律規定的要求！澳洲的青少年接種人類乳突病毒疫苗的價錢，就是用低於國外的價格由澳洲廠商提供。

合理的健保資源分配

科：健保雖然造福很多人，但包括醫界與藥界對健保卻有非常多的反彈，請教您對健保的看法。

陳：我並不滿意臺灣的健保現狀，在很多方面都有待加強，如轉診制度。我們沒做好分級轉診，使得醫學中心門診量很大，基層醫療卻衰微的現象。在臺灣，教育跟醫療都屬於非營利事業，不應該用來獲利，很多國外的醫療機構都是慈善機構或教會捐助成立的，他們沒有要從醫院獲利。因此醫院的盈餘應該用在兩方面，一是提高醫護人員的服務素質與工作品質，第二則是用來充實醫療儀器設備，保持最佳的服務狀況。

科：這些的確是民怨所在之處，新政府有什麼具體的做法來處理嗎？

陳：健保確實需要深入檢討、逐步改進，但不宜在短時間內做大幅度變動。目前可以先用試辦的方式測試新方案，例如，新北市就以金山醫院為中心，整合當地的醫護人員，建立了社區健康照護中心，提供妥善而有效的基層照護服務，成效相當良好。未來可以擴大讓各地區的衛生所，轉變成社區健康照護中心，推動所謂的「健康社區」之基層保健、醫藥服務。我們的全民健保應該是健康保險，而不只是醫療保險。我們要繳費買健康，又不是繳費買醫療。至少有一部分健保的保費應該用來促進健康及預防疾病，避免生病甚至惡化以後，再花費更多醫療資源。

偏鄉醫療的解決之道

科：關於社區這一塊，在臺東、屏東等偏鄉地區，遇到的困境是醫師嚴重不足，醫療資源匱乏，該如何解決？

陳：這是可以解決的。無醫的偏鄉，可以給付合宜的偏鄉醫護獎勵金，讓醫護人員願意下鄉服務。或是邀請熱心的醫師進行輪流巡迴支援醫療。例如，以前阿里山沒有醫生，衛生署就請嘉義聖馬爾定醫院的醫生，每星期輪流一人住在山上，其他三個星期可以下山回家。有些偏鄉不一定非要有醫師固定駐診，這些小型社區需要有臨床經驗的護理人員。她可能是社區的一份子，可以處理一般的健康問題，無能力處理也會知道如何請求支援。我們常常說護理人員不夠，但真實狀況是很多護理人員當了媽媽以後，就無法全時任職。很多長青中心、老人關懷據點的志工都是護理師，一次可以提供 3~4 小時的服務，這就是很好的資源。讓在地的護理人員配合巡迴醫師，是目前最可能辦到的解決方法。

此外，現在的離島與偏鄉，也有自己的公費醫師養成計畫，甄試在地功課較好又有意願留鄉服務的年輕人到醫學院就讀，畢業之後返鄉服務。政府有很多積極的政策工具，但卻太保守。只要不是圖利特定對象，民意是會支持給偏遠地區的醫師比較高的薪資待遇。

將來會漲健保費嗎？

健保的調漲與否，一到選前往往變成熱門話題。圖／wikipedia

科：未來新政府敢推動健保漲價嗎？

陳：臺灣健保費佔 GDP 的比例，是所有經濟合作暨發展組織（OECD）國家中偏低的，在 2004 年的一個審議式公民會議中，深入討論到健保要不要漲價時，二十位跟健保沒有業務關係、也沒有利益衝突的公民，參加了四週的課程，在清楚了解健保的狀況，充分討論健保收支資訊後，他們達成的結論是：如果健保能夠撙節不必要的支持黑洞，繼續維持不斷進步的醫療服務，應該可以合理調整保費。這是審議式公民會議的結論，不是民粹的說詞。健保費用不應該每次都是討價還價的調整，最好是經過審議式公民會議來好好討論。漲價與否，也應該要按照 GDP 的成長、物價的指數等作通盤考量。我們會往建立合理的費率公式去做努力。健保費率的公式，會涵蓋人事、藥物、檢驗、住院及手術等成本，以更仔細的方式去精算費率，不要讓費率變成政治上討價還價的議題。

重新重視技職教育

科：因為少子化所引起的一連串教育危機，包括大學過多的問題，該怎麼解決？

陳：十二年國教一定要實施。十二年國教是以學生為主體，而不是以老師為主體的教育。我們要訓練學生的是，能不能解決問題、懂不懂得生活，會不會關心別人，具不具備研發創新的能力，這些東西是十二年國教該給學生的，而不是去訓練只會考試的學生。在高中階段，則應該按照學生的性向分流。不是每個高中生就一定得進大學，而是可以按照性向、專長、興趣等方面，選擇先進入職場，等到有工作需要時再繼續進修。重要的是，技職院校該教授的課程、實習的內容，必須考慮職場的需要。這也牽涉到技職院校老師的聘任與升等標準，是不是一定都要發表學術論文？一位米其林三星餐廳的廚師，能不能是餐旅大學的講師或助理教授？技職院校的發展沒有解決，臺灣的國教和高教的問題就很難解決！

科：臺灣的技職教育以前的主體是五專，但現在幾乎不存在了？

陳：現在還有四十餘所專科學校，不過較具特色的，大部分是醫護專科學校。這裡有個值得深思的問題，為什麼只是醫護專校有特色呢？臺灣也可以擁有很多汽車修護、餐飲旅遊、各類服務業的特色專校啊！

我姐夫從內思高工畢業後，不斷進修、工作，然後拿到博士學位，後來回去母校當校長。那時他才發現，現在學生學習到的內容比他以前所學的更有差距！以前內思高工的老師，很多是專精實在的工業師傅，現在的老師雖有博士學位，但是不會實際操作，學生學習一堆學理之後，還是不會有用的實作。

科：這種技職體系內實務能力的消失，是大家憂心的，就像最近臺科大要跟政大合併，連技職的龍頭學校都要變成普通大學，這種趨勢要怎麼辦？

陳：我也憂心忡忡！有一位我很敬佩長輩的小孩，唸的是餐飲學校，雖然只是高工畢業卻成為米其林二星廚師，相當有名氣。我還認識兩位唸復興美工的青年朋友，他們的父母都是大學教授，但是這兩位「走自己路」的年輕人，一位成了動畫界的佼佼者，另一位是承攬米蘭手繪襯衫的藝術家。我們應該要讓年輕人有更多發展的空間，讓年輕人知道不一定要得博士、當教授。

若思維不改，父母一昧將小孩擠進高教窄門，在技職教育無法抬頭的情況下，許多孩子的天賦將會被浪費掉。圖／flickr

技職教育很重要的是，學生一入學的時候，就要讓他知道，來這裡並不是要去考碩士班、博士班，從事高深的學術研究；而是要成為一位很優秀的專業技術人員。現在臺灣的廠商不是出不了較高的薪資，而是技職畢業生的技術沒有好到值得付給高薪。技職院校的校長應常拜訪工廠，瞭解各工廠需要什麼樣的工人，邀請工廠的師傅去學校當老師，一個禮拜教兩節或三節課？技職學校應該與地區特色整合在一起，配合社區特色、文化、產業，營造出獨特的技職院校。

我不主張強迫大學合併。應該先讓每所大學定位自己的角色，然後確實往設定的特色去努力，鼓勵這個學校的自我發展，學校評鑑也應該因校而異。政府的經費應該以補助願意轉型、願意發展特色、願意把品質做好的技職院校為優先。

到產業界找師資

科：雖然希望有實務經驗的師資，但現在的教育體系已經很難培養出這樣的師資，這要如何解決？

陳：到產業界找師資。產業界的專業人員，學校應給予尊重和禮遇，邀請他們擔任兼任老師。注重應該他們的專業技能，而不看他們的學位和論文。如果高工三年中，前兩年在學校就從這些業師身上學到基本功，第三年到工廠實習時，業師在高工已教過他們，就會很樂意讓學生來實習。這樣的實習不是去參觀，也不是去做苦勞，而能真正學習到技術。

許多觀念跟制度都必須改變，技職院校的評鑑標準一定要跟普通大學不一樣，要從應用實務的觀點著手，請業界委原來評鑑，不一定要找中研院院士或名教授作評鑑委員，而且評鑑的內容與標準要按學校特色而異。不適合用一套辦法加諸於所有院校。教師聘用與升等的辦法，也應該因校制宜。不是所有大學都要鼓勵發表高影響力的期刊論文，這是頂尖大學和中央研究院才需要的。如果沒有把學生培育成有能力的公共衛生工作者，而只會發表Impact Factor(期刊影響係數)高的論文，也不算是成功的老師！因為公衛系老師的任務不是發表高影響力的論文，更重要的，他應該讓學生了解公共衛生的實務，將來學生畢業後進入公衛體系，才有能力改善臺灣。

該退場的大學就退場

科：但現狀是學生人數無法維持 168 所大專院校，這要如何解決？

陳：如果有心要革新重整學校，不論是併校或退場，都應該讓學校按其特色去自行決定。該退場的就退場，但是退場前應考慮現有師生的權益。退場的重點有兩部分：第一是老師的就業保障，讓老師自己決定轉校或離職，學校一定要做好法律上規定遣散該有的所有補償。第二是學生的受教權，是最困難也最重要的，需要周延的提供學生選擇進入其他學校的機會。大學院校退場是很大的挑戰，也是政府要承擔的責任。

科：您認為大學數量要減到什麼程度才算合理？

陳：我沒有一定的數字。我以前問過法國高等教育與研究部的部長：法國有幾所培育廚師、服裝設計師等的學校？他大笑說在法國，我們教育部從來不管餐飲、美容、演藝等學校，教育部沒有人懂得這些具有文化或藝術的培育課程，這些學校有自己的協會組織和設置評鑑標準，他們有自己的專業評斷和師資評鑑。我們讓專業歸專業，減少政府的過度管制和局限。

所以，每個行業的專業受到教育主管機構的尊重，才是最重要的！很可惜的，在臺灣的大專院學為了升格，就要拼湊學院。為什麼一個餐飲大學，不可以只有餐飲學院？一個藝術大學，為什麼不可以只有藝術學院？做一套制服給所有大學院校來穿，是值得檢討的未來四年能改變多少？

科：未來四年能改變多少？

陳：現階段我無法預測，但我們會努力往這個方向努力。最重要的還是全民都能尊重專業，讓各行各業的人士，都受到社會的重視和尊敬。如果專業學會所核發的證書，比大學頒發的文憑還要來得被社會認可，臺灣就成功了。如果沒辦法達到專業的尊重，我們就沒有辦法打破學位主義。中央研究院就嘗試要打破學位主義的枷鎖，在中研院博士級的薪水不一定比碩士級還高。各大學是否也能做得到?如果一位學士級老師很會教學，是不是可以比博士級的老師薪水還高呢？

科： 但這是現在法律的規定。

陳：是的，相關的法律和規定都是可以與時俱進啊！中央研究院就改了，學士級的專業技師的薪水也可以比博士級的研究人員高。重點就在於主事者有多少膽識。我們要看的是一個人的能力和經驗，不是看他的學位。臺灣教育很大的病源在於學位導向，而非能力導向；還有另一個病源是追求明星學校，沒有讓孩子有全人的自由發展。每一個人的天賦都不一樣，有人適合當運動家，有人適合當藝術家，也有人適合當美髮設計師，這些都是社會需要的好職業，都需要好的專業能力。我反對明星學校的設置，尤其是以考試為唯一徵選標準的明星學校！明星學生，也應該想辦法給具有特殊天賦的學生特別的教育。如果學生的天賦優秀到需要更好的專門學習環境，例如音樂天賦，那就可以進入音樂班或音樂學院。

不能說學生考試進入第一志願的學校，就叫做明星學校。十二年國教不能為了明星學校的存在而破局。我自己是建中人，建中不少優秀的同學沒有看到社會上有很多念書考試比我們差，可是在其他方面卻比我們好的人。我認為公家辦的學校，就是要讓社區裡各式各樣的年輕人有機會一起相處，讓他們知道不管考試成績好不好，大家都可以在一起變成朋友。更不是因為成績好，就可以高高在上，傲視別人。

高中社區化才是良策

科：政府會用政策解決明星高中嗎？

陳：我們不是要解決明星高中，而是要高中社區化。社區高中可以按社區居民的特性發展自己的學校特色。改革的過程一定要先溝通，取得社會共識！高中要社區化，十二年國教才能正常化。十二年國教正常化這個議題，現在民眾聽到的都是少數人在媒體上發聲。我覺得要更廣泛的溝通和瞭解，例如做民調，好好詢問家長的看法是必要的。

高中社區化，將是未來政策推動的一大目標。圖／Tzuhsun@flickr

但重要的問題是，什麼樣的國民教育才是臺灣的孩子應該享有的？體育課的缺少或改來作考試課程之講授，因而造成學生體力、視力的衰退，是合理的嗎？在國民教育中，除了智育而外，體育、美育、群育、德育的修習不是更重要嗎？我們是否能教給孩子們獨立思考、解決問題、自主生活、保護生態、尊重生命、服務奉獻的能力呢？作為家長和老師的我們，能夠尊重孩子，鼓勵他們尋找自我的道路嗎？我兩個女兒都很有主見，大女兒從事安寧療護，去照顧垂死和哀傷的病人和家屬；二女兒學習人道救援，去照顧八個被家暴的少女。雖然她們沒有像我期望的得到博士學位，但她們可以發揮自己所長，找到奉獻自己的場域，讓作為父親的我更覺得喜樂！

提升公部門效能的大挑戰

科：最後請教您的是，前面提到的許多問題，大部分是政府效能的問題。在您進入新政府之後，怎麼樣去激勵公務員跟上時代潮流，更願意創新？

陳：要帶動公務員，有兩個重點：一是有合適的法規，讓公務員視服務為己任，努力為民謀福利。圖利罪使得公務員畏首畏尾，不敢為民服務，而是在「管理」人民。防弊重於與利的風氣，使得公務員被形容成酷吏。譬如說，醫藥品查驗中心（CDE）人力不夠，那我們就修改藥事法和CDE設置條例，讓CDE變成公法人，充實其人力和提高效率。第二，當然就是長官的企圖心以及合作協調的能力。公部門最不容易做的，往往是需要跨部會協調的工作，所以跨部會的協調，就是展現政府執行力的時機。很好的合作協調再加上很好的法規機制，就可以做很多創新的事情。

最後我想講的一句話就是，教宗方濟各所說的：「真正的權力，就是服務」。今天的政務官，是要去服務人民，而不是以權力來享受榮華富貴。

本文選自《科學月刊》2016 年 4 月號

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文／林日璇｜政治大學傳播學院副教授，美國密西根州立大學媒體與資訊博士。專長為媒體心理學，研究數位遊戲及社群媒體。研究刊登於 Journal of Communication、Media Psychology 等傳播頂尖期刊。

無論是個人或團隊合作，線上遊戲多半需要大量與他人互動，如社交型遊戲需要請朋友給你「生命、票卡」幫助你過關；對戰型遊戲隨機與線上玩家配對進行競爭；而像是魔獸世界這樣的大型多人線上遊戲（Massive multiplayer online role-playing game, MMORPG）或像是英雄聯盟（League of Legends）這類多人線上競技場遊戲（multiplayer online battle arena, MOBA）需要組隊對戰，其中的團隊合作及協調是線上團隊對戰重要的一環。要當個理性又有效率的領導，需要有很好的溝通技巧及團隊協調能力，因此美國甚至有公司視曾擔任 MMORPG 的「公會會長」為工作徵聘重要考量之一。

魔獸世界是其中一款熱門的大型多人線上遊戲。圖／取自官方網站截圖

若每天花 1~2 小時玩手機或線上遊戲，累積下來，一週在線上與他人互動的時間是相當多的。今（2016）年 3 月，Nature 對英雄聯盟首席設計師林侑霆的專訪中指出，如今不再區分現實世界或虛擬世界，遊戲中的人際互動，如何能儘量保持在正向的團隊合作，而避免惡毒的負面謾罵，是遊戲、家長及社會大眾都致力的目標。

玩家的情緒

圖／pixabay, CC0

遊戲玩家的情緒一直是傳播及心理學中針對遊戲研究的重點，尤其是以玩遊戲後的敵對感、侵略性想法及行為的主題，佔了遊戲研究中非常高的比例。

為什麼玩遊戲會生氣，或從互相嘲笑演變成失控的謾罵及惡毒指謫呢？這可以從好幾個面向來探討。首先，對戰型遊戲的主旨就是兩方競爭同一個目標，通常是將敵營的堡壘殲滅，像是英雄聯盟、部落衝突（Clash of Clans）及銀河特攻隊（Line rangers）這些遊戲。因此，玩家的目標就是帶著自己養成已久的「兵」去攻擊對方。「成功」的定義就是守護自己的塔並順利擊敗對方的塔。但對戰總是「阻礙」連連，因為對方的寵物可能比較強、好不容易攻到城下卻被反攻、或是一個不留神破口被攻破，轉眼間城就被滅了。

研究證實，「沮喪」是導致遊戲後敵意或生氣的重要因素之一。往遊戲目標前進途中遇到的阻礙越多，沮喪程度越高，也越容易引起負面情緒。若在快要成功時，被對方反攻，或是隊友搞不清楚狀況，還有最常見的網路斷線或速度太慢時，玩家就會容易失控開始指謫團隊中或設備的缺失。另外，一直輸也會累積沮喪的程度，造成玩家失控的導火線。

對戰的興奮擴張了失控的負面情緒

那為何在遊戲中這麼容易失控呢？明明一個人平常都隨和開朗，玩對戰遊戲時，像是變了一個人？第一，對戰中是非常緊張的，玩家的注意力跟認知全集中於分析戰況，並即時回應對方的攻擊。而這樣的緊繃與全神貫注，會讓身體及心理都處於激動（arousal）高漲的情況。若是輸了對戰，或是過程中持續受到阻礙（像是隊友出包及對方偷襲），根據興奮移轉理論（excitation transfer theory），原先對戰的緊繃程度，會移轉到後續的情緒，而讓負面情緒更加擴增。

第二，遊戲中的暴力成分會加劇這樣的負面情緒或是高漲的緊繃感嗎？原先已經很緊繃的喚醒生理程度，加上持續消費及吸收的暴力內容，對於玩家短期的侵略性認知想法等，有更強的影響。然而，近年來也有研究指出，是遊戲的競爭性導致玩家後續的侵略性行為；而遊戲的暴力與非暴力內容，對於玩家的後續情緒沒有顯著的影響。

電腦中介傳播中的匿名性

那為何失控時，常出現針對種族或性別等謾罵的內容呢？電腦中介傳播（computer-mediated communication）的匿名性或半匿名性，讓玩家僅能以稀少的線索對隊友或是對方進行印象判斷。人際互動中，對他人的印象形成扮演引導我們如何與他人互動的重要依據，也因此在線上遊戲中，性別跟種族常常成為謾罵的主題及內容，因為僅能在網路上依據對方口音或是暱稱來判斷對方的背景。尤其在英雄聯盟裡團隊溝通的情況中，文法或口音就常透露出玩家背景及國籍。

人格特質及自我控制

圖／By Benjamín Núñez González – Own work, CC BY-SA 4.0, wikimedia commons.

那為什麼有些人不受遊戲輸贏影響？這跟每個人的人格特質有關，可以分為兩層面來分析。第一，是個人的競爭性強弱，有些人非常認真看待輸贏，而有些人不喜歡跟人競爭。通常會喜歡玩競爭型遊戲的玩家，多半具有競爭性人格，或尋求擊敗對方以滿足成就感。第二，每個人的自我控制可分為人格特質層面及遊戲情境層面，當前述種種因素累積起來，又輸了一場遊戲，自我控制特質低的人，就容易失控謾罵。

許多研究針對自我控制這個特質，設計不同的提醒，測試對於玩家自我控制的幫助及影響。2010 年，霍金斯（Wirth-Hawkins）研究發現，對於自我控制特質高的玩家，在經歷負面內在狀態時，能夠控制自我侵略性行為及意圖；而自我控制特質低的玩家，加強其進行遊戲時的自我控制狀態（state self-control）則可以減緩後續侵略性認知及意圖。

本期 Nature 刊出的研究中，正向鼓勵合作或是負向鼓勵減少謾罵去影響玩家的謾罵情況，其實可以視為許多理論中的趨近或迴避行為。如同此研究指出，正向鼓勵合作對於玩家的正向社會互動認知更有幫助。而運用對於顏色的認知，紅色及藍色的影響更為顯著。這些是理論中運用啟動（priming）機制，提升玩家的自我控制，並提醒玩家團隊合作重要性。

此外，當遊戲向玩家發出警告時，有明確指出其不良舉動的判決卡，比缺乏直接舉證的警告來得更有效。這也是以虛擬治理（virtual governance）的方式，戳破玩家對於網路半匿名性的泡泡，對於自我行為有更高的自覺及責任感。

能夠直接在遊戲中做這樣的測試，對於學者來說，是件令人羨慕的事情。一些美國學者在業界擔任顧問，與許多知名遊戲合作，改善玩家之間的互動關係，也是目前流行的研究方式。但也有些遊戲，提供玩家能嘲笑或挑釁對方的表情及語言選項，以反向方式，讓不服氣輸了的玩家「失控」繼續玩下一場，增加遊戲黏著度。遇到這樣的遊戲，還真是考驗個人的自我控制呢！

〈本文選自《科學月刊》2016年6月號〉

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文／李岳倫｜國家衛生研究院癌症研究所副研究員，研究領域為腫瘤微環境與癌症逆境生理之交互作用，特別是粒線體逆境與癌症。

圖／By Blausen gallery 2014, CC BY 3.0, wikimedia commons.

根據內共生演化理論，粒線體（mitochondrion）是原始真核細胞（eukarya）為適應有氧環境與細菌所共同演化出來的胞器，藉由粒線體將環境中的氧、養分轉換成細胞生存所需的能量，也就是說粒線體是細胞的發電廠、能量工廠，許多重要的生化反應以及電子傳遞鏈（electron transport chain）與氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）皆發生於此。除此之外，粒線體也參與調節細胞凋亡（apoptosis）、細胞壞死（necrosis)、細胞自噬 （autophagy）等功能，並且與活性氧自由基（Reactive Oxygen Species, ROS） 及鈣離子濃度調節有關，與決定細胞生死的衡定息息相關，因此粒線體是真核細胞生存所必需的胞器。

不過，最近國內外科學媒體都用斗大的標題報導有學者發現了沒有線粒體的真核生物，表面上看起來好像是個極罕見的科學發現。但嚴格來說，實際上應是對真核生物的起源定義與環境因素對演化驅動的重新認識，這故事要從粒線體與真核生物在演化上的關係說起。

真核生物一定有粒線體？

普通生物學告訴我們真核生物的定義是細胞中具有「細胞核」的生物，包括所有單細胞或多細胞的生物個體。基本上真核生物的特徵是圍繞著細胞核的功能與行為， 再加上擁有內質網、高基氏體、溶酶體、液泡等胞器， 看到這裡，也許你已發現是不是遺漏了粒線體？沒錯！ 所有真核生物都有雙層膜的粒線體嗎？答案是否定的， 例如古蟲界（Excavata）後滴門（Metamonada） 的一些單細胞原始真核微生物就沒有顯著雙層膜結構的粒線體，應該說這些真核微生物「曾經」擁有過粒線體， 透過牠們的基因組裡發現有粒線體基因的存在遺跡。

古蟲界後滴門中的蘭氏賈第鞭毛蟲（Giardia lamblia）。圖／USCDC, Janice Haney Carr, CC0, wikimedia commons.

真核生物的分類目前仍有很大的不確定性。從早期傳統的分類法，將真核生物分為動物界（Animalia）、植物界（Plantae）、真菌界（Fungi）、變形蟲界（Amoebozoa）與古蟲界（Excavata），到後來把真核生物分為單鞭毛生物（動物界與真菌界）與雙鞭毛生物（古蟲界與植物界），但仍有許多沒有共識的爭議。古蟲界是單細胞真核生物的一個大界，包含了許多自由生存或共生的原生生物以及一些重要的人體寄生蟲。命名為「古蟲」，是因為在真核生物的系統演化樹的底層， 與細菌、古細菌（Archeae）等關係較近。

無粒線體原生生物

古蟲界的物種缺乏典型的雙層膜粒線體，被稱作「無粒線體原生生物（amitochondriate）」，雖然大多數包含了功能上近似於粒線體的胞器。根據真核生物的起源理論，原始真核生物由細菌原核生物演化而來，期間可能經過古細菌的過渡期，其祖先很可能是一種巨大的原核生物，體內具有膜內褶的內膜系統和原始的微纖維維繫細胞骨架，能夠進行變形運動和吞噬，內膜系統中一部分包圍了染色質，於是就形成了最原始的細胞核。其他部分的內膜系統則分別發展為高基氏體、溶酶體等胞器。

內共生理論

按照美國學者馬古利斯（Lynn Margulis）提出的《內共生理論》（Endosymbiotic Theory），粒線體起源於胞內共生能進行氧化磷酸化的細菌。在約20 億年前， 利用吞噬作用進入胞內，形成現代真核細胞。當然，也有些單細胞真核生物因為不需要，在演化過程中丟棄了粒線體。英國牛津大學史密斯（Tom Cavalier Smith） 教授在 1983 年提出的古原蟲（Archezoa）假說，認為在吞入粒線體前的一群原始單細胞真核生物是不具粒線體胞器的。

早先的觀察也的確符合他的假說，不只缺少粒線體， 也缺乏大部分的完整胞器，但隨著鑑定技術愈來愈進步，大部分歸類在古原蟲的單細胞真核生物都慢慢被發現有似雙層膜胞器的結構，而原來屬於古原蟲的後滴門，雖然真的沒有顯著雙層膜結構的粒線體，不過隨著基因定序技術愈來愈精確，也被發現有粒線體基因遺留在細胞核的基因組中，包含多鞭毛蟲綱（Fornicata）的賈第鞭毛蟲（Giardia intestinalis） 與旋核六鞭毛蟲（Spironucleus salmonicida）、副基體綱（Parabasalia） 的陰道滴蟲（Trichomonas vaginalis）等。換句話說，整個古原蟲根本不存在，牠的成員即使沒有顯著雙層膜結構的粒線體，也有類似粒線體膜結構或者是殘留某些粒線體蛋白質功能，又或者是殘留某些粒線體基因在細胞核的基因組中。應該說這些真核微生物「曾經」擁有過粒線體，但因環境因素丟棄了粒線體。

真核生物非粒線體不可？

2016 年 5 月在《現代生物學》（Current Biology） 期刊刊登來自捷克布拉格查理大學（Charles University in Prague） 的意外發現。研究團隊針對一種來自絨鼠（chinchilla） 腸道、屬於前古原蟲類的單細胞真核生物做基因序列分析，發現牠屬於後滴門銳滴蟲（Oxymonad） 的「類單鞭滴蟲屬（Monocercomonoides）」，不僅沒有雙層膜結構的粒線體，也沒有任何粒線體基因的遺跡。進一步研究後發現，這種單細胞生物亦不具有任何粒線體正常運作必需的蛋白質，只是透過附近細菌的基因轉移獲得硫固定系統酵素來獲得能量，此舉徹底將粒線體基因丟棄。

就是從這麼可愛的絨鼠腸道中，找到不具有粒線體的真核生物。圖／By Thirteen squared – Own work, Public Domain, wikimedia commons.

類單鞭滴蟲屬（Monocercomonoides）生物，就是這次研究發現完全沒有粒線體，以及類似結構的真核生物。圖／Kanijoman＠flickr

這個發現的重要性在於得知真核細胞可以在沒有粒線體的情況下，也可以生存下去，不過請別忘記，這種單細胞真核生物是生存在絨鼠的腸道中，腸道環境含氧量低、養分充足，不需要粒線體來提供能量，使細胞對線粒體的依賴大大減低。雖然如此，「類單鞭滴蟲屬」單細胞真核生物在演化上仍不是屬於一開始就缺粒線體的原始物種，只因有來自細菌的外援，便將粒線體丟得一乾二淨罷了。不過此發現仍提供粒線體是藉由細菌進入真核細胞共同生存演化的一個有力證據及環境因子對生物演化的著力痕跡。

〈本文選自《科學月刊》2016 年 7 月號〉

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文／何翰蓁｜慈濟大學醫學系解剖學科副教授。熱愛形態學，以研究精子細胞內各胞器變化開啟研究生涯，目前觀察對象小至細菌，大至人體。著有《我的十堂大體解剖課》。

1970 年， 柳町隆造（Ryuzo yanagimachi） 在交配後母倉鼠（hamster） 的輸卵管中， 發現精子表現出一種極度激烈活潑的游泳方式，一種具有大振幅、不對稱的鞭毛擺動的運動方式，並將之命名為超活化運動（hyperactivated motility），此發現就此開啟了近半世紀相關領域的研究。

精子的「超活化運動」

為什麼會命名為超活化運動呢？原來睪丸製造的精子，雖然具有典型的蝌蚪狀形態，但此時精子並不具有游動的能力，即便是儲存在副睪中逐漸成熟的精子，大部分也不具有游動能力，直到經由射精進入雌性生殖管道或被置於適當的培養液中，精子才會像開關被啟動一樣，表現出所謂的活化運動（activated motility）：一種小振幅且對稱的鞭毛擺動，造成精子以直線軌跡前進。

活化運動（左）與超活化運動（右）精子在低黏性環境中的移動模式。圖／Calcium Channels in the Development, Maturation, and Function of Spermatozoa

剛開始，表現超活化運動的精子並不被看好，因為夾在載玻片與蓋玻片中的精子，那不對稱的鞭毛擺動讓他們只在原地打轉，看起來那裡都去不了，不似表現出活化運動的精子，像是有目標的前進。然而，逐漸累積的研究結果顯示，雌性生殖管道和玻片中的環境完全不同，在充滿黏液、阻力較大的輸卵管中，表現活化運動的精子會被黏液困住，反而是表現出超活化運動的精子，藉由大振幅不對稱的鞭毛擺動，反而能在黏稠的環境中有效向卵子方向移動，且這種運動方式有助於精子穿過卵子外圍的卵丘細胞（cumulus cells）及透明帶（zona pellucida）等，均暗示其具有使卵子受精的優勢。

超活化運動的精子能有效在黏性較大的輸卵管中移動，並且有效穿過卵子外圍的卵丘細胞與透明帶。圖／Calcium Channels in the Development, Maturation, and Function of Spermatozoa

於是，不論是為了提高受孕率，或是開發新的避孕藥，投入精子運動模式調控相關研究的人越來越多。不同實驗室採用不同的實驗動物，發現多種哺乳動物的精子都會在受精前表現出這類特別的運動方式，也了解該運動是受到鈣離子的調控。

由於小白鼠是模式生物，且已有多種基因剔除小鼠出現精子運動缺陷或雄性不孕等現象，因此越來越多研究採用小白鼠精子來探討運動調控機制。因為小白鼠較小，不容易像豬或牛等大動物，可以利用人工陰道採集射精後的精子（ejaculated sperm）進行實驗；且早期以電刺激方式使小白鼠射精而採集到的精子，品質不佳、死亡率高，因此絕大部分的實驗是將公鼠的副睪取出，放在精子的培養液中，在副睪上以無菌針頭刺幾個洞，收集由副睪中游出的精子來進行實驗。如此採集到的小白鼠精子稱為副睪精子（epididymal sperm），因為接觸到培養液，這些副睪精子會表現出活化運動方式，但與射精後的精子相比，則少了與攝護腺、儲精囊分泌物接觸的機會。

我們已經知道精液中的果糖是精子重要的能量來源，其中許多蛋白質也具有促進精子成熟或調控精子活性的功能，如儲精囊的分泌物 SVS2 會抑制副睪精子在體外 （in vitro） 進行獲能反應（capacitation）。所謂獲能反應指的是精子進入雌性生殖管道後，細胞膜上脂質及蛋白質等改變，最終使精子具有進行頂體反應（acrosome reaction）的能力。精子必須進行頂體反應才能通過透明帶並與卵結合，因此，無法順利完成獲能反應的精子通常也無法使卵受精。不過，太早進行獲能反應的精子卻也有早衰、提早喪失游動能力等狀況，因此獲能反應受到精密的調控。

射精前後的精子有所差異？

研究人員藉由基因剔除小鼠的研究，找到了多個參與精子運動調控的重要分子。然而，藉由副睪精子進行的研究， 是否適合直接用以解釋正常生理狀況下，射精後精子的狀況？它們之間有沒有差異？

2015 年，蘇亞雷斯（Susan S. Suarez）實驗室發表在 PLoS ONE 期刊的研究報告解答了我們的疑惑。研究人員犧牲剛交配的母鼠，打開子宮收集射精後的精子進行實驗， 採集過程在交配後 30 分鐘內完成。而交配過的公鼠則在 2~7 天之後犧牲，採集副睪精子，如此便可比較同一公鼠副睪精子與射精後精子的活性差別。

研究人員有什麼發現呢？首先，他們觀察到射精後的精子較容易黏在玻片上 （射精後：74.8%；副睪精子：6.9%）， 若在促進獲能反應的培養液中培養 2 小時後，射精後的精子黏在玻片上的比例則降至 40.9%，且大部分不再黏附在玻片上的精子，表現出超活化的運動方式。研究人員認為射精後的精子與副睪精子在黏附玻片上不同的表現，顯示他們細胞膜表面特性或電荷在有無接觸精液分泌物下有顯著差別。

利用電腦輔助程式分析精子各項運動參數後，發現射精後的精子活動性、游動速度及多項運動參數均優於副睪精子。更有趣的發現是，兩種精子在促進獲能反應的培養液中培養 2 小時後，均表現出超活化運動，但是形式卻不盡相同： 射精後精子超過 90% 表現出順鈎式（pro-hook）超活化運動，副睪精子卻有 50% 呈順鈎式、50% 呈現反鈎式（anti-hook）超活化運動模式。早期利用副睪精子為實驗材料時，蘇亞雷斯實驗室即提出小白鼠精子超活化運動可分為順鈎式及反鈎式兩種模式。小白鼠精子頭部呈鐮刀狀，他們發現副睪精子表現超活化運動時，有些精子鞭毛的大振幅擺動彎曲弧度與頭部鐮刀鈎同向，稱為順鈎式； 相反的則稱為反鈎式，當時的研究也清楚說明：兩種不同超活化運動模式具有不同的鈣離子調控機制。

左為典型的順鈎式超活化精子；右為反鈎式超活化精子。圖／《科學月刊》提供

研究人員接著利用螢光染劑，讓兩種不同的精子分別帶著綠色或紅色螢光。混合後的兩種精子再放到卵丘– 卵複合體（cumulus-oocyte complex）周圍，觀察精子與卵及卵丘細胞間之互動。螢光染劑讓研究人員可以清楚區別副睪精子和射精後的精子，不過為了避免染劑本身的影響， 重覆的幾次實驗會交換螢光與精子的配對使用。實驗結果發現射精後的精子比副睪精子更容易進到卵丘– 卵複合體中，顯示可能有更高的受孕率。

這篇研究以簡單卻清楚的實驗分析了副睪精子與射精後精子的多項差異。實驗結果本身除了提醒我們不要忽略精液中分泌物的重要性外，也不禁讓人重新思考：有時受限於實驗材料的取得，或為了有效控制變因、方便釐清各個重要的因素分別扮演什麼角色時，難免簡化了複雜的生理現象。然而，當結果要套用到複雜的生物個體上時，我們需要更小心，收集更多的資料，以勾勒出更接近真實的面貌。

本文選自《科學月刊》2016年7月號

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作者｜李武炎／曾任教於淡江大學數學系，現為《科學月刊》編輯委員。

今年素有「數學諾貝爾獎」的阿貝爾獎由美國牛津大學皇家協會講座教授懷爾斯（Andrew Wiles）獲得，推薦文中指出，為了表彰他利用半穩定橢圓曲線的模猜想推出「費馬最後定理」的震憾證明，對數論的發展開啟一個新的世代，獎項已於今（2016）年 5 月 24 日在挪威首都奧斯陸頒發。

懷爾斯。圖／wiki

英年早逝的天才數學家阿貝爾

阿貝爾（Niels Henrik Abel，1802~1829）是挪威歷史上一位非常著名的數學家，他在很年輕的時候就已經研習大數學家歐拉、拉格朗治、拉普拉斯及高斯等人的著作。19 歲時，他解決了困惑數學界 200 年的老問題：一般 5 次方程式根的公式解是不存在的，如此非凡的表現奠定他在歷史上的地位。另外他在超越函數上的研究，對橢圓函數理論起了革命性的影響。阿貝爾生前非常貧困，18 歲時就肩負起照顧家中 6 個弟妹的重責，後來不幸罹患肺結核，因為無法得到良好的調養， 很可惜在 1829 年 4 月 6 日以 26 歲的年紀辭世，實在是英年早逝，死後兩天，數學家克雷勒（August Leopold Crelle） 攜來柏林欲聘請他擔任教授的聘書，但已經來不及了。後來數學界為了紀念他，特別將抽象代數學中的一個結構交換群命名為「阿貝爾群（abelian group）」，以他為名的專有名詞已經被普通化了，是為了更能彰顯他的偉大。

挪威政府一直有設立紀念阿貝爾的獎項的念頭，這是要彌補諾貝爾獎沒有數學項目的遺憾，但這個獎項的成立一直要等到西元 2002 年阿貝爾 200 歲誕辰方才實現。2002 年阿貝爾獎開始頒發，而第一屆的得主便是法國數學家，同時是數學界大老的謝爾（Jean-Pierre Serre）。去年 2015 年的得主是電影《美麗境界》戲中的主人翁約翰納許，但去年 5 月 19 日納許夫婦領取阿貝爾獎返家途中不幸發生車禍遇難，曾造成新聞界一陣報導。觀察阿貝爾獎的歷屆得主，都是當代數學的翹楚， 而且大都是年高德劭著作等身的數學圈耆老，懷爾斯雖屬壯年，但因為他解決「費馬最後定理」這個世紀難題， 名氣實在太大了，因此阿貝爾獎的評審委員會決定頒授 2016 年的獎給他。有人說這是遲來的獎項，因為自從 20 幾年前懷爾斯證出這個劃時代的問題後，已經得獎無數，幾乎全世界所有的數學獎都被他囊括，其中包括著名的沃爾夫數學獎（1995 年）、沃爾夫斯克爾獎（1997 年）以及邵逸夫獎（2005 年）等，今年添上阿貝爾獎無疑是在懷爾斯的功勛簿上貼滿最後一塊拼圖。值得一提的是，當年懷爾斯解決費馬最後定理時已經年過 40， 無緣獲得數學界的費爾茲獎章（Fields Medal）。

 費馬最後定理

「費馬最後定理」是個一般人都可以明瞭的題目， 並不需要具備很深的數學背景才能理解──探討方程式： xⁿ+yⁿ=zⁿ 的正整數解。當 n = 2 時， 讓我們想到熟知的畢氏定理（又稱勾股弦定理），此處 z 代表一個直角三角形的斜邊長，x 與 y 則為此三角形之兩股的長，也就是說一個直角三角形的斜邊長的平方等於它的兩股長之平方和。 這個方程式當然有許多正整數解，例如：x = 3，y = 4，z = 5；x = 6，y = 8，z = 10；x = 5，y = 12， z = 13 ⋯⋯等等。費馬聲稱當 n ≥ 3 為正整數時， 就不存在非零的整數解。

費馬最後定理中 n=2 時的 a²+b²=c² 也就是一般所熟知的畢氏定理。圖／wiki

數學業餘王子─費馬

費馬（Pierre de Fermat，1601~1665）是一位留著長髮，穿著中古世紀歐洲袍的法國數學家。他是 17 世紀最卓越的數學家之一，在許多數學領域都有極大的貢獻，例如：他在笛卡兒之前發明解析幾何，也在微積分的發展有所建樹，他與巴斯卡被公認是機率論的先驅， 然而他在數論上的研究成果最為後人所記得。他的本行是專業的律師，數學只是他的愛好，而他所作的數學作品都是第一等的工作，為了表彰他的數學造詣，世人冠以「業餘王子」的美譽。在 1637 年的某一天，費馬正在閱讀一本古希臘時代數學家丟番圖（Diophantus） 的數論書《算術學》（Arithmetica）時，突然心血來潮在書頁的空白處寫下這個看似簡單的定理：當 n ≥ 3 為正整數時， 沒有非零的整數解。

費馬。

當時費馬並沒有說明原因，不過他留下這一段話：「我已經發現一個非常美妙的證明，只是書頁的空白處太小無法寫下來。」，始作俑者的費馬也因此留下了這個千古的難題，300 多年來無數的數學家嘗試要求解決這個難題都徒勞無功，這個號稱「世紀難題」的「費馬最後定理」也就成了數學界的心頭大患，極欲解之而後快。19 世紀時法國的法蘭西學院曾二度懸賞金質獎章及 300 法郎給任何解決此一難題之人，可惜都沒有人能夠領到獎賞。德國的一位工業家沃爾夫斯克爾（Paul Wolfskehl，1856~1906）對「費馬最後定理」情有獨鍾，他死後，根據其遺囑遺贈 10 萬馬克（約合 5000 萬新臺幣），頒給能夠證明「費馬最後定理」是正確的人。

在戴奧弗多斯（Diophantus）的《算數》（Arithmetica）1680年的版本中，出現了費馬最後定理。

這個獎在 1908 年設立，有效期間為 100 年，懷爾斯在 1997 年領到這個獎時，獎金只有約 150 萬新臺幣， 原因是這段期間世界曾發生經濟大蕭條，此筆獎額已大幅貶值了。當年沃爾夫斯克爾獎一宣布時，確實吸引不少「數學癡」去從事這個問題，而社會上也掀起了一股瘋「FLT（Fermat’s Last theorem）熱」。20 世紀電腦發展以後，許多數學家利用電腦計算可以證明這個定理當 n 很大時是成立的，1983 年電腦專家斯洛文斯基借助電腦運行 5782 秒證明當 n 為2⁸⁶²⁴³-1 時「費馬最後定理」是正確的，2⁸⁶²⁴³-1是一個天文數字， 大約有 25960 位數。雖然如此，數學家還是沒有找到一個普遍性的證明。不過這個三百多年的數學懸案終於解決了，由當時在美國普林斯頓大學數學系任教的英國數學家懷爾斯教授提出證明，其實他是利用 20 世紀過去 30 年來代數幾何發展的結果加以運用並解決的。

追求數學聖杯的懷爾斯

1993 年的 6 月 21~23 日，懷爾斯在英國劍橋大學所舉辦的研討會發表這個結果，這個報告馬上震驚了數學界甚至於一般社會大眾，懷爾斯證出費馬最後定理的消息在 1993 年的 6 月 24 日登上了《紐約時報》、《美國國家廣播公司》等重要媒體的頭條。一個數學證明能讓新聞媒體如此青睞，可謂空前絕後，原因正如前面所言，這是一個能被一般民眾所能明白的數學問題，並不需具備很強的數學專業知識。其實數論中有很多問題都與費馬最後定理一樣，敘述都很淺顯易懂，內容也很吸引人去思考，可是證明起來都很難。懷爾斯在 1993 年發表的論文報告經過數學界審慎檢查後，卻發現了極大的瑕疵，後來懷爾斯與他的學生嘗試加以補救，終於在 1994 年 9 月修正成功，並且在 1995 年將修正後的論文發表在《數學年刊》（Annals of Mathematics）上。

偉大的集體成就

「費馬最後定理」的最終解決其實要歸功於無數數學家的努力，最早在 1950 年代，日本數學家谷山豐首先提出一個有關橢圓曲線的猜想，即二元三次方程式 y²=x³+ax²+bx+c 定義的圖形，其中 a、b、c 為有理數，它不是橢圓，而是因為當初數學家想計算橢圓的周長而產生的名詞。後來由另一位日本數學家志村五郎加以發揚光大，提出谷山 – 志村猜想：每一個橢圓曲線都具有一種模形式（modularity pattern）， 這個名詞與高等數學複變函數論有關，在此就不擬加以解釋。當時沒有人認為這個猜想與「費馬最後定理」有任何關聯，直到 1980 年代，德國數學家佛列（Gerhard Frey）才將這個猜想與「費馬最後定理」掛勾。若對奇質數p而言， a^p+b^p+c^p 有異於零的整數解，則佛列建議考慮橢圓曲線 y²=x(x+a^p)(x-b^p)，此曲線後來被稱為佛列曲線， 因為他覺得此橢圓曲線的判別式 a^2pb^2p(a^p+b^p)²=(abc)^2p 呈現出一點不太尋常，因此他懷疑這個橢圓曲線不具模形式，所以只要能證明谷山 – 志村猜想就等於證明了「費馬最後定理」。

佛列的猜想後來被法國數學家謝爾加以改良，並且在 1986 年由數學家里貝特（Ken Ribet）證明從 a^p+b^p=c^p 所得的佛列曲線違反模形式。根據里貝特的這個啟發，懷爾斯就全力去從事谷山 志村猜想的證明，至少要證明絕大部分的橢圓曲線都具有模形式。最後他證明了任何半穩定（semistable）橢圓曲線都具有模形式，而佛列曲線就是一個半穩定橢圓曲線，因此證明 a^p+b^p=c^p 之非零整數解是不存在，從而證明了「費馬最後定理」。這裡要提一點，「費馬最後定理」是說對任何大於 2 的整數 n 而言，aⁿ+bⁿ=cⁿ 沒有非零的整數解，其實就是要證明對 n = 4 及任意奇質數（3、5、7⋯）均成立即可，因為對任何大於 2 的整數 n，n 必有 4 或奇質數的因數，而當 n = 4 時，費馬曾經給予證明（用數論的技巧就可以證出），因此只需考慮 而 p 為奇質數即可。

「費馬最後定理」的證明成功並非僅靠一人之力便能解決，雖然懷爾斯完成了封頂之作，但如同前面所提到的谷山豐、志村五郎、佛列及里貝特都是功臣；自古以來，很多數學理論的形成都是從一些猜想或假設開始，激發數學家的興趣，為了尋求問題的解決，不斷努力發展新的數學技巧，也豐富了數學的內涵，而這些建樹都是歷史上的數學家前仆後繼研究所得的成果，我們可以說：數學演進就是團隊合作的結晶。

〈本文選自《科學月刊》2016 年 7月號〉

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文物保修並不像大家平日所看到的對物體修補及外觀塗漆保護那樣簡單。文物保修工作是一門結合了科學、歷史及藝術的專業學科，融合了傳統技藝、修護技能、現代科技與歷史美學的跨領域學門。

修護後的藍地黃虎旗。圖／作者提供

文／鄭政峯｜美國北德州大學分析化學博士，任教於中興大學化學系，曾為台南藝大古物所兼任教授，研究領域為分析化學、應用化學。

歷史文物，是歷代先民所製造和使用過具有歷史藝術和科學價值的各種物質，它們反應出人類在歷代的生活文化，也反應出當時的科學技藝。因而歷史文物所蘊涵的文化價值也愈來愈引起現代社會人民的高度重視，如何保存或修護歷史文物已成為全人類的責任。

化學科技的發展在人類的科技文明發展史上佔有很重要的角色，例如煉鐵製造各式器具、青銅器鑄造、陶瓷、及造紙等技術發展， 可說是人類追求基本生產活動的結果，也是追求文明之產物。因此這些歷史文物，都有古代化學科技所遺留的足跡。

文物修護在臺灣

文物修護師的任務，除了以客觀熟練的修護技術，將老舊劣損之文物作品盡量回復到創作原貌，以延續文化藝術的歷史價值外，更必須要結合文物保存概念及修護所運用的工藝材料與技法，讓文物維護的精神推廣至藝術創作中。過去國人對文物保修都是處在較迷糊的認知層次，近年來才漸次引起國人的注意。

2012 年，對在 1895 年為反對割讓臺灣給日本所建立的臺灣民主國的藍地黃虎旗國旗被考證修復後，更掀起國人對文物保修的重視。為厚植國內在文物保修的能力，臺南藝術大學的古物維護研究所曾於 2001 年底首度邀請德國壁畫修復大師貝克特（Barbara Beckett）來臺參加壁畫保存修護研討會，並數次參與嘉義新港水仙宮及臺南媽祖廟等古蹟壁畫修護工作，將相關經驗傳授給國內學子及文化遺產保存工作者。由於文物保修是一門跨領域的科學，本人當時在古物所兼任講授文物保存應用化學課程，幸得有機會協助解釋壁畫修護技術中所發生的化學反應與物理現象，讓讀者就文物保修與化學的關係做初步認識。

化學如何用以修護文物

文物保修的歷程離不開化學相關科技，化學在文物保修的相關性，可分幾個層面來探討。依物質的化學組成性質，可將文物分為金屬材料（青銅器、鐵器、金器、銀器、錫器、鉛器）、無機非金屬材料（石器、玉器、陶器、磚瓦、壁畫、泥塑等）、有機材料（書、畫、紡織品、竹器、漆器、木製品及皮革等）。

這些文物經歷了漫長的歷史歲月，發生了許多變化。從長期保存文物的角度來看，有些變化並沒有不良的影響， 並可作為它特有的歷史標記，然而有些則不利於文物的長期保存。對於不利的因素，我們要利用現代的科技加以處理，以盡量保持它的原貌並延長壽命。在現今的保存環境下，文物還是會繼續發生變化，如青銅器的有害銹蝕、石刻的風化侵蝕、陶器彩繪和壁面退色剝落、古建築木製構件的腐朽和白蟻危害、出土紙類和紡織品的糟朽蟲蛀霉變等，都是需要繼續加以防止。青銅器、陶器、瓷器等是古代人利用化學方法改造過的物質；塗料、顏料、染料、接著劑、焊料等屬化工原料，則是研究化學史及其相關技術之重要資料。

文物依材料分類的不同，受到的損害威脅與修復方式也不同。圖／wiki

因此，在文物修復、保護、考證方面，化學分析可作為強而有力的後盾：以化學方法研究阻止或延緩文物劣變的技術，提高文物抵抗不利因素（光輻射、蟲蛀、霉變等）；或用以解開文物的製造時期，如秦代青銅件表面鉻層的著鍍和漢代銅鏡黑漆的形成；甚至能用於探討出土文物在地下之儲存環境，以便分析文物變化和保護條件；以及運用常見的同位素法以估計文物的年代。

舉凡地球上任何物件，從被製造或生成開始，即開始邁向毀損的趨勢，只是時間快慢而已，歷史文物亦不例外。因此欲使這些文物能留存，就得塑造環境使文物能減緩或免於毀壞。這就需借重各種科技的應用，而化學科技在其中就佔有很重要的角色，例如溫濕度控制、迴避光線的傷害、防止氧化退化等都常靠著化學的方法或理論推演技術來達成。出土文物之處理、保護與維持，更與化學離不開關係。另外，古物修護直接或間接所用到的材料，也都離不開與有機化學、無機化學、高分子化學及材料化學的關係；其他如古物材質鑑定、年代鑑定、及文物材料的鑑偽，亦都屬於化學的分析工作。

化學在文物保存應用的研究層面很廣，或多或少涉及有機化學、無機化學、物理化學、分析化學及高分子化學等原理及技術。因此要在文物保護技術方面有所突破，除必須瞭解各年代的科技發展，即具備科技史之知識外， 還必須以化學研究所必須具有的態度，發覺問題所在，研究出解決方案，提昇文物保存科技。

然而文物之所以能被留存與重視，有其特殊的歷史意義存在。因此利用化學科技來進行文物的保護有幾項原則必須遵行：保持文物的歷史標記，不讓文物值得被保存的意義性喪失；文物被保護性的處理後，不能留下隱藏性或不可回復的傷害；並需防止或延緩各種有害因素對文物的損害，同時達到長期性的保護效果。

文物保修現場

文物保修並不像大家平日所看到的對物體修補及外觀塗漆保護那樣簡單。文物保修工作是一門結合了科學、歷史及藝術的專業學科，融合了傳統技藝、修護技能、現代科技與歷史美學的跨領域學門。對於文物的保修，必須先要對文物的材質、形狀、損害情況、損害原因及文物的歷史意義或藝術價值進行了解，再針對不同文物擬定出保修方案。然後才是對文物的具體處置，例如清洗（除汙）、修復、及最後的保護處理。

清洗除汙並非一般僅藉小刷子用水洗一洗，而是先要試驗選用能除污但又不傷害文物的適當清洗方式，如清洗溶液的種類、溶解度參數、清潔試劑或酵素及清洗技法等；修復則要先以儀器檢測出文物原有的材料，再優先以原材質或可相容的材質搭配適當工法來修復；保護處理更需要選擇耐候及可逆的材料對修復後的文物作加固或保護處理。

以出土的木製文物為例，從地底出土的木製品，如果直接脫水，往往會起裂開翹。另外文物埋在土中屬處在缺氧狀態，除沾有泥污外，亦吸附不少鹽類於文物本體中。當木製文物出土後觸及空氣及陽光，所處環境轉變為富氧狀態，文物很容易被氧化或受光反應分解裂化。很多從千年古墓出土的古文物很容易遭受環境的改變而毀損即是此因，因此對剛出土的木製文物就必須對此環境變異的毀損做防範。

新港水仙宮修護前的壁畫。圖／作者提供

師生很有耐心的試驗清潔處理方法。圖／作者提供

在表面除汙後，一般會將出土的木製文物置入水中，讓文物所吸附的鹽類溶至水中，不斷更換水直至鹽類不再溶出為止（可滴加硝酸銀水溶液至水中觀察有無白色氯化銀出現）。其次為加固的前處理，將除鹽後富滿水於木質細縫的文物移置入酒精溶液中，以酒精將在木質細縫中的水分置換出後，再移浸入丁醇溶劑中，以丁醇置換出木質細縫中的酒精。最後浸入含聚乙烯醇（PVA）的丁醇溶液中， 以平衡方式讓聚乙烯醇進入木質的細縫中置換出丁醇，漸提高聚乙烯醇濃度，使聚乙烯醇飽和於木質細縫中，讓填縫的聚乙烯醇與木質纖維間以氫鍵作用力加固木製文物後，再於木製文物表面塗上保護層隔離空氧及防止光害。經過這一連串複雜步驟，木製文物才不至於會起裂開翹。完成了出土木製文物的保修基礎工作後，再依文物管理的條件保存。不同材質的文物在文獻上都有特殊的保修策略可參考。

文物修復有賴修復師（文物醫生）的巧手回春，才能完成任務，而文物醫生巧手回春的重要工具及過程則有賴化學科技的檢測診斷（聽診器）、清洗除汙（清傷）、固定（支架）及修護暨保護（治療及醫美）。文物修復屬跨領域的科學，從事文物修復工作者大多屬於美術或藝術專業，因此需要更多化學相關的專業工作者一同加入。

本文選自《科學月刊》2016年7月號

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文／林日璇｜政治大學傳播學院副教授。美國密西根州立大學媒體與資訊博士。專長為媒體心理學，研究數位遊戲及社群媒體。研究刊登於 Journal of Communication, Media Psychology 等傳播頂尖期刊。

圖／Eduardo Woo @ Flickr

關於 Pokémon GO 全球爆紅，引起大家相當多討論， 而臺灣終於也在 8 月初可以正式下載遊玩，成為全臺風靡話題。有許多人指出，手機結合擴增實境（augmented reality, AR）以及定位功能（location-based）的遊戲點子，很久以前就想過了，可惜沒被採用，不然也一定大紅。本文從社群媒體的角度，剖析 Pokémon GO 紅到躍上全球手機 APP程式排行榜第一名，使用時間超過 Facebook 及 Twitter 的現象。

爆紅的原因？

Pokémon GO 會紅，是結合眾多因素及開發公司長期以來累積的實戰經驗，絕對不是單純因為其中一項因素而「碰巧」變紅。首先，許多人認為 Pokémon GO 讓人趨之若鶩，是因為手機加上 AR 以及結合現實世界地圖的遊玩方式非常有趣。但類似的遊戲 Ingress（也就是開發公司 Niantic 前一款遊戲）已經流行許久，也未見成為全民運動。另外，有許多人歸因玩 Pokémon 是因為對於該品牌的喜愛，但其實 Pokémon 一直以來在遊戲機中都有推出不同款的遊戲，似乎也沒有吸引到平常不玩遊戲的族群。另外還有人認為是媒體炒作、因為大家一直玩所以跟風、只是一時潮流、或是因為它是新的趨勢。可以發現，其實很難歸因於單一因素，那到底是什麼樣的原因，快速將此遊戲推上全球排行第一名、成為全球運動呢？

既然你誠心誠意的發問了，我就大發慈悲的告訴你～

社交認可

任何遊戲要紅，除了好玩以外，必須不斷吸引新玩家（譬如之前紅遍亞洲的神魔之塔）。若紅的遊戲要成為爆紅的「活動」（不僅是遊戲了），那就要成為全民認同的社交話題。Pokémon GO 在這個時間點紅，是經過非常長時間的耕耘，以下先從該品牌談起。

Pokémon 在 1980 出生之後的世代中，是響噹噹的電動遊戲，而且是全球都有名。2007 年，我在美國念博士，同時擔任大學部助教時，談到 Pokémon，這些 90 年代後的美國小朋友都超有共鳴，七嘴八舌分享自己曾經蒐集到全套Pokémon 的輝煌成就。而臺灣的小朋友呢？就算沒有玩過神奇寶貝的電動，從小電視也會不經意看到卡通（尤其是火箭隊出場的臺詞）。因此，Pokémon 是大家共同兒時的記憶。

此外，Pokémon 擁有跨越文化差異的「可愛」——它的「可愛」程度，是西方也喜愛並能接受的可愛。通常是中性加上幽默的可愛（像是部落衝突的野豬騎士），能引起全球共鳴。也因此，Pokémon 是社交上共同認可的話題。Pokémon 在以前就紅到推出動漫，講述成為神奇寶貝訓練大師的夢想，所以大家對於 Pokémon 的熱情及集體記憶，是無法取代的。今天如果用一樣的手機遊戲程式，把 Pokémon 換成自創的「釣魚」或是其他「妖怪」，那個樂趣就完全不見了，玩家可能還會覺得，要走來走去站在那兒釣魚，好累、好無聊。此外，對於抓到的妖怪沒有情感連結！皮卡丘人人都想要一隻，可達鴨怎麼可以這麼可愛，還是「我」的！這種不需要特別「翻譯」的共同記憶，在 80 年代後的族群中，是非常自然的社交話題。要成為超越遊戲的「活動」，必須是大家可以互相分享的話題。

「這隻皮卡丘，是我的了！」

社群媒體上的社交展演

Pokémon GO 會這麼紅，其實要謝謝 Facebook 上已經完善的人際網路，提供了完美的展演舞臺。人人在 Pokémon GO 中都是偉大的訓練師， 而透過 Facebook 分享，每個玩家都是享受舞臺的演員。有觀眾，在這個時代非常重要。尤其是還有好大一群觀眾，只看得到玩不到（像是在臺灣開放以前的我們），這樣更能滿足演員愛秀的慾望，也更進一步讓玩不到的觀眾更加期待該款遊戲。

在 Pokémon GO 還沒出現之前，Facebook 是全民運動。大家彼此互相察看關心對方近況、按讚等等，代表著是人與人之間的社交互動。有學者將此比喻為猴子彼此幫忙抓蝨子的梳理（grooming）行為；而在人類，這種三不五時看一下其他人的動態、彼此隨意聊聊的行為，稱為社交梳理（social grooming）。根據自我決定理論（self-determination theory），社交梳理看似沒有太大意義，但對於滿足並提醒「我們不是孤獨的，是群體中的一份子」這樣的「社交性需求（need for relatedness）」非常重要，是促進我們心理幸福感的重要元素。

在社群媒體中來往能帶給人們群體的安全感。圖／Wokandapix @ pixabay

另一項與這相關的訊號理論（signaling theory）原先是解釋生物界中，不同動物對於面對危險時，透過展示其強項，發送「不要惹我快點離開」的訊號以自保。譬如，羚羊遇到獅子時，會不斷來回快跑，展示其速度優勢的訊號，以勸退獅子的攻擊。學者多納斯（Judith Donath）將此理論應用至社群網站研究上，指出在臉書上，我們透過分享近況或是評論不同的新聞和話題，保持社交梳理的行為，與他人社交並發送不同的訊號。而 Pokémon GO 的出現，正好成為提供豐富多樣化社交話題及展演的工具。譬如，秀出抓到的 Pokémon，傳送訊息出我也有參與在其中，而彼此分享 Pokémon GO 的大小趣事，這些都成為社交潤滑劑，促進彼此互動。而大家一起參與的感覺，是一場透過自媒體就可以參加的嘉年華。如何讓一遊戲成為「不可錯過的談論話題（it-thing）」，一定要透過 Facebook 的展演及傳播，透過弱連結滲透到不同的人際網路，成為大家「認知」中最紅的活動及話題。如何使「遊戲」成為一般不玩遊戲的人也覺得很「酷」，是一件不容易的事。

Pokémon 未來會持續穩健地紅好一陣子，但這種「全民運動」已經在慢慢退燒。一些具有高度害怕錯過人格特質的玩家，當初是因為要在 Facebook 上展示自己的參與，以及成為此社群一份子的訊號而加入 Pokémon 風潮的，續玩動機不高。而嚐鮮的玩家注重實現小時候能夠像神奇寶貝大師一樣在路上碰到 Pokémon 就可以收服的夢想，新鮮期過後就會慢慢退燒。剩下的，會是喜歡收集 Pokémon、與別人競技、升等組隊搶地盤的熱衷玩家。但 Pokémon 勢必也會藉由不同的商機與行銷策略，不斷舉辦活動或更新遊戲，延續此熱潮。

Pokémon 還有許多其他成功的因素（包括科技以及手機便利性等），而社群媒體的推波助瀾不可漠視。遊戲不能單單是遊戲，要成為使用者社交及展演的工具，讓玩家心甘情願主動願意談論遊戲，才能成功。

本文選自《科學月刊》2016 年 9月號

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文／黃椿喜｜中央氣象局氣象預報中心課長。

2003 年 9 月 1 日起，臺灣啟動了飛機觀測颱風的追風計畫，改裝過的 ASTRA 噴射客機航向杜鵑颱風 42000 英呎上的高空翱翔，數小時的任務內拋投了 14 顆投落送觀測，颱風內部資料透過衛星傳送到了氣象局的預報中心，預報員自螢幕上終於見到了真實的颱風結構，也終於我們每年都驕傲的見證西北太平洋上唯一經常性觀測之飛機，巡航在颱風上空不斷蒐集著關鍵的資料⋯⋯。

從二戰航向近代的飛機觀測

以飛機觀測熱帶氣旋的紀錄始於 1943 年。二次世界大戰期間，美國空軍中校達克沃斯（Joseph P. Duckworth）首先於 1943 年 7 月 27 日駕駛 AT-3 單引擎教練飛機穿越墨西哥灣附近的颶風中心，後安全返回基地，創下歷史上首次以飛機偵查並穿越颶風的紀錄。重大天然災害經常使政府投入資源進行研究，1954 年美國遭受到非常嚴重的颶風侵襲，颶風卡羅爾（Carol）、愛得納（Edna）及黑茲爾（Hazel）先後橫掃美國東部各州，導致將近 200 人死亡以及難以計數的損失。很不幸的，接下來的 1955 年災害並沒有因此緩和，北卡羅萊納州再度遭受 3 個颶風侵襲。美國國會於是決心撥款補助美國氣象局進行國家級的颶風研究專案計畫，從 1956 開始進行常態性的颶風飛行作業，這是世界上最早的官方例行性飛機觀測熱帶氣旋的作業。剛開始由於儀器限制、資料紀錄、處理方法及傳輸技術尚不成熟，造成分析上的困難，但經過數十年的改良及進步，加上投落送與機載雷達系統的應用，整體研究有非常大的進步。

漢翔航空之 ASTRA 噴射機及追風計畫登機人員。 圖／中央氣象局提供

1960 年代起，美國國家海洋暨大氣總署（NOAA）與國防部開始企圖以人工改造熱帶氣旋結構，進而改變其路徑，降低其對美國的影響。於是他們在 70 年代中期 NOAA 添購 2 架 WP-3D（P3）偵察機支援熱帶氣旋改造計畫，在此同時也針對熱帶氣旋發展之動力過程及其結構進行科學研究，並持續監測熱帶氣旋之生成、移動及強度作為其防災應變之參考。由於人工改造熱帶氣旋計劃評估之效果有限，且具政治上的敏感性，這個計畫最終在 1983 年停止，之後的觀測任務就更專注在熱帶氣旋的結構與環境的交互作用，以提高颱風路徑及強度之預報能力為主要目標。

60 年代人造衛星升空運作是氣象觀測史上的里程碑，其後衛星觀測很快就涵蓋了整個地球。飛機觀測熱帶氣旋生成、位置及強度之監測功能也逐漸被衛星所取代，尤其是德沃夏克（Dvorak）在 1980 年代利用衛星觀測資料與飛機觀測數據比較後，發展衛星估計熱帶氣旋強度及位置方法，直到現在仍是各國估計颱風強度的基本方法。美國海軍也因此自 1987 年起正式停止西北太平洋的颱風飛機觀測計畫，但影響美國本土的東太平洋及大西洋的飛機觀測計畫則仍持續至今。

美軍在西太平洋的觀測任務停止以後，我國對監測及預報只能依賴衛星、少數的島嶼、船舶或雷達等有限的資料，對於颱風內部的結構特徵、強度演變等則缺乏精密的實測數據，常造成過大的誤差及預報之不確定性。尤其因為我國位於西北太平洋的颱風移動的主要路徑，每年平均受3 至4 個颱風侵襲，因此衝擊相當大。1990 年以後，颱風持續威脅臺灣，楊希（1990）、奈特（1991）、道格（1994）、賀伯（1996）、溫妮（1997）、瑞伯（1998）、碧利斯（2000）、桃芝（2001）、納莉（2001）等颱風陸續造成重大的傷亡，學界及氣象局於是更積極推動加強颱風之監測，並致力於改善其預報能力。終於在 2002 起國科會決定以經費支持，於是臺灣大學吳俊傑、林博雄教授以及時任氣象局預報中心葉天降主任（現為氣象局副局長）得以規劃重新啟動西北太平洋地區的飛機觀測計畫，並在 2003年第一次執行了杜鵑颱風的任務，這是自 1987 年美軍停止作業以來，再度有飛機在西北太平洋例行性的觀測颱風。

圖／科學月刊提供

現代飛機觀測常用的機型：低空穿越飛行（通常是螺旋槳機型改裝）之 NOAA P-3、AFC-130、NRL P-3，以及高空偵察飛行（通常是小型噴射客機改裝）之 G-IV、NASA DC-8、DLR Falcon、Canadian Convair、NASA ER-2 及臺灣的 ASTRA。

歷史上的特殊事件

在超過 70 年飛機觀測熱帶氣旋的歷史上，美國海、空軍曾經發生過 6 次失事事件，機上總共有 53 人全數罹難，失事事件都發生於早期 1945 至 1974 年間，主要是當時對颱風的認識不足，且舊型飛機性能較差所導致。這些事件有3件發生在西北太平洋，2事件在南海，另有1 事件是在大西洋。

有一個藉颱風觀測失事隱藏真實原因的特別的案例，這是發生在二戰後的美蘇冷戰期間。1956 年 9 月 10 日，美國空軍宣稱其 RB-50G 型超級堡壘轟炸機飛到日本海觀測艾瑪颱風時失事，而實際上這架飛機並非是「狩獵颱風」的機型，且失事當時並沒有颱風影響該地區。

近代另一個重要的事件則是發生於 1989年 9月 15日，當時 NOAA  派了 2 架 WP-3D 飛機針對胡古（Hugo）颶風同步進行高、低層之穿越飛行研究，一架飛約在 5~6 公里高度，另一架則飛在 450 公尺高度。當低空飛機以 450 公尺的高度穿越胡古颶風的眼牆時，遭遇劇烈亂流襲擊而導致一具引擎故障，加上事先沒預測到胡古颶風快速增強至 938 hPa 的過程，因此進入颶風眼時僅剩下 270 公尺高度，飛行員瞬間意識到飛機幾乎要被波濤洶湧且狂風怒號的危險海面所吞噬，周圍甚至還到處有旺盛的積雲風暴。好不容易在恢復控制後，飛行員才緩慢沿著颱風眼內風雨較小處逐漸盤旋而提升高度，上升達到 2200 公尺後才由颶風東北側較弱的眼牆對流區域突破，進而安全飛出颶風中心返回基地。

點擊看大圖。圖／科學月刊提供

追風常用的機型及搭載的觀測儀器

一般來說，飛機觀測通常可以分為2 類，一種是飛在中低對流層約 3~5 公里的高度，直接進入颱風眼區的穿越飛行，例如 P3、C130 等。另外一種則是飛在對流層頂約 13 公里高度，針對颱風周圍環境的偵察飛行，如美國的 Gulfstream IV-SP 或追風計畫使用的 Astra 噴射機。另外，近年來也常使用無人飛機進行偵查，如臺灣地區以研究為目的使用的小型遙控飛機 aerosonde，或美國最新的大型無人飛機全球之鷹（Global Hawk）系列。

1. 低空穿越飛行
用以穿越飛行的機型通常是螺旋槳機型的大型飛機改裝，目前美國進行穿越飛行的主力機型為 WP-3 及 C130J。這類的飛機通常搭配先進的都卜勒機載雷達，可對颱風的風場及降雨進行掃描。一般來說，單一顆都卜勒雷達只能掃描相對於雷達接近或遠離的風，如果有 2 顆都卜勒雷達就可以得到颱風完整的水平風場。但要同時出動 2 架飛機的機率不高，而如果颱風在短時間的變化不大，就可以利用同一架飛機在 2 個時間、不同位置的雷達掃描模擬 2 顆雷達進而估算水平風場。為了這樣的效果，這些飛機通常以 X 字型、4 字型或蝴蝶型的飛行路徑穿越颱風中心數次，一般會飛在 700hPa（約 3 公里），同時搭配投落送等儀器進行觀測。

2. 高空偵察飛行
現代常用來偵查颱風的通常是小型噴射機，例如美國的灣流（Gulf Stream）、臺灣漢翔航空的 ASTRA、德國的 Falcon 等，這類飛機機體較小，穩定度也較低，因此不適合直接穿越颱風中心。所以一般飛在颱風上空約 40000 英尺（約 12 公里）高度，對颱風暴風圈或環境場進行偵察飛行，以拋投投落送取得垂直的溫、濕度及風場結構。

2003 ~ 2015 年飛機觀測之颱風路徑，圖上數字為 2003 年起算之觀測任務編號及當時的颱風中心位置。圖／文化大學周昆炫教授提供

3. GPS 投落送（GPS Dropsonde）：
飛機投落送的結構如上圖，由筒狀紙捲包覆，裡面搭載拖曳降落傘、溫溼度感測器、氣壓感應器、電池、GPS 接收器、天線及無線傳輸器。而專門進行觀測的飛機須經特殊改裝並通過飛航認證的投落送拋投裝置，機上人員以每 10~20 分鐘間距投擲投落送。投落送離開飛機後會張開自動降落傘，由飛行高度逐漸降落到海表面，期間每秒會收集一次大氣的溫度、濕度。機上有天線接收投落送訊號，依據 GPS 及氣壓知道投落送的位置、降落速度和風速，機上的觀測員則以國際標準資料格式進行資料解碼並重新編碼，再透過衛星電話傳輸到地面接收站。

西北太平洋的飛機觀測

西北太平洋地區自 1987 年美軍停止飛機觀測颱風以後，中間有 17 年的觀測空窗期。之後才由國科會（現改組為科技部）在 2002 年同意支應「追風計畫」的研究經費。歷經1 年多的準備及測試，漢翔航空的 ASTRA 噴射機終於在 2003 年 9 月 1 日 12 時 30 分準時起飛至杜鵑颱風上空成功投擲 14 顆投落送觀測資料，並將資料即時傳輸到氣象局預報中心使用，這是西北太平洋自美軍停止颱風飛機觀測以來，再度見到飛機經常性航向颱風上空蒐集資料。這些資料創造了非常豐碩的科學研究成果外，也支援氣象預報作業使用，是氣象局預報作業上的重點觀測計畫。

由於飛行時機通常在颱風轉向或警報發布前後，因此這些資料常是預報的重要參考。例如 2015 年 8 月的蘇迪勒颱風就是依據 8 月6 日的連續 2 次觀測而將暴風半徑由 250 公里 2 度擴大至 300 公里，扮演預報的重要關鍵，並間接降低了難以預期的災難。目前追風計畫已經連續執行了 13 年，仍是西北太平洋上唯一常態性作業的飛機觀測計畫。期間總共針對 60 個颱風，執行 76 航次，並成功投擲超過 1000 個投落送觀測資料。另一方面，這些觀測資料也會進入超級電腦的分析系統，整合最新的地面、高空、衛星、雷達等多種觀測資料，再針對颱風優化後產生精準的大氣初始狀態，最後以數值天氣預報模式進行積分而計算未來天氣的變化。依據氣象局內部評估結果，採用飛機觀測資料後可以改善颱風路徑預報 5~7% 的誤差。與此同時，觀測資料也會即時送到美國的氣象資料接收系統，並傳送給世界各國的氣象單位，進一步改善各國數值天氣預報的模式，氣象局也會共享這些產品以進行最新的颱風預報。

2015 年蘇迪勒颱風之衛星雲圖、颱風路徑、飛機觀測之飛行路徑及 925 hPa （約 1 公里高度）之觀測風場。圖／中央氣象局提供

跨國聯合實驗計畫

追風計畫執行期間，曾有 2 場很重要的聯合觀測計畫。第一次是 2008 年 8、9 月期間的亞太區域大型聯合觀測實驗計畫。此次聯合臺灣、美國、日本、德國、南韓、中國大陸等科學家共同參與，也是首次同時使用 4架飛機的聯合觀測實驗，包括我國的 ASTRA、美國的 C-130 和 P-3、以及日德合作的 Falcon。T-PARC 主要想解決西北太平洋颱風從生成過程、強度發展、結構演變、路徑轉折到溫帶變性及消散的科學與預報議題，而進行颱風生命期的完整觀測資料蒐集，改善颱風可預報度問題。期間總共對如麗、辛樂克、哈格比與薔蜜等 4 個颱風進行聯合觀測，尤其對辛樂克和薔蜜颱風更是蒐集到後續溫帶變性過程的完整生命期資料。

另一個重要的國際聯合觀測任務則是 2010 年 8 至 10月的颱風與海洋交互作用觀測實驗（ITOP），這個任務主要的議題包括海洋與大氣的交互作用、海洋冷暖渦漩對颱風強度的影響、颱風引起的海沫和波浪變化等，相較於 T-PARC 實驗更多了海洋影響颱風的探討。這次除 ASTRA 和 C-130 針對大氣部分的觀測外，另有大量錨定浮標佈署量測海洋的駐要參數，並搭配海洋研究船舶蒐集洋面資料。ITOP 實驗期間總共對凡那比和梅姬兩個颱風執行聯合觀測任務。

本文選自《科學月刊》2016 年 4 月號

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文／吳建東｜現任中醫師，陽明大學傳統醫藥研究所博士候選人。

今（2016）年 8 月，中醫界發生一件驚天動地的事件 ── 一位在臺中市執業的中醫師，在其診所的臉書專頁發表了文章，內容表示「四物湯會導致子宮肌瘤的增生」。這篇文章原先的目的是要告誡民眾不要盲目進補，以免未得其利而先受其害，但該醫師在寫作時使用了過於聳動的字眼，在這四通八達的網路世界中，隨即如病毒般擴散開來，各大報章雜誌甚至電視新聞頻道都紛紛報導。

圖／Pixabay

四物湯是中醫界十分常用的處方，因此這個事件立刻在中醫界及中藥界掀起軒然大波。在新聞上曝光以後，當天晚上就有其他中醫師撰文反駁，隔日也有許多反對意見的報導。該中醫師為了捍衛其言論，提出了些許參考文件，但也隨即因證據力不足而被反駁，並且有西醫婦產科專科醫師澄清並無此事，甚至出現中藥界團體前往診所抗議。當臺中市中醫師公會和她約談後，最後是以承認該言論不妥，並在原先的臉書專頁上道歉落幕。

四物湯造成子宮肌瘤增生？或具療效？

四物湯及衍生處方會增生子宮肌瘤的言論，雖然與中醫師的看法不符，但在民間已經流傳了許久，在診間也常常會遇到患者詢問。因此我們好奇，是否真有這一回事？四物湯僅包含當歸、川芎、白芍藥、熟地黃等四味藥，只要是在臺灣的女性對這方必定不陌生。不過這個方劑最早源自於唐朝藺道人的《仙授理傷續斷秘方》，原書主治是用在跌撲損傷，腹中出血，大便不通的傷科疾病。直到宋朝的《太平惠民和劑局方》，才演變成治婦科疾病的方劑。這是否與民間婦女經後以四物湯補養的概念大不相同呢？四物湯的主治，包括瘀血、血瘕塊硬等，是指腹中有硬塊推之可移的意思，這與子宮肌瘤的型態相符，反而暗示可用四物湯來治療子宮肌瘤。

尋求醫學上的實證是有必要的，若以四物湯「Si-Wu- Tang」及子宮肌瘤「Uterine fibroid」或「Leiomyoma」在 PubMed 上搜尋，是找不到條文的；但如果再以「四物湯」與「子宮肌瘤」在中國知網上搜尋，卻可以找到幾篇以四物湯加味治療子宮肌瘤的論文，其治癒率都將近一半。這是否說明子宮肌瘤就該以四物湯等方劑來治療呢？ 治療與安全性是不同的兩件事，中醫師看病人與一般的某病用某種藥治療的概念不同。中醫學強調個人診斷，或者可說是個別化的醫學，診斷除了看該患者的主要疾病以外，還會參酌患者的其他表現，許多從患者身上得到的線索，都會左右醫師的處方。隨著體質不同、病情不同，用藥也不同，此外還有可能再添加或減去許多藥物，而為何中藥的臨床試驗老是在碰壁，這也是常見的原因之一。

當歸是否致癌仍尚未定論

雖然目前當歸對於是否會引起女性癌症，或者是具有類雌激素作用還沒有定論，但目前有的證據似乎是以保護作用居多。圖 / By jennyhsu47 @ flickr

雖然中醫學是個上千年的古老醫學，但自從西方科學的研究思維傳到東方以後，對於中醫學的研究就從來都沒有停過。中藥的研究多見細胞培養或是動物實驗，比如以當歸萃取物來培養 MCF – 7 與 BT – 20 等乳癌細胞，結果發現會促進乳癌細胞增生；或是由當歸分離出來的化合物會促進子宮頸癌的 HeLa 細胞株凋亡；當然也有以人群為對象的研究，如使用當歸對於子宮內膜增厚並沒有影響，或使用當歸等中藥會降低子宮內膜癌的發生率。

雖然目前當歸對於是否會引起女性癌症，或者是具有類雌激素作用還沒有定論，但目前有的證據似乎是以保護作用居多。或許四物湯會促進子宮肌瘤增生的言論，是因為看了以上述會促進乳癌細胞增生的研究，認為四物湯也會有類雌激素作用，更進一步認為會增進子宮內膜增生。這樣的推斷過於武斷且跳躍，而且細胞培養距離人體還有一大段的距離，更是忽略了其他研究結果相反的論文。

中醫研究的困難與前景

我們在臨床上遇到一個還不知道該如何解決的問題時，一般會從目前現有的證據著手，也就是從已受醫學界認同的期刊上發表的文章，來尋求解決之道。收集到充分的證據之後，再分別評論該證據的強度或嚴謹程度，接著歸納出結論後，才運用在臨床上。而找到的證據，依照證據強度由高至低，又分別有隨機雙盲式的臨床試驗、世代型研究、病例與對照型研究、病例報告以及專家意見等，多半都是已經在人體上應用過的。對於細胞或是動物實驗來說，環境與人體內不同，作用機轉也不同，因此在實際應用上，也只能說有相關的報導，使用時要謹慎。

中醫學（或中藥學）在研究上具有相當的困難度，其原因相當多，比如研究者有時並非臨床中醫師，對於中藥實際操作面的了解有誤差，或者不了解中醫在處方時的做法及思維模式，在選擇題目時，難免會與一般中醫的傳統看法不同。其次，中藥不像西藥是以單純的化合物為主，中藥是以天然物，包括植物、動物或礦物萃取物為主，不僅分析時有數不盡的化合物，不同季節、不同地點生產的中草藥，分析起來各種化合物的含量也不同。我們一般把含量最高的，或最有代表性的化合物叫做指標成分，比如說人蔘的人蔘皂苷，或是當歸的阿魏酸，但這個成分是否能發揮古醫書上所寫的效用，這一點尚不明確，或許在單味藥物中，各種化合物的同時存在，也會呈現出類似複方作用。這樣一來，中藥的研究就更加複雜了，連單味藥都難以分析清楚了，更遑論如中醫師處方時開立的那種複雜的複方。

中醫藥在幾億人身上使用了上千年，現存的大都是已經過多數的人體試驗，無太多問題的藥物。圖 / By Li Ung Bing – Li Ung Bing, Outline of Chinese History, Shanghai 1914, Public Domain @ Wiki

中醫藥在幾億人身上使用了上千年，現存的大都是已經過多數的人體試驗，無太多問題的藥物。直接從後面的人體研究開始著手，也符合實證醫學的概念。

而在臺灣研究中草藥，還有另一項優勢──累積將近 20 年的健保資料庫研究，一方面資料庫龐大，一方面追蹤時間又長，可以相當程度模擬世代研究或是病例對照，這將是個可以快速得到論理基礎的方式，值得中醫界發揮。

本文選自《科學月刊》2016 年 10 月號。

延伸閱讀：新藥的研發流程概論

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文／韓德生｜臺大醫院北護分院醫療部主任、臺大醫學系臨床助理教授。

上過國中生物課的讀者，都應該知道海星的腕足被切斷後能新生、被切掉頭的渦蟲甚至可以再生出一個頭。然而隨著演化愈趨複雜，細胞再生的能力會逐漸降低。以人來當例子，手指被切斷了，大概很難再生出一根新的來，更別提新生一顆腦袋了！不過仍有許多人類細胞保有再生能力，像是骨髓中的造血細胞，或是腸子的上皮細胞，他們必須每日不停的分裂才能維持正常生理功能。再比如說肝臟因為腫瘤而接受手術被切掉了一半，仍然能再生回原來的尺寸；也因此活體捐肝得以進行。

那麼，軟骨組織呢？ 讓許多老人困擾的膝蓋疼痛，正是由於軟骨磨損造成的退化性疾病，醫學界用盡方法希望能促進軟骨的再生，電視上也不時看到讓你軟骨新陳代謝成功的廣告。究竟，是否能讓退化的老人或是受傷的年輕人能重新擁有健康的膝關節，重享彩色的人生呢？

海星的腕足被切斷後能新生。然而隨著演化愈趨複雜，細胞再生的能力會逐漸降低，人類也只剩部份組織能夠順利再生，那軟骨組織呢？圖 / By Bong Grit @ flickr

今（2016）年 7 月 6 日出刊的《科學轉譯醫學期刊》（Science Translational Medicine）有一篇精彩的研究：利用碳 14 定年的方法驗證軟骨的再生能力。只可惜， 結果可能要讓你大失所望了。

碳 14 定年法常被用於考古學研究，碳 14 是碳元素中具放射性的同位素，其佔所有碳元素的比例在不同時期有特定的比例。活的生物體會不斷攝取自然界中的碳（主要來自大氣中的二氧化碳），在穩定代謝狀態下，碳元素會以有機化合物的形式固定於生物體內，體內碳 14 所佔的比例應與當時大氣中碳14的比例相同。當生物死去時（或不再代謝時），碳原子不再有機會進入身體內，碳 14 所佔的比例便會一直維持在死亡那一天的比例。由於近百年核子試爆頻繁，大氣中碳 14 比例有著精準的紀錄，我們可以輕易對照出一塊生物組織停止代謝的時間。

軟骨組織（cartilage tissue）屬於結締組織（connective）， 組織內沒有血管，且代謝率低，以致修復困難。主要由軟骨細胞（chondrocyte）及其所分泌的大量細胞外間質（extracellular matrix）所組成。細胞外間質的主成分是膠原蛋白（collagen），由三條胺基酸長鍊互相螺旋纏繞而成，擁有極佳的抗張性（anti-tensile），是軟骨、肌腱、韌帶的主要成分。糖胺聚糖（glycosaminoglycan）則屬於多醣類，具吸濕性及抗壓性（anti-compressive），常聽到的軟骨素（chondroitin）、玻尿酸（hyaluronic acid） 皆為此類化合物。

依憑碳 14 定年的原理以及軟骨組織的特性，一群丹麥的科學家（包括骨科醫師、腫瘤科醫師及天文物理學家）收集因退化或腫瘤接受人工膝關節置換術或截肢切下的脛骨端軟骨組織，包括 15 支退化磨損膝關節及 8 支正常膝關節（來自7 位腫瘤截肢病患及一位捐贈大體），分析其中膠原蛋白與糖胺聚糖中碳 14 之比例並加以定年。經過酵素分解、分層與純化，它們發現：位在膝關節中央位置的軟骨，其膠原蛋白平均停留在 11 歲時的碳 14 比例；膝關節周邊的軟骨則平均停留在 13 歲，且退化組和正常組兩組間無顯著差異。這表示在 13 歲之後，軟骨便不再發生含碳化合物的新陳代謝！另一方面，糖胺聚糖的碳 14 比例均接近手術取樣時之碳 14 比例，表示其合成持續終生。

這個實驗證實了膝蓋軟骨無法再生的事實。然而，軟骨組織真的在任何狀況下都沒有辦法再生嗎？此研究並沒有回答這個問題。目前再生醫學界仍嘗試利用以下三種方法促進關節軟骨重建：

1. 修整法：被視為保守治療，利用關節鏡技術將裂開的部分縫補、碎片的部分移除。

2. 重建法：或稱組織工程法。取出自體軟骨細胞，利用組織培養技術，在體外「養」出一片新的軟骨組織，再經由手術移植回膝關節。

3. 修復法：利用關節注射適當的軟骨生長因子，或是直接在軟骨上鑽洞，讓骨髓中豐富而多樣的生長因子流入關節腔，達到軟骨再生的目的。生長因子的注射可以利用高濃度糖水刺激誘發（prolotherapy，增生療法）、也可抽取病患富含血小板的血漿（platelet-rich plasma, PRP）、甚至是幹細胞療法。

許多研究也發現上述再生方法的確會增加膠原蛋白合成，然而這些膠原蛋白是否會加入軟骨組織提供緩衝力，還是只出現在關節液中，遲早還是被代謝掉，則仍有賴進一步研究。

此外，正常狀況下，軟骨組織的含水量可視為是軟骨健康程度的一項指標。糖胺聚糖與含水量相關。本研究發現糖胺聚糖終生皆可被合成加入軟骨組織，若經由適當的再生治療，增加糖胺聚糖的合成，或許可以增加軟骨的耐壓力，此點也有待進一步生物材料力學研究證實。

再者，此研究尚無法回答「軟骨在青春期前是否有再生的能力」。應可思考在青春期前藉由適度運動鍛鍊肌肉骨骼系統，趁年輕存老本，待成年後才有足夠的軟骨組織可用。

應可思考在青春期前藉由適度運動鍛鍊肌肉骨骼系統，趁年輕存老本，待成年後才有足夠的軟骨組織可用。圖 / By brett lohmeyer @ flickr

此研究結論是：不論有無退化，關節軟骨在成熟後便不再進行膠原蛋白的合成。這在告訴我們：「預防勝於治療」， 青春期前多鍛鍊，成年後注意保養才是王道；等到膝蓋開始退化了才進行的處置，可能都嫌晚了。不過，本研究也未否定常用的再生醫療，讓醫學界仍有持續研究軟骨再生的潛力與空間，這正有待各位聰明讀者的接續努力來發現。

〈本文選自《科學月刊》2016 年 10 月號〉

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文／林翰佐｜銘傳大學生物科技學系助理教授，科學月刊副總編輯。

相較於大多數生命科學領域中研究啟蒙皆由原始物種的探索開始，免疫學明顯地是個特例。基本上，免疫學發展歸因於英國醫生金納（Edward Jenner）那個不明就裡且近乎大膽的牛痘接種嘗試，無意間開啟了人類 19 世紀初在生物醫學上最偉大的發現。據說金納醫師的想法源自中國古代民間流傳的「痘醫法」，一種利用刀子沾取病患膿痂，然後以此刀於人體上臂皮膚劃上一小口子的疫苗接種方式。歷史上總以金納醫師的成功作為免疫學開基立業的起始，我認為倒不全然是崇洋媚外的結果；畢竟牛痘疫苗的成功是有其後續流行病學數據的基礎，中國老祖宗所發明的方法係以真正的天花病毒而非毒性較低的牛痘進行施種，光是聽來風險就非常高，我想也就因為如此，並未廣泛的流行。

Edward Jenner 示範兒童疫苗接種。圖／wiki

免疫生物學

免疫科學是地球上高等脊椎動物對抗流行病最有效的策略。為了講求立即性的應用效益，學者們集中火力，多數以人類以及齧齒類為材料進行相關的研究。具有經濟價值的家禽、家畜的物種研究亦兼而有之，但是像青蛙等兩生類，這種以往生物學熱門研究的物種在免疫學方面的研究則非常的少。

高等生物的免疫系統其實是個龐雜的科學，牽扯到多種免疫細胞之間利用各種細胞激素（cytokines）的奇妙溝通方式，以及利用複雜的細胞表面蛋白來進行與病原或受感染細胞之間專一性辨認等⋯⋯。光是同免疫反應相關的細胞膜上之蛋白質受器，到目前為止就有 200 種以上的發現。這些蛋白質多半以 CD 作為字首並以序列編號命名，例如與 T 淋巴球分化程度有關的 CD4 以及 CD8 蛋白。利用高等生物進行免疫相關研究有時並非通往康莊大道最短的路徑，過於複雜的系統有時會迷惑研究者對研究方向上的掌握。

相對於高等哺乳動物免疫學的複雜，魚類的免疫系統有如光譜的另一端。

魚類是地球上最早擁有「專一性免疫系統」的物種。所謂專一性免疫系統，即具有淋巴球參與的免疫系統。專一性辨識病原體及記憶學習能力是淋巴球所擁有的獨特功能，像是 B 淋巴球可以生產辨識抗原的抗體（antibody），而 T 殺手淋巴球則可藉由 T 細胞受器（T cell receptor）辨認受病毒感染的細胞，然後將其摧毀。

並不是所有的魚類都具備有這項特殊的能力，根據科學家們針對目前現存的魚種所進行的研究，在無頷類（沒有上下顎的演化）的魚種，像是八目鰻則並未有所發現，因此提出了「頷假說（the jaw hypothesis）」，認為由於上下顎的演化發生，古代的魚類食性由濾食轉變成掠食的過程，免疫系統需要大幅度的進化以適應複雜病原襲擾的可能。

從古生物學的觀點來看，這項進化工程大約發生於地質年代的志留紀時期，距今約 4.4 億到 4.1 億年前之間。

免疫系統的演化

目前現存的魚類物種大約在 32000 種以上，是地球上最龐大的脊椎動物族群，所以觀察不同魚種間免疫系統的差別可以呈現數億年來漫長的生物演化過程，及免疫系統在環境適應上的彈性，從而驗證我們在高等哺乳動物中所觀察到的現象，並對其現象的存在意義能有所解讀。在今年 8 月份刊載於《自然基因》雜誌（Nature genetics）中一篇名為「真骨魚類的物種形成受到免疫系統的演化的影響（Evolution of the immune system influences speciation rate in teleost fish）」的文章，當中就提出了一項非常有趣的觀察。故事的主角是我們「以為」熟悉（註一）的大西洋鱈魚（Atlantic cod，學名 Gadus morhua）。

大西洋鱈。圖／EugeneZelenko @ wiki

主要組織相容性複合體蛋白

在以往的研究當中，科學家們發現大西洋鱈魚的基因體中丟失了一個名為「主要組織相容性複合體蛋白（major histocompatibility complex, MHC）」第二型（MHC class II）的相關基因。主要組織相容性複合體蛋白有如人類細胞表面的「條碼」一般，標示著專屬於個人獨有的標示。在器官移植的過程中排斥現象的發生，主要就是因捐贈者器官上的主要組織相容性複合體蛋白與受贈者體內的主要組織相容性複合體蛋白不相同所致。

從高等哺乳動物所進行的研究中，目前我們已經了解，主要組織相容性複合體蛋白分為兩型，第一型會透過與 T 殺手細胞的辨識，作為對抗病毒病原的入侵，第二型則會與 T 輔助細胞的辨識，進一步誘發 B 淋巴球生產專一性辨識的抗體，來抵禦細菌性病原的入侵。所以，當大西洋鱈魚的基因體丟失的 MHC 第二型蛋白體的基因，是否意味著鱈魚對細菌的入侵完全不具抵抗能力？

當然，現今種的鱈魚對於細菌性病原仍然具有抵抗能力，其原因引發了科學家們的好奇。拜現今基因定序技術的進步與成本大幅度降低所賜，我們得以對生物進行「全基因體定序（whole genome sequencing）」。所謂全基因體定序，係指將生物基因體（genome）中的 DNA 鹼基對定序出來。在 10 多年前人類基因體計畫（human genome project）時期，每個鹼基對的定序需要約新臺幣 10 元的成本，人類的遺傳訊息大約擁有 30億個 DNA 鹼基對，可以想見整個計畫光在 DNA 定序上的龐大花費。

鹼基對是以氫鍵相結合的兩個含氮鹼基，以胸腺嘧啶（T）、腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）和鳥嘌呤（G）四種鹼基排列成鹼基序列，其中 A 與 T 之間由兩個氫鍵連接，G 與 C 之間由三個氫鍵連接。圖／wiki

即便如此，全基因體定序資料對於生物學研究上仍有其重要性；除了提供後續基因研究上的重要參考資料之外，也可以提供一個制高點來理解不同物種間的一切差異，避免如盲人摸象般的偏聽。

研究團隊收集了網路資料庫中現有的 66 種魚類的全基因解序自料庫（其中包括 27 種鱈形目的魚種），然後利用電腦工具進行複雜的比對工作。結果發現，從基因的觀點，分類上隸屬於鱈形目的 27 個魚種在親源性上較其他魚種來的接近，自成一格，證實傳統型態分類學的觀點。主要組織相容性複合體蛋白第二型的丟失在鱈形目的 27 個魚種當中為共同的特徵，顯示這樣的現象在鱈形目共同祖先的階段就已發生。

科學家還發現到魚類基因體中主要組織相容性複合體蛋白第一型基因套數變異性的特殊現象，隨著物種的差異而有 3~39 套的差別，認為鱈魚仍然具有對抗細菌的能力可能跟主要組織相容性複合體蛋白第一型基因的擴增有關。雖然主要組織相容性複合體蛋白第一型基因擴增現象並非鱈形目魚種的專屬，不過利用電腦演算，團隊宣稱他們找到的確實證據，足以證明這些免疫相關基因在基因體中缺失或擴增的改變，與魚類成為獨特種屬的演化速度有相當的關連性。這種地球上生物可能由免疫相關基因突變驅動物種演化進程的觀點，由魚類基因體的觀察得到印證。

• 註一：市面上大家常吃到的「鱈魚」菱形環切魚片，俗稱為扁鱈的魚種，其實是大比目魚（Halibut），並不屬於鱈形目的魚種，非本文所談及之鱈魚。

本文選自《科學月刊》2016 年 11 月號

延伸閱讀：

維繫健康的抗病機制—免疫系統活化的秘密

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入不惑之年還是可以當個科青

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文／歐陽太閒｜就讀美國哥倫比亞大學電機工程研究所博士班，研究領域為系統生物學、高通量定序資料分析與癌症生物標記。

圖／By Fonytas – Own work, CC BY-SA 4.0, wikimedia commons.

人工智慧（Artificial Intelligence, AI）廣泛地指有能力自行做出合理決策以解決現實世界中的複雜問題的人造系統，其可能有能力進行邏輯推理、計畫、知識學習、表達、自然語言處理（natural language processing）、感知（perception）和物理世界互動等。其相關研究曾在 1970 年代沉寂一時，但近十年來因為機器學習技術的進步、電腦運算與儲存成本的降低，以及大量的資料累積使其技術與應用快速發展，讓人工智慧系統不僅在以往被認為是人類專利的領域擊敗人類頂尖高手，例如 AlphaGo 戰勝了圍棋棋王，在實務應用上也獲得多項重大突破，例如程式化金融交易、異常金融操作自動預警已經獲得普遍應用，自駕車與無人機也已逐步邁向實用化，展現出人工智慧技術巨大的潛能，但也因此引出不少擔憂的聲音。

人工智慧系統在以往被認為是人類專利的領域擊敗人類頂尖高手，例如 AlphaGo 戰勝了圍棋棋王。圖／By Google DeepMind, Google DeepMind AlphaGo Logo, Public Domain, wikimedia commons

白宮提出人工智慧白皮書

為了因應人工智慧快速發展可能帶來的衝擊，許多國際組織均已提出討論，如聯合國、經濟合作暨發展組織（OECD）、亞太經濟合作組織（APEC）等。各國政府與人工智慧學會也提出研究報告，其中美國白宮科學技術委員會（National Science and Technology Council, NSTC）於今（2016）年 10 月提出的白皮書，除了介紹當前人工智慧發展的概況外，也對人工智慧對社會帶來的衝擊提出回應方針，本文將以該白皮書的建議為基礎，提供臺灣政府與企業或可參考的方向。

就政策涵蓋範疇而言，泛用人工智慧（Artificial General Intelligence，或稱強人工智慧）可能有能力進行人類大部分的工作，但目前還不知道要如何建立這樣的系統，也不確定還需耗費多長時間才能研發成功，故除了需持續投入資源研究外，短期內不會對社會和政策造成太大影響。然而能解決特定問題的弱人工智慧則已經逐漸出現在日常生活中，除了熱門的自駕車外，能自動規劃行程的導航系統、購物網站的商品推薦功能都可以算是這樣的系統，而導入人工智慧的領域正在快速增長，並深入日常生活各層面，這才是政策上應該重視的部分。

人工智慧的挑戰

人工智慧在公領域的應用正在起步，例如在美國匹茲堡（Pittsburg）城市內實驗將交通號誌交由人工智慧即時調控，讓交通等待時間和汽車廢氣排放改善了 21 ~ 42 %；華特瑞德國家軍事醫療中心（Walter Reed National Military Medical Center）已經導入人工智慧協助診療；芝加哥大學、南加州大學和史丹佛大學分別啟動嘗試藉人工智慧解決失業、輟學、遊民、貧窮等社會問題的研究計畫；美國政府亦提出資料導向司法（Data Driven Justice）和（shutterstock） 警察資料計畫（The Police Data Initiative），以藉人工智慧技術改善司法與警察體系的效率；在野生動物保育、國土監測方面的例子則有多國合作的海龜保育計畫「龜聯網（The Internet of Turtles）」。

人工智慧的運用已經愈來愈廣泛，甚至是運用在海龜的保育上。圖／By Ian Kennedy @ flickr, CC BY-SA 2.0

然而人工智慧的快速發展可能對社會帶來全新的挑戰。人工智慧在日常應用的普及化將可能導致教育水平和工資偏低的民眾失業，同時增加所得差距；也將改變現有的企業管理方式與成本結構，例如亞馬遜公司除在物流倉庫中導入機器人外，也已經開始讓人工智慧系統指揮倉庫中的人類員工工作、提升效率。相對而言，落後的企業將需要負擔更高的成本，難以和領先者競爭。

由於無人駕駛的交通工具將和有人駕駛的交通工具分享有限的道路和空域，因此需要修訂現有監理法規。若用於訓練人工智慧的資料品質不良，使得系統產生偏見，則可能導致其做出不公平的決策，例如法院的人工智慧輔助系統可能提出錯誤的司法建議，或者企業招募部門的系統審核求職申請時歧視申請者。人工智慧若應用於攸關生命與財產的領域，任何錯誤的決策或者系統遭受入侵都可能造成重大損失。

全心齊力突破挑戰

因此應對人工智慧帶來的挑戰並非易事， 需要產、官、學共同投入。公部門方面，政府應加強投資於相關研究與人力的訓練。目前美國非機密性的人工智慧研究計畫由聯邦政府的網路與資訊科技研發計畫（The Networking and Information Technology Research and Development Program）統一主管，去年投注在相關科技研發的經費是 11 億美元（新臺幣 348 億元），今年預估可達 12 億。同時也應該加強開放資料，但不僅僅是將檔案掃描成 PDF 放上網站，而是要將開放資料標準化成適於機器學習的格式（Open Data for AI），以便利各部門和民間人工智慧的發展。

應對人工智慧帶來的挑戰並非易事， 需要產、官、學共同投入。它也會影響社會進而造成很大的變革。圖／By David Hsieh @ flickr, CC BY 2.0

因為工業界對於具有專才的研究人員需求快速增長使得薪水提升，因此應增加研究獎助預算、獎學金、實習機會、增聘教授與研究人員以吸引相關領域專家服務。而將人工智慧系統導入現實應用可能帶來無法預知的問題，一般政府部門除可聘用人工智慧專才改進現有系統外，也應邀集各領域專家協助新監管條例的建立與現有法規的修改，將使用人工智慧的裝置與載具納入法規的管理，並且對人工智慧系統的效能、可靠性和安全性訂出標準，保障公眾的安全也確保競爭的公平。也同時應加強政府與企業的資訊交流與合作，掌握最新的研究與應用進展，以及時做出回應。面對以人工智慧為基礎的自動化對經濟與就業市場的衝擊，則應制定政策使人工智慧帶來的經濟利益可以雨露均霑、公平分配，並研擬勞工就業問題的對策。

教育方面，學校應訓練更多具有資料科學專長的專家，如電腦科學家、經濟學家、資料庫與軟體工程師、資料分析家與圖書館員等。並且強化軟體開發課程中的相關方法、實務應用以及道德考量的訓練，並大力舉辦整合工業、社會、政府的人工智慧與資料科學競賽，確保勞動力熟悉其在各領域的實務應用。因為相關應用將進入生活中的所有層面，所以為確保民眾有足夠的資料素養（data-literacy）可以了解自身權益和參與相關政策的討論，資料科學教育可從小學開始。為了應對經濟衝擊，學校與職業訓練機構應提供學生與再進修人士學習相關技能的課程。

無論是政府或企業，發展人工智慧系統時都需要審慎評估其安全性，並使系統不會遭受入侵或不當運用，以免帶來生命財產的損失。人工智慧系統在研發、訓練和應用上都需要滿足公正、可問責（accountable）的要求，確保其的透明性、可控性和安全性，若發生意外時才可以釐清責任歸屬和保障民眾的權益。

人工智慧的發展與應用或許可以改善民眾生活，甚至帶動新一輪的經濟成長，但其影響也將遍及生活的所有層面，並帶來大量無前例可循的挑戰。這些挑戰不僅僅限於技術，更涉及道德、經濟、法律、社會，且發展速度極快，值得各界及早投入研究並提出對策。

〈本文選自《科學月刊》2016 年 12 月號〉

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林士傑｜美國國家衛生研究院研究員

最近臺大郭明良教授的疑似論文造假事件，引發許多對於臺灣該如何進行生醫研究倫理訓練的討論。過去 20 年來，美國國家衛生研究院（NIH）對於生醫研究倫理 （Responsible Conduct in Research）非常的重視，將其視為研究訓練裡不可或缺的一環。美國對於研究倫理的訓練方式，或許可以提供臺灣作為借鏡。

美國國家衛生研究院。圖片來源：維基百科

NIH 在提供研究經費補助的同時，也要求各研究機構定期提供生醫研究者充分的研究倫理訓練（註1）。 這個強制性的訓練，不但要從學生階段儘早開始，也要求所有的研究人員在學術生涯的各個階段都必須持續參與。

在 NIH 的規範中要求研究倫理訓練執行的方式不能只是課堂講解跟紙筆訓練，而更必須以討論會的形式，讓各單位裡的資深研究員（大學教授或研究機構的研究員）與受 訓人員（學生或助理）一起面對面探討研究倫理的議題。

圖片來源：Wikimedia Commons

在討論會裡，透過案例分析的型式（註2），以實際可能發生的情境，讓資深研究員與受訓人員一起分享各自對研究倫理議題的看法並進行辯證。由於參與者都是熟悉的面孔，再加上主題也切身相關，常能引起對議題的深度討論。這樣實際的討論不但建立了社群對於學術倫理常規的共識，也讓所有參與者留下深刻的印象。討論的議題包括：研究的再現性（research reproducibility）、作者貢獻與掛名（authorship）、研究數據管理（data management）與造假（scienti c misconduct）、抄襲 （plagiarism）等等。這些議題不僅是研究倫理的核心問 題，也對於時下疑似論文造假事件的討論非常重要。

透過這樣的討論，參與者可以清楚理解研究倫理爭議當中，各方的利益及其衝突所在，並了解哪些行為明顯逾越研究倫理規範。同時，參與者也會了解一個研究倫理爭議可以有許多不同的處理方式，以及各個方式所面臨不同的難題。這個討論的方式也能讓資深研究員彼此交換心得，傳承寶貴的經驗，同時樹立好的榜樣讓年輕學者與學生效法。討論會也提供了機會讓學生們瞭解不同資深研究員的想法，並瞭解研究機構裡面倫理委員會的架構與正式處理爭議案件的程序。

綜合這些優點與累積過去 20 年的經驗， NIH 認為討論會的型式是最有效的研究倫理訓練方式，比起上課要有效的多，筆者自己的經驗也是如此。當主管機關與學界在討論 如何改善臺灣的研究風紀時，或許可以借鏡美國的經驗， 系統性的重整臺灣生醫學界的研究倫理，把這次的危機轉化為一個體質蛻變的契機。

• 註1. https://goo.gl/kMcmKd
• 註2.案例分析:https://oir.nih.gov/sourcebook/ethical-conduct/responsible- conduct-research-training/annual-review-ethics-case-studies

 〈本文選自《科學月刊》2017 年 1 月號〉

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文／曹哲嘉｜美國羅徹斯特大學生物學博士，現任教於國立臺南大學生物科技學系。

台大論文造假案引發學界爭議。圖／Richy Li, CC BY-SA 3.0, https://zh.wikipedia.org/

這幾個月來，臺大多篇論文遭質疑圖片有問題，至今已有 2 篇撤銷發表。此事件引發不小的風波，案情至今仍在調查處理之中。科技部部長楊弘敦在立法院接受質詢時表示會有造假是人性使然，古今中外皆有，因此應強化學術倫理教育，並且在制度面檢討來杜絕弊端。到底當今生醫發表內容，有多少比例的可信度有問題？造假是否中外皆有？早在臺大案例受到注目之前的 2016 年 6 月，在美國微生物學會（ASM）出版的電子期刊 mBio 上就刊出一篇文章「生物醫學研究期刊中不當圖像重複的普遍性（The prevalence of inappropriate image duplication in biomedical research publications）」， 3 位美國學者檢視了 1995 至 2014 年間，於選定的生醫相關領域期刊上、共 2 萬餘篇論文，發現幾乎每 25 篇就有一篇（3.8%）出現了圖片重複使用或修改的情況。

該文作者定義出 3 種有問題的圖片類型：

1. 單純重複使用同一圖片：在標示為不同樣品或處理的實驗之間，使用了相同的圖片來呈現結果。最常出現此類問題的是作為比對量化標準的載入控制組（loading control）。在利用免疫轉漬法偵測不同樣品中某一蛋白質含量變化的實驗時，通常需選用一種量多恆定、在該實驗條件下各樣品間均不會明顯改變的物質，以作為相互比對的基準；並亦用以顯示待測蛋白的變化是有針對性的，而不是每種成分都概括改變。因為這是判讀實驗結果的基準，每次實驗操作都應重做這種控制組的測試。
2. 經過截切與調整位置後使用同一圖片：在生化電泳或是顯微照片中，將來自同一個樣品的部分圖片截切擷選出來，經過上下或左右翻轉之後，標示為不同的樣品或處理。
3. 經過變造後使用同一圖片：這比前兩類更進一步，不僅截切圖片或改變位向，而且修改增刪了圖片的訊息：包括將某一部份圖片局部複製貼上、添加原本沒有的內容，或是塗色遮蔽、抹去某部分細節。

雖然無法確知出現這幾類圖片的確切因素，但可推想其動機的「惡意」顯然有別。第一類有可能是疏忽造成的，因為許多載入控制組的圖像十分類似，沒注意時確有可能誤用到同一張圖。但也可能是刻意的，作者有心挑選符合某種情況的圖片，來迎合自己的理論或期望的結果；或是根本沒做控制組的測試而便宜行事，挪用其他的結果來塘塞。至於第二類與第三類的圖片，都需經過後製加工處理，幾乎不可能是疏忽大意，刻意造假的成分甚高。當前臺大生醫論文爭議的案情，即因為遭檢舉論文中多個圖片，分別符合上述第一或第二種類型。

這個研究指出早期問題圖片數量較少，但自 2003 年之後出現問題圖片的情況增多並大致維持一定比例。這趨勢可能與近年來數位影像處理的便捷與普及有關。而各期刊出現問題論文的比例差別甚大：表現最佳的如《細胞生物學期刊》（Journal of Cell Biology）只有 0.3% 有爭議，而《國際腫瘤學期刊》（International Journal of Oncology）則高達 12.4% 。概括來說，引用率高、影響因子（Impact Factor）高的科學引文索引（Science Citation Index, SCI）期刊，出錯比例愈低。這顯示期刊編輯團隊的管控與重視與否，直接影響了該期刊論文的真偽程度。

期刊編輯者的態度影響到品質管控，可拿《細胞生物學期刊》為典範來探究。早在 2004 年，該期刊就以專文探討數位圖片處理的準則。他們體認到當今分子生物與生化實驗的結果，常是膠體電泳或轉漬檢測的幾個顯影色帶，多一條少一條、顏色相對深淺就影響判讀結果，偏偏這些都可用影像軟體輕易地修飾。問題雖重要，但當時各期刊尚未把規範明確講清楚，所以《細胞生物學期刊》挺身而出訂定規則，並附上範例實驗來講解：

1. 圖片整體調整是可接受的，但不可只修改一小部分。可利用軟體以線性方式把整體明暗對比調整清楚，但絕不能只選取某個區域而片面局部調整，這會被視為是造假。此外，若用到非線性的處理方式，應該註明清楚。
2. 調整背景的對比亮度時，不應使得背景完全消失看不見，因為許多資訊細節可能就此被濾除。
3. 不可把不同膠體使用的對照組剪貼到另一片膠體的圖中；不可以自行增添內容到圖片上，也不可以把自認多餘的的訊息抹去。
4. 若因故要把數個小圖拼成一個大圖，不論是電泳圖片、轉漬檢測顯影或顯微照片，拼接的小圖之間要留下白邊作區隔，讓讀者知悉這些原始來源不同。
5. 如果顯微照片上想顯示的某個結構或特徵不清楚，即使是確有其事，也不可自行描繪。應在旁加上箭頭或標記，或利用人工著色的方式來突顯。讓讀者得以了解要強調的重點為何，也能自行判斷真確與否。

而在 mBio 刊出的這篇研究中另指出 2 種圖片處理方式，作者雖未採計為有爭議但也特別指出要注意，這 2 種方式為「過度美化圖片背景」與「圖片拼接未標明」──這些都已在《細胞生物學期刊》的準則中。因此，目前早有明確的規範，只是學界同儕是否知悉？是否重視？是否真的自我要求、嚴謹遵守？此篇研究中也探討到論文中作者人數的多寡與是否出現問題圖片，兩者之間有無相關性。結果發現兩者並無關連，並未因為共同作者人數增多，在投稿前就能多幾個人仔細檢閱文稿，得以自己內控發現問題。這顯示當前生醫研究對內容的「量」要求愈來愈多、日益龐雜，因而要靠專業分工而造成零碎「片段化」：許多共同作者僅是負責其中一小部分的實驗或提供材料，無法掌握文稿整體。另一方面，這也是否暗示著無法負責或不具實質貢獻的共同作者，因為種種緣由而掛名其上的現象盛行？

值得警惕的是這篇研究的圖七： 3 位作者選定了發表於 PLOS ONE 這個開放取用之期刊上的論文為對象，以各國學者所發表的總論文數所占比例，與有疑義的論文數所佔比例來分析，有 3 國的爭議性論文之出現比例明顯偏高，分別是印度、中國、臺灣。

回到本文最初的提問：生醫論文圖片造假確實是古今中外皆有，但是有的常出包，有的少犯錯。不幸地，臺灣就是常出包的慣犯。該地域研究的取材樣本或許不夠大，但應足以反映出部分實情。無獨有偶，近年來臺灣的工程學門也出現嚴重違反學術倫理的案例：有虛創假冒審查者帳號來自我審查論文的；有擅將他人論文改寫逕自列名發表且一稿多投的；也有提不出特殊關鍵實驗的原始數據、號稱數據來自神秘人士於神祕地點的產出，且對實驗細節毫無所知。這些匪夷所思的案例，已讓臺灣學界的聲譽受損。

再經過此篇研究，臺灣學界的某些造假歪風（或輕忽成習）的現況，更經過同儕審查認證了。人們會怎樣看待臺灣？為何導致如此？原因可能與當前政府獎勵學術發展的政策手段偏差，與大學經營的扭曲管理方針等結構問題糾纏在一起。個人或許無法扭轉，但若多數人都能正視此事，不再犬儒或鄉愿，或許能改變。既為身在學術圈裡的一員，不論是涉入、默許、旁觀、還是無感，你我都是共業一環。只想獨善其身，就莫怨嘆自己本分規矩做研究遭人連累。因為沒有內省檢討反叛與行動，覆巢之下，也是咎由自取。

參考資料：

1. Bik, E.M., A. Casadevall, and F. C. Fang, The prevalence of inappropriate image duplication in biomedical research publications, mBio, Vol. 7(3):e00809-16, 2016.
2. Rossner, M. and K. M. Yamada, What’s in a picture? The temptation of image manipulation, J. Cell Biol., Vol. 116: 11-15, 2004.

〈本文選自《科學月刊》2017年2月號〉

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文／何翰蓁｜慈濟大學醫學系解剖學科副教授。熱愛形態學，以研究精子細胞內各胞器變化開啟研究生涯，目前觀察對象小至細菌，大至人體。著有《我的十堂大體解剖課》。

電子顯微鏡的世界只有黑白？

顯微鏡的發明，讓我們得以觀察人眼難以分辨的微小世界。光學顯微鏡以可見光成像，好處是可以利用不同顏色的染劑讓組織不同結構呈現不同顏色，人眼容易判別；缺點則是解像力有限，小於 0.2 微米的構造，細節難以清楚在顯微鏡下呈現。電子顯微鏡以電子成像，好處是解像力至少比光學顯微鏡好上 1000 倍，奈米等級的構造能清晰辨識；缺點則是電子顯微鏡下的世界只有黑白。

光學顯微鏡以可見光成像，好處是可以利用不同顏色的染劑讓組織不同結構呈現不同顏色，讓人眼容易判別。圖／Pinterest

電子顯微鏡下的花粉。source：wikimedia

因為利用電子成像，偏偏人眼無法接收電子訊號，於是電子顯微鏡的設計中，需要將電子訊號轉換成人眼可接收的光訊號，我們才能觀察到樣本在電子束照射下呈現出來的影像。只是，電子訊號轉換成光訊號時，單純以光強度顯示差異：較多電子訊號的地方較亮，較少電子訊號的地方較暗，也因此，影像通常以灰階、也就是黑白的方式呈現。

黑白與彩色影像在細胞或胞器形態的研究上或許沒有太大的差別，例如：雙凹圓盤狀的紅血球不會因為顏色不同而呈現不同形狀。然而，光學顯微鏡的一大利器是可以配合不同顏色染劑的使用，藉由色彩的輔助使得不同構造間的區別變得容易許多，同時也使得光學顯微鏡下的世界繽紛多彩。

近年來螢光蛋白的發現與改良，更增添了光學顯微鏡應用的廣度與深度。例如：利用免疫螢光技術標定細胞內特定的分子，或將特定蛋白質基因序列前加上螢光蛋白的序列，不止能觀察蛋白質在細胞內分佈的情形，甚至還能以螢光追蹤該蛋白質的動態。尤其螢光染劑有多種不同顏色，使我們得以在同一切片下同時標定，並觀察多種帶有不同色彩訊號的蛋白質。

電子顯微鏡雖然有較高的解像力，但是無法輸出彩色影像。圖／生物型穿透式及掃描式電子顯微鏡，清華大學貴重儀器中心

魚與熊掌能否兼得？

然而，光學顯微鏡的解像力有限，即使有了螢光的輔助，很多時候還是必須借助電子顯微鏡，才能釐清發出螢光的區域到底有什麼細微結構，或發生什麼變化。「如果電子顯微鏡能像光學顯微鏡那樣，可以同時觀察、分別出不同的螢光，那該有多好！」這是許多研究人員都曾有的願望，雖然大家也都清楚電子顯微鏡下看不到可見光的顏色，切片雖然也可透過染色增加對比，但染的是重金屬染劑，藉由蛋白質或核酸等物質與重金屬結合後，產生深染黑灰色的電子緻密區（electron-dense），以便和背景等淡染灰白色的電子透明區（electron-lucent）做區隔。

2016 年去世的錢永健博士以他在螢光蛋白的研發及對相關領域的重要貢獻，於 2008 年獲得了諾貝爾化學獎，他的研究團隊除了擴增螢光在不同技術的應用上，也試圖找出能在電子顯微鏡下觀察螢光的方式，目的除了希望以高解像力的電子顯微鏡進一步確認光學顯微鏡下的發現，更希望能使電子顯微鏡下的影像也呈現不同顏色，使研究人員能更加清楚的辨識不同結構。

馬蘭托（Robert Maranto）是第一個成功在電子顯微鏡下觀察到螢光分子的科學家。早在 1982 年，他率先在光學顯微鏡下觀察注射了螢光黃（Lucifer yellow）染劑的神經細胞，接著將切片浸泡在含二氨基聯苯胺（diaminobenzidine, DAB）的溶液中，並以藍光照射切片，被激發的螢光黃分子釋出自由基促使 DAB 氧化，由於氧化的 DAB 形成的沉澱物可以與重金屬鋨酸結合，因此成功在電子顯微鏡下看到原本螢光黃所在區域出現許多電子緻密的沉澱物。

依據此原理，包含錢永健博士在內的許多研究團隊在接下來的數年間不斷改良此技術，於是有了分子更小、更容易注射到細胞內的螢光染劑；也開發出光氧化後能產生更多沉澱物的螢光染劑等，使螢光轉換成電子緻密沉澱物的效率更好，間接達成在電子顯微鏡下觀察螢光的願望。

傳統的電子顯微鏡在將電子訊號轉換成光訊號時，單純以光強度顯示差異：較多電子訊號的地方較亮，較少電子訊號的地方較暗，也因此，影像通常以灰階、也就是黑白的方式呈現。圖／wormbook.org

新技術遇上的困難

可是，不同顏色的螢光在轉換成電子緻密沉澱物後，基本上全變成黑色，無法區別。前面提過，光學顯微鏡的一大優勢是能在同一切片上，以不同螢光顏色區別不同分子或構造，這在電子顯微鏡下相對困難。雖然在電子顯微鏡下也有辦法標定及觀察特定分子，利用免疫標定，使帶有黃金顆粒的抗體與標定分子結合上，因為黃金顆粒電子密度高，容易在電子顯微鏡下觀察到，加上可以選擇特定不同大小的黃金顆粒，所以要同時在一片切片上標定兩種以上分子，技術上也是可行的。

然而，攜帶黃金顆粒的抗體分子較大，在已固定的細胞或組織間滲透效果不好，限制了使用的範圍。雖然這問題可以改用上述氧化 DAB 產生電子緻密產物的方式解決，也就是讓抗體帶有可氧化 DAB 的染劑或酵素，或是直接以基因轉殖方式，使欲觀察的蛋白質與螢光蛋白結合，這些方法解決了大分子不易滲透的問題，但是原來電子顯微鏡下的影像就是黑白，沉積的產物也是黑色，反而增加了辨識的難度。

替細胞「染色」的新解答— 鑭系元素

去（2016）年 11 月由錢永健博士研究團隊發表在 Cell Chemical Biology 的文章，則提供了解決方式。研究團隊合成了帶有特定鑭系元素的 DAB，如鑭–DAB、鈰–DAB、鐠–DAB 等，以專一性螢光染劑滲透或基因轉殖方式，讓欲觀察的細胞內結構或蛋白質帶有不同的螢光，接著在螢光顯微鏡下，先激發第一種螢光，加入第一種帶鑭系元素的 DAB，使沉澱產物中有第一種鑭系元素；適當的去除未反應物後，再激發第二種螢光，加入第二種帶鑭系元素的 DAB，使沉澱物中有第二種鑭系元素沉積。

反應後的切片依電子顯微鏡樣本製備方式處理後，在一般穿透式電子顯微鏡下，可以觀察細胞內細微的各式結構，但此時不管何種帶鑭系元素的 DAB 產物，在顯微鏡下還是不容易和其他深染構造區分。作者接著以加裝了「電子能量損失能譜儀（Electron energy loss spectroscopy, EELS）」的電子顯微鏡觀察樣本，分析切片中兩種鑭系元素訊號分別出自何處，得到兩種元素的分佈圖，最後將傳統電子顯微鏡影像與兩種鑭系元素分佈圖於繪圖軟體中重疊在一起，並為元素分佈圖套色，使各自帶有不同顏色，如綠色代表鑭，紅色代表鈰，於是得到黑白的電子顯微鏡照片上有綠色和紅色等色彩的呈現。

以鑭系重金屬替電子顯微鏡下的細胞「染色」的示意圖。圖／MRSBulletin

作者選擇鑭系元素有幾個原因，一是他們都是重金屬，在 EELS 元素分析下訊號容易辨識，另一個則是在 DAB 氧化時易一起形成沉澱且不易流失。嚴格說來，作者並非直接在電子顯微鏡下看到彩色的影像，畢竟成像的還是電子，不是光子。不過本篇文章採用的技術，讓我們可以先利用光學顯微鏡及螢光蛋白科技等優勢，觀察大範圍組織獲得較整體的概念，再藉由電子顯微鏡的高解析度了解奈米層級的結構，同時對標定的分子在細胞內的分佈狀況或交互作用，能藉由顏色的呈現更清楚的與背景影像區別，這對未來細胞顯微結構及分子分佈與功能的研究開啟了另一種可能性。

圖／MRSBulletin

〈本文選自《科學月刊》2017年3月號〉

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文／魏百駿｜畢業於清大材料所，現職為中研院物理所博士後研究員（陳洋元實驗室），專攻熱電材料及相關材料物理。

熱電材料可以把熱能轉為電能。而能將廢熱有效率轉為電能，一直是科學家的夢想。但是熱電材料一直有個瓶頸，材料需要同時具導電好卻導熱差的特性。而一般導電好的材料，譬如金、銀、銅等金屬，導熱也同時較好，並不適合作為熱電材料。最近美國柏克萊實驗室發現二氧化釩（VO₂）裡的電荷載子具導電卻不導熱的性質，為熱電材料帶來新契機。

在這張套色的掃描電子顯微鏡的影像中，通過將熱量從懸浮的熱源墊（紅色）傳輸到感測墊（藍色）來測量熱導率。 期間以二氧化釩的納米骨架橋接。 Credit: Junqiao Wu/Berkeley Lab

固體內的熱傳導

熱傳導為能量（熱能）從高溫處往低溫傳輸的現象。固體中，熱的傳輸有兩種媒介：

（1）原子晶格的熱振盪以及

（2）利用電子之類的自由載子（free carrier）來承載。

晶格熱振盪形成的彈性波，從量子力學的角度，科學家將之稱為「聲子（phonon）」；自由載子指的是可以自由移動，且帶有電荷的物質微粒，如電子和離子，能同時攜帶電荷及熱能。

一般而言，導電良好的材料內，電子在運動過程中受到的「阻力（電阻）」較小，電荷可快速傳輸。在此同時，自由載子也將熱能快速傳遞。這個現象是 1853 年維德曼（Gustav Wiedemann）和夫蘭茲（Rudolph Franz）在實驗中發現的，它主要描述了金屬電導率 σ 和熱導率 ρ 之間的關係，其中比例常數 L 稱之為羅倫茲常數（Lorentz number），也就是導電率越高，熱傳導率也就愈高。

然而，近期美國柏克萊實驗室在 Science 期刊上發表一項重大發現，二氧化釩奈米線中的自由載子導電不導熱！明顯打破維德曼－夫蘭茲定律（Wiedemann–Franz law）！因為其內的自由載子間具有很強的相互作用，使得電荷和熱能的輸運（transport）分開，不再藉由同一個自由載子來進行輸運！

柏克萊大學研究團隊。Credit: Junqiao Wu/Berkeley Lab

二氧化釩是一個具有「金屬－絕緣體相變（Metal-insulator transition）」的材料。於溫度 68°C 以上的環境，二氧化釩會具有金屬特性，若位於 68°C 以下環境，則會具有絕緣體特性。柏克萊團隊為了證實中的自由載子在輸運電荷的過程中並不肩負熱的傳輸，他們利用懸空的單晶奈米線結構，保證熱流與電流傳導為同一方向，也去除材料中應力與多晶格方向的影響。

如前文所述，熱導率來自於自由載子與聲子，經由實驗測得的熱傳導率減去理論晶格熱傳導率，並比對導電相與絕緣體相的理論及實驗值，該團隊確認金屬性二氧化釩中，電子所貢獻的熱傳導率約為維德曼－夫蘭茲定律預測的 10~20%，也就是自由載子帶的熱能比該理論預測少很多，非常難得一見。

藍色為釩原子，左側為導電階段。source：Atomic Vibrations Stabilize Metallic Vanadium Dioxide

現今我們對這樣電輸運與熱輸運解偶（decouple）的材料系統知道的不多。如果能深入了解其中電與熱解偶的機制，以及其內聲子如何與電子交互作用、電子之間如何交互作用等，對於開發所謂能將熱能直接轉換成電能、或電能直接轉換成溫差的熱電元件，將是極大的助益。

廢熱再利用

導電竟然有可能不導熱？圖／By garycycles8 @ flickr, CC BY 2.0

我們人類活動中產生的電能或動能，大多是以熱的形式浪費掉（廢熱）。熱電元件具備可直接將熱能轉換為可利用的電能（不透過任何機械裝置）的特性，因此具備可回收廢熱的優點！尤其是針對回收不易、介於 100~200°C 之間的低溫廢熱更具優勢。因此若能開發出具備非常高效率的熱－電轉換材料，有益於環境保護及空間節省。科學家利用「熱電優值」ZT 來衡量描述材料的熱電轉換能力，Z 是材料的熱電係數，T 是熱力學溫度。更詳細的來說：ZT= S²σT/κ，也就是說熱電優值的大小直接與熱傳導率（κ）、導電度（σ）及溫度（T）是相互關連的，而 S 為席貝克係數（Seebeck coefficient）。由上述 ZT 的關係式可知，好的熱電材料需要電導高但熱導低的特性，這也是目前熱電材料最大瓶頸。

若在熱電材料中自由載子導電卻不導熱，我們從電子貢獻的 ZTe=S²/L=S²σT/κe，不難看出如果羅倫茲常數趨近於零可以使得該材料中，電子的熱電效率無窮大！因此若能找到完全不遵守維德曼－夫蘭茲定律的材料系統，那麼等於找到夢想中的高效率熱電材料，而「壞金屬（bad metal）」，也就是自由載子傳輸的自由徑（mean free path）小於晶格大小的材料，是非常有潛力的材料系統。

最近幾年有些相關理論及實驗發表於重要國際期刊，探討如導電二氧化釩系統的「壞金屬」。不難發現這些具有非常規電子動力學的材料系統所牽涉的領域相當廣泛，且許多部分仍屬推測或未知。尋找突破維德曼－夫蘭茲定律的系統對於發展高效率熱電材料固然重要，然而在到達終點之前，我們仍有許多問題需要回答。熱電學中的三個主要參數：導電度、席貝克係數、熱傳導率本身每個都是度量材料電子及聲子動力系統的偵測儀，因此在可期待的未來，可藉由熱電物理的手來解開物理中未知且重要的一環。

延伸閱讀：

“Anomalously low electronic thermal conductivity in metallic vanadium dioxide" Science, science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aag0410

〈本文選自《科學月刊》2017 年 4 月號〉

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文／林翰佐｜銘傳大學生物科技學系副教授，科學月刊副總編輯。

複雜的社會行為

螞蟻分工合作的行為。圖／By Kasi Metcalf @ flickr, CC BY-NC-ND 2.0

雖然有許多人不喜歡螞蟻，但大多數的人還是會承認，螞蟻是一種神奇的動物。螞蟻似乎有些靈性，可以預知災難的來臨，所以古人會藉由觀察螞蟻搬家的現象來趨吉避凶。生物學家越深入對螞蟻的研究，就益發地對螞蟻的種種感到不可思議，包括螞蟻與蚜蟲（aphids）的共生關係、不同蟻窩之間會發生的部族戰鬥以及彼此掠奪幼蟲與蛹的偷盜行為等。在這些自然發生的現象裡，螞蟻展現了猶如人類般複雜的社會行為（social behavior），令人嘆為觀止。科學家們甚至於以「超個體（super-organism）」（註 1）一詞來形容螞蟻群，盛讚這樣群體協同能力猶如一生物個體。

在獵人蟻王篇中出現的虛擬生物「嵌合蟻」，其特性也部分利用了螞蟻的習性。source：東立

那，螞蟻是如何辦到的呢？長久以來科學家們一直相信，即便昆蟲的社會行為與人類看來相近，但兩者仍然有著根本上的不同。從生物觀點上來說，人類的社會行為是一種群體意志的展現，涉及一些源自動物根底的本能，還有人類之所以為人的人性。雖然複雜，但是其中的一個重要因素是修正的潛能；行為本身可以透過教育訓練，生活經驗進行改變。

而螞蟻的社會行為看起來更像是一種演化後的既定行為模式，是一種無法經過學習產生改變的必然結果。即便信者言之鑿鑿，科學家們似乎一直無法拿出明確而直接的證據來證明這個想法的正確性，再則，就算螞蟻的社會行為真如科學家們所預測的那樣一板一眼，光是想了解螞蟻如何能執行這樣精緻複雜的社會行為，以及演化的過程當中螞蟻如何發展出這樣精緻的社會行為，都是生命科學研究上的重要命題。

圖／By Susanne Nilsson @ flickr, CC BY-SA 2.0

基因體修編技術的應用

先前我們曾經提過 CRISPR 這樣一個劃時代，新興的生物基因體編修（gene editing）技術。透過轉染（transfer）一段人工合成的質體（plasmid）片段進入受精卵當中，科學家們便能導引酵素的攻擊，在特定基因序列的位置上誘發 DNA 的雙股斷裂（double strand break），然後造成基因實質上的剔除。即便 CRISPR 技術在實驗上仍有著不確定的模糊地帶，但因為對研究物種的限制低、實驗成本低廉等優點下，目前這樣的技術已經廣泛應用在各種動植物的研究上，以用來了解特定基因以及它的蛋白質產物在生理上所扮演的多元角色。

CRISPR 技術特別適用於具有豐沛子代的物種當中，像是果蠅（drosophila）、斑馬魚（zebrafish）等模式動物的研究，所以用來解答螞蟻社會行為的演化之謎，看來是個相當可行的方法。

source：Wikimedia

意外地困難重重

在英雄所見略同的狀況下，世界上頂尖的螞蟻研究團隊相繼的投入利用基因體編修技術來研究螞蟻，但很快的，這些團隊便發現事情沒有想像中的來得容易。在嘗試的過程當中，科學家們發現螞蟻蛋是一種非常敏感的東西，在顯微注射（microinjection）的操作中很容易就弄死了這些脆弱的蛋，就算通過考驗，成功的在蟻蛋的基因體上完成編修，缺乏工蟻們的照顧，螞蟻的蛋也很難孵化存活，想要生產「一整窩」基因改造的螞蟻其實具有相當的難度。

在多數的生物學研究當中，研究上的瓶頸大多受限於高端分子生物技術上的限制，但這一次，科學家們似乎在培養螞蟻這樣的基本議題中就被困住了。

聰明的選擇露出研究曙光

生命科學研究上的趣味性也許就在這裡，當你覺得在一頭撞入死胡同之際，巷子裡的某些角落裡也許另有一扇為你而開的窗口，提供一條脫困之路。變更研究中所使用的實驗物種有時候也是一個好的研究策略。美國紐約洛克斐勒大學（Rockefeller University）的康勞爾博士（Daniel Kronauer）以及他所領導的團隊在看待這樣的研究議題時，有智慧的選擇了一種特別的螞蟻作為他們的研究材料。

這種螞蟻名為畢氏粗角蟻（Ooceraea biroi），是一種侵略性強，有強烈掠奪行為的突擊蟻（raider ants）。在生殖上，畢氏粗角蟻的族群當中並沒有專司生育的蟻后，每一隻雌性均具有生育的能力，可以自行的孕育自己的後代，比起其他高度分工的螞蟻物種，在人工繁殖上會容易許多。

在生殖上，畢氏粗角蟻的族群當中並沒有專司生育的蟻后，每一隻雌性均具有生育的能力。圖／Ooceraea biroi（Forel, 1907）畢氏粗角蟻《臺灣生物多樣性資訊網-TaiBIF》。

不過，實際的研究工作仍然遠比想像中得來的複雜。在為期 2 年的研究當中，研究團隊致力於研究畢氏粗角蟻卵中的一種可以抑制其他成蟻下蛋的費洛蒙機制。他們相信透過了解這樣的機制，除了可以秣馬厲兵，建立相關分子生物技術研究上的平台之外，透過控制費洛蒙的抑制機轉，才能實現大量生產研究中所需要的「一整窩」螞蟻，為未來的研究鋪上康莊大道。

為了實現這樣的夢想，團隊進行著一系列的分子生物學前置作業研究，挑選適當的目標基因，並將包含這些目標基因以及引發 CRISPR 剔除作用所需之 DNA 序列訊息的質體注射入螞蟻蛋中，靜候基因體修編現象的發生。根據文獻中的描述，光是這部分的研究，團隊就進行了近萬次的顯微注射嘗試；研究者必須小心翼翼的收集這些完好無暇的螞蟻蛋，讓它們整整齊齊的排列在玻璃片上，然後透過顯微注射的方式將適當的 DNA 片段分別的注射到這些蛋裡面，然後個別的進行近 3 個月的培養。

研究的結果如何呢？文章中提到有關 orco 基因被破壞後的實驗成果。orco 基因，是記錄著螞蟻觸角上一種構成嗅覺受器神經元（odorant receptor neuron）的蛋白質，與螞蟻執行嗅覺的功能有關。在昆蟲的世界裡，螞蟻是著名的「好鼻師」，根據現今的研究，在螞蟻的觸角上至少有 350 種不同種類的嗅覺受器神經元，而大多數的昆蟲則跟果蠅的數量比較接近，大概只有 46 種左右。康勞爾博士以及其他螞蟻學專家們都相信，複雜的嗅覺感官提供了螞蟻執行深度溝通的基礎。

嗅覺並非是 orco 基因剃除對螞蟻所產生的唯一影響

在orco基因遭到剔除的螞蟻實驗中，研究團隊觀察到一些有趣的行為改變。在正常的狀態下，成長中的粗角蟻顯得安份，在頭一個月會與同窩姊妹待在一起，但基因剔除蟻在剛孵化後便顯得格外的活潑躁動，四處不停的隨處遊走。此外，基因剔除蟻也不具備追蹤由其他螞蟻遺留下來的氣味足跡的能力；這種多數螞蟻皆具備的能力被視為是螞蟻得以團隊合作的基礎。有趣的是，不論在壽命或是生育能力上，這些嗅覺障礙的基因剔除蟻都顯得較為羸弱；正常的畢氏粗角蟻平均每 2 周會生產 6 顆蛋，但基因剔除蟻僅能生產 1 顆蛋。正常的畢氏粗角蟻平均壽命大約 6~8 個月，但是基因剔除蟻的壽命則縮短成 2~3 個月。

更有趣的現象則發生在基因剔除蟻的大腦當中。在正常組織結構當中，同一類型的嗅覺受器神經元的神經纖維末梢在進入大腦之後，會連結成為一個稱為「小球（glomeruli）」的結構，然後再向上連結第二級的神經元細胞。在先前以老鼠所作的 orco 基因剔除研究中顯示，這個名為小球的組織結構會隨著基因的破壞而消失，不過在果蠅身上所作的 orco 基因剔除研究則顯示，小球結構則並未有明顯的改變，暗示著隨著物種的差異，orco 基因所記錄的蛋白質產物扮演著不完全相同的角色。雖然血緣上，螞蟻與果蠅的關係比螞蟻與老鼠間親近了許多，但在畢氏粗角蟻身上所作的實驗結果反而與老鼠相似，小球結構在這些基因剔除蟻的組織並未形成。這個結果是否暗示著，除了嗅覺受器神經元種類的差異之外，螞蟻在嗅覺神經系統的演化上也比它的昆蟲親戚們更趨向如同高等動物般的分化發展？

目前整個研究仍處於開端，但無疑的，這是一個全新知識領域的窗口。同為螞蟻專家，來自伊利諾大學（University of Illinois）的羅賓森（Gene E. Robinson）教授盛讚這是一個「大開眼界的研究（the real eyeopeningresult）」。對我而言，大開眼界的不光是獲得螞蟻相關知識的本身，還有研究團隊為了研究這個議題所付出的努力與堅持。

螞蟻作為超個體，難以單獨生存。圖／By Susanne Nilsson @ flickr, CC BY-SA 2.0

• 註 1：超個體，其定義為一群個體能夠協調的進行一致性的活動，由集體來支配的現象，是一種真社會性動物的社會單位，在此社會中個體被高度分工且專業化，強調個體單位通常無法長時間獨自生存，著名的超個體有螞蟻、裸鼴鼠等。

CRISPR 話外音

自從 CRISPR 系統在 2012 年由加州大學伯克利分校（University of California, Berkeley）杜德納（Jennifer Doudna）與其合作者卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）首度在試管實驗中發現，並一舉登上 Science 期刊。相隔一年，麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology）以張鋒為首的研究團隊也發表了透過 CRISPR 技術實際應用在動、植物等真核細胞當中，此 CRISPR 系統在科學界掀起一陣波瀾，受到熱烈的討論，也讓卡彭蒂耶、杜德納與張鋒在 2016 年共同獲得了唐獎（Tang Prize）中的生技醫藥獎（Biopharmaceutical Science）。

左至右分別為卡彭蒂耶、杜德納與張鋒。source：唐獎官網

自此之後，CRISPR 技術被運用在各項研究中，許多科學家投入了大量心力，想透過 CRISPR 基因剪輯技術來探討更多的生物生理機制，如本文的研究。然而，最早發現與實際應用的 2 大團隊在近期卻因為 CRISPR 技術專利部分而鬧上法庭，此專利案雖在 3 月初已告一段落，張鋒團隊能夠持續保有已申請通過的 CRISPR 相關專利，而杜德納團隊所申請的專利則與之不相牴觸下持續在美國專利商標局（United States Patent and Trademark Office, USPTO）進行送審。

慶幸的是，在學術的基礎背景下，CRISPR 技術不在專利的收取費用範圍。不過，看著去年 3 位前往臺灣領取獎項及共同進行演講的和樂畫面，或許也是我們當初始料未及的。

〈本文選自《科學月刊》2017 年 4 月號〉

什麼？！你還不知道《科學月刊》，我們 47 歲囉！

入不惑之年還是可以當個科青

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