科學月刊 – PanSci 泛科學

文／林士傑｜臺大醫學系畢，美國杜克大學神經生物學博士，現任美國國家衛生研究院研究員。

圖／Pixabay

大腦是個很奇妙的東西。人與所有動物的一舉一動幾乎都跟大腦和神經系統脫不了關係，無論是任一種感官（視覺、聽覺、觸覺、嗅覺）、動作、思緒（注意力、學習、記憶、判斷）、情緒，乃至於每一個判斷與決定，都和大腦息息相關。就算試著休息放空腦袋，大腦還是控制了呼吸、心跳、睡眠，乃至於所有基本的生理需求（餓、渴、性）。

一旦大腦的運作偏離了常軌，各式各樣的問題隨之而生：像是思覺失調、憂鬱、焦慮、注意力失調與過動、失智、帕金森氏症、癲癇、藥物成癮等。大腦裡面到底裝了些什麼東西，讓它可以負責這麼多的行為與認知功能？這是系統神經科學（systems neuroscience）所要回答的根本問題。

腦啟動計畫：把大腦當成一部電腦

近幾年來，世界各國都投入大量的資源以進行系統神經科學研究，美國的腦啟動計畫（Brain Initiative）是其中最大規模的計畫。由於大腦是由一個個神經元（神經細胞）所組成，而神經元透過電訊號彼此傳遞訊息，腦啟動計畫背後根本的想法便是將大腦當成一部電腦來理解，把大腦看成是一個處理訊息的複雜電路：當外界的資訊接觸到我們的身體，感官系統開始處理這些訊息，各種認知功能加入運作，依照身體內在的狀態與需求，做出適切的反應與決定。在這複雜的大腦電路裡，每一種行為與認知功能，都有其相對應的特殊神經迴路。

在這複雜的大腦電路裡，每一種行為與認知功能，都有其相對應的特殊神經迴路。圖／Wei-Chung Allen Lee, Hayden Huang, Guoping Feng, Joshua R. Sanes, Emery N. Brown, Peter T. So, Elly Nedivi, CC BY 2.5, wikimedia commons

在這個脈絡下，研究大腦的首要工作是得了解電路基本元件的特性跟電路設計圖。腦啟動計畫即是由此展開，確立幾個重要的研究目標：

辨識不同種類的神經元，這好比釐清電路裡各種基本元件
建立腦中神經網路的連結圖譜，像是建構大腦裡面複雜的電路圖
記錄大批神經元在各種行為及認知功能下的活性，等同於透過觀察的方式來理解大腦電路的運作方式
透過直接改變神經元活性的技術，探討神經元活性與各種行為及認知功能間的因果關係
建立統合性的腦功能理論以及分析大量資料的工具
將基礎研究的成果推展至人腦方面的疾病治療與預防

腦啟動計劃所需要的各項技術，尤其是標定各種神經元、記錄以及改變其活性的方法，在過去十年來都有革命性的發展。舉例來說，透過分子遺傳學的技術，現在已經可以在小鼠模型中精準標定各個種類的神經元，並在其中表達量身訂做的新式分子工具，包括光遺傳學（optogenetics）中的各種光控離子通道，或是超敏感螢光探針。

光遺傳學這個新技術讓研究者可以透過光照來活化不同的離子通道以控制（增強或是抑制）神經元的活性，是測試神經元活性與各種行為及認知功能因果關係的重要工具。新式螢光探針，譬如新近研發的 GCamp6，則提供了一個用光學顯微鏡大規模記錄神經元活性的途徑。

另外，利用微電極直接記錄神經元活性的電生理技術也有長足的進步，同時記錄上百個神經元的技術已經普及，記錄上千個甚至上萬個神經元的技術也已問世。這些新技術讓系統神經科學進到前所未有的境地。

行為與認知功能的重要性

有了這些新技術，就足以了解大腦運作的機轉嗎？最近兩篇論文對這問題提出新的觀點。

在第一篇裡，喬納斯（Eric Jonas）與科丁（Konrad Kording）把研究大腦的分析工具，拿來研究一個播放電動玩具的電腦晶片。他們想要知道這些分析工具是否足以理解一個簡單的電腦晶片。他們把電腦晶片裡的電晶體，當成是一個個的神經元，透過電腦模擬來觀察個別電晶體的活性，同時也在模擬過程中把個別電晶體移除，來檢視他們對電腦晶片整體運作的因果關係。換句話說，喬納斯與科丁希望透過觀察電晶體裡面數位信號的流動，來了解電腦晶片的運作的原理。

然而實驗結果讓人失望：雖然喬納斯與科丁觀察到有趣的電晶體活性，但是整體來說這些分析工具並無法理解電腦晶片的運作邏輯。如果連一個小晶片都搞不定，系統神經科學家真有可能理解大腦的運作方式嗎？

在另外一篇論文裡，克拉考爾（John Krakauer）跟他的同事們提出不同的看法。他們認為問題的癥結，在於「見樹不見林」。克拉考爾等人認為要理解播放電動玩具的電腦晶片，不能把研究的層面侷限在電晶體活性（樹）。要跳脫這侷限，需要的是直接觀察玩家打電動，才能從中整理出電玩的抽象遊戲規則（林）。這些高層次的規則可以幫助研究者回頭去理解電晶體活性，從而推導出電腦晶片的運作原理。

同樣的道理，如果要了解大腦主管運動的區域是怎麼控制雙腳行走，必須從研究人走路開始，從中萃取出走路這行為的自由度與必要的控制參數，才能回頭去釐清大腦神經元活性是怎麼控制雙腳行走。換句話說，如果研究者從來沒有研究過人走路的樣子，就算新的技術能夠完全的釐清所有神經元的種類，也建立完整的連結圖譜，並能夠同時記錄所有神經元的活性，這些資訊本身仍不足以了解與想像走路是怎麼一回事。克拉考爾的論證對於系統神經科學的啟示在於：在致力發展新技術以記錄更多更精確的神經元活性的同時，系統神經科學家也必須要用同樣的高規格來研究行為與認知功能。唯有理解行為與認知功能背後的規律跟規則，才有可能了解大腦解決這些問題的機轉。

如果要了解大腦主管運動的區域是怎麼控制雙腳行走，必須從研究人走路開始。圖／By Ballookey Klugeypop @ flickr, CC BY-NC-ND 2.0

跨領域整合需要理工專長

總括來說，新技術的快速發展讓系統神經科學正進入一個前有未見的黃金年代。要了解大腦的運作機轉，需要的不僅是生物醫學相關的背景，同時也需要數理、電機、資工、機械的專長，一起加入跨領域的研究行列。系統神經科學，不但需要生物學的專長在實驗動物模型中從事基礎系統神經科學研究，也需要認知科學與心理學來剖析認知功能與行為背後的成因與細節；以及臨床醫師（包括精神科、神經科、神經外科、復健科）的參與，將研究成果應用到病人身上。

系統神經科學同時也需電機專長來研發新的電生理與光學紀錄系統；需要統計學來處理大規模的數據分析；需要電腦與資訊科學將大腦運作的巧妙機轉運用到人工智慧跟類神經網路的設計；以及機械專長來將記錄到的神經訊號透過腦機介面的技術（brain-machine interface）來控制義肢或機械手臂，或是控制新研發的醫療儀器。這些跨領域整合的例子開展了許多新的研究方向，而其中理工專長的研究人員更是對於新技術的發展有莫大的貢獻，這是值得臺灣研究機構、大學系所、教授以及新進學生共同思考的趨勢。

〈本文選自《科學月刊》2017 年 5 月號〉

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入不惑之年還是可以當個科青

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文／林宮玄｜任職於中央研究院物理研究所，兼任科學月刊副總編輯。

一般人對基礎科學研究的印象，大概是高深又難懂，但是學術界有名望、有影響力的人都說很重要，雖然不懂，也要跟著大家說這很重要，以免招來惡評。立法院在審查預算時，臺灣人民縮影的立法委員與立委助理們，大概就是這種心情。以上純屬筆者臆測，如有雷同，筆者也不知道是否純屬巧合。

也許別讓人懂基礎研究在做什麼，保持一份神秘感，維持現狀最好。根據目前社會氛圍，立委大人不敢貿然亂刪科技預算，只好刪除看得懂的東西，譬如康樂預算、福利預算與出差預算，或來個統刪多少百分比，大家做個樣子好交差。過去學術界部分單位甚至訂下制度，學者玩發表論文換點數的遊戲，搜集點數換升遷與加薪。學校可對政府交代，學者也歡喜，但納稅人就該乖乖繳費，讓學術界玩這樣的遊戲嗎？所幸大多數臺灣人早已注意到這個問題。

本期專訪人物，大學教授出身的行政院吳政忠政務委員提出，做事情要有「終極目標為何」的概念。當然，上面根據精神訂了規則，下面卻做不符合「規則精神」但符合「規則」的玩法，遂行真正終極目標：「拿到最多經費」，可能是該進一步討論的。國家法律有其法源精神，如何訂法條，讓人執行起來符合法源精神，是一門很深的學問。

大學教授出身的行政院吳政忠政務委員提出，做事情要有「終極目標為何」的概念。當然，上面根據精神訂了規則，下面卻做不符合「規則精神」但符合「規則」的玩法，遂行真正終極目標：「拿到最多經費」。圖／By Downing Street @ flickr, CC BY-NC-ND 2.0

基礎研究真的對經濟沒有立即影響嗎？這是一個大哉問。估且不論研究本身，學術界基礎研究過程中就已經在培養人才做事情的方法。這些人才可以從失敗的研究過程中吸取經驗，這卻是沒辦法量化而被隱藏的影響。基礎研究失敗風險極高，如同創業的失敗率高達 90% 以上，但失敗不代表沒有學到知識與經驗，過程中參與的人才，只要持續有個目標，最後還是有可能成功，當先驅者開花結果。以上純屬個人看法，回歸問題：「應用研究比基礎研究對經濟有貢獻嗎？」，一般人會認為，這種問題怎麼可能用科學方法研究。但 2017 年 4 月刊登在 Science 期刊的一篇論文，令筆者眼睛為之一亮，值得我們國家決策者注意。

「基礎」或「應用」研究對經濟影響有差嗎？

美國哈佛大學商學院、美國麻省理工學院及美國經濟研究所（National Bureau of Economic Research）的研究團隊，針對生醫領域中政府支持的研究計劃，「基礎研究」與「應用研究」對產生「應用價值」的目標是否不同？結論是：「基礎」或「應用」導向的生醫研究計劃，最終對社會經濟的影響，看不出統計上的差別。

換句話說，如果最終目標是「研究計劃產生應用價值」，在申請計畫時區分「基礎」或「應用」導向是沒有意義的。這個結論顛覆一般人思維，理論上「應用」導向的研究，不是更可能成功產生「應用價值」嗎？也就是所謂的技術轉移、協助成立新創公司、使生活更便利或人類更健康。

研究分析樣本定義

令人驚訝的結論，一定要了解這個科學實驗是怎麼做的，是否實驗方法使結論有偏差？避免落入某些媒體「標題殺人」或「聳動標題」的陷阱。該論文「應用價值」指的是「專利」，至於「專利（尤其是國內的專利）」算不算有「應用價值」？筆者不予評論。但研究總要先有個定義，才能進行下去。

關於分析的樣本，是美國國家衛生院（National Institute of Health, NIH）所資金支持的計劃。NIH 在生命科學領域是世界上最大的資金贊助機構，每年經手超過 300 億美金，相當於一兆新臺幣左右，約為中華民國政府一年總預算的一半。在美國本土，包含政府與私人公司贊助的生醫研究中，有三分之一是由 NIH 所資助。如果進一步區分所謂的「基礎研究」與「應用研究」，NIH 則是「基礎研究」的最主要贊助者。

論文作者追蹤並分析 NIH 從 1980~2007 年所贊助的 365,380 個計劃，約有 10% 在計劃結束直接產生專利。大部分的決策者（或官員），最重視的也是這個部分：計劃結束是否能有立即成果及經濟價值。部分人士更狹隘看待「經濟價值」，譬如很多專利在進入人體試驗，失敗而未被美國食品藥品局（Food and　Drug Administration, FDA）批淮上市販售。但該團隊採用較寬鬆的方法來認定計劃所產生的「應用價值」。因此進一步定義：若有專利內容引用 NIH 資助計劃所產生的論文，算是「間接產生專利」。根據這個定義，「間接產生專利」佔 NIH 資助計劃中的 30%。

分析的樣本，是美國國家衛生院（NIH）所資金支持的計劃。NIH 在生命科學領域是世界上最大的資金贊助機構，這個研究顯示，「基礎」與「應用」導向的研究計劃，何者對社會經濟的貢獻比較重要？在生醫領域是沒有差別的。圖／By NIH, Public Domain, wikimedia commons

論文作者也提醒讀者，利用「專利」來定義「應用價值」有限制與缺點。雖然他們已經將大部分專利考慮進去，並與NIH 計劃做聯結研究，但還是有一些專利未考慮到。「間接產生專利」的定義方式也不完美。許多人寫專利在引用論文時，並未考慮：引用的論文是否對該專利發明人真正有啟發性。這會造成「間接產生專利」無法完全反應哪些論文真正有貢獻。還有另一個情況：有原創性的 A 論文，被 B 論文引用，但最後專利只引用 B 論文。這種情況，實際上 A 論文也有貢獻，但沒被專利引用而計算到，會低估產生 A 論文計劃的應用價值。

作者更進一步表示，NIH 所訓練的人才，理當對經濟有貢獻，這個效應也沒辦法被考慮。儘管有這麼多實驗設計的不完美，大數據分析的結論，仍值得大家深思。「基礎」與「應用」導向的研究計劃，何者對社會經濟的貢獻比較重要？這個研究顯示，在生醫領域是沒有差別的。筆者認為，這也許反應前瞻研究計劃不可預期的特性。如果真的一開始能預期結果，計劃結果都符合一開始預期，反而有問題。既然不可預期，在寫計劃時預期是「基礎」還是「應用」，是否只是參考？

針對臺灣環境做研究？

這個研究是由美國人在美國權威雜誌 Science 期刊發表，是針對美國本土狀況的研究，也具有啟發性可供其他國家參考。適用於臺灣嗎？若有臺灣學者做這類研究，因為臺灣樣本數太少，其他國家學者可能沒興趣引用。發表出來的論文，也許不會被英美所主導的權威雜誌接受。但是臺灣需不需要這類研究？以國際眼光評價可能不高，但這類研究對臺灣的「貢獻」是否很大？針對臺灣環境所做的研究，理應對臺灣決策者更具說服力。

最後筆者再次強調，這個研究是針對「美國的生醫領域」，也許也可解釋，以「基礎科學」為強項的中央研究院，除了大量資金投資以外，技術轉移為何以生醫領域為大宗。至於其他領域，「基礎」與「應用」為導向的研究計劃對「應用價值」有無顯著差別？可能是各抒己見的辯論。希望相關領域專家學者，能針對臺灣樣本，提供科學上的研究分析。

〈本文選自《科學月刊》2017 年 5 月號〉

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文／任昊佳｜臺大地質系助理教授，普林斯頓大學博士，主要研究生物與自然環境在地球漫長發展歷史中的相互影響。

海洋浮游植物與所有生物一樣，需要氮才能生長，雖然空氣中的主要成分是氮氣，但是氮氣不能為大多數浮游植物使用，它們只能使用某些氮的形式，像是胺、硝酸鹽或有機氮等。自然界將氮氣轉化為可供浮游植物使用的氮之過程稱為「固氮作用」，只有少數細菌和藍綠藻可以進行固氮作用，這使得海洋中能為生物利用的氮極其有限，從而抑制了浮游植物的生長。

澳洲昆士蘭大堡礁的珊瑚，僅作示意圖，非本研究之研究對象。圖／NOAA Photo Library@Flickr

工業加速的固氮作用

從上個世紀以來，人類活動迅速增加了固氮作用的速度。在 20 世紀初，哈伯（Fritz Haber）和博施（Carl Bosch）2 位諾貝爾化學獎得主的研究發現了可以將大氣中的氮氣轉化為生物可利用氮的工業固氮過程，哈伯-博施法（Haber-Bosch process）很快地被利用於生產氮肥料。同時，內燃機的使用和其他工業燃燒過程導致氧化氮（NOx）向空氣中大量釋放。

由於這些人類活動，每年進入生物圈的固氮量增加了一倍以上，這些固氮大部分都沉降在臨近的陸地上，並引起陸地生態系統的劇烈改變，例如人類向自然環境中排放的氮已經頻繁地造成湖泊、河流或沿岸海域富營養化，引起藻類及其他浮游生物的迅速繁殖，使水體溶解氧含量下降，造成水中生物的死亡甚至絕跡。

人類排放的氮也可以經由大氣傳播到更遠的地方，電腦模擬的結果顯示，遠離陸地的海洋也會受到人類活動排放氮的影響，然而，至今沒有直接觀測證據支持這一論點，因為人類造成的固氮會因為海水的混合而稀釋，其影響也可能被海洋中固氮生物的活動抵消。

湖泊、河流或沿岸海域富營養化，引起藻類及其他浮游生物的迅速繁殖。圖／ChadoNihi @ Pixabay

筆者帶領研究團隊透過南海的珊瑚追蹤人為排放氮的證據，首次直接證實人類排放氮的確可以傳播到遠洋，該研究結果於 2017 年 5 月發表在《Science》期刊中。

我們使用的主要工具為氮的穩定同位素。氮有 2 個穩定同位素：較輕的 N¹⁴和較重的 N¹⁵。人為排放的氮通常比自然環境中的氮含有更多 N¹⁴，因此我們可以使用氮的穩定同位素來記錄人類排放氮的軌跡，例如，增加人類排放氮會增強自然環境或生態系統中的 N¹⁴訊號，這種變化在陸地湖泊、森林、沿岸區域、甚至在南北極的冰芯中都有觀察到，但傳播到遠洋的氮通常因為被生物迅速並完全利用而難以觀測，且大氣沉降帶來的氮的訊號會被海水的混合迅速稀釋，這都對直接觀測遠洋環境中的人為影響造成了很大的挑戰。

石珊瑚骨骼內的氮同位素

石珊瑚是生活在淺海的一種常見生物，它們的碳酸鈣骨骼中含有微量有機氮，已經被前人證實可以記錄環境中的氮同位素組成，隨著珊瑚的生長，珊瑚骨骼會完好保存和記錄珊瑚生長環境中氮同位素組成的變化。

為更精確的測量珊瑚骨骼中微量有機氮的同位素組成，我們團隊採用目前世界上最先進的方法，先將有機氮氧化為硝酸鹽，再利用反硝化細菌的生物方法將硝酸鹽轉化為一氧化二氮（N₂O）氣體，最後使用穩定同位素質譜儀測定一氧化二氮氣體的同位素組成，這種方法的靈敏度比傳統的將有機氮燃燒為氮（N₂）的測量方法至少高 100 倍。

我們的研究團隊從南海北部的東沙環礁內取得珊瑚樣品。東沙環礁距離最近的陸地有 300多公里，人為排放的氮只能通過大氣傳播到這裡，而其半封閉環形珊瑚礁的地理環境（圖一）使得科學家可以將其作為一個天然的實驗室來追蹤遠洋環境的變化。

圖一：東沙半封閉環形珊瑚礁。圖／《科學月刊》

如圖二表示，我們的研究發現，自上世紀 90 年代末期開始，珊瑚中所含的 N¹⁴同位素訊號迅速增強，其增強時間和趨勢與亞洲化石燃料燃燒（包括煤炭燃燒和車輛廢氣排放）的增加相符，利用氮同位素證據，我們可以估算，至 2010 年，人為造成的氮沉降佔該地區表層海洋年輸入氮量的 1/5。

圖二：自上世紀 90 年代末期開始，珊瑚中所含的 N¹⁴同位素訊號迅速增強。／《科學月刊》

這項研究首次直接觀測到人為氮排放對遠洋環境的影響，結果顯示化石能源燃料的使用所排放的氮能夠傳播到遠洋，並立刻被生物所吸收。該研究的結果再次警示我們：人類活動對自然環境造成的影響正在進一步擴大，我們在滿足自己欲望的同時也在向自然環境和其它生物施加壓力。這項工作也顯示我們可以將遠洋珊瑚骨骼中保存的氮同位素作為即時監控人類排放氮對遠洋環境影響的新工具。

本文選自《科學月刊》2017 年 6 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》總編輯。

現在多數人對鰻魚的主要印象大多來自於香噴噴的鰻魚飯，但在美味可口的背後，鰻魚的一生仍有許多有趣的未解之謎。

一說到鰻魚，第一個是直覺是不是就想到鰻魚飯呢？圖／挪威企鵝 @ Flickr

鰻魚的迴游

鰻魚與鮭魚是動物界著名的洄游性魚類，兩者的一生都注定了一趟壯遊，不過牠們漂泊的方向則是恰恰相反的。鮭魚的一生開始於淡水河流，體型稍長之後便游入大海，然後在成年之後歷經千辛萬苦回到了出生地，完成傳宗接代的任務之後力竭而亡；鰻魚的生命歷程則是始於大洋的深處，然後所產生的幼苗以浮游狀態回到陸棚的沿岸地區，後溯溪進入溪流，在溪流中渡過數年的成長期，然後再返回海中的產卵場完成傳宗接代的任務。

目前科學家相信，臺灣常見的日本鰻鱺（Anguilla japonica）產卵場在馬里亞納海溝的西緣，位於關島附近的水域，而美洲鰻鱺（Anguilla rostrata）與歐洲鰻鱺（Anguilla anguilla）則以馬尾藻海（Sargasso Sea）為主要的產卵地，著名的百慕達三角洲便位於馬尾藻海的西緣。

追蹤成年鰻魚的研究，沒那麼容易

如果說自然界的鮭魚返鄉是一部壯闊的史詩巨片，那鰻魚的洄游無疑是一部懸疑劇。多年以來，為了獲得鰻魚洄游回到產卵地的確實證據，科學家們運用了許多生態學研究的方式，例如綁上不易損壞的號碼牌與聯絡資料，讓日後捕獲該魚的漁夫得以通報位置的繫放法，到最近因為電子科技的進步得以實現的 GPS 定位與訊號發送的技術。

不過即便如此，這樣的實驗仍然具有相當的難度，例如，即便足以洄游的鰻魚均已成年，它們的體型仍僅約在 3~5 公斤之間，想要在不影響鰻魚洄游狀態下獲得鰻魚位置的資料，需要縮小發報機的體積直到鰻魚可以攜行的標準，並且需要克服鰻魚在深潛狀況下無法進行定位以及訊號發送的問題。

先前的研究也發現，鰻魚洄游過程其實佈滿殺機，以美洲鰻為例，洄游旅程當中會通過鯊魚出沒的區域，讓研究增添更多的挑戰。直到 2016 年，一組加拿大的研究團隊在花費相當的經費與時間後，才成功實現鰻魚洄游的衛星標定技術，成功追蹤一隻美洲鰻鱺回到產卵場──馬尾藻海附近水域，這隻重量約 3 公斤的年輕鰻魚，一共花了45 天的時間，游了近 2400 公里左右的距離。這項實驗驗證了先前科學家們的假設，成年鰻魚的確有能力可以回到產卵地，來達成傳宗接代的任務。

美洲鰻鱺（Anguilla rostrata）。圖／Alan Cressler @ Flickr

小鰻苗的尋根之旅

鰻魚在產卵地產卵的真實狀況目前所知甚少，然而從一些觀察當中仍可以透露出一些端睨，例如從鰻魚苗的捕撈經驗來說，魚苗的出現是成批的，暗示著鰻魚在產卵地的交配行為有同步化的趨勢，成年的鰻魚可能隨著月週期舉行難以想像的巨型派對，然後同時產下數以兆計的鰻魚卵。

鰻魚卵在孵化後會呈現葉子狀的特殊形態，這種我們稱為「柳葉鰻」的幼苗會隨著洋流以蜉蝣狀態進行海上漂流，大約經過數個月的時間從產卵地抵達大陸棚沿岸，此時的鰻魚苗會進化成為透明線型外觀的「玻璃鰻」，這就是漁民於每年東北季風來臨之際在海邊辛勤捕撈的鰻苗。

美洲鰻的幼苗。圖／Kils ，創用CC 姓名標示-相同方式分享 3.0，wikimedia commons.

地磁是鰻魚尋根之旅的關鍵

前述的故事雖然合於邏輯，但有些重要的細節顯然仍缺乏合理的交代。譬如即便洋流是鰻魚幼苗長途旅行的主要疏運工具，不過洋流本身無法進行「戶對戶（door to door）」的服務，在關鍵時刻，還是需要靠自身的力量把自己推向目的地。重點是，鰻魚苗要如何知道「關鍵時刻」的到來。

科學家們提供了許多種版本的假設，其中一種假設認為，鰻魚苗具有地磁的感受能力，並且具有「磁場地圖（magnetic map）」這種源自演化上的記憶，當鰻魚苗感知磁場接近的狀況，就會喚起鰻魚本能地進行某些行為因應。對於脆弱的鰻魚苗而言，擁有磁場地圖的能力顯然是重要的，唯有在對的時間上使盡全力，才能增進族群繁衍的機率。

在近日發表於《當代生物學》（Current biology）的一篇文章當中，一組由美國北卡羅來納大學教堂山分校（Chapel Hill），邁阿密大學與瑞士相關研究機構所組成的跨國研究團隊，嘗試探討鰻魚幼苗是否具有感受地磁的能力，並探討地磁上的細微變化是否影響牠們的游泳行為模式？

這個研究團隊設計了一個相當特別的實驗設施，這個被稱為「競技場（arena）」的裝置是由一個 25 公分直徑的中心圓柱形壓克力盒以及外圍環繞於中間的 12 個小隔間所組成，每一個隔間大約可代表羅盤上的 30 度方位角，中間區與周邊的隔間具有活門供實驗操控。這樣的研究裝置可以在海洋下不同的深度狀態下進行實驗，這些科學家們便坐著海洋研究船，循著歐洲鰻鱺遷徙的路徑，分別選在百慕達三角洲附近海域，大西洋西北部與北部海域，利用這樣的裝置在海面下進行相關的研究。

2017/04/13 發表在《當代生物學》〈A Magnetic Map Leads Juvenile European Eels to the Gulf Stream〉的附圖。A.B.C 和 D 分別是放在不同海域中的「競技場」，從其四周三角形方位大小的比例可以看出，鰻魚在洄游時對於特定方位反應較敏銳。圖／〈A Magnetic Map Leads Juvenile European Eels to the Gulf Stream〉

研究團隊原本的預想是，鰻魚苗是具有地磁感應力的，這個地磁感應能力具有導航上的指標，而讓鰻魚苗能夠朝向目標區前進。然而實驗的結果有些出人意表，科學家們的確發現鰻魚苗似乎具有感地磁變化的特殊能力，在不同地理位置下呈現具有特定方位的游泳行為，不過這些鰻苗的游泳方向跟原本的預期相去甚遠，在方向上近乎轉了180 度，這點讓參與的科學家們不解。

透過海洋數學模式專家的協助，這項謎團終究獲得了解答。透過電腦模擬，科學家們了解，也許這些看似莽撞的行為對魚苗而言反而是個明智的選擇，讓它們具有更高的機會進入到環繞於墨西哥灣後北上的大西洋環流（Atlantic current），讓這些歐洲鰻鱺的幼苗搭上便車，能更快速的到達歐洲。

生命科學的研究其實是需要建立在研究數據的累積，有時候實驗的假設跟後續的結果會有相當的出入，但就是因為如此，從事科學工作才會是有趣而充滿挑戰的工作，也因如此，我們更需敬天畏地，常保謙虛之心。

本文選自《科學月刊》2017 年 6 月號

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文／蔡孟利｜宜蘭大學生物機電工程學系特聘教授。

臺灣的技職教育，特別是與工業相關的高等技職教育，在過去20 年的改制浪潮中，有著結構上根本的變化。原本所強調與產業結合的實作精神，在競逐升格、競逐學生、競逐排名與競逐經費的雜務中逐漸消磨。

圖／Pixabay

技職教育的危機

首先，最直接也是最嚴重的，是五專學制大幅的萎縮。目前僅剩的五專院校，大都僅是醫護相關類別的專校，而與工業技術相關的五專體系，包括與其銜接的二技學制，則幾乎被瓦解殆盡。但工業相關產業的發展，一方面需要仰賴高階人才的研發創新，另一方面也需要中階技術人員搭配基層工作人員於生產線的努力，才能保證產能與品質。

這個產能與品質的維持，所需人才的最佳來源就是五專學制的學生。目前臺灣這個中階技術人才養成管道幾乎已告罄盡，人才斷層效應在最近幾年明顯浮現，直接衝擊產業的技術維持。

另一個也逐漸在惡化中的問題是：大學內有能力指導實作的師資凋零。在20 年來五專轉型技術學院、技術學院轉型科技大學的轉型遊戲中，科大不少實作課程被理論課程取代，教師升等評斷的依據也開始與一般大學無異，過度注重論文或是新穎專利的發表。原有的實務教學人才沒有晉升管道、新進師資也都偏向論文發表為重的學術型人才，因此在實作課程的教學上，進入了師資缺乏、品質不佳的惡性循環。

圖／Jian Ming@Flickr

當然這些問題的產生，不能光只追究教育體系的責任。臺灣的產業界，特別是製造業 20 年來受到國際大環境的影響，特別是往中國西進的磁吸效應，讓臺灣技術人才之就業市場的多樣性與需求量萎縮，造成了廣泛的就業困難；而政府在臺灣產業亟需轉型之際，並未有整體工業均衡發展之考量，在資源的投注上，常偏向某些特殊的明星產業，無法有效的導引各種基礎民生工業的新發展。這些由就業、創業困難所造成的經濟停滯，也間接造成了教育方向的偏差對應。

技職教育的變革

七年之病，求三年之艾尚不可醫，更何況臺灣的技職教育已漸病了20 年，而且是環境劇變的20 年。今年的張昭鼎紀念研討會，討論的主題就是聚焦在未來工業發展下的就業與創業浪潮中，臺灣的技職教育要如何進行變革以因應。

跟教育體制有關的變革，有權力也有能力的要角，還是教育部。在研討會中由教育部技職司司長所帶來的訊息，看到了官方對於技職再造的努力。雖然目前多為原則性的宣示，尚未清楚的呈現其細節作法，但總是有了開頭。教育體制的改革需要立法的配合，也需要政府其他行政體系的長期支援，這都不是一蹴可幾的事情。因此在學校端的教育現場必須要有靈活的應變措施，才能機動的應付變遷越來越快的環境。

此次研討會中，不管是臺北科技大學的跨域共學之創新嘗試，或是雲林科技大學於未來學院的實踐規劃，都顯示了技職教育工作者對於工業發展趨勢的共同觀察，那就是不只在技術上要專才，也還要是對情勢發展具有宏觀視野的通才。而宜蘭大學生物機電工程學系以競賽磨練實作、磨練團隊、磨練人格教育上的努力，則是對現代工程實作教育做了一個整體性的示範。

技職教育的基本目的就是為了學生畢業後能與職場立即接軌，因此臺灣現有及未來的產業型態，都會直接衝擊著技職教育的成敗；臺灣的技職教育能否重新茁壯，與臺灣的產業發展是否能再度蓬勃，有著絕對相依相附的關係。因此不管是教育部在體制變革上的努力，或是學校端在教學規劃上的巧思付出，都必須要扣緊未來產業發展的需求。

圖／Pixabay

然而，在工業技術以跳躍狀發展的今日，新的創業型態與新的就業模式會是什麼樣的面貌？而適合臺灣發展的又是什麼樣性質的產業？是持續發展像電子代工業這種可以收納大量就業人口的類別？還是高額資金與高階人才集中的生技產業？抑或是力求創新突圍的個別中小企業？

這些已經是國家整體經濟發展的事務，超過了教育體系單獨能夠影響的範圍。雖然我們很期待國家的官僚與立法體系，能夠周延的進行整體規劃並且有效率的執行，但是依臺灣的政治現況，我們無法太天真的樂觀。不過，也無需太先入為主的悲觀，因為臺灣民間的生命力，仍然可見各種突圍的旺盛企圖心。

技職教育的創新發展

其中一個猶如當年網路時代來臨之前的各種新創風潮，創客的自造者運動，在臺灣正準備展開它的影響。在這次研討會中，我們看到臺北科技大學點子工廠 & 自造工坊的成立，企圖在傳統的藝術教育中加入創客並融合創客的創新努力；超大型跨國企業的微軟，透過 BizSpark 平台，也開始提供臺灣豐富的雲端資源、開源軟體等創業者需要的後勤系統；OpenLab 的臺灣創客之共筆記錄，則有效地提供新加入的創客者豐沛的同好資源；我們也看到內湖高工的家長們，對於新創時代來臨的新體悟，進而影響並支援學校遂行新嘗試的感動。

創新創業也在大膽推進。像是天空科技在兩岸創客市場上的耕耘；學次方這個年輕人的組合，企圖以遊戲開創教育新時代的逐夢努力；在五股創業基地，也示範了一次由創客到創業歷程的翻身床墊；更有堅持以獨立作業的方式，對於技職教育、政策與產業發展持續提出第一手觀察與報導的《技職 3.0》。

一場僅有一天時間的研討會，絕對無法對技職教育的發展提出全面與細緻的討論，也無法導出確實可行的結論。但是，在這場研討會中，我們還是可以在每個簡短的演講中、在緊湊的提問與回答中，看到臺灣官方與學校、民間企業與個人，如何在現有困局下突圍的努力。在這個觀察的基礎上，我們希望這次的研討會能引發更多的討論，產官學界都能積極的相互攜手，解決已經燃眉的臺灣技職教育危機。

〈本文選自《科學月刊》2017年7月號〉

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文／林珮婷、賴以威｜林珮婷為政治大學選舉研究中心博士後研究員，政治大學政治學博士。主要研究領域為民意調查、性別政治、選舉與投票行為；賴以威為國立師範大學電機系助理教授。

說到民意調查，大家不僅不陌生，甚至可說是充斥在我們的日常生活裡。相信大家就算是沒有接受過電話訪問，也曾經在路上遇過一臉害羞地默默靠近的正妹、型男，正暗自竊喜以為是搭訕，但一開口：「可不可以麻煩你幫我填個問卷？」，小鹿亂撞的心當場變成灰燼。

如果沒遇過在路上偽搭訕的，餐廳也曾看過服務與餐點意見調查表。除此之外，網路上還有各式各樣的民意調查，比如說最近很流行用臉書粉絲頁的表情符號進行投票，媒體也常利用這種民調製造話題，例如：蘋果日報2016 年11 月17 日的新聞：「《網路民調》13 萬人挺同性婚，大贏反對9 萬票」。

媒體常利用網路民調製造與當下社會議題相關的話題。圖／twLGBTpride @Flickr

民意調查的結果數據隨處可見，尤其是政治性民調結果幾乎可說是天天在新聞上放送，對總統的滿意度下降了多少百分比、某某縣市的幸福指數最高等諸如此類的調查數據。同一份民調，媒體、政黨、政治人物、名嘴（政治評論家）往往又會做出不同的解讀，各說各話，每個看起來似乎都有幾分道理，但拼湊起來，又讓人想到瞎子摸象這句成語。到底這些數據代表什麼？要怎麼做一位正確解讀民調的聰明閱聽者呢？

讓我們把結論說在前頭，其實只要掌握兩大原則，就可以大致不被騙了。第一個原則是「這個民意調查是怎麼做的？」，調查的設計必須公正、客觀且受訪者具有代表性。第二個原則是「應該怎麼解讀？」，必須說明調查的範圍與誤差，不能過度詮釋與解讀，有多少資料說多少話。

民意調查是怎麼做的？

民意調查簡單來說就是，抽取一小群人，了解他們對於特定議題的看法，是個便利又快速了解民眾看法與意見的方式。然而，不是隨便做做、隨便問問就可稱之為民意調查，必須以系統的、科學、公正的方法從研究範圍內的全體民眾中，依隨機抽樣抽出具代表性的民眾為樣本，詢問其看法，再推論全體民眾看法（母體），並說明誤差。我們一般民眾要看懂民調，可以先從問問這個調查怎麼做的開始。

第一個問題：這個調查想解答的問題是什麼？如何得到這個答案？

民意調查都有主題，想了解特定人、事、物的民眾意見或行為，「問卷」是民意調查用來探知答案、蒐集資料的測量工具。理想狀況是設計一組問題後，能直接得到解答。然而，問卷設計看似簡單，卻常常充滿了陷阱，這些陷阱有可能是無心也可能是有意的，都會影響到調查的結果。更有甚者，是調查者透過問卷設計來操弄民調的結果，使得這些數字不再是單純地呈現民眾的真實意見，而被當成達成特定目的（如政治鬥爭）的工具或手段。以下簡單說明幾個很常遇到的陷阱題：

1. 一題多問：同一個問題裡包含了一個以上的問題，到底要回答哪一個？

（1）請問您對於本餐廳的服務品質與餐點口味，滿不滿意？
→ 服務品質與餐點口味事實上是兩個問題，這2個的滿意程度可能是不一樣的。

（2）請問您贊不贊成調高大學學費來提升教師的教學品質，使學生更具有就業競爭力？
→ 調高大學學費是手段，提升教師的教學品質與使學生更具就業競爭力都是目的，一個題目裡包含了3 個問題。若受訪者回答贊成，贊成的是哪一個問題，我們其實無法分辨。

2. 引導式題目：透過前導句或具有傾向性的語句來誘導你回答特定方向的答案

（1）前導句誘導範例：層出不窮的酒駕傷亡事件已造成許多家庭家破人亡，請問你認為目前國內對於酒駕的刑責是太輕還太重？
→ 先強調酒駕傷亡的嚴重性，很容易使受訪者往「太輕」的方向去回答。

（2）傾向性語句範例：請問您是否贊成政府合理調高稅收？
→ 「合理」一詞很容易讓民眾傾向贊成，但民眾所認定的「合理」與調查者的「合理」分別是什麼我們並不清楚。

另外，還有一種不是透過題目本身來引導式，而是透過問卷結構。例如說先問民眾對於某個重大事件（可能是天災人禍或是弊案等）的觀感後，再問對現任政府的施政滿意度，很容易引導受訪者回答負面評價。

除此之外，問卷有時候也可能出現太專業、太難的描述，民眾可能根本看不懂是什麼火星語，做出來的結果當然就失去可信度了。

問卷設計看似簡單，卻常常充滿了陷阱，這些陷阱有可能是無心也可能是有意的，都會影響到調查的結果。圖／COSCUP@Flickr

第二個問題：誰是受訪者？

大約從將近十年前開始，政論性call-in 節目也流行起call-in 式民調，由民眾自己打電話進來對於特定議題或投票意向表態，現在也還有很多節目與電子媒體採用這種方式，通常的選項只有最簡單的「贊成／反對」或「候選人名」的選項，而沒有「還沒決定」、「無意見」等選項。

但是哪些人會主動打電話進去或是上網點選表態呢？一來是有在看這個節目與電子報的民眾，而我們都知道電視節目通常有特定的收視群，民眾也通常會有習慣閱讀的電子媒體（這部分相關的傳播理論為「選擇性閱聽」）。二來是有撥打電話與點選表態的動機，通常是有明確強烈意見且個性較積極主動的人。但這些人能代表大多數人的意見嗎？答案是否定的。

「隨機抽樣」在民意調查中是非常重要的事，隨機抽樣意謂著你所感興趣的那個群體中的所有人（母體）都有被抽中的同等機會，比如說我們感興趣的是2016 年總統大選哪些人投給了蔡英文？那麼母體指的便是臺灣的合格選民，再從這些合格的選民中隨機抽取出具有代表性的受訪者樣本。因為是抽取出來的樣本，不大可能百分之百與母體一模一樣。因此必須充份的了解受訪者的結構（如性別、年齡、教育程度等）是否與母體相符，再去計算抽樣的誤差，也就是把樣本與母體之間的差異考慮進去。

「隨機抽樣」在民意調查中是非常重要的事。圖／James Wang@Flickr

誰能夠回答這個問題？

當想要問題得到適當的回答時，就必須找到適合的受訪者。比如說，前面開頭所提的餐廳意見調查表，想要了解的是民眾對於服務與餐點的滿意度，受訪者就必須是在這家餐廳有食用經驗的人。又再比如說，想要知道臺北市長柯文哲上任後的施政滿意度，訪問對象就必須是臺北市的市民，而不會是由全臺灣的民眾來回答這個問題。民意調查執行機構的中立性、執行的時間、訪問品質、拒訪情形等也是可以注意的小眉角。看到這裡，相信你對民調的第一個原則「這個民意調查是怎麼做的？」已經有更清楚的認知。至於第二個原則，民意調查的結果應該該如何解讀，可參考本期解數專欄。

〈本文選自《科學月刊》2017年7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》總編輯。

神話故事般的「嵌合體」是什麼？

希臘神話當中的神獸；同時擁有山羊頭的獅子配上毒蛇構成的尾巴。圖／By Arezzo @ Flickr

嵌合體（chimera，也有直譯為奇美拉）原意是指一種希臘神話當中的神獸；同時擁有山羊頭的獅子配上毒蛇構成的尾巴，不過在生物科技研究上，嵌合體指的是一種同時擁有不同來源細胞所構成的個體。在基因剔除鼠（gene knock-out mice）的實驗操作當中，嵌合體是一個必要的中間產物，唯有製造出這樣的個體並令其近親交配，才會有機會獲得在特定基因上完全剃除的老鼠品系，供後續研究使用。

在操作實務上，嵌合體個體的製備需要使用胚胎幹細胞（embryonic stem cells），將這些具備完整之多能分化性（pluripotency）的胚胎幹細胞利用顯微注射的方式植入到另外一個囊胚期（blastocyst）的受精卵中，這些幹細胞便可以完美的成為胚胎中的一部分，與原來的受精卵細胞共同分化成為身體的各種組織。由於這樣的個體身上同時具有兩種細胞的來源，所以科學家們以嵌合體命名之。

自 1990 年代起由於基因剔除鼠的技術趨於成熟，嵌合體老鼠大量的被應用在研究當中，這些黑白相間的小傢伙世世代代，默默地為人類生物科技貢獻了有近 30 年的歷史。

人類胚胎幹細胞。圖／Nissim Benvenisty @ wikimedia commons

胚胎幹細胞是道德爭議的導火線

如同前述，胚胎幹細胞是嵌合體生物製造過程中的關鍵，自從 1988 年小鼠胚胎幹細胞培養技術確立了之後，科學家們便嘗試著建立其他物種的胚胎幹細胞株。當然，其中最具有指標意義，蘊含龐大商機的，便是人類胚胎幹細胞。由於胚胎幹細胞株的取得需要建立在破壞受精卵的基礎，人類胚胎幹細胞的研究很快地便受到了國際社會的高度關切。

除了宗教議題上的討論之外，這種藉由某種程度上的殺生以完成所謂造福人群的作法有無違背人類道德底線？這樣的議題引起相當的討論。

所幸的是，日裔科學家山中伸彌在 2006 年提出「誘導式多能幹細胞」（induced pluripotent stem cells），藉由基因轉殖的方式將體細胞轉變成為具有多功能分化能力之幹細胞的方法，似乎為科學界提供了一條擺脫道德包袱的出路。

心臟不好？找小豬幫你的忙吧！

幹細胞的魅力在於其再生能力，人們寄望著幹細胞的研究最終得以運用在疾病上的治療，或者更深一層的，希望透過這些再生的魔力讓人青春永駐、返老還童。不過，現行醫療上利用外科手段執行修復醫療時，組織上的縫補仍是主要的方式，這意味著幹細胞需要先行製造成一塊「有功用的肉」才能供醫療使用。

而這塊「有功用的肉」其實一點都不簡單，它可能需要有數種完全分化的細胞共同組成，才具備執行組織的功能性，並且需要有相當的間質纖維來提供有效的物理性支撐。現今組織工程（tissue engineering）方面的專家，主要的研究主題就在於此，他們嘗試的利用天然或人工合成物製作「生物支架（scaold）」，並且應用最新的 3D 列印技術，嘗試著將幹細胞與生物支架有效的整合，生產「有功用的肉」供臨床醫療上使用。

另外一群的科學家則有著不一樣的想法。如果說可以用其他生物生產人類可用的器官，何必勞師動眾的以純然人工組合的方式製造呢？對免疫學稍有概念的讀者馬上會想到免疫排斥的議題。是的，這類異種移植（xenogeneic transplant）雖在醫療上行之有年（例如用豬心瓣膜治療人類心臟瓣膜破損的疾病），但病友需持續的服用藥物來控制排斥現象的發生。

除了成為桌上的佳餚，我們更可用豬心瓣膜治療人類心臟瓣膜破損的疾病。圖／By 挪威企鵝 @flickr

利用異種嵌合體的製備，是否有機會實現在動物身上製造完全由另一種生物細胞所構成的器官，來減低未來移植時免疫排斥上的問題呢？

在 2010 年由中內啟光教授所率領的哈佛大學研究團隊，在《Cell》期刊中發表的文章中證實了這樣的可能。研究團隊利用無法形成胰臟中 pdx1 的基因缺陷小鼠囊胚期胚胎為材料，以顯微注射的方式植入擁有多能分化性的大鼠幹細胞，便可在這個異種嵌合體上成功的培育出近乎純然由大鼠所構成的胰臟。

I have a 人類幹細胞，I have a 豬胚胎，嗯！

大鼠–小鼠嵌合體試驗的成功暗示著後續的龐大商機。人類的幹細胞能否也能與體型或血緣相近的動物胚胎形成異種嵌合體，作為生產可供人類移植時器官供應的一種方式呢？

今年初發表於《細胞 Cell》期刊中的文章提出了這樣的可能性。這篇由美國沙克研究所所發表的論文有著兩個重要的結論：其一是透過 CRISPR 基因體基因剪輯技術，團隊可以將大鼠的受精卵進行前處理，使其 pdx1 基因造成缺損，來提高這個異種嵌合體之胰臟中源自小鼠細胞所佔的比例。

第二點其實頗有爭議性，該團隊嘗試著將人類幹細胞與豬胚胎進行異種嵌合體實驗，並將嵌合體胚胎移入孕母豬的子宮內進行著床測試，來驗證人類幹細胞形成異種嵌合體的可能。因為深知整個實驗的敏感性，研究團隊僅就著床後 21～28 天進行初步的探討。就應用的層面來看，整個實驗仍談不上成功，在這個人豬異種嵌合體中，人類的幹細胞僅有少量的嵌合，目前約占整體胚胎細胞中的 10 萬分之一不到。

異種嵌合體的實驗應用尚未稱得上全面成功。圖／Mutinka @ pixabay

當嵌合體模糊人跟動物的界線，道德基礎是否該重新定義？

人豬異種嵌合體研究自發表以來便受到廣泛的關注，有的報導專注於實驗內容的描述，有的報導則持樂觀的態度，認為此項研究為長久以來外科移植治療上捐贈器官不足的問題開啟了一扇希望之窗。華人社會中也有些戲謔性的報導，談論著在未來西遊記中的二師兄是否會真實的出現在眼前，少有報導能嚴肅地看待整件事情的發展。個人認為，利用人類幹細胞所進行之異種嵌合體研究，在某種程度上有如開啟潘朵拉之盒，需集思廣益及早訂定相關規範因應。

以目前分子生物學相關技術的進展，想要改進前述實驗當中人豬異種嵌合體中人類細胞所占有的比例有著相當樂觀的進步空間（沙克研究所的論文報告已經暗示著用 CRISPR 技術增進細胞比例的可能），或許我們得開始思考，當異種嵌合體中人類細胞的比例高過於一定的標準時，我們能否仍可單純的將其視之為非人類的動物個體，而對它們的器官予取予求？這類研究所造成的模糊化種間界線的現象將無可避免地衝擊人類的道德基礎。

畢竟在傳統道德認知上，殺生與殺人之間還是有段相當的差距。

心智（mind）似乎是人之所以異於其他物種的關鍵，某些報導中受訪的科學家關注於人類幹細胞在異種嵌合體當中構成大腦的比例問題。

雖然有科學家樂觀的解釋人類大腦與豬大腦在發育時程上有相當的一段差距，暗示在人豬異種嵌合體中豬腦仍舊是豬腦的可能性，再則，在異種嵌合體當中人類腦細胞數目的多寡也許並不意味著擁有人類心智的多少，不過生命也許正會以出人意表的方式呈現。當回顧歷史，大多數的科學家在西元 2000 年左右時其實對於大小鼠異種嵌合體成功的機率抱持著相當懷疑的態度。

適應力就是競爭力？那細菌肯定是勝利組！

在美國唸書時每隔一陣子總是會想念起臺灣的食物。雖然在國外各大都市都有中國餐館，甚至是台菜料理，但是進了餐館常常端上來的都不是自己想念的那個味道。為了要招攬美國本地人的生意，餐廳裡的師父總是要為他們調整口味，放一些當地有而臺灣沒有的食材。於是同樣掛著中國菜的招牌，在各大都市裡嚐到的味道都混有對新環境的妥協。

圖／By William Murphy @ Flickr, (CC BY-SA 2.0)

生物常常也得做這樣入境隨俗的事。細菌如果想在一個新環境安身立命就要改變自己去適應和使用當地資源。早年紐西蘭的蘭尼（Paul Rainey）教授就用實驗證明了細菌會調整自己適應環境。

他把螢光假單胞菌（Pseudomonas uorescens）養在培養液裡等了幾天，當培養基裡的養份耗盡，原本懸浮在液體的細菌開始發生改變。一群突變者沉到試管底部，避開競爭，另一群突變者，分泌多醣跟同伴黏成一片，霸佔氧氣充足的液面。

在這小小 3 公分高的世界裡，細菌改變自己，利用試管裡不同的物理化學環境，這是生態學裡輻射性適應的經典例子。

想在動物腸道中生活，腸球菌有什麼必備技能？

而最近發表的一篇研究更是精彩，主角是我們腸子裡也有的腸球菌（Enterococcus）。腸球菌是群經常在陸地動物腸子裡出現的細菌，有的時候也會出現在河水泥巴裡。

我們看到八哥、麻雀多半在城市裡，而不在森林裡出現，會猜測這些鳥兒應該是適應了城市裡的生活。那總在動物腸道出現的腸球菌呢？它們也得到了什麼特殊能力，變得比較適應在動物腸道裡的生活，最後變成在腸道生活的專家？如果真的是這樣的話，那到底在腸子裡會需要些什麼樣的生活能力呢？

腸球菌是怎麼跑到腸子裡去的呢？圖／By Pete Wardell, USCDCP @pixnio

這群哈佛大學的研究人員想知道是什麼推動腸球菌演化。他們收集了 24 株各種腸球菌，先進行基因體解序，再由得到的基因來推論細菌在能力上的改變。首先研究人員盤點每株菌的基因，找到了所有腸球菌都有的 1037 個核心基因。接著他們把這些基因與腸球菌的近親徘徊球菌（Vagococcus）比對，發現 126 個徘徊球菌沒有、只在腸球菌這個演化分支才出現的基因。這些基因帶來的新能力區隔開了腸球菌和徘徊球菌。

到底這些基因是做什麼用的呢？經過比對後，發現這些基因負責的功能是修改細胞壁結構、合成嘌呤以及對抗逆境。如果搭配上腸球菌總是在動物腸道裡出現的事實，這結果其實挺合理的，腸道裡的滲透壓比水裡高，還有膽鹽和消化酵素會殺死細菌，因此改造細胞壁的確可能有助於細菌在腸道裡的存活。

腸球菌啊腸球菌，你的祖先哪裡來？

如果我們能知道腸球菌開始朝向腸道專家演化的時間點，那就更有趣了。細菌沒有化石可以定年，只能利用 DNA 序列上的改變，來推測這些變化發生的時間。

我們知道粒線體和葉綠體都是共生細菌形成的胞器，前人曾利用它們與其它細菌間的序列差異，推算出大腸桿菌與沙門氏菌分開的時間。如果用他們估算的時間當尺，配合序列上的差異可以推論，腸球菌大約是在 5 億年前自創門派和別的菌種分道揚鑣。

那在這個時間點地球生物圈裡有發生什麼大事嗎？

原來大約 4.25 億年前剛好是脊椎動物上陸地的時間，腸球菌可能搭上了動物的便車，往陸地上去討生活了。少了水的保護細菌想傳播到另一隻宿主身上就困難得多，得讓自己能耐旱、耐餓一段時間才有機會，難怪對抗逆境的基因變得重要了。

當年脊椎動物上陸地時，腸球菌也一起上岸了。圖／By Efraimstochter @pixabay

腸球菌是超強的捉迷藏高手，抗藥性成嚴重隱患

目前腸球菌各菌種分佈在不同的動物腸道裡，有的只愛哺乳類、有的選鳥、有的選昆蟲，各有各的喜好。如果要在不同動物腸道住下來，需要做什麼調整呢？為了回答這個問題，研究人員以這些菌種在演化樹的位置為基礎，追踪每個菌種比祖先多了什麼或少了什麼基因。

結果發現：在改變的基因裡，影響利用醣類能力的基因佔最大宗（佔 37%）；影響利用胺基酸能力的基因也佔了 12%，說明了菌種之間最大的差異是改變了養份利用的策略，進入一個新的宿主就丟掉舊棲地需要的基因，換成新棲地需要的基因。這項發現顯示，當它們的生活型態被侷限在腸道裡後，必須善用能取得的養份來存活，才能在新宿主身上住下來，成為地頭蛇。

如果把估算所得各種腸球菌出現的時間，搭配地球上的動物演化史，可以看到在 4.25 億年前動物上陸地的時間後，腸球菌出現第一波新種發生潮。3 億年前進入古生代二疊紀，腸球菌沉寂了一陣子，沒有增加新成員。接著進入古生代末的大滅絕，2.5 億年前三疊紀時動物多樣性開始上升，這時腸球菌又開始出現新種。整個腸球菌演化史顯然就是跟著動物走，一直把新的動物腸道納入這個屬的勢力範圍。

腸球菌能躲在人的腸子裡，不容易被發現和消除，正開始以多重抗藥性細菌的身份挑戰人類。圖／By 3217138 @ pixabay

過去千百萬年，動物改造了腸球菌的養份攝取策略，而到了人類的時代，我們帶給腸球菌的改變是什麼呢？因為腸球菌能躲在人的腸子裡，不容易被發現和消除，也有本事在乾燥沒養份的床單或地面存活一段時間等待機會。腸球菌帶著先天的生理優勢，能入侵接受抗生素治療的病人腸道，大量複製，再以這個病人為基地擴散到其他病人身上。這讓它們容易在醫院裡擴散，開始以多重抗藥性細菌的身份挑戰人類的存在，我們得小心對付它們。

馬約拉納費米子

馬約拉納費米子。圖／Alexey Drjahlov, CC-BY-SA

1928 年，物理學家狄拉克（Paul Dirac）建立了狄拉克方程式，成功整合了量子力學與狹義相對論，至此，自旋 1/2 費米子（Fermion）的行為都能以這條方程式來描述，例如大家熟悉的電子。狄拉克方程另一偉大之處在於預測了反粒子的存在，一個典型的例子是正電子，無論質量或自旋都與電子相同，卻帶有相反的電荷。

1937 年，義大利物理學家馬約拉納（Ettore Majorana）發現狄拉克方程式可以用其他形式改寫，此方程式（馬約拉納方程式）給出了一個完全異於狄拉克方程式的解。馬約拉納方程預言了一種全新的粒子，它的粒子本身即為自身的反粒子，稱為馬約拉納費米子（Majorana Fermion）。之後的 80 年間，一部分的高能物理學家一直嘗試著尋找這種奇異的基本粒子。這期間雖然出現幾位呼聲很高的候選人，例如微中子（Neutrino），但一直沒有觀測到決定性的證據。

固態系統中的電子行為

除了高能物理，回到較為實際的層面，與我們生活息息相關的不外乎各種材料（固態系統），例如半導體、金屬等。而構成材料本身即為電子、質子與中子。電子在其中扮演著至關重要的角色，無論電流傳輸，化學鍵結等行為都與電子脫不了關係。我們可以回到一個有趣的問題，為什麼電子如此簡單的基本粒子卻可以讓材料表現出如此多采多姿的特性？確實，如果電子存在完全真空中，那它的行為很簡單，容易預測。但真實材料中不只具有電子，還有材料內各種原子排列所形成的晶格（lattice），當電子與晶格發生交互作用時，就會產生很多令人意想不到的結果。

如果把真空中的電子比喻為在平地行走的人，那材料中的晶格就像是在地形上加上各種變化。例如當晶格效應像高山深谷一般，電子的移動就會受到阻礙而變慢，如果忽略晶格環境只看電子本身，好像電子「變重了」。反之如果晶格效應像一個瀑布，在上面移動的電子就能以超乎尋常的速度來傳輸電流，彷彿我們的電子元件不是在傳遞電子，而是傳遞某種超速粒子。

如果晶格效應像一個瀑布，在上面移動的電子就能以超乎尋常的速度來傳輸電流，彷彿我們的電子元件不是在傳遞電子，而是傳遞某種超速粒子。圖／BY vitieubao

由前述例子可以發現，同樣都是電子，但這些在固態系統中的電子所呈現出的物理性質可以異於一般的自由電子，它們就像是披著狼皮（環境下的電子）的羊（電子），好似我們找到了電子之外的某種新基本粒子［註一］。

UCLA 團隊在 Science上的工作

電子在材料中運動時，因與晶格產生交互作用，使得電子所表現出的整體行為完全異於真空中的自由電子。在量測其物理特性時，好似我們在觀察新粒子，不像是在量測電子。因此一部分的凝態物理學家就運用此特性，藉由晶格效應所提供額外自由度所產生的準粒子，嘗試在固態系統中實現高能物理中尚未找到的基本粒子［註二］。其中最著名的例子就是石墨烯（graphene）中的無質量狄拉克費米子（massless Dirac Fermion）與鉭化砷（TaAs）中的外爾費米子（Weyl Fermion）。而這次 UCLA 為首的國際團隊即是運用這種準粒子的觀念，嘗試在固態系統中實現馬約拉納費米子。

一部分的凝態物理學家就運用此特性，藉由晶格效應所提供額外自由度所產生的準粒子，嘗試在固態系統中實現高能物理中尚未找到的基本粒子，石墨烯即是一例。

尋找馬約拉納費米子不只在高能物理，甚至在凝態物理中都是一項重要的工作，它不但能幫助我們了解宇宙中的基本物理，更有機會提供未來在科技上的實際應用。例如馬約拉納費米子有機會用於穩定量子位元（quantum qubit），藉以實現量子計算與量子電腦。

固態中馬約拉納費米子的實驗觀測證據奠基在零偏壓電導峰（zero bias conductance peak）［註三］、半整數量子化電導（half-integer quantized conductance ）以及最重要的非阿貝爾統計（non-abelian statistics）［註四］特性。UCLA團隊並不是第一個嘗試測量固態中馬約拉納費米子的實驗組，在此之前已有許多實驗團隊在不同系統中觀察到零偏壓電導峰的訊號，但因造成零偏壓電導峰的原因很多，單一證據並不能完全證實發現馬約拉納費米子。

UCLA 團隊最重要的貢獻在於他們是世界上第一個在超導體／反常量子霍爾絕緣體（一種可能具有馬約拉納費米子的候選材料）異質結構中觀測到半整數量子化電導訊號，且實驗結果與史丹佛大學張首晟教授團隊（Science的共同作者）先前的理論預測相符。前面有提過一般電子都有正反兩種粒子，但馬約拉納費米子本身就是自身的反粒子，因此等效來說馬約拉納費米子可以想像成「半個電子」。一個電子的量子化電導為，同理，半整數量子化電導則為觀測馬約拉納費米子的重要實驗證據。在排除各種誤差與雜訊後，因其他物理效應皆不易產生半整數量子化電導，因此這次的實驗證據比零偏壓電導峰更具有信服力，替證實馬約拉納費米子又邁進了一大步。

至此，物理學家們已經驗證了固態中馬約拉納費米子的兩個特性（零偏壓電導峰與半整數量子電導），之後如能證實系統中的準粒子遵守非阿貝爾統計，將成為證實馬約拉納費米子的重要證據。

註釋

﹝註一﹞固態系統中的粒子依然是電子，並不是真正的高能基本粒子或新粒子，但當電子與材料晶格交互作用後所產生的整體行為卻表現出類似新粒子的特性，專業術語為準粒子（quasi-particle）。物理學家可以藉由研究準粒子的特性來模擬真實高能基本粒子的物理性質或開發新材料。
﹝註二﹞之後所提及的粒子都是指準粒子，不是真正的基本粒子。
﹝註三﹞零偏壓電導峰：測量外加偏壓對dI/dV（I=電流，V=電壓）的關係，可在偏壓等於零的位置測量到一個明顯的dI/dV峰值。
﹝註四﹞非阿貝爾統計：不滿足交換率A×B≠B×A。兩個費米子（例如電子）交換波函數（wavefunction）會差一個負號，而兩任意子（anyon）交換波函數會差一個相位，又馬約拉納費米子為一種任意子，因此可以預期它的統計行為會和電子截然不同。

感謝鍾佳民博士、曾郁欽博士以及蘇書玄博士的討論與意見。

本文選自《科學月刊》2017 年 9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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文／廖英凱—非典型的不務正業者、興致使然地從事科普工作、能源與科技政策研究。曾有機會撰稿於科學月刊、泛科學、研之有物、物理雙月刊、國語日報科學版、科技大觀園等科學媒體。

截圖自科技大觀園網站。

「科技大觀園」是一個歷經近十載的老牌科普平台，如圖書館般典藏眾多國內外科研成果，但在知識產業蓬勃的當代，仍有不少需積極改進之處。

大觀十載，知識時代襲來

2008年1月，國家科學委員會（現為科技部）上線「科技大觀園」網站，旨在透過網路平台，整合國內各機構所產出科普文章、演講影音與各類活動等成果。迄今，由科技部科教國合司負責營運的科技大觀園網站，亦同時應用特約撰稿契約等模式，與民間科普作者簽約產製文章。

2016年12月29日，立法院教育及文化委員會審議「科學技術基本法部分條文修正草案」，通過由立法委員黃國書等19人所提案的「科學技術基本法第十三條」的「科普保障入法」相關條文，並修訂科發基金運用「應編列一定比例之經費推廣科學知識普及化」。

2017年7月28日，由立法委員黃國書與吳思瑤舉辦，並有科技部陳良基部長全程出席參與的科技基本法之科普推廣相關子法修訂與後續執行公聽會中，科技部提出科普經費應為科發基金預算總額至少千分之五，並由科技部統籌執行的草案。並介紹過去以「科技大觀園」做為科學普及、科學傳播為推廣核心的策略。不過，在公聽會上，有諸多學者提出對科普經費運用方式的建議，以科技大觀園作為科技部推廣科普的核心策略是否值得沿用，更值得各界進一步的討論。

歷經近十載的科技大觀園，以匯集管理各單位科普執行成果為己任，是過去國內科普資源整合的重鎮。然而，隨著近年來知識內容媒體的百花齊放，資源人力均不算寬裕，也沒有商業考量的科技大觀園，其營運理念難以跟上知識經濟的浪潮。在學術科教圈、新創媒體界、知識產業鏈中，都陸續招致對其營運與內容的批判建議。本次草案中，預估千分之五的科發基金，在今日約為將近新增每年2億元的經費挹注，更引發科學社群對科技大觀園改善的急切建言。筆者因近年陸續有機會在科技部「科技大觀園」、中研院「研之有物」、「科學月刊」、「物理雙月刊」、「泛科學」與「國語日報科學版」等科學內容媒體上發表撰文，或協助採訪撰稿，故就個人經驗，以作者、內容產製者為出發點，提出科技大觀園未來營運方向之建議。

一、欠缺近代編輯制度

「請編輯老師協助刪減是我要求的，且主要係刪減部分較深奧的科學名詞與理論為主，因為若有太多的科學名詞與理論，就不算是科普文章，普羅大眾是看不懂的。」—節錄自科技部予筆者部分書信往來內容

筆者於2016年間，拜科技部「特約撰稿契約」制度所賜，有機會協助科技大觀園採訪撰寫3件我國傑出的科研產學合作成果。採訪過程獲益匪淺，對於民間獨立撰稿者來說，是相當理想且能得到支持的合作方式。然而，在撰稿期間從科技部承辦窗口回信得知，科技部另有「編輯老師」能對文章給予意見、執行刪修。筆者除從承辦窗口轉述得知編輯老師意見外，也曾多次提出希望能與編輯直接意見交流。但直至文章刊出至今，筆者仍無從知曉編輯的身分，也未有與編輯直接交流的機會。

以筆者曾為科技部撰寫的一篇介紹「烏龍茶」的科普文為例，筆者在文章編修完後，被科技部告知因字數過多而有所刪減，但收到稿費計酬文件時，看到字數才察覺文章在編修過程中，被刪減的篇幅係千餘字，但「被刪減的是哪些段落」、「刪減原因」在筆者主動要求前皆未被告知。

相較起過去在其他科普媒體的刊載過程，文章刪修亦是常態，但重要的絕不僅是刪修的結果，而是來回討論修正的過程。編輯所給予的修訂意見、基於科普專業的交流討論，都是作者提升能力的重要機會。長期合作的編輯，更是作者們非常重要的朋友，亦師亦友的信賴關係，也是作者們持續投入科普內容產製的熱忱來源。

因此，對於仍會持續產製內容的科技大觀園來說，應優先建立作者與編輯直接協作機制；於編制上或外聘合作上，強化具有科普編輯、與作者協作以及經營社群經驗的人力。以此解決過去作者與承辦窗口之間，因對文章內容、形式，稿費或轉載制度等認知相岐或意見轉述失真所產生的摩擦或誤會。

二、目標受眾定位過於狹隘

過去數年來，政府將科技大觀園定位成一整合科普資源的平台。然而，科技大觀園並未對「科普」的定義，與目標受眾的定位，有更宏觀彈性的策略。

以筆者過去曾協助科技大觀園採訪中興大學曾志正教授的研究為例，曾教授以質譜儀、核磁共振等研究方法，理解烏龍茶好喝的學理機制，並發展出新型烏龍茶製程，以輔導業者提升產業。但很可惜地，在文章編修過程中，關於涉及科學名詞與理論的部分，被以「不算是科普文章，普羅大眾是看不懂的」為由，而被科技部要求刪減。

受限於「普羅大眾」的科學普及，是囿於既有教育制度，教師之於學生的知識傳授框架。更受制於公務機關，常被迫有「公家資源需照顧人數最大化」的關鍵績效指標（Key Performance Indicators, KPI）迷思。理想的科普策略，應有分眾、分流的目標受眾與內容設定。無論是以激發興趣為主的國小生、尋求專業知識入門途徑的大學生、試圖理解我國科研成果與產業發展趨勢的民眾或從業者，都可以是科學普及的目標受眾。

就作者而言，單一科普文章的受眾定位，須同時考量作者寫作特性與其學研背景；寫作內容的資訊量與知識深度；與此文章預期達到的目標效益。相較起文章完成後被編輯片面刪減具較深科學內涵的部分以降低閱讀門檻，能讓作者與編輯或科技部共同討論文章受眾定位，才能最大化發揮每一位作者的專長。因此，筆者認為建立起更宏觀、更彈性的目標受眾定位策略，才能使科技大觀園有機會吸納更多元的作者社群，並呈現更為豐富寬廣的內容樣貌。

三、網站介面不利於理解或引發興趣

筆者相信，科學普及工作，有協助讀者理解科學內容的責任，也有推廣科學激發人們對科學產生興趣的重大使命。無論是以文章、廣播、影片或動畫等內容載體，相關工作者也都自然地往這2個方向努力。然而，歷近十載的科技大觀園，雖然2017年初甫經歷網站改版，但與今日眾多知識內容網站相比，其網站介面設計仍相當不利於協助讀者理解科學內容或引發興趣。

以筆者分別在「科技部（科技大觀園）」、「中研院（研之有物）」、「泛科學」上所發表的3篇不同文章為例，此3篇文章均為字數3500~4000字，且目標受眾是高中自然組以上，預期文章能推廣我國科研成果，提供產業政策建言。

圖一：由左自右，分別為筆者在「科技大觀園」、「研之有物」、「泛科學」上所發表之文章截圖。（作者提供。）

從網站設計可發現，科技大觀園僅能容許在每一篇文章之始放置5張圖片。文章內文中，不允許嵌入任何形式的圖片、動畫、影片，註腳形式的參考文獻與超連結在編修後也都未能採用。而在研之有物的文章範例中，營運團隊內的美術編輯，能協助作者將儀器架構與科學學理，繪製為精美的圖片穿插於文章中，提升讀者對科學內容的理解。在泛科學的文章範例中，網站亦能活用具吸引力的圖片，並有設計團隊將文字內容以圖文形式呈現，提升讀者對議題的興趣與關注動力。

在各類網站工具與介面應用蓬勃發展的今日，科技大觀園的網站設計顯得不合時宜，並影響了科普文章協助讀者理解與引發人們興趣的重大任務。

四、文章會因抗議或壓力而下架

長期以來，政府所經營的網站內容，常常有因為政策改變、民代與民間等關切或抗議之故，而將網站內容刪除或下架。如經濟部所營運的「經新聞」網站，就曾在2016年間，因政策改變之故，下架其刊載的評論文章，雖以新聞為名，但實為政策宣傳的行銷用途。

2016年9月，筆者協助科技大觀園介紹宜蘭大學陳裕文教授的團隊，並將其研究成果發表於科技大觀園「優質蜂產品研發技術聯盟—打造台灣頂級蜂蜜供應鏈」一文，陳教授的研究團隊，在過去幾年間，建立起碳同位素分析技術，並利用氣相層析光譜儀建立臺灣蜂蜜的成分圖譜。以此發展能夠更進一步檢驗蜂蜜是否造假或攙偽的技術。2016年11月，科技部接獲「臺灣養蜂協會」來函抗議，認為此新技術的介紹會造成誤導影響權益。雖過程中，筆者有被告知可針對抗議文提供資料與回應，但最終科技部仍因抗議壓力之故，而在未告知作者的狀況下將文章下架，目前僅能在陳教授的網站上看到原文備份。

就此事件，雖然能理解在這類與政治權力結構有關事件中，政府業務部門與學術單位常處於弱勢被動的地位。也願意相信此次事件，應為偶發之個案而非常態。但仍期冀科技部能扛住外界壓力，讓科普文章的刊載如學術研究般，能接受實質內容的檢驗，但自由不容損害。

筆者也想藉此提出一個假設性問題，今日我國在張景森政務委員的推動下，又要開啟對深層海水產業的開發。然而，相關法規與產業對深層海水的定義，完全不符合主流地科學界的研究成果。倘若有科學家以地科研究資料抨擊我國深層海水政策時，科技大觀園能如「科學月刊」、「泛科學」等媒體，不畏阻力呈現科學社群的觀點嗎？

五、文章主動推廣程度不足

多數的政府部門網站或社群網站，其經營的推廣效果或是與民間互動的熱絡程度，往往難以企及民間的活力。對於科技大觀園，也依然有文章過於被動地被使用者看到的現象。在本次公聽會上，中山大學生科系顏聖紘老師認為，現況是只有學習動機良好的人才會進入科技大觀園，並透過合適的搜尋方式找到資訊。慈濟大學生科系葉綠舒老師也認為，現今科技大觀園編輯制度不利於具時效性科學新知的發布，並會很現實地影響到點閱率與作者發文意願。

筆者利用SimilarWeb作為分析工具，比對科技大觀園、研之有物、泛科學與食力4個知識內容型網站，在2017年4~7月間，使用者進入這些網站的方式。分析結果顯示，科技大觀園的使用者，有70%來自於自然搜尋（Organic Search），僅有不到一成來自社群網路。而其他3個網站，則有相當大比例的使用者來自社群網路，如透過社群網路小編的社群經營與網友的轉發推廣，來成為瀏覽網站的契機。

利用 SimilarWeb 作為分析工具，比對科技大觀園、研之有物、泛科學與食力 4 個知識內容型網站，在2017年4~7月間，使用者進入這些網站的方式。（註：此類網路工具受限於網站分析技術而有一定誤差，但在大級距的數值比較上，仍有相當參考價值。）

至此，筆者認為科技大觀園僅能服務到已有充足學習動機，並擁有一定程度資料查詢與辨別資料品質能力的使用者。但對於更有必要被傳播科學知識或素養的民眾來說，並無法從現今的營運模式主動接觸到科技大觀園內的知識。

十載大觀，藏文數千的圖書館

綜上所述，今日的科技大觀園猶如一座藏文數千的科普圖書館。累積著我國政府與眾多科學人的心血。但未能與時俱進的過時資訊載體與政府體制的限制，致使科技大觀園難以充分發揮其科普之任務，也與諸多知識媒體相比顯得格格不入。

若能導入更緊密的作者編輯關係；更彈性開放的目標受眾策略；更適宜閱讀理解並引發興趣的網站介面；更自由無畏的資訊開放、議題評論；以及更主動地推廣文章，並積極接觸與培養科學社群，將能使科技大觀園不僅只有如圖書館般地資料庫樣貌，更能為科普工作者提供支持，為我國科學素養提升的工作注入活力。期盼此次科技基本法的科普入法，能成為科技大觀園的進化契機。而科普經費的保障，更能促成公私協力，成為知識經濟產業發展的基石。

十載赫赫大觀園，笙簫悠揚，鑼鼓堂皇。要以什麼樣的面貌迎向知識時代的下一個10年，仍有待科技部的改革企圖與科學社群的齊心協作。

性別為什麼特別重要？

性別議題非常複雜多元，包含社會、文化、教育、生理和心理等層面，幾乎只要提起性別，就會有很多不同的意見，其中甚至是歧視。然而，我們仍然有必要把這個困難的議題帶入精神醫學研究，主要是基於以下兩個理由：

增加對精神疾病的瞭解
改變治療模式

一、目前精神醫學的研究雖然蓬勃發展，但是精神疾病比起一般的生理疾病來說，仍然缺乏生物標記（Biomarker），不能像偵測血糖診斷糖尿病一樣地去發現精神疾病。也就是說，正常人和精神病人在生理方面可能找不到非常明顯的代表性差異。然而，單單依賴醫師的臨床心理判斷有時又會太主觀，不同醫師的看法常常會有差異。

既然直接去研究正常人和精神病人的差異得不到滿意的結果，那麼我們可以考慮換個研究的方式。舉例來說，某些精神疾病比較容易出現在男性（如自閉症）或女性（如憂鬱症），理解造成此差別的原因有助於增進對疾病本身的認識。

憂鬱症在女性身上發生的機會是男性的 2 倍之多，研究後發現女生的腦部有某個特質造成憂鬱症的機會遠遠高於男生，那麼就可以因此推論這個特質對憂鬱症非常重要，重要到可以產生得病率高達 2 倍的差異。

二、其實不只是得病率的差異，憂鬱症在男性和女性的疾病表現上也是明顯不同，例如男性的憂鬱症時期是比較持久的，而女性的憂鬱症時期則是比較斷斷續續，而且男生在患了憂鬱症後自殺機會比女生高，且併用毒品的可能性也較高。既然疾病的表現差異如此之大，那麼我們是否也該考慮用不同的方式去治療男性和女性呢？這是一個開放性的問題，我想不同的專家會有不同的看法。然而，目前的臨床治療則完全沒有考慮性別的差別。

男生在患了憂鬱症後自殺機會比女生高，然而目前的臨床治療完全沒有考慮性別的差別。圖／By ArtWithTammy @Pixabay

憂鬱的大腦，男女大不同

由於個人的研究主題是憂鬱症，以下就以憂鬱症做說明，但也可以應用在其他精神疾病上。

我們讓一群憂鬱症和正常的青少年進行核磁共振檢查，儀器裡的螢幕會顯現文字，並且請他們看到某些特定的文字要按下手中的按鈕，例如看到高興的文字（如 happy）要按按鈕。此實驗的構想是假設看到情緒性的字眼，憂鬱症的病人腦部活化的區域會與正常人不同，因而找出憂鬱症對腦部的影響。

這項結果顯示在特定的腦區——緣上回（Supramarginal gyrus）中，憂鬱症的女性比正常女性更活化，但是憂鬱症的男性卻是比正常男生更不活化，也就是說憂鬱症對男生和女生的影響是不同的，而且受試者皆為青少年，代表著這個差異在青少年就很明顯了。

憂鬱症對男生和女生的影響是不同的，憂鬱症女性的緣上回會更活化，而憂鬱症男性的緣上回卻更不活化。圖／By Gray, vectorized by Mysid, colourd by was_a_bee., Public Domain, wikipedia commons

依照前面的兩個想法，可以推論在緣上回區域似乎在憂鬱症的產生上有著顯著地位，同時在青少年時期就發現憂鬱症對男女性的影響有著顯著的不同。因此，可能早在青少年時期就可以考慮對憂鬱症的男生和女生施行不同的治療方式。

我的這項研究結果發表後，有幸得到國內外媒體的報導，但是我也注意到網路出現了反對的聲音，有國外網友留言表示特別把憂鬱症患者區分為男性和女性，是對男生的一種歧視，好像男性患者會特別嚴重，必須特別處理，如此一來便會讓男性患者更不願意尋求專業幫助。不過對於這項問題，我認為未來勢必要加強社會對疾病的正確認識，讓大家知道這種區分是為了更有效率的治療，並不是要歧視任何一個性別。

區分性別應是為了更有效率的治療，而非要歧視任何一種性別。圖／By rebcenter-moscow @Pixabay

歷經憂鬱症，男女的差異不一樣了

除了上述的發現，在這個實驗中，也發現了一個有趣的現象。在緣上回裡，正常青少年本來就存在著性別差異：正常男性的活化程度高於正常女性。但是，就像之前所述，憂鬱症的女性比正常女性更活化，而憂鬱症的男性卻是比正常男性更不活化。而再經過憂鬱症這層影響後，男女性的性別差異則變小了。

憂鬱症對於男性的腦部活化影響較大，那麼是否能推論憂鬱症讓男性在緣上回的活化變得比較像女生呢？這是不是一種女性化的現象呢？當然目前的研究結果不足以証實這個假說，且這個說法想必會造成很大的輿論，得到憂鬱症已經很不開心，如果又得背負著女性化的標簽，必定是更為痛苦的。

但是，單純在學術研究的討論上，我認為這項議題還是有討論的必要性，因為此現象並不僅僅存在於憂鬱症，也存在於其他的精神疾病，如自閉症。男性得到自閉症的機會遠遠大於女性，研究顯示自閉症的女性大腦會有較類似男性的表現，甚而有所謂自閉症的「極端男性化大腦理論」。那麼其他的精神疾病會不會也有這種現象呢？未來或許可以多就此議題進行探討。

自閉症有所謂「極端男性化大腦理論」，那麼，其他的精神疾病會不會也有這種現象呢？圖／By HolgersFotografie @Pixabay

在一些生物中可以發現所謂性別轉換的現象，也就是受到環境壓力的影響，男性可以變成女性，如小丑魚。那麼在人類，未來也有可能發生這種事情嗎？例如現在大家普遍壓力偏大，精神疾患的盛行率偏高，這項研究的發現會不會正預告著這件事情的發生呢？當然，以現有的證據來看，此想法還只是偏科幻小說的臆想。

我們還能做得更多

現今，大部分的研究沒有特別考慮性別議題，例如憂鬱症的研究常常是以女性受試者為主（當然這是因為病患以女性居多），然而這樣或許對男性病患有失公平，因為或許能接受不同或更合適的治療方式。因此，期望未來的研究能更加正視性別議題對疾病的影響。不過，性別議題是非常敏感和非常具爭議性的，因此，相關的科學研究也必須一併考慮對社會的影響。

本文選自《科學月刊》2017 年 10 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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文／林宮玄｜任職於中央研究院物理研究所，兼任《科學月刊》副總編輯。

早年對於學術界的印象，可能是一個較沒有壓力的環境，然而近 20 年來已經改變。雖然跟部分業界相比，壓力仍然較小，但年輕教授猝死的新聞偶會出現。

研究壓力下，博士班學生參與學校教授所主持的計劃，壓力合理推斷也會升高。臺灣在民國 90 年有 1501 名新科博士，民國 97 年增加到 3589 位博士，已遠超過兩倍，民國 101 年有 4241 位新科博士，已是民國 90 年博士數目的 2.8 倍，其中 55% 的博士領域屬於理工科。

近 20 年博士生數目大增，學術界也不再是沒有壓力的環境。圖／科學月刊

博士生啊博士生，你開心嗎？

近幾年來，博士數目雖然下降，應該仍遠高於民國 90 年的數目。博士班學生的心理健康，也漸漸受到注意。2017 年在 Research Policy 有一篇論文，比利時團隊發表他們研究比利時博士班學生的心理健康，結果顯示 32% 的博士班學生有風險導致精神異常，特別是憂鬱症。

該團隊利用研究常用的 GHQ-12（General Health Questionnaire-12），以 12 個問題了解比利時佛萊明區（Flanders）的 3659 位博士班學生的狀況，包括社會及自然科學領域，另外有 1700 位左右的對照組。GHQ-12 的指數中包括：是否能夠專心正在做的事、擔心某事導致睡眠不足、是否覺得自己工作中扮演有用的角色、是否能下決定、是否一直感覺有壓力、是否感覺無法克服困難、是否能享受每天的活動、是否能面對問題、是否感到不開心或沮喪、是否失去自信心、是否覺得自己是沒價值的人、是否覺得生活還算開心。

你是否覺得生活還算開心？圖／By Greyerbaby @Pixabay

嗯！以上洋洋灑灑 12 項，你中了幾項？超過 4 項嗎？先不用緊張，這只是代表「有風險」而已，GHQ-12 是適合大量研究用的簡單問題，心理狀況還是要求助專業人員協助判斷。該團隊研究顯示，32% 的博士班學生有超過 4 項症狀，其中「感覺長期在壓力下」、「感到不快樂」、「無法克服困難」與「無法享受每天的活動」為最多數。

覺得心裡不舒服？說出口吧！

不過該論文提到，大約只有千分之二的人會在心理健康出現問題尋求協助，主要考量求助或公開自己需要求助，可能被污名，並對於未來生涯有不良的影響。雖然筆者不否認以上的可能性，但心理健康很重要。不知道各位有沒有經驗，訴苦時，有些人回應特別舒服，但某些人的回應就特別難受。能有一位高度同理心的對象傾訴很不錯，但不多。心理諮詢師之專業，在於其能平和的引導人認識自己。許多大專院校有免費心理諮詢服務，心理專業的該論文作者呼籲：

「如果你正為某事困擾，即使你認為這可能是暫時的，尋求專業協助，或是你個人週遭的協助很重要。」

如果難受的話，尋求協助吧！圖／By leovalente @Pixabay

論文中進一步討論研究限制：

是大學環境造成博士生的心理健康出問題嗎？還是想唸博士的人，心理健康傾向會出問題？此研究沒辦法提供因果關係。但遭遇心理健康問題的學生會傾向對環境有負面評價。
本研究僅大量研究比利時佛萊明大區的博士班學生的狀況，所以有「是否適用其他區域」的問題。譬如歐洲普遍將博士班學生視為勞工保障，受聘於大學才能攻讀博士學位，財務壓力不會是主要因素。美國學生很多學生因學費輟學，臺灣其實也不少學生背學貸。
GHQ-12 中達標 4 項以上，只是一項機率指標。

心理健康為何如此重要？

博士生的心理健康重要性何在？除了關心他人，比利時團隊嘗試提出其他動機。

博士班學生的學位論文內容，是組成科學研究產出的重要部分，而博士生的心理健康會影響科學研究品質。
博士生多半也是研究大團隊的組成份子，其心理健康不佳會導致「營運成本」增加。筆者認為，以上是講給學術界決策者聽的，所以重視博士班學生的心理健康不只是做善事。
博士生心理健康不佳，不但會使其離開博士研究，同時也離開需有高研發能力的業界。

論文研究者表示，博士班學生不開心，很多與指導教授或研究計劃領導人（PI, principal investigator）有關。往正面想，PI 的態度也可大大降低博士班學生走向精神異常的風險。當人們對於未來有清楚認知時，可幫助避免走向精神異常。

當人們對於未來有清楚認知時，可幫助避免走向精神異常。圖／By StockSnap @Pixabay

PI 可幫助博士班學生找到自己唸博士的目的，作者建議 PI 與學生透明溝通，一同參與研究決策，及充分提供畢業後學術及非學術的資訊，提供正確的期待與認知。沒有人會要求 PI 能診斷一個人是否心理健康出問題，但 PI 應該要關心團隊成員，並該知道如何幫助，協助尋求專業。

找到方向，不怕迷惘

筆者建議想攻讀博士學位的人多想想，唸博士的意義為何？這個問題，只能求諸每個人自己去尋找。現今趨勢很明顯，只有少數的博士能以學術研究為職業生涯。筆者於理工領域拿到博士，試著拋磚引玉，不一定適用所有領域。現今科技進展太快，即使博士論文題目很貼近業界需求，也可能一下就過時。

該思考的方向是：「什麼是帶得走的能力？」從做一個題目開始，實習如何去做、如何解決問題、如何與人溝通、如何尋求靈感，到完成工作如何去演講、組織寫文章等。廣泛接觸某個領域後，有新想法如何去實踐。說起來很抽象，所以要有個題目慢慢去磨練，進而去創造題目、落實想法。培養出帶得走的能力，才能有更寬廣的選擇。

本文選自《科學月刊》2017 年 10 月號

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文／游森棚｜任教於臺灣師範大學數學系及空軍官校。

數學家們以新成立的學術期刊抵制他們原本投稿的出版社。圖／Pixabay

上個月我收到一封信，來自新期刊《Algebraic Combinatorics》的暫時主編之一萊納（Vic Reiner），信中旨在希望學者能多投稿支持這個新期刊。

學界新期刊如過江之鯽，這種信我通常連讀都不讀就刪除。但這封信不一樣，萊納是代數組合領域的領袖之一，而且我還跟他有篇合作論文。他在信中解釋，此期刊的編輯群是原本此領域的頂尖期刊《Journal of Algebraic Combinatorics》（JAC）的同一批人，而所有 JAC 的主編以及大部分的編輯，已經與出版 JAC 的施普林格（Springer）出版社集體總辭，等待幾個月後合約一到就走人，因整個編輯群會全部一起搬到這個新期刊，所以在這等待的期間他擔任暫時主編。信中也呼籲大家不要再投稿到 JAC，已經有投稿或被接受等著刊登的論文也歡迎撤稿，直接移到新期刊。

數學家出走

這是與出版社公然宣戰，我頓覺沸騰，數學家們為什麼宣戰？因為出版社真的欺人太甚。沒有在學術界的人，甚至在學術界但不在數學圈的人，很難想像以下就是整個數學論文發表的流程：

作者寫出論文，要自己打字再投稿給期刊。
期刊的主編（數學家）收到論文，若覺得論文可以，就交給某位編輯（也是數學家）。
編輯如果覺得可以，要想辦法找到兩個或三個匿名審稿人（也是數學家）。
審稿人會辛苦地看這篇論文，在 3 個月之內把意見給編輯，如果意見不好就退稿，若有刊出的可能，編輯會把意見給作者，然後再重複2、3、4 點，不斷循環，直到拍版接受刊登。

整個過程快則半年，慢者拖到2、3 年。重點在於，最困難的打字是由作者負責，數學的正確性與價值是在審稿過程中確立，而且期刊編輯與審稿學者都是「無報酬」的義務工作（除了主編會和出版社有簽約，但是酬勞非常少，和學術付出不成比例）。我審期刊的論文，甚至現在是《臺灣數學》期刊（Taiwanese Journal of Mathematics）的編輯，從來沒拿過一毛錢，但每一篇都要細讀才能寫出審稿報告。

除了主編會和出版社有簽約（但是酬勞非常少，和學術付出不成比例），期刊編輯與審稿學者都是「無報酬」的義務工作。圖／Pixabay

學界的頂尖期刊、每個子領域真正的頂尖期刊一隻手數得出來，大家關心這些期刊，因為其論文代表的就是該領域的最新進展。投稿是因為期刊的聲望與被刊登後的認可，審稿是因為自律以及可以優先知道最新的發展，兩者都是源自純粹追求學術的卓越的渴望。因此，期刊的高品質與名聲是來自於編輯與作者共同的努力，而這努力是非常學術且非常辛苦的。

出版制度

那出版社在幹嘛？把論文印出來賣，就這樣。所有辛苦的工作都由這些數學家「免費」幫你做好了。講白地說，出版社就是坐享其成，除了印出來之前進行排版或幫忙挑挑文法錯誤外，基本上沒有貢獻，況且現在基本上都已電子化，在 arXiv 網站上大部分都可以看到作者所提供的預印本。

而出版社過分的地方在於，首先，作者刊登時要簽一份同意書，把所有的版權全部讓給出版社。然後，開高價賣給各校圖書館，再加上一些莫名的策略，例如把好期刊和爛期刊綁在一起賣、每年續訂都漲價，若不願續訂就連以前的都看不到等，吃定因學術競爭與研究需求，不買不行。甚至還有紙本和電子版本要分開買，如果學校圖書館沒錢訂，作者甚至無法看到自己寫的論文。仔細想想就知道這整個過程非常弔詭，其實出版社不是不能收錢，只是要收得合理，而上述已經遠遠超過合理的範圍。

如果學校圖書館沒錢訂，作者甚至無法看到自己寫的論文。圖／Pixabay

學者的抵制

5 年前哈佛大學的教師諮詢委員會（The Faculty Advisory Council）曾寫公開信給校內的所有研究學者，明眼人都知道哈佛八成是針對愛思唯爾（Elsevier）出版社，雖然沒有指名，但是雖不中亦不遠矣。重點有三：

期刊貴到無法負荷，1 年要花掉350 萬美金。
請大家投稿到開放取用（Open access）期刊，即網路上的公開不用錢期刊。
如果你是期刊編輯，可考慮辭職對出版社採不合作態度。

費爾茲獎得主高爾斯（Timothy Gowers）長久以來關心期刊剝削數學家的不合理現象，多次在部落格發文抨擊。不久，網路上隨即出現一個網站「The Cost of Knowledge（知識的代價）」，這名字取得諷刺，各領域的學者都可以上去連署、聲明，對於過度商業化的期刊，採取不要審、不要投、不要編的態度，短短幾天就有數千名學者響應，看來是山雨欲來。不過說實話，好期刊就是這些，普羅學者和年輕學者畢竟還是要靠文章發表來生存或升等，因此知識的代價在 5 年前 1 萬個學者連署，直到 5 年後的今天只增加到 1 萬 6 千個學者，終究是雷聲大雨點小。

出版社當然也慌了，因此出現一些溫情喊話或是讓 1、20年前的文章可以公開查到，或是出版時作者付錢就能讓文章一勞永逸公開等。但是基本上整個情勢沒有變，也很難被改變，原因很簡單，因為看一個學者的水平，是透過他所發表的論文，不同領域的學者難以判斷，因此，只能從期刊來略知一二，全世界正常的學術單位或學術人都是這樣看的，這也是為什麼科學引文索引（Science citation index, SCI）和影響因子（impact factor）會反客為主的原因。

其實，學者抵制出版社十幾年前已經發生過一次。資訊科學的巨擘高德納（Donald Knuth）也曾經寫過一封長信給他創辦的《Journal of Algorithm》期刊，抗議期刊已經貴到不能接受，接著辭掉主編，率領眾人移到《Transactions on Algorithms》期刊。而原來的《Journal of Algorithm》因此元氣大傷，撐了幾年後在 2010 年劃下休止符。

回到目前的 JAC 總辭事件，想不到經過幾年的沉澱，宣戰發生在我的研究領域。

我回了信給總編，他也感謝支持，但我也懷疑會有多少骨牌效應。因為「品牌」的標籤太難改變，除非是真正認真做研究的圈內人士，否則一般的管理階層或泛泛學者還是希望所投的期刊是有頭有臉的，最好有所謂的科學引文索引或影響因子這種明確的數字以方便證明或加總。但很不幸的是，在這個領域有幾個好期刊是根本沒進（或根本不關心）所謂科學引文索引或影響因子，因為說穿了它不過就是一個民間公司的統計資料，而且以數學的觀點來看非常不科學舉例來說，《Journal of Combinatorics》期刊是由 2 位美國科學院士金方蓉與葛立恆（Ronald Graham）創的期刊，水準頗高。但是我想以臺灣普遍對影響因子或科學引文索引的執念，除非遇到慧眼且同時說得上話的人仗義執言，否則投到這期刊的文章在評鑑或升等時很可能完全不算數，因為它不是科學引文索引的期刊，且沒有所謂的影響因子。

《Journal of Algebraic Combinatorics》的翻臉會是骨牌效應的第一槍，還是和《Journal of Algorithm》一樣船過水無痕，讓我們持續關注。

本文選自《科學月刊》2017年11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》總編輯。

2017 年諾貝爾生理暨醫學獎項頒給了霍爾、羅斯巴希與楊三位教授，表彰他們在發現生物時鐘控制之分子機轉研究上所作的貢獻。圖／Pixabay

科學界的年度盛事，諾貝爾獎（Nobel prize）的得獎名單陸續的在10 月上旬公布。在生理暨醫學獎項中，今年頒給了霍爾（Jeffrey C. Hall）、羅斯巴希（Michael Rosbash）與楊（Michael W. Young）三位教授，表彰他們在發現生物時鐘（circadian rhythm）控制之分子機轉研究上所作的貢獻。

雖說三位教授實至名歸，但今年這個獎項的頒發還是令人玩味的。現今生物科技研究發展大多以臨床應用等議題為顯學，連本次的受獎人之一的霍爾都公開的抱怨，自己因得不到研究經費上的補助，在 10 年前已經不得已退出了科學研究的工作。顯然的，諾貝爾獎遴選委員會繼去年之後，再度提出有別於世俗的看法，以實際的行動將榮耀歸諸於這個小眾的基礎領域研究。

《科學月刊》在每年 12 月號都會籌辦諾貝爾獎專輯，邀請合適的專家撰文介紹當年得獎者研究上的具體內容，敬請各位讀者期待。在本篇文章中，我更想談談的是，除卻對科學實質內容的關注，非科學領域的社會大眾更想知道的，或許是更形而上的問題；像諾貝爾獎這樣受到關注的著名獎項，為何會對這樣的小眾研究青睞？

技術促進研究思維的轉變

人類對於生命科學的理解，在近百年中呈現出相當大的變化。傳統的生物學以觀察為主，或許輔以一些實驗來驗證或否證自己的假設。在那個年代當中，生物學家必須運用想像力，透視著實驗結果所代表的生物學意義（biological meaning），推出帶有哲理想像的假說；像是遺傳學之父孟德爾藉由豌豆雜交試驗，歸納出遺傳學中著名的分離率與自由組合率，在全然不知 DNA 為何物的時空背景之下，抽象著去想像「基因」這樣的概念。

遺傳學之父孟德爾。圖／WikimediaCommons

1950 年代以後的生命科學是截然不同的型態。DNA 雙股螺旋構型的發現，分子生物技術的發展，到目前高通量（high through-put）實驗技術，次世代基因定序技術（next generation sequencing）與電腦科技的相結合，使得研究趨勢變得唯物至上；研究成就往往由一張張明確的實驗數據所累積。現今的生命科學家比較少有機會，體會那個學術最高位階榮銜當中冠名為 PhD（拉丁文：Philosophiae Doctor，意即「哲學博士」，Doctor of Philosophy）所蘊含的哲學意義。不過在這樣的轉變之下，是否讓科學活動進行的同時，在末端研究數據累積的競逐之間，失去了更為有高度的、研究上的方向指引。更近一步的，這些研究的目的是什麼？花著預算執行的科學實驗背後所楬櫫的生命現象與人類自省的反思又有些什麼？隨著生物科技重大的進展，這類深入性的討論並未同步的發展與受到重視。

生命科學研究與經費

生命科學研究的另一項重大的轉變發生於跟金錢方面密不可分的糾葛。環顧一世紀以前，生命科學的研究者大都以隨手可取的材料進行實驗。諾貝爾生理暨醫學獎得主（1935 年）德國科學家斯培曼（Hans Spemann）在驗證兩生類胚胎灰月區（gray crescent）作用時將胚胎勒束所使用的，其實只是自己老婆大人的一根秀髮。

隨著科技技術的進步，對於實驗結果的證據力也逐步的提高，這意味者需要投入更多的人力與財力，使得學術競爭從原本的知識競賽，變成知識外加經濟實力的競賽。想要投入分子生物學領域的科學研究，都得先行掂量手頭上能有多少的研究資源，科學不再是那麼的理想至上，而會因所處環境的現實而有所妥協。

現代的分子生物學研究，光是建立實驗室就已經是一筆相當高的支出。圖／WikimediaCommons

在目前，一個基本的分子生物學實驗室的建構大都需要 700~1000 萬新臺幣的建置費用，這還不包括更高端的，像是流式細胞儀（flow cytometry）、共軛焦顯微鏡（confocal microscopy）等更為貴重的研究利器。除了儀器價格不斐之外，研究中所使用的材料也是相當的昂貴。像是培養細胞所使用的胎牛血清（fetal calf serum）僅 500 毫升一瓶要價達新臺幣 13000~15000 元，而想利用生物晶片（biochip）完整的說明一項議題，光在材料上的花費動則便在數百萬元新臺幣。現代的生命科學研究者，往往需要汲汲營營的利用各種機會籌措研究資金，以維持實驗室的運作，並確保自身的研究在技術水平上能得到世界頂尖雜誌的青睞，研究上經費的門檻越來越高，大者恆大，唯有成為學術山頭才能掌握有利的資源。

只為了瞭解生命現象的生物時鐘研究

北京大學講座教授饒毅博士在諾貝爾獎公布之後以「勇氣與運氣」為題為文，回顧了近 40 年來利用果蠅作為生物時鐘的整個歷史。說實話，即便到了現在，我們對於生物時鐘存在的生物意義仍然所知有限，對於生物時鐘的相關研究在未來的可能應用性瞭解也甚少。如果時空背景轉移到現在，這樣的研究恐怕更顯乏人問津、曲高和寡。基於單純的想要了解生命，生物時鐘的研究先驅們投入相當的心力從事具有史詩規模的海選活動，嘗試著進行著僅具有百萬分之一機會（其實當時應該不瞭解機率有那樣的低）來找尋生物時鐘異常的果蠅株，這種不流世俗、勇於求真，也許才是科學之所以得以跨越時代，留於青史的真正精神。

諾貝爾獎的意義

諾貝爾獎是依據瑞典化學家諾貝爾的遺囑，在1901 年起開始頒發的獎項。獎金的來源是來自其遺產中的 3100 萬瑞典克郎成立基金會，運用其做為基金會運作及獎項獎金之用。諾貝爾獎的獎金或許並沒有想像中的高，近幾年平均各類獎項的金額約在新臺幣 3300 萬元左右，若多人共同獲得則需均分其獎金。以今年生理暨醫學獎的得主為例，平均一人大約獲得約 1100 萬新臺幣。

歷經百餘年的諾貝爾獎其實在過程也風風雨雨，有些獎項的提名過程就充滿了爭議，有些得獎人事後充滿爭議性的發言也使這個獎項蒙塵。例如華生博士（James D. Watson）；DNA 雙股螺旋構型的發現者之一的一段插曲。在 2007 年，年逾 79 歲高齡的他發表一連串公開針對人種及女性的不當發言，使得這位當代大師離開了工作一輩子的冷泉港實驗室，人氣急劇下墜。在 2014 年華生拿出他的諾貝爾獎金牌交由專業拍賣公司進行拍賣，並將部分所得捐贈學術單位以挽回名聲。部分學者也批評得獎者不得為三人以上的規定，現今的科學研究多半為群體合作產生的結果，現行的規定難免有所遺珠。

年逾 79 歲高齡的華生發表一連串公開針對人種及女性的不當發言，使得這位當代大師離開了工作一輩子的冷泉港實驗室，人氣急劇下墜。圖／WikimediaCommons

即便諾貝爾獎本身的不完美。但在學術上，我認為諾貝爾獎的評審單位仍能善盡職守的，以長遠的眼光來看待科學發展與人類之間的關聯性，並以此啟發後輩對學術活動的認知。有人批評諾貝爾獎的頒發是一種變相的「英雄主義」，它的確是，但唯有英雄，才能鼓舞人心，鼓勵我們在這從善如流的世界上做些不一樣，突破性的選擇。

本文選自《科學月刊》2017年11月號

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文／金升光｜中央研究院天文及天文物理研究所

重力波的研究拿下了今年的諾貝爾物理獎。圖／Charly W. Karl@Flickr

一如許多人事前的預期，重力波研究毫無懸念的拿下了今年的諾貝爾物理獎（參閱《科學月刊》本期諾貝爾物理獎介紹）。然而，要讓大多數圈外人相信這些臂長 3、4 公里的雷射干涉儀可以分辨出信號振幅只有質子大小千分之一，而且還是來自十幾億光年的外太空、連天文學家都未能預見的大型星球質量雙黑洞碰撞，其實是有些難度。

得獎恭賀之聲尚未稍歇，美國國家科學基金會（National Science Foundation, NSF）10 月16 日在華府與重力波研究團隊－－包含美國的 LIGO 計畫和 8 月初才加入聯合觀測的歐洲 Virgo 干涉儀，以及代表全球 70 多個天文台的科學家們大陣仗的召開記者會，宣布了第 5 個重力波事件 GW170817、同時也是伽瑪射線爆 GRB 170817A 的相關研究。這是人類首度透過各個電磁波段確認重力波來源，並詳細觀測爆發後的餘暉（airglow），推斷是來自長蛇座方向距離我們 1.3 億光年 NGC 4993 星系內兩顆中子星相互碰撞的結果。碰撞不僅實際上使全球振動，也讓許多地面和軌道上的大望遠鏡轉向同樣的目標。這原因當然不只是為了再次驗證愛因斯坦相對論的成功而已。

短伽瑪射線爆與重力波的關聯

伽瑪射線爆（gamma-ray burst, GRB）是冷戰時期美國衛星為了監測前蘇聯的核子試爆活動意外發現的。這類天體的高能輻射爆發時間只有幾秒鐘，每年可偵測到上百次，遍布全天空，幾乎不重覆發生且無法預測，研究困難進展緩慢。部份的 GRB 爆發後在波長較長的電磁波段可以觀測到餘暉，亮度衰減幾小時或幾天之後就很難看見。GRB 爆發時的光度比超新星還亮，是人類肉眼可能看到的最遙遠的天體（例如 GRB 080319B）。不過，一般認為這瞬間的高能輻射應該像燈塔一樣，只集中在特定的方向。

統計發現，依照爆發時間長短和伽瑪射線頻譜分布可以將 GRB 分成長、短兩種。透過其他間接的證據，天文學家長久以來就懷疑雙中子星合併是某些短 GRB（short GRB）的前身，一夜之間得到證實。雙中子星系統經由重力波輻射損失能量、和脈衝雙星的軌道衰減觀測吻合，不僅是重力波存在的間接證據（1993 年諾貝爾物理獎），也是LIGO 計畫最初就鎖定的觀測目標之一。雖然雙中子星質量較小，GW170817 卻是 5 次事件中信號（信噪比）最強的，合併前100 秒內的周期變化清晰可辨；它和我們的距離不到前幾次雙黑洞系統的十分之一，同時也是少數已測得距離的短GRB 中最近的一個。

中子星碰撞與中子快捕獲過程

GRB 的餘暉和爆發後的產物或周遭的星際介質有關，科學家並不預期雙黑洞合併會放出強烈的電磁波。9 月底才剛發布了第 4 次重力波事件 GW170814 的研究結果，眾多大小望遠鏡搜尋仍一無所獲。但是中子星不同，它比較像是一個如臺北市般大小，質量卻比太陽稍大的巨大原子核。每立方公分的中子星物質比全人類體重加起來還多。當中子星碰撞合併，無可避免的會有些物質被釋放或噴發出來，這過程比單純的雙黑洞合併還要複雜。

一般人很少在意周期表上各種元素的含量和起源。當代科學認為，宇宙誕生不到半小時就產生了大部分的氫和氦，接著透過恆星內部的核融合反應生成碳、氮、氧等元素。也就是說，你、我、乃至身邊草木玩物的每一顆原子，都曾經是漂浮在銀河星際的星塵！

宇宙間組成物質的每一顆原子，都曾經是漂浮在銀河星際的星塵！圖／Wolfram Burner@Flickr

比鐵重的原子核融合會吸收能量，需要經由一些特別的核子反應才有可能，容易克服原子核靜電斥力的中子扮演著重要角色。重原子核（例如鐵）以快慢不同的速率吸收中子，經過系列衰變後會產生原子序更高的特定穩定核種。早在1957 年的一篇經典論文（史稱「B2FH」，依四位作者姓名），就指出快速的捕獲中子（即「中子快捕獲過程（r-process）」），是核合成（nucleosynthesis）的重要關鍵之一，核心塌縮的超新星和雙中子星碰撞正是核合成研究的焦點。

自由中子的半衰期不到 15 分鐘，不穩定的核種也依照長短不同的速率衰變。就像核子反應爐的燃料棒加熱爐心周遭，隨著超新星或中子星碰撞噴發物逐漸消散，透過模擬與計算可以預估、比對爆發後幾天或幾周從紫外光到紅外光的光度變化。

超新星的研究歷史較久，對應中子星系統的「巨新星（macronova）」或「千新星（kilonova）」不僅理論變數多，觀測樣本也少。千新星之名意謂著預期光度是典型新星的千倍。新星是密近雙星系統中緻密天體（通常是白矮星）吸積物質而產生星球表面的熱核爆炸，瞬間光度約為太陽的 10 萬倍左右；超新星則是整顆星球爆炸，最亮時可和全星系千億顆恆星相匹敵。兩者顯然有些差距。這次事件，重力波觀測隱含了質量、自旋與軌道角動量以及可能存在的潮汐形變等資訊，加上光學望遠鏡觀測放射性物質的衰變、運動、輻射傳輸等特性，讓我們瞥見如黃金和鑭系、錒系元素的誕生。婚禮上新人穿戴的飾品背後，很可能有段轟轟烈烈的故事啊！

從中子星物理到宇宙論研究

中子星表面及外層的結構可以透過核子物理來理解，但是核心處於極端物理條件下的那團夸克膠子電漿卻無法在實驗室驗證。若忽略磁場和對流，中學生可以用理想氣體定律來建造一個簡單的太陽模型。這定律就是一組狀態方程式（equation of state），由物質的基本特性來決定諸如溫度、壓力、體積等狀態變數之間的關係。

不同的關係求出的中子星質量、大小、形變也有差異。中子星大小有所不同，但是狀態方程式和物理基礎應該相同。預期未來更多中子星系統的精密分析，或可解決這重要的問題。

LIGO 重力波干涉儀數據顯示 GW170817 雙中子星合併前數十秒的頻率（縱軸）變化，橫軸為時間。（圖／Courtesy Caltech/MIT/LIGO Laboratory）

重力波訊號隨著距離衰減，就像遙遠的標準燭光，是一把新的量天尺，一口氣跨到 1 億光年之外。配合望遠鏡同時觀測到的遙遠星系，可以測量宇宙膨脹。近年宇宙論學者希望能將哈柏常數的精確度推進到 1%，不同方法得到的數字卻有些出入，不難預見更多的重力波同步偵測將會提供另一種獨立的觀點。

另一方面，謎樣的暗物質與暗能量和其他重力理論的關係也再次受到嚴格檢視。在中子星合併的重力波訊號 1.7 秒之後，衛星才接收到伽瑪射線（和距離 1.3 億光年相對比，精確度高過 10-15）。雖然伽瑪射線的發射機制仍有待釐清，這時間差本身的意義也有待更多的類似事件來說明，任何嘗試修正的重力理論都必須正視這樣的精確結果。

天文學的新世界

重力波與各電磁波波段的多角觀測，一如預期的開啟了多元訊息天文學（multi-messenger astronomy）的新時代。除了順風耳和千里眼，微中子和宇宙線偵測也可望在不久的將來讓我們「聞到」來自外太空的不同風味。

NSF資助重力波研究40 多年，連同早年的干涉儀原型，總耗費將近11 億美元，LIGO 計畫一路走來不能算是一帆風順。然而，在確立計畫走向正確的科學目標、雷射等相關技術工藝的成熟、釐清良好有效的計畫管理、滿足目標願景的經費規畫，重力波計畫在科學上的成功，使得一切風風雨雨都只能算是大歷史的花邊新聞。GW170817 不只為天文物理研究新添上一塊里程碑，它是解答許多問題的羅塞塔石碑，而我們只看到了冰山的一角，新的時代才剛剛開始呢！

本文選自《科學月刊》2017年12月號

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入不惑之年還是可以當個科青

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文／潘昌志：臺大海洋研究所碩士，現為臺師大心測中心研究員。經營「震識：那些你想知道的震事」、「地球故事書」部落格。
馬國鳳：科技部台灣地震模型（TEM）團隊主持人，研究地震機制及危害度分析。現任國立中央大學地球科學學系講座教授、教育部國家講座，專長為地震源力學及海嘯。

地震往往造成嚴重損害，因此如果能預測地震的發生，對於防災應該有一定的幫助。圖／Angelo_Giordano@pixabay

2018 年地震開始變多？

去（2017）年的 10 月至 11 月初，Science 和《英國衛報》（The Guardian），皆刊登一則 2017 年美國地震學會（GSA）的科學演講《近五年全球地震危險預測》（A five year forecast for increased global seismic hazard），內容大致提到全球強震數量變化和地球自轉的相關性，並以此進一步研究分析，得到未來一年地震將更頻繁的結論。

其研究團隊的地質學家，主要為科羅拉多大學地質學家比爾漢姆（Roger Bilham）和蒙大拿大學地質學家本迪克（Rebecca Bendick），他們統計了1900 年至今全球地震的活動趨勢，除了強震的時間上有些規律外，其規律亦可對應自4 年前起地球自轉速度開始減慢的情況，故根據此統計趨勢，有可能明年開始，大地震將會更頻繁，且頻率將會從過去每年約15次，提升至20~30 次，尤以熱帶地區（研究標定為10° N~30° S 的區間）的地震數量變化更為顯著。

圖一：1900~1989 年的地震統計資料，上圖為規模7.0 以上的地震個數，下圖為各災害性地震造成死亡的人數。（資料來源：Lay & Wallace, 1995）

年復一年，強震數量是否有改變

的確，綜觀全球歷史強震（規模 7.0 以上）的逐年變化統計，可發現某些年分區間地震確實較為密集，如上圖一為 1900~1989 年發生規模 7.0 以上地震的統計圖，圖中顯示平均每年約有 17 個規模大於 7.0 的地震，而其分佈的位置大略顯示其有某種週期關係。

與地球地震活動的時間尺度相比，統計時間還是相當短，難以論斷週期性行為，而筆者進一步將地震的分析統計推衍至 2017 年，如圖二，可見此規律到了近期趨勢似乎稍有變化，故筆者認為相關文章描述的地震活動與地球自轉變化之關係，從直觀的數據來看尚難以論斷，或許需以更精確的方式分析。

圖二：1900~2017 年規模大於 7 的地震逐年統計。（1900~1997 的資料來自 Austin & Strauss, 1999，1998~2017 的資料來自美國地質調查局，由作者統整資料重新繪製。）

本研究者受訪時也指出，造成地球自轉速度變化的原因，或許是自轉變化與地震活動的影響機制，有待後續研究。不過，比起許多漫無目的與缺乏科學方法的地震預測而言，此篇研究立基於科學觀測與推論，不失為創新的研究方向。

往例也告訴我們，如 1894 年日本地震學者大森房吉提出餘震衰減關係的大森法則（Omori’s law），亦是統計地震後的餘震個數所建立，因此透過地震觀測試圖找出規律的地震學研究，並非沒有前例，而此研究最大的挑戰為其觀測及推論能否符合理論模型，無論預測成功與否，都是帶動科學前進的動力，對於結合地震觀測及理論的發展與議題討論都別具意義。

「地震與地球自轉互相的影響」測量實證尚有困難

在地球自轉的變化裡，這則報導中所謂的「地球自轉速度變化」改變十分微小，一年僅累積數毫秒（1 毫秒=0.001 秒）的變化，儘管如此、隨著時間累積，或許這些微小變化會讓板塊運動的速率產生些微增減。然相較於每年移動數公分的板塊，兩種運動的尺度相比，自轉速度的微小變化在板塊運動上的貢獻程度似乎很小；換個度思考，是不是只要有這麼微小的變化，就能撼動某些位於臨界點上的孕震構造？當然，此想法目前仍難以證明。

另外，目前科學家也已經發現，大規模地震確實也會影響地球自轉的速率，並且讓自轉軸偏移，以最近一次 2011 年日本 311 地震為例，震後「加速」了自轉，讓一天的長度減慢了1.6 微秒（1 微秒=0.001 毫秒）。雖從數值可見其影響之小，然一旦考量經年累月的地震活動，會讓事情變得複雜：或許地震行為可能受地球自轉影響，又或許地震還可能影響地球自轉的行為。

地球自轉與地震間是否會互相影響，至今仍難以測量實證。圖／piro4d@pixabay

只是，想探討的問題在空間、時間尺度上極大，且需測量的變動又相當細微，以目前的科學和科技，在測量上有所限制，要回答此機制問題還有一些挑戰。即便如此，其所延伸的科學議題──以地球的動力模式分析地球自轉速率變化，對板塊相對運動導致的應力變化分佈，是值得深究的。

如此本文針對觀測之現象學上的分析，若以更嚴謹的科學角度評斷，或許也應保守看待，畢竟統計資料僅能告訴我們相關性，無法告訴我們因果關係。除了需要更多的物理機制解釋，也需要更多的「證明」，也就是實際上得等到明年過了、地震次數統計揭曉，才能了解這個研究的推論是否真能禁得起驗證，進而達到長期預測全球強震數量變化的成就。如前述大森法則，可以經過修正後持續使用至今，並非是當時研究本身特別突出，而是由於它能經過百年來的觀測重複驗證。

研究地震，「防災」比起「預測」更重要

地震本身就是對人類生命威脅甚大的自然現象，正所謂人命關天、這項研究的目的也並非要指出未來地震的確切位置，而是告訴我們，若依研究者的觀察與理論，明年的強震在某些地方將可能變得更頻繁。就如相關地震預測的研究，以科學角度來看，此相關議題皆值得持續分析研究。但我們真正面臨的挑戰不是地震預測、而是應對方式，因為就算成功預測地震，若無相關的防災意識、地震還是會帶來災害。

因此，地震防災研究與推廣是比地震預測更迫切且實際的一項工作，像是如何將科學數據，轉換成應用的成果。若地震預測無法具有效性，筆者認為以相關數據分析短、中、長期地震活動機率及其衝擊，會是更有效且重要的作法。試想，假如沒有這個研究報導，我們就不用擔心地震了嗎？實際上地震的風險時時刻刻都存在。秉持趨吉避凶的人性本能，既然地震威脅一直存在，無論這項研究結果是否真能被驗證、抑或提出 2018 年的地震之多寡，仍須有防災作為！

那何處最需要地震防災？那當然就是地震的好發處。將長期觀測到的大地震紀錄畫在世界地圖上，大多數孕震帶集中在板塊邊界附近，其中也有少部分強震位於某些特定陸塊的構造帶上（圖三），這些地帶都是未來可能發生大規模地震的區域。對居住在這些地區附近的人們來說，地震防災是極其重要的公民素養，而所謂防災素養並非僅指個人的地震包、居家防護等，許多基礎建設、救災體系甚至災後重建的經費規畫，都屬防災的一部分。

圖三：世界地震活動分布圖，圖中圓點為呈現2000~2008年規模5.0以上的地震震央。（資料來源：美國國家教育基金會，U.S National Education Foundation）

利用科學資料，防治災害與風險評估

位處環太平洋地震帶上的臺灣，自然也需與時俱進地提升防災作為，但要用什麼方式、運用什麼科學資訊才有助於地震防災？筆者將舉例輔助說明。雖然科學上還無法預測各地發生地震的時機點，但如前所述，現今的地震危害度分析，可以藉由過去的地震活動及孕震構造「評估」不同地區未來將遇上的震度情形。

臺灣地震模型組織利用地震及地質資料，以機率式地震危害度分析技術，將未來強地動發生之可能性量化，進而提供政府主管機關對重要場址（如：核電廠及學校校舍等）之安全評估（圖四）。也就是說，我們可以藉由科學資料作出評估，在合理的情況下提升建築耐震度，並依不同地區的風險分配資源。（延伸資料：《科學月刊》第562 期《如何評估地震危害與風險？》）

圖四：臺灣未來50 年，最大地表加速度值達到0.23g（相對於氣象局震度5 級）及0.33g （相對於氣象局震度6 級）以上的發生機率，而機率則代表各地遇到該震度搖晃的「風險」。（資料來源：臺灣地震模型，Taiwan Earthquake Model）

此外，透過震源參數拆解分析，科學家可標定造成地震危害的主要震源。根據該震源特性，利用前項所說的地震波模擬技術，考量地震波傳遞過程的物理特性，估算該震源可能造成鄰近或目標地區的震度。若我們已經知道部分孕震構造發生時必然有嚴重結果，就能依據情境、事先預先投入一定資源，除了可在減災防震中有所作為，也能在預演或是救災規畫上有所本，而不至在實際發生時慌亂無章。

地震難以確知何時到來，但它必然會來。研究指出明年可能會有更頻繁的地震而需要加強準備的提醒，對提升大眾防災意識而言固然很好，然我們更加期盼的防災觀念是平時能有多一些對地震災害的警惕、並落實於生活中。為推廣地震科學及相關知識，筆者成立了「震識：那些你想知道的震識」部落格提供相關普及知識，並持續關注地震話題，也希望藉此讓大眾正視地震災害帶來的衝擊、瞭解其所在區域的風險。

參考資料：

Austin, S. A., & Strauss, M. L. (1999). Earthquakes and the End Times: A Geological and Biblical Perspective. Institute for Creation Research, unpublished manuscript of January, 14, 1999.
Lay, T., & Wallace, T. C. (1995). Modern global seismology (Vol. 58). Academic press.

〈本文選自《科學月刊》2018年1月號〉

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張敏娟／任職輔仁大學物理系副教授兼任副教務長。《科學月刊》副總編輯。

古埃及人建造金字塔，相傳是過世的法老（國王）陵墓。金字塔陵墓基座為正方形，四面由四個相等的三角形構成。金字塔既然主要用途是為了讓法老可以安心往生，其象徵的宗教意義也相對強烈。

古埃及人所建造的金字塔號稱古代世界七大奇蹟之一，仍存有許多未解之謎。圖／Cezzare@pixabay

有座相當有名、位於埃及吉薩市的胡夫金字塔（Great Pyramid of Giza，又稱「大金字塔」、「奇歐普斯金字塔」、「古夫金字塔」），相傳是胡夫法老王死後安放墳墓的地方。目前該金字塔，是全球觀光客的愛好景點、號稱古代世界七大奇蹟之一，同時也是唯一一個依然存在於現代的奇蹟。

47 層樓高的大金字塔

這座胡夫金字塔由約 230 萬塊巨石所建成，高度約 140 公尺、底邊長約 230 公尺。科學家們相當好奇這座金字塔是怎麼蓋起來的？以現在一層樓高 3 公尺來粗估，這座金字塔約47 層樓高，實在驚人，到底4500 年前的埃及人是怎樣做到的？

若是以現代文獻推估，這座金字塔是利用20 年的時間建造而成，230 萬塊巨石除以 20 年，平均每小時需將 13 塊巨石安裝到位，且必須日夜不休。更驚人的是，古埃及學家皮特里（Flinders Petrie）於 1880~1882 年對金字塔進行了第一次精確的測量，他的報告指出金字塔外部的石壁與內部墓室的石材都被高度精準地組合在一起，石塊與石塊之間的空隙平均只有 0.5 公分。

埃及學家皮特里（Flinders Petrie）是古埃及文明的研究先驅，留下了許多珍貴的紀錄。圖／Stephencdickson@wikipedia

這 230 萬塊巨石，約用了 550 萬噸石灰石、800 噸花崗岩和 50 萬噸的灰泥，當作石材。外包石塊則用打磨過的白色石灰石包起來，然後經過仔細切割。依照石材的材料，推估工人需要從採石場挖掘、再透過尼羅河運送到金字塔地點。古埃及學家提出，工人們應該是利用關鍵路徑法運送石塊。運送這些石塊時，因為沒有發現古埃及工人使用滑輪、輪子或鐵器，很可能是直接用人力慢慢移動石塊重心，以左右搖擺的前傾姿態，用人力以接力賽的方式拉過去金字塔建造地。

早期有學者提出金字塔是由大量的奴隸建造的，然近代則藉由找到建造金字塔工人的生活用品，改而認為建造者是一群優秀的工匠，而且過著不錯的生活與擁有不錯的社會地位。畢竟需要聰明的頭腦與精準計算過的設計圖，不太可能是受到日夜虐待的血汗奴隸做的，反倒是過著不錯生活的快樂工匠才比較有可能做到。

利用渺子探測金字塔內部構造

回到胡夫金字塔的內部結構，早期考古學家透過各種方式，找到了入口、王后墓室、大走廊和國王墓室等，也發現了盜墓者挖掘的通道。由於擔心古蹟倒塌，科學家盡量減少使用破壞性方式去尋找新通道。

最新的一篇發表文章，於 2017 年 11 月初發表在《Nature 期刊》，是粒子物理學家們使用渺子（muon）偵測器發現了胡夫金字塔內一個從來沒有被發現過的、跟自由女神像差不多高的超大空間。粒子物理學家們知道大氣中、由宇宙而來的大量宇宙射線中，含有渺子。而渺子可以穿透石頭。渺子是基本粒子標準模型中的輕子，與電子（electron）具有類似特性，但與電子不同的是，渺子質量約為 105 MeV/c²，約是電子質量的 200 倍。渺子帶負電，穿越物質的軌跡訊號，可以藉由渺子偵測器獲得。

只要將渺子偵測器放在金字塔周圍，等待夠長的時間，就能得知由宇宙射線而來的渺子，通過金字塔後，在哪些位置的渺子數量訊號較多、哪些較少，藉此推估出金字塔的內部結構。渺子偵測器在加速器實驗早已廣泛被使用，但是粒子物理學與考古學結合的跨領域，倒是非常特別。

科學家嘗試利用減少使用破壞性方式去了解其構造。圖／作者提供。

這個渺子偵測器放在王后墓室的位置，可以偵測其上方空間的渺子數量。這個計畫開始於 2015 年 10 月，粒子物理學家必須設計一種渺子偵測器，只能使用電池作為長期偵測，因為偵測器放在金字塔裡面。這個研究的目的是想利用渺子偵測器替金字塔照相，照出內部結構透視圖，類似用 X 光替人類拍出骨骼、牙齒的技術。

能利用渺子偵測器替胡夫金字塔拍攝內部結構照，讓很多粒子物理學家感到很羨慕（好吧，至少我很羨慕）。渺子偵測器裡面有閃爍體，閃爍體會在接收到帶電粒子之後，產生光。光訊號透過光電倍增管轉換成電訊號，搜集電訊號就能得知渺子的通過數量，代替人眼，看見渺子訊號。這個被渺子偵測器透過非破壞性的方式偵測出來的超大空間，考古學家們對其存在的位置相當感興趣。

這個超大空間的位置，在法老墓室走廊通道的正上方，這是為了防止金字塔過重、當作金字塔的減壓室嗎？這麼長的走廊和挑高的空間，是為了放藝術品給法老靈魂觀賞用的嗎？是讓法老靈魂升到天國的通風井嗎？種種的疑惑，在發現了這件事之後，引發諸多研究聯想。

〈本文選自《科學月刊》2018年1月號〉

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作者／林宮玄│任職於中研院物理所，兼任科學月刊副總編輯。

學術界的期刊付費高牆

出版商付作者稿費在一般人看來是天經地義的事，但在學術界不見得如此。　圖／terimakasih0 @Pixabay

寫文章有稿費，好像滿正常的；但是在學術界，學者會付費請出版商刊登研究成果。大部分科學研究，主要由政府資金支持，學者也會用科研經費支付論文刊登費用。而這些國際期刊主要也是由研究機構與大學之圖書館付費訂閱，要說學術期刊出版社的運作，主要來自學術界或政府的資金支持，一點也不為過。

近年來，學術界開始有聲浪表示出版商利潤過高、訂價策略不合理，以致於大學圖書館開始聯合抵制出版超過 2500 本期刊的荷蘭出版商 Elsevier，抗議年年上漲的訂閱費，而臺灣眾多大專院校及中研院等研究機構，也在 2016 年底加入聯合抵制 Elsevier 這家出版社的行列。眾多抵制聲浪中，以德國學術界最為強硬。2017 年底，德國幾百所大學聯合與 Elsevier 談判再次破局，並宣布 2018 年不訂閱 Elsevier 旗下所有期刊。

值得玩味的是，今年初 Elsevier 宣布，雖然德國幾百所大學不支付 2018 年訂閱費，他們仍可取得旗下電子論文。出版商顯然很清楚，他們的利潤幾乎完全來自於學術界的資金支持，但學術界若不團結，仍有可能被各個擊破。詳情可參閱本文末延伸閱讀。

學術期刊出版巨人 Elsevier，旗下有超過 2500 本期刊。　圖／Elsevier 官網

「公開取得出版」學術論文免費公開

免費下載的論文有助於知識傳播，但這種「公開取得出版（open access publishing）」的商業模式隱藏著外界所不知道的弊病。　圖／coyot @Pixabay

德國大學所協商的內容，是愈來愈普遍的新興商業模式，稱為「公開取得出版（open access publishing）」，由論文作者支付電子論文處理費用，公開之電子論文內容可由大眾免費取得，不需訂閱。通常政府所支持的科學計畫，會希望研究成果公開讓民眾可免費取得，這個商業模式有助於知識傳播。

但是一篇論文該支付多少費用，才是合理的訂價？筆者不知道，但以下數據可供讀者參考。學術論文的權威出版商 Nature Springer 期下的 Nature Communications，即為公開取得出版的電子期刊，沒有紙本，其 2016 年出版 3526 篇論文，每篇文章作者需支付美金 5200 元（約 15 萬元臺幣），故會有 5.5 億臺幣左右的收入。此期刊審查較嚴，實際處理的論文可能超過 1 萬篇，加上有支薪的專任編輯，營運成本也許較高。Nature Springer 旗下另一個公開取得出版的 Scientific Reports，2016 年發表 20473 篇論文，每篇文章作者需支付美金 1675 元（約 5 萬元臺幣），因此約有 10 億元臺幣收入。根據 2012 年 Scientifc Reports 公佈的統計數據，論文接受率為 55%。

公開取得出版的電子論文，除了沒有印刷成本，還有更驚人的事實。即使不是公開取得的商業模式，學術期刊的編輯大部分由學術界學者免費兼任，也是由學術界學者免費審查內容正確性。如果出版商有一個夠聰明的 AI（人工智慧）平台，作者投稿後自動媒合到適當的免錢編輯、再由免錢的學者幫忙審查，最後由 AI 協助論文符合出版格式，經付錢的作者校稿後發表在電子平台。在這個極端狀況下，營運成本可能只需要電腦主機、伺服器與電費。也許真的太極端，但一個期刊每年若有 10 億臺幣收入，很難想像其利潤會不高。

支撐期刊內容的是從編輯到審查，一連串「免費高知識勞工」。在這樣的工作模式中，出版商的營運成本可能低到難以想像。　圖／StockSnap @Pixabay

筆者提出一個公開問題：為什麼學者願意免費幫出版商做編輯與審稿工作？另一個問題筆者捫心自問：Nature Communications 是學術界普遍認定的好期刊，如果訂價高得不合理，筆者會投稿嗎？答案是：當然會。

刊登論文在公認的好期刊，能帶來學術界各種肯定，並有資金挹注支持未來研究，畢竟螳螂是沒辦法擋車的。1 萬隻螳螂聯合起來對抗，也只是一起被輾過而已。如果利潤真的不合理，需要夠強的變形金剛出來擋車，卡通主角「波力」等級可能不夠。

掠食性出版商的騙局

這個在科學界看似荒謬卻又習以為常的狀況，使「掠食性出版商（predatory publisher）」出現。掠食性出版商幾乎不會協助審查論文，向作者收取一篇論文 5~10 萬元臺幣不等的費用，協助公開發表電子論文。是不是很好賺？更有掠食性出版商利用詐騙手法，引誘作者投稿後，要脅其支付發表費，筆者常收到並忽略這類期刊的邀稿，但最近筆者遇到新的手法而差點受騙。

掠食性出版商（predatory publisher）」是「公開取得出版」模式下發展出的學術詐騙手法。　圖／MonikaP @Pixabay

首先，筆者收到聲稱是德國出版社的編輯邀請信，協助審查一篇介紹性科學文章，因為文章作者是筆者所認識的美國資深教授，不疑有他便答應協助審稿。在取得筆者信任後，該編輯進一步邀請筆者也寫一篇介紹性科學文章。筆者本著科學普及的熱誠，寫完文稿不但順從編輯要求，提供相關領域的學者清單給編輯挑選審稿者，並簽署乍看只是文章授權的合約之後，該「出版社」才表示，合約內有一個網址，其網頁內容表示提供文章，簽署者就同意支付折合臺幣約 8 萬元的費用給該「出版社」，之後又寄給筆者蓋有「波蘭公司章」的「律師函」，要脅筆者若不支付，就要在臺灣面對民事求償與罰金。

筆者第一時間面對這樣的心理壓力，會不會匯款？答案是有可能的。若要從筆者口袋掏出 8 萬元匯款，難度當然高。但學術界發表一篇公開取得論文的發表費，動輒 5 萬元以上，甚至可到 15 萬元臺幣。在對方以法律威脅下，筆者若擔心怕事，很容易就會動用計劃經費，支付文章出版費用。幸好，筆者第一時間求助許多朋友，一開始是法律專家，接著是資通訊專家，最後才確定這是一起學術詐騙事件。

其「德國出版社」背後的「波蘭公司」，在外交部駐波蘭辦事處的協助下，證實不是登記有案的公司。事後才發現，當初該美國教授將筆者列入審查學者名單給該出版商，筆者才會收到審稿要求，並取得筆者對該「出版商」的信任。在 165 反詐騙建議下，筆者就近在南港分局舊莊派出所完成快兩小時的筆錄，以「詐欺未遂」報案。感謝協助筆錄的蔡姓員警，這起國際詐騙，沒匯款上當，牽涉金額也只有臺幣 8 萬元左右，是否能透過警察的國際合作破案，誰也不知道，但筆者能做的努力僅止於此。

最後，感謝所有被筆者詢問過的人，讓筆者能安然渡過這起詐騙案件。感謝中央研究院的院方及物理所協助，特別感謝臺灣法律專家黃琦媖律師、李奕逸法官、陳伯翰律師，歐洲法律專家中研院法律所邵允鍾博士及黃松茂博士，還有臺灣 IBM 工程師郭澄祐及不願具名的美國 Google 工程師，協助保全證據、提供給警方。

延伸閱讀：

楊芬瑩，〈推倒貪婪期刊付費高牆！學術界揭竿而起〉，報導者，2016 年 3 月8 日
Valerie Hung，〈不只台灣，德國和祕魯恐將於 2017 年與 Elsevier 學術期刊分手〉，2016 年 12 月 29 日
Quirin Schiermeier, Germany vs Elsevier: universities win temporary journal access after refusing to pay fees, Nature News, 2018/1/4

本文轉載自《科學月刊》2018 年 2 月號 578 期，原文標題為〈詐騙未遂之冒牌出版商〉。

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文／嚴宏洋│國立海洋生物博物館特聘講座教授

金色箭毒蛙（Phyllobates terribilis）　圖／kirahoffmann @Pixabay

南美洲哥倫比亞西北邊山區的喬科省（Chocó）原住民長久以來一直將「分趾蟾科（Dendrobatidae）」中的「毒葉蛙屬（Phyllobates）」蛙（土著將它稱之為 kokoi 蛙）的皮膚分泌液（也是稱之為 kokoi）塗抹在箭頭上，用來麻醉被射中的獵物。早在 1869 年有位哥倫比亞的研究者阿朗戈（Posada Arango）首次以論文報導這毒物的生物特性。1957 年時瓦斯森（S. H. Wassen）對如何製作此箭毒及其藥理特性給了簡單的描述。

哥倫比亞原住民的麻醉藥：箭毒蛙毒液

但對這種蛙毒進行系統性的研究，要等到 1960 年代起才開始，由美國的研究人員馬吉（M. Märki）及威特科普（B. Witkop）對黑腿箭毒蛙（Phyllobates bicolor）毒液的生化特性及對神經的毒性，做科學化的研究。

kokoi 蛙體重約有 1 公克、體長約 2~3 公分而已。一般是藏身於地表的植被內很難被看到，但土著們會在吹口哨時，同時用手指頭敲擊臉頰，而發出 fiu-fiu-fiu 的聲音。kokoi 蛙就會發出相同的回應叫聲，土著們就可以藉此定位去抓這蛙。因為經驗的關係，土著們在抓這蛙時都要用樹葉包著手，避免直接碰到蛙的皮膚，然後將牠們裝在竹筒內帶回部落。處理時用竹子製做成的竹籤（名稱 siuru kida），從蛙嘴穿過身體，放在火上烤，會使得乳白色毒液從背上的皮膚釋出。土著們就將箭頭沾上這毒液，然後晾乾。一隻毒蛙所分泌的毒液，可以製備約 50 隻箭頭。箭頭後方會裝上棉花狀的填充物，使其能與吹箭筒可以密合。而吹箭筒主要是用「芎榙棕櫚（chonta palm）」葉脈而製作成的中空吹筒，長度約為 20~25 公分。

過去在部落間的戰爭時，毒箭頭曾被用來射殺敵人；但目前只用來獵取豹、鹿、猴子及鳥類時使用。獵物在中箭後會導致癱瘓，然後死亡。獵人會用刀割下中箭部位周邊的肌肉及箭頭，以避免事後誤食。事實上這種毒素，與來自植物的「箭毒（curare）」一樣，是不會經由口腔進入體內。但若口腔黏膜有傷口，就會導致中毒。

蛙毒化合物研究

1962 年 8 月時馬吉及威特科普團隊的拉薩姆（M. Latham）女士在「杉莞流域（Rio San Juan）」地區採集了330 隻 kokoi 蛙，然後每十隻一組用乙醚麻醉安樂死後，將皮膚取下切成小片，在室溫下用甲醇粹取約 2~3 小時。然後倒掉上層溶液，再添加新的溶液，經過一夜後再過濾，進行真空乾燥，再冷藏於冷凍庫內。以白老鼠為材料，確認了這蛙毒的 50% 致死濃度（LD50）為 570（±40）μg/kg。這些初步的研究工作，以今天的標準來說是簡陋了些，但是對後續的研究工作，奠定了基礎的知識。

接著在美國國家衛生研究院工作的達利（J. W. Daly）在 1964、1966 年也加入蛙毒的研究。當時在鄰國巴拿馬從事兩棲、爬蟲類研究的邁爾斯（C. W. Myers）向達利提出，共同合作有計畫的對分佈於「杉莞流域」地區所有的毒蛙皮膚分泌的有毒化合物，進行整合性的研究。

箭毒蛙的體色越是鮮艷，牠的皮膚分泌物的毒性越高？研究並沒辦法證明這個假設。 source：wikimedia，圖中為 Ranitomeya amazonica

當時他們想要測試的一大假說是：若箭毒蛙的體色越是鮮艷，牠的皮膚分泌物的毒性，也會相對的高，以達到「警戒色」的目的。但結果卻令他們很失望，因為所得到的數據無法支持他們的假說。但是這些大規模長達 30 多年的持續研究，發現到毒蛙所分泌的毒素，包括蟾毒素（batrachotoxin, BTX）以及一些雙環的生物鹼，如高毒性的普密力托辛（pumilitotoxins）、三環類（coccinelline-like tricyclics）、表巴蒂啶（epibatidine）、愛濟啶（izidines）、吡咯啶（pyrrolidines）和幾乎無毒的十氫喹啉（decahydroquinolines）。

來自合成，也來自食物攝取的天然毒化物

達利與邁爾斯多年的工作和其它研究者們的努力，一共分離出超過 800 種生物鹼和至少 20 多種新的化學結構。更獨特的是這些天然化合物，只存在於毒蛙的分泌物。

毒蛙的毒液所含的生物鹼，到底是透過什麼生理機制而導致動物的死亡呢？後續的研究發現這些生物鹼與細胞膜上的鈣離子和鈉離子通道受體結合後，會使得這些離子通道無法正常的關閉，造成離子的流失，從而影響神經、肌肉和心肌的功能，而導致死亡。

蟾毒素（batrachotoxin, BTX）的化學結構。儘管達利等人無法證實原先的假說，但這長達 30 年的蛙毒研究依然豐碩：分離出蟾毒素等超過 800 種生物鹼和至少 20 多種新的化學結構。　圖／wikipedia

在研究毒蛙的分泌物過程中，研究者們發現到這些蛙不會自己合成有毒的生物鹼，而卻是從食物中攝取到含毒的物質，然後儲存到皮膚上的毒腺。研究成果顯示這些箭毒蛙可以從攝食到的許多昆蟲，包括：螞蟻、甲蟲、蚜蟲和馬陸，獲取高達 800 種以上的生物鹼類毒物。

箭毒蛙如何「死道友不死貧道」，不會毒死自己？

但這項發現又引發了另一個有趣的問題，那就是：這些毒蛙是用什麼樣的機制，避免自己被累積的生物鹼所毒害呢？這問題多年來困擾了許多研究者，而要到最近研究者們經由使用電生理及分子生物學技術，去研究箭毒蛙細胞膜上離子通道基因的突變，才得以找到答案。

2017 年 9 月 22 日美國德州大學奧斯汀校區整合生物學系扎康（Harold Zakon）教授（筆者博士論文的指導教授之一，也是第一個博士後的指導教授）的團隊在 Science 期刊發表了論文，顯示了蛙毒之一的「表巴蒂啶（epibatidine）」之所以有毒性，主要是它會與尼古丁乙醯膽鹼受體結合，導致了正常的乙醯膽鹼無法與受體結合，從而阻斷了神經訊號的傳導。而且即使是微公克（microgram）的劑量，就會導致死亡。

對 28 種分趾蟾科的毒蛙及 12 種不含毒物的蛙，經由電生理及分子生物學的研究，確認了在毒蛙身上的尼古丁乙醯膽鹼受體上，有一個胺基酸序列的變異，導致蛙體內尼古丁乙醯膽鹼受體靈敏度的降低，因而不會與「表巴蒂啶」蛙毒結合，體內累積的毒素，不會對毒蛙自己造成毒害。但是乙醯膽鹼是毒蛙要活下去所必要的神經傳導物質，雖然受體上的突變，可避免與累積的蛙毒結合，但也會降低與乙醯膽鹼的結合。因而演化上的另一傑作，就是乙醯膽鹼受體上有另一個胺基酸序列的變異，使得它能與乙醯膽鹼正常的結合，進行神經訊號的傳導。

換句話說，受體上兩個胺基酸的替換，一方面可使毒蛙不被自己儲存的毒素殺死；而另一方面，卻又能維持正常的乙醯膽鹼神經傳導的功能。

乙醯膽鹼（Acetylcholine）化學結構。毒蛙以變異乙醯膽鹼的方式避免毒害。　圖／wikipedia

很湊巧的是，在上述的論文發表 4 天後，紐約州立大學阿爾卑尼校區的黃秀雅、王經國夫婦（筆者臺灣大學動物系高兩屆學長、姊。我曾於 2001 前往王經國教授在哈佛大學醫學院的實驗室，進行鈉離子通道電生理的研究。）在「美國國家研究院學報（PNAS）」上發表了一篇金色箭毒蛙（Phyllobates terribilis），如何避免被自己儲藏的蛙毒所害的機制的論文。

正在吃飯的金色箭毒蛙

金色箭毒蛙能透過食物將蟾毒素（BTX）儲藏在皮膚，以達自衛的作用。蟾毒素進入動物體內，會使得「電壓門控型鈉離子通道（voltage-gated Na+ channel）」持續保持開啟的狀態，而導致動物的死亡。他們發現在蛙體上，鈉離子通道上的蟾毒素受體上的天門冬醯胺酸（asparagine）被蘇胺酸（threonine）所取代後，蟾毒素就不會與鈉離子通道結合，因而不會對自己造成毒害。造成這胺基酸的取代主要是由 AAC 核苷酸，突變成 ACC 所導致的。

蘇胺酸（threonine）化學結構。以蘇胺酸取代天門冬醯胺酸（asparagine）是金色劍毒蛙免於毒害的關鍵。　圖／wikipedia

前述的兩篇論文，分別分析了箭毒蛙如何演化出避免表巴蒂啶及蟾毒素這兩種生物鹼，在牠們體內造成毒害的機制。但除了這兩大類的生物鹼外，毒蛙對其它種類的生物鹼，是使用哪些機制來保護自己，會是很有挑戰性的研究題目。

流行的，還有一般的感冒

入冬以後的臺灣氣候多變化，感冒的盛行率（prevalence rate）一如往常地正悄悄地進入到高峰期。感冒，是一種由病毒所引起之呼吸道感染的疾病，但真要詳細地說，感冒的成因其實有些複雜，到目前為止，科學家發現超過 200 種以上的病毒與感冒的發生有關，我們最常發生的疾病，事實上成因並不簡單。

一般的感冒（common cold）又稱傷風，由於成因複雜，醫生多半都會囑咐患者多喝水、多休息或開些減緩鼻塞、發燒、頭痛等症狀的藥，改善病人不適的症狀。不過，流行性感冒（influenza）則是完全不一樣的故事。

流行性感冒（流感）主要是由屬於正黏病毒科（Orthomyxoviridae）的流感病毒所引起的，它是一種以 RNA 為基因體的病毒，有別於一般生物以DNA為遺傳物質的情況。一般而言，流感的症狀比一般傷風嚴重許多，除了前述的症狀之外，還伴隨著強烈的肌肉痠痛與併發腸胃道不適等症狀，對於老人與小孩也有較高的致死率。

到目前為止，科學家發現超過200 種以上的病毒與感冒的發生有關。圖／Myriams-Fotos@pixabay

近年來，藥廠已針對病毒生理研發治療流感的專屬藥物—— 包括國人所熟知的「克流感（Tamiflu）」，這種藥物是以流感病毒的唾液酸酶（neuraminidase）為主要的抑制標的。在病毒感染細胞、製造了數億顆病毒後代之後，需要唾液酸酶的作用才能順利地釋放散播，所以，克流感藥物的使用可以阻礙並減緩病毒散播的速率，替體內的免疫系統大軍爭取寶貴的時間。

對於一般性的感冒而言，由於病毒的作用機轉並不相同，克流感藥物幾乎沒有什麼效果，這也是醫師在用藥之前，會使用快篩試劑檢驗病人罹患感冒種類的原因。

變異太快，流感疫苗

若說疫苗之間也有想成為「網紅」的種類，我想流感疫苗應該是最能搏版面的疫苗了吧！似乎每年都會出現令人難以忽視的、有關流感疫苗的相關新聞。前些日子新聞報導，由於世界衛生組織（World Health Organization, WHO）的預測失準，2017 年的流感疫苗保護效力欠佳，所以無法達到有效控制疫情的目的。

或許有人心中會納悶，怎麼疫苗的製作，是用「猜」的呢？

這是由於流感疫苗所要對付的是一種 RNA 病毒。地球上的生物對遺傳訊息的看法大多希望保持其忠實性，精確的將族系繁衍下去，但其實有另一類的生物則喜歡求新求變，像是以寄生為主的生物，會不斷的進行突變，來迷惑宿主的免疫系統，在夾縫中尋求生存。就像是 RNA 病毒，一般而言就比 DNA 病毒更容易產生變化，這就是傳統疫苗多半設計用來對付 DNA 病毒的原因。

圖／Judy Schmidt @publicdomainfiles

由於流感對人類健康具有相當之威脅性，因此從 1973 年起，世界衛生組織便開始提供流感疫苗來防堵疫病的擴散。也因為流感病毒的變化多端，世界衛生組織建立了「全球流感監控網路系統（Global influenza surveillance network）」。

這個網路主要由散佈於世界各地的實驗室所組成，在這些實驗室中的主要工作，就是分析當地流感病例中病毒的型別，並對它們的 RNA基因體進行基因解序的工作，然後將結果向上匯報給世界衛生組織。世界衛生組織的專家會議會將這些匯報彙整之後，歸納出未來數個月內病毒的流行趨勢，決定啟用病毒庫中的哪株病毒進行疫苗的製備，整體的工作有點像是氣象預報員，預測未來可能擴散的病毒類型。

Google 創投挹注研發廣效流感疫苗

最近生技界的一大新聞是Google 集團旗下的創投單位，最近挹注了一筆高達 2700 萬美元給英國的 Vaccitech 公司，協助該公司所發展的廣效型流感疫苗（universal _u vaccine）在北美進行近年來規模最大的臨床試驗（clinical trials）。

Vaccitech 公司是由劍橋大學（University of Cambridge）的研究團隊所組成，他們宣稱，有別於以往流感疫苗需要逐年施打，該公司的廣效型流感疫苗可以提供長達數年的保護效力，其關鍵技術在於疫苗的設計揚棄原本以病毒外部蛋白為主要抗原，而以病毒內部的蛋白為主。相對於外鞘蛋白，病毒內部的蛋白質基於執行特定功能的需要，一般會有高度的保留性。又或者說在天擇的壓力之下，產生突變的病毒株會因為無法執行功能而被淘汰，只有能執行正確功能的病毒才可存活。

via giphy

整個故事聽起來宛如童話故事般的美好，不過我想，稍微具備病毒學與疫苗學的科學家們，應該都會想到這樣的策略關鍵在於：

如果說抗原位置是位在病毒的內部，人體內免疫系統又該如何偵測到它們，將其辨認後殲滅呢？

像是目前世界疫苗大廠—— 賽諾菲（Sanofi）、格蘭素克林（GlaxoSmithKline）還有諾華（CSL’s Seqirus）等生技製藥公司就對這樣的說法存疑。

Vaccitech 公司是由牛津大學金納研究所的研發團隊所創立，而這所以牛痘疫苗發明人——金納（Edward Jenner）醫師為名的研究所在2005 年成立，並以發展新型態疫苗防治全球性傳染疾病為主要的研究宗旨，我想，應該能在這樣的問題上有其解決方案，只是礙於商業機密，恕不奉告。另外值得一提的是，Vaccitech 公司的這項計畫並不只有 Google 這個金主，其他的名單當中也包括中國的紅杉資本中國資金（Sequoia China），充分顯示對岸積極跨足國際生技醫療產業的強烈企圖心。

〈本文選自《科學月刊》2018年3月號〉

什麼？！你還不知道《科學月刊》，我們48歲囉！

入不惑之年還是可以當個科青

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