• 採訪編輯／嚴融怡　美術編輯／張語辰

你聽過「聲景」嗎？

走進公園或森林，你會聽到鳥聲、蟲叫、蛙鳴，甚至存在人耳無法聽見的蝙蝠超音波。這些生物聲響與環境音構成了「聲景」，是生物多樣性的重要指標。中研院生物多樣性研究中心助研究員──端木茂甯，與跨領域團隊正嘗試蒐集大量錄音資料、結合機器學習，探討生物的聲音反映生物進行了哪些活動、或生態環境中發生了哪些事件。

唱著超音波的蝙蝠

談到蝙蝠，你可能會想到身穿黑色緊身衣、痛揍敵人的蝙蝠俠？但在生態系統中，「蝙蝠」帶來的貢獻，可能比蝙蝠俠還要多（希望影迷不會抗議），例如移除害蟲、幫助傳播種子花粉、讓人類有機會發展生態旅遊等等。

在臺灣有 36 種蝙蝠，其中 33 種使用回聲定位，透過超音波偵測環境和獵物。
資料來源／端木茂甯提供　圖說重製／張語辰

但若想確切了解蝙蝠的行為，實在有些困難，除非你有雙翅膀、而且晚上不用睡覺，可以追蹤牠們飛來飛去，並且能用「超音波」和蝙蝠溝通。

生態學家雖然沒有這般能力，但靈活的大腦可以想出辦法，彌補感官與行動能力的不足。

端木茂甯團隊採用的研究方式是：錄下蝙蝠的超音波與環境音、運用機器學習分離出不同蝙蝠物種的聲音，並藉由「聲音特徵」辨別不同地區的蝙蝠、會發出哪些不同超音波，可能代表什麼樣的生態行為。

有趣的是，生活在不同環境的蝙蝠，叫聲類型也會不一樣。

以森林為主要活動範圍的蝙蝠，為有效偵測複雜的周圍環境，多使用「頻率變化大的短促叫聲」；相對地，喜好生活在開闊地區的蝙蝠，則多使用「固定頻率」的叫聲。且大多數的蝙蝠也會根據自己周遭環境的複雜程度，調整叫聲的頻率範圍與長度。

東亞摺翅蝠、臺灣小蹄鼻蝠，回聲定位發出的超音波頻率，因活動空間與生活型態而不同。　資料來源／端木茂甯、李佳紜提供　圖說重製／林婷嫻、張語辰

透過聲景監測，也可發現自然界一些「看不見」的因果關係。

當自然環境中某些高頻的噪音影響蝙蝠偵測空間，蝙蝠會改變超音波頻率、避開噪音。例如夏天時，有些暮蟬的吵雜跨及超音波的波段，蝙蝠為了不受干擾，會等到稍晚暮蟬發聲減緩之後，才展開活動、進行回聲定位。

運用聲景的概念與機器學習技術，可以解析不同物種的蝙蝠超音波、探討蝙蝠如何適應環境。「這講起來很容易，但要怎麼做，我在這方面也還是個新人。」端木茂甯說。

與「聲景」的初相遇

端木茂甯大學曾窩在實驗室做切片，也曾跟隨台大李玲玲教授至野外研究，與學長一起追尋山羌、飛鼠的腳步，碩班時則用無線電發報器與三角定位，追蹤神出鬼沒的食蟹獴。

「但野外最困難的是……動物不是想遇就遇得到，不確定因素太多了！」端木茂甯回想起來，仍能感到當時歲月流逝、生態觀測卻毫無進展的壓力。

後來在 2007 年美國的景觀生態學（Landscape Ecology）研討會，端木茂甯接觸到聲景生態學，「那時看到生物的聲音，如何在時間與空間上產生動態變化，感到很有趣，雖然當時還沒想到可以做這個題目。」

拿著蝙蝠的端木茂甯，與研究團隊。　攝影／張語辰

直到 2016 年，端木茂甯來到中研院生物多樣性研究中心，有了兩個強大的資料庫為基礎──邵廣昭博士帶領建立的台灣生物多樣性資料庫、來自林試所的王豫煌博士建立的亞洲聲景平台，加上跨領域專家的知識與技術合作，包含專精蝙蝠生態的黃俊嘉博士後研究員，以及中研院網格中心的研究副技師嚴漢偉，提供所需的雲端儲存運算空間。

天時地利人和，「聲景生態學」研究才得以實踐。

於是從 2017 年 3 月開始，沿著中橫海拔 100-3,350 公尺的山上，端木茂甯團隊辛苦地在蝙蝠容易經過的地方設置 15 個樣站，藉由 SM4 超音波錄音機、溫濕度計，蒐集蝙蝠的超音波與環境音，並同時紀錄環境氣候。

另一方面也要設置豎琴網，捕捉野外的蝙蝠、紀錄物種，再設置飛行帳錄下超音波，作為後續比對蝙蝠物種的音訊依據。

收錄蝙蝠聲音的超音波麥克風（Ultrasonic Microphone）與溫濕度計（HOBO）。　圖片來源／端木茂甯、李佳紜提供

在飛行帳中錄下蝙蝠的超音波。　圖片來源／端木茂甯、李佳紜提供

正在錄音的臺灣管鼻蝠，感謝牠提供後續比對蝙蝠物種的音訊依據。　圖片來源／端木茂甯、李佳紜提供

「我們每兩分鐘就錄一分鐘，從下午 4:30 錄到隔天早上 7:30 ，這是蝙蝠活動的時間。每個樣站每月至少錄音一個禮拜，一年下來共有 56 萬分鐘的音檔。」端木茂甯說明。

有了這些在不同環境條件取得的龐大音檔，接下來，讓專業的來。

從聲景交響樂，拆出蝙蝠的音符

與中研院資創中心曹昱副研究員、林子皓博士後研究員合作，端木茂甯團隊得以將在野外錄到的音檔，運用 PC-NMF 技術解析成可供後續生態分析的資料。

PC-NMF 技術、與聲音頻譜圖示意。　圖片來源／T.-H. Lin, S.-H. Fang, and Y, Tsao, “Improving Biodiversity Assessment via Unsupervised Separation of Biological Sounds from Long-duration Recordings," Scientific Reports, volume 7, number 4547, pages 1, July 2017. 　圖說重製／林婷嫻、張語辰

野外錄到的音檔像首交響樂，包含所有蝙蝠的超音波、嘈雜的背景噪音，幸好這兩者聲音有個區分之處：

蝙蝠的超音波通常有較強的週期性，因為每天活動時間、範圍幾乎都差不多。

因此， PC-NMF 技術藉由找出「較強週期性」的音頻，排除環境中沒有週期性的背景噪音，從聲景「交響樂章」中，分離出不同蝙蝠所唱的超音波「音符」。

聲景研究除了可以聲音為據，找出環境中不同種的蝙蝠，也能透過長期監測，觀察蝙蝠的回聲定位行為與環境條件的變化。

例如下圖，比較 2016/7/14~7/22 錄到的音訊，會發現每天分離出的蝙蝠超音波，在時間與頻率上有些不同。後續累積更多這類音訊變化、與環境氣候等資料，就能進一步探究讓蝙蝠改變回聲定位行為的因素。

團隊錄到的原始音訊（上方）、與 PC-NMF 分離出的蝙蝠超音波（下方）。
圖片來源／端木茂甯提供

聲音版的小獵犬號之旅

19 世紀達爾文航行小獵犬號，沿著各地海岸以紙筆、標本蒐集紀錄物種，那時尚無法錄下物種的聲音，並透過電腦分析音訊。現今受惠於錄音設備的普及、機器學習的發展，「聲景生態學」研究與延伸應用越趨成熟。

國際上有 〈xeno-canto〉 致力分享全世界的鳥類鳴聲，美國康乃爾大學有〈Macaulay Library〉 自 1929 年開始收集野生動物的聲音，而國內則有〈台灣聲景協會〉，促進大眾了解與參與保護聲景。

另外，〈雨林連結組織（Rainforest Connection, RFCx）〉也運用回收的舊手機、佈置在熱帶雨林中，透過遠端追蹤雨林中可疑的聲音，成功阻止了一些盜伐活動。

端木茂甯團隊以學術角度，希望在亞洲拼上更多片聲景保育拼圖，將繼續與王豫煌、林子皓等跨領域專家合作，將聲景研究擴展到東南亞國家，除了蝙蝠也會包含其他以聲音溝通的物種，橫跨水域和陸域。

最終期望將這些蒐集得到的聲景音訊與環境條件紀錄，轉換為公開資料，讓相關領域的研究團隊得以共享，一起保存生物多樣性。

人類雖然有兩只耳朵，但常常只聽見自己想聽的。或許今後可試著將注意力放在附近公園、野外踏青的聲景中，在寂靜的春天來臨之前，透過「聲音」展開屬於你的小獵犬號之旅。

本著作由研之有物製作，原文為《蝙蝠的超音波，藏了什麼訊息？》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位

延伸閱讀：

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到底要怎麼研究鬼魂議題，從古至今一直是困擾著身而為人類的我們。

《活見鬼！靈魂和來世的科學實驗》一書為知名的科普作家瑪莉．羅曲（MaryRoach）所寫，系統性的檢討鬼魂中各個面向，逐一討論鬼魂、靈魂是否存在。她所講的每一個故事都相當吸引人，從教宗逝世、輪迴轉世、靈魂有無重量、零外質、靈媒、鬼屋、鬼魂作證、瀕死經驗等等，幾乎把靈魂相關的事情都想過一輪了。我們只要願意好好理解，就可以多多少少知道，這些東西們到底有沒有科學證據。

充滿傳播加油添醋的靈魂故事

很多時候，這些靈魂的存在，都是在傳播之下被加油添醋而成的。像是小時候玩的傳話遊戲一般，只要傳過幾個人，原始的意思就被扭曲了，「貓咪在鋼琴上昏倒了」就是這樣來的。書中所舉的例子都相當有趣，一開頭一出手就舉了教宗若望保祿六世辭世的故事。話說教宗過世的那一刻，突然鬧鐘響了，許多人都以為那是教宗靈魂離開肉體的那一刻。

但是根據隨恃在側的主教證實，鬧鐘會響完全是一場誤會。因為那天早上，他剛好注意到鬧鐘停了，隨手幫他重新轉上發條，卻不小心將鬧鐘設定成晚上九點四十分（也就是當天晚上教宗剛好斷氣的時刻）。這完全是一場美麗的巧合，很多人都以為是靈魂觸動了響鈴，殊不知，只是不小心造成的後果。

通常輪到最後一個人時，最初的那句話已變得面目全非。圖／Joi Ito@flickr

至於輪迴轉世的議題，往往有很深的宗教信念支撐。在印度教的信仰之中，轉世可說是他們的日常，非常自然，整個社會也處於這樣的氛圍之中。當一件再平常也不過的轉世事件發生時，大家會為其尋找任何有利的證據；尤其是印度的鄉村長得非常相像，「地板是石板」、「房子有兩個房間」、「家裡養了母牛和公牛」等等描述，要找到前世的證據根本唾手可得啊！在這樣的背景之下，確實很難用科學手法來討論轉世一事（當然，或許他們也比較會相信仙女送公文這種故事，可惜印度教裡面並沒有仙女一職）。

印度教沒有仙女，但是有神女的故事。圖 by Ashwin Baindur from Pune, India – Punyadham ashram 23 August 2011 128, CC BY-SA 2.0,

靈魂的重量怎麼秤？

而探討靈魂的重量這件事就更加吸引大家目光了。好萊塢電影曾在 2003 年拍過一部片就叫做《靈魂的重量》，有的地方直譯為「21克」。但其實最早做這個實驗的麥杜格醫師是用英制，他當時測出人體死亡時，減輕的重量為四分之三盎司（剛好大約為21克，但用英制念起來會不太通順就是，誰會想去看四分之三盎司或零點七五盎司）。

麥杜格後來在 1907 年發表這篇論文，總共才收到五位個案。但出刊之後，受到很多醫療專業同行們質疑，最有可能的減輕原因並非因為靈魂的重量，而是因為無感減輕（insensible loss，或稱無感蒸發），也就是人體中透過汗水蒸發及呼吸所散失的水氣。

目前所知，睡眠中的無感水分流失，大約是一小時一盎司。此結果更可佐證，人死亡時逐漸減輕的並不是來自靈魂，而是所蒸發掉的水分。後續有其他人做了其餘瀕死的動物實驗，包含狗、老鼠、羊，但就像我們事先可以猜到一樣，這些研究沒有一致性的結果。大多數的動物在死亡之後，其體重都沒有變化，甚至有一些動物重量反而增加了。

電影《靈魂的重量》source：IMDb

用魔術通靈，電磁波鬧鬼

另外，書中也很花了許多篇幅討論靈外質與靈媒，可以想見靈媒們都無法通過任何科學的檢驗。靈外質也並非如先前所說的，是靈魂能量的物質顯現，而只是靈媒們事先吞下或藏起來的紗布。在通靈的過程中，宣稱是靈魂帶來的，但是實際上就是他們把紗布吐出來或變出來（或者說拉出來）。

如果有專家願意在通靈之前進一步研究，要求他們今天要做 X 光檢驗，或是吞下一顆亞甲藍藥丸（確認從食道吐出的物品都會染上藍色），當天必定不會有靈外質出現。說穿了，靈媒們從某種層面看來就是使用了魔術的手法，企圖影響信徒們的判斷，並使他們奉獻金錢或財物。

最後，此書也談到鬼屋到底是如何形成的。目前已知的科學解釋是電磁波在作怪。因為地球本身就有天然的電磁場活動，只要在特定的場合，就可讓大腦受到干擾，進而產生幻覺。書中舉了一個非常好玩的例子：

科學家波辛格（Miachel Persinger）被邀請到鬧鬼的房子中檢測，發現鬼屋並不是真的鬼屋，而是那個房子電線沒做好接地，電磁波可自由穿越。也因此，在主人宣稱鬧鬼最嚴重的臥室中──可以聽到呼吸聲與耳語，並感覺有別人在碰他們的腳。在這個房間裡，其電磁波最為強烈，並且呈現不規則，這就是鬧鬼的真相，電磁波在裡面扮演了非常大的角色。

至此啟發了波辛格的後續研究，在實驗中製造出鬧鬼的情境。他們在 2002 年曾發表過一篇論文³；48 個參與實驗的大學生，暴露在很弱的電磁場之下（100 nT至1μT；T 為電場強度單位特斯拉）。20 分鐘之後，參與實驗者表示感覺恐懼、奇怪的嗅覺或是有特別的東西存在。尤其電磁波從右邊的顳葉頂葉交界區照射進去，有特異報告的人更多（註一）。此論文的結果告訴我們，確實可運用實驗室的手法，讓大腦感知特別的幻象，一種我們會把它解釋成鬼神降臨的現象。

人工製造鬧鬼幻象的科學家 Miachel Persinger 圖／wikipedia

此書相當適合對於生死議題有興趣的讀者一瞧，或許它沒有辦法改變諸位的信仰，但是，至少它提供了一種我們觀照神鬼世界的科學方法（註二）。

註解：

• 註一：在瑪莉所寫的《活見鬼》頁 213 中寫到，易受電磁波影響的大腦區域直接簡化成右顳葉（目前無法確定到底是翻錯？還是原來的原文就已經誤植了？）但從原始論文 3 中可知，應為右邊的顳葉頂葉交界區（right temporoparietal region）。此區域約略是耳朵正上方的位置。（如果你想要人工製造出這些特別存在的感覺，只要拿著吹風機對著你的右耳上方的區域，連續吹個20分鐘，就會有鬼靠近的感覺。但是，大概沒人有辦法可以連吹20分鐘，這個區域先熱到痛了吧？）
• 註二：此書目前絕版中。如果想搶先閱讀，只能到各大圖書館借閱。不過如果大家都很有興趣，或許出版社會重簽版權也說不定。（y編按：嗚嗚嗚嗚嗚真的好希望可以再版Q）

參考資料：

1. 貓學步（譯）（2006）。活見鬼！靈魂和來世的科學實驗（MaryRoach）。台北：時報。
2.  MacDougal, D. (1907 ). Hypothesis Concerning Soul SubstanceTogether with Experimental Evidence of the Existence of SuchSubstance. American Medicine; 2(4):240-43.
3. Persinger, M.A., Healey, F. (2002).  Experimental facilitation ofthe sensed presence: possible intercalation between thehemispheres induced by complex magnetic fields. Journal of Nervousand Mental Disorders;190(8):533-41.

《活見鬼！靈魂和來世的科學實驗》目前絕版中，想只能到各大圖書館借閱(´;ω;`)

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把阿基米德與曹沖這兩個古人放在一起，你會聯想到什麼呢？想來想去，他倆唯一的交集應該就是浮力原理吧。阿基米德曾經利用浮力原理檢驗出王冠含有雜質，曹沖則是利用同樣的原理測出了大象的重量（雖然可能只是傳說）。但如果從另一個角度，也可以說他們的交集是巧妙地突破了嚴格的限制。阿基米德的限制是絕對不能損壞王冠，否則只需要刮下一些金粉來化驗；曹沖的限制則是不希望傷害大象，否則只要把大象支解，分成幾十次來秤就行了。

曹冲和阿基米德都應用了浮力的原理，突破了重重限制獲得他們需要的結果。圖／JosepMonter@pixabay

非破壞性檢測：侵入式與非侵入式

不論是阿基米德的王冠，或是曹沖的大象，在檢驗或測量過程中都沒有受到絲毫損傷，這就是如今所謂的非破壞性檢測。

在科學界和工業界，檢測樣本的方式大多皆有破壞性和非破壞性兩種。比方說，石頭通常不太值錢，所以地質學的檢測幾乎都是破壞性的。然而，萬一樣本是非常珍貴的隕石，或是月球岩石（甚至若干年後的火星岩石），那就必須使用非破壞性的方法了。

非破壞性檢測大致又能分成兩種：侵入式與非侵入式。阿基米德的方法是標準的非侵入式，因為他僅僅把王冠放到水裡，以便測量它的體積。因此嚴格說來，浮力原理並沒有真正派上用場，它只是阿基米德研究王冠的副產品罷了。至於最簡單的非侵入式檢測，當然就是使用肉眼觀察──這正是所謂的「低科技永不落伍」，不管科技發展到什麼程度，你的五官、雙手、雙腳仍是不可或缺的重要工具。

不過相較之下，如今工程師所用的檢測大多是侵入式，也就是把某種能量射進樣本，等到能量被樣本反射（或透射樣本）之後，就會提供相關的資訊。由於射入的能量相當微弱，所以不會對樣本造成任何損傷。例如以 X 光尋找金屬材料的瑕疵，就是一種典型的侵入式非破壞性檢測。

X光進行的醫學檢測也是在種種限制下發展出的成果。圖／rawpixel@pixabay

醫學檢查的限制：減少對病人造成的不適

提到侵入與非侵入，或許會讓你聯想到醫學檢查的分類。不過請注意，醫學界對侵入的定義和工程師很不一樣，用最簡單的方式來說，如果會讓病人感到不舒服，那才算是侵入式。所以醫生會告訴你，X光並不是侵入式的檢查，甚至輕敲腹部也不是，但胃鏡和大腸鏡就是標準的侵入式了。

病人當然希望所有的檢查都不要太難受，這也正是長久以來醫學界努力的目標。比方說，剛才提到的胃鏡和大腸鏡，其實已經有非侵入式的替代品，那就是非常有科幻色彩、讓人聯想到「聯合縮小軍」這部電影的膠囊內視鏡。你只要將它當成藥丸吞下，膠囊內的鏡頭就會把你的消化道一覽無遺。這種膠囊內視鏡早已上市，只是因為價格昂貴，至今沒有非常普遍。但由於非侵入式檢查是大勢所趨，這種膠囊的普及想必是遲早的事。

不到三公分的膠囊內視鏡。圖／By No machine-readable author provided. Euchiasmus assumed (based on copyright claims). [Public domain], via Wikimedia Commons

從阿基米德的王冠，到吞服式的內視鏡，雖然相距兩千多年，但我們只要用心觀察，不難發現兩者之間存在著明顯的脈絡，那就是無論任何嚴苛的限制，都無法框住人類無窮的創意。

創意可以讓我們跨過無數嚴苛的限制。圖／music4life@pixabay

• 本文同時刊載於《科普時報》專欄「談科論幻話創意」，原文標題〈阿基米德與曹冲〉

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為什麼會有人長得像金城武，也人長得像How哥呢？（嗯？你說不是長得一模一樣嗎？）我們都知道基因決定了人先天的臉型和臉部特徵，但你知道他們分別是哪些基因嗎？科學家們又是怎麼找到的？

圖／Youtube

就讓我們一起來看看由美國和比利時的科學家合作，最近在Nature Genetics上發表了15個負責調控臉部特徵的基因吧！

基因決定我長什麼樣子？

DNA決定了我們長什麼樣子，包含了我們臉部的特徵。那麼了解臉部特徵的基因組成有什麼意義呢？試想一下，如果我們能找到臉部特徵是由哪些基因來進行調控，那麼醫生或許就能使用DNA做為頭骨和臉部重建手術的參考標準、調查員能夠使用犯罪現場取的DNA來重建出嫌疑犯的長相、歷史學家也能重建出遺失已久的歷史人物的臉龐，可謂好處多多啊。

如果這個研究早點發現，人骨拼圖（1999）就不會拼那麼久啦。圖／imdb

但是科學家們究竟是怎麼找出這些基因的呢？

「這基本上就是在大海撈針。」──本篇研究的通訊作者Seth Weinberg （University of Pittsburgh）這麼說道。

平時科學家在尋找導致特定疾病的基因時，會先將有無病徵的人類DNA標本分群，然後再接著分析比對哪些基因不一樣。但是調控人臉的基因相當的複雜，因此當科學家利用特徵導向的分析時往往會忽略掉許多更細微、看似微不足道的特徵，而無法再找出新的臉部基因。

過往的臉部基因的研究大部分使用了不同的量尺去計算臉部的特徵，例如兩眼的距離等等數值來和樣本的基因做比對。其實，Seth Weinberg 自己的研究團隊在2016年的Plos Genetics期刊上，也透過測量20種不同的臉部特徵量尺找出了7個和臉部特徵相關的基因。但是只看特定的臉部特徵很難篩選出所有參與的基因，因此在本篇研究中，他們決定使用更全面的方法來進行臉部基因的分析。

先前的臉部基因研究多半使用特徵的長度進行分析。圖／journals

從點連成線，再到一張臉：資料導向分析法

人臉其實是由許多部分所組成（multipartite），而本篇研究不專注在特定的特徵上，而是建立了一個具有許多3D臉孔的和其DNA的資料庫。首先，他們召集了兩千多名在美國各地具有歐洲血統的人，透過3D臉部掃描（3D face scan）分別繪出由一萬個3D點狀構成的臉。

3D臉孔需要經過許多的步驟才能取得，例如去除非臉部的部分、臉部對稱及重建。圖／journals

接下來，科學家透過電腦進行層次譜分群（Hierarchical spectral clustering）將臉部先分成鼻子和非鼻子區域，逐一分解成總共63個區域，並比對這些區域特性和哪些DNA片段有關聯。因為使用了這樣的研究方法，分析上面能夠更持平地判斷相關基因和臉部特徵的關係，因此比先前的研究找出了更多的臉部基因。

利用特定的電腦分析方法將臉部分成63種區域。圖 / 原始文獻

從頭骨上是看不出鼻子的形狀的。source：pngimg

在本篇研究中，總共找出了15個和臉部特徵有關的基因，有四個是以前從未被報導過的。另外，值得一提的是其中七個基因可以控制鼻子的形狀。研究人員也指出未來如果從基因回推人臉的形狀，將會對刑事鑑識有很大的幫助；因為鼻子是由軟骨和其他軟組織構成的，通常沒辦法透過頭骨的形狀來判斷鼻子的外型。

研究找出15個與臉部特徵發育相關的基因，其中七個與鼻子有關。黃色圓圈越大代表基因與此區域特徵的關聯性越高，而藍色代表特徵內凹，紅色為特徵外凸。圖 / 原始文獻

臉部基因發育過程中是否有表現呢？

為了呈現嚴謹的科學精神，科學家進一步檢驗他們發現的15個臉部基因是否在發育過程中表現。

臉部基因參與的關鍵期是在胎兒出生之前，因為人臉發育的過程包含了許多步驟，而構成臉部結構的細胞很大一部份是來自於神經管癒合時遷移出的神經脊細胞（neural crest cell）。而科學家們善用其他人建立的人類顱神經脊細胞（cranial neural crest cells）組蛋白活化標記（H3K27ac）資料庫，來確認這些基因的活化狀態。而事實證明，當與其他種類的細胞比較時，這些臉部基因確實在顱神經脊細胞中是高度活化的。

特定的神經脊細胞會幫助頭顱及軟骨的生成，而產生臉上各個特徵。 圖／frontiersin

不過先別興奮得太早，雖然已經發現了這些基因和長相的關係，目前還是沒有辦法反向的透過DNA去正確的預測臉部的外型。研究人員也指出距離找出所有相關的基因還有很長的一段路——畢竟我們的年齡、環境、生活型態都可能影響長相。

而值得注意的是這個資料導向的分析方法（data-driven approach）除了找尋人臉基因外也能被應用於不同的領域中，像是用來分析腦造影的影像和DNA序列上的關係，甚至是應用在阿茲海默症等神經退化性疾病上。

參考資料

• Fifteen new genes identified that shape our face. ScienceDaily, [February 19, 2018]
• Claes, P., Roosenboom, J., White, J. D., Swigut, T., Sero, D., Li, J., … & Pearson, L. (2018). Genome-wide mapping of global-to-local genetic effects on human facial shape. Nature genetics, 50(3), 414.
• FaceBase
• Youtube video: Human face development in the womb 

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想像一下，早上打開冰箱，眼前跳出根據現有食材以及健康狀況設計的餐點，並一個一個步驟帶著你烹煮；家中改裝潢不用拿型錄和量尺慢慢比對，只要在手機上輕點，沙發和茶几擺在客廳是什麼模樣快速呈現；到門市買衣服，不用再花大把時間穿穿脫脫，只要在神奇的鏡子前憑空點選，就能快速看到自己穿上不同款式或顏色的衣服的模樣；出門旅遊，透過手機看著眼前的街景，哪處是景點、哪裡有餐廳一目了然，還能在遺跡前上演歷史小劇場。

這就是擴增實境（Augmented Reality, 簡稱AR）與混合實境 （Mixed Reality, 簡稱MR）技術帶來的新生活。

到門市買衣服，不用再花大把時間穿穿脫脫，只要在神奇的鏡子前憑空點選，就能快速看到自己穿上不同款式或顏色的衣服的模樣。source：Fx Mirror

科技部 2018春季「展望」系列演講「全面啟動的未來世界 – 人類2.0社會的科幻成真」第一場，請來清華大學工業工程與工程管理學系教授瞿志行，分享 AR/MR 的現在應用與未來趨勢，泛科學整理演講與專訪內容，邀大家一起探索過去只存在科幻作品中的世界如何實現！

source：2018春季展望提供

虛擬實境和擴增實境的差別？

提到擴增實境，除了「寶可夢Go」，你可能還會聯想到最近火紅的電影《一級玩家》，主角們只要帶上穿戴式裝置，就能進入虛擬實境（VR）的世界。其實 AR 和 VR 是很不同的概念，反而是 AR 和 MR 的定義差別比較模糊。

圖／Ready Player One （2018)）@imdb

通常將它們分成大致三大類：VR指的是全數位打造的環境，使用者與外界的感官會斷開，脫離真實世界的體驗；AR以真實世界的經驗為基礎，把數位資訊透過文字、符號的呈現，覆蓋在實物上。MR 則是更進一步，把豐富的 3D影像與實際世界整合，使用者可以同時對實際物件虛擬物件進行互動。

1994 年 Milgram 等人則提出了現實-虛擬連續系統（Reality-Virtuality Continuum），系統的一端從完全真實感官的現實（Reality）、在真實世界嵌入虛擬元素的擴增實境（AR）、混合了更多虛擬物件的 MR、將真實世界的訊息，加入虛擬環境的「擴增虛境」（Augmented Virtuality，簡稱 AV），一直到所有物件都是虛構的「虛擬實境」（VR）

根據Digi Capital 《2017年增強現實和虛擬現實報告》指出，2021 年擴增實境與虛擬實境產業的總產值將達到 1080億美元，其中擴增實境與虛擬實境的市場佔比約為8:2。瞿教授表示，VR 在遊戲、教育與娛樂等三大領域備受期待，但是和以真實世界為基底的 AR 相比，VR 可能會因為感知不協調導致使用者的身體不適（例如，看見自己在移動，身體卻沒有真的移動）外，視覺上的封閉與行動被拘束也較容易對用戶產生壓力和不安感，因此在未來發展與相關產業應用上，可能性會比 AR少。

圖／medicalnewstoday

擴增實境有哪些呈現方式？

現階段的AR呈現技術大致可分為三類，一是透過穿戴式裝置（如智慧型眼鏡的鏡片），同時看見外在環境與附加在上的虛擬資訊、二是透過攝影機捕捉實際的人物與環境，再結合數位元素共同呈現在螢幕上，三是透過視網膜投影或腦部植入晶片，直接在人的感官中創造新知覺。

為了追求更真實的體驗，已有團隊嘗試打造能將虛擬物件直接投影到視網膜上的智慧型眼鏡，但瞿老師認為，視網膜投影最大的挑戰其實不是技術，而是心理障礙，即使裝置的光線強度、能量等都符合醫學與人體安全標準，就看一般大眾能否克服恐懼。

除了上述三者外，也有人會透過投影（Projecting）呈現較大範圍的AR技術，把3D立體影像投影到實際物體上與人互動，這種呈現方式的難處在於精準定位與附加於物件的技巧，不但要確保實物與虛擬影像的位置精確重疊，還要掌握物體的凹凸曲面或不規則形狀，才能讓數位影像和實際物體的互動感栩栩如生。

圖／flickr

尋找痛點，才能發揮AR最大效益

瞿教授指出，AR 是一種輔助人與人、人與環境，以及人與機器之間互動的的介面技術，其核心價值在於運用AR提升產品或工作效能。所以產業在面對這項新科技時，可以思考現有的流程或內容中，哪一個環節可以透過AR提升效用或再創新，不該「為了使用AR而使用AR」。

以前陣子火紅的「寶可夢Go」來說，並不是單純因為採用AR技術而爆紅，而是因為透過 AR強化了捕捉寶可夢的體驗及趣味，因此獲得廣大迴響。

圖／wikipedia

企業或團隊應該先找到市場需求（痛點），再尋找相對應的技術，說不定現有技術就能達成要求，真的不夠用再繼續開發。如果只顧著「發展強大技術、再尋找市場與需求」，可能會像個人用運輸載具賽格威（segway）一樣，雖然具有驚人的高科技，但如果要說相似的體驗，低技術含量的「直排輪」就能達到，而且價格還便宜很多，最終導致賽格威的銷售額只稍稍超過研發成本。

瞿教授舉其合作的案例：在醫美產業中，曾發生過醫師因為經驗不足，在沒注意的情況下針對病患單一部位的肌膚過度施打雷射治療，導致嚴重的後果。因此有醫美公司找上瞿教授的團隊合作，希望打造一款結合熱感測技術的AR應用，幫助醫美醫師在手術過程隨時關注病患臉部的溫度狀況，進而降低醫療疏失的發生機會。

未來MR也或許可以應用在醫學上面。source：Brother UK

台灣在全球 VR/AR市場的定位

全球擴增實境產業正在蓬勃發展中，各大科技企業無不摩拳擦掌，想成為第一個稱霸市場的標準制定者。如 Goolge 推出了 ARcore 平台、Facebook期盼透過 AR 增加社群互動、微軟的穿戴式裝置 Hololens 來勢洶洶、Apple 不但端出 ARkit 平台，也正在研發更輕巧的AR眼鏡，連中國電商大廠阿里巴巴都喊出要把電商AR、VR化。

瞿教授分析，目前台灣的 VR/AR 相關產業大致可分為硬體裝置代工、硬體裝置開發（如HTC VIVE）、基於後製、動畫與電影產業而蓬勃發展的VR數位內容、AR數位內容和高擬真建模等領域。而相關硬體產業鏈完善、高科技人才願意投入、軟體與設計人力成本較低，以及有和中美接軌的經驗，都是台灣發展 AR 的優勢。

然而，AR橫跨物聯網、資訊工程、高擬真建模、視覺分析和 UX 設計等多項領域，需要擅長跨領域整合的人才，但軟體整合正好是台灣的弱項。再加上台灣市場小，較難推出代表性的商業模式，這些則是台灣要面臨的挑戰。

source：2018春季展望提供

與AR 同行的世界，會是什麼模樣？

現在有科學家透過科技，將視障或精障者的世界傳遞給社會大眾，讓更多人有機會認識他們的想法與困難。而瞿教授表示自己期待AR 能創造出新的溝通方式，例如，在課堂或講座上，老師透過AR裝置，看到原本不擅於言詞表達或害羞不敢舉手的學生的提問，降低過去的互動障礙。又或是透過人工智慧與AR載具，創造類似超自然感知的陰陽眼功效等。

在科幻小說或電影中，有時會描寫當科技發展到了一個程度，數位建築出來的虛擬世界變得非常真實，幾乎與現實沒有差別、甚至更好，人們因為在現實和虛幻之間來回穿梭，開始難以區分什麼是真、什麼是假。這樣的事情真的可能會發生嗎？

瞿教授坦言這個問題現在無法下定論，他基本上認為人類是可以分辨虛實的，但長期進行虛實互動，或用五官體驗虛實混合的世界後，是否會在心理或大腦留下後遺症，又或是大腦有沒有可能因為使用這類型科技產品開啟了「新感知」，都還需要更多的研究。

歡迎來2018春季展望，參與更多精彩講座！

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專業工作者造勢時，切記兩個關鍵詞，專業工作者可以用專業方式創造的行銷活動。

接下來要跟大家介紹當你開始利用使用者反饋時，要記住的兩個關鍵詞。第一個關鍵詞就是「公共財」，第二個則是「犯錯」。

打造「公共財」

打造出來大家都可以利用的資源，就是「公共財」。圖／wikimedia

公共財的概念，簡單來說就是打造出來之後，大家都可以利用的。

舉例來說，公園就是一種公共財，馬路也是一種公共財，或許有人或組織擁有某些馬路，但是大家都可以用馬路。通常，會需要像是政府或是慈善公益組織這樣的單位，才會比較願意去創造公共財。

那公共財在我們寫作與打造個人品牌的過程中扮演什麼樣的角色呢？其實，公共財就是大家都需要，可是平常是沒有人願意主動去做的事情、去整理提供的資料。

所以，因為沒有人做，我們就可以透過提供公共財的方式來行銷造勢。

創造出公共財，其實就是專業工作者的一種重要行銷。圖／pxhere

當你有專業知識想要分享，如果你只是一味地分享自己的專業知識的話，會顯得太過單調，你必須要讓自己有部分內容變得具有公共財的屬性。

這跟前面提到的使用者反饋有關係，透過我們前面講到的邀請創作、共同策展等方式，你可以把內容變成更具有公共財的屬性。

舉例來說，像是邀請使用者一起建立常見問題資料庫，或去請你的讀者一起盤點既有的網路資源，不管你是哪個專業領域，你都可以想想：如果有些資料被好好的整理出來，會不會對大家都比較方便？

這件事情若實現，不是只對你有幫助，也不是只對你的讀者有幫助，而是對大家都有意義，甚至是對你的競爭對手都有意義。試著去找出這些事情，打造這樣的公共財。

你愈願意去提供這樣的公共財，在你的讀者社群心目當中，你就是一個更值得信任的角色，幫助你的知識品牌有效的造勢。

第一個關鍵詞，就是公共財。去找到那些對所有人都有幫助的，即使那些是對對手有幫助的，都沒關係，你可以邀請讀者一起來建立，整理出這樣的公共財，並且把他們分享出來。

那要怎麼找到適合的切入點呢？盡量朝「串連整理」、「協助聚集」的方向去想，大家缺的不是你去犧牲自己、奉獻給大家，而是要有人帶頭把事情啟動、讓每個人都能參與，最後把任務完成。

「犯錯」是件好事

要有正確的心態，犯錯是好事。圖／pixabay

第二個關鍵詞就是犯錯。

犯錯？為什麼要犯錯呢？對做專業知識傳播的我們來說，最要不得的不就是犯錯嗎？當然，這樣講也沒錯，我們盡量不要犯錯，但是我們也必須承認，我們一定都會犯錯。

那麼犯錯的時候，我們該怎麼辦？千萬要有一個正確的心態，就是犯錯是件好事。

犯錯是件好事？犯錯怎麼會是好事呢？其實應該說，我們在知道要避免犯錯，而且願意用各種方式來避免犯錯的情況之下，我們也要心知肚明，我們總會犯錯，這時候的犯錯，其實可以變成一件用來造勢的好事。

當我們已經夠認真避免，但還是免不了犯錯的時候，就代表我們獲得一個機會，來跟我們的社群進行一場深入溝通。

社群可能會發現你的錯誤、你的競爭對手可能會發現你的錯誤、一些陌生鄉民、酸民或路人可能會發現你的錯誤，當他們發現你犯錯時，他們可能會告訴你、會批評你、會調侃你，但總歸來說，他們總會更有動力用各種方式讓你知道他們的存在。

犯錯，反而會變成獲得目光的機會。圖／pxhere

也就是說，這個錯誤，現在變成一個讓大家把目光投注到你身上的機會。

為什麼犯錯是個好機會呢？因為這就是一個讓大家看你、讓大家跟你產生互動的時機，很多時候我們在經營社群，或者說想要把我們的內容傳得更遠的時候，最在乎的就是「沒有人跟我互動」。尤其很多專業的知識，因為實在太高深，有時候讀者會覺得互動真的很難，或是當你的形象實在太高冷，感覺不容易對話，但是當你犯錯時，這些隔閡會被打破，其實就是創造大量互動的最好機會！

千萬記得，不是故意去犯錯，刻意搞負面事件行銷，而是在認真製作內容的情況之下，我們還是會犯錯，但我們要接受犯錯這件事情，並且把我們的犯錯視為一個好機會。犯錯之後，盡快坦承自己的錯誤，盡快修改。讓大家知道，你未來寫作以及跟讀者互動過程當中，會如何去避免這些錯誤，對這時看著我的許許多多人展現我的態度、提供我的解決方法。

犯錯時，大家都看著你，正是你用來證明自己夠專業、可被信任、可溝通。這是建立品牌形象最好時刻。

你要利用犯錯的機會，讓大家知道你是一個能夠從錯誤學習，能夠自我改善的「成長」品牌，這件事情是非常非常重要的，唯有如此，犯錯才可以是一次造勢的機會。

兩個關鍵詞，一個是公共財、一個是犯錯，請大家牢牢記住了。

本文摘自《知識內容寫作課──寫一篇真材實料的網路爆紅好文章》，創意市集 出版。

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知識內容寫作有一個很重要的套路，叫做「社會爭議」。

講到社會爭議，專家其實需要扮演重要的專業角色。圖／pxhere

講到社會爭議，大家可能聯想到要選邊站，甚至會講到火冒三丈的一些主題，但這邊不是要大家去吵架。而是社會爭議本來就會跟科學、跟很多專業知識密切相關。

無論是政治、環保、經濟中的爭議議題，你都會看到許多的專家在社會爭議中扮演一個專業的角色。但是，你可能有時候也發現，很多爭議議題要不是淪於吵架，要不就是專業都講不清楚，所以說這就是專業的溝通問題。

介入爭議，展現你的專業

這時候，如果你想要透過專業去營造個人品牌，並且你知道自己對專業足夠理解，樂於溝通，就可以去介入這些社會爭議議題，去展現自己長處，把專業講清楚。這會是展現自己知識的一個好機會。

切入社會爭議，其實也可以有很多方法，不一定就要正面對決，也可以從周邊補充不同角度的知識。

能源議題就是一個大家都很關注的社會爭議。圖／wikimedia

像是能源問題這樣的社會爭議，我們之前都會討論台灣到底能不能用核能呢？台灣的再生能源規劃應該怎麼選擇？再生能源如太陽能板、風力發電機的設立會不會影響當地的環境？又或者說新的能源是不是會影響國家財政？

我們可以從很多的角度來切入能源議題，他就跟我先前提到的食衣住行生活必需很像，但是它是一個高度爭議性的議題，加上現在許多政策跟科技都在快速變化，大多數的先進國家也都在思考能源議題，提出很多種思考角度，這時候就可以從自己的專業知識領域來發揮。

充分表現立場，而非隱藏立場

當我們觸及社會爭議的時候要記住，比較好的方式是我們能夠誠懇地把自己的資料與立場呈現出來，而不是隱藏在背後。

要瞭解，當我們想要通過社會爭議來呈現出專業的時候，某方面我們也已經選定了我們的立場了，這時候不要隱藏立場，反而要充分表現出來。只是另一方面也要記住，就是要有足夠的資料與論據來支持這個立場。

千萬不要想說你的立場可以討好所有的人，或想採取一個模糊的立場想要討好大部分人，這是不可能的。社會爭議就是要讓個人選擇自己的立場，當然，我們的立場要建基於那些有憑有據的資料之上。這樣子，才可以更加顯出我們的專業。

同性婚姻也是充滿爭議的社會議題。圖／pxhere

在泛科學上常常有作者發表觸及社會爭議的文章，像是性別（如同性婚姻）的議題，其中我推薦大家讀讀這篇由作者楊仕音將自己的演講整理而成的：《同性戀的科學，與我血淋淋的親身經驗》。

他的第一個問題是：同性性行為自然嗎？

什麼是自然、什麼是正常呢？如果我們開始討論自然的定義？發現這樣下去會變成沒完沒了的哲學哲學雞蛋糕，不得不請朱家安老闆出面了，但是幸好，我們兩個都是理工阿宅，所以我就很奸詐地「複述」他的問題：其他物種如果有同性性行為，算是自然嗎？他回：算。

很好，我就是在等這個答案，接著他就掉到我的陷阱裡了。我跟他說：同性之間的性行為並不罕見，只要異性個體之間在生殖時所表現的互動（比方說求偶、交配）發生在同性個體之間的時候，生物學家就會稱為同性性行為。

其實同性性行為存在於自然界的許多動物中，包括哺乳類、爬蟲類、鳥類、兩生類、昆蟲等，大家有看週四泛科動畫日《動物界的多元成家篇》嗎？（考考你：科學家目前發現到有同性情誼的動物至少幾種？）。

而某些動物，同性性行為比例不低於異性性行為，像是瓶鼻海豚，雄性個體的性行為，當中有 50% 是發生在同性之間。

瓶鼻海豚的雄性間發生性行為的比例很高。圖／wikimedia

你可以看到，文章觸及了一些具社會敏感性的議題，但是因為要呈現自己的專業，所以不是像一般網路上的筆戰那樣，我講我喜歡的，你說你高興的。而是要非常清楚地來告訴大家，為什麼這個事情我會站在這個位子、選擇這個立場，你也可以看到，作者為了讓更多人願意理解，而採取了從個人經歷出發的策略。

最後提醒大家，社會爭議的寫作套路，特別需要比較有經驗的寫作者來掌握，如果你覺得自己還不是太有經驗的人，其實可以先試試看寫作別的主題，之後再來嘗試挑戰社會爭議。

同場加映泛科作者回答：如何有啟發的討論爭議議題？

● Mr. 柳澤（楊仕音）/ 週間為科普人兼專利人，週末悄悄變身為素人畫家。

在跨性別、同性戀到安樂死等社會上各種充斥著雜音，卻沒有人能給出正解的爭議性議題中，科學有介入的空間嗎？

縱然科學知識未必可將「柯南的真相」直接帶到讀者面前，但卻能啟迪更多人參與進一步的討論與思辨。時常從科學角度深入這些爭議性議題的楊仕音，是如何搭起科與普、科與科之間的橋樑呢？如果你也想透過知識寫作討論爭議議題，以下是楊仕音提供的幾個小建議：

1. 以爭議性議題為主題的科普文章所要傳遞的不是明確的答案或終極的解法，而是透過現今已知的科研證據，建立每個公民的科學素養。因此，內容本身未必需要「寫好寫滿」。即使提供專家意見，也應注意科學的地基是否打造得「過」或「不及」，如此一來，才不至於剝奪了讀者獨立思考此議題的能力。
2. 爭議性議題絕大多數是跨領域的，科學雖有一席之地，但往往無法跟政策或法律直接劃上等號。科學只是呈現可能回答這些暫時無解問題的路徑。政治正確或是不正確與現階段的科研證據無關。即使作者心中有既定立場，還是應盡量避免不小心「帶風向」，科學畢竟不該為個人的意識形態服務。
3. 眾說紛紜的爭議性議題乍看之下有時沒有交集，但多半只是觀看的角度或所處的立場不同。此時不妨試著找出各方的重疊處（共通語言與背景知識）破題切入，或是以較為輕鬆幽默等不同型態的寫作方式，吸引立場對立的讀者「願意讀下去」，進而從原本自己不習慣的面向開始思考，這樣的寫作策略往往比引戰或打臉的起手式，更容易「邀請」讀者共同思考這些與我們生活息息相關的議題，促進對話。

本文摘自《知識內容寫作課──寫一篇真材實料的網路爆紅好文章》，創意市集 出版。

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在寫作知識性文章的時候，「社會爭議」套路，不是每個人都能上手。接下來介紹的是一個大家都可以嘗試的套路，比起社會爭議來說，這個套路非常歡迎所有初學者，當然寫作一段時間的朋友們也都可以嘗試。

這個套路就叫做：有感創新。什麼叫做有感創新呢？

避開「科學情色」文章

圖／pixabay

在科學傳播上，有一種共識是會去避免「科學情色」，這裡講的情色不是真正的情色，而是說把科學講得很誘人但是不真實。意思是他會告訴你未來將會怎樣、有一種神奇的藥物或發明可以大幅改變一切、基因科技如何高速發展、未來會有什麼新科技很厲害之類的，但是，有很多內容其實都只是要刺激我們這些讀者的想像，卻沒有真正可靠的證據、發現、研究。

這些科學情色的文章通常不夠扎實，有時候基於一些還不夠全面的研究，話卻講得很滿，會讓人產生虛假的期望，讓人白高興一場，但又難以檢驗。儘管如此，因為具有新奇感，大家還是很喜歡看。

我們撰寫知識文章、經營個人品牌，雖然也是要利用新奇感，想要寫讓大家愛看的文章，但我們要傳達的仍然是正確、不過分誇大的知識，所以我不鼓勵大家寫科學情色類型的文章。

呈現讓人激動但可靠的想像

介紹新知時，除了令人興奮的突破，也應揭露其下的內容與邏輯。圖／pixabay

這時候，如果真的是想要呈現自己的專業，同時打造自己的專業知識品牌，並且呈現出科學與知識的想像展望的話，我會建議我們就根據「有感創新」這樣的一個套路來寫作。

「有感創新」的套路和前面說的科學情色，中間有一個細微的差別，有感創新要掌握我們在「知識寫作九宮格」當中的幾個關鍵，包含：這是怎麼做的？誰發展出這樣的一個專業？他為什麼現在要讓我獲得這個知識？

寫作九宮格詳細版（點圖放大）

通常那些科學情色的文章，都會直接跳到結論，中間會講得不清不楚。但是反過來，如果你可以把中間的過程講清楚、講得夠專業，而且又可以在結論時幫助大多數人對這些未來產生想像，對這些科技產生憧憬，那麼就是有感創新。

一方面你可以滿足許多讀者們對於這個科技未來的想像，也可以讓他們非常關注你的知識。另一方面，也可以借此機會，提昇大家在科學邏輯上的思維。同時讓你能夠帶給讀者更好的願景，又能讓讀者更信任你的專業，找到一個比較好的平衡點。

以數字和數據為基礎

有感創新要注意那些重點呢？最關鍵的重點就是數字。

所謂「有感」就是要比之前的典範或產品做得更好，那麼到底會好多少呢？請以數字數據來說明。

所謂的更好到底是多好？不一定是明確的數字，也可以是倍數或比例，這時他就需要有一個比較的基準，例如以前大概是做到這樣，那現在是幾倍？幾十倍？還是幾百倍的？

圖／pixabay

泛科學的作者 Gilver 寫過一篇：《超級抗生素萬古黴素 3.0 問世！效能更勝初代2.5 萬倍》。

從標題就可以看到，作者 Gilver 要講一個未來展望，要讓大家有感，但不是空泛的講，而是直接給大家一個數字。

為了解決抗藥性的問題，美國克里普斯研究所（Scripps Research Institute）的化學家戴爾．博格（Dale Boger）與他的研究團隊開始研發萬古黴素的新版本，好讓它可以和末端為 D-ala 和 D-lac 的多肽結合。他們在 2011 年取得初步成果。

於此同時，其他團隊也開發出了利用萬古黴素殺死細菌的新戰術：一種替代方法是中斷細胞壁的合成，另一種是在細胞壁上打洞，藉此殺死細菌。

而在 2017 年 5 月，博格和他的研究團隊研發出了集結三種戰術於一身的新型抗生素－－萬古黴素3.0。經過測試，萬古黴素3.0 對抗 VRE 和 VRSA 等細菌的能力至少比初代萬古黴素強上 25,000 倍。

更令人驚豔的是，新型萬古黴素在對抗細菌演化的持久度似乎比現有抗生素都還要強。大部分的抗生素在細菌繁衍幾代（round）之後就會開始失效，但博格等人的實驗中，細菌在繁衍了 50 代之後仍無法演化出抗藥性。

這篇文章要說超級抗生素的殺菌能力，比之前超過多少多少倍，這個倍數以及他的力量就要呈現給大家看，當然，不能只單純的告訴讀者這些事情，必須要掌握前面給大家的提醒，就是要告訴大家為什麼？有什麼展望？有什麼用？這個比較重要。

本文摘自《知識內容寫作課──寫一篇真材實料的網路爆紅好文章》，創意市集 出版。

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2015年的電影《怪物》即是根據小說《科學怪人》所改編。圖/IMDb

《科學怪人》既然是公認的第一部科幻小說，值得討論的層面當然不少，比方說，它的正式書名《富蘭肯斯坦──現代的普羅米修斯》(Frankenstein; or, The Modern Prometheus) 就有必要好好推敲一番。

與天爭的普羅米修斯，竊取神力的富蘭肯斯坦

首先，常有人誤以為富蘭肯斯坦是科學怪人的名字，這顯然是受到好萊塢的誤導。其實在小說中怪人就是怪人，誰也沒有替他取過任何名字。那麼富蘭肯斯坦到底是誰呢？敢情他是那個怪人的創造者，一位野心勃勃的瑞士籍醫生。

至於作者為何將主人公比喻為現代的普羅米修斯，就得仔細話說從頭了。

根據希臘神話，普羅米修斯是一位慈悲為懷的天神，他不但創造了人類，而且為了避免人類茹毛飲血，甘冒大不韙將火種從天庭盜至人間。從比較神話學的觀點，顯然這位希臘神祇類似我們的燧人氏，兩者都象徵著火的發明。不過在西方世界，普羅米修斯逐漸成為文化符號，被廣義解釋為「與天爭」的意思。

在《科學怪人》這個故事裡，主人公利用拼湊縫補的屍塊，創造一個嶄新的生命，成功扮演了上帝的角色，因此「現代的普羅米修斯」這個頭銜他當之無愧。然而必須強調的是，作者瑪麗‧雪萊並不認同主人公的所作所為，在她內心深處，始終認為不論科技多麼發達，人類也不該竊取上帝的權柄。因此在構思故事之初，她便打定主意將主角寫成悲劇人物，這就牽涉到了「普羅米修斯」的另一重意象，那就是不得善終。

在神話世界裡，普羅米修斯的盜火之舉惹惱了眾神之王宙斯。盛怒的宙斯不但將他綁在高加索山上，還派一隻老鷹天天啄食他的肝臟──次日又完好如初，於是他的痛苦永無盡頭。而在瑪麗‧雪萊筆下，悲劇則是主角和怪人最後在極北之地同歸於盡。可見《科學怪人》雖然是（後人追認的）標準科幻小說，作者的立意卻並非讚揚科學，而是透過這個悲慘的故事，強調新科技可能會帶來意想不到的危害。這個警世傳統一直流傳下去，成為科幻小說中非常重要的一支。

普羅米修斯盜火後受到嚴懲。[Public domain], via Wikimedia Commons

不存在明顯界線的科幻與神話

除了警世的道德寓意，我們還可以從另一個角度比較這兩位普羅米修斯。雖說兩者乍看之下涇渭分明，一位是科幻小說的主角，另一位是神話人物，事實上，科幻與神話之間並不存在明顯的界線。

比方說，既然神話純屬虛構，倘若安排老鷹啄他的雙眼（次日又長出一對新眼珠），故事必定更加戲劇化，甚至更有聲光效果。為何老鷹偏偏要吃普羅米修斯的肝臟，背後實在大有深意，意味著古希臘醫家對人體各部分的再生能力已有初步瞭解，至少知道肝臟是再生能力最強的器官。因此神話編纂者捨眼珠而取肝臟，乃是為了更貼近當時的醫學知識，好讓故事更具說服力，這正是「結合當時當代的科技再加以延伸」的手法。

推而廣之，在古今中外無數的神話、傳說、童話以及奇幻故事中，不知潛藏著多少堪稱科幻的成分。只要我們善用慧眼沙裡淘金，不難發現科幻文學從古至今一脈相傳，《科學怪人》只是首度褪盡奇幻與神話色彩，絕非憑空蹦出的一個嶄新文體。

最後補充兩個有趣的史料：

一、大哲學家康德曾經寫過一篇文章，文末將富蘭克林與普羅米修斯相提並論──兩人分別從天上取來電與火。康德甚至用德文寫下「新時代的普羅米修斯」這個封號，因此早就有人懷疑，富蘭克林 (Franklin) 與富蘭肯斯坦 (Frankenstein) 這兩個名字有因果關係。

二、富蘭克林在雨天放風箏的故事雖然家喻戶曉，可惜只是以訛傳訛的虛構歷史。事實上他僅僅紙上談兵，發表過相關的文章而已。真正成功捕捉閃電的是一組法國人，但他們也並非放風箏（那實在太危險），而是在雷雨中豎起一根類似天線的鐵桿。

後人所繪，誤解並假想富蘭克林放風箏研究閃電的畫面。圖／Benjamin West [Public domain], via Wikimedia Commons

• 本文同時刊載於《科普時報》專欄「談科論幻話創意」，原文標題〈普羅米修斯們〉
• 延伸閱讀：第一部科幻作品《科學怪人》的誕生──〈談科論幻話創意〉

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• 作者 / 特公盟（還我特色公園行動聯盟）、葉于莉*

日本沖繩｜特公盟李玉華提供

幾乎每個公園都有滑梯，長的、短的、曲折的、筆直的、中途平緩再直落的，多種形式與不同難易程度的滑梯，等著喜愛溜滑梯的人們來挑戰。然而在公園溜滑梯時，為什麼有的人會飛出去蹬屁股而有的人不會？為什麼有的滑梯會讓人煞不住車而有的又不會呢？到底有什麼因素會影響溜滑梯的過程？

從頂端開始的溜滑梯旅程

圖／pxhere

我們先來談談從滑梯頂端滑下來時這一系列的物理現象。

當一個人坐在滑梯入口時，他的速度是零，是處於靜止狀態。

當一個人坐在滑梯入口時，他的速度是零，是處於靜止狀態。在平面時重力的作用無法抵抗靜摩擦力。圖／作者提供。

當人往前移動到達斜面時，因為角度的傾斜，重力作用在非平面造成人會往下滑動。地球的重力會對地球上的所有物體產生向下的作用力。因此當你坐在滑梯的頂端時，就是重力使你向下滑動。

重力作用在非平面造成人往下滑動，滑動的同時摩擦力也在作用，摩擦力作用的方向和滑動方向相反，兩個方向相反的作用力互相抵銷後的淨作用力，繼續帶動他持續加速下滑。圖／作者提供。

如果沒有了重力，我們就無法體驗溜滑梯的樂趣了！

因為重力會讓人開始滑動，不過滑動的同時摩擦力也在作用；摩擦力是指當兩個物體相互摩擦時發生的力，例如滑梯和人的臀部或背部。摩擦力可以抵消重力的作用，減緩人在滑梯上下滑的速度，如果沒有摩擦力，下滑的速度會過快而導致有受傷的可能 ; 反之，摩擦力越大，滑梯就越不滑。摩擦力作用的方向和滑動方向相反，兩個方向相反的作用力互相抵銷後的淨作用力，繼續帶動他持續加速下滑。

而當人下滑至滑梯最底端滑出段之前，速度到達一個最大值，依據慣性定律，滑梯上的人將以這個速度進入平坦的滑出段。

當人下滑至滑梯最底端滑出段之前，速度到達一個最大值，依據慣性定律，滑梯上的人將以這個速度進入平坦的滑出段。圖／作者提供。

在物理學中，慣性的定義為物體抵抗其運動狀態被改變的性質，也就是物體會持續以現有的速度運動，除非有外力迫使改變其速度，在這個例子中的外力就是滑出段的摩擦力。由於滑出段是一個平面，此時重力的作用不再造成他的加速，假設滑出段的摩擦係數與滑道相同，那麼如果滑出段夠長的話，他終將會因為摩擦力而停下來不再繼續滑動。

滑不動、或是讓人撲街滑梯是怎麼一回事？

德國慕尼黑｜特公盟李玉華提供

當然，廠商在製作溜滑梯時，通常不會精準計算需要多長的滑出段才足夠使人完全停止，一般只會要求長度符合法規來設計即可 （依照CNS12642，滑出段長度應為28公分以上）。所以，當你來到一個設有筆直型滑梯，且材質為磨石子或不鏽鋼的公園，你會發現你的孩子或你在溜下滑梯時往往是煞不住車地衝出滑梯，最後結果通常是以下這幾種：

1. 雙腳成功著地，完美起身。
2. 臀部直接落地。
3. 腳著地但雙手和膝蓋也跟著著地呈跪姿或趴姿。
4. 往前翻滾一兩圈才停止。

如果很不幸的是後面三者，疼痛程度會依據不同舖面材質而各異。

根據許多人的經驗發現，跌在鬆散材質的舖面 （例如：沙、木屑、礫石） 會比跌在橡膠材質舖面來得不痛，這是因為掉落在鬆散材質上會產生較大的變形或移位，而能吸收衝擊能量，再加上變形過程中產生更多的緩衝點也利於衝擊動能的吸收，這也是為什麼我們一直不斷推行鬆散材質舖面的原因之一。

圖／pixabay

走訪過許多公園的人可能也會發現，有些磨石子或不鏽鋼材的筆直型滑梯比較不會讓人飛出去，可能原因有這幾種：

1. 斜度不大 （滑梯角度較平緩）。
2. 摩擦力較大 （滑梯較不滑）。
3. 滑出段較長。
4. 滑出段終點高度趨近於零 （出口端貼地或幾乎貼地）。

當孩子在溜前面兩種滑梯時可能會跟你抱怨「滑梯不滑」、「滑梯根本溜不動」，因此我們可以得知滑梯在設計上若是斜度過緩、表面不夠光滑，就會變成一個溜不動、不有趣的滑梯。

關於第三點在文章前面已經有提過，如果滑出段夠長的話，會使滑下的人停住；反之如果過短，例如低於法規要求的28公分，在設計上會有很大的瑕疵，導致使用者溜下時沒有足夠的反應時間而衝出滑梯，使得發生意外的可能性相對升高。

對於最後一點大家可能就產生了疑惑：

既然滑梯出口的高度落差會讓人有蹬屁股的可能，那為何還要這樣設計呢 （為何滑出段要有終點高度呢） ？

這裡要談到「遊戲場設備規範」，很多人以為，滑梯的出口與地面有落差，是「設計不良」而會造成危險。其實並非如此，在遊戲場的安全規範中，滑梯的出口必須留有高度，目的在讓溜下來的人可以雙腳著地起身，以便能加速離開滑梯出口，才不至於被後方溜下的人撞上。此法規中提到：滑梯高度若是在122公分以下，滑出段終點高度距離防護舖面需小於28公分；滑梯高度若是大於122公分，滑出段終點高度距離防護舖面需18~38公分。

能平穩溜下滑梯的關鍵是什麼？

丹麥哥本哈根｜特公盟李玉華提供

溜滑梯時先在滑梯頂端入口處坐穩，做好下滑的預備動作及心理準備，開始下滑後軀幹上半部稍微往後傾斜，預期滑動時的衝力，並將雙腿膝蓋繃直、將足踝作足背屈曲（dorsiflexion）的動作，讓腳跟稍微抬離滑梯面，並提前準備著陸，拿捏好著陸的時間。

溜滑梯的過程需要針對環境需求做出適當的動作反應，亦即是動作計劃的能力。

據筆者自身與孩子的經驗來說，溜過幾個非常滑的磨石子滑梯，頭一次滑下來幾乎都是屁股蹬地，但是經過兩三次後就能掌握並習慣速度感，並且習得下滑時身體重心的調整，最終便能雙腳著地成功起身。

北海道國營瀧野鈴蘭丘陵公園的熔岩滑梯。圖／⟪蓉蓉 Enjoys Life⟫提供

溜滑梯很有趣，但安全也同樣重要！值得留意的一點是，不論是大孩子或小小孩，都不建議由大人抱著一起溜滑梯。根據研究顯示，家長將孩子抱在腿上一起溜時，過程中可能會發生孩子的腳被卡住的情形而導致受傷。

當遇上高度大於150公分的滑梯時，不建議讓三歲以下孩童獨自滑溜，陪伴者可協助衡量孩童個別身心能力發展狀態，由較低矮的滑梯開始練習，陪伴在側輔助其姿勢，或是在滑梯出口端等待，以便在發生重心不穩滾落或飛出時能及時接住孩子；大一點的孩子如果擔心害怕可由大人陪伴，適時給予協助與鼓勵，等他準備好了就可以放手讓他自行練習，相信不久他也能掌握其中的訣竅，並且還會創造出自己的各式玩法，享受與風競速的刺激與樂趣。

下次當你又帶著孩子去公園溜滑梯時，請注視著他爬上滑梯，走到滑槽入口，屁股坐穩，調整姿勢，接著深呼吸，咻～準備迎接溜滑梯帶給孩子滿足愉悅的笑聲吧。

台灣新竹｜特公盟 授權

*作者介紹：

• 作者 / 特公盟（還我特色公園行動聯盟）
  為了推廣多元特色的兒童遊戲空間，讓孩子能在專屬自己的空間中長成自己，特公盟這一群認真自學的媽爸及成員，除了把相關的法條和 CNS 國家標準中相關規定研究透徹，還進一步開始解構剖析設計相關各種細節，讓每一位公民參與的親子，都能成為兒童遊戲空間的專家。
• 葉于莉
  大學化工系畢業後，卻以電腦工程師踏入職場，但仍心繫生物、動物學及化學等領域。成為全職媽媽後，轉而全心投入孩子，一天 24 小時相處下來，發現孩子可以不吃但不能不玩，原來遊戲對其身心發展無比重要，於是加入特公盟一起爭取兒童遊戲權、翻轉兒童遊戲場。

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「全基因組分析」有什麼用？

每個人的身體狀況會因為居住環境、生活習慣而有相當大的差異。但對於同一家族裡的成員來說，相似的基因存在親戚手足之間，彼此未來健康與否，可以從家族病史中看出一些端倪。不過，或許在不久的將來，就可以透過個人的基因資訊，直接評估患病風險，還能篩選適合自己的用藥。

中研院生物醫學科學研究所（簡稱生醫所）所長郭沛恩與研究團隊，正努力推行兩個基因分析計畫：一個針對罕見遺傳疾病；另一個則力求讓大眾問診、用藥更加精確。攝影│張語辰

請問家族病史？

身體不舒服去看醫生時，會填一張病歷表，其中一項常見的問題是：

家族有哪些病史。

疾病的成因，有些是因為先天基因變異，有些是後天環境、飲食、傳染病造成。詢問家族病史的目的在於，相似的基因自祖父母、雙親，再傳到子代，想知道罕見遺傳疾病、甚或癌症、心血管疾病、糖尿病等發生的機會，過往是透過詢問「家族病史」來瞭解。

但未來將有更精確的方式預估患病風險——直接查看基因資訊。

圖／wikimedia

罕見遺傳疾病：分析單一基因變異

針對單一基因異常造成的罕見遺傳疾病，郭沛恩團隊使用「全基因組遺傳分析」（full genome analysis） 來分析病因。

這類罕見遺傳疾病，包含先天性異常 （congenital anomalies） 、神經退化性疾​​病 （neurodegenerative disease） 等等。全基因組遺傳分析分成兩個部分，只要從血液、口水取得可供分析的 DNA，就可以進行全基因體定序 （whole genome sequencing），了解該 DNA 片段的鹼基如何排列；以及繪製全基因體圖譜 （whole genome mapping），了解該 DNA 片段在染色體上的位置。

郭沛恩研究團隊的成員，從血液細胞樣本裡抽取 DNA 。攝影│張語辰

首先，「全基因體定序」，是將已發病患者的 23 對染色體中，每一個基因全部都定序。定序完成後，參考已知的生物學、基因組學、醫學等知識，確認影響發病的基因；或是藉由比對健康雙親的基因，從可能的序列中搜尋基因變異處，再找出罕見遺傳疾病的發病機制。

接著，再利用「全基因體圖譜繪製」，來組裝長片段的 DNA，以提高基因排列的正確性、以及偵測結構性變異的靈敏度。

全基因體圖譜繪製流程。資料來源│Vilella Genomics  圖片重製│張語辰

如上圖所示，郭沛恩團隊建立基因圖譜 （gene map） 的方法，是先將 DNA 分成較大的片段，利用特定的酵素來標記 DNA 上的特定序列，並黏上螢光當作標籤 （label）。透過機器測量各個螢光標籤之間的距離後，再從影像組合成長 DNA 片段，並定位出該 DNA 片段在染色體的位置。

全基因體圖譜繪製，彌補了全基因體定序讀取長度限制的缺憾；而全基因體定序，則提供了準確的 DNA 序列。藉由這兩個方式，團隊得以進行全基因組遺傳分析 （full genome analysis） ，進而探討罕見遺傳疾病的致病因子。郭沛恩提到：

「DNA 裡充滿重複的序列，讓重建工程增添難度。但如果找到特殊的序列，對定序會很有幫助。」。

相較於小片段 DNA，團隊所使用的較大 DNA 片段有更多序列線索，可以辨認、拼湊出基因原本排列的順序。將辨認大片段 DNA 得到的基因圖譜拼在一起，就能重組整條染色體。

圖／wikipedia

大眾常見疾病：分析多基因關聯

對於「單一」基因異常造成的罕見遺傳疾病，能藉由全基因組定序 （whole Genome Sequencing） 和全基因組圖譜繪製 （whole genome mapping） ，找到可能致病的遺傳因子，再進一步研究發病原因與機制。

但面對「多基因」交互影響的疾病，例如糖尿病、癌症、心血管疾病、精神疾病等等，上述的全基因組遺傳分析 （full genome analysis） 就無法測出各個單一基因對疾病的影響程度。因為，以心血管疾病來說，少部分為單基因遺傳疾病，而大部分為多基因加上環境飲食等因子交互影響所致，病因相當複雜。

圖／maxpixel

針對多基因影響的常見疾病，郭沛恩研究團隊利用另一種方法：全基因組關聯分析 （genome-wide association study，簡稱 GWAS ）。

全基因組關聯分析 （GWAS） 搭配醫療資料的大數據分析，期望能找到與疾病預防、進程、及治療相關的生物標記 （biomarker），也就是體內可以反應某種疾病狀態的指標。目前，郭沛恩團隊正積極地與臺灣各大醫院合作，運用此方法，推行和大眾健康息息相關的「臺灣精準醫療計畫」。

在臺灣精準醫療計畫中，郭沛恩團隊透過文獻收集與疾病相關的「已知」基因變異點，並設計適合檢測該基因位點的晶片，之後病人的檢體就會利用這張晶片進行全基因組關聯分析 （GWAS），確認病人的基因是否在該處有變異情況。

另一方面，由於多數疾病的基因變異點尚「未知」，團隊可藉由全基因組關聯分析 （GWAS） 探究大量的病患基因樣本，從大數據找出與該疾病相關的致病基因；換句話說，當某種疾病的大多數病患，幾乎都在某處基因出現問題，就能推測其為關鍵的基因變異位點。

若想了解個人罹患糖尿病、癌症、心血管疾病等等這類常見疾病的風險，大眾可先進行基因檢測，建立自己的基因遺傳輪廓 （gene profile），並透過上述的全基因組關聯分析 （GWAS） 觀察基因變異點或表現量，再與自己的臨床病歷比對分析，就可從基因評估患病風險，比參考家族病史更為準確。

圖／wikipedia

降低藥害風險：體外基因檢測

由於不同的基因型會影響人體對藥物的反應，經由體外的基因檢測 （gene test），也能事先得知病患對藥物的反應，協助醫生選用最適合的藥物。基因檢測除了讓醫療決策更精準，用藥也能更符合個人需求。目前市面流通的藥物，多數是由歐美國家針對西方人開發，用在亞洲人身上可能沒有效果、甚至有害。例如，治療心血管疾病常用的抗凝血劑 Warfarin （音譯華法林）。

Warfarin 是從老鼠藥研發而來，具有相當程度的毒性，運用於人體醫療可以預防中風、心臟病。但因為亞洲人缺乏代謝此藥物的基因，很容易產生副作用，用藥過量會出血死亡。2006 年，中研院陳垣崇院士已經找到 Warfarin 的基因標的，並與醫院合作進行用藥前的基因篩檢。

至於常用於治療癲癇與三叉神經痛的藥物 Carbamazepine （卡巴氮平），誤用會引起史蒂文生氏強生症候群 （SJS）， 與毒性表皮溶解症 （TEN） 等皮膚病徵。在用藥前先進行基因檢測，可以避免病人為副作用所困擾。

圖／flickr

目前在臺灣部分大醫院進行單一位置的基因檢測，所費不貲。後續郭沛恩研究團隊若與健保合作，可以讓大眾用較低的費用了解自己的基因組資訊。

但為了達成精準醫療，除了檢測個人基因資訊，還需要蒐集臨床病歷資料、日常運動與飲食習慣等等。資訊越詳細，對疾病預測、治療越有幫助，但前提是要獲得個人的同意。郭沛恩想像，或許有一天，人人身上都有穿戴式裝置的追蹤器，就可以精確蒐集各種訊息。

「但個人意願如何，這就不知道了。」郭沛恩說。

需要時間證明成效

圖／pexels

2018 年初，針對罕見遺傳疾病的全基因組遺傳分析 （full genome analysis） 計畫才剛開始，至少需要一年的時間來執行；至於目標是運用全基因組關聯分析 （genome-wide association study） 提升大眾健康的「臺灣精準醫療計畫」，郭沛恩則期望在這個計畫推行一年半的時候，評估與健保系統合作的可行性，以及是否能真的找到目前未知的致病基因。

與疾病篩檢的「目的性」檢驗不同，臺灣精準醫療計畫偏向「預防性」檢測，計畫推廣的同時，需要更大量的樣本協助研究。但基因組分析通常會是在人們健康的時候進行，不同於以往大眾所熟悉的目的性疾病篩檢，推廣的過程勢必會受到質疑。面臨這個挑戰，郭沛恩表示研究團隊必須加強示範基因檢測的實際益處，而非以純粹提供數據讓科學家研究為理由來說服民眾。

可預先分析新生兒的基因嗎？

圖／pexels

分析雙親的基因組資訊，的確可以預測新生兒可能面臨的遺傳疾病，但實際狀況依然要等胚胎成形後才能確認。若是從胚胎中取出細胞，並將細胞核中的基因組完全定序，避開疾病與缺陷，只留下優良的基因組合就不再只是夢想。

要完整分析基因組，需要約一百萬個細胞。但在胚胎時期，頂多只能取得幾個細胞，遠不及基因定序所需的量。但即使技術上可行，在倫理層面，郭沛恩還是覺得極不妥當。「我們不知道甚麼樣的寶寶是最好的。」郭沛恩認為，聰明的、健康的、外貌出色的，對每位父母而言「最好的寶寶」都不一樣。

況且，不符合這些特徵的新生兒，並不代表沒有活下來的權力。因此郭沛恩強調，用全基因組分析來篩選小孩，絕對不是個好主意。

臺灣得天獨厚的優勢

圖／wikipedia

時任生醫所所長的劉扶東升任中研院副院長後，原本一年約莫來臺灣一次的郭沛恩收到擔任所長的邀請。但對於香港長大，在美國就讀大學，並一路當上加州大學舊金山分校皮膚科教授、心血管研究所特聘教授的郭沛恩來說，離開熟悉的環境需付出相當龐大的代價。「我其實沒有想過要離開舊金山，因為研究進行得很順利。」

不過，得知有機會能將精準醫療計畫付諸實行後，郭沛恩對來到臺灣工作相當期待。因為歐美國家也曾推行精準醫療，但歐洲國家如瑞典、荷蘭，將重點放在費用昂貴的全基因體定序。「一個人定序要一千美金，瑞典全國定序要花一百億，很難找到這麼多經費。」郭沛恩提到執行的困難時說。

至於美國，除了民族組成複雜增加分析難度，缺乏完善的健康福利政策更讓基因醫療窒礙難行。由於美國人民的健康保險，是由任職的公司向合作的私人保險集團投保，只要換工作就會由新的保險公司接手，因此當下發生意外或疾病才會給付醫療服務。加上私人保險集團以營利為宗旨，防患未然的基因檢測很難要求保險公司給付。

有些國家有健康照護問題，有些國家則是樣本數量不足。擁有全民健保、人口又夠多的臺灣，確實是個合適的地方。「再說，政府也很有興趣，因為這計畫有機會節省醫療支出，又讓大家更健康。」郭沛恩說。

在美國進行研究多年，後應邀來臺灣，熟悉兩方研究環境的郭沛恩指出，兩國在研究領域都有聰明的人才，差異在於行政系統。在美國，每一筆花費都必須各別申請，雖然申請很困難，但獲得的經費很多；至於臺灣，整筆研究經費是來自國家，雖然資源有其侷限，但研究員有較大的自主空間，可以探索感興趣的領域。

和能力相應的薪資與友善的環境，是招募人才不變的道理

圖／flickr

對於人才招募，郭沛恩認為：

資源（或薪資）、名譽、還有工作的快樂，是讓人有動力工作的要素。

只要臺灣能提供與能力相對應的待遇，就能吸引各地優秀的人才一起來合作。問及現在工作的心得，郭沛恩笑著說：「這裡的同事彼此會熱心地提供協助，工作起來很愉快。」

延伸閱讀

• 郭沛恩的個人網頁
• Mostovoy Y, Levy-Sakin M, Lam J, Lam ET, Hastie AR, Marks P, Lee J, Chu C, Lin C, Džakula Ž, Cao H, Schlebusch SA, Giorda K, Schnall-Levin M, Wall JD, Kwok PY.A hybrid approach for de novo human genome sequence assembly and phasing. Nature Methods. 2016 May 9.
• Lam ET, Hastie A, Lin C, Ehrlich D, Das SK, Austin MD, Deshpande P, Cao H, Nagarajan N, Xiao M, and Kwok PY. Genome mapping on nanochannel arrays for structural variation analysis and sequence assembly. Nat Biotechnol. 2012; 30:771-6.

本著作由研之有物製作，原文為《破解遺傳疾病、評估大眾用藥風險──全基因組分析》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

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「學術行政」在做什麼？

多數人也許認為，學習生物、化學、物理等等基礎科學，並一路攻讀至博士學位後，只能選擇留在實驗室繼續做研究。其實也有人「轉行」行政工作，以從事研究的精神做得有聲有色。學術行政團隊支援在前線打仗的研究人員糧草無虞，得以全心全意投入研究工作。

本文專訪中研院學術及儀器事務處的嚴愛鑫博士；20 多年前以高中生的身分來到中研院學習如何做研究，多年後又重回中研院，投入學術行政服務，化身為學術與行政之間的橋樑。攝影│張語辰

20 多年前為什麼來到中研院？

我高中時就讀基隆女中，入學後不久，生物老師跟我們提到有一個「高中生物學習成就優異學生輔導實驗計畫」，請班上聯考分數前幾名的同學來登記，通過考試就可以到大學旁聽課程。當時喜愛生物的我，覺得可以到大學旁聽課程很酷，就報名了，沒想到後來竟然是到中研院參加實驗計畫，更沒想到從此中研院在我生命中扮演非常重要的角色。

記得當時通過筆試、拿到口試通知單，我很驚訝地問生物老師：「中研院在哪裡？」

第一次來到中研院時超緊張，口試老師都是德高望重的研究員，我是在基隆鄉下長大的小孩，其他參加口試的學生幾乎都來自建中、北一女，感覺自己像個土包子，一舉一動都戰戰兢兢。

口試通過後，我們每隔週的週六就到中研院植物所（現在的植微所） 與動物所（現在的細生所） 上課。中研院教授們講課、還有帶我們做實驗的內容和方式，都跟學校應付考試的上課很不一樣，重視思考、提問以及互相討論，也鼓勵我們蒐集資料自己找答案，讓我非常喜歡。

高中時，在中研院做些什麼？

學期間的隔週六，我們會來到中研院，上午是聽各個研究員講課，下午則是分組到不同的實驗室做實驗。兩年的期末測驗都通過後，才能在高二升高三的暑假做最後的專題。我們得自己選專題的題目，在實驗室裡做研究、寫論文，用這份專題取得保送甄試的初選資格，再與榮獲國內外科展比賽的得獎學生們一起接受智力測驗。全國選拔約 20 位進入最後的科學研習營，然後得在短短一週內接受觀察、面談、筆試、實驗操作等評量，以爭取保送大學的名額。

為了這次專訪，嚴愛鑫回到實驗室娘家，找出當年參與實驗計畫的專題論文《pH 值對檳榔素誘引姊妹染色分體互換的影響》。
攝影│張語辰

我們幾個參與實驗計畫的高中生，在實驗室雖然會彼此競爭，但都是良性競爭，像是比誰找資料找得比較迅速、誰的細胞核染色得比較漂亮、誰的實驗做得比較完美。遇到困難也會互相幫忙，像是有同學近視較深、無法長時間聚焦看顯微鏡，我這個視力 1.2 的就去幫他判讀顯微鏡下的染色體；而我的研究需要用到檳榔，但當年不好意思去檳榔攤買，同學還自告奮勇去幫我買。

高二暑假做專題時，我們就住在中研院的學術活動中心，以前中研院還沒有那麼多棟實驗大樓，現在的基因體中心附近那片區域都還沒蓋起來，有好多條自然秘境小路。暑假時我們白天在實驗室做實驗，晚上還會結伴陪同學在院區內夜採蛞蝓和探險呢。

和嚴愛鑫（右二）當時一起參加實驗計畫的夥伴，至今仍是好朋友。中間是李德章老師。
圖片來源│嚴愛鑫提供

那時我的專題指導教授是生物醫學研究所的李德章老師，帥帥的李老師看起來酷酷的，但遇到我們這群高中生小朋友總是笑容滿面。實驗室的學長姐非常照顧我們，不但忍受我們幾個吵吵鬧鬧的，還帶我們做實驗、討論實驗結果。

當時的分子生物研究所所長王正中院士（已於 2017 年 8 月辭世）雖然不是我們的指導教授，但他每週特地撥出時間和我們這些高中生聚會討論，指導大家準備簡報、練習提問及回答，為我日後上台報告研究成果的能力打下良好的基礎。

中間是親切的王正中院士，攝於中研院的活動中心餐廳。
圖片來源│嚴愛鑫提供

除了在中研院上課、做實驗，當時植物所和動物所的老師還會帶著實驗計畫的高中生們，到陽明山的擎天崗、夢幻湖，實地認識野生植物和昆蟲。
圖片來源│嚴愛鑫提供

當初為何選擇「pH 值對檳榔素誘引姊妹染色分體互換的影響」當作專題題目？

一開始選實驗計畫專題論文的題目時，我想做跟癌症相關的研究。李德章老師建議我先去翻前幾屆實驗計畫學長姊的研究報告，想想自己想做什麼、要不要採用學長姊的實驗方法。

查看這些研究報告後，我了解到細胞裡姊妹染色分體互換的頻率越高，代表染色體異常、DNA 突變頻率、及致癌性越高。所以，「姊妹染色分體互換」可作為檢查遺傳物質是否受損的一項指標。

顯微鏡下，姊妹染色分體互換基因片段的結果。（黑色箭頭指示處）
圖片來源│嚴愛鑫提供

因為要在短短一個暑假完成專題研究，不能天馬行空，只能針對有興趣的致癌物來設計實驗。當時翻了很多本學術研討會的論文集，看到有學者模擬胃酸的環境，實驗檳榔萃取物對細胞的損害和致癌性。但我想到，臺灣嚼食檳榔都會包石灰，咀嚼檳榔的口腔應該是鹼性環境，我想實驗看看不同酸鹼值，是否會影響檳榔素誘引姊妹染色分體互換的情況。

這一整個專題進行的過程，是很好的研究思考訓練。從一開始的大量閱讀文獻、提出關鍵問題、蒐集資料、想方法解決問題、到最後獲得答案，這就是做研究有趣的地方。

多年後我回到中研院擔任博士後研究員，最大的差別是發現中研院變得很國際化，多了很多外國籍研究人員和學生，實驗室討論也都用全英文，還有先進的貴重儀器加快了研究的速度，更加感覺到中研院強大的研究能量。

為何會轉換跑道，改投入學術行政的工作？

其實現在回想起來還覺得有點不可思議。我從高中參加實驗計畫後，保送至國立中山大學，後來拿到國立清華大學博士學位，研究領域包含從癌症相關基因到細胞內之訊號傳遞、從小分子核糖核酸 （microRNA） 到生物標記 （biomarker），求學時期幾乎所有的時間都待在實驗室裡，我以為我的未來就是成為一位研究人員。

有時候人生不是你規劃好的那條路，最大的轉變開始於：我成為兩個孩子的媽媽了！

我是非常愛小孩、喜歡和孩子相處的人。以前的我可以一整天都在做實驗，甚至為了觀察記錄細胞週期而睡在實驗室好幾天。但有了小孩之後，假日來實驗室做實驗時惦記著小孩，好不容易空出時間在家陪小孩，腦中卻想著實驗，生物醫學領域的研究如果沒有全心全力、全年無休投入，實在很難具有競爭力。

剛好那時院本部學術及儀器事務處的發展科需要一位博士級行政人員，我對這個工作考慮了非常久，因為一旦離開實驗室，感覺就回不去我最鍾愛的研究工作了。但是，想陪著孩子成長的念頭越來越強烈，於是我決定放手一試！

沒想到來到院本部工作後，真的有走出象牙塔的感覺。以前都待在實驗室，不知道中研院背後有這麼龐大的行政團隊在運作，才能讓每位研究人員能夠無後顧之憂專心做研究。

要維持中研院的運作真的不容易，除了維繫院本部與院內 31 個研究單位，對外還要和立法院、監察院、科技部溝通，都是挑戰。

做了這份工作後也發現，我曾經待過實驗室的研究背景發揮了很大功用，能夠很快地理解研究人員的需求，也能從研究人員的角度出發，讓行政流程更順利。我能用科學研究的方法，抽絲剝繭找出行政工作上的問題，並研究出最佳的解決辦法。長官們也很尊重和支持我的意見及想法，給我強力的後盾。我很感謝發展科的同仁們，很用心地教我這個從實驗室過來的行政菜鳥，融入這強大的行政團隊，即使工作繁重，大家都會互相支援、同心協力一起完成各種挑戰。

雖然有時會懷念實驗室的生活，但在這裡工作似乎能幫助更多人，帶給我滿滿的成就感，這是當初轉換工作跑道時始料未及的。

能否介紹自己在「學術及儀器事務處發展科」的工作內容？

學術處發展科的工作內容非常多樣性，所有跟學術發展有關的，都是我們的工作。

而我自己的工作項目除了學術處網頁上提到主要職掌，還有一些臨時性的業務，例如回覆立法院提問、準備資料供長官備詢及報告，甚至擔任本院多項頒獎典禮的司儀、或是新書發表會的主持。每天上班都處於多工的狀態，電話一直響、電腦桌面總是開了很多資料夾同時運作。

目前正在執行的工作之一，是院內研究成果系統改版，希望能完整納入中研院所有研究人員的研究成果，並讓介面更有彈性、更容易操作。這個系統的用處是，讓研究人員能在系統內彙整自己的研究成果、各個研究所/中心及三大學組評鑑時依需求做分析報告、還有長官需要了解院內研究情況時，都能派上用場。這改版過程中要考慮使用需求、評估系統介面樣式、資料報表呈現方式，再與負責後端程式架構的資訊同仁溝通解決問題，並與資訊處合作新版上線，是非常耗時且繁複的浩大工程。

嚴愛鑫的學術行政工作內容列舉。(編輯 O.S.：一天 24 小時真的夠用嗎！？)
圖說設計│張語辰

每年撰寫一次中研院學術論文引文的統計分析報告，也是我的工作之一。不過別以論文的篇數和點數高低，來判斷研究的重要性。因為某些科學領域的基礎研究，是了解這個世界的基礎，然而其影響指數和引用次數沒辦法跟熱門的研究相比；另外，人文社會科學的影響力，也無法用論文的量化指標來比較。所以，學術論文引文的分析報告是一份參考資料，用來了解中研院在哪些領域是強項，互相觀察國際間各研究單位的表現差異。

除了上述這些，我也負責年輕學者研究著作獎數理組審查、學術行政主管交流會（每季一次）、新進研究人員交流會、以及中央研究院新科院士演講活動，並協助成立委員會整合全院電子期刊訂購。

還有一項最吃重的工作：統籌每年度的三大學組概（預）算審查。全院的經費需要我們這些後勤部隊彙整及審查，並控制經費在該花的地方，支援院長及副院長們站在最前面跟立法院爭取研究經費，協助研究團隊將研究成果貢獻於社會，這樣才不會辜負納稅人的錢。

我之前在實驗室做研究，很天真地認為：「研究經費不是一直都有嗎？」，直到做學術行政工作才發現：要獲得足夠的研究經費真不是件容易的事。

在臺灣想要做關鍵性、突破性的重要研究，無論是資源層面、心理層面，都很需要社會的支持。

「學術演講」、「儀器」對於科學發展的重要性？

我自己曾是個埋首研究工作的人，我覺得在聆聽學術演講的過程中，能讓自己的研究受到啟發、出現新的想法，甚至對人生態度產生正面的影響，這都是很棒的事。我開始籌辦新科院士演講活動之後，除了盡全力安排每個環節，希望讓講者和聽眾都能感受到學術研究的能量之外，更會去注意到現場聽眾的反應，從聽眾求知若渴的眼神和提問，就知道學術交流能帶來的重要影響。

至於儀器，我認為是協助解決科學研究問題的重要工具。

多認識儀器，設計實驗時就能很快想到有什麼儀器功能可以運用，迅速解決問題。

以生命科學領域來說，顯微鏡非常重要。從最基本的到高功能的 2D-3D 螢光影像的共軛焦顯微鏡，以及可以直接看到病毒顆粒、蛋白質的低溫電子顯微鏡 （cryo-EM），它以非結晶態的水將樣本包起來，在零下 180℃ 維持生物分子的原態，這種觀測方式能將光學與輻射傷害降到最低。

我自己則是很喜歡流式細胞儀 （flow cytometer） ，它可以偵測 DNA 含量、標定細胞膜上的特殊蛋白質抗原，也能進行細胞週期及細胞凋亡的實驗。流式細胞儀還能利用電荷，高速且準確地分離不同的細胞，應用性非常廣，操作又簡單，我覺得是非常有力的研究工具。

對於有興趣來中研院做實驗的高中生，有什麼建議？

之前我參加的「高中生物學習成就優異學生輔導實驗計畫」，現在已改成「高中生命科學研究人才培育計畫」，想來中研院做實驗的高中生，可以在這裡單純地體會科學好玩的地方、做有興趣的研究。我們那時候還有來自新竹、台中的同學，得通勤上課及住宿中研院做專題研究；現在的高中生做專題研究，可以就近找大學內的教授，省下舟車勞頓之不便。

高中時因為覺得做實驗太好玩了，我曾經差點荒廢課業，但後來了解到學校教的都是基礎，有足夠的基礎知識，做實驗時遇到問題才知道如何解決。時間管理也非常重要，才能在學業與研究中達到平衡、不偏廢；懂得管理時間對於之後獨立研究時安排實驗也很重要。

高中時可以多多接觸各領域的知識，因為現在很流行的學問，不一定真正適合自己，而且流行也會退燒。在中研院參與高中生培育計畫，可以輪流到各個實驗室看看，多與研究人員討論，有機會幫助自己找出喜歡的研究領域。

以前我覺得人生只有一條路可以走，但人生的方向，其實會隨著成長和現實環境而有所改變。

最重要的，在高中時期要多跟同學們、夥伴們互動。研究這條路難免會遇上挫折，擁有相同背景的同儕比較能理解彼此的狀況、互相支持打氣。

我跟高中時期一起參加實驗計畫的同學們，還成立了一個小小的幫派──「中研幫」。雖然說起來好像有點兒幼稚，但我們到現在還會互相聯絡，相聚時看到彼此各自在喜愛的領域擁有一片天，就覺得很幸運擁有這一群朋友，也很感激當年在中研院有這麼一段美好的回憶。

延伸閱讀

• 中央研究院學術及儀器事務處
• 中央研究院高中生命科學研究人才培育計畫

本著作由研之有物製作，原文為《兵馬未動，糧草先行：帶你了解中研院的後勤單位》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位

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• 蔡孟利／宜蘭大學生物機電工程學系特聘教授

2016 年底在著名的「出版後同儕審閱（post-publication peer review）」網站 PubPeer，陸續出現 60 餘篇內容 有造假嫌疑的臺灣學者之論文於其上。

經歷 2017 的造假風坡，沒想到 2018又來了一次……。圖／wikipedia

2017 年 3 月 30 日臺灣教育部與科技部的調查結果共認定郭明良、張正琪、蘇振良等人的研究團隊於 2004～2016 年13 年間，共有 11 篇刊登在著名期刊上的論文造假。這些文章的共同作者還包括有當時的臺大校長楊泮池、中研院院士洪明奇、臺大醫院副院長林明燦以及臺大醫院內多位擔任過高階行政職的醫師。

沒想到事隔剛好一年，在 2018 年的 3 月 31 日，媒體揭露了美國俄亥俄州立大學的調查報告，確認中研院生化所的前所長陳慶士特聘研究員，他在 2006~2014 年於美國的任職的期間共有 8 篇論文造假。雖然陳慶士立即辭去了中研院特聘研究員的工作，不過中研院仍然對外宣稱將調查此人於臺灣任職期間的研究成果是否也有問題。

這兩起造假事件都重創了臺灣的學術信譽，讓其他眾多殷實工作的研究人員也蒙受群眾的異樣眼光。不過這樣的論文造假事件，並非是臺灣的特殊狀況。在 2016 年 6 月美國微生物學會的電子期刊mBio 出版的論文「生物醫學論文中不當複製圖像的普遍性（The Prevalence of Inappropriate Image Duplication in Biomedical Research Publications）」中，作者檢視了 1995~2014年間發表在幾本期刊上的2 萬餘篇論文，發現平均有 3.8%的文章出現了文內圖片與臺灣多篇論文一樣的造假情況。

造假事件後：懲罰、經費追回、撤搞，這樣就夠了嗎？

如何降低、修補造假論文對產業造成的傷害，也是處理的重點所在。圖／pixabay

然而每當一件論文造假案被揭發時，一般社會大眾甚或是不少學術界的人士所關注的焦點，通常只是在造假之人有沒有受到相值的懲罰、被虛擲的研究經費能不能被追回、已刊出的論文是否有撤稿而已（關於撤稿這點，臺灣的學術單位與官方則是毫不在意）。

但是對於學術研究和以學術成果為基礎所發展的各式產業來說，如何降低或修補這些造假論文所帶來的傷害，也是需要處理的重點所在。就像是黑心食品被發現上架販售了，該處理的事情不僅只是將製造者法辦而已，食品如何迅速下架、已經吃下了這些黑心食品的大眾之健康是否有受到影響，則是更應該受到關注的兩個事項。

但就學術界現在的運作實務來說，不管是調查發動程序的繁瑣與耗時、撤稿或警示問題論文的公告方式，以及問題論文所造成的損害之彌補與控管等，目前的做法均無法有效地抑遏造假論文的產生以及其危害的蔓延。

處理學術造假：如何加快處理時程？

實際上，由於人力的問題，光是要發現有嫌疑的論文就已經是個大問題。圖／pxhere

首先，光是要如何發現哪些論文有造假嫌疑，就是個大問題。

不管是期刊方面或是問題論文的任職單位，其調查的發動通常是非常被動的；雖然這些單位可以主動查察，但實務上大都是有人舉證告發了才會受理，因為這些單位不可能有足夠的人力與時間去進行大規模的查察作業。

現今「開放取用」（open access）的論文數量。圖／wikipedia

不過，現在我們可以利用資訊時代網路互聯的優勢來克服這些問題，例如，現在科學文獻的發行已經以電子期刊為主，特別是「開放取用（open access, OA）」越來越盛行之後，電子期刊更將成為科學文獻來源的主流。

因此，若能在每篇論文的網頁都仿造一些「開放取用」期刊的設計在文末附設討論區，甚至是更有效率的將諸如 PubPeer 這般專業的「出版後同儕審閱」之網頁內的相關內容也自動連結至該篇文章的討論區中，這樣期刊的編輯群就比較可能及時察覺問題論文之所在，而問題論文的讀者也可以從中得到即時的警示，自行判斷文獻的可信度。

過去問題論文需要經過很長時間的調查，圖／pixnio

當問題論文浮現後，接下來的關鍵則是問題論文的調查能否更快速進行？

近期在 PubPeer 所揭露有問題的文章，大部分均為圖表經過明顯的變造，包括切割圖像、剪貼翻轉、一圖兩用等，很容易就現有文章內容進行判斷是否造假。若這些粗糙的造假也要依以前之慣例請求作者任職的單位進行調查，那麼這些明顯造假的論文之確認時間將會被曠日廢時的行政程序拖延，徒增其危害蔓延的程度。

若再碰到像臺大造假案如此複雜的情況，由於有造假嫌疑的論文作者牽涉到該校校長與其他高階主管，在處理程序上的爭議將更大、時間上也會拖延更久。所以關於此類手法粗糙的論文造假事實之認定，各期刊的編輯委員群是否有可能跳過原作者單位的調查程序，逕行裁定文章的真偽：

若認定為可勘誤的無心之過則主動通知原作者；而認定為造假的文章則直接以撤稿處理？

如果能以此方式處理，就可以讓有問題的論文盡快下架，降低造假論文對科研實務的衝擊，避免研究人員引用錯誤的參考資料。而那些屬於作者群與經費提供單位內部的責任歸屬以及懲處問題，則可在真假確定後再由作者的原任職單位依其所在國家的法律追究。當然，如果造假的情況是比較「細緻」的，需要到詳細調查實驗細節甚至得重複實驗的狀況，就還是得回到原有的調查程序為之。

處理學術造假：如何週知科研社群？

當有問題的論文被確認之後，下一個問題是要如何週知科研社群。圖／pxhere

當問題論文的學術不端被確認之後，接下來一個更重要的課題則是：已被確認有問題的論文，要如何有效地廣泛週知科研社群？

目前對於需勘誤或者是撤稿的文章，通常只有公告在該期刊本身的網頁以及紙本出版物。近年來，雖然有如 Retraction Watch 這類的網站出現，但基本上，都仍是屬於消極的被動作為，若是研究者不主動去這些網頁或期刊查看，就無法得知哪些論文以及其作者造過假、勘過誤。這些有問題的論文很可能還會一直的被引用作為研究計畫研提與撰寫新論文時的參考資料。

因此，在網路技術發達的今天，各期刊出版社之間，是否能就已勘誤或撤稿的論文，建立起一個互相通報的系統，讓各期刊的編輯委員們，在審閱新投稿進來的論文時，對於投稿者的信譽（reputation）能有個客觀的參考依據，也對於新稿件中所引用的文獻之可信度，能夠更準確的判斷。

此外，這些已勘誤或撤稿的論文，是否也能夠在公告的當下，同時將資訊主動傳給曾經引用這些問題文章為參考文獻的其他論文作者或是專利的發明者，讓他們能夠及時評估這些文獻對於其研究所造成的傷害程度並避免繼續誤用下去。

隨著研究資源的日益緊縮但發表管道卻不斷增加之現實狀況，從事學術研究的工作者面臨了比以前更殘酷的發表壓力。因此可以預見的是，未來學術不端的事情不會消失，而且會越來越嚴重。從最近臺灣所面臨的這兩場學術造假風波之經驗顯示，論文造假事件的處理已經到了必須尋找更迅速、更有效的方法才能對抗的時候了；這不只是臺灣的課題，也是全世界科研界的共同課題。

〈本文選自《科學月刊》2018 年 5 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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• 文／水知識生活家 許馨勻｜在這資訊碎片時代，我們只提供最真實的水知識，大家最需要的水知識，讓人人都能當水知識生活家。

你家有裝淨水器嗎？ 目前活性碳濾芯和 RO 逆滲透為目前台灣淨水器的大宗。其實 RO 逆滲透是一套複合式的系統，其中主要的過濾環節也包含了「活性碳」；究竟這些淨水器是如何運作的，你知道嗎？讓我們一起來了解淨水器的組成和原理吧，有了這些知識也更能知道自己適合怎樣的淨水器、才不會被廣告或是業務牽著鼻子走囉。

首先，讓我們來看看活性碳的小知識吧！

活性碳淨水器

活性碳濾芯原理

活性碳濾芯原理，圖／ID Water水知識生活家。

活性碳（activated carbon）是很廣泛使用的的淨水器濾材，為一種多孔性的含碳物質，它具有高度發展的孔隙構造，其結構為碳形成的六環物堆積而成。由於六環碳的不規則排列，造成了活性碳多微孔結構及高表面積的特性，每一公克的活性碳就有如好幾個籃球場的面積，因為這特性所以它能夠讓汙染物如農藥、臭味、餘氯等有足夠空間吸附在上面，而達到過濾效果。

 活性碳主要功能有

1. 臭味
2. 吸附顏色
3. 吸附氯氣
4. 吸附農藥

活性碳就像海巡一般，負責把這些偷渡的物質給抓起來，然而對於暗渡陳倉的硝酸鹽、硬度以及絕大部分的重金屬，活性碳可能就拿他們沒辦法了（攤手）。

活性碳材質迷思

電子顯微鏡下的活性碳。source：Wikimedia

活性碳所使用的材料大多取自木材、鋸屑、木質素、果殼、棕櫚、椰子殼等，經高溫（300～500℃）碳化後，再以高溫（850～950℃）的水蒸氣予以活性化製成。活化的目的是清除碳化過程中，積蓄在活性碳孔隙內的焦油物質及提高孔洞體積、比表面積，以產生高吸附量的活性碳。

通常業者會聲稱椰子殼的活性碳就是最好的選擇，千萬不要陷入材料品質迷思，關鍵還是在於廠商的製造過程，而這個把關的部分，消費者需要注意的是，是否有美國國家衛生基金會（National Sanitation Foundation, NSF）認證材料證明，這樣才能避免買到劣質的活性碳濾心或淨水器。

NSF 認證活性碳濾心水壺，圖／NSF 國際官網。

市面上常見的活性碳淨水器種類

一般市面上販售的活性碳淨水器大致可分為『粒狀』、『粉狀』、『壓縮碳棒』、『銀添抗菌活性碳』、『銀添抗菌活性碳纖維』五種型式，其過濾效果程度依序為：

1. 銀添抗菌活性碳纖維
2. 銀添抗菌活性碳
3. 壓縮碳棒
4. 粉狀
5. 粒狀

由於活性碳本身無抗菌的能力，因此開發出添加具有抗菌效果的銀奈米粒至活性碳中，透過奈米大小具有高的比表面積特性，加入活性碳中可提高其吸附性。

活性碳的維護與管理

• 增加水體與活性碳的接觸時間可以提高活性碳吸附的效果，這可以透過減低水流速度的方式達成。
• 新的活性碳在第一次使用前應以清水流洗清潔，以去除殘留的粉末狀活性碳。
• 活性碳的吸附對象是無選擇性的，只要是疏水性有機物，活性碳都具備某種程度的吸附效果。為增加吸附效果，水體應先適度過濾，去除雜質再進入活性碳濾心。

使用活性碳淨水器應注意的地方

過濾是以阻截為處理機制，達到去除水中物質的功能，因此使用一段時間後，濾芯上所截留下水中的雜質會逐漸累積。雖然活性碳的吸附能力很強，但也是細菌的溫床，使用時間一久，活性碳已屆使用期限，如果太久沒有更換或清洗，堆積在淨水器上的顆粒物質會愈來愈多，則通過之水流量會逐漸減少，並會孳生細菌，影響水質安全。

如何判斷淨水器被阻塞的程度 ：一般淨水處理是利用入水與出水的壓力差。

經過一定的處理水量後，淨水器要定時進行反沖洗＊以排除堆積其上的雜質，淨水器濾芯也需定期更換（一般 3 個月更換一次，活性碳濾心一般約半年更換；出水量顯著減少時，也需更換），才能確保濾出水的安全。

• 反沖洗（back washing）為一種清洗濾料之方法，透過攪動使附著於濾層中的雜質污染物剝離，但這通常要請專業人士來執行。

活性碳的使用期限：當濾芯顏色變黃、淨水流量漸小時，就要及時更換，不然濾出的水質反而會比自來水更不安全。

RO 逆滲透淨水器

逆滲透（Reverse osmosis, RO）有如城堡裡的層層衛兵、設下了 2～3 層的關卡，是各類淨水器中對污染物最全面的處理技術。但逆滲透也因此成本最高，維護也較為困難，因此為了保護滲透膜的壽命，在滲透膜前端會有去除水中餘氯的機制，這通常利用活性碳濾芯來完成。

RO 逆滲透濾芯構造，圖／ID Water水知識生活家。

RO 淨水器構造

RO 淨水器一般是如何組成的，想必很多人不太了解，接下來讓我們來了解一下基本的構造吧!

一般 RO 淨水器系統基本是由五種不同的濾芯所组成：

RO 逆滲透率新構造，圖／作者製作。

RO 逆滲透的過濾原理

RO 薄膜即半透膜為一種多孔性的材質，水只能從一方流入，而不會回流，且其孔徑大小剛好可以通過水分子，因此比水分子大的分子如重金屬、酚類、螢光劑都無法通過，細菌、大腸菌、病毒亦無法通過。

RO逆滲透原理。source：wikimedia

利用半透膜的材質及水分子滲透的特性，一般水分子會由濃度低（雜質極少）的一端往濃度高（含較多雜質）的一端滲透，但是如果在濃度高的一端加壓就會形成逆滲透，也就是水分子由濃度高的一端往濃度低的一端移動，因此逆滲透的基本配件就是半透膜與加壓馬達。

此外，為避免水中懸浮微粒造成阻塞問題，通常在活性碳濾心前會再加一個 5 微米的濾心，水中較大的顆粒、餘氯及部分有機物可由前置活性碳及顆粒濾心去除。

滲透過分離膜的即為純水，沒有滲透過去的即為高濃度廢水，而 RO 造一桶純水須排放 3～4 桶廢水，但可將水中所有雜質完全去除（90％以上），是目前過濾效率最高的水處理方式。

RO 膜雖然能過濾水中雜質及異味，能有效提高用水品質，但相對的 RO 濾心是屬於耗材之一，面對不同用戶所使用的原水端，會因為水質差異而影響該濾心的使用年限，使其壽命降低。

RO 淨水器的維護管理

RO 淨水器的維護管理，圖／作者製作。

但因不同淨水器使用材料不同，消費者使用淨水器的次數、用量也不同，因此濾心使用壽命也就不同。缺乏維護保養的濾心本身就會形成二次污染，甚至造成更大的危害。

然而家用淨水器淨化後之水質經常沒有一個確切的標準來衡量，因此處理後之水質難以保證。

目前雖能做到由淨水器的自動控制系統根據水壓、時間提醒維護，但事實上等到濾芯顏色變黃、水流量變小時，也許已經是事態嚴重的程度了。

重要的是還是要根據水質，因此最好能夠常態的進行水質檢測，才能真正確保我們飲用水的安全。

活性碳與 RO 逆滲透濾心比較，圖／ID Water水知識生活家。

參考資料

1. 黃惠如。2005 年 9 月 1 日。4 招確保我家水能喝。康健雜誌。82 期。
2. 王根樹。2011 年 11 月 20 日。淨水器的使用。上課簡報。
3. Ghaedi, M., Sadeghian, B., Pebdani, A. A., Sahraei, R., Daneshfar, A., & Duran, C. (2012). Kinetics, thermodynamics and equilibrium evaluation of direct yellow 12 removal by adsorption onto silver nanoparticles loaded activated carbon. Chemical Engineering Journal, 187, 133-141.
4. 張傳旺。2011。超音波及酸鹼藥劑應用於 RO 膜清洗系統之研究。In: 第十一屆台灣電力電子研討會。國立清華大學 電機工程學系。
5. 楊智其。2011。全球環境變遷與永續發展。課堂簡報。

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什麼是公民科學？誰是公民科學家？

「公民科學」（citizen science）一詞最早是由英國社會學家艾倫．厄文所提出，用在他一九九五年發表的書名中，不過在厄文的書中，這個詞與科學、技術和社會政策比較相關。

同年，康乃爾鳥類學研究室的教育主任里克．邦尼在向美國國家科學基金會申請計畫時，也用了同樣的字眼，回首過去，他表示：

「當我從辦公室窗口向外望去，我突然想到這個詞，可以用來替代『業餘科學家』。沒想到後來竟然會受到廣泛的使用。」

當然，這個詞似乎能貼切形容這間研究室長久以來的志工計畫，從一九六五年的「鳥巢記錄卡計劃」、一九八七年的「餵食台觀察計畫」到今天各式各樣的計畫。

由鳥類學研究室製作的鳥類遷徙圖。圖／allaboutbirds

這間研究室在其網站上寫到，所謂的「公民科學」是「用來形容一系列的想法，從公眾參與科學論述的理念到社會良知驅動科學家的研究等。在北美，公民科學通常是指科學家與志工合作從事研究，特別是（但不限於）擴大收集科學數據的機會，提供社區成員獲取科學資訊的管道。其操作型定義是，我們策劃志工夥伴與科學家合作，以回答現實世界的問題。」

其他人對此的看法更為寬廣。

朱迪思．恩克是美國環保署第二局的局長，她以更寬廣的方式來為這個詞下定義。「環保署不可能同時出現在所有地方，」她說：「我們需要得知哪些問題值得注意。人民就是社會的眼睛和耳朵。因為我們投身環境正義，公民科學對我們非常重要。」

朱迪思．恩克（右）致力於環保議題。圖／wikimedia

恩克指出，環保署需要靠公民科學來協助他們判定公共衛生問題的來源，無論是空氣污染，水污染，或是其他截然不同的東西。正如她所言，社區總是第一個發現問題的，無論是造成氣喘的有害空氣污染物，還是從合流式下水道排出恐污染當地水源的污水。

恩克提到一段之前放在YouTube上的影片，記錄了未經處理的污水在暴雨後沿著紐約市的溝瓦努斯運河下行的經過。她表示，拍攝這些影片的人，「就是真正的公民科學家」，她認為只要會使用「任何工具，著重在科學測量或描寫」的人，都可以算是公民科學家。

圖／wikipedia

邦尼現在傾向於使用「PPSR」這四個英文字母縮寫來代表「科學研究的公眾參與」（Public Participation in Scientifc Research），那涵蓋各種研究模式。正如他在二○○九年的報告中所指出，這些模式牽涉到的公眾參與程度不同。邦尼在報告中將計畫分為三類：

「貢獻性計畫，這些計畫通常是由科學家所設計，公眾主要是提供數據；合作性計畫，一般是由科學家設計，讓公眾提供資料，但參與成員也可以協助改善計畫的設計、分析數據、或是散播研究結果；共創性計畫，這是由科學家和一起工作的公眾成員一同設計，當中至少有一些公眾參與者會積極參與整個或大部分的科學研究過程。」

在本書中，我自己偏好使用「公民科學」這個詞，並刻意採用這詞最廣泛的定義。我無法確定科學研究中所有的公眾參與都是公民科學，但我確定，至少在此刻，這類組織正處於一個新興階段，還沒有固定發展模式，故可以涵蓋較多樣的合作形式。

志工、科學家和監管機構的夥伴關係可能維持著一種鬆散的合作關係，有時是建檔和研究，有時則是整治和復育等。正如邦尼所言，「有這麼多不同的模式在那裡。我真的不在乎要怎麼描述他們，只要能順利運作就好。」

圖／pixnio

公民科學帶來的新視野

另外還有全球定位系統、數位攝影、網路資料庫和可以幫助收集和分享可靠資訊的互動式網站新技術。志工所收集的記錄現在可獲得妥善利用。而我們現正處於一段前所未有的新數位工具發展時期。

比方說，下一代的偵測器其體積可能會更小，價錢更便宜，更容易與網路連結；這些將擴展空氣和水的監測工作，將其尺度轉變得更為廣泛，從個人、社區到城市、州政府甚至是聯邦。

在其他地方，研發部門也看重這股自己動手做和開源系統的新趨勢。就拿開放科技來說，一項國際倡議計畫提供廉價航空測繪工具組，包含有氣球、線路、工作手套以及吊裝一台數位相機的種種附件，讓一般人也能繪製航空地圖，用以監測和記錄種種漏油、外洩以及其他在空中記錄最為適合的環境污染事件。

圖／pxhere

同樣地，透過志工來收集大量資料，對資金來源日益緊縮的科學社群來說，也有其經濟價值。所需的資訊廣泛可見。氣候變遷對物種的影響可能有四個方面：棲地的範圍，體型、外表或行為的改變，基因頻率，以及物候學。植物的開花、春天時鳴禽的到來以及蝴蝶的族群，全都是容易引起公眾注意的現象。廣大的志工群也增加造訪私有土地的機會，這是傳統的研究管道中，很難進入的地方。

一篇刊登在二○一○年的《生態學與系統分類學年度回顧》期刊上的文章甚至表示：

「眾多的應用和基礎生態學歷程發生在廣大的地理範圍，不是一般研究方法所能處理。公民科學也許是唯一可行的辦法，能夠達到記錄生態模式以及處理諸多環境問題所需擴及的廣大區域，諸如物種分布範圍改變、遷徙模式、傳染病散播、大規模族群趨勢以及地景和氣候變遷等環境歷程的衝擊。」

圖／pixabay

今天，多數博物學家共享的最終特質可能是他們傾向於合作的方式。

過去，對自然的關注往往是一份孤單的工作，前輩往往得掙脫社會瘋狂的節奏與步調，獨自前去觀察，記錄他們的發現。亨利．梭羅在池塘邊有座小屋；約翰．繆爾要步行到海灣，李奧波德在河邊也有一個陋室。

現在，自然主義往往成了一集體事業，是由志同道合的公民組成的社群。二○一二年冬季，當雪鴞從北極遷移到緯度較低的全美四十八個州的數量意外增高時，所有的目擊報告都彙整在eBird這個由康乃爾鳥類學研究室和奧杜邦學會維護的網站上，好讓關注此現象的賞鳥者，共享訊息，引發大眾廣泛的興趣並產生大量知識。愛德華．威爾森曾說過：

「環境管理是形上學的另一面，在當中，所有反思的人肯定能找到共同點。」

本文摘自泛科學2018年6月選書《意外的守護者：公民科學的反思》，左岸文化 出版。

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「我曾認為資訊將在黑洞中被銷毀，這是我最大的錯誤──至少是我在科學上的最大錯誤。」

──史蒂芬 ‧ 霍金

source：Lwp Kommunikáció @Flickr

 早在 1783 年英國的天文學家教士米歇爾（John Michell）就透過簡單計算（見本文末之「脫離地球的臨界速度」）說道：如果某些天體的密度與太陽一樣，但其直徑超過太陽的 500 倍，則物體需具超過光速才能脫逃其表面。1796 年拉布拉斯（Pierre-Simon LaPlace）也獨立地預測巨大發光體可能因為這一關係，而變成了我們看不見的「暗星」。

天文學家曾經非常高興可能偵測到此一不放光、但可透過重力影響其他附近星球的巨大物體。但到了 19 世紀初期，科學家漸漸了解到光是一種波動，因而懷疑其會受重力的影響，而漸漸淡忘了此一種大物體存在的可能性。

一個位於銀河系中心的黑洞。　圖／NASA

連光也逃不走的「黑洞」

1915 年愛因斯坦發表了時空會因重力而變形的普遍相對論（general theory of relativity）。11 月，自願從軍、在蘇俄前線負責計算砲彈軌跡之德國天文物學家蘇瓦玆德（Karl Schwarzschild）大概是太無聊了，在讀完了愛因斯坦的論文後，竟然將它應用到只有一個不旋轉之星球的宇宙上，用他的特別坐標體系，精確地解出愛因斯坦的重力場方程式¹。

德國天文物學家蘇瓦玆德。　圖／wikipedia

他 12 月 11 日寫信給愛因斯坦說：

「儘管在猛烈的烽火下，這戰爭（第一次世界大戰）對我還是蠻寬厚的：它讓我能夠遠離一切，並且馳騁在你的見解上。」

愛因斯坦回信道：

「我對你的論文非常感興趣，我從沒想到可以這麼簡單精確地解決這一個問題。我非常喜歡你對這一題目的數學處理。下星期四我將稍加解釋地將你的論文介紹給（普魯士）科學院。」

蘇瓦玆德在該論文裡發現，宇宙中的所有星球將因為重力的關係，內縮崩潰到密度為無窮大的一中心點：重力場方程式在該處是無解 （ 像”2÷0”）。蘇瓦玆德及愛因斯坦都不相信這樣的星球可能存在，他們認為那只是數學上的奇異點（singularity）；在星球縮小到這點之前一定會有我們現在尚不清楚之物理發生。

除了中心點外，在現在稱為「蘇瓦玆德半徑」（Schwarzschild radius）

R_s=2 GM/c²

之處（式中 M 為星球質量，G 為重力常數，c 為光速）也出現無解；物理學家對其物理意義以及是否會在自然界中出現爭辯了幾十年。1958 年美國物理學家分克斯坦（David Finkelstein）終於了解到了該半徑球面代表「事件地平線」（event horizon）：任何掉進去的物體⎯⎯包括光⎯⎯再也永遠跑不出來了！因為連光線都跑不出來，，故由外界看視將永遠只是一個黑球。

1967 年，聽說在一位學生的建議下，理論物理學家惠洛（John Wheeler）開始採用「黑洞」（black hole）這一後來被廣泛採用的名詞。

恆星的命運：在漆黑宇宙中隱身

雖然早在 1783 年天文學家就已經在銀河系內發現散射微弱白光之星球，但到了 20 世紀初他們才摸清我們之所以只看到微光，是因為它們體積很小又遠的關係。事實上這些星球是很重的（其密度高到非常難以令人相信），且其表面溫度也可能高到 100,000 度──因此之後被稱為白矮星（white dwarf）。1926 年英國劍橋大學教授福勒（Ralph H. Fowler）率先用當時漸趨成熟之量子力學來解釋：這些星球在融核燃料用盡後，因重力的關係而繼續其內縮崩潰，壓縮電子可存在的空間，但因為包利不相容原則（Pauli exclusion principle²），這些電子便群起反抗，產生電子簡併壓力（electron degeneracy pressure），阻止了內縮崩潰而達到了一個平衡狀態的白矮星³。

1931 年，利用印度政府獎學金到劍橋大學留學的 19 歲千桌沙卡（Subrahmanyan Chandrasekhar，亦譯作錢德拉塞卡）將電子質量因運動而變重的相對論效應考慮進去，預測了如果星球的質量小於太陽的 1.44 倍（現在稱為千桌沙卡界限，Chandrasekhar limit⁴），那麼白矮星便是該星球不可避免的命運。福勒與千桌沙卡師徒兩人因在這方面的貢獻而獲得 1983 年諾貝爾物理獎。

圖／LoganArt @Pixabay

白矮星內部因不再進行核融反應製造能量，其溫度將慢慢降低而由白轉棕，變成棕矮星（brown dwarf），最後變成黑矮星（black dwarf）而在漆黑的天空中失跡（是我們將看不見、而不是真正的消失）。如果星球的重量大於 1.44 倍太陽的質量呢？那重力將大於電子簡併壓力，使得星球繼續內縮崩潰，將電子及質子壓成中子。因中子也像電子一樣，須服從包利不相容原則，故繼續壓縮的結果將產生中子簡併壓力來反抗重力。如果星球的質量大約只有太陽質量的 2∼3 倍，則重力及中子簡併壓力將達到一個平衡形成中子星（neutron star）。如果星球的質量更大呢？那就沒有什麼我們現在已知之物理能阻止它繼續壓縮成黑洞！

該如何發現黑洞？

當壓縮到事件地平線後，因為任何資訊都沒有辦法從裡面跑出來，對外界的我們來說，這個星球等於從此從宇宙中消失，只在宇宙空間中留下了一個半徑為蘇瓦玆德半徑的圓球黑洞；任何掉進去裡面的物體均將如石沉大海，也沒有外人能知道它到底怎麼了！

事實上依據普遍相對論，時間在重力場下將變慢（重力場越強，時間越慢），因此歐本海默（J. Robert Oppenheimer）及學生史納德（Hartland Snyder）1939 年時在美國發表了一篇論文，講述對一個站在蘇瓦玆德半徑外的人來說，星球的內陷好像在蘇瓦玆德半徑處停住了，需要無限長的時間才能通過，而一個隨它內陷的人（或者任何掉進去的東西）將好像永遠處出於自由落體的狀態。所以許多天文學家均認為，小於蘇瓦玆德半徑的黑洞在宇宙誕生時就必須發生，並稱之原始黑洞（primordial black hole）。有趣的是：愛因斯坦當年也在德國發表了一篇論文，證明黑洞是不可能存在的！

電影《星際效應》中的黑洞影像。圖／IMDb

在許多的科幻小說裡，黑洞常被形容成一個宇宙的清道夫：吞噬所有周遭的一切東西──包括星球。但事實上黑洞只像是一個看不見的微小太陽（如果太陽能內陷成黑洞，其蘇瓦玆德半徑大約只有 3 公里），只是重力吸引力強大多了而已。只要不跑進事件地平線內，任何物體都可以在其外面流蕩或像地球繞日一樣運轉的。但是因為完全看不見，所以我們只能「間接地」證明黑洞的存在。

現在天文學家都認為 1972 年在天鵝座（Cygnus the Swan）所發現之極強 X光光源是某一個黑洞造成的。霍金於 1974 年與加州理工學院的索恩（Kip Thorne，因發現重力波而獲 2017 年諾貝爾物理獎）賭那現稱為 Cygnus X-1（天鵝座 x-1，離地球約 6000 光年）的光源不是一個黑洞；1990 年在許多新資料的支持下，他終於認輸了。雖然「已經知道」的黑洞大約只有 50 個，但天文學家估計整個宇宙可能有上千萬的黑洞；星系（galaxy）中心也都可能有超級質量黑洞（supermassive black hole，太陽質量的百萬倍）存在。

天鵝座 x-1 的影像與想像圖。左圖紅色方框中的白點就是天鵝座 x-1 ，右圖則是根據科學家的研究所描繪的天鵝座 x-1 黑洞運作狀態。天鵝座 x-1 已被證實為黑洞，並持續將周邊物質拉入其中。圖／NASA

2015 年 9 月 14 日，雷射干涉儀重力波觀測站（LIGO, laser interferometer gravitational wave observatory）所偵測到的重力波⁵不但被認為是黑洞相撞而產生的，也被認為是首次「直接」觀測到黑洞存在的證據：因為用黑洞特性模擬出來的數據，最符合實驗觀測到的結果。觀測站科學家們（1012位團隊成員⁶）估計那兩顆黑洞的質量分別約為太陽的 29 倍及 36 倍，相撞時所放出的能量大約為所有宇宙恆星所放出之能量的十倍！

在「愛因斯坦的最大錯誤──宇宙論常數」一文裡⁷，筆者提到了早在 30 年代，就有天文學家從星群的運動中，懷疑到宇宙中尚存在有其它看不到的「暗物體」（dark matter）！科學家也像世俗人一樣喜歡追風隨俗，一旦有人提出「暗物體」，其存在的證據便開始排山倒海地出現，只是到現在除了知道這些「暗物體」是看不見及具有重力作用外，尚沒有人知道它們到底是什麼「東西」！據估計，這些暗物體大約為宇宙中可見物體的五倍！黑洞不是也看不見且具有重力作用嗎？黑洞可能就是「暗物體」嗎？「暗物體」是在宇宙生成時就產生的，因此已有科學家懷疑它們可能正是「原始黑洞」──在一些合理的假設下，「原始黑洞」群的相撞也可符合偵測到之重力波的數據！

黑洞其實沒那麼黑：霍金輻射

英國劍橋大學教授霍金（Stephen Hawking）。source：Flickr

黑洞雖然不是一個宇宙的清道夫，但它真的是一個只進不出的垃圾桶嗎？1974 年，英國劍橋大學教授霍金（Stephen Hawking）將普遍相對論的時空彎曲現象用到量子場論（quantum field theory）內，竟然發現了一震驚整個理論物理學界的結論：「黑洞並不是如我們所描畫的那麼黑」，而是不停的在輻射能量！

重力場論（普遍相對論）及量子場論（量子力學）是近代物理的兩大成就；但前者似乎僅適用於巨觀世界，而後者則僅適用於微觀世界。這對於不相信上帝是會那麼笨手笨腳的物理學家來說，簡直是一個侮辱，因此統合它們是近代物理的一大目標。霍金是第一位將它們在宇宙論裡結合的物理學家，因此許多人認為他是愛因斯坦以後最偉大的天才⁸。

黑洞（中）在大麥哲倫星雲前面的假想模擬圖。請注意重力透鏡的影響，產生了放大的，但高度扭曲的星雲的兩個影像。在頂部的銀河系盤面扭曲成一個弧形。　圖／Alain r [CC BY-SA 2.5] via wikipedia

在近代物理裡，真空已不再是真的什麼都沒有⁹。依量子力學之測不準原理，真空事實上是不停地在產生成對的粒子及反粒子⎯⎯但它們又立即結合互毀將能量還給真空⎯⎯的場所。如果產生於事件地平線附近的反粒子掉進去了黑洞，那它便無法再與粒子相結合，粒子將帶能量往反方向跑掉：羊毛出在羊身上，這些能量當然只好由黑洞提供。霍金計算發現這些能量的分佈正如熱物體之黑體輻射，其溫度與黑洞質量成反比，我們現在稱此一黑洞輻射為「霍金輻射」（Hawking radiation）。

所以原則上黑洞是會因霍金輻射而蒸發掉的；但因太陽大小之黑洞的霍金溫度大約只有 10^-7 °K，而宇宙背景的溫度為 3°K，所以一般的黑洞還是會淨賺（吸熱比放熱多）而越來越大的；只有在宇宙剛生成就存在的原始黑洞（只原子一般的大小）才會迅速地蒸發掉。霍金曾希望還有一些原始黑洞在宇宙中流浪；如被發現，他說「（我）將可獲得一個諾貝爾獎」；另外一個或許能發現原子般大小的黑洞的地方是歐洲的強子對撞機（Large Hardron Collider）內。霍金於今年 3 月 14 號不幸逝世⎯⎯將與牛頓、達爾文等一代科學宗師一樣，葬在英國君主安葬或加冕登基之西敏寺。因諾貝爾獎是不發給在天堂之人，他的諾貝爾獎是無望了，我們只能在此為他扼腕。

黑洞資訊悖論

雖然黑洞因現在之宇宙條件可以暫保生命，但原則上它們遲早都要蒸發掉的：這將造成一個現在被稱為「黑洞資訊」遺失的「悖論」（black hole information paradox）。量子力學雖然「推翻」（嚴格來說應該是「修正」）了古典的因果論，但它還是像古典力學一樣具有時間的對稱性¹⁰：分不出過去與將來，因此資訊是不滅的。比如讀者將筆者之兩本巨著《量子的故事》及《我愛科學》燒成灰，原則上我們還是可以循原來之軌跡，重新尋回那兩本書之內容的！──顯然那兩本書的灰是不一樣的，它們還保持著原來之資訊。可是如果灰是一樣呢？那兩本書的資訊顯然在燃燒的過程中丟失了，我們再也回不去了！

霍金雖然證明了黑洞不是全黑，但他卻也證明了天下的「烏鴉」一般黑，因此只要看到一隻烏鴉就等於看到了全部的烏鴉：只要質量、旋轉及電量相同，不管黑洞當初是由什麼東西造成或組成的，最後總是變成同樣的輻射（蒸發掉） 。

source：Wikimedia

又如筆者在「愛因斯坦的最後一搏── EPR 悖論」¹¹一文裡所談的：兩個粒子相互作用後便永遠糾纏在一起，形成了一個量子體系（不管他們分開多遠或者多久），因此當我們去量左邊粒子之位置時，右邊的粒子也將立即受到影響崩潰到一固定位置。可是如果其中一個粒子不幸掉進去了黑洞，從此便與外界隔絕，即使黑洞蒸發而完全消失也無法回收其原來資訊，那「量子糾纏態」顯然應該不覆存在了──但這與實驗結果不符！這「量子糾纏態」事實上就在黑洞之事件地平線附近不停地產生霍金輻射的來源。

這資訊在黑洞中永遠遺失的理論違反了基本物理，因此自霍金 1981 年提出後便爭辯不休。好賭的霍金（這次與蘇爾內站在同一線）終於在 1997 年與加州理工學院的另一位教授布利斯基（John Preskill）打了個賭；後者認為正確的重力量子理論出現後，一定可以解釋資訊不會被銷毀的。2004 年，霍金提出事件地平線應會因波動（fluctuate）而泄露出資訊，承認他打賭輸了，如約地買了一本棒球百科全書給布利斯基（霍金說他很想將該書燒成灰以後再給布利斯基──反正所有的資訊都還在那裡）。

現在有關資訊如何可以不遺失的理論可以說是如雨後春筍、俯拾皆是：其中一個說法是因所有事件均在蘇瓦玆德半徑處停住了，因此資訊並沒有遺失，而是保留在地平線表面處；還有一個說法則是資訊將透過時空隧道跑到另一個黑洞去（看來喜歡科幻小說的讀者是有福了）！事實上光霍金本人就有好幾個版本：最後一個版本是於 2016 年元月出現的¹²。

掉進黑洞總是有辦法出去的

此文是有感於霍金之突然辭世而寫。事實上除了科學外，更讓筆者敬佩的是他對生命的熱愛與執著。霍金曾說：

「如果你覺得掉進黑洞裡，（請）不要放棄，總有辦法出去的。」

筆者覺得那是雙關語，除了闡釋黑洞的特性外，可能更是他生活的寫照，以及給世人的鼓舞：遇到挫折不要輕言放棄！

霍金 21 歲時就被診斷出患有慢性運動神經元病（motor neuron disease），醫生說大概只有兩年可活！43 歲時感染了肺炎，不但完全奪去了他說話的能力，還需 24 小時的醫療照顧。後輩子全是靠坐輪椅及透過電腦說話，不但寫了一本全世界最暢銷的科普書「時間簡史」（A Brief History of Time，1988，第二版，2005），還到處演講寫作，成為愛因斯坦之後之另一位家喻戶曉的科學家。

圖／《時間簡史》書影

至於黑洞此後的前途如何，筆者實在也不清楚！在此，我們不妨以加州大學洛杉磯分校天文學教授蓋芝（Andrea Ghez）的一段話來做結束：

「我以為我當初所提出的問題是非常簡單的，那僅是問：『銀河系的中心有沒有巨質的黑洞？』但我之所以喜歡科學的原因之一是：你最終將永遠碰到新的問題。」

註解：

• [1]：愛因斯坦自己只能做近似解。
• [2]：「原子的構造」，科學月刊，2010 年 3 月號；「我愛科學」，第 95 頁。
• [3]：事實上在崩潰成白矮星之前，他們的質量都更大，因此在核燃料用盡之後，極速的重力內陷將使溫度劇增而導致爆炸，將外圍的物質散射到宇宙中（宇宙中重元素的來源），僅留下中心部分繼續內陷收縮。
• [4]：千桌沙卡的這一「界限」曾被普遍相對論大師、讓愛因斯坦一夜成名之愛丁頓爵士（Sir Arthur Eddington）於 1935 年在倫敦皇家天文學社裡公開取笑。千桌沙卡曾經多次表示那是基於種族歧視之故；因此他不喜歡英國，於 1937 年元月移民到美國，終其一生任教於芝加哥大學。
• [5]「愛因斯坦其實沒那麼神」，泛科學，2016/3/16；「我愛科學」，第 172 頁。
• [6]「諾貝爾獎和那些被賣掉的獎牌：科學研究背後的名與利」泛科學，2017/12/3。
• [7]「愛因斯坦的最大錯誤？──宇宙論常數」，科學月刊，2011 年 12 月號；泛科學，2011/12/11；「我愛科學」，第 162 頁。
• [8]霍金說那全是「報紙的吹噓」過了頭。1990 年他告訴洛杉磯時報謂：「我符合一位傷殘天才的部分：我至少是傷殘⎯⎯雖然我不是像愛因斯坦一樣天才….. 群眾需要英雄，他們將他捧成一位英雄，現在則將我捧成一位英雄⎯⎯雖然我的條件差得遠。」
• [9]「以太存在與否的爭辯」，科學月刊，2017 年 5 月號；「我愛科學」，第77頁。
• [10]「對稱與物理」，科學月刊，2010 年 3 月號；「我愛科學」，第 178 頁。「時間的方向性」，科學月刊，2016 年 2 月號；「我愛科學」，第 200 頁。
• [11]「愛因斯坦的最後一搏── EPR 悖論」，科學月刊，2016 年 5 月號；「我愛科學」，第 72 頁。
• [12]霍金認為他這次的理論可以實驗證明的，因此如果他的預測對了，他將可得一個諾貝爾獎。如果讀者也想得一個諾貝爾獎，顯然這是一片等待開發的肥沃土地。

參考資料：

• 《近代宇宙中的空間與時間》，新竹市國興出版社（1981 年）。
• 《我愛科學》，台北市華騰文化有限公司出版（2017 年 12 月）。本書收集了筆者自 1970 年元月到 2017 年八月間在科學月刊及其他雜誌發表過的文章。

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為什麼要研究「醣分子」？

醣分子與生物體內各項生化反應密切相關，但醣分子仍是目前主要生物分子中，對於其結構、機制、合成技術等知之甚少的一塊。中研院原子與分子科學研究所的倪其焜研究員，以化學動力學和量子化學為理論基礎，並利用質譜儀高靈敏的特性，建立另一種醣分子結構鑑定的方式。

醣類，和我們有何關係？

核酸、蛋白質、醣、脂質是生物體內四種最主要的生物分子。脂質結構相對簡單，但是核酸、蛋白質、醣都是巨分子，其結構相當複雜。綜觀過去半世紀以來的科學史，核酸與蛋白質的結構發現與相關技術開發，都成了科學發展中的重大里程碑；唯有「醣類」仍充滿的眾多謎團待解。

醣類由單醣分子組成，每一個單醣分子可由 3 到 7 個碳原子，和特定數目的氫、氧等原子組成。例如：我們耳熟能詳的葡萄糖、果糖、半乳糖，都是由 6 個碳原子所組成的單醣分子，是分子式為 C₆H₁₂O₆ 的同分異構物，亦即擁有相同分子式，但結構式卻不相同。其中葡萄糖和半乳糖的差別，只在連接到 4 號碳原子的 OH 官能基方向不同。

2 個單醣分子可以進行脫水反應後連結成雙醣； 3 到 10 個單醣分子連結成的醣稱為寡醣；更多個單醣分子組成的醣則稱為多醣。我們每日熱量主要來源澱粉、飲食調味用的蔗糖、果糖都是屬於醣類。

我們生活中部分常見的「醣類」。資料來源│Wikipedia 圖說重製│張語辰

不過，醣類並不只是作為熱量的來源而已。

近年來眾多研究發現，醣類參與了多種生化反應、與疾病傳染機制。

例如，牛奶與母乳所含的醣類成分就有些微差距，能對嬰兒腸道內細菌有不同的抑制和促進作用；又例如，禽流感的病毒會與特定的醣分子結合，因此檢測或合成指定的醣分子，就可以發展成快篩鑑定禽流感病毒種類的工具。

醣類結構：排列組合超級多！

雖然與其他生物分子相比，醣類分子的結構看似單純許多。以六碳醣來說，不同單醣分子的差異，只差在連接到不同碳原子的 OH 官能基，有不同的連接角度。但是，這一個小小的差異，卻使得看似相似的醣分子，有著大量的排列組合方式。

葡萄糖的首旋異構物，取決於一號碳原子上連接的 OH 官能基的角度。
資料來源│倪其焜提供  圖說重製│廖英凱、張語辰

以上圖的葡萄糖為例，將葡萄糖溶於水中，會出現「𝛂-葡萄糖」與「𝛃-葡萄糖」兩種首旋異構物（或稱變旋異構物），兩者的差異是：在天然的葡萄糖中，位於 1 號碳原子上的 OH 官能基，大概有 40% 的比例呈現連接角度向下，稱之為 𝛂-葡萄糖；有 60% 的比例呈現連接角度向上，稱之為 𝛃-葡萄糖。

而當兩個葡萄糖要結合成雙醣時，兩種首旋異構物的葡萄糖，各自會有四種不同的連接方式，如下圖所示。因此光是由葡萄糖組成的雙醣，就可以有八種不同的同分異構物。兩個葡萄糖些微的不同鍵結方式，有時會有很不同的生化反應。

首旋異構物「𝛂-葡萄糖」與「𝛃-葡萄糖」，在不同的連接位置、以不同的連接角度，可以結合成完全不同的雙醣(同分異構物)。
資料來源│倪其焜提供 圖說重製│廖英凱、張語辰

上圖中，常見的麥芽糖是由兩個 𝛂-葡萄糖組成，其中一個葡萄糖序號 1 的碳原子，與另一個葡萄糖序號 4 的碳原子相接，在符號上可寫為：𝛂（1→4）。但如果把 𝛂-葡萄糖改為 𝛃-葡萄糖，但連接的方式相同時，則會形成人體無法消化的「纖維二糖」，符號上可寫為：𝛃（1→4）。

如果我們再繼續將葡萄醣分子連接下去，4 個葡萄糖分子相連就可以有 928 種組合，5 個葡萄糖分子就會有上萬種的組合。這些不同組合的葡萄糖，有著截然不同的結構，有可能會對應到完全不同的生化反應、或生理機制。

結構，是了解化學反應的第一步。

對於化學家來說，一個分子或物質的功能，取決於它所參與的化學反應。而化學反應是如何發生、為何發生，則取決於分子或物質的結構。因此，確立一個分子或物質的化學結構，是了解化學反應的第一步。

質譜儀：窺見醣的千萬面貌

儘管過去科學界已建立了核磁共振、質譜儀、液相／氣相層析等，多種鑑定複雜分子結構的方式。但對於醣分子來說，由於種類過於多樣、在生物體內的每一種的量都非常少、再加上目前沒有類似核酸或蛋白質的技術，可以將萃取後少量的醣分子複製，造成醣分子的結構鑑定非常困難。因而導致醣分子的研究發展，明顯落後於其他生物分子。目前，學界多利用「質譜儀」來作為分析醣分子結構的工具。

由於質譜儀的偵測能力最為靈敏，僅需要少量的樣本就可以進行實驗，正好適合醣分子多樣卻少量的特徵。

質譜儀的運作原理。
資料來源│台灣 Wiki 圖說重製│廖英凱、張語辰

當待測物分子因游離而帶電，例如：被電子轟擊、 雷射游離、附著金屬離子、或附著額外的電子、質子時，會產生帶電分子。質譜儀是藉由量測帶電分子的質量與電荷比例（m/z, 質荷比），來分析待測物分子的質量。

如果供給帶電分子更多的能量，例如：經過碰撞或吸收光，帶電分子會分解產生帶電的碎片。這些不同質量的碎片因為所含原子組成的不同，會有不同的質荷比。由於這些碎片的原子組成，往往和原來分子的結構有關。因此藉由質譜儀量測這些碎片的電荷比例（m/z, 質荷比），及其對應的強度，可以得知分析待測物分子的結構。

我們以一個簡單的蛋白質為例，來理解質譜儀用作定序的原理。假設有某一個已知質量的蛋白質，這個蛋白質是由 4 種不同的質量的胺基酸組成，而 4 種胺基酸排序後，可以有 4! = 24 種排列組合的可能，如下圖所示：

4 種胺基酸可以有 24 種排列組合，需要質譜儀分析待測的蛋白質是哪種組合方式。
資料來源│倪其焜提供 圖說重製│廖英凱、張語辰

在質譜儀的實驗中，我們可以將蛋白質分子打碎成質量不一致的碎片，並參考這些胺基酸的已知質量，就能進一步估計這些碎片是由哪一些胺基酸鍵結組成；只要碎片的形式夠多，就可以藉此推估該蛋白質內的胺基酸序列，如下圖所示：

利用質譜儀，將蛋白質打散成不同質量的碎片，並利用碎片的質量，推測出各個碎片的胺基酸組成，最後排序出蛋白質的胺基酸序列。 資料來源│倪其焜提供 圖說重製│廖英凱、張語辰

像這樣的質譜鑑定技術，被廣泛運用到日常生活。例如食安事件中，為了要確認食品中是否含有某些有害物質，就可以將食物樣本送到質譜儀中，看所檢測出來的質譜是否有對應到資料庫中指定有害物質的質譜。

只是，這種以資料庫質譜比對的方式，對於醣分子的研究仍相當受限。以 4 個葡萄糖分子的組合為例，雖然相連起來會有 928 種 4 醣分子組合，但市面上目前僅能買到 20 餘種人工合成的 4 醣分子產品供質譜儀量測，要合成其他 4 醣分子也是耗時耗力，因此還遠遠無法建立起比對用的醣分子資料庫。

因應無法利用資料庫比對的方式來鑑定待測的醣分子，倪其焜與研究團隊所使用的方式，是以化學動力學和量子化學作為理論基礎，以理論預測醣類分子獲得能量後鍵結斷裂的模式，再與質譜儀實驗結果交互驗證，以此發展出醣分子的質譜儀鑑定技術。

有果必有因，從原理推測結構

以本文前述葡萄糖的兩種首旋異構物為例，如同下圖顯示，這兩種帶金屬鈉離子的首旋異構物在質譜儀中，可以觀察到在質荷比數值 185 處，𝛂-葡萄糖的訊號強度明顯大於 𝛃-葡萄糖。質荷比 185 的峰值，與帶金屬鈉離子葡萄糖的質荷比 203 的峰值， 剛好相差了一個水分子的分子質量，這代表 𝛂-葡萄糖比 𝛃-葡萄糖更容易失去了一個水分子 （H₂O） 。

𝛂-葡萄糖與 𝛃-葡萄糖在 1 號 OH 官能基的連接角度不同，導致官能基上氫原子躍遷到 2 號官能基的能量障蔽不同，而使兩種葡萄糖分子在質譜儀中，斷裂出水分子的比例不一樣。在質譜圖中，可看出 𝛂-葡萄糖在減少一個水分子的質荷比 185 處訊號強度，明顯高於 𝛃-葡萄糖。
資料來源│Ni et al. Phys. Chem. Chem. Phys., 2017, 19, 15454 圖說重製│廖英凱、張語辰

倪其焜團隊從量子化學的理論計算發現：葡萄糖失去了一個水分子的機制，主要是由位置 2 的 OH 官能基裡的氫原子，轉移到位置 1 的 OH 官能基上的氧原子，再經由斷裂位置 1 的 C-O 鍵，脫離一個水分子。

由於 𝛂-葡萄糖上，位置 1 與位置 2 的 OH 官能基距離，明顯小於 𝛃-葡萄糖上同樣位置官能基的距離。因此，𝛂-葡萄糖上，位置 2 的 OH 官能基裡的氫原子，要轉移到位置 1 的 OH 官能基上形成水分子 （H2O）的能量障蔽，明顯小於 𝛃-葡萄糖。

因此，從質譜可以判斷，質荷比 185 峰值較大者，對應的一定是 𝛂-葡萄糖 ; 質荷比 185 峰值較小者，則是 𝛃-葡萄糖。

同樣的科學原理，也可以應用到各種雙醣分子 𝛂 與 𝛃 兩種不同連接角度的糖苷鍵、或醣分子末端的 𝛂 與 𝛃 不同角度的官能基。透過實驗與理論的交互驗證，就可以在欠缺醣分子資料庫比對、僅擁有極少實驗樣本的情境下，精確地推論與鑑定出醣分子的結構。

醣那麼難研究，何苦選擇它

大家搞不清楚的混沌領域，是科學家開疆闢土的地方！

倪其焜回顧醣質譜的研究歷程，其實也與過去中研院兩任院長的研究有關。如前院長翁啟惠最為知名的研究，就是開發出快速且大量的醣分子合成方式，近年來更將醣分子應用於癌症等治療方式的研發。

但早年研究醣分子時，發現醣分子不僅結構複雜難以分析，相比起蛋白質，醣分子在質譜儀內也難以游離、無法有效鑑定。倪其焜當時發現，主因為當時國際學術界對於醣分子游離的理論與數據解讀有誤，因而與團隊提出了正確且簡單的理論，成功解釋了醣分子的游離機制。

前院長李遠哲，更交付了「提高醣分子游離效率」的任務給倪其焜，由於醣分子的數量稀少且難以人工合成，提高游離效率就意味著：能在有限的醣分子樣本之下，增加實驗的成功率或鑑別度。雖然在後續的研究中，倪其焜研究團隊陸續提出一些改善方式，使游離效率能提高百倍，不過助益仍相當有限。面臨這個挑戰，倪其焜進一步思考，其實人們對於質譜儀內醣分子的鍵結斷裂原理所知甚少，因而發現了這個全新的研究角度。

倪其焜與研究團隊成員。後方儀器，為前院長李遠哲於柏克萊大學時自製的交叉分子束儀器，現位於中研院原分所內供研究使用。
攝影│廖英凱

近年來，科學家大量認知到醣分子的重要性與研究的困難度。倪其焜認為，像醣分子這樣仍屬謎團重重的混沌領域，正是科學家開疆闢土的好地方。中研院在前任院長的支持下，近年建立了跨領域的研究團隊，包含基因體中心、生化所、化學所等，從不同的角度切入，研究醣分子的合成、鑑定，以及醣分子在生化、醫學的功能等。這也是台灣在科學研究上，另一個可以在世界舞台上佔一席之地的契機。

在醣分子研究的歷程上，有可能會遭遇既有理論的瑕疵錯誤，也有可能會欠缺關鍵技術與資源的支持。但若能窮盡物質世界的學理，引進不同研究領域的理論與技術，就有可能在混沌之境，開創出前所未見的研究新視角。

延伸閱讀

• 倪其焜的個人網頁
• Jien-Lian Chen, Hock Seng Nguan, Po-Jen Hsu, Shang-Ting Tsai, Chia Yen Liew, Jer-Lai Kuo, Wei-Ping Hu, and Chi-Kung Ni*. Collision-induced dissociation of sodiated glucose and identification of anomeric configuration. Phys. Chem. Chem. Phys. 19, 15454 （2017）
• Hsu Chen Hsu, Chia Yen Liew, Shih-Pei Huang, Shang-Ting Tsai, Chi-Kung Ni*. Simple Method for De Novo Structural Determination of Underivatised Glucose Oligosaccharides. Scientific Reports 8, 5562 （2018）
• Hsu Chen Hsu, Chia Yen Liew, Shih-Pei Huang, Shang-Ting Tsai, Chi-Kung Ni*. Simple Approach for De Novo Structural Identification of Mannose Trisaccharides. J. Am. Soc. Mass. Spectrom. 29, 470 （2018）

本著作由研之有物製作，原文為《醣有千萬面貌，質譜儀來解》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位

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愛因斯坦曾言：「當我們的知識之圓擴大，環繞圓周的黑暗也跟著變大了。」(“As our circle of knowledge expands, so does the circumference of darkness surrounding it.”) 這句話是我最常在外演講時引用的名人錦句，也是時時自我提醒的警句。

所以，正如作者池內了教授所說，科學家不是知道所有事情的人，正好相反。科學家是站在圓周上，知道我們知道哪些，以及不知道哪些事情的人。正因為科學家知道人類還有很多不知道的事情，面對無法估量的黑暗，因此更擁有了責任，要將人類知識之圓邊界的狀況傳達給更多人，同時在知識不足以至於無法判斷的時候，勇敢地講出「我不知道」。

科學家處於人類知識探索隊伍最前沿，但科學家要扮演的角色不只是悶著頭往前進而已，而是要時時回頭，把前方的訊息回傳給後頭的人。這時候就像是比手畫腳遊戲一樣，若一開始比得不好、傳達得不夠清楚明瞭，那麼一個接著一個傳到後來，訊息接受者不是摸不著頭緒就是解讀的莫名其妙，並且肯定會反過來責怪前面的人「到底在比什麼鬼」。

所以，我們需要更多科學家擁有直接對社會溝通，體察一般人情緒與需求，再將複雜知識轉譯軟化成大眾語言的能力。在經營泛科學的經驗中，我認識一些擁有這樣能力的科學家，但在其中，有熱情、有意圖、願意撥出時間來溝通，不為糟糕的媒體環境跟酸民文化而灰心的科學家，實屬鳳毛麟角。

若科學家不願、不用、不能對公眾溝通，將會帶領國家陷入惡性循環。作者在書中也直言：在民主時代，人民的選票與納稅決定了主要由國家支持的科學研究，因此一個國家的科技水準，越來越高的比例是由該國人民對科學與技術的了解與支持程度來決定的。所以科學素養除了包括了一般人對基礎科學知識的掌握、對科學史、科學研究方法的理解，更包括了對社會中的科學議題的參與，如果科學家不協助民眾跨過參與議題的門檻，那麼結果只會是民眾用選票跟稅金決定把門直接封死。

source：space telescope

本書花了不少篇幅，從作者最熟悉的天體物理學出發，簡要清晰地告訴讀者當代科學的演進史；模型、假說、定律、理論等的差異；為什麼數學如此重要；面對無法化約的新領域該怎麼辦。這些其實是我們在國中時就都會學到的，但我也跟大多數人一樣，就算念到大學都無法真正搞懂，毫無興趣、甚至以厭惡科學素養而自豪。如果只是少數人如此，或許是少數人的問題，但如今卻是大多數的人都沒有足夠的科學素養，這很難不説是科學家與像我這樣的科學傳播者的責任。

在 108 課綱強調「素養導向教學」後，科學素養成為教育圈熱門話題，許多人誤以為這改變不過就是考試時會出現很長的文章題目要考生做閱讀測驗，讓數理考試題目多點來自文學跟社會議題的文本，或是讓國文跟英文考試多點得用上數理能力的題目，其實當然不是這樣。要培養科學素養，最關鍵的是認知科學作為一種探究知識、逼近真理的方法，到底是怎麼來的、科學家又是怎麼從單純對現象的好奇，轉而成為一種由國民稅金支持的研究活動。說真的，科學素養教育之所以被重視，絕不該被當作是科學家突然又要灌輸給大眾一些莫名其妙的東西，而該被認為是科學界與科學傳播界的反省運動才是。

這本書首發於 1996 年，距今已有 22 年，雖然書中少了近年來的熱門科學名詞，例如大數據、物聯網、人工智慧、基因編輯、登陸火星……等等，但讀來依舊深刻，毫不過時。此刻讀這本書，看作者當時對科學家的批評與自我反省，再對照如今的發展，只覺像作者這樣的聲音實在太少，再多幾本這樣的書，也還不夠啊。

本文為《科學素養：看清問題的本質、分辨真假，學會用科學思考和學習》一書推薦序，經濟新潮社 出版。

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「遺留在工廠地板上的肉渣被剷起來，製成一罐罐的肉品罐頭；腐爛的殘渣被混入絞肉中，成了餐桌上的香腸……」

——《屠場（The Jungle）》

傳播媒體是人民監督政府的重要角色；一百年前，一本推崇共產主義的小說，卻意外的揭開了食品業的黑暗面。歐美各國驚覺，食品安全已不是國內的事情，而是跨國貿易裡難以避免的重大風險議題了。

圖／The Jungle (1906)

大西洋彼岸的豬隊友：1855-1906年的英國食安現況

19世紀中期，英國乘著工業革命起飛，各種商業活動興盛。但每個時代裡都有大賺黑心錢的奸商，食品汙染、攙假也成了英國維多利亞時代仕紳們關注的議題 [註1]。

早在1855年，英國老牌的醫學雜誌《柳葉刀（The Lancet）》就集結了當時的科學家，出版了一本《食品及摻假：1851-1854年－柳葉刀期刊衛生分析報告》 [1]。食品詐欺的科學證據讓英國社會開始重視食安問題，歷經數次立法演變，英國在1875年頒布了「食品與藥品銷售法（The Sales of Food and Drugs Act, SFDA）」，授予政府管理食安問題的權利，而1899年的修訂，更讓中央機關能夠懲戒執行不力的地方衛生政府，提升了政策的貫徹性 [2, 3]。

時至百餘年後的今天，1875年的食品與藥品銷售法被視為英國食安法的先祖，而1855年的柳葉刀報告，更可被視為以科學推動食安的起源之一。

醫學雜誌《柳葉刀（The Lancet）》圖／wikipedia

歷史跨入1906年，跨洋的國際食品貿易興盛，一本追求社會主義的小說卻大大地震撼了美、英兩國的食安管理！一百多年前的美國，食安觀念尚未萌芽，粗製濫造的食品充斥於市面之上，一本揭開社會黑幕的小說——《屠場（The Jungle）》意外地觸動了讀者對劣質食品的恐懼的恐懼。

作者厄普頓·辛克萊（Upton Sinclair Jr.）在書中描寫了中下階層的困境，企圖引起讀者關注弱勢族群，但出乎意料的是，震撼全美讀者的卻是那描寫劣質肉品的內容——

「遺留在工廠地板上的肉渣被剷起來，製成一罐罐的肉品罐頭；腐爛的殘渣被混入絞肉中，成了餐桌上的香腸……」

《屠場》提及的肉品工廠。 From: The Jungle (1906)

令人生噁的敘述讓人倒盡胃口，更引發全美的抗議浪潮，此聲浪更傳至當時美國總統老羅斯福（Theodore Roosevelt）的耳中，催生了美國的「純淨食品與藥品法（The Pure Food and Drugs Act）」 [3, 4]。這對美國的食品安全是個巨大的里程碑，但對彼岸的英國來說，卻是個無妄之災！

《屠場》發行3個月後，英國泰晤士報對美國芝加哥的劣質肉品進行報導，食安新聞在媒體的推播下，憤怒感快速地在英國社會中膨脹，肉品罐頭的市場一落千丈，民眾更要求政府抵制美國肉品的進口，此局勢更挑起了兩國間的貿易紛爭。英國政府通過了「公共衛生（食品規章）法」來強化進口食品檢驗 [3]。自從全球貿易盛行以來，跨國的食品詐欺已成了各國無法逃避的問題。

source：諷刺芝加哥劣質肉品的漫畫，圖中人物為老羅斯福總統。From: Mrs. Ronan’s Honors U.S. History II

除了黑心廠商，食品安全更強大的敵人是誰？

一百多年以來，食安管理領域裡，媒體扮演了非常重要的一環。其中有許多良善的媒體善盡了監督的角色，如 2014年中國上海東方衛視在電視上爆料，「上海福喜」企業竟使用發綠、過期肉品製成食品，龐大的媒體壓力逼迫食品廠商自我改革。但也有部分媒體追求新聞熱度，誤導民眾、甚至造成社會恐慌，如 2015年《康健雜誌》宣稱「市售黑糖抽檢，全部測出致癌物質丙烯醯胺」、2013年《商業週刊》宣稱「國內奶製品驗出違法動物用藥」等，不僅過度臆測，更造成了國人恐慌、經濟受挫。

當年的《柳葉刀》和《屠場》成功的揭開了食品業的黑暗面，讓食品產業往更進步、更安全方向前進，也間接讓歐美諸國逐漸脫胎成了現代國家。但數十年後，歐洲的食安領域遇到了一個比黑心廠商更強大、更邪惡的敵人，它只重視自己的利益，不僅忽視食品安全，更打壓了媒體和科學力量，引爆的災難最終延燒全世界，它就是——政府。

圖／wikipedia

究竟政府和政治操作對食品安全造成了怎樣的衝擊呢？敬請期待下一集的《英國和歐盟食安簡史（二）》。

• 註1：英國的維多利亞時代（Victorian era），時間大約是1830至1900年，長期的和平帶來高速的發展。此時的較為台灣人所知的人物為夏洛克·福爾摩斯、開膛手傑克等。

參考文獻

• [1] Hassall, Arthur Hill (1855) Food and its adulterations; comprising the reports of the Analytical sanitary commission of “The Lancet" for the years 1851 to 1854, London: Longman
• [2] Milo R. Maltbie (1898) The English Local Government Board, Political Science Quarterly, 13, 232-258
• [3] 魏秀春 (2011) 英国食品安全立法研究述评, 井冈山大学学报, 32, 122-130
• [4] Bee Wilson (2012) 美味詐欺：黑心食品三百年。八旗文化，中華民國

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用 GPS 觀測地殼變形

因斷層活動而無時無刻都在變化的地殼狀態，與地震、海嘯、山崩等現象的發生息息相關，因此「地殼變形」便成為了地震學家無法忽視的觀察標的，換句話說，地殼變動就像是地球在表露情緒一樣，不注意它可是會出大事的。那麼「地球的情緒測量師」又是在做哪些事？肩負了哪些任務呢？讓我們一起來看看吧！

地球情緒量測師──許雅儒

中研院地球科學所許雅儒研究員主要的研究項目，是利用全球衛星定位觀測系統 （GPS）、地震及井下應變儀觀測資料，綜合分析陸地及隱沒帶斷層在地震周期中不同時段之地表變形。簡言之，她是一位「地球情緒量測師」。

中研院地球科學所的許雅儒研究員。攝影／張語辰

談起踏入這一行的由來，許雅儒表示從碩士畢業後，起初其實沒有繼續進修打算；但在中研院地球科學所擔任研究助理期間，恰巧碰上了台灣地震史上的重大事件： 921 地震。親眼目睹了斷垣殘壁和慘重傷亡，許雅儒決定步上探索地球科學之路，深入探討那些災害背後的真正成因。於是，接下來的故事我們都知道了：她成為了地科研究員，成為了能看懂地球情緒起落的人。

今天地球心情如何？觀察「地殼變形」就知道

位於臺灣汐止的 GPS 固定觀測站。半圓形遮罩是為了避免蟲鳥、外力等因素造成天線損毀。　圖片來源／許雅儒提供

發生地震時，避難是當務之急，但地科所的研究員們最先想到的卻是：

全臺超過 400 個 GPS 固定觀測會往哪個方向位移？

GPS 觀測是經由衞星量測地表測站的座標位置，並加入時間變化數據計算位移速度，藉以推測地底斷層的活動情形。也因為它由衛星量測的特性，GPS 固定觀測站的設立位置需具備良好透空度（仰角 10° 以上無遮蔽物）、地質穩定、遠離電磁波干擾源等，臺灣目前設置有 400 多座GPS 固定觀測站，大抵沿著主要斷層帶擺放，與斷層垂直及平行方向皆有設置測站。

日常 GPS 導航的量測精度頂多是「公尺」，而 GPS 觀測地殼變形卻精準至「毫米」。

地球的板塊移動十分緩慢，一年僅移動幾毫米至幾十毫米，必須透過長時間的連續觀測以換取精度。研究員收集的資料，藉由觀測測站的位置隨時間之變化，取得測站的位移速度，反推出地下斷層的滑動情形（如下圖）。

分析全臺各地 GPS 測站的座標變化，得出 2003-2010 年間臺灣地區的地殼變動。　圖片來源／臺灣地震科學中心

以地殼變形最顯著的「地震」為例，平常測站會呈現長期、穩定的線性運動；而一旦發生地震時，時間序列上就會出現不連續的狀態（如下圖）。藉由計算地震震央附近測站的「位移量」，便可得知地殼何處出現變形，並推測斷層如何活動、滑移。

GPS 測站的座標時間序列。縱軸的 U 為垂直分量、 N 為南北分量、 E 為東西分量。線條錯開處為地震造成的不連續。　資料來源／許雅儒提供

臺灣位處隱沒帶、地震頻繁，地球的「情緒」時常在地表數十秒震動、板塊幾公分的移動間展露無遺。所以，地震正是觀測「地殼變形」的重要時機啊！研究員們當然第一個先想到的是「觀測」！

斷層滑移 ≠ 地震

講解「斷層滑移」之前，許雅儒表示我們應先建立一個觀念，才能正確的看到斷層活動的全貌：

了解斷層活動不能只看當下，因為斷層滑移歷史很長，可能長達數萬年。斷層活動是能量累積的結果。

我們對於「斷層滑移」的認知通常只想到地震；但其實斷層隨時都在累積、釋放能量，而其中伴隨地震的斷層滑移稱為「同震滑移」。

隨著板塊運動，地殼會不斷變形，而「地殼變形」分為兩種：「脆性」變形與「塑性」變形。上部地殼一般為脆性變形；下部地殼則因為有地球內部的溫壓，所以是塑性變形。上下部地殼也因為各自的變形特性，有不一樣的能量承接方式：上部地殼可以積聚能量，並承受下部地殼的推擠，當上部地殼承受不住便引發地震。舉例來說，若下層每年推進 5 公分，假設 100 年後地震能量才一次釋放，便會產生位移 5 公尺的地震。另一方面，下部地殼因為其質地宛如年糕，通常不會造成大地震。

知道地殼形變的種類與對能量的因應方式後，許雅儒說，接下來要注意的就是斷層滑移的「歷程」了。斷層滑移有三個階段──間震期、孕震期與震後期，如下圖：

同震滑移、震後滑移、間震期滑移，可描述斷層累積及釋放能量的歷程。　資料來源／Scholz, 1998

而這三個階段滑移事件如下：

間震期滑移：上部地殼沒有大地震發生，主要能量由深處斷層緩慢釋放的斷層滑移。

同震滑移：伴隨地震的斷層滑移稱為「同震滑移」。

震後滑移：若在同震滑移後，地殼能量未釋放完全，而於地震時產生破裂的周遭發生斷層潛移、慢慢釋放能量，稱為「震後滑移」。許雅儒說，通常潛移是一種緩慢釋放能量的方式，時間可能長達一、二年以上。不過震後滑移還是有可能引發較大餘震。

為了更了解地震滑移的特性，許雅儒近期也進行了「山崩」的研究。她說，研究斷層難度較高，因為斷層所在的位置很深層，訊號傳到地表已經很微弱了，反之，滑動特性和斷層活動有部分類似的山崩事件，卻因山坡滑動面淺，在地表就可以接收足夠的訊號以了解滑動行為隨時空如何演變，因此，研究山崩也許就能推測地震孕震的過程。

（編按：關於山崩的相關研究成果，讓許雅儒獲得 2017 年臺灣傑出女科學家「新秀獎」。）

陸地之外，藏在海底的地球脾氣

除了陸地觀測，隱沒帶海底斷層活動也是不容忽視的一環。

海底監測同樣透過 GPS 定位系統，不過因為衛星訊號無法穿透海水，所以必須同時使用聲波定位。觀測時，陸地的 GPS 站會先跟船的位置做一般 GPS 相對定位，船的位置再跟海床聲波回應器做聲波定位，由此得知海床聲波回應器相對陸地 GPS 站的位置及位移速度。

海床聲波回應器，將之放入海中。　圖片來源／許雅儒提供

許雅儒說，近年的研究成果顯示，隱沒帶的地震規模相當驚人，如較為人所知的 2004 年蘇門答臘地震與 2011 年日本 311 大地震。許雅儒在蘇門答臘隱沒帶的研究成果（註一），首次收集到了近海溝的 GPS 觀測資料，並且驗證了隱沒帶淺層有「速度強化」此一摩擦性質；亦即隨著斷層的滑動速度增加，其摩擦強度也隨之增加，並有顯著的「震後滑移」。

此外，臺灣的鄰近海域還有許多大型的隱沒帶海溝值得進行觀測，包括琉球海溝（長約 2200 公里）與馬尼拉海溝（長約 1100 公里）。她說，雖然自 16 世紀至今馬尼拉海溝未曾記錄到大規模的地震，但因為無法排除未來發生的可能，仍需持續監測；如同在 2004 年發生大地震之前，蘇門答臘也沒有相關紀錄，地震發生後斷層破裂卻超過 1000 公里。

臺灣位處歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊交界處，有可能發生隱沒帶大地震。周遭海域有二大主要海溝：琉球海溝、馬尼拉海溝。　圖片來源／許雅儒提供　圖說重製／張語辰

海床監測面對的障礙較多，相較於陸地監測可以隨時驅車前往測站；海床監測受限於臺灣研究船少，有時只能租用漁船出海。海床監測工作不僅要搶船期，還得避開海象洶湧的冬天與颱風季；這項工作一年出海二次，一次一星期，期間研究人員需要 24 小時輪班。而且海床監測的定位誤差比陸地監測大，所以監測海床更需要長時間的觀察，平均需要五、六年才能累積出研究成果。

海洋研究船、漁船的海床監測工作景象。　圖片來源／許雅儒提供

GPS 測站守護者的野外挑戰

各地的 GPS 測站肩負感測地球一舉一動的任務，而研究者的野外工作就是守護這些測站。許雅儒表示，海床聲波回應器可能會被海底泥流掩埋而失聯、難以回收，除非派機器手臂下潛維護。而陸地上的觀測站則容易遭雷擊損毀，在非常嚴重的情況下，一年會有三座測站遭損毀。

許雅儒的野外研究，始於中央大學應用地質研究所時期於南橫測站的工作經驗。她說，觀測站大多位於人煙稀少的地區，分為固定站和野外站。固定站每天都會回傳資料，野外站則靠研究者平均每年一到二次野外工作收集資料。觀測工作的主要內容乍看單純，不外乎設置腳架、量測、紀錄等，但在野外進行研究就是一場場的冒險，許多時候得學會砍草、劈樹、挖地等技能，才能找到測站點完成工作。

許雅儒與團隊前往宜蘭太平山野外觀測站，進行研究工作。　圖片來源／許雅儒提供

野外工作充滿各種出乎意外的時刻。許雅儒分享，有次劈草開路，不小心與草堆中的墳墓照片四目相交，瞬間背脊發涼。也曾發生野外測站所在處山路險峻，車子踩滿油門居然還是因為太陡峭往後滑。更甚者還包括，設置好的測站因學校整地而被掩埋，必須親自拿鏟翻掘。野外活動也免不了與蟲蟻過上幾招，許雅儒曾於菲律賓野外研究，但因站點偏遠，僅有零星住家燈火，因此必須架燈擺站；殊不知燈一架，蟲黑壓壓地鋪天蓋地趨光而來，一張口吸進不少隻，還外帶了幾隻回旅店。

許雅儒強調，觀測地殼變形對其實對預警災害有著實質貢獻。例如監測一路延伸至菲律賓的馬尼拉海溝的狀況，可以告訴我們這條海溝是否可能發生地震、從而引發海嘯；這項資訊對整個南海，包括印尼、馬來西亞、越南等東南亞國家都至關重要。而若馬尼拉海溝附近的斷層發生地震引發海嘯，因臺灣西部海岸海底深度較淺，海嘯放大後也機會對臺灣造成嚴重災情。

預測地震很難，但有正確防災概念就可以減少地震損害

地震與海嘯的破壞力固然讓人恐懼，但並不若諸多影視文本可怖。

電影都太誇張了，每次看都覺得導演很有想像力。

許雅儒笑著說，民眾對地震了解不夠深入，而地震電影也時常「誇大」地震形象；例如地表嚴重破裂會讓人直墜地心，根本是無稽之談。她轉而正色且科學地解釋：地殼的確會破裂，但隨著深度增加，岩壓就越大。所以不管地震時地殼發生了張裂或聚合，深度增加時岩壓也會變大，因此最終深處裂面都會閉合。人們對地震缺乏透徹了解，因而帶來了諸多錯誤的災難想像。

至於地震觀測研究是否能達成「預測」、減少傷害？她坦言：

地震預測難度很高，因為地震孕震週期長，目前對地震觀測頂多百年以內，但是地震周期可能長達千年，從小窗口看出去，難以窺其全貌。

許雅儒說，各種預測方法不同，目前可感測的程度也不同。目前科學面推測可能可從地球化學、地震活動度、電離層、地球磁場等方法著手，不過要達到有效預測，需要長期研究排除其它非地震因素可能造成的擾動，最終才可能達成目的。最常被謠傳的生物表現其實也還需要嚴謹的測試，才能知道引發鳥鳴、馬陸大規模逃出地面的唯一原因是不是地震。

「就像這棟樓不久前才測得傾斜 2 公分啊」許雅儒手指天花板表示，中研院地球所頂樓就有一個 GPS 測站，後方新建大樓挖地基，在尚未建造連續壁時，頂樓的測站資料顯示地球所向南傾斜 2 公分。她說，若不曉得測站附近正在施工興建大樓，可能會誤判為其它因素。

預測難度高，主要由於斷層訊號傳到地表都很微弱，必須排除很多不相關的因素，因此要判斷地震前兆還有一段艱辛的路要走。

然而，面對地震的風險，具備防災觀念可能比追求預測地震更加更重要。許雅儒說，預測或改善現有的預警系統都還在努力中，但要真正減少地震的損害，其實不如從小教育地震防災的正確觀念；如此災害來臨時，才能將傷害減至最低。舉例來說，在地震如此頻繁的地區，臺灣仍然並非家家戶戶都備有最簡單的地震包。

不只是紙上談兵的「地球情緒測量師」

「地球情緒量測師」的研究並不是只限於「紙上談兵」的基礎研究，更深具社會責任、對防災做出貢獻。運用現今的科學技術，善用 GPS 和其她方法覺察地球的情緒起伏，雖仍不足以全面「預測」地震的發生，卻已能掌握地殼如何變形及斷層活動的情形。她也將量測方法、研究方法應用至了解滑坡、降雨及地下水位之關聯（註二），藉以瞭解大規模崩塌潛勢區域之滑坡活動，供防災與避難疏散之用等等。

在訪談最末，因為想到正身處傾斜的中研院地球所之中，我的眼神似乎透露出「傾斜 2 公分頗嚴重」的訊息，許雅儒連忙笑說：「還好啦，已經建造連續壁，不會再傾斜了」。對這件事的輕描淡寫不是忽視，而是許雅儒長期觀測地殼變形培養而來的淡定；「地球情緒量測師」慣於感測隨時隨地都在變動的地球情緒，靠的是正是準確定位、細心觀察、再下結論的紮實研究功夫。

延伸閱讀

• 許雅儒的個人網頁
• 【演講影片】隱沒帶大地震與海嘯，講者：許雅儒
• 《科學月刊》在熱誠之中追尋人生理想－許雅儒專訪
• 2017 年臺灣傑出女科學家獎－「新秀獎」得主許雅儒簡介
• （註一） Hsu, Y. J.*, M. Simons, J.-P. Avouac, J. Galetzka, K. Sieh, M, Chlieh, D. Natawidjaja, L. Prawirodirdjo and Y. Bock (2006), Frictional afterslip following the Mw 8.7, 2005 Nias-Simeulue earthquake, Sumatra, Science, 312, 1921-1926.
• （註一） Briggs, R. W., K. Sieh, A. J., Meltzner, D. Natawidjaja, J. Galetzka, B. Suwargadi , Y. J. Hsu, M. Simons, N. Hananto, I. Suprihanto, D. Prayudi, J.-P. Avouac, L. Prawirodirdjo, and Y. Bock (2006), Deformation and slip along the Sunda megathrust in the great 2005 Nias-Simeulue earthquake, Science, 311, 1897-1901.
• （註二） Hsu, Y. J.*, Y. S. Chang, C. C. Liu, H. M. Lee, A. T. Linde, S. I. Sacks, G. Kitagawa, and Y. G. Chen (2015), Revisiting borehole strain, typhoons, and slow earthquakes using quantitative estimates of precipitation induced strain changes, J. Geophys. Res., 120.
• （註二） Hsu, Y. J.*, R. F. Chen, C. W., Lin, H. Y. Chen, and S. B. Yu (2014), Seasonal, long-term, and short-term deformation in the Central Range of Taiwan induced by landslides, Geology, 42, 991-994.
• Chen, Horng-Yue, Ryoya Ikuta, Cheng-Horng Lin, Ya-Ju Hsu, Takeru Kohmi, Chau-Chang Wang, Shui-Beih Yu, Yoko Tu, Toshiaki Tsujii, Masataka Ando (2018), Back-Arc Opening in the Western End of the Okinawa Trough Revealed From GNSS/Acoustic Measurements, Geophysical Research Letters, 45(1), 137-145.
• Wu, W. N., Y. T. Yen, Y. J. Hsu, and W. M. Wu (2017), Spatial variation of seismogenic depths of crustal earthquakes in the Taiwan region: implications for seismic hazard assessment. Tectonophysics, 708, 81-95.
• Hsu, Y. J.*, S. B. Yu, J. Loveless, T. Bacolcol, R. Solidum, A. Luis Jr, A. Pelicano, and J. Woessner. (2016), Interseismic deformation and moment deficit along the Manila subduction zone and the Philippine fault system, J. Geophys. Res., 121, 7639–7665.

本著作由研之有物製作，原文為《地球情緒量測師 許雅儒》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位

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