科學月刊試閱版 2022-7月號 631期-永續發展ft.基礎科學

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631 2022 7 月號

科學家

的基礎研

基礎 科學促進永

焦點評論

「2050淨零轉型」

究, 能為從今往後的 人類

能帶領臺灣走向永續未來嗎?

什麼 來 帶 球 和地

續發展國 際年特輯

科學新知

經典專欄

多行星系統就藏身在地球旁

如何防止惱人的蚊子叮咬?

其實我們不孤單?

炎炎夏日到來,

NT$249 ISSN:0250-331X

9

770250

331001

07



Contents 封面故事引言

根基在基礎科學的 永續發展

2022 JULY 631 期

08 10

封面故事 1

基礎科學促進永續發展國際年 李依庭、張樂妍

封面故事 2

誰說基礎科學沒有用? 幫助永續農業、減碳、能源 應用的基礎研究

14 20

採訪撰稿|羅億庭

封面故事 3

基礎科學 如何幫助我們控制疫情? 採訪撰稿|張樂妍

封面故事 4

綠色材料也有汙染問題? 材料的永續使用與挑戰 王潔、許惠晴

封面說說話

以植物的生長過程——「播種、發芽、長 葉、開花」,比喻基礎科學從最初的假設到

26 32

封面故事 5

迎接能源新挑戰! 以永續能源邁向淨零碳排 李昱碩、古浩銓、游文岳

找出研究成果。畫面中間是基礎科學穩固 的樹根,向上發展成為實際的應用並幫助 人類達成 17 項永續發展目標。

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Contents-2

填問卷.拿新書

News Focus

4 5 6 7

能快速檢驗農藥的奈米偵測器/用化學合成的方式重現醬油

整填寫讀者問卷調查,就有機會

古代長頸鹿也用脖子打架?/象牙化石訴說一萬年前的遷徙故事

騙局》。

利用「三隻腳」攀爬的鸚鵡/最接近地球的多行星系統 為什麼海王星比天王星「藍」?

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50 54

問 卷 內 容 請 至 reurl.cc/55y59v 否則將喪失抽獎資格。

臺灣 30 年的淨零之路能導向永續未來嗎?/廖英凱

獲獎名單將於 2022 年 8 月 5 日

之 前 公 布 於《 科 學 月 刊 》 網 站 (www.scimonth.com.tw)。

馬兜鈴屬/植業病

數不勝數:懸賞 3000 美元的數學難題

幸福結局問題與匈牙利數學奇才艾狄胥 /張鎮華 格物致知:科學家如何找到黑體輻射光譜、 引發 20 世紀初的量子革命?/賴昭正

60

生生不息:用人工血液讓蚊子飽餐一頓?

66

潛移默化:臺劇《茶金》中的「黑肥」是什麼?

72

獲得寶鼎出版的新書《比特幣大

或掃描 QR code,並詳實填寫,

思辨之評

42

只要於 2022 年 7 月 31 日前,完

reurl.cc/55y59v

找出有效的防蚊策略!/羅怡珮

認識幫助植物生長的化學肥料/曾雯郁、賴鴻裕

物換星移:預測颱風的白色精靈?暴風中的波浪與白帽觀測/林芸安、錢樺

青年尬科學

76

78

打破男性主導的思維,原來陰莖遠不只是武器?/曾文宣

《比特幣大騙局》

創刊於 1970 年

本期為第五十三卷第七期

第 631 期

發行於 2022 年 7 月

中華郵政北台字第 0677 號執照登記為雜誌類交寄 行政院新聞局版台誌第 0934 號

科學月刊社

地址:106013 臺北市大安區羅斯福路三段 77 號 7 樓 電話:(02)2363-4910

傳真:(02)2363-5999

網址:www.scimonth.com.tw

電郵:scimonth@scimonth.one

圖文版權有任何疑慮請洽編輯部,廣告刊登及雜誌訂閱請洽業務部。本刊所刊登文章內容皆為版權所有,非經本刊同意不得作任何形式的轉載或複製。

2

科學月刊

2022.7

製版印刷:赫偉有限公司 總經銷 : 聯華書報社


臺北市科學出版事業基金會 董事長:劉源俊

走進編輯室

事:于宏燦

朱慶琪

邱韻如

林翰佐

問:王文竹

周成功

林基興

郝玲妮

胡維平 高涌泉

高甫仁 羅時成

曾耀寰

聯合國將今(2022)年訂為基礎科學促進永續發展國際年(IYBSSD)。相信有許多

蔡孟利

讀者也跟我當初聽到時的反應一樣滿頭問號?即使上官網看完簡介仍是一知半解, 翻了翻中文網頁也沒有相關介紹。但既然聯合國特地成立了此國際年,想必認為它

出版者:科學月刊社

對人類的未來有一定的重要性。所以,這期的《科學月刊》除了為讀者統整、介紹

理事會

理事長:蔡孟利 理

事:曲建仲 邱韻如

于宏燦 紀延平

朱慶琪

國際基礎科學永續發展年的緣起與目標,更採訪臺灣多位學者,一同來聊聊基礎科

曾耀寰

林翰佐

學對永續發展的影響。話不多說,繼續看下去就對了!

蔡政修

執行總監:趙軒翎

副總編輯

李依庭

編輯部

總編輯:林翰佐

副總編輯:趙軒翎

李依庭

李志昌

李精益

編輯委員:王文竹

林秀玉 金必耀 倪簡白 張敏娟

陳藹然

程一駿

楊正澤

劉宗平

鄭宇君

嚴如玉

曲建仲

江建勳

林宮玄

邱韻如

金升光

1. 聚合酶連鎖反應(PCR)與它的產物重量

張大釗

(template)進行複製,每反應一次倍

門立中 高啟明 陳妙嫻

單維彰

程樹德

葉李華

蔡兆陽

鄭運鴻

嚴宏洋

阮明淑 紀延平 高憲章 陳彥榮

景鴻鑫

黃正球

廖英凱

蔡孟利

鄭宜帆

蘇逸平

周鑑恆 范賢娟 陳鎮東

曾耀寰

黃相輔

管永恕

蔡振家

韓德生

編輯顧問:王明蘅

古宏海

朱麗麗

吳明進

洪裕宏

胡進錕

孫維新

吳家誠 張勝祺 曾惠中 魏耀揮

輯:羅億庭

美術編輯:黃琳琇

2. 608 期第 39 頁的亞佛加厥常數(6.02x1024)更正為(6.02x1023)。此外,為了使讀者更瞭解 Ct 值的概念,我們

王伯昌

周延鑫 陳文屏 楊玉齡 蘇益仁

張樂妍

周榮泉 陳章波 劉仲康 蘇振隆

洪萬生

將修正後的計算及解說以圖文方式呈現。

PCR 是以目標核酸中的特定區域為模板

增一倍,產物稱為擴增子(amplicon), 理 想 的 情 況 下 會 以 對 數 成 長。 在 定 量 聚 合 酶 連 鎖 反 應(qPCR)檢 測 上

一 般 設 計 為 約 150 鹼 基 對(bp), 若

以 核 酸 平 均 分 子 量 330 g/mol 估 算, 一 條 雙 股 DNA 的 擴 增 子 重 量 應 該 在

(330×2×150)/6.02×10 23, 約 等 於

100000/ 亞佛加厥數。

陳國成 駱尚廉

業務部

業務專員:廖本翔

整合行銷專員:林承勳 財務顧問:江旻壕

2. qPCR 的靈敏度

q-PCR 的原理是利用螢光檢測方式偵測擴增

子數量。當達到一定數量時,始可被儀器所 偵測,此「明確突破背景值」的時間點(反 應循環數)就是讀者所熟知的循環數閾值

(threshold cycle, Ct 值)。不過,Ct 值的「決 定」取決於對反應曲線的整體判斷,並非一

個固定不變的螢光強度量。而 qPCR 的機器 靈敏度則涉及所用的 DNA 螢光染劑與機器特 性。原文中 SYBR 染劑的靈敏度訂為 60 皮克

(pg),則是將機器偵測極限視為一同。 3. 計算

《科學月刊》勘誤 1. 630 期的封面故事前情提要,提到推崇直流電 的愛迪生在美國「加州門洛帕克」的實驗所, 更正為美國「紐澤西州門羅公園」的實驗所。

病毒數 × 一條雙股 DNA 擴增子重量 ×237.38= 60×10-12 克

(每顆病毒提供一套 RNA,核酸完整率設為 100%)(100000/ 亞佛加蕨數)(假設每次反應的擴增子生成率為 100%)

Ct 值 37.38 的樣本,病毒數大概是多少?計算公式如上。讀者會發現依照公式推算,當 Ct=35 以上時病毒數算出來

都小於 1。不過 PCR 在實務上反應其實不會達 100%(擴增子產出會比較接近 1.X37.38),所以若把上面的設定進行調

整後會發現算出來的結果差異很大。不過基本上,Ct 值 37.38 仍意味著原始樣本中的病毒數確實很低。 以上錯誤謹向各位讀者致歉

科學月刊編輯部 敬上

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NEWS FOCUS

(123RF)

(123RF)

能快速檢驗農藥的 用化學合成的方式 奈米偵測器 重現醬油 近年來許多科學家持續研發奈米級的偵測器(nano-

醬油可說是一款居家必備調味料,不過它嚐起來為

月,瑞典卡羅林斯卡學院(Karolinska Institutet)的

和胜肽(peptides),可能就是使它風味獨特的關鍵。

sensor),以偵測和辨識微量物質。今(2022)年 6

研究人員開發出的微型偵測器,甚至可以在短短幾 方鐘內偵測出水果上有無農藥分子。

這項偵測器利用銀奈米粒子和火焰噴塗技術,製

成 表 面 增 強 拉 曼 散 射(Surface-enhanced Raman scattering, SERS)薄膜,增強偵測化學信號的能力,

成本不高又可以重複利用。只要用棉花棒沾取水果 表面,再放入能溶解農藥成分的溶液中,偵測器就 可以在五分鐘內偵測到液體中微量的農藥分子。

偵測器目前剛完成實驗室內的開發階段,除了食品 安全和農藥檢測之外,研究人員也希望未來可以將 偵測器應用在更多領域,例如偵測環境中的病原體。

什麼甜甜鹹鹹?科學家在醬油中發現了多種蛋白質 對科學家來說,解密醬油這類發酵食品特別具有挑 戰性,因為在發酵過程中往往會牽涉到蛋白質與有 機化合物被微生物分解的複雜過程,因此很難用化 學合成的方式重現醬油。

來自德國慕尼黑工業大學(Technical University of Munich)的研究團隊在嘗試製造醬油的過程中,首

先加入幾種已知與醬油風味有關的化合物,發現做 出來的產品和一般醬油不同,居然一點都不鹹。後

續他們使用各種化學與味道分析方法,終於找到了 能增強醬油鹹味與其他風味的物質⸺經過脯胺酸 修飾的雙肽(proline-modified dipeptides)。藉由這

種化學合成方式做出的醬油,未來或許可以幫助業 者調整醬油中理想的化合物比例,增添產品風味。

Haipeng Li et al., SERS Hotspot Engineering by Aerosol Self-Assembly

Manon Jünger et al., Sensoproteomic Discovery of Taste-Modulating

Advanced Science, (2201133), 2022.

Food Chemistry, Vol.70(21): 6503–6518, 2022.

of Plasmonic Ag Nanoaggregates with Tunable Interparticle Distance,

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Peptides and Taste Re-engineering of Soy Sauce, Journal of Agricultural and


(Charles James Sharp, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons)

(123RF)

利用「三隻腳」 攀爬的鸚鵡

最接近地球的 多行星系統

地球上未曾存在奇數附肢的脊椎動物,不過卻有些

美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of

鸚鵡在爬行時經常使用鳥喙作為支撐點,而科學家

新的多行星系統,距離地球只有 33 光年,是目前已

動物依舊演化出奇數步態的移動方式,例如鸚鵡。

證明了桃臉情侶鸚鵡(Agapornis roseicollis)的鳥喙 在攀爬時的推進力,其實相當於後肢。

一篇發表於《皇家學會報告》 (Proceedings of the Royal

Society B: Biological Sciences)的生物力學研究表示, 桃臉情侶鸚鵡在攀爬時會呈現週期性的三足步態

(tripedal gaits),輪流使用兩隻腳和鳥喙移動,而 且鳥喙產生的推進力相當於鸚鵡的腳。和人類等靈 長類垂直攀爬時相比,鳥喙的推進力甚至相對大於 靈長類的雙手。

科學家推測,鸚鵡鳥喙和頸部肌肉可能已經發展出 攀爬前進時的「第三隻腳」。

Melody W. Young et al., Overcoming a 'forbidden phenotype': the parrot's head supports, propels and powers tripedal locomotion, Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, Vol. 289(1975): 20220245, 2022.

知最接近地球的多行星系統之一。這個系統被天文 學家認為非常具有研究價值,因為觀測到的行星亮 度顯示它們可能擁有大氣層。

他們目前在系統中找到兩個大小和地球相當,但溫 度過高、可能不存在液態水的行星。不過此系統中

心的恆星屬於較低溫的紅矮星(M dwarfs),周圍環

繞的行星可能擁有大氣層,讓科學家們迫不及待地 想探索大氣中的物質,期望發現這些行星上的揮發 性物質、水,甚至是物種。

天文學家們表示,一個多行星系統通常擁有五、六

個行星,因此他們也期望之後可以找到系統中更多 的行星。如果可以從這麼近的行星系統中再發現其

NEWS FOCUS

特殊的神經肌肉系統,讓鸚鵡增強頸部肌肉,作為

Technology, MIT)的天文學家們在銀河系附近發現

他行星,或許有可能找到下一個人類可居住的星球。 Jennifer Chu, Astronomers discover a multiplanet system nearby, MIT News, 2022/6/15.

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COVER STORY

根基在基礎科學的 永續發展 3

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基礎科學(fundamental science),又稱基礎研究(basic research),主 要是研究自然界所有事物與作用之間的相互關係,並透過觀察、實驗得到 可能的證據或理論。相較於將知識應用到實際問題上的應用科學,基礎科 學則是出自於科學家對自然現象的好奇心或為理解某現象所做的研究。 1987 年,世界環境與發展委員會(World Commission on Environment and Development, WCED)在《我們共同的未來》(Our Common Future) 報告中提及,「永續發展(sustainable development)是一發展模式,既 能滿足我們現今的需求,同時又不損及後代子孫滿足他們的需求」。 2015 年,聯合國就此定義,提出 17 項永續發展目標(sustainable development goals, SDGs),期望世界各國在追求經濟發展之餘,也能維護地球環境。 去(2021)年 12 月,聯合國(United Nations, UN)通過一項決議,宣布 2022 年為「基礎科學促進永續發展國際年」(IYBSSD),藉此強調基礎科 學對於永續發展的重要性。 基礎科學為什麼如此重要?在永續發展的推動中,它扮演著什麼角色?如果 沒有基礎科學,永續發展會遭受哪些阻礙?

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封面 故事

1

基礎科學促進永續 發展國際年

基礎科學促進永續發展國際年的 標誌設計。

(Bibliophilen, CC BY-SA 4.0, Wikipedia)

李依庭 撰 稿

本刊副總編輯。

張樂妍 我們需要基礎科學拯

撰 稿

救食蛇龜跟穿山甲。 本刊編輯。

一個結合基礎科學和永續發展的國際年

聯合國大會(United Nations General Assembly)

的 六 個 國 際 科 學 年: 世 界 物 理 年(World Year of

2030),並詳列 17 項永續發展目標(sustainable

Year of Planet Earth, IYPE 2008)、全球天文年

育、刺激經濟成長、環境保護、能源發展等需要

國際化學年(International Year of Chemistry,

在 2015 年討論出《2030 年永續發展議程》(Agenda development goals, SDGs),包含改善健康和教

Physics, WYP 2005)、國際地球年(International

(International Year of Astronomy, IYA 2009)、

所有國家共同解決的全球性問題。於是,聯合國教

IYC 2011)、國際結晶學年(International Year

and Cultural Organization, UNESCO)在 2017

(International Year of Light and of Light-Based

Sciences Programme, IBSP) 的 科 學 委 員 會 會

用 物 理 學 聯 合 會(International Union of Pure

科 文 組 織(United Nations Educational, Scientific 年 舉 行 國 際 基 礎 科 學 計 畫(International Basic

10

議,並在會議中回顧了 2005 ~ 2015 年間所舉辦

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of Crystallography, IYCr 2014)、國際光之年 Technologies, IYL 2015)。 當 時, 國 際 純 粹 與 應


封 面 故 事

and Applied Physics, IUPAP)主席斯皮羅(Michel Spiro)在會議上提議,接下來可以結合基礎科學 和永續發展、訂定相關國際年,並動員所有研究基

礎科學的科學家,展現出基礎科學對實現永續發展 目標的貢獻和重要性。斯皮羅建議,這個國際年

應該要訂在 2030 年之前,也就是在推動永續發展

的期間舉行。他更進一步提出應該將此國際年訂 在 2022 年,因為 2022 年是兩個重要的國際科學

聯 盟 ⸺IUPAP 和 國 際 數 學 聯 盟(International

Mathematical Union, IMU)成立的 100 週年。

斯皮羅提出的這項倡議隨即受到出席本次會議的各

個國際協會熱烈響應,包括 IMU、國際純化學和應

用化學聯合會(International Union of Pure and

Applied Chemistry, IUPAC)、國際生物科學聯合

會(International Union of Biological Sciences, IUBS)、國際天文學聯合會(International Astronomical

Union, IAU) 。再加上國際科學理事會(International

Science Council)、歐洲核子研究組織(European

Organization for Nuclear Research, CREN)、 歐 洲物理協會(European Physical Society)等 國 際 組織都贊同此項倡議,於是在全球多個組織和單

1

根基於基礎科學的永續發展

基礎科學促進永續發展國際年的重點,將著重在這 些由好奇心驅動的基礎研究如何確保全人類的健 康、克服飢餓、應對氣候變化、保護陸地和海洋生

物多樣性,以及增進世界和平發展。此外,也期望

能讓各個領域的研究人員有機會向社會大眾展示基 礎科學的最新進展,進一步讓政府或民間支持基礎

科學的發展,特別是在世界上某些基礎科學研究仍 然不完善的地區。

聯合國大會強調,全世界都需要更多的基礎科學研 究來實現永續發展目標,所以今年國際科學理事會

也募集了一億美元的資金來加速基礎科學的推廣和 努力。也有許多國家已承諾將 1%、甚至 3%的國內

生產總額(gross domestic product, GDP)用於資 助研發項目,且部分的案例同樣顯示這些經費最終 將能夠促進該國的經濟發展,以及它們在國際的影 響力;但聯合國也表示,事實上大多數國家都離它

們的目標還很遙遠。即使許多人都認同基礎科學的 重要性,但如何強化基礎科學研究的深度、落實基 礎科學研究根基仍是一大難題。

位 的 支 持 下,IUPAP 於 2019 年 10 月 向 聯 合 國 教

因此,聯合國大會期望邀請世界各國在共同努力實

組 織 也 在 同 年 11 月 的 大 會 中 通 過 了 該 決 議。 儘

今年 1 月 1 日至明(2023)年 6 月 30 日這為期一年

科文組織提出設立國際年的決議,聯合國教科文 管此計畫因為隨後在全球爆發的嚴重特殊傳染性

肺炎(COVID-19)而有所延誤,不過最終還是在

去(2021) 年 12 月 的 聯 合 國 大 會 中 宣 布, 將 今 (2022)年訂定為「基礎科學促進永續發展國際 年」(The International Year of Basic Sciences for

Sustainable Development, IYBSSD 2022)。 開 幕 式和相關會議也預計在今年 7 月 8 日於法國巴黎的

聯合國教科文組織總部舉行。

現永續目標之餘,也不忘積極投入基礎科學研究。

多的時間裡,全球任何組織或團體都能向聯合國提 出與基礎科學和永續發展相關的活動計畫。希望透 過一系列活動推廣基礎科學在永續發展目標中的重 要性、促進科學家之間的合作關係、鼓勵社會大眾

對基礎科學的參與、加強基礎科學教育、規定基礎

科學經費在國家生產總額中的比例、開放科學研究 成果,讓全世界運用更有成效的方式迎接全球性的 挑戰,並實現永續發展目標。

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封面 故事

誰說基礎科學沒有用?

幫助永續農業、減碳、 能源應用的基礎研究 Take Home Message • 在永續農業方面,針對硝酸鹽轉運蛋白的基礎研究,能增加植 物的生長效率。而在土壤中添加微生物,可以抑制作物病害、 降解土壤中殘留農藥。此外,以「酵素」取代製成堆肥的方法, 則能成功縮短將製造堆肥的時間。 • 透過生物化學的方式設計出「人工固碳循環途徑」,此循環中 間產物是許多化學物質的先驅物;以「單原子三價鐵」作為催 化劑,能將二氧化碳轉化成一氧化碳作為工業原料使用。能源 應用則是先用能量打斷「甲烷」的碳氫鍵,將甲烷變為碳加上 氫氣,就可燃燒氫氣發電。 • 許多研究者都認為,基礎科學就是所有科學的根本。在基礎科 學打好底,才能夠找到真正的創新之處,應用端也能更強大。

羅億庭 採訪 撰稿

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做不了研究只好少開冷氣 減碳,本刊編輯。


封 面 故 事

受訪者介紹

(依姓氏筆畫排序)

中研院院長廖俊智研究團隊、中

中興大學植物病理學系教授,研

研院生化所研究人員,以合成生

究開發保護植物健康的微生物資

物學設計代謝途徑,增加固碳速

林柏亨

度、減少生物反應碳排。 (林柏亨提供)

材,探討相關的學理機制。

黃姿碧

授、中研院生命科學組院士,研

熱電學會理事長,專長在低溫物

究方向為微生物肥料、有機廢棄

理、奈米科學、再生能源。

陳浩銘

(陳洋元提供)

(黃姿碧提供)

中興大學土壤環境科學系講座教

中研院物理研究所研究員、臺灣

陳洋元

2

楊秋忠

物處理、植物與土壤肥料關係。 (楊秋忠提供)

臺灣大學化學系教授,致力於發

中研院分生所特聘研究員、美國

展固液介面臨場光譜分析技術與

國家科學院國際院士,因熱愛大

二氧化碳還原系統。

自然投入植物學研究。

(陳浩銘提供)

蔡宜芳

(蔡宜芳提供)

在看文章前,想先問問你對於「基礎科學」的想像

升溫在1.5℃內」已經是個無法忽視的目標。那該如

在科學研究的「應用端」,似乎比較難理解基礎科

演了相當重要的角色。現在我們就一同來看臺灣科

是什麼?在現今的臺灣社會中,民眾大多將焦點擺 學研究為什麼重要。

隨著全球暖化的議題逐步受到世人所矚目,無論

何達成這些目標?其實,基礎科學研究在這之中扮 學家如何在生物、化學、物理等基礎科學領域中, 找到新方法減少碳排以達到環境永續。

是 在 去(2021)年 第 26 屆 聯 合 國 氣 候 變 遷 大 會

當基礎科學碰上永續農業

Climate Pact),或聯合國政府間氣候變化專門委員

存,為了維持土地的生產力、創造農業資源的循環

(COP26)中簽署的《格拉斯哥氣候公約》(Glasgow 會(Intergovernmental Panel on Climate Change,

IPCC)發布的報告都顯示,「減少碳排、控制全球

「民以食為天」,食物可說是緊緊牽動著人類的生 發展,各種不同面向的永續農業生產方法紛紛被提 出。像是精準施肥與減少化學肥料的應用、維持土

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封面 故事

基礎科學 如何幫助我們控制疫情? Take Home Message • 臺灣各領域的科學家們因 2019 新型冠狀病毒來襲,立即著手 各項基礎研究。陶秘華參與的中研院 mRNA ALPHA 計畫完成 mRNA 疫苗技術的建立;梁博煌建立 FRET、篩選病毒蛋白酶 抑制劑藥物;張筱涵建立預測 SARS-CoV-2 傳播的數學模型。 • 由於病毒的危險性和新技術的未知性,將基礎研究導向實際 應用的嚴謹程序才尤其困難,也最為重要。 • 基礎科學就像所有研究的根基,而所有基礎研究都可能成為 下一個創新應用的契機。正因為臺灣在基礎科學奠定的研究 實力,才可以在病毒散播至臺灣前就展開研究行動、防堵疫 情擴散。

張樂妍 若沒有科學家們研究生態,

採訪 撰稿

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我們不會發現氣候變遷帶來 眾多影響,本刊編輯。


3

封 面 故 事

受訪者介紹 (陶

(依姓氏筆畫排序) (梁

(張

提 供)

供)

供)

陶 秘華

梁博煌

張筱涵

中研院生醫所研究員,

中研院生化所研究員,

清華大學生資所助

研究重點為免疫治療、

合聘臺灣大學生化科學

理教授,研究病原

基因治療、疫苗的創新

所教授,專長為酵素及

體演化與傳播。

性技術開發。

藥物研究。

讓我們將時間從今(2022)年倒轉至兩年多前:

病毒載體使小鼠成功攜帶人類血管收縮素轉化酶 2

案例;2020 年初,世界衛生組織(World Health

enzyme 2, hACE-2),在短短一個月內順利建立能

冠狀病毒(SARS-CoV-2)。接著病毒快速擴散至全

技公司展開疫苗和藥物開發。陶秘華也緊接著投入

2019 年年底,中國武漢傳出不明原因的肺炎感染

Organization, WHO)公布了感染源⸺2019 新型 球,並造成嚴重傷亡。當中國研究機構向世界公布 病毒的基因序列,全世界、包括臺灣的科學家們隨

病 毒 受 體 分 子(human angiotensin-converting

感染新冠病毒的小鼠模型,協助臺灣研究機構和生 下個階段的研究⸺mRNA 疫苗開發計畫。

即如火如荼地展開行動。

雖然疫苗相關研究已有 140 餘年歷史,但以往的

結合基礎科學的 mRNA 疫苗

(chickenpox)疫苗就耗費 42 年,肝炎(hepatitis)

家們知道,研究工作的展開刻不容緩。尤其在獲得

嚴峻,死亡人數不停攀升,疫苗的開發刻不容緩。

虐臺灣的 SARS 病毒(SARS-CoV)同樣為冠狀病毒

mRNA)疫苗技術開始受到各國關注,美國、德國

迅速爆發的肺炎疫情和病毒的嚴重致命風險讓科學 病 毒 的 基 因 序 列、 得 知 SARS-CoV-2 與 2003 年 肆

(coronavirus),且基因序列極為相似,病毒相關 特性可能和 SARS 病毒非常相像時,臺灣各領域的 科學家們立刻開啟一連串研究計畫。

當時,中央研究院(簡稱中研院)隨即籌組「中央 研究院新冠病毒計畫任務編組」,而任職於中研院

生醫所和生醫轉譯中心的研究員陶秘華,也利用腺

傳統疫苗技術仍需要多年的開發時間,例如水痘

疫苗則開發 16 年才完成。可是隨著全球新冠疫情

此時,研發中的信使核糖核酸(messenger RNA,

也陸續開發出 mRNA 新冠疫苗。

中研院也在 2020 年 12 月著手 mRNA 疫苗的開發:

mRNA ALPHA 計畫。雖然臺灣的學術界和產業界 沒有 mRNA 疫苗的開發經驗,但藉由參閱文獻,

加上中研院過去累積的基礎科學研究實力,從 DNA

模 板 的 設 計 製 作、mRNA 的 體 外 轉 錄(in vitro

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顯 影

以馬兜鈴屬植物為食草的黃裳鳳蝶幼蟲。

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顯 影

Aristolochia

馬兜鈴屬 圖.文|植業病 @ plantsholic

(Facebook 粉絲專頁) 掃描 QR code, 追蹤植業病吧!

某些昆蟲會以特定的植物為食,而這類植 物就被稱為「食草」,所以要找到那些昆 蟲,必須要先到牠們的食草旁守株待兔, 飼養這些昆蟲時則需要提供某些食草。這 也讓許多人因為昆蟲而認識植物,如臺 灣可見的大紅紋鳳蝶(Byasa polyeuctes termessus)、 小 紅 紋 鳳 蝶(Pachliopta aristolochiae interpositus)、臺灣麝香 鳳蝶(Byasa impediens febanus)、黃 裳鳳蝶(Troides aeacus formosanus)、 曙鳳蝶(Atrophaneura horishana)等鳳 蝶幼蟲,皆以馬兜鈴屬植物為食草。

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顯 影

馬兜鈴屬植物大多為主莖纏繞的藤本植物,中文被命 名為馬兜鈴其實是因為它的果實形似馬兒脖子上的鈴 鐺。此外,馬兜鈴花長得也有點像食肉植物「豬籠草」 (Nepenthes spp.),但是它不像豬籠草會分泌消化

臺灣馬兜鈴的果實為橢圓球 形 的 蒴 果(capsule), 蒴 果

是指由數個心皮合生的複數 雌蕊所發育而成的果實,而 果實成熟後會自然開裂。

液、分解獵物以獲得營養,而是另外有個小心機—— 雌蕊成熟時產生的濃厚臭味會吸引昆蟲,而昆蟲鑽進 花被筒(perianth tube)中就掉入馬兜鈴的陷阱!因 為馬兜鈴花被筒內側邊緣具有逆向的毛,使昆蟲只能 進不能出。馬兜鈴需要這些昆蟲幫忙授粉,所以不會 「殺蟲滅口」,反而提供牠們花蜜等美食饗宴,待昆 蟲吃飽喝足後雄蕊也逐漸成熟,花被筒開始萎凋,昆 蟲才能脫逃而出,並攜帶著花粉到達下一朵氣味濃厚 的花朵,藉此達成馬兜鈴的授粉策略。 馬兜鈴植物中還含有類萜(terpenoids)和馬兜鈴酸 衍生物(aristolochic acid derivatives)等有機化合物, 過去常被當作中藥材使用,它的莖葉被稱為「天仙 藤」、果實被稱為「馬兜鈴」,根則被稱為「青木香」。 但由於在世界各地陸續有食用馬兜鈴後出現腎衰竭的 事件發生,所以臺灣行政院衛服部中醫藥委員會(現 為衛生福利部中醫藥司)自 2003 年 11 月起全面禁用 廣防己、青木香、關木通、馬兜鈴、天仙藤等五種 含馬兜鈴酸的中藥。不過馬兜鈴的毒性反而成為 鳳蝶幼蟲的防禦機制,因為捕食者知道他們體 內具有長期累積的毒素,所以我們還是將馬 兜鈴留給鳳蝶的幼蟲食用吧!

港口馬兜鈴(Aristolochia zollingeriana)的花被筒

先 端 呈 二 裂, 基 部 膨 大 成囊狀。

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顯 影

臺灣馬兜鈴(Aristolochia shimadai) 花被筒先端呈三裂、暗紫色, 喉部則是黃色。

港口馬兜鈴的種子具有環生的薄膜 翅,可藉由風力傳播。

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專欄文章

用人工血液讓蚊子飽餐一頓? 找出有效的防蚊策略! Take Home Message • 雌蚊可藉由溫度、視覺、二氧化碳、皮膚表面的乳酸定位宿主,於是科學 家便針對蚊子的吸血特性進行防蚊測試實驗。 • 植物精油具有空間忌避效果的防蚊作用,但在空間忌避實驗發現蚊子可忍 羅怡珮

嘉南藥理大學生物科技系教

授,研究環境衛生害蟲的防 治技術,開發蚊子及臺灣鋏 蠓人工餵血技術。

受刺激並先吸血飽餐,導致精油和防蚊貼等產品的驅避效果較不理想。 • 接觸型防蚊液與蚊蟲氣味受體神經元的受體蛋白結合後會干擾昆蟲感官訊 號,發揮防蚊的效果。為了降低在研發防蚊液時的染病風險,利用人工餵 血裝置可以更順利地執行吸血昆蟲研究。

蚊子除了叮咬造成搔癢外,也是瘧疾、絲蟲病、西

蟲,雌蚊將卵產在水中,讓孵化的幼蟲於水裡發育,

傳染病的媒介昆蟲,而氣候變遷和全球化更加劇了

面,就是我們日常中看到的蚊子。雌蚊與雄蚊交配

尼羅熱、茲卡病毒、登革熱、日本腦炎、黃熱病等 蚊媒疾病的問題及威脅,因此防蚊的措施顯得格外

重要。使用防蚊產品、含藥蚊帳的物理性屏障、噴

灑殺蟲劑、清除孳生源、衛生教育、發動社區參與 等,都是目前蚊蟲綜合防治普遍採行的策略。不過

你知道這些防蚊措施如何被研究、其中又應用了哪 些科學呢?還有哪些鮮為人知的防蚊科技?讓我們 一同窺探科學家們找出對抗蚊子的方法。

蚊子為什麼要吸血?

俗 稱 的「 蚊 子 」 是 雙 翅 目 蚊 科(Culicidae) 的 昆

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經過四次蛻皮化蛹,破蛹而出的成蟲羽化後飛離水

後,便會以刺吸式口器穿刺哺乳動物、鳥類、爬行 動物、兩棲動物、魚類等宿主的皮膚吸取血液。吸 血後腦部分泌荷爾蒙刺激卵細胞發育,攝入蛋白質

並供給足夠的養分,蚊子才能產卵繁衍後代。此外, 蚊子吸血還有不同偏好的時段,斑蚊(Aedes)在

白天吸血,瘧蚊(Anopheles)及家蚊(Culex)則 於日落後及夜間吸血。

利用吸血特性誘捕雌蚊

為了進行防蚊實驗,可利用蚊子的吸血特性來誘捕


生生不息

蚊子。雌蚊通常藉由溫度、視覺、人類呼吸時產生

果實驗(圖一、二):當處理區放置了精油防蚊產

定位並吸血,若是剛運動完大量流汗的人類因為溫

置精油防蚊產品並加上人手的誘集時,有一定比例

的二氧化碳、皮膚表面散發出的乳酸(lactic acid) 度上升使得皮膚散發的氣味更濃厚,所以更容易吸 引蚊子叮咬。科學家進一步研究蚊子的吸血特性,

發現在萃取皮膚表面不同菌相產生的各種揮發性有 機化合物後,混合氨氣(ammonia)、乳酸及脂肪

酸(fatty acid),或是混合丙酮(acetone)、辛烯

醇(1-Octen-3-ol)及 1 -己烯- 3 -醇(1-Hexen-

3-ol),再配合二氧化碳釋放,對吸血昆蟲可產生

品,埃及斑蚊多被驅趕到空白對照區;當處理區放

的埃及斑蚊會分布到處理區,一部分則被驅趕到空 白對照區。這個試驗結果與實際情形一致,顯示當

人配戴防蚊產品在蚊子的活動空間時,飢餓的蚊子 能夠忍受刺激的氣味而不逃離,會優先選擇吸血飽 餐一頓,顯示精油對蚊子的驅避效果不明顯,這也 是防蚊貼等產品效果不理想的原因。

不同程度的誘引效果,與捕蚊器一起使用便可利用

利用人工血液測試接觸型防蚊液

aegypti)和熱帶家蚊(Culex quinquefasciatus)。

研發出有效且被廣泛做為防蚊液(又稱作忌避劑)

於監測蚊蟲孳生的研究,成功誘集埃及斑蚊(Aedes

防蚊精油與空間忌避實驗

皮、雪松、薰衣草、桉樹、印度楝樹油等來源;歐

洲和北美利用植物氣味驅蟲;古希臘和印度將精油 混和調製,塗抹在皮膚或衣服上驅蟲;植物精油也 可直接噴灑於紗窗、紗門或帳篷等活動空間,防止

蚊蟲靠近,還可以製備成防蚊蠟燭、防蚊膏、防蚊 貼、防蚊手環等商品。這類精油使用方式屬於空間

忌避效果的防蚊作用,精油中高揮發性的化合物可 透過空氣擴散,揮發的氣味對蚊子有顯著的排斥現 象,可干擾、阻止蚊子尋找寄主,刺激、驅趕蚊子

飛離,與蚊香中的合成除蟲菊酯(pyrethroid)有

類似作用。此外,若植物精油的濃度過高,對蚊子 甚至還具有致死效果。

精油防蚊產品可以利用「ㄇ型管」操作空間忌避效

的化合物⸺敵避(Diethyltoluamide, DEET)。 後來又陸續開發派卡瑞丁(Picaridin)、伊默克

(Insect Repellent 3535, IR3535)、 檸 檬 桉 醇

Biology

最初用於預防蚊蟲叮咬的植物萃取物有香茅、桂

二戰時期為避免叢林裡的士兵被蚊子叮咬,科學家

(p-Menthane-3,8-diol, PMD)等防蚊產品。這些 接觸型忌避劑噴灑後會停留在人體皮膚表面,由於

蚊蟲觸角和觸鬚上具有專一性的氣味受體神經元,

忌避劑與受體蛋白結合後會破壞嗅覺或味覺,干 擾昆蟲的感官訊號,阻斷或降低對宿主對有機揮發 物和二氧化碳的感知,發揮防蚊的效果。同時科學 家也發現,埃及斑蚊腳的跗節上有化學感受器,當

蚊子停留在皮膚,接觸到皮膚上處理的 DEET 時, 會立即出現避開、飛離的行為。含 DEET 成分的防 蚊液被認為是對多種吸血昆蟲最有效的接觸型忌避 劑,而忌避劑濃度則會影響有效保護的時間。

為了測試接觸型防蚊液忌避效果,可將防蚊液塗在 志願者手臂,或以麻醉動物替代,再置入有飢餓雌

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專欄文章

臺劇《茶金》中的「黑肥」是什麼?

認識幫助植物生長的 生長的 化學肥料 曾雯郁

畢業於中興大學土壤環境科學系,

現為土壤碳匯研究暨推動中心研究 助理。 賴鴻裕

中興大學土壤環境科學系教授,兼

任農業暨自然資源學院土壤調查試 驗中心主任。

Take Home Message

F 3R 12 (

• 種植茶葉時用到的「黑肥」為氰氨基化鈣,高氮的肥料能支持茶樹葉片生長, 提供與茶湯香氣與滋味有關的胺基酸、多酚類等成分。 • 植物生長發育過程中有 17 種必要元素,當這些元素充足供應,植物才能維持正 常生長。除了碳、氫、氧以外,其他 14 種元素皆須由土壤提供。 • 施用肥料雖然能幫助植物的生長,但過度施肥也會對環境產生諸多負面影響, 如作物減產、土壤酸化、食安、礦物與地球及環境資源用盡等問題。

去(2021)年 11 月開播的公視時代生活劇《茶金》

由於茶樹屬於高氮(N)需求的作物,氮除了是支持

也演出當年興建的臺灣第一家化肥廠,製造出的化

與滋味的胺基酸、多酚類等成分,以及促進這些化學

講述了民國 40 年代新竹北埔地區的茶產業,戲中 肥可以施用到當地茶園土壤,改善茶樹生長並增加

茶葉的產量與品質。而這邊提到的「化肥」,其實 是指茶樹生長過程中會施用的「氮肥」。

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茶樹葉片生長的主要來源,還構成了貢獻茶湯香氣

成分合成的因子,且許多研究都顯示了氮肥施用與茶 湯品質有顯著的正相關。而劇中的化肥廠主要生產俗

稱「黑肥」的氰氨基化鈣(calcium cyanamide,又


潛移默化

稱氰氮化鈣),利用本土礦場生產的灰石(calcium

說,肥料是施用於土壤中或植物地上部,能提供植

oxide,即氧化鈣),並以電石爐加熱就能生產出

植物養分的條件,進而提高植物產量及品質的有機

carbonate,即碳酸鈣)加熱製成生石灰(calcium

劇中所說的「需從國外進口的『電土』⸺碳化鈣

(calcium carbide)」,接著只要將電土加入氮氣 就能製成可供農民使用的黑肥。

肥料學是一門複雜的學門,牽涉到肥料的種類與性 質、製作與保存、肥料施用後養分在土壤中的環境 的方式,以及養分間的拮抗與協同作用。因此在選

擇肥料時,必須將前述提及的重點作為經濟成本與 田間管理的考量,例如劇中的氰氨基化鈣具有強吸

濕性,在儲存過程中容易有氮素損失與變質的問 題;此外,氰氨基化鈣在遇水後會產生對植物有害

的氰胺(cyanamide),因此須在施肥後一到兩週

或無機物質。因此,施肥一方面可提供植物養分, 又能維持或增加土壤肥力(soil fertility)。

儘管土壤中供應植物生長的養分主要以化合物型態 存在,但植物所需的僅是其中的元素成分。西元

1939 年,美國植物生理學家阿農(Daniel Arnon) 和美國植物化學家斯托(Perry Stout)對植物的必

要元素(essential element)提出了三個較精確的 標準:

Chemistry

流布(environmental fate)〔註〕 與根系吸收養分

物生長所需的養分,改善土壤性質並增加土壤供給

1. 該元素具有必要性,當缺乏該元素時,植物的生

長、代謝、繁殖等生命循環(life cycle)會受到 限制。

再播種,不過氰氨基化鈣的毒性也可用來防治病蟲

2. 該元素具有不可替代性,僅能以該元素支持植物

如同劇中所演示。因應科技的發展,現今農業生產

3. 該元素在植物新陳代謝過程或是酵素組成中是作

草。氰氨基化鈣製作需要許多電力且具有危險性, 過程中,農民對於肥料的選用擁有更多的選擇,也

期待在此文中,能讓大家對「化學肥料」與「肥料 中的化學」有更進一步了解。 註

環境流布指的是化學物質釋放到環境中移動及 轉換的過程。

肥料與植物的必要元素

的生長,不能以其他元素替補。

為直接的關鍵性角色,具有特定的生理功能。

目前已知的植物生長發育過程有 17 種必要元素, 代表在這些元素的充足供應下,植物才能夠維持正

常的生長。除了碳(C)、氫(H)、氧(O)三元素

以外,其他 14 種元素皆須由土壤提供。按照植物 的需要可分為:

在談化學肥料前,須先了解肥料、土壤肥力,以及

1. 主量元素(primary element):氮、磷(P)、

資材,根據《肥料管理法》第三條的定義,肥料是

2. 次 量 元 素(secondary element): 鈣(Ca)、 鎂

植物營養間的關係。肥料是農業生產過程中的重要

「供給植物養分或促進養分利用之物品」。也就是

鉀(K)。

(Mg)、硫(S)。

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2022 台積電盃青年尬科學

原來陰莖遠不只是武器? 打破男性主導的思維,

官,沒有人規定一定要像陰莖那般位

主義漸漲的現代,我們仍能從報章媒

於下腹部,並且得由結締組織、海綿

體、藝術創作,以及各項產品裡深刻

體、許多平滑肌與血管組成。從馬陸的

體會到華人文化下父權主義的不對等

第八對步足、章魚右側的第三根腕足、

氛圍。這件事情似乎和「陰莖」這項

螃蟹的第一及第二對泳足,再到蜘蛛猶

器官在生物交配過程中所扮演的角色

如拳套般的觸肢、鯊魚腹鰭上延伸的交

有關。由於陰莖插入的動作,「主動」

接器,不同動物將身體各部位發揮地淋

之於雄性,而「被動、被支配」就經

漓盡致,絞盡腦汁完成與陰莖相同的使

常被描繪成雌性該有的印象與性格特

命。我們還可以發現有一些脊椎動物沒

色。然而,仔細觀察自然界的生殖器

有陰莖,例如喙頭蜥和多數鳥類,儘管

官與交配行為,你會驚訝地發現,我

在胚胎發育過程中仍具有被稱為陰莖

們過於狹隘的視角有多麼地不可理喻,

前身的「生殖結節」,只是在出生前由

更忽視了許多繁複多樣又細緻精巧的

於部分基因的調控而退化了。動物們的

授精過程。

生殖系統確實至關重要,而陰莖,就只

在《雞雞到底神不神》的前幾個章節,

是個可以動動手腳的花樣零件而已。

我們從自然界多樣的生殖器官重新明

有些動物放棄了陰莖,有些卻將陰莖當

確定義陰莖,哪些動物具有陰莖、為

作武器使用。許多動物的交配過程就像

什麼演化出來?又為什麼有些動物沒

在打仗一樣,不惜使用武器來弄傷配

有陰莖?如果沒有陰莖該怎麼辦?而

偶。從槍魷的手榴彈式陰莖到跳兔的攻

事實上,綜觀整個自然界中行體內受

城槌式陰莖,這些雄性動物的插入式器

精的動物,陰莖也只是參與交配行為

官透過各種巧思,如同鑰匙一般打開雌

的眾多生殖器官「之一」。在許多昆

性隱蔽如鎖頭的生殖道。其中還有完全

蟲的案例裡,單一根陰莖完全無法獨

不把配偶性命放在眼裡的——以「創傷

立完成交配行為,少了例如鉗子般的

性授精」聞名的豆象鼻蟲和臭蟲。豆象

攫握器(genital clasper)或陽莖側葉

鼻蟲的陰莖末端猶如雙頭的狼牙棒一

(parameres)的逗弄,再大根也都是

般布滿棘刺,甚至還出現了像大顎一樣

枉然。交配過程中牽涉的構造非常多,

的構造,在交配過程中會將雌性生殖道

有著不同的名字,甚至由不同的體節

刮得一塌糊塗;臭蟲的陰莖更是如利刃

發育而來,絕非一根中空管狀物就能

般,在交配時直接胡亂地往雌蟲肚子上

演化研究所,熱衷於分享

簡單行事。

亂插,簡直喪心病狂。

及古生物學的大小知識。

而且,能夠扮演「在交配過程中插入

雌性動物只能單方面挨打嗎?倒也未

講師。

配偶體內並傳遞精子」這項角色的器

必,雄性並非總是被獨厚的性別,只是

︵本文與

無論你是誰、身處何方,即便在女性

台積電盃青年尬科學 科普書籍閱讀寫作競賽合作刊出︶ 2022

曾文宣

畢業於臺灣師範大學生態

演化學、兩棲爬行動物學 現為科普作家及生態營隊

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2022 台積電盃青年尬科學

比較容易被觀測到而已。以雌性

來遠距離授精。因此,對於不同

長久以來我們過度以陰莖為重,

臭蟲來說,牠們已經演化出腹部

的物種而言,陰莖扮演的不僅是

太習慣把陰莖與陽剛畫上等號,

上的盔甲構造,用來抵禦雄性臭

武器,也可能是求愛工具,有些

但性別與生殖器官非二元對立,

蟲陰莖的戳刺,而且構造相當複

陰莖還具有感光功能呢!

無論在科學與社會文化上都不是

雜。而對付動不動就硬來的雄鴨

演化的力量發揮了十足的影響力,

如此。主導權應與性別無關,不

以及牠們的螺旋陰莖,雌鴨的陰

使得自然界中出現形形色色的陰

該因為某種性別而合理化任何行

道演化出相反螺旋方向的形狀,

莖。而人類陰莖相較之下只是一

為。最後別忘了,我們之所以能

並且充滿盲袋讓雄鴨處處碰壁。

個樸實無華的插入器官,其複雜

夠在此見證自然界繽紛繁茂的生

雌性動物在生殖方面擁有主導權

程度僅有倒數的份——代表人類

殖器官,與人類發達的大腦息息

其實並不罕見,因應體型碩大、

的陰莖從來都不具備武器用途。

相關,引述筆者在書中最喜歡的

強勢的雌性,甚至還有些雄性動

這種簡單的構造,說明交配後的

一句話作結:「大腦,才是最大

物會在交配前送上聘禮,例如豆

精液競爭並不存在,應運而生的

的性器官。」

芫菁和盲蛛。體型嬌小的雄船鞘,

溫和性行為以及一夫一妻制的發

更是透過導彈式的陰莖(交接腕)

展,儼然讓人類成為獨特的存在。

導讀文寫作要領

報名資訊

文章開頭從當今的社會現象出發,並從生物學上的

角度向讀者提出一個概念「人類對於『性』過於狹 隘的視角,其實忽略了許多動物界繁複多樣又細緻

精巧的授精過程」,引導讀者進入一個未知的世界。 透過動物界中各種形形色色的陰莖介紹,除了強化

第一段提到的概念,也可以讓讀者在各種有趣又特

別的案例中,了解到自然界的特別之處。文末呼應

報名與繳件時間:2022 年 9 月 1 日至 9 月 30 日止,全國國三到

高三(K9 ~ K12)在學學生,個人參賽。指導老師一名,指定 科普書單中任選一本撰寫導讀文章,字數 1200 ~ 1500 字。 指定閱讀書籍:

第一段提到的社會現象,再次將社會科學與自然科

1.《破解基因碼的人:諾貝爾獎得主珍妮佛.道納、基因編輯,

導讀文並非序文或閱讀心得,內容可以說明本書試

2.《反叛的科學家:一代傳奇物理大師的科學反思》

學連結,讓讀者能藉此反思。

圖引領讀者可從書中獲得或學習到什麼,但切記要 避免「暴雷」,以不影響讀者閱讀體驗為優先。

選書資訊 書名│《雞雞到底神不神?》 作者│艾蜜莉・威靈罕

(Emily Willingham)

出版社│臉譜

以及人類的未來》

3.《氣候緊急時代來了:從經濟海嘯到瘟疫爆發, 認清 12 大 氣候風險與新生存模式》

4.《雞冠天下:一部自然史,雞如何壯闊世界,和人類共創文明》 獎項:選出 20 件優秀作品,頒發獎金與獎狀 得獎公告:2022 年 11 月

活動詳情:http://case.ntu.edu.

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出版日期│ 2022 年 6 月 SCIENCE MONTHLY

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