科學月刊2019-9月號 597期-正視震知識

《科學月刊》7月活動足跡 2019.7.24-7.31

探訪地質、追尋賽外的絲路之旅 這是一趟包裹著大自然地理樣貌和人文歷史文化合而為一的探訪 旅程，有經過千年風吹雨淋、積年累月沈積所形成的丹霞地貌； 有腳踏細沙、如西漢時期張騫出使西域、遙望邊上風光的體驗； 更有始於五胡十六國，歷經隋、唐、五代與西夏等時期所建造出 高達7百多個蘊含佛教藝術的敦煌莫高窟。整趟旅程中，讓人有 如踩踏浮雲之間、於茫茫荒沙中探索沙漠生態的奧妙。

圖一：從武威的雷台漢墓出土的銅奔 馬，又稱馬踏飛燕。

圖四：前往位於敦煌的鳴沙山，體驗騎駱駝、感受沙漠的浩瀚與人類的渺小。

圖二：張掖國家地質公園的丹霞地質， 因其色彩斑斕的岩石地貌而聞名。

圖三：在甘肅，時常可見野生的黑果枸 杞（Lycium ruthenicum）。

圖五：位於甘肅敦煌的莫高窟，當中的壁畫、泥質彩塑不僅包涵古代西域的傳 統文化藝術，更因其內容博大精深，而具藝術性。

歡迎公私立學校、機構洽談科學活動合作。

Contents Cover Story

1

2019 SEPTEMBER

597

p36

當地震來的時候

p38

震識知多少？

2 3

p40

面對地震，人們準備好了嗎？ 在集集地震後的 20 年

潘昌志

p44

為什麼會感覺比震央晃？ 臺北盆地的場址效應

4

郭俊翔

p48

近期臺灣西南部會有大地震嗎？ 從斷層錯動與潛移談起

5

景國恩

p52

地震之後，會發生海嘯嗎？ 潛藏臺灣東部海域下的 海纜觀測系統

林祖慰

Vol.50 No. 9

1

Contents-2

填問卷．拿新書

4 顯影

只要於 2019 年 9 月 30 日前完整

非關科學

回答讀者問卷調查內容請至 bit.

8 動物的地震第六感／郭家銘、謝育哲 News Focus 10 辨識照片真偽 還是交給電腦吧／汗味掰掰 穿上散發香氣的衣服 11 暴露於太空的低劑量輻射 可能影響大腦學習及記憶／ 看得你心發寒 預防海鷗搶奪食物的新方法 12 全球暖化加劇 約書亞樹等林木恐成歷史／ 捕食者帶來的生存壓力 不容小覷／球賽中積累的撞擊 恐深深傷害腦組織

ly/2YEZmz4 填寫，或掃描 QR code，就有機會獲得遠流出版的 新書《燒杯君和他的化學實驗》。 數量有限，敬請把握！獲獎名 單 將 於 2019 年 10 月 5 日 前 公 布在科學月刊官網上。資料煩 請詳實填寫，以便贈書寄送。

13 創世紀號墜落 意外開啟水熊蟲月球迷航／ 不只生理特徵 神經訊息也能被遺傳？／ 模擬乾眼症 人工眼睛可望強化藥物研發 思辨之評

14 太空時代 2.0—當登上太空不再高不可攀／火星軍情局局長 專 欄

18 數不勝數：翻硬幣與青蛙跳／游森棚 20 格物致知：現代科技生活的墊腳石—半導體／杜立偉 24 生生不息：歪斜、黑暗人生中的曙光— 黃斑部病變、幹細胞與再生醫療／林泰祺、邱士華 28 物換星移：火山之歌—聽聽他們的鳴唱與心跳／林正洪 32 文人墨客：從電子菸的環境與公眾健康危害 談法律的管理與設計難題／郭憲文 精選文章

56 腸道與腦的直達車／楊世斌、駱宛琳 62 馴化陸生哺乳類動物／郭金泉 66 磁力線到規範場—從法拉第到狹義相對論談場論發展／張峻輔 陶冶生活

70 創新、科技與生活的組合—旺宏金矽獎／李依庭 追憶年華

74 基因之上，演化之下 從生物觀點雜談兩性／林翰佐 賽恩限時批

76 第一張中文週期表／劉廣定 書 摘

78 《燒杯君和他的化學實驗》

2

SCIENCE MONTHLY 2019.9

bit.ly/2YEZmz4

臺北市科學出版事業基金會

走進編輯室

董事長：劉源俊 董 事：王文竹 周成功 林基興 邱韻如 郝玲妮 高涌泉 曾耀寰 羅時成 秘 書：李金穗 出版者：科學月刊社

捍衛安全價值 「早穿皮襖午換紗，抱著火爐吃西瓜」，實際走訪一趟沙漠地區後發現此話所言不 假。儘管沒有踏上古稱西域的邊境新疆，不過，穿梭在西漢張騫出使西域必經的 河西走廊、現今的甘肅地區，其大陸型溫帶沙漠氣候對於長時間居住在副熱帶及

理事會 理事長：曾耀寰

熱帶地區的島國──臺灣，是一難忘的經歷。

理 事：曲建仲 邱韻如 林翰佐 紀延平 張敏娟 程一駿 蔡孟利 蔡政修

為華夏文明發祥地的甘肅，於歷史或地理課本講述中國的章節中皆佔有篇幅不小 的介紹。西漢時期，張騫出發開拓河西走廊，進而開啟中西方文化交流的絲綢之路；

執行總監：趙軒翎

如今，坐落在河西走廊地域包括蘭州、武威、張掖、酒泉和敦煌，由於所涵蓋範 圍大部分位於甘肅，因此，又被稱作為「甘肅走廊」。

編輯部 總編輯：林翰佐 副總編輯：趙軒翎 蔡政修 編輯委員：王文竹 王伯昌 曲建仲 江建勳 李武炎 李志昌 李精益 林秀玉 林宮玄 黃正球 黃相輔 周鑑恆 邱韻如 金升光 金必耀 門立中 紀延平 范賢娟

作為河西走廊前往絲綢之路的要道上，武威的擂台漢墓、張掖的丹霞地貌、嘉峪 關的城樓要塞和敦煌的鳴沙山、莫高窟等，成史地人文的交織。不僅如此，城市 各自富饒特色、不盡相同的沿途風景，更串起甘肅的獨樹一格。然而，隨著中國 的大興改革，城市中已由充滿當地特色的古式建築，轉變成西方式的高樓大廈。

倪簡白 高啟明 高憲章 張大釗 張敏娟 陳妙嫻 陳彥榮 陳鎮東 景鴻鑫 曾耀寰 程一駿 程樹德 單維彰 楊正澤 葉李華 廖達珊 管永恕 劉宗平 鄭宇君 鄭運鴻 蔡兆陽 蔡孟利 蔡振家 蘇逸平 韓德生 嚴如玉 嚴宏洋

但是，大樓的建造堆疊，也意味著所伴隨地震風險的增加，相較於低矮的平房建 築，需要更多、更嚴謹的規範，才能防止天災帶來的危害。今（2019）年，是臺灣 發生集集地震後的 20 年，細細檢視這些年間，政府單位與科學家無不為地震努力， 建築物耐震設計規範的修訂、地震預警系統的使用和地震斷層帶的研究等，就是期 望當地震再造次臺灣時，人們能有餘力自救，免於或減少生命、財產的損失。

編輯顧問：王明蘅 古宏海 朱麗麗 吳明進 吳家誠 周延鑫 周榮泉 洪萬生 洪裕宏 胡進錕 陳文屏 陳章波 陳國成 曾惠中 孫維新 張 復 張勝祺 楊玉齡 劉仲康 駱尚廉 魏耀揮

高樓，起承著一座城市的發展，卻不足以代表一代文明的前進。大興建築的背後， 如果無法跟上生活的底蘊，碩大的建設仍如金玉其外的空殼，塗上一抹自欺欺人 的假象。更何況，若禁不起地震或火山等天災的考驗，又將何足證明，是以保障 人身生命為濫觴、以全民福祉為目標？

蘇益仁 蘇振隆 主 編：李依庭 編 輯：郭家銘 謝育哲 美術編輯：黃琳琇

（編輯部）

業務部 經 理：李金穗 業務助理：廖本翔

創刊於 1970 年

科學月刊社

製版印刷：赫偉有限公司

本期為第五十卷第九期 第 597 期 發行於 2019 年 9 月

地址：10646 臺北市大安區羅斯福路三段 77 號 7 樓

總經銷 : 聯華書報社

中華郵政北台字第 0677 號執照登記為雜誌類交寄

電話：(02)2363-4910 傳真：(02)2363-5999

行政院新聞局版台誌第 0934 號

網址：www.scimonth.com.tw 電郵：scimonth@gmail.com

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。

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顯 影

鎮海棘螈

Echinotriton chinhaiensis 圖．文／游崇瑋

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鎮海棘螈

鎮海棘螈是全世界唯三的棘螈之一，也是中國國家二級 重點保護動物，分布範圍狹窄，中國科學院成都生物所 學者考察後認為數量比熊貓還稀少〔註一〕，是一種棲息 地正在逐漸減少的珍稀野生動物。對比先前觀察的琉球 棘螈（Echinotriton andersoni）及其棲息地﹝註二﹞，鎮海

看我的微

:)

笑曲線！

棘螈的棲息地明顯乾燥許多，甚至少有穩定水域的存在。

現今，在鎮海棘螈的主要分布地中有一座殘破的尼姑庵， 地上滿是破碎的屋瓦和磚瓦。牠們利用這些殘破屋瓦進 行躲藏，因此，筆者花不少時間才找到 1 對鎮海棘螈。 鎮海棘螈的發現時間晚於琉球棘螈，是第二種被發現的 棘螈。兩種棘螈分布地緯度差距不大，隔海相望，這也 讓研究者更加好奇牠們的演化歷史了。

〔註一〕熊貓野外族群數量僅約 2000 隻。 ﹝註二﹞詳見《科學月刊》571 期〈顯影〉專欄。

1

蠑螈的正面照永遠都是 無敵微笑。

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5

鎮海棘螈

2

公鎮海棘螈體型相對瘦小。

3

從外觀上，一眼就可以看出公母在體態上的差異。

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4

雌鎮海棘螈相對肥大。

5

背部兩側在緊張時會稍微擴張，體表也會分泌出驅敵液體。

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非關

科學

郭家銘、謝育哲 愛清潔、有禮貌，本刊編輯。

（pxhere）

聽見地震的聲音── 人家是有點敏感啦

地震，只消幾秒的時間，就能不遠千里地穿越幾個國家或 大陸，甚至衍生出海嘯等周邊災害。人類不斷在防災科技 上做出改良，以探測地震來臨前的蛛絲馬跡，然而，有些 動物似乎就內建這樣的能力，其所表現出來的怪異行為， 也常被視為災難來臨的前兆。首先，就從寵物界的經典代 表──貓與狗開始說起吧！

毛孩子們是真擔心災害即將降臨，還是一切純屬巧合？加 拿大英屬哥倫比亞大學（University of British Columbia） 心理系教授柯倫（Stanley Coren）曾追蹤溫哥華 200 隻寵 物犬在地震來臨前的活動狀況與焦慮情形。報告指出，地 震發生前一天，有 49 ％的狗狗出現焦慮的狀況，47 ％的 狗表現出比平常更活躍的行為。

飽受驚嚇的毛小孩

除了狗狗的躁動，貓咪對地震的激烈反應，也不 遑多讓。影片（https://bit.ly/2TNlZMj）為日本 大阪一家貓咖啡裡的「居民」們，原本各自處 在放鬆狀態，但就在地震來臨前，幾隻喵星人察覺不對勁 並四處張望。果然，幾秒後房間劇烈搖晃，牠們開始急切 地尋找藏身處，不過當中仍有幾隻貓咪待在原地，不知是 因為身經百戰顯得老神在在，還是被嚇到一個動彈不得。

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SCIENCE MONTHLY 2019.9

馬上看

中國遼寧省海城市，1975 年某天因當地狗狗出現怪異行 為，政府決定撤離當地居民，結果幾天內便發生規模 7.3 的海城大地震；而 1989 年，美國的洛馬普里塔地震（Loma Prieta earthquake）發生前，也有許多狗狗開始吠叫、搔 抓甚至逃離家中庭院。

！ ！

柯倫當時臆測，這些狗狗可能「聽」得到地震的聲音，而 後續也發現，患有聽力障礙的狗狗似乎沒有辦法感應到地 震的前兆。此外，柯倫還發現耳朵外型較鬆軟的狗較能夠 感受到地震的來臨，而頭型較小的哺乳動物也能聽到更高 的頻率，因此頭部較小的狗狗也可能容易聽到地震所產生 的聲響。 而日本麻布大學獸醫系山内博之（Hiroyuki Yamauchi）等 人，也在 2011 年「東北地方太平洋近海地震」後，針對 距震央約 2000 公里內的貓狗飼主進行問卷調查，發現近 兩成貓狗在地震發生前幾秒到幾小時內有不尋常行為，且 這些行為與震央距（epicentral distance，震央至某一地點 的距離）間存在某種關係。看來，就只差毛小孩哪天突然

非關

開口說：「對，我就是感覺得到地震要來了！」

用「奶量」預測地震── 這是什麼怪奇占卜法？ 更有趣的是，山内博之也在同一份調查報告中，對震央附 近乳牛奶量進行研究。雖然產奶這檔事說不上是一種行 為，且影響乳牛奶量的因素也有很多，但由於奶量數據是 有被每日記錄的，因此，也不失為一種客觀的資料來源。 結果發現，距離震央 340 公里內的牛隻們，在地震發生前一 週都有產量下降的現象，而此範圍以外的乳牛並未受到影 響。對於這樣的結果，讀者是否也恍然大悟：牛奶不只能拿 來喝，似乎還有一些隱藏版功能。

科學

值變化、怪異的磁偏角（magnetic declination）及次聲波 （infra-sound）等可能破壞生物結構並導致死傷的因子。

所以能把寵物當地震儀嗎？ 雖說動物預測地震的能力證據確鑿，但不代表能反向操 作，把動物的不尋常行為當作地震的預測因子。 筆者認為，單以動物的特殊行為判斷地震是否來臨有些武 斷，畢竟，在重大且特殊事件後，人們會傾向將該事件與 動物的行為（或其他異象）做連結，但如果這些行為的前 後並無任何事件發生，人們便會忽略這些動物行為。其 二，許多逃竄、恐慌、焦慮的行為也不具特異性，能讓牠 們感到恐懼的事太多，實在也很難全數歸結為地震將至。 唯一可以確定的是，這不會是什麼好事。

地震的秘密 如何搶先看？ 美國地質調查局（U.S. Geological Survey）官方資料顯示， 早在西元前 373 年，古希臘人便會在地震發生前以動物的 不尋常行為預測地震發生的可能，例如在地震前幾天，老 鼠、鼬鼠、蛇和蜈蚣等動物，都會離開原先的居所並前往 安全處避難。 有些科學家認為，許多動物、鳥類與昆蟲都能感受到地震來 臨前振幅較小的 P 波。由於地震為 P 波與 S 波所組成，且 P 波的傳遞速度較快、震幅較小，能在較大的 S 波 之前抵達，因此，牠們能在幾小時甚至幾天前就 能預測到地震的來臨。此外，有些昆蟲具備強大 的社會系統，如螞蟻，在面臨災害時能有效並適 時做出處理決策，以降低地震所帶來的災害。 過去許多研究也發現，動物們似乎可以感測到大 氣壓力與地形的變化、地面出現裂縫時所引起的 震動、地下水位的變化及各種氣體與化學物質的 散播。義大利地震前兆預測中心協會（Seismic Precursors Study Center Association）的德里索 （Giovanna de Liso）等人，便曾針對聲音、動 作等不尋常動物行為進行分析，發現許多不尋常 的行為都與某些物理參數有關，包括放射性衰 減、氣體排放、土壤溫度上升、各水域的酸鹼

延伸閱讀

1. Can animals predict earthquakes?, USGS. 2. Hiroyuki Yamauchi et al., Unusual Animal Behavior Preceding the 2011 Earthquake off the Pacific Coast of Tohoku, Japan: A Way to Predict the Approach of Large Earthquakes, Animals, Vol.4 (2): 131-145, 2014.

3. Giovanna de Liso and Cristiano Fidani, Seismic Precursory Phenomenology in Unusual Animal Behaviour in Val Pellice, Western Piedmont, in Comparison with Anomalies of Some Physical Parameters, Scientific Research, Vol. 3: 30-42, 2014.

（Max Pixel）

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NEWS FOCUS

全球暖化加劇 約書亞樹等林木 恐成歷史

19 世紀中葉，一群摩門教徒在穿越美國加州莫哈韋沙漠（Mojave Desert）時看見短葉絲 蘭（Yucca brevifolia），其獨特的外型讓他們想起《聖經》裡將手臂伸在空中向上帝禱告 的約書亞（Joshua），後人遂稱其為「約書亞樹」。可惜，此樹種恐將在本世紀末成絕響！ 近日，《生態圈》（Ecoshpere）期刊一則研究指出，全球暖化加劇，美國南加州約書 亞樹國家公園裡的樹木將可能在 2100 年減少 80％，甚至僅有少數樹種能存活。更糟的

是，若人們持續排放溫室氣體，公園裡的樹將面臨夏季均溫上升 2.8~5℃、年雨量下降

75~180 釐米等困境。

作為莫哈韋沙漠的招牌物種，也曾榮登知名樂團 U2 專輯封面的約書亞樹，究竟能否逃 過這場劫難？這篇研究的成果，值得深思。 （Pixabay）

Lynn C. Sweet et al., Congruence between future distribution models and empirical data for an iconic species at Joshua Tree National Park, Ecoshpere, 2019.

捕食者帶來的生存壓力 不容小覷 常聞受害者經歷天災人禍後為創傷後壓力症候群（post-traumatic stress disorder,

PTSD）所苦。事實上，其他動物也可能因捕食者引發的各種恐懼產生創傷後壓 力症候群，過去雖有許多相關學科論述，卻缺乏實證連結（empirical linkage）。 加拿大韋仕敦大學（Western

University）札涅特（Liana Zanette）等人日前組 成研究團隊並於《科學報告》（Scientific Reports）發布研究，指出黑蓋山雀 （Poecile atricapillus）暴露在有捕食者聲音的環境 2 日後，即使長達 1 週處在 安全環境，仍可在杏仁核、海馬迴等部位的神經迴路測得恐懼反應。 研究員札涅特受 ScienceDaily 訪問時表示，此現象恐對野生動物的繁殖力與生 活產生深遠影響。未來，該結果在生醫、心理衛生與生態等領域，可望能得到 進一步的應用。 Liana Y. Zanette et al., Predator-induced fear causes PTSD-like changes in the brains and behaviour of wild animals, Scientific Reports, 2019.

球賽中積累的撞擊 恐深深傷害腦組織

（Flickr-Sammy (Ka Chi) Sam, https://flic.kr/p/J41mLF）

橄欖球可說是美國大學校園的經典活動，然而美國羅徹斯特大學（University

of

Rochester）研究團隊於《科學進展》（Science Advances）期刊發布的一則研究顯

示，運動員在球賽裡所受的頭部撞擊，即便未造成腦震盪，卻也讓腦袋瓜烙下受傷 的印記…… 該研究針對 2011~2013 年為期 3 年的賽季，共 38 名受試運動員的安全帽裝上加速 規（accelerometer），以測量練習與比賽期間的受力。此外，受試者也會在賽季前

後接受腦部掃描，並以非等向性指標（fractional

anisotropy, FA）評估影響神經訊

號攜帶的大腦白質變化。 結果發現，受試者於賽季結束後，其右中腦的平均非等向性指標分數較低；此外， 與直接的衝擊力相比，此現象反而跟旋轉的衝擊次數有關。《科學新聞》（Science News）報導指出，這些旋力可能對大腦組織造成很大的傷害，看來比賽裡累積的衝 擊，不可輕忽。 （Flickr-Johann Schwarz, https://flic.kr/p/bXQ41C）

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Adnan A. Hirad et al., A common neural signature of brain injury in concussion and subconcussion, Science Advances, 2019.

NEWS FOCUS

創世紀號墜落 意外開啟水熊蟲月球迷航 今（2019）年 4 月，以色列探測器創世紀號（Beresheet）墜毀在月球 上，然而上頭有個特別的乘客──水熊蟲（tardigrade）卻意外登陸！

這個能適應極端環境的節肢動物，究竟有沒有辦法在月球生存下來？ 這些水熊蟲是方舟任務基金會（Arch Mission Foundation）開發計畫 的一部分，其目標為將「人性」儲存在太陽系的每個角落。此外， 像是孩童的繪畫、歌曲、聖經及 DNA 提取物等，也都被裝進膠囊、 整合在探測器裡。 根據法國科學新聞網 Futura 報導，水熊蟲「殖民」月球似乎有望。 在缺水的環境下，牠們可能會進入代謝停滯的隱生（cryptobiosis）

（By Schokraie E et al., 2012 , CC BY 2.5, Wikimedia）

狀態，直到環境有利生存，才能解除這項危機。未來的任務裡，或

Nathalie Mayer, Des milliers de tardigrades auraient survécu au crash de la sonde Bereshit sur la Lune, Futura, 2019.

許人們有機會找到存活下來的水熊蟲。

不只生理特徵 神經訊息也能被遺傳？ 神經系統裡的活動，可以被 遺傳下來嗎？以色列特拉維 夫大學（Tel Aviv University） 一團隊，日前以秀麗隱桿線 蟲（Caenorhabditis elegans） 做觀察，發現其腦細胞能透 過小片段 RNA 與生殖細胞溝 通，如此一來便能將大腦中 的訊息傳給其後代。 （CC BY-SA 3.0, Wikimedia）

這篇發表在《細胞》（Cell） 期刊的報告指出，藉由 RDE-4

蛋白與 DNA 的結合所轉錄出的神經內源性的小片段 RNA，能調

亞馬遜雨林野火成災 強勢劃破地球之肺 素有「地球之肺」之稱的亞馬遜熱帶雨林，正遭逢今（2019）年截

至目前最大的野火劫難。根據巴西國家太空研究所（Brazil's National

Institute for Space Research）科學家的紀錄，該雨林今年發生的野 火案件已累計至 7 萬多起，與去年同期間相比，增加約 82％。 在 7~10 月的旱季裡，這片佔地 210 萬平方英里的綠地，可能因遭

受雷擊或農、工業上的清理，進而引發大火。此次的野火延燒不僅 影響亞馬遜當地的植被與生態，其產生的煙霧更困擾著帕拉（Pará）

與馬托格羅索州（Mato Grosso）等鄰近區域。

而根據歐盟哥白尼衛星的影像記錄，此煙霧有近 120 萬平方英里之 大，宛如一把利刃正由北到南地切開巴西。野火成災的背後，帶來 的不僅是雨林的破壞，更影響著生活在此的生物。

控生殖細胞中的 HRDE-1 基因與其下游分子，繼而影響行為代

代相傳（behavior transgenerationally）。

另外，實驗也發現，此遺傳表現在線蟲中至少能延續三代。但 是，研究人員表示目前仍不清楚人類的神經系統是否也具有此 種遺傳訊息的傳遞，須待科學家後續研究釐清。

（By NASA, Public Domain, Ｗ ikimedia.）

Rachel Posner et al., Neuronal Small RNAs Control Behavior Transgenerationally, Cell, 2019.

Aylin Woodward, The Amazon Is Burning at a Record Rate, And The Devastation Can Be Seen From Space, Science Alert, 2019.

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專欄文章

翻硬幣與青蛙跳

游森棚 任教於臺灣師範大學數學系及 空軍官校。

IMO 的翻硬幣

這個問題表面看來是個小遊戲，不值一哂，但是筆者覺

今（2019）年的國際數學奧林匹亞數學競賽（International

得此問題是今年 6 個問題中最漂亮的一題。

Mathematical Olympiad, IMO）甫於 7 月在英國巴斯 （Bath）舉辦。IMO 每隊 6 人，只考 6 題，每題 7 分，

為什麼？內行看門道，一串硬幣的正反狀態就是一個 0、

其中第五題是相當有趣的翻硬幣問題。

1 字串，題目就是給了一個字串改變的規則。

問題：小明把 n 枚硬幣由左至右排成一列，如果恰有 k

因此，從數學的角度來看，這個問題就可以看成在 0、1

枚正面（head, H）朝上的硬幣，他就把從左邊數來第 k

字串上，依循某種規則的一個「離散動態系統（discrete

枚硬幣翻面過來。一直這樣翻下去，直到所有的硬幣都

dynamic system）」。而奧林匹亞試題就是要對此離散動

是背面（tail, T）朝上為止，例如從 THT 會這樣翻：

態系統作初步分析：不僅要證明動態系統不管輸入任何初

THT → HHT → HTT → TTT 亦即翻 3 次後停止。

始值後終究都會停止，而且要知道平均需多少步會停止。

經過這樣的解讀，讀者應該能被說服這為什麼是個好問 題了，因為它以初等數學的面貌，碰觸到當代數學研究

（1）請證明不管一開始硬幣正反如何，一定能翻到全部

一個非常活躍而重要的領域──離散動態系統。

背朝上。 （2）求出所有 2n 種硬幣狀態所需要翻的次數平均。

離散動態系統是最近幾十年來非常活躍的研究領域之一， 有趣的是，不少此領域問題的描述可以用非常初等的

例如說，3 個硬幣有 23=8 種初始狀態，把每一種都試一 試，會有以下的結果：

HHH → HHT → HTT → TTT （3 次） HHT → HTT → TTT （2 次） HTH → HHH → HHT → HTT → TTT （4 次） HTT → TTT （1 次） THH → TTH → HTH → HHH → HHT → HTT → TTT （6 次） THT → HHT → HTT → TTT （3 次） TTH → HTH → HHH → HHT → HTT → TTT （5 次） TTT （0 次）

方式呈現。例如以下稱為「籌碼發射遊戲（chip-firing

game）」的經典問題，圍成一圈的簡單版本如下： 問題：n 個人圍成一圈，每個人手上有一些糖果，如果某 人手上的糖果≥ 2 顆，他就可以把 1 顆分給左邊，1 顆分 給右邊。請問至少糖果總共要有多少顆，而且一開始怎麼 分配，才能讓這個分糖果的過程永遠不會停止？

這個問題在數學與物理上的連結既深且廣，與代數、群 論、統計物理和組合學等領域都有交集，甚至已經有 2 本 專著，但是未解決的問題還很多。

的確，不管初始狀態如何，最後都可以翻成全部反面朝 上。而且，平均需要翻

18

回到翻硬幣，這個問題今年全球各國 621 個代表中有 250 位答對。IMO 平均 1 題僅有 1.5 個小時的思考與書寫時

3+2+4+1+6+3+5+0 =3 （次） 8

間，所以參賽學生的反應真的非常快速。而翻硬幣系統後

一般來說，n 個硬幣時平均要幾次呢？答案公布在最後，

續還可以發展下去，例如既然可以算平均翻幾次（期望

讀者可以先闔上雜誌試試看。

值），那就可以求變異數，這些都留給讀者當作挑戰。

SCIENCE MONTHLY 2019.9

這是個漂亮的結果，它好在於發現系統有相變（phase

每年教育部都會經由國立科學教育館主辦的臺灣國際科

change）的現象，而且找到相變的關鍵是 p/q。根據這

學展覽競賽（TISF），選拔優秀的作品代表國家到美國參

個比值大於、小於或等於 1，整個系統的行為完全不一

加英特爾國際科技展覽會（Intel International Science

樣，類似於水在 100℃ 以下與以上的行為完全不同是一

and Engineering Fair, ISEF）。簡單來說，這是世界級

樣的現象。

數不勝數

ISEF 的青蛙跳

的科展競賽，是世界上規模最大的中學生科學競賽，素 有全球青少年科學競賽的「世界盃」之稱，許多諾貝爾

除此之外，作品還挖掘出不少性質，但仍沒有分析完全

獎得獎者在學生時期都曾參加過這個競賽。

整個系統，剩下的問題頗有難度，已經超過高中生能處 理的程度了。但後生可畏，光是在動態系統中能夠精確

今年的代表隊中有兩件數學作品，因為筆者擔任數學組

找出相變就已經非常不容易了。

評審的召集人，因此理當也成為兩件作品的輔導教授之 一。最終兩件作品都拿到美國數學學會的大獎，其中一

兩種人才都是人才

件是鳳山高中張維倫與楊品賢兩位同學的作品。此作品

今年 IMO 最讓人津津樂道的是美國和中國以總分 227

也是在分析一個離散動態系統，題目如下：

並列第一，中國隊曾經是不可動搖的永遠第一名，但近 年來各國竄起，中國隊已經沒有絕對優勢，距上次中國

問題：一開始圓周上有 n 隻青蛙，位於圓周上 n 個不同

隊拿冠軍已經是 5 年前的事了。去年與前年美國連霸，

的位置。每一秒鐘，每隻青蛙都沿著圓周逆時針跳到與

今年兩國精銳盡出，並列第一也算皆大歡喜。

它前面那隻青蛙的弧上 p：q 的位置。經過一段時間後， 有沒有可能有青蛙會跳回原來位置呢？

臺灣隊今年略為失常，但成績浮動來來去去實屬正常， 不值得大做文章。歷來臺灣隊都是以維持在前十名為目

讀者可以看到問題敘述同樣地「看起來很初等」，但這個

標，但今年第十名（波蘭）的總分 168，與第一名（美、

系統的分析比 IMO 第五題困難多了。兩位同學特質是典

中）的總分 227，中間已經是 59 分的巨大鴻溝。今年的

型的研究型：反應並非極快，但是專注、堅持而有熱情。

領隊教授回國後與筆者聊天，他感慨並憂心這個現象：

他們發現整個系統非常倚賴 p：q 的比值，節錄其中幾個

幾個頂尖國家竭盡全力拚比，往後只會讓擠到前頭更難。

發現如下： 然而，筆者更關注的是人才的發掘與培育。客觀來說， （1）如果 p/q>1，則不管一開始青蛙怎麼分布，一直到

n+1 秒之前都絕對不可能有青蛙跳回原來位置。 （2）如果 p/q=1，則不管一開始青蛙怎麼分布，一直到

n+2 秒之前都絕對不可能有青蛙跳回原來位置。 （3）如果 p/q<1，則不管一開始青蛙怎麼分布，一直到

n+j 秒之前都絕對不可能有青蛙跳回原來位置，其 中 j 是一個定值，可以經由一個複雜的算式算出來， 並且有 j ≥ 2。 （4）以上三種狀況都是最優的。意及例如 p/q=1，則存 在一種青蛙的分布，使得 n+2 秒時有青蛙跳回原

IMO 關注的特質與 ISEF 關注的特質有很大的不同。前 者較為崇尚快速的洞察力與精準，後者欣賞慢工出細活 的深度。而兩者都需要很強的創造力、專注、堅持與熱 情，且相應的特質在科學上都是重要且該被鼓勵的。

因此，這就牽涉到幾個嚴肅的問題，臺灣對於比賽的定 位與目標及對好學生陶冶與栽培的大方向，需要相關的 單位和學者好好地思考。

最後，翻硬幣的答案是平均要翻 了嗎？

n(n+1) 次，讀者答對 4

來位置。

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專欄文章

歪斜、黑暗人生中的曙光— 黃斑部病變、幹細胞與再生醫療 Take Home Message 林泰祺

老年性黃斑部病變是一種隨著年齡的增長，逐

臺北榮民總醫院眼科部

漸出現視網膜中央部位的退化，視覺上出現視

主治醫師。

物變形，最終造成視力喪失。然而，隨著科技

的進步，現代人 3C 產品大量且長時間使用下，

讓罹患此疾病的年齡層逐漸下降。因此，要如

邱士華 臺北榮民總醫院醫學研

何治療，也成為一項重要課題。

究部部主任。

根據世界衛生組織（World Health Organization, WHO）

視網膜有 10 層，最上層是色素上皮細胞層，下面有感光

的統計，黃斑部退化（macular degeneration），又稱

細胞、錐狀細胞（cone cell）和視網膜神經節細胞等，

老年性黃斑部病變（age-related macular degeneration,

當光線進入視網膜，過多光線能量會累積在感光細胞層

AMD），在全世界是造成失明的第三大原因。也就是說，

和色素上皮細胞層內。因此，日曬、強光曝曬會造成視

黃斑部病變導致的失明的機率很高！人的年紀漸長伴隨著

網膜慢性發炎，特別是感光細胞和視網膜色素上層細胞

老化，使 60、70 歲的老年人罹患黃斑部病變，老年性黃

的退化和老化，促進視網膜內新生血管的生成（圖一）。

斑部病變患者在臺灣地區 65 歲以上人口約占 10~15％，

一旦視網膜內血管增生，就會破壞黃斑部視網膜原本的

其中更有約 30 ％患者，約 5~10 萬人會隨著病程，視網

結構，加上視網膜內細胞持續發炎、血管脆弱之下，容

膜（retina）及感光細胞（photoreceptor cell）產生不可

易造成血管破裂並出血。據統計，10~15％的 65 歲以上

逆的退化，導致中心視力變差，任何東西都呈現扭曲狀，

人口都有黃斑部病變的現象，高度近視者也是黃斑部病

嚴重則會導致失明。

變的好發族群，另外，糖尿病末期併發症也會出現黃斑 部病變。

黃斑部退化

24

黃斑部位於視網膜中央的區域，是感光細胞聚集地方，

老年性黃斑部病變可分為乾性和濕性兩種（圖二），乾

是視力的中心，就如同相機鏡頭對焦位置，對於眼睛視

性的老年性黃斑部病變並未形成脈絡膜新生血管，通常

力的解析度、清晰度與顏色的敏銳度、對比等，扮演著

對視力影響較小。但在長時間之下，仍有可能惡化為濕

很重要的關鍵地位。

性老年性黃斑部病變的。濕性老年性黃斑部病變可能因

SCIENCE MONTHLY 2019.9

生生不息

圖一：眼球構造與黃斑部病變。

圖二：老年性黃斑部病變，由左至右分別為正常、濕性和乾性黃斑部病變。

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SCIENCE MONTHLY 2019.9

候 時 的 來 震 當地

CO VE R ST O RY

1999 年 9 月的深夜， 臺灣的一場地震， 不僅震毀道路、橋樑， 也震倒眾多房屋建築， 更震碎無數人民的家。 20 年後的今日， 科學上推翻哪些認知？ 人類從中學習到什麼？ 是否已備足地震知識？ 讓曾歷經這場噩夢的人們， 能再一次於深夜安穩入眠？

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Cover Story

1

震識知多少？

表一：不同規模的年均發生次數和震央地區的影響。 （美國地質調查局）

地震來臨時，要如何避難逃生，提升自己的存活

率？而在地震過後，各地震度是如何分布？與地 震規模又有何不同？在閱讀本期封面故事之前， 就先帶讀者一同釐清各種與地震有關的大小事。

解析地震 地震波（Seismic Wave）： 地震發生時，人們所感受到的搖晃是由於地震波 的傳播。而地震波，是一種藉地震為能量來源的 波動，以岩層為介質傳遞，依波動特性可分為實 體波、表面波和尾波。

圖一：地震儀紀錄下的地震波，紅線是先到來的 P 波， 綠線是較晚的 S 波。（Wikimedia）

實體波，又可分成縱波（P 波）和橫波（S 波），

P 波為地震發生時最早到達，介質運動方向與波 動方向相同，類似於聲波；S 波則比 P 波晚，且 介質振動與傳播方向垂直，因此 S 波行進時會以 上下或左右方向震動。此外，由於 S 波傳至地表 以水平震動為主，較容易造成建築物受水平向的 拉扯，所以 S 波經常是造成地震破壞的主因。 表面波，是一種由地震波產生的波，好發於地表 或是地層的交界面，速度雖然比 S 波更慢，但威 力更大。而表面波還在某些環境中會被放大，例 如在具場址效應的環境，因為地震波在地表與地 下的波速差異較大，使表面波更明顯。

尾波，是一種因地球內部的不均勻性、對地震波 散射而產生的地震波。由於地表會有較密集或疏

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SCIENCE MONTHLY 2019.9

表二：臺灣現行地震強度分級標準。（臺灣交通部中央氣象局）

21

19

鬆的地質，所以，當震波向外傳播時，這些不均勻或散

地震避難原則

射質點與震波作用，產生散射現象的散射波，即是尾波。

當地震發生時，若處室內，大方向的原則為立即採趴下、

如同地震波線圖上異質性所留下的指紋，因此，研究尾

掩護、穩住的動作，以保護頭部、頸部避免受傷，並躲

波也可促進對地質結構的了解。

在桌下或牆角。躲在桌子下時可握住桌腳，當桌子隨地

99

震移動時也可隨著桌子移動，形成防護屏障。如果蹲在

定義地震

牆角或床邊等地方避難時，則要小心家具、電器、燈具、

地震規模（magnitude, M）：

書櫃或貨架等墜落。平時在設置家中擺設時也應考量家

所釋放出的能量程度，因此每一個地震理論上只會有一 個規模值。最早被廣泛使用地震規模，為美國地震學家 芮克特（C. F. Richter）與古登堡（Beno Gutenberg） 於 1935 年所建立的芮氏規模（Richter magnitude scale,

ML），主要是由觀測點處地震儀所記錄到的地震波，其 最大振幅的常用對數演算而來。

規模相差 1 代表振幅相差 10 倍，而所釋出的能量則相 差約 32 倍。不過，此測量方式在後來遇到瓶頸，規模 太大時無法適用，因此，地震學者以不同的震波分析方 式提出不同的規模，近年來地震學研究上或是更為廣用 的地震規模為日裔美國地震學家金森博雄（Kanamori

Hiroo）提出的地震矩規模（MW），雖然方式不同，不 過對數的概念亦接近。

地震強度： 為地震時，地表實際感受到的搖晃程度，簡稱震度。地震 發生時，不同地方的人或建築物感受到地面搖晃的程度不 相同，通常愈靠近震央的地方，搖晃愈劇烈。一般以整數 來表示震度等級，臺灣使用的地震震度分級，是由交通部 中央氣象局制定，以地動加速度（gal）來區分，分為 0~7

具等物品掉落的情況，且預先做好固定。

不過，位處地震帶的臺灣，隨時都可能遭受地震的來襲， 以下提供讀者在不同情境下的各種避難方式：

1. 躺在床上時： 就近利用枕頭或棉被保護頭部，直到地 震結束。如果床邊有足夠且安全的躲避 空間，可以利用床的高低差獲得更好的 保護，床的擺設應盡可能遠離易倒櫃體 或窗邊。

2. 在浴室時： 不要急著離開，以免因濕滑跌倒， 因為浴室可支撐的柱牆較多，相

對較耐震。若在泡澡，則可放低頭

部，低於浴缸邊緣，並用手保護頭部；

若有懸空的洗手台則需小心掉落。

3. 在廚房時： 如果正在瓦斯爐旁使用爐火，立即隨手關 閉瓦斯，就地避難且遠離熱鍋，直到地震

os

e!

cl

為一種表示地震規模大小的方式，代表這次地震發生時

結束。如果無法順手即可關閉瓦斯，先就

地避難，躲在安全的地方，不要貿然衝去 關火，以免受傷。

級，共 8 個等級，級數愈大表示地表晃動的加速度愈大。

4. 在實驗室或教室時：

早期不同的震度階多以地震產生的地動加速度為基準，

地方避難。待地震停下後，再小心

但近年來，也有研究指出，地震不僅僅是受到地動的加

遠離火源和化學藥品，並在安全的 的移動到室外以免餘震繼續來襲。

速度影響，速度值也是其中重要關鍵。因此，在美國、

5. 在戶外時：

日本也開始加入速度或地震頻率作為震度分級標準的考

遠離大樓，並聚集在一個空曠、安全

量，未來，臺灣的震度分級也可能因應此趨勢進一步調 整，使震度分級更能對應地震的實際影響。

且地板沒有裂縫的地方。並且避免待

在具有地下停車場或地下街的一樓。

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Cover Story

2

面對地震，人們準備好了嗎？ 在集集地震後的 20 年 Take Home Message 1999 年 9 月 21 日的凌晨，震央位於臺灣南投集集鎮的一場 芮氏規模 7.3 的大地震，除了造成人類生命及財產上的損失

臺灣大學海洋研究

所碩士、臺灣師範大學地科 系博士班二年級，筆名阿樹，

外，更是一場死傷慘重、影響無數的自然災害。事過境遷後，

現為「震識：那些你想知道

這場地震為臺灣帶來什麼影響，又教會了人們哪些事？

的震事」副總編輯。

上世紀後半災情最慘重的集集地

且含有非常細緻、奈米等級的黏土

除了鑽井採樣之外，也有更一步的

震，給了臺灣地震學家一個沉重的

礦物斷層泥。此項鑽探結果也增進

探測，例如雙井實驗，將其中一口

功課。這 20 年來，筆者不敢說這份

對地震能量分區的理解，更連結了

鑽 井 注 水、 並 在 40 公 尺 外 的 另 外

功課寫得好不好，但至少地震學家

地質及地震科學兩領域。

一井觀測地下水變化，來取得斷層

並沒有減少努力過，為的就是希望

40

潘昌志

帶 的 岩 石 孔 隙 度、 透 水 程 度 等 參

在下次大地震來臨前，能做好更萬

斷層泥的成因，主要是斷層在地震

數，進一步了解斷層面性質。而臺

全的準備。

發生時，高速滑移而瞬間產生高溫、

灣車籠埔斷層井下地震儀（Taiwan

高壓的環境，使得斷層面上的岩石

Chelungpu Fault Drilling Project

舉世界之力研究車籠埔斷層

被剪碎，若裡面含有地下水的話，

Borehole Seismometers Array,

除了集集地震後針對車籠埔斷層、

甚至還會產生化學變化。利用斷層

TCDPBHS） 計 畫， 則 是 直 接 將 7

全臺活動斷層的研究各有成果外，

泥的顆粒、泥層厚度的分析，可以

台地震儀安裝在地下 950~1300 公

在 2004 年更促成臺灣與美、日、德

推估斷層面上所釋放能量。這樣直

尺深處，跨越斷層帶，以監測大地

和義等多國共同參與的臺灣車籠埔

接「看」到斷層面的研究方式在當

震後的斷層帶行為。

斷層鑽探計畫（Taiwan Chelungpu-

時 國 際 上 也 是 少 見 的， 而 後 2008

fault Drilling project, TCDP）。

年的汶川地震與 2011 年的東日本

在鑽井計畫和井下地震儀等計畫加

TCDP 計畫成功鑽探到集集地震的

大地震也同樣採用此技術，以了解

持下，讓地震學家對於臺灣的地震

滑移帶，發現其厚度約為毫米等級，

斷層面的摩擦係數。

又有更深的認識。首先，中央大學

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地球科學系教授馬國鳳的研究團隊

管集集地震災害嚴重，但也因為有

模、高速的斷層運動行為也特別受

發現一種只有 P 波、卻沒有 S 波的

當時世界上最密集的強地動觀測網

到世界矚目。

地震訊號。此特殊地震集中發生於

與地震速報系統，在震後 2 分鐘之內

斷層帶上，經過進一步驗證後，發

就自動產出地震報告，相對於 1995

更多的地震知識與解析

現地底的水壓變化會誘發微地震。

年之前，需要 30 分鐘才能得到可信

地震動加速度與地震動速度，分別

雖然地震規模不大，但這項研究是

的地震規模與震度，快速許多。而

為地震波在經過時地表質點可以量

地下水變化會引發地震的直接證據，

900 多台強震儀的強地動資料，也

測到的加速度值與速度值，兩者的

對於近來興起的頁岩氣和地熱井開

提供極大量且完整的相關資訊，在

意義與成因皆不同。在一地震中，

發等使用水力壓裂技術的新能源發

當時世界各地強震網中也是相當罕

通常同時具有長週期、短週期兩種

展，是一種從地震學角度的提醒。

見的紀錄。

地震波，會造成高地震動加速度的

99

震波多為短週期震波，而長週期震 雖然人們無法預知下次大地震何時

地震資料讓地震學家有機會仔細分

波雖然通常不易產生高加速度值，

到來，但卻可以藉由深入研究已發

析斷層錯動的模式，加上地表地質

卻容易產生高的地震動速度。

生的大地震，讓地震科學向前進移，

觀測的佐證，發現破裂的車籠埔斷

以增進知識、達到減少災害。

層北段有高達約 12 公尺的斷層滑移

過去，在地震工程中多半認為地振

量及長週期的大滑移速度值。南段

動加速度為致災主因，因此在震度

地震研究早就開始了

雖無太大的滑移量，卻有高頻振動

的觀測方面多考量最大的地動加速

1999 年的集集地震雖然是近 50 年

及較高的地震動加速度，這種大規

度，加速度值越高，震度就越大。

來災情最慘重的地震，不過有許多 關鍵的觀測與研究，是從更早之前 就開始運作。1986 年的花蓮強震造 成北部地區的中和華陽市場倒塌， 遂使當代的地震學家與政府開始重 視 地 震 觀 測 與 防 災。 於 1989 年 成 立中央氣象局地震測報中心，1993 年開始在各地架設強震儀，組成強 地動觀測網。強震儀屬於加速度型 地震儀，專門針對地表震度大的地 震所設計，可以藉由量測加速度轉 換成震度，提供防災參考，同時也 能讓人們更了解大地震的地表振動 行為。

由於地震學前輩們的真知灼見，儘

圖一：震波週期對於高樓建築的影響，左圖為短週期震波效果，右邊則是長週期效果。

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精選 文章

腸道與腦的直達車 Take Home Message 若要讀者試著描述一塊巧克力蛋糕，大概在沉吟之際，會立刻在腦海中先浮現出 一塊咖啡色（視覺）、苦中帶甜（味覺）及具有獨特巧克力香氣（嗅覺）的物體。 人們總不自覺地將五體感覺，並以描述自身經驗；而這正是因為人類的意識會將

楊世斌

中央研究院生物醫學科

學研究所助研究員。

累積的過往經驗加上時間軸，進而形成所擁有的記憶。大腦雖被厚實的頭骨及其

駱宛琳

他組織包覆，但透過分布在身體上不同的感受器，仍能像魔鏡前的巫婆一樣，察

校博士。

美國加州大學舊金山分

覺大千世界裡發生的林林總總……

訊息的內外有別

透過密布在口腔上的觸覺受器來享受。

脂肪酸及胺基酸。最後，當這些小分

人類的身體有覺察世界的「魔法」，

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成為容易吸收的小分子，像是單醣、

這 些 巧 妙 的 功 能，背後的機轉是什

除了體表上的外受器，人體內也分布

子營養物質被吸收進入血液循環系

麼？首先，要從人體內接受訊息的細

著各種不同的內受器細胞，以偵測來

統，會連同腸胃道激素一起作用於腦

胞開始說起。依照訊息的來源，人體

自身體內部的訊號、維持生理恆定。

部的內受器神經元，產生吃甜食所帶

的 感 受 器 大 致 可 分成「 外受器細胞

嚥下蛋糕後的數十小時內，身體會透

來既心滿又飽足的愉悅。

（exteroceptor）」與「內受器細胞

過 長 達 9 公 尺 的 消 化 道 來「 體 驗 」

（interoceptor）」兩大類（圖一）。

這 塊 蛋 糕。 當 富 含 醣 類 及 脂 質 的 蛋

也就是說，有了這些不同的外受器細

糕 進 入 腸 胃 道 後， 會 刺 激 胃 壁 上 的

胞 與 內 受 器 細 胞 彼 此 協 調、 分 工 合

首先是感受體外環境的外受器細胞。

自 主 神 經 末 梢， 同 時 也 抑 制 飢 餓 素

作，才讓人體豐富的感官如同交響樂

感覺器官上有各種外受器密布器，用

（ghrelin）的分泌。接下來，這些食

團一般，激盪出肚子餓時滿是食慾的

以偵測特定的外界訊號。拿到一塊巧

物會進入小腸，刺激腸道內壁細胞分

緊張前奏，與飯飽之際適時放下筷子

克力蛋糕時，人們會先用眼睛來觀察巧

泌許多種腸道激素，包括多胜肽 YY

刀叉的慢板收尾樂章。

克力蛋糕的裝飾，色澤與外觀；即使

（polypeptide YY） 與 膽 囊 收 縮 素

已食指大動，也會花不到兩分鐘的時

（ cholecystokinin）； 而 這 些 腸 胃

打開世界的大門：

間，用布滿口腔及鼻腔的化學外受器

道激素會活化胰臟以及腸道上的外分

感覺受器細胞的基本結構

「品嚐」巧克力蛋糕的苦甜味及獨特香

泌細胞，使其釋放消化酵素到消化道

這些感覺受器細胞與其他細胞有何不

氣；至於蛋糕特別綿密的口感，則是

內，好讓蛋糕裡的營養素能夠被分解

同？ 19 世紀時，德國著名解剖學家

SCIENCE MONTHLY 2019.9

精選 文章

圖一：與一塊蛋糕相遇、進而品嚐其美味的過程中，人體的外受器與內受器各接受不同的感覺訊號。

美克爾（Friedrich S. Merkel）藉由

器細胞與外受器細胞能夠偵測的訊號

翻譯機，能把外界的物理及化學資訊

嚴密的觀察提出一個假設：感官系統

源五花八門，族繁實難備載。例如眼

轉換成電訊號，讓人們「感覺」到外

是由神經元末梢及從上皮細胞特化而

睛上的內受器細胞能辨識光的波長與

界發生的事物。但，它們是怎麼做到

來的受器細胞所組成。

強度等物理性質；身體內有些內受器

的呢？

細胞如同敏感的生化監測儀，能區分 人類的神經系統中，神經元主要是透

不同的營養分子以及量測其濃度。就

這些內外受器細胞如同神經元一樣，

過電訊號來傳遞與整合訊號，但內受

功能上說，這些不同的受器細胞有如

具有容易被興奮的細胞膜，當外界刺

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科學月

刊 50 週年

回顧

記錄著當年珍稀的新知。

基因之上，演化之下 從生物觀點雜談兩性

不再是制式的活版印刷，

雌雄有別的背後

窺最為古老的有性生殖策略。輪蟲是一種多

翻開 49 年前《科學月刊》第 9 期，一篇名

細胞的浮游動物，也是水產養殖中的餌料生

1970 年代，在美國的臺灣

留學生，將對學術知識的 渴求，轉化成自身熟悉的 文體撰寫。在一顆顆緊密 排列的鑄字背後，轉印成 一本本的《科學月刊》，

50 年後的今日，印刷技術

更遑論細數這 18000 多個 日子裡，科學的容貌也已 悄然發生變化……

為〈生兒育女〉的文章吸引筆者的興趣。華 人世界中，對於生男、生女似乎有些根深蒂 固的執念，弄璋弄瓦一事總是家族當中紛爭 不合的來源。在古老年代中，雄性是主要勞 動力的來源，也是國家總體戰力的基礎，所 以重視男丁有其必然性。

物。大多數的輪蟲種類可以同時兼行無性及 有性兩種生殖型態：在資源充足的狀況下， 無性生殖型態當道，靠著高效率複製同質性 高的個體迅速搶占生存資源；在環境壓力的 狀態下，為因應日趨惡劣的環境挑戰，則以 有性生殖的方式產生變異性高的子代，進而 分散族群滅亡的風險。雄蟲只有在有性生殖

然而，這並不意味著雌性就是油麻菜籽命， 只能嫁雞隨雞、專司生育。在社會變遷速度 遠大於生物演化的今日，人類生活已有相當

需求時才會被製造出現，相較於雌蟲，雄蟲 體型相當小，功能也相當單一，只是個精蟲 的提供者。

程度的改變，對於「能力」的標準也有很大 圖一：美國東北

的不同。女性細緻的思維、較為出色的語言 圖一：《科學月刊》第 9 期封面。

部一處池塘所採

及溝通能力，也許更能因應現今世界的需

集的輪蟲樣本。

求。現代人生男生女是否仍需如此執著，其

（By Matthew A.

實值得深切思考。

Robinson - Own work, CC BY-SA 4.0, Wikimedia）

有性生殖裡同中求異 從生物學觀點來說，性別的存在主要是基於

林翰佐

銘傳大學生物科技

學系副教授，本刊總編輯。

掃一下 QR code， 就能回顧《科學月刊》1970 年 9 月號的〈生兒育女〉！

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SCIENCE MONTHLY 2019.9

二裂果蠅的巨無霸精子

有性生殖的需要，有性生殖是生物因應環境

生殖細胞大小，在生物學的概念上是定義公

變化中相當美妙而有效率的方式。老子曾於

母的關鍵：所謂雄性，是指提供個體較小、

《道德經》上說：「天地不仁，以萬物為芻

具有泳動能力的生殖細胞，如精子；而雌性

狗。」生物必須自立自強、迎接環境的試煉，

則是提供個體較大、不具泳動能力的生殖細

種族也才能得以延續。亙古以來，生物「自

胞。隨著演化，精子與卵在體型上的差異似

立自強」的方式不外乎生出更多的子代，並

乎有越來越大的趨勢，或許精子微型化是一

使這些子代具有不同的特異性；這是一種博

種在增加受精成功率的同時降低生產成本的

弈上分散風險的方法，透過多方押寶，提高

好方法。

子代因應變局下活存下來的機率。中華民族

不過，有些生物的演化並非完全依照上述劇

以龍的傳人自居，所謂龍生九子，各個不同。

本發展，像二裂果蠅（Drosophila bifurca）

顯然，老祖宗們相當了解族群存續中最重要 的生物學秘密。 從輪蟲（rotifers，圖一）的生殖模式，可一

就發展出長達 5.8 公分長的精子，足足為該 果蠅體長的 20 倍。其實，果蠅精子本體原 本就是精子界的巨無霸，本體長 0.187 公分，

為人類精子的 300 倍長，而二裂果蠅更極端地演化出誇

Y 染色體性別決定區（sexual-determining region of Y

張的長尾巴。目前，人們仍不清楚為何會有這種現象，

chromosome），一般被視為決定雄性生殖特徵的關鍵

演化出這樣的精子到底有什麼樣的生殖優勢？不過可以

基因，但目前確切的角色仍有待研究釐清。

預見的是，巨型精子的生產需要付出相當的代價；在尋

事實上，現今生物界所謂的性別決定系統（sexination

常果蠅平均一生產出 1745 隻精子的狀態下，這種果蠅只 能生產大約 221 隻的精子。

system）其實也並非只有雌雄基因型為 XX∕XY 的一種 形式而已，另有 XX∕X0（雄性只有一隻性染色體，如蟋 蟀等直翅目昆蟲）、ZW∕ZZ（雌性的性染色體為異型，

求偶舞蹈大賽──老師你怎麼給分？

雄性為同型，與 XX∕XY 系統剛好相反，由卵而非精子

在有性生殖的歷史當中，雄性同胞身分地位的抬頭，大

決定子代的性別，如鳥類）及 Z0∕ZZ（雌性只有 1 條性

抵跟生物中的性選擇（sexual selection）現象有關。由

染色體，跟 XX∕X0 系統相反，如毛翅目昆蟲石蛾等）。

於生殖需要付出龐大的能量代價，演化中較為高等的雌 性動物，在選擇她的生殖合夥人時顯得更為謹慎；而雄 性必須提出某些證明，確保其能與雌性共同產下優秀的 下一代。

基因什麼的看看就好，先活出漂亮的自己吧！ 除了上述的這些性別決定系統之外，生物界中還有其他 決定性別的方式，例如爬蟲類生物的鱷魚及一些種類的

證明些什麼呢？像是健康的個體，擁有豐厚的資源可以

烏龜與蜥蜴，性別的決定與受精卵孵化溫度有關。另外，

撫育下一代。這些條件，聽起來是否耳熟能詳？雄性在

像是蜜蜂及螞蟻，性別的決定端視個體中基因體的套數；

提出這些保證的過程，有時包含某種儀式化的活動，如

雄性為單倍體（生物學中常以 n 表示），而雌性則有

鳥類的求偶舞（圖二）與企鵝奉上石頭討雌性歡心的特

雙倍體（2n）。透過現在分子生物的研究技術，科學家

別舉措，有時激烈的競爭讓掛彩現象在所難免。從演化

們發現，不同性別決定系統間的關聯性其實相當低，如

的觀點看，雄性之所以變得更有能力，是因為雌性在擇

XX∕XY 系統與 ZW∕ZZ 系統的性染色體間，幾乎沒有

偶要求下激發出來的結果。因此，「成功男人的背後，都

基因上的共享，動物間性別決定的整個運作機制遠比想

有一位偉大的女性」，看來十分符合生物學上的理解。

像中複雜多了。 在人類社會當中，性別議題其實並不只限於生理結構的

性別，不只是 XY 的方程式 相信大家都能理解，人類生理上的雄性與雌性，導因於 個體自精子中獲得的性染色體是 X 還是 Y。 擁有 Y 染色體者為雄性。人類的 Y 染色體是基因體中 最小的染色體，由 5700 萬個鹼基對所組成，僅占人類 基因體鹼基總數的 1.9 ％，大約只有酵母（yeast）基因 體的 5 倍大。Y 染色體中所包含的基因量也很少，目前

純然的用生物學的眼光來看待，詮釋與理解這些議題。 不過筆者認為，平等與尊重是文明社會一切價值的基石， 一個成熟的法治社會，法律之前人人都應享有平等，縱 使在社會的多元性、個人的傳統價值與信仰間有所違和。 從美國廢除黑奴制度到消除種族不平等的整個歷史進程 來看，想要達到社會上的普遍接受與認同需要相當的時 間，但移風易俗需要政府宣示與法令的先行。欣見臺灣

追憶年華

僅發現 71 個基因坐落其中。人類的 Y 染色體上坐落有

層次，也涉及心理上的、性別認同的問題，所以並不能

政府對友善性別做出重大的承諾，楬櫫臺灣社會對基本 人權的具體實踐上踏出重要的一步。 延伸閱讀 寒波，〈鄉民的 30 公分哪夠看！二裂果蠅 5.8 公分等級的超大型精子〉，泛科學， 2016 年 6 月 20 日。

圖二：美國俄勒岡州上克拉馬斯湖（Upper Klamath Lake）裡，克 氏鸊鷉（Clark's Grebes）正展現水上衝刺的求偶姿態。（Flickr-Becky

Matsubara, https://flic.kr/p/Uw5zfA）

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！賽 恩 限 時 批！

第一張 中 文 週 期表 今（2019） 年 是 俄 國 化 學 家 門 得 列夫（Dmitri Mendeleev）正式提 出報告，宣布發現化學元素性質隨 原子量增加有週期性變化的元素週 期律與週期表的 150 週年紀念。聯 合國以今年為國際化學元素週期表 年（International Year of Periodic Table of Chemical Elements），簡 稱國際週期表年（IYPT），而《科 學月刊》594 期的封面故事也是在 此一盛舉下所規劃。

元素週期表中文版 距今 30 年前，也就是門得列夫發 表 元 素 週 期 律 的 120 週 年， 筆 者 因中國化學會與科學月刊社合作印 製中文元素週期表，曾撰〈門得列 夫週期表問世一百二十年〉一文發 表於《科學月刊》231 期。其中， 在介紹 12 種各型週期表時，也想 找到最早的中文週期表。當時雖知 1901 年上海的《亞泉雜誌》有〈化 學週期律〉一文，但由於各方資訊 難以取得，只好在文中付之闕如。

圖一：第一張中文化學元素週期表。（作者提供）

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SCIENCE MONTHLY 2019.9

現 今， 託 網 路 之 福， 下 載 清 光 緒 27 年 1 月 23 日， 即 1901 年 3 月 13 日之《亞泉雜誌》第六冊中〈化 學週期律〉全文，得知為虞和欽原 著，經編者杜亞泉稍予修訂。其中 的「週期律表」，應是已知第一張 中文的週期表（圖一），共含元素

劉廣定

臺灣大學化學

系名譽教授，曾任《科 月》編委，第一篇文載 於第 3 卷第 10 期。

64 種，且為直式，與一般所見者 不同。這一表的來源據虞和欽所述 為英國人 Walker，經筆者查閱後 得知為英國化學教授沃克（James Walker）於 1899 年著《物理化學 導 論 》（Introduction to Physical Chemistry）一書，其中第 44 頁即 有此表的英文版。 文 章 中 又 說 明「 輕（ 即 氫 ） 氣 」 未列入，「餒（為鋖之誤，即釹）」 等 9 種金屬可列於「錯（即鈰）」 之下，「釢」可列於鉍之下，「但 因此等新原質之質性，未甚明了， 故置缺如。」並說明「氬」及「歇 留謨（即氦）」目前尚未明其位置。 此外，還節中也說明七週期的各週 期內元素性質相關之處，八屬中各 元素的化學性質，認為「其同屬性 情相類似，較於天然分類，更為自 然。」另外，也指出銦、鈾、碘和 碲等之比重，原作稱「原點重率」， 因而重測修正；鉰（即鈧）、鈤（即 鍺）及釒 瓦（即鎵）3 種新元素因而 發現等。 由於〈化學週期律〉一文中所用元 素名稱與現用者頗多不同，圖一也 出現兩處錯誤。一是三週期六屬的 「 碘 」 是「 硒 」 手 民 之 誤； 另 一 是六週期三屬的「鐿」及五週期四 屬的「錯（即鈰）」不應放在該位 置。現將該表改用教育部審定的元 素名，重列於表一以利讀者閱讀。

表一：第一張中文化學元素週期表的重製。

圖二：可能是現存最古老的週期表。（作者提供）

今非昔比之變 鈰（Cerium, Ce）和鐿（Ytterbium, Yb）都是鑭系稀土 金屬之一，早期對稀土金屬的性質還不清楚，僅依原 子量排列在週期表中。今年初，英國聖安德魯斯大學 （St. Andrews）在化學倉庫中找到一份已破損的德文 元素週期表，據推測大約是 1880 年左右所印製，可能 是世界上現存最古老的週期表（圖二），其中也有同 樣的錯誤。但是，1880 年代鑭系稀土 金屬多已發現，性質也漸清楚，化學 家已了解須在週期表中另留一區域容 納這些元素，因而有一些不同形狀的 週期表出現，如圖三、四。可惜中國 人到 20 世紀伊始（1901 年）才知道 原始的門得列夫週期表，化學知識和 觀念落後了約 30 年！

圖三：1895 年丹麥化學家湯姆森（J. Thomsen） 設計的週期表，是仿照貝雷（T. Bayley）1882 年設計的「放射式」週期表所製成，但容納 多種當時新發現或新確認的鑭系稀土金屬元 素。其中 Ne 不是「氖」而是 1885 年發現的 釹（Neodymium, Nd）；Trb 為 鋱（Terbium,

Tb）；Thu 即 為 銩（Tullium, Tu）。 那 時 已 知

延伸閱讀

1. 劉廣定，〈門得列夫週期表問世一百二十年〉，《科 學月刊》，第 231 期，197~204 頁，1989 年

這些稀土金屬元素的性質特殊，所以和其他 元素之間沒有關係線相連。圖中的 J 代表碘，

2. University of St Andrews, The periodic table of elements, https://bit.ly/2YCaewU.

因德文的碘為 Jod，圖二、四也是以 J 作為碘 的元素符號。（作者提供）

3. G. N. Quam and Mary Battell Quam, Types of graphic classifications of the elements. II. Long charts, J. Chem. Educ., 1934.

圖四：1905 年，德國化學家維爾納（H. Werner）設計的週期表，倒 數第 2 排的 Y 是 Yb（鐿）之誤。另外，此表中增加幾種新發現的元 素，包括鑭系稀土金屬銪（Eu，1901 年發現）、第七週期的鐳（Ra，

1898 年發現）和錒（Ac，1899 年發現）等及 1894~1898 年所發現 自成一屬的 5 種稀有氣體元素。（G. N. Quam and Mary Battell Quam, 1934）

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