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《科學月刊》1 1 月活動足跡 科學閱讀大師講座 改變資訊世界的布爾代數 面對108課綱的新挑戰,閱讀能力的素質培養儼然成為未來課堂 裡外的必經過程。因應教育新變革,《科學月刊》於去(2019) 年11月舉辦科學閱讀大師講座,邀請科學相關領域學者,不只向 高中生分享科學知識,同時在講座的過程中,透過閱讀科普文 章,與講師進行一場思辨之旅。 同學們向大家分享自己的觀點及想法。

本次邀請中央研究院數學所研究員李 國偉老師,以布爾代數為主題,向同 學訴說布爾的故事、布爾代數的出現 及布爾代數如何成為近代資訊科技的 重要一環。

演講中,講師安排同學在活動的段 落,閱讀相關文章,並且給予思考的 問題與方向,讓同學在閱讀時激盪出 屬於自己的想法。

歡迎公私立學校、機構洽談科學活動合作。


Contents p

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601

2020 JANUARY

COVER STORY

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12 離岸風力發電,

環評把關就夠了嗎 ? 王珮蓉、高國瑋

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16

在爭議中尋求永續發展─ 離岸風電生態評估再進化

p

20

林子皓、柯智仁

為與不為─

當水下噪音成為一種 鯨豚生態干擾

p

24

湛翔智

鯨豚能與離岸風場共存嗎 ? 從生態調查找答案

觀察家生態顧問 有限公司、賽塔小組

SCIENCE MONTHLY Vol. 51 No. 1

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Contents-2

填問卷.拿新書

News Focus

只 要 於 2020 年 1 月 31 日 前 完

 4 不只是能除臭的咖啡殘渣/

整回答讀者問卷調查,內容請

   別再邊走邊滑了!當心使用手機造成的頭部創傷

至 bit.ly/2tvCof9 填寫,或掃描

 5 鼓手的大腦和你想的不一樣/刷牙也可以預防心臟疾病?

QR code,就有機會獲得遠流出

 6 惡魔蠕蟲如何適應極端環境?基因或許能解惑  7 火星部分區域冰層淺薄 人類「親身」登陸有望? 科學•出走

 8 打桌遊不要聽搖滾樂啦!/謝育哲 28 顯影 1:月有陰晴圓缺/李美英

版的新書《生死交接:一個器官 移植醫師的筆記》。數量有限, 敬請把握!獲獎名單將於 2020 年 2 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。

專 欄

30 數不勝數:教科書外的數學—整數數列線上大全 OEIS /林家妤 Shark Lin 34 格物致知:物理界的百年難解習題—質子半徑之謎/高崇文 38 生生不息:隱身昆蟲體內的血流脈動—    開放式循環系統/張園、呂昀恆、吳岳隆 42 物換星移:在事件視界望遠鏡前,人們怎麼觀測黑洞?/邵思齊 46 前瞻未來:把歌曲變成伴唱帶—如何從樂曲中分離音樂與人聲?/蘇黎 50 顯影 2:暹羅鎖鍊蛇/游崇瑋 思辨之評

54 《科學月刊》,站在下個五十年的起點/蔡孟利

bit.ly/2tvCof9

58 黑死病再現?從北京鼠疫談防治與追蹤/莊人祥 精選文章

60 沒什麼用途,藏起來也好?—    不見得所有生命現象都是適應性的結果/許家偉 64 物理英雄與大時代的交會—惠勒與歐本海默/簡宗奇 68 潛藏內太空的微觀世界—海洋病毒/嚴融怡 追憶年華

72 50 年之後—染色體又知多少?/羅時成 Live 科學

76 一樣米養百樣人,而臺灣竟有千樣米?/李依庭 書 摘

78 《生死交接:一個器官移植醫師的筆記》

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科學月刊 2020.1

《科學月刊》勘誤

1. 《科學月刊》600 期第 36 頁第 23 行「... 太 陽因為木星的公轉,兩者也會以大約每 秒 10 公尺的速度 ...」更正為「... 太陽因

為木星的公轉,本身也以大約每秒 10 公 尺的速度 ...」。

2. 《科學月刊》600 期第 41 頁圖二圖標「二 流化鈦」更正為「二硫化鈦」。 以上錯誤謹向各位讀者致歉 科學月刊編輯部 敬上


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

不一樣的溫度 黑色星期五的夜晚,儘管上了一天班,身體早已疲累不堪,卻仍守在筆電前,隨 意瀏覽社群網站、打著小盹,靜靜等待螢幕右上角小圖示的指針與時針重疊那一 刻。視窗分頁早早掛著訂票系統,只為能準時按下按鈕,買到一張回家的車票。

理事會 理事長:曾耀寰 理 事:曲建仲 林翰佐 邱韻如

臨近午夜時分、守著電腦搶交通票,儼然已成身處異地的遊子在各節日或重大事件

紀延平 張敏娟 程一駿

前為返鄉的最佳寫照。這次的搶票熱潮,為的是 2020 年中華民國總統選舉。返家

蔡孟利 蔡政修

投下自己的那一票,為了不是別的,而是不再重蹈覆徹、落入同溫層的甜蜜陷阱中。

執行總監:趙軒翎

氣象學中,平流層(stratosphere)裡的大氣以水平方向流動,垂直方向較少,氣

編輯部 總編輯:林翰佐

流平穩,又稱作「同溫層」。將此名詞轉移至新聞媒體,就成迴聲室效應(echo

副總編輯:趙軒翎 蔡政修

chamber),意指在某一環境中充斥意見相近的聲音,讓人們認為這就是事實。而

編輯委員:王文竹 王伯昌 曲建仲 江建勳 李武炎 李志昌

在社交網絡發達與演算法盛行的現今,大數據針對個人使用習慣與歷史紀錄所形

李精益 周鑑恆 林秀玉 

成的過濾氣泡(filter bubble)現象,更在網路世界強烈發酵。

林宮玄 邱韻如 金升光  金必耀 門立中 紀延平  范賢娟 倪簡白 高啟明  高憲章 張大釗 張敏娟  陳妙嫻 陳彥榮 陳鎮東

「只看自己想看的、只聽自己想聽的」是資訊爆炸的時代中人人無一倖免的盲點 效應。使用的社交工具越多、時間越長,盲目地產生偏見與錯覺就更加明顯。從

單維彰 景鴻鑫 曾耀寰 

2016 年美國總統大選到近期的英國脫歐(Brexit)公投,同溫層效應不僅誤導選情

程一駿 程樹德 黃正球 

局勢、跌破各界眼鏡,更打臉各項民調。

黃相輔 楊正澤 葉李華  廖達珊 管永恕 劉宗平  蔡兆陽 蔡孟利 蔡振家  鄭宇君 鄭運鴻 韓德生  嚴如玉 嚴宏洋 蘇逸平 編輯顧問:王明蘅 古宏海 朱麗麗 吳明進 吳家誠 周延鑫

如何避免此現象,擴大資訊來源、隨時抱持懷疑和廣闊自身視野,是走出同溫層 的最好方法。如同這期的封面故事,該發展能源產業或保護生態環境,其實兩方 各自有其說法與論證。若只侷限某種意識形態,只願意接收某部分資訊,忽略相 左的意見,必然無法看到事情的全貌。

周榮泉 洪萬生 洪裕宏 胡進錕 孫維新 張 復  張勝祺 陳文屏 陳章波  陳國成 曾惠中 楊玉齡 劉仲康 駱尚廉 魏耀揮 蘇益仁 蘇振隆 主  編:李依庭

另一方面,在面對排山倒海的資訊時,如何客觀聆聽不一樣聲音,但又不忘堅定自 己的選擇?相信這是活在速食資訊年代的人們一輩子都必須學習的課題。儘管最終 沒有搶到心目中預想時間的車票,但仍慶幸可以自由投下符合自我認知的一票,而 不是讓他人來決定我們去往的方向。

編  輯:郭家銘 謝育哲 美術編輯:黃琳琇

抬起頭,站在擁著自由空氣的天空下。 業務部 經  理:李金穗

主編 李依庭

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

本期為第五十一卷第一期 第 601 期 發行於 2020 年 1 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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NEWS FOCUS

不只是能除臭的咖啡殘渣 你能想像手上的那杯咖啡成為路上汽 車的零件嗎?現在,不論是何種產業, 環保議題一直是各家公司追求的目 標。若能將他人不需要的資源,轉變 為能使用的生產材料更是再好不過的 選擇了。近日,美國汽車大廠福特汽 車公司(Ford Motor Company)與速 s)進行 食業龍頭麥當勞(McDonald’ 一項合作計畫,將麥當勞製作咖啡時 所產生的殘渣廢料,轉變成福特製造 汽車頭燈與引擎蓋等零組件的材料。 咖啡的製作過程中,咖啡豆在經過高 溫烘焙後會產生咖啡豆外殼(coffee chaff)廢料,每年產量多達數百萬磅。 以往這些外殼都是被直接丟棄,但雙 方研發團隊設計出全新的製程,廢棄 的咖啡豆外殼經過低氧環境中加熱,

再加入塑膠添加劑後所製 成的複合材料,可用於製 作汽車零組件。研究團隊 表示,這種複合材料能製 作成各種形狀,像是車輛 的前車燈罩與引擎蓋等零 件。 與 過 去 的 製 造 方 式 相 比,零件成品減少 20 %的重 量,同時生產過程也降低 25 % 的能源損耗。 此研究是汽車製造工業與食品業的首 次跨界合作案,雙方都表示,未來將 會積極尋找更多可行的替代材料,不 只能完美處理食物所產生的殘渣與廢 棄物,更能減少車輛製造使用的材料 用量,為環境保護及資源再利用創造 全新的里程碑。

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Double shot of sustainability: Ford And McDonald’ s collaborate to convert coffee bean skin into car parts, Ford media center, 2019.

別再邊走邊滑了! 當心使用手機造成的頭部創傷

(Pexels)

現代人手機不離身,就算是睡前躺在 床上也要和朋友傳訊息或瀏覽社群。 但自從智慧型手機問世後,越來越多 的民眾因使用手機造成頭部或頸部受 傷。近期,美國紐澤西醫學院(New

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科學月刊 2020.1

Jersey Medical School)團隊的研究 更顯示,近 20 年來因手機的出現,民 眾通報頭部的受傷情形逐年上升。

年齡低於 13 歲的使用者比較可能面臨 第一類的傷害型態;50 歲以上的年長 使用者則是第二類的傷害居多。

研究團隊利用美國的國家電子傷害監 視 系 統(National Electronic Injury Surveillance System)中,多達 100 間 醫院急診單位的數據進行分析。根據 統計,自 1998~2017 年間,共有多達 2501 起手機造成的傷害事件,其中有 40%案例的年紀介於 13~29 歲之間。

研究人員帕什霍夫(Boris Paskhover) 表示,雖然大部分的傷害都不嚴重, 但仍不可輕忽使用手機時的潛在風 險,例如有人會邊開車邊使用手機, 導致駕駛注意力不集中,讓自身與周 遭暴露於高風險之中。因此使用手機 時,還是得多注意周遭的狀況,最好 在安全的環境中再低頭。畢竟,在大 多數的情況下,並沒有邊走邊低頭使 用手機的急迫性。

研究中顯示,手機造成的傷害分為兩 種,第一類為直接傷害,例如躺在床 上使用時因手滑導致臉部不慎遭手機 砸傷;第二類則是手機使用的相關傷 害,例如邊走邊使用手機,在未注意 周遭環境下跌倒的案例。研究顯示,

Roman Povolotskiy et al., Head and Neck Injuries Associated With Cell Phone Use, JAMA Otolaryngology–Head & Neck Surgery, 2019.


NEWS FOCUS

鼓手的大腦和你想的不一樣 有看過樂團表演的人都知道,鼓手在演出時,雙手及雙腳擊鼓時 的節奏與速度各有差異。對於一般人而言,雙手拍打的節奏相同或 許沒有問題,但當左右手需各自打在不同的節奏,甚至加入雙腳 打節拍時,可能就不是件容易的事情。為了找出專業鼓手與一般民 眾的差異,德國波鴻魯爾大學(Ruhr-Universität Bochum)的研究 團隊,透過磁振造影(Magnetic Resonance Imaging, MRI)掃 描 受試者的大腦,發現專業鼓手大腦中某些部份確實與一般人不同。 在過去,科學家已知長期演奏樂器將會改變人腦的神經傳遞,但 對於打鼓卻沒有更深入的研究。因此,研究團隊對 20 名演奏經驗 超過 17 年,並每週練習超過 10 小時的專業鼓手與一般民眾進行 對比實驗。透過磁振造影掃描大腦發現,專業鼓手大腦中的胼胝體 (corpus callosum)前側與一般人有明顯差異。而分析數據也顯 示鼓手連結兩側大腦的神經纖維數量雖少但較為厚實,代表左右 腦的訊息交換速度更快,且神經纖維越厚實,鼓手的表現越好。 實驗結果顯示,專業鼓手的大腦有更高效率的神經傳導能力,在 面對不同節奏轉換時,四肢的反應依舊游刃有餘。因此下次在看 表演時,不妨給予隱身在其他樂手後方的鼓手更多掌聲與喝采吧!

(Pixabay)

Lara Schlaffke et al., Boom Chack Boom—A multimethod investigation of motor inhibition in professional drummers, Brain and Behavior, 2019.

刷牙也可以預防心臟疾病? 結果發現,在追蹤期間共有 4911 名受 試者曾產生心房顫動,7971 名受試者 出現心臟衰竭的現象。統計之後更發 現比起每天刷牙次數不滿三次的受試 者,每天刷牙三次以上的受試者,心 房顫動的發生率降低 10%,心臟衰竭 則降低 12%。 研究人員表示,儘管目前尚不清楚確 切的發生機制,但一項合理的解釋為, 頻繁地刷牙將可減少口腔及牙齦等處 的細菌數量,並且避免細菌透過血液傳 遞而導致感染等問題。不過,由於此研 究只針對單一國家,後續則需要更多 的研究資料才能進一步佐證刷牙與預 防心臟疾病的因果關係。但不論如何, 可以確定的是,勤刷牙的好處依舊不 少,因此每日定期清潔口腔方為上策。

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研究團隊從韓國健保資料庫中,找出 161286 名年齡介於 40~79 歲,且未 曾有心房顫動及心臟衰竭病史的民眾 進行長期追蹤。在為期約 10 年的追蹤 過程中,研究人員依照受試者的牙周 疾病狀況、每日刷牙次數、看牙醫門 診的原因、進行專業洗牙的次數及缺

牙數量等為指標進行統計分析。

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你 今 天 刷 牙 了 嗎? 眾 所 周 知 刷 牙 有 許 多 的 好 處, 除 了 可 以 保 持 口 氣 清 新、維持口腔清潔、預防蛀牙及牙齒 保健之外,近期的一項研究發現,刷 牙或許也能減少某些心臟疾病的發 生。 來 自 韓 國 梨 花 女 子 大 學(Ewha Womans University College)及蔚山大 學(University of Ulsan College)的 共 同研究團隊指出,每天刷牙三次以上 將可降低心房顫動(atrial fibrillation) 與心臟衰竭(heart failure)的風險。

Y. Chang et al., Improved oral hygiene care is associated with decreased risk of occurrence for atrial fibrillation and heart failure: A nationwide population-based cohort study, European Journal of Preventive Cardiology, 2019.

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科學

出走

(Pexels)

賽恩鬧科學

打桌遊 ! 啦 樂 滾 搖 聽 不要 (Pexels)

謝育哲

喜歡邊聽搖滾樂邊喝

威士忌,喝醉後跟著旋律與節 奏搖頭晃腦,本刊熊編。

筆者是搖滾樂重度成癮者,每年不是要飛一趟歐洲跑搖滾或重金屬的 音樂節,就是會鎖定來臺表演的樂團。2018 年筆者就曾為了一睹槍與   Roses)的風采,買了機票飛到法國巴黎參加下載音樂節 玫瑰(Guns N’ (Download Festival Paris)。 除此之外,筆者偶爾也會找三五好友跑去桌遊店玩樂一番。身為一個 死腦筋又不太會玩遊戲的男人,桌上遊戲的對決沒贏可說是家常便飯。 相信年輕的讀者也像筆者一樣,喜歡在空閒放鬆的時刻與親朋好友玩 個幾局桌遊,反正不涉及博弈嘛,開心最重要。 而筆者認為,如果將喜愛的兩項興趣結合,也就是邊聽那搖滾樂邊玩 桌遊,想必是一件十分開心的事,畢竟聽搖滾樂會讓情緒變得十分亢

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科學

奮,或許表現會變好?不過事實可能並非人所想的這麼間 單,以下的英國研究就建議最好不要這麼做。

玩桌遊不要聽搖滾樂,除非你獨孤求敗! 事情是這樣的,2016 年,一群來自英國倫敦帝國學院(Imperial College London)以及皇家音樂學院(Royal College of Music) 認(無)真(聊)的研究人員們,思索在特定情境下,聽不同 種類的音樂會對當下的表現有何影響。 於是研究人員找來 352 名到倫敦帝國學院參觀的遊客進行實 驗,請他們在學院一年一度所舉辦的科學活動——Imperial Festival 現場玩一款名為《外科手術》(Operation)的桌遊。 遊戲規則如下:首先遊戲的盒子中包含一個裝電池的手術 台,玩家要先將各個塑膠器官遍布在手術台傷口(洞洞)裡 面。遊戲中,玩家必須使用鑷子夾出這些器官,過程中如 果鑷子碰到洞洞的邊緣就會產生震動,手術台的警示燈也 會亮起,任務失敗;如果成功夾起器官而沒碰到洞洞的邊 緣,即可得分。 好了,這純粹就只是一個比看誰小心的遊戲。而倫敦帝國學 院實驗中,研究人員給玩家戴上消噪耳機(noise-cancelling headphones),並播放三種不同風格的音樂,分別是澳洲 搖滾樂團 AC ∕ DC 的〈雷霆萬鈞〉(Thunderstruck)、莫札 特的〈第 16 號鋼琴奏鳴曲〉(Piano Sonata No. 16)及手術 間的聲響,遊戲過程中追蹤玩家聆聽不同音樂時的表現及 犯錯頻率等。 結果發現,聆聽 AC ∕ DC 的玩家不只反應比較慢,而且還一 直不斷犯錯;相較之下,聽莫札特與手術間聲響時,玩家 表現就顯得穩定許多。根據統計,在聽 AC ∕ DC 時,玩家 平均會出現 36 次的失誤,而聆聽另外兩種音樂的玩家則平

出走

均失誤 28 次。弔詭的是,上述的效應僅出現於男性玩家, 女性則完全不受影響。研究人員發現,女性雖然平均完成 遊戲的時間較長,但出錯的次數與頻率較少,且音樂似乎 無法影響女性玩家的遊戲表現。

這是一個未解之謎! 至於為何只有男性受影響,簡單來說,就是不知道!研究 人員表示他們並不了解其中的機制,未來需要更多的研究 才能釐清。而一個較為可靠的解釋為,搖滾樂會造成男性 的聽覺壓力,導致專注力無法集中。另外也發現,越喜歡 莫札特音樂的玩家,減少遊玩時失誤的效應會越明顯。因 此研究人員建議,玩家不要在玩棋盤類等需專注的遊戲時 聆聽搖滾樂(尤其是澳洲樂團)。 而研究人員坦言,這只是他們在空閒時所做的研究調查, 屬於開玩笑性質,並不特別嚴謹,不過仍可作為聆聽音樂 如何影響行事表現的一個參考。另外,本次的研究僅著 重於《外科手術》這款桌遊,其他種類的遊戲是否有上述 效應尚不清楚。但筆者認為,如果在玩《阿瓦隆》(The Resistance:Avalon)或需要玩家間大量溝通的遊戲時,背 景如果播放搖滾樂應該任何人都不好受吧(想像一下一群人 跑去夜店玩桌遊的光景……)。 總之,如果哪天桌遊店的老闆在店內播放搖滾音樂時,廣 大的男性朋友們切記請老闆將音樂轉為貝多芬或巴哈之類 的古典樂,相信應該會有比較好的表現……吧? 延伸閱讀

Daisy Fancourt, Thomas MW Burton and Aaron Williamon, The razor ’ s edge: s performance when pretending to be a surgeon. Australian rock music impairs men’ The Medical Journal of Australia, 2016.

(Pexels)

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? 能 不 離岸風電,能與 如

海 何讓

上能

, 發展

與自

然生

容 態兼

並蓄

離岸風電議題涵蓋面相甚廣,本次專題 著重於離岸風電與海洋生態之間的關聯 性。另外,於本刊姊妹刊物《科技報導》 455、456 期中,亦有一系列相關報導, 討論更多面向的研究現況與分析。

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離岸風力發電, 環評把關就夠了嗎 ? Take Home Message 離岸風電的推行,是為了有效減緩全球暖化的再生能源策略之一, 綠能應該是用來解決環境議題而不是製造更多麻煩。因此,透過滾 動式檢討的過程、投入各種生態調查與監測技術,才有機會找出真 正適合在地且有效減輕生態影響的對策,成為保育海洋生態的助力。

得天獨厚的離岸風場發展條件

菲律賓海三個「大海洋生態系」或

臺灣近年積極推動再生能源,規劃

「生態地理區」交會處,具有「生態

於 2025 年 再 生 能 源 發 電 量 占 比 達

交會區」的效應。再加上季節性洋

20 %。由於臺灣位處東亞季風帶,

流的交會,南部有溫暖的黑潮和南

擁有豐富的風能資源,在全球風速評

海支流,冬季北部中國沿岸低溫的

比中,臺灣海峽更是名列前茅,擁有

海流使得南北溫差達 4~5 ° C,水溫

世界級數一數二的優良風場。除此之

影響物種的分布,造就臺灣擁有相

外,臺灣海峽以大陸棚為主,屬沙岸

當豐富的海洋生物多樣性,土地面

淺灘,平均水深不超過 50 公尺,相

積只占全球 0.025%,海洋生物種類

當適合風場開發。因此,在臺灣西

占比卻超過 10%,以單位面積來算,

部海域發展離岸風電成為再生能源推

物種數超過其他國家平均值 400 倍,

動的主軸,政府規劃以三階段策略推

成為全世界海洋生物熱區。

動離岸風電發展,依序透過「離岸風 王珮蓉 工業技術研究院綠能所 工程師。

力發電離岸示範獎勵辦法」與「離岸

臺灣不僅擁有超過 3000 種已鑑別的

風力發電規劃場址申請作業要點」等

魚類,且現今所發現的 33 種鯨豚就占

離岸風電區塊開發相關政策,以穩

了全世界鯨豚種類的三分之一,在西

健達成 2025 年離岸風電 5.5 百萬瓩

部海域就發現過 25 種(包含擱淺),

(GW)設置量的目標。

其中也包含瀕危絕種(endangered

高國瑋 工業技術研究院綠能所 副研究員。

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species, EN)的中華白海豚(Sousa

世界級豐富的海洋生物多樣性

chinensis); 除 此 之 外, 臺 灣 更 是

另一方面,臺灣位於東海、南海及

位處東亞-澳大利亞侯鳥遷徙線


COVER STORY

(East Asian-Australasian Flyway,

執行環境影響評估的核心價值。

EAAF)上重要中途站與渡冬地,這

01

時就能先行避開敏感區域,並希望 業者能把在國外風場各種減輕環境

是全球候鳥主要遷徙路線之一,每年

為 因 應 離 岸 風 場 開 發, 環 保 署 於

都會有成千上萬的鳥類飛過,促使臺

2018 年修訂〈開發行為應實施環境

灣西海岸形成多處重要野鳥棲息地、

影響評估細目及範圍認定標準〉,第

離岸風場環評

保護區及國家重要濕地。

29 條第 5 項明訂離岸風場開發均需

依據「離岸風力發電規劃場址申請作

要實施環境影響評估。然而,臺灣過

如何雙贏:魚與熊掌可以兼得?

業要點」規定,業者必須在 2017 年

去並無離岸風場及其他大規模海上結

底前至少取得環評專案小組初審通過

離岸風電的推行,是為了有效減緩全

構物建造經驗,加上缺乏長期海洋生

方能保留申請資格,再依據前年公告

球暖化的再生能源策略之一,綠能應

態研究資料,因此難以短時間針對風

的「離岸風力發電規劃場址容量分配

該是用來解決環境議題而不是製造更

場開發對海洋生態的影響進行全面性

作業要點」參與 2025 年以前的離岸

多麻煩。然而,沒有一項工程開發不

且有說服力的評估。

風場遴選與競價作業。因此,許多風

影響的執行經驗帶來臺灣。

場環評審查都在 2017 年如火如荼地

會對環境造成任何改變或影響。 為了能降低對環境的衝擊,在規劃

展開,目前已取得開發資格(非施工

在海上長期豎立龐然大物,必然引

階段,能源局於 2015 年公告「離岸

許可)的風場均依照環評法規進行開

起環保團體與社會大眾的憂慮,如

風力發電規劃場址申請作業要點」

發前各項環境基線調查,並依審查要

水下打樁噪音對鯨豚造成的影響、

及 36 處潛力場址,即依據當時已公

求,承諾持續進行開發前、施工中及

鳥類穿越風場的撞擊風險及風場長

告或已知應予保護、禁止或限制建

營運期間的監測。

期運轉是否會對在地生態系統帶來

築地區,包括林務局預告「白海豚

負面效應,在風場規劃階段就要先

重要棲息區域」、林務局公告「野生

各風場的環評報告書均已公開在環保

行評估。透過環境影響評估,蒐集

動物重要棲息環境及野生動物保護

署網站的環評書件查詢系統,報告第

相關資料與各界討論溝通,據此重

區」、「臺灣重要野鳥棲地」及營建

六章針對開發可能影響範圍進行調

新調整開發場址範圍,並擬定適當

署公告「臺灣沿海地區自然環境保

查,其所執行之海洋生態調查項目包

的相應措施來降低外界疑慮,正是

護區」等,讓開發業者在初期規劃

括海域生態(底棲生物)、魚類、鳥 類及鯨豚;而第八章則載明風場的環 境保護對策及替代方案。這些定稿報 告書,均依照環評法召開環評審查, 經由至少 1~2 次專家小組初審,並 經環評大會審查通過。依據環保署公 告的審查結論內容,除了針對生態議 題外,包括生活與自然環境、社會經 濟和文化等可能影響程度及範圍均透 過委員、專家學者、各方意見及開發 商的答覆進行專業判斷與綜整考量,

圖一:離岸風電環評審查。(王珮蓉攝影)

判定業者提出的環評報告書已足以提

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為與不為─

當水下噪音成為 一種鯨豚生態干擾 Take Home Message 人類的生活與開發,或多或少影響著海洋生態。儘管有眾多原因導致鯨豚 面臨存亡威脅,然而,在離岸風場開發當中,水下噪音的干擾,更可能成 為壓死海洋生物的一根稻草。因此,如何做好基礎調查、保護海下生態, 則為一刻不容緩之事。

鯨豚面臨的存亡威脅有水質污染、

(kHz)之間,對聲波較敏感的頻率

棲地消失、漁業誤補、與船碰撞及

範圍在 2~4 千赫茲,能聽到的聲壓

水下噪音等。其中水下噪音干擾是

閾 值 約 為 0.00002 帕(Pa), 也 就

一項複雜的問題,因為水下噪音會

是 20 µPa。當人們在說明噪音值時,

影響到鯨豚的身心理層面,較嚴重

會使用分貝( decibel, dB )的計算

時更會傷害到牠們的聽覺器官,甚

方式,常以 0.00002 帕當參考聲壓。

至直接造成死亡。一般在鯨豚身上

因此,人耳的聽力閾值就是從聲壓級

並不容易觀察到水下噪音對牠們的

0 dB re. 20 µPa 為基準,也就是以

傷害,就連鯨豚擱淺後的解剖病理

20 μPa 為參考聲壓的分貝數。意味

分析,也難斷定水下噪音是造成死

著當聲音的分貝數越高,表示人耳聽

亡的原兇。不過,人們如何判斷水

到的聲音是越大聲的。鯨豚生活在水

下噪音對鯨豚的威脅?得先從人類

中,計算水下噪音的分貝數則採用聲

自身受到噪音影響,進一步來解釋

納方程式的參考聲壓 0.000001 帕(1

噪音干擾。

µPa)。由於參考聲壓不同,當噪音

湛翔智

分貝數是一樣時,水下噪音的聲壓

知洋科技股份有限公司 總經理。

20

科學月刊 2020.1

分析噪音如何產生干擾?

會比空氣噪音的聲壓多出 26 分貝。

人耳的聽力頻率範圍在 20~200 千赫

也就是說,水下噪音在 120 dB re. 1


COVER STORY

03

圖 一: 臺 灣 第 一 座 離 岸 風場施工打樁現場。(知 洋科技股份有限公司)

µPa 時,相當空氣噪音的 94 dB re.

噪音干擾,也可以在醫療院所就診

20 µPa。因此,在計算噪音的分貝

並靠藥物治療症狀,甚至也能搬家,

數時,必須說明清楚參考聲壓,才能

遠離這些不能接受的噪音干擾。

閾值分析。

為何調查鯨豚聽力的難度這麼高? 主要原因是無法控制野生動物的發

夠明確解釋這些噪音的物理量。

當鯨豚受到噪音干擾時,

聲,也無法在海上用定量的水下噪

而人們日常生活有哪些時候會感受

怎麼辦?

音來試驗鯨豚反應。有時取而代之

到噪音?如果住在鐵道旁,是不是

就目前科學研究及調查報告中顯示,

的研究方法是利用圈養鯨豚,也就

可以忍受幾分鐘通過一班火車的噪

各物種的鯨豚聽力頻率範圍不同,體

是利用在水族館的鯨豚,來試驗牠

音?若是住在高速公路旁,每天 24

型小的齒鯨,如白海豚、寬脊江豚

們對水下噪音的反應。但是鯨豚在

小時都有大量汽車產生噪音,晚上

(Neophocaena asiaeorientalis)約

圈養水池中,對於水下噪音的反應

是否睡得著覺?如果辦公室旁正在

在 0.7~150 千 赫 茲; 大 型 鬚 鯨, 如

還是跟在海上有所差異,例如環境

興建新的大樓,一直聽到地基施作

大翅鯨(Megaptera novaeangliae)

噪音不同會影響受體實際感受、試

的打樁噪音,是否可以專心工作?

則約在 0.38~18 千赫茲之間。此外,

驗用的水下噪音在水池中的傳遞改

試想如果人們無法接受這些噪音的

各種鯨豚的聽力閾值門檻也有變化,

變,所發生的多重反射與海上不同、

干擾,會怎麼做?可以向施工單位

這些差異無法用像人耳聽力範圍的簡

水池容積的限制讓鯨豚行為受限等。

當面抱怨、抗議,跟政府單位陳情、

單描述特性來說明,而是依照鯨豚發

舉發,以合情合理地要求改善這些

聲頻段分類或以特定鯨豚種類的聽力

在科學研究上,初步將鯨豚受到水

SCIENCE MONTHLY Vol. 51 No. 1

21


顯 影

月有陰晴圓缺

圖.文/李美英

2019 年農曆 10 月月相

10/2

上弦月

滿月

下弦月

從來沒有想過有一天可以把同一個月的月相收齊,當今(2019)年農曆 10 月 29 日,也就是國曆 11 月 25 日清晨 6 點收到從臺中拍攝到的月齡 27.7 照片, 終於將 2019 年農曆 10 月整個月的月相收齊。附上照片中每一時間月相的記 錄表,除了筆者攝於上海的月相外,也感謝臺中王嘉輝與臺北簡千田的合作 拍攝,讓這個作品能圓滿完成。

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科學月刊 2020.1


顯 影

2019 年農曆 10 月月相拍攝記錄時間表

10/29

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專欄文章

在事件視界望遠鏡前, 人們怎麼觀測黑洞?

Take Home Message 黑洞(black hole)是天文研究中人們亟欲參透更多的謎

團。要看到這體積小、質量重的天體並拍下它的「倩影」 並不容易,不僅觀測儀器要夠給力,甚至得仰賴天文學家 旁敲側擊,才能從黑洞與其它天體間的作用、行為推導出

它的存在。在成功拍攝黑洞影像前,人們如何「摸黑前 行」,找到黑洞的蹤跡?讓我們繼續看下去。

引言—黑洞影像與 EHT 去(2019)年 4 月 10 日,事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, 邵思齊

EASY 天文地科小站成員。 前新竹高中天文社社長,現 就讀臺灣大學地質科學系。

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科學月刊 2020.1

EHT)計畫發表了一張震撼人心的影像──位於室女座 M87 星系中心 的超大質量黑洞。為了拍攝這張照片,天文學家集合了來自世界各地的 望遠鏡同步觀測目標,並利用超級電腦將這些資料合併,讓人們能以史 上最高的解析度,穿過星際間的層層迷霧,清楚地看到黑洞剪影。


物換星移

不復返,使得天文學家無法獲得事件視界內的任何資訊。

如此神秘又特異的天體,當然是天文學家非常感興趣的 目標。儘管黑洞是宇宙中質量最大的一群天體,卻因為 體積小、又不會發光,很難直接被觀測。

看不見的大傢伙 當黑洞沒有在激烈的「進食」時,幾乎不會放出任何電 磁輻射,因此難以用望遠鏡觀察。但是,黑洞就像是宇 宙中的其它星體一樣,會在重力的作用下與恆星、白矮 星、中子星或另一個黑洞互相繞行。人們雖然看不見黑 洞,卻可以觀測到與它互相繞行的星體所發出的電磁波。 也就是說,若看到恆星繞著一個看不見的物體運動,那 也許,這個看不見的物體就是一顆黑洞。 著名的案例,就是美國加州大學洛杉磯分校(University

of California, Los Angeles)的銀河系中心研究團隊, 圖一:位於美國夏威夷毛納基山的昴星團望遠鏡(Subaru

Telescope,圖中左邊建築物)及凱克天文台(W. M. Keck Observatory,圖中右邊兩顆球狀建築)。(Flickr-Qfshin Taylor Darian, https://flic.kr/p/7A83mW)

他 們 從 1995 年 開 始, 利 用 凱 克 天 文 台( W. M. Keck

Observatory,圖一)針對銀河系中心的恆星位置進行了 長達 20 年的觀測,藉由恆星每年的移動計算這些恆星運 行的軌道,發現它們都繞行著同一個天體運行,並且進 一步算出這個天體的質量大約是太陽的 430 萬倍、半徑

不過,其實早在 EHT 之前的數十年,人類就已經用過各

卻只有 0.002 光年!擁有如此高密度而不發光的天體,

式各樣的方法,觀測與研究宇宙中的黑洞們了。現在,

極有可能就是黑洞(圖一)。

就帶各位來一探究竟。

黑洞真的黑嗎? 黑洞是什麼?

那如果黑洞在「進食」呢?情況將完全改變!

在了解黑洞的觀測前,先簡單回顧一下「黑洞」是什麼? 物質在落入黑洞之前,會在黑洞周圍堆積成盤狀繞行黑 黑洞是一種密度非常高的天體,因此它的重力場也相當

洞,稱為吸積盤(accretion disk)。在吸積盤上,這些物

強大,大到連光都逃不出黑洞附近的空間,而區別光能

質會緩緩地螺旋墜入黑洞,並在過程中相互摩擦、碰撞,

否脫離的分界線,就稱為事件視界(event horizon);

將重力位能化成光與熱。尤其在靠近事件視界的區域,高

任何東西進到事件視界內就有如買了張單程機票,一去

速旋轉摩擦的物質會產生大量的 X 射線和其它電磁波。

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專欄文章

把歌曲變成伴唱帶 如何從樂曲中 分離音樂與人聲 Take Home Message 對於愛唱卡拉 OK(Karaoke)或音樂迷來說,如果有個系統

或軟體就能將音樂檔的人聲與背景音分離,就能隨時高歌一 曲或編輯音樂了。但電腦軟體處理音樂的方式與人腦不同,

需要在音樂的訊號中找尋及分辨進行分析,而近年來的卷積 式神經網路,也使音訊分離的能力更上層樓,未來可透過更

sh) pla s n (U

多訓練資料提升準確度。

在一場喧囂的派對中,高分貝的電子音樂似乎蓋過了所有的聲音。孤獨的你置身其 中,只看見四周的人們互相交談,卻聽不見彼此說話的內容。但他們依然持續交談 著,臉上的表情充分顯示自己聽得懂彼此訴說的話語。此情景並不罕見,人們往往能 夠專注在特定對象的聲音上,而忽略其它噪音干擾,這即是雞尾酒會效應(cocktail

party effect)。類似雞尾酒會效應的能力也出現在日常的聽覺經驗中,例如收聽流 行歌曲時,有時候會特別注意主旋律的人聲,而當陶醉於歌手的聲線時,人的聽覺或 多或少能把伴奏的成分排除。

而讓機器自動辨識吵雜的環境中說話的內容,在伴奏中分析歌手的音高與音色,甚至 蘇黎 臺大電機系及數學系雙 學 士, 臺 大 電 信 所 博

些技術在音樂工程中有相當多的應用,其中一個重要的例子就是本文的主題:分離單

士。目前為中研院資訊

聲道(mono-channel),將音樂中的人聲及作為伴奏器樂聲進行聲源分離(source

所助研究員,研究興趣 為音樂人工智慧。

46

將人聲及伴奏的樂器聲分離,都是音訊處理與人工智慧領域中探索久遠的技術。這

科學月刊 2020.1

separation)。相信這對許多愛唱卡拉 OK 的朋友來說,把完整版的音樂檔轉成卡拉


前瞻未來

OK 版本,是長久以來所期待的夢想。過往數十年來所發

而成,如圖一顯示的是一個人聲與鋼琴各自的訊號波形

展的工具大多有人聲分得不夠乾淨的問題,如今由於深

及兩個訊號疊加的結果。讀者可以觀察到這種訊號的規

度學習(deep learning)的發展,才有越來越多方便好

律性:每隔一個週期(period)的時間,會觀察到相似

用的單聲道聲源分離工具問世。

的波形(wave shape),而人類的聽覺機制中,不同週 期可對應不同的音高,不同的波形則能對應到不同的音

不同聲源的聲源分離

色。但觀察兩個聲波的疊加時,其實很難從疊加後的波

在進入正題之前,必須先釐清聲源分離問題的範疇。首

形回推原本的波形。換句話說,一般人很難從波形本身

先,聲源分離問題與雞尾酒會效應中所指的音高或音色的

找到足夠的訊號特徵描述兩種聲音。

辨識問題不同。當辨識吵雜環境中對方說話的內容,指的 是直接「聽見」或「聽懂」特定的聲源;而聲源分離則要

此時就需要利用頻譜分析(spectral analysis)。頻譜分

求「復現」此聲源,例如在派對中聽著歌手的高音,聽者

析中最重要的工具是傅立葉變換(Fourier transform),

可立即知道歌手所唱的那是哪一首歌,甚至能精準地跟著

傅立葉變換能夠將週期性訊號,表示成各種不同振幅與

唱出還原每個音高與歌詞,但此精準的辨識能力與復現歌

頻率正弦波訊號的加總。頻率可以描述聲音訊號的基音

手唱歌的原始訊號無關。事實上,聽者完全不需要、也無

(fundamental frequency)與泛音(harmonic),振幅

法因為聽懂音樂就能把音樂訊號處理乾淨,更無法因此復

則能描述訊號的音量。在音樂訊號中,音高與音量隨著時

現每個聲部的訊號。相對而言,機器即便是能復現原音,

間改變是很常見的,因此再使用時頻圖(spectrogram)

也未必能像人類理解原音的內容與意義。

進一步描述隨著時間變化的頻譜。圖二的時頻圖中,橫

其次,必須進一步規範何謂一個獨立而特定的聲源。試 比較下列兩種情形:一名歌手獨唱一段旋律與一大群歌 手合唱同一段旋律,前者固然是一個聲源,但後者則是 多個聲源?還是依然是同一個聲源,但整體而言音色是 否不同?假如是多個聲源,那聽者有辦法聽出每一位歌 手的聲音嗎?假如無法,有可能復現每一位歌手的歌聲 嗎?當歌手與歌手之間音色高度相似,演唱內容雷同, 則似乎很難界定每位歌手彼此都是不同的聲源,而彼此 的聲音可以被分離。換句話說,何謂一個獨立而特定的 聲源,是由彼此的音色及演唱內容所決定,而以訊號處 理的語言來說,則是藉由訊號特徵(feature)所決定。 因此,筆者將從訊號特徵的討論出發。

找尋聲波中的訊號特徵

圖一:音樂波形截錄範例。上圖為女性人聲音高為 D4〔註二〕的波

接下來的挑戰,就是如何從聲波中找出訊號特徵。一般

在 A0 = 440 Hz 時,D4 的基礎頻率為 293.67 Hz,相當於週期 3.405

人平常所聽到的音樂,都是由不同波形的聲波訊號疊加

毫秒,如紅色虛線所標示的訊號週期。

形;中間為鋼琴音高為 D4 的波形;下方則為人聲與鋼琴的疊加。

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顯 影

Daboia siamensis

暹羅鎖鍊蛇 圖.文/游崇瑋

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顯 影

部 灣南

的河邊

荒地、廢耕地等是

暹羅

鎖鍊

蛇偏

好的

棲息地

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顯 影

暹羅鎖鍊蛇幼體,胎生的暹羅鎖鍊蛇從出生開始就展現牠們一 貫不好惹的脾氣。

鎖鍊蛇身上的塊狀斑紋,主要目的是迷惑天敵,讓天敵找不到 頭部要害。

暹羅鎖鍊蛇是 2007 年從原鎖鍊蛇(Daboia russelii)亞 種提升為種的位階,分布在中國南部、中南半島、臺灣 及印尼。不論是鎖鍊蛇或暹羅鎖鍊蛇,都是蛇類之中極 少數真的非常兇猛的物種,並且帶有神經毒及出血毒的 混合毒液,非常危險。舉例來說,鎖鍊蛇是印度最危險 的毒蛇之一,每年有幾千人死於鎖鍊蛇咬傷!

上一次拍到暹羅鎖鍊蛇,好像是兩年前帶香港朋友們 在屏東找到的,再更上一次應該是在印尼的科莫多島 (Komodo Island)。在科莫多島的那一次挺有趣的, 太陽下山後,埋伏在樹根附近等待著蛙類或者鼠類經過,準備 大快朵頤⋯⋯

林卡島上的「巡守員(rangers)」完全不怕科莫多龍 (Varanus komodoensis),但是對小小的暹羅鎖鍊蛇卻 是怕得要死,時時刻刻和那條小蛇保持好一大段距離, 反應非常有趣!我按照一貫的拍毒蛇方式:先觀察一段 時間,摸透牠的脾氣以及攻擊模式後,就趴下來開始拍 照。有一位當地好友還很擔心我,一直提醒我這條蛇會 跳,真是讓我感念在心呀!

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顯 影

科莫多群島的暹羅鎖鍊蛇 雖然和臺灣的是同種,但 外觀上仍有些許差異。

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精選 文章

沒什麼用途,藏起來也好?

不見得所有生命現象都是 適應性的結果 Take Home Message

許家偉

畢業於輔大生物、陽明

微免所,曾任職 UCLA 微免分子

生物地理學的證據顯示──生物的適應性

遺 傳 所 和 USC 分 子 藥 理 所。 大

無所不在。然而,諸多現象卻指證,並

學時修讀過演化生物學,一直都

非所有生命現象都是適應性的結果……

相信演化是真的。

(作者圖片來源:Flickr-A.Davey, https://flic.kr/p/7g8e2d)

一廂情願的誤解──從男女性的乳頭說起

於雌性需要這個器官作為哺乳之用,而雌雄兩性都是在同

達爾文隨小獵犬號(HMS Beagle)抵達加拉巴哥群島

一套基因下運作,那麼在雄性身體上長出這個突起又不會

(Galápagos Archipelago),島上的鬣蜥、陸龜和芬雀

花上什麼昂貴的成本,所以就沒有必要在雄性這性別上另

跟南美洲大陸(其實都是來自南美洲大陸)有一定的相

闢專屬於雄性的機制或移除掉這個結構,只要在雄性體內

似度,這讓達爾文明白:雖然物種來自共同的祖先,但

開發出一套荷爾蒙調控機制去阻止乳頭的發育即可,而這

會因應環境而逐漸改變,發展出不同的特性,產生生物多

種沒有演化壓力施加在雄性乳頭上的現象,稱為演化包袱

樣性。所以,演化的自然選擇(natural selection)運作

(evolutionary commitment)。由此可見,有些性狀

原則會讓人不自覺地以為「所有生命現象都是適應性的結

(trait)的確是經過自然選擇發展出適應性的結果,但有

果」,但這種謬誤的產生只不過是一廂情願罷了,因為透

一些(例如雄性的乳頭)卻不是。

過研究可以發現並非所有生物的生理特質都有適應性。

淪為擺飾的退化特質?

60

要舉證跟適應性無關的生理特質並不困難,只要各位男性

若從生理性狀的功能和成本考量,動物身上隨處可見因退

讀者低頭瞧瞧自己胸前的乳頭即可。請男士們撫心自問,

化所殘留下來的退化性狀(vestigial traits),如遺跡器官

此生是否有好好用過這對突起呢?說實在,所有雄性動物

(vestigial organ)或殘跡器官(rudimentary organ)

都不需要這個突起。雄性之所以有乳頭,是因為雌性!由

的出現就不難理解。

科學月刊 2020.1


精選 文章

鴕鳥、火雞、企鵝的翅膀在各自的演化歷史上曾經是適應的結果,這個 構造給牠們帶來飛翔的能力,但經過不同的演化際遇後,鴕鳥和火雞為 了加強奔跑能力而放棄飛翔,企鵝要將能量留作脂肪堆積也捨棄了飛行能 力,牠們這雙翅膀不再保有當初的目的了。

使人們遭受盲腸炎痛苦的闌尾也是一項退化特質,它是哺乳類動物早期 用來消化植物的一段腸體,當靈長類動物改以水果及昆蟲為主食之後,盲 腸就退化成為闌尾,但實情是:沒有闌尾也能活下去。

智齒本來是猿猴類的第三對臼齒,用來增強咀嚼能力和替補早年牙齒的磨 損;但人類在演化的過程中為了要容納增大的腦部,迫使口腔騰出空間而 導致口腔變小,再加上人類用火煮熟食物後食材變得容易撕咬,這對臼齒 不長出來反而是好事。

鯨魚和蛇體內仍保有退化掉的後腿骨骼,鯨魚的後腿骨骼甚至並沒有 跟脊椎連接,是獨立分離的,表示這段骨頭已經完全喪失生理功能,只因 為鯨魚的祖先曾是陸地上的哺乳類動物,牠們在陸棲的祖先演化成水生動 物後就大幅削減了這對後肢的存在價值。此外,人們也發現那些棲息在洞 穴裡的動物,眼睛都退化掉了。

上述構造原本在祖先中是有特定功能的,但在演化過程中

些基因在遠祖中曾經起過作用,只是在今時今日,因為不

由於環境變遷導致習性改變而逐漸退化。有些退化的性狀

需要這項功能,就不再去表現這個基因,但這個基因的

並沒有完全消失,它們之所以仍然留下來有三個可能原

DNA 序列依然會保留在基因組上,而這些不會表現的基

因:一、因為還未有足夠的時間將這個退化性狀完全消

因就稱為偽基因(pseudogenes)。

除,使這個「正在退化中」的性狀對主子仍有某些不便之 處(甚至有害);二、可能因為它們可有可無、無好處也

以哺乳類動物來說,大多數哺乳類動物都有一套特定基

沒害處,擺著也無妨;三、也可能是因為這些構造被挪用

因,以製造出一系列關於維生素 C(ascorbic acid)合成

作別的功能,如鴕鳥和火雞的翅膀,在張開時就有恫嚇對

的酵素,進而使個體自行製造維生素 C。但在 4000 萬年

手和求偶的用處。

前,靈長類動物的祖先開始以含有豐富維生素 C 的水果 為主食,變相直接從水果中攝取到維生素 C,那麼,細胞

只為證明曾經存在—偽基因

裡用來合成維生素 C 的機制就無用武之地了,就算這些

除了看得見的生理構造,DNA 也是退化特質的見證。有

關於維生素 C 合成的基因出現遺傳錯誤(突變)而失去

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61


追憶年華

科學月刊

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週年回顧

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》,記錄著當年珍稀的新知。50 年後的今日,印刷技術不再是制式的活版 印刷,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……

50 年之後─ 染色體又知多少? 羅時成

長庚大學生醫系客

座教授,研究領域為分子病 毒學、細胞學與發育生物學。

Take Home Message 真核生物細胞進行分裂及染色體(chromosome)的呈現與遷移,都可在光學顯微 鏡下詳細觀察到,而染色體的本質及任務,在《科學月刊》創刊初期的〈漫談染 色體〉、〈分子生物學之發展與動態〉等文已清楚描述。半個世紀以來,染色質 (chromatin)至染色體的超微結構也更加清楚,完整解釋了組蛋白(histone)在 基因開啟調控的諸多面相。2003 年,人類基因體核酸序列的完全解密後,基因 檢測公司如雨後春筍般成立,對胎兒產前基因檢測與癌細胞基因變化了解更為快 速、精準,進一步提升新生嬰兒的健康、癌症預防和醫療效果。

生 物 學 家 在 50 年 前 就 清 楚 知 道 染 色 體 的 基 本 建 材 主要是 DNA 和組

體(nucleosome),一直延用至今, 「串珠在線(beads on a string)」

蛋白,也含有非常少量的 RNA、酸

模式是漸漸在 1975 年後被生物學家

性蛋白及鈣、鎂、鐵等元素,但對

接受的染色質基本結構假說。

DNA 與 組 蛋 白 複 合 體 細 節 結 構 仍

72

《科學月刊》第 13 期封面。

H3 和 H4)以對稱方式形成八聚體 ( octamer), 長 約 140 奈 米; 鹼 基 對 的 DNA 又 以 左 旋 方 式 在 八 聚 體外繞了 1 又 3∕4 圈,兩個核體間 約有 50 鹽基對的 DNA,稱作連接

不清楚。1970 年初,孔柏(Arthur

染色質到染色體的超微結構

DNA(linker DNA, 串 珠 在 線 的

Kornberg),也是 2006 年諾貝爾化

串珠在線的結構,還可以再纏繞成

線);若連接 DNA 與組蛋白 H1 結

學獎得主,提出染色質應有規律重覆

更 複 雜 結 構 的 染 色 體, 右 圖 說 明

合,核小體會以螺旋方式堆疊成 30

單位的假說;1974 年任教於美國田納

了從 DNA 到 染 色 體 不 同 層 次 的 結

奈米的筒狀結構(solenoid),此時

西大學(University of Tennessee)

構, 第 一 層 是 赤 裸 裸 的 DNA, 直

DNA 上的基因不被開啟(不活躍基

的歐林斯夫婦(Don and Ada Olins)

徑 2 奈米的雙股螺旋;在細胞內,

因),此狀態的染色質稱作異染色質

在電子顯微鏡下首次觀查到染色質呈

DNA 纏 繞 在 八 個 組 蛋 白 形 成 核 小

(heterochromatin); 而 相 對 11

串珠構造,當初他們命名串珠為 v 體

體(串珠在線的珠子),直徑約 11

奈米結構的染色質上的基因是可以

(v body),後來重新命名為核小

奈 米;4 種 組 蛋 白(H2A、H2B、

開啟(活躍的基因),稱作真染色質

科學月刊 2020.1


(euchromatin),在細胞間期,30 奈米的絲狀結構還有可能與染色體支

DNA 到染色體不同層次的結構

架蛋白形成套環,呈 300 奈米的粗 絲。等細胞進行分裂期,染色質會與 支架蛋白結合更緻密達 700 奈米, 最後變成在顯微鏡下觀查得到的染色 體,約 1400 奈米。 雖然歐林斯夫婦於 1974 年發表電子 顯微鏡下核小體的形狀,但對組蛋 白詳細安排仍不清楚。此時,英國 劍橋的克魯格(Aaron Klug)和他 的團隊已發展出顯微影像重組技術, 將電子顯微鏡底片的影像融合 X 光 繞射技術得到清晰三維分子影像。 他們利用此技術完成菸草鑲嵌病毒 在分子層次的三維結構,並很快速 地利用此技術解開八個組蛋白形成 八聚體及其外纏繞 DNA 三維分子 的結構。克魯格也因發明結晶電子 顯微技術和定出 DNA 組蛋白複合 體的分子結構,而獲得 1982 年諾貝 爾化學獎。

披上色彩的染色體 各類生物染色體數,可在細胞分裂 時利用光學顯微鏡觀察得到,形狀 與數目也能被紀錄下來,如人類的 體細胞有 46 條染色體,包含 22 對 體染色體和 1 對性染色體(女性性 染色體為 XX、男性為 XY)。為了 預防染色體異常引起的先天性遺傳 疾病,臨床醫院替胎兒做染色體檢 測的方法如下:先取得胎兒活細胞, 在培養液培養使細胞增生,然後加 入微管(microtubule)聚合的抑制 劑,如秋水仙素(colchicine),粗 短的染色體因失去微管無法進行運 動停留在中期,此時將細胞打破染

SCIENCE MONTHLY Vol. 51 No. 1

73


602 期 精采預告

但有時卻也會成為過街喊打的對象......

牠既可以當寵物,也能是模式生物,

野外、家中或實驗室都發現其蹤影。

這隻小小的齧齒類動物,隨處可見。

無「鼠」不在

《科學月刊》

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科學月刊試閱版2020-1月號 601期-離岸風力發電  

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