科學月刊2018 03月號 579期 生物辨識

等一個好科普 不如自己動手寫科普 你不是科學家，但你喜歡科學，總是迫不及待跟親朋好友分享科學？ 你是專業科學家，很想走出象牙塔，讓大家也了解科學的趣味？ 不用懷疑，你，就是我們要找的人！趕快動手寫科普，投稿到《科學月刊》！

徵求項目有哪些？ 科學各領域的科普文章和照（圖）片皆可投稿，但皆須為作 者本身創作，而非翻譯。照（圖）片解析度須達 300 dpi。

只要投稿就會刊出嗎？

所有投稿都會經過專業的審查人員，針對內容正確性進行審 查。審查通過的文章，就會安排編輯、出版。

作者有稿費嗎？ 刊出後，作者會收到稿費，以及當期雜誌一本。

還在等什麼？快把你的作品寄到 scimonth@gmail.com，記得註明真實姓名、 聯絡方式及服務機關或就讀學校。詳細稿約請見《科學月刊》部落格。

scimonth.blogspot.tw

579 Contents

COVER S TO R Y

198

2018 / March

200 獨一無二的身體特徵

生物辨識起源與演進 黃炳森

206

210

心臟微弱的生理訊號

難以偽造的辨識認證

利用心電圖辨識身分

手掌與手指靜脈特徵辨識

沈祖望

洪西進

214 隱藏在靈魂之窗內的細節

虹膜辨識 張劍平

Vol.49 No. 3

161

Contents-2

填問卷．拿新書

164 顯影

只 要 於 2018 年 3 月 31 日 前 完 整回答讀者問卷調查內容 請至

非關科學

168 聖母瑪利亞的意外祝福—微光精靈迷迭香／郭家銘 169 內蒙古／李依庭

goo.gl/3ic2bw 填寫，或掃描 QR code，就有機會獲得臉譜出版 新書 《到世界頂尖實驗室 CERN 上粒子物理課》。數量有限，敬

News Focus 170 人類乳突病毒可能潛藏在你我喉頭／腦迴圈才是語言學習的主宰？ 171 超越人腦計算能力的人工神經元誕生／ 朋友之間有多相像？兩個腦袋一個樣 172 青少年、手持螢幕裝置與心理變化／獵豹高速狩獵的秘密

請把握！獲獎名單將於 2018 年

4 月 5 日前公布在科學月刊臉書 與部落格上。資料煩請詳實填 寫，以便贈書寄送。

173 大腦對音樂的反應可判斷是否為音樂家／找到超離子水相態存在的證據 評 論

174 流感疫苗無效？ Google 創投挹注廣效流感疫苗的研發／林翰佐 176 2017 年加密貨幣與公開代幣發行回顧／曲建仲 專 欄

180 解 數：瑪莉歐與食人花／游森棚 182 理 物：搞懂聲音的差異—看見聲音的長相／曾賢德 186 生 動：「一」的力量—單細胞生物學／許惇偉 190 變 化：鈣鈦礦螢光奈米晶體在光電領域之應用／ 王迪彥、廖湘如、林柔均、陳奕嘉 194 天 地：什麼是太陽「蛇行圖」？—太陽磁場生成及演變／ 黃冠翰、林佳賢、李羅權 精選文章

218 小腦袋大數據—大腦圖譜研究計畫／羅中泉 224 自動化光學檢測技術／范光照 專 訪

230 明確目標地踏上人生的道路—中研院生化所徐尚德專訪／文詠萱 青年尬科學

234 導讀：《博士熱愛的算式》、《爺爺的證明題—上帝存在嗎》 書 摘

238 《到世界頂尖實驗室 CERN 上粒子物理課》

162

SCIENCE MONTHLY 2018.3

goo.gl/3ic2bw

台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 倪簡白 郝玲妮 高涌泉

獨一無二的辨識特徵

趙 丰 羅時成

每個人的身體特徵獨一無二、擁有屬於自己的身體密碼，而這些近期被用來確認

秘 書：李金穗

身分的相關方法統稱為生物辨識。從較早使用的指紋辨識，到最新 iPhoneX 的臉

出版者：科學月刊社

部辨識解鎖，都是生物辨識的應用。

理事會 理事長：曾耀寰 理 事：曲建仲 李武炎 邱韻如

除了指紋、 臉部辨識外，只要是人體各自獨特特徵皆可用於辨識身分，如虹膜、

范賢娟 張敏娟 陳章波

聲紋、簽名筆跡等靜態特徵。此外，動態的身體特徵也可以做身分辨識之用，像

程一駿 蔡孟利

是因每個人胸腔大小、性別、構造不同的關係而擁有的獨特心電圖，因而讓心電

編輯部 總編輯：林翰佐 副總編輯：林宮玄 張敏娟 編輯委員：王文竹 王伯昌 曲建仲

圖從原先醫療用途化為身分辨識；另外，體內的血管靜脈也具個體特徵，利用指 尖、手掌靜脈觸碰辨識機器，辨識出不同靜脈流動特徵，目前常見於便利商店中 提款機。本期詳細介紹心電圖辨識與靜脈辨識。

江建勳 李武炎 李志昌 李精益 林秀玉 黃正球 黃向文 周鑑恆 邱韻如

在去（2017）年 10 月，新聞以「改寫教科書」的新發現為題，報導中央大學太

金升光 金必耀 門立中

空所利用 40 年的太陽資料，研究日冕洞面積隨時間變化，製作出緯度與時間的面

紀延平 范賢娟 倪簡白

積變化圖 ──「蛇形圖」。過去大家在地球科學課有學過以太陽黑子分布位置與

高啟明 高憲章 張大釗 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 葉偉文 廖達珊

時間關係畫出的「蝴蝶圖」，蝴蝶圖可以看出太陽磁場翻轉週期。而中大這次利 用開放磁場繪出的蛇形圖，預計可以對太陽週期提出更完整的論述。本期也邀請 到論文三位作者，為我們介紹太陽磁場的故事，與蛇形圖的意義。

管永恕 劉宗平 鄭宇君 鄭運鴻 蔡孟利 蔡振家

（編輯部）

蘇逸平 韓德生 嚴如玉 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 蘇益仁 蘇振隆 主 編：文詠萱 編 輯：李依庭 郭家銘 美術編輯：王韻青 江鈺云

業務部 經 理：李金穗 行銷企劃：王弘奕

創刊於 1970 年

科學月刊社

製版印刷：赫偉有限公司

本期為第四十九卷第三期 第 579 期 發行於 2018 年 3 月

地址：10647 台北市大安區羅斯福路三段 125 號 11 樓之 4

總經銷 : 高見文化行銷股份有限公司

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電話：(02)2363-4910 傳真：(02)2363-5999

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行政院新聞局版台誌第 0934 號

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婆羅洲侏儒象 Elephas maximus borneensis 圖/文

游崇瑋

婆羅洲侏儒象是現生所有象種之中體型最小的，最高也不滿 3 米，體重最重大

約 5.5 噸；相比之下現生最大的非洲象最高可達 4 米，體重最重可達 10 噸，

就可以知道在非洲象眼中，婆羅洲象根本只是小朋友！不過再怎麼樣牠們也是 2 米多高，對人來說還是非常巨大的動物！

一直有個傳說，婆羅洲當地文獻記載，婆羅洲侏儒象是 18 世紀中期（1750 年，

還是由著名的東印度公司協助送往蘇祿國）爪哇國王送給蘇祿國蘇丹的（蘇丹的 意思大概就跟國王差不多），而後被野放到沙巴東部（沙巴東部當時是蘇祿國的一 部分，所以蘇丹把人家送的大象野放到自家領土的沙巴也是合情合理），在野外

自然繁衍下來直到現在。這個說法經由歷史以及遺傳學的考證之下，是真實情況 的可能性非常高！無心插柳讓侏儒象免於滅絕，也算是人類史上的奇事一樁了！

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2

1

1. 把象鼻舉高是一種典型的威嚇行為。

2. 以婆羅洲侏儒象來說，象群之中表現出最有攻擊性的個體，通常是年齡較大的子代雌性，也就是大姊姊了。

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3 5

4

6

3. 幼年公象，象牙已經明顯可見。

4. 保護幼小個體是象群內的重要守則。

5. 大象在身上塗泥巴有多個好處，比方散熱、防蚊蟲、保持潮濕……等。

6. 大母象遇到可能的敵害時，反而不會像小母象那樣威嚇，只會埋頭一直走離。

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非關

科學

科學花系 列

聖母瑪利亞的意外祝福 ─ ─

微光精靈迷迭香 郭家銘

可以跟青蛙一起出去找蝴蝶玩的，本刊編輯。 （Pixabay）

傳聞，迷迭香的花原為白色，直到聖母瑪利亞（Virgin

Mary）

分，其所帶有的抗鬱、增強記憶、緩解各式疼痛等功能可謂

帶著耶穌逃往埃及的途中，將洗好的披肩掛在上頭，才使它 開起了淡藍色的花朵……。

眾所皆知。然而除了傳統醫學與過去大眾認知中的功用，在

迷迭香（rosemary）的學名為 Rosmarinus

發現個案在分別使用迷迭香精油與橄欖油後，前者促使個案

officinalis，由拉丁

文 ros（露水）及 marinus（海洋）組成。在過去，歐洲一些國 家會將其製成花圈、蘸些香水給新娘配戴，其代表忠貞、愛 與友誼，以及作為對婚姻的紀念，甚至在中世紀時易被人們 放置於家門口，以祈在黑死病的紛亂中平安度過。這個原生 於地中海地區葉面小巧可愛的植物富含草木的清新香氣，其 帶有如鐵杉般針狀的葉子，並開著白、粉、紫、藍等色的花 朵，且這種常綠植株非常耐乾寒，長得好的話最高也能長到

1.5~2 公尺不等。作為一個用途變化相當豐富的植物種，我 們常常能在園藝店、各式料理內見到它的身影，甚至近年亦

一篇關於系統性硬化症（systemic

sclerosis）的個案研究裡，

血管擴張，且熱成像溫度明顯上升，進而減緩此病症裡最惡

s phenomenon）。其它關於迷 名昭彰的雷諾現象（Raynaud ’ 迭香可強化記憶力的說法，亦在近年獲得研究支持，包括摩 斯（Mark

Moss）等人針對國小 3 ~5 年及孩童做的工作記憶

（即短期記憶）標準測試，發現在使用迷迭香精油後，孩童在 測驗上的表現是有進展的；而菲利浦索瓦（O.V. Filiptsova）等 人也在近年研究發現 13 ~15 歲青年在香氣的影響下，其圖像 記 憶（image

memory）與數 字 記 憶（numerical memory）

方面的表現都有提升。

有研究指出，其精油具有維持記憶力、減輕焦慮等強化腦部

細觀迷迭香的化學組成，就能明白這些效果其有來自。如迷

功能的效用。

迭香酸與咖啡酸是非常有潛力的抗焦慮劑，樟腦具增進心跳

在 植 物 化 學 裡， 迷 迭 香 被 發 現 含 有 迷 迭 香 酸（rosmarinic

速率及緩和呼吸之用（甚至還可以拿來驅蟲），而熊果酸則為

acid）、樟 腦（camphor）、咖 啡 酸（caffeic acid）、 熊 果 酸 （ursolic acid）、 樺木酸（betulinic acid）與抗氧化劑等成

化妝品常見原料，且與樺木酸在過去幾年都被證實有抗癌功 效。這個人類世界再熟悉不過的香草植物，無論是在食品、 醫藥與環境營造上皆能達到一種平衡感官的境界，也不枉作 為「露珠與海」的最佳代表，無論為何所用，它們總是平凡 自居在這個世界上。 延伸閱讀

1. Gabriela L. Da Silva et al., Antioxidant, analgesic and anti-inflammatory effects of lavender essential oil, Anais da Academia Brasileira de Ciências, 87(2 Suppl.): 1397-1408, 2015.

2. Lu Hui et al., Chemical composition of lavender essential oil and its antioxidant activity and inhibition against rhinitisrelated bacteria, African Journal of Microbiology Research, Vol. 4 (4): 309-313, 2010.

（Pixabay）

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（Pixabay）

非關

科學

內蒙古

科學出走

李依庭

嘗試從每篇過往的扉頁中，念出成就一生的獨白，本刊編輯。

隨手翻開國中時期的歷史課本，細讀從古自今的中國編年史，

年發展出保護生態環境的產業—— 蒙草生態的成立，嘗試幫助

隨著長江、黃河流域傳遞千年的時間橫軸中，在一個紛亂的

貧脊土壤區進行生態修復。將各地區的土壤樣本、植物種苗等

時代洪流裡，最終由當時北方的遊牧民族一手結束南北政權

逐一蒐集後，建立草原種子、生態資源數據庫，並透過生物技

對峙的局面，打造了橫跨歐亞的蒙古帝國，創建中華文化歷

術進行大量的植物培育，嘗試透過科技復育內蒙古的草原生態。

史中，近 1 個世紀的元朝時代。

走進蒙草草原生態博物館，可以看到內蒙各大草原的抗旱植

在國中課本裡，對於蒙古民族的介紹也隨著滅亡戛然而止，但

物種子被保存在試管中，而所研發的土壤植被改良、雨水

這並不代表其歷史因著教科書上未提及而消失。隨著黃袍加身

利用和灌溉系統等技術也透過縮小版的模型呈現在館中。

與杯酒釋兵權等事蹟被一筆筆的編纂入編年史後，下個屬於漢

而在另一頭的溫室中，則培育出各式各樣，具不同特性、

人的朝代又再次奪回主權，這時的蒙古人退出中原，回到熟

型態的植物種苗或牧草草種，以供不同區域的生態修復。

悉的北方塞外疆域，重新拾起逐水草而居的遊牧民族生活。

而在這碩大的草原環境之中，不只是豐富了土壤下的資源，同

時間快轉至清朝，持續定居北方的蒙古民族，在透過長年以

時也孕育著綠地上的動物，造就內蒙古酪農、畜牧產業的發達。

來的和親聯姻、談判或征服，已逐步被當時的統治者納入版

現今內蒙古的酪農產業，從飼養牛隻、擠奶、檢疫到乳製品的

圖中。而當年在官方書籍中被定義為外藩蒙古的民族，也依

產出，一連串的生產鏈皆已全自動化。在生產廠房中，從乳品

地理位置逐步一分為二，分為內札薩克蒙古和外札薩克蒙古。

殺菌、製造、包裝到成品運送至各倉儲，皆以機械化和極少數

並隨著時間的推移，遂形成當今內蒙古自治區與外蒙古（蒙古

人力監管的方式完成，如此完善的電子化設備也讓內蒙古在奶

國）的前身。

製品的生產能力年年攀升。

如今，遊牧於歷史上千年的外蒙古已落腳在中俄之間、獨立建

經濟的提升帶動著城市的發展與繁榮，內蒙古的首都呼和浩

造一個以實施半總統制的共和國；而緊鄰中華人民共和國的內

特，所呈現出的已不再是往昔風吹草低見牛羊的蒼茫，取而

蒙古雖已被納入麾下，不過，在多次的自治運動與革命後，於

代之的是諾大、筆直的街道與高樓大廈的林立。當夜晚來臨

1947 年成立內蒙古自治區，讓地方政府在內部事務處理上擁

時，此起閃爍的大樓霓虹、映著五光十色的街道，點綴出此

有較多的自主權。

城市的絢麗光景。市區中的大召寺、鄰近的塞上老街則已成

繼承歷史上北方遊牧民族的美名，內蒙古自治區擁有中國最

為首府標竿，吸引許多觀光客的佇足與參觀。

大的草原區，自治區中包含多個草原，像是呼倫貝爾草原、 輝騰錫勒草原與希拉穆仁大草原等。站在一眼望去能瞅見天 與地相交的地平線，腳下踩踏著的土壤不只是能騎乘馬匹、

1

5

2

6

馳騁在這片草原間，與之相融，佇立在草原上藍白相間的蒙 古包，推開紅色門後，更多的呈現是生活在此的點滴歲月。

3

4

7

8

然而，在內蒙古西部的草原則未如此幸運，因位處中溫帶大陸， 降水稀少。面對西部草原的沙漠化、土壤鹽化，自治區於 2001

（照片皆由作者提供）

1. 夜晚的塞上老街。 2. 內蒙古首都——呼和浩特。 3. 輝騰錫勒草原上飼養的馬匹。 4. 輝騰錫勒草原上的蒙古包。 5. 蒙牛生產工廠中產品的自動化運送。 6. 夜晚的大召寺。 7. 蒙古奶茶。 8. 蒙草生態博物館中的種子試管。

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NEWS FOCUS

人類乳突病毒可能潛藏在你我喉頭 人類乳突病毒（human papilloma virus, HPV）的病毒株中能引發子宮頸癌者主要 為 HPV16 與 HPV18， 其 同 樣 也 可 能 引 發頭頸部相關癌症。受 HPV 感染的人當 中僅 5 ％會引發口部及喉嚨相關癌症，

是 HPV 相 關 頭 頸 癌 的 源 頭。 該 團 隊 與

群。未來，團隊將研究能篩選及偵測出

HPV 的工具，如口腔洗淨（oral rinse）

推測人類的免疫系統多半能擊退這些病

URMC 耳鼻喉科住院醫師雷斯（Katherine Rath）藉 102 位受選擇性扁桃腺切除術 病人的組織採樣加以研究，其中有 5 人 被發現體內含 HPV、4 人則帶有其中的高 風險菌株 HPV16 及 HPV18，且均位於扁

毒，然而問題來了：為何這 5 ％的患者

桃腺隱窩的生物膜內。

無法躲過這場劫難？

研究團隊指出，HPV 有可能在感染期間

羅 切 斯 特 大 學 醫 學 中 心（University

of

由扁桃腺脫落，卻受困於生物膜中，最

Rochester Medical Center, URMC）耳 鼻 喉與外科副教授米勒（Matthew Miller）

終躲過免疫系統追殺；而躲在隱窩中的

HVP 伺機而行，待恢復感染力後便有機

認 為， 問 題 的 答 案 在 一 種 輕 薄 的 細 菌

會入侵扁桃腺，導致癌症形成。此項研

層 ──「 生 物 膜（biofilm）」 身 上。 米 勒

究成果將有望應用於癌症預防上，甚至

與 研 究 團 隊 發 現 HPV 會 封 閉 在 扁 桃 腺

缺乏免疫 HPV 或讓病毒逃脫的血液、亦

隱 窩（tonsil

能根據研究結果判斷其是否為高危險族

crypts）裡 的 生 物 膜 中， 也

等，更欲研發局部抗菌劑破壞生物膜， 使免疫系統能直搗 HPV 聚集地。 Katherine Kath et al., Prevalence of High-Risk Human Papillomavirus in Tonsil Tissue in Healthy Adults and Colocalization in Biofilm of Tonsillar Crypts, JAMA Otolaryngology–Head & Neck Surgery, 2018.

（Unsplash）

腦迴圈才是語言學習的主宰？ 圈（brain circuit）來學習語言的。喬治敦 醫學大學神經科學教授歐爾曼（Michael

在經充分研究的 2 個腦系統中檢驗語言

T. Ullman）表示，有別於過往理論中由

學習的能力：陳述性記憶，以及程序性

人類獨有的特定中樞主導，這種古老的

記憶。研究顯示，對語言及單字的記憶

通 用 系 統 才 是 語 言 學 習 的 真 正 所 在。

有多好，端視陳述性記憶的能力而定，

這些腦系統同樣能在其他動物身上找到， 如老鼠可利用此系統在迷宮裡找到正確 （Unsplash）

170

的方向。肯特州立大學的漢瑞克（Phillip

Hamrick）表示，無論這個系統經歷什麼

人們是如何學習語言的？普遍認為，僅

改變來支持語言學習的能力，其無疑在人

是透過腦中特定區域或要素來進行這個

類社會裡扮演至關重要的角色。此項研究

活動，然近期於《美國國家科學院刊》

不僅能讓人們更了解語言在生物學與演化

（PNAS）發布的一項研究，可能翻轉這

學上的進程（如基因對應的學習能力），

個既定事實。研究員經多項研究調查顯

對於外語學習、或語言障礙患者如自閉

示，人類其實是透過演化上較古老的腦迴

症、失讀症或失語症等，皆有莫大幫助。

SCIENCE MONTHLY 2018.3

此外，研究亦統計 16 項過往研究結果，

如記得購物清單內容、公車司機的臉、 晚餐食用的餐點等；程序性記憶則在文 法組成上相對重要，而在諸如學習駕駛、 樂器等任務時將會派上用場，即兩者分 別在學習前後期有著相當的比重。 Phillip Hamrick, Jarrad A. G. Lum and Michael T. Ullman, Child first language and adult second language are both tied to general-purpose learning systems, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018.

NEWS FOCUS

超越人腦計算能力的人工神經元誕生 隨人工智能軟體的快速發展，其能力已超

及語言學習程序等演算法，皆使用人工神

運用鈮（niobium）超導體研發出類神經電

乎人類想像，Google 自動化的相片分類

經元的網絡來完成這些複雜的過程。然而

極（neuron-like electrodes），使導電過程

由於傳統電腦硬體並非以類人腦演算的目

暢行無阻，而為人詬病的超導體間縫隙則

的設計，因此這種機械學習的計算能力需

以奈米等級的磁性錳團（nanoclusters of

求較人腦大上許多。

magnetic manganese）填補，使其在任何

《科學進展》（ Science

Advances）相關

研究指出，以神經元為範本打造的超導

碼，且耗能量僅人體的萬分之一。

計 算 晶 片（superconducting

computing chips），其資訊處理的速度與效能更勝人

該技術所產生的合成神經元在電腦模擬

腦，這項先進的電腦裝置設計展現出模擬

來源的輸入，唯該技術用於複雜計算前需

生物系統的標準。即使在商業上的使用仍

要組織數百萬個突觸（synapse），能否擴

有限制，卻也為機械自學軟體（machine-

learn software）開啟另一扇窗。 （Unsplash）

電力或磁場大小下皆能針對資訊進行編

美國國家標準技術研究院（NIST）物理學 家史涅德（Michael Schneider）與其團隊，

下，可在傳至下一個電極前整理高達 9 個

展到這樣的水平還有待進一步追蹤觀察。 Michael Schneider et al., Ultralow power artificial synapses using nanotextured magnetic Josephson junctions, Science Advances, 2018.

朋友之間有多相像？兩個腦袋一個樣 透過一個人對短片的反應，可以判斷這個

的影片與接受的指示皆一致，並透過功

人是否能成為你的朋友？許多親近的人

能性核磁共振（fMRI）偵測其神經活動。

再神經活動型態上極其相似，新一期《自

其後，研究員將神經反應交叉比對，發

然 通 訊 》（Natural

Communication）中

現具友誼關係的受試者們在腦部活動上

便有研究針對現實社交網絡與神經活動

極其相似，而所謂「朋友的朋友」、甚

間的連結予以檢驗。心理與腦科學博士

至更遠的關係，就沒有那麼相近。

後研究員柏金森（Carolyn

Parkinson）指

出，神經對動態、自然刺激的反應就如 在影片觀賞般，有著一扇自由自發的思 考之窗，透過研究結果推斷，人們會期 待對方以與自己相類似的方式相處。

人類是社會性動物，在生活中彼此連結 著，同為心理與腦科學教授的研究作者 懷特雷（Thalia

Wheatley）表示，若欲瞭

解人腦如何運作，就必須探討人腦與人 腦之間有何特性與作用，即心智如何形

此研究針對近 280 位研究生的交友與社

塑他人。如同團隊初期的研究成果，當

會關係進行世代分析，其中 42 名受試者

人們看到自己所認識的人，大腦會立刻

被要求觀看議題廣泛的幾支短片，包含

在該人的社交網絡裡針對其對像定位出

政治、科學、喜劇與音樂等，每次觀看

重要性與影響力。

（Unsplash）

Carolyn Parkinson, Adam M. Kleinbaum, Thalia Wheatley, Similar neural responses predict friendship, Nature Communications, 2018.

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171

專欄文章

搞懂聲音的差異

看見聲音的長相

曾賢德 國立東華大學物理學系副教授。專長為光電物

（ shutterstock ）

理實驗，喜歡自造實驗系統，興趣為探究實作科普推廣。

你可曾想過，當不同樂器彈奏出同一個音符時，為何聲

閉口，然後用嘴巴在開口端吹氣時所發出的共鳴聲［註

音聽起來可以截然不同？你可以分辨笛子和吉他的聲

二］。從波形圖中橫向的時間軸可以看出，20 毫秒（ 20

音、男生跟女生的聲音，但可曾「看見」過這些聲音的

ms ）時間內聲音主要震盪約 8.5 次。也就是大約每秒

波形與頻譜？跟隨我們，用電腦程式觀察聲音，動手玩

425 次（ 425 Hz ）。從這頻率跟吸管的長度，我們就

幾個跟聲音有關的科學實驗吧！

可以推算出聲音的速度是大約每秒 340 公尺喔！怎麼 算的稍後再跟你說。

大自然中有著各種美妙的聲音。聲音是一種波動，除了 用耳朵聽之外，也能透過麥克風將空氣中的聲波震動轉

頻率最低的主要震盪，我們稱其為基頻（fundamental

換成電壓變化。而電腦或手機上的音效卡則可將微弱的

frequency ）。 除了基頻，圖一中的波形還有許多細雜

類比電壓訊號轉換成電腦裡的數位訊號，再透過電腦或

的高頻振動。這些震動的振幅雖然比較小，卻很重要，

手機應用程式將這些資訊呈現在螢幕上，即能看見聲

他 們 構 成 了 這 根 吸 管 的「 音 色 」。 若 沒 有 不 同 的 音 色

音 的 波 形。 本 文 中， 我 們 以 電 腦 程 式： 音 效 卡 示 波 器

或 聲 紋， 所 有 樂 器 的 Do（middle C） 音 就 都 會 是 一

（Soundcard Oscilloscope）示範容易動手玩、跟聲音

模一樣的聲音。為了看清楚這個波形是由哪些頻率成

有關的科學實驗。

分所構成，我們可以將波形透過傅立葉變換（Fourier

transform） 將 波 形 轉 變 成 頻 譜。 別 擔 心， 電 腦 程 式

182

首 先， 上 到 https ： //www.zeitnitz.eu/scope_en 這

會 幫 我 們 做 計 算， 只 要 在 示 波 器 程 式 介 面 上 方 選 擇

個網站下載與安裝 Scope 程式［註一］。啟動程式後，

Frequency（頻率），如圖二，就可以看到這吸管的聲

程式介面上方選擇 Oscilloscope （示波器）即可看到

音頻譜。它在 425 Hz 處有一根強度很大的訊號，而剛

麥克風接收到的聲音波形。圖一中顯示的波形，是將一

好 3 倍頻率的 1275 Hz 處也有一根明顯的訊號。這可不

根喝珍珠奶茶的粗吸管在約 20 公分長的位置處對折成

是湊巧，而是因為單邊開口的管子共振條件是頻率為基

SCIENCE MONTHLY 2018.3

理 物 |

圖一：將粗吸管在約 20 公分長的位 置對折成閉口，在另一端開口吹氣

Physics

示波器（Oscilloscope）功能

時所發出的聲音的波形。

振幅（Amplitude）旋鈕 : 可將畫面中的波形訊號放大、縮小

時間（Time）旋鈕 : 可調整觀察的時間長短

執行 / 停止按鍵

圖二：單邊開口的 20 公分長粗吸管 空氣柱所發出的聲音頻譜。

頻譜功能

不勾選頻譜圖上方的自動調整刻 度（Auto--scale） 選 項， 即 可 自行調整音量刻度範圍

儲存按鍵 : 在按停止鍵時才會出現，可以讓 你儲存頻譜或波形

可自行調整頻率觀察範圍

Vol.49 No. 3

183

專欄文章

「一」的力量 — 單細胞生物學

許惇偉／牛津大學生物化學博士，專長為表觀遺傳學、分子生物化學。 曾任職牛津大學，目前任教於國立高雄師範大學生物科技系。

圖一：虎克的顯微鏡。 （ Wikipedia ）

細胞 —— 虎克眼底下的微觀世界 雖然英國科學家虎克（Robert Hooke）不是透明玻璃的發明者、也不 是玻璃磨鏡技術的先驅者，但在 17 世紀中葉，他卻是率先改進凸透鏡 品質與組裝方式，並利用這個可以清晰放大物體影像，也就是後來稱之 為顯微鏡的裝置（圖一），仔細觀察了許多微小事物，並詳實畫出許多 平常肉眼無法觀察到的細微之處。

1665 年，他整理了 58 幅精美的手繪圖，加上 60 個觀察報告，出版了《微 物圖譜》（Micrographia）一書（圖二）。在這些精緻的圖片中，有一 幅是他將軟木塞切片後的觀察，鏡頭下他看到軟木塞是由一個一個小格 子組成，他將這些小格子命名為細胞（cell，圖三），並臆測生物可以再 拆解成細胞這種更小的組成單位。不過，更進一步的發現則得又多等到 近 200 年之後，才由德國科學家施萊德（Matthias Jakob Schleiden） 與許旺（Theodor Schwann）提出細胞是動植物個體中，最基本的功 能單位。也就是說，多細胞生物是透過各種功能不同的細胞，彼此合作， 圖二：《顯微圖譜》扉頁。（Wikipedia）

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才能成為完整的生物體。

生 物 |

Biology

一顆細胞的命運

分化到特殊階段就出問題，也因此理解了這些突變基

看看我們自己，大家都是從一顆受精卵開始，經過 40 幾

因在細胞分化上的功能，並順利解析出細胞死亡部分

次的複製之後，就變成了 30 兆個細胞組成的多細胞個體，

的 秘 密， 進 而 得 到 2002 年 諾 貝 爾 生 理 學 或 醫 學 獎。

而不是 30 兆個一模一樣細胞組成的個體 。人體的多種器 官是由不同組織構成，由組織就可再細分為神經、骨骼、

不過，即使像線蟲這般全身每個細胞的來龍去脈都被看透

肌肉、皮膚等數百種型態功能各異的細胞，因此如何由當

透，而且顯而易見，如果能進一步搞懂每個階段各個細胞

初的單一細胞， 何時、何處、如何轉變成這麼多種的細 胞，進而彼此相互溝通，成就了多細胞個體的完整形成， 一直是生物學界極想了解的問題。

然而，多年以來，礙於研究方法與生物材料的侷限，所謂 細胞學研究，幾乎都是來自一大團混雜細胞的結果，因為 這些細胞即使取樣自同一組織，但也不會全然相同，即使 簡單如皮膚組織裡的一團細胞，裡面也可能包含形態各異 的幾種細胞，甚至也會夾帶血球細胞，觀察到的結果其實 是一群細胞的現象，即使你懷疑裡面有個細胞的功能是關 鍵少數，它的特異性質也會被淹沒在其它多數細胞的背景 性質中，無法被觀察到。所以，連這樣簡單的一團皮膚細 胞都無法好好去講之間的從屬關係，要探討一隻小鼠，甚 至是一個人身上每個細胞的來龍去脈，進而去了解一個生 物體，那是不可能的任務。

從一顆蟲卵到成蟲 —— 線蟲的細胞譜系表

1970 年代，英國劍橋分子生物研究室的布倫納（Sydney Brenner ）與 蘇 斯 坦（ John E. Sulston ）的 團 隊， 以 秀 麗 隱 桿 線 蟲（ Caenorhabditis elegans ， 圖 四 ）為 材 料， 利 用 幾 年 的 時 間， 用 肉 眼 詳 細 觀 察， 極 有 耐 心 地記錄線蟲如何由一個受精卵開始，用什麼樣的順序 分 化 病 發 育 成 包 含 959 個 細 胞 的 成 蟲 的 詳 細 過 程（ 圖 五），而這 900 多個數種型態的細胞就足以構成消化、 神 經、 肌 肉 和 排 泄 等 系 統， 共 同 執 行 複 雜 的 功 能。 畫 出這個細胞譜系圖之後，該團隊的霍維茨（H. Robert

Horvitz ）就 順 利 觀 察 到 某 種 突 變 的 線 蟲， 有 些 細 胞

圖三：《顯微圖譜》中的軟木塞細胞。 （ Wikipedia ）

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太陽檔案

專欄文章

太陽風 高速的離子氣體 ( 氫離子或質子、電子等 ) 逃離太陽者被統稱為太陽風。

太陽寧靜期 當太陽黑子的數量由極多變成極小，再變成極多時， 就是一個週期。當黑子活動最低的時期被稱為太陽 寧靜期，此時的黑子數量最低；反之黑子數量最高 時，稱為太陽活躍期。一個週期平均起來大約是 11 年，然而實際上，太陽活動週期並沒如此規律。

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SCIENCE MONTHLY 2018.3

天 地 |

Earth Science

太陽構造 光球層：光球層是太陽大氣的最底層，厚度約為 500 公里，溫度約為 5800 K，我們觀 測太陽表面時，發現它有一個比較清楚的圓周界線，平時我們看到的太陽圓盤、所說的 太陽半徑就是以此周界定出來的，在這個周界內的大氣層，稱為光球層。

色球層：色球層為太陽大氣的中間層，厚度約 10000 公里，沒有明顯的上邊界，太陽的 邊緣氣體密度很低，使得此部份的發光強度，只有光球的萬分之一。在日全蝕中，當月 球面恰好把光球全部遮擋時，才能看到玫瑰色的色球層，而這也是色球層名稱之由來。

太陽黑子 太陽黑子是在太陽的光球層上發生的一種太陽活動，由於高密度的磁場聚集抑制了對流 的激烈活動，在太陽表面形成溫度降低的區域，因為比太陽的光球層表面溫度要低，所 以看上去像一些深暗色的斑點，太陽黑子很少單獨活動，常常成群出現。

日冕洞 ( 上圖 ) / 日冕 ( 下圖 ) 日冕由於密度很低，平時觀測不到的，因此在日冕儀發明之前，只有日全蝕才會看到日 冕，這一圈如同皇冠上冠冕形狀的物質，便將之稱為日冕。這圈冠冕狀物質中有些區域 很暗，像冠冕破了一個洞，便將這些區域稱為日冕洞。

蝴蝶圖 蝴蝶圖是由英國天文學家蒙德（E.W. Maunder）在 1904 年開始繪製出來的，以年份為 橫軸，以黑子出現的緯度為縱軸，畫出太陽黑子分佈圖，可以發現太陽黑子週期開始 時，黑子主要出現在南、北緯約 35 °處，而在週期結束時，黑子通常出現在南、北緯 約 5 °處。在同一週期中黑子的分佈形狀像一幅展翅欲飛的蝴蝶圖案，稱為蝴蝶圖。 （NASA）

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COVER STORY

科技浪潮下的 生物辨識 數字密碼之於提款機 ， 如同筆跡之於文件上的簽署 ， 是保護身分 、訊息的鑰匙 。 但在分秒就能破解密碼 、資訊盜用的年代 ， 生物體自身是否存留著獨特的形態特徵 ， 以提供專屬個人的信息 ？ IRIS

而暗藏在體內的各項記號 ， 又是如何被研究 、偵測進而辨識 ？

HAIR

BODY

VOICE LIPS MARKS

ECG

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FACE

FINGERPRINT

BRAINWAVE

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COVER STORY 1

獨一無二的身體特徵－

生物辨識起源與演進 黃炳森

銘傳大學電子工程學系教授、

英國 University of Southampton 電子與計算機科學博士、

美國電子電機工程師協會（IEEE）Senior Member。

根據日常生活經驗，在每天所接觸的人群當中，我們

「 驗證（authentication）」與「識別（identification）」。

可以依據五官接收到這些人的外在資訊（影像、聲音

通常在設計生物特徵辨識系統之前，必須先行決定所

或氣味等），輕易地識別出自己的親友。仔細想想，我

採取的辨識模式。「驗證」屬於一對一的比對，先由

們究竟是如何處理這些資訊，並做成正確的判斷？這

擷取裝置（如指紋掃描器）取得使用者之生物特徵，

些經由人類五官所接收到的人體外在資訊，稱為生物

再由系統將事先儲存之該人特徵與此資訊進行比對。

特徵。

「識別」則歸類於一對多的比對，則是在使用者提供個 人特徵資訊後，接著系統在龐大的生物特徵資料庫內

生物特徵的分類大致可區分為生理特徵（physiological

進行搜尋比對，找出最佳的比對結果，最後確認身分。

characteristics）與行為特徵（behavioral characteristics）。

「驗證」模式的比對速度快且準確性高，不需建立資料

常見的生理特徵包括指紋、人臉、虹膜、靜脈、掌紋及

庫。「識別」模式則需事先建立資料庫，比對速度較

掌形等，又稱為靜態的特徵；行為特徵涵蓋聲紋、心

慢且準確性略差。為了提高準確性，「識別」模式通

跳、步態及簽名等，則屬於動態的特徵。圖一為科學

常需結合多項生物特徵進行交叉比對以降低誤判率，

界普遍用來識別身分所使用的生物特徵。而發展最成

例如指紋與人臉。

熟且實際運作的辨識系統則大都使用指紋、人臉與虹 膜等三項特徵。生物辨識技術（biometrics）泛指利

圖二所示為一般的「生物辨識系統架構」。首先，系統

用生物特徵之比對來達成識別身分的方法。

需先藉助擷取裝置（如攝影機或麥克風等）取得受測 者的生物特徵（指紋、人臉或語音等），接著再經由

200

驗證或識別

演算法從中萃取出利於比對的特徵（feature）。之後

利用獨一無二的生物特徵，我們可以辨識出個人的身分。

的運作方式可以分成兩個階段：註冊階段（enrollment

在實際比對時，辨識（recognition）將區分成兩種模式：

stage）與辨識階段（recognition stage）。

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COVER STORY 1

①指紋

③虹膜

②人臉

⑥手掌靜脈 ⑦掌形 ⑧簽名 ⑨手指靜脈 ⑩語音

圖一：辨識個人身分常用

④掌紋

⑤去氧核醣核酸（DNA）

的生物特徵。（Pixabay）

(1) 註冊階段：系統在取得欲建檔的個人特徵後，會將

人外在的靜態或動態生物特徵，識別出特定人員身分

其儲存至資料庫中，同時賦予一個相對應於該人的

的能力。根據這個推理基礎，科學家們即開始設計演

識別碼。

算法與利用計算機來發展生物辨識技術，設法從各種 不同的生物特徵當中，萃取出足以區分每個人不同身

(2) 辨識階段：系統在取得受測人的生物特徵後，首先

分的唯一特性並進行識別。設定的目標為，希望將來

萃取其特徵（feature）集合，接著根據辨識工作為

能讓電腦具有超越人類的能力，可以藉由蒐集到的個

「 驗證」或「識別」，再與資料庫當中的資料進行

人生物特徵，自動判斷出正確的身分。

一對一或一對多的比對，最後按照設定的標準決定 比對結果。

生物辨識的起源可以追溯至 1869 年於英國通過的慣 犯法案（Habitual Criminals Act）。該法案要求所有

起源及演進

的犯罪者都必須留下可以辨識身分的記錄（如照片、

生物辨識技術發展的構想起源在於，人類具有藉由個

疤痕及外觀特徵等）。若將來以此記錄來比對身分為

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留學生專訪

目標明確地踏上人生的道路—

中研院生化所徐尚德專訪 文詠萱

本刊主編。

（王弘奕攝影）

徐尚德 簡歷

/

2017 ~ 迄今

中央研究院生物化學所副研究員

2011 ~ 2017

中央研究院生物化學所助研究員

2010 ~ 2011

清華大學生物資訊及結構生物研究所助理教授

2009 ~ 2010

英國劍橋大學化學系研究員

2007 ~ 2010

英國劍橋大學 Wolfson 學院研究院士

2006 ~ 2008

2005 ~ 2006 2000 ~ 2004

230

SCIENCE MONTHLY 2018.3

英國劍橋大學化學系 國際人類前鋒科學計畫（Human Frontier Science Program）長期研究員 荷蘭皇家科學院 Ramsay 英國劍橋大學化學系研究員 荷蘭烏特列支大學 Bijvoet 生物分子研究中心博士

一走進辦公室，徐尚德就迫不及待地 指著牆壁上的荷蘭古地圖，為我們介 紹他曾經前往的城市。「當時還沒有

Google map，所以我一知道要去荷 蘭讀書，就馬上去圖書館找荷蘭地圖 研究。」 才剛坐定，他便拿出荷蘭博 士論文口試的照片，分享他的荷蘭生 活，可見這段留學時期給徐尚德留下 許多回憶。

前往荷蘭攻讀博士 徐尚德在 2000 年時前往荷蘭烏特列 支大學攻讀博士。他在清大碩士班第 二年寒假運氣很好地被通知成為國民

牆上掛的荷蘭地圖。（王弘奕攝影）

兵、不需要再入伍服兵役，然而得知 此消息時也已過了大部分美國學校的

我是毛遂自薦去申請的。我在荷蘭的

2005 年於荷蘭攻讀完博士並延續一年

申請時間。為了不多浪費一年的時間

指導老師請我提供幾封推薦信，在經

博士後研究之後，徐尚德來到英國劍

準 備， 他 決 定 申 請 荷 蘭 烏 特 列 支 大

過幾封 Email 往來後，我的老師就說：

橋大學擔任研究員。「當時我在英國

學 Bijvoet 研究中心卡普坦（Robert

『你可以來了。』」

與德國之間選擇，我其中一位指導老

Kaptein）實驗室尋求博士班研究機

師凡努蘭（Nico van Nuland）推薦

會。「我在碩士閱讀文獻時，就常見

學術研究獎助

我到英國劍橋大學加入他從前進行博

到這間實驗室出產的論文；我在碩一

徐尚德在 2004 年曾獲得「臺灣國科

士後研究的道布森（Christopher M.

出國開會時也曾遇見此實驗室的學

會與荷蘭國科會雙邊合作短期訪問獎

Dobson）實驗室擔任博士後研究員。

生，他們給我的感覺非常好。最重要

助」，這是當初臺灣國科會（現科技

於是我專程前往瑞典斯德哥爾摩參加

的是，荷蘭烏特列支大學在歐洲是重

部）與荷蘭皇家科學院簽署的雙邊協

一場道布森也會參加的研討會，利用

點實驗室之一，他們專做核磁共振研

議以促進臺荷雙邊科學家互動的計

會議期間自我介紹並且問他有沒有機

究。在當時，我正在就讀的清華大學

畫， 徐 尚 德 參 與 兩 方 科 學 家 合 作 交

會加入他的研究團隊。在兩三天的討

才剛買了 600 兆赫的核磁共振儀，而

流。「比較特別的是，因為我當時是

論後，他欣然答應。不過道布森實驗

Bijvoet 研究中心網站就已經宣告他

荷蘭研究人員，因此我是代表荷蘭科

室的博士後研究員基本都要自己申請

們領先全球訂購了 900 兆赫核磁共振

學家與臺灣科學家合作。在荷蘭，就

研究經費補助，也需要一段時間，荷

儀將在近期安裝，我認為機會難得，

讀博士是正式雇員，甚至還享有勞健

蘭的指導老師卡普坦讓我待到有了明

因 此 決 定 試 著 申 請。」 徐 尚 德 說。

保。我趁聖誕節假期，大概兩個禮拜

確的補助結果，再往下一站前進。」

左右，回到臺灣在清華大學，指導兼 申請荷蘭博士學位的方式與美國不

合作，利用我在荷蘭學到而當時臺灣

徐尚德解釋了為什麼需要申請經費，

同，並沒有制式的申請程序。「當時

還沒有的專業技術，幫清大實驗室解

以 及 申 請 經 費 的 管 道。「 現 在 歐 洲

我寫了一封信給未來的指導老師，表

決了一些問題，等於我把新技術引進

大部分的實驗室研究員幾乎都是自

示我對他們的研究相當有興趣，但其

臺灣，幫助學弟們解決了一些生物分

己 帶 著 經 費 過 去， 對 實 驗 室 而 言，

實當下他們並沒有開出博士生的缺，

子結構問題。」

其實是一個篩選機制，你若是能帶

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2018 張昭鼎紀念研討會

如何面對 AI 時代的浪潮 時間：2018/4/28 (六) 地點：臺北市羅斯福路四段一號 中研院原子與分子研究所一樓 浦大邦講堂

AI

在2016年造成全球轟動，科技部更於2017年啟動「臺灣人工智慧實驗室」，正式宣佈臺灣AI元年的開始。這幾年從高 速運算能力、雲端服務、大數據分析到物聯網的盛行，使得AI技術得以跳躍式地獲得進展。本次講題與講者陣容如下 :

人工智慧第三波革命

AI時代的教育與素養

臺灣醫療與AI

自駕車的人工智慧

林守德／臺灣大學資訊工程學系教授

楊立偉／意藍科技創辦人

李友專／北醫大醫學科技學院院長

胡竹生／工研院機械所所長

奇異點之後，人類還能做什麼？

台灣發展AI的小國大戰略

以AWS雲端平台推動新北雲端產業創新

翟本瑞／逢甲大學合作經濟暨社會事業經營學系

陳良基／科技部部長

張峯源／新北市經發局長

台大AI 智慧醫院

由人工智慧看台灣產業大未來

人工智慧時代的數學教育

賴飛羆／臺大資工教授

陳子昂／資策會產業情報研究所資深總監

魏澤人／東華大學應用數學系教授

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