2009年12月31日

2009年12月號480期 目錄


2009.12月號480期 目錄

882 總編輯的話 抑制危害的執行問題  林基興
883 編輯室手記 科學來自於生活  編輯部
884 科月四十 從科月談科普出版的困境  潘震澤
885 科月四十 科月—通往科學的大門  黃韻心
886 評 論 從狂牛症始末解其隱憂  陳校賢
888 一月紀聞國內篇國外篇  編輯部
892 昆蟲與人 數不盡的昆蟲資源—從昆蟲的體表談起  朱耀沂
894 數.生活與學習 數學「標準答案」  單維彰
896 咱的海 海洋發燒了  陳鎮東
898 游理數.數裡遊 天使與魔鬼  游森棚
900 國際期刊傳真  特約編輯群
902 實驗室巡禮 專訪中研院原分所林志民實驗室─創新方法平息臭氧破洞爭議  邵芷筠
907 封面故事 2009諾貝爾獎
908 封面故事 諾貝爾物理獎—奠定現代網路生活的發明  劉容生
914 封面故事 諾貝爾化學獎—轉譯生命現象的核糖體  呂育修、譚婉玉
920 封面故事 諾貝爾生醫獎—端粒與端粒酶  康繼之、張大釗
926 封面故事 諾貝爾經濟獎—新制度學派針砭時代問題  黃達業
930 2009搞笑諾貝爾獎
932 全球天文年 行星橢圓軌道的古今對話  金升光
938 紙上專討會 抗菌絕招  程樹德
942 IC可以活多久?—為晶片算命  郝中蓬
945 心真的會碎嗎?  江建勳
948 科月書評 太陽之子 繼往開來  葉偉文
949 科月書評 寓數於遊  李武炎
950 科學不迷信 不迷信「學者專家」—以核能發電之迷思為例  劉廣定
952 高中生了沒 笛子百變  謝迺岳
955 科學月刊第四十卷總目錄索引

2009年12月15日

抑制危害的執行問題?

台灣口腔癌發生率名列全球前茅。衛生署在2004年委託某大學研究發現,檳榔子已由國際癌症研究總署證實為第一類致癌物,國內每10個口腔癌患者有9個嚼過檳榔,推估國人每吃一顆檳榔,就增加0.72元健保支出。為了讓民眾戒嚼檳榔,衛生署研議開徵檳榔捐。衛生署2006年委託研究,精算出合理的檳榔捐應為每顆約0.103元,以市售20顆盒裝檳榔為例,差不多要付2、3元檳榔捐。

2009年12月14日

科學來自於生活

二十世紀末開始發展的網路,無疑是近代影響人類生活最鉅的科技成就。寄信、購物、繳費、報稅、找資料、交朋友……,二十年前要做這些事情,不能不走出家門;可到了今天,只要可以連上網路,通通都可以一手搞定。而時下最流行的網路社群——噗浪、推特,還有能讓你種菜偷菜的開心農場,也都建立在網際網路的基礎上。

那麼,網際網路的基礎又是什麼呢?

今年的諾貝爾物理獎,頒給三位開啟現代網路社會的先驅——高錕、博爾和史密斯。有「光纖之父」之稱的高錕,是出生於中國上海的華裔科學家,他在光纖傳輸及通訊研究上的成就,不僅帶動了光纖通訊革命,更替網路世代鋪好了康莊大道,因而獲得本屆物理獎二分之一的獎項。本期科月封面也以光纖作為設計主軸,來紀念他卓越的貢獻。

2009年12月13日

從狂牛症始末解其隱憂

作者/陳校賢(任教長榮大學社會科學科)

牛海綿狀腦病(bovine spongiform encephalopathy,BSE)簡稱狂牛症(mad cow disease),為別於傳統在人身上發現的海綿狀腦病——人類庫賈氏病(Creutzfeldt-Jakob disease, CJD),人類的狂牛症又稱為「新變異型庫賈氏病」(new variantCreutzfeldt-Jakob disease, nvCJD)。

此病自1985年首次在英國發現以來,感染的牛隻數量逐年幾乎以倍數劇增,在1992年達到高峰,平均每日超過100 個新病例,全年共計3 萬7300個病例,之後增加的速度才趨緩和。一直到1996年3月20日,英國衛生部長於國會宣布10位年輕人因感染nvCJD 死亡,並承認人類可透過狂牛症病原汙染產品導致得病的關聯,才言明狂牛症是人畜共通疾病,立即引起世人恐慌,雖已歷經四分之一世紀,仍餘波盪漾。限於篇幅,本文將著墨於為何此病導致人們恐慌,應對策略所造成的後果、影響與教訓,以及未來的挑戰,以正面眼光來認識狂牛症。

一月紀聞國內篇--2009.12(480)

獵戶座星雲分子外流 次毫米波段觀測新結構
10/26 現今天文學家普遍認為,在恆星形成末期,有些環繞恆星的氫分子物質會被驅逐外流,而讓外圍物質得以持續往中央的星體掉落。分子外流通常以雙極的型態發生,從環繞恆星之盤狀物中心的上方及下方射出。但天文學家在獵戶座星雲的中心觀測到一個十分特別而活躍的外流,像是呈手指狀的受衝擊氣體,並似乎向四面八方往外流,30年來,此現象一直是天文學上的待解之謎。

中研院天文及天文物理研究所籌備處主任賀曾樸教授所參與的一組國際天文團隊,使用位於美國夏威夷毛納基峰上的次毫米波陣列(submillimeter array, SMA)觀測發現,解析獵戶座此批分子外流,發現這些絲狀噴出物,其實可回溯至500年前一個爆發事件造成的共同噴射狀結構,但其中的基本物理仍是個謎。

針對這次發現,賀曾樸院士表示:「這是拜次毫米波陣列的高角分辨率之賜。我們利用波長1毫米的一氧化碳譜線,獲得了這個美妙的觀測結果,首度清楚揭示此一特殊的外流,與以往觀測恆星形成所見的所有現象截然不同。」而這個不尋常且令人興奮的新發現,將台灣的天文學家,連同哈佛–史密松天文物理中心等合作機構,一起推向電波天文學觀測領域的尖端。

一月紀聞國外篇--2009.12(480)

亞特蘭提斯號升空 增加國際太空站壽命
11/16 為國際太空站(InternationalSpace Station)帶去重要補給品和備用零件的亞特蘭提斯號(Atlantis)太空梭順利升空。此次任務後,亞特蘭提斯號太空梭機隊將於2010年退役。

亞特蘭提斯號下午2時28分(格林威治時間19時28分)從海濱發射平台咆哮升空,穿過大西洋上空的一層薄雲,朝向18 日與國際太空站連接的軌道。升空後太空梭飛行速度每小時超過2萬4000公里,在8分鐘後到達軌道,美國航太總署發言人表示:「一次完美的發射,完全準時。」

亞特蘭提斯號運送近1 萬3610公斤的泵、陀螺儀、氮氣、氨氣和氧氣儲罐,以及龐大的其他設備,在亞特蘭提斯號退休後,這些設備將由俄羅斯、歐洲和日本運貨太空船維持國際太空站的供應。

為期11天的太空任務,是亞特蘭提斯號2009年第5次也是最後一次飛行任務,計畫包括3次太空漫步,以及在國際太空站外部儲存硬體設備。美國航太總署官員說,這次的任務至關重要,因為從這項任務之後,已執行多次任務的太空梭趨於老舊,到2010年9月亞特蘭提斯號太空梭機隊退休前,只剩下5次任務,而這些太空梭任務所運送的零件將增加國際太空站的壽命。

數不盡的昆蟲資源—從昆蟲的體表談起

作者/朱耀沂(台灣大學昆蟲系名譽教授)

昆蟲屬於無脊椎動物,不同於包括人在內的脊椎動物。脊椎動物有脊椎骨,以它為主軸,向外長出一些支骨,並以皮膚包住身體所有的骨頭,這些被皮膚包裹的骨頭稱為內骨骼;而沒有脊椎的昆蟲,包住身體的皮膚兼具骨頭的作用,因此牠們的皮膚叫做外骨骼。

由於昆蟲需要外骨骼來支持身體,多數昆蟲都具有堅韌的外骨骼,獨角仙、鍬形蟲等甲蟲的外骨骼尤其堅硬;而蠶寶寶雖然看來身體柔弱,其實體皮很有韌性,用手拉不斷。這種以外骨骼包住整個身體的構造,在工程學上叫做單桿構造,雖然它不適合支持龐大的重量(所以昆蟲無法變成一隻貓那麼大),但卻有相當程度的抗扭、抗曲性。高速飛行的飛機、疾走的汽車等就是採用單桿構造,裡面沒有柱子;昆蟲也一樣,以單桿構造的身體發揮奇佳的運動能力。

海洋發燒了

作者/陳鎮東(任教中山大學海洋地質及化學研究所)

由於人類砍伐大量森林,並燃燒化石燃料,使得空氣中的二氧化碳(CO2)濃度直線上升。再加上農、牧、工業的影響,除了二氧化碳之外,其它的溫室效應氣體,如甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、氟氯烷類(freons)等,濃度也都不斷上升,使得氣溫不斷創百年來的新高紀錄。

溫室效應氣體濃度上升最直接的效應,就是氣溫上升——極有可能在100年內上升攝氏1~4.5℃,海表面溫度自然也會跟著上升。當氣溫上升3℃時,氣候帶大概每年以10 公里的速度向兩極移動。可是陸上植物分布的移動速度,每年頂多2公里,無法跟上氣候變化的步調。寒帶及高山植物由於退無可退,可能受到的影響最大。

海洋藻類會隨水漂浮,因此生長區域的移動速度要比陸上植物快。然而,海表面溫度上升之後,表面海水變得較輕,深海富含營養鹽的海水比較不容易向上湧升,可能不利於藻類生長,自然也就不利於浮游動物及一連串靠吃藻類及浮游動物為生的海洋生物。本專欄於今年10 月號曾提到的海洋熱帶雨林——珊瑚,更難以容忍30℃以上的高水溫。反之,本欄11 月號所提到的赤潮,卻似乎於水溫高時比較容易產生。

天使與魔鬼

作者/游森棚(任教高雄大學應用數學系)

繼《達文西密碼》橫掃全球後,原作者丹布朗的另一本《天使與魔鬼》也跟著大暢銷。不過讀者可能不知道,其實天使與魔鬼在棋盤上的纏鬥,是數學上一個有名的問題。這個月我們就來聊聊棋盤上的天使與魔鬼。他們纏鬥的方式是這樣的:

在無限大的西洋棋盤上,一開始天使站在某一格上。然後魔鬼敲掉另一格的地板。天使接著往上下左右或對角線方向任意移動一格,但是不能走到地板已經被敲掉的格子裡(否則就會墜入無底的深淵)。魔鬼接著再敲掉一格,天使再移動一格,以此類推。

要問的問題是:是邪不勝正(天使總有辦法一直跑來跑去,不會被困住),還是正不勝邪(天使終會被魔鬼困住,無法再移動)?我建議讀者現在停下來,找個朋友,甚至跟家裡的小朋友,兩個人一起來玩這個遊戲。很刺激的!讀者的答案是哪一邊?是天使能不受拘束自由自在,或者魔鬼讓天使無容身之地?

國際期刊傳真

吃喝調節生理時鐘
每天的生活作息總隨著一個24小時的循環進行,因哺乳動物的大腦裡,有個主要的生理時鐘調節器——上視交叉神經(suprachiasmatic nucleus,SCN),它對日夜因素(如光線)非常敏感,藉一些生理時鐘蛋白來調控部分基因的表現,不同器官也有不同生理時鐘。

沙克生物學研究中心的Ronald Evans 及賓州大學CraigThompson 的研究團隊發現飲食調控「非SCN 生理時鐘」的機制。利用老鼠肝臟的實驗結果發現, AMPK 酵素的活性和表現位置會隨著養分攝取而有節律性變化。攝食後ATP/AMP 的比值上升, AMPK 會被活化並磷酸化生理時鐘蛋白cryptochrome 1(CRY1),磷酸化的CRY1會被加速降解,而調控節律的進行。這篇研究證實AMPK 是連結生理時鐘與新陳代謝的重要分子。

專訪中研院原分所林志民實驗室─創新方法平息臭氧破洞爭議

作者/邵芷筠(本刊特約編輯)

中央研究院原子與分子研究所林志民的實驗室,坐落於台灣大學小椰林道旁,一個僻靜的角落。五年九班的青年學者林志民,與我們談及他當初在原分所建立實驗室時的情形——1994 年他剛從台大化學所的碩士班畢業,適逢諾貝爾獎得主李遠哲受邀回台,經審慎考慮之後,林志民決定在台大繼續完成他的博士學位,也成為李遠哲在台灣的第一代大弟子。

Made in Taiwan的青年科學家

帶領我們參訪他的實驗室時,林志民回憶道:「當年這整個房間都是空的,只有地板上的灰塵。這麼多年下來,我們自己設計實驗的器材、架設管線,才成了今天這副模樣。」如今實驗室裡,布滿各式各樣精密的儀器,而且為了能便利地移動與操作,天花板上可見錯綜複雜的軌道與管線,每個細節,都是設計者的用心與巧思。

諾貝爾化學獎—轉譯生命現象的核糖體

作者/呂育修、譚婉玉(任職中央研究院生物醫學研究所)

因利用X光晶體學解析出核糖體的三維分子結構,來自以色列、美國與英國的三位科學家,共同獲得了2009 年諾貝爾化學獎。自1944 年美國科學家埃弗里(Oswald T.Avery)等人發現核酸(nucleic acid)為生物的遺傳物質後,科學家就陸續用化學、遺傳學及分子生物學的方法,描繪出基因複製與表達的中心法則(central dogma),但是要讓我們真正能「窺視」這個法則的運作方式,就必須藉助物理學的方法,去揭示參與其中之分子的結構。今年的諾貝爾化學獎的三位得主,便是利用X 光晶體學(X-ray crystallography)來研究細菌核糖體(ribosome)的三維結構,他們是以色列魏茲曼研究所的研究員艾達.尤娜斯(AdaE. Yonath)、美國耶魯大學教授托瑪斯.史泰茲(Thomas A. Steitz)以及英國劍橋大學的印裔科學家文卡特拉曼.拉瑪克里斯南(Venkatraman Ramakrishnan)。值得一提的是,尤娜斯為1964 年以來化學獎中唯一的女性得主,也是歷史上的第四位。

諾貝爾生醫獎—端粒與端粒酶

作者/康繼之、張大釗(任職中央研究院原分所暨基因體中心)

端粒和端粒酶的功能在確保染色體DNA完整複製,與老化及癌症相關。三位科學家因解開其運作機制,獲今年諾貝爾生醫獎。

雖說眼見為憑,但自然界的事物往往和我們所看到的表象不同。例如看似海藻上的一塊岩石,可能是一條有毒的魚;在花園裡一朵美麗的花,可能是一隻等待著獵物的昆蟲;同樣的表象也發生在細胞中,負責人類遺傳訊息的染色體DNA看似是個靜止的結構,但其實染色體會隨著細胞的分裂不停運作,尤其是染色體的末端——「端粒」,更是不停地縮短與延長,過程中蛋白質與端粒反覆結合與分離,整體的端粒結構亦是快速地改變。

這個變化看似不起眼,卻牽連著細胞分裂過程中染色體DNA的完整複製,也同時關係著老化與癌症。伊莉莎白.布萊克本(Elizabeth H. Blackburn)、傑克.索斯塔克(Jack W. Szostak)以及卡羅.格雷德(CarolW. Greider)這三位美國科學家在端粒(telomere)與端粒酶(telomerase)的發現及研究,解答了DNA序列之所以能完整複製與預防分解的機制,而榮獲今年的諾貝爾生理醫學獎。

行星橢圓軌道的古今對話

作者/金升光(任職中央研究院天文及天文物理研究所)

托勒密、哥白尼、克卜勒,三位科學巨人分別提出了劃時代的軌道模型與宇宙觀,相隔不同世代而呼應,若由當代觀點切入,更可看出其豐富內涵。

400年前克卜勒出版《新天文學》(Astronomia Nova)一書,提出了他關於行星運動的第一及第二定律。不少初學者,包括筆者在高中第一次接觸到橢圓的概念時心中難免充滿了問號。圓形不好嗎?橢圓形要怎麼計算?有什麼證明?橢圓的焦點又有什麼特別之處?等到上了大學學習微積分的基本技巧和牛頓力學的基礎知識,才比較能欣賞橢圓軌道的奧妙,回過頭來讚歎克卜勒這劃時代的發現。

但是,橢圓軌道難道真的是克卜勒天外飛來的一筆,使得人類的宇宙觀由哥白尼的圓形軌道進化成橢圓形這麼簡單?先前有不少從科學史、物理或是數學的角度來探討克卜勒橢圓軌道定律的文章;本文則嘗試透過近代天文學知識,並摻雜一些天文學史和天體力學的觀點,從稍微不同的角度來體會行星的橢圓軌道運動(關於克卜勒的生平,可參閱本專欄2月號林文隆教授的文章)。

抗菌絕招

作者/程樹德(任教陽明大學微免所)

微生物與大型生物的對抗在自然界永不停歇,除了免疫系統、皮膚遮蔽外,大型生物還有一些類似真菌分泌抗生素的抗菌絕招。

看似清澈的池塘水,其中懸浮的細菌,常可達每毫升10萬隻以上,而水底的岩石及泥沙上,有時可以見到表面塗布一層黏糊糊、滑溜溜的膠狀物,這便是微生物結群組建的生物膜(biofilm),內含的微生物量,又常比清水高上百倍。在這樣的環境生活,魚及蛙蜺類表面並沒被細菌蓋滿,眼睛依然清亮,牠們如何應付四面八方無所不在的微生物呢?

無脊椎動物雖小,依然要面對細菌之類更小的微生物對牠們身體的侵襲。蒼蠅在腐爛的動植物上覓食,常常吸入大量腐生菌,又怎能不生病?是否牠們各自都有抵抗細菌的怪招?

這類想法,早期細菌學家可能偶爾會靈光一現地閃耀在思維中,但能循這思路一直追索下去,就只有鳳毛麟角的少數人吧?發現青黴素的佛萊明(Fleming)算是留下鴻爪於歷史中的一位科學家,據他的助理留下的傳說,1922年佛萊明得了感冒,鼻涕一直流漟下來,無意中滴到一片洋菜膠培養皿之上,此時窗外一陣風,刮入了一些細菌到培養皿的表面。佛萊明依然將這盤培養皿放入溫箱中培養,次日他看見鼻涕滴到的部位清清無菌,因而發現了鼻涕內含有溶菌酶(lysozyme),湊巧能殺死汙染到盤上的細菌。

IC可以活多久?—為晶片算命

作者/郝中蓬(任職IC設計公司品保部)

話說就讀高一的安安在NOVA廣場購買了一個電腦微處理器(CPU)IC,心血來潮地問說:「這個CPU可以用多久?」,對方不假思索地回答說:「大概十年吧。」,安安聽完就半信半疑地回家了。

相信很多人都跟安安有同樣的疑問,如果不計人為因素,到底買來的IC 多久後會壞呢?製造商與銷售人員是怎麼知道的?雖然科學還不能夠預測人類的壽命,卻已經有理論方法可以估計IC 的壽命,那就瞧瞧我們如何為IC「算命」吧!

太陽之子 繼往開來

作者/葉偉文(任職台灣電力公司)

人類所進行的一切活動,不論是運動肌肉、駕駛汽車、發射火箭或燒壺開水泡杯茶,都需要能量,而這些能量幾乎全部來自太陽。當陽光到達地球,被能夠進行光合作用的植物吸收,動物(包括人)食用這些植物以及那些草食性動物時,便能獲得能量。從這角度來看,我們地球上的人類可以說是不折不扣的太陽之子。本書就是在描述人類如何取得能量,用以「作功」並逐漸改善生活。

首先容我簡單介紹一下這個能量的總源頭:太陽。太陽是以核融合的方式來產生能量,由於它的質量幾乎占了整個太陽系的全部,因此有著非常巨大的重力場,能夠產生極高的壓力與溫度。在這裡物質只處於電漿狀態,有些原子核彼此激烈地互相碰撞,融合成一個原子核,而多餘的質量差額,就變成能量釋放出來。根據愛因斯坦的相對論,質能互換的公式為E= mc^2 ,其中c是光速,在經過平方後,即使是很小的質量也能變為巨大能量。

寓數於遊

作者/李武炎(任教淡江大學數學系)

常言道旅遊可以使人增廣見聞,行千里路勝讀萬卷書,我們到國外旅遊自然而然地就會想去了解當地的風土人情及文化背景。數學既是人類文明的一環,所以如果有心的話,也可以「從旅遊學數學」,光是搭飛機到國外觀光,就會碰上時差的數學問題,還有換錢也須要運用一點數學去計算,而在欣賞當地的名勝古蹟時,也會留意到一些很有特色的建築物中蘊含著幾何之美,所以旅程中處處皆數學。

《從旅遊學數學》是曹亮吉教授所寫的一本旅遊札記,藉著敘述各地旅途的點點滴滴,從中穿插一些相關的數學知識,例如航程距離的估算、時差的換算、教堂與清真寺建築的幾何圖形裝飾等,也帶領讀者了解一些數學的典故。例如書中有一篇提到中亞之旅,當地正是古數學家花剌子模(Abu Ja-far Muhammad ibnMsa al-Khwarizl)的故鄉,順便也介紹了東西數學交流的歷史。另外一篇遊瑞士伯恩憑弔愛因斯坦的故居,該處也是孕育劃時代的巨作「相對論」的所在,而相對論的理論基礎也是與數學有關。書中還介紹了一些我們很熟悉的旅遊景點,如巴黎、東京、羅馬等,這些地方也有各種不同的數學故事。若有機會造訪該地的話,便可以細心體會書中所說的數學故事,至於比較冷門的地方,包含南歐的塞爾維亞、中亞的烏茲別克以及中東的伊朗(古波斯),也有許多值得一提的數學典故喔!