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Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20蜂鳥眼中有超「人」的斑斕世界中華文化裡有很多動人心弦的思想體系，而且好像越古老就越精采。四書五經對人倫、對社會建構、對個人情懷與文明的表徵，甚至對非物質世界的描繪，都有很高超的見解。諸子百家，更是學說多元，各有千秋。2500年前的《禮記．禮運．大同》，只有107個字，卻道盡未來理想世界的幸福願景（祥和互信、照護弱勢、親情和同理心、多元價值，達成尊重大不同的大同），以及完成願景的核心社會運作（天下為公，選賢與能，講信修睦）。文雖短，但字字珠璣，難怪聯合國將它奉為圭臬。 談到文化的經典傳承，就不能不提到中國古代小說中的四大奇書。《三國演義》、《西遊記》、《水滸傳》三本書裡的故事和人物，大多數的華人都能信手捻來。至於第四本《金瓶梅》，因為牽涉到情、色場面，在早年保守的社會，很多人想讀但又卻步，即使偷偷讀了，也不好意思張揚。這本小說描寫市井人物的生活、對話及家庭瑣事，有評論者認為它才是四大奇書的第一奇書，影響了後來膾炙人口的《紅樓夢》的寫作風格。 文化遺產代表一個民族的精神面貌，上述的創作在人類文明史上，絕對佔有一席之地。無論說理講道或透過小說形式寫人間的故事，都是在現實的世界，思考生命的涵義，以檢視社會互動的複雜性，提出理想世界的願景，和達到該願景應有的作為。它們的理念屹立數百年甚至數千年，並未因時間而消逝，確實是歷久彌新的金石良言。但現實世界的投射，固然精采，人類智慧的精華，更在於對超現實世界的想像力。神話、寓言、靈異、妖怪、魔法，天上宮闕、地下閻羅王，都是文化裡超凡入聖的幻思狂想，也是人類才有的智慧表現。要看眾神排列，唯有拜讀《封神榜》；欲見水漫金山寺的蝦兵蟹將，只有一窺《白蛇傳》；想體會「寫鬼寫妖高人一等，刺貪刺虐入骨三分」是何境界，就要細品《聊齋誌異》，口中默念「料應厭作人間語，愛聽秋墳鬼唱詩」。如果要知道官場文化，那不妨翻一翻《儒林外史》！這些古代的創作，反映華人文化的脈絡，堪稱書中奇葩！ 但奇中之奇的創作，要屬千年來讓歷代學者絞盡腦汁不知如何對待的《山海經》了。其內容包羅萬象，似假還真；講古論巫，荒誕不經中，卻又煞有其事。既稱山海，當然是一本記述地理的著作，分山經及海經，所記載的事物廣泛而雜亂。但儘管充滿光怪陸離的神話，卻可看出古人對「實際觀察」到現象的執著和試圖解釋的用心。研究科技史的英國學者李約瑟認為，後人可從書中得到古人如何認識礦物和藥物的許多知識。確實，這本書記載了124種藥物及其所治療的30多種疾病，實在是中國最早的醫學地理文獻。總體說來，以今日科學的眼光，看《山海經》裡的人文、地理、動物、植物、礦物、巫術、宗教、歷史、醫藥、民俗、神話，及民族文化的分門別類，說它是一部古代的百科全書，也不為過！ 我被《山海經》吸引，是多年前還在美國加州大學河濱分校任教的時候。我住的房子前面有個小院子，種滿了好多不同的花。南加州天氣好，陽光足，群花盛開爭豔，花香撲鼻。有花就有蜜蜂來訪，更有一些體型很小、羽毛鮮豔的鳥，頂著又長又尖的嘴巴，飛快衝向花叢，再快速拍打翅膀，如直升機一般懸停在空中，一會兒又見到牠以同一姿勢向後退飛。這種獨特又奇妙的飛行方式，正是蜂鳥的特色，牠們特別喜歡紅色的花，顯示察顏識紅的能耐也是一流！ 有一天我在華文報紙讀到一篇文章，談到中國古書《山海經》曾經記載一種會倒飛的鳥。蜂鳥是唯一會後退飛的鳥且分佈在北美，作者由之聯想到是否古代華人到過此地，帶回所見。我當然不相信這種穿鑿附會的說法，但文章引起了我的好奇，利用到柏克萊分校開會時，就到東方圖書館借閱，雖然翻閱全書遍尋不著相關句子，卻因此迷上了《山海經》。對我而言，它代表古代華夏先民奇幻瑰麗的想像，處處有現代科學的影子，但缺乏實證的底蘊和理論統合的基礎。 離開加州，回到台灣。數十年不再見到小蜂鳥，偶然看見天空飛翔的小鳥，就會聯想到牠們懸空停留、快速拍動翅膀、翻轉倒飛的特技。曾有研究者為了解開蜂鳥在飛行中突然停止和後退之謎，做了一個有趣的實驗。他們在一個大玻璃箱內，掛了一個裝滿紅色糖水的玻璃罐，在罐底銜接了一根管子，然後把蜂鳥放進箱內。只見蜂鳥馬上飛向管口吸取糖水，向後退飛，停留一會兒又往前吸糖水，再往後飛。接著，玻璃箱內的底部噴出白煙，透過攝影機，清楚錄下蜂鳥翅膀上下前後快速翻轉白煙所呈現的空氣動力型態。科學家也不得不讚歎蜂鳥這種既能懸空停止又能倒退著飛，行動自如的本事，翅膀的快拍和旋轉，真是演化的高度成就！ 最近科學家又證實了蜂鳥因為視覺神經系統擁有四種錐細胞，除了人類看得到的紅藍綠三原色之外，還可以看到人類看不到的紫外光所產生的顏色。有別於大多數鳥類的知覺研究都在實驗室中進行，美國普林斯頓大學的研究團隊花了三個夏天，跑到位在科羅拉多州高山上的洛磯山生物實驗室，利用這個高海拔的生物野外觀測站，以及當地數百隻寬尾蜂鳥的條件，設計了一個大自然的實驗。 每天破曉之前，研究人員就已經架好兩個三腳架，上面各擺了一個餵食器，分別盛放糖水和清水，並在餵食器旁，安置LED燈。一個LED燈會顯現綠、紅、黃等可見光，加上紫外光所組合的非光譜顏色，另一個則只呈現單一的可見光。研究者設計了一系列實驗，共19種顏色，以此測試蜂鳥的顏色知覺。為了排除混淆變項，研究者也會在蜂鳥飛離後，調換三腳架的位置，同時排除蜂鳥利用氣味或其他訊息來選擇裝有糖水的餵食器。三年下來，記錄了6000次蜂鳥的造訪行為。結果顯示，蜂鳥擁有銳利的辨色能力，能夠輕易辨識出紫外綠和純紫外光、純綠色的差別，即使是顏色非常接近的組合，也難不倒牠們，例如紅色多一點和紅色少一點的紫外紅。也就是說，在人類的眼中，兩個LED燈所呈現的顏色一模一樣，但在蜂鳥的眼裡，則完全不同，顯示牠們的確能看到人類所看不到的紫外光！ 色彩知覺是所有動物生命裡最重要的功能，取食和避難，都要在第一時間從顏色分辨中取得線索和暗示，才能搶得先機。對人類而言，說彩色人生，那是生活美滿的表徵；若說人生是黑白的，則意味著慘澹、淒苦和悲哀。人類嚮往多采多姿的世界，但蜂鳥的實驗告訴我們，有很多實質存在的東西我們是看不見的；飼養貓狗的人都知道，有很多聲音我們是聽不到的。當然，人間事物，有很多我們是觸摸不到，也感覺不明的。人是萬物演化中的一個局部而已，應該謙虛，但利用想像力和科學的方法，我們也可以探知未知的實存世界。 蜂鳥的色彩知覺比我們多了紫外光的優勢，真的很難想像那是什麼樣的斑斕世界。少了一些顏色的知覺，就成色盲；但加上紫外光，會怎麼樣？是萬萬紫千千紅嗎？…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20金星末日說2016年美國航太總署（NASA）哥達德太空研究所的韋（Michael Way）與同事應用第一個金星三維氣候模型，顯示金星可能曾經擁有溫和的環境，具備液態水形成的廣大海洋，而這也是我們已知生命存在的關鍵。最近韋與哥達德太空研究所的傑尼歐（Anthony Del Genio）使用了更複雜的資料，結合多種地形與不同日照量，發展出一種金星演化的架構。該研究發表於今年5 月《地球物理研究期刊：行星》（Journal of Geophysical Research: Planets ），說明金星在形成最初30 億年為何是適居環境，後來才轉變為現在的熾熱地獄。 許多科學家曾假設金星從形成以來就極為乾枯，從未有液態水。約45 億年前太陽系形成以來，這顆距太陽第二近的行星，接收的陽光就足以使大氣中所有的水逸散到太空，而輻射也使這顆行星不像地球一樣能夠有生命形成。韋表示，如果沒有任何緩解氣候變化的因素存在，「金星不會有任何生命。」他和傑尼歐認為，緩解因素可能是金星在演化早期形成了一朵超大的雲，使金星冷卻。 地球自轉一周約為24 小時，而金星自轉一周是243 個地球日，與繞行太陽公轉一周的時間（225 個地球日）相近，因此金星的一面常曝曬在陽光下，另一面則是漫長的黑暗。厚重的大氣層可以輕易使日照面的熱循環到夜晚那面，讓金星維持高溫。但在韋與傑尼歐的模型中，日照面有巨大的雲做為屏障、反射陽光，因此溫度降低至足以保存液態水。 許多研究人員思索過金星曾經適合生物居住，但新模型進一步展示金星如何轉變為現在的高溫環境，而且捨棄傳統想法。行星科學研究所天文生物學家格林史本（DavidGrinspoon）在2016 年的研究中與韋合作，但並未參與這項新研究，他評論：「我們述說一個關於金星的故事，在天文學概論的課堂上這麼教，也寫在書裡。結果這個故事是錯的。」原有的想法認為，太陽亮度緩慢增加，造成金星溫度上升，因而無法維持穩定的海洋。也就是說，所謂適居帶（具有液態水、能創造適合生命存活環境的軌道區域）的內緣向外擴展，超過了太陽系的第二顆行星。但是韋與傑尼歐的模型認為，如果雲持續覆蓋，就可以提供足夠的遮蔭，使金星表面的液態水維持到現在，只是有其他原因使金星現在的狀態並非如此。 他們提出金星環境劇烈轉變的過程，可藉由檢視年輕地球來理解。大約在2 億5000 萬年前，地球的地殼產生很深的裂痕，岩漿溢出到地表，噴出到大氣的二氧化碳足以造成96%的海洋生物與70%的陸地生物死亡，是地球史上最大的大滅絕事件。這些火山噴發事件在100 萬年內產生了至少10 萬立方公里的熔岩，留下稱為大火成岩區（large igneous provinces）的沉積物。未參與該研究的北卡羅來納州立大學行星地質學家柏恩（PaulByrne）評論：「我們在討論的是，短期內噴發的岩漿量改變了地球初始的形成狀態。」 劇烈火山噴發多次撼動地球，造成大滅絕事件，所幸這些火山不曾同時爆發，韋表示：「這對地球生命來說是幸運的。」但是科學家看不出有任何理由讓火山不會同時劇烈噴發，研究人員表示，如果多重噴發發生在金星上，釋出到大氣的二氧化碳足以使這顆行星進入世界末日般的溫室效應狀態。 這是個具吸引力的假設，柏恩表示：「這是淒美的悲劇，有個和我們很像的行星滅亡了。我非常希望有一天我們可以登陸金星，並且在金星生態系的淺海找到化石。」但他強調，並未有直接證據支持這個假設。 該篇論文指出，大規模的火山活動會持續使金星表面佈滿火成岩，呈現出目前的模樣。但未參與該研究的明尼蘇達大學杜魯斯分校地質學家韓森（Vicki Hansen）評論，1990 年代早期繞行金星的麥哲倫號太空探測船測量結果，並不支持是一場災難事件重塑了金星表面，她說：「如果檢視數據，這個假設違背常理。」根據她的團隊分析，「我們可以辨識出金星演化的三個時期，如果災難真的重塑了金星地表，我們就不可能辨識出金星演化時期，因為那將會抹去所有早期歷史。」 毫無疑問，這是個有爭議的假設。確實有一些科學家仍在爭論金星從未適合發展生命。 為了找到答案，研究人員必須更接近我們的鄰居金星。韓森表示：「我們可以花很多時間建構模型，但並不能解決任何問題，我們必須測試這些模型得出的結果是否正確。」 柏恩表示，研究人員應該發射一連串太空船到金星，包含軌道船、登陸器、氣球、空中平台甚至飛艇。金星的大氣可以提供線索，說明曾有多少水份逸散，金星表面則可以揭露火山是否噴發以及何時噴發。未來這些任務將有助於解答金星是否曾經孕育生命的爭議，並讓天文學家擴展在星系中尋找適居行星時搜索的範圍。 未參與這項新研究的萊斯大學地球物理學家雷納迪克（AdrianLenardic）評論：「若這假設正確，那就表示類似金星的行星確實有潛力孕育生命，因此不該被忽略，我們應該好好觀察它們。…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20過度鋪路致水患我們常在報章頭條上看到哈維颶風這類如災難片般的天災，但都市淹水其實是經常發生且逐漸惡化的問題：一份2018 年發表的報告調查了美國的市立雨水與洪災應變單位，發現有83%曾通報轄區內淹水。氣候變遷的確增加了暴雨發生的機會，但鋪路和地面加裝的其他抗滲材質讓暴雨無法由土地吸收，使淹水情況加劇。科學家大致同意這項觀點，但他們對於淹水惡化的程度仍意見分歧。 今年3 月發表於《地球物理研究通訊》的論文顯示，在美國，每當城市新增1% 的道路、人行道或停車場，便使附近水道當年的泛濫規模平均增加3.3%。（有些地面無法吸收的洪水會流進附近的溪流，可藉由測量溪流水位，判斷洪災程度變化。）水文學家布盧姆（Annalise Blum）和論文共同作者表示，他們使用的數學模型比過去的研究方法更精確，而且可以釐清人類對水系統的其他影響，這是稱為社會水文學的新興領域。 布盧姆說，過去的研究只針對一或兩個水道仔細調查，難以分析不同人造設施對水患的影響，例如鋪面、水壩和堤岸。為了區隔抗滲鋪面和其他「雜訊」因子的影響，布盧姆和約翰霍普金斯大學經濟學家費拉洛（Paul Ferraro）等同事使用了極龐大的資料組，含括39年內280 個河水標尺的溪流水位數據。他們也採用了經濟學研究在釐清特定政策改變人類行為時較常使用的統計模型，布盧姆和團隊修改這項方法，用以衡量河水標尺數據間的差異，藉此區隔鋪面與其他人造設施造成的影響。布盧姆在執行這項新研究時於約翰霍普金斯大學擔任博士後研究員，如今是美國科學促進會科學與科技政策研究的會士。她說：「我們使用的數據橫跨時間與空間，可以過濾所有雜訊，排除不重要的影響因子。 未參與這項新研究的加州大學爾灣分校水文經濟學家亞雷爾（Maura Allaire）評論，這種研究設計對自然科學極有貢獻，尤其是水文學。若能用類似方法分析城市裡其他會造成水患的人造設施，就能幫助擬定適合的改善方案。舉例來說，建築如果是某些地區淹水的主因，市政府可以限制建案，或是增加「綠」設施、設置透水鋪面以吸收更多雨水…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20口服藥減蛇毒某種治療重金屬中毒的藥物，或許也能為遭毒蛇咬傷的人爭取一線生機。今年5 月發表於《科學．轉譯醫學》的一項研究顯示，這種口服藥能減低蛇毒對小鼠的影響。 鋸鱗蝰（saw-scaled viper）是一種極具攻擊性的毒蛇，生活於非洲和亞洲，出沒地點包括缺乏現代醫療設施的人口稠密地區。未參與這項研究的奈及利亞卡諾巴耶羅大學傳染及熱帶疾病科醫生哈比（Abdulrazaq Habib）評論：「鋸鱗蝰大概是全世界咬傷和毒死最多人的毒蛇。牠們的蛇毒會破壞傷口周圍組織，有時導致傷者失去指頭、四肢甚至性命。」 蛇毒中有一種稱為金屬蛋白酶（metalloproteinase）的有毒酵素，作用時需要鋅離子，這類酵素會造成組織損傷和內出血。論文的第一作者、英國利物浦熱帶醫學院生化學家阿爾布列斯庫（Laura-OanaAlbulescu）說：「我們的假說是，如果能抓住這些離子，或許就能抑制毒素活性並中和毒害效應。」阿爾布列斯庫和同事調查了重金屬中毒的療法，是透過化合物吸附游離金屬離子，她說：「我們想要研究這種原本有其他用途的口服藥，也可做為第一線毒蛇咬傷治療藥物的可行性。過去雖有人提出這個想法，卻未能完整發展。」 研究人員在試驗時發現三種相關藥物能抑制多種鋸鱗蝰蛇毒的活性，接著檢查這三種藥物對注射不同西非鋸鱗蝰毒液劑量的小鼠有何效果。其中一種藥物「2, 3 - 二巰基丙烷磺酸鈉」（ unithiol ）若在毒液注射後15 分鐘內服用，並在一小時內注射抗蛇毒血清，所有小鼠都可存活。阿爾布列斯庫說，單服用2, 3 - 二巰基丙烷磺酸鈉或只注射抗蛇毒血清都不能救治所有中蛇毒的小鼠。這項結果顯示2, 3 - 二巰基丙烷磺酸鈉或許可做為毒蛇咬傷時的初步救治藥物，讓病患有較充裕時間送醫治療。哈比評論：「這項發現非常有前景，研究人員探討了可能發生的各種情況。」 論文共同作者、利物浦熱帶醫學院蛇毒專家克斯威爾（NicholasCasewell）說，這種藥物的成本比抗蛇毒血清便宜很多，而且在其他治療上也安全無虞。研究人員計畫明年初展開人體臨床試驗，在非裔族群驗證藥物的安全性和耐受性，因為他們最可能遭遇鋸鱗蝰攻擊。科學家希望2, 3 - 二巰基丙烷磺酸鈉能在幾年內成為全世界第一種能解蛇毒的口服藥。…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20兩種物理教科書每學期開學前，我都得面對一個問題：所開的課要用什麼教科書？由於物理課程的普適性，不少以英文書寫的物理教科書（尤其是大學一年級以上至研究所各層級、各科目物理課所使用的教科書）在世界各地廣泛採用，有些甚至成了全球性標準課本，所以我在學生時期以及開始教書後，所用的教科書大抵是這類全球性書籍。 以前我偶爾會選定一本書，然後就大致依循著這本書的順序與內容上課。後來覺得這樣做不見得最恰當，主要是我發現任何一本教科書都多少有其缺失，例如欠缺某些重要題材、順序不合我意、解說不夠精采，或習題不夠理想。所以我後來就多半以自己整理的筆記為主要上課內容，但是仍會列出一些參考書，並在上課時說明某項內容引用自哪一本書的哪一章節，鼓勵學生自己去翻書閱讀。 《費曼物理學講義》（以下稱《講義》）是我最常取材的教科書。它其實是一套書，有三大冊，內容來自費曼在1961~1963年間，於美國加州理工學院所開授的基礎物理課程的演講錄音，所以涵蓋的主題非常廣，包括力學、熱學、電磁學、物性、量子力學等，因此對於大多數物理課程都有參考價值。費曼在這套書的結語這麼說：「我這門課的主要目的不是幫你通過某種考試，甚至不是為了幫你到工業界上班或是到軍中服務，我最想要做的是讓你多少能夠理解這個美妙的世界，以及欣賞物理學家看待它的方式。」既然這套書所要呈現的是，費曼這位大物理學家看待大自然的方式，它的思想性當然要遠高於其他教科書。 《講義》的思想性就是它的特色與優點，也是它為人讚歎之處。但是此優點也恰是其缺點！為什麼？因為對於多數修習物理課程的學生來說，修課的目的正是為了要「通過某種考試」，或是要「到工業界上班」，《講義》中的大量敘事就成了沒用的囉唆；即使是有心以後想從事物理研究的學生，他們在意的是掌握困難但有用的技術細節，而不是所謂「物理學家看待世界的方式」，因此也多半不能深刻欣賞此書的精華（《講義》中沒有例題與習題，這些東西另外成書出版）。 讓我舉一個例子：《講義》第二冊、第20章、第3節的名稱為「科學想像」，費曼在其中談論如何想像電場與磁場，這一節全是敘事沒有公式；類似的討論不可能出現於其他電磁學教科書中，因為這些討論無助於應用電磁學方程式，學生當然不會細心閱讀。 與《講義》一樣強調物理概念的由來及其相互關聯的教科書，雖未必是市場主流，但也不算罕見，另兩個例子是朝永振一郎所著《量子力學》與珀塞爾所著《電學與磁學》，兩者都曾被我列為課程所用的參考書。 和以上幾本書相比，另有一類教科書更強調幫助學生熟練應用物理定律，所以重視推導與演算，並列有大量的例題與習題。這類教科書是市場主流，一個例子是哈里代（David Halliday）與瑞斯尼克（Robert Resnick）所著的《基礎物理》，這本書長久以來是全球大一普通物理課最通行的教科書，「哈里代」也成了普通物理的代名詞。另一例子是傑克森所著的《古典電動力學》，它則是全球物理研究所電動力學課的標準教科書，特色之一是含有眾多用來磨練技巧的難題。 上述兩種教科書各有功能，沒有高下之別；後者的意義具體明確，前者則較難捉摸，但也一樣重要。一位退休同事向我述說他自身的經驗：他在美國一所著名大學拿到博士學位後，到他校擔任博士後研究員，繼續從事理論物理研究，發展出他自己相當得意的理論工具。接下來當然是設法尋找教職，在某場面試演講過後，有人問他什麼是當前物理的重要問題，沒想到他竟然被這個看似簡單的提問絆倒，一時支吾答不出來，教職當然就飛走了。我相信這位同事當時如果熟悉《講義》，應即可以頭頭是道地回應這個沒有標準答案的考驗。…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20古希臘面具的簡單與不簡單劇場的魅力在於表演的張力與密度，在有限的時空中，把普世的悲歡喜樂濃縮，再現於舞台。美國紐約大學「現代世界的古典學」（Classics in the ModernWorld）教授麥奈克（Peter Meineck）是該校神經美學（neuroaesthetics）研究團隊成員，並身兼劇場創辦人及導演，他以劇場人與研究者雙重身分推廣古典戲劇，近年更致力於以神經科學來探討藝術。 2012 年他受邀為史丹佛大學的羅倫茲．艾特納講座（Lorenz Eitner Lecture）演講，以「體感劇場：認知科學與古希臘劇場」為題，說明面具在古希臘悲劇中的重要性，還當場演出。 現代劇場中，好演員透過口白、肢體動作、表情讓劇中角色活了起來。然而古希臘劇場的演員是戴著面具表演，觀眾根本看不到臉部表情。此外，古希臘劇場的演出型式極度動態，演員要不斷舞動和歌唱，對於這樣的演出型式，面具的必要性何在？ 古希臘劇場以雅典為中心，源自酒神祭，極盛期大約在公元前五世紀，戲劇類型大致分為悲劇、喜劇和撒特劇（Satyr），其中以悲劇最為重要。露天劇場的觀眾席建造在小山坡，可容納約1萬5000人。每齣戲必定有歌隊，但演員不超過三人，往往需要一人分飾多角，所以面具的第一項功用是代表角色。戶外劇場佔地廣大、觀眾離舞台很遠，演員必須大聲講台詞並以誇張動作演出。面具的第二項功用，如麥奈克所說，是「古希臘劇場的注意力中心」。演員一站上舞台，戴上面具，戲就開鑼囉！ 除了吸引注意力，面具也用來表達情緒。古希臘悲劇面具的表情固定、膚色單一、白眼球中有小孔，嘴巴小但有誇大的下垂嘴角。麥奈克引用多項研究，闡述古希臘劇場讓觀眾在同一張面具上看到不同情緒以及情感改變的設計。劇場演員利用了面具的不同角度，例如有異曲同工之妙的日本「能劇」面具，低頭看起來在微笑，抬頭看起來悲傷；並且透過空間解析度與視覺系統的交互作用，例如看近物會依賴眼窩視覺（ fovealvision ），遠物則依賴周邊視覺（peripheral vision）。這些視覺特性加上肢體動作，使得單一面具能傳達不同情緒。麥奈克同時強調，在古希臘劇場中，肢體動作和面具在表達情緒上是一體的。 麥奈克在他的論文中還提到眼動儀研究。研究人員讓亞洲和西方受試者觀看亞洲人和西方人做出不同表情的臉孔，發現無論看什麼人的臉，亞洲人會注視鼻子較久、西方人則注視眼睛，似乎顯示注視的重點不在於「看什麼」，而是「誰在看，以及如何看」。 在神經科學的面向上，麥奈克討論到鏡像神經元（ mirror neuron ）在個體做某個動作，或觀察他人動作時會產生大量反應。一般認為，這類神經元與理解他人的行為意圖和情緒，以及個體本身的同理心有關。近期研究指出，鏡像神經元的功能不僅是「同理的觀察」和理解，而應視為更複雜的「感官動作學習」（ sensory motor learning ）系統。 近年來，麥奈克利用腦造影進行動作模擬（ motor simulation ）實驗。研究人員讓芭蕾舞者和巴西卡波艾拉（ capoeira dance ）舞者分別觀看兩種舞蹈，結果芭蕾舞者只有在看芭蕾舞時大腦有大量活動；同樣地，卡波艾拉舞者看卡波艾拉舞時，大腦活化程度較高。麥奈克的結論是，個體需要先知道動作的意義，鏡像神經元才能大量反應，換句話說，大腦是透過動作模擬來了解所看到的行動。 麥奈克強調，古希臘劇場的運作關鍵在於觀眾的認知涉入程度。現代劇場中，觀眾可以直接透過演員複雜的表情，受到情緒的渲染。古希臘悲劇中，觀眾則是透過看似簡單的面具和劇場設計，藉由感官動作學習系統，產生了非常複雜的大腦活動。古希臘悲劇的面具因為簡單，而不簡單。…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20量子蒸汽龐克英國倫敦夜色已濃，羅瑟琳很慶幸自己順手拿了哥哥的黑色披風，而不是自己紅色的那一件。夜間身旁的工廠不再吐出濃煙，但很快就又會啟動了。一陣聲響讓她蜷縮靠著磚牆。她抬起頭，倒抽了一口氣。一個矩形的龐然大物劃過天空。黑暗隱藏了細節，但她不需仔細看，便知道側邊應該畫著黃銅色的鎖。梅勒妥已經駛著他的飛船升空了。 歡迎來到蒸汽龐克的世界。過去幾十年，這種體裁橫跨了文學、藝術和電影。它的故事通常發生在新建工廠的附近，地處骯髒城市、工業時代的英格蘭或美國西部蠻荒，而先進技術正在現實生活中萌芽。不過蒸汽龐克裡的角色把這些發明拓展到未來的科技，包括自動機與時間機器。新舊交織之下，形成既浪漫又冒險的氛圍。無怪乎蒸汽龐克的粉絲會去買大禮帽與襯裙，以銅與玻璃妝點自己，一起去參加蒸汽龐克的聚會。 這些粉絲在想像裡探險。如今橫跨量子物理、資訊理論以及熱力學三個領域的物理學家，也正活在探險裡。就如蒸汽龐克混合了科幻技術與維多利亞風格一樣，我稱之為「量子蒸汽龐克」的現代物理領域，也結合了21世紀的技術與19世紀的科學原理。 我們的目標是更新熱力學定律（關於功、熱與效率的學問），讓它符合尖端實驗、技術與理論的要求。蒸汽機推動著工業革命時，熱力學於焉誕生了。但是當技術應用在更小的尺度後，熱力學與資訊會在越來越小的系統裡結合，而研究焦點就由火車轉移到奈米引擎、活細胞的分子馬達，以及小到不能再小的冷凍機。現在我們得研究如何把傳統熱力學的概念，例如熱、功以及平衡，應用於現代量子系統。 當維多利亞物理學遇見千禧年科學 英國發明家塞維利（Thomas Savery）與紐科門（ThomasNewcomen）在19世紀之前發明了蒸汽引擎，後來英國發明家瓦特（James Watt）與合夥人博爾頓（MatthewBoulton）加以改良。那時不少學者很好奇，這種引擎把水抽出礦坑的效率有多高？他們的研究源自實際需求，之後轉變為基礎物理的問題，例如為什麼時間只能沿著一個方向流動？熱力學這個領域正根植於這類研究。 這個物理領域藉由大尺度的性質，例如溫度、壓力、體積與能量，來描述蒸汽這類的多粒子系統。傳輸的能量分為兩類：功與熱。功是有秩序、可供使用的能量，例如轉動水車輪；熱則是與無序運動有關的能量，例如亂跑的粒子。 鑽研熱力學的學者使用一種稱為「熵」（entropy）的數來量化無序。一桶蒸汽裡的每個粒子都有位置及動量（粒子質量乘以速度），所有粒子的位置與動量的集合稱為蒸汽的微觀狀態。我們無法得知這個微觀狀態，因為圓桶裡約有1024（1 後面接24個零）個粒子。要把它們全部定位，難度不言而喻！所以我們換個做法，只追蹤蒸汽處於某個微觀狀態的機率，也就是使用熵來量化不準度。根據熱力學第二定律，封閉且孤立的系統的熵無法減少，這個事實使得現實生活裡的時間只能朝著一個方向流動。 但是，傳統熱力學核心的蒸汽機與現代技術相異的程度，就如大禮帽與虛擬實境（VR）頭盔一樣；許多現代發明與實驗涉及微小而複雜的量子系統。量子理論是關於原子、電子以及其他物質組成粒子的物理學，這些粒子可以表現出較大的古典系統（例如蒸汽圓桶、工廠或人）所沒有的行為。舉例來說，量子粒子可以共享「纏結」（entanglement）這種超強的連結；如果把兩個原子纏結，儘管兩個原子相隔著整片大陸，只要測量其中一個，則另一個原子的性質會瞬間改變。藉著纏結，物理學家處理資訊的方式可以超越古典系統。研究如何以量子系統解決計算難題、傳遞並加密資訊，以及增強測量的學問，稱為「量子資訊理論」。這理論是一套有用的數學工具組，能讓我們更新熱力學。這兩個領域如何相互連結？要分析資訊，則需面對無知。資訊理論學者使用熵來量化無知，就像熱力學者所做的一樣。 例如在量子電腦系統裡，量子資訊理論及熱力學都是關鍵。Google、IBM等機構正在努力製造量子電腦，目標是破解特定加密技術，並以遠快過傳統電腦的速度來模擬特定材料。大多數量子計算系統必須冷卻至將近絕對零度；冷卻時得散熱，而熱是熱力學的物理量。然而，量子電腦完全不像從熱力學所發展出來的引擎。 20 世紀中葉就有學者把熱力學的概念運用在量子系統，那時格西克（Joseph Geusic）、舒爾茲－杜波瓦（E. O. Schulz-DuBois）和斯科維爾（H. E. DerrickScovil）提出了第一個量子引擎。它藉由邁射運作，邁射就像雷射，但發出的光屬於微波波段。不久之後，以色列耶路撒冷希伯來大學的科斯洛夫（RonnieKosloff）與同事把量子引擎變成了一個專業領域。另一位開路先鋒是「量子牛仔」史卡利（Marlan Scully），他在美國普林斯頓大學以及德州農工大學研究量子光學，此外他也養牛。與此同時，理論學者貝瑞塔（Gian Paolo Beretta）以及已過世的基夫托波羅斯（EliasGyftopoulos）與哈特索波羅斯（George Hatsopoulos）透過量子觀點研究了時間流動方向。1988 年，洛克斐勒大學的羅伊德（Seth Lloyd）在博士論文〈黑洞、惡魔以及同調性失落：複雜系統如何取得並使用資訊〉，奠基了量子熱力學領域裡許多重要的概念。 量子蒸汽龐克的工具 我們知道熵在熱力學、資訊理論及量子理論裡扮演了重要角色。熵通常視為單一概念，但實際上熵應用在許多領域，以不同的數學函數描述不同的情況。眾所周知的應用包括：19 世紀由物理學家波茲曼（Ludwig Boltzmann）及吉布斯（Josiah Willard Gibbs）引入熱力學，1948 年由貝爾電話實驗室的夏儂（ClaudeShannon）引入資訊理論，以及1932年由理論物理學家馮紐曼（John von Neumann）引入量子資訊理論。這些熵不僅量化了不準度，也描述了我們處理資訊（例如資料壓縮）的效率，以及汽車動力之類的熱力學問題。 量子蒸汽龐克學者的關鍵任務之一，是找出新的熵函數運用於現代小尺度的量子系統。假設想透過特定管道以纏結分享資訊，我們就必須知道：理論上執行這項工作的效率有沒有限制？答案很可能會和某類熵有關。 量子蒸汽龐克的另一個目標，是建立物理學家所謂的「資源理論」（resource theory）。這些理論著重於我們操作系統時所受的限制。舉例來說，熱力學第一定律限制了能量必須守恆：我們不能創生或消滅能量，只能改變它的型式，或在系統之間轉移。物理學家可能會發現某個受到限制的情況，例如環境溫度是固定的，然後他們試著運用某種資源理論針對此情況建立數學模型。利用這個資源理論，我們可以計算執行工作時的最佳效率，通常這個效率會與特定熵函數有關。 在更新熱力學的研究裡，第三個重點領域是推導出所謂「漲落關係」（fluctuation relation）的等式。這些等式衍生自熱力學第二定律，此定律要求在封閉、孤立的系統裡，熵不會減少。漲落關係支配著受強大外力作用的小型系統，並判定這些外力所做的功。 現任職於馬里蘭大學的賈爾金斯基（Christopher Jarzynski）在1996年證明了最著名的漲落關係之一。熱力學者稱之為「賈爾金斯基等式」，不過很謙虛的賈爾金斯基從沒這麼稱呼它。實驗學者以這個等式測量小型系統的某種熱力學性質。舉例來說，想像水中漂浮著一條與周遭溫度相同的DNA鏈。此DNA鏈有一些自由能，基本上是此系統可以用於做功的能量。物理學家利用雷射，抓住DNA鏈的一端，然後拉扯另一端。拉緊一段時間後，DNA鏈的溫度變得與水溫相同，這時DNA鏈會有不一樣的自由能。這個自由能前後的能量差可以運用於化學、藥理學與生物學。多次拉緊DNA鏈後，我們可以估計自由能的能量差，測量每次所需做的功，然後把數據代入賈爾金斯基等式求解。 賈爾金斯基和我的疑問是：得做多少次試驗才能以一定精準度估計出自由能的能量差？我們以小尺度資訊理論計算了所需最少的試驗次數，並提出一種方式來量化精準度。最近，我和同事在另一項研究裡指出，漲落關係和新的熵函數這兩種做法所得的結果，在小尺度熱力學上彼此一致，我們使用這兩種做法相互闡明。英國倫敦、德國科隆等地的量子熱力學者已進一步推廣並弄清楚了這項研究。 新型量子引擎 就如同傳統熱力學有助於描述蒸汽引擎的物理學，量子熱力學的研究能幫我們發展量子引擎。現在實驗學者已經運用光子、電子系統以及超導量子位元（電流可以持續流動而無損耗的量子電路）做出量子引擎。 最近，我和馬里蘭大學的懷特（Christopher D.White）、紐約市立大學的戈帕拉克里希南（Sarang Gopalakrishnan）以及加州理工學院的拉菲爾（Gil Refael）一起設計了新的量子引擎。身為理論學者，我們當初透過在腦中運作的想像實驗來設計這個引擎，但我們也想讓科學家能運用現代實驗室的量子工具實際製造出來，例如先冷卻原子、然後以雷射光加以捕獲並操縱，藉此製造實物。 我們設想的量子引擎運用了一種所謂「多體局域化」（many-body localization, MBL）的物態，這是我們熟悉的液態、氣態、固態的變型。量子粒子如果彼此排斥，並在一個崎嶇、陡峭、無序的環境裡緩慢移動，就有可能處於這個「相」（phase）。MBL系統的一個關鍵要素是「非熱性」（athermality）：它不處於熱平衡；處於熱平衡的粒子會快速而無規則地探索可用的空間。如果你讓蒸汽粒子探索一段長時間，則溫度或體積等大尺度性質會穩定下來，不再有大幅變動。 但是MBL粒子會停在一個區域、不會亂跑，這和蒸汽粒子並不一樣。缺乏熱平衡這件事可以成為熱力學運作的特性。舉例來說，汽車引擎需要熱流體與冷流體相鄰，這兩者並不處於熱平衡，因為熱粒子局限在一區，而冷粒子在另一區；沒有粒子可以探索所有的區域。就如同汽車引擎利用了冷熱兩流體的非熱性，我和同事也利用了MBL粒子的非熱性。我們把這個構造稱為MBL發動機（MBL-mobile）。 汽車引擎運作的一個循環（或封閉環路）有四個階段。走完環路，引擎就回到起始狀態，其間藉著把熱由熱流體傳遞至冷流體，可驅動汽車前行一段距離。MBL 發動機也是經歷四階段循環。在 MBL 發動機循環裡，我們把原子由高溫態（粒子可以散佈整個空間）逐步移動或轉變至 MBL 態後，再回到起始狀態。我們藉由操縱雷射，把粒子所在環境由平坦改變為崎嶇，以此逐步驅動引擎。每次轉變前，引擎會與外在環境交換熱；引擎在高溫態時與熱環境交互作用，在 MBL 態則與冷環境交互作用。簡單來說，這四個階段是：（1）高溫態時引擎與熱環境做熱交換，（2）逐步由高溫態轉變至MBL態，（3）引擎與冷環境做熱交換，（4）逐步由MBL態轉變至高溫態。 計算MBL發動機的功率及效率，並和其他引擎比較後，我們評定了MBL發動機的效能。舉例來說，有些細菌有會擺動的長鞭毛，可藉由生物馬達轉動，和這些小型引擎相比，我們設想的量子引擎表現如何？經估計，我們設想的量子引擎輸出功率是鞭毛的10 倍。另一方面，我們設想的量子引擎與汽車引擎相比的表現又是如何？我們估計了這兩種引擎的功率密度，也就是每單位體積的功率輸出；我們發現汽車引擎的空間利用率較高，約達10倍。 MBL讓我們設想的量子引擎具有四個優點。首先，這個引擎可以是任意尺寸，能從10 個粒子擴增至無限多個。製造大型引擎時，先由10 個粒子的迷你引擎著手，接著製造出許多相同的迷你引擎，然後並排運作。如果迷你引擎有熱性質，則彼此會互相干擾，因為一個迷你引擎的粒子會逸散到其他迷你引擎。MBL確保在一個迷你引擎裡所操控的粒子可留在原處，因此可以把許多迷你引擎排列在一塊，提升整體引擎的功率密度，這是MBL發動機的第二個優點。 如果你多次試驗這引擎，就會看見第三個優點。在某些試驗裡，引擎可以做正功。不過在某些試驗裡，引擎會做負功，即做功的方向相反。比起引擎只在 MBL 態裡運作，引擎若在MBL態與高溫態之間運作，就會較少產生糟糕的試驗結果。除此之外，如果善用 MBL 的優點，在每一次成功的試驗結果之間，做功的變動會較小；MBL可以增強引擎的可靠性。 MBL發動機的成功運作（至少是在想像實驗裡）顯示，MBL可能有更多的熱力學應用。例如把循環倒轉，此時引擎便有了冷卻效果，能把熱由冷環境移轉至熱環境。量子系統需要低溫才能顯現出纏結等性質，MBL冷卻機可以用來冷卻多體量子系統。另外，也有科學家提議運用MBL儲存能量。最近，我和同事開始嘗試藉由另一組工具，在現實世界裡製造引擎，我們使用的是磁場中的超導量子位元。把量子蒸汽龐克的想法應用在材料科學，機會俯拾即是。 量子凝視點 量子蒸汽龐克學者透過單片眼鏡望向未來時，他們看到了什麼？在量子理論、資訊理論及熱力學的交會處，一套數學及物理的工具組正在成形。我們也正在試著把那套工具組應用到其他科學領域：MBL發動機裡的材料科學、化學、高能物理（例如黑洞與時空結構），以及原子、分子物理與光學。 技術渴望著應用。雖然越來越多的量子蒸汽龐克實驗已經實際展開，但大多數的研究仍在理論範疇。不過，如同熱力學的發展推動了工業革命，量子、小尺度及資訊熱力學的進展也將帶來新發明。MBL發動機在短期內無法驅動汽車，但是分子開關、太陽能燃料集能器及可散熱電晶體都是與熱力學相關的小尺度技術。它們得帶領理論向前行進。 另一項挑戰是結合量子蒸汽龐克領域內的不同研究，包括新型熵、資源理論、漲落關係、量子熱機等。這些只是全球正在進行的許多研究的一部份，新工具也正在開發中。調和這些領域裡的不同定義及結果，可望塑造出量子熱力學理論。 熱力學帶著引擎的油味與砂礫、帶著第一班穿越原野的火車和第一艘橫渡海洋的輪船排放的蒸汽、帶著從熱氣球俯看廣袤大地驚歎的氣息。量子資訊科學正改變我們，理解計算、通訊、密碼學及測量的方式。你在《科學人》雜誌上閱讀著這新舊並陳的進展，就彷彿捧讀著威爾斯或凡爾納的科幻小說。 重點提要 熱力學誕生於工業革命時代，是關於熱與效率的學問。現今物理學家想更新熱力學應用於現代技術，特別是量子電腦、量子通訊及量子資訊。 這新領域融合了19 世紀物理學與未來技術，類似於科幻小說裡的「蒸汽龐克」體裁，是維多利亞風格與科幻發明的結合，所以這新領域稱為「量子蒸汽龐克」。 最近量子蒸汽龐克領域的一項成果是，科學家根據量子理論與熱力學構想出量子引擎。 運作機制 想像量子引擎 熱力學源自蒸汽引擎時代。「量子蒸汽龐克」物理學者致力於更新熱力學，應用在量子技術上，例如量子引擎。其中一種引擎是下方右圖中的多體局域化（MBL）發動機，目前只存在於想像實驗中，但不久的未來可能製造出來。就像汽車引擎經歷四階段的循環過程驅動汽車前行，MBL發動機經由四階段的量子過程來做功。 汽車引擎 驅動汽車前行需要四階段循環：在進氣衝程，引擎吸進冷空氣、注入汽油；壓縮階段，氣缸活塞向上壓縮混合油氣；在動力衝程，火星塞點燃空氣與油氣，燃燒迫使活塞向下、轉動汽車輪胎。排氣階段，引擎排出熱空氣。 多體局域化（MBL）發動機 MBL發動機經歷四階段的循環：先讓原子處於MBL的物態，原子在能量高低落差大的「山峰上或山谷裡」冷卻，山峰或山谷讓原子不易移動。然後改變雷射配置，把「山峰和山谷」夷平。發動機會進入原子可四處移動的高溫態，這時發動機吸熱，最後恢復原貌。 張明哲是台灣師範大學物理系教授。 延伸閱讀 Quantum Steampunk: Quantum Information, Thermodynamics, Their Intersection, and Applications Thereof across Physics. Nicole Yunger Halpern. Ph.D. dissertation, California Institute of Technology, 2018. Quantum Engine Based on Many-Body Localization. Nicole Yunge rHalpern et al. in Physical Review B, Vol. 99,…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20剛果原住民的居住正義黑暗中，我們在森林席地而坐，身體彼此緊貼，用真假音互換發出不同的聲調，交疊形成厚實的和聲。幾個小時過去，原本獨立的旋律相互融合，我們在共同創作的和聲織錦中逐漸忘卻自我。歌聲的強度不斷增加，越來越協調，直到臻於完美的優美樂聲讓我們融為一體。巴亞卡族（BaYaka）的匹格米人（Pygmy）認為，這種優美的和聲能吸引森林的神靈到營地來加入我們，細小的點點螢光飄浮在我們周圍，先是靠近，然後散去、回到森林，它們用細微的聲音呼喚著甜美的音調，偶爾從我們的複音中滑過。因我們創造的美麗聲音而深受震撼的人們紛紛喊著：Njoor （天啊！）、Bisengo （真棒！）或To bona （正合我意！）。 這一瞬間，你會感覺自己就是這座森林，你的意識不斷擴大，逐漸包覆所有的樹木、動物和周圍的人。1990 年代，我身處剛果共和國巴亞卡族的匹格米人中進行博士研究，這種意識擴大的經驗深刻感動參與的每個人，使他們與周圍的人事物建立一種充滿關愛與喜悅的聯繫。這些巴亞卡族人在高度沉浸劇場式的「靈性演出」中，感受自己與森林融為一體，並傳達對森林的關注，重申彼此扶持與關愛的深厚關係。正如我的朋友伊梅卡（Emeka）所言：「巴亞卡族愛這片森林，如同愛自己的身體。」 巴亞卡族遵循嚴格的狩獵及聚會規範，他們採收野生山芋時，會確保它們能繁衍，也避免殺害懷胎的動物，並充份利用從環境中獲取的一切。數千年來，他們和剛果盆地其他匹格米部落的作為，提升了當地森林的生產力，人類之外的萬物也因而受益。因為巴亞卡語言並沒有「饑荒」這個詞，某天晚上我試圖向伊梅卡及圍著火堆聚會的人們解釋有些地方的人會因為飢餓而死亡，他們卻報以不可置信的眼神。 然而，同樣在1990 年代，世界銀行等國際組織與各國政府、保育機構合作，開始在剛果盆地示範永續開發計畫。他們把雨林納入擴大劃設的伐木及其他開發活動專區，同時另闢「保護區」做為野生動植物的庇護所。他們呼應19 世紀美國保育政策的理念，認為只要除去人為影響，生態環境就能欣欣向榮，當地政府禁止匹格米人進入野生生物保護區。 從此以後，我看見原本滿是大象、銀背大猩猩、黑猩猩、野豬、猴子及羚羊的廣闊森林，因為國內外市場的需求而耗盡，演變成退化的林地。中非大象族群的數量在2002 ~ 2011 年減少超過60% 並持續下降。過去活躍且豐衣足食的巴亞卡族人，現在變成營養不良、憂鬱及酗酒的臨時工，棲身於過去家園的邊緣，飽受生態保衛隊的脅迫，遭受外來者的商業及性剝削。他們在剛果盆地蓬勃發展數千年，卻在幾十年內因工業文明對自然資源的貪得無厭而束手無策，掌控資源的殖民手段甚至把原住民趕出家園。 這種「由上而下」的保育策略通常與開發業者彼此勾結，往往無法實現原定的目標；而近年方興未艾的另一種「由下而上」的森林及野生動植物保育策略，則採取完全不同的方式。去年，聯合國生物多樣性與生態系統服務政府間科學政策平台報告指出，原住民擅長維護自身土地的生物多樣性。此外，地球陸域有65% 的土地由原住民或本地社區管理，而這些地區孕育了地球當前生物多樣性的80%。正因為認知到這個事實，這種新的保育典範致力於培養當地社區的力量，讓本地居民得以抵抗商業勢力的入侵。 我所主持的「極致公民科學」（ExCiteS）就屬於這樣的計畫。該計畫受到巴亞卡族的幫忙，讓當地人能對本地的資源及威脅進行測繪，並與外界分享生態知識。我們為剛果盆地設計的工具及方法在世界其他地區也證明有效，柬埔寨的白朗森林社區網絡成功使用我們最新版本的測繪應用程式Sapelli 來保護森林，該計畫贏得2015 年聯合國赤道獎、2017 年耶魯國際協會熱帶森林人創新獎以及2019 年能源地球獎等殊榮。 按需分享的原始生活 1994 年，我與妻子英格麗德．路易斯（Ingrid Lewis）和三歲兒子南渡．路易斯（Nando Lewis）戰戰兢兢地從獨木舟裡踏上剛果盆地西北部桑加河的沙質河岸時，伊梅卡展露熱情的微笑迎接我們。這名30 多歲的男人極具魅力，他是當地某個約有40 位匹格米人族群的成員。整個剛果盆地（從東部的烏干達、盧安達及蒲隆地到西部的大西洋）住著許多過著狩獵－採集生活的匹格米人，說著各自的語言，據信總人數在30 萬~ 100 萬，所有匹格米人都視自己為森林的最初居民。DNA研究顯示，他們的祖先在當地生活至少有5萬5000 年。 儘管彼此間有些許差異，那些仍然生活在原始森林的匹格米人適應當地環境的生活模式卻非常相似：樹葉與藤蔓植物蓋成的棚屋、狩獵及採集蜂蜜的工具、與森林神靈交流的獨特歌唱風格。我們一家三口在接下來的三年中，與伊梅卡、他的妻子曼布拉（Mambula）和大家庭的許多成員一起在森林裡走過數千公里，沉浸在他們充滿活力與平等主義的生活方式之中。這群同伴教我們如何像狩獵－採集者一樣在此安身立命：在大沼澤中行走及涉水，用大象足跡導航，狩獵野生動物，蒐集水果、野生塊莖、可食用的葉子及季節性昆蟲，堵住森林溪流來捕獲魚類，和森林神靈一起遨遊。 我們的嚮導伊梅卡是強壯而勇敢的獵人、充滿愛心且寬容又勤奮的父親及丈夫、性情溫和的調解人及有智慧的顧問，他在營地中也是老練的演說家、歌手、說故事者和即興劇導演，也非常慷慨。巴亞卡族的經濟是基於這樣的原則：如果看到某人有你想要的東西，直接提出需求即可。生活在這種按需分享的經濟體（套用人類學家的術語）之中，就像生活在商品完全免費的地方。即使是貢獻很少的兒童、老人或身心障礙者，也有權要求分享營地中的任何物品，沒有人會提出質疑。伊梅卡總是給予他擁有的東西。 巴亞卡族強烈反對人類可以擁有自然資源的想法，伊梅卡告訴我：「造物者康巴（Komba）提供這片森林讓萬物分享。」在一次通宵的狩獵旅行中，伊梅卡和我在一群銀背大猩猩附近紮營，這些大猩猩聞到營火煙霧，開始咆哮並嘔吐來恫嚇我們。伊梅卡很生氣，他大聲吼叫，並責罵銀背大猩猩不該認為森林只屬於牠們，森林提供萬物所需。另一次，我的朋友圖巴（Tuba）指著他的小兒子說：「你看他吃了森林的食物，身體因而變得強壯。」事實上，巴亞卡族認為自己是從森林變成的人，這種根深柢固的想法使他們無法想像出售森林的任何一部份，那就像無法出售自己的拇指或腳一樣。 基於同樣的精神，巴亞卡族認為只要人人遵守某些原則，森林資源就能取之不盡。人們之所以會感到匱乏或有欲求，是因為沒有適當分享而造成社會失和，並不是自然供應能力不足。巴亞卡族遵循一套稱為ekila的規則來確保生活富足，例如發現某一片森林的生產力降低，巴亞卡族會封鎖該處，禁止人們在那裡狩獵或聚集，等該地區復原後再解除禁令。每次狩獵，營地中的每個人都能分得一塊肉，且必須尊重動物屍體。森林關心它的居民，渴望聽見他們發出喜悅的聲音，居民與森林分享歌聲及笑聲將使它更加豐厚，因此巴亞卡族的重要社會習俗不僅確保了生活富足，也帶來幸福與喜悅。 1990 年代，我們在森林中漫遊的時光如同田園詩，我們吃野生食物，自由移動而無所畏懼；我們的靈性舞蹈與表演可長達數天，有時數星期。30 年前，人類學家特恩布爾（Colin Turnbull）如此描述剛果東北部約1000 公里處的邦布提族（BaMbuti）匹格米人：「這個民族在森林中找到了某些東西，使他們不光只是活著而已，即使在種種逆境、問題及悲劇之下，仍過著充滿幸福且毫無恐懼的美好生活。」我對巴亞卡族的感受亦大抵如此。 但問題正在產生。1993 年，野生動物保護協會（WCS）與世界銀行合作，在剛果共和國與中非共和國邊界一帶成立了努阿巴雷恩多奇國家公園。這座公園佔地4000 平方公里，目的在於保護大象、小羚羊、黑猩猩及大猩猩。由於匹格米人幾乎不留下任何人為痕跡，因此WCS 的官員和科學家聲稱該地區無人居住。森林巡邏隊在保護區裡若遇見這些狩獵－採集者會加以驅趕，住在剛果的巴亞卡族因此與中非共和國的近親氏族分離，失去世世代代以來早已瞭若指掌的大片森林。公園的邊界位於我與伊梅卡的族人平日漫遊區域的北方約150 公里處，因此我們並未直接感受到衝擊。但是我們身處廣闊的「緩衝區」，其中包括保護區周圍的擴大伐木特許區，這片原本孕育多樣物種、充滿生機的空間從此步上末途。 森林資源應分享 我還記得1994 年第一次走上伐木道路的情景，當時我的巴亞卡族同伴抱怨地面太過堅硬，少了樹蔭後變得非常炎熱，蒼蠅一直騷擾我們。第一批伐木車駛過時，一群女性像遭遇野牛追趕般四散逃入森林深處，我和伊梅卡笑了出來。隨著時間流逝、道路穿越森林，讓野味、食用植物和其他森林產物更容易送往都會市場。 伐木公司特別感興趣的森林資源是壯麗的筒狀非洲楝（Entandrophragma cylindricum），這種硬木能防水、堅固耐用、抗蟲害，且有美麗的虹彩花紋，國際市場需求極大。但筒狀非洲楝對於匹格米人的日常生活非常重要，有一次長途跋涉60 公里後，我抱怨雙腳痠痛，伊梅卡從附近一棵筒狀非洲楝上切下一塊鑽石形狀的樹皮，樹皮下層含有效力強大的止痛及抗菌成份。伊梅卡把它倒置放在營火上，加熱藥用層中的油脂，然後放在地上，教我把腳放在上面，痠痛立即獲得紓解，十分舒服。我經常看到患有瘧疾的巴亞卡族孩童把筒狀非洲楝的樹皮浸泡在熱水中，吸入蒸汽來退燒。 最重要的是，筒狀非洲楝長到最高時能突出森林裡的樹冠層，雨季來臨之前吸引成群的西非天蠶蛾（Imbrasia oyemensis ）在葉子上產卵。卵孵化後迅速長成美味而營養豐富的幼蟲，數量龐大到足以像厚地毯般鋪滿森林地面。匹格米人相當珍視這些蛾類幼蟲，不只因為美味，也在於出現的時機：雨水讓動物逃出積水坑洞，此時收穫變得難以預測。我們坐在地上以叉子串起幼蟲，用餘燼烘烤，品嚐純淨的肉質。伊梅卡告訴我：「不易狩獵時，康巴用毛毛蟲餵飽了人們。」 儘管伐木業砍伐了巴亞卡族世世代代仰賴的「毛毛蟲樹」，讓他們非常沮喪，但強烈的分享精神使他們覺得自己無法抗拒或拒絕。剛開始族人還說：「森林裡有很多樹木供眾人使用，我們可以分享其中一些。」 我和家人在1997 年剛果爆發內戰時離開，但為了研究，我仍定期造訪當地。戰事結束後，資金短缺的新政府在2000 年開放剩餘的所有森林給伐木公司，他們修築多條道路，深入更偏遠的地區。到2003 年，原木的年產量已是1990 年代的兩倍以上，多達130 萬立方公尺，且還在繼續成長。 環保人士注意到這個趨勢，向剛果盆地的伐木業者施壓，要求他們遵循林業管理評議會（FSC）的準則和剛果的法律，盡可能減少對環境的衝擊，避開有高度保育價值的地區（例如黑猩猩密度較高的區域），並尊重工人及森林居民的權利。跨國公司剛果林業（CIB）位於桑加河上的伐木小鎮波可拉（Pokola），獲准在一片130 萬公頃大的巴亞卡族居住的森林中伐木，他們決定嘗試取得FSC 認證。 我猜測，剛果林業無論有沒有FSC 認證，都可能繼續伐木。之前我曾研究：當弱勢族群面對居住地的發展計畫時，如何落實「自由、事先及知情同意」原則？而後我成為熱帶森林信託的顧問，CIB聘任這家非營利組織協助解決FSC 認證中涉及的社會問題。該信託委任我建立一套系統，讓居住在CIB 特許伐木區域的匹格米人運用它來決定是否允許CIB 在居住地上伐木。 我與CIB 的經理討論筒狀非洲楝的社會及經濟意義，他們擔心會與大約一萬名住在伐木特許區的巴亞卡族人發生衝突，導致CIB 無法取得FSC 認證。之後巴亞卡族人與伐木業者代表召開了多次氣氛緊繃的會議，由我擔任調解員，事實證明文化鴻溝不易克服。這群狩獵－採集者在辦公大樓當中相當不自在，連開門這類看來簡單的事也讓他們望而卻步，遑論更複雜的事務，例如理解計畫目標與做法。然而，伊梅卡和其他族人在自己的營地卻能侃侃而談，解釋只有突出樹冠層的筒狀非洲楝能讓毛毛蟲穩定棲息。巴亞卡族人要求伐木業者保護這些毛毛蟲樹、天然泉源、祖墳、祭祀用的神聖樹林、藥用樹木及其他重要資源。 我向CIB 的經理提議，應當由CIB 支持巴亞卡族人在地圖上繪出這些位點，令人寬慰的是他們同意了。從事公衛工作的英格麗德設計了一組圖案標誌，協助巴亞卡族的醫療人員閱讀藥品標籤，以便在她建置用來治療寄生蟲、瘧疾及其他疾病的行動藥房中使用。這給了我靈感，我們與巴亞卡族人和一家軟體公司Helveta 合作，共同為一款配備有GPS 的手提電腦設計了觸控螢幕的圖像操作介面。巴亞卡族人可以前往部落想要保存的資源（例如突出樹冠層的筒狀非洲楝）位點，點選「毛毛蟲」符號來標記其位置。 這種標示有助於消除語言及文化障礙。伐木業者把巴亞卡族製作的圖層套疊在欲砍伐的筒狀非洲楝地圖上，發現仍有足夠的樹木可供CIB 砍伐並從中獲利。我與這群狩獵－採集者以及伐木業者經理一起制定一套程序（例如讓所有家庭成員一起繪製地圖，因為巴亞卡族男性與女性看重的資源不同），來決定不同巴亞卡族群體允許伐木業進入當地森林的條件。2006 年，CIB 成為剛果盆地第一家獲得長期FSC 證書的大型伐木公司，而其他在這片廣闊地區伐木的公司，後來也以這種模式做為保護匹格米人權益的基礎，以獲取FSC 認證。 生態保衛隊監守自盜 多年後，標記工作的執行情況越來越鬆散。過勞的公司員工不可避免地開始簡化一些程序，以減輕繁重的工作負擔（例如只讓一名族人陪伴進行測繪）或對設備的技術問題視而不見。儘管如此，匹格米人所標記的資源還是得到了相當程度的保護。如果狩獵－採集者（或是身為他們與外界之調解者的我）預見了伐木作業連帶造成的重大衝擊，那麼他們可能不會同意外來者進駐。 過去，如果有外來者想進入森林，必須由匹格米人擔任嚮導，要是這些狩獵－採集者不同意，就不會帶他們進入。但是，伐木道路網卻為營利的盜獵者（不是為了自己的需求，而是為了滿足國內及國際市場的無限需求而進行盜獵）提供進入原始區域的機會，這些匹格米人卻無法管制他們。盜獵者頻繁地使用這些新道路入侵森林，以獲取野味來供應都會區的消費者。野味交易有暴利可圖，因此助長了組織完善的盜獵網絡，其背後主事者往往是軍事或警察官員等菁英份子。此外，隨著伐木營地越向森林深處駐紮，吸引周圍的班圖居民進駐，為伐木工人提供食物及其他服務，形成的臨時棚屋聚落也越來越多，每個聚落都住了數百人，其中許多人也開始獵捕野味。 WCS、世界自然基金會（WWF）和其他組織的保育人士相當沮喪，因而聘用生態保衛隊來監管盜獵行為，卻無意中製造了他們也無法控制的民兵。許多保衛員開始在森林中斂財，有時與盜獵網絡合作，假如他們發現匹格米人帶著野味，即使是合法狩獵而來，他們也會毆打並刑罰這些匹格米人。2000 年代，人權組織把這些侵害行為公諸於世後，保育組織開始鼓勵地方政府把這些生態保衛隊納入林業管理部門，藉此正式與生態保衛隊劃清界線。他們持續給予這些保衛隊財務及後勤上的支援，但已經不再施予紀律處分或開除，降低問責的能力。 大約在2010 年，保育機構開始與伐木業者合作，監視特許區內部的盜獵行為。伐木業者對生態保衛隊進行稽核，檢視查獲違禁品（例如野味）的數量。由於無法真正對付勢力龐大的非法野生動植物交易組織，生態保衛隊開始「挑軟柿子吃」，攻擊狩獵－採集者和村落居民。儘管法律允許當地人使用傳統方法獵殺特定物種來果腹，但實際上生態保衛隊把任何野生動物肉類都當做盜獵證據，做為他們恐嚇、刑求並毆打當地人的正當理由。 更糟的是，中國從2007 年開始在剛果修建道路及其他基礎設施，以換取採礦及其他權利。數以百計的中國工人到此參與道路工程，同時盜獵大象的情況也急遽增加。伐木業者建造的道路與中國承包商建造的國道互相連接，成為高效率的象牙及野味運輸網絡。 聯合國原住民權益問題特別記錄員塔利－科普茲（Victoria Tauli-Corpuz）等人描述，野生動物保育人士加強「壁壘式保育」來因應與日俱增的盜獵行為，WCS、WWF及其他機構把現有國家公園連接到跨國境的自然保護區，以擴大國家公園範圍，例如佔地75 萬公頃的桑加跨三國保護區就含括了努阿巴雷恩多奇國家公園。開發單位及保育組織經常與開發業者聯手，在未經當地人同意的情況下，持續在剛果盆地規劃新的保護區。去年3月，聯合國開發計畫署的調查報告指出，剛果西北部巴亞卡族的匹格米人指控那些受WWF監督的生態保衛員「不分青紅皂白地施暴、羞辱並恐嚇」，想把匹格米人趕出研擬興建的梅賽克迪加國家公園（Messok Dja National Park）範圍。研究人員指控說：「結果，巴亞卡族傳統的狩獵活動被視為犯罪。」 生活只剩下恐懼 幾乎所有匹格米人狩獵和採集的森林都劃分為保護區或伐木特許區，巴亞卡族榮景不再， 無法維護以森林為本的原則。伊梅卡的身障哥哥孟簡巴（Mongemba）在2013 年說：「喔，太好了！大家都有甜頭！有吃不完的野生山芋！」而今，45 歲的祖母曼迪加（Maindja）說：「現在一切都完了！只剩下悲傷！我們面臨饑荒、恐懼，非常恐懼！男孩都不敢進入森林了。」她解釋：「我們如果在森林裡散步，就會被生態保衛隊帶走，所以我們不再進入森林。現在我們只待在村莊裡，不去森林營地，因此祖先的生活智慧失傳了。」 巴亞卡族不敢像以往一樣在森林中紮營，但基於經濟需求，不少族人徘徊在伐木營地或農莊周圍，找尋農活、雜工及家庭幫傭等機會。大多數男性因過於恐懼而無法再狩獵。過去這些男性的文化及社會價值一直建立於能帶回肉類來養家活口，然而他們再也無法做到這件事，自尊心因此崩毀。這些男性現在從事邊緣勞動者的工作，且通常只得到非法蒸餾酒做為工資，不少人因此開始酗酒，隨之而來的還有各種心理、社會及經濟問題。不少巴亞卡族女性遭受家暴，住在伐木營地附近的女性更經常遭受外來者的性剝削。 從匹格米人的觀點來看，他們的森林已轉變為各種資產，供外來者搜刮動植物以獲得利益，他們被迫離棄永續發展的理念，開放產業進駐森林以滿足全球的資源需求，同時以軍事化的保護區來彌補破壞。事實證明，伐木業者視持續砍伐為一種開發型式，但森林裡的居民卻很少受惠。保育人士把矛頭指向伐木、道路修建及市場需求的壓力，認為這些事危害了瀕臨滅絕物種，藉此掩飾狩獵－採集者遭受的嚴苛狩獵限制以及生態保衛隊的欺凌。但是根據匹格米人的記憶，在他們的森林中，大象、美洲豹、大猩猩及黑猩猩相當常見，如今變得稀有，完全是因為外來勢力。 他們說的不是沒有道理，蘇格蘭史特靈大學的梅塞爾斯（Fiona Maisels）與同事在2013 年估計，剛果盆地的大象數量已下降到2000 年時的⅓ 左右，西部低地大猩猩的數量也銳減。美國魚類及野生動物管理局報告指出，人類每年從這些森林中獵捕約500 萬公噸的野生動物，造成當地物種滅絕。根據聯合國環境規劃署的報告，到2010 年，剛果民主共和國境內許多國家公園中，約有80% 的大型哺乳動物消失。 狩獵－採集者和保育人士難以達成共識，最終源於他們相互矛盾的哲學。對於巴亞卡族人來說，自然資源本來就非常充足，只要透過所有人之間的公平共享就能確保；森林原本就有情有義，人們藉由禁忌、儀式、歌曲和舞蹈，與森林保持相互關懷及扶持的社會關係。直到最近，當地還能看到許多動物，證明這種森林管理方法能長期成功。相較之下，保育人士及開發專家則代表以大自然為目標的全球經濟體系，鼓勵把自然資源轉化為商品，允許菁英主導資源分配決策，因而導致物種瀕臨滅絕。 歸還森林給世居者 所幸，還有一種新穎的保育典範正在全世界各地扎根。研究人員、倡議人士及主流社會都意識到本地社區是自然的主要保護者，正設法幫助他們。儘管伊梅卡及其他人幫我設計的測繪概念最終無法挽救匹格米人的生活，但事實證明，它在制度和技術問題上較不嚴重（例如較無貪腐問題、民主化程度較高及政府治理能力較強）或在行動網絡較為健全的地方，推行起來較為成功。 我在剛果盆地的經驗催生了英國倫敦大學學院的ExCiteS 研究團隊，此後，我們開發了可調整的應用程式 Sapelli 來蒐集關於重要自然資源、盜獵活動及其他變量的訊息，也開發數據儲存系統 Geokey，能在適當條件下從社區地圖查看這些數據，還有一套方法能依據原住民社區及其他社區所關注的議題及需求，與他們共同設計各種專案。這些工具能夠協助當地居民管理資源，藉由蒐集數據、監測各項環境變化及問題，決定如何回應並與外部合作以達成目標。 納米比亞的桑伊族利用這些設備，記錄鄰近的其他族裔在當地非法驅趕牲畜到保護區水坑（他們平日狩獵野生動物所使用的水坑）的情況，並持續記錄動物族群的數量。在肯亞馬賽馬拉（Maasai Mara）的馬賽族相當擔心族人使用的野生藥用植物逐漸減少，想要了解造成危害的原因，他們記錄了123 種藥用植物，其中52% 仍健康無虞，其餘受到破壞的主因則是旅遊營地的迅速擴增。這些馬賽族人現在把這項計畫專案推廣成為茂森林綜合體（Mau Forest…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20史上規模最大的心理學實驗嚴重特殊傳染性肺炎（COVID 19，簡稱新冠肺炎）對全世界人們生理健康造成的衝擊史無前例；截至今年8月，已有至少2200萬人確診，患者遍及逾180個國家。這次大流行對心理健康產生的影響甚至可能更廣泛。全球約有⅓的人一度不得不居家避疫，這代表至少26 億人曾經歷新型冠狀病毒（簡稱新冠病毒）在情緒及財務上釀成的動盪，此人數遠超過二次大戰期間的倖存者。比利時布魯塞爾自由大學的健康心理學家范胡夫（Elke Van Hoof）寫道：「居家避疫大概是史上規模最大的心理學實驗。」這陰錯陽差下進行的實驗，才正要開始估算結果。 研究人們如何度過困境的心理韌性科學，提供了一些線索。美國哈佛大學的精神科醫師維倫特（GeorgeVaillant）寫道，具有心理韌性的人宛如一根枝椏，有著富含生命力的鮮綠木髓，「遭外力扭折時會彎曲，卻不會斷裂，它會反彈回來，繼續生長茁壯。」這個隱喻所形容的人群，數量多得驚人：多達⅔的人歷盡艱辛後，就算慘遭暴力犯罪或曾淪為戰犯，心理仍會恢復原狀，且未有長期影響；有些人甚至持續茁壯，並從困境中記取教訓。但其餘⅓的人則深受心理困擾所苦，其中有些人深陷痛苦達數月，更有甚者長達數年。 即使多數人具心理韌性，新冠肺炎疫情畢竟造成了莫大傷害，且受害者為數眾多，專家不禁告誡心理疾病將會如「海嘯」般席捲而來。人們面臨多重衝擊，包括疾病威脅、隔離的孤獨感、痛喪親友、失業等，加上關於這次傳染病何時才能結束的不確定感。對某些人來說，憂鬱、焦慮和創傷後壓力無疑會接踵而來。加拿大卑詩大學的心理學家狄隆吉斯（Anita DeLongis）主要研究患者對疾病的心理反應，她說：「這次大流行囊括了各種棘手的壓力源。」在醫療前線奮力的健康照護專家自殺身亡，強烈提醒我們注意心理傷害。 這次疫病的影響其實因人而異，個人心理韌性的狀況更形複雜。眾所周知，新冠病毒襲擊社會各階層，絕大多數人的生活遭逢劇變，但每個人經歷的波折與衝擊可謂大相逕庭。例如，布魯克林不過是疫情重創的紐約市的其中一個行政區，在此生活或工作的居民相隔區區幾公里，其染病、喪親和社交距離考驗的經歷卻迥然不同。個人、企業和組織重振旗鼓的快慢與程度，將取決於這次疫情開始肆虐時，他們的工作、保險及健康狀況是否歷盡艱辛或錐心之痛，以及是否能取得財務資源及社會支持。 這次大流行揭露了美國健康照護系統及經濟安全網中不平等的內幕，非裔及拉丁裔美國人的死亡率遠高於白人。全球心理健康專家、美國艾茉利大學醫學人類學家沃斯曼（Carol Worthman）說：「當我們談到既存病況時，不單是指肥胖，還包括社會上的既存病況。」 所幸這次史無前例的全球大流行，讓科學家獲得前所未有鑽研科學的良機，不只是病毒學，還包括心理健康及韌性。行為科學家正著手測量疫情當下造成的心理傷害，也努力找出幫助人們撐下去的事物。911恐怖攻擊或卡崔娜颶風這類天災人禍的影響雖長遠，但在有限時間內便告終，新冠肺炎則不然，何時告一段落仍是未知數，因此科學家有了新的研究方向，可進行不同以往的縱貫研究。大眾的工作和社交不得不改以虛擬方式進行，科學家得以深入細微調查各種社會互動方式，無論是令人欣喜或索然無味的方式。如果研究人員戰勝新冠肺炎的挑戰，西奈山醫院伊坎醫學院的精神科醫師查尼（Dennis Charney）說：「全新的心理韌性科學即將誕生，我們便可在災難發生前提升人們的心理韌性。」 會彎曲卻不斷裂 哈席德（Rafael Hasid）在2000年離開家鄉以色列，來到紐約市的法國烹飪學院深造。2005 年，他在布魯克林開了一家餐廳「米里亞姆」（Miriam），深受街坊喜愛。今年3月的第一個星期，哈席德預見即將爆發的疫情。他說：「我一直密切關注以色列的新聞，紐約市在各方面都慢了兩個星期。當時我就說：『這裡也會爆發疫情。』」當米里亞姆熱門的週末早午餐來客量減至平常的⅓ 時，哈席德當機立斷把餐廳易腐壞的食物全數分送給鄰居。等到紐約市勒令所有餐廳停業時，米里亞姆早就停止營業。 人們面對可能造成心理創傷的事件時，哥倫比亞大學師範學院的臨床心理學家柏南諾（George Bonanno）說：「約有65%的人會表現出極輕微的心理症狀。」柏南諾是心理韌性專家，主要研究颶風、恐怖攻擊、危及生命的重傷及2003年嚴重急性呼吸道症候群（SARS）這類流行病所產生的後遺症。他和其他學者的研究都一致顯示，人處於逆境時會出現三種常見的心理反應。⅔ 的人會依循心理韌性軌跡，維持相對穩定的心理及生理健康；約有25%的人會暫時受憂鬱症或創傷後壓力疾患（PTSD）等心理疾病折磨，然後復原；此模式稱為復原軌跡；有10%的人會長期受心理困擾所苦。不同族群及社經地位的人皆符合這些研究結果。柏南諾說：「人們普遍如此。」另一方面，處於經濟最底層的人罹患精神疾病的風險，比其他人高上兩倍。 不過，傳染病肆虐的範圍鋪天蓋地、暗潮洶湧，所造成的心理健康影響說不定與這個典型不符。有些研究顯示，嚴格隔離檢疫會導致PTSD這類負面心理影響，儘管可能因接觸感染者而真正遭隔離的人僅佔少數。反而是世界上大多數人的生活都遭到限制，柏南諾認為這等於我們得無時無刻調適壓力。英國倫敦大學學院的流行病學家范寇特（Daisy Fancourt）說：「這是史上首度為時最長的全球居家避疫，人們會做出哪些反應，我們實在毫無頭緒。」 即使多數人具心理韌性，新冠肺炎疫情畢竟造成了莫大傷害，且受害者為數眾多，專家不禁告誡心理疾病將會如「海嘯」般席捲而來。 人們受到這次疫情衝擊的程度可能相當深遠。卑詩大學的健康心理學家辛（Nancy Sin）說：「這有別於其他類型的壓力，影響的不只是生活單一層面，人們要應付伴侶關係或家庭考驗、財務以及工作考驗，還有健康考驗。」 早期報告顯示疫病對心理產生鮮明的衝擊。中國是這次瘟疫最早爆發的地方，境內首度進行的全國大規模調查發現，幾乎有35%的人認為自己出現心理困擾。在美國，研究人員發現原本深受焦慮所苦的人，對新冠肺炎的恐懼及焦慮感持續高漲。另一項研究在老年人之中發現了令人擔憂的結果。這可謂出乎意料，因為先前研究顯示，老年人多半有較高的幸福感。研究老化的辛與狄隆吉斯正合作，在針對新冠肺炎進行的研究中，向世界各地約6萬4000人展開調查。辛說：「我們通常以為老年人較能隨遇而安，但在這次大流行期間並非如此，老年人所受的壓力就跟中年人和年輕人一樣大。」 辛仍在分析造成壓力的原因，但猜測可能出自老年人染病和痛喪親友的機率較高。然而，老年人比年輕人更能調適壓力，而且憂鬱或焦慮感也較低。辛表示，這可能是因為老年人比年輕人飽經風霜。年紀大於65 歲的老年人也有較多時間來磨練因應壓力的技巧，而且其中不少人業已退休，比較不用擔心飯碗不保。 范寇特在今年3月中旬著手進行一項研究，受試者是逾8萬5000位英國居民，每星期追蹤他們的憂鬱、焦慮、壓力及孤獨感。范寇特說：「我們需要了解當下發生了什麼事。」六星期之後，范寇特等人發現這些人的憂鬱程度比這次大流行之前還嚴重許多。 大致上，心理疾病患者、獨居者和年輕人的憂鬱及焦慮程度最高。往好的方面看，居家令一頒佈，焦慮程度便稍稍減輕。范寇特說：「不確定感通常會使事情惡化。」有些人因為不知道會發生什麼事而手足無措，有些人卻能找到方法撐下去。 哈席德的餐廳停業三星期後，仍未收到政府救助中小企業的紓困金，儘管當前事態瀰漫著不確定感，他說：「我心想，我們得繼續攬客做生意。」有幾位客人寄發電子郵件詢問，是否能提供猶太教逾越節外燴，哈席德便開發了外送假日套餐。這次傳染病爆發前，哈席德原本打算在旁邊的店面設立一家熟食店。如今他並未裝潢新店面，熟食店反倒在米里亞姆裡開張。他最大的擔憂是員工是否感到安心。為了安定人心，除了保持社交距離外，他還規定員工都必須戴口罩及手套，並早晚請人用漂白水消毒餐廳環境。哈席德也在研究其他消毒措施，包括鼓風機和酒精，他聽說新加坡就是使用這兩種工具來消毒。 哈席德明白並非每戶商家都能像他一樣有能力調適，尤其是許多獲利減少的餐廳。新營運方針採用極少的員工，但哈席德自掏腰包，持續支付薪水給那些熬不過失業的雇員。外送餐點的利潤低於米里亞姆以往收益的⅓，但他說總比沒錢賺好。這家餐廳也著手替一間當地醫院準備平日餐點。哈席德說：「這掙不了多少錢，但至少是我們能做的。」他很滿意米里亞姆的新面貌，也樂觀認為這家餐廳最終會撐過來。他說：「我們的情況比紐約許多地方好多了。」 撐下去的事物 住在布魯克林的印克（Tom Inck）是心理治療師兼管理顧問。他在今年3月中旬出現持續發燒、乾咳的症狀，擔心自己可能染上了新冠肺炎。當時篩檢設備短缺，印克的醫生先檢測其他已知的病毒感染（由印克自費篩檢）。接著，醫生身著防護裝備，在紐約曼哈頓麥迪森大街上對印克進行篩檢，六天後結果呈陽性反應。 成功因應危機意味著能夠維持正常生活運作，並進行日常活動。人們必須解決各式問題（無論是採買日用品或進行病毒篩檢）、調適情緒和經營人際關係。保持樂觀、能客觀看待事物、有強力社會支持及彈性思考等，都是心理韌性必備的要素。事實上，相信自己有辦法撐下去的人，通常也調適得較好。 印克在自家客房隔離了九天，期間他用冥想和閱讀來打發時間。但在某些方面，妻子布萊特納（WendyBlattner）要處理的事更為棘手，她不但照料丈夫的生活起居，也要把經營的行銷公司轉型為遠距工作模式，還得安撫兩名女兒的不安；她們因為學期中斷、父親染病而憂心忡忡。布萊特納把三餐放在丈夫的房門外，晚上每三個小時就起床記錄他的體溫和血氧濃度。她雖然害怕，但堅忍不拔，她說：「我覺得他有良好的醫護照護，儘管是遠距問診，而且我覺得自己有強健的心理特質，得到了所需的援助。我也是這麼告訴女兒和自己，日子或許難熬，但會安然度過。」 多數人可以增強因應技巧，有幾項新研究的目標正是找出減緩壓力影響的成功策略。范寇特表示，鼓勵大眾遵照典型的心理健康策略：睡眠充足、生活規律、做運動、營養均衡並多與人交流。花時間去做讓生活有目標的計畫也有幫助，就算只是小計畫也無妨。 狄隆吉斯在先前研究中發現，同理心較高的人更有可能從事合宜的健康行為，例如保持社交距離，他們的心理健康狀態也較良好。不過，她之前針對SARS及西尼羅熱（West Nile fever）等疾病的研究屬於橫斷研究，僅觀察特定時間點。她對於新冠肺炎的研究將追蹤人們的行為及心態長達數個月，好觀察同理心及因應能力隨著時間的變化。狄隆吉斯說：「這不只關乎同理心特質。」只要宣導得當，同理心反應是可學習、也可激發的。直覺告訴她，同理心反應在數個星期及數個月以來的消長，將與健康行為及因應機制的變化息息相關。 在辛與狄隆吉斯的研究中，其中一個步驟是請受試者記錄一星期的日常活動和情緒變化。辛說：「生活雖然有所苦難，但是人們正在設法解決。」許多人表示，自己維持積極的社會互動，其中不少以遠距方式進行。有最豐富的正面日常生活經驗者當屬老年人，通常來自於助人為樂。 遠距社交竟能令人滿足，實在始料未及。先前數位科技及媒體效應的研究，主要探討螢幕使用時間和心理幸福感的關聯，對於各種線上互動的作用甚少著墨。既然現在世界正依賴網路來進行社交，調查這些細微之事就變得至關重要。社群媒體應該盡可能仿效面對面互動嗎？抑或是不需要緊密溝通，人們就能情誼相投呢？對此我們仍是不明所以，不過這些研究先前乏人問津，現在說不定能獲得資助。研究青少年心理健康及科技運用的英國劍橋大學心理學家奧本（Amy Orben）說：「我認為我們在一個月裡省去了10年份的對話。」 其他類型的研究也探討了社群媒體這個因素。美國加州大學爾灣分校的席佛（Roxane Cohen Silver）正在評估人們接觸媒體對幸福感產生的衝擊。她說：「人們接收了大量關於疫情在社區傳播的新聞，心情更為惶恐。」史丹佛大學的計算社會科學家艾克斯塔特（Johannes Eichstaedt）針對推特資料進行大規模分析，並結合機器學習技術來蒐集這次大流行期間人們憂鬱、孤獨、快樂的程度。 正如布萊特納所害怕的，他們一家人的處境確實變得艱辛。某日晚上7、8 點，印克發燒至39.4℃左右，血氧濃度也降至93%，醫生透過雲端視訊會議軟體Zoom對他說明，如果病情未見好轉或惡化，印克就必須去醫院。醫生說：「我不會讓病人死在家中。」這番話讓兩位女兒憂心如焚。印克說：「對我們來說，最難熬的是恐懼。」不過，印克服下藥物泰諾（Tylenol）後高燒退去，加快呼吸頻率使血氧濃度維持在安全值內。過了10天，他的病情開始好轉。 走過鬼門關一回，印克很慶幸活了下來，也渾身幹勁。他回到工作崗位上，提供病人諮詢服務，也自願捐贈血漿給重病患者。但與其他康復者不同的是，起初他不太敢外出，他說：「這個世界彷彿不堪一擊。」 社會上的既存病況 即使是心理韌性強的人，面臨重重難關時也需要外力幫忙。社區發展協會「優化布魯克林」（IMPACCTBrooklyn）致力服務布魯克林的傳統黑人社區，總幹事葛利爾（Bernell K. Grier）目睹了這次大流行重創了非裔美國社區。她說：「我每天都聽到有人感染新冠肺炎、病後康復或不敵病魔逝世。」其中三名不幸過世的患者就住在葛利爾管理的公寓，迫使她必須澈底清潔消毒。儘管如此，她還是處變不驚。葛利爾說：「老年人害怕出門，不論是誰來到家門口都害怕。他們並不熟悉科技，但電腦上有著許多新資訊，他們需要有人不厭其煩教導他們使用科技。」 范寇特表示，這次大流行「將會加劇屢見不鮮的社會差距。國家必須出手援助人民，事關重大。」在英國，這類的援助包括國民保健服務以及無薪假紓困方案，支付受疫情而無法上班的數百萬民眾80%的薪水。美國也有薪酬保障計畫及失業救濟金，但很難快速申請取得。 「優化布魯克林」提供各式服務，包括住宿、小企業倡導，以及與財務和政府機關打交道。這次傳染病一爆發，葛利爾的員工就發送公共衛生及經濟資源的相關資訊。他們舉辦網路研討會，輔導企業申請貸款。在今年4月下旬，她說：「我們所輔導的每個人都沒有得到貸款，協會也沒有拿到紓困金。」同一月份，葛利爾的房客當中只有70%的人繳付房租，她說：「我們依舊得付管理員和門房薪水，還有水電瓦斯費、稅金等諸多費用。這引發了骨牌效應，一旦房客付不出錢，我們也沒有資金。」 沃斯曼表示，因應疫情衝擊的能力不只是個人議題，而且是社會議題。但這也是一個契機。「美國史上發生危機的時刻，例如一次大戰和經濟大蕭條，其後引發了真正的結構改變，人民因而受惠。」 葛利爾正倡導她所服務的社區積極改頭換面。她和公衛官員、公職人員會談，並指出不公平待遇，例如首要篩檢中心並未設立在貧困社區。她說：「這讓我們注意到存在已久的問題，我們思考解決方案時，也必須考量收入平等及種族平等。」當布魯克林解除居家避疫，回復正常後，葛利爾知道像她帶領的這類團體將扮演關鍵角色。「我們將繼續在這裡擔任溝通橋樑，提供信用諮詢，協助居民度過難關。」 透過社區支持來培育心理韌性，似乎變得無與倫比的重要。瑪莉琳．霍華德（Marylin Howard）在布魯克林的公立學校擔任護士，青少年時期就從蓋亞那（Guyana）移民到美國。今年3月上旬她都堅守崗位，直到學校停課為止。離開學校的隔天，她就生病了。10天後，篩檢結果顯示她罹患新冠肺炎。那時候，瑪莉琳以為自己正逐漸康復。可是到了4月4日星期六，她醒來卻呼吸困難，病情急速惡化。與她同住一間公寓的弟弟奈傑爾．霍華德（Nigel Howard）叫了救護車。但4月4日布魯克林的疫情即將步入高峰期，根本沒有救護車可用。奈傑爾只好開車送她到最近的醫院，可是途中瑪莉琳的呼吸狀況不見好轉，在抵達醫院前不到一分鐘，心跳便停止且回天乏術，享年53歲。 瑪莉琳五位兄弟的老么哈斯林．霍華德（HaslynHoward）說：「只要做到幾件簡單的事，就有可能救我姊姊一命。」如果學校能夠早點停課，或者她的同事能請病假，她或許就可逃過一劫；如果有人建議她用脈衝式血氧測量器，她就能知道要早點去醫院；如果有救護車可運送⋯⋯。霍華德兄弟在長島一家葬儀社辦了追思會，以慰藉喪親之慟。哈斯林一次只允許三個人入場哀悼，但是有超過250個人透過線上直播服務追思瑪莉琳的一生。 瑪莉琳過世後，奈傑爾也接著染上新冠肺炎，在自家隔離。哈斯林說：「我和幾位兄弟著手籌劃一個組織，目的是幫助黑人、棕色人種及貧困社區實際解決當地這些問題。」為了紀念姊姊，這是他們能夠做的事，並且深信她會引以為傲。他說：「這也是我們撐下去的一種方式，不然我們要如何化不幸為轉機？」 重點提要 有研究顯示，大約有⅔的人面臨可能造成心理創傷的事件時，能夠表現出心理韌性。 這次疫病大流行對於心理健康造成的傷害，或許並不符合這個典型。科學家難以預料人們的心理反應。 全球的生活天翻地覆，變化之大之快前所未見，科學家認為現在正是以新方法研究心理韌性科學的好時機。 李之年是英國愛丁堡大學心理語言學碩士，曾經於新堡大學言語科學所進行博士研究。她專事翻譯，譯作類別涵蓋科普、文學、藝術、史地等。近期譯作有《使女的故事》（圖像版）、《另一種語言》。 延伸閱讀 Trajectories of Resilience and Dysfunction following Potential Trauma:A Review and Statistical Evaluation. Isaac R. Galatzer-Levy, Sandy H.Huang and George A. Bonanno in Clinical Psychology Review, Vol. 63, pages 41–55; July 2018. Resilience: The Science of Mastering Life’s Greatest Challenges. Second edition. Steven M. Southwick and Dennis S. Charney. Cambridge University Press, 2018. Multidisciplinary Research Priorities for the COVID-19…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20自殺也成流行病美國除了嚴重特殊傳染性肺炎（新冠肺炎）還有另一種流行病正持續惡化，那就是自殺潮。這種流行病嚴重傷害年輕人，過去20年來奪走更多人命，且沒有任何趨緩的跡象。根據美國疾病防制中心（CDC）的統計，1999~2017 年標準年齡（校正年齡）的自殺率上升了33%，從每10 萬人有10.5人自殺增加為14人，而且持續惡化中。自殺是美國10~34 歲年齡層的第二大死因，也是美國第十大死因。 1999~2006 年的自殺率每年增加1%，之後則是每年增加2%。雖然每個年齡層的男性自殺率都遠比女性高，但這個差距正在緩慢縮小。CDC 最近同時分析自殺行為與自殺死亡率，發現自殺案例增長最快的年齡層在於10 ~19歲的青少年，從2006~2015 年每年增加高達8%（這個研究只分析因自殺送醫的人），有將近80%的自殺者年齡不到45歲。如同其他研究的發現，女性自殺案例以及死亡率增加速度都比男性快。這項研究同時證實自殺死亡率也有增加，也就是說，自殺行為後的死亡率也增加了。 量化趨勢要遠比解釋趨勢容易得多，舉例來說，年輕人的自殺潮符合許多研究發現所描述的「年輕人憂鬱與沮喪情緒正在增加」，哥倫比亞大學精神科醫師與流行病學家奧爾夫森（Mark Olfson）這麼說。他也表示：「真正令人不解的是，這年齡層自殺率上升時，恰好符合藥物濫用率下降的時候。」這兩者通常是同上同下的。可能因素之一是年輕人花在數位裝置時間的長短，聖地牙哥州立大學的心理學家圖溫吉（Jean Twenge）在2018年領導一項含括超過50萬名青少年的研究，發現螢幕使用時間與憂鬱症狀以及自殺相關行為（從考慮、計畫到執行）有關聯。奧爾夫森說：「社交媒體的崛起，出現網路霸凌與排擠的威脅，可能會是自殺的誘發因子。」但是否有因果關係？他說：「這是一項難以驗證的假說。」這篇論文的第一作者、CDC 轄下傷害防制中心的流行病學家王晶（Jing Wang，音譯）還提到其他間接證據的因子，例如父母使用類鴉片藥物，以及經歷過親人自殺。 奧爾夫森及同事在一項大型研究發現，年輕人的自殺傾向與未獲大學學歷、年齡在21 ~34歲、薪資甚低、患有心理疾病以及曾遭受暴力或自殺未遂有關係。這個年齡層的人比青少年更可能自殺身亡，原因之一是他們比較容易取得例如槍這種更致命的工具，還有就是他們比較有計畫，通常不會臨時起意。曾嘗試自殺的年輕人主要是白人男性或原住民，這些人往往有過藥物濫用、患有心理疾病、嘗試自殺、較為孤獨以及喪親。 精神衛生專業人員擔心，新型冠狀病毒疫情大流行帶來的社交隔離、財務困境以及焦慮等，可能會讓持續增加的自殺傾向更加嚴重。歐洲與美國過去的研究指出，失業率每增加1%，自殺率就會跟著增加0.8~1%。紐約州、康乃狄格州以及俄亥俄州的精神衛生專員霍根（Michael Hogan）是零自殺運動的發起人，他認為應該專注於思考如何在個案採取自殺行為的關鍵時刻進行低成本介入。重要的是，確保醫療人員能像例行為患者量血壓一般，也能定期關懷這些有自殺念頭的人，並訓練他們將來也能以自身經歷關注容易產生自殺念頭的人。若能及時提供協助，某些介入（包括來自緊急電話專線的協助）便可以挽救性命。…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20颶風黑名單自1950年颶風命名制度實施以來，在大西洋東北、加勒比海及墨西哥灣生成的颶風名稱，已有89個因造成嚴重傷亡與經濟損失而遭除名。颶風命名表每六年重複一次、每年依序使用21個名稱，第七年時再重新輪替，被剔除的颶風名稱會由其他名稱取代。2018年的颶風「佛羅倫斯」惡名昭彰，在此之前，佛羅倫斯已用過八次。1900年代中期，有些颶風即使造成的災損不大，死亡人數也可能很多，因氣象預報系統及緊急應變成效不如今日。近年來，災損提高的主要原因是沿海人口及基礎設施價值急遽上升。…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20最後的黑蝙蝠應台好，我的姑父趙欽，黑蝙蝠中隊長，97歲，病危了。今天我去看他，已三天不食不飲，意識仍清楚，但只剩口氣了。他極喜歡你的文筆，能否寫一小段，我唸給他聽？」不到10秒鐘，龍教授回簡訊了，說要親自來探望姑父。這可是趟長途旅程，她一早由屏東潮州赴高雄左營，再搭高鐵到台北，早上11點就抵達姑父家了。病榻旁，這位野火女子輕聲溫柔地說：「趙伯伯，我是龍應台。」姑父微轉頭，睜眼看著她，嘴角微笑。她輕撫這位老英雄的額頭和臉頰，拉著手，讚揚他的人生如奔騰的野馬，又祝願他可以如煙塵般，輕飄灑脫地離去。 15年前的春日，龍應台到我家來參加年度螢火蟲趴。當介紹姑父是黑蝙蝠飛官時，我見到她一臉茫然，這是一段她陌生的歷史啊！兩年後，龍應台發表了〈一個國家記得誰？〉，她說：「這主題是我寫作以來最感慨的文章。」接著龍教授和清華大學思沙龍的學生們舉辦了「黑蝙蝠在新竹—向勇敢的人致敬」座談會，在華人界掀起了黑蝙蝠和黑貓熱。她也邀得詩人向陽創作的讚詩：「當年英氣逼人、出生入死的勇士，今天即使倖存，也已垂垂老矣。在他們全體帶著寂寞的歷史離去之前，讓我們挽著他們，謙卑地說一聲謝謝吧。」15 年前的一段緣，龍應台挽著這位最後離世的黑蝙蝠飛官，輕輕說了聲謝謝。 約60 年前，美國為了蒐集中國大陸的電子情報，提供當時最精良的飛機，委請台灣空軍的優秀飛行員赴大陸出生入死執行任務。黑蝙蝠中隊在暗夜低空進行電子偵測，黑貓中隊則在白天高空進行精密拍照，英勇犧牲者眾。姑父仙逝後，黑蝙蝠及黑貓中隊的遺眷子女聚餐緬懷，席中吳興華拿出他父親吳載熙的飛行衣，請教父執輩其配件功能。吳載熙是殉職的黑貓隊員，新竹的載熙國小即是紀念他而命名。興華是遺腹子，54 歲了，不解父親飛行衣腰間的黑管子用途。詢之網路，眾人皆稱可能是尿管。黑貓中隊的孑遺飛官魏誠即時解惑，這是加壓管啊！當年的U-2 偵察機在七萬英尺高空極速飛行，空氣稀薄，若無加壓衣及吸純氧，飛官會在半分鐘內因腦缺氧而失去意識。魏誠說那是眼前由一片灰轉為全黑的生死一瞬間，似乎靈魂就出竅了。 瀕死經驗永遠是迷人話題，值此新冠肺炎疫情冤魂無數之際，讀了〈瀕死大腦之說〉該會為茶餘飯後增色。那有著幸福感的奇特經驗，可能並非靈異傳說。腦中植個電極，通電刺激就能反覆體驗了。…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20紅色洞窟裡的氣候史西班牙北部的畢爾包是座多彩的城市，而距此不遠處的地底下，也有個展現豐富色彩的洞窟。格伊科耶特（Goikoetxe）洞穴裡的石筍和鐘乳石不只有常見的白色，還有許多介於蜜橙到深紅之間的顏色。一項新研究顯示，這些通稱為洞穴灰華（speleothem）的構造之所以呈現紅色，是因為內含來自土壤並經由水流至此處的有機物質。在今年4月的《第四紀國際》線上版，科學家指出格伊科耶特的洞穴灰華記錄了降雨等環境狀態。 馬德里阿特普卡研究團隊以及馬德里康普頓斯大學與查理三世研究所（UCM-ISCIII）聯合人類演化與行為研究中心的古氣候學家馬丁尼茲－皮亞多（Virginia Martínez-Pillado）徒步並攀爬穿越格伊科耶特洞穴，抵達這座紅色洞窟。她描述裡頭佈滿鐘乳石與石筍，整座洞穴多孔如海綿：「周遭都是紅色。」她和夥伴採集了四根生長自洞穴地面的石筍，帶回實驗室分析微量元素，但他們並沒有在其中找到經常造成岩石顏色偏紅的氧化鐵（想想火星）。 紅色也可能來自有機物質，因此他們接著檢視石筍的組成分子，藉由測量洞穴灰華對光的散射與吸收情形，發現其中含有腐植酸與富里酸。這些複雜分子來自植物殘骸的分解，該團隊推論是水帶來這些物質，數千年來不斷沉積在生長的石筍上。 因此藉由石筍可以追溯古環境狀態。澳洲伯斯科廷大學的地球化學家布萊思（Alison Blyth）並未參與該研究，他評論，降雨量就會影響有多少有機物質沖入洞穴，「如果我們測量石筍每一層所含有的化學物質，就可以重建各種環境因子隨著時間的變化。」馬丁尼茲－皮亞多和同事現正分析這些石筍，以追溯格伊科耶特洞穴上方古代的降雨與植被變化。研究人員表示，這項技術也可以用於其他富含有機物質的洞穴灰華。…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20細胞組建導電聚合物新的科學研究讓科學家借用生物的基本單元：細胞，在生物體內組成特定的物質和構造。美國史丹佛大學精神科醫師兼生物工程學家戴塞羅斯（Karl Deisseroth）團隊在今年3 月的《科學》發表一篇論文，展示了讓特定細胞在其表面製造導電（或不導電）聚合物的方法。未來研究人員或許能應用這項技術在人體內建造大型結構，或改良義肢與腦的連接介面。 從中期發展來看，這項技術也能幫助發展生物電療醫學中的電脈衝治療技術。這個領域的研究人員一直有意引進能傳導或抑制電流的聚合物，而不損傷鄰近組織。舉例來說，在治療癲癇時，刺激特定細胞比服藥更有效，因為藥物會擴散全身，引起副作用。但目前的電療（例如使用電極的治療方法）會無差別地影響相當多細胞。 新技術利用病毒把基因帶入選定的細胞，再引導細胞在表面製造酵素Apex2。這種酵素會催化細胞間隙中的前驅分子和過氧化氫（H2O2），讓前驅分子在細胞外結合成聚合物。未參與這項研究但在同期《科學》上發表評論的弗羅里達大學生物醫學工程學家奧托（Kevin Otto）評論：「這項應用創新之處在於結合多個新興領域。透過合成生物學，在活體組織內組合出導電聚合物，形成特定細胞的作用介面，這是非常新穎的概念。」 研究人員利用齧齒類腦細胞、人工培養人類腦細胞模型和活蠕蟲測試這項方法及追蹤細胞功能。他們也把成份注射到小鼠腦內，以顯示它們沒有毒性。 奧托認為，這項研究能更準確地刺激目標細胞，將改善憂鬱症或帕金森氏症的治療流程；也可能針對負責把訊息傳回腦部的細胞，讓裝設義肢的截肢者重拾肢體感覺。 戴塞羅斯相信這項研究的用途可以更廣泛：「我們能在包含目標基因的細胞內組建新結構，也就是只有選定的細胞會執行組建工作，這多令人興奮！相關應用包羅萬象。這是一種基本科學探索：我們能做什麼？在生物架構下能利用生物結構的複雜度組建什麼？」 然而這項技術仍有障礙需要克服。奧托說：「凡是人體基因療法都會牽涉倫理規範。」他還指出，此技術的持久度和應用在高等物種的可行性尚待驗證。…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20安全鑑定海龜性別確認剛孵化的海龜寶寶性別是困難的重要任務。許多種類的海龜寶寶性徵發育由環境溫度決定，然而全球海水溫度提高，正導致雌性數量大增而雄性減少。如果不多加注意，這種偏差可能會讓某些物種趨向滅絕。 美國弗羅里達亞特蘭提克大學（Florida Atlantic University）的生物學家溫尼肯（Jeanette Wyneken）說，若想挽救海龜，「必須真正了解問題所在。」一項新的相關研究發表於今年3 月的《科學報導》，溫尼肯是資深作者。監測剛孵化的海龜性別比例對保育很有幫助，但海龜這樣以溫度決定性別的物種缺乏性染色體，發育成熟時間相對較晚，很難用非侵入方式判斷性別。 因此溫尼肯的團隊發展出一種血液檢測方法，可以鑑定赤蠵龜（loggerhead）和紅耳龜（red-earedslider）幼龜的性別，針對孵化兩天以內的幼龜正確率達100%，而對較大的赤蠵龜幼龜正確率也高達90%。這項試驗是透過非常少量的血液樣本，檢測一種能抑制雄性幼龜發育出輸卵管的激素。（溫尼肯說明，由於這種激素在幼龜的成長過程中還有其他功能，因此會干擾較成熟雌龜的測試結果。） 接著研究人員使用兩種標準技術，驗證他們測試過的幼龜性別。他們解剖10 隻孵化不久的紅耳龜，分析生殖腺組織樣本，還有來自巢箱中已經死亡的五隻赤蠵龜個體。他們也飼養54 隻赤蠵龜幼龜，養到83~177 天大時，對活體進行腹腔鏡手術。溫尼肯說，這種手術無法安全應用在剛孵化的幼龜身上。 這個團隊正繼續研發，讓這種血液測試方法能在野外使用。研究人員希望監測野外剛孵化、容易捕捉的幼龜性別比例，或許能藉此找到在野外改變幼龜性別的方法，例如在海龜蛋還沒孵化時提供遮蔭或灑水降溫。並未參與這項研究的大西洋島嶼漁業科學中心（Pacific Island Fisheries Science Center）野生動物內分泌學家艾倫（Camryn Allen）評論，現行鑑定幼龜性別的方法必須殺死幼龜，或根據孵化時的溫度來估計性別比例，相較之下，新技術是「既不殺害動物又可靠的鑑定方法。」…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20互補── 完美的和諧小時候在警匪片看到有人偷偷把別人的鑰匙放在肥皂上，用力壓出凹痕後，拿去當模子鑄造出新鑰匙。哇，好聰明！後來有一次遺失一把鑰匙，拿備用鑰匙去鎖店配新的。我看鎖匠把鑰匙夾在配鑰機的一座架子上，再把同型的鑰匙胚夾在另一座架子上，經過一番調整，再打開電源，機器就根據備用鑰匙的構造，來回割磨鑰匙胚，複製出新鑰匙。哇，新鑰匙也可以這樣複製，不用模子。 兩種複製方法，一種透過模子，一種則直接根據樣本打造；後來我學習DNA時也遭遇到。華生與克里克在1953 年提出雙螺旋模型時，就從鹼基間的互補配對（A-T 或G-C 配）看出DNA的半保留複製方式：雙螺旋打開成兩條單股，兩股互為模子，鑄造出具有互補序列的另一股，完成複製 最開始華生和克里克並沒有想到鹼基互補的點子。華生在《雙螺旋》書中說，他原來想到的是相同鹼基互相配對，亦即A配A、T 配T、G配G、C配C。他非常喜歡這模型，因為它可以解釋DNA如何複製：就是兩股打開，各自當樣本（不是模子），打造同樣序列的新股，完成複製。這不就是鎖匠用配鑰機複製鑰匙的方式嗎？不過，這模型很快就被推翻掉 基因以互補方式複製的點子，也不是華生和克里克最先想到的，而是由他們的競爭對手鮑林（ LinusPauling ）先提出。鮑林在美國加州理工學院研究蛋白質結構的時候，就提出動物免疫抗體與抗原的互動中牽涉到兩者構造的互補性；還有進行催化反應的酶與受質之間的互動也有空間的互補性，後來他進一步把互補性觀念帶進基因。雙螺旋問世的五年前，他就在一場為題「分子結構與生命過程」的演講中說：「一般而言，基因或病毒用來當模板複製會產生不同但是互補的構造。當然一個分子也可能湊巧與鑄造它的模板既相同又互補。不過我看這種情形一般來說不太可能發生，除非出現下面情況：如果做為模板的構造（基因或病毒）有兩個部份，兩者的構造互補，那麼各個部份就可以互當模板，製造出另一部份的複製品⋯⋯。」他描述的不就是雙螺旋結構和複製機制嗎？他認為「不太可能發生」的情形早就發生在地球上的每一個細胞中。 鮑林提出的基因複製模式是精采的腦力激盪，純粹依據邏輯理論，不像華生有實驗數據和模型建構的幫助。很可惜鮑林日後實際動手建構DNA模型時，沒想起這個點子；或許因為他和很多人一樣傾向基因是蛋白質的想法，不像華生與克里克那樣深信基因就是DNA。那時候艾佛瑞（ Oswald Avery ）和赫胥（ AlfredHershey ）的實驗室已經先後提出支持DNA是遺傳物質的證據，很多人還是覺得DNA是很笨的分子，不可能是基因的構成物質。直到華生與克里克提出雙螺旋模型，才顯示DNA其實是很聰明的分子。 鹼基互補的相輔相成原理，就存在於太極陰陽圖中：畫出陰的輪廓，就得到陽的輪廓，反之亦然。荷蘭藝術家艾雪（M. C. Escher）更擅長發揮陰陽相輔相成，創造奇妙的互補圖案，就像上圖中的雁群。…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20瀕死大腦之說在第一次世界大戰的戰場上，年輕的海明威（Ernest Hemingway）被炸彈碎片擊中後受了重傷，他在寄給家人的信件中寫道：「死亡是件簡單的事。我已見識過並且真的明白死亡。對當時的我來說，死亡再容易不過。那或許會是我做過最容易的事。」 數年之後，海明威把自己這段靈魂出竅然後又回歸人世的經歷，寫成了知名的短篇故事〈吉力馬札羅山的雪〉。這是一個人勇闖非洲進行狩獵之旅卻悲慘遇難的故事，主角在非洲草原遭荊棘刺傷後產生壞疽，他知道自己即將死去，而就在死前之際，他的痛苦消失了，接著有個名叫康派的荒野飛行員出現拯救了他，兩人坐上飛機，在穿越了「厚如瀑布」的暴風雨後終於看見光芒。「那道在日光下令人難以置信的白色光芒就是吉力馬札羅山的山頂，隨後他明白，那就是他的去處。」在這段描述中，出現了典型的瀕死經驗（near-death experience）特徵：黑暗、痛苦消失、光明浮現，以及隨後的平靜感受。 無以名狀的經歷 當人遭遇到攸關性命的特殊事件，例如心臟病發、窒息、受電擊或鈍傷（blunt trauma）時，可能就會觸發瀕死經驗。在醫院，心跳停止的病患大約每十人就有一人會出現瀕死經驗。有數千人從這類痛苦且不確定的情境中存活下來，他們都提到一種經歷，就是自我脫離了受損身體，然後進入一個不受一般時空疆界限制的領域，這些強烈且神秘的經驗，可以永久改變他們的人生觀。 瀕死經驗並非虛構，這些經驗具有某種共通性，例如痛苦消失、看見隧道末端有光芒及其他視覺現象，覺得自己和身體分離並飄浮其上、甚至是飛入太空（像是靈魂出竅）等。有時候還會出現扭曲的時間和空間感，或者見到在世或已故摯愛之人和天使等靈體，此外也可能出現普魯斯特式（Proustian）的回憶、甚至是回顧整個人生一切善惡所為的記憶（一生快速在眼前閃過）。對於這些經驗現象，科學家有一些可能的生理解釋，例如視野逐漸狹隘的隧道視覺（tunnel vision），可能是因為視網膜邊緣的血流量最先開始減少，導致周圍視野最先消失。 瀕死經驗可能伴隨著正面或負面的感受。正面感受一直是大眾矚目的現象，那是一種全然神聖的存在感。外在的嚴重身體創傷以及內在與宇宙合一的平靜感覺，兩者有著天壤之別。不過，並非所有的瀕死經驗都是如此正面，有些會讓人害怕，這種負面瀕死經驗時常伴隨強烈的恐懼、苦惱、孤單和絕望。 關於瀕死經驗的媒體報導，可能讓大眾產生某種預期，認為瀕死經驗應該是某種特定的感受。事實上，相較於典型的正面瀕死經驗，負面瀕死經驗可能伴隨著羞愧、社會污名，以及對於典型正面瀕死經驗的屈從壓力，使得相關報導變得十分稀少。 任何與死亡擦身而過的經歷都會提醒我們，生命其實非常不穩定且脆弱。而且原本負責壓抑死亡想法的層層心理防禦，也會被瀕死經驗給卸下。大多數的情況下，各種負面經驗會隨著時間而淡去，然後日常生活的一切會逐漸恢復原狀（但也可能導致創傷後壓力疾患）。不過，瀕死經驗通常伴隨異常強烈且清晰的記憶，有時甚至可長達數十年。 瀕死經驗代表一種罕見的人類意識狀態，通常不到一小時，卻可在經歷者清醒後造成永久影響。 2017 年美國維吉尼亞大學的兩位研究人員決定檢視，在瀕死之際因為大腦功能改變而出現的認知增強現象，究竟是否只是憑空想像？他們讓122 位曾有瀕死經驗的受試者填寫問卷，請他們比較瀕死經驗以及在同一時間前後發生的真實事件和想像事件的記憶，結果發現，瀕死經驗的記憶有較高的清晰度和細節。簡而言之，受試者覺得瀕死經驗「比真實還要真實」。 大約是在20 世紀最後25 年間，由於當時一些醫生和心理學家的研究，社會大眾才開始注意瀕死經驗。其中最值得一提的，就是穆迪（Raymond Moody）在1975年的暢銷書《死後的世界》首次提出了「瀕死經驗」這個詞，還有上述兩位研究人員之一的葛雷森（Bruce M.Greyson）在2009 年出版的《瀕死經驗調查》，這些研究人員觀察到瀕死經驗故事中的相似性，終於把這個一度被貶為虛構或瘋狂幻覺（類似臨終病床上出現幻覺）的現象，轉變成一門可進行實證研究的領域。 我認為這些強烈的經驗確實存在。它們就像是任何主觀感受或知覺一樣真確。不過，身為一位科學家，我主張以下假設：我們所有的思想、記憶、知覺和經驗必定是腦中自然因果作用的結果，與超自然力量無關。過去數百年以來，這個假設完美支持了相關科學與科技。除非出現非常特別且極具說服力的客觀反對證據，不然我看不出有放棄這個假設的理由。 如果同意這個假設，那接下來的挑戰就是如何在自然的範疇中解釋瀕死經驗。身為心物問題的一位長期學徒，我會關心瀕死經驗，是因為這類經歷代表一種罕見的人類意識狀態，而且為時通常只有短短不到一小時，卻可以在經歷者清醒後造成永久影響，這是一種宛如《新約》聖經上保羅前往大馬士革時出現的信仰轉變，人們不再畏懼死亡、超脫物慾，而且變得更善良。有些人則會像海明威那樣，對風險和死亡變得極度著迷。 類似的神秘經驗也時常出現在服用精神刺激物質時，這些物質是迷幻劑，成份與一種稱為「血清張力素」（serotonin）的神經傳遞物有關，這類迷幻劑包括裸蓋菇鹼（psilocybin，迷幻蘑菇中的活性成份）、麥角二乙胺（LSD）、二甲基色胺（DMT，又稱為靈性分子）以及5-MeO-DMT（又稱為上帝分子），這些物質時常會在宗教活動、靈性儀式以及私人娛樂時使用。 不為人知的國度 我們必須記得，瀕死經驗其實一直存在我們身邊，不論屬於哪一種文化、種族、年紀、宗教信仰或者是否懷疑此現象，都有機會接觸到（例如《西藏生死書》就描述了死前的心靈狀態）。對於從小接觸宗教信仰的人來說（無論是基督教或其他宗教），瀕死經驗最直接的解釋就在他們的世界觀，原本就已設想人死後會前往某種型式的天堂或地獄。但有趣的是，瀕死經驗出現在虔誠信仰者身上的機會並沒有比一般人或無宗教信仰者高。 歷史文獻中有許多人描述自身的瀕死經驗，留下了寫實的記錄，這些記錄和枯燥的臨床案例報告一樣具有啟發性。例如英國將軍蒲福特爵士（Sir FrancisBeaufort，蒲福特風級以他命名）在1791 年差點溺斃，因此寫下這段話： 「在混亂無比的感官刺激之後，出現了一種完美平靜的平穩感覺……我沒有任何身體上的痛苦。相反地，我是愉悅的……雖然感官已平息，但心靈並非如此。心靈活動被強化的比例大到難以形容；如果你有類似經驗，就會發現思緒接續出現的速度快到無法描述、甚至無法想像。即使到了現在，我依然記得思緒的變化過程：從那剛發生的事件開始……往前回溯，我人生中每個事件在我腦海中快速倒轉。我存在的整段生命好像全景照片一樣在我眼前展開。」 另外一段記錄是在1900 年，蘇格蘭的外科醫師奧古斯通爵士（Sir Alexander Ogston，葡萄球菌的發現者）因為傷寒而倒下，後來他記錄下當時的情境： 「我不省人事躺著，不抱希望也毫無恐懼。心靈和身體像二元對立，某種程度上是分離的。我意識到自己的身體是躺在門口無法動彈的一團血肉，身體是我的，但又不是我。我意識到自己的心靈不斷離開身體……但又馬上被吸引回去，然後令人作噁地結合，接著又變成了那個有人餵食、有人對話和被照顧的我。雖然我知道死亡就在身旁徘徊，但我沒有任何宗教想法或對死亡的恐懼，我就這樣在混濁的天空下漫步，直到躺著的身體再次被刺激時，我再次被吸引回去。」 此外，英國作家布拉克摩爾（Susan Blackmore）最近收到一份報告，來自賽普勒斯一位在1991 年接受緊急胃切手術的女士： 「手術後第四天，我進入昏迷狀態並失去意識數小時……雖然別人認為我失去意識，但我仍然記得，而且數年後還能回憶當時外科醫師和麻醉師整段對話的細節……我躺在自己的身體上方，完全沒有疼痛，然後同情地往下看著自己痛苦的臉龐。我平靜飄浮著。後來……我飄向一個黑暗、宛如垂掛著簾幕但不令人恐懼的地方……接著我感受到完全的平靜。突然間，一切驟變，我被甩回了身體中，又重新感覺到痛苦。」 我們很難找出瀕死經驗的精確神經機制和過程，因為大腦在這種情境下可能會出現各種損傷。此外，瀕死經驗也不太可能發生在受試者躺在磁共振造影掃描儀裡面、或是頭皮上戴著電極測量頭套時。 不過，透過檢視心臟病發作時的狀態，我們或許有機會一窺究竟。此時病人的心臟停止跳動，醫學術語會稱病人進入緊急（coding）狀態，在這種情況下，病人尚未死亡，因為心臟可透過心肺復甦術重新跳動。 現代的死亡定義，指的是不可回復的腦功能喪失。當大腦局部缺血和缺氧時，病人會進入短暫昏厥，然後腦電圖（EEG）會出現等電位的現象，也就是一片平坦，意味大腦皮質（腦最外層的組織）中散佈的大規模電生理活動已經崩解。就像一座城市中每個社區逐一失去電力，局部腦區也逐一離線。而此時的心智由仍然活躍的剩餘神經活動支撐，並持續進行例行工作：根據個人的經驗、記憶和文化背景去詮釋並敘述故事。 由於大腦各部位逐一停止運作，心智就產生了奇怪且獨特的故事敘述，這也是瀕死經驗大部份的內容。對正經歷此情境的人來說，瀕死經驗就像正常清醒狀態下心智所經驗到的內容一樣真實。當整個大腦都因為失去能量而停止運作之後，心智就不復存在，意識當然也會連同消失；如果恢復氧氣和血流供給，那大腦就可以重新開始運作，敘事般的意識經驗也會再次出現。 在冷戰時期，科學家曾透過影像記錄，並解析意識消失和重現時的行為和心理現象。這些受試者都是訓練有素的美國飛行測試員和美國航太總署（NASA）的太空人，他們在大型離心機中經歷大約五倍的重力時，心血管系統就停止輸送血液到腦部，接著失去意識（就像2018年的電影「登月先鋒」中，雷恩．葛斯林飾演堅毅的阿姆斯壯，在多軸訓練儀中旋轉直到暈厥的情景）。在強大重力消失後約10~20 秒，意識就會恢復，但迷惘和暈頭轉向的狀態仍維持一段時間（不過這些受試者顯然都很稱職，並且對自己的自制能力感到驕傲）。 這些受試者的經歷可算是「瀕死經驗輕量版」，其中包括隧道視覺、亮光、宛如從夢中清醒、部份或完全麻痺、平靜的飄浮感、靈魂出竅、愉悅甚至是欣快感（euphoria）、短暫但清晰的夢境（通常會出現和家人的對話），而這些經驗即使在多年後仍記憶鮮明。這些由身體壓力所誘發的強烈感受，通常不會帶有宗教氛圍，或許是因為受試者事先都知道自己即將在壓力下昏厥。 由於瀕死經驗的本質，使得我們很難在實驗室中以控制良好的實驗來研究受試者。不過，或許我可以在實驗室的小鼠身上研究瀕死經驗的某些面向，因為小鼠說不定也會在死前出現欣快感並回顧自己的一生。 生物機制上的解釋 神經科學家發現，瀕死經驗與稱為複雜型部份性癲癇（complex partial seizure）發作十分類似，這類癲癇發作可說是一種意識局部受損的狀態，通常與半側大腦的特定腦區有關。發作之前，有時病人會看到光暈，在一些病人身上，這種現象非常專一，可用來做為癲癇發作的預測指標。這類癲癇發作時，病人可能會有不尋常的味覺、嗅覺或身體感覺，或者看到物體大小改變、出現似曾相識感、自我感喪失以及極樂狂喜的現象。癲癇時的極樂狂喜現象，臨床上稱為杜氏癲癇（Dostoyevsky's seizure），這是以19 世紀俄羅斯作家杜斯妥也夫斯基命名的一種癲癇（他有嚴重的顳葉癲癇），在他的小說《白痴》中，主角梅什金（Prince Myshkin）回憶道： 「當他癲癇發作時，或者應該說是正要發作前，他總是會在片刻中體驗到整個心臟、心靈和身體都在光亮中覺醒；他滿懷快樂與希望，所有焦慮都一掃而空；但是這些時刻其實是不祥的預兆，因為在最後一秒過後（這些感覺從不會超過一秒），癲癇就會接續而來。當然，這一秒鐘的體驗難以言喻。當癲癇結束後，他會回憶這些症狀，有一次他對自己說：……『真正重要的是，雖然這是一種病、一種不正常的大腦運作，但當我回憶並分析當時的情境，它看似是和諧與美麗的最高境界，那是一種最深刻的知覺，其中洋溢著無垠的喜悅、著迷、極樂的奉獻以及最完整的人生。……為了體驗那一個時刻，我願意放棄我的性命。』」 超過150 年後，神經科學家藉由在癲癇病人腦中植入電極，接著以電流刺激稱為腦島（insula）的腦區來誘發這種狂喜感，這項程序有助於找出癲癇在腦中的起始位置，以利後續進行切除手術。病人在接受刺激後會出現極樂狂喜、幸福感增加、自我意識提升，以及對外在世界的知覺增強的現象，刺激其他腦區的灰質有時則可誘發靈魂出竅的感覺或幻視。這種異常大腦活動與主觀意識經驗的強力連結（無論是由疾病誘發、或由外科醫生透過電極所誘發），顯示出瀕死經驗並非靈性神秘現象，而是有生物機制上的根源。 當大腦血流不足和缺氧時，我們的心智會努力試圖保持運作，但為什麼此時會經驗到幸福感而非驚慌的感受，目前仍是謎團。不過有趣的是，人類在其他情境下有許多極端經驗，也會因為氧氣不足而造成愉悅感、輕飄感以及激動情緒，例如深水潛水、高海拔登山、飛行、窒息或昏厥遊戲，以及窒息式親密行為等。 或許只要心智仍清醒、大腦沒有因為鴉片或其他止痛藥物而變得遲鈍，那麼這類的狂喜感在經歷各種型式的死亡時都會出現。在進入莎士比亞劇作《哈姆雷特》的那個「從來沒有旅者返回的未知國度」之前，與將死身軀連結在一起的心智，或許早已前去拜訪了個人專屬的私密天堂或地獄。 重點提要 當會威脅生命的特殊事件出現，例如因為心臟病發或電擊導致身體受傷、或因爆炸或墜落而受到鈍傷時，可能就會觸發瀕死經驗。 這些事件有很多共通性：不再感到疼痛、看見隧道末端有光芒，或覺得自己和身體分離並飄浮其上、甚至是飛入太空。 當大腦血流不足和缺氧時，我們的心智會努力試圖保持運作，但為什麼此時會體驗到幸福感而非驚慌的感受，目前仍是謎團。 謝伯讓是台灣大學心理學系副教授、腦與意識實驗室主持人，研究主題為人腦如何感知世界。在臉書專頁「謝伯讓的腦科學世界」中定期分享腦科學趣聞。著有《都是大腦搞的鬼》與《大腦簡史》。 延伸閱讀 The Handbook of Near-Death Experiences: Thirty Years of Investigation. Edited by Janice Miner Holden, Bruce Greyson and Debbie James. Praeger, 2009. Leaving Body and Life Behind: Out-of-Body and Near-Death Experience. Olaf Blanke, Nathan Faivre and Sebastian Dieguez in The Neurology of Consciousness. Second edition. Edited by Steven Laureys, Olivia Gosseries and Giulio Tononi. Academic Press, 2015. 欲讀相關文章，請登入 《科學人知識庫》 〈腦死還能復生嗎？〉，《科學人》2020年1月號。 〈意識哪裡來？〉，《科學人》2018年7月號。 〈腦袋瓜裡鬧鬼！〉，《科學人》2003年4月號。 立即前往…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20我們的手指來自鰭從手掌延伸而出的五根手指既靈活又有力，可以彈鋼琴、使用槌子，也能輕撫。手是我們最熟悉的身體部位，舉凡穿衣、開車、烹飪、傳簡訊等大多數日常工作都需要手。不過，我們對這個上肢的演化過程仍有許多未知之處，特別是它最初起源的演化階段。其他四足動物的前肢外觀和功能與人類的手大不相同：鳥類和蝙蝠的前肢成了精巧的翅膀，大象的前肢則壯如樹幹支持著身體，但基本結構卻一樣。1859年，英國演化學家達爾文（Charles Darwin）在《物種起源》提到這些相似之處：「人類用來抓握的手、鼴鼠掘土的手、馬的前腿、鼠海豚的槳狀前肢和蝙蝠的翅膀，都有相同型式的構造和骨頭，並且位在一樣的相對位置上，還有什麼比這更令人好奇？」 達爾文的解釋很棒：不同動物共享一樣型式，是因為牠們都是從前肢具有指骨的共祖演化而來。達爾文提出演化論思想迄今160多年，演化生物學家利用蒐集到的古生物學、遺傳學和胚胎學證據，證明達爾文是正確的。透過科學家的努力，闡明了演化自魚類的四足動物擁有共祖，也發現人類手部骨頭的組成，於蛙類、鳥類和鯨魚有類似的構造，並且在不同物種變異中辨識出控制手部、翅膀和魚鰭發育的特定基因。然而，因為科學家缺少介於水生魚類和陸生四足動物間的過渡生物的完整化石，故事的最初篇章仍模糊不清，即有關共祖魚類的鰭內骨頭如何演化出手部和腕部的成因。 今年3月，我們發現了一具極為特殊的化石，屬於3億7500 萬年前的魚類希望螈（Elpistostege watsoni ）的完整骨骼，終於填補故事的空缺。該化石保留的鰭內骨和我們的指骨相似，顯示手指的演化在脊椎動物離開水域前就已發生。此項發現顛覆了手指演化時間及方式的過往知識，並讓地球生命史上極重要的四足動物的崛起煥發出新的光芒。 模糊不清的起源 過去科學家對魚類和早期四足動物間演化過渡階段的了解，主要是透過連結兩者關係的數個驚人化石，其一是生活在泥盆紀中晚期（約3億8400萬~ 3億7900 萬年前）波羅的海地區的潘氏魚（Panderichthy srhombolepis ）化石。潘氏魚延長的肱骨和大型橈骨、尺骨（分別對應四足動物的上臂骨和前臂骨）以及類似四足動物的頭骨形態提供了最初的線索，顯示牠所屬的希望螈目（elpistostegalia）是最接近四足動物的魚類，其名稱來自加拿大東部鮮為人知的希望螈。 2006年，美國芝加哥大學的古生物學家蘇賓（NeilShubin）和同事宣告在加拿大北極圈內發現另外一種希望螈目的魚化石，也就是3億8000 萬年前的提塔利克魚（Tiktaalik roseae ）。提塔利克魚的發現極為關鍵，隨之而來的許多新資料顯示，牠的胸鰭比其他已發現的此類魚化石更發達，具有發育良好的臂骨與可活動的腕關節；而牠的頭骨也很獨特，包含長扁形的吻部和特化的腦顱（braincase），這些是四足動物的共同特徵。 從提塔利克魚和其他已發現的希望螈目化石可知，四足動物的某些指標特徵係源自其魚類祖先，包括有利於陸地生活的臂骨和關節，但這些魚並沒有指骨。以潘氏魚而言，研究人員最初認為可能是指骨的組成小骨，後來確定不是。而提塔利克魚化石則未保存完整的胸鰭末端，那是最有機會找到指骨的部位（如果有的話）。專家就已有的證據做出結論：手指不屬於最初鰭到肢過渡階段的某一環節；相反地，手指是後來四足動物登陸生活才演化出來。 然而，科學知識並非一成不變，它會因為新的研究證據而不斷更新，新發現使教科書需修訂內容，我們在希望螈化石上最新的研究發現就是一例，該化石於2010年在聯合國教科文組織（UNESCO）世界遺產地魁北克的米瓜莎（Miguasha）挖掘而出，牠不是希望螈目的新種生物，而是早已發現的原始成員。但這次我們找到了完整化石標本，讓我們提出一項關於手指演化過程與形成脊椎動物手部構造的不同理論，現生超過3萬3800 種四足動物皆具有此種手部構造，包括人類在內。 尋找關鍵證據 稍微了解希望螈化石的發現史，便可體會它的地位有多重要，改變了我們對手與手指演化的觀點。1937年夏天，兩名年輕的英國古生物學家韋斯托爾（ThomasStanley Westoll）和格雷姆－史密斯（William Graham-Smith）沿著加拿大東部颳風不斷的加斯佩半島南岸、夏路灣（Chaleur Bay）的懸崖（現今米瓜莎國家公園）搜尋著泥盆紀的化石，夏路灣的懸崖一直被認為是藏有此類珍寶的寶地。當地收藏家協助這兩位古生物學家尋找化石，有時也賣化石給他們。韋斯托爾所購得的化石中有一小塊頭骨頂部碎片，是我們了解魚類演化成四足動物過渡階段的關鍵證據。 在韋斯托爾和格雷姆－史密斯的年代，科學家早已懷疑四足動物其實是演化自肉鰭魚（鰭具肌肉、強而有力，現生生物代表包括腔棘魚和肺魚），但是缺少有過渡階段內部構造的化石支持此一關係。韋斯托爾購得的頭骨頂部化石似乎有助於填補空缺，他進行頭骨模式分析後，認為此化石可能是科學家找尋已久的原始泥盆紀兩生類的頭骨。他把這種特殊生物命名為希望螈（希臘字源分別是「希望」和「頂部」的意思）。韋斯托爾在1938年發表於《自然》的短篇論文裡表示，該化石為肉鰭魚和早期四足動物提供了「完美的過渡形態」。 然而僅憑一片頭骨，韋斯托爾的論點遭人質疑，因此還需要更多這類動物的化石來證明，儘管所有來自歐美的古生物學家都到夏路灣的懸崖尋找化石，但是沒有人再找到希望螈的新標本了。 在韋斯托爾發表論文約30年後，偶然的機緣出現了。加拿大的化石收藏家派倫特（Allan Parent）在米瓜莎懸崖發現一個不完整頭骨的吻部，由派倫特當成私人收藏品直到他英年早逝。1983年，派倫特的兄弟把此一吻部化石拿給米瓜莎國家公園的處長艾森諾特（MariusArsenault）看，艾森諾特請美國堪薩斯大學以研究魚化石著名的專家舒爾茲（Hans-Peter Schultze）來鑑定這件特殊標本。舒爾茲立刻意識到它的重要性：此化石保存的顱骨，排列和形狀與韋斯托爾所發現的希望螈頭骨頂部相似，顯示它們屬於同一物種。 隨著希望螈內部構造更進一步的研究，關於牠身分的看法開始改變。新的吻部上可見的特徵顯示，希望螈並非兩生類，而是高度進化的肉鰭魚。1985年舒爾茲和艾森諾特在介紹此吻部的論文中特別提到，牠和波羅的海的潘氏魚關係很接近；他們也談到另一件神秘標本，那是數年前米瓜莎首席生物學家布拉薩（MarcBrassard）和克勞提爾（本文作者之一）在加拿大米瓜莎懸崖發現的化石，內含些許鱗片和部份脊椎骨。由於該化石所保存的鱗片表面紋理與新化石的吻部相似，舒爾茲和艾森諾特認為它也屬於希望螈。 含有鱗片和脊椎骨的化石對於希望螈的歸類很重要，這個化石不僅是希望螈頭部以下資訊的唯一來源，還提供了其他兩個希望螈化石所沒有的資訊：明確的起源地。大家只知道頭骨頂部和吻部是在米瓜莎懸崖找到，但不清楚它們源自哪一岩層。然而，布拉薩和克勞提爾卻記錄了他們發現化石的確切地層位置：在名為艾斯居米納克地層（Escuminac Formation）的特定地層單位最底層上方90公尺處。 往後幾年，克勞提爾和考古團隊不斷回到艾斯居米納克地層附近，想尋找更多希望螈的遺骸，可惜徒勞無功。儘管如此，他們發現的地層和化石證據讓他們得以重建希望螈當時生存的環境：入河口渠道。在與約20多種魚類共存的水域中，身為最大型魚類的希望螈畫面開始浮現，可能因此成為最高級掠食者。 最後，科學家終於從古生態資料中找到新的相關證據。2010年8月4日下午稍晚，管理米瓜莎國家公園的博物學家坎丁（Benoît Cantin），在距離公園的博物館不到250 公尺巡邏時，發現一塊特別的魚尾化石埋在米瓜莎懸崖下海岸、艾斯居米納克岩層較低處，隔天早上，坎丁和兩位博物學家嚮導協力挖掘出魚尾化石剩餘的部份。在艾斯居米納克地層發現的化石中，這具1.57 公尺長的希望螈化石是最大、也可說是最重要的一具完整骨骼化石。 掃描化石奧秘 在坎丁找到化石的數日內，克勞提爾受邀去研究它。由於大多數骨頭仍包埋在岩石裡，第一要務便是透過電腦斷層掃描（CT）一窺究竟。克勞提爾聘請之前的古生物學研究生貝查德（Isabelle Béchard）到魁北克市的國立科學研究所（INRS）協助操作非醫學用CT掃描儀掃描化石標本，結果顯示這個標本非常完整，每一根骨頭都保存下來，但掃描影像解析度不夠好，他們想研究的骨頭內部構造不夠清楚，必須找到另一台解析度更好的CT掃描儀，於是他們把希望螈化石送往南方3900公里的美國德州大學奧斯丁分校，利用高解析度X射線電腦斷層掃描設備（High-Resolution X-ray Computed Tomography Facility）以當時最高的解析度掃描化石。 一完成掃描，克勞提爾和同事開始仔細整理化石，一點一點去除掉包覆的石頭，使骨頭露出。他們參考CT 影像和實際化石狀況，以化石的電腦模型進行模擬分析。數個月後，虛擬或真實的魚體和頭骨從化石中現身了，整具標本都相當不可思議，其中特別令人興奮的是希望螈的胸鰭，因為過去從未見過希望螈目魚類的完整胸鰭。被鱗片和鰭條附著的胸鰭內可見到許多小骨，希望螈的胸鰭乍看之下和提塔利克魚的胸鰭相當類似，但希望螈似乎含有更多骨頭。為什麼呢？ 2014 年克勞提爾和貝查德於德國柏林舉辦的脊椎動物古生物學研討會中，發表他們對希望螈骨骼的初步分析結果，克勞提爾和另一位作者朗恩一起喝啤酒，談好要合作研究這塊意義重大的化石。 多年來朗恩一直在研究澳洲西部戈戈地層（Gogo Formation）的泥盆紀魚化石，這些遠古魚類的骨骼立體結構受到完美保存，而且某些標本也保有完整的軟組織。為了研究這些在石灰岩團塊內發現的化石，朗恩和同事照慣例會先放入酸液池溶解岩石。他們在進行酸浴前，會先以CT 和同步加速器配合精密軟體掃描化石成像，仔細了解內部構造，如此一來，即使軟組織受酸蝕而損壞，仍得以保留完整化石影像。新的希望螈標本保存得十分完好，很適合朗恩團隊的掃描成像和數位化整理法。 2014 年，朗恩造訪了克勞提爾在魁北克的實驗室，與他的團隊一起研究處理希望螈影像資料的不同方法。在幾次嘗試錯誤後，終於成功找到資料和軟體的最佳組合，能把每塊骨頭個別數位化再進行研究。澳洲弗林德斯大學的古生物學家克萊門（Alice Clement） 以及克勞提爾當時的研究生諾爾（Roxanne Noël）和羅依（Vincent Roy）繼續完成此項工作。 克萊門分離胸鰭時，我們全神貫注地期待第一具完整的希望螈目胸鰭，其中一定含有由鰭到肢過渡階段的重要線索。而初步結果沒有令人失望，不僅吻合貝查德一開始使用CT 拍攝的影像：希望螈的鰭內有許多骨頭，而且還更詳盡地呈現出那些骨頭的細節。現在我們可以看見，化石裡有出乎意料的一連串許多緊密堆疊的小骨頭。胸鰭末端的骨骼中通常含有輻狀軟骨（radial）以支撐桿狀的鰭條。希望螈的鰭也看得到輻狀軟骨位於正確位置，但骨頭數量多且其中某些骨頭呈分散排列，顯示還有其他骨頭存在。我們強烈懷疑，藏在這條遠古魚類胸鰭內、過去從未發現的骨頭其實就是後來演化為四足動物手指的指骨。我們證實有兩指由兩個具關節的骨頭組成，另外可能的三指內為單一骨頭。 為什麼希望螈胸鰭內的指骨，比之前潘氏魚胸鰭內引起爭議的指骨更有說服力？因為潘氏魚的指骨形狀不規則，而且沒有類似人類手部指骨的骨間關節。與希望螈的鰭內骨頭比對後，我們猜測潘氏魚胸鰭內的神秘骨頭，可能相當於四足動物的部份腕骨。 呼吸新鮮空氣的魚 研究團隊分離整個胸鰭和肩帶（與胸鰭相連的骨頭），再從各角度研究每塊骨頭，並一一分析頭骨和腦顱內部的特徵。此項工作有助於我們了解希望螈的解剖構造，以及牠和其他早期魚類、四足動物的親緣關係。 為了找出希望螈在系譜樹中的確切位置，我們比較牠和其他物種，並特別留意牠們共有且獨特的特徵。弗林德斯大學的動物學家李（Mike Lee）是確認物種關係的頂尖專家，我們與他合作，針對43 種生物的202 個特徵進行系譜分析。最後驚訝地發現，希望螈和四足動物冠群（包括所有現生四足動物及其親緣最近的共祖）的親緣關係，似乎比提塔利克魚更為接近，雖然差距不大（參見47頁〈我們的曾曾······祖是魚類？〉）。我們推測，提塔利克魚化石未完全保存的胸鰭獨有特徵，再加上某些新發現的肩帶特徵，讓希望螈在演化階層上比提塔利克魚高了一階。 綜合我們觀察的希望螈骨骼以及系譜樹分析結果，可重建包括人類在內的四足動物其手部基本架構的起源。希望螈胸鰭內認為是四足動物指骨前身的一系列小骨頭顯示，此種骨列的演化最早可回溯至超過3億8000萬年前泥盆紀晚期、初期進化的肉鰭魚鰭內，很有可能是因為在此部位排列有許多小骨頭，使肉鰭魚的鰭得以承受體重，強健的鰭外部產生了向上推起魚體的彈性。 這樣的動作可為遠古魚類帶來什麼益處呢？希望螈的頭骨提供了線索：其頭部背側有一對稱為呼吸孔（spiracle）的大孔，某些會呼吸空氣的現代魚類也有類似的大孔。長久以來，呼吸孔的功能不明，直到2014年，朗恩與現已過世的生理學家葛蘭姆（Jeff Graham）帶領的美國斯克里普斯研究院海洋研究所魚類學家團隊合作發表了一項研究，才總算證實呼吸孔的功能。那時分析了現生多鰭魚的呼吸孔，發現這些大孔用以呼吸空氣。假設希望螈的呼吸孔有相同功能，在淺水河流和河口等棲地牠用鰭把身體推高，從而讓頭部離開水面呼吸新鮮空氣，這種能力可能有益於生存。 不過，希望螈生活圈不一定受限於水域，現今的肺魚和某些鯰魚能用鰭把自己推上陸地一小段時間。希望螈的鰭更強而有力，可能會冒險上岸。 來自基因和發育的研究 除了顛覆有關鰭何時變成肢的原有認知外，我們在希望螈化石所發現的指骨，也拓展了啟動此形態改變的基因和發育變化的研究。數十年前，對這個問題有興趣的科學家能做的事不多。那時候只有少數魚化石標本含有鰭到肢的過渡胸內結構，而它們僅提供了手臂和前臂骨逐漸演化的線索，因此四足動物的手部和腕部看起來像突然就從祖先魚類的鰭演化出來。但如此巨幅的變化真有可能突然發生嗎？又或者手部和腕部的快速演化只是化石記錄不完整所造成的假象？ 1991年，現已過世的英國發育生物學家索羅古德（Peter Thorogood）在一篇關鍵論文提到，手部和腕部真的演化得相當突然，此想法是根據他比較魚類和四足動物胚胎發育，兩類生物的早期胚胎中有一構造名為頂端外胚層脊（AER，位於剛發育的鰭和肢末端，分泌化學物質促進下層組織的生長）可做為訊號中心，分別指引鰭和肢的發育。 而魚類的AER 僅在短時間內有作用，隨即轉變成另一訊號中心「頂端外胚層褶」（AEF），導引鰭條的形成。然而，四足動物的AER 存在胚胎內的時間長很多，不會轉變成AEF，也沒有鰭條形成，因此導引發育的作用更大，有更多時間發育出附肢的其他骨頭，也是組成手部的基礎。索羅古德認為，AER 不轉變成AEF的話，可能會喪失鰭條和胸鰭的其他特徵，同時會產生構成腕部和手指所需的骨頭。 提塔利克魚是第一種具有類似人類臂骨和某些近端（距離身體中心最近）腕骨的魚類，牠的鰭末端骨頭可對應我們的遠端腕骨，提塔利克魚的發現促使人們深入研究鰭到肢過渡階段的基因和發育基礎。研究人員渴望了解祖先魚類的鰭內有哪些骨頭演化成腕部和手指骨頭？也想知道是哪些基因負責調控新形態的發育？眾所皆知的Ho x 系列基因可導引胚胎不同區域發育成頭、尾，其中一些基因可能參與其中。 2007年，英國倫敦自然史博物館的演化生物學家約翰森（Zerina Johanson）和同事研究了HoxD13 活性，對象是和四足動物關係最近的現存生物澳洲肺魚。先前研究發現，當腕和指形成時，HoxD13 在四足動物的肢發育中具活性。約翰森的團隊發現，在肺魚鰭內的輻狀軟骨發育時，HoxD13 也具活性。只不過HoxD13 在四足動物的肢發育中有兩個活性時期：與臂和前臂發育相關的早期，以及與腕和指發育相關的晚期，而在肺魚的發育過程似乎只有一個活性時期，所對應的是四足動物肢發育中的第二個活性時期。 此項研究顯示，四足動物的指骨是演化自魚鰭內的輻狀軟骨，但腕部和手部的起源可能不同，正如約翰森的論點：因為肺魚和其他現生肉鰭魚及化石具有輻狀軟骨或腕骨，卻沒有指骨，因此至少必須發生兩次演化事件，一次產生指骨，另一次產生腕骨。 解開謎團 希望螈讓情況變得更複雜，牠顯示肺魚和其他肉鰭魚的輻狀軟骨並非完全等同於指骨，這和約翰森的論點相反。只有最遠端的輻狀軟骨才與指骨同源，近端的輻狀軟骨則與腕骨及手掌的長骨同源。並且，希望螈也揭示鰭到肢過渡階段有另一步驟。由於希望螈同時保存了腕骨和指骨以及鰭條，顯示在手部的演化中，鰭條的消失一定發生於不同時期。 希望螈胸鰭和指骨的內部構造顯示，我們仍需微調對於啟動其演化的基因和發育機制的了解。儘管如此，透過完整骨骼的保存和進一步的研究，這具完整的希望螈標本似乎註定和羅塞塔碑（Rosetta Stone）一樣重要，能解開鰭如何演化成肢的謎團，從而了解脊椎動物如何稱霸陸地。 重點提要 長久以來，由於缺乏魚類到四足動物過渡階段的化石記錄，科學家一直難以確定四足動物的手如何從魚類祖先的鰭演化而來。 最近發現3億7500萬年前遠古魚類的完整骨骼，正是手的起源與早期四足動物出現的有力證據。 系譜樹 我們的曾曾……祖是魚類？ 為了知道新發現的魚化石希望螈和其他脊椎動物的關係，研究人員比較牠和其他42種生物，著重在牠們共有且獨特的特徵。分析結果指出，希望螈在系譜樹中的位置很關鍵，是和四足動物冠群（包括所有現生的四足動物及其親緣最近的共祖）關係最密切的已知魚類。此一發現顯示，現今的四足動物包括人類在內，可能是由希望螈或與其關係極為接近的物種演化而來。 模擬分析 由鰭到肢 已知最古老的手部骨頭發現自早期四足動物（見下圖螈屬），而非類似四足動物的魚類（例如提塔利克魚），因此數十年來，科學家認為手部是從四足動物適應陸地生活才開始演化出來。希望螈的鰭內至少有2~5指，這些指骨與現今包括人類在內的四足動物的指骨同源。此項發現顯示，水生魚類在演化為四足動物、到陸地生活之前，指骨就已出現了。 張亦葳畢業於台灣師範大學生物系，美國麻州波士頓學院教育碩士。 延伸閱讀 Fish Fingers: Digit hom*ologues in Sarcopterygian Fish Fins. Zerina Johanson et al. in JEZ-B Molecular and Developmental Evolution, Vol. 308B, No. 6, pages 757–768; December 15,…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20碳稅的變數問任何一位經濟學家，我們該如何應對氣候變遷，他會告訴你最有效的策略是為溫室氣體排放擬定價格，而理想手段是徵收碳稅。這反映出一個經濟學基本原理：任何活動所產生的廢棄物都是必須付出的成本。我們花錢找人清運垃圾、淨化廢水，也該為燃燒化石燃料等活動所產生的二氧化碳廢氣付費。 我們可以用碳稅或是以限量管制與交易（cap and trade program）來為污染訂價，歐洲國家已針對發電廠與工業界實施，設定碳排放總量限制（又稱限量），減排成本低的廠商可削減排放量，轉賣剩餘的排放額度，減排成本高的廠商購買額度，就能繼續排放。如此增減互補，整體碳排放量可維持在限量之內。但實際上，限量管制與交易中碳的成交價格波動劇烈，且相關體系需要嚴格監管才能防止弊端。 其實何必如此麻煩？碳稅更能確切反映企業評定的碳排放價格。美國已有一套成熟的稅制，能對多種化石燃料徵收消費稅，運作得順暢無比。 基於這類理由，曾於小布希總統任內擔任美國經濟顧問委員會主席的曼修（Gregory Mankiw）大力支持碳稅。跨黨派的氣候領導委員會做為國際政策機構，於去年發表聲明，稱「碳稅可做為最划算的減碳工具，能符合我們所需的規模與速度。」截至本文撰寫時，該聲明已獲3589 位經濟學家連署，包括3 位美國聯邦準備理事會前主席、27 位諾貝爾獎得主與15 位美國經濟顧問委員會前主席。如何因應氣候變遷，成為美國總統大選的主要議題，現在還有八件法案在國會中審查，等著為碳污染訂價，其中一件由80 人連署發起。 然而開徵碳稅是政治上的一大步，此門若開，氣候科學家、經濟學家與政治家便需要準備接招。他們除了要一步到位，還得解釋特定稅率的合理性。 訂定稅率看似簡單：排放每公噸二氧化碳造成多少損害，就收多少稅。但我們如何適當評估損失？ 氣候與經濟的回饋 經濟學家常使用綜合評估模型（integrated assessmentmodels, IAM）來計算氣候變遷造成的損害，這類大型電腦模型能夠找出經濟與氣候之間的回饋效應，用一連串方程式表述全球經濟、世界各地經濟活動造成的碳排放循環，以及大氣與上層海洋溫度升高所造成的損害。IAM甚為重要，美國耶魯大學經濟學家諾德豪斯（William D. Nordhaus）因為在IAM的前瞻成就而獲頒2018 年諾貝爾經濟學獎。 諸如諾德豪斯的氣候經濟動態綜合模型（dynamicintegrated model of climate and economy, DICE）等IAM已成為舉足輕重的政策分析工具。歐巴馬政府推行新法規時（例如2011 年提高汽車油耗標準）就是運用包括DICE 在內的三套IAM，來決定成本效益分析中所使用的金錢價值。 這些模型似能解答訂定合理碳稅稅率可能遇到的問題，但損害的估算取決於若干不確定性甚高的假設，挑戰有三：一是如何衡量現代與未來世代的收入，為此我們需要估算出折現率，這數字對社會安全稅的核定與大型基礎建設專案撥款等許多決策很重要；二是度量排放二氧化碳所造成的損害；三是把發生機率低、高破壞事件（即所謂災難）的可能性納入考量。 最佳稅率的估計會因處理這些因子的方法而有很大的差異。到頭來，IAM雖為美國碳稅政策提供了可靠起點，但各家模型估算出的「合理」數字卻不盡相同，而且還必須考慮社會與政治壓力。影響很巨大：現在歐洲已有15 個國家訂定碳稅，其中兩國低於1 美元，一國訂在121 美元，其他則從2~96美元不等。 碳的社會成本 用稅金補償社會損害的概念可溯及100 多年前。英國劍橋大學經濟學家庇古（Arthur C. Pigou）在此領域有十足影響力，主張污染對某人產生的成本（損害）若不是由污染者負擔，政府就該對污染行為課徵與損害等價的稅。庇古為18 世紀英國經濟學家亞當．史密斯所謂「看不見的手」戴上了環保的綠色手套。 例如燃燒煤時，碳原子在空氣中與氧結合，燃燒一公噸煤產生大約兩公噸二氧化碳。若每公噸二氧化碳造成的損害相當於50 美元，那麼庇古的做法便是對每公噸煤課稅100 美元。如此一來，煤的成本就會包含燃煤對社會產生的成本：碳的社會成本（social cost ofcarbon, SCC）。要估算這個成本，我們需要使用IAM，下面有請諾德豪斯出場。 諾德豪斯於1992 年發表他的第一篇DICE 論文，估計2015 年的SCC為每公噸二氧化碳4.54 美元；到了2015 年，他修正模型把估計值增加為31 美元。假設採行最佳政策，SCC 到2050 年會增長至100 美元出頭，2100 年會來到265 美元（上述數字全是以2010 年的美元計價）。 這些估值在主流IAM 內算是中庸。歐巴馬政府為了評估新法規而估算SCC時，使用了DICE 和其他兩個知名模型FUND與PAGE。FUND對2050 年SCC的估值是DICE 的一半左右，PAGE 的估計值則將近DICE的兩倍。 這些數字聽起來很明確，但麻省理工學院的經濟學家品迪克（Robert Pindyck）認為IAM充滿變數，所以沒有實際效用。儘管他的觀點偏激，我們還是必須認真看待他和其他人提出的課題。讓我們研究一下能對SCC產生重大影響的三個關鍵IAM 假設：折現率、損害函數與可能發生的災難。 不確定因素：折現率 凡涉及不同時間成本與效益的決定，都需要折現率。倘若一項資產在10 年後能賺回1000 美元，那麼這項資產在今天值多少？假設我存了些錢在銀行戶頭，年利率3%，以複利計，那麼今天投資的744 美元過了10 年會增值為1000 美元。換言之，當折現率為3%，10 年後的1000 美元會折合今天的744 美元。 政府需要決定折現率時，可能會採用人們對市場期望的投資報酬率。例如美國預算管理局一般建議在評估法規時採用7%的折現率，因為私人企業近年的投資報酬率約莫此數。 對長期計畫而言，7% 與3% 折現率之間的差異巨大。250 年後的100 萬美元，7% 折現值為今天的4.5 美分，3% 折現值則為今天的618 美元。折現率越高，我們今天為了減少未來碳排放量所花的錢就越少。 7% 的折現率對為期5 ~ 15 年的政府計畫似乎合理，對於氣候相關行動卻不合理，因為今天投資這類行動所獲得的利益，可能影響超過200 年。人們一般不會做200 年的投資，因此沒有相關市場的投資報酬率可供依循。甚至連政府主導的基礎建設投資也是如此，例如美國伊利運河這類基礎建設，使用年限大多有50 ~ 100年，之後才需要改建，或因創新產物問世而廢棄。以運河來說，創新產物先後有鐵路和高速公路。 若說市場報酬率不是良好的標準，那或許能運用經濟學原理。與庇古齊名的英國經濟學家藍西（Frank Ramsey）認為，長遠來看，折現率應考量兩方面：其一反映了倫理決策，關乎我們如何對待不同世代，按理說我們對後代與自己不該有差別待遇，因此該往低折現率靠攏；其二，折現率應把收入隨著時間的變化納入考量，後代越是比我們富裕，我們越不會覺得現在必須承擔成本以讓後代過得更好，因而往高折現率靠攏。 英國經濟學家史登（Nicolas Stern）於2006 年為英國政府撰寫氣候變遷評論，把上述兩因素納入考量。「史登報告」總結，氣候變遷政策的正確折現率為1.4%。以此折算250 年後的100 萬美元，大約是今天的3 萬1000 美元，遠高於用3% 折現率算出的618 美元。基於他的計算，史登認為氣候變遷的代價是削減碳排放量所付出成本的五倍。史登報告營造出現在就必須大規模迅速減少碳排放量的迫切感，影響了全世界。 實務上，各方法所算出的折現率有高有低，我們必須有所調整。方法之一是讓折現率逐年降低。例如，距離現在越久遠的未來，收入的不確定性越大，因此需要有防範因子。已過世的哈佛大學經濟學家魏茨曼（Martin Weitzman）便主張，近期應使用4% 折現率，並隨時間遞減，到久遠的將來（76 ~ 300 年後）則應使用1% 折現率。 經濟學家對於「最佳」折現率終究沒能給出明確的指引，原因之一是在不同世代間做選擇涉及倫理。然而，折現率的小幅變動就可能大幅影響SCC 這個訂定碳稅的重要因子。 不確定因素：損害 估算SCC 會遇到的第二個變數，是碳排放對經濟的損害。在DICE 中，損害是溫度增加量平方的函數，這大致描繪了暖化的複雜衝擊，例如農業生產力減低、高溫與疾病致死率增加、物種消失、旱災促使人口遷移等地緣政治風險。 諾德豪斯和其他專研IAM 的學者把損害函數奠基於現有文獻的回顧，這是好事，因為科學家衡量氣候變遷危害程度的手法已有長足進步。但沒有人能掌握所有可能發生的損害，為彌補這項缺失，諾德豪斯把損害估值提高¼。他的函數導出，地球氣溫上升6℃時全球收入將減損8.5%；相對之下，1929 ~ 1933 年大蕭條期間，美國國內生產毛額（GDP）下跌超過25%。 科學家有一套方法可量化溫度大幅上升的機率。1896 年，瑞典化學家阿瑞尼斯（Svante…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20拒戴口罩的領導者今年4月，美國副總統彭斯參訪明尼蘇達州梅約醫院時，違反了嚴重特殊傳染性肺炎（COVID-19，簡稱新冠肺炎）的防疫措施，他拒絕戴口罩。5 月，美國總統川普參觀口罩製造工廠時，同樣也沒戴口罩。彭斯表示，他想要直視健康照護工作者的眼睛，儘管口罩並不會蓋住眼睛。川普不只一次直白講過，他選擇不要戴口罩。 為什麼？因為「真正的男人」不打安全牌。資料顯示，這種心態讓男性比女性更不願繫上安全帶、甘願冒著更大風險，並提高了意外身故的機率。研究證實，社會把男子氣概視為威望，得來不易卻容易失去。新型冠狀病毒（簡稱新冠病毒）暴露了有些男性領導者重視硬漢形象，更甚於促進共同利益。他們不顧專家警告，輕忽自身對容易感染新冠病毒的人所造成的風險。 新冠病毒大流行期間，領導者一心捍衛男子氣概，會讓國家在兩方面陷入風險。一方面，公眾人物的言行會透過「社會形塑」現象影響支持者。行動電話資料顯示，當巴西總統波索納洛不在乎新冠病毒大流行後，巴西民眾的社交距離也縮短了。川普在推特發文，鼓勵美國人違抗居家令。當領導者不認可防疫措施，甚至公然藐視，遵照防疫措施的民眾就變得越少。 另一方面，根據我、伯達爾（Jennifer Berdahl）和艾朗索（Natalya Alonso）的研究顯示，當領導者贊同超級男子氣概的標準，拙劣決策和組織失能也會隨之出現。在一項將近2000 人參與的研究中，我們檢視了所謂的「男子氣概競爭文化量表」，詢問受試者一些特定規範，以評估組織文化是否嘉許不適當的行為。 試想兩項規範。第一項規範是「不能示弱」；承認不知道答案以及尋求其他人建議，都會被視為軟弱。川普抵制專家意見以及展現「我自己能解決」的態度，就是這種心態的例子。當領導者認為聽取專家意見，會破壞自己的男子氣概，科學就很難轉化為政策。 另一項規範是「狗咬狗競爭」，評估項目包括「只能選擇『要』或『不要』」和「要小心別人暗算」等。每種狀況都是零和賽局，會引發懷疑、拒絕承認錯誤、要求完全忠誠，以及秋後算帳。後果是，這種成王敗寇的文化讓同事經常互相競爭而不願合作，例如川普威脅那些批評他的州長，要扣留該州的關鍵補給品。 這次大流行揭露了國家領導者做出這種行為的危險性。據說川普害怕病菌，即使在從前也討厭跟人握手，但他到了3月還跟很多人握手。英國首相強生同樣在疫情爆發時堅持跟人握手，《衛報》替他貼上「超級傳播者」的標籤。波索納洛則吹噓自己因熱愛運動而免受感染，仍持續走進人群、跟人握手，甚至擁抱支持者。相較之下，女性領導的國家（例如紐西蘭和德國）普遍表現較好，她們授權科學家，並支持防疫措施。 有一件事很重要，並非所有男性領導者都重視男子氣概，遠勝過拯救人命。例如，美國航空母艦羅斯福號前艦長克勞齊上校，優先考慮水手的福祉。他要求撤離並隔離組員，竟遭人拖延並回絕，但他堅持尋求幫助。之後他遭撤職，離船時組員鼓掌送別。紐約州長古莫把重點放在公共目標，盡全力降低新冠肺炎死亡人數。 有效的領導來自對使命的承諾。不幸的是，在當前的新冠病毒危機中，川普還是會持續藐視專家意見，以顯示他是硬漢，然後傷害我們所有人。…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20反科學的邏輯謬誤我們的世界充斥著無數的邏輯謬誤，我在大學裡學了不少。好的邏輯其實相當有限，它們主要由「肯定前件」（若A 為真，則B 為真；A 為真，故B為真）與「否定後件」（若A 為真，則B 為真；B 不為真，故A不為真）所構成。 反觀邏輯謬誤則千奇百怪。科學界最討厭的情況一般是：我推論若P 則Q，便設計一項實驗看看會不會得到Q，一旦得出Q，便說P 為真。可惜這樣的邏輯演繹並不正確。Q會成立的原因很多，可能都與我的推論無甚關聯。然而科學家老犯這種錯誤，惹得哲學家波柏（Karl Popper）嚷嚷科學方法根本是（或至少應該是）唬人的。波柏堅稱誰都無法證明一項理論是對的，因為你需要窮盡一切方法來檢驗，而這根本不可能；但只要有一個反例，就能證明理論是錯的。 波柏的理論儘管不太直觀，許多科學家卻被其明確性與（看似）嚴謹的邏輯吸引。但這裡也有個破綻：我的實驗可能會因為某些與理論無關的原因而失敗，例如實驗設計不夠靈敏，測不出預期的效果。這個問題在邏輯上無解，但科學家多半透過共識（詢問哪種解釋與各方的證據最為吻合）或推理出最佳解釋（從各種角度看問題，看哪種解釋最說得通）來嘗試解決。 由此可見邏輯謬誤無所不在且未必容易駁斥，真相並非不證自明，至少在科學中是如此。這也解釋反科學論調何以容易出現卻難以消滅。今天我們活在反科學氣焰囂張的時代，從嚴重特殊傳染性肺炎（簡稱新冠肺炎）到氣候變遷一概遭到否定，各種錯誤資訊滿天飛，例如美國喬治梅森大學的庫克（John Cook）分析過與否認氣候變遷有關的邏輯謬誤與曲解，包括妄下定論、選擇性揭露數據、提出無法達成的期望、聽信冒牌專家、散佈陰謀論以及質疑科學家的動機。但這些特定謬誤的背後還有更大的謬誤，稱為「超級謬論」，這也能說明那些對人為氣候變遷的科學證據心懷抗拒的群眾裡，何以會有如此多的人也質疑新冠肺炎的相關證據。 這類現象如此普遍，哲學家竟沒為此創造一個正式名稱，頗令人意外。但我們可以把它視為種種社會學家所稱的「連帶否定」（implicatory denial）。我這麼詮釋「連帶否定」：若P 即Q，但我不喜歡Q，所以P 一定不對。這就是大多數抵制科學心態背後的邏輯（或不合邏輯的）基調。 例如，關於氣候變遷：我拒絕接受「市場機制無法發揮作用，我們需要政府干預來挽救市場失靈」的說法；關於演化論：我會被「生命形成是隨機事件，別無特殊意涵，上帝並不存在」的論調惹毛；關於新冠肺炎：我痛恨足不出戶、失去收入或是聽政府命令行事。 這些排斥心理有時是誤會一場，演化論可沒證明上帝不存在。其他情況則是實情，氣候變遷就是一種市場失靈，得要政府出手處理。美國欠缺普篩與接觸者追蹤體系，人們若不待在家裡，便無法減緩新冠肺炎擴散。新冠肺炎已讓我們見識到「連帶否定」多麼危險，當我們因為討厭某些證據的意涵而心生抗拒，便自曝於風險之中。 美國原本可以更快採取行動來防範疫情擴大，如此就能保住性命與飯碗，但事實總難盡如人意。反科學論調早晚會被鐵錚錚的事實擊破，問題只在我們能否堅持捍衛科學到底。…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20新渡戶歪白蟻的超高速大顎彈擊你知道世界上高速運動生物的榜首是誰嗎？答案是新渡戶歪白蟻（Pericapritermes nitobei ）的兵蟻，牠的大顎彈動速度可高達每秒132 公尺。這項研究從我（關貫之）大學二年級就開始進行，花了五年才完成。 故事回到2015 年，我剛轉系到中興大學昆蟲學系，在各間實驗室串門子，有一天遇到當時的博士生邱俊禕。閒聊中，我提到自己正在煩惱物理課的報告選題，邱俊禕忽然用鑷子從培養皿中夾出一隻兵蟻，轉過頭來對我說：「新渡戶歪白蟻的兵蟻會用右大顎壓彎左大顎來引發彈擊，速度非常快，我覺得測量它的速度是很好的題目。」話一說完便把兵蟻丟進玻璃樣本瓶，兵蟻立刻用大顎敲擊玻璃、發出清脆的聲響。我當時被這隻小蟲子的驚人力量深深吸引，開始查找相關資料。 白蟻兵力有多強大？ 白蟻是社會性昆蟲，主要天敵是螞蟻，牠們演化出各式兵蟻來對抗螞蟻，大部份兵蟻用剪刀狀大顎夾咬敵人；有些兵蟻大顎退化，改用頭部發達的管狀構造噴出化學物質來防禦；另一類兵蟻具有彈性大顎，又可分成兩型：對稱型透過兩邊大顎相互擠壓、滑開彈擊；不對稱型的左大顎呈彎曲形狀，遇到敵人時會使用右大顎把左大顎壓得更彎，再滑開彈擊。台灣有兩種白蟻具有不對稱型大顎，分別是霧社華歪白蟻（Sinocaprit ermesmushae ）和新渡戶歪白蟻。 2015 年高速運動紀錄保持者巴拿馬小白蟻（Termespanamaensis ）和鋸針蟻（Odontomachus bauri ）都是同時彈動兩根大顎，但新渡戶歪白蟻卻只彈動左大顎，把能量集中在一根大顎上，彈動速度可能更快。我依照邱俊禕的建議、以新渡戶歪白蟻的兵蟻大顎彈擊為題設計實驗，在期末獲得高分，後來受普通物理課教師、生物物理學家紀凱容的指導，申請到2016 年科技部大專學生研究計畫。遞交申請書前，我希望能找昆蟲學系教授李後鋒共同指導，才剛表明來意，李後鋒就笑著說：「歪白蟻大顎運動速度極快在學界已經流傳一段時間，但還沒證實。」主要原因是：擁有超高速攝影機的國家大多在北溫帶，而歪白蟻主要分佈在熱帶及亞熱帶。此外，歪白蟻難以人工飼養，帶離土壤後只能存活一小段時間。因此，有設備的地方無法取得樣本，有樣本的地方缺乏設備，台灣正是後者。 我們一開始就遭遇更大的問題：沒辦法直接拍攝。經過幾個月的沉澱，我開始嘗試間接測量，找一個物體讓新渡戶歪白蟻的兵蟻擊打，透過物體擊出的速度推算動能，再根據能量守恆原理換算大顎的彈動速度。可是該如何找到合適的物體讓兵蟻擊打？我嘗試了BB彈以及各種大小的保麗龍球，都失敗告終，最後發現原子筆尖端的鋼珠密度大、體積小，高度跟兵蟻大顎末端相似，重量接近兵蟻的體重，非常適合。最重要的是操作難度低，我只要用鑷子把鋼珠放在兵蟻前方，牠就會把鋼珠擊飛出去，過程中也只需要使用每秒拍攝數千張的高速攝影機，就可以清楚記錄。 破紀錄的高速運動 解決技術上的難題，我們著手採集新渡戶歪白蟻樣本。新渡戶歪白蟻並不吃木頭，而是取食土壤，最直接的方法是拿著鏟子到處挖土。邱俊禕研究新渡戶歪白蟻已經一段時間，總能輕易挖到牠們。但令人沮喪的是，兵蟻階級只佔白蟻巢群體不到5%，數百隻蟻中只能挑出2~3隻兵蟻。最終，我們測試了15 隻兵蟻，成功記錄到將近100 次的打擊行為。 新渡戶歪白蟻的兵蟻左大顎形狀特殊，形似「7」，但末端基部較膨大，彎折處細長，運動機制上有點像球桿。當鋼珠被擊出產生直線運動，兵蟻本身會因反作用力向後旋轉。由於動能是由質量與速度所產生，透過微量天平測得左大顎質量，便能計算出大顎彈動的平均速度約為每秒60 公尺，最高可至每秒100 多公尺，產生的撞擊力超過120 毫牛頓。統計鋼珠的路徑，兵蟻趨向在大顎與體軸夾45 度角時打中鋼珠，此時彈性位能最小、動能最大、撞擊力最強。因為兵蟻眼睛退化，對於外界的感應主要來自觸覺跟嗅覺，除了同伴以外，會攻擊所有被觸角偵測到的物體。在高速攝影機鏡頭下，兵蟻會用兩根觸角抵住鋼珠，在高速彈擊發生前的0.03秒，迅速舉起觸角以避免被打到。在這些條件下，兵蟻仍能精準打中鋼珠，實在令人驚歎。 取得大量擊球數據後，我們遇到千載難逢的機會。2017 年中，每秒可以拍攝100 萬張的超高速攝影機廠商來亞洲展示，我們成功借用並拍攝兩段珍貴的影片，其中一段完整記錄兵蟻的彈擊動作，速度高達每秒132 公尺，證明我們保守估計每秒超過100公尺是正確的。研究團隊開心之餘，也著手進行下一步的計畫，希望研究更多類型的歪白蟻大顎，並比較、探討其功能型態。 新渡戶歪白蟻小檔案 只分佈在亞洲和東南亞，白蟻科（Termitidae）、近歪白蟻屬（Pericapritermes ）。 棲息於森林土壤表層，會在土壤中挖掘孔道並建立分散的巢腔，以有機質為食。 巢中個體包含生殖階級（蟻王、蟻后）、工蟻與兵蟻。工蟻消化道存在共生細菌，可協助消化有機質。兵蟻左大顎特化且具彈性，可在右大顎擠壓下高速彈擊。 關於作者 關貫之畢業於中興大學昆蟲學系，專長為生物生態學。 邱俊禕是中興大學昆蟲學系博士後研究員，專長為白蟻防治、分類與生態學。 李後鋒是中興大學昆蟲學系教授，研究領域為都市昆蟲學、森林昆蟲學，獲108 年度科技部吳大猷先生紀念獎。…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20讀者論壇 Letters2020未來醫學「阿茲海默症的明天 偏食是不健康的飲食習慣，閱讀的偏食呢？透過買書提升科學素養，日積月累，書架上同質性的書越來越多，其他書籍則是在書店一翻，就被擱下。但是《科學人》就像營養師調配的套餐，每篇文章或切合時事，或引領趨勢；更重要的是，每期主題各有特色，有些甚至是我完全未涉獵過的範疇。這類我較陌生的科學知識，在每次努力閱讀後，慢慢成為繼續學習的養份。 本期封面故事深得我心，讀起來津津有味。不過，我也知道量子力學、熱力學、AI 科技、天文學等科普知識，對人類生活的影響一樣深遠。飲食均衡，已成共識，那科學素養該如何均衡發展？翻開《科學人》，應該是個不錯的開始。 ―宜蘭 樓元玨 〈飛機升力不只白努利〉 飛機是現代人不可或缺的交通工具，但我們仍對這項歷經將近兩甲子的發明有許多的疑問。我不禁好奇，當初萊特兄弟如何製造出飛機？但願完整的理論能盡快出現，使飛機更省油、更環保。 ―台北 吳泰澄 本文讓我想起在中學物理課學習白努利定律時的疑問，機翼上方的弧線怎麼會讓空氣流速加快？但因為考試不考，也就不再追究，於是拋諸腦後幾十年。現在才知道這是一個大哉問，至今尚無明確答案。所以中學生提出的疑問也能夠很有深度，因此別怕問問題，說不定一問就採到金礦了。 ―新竹 張修明 健康與科學〈增強免疫力沒有神奇處方〉 當新冠肺炎疫情讓人恐慌、失去判斷力時，有些商人趁機宣稱某食品或用品可以提升免疫力以戰勝病毒，但往往誇大不實。在漫長的演化路上，人類祖先已發展出度過危機的方法：均衡飲食、充足睡眠以及規律生活。另外如本文所述，攝取礦物質鋅可縮短病程、維生素C可降低自體免疫對組織的傷害等。回歸自然的本質，便能讓自己平安度過新冠肺炎危機。 ―高雄 羅家賢 科學人新聞〈麻瓜版「劫盜地圖」〉 看完本文後，印象深刻。隨著巨量資料分析的興起，越來越多以往不被重視的東西，現今卻扮演著重要角色。如同本文所提到的，透過步態分析，不只能確認個人身分，也可得知個人的健康狀況，讓照護人員能第一時間處理老年人或小嬰兒的問題，令人大感興奮。雖然目前還在開發階段，但對於已步入高齡化社會的台灣，政府可以結合該項技術，並擴大應用在長照上，如此一來，能讓未來的長照系統變得更有效率和實用，著實令人期待！ ―高雄 王景勳 科學人新聞〈永恆的生育力〉 今年台灣人口呈現負成長，而貝螅身上的Tfap2 基因，可以使牠無限產出精子及卵子，讓我們對少子化有了不同期待。因為身旁的親友，不乏年紀達不惑之年才想有個孩子，或借助人工生殖屢未有成。人體也有Tfap2 基因，透過觸發生殖細胞的生成調控研究，或許有朝一日可以一圓老年得子的夢；再者，本文指出Tfap2 變異可能與睾丸癌及卵巢癌有關，若能藉此防癌，或可讓高齡者的生活品質更好。 ―高雄 蔡孟靜 本單元歡迎讀者踴躍來信，發表感想與建言。請利用本期雜誌第107頁所附「讀者意見調查表」或直接e-mail 至 editors@sa.ylib.com ，也可到 臉書：《科學人》粉絲團留言。若獲刊出，將致贈漫遊者文化《三千分之一的森林》一冊或其他科普好書。 為感謝讀者寄回222 期「讀者意見調查表」，來信獲刊出者及下列讀者，將獲贈《隱形殺手 空汙》一冊：潘錫安、蔡頤錦。…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20找東西不只是視覺工作我們每天都花很多時間四處掃視、尋找物品（例如鑰匙或番茄醬）。美國約翰霍普金斯大學認知神經科學家費雪（Jason Fischer）表示，我們找東西的方式讓科學家可以探究大腦如何過濾眼睛接收到的資訊。過去的研究著重探討容易分辨的明顯視覺特性（例如顏色、形狀和大小），然而物品的內在物理特性（例如無法以視覺辨識，但可由經驗得知的硬度）其實也會發揮作用。 費雪是這篇新論文的資深作者，他說：「你也許無法馬上判斷一塊磚頭是否比汽水罐重、比一塊蛋糕硬，但你心知肚明，這讓你得以比較磚塊與其他物品。我們想探討的是，透過物品內在物理特性的知識能否幫助快速尋物。」這項研究由研究生郭力（Li Guo）主導，今年5 月發表在《實驗心理學期刊：總論》線上版。 研究人員請受試者以最快速度從眾多物品的圖片中挑出特定物品。每張圖片都以物品的顏色、大小和形狀做為控制變因，因此受試者無法光靠簡單的視覺線索判斷。舉例來說，當他們要求受試者尋找砧板，其他圖片便包含了比較軟但顏色相近的物品（例如可頌麵包和繃帶），以及形狀相近的物品（例如海綿、枕頭和紙袋）。 費雪說，研究人員發現人會自動利用對物品硬度的認知，加快尋找速度。研究團隊追蹤受試者的眼球運動，發現他們花比較少時間檢視硬度不符的物品。郭力說，就連圖片顯示最簡單的黑白線條圖案，只能隱約看出一些物理特徵，受試者的反應亦是如此。 費雪解釋：「當我尋找物品，光想著這件物品就會喚起相關的有用資訊，大腦利用這些資訊以最有效率的方式搜尋。這是人們不自覺便會施展的天生技能。」 未參與這項研究的德國吉森大學視覺研究科學家保倫（Vivian C.Paulun）評論，這項研究顯示透過觸覺特性的關聯來影響視覺上的注意力。保倫說：「下一步顯然要測試這種效應能否應用於其他非視覺物理特性（例如易碎度）。這將進一步證明，物品的物理特性會引導視覺注意力。…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20蚊子的尖峰時刻2016 年日食期間在坦尚尼亞，瑞典隆德大學（Lund University）研究團隊把一束紅外光雷射投射到變暗的天空中，測量昆蟲對不尋常的暮光會有何反應。之後他們繼續監測了四天五夜，這套以雷射為基礎的系統是雷射雷達（lidar，又稱光達），在這段期間偵測到超過30 萬隻昆蟲。 其中包含一類世界上最致命的昆蟲：蚊子。帶有瘧原蟲的瘧蚊每年造成的瘧疾死亡人數高達50萬。早晨和黃昏是蚊子的「尖峰時刻」，研究人員每天測量到大量蚊子飛翔的時間幾乎相同。而他們發現日食也招來大量蚊子。這個結果顯示，大自然中蚊子活動的要素不是日變節律（circadian rhythm），而是光量。重要的是，這項研究展現出雷射雷達評估瘧疾風險和預防的潛力，還能幫助收集昆蟲學數據。這項研究發表於今年5 月的《科學進展》。 第一作者布里德高（Mikkel Brydegaard）是隆德大學物理學家，他說這項研究讓「科學家首次在野外自然狀態下區分昆蟲。」 這項研究測試了由布里德高發明、在世界各地使用的一種昆蟲雷射雷達。在此系統中，飛過雷射雷達光束的每隻昆蟲會把光反射回一具望遠鏡，研究人員分析這種稱為背向散射（backscatter）的光可以得知昆蟲翅膀振動的頻率，並且能夠確認昆蟲的數量和種類。研究團隊能夠鑑別蚊、蛾、蠅和蠓，甚至可以區分雄蚊和雌蚊。 研究瘧疾的科學家通常用陷阱來捕捉不同生長階段的蚊子，然後在實驗室中分析牠們的基因，但這種方法耗時且昂貴，也無法估計族群隨著時間的變化，或評估噴藥等田間管理措施的效果。 美國紐澤西理工學院物理學家湯瑪斯（Benjamin Thomas）評論：「他們證實使用這種型式的雷射雷達在日食與平時都可追蹤昆蟲族群，而且精準度提高非常多。」他並未參與這項研究，但也會嘗試使用雷射雷達研究昆蟲，如今這樣的科學家越來越多，「雷射雷達可以觀察到成千上萬的昆蟲，終於打開了監測昆蟲族群的大門。」 科學家認為雷射雷達可用於發佈瘧疾風險警報，就如氣象站可以預警暴風雨即將到來。而監測蚊子只是這種科技的多種應用之一；布里德高說，雷射雷達也可以用來偵測授粉者的多樣性、監測農田或保護區的害蟲。…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20人骨記錄海嘯災害2004年發生在印度洋的地震引發海嘯由蘇門答臘向外傳遞，摧毀東南亞的海岸，然而海嘯抵達非洲時造成的災害較輕微，許多科學家自此認為東非的海嘯風險相對較低。但一項在坦尚尼亞東北部潘加尼灣（Pangani Bay）的新研究發現，一個形成於1000 年前佈滿人骨的砂層曾遭海嘯重擊，重新讓科學家注意到此處也可能受滔天巨浪威脅。 由地質學家組成的國際團隊藉由坦尚尼亞沙蘭港大學考古學家進行多年的野外工作成果，加上對砂層進行的地震電腦模擬分析，顯示古潘加尼灣的漁業聚落曾遭受來自蘇門答臘－安達曼斷層隱沒帶的海嘯破壞，這與2004 年的海嘯來源相同。這篇論文發表於今年5 月的線上期刊《地質》，第一作者加拿大新斯科細亞省達豪士大學的瑪塞利（Vittorio Maselli）是國家地理探險家。研究人員在砂層內發現由海浪席捲而來的沉積物，例如微小海洋動物群，以及無法歸因於疾病、暴力或傳統葬儀而遺留的破碎人骨。瑪塞利表示：「綜合所有分析，海嘯是最好解釋。」 東非綿長的海岸線有許多未經描繪的海床且覆蓋著砂層，要了解此區的海嘯風險需要一連串資料點，這項研究可做為開端。而且此項研究也和其他地方的證據相符：在印度洋對岸，研究人員於許多2004 年海嘯重創的沿海區域也找到數千年前類似的海嘯沉積物。美國西北大學的地震學家歐卡爾（EmileOkal）並未參與該研究，他評論：「也許最有趣的部份，是我的同事在印度東岸的研究也得到相符的結果。從地質學觀點，我認為這項研究非常有貢獻。」 雖然要完全了解這個區域的海嘯風險，還有更多工作尚待進行，但研究人員表示，他們的研究確認了這個快速都市化的區域存在天然災害威脅，可以讓開發者參考。論文共同作者、美國厄爾漢學院的地質學家摩爾（Andrew Moore）表示：「對我來說，這對長期發展計畫是個警訊，提醒我們必須檢視其他地方的海嘯沉積物。」 更多研究將有助於查明東非大城市未來的風險，瑪塞利表示：「目前我們只了解整個非洲大陸的其中一處。我們的主張是『看看我們的發現⋯⋯讓我們回到東非並做出更多的研究。』…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20連結知識的持續識別碼現今的學術出版品已經全面數位化了。雖然有些期刊還以紙本發行，但同時一定會有電子版；期刊論文就是電子檔，可在期刊網站閱覽或下載使用。 對於論文的引用，除了沿循傳統方式詳列作者、篇名、期刊名、刊出日期等，眾人也逐漸以「數位物件識別碼」（DOI）來指稱並取用論文。例如doi:10.1000/182代表DOI Handbook 這份出版品；如果讀者不知道這個數位識別碼所代表的物件，可以透過DOI網站查詢，或是直接造訪網頁 https://doi.org/10.1000/182 ，經由DOI的解析服務，取得DOI Handbook 的資訊。類似的識別碼還有「國際標準期刊號」（ISSN），例如ISSN 1682-2811是台灣出版的一份月刊《科學人》雜誌，在封面的條碼上就可看到這個資訊。 論文的作者也有識別碼，可用來區分同名但不同人的學者。研究人員可申請「開放型研究者與貢獻者識別碼」（ORCID），把所發表的論文歸類在自己的ORCID。研究機構也有全球的識別碼系統，常用的有「研究機構登錄」（ROR）以及「全球研究識別碼資料庫」（GRID）兩家。除了DOI以及ISSN，期刊論文的「後設資料」（metadata）也開始記錄作者的ORCID以及其任職機構的識別碼。大量論文引用資訊在編碼後，論文的內容結構與彼此的連結更為精確，可用來了解研究人員之間的合作網絡、分析論文相互引用的群聚情形，或是探索研究機構在期刊發表管道上的偏好取向。 圖書館用來編目的「標題詞」（subject heading）也是一種識別碼系統，可標記專書及論文內容的主題。不同圖書館的標題詞系統或許不同，但只要能相互參照，就可跨館檢索書目。標題詞指涉範圍的上下位關係，通常會在系統中註明，方便進行廣義或狹義的搜尋。 常會在系統中註明，方便進行廣義或狹義的搜尋。這類識別碼有時稱為唯一識別碼，也常稱為「持續識別碼」（persistent identifier）。也就是個別識別碼與所指涉的概念或個體，保持唯一以及持續的關係，不會任意變動。持續識別碼系統的維護機構非常多樣，有非營利民間組織例如ORCID、國際標準組織（例如ISO 3166「國家與地區代碼表」）或是商業公司，也有完全由使用社群自主維護的，最知名的應該就是「維基資料」這項由維基媒體基金會所支持的協作專案了。 我們從較熟悉的維基百科網站上，就能連結到維基資料。例如在「鄭成功」頁面點選左方「工具」選項的「維基數據項目」，就能得到鄭成功的維基資料頁面，其中Q197615就是它在維基資料的識別碼。而「蘭嶼」在維基資料的識別碼是Q701647，透過編碼後的事實敘述，我們知道它是座島嶼，面積45 平方公里，英文名為Orchid Island，屬於台東縣（識別碼 Q249904）。 維基資料的各條目也連結到其他的識別碼系統（例如蘭嶼在美國國會圖書館的標題詞是sh85074273），以及其在維基百科各種語言版本的詞條網址。人名與地名透過標準的編碼與關聯註記，讓我們知道鄭成功、國姓爺和Koxinga指稱的是同一位歷史人物，以及地理上的台灣包括澎湖群島和蘭嶼。對知識概念與個體持續進行編碼，並且維護不同編碼系統之間的對應，再透過不同來源但編碼過後的大量事實資訊，也就能以自動化方式來探索知識，這對眾人而言會是非常便利的事。 維基資料上約有三成是學術論文條目。這些論文條目都有DOI，論文作者也連結到維基資料的人物條目以及ORCID，論文主題也有編碼（例如Q84263196用來標記主題為COVID-19的論文）。丹麥科技大學的尼爾森（Finn Årup Nielsen）等人發起Scholia專案，以維基資料的條目為基礎，視覺化呈現研究主題、研究人員和研究論文的關聯。這項工作相當受到注目。 使用公眾維護的大量事實資訊，以持續識別碼進行系統性連結，並發展成眾人可自由使用的資訊工具與服務，這對於人類知識的共同生產與使用，再再指向令人嚮往的前景。…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20熱力學第二定律依舊燒滾滾效率與散熱是現代人對於手機與電腦的基本要求，而隨著晶片尺寸不斷縮小，操控小到原子尺度法則的量子電腦應運而生。量子電腦以及相關研究迫使科學家認真思索一個問題：已有大約200年歷史的熱力學第二定律與年紀只有一半的量子力學可否老少配，用來處理原子尺度的熱效率問題嗎？ 熱，散亂分佈的能量 顧名思義，熱力學就是關於熱的科學。但什麼是熱？室溫下的一塊金屬擺在我們面前，就算盯著它瞪上10 分鐘，也看不出它隨著時間的變化。在巨觀上，我們會認定它處於熱平衡；若縮小到原子尺度，則會發現金屬塊其實是由非常多的原子以相當規則的方式排列在一起，只是每個原子在自己的平衡位置處產生上下左右、挺複雜的小幅度振動。原子會產生這種看似無規律運動，就是源自系統具有的熱能。一旦金屬的溫度升高，則這些熱振動也會加劇。假若抓起這塊金屬朝空中拋出去，則金屬塊內每個振動中的原子同時多了相同的速度並改變其動能，而金屬塊在地球重力場的高度有了改變，也會增加一些重力位能，但這類整體共同運動增加的動能與位能並不是熱能。 再舉一個例子：高溫的金屬空腔內充斥著各種頻率的電磁波，這是因為金屬壁的原子以及電子都有很複雜的熱運動，帶電的原子核以及電子都會因為不斷改變運動狀態而發射電磁波。另一方面，空腔中的這些電磁波也會干擾、影響金屬壁組成粒子的運動。當這些電磁波與金屬壁透過交互作用而達到熱平衡時，此空腔內的電磁波能量也屬於熱能。籠統地說，當系統的能量以非常多而複雜的方式分散給其內部的組成單元時，便將之歸類為熱能。如此說來，熱能有點像是覆水難收的能量，因為能量已被分散、下放出去，所以要統整成有秩序的能量（例如完全轉化成讓金屬塊朝單一方向運動的動能），難度就非常高了。 熱，從高溫流向低溫？ 當高溫的A金屬塊與低溫的B金屬塊接觸一段時間，則A一定會把一部份熱能傳遞給B，而這很容易透過原子論來解釋：兩金屬塊接觸時，因為平均來說A的原子振動較為劇烈，很容易帶動B接觸面之間的原子，使之加劇振動，於是熱能便由A傳遞給B。 但如果只讓兩金屬塊彼此接近、並未緊貼，而且我們運氣也夠好，使得A原子在離開A金屬表面並接觸B金屬塊時剛好振動較慢、而處於類似情況的B原子振動也剛好較劇烈，則極短時間內B原子會轉移一些能量給A原子。若我們在那電光石火的瞬間後，迅即分離兩塊金屬，那麼低溫的B金屬塊會貢獻出些許熱能給高溫的A金屬塊，於是違反我們生活經驗的事件就發生了！ 此事發生的機會其實非常渺小，因為需要太多的機緣湊巧，但它明白地告訴我們一個熱力學的特性：如果交互作用的時間過於短暫、以致於我們無法有效估算平均效果，或者實際進行交互作用的實體很微小、自由度很低，那麼就可以違反我們習以為常的熱力學經驗（參見2008年12月號〈更完備的熱力學第二定律〉）。 但這並不表示一個很單純的小系統，就不能套用熱力學定律。如果把一個氫原子限制在金屬盒內運動，此時氫原子與金屬壁上的原子所發生的交互作用絕不是彈性碰撞，於是氫原子的能量便時高時低。只要觀察一段較長的時間，我們會發現氫原子能量的起伏會遵守特定分佈，其分佈形式並不違反熱力學。在實驗中，科學家通常利用極具巧思的外加電磁場（而非實體盒子）來框住一個原子，此結論仍然成立。 等熱不等值！ 如果政府在疫情期間發放1萬5000元的不排富急救金，給一戶每月收入只有2萬元的五口之家，這筆錢帶給此家庭的幸福感，絕對有別於同是五口卻身家百億的豪門。熱能也是如此：把一焦耳的熱能灌入將近絕對零度的金屬塊，這對它內部原子所造成的熱擾動，會遠比灌入100℃、原子已經在劇烈振動的金屬塊更強烈。為了把輸入的熱能對系統造成的擾亂加以定量，而且兼顧溫度差所造成的影響，科學家把輸入的熱能除以系統的絕對溫度，稱為系統「熵」的增加量。當熱物體A與冷物體B接觸時，A會把一些熱能傳遞給B，但A損失熱能所減少的熵比B獲得熱能所增加的熵還小，損益相抵後兩者熵的總和仍有增加。從統計觀點，因為熱能自A傳至B可以使能量更加分散，所以它自發地發生了。 從這觀點看，在完全不影響其他東西的情況下，想把散亂分佈的熱能從單一物體中抽出，並將之完全轉化成有秩序的能量（例如舉起重物或使之運動）；這是辦不到的，因為整體的熵變少了，而這正符合熱力學第二定律所說的。但若能發明一部機器，使之在反覆運作下，從高溫物體抽取一大堆的熱，來將之部份轉化成有秩序的能量，同時把餘熱完全排放給某個低溫物體，使得系統熵的總和仍然增加、最後能量的分佈更加散亂，這做法則是行得通的。人類發明的各式熱機例如蒸汽機，總會在某步驟中排放廢熱，原因在此。 把熱機反過來運轉，我們可以透過外力把有秩序的能量（例如電能）導入，迫使低溫物體釋出一些熱能，但我們須為此付出代價，也就是這兩種能量會合在一起，由機器以廢熱形式全數排放給高溫物體。家中冷氣機在炎炎夏日幹的正是這等好事！ 熱力學第二定律也可用以解釋冰塊的復冰現象以及壓力鍋的原理。而黑洞互相吞噬後的質量會大於合併前兩黑洞的質量和，這筆帳竟然也可以算在它頭上！ 量子亂入熱力學 如前所述，當交互作用的時間縮到很短，或系統的尺度與自由度變得很小時，我們套用熱力學定律時就得更加謹慎。有趣的是，量子力學處理此類系統正如庖丁解牛、從未失誤！事實上，在原子的尺度中，粒子的波動性隨處可見，而在進行量子現象的測量時，測量結果本身還可能會因為測不準原理而表現出隨機的混亂性。 把量子與生俱來的不確定性，與本質上同樣具有起伏與統計性的熱力學整合在一起，這不僅是非常有趣的研究，也是我們不得不嚴肅面對的問題，因為隨著奈米科技的進步，發展原子尺度的量子電腦已經箭在弦上，更何況科學家也有能力在實驗上精確操控單一原子與電子，並觀察它們的動態表現。注入量子新血的熱力學第二定律是否將為我們帶來復活節彩蛋？好奇的你，不妨享讀38頁〈量子蒸汽龐克〉！…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20自主戰爭， 毀滅倒數去年9月，18 架裝滿炸彈的無人機隊和7 枚巡弋飛彈壓制了沙烏地阿拉伯先進的防空系統，衝進艾卜蓋格（Abqaiq）和庫來（Khurais）的油田與加工設施。葉門的胡塞（Houthi）叛軍聲稱這次精密奇襲是由他們發動，沙烏地阿拉伯的原油和天然氣輸出因此腰斬，迫使全球油價上漲。這些無人機可能不是全自主性，它們選擇目標（例如特定的儲油槽或精煉廠）時沒有彼此溝通；相反地，每架無人機已經設定好精確座標，藉由衛星定位系統導航而飛越幾百公里。 然而就在你閱讀這篇文章時，全自主性武器系統（autonomous weapons system, AWS）可能已經在戰區運作。今年初土耳其宣佈計畫，要採用由自主性的卡古（Kargu）四軸飛行器組成的無人機隊來對付敘利亞軍隊，而俄羅斯也在為土耳其研發空中無人機隊。AWS一旦升空，就會找尋、追蹤並選擇目標，並以強大火力發動攻擊，過程中完全不需要人類監督。 自主性武器不是具有自我意識、形體像人、密謀要接管世界的「魔鬼終結者」機器人，而是由電腦控制的戰車、飛機、戰艦和潛艦。即使如此，它的出現仍代表戰爭的本質會澈底改變。人類把殺戮的決定外包給機器，所有人在攻擊執行前皆無法監督以確認其合法性。2000 年代中期，美國國防部表明有意為各軍種研發自主性武器，自此開啟了全球的人工智慧（AI）武器競賽，每個國際強權和幾個實力稍弱的國家都一直想要獲得這些系統。根據美國國防部長艾斯培（Mark Esper）的說法，中國已經出口AWS到中東。 自主性武器種類繁多，在軍事上頗具吸引力。例如，美國海軍的無人戰鬥機X-47B 在強風的天候下也能於航空母艦上起降，而且能空中加油，攻擊範圍是人類駕駛戰鬥機的10 倍。美國也研發了無人越洋戰艦「海獵號」（Sea Hunter），由一小隊分散式敏捷獵潛潛艦護衛。去年1 月，海獵號從美國聖地牙哥航行至夏威夷後折返，展示此款戰艦適用於太平洋。俄羅斯也正研發先進且自動化的T-14 阿瑪塔（Armata）戰車，據推測會部署在歐洲邊境。武器製造商卡拉希尼可夫（Kalashnikov）已經展示裝在既有武器系統（例如火砲和戰車）上的全自動戰鬥模組，讓這些武器系統能偵測、選擇並攻擊目標。中國也不甘示弱，開始研究AI驅動的戰車和戰艦，以及超音速自主性空對空戰鬥機「暗箭」，它能迅速且激烈翻轉，產生的重力足以讓人類駕駛喪命。 因為競爭激烈，焦點立刻轉移到更快的機器和自主性無人機隊，它們能以大規模、多管齊下和協調攻擊來擊潰敵人的防禦。推動這類武器的力量，大多來自期待豐厚利潤的國防承包商，但高階軍事指揮官對於在AI軍備競賽中落後感到緊張，因此他們也扮演重要角色。有些國家（尤其是美國和俄羅斯）只看到AWS 的潛在軍事優勢，偏狹的觀點讓他們忽略敵人迎頭趕上時，可能發展出多麼令人不安的狀況。 身為機器人學家，我第一次得知打造AWS 的計畫，就體認到人類必須確實掌控武器系統。我們面臨戰爭的新時代，非常像核子戰爭的開端。不是歷史學家也能了解，一旦新等級的武器落入軍事強權手裡，使用率就會增加，讓人類面臨今日難以想像的衝突風險。2009 年，我和三名學者成立國際機器人武器管制委員會（International Committee for Robot Arms Control），與其他非政府組織（NGO）合作發起「阻止殺手機器人運動」（Campaign to Stop Killer Robots），現在有來自60 個國家共130 個NGO組成聯盟，想說服聯合國通過具法律約束力的條約，禁止研發、測試並生產那些在不受人類掌控時仍能選擇目標並以強大火力發動攻擊的武器。 機器不會猶豫 把人類排除在決策之外的戰爭系統非常危險，最好的例子是「拯救世界的男人」這個真實事件。1983 年，佩卓夫（Stanislav Petrov）中校在俄羅斯核武早期預警中心值勤，電腦發出巨大警報聲，「發射」的斗大紅字出現在螢幕上，表示美國核子飛彈正在快速接近。佩卓夫臨危不亂，按兵不動。「發射」警報再次響起，然後警報響了第三次和第四次。等到第五次警報響起，螢幕上的「發射」變成了「飛彈襲擊」。蘇聯反擊的時間正一點一滴地流逝，但佩卓夫仍在審慎考慮。2013 年，佩卓夫接受英國廣播公司（BBC）訪問時表示：「然後我做了決定。我不信任電腦。」即使他無法確定，仍向上級報告核武攻擊是假警報。事後證明，是蘇聯衛星上的電腦系統把太陽光在雲層上的反射，誤認為洲際彈道飛彈的引擎。 這個事件說明了，人類深思熟慮的決策在戰爭中有多麼重要：根據上述事件中的警報資訊，自主性系統會決定發動武器。但做出正確的判斷需要時間，百年來的心理學研究告訴我們，如果不花至少一分鐘把事情想一遍，人們會看漏矛盾資訊、忽略歧異和證據的匱乏、壓抑懷疑、創造原因和意圖並且順從期待。而讓人擔心的是，一項經常受到引用的AWS 理論基礎是，由於衝突展開速度太快，人類會來不及做決策。 去年10 月，美國陸軍採購官員傑特（Bruce Jette）提到戰車的標定系統時，對《國防新聞》（DefenseNews ）表示：「它比我快多了。我無法看到或想透一些事，它卻能以最快速度計算出來。」事實上，反應速度是某些已運用半自主性武器的防禦作戰策略關鍵原因，這些作戰必須在幾秒內偵測並評估威脅，而且做出反應。這些系統又稱為「軍事目標偵測與反應」（SARMO）自動化武器系統，包括以色列用來防禦火箭和飛彈攻擊的鐵穹（Iron Dome）、美國裝在戰艦上以防禦反艦飛彈或直升機攻擊的方陣（Phalanx）快砲、德國用來擊落迫擊砲這類較小砲彈的螳螂防衛火砲系統（NBS Mantis gun）。它們的範圍有限，屬於防禦性質，也不會瞄準人類，在緊急時由人類開啟，這也是它們不屬於全自主性武器的原因。 無可否認，這樣的特性沒問題，且SARMO 和AWS 技術的前沿武器也已經投入使用。例如以色列的哈比（Harpy）和哈拉波（Harop）無人機是裝滿炸藥的火箭，在空中攻擊之前先發射升空，清除敵方防空設施的區域威脅。它們會四處巡航、尋找雷達訊號，並判斷訊號來源是敵是友。如果判斷是敵人，基於雷達連結到防空設施的假設，它們會俯衝轟炸。去年5 月，以色列的秘密無人機（某份報告就指出是哈拉波）炸毀了敘利亞的俄製防空系統。 這些無人機是滯空彈藥，只有在攻擊時才會加速，但有好幾種AWS的速度高達次音速、超音速，甚至是極音速。例如美國的國防高等研究計畫署（DARPA）開始測試的隼式（Falcon）無人極音速飛機，速度大約是音速的20 倍，相當於時速2 萬1000 公里。 除了速度，各國軍方也在追求「火力倍增」，亦即加強武器系統的破壞能力，方法是利用自主性無人機隊，它們會像狼群一樣合作，彼此溝通以選擇獵殺個別目標。一位操作人員就可以發射幾百架（甚至幾千架）武裝無人機到空中、陸地、海上，甚至海面下。一旦部署了AWS，操作人員最多只能做為可以中斷攻擊的觀察員，只要通訊連結沒有中斷的話。 為了達成這個目標，美國正在研發固定翼無人機隊，例如山鶉（Perdix）和小精靈（Gremlin），它們可以裝載飛彈長途飛行。DARPA已經現場測試過以高機動性聞名的四軸飛行器機隊與地面車輛的協調性，而美國海軍研究部也示範了13 艘戰艦組成的艦隊如何「壓制對手」。中國電子科技集團的舉動揭露了中國的意圖：他們分別測試了200 架固定翼無人機機隊，以及56 架用來攻擊敵方戰艦的小型無人艇。相較之下，俄羅斯似乎主要對戰車群有興趣，它們可用來協調攻擊，或是部署用以防禦國境。 當自主性武器彼此對峙時會發生什麼事？令人憂心的答案是沒有人知道結果，或者說沒有人能知道。 機器可能失控 佩卓夫的事件也顯示，雖然電腦運算速度很快，但它們經常犯錯。即使到了今天，現代計算和感測器具有驚人的性能與速度，AI 系統還是可能在很多意想不到的環節出錯。2012 年，美國國防部承認自主性武器可能會有電腦弱點，聲稱有必要減少人為錯誤、人機互動失敗、故障、通訊劣化，以及軟體編碼錯誤。除了這些不證自明的保護措施，我們還需要保護AWS不受敵人操控，例如透過網路攻擊、滲透產業供應鏈、干擾訊號、欺騙（誤導定位系統）和誘敵等手法。 事實上，要保護這類武器不受敵人擾亂極為困難，而這些攻擊的後果可能非常可怕。干擾訊號會阻擋通訊，如此一來操作人員便無法中斷攻擊或改變攻擊方向。通訊受阻會破壞無人機隊裡自主性武器之間的協調合作，讓運作失控。欺騙手法指的是發送強力的全球定位系統（GPS）假訊號，這會導致武器設備失去方向，或受引導而撞向建築。 誘敵的方式可以是實體，也可以是虛擬，能欺騙感測器或標定系統，即使是最成熟的AI 系統也會輕易受到愚弄。研究人員已經發現，在輔助自動車的標誌上巧妙地加上一些點或線，即使程度輕微到人類不易察覺，也能誤導自動車突然轉進對向車道，或是忽視停止標誌。想像一下這類騙術可能讓自主性武器產生什麼樣的問題？機器上的電腦控制器可能受到愚弄，把熱狗餐車誤認為戰車。 而最令人困惑的，是美國國防部指導原則上的最後一項：減少「其他敵人的反制措施或行動，或者是戰場上無法預期的情況」。要減少戰場上意料之外的情況是不可能的任務，因為無法預期的事情就無法減少。衝突區域中不可預知的情況可能無窮無盡，因為衝突的本質就是要出其不意，讓敵人措手不及。當我們談到AWS，有很多方法能騙過感測器，或是擾亂電腦控制的機械裝置。 令人訝異地，美國國防部的指示遺漏了一項嚴重的電腦問題，那就是機器與機器互動的不可預測性。當自主性武器彼此對峙時會發生什麼事？令人憂心的答案是沒有人知道結果，或者說沒有人能知道。AWS 必須由最高機密的電腦演算法控制，作戰策略不為敵人所知，才能防止敵人成功反制。從安全角度來看，這樣的機密性很合理，但大幅減少了武器的可預測性。 2011 年4 月，亞馬遜（Amazon）網站上的兩家書商bordeebook 和profnath 為演算法對峙的失控提供了鮮明的例子。1992 年發行的《蒼蠅的形成》（The Makingof a Fly ）一書已經絕版，一般售價為50 美元，外加運費3.99 美元；但每次bordeebook 調高價錢，profnath 就會跟進，反之bordeebook 也會跟著調高價錢，雙方就這樣你來我往。一星期之內，這本書在bordeebook 的售價高達2369 萬8655 美元93 美分，同樣外加3.99 美元運費，而且還沒有人發現。兩個簡單且高度可預測的電腦演算法就這樣失控，因為兩家公司的競價策略不為對方所知。 標價錯誤固然無害，但想像一下兩套AWS複雜的戰鬥演算法以高速互動，會發生什麼事？除了愚弄敵人的影像、干擾、欺騙、誘敵以及網路攻擊所帶來的不確定性，當電腦演算法一決勝負，我們還必須應付無法預測的結果。我們應該明白，這些武器代表戰爭本質產生了非常危險的變化。意外衝突可能爆發得非常快，指揮官沒有時間能了解他們的武器在做什麼或者是做出反應，最後只剩下毀滅。 機器發動末日戰爭 除非AWS 的競賽能夠停止，這只是許多可能意外出現的可怕對抗之一。想像以下景象：時間是2040 年，在俄羅斯和歐洲的邊境上，幾千輛自主性超級戰車因結霜而閃閃發亮。好幾群自主性超音速自動噴射戰鬥機飛掠而過，搜尋敵人的活動。突然間，一輛戰車朝地平線遠方發射一枚飛彈，一架民航機著火墜落。這只是意外，感測器因故障而啟動了對抗模式，但戰車不知道。它們集體浩浩蕩蕩往邊境前進。戰鬥機變換成戰鬥隊形，傳送警報給位在黑海、巴倫支海和白海的自動艦隊以及自主性潛艦群。 在不到10 秒內，北大西洋公約組織（NATO）的自主性反制武器從空中蜂擁而至，地面和海裡的武器也展開攻擊隊形。各方戰鬥演算法都不為敵軍所知，所以沒有人能預測敵軍會如何行動。戰鬥機為了彼此閃避而突然下降、俯衝和翻轉，離心力大到能讓人致命，而且它們以機器的速度彼此溝通。各方都準備了很多錦囊妙計要愚弄敵軍，包括擾亂訊號、用假GPS 座標欺騙，以打亂其協調與控制。 在三分鐘之內，幾百架戰鬥機接近極音速，在俄羅斯和歐洲的城市上空纏鬥。戰車衝破邊境，開火射擊通訊基礎建設以及火車站和道路上的所有移動車輛。自主性戰艦上的大型火砲重擊陸地，海面上和海面下都爆發自主性海戰。雙方軍事領袖都想要了解周邊正在發生的破壞情況，但他們能做什麼？所有人員跟武器的通訊都遭到干擾，指揮與管控體制已完全崩潰。在意外擊落民航機之後僅22 分鐘，戰車群已逼近赫爾辛基（芬蘭首都）、塔林（愛沙尼亞首都）、里加（拉脫維亞首都）、維爾紐斯（立陶宛首都）、基輔（烏克蘭首都）和提弗利司（喬治亞首都）。 俄羅斯和西方領袖展開緊急會商，但沒有人能釐清戰爭開端或原因。各大城市正在進行幾乎徒勞無功的撤退行動，但各國領袖已蠢蠢欲動，想按下核武發射鈕。這場混亂前所未見，軍方也大惑不解。他們的計畫已分崩離析，死亡人數每毫秒都在增加。導航系統普遍受欺騙，一些武器從戰鬥隊形裡脫離，撞上建築物。其他武器則遭駭，開始毫無節制地殺戮。錯誤的電子訊號讓武器隨機開火。城郊四處散落著動物和人類的屍體，城市變成了廢墟。 機器應由人類控制 訂定有約束力的國際條約變得日益緊急，以禁止AWS的研發、生產與使用，並確保人類確實掌控武器系統。具備以下特質的人類專家才能判斷是否應該展開攻擊：完全了解情況與脈絡，有充份時間思考行動的性質、重要性和合法性，攻擊的必要性和適切性，以及可能的後果。過去六年來「阻止殺手機器人運動」一直想要說服聯合國成員以訂定條約來達成共識。我們在聯合國努力推動特定傳統武器公約（Convention on CertainConventional Weapons, CCW）關注此議題，CCW是由125 個國家組成的論壇，協商禁止會造成過度傷害的武器。這項關注行動已經有幾千名科學家、資訊與機器學習領域的領袖，以及Google 的深度心智（DeepMind）等許多公司參與。根據最新統計，30 個國家已經要求完全禁止全自主性武器，多數國家則想要有管理規則以確保是人類負責做出攻擊（或者不要攻擊）的決定。然而，以美國、俄羅斯、以色列和澳洲為首的少數國家阻擋了立法進度。 在CCW論壇上，俄羅斯和美國清楚表達他們反對「人類控制」這項條件。美國一直想要把它換成「和人類相當的判斷水準」，換句話說，如果判斷視為恰當，可能完全不會由人類控制。幸運的是，我們還有一絲希望，聯合國秘書長古特瑞斯（António Guterres）告訴CCW的政府專家：「機器在沒有人類參與的情況下，擁有取人性命的火力與裁量權，在政治上無法接受、在道德上令人憎惡，應該用國際法加以禁止。」在末日戰爭發動之前，常識和人性必須贏取勝利。 重點提要 半自主性武器雖已用於保衛邊境和設施，屬於防禦性質，然而現在國際強權竟爭相研發全自主性武器系統（AWS），例如自主性無人機隊。 AWS能夠在無人監督的情況下選擇並攻擊目標（包括人類），如此把殺戮的決定外包給電腦，將對人類構成不尋常的危險。 攻擊決策應由人類下達。訂定具約束力的國際條約禁止AWS發展變得日益緊急，唯有如此才能確保人類確實掌控武器系統。 鍾樹人專事科技類翻譯。 延伸閱讀 Towards a Principle for the Human Supervisory Control of RobotWeapons. Noel Sharkey…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20新冠病毒秘密檔案新型冠狀病毒（SARS-CoV-2，簡稱新冠病毒）及其引起的嚴重特殊傳染性肺炎（COVID-19，簡稱新冠肺炎）仍有許多未解謎團，不過科學家已在極短時間內，累積大量扎實而詳細的知識。 地球上可能存在成千上萬種冠狀病毒。其中四種會引起一般常見的感冒，而另外兩種冠狀病毒已經引發令人驚恐的大規模疫情：2002 年爆發的嚴重急性呼吸道症候群（SARS），造成全球超過770 人喪生；2012 年出現的中東呼吸症候群（MERS），奪走了800 多條性命。SARS在一年內就消失蹤影，但是MERS依然徘徊人間。 這次新出現的冠狀病毒引發更為致命的大流行，原因之一是潛伏期非常長。感染SARS冠狀病毒的患者在出現發燒、乾咳等症狀後的24 ~36 個小時才具有傳染力，因此可先行隔離患者以避免傳染他人。然而，新冠肺炎患者卻在未出現明顯症狀之前就會開始傳播新冠病毒。由於患者並未感到不適，因此會持續工作、通勤、購物、外出用餐以及參加聚會，同時散佈新冠病毒，讓病原體充斥在活動空間裡。 更棘手的是，新冠病毒可長時間潛伏於人體，因為這種冠狀病毒能夠利用基因組來產生特定蛋白質，阻礙人體的免疫系統偵測受感染細胞發出的警訊。同時，新冠病毒暗中持續複製，導致肺細胞死亡。最後當免疫系統確實偵測到警訊時，卻可能會過度反應，扼殺它想保護的肺細胞。 Scientific American 藉由一連串圖表詳細解釋新冠病毒如何悄悄侵入人體細胞、自我複製，再離開細胞並擴大感染更多細胞。免疫系統通常會試圖中和病毒顆粒，我們在圖表中展示新冠病毒阻礙免疫系統的過程，並說明新冠病毒某些驚人的特性，例如它們在複製病毒基因組時所使用的校對機制，藉此防止基因組出現毀滅自身的突變。最後，我們闡述如何透過藥物和疫苗，來治療或防止新冠病毒入侵。 隨著病毒學家更加深入了解新冠病毒，我們會持續於ScientificAmerican 官方網站更新相關圖表（ www.scientificamerican.com ），我們相信擁有更多知識，能更快幫助人類打敗新冠病毒。 感染機制 病毒入侵和免疫反應 當新冠病毒顆粒進入口鼻，會在呼吸道中飄浮，直到接觸擁有第二型血管收縮素轉化酶（ACE-2）受體的肺細胞。新冠病毒與肺細胞結合後，會利用胞器來進行自我複製。接著，細胞因大量釋出新冠病毒而死亡，新冠病毒會再侵入其他細胞。受感染細胞向免疫系統發出警報，試圖中和或破壞新冠病毒，不過新冠病毒能抑制或是攔截這些警報以爭取時間，在感染者出現症狀之前盡可能地繁殖。 對抗病毒 藥物治療和疫苗接種 目前業界和學術實驗室都如火如荼研究可能對抗新冠肺炎的藥物，數量已達100 多種。大多數藥物無法直接摧毀新冠病毒，但是能干擾新冠病毒的運作，好讓免疫系統清除它們。抗病毒藥物常見的運作模式有以下幾種：阻止病毒附著於肺細胞表面、遏止病毒在受感染細胞中複製，或是抑制免疫系統的過度反應（這種反應有時會引起嚴重症狀）。此外，接種疫苗則能讓免疫系統迅速而有效地預防日後的感染。 林雅玲於中央研究院國際研究生學程取得生物科技學博士學位，長期從事科普翻譯與寫作，現任職於農業生技公司。 基因機器：新冠病毒顆粒的直徑約100 奈米，需透過電子顯微鏡才能觀察。新冠病毒會經由口鼻進入人體，其外型如球體（參見右頁的橫切面），外殼由脂質膜與嵌合其上的蛋白質所構成，可保護內部纏繞的RNA鏈，而RNA攜帶了新冠病毒的遺傳密碼。突出於新冠病毒表面的棘蛋白可附著在人類細胞上（人類細胞比病毒大上幾百倍），隨後再伺機侵入細胞。新冠病毒的名稱源自於棘蛋白的皇冠外觀，而結構蛋白包括核殼蛋白、膜蛋白與套膜蛋白，可在宿主細胞內移動，協助形成新的新冠病毒顆粒形成。…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20當拉斯穆森冰河崩裂，一位女性把「重力波」翻譯成黑腳語當我們最早偵測到黑洞相撞的啁啾聲，她把新聞稿翻譯成消失中的語言： 「分光器與儀器的結合」 （請說話，干涉儀）「自行強化的光爆」 （請說話，伽瑪射線）。 如此細微的「鳥鳴聲」被重力波給毀了，我們被迫要修復它們難以捉摸的特性。 在冰河，大自然偏離同時也控制其路線──冰層不全是記憶，更像欺騙： 雪的結構，在如此巨大的重量下改變雪花的幾何形狀瓦解，厚重且冷的壓縮空氣，使積雪變形。 寒冷是形式主義者：它建構了一件物品，暫時的，描述了古老氣候的回饋訊息，當它融化時。 這件物品是多麼難以理解，我們要怎麼讀取無常，從一層層壓縮至極的冰伸展時可擠碎玻璃深不可測的冰，讓你不再能分出順序，其分層交疊與滑動變成非線性，如同用黑腳語來談天文物理一樣費力，但仍能了解涵義。 我們必須考慮再考慮結凍與消融，女孩因說母語而被懲罰，重現某個想法的挑戰，其周邊膨脹與收縮，水與天空的工藝品，顯示崇高的雙重意義──其壯麗輝煌，其蒸發中的固體──我說，那是某些事的證明，就算救不了我們。 作者註：天文物理學家葛瑞（Corey Gray）是雷射干涉儀重力波觀測站（LIGO）的成員之一，他請母親耶婁弗來（Sharon Yellowfly）把LIGO 偵測到重力波的新聞稿翻譯成印第安黑腳語（Blackfoot）。（潘震澤 譯）…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20拱手不握手我從沒想過自己會這麼說：「川普（Donald Trump）是對的！」我是指他在1997 年對握手的看法。據說害怕病菌的川普在與博納（Kate Bohner）合著的《東山再起的藝術》中寫道：「日本人做對了！他們稍微保持距離，然後迅速且優雅地向對方鞠躬致意。我希望美國人也能發展出類似的打招呼習慣。事實上，我常想在報紙上刊登一系列廣告呼籲大家停止握手。」 當然，新型冠狀病毒讓握手成為過去式。不幸的是，除非努力說服每個人停止握手，要不然這種習慣還會東山再起。我也會開始盡一點棉薄之力呼籲這件事。 川普還寫道：「最近的醫學報告指出，握手會傳染感冒和許多疾病。我對此深信不疑。」沒錯，用關鍵字「握手」與「感染」搜尋1990 ~ 1997 年的期刊文獻，會找到1991 年刊登在《臨床微生物學期刊》上的這篇論文：〈握手在傳播呼吸道病毒的潛在角色：針對人類副流感病毒3型與鼻病毒14 型的研究〉。 川普充份且仔細地研究後，引用的肯定是這篇論文。因為那段期間大部份的搜尋結果，都是討論人類免疫不全病毒（HIV）蛋白質與人類細胞的分子之間如何「握手」的論文。這些研究只會讓他想起不堪回首的往事，難怪他會在「霍華史登秀」（Howard Stern Show）中拿感染性病的風險和打越戰相比。 我在《病歷資訊》期刊上找到另一篇文章。作者布萊特（Nathan Breiter）偶然和一位朋友握手時，感受到對方的手「粗糙而油膩」，隨後得知摸到的是梅毒疹，促使受過內科訓練的布萊特開始思考。他了解握手的起源後，建議把這個習慣丟到醫療歷史的垃圾桶：「握手來自古老的習俗：協議休戰時抓住對方持武器的手以防背叛。這項習俗在未開化的黑暗時代十分合理，但經過數世紀的傳播與人類遷徙，合理性逐漸消失。身處輝煌的文明時代，實在沒有必要握手，這反倒成為危害公共衛生的不智之舉。」這篇詞藻華麗的文章，年代應遠早於川普所謂「最近的醫學報告」。它發表於1897 年，剛好比《東山再起的藝術》早了一個世紀，可見反對握手的想法由來已久。順帶一提，《東山再起的藝術》是《交易的藝術》的續集。《交易的藝術》由現在悔不當初的施瓦茲（Tony Schwartz）捉刀，而《東山再起的藝術》則發想自川普某次巧妙的公司破產事件。 悲哀的是，川普當上美國總統後，不但沒有放棄握手，反而把它變成武器。新聞影像常見到他與許多世界領袖會晤時，抓住對方的手掌猛力拉近，然後扣押對方的手一陣子。這個舉動似乎是想用肢體語言取得優勢，但看來川普只是利用他的權勢地位（bully pulpit）來霸凌（bully）其他國家。 我們可以做得更好。除了鞠躬之外，許多文化都有非接觸的打招呼方式：印度人雙手合十加上點頭致意，穆斯林把手置於胸前，軍人行舉手禮，還有瓦肯人的手勢（食指與中指併攏，無名指與小指併攏）。（冷知識：出演影集「星艦奇航」的明星雷諾德尼莫伊（Leonard Nimoy）根據猶太教的祝禱手勢，創造史巴克（Spock）的舉手禮。如果去猶太墓園，會看到許多墓碑上銘刻著許多人誤以為是瓦肯人的手勢。）這些打招呼方式，都比西方傳統的握手更好。讓我們一起大聲說：「拱手不握手，防疫全民守！」…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20隱身沼澤的王者——泥炭苔我在陽光照耀的泥塘裡獨舞，腳下的土像波浪般緩緩翻動。一陣暈船的感覺襲來，我的腳流連在半空中，等待踏回堅實的地面。每一步都創造了新的起伏，像走在水床上。我伸手抓住美洲落葉松的樹枝想穩住自己，但我在一個地方站了太久，冰冷的水已淹到腳踝。沼澤吸住了我的腳，把腳拔出來的時候還發出啵啵聲，小腿肚穿上一層黑色的泥。還好我把靴子留在蛇形丘上了。我有一隻紅色運動鞋還遺落在某地深處，好幾年前某次出差調查時掉的── 現在我都打赤腳。除去愛偷鞋子的癖好之外，沼澤湖應該是夏天午後非常宜人的地方。 一圈環形的樹包圍沼澤，把森林隔絕在外。泥炭苔（peat moss）圈圈閃耀的翠綠色像是螢火蟲飛在一排深色雲杉木前。老人家說過，看得見和看不見的世界，有陽光照耀的沼澤表面和池塘的幽暗深處，兩者比鄰共存。有更多東西眼睛看不見，但依舊存在。 北美洲五大湖區的森林裡，祖先留下的土地上有很多壺穴沼澤。阿尼什納比部落用水鼓來進行儀式，這種鼓非常神聖，不容易親眼見到。用木碗上鋪著的鹿皮裝滿聖水，水鼓代表「水、宇宙、萬物和人類的心跳」。木碗表示敬重植物，鹿皮表示敬重動物，以及水表示敬重大地之母所滋養的所有生命。鼓上綁著一個環，代表萬物出生、成長、死亡的循環，還有四季的遞嬗跟年月的週期。 小檔案 書名：三千分之一的森林（Gathering Moss） 作者：基默爾（Robin Wall Kimmerer） 譯者：賴彥如 出版商：漫遊者文化（2020 年7月） 細看沼澤生態 說到苔蘚的重要性，地球上沒有一個生態系能超越泥炭苔沼澤。泥炭苔的碳含量比這個星球上任何一種植物都要高。在陸生棲地中，苔蘚跟維管束植物相比總是黯然失色，退居配角。但在沼澤裡，它們就是王者。泥炭苔不只在沼澤裡欣欣向榮，還能創造沼澤。土質酸又積水的棲地不利大部份高等植物生存，就我所知，大小植物沒有一種能像泥炭苔這樣，利用本身的特性來打造周圍環境。 沼澤裡每一方寸都覆滿泥炭苔。事實上，那並不是地，而是水，只是被苔蘚的結構巧妙地支撐著。我其實走在水上，走在池塘表面的泥炭苔軟墊上。沼澤中央還看得見一部份池水，水面平緩深邃。沼澤塘總是超乎尋常地平靜光滑，深色的水把你的視線往下拉進那無底世界。夏日浮雲的倒影寧靜無擾，因為唯一的水源就是雨水，沒有溪流往來在泥炭苔的小島之間。水很清，泥炭苔慢慢腐敗釋出的腐植質和單寧酸，讓水變成了沙士的顏色。 泥炭苔的「莖」，讓人聯想到英國牧羊犬在池塘裡游過泳後，全身濕淋淋的樣子。它的頭很像拖把長在水面上，稱為頭狀枝序，身體的部份從莖節向外垂掛著長長的枝條。葉子很小，只有一層綠色的薄膜，像是濕透的魚鱗挨在樹枝上。泥炭苔如果被踩踏過，聞起來甚至很像濕漉漉的狗，沾染著從池底淤泥飄出的硫磺味。 讓我最驚豔的是泥炭苔大部份都是死的。你可以在顯微鏡下看到每片葉子都有一條條細長的活細胞包圍著死掉的細胞，像是空空如也的牧場被綠籬包圍。20 個細胞裡只有一個是活的，其他不過都是死掉的細胞殼，也就是過去骨頭包著的細胞內容物消失後餘下的空間。這些細胞並沒有生病，只是在死後才會發揮全方位的功能。細胞壁有很多孔隙，佈滿微型篩子般的小小孔洞。這些穿孔的細胞無法行光合作用或生殖，但對於植物的生長至關重要，唯一的功能就是保水，很多很多水。你若從沼澤看似結實的表面摘下一些泥炭苔，它會不斷滴水，一大把泥炭苔就可以擰出將近一公升的水來。 泥炭苔的內部充斥著死掉的細胞，因此可以吸收體重20 倍之多的水份，優異的保水能力讓它得以調整周圍的生態系統來順應生存的需求。泥炭苔會讓土壤變得潮濕，填滿土壤分子之間原本充滿空氣的縫隙。根需要呼吸，但積水的泥炭會創造出無氧的發根環境，大部份的植物都受不了。因為周邊樹木長不起來，沼澤往往照得到光又開闊。 活的泥炭苔底下那一層濕氣導致氧氣不足，也減緩了微生物的生長。因此，泥炭苔死去後的分解速度極慢，可能好幾世紀都不會有什麼改變。埋在地下的泥炭苔就留在那兒，年復一年又一年，越積越多，最後淹滿整座池塘。如果我能在沼澤深處找到我的紅色運動鞋，應該還沒腐爛吧。想到一只運動鞋竟然比一個人活得還久，感覺很奇怪。百年之後，這隻鞋可能是我在這個星球上短暫存在過的具體證據。我很滿意它是紅色的。 酸沼的防腐效果為泥炭採集帶來驚人的發現：丹麥的泥炭沼澤裡挖出幾具完美保存了2000 年的屍體。考古研究顯示這些是圖倫村民的遺體，這群鐵器時代的村民被稱做「沼地人」。他們埋在沼澤裡並非意外，證據顯示這些人是因為農事獻祭而犧牲，用性命來祈求豐收。他們的表情安詳得出人意表，其存在說明了生命必得透過死亡來啟動新生。 分解速度緩慢的副作用，就是生物裡的礦物質很難在沼澤裡被分解，會留在泥炭裡變成複雜的有機分子，大部份植物都吸收不來，這會導致嚴重缺乏養份，很多維管束植物沒辦法接受這種貧瘠的狀態，因此有辦法在沼澤裡發根的樹，往往都是黃黃又發育不良的樣子。尤其氮氣特別缺乏，但一些沼澤植物已經演化出特殊的機制來對應這種限制，也就是吃蟲。 沼澤是食蟲植物的專屬家園，像是毛氈苔、豬籠草、捕蠅草都長在泥炭苔軟墊上。這裡的鹿虻和蚊子很多，每一隻都是一小包飛行中的高純度動物氮。黏呼呼的捕捉器和精巧的瓶狀體演化成為植物捕氮的工具，由肉食性的葉子來取得根系無法提供的養份。 泥炭苔完完全全掌控了周圍的環境，不只製造出積水、缺乏養份的情境，保險起見還改變了酸鹼度。它酸化了生長的水域，讓其他植物無法生長。釋出的酸性物質讓泥炭苔可以把本就稀少的養份納為己用，沼澤邊緣的水酸鹼值達到4.3，跟稀釋的醋差不多了。 酸度使得苔蘚帶有抗微生物的特性，酸性環境會抑制大部份細菌的生長，加上本身卓越的吸收力，泥炭苔曾被當做繃帶廣為使用。第一次世界大戰的時候，埃及受戰事影響，棉花供應不足，無菌的泥炭苔就成為軍醫院裡最普遍的傷口敷料。 一株植物體內活著跟死掉的細胞比例是1：20，完全不成比例，這也反映在整座沼澤的結構上。沼澤大部份都是死的、看不見的。泥炭苔沼澤由深處的死亡泥炭和表面的活苔這兩層構成，只有最上層淺淺的泥炭苔是活的，陽光照得到的綠色頭狀枝序和今年的新枝，不過是泥炭苔整支長長組織的頂部，往下可延伸好幾公尺深入沼澤裡。活著的那一段，每年都會長高，離水面越來越遠；但下垂的枝條則向下越探越低，死掉的細胞從深處把水吸上來，輸送到活細胞的那一段。 更下面是泥炭，也就是泥炭苔過去生長在最上層、如今卻部份腐爛的殘體。死去的苔蘚被水體和上方植物的重量越來越向下壓。這就是沼澤的地基，一塊巨大的海綿，留住水份，穩定向上，從不可見到可見。 泥炭為人類所用的歷史悠久，從古希臘的藥浴到今天的乙醇生產皆然。燒泥炭磚對許多北方民族來說是重要的熱能來源，緩慢燜燒的泥炭氣味滲入麥芽裡頭，賦予蘇格蘭威士忌秋天醇厚的滋味。單一麥芽蘇格蘭威士忌的獨特風味，據說是源於某一個特定沼澤的泥煤特性。全世界的泥炭地都被抽乾來種植像是萵苣和洋蔥這類蔬菜特產。 泥炭苔主要的商業應用是花園的土壤添加劑。我曾經擁有位在洪泛區邊緣的小花園，那裡的土質很黏，差點就可以開間瓷器店。我添購了大包泥煤來耕土，有機物質的碎塊讓黏土顆粒保持分開，使土壤變輕。人們也在花園裡混入泥炭，利用那些死細胞的吸收力來增加土壤的保水度。它也是吸納養份的海綿，再將之慢慢釋出給植物。打開一包泥炭的時候，你會聞到沼澤的氣味。若把泥炭放在指尖上搓揉，就會令人想起它的過往，憶起它從何而來。如今見光的乾燥褐色纖維可是在沼澤的黑水下待了幾世紀那麼長。在那之前，它們曾經短暫是綠色的表面，當蚊子把蜻蜓從毛氈苔身邊引開之後，蜻蜓會下撲到這裡。商用泥炭土都是從抽乾的沼澤裡挖出來的，有的是自然造成，有的則是刻意的。我的花園跟我都是這個挖泥事業的共犯，這點讓我很難受。我比較喜歡腳趾縫隙間濕軟黏糊的沼澤。 赤腳走入沼澤 赤腳是認識一座沼澤最好的辦法。雙腳會告訴你眼睛不知道的事情。乍看之下，像枕頭般軟綿綿的沼澤看似均質，但當你涉沼而過時，其複雜的構造就變得很明顯。這裡應該有多達15 種泥炭苔，每種在外觀和生態機制上都有些細微差異。其實你不是真的走過沼澤，比較像近乎失控的踉蹌，用腳試探每個踏點，測看看踏出這一步時，沼澤能不能接住你，唯恐跟沼地人一樣變成歷史文物的一份子。 壺穴沼澤的植被常呈同心圓分佈，開放水域邊那一圈最年輕，向老美洲落葉松下高起的圓丘逐漸增加年齡。這個格局是因為時間推移，還有泥炭苔發揮所長、轉變環境的結果。就在池塘邊緣，也是沼澤最年輕的部份長著此地獨有的泥炭苔，幾乎被高漲的酸水淹沒。看起來硬實的毯層只是錯覺，它漂浮著，垂掛在池邊，一隻牛蛙的重量就足以把它壓倒。 若你小心地退離池邊，苔蘚叢變得越來越厚，因為層層累積而糾結密集。在夏日的陽光照射下，彷如腳下踏著溫暖的海綿。再浸下去深一點，你的腳趾頭會自己抓住沼澤灌木的水下根系，根系穿梭在泥炭苔叢底下，像是軟墊下繃緊的彈簧線圈。泥炭苔就坐落在這張開闊墊子形成的框架上。有些種類的泥炭苔只會長在沼澤的這個區域，比較不會被水淹過，酸度也低一些。當灌木的根系繼續往池內生長，這幾類苔蘚也會跟著生長，最後把原本開放的水域閉鎖起來，藏在整片泥炭苔下面。 同心圓植被的下一圈是山丘區。這裡的地面彈性沒那麼好，因為泥炭堆積的深度比沼澤裡的還要深。走在這區的困難不只是會沉下去，還有不平的地勢。沼澤表面錯落的圓丘，上方植被有厚有薄。這時候你可能就會希望自己有穿鞋，泥炭苔層跟枯死的樹枝和灌木叢混在一起，藏在柔軟的苔蘚表面下，等著讓你去排隊注射一劑破傷風疫苗。圓丘是泥炭苔和灌木叢爭地盤產生的，灌木叢跟你的腳一樣，準備順著本身的重量沉到池底軟墊上，附近的泥炭苔見狀，向灌木叢低矮的樹枝抽出芽，吸走下方的水份，導致灌木變得更重、沉得更深，最後那些樹枝就被埋起來。這個循環不斷持續，灌木向上長，泥炭苔就把它往下壓，最後灌木叢和苔蘚堆積在沼澤軟墊上形成錐狀，高可達45 公分。很多時候灌木已經死亡，但樹枝還埋在圓丘上。 從苔蘚的小尺度觀之，圓丘代表一整個區域的微氣候，跟高山的海拔梯度類似。圓丘的底部淹在苔蘚層下方，又酸又濕，頂端則脫離水面，泥炭苔的特性會把水吸到圓丘的頂峰，不過頂端相對乾很多，也不那麼酸。不意外有很多種泥炭苔在這裡各據一方，創造出一個苔蘚千層蛋糕，每種都適應了圓丘斜坡從谷地到山峰的特殊微氣候。這些小範圍的微氣候和對應生長的泥炭苔對沼澤豐富的生態多樣性有很大的貢獻。 你如果把手放在圓丘頂部，夏天摸起來是暖和乾燥的；繼續讓手指往下探索，會發現變得越來越涼、越來越濕。若把整隻手臂沿著圓丘往下伸進泥炭裡，因為乾苔蘚造成的空氣滯留形成了很好的隔絕層，底部和表面的溫差可以多達28℃。低溫也會減慢分解的速度。傳統上，住在沼澤針葉林的族群會把冷泥炭當成冰箱來冰存新鮮的獵物。我還在念大學的時候，一位教授就拿這點來捉弄學生。我們在沼澤戶外教學，不但高溫難耐，又得不斷揮開撲到我們身上吸血享用溫熱大餐的鹿虻。他很淡定地跨步到一個圓丘上，往下伸手探進去，拉出一罐上次來訪就藏起來的冰啤酒。這一堂課可真難忘。 圓丘頂端通常都很乾燥，泥炭苔無法在那邊存活，所以其他苔蘚就會據地為王。這些高起的圓丘是樹木唯一可能生長的地方，因為樹根位在濕潤的泥炭上方。你會看到美洲落葉松和雲杉的幼苗長在圓丘上，有的突破重圍，就開始形成一片沼澤森林。另一群泥炭苔種類則在這些樹下長得茂盛繁榮，底下的泥炭又深又結實。 古生態學家可以透過這些厚實的泥炭沉澱物判讀土地的歷史。他們會把一個長型的閃亮圓柱體滑進沼澤裡，切過各層尚未分解完全的植物，抽取出中心的泥炭。透過觀察現存的植物、留在上頭的花粉顆粒，還有有機物質的化學作用，古生態學家就能辨識出土地的改變。上千年前植被的變化、氣候的變化統統都記錄於此。他們會在代表我們時代的這一層、這個短暫片刻的表面上讀到什麼呢？這點你我都有責任。 在沼澤上起舞 我熱愛聆聽沼澤，蜻蜓翅膀摩擦如同紙張沙沙作響，青蛙的鳴唱像在彈撥班卓琴，莎草在微風吹拂下時而窸窸窣窣。某個炎炎夏日，你若安靜下來，便可以體驗我所認定世上最微小可辨的聲音── 泥炭苔孢蒴「啵」的爆開聲。很難想像只有一公釐的孢子囊發出的聲音可以被聽見。泥炭苔的孢蒴，也就是短莖上的迷你小甕，會像玩具氣槍一樣爆開。太陽的熱度使得孢蒴裡頭的氣壓變大，直到頂蓋爆開，把孢子向上推出來。安靜的時候仔細聽，我覺得我聽見了水鼓的聲音。 沼澤湖給我的感覺很像水鼓的化身，泥炭苔軟墊開展在整個水體表面，給冰河刻劃成的花崗岩碗盛托著。泥炭苔是連接兩岸的生物膜，創造出地和天相遇之處，其水在抱。我靜靜地站在這座大地的鼓上，雙腳被漂浮的泥炭苔撐托住，在我移動重心時產生微小的波浪起伏。我開始跳舞，用最老掉牙的方式，腳跟、腳尖，慢板，每次腳步都在沼澤上綻開漣漪，湧回的浪又回應了我下一次的踏足。我的腳步成為沼澤表面的鼓聲，整座泥塘都融入律動之中。 下方柔軟的泥炭回應著我的腳步，重拍落下之後又彈回來。泥炭也在我的足下深處跳著舞，然後把它的能量送回表面。舞於泥炭苔之上，在泥炭表面雀躍歡喜，我感受到一股連結過往的力量，泥煤裡深埋著的回憶支撐著我。腳步的節拍召喚泥炭深處最遠古的回音。持續不斷的脈動節奏一一喚醒古老的事物，我一邊舞著一邊可以聽見遙遠的歌，那是藥草棚屋裡的水鼓之歌，人們在廣袤的藍湖岸邊篩選野米時會唱，還混著潛鳥（loon）的聲音。像一團蒸汽從泥炭深埋的回憶裡冒出的是訣別曲，人們因為離開摯愛家園而哭嚎，在武力脅迫下來到乾旱的美國俄克拉荷馬州，被迫推向「死亡之路」，那兒沒有潛鳥鳴唱。回溯，回溯，通過泥炭，回到他們歌聲昂揚的那個時候，回到聖瑪麗天主學校的修女教導印第安孩子雙面教義的時候。 我繼續舞著，透過泥炭傳遞我存在的訊息。我可以感覺到火車向東駛去時輪子轟隆隆地震動，載著我九歲的祖父去卡利索印第安學校，當時他們的舞曲節奏是「殺死印第安，拯救真人性」。黑壓壓的泥炭，黑壓壓的時代，水鼓幾乎絕了聲響。回憶就像泥炭，連結了逝去的人和活著的人。精神像水，從底部吸取上來，一點一點從水澤深處來到焦涸的地表。 本文摘錄自《三千分之一的森林》第14 章〈紅色運動鞋〉。…1 分鐘
Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版|No.223_Sep-20別人眼中的科學幾年前，臉書上瘋傳許多網友自製的惡搞六格圖「別人眼中的⋯⋯」。以教師為例：在朋友眼中，我們因材施教、對學生諄諄教誨；在父母眼中，我們作育英才、教導出未來的愛因斯坦；在外行人眼中，我們教學相長、與學生上課就像朋友談天；在學生眼中，我們是魔鬼教師、就像「石內卜」教訓哈利波特；在自己眼中，我們像是「心靈捕手」、引導學生走出陰霾；最後一格則殘酷的不得了：實際上，我們有改不完的作業、寫不完的文書。 一張圖勝過千言萬語，更何況有六張圖，著實逗樂我好一陣子。我會想起這些惡搞六格圖，是因為《科學人》編輯部會議中的某一段對話。當時討論著2020年5月號〈三狹縫量子啟示〉，物理編輯說，雙狹縫實驗在他眼中是極簡型式的光波、狹縫、板子及干涉圖樣，但生物編輯卻說，此實驗有著極其複雜的光源儀器、刻有狹縫的立體板子及呈現干涉圖樣的屏幕。這段對話簡直就像《愛因斯坦的辦公室給了誰？》所闡述的「理型」（form）觀點。 該書作者瑞吉斯（Ed Regis）是美國知名科學作家，也是2020 年8月號〈飛機升力不只白努利〉的作者。他說，古希臘哲學家柏拉圖認為理型才是知識探究的目標，大自然中的天象、動植物都並非真正的實體。理型更為真實，因為它恆久不變。例如在現實世界中根本不存在完美的圓形，但我們在課堂上學習的幾何圓形總是非常理想。經過不同的科學訓練，物理學家聽聞一頭大象從高樓摔下來，所想的可能是大象的重量、落下的高度與速度等，而生物學家可能會注意大象是否逃過一劫、呼吸是否急促、情緒是否緊張等。 然而，這樣的觀點其實偶爾也會出現在《科學人》裡。2018年8月號〈神經訊號是機械波？〉試圖解答麻醉原理，這是一道170年來未解的醫學謎題。專攻量子力學及生物物理學的海姆伯格（Thomas Heimburg）就懷疑，麻醉藥物改變了神經的機械特性，這可能推翻長久以來生物學家的普遍認知：神經元活動是一種電生理訊號。簡單來說，這群科學家想探討神經元傳遞訊號的方式，到底是電或機械波（例如聲波）？更奇妙的是，生物學家的普遍認知可能與50 多年前儀器限制與科學發展歷史的意外有關。海姆伯格的研究要嘛完全錯誤，要嘛將改寫生物學。 在2017年6月號〈醫療變形細菌〉，也可以看到類似的觀點。幾十年前，有一群工程師投入了生物學的研究領域，他們把生物的部件想像成電子零件，就像用導體、電阻、電容來組裝電子線路，把生物的基因、蛋白質等組合在一起，甚至改造細胞的DNA，現在這門學問稱為合成生物學。拜遺傳工程的發展，這類合成生物可望取代傳統藥物，直接用於人體治療。在2009 年1月號〈DNA電腦陪你玩遊戲〉，一位化學家與一位電腦科學家在1990年代末攜手合作，把DNA當做電腦，模仿電機工程裡的計算單元「邏輯閘」，透過邏輯閘來決定DNA是否啟動，以期運用在醫療上。2017 年1月號〈雙足機器人開步走〉述說，機械工程師如何師法人類雙足步行，使人形機器人在人類世界中爬樓梯、跨越障礙物，但也有科學家提到：「堅持雙足步行是唯一辦法，可能會畫地自限而拿不出最理想的設計。」 這一類文章讓老編對所謂的「主流」有了全新感受，原來我們對於知識的了解雖然堅實，但不夠全面且深刻。如果《科學人》內有一個單元「別人眼中的科學」，讓不同領域的科學家分享自己看待某一知識的獨到洞見，或許我們將看見新穎且前所未有的研究，例如人類意識可能涉及大腦中的量子過程。 老編是《科學人》雜誌檔案管理員，最近的新工作是整理「編輯部的抽屜」。他打算製作「別人眼中的科學編輯」六格圖。…1 分鐘
