遇見科學

談到兩棲類生物，相信許多人第一個想到的就是在田野間活蹦亂跳又喜歡哇哇叫的青蛙，其實山椒魚也是台灣重要的兩棲類生物，但比起成員眾多的蛙類家族，山椒魚不但種類少、數量也不多，更是生物界中的「活化石」，早在一億八千萬年以前的侏儸紀時期就已存在，在生態圈中扮演不可或缺的角色，但由於族群規模不大，因此若想在山林中瞧見牠們的可愛蹤影，有時還得碰碰運氣呢！
因為山椒魚族群數量少，相關文獻資料有限，所以研究山椒魚的專家亦不多，相關學者中，任教於台灣師範大學生物研究所教授呂光洋可說是國內最知名的山椒魚生態學者，他不只研究，亦投入保育，多年來常帶著學生在山林裡找尋山椒魚身影。
呂光洋表示，山椒魚因為名字中有「魚」這個字，導致一般人容易將山椒魚與魚類混為一談，其實山椒魚不是魚，而是屬於兩生綱有尾目小鯢科，和屬於大鯢科的娃娃魚有遠親關係，主要分布於西伯利亞、中國東北方、韓國與日本等地，而位於亞熱帶的台灣則是世界上山椒魚分布區域的最南界，因此格外具有生態意義。
以台灣來說，目前共有5種山椒魚，分別為阿里山山椒魚，主要分布在玉山、阿里山、中央山脈南段；楚南氏山椒魚、台灣山椒魚則分布於中央山脈中段；南湖山椒魚顧名思義分布於南湖山區，最後一種則是生活在雪山山脈的觀霧山椒魚。
其中，觀霧山椒魚是1996年首次發現於雪霸國家公園的觀霧地區，加上其體型、外觀與其他地區的山椒魚有所差異，因此認為這是新品種，而特別以 「觀霧」來命名。呂光洋說，觀霧山椒魚和國寶魚櫻花鉤吻鮭相同，都屬於冰河時期的孑遺生物 ，不但是台灣特有種，更是瀕臨絕種保育類動物。
正因觀霧山椒魚數量稀少又珍貴，為了讓大眾更了解其生活面貌，雪霸國家公園特別邀請國際知名生態紀錄片導演陳進發，花了三年時間研究與拍攝觀霧山椒魚生態，完成《尋找侏儸紀孑遺～觀霧山椒魚的故事》紀錄片，不但有機會一窺山椒魚的廬山真面目，進一步認識其生態特性，拍攝成果更受國際好評，榮獲休士頓影展「自然與野生生態類」最高榮譽白金牌獎。
但，要拍攝觀霧山椒魚卻沒想像中容易，過程讓陳進發吃了不少苦頭。由於牠們喜歡棲息在溪流附近與潮溼石縫中，加上白天行蹤隱密，拍攝初期第一個月幾乎看不到觀霧山椒魚本尊出現，為了完成拍攝，陳進發乾脆扛著睡袋直接睡在深山裡，讓自己成為大自然一份子。
回憶起那段與山椒魚「共眠」的山居歲月，陳進發笑著說，一般人聽了可能覺得不可思議，但對他而言，這卻是與觀霧山椒魚「搏感情」的最佳方式，拍攝過程中，亦讓他體會人類如何與自然和平共處的真諦。對溫度敏感 暖化恐造成生態衝擊

「未來可結合基因改造技術研發出可抗旱、耐凍的農作物，」潘榮隆表示，焦磷酸水解可作為提供植物生長所需能量的關鍵酵素，會影響植物生長速度以及耐鹽、抗凍、抗旱的能力，因此藉由此特性再結合基改技術，將有助於降雨量較少的非洲地區或天氣嚴寒的北歐國家研發出抗旱或耐寒的農作物，藉此讓植物生長可以因應全球暖化所帶來的氣候變遷。
他以蘭花為例，台灣本身是享譽全球的蘭花王國，但如果要避免蘭花在外銷海外的運送過程中因溫度或水分而影響生長或外觀，就可以利用焦磷酸水解與基因改造技術，將可調控溫度與水分適應的基因植入蘭花中，幫助蘭花生長得更美、更好。
對於研究成果能登上知名國際期刊，大家都十分開心，但對團隊而言，這卻是投入二十五年研究時間辛苦耕耘換來的甜美果實，過程中還曾經碰到有國外團隊搶先一步發表相關研究，而讓團隊成員心灰意冷，潘榮隆說，自己還因此在研究室暗自流淚，但儘管心情沮喪，他和團隊卻從未萌生過想放棄的念頭。
潘榮隆有感而發表示，一般民眾只看得到登在期刊上的論文成果，但往往不了解背後的辛苦歷程；對團隊來說，每個科學步驟都得花上好幾年時間反覆嘗試、實驗，才能順利進入下一個步驟，他形容科學研究就像條漫漫長路，得通過每個階段的「關卡」，才能順利找到那把「知識之鑰」，但這也是科學研究有趣的地方，正因為我們對「未知的事物」感到好奇與不解，才能激勵科學家一直努力探索；他也勉勵未來想踏上科學研究之路的年輕學子要具備高度耐心與毅力，才能讓自己在科學研究領域中「愈挫愈勇」。

綠豆糕、綠豆湯、綠豆粉……很難想像我們日常生活中常吃的食物「綠豆」，有朝一日也能成為台灣科學研究躍上國際期刊的幕後推手！歷經長期研究，清華大學生命科學院講座教授潘榮隆與結構生物研究所教授孫玉珠，共同帶領研究團隊從綠豆中解開焦磷酸水解（H+-pyrophosphatase）的膜蛋白分子結構，不只是國內第一個成功解析多重穿膜膜蛋白結構的研究，成果更刊登於國際頂尖期刊《Nature》，受到國際矚目，未來可應用於藥物研發、經濟作物改良、供應生質能源等多元領域。
為何會以綠豆做為研究主體？潘榮隆笑著說，以前在俄亥俄州立大學念書時，常聽到指導教授誇獎台灣農耕技術很出色。學成歸國後，他下定決心要以台灣本土植物為作為模式植物來進行基礎研究，但過程卻沒想像中順利。他說，自己曾試過牽牛花、番薯、菩提葉，但因這些植物容易分泌大量汁液，會對研究造成干擾而不適合，直到有一天他正好吃到綠豆芽，才靈光乍現想到不妨用綠豆來實驗看看，沒想到無心插柳柳成蔭，竟從綠豆中揭開科學的神秘面紗。
不過，一般人可能不太懂什麼是「焦磷酸水解」。對此，孫玉珠解釋， 焦磷酸水解主要存在於植物的液泡、以及牙周病菌、螺旋桿菌與破傷風桿菌等細菌的細胞表面，其功能是將植物代謝產生的副產物「焦磷酸」的化學能轉化為其他酵素所需要的能量。孫玉珠表示，這個反應機制近似於「焚化爐」的運作過程，能將人類生活中製造的廢棄物轉化為電能。換句話說，焦磷酸水解就如同是「生物焚化爐」，可以進行細胞內能源回收再利用。
不過，儘管已知道焦磷酸水解具備的功能，但要解開焦磷酸水解的膜蛋白分子結構卻不是件易事。潘榮隆表示，由於其構造十分複雜，加上膜蛋白本身不容易從細胞膜中萃取出來，這也使得各國科學家長期以來，都難以建立出膜蛋白高解析度的分子結構。
有鑑於此，研究團隊特別利用X光晶體繞射方法，以及台灣國家同步輻射研究中心所提供的光源，歷經多次嘗試，終於順利建立出高解析度的氫離子傳輸焦磷酸水解的立體結構，了解氫離子通道的運作機制。
研究團隊表示，焦磷酸水解是由兩個相同的蛋白質分子組成，每個分子穿越細胞膜來回十六次，且每個蛋白分子都具有一條獨特通道來進行氫離子的運輸。
潘榮隆說，由於焦磷酸水解也存在於傷風桿菌、牙周病菌等細菌的細胞表面，因此也可以應用於生醫發展領域，協助特定標靶藥物的研發，藉此抑制牙周病菌等細菌的活性，達到殺菌功能。

除了可以視天氣狀況切換太陽能與風能發電外，沈志隆說「風光發電併聯型電力轉換器」還可以儲存電力，只要裝上具有蓄電功能的蓄電池，就能儲備電量以備不時之需，對沒有辦法提供電力或難以拉電線的偏遠鄉鎮來說，亦可藉此來達到自給自足的發電效果。
然而，雖然結合雙能源發電的概念聽起來簡單，但要落實卻沒那麼容易。參與研究的高雄第一科技大學電子工程系研究生胡昇維笑著說，回首這段跟著老師一起做研發的研究所生涯，幾乎每天花上七、八個小時在研究上，就連假日也一樣來學校報到。
「只要不在教室上課的時間，他幾乎都窩在實驗室寫程式、組裝電路板」，胡昇維表示，除了要寫應用程式來啟動電力轉換器外，還要找尋適合的機組零件來組裝電子電路版，並從一次又一次的嘗試中找到最具發電成效的方法。他笑著說，雖然，旁人看來辛苦，但他自己卻覺得收穫良多，尤其看到研究成果終於誕生，更讓研究團隊開心不已。
沈志隆表示，隨著電費節節高升，也讓世界各國愈來愈重視再生能源的應用，目前國際上已出現許多利用太陽能與風能供電的生活產品，包括英國、德國、澳洲、瑞典等先進國家近年都致力於開發綠色能源。而相較於日照不足的北歐國家，台灣本身其實擁有不錯的太陽能與風力發電利基，雖然目前再生能源的運用比例還比不上石油、火力發電……等發電型態，但他相信只要未來能將再生能源發電效能更加提升，就有助於綠能發展，降低二氧化碳排碳量，用實際行動愛地球。

油價持續上漲，經濟部拍板定案將於五月中旬調漲電費，在「油電雙漲」趨勢下，不只影響各行各業的生產成本，身為小老百姓的我們也免不了要面臨荷包縮水的窘況。隨著時序進入夏季，用電量也日益增加，如何對抗節節高漲的電費，不只成為市井小民的生活課題；學者專家更想方設法要發展綠色能源，希望把大自然打造成最天然的「發電廠」。
台灣雖四面環海，但天然資源其實不豐富，多數得倚賴進口。根據統計，台灣總體能源使用比例以「石油」位居首位，比例達四成九以上、其次為煤炭，約占三成二、第三位為天然氣，占百分之九、第四位為水力，占百分之零點二九、太陽能則占百分之零點一二。
對一般民眾來說，最常聽到的綠色再生能源不外乎是太陽能發電、風力發電、潮汐發電等類型，但如果就單一能源的發電量來看卻不高。正因如此，也讓長期投入綠色能源研發的高雄第一科技大學電子工程系副教授、太陽能光電技術研發中心主任沈志隆忍不住開始思索是否有一個「兩全其美」的方法，來發展出更具發電成效的綠色能源，經過長思深考，他想到何不結合太陽能與風力發電來雙管齊下，發揮「一加一大於二」的效果。
沈志隆指出，以太陽能來說，必須得在白天有太陽出現時才能發電，而風力則常常是夜晚風勢大過於白天，若兩者能相輔相成，就能讓發電成效更上層樓。他表示，過去許多有關風力、水力或太陽能等再生能源的相關研究，往往都著重在單一能源輸入系統的設計，而少著墨於結合多種能源發電的再生能源型式。但在他看來，只要能掌握好各種能源的特性，就有機會將不同能源結合在一起發電，達到團結力量大的效能。
他表示，以太陽能和風能來說，兩者都是乾淨、無汙染且易取得的天然資源，但因為取之於天然，所以會受到晝夜溫差與四季變化的影響。於是他決定帶領研究生組成研發團隊，希望能找到一種可以結合兩種能源的發電機制，讓發電成效不會因為太陽下山或沒有風吹來就打折扣，而是能「互補有無」。
經過三年研發歷程，團隊終於研發一款「風光發電併聯型電力轉換器」，沈志隆表示，這台電力轉換器可結合太陽能與風能兩種再生能源的互補特性，當白天艷陽高照，有炙熱陽光出現時，就可靠太陽能電板來發電，反之，到了晚上或是太陽公公不露眼的陰天時，就可轉換為運用風力機來發電，每一小時大約可製造出一度電。不只如此，即使外頭天候陰雨綿綿、平靜無風也不用擔心，因為只要將發電系統轉為由台電供應，民眾就不用擔心會沒電可用。

世界上體型最長的「高個兒」是哪一種動物？答案是長頸鹿，你答對了嗎！台北市立動物園研究員、同時也是發言人趙明杰表示，大自然真是無奇不有，在美麗的大千世界裡，不但有小到肉眼難以辨識的昆蟲，也有身長近乎兩層樓高的長頸鹿。以成年長頸鹿來說，光肩高就達2.7至3.3公尺，身高更達4.8至5.5公尺，是陸地上最高的哺乳動物。
趙明杰表示，台北市立動物園最近可說是喜事頻傳，除了有從莫斯科動物園遠道而來的公灰狼「沃夫」與母灰狼「蘿拉」前來台灣落腳、當新住民外，動物園出名的長頸鹿模範夫妻檔「菊忠」與「長宵」新產下的長頸鹿baby也在大家面前亮相，可愛模樣十分「吸睛」；雖然長頸鹿不像貓熊那樣高人氣，但深受許多民眾喜愛，兒童節當天湧入許多小朋友到動物園與長頸鹿寶寶來個「第一次接觸」。
新產下的長頸鹿baby取名為「宵順」，目前已經兩個月大，既然父母都是動物界的「高個兒」， 長頸鹿baby出生時自然也手長腳長、高人一等。以「宵順」為例，才剛哇哇落地，身長就已快2公尺、體重達67公斤。
趙明杰說，「宵順」剛出生時因為出現下痢問題，而必須加強觀察，為確保牠的健康，保育員特別將牠和媽媽放在辦公室旁的隔離舍哺乳，以便能就近照顧，隨時觀察「宵順」排出來的便便是否有出現黏糊等異狀，最後再經過驅蟲注射、血液、消化功能、糞便寄生蟲等多道檢查把關後，才讓「宵順」可以順利與大家相見歡。
為何長頸鹿的頸子可以那麼長呢？很多人以為是不是因為長頸鹿的頸椎節數特別多，所以頸子特別長，其實並不然。研究動物生態多年的趙明杰表示，長頸鹿雖然脖子長，但脖子裡的頸椎數並沒有比其他哺乳動物來得多，一樣都是七塊頸椎，只是每一節頸椎都加長許多，光一塊頸椎骨就有30~40公分長。為了讓血液可以順利輸送到長脖子頂端，在牠們脖子裡可發現血管中有許多瓣膜，目的就是用來幫助血液流動。
長頸鹿的長脖子不只可幫助牠們吃到其他動物吃不到的樹枝嫩葉，還具有「偵察敵情」的功能。趙明杰說，以牠們的家鄉非洲草原為例，除了居住許多草食性動物外，也有老虎、獅子等猛獸，長頸鹿雖然因為本身體型高大，沒有太具威脅性天敵，但長頸鹿寶寶卻容易因為剛出生時的瘦小體型，而成為獅、豹等大型動物的獵食目標，因此長頸鹿媽媽就會用牠長長脖子來觀察附近有沒有天敵出沒，以隨時保護好小寶寶，避免讓猛獸有可趁之機。
長頸鹿小檔案
˙英名：Giraffe
˙學名：Giraffa camelopardalis
˙分類：哺乳綱、偶蹄目、
長頸鹿科、長頸鹿屬
˙食性：草食性
˙分布：撒哈拉以南之非洲
各地
˙壽命：平均約20-30歲

我們常用「十月懷胎」來形容人類懷孕的歷程，但對長頸鹿而言卻是「十五月懷胎」。趙明杰表示，長頸鹿懷孕期長達15至16個月，而且一胎只生一隻，因此對長頸鹿媽媽來說，每一胎都是牠們辛苦孕育的「心肝寶貝」，因此母子倆感情也特別好，在動物園經常可見到長頸鹿媽媽彎下脖子來親吻寶寶的溫馨畫面呢！
趙明杰表示，長頸鹿學名為「Giraffa camelopardalis」從生物分類上來看，牠們屬於哺乳綱、偶蹄目、長頸鹿科、長頸鹿屬，主要分布於撒哈拉沙漠以南的非洲大草原上，是一種會反芻的草食性動物，其種類可依顏色、花紋及分布範圍不同而區分為網紋長頸鹿、安哥拉長頸鹿、科爾多凡長頸鹿、南非長頸鹿等九個亞種。
以動物園的長頸鹿來說，主要為「網紋長頸鹿」。不過，圈養在動物園的長頸鹿無法像野生長頸鹿那樣可以隨時隨地攝食草原上的綠草樹葉，為了補充牠們所需的營養，動物園每天會為長頸鹿準備桑葉、胡蘿蔔、地瓜、洋蔥、青蔥、粒狀料、四季豆、高麗菜、芹菜等蔬果大餐來讓牠們飽餐一頓。趙明杰笑著說，別看長頸鹿身型苗條，但食量可不小，光一天下就能吃掉幾十公斤的食物。
有趣的是，不只時下許多年輕美眉喜歡為指甲進行美容與保養，就連動物園每年也會定期為長頸鹿做「美甲保養」呢。趙明杰表示，由於長頸鹿脖子長，所以需要透過強而有力的四肢與腳蹄來幫助牠們支撐身體，為了避免因為腳蹄太長而影響長頸鹿走路姿勢，導致膝蓋關節受損、重心不穩等情況，園方都會定期幫長頸鹿「修蹄」，讓牠們走路時更能「抬頭挺胸」。

在電影《天使與魔鬼》中，宗教狂熱份子以0.25克的反物質用來作為威脅梵蒂岡教廷的武器，到底反物質是如何用來作為武器呢？
觀察發現反物質和物質一旦相遇，就會互相吸引、碰撞進而轉化質量較小的粒子與以電磁輻射的形式釋放出能量，這個過程即稱之做湮滅。雖然電影的最後並未湮滅，但不妨讓我們來算看看這樣的能量有多驚人。根據愛因斯坦狹義相對論中的質能關係式 : E=mc2，0.25克的反物質與同樣質量的物質發生湮滅，並有80%的質量轉為能量，可得到36兆焦耳能量的釋放，相當於約八萬六千公噸的水在一秒鐘之內溫度上升攝氏一百度所需的能量。
而再計算一次歐洲核子研究組織好不容易製造出的反氫粒子：由於佔反氫粒子質量約為1.67 × 10-27 公斤，帶入計算後，發現釋放的能量連一億分之一的焦耳能量都不到。這也正是為什麼即使反物質隨時隨地與正物質發生湮滅過程，我們無法察覺。因此，不難明白反物質在科幻界與研究現況有著極大差異。
另一方面，有學者提出是否可作為新能源的可能？交通大學博士後研究員蔡宇中表示，當奈米碳管出現時，許多研究機構出現了利用奈米碳管一路連結直上太空的構想，但經過了近十年，當時推估的應用至今仍未達成。足見科學活動在後續龐大的探索及應用層面的實踐所需的時間遠超過人們想像，也常囿於能與其搭配的技術仍未達到。目前反物質還處於最初的科學觀察階段，後續還有非常長的探索路程才能達到實際應用的層面。當然，若能真正走到應用領域，以其作為更為乾淨的替代能源著實令人嚮往。或許，反物質在真實的物理世界中，展現出與科幻作品非常不同的風貌，但不置可否，它的確非常神祕且有趣，不是嗎？

專題報導／特約記者陳雅婷
近年在電影《痞子英雄》或《天使與魔鬼》中，反派角色的武器都是一種名為「反物質」的奇妙物質。然而，在真實的世界裡，「反物質」呈現著什麼樣的面貌？是否真如電影中形容的威力強大呢？就讓我們來一窺究竟！
從古至今人類都在探究物質如何被組成，而相信物質有最小的組成單位的概念，也在許多文明中成形。十九世紀初，英國化學家約翰．道爾頓提出原子理論，認為物質皆由原子構成；兩千多年前，莊子則寫下：「一尺之棰，日取其半，萬世不竭」的字句，提出一支木尺每天切去一半，日復一日，是無止盡抑或會有極限的問題？而答案在二十世紀初隨著許多關鍵性實驗逐漸明朗化。
首先是英國科學家湯姆生證實了電子的存在，緊接著1910年來自紐西蘭的拉塞福利用金箔散射的實驗，提出了影響至今的「原子核模型」。根據此模型，原子是由原子核與核外的電子構成。至此，物理學界進入近代最重要的時期，開始探索原子內部的世界是如何組成。在這樣的背景下，量子力學開始發展並初步解釋了原子內部的物理規則，而愛因斯坦也同時提出了相對論來修正質量極大，速度極大下的牛頓力學。近代物理的兩大基石，便各自在不同的物理尺度下開始對古典物理進行全面的革命。
在此一時代背景下，反粒子究竟是如何被發現？這得從相信數學有著純粹美感的英國物理學家狄拉克（P.A.M. Dirac, 1902-1984）說起。對量子力學創建有著極大貢獻的狄拉克，在量子力學初步架構發展完成後，進一步將相對論要求的一些物理特性納入量子力學的範疇下，展開量子力學與相對論初步的統合工作。
市立大同高中物理教師陳文楠表示，狄拉克依此原則進行電子的波動方程式（描述電子在空間中存在的機率分布）的計算時，成功地推導出已知的許多電子性質。但在計算中，出現了令人困惑的結果：就是方程式中竟出現了能量負值的解！這大大地困擾了狄拉克，此時他面臨了抉擇：就是出現能量負值之方程式可能是一個例外。但這不符合他的信念，曾留下「一個物理定律必須有數學美」名言的他，是無法接受任意用例外來刪除理論計算後的結果。因此，在苦思之後，他在1930年提出了非常大膽的假設──他認為負能量的量子狀態的確是存在的，而且可能是由我們尚未發現的粒子所組成。這無疑是在物理學界投下了震憾彈。
兩年後，美國物理學家卡爾．安德森即在實驗室裡發現了具有正電的電子─即所謂電子的反粒子，亦稱「正子」。陳文楠表示，正子的發現除了證實了狄拉克的理論外，也讓物理學家們更加重視物理世界中「對稱」的重要性，故紛紛尋找起各種粒子的「對稱」孿生兄弟─也就是反粒子。
反粒子與粒子究竟存在著什麼樣的對稱關係？事實上它們彼此間具有相同的質量、半衰期、電荷大小，但電性相反。此外，反粒子就如同一般物質般，是以原子、分子的形式存在。例如歐洲核子研究組織（CERN）在狄拉克預言反粒子七十年後，終於在2002年發現最簡單的反原子──反氫，即由一個反質子和反電子結合之反氫原子。

為解開影響發病的關鍵因子之謎，團隊成員展開長期研究，利用酵母菌進行遺傳篩選，從中發現轉錄延伸因子Spt4會幫助突變基因的表現；藉著再進一步用小鼠腦細胞進行實驗，證實當Spt4受到抑制時，突變基因的表現就會下降，小鼠腦細胞死亡的情況也會降低；這個結果也代表Spt4可做為治療腦性退化性疾病的標靶分子。
鄭子豪解釋，Spt4存在於人類、老鼠、猩猩等生物體的細胞內，過去沒有人研究過，這是台灣團隊首度發現Spt4在腦性退化性疾病中扮演的關鍵角色。
不過，正所謂「台上十分鐘、台下十年功」，一篇登上國際期刊的論文往往是靠著日積月累的研究成果而來，光是第一階段的酵母菌實驗就讓團隊吃了不少苦頭。參與研究的博士生劉珈榮說，為了找出轉錄延伸因子Spt4，他們前後花了三年時間，利用十七億顆酵母菌進行實驗才成功篩選出來，當時他每天早上6、7點就踏入實驗室做研究、半夜2、3點才離開，儘管過程很辛苦，但想到自己是在為患者作一件有意義的事，即使再辛苦也都值得。
而回首八年的研究之路，鄭子豪自己也忍不住笑說「一路走來真的很漫長，研究過程中不但得面對未知的未來，更無法確定自己所做的研究是否會有成果。」幸好，辛苦耕耘終於有了收穫，團隊成員都覺得很開心。
團隊表示，這項研究結果目前已經申請多國發明專利，接下來將邁入動物實驗與藥物開發階段。若未來可以順利開發出抑制Spt4的藥物，將有機會延緩發病時間，將小腦萎縮症等疾病的發病時間從20歲延後至40歲以上，幫助患者延長「生命風景」。