科學月刊-201603月號-555期-科學突破的動物先鋒

555 2016/03

科學突破的

動物先鋒

生醫產業新機會 / 教你辨別真假嗓 / 霰與雪有何不同

大 蛞蝓帶小蛞蝓

166 SCIENCE MONTHLY 2016.2

煙 囪 盤 海 蛞 蝓（Jorunna funebris） 是 臺 灣 淺 海 礁 岩 海 域 偶 而 可 見 的 裸 鰓 類 海 蛞 蝓。 白 色 的 身 體 上 有 數 個 黑 色 小 點 構 成 的 斑 塊， 充 滿 想 像 力 的 潛 水 攝 影 者 給 它 們 取 了 一 個 外 號：「 趴 趴 熊 」。 這 種 海 蛞 蝓 以 海 綿 為 食， 而 且 還 會 把 海 綿 難 以 消 化 的 骨 針 堆 積 在 體 表， 也 就 是 身 上 斑 塊 的 那 些 黑 色 小 點！ 這 些 骨 針 原 本 是 海 綿 用 來 支 撐 與 阻 止 掠 食 者 蠶 食 的 構 造， 卻 被 這 些 海 蛞 蝓 掠 食 者 據 為 己 用。 而 且 海 蛞 蝓 吃 下 海 綿 以 後 的 二 次 代 謝 物「jorumycin」， 已 被 發 現 具 有 抗 癌 的 活 性 成 分！

攝影．文

黃興倬（國立自然科學博物館）

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專欄文章

人類的長期抗戰─

施增廉

1986 年 畢業 於 淡 江 大 學

化學系，1997 年美國普渡大學 化學

博士，現為淡江大學化學系教授。期

對抗阿茲海默症

望自己成為一個好的化學教育者，讓 學子領悟化學合成之美。

如果，你注意到身邊長者的日常生活記憶力衰退，或認知

即將襲來的衝擊

及情緒上有所改變，要當心，阿茲海默症（Alzheimer's

阿茲海默症屬於失智症的一種，約 50% 中度認知困難的患

disease）可能已默默找上他們。

者有機會演變成阿茲海默症，是一種不可逆的病症。早期對 於阿茲海默症的診斷，只有對死者做腦部解剖才能得知。然

阿茲海默症的發現，源自於 1906 年在德國所舉行的一個會

而，過去十多年間，科學家已發展一種顯像技術及生物標記

當他治療一女性患者所觀察到的現象，該患者死後經解剖，

診斷有助於延緩疾病的惡化，也早一點讓患者有心理準備。

發現其腦部記憶區有嚴重的受損。至今了解如此腦部上千萬

雖然準確性仍有偏離的時候，但此法已改變治療及預防阿茲

神經元壞死的原因有二：其一，神經細胞被 β– 澱粉樣蛋白

海默症的策略。

最後形成的斑塊物阻絕了神經細胞傳導功能；其二，τ 蛋白

此病症與年齡有很大的關聯：年紀大者罹患率高，有 96%

議中，精神病學醫師阿茲海默（Alois Alzheimer）提出了

（β-amyloid）胜肽所形成的一種膠狀物質覆蓋，這種物質

質扭曲形成神經纖維糾結，而沉積在神經元內部。然而，如 何引起此現象，科學家並不清楚，推測或許與發炎有關。

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法（biomarker），能在患者存活的時光中提早診斷。早期

發生在 65 歲以上長者；又此病與收入有關，71% 屬於中、

低收入者。2015 年，美國約有 560 萬人罹患此病，其中

變 化 | Chemistry

神經元

澱粉前體蛋白

β– 澱粉樣蛋白 酵素

軸突

正常大腦 大腦皮層 神經纖維纏結

斑塊物

樹突

65% 為女性。每年該國治療患者的總花費約 226 億美金，

海馬迴

估計在 2050 年時將達到 1 兆 1 千億美金，屆時全美會有

大腦皮層萎縮 腦室擴大

近 1400 萬名患者。

其實，不單是美國需承擔如此龐大的金額壓力，世界各國也 無法置身事外。由於人類壽命的延長，照顧阿茲海默症患者 會對家庭及社會造成巨大衝擊。未來患者成長最快的地區將 可能是中國、印度及東南亞國家。照顧此類患者需耗費龐大 的社會資源，尋求解決之道實在刻不容緩。然而，對阿茲海 默症藥物的發展需要龐大的資金、人力與時間，而能夠進入 最後測試階段的藥物，也是萬中挑一，因此也有不少藥廠紛

海馬迴

阿茲海默患者大腦

紛打退堂鼓。

充滿荊棘的藥物研發過程 現今所發展用以治療或延緩阿茲海默症的小分子藥物，主 要 以 阻 斷 一 種 稱 為 β-site amyloid-cleaving enzyme 1

（BACE）的蛋白質酵素為目的。然而，這種口服藥想要穿 過腦血管障壁（blood-brain barrier）並非如此容易，而

相關研究也波折不斷，許多藥物在不同試驗階段鎩羽而歸。

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專欄文章

聲波的頻率跟音高、明亮度有何關係？

蔡振家

臺灣大學物理系學士、

臺北藝術大學傳統藝術所碩士、 柏林洪堡大學音樂學博士，現為 臺大音樂所專任教師。

聲波的產生，通常來自於物體的振動，聲波 的頻率就是該物體的振動頻率。舉例而言， 人們講話與唱歌時的聲波，其頻率就是當時 聲帶的振動頻率。但是你知道成年男性及女 性的聲帶振動頻率大約是多少嗎？

這個問題即使是物理系的學生也不見得答得 出來，這是因為當我們在學習頻率這個物理 觀念時，似乎跟平時聽到聲波的「感覺」沒 有連在一起，因此許多人並不知道，成年 男性及女性講話時的聲波，頻率分別落在

120 Hz 與 200 Hz 附近。

（The Yorck Project: 10.000 Meisterwerke der Malerei. DVD-ROM, 2002.）

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理 物 | Physics

聲音的心理量 當我們聽到具有週期性的聲波時，心中的第一印象就是它的

以上這個式子顯示了物理量（頻率）與心理量（音高）之間

音高（pitch），這是個心理量。心理量比物理量來得抽象，

的關係，這是心理物理學（psychophysics）的研究主題之

裡面。我們都知道，成年男性的嗓音比女性嗓音「低」，這

以上式子，筆者在此主要是想強調，當我們在學習一個物理

可以證明，我們能夠在心中比較兩個音高，知道兩個心理量

量的時候，或許可以多多思考它是否有對應的心理量，讓冰

的大小關係。

冷客觀的物理也能跟自己的感受經驗產生聯結。

當我們要比較兩個音的高低時，心中還會對這兩個音高的差

真嗓與假嗓

距產生另一個心理量：音程（interval）。語言中的音程有

講到聲波，我們可能會產生許多聯想，這可是人們最「有感」

大有小，例如閩南語「坐車」這兩個音就形成比較大的上行

的一種波，因為我們的發聲系統能夠產生相當多樣的聲波，

音程，而「花車」就是比較小的上行音程。音樂中的音程

反之，我們的身體並沒有辦法隨心所欲發出光波。當我們想

種類比語言中的音程更多，從小到大的音程區分得很仔細，

唱高音時，以喉部肌肉拉緊聲帶，提高聲帶的位能，而當我

其中以八度音程最為基本。音樂中有一種奇妙的現象：兩個

們的歌聲從高音往下降時，則會有放鬆的感覺，這種感覺跟

音若是剛剛好相差八度，聽起來特別相似。在簡譜中，比

聲帶張力的下降有關。以上所談的是真嗓的高音與低音，一

「123」高八度的音是「123」，低八度的音則是「123」。

般人通常以真嗓來說話，而在驚嚇、訝異、興奮等情緒下，

不管在何種人類文化裡面，相差八度的音聽起來總是特別相

我們還會用到假嗓。一般而言，假嗓比真嗓更高，但同一個

似，這個現象稱為八度等價（octave equivalence）。

人的假嗓與真嗓音域有所重疊，無論是男性或女性歌手，在

不容易客觀測量，但是心理量卻真實存在於我們的主體經驗

一。本文並不打算詳細介紹心理物理學，也不打算深入探討

唱到高音域時若不想用真嗓「硬拼」，則可以轉為假嗓。

從八度音程入手，我們可以將音程量化。相差八度的兩個 音，頻率比恰好是 1:2；相差 n 個八度的兩個音，頻率比為

藉由真假嗓的議題，筆者接下來要介紹另一個跟聲波有關的

其音程便是：

高頻的能量占總能量的比例越高，音色就越亮。以母音而

1:2n（其中 n 為整數）。一般而言，頻率為 f1 與 f2 的兩個音， 音程 =

括號中的八度即為音程的單位。

（八度）

心理量：明亮度（brightness）。在一個聲音之中，分布於 言，/e/ 比 /u/ 來得亮；以子音而言，/s/ 比 /f/ 來得亮。

值得注意的是，音色明暗跟音高無關，低音也可以具有明亮 的音色，歌聲中的真嗓便經常比假嗓還亮。

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科學突破的 動物先鋒

2016.1 194 SCIENCE MONTHLY 2016.3

COVER STORY 封面故事

線 蟲、 果 蠅、 斑 馬 魚， 這 三 種 實 驗 動 物， 究 竟 有 何 特 殊 之 處， 能 夠 肩 負 起 尖 端 科 學 的 研 究 使 命， 引 領 生 醫 領 域 的 重 大 突 破？

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精選文章

銀白世界下的祕密 冰相粒子大不同

蘇世顥

空氣中的水物

任職於文化大學大氣科學系。在半年都是

冰天雪地的環境中完成學業，研究包含雲微物理在

首先我們要很快的瞭解一下，大氣中存在哪些與水直接相

內之各種大氣物理現象。希望能傳達正確的天氣與

關的物質（水物，water substance）？如表一，我們依

氣候科普知識給一般大眾。

照水物相態與在垂直方向上運動的速度進行分類，大致上 （本文與中華民國氣象學會合作）

可 分 為 水 氣（vapor）、 雲 滴（cloud droplet）、 雨 滴 今年一月份臺灣地區經歷了有紀錄以來最強大的寒流，導 致本來在臺灣十分罕見的銀白世界出現在全臺各地。在新 聞媒體終日強烈放送之下，原本陌生的專有名詞「霰」、 「雹」或「冰珠」都相繼攻佔各大新聞的版面，大家也才 瞭解到原來在低溫環境中所形成之冰相粒子不是只有「雪」

（rain drop）、冰晶（ice crystal）、雪（snow）、霰

（graupel）與雹（hail）。這些水物之間的特性與形成的 原因都有所不同，但大氣中要形成冰則只有兩種機制，一

種是液態水凍結（freeze）形成冰，另一種則是由氣態的

水氣直接凝華（desublimation）所致。所以無論是形成 冰晶或是後續冰相粒子的成長過程，都必須要考慮這兩種

而已。但是這些冰相粒子有何不同？為何在不同環境下我

機制的作用。所以下面我們就會仔細討論這兩種過程，在

們觀察到的冰相粒子型態會有不同呢？

「雪」、「霰」、「雹」的成長過程中扮演的角色。

表一：大氣中水物之分類

幾乎無垂直運動

氣態

液態

固態

水氣

雲滴

冰晶

下降速度較慢

雪 雨滴

下降速度較快

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霰、雹

精選文章

在 這 波 寒 流 中 很 多 地 方 都 變 成 了 銀 白 世 界， 但 是 很 多

這樣的過程造成粒子的密度較低。但是如果這樣的粒子出

時 候 我 們 看 的 並 不 是 雪 花 而 是 另 一 種 冰 相 粒 子「 霰

現在強對流區，粒子下落過程中表面的冰可能因為環境溫

（Graupel）」，那什麼是「霰」？這個字在古代中文是

度高於冰點而融化為液態水，但強對流區的上升氣流會把

指落到地面上的不透明（白色）小冰粒，而且霰下落的速

這些粒子再度向上帶到零度線以上，而發生再次凍結，所

度比雪快，所以在《桃花扇》中就有一段文字「飛綿作

以表層的空隙會因為融化在凍結的過程被填滿，這樣所形

雪，落紅成霰」就是在告訴我們兩者是不同的冰相水物。

成的冰相粒子就是密度較高的冰雹，而新聞中的冰珠其實

早期翻譯英文中 Graupel 這種下降速度較快且表面不透

明的小冰粒時，當時科學家直接想到描述相同水物的中文

字「霰」，這是十分傳神與恰當的翻譯。英文中 Graupel

T0

T1

的同義詞為 soft hail、snow pellets、tapioca snow 或

Grail，所以中文翻譯時有些人也會用「軟雹」或「雪丸」

來取代比較難發音的霰。純粹從翻譯的角度來看這樣的用 法並無不妥，甚至更貼切的點出霰的形成原因和冰雹或雪 花有所關聯。那霰的形成原理是什麼呢？

霰怎麼形成？ 「霰」與「雹」的形成過程類似，基本上都是由大的冰 晶或雪花做為成長的核心，當這些冰晶下落的過程中與 過 冷 水 滴（super cool droplets） 發 生 碰 撞， 過 冷 水

滴 碰 撞 到 冰 晶 時 會 發 生 瞬 間 凍 結， 這 也 就 是 我 們 所 謂

過冷冰滴

終端速度（箭頭代表方向、寬

冰晶或雪花

度表示速度）

圖一：冰晶淞化過程示意圖。當冰晶或雪花在下落過程中若進入富含過冷水 滴的區域時（T 0） ，當過冷水滴碰撞到冰晶或雪花的表面時便會瞬間凍結（T1） ， 而此一冰相粒子也會因此而長大。

的 淞 化（Riming， 圖 一 ）， 而 這 整 個 過 程 則 稱 為 撞 凍 （accretion）。過去我們時常在新聞上看到的霧淞（圖

二），就是過冷水滴碰到固體表面瞬間凍結所產生的淞化

現象，過程中僅有液態與固態間的轉換過程。這與過去在 冬季常看到在樹葉或草上的霜（frost）並不相同，霜的成

因是空氣中水氣在低溫的環境下，水氣分子直接凝華為固

態，這過程中並沒有液態水的參與，所以說兩者的成因完 全不同，不可以混為一談。

由前面所述可知霰成長主要是由於很多過冷水滴的撞凍過 程所導致，所以在所形成的冰裡面會有很多空隙與空氣，

圖二：冬季在樹枝上所形成之霧淞。（文化大學大氣科學系教授劉清煌拍攝）

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