科學月刊試閱版 2022-4月號 628期-生物資訊大解碼

628 2022 4 月號

生物資訊 大解碼 結合數學、統計學和電腦

科學的生物資訊學，將如何

4

影響生物學的發展？

2 0 -2 -4

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ENTER

焦點評論

電影《千萬別抬頭》

能喚醒大眾關注科學？

01100101 10110010

經典專欄

科學×過彎

出現重大突破？

了解彎道車禍風險

人類移植異種器官

從圓周運動

NT$249 ISSN:0250-331X

9

770250

331001

04

Contents

2022 APRIL

628

# 封面故事引言

封面故事二

#

數據爆發 造就生物資訊新世代

用程式寫未來的精準醫療

生物醫學資訊科技 帶領醫療數位轉型 張明台

# 封面故事一

結合生物學、統計學、 資訊學的科學

生物資訊學是什麼？ 林志鵬

# 封面故事三

以「次世代定序」 完成精準醫療， 更能協助生命科學領域的探索 趙盈婷、許藝瓊

# 封面故事四

學習生物資訊學 要具備哪些能力？ 李御賢教授專訪

採訪撰稿 林翰佐

封面說說話 DNA 彷彿有了魔法紛紛飛進儀器裡，電腦開始馬不停蹄運作、計 算、整合，緊接而來的是各式各樣的生物數據出現在眼前。 本期封面參考封面故事其中一篇文中提到「生物資訊學就是『透 過電腦軟體搭配數學統計，計算各種生物相關資料。』」用這句 話作為封面設計的主軸。將電腦儀器、統計圖表和生物數據做圖 像化且趣味、活潑的呈現。

SCIENCE MONTHLY

Vol. 53

No. 4

1

Contents-2

填問卷．拿新書

News Focus

只要於 2022 年 4 月 30 日前，完

4

擋風玻璃上的雨滴怎麼跑？／全球暖化將導致季節性過敏更加嚴重？

整填寫讀者問卷調查，就有機

5

亞馬遜雨林的「韌性」正在漸漸下降？

會獲得商周出版的新書《拿破 崙的鈕釦》。 問卷內容請至 bit.ly/3wezDNM

顯影 1

32

唐水蛇／李昌霖

或掃描 QR code，並詳實填寫， 否則將喪失抽獎資格。

思辨之評

34 千萬別說《千萬別抬頭》有幫科學說了什麼／黃俊儒 36 這樣的內容可以嗎？

獲 獎 名 單 將 於 2022 年 5 月 5 日 之前公布於《科學月刊》網站 （www.scimonth.com.tw）。

科學報導和科普著作到底出了什麼問題？／鄭宜帆

專

欄

40

格物致知：電子顯微鏡：揭開肉眼看不見的世界／ 路易吉．拉斯波里尼（Luigi Raspolini）、譯者｜勀傑科技專業團隊

46

生生不息：狼心狗肺不是夢！將豬心裝進人的身體？ 人類對異種器官移植的野心即將成功？／蔣維倫

52

潛移默化：從食物搭配理論出發，了解餐桌上的風味科學／廖建勛

58

物換星移：丈量宇宙幾何：歐幾里德太空望遠鏡／林彥興

顯影 2

64

胡椒屬．續篇／植業病

精選文章

66

為什麼沒有物種可以演化出超級能力？／許家偉

72

彎道車禍：藏匿在你我身邊的魔鬼！／林妙秦

書

78

2

摘

《拿破崙的鈕釦》

科學月刊

2022.4

bit.ly/3wezDNM

走進編輯室

臺北市科學出版事業基金會 董事長：劉源俊 董 顧

事：于宏燦

朱慶琪

邱韻如

林翰佐

胡維平

高甫仁

曾耀寰

蔡孟利

問：王文竹

周成功

林基興

郝玲妮

高涌泉

羅時成

近年來影音串流平台興起，每月只要支付少少的訂閱費用，就可以無限觀看平臺 上的任何影集或電影。而我最近也 Netflix 中毒，影片一部接著一部觀看，不亦樂 乎。其中，在去（2021）年底上線的《千萬別抬頭》（Don't Look Up ）更是造成

出版者：科學月刊社

一股討論風潮。在片中，各種令人啼笑皆非、光怪陸離的橋段，諷刺了現今的政

理事會

治與社會中的許多現象。

理事長：蔡孟利 理

事：曲建仲

于宏燦

朱慶琪

林翰佐

邱韻如

紀延平

曾耀寰

蔡政修

在《千萬別抬頭》的劇情中，天文學家發現了一顆彗星將在 6 個月後撞擊地球，

執行總監：趙軒翎

但可笑的是，即使科學家四處奔走，有權力的政治人物、財閥與民眾們卻仍無所 作為，最終的結局可說是諷刺到了極致。許多看過本片的觀眾，甚至是飾演本部

編輯部 總編輯：林翰佐

電影的演員都認為這部片能夠多少喚醒大眾對於科學議題的關注，但事實真是如

副總編輯：趙軒翎 編輯委員：王文竹

王伯昌

曲建仲

江建勳

李志昌

李精益

阮明淑

周鑑恆

林秀玉

林宮玄

邱韻如

金升光

金必耀

門立中

紀延平

范賢娟

倪簡白

高啟明

高憲章

張大釗

張敏娟

陳妙嫻

陳彥榮

陳鎮東

陳藹然

單維彰

景鴻鑫

曾耀寰

程一駿

程樹德

黃正球

黃相輔

楊正澤

葉李華

廖英凱

管永恕

劉宗平

蔡兆陽

蔡孟利

蔡振家 韓德生

鄭宇君

鄭運鴻

鄭宜帆

嚴如玉

嚴宏洋

蘇逸平

編輯顧問：王明蘅

古宏海

朱麗麗

吳明進

吳家誠

周延鑫

周榮泉

洪萬生

洪裕宏

胡進錕

孫維新

張

張勝祺

陳文屏

陳章波

陳國成

曾惠中

楊玉齡

劉仲康

駱尚廉

魏耀揮

蘇益仁

蘇振隆

主

編：謝育哲

編

輯：羅億庭

復

此嗎？這個問題實在值得深思。 而在電影中也道出了科學家及科普從業人員的無力。有時即便科學事實擺在眼前， 仍難以取信於眾人，甚至在有心人士的操控下，科學反而被妖魔化為陰謀論。更 諷刺的是，因網路社群平台的興起，各種莫名其妙甚至毫無根據的言論，或是內 容農場的文章等反而被視聽大眾們當真（看看 YouTube 上各種奇怪的「知識型」 或「說書」影片，以及電視上許多令人無言的談話節目等）。 即便各種偽科學或缺乏證實的謠言不斷在社群媒體間流竄，但所幸仍有許多人願 意花時間研究、整理、分享，並將真正的科學知識轉譯給大眾。《科學月刊》能 在傳遞科學事實的道路上前行超過半世紀，與臺灣許多認真經營科普傳播的夥伴 們一同努力。雖然追求真理的道路充滿荊棘，但我相信在大家的努力，以及讀者 們的支持之下，真理或許終將戰勝那些無稽的蜚語！

美術編輯：黃琳琇 業務部 業務專員：廖本翔 整合行銷專員：林承勳

主編

創刊於 1970 年 本期為第五十三卷第四期

科學月刊社 第 628 期

發行於 2022 年 4 月

謝育哲

製版印刷：赫偉有限公司

地址：106013 臺北市大安區羅斯福路三段 77 號 7 樓

中華郵政北台字第 0677 號執照登記為雜誌類交寄

電話：(02)2363-4910

行政院新聞局版台誌第 0934 號

網址：www.scimonth.com.tw

總經銷 : 聯華書報社

傳真：(02)2363-5999 電郵：scimonth@gmail.com

圖文版權有任何疑慮請洽編輯部，廣告刊登及雜誌訂閱請洽業務部。本刊所刊登文章內容皆為版權所有，非經本刊同意不得作任何形式的轉載或複製。

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NEWS FOCUS

擋風玻璃上的雨滴怎麼跑？ 每個人應該都有在下雨天開車或搭

沿著玻璃往上移動，而體積中等的雨滴則會因重力與

車的經驗。而落在汽車擋風玻璃上的雨滴，有時會沿

風力達到力平衡而靜止不動。有趣的是，體積非常小

著玻璃落下，有時又會往上移動，甚至也有雨滴紋風

的雨滴其實也會靜止不動，這是因為風力不足以克服

不動，這是為什麼呢？為了解答擋風玻璃上雨滴的移

水滴在玻璃上的附著力。

動問題，美國康乃爾大學（Cornell University）的流體

其他因素也會使雨滴出現不同的移動方式。當車速

力學研究人員，利用二維數學模型找出了雨滴在擋風

與風速加快時，即使是大體積的雨滴也會被往上吹；

玻璃上的移動模式。

而若車速過低，則無法產生足夠的風力使雨滴往上移

根據模型的研究，擋

動。此外，若擋風玻璃的角度較陡，即使是體積非常

風玻璃上的雨滴會同

小的雨滴也會受重力牽引而向下移動。

時受到重力與風力影

雖然這項研究僅考慮雨滴在玻璃上的單向移動，並無

響，而移動的方向主

法完整呈現現實的情況，但仍可以讓我們初步了解雨

要與雨滴大小有關。

滴在擋風玻璃上的移動模式。下次在雨天開車時，不

體積較大的雨滴受重

妨觀察一下這些有趣的雨滴吧！

力影響而往下流，較 （123RF）

小的雨滴會被風吹而

Alireza Hooshanginejad and Sungyon Lee, Dynamics of a partially wetting droplet under wind and gravity, Physical Review Fluids, Vol. 7, 2022.

全球暖化將導致季節性過敏更加嚴重？

4

你有過敏症狀嗎？季節性過敏是

花粉受到溫度和降水變化的影響

過敏者必須時常注意身體狀況，

常見的過敏種類之一。由於季節

進行研究。結果顯示，春季時植

若有不適建議尋求專業醫療協助。

交替，植物產生的花粉和黴菌孢

物排放花粉的時間較過去提早約

子等過敏原，可說是過敏者的惡

10 ∼ 40 天，而花粉的總排放量增

夢。近期一篇來自美國密西根大

加了 16 ∼ 40％。另外，研究人員

學（University of Michigan）的研究

也發現，由於全球氣溫不斷升高

指出，全球暖化可能會使過敏者

及二氧化碳含量持續增加，預測

的症狀持續更長時間且更嚴重。

到了 21 世紀末，花粉的排放量可

由於全球暖化導致地球平均溫度

能會增加 200％。

上升，也連帶影響了植物花粉的

這項消息對於過敏者無疑是件壞

（123RF）

排放量。研究團隊開發了一款預

事，因為過敏引發的症狀從輕微

測 模 型， 針 對 在 1995 ∼ 2014 年

的流淚、打噴嚏到嚴重的呼吸困

間，15 種常見的花粉類型，以及

難等都讓人相當不好受。所以，

Yingxiao Zhang and Allison L. Steiner, Projected climate-driven changes in pollen emission season length and magnitude over the continental United States, Nature Communications, 2022.

科學月刊

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亞馬遜雨林的「韌性」正在漸漸下降？ 亞馬遜雨林（Amazon rainforest）

稱號，但隨著巴西當地逐漸開發，

位，以及其對於氣候系統的影響，

的 韌 性（resilience）會 下 降 嗎？

亞馬遜雨林樹木遭到盜伐、焚燒

再加上雨林中儲存了大量的碳，

「 韌 性 」 一 詞 最 早 於 1973 年 由

等消息層出不窮。近期一篇研究

即使僅有部分樹木枯死，也會造

生態學者霍林（Crawford Stanley

藉由高解析度的衛星影像，分析

成溫室氣體排放，導致地球變暖。

Holling）提出，用以描述某個生態

了亞馬遜雨林近 30 年來的植被系

研究團隊認為，亞馬遜雨林的韌

系統在遭遇到自然干擾或人為干

統（vegetation system）與其森林

性下降對人類而言無疑是個警

擾，例如地震或野火等天災，以

韌性是否有所改變。研究團隊發

訊，並表示限制伐木、控制溫室

及人類為了農業、商業需求而開

現自 21 世紀初開始，亞馬遜雨林

氣體的排放，著手保護亞馬遜雨

發森林等行為後，能否快速自我

約四分之三的區域韌性正在逐漸

林是件刻不容緩的事。

修復的能力。

下降，意味著在這些區域中，雨

位於巴西的亞馬遜雨林蘊藏豐富

林喪失了自我修復能力。

的物種，也有著「地球之肺」的

由於亞馬遜雨林獨特的生態定

Chris A. Boulton et al., Pronounced loss of Amazon rainforest resilience since the early 2000s, Nature Climate Change, volume 12, pages271–278, 2022.

NEWS FOCUS

（123RF）

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封面故事引言

數據爆發 造就生物資訊新世代 結合了生物學、統計學、資訊科學等領域的生物資訊學， 在近 20 年來發展迅速，

利用電腦進行搜尋、計算、處理數量龐大的樣本， 將可解開過去生物學難以處理的問題。

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01 結合生物學、統計學、 資訊學的科學

生物資訊學是什麼？ 林志鵬

現職英華達醫療電子事業部資深經

理，銘傳大學兼任助理教授。曾任

手中拿著《科學月刊》的你，想必對於科學一定有基本

生物科技副總經理。

的熱愛吧？甚至也可能曾經自己動手做過科學實驗，看

有勁基因研究服務銷售總監、有勁

看能否重現過往書中所提到的科學現象。在實驗過程中，

Take Home Message

我們通常會透過「觀察、假設、操作、記錄」，綜合實驗 中的變因與數據結果，相互推敲出「規則」後，再將這個

◆ 生物資訊學是一種結合生物學、資訊 學、統計學的科學。生物資訊的資料主 要來自於傳統生物實驗數據，再搭配各 種物理化學特性，透過電腦軟體將整合

資訊整理、發現新的生物法則，進一步 解決生物或醫學問題。

◆ 目前生物資訊學處理最多的資料來源為

中進一步歸納並推敲，得到其他新的「規則」。

在一般的分子生物學實驗裡，我們會花很多的時間進行 「操作」，這歸因於分子生物學實驗操作流程的繁複及 不穩定性。因此，早期分子生物學家要獲得實驗數據並

資料庫中的 DNA 序列。

納出新的發現則更加困難。然而，1989 年的人類基因體

◆ 生物資訊學也能協助預測蛋白質結構。

該方法不僅有助分析蛋白質的功能及生 化機制，也能用於不同蛋白質或其他化 學分子之間的交互作用，甚至是電腦輔 助開發藥物。

科學月刊

上述的模式之外，我們也可以從各種不同的大量實驗數據

DNA ∕ RNA 序列資訊。藉由生物資訊

學，科學家能快速地計算、分析、比對

8

規則套用在其他實驗，驗證找到的規則是否正確。而除了

2022.4

不容易，如果想要透過實驗收集大量資料，來進一步歸

計畫（Human Genome Project, HGP），以美國國家衛 生研究院（National Institute of Health, NIH）為首，與 其他 18 個國家的研究團隊合作，花費 10 年及 30 億美金， 終於在西元 2000 年解碼出第一個人類染色體上 30 億個 鹼基的草稿。

01 接著在 2007 年，次世代定序技術（next generation

sequencing, NGS）的出現，將染色體解碼的速度 推向另外一個層級，以目前的最新狀況為例，我們 可以在 2 天內解碼 48 個人類的基因。科學家能利 用電腦協助處理排山倒海的數據，進而讓生物資訊 學（bioinformatics）發光發熱。

生物資訊學：跨領域的科學

生物資訊學就名詞上來看，是一個橫跨生物學及資 訊學領域的學科，但其實應該還要再加上統計學或 應用數學（圖一）。

簡單來說，生物資訊學就是「透過電腦軟體搭配數 學統計，計算各種生物相關資料」。這些資料可以 是既有的生物數據，也可以再搭配各種物理化學特 性，透過軟體將這些資訊整合，從中整理或發現新 （Shutterstock）

的生物法則，進一步解決生物或醫學的問題。由於

生物資訊的跨領域特色，在當前講求團隊合作的時 代，也是一個很好的橋樑，能夠串聯起生物學家和 資訊學家，達到更大、更好的合作效果。

尋找 DNA 的相似程度

受到次世代定序技術的影響，目前生物資訊學處理 最大宗的資料來源為 DNA ∕ RNA 的序列資訊，其 他尚有細胞內的化學分子結構，以及代謝傳遞路徑 分析等。其基本的概念，就是希望能以電腦軟體來 取代人工資料處理。舉例來說，假設有 3 條來自不 圖一：生物資訊學是結合不同的領域所對應的學科。其中包含了 生物學、統計學、資訊學等，以解決生物學或醫學等問題。

同物種的 DNA 序列（圖二），我們想了解這些物 種彼此之間 DNA 的相似度，進一步得知其演化關

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04 學習生物資訊學 要具備哪些能力？ 李御賢教授專訪 經

歷

國防醫學院生命科學研究所博士 長庚大學兼任教師

臺灣精準醫學學會理事

銘傳大學生物科技學系教授

專

長

基因微陣列、分子病毒學、 遺傳學、生物資訊學

26

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採訪撰稿｜林翰佐

銘傳大學生物科技學系 副教授，本刊總編輯。

（林翰佐拍攝）

04 生物資訊學是一種利用資訊方法分析生物資料，藉 以理解生命現象的學問。它的研究命題範圍相當廣 泛，涵蓋了 DNA、RNA、蛋白質等 3 個層次。DNA

李：生物資訊學是將生命科學的特徵資訊數位化， 再進行分析比較。實務上可分為 3 個步驟，分別是 「收集資料」、「分析資料」、「預測資料」。

層級的研究包括 DNA 定序（sequencing）、序列組 裝（assembly）、基因註解（gene annotation）等；

我們以目前臺灣正在進行的「臺灣精準醫療計畫」

RNA 層次的研究有基因表現、基因間的交互作用

（Taiwan Precision Medicine Initiative, TPMI） 為

等；而蛋白質層次則有結構預測、蛋白質表現等，

例說明流程。TPMI 的目標是建立臺灣人口基因資

但無論是在 DNA、RNA、蛋白質層次，都有一個共

料庫的基礎，透過生物資訊學研究體系的建立，希

同的精神，就是有大量的資料需要進行分析，因此

望能在「用藥安全及效能」、「疾病早期診斷」、

要使用適合的資訊工具與方法來分析生物資料。

「預防醫療」等面相提升醫療品質。

《科學月刊》本期邀請李御賢教授，談論生物資訊

首先是收集資料，由中央研究院與 32 家大型醫院

學的應用與未來，分享他多年來研究生物資訊學的

合作，預計收集數百萬個病人與正常人的生物資料

歷程，以及給所有想踏入生物資訊學的莘莘學子們

（例如 DNA 序列）。基因資料的收集有時會使用生

一些學習上的建議。

物晶片（microarray），在 TPMI 計畫中，使用單一

生物資訊學是什麼？

核苷酸多型性（single nucleotide polymorphism,

SNP）的基因型鑑定晶片。這種晶片可一次收集人

《科學月刊》（以下簡稱科）：網路上常看到「計

類樣本中 60 多萬筆 SNP 資訊，再加上每個人的臨

算生物學」（computational biology）這個名詞，

床資料，使得每份樣本都會產生相當驚人的資料。

計算生物學是生物資訊學（bioinformatics）嗎？

以 TPMI 預計收集每 10 萬人的數據量來預估，共 計約有 60 Gigabyte（GB）的資料量需要進行儲存。

李御賢（以下簡稱李）：其實兩者的定義不同。生 物資訊學是分析生物資料的學問，而計算生物學則

分析資料是為了找出大量樣本中數據的特徵。在上

偏向開發生物資訊的工具或理論。以次世代定序

述的例子中，我們可以利用孟德爾遺傳學的表達

（next generation sequencing, NGS）而 言， 生 物

方式，將每份檢體中的某筆 SNP 資訊簡單表示成

資訊學是利用序列組裝的工具，分析生物序列；而

AA、Aa、aa 的 3 種可能基因型。透過簡單的二維

計算生物學則是改進或發展序列組裝的工具。

矩陣方法，我們便可以分析兩筆資料之間的差異。 但實務上，每份檢體透過基因晶片的檢測會出現

科：生物資訊學的研究如何進行？

60 多萬筆的 SNP 資訊。光要分析人與人之間 SNP

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顯 影

唐水

Myr

roph

蛇

多數幼蛇喜歡在水位較淺的區域活動。

is c hine nsis

唐水 蛇

將

露

頭

出

水面

呼 吸 的模樣。

唐

水蛇

頭 部 的特寫。

圖．文／李昌霖

臺灣有 2 種水蛇，分別是唐水蛇與鉛色水蛇，牠們皆有後溝 牙且具微弱的毒性，其中唐水蛇最大體長可達約 90 公分， 喜好在水深較深的溪流、埤塘中活動；而鉛色水蛇的最大體 長約在 70 公分左右（筆者之前在野外看到鉛色水蛇，目測 幾乎都在 50 公分內），喜好在水深相對較淺的水田、湖泊等 幼

蛇

側

的

面

32

科學月刊

區域活動。而兩者皆以魚類、蛙類等生物為食，且主要都棲 斑紋

2022.4

顏 色 較鮮豔。

息在海拔 500 公尺以下。

顯 影

臺灣的另一種水蛇──鉛色水蛇。

umb l p dris y h n E

ea

蛇 水

色 鉛

唐水蛇是夜行性的水棲蛇類，屬於二級保育類動

域有辦法發現牠的蹤影。

物，體型相較多數蛇類粗短，跟大部分水蛇一樣眼

根據筆者的長時間觀察，幾乎每條唐水蛇個體都能

睛與鼻孔都集中在吻端上緣，體色為灰褐色或是咖 啡色，背上有許多黑色碎斑，體側兩旁各有一條鮮 豔的橘黃色斑紋貫徹全身，

在水中憋氣長達 20 分鐘以上，而牠們在呼吸時會 將身體的後半部纏繞在水中的石頭縫，將頭部露出 水面呼吸。牠們幾乎一整天的時間都待在水中，就

因為身形有點像分布於南美洲的綠森蚺（Eunectes

連交配時也是。此外，雖然唐水蛇的最大體長可以

murinus），因此有些人會叫牠「臺版小森蚺」，雖

到大約 90 公分，但是牠們在約 40 ～ 50 公分左右

然看起來非常的肥胖，但游泳速度卻非常快。

就可以進行交配，公蛇體型明顯比母蛇瘦了一圈，

以前唐水蛇本是一種遍布北臺灣低海拔水域的蛇

交配的過程約在 30 分鐘，而時間大多是在冬天，

類，近年來因為農藥汙染、土地開發、水域工程等

因此在夏天快到時可在野外發現剛出生的小蛇。

因素，導致其數量大幅減少，現今剩下北部少數區

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33

專欄文章

狼心狗肺不是夢！將豬心裝進人的身體？

人類對異種器官移植的野心 即將成功？ Take Home Message

• 17 世紀，法國醫師開始嘗試將動物的血液輸入人體；19 世紀時，則出現首次將豬 的眼角膜植進人眼的紀錄，但以上嘗試無一成功。 蔣維倫

• 每個人的細胞表面，都有能作為白血球查戶口時的「身分證」。若白血球發現某

泛 科 學 PanSci 專 欄

細胞表面的身分證顯示為外來者，就會群起而攻、直到敵人完全消滅，而這就是

作家、前國衛院衛生

• 為了達成異種移植的目標，科學家開發出基因改造豬。改造目的大致可以分為：

作 家、 故 事 專 欄 作 家、udn 鳴人堂專欄

福利政策研究學者。 喜歡虎斑、橘子、白 底虎斑和三花貓。

器官移植後，出現急性排斥、手術失敗的主因。 （1）讓豬細胞看起來不像敵人；（2）讓豬細胞「看起來」有點像自己人。

班尼特（David Bennett）快死了。

進行了一項特別的手術——醫師將一顆特殊的「豬 心」，放入班尼特的胸膛內。

醫師早已宣布他體內跳了 57 年的心臟隨時都可能停 工，「就這麼死去，或接受心臟移植。」班尼特這

3 天後，馬里蘭大學宣布班尼特的手術成功，豬心

麼想著。在去（2021）年的最後一天，美國食品藥

在他的體內正常運作，沒有出現超急性排斥反應，

物管理局（U.S. Food and Drug Administration,

而他也成為史上首位接受異種（跨物種）基因改造

FDA）批准了班尼特的手術。那時沒有人知道，他

器官，且移植成功的人類患者。在移植手術的 5 週

即將成為科學史上的第一人。

後，班尼特復原狀況良好，他甚至計畫觀賞美式足 球聯盟冠軍賽超級盃（Super Bowl）。

擁有豬心的人

46

在今（2022）年 1 月 7 日，美國馬里蘭大學醫學院

從此刻起，全球成千上萬名心臟衰竭的病人，有了

（University of Maryland School of Medicine）

活下去的機會。

科學月刊

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生生不息

狼心狗肺的願望

如狒狒、猩猩的腎臟、肺臟、心臟植入人體內，

自古以來，人類就妄想拿動物的器官，取代己身損

但無一成功。即使到了 1990 年代，科學界已開發

壞的臟器。早在 17 世紀，法國醫師就開始嘗試將

了真正有效的抗排斥藥，加上當代最強的移植隊

動物的血液輸入人體。進入 19 世紀，人類嘗試移

伍——美國內科醫師史達策（Tomas Starzl）醫師

植青蛙、羊、鴿子等動物的皮膚至人體；1838 年，

團隊的執刀，這場將狒狒肝臟移植到人體的手術，

則出現首次將豬的眼角膜植進人眼的紀錄。以上這

也只能讓患者存活 70 天。異種器官移植的夢，依

些嘗試無一成功，除了人體免疫系統排斥外來組織

舊遙不可及。

是其原因之一外，當時的技術也無法確保捐贈組織 能接上人體的血管，取得良好的血液供養。

基因改造，從零打造人人可用的器官 為什麼器官移植這項任務如此艱難？原因在於人體

直到上世紀初，醫學界研發出血管縫合技術，這才

的免疫系統非常討厭外來者，例如細菌、病毒，甚

讓移植醫學走向「實體器官移植」，例如心臟、腎

至是可能救人一命的新器官。每個人的細胞表面，

臟領域。又過了數十年的摸索，直至 1954 年，首

都有種獨特的蛋白質，能作為白血球查戶口時的

例人類間的腎臟移植成功，進而證實了「以好的器 官換掉壞掉的器官，能拯救病人的生命」。但器官

少，因此使用動物器官進行移植的夢想，比以往更 加地有吸引力。

1960 年代，美國移植外科醫師里茲特斯瑪（Keith Reemtsma）進行了 13 次的跨物種腎臟移植——將 黑猩猩的腎臟植入人體。在對免疫學了解甚少且缺 乏有效抗排斥藥的年代裡，他執刀的手術絕大多數 都在 4 ～ 8 週內失敗。但有一名女教師在術後竟復 原良好，甚至返回校園教學，直至 9 個月後，該教 師突然昏倒猝死。雖然經屍檢後，並未發現黑猩猩 腎臟被排斥的現象，但仍無法排除死亡原因源自於 移植，這也是早期異種移植罕見的案例。

在此之後的數十年裡，陸續有醫師將非人類靈長類

Biology

衰竭的患者太多，而有意願、合適的人類捐贈者極

將羊的血液輸入人體的版畫，繪於 1705 年。（Wellcome Images,

CC-BY-4.0, Wikimedia Commons）

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專欄文章

（ESA/ATG medialab (spacecraft); NASA, ESA, CXC, C. Ma, H. Ebeling and E. Barrett

丈量宇宙幾何： 歐幾里德太空望遠鏡

(University of Hawaii/IfA), et al. and STScI (background)）

林彥興

現就讀清大天文所，EASY 天 文地科團隊總編輯。努力在陰 溝中仰望繁星。

Take Home Message • 歐洲太空總署預計於明年發射新一代太空 望遠鏡「歐幾里德」，用以研究暗物質及 暗能量。 • 宇宙誕生之初，宇宙的溫度、密度、壓力 非常高，且物質分布均勻，僅有微小的密 度差異。但在重力的影響下，有些地方的

暗物質（dark matter）與暗能量（dark energy） 的本質是物理界的兩大未解謎團。

物理學家相信它們主宰著宇宙百億年來的演化，卻 對它們的真身所知無幾。對此，粒子物理學家建造 粒子加速器和形形色色的偵測器，嘗試直接創造或

密度越來越高，形成星系與星系團。而這

捕捉它們經過時留下的一點蛛絲馬跡；而天文學家

些過程與暗能量、暗物質息息相關。

則仰望深邃的夜空，嘗試觀察它們對宇宙造成的

• 歐幾里德太空望遠鏡將利用「弱重力透

影響，反推出暗物質與暗能量的性質。預計在明

鏡」與「重子聲學震盪」，讓天文學家能

（2023）年，歐洲太空總署（ESA）將發射新一代

更精確地測量暗能量與暗物質的性質。

太空望遠鏡「歐幾里德」（Euclid），幫助物理學 家探秘宇宙的黑暗面。

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物換星移

過程，再與理論比較，就能夠知道哪個理論才是正

藉由天文觀測來研究暗物質與暗能量，聽起來好像

確的。因此，能夠觀測的星系樣本越多，便能看到

很厲害，但實際上究竟是怎麼一回事呢？這得從目

越遙遠而古老的宇宙，天文學家就可以越精確地了

前天文學家對宇宙的認知開始講起。

解暗物質與暗能量的性質。

宇宙誕生之初的數十萬年間，其溫度、密度、壓力

數十年來，天文學家已經建造了許多望遠鏡進行這

都非常高，而且物質的分布相當均勻，僅有微小的

些工作。比如大名鼎鼎的「史隆數位巡天」（Sloan

密度起伏。但慢慢的，這些微小的密度差異，在重

Digital Sky Survey, SDSS），從 2000 年至今已經

力的影響下被不斷放大，使得有些地方的密度越來

累積拍攝了數千萬個星系的龐大資料庫，對宇宙學

越高，形成星系與星系團；而有些地方的密度則越

研究有非常大的貢獻。而歐幾里德太空望遠鏡，將

來越低，形成巨大的空洞，最終長出猶如蜘蛛網般

以「弱重力透鏡」（weak lensing）與「重子聲學

的宇宙大尺度結構（圖一）。

震盪」（baryon acoustic oscillations, BAO）為 主要的科學目標。

這個過程深受暗能量與暗物質的特性影響。不同的

Astronomy

如何從天文觀測研究暗物質與暗能量？

暗物質與暗能量理論，會對宇宙膨脹的快慢、大尺

弱重力透鏡是什麼呢？大家可能都聽過，物質與能

度結構的演化、星系的數量等給出不同的預測。而

量會扭曲周遭的時空，而光線經過這些彎曲的時空

天文學家想做的，就是藉由大量觀測宇宙中星系的

時就會受到偏折，稱為重力透鏡效應（gravitational

分布，反推出宇宙的膨脹歷史和大尺度結構的演化

lensing）。天文學家將重力透鏡效應分成「強重力

透鏡」（strong lensing）、「弱重力透鏡」（weak

lensing）、「微重力透鏡」（micro lensing）。

強重力透鏡，顧名思義，就是效果很強，肉眼就能 輕易辨認的重力透鏡效應。在星系團等大質量天體 的重力影響下，背景遙遠星系的影像會被拉扯成細 長的弧形，或是分裂成多個影像。而弱重力透鏡效

應的原理與強重力透鏡相同，只是天體變形的程度 圖一：宇宙誕生之初，物質的分布相當均勻（左），僅有微小的 密度起伏。但在重力的吸引下，原本微小的密度差異會被逐漸

放大（中），演化成為蜘蛛網般的大尺度結構（右）。（Volker Springel, Max-Planck-Institute for Astrophysics）

相當微弱，一般而言只有 1 ％左右，用肉眼完全看 不出來。但是天文學家仍可以利用電腦和統計方法

計算出星系的微小變形量，並根據這微小的變形

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顯 影

胡椒屬

續篇！

你在超市中選購調味料時，有沒有看過「黑胡椒」與「白胡 椒」這兩種不同的胡椒選擇呢？其實市面上的黑胡椒和白胡

（123RF）

椒，指的都是同一個物種——胡椒（Piper nigrum），它們只

是由成熟度不同的果實加工製成。黑胡椒是由綠色果實乾燥後變成黑色的胡椒粒，磨成粉就 成了黑胡椒粉；白胡椒則是由成熟的紅色果實乾燥後浸泡、去皮而成的白色胡椒粒，磨成粉 就變成白胡椒粉。而胡椒中的胡椒鹼（piperine）是主要的辛辣味和活性成分，它可以刺激 唾液、胃液分泌，幫助消化並可殺菌，還能提高營養素進入腸細胞的穿透力，是餐廳、廚房 中不可或缺的調味聖品。 臺灣總共有 10 種胡椒屬植物，其中 3 種為特有種，1 種為歸化種。在《科學月刊》第 627 期

Piper

@ plantsholic

圖．文／植業病

裡，我們介紹了廣泛分布於臺灣本島低海拔的 3 個胡椒屬物種，分別是風藤、臺灣荖藤、薄 葉風藤。這次就來看看有哪些在本島分布範圍較侷限，還有僅分布在離島上的胡椒屬成員吧！

P. kawakamii

恆春風藤

掃描 QR code ， 追蹤植業病吧！

名字雖為恆春，但並非 只分布在恆春。主要分 布在南部低海拔高位珊 瑚礁上，另外在菲律賓 也有分布，所以並非臺 灣特有種。

恆春風藤的葉為卵形至心形，葉基 常不對稱。

雄 花 序 直 立， 苞 片 呈現橘黃色。

荖藤

雌花序直立，柱頭為 3 裂，苞片呈黃綠色。

P. betle

分布在臺灣東南部和東部低 海拔，其他地區亦會栽培作 為 包 檳 榔 用， 常 稱 之 為「 荖 葉」。若將葉子塗上石灰，再 包入檳榔稱之白灰檳榔；如 果將檳榔剖開，中間加入荖 荖藤的葉卵形，葉基心形或不對稱，5 ～ 7 出脈。

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藤的雌花序和一些石灰及其 荖藤的花序下垂。

他佐料，則被稱為紅灰檳榔。

（背景圖源：123RF）

顯 影

P. umbellatum

臺灣胡椒 分布於中部、南部、東部低海拔，是 臺灣本屬中唯一直立草本且為兩性花 的 類 群。 種 小 名「umbellatum」 為

繖形的意思，意指花序為繖形排列。

臺灣胡椒的葉為闊卵形且多出脈， 可達 10 條以上。

臺灣胡椒的葉柄具明顯腺 點，基部開裂且抱莖。

臺灣胡椒的花序直 立排列成繖形。

P. sarmentosum

假蒟

歸化於臺灣少數地區的低海 拔胡椒屬植物，屬於匍匐性 假蒟的雄花序較長， 假蒟的雌花序較短， 苞片黃色。

假蒟的葉脈凹陷明顯，7 出脈。

P. arborescens

蘭嶼風藤

雖以蘭嶼命名，但在菲律賓和馬來西 亞皆有分布。 蘭嶼風藤的 葉為卵形至 披針形，5 出

柱頭 3 ～ 4 裂。

草本，其幼葉可生吃或作為 蔬菜食用。

P. interruptum var. multinervum

多脈風藤

臺灣本屬物種中族群最少者，僅零星分布於蘭 嶼的山區，但在印度和菲律賓也有分布。

脈， 葉 基 具

小型耳狀物。

蘭嶼風藤鋪地植株的葉呈卵形或近 心形。

蘭嶼胡椒

多脈風藤的葉為

蘭嶼風藤的花序下垂。

闊卵形，7 出脈。

P. lanyuense

過去被稱為菲律賓胡椒或綠島 風藤，是在 2020 年才被發表 的新種，分布蘭嶼和綠島，為 臺灣本屬葉最為革質〔註〕者。 註

蘭嶼胡椒的葉厚革質，7 出脈。

革質是指植物的葉片呈現厚且光滑的質地，形似皮革。

蘭嶼胡椒的雄花序 蘭嶼胡椒的雌花序 蘭嶼胡椒的果實癒 直立而細長。

直立而短胖。

合，苞片宿存。

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精 選 文

彎道車禍： 藏匿在你我身邊的魔鬼！

章

Take Home Message

2017 年 2 月 13 日晚間，一輛遊覽車行經國道五號高速公

• 彎道車禍的發生原因與圓周運動有關，

路轉國道三號南下匝道，因過彎時衝出護欄翻落邊坡，造

由向心力的公式可以知道，當圓周運

動切線速率愈大，所需向心力就越大； 彎道半徑越小，所需向心力也越大。

• 車輛若要快速轉彎，需要增加向心力，

此時可藉由地面正向力的水平分力補 充。例如壓車過彎或將轉彎路面設計 成外高內低。

• 媒體常使用的「離心力」一詞並不準

確。在物理學中，若觀察者立於靜止 的觀點，那麼事情發生始末的觀察、 分析到現象都會一致，稱為慣性坐標。

成 33 死 11 傷的慘況，成為國道交通史上傷亡最慘重的交 通事故。其實彎道車禍的成因，主要是單純的駕駛問題， 透過對物理的認知與學習、加強自律和管理，我們可以更 容易預防兩造雙方引起的事故。

當我們在網路上搜尋「彎道車禍」時，就會跑出很多的案 例，例如有篇報導的標題寫著「辦過路祭也沒用！ 139 縣 道死亡彎道頻傳死亡事故，又一男大生殞命」。顯然「彎 道車禍」其中隱藏著令人難以理解的因素，是有一股看不

而離心力是由於車內的當事者覺不到 自身與車體對地的運動，以為是離心 力向外拋出。

林妙秦

目前就讀於高雄市新莊高中， 對於數理化有著濃厚的興趣， 期待在未來能寫出很多可以讓 大家輕易讀懂的科學文章。

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（Photo by Viktor Bystrov on Unsplash）

精 選

是難以避免的都市傳說，才需要以「路祭」的方

釋如下：「一質點以大小一定之速率沿一圓周運

式來鎮邪消災，解除厄運？

動，則稱為等速率圓周運動。其圓周上每點之速

章

翻開《力學名詞辭典》，有關「圓周運動」的解

文

見的力量作為推手，還是妖魔鬼怪在作亂，又或

度，均沿該點之切線方向。」 然而，「善治病者，必醫其受病之處；善救弊者， 必塞其起弊之源」，凡事要從根本去著手，釜底

不知道大家是否有疑問，圓周上的質點既然「沿

抽薪才是解決問題之道。究竟「彎道車禍」隱藏

該點之切線方向」運動，那它為何會轉彎而變成

著什麼令人難以理解的道理，就讓我們從根本的

圓周運動呢？原來在圓周上有一股看不見的力，

理論──圓周運動，來一探究竟吧！

垂直切線方向且向著圓心對每一質點施力，就如 同有人在圓心拉著質點，迫使質點轉彎（圖一）。

什麼是等速率圓周運動？ ⇀ ⇀

小時候常在下雨天旋轉雨傘，傘面上的水滴會隨

放大兩質點來分析，如圖二中兩切線速度 V1 –V2

雨傘作圓周運動，當雨傘轉速增快時，傘面上的

其 大 小 均 為 v ， 又 V1 –V2=∆V ， 其 中 [r –Δr – r ] 與 ∆V V [V 1–ΔV – V 2] 的兩個三角形相似，因此 = 且 r ∆r ×v ∆ r ∆ V ∆ V ∆r =v ×∆t → ∆t = ， 向 心 加 速 度 a = = v ∆t ∆r 2 2 v v = ，向心力 F =ma =m · 。由向心力公式知： r r 圓周運動切線速率越大，所需向心力就越大；彎

雨水則會沿切線方向飛出，這個例子的原理就跟 圓周運動有關。

⇀ ⇀

道半徑越小，所需向心力也越大！

圖一：等速率圓周運動時，圓周上有一股在垂直切線方向且 向著圓心對每一質點的力，如同有人在圓心拉著質點，迫使 質點轉彎。（123RF）

∆V V ∆r 圖二：圖中兩個三角形相似， = 且 Δr = v ×Δt →Δt = ， v ∆r r 2 2 mv ∆V ∆V ×v v = = ，向心力 F =ma = 。 向心加速度 a = ∆t ∆r r r

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《科學月刊》 629期

又該如何藉由科技的輔助，找尋隱藏在畫作中的訊息呢？

存放多年的藝術畫作該該如何修復？被蟲蛀的畫作要怎麼修復？

畫作修復的科學

精采 預告