科學月刊2018-11月號 587期-啤酒生活

587 2018 / 11

焦點評論

從諾貝爾獎中檢視科學教育 變化專欄

這些年， 人們已把多少色素吃下肚？ 精選文章

不眷戀這世界的遺失蛋白質

活 生 啤酒

11

9 770250 331001

流竄指尖的紙本記憶 1970 年，《科學月刊》由一群熱愛科學的留學生所打造的雜誌，期望能「引介新知，啟發民 智」。細數匆匆，《科學月刊》也即將邁入第 50 個歲月。 數位時代、紙本電子化的來臨衝擊出版市場。儘管如此，《科學月刊》仍堅持紙本印刷，不為 別的，只為讀者在獲得新知之餘，也能感受蘊藏在紙張間的溫度。 曾走在世界前端、帶領著臺灣科學脈絡的《科學月刊》，更不容許自身在這波衝擊中式微，因 此決定重版出來，要褪去一身的復古氣味，搖身一變成現代科學文青。 縱使年過半百，但《科學月刊》期許能人老心不老，繼續帶領讀者邁向往後每一個 50 年。期望 這次的改頭換面，能讓讀者感受到《科學月刊》的努力與決心。

《科學月刊》，重版出來！ 因應近年來原物料與人事成本的上漲，為能持續提供讀者好的閱讀品質與質量，

2019 年 1 月起《科學月刊》單價將調整為 249 元。 而為感謝科月讀者的支持與鼓勵，即日起至 12 月底，不論新、續訂戶能可用原訂 優惠價訂購明年度新版《科學月刊》！

2018 年 12 月底前

訂閱一年 12 期 1990 元

2019 年 1 月起 新訂戶訂閱一年 12 期 2580 元

舊訂戶訂閱一年 12 期 2380 元

587 Contents

2018 / November

Vol.49 No. 11

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Contents-2

填問卷．拿新書

804 顯影

只要於 2018 年 11 月 30 日前完

非關科學

808 太空競賽／謝育哲 810 如果身體是座釀酒廠／郭家銘 News Focus 812 出售火星土壤 每公斤 20 美元／狗很聰明？那倒未必！

整回答讀者問卷調查內容請至

bit.ly/2IYjFMU 填寫，或掃描 QR code，就有機會獲得馬可孛羅出 版新書《好奇心》。數量有限， 敬請把握！獲獎名單將於 2018 年 12 月 5 日前公布在科學月刊

813 長頸鹿的斑點 來自媽媽的遺傳／一場比賽 各自解讀

臉書與部落格上。資料煩請詳實

814 部分蔬果所含之非瑟酮 傳能促進衰老細胞裂解／

填寫，以便贈書寄送。

以人工酶捕捉光源 氫氣自造有望 815 神秘電波觀測 將成就更多天體定位／ 漏斗網蛛毒液顯妙用 皮膚癌細胞「剉咧等」 評 論

816 顛覆癌症治療的革命—免疫治療的前世、今生與未來／李岳倫 818 從日本經驗談東方教育思維 也能造就諾貝爾獎得主／林翰佐 專 欄

820 解 數：海德堡論壇、阿蒂亞與黎曼猜想／游森棚 822 理 物：淺談量子密碼／黃宗立 826 生 動：細菌隨身組裝的重裝武器—T6SS ／陳俊堯 830 變 化：艷彩下能否食之無畏？淺談食品與工業用色素／陳炳輝 834 天 地：拿下 4 次諾貝爾物理學獎的無線電天文學／賴詩萍 精選文章

864 找尋細胞中的遺珠—遺失蛋白質／黃斌 868 3D 列印植入物的外型設計與材料開發／鄒年棣 872 寬頻消色差超穎透鏡與全彩成像應用／蔡定平、吳品頡 Live 科學

876 漫步太陽系策展緣起／孫維新 太陽系中的金銀島／葉永烜 書 摘

878 《好奇心》

802

SCIENCE MONTHLY 2018.11

bit.ly/2IYjFMU

台北市科學出版事業基金會

走進編輯室

董事長：劉源俊 董 事：王文竹 周成功 林基興 倪簡白 郝玲妮 高涌泉 趙 丰 羅時成 秘 書：李金穗 出版者：科學月刊社

大口喝下的暢快 走進居酒屋，累到只能舉起左手對著調酒師比出 1 的手勢，便逕自往吧台旁的高 腳椅坐下。吧台內，調酒師拉下木桶上的啤酒把手，清澄的黃色液體沿著玻璃杯 壁緩緩滑入各種不同形狀的啤酒杯，上層帶著些許綿密細小的氣泡，是啤酒的招

理事會

牌標誌。不論玻璃杯中裝載的是印度淡色艾爾（India Pale Ale, IPA）、德式白啤酒

理事長：曾耀寰

（Weizen）或夏季啤酒（Saison），總之，先來杯啤酒吧！這是日劇《無法成為野

理 事：曲建仲 邱韻如 林翰佐 紀延平 張敏娟 程一駿 蔡孟利 蔡政修

獸的我們》（ になれない私たち）中，女主角深海晶（新垣結衣飾）忙了一天後 的日常，也是日本時下白領族下班後的最佳寫照。

執行總監：趙軒翎

「乾杯！」，玻璃杯撞擊的聲音在居酒屋內此起彼落地響起。對日本人而言，下班 編輯部

後與上司、同僚暢飲一番的啤酒文化不僅能凝聚團隊向心力，也是社交能力的一

總編輯：林翰佐 副總編輯：陳妙嫻 趙軒翎 蔡政修 編輯委員：王文竹 王伯昌 曲建仲 江建勳 李武炎 李志昌 李精益 林秀玉 林宮玄

環。即使不選擇到居酒屋喝一杯，日劇《魚乾女又怎樣》（ホタルノヒカリ）中下 了班便只想回家的高野螢（綾瀨遙飾），也會在洗完澡後從冰箱中取出一瓶罐裝啤 酒，咕嚕咕嚕地大口喝下，以犒賞上班一天的辛勞。

黃正球 黃向文 黃相輔 周鑑恆 邱韻如 金升光 金必耀 門立中 紀延平 范賢娟 倪簡白 高啟明

實際走一趟日本超商，整潔明亮的飲料櫃中更擺放各式各樣、琳瑯滿目的罐裝啤 酒。看到此場景，也不難想像啤酒年年蟬聯日本酒類產品第一市占率的原因。不只

高憲章 張大釗 張敏娟

是充斥在生活中，啤酒，更深深影響日本文化。儘管在臺灣，喝啤酒的頻率可能不

陳妙嫻 陳彥榮 陳鎮東

像日本人來得如此頻繁，不過，近年來普及度已逐年上升，加上世界各地的啤酒陸

景鴻鑫 曾耀寰 程一駿 程樹德 單維彰 楊正澤

續打入臺灣市場，遂也使啤酒成為超商中選擇性最多的酒類。

葉李華 廖達珊 管永恕 劉宗平 鄭宇君 鄭運鴻 蔡兆陽 蔡孟利 蔡振家 蘇逸平 韓德生 嚴如玉 嚴宏洋 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

細數人類的歷史，啤酒，可謂是一個亙古且伴隨人類文明的釀造工藝技術。相較於 其他酒類，其酒精濃度較低，不管是男女老少都容易入喉。在冰涼口感沐浴下，瞬 間沁入心脾，讓人身心靈同時感到放鬆。隨著眾多啤酒愛好者的擁戴，如今，啤酒 釀造已屬全球性工業項目，從小型私人酒廠到跨國企業，不僅造就出各國獨特風味 的啤酒，更是一場全世界的商業角逐和獨特的飲酒文化。

胡進錕 陳文屏 陳章波 陳國成 曾惠中 孫維新 張 復 張勝祺 楊玉齡

喝啤酒容易、但釀造出好喝的啤酒卻大不易，不只是門學問，更富含各種科學。現

劉仲康 駱尚廉 魏耀揮

在，跟隨《科學月刊》的腳步，一同探究前人們是如何透過 4 種釀造啤酒的主原料

蘇益仁 蘇振隆

（麥芽、啤酒花、酵母和水）和 4 項釀造主要步驟（糖化、熬煮、發酵和過濾），

主 編：李依庭 編 輯：郭家銘 謝育哲

變化出成千上萬不同風味的啤酒，成就流傳千年的啤酒工藝。

美術編輯：黃琳琇 業務部

但在開始閱讀之前，不妨先從冰箱中拿瓶啤酒，乾了之後再讀吧！

經 理：李金穗

（編輯部）

業務助理：廖本翔

創刊於 1970 年

科學月刊社

製版印刷：赫偉有限公司

本期為第四十九卷第八期 第 587 期 發行於 2018 年 11 月

地址：10646 台北市大安區羅斯福路三段 77 號 7 樓

總經銷 : 聯華書報社

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 傳真：(02)2363-5999

行政院新聞局版台誌第 0934 號

網址：www.scimonth.com.tw 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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1

椰子蟹爬樹能力好，爬上林投樹，準備找林投果大快朵頤一番。

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椰子蟹

Birgus latro 圖

文

游崇瑋

椰子蟹（Birgus latro）是一種大家耳熟能詳的大型強壯 寄居蟹，世界最大的陸生甲殼類！分布範圍廣泛，在西南 太平洋、印度洋的熱帶及亞熱帶地區都有機會見到，當然 也包括臺灣、離島的蘭嶼與綠島等地。雖然成體椰子蟹不 再需要殼，但在牠們出生後 2 年之前，也就是頭胸甲需

長到約 1.5 公分，就像一般寄居蟹一樣是需要螺殼來保護

牠們柔軟的腹部。椰子蟹成長遲緩，要長到像椰子大小可 能需要 50 年左右，因此真的不適合拿來當作食物。近期，

筆者花 2 周的時間去琉球幾座島嶼，看到近百隻的椰子

蟹，不禁思索，為什麼在琉球人也吃椰子蟹的情況之下， 當地椰子蟹的數量還是挺多的呢？

2

較大、較老的椰子蟹通常顏色較深。

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3

椰子蟹

典型椰子蟹防禦姿勢， 將雙螯高舉面對敵人。

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偶爾也有大型且體色很藍 的個體。

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椰子蟹最脆弱的部分 除了腹部，就是眼睛。

藍紫色的椰子蟹真的非常美麗！

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夜晚出現在路邊的椰子蟹，準備在路上覓食但也有相當風險被車輛輾斃。

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非關

科學

科學歷史回頭望

太空競賽 謝育哲

生命是不斷地學習與探索新事物，追求真善美，本刊編輯。

圖一：帶領美國阿波羅計畫太空人奔向月球的農 神 5 號火箭。（Wikipedia）

1991 年，蘇維埃社會主義共和國聯盟 （以下簡稱蘇聯）走入了歷史的長河之 中。那年，隨著蘇聯的解體，冷戰結 束，世界也正式宣告進入新時代。而 在東西方兩大強權對峙的 40 多年間， 軍備競賽、間諜戰、韓戰、越戰、柏 林圍牆及古巴飛彈危機等都是大時代 的產物。這段紛紛擾擾的歲月，各國 人心惶惶，深怕被對手擊敗，各種名 與利之間的競逐油然而生。但也正因 為如此地動盪，當代的科學與技術如 爆炸般地發展。其中最引人入勝的， 便是太空競賽了。 時間回到 1950 年代。隨著二次世界 大戰的結束，戰勝國不斷瓜分戰敗國 的資源與研究，而德國在二戰期間的

V2 火箭技術一直是列強所覬覦的目

標。只要誰先掌握火箭發射的力量， 誰 就 能 在 得 到 太 空 探 險 的 入 場 券。

1955 年，美國總統艾森豪（Dwight D. Eisenhower）宣布將在 1957 年國際地 球 物 理 年（International Geophysical Year, IGY）發射第一枚人造衛星。就 在美國積極準備人造衛星的發射時， 1957 年 10 月 4 日，蘇聯冷不防地發 射 第 一 顆 人 造 衛 星： 史 普 尼 克 1 號 （Sputnik-1）。在一陣措手不及中，蘇 聯在太空競賽中拔得頭籌，美國也舉 國譁然，人造衛星還沒發射就算了， 竟然還在競賽中落後對手。後來為了 追上蘇聯腳步，美國在同年 12 月試圖 發射衛星，但火箭卻在全國民眾的電 視直播面前爆炸，這無疑是件國際笑 話。

惡夢還沒結束。1961 年，蘇聯又給予 美國一記重拳。當年蘇聯將史上第一 位太空人加加林（Yuri Gagarin）成功送 上太空。至此美國已落後對手一大截， 不得不想辦法扳回一城。同年 5 月， 美國總統甘迺迪（John F. Kennedy）發 表重大演說，他表示美國將進行阿波 羅計畫（Project Apollo），誓言將太空 人送上月球，並說出那句經典話語： 「我們選擇去月球（We choose to go to the moon.）」，企圖在太空競賽中 奪取領先地位。

1969 年太空競賽進入了最高潮，阿波 羅 11 號計畫登陸月球。7 月 16 日早 晨，農神 5 號火箭（Saturn V）載著由 阿姆斯壯（Neil Armstrong）所率領的 太空人團隊直衝天際。3 天後，他們抵 達月球的軌道，而就在 7 月 20 日，登 月艙準確地降落在月球表面。6 個小時 之後，阿姆斯壯踏出艙外，成了史上 第一位踏上月球土地的人，他的那句 我的一小步，是人類的一大步（That's

one small step for man, one giant leap for mankind.），成為家喻戶曉的 金句名言。

而在登月任務之後，兩大強國間的太 空競爭力度減弱，蘇聯也在後期的登 月任務失敗後趨於落後地位。就在登 入月球的競賽失利後，蘇聯轉向致力於 軌道太空站的研發。到了 1972 年，美

圖二：月球上觀測「地出」。 （Pixabay）

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國總統尼克森（Richard Nixon）與蘇聯

非關

科學

領導人勃列日涅夫（Leonid Brezhnev） 為了減緩雙方的敵對關係進行談判， 在冷戰的歷史上難得一次雙方都能理 性地坐下協商。美國與蘇聯在這時都 認為，比起相互競爭，或許合作更能 取得雙方的最大利益。最後在 1975 年

7 月 15 日，蘇聯的聯盟 19 號與美國 的阿波羅太空站相繼升空，就在 7 月 17 號，2 艘太空船對接。美方及蘇方 各派 3 名與 2 名太空人合作進行任務， 兩邊的太空人相互握手、交換禮物， 並參觀彼此的太空船內部。 隨著時代的巨輪不斷地前進，到了 20 世紀末，蘇聯走向解體。這也宣告了 一個時代的結束，而美國成了太空競 賽的唯一贏家。至於蘇聯太空科技的 遺產，則由俄羅斯航太太空活動國有 公司（Roscosmos）繼承，持續俄羅斯 的太空探索任務。另外，到了 21 世紀 的現代，探索太空已經不是特定國家 機構才能享有的專屬權力，近期像是 SpaceX、藍色起源（Blue Origin）及維 珍銀河（Virgin Galactic）等私人機構也 致力於太空科技發展。探索太空的任 務成了現在企業爭鳴的全新戰場。 從今回首，過去的這段太空競賽的時 代其實荒謬，兩大國的競爭如同小孩 爭吵般，誰也不讓誰，你也有的我也 要擁有。但換個角度想，也就是這麼 荒唐的歲月造就了許多的傳奇與科技 進展。誰也沒想到，登月當時的電腦 運算系統甚至還比不上讀者口袋裡的 智慧型手機呢！但就算是現今看來如 此簡單的科技，仍舊有辦法將人類送 上月球。這些太空科學家與工程師為 了實現對於太空的理想，想盡辦法觸 及那未知的世界，帶領人類探索浩瀚 的宇宙。試想，這未嘗不是件浪漫呀！

延伸閱讀 太空競賽，https://goo.gl/dvUu2o。

圖三：太空人在月球漫步。 （Wikipedia） Vol.49 No. 11

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非關

科學

科學乾了喇

如果身體是座釀酒廠 郭家銘

從故事裡追蹤科學的印記，並且理性飲酒，本刊編輯。

酒精們的身體旅行 當黃湯下肚後，會經過食道輾轉到達 其他臟器。絕大多數的酒精透過小腸 腸壁進入血流，若飲酒的速度大於身 體代謝酒精的速度，則血液內的酒精 濃度會快速上升，並快速帶往全身各 處並被組織吸收。 此時，到達肝臟的「酒醉血液」便會 接 受 肝 臟 的 排 毒 服 務， 並 透 過 腎 臟 導引，將這些「毒液」導引至尿道。 如 果 一 不 小 心 喝 得 太 多， 酒 精 所 帶 來的利尿效果不足以將所有毒素排出 時，肝臟便會強迫身體釋放更多的水 分以帶走更多毒素，雖尿液嘩啦啦地 噴發帶來一陣舒爽，但在水分大量流 失的狀態下，有可能使人進入脫水狀 態。 然 後 呢？ 然 後 你 可 能 就 會 宿 醉 （hangover）。至於那些沒能來得及代 謝掉的酒精，將會持續透過血流散佈 到全身，使人產生一種醉醺醺的感覺。

來自美國紐澤西，現年 47 歲的銷售員 吉安諾托（Donato Giannotto），是全 美約 50 名 ABS 患者的其中一員，他的 患病過程有些特殊。2015 年，吉安諾 托為抵抗鼻中隔歪斜手術後的細菌感 染，在接受滅菌治療的過程中，開始 出現頻繁的酒醉，即便他已經 20 年沒 喝酒，然而接下來的 14 個月裡，醫生 都誤以為他罹患了糖尿病。 妻子的好姐妹潘恩（Cynthia Pan）發 覺事有蹊蹺，同為醫師專業的她當即 懷疑吉安諾托的症狀來自 ABS，便將 他帶去醫院檢查，結果吉安諾托在吃 完甜食後，體內的酒精濃度居然高達 0.64 ％，此時眾人肯定大喊一百萬遍 「我的老天鵝」，光是 0.4％的酒精濃 度就足以讓人因呼吸問題致死了啊（關 於血液裡的酒精濃度對應的生理狀態， 詳見圖一）！

醉翁們的腦袋卡卡 自帶酒精濃度，醉仙 4 ni ？ 然而，有一種人即使滴酒不沾，其身 體也足以產生讓人昏厥的酒精濃度， 他們就是「自動釀酒症（auto-brewery syndrome, ABS）」 患 者， 即 所 謂 的 腸道發酵症候群（gut fermentation syndrome）。該症患者的體內會聚積 許多酵母菌，一旦攝入醣類，便會引 發將酵母轉換為乙醇的反應，造成血 液中酒精濃度飆升。

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偶爾喝個幾杯還好，但如果你跟吉安 諾托一樣，本身就是一瓶酒，那會發 生什麼事呢？ 先來說說飲酒後神經傳導物質在大腦 中的變化吧。酒精會增進大腦活動抑 制 劑「γ- 胺 基 丁 酸（γ-aminobutyric acid, GABA）」的效果，也會抑制神經 興奮劑麩胺酸（glutamate），進而導 致如卡比獸般遲緩的行動與言語；一 方面，也會增加腦內多巴胺的分泌量，

讓人很輕易地就能感覺到開心，彷彿 站在世界中心哈哈大笑的王者啊！ 另外，酒精對腦部各區的影響，當然 也 不 容 小 覷。 喝 醉 酒 的 人， 其 大 腦 皮 質 裡 的 行 為 抑 制 中 樞（behavioral inhibit center）會受到壓迫，行為表現 較不受控，進而延緩眼、耳、口等感 覺資訊的處理速度，也會讓人難以進 行思考，而酒精對小腦裡的動作與平 衡中樞造成的影響，也會使人在行動 時的狀態看起來不是很好。 還有一些人會因酒過三巡而性慾大 增， 那 是 因 為 協 調 大 腦 自 動 功 能 （automatic brain function）與賀爾蒙 釋放的下丘腦與垂體，也會因飲酒而 受抑制，但性功能的部分，可能會讓 人難掩挫折，畢竟飲酒過量的人，脫 水、無力、胡言亂語可是基本啊！不 過最需要注意的還是飲酒量，若酒精 作用在髓質上，便會使人嗜睡、呼吸 趨緩，甚至體溫降低，這其實相當危 險的，只要把這 3 點極值化，就會變 成另外一種狀態，沒錯，是屍體。

酒後的心聲之我現在只想昏倒 喝酒的人容易感到飢餓，即所謂低血 糖的現象，肇因於肝臟需要消耗能量 以代謝酒精，那會使人感到搖搖欲墜 並略顯疲累。為了抵抗這種強烈的疲 倦與嗜睡感，我們的身體會渴求醣類 的攝取，這也是為什麼吉安諾托會這 麼危險的原因——碳水化合物＋酵母 菌的魔法＝身體又可以繼續釀酒啦！ 如果你早已體會無數次酒醒後的不舒 服， 那 你 大 概 也 能 理 解 ABS 患 者 有 多想擺脫這樣的困擾。肝臟在代謝酒 精的過程中，會產生一種對肝臟、大 腦、胃等臟器有毒性的物質——乙醛 （acetaldehyde），並使食道發炎、胃 部產生灼熱感；而過度飲酒所帶來的 脫水症狀，會使人體內的維他命與礦 物質不平衡，尤其是腎臟對鉀、鈣、

非關

科學

鈉離子的微妙平衡，這讓人產生頭痛、 噁心想吐、肌肉抽搐及口渴的感覺， 而這就是吉安諾托的日常。

菌不在，酒不再。 殺了那些酵母菌吧！ 在 被 診 斷 為 ABS 患 者 的 2 年 後， 吉 安諾托接受為期 8 週的每日靜脈注 射， 以 殺 死 體 內 猖 獗 的 酵 母 菌， 情 況一度好轉。然而今（2018）年 3 月 某 日， 當 他 服 用 抗 生 素 治 療 胰 腺 炎 （pancreatitis）後，ABS 的夢魘——日 常的頭痛、脫水、口齒不清和難以思 考等症狀再次襲來。妻子米榭爾表示， 當時他每天睜開眼，就獲得足以使其 失去意識的酒精濃度，許多醫師對此 也感到束手無策。 幾經求助未果的 2 人，後來致電腸胃 病學家維克（Prasanna Wick.）博士， 維克在了解狀況後，便偕同其他傳染 病專家開始研究吉安諾托體內的啤酒 s yeast），並擬定計畫、 酵母（brewer’ 準備再度消滅這些酵母菌。最終，維 克等人成功地消滅這些在人體內的非 正常菌叢，目前正在針對整個過程準 備個案報告，以挽救更多 ABS 患者的 酒醉人生。 看到這，是否慶幸自己腸道裡的菌種 一切正常？雖然得到這種疾病的機率 微乎其微，但平常喝酒時也得注意別 喝得過量，以免生理機能癱瘓、讓自 己身處險境。

延伸閱讀

1. The Science of Getting Drunk: How Alcohol Affects the Body and Brain, Relatively Interesting, 2018.

2. Nicolas Fernandes, Tire salesman who could become fatally drunk from eating pasta due to rare condition that turned any carbs into alcohol finally cured, StoryTrender, 13th September, 2018.

圖一：看看你有多醉！ （許智翔繪製）

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NEWS FOCUS

出售火星土壤 每公斤 20 美元 （Pixabay）

美國的中佛羅里達大學（University of Central Florida, UCF）近日打算出售火星 土壤，售價為每公斤 20 美元含運。這可 不是件假新聞，但畢竟還沒有人登陸火 星，為何現在卻開始販賣火星土壤？

物的配方，模擬的土壤成分能以各種不

UCF 的團隊能夠模擬出各種不同的土壤

同的方式混合，藉由這樣的方式模擬出

成分，並且可以取代任何可能的有害材

來自不同天體的土壤。 那為什麼要製作火星土壤呢？研究人員 指出，未來的太空計畫打算將太空人送

UCF 研究團隊近期發表於《伊卡洛斯》 （Icarus）的 研 究 指 出， 他 們 制 定 出 一

上火星，為了要在火星上生存，太空人

種以科學為基礎的標準化方式，用於製

來源必定是利用當地的土壤種植。而製

作火星及其他小行星的土壤。製作火星

造出的土壤可以讓研究人員模擬在火星

土壤的方式，是利用火星探測車好奇號

上種植食物的方式。因為登陸火星後的

（Curiosity）採集土讓的樣本進行分析模

任務時間會長時間持續進行，研究團隊

擬並製造。研究人員表示，如同製作食

認為，事先找出種植方式是絕對必要的。

需要食物、水及其他的必需品。食物的

料，而實驗室生產出的模擬土壤均符合

NASA 的安全標準。研究團隊認為，這 項研究將有助於加強 Space X、藍色起源 （Blue Origin）等私人太空探索公司對於 太陽系探索的動力。

Kevin M. Cannon et al., Mars global simulant MGS-1: A Rocknest-based open standard for basaltic martian regolith simulants, Icarus, 2018.

狗很聰明？那倒未必！ 對普羅大眾而言，狗是人類最好的朋友， 並認為犬隻的智力相較於其他動物而言 特別突出。但近期一項新研究顯示，這 些人類的好夥伴或許沒想像中聰明。

到任何數據能夠佐證哪個物種能夠記住更 多不同人類的聲音，因此無法比較出貓狗

來 自 英 國 的 艾 希 特 大 學（University

而在其他的案例中，研究人員發現其他 的動物也有優秀的表現。在客觀地比較 犬隻與其他動物之後，其實狗的認知表 現並非特別突出。研究人員認為，狗就 是狗，動物就是動物，在對牠們進行認 知研究時必須考慮該動物的需求與真實 表現進行評估，而不是帶有先入為主的 想法進行研究。

of Exeter）與 坎 特 伯 雷 基 督 教 會 大 學 （Canterbury Christ Church University）

的研究團隊重新檢視犬隻及其他動物的 智力表現，其中包括狼、貓、熊、獅子、 海豚及鬣狗等。研究人員檢查過去達 300 多篇關於狗和其他動物智力表現的論文 結果，發現許多被「過度解釋」的案例， 包含一些特別偏袒犬隻智力表現的研究。

（Pixabay）

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艾希特大學研究團隊的利亞（Stephen Lea） 表示，過去有許多對於犬隻的認知能力研 究都著重於證明「狗是多麼地聰明」。其 中一項研究指出，目前已知狗和貓都能夠 辨識及區分人類的聲音。但研究人員找不

之間的差異，也就無法證明狗在這方面比 貓聰明。

Stephen E. G. Lea and Britta Osthaus, In what sense are dogs special? Canine cognition in comparative context, Learning & Behavior, 2018.

NEWS FOCUS

長頸鹿的斑點 來自媽媽的遺傳

（Pixabay）

長頸鹿身上的斑點能夠逃避獵食者、調 節溫度及辨識個體，斑點與生存及繁殖 能力息息相關，那長頸鹿的斑點是怎麼 來的呢？根據近期 PeerJ 一項研究顯示， 長頸鹿身上的斑點圖案特徵是由母親的 身上遺傳到下一代。

中表示，長頸鹿的斑點，包括形狀、數

另外研究人員表示，長頸鹿的皮膚顏色

量、面積及顏色都是可以遺傳到下一代

是均勻的深灰色，牠們身上的斑點顏色

身上。但因當時達格只研究一間動物園

及形狀變化非常大，從類似圓形到鋸齒

裡的長頸鹿，研究取樣數不足而未被重

型的圖案皆有。而隨著年齡的增長，斑

視。時隔 50 年，科學家終於證明了達格

點的樣式不會發生變化，這便讓研究人

當初的理論。

員可以藉由斑點識別出每一隻長頸鹿的

由 賓 夕 法 尼 亞 州 立 大 學（Pennsylvania

個體。李博士表示，過去人們對於哺乳

State University）李（Derek Lee）的 研 究 團 隊， 分 析 野 生 馬 賽 長 頸 鹿（Masai giraffe）的生存記錄及照片。研究人員測 量 11 個斑點中的其中 2 個，發現母親身

次的研究未來也能應用在觀察與分析其 他的哺乳類動物的花紋上。

上斑點的形狀及邊緣圖案與幼年的長頸 鹿非常相似，確認長頸鹿的斑點是可以 藉由遺傳傳遞至下一代身上。李表示， 要判斷長頸鹿的親子關係，觀察長頸鹿

早在 1968 年，非洲第一位長頸鹿田野研

媽媽會不會舔幼年的長頸鹿即可確定，

究員達格（Anne

畢竟長頸鹿不會去舔其他的小孩。

Innis Dagg）博士在研究

類身上的斑點了解並不多，希望透過這

Derek E. Lee, Douglas R. Cavener and Monica L. Bond., Seeing spots: quantifying motheroffspring similarity and assessing fitness consequences of coat pattern traits in a wild population of giraffes (Giraffa camelopardalis), PeerJ, 2018.

一場比賽 各自解讀 今（2018）年的世界盃足球賽（FIFA World

Cup）中，比賽如火如荼地進行，各國的 球迷紛紛地為自己的國家隊搖旗吶喊，聲 嘶力竭地加油打氣。而就在其中一場英格 蘭與哥倫比亞的比賽中，英格蘭球迷抱怨 哥倫比亞隊的犯規次數太多；同時間，另 一邊的球迷則認為裁判對於哥倫比亞的判

決不夠公正。明明就是同一場比賽，為 何兩邊的球迷會出現如此巨大的認知差異 呢？近期約克大學（University of York）的 研究團隊，利用核磁共振造影（MRI），

嘗試找出為何基於同樣事件，2 群人卻有 完全不同的想法。 研究團隊找來數名英格蘭足球超級聯賽 （Premier League）的死忠球迷，分別是切

爾西足球俱樂部（Chelsea Football Club）

與曼徹斯特足球俱樂部（Manchester United

Football Club）的忠實觀眾。 研究團隊給兩邊球迷觀看兩 隊的比賽畫面，同時間也對 他們的腦部進行掃描。結果 發現，兩隊球迷對於影響視 覺的大腦區域表現雷同，這 也就代表兩邊球迷在視覺上 的確看的是同一場比賽。但 他們的大腦額葉及皮質下區 （subcortical

（Pixabay）

regions ），

也就是掌管大腦在獎勵、自我認同（self-

identity）及認知部分的區域反應確實明

顯地不同，這就表示兩邊球迷對於相同的

之外的人則感到懷疑與不信任。研究團隊 認為，這樣的群體意識形態可能展現出人 類最原始的本能反應。

比賽有著南轅北轍的解釋與評論。 研究人員表示，這項結果為群體偏見的神 經基礎提供新的見解，人們傾向對於擁有 相同想法及理念的人感到放心，而對群體

Timothy J Andrews et al., Neural Correlates of Group Bias During Natural Viewing, Cerebral Cortex, 2018.

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813

專欄文章

淺談量子密碼

黃宗立

國立成功大學資訊工程學系特聘教授，量子

資訊與網路安全實驗室，研究領域為資訊、網路安全 與量子密碼學。

量子力學

面」的 2 種狀態。當你觀（量）測它的時候，也許觀察

當物體小到不能再被分割，質量微乎其微的時候，我們

到的是正面。此時，它的狀態就會塌縮成正面，讓人以

稱它叫作「量子」。譬如說，光子就是量子，夸克也是

為這個量子原來的狀態是正面。但實際上，它最初或許

量子。當物體縮小到微觀尺度時，其物理性質會與平常

真的是正面的狀態，但也有可能處在既是正面也是反面

所看見的物體，例如石頭、高爾夫球等不同。

的 2 種狀態。

舉例來說，打擊高爾夫球時，球會隨著打擊者所施力的

光子偏振

方向與大小，決定它的飛行軌跡與落點，這是可以被預

上述性質可以用光子的偏振（圖一）來解釋，比較容易

測的。當換成一個機器人在沒有重力的真空中，以相同

理解。

的動作和力道將多顆高爾夫球擊向一塊布幕時，在不受 其他外力的干擾下，所有的高爾夫球都會擊中布幕上的

首先要知道，光子是一種電磁波，而光子的偏振方向即

同一個位置。如果當機器人擊出的不是高爾夫球，而是

為光子在移動時所處位置電場的震動方向，為了簡單起

一個個的量子，那麼它們在布幕上的落點會是四處分散，

見，我們假設在二維的平面上對偏振進行觀察，於是其

且難以斷定。所以，當一個物體小到無法再被分割的時

偏振的方向會介於 90° ~ － 90°之間。接著，我們決定 2 個

候，它的行為將是超乎一般人類的直覺。這方面的研究

不同的量測基底，且每個基底都包含了 2 個偏振方向。

就是物理上所謂的量子力學。那麼，量子力學究竟有什 麼特別之處呢？

第一個是 Z 基底：它包含了 0 ° 偏振（水平）和 90 ° 偏振 （垂直）；另一個是 X 基底：它包含了斜對角方向的偏

822

量測不確定性

振（45 ° 和－ 45 ° ）。除了利用這 2 個基底來量測的光子

首先要介紹的，就是所謂的量測不確定性。當我們不知

外，也會產生這 2 個基底的光子。所以，當產生 Z 基底

道一個量子是如何產生的狀況下，它的狀態就像是一個

的光子時，它們的偏振方向只會是 0°或是 90°；而產生 X

漂浮在空中的銅板，這個銅板同時間具有「正面」及「反

基底的光子時，它們的偏振方向會是 45°或者是－ 45°。

SCIENCE MONTHLY 2018.11

理 物 |

Physics

個性質特別重要，因為它可以 被用來設計安全的量子通訊， 也就是所謂的量子密碼。

量子除了具有上述的量測不確 定性之外，它還有什麼其他的 物 理 特 性 呢？ 我 們 先 回 到 剛 才那個在真空狀態打擊量子 的 機 器 人 實 驗。 其 實， 機 器 人會看到（假設它有很特別的 眼睛）他所擊出的量子並非直 線 前 進， 而 是 以 波 動 的 方 式 擴 散 出 去， 被 擊 出 量 子 的 位 置 則 可 以 用「 薛 丁 格 方 程 式 （Schrödinger equation）」 預測即量子力學上很有名的 「波粒二象性」。當物體的質

圖一：光子偏振示意圖，由上到下分別代表 90°、0°、45°和－45°偏振。

量小到微乎其微時，就會同時

我們可以利用偏振片來量測光子的偏振方向將偏振片想

出現粒子和波的特性。也正因為有這種波動的現象，科

像成由許多「平行且極其微小的細縫」排列而成。它可

學家們研究發現，當樹葉進行光合作用的時候，光子會

以讓偏振方向平行於細縫的光子通過，但會過濾掉與細

以波動的方式到達葉綠素的能量反應中心，藉此找到一

縫垂直的所有光子。一個很有趣的現象就是：如果我們

個最有效的路徑來參與光合作用，有效地提升植物光合

用一個垂直方向的偏振片來觀測 X 基底的光子，那麼這

作用的效率，這是人造太陽能所無法達到的。

時候會出現什麼結果？對一個斜 45°偏振的光子而言，當 使用垂直方向的偏振片觀測時，我們會有 1∕2 的機率觀

量子密碼

測到這個光子，同時也有 1∕2 觀測不到。所以，當你觀

在了解量子力學的一些基本特性之後，接著要探討如何

測到光子的時候，你會以為它是一個垂直偏振的光子，

利用這些量子特性來設計量子密碼，以解決通信安全的

實則原為一斜 45°偏振的光子，而被觀測到的光子其原先

問題。首先，假設有 2 位使用者，甲與乙，他們想利用

的狀態就被破壞了，意即它不再是一個斜 45 °偏振的光

量子通訊來建立一把秘密金鑰，並且使用這把秘密金鑰

子，而已變成一個垂直偏振的光子了。

來保護他們想要傳送的重要訊息；2 人分別擁有產生和量 測光子的儀器，並且彼此間已經建立了一個完美的量子

由上述的例子可以知道，量子具有疊加態的特性。也因

通道，和一個理想的的傳統訊息認證通道。所謂完美的

為這個特性，如果我們不知道光子偏振的基底，便無法

量子通道就是在通道中不會受到任何雜訊的干擾，所以

正確地量測它，當然無法得到光子正確的初始狀態。這

光子在傳送的過程中不會失真；而理想的傳統認證通道，

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專欄文章

細菌隨身組裝的重裝武器－ T6SS

陳俊堯

慈濟大學生命科學系助理教授，熱愛細菌

的細菌人，研究領域為微生物生態，對環境微生物 社會的興趣 遠 大 於對人 類社會的興趣，近年來亦 致力於科普寫作的實踐與推廣。

細菌是在細胞內製造蛋白質，如果要把做好的蛋白質從

霍亂弧菌中使用，其它種類的細菌也用這套設備攻擊動

細胞內送到細胞外使用，就得依賴某些分泌系統將它們

物或植物，代表著這項威力強大的武器其實已在細菌的

送出細胞膜。而每個分泌系統都是由很多種蛋白質零件

世界裡被廣泛使用了。不過，這組新武器到底是從哪裡

所組成，最後，在細胞膜上組裝成一套精緻的奈米機器，

來的呢？

執行運送蛋白質的任務。

T6SS 其實是偷來的武器 前言

要找出武器設計圖的來源，DNA 序列比對工具就顯得相

2006 年，美國哈佛醫學院麥卡蘭諾斯（John Mekalanos）

當重要。

教授的研究團隊，在霍亂弧菌（Vibrio cholera）裡找到 一組特殊的設備，將它命名為第六型分泌系統（Type VI

以機器設計來說，如果光是依據對手公司的機器在功能

secretion system, T6SS），這意味著先前已在細菌中找

及外型和自身的機器很像，這一點證據還不夠用來指控

到 5 種類似此設備功能的分泌系統。在這個實驗中，所使

對方抄襲，但是如果在比對後發現雙方設計圖細節都一

用的主角是霍亂弧菌，在測試了包括實驗室中所培養的小

樣，那就可能成為有力的證據。科學家在比對 DNA 序

鼠細胞（J774）和黏菌細胞後，團隊發現霍亂弧菌能用這

列時，發現細菌 T6SS 基因的序列和 T4 噬菌體基因的序

組設備將毒素送入受測細胞，並導致細胞死亡，是個不折

列有很高的相似度，而且不只是 1 個基因像，是整組基

不扣的武器。

因的序列都像。這樣程度的相似度不是巧合可以解釋得 通的，合理推測應該是噬菌體在感染細菌後把整組基因

此外，他們也比對很多細菌的基因體序列，發現不少細菌

留在細菌裡，後來被細菌重新改造並拿來使用。

都有類似的基因。在清查當時能取得的序列資料後，科學

826

家們發現 1∕4 的革蘭氏陰性細菌種類可能都帶有這套系

如果將這組基因所製造出來的蛋白質們組合起來，模樣

統。後續來自各地的實驗結果也證實這組基因不只是在

會像是根埋在細胞裡的長矛，基部是可以收縮的蛋白質，

SCIENCE MONTHLY 2018.11

生 動 |

Biology

圖一：左邊為噬菌體示意圖，噬菌體在接觸到細菌的外膜後，尾鞘構造會收縮，伸出尾管刺破細菌的細胞膜，造成感染；右邊則是第六型分泌系統， 也是利用它來攻擊細菌。

收縮時會把這根長矛往外推，刺入隔壁的細胞，把預先放

巧奈米機器，最後被細菌拿來為自己謀福利。只不過在

在尖端的毒素送過去。在 T4 噬菌體身上，這組設備位於

T4 噬菌體身上的這套設備原本長約 100 奈米（nm），大

可收縮的尾部，是它們感染細菌時需要用到的重要武器。

約只有細菌直徑的 1 ∕10 而已，但在細菌身上改造後的

噬菌體附著在細菌表面時，會用這長矛刺穿細菌的細胞壁

版本 T6SS 可以拉長 10 倍，完成組裝時的大小已經接近

和細胞膜，再透過長矛中間的管道把 DNA 和蛋白質送入

整隻細菌直徑的長度了。基部蛋白收縮時，形成長矛主

細菌。這些蛋白質可以搶奪對細菌細胞的掌控權，把它變

體的 Hcp 蛋白突出細菌本體外大約半隻細菌的長度，大

成製造噬菌體的殭屍（圖一）。

小等同於有個人拿著把藍波刀，以細菌的尺寸來看還挺 嚇人的。

把敵人的武器搶過來用 演化就是這麼有意思。這套原本是設計來屠殺細菌的精

T6SS 系統像是個能投出有毒長矛的分子機械，只要貼在

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COVER STORY

在 釀造 與 藝術 之間 每年一到夏天， 啤酒節便在世界各國登場。 數十、百萬人的狂歡、 逐年擴大的規模都顯示著， 啤酒， 已不再只是一種飲品， 更蔚為一種文化。 在這場文化饗宴的背後， 究竟蘊藏什麼神秘魔力， 成就歷久不衰的啤酒風潮？

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COVER STORY

超越千年的釀造工藝— 啤酒 鄭建瑋 銘傳大學生物科技學系副教授。

啤酒和麵包是早期住民飲食文化的起

術和飲用啤酒的習慣帶入美國，美國

高速成長的手段，競爭對手彼此之間

點，不過，人類將穀物製成啤酒的歷

啤 酒 工 業 才 真 的 算 是 正 式 開 始。 此

既聯合又鬥爭，競相併購各國具潛力

史可能比將穀物烘培成麵包還早，而

外， 啤 酒 的 研 發 與 保 存 更 在 巴 斯 德

的中小型酒廠與品牌或與各地的大型

埃及人則是第一個記錄釀酒製程的民

（Louis Pasteur）酵母實驗和殺菌技

啤酒廠結盟交換持股，建構全球啤酒

族。埃及人用小麥釀酒，然後將此技

術（pasteurization）的成功之下，使

帝國。近期就發生了幾件大型收購案，

術傳給希臘人。古人認為啤酒具有醫

釀酒技藝往前邁開一大步。在此之前，

像是美國莫爾森庫爾斯（Coors）收

療效果，且在許多相關記載，埃及的

啤酒的保存期限甚短。

購英國的卡爾蘭（Carlin）；南非釀 酒（South African Breweries, Ltd.）

男子還會把啤酒當成定情之物。種種

840

跡象顯示，啤酒可能是人類最早的一

因生產技術的進步及二次世界大戰後

併購美國的米勒（Miller）。不僅如

種工業。

盛行的全球貿易，許多國家發展出大

此，金磚各國更是跨國啤酒企業競逐

型的啤酒企業， 例如比利時的安海

的 新 市 場， 例 如 巴 西 近 年 已 取 代 德

啤酒的歷史與演進

斯 - 布希英博集團（AB InBev）、英

國，成為全球僅次於美國、中國的啤

13 世紀末，啤酒已成為英格蘭人的

國的南非米勒（SABMiller plc）、荷

酒第三大消費市場，銷量排名全世界

國民飲料，不論是貴族或庶民都喜歡

蘭的海尼根（Heineken）和丹麥的嘉

第九的博浪（Brahma Chopp）則是

啤酒的清涼氣味，據說女皇伊莉莎白

士伯（Carlsberg）等。如今，這些大

巴西最暢銷的啤酒。

一世（Elizabeth I）早餐不喝果汁，

型啤酒集團都已是跨國企業，年產量

而是喝濃烈的麥酒。啤酒的酒精成分

動輒超過百萬桶。例如，年產量高達

而隨著啤酒帝國的成長，跨國企業之

和碳水化合物是早期住民的能量來

130 萬桶的安海斯 - 布希（Anheuser-

間的爭奪也漸趨白熱化。以中國市場

源，15 世紀時，哥倫布（Christopher

Busch, ABC），就是一間所謂的巨型

為例，南非米勒擁有中國排名第四的

Columbus）發現美國原住民會用小

啤酒廠（megabrewer），或稱為主流

哈爾濱啤酒集團部分股權，但不到 1

麥 和 樺 樹 汁 釀 啤 酒。 然 而， 一 直 到

啤酒廠（mass-market brewer）。然

年的時間，就以更高的價格轉賣給安

19 世紀，德國移民才將歐洲釀酒技

而，近年來併購往往是巨型啤酒企業

海斯 - 布希。南非米勒透過姐妹公司

SCIENCE MONTHLY 2018.11

中國資源啤酒廠（China Resources

Breweries），間接擁有 32 間中國啤 酒廠；安海斯 - 布希也擁有小部分的 中國啤酒廠；而日本啤酒則是選擇俄 羅斯做為進軍的市場，低卡啤酒的熱 量比伏特加（vodka）低，使市場反 應熱烈。2004 年，比利時的英特布 魯（Interbrew）收購巴西的安貝夫 （AmBev），成為全世界產量最高的 啤酒廠，如今這家新的企業巨人就是 安海斯 - 布希英博集團，佔 28％的全 球市場，擁有 200 個以上的啤酒品牌。

（Shutterstock）

不同於商業啤酒的手工啤酒 雖然巨型釀酒廠仍是現今全球啤酒市

Association, BA）對手工啤酒的定義則

啤酒的種類

場的主流，然而，近年來世界各地手工

包含精釀啤酒廠（specialty brewer）、

目前全世界最少有 1 萬家以上的釀酒

精釀啤酒（craft beer）卻大為盛行，

啤酒酒吧（brewpub）和小型啤酒廠

廠，生產超過 2 萬種品牌的啤酒。不

且在許多國家甚至慢慢變成主流。消

（microbrewery）。小型啤酒廠是指

過，其實啤酒只有 2 種基本型式：下

費者願意付更高的價錢體驗與眾不同

年產量少於 15000 桶的酒廠〔註一〕。

層發酵的拉格（lager）和上層發酵的

的 新 鮮 啤 酒， 來 突 破 以 往 口 味 的 窠

啤酒酒吧是餐廳和酒廠的合體，現

艾爾（ale）。而基本型式還可以再細

臼。與一般啤酒相比，手工啤酒口感

地販賣自釀酒和食物，屬於本地授權

分成數種類型的啤酒，以下將討論各

更豐富、色彩更鮮豔、香氣也更加濃

（on-premise）， 一 般 銷 售 比 例 是

式常見的啤酒類型。

郁，並且從歐洲風味啤酒到個人獨家

70 ％的食物和 30 ％的啤酒。有些啤

特調的啤酒，種類繁多。當大企業掌

酒酒吧甚至會大量生產，提供外帶或

一 . 拉格啤酒

控其秘方時，手工啤酒也能找到自己

超市販售，藉以創立品牌。如果外帶

德文 lagern 是儲藏的意思，進一步

的利基，聯合小型釀酒廠共同銷售自

啤酒超過總營業額的 50％，則稱為小

的意思是指飲料經過長時間儲藏時，

身產品。2016 年，手工精釀啤酒在

型啤酒廠。區域型啤酒廠（regional

會緩緩進行二次發酵作用，讓啤酒本

美洲的市占率已超過 51％，歐洲聯邦

brewery）則是指年產量介於 1.5~50

體 更 為 細 緻， 以 產 生 不 可 思 議 的 口

地區也接近 40％，在亞太地區則已達

萬 桶 的 釀 酒 廠，regional 指 的 是 產

感。在冰箱發明之前，下層發酵在溫

到大約 10％。各地啤酒的生產，個性

量 多 寡， 不 具 地 緣 性 的 關 係。 有 些

暖的環境中會顯得很不穩定，德國酒

化、小型化和精釀化已是一個沛然莫

地區型啤酒廠會幫其他的酒廠代工

廠不會在夏天釀造下層發酵啤酒。後

之能禦的趨勢。

（contract brewer）， 有 些 則 會 成

來，酒廠將啤酒儲存在巴伐利亞的阿

為 知 名 的 地 區 精 釀 啤 酒（regional

爾卑斯山區（Bavarian Alps ）的洞

specialty brewery）。

穴中，久置之後，發現冷藏數個月的

而在根據美國釀酒商協會（Brewers

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自己的醉自己釀— COVER STORY

人生第一次釀啤酒就上手

柯怡樺

研究生與餐廳經理，理性學習與人性管理，斜槓人生

中找尋屬於自己的處事哲理。

林翰佐

銘傳大學生物科技學系副教授，本刊總編輯。

啤酒，其實是由榖類釀造、具發泡性

啤酒人生走一遭──

酵母菌發酵的能量來源。一般糖化作

的酒精飲品總稱。由於酒精濃度低，

帶你從無到有釀一次！

用的反應時間約為 1~2 小時，此時的

具有氣氛感極佳的泡沫，相當適合親

在動手釀酒之前，先講解一下啤酒釀

溫度必須嚴格控管，過高的溫度會造

朋好友於私人歡聚場合飲用，可說是

造的大致流程。啤酒的釀造大約可分

成酵素蛋白質的變性失去活性，過低

世界上最受歡迎的飲品之一。

為 4 個階段（圖一），分別是麥汁糖

的溫度則會使酵素反應不足。

化作用、啤酒花熬煮、一次發酵以及 除了我們所熟悉的臺灣啤酒（窖藏式

裝瓶與二次發酵。

釀造啤酒）外，目前世界上的特色啤

856

Step 2：啤酒花熬煮 啤酒釀造的另一項主要原料是啤酒

酒已超過百種，有的配方傳統且具有

Step 1：麥汁糖化作用

花，即蛇麻草的花序（圖二）。啤酒

歷史文化上的意義，有的則以限量且

啤酒釀造的主原料是來自穀物，傳統

花的添加除了賦予啤酒風味上的的特

結合當地風土特產聞名。小規模的自

啤酒以大麥為主，但也有以小麥、藜

性，同時也可以防止微生物滋生、避

釀啤酒浪潮於 1970 年代起逐漸風靡歐

麥、白米與玉米等澱粉來源作為啤酒

免產生質變，是天然的防腐劑。此外，

美，玩家們透過實作追求極致口感，

釀造的材料。透過對麥芽的應用，將

這株神奇的植物，可以生產高達數百

並尋求有別於工業化大量生產商業啤

這些穀物保持在 60~70 °C 的溫度上，

種的天然化合物，許多人口中啤酒的

酒的正港文化底蘊。

可使麥芽中的酵素甦活並進行反應，

泥土味、果香味，便是添加不同品系

如糖化作用等，作為後續釀造過程中

的啤酒花所造成的效果。

SCIENCE MONTHLY 2018.11

圖一：家庭式啤酒釀造的流程。

一般而言，啤酒花在販售時皆會標示

置瀝乾，是降低失敗率的必要功課。

「α 酸值」，以百分率來標示，這是啤 酒花苦味的一項指標；α 酸值越高，

在一次發酵過程，選擇適當容器作為

意味著在相同的熬煮條件下，啤酒嘗

發酵槽可以讓事情順遂一些。玻璃容

起來會更苦。α 酸是葎草酮類化合物

器在潔淨滅菌上較為容易操作，半懸

的商業總稱、啤酒苦味的來源，其對

緊的螺旋瓶蓋可以在防止落塵汙染狀

水的溶解度不高，需透過近乎煮沸的

況下維持平內外壓力的通氣平衡，因

溫度熬煮，使其化學構型轉變增進溶

此習慣使用窄口、有螺旋瓶蓋的玻璃

解度。由於國人對於啤酒的苦味接受

容器作為發酵槽，如此一來也不需在

度較低，根據筆者的釀造經驗，建議

瓶身當中另外安裝水密通氣閥了。

圖二：加工成錠的蛇麻草花序。（作者提供）

在 1 小 時 的 熬 煮 條 件 下， 每 公 升 麥 汁的啤酒花添加，其 α 酸值總和應在

發酵是複雜的化學反應過程，啤酒酵

12％左右，口味較為大眾。

母會利用麥汁中的單醣作為合成酒精 與二氧化碳的原料。但反應並不光是

Step 3：一次發酵

如此，許多原本在麥汁中的風味會在

熬煮完的麥汁經冷卻後灑上些許啤酒

此 發 酵 得 到 轉 換。 實 驗 精 神 濃 厚 的

酵母粉（專業上稱「接種」），放置

你，可以每隔幾天從發酵桶中取出麥

於陰涼處，就可靜靜等待啤酒完成。

汁品嘗，體會一下因發酵所造成的轉 變。發酵過程需要耐心的等待，以艾

容器的潔淨度是左右成敗的關鍵，基

爾式的釀造為例，室溫下需要 10~14

於啤酒花的添加，釀啤酒不需要如執

天的時間進行發酵（圖三），臺啤風

行實驗室中無菌操作一般的嚴苛要

味的窖藏式釀造則需在更低溫的環境

求，但是確實地經過自來水清潔後倒

下釀造數月的時間。

圖三：正在室溫下進行發酵的艾爾式啤酒。 （作者提供）

Vol.49 No. 11

857

此，為使骨頭受力狀況在健康範圍內、

精選

延長植入物使用期限，便必須要降低 應力遮蔽效應。

文章

避免身體的誤判，

3D 列印植入物的

外型設計與材料開發

降低「應力遮蔽效應」 一般來說，改變植入物外型使其承受 力量的能力降低，是避免應力遮蔽效 應最直覺的作法，如將植入物做成中 空或具有孔洞、凹槽的結構。然而， 這些複雜的外型很難用傳統工法切削 製成，故傳統植入物外型設計受到限 制，也難以避免應力遮蔽效應。 近年來，有「積層製造」之稱的 3D 列印（additive manufacturing）技 術日趨成熟。3D 列印機可直接讀取

鄒年 棣

英國牛津大學工程科學博士，現任職於

交 大材料系。研 究興趣 為利用計算力學，探討 材 料現象與解決各類工程問題。

電腦的 3D 圖檔（最常見的檔案類型 為 STL 檔），並依照 3D 圖檔所描述 的形狀的截面，讓材料一層一層地成 形，最後得出整個立體物件。這種疊 加過程，讓上述的中空、孔洞和凹洞 等特殊結構變成了可能。

868

淺談醫療植入物

然而根據臨床追蹤，在植入手術後 2

植入物是現今常用的醫療器材，例如：

年內，約 1 ∕ 4 的患者植入物會鬆脫或

植入物特殊的外型設計，如孔洞數量

椎弓螺釘（pedicle screw）、牙釘或

斷裂；約 1 ∕ 2 的患者脊椎骨退化。上

多寡、凹洞深淺等，該如何決定呢？

人工髖關節等……。其功能視患者情

述問題不僅只發生在椎弓根釘，也經

事實上，骨頭的密度、強度等性質會

況，可以做為輔助矯正治療或直接取

常發生在牙釘或其他植入物上，這是

依據患者的健康狀況、年紀和生活習

代人體原有的組織。以脊椎病變治療

因為一般植入物大多由醫療用不鏽鋼

慣有所差異，且植入物在身體的不同

為例，最關鍵的一環就是在盡量不影

或鈦合金製成。這些材料比骨頭更能承

位置，受力狀況也會不同。因此，外

響患者活動下，以「椎弓螺釘」穩定

受力量，人體便會誤認該患部不需要

型設計需要依據患者與部位的條件來

脊椎、減少組織壓迫及免除疼痛，進

太多骨頭支撐，使得該處骨頭自然退

變動，亦即每一根植入物理應要長得

而加強椎骨復原。雖然國內此類療程

化、流失，最終導致植入物鬆脫或歪

不一樣。這種「客製化」設計正好是

費用較昂貴且健保不給付，但還是有

斜失效。此現象被稱為「應力遮蔽效

3D 列印工法的優勢，植入物設計者

相當多患者為了生活品質，主動要求

應（stress shielding effect）」，即骨

只要修正 3D 圖檔，理論上只要 3D

此療程。

頭應有的受力被植入物遮蔽掉了。因

列印機精度夠高，就可以將新設計好

SCIENCE MONTHLY 2018.11

外力

的植入物印製出來。在現今高齡化且 重視保健的氛圍下，客製化、高單價

bone）和骨痂 3 種材質，而植入物的 材質則為鈦合金。這些材質承受力量

的醫療元件需求必將快速成長，而發

的能力，可利用以標準科學方法量測

展 3D 列印技術，使其可實際在臨床

出來的「材料參數」來代表，透過固

上使用，將是醫療植入物升級的關鍵。

體、流體力學理論並搭配程式，計算 出每個位置的變形、受力狀況與體液

密質骨

接下來，筆者將介紹近年參與的相關 研究，主要著重在「植入物外型的數

兩大方面。

植入物外型的數位設計

骨痂

植入物

位設計」與「植入物新材料的開發」

Part 1 ──

流速，以推得每個位置的骨痂將要往 哪一種組織轉變。

然而，組織轉變是漸進的。當每個位 置的骨痂開始轉變成不同組織，其材 料參數、受力狀況也同時改變，進而

鬆質骨

改變刺激因子，也影響下一個時間點

植入物周圍骨骼生長預測

骨痂轉變的趨勢。這種演變過程會影

傳 統 植 入 物 外 型 通 常 採 用「 試 誤 法

響最後結果的複雜機制，使得程式必

（trial and error）」進行設計，也就

須計算每一個時間步階的資訊，並即

是只要有新的外型設計就製作出來，

時更新模型內每個位置的材料參數，

再個別進行整套力學測試、動物實驗 等，最後淘汰表現差的，留下最好的

圖一：簡化的骨骼與牙植入物的模型示意

以慢慢推得最終骨骼生長結果。

圖。（作者提供）

設計。這種方法雖堪用，但成本高、

塊、骨痂（osteotylus）。骨痂部分未

Part 3 ──

耗時，亦難免犧牲較多動物。近來，

來會逐漸癒合並轉變成軟骨、不成熟

來比對一番吧！

材料與生物力學理論逐漸成熟，電腦

骨、成熟骨或退化消散。此計算理論

圖二 a 是典型牙植入物周圍骨骼生長

計算效率也愈來愈高，許多研究者開

認為，骨痂在復原過程的「變形量」

歷程模擬結果的其中一段。我們可以

始利用程式語言在電腦中架構出虛擬

與「體液流速」為重要刺激因子，兩

觀察到植入手術後第 2 天，植入物螺

模型，藉此預測植入物周圍骨骼的生

者加權疊加後的「總刺激因子」值，

紋尖端附近的骨痂趨向成長為不成熟

長狀況。雖然虛擬模型經過簡化，無

將決定骨痂轉變的結果。值愈小，骨

骨，而螺紋底部趨向成熟骨（圖中的

法面面俱到地考慮真實動物骨骼生長

痂最後會退化消散；值愈大，會變成

顏色僅代表骨痂的材料性質將朝該類

的所有影響因素，但仍然可以推估其

軟骨；值在適中大小，會變為成熟骨。

型的組織發展，並不是指手術後第 2 天就已經長出很多成熟骨）。隨著時間

生長趨勢，並給予植入物設計建議。 Part 2 ──

推進，愈來愈多骨痂傾向轉變為成熟

目前常用來模擬受力狀況下骨骼癒合

簡化版植入物模型

骨，但也造成植入物螺紋深處位置的

的計算法─ ─「機械調節法（mechano-

了解上述的骨生長機制後，便可以在

骨痂受力變小，刺激減小，因此在第

regulation approach）」，是科學家

電腦中建造出簡化的骨骼與植入物的

35 天時，該部位發生骨退化、消散。

觀察許多動物實驗結果與多年科學文

模型（這裡以牙釘為例），圖一為示意

獻經驗累積而得來的。一般來說，手

圖。在模型中，骨骼概略分為密質骨

相同狀況動物實驗的結果亦有被文獻

術完成後植入物周圍會填滿受傷的血

（cortical bone）、鬆質骨（cancellous

記 載， 如 圖 二 b 所 示。 照 片 中， 黑

Vol.49 No. 11

869

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