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573 Contents
2017 / September
６８０ ６８８ ６９２
全球海洋生物遷徙－臺灣海峽海洋生物遷徙的中繼站
陳昭倫
封面故事
臺灣存有的全球少見生態系
６７８
桃園藻礁
７００
Vol.48 No. 9
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安哥洛卡陸龜 圖 ‧ 文／游崇瑋
高圓的背甲、上翹的喉盾以及古樸的色澤，安哥洛卡 陸龜（Asterochelys yniphora; Vaillant, 1885）是寵物龜 玩家眼中的超級珍品，但也因此受到強大的盜獵壓力。 除了盜獵，棲息於馬達加斯加西北部乾燥林區的安哥 洛卡陸龜也面臨了棲地破壞的嚴重威脅。目前野外數 量僅存不到 100 隻的安哥洛卡陸龜在保護區內被嚴密 保護著，所有個體都安裝上了一顆追蹤發報器，也刻 意在牠們背甲上刻上編號以求降低黑市價值，但似乎 效果仍相當有限。曾有「陸龜之王」美名的安哥洛卡 陸龜，如今只能希望牠們不要成為「陸龜之亡」了啊！
雄性的安哥洛卡陸龜頭頸部下方的犁狀構造是特化的喉盾，是 腹甲最前端的構造。雄龜的喉盾長且上勾，主要功能就是在繁 殖季時和其他雄龜打鬥用。
成熟母龜以及牠們賴以為生的乾燥林。
644
SCIENCE MONTHLY 2017.8
早晨在林下曬太陽的年輕母龜。 母龜的喉盾相較之下比公龜要短，但比起其 他陸龜來說仍是個絕無僅有的特徵。
可以清楚看見背甲刻上的編號，這樣破壞賣相的激烈手段仍然很難阻止盜獵者的貪念。
Vol.48 No. 8
645
非關
科學
科學維生素
維持生物體內平衡的微小力量 李依庭 喜愛各種冷門知識，對不完美情有獨鍾，本刊編輯。
圖一：維生素 K，分子式為 C31H46O2。（shutterstock）
要維持生物體穩定的運作，微量元素與 各 種 維 生 素 扮 演 著 不 可 或 缺 的 角 色。 若 微 量 元 素 或 維 生 素 在 體 內 失 衡 時， 可能就會對生物體帶來危害。維生素 K
圖二：1943 年因維生素 K 而獲得諾貝爾生理醫學獎的達姆（左）與多伊西（右）。（wikipedia）
（vitamin K），為疏水性，是人體中的維 生素之一，主要功能為幫助血液的凝固，
生素）。後來，由聖路易斯大學（Saint
種維生素的作物。為了預防世界人口持續
促進傷口癒合。
Louis University）的 多 伊 西（Edward A. Doisy）持續對此化合物進行分析，並於 1939 年以維生素 K 之名發表相關論文， 發現其結構及化學特性，並於 1943 年與
的攀升而造成某些地區人們營養不良的情
達姆一同獲得諾貝爾生理醫學獎。
鋅（Zn）的多種營養素的稻米，期望能改
飼料中的膽固醇對於飼養雞隻的影響，
至今，人們已能夠化學合成出維生素 K
善營養素缺乏的問題。
因此將實驗組餵食無膽固醇與脂肪的飼
並知曉其完整功能，對於脂肪吸收較差
從現今往回看過去的軌跡，當年科學家們
料。在餵食幾星期之後，達姆發現這些
或腸道受損的人則容易缺乏維生素 K。
各種偶然的發現，對於當代生理、醫療與
被餵食無膽固醇與脂肪飼料的雞隻開始
而維生素 K 主要可從多種綠色蔬菜內攝
生物技術等發展都帶來不可忽視的影響。
有出血的情形，縱使爾後再餵食含膽固
取，像是菠菜、花椰菜等，而近期在美
醇與脂肪的飼料也無法改善出血情況。
國塔夫茲大學（Tufts
而當年維生素 K 的發現，與佛萊明（Alexander
Fleming）陰錯陽差之下發現青黴素一樣， 得由一次的膽固醇實驗說起。1930 年代， 丹麥的科學家達姆（Henrik Dam）想研究
觀察到這個現象，達姆提出可能有某些 化 合 物 一 起 被 膽 固 醇 提 煉 出 的 假 設，
也發現除了綠色蔬菜外，在牛奶、乳酪 等乳製品中也富含可觀的維生素 K。
因 而 造 成 出 血 的 情 況， 他 將 此 發 現 發
而現今，拜科學與生物技術的進步所賜，
表 在 德 文 期 刊， 並 將 此 化 合 物 用 德 文
除了各方科學家對生物體內的微量元素與
Koagulations vitamin（ 凝 血 維
維生素的發現與研究外，也發展出富含各
命名為
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University）的研究
SCIENCE MONTHLY 2017.9
況，今年 8 月由蘇黎世聯邦理工學院（ETH
Zurich）研發出同時含有能產生維生素 A 的 β- 胡蘿蔔素（βcarotene）、鐵（Fe）與
延伸閱讀
1. Dam H., The antihemorrhagic vitamin of the chick.: Occurrence and chemical nature. Nature, 1935. 2. Xueyan Fu et al., Multiple Vitamin K Forms Exist in Dairy Foods. Current Developments in Nutrition, 2017. 3. Simrat Pal Singh, Wilhelm Gruissem and Navreet K. Bhullar. Single genetic locus improvement of iron, zinc and β-carotene content in rice grains. Scientific Reports, 2017.
非關
科學
科學重金搖滾
重金屬音樂中的身體狀態 文詠萱
本刊主編。
重金屬音樂主要發跡於 60 年代末 70 年
根據 2008 年 BMJ 期刊的一項報告表示，
害喉嚨，引起科學家的興趣。舊金山太平
代初的美國與英國，其音樂特色包含破音
經常有重金屬樂團的團員、觀眾表示在甩
洋語音與演說基金會、專長為聲帶損傷研
的吉他、超長吉他獨奏、密集快速的鼓
頭後經常暈眩，為輕度創傷性腦損傷的可
究的依斯得伯思基（Krzysztof Izdebski）博
點，最具特色的是主唱多變的特殊唱腔，
能症狀。甩頭有許多不同的方式，如上下
士針對此現象進行研究，他利用高速照相
這樣的音樂型態在舞台上顯現出極度力
擺動、畫圓、全身擺動或是側身擺動。研
機記錄重金屬樂團主唱的喉嚨，重金屬樂
量。大部分的重金屬樂團多身著黑色衣
究團隊參加了幾場觀眾會甩頭的重金屬、
團主唱唱歌內容主要是以咆嘯為主，而在
服，長頭髮，隨著音樂的節奏快速甩頭，
硬核搖滾（hard rock）樂團演出，研究團
咆嘯的時候其聲帶碰撞的次數比說話的次
樂迷也會穿著黑色衣服，隨著音樂整齊甩
隊發現最常見的甩頭方式是上下甩動。他
數少上許多。依斯得伯思基表示，這種喉
頭，甚至到情緒激動處會推擠衝撞。
們回到研究室進行生物力學模擬，結果顯
嚨運作的模式就像是小嬰兒在哭鬧尖叫時
Metallica 樂團的貝斯手紐斯特德（Jason Newsted）以 在 彈 奏 時頭 部 畫 圓 甩 頭 聞 名，而在 2001 年因為「身體物理傷害」 為理由而離開樂團；而 Evanescence 的吉 他手巴爾薩莫（Terry Balsamo）也在 2005
示，就頭部甩動範圍而言，若頭部運動範
喉嚨的聲帶運動狀態。
年被醫師診斷出因甩頭導致的腦部中風； 著名金屬樂團 Slayer 的主唱阿拉亞（Tom
圍超過 75 度，就會有明顯輕度創傷性腦 損傷的危險；而就音樂速度而言，頭部甩 動速度超過每分鐘 146 下，則會造成頸 部損傷。研究團隊還建議演唱會主辦單位 能夠在表演前宣導安全頸部運動範圍，另 外也建議觀眾可以自行準備頸部支架以限
Araya）也在 2010 年表示為治療長期甩頭
制頭部運動範圍。
導致的脊椎創傷，將不在於舞台上表演極
在演唱會上，金屬樂團主唱總是需要長時
具個人風格的甩頭動作。
間的吼叫，萬變且長時間的吼叫卻不會傷
在心理學方面，流行文化領域有許多可用 的資源幫助科學家解決問題，而重金屬音 樂也不例外。而在許多重金屬音樂中，許 多歌詞與謀殺、死亡、自殺相關，甚至有 些特殊心理案例與重金屬音樂有直接的關 係。雖說如此，重金屬音樂對有一群人來 說不僅是一種音樂類型，而是一種信仰、 一種寄託。
（Shutterstock）
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NEWS FOCUS
附著在皮膚上的微晶片 能治癒受損組織或器官
而最近，由俄亥俄州立大學維克納醫學中心 （Ohio State University Wexner Medical Center） 所開發出的一種非侵入技術，稱作組織 奈 米 轉 染 技 術（Tissue Nanotransfection,
近年來，科學家嘗試利用特定基因誘導體細胞轉變成胚胎幹細胞，再分化出具功能的幹細 胞，期望能培養出患者自身的組織或器官，以避免自體免疫攻擊。
TNT），是利用晶片附著在皮膚表面，再 將遺傳密碼注入皮膚細胞中，使皮膚細胞 轉化成其他類型的細胞，能快速地修復患 者體內受傷的部分。 研究人員將原本缺乏血液流動、嚴重受 損的小鼠腿部，利用此技術轉化出血管 細胞，在治療的一星期內，腿部開始生成 出新的血管，第二周則完全痊癒。另外， 研究團隊也嘗試讓皮膚細胞轉化出神經細 胞，成功治癒小鼠的大腦損傷。 目前這項技術在小鼠與豬身上都有良好的 治療效果，研究團隊也積極申請人體臨床 試驗，期望未來能應用在組織受損、神經 退化等疾病。
（shutterstock）
Daniel Gallego-Perez et al., Topical tissue nanotransfection mediates non-viral stroma reprogramming and rescue. Nature Nanotechnology, 2017.
暴露在三氯卡班的環境中 會影響小鼠體內的脂質代謝 ，是一種現今 三氯卡班（triclocarban, TCC） 常添加在肥皂、洗衣粉或消毒劑等清潔用 品內，具有抗菌的功效。然而，在現今大 量使用之下，使廢水汙染物中含有高濃度 的三氯卡班。在勞倫斯利佛摩國家實驗室 （Lawrence Livermore National Laboratory） 的最新研究發現，暴露在環境中的三氯卡班 會在母體懷孕期間轉移給後代，並干擾脂質 代謝。 研究人員利用碳 –14 來追蹤三氯卡班在雌 性小鼠與後代體內的分布，並利用加速器質 譜法（Accelerator Mass Spectrometry, AMS） 量化其體內的濃度。研究發現，除了會藉 由母體轉移給後代外，研究人員也發現相
的基因產生了改變，使得體內的脂肪含量與肝臟中的三酸甘油脂皆明顯增加。
較於對照組的後代，暴露在三氯卡班的後
除此之外，在後代的大腦、心臟與脂肪中皆能檢測到較高濃度的三氯卡班相關化合物。研究人員
代，雌性小鼠的體重會增加 11%，雄性則
表示這項研究的發現，可能代表著人類也暴露在這些潛在的風險之中並影響後代的發育。
上升 8.5%。透過定量即時聚合酶鏈鎖反應 （qPCR）進一步發現，由於與脂質代謝相關
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（shutterstock）
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Heather A. Enright et al., Maternal exposure to an environmentally relevant dose of triclocarban results in perinatal exposure and potential alterations in offspring development in the mouse model. PLOS ONE, 2017.
NEWS FOCUS
利用基因編輯技術預防遺傳性疾病
肥厚性心肌病（Hypertrophic cardiomyopathy, HCM）是一種先天性遺傳疾病，因心肌細胞 異常肥大，使得心室產生阻塞現象，而導致 猝死。造成此疾病的主因為 MYBPC3 基因 產生突變，而帶有此突變的患者會也 50% 的機率遺傳給後代。因此，由美國索爾克研 究所（Salk Institute）嘗試利用 CRISPR-Cas9 基因編輯技術來修復此基因的突變。 研究人員從患有肥厚性心肌病的男性皮 膚上誘導出多功能幹細胞，並利用 Cas9 酵素切掉突變基因，並修復成不帶有突 變基因的 DNA。再利用體外人工受精（In
Vitro fertilization, IVF）將修復後的基因
與帶有突變基因的精子一同打入卵子中， 發現胚胎會優先使用健康的基因來修復 突變基因。 雖然這項研究測試了 58 個受精卵，其中 有 42 次成功的將突變基因進行修復，不
過此研究因涉及道德爭議，所以每個受精 （shutterstock）
Hong Ma et al., Correction of a pathogenic gene mutation in human embryos. Nature, 2017.
卵只觀察 5 天就將實驗終止。研究人員也 表示目前只是初步的結果，未來還是需要 更多研究來評估其效用與安全性。
長期在無氧狀態下生存的方法 呼吸作用，是生物體細胞把有機物氧化分
塘中的金魚或鯽魚，體內的酒精濃度可高達每 100 毫升的血液中超過 50 毫克。此項變異
解並轉化成能量的化學過程，而呼吸作用
也讓牠們能在這些惡劣的環境下存活，以避免其他物種的競爭或獵捕。
可以利用是否有氧氣參與，分為有氧、無 氧呼吸。人類和大多數脊椎生物在無氧
（shutterstock）
的環境下，幾分鐘內便會缺氧死亡。而 近期，由英國利物浦大學（University of
Liverpool）的研究團隊發現金魚與鯽魚在 冬天冷凍的湖泊下能存活的方法。 研究發現，金魚與鯽魚在沒有氧氣的湖泊 中，能將無氧呼吸的所生成的乳酸轉化為 乙醇，並將乙醇擴散到周圍的水中，以避 免乳酸堆積在體內。進一步進行遺傳分析 發現，此兩物種在 800 萬年前有發生全 基因組複製事件，其中一組蛋白質與其他 物種相似，而另一組蛋白質則能夠在無氧 的狀態下被活化，並且能代謝為乙醇並排 出粒腺體外。 研究人員表示在長年被冰覆蓋的湖泊或池
Cathrine E. Fagernes et al., Extreme anoxia tolerance in crucian carp and goldfish through neofunctionalization of duplicated genes creating a new ethanol-producing pyruvate decarboxylase pathway. Scientific Reports, 2017.
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NEWS FOCUS
最短的雷射脈衝 53 阿秒問世 由美國中佛羅里達大學教授常增虎 （Zenghu
Chang）領導的物理及工程國際 團隊，創造出至目前為止最短的 X 射線脈 衝（X-ray pulse）：53 阿秒（attosecond，1 阿秒等於 10-18 秒），打破先前同一個團隊 創造的紀錄（67 阿秒） 。 全世界的科學家皆爭相努力尋找縮短時間 的方法，如同高速照相機能記錄子彈飛射 時的定格畫面，阿秒雷射脈衝能讓科學家 用驚人的銳度捕捉原子及分子高速移動的 電子圖像。常教授表示：「這種阿秒 X 光 可用於拍攝活細胞中，生物分子的電子和
（pixabay）
原子的慢動作影像，例如更清楚看見光合 作用如何作用，來提高太陽能電池板的效
中移動，提供另一種方法來研究材料中的快速反應過程。該功能也適用於數據傳輸，未來
率。」利用 X 光與物質中緊密束縛的電子
可應用於手機、電腦等產品。
相互作用，可以揭示哪些電子在哪個原子
Jie Liet al., 53-attosecond X-ray pulses reach the carbon K-edge. Nature Communications, 2017.
當你憂鬱時 你的照片也會跟著變藍
最新的研究發現，當你感到憂鬱時，你所拍得 的照片也會變得更灰、更暗，甚至看不見臉。 來自佛特蒙大學（University of Vermont）及哈
佛大學（Harvard University）共同合作的研究團
（pixabay）
隊，徵詢 166 名志願者分享照片在 Instagram， 同時回報當時的心理狀況。實驗室分析這些照 片，發現擁有健康心理素質的人多使用光亮多 彩且俐落的濾鏡，像是擁有西班牙豔陽的晴 天風格的瓦倫西亞（Valencia）濾鏡；相反的， 憂鬱的人則多使用黯淡灰階且模糊的濾鏡， 如使用墨水（Inkwell）的照片多呈現灰階。 人工智慧也能預測即將到來的嘆息，你可 以想像走進醫院，掛完號坐在電腦前，按一 個按鍵讓演算法透過這些加密過的數位足 跡，讓人工智慧能夠知道你潛在的情緒，尤 其在心理疾病治療的適用上，未來期望能幫 助精神疾病的患者即早發現、即早治療。當 然，人工智慧的介入也會產生道德及隱私上 的疑慮。不過佛特蒙大學數學系丹佛（Chris
Danforth）教授表示，這是一個嶄新的概念， 能幫助病人避免誤診，也能利用人工智慧舒
Andrew G Reece, Christopher M Danforth., Instagram photos reveal predictive markers of depression. EPJ Data Science, 2017.
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緩醫療人員人手不足的壓力。
NEWS FOCUS
聖經裡的迦南人流落何處 基因研究可以擴大我們對已知歷史的理解範圍，近期，威康信託基金會桑格研究所
同時團隊也發現，迦南人本身即是混血民
（Wellcome Trust Sanger Institute）的科學家發現黎巴嫩人身上帶有已消失民族的血統──聖
族，在距今約 5000 年前的新石器時代，
經中所記載的迦南人。一般史書對他們的記載並不多，考古學家也認為他們早就已經滅絕。
當地人與東方來的移民相互通婚而孕育出
研究團隊在黎巴嫩的賽達（sidon）挖掘出 5 具約 4000 年前迦南人的骨骸，幸運的是遺骸上
的民族。
的 DNA 沒有受潮熱的氣候影響而變質、消失。在 DNA 分析後，研究人員發現今日多數黎巴
歷代史學家們長期爭論他們的血緣、他們
嫩人身上皆帶有相同的基因，約 90％黎巴嫩人的 DNA 來自於迦南人，另外一小部分 DNA
的遭遇、他們的祖先和他們是否繁衍至
來自歐洲各地移民的祖先，團隊推測是由於 2200~3800 年前的領土擴張所促成融合的現象。
今，這是第一次有了科學證據可以證明迦 南人的 DNA 延續到今日。 Marc Haberet al., Continuity and admixture in the last five millennia of Levantine history from ancient Canaanite and present-day Lebanese genome sequences. American Journal of Human Genetics, 2017.
（pixabay）
迦南人，也稱腓尼基人，善於經 商及航海。最為人所知的是他們 發明了第一套字母，並由於首都 地狹人稠，在地中海以外的地區 建立了許多殖民地。
校園心理健康計畫
近 期 發 表 於《 哈 佛 精 神 病 學 期 刊 》 （Harvard Review of Psychiatry），由麻薩 諸塞州醫學大學（Massachusetts General
Hospital and colleagues）墨菲博士（J. Michael Murphy）所主導的校園心理健康計劃，能 夠觸及到更多的孩童，有效提升其心理衛 生和相關外顯行為的管理。此計畫以校園 為單位，進行心理衛生干預措施，目的是 孩童心理健康的初級預防，也有一些課程 針對高危險精神疾病傾向的學生，還有些 課程教育的對象是校園裡的教師及家長。 這項研究指出，立基於校園的計畫能夠因 應多元文化和因材施教（干預措施會因重 點、方法和目標而異），間接幫助學員的情 緒及行為管理，還有學業成績的改善。 目前全球約有 13％的兒童和青少年患有焦 （pixabay）
慮、破壞性行為障礙、注意力缺陷、過動 症和抑鬱等重大精神問題，如果不進行治
J. Michael Murphy et al., Scope, Scale, and Dose of the World’s Largest School-Based Mental Health Programs. Harvard Review of Psychiatry, 2017
療，這些疾病往往持續影響到個體邁入成 年，並對其生活及許多方面有長遠的影響。
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專欄文章
音色的祕密 小提琴與古琴的材料科學
戴 桓青
國立 臺 灣 大學 化 學系副教 授。
加州理 工學院 化 學博士。研 究 專長為 化 學生物學、神經化學與阿茲海默症。平時 喜愛古典音樂與發燒音響。
圖一：1709 年史特拉底瓦里小提琴，別名 Marie Hall-Viotti。（奇美博物館）
古董樂器，不但是人類的重要文化資產之一，也是許多
能窺探其中的秘密。在探討老化的奧秘之前，我們將先
當今音樂家賴以謀生的工具。在歐洲與中國這兩個文明
介紹小提琴與古琴的製作材料。
裡，最珍貴的古董樂器分別是小提琴與古琴，都是木製 的弦樂器，這似乎意味著材料的老化與弦樂器的微妙音
在歐洲，最具傳奇性的古董樂器是義大利的小提琴。一般
色有著密切關係，而藉助現代的化學分析，我們越來越
認為小提琴是由克里蒙納（Cremona）的阿瑪悌（Andrea
Amati）在 500 年前發明。克里蒙納曾孕育出阿瑪悌、史 特拉底瓦里（Antonio Stradivari, 1644~1737）與瓜奈里 （Giuseppe Guarneri, "del Gesù", 1698~1744）三大製琴 家族，活躍於 1550~1750 年間。200 年來的小提琴大師幾 乎都只偏好演奏史特拉底瓦里（圖一）與瓜奈里的作品。 為何無數的後代製琴師都無法達到這兩位大師的音色水 準？是歐洲音樂史的一大謎題。
在中國，文人最珍視的樂器是古琴（圖二）。這項七弦 樂器，在四藝（琴棋書畫）之中排行首位（古箏與古琴 外型相似但尺寸較大，並有 21 根弦）。古琴的發明應 該屬於周代，已出現於詩經中，早於孔子的年代。晉代 傅玄的《琴賦》曾提及中國第一把名琴是齊桓公（卒於 圖二：中國古琴，又名七弦琴。（戴桓青攝影）
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643 B.C.）所收藏的「號鐘」。而現存最古老的七弦琴
變 化 |
Chemistry
是唐代的作品，傳世的唐琴仍有十餘張。中國最著名的
在克里蒙納製琴的黃金年代（1550~1750 年），義大利
製琴家族是唐代居住在四川的雷氏家族，現存最著名的
人並未留下任何有關提琴製作技術的歷史文獻。相較之
唐琴如春雷、九霄環佩與大聖遺音都被認為是雷氏的作
下，因為古琴是中國文人鍾愛的樂器，因此從唐代以後
品。此外，中國最古老的樂譜，是唐代的《碣石調 · 幽
就有相當多文人寫下關於製琴技術的文獻。在研究小提
蘭》，是一首以文字記譜的古琴曲目。今日的琴人仍然
琴的過程中，不斷參照中國古籍中的古琴知識使我們獲
能以八世紀的唐琴「太古遺音」來演奏 8 世紀的唐曲《碣
益良多。另一方面，近代西方對於弦樂器的研究非常豐
石調 · 幽蘭》，製作 21 世紀的數位錄音，所以古琴可謂
富，可以幫助我們了解古琴製作的技術原理。東西方兩
中國音樂史上的活化石。
種製琴文化所累積下來的遺產，其實有許多相通之處， 而且透過現代的科學分析才更讓我們看清其中的關聯性，
史特拉底瓦里名琴的特殊材料 在 2010 年 8 月份的《科學月刊》中，我們曾經撰寫一篇
互相作為印證。
文章介紹史特拉底瓦里名琴的研究，探討塗漆的配方與
越陳越香的古典樂器
結構，以及塗漆對聲音的影響。從 19~20 世紀，許多專
在小提琴與古琴的世界裡，名琴普遍被認為是越老越好。
家都認為史特拉底瓦里的秘密在於塗漆秘方。近年來隨
但事實上並不是所有的木製弦樂器，都越老越值錢。以
著名琴塗漆研究的成果累積，其成分已經大致被闡明， 歐美製琴界對於塗漆也產生了新的看法，普遍不再認為 史特拉底瓦里的塗漆足以成為特殊音色的關鍵。同時， 一種新的假說也孕育而生，認為名琴的秘密在於木材的 化學處理。此時正好我們實驗室取得了一系列的名琴木
吉他與古箏而言，普遍的認知是其音色會在數十年或是 上百年後退化，因此古董樂器並沒有特別高的價值。但 小提琴與古琴中的精品則是身價隨著年份水漲船高，史 特拉底瓦里與瓜奈里的小提琴曾以 1600 萬美金拍賣售 出，而唐宋古琴也有兩次拍賣超過 1 億人民幣的紀錄。
材樣品，來自於破損修復時所刮除的木屑，以及奇美博 物館所提供的史特拉底瓦里琴頸（圖三）。
小提琴與古琴的設計，都採用圓弧形的面板，而且有防 止撞擊後大幅破裂的設計：大部分的小提琴有鑲線，而
經過多種化學分析，包含固態核磁共振、熱分析、元素 分析與同步輻射 X 光繞射，我們發現史特拉底瓦里的木 材先經過了化學處理才被用來製琴，而且 300 年的老化 造成了半纖維素的水解，而小提琴的長期高頻振動則造 成纖維分子的重新排列（圖四）。這三個因素的加總， 使得史特拉底瓦里名琴上的楓木與現代製琴用的楓木， 在性質結構已經變得不同，或許可以解釋為何現代製琴 師一直難以複製史特拉底瓦里的音色。我們的名琴木材 研究在 2016 年底刊登於《美國國家科學院院刊》，隨即 也獲得如紐約時報、華盛頓郵報、泰晤士報與日本讀賣 新聞等百餘家國際媒體的報導。
圖三：研究史特拉底瓦里名琴所採樣的楓木樣品：左為 1725 年的小提 琴頸（奇美博物館提供），右為 1731 大提琴背板（Brigitte Brandmair 提供）。（戴桓青拍攝）
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專欄文章
地球上的火山 宋聖榮
國立臺灣大學地質科
學系教授。專長於火山學、岩石 學 和 地 球化 學。目前從 事地 熱 能源探勘和開發的研究。
火山（volcano）是地球表面上最壯觀、最具致命吸引力的地形景 觀，也蘊釀出浪漫美麗動人的傳說故事。美國奧勒崗州的火山口湖 （Crater Lake，圖一）、日本的富士山火山（Mount Fuji，圖二） 和印尼的默拉皮火山（Merapi，圖三）等，都具有壯麗、令人心曠 神怡的火山外型和湖泊。
圖一：美國奧勒崗州的火山口湖。（宋聖榮攝影）
歷史上的火山 而全世界火山活動最大、最活躍的夏威夷火山傳說，是最為經典的 火山故事。玻里尼西亞掌管火之佩蕾女神的恩愛情仇，造就了從西 北往東南漸年輕的火坑（火山口，圖四）。另外，義大利的維蘇威 火山（Mt. Vesuvius，圖五），是歐洲大陸火山活動最為活躍者之一， 居住在其周圍的先人，曾多次警告他們的子子孫孫此座火山之危險 性，要他們遠離這座火山，不要再回來。但歷代子孫貪圖圍繞在維 蘇威火山肥沃的火山灰土壤，種植出全歐洲品質最好的葡萄，釀造 最好的葡萄酒，而不顧潛在的危險性，在鄰近周遭土地開發建造一 座座的城鎮。 西元 79 年羅馬帝國時代，維蘇威火山終於發生大規模且劇烈的噴 發，噴出大量的火山灰，把鄰近的兩座城市──龐貝城（Pompeii） 和哈克雷紐（Herculaneum）掩埋掉，造成相當大的傷亡和財物損 失。但義大利人還是受不了肥沃火山灰土壤的誘惑，又重新在火山 周遭開發，建立新的城鎮。維蘇威火山一定會再發生大規模的火山 活動，只是時間早晚問題，只不過義大利人是否有準備能承受另一 次的衝擊？
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圖三：印尼的默拉皮火山。（宋聖榮攝影）
天 地 |
Earth Science
圖二：在雲端的日本富士山火山。（宋聖榮攝影）
圖四：美國夏威夷歐胡島上的鑽石頭火山口。（宋聖榮攝影）
圖五：義大利維蘇威火山和龐貝城。（宋聖榮攝影）
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臺灣存有的 全球少見生態系
桃園 藻礁
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2000年有條件通過 觀塘工業區開發案
大園區 觀音區
新屋區
（ 資料來源：劉靜榆 、陳昭倫提供 ） Vol.48 No. 9
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封面故事一
全球稀有的大面積藻礁地形－
桃園藻礁生態特性與保育 劉靜榆
行政院 農 業 委員會特 有生物 （照片皆由劉靜榆攝影）
研究保育中心副研究員。
聽到藻礁，我們會聯想到礁岩上長滿
有著蜿蜒的珊瑚礁地形，而臺灣的西
桃園藻礁形成
了藻類，但是如果這些藻類不鈣化的
岸，一般的認知就是綿延的沙丘交錯
生物礁泛指可鈣化生物所累積的礁
話，其實並不會造礁，因此真正的藻
河口的泥灘地，這是兩種完全不同的
體， 包 括 我 們 熟 知 珊 瑚 建 造 成 珊 瑚
礁是指可以鈣化的石灰藻經年累月堆
生態系。然而在臺灣的西北海岸，同
礁， 或 是 石 灰 藻 建 造 成 藻 礁， 當 然
積形成的礁體。可鈣化的石灰藻在海
樣有著發達的沙丘地形，卻連結者藻
有些多毛類的石灰質棲管可以累積
洋裡面並不罕見，但是現生由可鈣化
礁海岸，這是一個奇特的生態系，混
成 管 蟲 礁， 牡 蠣 殼 也 可 以 累 積 成 牡
的石灰藻建造成大面積藻礁地形，在
合有著沙灘和礁岸兩種截然不同的生
蠣礁，這些生物礁都是生物將海洋
全世界就相當稀少。臺灣的東南海岸
物群聚。
裡 面的鈣透過各種生理的機制累積
藻類主要的生長季為冬春兩季，隨著氣溫升高，藻類會逐漸死亡，紅藻門的殼狀珊瑚藻將海洋裡面的鈣累積在體內，形成固態的碳酸鈣，還可以 膠結礫石或石灰碎屑。
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COVER STORY
探結果，可以推論出桃園海岸擁有 厚 度 4~6 公尺的生物礁，而海岸廣 闊的藻礁，也被證實延伸至海岸的沙 丘下方（王士偉等，2009、劉靜榆，
2013），甚至在逐漸退縮的新屋溪河 床上可看到厚實的藻礁層。
桃園海岸潮間帶露出來的平均寬度 約 500 公尺，正常海浪經過如此長距 離的消能，到岸邊時破壞力已大幅減 弱，多孔隙的礁體對於消減波浪能量 有極大的貢獻，比起水泥消波塊的平 位於藻礁最上層新形成的部分，可看出殼狀珊瑚藻年年生長的鬆散結構。
滑構面，消能效果更佳，而且藻礁是 一體成型、大面積膠結，因此不會像
在體內，形成固態的碳酸鈣，其中紅
礫 等 混 結 而 成 之 珊 瑚 層（coralline
藻門（Rhodophyta）的殼狀珊瑚藻
bed），是最早提到臺灣石灰藻類造
消波塊一顆顆，隨著浪滾到外海或沈
（crustose coralline algae）不但可以
礁 的 資 料（ 陳 培 源，1953）。1986
入沙中。
留下石灰質，還可以將海洋中碎屑的
年德國學者賴內克（Reineck）與鄭
石灰塊膠結在一起。
穎敏教授以德文發表一篇有關藻礁剖
由於桃園海岸生物礁分布範圍沒有斷
面的學術報告，所調查的區域包括桃
層或褶皺等構造線，推論礁體的發育
造礁的先決條件就是要有硬的底質，
園內海，位於新街溪口至老街溪口之
過程可能是處於地體構造較為穩定的
才可以讓這些造礁生物附著生長，臺
間，報告中並將內海的藻礁繪成剖面
狀態，特別是在礁體下方之古石門沖
灣西海岸綿延的沙質灘地上，卻在桃
圖。回溯最後一次冰河融解，海平面
積 扇 礫 岩 層 中， 並 沒 有 任 何 無 脊 椎
園一帶有古石門沖積礫石層，因此造
上升，臺灣海峽才被海水淹沒，在數
動 物 殼 體（ 陳 文 政，1990、 王 士 偉
礁生物可以在這裡生長，桃園地區算
千年前，有著礫石底層的桃園海岸，
等，2009、劉靜榆，2012），因此推
沙丘地形的最北端，所以積沙的情形
逐漸形成藻礁海岸。在一層一層的藻
測在最後一期礫岩的沉積之後，才開
還在這些造礁生物的生長容許範圍
礁中，偶可看到夾雜著珊瑚，即使純
始有生物礁的發育，桃園地區生物礁
內， 相 對 的 在 苗 栗 海 岸， 雖 有 礫 石
藻類膠結的部分，也有些層鬆散、有
的發育可能是古海水面相對快速上升
灘，卻因漂沙覆蓋週期過長，礁體累
些層緊密，可由這些剖面來研究海岸
的結果（許民陽，1993、王士偉等，
積不足，無法成礁。
或是氣候的變遷。
2009）。地質學者陸續透過測量動植 物組織中碳 –14 同位素存在的量，利
根 據 歷 史 紀 錄「 臺 灣 西 部 之 重 砂 礦
臺灣大面積的藻礁海岸，主要分布在
用碳 –14 會因衰變而減少的原理，配
牀」調查報告提及，觀音海水浴場附
桃園，累計約有 27 公里，從一些施
合已知年代的資料進行定年，來證明
近的白玉海岸有石灰藻類及貝殼與小
工過程所挖掘出來的生物礁塊以及鑽
桃園海岸生物礁生長時間，桃園海岸
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物種形成造就出演化樹
精選
早在 1960 年代，科學家已發現 DNA 或胺基胺在序列上的變異跟時間是有
文章
一個恆定的速率，可作為分子演化鐘 （molecular evolutionary clock）去定出 物種在演化上的變遷。圖一是一幅以支
人類和猴子的 前世今生
序分類學（cladistic classification）為基 礎所擬製出來的分支圖（cladogram）， 製圖的依據可以來自不同物種身上的 同一個基因的 DNA 序列或同一個蛋白 質的胺基酸序列。
分支圖的縱軸向上延伸是時序，所以 是沿自圖底的根端（root）向上延展 出不同的枝幹（branch）通往頂部的 許家偉
端 節（terminal nodes）， 端 節 代 表
畢 業 於輔大 生物系和陽明微 免 所 博士，
曾任職 UCLA 醫學院和 USC 藥學院。雖然已經由
現存物種（現生種），即圖一裡 A、
學術界轉到產業界，仍希望對科普出一分力量。
B、C、D 這 4 個現生種。每一段枝幹 代表著一個物種的演化歷程，我們可
解開「人是從猴子演變出來的」這個謬誤的同時，也來剖析達爾文演
以在枝幹上添加短橫槓去注明該物種 在某一個時刻出現了某個重要的性狀
化論裡的演化樹觀念和共同祖先理論。
（trait），例如圖一裡分別出現在 A
「人是從猴子演化出來」這句話是錯的，它只不過是一句從 1860 年
和 D 物種演化歷史上的 x 和 y 性狀。
以來以訛傳訛的謠言，那麼對於人類與靈長類（primates）的關係，
若枝幹無法延伸至現生種的時間尺
高齡 100 歲仍著書不輟的動物學家邁爾（Ernst W. Mayr）從達爾文
（extinct）。
應該如何正確解讀呢？
（Charles R. Darwin）所撰寫的《物種起源》（Origin
of Species）
中的內容整理出 5 個演化論的基礎概念：一、演化事實（即生物會演化） ； 二、共同祖先理論（theory of common ancestry）或稱共同起源理論
（theory of common descent）；三、漸變說（gradualism）而不是
跳躍式的驟變說（saltationism）；四、物種的多元化；五、自然選擇（天
擇）理論（theory of natural selection）。要糾正「人是從猴子而來」 這種錯誤想法，就要先搞懂達爾文演化論裡的共同祖先理論。
度，例如圖一中的物種 E，就代表這 個物種在歷史的洪流中消失，即滅絕
枝 幹 分 叉 的 地 方 稱 為 中 節（internal ，代表一次物種形成（speciation） 。 nodes） 演化的關鍵時刻就是一個物種生成出
2 個後裔物種的時候，也就是在分支 圖上伸出新枝的短暫過程，所以我們 可以將分叉點之前的整段枝幹視為兩 路分叉所共有的共同祖先（common
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A
B
C
D C 物種的 演化歷史
現在物種（現生種）
y
x E
C 和 D 最後的共同祖先 C 和 D 共同祖先的演化歷史 B、C 和 D 最後的共同祖先 B、C 和 D 共同祖先的演化歷史
時間
物種形成
圖二：發表在《物種起源》書中的演化樹例子，這是該書裡唯一的插圖。 圖一：典型的演化樹。
（ Wikimedia ）
ancestor）的演化歷史（連續多個世代的經歷），而最接
關於共同祖先
近分叉點的枝幹，可視作後裔物種的最後共祖（the last
對於演化樹上的共同祖先，人們總會有幾個疑惑：
common ancestor）。由此可見分支圖在標示出物種形 成的同時，也能夠追溯族群的起源——即種系的發生（親
一、若以圖一的 C、D 現生種為例，C 和 D 的共同祖先
源譜系，phylogeny）。因此，我們可以直接了當的說，
物種到底長得像 C 還是像 D 呢？事實上任何性狀都不是
每個物種都來自其他物種，當分支圖是按遺傳改變作為親
靜止不變的，而 C 和 D 這 2 個現生種都有自己各自獨立
緣比例來繪製的時候，就可以稱為親緣樹（phylogenetic
的演化歷史，所以 C 和 D 的共同祖先物種既不是 C 也不
tree）或演化樹（evolutionary tree）。
是 D，長得不像 C 或 D 任何一方。
達爾文在《物種起源》第四章末段裡稱這種分支式的物種
二、共同祖先物種可以視作滅絕了嗎？答案是「不」。雖
演變為生命之樹（tree of life），它的形狀就像一株灌木
然共同祖先物種在演化史上消失（或許會留下化石又或許
（圖二）。根據達爾文的觀點，生命可以藉由慢慢地累積
沒有），但牠的生物資訊 DNA，卻遺傳到後繼的物種裡，
一連串的變化而變得多元，生命樹上每一根分枝都跟它的
所以最多只可以說「已『消失』的共同祖先」，而不該說
共祖漸行漸遠，結果就會形成一株繁茂的生命樹。所以，
「已『滅絕』的共同祖先」。
物種的演化是一種分枝式的散發過程，由共同祖先物種產 生出許多新的子物種，亦因為這樣，所有生物都能追溯自
三、前述在分叉點上的最後共祖有時候又被稱為「最近共
同一祖先，這個觀念就等於說物種是可變的。
祖（most recent common ancestor）」，這視乎我們是 從共祖的角度還是新種的角度去看：從祖先來看，在時序
種系發生這個詞彙最先由德國胚胎學家海克爾（Ernst
上是「最後」；若從新種看來，這個「最初的祖先」當然
H.P.A. Haeckel）在 1866 年首創，達爾文從《物種起源》
就是「最近」。所以用「最後」或「最近」來形容共祖都
第五版（1869）開始拿來形容演化樹。
是一樣的。
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量。以氣象局的規範雨量計放置高度
精選
為 120 公分，且需考慮避免側邊雨水 濺入或避免樹葉及其他物體阻擋雨滴
文章
落入，又須防強風、防水、雨量計排 水及防止設備過熱，各個組件的放置 位置、電力消耗、重量以搭配無人飛
天降神兵－ 捕捉雨水的脈動
機運送等。因此本團隊決定雨量計支 架採用鋁合金材料，重量 6.2 公斤。 最後完成的雨量計架構（圖一），三 腳架可依草地或岩石地更換腳的材質， 以增強穩定性。
農藥噴灑無人飛機成功變身 無人飛機及物聯網通訊技術日益成熟， 王光華
譬如美國亞馬遜公司以及谷歌公司提供
成 功大學全 球觀 測與
資 料 分析 中 心 副 主 任，專長 為
的無人飛機送貨服務，預先規劃飛航航
氣 象衛星 遙 測、大 氣 科 學及 影
路模式，輸入無人飛機將送達的目的
像處理器技術。
地，丟在客戶門前就回去了。本研究中 所使用之無人飛機類似美國亞馬遜公司 莊嘉文
現 為成功大學太空與
以及谷歌公司提供的無人飛機，而非目
電漿科學研究所博士生，專長為 科學資料的分析與處理以及大
陳 炳志
國立 成 功大學太
氣電學觀測儀器設計。
空與電漿科學所。
前未經管轄的無人飛機。但是因為山區 地形複雜，地面不一定是平面或草地， 而且物品重量比谷歌及亞馬遜的重很 多，所以接近目標區時切換為人工模
臺灣地區的豪大雨災害常見於梅雨季及
輕型雨量計更能深入山區
式。飛機上有攝影機將飛行航路情形傳
颱風季，又以颱風季最為顯著。近 30
目前我國所使用的雨量計採用全金屬結
送回來，如果距離超過 2 公里則必須要
年來中央氣象局及其代管的雨量站多
構，為了維護必須設置在車輛及人員容
加電波中繼站。
達 816 個，希望藉由這些雨量站捕捉詳
易到達處，平均約可使用 10 年。本計
盡的降雨資訊，進而提出因應天災的方
畫為了讓無人機帶雨量計深入山區，其
法，譬如對災後重新分析土石流成因以
設計必需輕量化。我們採用英國製造的
及建立預警系統。然而，目前雨量站大
輕型雨量計，重量 200 公克，採用塑膠
多設置於車輛或維修人員易達處，山區
材質，約可使用 1 年左右，且送請政府
因交通不便，雨量站的設置相對稀少。
核可之臺灣大學水工實驗室進行雨量計
目前大部分深山地區皆無設置雨量站，
誤差校驗，以預防觀測資料無效。
我們將原本使用於噴灑農藥的無人飛機
若要建置自動雨量站，一個站的成本可
712
高達數十萬元。本文所介紹之無人機可
雨量計平台的設計考量山區不易找到
深入山區，到達交通不便之處量測雨
水平面放置，因此從環境感測器中可
量，且設置成本約 5 萬元左右。
取得傾斜度，藉此修正回垂直的降雨
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圖一：雨量計支架外觀。 （林家慶攝影）
圖三：本計畫所使用之無人飛機。（林家慶攝影）
量測現場的變化，此系統亦可透過個人 圖二：雨量計無線感測器組合圖。（林家慶攝影）
手機以簡訊設定系統的啟動或關閉以節
圖四：黃框顯示鹿林山佈放雨量計地點。此衛 星照片為經過正規化校正所取得的正射影像， 來自我國福衛二號衛星影像，解析度 2 公尺。
進行改裝（圖三），載重可達 20 公斤，
省電力，或是調整取樣時間間隔。在休
滯空時間則達 15~20 分鐘，巡航速度約
眠狀態下，仍可維持接收控制手機傳來
20~30 公里∕時。掛載方式曾考慮使用
的作業指令簡訊。因雨量具有 GPS 模
電磁鐵掛鉤及一般吊掛式掛鉤，經實測
組，可以傳遞位置座標，萬一佈放失敗
近1.5公里中央氣象局已設置自動雨量站，
結果發現飛機起飛時，因雨量計支架體
或因風雨過大傾倒，仍然可以找到儀器
雨量的大小在時間與數值上均非常吻合。
積過大，搖晃幅度增大，導致電磁鐵鬆
所在位置，以利回收作業。
目前無人機所放置的輕型雨量計，電力可
經過測試，無人機所放置的雨量計，與附
提供 1 週，需定期利用無人機回收充電。
脫，因而採用吊掛式掛鉤，可藉由繩子 的緩衝，減少搖晃對飛機帶來的衝擊。
（福衛二號衛星影像）
鹿林山首發實驗測試 地理資訊系統（geographic information
展望未來
任務實施包含現場組裝，飛行前檢查，
system, GIS），可提供位置、面積、
行政院農業委員會水土保持局對本計劃
飛行路徑上傳。本計畫所使用之無人載
坡度、地表類別、植被情況、道路、
肯定，可解決目前在交通不便的山區，
具無需跑道起降，起降地仍需選擇視野
河流等整合資訊。因此可透過中華電
無法量測雨量的問題。無人機搭載輕型
開闊地區，以利起飛爬升及最後進場降
信 3G ∕ 4G 信號涵蓋圖，轉為 GIS 圖
雨量計有潛力幫助我國因應土石流成
落。飛行期間透過機上無線傳輸模組，
層，再進行所在山區位置分析，避開已
因等天災進行研究並建立預警，但目
即時追蹤無人飛機的姿態與方位、速
經設置雨量站的地方，選擇合適的測試
前有許多區域未涵蓋 3G ∕ 4G 網路，
度、總體電量等資訊。載具藉由自動飛
地點。此次選定優先佈放地點位於玉山
無法用手機無線通訊觀測雨量。未來方
航任務到達佈放雨量站地點上空時採用
國家公園內塔塔加附近的鹿林山（北
向將朝物聯網方式進行，幾個雨量站之
人工操控，佈放完成後即可切換成自動
緯 23.474935，東經 120.886942），此
間彼此建立內部網路，只要有一個雨量
模式返航，每次飛行任務前皆進行風向
處標高 2740 公尺。圖四取自我國福衛
計位於有電信網路就可以將全部資料傳
及風速確認，並因應現地風向改變而重
二號衛星影像，經過正規化校正所取得
送出來。我們期盼對創新科技有興趣與
新產製導航點以確保飛航安全。
的正射影像，黃框內為雨量站佈放地
對防災及水土保持關心的朋友們一起參
點，此處地形為緩降坡面，且地表植被
與。特別感謝水保局科技組提供研究經
資料通訊的加入
低矮，無高大樹林干擾雨量資料收集。
費支持本項創新研究工作，以及成大全
除了雨量計量測值外，連同溫度、傾角、
由中華電信所提供訊號涵蓋範圍資料得
球觀測與資料分析中心無人飛行載具
精確座標與電池電量等資訊都會在固定
知，此處訊號呈現良好通訊強度有利於
（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）團
時間間隔透過電信網路進行傳送。在個
即時觀測資料且能穩定回傳，離此地點
隊與 GIS 人員的協助。
人電腦或伺服器安裝接收軟體，即可穩
1.5 公里處，中央氣象局已設置自動雨
定接收雨量計之即時觀測資料。為因應
量站，因此有利於雨量資料的比較。
延伸閱讀
1. 無人飛機搭載雨量計於山區佈放剪接的影片，請上網 https://youtu.be/qvk8r-rI4XY 觀看。
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