科學的桂冠：縱橫科學新發現150年大紀事

慶祝世界上最卓越的科學雜誌－－「科學美國人」創刊一百五十年，《科學的桂冠》一書的出版，可說是對過去以來科學格新與發現的一趟科技巡禮！

《科學的桂冠》有近五十篇精彩的論文，分別出自世上最受尊崇的科學家的專題演講，欲想拓展科學視野，這是最不少的一本書。這些兼具話題性與歷史性的論述，不僅勾勒出科技發展的演變與進化，更不禁令人對生活在科技之中而存有深深的敬畏與無限的驚嘆。例如：強納生．緬恩對愛滋病的研究；貝利．寇莫納在節約能源方面的見解；奈耐斯．埃爾德雷奇對演化論的闡釋；羅德．霍夫曼在分子學領域的討論；以及卡爾．沙根在星際探險的先知卓見等等，還有其他引導我們貫穿種種科技研究成就的生動論述，不僅為二十世紀塑型，也改變我們的生活。科技畢竟和大多數人的生活息息相關，它也將對人類帶來巨大的影響。我們不但在日常生活中仰賴科技，也須靠它為我們帶來進步和智能的滿足。《科學的桂冠》可以讓我們走入科學的範疇、瞭解科學的創舉如何忠實地反映當代社會的文化與價值觀。

無遠弗屆的科技創舉
――約翰．吉朋斯（John H. Gibbons） 美國柯林頓總統科技顧問

多數人生活在對科技的敬畏和驚歎中。我們一些習以為常的事，例如冰箱裡的冷飲或快捷的交通工具；許多神奇美妙的事，像是衛星攝影或人工受孕，無論你是視而不見還是心存感激，無論你是科學家或外行人，我們都是科技革命的受益人。尋常的生活步調正是靠著這些不尋常的創舉，才得以延續不絕。

星期二 清晨六點四十五分
今天晚上要在航空太空博物館演講，我才剛開始準備。第一張太陽的照片拍攝於一八五五年。拿這張照片和最近哈伯天文望遠鏡拍攝的精細影像相比，我不禁讚歎太空探索進展神速。我們詳知上千億顆恆星到地球的距離，然而在邁向二十一世紀的年代，能詳盡標明製圖的只有一百顆。
浩瀚宇宙激發了人們強烈的好奇心和科學的研究。觀看星星帶來欣喜愉悅，先進的太空研究還能增長知識見聞。從先民勇於發問開始 地球是否繞著太陽運轉？人類是否能安全地探訪月球？我們周遭的生活也隨之劇烈改變。
外太空吸引著我們的想像空間，內太空探索也開創了無垠視野。藉由先進的望遠鏡和電腦模擬技術，我們可以檢視物質的原子結構，例如確認氧分子如何破壞矽晶格（lattice）。改良的晶圓製程研究將可以發展出更快、更便宜的電腦。同時，我們也能更深人地分析細胞分子的結構。正在推廣的「人類基因組計畫」（Human Genome Project），不僅能做基因分類登錄，更能迅速推展該領域的知識，啟發後進，投人研究行列。

星期二 早上九點十五分
在前往聯邦研究發展預算會議途中，我趁空檔回想清晨與副總統高爾早餐會報的情景。在我們討論以資訊網路將北半球的圖書館和教學中心上網連線的同時，我們被來自世界各地的傳真急件和電話頻頻打斷――在在說明了科技的力量無遠弗屆，既能成事，也能干擾。
一百五十年前「科學美國人」雜誌創刊的時候，當時的讀者對電話、電視、收音機想必感到不可思議。如今，放錄影帶給小孩解悶，傳真機成為不可或缺的辦公設備，資訊公路時代也即將來臨。
資訊科技日新月異，促成各個領域的發展，從辦公室自動化、細察原子分子結構，到建立電腦模式評估氣候變遷的衝擊等，不一而足。
新進技術如全球定位系統（Global Positioning System, GPS）即是利用衛星來確定位置。這使得卡通影片「傑森家族」（The Jetsons）太空家庭的生活幾可成真。定位系統經常用於搜救行動或追蹤車輛，這套系統原先為軍事的目的而研發，如今卻有一百六十多家民間廠商相繼推出各種應用系統，開拓出數十億美元的新市場。
美國政府一向支持科學研究，研究成果也多轉移到民間企業。麥迪遜（Jmes Madison）總統曾經說過：「人民要當家作主，必須先擁有知識的力量。」而科技正是構成我們「以知識為基礎的社會」的要件。

星期二 早上十點三十五分
與國會預算委員會成員討論生物科技。生物應用的多樣性――例如醫療保健、糧食生產和污染防治――使得相關決策複雜多變。生物科技終將和大多數人的生活息息相關，我們必須進一步瞭解聯邦政府研究經費和管理辦法如何影響民間企業界。
生物科技幾乎和天文學一樣古老。釀啤酒、做乳酪、發麵包的技術已經流傳了六千多年。然而，直到十九世紀中葉，細菌學之父巴斯德（Louis Pasteur）才發現發酵其實是一種生物過程。近幾十年來，發酵技術結合了許多複雜的生物過程，使細胞及其成分產生物理或化學變化。其中一種生物轉化過程――生物復育（Bioremediation）能使生物分解或貯藏廢棄的副產品，用於清除不易處理的垃圾，例如污染性和放射性廢棄物、原油外洩、酸性和一般廢棄物，以及殺蟲劑等。
生物科技也能使食品更安全、營養，培育適應氣候變化和抗蟲害的新品種，改良耕種技術，使土壤得以保留而減少流失。美國農業占全國國內生產毛額（GDP）的十五％，每年農產外銷總值為四百億美元，並提供兩千一百萬個就業機會。生物科技將改變農民作業的方式，並使農業邁向永續經營。
不論從個人或社會的角度來看，生物科技或其他領域的研究進展往往超過我們的應變能力。在一九○○年世界博覽會的機械館內，發明家亨利．亞當斯（Henry Adams）曾驚豔般地發現電力應用如此廣泛深遠。這種嶄新的動力將對人類帶來巨大的影響讓他震驚，也讓他意識到歷史就要翻開新章。今天，我們完全無法想像沒有電力的日子。生物科技早晚會和電力一樣重要。

星期二 中午十二點二十分
我的醫生來電告知檢驗結果，確定生物科技救了我一命。原先發現的癌症初期症狀經過治療後，已經痊癒。
資訊科技也為我解圍。待會兒我將先為晚上的演講錄影，這樣就能出席孫子的生日聚會了。
一整個下午，我的行程排得滿滿的，與其他幾位總統顧問討論禁止核武擴散問題，和汽車業巨擘舉行連線電話會議商討安全、低污染汽車新技術，並聽取幕僚人員為我做高能物理和生物多樣性的簡報。
科技賦予人類巨大的力量。我們不但在日常生活中――工作、交通、教育――仰賴科技，也必須仰賴它為我們帶來進步和智能的滿足。


導言

對大多數人來說，一百五十年似乎很長，沒有任何其他美國雜誌持續出版過這麼久。而人類探討科學卻有一百五十世紀那麼長。數千年前，逐漸消退的亞洲冰河邊的居民，因為缺乏燃料，經由嘗試錯誤而學得用長毛象骨頭取火。從此，擁有知識的人受到敬重，而每一個部落也會分享知識。今天，知識學問彙流於書本、報紙、學刊、電腦和「科學美國人」雜誌（目前已上網路）。明天，我們或許會為殖民土星的太空星際人發行特別版本。
「科學美國人」滿一百歲前，畢業於哈佛大學的一位年輕人傑洛‧皮爾（Gerard Piel，他總是宣稱他高中物理不及格）在「生活雜誌」任科學編輯。他藉由「大幅圖片和少量文字」把編輯、科學家和藝術家的專長結合起來。他一位同事丹尼斯‧佛萊納根（Dennis Flanagan）曾預言：美國所需要的正是一本好的科學雜誌。事實上，美國的確有過一本一度叫好的科學雜誌，於一八四五年由才華橫溢的拉菲斯‧波特（Rufus P．rter）創刊。可惜可本雜誌後來逐漸萎縮。一九四七年，皮爾接手買下，並由佛蘭納根擔任編輯。
當時正是美國蓬勃發展的時代。第二次世界大戰激發了科技和醫學的進步。愈來愈多的科學家不吝分享新發現，相繼在「科學美國人」上刊登精采的故事。從一九四七年復刊以來，已有一百多位諾貝爾獎主常常在科研成果得到公認之前為本刊撰文。它還有德、義、法、西、日等多種譯本，來自學術地球村的讀者每月將近一百萬人。
值此一百五十週年社慶，「科學美國人」仍在茁壯成長中。它的內容已延伸至所有科學醫學的領域，加速實現科普教育的職志，也曾協助製作拍攝公共電視得獎的科教影片，並雇用了數以百計敬業的印刷、出版、行銷人員。刊物的所有權及經營理念是國際性的，對科學前景始終保持熱情和樂觀，並且竭盡所能，堅持最高品質的內容。
「科學美國人」已經成為科學雜誌的表率。我謹代表全體同仁，感謝數百位作者及美工設計人員的辛勞，數百萬訂戶及零售顧客的愛護，廣告廠商的支持與贊助，更感謝歷任社長的高瞻遠矚：原始創辦人－－拉菲斯‧波特，新創辦人－－傑洛‧皮爾；及現任董事長－－狄特‧馮‧霍茲布林克（Dieter v．n H．ltzbrinck）。一百五十年了，它的精采絲毫未減，想像－－下一個一百五十年會帶來什麼樣的驚喜！

――「科學美國人」雜誌社社長 約翰．莫琳二世

目次
無遠弗屆的科技創舉
導言
藥癮－渴望的剖析
老化－青春不復返
愛滋病－全球蔓延
動物行為－生命中最動人的一面
考古學－挖掘過去
天文學和太空物理學－觀測宇宙
大爆炸之後－創始之際
生物滅絕－消失中的物種
大腦－從神經到行為
癌－項古老的遺產
大氣變遷－地球的節奏
密碼學－傳輸密碼
數據超級公路－通往未來之路
恐龍－恐龍的一生
地震－大地震
節約能源－天工開物
研究倫理－行為與後果
演化論－達爾文的遺澤
滅絕－可怕的代價
食物－餵飽世界
核融合－明日能源
基因治療－造人類基因
人種的差異－人種的隨機性
工業政策－政府補助的研究發展
智能－解析智慧，追求超越
語言－我們知道的遠比我們學到的多
雷射－極強的光
機器智能－電腦智商
記憶力－錯綜複雜的記憶網路
分子－團結共榮
組合科技－把原子組合在一起
海洋－新領域「海洋」
有機體的進化－生命的出現
我們的起源－成為人類
物理學－尋求統一性
板塊結構論－永不休止的地球
人口－超越極限的成長
相對論－重力的理論
RNA－轉錄生命訊息
科學的電腦計算－頭腦的延伸
性－最原始的慾望
睡眠－夜長夢多
太陽系探險－去外空航行
超導體－順流而行
手術－開刀房的勝果
工業技術－使役機器，巧思為上
病毒－隱形的世界
視力－眼見為真
150年科學新發現大事記

藥癮
渴望的剖析
――所羅門．斯奈德 （Solomon H. Snyder）

什麼是癮？儘管藥癮已經帶給社會很大的負面衝擊，目前我們對它的明確定義仍然無法達成共識。即使是有關當局也只能對致癮性藥物的主要特質達成一致的看法。如果一個人長期服用致癮性物質，則會對其產生容忍（tolerance），以致於必須服用較高的劑量才能達到相同效果。許多非致癮性藥品，例如盤尼西林也會造成相同的情況。另一個主要的衡量標準是身體對藥物的依賴性：長期服用藥物者突然停止用藥時身體所發生的病徵。有海洛英癮的人若不再吸毒，會焦慮異常，全身顫抖，皮膚也會起雞皮疙瘩（即俗稱「冷火雞」的停用病徵之一）。所以在戒毒時應該盡量避兔引發上癮者的停用病徵。無法自制的用藥行為是更重要的致癮原因。戒毒者即使在病徵的痛苦消失數年後，仍會再度上癮。
幾種主要的致癮藥物可以回溯至其歷史典故。西醫看出了大部分皆緣起於自然界植物的草藥配方，具有治療特效的價值，而從中提煉出的主要化學成分不僅可以增加臨床治療效果，也提高了致癮性。
在過去三百年中，罌栗汁的主要醫學用途為減輕疼痛、平緩焦慮、促進睡眠，及紓緩腹瀉。一位德國化學家澤爾蒂納（F.W.A. Serturner）最先從罌栗中提煉出嗎啡。幾年後，純嗎啡開始配合剛上市的注射針筒使用。即使最嚴重的傷痛病患，經由靜脈注射嗎啡後，所有痛楚也立刻解除。美國南北內戰時，嗎啡注射首次普遍用於傷兵。當然，靜脈注射嗎啡會加速心理神經作用，也更容易使人上癮，所以在十九世紀末期，染有鴉片癮即被稱為「軍人病」。生產阿斯匹靈的拜耳藥廠（Bayer）發展出致癮性較低的取代藥品，首先推出一種號稱「不會上癮的鴉片」海洛英。
雖然一般人認為酒和香菸屬於社交娛樂用品，但它們最初也是用來治療病痛。十九世紀末期，一位法國駐葡萄牙大使約翰•尼古丁（Jean Nicot）把菸草療效帶進法國皇宮。身為駐外使節的他最高成就即是以菸草治好困擾凱瑟琳皇后（Cartherine De Medicis）多年的偏頭痛。日後為了紀念他的貢獻，從菸草中分離出來的化學成分即以尼古丁命名。
祕魯印第安人很早就以古柯鹼樹葉提神，以便肩挑重擔安然翻越安地斯山脈。古柯鹼是在十九世紀末從樹中提煉出的化學成分。在正式使用前，著名心理學大師佛洛伊德以十年的時間完成了古柯鹼的臨床研究。他發現古柯鹼可以紓解長期抑鬱及增進心理功能。他的研究成果使古柯鹼廣泛應用於心理治療，也因此讓我們明瞭它非比尋常的致癮性。
近年來，許多有機合成化合物也能使人上癮；這些化合物包括巴比妥、鎮靜劑（類似〔Valium〕藥物）及安非他命。
我們如何知道藥物對身體產生作用的分子機能呢？簡單來說，藥物的作用必須經過一種特殊接受體分子。接受體是細胞表面的蛋白質，能以特定的方式結合藥物，就如同鎖與鑰匙的關係。瞭解接受體的本質，就可以闡釋致癮藥物對人體的作用。如果我們能判別擁有大量鴉片接受體神經細胞在腦部的區位，便有助於解釋鴉片的止痛效果。鴉片造成精神亢奮的原因，乃因腦部周邊系統控制情緒表現的神經細胞上有許多接受體，調控瞳孔張縮的中腦區也有大量鴉片接受體，這就是為什麼鴉片毒癮者的瞳孔總是緊緊地收縮著。
鴉片接受體與神經傳導質（neurotransmitter）接受體的特質非常類似。擔負腦部訊息處理重任的神經傳導質是神經元（neuron）分泌的化學物質，可以在鄰近的神經細胞產生作用。因為人體無法製造嗎啡，必須藉由類似鴉片的物質來執行神經傳導質的功能。兩位蘇格蘭學者約翰．休斯（John Hughes）和漢斯．科斯特瑞玆（Hans Kosteritz）首先證實，腦部有兩種稱為腦素（enkephalin）的小蛋白質分子具有類似嗎啡的作用。腦素是傳遞痛覺及情緒表現的主要神經傳導質。因為腦素體內生產類似嗎啡的自然物質，所以又可稱為恩咚啡（endorphin）。
古柯鹼能協助神經傳導質提升情緒，所以是刺激藥物類的最佳代表。體內兩種神經元細胞所分泌的妥巴寧（dopamine）和古柯鹼一樣與神經傳導質聯合執行功能。其中一組神經元掌握四肢動作。當它退化時，會因此喪失協調功能，導致四肢不停顫抖的帕金森舞蹈症。事實上，古柯鹼在治療帕金森舞蹈症的效果上也可取代妥巴寧。不過因為它的致癌性過強，病人必須服用其他較安全的藥物。
另一組神經元分泌的妥巴寧則是調控情緒的表現。古柯鹼能加強妥巴寧對情緒的效應，致使精神亢奮。幾乎所有刺激神經藥物的使用者皆一致承認，古柯鹼能讓他們體驗最「高」的快感。
古柯鹼又是如何強化妥巴寧的作用呢？神經元分泌的妥巴寧神經傳導質能刺激鄰近神經細胞上的接受體。神經元細胞膜上有一種運轉蛋白質，能將妥巴寧回抽至細胞內，而中止對接受體的作用。古柯鹼能抑制運轉蛋白質的回抽作用，使妥巴寧連續不斷刺激細胞接受體。美國醫師麥可•庫黑爾（Michael Kuhal）曾經以實驗證明，古柯鹼衍生物對運轉蛋白質分子的抑制作用。
由於不斷累積對致癮藥物分子作用的瞭解，我們希望能盡快發展出對抗藥癮的新藥。譬如，有些合成的新藥已經足以抑制鴉片對腦神經的作用。目前我們正以相同的模式發展新藥，解決古柯鹼帶來的流行災害，並幫助菸癮者戒菸。在過往的一個半世紀裡，藥癮帶給人類許多災難。〞如果這些努力能夠成功，我們將在未來一百五十年內看到毒癮人數大幅降低。


老化
青春不復返
――卡爾•埃斯得福（Carl Eisdorfer）

二十世紀的今天，隨著死亡率及患病率降低，高齡人口大為增加。人口結構急遽老化已經使整個社會面臨許多新挑戰，也點燃了學術界對老化研究的濃厚興趣。近年來，雖然我們的平均年齡已增加到六十五歲，人類生命的基本壽限依然不變。遺傳賦予我們八十至一百二十年的期限，對今天的人而言已不是難事。然而基因中注定的生命時間表卻難以改變。雖然在過去改善營養和衛生環境、服用抗生素治病、使用疫苗防範疾病等，對人類生存扮演了重要角色，我們對老化現象的基本知識仍然相當貧乏，目前還無法幫助我們延年益壽或提高生命本質。
當然，早已有人引用各種理論來解釋人類老化和長壽的祕訣。這些理論包括神奇偏方、倫理道德、開宗明義式的教導、偶發實例的見證、內分泌學和分子生物學的實驗證據。歸根究柢，我們可以將老化過程看成兩種不同形式的細胞死亡：當人體組織受到創傷時，會直接或間接造成細胞壞死（necrosis）；另一種是個體生長發育中，經由遺傳指令引發細胞凋零（apoptosis）的生理過程。譬如，有一些細胞的存活必須依賴特定的生長激素，缺乏此激素時就會導致細胞自行凋零。
美國科學家雷納德•哈佛里克（Leonard Hayflick）研究細胞的有限生命的成果，使得老人學（研究老化過程的專門學科）邁人新紀元。他指出，先前有人報導細胞具有無限的生命週期，是因為培養過程中細胞受到污染，而造成錯誤結論。此外，他更進一步證實，細胞複製及存活能力有一定的期限。目前大家一致認同，正常細胞（癌細胞除外）分裂複製的能力均有定數，因此高齡生物的細胞存活期限亦相對縮短。細胞複製能力受限，所以細胞分裂次數應是受到特殊基因掌控。這個「老化基因」的假說至今仍莫衷一是，撲朔迷離，已成為許多實驗室共同探討的課題。癌細胞因為具有持續複製的能力，而被認為永垂不朽。瞭解癌細胞分裂的調控因子將有助於我們對老化過程的認識。
物競天擇論告訴我們，每個物種的特性僅能經由繁殖傳給後代，生物在生育期終止後，所衍生的特質則不具遺傳上的意義。長壽與否只有在生育期終止後才會得知，所以這種特質無法傳給後代。如果一個物種的存亡與壽命有關，生育終止後僅存的短暫壽命，或許對食物和空間匱乏的草居生物有減少競爭的好處。然而，也有報告指出，年長的高等靈長類母猿會盤踞家族領域周邊，防範外來侵略者，甚至不惜犧牲生命以保護整個家族。
更有意思的是，基因掌控的某些生理作用在生命早期有正面作用，爾後卻會帶來負面影響。例如女性賀爾蒙對生育非常重要，日後反而會增加致癌的機率。當一個基因能產生多種不同表現型態時，這種效應稱為「對抗嗜多性」。至今我們仍然不瞭解，這些生育終止後的生理作用是由基因事先決定的，還是受到其他無關作用的意外結果。
長期來說，新陳代謝也會對身體產生副作用，例如具破壞性的代謝產物會在組識間屯積。這些物質以自由基型態存在（因具有不配對電子），並經由氧化作用而改變體內許多分子及組識。我們已經知道，體內長期葡萄糖代謝作用造成膠元（collagen）交錯連接，會導致功能喪失。美國生物學家麥可•羅斯（Michael Rose）曾培育出壽命增長兩倍的果蠅。他還證明有一種增強抗氧化劑的基因（Superoxide dismltase）可以延長果蠅的壽齡，其作用可能來自改變一種過氧化劑的自由基。
在動物生命初期，環境因素給予的刺激也會影響晚年歲月。主要是因為體內嗜神經性類脂醇的製造與分泌受到影響，假以時日，這種類脂醇具有神經毒性。男性平均壽齡較女性短，亦可歸咎於環境和生理的長期變化。性別差異而導致的自主反應和心態表現，或許與環境適應的能力有關。節制飲食、戒菸及其他增進健康的措施，均能延年益壽，並且效果顯著。體能鍛鍊也是一種外在因素，可以間接影響壽命。勤練身體能增強肌肉和氧化體能，維持骨骼健全，提高感官知覺能力。對人類而言，認知到自我是獨立個體，能夠掌控生活，而不感到無依無助，對生命更有正……