科學人 5月號/2018 第195期

貝殼之戀
劈、削、鑽、鑿，索羅門群島的這位工藝師以純手工刻出了碗盤雛形。接著他切割沙灘上撿來的鸚鵡螺殼，雕成花樣後，以螺鈿細工嵌入木器，打磨再打磨，完成了這精緻的花梨木法螺沙拉盤。我愛不釋手，配上彩色陸蝸殼，置之案頭，隨時滿足自己對貝殼的迷戀。
現生的軟體動物約有10萬種，是海洋動物中最豐富的類群。牠們多數有個碳酸鈣的外殼，形狀奇巧又豔麗，既是分類的重要依據，也是蒐藏者的珍寶。除了昆蟲和鳥羽，再無自然標本能有如此不褪色的繽紛了。切開貝殼或以X光透視來觀察其成長過程，是我的愛貝之道，這個學門叫做「形態發生」（morphogenesis），在貝殼身上演練這技術後，我將之應用在了解單細胞的矽藻如何造矽殼，也得心應手。
但知道過程，並不等於明白原理，生物學的形態發生似乎僅止於描述，說不出更折服人的深層道理。這期《科學人》的封面故事〈物理形塑貝殼之美〉，提供了跨界的新觀點，確實可喜。但別以為有了終極答案，看看綴殼螺就知道了。牠們長在幾不見光的大陸棚海底，螺旋貝體緊緊綴上周圍撿來的死貝殼或石片，如此長相當然不能只用物理解析。
服役時，我在左營海軍海洋測量局任少尉測量官，常搭九華號研究船出海。這艘6000噸大軍艦原該有11.5海浬的時速，但只能以近半速龜行，主因是水下船殼表面長了多層厚厚的造殼生物，加重又失了流線。我向海軍總部申請了研究計畫，要了解何以美國軍艦的船殼光亮，了無累贅。這是個自航海業之始即難克服的挑戰，船一入水，細菌就附生形成黏膜，接著招來了矽藻、貝類、管蟲和藤壺。最有效的防治法是用毒漆來抑制細菌層生成，漆料裡加進有機錫，能有約一年半的效期。當時我們的海軍應該是偷工減料，用了幾無效用的偽漆。有機錫風光了半世紀，但在2001年全球禁用了！原來它竟是生態殺手，極低濃度就會讓軟體動物的性別失衡、族群快速下降，吸附到沉積物後還會持續釋出30年。
細菌無所不在，侵入人體後也會形成黏膜，既避開免疫攻擊，抗生素藥物也傷不了它們，對健康的威脅不亞於癌症。人菌之戰早已由海洋擴展到自身肉體，〈攻破細菌黏膜〉是最新戰況報導。

物理形塑貝殼之美
軟體動物的殼有複雜的外形、碎形般的棘或有規律的殼肋，其背後藏有簡單的規則；數學家透過數學模型，了解物理如何主導軟體動物構築外殼的形態。
撰文／摩爾頓（Derek E. Moulton）葛理立（Alain Goriely）齊哈特（Régis Chirat）
翻譯／翁秉仁

軟體動物（mollusk）是技藝精湛的建築師，那異常強韌、耐久又美麗的外殼是牠們建造的房宅，保護自身柔軟的軀體不受掠食者侵害。許多貝殼具有非常複雜的外形，在「對數螺旋」（logarithmic spiral）外殼上點綴著碎形（fractal）般的棘或其他裝飾結構，遵守幾近完美的數學規律。當然，軟體動物對於數學全然無知。研究人員很好奇，這些低等動物為何能如此準確地構築出精細的模式？
100多年來，科學家已經知道生物的細胞、組織及器官和其他物質一樣，必須服從物理之力的支配。在20世紀，大多數生物學家仍聚焦於理解遺傳編碼如何主導生物模式的形成，並推敲這些模式的功能。但是近幾十年來，研究人員開始應用基於物理學的數學模型，研究生物形態的相關問題。在過去幾年，我們的研究就是沿著這個方向前進，關於貝殼的華美結構，已經得到一些有趣的洞見。
數學裡的「微分幾何」（differential geometry）是研究曲線和曲面的領域，我們運用微分幾何的工具，得以確認貝殼複雜的形式源於幾項簡單規則；軟體動物依循這些規則，便能建造牠們的房宅。這些規則和機械力的交互作用，在貝類成長期間產生各式各樣的螺塔模式。我們的發現足以解釋，已知軟體動物門中最大宗的腹足綱，為何多數都能獨立演化出具有拜占庭建築特色的棘（spine）。這些生物不需要透過類似的基因變異，就能產生相仿的裝飾結構，因為物理定律已經完成其中大部份的工作。
構築的規則
負責構築軟體動物外殼的是套膜（mantle，又稱外套膜）。這個又薄又軟的器官，會在殼口（aperture）分泌一層層富含碳酸鈣的築殼物質，只要依循三項基本規則，就能形成例如海螺或其他腹足綱動物的殼上出現的獨特螺旋形（參見右頁）。
第一項規則是「擴展」：只要套膜均勻地分泌比先前更多的殼質，就能反覆造出更大一點的殼口。這個過程能從起初的殼圈，構築出貝殼的錐狀體。第二項規則是「旋轉」：只要在殼口一側分泌稍多的殼質，軟體動物就能從初始殼圈開始，完整旋轉一周，得到如甜甜圈（又稱環面）般的造型。第三項規則是「扭轉」：軟體動物轉動分泌殼質的注入點。如果只採用擴展和旋轉的規則，就能得到平面螺旋的造型，一如鸚鵡螺。如果加入扭轉的步驟，其獲得的結果就是數學家所謂的非平面螺旋殼。
對某些貝殼建築師來說，這樣足夠了，光滑而優雅的房宅已然盡善盡美；但其他貝殼建築師可能還希望增添某些裝飾。如果想要理解貝殼的裝飾結構，例如棘是如何形成的，我們必須檢視軟體動物構築貝殼時所牽涉的作用力。
軟體動物分泌殼質的過程以非常有趣的力學系統為中心，套膜藉由所謂的生長區（generative zone）黏附於外殼，在這個區域裡都是已分泌但尚未鈣化的殼質；然而，正是套膜和殼緣在生長區的交互作用，產生了模式形成（pattern formation）的可能性。因為當套膜和殼口不協調，會壓迫到套膜的組織。如果套膜比殼口小很多，就必須伸展才能夠貼附殼緣；反之，如果套膜太大，就要緊縮才能夠吻合殼口。一旦生長區因為這些壓力而產生形變，那麼套膜在該階段所分泌的新殼質，就會維持變形的形狀，在殼上永久固化，進而影響套膜下一輪的生長。基本上，只要外殼無法跟上軟體動物本身的生長速度，外殼就可能發生形變，產生我們視為貝殼裝飾結構的特色。

目錄
第195期
2018年5月號

關於封面
貝殼是軟體動物所建造的房屋，牠們技藝精湛，以致貝殼在高能X光的照射下，展現豐富的結構樣貌。這些貝殼造型奇特， 有螺旋狀的紋路、朝四面八方生長的棘等。任何貝殼的外形幾乎都不相同， 卻又有某種程度的一致性。科學家解開這當中奧妙，原來是軟體動物服從物理之力的支配，並遵循一些簡單規則，構築了令人折服的貝殼之美。

數學
30 物理形塑貝殼之美
 文／摩爾頓（Derek E. Moulton）、 葛理立（Alain Goriely）、 齊哈特（Regis Chirat）
 軟體動物的殼有複雜的外形、碎形般的棘或有規律的殼肋，其背後藏有簡單的規則；數學家透過數學模型，了解物理如何主導軟體動物構築外殼的形態。

政策與倫理
38 FDA塗黑的內幕
 文／席夫（Charles Seife）　
 保護大眾健康與安全的美國食品及藥物管理局是否為了保護藥廠商業機密與利益， 而隱瞞藥物試驗數據與真實結果？

特別企劃
44 科學魔術師──費曼
 文／高文芳
 費曼傳奇的一生，是一條神奇軌跡的總和。一如路徑積分，想得到正確的結果， 要把事件演變的所有軌跡，無論可能或不可能，全部依照個別的機率加起來。

48 費曼獨創技法──路徑積分
 文／陳義裕
 費曼受到古典物理中的「作用量」概念吸引，苦心鑽研多年，終於提出了嶄新理解量子力學的一記妙招。

生物化學
52 攻破細菌黏膜
 文／索爾（Karin Sauer）　
 細菌群聚形成的黏稠生物薄膜，能幫助細菌抵禦抗生素，威脅人類健康的程度不亞於癌症。科學家研發出新方法，讓生物薄膜轉為攻擊自己。

行星科學
58 掩星任務：尋覓行星身影
 文／文恩（Joshua N. Winn）
 兩具最新太空望遠鏡在今年升空，天文學家希望發現更多系外行星，並尋找生命的跡象。

認知科學
66 辯真相？爭輸贏？
 文／費雪（Matthew Fisher）、 諾比（Joshua Knobe）、 斯特里克蘭（Brent Strickland）、 基爾（Frank C. Keil）　
 真理越辯越明嗎？研究顯示，在對立觀點下，我們爭論的方式可能會左右我們認為議題是否具單一正確答案。

環境科學
70 洪水存為地下水 雨季旱季都不愁
 文／吉斯（Erica Gies）
 暴雨期引洪水補充地下水，以備乾旱時抽取，美國加州施行的這套新策略，可做為全世界水利工程典範。

心理衛生
78 新科技佈下自殺防治網
 文／丹維斯（Lydia Denworth）
 「你是否曾嘗試自殺？」近年來，新的自殺防治方法顯示成效，包括直接詢問人們自殺意圖，或在智慧型手機的應用程式上進行篩檢，期望及早挽救寶貴生命。

目錄
第195期
2018年5月號

科學人觀點
6 從T(hreat)到T(rust)──甦醒中的北極熊
 文／曾志朗

總編輯的話
8 貝殼之戀
 文／李家維

讀者論壇
10

科學人新聞
12 AI影像真假難辨
 地底熱岩泡泡上升
 巴諾布猿就愛惡霸
 在大自然中更自然
 藉社群內容預測流感
 一覽世界科技進展
 DNA時鐘誕生
 腦中的煞車系統
 超深黑羽 本色難改
 噪音讓鳥兒壓力大
 冰川急湧

形上集
22 學術風格
 文／高涌泉

教科書之外
24 科學家的理性與感性
 文、圖／陳文盛

數往今來　
26 莫比烏斯環帶 魅力無邊　
 文／李國偉　

網上世代
28 似真亦假的假新聞
 文／李士傑

專家看新聞
84 天文學玩完了？
 文／艾維斯（Martin Elvis）

健康與科學
86 死亡新殺手──胰臟癌
 文／華立斯（Claudia Wallis）

資訊世界
88 汽車觸控科技不友善
 文／波哥（David Pogue）

真真假假
90 無神論者興起
 文／薛莫（Michael Shermer）

反重力思考
91 誰才是罪魁禍首？
 文／米爾斯基（Steve Mirsky）

聊聊科學人
92 非典型傑出青年──曾祥非
 文／呂怡貞

博物館裡的科學
96 拉曼光譜鑑定黑鏡身世
 文／朱貽安、沈伯丞

生物手記
100 煙囪裡的夜行客──霜毛蝠
 文／鄭錫奇

科青愛讀冊
102 《理查‧費曼：天才的軌跡》 他的精神伴我玩科學、辨真理
 文／林守德

圖表會說話
104 爬行動物藏身何處？　
 文／菲謝蒂（Mark Fischetti）

《科學人》雜誌－全球科普雜誌第一品牌

自2002年創刊以來共11年榮獲出版界最高榮譽雜誌出版金鼎獎！身為全球科普雜誌的第一品牌，《科學人》一直領先報導全球最先進的科學脈動與產業趨勢，除生命演化及天文奧秘的探索外，也包括成就未來經濟創新的各種工具：「NBIC，Nano-Bio-Info-Cogno（奈米科技、生物科技、資訊科技與神經科技）」，及其聚合衍生的「長壽醫學」、「未來能源」、「淨化科技」、「即時通訊」、「人工智慧」及「前進太空」等產業趨勢內容。除了原Scientific American文章精確編譯外，台灣延伸企劃採訪篇章更佔40%以上，藉由淺顯易懂的編輯呈現方式，帶給產業精英、知識家庭、高中及大專院校師生最具未來性的知識力。

《科學人》雜誌即將於2017年2月滿15週年！15年來，在「廣」的方面，《科學人》月月帶給台灣讀者科學新知、科學新聞、重要科學研究；而在「精」的方面，《科學人》推出15週年特別獻禮：「博學誌」系列文集，滿足您在單一領域更深入、更全方位的知識渴望。

「博學誌」系列文集

問，時間為何物？（2016/9/20全新出版） 台灣大學物理系教授 高涌泉 專文導讀

窺探大腦（2016/10/20修訂版）  中央研究院院士 曾志朗 專文導讀

發現天文之美（2016/11/20修訂版） 國立自然科學博物館館長 孫維新 專文導讀

掌握數位生活（2016/12/20全新出版） 台灣大學資工系教授 林守德專文導讀 活靈活現動物行為（2017/1/20全新出版）金鼎獎科普作家 張東君 專文導讀