＃發行日期：1985、09
＃期號：0189
＃專欄：二十世紀重大科學成就
＃標題：二十世紀重大科學成就
＃作者：馬志欽 嚴震東譯
．圖一：類固醇激素的基本四環構造，由十九個碳原子所構成。
．圖二：三種天然的類固醇激素。
．圖三：人工合成的黃體激素類似物。
．表﹕ethynodiol diacetate口服後，在身體內轉變成norethindrone而產生作用。
二十世紀重大科學成就
馬志欽
早在一個世紀以前，發明家便開始構思「電視」這種裝置，只是那時還不叫做電視。因為有了電報、電話以後，人們還想如何能利用 「電」來 「看」，當時的一本「電氣家」技術學刊上的一篇社論，便討論到這個問題。而答案，便是如今幾乎遍及全世界、每十個人便有一部的電視機！不過如果沒有1923年，來自蘇俄沒幾年的史瓦利金（V.K.Zworykin）發明電視攝像管，電視還只能是一個令人好奇、嚮往，但還不切實用的玩意兒。
機械裝置的電視
距今恰好一百年前，德國的尼布可（P.Nipkow）獲得了世界上第一個電視系統的專利登記，他稱它為「電望遠鏡」。
這是一個笨拙、但頗巧思的機械裝置，由二個完全相同的圓盤，藉馬達帶動而旋轉，一個裝在「攝像管」（尼布可叫它作送像機）側，另一個則裝在另一側的電視收像機中，而在每一圓盤中鑿有24個呈螺線狀排列的小孔。在送像機上，自景物外側部分所攝取的光線，將依序逐一通過圓盤上外側的小孔。而自實景其他部分攝取的光，則通過圓盤較接近中心部分的小孔。所透過的光線再投射至一個光電池上，將光的強弱變化轉變為變動的電流，並經由導線而傳送到觀眾的電視接收機中。在接收機中，此一變動電流乃施加於一卷包裹在一玻璃塊外面的線圈中，而這玻璃塊的一端上則為投射光線。當通過線圈中的電流有升降時，在其周遭所產生的變動磁場，便使通過玻璃塊的光線時大時小，恰與送像機側所接收來自景物上的光線強弱相呼應。於是，接收機側的旋轉圓盤，與送像機側另一圓盤同步轉動，便可將光線經由一目鏡而分配到觀眾能看到的面積上。
雖然尼布可的機械型電視看起來很笨拙，但一直到30年代，仍無太多的變異，也沒有更好的設計。在當時，即使最好的機械式電視，也有二項缺點，即：畫面粗糙、細微部分難以重現；及被攝的景物必須作強烈的照明。由於投射到景物上的光線，其中只有極小部分才能經由組成景像的畫面圖素反射而透過圓盤上的各個小孔；若要使畫面細緻，孔要更小，數量也要更多，才能使影像被分割的圖素增加。然而同時，通過每一小孔的光的強度也減弱了。
上述裝置發生了一個問題，就是投射到景物上的大部分光線被虛擲了。如果能設法用電子裝置將光線或影像儲存起來，則靈敏度必然可增加數千倍，畫面細緻的程度也必能大大的改善。
電子束掃描的運用
英國電機工程師史溫頓（A.A.Swinton）在1911年倫琴學會（Röntgen Society）的主席致詞中，提出了一個構想，即上述如何利用電子方式將光線或影像加以儲存的裝置。他的構想如下：
先將要播送的景物，以聚焦方式投射到裝在一個特別設計的陰極射線管〔該管為十九世紀中葉英國物理學家克魯克（W.Crookes）所發明〕中的一塊電氣絕緣材料，例如雲母板上。在該絕緣板的背面可塗上一層金屬，而在板的前面則以「島形點陣」方式，塗上一層光電敏感性金屬物，此種金屬物一受光的照射便可發射電子。於是，當景物的影像投射到該光電金屬物所組成的島形點陣上時，每一個光電金屬物小島，便可依所投射影像的光的強弱，發出數量成比例的電子，而在絕緣板的前面面板上，形成一個殘留、正的 「電荷影像」，此一影像上的電荷量，將視投射於島形點陣上的光量而增加。
在上述島形點陣上所殘留的電荷影像，猶如一個光線或影像的儲存影像，可用電子束加以掃描。由於絕緣板背面的金屬塗層與前面的島形點陣之間，形成了無數個個別分立的微小電容器，每一個微小電容器都可持留一份甚小的電荷，其作用恰如一個小的萊頓瓶。於是，上述電荷影像若用電子束加以掃描，則點陣上每一小島所失去的電子，便可由掃描電子束中的電子逐一予以補足。
因此，每一小島上的電荷改變（即失去電子的回收），便可藉靜電作用而成功地以電壓方式反映於背面金屬塗層上。每一小島上電荷的改變是循著電子束預定的掃描順序，因此，背面金屬塗層上串列性的電壓變化，便代表點陣上所殘留或儲存的景物影像的視訊，可經由導線而傳送至觀眾的電視接收機上。
史溫頓的構想
接收機上影像的重現方式，史溫頓選擇了1897年，勃朗（F.Braun）在Strasbourg大學發展成功的陰極射線管形式。其構造大致如下：在勃朗氏漏斗狀玻璃管頸部中間置有一具電子槍，它可發出一束窄狹的電子束，投射於一層塗有磷質的屏幕上，該磷質層一經電子束的撞擊，便會發光。在此一影像（重現）管中，另有一組與攝像管掃描波束同步的磁場線圈，可將電子槍所射出的電子束，以掃描方式，即先依水平方向，自左至右，再依垂直方向，由上而下，遍掃整個磷質屏幕，電子束的強度則依送像機所傳送的視訊而變。於是，電子束強弱的變化便可在屏幕上形成明暗不同的圖像，使送像管側的景物影像，得以在收視者的電視屏幕上重現。
以上史溫頓的這個構想真是非常奇妙，而事實上，與應用現代技術所發展成功的電視系統頗為吻合。不過，史溫頓卻從未依據他的構想，動手製作過任何一個零件，他絲毫沒有信心，並且也認為要實現這個理想困難重重。當時，他在大會致詞中也曾表示過：「如果沒有相當的經驗與一再的實驗和修正，要使這個想像中的裝置能夠工作，是難以令人置信的。」但是，縱然如此，他那構想中的藍圖的確為後繼者提供了努力的方向。
攝像管之父──史瓦利金
被譽為攝像管之父的史瓦利金，1919年從蘇俄移民至美國定居，終於實現了史溫頓的構想。那時，他還是聖彼得堡技術學院的年輕電機工程師，為一位物理教授羅新（B.A.Rosing）工作。羅新教授甚至早在史溫頓演講提出那個構想之前，已經相信只有應用電子裝置，才是未來電視發展的方向，而決非當時實驗中的機械裝置。
史瓦利金先是在美國的蘇俄領事館擔任一些簿記的工作，之後才轉到西屋公司工作。1924年，他向西屋公司負責執行的主管們，展示一套原始但可運作的全電子式電視系統，該系統以一具光電發像管（iconoscope,希臘字源是eikon:影像及skopon:看）為核心，他稱它為電視攝影機。不幸的是，所呈現的影像暗淡而模糊，與陰影所差無幾，執行部門的主管們毫無興趣。即使到1929年，史瓦利金再度為他們展示他所改良後的電視系統時，他們仍不為所動。可是，這個新的改良系統，卻獲得了RCA Victor公司領導者沙諾夫（D.Sarnoff）的賞識，他是一位幻想者，深信在未來商業化方面的發展，必大有前途。1923年，在史瓦利金首次嘗試展示他的全電子式電視系統以前，沙諾夫曾經提示RCA公司的董事們：「未來家庭用的每一台收聽廣播的接收機，都可能配裝一台電視機，並且總有一天，當聽眾收聽電台廣播時，也能同時收看到在電台現場所進行的實況…。」
商業、技術大集合
當這兩位蘇俄移民首次會晤時，沙諾夫曾經問史瓦利金，如果要把他的電視系統改進到臻於理想，需要花費多少錢？那時史瓦利金回答說：「大約十萬美金。」許多年後，沙諾夫還津津樂道這段往事！──不過，他最後總不忘加上一句，RCA公司為了改善那個電視系統，最後竟然花到五千萬美金，還沒有看到一點點利潤。
史瓦利金在1930年加入RCA公司，擔任電子研究部的經理，但直到1933年，才終於以他的電視攝影機與光電收像管（kinescope,在家庭電視機中，他叫它做映像管）滿意地說服了沙諾夫。史瓦利金的光電發像管發展成功的關鍵，在於他如何能將高達一百萬個以上的光電敏感性的島形小點──這些小點並且是相互分立及絕緣的──蒸著到攝像機絕緣板上的方法。對於那些島形小點史溫頓建議採用金屬材料，但史瓦利金則認為在銀金屬上加鍍一層氧化銫較佳。
絕緣板上島形綿紋點陣的製作如下：先將氧化銀粉篩撒到雲母片上，再將雲母片與氧化銀加熱，驅出氧氣，於是殘留的銀便在雲母片上形成百萬個以上且相互絕緣的島形小點。其過程與將麵糖加熱結成球狀相似。這些島形銀點再用氧化銫處理，便可形成具有光電敏感性的銀點，最後，在雲母片的背面再鍍上一層鋁，工作便告完成。
120條掃描線
RCA公司繼續尋求突破，以促成電視的商業化。沙諾夫雖然對史瓦利金的工作頗為滿意，但是他仍然博採眾議，以求進一步的發展。即使在史瓦利金展示他的全電子式電視系統之前，RCA也曾經試驗過一系列的電子與機械的混合系統，但結果不佳。那時用來組成影像的線條為120條，並不合用；而現代電視機影像即畫面的組合線條為525條（註：但世界各地區標準並未統一，也有用625條或800條的，線條組成數愈多，畫面愈清晰）。史瓦利金的光電發像管顯然可以產生更為細緻的畫面，即使在正常攝影室的照明或室外的光線條件下也一樣，這正是RCA公司所追求的目標。
1933年，RCA公司實地測試以光電發像管為基礎的完整電視系統，將由240條線所組成的影像畫面（其中包括卡通米老鼠）發送至4哩外，位於新澤西州柯林塢（Collingswood）城的電視接收機上，並曾經使用一片鏡面，將畫面從9吋映像管上反射到電視接收機的前方。在往後多次的試驗中，又逐漸增加組成畫面的線條數，同時，也解決若干其他的問題。至1938年，RCA公司已準備將它的電視系統推出問世，但是由於美國聯邦政府的官僚作業與爭論，直到1941年的七月，電視才正式開始商業化播放，同時也生產若干家用電視機出售。但是商業性電視廣播剛一開始，它的業務便嚴重地受到美國介入第二次世界大戰的影響而萎縮。在戰爭期間，RCA公司挑選了一組優秀的工程師，在史瓦利金的領導下，發展出一種較前述光電送像管靈敏度高一百倍的攝像管。戰爭結束，RCA公司終於開始了家用電視機的大規模發展，為每個家庭添加了無數生趣。
（本文譯自D. G. Fink, "The tube", Science 84, November, 1984）
馬志欽任教於台灣大學電機工程系，本刊編輯委員
嚴震東譯
──當初研究發展避孕藥成分的開山祖師，從來沒有想到它的避孕效果。──
口服避孕藥在1960年開始推行使用。這二十年來，它將婦女從生兒育女的勞苦生活裏解放出來；懷中抱一個，背上背一個，手上牽了一排子女的景象，在已開發國家中已屬少見。避孕藥也促使天主教作了不少世俗化的重大改變。避孕已不再是餐桌上或社交談話中避諱的話題，單從這點來看，就可以知道避孕藥對現代人的影響。想想看，雖然早已發明了保險套，但三、四十年前誰會在公開場合談避孕！
馬克爾和墨西哥蕃薯
雖然避孕藥影響深遠，當初發明第一種口服避孕藥的先生並沒有直接了當地想：「我現在所研究的是一種控制人口的方法。」如同佛萊明在窗台上，培養出盤尼西林一樣的出人意料，避孕藥的發明有一段曲折的歷史，起源自墨西哥的熱帶叢林。
馬克爾（R.Marker）很早便對類固醇中的一大類──皂素（sapogenin）有興趣。1930年代，他在美國賓州州立大學任化學教授時，發明了一個化學合成步驟，可以將diosgenin皂素很簡單地轉變成黃體激素──一種女性激素。黃體激素是由卵泡中黃體分泌，能促使子宮發育、分泌而準備受胎。當時只有歐洲的藥廠能夠生產人工合成的黃體激素，價格非常昂貴。馬克爾發現diosgenin在墨西哥的幾種野蕃薯中含量很高。因為沒有辦法吸引美國藥廠的支持，他就自己南下墨西哥城，租了間實驗室，收集了十噸的野蕃薯，抽出其中的diosgenin，再回到美國一位朋友的實驗室裏，合成了兩千多克的黃體激素。以當時一公克八十美元的市價計算，約值美金二十萬元。馬克爾從電話簿上找到墨西哥城的一家小藥廠，說服了這家工廠的兩位老闆，投資生產這種合成激素，於是便在1944年，成立了新特公司（Syntex）。
雖然馬克爾是新特公司的創辦人，但在這家公司只待了不到一年。特立獨行的馬克爾離開新特公司後，先試著自己開創一個類固醇的工廠，然而卻不成功，於是他就完全脫離了類固醇這一行。已達八十高齡但精神瞿鑠的馬克爾，目前從事於經銷墨西哥的銀器複製品，主要是仿造歐洲古典式的銀器。
新特公司的兩位老闆卻沒有放棄，他們爭取另外一位化學家羅森卡茲（G.Rosenkranz）的合作，兩年之內不但重新開始以diosgenin大量製造黃體激素，更發展出以同一種蕃薯製造男性激素──睾丸激素的方法。因為新特公司這兩種方法比歐洲大陸所用的方法簡單得多，也便宜得多，所以沒多久墨西哥生產的激素就打垮了歐洲製藥公司在世界激素市場上的獨霸地位，這兩種激素的價格也降到一公克一、兩塊美元。
大自然的避孕劑
早在30年代，科學家對黃體激素的生理功能，便已有了大致的了解。為了準備胎兒的生長，黃體激素能同時壓抑新卵子，使之不能成熟、不能排卵。所以黃體激素也被稱為大自然的避孕劑。為什麼沒有普遍使用來避孕呢？一來當時人口壓力不大，二來黃體激素使用有兩個缺點：價格太高無法大量使用；口服無效必須注射，長期使用非常不方便。
新特公司雖然降低了黃體激素的生產成本，還是沒有人想到利用它來作避孕藥。1949年，該公司的大計畫是用墨西哥蕃薯合成另一種女性激素──動情激素。從圖一及圖二我們可以看出睾丸激素、黃體激素及動情激素這三種激素的化學結構非常相似，它們的基本構造都是四個連在一起的碳環。1950年，新特公司的研究員在達拉西（C.Djerassi，即本文原作者）的領導下，把睾丸激素經過芳香化（aromatization，使A環變成苯環），合成了動情激素。達拉西就想到，如果把黃體激素芳香化，產生一種化學結構介於黃體激素和動情激素間的化合物，這種雜種化合物會不會同時具有兩種激素的生理功能？可惜，這種雜種化合物變得毫無功能。他又試了另外一招：把這個化合物去芳香化（dearomatization）。經過芳香化和去芳香化兩個步驟，雖然新生的化合物四個環又變回黃體激素的原樣，但是在第19位置（見圖一）上的一個甲基卻掉了，只剩一個氫原子，成為去甲基黃體激素（19-norprogesterone）。很奇妙的是，去甲基黃體激素對子宮的作用，超過黃體激素的效能四到八倍。這個發現鼓舞達拉西更積極用合成方法，來尋找效能更強的黃體激素類似物，希望能找到一種化合物可以口服使用。
達拉西的口服黃體激素
第二次世界大戰以前，柏林先靈藥廠（Schering）的一位研究員殷赫芬（H. Inhoffen），用乙炔將動情激素在第17位置加上兩個碳。他發現這個新產物不但仍然保持動情激素的功效，而且能完整通過腸胃道及肝臟，因此可以口服。因為黃體激素上在第17位置上已經有了碳鏈（見圖二），無法再加乙炔，殷赫芬就將睾丸激素作乙炔的反應，而得到zthisterone（見圖三）這個產物，它竟然有一點點黃體激素的效能。這是第一個能夠口服的黃體激素類似物。
達拉西從文獻上發現殷赫芬的工作，他立刻想到如果能將zthisterone除去19位置上的甲基，是不是能夠使它的黃體激素的效能增高？一試，果然如此。他們在1951年，合成了一種效力高、能夠口服的黃體激素類似物──norethindrone（又稱norethisterone）。這個化合物是現在市面上50％以上口服避孕劑中的主要成分。
平克斯的意外
雖然新特公司製造出norethindrone，一兩年之後，另一家美國藥廠西羅公司（Searle），也製造出非常類似的norethynodrel（見圖三）。大家都只知道用它們來做黃體激素的代替物，避孕藥仍然需要另一個意外事件來催生。
1953年，美國麻省伍斯特基金會（Worcester Foundation）的平克斯（G.Pincus）想利用改變子宮內環境的方法，來治療某些不孕症。他和哈佛大學醫學院的醫師羅克（Rock）合作，試驗了許多類固醇的激素，來治療了一些不孕症的婦女，也意外發現無論是動物或病人的實驗，norethindrone及norethynodrel等口服黃體激素類似物，都能非常精確地調節經期，它們的「副作用」便是完全的避孕。平克斯不久也發現，如果同時給予少量的動情激素，可減輕單用黃體激素來避孕所產生的一些不良副作用（註一），這就是今天一些避孕藥丸配方的原理（註二）。
今天全世界約有五千萬到八千萬的婦女使用口服避孕藥。除了控制生育之外，避孕藥對於流行病學的發展也有很大的貢獻。這些藥使我們了解，如何來評估長期使用的藥物對人體健康的影響。我們對口服避孕藥的使用先是毫無保留的接受，然後又變成了沒有充分分析的抨擊。直到最近，服用避孕藥的優、缺點才有較詳盡的分析。許多研究報告指出：長期服用避孕藥會增加血栓發生的危險。尤其是對35歲以上煙癮大的婦女，罹患腦中風、心臟病發作的可能性有顯著的提高。另一方面，避孕藥減少婦女染患某些癌症、關節炎和免除經血過多的症狀。美國亞特蘭大疾病控制中心的報告指出，僅只估算避孕藥的非避孕效果可以得知，由避孕藥拯救的性命，多於喪生在它的副作用下的人數。
從1940到1960年，大約花了二十年才將一種新的避孕方法建立起來。我們預測，這種避孕方法在二十世紀末作總結算時，必然可以算是本世紀內最常用、最成功、最可以自由操縱的生育控制方法。
（本文改譯自C. Djerassi, "The making of the pill", Science 84, November, 1984）
嚴震東任教於台灣大學動物系，本刊編輯委員
註一：黃體激素類似物的許多副作用中，除了黃體激素本身對消化系統或精神上的影響外，它們同時也有一點睾丸激素的效能，造成男性激素的副作用。
註二：市面上使用的避孕藥不下數十種，試舉兩個例子說明：如表所示
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