＃發行日期：1985、09
＃期號：0189
＃專欄：科學新粹
＃標題：科學新粹
＃作者：姜樂義 李重義 林宗興 陳治誠 阮貞德 嚴震東
．圖：蘭氏小島
．圖：白枯真菌在30天內分解掉半數的DDT。
．圖：海洋與大陸岩石圈的強度對深度作圖
．圖：露絲•勞倫斯
科學新粹
姜樂義
紐約大學的科學家計畫在羅斯福島的橋上，將一形如倒置的風車，吊置於紐約的東河河床上。此裝置提供了，可由水流及潮汐的變化產生能源的新奇技術。
科學家們期望該直徑六公尺的渦輪，在東河強勁潮流的推動下，可以產出30瓩的電力。如果此機械運轉的結果達到所預期的目標，將足以供給島上社區廉價的電力，而取代過去以較貴的柴油為燃料發電的電力。
此潮流發電的渦輪設備，不需要建造花費龐大且可能會造成生態環境問題的水壩或水閘，也不需要傳統水力或潮汐發電的計畫報告。美國研究人員的構想是，將此渦輪機單獨固定或嵌在，海底或河床的水泥座中，因著潮流變化的方向而轉向，可以產生每天持續20小時的可靠電力。
不像其他傳統潮汐的發電系統，一定要安置在潮汐差變化大的地區。此渦輪機並不受此限制，只要潮流量夠大，幾乎可以在任何地方使用。
普里茅斯技術學院的喀夫（P.Cave）曾經研究此種新系統的各種用途，希望能找到其他可能的好處。如潮流發電系統的初期投資成本，較一般水利工程計畫的投資要小得多；海底的渦輪機也可以在極短的時間內建造完成並產生電力，不像水壩工程往往要花費數年的時間去建造。更方便的是，當電力的需求增加時，擴充發電容量僅需要加裝新的渦輪機即可。
潮流渦輪機發電系統的特色是，只要在附近能找到不規則的潮流模式，產生的持續電力可以和傳統式發電廠所產生的電力一樣可靠。
要裝在紐約的渦輪機，是經過了三年試驗得到的成果，此結果使得美國能源部開始支持此項研究計畫。如果東河中這一試驗的原型可達到預期的目標，將在附近安裝更多的渦輪，而取自東河的總發電能量將可達到一千萬瓦。
但是負責渦輪設計小組的克倫（D. Corren），有更長遠、更大的計畫，特別是他看中在尼加拉瓜瀑布下方的一個支流處，他覺得該處為世界上設置潮流發電系統的最理想地點。
在英國喀夫已經耗費二萬元英磅，這筆經費均由科學及工程研究委員會所補助。目前他正計劃籌組協會募集資金，以建造渦輪的原型，預計發電量在50∼100瓩之間，而安裝於澤西的海邊。
（譯自New Scientist, 9May, 1985）
李重義
取自死屍胰臟中蘭氏小島（islets of Langerhans）的細胞，若注射到糖尿病患者的體內可以產生胰島素。美國首府的華盛頓大學醫學院的研究人員，已在今年六月為六名患者施行此種手術。這是研究人員第一次能夠檢測到用此種技術產生的胰島素。其中一名患者由於胰腺炎切除胰臟後，罹患糖尿病，而用取自她自己胰臟的胰島細胞治療。結果在所有試驗者中，她的移植細胞已經存活而且產生胰島素的時間最長。
在六名試驗者中的四名，其移植細胞可產生胰島素達3∼12週。雖然產生的量並不足夠，因此仍必須靠注射供給所需，但已使注射量減少了50∼90％。
此種技術以前也曾試過許多次，但主要的問題在於如何從捐贈者的胰臟中，取出足夠的胰島而能測得胰島素的生成量。同時也必須夠純，以保證接受者的安全。在美華盛頓大學指導胰島採取工作的拉謝博士（Dr.P.Lacey）聲稱，他能夠從一個健康死屍胰臟中分離大約200,000個胰島，這大約占胰臟中能夠產生胰島素的細胞的百分之四十，並且所得樣品夠純而在接受者身上沒有毒害反應。這點非常重要，因為如果消化細胞跟著胰島一起被移植，會造成嚴重的傷害。
五名接受外來胰島細胞者，都是接受腎臟移植的病人，均已使用避免排斥作用的藥物。他們接受的胰島細胞都被注射到脾臟裏。上述的那位女士，則是將她自己的胰島細胞注射到肝臟中。雖然她接受的胰島細胞只有其他人的三分之一，但其移植細胞產生較多的胰島素，而且在第12週仍繼續產生。因此，也許肝臟比脾臟更適於胰島的移植。下一步將是實驗其他的移植位置和各種免疫抑制藥物。
（譯自New Scientist, 18 July, 1985）
陳治誠
戴奧辛（dioxin）、DDT及其他有機氯化物等毒性物質造成的長期污染，可由某種真菌釋出的
克服。在密西根大學，由奧斯特（S.Aust）教授所領導的一組生化學家，已發現白枯真菌（Phanerochaete chrysosporium），能分泌木質素分解
（ligninase）分解戴奧辛及DDT（參見Science,
vol 228, p1434）。此種真菌以相同的分解樹木外層的木質聚合保護層。
當此真菌在缺乏氮、硫或碳水化合物的培養基中繁殖時，木質分解即被釋於細胞外培養基內。木質分解能產生具高度反應性的化學中間體（chemical intermediates），又稱為自由基。利用這些物質，此種分解系統能催化許多木質聚合結構內非專一性斷裂反應，所產生低分子量芳香族化合物的不均勻混合物，能再被分解，最後形成二氧化碳。
對微生物的分解，有機氯化物與木質素有相似的抗性，故密西根的研究人員猜測，木質分解可能對戴奧辛與木質素的作用相同。結果發現答案是肯定的。奧斯特等人還以放射性同位素
14C來標識污染物上的DDT及戴奧辛等有機氯化物。除了倫敦聖巴索洛姆醫院贊助研究經費外，他們接受萊特（D.Write）的建議，同時研究經
14C標識的苯焦耳腦（Benzo-pyrene），此項化合物係存在於焦油及瀝青中的致癌物。
他們將這類化合物分別用以培養此種真菌，30天後，添加的DDT約有一半被「吃」掉（見圖）。於培養液中補充更多的葡萄糖，再培養18天後，DDT的含量減少了90％，其中部分（約4％）轉變成二氧化碳，其餘則形成代謝中間物。
因此，是否只要將此真菌於缺乏氮源情況下，添加葡萄糖培養它，便可解決吾人有機氯污染的問題？事實不然。此種處理在水溶液中的效果最好，但若用於廢水處理或噴灑於戴奧辛污染地區，則又是另一回事了。
（譯自New Scientist, 11 July, 1985）
林宗興
根據板塊運動的理論，由地殼和部分地函所組成100公里厚的岩石圈，是由幾個可以移動的剛體板塊所組成。新的板塊由中洋脊裂谷的火山噴發出來的岩漿冷凝所形成。故板塊自裂谷中央由新而老向兩側移動，一直到幾千公里外板塊盡頭與別的板塊相互碰撞而隱沒到地球內部，造成活動頻繁的地震帶，這就是隱沒帶（subduction zone）。
這個基本理論引起了兩個疑問：第一，為什麼新的裂谷將一個完整板塊一分為二而造成新的海床時，幾乎都是啟始於陸地上，而不在已形成的海床上？第二，不同地區的隱沒帶的地震活動為何會有不同？普林斯頓和史丹福大學的科學家，以及日本在國際地震及地震工程研究所（International Institute of Seismology and Earthquake Engineering），在地球物理研究期刊中（J. Geophys. Res.），提供我們一個相當值得採信的答案。
普林斯頓的研究人員文克（G.E.Vink）、摩根（W.J.Morgan）和趙先生（Wu-Ling Zhao），發現中洋脊裂谷開始分裂是在陸地而不在海上，是因為大陸岩石圈的伸張強度（tensile strength）相當低。大陸岩石圈就像個果凍三明治，上下兩個很強的岩層中間，夾著一個力量很弱的岩層。這特殊構造是由於一般地殼外層岩石是較脆的，它的強度隨壓力和深度而增加，但到了地下約13公里處，這種正比關係突然改變，因為地溫逐漸接近大陸性岩石（含二氧化矽較高）的熔點，所以岩石軟化下來，強度也突然銳減（見圖）。
在這個軟弱岩石帶以下，到了大約30公里深的大陸地殼基底，岩石的成分突然改變，呈現上部地函的特徵，也就是矽質減少而鐵鎂質增加，它們既堅硬抗力又強，甚至在此深度與壓力也改變不了它們，所以強度又遽增。
然而在海洋板塊上這個地函岩石的漸變帶（transition zone），發生在大約是5∼10公里的深度。海洋板塊因此缺乏介乎中間的軟弱層，它的強度隨深度增加，一直到30∼45公里的深度為止。
當一個板塊的邊緣插入另一個板塊之下時，由於板塊的折曲以及兩個板塊間的作用力，造成應力而導致地震。一般以為地震活動和兩個板塊之間之碰撞速率有關，但是史丹福的皮特遜（E.T.Peterson）和國際地震學及地震工程協會的瀨野鐵藏（T.Seno）卻沒有發現這種關係。
根據他們的資料顯示，同一個板塊在不同地區的隱沒帶中，較年輕的岩石圈所造成的隱沒帶的地震活動較強烈。同時也指出，較老的岩層自火山形成後，有較多時間冷卻，密度較大，容易插入地函的深部，因此與上層地殼的作用力較弱，造成的地震也較少。
（譯自Scientific American, p50 Feb., 1985）
陳治誠
研究超音速運行的金屬原子群（clusters），對催化過程中觸媒表面所扮演的角色，令人耳目一新。觸媒能影響化學反應速率而自身保持不變，因此成為工業程序中非常重要的一員。最近，美國Rice大學的化學家們，在史摩理（R.Smalley）教授的領導下，針對鈷或鈮的金屬群，測量了原子個數對該金屬群反應活性的影響（參見Journal of Chemical Physics, vol 82 p590），其結果使我們對觸媒的了解更為深入。他們觀察到令人驚訝的反應活性的改變──含10個原子的鈷原子群會與氫反應，而含9個的則不反應。
早期，研究原子行為的主要技術為基質隔離（matrix isolation），亦即以稀有氣體構成的凍結基質，困住高反應性物質，再進行光譜分析（參見New Scientist, 21April 1983, p146），然而因困在基質的大原子群，都具有相似的光譜，所以此法不能延伸至雙原子以上分子的研究。
相對的，Rice大學的研究小組產生一束以超音速運行的原子群，正好適合研究2∼100個原子的表面反應，他們發現金屬群中的原子個數決定反應的發生與否。此種觀測採行的技術，稱為雷射蒸發（laser vaporization），這種技術可以製造過渡金屬原子群的分子束，而過渡金屬正是很好的異相觸媒（hetero-geneous catalyst）。
用雷射蒸發製造金屬群，是在氦氣流中進行。雷射聚焦於柱形靶物上，其焦點約有1微米的直徑，靶物則保持旋轉使原子群可以均勻的產生。接著將原子群導入常溫的反應管，與反應物接觸約170微秒。當這混合物由反應管再流向真空室時，就產生了一群以超音速運行的分子束（速度約每秒1.77 ×105公分）。此產物先經雷射離子化後。送入飛行時間質譜儀（timeof-flight masses spectrometry）分析離子質量。這種質譜儀藉著離子愈重，飛行速度越慢的原理，而測量各離子行經一定路程所需時間，將不同質量的產物鑑別出來。
史摩理小組提供直接的證據，證實原子群的反應活性可由其大小決定。這結果正好與晶體表面的反應取決於晶體表面、晶階（steps）及紐結（kinks）一樣。舉例來說，如果考慮氫及氘分子與鈷或鈮原子群產生鍵結的化學吸附〔chemisorption,與形成較弱之凡得瓦鍵的物理吸附（physisorption）相反〕，就鈮而言，單原子及雙原子不會反應，而原子個數3∼7 個的原子群具有中度的反應活性，8及10個的原子群呈相當惰性，原子個數更多的原子群則具高度的反應活性（具16個原子的除外）。同樣的，鈷原子群也有類似的性質，單原子、雙原子及原子個數6∼9的原子群具有很小的反應活性或完全不反應，而原子個數為3、4、5、10或更多的原子群則會完全反應，每一原子群與3或4個氘分子加成。
根據史摩理的計算，欲使氫原子在320°K下與鈷原子緊緊的鍵結在一起，而持續170微秒，至少每莫耳需5×104焦耳的能量。就氫而言，產生此種強大鍵結的唯一方法，只有減弱氫分子之分子內化學鍵，而即時與金屬形成鍵結。亦即經由所謂的解離化學吸附（dissociative chemisorption）產生金屬氫化物。
反應活性隨原子群大小而改變的現象，是因原子群電子結構的影響，還是幾何因素，或由二種因素的某種程度的組合而造成的，其中的詳細原因並不十分清楚。不過，至少史摩理的這項研究，在建構觸媒反應的理論上，給了科學家清楚的目標去探尋。下一步他將研究，決定原子群結構的方法。
（譯自New Scientist, 27 June, 1985）
姜樂義
由鼻孔吸入的噴霧式胰島素將可取代某些糖尿病的治療方法。美國波士頓大學在多方面的試驗後，首次證實該噴霧藥劑是有效的。
經由鼻孔噴藥的方法，同時也是服用其他蛋白質藥物的最好方法，如干擾素及降血鈣素。這些藥劑通常是以注射為主，因為若經口服時，藥劑在進入血液中前便會被消化系統所破壞。
由美爾比（J.Melby）所主持的波士頓研究小組，在45位病患身上試驗鼻內胰島素，有些人在早餐前噴用，有些人在早餐時飲用。結果顯示，由鼻孔噴入的胰島素較注射更容易吸收，而且此吸收模式更近似於胰臟在餐後所產生的胰島素。
這種療法的問題在於，鼻孔噴入胰島素的用量十倍於每一次注射的量，才能達到相同的效力。長期的試驗仍有待進行，以便解決由於長期使用噴霧藥劑，是否會造成對鼻內黏膜的傷害；並且試驗當病人染患感冒或流行性感冒時，是否仍有效。
約有四分之一的受試者，因為有炙熱的感覺而放棄，原因是由於噴藥中摻有用以清潔鼻黏膜的清潔劑。即使如此，大部分的病患較喜歡使用噴藥的方式，而不喜歡注射的方式。
噴霧罐較注射筒來得便宜，且可使用一個星期，注射筒則必須每次更換。故以經濟效益來說，噴霧式胰島素可降低費用，而且更便於使用。
除了胰島素之外，目前積極在研究是否有其他藥物，可利用噴霧式來代替服藥或注射。哈佛醫學院計劃在未來兩年內研究干擾素及降血鈣素的使用（治療骨碎）並研究鼻用避孕藥。
（譯自New Scientist, 6 June, 1985）
阮貞德
「敘述並比較牛頓力學與相對論中的質能守恒定律，……」這個問題對大多數人而言，蠻困難的，對露絲•勞倫斯（Ruth Lawrence）卻易如反掌，她信手寫出了答案。在牛津大學為期四週的畢業考試中，這類令人傷透腦筋的問題，勞倫斯共作出了八十一道題。一位與試的同學描述她解這些題目，簡直像「考聽寫一樣」地輕鬆，提筆直書。這場馬拉松式畢業考的結果，勞倫斯在一百九十二名競試者當中名列前茅，考得第一，其他考生平均只作出了三十一道題目。
像勞倫斯這樣優異的表現，不論是出自任何人身上，都是了不起的成就，出自只有13歲的小女生身上，更是格外令人稱奇。今年八月，她成為牛津大學有始以來最年輕的數學學士。她在牛津聖休斯學院（st.Hugh's College）的導師倫（M.lunn）說：「露絲實在令人筋疲力竭，我得耗盡所有時間才能趕上她的學習進度。」
勞倫斯驚人的能力是得自父親哈利及母親西維亞的培育。哈利曾經是一家電腦公司的顧問，但他在1977年辭去了工作，專心地在家教育兩個神童：大女兒露絲及小女兒利白嘉。這兩個小孩從沒上過學校，她們的小學及中學課程都是在約克郡的哈德茲菲爾家中，廚房邊的書桌上，由父母講授完畢。因為露絲天資穎悟，也部分由於愜意的家庭教育結果，她在九歲時順利的通過中學畢業會考。二年後，她在五百三十人競爭的大學入學考中考得第一名，而贏得了聖休斯學院的獎學金。
哈利天天接送露絲上下課，他們共騎一輛協力車，他坐前面，她則戴著學士方帽，身著學士黑長袍（註）坐在後面。
在各報社爭相採訪露絲之際，哈利以滔滔不絕的說話方式，在記者與他出名的女兒之間，垂下了一層屏障。哈利對女兒這種刻意保護的態度，引起了記者的不滿。「她父親從來不閉嘴，」有位受挫的倫敦日報記者這樣寫著：「像個老蚌緊含著他的無價珍珠，死不放手。」
目前，在哈德茲菲爾的家中，母親一面在電腦公司作顧問及設計程式，一面教導小女兒利白嘉；她現在11歲，今年七月完成了高中課程。
露絲的聰慧及能夠輕易精通所學科目的本領，令學院的教授們嘖嘖讚賞。在一次的討論會上，當其他的學生正聚精會神，努力想弄懂教授於黑板上正在竭力推導的一個複雜定理時，勞倫斯卻指出了演講者的一處錯誤。
她以二年的時間，快速修完牛津三年的功課。在她測驗的答卷裏，解題從頭到尾都一氣呵成，就連那些最困擾的難題，也無需絲毫停頓。「我一面寫的時候，一面在想」她解釋說，數學是最能吸引她，使她能滿足心靈中發現欲望的學科，因為：「在數學裏的許多事物都恰好會湊成一些有趣的模式（pattern），只要去找出它們如何及為什麼如此就好。」
再過一年，勞倫斯將修完牛津的碩士，她計劃在16歲時能完成博士學位，如此她將成為英國有史以來最年輕的大學教員，打破另一位19歲的天才人物麥羅林（C.MacLaurin）的紀錄，此人於1717年擔任亞伯丁的瑪利雪學院（Marischal College）的教職。
此外，勞倫斯將朝向一個大目標邁進，那是在她到達休斯學院不久時，導師倫向她提示的挑戰：「除非妳在專攻的科目中，留下自己的標記，否則妳不算是個天才。」
（譯自"Oxford's amazing adolescent", Time, p51, August 5, 1985）
註：牛津、劍橋等英國有名的古典大學有個傳統，即教授與學生在上課、喝下午茶或一起吃飯時，都得頭戴方帽，身披學士黑袍。
嚴震東
科學家原先認為在兩百公尺深水以下，因為光線太暗，無法進行光合作用，植物不能生存。1983年十月，美國利特勒(Littler)夫婦利用新式的潛水艇，在百慕達群島附近268公尺深的海底斜坡上，發現許多海藻，是至今發現最深水中行光合作用的植物。
這種尚未命名的海藻屬於紅藻網，體表有石灰質，長的有點像珊瑚。為了適應深消中的微弱光線，它的植物體只在側邊有很厚的石灰質，體表上層及下層都非常薄，以利光線的透過。在實驗室中模擬深海中的光線，發現這種紅藻不僅能用光合作用自給自足，并且其光合作用的速率，相當於在淺海中接受百倍光量的紅藻。
這種紅藻為什麼有如此強的光合作用能力？除了上下表皮薄之外，是不是還有其他原因？這些有待進一步的研究。由於在如此深的海中發現大量的大紅藻，不禁使人懷疑是否有植物生長在更深的水中。因此，美國國家自然歷史博物館的研究員，正利用他們的深水潛水艇，在其他海床探尋深海植物的蹤跡。
（取材自Bioscience, 35 : 324, 1985）
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