成為萬磁王的第一步

真菌的生命週期

一切始於一顆孢子

孢子是真菌生命週期的開始，也是結束。這些單細胞單元裡，包含著新真菌個體的繁衍密碼。面對無數微生物競爭者和惡劣的環境條件，孢子萌芽的機率極低，因此真菌釋放出數萬億個孢子來提高生存機會。孢子維持在一個暫停於生死之間的狀態，密切留意周遭世界並尋找適合落腳的地方。孢子很微小，無處不在，所以根本無法躲避它們，以我們自己而言，每次的呼吸都會吸入十個孢子。

被稱為「胚種假說」（Panspermia）的生命起源論甚至認為：生命的藍圖被包裹在一顆孢子當中，並在太空中旅行，在宇宙中尋找適合落腳的家園。儘管對此假說爭論不休，但我們確實知道孢子可以耐受極端溫度、抗輻射，甚至可以在真空狀態的太空中存活。 1988 年，和平號空間站（mir）的俄羅斯太空人就注意到，他們的鈦石英窗外有「東西」在生長，而且正在漸漸「啃穿」鈦石英。後來證實，這個「東西」就是一種真菌。¹

就像植物一樣，大多數真菌也都採用「紮根在土壤當中」這種耗時的繁殖方式：它們利用菌絲體生長，或透過孢子飄散到新的棲息地。在渴望繁衍其 DNA 的動力下，有些真菌採取巧妙的策略，確保其孢子在新環境中得以繁殖。

擁有誘人香氣的美食佳餚黑松露（Tuber melanosporum）就是一個很好的例子。這種跟黃金一樣珍貴的真菌生長在地底下，隨著孢子成熟，其所散發出的香氣會吸引動物、松露獵人和來自世界各地的美食家。松露的孢子不易被消化，所以最終會安全通過有幸一飽口福者的消化道；在理想狀況下，孢子應已遠離原來被採集到松露的位置。

在地面上，圓形的巨型馬勃（Calvatia gigantea）子實體保護著數以百萬在內部熟成的孢子。有趣的是，只要戳一下成熟的馬勃，它就會噴出一股煙霧狀的孢子粉，讓風帶走飄散的孢子。

生長在糞便之中的水玉黴菌屬（Pilobolus）真菌，藉由分泌水分充滿泡囊增加壓力，最後像水槍一樣排射出泡囊頂部的孢子囊。有研究經計算發現，孢子囊能以至少 20,000 g （重力）的速率被噴射出去。相較之下，訓練有素的美國國家航空暨太空總署（NASA）太空人在太空船中穿著抗重力服（G-Suit）所承受的重力是 3 g ，而子彈是以 9,000 g 的加速度行進的。

還有能在黑暗中發光的真菌，光線會吸引昆蟲將它們的孢子散布到森林底層。例如，加德納臍菇（Neonothopanus gardneri，俗稱椰子花）就受到晝夜節律的調節，在夜間會發出明亮的光。 ²所有這些演化而來的調整，都是為了確保繁殖能夠延續。

為菌絲找到一個家

當孢子落在一個溫度適中、靠近食物和水的地方時，它就會萌芽。孢子經由細胞壁吸收水分，並長出一種稱為菌絲的線狀管。當菌絲在營養基質上生長，就會分支出更多菌絲並形成一條細線。原本的菌絲繼續利用可能是木頭、昆蟲或土壤的基質，由尖端處長出更多菌絲。菌絲間開始融合相連，形成一個相互連接、被稱為菌絲體的物質。

每條菌絲的生長都結合了物理力量和化學策略。菌絲會分泌出作用相當於強力消化酸的酵素來分解物質。這個分泌酵素的作用，讓真菌能穿透最堅硬的基質：先將營養物質萃取出來，再經由菌絲體吸收。就像我們唾液中的酵素一樣，很快就可以將口中的麵包變成濕糊狀。

數英里的菌絲體，也許再來一朵菇

菌絲體如同漣漪一般，從孢子萌芽之處輻射向外生長。附近有營養物質出現時，菌絲體就會以圓形的方式使其表面積最大化，朝營養來源方向生長。當一個區域的食物來源耗盡，菌絲體中心處的舊菌絲就會被自己消化掉。殘存在被消化舊菌絲當中的可用資源，則會被重新傳送到菌絲體最外圈，供生長正旺盛的菌絲所用。

最後，菌絲體會長成一個廣大的空心環，也就是有時我們在草地上看見的「仙女環」。隨著資源被重新傳送到菌絲體生長的外緣，中心會逐漸消失，環的周長則逐漸增加。只要有養分和水，菌絲體就可以持續以這種方式不斷地生長下去。

在此階段，除了酵母菌以外的真菌就能由菌絲形成孢子，進行無性生殖。黴菌、銹病和粉狀黴菌等微型真菌總是以這種方式繁殖，例如麵包上所見的黴菌黑點就含有超過五萬個孢子。

然而，屬於單細胞微型真菌的酵母菌，則採取不同於絲狀真菌的方式進行無性生殖。酵母菌利用分裂產生複製體進行無性生殖，雖然這種方法很有效率，但卻因此錯過了可以經由有性生殖確保遺傳多樣性的樂趣。³

除了透過無性生殖的方式繁殖，若環境條件惡劣（通常情況就是這樣），大型真菌也可以進行有性生殖。當兩個有性生殖相容的菌絲體相遇，它們就會進行融合並形成更大的團塊。

融合後已經具備遺傳多樣性的新菌絲體，等待著合適的環境條件到來，就會聚集它的菌絲、吸收水分膨脹，並形成被稱為原基（primordium）的菇蕾。幾天後，原基逐漸伸長菌柄，將菌傘推出基質表面。最後，菌傘打開就變成了一個完全成熟的菇。菇類的顏色、質地和形狀會因種類而異。

根據菇類產生和釋放孢子的方式，可以將大型真菌分成兩群：一群是在封閉囊內產生孢子的子囊菌（asomycota），另一群是從菌褶中形成並釋放孢子的擔子菌（basidiomycota）。擔子菌的菌褶有一層菌膜保護，隨著菇的成熟，該菌膜就會剝落。

菇的本身可以說就是一個慶典，慶祝擁有數萬億待釋放新世代真菌（孢子）的出現。孢子將再次進入那已經持續循環數十億年的過程之中。自然不會多愁善感，所以慶典終將結束；菇類在完成產生孢子的工作之後，就會開始腐爛消失。

它們已經達成自然所交付的任務，而且也不吝讓我們一窺正大自然發自內在的美。菇類的出現是真菌生命循環的最美麗時刻，也許因為這樣，菇類才會如此受到歡迎。

註解

1. Matthew Phelan, ‘Why fungi adapt so well to life in space’, Scienceline, 7 March 2018, . ↩︎
2. Anderson G Oliveira, Cassius V Stevani, Hans E Waldenmaier, Vadim Viviani Jillian M Emerson, Jennifer J Loros and Jay C Dunlap, ‘Circadian control sheds light on fungal bioluminescence’, Current Biology, vol. 25, issue 7, 2015, . ↩︎
3. 譯注：酵母菌也會進行有性生殖，遺傳物質亦會重新洗牌。 ↩︎

——本文摘自《真菌大未來：不斷改變世界樣貌的全能生物，從食品、醫藥、建築、環保到迷幻》，2023 年 12 月，積木文化出版，未經同意請勿轉載。

為了理解染色體異常細胞對鑲嵌型胚胎的影響，我們必須要創造出數百個小鼠胚胎，並研究數千個胚胎不同部位的細胞。這麼龐大的工作量需要有一位專職的科學家，也需要資金。

在匯整如何測試這個假設的思緒時，我在絨毛膜採樣檢查後又進行了另一個羊膜穿刺檢查，這個檢查一樣在超音波影像的引導下，將針插入包圍發育胎兒的羊膜囊中，以取得少量的透明羊水樣本來進行分析。保護胎兒的羊水會帶有胎兒細胞，可以用來確認是否具有染色體問題。這次的檢查結果是沒有問題的，我們都鬆了一口氣。不過，得要到我把孩子抱在手上那時，我才能百分之百地放心。

還有其他的好消息是，我有了資源可以進行了解我檢查結果的研究。我在發現懷孕那天所進行的面試，讓我獲得惠康基金會的資深研究補助金。這筆補助金原本打算用在另一個計畫上，不過他們給我足夠的自由度，可以直接挪用其中部分資金來為鑲嵌型胚胎建立模型。

如何製造染色體異常的細胞？

我們有一大堆事情要做。首先，我們得要找到一種可信的方式（最好不只一種）來製造染色體異常的細胞。然後我們還要找到一種方式來標記這些細胞，好讓它們在正常細胞旁發育時，我們可以追蹤到它們。製造異常細胞比我們原先所想得更加困難。海倫測試許多種不同的方法來干擾染色體分離的過程，我們最後用到一種名為逆轉素（reversine）的藥物，這是我們實驗室中另一個研究計畫使用過的藥物。

逆轉素是種小分子抑制劑。我們想要使用逆轉素來抑制染色體分離中的一個關鍵過程。那是一個分子檢查點，在正常情況下會暫停細胞分裂（有絲分裂），直到有正確數目的染色體（帶有 DNA）被拉開，並分離到兩個不同的子細胞間為止。逆轉素會阻斷名為單極紡錘體蛋白激酶（monopolar spindle 1 kinase）的酵素，而這種酵素會在細胞分裂時確保染色體公平分配。

為了確認逆轉素確實會造成染色體異常，我們經由標記隨機選出的三個染色體來分析有用藥及無用藥的胚胎。我們所使用的標記方法名為螢光原位雜合技術（fluorescence in situ hybridization, FISH），這種技術會外加一個探針（短 DNA 序列）及一個螢光標記。當探針在樣本中碰到類似的 DNA 片段時，就會在螢光顯微鏡下發光。經由螢光原位雜合技術的追蹤，確認了海倫使用逆轉素後，確實會增加染色體異常胚胎的數量。

逆轉素的效用是暫時性的，海倫一把藥劑洗掉，檢查點就恢復正常功能。這很重要，因為這表示我們可以將胚胎染色體異常的發生限制在特定的發育期間內。

染色體異常的胚胎能正常發育嗎？

確信可以製造出染色體異常的胚胎後，我們需要確定這些施用過逆轉素的胚胎是否會完全發育。海倫對四細胞胚胎施用逆轉素，並觀察到在發育 4 天後，它們的細胞數量比未施藥的胚胎要來得少。不過雖然細胞數量較少，還是可以形成三組基本的細胞世系。

為了找出施用內逆轉素的胚胎是否可以長成小鼠，我們將這些胚胎植入母體中。這個時間點是在我們創造出體外培養胚胎的技術之前。每 10 個正常胚胎有 7 個會著床，而這個比例在施藥後的胚胎上則降了一半。最重要的是，施用逆轉素的胚胎沒有一個能夠成長為活生生的老鼠。這個實驗顯示，當胚胎中大多數的細胞都出現染色體異常時，它們的發育最終會以失敗收場，即使它們著床了、也發育了一陣子。

製造同時有異常與正常細胞的胚胎

現在我們可以進一步來探討那個重要的問題：若是只有部分胚胎細胞帶有染色體異常，發育又會受到何種程度的影響？為了找出答案，我們必須製造出鑲嵌型胚胎，也就是混合了染色體異常細胞與染色體正常細胞的胚胎。因此我們決定經由製造嵌合體來達到這個目的。

因為我們無法在對同個胚胎施用逆轉素時只讓其中一些細胞出現染色體異常，所以無法經由這個方式製造出鑲嵌型胚胎，因此我們想到了運用嵌合體的作法，將來自不同胚胎的細胞結合建構成嵌合體（鑲嵌型胚胎是由單顆受精卵生長發育而成的）。創造嵌合體而非鑲嵌型胚胎的好處是，我們可以系統性地去研究要具有多少異常細胞才會干擾到發育。很幸運地，這個作法成功了。

海倫在小鼠胚胎從兩細胞階段分裂到四細胞階段時，經由口吸管的方式施用逆轉素，並在八細胞階段將細胞一個個地分開。然後她將來自正常胚胎的四個細胞與來自施藥胚胎的四個細胞結合創造出八細胞嵌合體胚胎。

我們要追蹤細胞的命運就需要標記。我朋友凱特．哈迪安東納基斯（Kat Hadjantonakis）與金妮．帕帕約安努在紐約對小鼠進行基因改良，讓牠們的細胞核具有綠色螢光蛋白，所以我們就採用了具有這種特性的小鼠。我們將這類小鼠胚胎施予逆轉素，施過藥的細胞會與未施過藥的細胞有不同的顏色，這樣我們就可以做出區別。具有綠色螢光蛋白的細胞讓我們可以明確看到新細胞是在何時與何處誕生以及新細胞的後續分裂，還有，若是細胞死亡了，我們也可以看到是在何時與何處死亡的。我們可用此種方式為個別細胞建立「譜系圖」。

染色體異常細胞在胚胎發育過程中會被清除嗎？

我們為這些鑲嵌型胚胎拍攝了影片，以精準追蹤每個細胞的命運。海倫在螢幕上看見，異常細胞數量的下降主要發生在產生新個體組織的那一部分胚胎，也就是上胚層。這些異常細胞會在凋亡的過程中死去，也就是經歷程序性的細胞死亡。在注定成為胚胎本體的那一部分胚胎中，施用過逆轉素的細胞經歷凋亡的頻率是未施藥細胞的兩倍以上。

這個結果表示，在注定成為胎兒的那一部分胚胎中，異常細胞有被清除的傾向。這支持了我的假設，也就是在這一部分的胚胎中，異常細胞競爭不過正常細胞，不過實際運用的機制跟我原來所想的不一樣。

我簡直不敢相信。這是我們真的會研究出重要成果的第一個徵兆，發育中的胚胎不僅可以自我建構，也同樣可以自我修復。幾年前當我懷著賽門那時，絨毛膜採樣檢查所檢測到的染色體異常細胞的後代，有沒有可能在成長為賽門的那部分胚胎中自我毀滅了呢？

——本文摘自《生命之舞》，2023 年 9 月，商周出版，未經同意請勿轉載。

磁力的時代

著名理論物理學家加來道雄（Michio Kaku）曾在《2100 科技大未來》一書中提到：

不遠的未來將是「磁力的時代」。上世紀可以被視為「電力的時代」，從電子的發現以及量子力學的發展開始，人們意識到電子相當容易操縱，這也造就了收音機、電視、電腦、智慧型手機等各類電子產品的誕生。

但在不遠的將來，諸如「室溫超導體」的開發與普及很可能在硬體建設上帶來革命性的變化。超導體 （supercondunctor）意味著某些導體在極低溫（比如接近絕對零度，-273.15℃）下，電阻將消失，而沒有阻力也意味著沒有電力的損耗。傳統銅線中，電子的流動與管壁原子的摩擦力將造成能量的消耗；而超導銅線巧妙地規避了這個問題，因為在極低溫環境下，原子將凝滯不動，電子也就能相當「通暢」地行經管線，線路壽命和產電效率也就能大幅躍升。但要實現極低溫的環境並非易事，因而近年來科學家正在嘗試開發室溫環境下的超導體，這意味著超導線圈能在日常生活中普及。

且由於超導本身的抗磁性（diamagnetism），比磁浮列車更酷炫的「懸浮」類型交通工具將成為常態，且由於不再有電能、摩擦力的損耗，你可以想像未來一旦超導磁浮列車與軌道網絡成功開發，只要輕輕一推，便能將一輛列車從台北車站高效地駛向墾丁、甚至車程用不上一小時。

電生磁、磁生電？

學習過中學物理的都知道，電與磁之間的作用是密不可分的；目前為止，大部分電子產品也都與「電流磁效應」（即安培定律，Ampère’s law）或「電磁感應」（即法拉第電磁感應定律，Faraday’s law of electromagnetic induction）有著密切關聯。

比如搭乘捷運或者公車時，「悠遊卡」內部的線圈就運用了電磁感應的原理，產生的電流將資訊傳輸至讀卡機；「電風扇」的馬達則透過電流磁效應將電力轉為磁力、再轉為機械能帶動扇葉；「麥克風」運用的則是透過聲波振動磁場、藉由電磁感應產生電流、再透過電流磁效應傳遞到揚聲器。由此可知，工業革命與量子力學的發展將我們帶到了「電力的時代」，而磁力似乎一直是電力的副產物。

而電腦硬碟也是如此，磁碟由磁性材料組成，需要用到線圈產生磁場、改變磁性材料的磁場方向；而透過讀寫頭可以感測、改變磁性材料的磁極，從而達成資料的讀寫。和上一段例子稍微不一樣的點在於：硬碟、磁碟的原理和材料「本身的」磁性有關，而非純粹基於電與磁之間的作用。雖然硬碟透過磁場的改變而達到讀寫資料的目的，但這是相當耗能、耗時的；相比之下，電能對我們而言容易操控得多。如果我們能開發出一種僅僅用「電場」就能改變記憶本身的磁性，那麼，這將在資訊儲存的領域造成革命性的進展。這就進一步帶入這次的主題——「磁電效應」(magnetoelectric effect, ME)。

磁電效應的產生機制

不同於宏觀的電磁效應，「磁電效應」通常與物質本身的微觀結構有關。磁電效應的機制取決於晶體本身的對稱性 （symmetry），舉例來說，線性磁電效應的產生必須滿足時間反演對稱性 （time-reversal symmetry）被打破的條件。首先，時間反演對稱性聽起來有些奇妙，但它的概念相當直白：物體在順著時間流以及倒轉的畫面是相同且無法區辨的；數學上來說，代入 t → -t，如果得出的結果依然是一樣的就說明了系統是具有時間反演對稱性的。

電流的磁效應就是一個反例：設想一個電路迴圈，逆時針的電流產生出向上的磁場（右手定則）。現在讓我們「倒帶」這段影像：你會發現磁場先消失、電流再變成順時針環繞；然而，順時針的電流「理應」產生向下的磁場，但在倒帶的影像中並非如此——這便是時間反演對稱性的打破。

凝態物理中最常見的例子之一就是鐵磁體 （ferromagnet）：想像一塊純鐵，在施加磁場後，其內分子的磁矩方向會順著磁場方向排列一致，也就是被「磁化」；然而，如果將畫面倒轉，會發現磁矩方向回歸不規律、接著磁場消失，但在物理上，你無法透過「去磁化」而關閉磁場；反之，即使關閉了磁場、磁化也依舊不因此而消失。換言之，鐵磁體打破了時間反演對稱性。

而磁電效應的產生通常要求磁性同時打破時間反演對稱性與鏡像對稱性 (mirror symmetry)，也就是在鏡中世界的物理必須符合邏輯。在某些情況下（比如螺旋擺線形的指向），磁性會打破鏡像對稱性，造成了電極化（施加電場後，電介質內部的正負電荷會朝特定方向排列）。

這些看似尋常的對稱性往往是物理現象背後的推手，在數十年來場論的發展中，物理學家逐一發現：當我們從一些物理現象（比如電與磁）抽絲剝繭，會發現背後是繁複的數學方程式，而彼此之間蘊藏著不少「對稱性」聯繫著；從微觀以及數學的角度來說，正是因為某些對稱性的破缺，導致了一些物理現象的產生——磁電效應便是如此。

在統計力學與量子場論中，描述系統能量性質的哈密頓量（Hamiltonian）取決於格點（lattices），對於磁力而言，若我們改變了格點的形態，磁能也可能會降低，在這過程中，電極化便可能因此產生；而像這樣微觀層面上造成電與磁的「耦合」（coupling，通俗的說法就是交互作用），便是「磁電效應」的根源。

因此，我們可以這樣概括：

磁電效應的產生肇始於微觀尺度下的對稱性破缺，因此，磁電效應並非無所不在，通常僅出現於擁有特定對稱性的晶體。

舉例而言，三氧化二鉻（Cr₂O₃）就是最早一批被證實有磁電效應存在的晶體。

單分子磁體 — — 量子產業的結合

在近年來的研究中，單分子磁體（single-molecule magents，SMM）的發現掀起了不少科學家競相研究。顧名思義，單分子磁體指的是帶有特定「磁性」的「分子」；更精確的說，是指擁有「超順磁性」（superparamagnetism）的分子結構，意味著在特定溫度下，一些具有磁性的顆粒將不易受外界磁場影響，以至於磁化性質近似於順磁體。當然，並不是所有分子化合物都可以作為單分子磁體，一般來說，它們通常都是含有「金屬」原子的「有機化合物」，例如最早被發現的 [Mn₁₂O₁₂(OAc)₁₆(H₂O)₄]（簡稱Mn₁₂）。

由於單分子磁體扮演著類似於「奈米磁鐵」的角色，微小且具有磁性的特質，使它們可以被應用於磁鐵儲存體元件、或者量子位元 (qubits) ——相信不少人對於近年來相當熱門的「量子電腦」並不陌生，而作為這種電腦運算的基礎，單分子磁體本身的自旋性質以及磁存儲優勢，很可能改善現有的記憶容量，從而成為量子位元的候選者。

那麼，單分子磁體和磁電效應搭得上關聯嗎？筆者在 2023 年曾參與一項由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室 （Los Alamos National Laboratory）資助的研究計畫，其中便包含了對於單分子磁體「磁電效應」的研究，研究指出某些單分子磁體（比如 [Fe₃O(O₂CPh)₆(py)₃]ClO₄.py，簡稱 Fe₃ 聚合物）在特定溫度條件下可以產生磁電效應，我們可以透過建造穿隧二極振蕩器（tunnel-diode oscillator，TDO）等方式來探測磁化率 (magnetic susceptibility)，從而偵測磁電效應。值得注意的是，這項實驗也指出一項優勢：我們將能透過改變電場來實現磁電效應，而非像傳統硬碟技術那樣透過磁場改變電場特性。

磁電效應的未來與展望

磁電效應在近年來逐漸掀起學術界的研究熱潮，同時也陸續獲得業界的矚目。其中一個最有可能實現的願景，便是磁存儲技術的改善，因為我們將不用藉由磁碟上面的磁性材料與磁場來控制資料的存儲與讀寫；相比之下，電場比磁場容易操控些，磁電效應提供了一個新方案，只需透過一些特殊磁性物質（比如具有特定對稱性的晶體）、便能藉由電場改變晶體特性（諸如磁矩等等）。而對於晶體的候選者，單分子磁體具有相當的潛力，因為這類型的晶體很有可能延伸到量子位元的建構，從而在記憶存儲與量子電腦的同步開發下，帶動未來量子產業的發展。

21 世紀，更多前沿的技術不斷開展，無論是室溫超導等凝態物理的研究、或者是磁電效應與量子產業的結合，都向人們宣示著磁力時代的來臨。

參考文獻

• 加來道雄（2019）。2100 科技大未來：從現在到 2100 年，科技將如何改變我們的生活。時報出版
• M. Lewkowitz, J. Adams, N. S. Sullivan, Ping Wang, M. Shatruk, V. Zapf, and Ali Sirusi Arvij. (2023). Direct observation of electric field-induced magnetism in a molecular magnet. DOI: 10.1038/s41598–023–29840–1
• G. Christou, D. Gatteschi, D. N. Hendrickson, and R. Sessoli. Single-Molecule Magnets. (2000). DOI: https://doi.org/10.1557/mrs2000.226