蝴蝶效應｜科學史上的今天：12/29

本文由 新萃 Nutri Source 委託，泛科學企劃執行。

你有發現家裡的狗狗經常舔自己四肢，或是身上出現不明紅疹？當心這可能是過敏反應。寵物和人類一樣，也會有過敏反應，過敏可依照「來源」分為三種：吸入性過敏、接觸性過敏和食物性過敏。

不管是哪一種過敏反應，在人的身上都比較容易發現和排除。但狗狗的過敏卻很難處理，如果是接觸性或吸入性過敏，即使你把家裡打掃得很乾淨，還是無法排除帶狗出去散步時可能接觸到的環境過敏原。因此，對飼主來說，最容易控制的是食物性過敏。

食物性過敏是怎麼發生的呢？其實，「食物過敏」這個詞並不太準確。正確的臨床醫學用詞是「食物不良反應」（Adverse Food Reaction, 簡稱AFR）（Jackson, H. , 2009），指的是吃下食物後身體產生各種不良反應。並進一步分為食物過敏（Food Allergy）和食物不耐受（Food Intolerances）兩種。

如果你看過動漫作品《工作細胞》，你就會知道過敏其實只是免疫系統對特定成分產生的過度反應，因此全名為「過分敏感」；而食物不耐受則並非免疫性反應，而是消化系統無法代謝或對該生物體有毒，例如狗不能吃洋蔥或巧克力，否則會致死等等。

由於寵物沒有選擇權，只能吃飼主提供的食物，如果飼料中恰好有會造成牠 AFR 的成分，就可能產生各種症狀。除了腸胃發炎和拉肚子外，最明顯的外在症狀就是皮膚問題，包括搔癢、脫毛和紅疹等。後者容易被誤判為皮膚性疾病，讓許多飼主狂跑獸醫院的同時，獸醫也難以對症下藥。

雖然曾有研究透過讓醫師用血液或唾液是否檢測出 IgE 抗體來判斷狗是否過敏（Ermel, R et al.,1997），但最新的研究卻發現，無論使用無論血清的 IgE 抗原或是唾液裡的 IgM 或 IgA 抗原都無法有效檢測出狗狗的過敏來源（Udraite Vovk Let al., 2019 & Lam ATH et al., 2019），甚至會造成偽陽性誤判。因此，目前學界公認唯一能識別食物過敏原的方法就是「食物排除法」（Food Elimination Method）。

食物排除法的原理相當簡單粗暴，類似我們過去在學校做的實驗一樣，抓出「控制組與對照組」。首先，將狗狗的食物換成牠沒吃過、單一來源且易消化的高蛋白質或水解蛋白質；同時嚴格限制牠對其他食物接觸，包括其他人餵食或路上亂吃等可能性都要注意，此為「對照組」，如此持續 8～12 週，觀察皮膚是否有改善。如果確實有改善，那就證明了確實是 AFR 而非皮膚病。

下一步我們可以進行「食物挑戰」，在每餐食物中逐一嘗試可能的過敏原（例如常見的牛肉、雞蛋等），有如「控制組」，等到症狀又出現，就可以確認哪種食物成分是過敏原，未來就可以在飼料中排除，讓狗狗健康快樂地成長。

這個方法需要飼主的大力配合和耐心紀錄，不僅要在漫長的試驗期，更需要在控制期一一排除所有不可能之後，才能找到答案。而其中最困難的部分，也是實驗的基礎可能是第一步：「提供狗狗牠從未吃過，且肉品單一的蛋白質」，這點對多數飼主來說幾乎是不可能的任務，因為大部分的寵物飼料成分都很複雜。不要說狗狗了，搞不好你連自己沒吃過什麼恐怕都不知道。

那該怎麼進行食物排除法呢？別擔心，沒有找不到的肉品，只有勇敢的狗狗。市面上已經有了針對過敏狗狗的低敏飼料，新萃推出了一系列低敏肉，包含單一肉種的袋鼠肉、鹿肉以及野豬等相比牛豬羊等較不容易取得的肉類，是進行食物排除法第一步測試的首選。

此外，新萃牌無論哪種飼料都有美國專利 Good 4 Life® 奧特奇專利保健元素，能促進飼料中的營養都被狗狗完整吸收。不僅過敏的狗狗能吃，有消化不良症的狗狗也適用。

• 新萃產品說明

參考資料

1. Thus for the purpose of this discussion, although the term food allergy is used throughout, it should be recognized that this term is a presumptive clinical diagnosis and adverse food reaction is a more accurate term for these canine cases. – Consensus
2. Jackson, H. (2009). Food allergy in dogs – clinical signs and diagnosis.. Companion Animal Practice.
3. Assessment of the clinical accuracy of serum and saliva assays for identification of adverse food reaction in dogs without clinical signs of disease – PubMed (nih.gov)
4. Lam ATH, Johnson LN, Heinze CR. Assessment of the clinical accuracy of serum and saliva assays for identification of adverse food reaction in dogs without clinical signs of disease. J Am Vet Med Assoc. 2019 Oct 1;255(7):812-816. doi: 10.2460/javma.255.7.812. PMID: 31517577.
5. Direct mucosal challenge with food extracts confirmed the clinical and immunologic evidence of food allergy in these immunized dogs and suggests the usefulness of the atopic dog as a model for food allergy. – Consensus
6. Ermel, R., Kock, M., Griffey, S., Reinhart, G., & Frick, O. (1997). The atopic dog: a model for food allergy.. Laboratory animal science.
7. https://www.moreson.com.tw/moreson/blog-detail/furkid-knowledge/pet-knowledge/dog-food-allergen-TOP10/
8. 狗狗因為食物過敏而搔癢不舒服，為什麼做「過敏原檢測」沒什麼用？
9. 【獸醫診間小教室】狗狗皮膚搔癢難改善？小心食物過敏！ – 汪喵星球 (dogcatstar.com)
10. 寵物知識+／毛孩對什麼食物過敏？獸醫：驗血完全不準！診斷法只有一個 | 動物星球 | 生活 | 聯合新聞網 (udn.com)
11. Is there a gold-standard test for adverse food reactions? – Veterinary Practice News

• 作者／劉詠鯤

本文轉載自 CASE 報科學 《千變萬化的流體（三）：哥吉拉雲—流體的不穩定性》

海岸邊的雲層上緣，出現一隻隻如同哥吉拉形狀的雲；原子彈投下後，劇烈爆炸引起的蕈狀雲；土星大氣層內形狀獨特的雲帶……等。這些看似毫無相關的現象，背後其實成因都可以歸納為：流體中的不穩定性。

2020 年在青森縣的海邊，有網友分享了一張雲朵彷彿在進行「哥吉拉大遊行」的照片（圖一左上）；也有飛行員在雲層上分享過類似的照片（圖一右上）；除此之外，天文學家在土星的大氣層也觀察到相似形狀的雲層（圖一下）。這些「哥吉拉」的行動力竟然如此之高，不只在地球上出現，連土星上都有。這是否暗示它們背後其實具有相同的形成機制呢？

在＜千變萬化的流體（一）＞一文中，我們介紹了流體流動的狀態主要可以分成兩種：層流與紊流。層流狀態的流體十分穩定，它可以被視為一層一層獨立的流動來討論；相對的，紊流如同它的名字所表示，流體內部的流動較為混亂，不同層之間的流體會互相混合、影響。而決定是層流還是紊流的關鍵因素便是「不穩定性」^[1]。

在描述天氣系統為甚麼難以預測時，常常會提到「蝴蝶效應」這個小故事：位在大西洋的颶風，其成因可能只是在亞馬遜森林裡面一隻蝴蝶煽動了翅膀，這個初始的小擾動，隨著時間演變，最終形成尺度龐大的結構。不穩定性在流體中扮演的角色也十分相似。起初流體內部隨機的產生十分微小的擾動，若整個流體的不穩定性足夠大，微小的擾動便有機會繼續成長，直到對整個流體都造成影響。流體中具有各式各樣的不穩定性，在本篇文章中，我們將會介紹與哥吉拉雲還有蕈狀雲有關的兩種不穩定性：克耳文-亥姆霍茲不穩定性以及瑞利-泰勒不穩定性。

克耳文-亥姆霍茲不穩定性：哥吉拉雲

這個不穩定性得名於兩位對此現象進行研究的物理學家：發明絕對溫標的克耳文爵士，以及對聲學共振系統做出系統性研究的亥姆霍茲（在＜香檳聲音哪裡來？＞一文中，他曾經登場過）。這個不穩定性發生的條件是：兩層流體之間具有相對速度。

請搭配圖二，讓我們一起來理解這個不穩定性是如何產生哥吉拉雲的。假設有兩層流體，分別向左與向右運動。當它們彼此完美平行時，一切無事，如圖二（a）。但這個狀態其實並不穩定，任何的擾動，都可能會破壞這個完美狀態。例如，流體中形成了如圖二（b）的擾動，接下來流體的運動會如何變化呢？

對於淺藍流體來說，A 點的體積較原本略小，因此流動速度較大，如同澆花時，將水管捏住（管徑縮小），水可以噴得更遠。此外，流速較快也會使得 A 點的壓力減小；但對於紅色流體來說，A 點的壓力反而會增大。如此會導致流體內部的壓力分佈形成圖二（c）。兩種流體之間的壓力差，會進一步使擾動長大，如圖二（d）。最後，由於流體本身橫向的速度，使擾動在橫向上出現變形，如圖二（e）。如此一來，哥吉拉形狀是不是就出現了呢？

瑞利-泰勒不穩定性：核爆蘑菇雲

接下來，讓我們來看另一種在生活中沒那麼常見，但是看過就很難忘記的不穩定性現象：核爆產生的蘑菇雲。這種現象的成因，是來自於瑞利-泰勒不穩定性，它會發生於密度較大的流體壓在密度小的流體之上時。核彈爆發會在極短時間內釋放出極大熱量，將爆炸中心的空氣瞬間加溫。我們知道，氣體的溫度越高，密度越低，因此在爆炸中心，會瞬間形成大量的低密度空氣。

讓我們用簡單的模型來看看，這種不穩定性是如何造成蘑菇雲的。圖三（a）中有兩種流體，密度較高的在上，此時整個流體系統處於不穩定態，只要有一點擾動 ，如圖三（b） ，不穩定性就會使擾動擴大。由於密度差異，重力使得密度小的流體上升，密度大的下降，使不穩定度振幅逐漸增大。此外，由於壓力差與密度差的方向並不平行，會導致流體的邊界形成渦旋，如圖三（c）。以上這些效應疊加在一起後^[2]，流體邊界處便會逐漸形成如蘑菇狀的特徵，如圖三（d）。

以上兩種流體不穩定性，其實在我們生活中也存在，例如：點燃的線香。由於線香燃燒處的溫度上升，空氣密度下降，此時就滿足瑞利-泰勒不穩定性的條件；當熱空氣上升時，和兩側靜止的空氣有一相對速度，也滿足了克爾文-亥姆霍茲不穩定性條件。只是由於規模較小，發生速度較快，肉眼未必可以清楚的看到如前文中提到的明顯特徵。儘管如此，各位讀者在了解這些不穩定性之後，若是試著觀察看看生活中的各種流體，也許也能找到隱藏起來的「蕈狀雲」喔！

註解

[1] 更詳盡的說明可以參考 CASE＜上下顛倒漂浮船＞一文
[2] 實際上，形成蘑菇狀構造還與流體在三維條件下的非線性效應有關，數學模型較為複雜，此處只是簡單概述其成因。

參考資料

1. Kelvin–Helmholtz instability
2. Rayleigh–Taylor instability
3. “Single mode hydrodynamic instabilities” draft from Hideaki Takabe.

1972年的今天，美國科學促進會 (AAAS) 舉辦的第139屆年會上，氣象學家勞倫茲博士 (Edward N. Lorenz, 1917－2008) 準備上台發表他的研究發現。其實他要報告的內容早在1963年就已經發表在一份氣象學期刊上了，但顯然數學家與物理學家們並不會讀這類冷門的期刊，所以並未引起注意。其實他的重大發現完全是個意外，他也差一點讓它溜掉了……。

那是1961年的一個冬日，麻省理工學院校園罩著一層薄霧，勞倫茲在他的研究室看著窗外的天空。低低的雲層緩緩移動，他看到的卻是背後推動的氣流；在他眼中，它們化成一段段線條與數字，就像角落裡那臺電腦正在做的……。

當然，這臺靠真空管運作、記憶容量有限的機器不可能模擬真實的大氣，但自小對天氣的變幻莫測感到著迷的勞倫茲還是期望能捕捉到變化的形態，為天氣預報更找出更科學的方法，而不是依賴預報員的經驗與直覺。

印表機不斷吐出他的程式運算出來的數字，每個數字都代表某個時間點的天氣，然後這個數值會再自動輸入程式，用來計算下一刻的天氣，如此一直遞迴下去。突然機器停了下來，一定又是電腦裏哪顆真空管燒壞了！勞倫茲無奈地修好電腦後，看著紙條上長長的數列，實在不想從頭再來，於是他從中間選了個數字當作初始值輸入電腦，讓程式去跑，然後下樓去喝杯咖啡放鬆一下。

一小時後他回來檢查紙條，赫然發現第二次跑出來的結果竟然與原來的數列截然不同！同樣的程式、同樣的輸入值，照說應該完全複製之前的結果啊？勞倫茲再三檢查後終於發現問題所在：紙條上印出來的數字──也就是他剛剛輸入的──只到小數點後三位，而電腦記憶體貯存的卻是到後六位。但何以不到千分之一的誤差竟會迅速造成南轅北轍的結果？這就像兩次瞄準角度只差0.5度，子彈卻一次向前飛、一次向後飛，簡直不可思議！

結果勞倫茲這個無心的發現開啟了一門全新的科學──混沌 (Chaos) 。這是一種衍生自簡單的規則，但對於初始條件極為敏感，以致差之毫釐卻失之千里的系統；表象看似不斷自我摹仿卻又永不重覆。

勞倫茲上了講台，幻燈片打出演講的題目：「一隻蝴蝶在巴西輕拍翅膀，會在德州引起龍捲風嗎？」這場極具啟發性的演講結束後，他1963年那篇論文被重新挖掘出來，成為所有混沌理論論文中被引用次數最多的。科學家陸續發現除了天氣，洋流也是混沌系統，還有生態、心跳、血管，就連人為的股市都是用混沌理論。事實上原子以上，宇宙以下的人類尺度充斥著混沌現象。而「蝴蝶效應」就此成為混沌的代名詞，滲入大眾文化歷久不衰，人人不管懂不懂都能琅琅上口。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

國小高年級科普文，素養閱讀就從今天就開始!!

1993 年科幻經典電影《侏羅紀公園》（Jurassic Park）爆紅，炒熱了許多科學話題，例如基因工程、恐龍 DNA 的取得，還有暴龍的奔跑速度、以及恐龍是否為恆溫動物和有視覺行為等等。片中雖然只是簡單一提，卻已引起世人矚目的是，黑衣神經質數學家所解說的「蝴蝶效應」，說什麼一隻蝴蝶在北京拍動翅膀，可能在地球另一端的紐約掀起風暴。

這就是混沌理論的蝴蝶效應，指在一個動態系統中，初始條件下微小的變化能帶動整個系統的長期的巨大的連鎖反應。後來在 2004 年上映的一部科幻電影就是《蝴蝶效應》（The Butterfly Effect），影片裡原先看似無關緊要的小變化，到最後可能會導致起初無法預期的後果。

要知道混沌理論是啥咪碗糕嗎？《混沌：不測風雲的背後》（Chaos: Making a New Science）是本必讀經典好書。《混沌》是天下文化的第一本科普書，也是台灣第一本科普暢銷書。這本好書開啟了科學人文系列科普的的濫觴，間接造就了科普書的黃金時代。

《混沌》的原文版在 1987 年出版，四年後臺灣出版了繁體中文版，今年再出第三版，轉眼就過了 25 年，我也從高中生歷經大學生、研究生、博士後到新進助理教授。雖然在這廿幾年來，混沌理論有了新發展，可是這本 25 年前出版的《混沌》，迄今仍是理解這門學問的誕生不可式缺的必讀讀物，是歷久不衰的經典。

雖然已經過了廿幾年了，我還忘不了當初在馬來西亞，一個高中生在書展中邂逅這本書的感動。在馬來西亞的一個小鎮，沒有像樣的書店，我們只有在中華商會辦的小書展中，才偶爾能找到新出版的好書。想當年，我們在馬來西亞吃頓飯，只要台幣十幾塊，一本台灣出版的新書，要我們至少廿幾頓飯的飯錢（想像一下要一個台灣高中生花一千多塊錢買本科普書吧）。

記得當年在峇株巴轄的中華商會的小書展，展出了天下文化科學人文的其他書籍，我幾乎放學有空就去逛。逛了幾次，存夠了錢想買本書，也只買得起一本，那就是《混沌》了。後來還是有空就去書展，天天翻其他書，可是翻來翻去，還是買不起其他書了。《混沌》是我第一本科普書，有陣子也是唯一一本吧。

一個高中生，怎麼可能懂得和混沌理論有關的高深數學？更何況我的數學還不太好，一個馬來西亞小鎮成績不太好的高中生，能有多少科學素養？

然而，《混沌》這本書，最神奇之處就在於，作者葛雷易克（James Gleick）的寫作功力實在太深厚了，《混沌》就是讓我看得津津有味。我很慶幸，第一本讀的科普書是《混沌》，讓我對科學的世界，嚮往得不得了，所以願意歷經艱辛投身科學事業。

過了十幾年，我終於到了美國深造，在唸博士班時，在狀況外就選修了門「族群生物的數學模式」課，一開始就被微分方程等嚇到了，撐到學期中，老師連混沌方程式都端上來了，當時才知道混沌理論在生態學上有廣泛的應用。簡單來說，許多生物族群在數量上的變動，有些條件些微的改變，會造成很巨大的不同結果，也是典型的非線性系統。

《混沌》這本好書，裡頭並沒有太多嚇人的數學方程式，在飛機上讀，不會像賓州大學經濟學教授因為在機上寫微積分，被乘客誤認為那些難以辨認的文字是恐怖活動暗號，被安檢人員約談而導致班機延誤。因為書中沒有多少奇怪的數學符號，不過倒是有很多碎形幾何的有趣圖案，如果那也能被誤認，那就乖乖上報宣傳一下《混沌》這本開啟科普書黃金時代的好書吧。

《混沌》主要要談的，其實是一群科學家的故事。

這群科學家，大多深居簡出，埋首在實驗室裡進行研究，意外發現了許多非線性系統的現象。在典範轉移前，他們的發現未必被科學社群認可，有些甚至被誤認為異端邪說。例如最早期在應用計算機時，非線性系統中初始條件微小的改變造成很不一樣的結果，大部分科學家都可能認為是程式有誤吧，只有少數敏銳的科學家鍥而不捨、排除萬難地對異例追根究底，才發現混沌的有趣世界，然後才產生了典範轉移，改變了我們對世界的認識。

天有不測風雲，難道預測天氣比把人送上月球難嗎？

過去科學家一直以為只要收集到了足夠多的數據，就能精準地預測，可是混沌理論讓我們瞭解到原來參數的微小差異，就有天翻地覆的結果。除了大氣科學，混沌理論也廣泛地應用在許多自然學科中，包括數學、生物學、資訊科學、經濟學、工程學、金融學、哲學、物理學、政治學、人口學、心理學和機器人學等等。

除了著名的蝴蝶效應，混沌理論中，另一個能讓門外漢著迷的是，《混沌》書中彩頁的曼德博集合。那是一門所謂的「碎形幾何」，其定義是：「一個粗糙或零碎的幾何形狀，可以分成數個部分，且每一部分都（至少近似地）是整體縮小後的形狀」，看起來很抽象吧？簡單來說，就是自然界中，有些東西有精巧的形狀，可是仔細瞧瞧，那些形狀是一直重複的，例如雪花。

「碎形幾何」革命性地讓我們對許多生物現象有了進一步的理解，例如蕨類植物的葉子，還有我們身體裡的血管、神經、氣管、腎小管等等的構造，都有其「碎形幾何」的道理在。

我的一項主要研究工作，是探討羽毛多樣性的遺傳基礎，羽毛也是個碎形構造，有羽軸加羽支，羽支和小羽支又重複相似結構，小羽毛和羽小鉤又再重複。血管、神經、氣管、腎小管、羽毛的碎形構造，讓有限的基因就能控制這些器官複雜的網路，計多基因也可以一再被用在構建不同器官上。

「碎形幾何」除了重複性，還有其他有趣現象，例如維度可以非正數，還可以有分數，例如 1.2618 等等，創造「碎形」一詞的數學家本華．曼德博（Benoît B. Mandelbrot, 1924-2010）在 1967 年的經典論文〈英國的海岸線有多長？〉現在還有人提出來讓學生思考討論。

混沌理論當然不只是有蝴蝶效應和碎形幾何，還有許許多多有趣的現象和模型。《混沌》把混沌理論的發展過程，用很平易近人的方式為大眾述說。據說有些非理工科系出身的朋友，對科學發展過程的認識就是來自這本《混沌》。

如果你當年跟我一樣拜讀過《混沌》，現在是個好時機再拜讀一次，重溫多年前神遊探索科學新邊疆的熱情，如果你沒有讀過《混沌》，也還是歡迎來讀這本經典，體驗科學家探索未知世界的樂趣。

本文原刊登於故事「說書 Speaking Of Books」。