地球的氣息從哪裡吹來？在《超凡地球》上，生命與非生命的絕妙互動

• 作者／賴昭正｜前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒，那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬．霍金（Stephen Hawking）　英國理論物理學家

大約在八十年前，當第一台數位計算機出現時，一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧；但七十年後，還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」（Artificial Intelligent，簡稱 AI）的能力最近十年突然起飛，在許多（所有？）領域的測試中擊敗了人類，正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元（graphic process unit，簡稱 GPU）是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia（英偉達）股票從每股不到 $5，上升到今天（5 月 24 日）每股超過 $1000（註一）的全世界第三大公司，其創辦人（之一）兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳（Jenson Huang）也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人！可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎？到底是時勢造英雄，還是英雄造時勢？

在回答這問題之前，筆者得先聲明筆者不是學電腦的，因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事，不是我們外行人需要了解的；但作為一位現在的知識分子或公民，了解基本原理則是必備的條件：例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析，即可判斷永動機是騙人的；又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上，它們不用往室外排廢熱氣，就可以提供屋內冷氣，讀者買嗎？

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」（central process unit，簡稱 CPU）。CPU 是電腦的「腦」，其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務，如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作；但為了簡單化，我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作（arithmetic and logic unit，簡稱 ALU），如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下，CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時，CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後，CPU 開始顯示心有餘而力不足：例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素（pixel），每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年，英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定／裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」（註二）定位為「世界上第一款 GPU」，「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU，GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作，快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢？因每一時刻只能做一件事，所以其步驟為：

• 計算 7×5；
• 計算 6/3；
• 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢？很多工作便可以同時（平行）進行：

• 同時計算 7×5 及 6/3；
• 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間，但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢？單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間（16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間），而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間（1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間）！

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了，如何將它擺正成右圖呢？ 一句話：「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點（座標 x, y）組成的，所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了：每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算！如果每一運算需要 10^-6 秒，那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉，便需要 6 秒，這豈是電動玩具畫面變化所能接受的？

人類的許多發明都是基於需要的關係，因此電腦硬件設計家便開始思考：這些點轉換都是獨立的，為什麼我們不讓它們同時進行（平行運算，parallel processing）呢？於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 10⁶ 運算，那上圖的轉換只需 10^-6 秒鐘！

GPU 的興起

GPU 可分成兩種：

• 整合式圖形「卡」（integrated graphics）是內建於 CPU 中的 GPU，所以不是插卡，它與 CPU 共享系統記憶體，沒有單獨的記憶體組來儲存圖形／視訊，主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上；早期英特爾（Intel）因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤，在這方面的研發佔領先的地位，約佔 68% 的市場。
• 獨立顯示卡（discrete graphics）有不與 CPU 共享的自己專用內存；由於與處理器晶片分離，它會消耗更多電量並產生大量熱量；然而，也正是因為有自己的記憶體來源和電源，它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年，英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後，科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化，在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效，因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理，不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化，也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬（註三）等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分，正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲，遠遠落在英偉達（80%）及超微半導體公司（Advance Micro Devices Inc.，19%，註四）之後，大約只有 1% 的市場。

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」，而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心（core）單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心，因此其核心功能不如 CPU 核心強大，但它們能同時高速執行大量相同的指令，在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心；GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書，不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等，也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺，它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是：嘴巴在講，腦筋思考已經不知往前跑了多少公里，常常為了追趕而越講越快，將不少學生拋到腦後！這不表示筆者聰明，因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技，因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣（matrix）的讀者應該知道，如果用矩陣和向量（vector）表達，上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的（註五）。而矩陣和向量計算正是機器學習（machine learning）演算法的基礎！也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在！因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石：它們的架構就是充分利用並行處理，來快速執行多個操作，進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」（deep learning）。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂：「下一次工業革命已經開始了：企業界和各國正與英偉達合作，將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升，幫助企業降低成本和提高能源效率，同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子：下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後，讀者是不是認為筆者該退休了？

GPU（圖形處理單元）和 AI（人工智慧）之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力，特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步，使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率，使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐，而且使其更具成本效益，因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展，GPU 的角色可能會變得更加不可或缺，推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標，這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作，使我們能夠執行複雜的任務，例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外，研究表明，與非人類動物相比，人類大腦具有更多平行通路，這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上，一邊聽音樂一邊做飯，或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技，因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵：透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

（註一）當讀者看到此篇文章時，其股票已一股換十股，現在每一股約在 $100 左右。

（註二）組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」（GeForce 256）插卡吧?

（註三）筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時，就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士（fellow）」Enrico Clementi 的團隊：因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層，我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦（非 IBM 品牌！）與一大型電腦連接來做平行運算，進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

（註四）補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商：英偉達及 ATI（Array Technology Inc.）。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立，2006 年被超微半導體公司收購，品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐（Lisa Tzwu-Fang Su）博士為執行長後，股票從每股 $4 左右，上升到今天每股超過 $160，其市值已經是英特爾的兩倍，完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色，正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題：超微半導體公司現任總裁（兼 AI 策略負責人）為出生於台北的彭明博（Victor Peng）；與黃仁勳及蘇姿豐一樣，也是小時候就隨父母親移居到美國。

（註五）或。

延伸閱讀

• 「熱力學與能源利用」，《科學月刊》，1982 年 3 月號；收集於《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017 年 12 月出版），轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
• 「網路安全技術與比特幣」，《科學月刊》，2020 年 11 月號；轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。

公元 1823 年華勒斯在英國誕生，於 1913 年以 90 歲高壽去世，今年 2023 年是他誕生 200 年。我們懷念他是因為，他曾經和達爾文聯名發表演化觀點，以及提出解釋東南亞海島間生物分佈差異的「華勒斯線」。

Alfred Russel Wallace 在台灣常翻譯為華萊士，不過如威廉華勒斯等等 Wallace 都翻譯作華勒斯，本文就統一作華勒斯。

達爾文會提出演化論，深受他知名的小獵犬號之行影響。華勒斯的東南亞考察也給予他不少啟示，一如達爾文的加拉巴哥群島等地；然而在此之前，華勒斯已經在亞馬遜有 4 年經歷。為了紀念華勒斯兩百歲生辰，Nature 期刊 2023 年初刊登兩篇文章，緬懷他的亞馬遜之旅。

與強者朋友一起前進亞馬遜，然後分道揚鑣

和前輩達爾文相比，華勒斯的家境普通，也沒有受過正規的學術研究訓練。所幸身處文化發達的大英帝國，有志青年仍有不少學習和出人頭地的機會。何況他爸爸是學過法律的自耕農，文化資本其實不算低。

成年後喜歡生物的華勒斯在 1844 年，21 歲之際遇見小他 2 歲的貝茲（Henry Walter Bates），兩人志同道合；華勒斯也從一般愛好者，升級為有系統的標本搜集者，可謂一隻腳踏入研究領域的門檻。

1848 年，華勒斯 25 歲之際與貝茲一同航向大西洋對岸的亞馬遜。不過兩人大部分時候分開行動，貝茲在亞馬遜南部，華勒斯在北部的尼格羅河（Rio Negro）一帶。

華勒斯年輕時在談笑無鴻儒，往來皆白丁的階段，我猜朋友大概不會只有貝茲一位。不過貝茲後來提出的貝氏擬態（Batesian mimicry）沿用至今，可謂華勒斯的強者我朋友，事後諸葛的我們建構歷史敘事時，也就津津樂道兩人的友誼。

英國病人碰上船難，買保險很重要！

離家萬里的華勒斯，依然透過經紀人與國內保持聯繫，郵寄異鄉產品回英國賺錢。在亞馬遜待了 4 年後他決定返鄉，期間一直被疾病威脅生命，可謂現實意義上的英國病人（The English Patient）。

最慘的是他弟弟 1849 年遠渡重洋來照顧他，卻自己也感染黃熱病，返國途中不幸病逝。而華勒斯要等到幾個月後才收到消息。

1852 年華勒斯搭乘海倫號（Helen）貨船返國，沒想到出海三個星期後火燒船，使他漂浮在大西洋海面上，眼睜睜看著攜帶的行李大多損毀。最後他耗費 80 天返回英國，比起與貝茲的去程 29 天漫長得多。好在經紀人有買保險，讓華勒斯獲得部分補償，不至於血本無歸。

回到英國的華勒斯將近 30 歲，闖出一些名號，卻沒有受到太多重視。所幸保住生命加上幾年累積的知識，賦予他東山再起的契機。1854 年他得到前往東南亞的機會，1858 年 35 歲時就和達爾文聯名發表歷史巨作。

從亞馬遜參透生命的奧秘：生物地理學

華勒斯僅管在亞馬遜一直生病，也淬煉出不侷限於觀察的科學眼光，從船難撿回一條命回到英國後，展露學術鋒芒。1852 年 12 月 14 日，他在倫敦的動物學會發表研究亞馬遜猴子的論文，主張亞馬遜各地的猴子款式，受到大河形成的地理障礙強烈影響。

當時華勒斯受到一些批判，後來證明他的論點無誤，而且是生態分佈的普遍現象。現在我們知道更多：亞馬遜的河道歷史上改道多次，導致生物的分佈範圍持續變化。

用現代標準看，前往亞馬遜考察的 4 年差不多等同華勒斯的博士班修行，回國後發表的報告則是他的博士論文。這篇博士級論文中還觸及一個要點，所謂的「亞馬遜雨林」內部其實差異不小，他是首先有意識提及此事的研究者。

華勒斯觀察到亞馬遜的不同地區，物種組成不太一樣。他劃分 4 大區域：幾內亞、厄瓜多、秘魯、巴西，由其間的亞馬遜河、尼格羅河、馬德拉河（Madeira）這些大河分割出不同地區的地理障礙。如今所知更多，還可以切得更細。

具體是觀察到有幾條河分割出幾塊地，超乎其上普世性的生物學道理是，由於地理環境的阻隔，各地會形成不同的「特有種（endemism）」。華勒斯領悟地理障礙會影響生物分佈，可謂生物地理學的先驅。

自學成才的英國洞觀者

現在的人可能覺得上述觀點都是些普通常識。可是華勒斯是在 1852 年提出，那時演化論尚未問世，跟他同齡的孟德爾，當時也尚未開始種植豌豆。

一百多年後的常識，首度問世時常常是驚天動地的新突破！

年輕的華勒斯沒有受過正規學術訓練，還是需要持續賣標本換錢的月光族，提出的研究成果竟有如此理論性。由此可知亞馬遜之行，確實讓華勒斯從所謂的集郵者，蛻變為具備洞察力的科學家。

法國詩人韓波（Arthur Rimbaud）認為，詩人必需是能看穿事物表面，有洞察力的洞觀者（voyant），我想這也是頂級科學家必需配備的能力，亞馬遜的神秘力量加持過後，華勒斯可謂成功通靈。

這類自學成才的科學家，當時英國不只華勒斯一位。以時代來說，那時的英國社會有點厲害。後來華勒斯沈迷於「唯靈論（spiritualism ）」就是另一個故事了……

• 延伸閱讀：加洛德的掙扎與偉大：不是不能兼行政，但還是最愛考古研究｜桃樂絲．加洛德(下)

華勒斯年輕的南美洲經歷，讓人聯想到更早將近一百年的洪堡（活到很老，1859 年 90 歲時去世）。身為晚輩，華勒斯讀過洪堡作品，他站在洪堡巨人的肩上，觸及到更高的思想境界。

許多人覺得遺憾，遺傳、演化並稱，但是孟德爾提出遺傳學法則後被埋沒超過 30 年，等到 1900 年代才重現於世，因此 1882 年去世的達爾文沒有機會知悉。這方面華勒斯比較幸運，他年紀比孟德爾小半歲，又一直活到 90 歲，有機會見證遺傳學的發揚光大。

燦爛之火多年以後依舊燃燒

多年在亞馬遜、東南亞走跳的華勒斯，有不少接觸原住民的機會。照文字紀錄看來，他年輕時的思想應該和同時期的普通英國人差距不大，沒有特別進步或反動；不過相比於同時代人，他更尊重在地知識，這也有助於他的成功。

亞馬遜的生物多樣性如今依然天下第一，世界卻變化不少。尼格羅河盆地的原住民，在華勒斯時代是被觀察者，類似實驗動物的角色，現在漸漸變成主動的研究者，他們用源自不同文化的手法探索自己的世界，成為現代知識體系的一份子。

然而，曾經啟發華勒斯的尼格羅河盆地，至今仍缺乏一流的研究機構，無法培育本土的研究人才，本地學子必需離鄉背井。科學從華勒斯到現代突飛猛進，仍有不少進步空間。

上圖是華勒斯描述為「黑暗中一團燦爛之火」的圭亞那動冠傘鳥（Guianan cock-of-the-rock ，學名 Rupicola rupicola），目前沒有滅團危機，依然在華勒斯探索過的雨林中飛翔。希望燦爛之火永不熄滅，但是不要變成失控的森林大火。

延伸閱讀

• 【逝世百年紀念】華萊士──不朽的科學與人文思想家（一）
• 【逝世百年紀念】華萊士──不朽的科學與人文思想家（二）
• 【逝世百年紀念】華萊士──不朽的科學與人文思想家（三）
• 【逝世百年紀念】華萊士──不朽的科學與人文思想家（四）
• 【逝世百年紀念】華萊士──不朽的科學與人文思想家（五）
• 【逝世百年紀念】華萊士──不朽的科學與人文思想家（六）
• 【逝世百年紀念】華萊士──不朽的科學與人文思想家（七）
• 孟德爾如何種豌豆種出了遺傳學？──《基因：人類最親密的歷史》
• 引起上古神獸「拉馬克 V.S. 居維葉」演化論戰的埃及木乃伊鳥
• 達爾文：不懂就不要隨便亂定義物種！

參考資料

1. Alfred Russel Wallace’s first expedition ended in flames
2. Escaping Darwin’s shadow: how Alfred Russel Wallace inspires Indigenous researchers
3. Evolution’s red-hot radical

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。

• 作者／前NASA太空任務科學家 李傑信

從南極巨大冰帽逃逸出來的大量氣體，在日夜劇烈溫差的牽動下，經常引起大規模的塵暴，情況嚴重時，可覆蓋火星全球，掩遮一切地表，就如「水手九號」初臨火星時一樣，塵暴肆虐，地表深藏，一兩個月後才得平息。

當火星塵埃滿天時，大氣吸熱能力增加，可提高火星大氣溫度攝氏 20～30 度。揚起灰塵的總量，有 7 億多立方公尺，可覆蓋火星全球地表 1/10 頭髮厚度。在地面望遠鏡觀測時代，常看到火星隔夜「山河變色」，都是因為塵暴攜帶大量灰塵所致。塵暴平息後，灰塵重新分布，大規模改變了地表顏色，面積有時可達半個美國大陸的大小。

塵暴的另一巨大功能，是對地表進行風蝕作用。「維京人號」登陸之時，科學家不但要憂慮高低不平的隕石坑，和經隕石撞擊而散落在各處的岩塊，還要憂慮火星亙古的風蝕作用，可能已把所有岩石揉成細沙，甚或流沙，可能會將登陸艇吞沒。

所以，當「維京人號」安全落地，發現腳下是堅實的土地，並還有許多大小不一的岩塊樣品留下時，對我們來說，是一個意外的驚喜。

「維京人一號」軌道衛星，在 1976 年為「維京人二號」登陸小艇尋找登陸地點時，在北半球攝得一張所謂「火星人面像」（Face on Mars，圖 6-1）。照片中央的人面約 1,500 公尺大小，太陽由左上方以20度角射入。其他各類散布的岩塊，都有明顯風化跡象。「火星人面像」可能就是由塵暴「雕塑」成的。

「火星人面像」公布後，引起「八卦族」密切關懷，認為是「火星人」的藝術作品，對美國航太總署不肯說「實話」公布「詳情」大表不滿，紛紛提出媒體控訴，熱鬧了好一陣子。

「火星人面像」被媒體炒作 30 年後，美國航太總署在 2007 年，特別以新一代「火星勘測軌道飛行器」(Mars Reconnaissance Orbiter, MRO) 上的「高解析度成像科學設備」(High Resolution Imaging Science Experiment, HiRISE)，取得一張解析度為 90 公分的高鑑別率照片（圖 6-2），秋毫畢露地呈現出「火星人面像」的確是由塵暴「雕塑」而成的礫丘。美國航太總署耐心地等候了 30 餘年的時間，認真處理了一般老百姓熱衷的火星八卦事件，「火星人面像」至此完全謝幕。

火星塵暴的確產生了大規模的風化作用，造成了包圍在北極四周的巨大沙漠和零星散布在各地的沙丘區 (sand dunes field)。比較起來，北半球受風蝕情況較為嚴重，沙礫常將隕石坑埋住，形成平坦的地表。南半球隕石坑滿布，銳利鮮明，似乎沒受到什麼塵暴的蹂躪，間或，一些構造特殊的沙丘零散其間。

1999 年 5 月 5 日，「火星全球勘測衛星」在赫歇爾隕石坑（Herschel Crater，南緯 15 度，西經 229 度）內東側，發現一類奇怪的沙丘（圖 6-3）。沙丘中夾雜著一些深刻的紋路 (grooved)，紋路中的沙子好像被強風吹走，沙丘表面猶如被膠水黏住，很像是水滲透沙丘後整體被凝固造成的效果，但真實原因仍不清楚。

基準面

火星沒有海洋，沒有海平面，地勢起伏以人為規定的基準面 (Datum Surface) 為準。基準面是火星地表大氣壓為 610.7 帕的高度，在這個氣壓下，水的沸點為攝氏 0 度。火星高地，氣壓比基準面低；火星盆地、窪地，氣壓則比基準面高，概念上與地球以一大氣壓（1.013×105 帕）為海平面高度類似。

宏觀上，火星南半球地勢比基準面高，尤其在南緯 25～75 度之間，可高出基準面 2.5 公里至 6.5 公里不等；相反地，北半球地勢低窪，平均在基準面下 2 公里多，唯有連綿 4,000 公里的塔西斯高地高出基準面有 5 公里之多。

但沒人知道火星的南、北兩半球地勢差形成的原因。

塔西斯高地，包括西北方的奧林帕斯山，組成了太陽系第一火山群奇觀。發育不良的火星可謂卯足了勁，噴出了太陽系最偉大的火山，爭取到人類對它的尊敬和讚嘆。

從塔西斯高地往東南方望過去，在赤道南邊，有一條 4,500 公里長、寬 250 公里、深 8 公里的水手號谷。在地球上，美國大峽谷長 450 公里、寬 25 公里、深 1.5 公里，可輕易裝入水手號谷支谷裡。東非大裂谷，長可略比，但寬、深不及。從火星軌道上觀看，水手號谷像是被刀子刮出一道深深的傷痕，中間寬，近圓形，兩邊以錐形向東、西方向射出。小個兒火星，又創出另一個太陽系奇觀。除搶眼的水手號谷和巨大的火山口外，圖 6-4上還有一條由南向北長達 4,000 多公里的凱西谷 (Kasei Valles)，構成塔西斯高地的東緣，如地球的長江大河，清晰可見，是火星上最大的一條乾涸河道。

雖然地質學家目前還搞不清楚塔西斯高地形成的原因，但水手號谷可能是它闖出的禍。原因是造高地需要材料，從地下吸，會引起在水手號谷處塌方。另一個理論認為，水手號谷是火星初期的板塊運動撕出的裂谷，但火星比地球小很多，散熱快，內部熔融的地函迅速凝固，板塊運動早已胎死腹中，未能繼續發展。

在多次去加州噴射推進實驗室出差期間，有一張奇特的水手號谷照片引起了作者極大的興趣。這是一張由東（南緯 12 度，西經 65 度）朝西向水手號谷中央（南緯 8 度，西經 75 度）望去，非常接近火星地表的俯瞰圖片（圖 6-5），谷壁結構清晰，支谷錯綜複雜，天地交接處，谷景開闊，氣勢磅礴。谷外地形平坦，隕石坑零星分布。這張照片有很多標題，作者最喜歡的是：「如身臨其境」(The next best thing to being there.)。

作者託同事打聽，找到了這張照片的作者，是當今在噴射推進實驗室工作的李佩芸，加州理工學院電腦博士，是一位傑出的電腦模擬科技領導人才。她和她的工作小組成員使用「維京人號」原始高空照片，在電腦上轉換成低角度俯視，並增加谷深 5 倍，共用了 842 百萬位元組。這些成果被美國地質觀測所 (U.S. Geological Survey, USGS) 採納，製成低空飛越水手號谷的錄影帶，供大眾觀賞。

「火星全球勘測衛星」於 1998 年 1 月 1 日傍晚，在繞火星第 80 圈時，攝得一幅鑑別率高達 6 公尺的水手號谷中一個小谷脊照片，涵蓋了 9.8 公里×17.3公里的面積（圖 6-6）。照片中央為平坦的小谷脊，最寬處近 6 公里，兩邊斜坡陡峻，呈束狀，向北（圖上方）、南（圖下方）兩方向滑去。岩石結構多層次，由數公尺到數十公尺不等。在地球上，這類地形可能由沉積而成，如亞利桑那州的大峽谷，或由火山形成，如夏威夷考艾島(Kauai)上的威美亞山谷 (Waimea Canyon)。這些層次分明、厚實的岩石結構，說明了火星地質成因有著豐富和活躍的歷史背景。

若由水手號谷大膽朝南方高緯度方向邁出，最終會抵達南極。

——本文摘自《穿越4.7億公里的拜訪：追尋跟著水走的火星生命》，2021 年 7 月，三民。

本文由 國家地理 合作企劃，泛科學共同執行

• 文／陳柏成，持續在自然科學領域探索的研究生。

仰望宇宙在千萬數不盡的星星之中，地球的存在非常獨特。其中最重要的，在於它孕育了千千萬萬的生命。

如果有幸能從太空看見這顆美麗的藍色星球，你會發現到，支持生命的大氣，在整顆星球比例上，還不及蘋果皮厚度的薄薄一層。大氣中有近五分之一的成分為氧氣，眾生仰賴呼吸，而這在其他星球上還不曾被發現過。地球上存在了怎樣的魔力，讓這顆星球上的氣息如此與眾不同？大氣層又如何受到其間孕育的生命所影響、改變？

亞馬遜雨林的樹木供應了很多氧氣？事情沒有那麼簡單

有「地球之肺」美名的亞馬遜雨林，便是塑造大氣成分功不可沒的一個重要角色。

有趣的是，亞馬遜雨林之所以重要，並非在於眾多的樹木行光合作用，為整個世界提供了足夠的氧氣；因為當雨林提供氧氣之時，整個雨林系統同時也消耗了氧氣，因此並不會有足夠多餘的氧供給到整個地球^{1 2}。

那麼亞馬遜雨林還有什麼方式，可以幫助地球帶來氧氣？關鍵便在於其大量蒸散釋放的水氣。

雨林的植物們透過蒸散作用，將大量的水氣逸散至空中，會使雨林上空形成一片廣大的流動「雲河」；當這些流動的雲河撞擊安地斯山脈後，受地形作用抬升凝結成雨滴，迅速留下山坡後回到亞馬遜盆地。而在這移動的過程中，藉由侵蝕岩石，將其化為沉積物後沖入海洋，成為海中矽藻（Diatom）的最佳養分（包含氮、鋅、磷、二氧化矽等來源）。

所以矽藻，才是主要供給地球氧氣的角色之一³ ！矽藻為地球貢獻了約 20-40% 氧氣。

從這樣的例子，我們便可以發現在地球上，看似不相干的生態系統之間，其實往往存在比我們想像更深的關聯。

對地球生態敲~重要的矽藻，還有哪些任務呢？

值得一提的是，矽藻對於地球整體生態的穩定來說，佔有十分重要的地位；一來在於地球上有超過 20% 的二氧化碳固定是由矽藻提供^{4 5}，同時它也供給了超過 40% 的海洋初級生產力⁶ 。沒有了矽藻，那麼我們的地球就會如同褪色的衣裳，不再亮麗。

要知道，矽藻普遍存在於各海域之中。那麼那些存活在遠離熱帶雨林地區水域的矽藻，還可以從哪裡獲得養分？其中一個例子便是來自於冰河的崩解。每當冰河崩解一次，就會有數千噸的冰掉進水裡，其中冰河沿途攜帶的那些岩石碎屑，就是矽藻最棒的食物來源。

當矽藻獲得的養分耗盡之後，假若沒有持續穩定的供給，矽藻便會漸漸凋零死亡，並堆積在海底。經過數百萬年後，海床上升、海平面下降，原本的海底就會變成一片富含鹽的沙漠。而當風將這些富含矽藻殼的塵土吹到雨林，便又成為了促進雨林生長的養分。事實上，現生亞馬遜雨林重要的養分來源之一，就是來自非洲沙漠的塵土。

由雨林到海洋矽藻，再由矽藻到大氣中的氧氣。讓我們看到了地球上的生命與環境間的互動是如此的息息相關。

獨一無二的地球，生命與非生命的互動

當我們仔細探索地球，就會發覺地球上的每一個生命的存在都必須藉由彼此，才能共存於這片土地之上。在這宇宙之中，也唯有地球，是目前科學家發現存有如此多樣生命的地方；因為這裡富含氧氣、水分，具備了各式生物所需的必要元素。再加上生命之間、與環境間細緻而多樣的互動，才得以孕育出這個，充滿變換、令人震撼的世界。

編按：希望繼續了解地球生命與非生命的超凡互動嗎？國家地理雜誌 2018 年最新節目《超凡地球》邀你一同繼續探索共屬我們的這顆，美麗的星球。

參考資料：

1. National Geographic.(2018). World’s ‘largest river’ is actually in the sky – as biggest myth about Amazon Rainforest dispelled in new documentary. Mirror
2. Geraldo Lino.(1993). Myths surrounding the Amazon region. Executive Intelligence Review
3. Andrew Alverson.(2014). The Air You’re Breathing？ A Diatom Made That. Live Science
4. Falkowski, P. G., Barber, R. T., and Smetacek, V. V. (1998) Biogeochemical Controls and Feedbacks on Ocean Primary Production. Science 281, 200-207
5. Field, C. B., Behrenfeld, M. J., Randerson, J. T., and Falkowski, P. (1998) Primary production of the biosphere: integrating terrestrial and oceanic components. Science 281, 237-240
6. Sarthou, G., Timmermans, K., Blain, S., and Treguer, P. (2005) Growth physiology and fate of diatoms in the ocean: a review. J Sea Res 53, 25-42