「屎滾尿流」背後的科學奧秘 ——搞笑諾貝爾獎得主楊佩良專訪

無法分辨成體和幼體的生物

小孩與大人不一樣。但是有些生物的幼體形態與成體型態相同。

舉例來說，鱷魚的幼體與成體幾乎長得一模一樣，剛破蛋而出的鱷魚寶寶已經具有完整的鱷魚外形，出生後逐年長大，巨大的鱷魚可以長達好幾公尺。不過鱷魚的成長速度在不同環境和溫度下不盡相同，光從大小無法判斷年紀，只看外形也無法分辨是成體或幼體。有些生物的成體和幼體的形態則相差甚遠，好比蝴蝶和蛙類；也有些生物的成體和幼體沒有太大區別，如同鱷魚。

這兩類生物的差別是什麼？

海葵就是幼體和成體相差很多的生物。海葵幼體是一種很像水母的生物，叫做「浮浪幼蟲」 。浮浪幼蟲在海中自由自在漂游，找到喜歡的岩石區時就會落腳，落腳後就不再移動，附著在岩石上長成海葵。移動是海葵幼體的重要任務，長大後的海葵則是肩負產卵留下子代的使命。

蛙類和蝴蝶的成體與幼體形態也各不相同，不過任務分配上與海葵不同，負責移動的是成體不是幼體。
由此可見，如果一個生物的幼體與成體各有不同任務，彼此的形態就不會相同，而沒有區分任務的生物就具有相同形態。

人類的大人與小孩 

我們人類又是什麼情況呢？ 

人類不會因為長大而生出翅膀或尾巴消失。人類的大人和小孩的外型非常相似，但並非完全相同的個體。舉例來說，嬰兒在我們眼中看起來就很可愛。

小孩子可愛的祕密在於他們的寬額頭。嬰兒的眼睛和鼻子集中在臉的下半部，額頭顯得很寬闊，寬額頭會使得整張臉看起來就惹人憐愛。而且嬰兒頭大、四肢短，整體感覺圓滾滾的，帶有人類大人不具備的「可愛感」。假如出現了一個比成年人更巨大的嬰孩，所有人應該還是能夠辨識出他是個嬰兒。人類不像鱷魚，我們不會分辨不出來誰是大人、誰是小孩。 

人類的大人和小孩具有不同的外型。除了人類，貓狗的寶寶也長得很可愛，即便是凶猛的獅子與灰狼，牠們的幼崽看起來還是很討喜。哺乳類動物的一大特徵，就是「幼體很可愛」。

嬰兒為什麼可愛？

哺乳類動物的嬰兒擁有可愛的外型。

人類出生後先是嬰兒，嬰兒長大是兒童，童年時期的人類依然保有他們的可愛，但是在長大的過程中卻會漸漸失去這種特質。

蛙類的成體和幼體雖然具有不同形態，但是蝌蚪並不是很可愛；蝴蝶小時候是毛毛蟲，反而比較多人覺得毛毛蟲噁心，只有少數人認為牠們可愛。 

既然如此，哺乳類動物的嬰兒為什麼會可愛？

原因就在於，嬰孩需要大人的保護。哺乳類動物具有育幼行為，牠們的子代需要親代的養育。小孩的可愛外形是為了獲得大人的保護。烏龜以堅硬的龜殼防身，毛毛蟲透過毒毛保護自己，而哺乳類動物的嬰兒則是把「可愛」當護身符。 

嬰兒的額頭很寬。為什麼額頭寬看起來就比較討人喜歡呢？因為大人的腦袋裡內建了寬額頭等於可愛的程式。 證據就是只要額頭寬，不管是不是嬰兒看起來都很萌。不過額頭寬並不是為了可愛。

如果說紅燈是「停止」的信號，寬額頭就代表「不可以攻擊」與「要保護他」的信號。

對於哺乳類動物來說，大人要保護小孩，小孩要被大人保護。大人與小孩的外型相似卻又不盡相同，因為他們肩負不一樣的任務。這樣說來，小孩的任務是什麼呢？小孩的任務很明確，就是「長大」。一個人要有健全的童年，才能成為健全的大人，這就是小孩的任務。

不過近年來人類的大人和小孩越來越難區別了。 總覺得不像小孩的小大人一直在增加，長不大的巨嬰也很多。

——本文摘自《生物轉大人的種種不可思議：每一種生命的成長都有理由，都值得我們學習》，2023 年 8 月，商周出版，未經同意請勿轉載。

上帝、教會與（有點長毛的）長毛象

幾乎所有文化在面對生命本源的問題時，都會用一些角色與故事回答問題。在希臘神話中，最初只有卡俄斯（Chaos）——虛無——的存在，接著蓋亞（Gaia）從虛無而生，然後生下天空烏拉諾斯（Uranus）。他們的後代包括泰坦（Titan）、獨眼巨人（Cyclopes）、百臂巨人（hundred-handed creatures）、諸神（赫斯提亞〔Hestia〕、狄蜜特〔Demeter〕、宙斯〔Zeus〕等），以及後來的人類。古蘇美人則相信母神納木（Nammu）生下了天與地，並且誕下動植物與人類。在拉科塔族（Lakota）傳說中，這個世界存在之前還有另一個世界，那個世界的人類罪孽深重，因此大靈（Great Spirit）用洪水淹沒大地，只有烏鴉康吉（Kangi）活了下來。大靈另外派三隻動物取了泥回來，由大靈塑造成土地與世界各地的動物，然後又用紅、白、黑、黃四色的泥塑造出男人與女人。而在基督教故事中，上帝先是創造出無形的荒蕪，接著創造光、天空、土地、動物，以及掌管所有生物、後來成為人類始祖的亞當與夏娃。

這些故事都編造於我們理解生物學、天擇與生命演化之前。《創世紀》（Genesis）記載了許多戲劇化的故事，故事中世界遭遇危難、一家人盼望生下孩子，還有人遠行尋找未來的家園，它的多位作者根本沒聽過好幾世紀後達爾文對於天擇的觀察，也沒聽過格雷高爾．孟德爾（Gregor Mendel）提出的遺傳法則。（若能研究《聖經》中幾個著名家族——例如撒拉〔Sarah〕、利百加〔Rebecca〕與拉結〔Rachel〕的家系——的基因序列，那也許可以找出她們難以懷孕或成功生育的原因。）

蘇格蘭哲學家大衛．休謨（David Hume）曾觀察到，我們人類共同的這些創世神話之所以存在，是因為我們需要用有因果關係的故事理解周遭世界，也是因為當社會規則有前後文脈絡時，社會才能運作得更好。那麼如今，隨著合成生物學打破我們自古流傳下來的規則，迫使我們重新思考這些規則的合理性、挑戰自己原先相信的起源故事，我們又該如何是好呢？到了今天，科學家忙著在數百間實驗室裡幻想、設計與生產生命的未來——而在其中一間實驗室裡，一位備受敬慕的研究者邀我們檢視與調和自己對科學及信仰的信念。

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喬治．丘奇在生物學界絕對算得上「大」人物，他同時是麻省理工學院與哈佛大學的教授與實驗室主任。即使不穿鞋，他的身高也達六呎五吋（約一百九十五公分），校區內甚至有幾道門太矮，他必須彎腰低頭才有辦法通過。他擁有天使般大大的可愛笑容、紅潤的雙頰、一頭茂密的白髮，以及蓬鬆的長鬍子。簡而言之，他可說是聖誕老人的遺傳學家弟弟，脾氣也和聖誕老人同樣和藹可親。人們常因丘奇的研究主題而將他和查爾斯．達爾文——甚至是更偉大的人物——相提並論。在討論如何利用合成生物學設計與操控生物學未來時，喜劇演員史蒂芬．荷伯（Steven Colbert）一度打斷了丘奇，急切地問道：「我們有重新設計的必要嗎？」他接著說道：「第一次發明我們的是上帝，是創造天地的主。先生，你這是在扮演上帝嗎？你這個鬍子的確很有假扮上帝的潛力。」荷伯也許沒發現，他這句笑話其實有幾分真實，因為丘奇花費了大量心血想創造新生命，以及復活已死的生物。

丘奇在一九五四年誕生於佛羅里達州麥克迪爾空軍基地（MacDill Air Force Base），從小在鄰近坦帕灣（Tampa Bay）的中產階級社區長大，生活環境不算特殊。丘奇的父親是空軍中尉，同時也是賽車手、光腳滑水運動員，比起寧靜的家庭生活，他對刺激的活動感興趣得多。丘奇的母親則是律師、心理學者與作家，她優秀又有想法，早就受夠了丈夫的行徑。她兩度再婚，第二次對象是一位名為蓋洛．丘奇（Gaylord Church）的醫師，蓋洛正式收養了當時九歲的喬治。喬治立刻對繼父包包裡的醫療器材深感興趣，蓋洛教好奇的兒子如何消毒針頭，甚至偶爾讓喬治為他注射藥物。

這段時期，丘奇在天主教學校的老師都對他頭疼不已。丘奇雖然禮貌，卻頻頻提出修女們答不上來的問題，經常帶著老師們鑽神學的牛角尖。他高中就讀麻州名聲極佳的寄宿學校——菲利普斯學院，也就是馬文．閔斯基的母校——這所學校就比較適合他了。他在此鑽研電腦學、生物學與數學——卻也發現自己越來越無法在夜裡完全入眠，日間也難以保持清醒，即使在他深愛的數學課上也會打瞌睡。其他學生不停拿這件事笑他，代數學老師甚至叫他乾脆別來上課了：既然他這麼常在課堂上打瞌睡，那就自己想辦法學數學吧。丘奇為自己辜負師長的期許而感到羞愧，同時也恨自己無法融入群體。

後來他就讀杜克大學（Duke University），睡眠問題仍不見起色，他常在會議或研討課中不小心睡著，睡幾分鐘後聽見自己的名字，他又會像沒睡著一樣猛然驚醒、回應對方。有次在一位系主任的課堂上，系主任見學生斗膽打瞌睡，甚至氣得拿粉筆丟他。儘管如此，丘奇還是在短短兩年內拿到了化學與動物學的學士學位，接著繼續在杜克大學讀生物化學研究所。他很快便被晶體學（crystallography）吸引，這在當時是一門新學問，可用以研究轉運 RNA（tRNA）的三維結構，深入瞭解這種負責解碼 DNA、將遺傳指令運輸到細胞其他部分的 RNA。

丘奇的睡眠問題並沒有好轉，大多數人都以為他不過是太無聊或在做白日夢，孰料他其實是無意間迅速進入了睡眠的快速動眼期（REM sleep）——也就是人們睡眠時做夢的階段——並且將清醒時的想法帶進了夢裡。在清醒夢狀態中，他看見了未來的各種可能性，探索了不同排列組合的科學方法——換作是清醒的人，絕不可能想到用如此古怪、瘋狂的方式應用科技。

在學生時期，丘奇老是因太過好奇與容易分心（當然還有打瞌睡）而惹上麻煩，他每週花上百小時做尖端晶體學研究，以致從不出席核心課程，最後想當然耳被當掉了。他被逐出了生物化學系，只能試圖轉系、繼續從事研究，然而他修的課程太雜、個人名聲不佳，而且研究領域又很奇怪，沒有教授想收他。此時的丘奇二十歲了，他發表過重大論文、獲得了著名的國家科學基金會（National Science Foundation）青年學者獎，卻被學術界的官僚體制拒之門外。

話雖如此，丘奇仍設法轉學到了哈佛，並下定決心讀完研究所。到了哈佛大學後的第一學期的早秋某一天，丘奇上課遲到了幾分鐘，於是他悄悄溜進教室、在最後一排找位子坐下。他取出筆記本、抬頭看向老師的投影片，赫然發現當日主題是自己的一篇論文。那堂課的教授是分子生物學界首屈一指的學者華特．吉爾伯特（Walter Gilbert），他沒發現丘奇也是這堂課的學生。（吉爾伯特在三年後因開發出 DNA 定序的早期方法之一而獲得諾貝爾獎。）

丘奇繼續做著生物化學相關的夢，提出了許多大膽的想法，其中之一是能低成本且快速解讀 DNA 的機器，還有一者是用現成分子改寫基因體、改良自然造物的方法。在他的想像中，他可以用特定的酶修改基因體當中不同的部分，還能讓神經多樣（neurodiverse）者——例如有強迫症或自閉症的人們——調控他們的特殊能力，而不是用藥物抑制這些能力。丘奇的想法被他帶進了實驗室，他致力於基因體定序與分子多工（molecular multiplexing）的研究，後者是能夠同時定序數條 DNA 的技術，不必像當時廣受使用的方法一樣，一次僅定序一條 DNA。這其實不是新技術，但大部分科學家認為這種想法太過荒謬，所以並沒有繼續順著這條路研究下去。丘奇證實了此事的可行性，一次定序多條 DNA 的方法很快便被許多人接受，大幅降低了 DNA 定序的成本。

——本文摘自《未來的造物者》，2023 年 11 月，臉譜出版，未經同意請勿轉載。

《論語》〈鄉黨〉裡，關於吃飯的規定，超—級—多—！！「食不厭精，膾不厭細。食饐而餲，魚餒而肉敗，不食。色惡不食，臭惡不食。失飪不食，不時不食。割不正不食，不得其醬不食。肉雖多，不使勝食氣。唯酒無量，不及亂。沽酒市脯不食。不撤薑食，不多食。祭於公，不宿肉。祭肉不出三日，出三日，不食之矣。食不語，寢不言。雖疏食菜羹瓜祭，必齊如也。」^[1]吼～這麼囉嗦，有本事自己來啊！

有些男人激不得。

物理學家 Mathieu Sellier 與 Edouard Boujo 就因為前者的妻子提出挑戰，而用電腦運算出最佳烹調模型，還在 2019 年的《物理評論流體》（Physical Review Fluids）期刊上，分享成果，造福饕客。^{[2, 3, 4]}全文第一句話，是這麼說的：「本論文研究固化流體薄膜，受制於複雜的運動學，在固體表面的流動…」，^{[5, 6]}意思是「我們要教大家做可麗餅。」

完美可麗餅的定義

撇開二位科學家基於品味差異，而無法達成共識的餡料不談，^[2]這個研究中，可麗餅的最高境界，被定義為「厚度均勻，無孔洞，且呈現完美圓形」。^{[6, 7]}要在自家廚房，達成此終極目標，通常會遇上難題：當麵糊在鍋底鋪開，同時也會逐漸被煮熟。如果水平放置鍋子，麵糊便在平均地觸及鍋緣之前固化。為避免這個問題，一般有兩種常見的解決辦法：第一種是用刀具迫使麵糊在鍋中散開，類似刮刀塗層的動作；另個做法則是將鍋子傾斜旋轉，令麵糊往低處流動。^[6]

運算製作可麗餅的模型

二位科學家採用「伴隨優化」（adjoint optimisation）的數學方法，描述流體在活動容器中的運動，模擬以最小施力，鋪出最平坦的可麗餅。^{[7, 8]}其中考慮的因素，包含：以通過鍋子圓心的縱軸為中心運動；藉重力鋪開麵糊；以及隨溫度改變濃度的麵糊與旋轉中的鍋子的互動。^[3]經過一番（讓人反胃的）計算過程，他們找到最佳的做法：先快速翻動鍋子，然後在煮的過程中，緩慢旋轉。^[7]

詳細的技巧，如下：一倒入麵糊，就馬上以陡峭的角度傾斜鍋子，把液體逼到邊緣。接著，手腕輕扭，轉鍋子一圈，確保麵糊完整鋪滿底部。在轉動的時候，傾斜的角度得逐漸縮小，轉速也隨著麵糊固化而趨緩。當覆蓋動作完成，鍋子也恢復水平狀態。^{[4, 7, 8]}

圖中，深紅處麵糊最厚，深藍則最薄。可麗餅的製作流程，由左上開始，先向下，再依序往中、右二欄進行。^[7]

起初濃厚的（紅色）麵糊被推向鍋子的右上緣，把稀薄的（淺藍）剩料拋在後頭。然而隨著順時鐘的轉動，麵糊逐漸勻稱地分佈於整個鍋底。^[7]

_{圖／參考資料 6，figure 6}

做鬆餅救眼疾

科學家們之所以對餅皮類食物的製作如此著迷，是因為類似的手法不僅能生產巧克力，幫智慧型手機螢幕鍍膜，^[4]還可以懸壺濟世。2016 年倫敦大學學院（University College London）在 YouTube 上，也發佈了一個看似玩物喪志的作品。全長約 5 五分鐘的影片裡，前 4 分鐘幾乎都在以嚴謹的態度，講述鬆餅（此指 pancake，而非 waffle）的製作。到了最後卻話鋒一轉，道出製餅技術與眼疾治療的關係。原來手術中控制眼睛內部液體外流的皮瓣（surgical flaps），就要倚靠類似的原理來研發。^[9]

救世的精神，於是賦予了科學家一個精進廚藝的學術使命。

1. 論語/鄉黨第十（維基文庫）
2. Making the Perfect Crêpe (APS Physics, 2019)
3. The hard-hitting science behind crepes and beauty pageants (Chemical & Engineering News, 2019)
4. Using fluid dynamics to perfect crêpe cooking techniques (Phys.org, 2019)
5. Boujo E and Sellier M. (2019) ‘Pancake making and surface coating: Optimal control of a gravity-driven liquid film’. Physical Review Fluids, 4, 064802.
6. Boujo E and Sellier M. (2019) ‘Pancake making and surface coating: Optimal control of a gravity-driven liquid film’. arXiv
7. Physicists Think They’ve Finally Found the Trick to Making Perfect Crepes (Science Alert, 2019)
8. A computer model explains how to make perfectly smooth crepes (Science News, 2019)
9. Understanding the physics of pancakes to save sight (University College Lodon on YouTube, 2016)