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世上最神秘的味道——酸的演化

椀濘_96
・2022/03/14 ・4035字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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人類的味覺由五種味道所組成:酸、甜、苦、鹹、鮮,能夠感知每個味道的存在都有其對應機制,例如甜味是獲得能量獎勵,而苦味則提醒我們注意潛在的毒物。帶有酸味的食物令人垂涎,當吃進嘴時卻不禁皺眉頭,但隨之而來的感受又是喜悅滿足的,而我們能品嚐到這樣捉摸不定的酸味,其目的又是什麼?酸味的演化史很少被研究,與其他味道相比,最神秘的味覺非酸味莫屬了。

與其他味道相比,最神秘的味道非酸味莫屬了。圖/Pexels

如何感受到酸味的

在了解酸味演化前,我們先來認識人類是如何感知到酸味的。

我們透過味蕾得知味道,位於味蕾之下的則是味覺傳導最小單位——味覺細胞,味覺細胞藉由微絨毛上不同的受器與口腔內各種不同的味覺分子結合,而產生動作電位(Action potential),激發其下的味覺神經纖維產生訊號傳遞到大腦,而產生各種「味道」的感覺。

而能感覺到酸味則是因有機酸(乳酸、檸檬酸、蘋果酸、乙酸等)和無機酸(鹽酸、硝酸、硫酸等)溶液中的氫離子所產生的。氫離子可使味覺細胞的膜電位升高造成去極化,接著釋出神經傳導物質,進而使味覺細胞發起神經刺激,使腦產生酸味的感覺。

人類嬰兒生來就能夠識別酸味,一接觸到帶有酸味的食物時,便會皺起嘴唇。而從過去到現代的文化中,人們會使用微生物使不酸的食物變得更酸,像是韓國的辛奇(韓式泡菜)、日本的納豆,此二透過發酵製備的食品明顯已在兩國飲食文化中根深蒂固。

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人生來就能夠識別酸味,一接觸到帶有酸味的食物時,便會皺起嘴唇。圖/Pexels

破解酸的前世今生

如此與生活密不可分的味道又為什麼說它是最神秘的呢?

有些脊椎動物在演化過程中失去了特定的味覺感受,如:鯨豚類似乎除了鹹味之外沒辦法感受到其他味道、貓則是沒有甜味的感受器。那麼,至於酸味呢?相較於其他四種味道,辨識酸味的能力隨著脊椎動物的演化持續存在,幾乎所有主要的脊椎動物都沒有消失對酸味的感受。

近期由皇家學會出版的《會誌:生物科學》(Proceedings of The Royal Society B:Biological Sciences)發表了一篇關於酸味演化的研究,其結果也許可以替我們解答為什麼動物需擁有這個神祕的味覺。 

該研究團隊透過回顧對脊椎動物親緣關係樹的文獻並結合性狀圖譜,將酸味的起源、酸味喪失的潛在案例,以及那些可能有利於酸味效價(valence)變化的因素納入考量,探討為什麼會演化出酸味,又為什麼它可隨著脊椎動物的演化而持續存在,以及哪些因素可能有利於某特定物種偏愛或厭惡酸味、酸性食物。

酸的感受最早可用來偵測環境酸鹼

與酸味受體相關的基因(如 otopetrin-1, 又稱 OTOP1)存在於脊椎動物和無脊椎動物中,因此幾乎可以肯定,酸的感知存在於第一個具有味覺感受器的脊椎動物物種中,也可以說,最早的脊椎動物可能已經具備透過酸味感受器檢測酸性物質的能力。

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酸味很可能早已存在於古代魚類中,牠們是所知道的最早能感覺到酸味的脊椎動物。魚嘴的起源很可能不是用來品嚐食物的,而是感受海洋中的酸度;溶解二氧化碳所造成的酸度變化,會在水中產生梯度,這對魚類的生存有所影響,因此能夠感覺到酸度是必要的。

另外,也從多種現代魚(包括軟骨魚和大多數研究過的硬骨魚)類中發現,牠們具有對酸性物質有敏感性,而整個脊椎動物也都具有品嚐酸性物質的能力。這表明酸的感知存在至少與脊椎動物一樣古老。

我們無法完整了解古代魚類的生理機制,但現代活魚提供了線索。酸鹼平衡是所有脊椎動物生理穩態的一個基本方面,因血液和組織的酸度變化會對生物產生嚴重或致命的影響,水生生物尤其面臨酸鹼調節突然變化的風險,因此幾乎所有的魚類都有能力使用兩種生理機制對這些危險條件做出立即性的反應:內部液體的快速鹼中毒和代謝產生的緩衝液,以及通過使用離子通道產生 H+離子的淨流出而長期適應。

鑑於高碳酸血症在祖先的水生環境中可能普遍存在以及酸中毒的嚴重後果,我們可以推斷祖先魚類擁有感知酸性環境的能力。而口腔內酸敏感味蕾的演化,則可以使魚類透過監測呼吸的水流來評估局部 pH 值變化。

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值得注意的是,進一步擴展這個論點,酸味很可能是第一個演化出的味覺。

可從前段敘述得到感知酸性環境必要性的支持,而最早的無頜魚類(目前已知最早出現、最原始的脊椎動物)是濾食性動物,可以不加選擇地從水中過濾食物顆粒,假設只有在當脊椎動物演化出選擇捕食獵物類型時,甜、鹹和鮮味才會在評估食物價值和適口性方面發揮作用。

此外,編碼酸味受體的 OTOP 基因家族在演化上是保守的,起源於現存脊椎動物和無脊椎動物物種的祖先,與其他味道相比,酸味的演化在絕大多數主要的脊椎動物分類群中都沒有消失。

那麼,酸味的感受又是如何從用來偵測環境酸鹼值,演化成對於食物的感知呢?在現代海鯰(Plotonis japonicus)的覓食生物學(foraging biology)中暗示著,酸味受體從純粹的環境監測功能,轉變為在食物感受和評估的功用;此種海鯰會利用觸鬚上的外部味蕾,透過感知躲藏的底棲獵物所呼吸之二氧化碳產生的酸性水來得知其定位,亦有許多現代魚類會使用觸鬚和外部味蕾,來定位潛在的食物並確定它們是否值得攝入。

海鯰(Plotosus japonicus)。圖/沖繩海美麗生物圖鑑

陸生脊椎動物辨識酸味的能力持續存在

對於大多數物種而言是不喜歡酸味的,喜歡酸味的僅佔少數,其中包括人類。在經過測試的物種(約有 60 種,且確保均能夠偵測到食物中的酸度)中,豬和靈長類動物似乎真的喜歡酸性食物;例如,野豬(Sus scrofa)很喜歡發酵玉米,而大猩猩(Gorilla gorilla)則表現出對薑科酸性水果的偏愛。

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脊椎動物感受到酸味,可能帶來愉悅(在食物選擇實驗中更受歡迎)或是令人不悅(不受歡迎),不過這還須考量到酸的強度、物種的生長環境等其他因素。迄今為止研究的物種當中,酸對該物種的適宜程度取決於濃度,而對於大多數喜歡酸的脊椎動物物種而言,食用酸味食物的吸引力會隨著酸度的增加而增加,然後在超過某個最大濃度時將會降低。

關於那些不喜歡酸味的動物

現存陸生脊椎動物物種,最常見對酸味食物厭惡的可能解釋是,它可以止動物攝入高酸度的食物,不過我們得要先釐清三個事實。

首先,危險的酸味食物在自然界中並不常見。(補充一點:未成熟的水果往往被人類描述為「酸」,但其實更多的是澀或苦味)

其次是在許多情況下,除非大量攝入,否則酸食不太可能對動物造成足夠的傷害,從而形成選擇壓力而感到厭惡。

第三,吃酸食可能造成的損害應該會發生在那些喜歡這種食物的物種身上,較不可能出現在感到厭惡者上。吃酸食的一種潛在危害可能是對牙齒的傷害,現代牙醫學就得知這點,而在化石記錄中也觀察到了這種損害;例如,從一些東非奧杜瓦伊峽谷的巧人(Homo habilis)個體牙齒磨損表現中,證實與食用酸味食物相關損害的預期相符。

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不過在駁斥「危險酸」假設前,在一種情況下,即使是低濃度,酸也可能是危險的。對於在消化道前端就開始進行食物分解與吸收(foregut-fermenting)的動物(如:偶蹄目)而言,食物中的酸度會改變腸道微生物的組成進而改變消化。消化道前端的環境 pH 值適合乳酸桿菌和醋酸桿菌生長此二者可阻礙其他細菌生長,這也是為什麼它們被用於食物發酵保存。因此,該種(foregut-fermenting)物種可能需具備檢測和避開會影響消化的食物酸度,而在收集的數據中也顯示,厭惡酸味食物且能夠檢測酸度的物種中,有多數為該種消化模式。

為什麼酸味食物對人類具有吸引力?

大多脊椎動物不偏愛酸味食物,而靈長類則相反。酸味的好惡似乎在一般脊椎動物和靈長類動物間發生了變化,目前尚不清楚這個轉變是如何發生的。不過在人類演化的背景下,影響了我們現今在選擇發酵食品作為食物來源之一。

有一個論點是,古代靈長類動物判斷成熟或甚至某些腐爛的水果是否安全,其中一種方法是它們是否呈現酸味,因為使它們有此特性的正是乳酸菌及醋酸桿菌。這些細菌可以抑制其他有害的微生物,透過發酵作用而產生酸味,藉此確保水果可以安全食用;亦有分子證據表明,大猩猩、黑猩猩和人類的共同祖先會食用發酵水果。

人類對酸的好惡轉變也有可能是為了吸收維生素 C,維生素 C 是高等靈長類動物與其他少數生物的必需營養素,含維生素 C 的食物多半帶有酸,而喜歡酸食可能是引導我們攝取它的一種方式。就此論點來看,或許僅是我們適應了古代人類對發酵食物的偏愛。

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含維生素 C 的食物多半帶有酸,而喜歡酸食可能是引導我們攝取它的一種方式。圖/Pexels

結語

關於酸味的演化仍有許多需要再深入研究的面向,這篇文獻當中有提及的可能性也須透過其他實驗、文獻整合確認。不過,可以確認的是,酸味的存在非常悠久且古老,現在人們開始逐步了解酸味的味覺感受器的功用、機制,為追溯酸味起源開了個頭,未來可再進一步擴大研究和比較大量物種的酸味的遺傳和分子演化,抽絲剝繭揭開它的神秘面紗。

參考資料

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椀濘_96
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喜歡探索浪漫的事物; 比如宇宙、生命、文字, 還有你。(嘿嘿 _ 每天都過著甜甜的小日子♡(*’ー’*)

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上網也要有「技術」!從言論、隱私到國安,你我都該懂的界線
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/18 ・2366字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文由 國家通訊傳播委員會 委託,泛科學企劃執行。 

以為鍵盤俠天下無敵?小心一個不留神就觸法!人們常忽略「網路並非法外之地」這個重要事實。不只現實生活中的法律同樣適用於網路空間,隨著科技發展,更多應網路特性而生的法律規範也相繼出現。從基本的言論自由到隱私權保護,從智慧財產權到國家安全,法律體系正全面性地回應數位時代的種種挑戰。

在臺灣,網路上的言論自由權利源自《憲法》第 11 條的明確規定:「人民有言論、講學、著作及出版之自由。」釋字第 509 號則指出,「國家應給予最大限度之維護,俾其實現自我、溝通意見、追求真理及監督各種政治或社會活動之功能得以發揮。」網路快速傳播的特性放大了言論的影響力,而大法官的解釋將言論自由的邊際刻畫得更明確,這在數位時代裡顯得格外重要。

網路與社群媒體的快速傳播,放大了言論的影響力。圖/unsplash

網路上的性、暴力與未成年保護

顯然言論自由並非是毫無限制,2023 年 11 月的一起案件就展現其中一種界線的樣貌。當時,一名 36 歲男子將他和網友在網咖的性愛影片上傳至推特,還寫下「《網咖包廂實戰計 1》我跟某公司 OL 戰鬥」等文字。這段影片一經發布,當事女子立即採取法律行動。最終,法院依其以網際網路「供人觀覽猥褻影像」的罪名,判處該名男子拘役 30 日,得易科罰金。這個判決清楚說明了,即便在虛擬空間,散布猥褻影像仍須承擔實質的法律責任。

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特別是在保護未成年人方面,法律的規範更加嚴格。《刑法》第 235 條明文禁止散布、播送或販賣猥褻物品,無論形式是圖文、聲音還是影像。而《兒童及少年性剝削防制條例》第 36 條更進一步禁止任何形式的兒童色情製品被製造、散布和持有。2019年彰化縣曾層發生過這樣一起案件:一名陳姓中年男子將9歲女童帶往居所,不僅強迫她觀看色情影片,還對她進行猥褻行為,甚至將過程上傳至 Google 雲端。儘管他後來試圖以資助女童就學表達悔意,法院仍以加重強制猥褻等罪,判處他 4 年 4 個月有期徒刑。

不實言論的散布同樣可能觸犯法律。2021 年 9 月爆發的「台大狼師案」就是一個警示。一名女大生在網路上指控教師誘騙她發生關係並傳染性病,幾個月後又指控對方對她進行強制性行為。當她提出告訴時,檢方卻查無性侵事實,加上她反覆的說詞,不僅性侵告訴失敗,還因誹謗罪反被加重判刑。

當駭客、間諜都轉戰網路戰場

2013 年,一名退役空軍上校赴陸經商時被情治單位吸收,返台後透過人脈網絡發展組織、刺探軍事機密,並以空殼公司掩護非法報酬,這個情報網持續運作了 8 年之久。

在涉及國家安全的議題上,法律的態度更是嚴厲。根據《國家安全法》第 2 條的規定,任何人都不得為境外敵對勢力及其控制的組織、機構進行資助、主持、操縱、指揮或發展組織,更不能洩漏、交付或傳遞公務機密,違反者將面臨嚴厲的刑事處罰。《刑法》規定,意圖破壞國體、竊據國土,或以非法方法變更國憲、顛覆政府者,處7年以上有期徒刑,首謀更要判處無期徒刑。

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抄襲與轉貼的邊界在哪裡?

在智慧財產權的保護上,臺灣也經歷了數位時代的轉變。台灣第一個網路著作權相關判決,就發生在傳統出版與數位平台的碰撞之中。南方社區文化網路負責人陳豐偉等三人在中山大學 BBS 上發表的文章,未經同意就被《光碟月刊》收錄在隨刊光碟中發行。三人向台北地檢署提告後,《光碟月刊》發行人兼總經理黃俊義被判處七個月有期徒刑,緩刑三年。這個判決為數位時代的著作權保護樹立了重要典範。

臺灣首例網路著作權案判決,為數位時代智慧財產權保護樹立典範。圖/envato

近年來,影音平台的著作權爭議更趨複雜。2022 年,知名 YouTube 頻道「觸電網」就因為片商車庫娛樂檢舉七十多支未經授權的影片,導致經營 12 年的頻道被迫下架。車庫娛樂透過律師聲明,這是針對「未經合法授權影音內容」的標準處理,並表明將追究民事與刑事責任。

受害了怎麼辦?申訴管道報你知

當我們在網路上的權利受到侵害時,可以根據侵害類型尋求不同的救濟管道。最基本的言論自由權利受到侵犯時,可以先向社群平台提出檢舉。若遇到更嚴重的情況,如散布猥褻影像、非法性私密影片等,除了平台檢舉外,還可以向警方提告,或是尋求衛福部「性影像處理中心」的協助。

在面對網路霸凌、不實言論時,可以向台灣事實查核中心、MyGoPen 等組織求助,協助澄清真相。若發現有害兒少身心健康的不當內容,則可以向 iWIN 網路內容防護機構提出申訴。這個由國家通訊傳播委員會支持的組織,會在受理後進行查核、轉介業者改善或依法處理。

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智慧財產權的侵害在網路時代極為常見,就像「觸電網」遭片商檢舉下架的案例。這類情況可以透過平台既有的著作權保護機制處理,情節嚴重者也可以提起民事訴訟要求賠償。若發現可疑的廣告或不公平交易行為,則可以向公平交易委員會檢舉;若是特定領域的違規內容,則應該向各該主管機關反映,例如藥品廣告歸衛福部管轄、證券期貨廣告則由金管會負責。

網路時代的法律規範正不斷演進,從個人隱私到國家安全,從言論自由到智慧財產權,每個面向都在尋求數位環境下的最佳平衡點。作為網路使用者,我們必須理解並遵守這些法律界線,同時也要懂得運用各種救濟管道保護自身權益。唯有每個人都清楚了解並遵守這些規範,才能共同營造一個更安全、更有序的網路環境。

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當心網路陷阱!從媒體識讀、防詐騙到個資保護的安全守則
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/17 ・3006字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文由 國家通訊傳播委員會 委託,泛科學企劃執行。 

網路已成為現代人生活中不可或缺的一部分,可伴隨著便利而來的,還有層出不窮的風險與威脅。從充斥網路的惡假害訊息,到日益精進的詐騙手法,再到個人隱私的安全隱憂,這些都是我們每天必須面對的潛在危機。2023 年網路購物詐欺案件達 4,600 起,較前一年多出 41%。這樣的數據背後,正反映出我們對網路安全意識的迫切需求⋯⋯

「第一手快訊」背後的騙局真相

在深入探討網路世界的風險之前,我們必須先理解「錯誤訊息」和「假訊息」的本質差異。錯誤訊息通常源於時效性考量下的查證不足或作業疏漏,屬於非刻意造假的不實資訊。相較之下,假訊息則帶有「惡、假、害」的特性,是出於惡意、虛偽假造且意圖造成危害的資訊。

2018 年的關西機場事件就是一個鮮明的例子。當時,燕子颱風重創日本關西機場,數千旅客受困其中。中國媒體隨即大肆宣傳他們的大使館如何派車前往營救中國旅客,這則未經證實的消息從微博開始蔓延,很快就擴散到各個內容農場。更令人遺憾的是,這則假訊息最終導致當時的外交部駐大阪辦事處處長蘇啟誠,因不堪輿論壓力而選擇結束生命。

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同年,另一則「5G 會抑制人體免疫系統」的不實訊息在網路上廣為流傳。這則訊息聲稱 5G 技術會影響人體免疫力、導致更容易感染疾病。儘管科學家多次出面澄清這完全是毫無根據的說法,但仍有許多人選擇相信並持續轉發。類似的例子還有 2018 年 2 月底 3 月初,因量販業者不當行銷與造謠漲價,加上媒體跟進報導,而導致民眾瘋狂搶購衛生紙的「安屎之亂」。這些案例都說明了假訊息對社會秩序的巨大衝擊。

提升媒體識讀能力,對抗錯假訊息

面對如此猖獗的假訊息,我們首要之務就是提升媒體識讀能力。每當接觸到訊息時,都應先評估發布該消息的媒體背景,包括其成立時間、背後所有者以及過往的報導記錄。知名度高、歷史悠久的主流媒體通常較為可靠,但仍然不能完全放下戒心。如果某則消息只出現在不知名的網站或社群媒體帳號上,而主流媒體卻未有相關報導,就更要多加留意了。

提升媒體識讀能力,檢視媒體背景,警惕來源不明的訊息。圖/envato

在實際的資訊查證過程中,我們還需要特別關注作者的身分背景。一篇可信的報導通常會具名,而且作者往往是該領域的資深記者或專家。我們可以搜索作者的其他作品,了解他們的專業背景和過往信譽。相對地,匿名或難以查證作者背景的文章,就需要更謹慎對待。同時,也要追溯消息的原始來源,確認報導是否明確指出消息從何而來,是一手資料還是二手轉述。留意發布日期也很重要,以免落入被重新包裝的舊聞陷阱。

這優惠好得太誇張?談網路詐騙與個資安全

除了假訊息的威脅,網路詐騙同樣令人憂心。從最基本的網路釣魚到複雜的身分盜用,詐騙手法不斷推陳出新。就拿網路釣魚來說,犯罪者通常會偽裝成合法機構的人員,透過電子郵件、電話或簡訊聯繫目標,企圖誘使當事人提供個人身分、銀行和信用卡詳細資料以及密碼等敏感資訊。這些資訊一旦落入歹徒手中,很可能被用來進行身分盜用和造成經濟損失。

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網路詐騙手法不斷進化,釣魚詐騙便常以偽裝合法機構誘取敏感資訊。圖/envato

資安業者趨勢科技的調查就發現,中國駭客組織「Earth Lusca」在 2023 年 12 月至隔年 1 月期間,利用談論兩岸地緣政治議題的文件,發起了一連串的網路釣魚攻擊。這些看似專業的政治分析文件,實際上是在臺灣總統大選投票日的兩天前才建立的誘餌,目的就是為了竊取資訊,企圖影響國家的政治情勢。

網路詐騙還有一些更常見的特徵。首先是那些好到令人難以置信的優惠,像是「中獎得到 iPhone 或其他奢侈品」的訊息。其次是製造緊迫感,這是詐騙集團最常用的策略之一,他們會要求受害者必須在極短時間內作出回應。此外,不尋常的寄件者與可疑的附件也都是警訊,一不小心可能就會點到含有勒索軟體或其他惡意程式的連結。

在個人隱私保護方面,社群媒體的普及更是帶來了新的挑戰。2020 年,一個發生在澳洲的案例就很具有警示意義。當時的澳洲前總理艾伯特在 Instagram 上分享了自己的登機證照片,結果一位網路安全服務公司主管僅憑這張圖片,就成功取得了艾伯特的電話與護照號碼等個人資料。雖然這位駭客最終選擇善意提醒而非惡意使用這些資訊,但這個事件仍然引發了對於在社群媒體上分享個人資訊安全性的廣泛討論。

安全防護一把罩!更新裝置、慎用 Wi-Fi、強化密碼管理

為了確保網路使用的安全,我們必須建立完整的防護網。首先是確保裝置和軟體都及時更新到最新版本,包括作業系統、瀏覽器、外掛程式和各類應用程式等。許多網路攻擊都是利用系統或軟體的既有弱點入侵,而這些更新往往包含了對已知安全漏洞的修補。

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在使用公共 Wi-Fi 時也要特別當心。許多公共 Wi-Fi 缺乏適當的加密和身分驗證機制,讓不法分子有機可乘,能夠輕易地攔截使用者的網路流量,竊取帳號密碼、信用卡資訊等敏感數據。因此,在咖啡廳、機場、車站等公共場所,都應該避免使用不明的免費 Wi-Fi 處理重要事務或進行線上購物。如果必須連上公用 Wi-Fi,也要記得停用裝置的檔案共享功能。

使用公共 Wi-Fi 時,避免處理敏感事務,因可能存在數據被攔截與盜取的風險。圖/envato

密碼管理同樣至關重要。我們應該為不同的帳戶設置獨特且具有高強度的密碼,結合大小寫字母、數字和符號,創造出難以被猜測的組合。密碼長度通常建議在 8~12 個字元之間,且要避免使用個人資訊相關的詞彙,如姓名、生日或電話號碼。定期更換密碼也是必要的,建議每 3~6 個月更換一次。研究顯示,在網路犯罪的受害者中,高達八成的案例都與密碼強度不足有關。

最後,我們還要特別注意社群媒體上的隱私設定。許多人在初次設定後就不再關心,但實際上我們都必須定期檢查並調整這些設定,確保自己清楚瞭解「誰可以查看你的貼文」。同時,也要謹慎管理好友名單,適時移除一些不再聯繫或根本不認識的人。在安裝新的應用程式時,也要仔細審視其要求的權限,只給予必要的存取權限。

提升網路安全基於習慣培養。辨識假訊息的特徵、防範詐騙的警覺心、保護個人隱私的方法⋯⋯每一個環節都不容忽視。唯有這樣,我們才能在享受網路帶來便利的同時,也確保自身的安全!

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從門得列夫到 118 種元素:元素週期表是怎麼出現的?
F 編_96
・2025/01/04 ・2302字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live Science

「氫鋰鈉鉀銣銫砝、铍鎂鈣鍶鋇镭…」相信很多人離開高中很多年,都還朗朗上口。

列著 118 種已知化學元素的「元素週期表」(Periodic Table),雖然唸起來像咒文,但有了它之後便能夠快速查詢原子序(proton number)、價電子(valence electrons)數量,以及元素可能的化學性質,成為各領域科學家與工程師設計實驗、預測物質反應必不可少的工具。

有趣的是,元素週期表並非一蹴可及。縱觀歷史,化學家們歷經數世紀的摸索、爭論與資料整理,才在 19 世紀後半葉逐漸確立。

我們現在看到的元素週期表,是在 19 世紀後半才逐漸確定。 圖/unsplash

週期表之父:門得列夫的突破

19 世紀中葉,已知的化學元素約有 63 種,許多化學家嘗試找出元素間的共同點,卻苦無系統性整理。當時能區分「金屬」與「非金屬」,或利用價電子概念將一些元素歸類,但要涵蓋大多數元素仍顯不足。俄國化學家門得列夫在撰寫《化學原理》教科書時,因接觸各元素的資料而產生新思路。他索性把已知元素各種性質寫在紙卡上,再一一比對它們的原子量(類似當今的原子量或原子序概念)與化學性質。

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確切的靈光乍現時刻,如今已無從完全重現,但我們知道門得列夫最後觀察到:「如果按照原子量(或後來的原子序)由小到大排列,某些化學性質就會呈週期性重複。」進一步來看,元素的價電子數量通常也會對應到表格的「欄位」或「族群」。於是,在 1869 年,他將研究結果發表,提出了第一版週期表的雛形,更大膽預言了尚未被發現的元素「eka-aluminium」(後來證實即鎵 gallium)及其他四種元素的性質。

讀懂週期表:原子序、符號與原子量

今日的週期表之所以能快速讓人獲得豐富資訊,關鍵在於三個核心欄位:

  1. 原子序(Atomic Number)
    代表該元素核內所含質子數。如果一原子核有 6 顆質子,就必定是碳(C),無論其他中子或電子數如何。此序號由上而下、由左而右遞增,貫穿整張表格。
  2. 元素符號(Atomic Symbol)
    多為一至兩字母縮寫,如碳(C)、氫(H)、氧(O)。但也有如鎢(W,因「Wolfram」得名)或金(Au,取自拉丁文「Aurum」)等較不直覺的符號。
  3. 原子量(Atomic Mass)
    表示該元素在自然界中各同位素的加權平均值,故通常是帶小數的數字。對合成元素則標示最常見或最穩定同位素的質量,但由於這些元素壽命極短,數值往往會被不斷修正。

舉例來說,硒(Se)在週期表中顯示原子序 34,屬於第 4 週期、第 6A 族,表示它有四層電子軌域,其中最外層(價電子層)有 6 顆電子。有了這些資訊,科學家可快速判斷硒的化學傾向、可形成何種化合物,乃至於在生物或工業應用中可能扮演的角色。

週期表的內部結構:週期、族與軌域

門得列夫最初按照原子量遞增排列元素,現代則依靠原子序(即質子數)來分類。橫向稱為「週期」(Period),從第 1 週期到第 7 週期;縱向稱為「族」(Group),目前總共有 18 組。週期數量在於顯示該元素電子軌域有幾層;而同一族則代表外層價電子數相同,故有相似化學性質。

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例如,第 18 族常被稱作「貴氣體」或「惰性氣體」,如氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)等皆不易與其他元素起反應。另一個顯著群體是位於第一族的鹼金屬(Alkali Metals),如鋰(Li)、鈉(Na)等,因外層只有 1 顆電子,極容易失去該電子而形成帶 +1 價的陽離子,故與水猛烈反應。

此外,在表格中央有一塊「過渡元素」(Transition Metals)區域,包括鐵(Fe)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)等。它們具有部分填充的 d 軌域,使得該區域的元素呈現多樣性質,例如具有金屬光澤、可塑性或導電性等,被廣泛應用於工業及工程領域。

同一族的外層價電子數相同,因此大多有著相似化學性質。圖/unsplash

再進化:從 63 種到 118 種

當門得列夫在 1869 年發表週期表時,已知元素只有 63 種,表格中甚至留有空白以預留「未來或存在尚未發現的元素」。他果然預測到了鎵(Ga)以及日後證實的日耳曼ium(Ge)等新元素性質,贏得舉世矚目。隨後,有越來越多元素透過科學發展,尤其是光譜分析與放射性研究而被發現,例如鐳(Ra)和氡(Rn)等。

到 20 世紀後期,隨著粒子加速器的誕生,人類可以合成更重的超鈾元素(Atomic Number > 92)。這些人工合成元素往往極度不穩定,壽命僅能以毫秒或微秒計,但仍證實存在、並填補週期表後段空白。如今,週期表已收錄到第 118 號元素「鿆(Og,Oganesson)」,但科學家預測或許還能繼續向上延伸;只要能合成更重、更穩定的原子核,我們就能拓展週期表的新邊境。

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一般認為,隨原子序遞增,原子核內部的質子數目激增,原子愈趨不穩,往往在極短時間內衰變成較輕元素。然而,一些理論物理學家提出「島狀穩定性」(Island of Stability)的概念:也許在某特定質子與中子數量組合下,能出現意外長壽的「穩定」重元素。

是否真能在表格上方再增添「第八週期」甚至更高週期的列,仍有待更多實驗來驗證。但無法否認的是,週期表一直是科學家檢驗自然規律的試驗場,也見證了人類探索未知的無盡熱情。

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F 編_96
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一個不小心闖入霍格華茲(科普)的麻瓜(文組).原泛科學編輯.現任家庭小精靈,至今仍潛伏在魔法世界中💃