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海洋塑膠生物圈成為細菌的新家

陳俊堯
・2013/07/08 ・2287字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 494 ・六年級

塑膠是我們每天都會用到的東西。全球塑膠年產量兩億四千五百噸,平均起來每個人分到 35 公斤,等於超過一半人類族群的總重量。這麼多的塑膠當然造就出大量塑膠垃圾,這些塑膠垃圾大量流進海洋,你只要動動手指查一下就可以發現早已有各種動物吞食塑膠垃圾的報告,鯨魚[1],海豚[2],海豹[3],企鵝[4],海鳥[5, 6],海龜[7],魚類[8] 無一倖免。就算塑膠在經年累月日曬雨淋後逐漸破敗解體,也只是從大片塑膠崩解成為肉眼看不見的微粒,對濾食性的生物[9]或浮游生物[10]繼續造成危害,或許還會經由生物累積再次回到人類身邊。我們天天擔心塑化劑和雙酚A的問題;這些沒選擇的海洋生物則是天天在食物裡更直接地受到傷害。想像一下你把一個塑膠袋吞下肚,就像海龜也會誤把它當做水母吞下一樣。被吞下的塑膠袋可能會阻塞消化道,可能會造成發炎,沒多久你就得去醫院報到了。

地中海拯救海龜組織(MEDASSET)的海報。海龜不能分辨塑膠袋和水母,誤食塑膠袋對海龜來說是相當大的危險。

就像很多人類造成的嚴重後果一樣,最後的殘局總是得由微生物來慢慢收拾。塑膠當初被大量使用的原因之一就是它難以分解,結果就是它在海洋裡能長久停留。塑膠提供了可以在海洋裡吸附養份的表面,有了這些養份,細菌就來了。一份來自印度的研究報告指出 PVC 塑膠放在海水裡 30 分鐘就有不少細菌附著[11]。一份英國研究報告也指出細菌會在 PE 塑膠表面形成生物膜,塑膠的親水性增加及浮力變小[12]。親水性增加可以讓它容易被水中微生物接近利用,浮力變小可能幫助它沉入深海。不過這些報告上的證據都只是說明細菌會附著在塑膠上,而吸附的細菌並不見得會幫人類分解塑膠。就像我可以在 Starbucks 窩一陣子補充咖啡因,卻不會像則卷卡斯拉(=可美=寶瓜)那樣把整棟樓給啃了。

到底海洋裡的細菌能不能分解塑膠垃圾?人們在陸地上已經找到一些能緩慢分解塑膠的細菌,但是海水鹹鹹,我們不能指望這些陸地上的細菌能到海洋救援。曾有研究人員從印度海灣裡分離出能在實驗室裡分解 HDPE 塑膠的細菌[13],所以海水裡的確存在可以分解塑膠的細菌,在真正的塑膠垃圾堆裡能不能生長還是未知。 一篇日本的研究報告也指出,如果在海水裡放入 PET 塑膠當做細菌唯一的食物來源,六個月後海水中異營性細菌的數量並不會減少,顯然這群細菌很可能從 PET 塑膠裡得到養份[14]。最近一份美國的研究報告提供了更詳細的資料[15]。他們收集了漂流在北大西洋的塑膠碎片(小於 0.5 公分),帶回實驗室進行分析。他們以掃描式電子顯微鏡觀察這些碎片,不意外地發現大量細菌和其它微生物附著在塑膠表面。意外的是他們觀察到這些細菌似乎陷入塑膠表層,看起來像是把塑膠溶了個洞住進去。而且這些洞都和細菌大小很接近,應該是細菌自己溶出來的。這個證據支持海洋細菌可以分解塑膠的想法,雖然真正可靠的證據還是得在實驗室成功培這些細菌後才能到證實,至少這個結果告訴我們自然界的自我復原機制可能正緩慢地開始作用了。

塑膠碎片表面的細菌. 圖片出自原研究 Figure 2. Zettler et al. Environ Sci Technol. 2013 Jul 2;47(13):7137-46.

這篇研究報告還有個有意思的結果。他們以大量平行定序技術(parallel sequencing)分析了 PP 塑膠,PE 塑膠和附近海水裡的細菌組成,在 PP 塑膠找到 1165 種細菌[16],在 PE 塑膠上找到 880 種細菌,海水中找到 1975 種細菌。海水裡的細菌多樣性在自然界裡算是非常高的,這份數據告訴我們塑膠上的細菌多樣性大約是海水裡的一半,也可以算得上是個高多樣性的新環境。分析中也指出同時在塑膠和海水中出現的細菌只有 186 種,顯示塑膠是個新興社區,上頭住的是和海水裡很不一樣的居民。作者在這篇研究裡用了 “塑膠生物圈” (plastisphere)來稱呼這個環繞塑膠而生的新社群,其實想想,在北大西洋有 1100 噸塑膠碎片在漂流[17],這些碎片表面生活的微生物無論在數量或是多樣性,在地球上都是不能被忽視的了。我們真的已經用垃圾在海洋裡造就了一個新的棲地。該算是讓人類感到恥辱的永久紀念碑了吧?如果你開始有了點罪惡感,等一下請自己帶個杯子出門,買飲枓不要再用店家的塑膠杯了!

參考文獻及註解

  1. Avery-Gomm S, Provencher JF, Morgan KH, Bertram DF. Plastic ingestion in marine-associated bird species from the eastern North Pacific. Mar Pollut Bull. 2013 Jul 15;72(1):257-9.
  2. Denuncio P, Bastida R, Dassis M, Giardino G, Gerpe M, Rodríguez D. Plastic ingestion in Franciscana dolphins, Pontoporia blainvillei (Gervais and d’Orbigny, 1844), from Argentina. Mar Pollut Bull. 2011 Aug;62(8):1836-41.
  3. Bravo Rebolledo EL, Van Franeker JA, Jansen OE, Brasseur SM. Plastic ingestion by harbour seals (Phoca vitulina) in The Netherlands. Mar Pollut Bull. 2013 Feb 15;67(1-2):200-2.
  4. Brandão ML, Braga KM, Luque JL. Marine debris ingestion by Magellanic penguins, Spheniscus magellanicus (Aves: Sphenisciformes), from the Brazilian coastal zone. Mar Pollut Bull. 2011 Oct;62(10):2246-9.
  5. Avery-Gomm S, Provencher JF, Morgan KH, Bertram DF. Plastic ingestion in marine-associated bird species from the eastern North Pacific. Mar Pollut Bull. 2013 Jul 15;72(1):257-9.
  6. Lindborg VA, Ledbetter JF, Walat JM, Moffett C. Plastic consumption and diet of Glaucous-winged Gulls (Larus glaucescens). Mar Pollut Bull. 2012 Nov;64(11):2351-6.
  7. Lazar B, Gračan R. Ingestion of marine debris by loggerhead sea turtles, Caretta caretta, in the Adriatic Sea. Mar Pollut Bull. 2011 Jan;62(1):43-7.
  8. Jantz LA, Morishige CL, Bruland GL, Lepczyk CA. Ingestion of plastic marine debris by longnose lancetfish (Alepisaurus ferox) in the North Pacific Ocean. Mar Pollut Bull. 2013 Apr 15;69(1-2):97-104.
  9. von Moos N, Burkhardt-Holm P, Köhler A. Uptake and effects of microplastics on cells and tissue of the blue mussel Mytilus edulis L. after an experimental exposure. Environ Sci Technol. 2012 Oct 16;46(20):11327-35.
  10. Cole M, Lindeque P, Fileman E, Halsband C, Goodhead R, Moger J, Galloway TS. Microplastic ingestion by zooplankton. Environ Sci Technol. 2013 Jun 18;47(12):6646-55.
  11. Balasubramanian V, Palanichamy S, Subramanian G, Rajaram R. Development of polyvinyl chloride biofilms for succession of selected marine bacterial populations. J Environ Biol. 2012 Jan;33(1):57-60.
  12. Lobelle D, Cunliffe M. Early microbial biofilm formation on marine plastic debris. Mar Pollut Bull. 2011 Jan;62(1):197-200.
  13. Balasubramanian V, Natarajan K, Hemambika B, Ramesh N, Sumathi CS, Kottaimuthu R, Rajesh Kannan V. High-density polyethylene (HDPE)-degrading potential bacteria from marine ecosystem of Gulf of Mannar, India. Lett Appl Microbiol. 2010 Aug;51(2):205-11.
  14. Webb HK, Crawford RJ, Sawabe T, Ivanova EP. Poly(ethylene terephthalate) polymer surfaces as a substrate for bacterial attachment and biofilm formation. Microbes Environ. 2009;24(1):39-42.
  15. Zettler ER, Mincer TJ, Amaral-Zettler LA. Life in the “plastisphere”: microbial communities on plastic marine debris. Environ Sci Technol. 2013 Jul 2;47(13):7137-46.
  16. 嚴格來說應該是 OTU (operational taxonomic unit),這裡直接稱為”種”,以方便讀者理解.
  17. Law KL, Morét-Ferguson S, Maximenko NA, Proskurowski G, Peacock EE, Hafner J, Reddy CM. Plastic accumulation in the North Atlantic subtropical gyre. Science. 2010 Sep 3;329(5996):1185-8.
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陳俊堯
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慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。

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細菌會說話嗎?來自生物世界最早的聲音!——《傾聽地球的聲音》
商周出版_96
・2022/12/12 ・2595字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

生物的聲音最早來自細菌,向周遭水域釋出幾不可聞的低語,或嘆息或愉悅。

如何聽見細菌的聲音

如今我們能分辨細菌的聲音,靠的是最靈敏的現代儀器。寧靜實驗室裡的麥克風能夠收到來自枯草桿菌(Bacillus subtilis)菌落的聲音,這是土壤和哺乳類動物腸道常見的細菌。這些聲音放大之後,聽起來像從緊閉的閥門逸出的嘶嘶蒸氣。當擴音器對長頸瓶裡的細菌播放類似的聲音,細胞會加速生長,這種現象背後的生化原理仍是個謎。

我們也能「聽見」細菌的聲音,方法是將細菌放在極微小的支柱頂端,當細菌被放置在這個微小支柱上,它的細胞表面的任何振動,都會牽動支柱。

科學家因此可以用雷射光鎖定支柱,記錄並測量這些動態。透過這種方法,我們發現細菌時時刻刻顫動著,製造出持續性的聲波。這些聲波的高峰與低谷,也就是細胞的振動幅度,大約只有五奈米,是細菌細胞寬度的千分之一,比我說話時聲帶振動的幅度小五十萬倍。

細胞會發出聲音,是因為它們持續在動。

它們仰賴數以千計的內在流動與韻律存活,而這些律動都經由化學物質的反應與連結塑造或調節。基於這樣的動態,也難怪它們的細胞表面會產生那麼多振動。我們對這些聲音的無視令人不解,尤其如今的科技已經允許人類的感官進入細菌的領域。

細菌時時刻刻都在震動,持續發生聲波。圖/pexels

細菌是在溝通嗎?

在學習過程中,從來沒有人要求我在實驗中用耳朵聆聽。細胞的聲音不只存在我們的感知邊緣,也存在我們的想像之中,被我們的習慣與先入為主的看法定型。

到目前為止,只有二十多份學術論文探討細菌的聲音。同樣的,我們雖然知道細菌表面的蛋白質可以偵測物理動作,比如切斷、延展與碰觸,但這些感應器如何與聲音產生作用,還需要進一步研究。也許這其中存在著文化偏誤。身為生物學家,我們太沉迷於視覺圖表。

細菌會說話嗎? 它們會藉由聲音跟彼此溝通,就像它們會透過化學物質在細胞之間傳遞訊息一樣嗎? 由於細胞之間的溝通是細菌的基本活動之一,乍看之下聲音似乎是可能的通訊手段。

細菌是群聚生物,它們以緊密交織的薄膜或團塊的形式生活在一起。某些化學或物理攻擊輕易就能殺死單一細胞,卻傷害不了它們。細菌的壯盛仰賴網絡內的團隊合作,而就基因與生化的層級而言,它們彼此始終不斷在交換分子。

只是,儘管它們接觸到與自己類似的聲音時會加速生長,代表它們可能「聽得見」,但到目前為止,還沒有人記錄到細菌間以聲音傳訊的實例。

聲音的通訊或許不適合細菌族群。它們生活的範圍極為狹窄,分子能在幾分之一秒內就從一個細胞抵達另一個細胞。細菌內部有數以萬計的分子,是規模龐大又複雜的現成語言。對細菌而言,化學物質通訊或許比較省力迅速,也比聲波更為精密。

細菌可能「聽得見」彼此的聲音。圖/envato.elements

寂靜的生命世界

大約有二十億年的時間,細菌和外形與它們類似的親族古細菌是地球上僅有的生物。阿米巴原蟲、纖毛蟲和它們的親族這類比較大型的細胞,大約在十五億年前演化出來。這些較大的細胞又稱真核生物,後來演化出植物、真菌和動物。單一的真核細胞就跟細菌一樣,會持續不斷的振動,好像也不靠聲音彼此溝通。酵母菌細胞不對伴侶歌唱;阿米巴原蟲也不會大聲警告近鄰。

最早的動物延續這份沉寂。這些海洋動物的身體像圓盤或褶絲帶,是由一縷縷蛋白質纖維連結而成的細胞所構成。如果我們現在能將牠們拿在手上,觸感會像片狀海帶,又薄又有彈性。牠們的化石殘骸藏身在有五億七千五百萬年歷史的岩石裡。這些海洋動物統稱為埃迪卡拉動物群(Ediacaran fauna),名稱取自這些化石出土的澳洲山區。

埃迪卡拉的動物軀體過於簡單,看不出牠們的來源,也沒有留下任何蛛絲馬跡,好讓我們將牠們歸類於如今已經發現的族群。沒有節肢動物的分段式盔甲;沒有魚類背部的硬質脊柱;沒有嘴、腸道和器官。還有,幾乎也能確定牠們沒有發聲結構。

這些動物的軀體沒有任何部分能製造出連貫性的刮擦聲、爆破聲、重擊聲,或撥弦聲。現今的一些動物外形與牠們類似,結構卻比較複雜,比如海綿、水母和海扇,同樣也不會發出聲音,顯示這些原始動物的聚落一片靜寂。除了細菌和其他單細胞生物的低語,演化只為地球添加了碟狀或扇形軟體動物周遭潑濺回旋的水聲。

生物世界第一道聲響:「纖毛的出現」

長達三十億年的時間裡,生命幾乎靜默無聲,唯一的例外是細胞壁的振動,和早期圍繞動物周遭的渦流。可是在那漫長、靜謐的歲月裡,演化創造出一個後來改變地球聲響的結構。這個創新產物是細胞膜上一根擺動的細毛,它能幫助細胞游泳、前進和搜集食物。

這根細毛又稱纖毛,能夠探入細胞周遭的液體。很多細胞擁有多根纖毛,靠一團團或一片片纖毛的擺動增加游泳能力。我們還不清楚纖毛是怎麼演化來的,不過它們最初可能是細胞內部蛋白質結構的延伸。水中的所有動態都被傳送到纖毛核心內的活蛋白質,再傳回細胞。

這種傳送作用後來變成生命體覺察聲波的基礎。纖毛會改變細胞膜和分子的電荷,藉此將細胞外部的動態轉譯成細胞內部的化學語言。到如今,所有動物都利用纖毛來感知周遭的聲音振動,使用的可能是專門的聽覺器官,或遍布在表皮與體內的纖毛。

如今地球上豐富多樣的動物聲音,包括我們自己的聲音,是源於十五億年前的纖毛的雙重傳承。首先,演化透過纖毛在細胞與動物軀體上的各種配置,創造多樣化的感官體驗:我們人類的耳朵只是聆聽的一種媒介。其次,某些動物第一次覺察到水中的振動後,又經過許久才找到利用聲音彼此溝通的方法。

這兩種傳承――聲音的感知與表達――的交互作用,增加了演化的創造力。當我們為春天的鳥鳴、嬰兒對語言的察覺,或夏季夜晚昆蟲與蛙類活力十足的大合唱驚奇讚嘆,就是沉浸在纖毛的奇妙傳承裡。

——本文摘自《傾聽地球之聲》,2022 年 11 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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商周出版_96
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未來可能會有這個職業嗎?專門捕撈塑膠的塑膠漁夫!——《拯救地球的工作者》
和平國際
・2022/11/04 ・1290字 ・閱讀時間約 2 分鐘

編按:現在的生活瞬息萬變,在未來的世代,可能會出現許多你想都沒想過的職業。讓我們與孩子一起發揮想像力,你覺得未來會有什麼樣的職業出現呢?

塑膠漁夫:打撈塑膠就是我們的工作!

「今天又是出海的好天氣!」亞美迪歐和其他塑膠漁夫歡聲雷動,每一天,他們都要拯救受汙染的海洋。自從人類有了石油,就發明出便宜好用的材料─塑膠。可是塑膠被丟棄後會一直在環境中漂流,不會消失。

亞美迪歐的團隊為了捕撈塑膠,會運用特殊設計的磁網,只吸引塑膠垃圾,不影響魚兒在水中的生活。

「糟糕,又來了!這星期已經發生第二次了!」亞美迪歐說完,立刻跳上救生船,原來是遠方有隻信天翁被塑膠網纏住,不斷在水裡揮動巨大的翅膀,發出淒厲的叫聲。

救援行動當然不輕鬆,耽誤了一些工作時間,還好幾分鐘之後,信天翁終於重獲自由了。

除了大型塑膠垃圾外,海裡還潛藏著肉眼看不見的危險物質─塑膠微粒。它們比髮絲更細、比沙粒更小,如果被魚吃下肚,最後會成為人類盤中的食物。

這時候就要動用塑膠漁夫的最新發明。「摩比,做得好,看看你今天能吞噬多少塑膠微粒?」亞美迪歐一邊大喊,一邊走向船尾,一臺貌似藍鯨的機器人從水中冒出來,嘴裡布滿特殊長牙,這些長牙的功能類似過濾器,專門捕撈塑膠微粒。

亞美迪歐大聲歡呼:「還不賴,這裡乾淨多了!現在大家該去睡個好覺,明天繼續往南!」

海洋裡到底有多少塑膠垃圾?

4 億噸:塑膠每年在全球被製造出來,相當於 66 座吉薩金字塔。

6,000 萬噸:塑膠每年在歐洲製造出來,相當於 1,000 萬頭大象。

2,600 萬噸:歐洲每年丟棄的塑膠,其中不到 30% 被回收。

1,000 萬噸:歐盟制定目標,預計在 2025 年,每年至少要回收的塑膠重量。

700 種生物正受到海洋塑膠垃圾的傷害

  • 35% 是鳥類;
  • 27% 是魚類;
  • 20% 是無脊椎動物;
  • 13% 是哺乳類動物;
  • 5% 是爬蟲類。

塑膠漁夫要有的能力

○ 喜歡海洋

○ 對生態學有興趣

○ 會游泳

○ 大而化之

○ 有遠大的目標

○ 清楚回收流程

——本文摘自《拯救地球的工作者》,2022 年 10 月,和平國際出版,未經同意請勿轉載。

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當人們對細菌一無所知、當醫生不洗手:生產,就像是去鬼門關前走一趟──《厲害了,我的生物》
聚光文創_96
・2022/09/13 ・1767字 ・閱讀時間約 3 分鐘

無知的代價:產褥熱

故事說到這裡,此時此刻,人們依然只能透過顯微鏡、放大鏡等工具,追尋微生物的芳蹤。當然啦,發現微生物是一回事,要確認這些微生物與特定疾病的相關性,並且證實它們的致病性與致病機制,則完全又是另一回事。

在那個對微生物一無所知的年代,該有多可怕?圖/envatoelements

然而,產業救星巴斯德先生在拔了一根草、測了測風向以後,敏銳的發現,風向是會改變的。在與微生物和疾病的永恆戰鬥中,人類也不會永遠的屈居下風。

巴斯德的重心,逐漸從化學轉移到微生物之上。他雖然不是醫生,也不是婦女,卻對婦女的生死大關特別有興趣。

在十八世紀到十九世紀之間,有多達百分之三十的婦女,會在生產後的「產褥期」,受到細菌感染而持續發燒,稱為「產褥熱」(puerperal fever)。

當時,產褥熱的致死率相當高,一旦受到感染,有百分之七十五的產婦可能會挺不過去,一手接生一手送死,悲傷的故事在醫院裡不斷上演。

被忽視的警告:「不要碰完屍體去接生!」

一八四三年,美國醫生霍姆斯(O. W. Holmes)在論文中提到,不少醫生會在解剖完屍體之後,再為產婦進行接生,這些產婦中,染上產褥熱的比例也偏高。

但是,當時的醫學界並不認同霍姆斯的觀點,將他的提醒當成了耳邊風。

進產房前,別忘了先寫遺囑!圖/聚光文創

與此同時,在著名的維也納大學醫學院中,匈牙利醫師塞麥爾維斯(Ignaz Philipp Semmelweis),正為了附屬醫院中,遲遲無法下降的產婦死亡率而苦惱著。

即使進行了詳細的大體解剖,塞麥爾維斯也無法找出產褥熱的原因,只能眼睜睜的看著產婦一邊期待著新生命的降臨,一害怕著死神將揮舞著鐮刀,收割她們的性命。

心痛的塞麥爾維斯,於是將目光轉向產房細節。他注意到,如果產婦居住在解剖室旁的產房,產褥熱的比例更居高不下;反觀助產士教學病房裡的產婦,死亡率就明顯較低。

塞麥爾維斯於是推測,或許在屍體中帶有某種毒素,經由負責解剖的醫生、實習生的雙手,在接生或產檢之際進入產房,造成了產婦的死亡。

只是洗個手,死亡率剩下原本的 1/4

一八四七年,塞麥爾維斯決定,要求產科裡所有醫生、實習生,特別是那些剛進行過大體解剖的小夥伴們,在為產婦接生或檢查之前,務必要用肥皂與漂白水浸泡、清洗雙手,並澈底刷洗指甲底下的汙垢。

果不其然,一個簡簡單單的洗手動作,就讓院內產婦的死亡率,從百分之十二下降到百分之三!可喜可賀!

即使塞麥爾維斯發現「洗手」就可以降低產婦的死亡率,但它的發現並未被醫界重視。圖/envatoelements

按照常理思考,我們可以大膽推測,接下來的劇情發展應該是:「塞麥爾維斯被譽為英雄,他所推行的洗手習慣,立刻被全世界廣泛採用……」

NO~NO~NO,塞麥爾維斯拿到的,可不是這麼簡潔、老生常談的劇本,故事尚未劇終,本章節依然未完待續。

事實上,他的重要發現並沒有受到醫學界的認可,連病房主任也說,死亡率的下降,是醫護同仁們用心禱告的結果,跟洗不洗手什麼沒啥關係。

不僅論點違背主流風向,許多醫生甚至覺得,塞麥爾維斯的說法,根本就是在說「醫生手很髒」或「病從醫生來」,對此,他們表達強烈的不憤怒與不滿。

讀到這裡,我們或許會覺得,只是洗個手,有那麼痛苦那麼難嗎?殊不知,即便是疫情當前的今日,對於這個倡導手部衛生的建議,依然有人會感到不滿與抗拒。

如此一想,一百多年前的醫生們不想洗手,好像不是多麼不可思議的事情了。

沒想到竟然連醫生都會不想洗手!圖/聚光文創

──本文摘自《厲害了,我的生物》,2022 年 8 月,聚光文創,未經同意請勿轉載。

聚光文創_96
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據說三人出版社就算得上中型規模,也許是島嶼南方太過溫暖,我們對出版業的寒冬始終抱持著浪漫與天真。 作者們說,出版市場很艱困,但我們依然想在翻譯領軍的文學市場中,為本土的作者、原創故事發聲。 喜歡做為升學孩子減輕壓力的書,不要厚重百科類型、沒有艱澀的專有名詞,很多重大發現的背後故事更值得我們好好品味。