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靈之蝶:1906年第六屆諾貝爾生理學醫學獎得主Camillo Golgi和Santiago Ramón y Cajal的畫作欣賞

hemmings
・2013/10/19 ・2619字 ・閱讀時間約 5 分鐘

第六屆諾貝爾生理學/醫學獎,於1906年頒給了義大利生理學家Camillo Golgi和西班牙組織學家Santiago Ramón y Cajal。他們對神經系統結構的研究成果,成為日後神經科學這一門新興科學的重要基礎。

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Camillo Golgi
Image courtesy of http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1906/
cajal_postcard
Santiago Ramón y Cajal
Image courtesy of http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1906/

自從寫完上一期諾貝爾生理學醫學獎以後,筆者就一直抱著半逃避的心態,遲遲不想動筆續寫,不,毋寧說是不敢動筆。

過去的文章,介紹的人物雖然個個也都是生理學界/醫學界的翹楚,但畢竟不是筆者自己的專業範疇,不知天高地厚地,也就這麼寫了五屆回顧。

但當我寫完上一篇文章,並且自得意滿地開始為1906年第六屆生理學醫學獎準備材料時,打開諾貝爾獎官方網站一看,嚇得差點從椅子上跌下。

Camillo Golgi和Santiago Ramón y Cajal,這兩位大名鼎鼎的科學家,神經科學研究的奠基者,我的祖師爺(前提是我敢在他們面前自稱是神經科學家)。

中學基礎生物課程就有學過:細胞器裡頭有個叫做高爾基複合體(Golgi apparatus)的東西,是細胞內負責蛋白加工、分類、包裝的工廠。這玩意兒,就是Camillo Golgi首先發現的。而Santiago Ramón y Cajal,更是神經科學立科之本的neuron doctrine(神經元學說)的重要起草人(好比傑佛遜之於獨立宣言之於美利堅合眾國)。

他們做了大量研究,立論著書無數,要寫他們的研究文獻回顧,我光用想的就覺得頭皮發麻,兩腳發軟。

而且這還是諾貝爾生理學醫學獎第一次同時頒給兩位獲獎人。我何德何能有資格在這裡將這兩位大大大前輩的畢生工作心血,用短短一篇文章做個總結?

如此一想,立馬也開始對自己過去寫的前五屆諾貝爾獎回顧充滿罪惡感,深深覺得自己不配為這些偉大的科學家們寫回顧,同時為自己無知的渺小感到可悲。

直到某天,整理家中書櫃時翻出去年同事送給我的生日禮物:《Cajal’s Butterflies of the Soul(Cajal的靈魂的蝴蝶)》by Javier DeFelipe (Oxford University Press 2010)。那是一本彙整了Golgi、Cajal還有其他許多著名神經學家(比如Franz Nissl)生前主要畫作的精美書籍。(在照相技術才剛起步的年代,作為神經形態學家,畫畫是Golgi和Cajal很重要的工作內容。)

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Cajal’s Butterflies of the Soul by Javier DeFelipe (Oxford University Press 2010)
Image courtesy of http://thebeautifulbrain.com/wp-content/gallery/cajal_butterflies/dpp_0090.jpg

翻開卷首,”Like the entomologist hunting for brightly coloured butterflies, my attention was drawn to the flower garden of the grey matter, which contained cells with delicate and elegant forms, the mysterious butterflies of the soul, the beating of whose wings may some day (who knows?) clarify the secret of mental life.(如同不斷追尋繽紛美麗蝴蝶的昆蟲學家一樣,我被神經灰質的後花園所深深吸引。那裡有形態精緻優雅的細胞,還有那謎一般的靈魂的蝴蝶,說不定它的一振翅,有天(誰知道?)就能揭開精神世界的神秘面紗。)” Cajal如是對我說。

原本誠惶誠恐、戒慎恐懼的心,一下子融化在Cajal的話語裡。我的渺小、我的無知,都不要緊。Cajal不是我的敵人,Golgi也不是,所有科學家都不是。我和人們分享他們窮極一生不斷追尋的美,即使我做得再糟,他們也不會生我的氣。

我唯一的敵人是我自己心裡基於追求世俗功名利祿、以及隨之而來的得失心,所樹立出來的幻影。只有當我想要透過文章證明自己好像很厲害的時候,我才會害怕。

Golgi和Cajal都只是單純地追尋著他們覺得異常美麗的一件事物,如此而已。而我和他們,有相同的嗜好、近似的情趣(都是神經控)。互稱師爺、徒孫似乎太過矯情,但我確實承接著他們的熱忱,沿著他們的步伐腳印,一步步地走過他們為後人開闢的路,一邊為他們充滿創見的工作讚歎不已,同時難忍心中雀躍不已的好奇心,不時走進那尚未開闢的原始叢林裡,只為尋找那隱藏在人腦中象徵靈魂的色彩斑斕的蝴蝶。即便等級相差不只一天地,但高山仰止,景行行止,雖不能至,仍心嚮往之。

思緒至此,忽然突發奇想:不如就用Golgi和Cajal生前的畫作,來介紹他們的研究工作吧?與其用文字總結他們的成果,不如幫他們辦個迷你網路畫展好了!

不過在那之前,還是得先做點基礎說明。

Golgi首先在19世紀末發現:藉由鉻酸銀染色法,可以清楚觀察神經纖維走向。這是神經科學啟蒙過程中,非常重要的一步,因為在此之前,科學家們都沒有非常好的方法能夠觀察神經系統的細胞級別結構。基於Golgi發現的技術,Cajal提出了幾點日後成為neuron doctrine重要骨幹的理論基礎。早在18世紀初,Theodore Schwann就提出了「所有生物組織都是由細胞組成」的假設。然而,神經組織一直是個例外,因為人們始終無法找到神經細胞,也因此出現了兩種學派:reticular theory(網狀學說)的支持者相信神經組織就是一個單一的互聯網狀結構,中間不存在任何斷點,也沒有所謂「獨立神經細胞」的存在;neuron doctrine的信徒則認為,神經組織是由單一神經元相連而成,神經元包含胞體、樹突及軸突,神經之間通過突觸彼此聯結。有趣的是,Golgi是reticular theory的死忠,而Cajal則是neuron doctrine的粉絲,兩人在學術上的爭辯其實是針鋒相對、誰也不讓誰的。Golgi在諾貝爾獎頒獎演說上,就大方公開批評neuron doctrine(Golgi的演說稿)。

諾貝爾獎在同一年頒給了正反兩方對立理論的科學家,大家心裡都明白「終有一天其中一人的理論會被推翻」。事後證明,reticular theory是個美麗的夢,neuron doctrine才是正確的。但這絕無法否定Golgi畢生對神經科學乃至整個醫學界所作出的貢獻(他不光是發現了Golgi apparatus,還發現了Golgi tendon organ(高爾基肌腱感受器),另外在瘧疾以及腎臟功能的領域裡都有非常重要的研究突破)。

然後,我從網路上找了幾幅我最喜歡的Golgi和Cajal的畫作。

portraits_small
Golgi畫的嗅球神經組織結構
Image courtesy of http://observatoryroom.org/2010/10/01/portraits/
cajal-chick-cerebellum
Cajal畫的小腦神經細胞結構。
Image courtesy of http://www.phy.duke.edu/~hsg/cajal-chick-cerebellum.jpg
Golgi_Hippocampus
Golgi名作「海馬」
Image courtesy of http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5e/Golgi_Hippocampus.jpg
12-01-Cajal_CAT025
Cajal名作「神經元」
Image courtesy of http://arttattler.com/Images/Europe/Germany/Munchen/ZKM/Discreet%20Charm/12-01-Cajal_CAT025.jpg

此外,Cajal’s Butterflies of the Soul一書裡,還收藏了許多其他神經科學家的美麗畫作。

最後,我想用Cajal的話做結束:”There can be no doubt, only artists are attracted to science… I must have done over 12,000 drawings. For a profane man they are strange drawings, the details of which are measured in thousandths of a millimetre although they reveal mysterious worlds emanating from the architecture of the brain…”
毫釐之間,一花一世界,一沙一天堂。

神經灰質的後花園,真是美爆了⋯⋯

備註:文中圖片作者不具有版權。如有侵犯版權/著作產權之行為,請即刻與作者聯繫。

I do not own the copyrights to the images in this article. If you believe any content appearing constitutes a copyright infringement of another party’s right, please contact me immediately to notify of this infringement.

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hemmings
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認為科學必須從基礎紮根,相信經典必有其價值和意義。 通過介紹諾貝爾大師們的研究工作和嚴謹態度,在大眾科學的汪洋中推廣經典科學理論以及科學精神的重要性,並冀望藉此能讓讀者以一個更寬廣的角度來欣賞現代社會之包羅萬象。

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地震規模越大,晃得越厲害?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/16 ・3706字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

某天,阿雲跟阿寶分享了一個通訊軟體上看到的資訊:

阿雲:「欸,你知道最近有個傳言說,花蓮有 7.7 級地震,如果發生的話台北會有 5.0 級的震度耶!」

阿寶:「蛤?那個傳言也太怪了吧,應該是把規模和震度搞混了!」

震度:量度地表搖晃的單位

確實常常有人把地震的規模跟震度搞混,實際上,因為規模指的是地震釋放的能量大小,所以當一個地震發生時,它的規模值已經決定了,只是會因為測量或計算的方式不同,會有些許的數字差異,而一般規模計算會到小數點後第一位,故常會有小數點在裡面。然而震度指的意思是地表搖晃的程度,度量表示方式通常都是以「分級」為主,比如國外常見、分了 12 級震度的麥卡利震度階,就是用 12 種不同分級來描述,而中央氣象局目前所使用的震度則共分十級,原先是從 0 級到 7 級,而自 2020 年起,在 5 級與 6 級又增了強、弱之分,也就是震度由小而大為 0-1-2-3-4-5弱-5強-6弱-6強-7 等分級,所以在表示上我們以整數 + 級或是強、弱等寫法,就可以區分規模和震度,不被混淆了!

而為什麼專家常需要強調震度和規模不一樣?那是因為震度的大小,是受到許多因素的影響。地震發生後,造成地表搖晃的主要原因是「地震波」傳來了大量能量,規模越大的地震,代表的就是地震釋放的能量越大,就像是你把擴音的音量不斷提高時,會有更大的聲音傳出一般。所以當其他的因素固定時,確實會因為規模越大、震度越大。

可是,地震波的能量在傳播過程中也會慢慢衰減,就像在演唱會的搖滾區時,在擴音器旁往往感覺聲音震耳欲聾,但隔了二、三十公尺之外,音量就會變得比較適中,但到了會場外,又會變得不是那麼清楚一樣。所以無論是地震的震源太深、或是震央離我們太遙遠,地震波的能量都會隨著距離衰減,一般來說震度都會變得比較小。

「所以,只要把那個謠言的台北規模 5.0 改為震度 5 弱,說法就比較合理了嗎?」阿雲說。

「可是,影響震度的因素還有很多,像是我們腳下的岩石性質,也是影響震度的重要因素。」阿寶說。

場址效應:像布丁一樣的軟弱岩層放大震波

原本我們都會覺得,如果地震釋放能量的方式就像是聲音或是爆炸一般,照理說等震度圖(地表的震度大小分布圖)上會呈現同心圓分布,但因為地質條件的差異,分布上會稍微不規則一些,只能大致看出震度會隨著離震央越遠而越小。地震學上有一個專有名詞叫做「埸址效應」,指的就是因為某些特殊的地質條件下,反而讓距離震央較遠的地方但震度被放大的地質條件。其中最常見的就是「軟弱岩層」和「盆地」兩種條件,而且這兩種還常常伴隨在一起出現,像是 1985 年的墨西哥城大地震,便是一個著名的例子。

影片:「場址效應」是什麼? 布丁演給你看

墨西哥城在人們開始在這邊發展之前,是個湖泊,湖泊中常有鬆軟的沉積物,而當湖泊乾掉之後,便成了易於居住與發展的盆地。雖然 1985 年發生的地震規模達 8.0,但震央距離墨西哥城中心有 400 公里,照理說這樣的距離足以讓地震波大幅衰減,而地震波傳到盆地外圍時,造成的加速度(PGA)大約只有 35gal,在臺灣大約是 4 級的震度,然而在盆地內的測站,卻觀測到 170gal 的 PGA 值,加速度放大了將近五倍,換算成震度,也可能多了一至二級的程度,也造成了相當程度的災情。盆地裡的沉積物,就像是裝在容器裡的布丁一樣,受到搖晃時,會有更加「Q 彈」的晃動!

1985 年墨西哥城大地震的等震度圖。圖/wikipedia

因此,在臺灣,雖然臺北都會區並沒有比其他區有更多更活躍的斷層,但地震風險仍不容小覷,因為臺北也正是一個過去曾為湖泊的盆地都市,仍有一定程度的地震風險,也需要小心來自稍遠的地震,除了建築需要有更強靭的抗震能力,強震警報能提供數秒至數十秒的預警,也多少讓人們能即時避災。

斷層的方向與震源破裂的瞬間,也決定了等震度圖的模樣

阿雲似懂非懂的接著問:「可是啊,為什麼有的時候大地震的等震度圖長得很奇怪,而且有些時候震度最大的地方都離震央好遠呢!也太巧合了吧?」

「這並不是巧合,因為震央下方的震源,指的其實是地震發生的起始點,並不是地震能量釋放最大的地方啊!」阿寶繼續解釋著。

「蛤!為什麼啊?」阿雲抓抓頭,一邊思考著。

地震是因為地下岩層破裂產生斷層滑動而造成的,雖然不是每個地震都會造成地表破裂,但目前科學家大多認為,地震的破裂只是藏在地底下,沒有延伸到地表而已,而且從地震的震度,也可以看出地底下斷層滑移的特性。

斷層在滑動時,主要的滑動和地震波傳出的地方,會集中在斷層面上某些特定的「地栓」(Asperity)之上,這些地栓又被認為「錯動集中區」,而通常透過傳統的地震定位求出來的震源,其實只是這些地栓中,最早開始錯動的地方。但實際上,整個斷層錯動最大的地方,往往都不會在那一開始錯動的地方,就像是我們跑步時,跑得最快的瞬間,不會發生在起跑的瞬間,而是在起跑後一小段的過程中,而錯動量最大的區域,才會是能量釋放最大的地方。而或許是小地震的地栓範圍小,震央幾乎就在最大滑移區的附近,因此也看不太出來,通常規模越大,震源的破裂行為會隨著時間傳遞,此效應才會越明顯。

震源與震央位置示意圖。圖/中央氣象局

那麼斷層上的地栓位置能否確認?這仍是科學上的難題,但近年來科學進展已經能讓我們透過地震波逆推斷層上的錯動集中區,至少可以透過地震波逆推斷層破裂滑移的型式,得以用來比對斷層破裂方向對震度分布的影響。以 2016 年臺南—美濃地震為例,最大錯動量的地區並不在震央所在的美濃附近,而是稍微偏西北方的臺南地區,也就是因為從地震資料逆推後,發現斷層在破裂時是向西北方向破裂。而更近一點的 2018 年花蓮地震,錯動量大、災害多的地方,也是與斷層破裂方向一致的西南方。

一張含有 地圖 的圖片  自動產生的描述
2016 年臺南美濃地震的等震度圖。圖/中央氣象局

透過更多的分析,現在也逐漸發現破裂方向性對於大地震震度分布的影響確實是重要議題。而雖然我們無法在地震發生之前就預知地栓的位置,但仍可從各種觀測資料作為基礎,針對目前已知的活動斷層進行模擬,就能做出「地震情境模擬」,並且由模擬結果找出可能有高危害度的地區,就能考慮對這些地區早先一步加強耐震或防災的準備工作。

多知道一點風險和危害度,多一份準備以減低災害

但是,直到目前為止,我們仍無法確知斷層何時會錯動、錯動是大是小。科學能給我們的解答,只能先評估出斷層未來的活動性中,哪個稍微大一些(機會小的不代表不會發生),或者像是斷層帶附近、特殊地質特性的場址附近,或許更要小心被意外「放大」的震度。而更重要的是,當地震來臨前,先確保自己的住家、公司或任何你所在的地方是安全還是危險,在室內要小心高處掉落物、在路上要小心掉落的招牌花盆壁磚、在鐵路捷運上要注意緊急煞車對你產生的慣性效應…多一些及早思考與演練,目的就是為了防範不知何時突然出現的大地震,在不恐慌的情況下保持適當警戒,會是對你我都很重要的防震守則!

【參考文獻】

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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