字母濃湯

文／楊海彥（小波）

在上一集，我們回顧了臺灣的鬼火傳說，並歸納出鬼火的幾個特點，分別是：(1)通常在夜裡出沒，(2)在墓地、河畔或是海濱都可能見到，(3)顏色以淡藍色為主，但也有橘紅色的伯公火，(4)火焰的數量可能是一至多個，且(5)有會跟著人跑的紀錄。

可是這樣一來，「屍體骨頭中的磷因高溫自燃產生鬼火」這個說法，似乎就有些站不住腳了。

磷火的幾個疑點

磷質佔人體體重的 1%，一個大約 70 公斤的成年男子，體內大約會有 700 公克左右的磷。其中又以無機鹽類狀態與鈣結合者最多，佔 85%，形成骨骼，牙齒中不溶性的磷灰石。¹

一個人能提供 700 公克左右的磷作為鬼火的燃料，這樣的量看來並不少。而磷源自屍體中的骨頭和牙齒，也足以解釋鬼火為何通常在墓地出現，河畔與海濱也可以視為富含水生動物的骸骨。再加上磷的自燃溫度大約攝氏 34 度，越潮濕自燃溫度越低，只要夏天氣溫夠高就可能引發自燃。

磷似乎完美解釋了鬼火如何產生，只是有個問題：磷燃燒的火焰不是淡藍色。

這是國外 Youtuber 拍攝的白磷燃燒的影片。影片中可以看見，白磷燃燒的反應相當激烈，焰色是橘黃色，並伴隨產生大量的濃煙（這也是為什麼白磷是煙霧彈的主要成分），這與目擊描述中幽幽飄盪的淡藍色鬼火一點也不相像。更重要的是，磷並不以純物質的狀態存在於自然界中，因此形成鬼火的不可能是純磷。

另一個自燃的可能人選是磷化氫（PH₃）。這是一種無色、可燃、劇毒的氣體，是屍體分解後的產物之一。一般來說磷化氫沒有味道，但伴隨產生的聯膦（P₂H₂）具有魚腥或大蒜的臭味，兩者混合時，在空氣中極度容易自燃。

即便如此，磷化氫與聯膦的燃燒一樣既快速又猛烈，與鬼火相去甚遠：

這樣一來，鬼火到底是如何形成的？

鬼火到底是什麼？從古至今都有人在研究

中國早在南宋時期，就有人提出磷與鬼火之間的關係。陸遊《老學庵筆記˙卷四》中提到：「予年十餘歲時，見郊野間鬼火至多，麥苗稻穗之杪往往出火，色正青，俄復不見。蓋是時去兵亂未久，所謂人血為磷者，信不妄也。今則絕不復見，見者輒以為怪矣。」到了清代，紀曉嵐的《閱微草堂筆記˙第九卷》更直接寫道：「磷為鬼火。」

日治時期的臺灣，正處於日本明治維新後，破除迷信、科學至上的氛圍中，當時漢文臺灣日日新報上也出現了一篇〈捉燐辯惑〉，故事大概是這樣：作者在學校看見鬼火，日人校長便讓眾人一起抓鬼火，沒多久校長抓到了，眾人一看卻只是一片枯葉。正疑惑這怎麼會是鬼火，校長便要大家進到屋內，不一會，枯葉刷地一聲燃燒起來，就像有人摩擦燐石一樣，眾人非常詫異。校長於是趁機教育眾人，鬼火就是燐火，是磷素和水素和合而成。²

值得一提的是，即使早自宋朝，乃至清朝、日治時期，就已經有人知道鬼火與磷之間的關係，那也是少數知識分子的事，民間對於鬼火的忌諱並沒有減少多少，否則也不會有那麼多鬼火傳說了。

東方是如此，那西方又是如何呢？

西方解釋鬼火的思路：天然氣？

與東方認為鬼火與磷有關的思路不同，西方人最開始認為鬼火與天然氣有關。

西元 1596 年，一名叫 Ludwig Lavater 的神學家，在其著作《Of Ghostes and Spirites, Walking by Night: And of Straunge Noyses, Crackes, and Sundrie forewarnings, which commonly happen before the death of men: Great Slaughters, and alterations of Kingdomes》（對，書名就是這麼長），書中〈That many naturall things are taken to be ghoasts〉的章節中，便認為鬼火是由富含硫磺的礦脈燃燒導致。^{3, 4}

到了 1776 年，亞歷山德羅˙伏打在讀完一篇由班傑明‧富蘭克林所著，關於「可燃空氣」的論文後研究並發現甲烷。在研究甲烷期間，他提出可能由於自然界中的電，比如閃電，與沼氣中的甲烷反應，才導致鬼火的產生。這個論點被當時的學界廣泛接受。（值得一提的是，亞歷山德羅‧伏打後來發明了世界第一個電池，並且成為今天電勢的單位，伏特。）

目前為止都只是紙上談兵，要一直到1832年，Louis Blesson才算真正開始對自然界產生的鬼火進行研究。

他到世界各地發生鬼火的地方進行實驗，發覺不同地區的鬼火，焰色與溫度也會不同。此外當他第一次接觸鬼火，便意外發現鬼火會在他接近時後退，並且非常容易被他的呼吸吹動；他必須撇過頭、站定一會，鬼火才回到原位。不只如此，沼氣引發的鬼火在夜晚離地面比較高，越接近黎明就越低，最後消失無蹤³。這兩者很好地解釋了鬼火為何會移動，以及為何只有在夜晚才看得到鬼火。

與鬼火性質最接近的答案：冷焰

1980 年，英國的地理學家 Alan A. Mills，第一次嘗試在實驗室裡複製鬼火。

他混合了油狀的磷化氫與天然氣，成功產生了綠色的火光，然而大量刺鼻煙霧也伴隨產生，與自然界中看到的鬼火實在相差甚遠。但他持續進行研究，直到 2000 年時，重新提出鬼火可能是一種「冷焰」。⁴

所謂的冷焰是一種最高溫度低於攝氏 400 度的火焰，通常必須以特定的比例混合燃料與空氣才會產生。與一般火焰不同之處在於，冷焰的燃燒反應並不激烈，且只會釋放些許的光、熱和二氧化碳，這是因為一般的燃燒會將化合物完全分解與氧氣結合，但冷焰的燃燒互相反應的幾乎都是部份分解的化合物自身。冷焰在日常生活中不常見，但卻是引擎發生爆震的主要原因。⁵

冷焰不僅溫度低、燃燒不劇烈，導致必須在非常暗的地方才可看見，焰色光譜大多落在藍色與紫色之間，更重要的是，天然氣也符合產生冷焰的條件！屍體分解後不僅會產生磷化氫，更會產生大量甲烷，雖然沼氣與天然氣不盡相同，但成分接近的沼氣產生冷焰，是有可能的。

有興趣的話，上面影片就是在實驗室中製造了冷焰。

世界上的鬼火目擊事件眾多，我們無法確認每一起鬼火事件引發的真正原因。不過若是以臺灣來看，根據上一集蒐集的傳說，冷焰已經很好地解釋大部分鬼火的特性。

總結來說，整個鬼火產生的故事應該是這樣的：墳場或河畔、海濱的屍體腐壞，產生磷化氫、聯膦和甲烷，因為種種原因，這些氣體逸散出來，甲烷與空氣恰好混合成能夠形成冷焰的比例，磷化氫和聯膦再自燃形成火源，便能產生淡藍色的、幽幽飄盪的鬼火。若是混合的比例不對，單純燃燒甲烷，那便會成為橘紅色的伯公火。

除了冷焰之外，還有其它的解釋

除了冷焰之外，科學家也提出其它鬼火的可能成因。2008 年，義大利的化學家 Luigi Garlaschelli和Paolo Boschetti 提出了「化學發光」的假說；他們將磷化氫與空氣和氮氣混合，製造出一種黯淡的綠色冷光，雖然伴隨著煙霧和臭味，但根據他們的說法，只要調整環境中的溫度、溼度等條件，煙霧和異味都可以消除，而且人眼在黑暗中難以辨別顏色，把綠色看成淡藍色是有可能的。⁶

此外，還有地質學家提出因地殼變動的「壓電效應」產生的「地電」，以及森林中的生物──比如某些蜜環菌屬的菇類、微生物、昆蟲──所發出的「生物螢光」兩種假說，不過礙於篇幅便不多作介紹。

近代，鬼火的目擊事件越來越少，這不僅是在臺灣，全世界都是一樣。除了因為火葬逐漸取代了土葬，也是因為沼澤與森林被大肆開發，就像失去棲地的動物，鬼火也失去了生成的源頭。過往的神祕傳說，在文明與科技的發展中逐漸消失，彷彿是某種詩意又悲劇的比喻，卻是實在發生的過程。

過去我們常說的「鬼火即磷火」看似科學，實際上卻是過度簡化的解釋，偏偏我們大多數人對此深信不疑。部份的人認為傳統迷信又落後，擁有科學至上的想像，但若是對事物的成因不求甚解，科學和迷信又有什麼不同呢？

資料來源

1. 維基百科-磷質
2. 〈捉燐辯惑〉。1907年7月6日，漢文臺灣日日新報。
3. 《Of Ghostes and Spirites, Walking by Night: And of Straunge Noyses, Crackes, and Sundrie forewarnings, which commonly happen before the death of men: Great Slaughters, and alterations of Kingdomes》，〈That many naturall things are taken to be ghoasts〉
4. Wikipedia-Will-o’-the-wisp
5. Wikipedia-Cool flame
6. Wikipedia- Chemiluminescence

【作者簡介】楊海彥／小波
轉換多次跑道，最終決定與朋友們一起開妖怪工作室。目前專注於台灣怪談研究，擅長將台灣文史和民俗轉化為故事，也設計實境遊戲和桌遊。嗜讀奇幻文學，熱愛電影，喜歡咖啡也喜歡茶，養一隻以拿鐵為名的貓。

有時經過河邊或是水溝，仔細靜下來，就能聽見一陣一陣的蛙鳴聲。可是，你知道有些青蛙，是無法用蛙鳴進行溝通的嗎？

通體橘黃，南瓜一樣的小青蛙

世界上的蛙類百百種，有不斷想要侵略藍星的、也有每天都一直跑出門旅行的，不過，我們今天的主角是——鞍背短頭蟾 (Brachycephalus ephippium)。

鞍背短頭蟾分布在巴西東南部的山地沿海森林，是一種小型青蛙，具體一點來說，牠真的超級小，成體只有 12.5 到 19.7 毫米，跟我們的手指甲差不多大而已。

而牠的俗名則是「Pumpkin toadlets」（直翻就是南瓜蟾蜍），顧名思義，牠的體色跟南瓜一樣，全身都是橘黃的喔！而且虹膜也是黑色的，看起來就像裝了一對假的圓滾滾黑色大眼睛，很可愛的樣子。

大家都知道狐狸怎麼叫，那青蛙呢？

大部分的蛙類高度仰賴聲音來進行溝通，有些蛙類在不同的狀況下，還會發出不一樣的叫聲。比如說，當雄蛙或其他種蛙類嘗試找對象進行假交配，卻不小心抱錯蛙時，被抱錯的蛙會發出釋放叫聲 (Release call)，而當牠們被敵人抓住時，則會緊急發出求救叫聲 (Distress call)。順帶一提，去網路上搜尋「screaming frog」就能找到大量的青蛙求救叫聲影片合輯，一開始看覺得滿好笑的，不過後來知道那是求救叫聲後，就越看越難過了。

不過今天主要要說的是求偶叫聲 (mating call)。有些青蛙在求偶時會發出特定頻率的叫聲，且蛙類能聽到的聲音頻率範圍很窄，對同種類叫聲頻率特別敏感，尤其雌性常利用叫聲來確定雄性的位置，並選擇適當的交配對象。

那青蛙是怎麼聽到聲音的呢？鼓膜就像是蛙類的耳朵，而鼓膜內面連著耳柱骨 (columella)，耳柱骨是兩爬類與鳥類的聽小骨，能將聲音傳入內耳的感覺細胞，再刺激大腦產生聽覺。

聽不見彼此，蟾蜍的愛情也可以很安靜

令人震驚的是，根據一篇 2017 年的解剖結果顯示，鞍背短頭蟾和另一種同一屬的青蛙並沒有中耳骨可以將聲波傳進內耳。所以其實鞍背短頭蟾對同種之間的求偶叫聲非常不靈敏，甚至接近聽不見！

這就奇怪了，既然聽不見，那為甚麼南瓜蟾蜍還要白做工，繼續發出求偶叫聲呢？

聽不見彼此聲音的鞍背短頭蟾，只好轉而仰賴視覺來溝通了。因此，研究團隊推斷，發出求偶叫聲這個行為，之所以沒有隨著演化消失的原因，可能是由於發出叫聲時，蟾蜍的鳴囊也會跟著震動，異性就可以藉由看見鳴囊的震動來判斷「噢！原來牠正在求偶。」

另一方面，南瓜蟾蜍求偶的季節正是沿海森林的雨季！這下子，牠們真的只能聽見下雨的聲音，還用唇語（鳴囊語？）說愛情了呢XD

你可能會想，在一整座下雨的森林中，單單只靠鳴囊震動，是絕對不夠讓南瓜蟾蜍在茫茫落葉海中，找到彼此的身影的！許多科學家及生物學家在發現牠們聽不見彼此的求偶叫聲後，也是這樣想的：「究竟他們是靠甚麼來溝通的呢？」

直到研究團隊用紫外線照了鞍背短頭蟾，一切的謎終於被解開了：發光的骨頭。

深埋在骨頭裡的光芒

骨頭、發光……聽起來好像是有那麼一點，中二？

不過這可是大發現！研究團隊發現，鞍背短頭蟾的頭部、背部、關節處、手指和腳趾在紫外線的照射下，都發出了螢光！大部分生物發光的原因都是由於化學變化，不過，南瓜蟾蜍骨頭發光的原理可不一樣，是因為骨頭的分子能將光反射，且反射光的波長更長。

同時，鞍背短頭蟾的皮膚也非常非常薄，成體的皮膚厚度大約只有 7 微米而已！如此薄的皮膚，才能讓骨頭的螢光順利透出來。

至於另一種我們常常想到的「發光生物」──螢火蟲，牠們的發光原理，就是典型的化學反應喔！螢火蟲的發光原理和發光蕈類大同小異，泛科學也有介紹過喔！

發光的骨頭除了能求偶，還能做什麼啊？

關於鞍背短頭蟾的發光現象，還有一點很有趣，那就是年紀比較小的蛙發出來的螢光是偏藍色的，隨著年齡增長與皮膚增厚，螢光會漸漸變黃。研究團隊推斷，發出不同顏色螢光的原因，可能就是骨頭的膠原蛋白含量不同。（作者 OS：搞不好能透過螢光就能看出南瓜蟾蜍的年紀呢！）

另一方面，發光的骨頭不只有求偶作用。

對一些鞍背短頭蟾的掠食者（鳥類和蜘蛛）來說，紫外線都是可見光，意思就是南瓜蟾蜍平常骨頭的螢光，能對掠食者造成警示的效果喔！

原來，蛙兒們就算聽不見彼此的聲音，也能靠著發光找到對方，聽起來是不是有點浪漫呢？

參考資料

1. The National – Abu Dhabi researchers discover toad’s ability to glow in the dark

2. Amphibia Web – Brachycephalus ephippium

3. 維基百科 – Pumpkin toadlet

4. 楊懿如的青蛙學堂 – 鳴叫

5. Types of frog calls

6. 維基百科 – 耳柱骨

8. Scientific Reports – Evidence of auditory insensitivity to vocalization frequencies in two frogs
9. Science News – Tiny pumpkin toadlets have glowing bony plates on their backs

Original publish date:Mar 22, 2007

編輯 wakenstep 報導

UCLA的科學家用微影術 (lithography) 做出縮小版的二十六個字母，其寬度比 10μm 還要小，線條寬度僅1 μm，懸浮於水中成為膠體溶液; 字母形狀在光學顯微鏡下能看得一清二楚。

要做出這碗濃湯，首先在磨亮的五吋晶圓上鍍上一層水溶性的高分子，接著覆上一層光阻劑 (photoresist)，此光阻劑受到紫外光照射後產生交聯反應 (cross-linking) 而無法被有機溶劑溶解，因此將紫外光過濾成為字母的形狀後照射在晶圓上，再用有機溶劑處理，便可洗掉未曝光的部分而留下字母的形狀。最後再將底層的高分子用水溶掉，字母就可以散佈在水中了。

這項成果顯示科學家能在微米的尺度下設計出任意形狀的粒子。藉由重複鍍上光阻劑再曝光，更可以操縱第三維的形狀。這些不同形狀的粒子會根據某些規則組織成大的結構 (self-assembly) ，如同生物大分子組成細胞裡各種規則的排列一樣。Self-assembly的過程需要有足夠的布朗運動來促成，一旦科學家有能力製造夠小且不同形狀的粒子，便有希望進一步研究self assembly及細胞內的分子交互作用了。

在光阻劑中參雜螢光染料後，將不同形狀的標記放到細胞上或細胞內，利用螢光顯微鏡來觀察，也會是一個有趣的應用方向。這些膠體粒子可用光學鑷子 (laser tweezer)來移動。請參考 UCLA news圖片中展示的”UCLA”字樣。

原始論文：

“Colloidal Alphabet Soup: Monodisperse Dispersions of Shape-Designed LithoParticles,”
Hernandez, C. J.; Mason, T. G.
J. Phys. Chem. C.; (Letter); 2007; ASAP Article; DOI: 10.1021/jp0672095
Web Release Date: February 13, 2007

參考來源：

• UCLA Scientists Create Each Letter of the Alphabet at the Microscale; Research Could Lead to Tiny Devices

相關連結：

• 原始論文

顯微鏡可以讓人看清楚小世界裡發生的事情，但是進入研究分子的時代，因為光的波長只有到數百個奈米（nm），所以以光學顯微鏡無法直接觀察分子的種類與型態，雖然可以利用電子顯微鏡，不過操作使用上難度高，研究人員也難輕易使用，偏光顯微鏡能提供分子排列的訊息，但是如果能用光學的方式直接看到分子或確定不同種類的分子存在與否，就能讓很多重要的物理或生物資訊被研究發現。而螢光顯微鏡就是目前在研究上用的最多與最重要的技巧之一。

一般顯微鏡利用光的吸收跟反射測來觀測物體，偏光顯微鏡利用光波的偏振特性，而螢光顯微鏡就是利用光在波長方面的特性的來觀測分子。原理是特定種類的分子（稱為螢光源，fluorophore）在吸收短波長的光之後可以放出長波長的光，觀測時如果能把原本的波長的光濾掉，只剩下激發後較長波長的的光被看到， 這樣一來就可以斷定特定的螢光分子是否存在。這樣的概念看似簡單，卻能帶來分子種類的解析性，舉例而言，像是把抗體加上螢光基團，就可以利用螢光辨識特定分子是否在樣品上，利用螢光蛋白序列加上改造的基因，就可以知道基因轉殖有沒有成功，把特定蛋白加上螢光蛋白，就可以在空間中甚至在細胞內追蹤分子或觀測神經纖維網路。在研究前沿上有數不完的研究，從生化檢測、基因定序、神經細胞結構等等，都是靠著螢光顯微鏡才能實現。

在技術上因為螢光訊號很弱，螢光顯微鏡通常用水銀燈或其他氣體放電燈作為光源，確保很強的光照，為了要濾除非螢光的訊號，需要很好的光學濾片組，這也讓螢光顯微鏡一直都只能在研究中或是在很貴的儀器內才能進行螢光偵測。

手機是現在人人都有的智慧裝置，結合了照像與傳輸分享的強大功能，如果在手機上如果能夠實現螢光的顯微觀測，將對科學發展有很大的幫助，有研究能力的手機顯微鏡與手機偏光顯微鏡之前已經由科學影像實現了，那手機有可能完成螢光觀測這項任務嗎?

讓手機顯微鏡變成有螢光的能力設計是這樣，首先在光源方面，因為半導體技術的發展，很多窄波段的固態光源變成可能，不再需要從全光譜中濾出特定的光出來， 而是可以直接有效率的使用半導體光源，所已選用合適的短波段高亮度的LED就能大部分解決激發光源的問題，且同時能降低對激發濾片（Excitation filter）的要求，可以以吸收式的濾片達成。

在光路上，目前一般的螢光設計是epifluorescence，由同個物鏡照出激發光，偵測背反射的螢光訊號，可以減少對發射濾片 emission filter的要求，但是同軸照明需要較複雜的設計與雙色濾片dichroic filter，基於同樣的考量，可以改用暗視野照明來達成，加上發射濾片emission filter，始發射光與螢光的光譜沒有交錯， 就可以觀測螢光了！

以深藍紫色激發為例，目前可取得最好的固體光源的光譜如下，波長到450nm即全部消失。

在選用的emission filter上，濾除連續光譜的日光後的光譜圖觀測如下，可以看到470nm以下的光全部被濾掉。

所以選用這組光源與發射濾片，即可以以藍紫光觀察從綠光到紅光的螢光。設計相關的激切結構跟濾片在手機顯微鏡上，實際完成的手機螢光顯微鏡成品如下：

整體發出的紫藍紫光是由載物台下方進行暗室野照明所發的，就可以有效的激發出螢光訊號，注意在播片的邊緣有不同顏色的色光，那就是塗在坡片上的螢光物質所發出的螢光經由全反射而照出。

以下以兩個例子來說明這螢光模組的能力，首先可以同時關測到不同顏色的螢光（螢光染料壓的指紋），紅色與綠色各試不同的染料，黃色是混合之後的顏色。

在生物的觀察上，也可以觀察到斑馬魚身上卵黃的自體螢光訊號。

除了深藍紫光之外，為了讓離激發光源比較遠的紅色螢光能更被有效率的激發，在實現手機螢光顯微鏡上，也設計了另一組以470 nm為中心的光源，目前兩組的光源與長通螢光濾光片的光譜如下，這樣一來所有常用的綠色到紅色螢光都可以被激發觀測。

（其中下方淺藍色跟激發光跟長通濾波有交錯，需額外使用一片 excitation filter 來濾除）

螢光模組是手機顯微鏡，除了實現手機偏光顯微鏡後 ，另一個把專業顯微技術在手機實現的計畫，希望將會讓很多原本屬於實驗室的觀測可以再被更簡單的觀察記錄，有讓更多人與實驗室有方便的工具作更方便的觀察與檢測！

首次製作將提供台灣的實驗室進行申請使用螢光模組，歡迎有想一起測試的研究朋友加入科學社群 科學maker 索取，期間為 7/10-7/20。

科學影像的顯微鏡製作計畫目前專屬的科學社群 科學maker 已經有超過 4000 位朋友加入，分享觀測的顯微照片超過4000多幅，來協助製作科學儀器的朋友超過 百人，花整天的時間替更多人製作科學儀器，目前贈送超過 70所偏遠學校手機顯微鏡做為教育之用，除了個人使用外，也開始要協助如泛科學的科學活動或是台大的NTU博物館行動展示盒計畫等大眾的科學活動，也進入了國小，國中，高中，大學等校園數百所正式的學習環境，做為充實顯微設備與改善課程用，希望手機螢光顯微鏡的實現，能讓手機顯微鏡變的更有能力，走入實驗的現場，讓台灣有更好的科學實驗環境!

手機顯微鏡網站手機顯微鏡 & 科學maker，對手機顯微鏡有興趣的朋友，歡迎加入科學maker，一起使用與分享顯微鏡的觀測~

轉載自科學影像 Scimage