本文由民視《科學再發現》贊助，泛科學獨立製作

文／陳其威（印尼泗水台灣國際學校物理老師）

最近有研究指出，螞蟻在不同的表面行徑時，也遵行著折射定律，也就是說，螞蟻所走的距離，並不是最短距離，而是最省時的路線。研究人員收集了以色列小火蟻的巢穴，一個巢穴約有幾千隻的工蟻與幾隻的蟻后，並將螞蟻們放在牆邊的角落，而食物源放在另一個對角的角落，為了到達食物的角落，必須穿過由不同材料所覆蓋的區域，不同的材料影響了螞蟻步行的平均速率：粗糙的聚酯氈（1.73毫米/秒），光滑聚酯氈（2.97毫米/秒），和聚乙烯玻璃（4.89毫米/秒）。

研究人員預測的角度的限制，螞蟻會跨越從一個表面到另一個表面，他們將選擇最快的路徑。按照至少一次費馬原理，該角度可以被認為是折射角，類似於光的折射，是以特定的角度在不同介質傳播。就如同救生員必須找到最佳路徑，以到達一個溺水的游泳者以最快的方式，而不是最短距離。

生活中我們不難發現光的折射現象，例如插在水中的吸管似乎被折斷了、下過雨後的彩虹、太陽光射入玻璃後成彩色光線，都是因為光在不同的介質中，傳遞的速度不同，而造成光偏折的現象，我們稱之為光的折射。

而光的偏折並不是任意的偏折，它所行徑的路線會遵守折射定律 （θ₁,θ₂表示入射角與折射角，n₁, n₂分別表示入射介質與折射介質的折射率），又稱司乃耳定律，而滿足這樣的路徑的光線，可以使光從P點到Q點行經的”時間”最短，而不是距離最短。

可以利用數學的費馬原理證明，由P點到Q點所行經的時間T為，

當時間T對x取導數，若T為極小值，則導數值為零，，

又 , ，因此可化簡成，

再用折射率的定義 ，即可得到司乃耳定律。

研究人員還指出，螞蟻也喜歡依邊框的邊緣行進（在現實生活中，例如，螞蟻往往沿著人行道的邊緣行走），這可能便於螞蟻定位地標，也意味著所需要信息較少，研究人員未來希望能夠學習更多的新領域。

【參考資料與延伸閱讀】

1. Ants follow Fermat’s principle of least time
2. Fermat’s Principle of Least Time Predicts Refraction of Ant Trails at Substrate Borders
3. Fermat’s principle

• 日常隨手的物品，看起來像是海底世界！？
• 簡單俐落—Wowstick Drill 職人電鑽筆
• 手寫比吃銀杏快又便宜！？ 科學實驗室EP.3 — 手寫內容立即數位化！
• 你知道台人金融知識不及格嗎？理財觀念從小做起！
• 面對環境 V.S. 經濟，是否還有第三種解法？
• 感情攻防戰！你不可不知的出軌心理！

為什麼有些人吃不胖，有些人沒抽菸卻得肺癌，有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢？這一切都跟我們的基因有關！無論是想探究生命的起源、物種間的差異，乃至於罹患疾病、用藥的風險，都必須從了解基因密碼著手，而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上，DNA 解碼從 1953 年的華生（James Watson）與克里克（Francis Crick）兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構，闡述 DNA 是以 4 個鹼基（A、T、C、G）的配對方式來傳遞遺傳訊息，並逐步發展出許多新的研究工具；1990 年，美國政府推動人類基因體計畫，接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入，到了 2003 年，人體基因體密碼全數解碼完成，不僅是人類探索生命的重大里程碑，也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成，卻因為基因定序技術的突飛猛進，使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展，早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位，但無法排序；直到 1977 年，科學家桑格（Frederick Sanger）發明了第一代的基因定序技術，以生物化學的方式，讓 DNA 形成不同長度的片段，以判讀測量物的基因序列，成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求，出現了次世代定序技術（NGS），將 DNA 打成碎片，並擴增碎片到可偵測的濃度，再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速，且成本更低，讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對，解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤，也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面，儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因，但對於改善個體健康仍有積極的意義，例如：若透過基因檢測，得知將來罹患糖尿病機率比別人高，就可以透過健康諮詢，改變飲食習慣、生活型態等，降低發病機率。又如癌症基因檢測，可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測：前者可偵測是否有單一基因的變異，導致罹癌風險增加；後者則針對是否有藥物易感性的基因變異，做為臨床用藥的參考，也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者，基因檢測後續的生物資訊分析，包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等，對臨床醫療工作都有極大的助益。

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同，而不同族群之間更存在著基因差異，使得歐美國家基因庫的資料，幾乎不能直接應用於亞洲人身上，這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」（Taiwan biobank），希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起，中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」（TPMI），希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫，促進臺灣民眾常見疾病的研究，並開發專屬華人的基因型鑑定晶片，促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人，這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者，超過 99％ 是來自中國不同省分的漢族移民人口，其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫，其中，漢族的全部遺傳變異中，有 21.2％ 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因；3.1％ 的人有癌症易感基因，比一般人罹癌風險更高；87.3％ 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性，例如：若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型，醫生在開藥時就能使用替代藥物，避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰：個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門，但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上，存在著道德倫理的考量，例如：研究用途的資料是否能放在病歷中？個人資料是否受到法規保護？而且技術上各醫院之間的資料如何串流？這些都需要資通訊科技（ICT）產業的協助，而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言，建議患者做基因檢測是因為出現症狀，希望找到原因，但是如何解釋以及病歷上如何註解，則是另一項重要議題。

從人性觀點來看，在技術更迭演進的同時，對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生？回到了解病因的初衷，在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時，家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等，都是值得深思的議題，也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好，因此，基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統，以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡，將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容，請見「科技魅癮」：https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

• 日常隨手的物品，看起來像是海底世界！？
• 簡單俐落—Wowstick Drill 職人電鑽筆
• 手寫比吃銀杏快又便宜！？ 科學實驗室EP.3 — 手寫內容立即數位化！
• 你知道台人金融知識不及格嗎？理財觀念從小做起！
• 面對環境 V.S. 經濟，是否還有第三種解法？
• 感情攻防戰！你不可不知的出軌心理！