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為什麼DNA裡沒有U(Uracil)?

阿賊的科普漫畫
・2014/08/17 ・605字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

先前提要:DNA與RNA的差異

究竟 A. T. U.三個鹼基之間的關係到底是情感上的糾葛還命運的安排呢? 讓我們繼續看下去

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其實DNA有T RNA有U的說法有好幾種,例如也有以能量的觀點說明U比T還較不穩定等等,我就以較多人認同的兩個觀點來說,另外先後出現的順序還有一個有趣的證據,在澳洲著名的「墨奇森隕石」(Murchisonmeteorite)上發現「尿嘧啶」(uracil)和「黃嘌呤」(xanthine)懷疑生命的起源來自於外星。

出處:Martins, Z. et al., Extraterrestrial nucleobases in the Murchison meteorite, Earth and Planetary Science Letters 270:130–136. 15 June 2008

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註:

  • dTMP: Deoxythymidine monophosphate
  • dUMP: Deoxyuridine monophosphate

資料來源:

  • Molecular Biology. Weaver 5th edition. Chapter 20.3 P660-661
  • Principles of Biochemistry. Lehninger 5th edition. Chapter 8.3 P289-290 Chapter 22.4 890-892
  • Molecular Biology of the Cell. Albert 4th edition. Chapter 5
  • The 100 Most Important Chemical Compounds Richard edition P92-94
  • Jonsson J., Sandberg M., et al. (1996).” The evolutionary transition from uracil to thymine balances the genetic code” Journal of Chemometrics 2(10):163-170
  • Lesk A.M., (1969).” Why does DNA contain thymine and RNA uracil?” J Theor Biol 22(3):537-40.
  • 郭朝禎.(2009) “核酸帝國–RNA與DNA的世界” 439:52-59
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阿賊的科普漫畫
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一個從成大畢業的研究生,主修神經科學,生理學與分子生物學,用插畫把複雜的生命科學變簡單,還有畫出研究生的辛酸血淚史

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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 Panasonic 合作,泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享,不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上,「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水,但過不了幾天,馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑,甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢(黏質沙雷氏菌)。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」,讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看,世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制,並非打造完全不沾染髒污的材質,而是調整表面的物理與化學屬性,使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力,透過日常水流沖刷,便能輕易地將髒污帶走。

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為什麼污垢「黏不住」? 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」,我們得先像偵探一樣,拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇:

  1. 水垢與礦物沉積*1:我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時,這些離子會逐漸結晶析出,變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
  2. 生物膜與有機物*2:包含尿液中的無機鹽、油脂殘留,以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物,所組成的黏滑防禦大本營。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」,前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼,材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢?答案就藏在「表面能(Surface Energy)」與「濕潤性(Wettability)」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時,水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠,還是迅速攤平開來?這取決於表面的特性:

  • 疏水路線(Hydrophobic)*1:具備低表面能的疏水表面,能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠,當水珠滾動滑落時,就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走,這就是著名的「自清潔效應」。
  • 親水路線(Hydrophilic / Superhydrophilic)*2:相反地,極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子,在材料最外層形成一層薄薄的「水化層(Hydration Layer)」。這層水化層就像是實體的液體盾牌,讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底,只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻:傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆,髒污就像攀岩者,需要找到落腳點並用力撐住才能攀附;而我們做的是抽掉把手點,或是在把手上塗上潤滑油,讓髒污找不到施力點,自然難以停留。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢,下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢,在微生物學中被稱為「生物膜(Biofilm)」。細菌並不是孤立生長的,當單顆細菌落在表面後,如果覺得環境舒適,它就會開始分泌胞外聚合物(EPS),這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起,並築起堅固的防禦堡壘,這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出,要阻止生物膜形成,除了化學上的抗菌,材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論(Attachment Point Theory)」:

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  1. 粗糙與微孔洞表面:如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞,細菌(體積通常約 1 到 3 微米)就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點,還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
  2. 極致平滑與微結構表面:相反地,如果材料表面做到極致平滑,完全沒有微米級的缺陷;或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構,細菌的足跡構造(如鞭毛或纖毛)就無法在表面找到穩固的「接觸附著點(Contact Points)」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時,它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外,現代衛浴結構在設計時,也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角,等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何,我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系:【材料層(低附著力)】+【結構層(無縫平滑)】+【動態流體層(泡沫與水流剪切力)】= 高效清潔!

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例,就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表:

1. 材料層:有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」(以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料,這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩)。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性,水滴不易長時間攤平停留;材質堅固、不易破裂,耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試,這種素材配合泡沫洗淨,在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌,從源頭阻斷細菌定殖。

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2. 結構層:無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上,A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計,減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫,並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計:

  • 泡沫防護:在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層,有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺;
  • 外圍防護:馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔,防止液體延著外壁滴落至地板;
  • 測漏防護:便座與馬桶本體採用不外露的防護設計,避免液體從縫隙飛濺滲漏。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

3. 動態流體層:雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時,A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污,再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙,徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著,配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」,利用旋轉產生的流體剪切力,一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外,Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技,釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污,維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆,但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計,到微觀幾何的附著點控制,再到流體力學的水流沖刷,一座現代抗污馬桶的演進,縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而,A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破,展示了材料科學的另一種聰明思維:不靠強酸強鹼硬打,而是透過物理與化學邏輯,將「污垢固著」的機率降到最低。

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當材料科學與現代衛浴技術結合,刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持,我們得以從繁重的家務勞動中解放,享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文:A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文:Brushing up functional materials

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以科技修護文物真實面目——張元鳳專訪
顯微觀點_96
・2025/11/25 ・4778字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文轉載自顯微觀點

現代主流藝術的「色感」豐富,卻缺少傳統東方繪畫的「質感」。

— 張元鳳

國立臺灣師範大學文物保存維護研究發展中心(下稱師大文保中心)主任張元鳳口中的「質感」,並非一種難以定義、不證自明的高尚,而是傳統顏料能被感官接收、儀器量測的物理特質。透過顯微科技,文物藝品的「質感」更能被突顯、深入分析。

張元鳳剖析,傳統東方畫顏料來自天然礦物,如青金石、藍銅礦及珊瑚末等。經過搗碎、研磨、淘洗去除雜質,並以水沉澱,區分顆粒大小,製成多彩的色粉。

多次沉澱淘洗之後能獲得小顆粒顏料,與初期沉澱的大顆粒色粉雖來自完全相同的礦物,卻呈現截然不同的飽和度。

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師大文保中心學生的礦物顏料練習作品,一種成分的顏料形成多層次色彩。攝影:楊雅棠

張元鳳解釋,「東方繪畫不靠顏料混色而增加色彩,是利用顏料顆粒半徑差異。因為光的亂反射,顏料顆粒愈大就愈鮮艷,顆粒愈小的顏料就愈加淺淡。」而傳統礦物顏料特性的創作風格,至今矗立在我們的生活中。

張元鳳舉例,「台灣廟宇最常見的傳統彩繪模式,是衣甲、雲彩的漸層色彩。內圈的顏料最鮮艷,愈向外就愈淡素,形成華美的漸層。這種技法在日本被稱為繧繝彩色(うんげんざいしき)。」

這種色彩梯度,可以用手指觸摸出來。神像彩繪上,鮮艷的中心顏料顆粒明顯、粗糙如沙礫,素雅的外圍小顆粒顏料則十分滑順。張元鳳說,現在廟宇彩繪已改用油漆等現代顏料,但畫師依然遵循這種衍生自礦物顏料的風格。

由於對礦物顏料的研究,張元鳳對顯微技術的數位化印象深刻。她說,「早期並不容易看見顏料顆粒全貌。現在能堆疊 Z 軸成像的數位顯微鏡,能讓整個顏料顆粒如寶石一般清晰閃耀。繪畫層切片(cross-section)也能清晰展現層次,這是過往顯微鏡做不到的。」

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畫作樣本切片的製作過程,有如醫學病理科製作樣本切片,必須精心挑選部位,進行包埋、切片,並嘗試不同的顯微技術。

師大文保中心:文物手術室

單顆顏料在整幅畫作中僅屬滄海一粟,如同顏料顆粒的體積,師大文保中心的每日文物研究與修護任務中也僅占中心業務一部分。

文保中心隱身在師大校園一隅,嚴格管理的閘門之內溫濕度恆常,地面一塵不染,連所有的照明都去除紫外線以保護文物。

墊高的日本榻榻米圍出中央的主要修護區,上方懸吊多盞手術燈,木桌上安放修護中的文物;四周則圍繞著檢驗攝影室、實驗用抽風櫃、木製工具架等。修護師與學生們錯落在這個融合日式畫室、手術室、化學實驗室的空間中埋首工作。

師大文保中心學生們以手工將褚皮紙製作成細長的頂紙,從一般工作桌到實驗用抽風櫃都是他們修護文物的場域。攝影:楊雅棠
師大文保中心學生們以手工將褚皮紙製作成細長的頂紙,從一般工作桌到實驗用抽風櫃都是他們修護文物的場域。攝影:楊雅棠

每一件進入師大文保中心的文物都必須進行修護前記錄,包含拍攝正面光、側面光、透光影像。還要經過拉曼光譜分析、紅外線、紫外線、X光螢光術(XRF)的檢驗。若有可疑處,就需要使用顯微鏡直接觀察,或是取文物邊緣的結構作為分析樣本。

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透光攝影可以分析紙張在不同位置的厚薄,呈現出脆弱或是加固的跡象;側光使畫紙的凹凸皺褶無所遁形。紫外光則能讓霉斑呈現螢光,使白光下難以分辨的霉斑與普通褐斑展現出差異。

文物汙損性質的檢測之外,紅外光與 XRF 則用於顏料成分分析,尤其 XRF 光譜儀可接收不同材料受 X 光所激發出的次級 X 光,辨別顏料、媒材成分。

修護東方書畫:背面與正面並重

由於濕氣與溫度影響,長年收藏於庫房中的作品經常處於老化狀態,其大面積的黃化可以用典具帖紙(一種極致纖薄的日本和紙)覆蓋,再抹上蒸餾水,以這層極薄的水體吸取、移除黃化成分,並確保顏料穩定不暈開。

楮樹皮製成的典具帖紙具有長而強韌的纖維,能製作出世上最輕薄的紙張。被定為日本文化遺產的典具帖紙不僅能清潔畫面,也能作為背紙支撐書畫。

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修復水溶性媒材製作的文物時,需要將作品局部解體,以水軟化糨糊,才能把舊背紙層層揭開。直到把舊的命紙(最接近畫作的背紙)與畫作分開來,再糊上新的命紙與背紙。若水量太多或施作時間太長,正面畫心的顏料、墨跡也會溶於水中。

紙質文物的折疊或脆弱處,也可以用撕成長條狀的楮皮紙作為「頂紙」支撐。修護中的林朝英的竹葉體書法作品,就是以研究生們細心手工撕成的頂紙進行補強。

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師大文保中心學生正在依照文物修護需求製作頂紙。攝影:楊雅棠

張元鳳說明,林朝英被稱為清朝唯一台灣藝術家,其書法曾經過多次修復,但是過往觀念與技術較不穩定,導致畫面出現許多凹凸。現在團隊正以乾式手法更換背紙,希望能讓竹葉書法飛舞在平坦潔淨的表面上。

對於前人的修復構造,張元鳳說,「得用鑷子像做手術般移除極小塊的舊背紙,每天只完成 5 公分的進度。文物修護除了技術,也非常考驗定性。」

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修復師知能:藝術史判斷力

在顯微鏡、紅外線、光譜分析等檢驗科技介入後,科學數據提供了客觀數值作為文物歷程的分析依據。但修護師的藝術史知識與批判性思考依然是決策中不可或缺的依據。

張元鳳舉例,以紅外線光譜進行成分檢驗時,需與既有的資料庫比對,但是目前資料庫中繪畫顏料樣本稀少,汽車烤漆的資料卻很多。因此含有鉛或鋅的顏料,經常被系統推斷為汽車烤漆。

張元鳳笑說,「如果缺乏對文物歷史的知識,只遵從儀器檢測與資料庫,就會被誤導『前人是用如同烤漆的顏料作畫』,那是不可能的!」

又或是在東方畫上面發現顏色鮮艷,半徑卻特別小的顏料顆粒,就應該萌生疑心。以創作年代常見的顏料顆粒進行比對,確認是否有後人補畫全色,又或者其實是仿造贗品。而非毫不批判地接受檢測結果。

張元鳳說,修護師的知識與文物的檢驗資料庫統合化、豐富化,能降低被誤導的風險,提升修護者對檢驗結果的辨別能力,而這兩個方向都需要修護研究單位長期的努力與合作。

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科學檢驗藝術的客觀面

對於科學檢測技術對文物修護的影響,張元鳳認為在早期的修復中,常常出現受當下主流文化影響的詮釋,導致原本的創作被掩蓋。科學檢測技術實現了修護倫理的「客觀精神」與真實性基礎。

她回憶說,剛開始堅持使用科學檢測作為修護依據的時期,也有人質疑「修就修,為什麼要做這麼多有風險的檢查?」

現在,來自不同學科領域的學生在師大文保中心學習文物保護技術,多元的檢驗科技,反而更能善用每一次檢測、每一丁點樣本提供的資訊。張元鳳發現,來自理工領域的學生對操作檢測儀器、解讀圖表較有信心,但是美術領域的學生因為具備創作經驗,更能夠對檢驗結果進行合理詮釋。

對於跨領域的修護技術學習歷程,張元鳳說,「包括我在內,有些美術背景學生最初接觸檢測科技時會感到害怕或辛苦。我希望可以讓學生們免於這種痛苦,所以要求自己先學會各種技術來傳授他們。」

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在最近的技術發展中,張元鳳相當期待XRF可以實現對文物進行大範圍 mapping(面掃描)的功能,並輸出定量成果,如此將能大幅提升成分檢驗的精準與效率。

同時她也很期待3D X-ray提供來更高效率的纖維構造分析,過往使用顯微鏡觀察,必須將文物纖維剝成細小的狀態,過程相當困難。若能使用高解析度的 3D X 光檢驗,對人力與樣本的使用會更有效率。

誰人眼中的完好:文物修護原則

忒修斯之船(Ship of Theseus)是古希臘最早的哲學難題之一,也或許是被修復過最多次的文物:雅典人在數百年間不斷替換忒修斯之船朽壞的部位,當這艘船的所有部位都被更新過,它還是原本那艘船嗎?若不是,何時開始它不再算是同一艘船?

對修護師來說,在每一次修護專案開始時,可能都需要經歷過一次類似的思想實驗,「如何修護,才能確保文物總是同一件作品?」

張元鳳認為,文物修護的基礎原則包含適宜性、安全性、可辨識性、可逆性。採取干預最低、效益最高的檢測與修護方法。任何後加的材料都需與原作成分相異,能讓未來的修復者得以辨認,且能在無損原作的條件下去除。

因此師大文保中心在修護時,都採用可去除的媒材。例如關公頭冠上氧化發黑的金屬,就以可去除的金粉覆蓋。在恢復原貌與可逆性中找到平衡。

張元鳳指出,「修護工作的目標,是讓恢復、保持文物應有的真實模樣,並確保我們的修護能被意見不同的後人除去。」

呂鐵州 後庭 北美館
呂鐵州膠彩畫作品《後庭》進入師大文保中心前,已在庫房閒置超過十年,且因後人修復不當導致畫面損傷、構圖偏誤。文保中心經嚴謹考究與討論,再次將此畫作清理裝裱,恢復為完整日式屏風架構。Source: 台北市立美術館

文化變遷:正視融合的結果

若說張元鳳對文物修護的忒修斯之船命題,以文物的「真實原貌」作為答案,那麼專精東方藝術的她對文化變遷則以「融合」優先於「鞏固」原貌。

她以台灣風行一時的膠彩畫為例,這種由日本藝術家引入台灣的畫作在日治時期被稱為「灣製(日本)畫」,國民政府稱之為「東洋畫」並加以冷落,之後由藝術家林之助正名為膠彩畫,漸漸重獲重視。

張元鳳指出,當年國民政府視膠彩畫為日本殖民象徵。但日本的膠彩畫卻是由唐朝流傳而來,並高度保留唐朝工筆重彩的技法,其實可以視為中華藝術的延伸。

張元鳳拿出正在修護的日本型紙,說明這些由江戶時代工匠精心雕刻的印刷模板已經有 200 年歷史,在 19 世紀大量流入歐洲,影響歐洲的文化潮流。其重複的精美樣式,成為歐洲文化至今活躍的元素。如時尚精品 Louis Vuitton 就是在 19 世紀末受型紙等日本文物啟發,設計出歷久不衰的品牌識別紋樣。

伊勢型紙 Wikimedia 1
精緻的日本文化遺產,手工製作的伊勢型紙。Source: Wikimedia
師大文保中心不僅邀請日本專業修護學者合作修護台灣文物,也接受來自日本的修復委託。圖中張元鳳手持的型紙已有200年以上歷史。攝影:楊雅棠
師大文保中心不僅邀請日本專業修護學者合作修護台灣文物,也接受來自日本的修復委託。圖中張元鳳手持的型紙已有 200 年以上歷史。攝影:楊雅棠

張元鳳笑說,「考慮到日本型紙歷史的中華元素,LV 等歐洲精品也能看作是一種東方文化的產物。」

面對文化元素的流動,張元鳳認為,「選擇融合,創作才會愈來愈豐富;切割只會讓文化愈形單薄。尊重每件文物的歷史,正視真實脈絡,是與台灣主體性相輔相成的價值。」

延伸資料

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從遺傳學角度剖析:女性能在體育場上超越男性嗎?——《運動基因》
行路出版_96
・2024/08/10 ・3722字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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科學期刊的預言:女性能追趕甚至超越男性?

我在 2002 年還在讀大四時,第一次看到兩位 UCLA 生理學家的論文〈不用多久女性就會跑得比男性快?〉,當時我覺得這個標題很荒謬。在那之前我花了五個賽季,進行 800 公尺中距離跑步訓練,成績已經超越世界女子紀錄。而且我還不是自己接力隊上跑最快的。

但那篇論文發表在《自然》(Nature)期刊上,這是世上極具聲望的科學期刊,所以一定有些道理。大眾就是這麼認為的。《美國新聞與世界報導》雜誌在 1996 年亞特蘭大奧運之前,對一千個美國人做了調查,結果其中有三分之二認為,「終有一天頂尖女運動員會勝過頂尖男運動員」。

1996 年亞特蘭大奧運前,一千位美國人中有三分之二認為,「終有一天頂尖女運動員會勝過頂尖男運動員」。 圖/envato

《自然》期刊上那篇論文的作者,把男子組和女子組從 200 公尺短跑到馬拉松各項賽事歷年的世界紀錄畫成圖表,發現女子組紀錄進步得遠比男子組急速。他們用外推法從曲線的趨勢推斷未來,確定到 21 世紀前半葉,女性就會在各個賽跑項目擊敗男性。兩名作者寫道:「正因進步速度的差異實在非常大,而使(兩者)差距逐漸縮小。」

2004 年,趁著雅典奧運成為新聞焦點之際,《自然》又特別刊出一篇同類型的文章〈2156 年奧運會場上的重要衝刺?〉(Momentous Sprint at the 2156 Olympics?)──標題所指的,正是女子選手會在 100 公尺短跑比賽中,勝過男子選手的預計時間。

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2005 年,三名運動科學家在《英國運動醫學期刊》發表了一篇論文,省去問號開門見山在標題宣稱:〈女性終將做到〉(Women Will Do It in the Long Run.)。

難道男性主導世界紀錄的情況,始終是歧視女性、把女性排除於競技場外的結果?

20 世紀上半葉,文化規範與偽科學嚴重限制了女性參與運動競技的機會。在 1928 年阿姆斯特丹奧運期間,有媒體(捏造)報導指稱,女性選手在 800 公尺賽跑後筋疲力竭地躺在地上,這讓一些醫生和體育記者十分反感,使得他們認為這個比賽項目會危害女性健康。《紐約時報》上有篇文章就寫:「這種距離太消耗女性的體力了。」〔1〕那幾屆奧運之後,在接下來的三十二年間,距離超過 200 公尺的所有女子項目,都突然遭禁,直到 2008 年奧運,男女運動員的徑賽項目才終於完全相同。但《自然》期刊上的那幾篇論文指出,隨著女性參賽人數增多,看起來她們的運動成績到最後可能會與男性並駕齊驅,甚至比男性更好。

運動能力的基因密碼:性別差異的生物學根源

我去拜訪約克大學的運動心理學家喬.貝克時,我們談論到運動表現的男女差異,尤其是投擲項目的差異。在科學實驗裡證實過的所有性別差異中,投擲項目一直名列前茅。用統計學術語來說的話,男女運動員的平均投擲速度相差了三個標準差,大約是男女身高差距的兩倍。這代表如果你從街上拉一千個男子,其中 997 人擲球的力氣會比普通女性大。

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不過貝克提到,這種情形可能是反映女性缺乏訓練。他的太太是打棒球長大的,輕輕鬆鬆就能贏過他。他打趣說:「她會發出一束雷射光。」那麼這是生物學上的差異嗎?

男性和女性的 DNA 差異極小,僅限於在女性身上為X或男性為Y的那單一染色體。姊弟或兄妹從完全相同的來源取得基因,透過重組母親和父親的 DNA,確保兄弟姊妹絕對不會相近到變成複製人。

性別分化過程大部分要歸結到 Y 染色體上的「SRY 基因」,它的全名是「Y 染色體性別決定區基因」。若要說有「運動能力基因」,那就非 SRY 基因莫屬了。人類生物學的安排,就是讓同樣的雙親能夠同時生育出男性的兒子和女性的女兒,即使傳遞的是相同的基因。SRY 基因是一把 DNA 萬能鑰匙,會選擇性地啟動發育成男性的基因。

我們在生命初期都是女性──每個人類胚胎在形成的前六週都是女性。由於哺乳動物的胎兒會接觸到來自母親的大量雌激素,因此預設性別為女性是比較合算的。在男性身上,SRY 基因到第六週時會暗示睪丸及萊氏細胞(Leydig cell)該準備形成了;萊氏細胞是睪丸內負責合成睪固酮的細胞。睪固酮在一個月之內會不斷湧出,啟動特定基因,關閉其他基因,兩性投擲差距不用多久就會出現。

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男孩還在子宮時,就開始發育出比較長的前臂,這使得他們日後投擲時會做出更有力的揮臂動作。儘管男孩和女孩在投擲技能方面的差異,不如成年男性和女性之間那麼顯著,但這種差異在兩歲幼童身上已經很明顯了。

性別分化過程大部分要歸結到 Y 染色體上的「SRY 基因」,會選擇性地啟動發育成男性的基因。 圖/envato

文化與訓練的影響:投擲項目中的性別差距

為了確定孩童之間的投擲差距有多少與文化有關,北德州大學和西澳大學的科學家組成團隊,共同測試美國孩童與澳洲原住民孩童的投擲技能。澳洲原住民沒有發展出農業,仍過著狩獵採集生活,他們教導女孩丟擲戰鬥及狩獵用武器,就像教導男孩一樣。這項研究確實發現,美國男孩和女孩在投擲技能上的差異,比澳洲原住民男孩和女孩之間的差異顯著許多。不過儘管女孩因為較早發育長得較高較壯,男孩仍比女孩擲得更遠。

普遍來說,男孩不僅比女孩更善於投擲,視覺追蹤攔截飛行物的能力往往也出色許多;87% 的男孩在目標鎖定能力的測試上,表現得比一般女孩好。另外,導致差異的部分原因,至少看起來是因為在子宮的時期接觸到了睪固酮。由於先天性腎上腺增生症,而在子宮裡接觸到高濃度睪固酮的女孩,上述項目的表現會像男孩一樣,而不像女孩;患有這種遺傳疾病的胎兒,腎上腺會過度分泌男性荷爾蒙。

受過良好投擲訓練的女性,能輕易勝過未受訓練的男性,但受過良好訓練的男性,表現會大幅超越受過良好訓練的女性。男子奧運標槍選手擲出的距離,比女子奧運選手遠大約三成,儘管女子組使用的標槍比較輕。此外,女性投出的最快棒球球速的金氏世界紀錄是 65 mph(相當於時速 105 公里),表現不錯的高中男生的球速經常比這還要快,有些男子職業球員可以投出超過 100 mph(相當於時速 160 公里)的球速。

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在跑步方面,從 100 公尺到 1 萬公尺,經驗法則是把菁英級表現差距定在 11%。從短跑到超級馬拉松,不管任何距離的賽跑,男子組的前十名都比女子組的前十名快大約 11%。〔2〕在職業等級,那就是個鴻溝。女子組的 100 公尺世界紀錄,跟 2012 年奧運男子組的參賽資格還差了四分之一秒;而在一萬公尺長跑,女子組的世界紀錄成績,與達到奧運參賽資格最低標準的男選手相比落後了一圈。

不論距離,男子組前十名的跑步速度普遍比女子組快約 11%。圖/enavato

投擲項目與純爆發力型運動項目的差距更大。在跳遠方面,女子選手落後男子 19%。差距最小的是長距離游泳競賽;在 800 公尺自由式比賽中,排名前面的女子選手,與排名前面的男子選手差距不到 6%。

預言女性運動員將超越男性的那幾篇論文暗示,從 1950 年代到 1980 年代,女性表現的進展遵循一條會持續下去的穩定軌跡,但在現實中是有一段短暫爆發,隨後趨於平穩──這是女子運動員,而非男子運動員進入的平穩期。儘管到 1980 年代,女性在 100 公尺到 1 英里各項賽跑的最快速度,都開始趨於穩定,但男子運動員仍繼續緩慢進步,雖然只進步一點點。

數字很明確。菁英女子選手並未趕上菁英男子選手,也沒有保持住狀況,男性運動員則在非常慢地進步。生物學上的差距在擴大。但為什麼原本就有差距存在?

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註釋

  1.  各報上氣不接下氣地報導 800 公尺女子選手紛紛倒在跑道上。正如運動雜誌《跑步時代》(Running Times)2012 年的一篇文章指出的,實情是只有一個女子選手在終點線倒下,其餘三名都打破了先前的世界紀錄。據稱人在現場的《紐約郵報》記者寫道,「11 位淒慘的女性」當中有 5 人沒有跑完,5 人在跑過終點線後倒下。《跑步時代》報導說,參賽的女運動員只有 9 個,而且全部跑完。
  2. 過去普遍認為,隨著比賽距離拉長,女子賽跑選手會超越男子選手。這是克里斯多福.麥杜格(Christopher McDougall)在《天生就會跑》這本很吸引人的書裡談到的主題,但不完全正確。成績非常優秀的跑者之間的 11% 差距,在最長距離和最短距離同樣穩固存在。儘管如此,南非生理學家卻發現,當一男一女的馬拉松完賽時間不相上下,那個男士在距離短於馬拉松的比賽中通常會贏過那個女士,但如果競賽距離加長到 64 公里,女士就會跑贏。他們報告說,這是因為男性通常比較高又比較重,比賽距離越長,這就會變成很大的缺點。然而在世界頂尖超馬選手當中,男女體型差異比一般群體中的差異小,而 11% 的成績差距,也存在於超級長距離的最優秀男女選手之間。

——本文摘自 大衛・艾普斯坦(David Epstein),《運動基因:頂尖運動表現背後的科學》,2020 年 12 月,行路出版,未經同意請勿轉載。

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