當年,那些課堂上沒教的科學知識


雷文霍克的顯微鏡

雷文霍克以自製的單式顯微鏡發現細菌等微生物,英國皇家學會不但不相信,還加以譏諷。雷文霍克顯微鏡怎麼那麼厲害,直到1950 年才被人破解。

由曲率較大的凸透鏡所製成的高倍放大鏡,稱為單式顯微鏡。至於由一片凸透鏡和一片凹透鏡所組成的複式顯微鏡,約到1595 年才出現,一般的說法是由荷蘭眼鏡製造商詹森(Sacharias Jansen,1580~1638)發明的。

複式顯微鏡發明後,起初並未商品化,主要由觀察者自製。當時複式顯微鏡的解析度往往不佳,單式顯微鏡仍在使用。有「微生物學之父」稱號的雷文霍克(Antoni van Leeuwenhoek,1632~1723), 使用的就是單式顯微鏡!

雷文霍克生於荷蘭台夫特(Delft),出身貧寒,6 歲喪父,3 年後母親改嫁,被送進寄宿學校。16 歲時繼父去世,其母命其學習經商,在阿姆斯特丹跟隨一位蘇格蘭布商當學徒。1653 年,首次使用放大3倍的放大鏡檢查布料,從此和放大鏡結下不解之緣。

1654 年,雷文霍克返回台夫特,經營窗簾生意。1660 年,受聘為台夫特某貴族管家,逐漸脫離經商。從1676 年起,擔任基層公務員,多屬閒差,有較多時間從事業餘活動。

雷文霍克自製單式顯微鏡400 餘台,用來觀察動物、植物、礦物、不同來源的水、牙垢、唾液、精液等。他手巧心靈,往往根據觀察需要,設計不同的顯微鏡。他的好友解剖學家格拉夫(Regnier de Graaf)把他的工作引介給英國皇家學會,這才受到重視。1673 年,英國皇家學會在其期刊《The Philosophical Transactions》上為雷氏發表早期研究成果,即有關蜜蜂的口器及螫針的顯微觀察。

這篇文章刊出後,雷文霍克開始和英國皇家學會通信,至1723 年寫了190 封,現存皇家學會圖書館。1674 年,雷文霍克在雨水中發現了原生動物和單細胞藻類,1676 年又從人類口腔中發現了細菌。他把自己的發現寄給英國皇家學會,對方希望看看他的顯微鏡,被他拒絕。同年10 月20日,英國皇家學會秘書Hendrik Oldenburg寄來一封刻薄、揶揄、譏諷的回信:

您1676 年10 月10 日的信收到了,您說您利用所謂的「顯微鏡」,看到在雨水中游泳的眾多小動物,讓與會者忍俊不住。您的小說似的描述,不禁讓一位與會者認為您出自想像。另一位與會者拿起一杯水,大聲地說:「看啊,雷文霍克的非洲!」至於我個人,對您的觀察和使用的工具暫不作判斷,但會員們表決時,我不得不遺憾地告訴您,全場響起咯咯咯的笑聲,決議不在本會期刊上刊登。不過大家都希望您的「小動物」健康、多產,由牠們聰敏的「發現者」好好地畜養著。

可見皇家學會瞧不起他的單式顯微鏡,更不相信他的發現。雷文霍克堅持自己的發現,英國皇家學會派出專家及律師前往台夫特,另請台夫特的教會人士作證。雷文霍克當場演示,怯除了大家的疑慮,翌(1677)年,皇家學會正式承認他的發現。3 年後,也就是1680 年2 月,獲選為皇家學會會員。

雷文霍克使用單式顯微鏡竟能看到細菌,他是怎麼辦到的? 1981 年,英國業餘生物學家Brian J. Ford 在皇家學會的庫房中發現9 台雷氏所贈送的顯微鏡,倍數甚高,且使用簡便,有助於我們了解雷氏的研究工作。這9 台顯微鏡,倍數最高的可放大275 倍。雷氏自己保有的可能倍數更高。

雷文霍克生前對於其顯微鏡的透鏡製作技術秘而不宣,也絕不傳授他人。直到1950 年代,有關技術才被人破解,原來雷氏的透鏡不是研磨而成,而是用細玻璃棒燒製而成的。(撰於2016 年7 月26 日)

左:雷文霍克顯微鏡複製品,觀察物置於透鏡前之針尖上,從對面湊近眼睛觀察。
右:雷文霍克顯微鏡之正面、側面示意圖。
雷氏常因特殊需要,設計特殊顯微鏡,右方為用來觀察鰻魚魚鰭的顯微鏡,
將鰻魚倒插於試管中。((左)維基百科提供;(右)彭範先繪)

英國皇家學會圖書館藏有雷文霍克書信
190 封,圖為1677 年5 月14 日的一封。
(英文版維基百科提供)

維生素B1 的發現

西元1886 年,荷蘭學者艾克曼發現腳氣病和食物中缺少某種成份有關。1912年,波蘭生化學家芬克給這類營養物取了一個新的名兒――維他命。

我們從小學就讀到,缺乏維生素B1 會生腳氣病,那麼維生素B1 是怎麼發現的?現今的印尼,過去是荷蘭的殖民地。1886 年前後,荷蘭政府派遣生化學家愛克曼(Christiaan Eijkman, 1858~1930) 醫師前往印尼,擔任雅加達陸軍醫院的檢驗科主任,順便研究腳氣病。腳氣病主要發生在東方,印尼土著患這種病的人很多。當時細菌學剛剛興起。1882 年,德國醫生科赫發現了結核桿菌,一時風起雲湧,白喉、霍亂、破傷風、肺炎、鼠疫、赤痢等病原體紛紛現形,細菌學因而成為科學界最熱門的學科。腳氣病是不是細菌引起的?這就是愛克曼的研究課題之一。

愛克曼一上任就積極的投入工作,他用細菌學的方法,在腳氣病患者的排泄物中尋找病原體,連續工作了三個月,什麼也沒找到。助手們都心灰意冷,但愛克曼心想:「科赫發現結核桿菌前後費時半年多,我才工作了三個月,怎能輕易地下結論!」於是他改變方法,將患者的分泌物注射到雞身上,看看會不會感染腳氣病?結果一點兒致病的跡象都沒有。此路不通,愛克曼就把那些雞放在醫院的後院裡,暫時不去管牠們了。

過了一段時間,照顧那些雞的阿兵哥跑來對愛克曼說:「先生,那些雞都病了!可能過不了幾天就會死光,我看乾脆丟掉算了。」愛克曼來到後院,那些雞全都翅膀下垂,頭頸彎曲,雙腳不穩,一副就要倒斃的樣子。愛克曼看著那位阿兵哥,以略帶嚴厲的口氣問道:

「你是不是沒餵牠們?」

「怎麼沒餵,我天天用病人吃剩的米飯餵牠們啊!」

愛克曼將目光再移向那一群雞,驀然間他若有所悟,那些雞的症狀不就是腳氣病的症狀嗎?停滯了的研究重又燃起生機。然而,正當愛克曼預備重新出發的時候,軍醫院來了一位新院長,對愛克曼大打官腔:「你用醫院的米飯餵雞,這是浪費公帑!」

愛克曼向院長解釋:「報告院長,我是在做腳氣病的研究。」

「腳氣病研究?」院長以訓斥的口氣說:「你的任務是檢驗,不能本末倒置,要做研究,就買些糙米餵雞好了,不能再用醫院的白米飯!」

說也奇怪,那些奄奄一息的雞,吃了糙米立即恢復健康。這個意外事件使他得到啟發。他把雞分成兩組,一組只餵白米飯,一組只餵糙米飯,結果前者得了腳氣病,後者沒有毛病。他又在白米飯中加入米糠,結果得病的雞很快就痊癒了。這些實驗使愛克曼得到兩項結論:其一,腳氣病和病原體無關;其二,白米飯中或許缺少某種重要的養份。

這時愛克曼讀到日本軍醫高木寬直的論文:「米飯搭配上大麥、蔬菜和肉類,就不會得腳氣病。」換句話說,只要營養均衡,就不會得腳氣病。看來這根本是個營養問題嘛!

愛克曼徵得殖民地政府同意,用監獄裡患腳氣病的犯人做實驗。那些犯人雖然一肚子不高興,但吃了糙米飯,腳氣病卻痊癒了。至此愛克曼得出結論:米糠中含有一種維持生命的養份。

愛克曼的發現說明,養份不止是醣類、蛋白質、脂質和礦物質,還有一些不可或缺的東西。1906 年,英國生化學家霍普金斯爵士(Frederick Gowland Hopkins)給它取名「輔助因子」。1990 年,日本的鈴木梅太郎在米糠中分離出一種成份,證明就是愛克曼所說的那種養份。1912 年,美籍波蘭生化學家芬克(Casimir Funk)給這類營養物取了一個新的名兒――維他命(意譯維生素)。這個新名兒一直延用至今。(原刊《國語日報》2001 年11 月22 日)

愛克曼像,攝影時間不詳。
(維基百科提供)

芬克像,攝於1964 年。
(維基百科提供)
機器人,robot

西元1921 年,捷克劇作家恰佩克完成劇作RUR,大意是說某公司製成一種機器人,稱為robot,……這就是robot(機器人)一詞的語源。

當今科幻影視流行,機器人成為男女老幼都感興趣的話題。日本發生福島核災時,報上刊出聳動的標題:「日本機器人不夠看,換美國機器人出動救災!」日本地震發生後,法國和美國都要派出救災機器人援助日本。日本有機器人王國之稱,為了臉面,婉拒了法國,但接受了美國老大哥的援助,於是報上出現iRobot 公司的救災機器人的圖片,那是一台像挖土機的
小型履帶式車輛,哪是什麼機器「人」啊!

一談起機器人,大家可能馬上就會想到漫畫中的哆啦A 夢,或電影中的「機器戰警」、「變形金剛」,或其他各式各樣的機器人。機器人嘛,當然人模人樣嘍。其實英文robot 這個字,並沒有「人」的意思,而且robot 這個字出現得很晚,被借用來指稱「機器人」更晚。我們談機器人,必須弄清機器人的語源,否則將會愈談愈糊塗。

一人即可背負的機器人PackBot,由
iRobot 公司研發,用於偵測地雷等爆
炸物。圖為海軍陸戰隊爆炸物處理小組
成員及其裝備。此款機器人投入伊拉克
及阿富汗戰場者超過兩千台,更因進入
福島核電廠拍攝事故現場、偵測幅射劑
量而聞名天下。(維基百科提供)

1920 年, 捷克劇作家恰佩克(Karel Capek,1890~1935)寫了一個著名的劇本RUR(Rossum's Universal Robots,洛桑的萬能奴工)。robot,源自捷克語robota,意為工作;轉成英語,成為robot。此劇大意是:洛桑公司製成一種機器人,稱為robot,它們只知埋頭工作,沒有思維能力,堪稱最理想的奴工,洛桑公司因這項產品而生意興隆。後來robot 有了思維,它們不堪人類役使,向人類發動攻擊,最後徹底毀滅了人類。

RUR 聞名遐邇,robot 一詞不脛而走,科幻小說家襲用robot,當代科幻大師艾西莫夫(1920~1992)的短篇小說集《我,機器人》(I, Robot, 1950)即為一例。1950 年代機器人科技興起,科學家借用robot 一詞,遂成為一個全新的詞彙。劇作家恰佩克筆下的robot,的確具有「人」的意思,但直到今天,實用的robot 幾乎都不具備人形。

1939 年恰佩克劇作RUR 在紐約演出
時的海報。robot 一詞即出自RUR。
(維基百科提供)

機器人科技和電腦的發展密不可分。1946 年第一台電腦問世,此後朝向速度快、容量大、體積小的方向發展。電腦科技促成「自動化」,1952 年,數控機床誕生,為機器人的開發奠定了基礎。

另一方面,原子能實驗室處理放射性物質,需要機械代替人力。1947 年,美國原子能委員會阿爾貢研究所開發出發遙控機械手,可視為機器人科技的先驅之一。

1954 年,美國的德沃爾(George Devol, 1912~2011)提出工業機器人的概念,並申請專利,他主張借助伺服技術,控制機器人的關節,現有的機器人,幾乎都採用這種控制方式,德沃爾因有機器人之父的稱號。這時美國的研究生英格伯格(Jeseph F. Engelberger)專攻伺服技術,也在研究機器人,他和德沃爾都認為汽車工業使用重型機器工作,生產過程較為固定,裝配過程最適合使用機器人。

1959 年, 德沃爾和英格伯格製成第一台工業機器人,機器人的歷史才真正開始。1960 年,兩人成立產製機器人的Unimation 公司,翌年生產出第一台工業機器人Unimate 001。1962 年,美國AMF公司推出的Verstran。這兩款機器人的控制方式與數控機床大致相似,但外形類似人類的手臂,與數控機床迥異。這類機器人至今仍為實用性機器人的主流。

1967 年,日本成立「人工手研究會」(現改名為仿生機構研究會),同年召開日本首屆機器人學術研討會。到了1980 年,工業機器人開始在日本使用,所以日本人稱該年為「機器人元年」。隨後,工業機器人在日本發展迅速,因而贏得「機器人王國」的美稱。

當今機器人的重鎮仍為美國和日本。美國較不熱衷研發人形機器人,日本卻樂此不疲。1967 年,日本召開第一屆機器人學術會議,早稻田大學的加藤一郎提出人形機器人三條件:具有腦、手、腳等三要素;具有非接觸感測器(用眼、耳接受遠方資訊)和接觸感測器;具有平衡覺和固有覺的感測器。1973 年,加藤一郎克服重重難關,率先研製成用雙腿走路的機器人,因此人稱「人形機器人之父」。

2000 年,日本本田公司發展出人形機器人Asimo,已經可以同時與多人進行對話。步行途中,遇到其他人時會預測對方行進方向及速度,自行調整行進路線,以免與對方相撞。它的手部可以扭開瓶蓋、握住紙杯、倒水,手指動作細膩,甚至可以邊說話邊以手語表現說話內容。

Asimo 外形像太空人,不像真人。日本更熱衷發展仿真人形機器人,頭頸、臉面、手部、腿部等外露的部位,看起來幾可亂真。為了廣事招徠,仿真人形機器人通常製成美少女。日本的仿真機器人,最具代表性的有Actroid 和HRP-4C。Actroid 由actor 和android 兩個英文字合成,由大阪大學和株式會社ココロ(Kokoro)合作開發,2003 年東京國際機器人展首次亮相,外形酷似美少女,能做出眨眼、說話、呼吸等動作。其後陸續推出多種型號,2011年的Actroid-F,臉部能做出65 種表情,栩栩如生。

Asimo 2011 年型,在本田青山迎賓大廳
演示跳舞。Momotarou 2012 攝。
(日文版維基百科提供)

HRP-4C 暱稱Miim,由產業技術總合研究所(AIST)開發,2009 年首次亮相,翌年在東京數位內容博覽會上出盡風頭。Miim 身高158 公分,體重43 公斤(含電池),取自日本少女的平均值。Miim 裝有30 具馬達,用於行走等活動;另有8 具,用於臉部表情。Miim 還能藉語音辨識軟體與人對話,能藉語音合成唱歌。2011 年推出的升級版,有男有女,行走能力更進一步,已更像真人。

近年來中國大陸大力發展機器人工業,頗有後來具上的趨勢,以仿真機器人來說,2016 年中國科學技術大學推出美少女機器人「佳佳」,表情及語言能力雖不如Actroid 和HRP-4C,卻以美貌取勝,被譽為機器人中的女神。(摘自〈與您談機器人〉而略加損益,原刊《白話科學——原來科學可以這樣談》,2015年2月出版)

2006 年推出的Actroid-ReplieeQ2,
BradBeattie 攝。(英文版維基百科提供)

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