為什麼雪花都是對稱的?-科學人雜誌
答案是……

為什麼雪花都是對稱的?

2003/03/01
美國瓦沙學院結構化學系副教授羅西做了以下回答:

重點提要

為什麼雪花的形狀都是對稱的?如果動手術把人類大腦變皺,會不會變聰明?為什麼有些人蛀牙比較多?

當水分子自我排列成固態的雪或冰時,雪花即反映了水分子的內在秩序。當水分子開始凝結時,彼此間形成微弱的氫鍵。雪花的形成(及所有物質由液態轉變成固態的過程)叫做結晶作用。分子們彼此依最低能量狀態排列,這使得它們之間的吸引力最大而斥力最小。地球上的水冰中,每個分子都以氫鍵與另外四個分子相連,形成晶格結構。


於是,水分子會移動到已被指定好的空間。最基本的形狀是六方柱,頂端與底端都是六角形,六個側邊則是三角形。這個排列過程很像貼地磚:一旦樣式選定、並放好了第一片地磚,其他所有的地磚都一定得放到已被決定的位置,才能維持樣式。水分子依照低能量的位置自我安頓,便會填入空位並維持對襯;雪花的「手臂」就是以這種方式形成的。


雪花有很多種樣子。這些差異產生的原因在於雪花在大氣中生成,而大氣狀況複雜多變。一片雪花結晶可能以某種方式生成,然後因應溫度與濕度的改變而有相對的變化。基本的六角形對稱仍舊保留,不過冰晶會往新的方向分枝。(姚若潔 譯)


台中市的呂季芳問:
如果動手術把人類大腦變皺,會不會變聰明?

旅美生理學者潘震澤教授的回答如下:


這個問題簡單的答案是不會,至於為什麼不會,則需要多一些說明。


有關智力與腦袋大小之間的關聯,一直都有人研究,但卻沒有直截了當的答案。比起爬蟲類、鳥類及其他哺乳類動物,人腦確實相當大;但比起大象的腦子來,又小得多。如果取腦與身體體積的百分比,人就要比大象的來得大,但卻又比不過體型甚小的地鼠。


以同是靈長動物來說,黑猩猩與人的基因相似度超過98.5%,但人腦卻大上許多。不單如此,人腦表面還有許多皺摺,增加了許多面積來。如果把黑猩猩的大腦皮質表面攤平,約有一張A4紙大小,而人腦的表面積則有四倍大,增加的幅度相當可觀。


人腦體積及表面積的增加,顯然是人類智慧超越其他物種的憑據,但人也要為「大頭」付出代價,像是增加了女性生產的風險,以及耗費大量能源等。不單如此,足月出生的人類嬰兒仍然像個「早產兒」,需要親人長達十幾年的養育方才成人。同時,人也需要不斷學習與經驗新事物,智力才能會有所成長。至於在成長學習的過程中,大腦發生了什麼樣的變化,是許多人感興趣的問題。


早在1960年代,美國加州大學柏克萊分校的羅森懷格(Mark R. Rosenzweig)就發現,飼養在豐富環境裡的老鼠(空間較大,有同伴相陪、旋轉輪可運動、玩具可玩,以及擺設經常更動等),其腦部重量、厚度、神經傳遞物質數量、神經之間連結,以及神經表面突起分支等,都有增加;同時這些動物在學習跑迷宮的測試上,表現也較好。


上述結果應用在人身上,也能發現類似的學習功效,譬如人類視覺、語言甚至音樂感的發展,都有某個關鍵時期的存在,顯示後天刺激對於這些能力發展的重要性。至於人腦是否也同鼠腦一樣,由於學習而出現組織型態上的改變,則不容易實際測量。


以往要測量人腦的大小或是其中神經細胞的密度,必須等人死後,將腦子從腦殼取出固定切片染色才有辦法觀察。譬如有人就以愛因斯坦的大腦作了一些測定,寫過幾篇報告,那除了滿足一些人的好奇外,卻得不出任何結論。這也證明了單純以腦部解剖構造來解釋功能的做法,是行不通的。


如今,由於非侵入式顯影技術的成熟,可以在活體就測定腦部大小以及局部活性的高低,因此又引起一波新的研究,比較了人腦大小與性別、年齡、遺傳、智力測驗結果等因子之間的相關性,也得出一些肯定的結果,顯示構造與功能之間,確實存在某些關聯。


大腦體積與表面積的增加,代表的是神經細胞的增多以及神經連結的可能性增大;前者與基因及發育時期的營養有關,後者則屬於學習與經驗之功,且不受年齡的限制,活到老也能學到老。再者,「聰明」也不過是人類大腦功能的部份表現,並不代表「智慧」。我們除了不能改變自身的基因與成長環境外,卻有許多的方式增進各方面的能力,只不過動手術將大腦表面弄皺絕非可行之道;那麼做只會破壞了原本已經成形的神經連接,造成神經功能的受損,而適得其反。


為什麼有些人蛀牙比較多?

伯格提供了以下答案,他是美國兒童牙科學會基金會會長,同時也是飛利浦口腔保健公司臨床事務部副總裁:


齲齒是造成牙齒蛀洞的罪魁禍首,更是人類最普遍的感染性疾病,97%的人終其一生遲早會碰上。有許多因子都參與了牙齒破壞的過程。


齲齒的由來,是因為覆蓋在牙齒表面的複雜微生物群集形成牙斑薄膜,此菌膜會降低該處酸鹼值,使得牙齒因酸而「脫礦化」(demineralization)。牙齒琺瑯質一旦遇到低於酸鹼值5.5的環境時,便開始發生脫礦化作用,甚至崩解;然而高於此關鍵酸鹼值時,便會發生「再礦化」(remineralization)。這個修復過程能否成功,端賴唾液中礦物質的存在、氟離子的可用量及唾液的流動速率。如果在這場拉鋸戰中脫礦化一直佔上風、缺乏再礦化的補償時,齲齒就會進展成看得見的蛀牙。


不過菌膜的作用不見得都相同。雖然已知轉糖鏈球菌類是造成齲齒的頭號犯人,卻也有人雖感染這些細菌但沒有蛀牙。所以蛀牙並不是單純視菌膜多寡而定的。


飲食也是另一個因子。致齲微生物喜歡糖,蔗糖或一般的調味糖是它們最主要的能量來源,這些糖代謝後產生的乳酸會導致蛀牙。藉由限制甜食來控制牙齒與糖的接觸,可以為拉鋸戰中的再礦化增添一臂之力。


唾液流動率與組成成份亦會影響。簡言之,嘴裡的唾液量越多,天然的清除作用就越好;也就是說,將產生齲齒的微生物以及它們在齒間產生的酸沖刷掉的作用越好。牙齒本身的型態也有影響。菌膜容易滯留在牙齒表面的深溝(尤其臼齒),因此更難用刷牙與牙線將之去除。顯然,口腔衛生是控制齲齒的關鍵,必須常常刷牙與使用牙線,至少每天一次,才會有效。(姚若潔 譯)


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2003年第13期3月號】


# 關鍵字:名家專欄答案是……
更多文章
活動推薦更多
追蹤科學人