電的生命、生命的電

你被電過嗎？

我這裡說的，不是被痛罵批評那種，而是真正的觸電。小時候在馬來西亞，蚊子特別多，家家戶戶不堪其擾，有阿宅發明電蚊拍、讓我們能夠輕易把蚊子電成焦屍報仇雪恨的時候，那種電蚊拍跟現在不一樣，沒有防止觸電的保護網，只有一層電擊網，偶爾我們會不小心電到自己，除了感到一陣刺痛和麻麻的感覺外，倒也沒啥大礙。

於是，還是小屁孩的我和弟妹，常在爸媽、阿嬤不留神的時候，拿電蚊拍來當作玩具武器，對彼此進行無情的電擊。後來，我們還發現金屬門把也能傳電，於是就躲在房間的另一頭，趁人開門時給他們一個「突襲」。我小妹因為不喜歡洗澡，被大弟電了一次，結果這件事她經常掛在嘴邊。

可能因為這樣的設計引起了太多家庭失和，後來的電蚊拍設計上加入了保護網，再加上我們長大了，進了社會玩的遊戲變得更加緊張刺激，電蚊拍才真正回歸到它原本的功能。不過，那種被電蚊拍電到的感覺，至今還是難以忘懷。

馬來西亞一年到頭都濕熱，我們倒是很少遇到被靜電電到的情況。但是在台灣，在台灣冬天，室內的空氣通常比較乾燥，這讓靜電更容易產生。冬天的時候室內換衣服，或者跟老婆親個嘴，就容易被那突如其來的靜電給電到。

為啥被電蚊拍或靜電電到會感到疼痛呢？上了生物課之後，我們就知道了，因為神經傳導其實就是一種「電」的形式，而電蚊拍和靜電那「微弱」的電剛好刺激到了我們的疼痛神經，讓肌肉發生強烈的收縮。雖然電蚊拍的電壓高達兩千伏特，但因為電池提供的電流很小，所以不會造成生命危險。然而，牆壁上的插座提供的電壓雖然只有110伏特（馬來西亞是220伏特），但電流卻大得多，足以致命，絕對不能掉以輕心。

那麼，為啥強力電流會讓人命危呢？來自美國華盛頓特區喬治城大學，擔任放射醫學和生物化學教授，同時也是健康物理與輻射防護研究生課程主任的提摩西．約根森（Timothy Jorgensen），在他的好書《生命的電：生物醫學Ｘ電，改變未來的奇蹟革命》（Spark: The Life of Electricity and the Electricity of Life）中向我們揭示了電在生命中不可或缺的角色，正因為如此，當強大的電流穿越我們的身體時，才會造成嚴重的傷害，真是水可覆舟、亦可載舟。

約根森教授從琥珀談起，經過富蘭克林到法拉第的探索歷程，闡釋了電與生物學之間的深刻聯繫。這段科學史的敘述既生動又引人入勝，為我們提供了許多理工科阿宅學生在教科書上早已耳熟能詳的科學家和他們背後的趣聞軼事，僅僅是這部分內容，就已經讓《生命的電》成為一本非常值得一讀的好書！

約根森也對伊隆．馬斯克（Elon Musk）領軍的Neuralink公司做了一番預測。這間公司專門研發腦機介面（Brain-Machine Interfaces, BMIs）技術，是由馬斯克在2016年創立的。他們的大目標是打造出能直接連接人腦與電腦或其他電子裝置的高頻寬裝置，目的是為了幫助治療神經系統疾病、提升人類的認知能力，甚至最終達成人腦與人工智慧（AI）的合一。

在《生命的電》一書中，可見跨學科研究的重要性，展現了物理學、生物學、化學和工程學等領域如何互相激盪，共同推進了我們對電在生命中角色的理解。為了讓不太熟悉「電」的讀者也能融會貫通，約根森詳細介紹了電力的基礎知識，像是電壓、電流和電阻，並解釋了它們在生物系統中的相關應用。

《生命的電》書中特別提到，當初那些大電力公司才剛開始摸索如何運用電力的時候，連富蘭克林、法拉第、馬克士威、愛迪生、特斯拉這些偉大的科學家、發明家都還搞不清楚「電」到底是啥東西。得等到量子力學出現之後，我們才明白了電子存在以及它的特性。

我們現在清楚了，電荷是物質的一種基本特性，既可以是正的（比如質子的電荷），也可以是負的（比如電子的電荷）。同性電荷互相排斥，異性電荷互相吸引，這些互動構成了電的基礎。電荷的移動形成了電流，通常是電子在導體中的流動。電流的方向由正電荷的流動方向定義，即使在實際的電路中，流動的大多是負電荷──電子。電流的國際單位是安培（A），一安培代表每秒有一庫侖（C）的電荷流過某一點。

電壓推動電荷移動，是兩點間電位差的度量，用伏特（V）表示。電壓越高，意味著推動電荷從一點移動到另一點的能量越大；而電阻則是物質對電流流動的阻力。每種物質的電阻都不同，取決於它的材質、溫度、長度和截面積，電阻的單位是歐姆（Ω）；電場則是電荷產生的，存在於其周圍空間，能對其他電荷施加力。電場的強度取決於其電荷的量和距離。電場可以透過電場線來視覺化，這些線從正電荷出發，終止於負電荷；當電流流動時，會產生磁場，變化的磁場又能產生電場，這種相互作用形成了電磁場。

要聊電力，那交流電和直流電絕對是必談的兩個概念。交流電就是電流的大小和方向會週期性變化的那種電。在交流電系統裡頭，電壓就像正弦波一樣上下波動，意味著電流的方向也是持續在變。交流電成了大多數家庭和工業用電的標準，主要是因為它能透過變壓器在不同電壓等級間輕鬆轉換，讓電能在長途傳輸時的損失更小，這也是它成為長距離電力傳輸和分配首選的主因；至於直流電，則是電流只朝一個方向流動的電。在直流電系統中，電壓的大小和方向都是固定不變的。直流電的來源典型包括電池、太陽能板和直流發電機。直流電常用在低壓的電子裝置上，比如手機、筆記型電腦、LED燈，還有其他許多攜帶式電子產品。直流電的優點在於能提供穩定的電壓，對電子設備的穩定運作來說非常重要。

拜電影《電流大戰》（The Current War）和科普書《光之帝國：愛迪生、特斯拉、西屋的電流大戰》（Empires of Light: Edison, Tesla, Westinghouse, and the Race to Electrify the World）所賜，不少阿宅都聽過19世紀80年代後期那場關於直流輸電和交流輸電之間的電流戰爭（請參見〈光之帝國的電流大戰〉）。最後交流電因為更適合長途輸送而勝出。但約根森在《生命的電》中提到，現在很多電子設備都只能用直流電，變壓器造成的電力耗損相當可觀。雖然技術進步已經解決了直流電長途輸送和電壓轉換的問題，不過要把全國的電網系統砍掉重練實在太不切實際了。






在探討生命現象時，電力扮演著極其關鍵的角色，從基本的細胞功能到整個生物體的運作，電力在這一切中都是不可或缺的。細胞間的溝通大量依賴於電訊號。神經元透過電訊號來傳遞訊息，這個過程就是所謂的動作電位。動作電位是由細胞膜上的特定離子通道開啟和關閉所引起的電壓變化，使得神經元能夠迅速反應，並將訊息傳遞至身體的其他部分。《生命的電》用生動的例子解釋了電訊號如何在神經元間傳遞，支持著思考、感覺和運動的生物過程。

心臟的順利運作也是靠著電訊號。心臟細胞能產生並傳送電訊號，這些訊號讓心肌收縮，進而推動血液在循環系統中流動。像是心律不整這類的病症，往往就是因為心臟的電活動出了問題。現代醫學透過心電圖（ECG）來監控心臟的電活動，幫助診斷與治療這些問題。《生命的電》不只解釋了強大電流如何打亂心臟的正常運作，還提到了電椅的發明及其在死刑中的使用歷史。喬根森甚至專門用了一章來探討電釣（electrofishing）的原理，藉此說明電力場（electric force field）和電流（electric current）之間的差異。

對於住在濕熱氣候的人來說，雷電這種伴隨閃電和雷聲、涉及雲層內部或雲層與地面之間電荷迅速釋放的自然現象並不陌生。儘管被雷電直擊的機率比中樂透還低，但死亡率卻相當高。有趣的是，《生命的電》提到，美國近年來被雷電擊斃的人數大幅下降，這不僅是因為醫療界對於急救雷擊傷患的了解增加，實際上被雷擊的人數也大大減少。這不是因為美國人變得更愛宅在家裡，而是科學界對如何大幅減低被雷擊機率有了更深的理解，這是野外避雷安全專家成功說服閃電科學家提供正確宣導的成果。

其實，在生物體內不只有電訊號的傳遞，還存在著生物電場。這些電場由生物體內的電荷分布產生，對細胞生長、分化以及傷口癒合等過程起著調節作用。電場能夠影響細胞增殖、移動、分化，以及細胞死亡，這些過程對組織的形成和再生都是必不可少的。比方說，特定的電場模式能夠引導幹細胞分化成特定的細胞類型，這對組織工程和再生醫學來說非常關鍵。

生物電場在傷口癒合的過程中也扮演著關鍵角色。當身體某部位受傷時，周圍區域會出現電場的變化，這些變化能夠吸引細胞移動到傷口處，幫助新組織的生成和傷口的癒合。無論是皮膚受傷、心臟受損，或是其他組織的自我修復，這個過程都非常關鍵；在胚胎發育期間，生物電場對於細胞的準確定位、組織的分化和身體結構的形成也至關重要。電場的變化是告訴細胞何時以及如何分化的關鍵訊號，對於形成功能正常的多細胞生物體來說是必不可少的。但奇怪和可惜的是，《生命的電》在幾乎沒有提及生物電場在組織再生和發育中不可或缺的角色。

《生命的電》還講到了生物是如何演化出利用電力來提升生存和繁殖機會的。比如，有些魚類能夠透過產生電場來探測周遭環境或是與同類交流。像電魚，能發出弱電脈衝，再透過專門的感應器官，也就是電受器，來感知周圍物體引起的電場變化。這些電脈衝一旦遇到物體，就會因為物體的導電率或介電率不同而產生反射或扭曲，讓電魚能夠辨識周遭的物體，包括障礙物、獵物甚至其他電魚。

還有些魚類利用主動電定位，透過改變牠們發出的電脈衝模式來和同伴溝通。這些電脈衝的模式能傳遞不同的訊息，像是求偶訊號、劃定領域或是發出警告，這對於視覺和聽覺受限的水下環境而言，是非常有效的通訊方式，這在艾德．楊（Ed Yong）的好書《五感之外的世界：認識動物神奇的感知系統，探見人類感官無法觸及的大自然》（An Immense World: How Animal Senses Reveal the Hidden Realms Around Us）中有詳細說明（請參見〈跳脫人類感官，從動物的角度看世界〉）。

在醫學應用方面，《生命的電》深入探討了電力在診斷和治療各種疾病中的應用。電刺激治療，比如跨顱磁刺激（Transcranial magnetic stimulation，TMS）和深層腦部刺激術（Deep brain stimulation，DBS），透過電訊號影響神經元活動，用於治療抑鬱症、帕金森病等神經系統疾病。這些治療方式展示了精準控制電力如何對人體健康帶來正面影響。

《生命的電》也提到了「先進義肢」這類新型電子裝置，它們透過各種電氣方式與截肢者的神經系統進行連接，這種腦機介面讓截肢者僅透過思考就能隨意移動義肢，甚至執行像彈鋼琴這樣的精細動作。儘管先進義肢的重量和電池壽命短是目前需要克服的問題，但研究人員正快速解決這些挑戰，有望改善人們的生活品質。

總之，《生命的電》是一本兼具科學深度與廣度、教育與啟發的好書，對於專業人士和普通讀者都有很大的吸引力。透過閱讀這本好書，我們能對電在自然界和人類生活中的角色有更深的理解和尊重！




本文原刊登於閱讀最前線【GENE思書軒】