開啟飛行時代—萊特兄弟與航空工業發展史

本文與  益福生醫 合作，泛科學企劃執行

昨晚，你又在床上翻來覆去、無法入眠了嗎？這或許是現代社會最普遍的深夜共鳴。儘管換了昂貴的乳膠枕、拉上百分之百遮光的窗簾，甚至在腦海中數了幾百隻羊，大腦的那個「睡眠開關」卻彷彿生鏽般卡住。這種渴望休息卻睡不著的過程，讓失眠成了一場耗損身心的極限馬拉松 。

皮質醇：你體內那位「永不熄滅」的深夜警報器

要理解失眠，我們得先認識身體的一套精密防衛系統：下視丘-垂體-腎上腺軸（HPA axis） 。這套系統原本是演化給我們的禮物，讓我們在面對劍齒虎或突如其來的危險時，能迅速進入「戰鬥或快逃」的備戰狀態。當這套系統啟動，腎上腺就會分泌皮質醇 (壓力荷爾蒙)，這種荷爾蒙能調動能量、提高警覺性，讓我們在危機中保持清醒 。

然而，現代人的「劍齒虎」不再是野獸，而是無止盡的專案進度、電子郵件與職場競爭。對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說，身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態。

在理想的狀態下，人類的生理時鐘像是一場精確的接力賽。入夜後，身體會進入「修復模式」，此時壓力荷爾蒙「皮質醇」的濃度應該降至最低點，讓「睡眠荷爾蒙」褪黑激素（Melatonin）接棒主導。褪黑激素不僅負責傳遞「天黑了」的訊號，它還能抑制腦中負責維持清醒的食慾素（Orexin）神經元，幫助大腦順利關閉覺醒開關。

然而，當壓力介入時，這場接力賽就會變成跑不完的馬拉松賽。研究指出，長期的高壓環境會導致 HPA 軸過度活化，使得夜間皮質醇異常分泌。這不僅會抑制褪黑激素的分泌，更會讓食慾素在深夜裡持續活化，強迫大腦維持在「高覺醒狀態（Hyperarousal）」。 這種令人崩潰的狀態就是，明明你已經累到不行，但大腦卻像停不下來的發電機！

長期的睡眠不足會導致體內促發炎細胞激素上升，而發炎反應又會進一步活化 HPA 軸，分泌更多皮質醇來試圖消炎，高濃度的皮質醇會進一步干擾深層睡眠與快速動眼期（REM），導致睡眠品質變得低弱又破碎，最終形成「壓力－發炎－失眠」的惡行循環。也就是說，你不是在跟睡眠上的意志力作對，而是在跟失控的生理長期鬥爭。

從腸道重啟好眠開關：PS150 菌株如何調校你的生理時鐘

面對這種煞車失靈的失眠困局，科學家們將目光投向了人體內另一個繁榮的生態系：腸道。腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路，這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」，而某些特殊菌株不僅能幫助消化、排便，更能透過神經與內分泌途徑與大腦對話，直接參與調節我們的壓力調節與睡眠節律。這種菌株被科學家稱為「精神益生菌」（Psychobiotics）。

在眾多研究菌株中，發酵乳桿菌 Limosilactobacillus fermentum PS150 的表現格外引人注目。PS150菌株源於亞洲益生菌權威「蔡英傑教授」團隊的專業研發，累積多年功能性菌株研發經驗的科學成果。針對臨床常見的「初夜效應」（First Night Effect, FNE），也就是現代人因出差、換床或環境改變導致的入睡困難，俗稱認床。科學家在進行實驗時發現，補充 PS150 菌株能顯著恢復非快速動眼期（NREM）的睡眠長度，且入睡更快，起床後也更容易清醒。更重要的是，不同於常見的藥物助眠手段（如抗組織胺藥物 DIPH）容易造成快速動眼期（REM）剝奪或導致睡眠破碎化，PS150 菌株展現出一種更為「溫和且自然」的調節力，它能有效縮短入睡所需的時間，並恢復睡眠中代表深層修復的「Delta 波」能量。

科學家發現，即便將 PS150 菌株經過特殊的熱處理（Heat-treated），轉化為不具活性但保有關鍵成分的「後生元」（Postbiotics），其生物活性依然能與活菌媲美 。HT-PS150 技術解決了益生菌在儲存與攝取過程中容易失去活性的痛點，讓這些腸道通訊員能更穩定地發揮作用 。

在臨床實驗中，科學家觀察到一個耐人尋味的現象：當詢問受試者的主觀感受時，往往會遇到強大的「安慰劑效應」，無論是服用 HT-PS150 還是安慰劑的人，主觀上大多表示睡眠變好了。這種「體感上的進步」有時會掩蓋真相，讓人分不清是心理作用還是真實效益。

然而，客觀的生理數據（Biomarkers）卻揭開了關鍵的差異。在排除主觀偏誤後，實驗數據顯示 HT-PS150 組有更高比例的人（84.6%）出現了夜間褪黑激素分泌增加，且壓力荷爾蒙（皮質醇）顯著下降，這證明了菌株確實啟動了體內的睡眠調控系統，而不僅僅是心理安慰。

最值得關注的是，對於那些失眠指數較高（ISI ≧ 8）的族群，這種「生理修復」與「主觀體感」終於達成了一致。這群人在補充 HT-PS150 後，不僅生理標記改善，連原本嚴重困擾的主觀睡眠效率、持續時間，以及焦慮感也出現了顯著的進步。

了解更多PS150助眠益生菌：https://lihi3.me/KQ4zi

重新定義深層睡眠：構建全方位的深夜修復計畫

睡眠從來就不只是單純的休息，而是一場生理功能的全面重整。想要重獲高品質的睡眠，關鍵在於為自己建立一個全方位的修復生態系。

這套系統的基石，始於良好的生活習慣。從減少睡前數位螢幕的干擾、優化室內環境，到作息調整。當我們透過規律作息來穩定神經系統，並輔以現代科學對於 PS150 菌株的調節力發現，身體便能更順暢地啟動睡眠開關，回歸自然的運作節律。

與其將失眠視為意志力的抗爭，不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通。透過生活作息的調整與科學實證的支持，每個人都能擁有掌控睡眠的主動權。現在就從優化生活型態開始，為自己按下那個久違的、如嬰兒般香甜的關機鍵吧。

本文由 肺纖維化(菜瓜布肺)社團衛教 合作，泛科學撰文

在現代醫學的警示清單裡，乳癌、大腸癌這些疾病大家都不陌生；但有一個「隱蔽且致命」的威脅卻常被忽視，那就是「肺纖維化」。其中最常見的類型「特發性肺纖維化」（IPF），其預後往往不太樂觀，確診後的五年存活率甚至比許多常見的癌症還低。

首先，我們得先破解一個迷思：肺纖維化並不是單一疾病，而是許多種間質性肺病的共同表現。當我們聽到「肺纖維化」，腦中常浮現「菜瓜布肺」的形象，患者的肺部外觀充滿一個個空洞與疤痕，像極了乾燥的絲瓜。這精準描繪了肺部組織逐漸硬化、失去彈性的過程。

更重要的是，IPF 這類肺纖維化的威脅在於「不可逆」的特性，一旦形成就很難逆轉。這跟部分 COVID-19 康復者身上、仍有機會復原的肺纖維化，是兩種完全不同的概念。

肺部為何會變成「菜瓜布」？

為什麼好端端的肺會變成菜瓜布？這其實是一場身體修復機制失控的結果。

「纖維化」的組織，就是肺部間質組織（interstitium）的疤痕化。間質是圍繞在肺泡周圍，包含血管與支持肺部結構的結締組織。在正常情況下，肺部損傷後會啟動修復機制，並再生健康組織。但在肺纖維化的患者體內，這套修復機制卻「當機」了。

身體會不斷地發出訊號，導致負責修復工作的「纖維母細胞」（fibroblasts）被過度活化，進而失控地沉積膠原蛋白疤痕組織，最終在肺部形成永久性的纖維化。

科學家發現，這個過程之所以棘手，在於它是一個「惡性循環」，肺部同時存在著「發炎反應」與「纖維化」這兩條路徑 ，它們相互加乘，演變成難以阻斷的強大破壞力。

雖然特發性肺纖維化 (IPF) 的具體成因不明 ，但已知某些特定族群的風險更高。例如抽菸，特定年齡與性別(50歲以上男性)、長期暴露於粉塵環境的工作者(農業、畜牧業、採礦業…)、胃食道逆流者。此外，患有自體免疫疾病（如類風濕性關節炎、乾燥症、硬皮症、皮肌炎/多發性肌炎，）的患者，他們併發肺纖維化的機率遠高於一般人，必須特別警覺。

打斷惡性循環的挑戰，為何只對抗「纖維化」還不夠？

面對這個不可逆的疾病，醫學界長年束手無策，直到 2014 年才迎來一道曙光。美國 FDA 批准了兩種機制不同的新藥：Nintedanib 和 Pirfenidone。這兩種藥物的出現是治療史上的分水嶺，首度被證實能夠「延緩」IPF 患者肺功能的惡化速度。

然而，這場戰役尚未結束。現有的治療雖然帶來了希望，卻也凸顯了「未被滿足的醫療需求」。從機制上來看，這些藥物主要抑制的是「纖維化路徑」。

這讓科學界開始思考這個未被滿足的棘手問題：既然疾病的本質是「發炎」與「纖維化」的雙重打擊，那麼，我們是否能找到「同時抑制」這兩條路徑的全新策略，從而更有效地打斷這個惡性循環？

找到同時調控「發炎」與「纖維化」的新靶點

為了解決難題，科學家將目光鎖定在一個細胞內的酵素：磷酸二酯酶 4B（PDE4B）。

為什麼鎖定它？讓我們看看它的「雙重作用」機制：

1. 關鍵位置： PDE4B 同時存在於免疫細胞（與發炎有關）與纖維母細胞（與纖維化有關）當中。
2. 作用機制： PDE4B 的主要工作是降解細胞內一種叫 cAMP（環磷酸腺苷） 的訊號分子。cAMP 可以被視為細胞內的「穩定信號」。
3. 雙重抑制： 當我們使用藥物抑制了 PDE4B 的活性，細胞內的 cAMP 就不會被分解，濃度會隨之升高。高濃度的 cAMP 能穩定免疫細胞和纖維母細胞，同時產生抗發炎與抗纖維化的雙重效應。

簡單來說，鎖定並抑制 PDE4B，就像是同時抑制了免疫風暴與纖維化的工程，有望從雙從抑制打擊這個惡性循環。

全球臨床試驗帶來的新希望

近十年來，全球在肺纖維化領域投入了大量的臨床試驗，我們相信，在科學家逐步破解肺纖維化惡性循環的複雜難題後，期盼未來能為無數患者爭取到更安全、健康的生活與未來。

最後，我們必須再次提醒，特發性肺纖維化（IPF）與漸進性肺纖維化（PPF）是極具破壞性、且不可逆的疾病。面對這個比癌症更致命的對手，雖然現有的治療手段能延緩惡化，但無法逆轉已經形成的肺部疤痕組織，因此「早期診斷、早期治療」仍是對抗肺纖維化最重要的黃金時刻。

有什麼方法可以開槍讓子彈在空中飛，然後安全的用手接住？比方說，開槍射擊的人在平地，而接住子彈的人在山上，位於射程的最遠處。
——艾德蒙．許（Edmond Hui），倫敦

接住！

「接住子彈」是舞台上的特技，表演者看似接住射擊出來飛到一半的子彈——通常是用牙齒接住的。當然啦，這是錯覺，像那樣接住子彈是不可能的。

但在適當的條件下，你可能接得住子彈，只是要有很多的耐心和運氣。

直直向上射擊的子彈最終會達到最大高度。子彈可能不會完全停止；比較可能的是，它會以每秒若干公尺的速率往旁邊偏移。

如果有人舉槍向上射擊子彈……。

……而你乘著熱氣球在射程範圍的正上方閒晃……

……當子彈飛到最高點時，你伸手出去抓住子彈，這是有可能的。

你不應該做的事情

（清單已更新）

#156,812 吃洗衣膠囊球

#156,813 在雷雨中踩高蹺

#156,814 在加油站放煙火

#156,815 餵你的貓吃「與人類手部形狀質地」一模一樣的零食

#156,816 在間歇泉噴口上方彎腰低頭想要一窺究竟

#156,817（新增！）搭乘熱氣球飛越射程範圍

如果你在子彈弧線的最高點成功抓住子彈，或許你會注意到奇怪的事情：子彈除了很燙之外，還會自旋。

它會失去向上的動量，但不會失去自旋角動量；子彈仍然具有槍管造成的自旋。

當子彈射擊在冰面時，可以很明顯的看到這種效應。正如數十部 YouTube 影片所證實的那樣，我們常發現射進冰中的子彈仍在快速自旋。你必須緊緊抓住子彈，不然它可能會跳出你的手掌心。

如果你沒有熱氣球，在山頂很有機會行得通。加拿大索爾山（Mount ­Thor）的垂直落差有 1,250 公尺。根據「近距離對焦研究」（Close Focus Research）彈道學實驗室的數據，這幾乎剛好是 0.22 長步槍子彈直直向上射擊會飛的高度。

如果你想要用更大的子彈，就需要更大的落差；AK-47 子彈向上射擊可能超過 2 公里。地球上沒有那麼高的垂直懸崖，因此你需要以某個角度發射子彈，結果子彈在弧線頂點會具有顯著的橫向速度。不過，夠硬的棒球手套也許有辦法接住子彈。

其中任何一種情境下，你都必須非常走運。由於子彈的弧線有不確定性，你恐怕必須射擊數千發子彈才能碰巧接個正著。

等到那個時候，你可能會發現自己招來了某些人的關注。

——本文摘自《如果這樣，會怎樣？2：千奇百怪的問題　嚴肅精確的回答》，2023 年 3 月，天下文化出版，未經同意請勿轉載。

飛機衍生自冒險主義的夢想與對速度之追求，是人類在 20 世紀的重大科技成就之一。萊特兄弟的第一次起飛，帶領人類進入了航空時代。

文 / 耿 驊（任職交通部民用航空局）

凌雲御風一直是人類的理想。 自古以來，人類就夢想能夠像鳥一樣的在天空自由飛翔，許多神話與寓言都曾提及人類對飛行的失敗與嘗試，而竹蜻蜓、風箏、孔明燈等童玩更是人類所製造最原始的飛行機械。

直到 1783 年，法國蒙哥費爾兄弟（Montgolfier brothers）受到熱氣在火爐中不斷升起現象的啟發，把熱氣聚集起來作成能夠隨著浮力不斷上升的熱氣球（hot air balloon），並進行了世界上第一次載人飛行，比萊特兄弟（Wright brothers）的飛機還早了120年。但熱氣球和它的進化版—— 裝上控制舵與螺旋槳的飛船（airship）都屬於「輕於空氣」的航空器，無法像鳥類輕盈靈活地作出各種飛行動作，雖然兩者在 19 世紀都順利搭上了蒸汽機、內燃機和電動機等原動力技術發展的列車，作為軍事用途而有後續源源不斷的創新， 1930 年代飛艇發展最盛時期，納粹德國的「齊伯林」號已儼然成為第三帝國的象徵物。但在工程意義上，輕於空氣的航空器並無法「像鳥一樣地騰飛」。

圖一：蒙哥費爾兄弟當時進行熱氣球飛行實驗的景象。

飛機概念的形成

重於空氣的航空器最直接的概念就是在人的身上裝個翅膀，振翅迎向未知的天空， 西方伊卡爾斯（Icarus）神話及中國工匠始祖魯班傳奇中均曾出現。實際上，受限於骨架的結構，僅憑人力是無法模仿出鳥類利用強大 Y 型胸骨拍翼振翅所同時產生的渦流升力（vortex lift）與推力，再加上鳥類飛行時的空氣動力原理與飛機並不全然相似。然而這種稱為拍翼（flapping wing）或撲翼機（ornithopter）的概念，從遠古傳說到文藝復興時期的達文西（Leonardo da Vinci）都深受其影響，現今世界各地不斷舉辦的鳥人大賽，可以說是人類對此慾念的強烈執著。

1799 年，來自英國約克夏郡的凱利爵士（Sir George Cayley）突破了傳統觀念， 意識到飛行的秘密不在於鳥類如何拍打翅膀，而在於鳥類如何不動翅膀而滑翔。當時的學術界崇尚理性實證，他也在自家的實驗室裡建立了旋轉臂式的迴旋儀，用實驗數據證明了平板翼型（airfoil）上、下表面的壓力差可以產生升力，而升力又與面積、攻角以及速度的平方成正比。他同時也是第一個提出利用機尾的水平尾翼和垂直尾翼來增加飛機的安控能力想法的人；至於推力顯然已無法由機翼獲得，需要另行安排動力裝置。 他在晚年時製作了一具機翼固定、尾端以接頭安裝一個可以活動尾翼的滑翔機並試飛成功，形塑了現代飛機的基本構型。

凱利作為一個生活優渥的貴族，處於英國工業革命的浪潮，有能力畢生鑽研於飛船、履帶車輛以及鐵路裝置等多種發明，雖然並沒有在飛行動力來源上再作突破，但他在1810年的著作《關於空中航行》（On Aerial Navigation），為後來的飛行器研製者，包括德國的李連塔（Otto Lilienthal）與美國的萊特兄弟（Wright Brothers）等人，提供了寶貴的指引。

圖二：凱利爵士所設計滑翔機之草圖。

輕於空氣還是重於空氣

從 1853 年凱利爵士的第一次載人滑翔到 19 世紀末期的 50 年間，似乎只有騙子、 瘋子、熱心的外行人才對製造「重於空氣」的飛機感興趣，肯下工夫從事研發的科學家並不多，其理由有三：第一、 缺乏輕便的動力來源；當時無論蒸氣機或內燃機的體積都太大、太重，無法用於飛機。 第二、作為流體力學一個更不易被觀察的分支，當時的空氣動力學仍無法定量計算升力或安定性等問題，要等到 20 世紀初期才能形成較完整的解釋。第三、承一、二兩點， 稍有理智的人都知道，比空氣還重的飛機在效益上是遠比不上日漸成熟的飛艇，從而缺乏經濟或軍事的動機。但是隨著汽車取得 「路權」並迅速發展後，有心人很快就聯想到：為何不把輕便又動力強大的汽油發動機裝在滑翔機上，讓它得以一飛沖天？

其人其事

二十世紀的頭幾年，致力飛機發明的有心人逐漸增加，其中不乏擁有學院訓練的物理學家或具備雄厚資金的支持。萊特兄弟雖是腳踏車工匠出身，僅有高中學歷，但和其他同時代的競爭者最大的不同，在於他們成功地整合了升力、推力和控制三種完全不同的概念，從而實現了「載人、具動力、可操控、能穩定持續飛行」的夢想，而這種協調觀也正是航空科技的精華。其他人不是錯誤地選擇了動力來源，頭重腳輕一頭栽進水中；就是沒能掌握操縱的技巧，只能笨拙地迎風扭轉；或是缺乏足夠的升力，滯空時間僅以秒計。

安定與控制是一體兩面。早在凱利時代便已經知道利用上反角效應來維持飛機的橫向安定。在控制上，德國李連塔的滑翔機是利用變換駕駛員身體的方式進行操縱，這種方式效率非但不高，也讓李連塔在一次失事中喪命。萊特兄弟認為，針對必須攜帶發動機升空、更大且更重的飛機，得有更好的控制方法才能解決這個難題。 1899 年，兄弟倆從腳踏車傾斜轉彎的概念裡取得靈感，設計出一種利用扭轉機翼造成翼尖翹曲（wing warping），進而產生不平衡升力介飛機滾轉的方法。利用經營腳踏車生意之餘，他們建造了一架翼展 1.5 公尺長，類似風箏的模型來測試他們的理論。

這具風箏配有纜線，在空中時可稍微扭轉翼尖；在主翼前端還裝有稱為升降舵的小型機翼，用以穩定機身的俯仰動作。試驗效果十分良好，也奠定了日後「飛行者」系列飛機的基本外型。值得注意的是，基於縱向安定性的考量，現代飛機多半把升降舵置於機尾而不是機頭（包括萊特兄弟後期生產的 Type B「飛行者」也從善如流把升降舵移置機尾）；而基於製作與效率，副翼（aileron） 也不是採用萊特兄弟扭轉翼尖的方法，而是來自其他飛行先驅——諸如費爾曼（Henri Farman）或寇蒂斯（Glenn H. Curtiss）使用的機構。

圖三：萊特兄弟於1899 年所繪製的風箏的草圖。

藉著良好的工程協調，「飛行者」的機身輕巧靈動，在空中劃出的軌跡流暢飽滿， 而競爭者的飛機此時還只能笨拙遲緩地兜圈子。完成 1903 年的試飛後，出於商業保密以及持續對「飛行者」進行工程修改等原因，萊特兄弟很淡定地封鎖了相關消息，但傳言仍然很快在世界各地散佈開來。這種保守態度後來造成許多的質疑與爭議，即便在發源地美國，也遲至 1942 年才公認萊特兄弟是「飛機真正的發明人」；至今仍有形形色色的擁護者主張，較萊特兄弟更早掌握飛行的奧秘者另有其人， 2003 年人類百年飛行紀念時，此類宣稱更是不絕於耳。

為了保障可能的商業利益，萊特兄弟除了將「飛行者」相關設計取得了英、美等國的專利權外，也只有承諾簽約購買的對象才能夠觀看飛行展示。這種行銷策略當然無法滿足最有可能，也向來保守的政府買家。兄弟倆一度被迫出走，轉向歐洲列強兜售他們的秘密，好在也沒什麼國家理會，否則世界空權的歷史倒有可能因此改寫。

經過數年奮力不懈的鼓吹，1907 年，半信半疑的美國戰爭部在陸軍通信兵團內成立了航空部門，研究「如何利用先進器材進行偵察與通信」，並在 1908 年試驗性地向萊特兄弟購買了改良的Type A「飛行者」。 在遭遇連續幾次嚴重事故，折損 11 名西點 軍校土木系畢業的高材生後，總算進入穩定發展期，飛機的性能終獲美國陸軍與海軍肯定，取得足夠訂單。

圖四：萊特兄弟所設計建造的第一台動力飛機「飛行者」。圖為「飛行者」首次成功試飛之影像，攝於1903 年12 月17 日。

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