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瑪莉.普特南.雅可比──醫學專業的社會改革者

科學大抖宅_96
・2016/08/30 ・5224字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 567 ・九年級

1873 年,哈佛大學醫學教授愛德華.克拉克(Edward H. Clarke)出版了他的新書《教育體系的性別問題,或說女孩的公平受教權》(Sex in Education; or, A Fair Chance for the Girls);他疾聲呼籲,因為兩性的生理差異,所以我們應該用不同的方式來教養男性和女性,讓男孩成為男人、女孩成為女人;尤其,沉重的腦力負擔(例如就讀大學)對女性是不利的,可能導致身體組織如卵巢的發育不全、甚至終生不孕;女性在經期時更格外不適合從事高度的心智活動。現在看來雖屬無稽之談,但當年這卻是限制女性接受教育的主流觀點。

此「因應男女有別而不應該在教育一視同仁」的宣稱,在美國掀起激烈的辯論;而反擊最力者,就是瑪莉.普特南.雅可比(Mary Putnam Jacobi)。她作為女性,又同時具備醫師、教授和科學家的身份,在當時的美國可說鳳毛麟角。為了反駁克拉克的言論,她發表長達 232 頁的論文,詳細研究了女性的健康問題;以鉅細靡遺的數據,徹底否證了女性不適合接受高等教育的說法。

她憑著自身的專業,致力於讓女性有更多接受教育的機會,並利用科學證據為女性權益運動提供堅實的基礎。若要說到歷來最具影響力的女醫師,她絕對榜上有名──權威的老牌雜誌《大西洋月刊》(The Atlantic[1]甚至將她評為美國醫學的教母

瑪莉.普特南.雅可比(圖片來源)
瑪莉.普特南.雅可比。圖/U.S. National Library of Medicine

不願受制傳統束縛,致力學醫

1842 年 8 月 31 日,瑪莉.科琳娜.普特南(Mary Corinna Putnam)於倫敦呱呱墜地。當時,瑪莉的父親身為美國出版商,為了拓展海外工作長期居住英國,直到 1848 年普特南一家才返回紐約的住處。普特南家族在出版界算是名號響亮,作為中產階級知識分子,瑪莉的父母也樂見長女瑪莉接受教育(她還有十個弟妹)。起初,瑪莉由母親和家教負責教導,稍長之後才到學校就讀。

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瑪莉一直是手足中較為顯眼、聰明的一位,個性也強悍、有自己的想法。從童年開始,她就對家庭(尤其是祖母)的虔誠信仰感到疑惑與抗拒;另一方面,她也不希望遵循大家習以為常的性別規範,尤其,對於女性在教會和社會的次等地位,更相當地不以為然。從這個角度來說,日後致力於學習醫學或許成為瑪莉擺脫性別桎梏,與對抗傳統女性角色的解方。

而瑪莉可能天生也是學醫的料:某次她在馬廄裡發現死老鼠,有別於一般女孩的反應,她猶豫著要不要切開老鼠、好好觀察牠的心臟──不過後來被母親制止了。

或許從小對家族事業耳濡目染,使得瑪莉在青少女時期就開始創作,並在期刊上發表自己的作品;這份興趣也延續到了成年,即使專業在醫學,她仍陸續寫了一些小說和許多政治評論。

難以放下的家族責任

1859 年中學畢業後,瑪莉立定習醫志向,並在父母的引介下,私下跟伊麗莎白.布萊克威爾[2]等人學習。當年,正派的醫學院都不願意招收女學生,所以她只得退而求其次,選擇就讀紐約藥劑學學院(New York College of Pharmacy)。不過,或許瑪莉的父親終究對習醫的前衛決定感到不安,以至於寫了家書要求瑪莉將求學計畫暫緩兩年,先待在家幫忙照顧弟妹、分擔家務,之後再考慮求學事宜。儘管受到耽擱,她依然沒有改變心志。

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瑪莉強烈、貫徹決心的個性,以及對家族的責任感,從以下幾件事可以看得更清楚:1863 年,美國南北戰爭期間,她的弟弟加入了由林肯率領、支持解放黑奴的聯邦軍,卻不幸於駐紮南方的紐奧良(New Orleans)時感染瘧疾;瑪莉不顧自身安危,越過戰線到紐澳良照顧弟弟。隔年,妹妹在南卡羅萊納(South Carolina)幫獲得自由的黑人上課,卻不小心罹患傷寒,瑪莉也義不容辭地從紐約南下照顧[3]。成年之後,當弟弟因故身亡,她更大方地主動邀請正懷孕的弟媳連同小孩與她同住。

醫學院學生時期(圖片來源)
醫學院學生時期。圖/U.S. National Library of Medicine

巴黎大學第一位女醫學生

她的父親雖然認為就女性而言醫學是很糟糕的專業,並為瑪莉的離經叛道大傷腦筋,卻又對女兒的決定基本上抱持支持的態度。他曾寫信給瑪莉:「我真的希望、也相信妳會保留妳的女性特質…如果非得成為醫生不可…那就成為有魅力且和藹可親的醫生吧。」在可能的範圍內,瑪莉確實都盡力達到父親要求的「像個淑女」,但她的志業與心力一直都放在醫學上。

1863 年,瑪莉完成了紐約藥劑學學院的課程,旋即又在隔年拿到賓夕法尼亞女子醫學院[4]的醫學學士學位。一般來說,是不可能在一年內拿到學位的,但在瑪莉的堅持下,學校破例讓她提早接受學位考試,而她也真的順利畢業。

在那之後,雖然短暫地到新英格蘭婦幼醫院(New England Hospital for Women and Children)服務,但她總覺得自己所知太少──畢竟,之前在女子醫學院,不論訓練或實務操作的機會都比一般(只給男性的)醫學院遜色許多。因著這樣的經驗,使她認為教育不該用性別區隔,而是要男女一起學習。

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1866 年,瑪莉毅然決然前往法國巴黎,但是當時巴黎大學醫學院不收女學生,所以瑪莉只能一面待在其他機構學習,一面繼續跟巴黎大學交涉,爭取入學機會。

在煞費苦心多方嘗試後,瑪莉終於獲得巴黎大學首肯,成為該校醫學院第一位女學生。在巴黎的五年期間,她不但於醫學智識上得到許多成長,同時也見證了普法戰爭[5]、以及巴黎公社[6]的成立;法國動盪、活躍的政治氛圍讓她在思想上得到很大的啟發。她正走上幾乎前無古人的道路,並即將成為美國最有影響力的女性醫師之一。

那是個沒有資源給予女性的年代;成功的女性就只意味著嫁個好丈夫、養育子女成年。不管環境多麼惡劣,瑪莉.科琳娜.普特南總是堅定自己的志向:面對家人勸說,她不為所動;在不理想的環境,她想辦法要做到最好;即使達成階段性目標,她不但不滿足,還要披荊斬棘開創新的康莊大道──只為達成自己的理想。

當時的巴黎大學醫學院(圖片來源)
當時的巴黎大學醫學院。圖/U.S. National Library of Medicine

1871 年,以傑出的論文拿到第二個醫學學士學位之後,瑪莉回到美國執業。隔年,她創立女性醫學教育促進協會[7],志在改善從醫女性的教育和培育。因著顯赫學歷、在頂尖期刊發表多篇論文,她的名氣愈來愈響亮,並相繼在紐約婦幼醫院、紐約醫院女子醫學院[8]等單位看診和教學。她加入了許多醫學相關組織、更成為紐約醫學學院[9]史上第一位女性成員──這不但是對她專業的肯定,也是榮譽。

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1873 年,她與亞伯拉罕.雅可比[10]醫師結婚,冠上夫姓成為瑪莉.普特南.雅可比。他們生了三個孩子,卻有兩個不幸夭折。亞伯拉罕.雅可比在之前的兩段婚姻,也喪失了五個子女。或許這段經驗影響了他們,使得夫妻倆投注許多心力在兒童疾病診療上。

用數據反駁「高度心智活動影響女性健康」的謬論

當時,大多數的女性從醫人員仍在各自的領域掙扎著、希望被社會接受;對於女性醫師,社會質疑的聲浪不曾停過──畢竟,專業的醫師角色一點都不符合傳統的女性形象,對向來男女各擅勝場、各司其職的觀念更是一大挑戰。衛道人士甚至宣稱,女人不適合知道太多跟身體有關的知識;女性從事觸診和解剖更是違反了自然法則與禮教。男性從醫人員則擔心,女醫師的加入會拉低整個行業的地位和專業度。當 1873 年,前言所提愛德華.克拉克的書出版後,類似的言論更甚囂塵上,好比:沉重的醫療工作不利女性健康,會讓女性失去性別特色、甚至喪失生殖能力。毫無疑問,對反對者而言,打破固有的兩性疆界,不論在生物學還是社會層面都會是災難。

基於論戰一直沒有了局,1874 年,哈佛大學醫學院在主辦的博伊爾斯頓醫學獎(Boylston Medical Prize)競賽中,納入經期女性的健康主題;一名女性主義者私下詢問主辦單位,確認女性也可以參加之後,便鼓勵瑪莉投稿。因為所有參賽作品在審查時,均是匿名呈現,提供了女科學家用實力跟其他男性參加者一較長短的好機會、甚至是唯一的機會。

因為知道自己的投稿不會被性別理由退件,瑪莉開始放心地針對此議題進行研究。她製作問卷、並徹底分析 268 位女性在經期與非經期時的健康表現,也考量了當事人的教育程度、職業、運動習慣、健康史、月經史等等。

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1876 年,她發表了研究成果,題為〈經期女性休養的探討〉(The question of rest for women during menstruation),表格、統計資料一應俱全;作為結論她發現,是否正值月經跟女性的健康並沒有關係;相反地,惡劣的外在社經條件卻會對女性健康造成負面影響。這意味著,女性可以放心接受教育,也不用擔心複雜的思考活動會導致不孕──生理期更不該是限制女性求學的藉口。

這篇論文不僅挑戰了社會的主流觀點,在研究方法上也相當重要:當時醫學在論述上,並不那麼強調證據,研究者往往僅憑單方面經驗就輕易給出結論。瑪莉從嚴謹的研究出發,用實際的調查和統計,去理解女性在經期究竟經歷了什麼,以反駁克拉克個人觀察所得出的臆測──畢竟,對於高度心智活動會影響女性健康的說法,從來沒有任何數據支持。這篇論文後來在競賽中脫穎而出、勇奪博伊爾斯頓醫學獎;在強敵環伺、主辦單位又不贊成女性接受高等教育的狀況下,著實相當不容易。

無論如何,僅管遭到強力的輿論反對,到了 1900 年,美國女性醫師的數目依然成長到七千位(約佔總數 5%)。雖然單憑瑪莉一己之力,無法改變整個社會,但她的研究、言論,以及許許多多其他女性從醫人員的存在,確實鬆動了醫學跟男性間的穩固連結。

〈經期女性休養的探討〉論文封面(圖片來源)
〈經期女性休養的探討〉論文封面。(圖片來源

爭取女性參政權

在那之後,瑪莉積極參與女性投票權的爭取運動。1894 年,在她的新書《女性投票權引用的常識觀念》(Common Sense Applied to Women’s Suffrage)中,她痛陳:

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「不論出生多好、多聰明、接受了多高等的教育、多善良、多富有、多有教養,現今女性在政治階級上就是低所有男性一等──不論其出生多麼低微、多愚蠢、多無知、多墮落、多窮困、多粗暴。」[11]

同年,因為賦予女性投票權的紐約州憲法修正案闖關失敗,瑪莉和其他五位倡議者共同創辦了政治教育聯盟(League for Political Education),旨在爭取全美國的女性投票權,並從事社會及政治議題的公眾教育。

很不幸地,過了沒幾年,她就被診斷出罹患腦瘤。作為最後一篇論文,瑪莉仔細紀錄下自己的病情並將之發表。1906 年 6 月 10 日,她離開了人世。美國女性獲得投票權,也是 14 年後的事了。

打破性別與知識的障壁

回顧瑪莉.普特南.雅可比的一生,她總共寫了九本書,以及一百篇以上的醫學論文──而且大都跟女性健康有關;並致力於女性和兒童的疾病診治。她拒絕了社會給予的性別規範而邁向科學之路,堅定認為科學知識和醫術不應該專屬於男性。她不像當時其他女醫師以培育後進、富有同情心的形象行走江湖;在女性化的外表下,她是沉著、專業、有能力的科學家,積極參與醫學研究,並用嚴謹和精確的證據證明自己的論點。她認為應該以更科學的態度看待醫學,也期待看見男性和女性可以肩並肩共同工作的醫學界。她不但憑藉學術研究促進女性的健康,更利用這些知識解構舊有的性別和權力關係。對她而言,科學也是政治的一部分。

如果說,愛德華.克拉克等人的言論築起了教育的高牆,那麼瑪莉.普特南.雅可比就是打破了性別和知識的障壁──她是當仁不讓的社會改革者。

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參考資料

  • Annette Atkins(2000), We Grew Up Together: Brothers and Sisters in Nineteenth-century America, University of Illinois Press.
  • Gerda Lerner(1992), The Female Experience: An American Documentary, Oxford University Press.
  • Carla Bittel(2009), Mary Putnam Jacobi and the Politics of Medicine in Nineteenth-Century America, The University of North Carolina Press.
  • Becky Little(2016), The Scientist Who Said Periods Weren’t a Big Deal, National Geographic.
  • Maggie MacLean(2015), Mary Putnam Jacobi– Pioneer for Women in the Medical Professions.
  • Rachel Swaby(2015), The Godmother of American Medicine, The Atlantic.
  • Marie Josephine Diamond(1998), Women and Revolution: Global Expressions, Springer.
  • Susan Wells(2012), Out of the Dead House: Nineteenth-Century Women Physicians and the Writing of Medicine, University of Wisconsin Press.

註釋

  • [1] 原名 Atlantic Monthly,美國最具影響力的雜誌之一。以前提及過的瑞秋.卡森也是在文章被《大西洋月刊》刊載之後,開始踏上專業作家之路。
  • [2] Elizabeth Blackwell,美國第一位得到醫學學士學位的女性。
  • [3] 某種程度上,或許也唯有藉著照顧親人的機會,瑪莉才能進行這樣的旅行。
  • [4] The Female Medical College of Pennsylvania,1950 年創立,也是世界第二所授予女性醫學學士(Doctor of Medicine, M.D.)學位的機構。後來改名成 Woman’s Medical College of Pennsylvania;現名 The Medical College of Pennsylvania。
  • [5] 1870 年到 1871 年普魯士和法國之間的戰爭,並促成了德意志帝國的成立。
  • [6] la Commune de Paris,普法戰爭後曾短暫統治巴黎的政府。
  • [7] Association for the Advancement of the Medical Education of Women,之後改名為紐約市女性醫學協會(Women’s Medical Association of New York City)。
  • [8] 紐約婦幼醫院(New York Infirmary for Women and Children)和紐約醫院女子醫學院 (Woman’s Medical College of the New York Infirmary)均為瑪莉的良師益友伊麗莎白.布萊克威爾所創立。
  • [9] New York Academy of Medicine,由醫療專業人員成立的機構,旨就公共衛生及醫療執業議題提出建言,並協助成立了美國第一個現代的公共衛生市政部門。
  • [10] Abraham Jacobi,美國的兒科先驅。創立美國第一家兒科診所,也是美國醫學協會至今唯一一位不在美國出生的會長。
  • [11] 這並不表示她認為出生低微、愚蠢、無知、墮落、窮困、粗暴的人就沒資格投票,而是在諷刺社會對投票權的有無除了性別外根本沒有標準。
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科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

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很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

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因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

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現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

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然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

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為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

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為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

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工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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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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行路出版_96
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行路為「讀書共和國」出版集團旗下新創的出版社,出版知識類且富科普或哲普內涵的書籍,科學類中尤其將長期耕耘「心理學+腦科學」領域重要、具時代意義,足以當教材的出版品。 行路臉書專頁:https://www.facebook.com/WalkPublishing

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揭開雙性的面紗:從雌雄嵌合體看待多元性別的世界
水鯨球_96
・2023/05/31 ・3094字 ・閱讀時間約 6 分鐘

你知道嗎?世界上的另一個族群
在這個世界上存在一種族群,叫雙性人,俗稱間性人,或陰陽人。他們的性器官或是性染色體異常,所造成性徵上不符合典型的男生或女生。根據聯合國統計,雙性人約佔全球人口 0.05% 到 1.7%。而我國監察院依照上限估算,台灣人約有 40 萬名雙性人。在許多生物中,也有因突變所形成的雙性特徵。讓我們透過自然界的案例,從其他生物面對雙性所造成的影響,檢視社會上面對雙性人的問題。

大自然中的「雌雄嵌合體」

一研究團隊在北美進行蝴蝶物種調查中,採集到很特別的一隻蝴蝶,經鑑定後為卡納藍蝴蝶(Plebejus samuelis。奇特的地方在於,這是一隻帶有雄性特徵和雌性特徵的蝴蝶,一側為藍色,但另一側為棕色邊緣還帶點橘色斑紋。

一側雌性,一側雄性的卡納藍蝴蝶。圖/Joshua P Jahner, 2015

這種生物現象叫做「雌雄嵌合體」,一半雄性、一半雌性。雌雄嵌合體不同於「雌雄同體」,雌雄同體指的是卵巢和精巢共存於同一個體上,身上所有體細胞都具同一基因型,但雌雄嵌合體是在同一個體上具有不同的基因型,而且不同基因型分布在不同的區域。

北美紅雀(也就是「憤怒鳥」的原型),也同樣存在「雌雄嵌合體」的現象。北美紅雀的雄鳥毛色鮮紅,雌鳥毛色呈淡褐色。雌雄嵌合體的北美紅雀則是一面紅色、一面白色。

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雌雄嵌合體的北美紅雀。

對於雌雄嵌合體的北美紅雀來說,雙重的性別特徵大大影響了牠們的生活。牠們求偶時唱著雄性的求偶歌,但身體卻跳著雌性舞蹈,而奇特的體色也讓牠們無法融入族群。

在求偶上遇到困難的除了北美紅雀,還有雌雄嵌合體的蚊子。科學家在加州聖華金谷(san joaquin valley)採集到多種雌雄嵌合體的蚊子,比較特別的是,牠們雌雄的區域分佈不是左、右兩邊,而是上、下兩部分。科學家們採集到的其中一隻是紅胸庫蚊(Culex rubithoracis),牠的雌性部分在頭部,雄性區域則是在胸腹部。

實驗採集到的紅胸庫蚊。其頭部呈現雌性,具有羽狀觸角和短鬚;腹部則為雄性。圖/De La Vega et al., 2020

這樣的蚊子在繁殖上有著極大的阻礙,原因有兩個。第一個是牠們的翅膀。雌性蚊子的翅膀發出的聲音頻率,可以吸引雄蚊進行交配,然而雌雄嵌合體的蚊子,其翅膀卻可能是雄性的,因此無法和雄蚊互相吸引。第二個原因則和進食有關。雌蚊之所以會有吸血的行為,是因為牠們在產卵時需要血中的營養素,但對於雌雄嵌合體的蚊子來說,「頭部雌性、腹部雄性」的特徵,會導致吸進去的血沒有對應的消化酶可以被消化、吸收,進而導致死亡,牠們在開心吸血的同時可能連自己怎麼死的都不知道。

如果頭部剛好是雄性區域,也可能因爲刺吸式口器中的上下顎退化,導致根本不能刺穿動物皮膚來獲取血液;此外,雄性頭部也沒有感知宿主的受器,根本找不到可以吸血的對象。種種特徵和功能缺陷對於雌雄嵌合體的蚊子來說簡直厄運連連。

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雌雄嵌合體」的現象是如何產生的?

到底為什麼會產生雌雄嵌合體或雙性人這種生物現象呢?可能的原因有部分受精重複受精染色體分離異常性染色體異常缺失染色體連鎖互換異常等等,許多基因上的突變都很有可能造成雌雄嵌合體產生。

在鳥類的基因中,是由 Z 染色體和 W 染色體決定性別特徵,雄性的鳥類具有同型染色體(ZZ)雌性具有異型染色體(ZW),類似人類 XY 染色體的性別決定系統。

鳥類的 ZW 性別決定系統。雄鳥生殖細胞中的兩個 Z 染色體(黑色字母);雌鳥的生殖細胞中則有一個 Z 染色體和一個 W 染色體。這些染色體會被隨機分配到子代的身上(雄鳥、雌鳥各貢獻其中一個)。子代身上的染色體組合,就決定了子代的性別。圖/作者繪

正常狀態下,卵母細胞會分裂成分別具有 Z 染色體的卵子和 W 染色體的卵子。如果分裂的時候出現問題,原本各帶一條染色體的兩顆卵子,會變成一顆卵子同時攜帶 Z 和 W 兩種性染色體,而另一顆則完全沒有性染色體。這顆同時具有兩種性染色體的卵子可能被兩條精子同時受精,如此一來,生出的後代就會同時具有 ZZ 和 ZW 的細胞;也就是說,這個後代的身體內會同時具有雄性特徵和雌性特徵。

一般來說,一條精子進入卵子時會觸發卵膜「極化」,以快速阻斷其他精子進入卵內,因此要有兩條精子同時儘速卵內、形成雌雄嵌合體的條件機率極低,除了要在細胞分裂時出問題,還要意外地讓兩隻精子進入卵內才能達成。

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位於蘇格蘭愛丁堡的「羅斯林研究所」研究了一隻雌雄嵌合體的雞。這隻雞的左側是雄性,具有白色羽毛和大胸肌,腳上也具有骨刺(是雄性的最大特徵);而右側則是雌性,具深色羽毛,體型相對比雄性小,腳上也無骨刺。研究發現,脊索動物中「鳥類」的性發育機制,是來自於染色體而不是激素。

雌雄嵌合體的雞。圖/Clinton et al., 2012

在人類身上,性別是由 XY 性染色體決定,一般男性為 XY 異型性染色體,女性則是 XX 同型性染色體。性染色體的缺失或多餘都會造成雙性人的出現。在醫學上常見的雙性人分類有克林伊斯菲特症、透納氏症、腎上腺素增生症(CAH)、雄性激素不敏症(AIS)、尿道下裂症等等,這些人雖然身體構造和其他人略顯差異,但多數都是健康的狀態。

Y 染色體缺失所引發透納氏症。圖/wikimedia

目前各國已開始努力維護雙性人的人權及權益,而台灣對雙性人人權的重視也才剛起步。監察院在 2018年發布首次對雙性人人權進行調查的報告。同年 10 月,衛生福利部頒布〈未成年雙性人之醫療矯正手術共同性建議原則〉,其中最重要的是一項原則為「訂定雙性人性別手術的年齡規範」,成為亞洲先驅。

不管是人類還是自然界,都可能出現雌雄嵌合體的現象,生活在這樣性別多元的世界,大眾應以正面的態度認識雙性人。願大家都能保持多元開放的心態看待每一個人。

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參考文獻

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水鯨球_96
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東海大學生命科學系學生,腦袋可以裝下一整個生物圈。對於進那個實驗室猶豫不決,透過寫作廣泛吸收各種科普資訊。