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歷史文物醫師的化學修復之術—《科學月刊》

科學月刊_96
・2016/09/04 ・3370字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 553 ・八年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

文物保修並不像大家平日所看到的對物體修補及外觀塗漆保護那樣簡單。文物保修工作是一門結合了科學、歷史及藝術的專業學科,融合了傳統技藝、修護技能、現代科技與歷史美學的跨領域學門。

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修護後的藍地黃虎旗。圖/作者提供

文/鄭政峯|美國北德州大學分析化學博士,任教於中興大學化學系,曾為台南藝大古物所兼任教授,研究領域為分析化學、應用化學。

歷史文物,是歷代先民所製造和使用過具有歷史藝術和科學價值的各種物質,它們反應出人類在歷代的生活文化,也反應出當時的科學技藝。因而歷史文物所蘊涵的文化價值也愈來愈引起現代社會人民的高度重視,如何保存或修護歷史文物已成為全人類的責任。

化學科技的發展在人類的科技文明發展史上佔有很重要的角色,例如煉鐵製造各式器具、青銅器鑄造、陶瓷、及造紙等技術發展, 可說是人類追求基本生產活動的結果,也是追求文明之產物。因此這些歷史文物,都有古代化學科技所遺留的足跡。

文物修護在臺灣

文物修護師的任務,除了以客觀熟練的修護技術,將老舊劣損之文物作品盡量回復到創作原貌,以延續文化藝術的歷史價值外,更必須要結合文物保存概念及修護所運用的工藝材料與技法,讓文物維護的精神推廣至藝術創作中。過去國人對文物保修都是處在較迷糊的認知層次,近年來才漸次引起國人的注意。

2012 年,對在 1895 年為反對割讓臺灣給日本所建立的臺灣民主國的藍地黃虎旗國旗被考證修復後,更掀起國人對文物保修的重視。為厚植國內在文物保修的能力,臺南藝術大學的古物維護研究所曾於 2001 年底首度邀請德國壁畫修復大師貝克特(Barbara Beckett)來臺參加壁畫保存修護研討會,並數次參與嘉義新港水仙宮及臺南媽祖廟等古蹟壁畫修護工作,將相關經驗傳授給國內學子及文化遺產保存工作者。由於文物保修是一門跨領域的科學,本人當時在古物所兼任講授文物保存應用化學課程,幸得有機會協助解釋壁畫修護技術中所發生的化學反應與物理現象,讓讀者就文物保修與化學的關係做初步認識。

化學如何用以修護文物

文物保修的歷程離不開化學相關科技,化學在文物保修的相關性,可分幾個層面來探討。依物質的化學組成性質,可將文物分為金屬材料(青銅器、鐵器、金器、銀器、錫器、鉛器)、無機非金屬材料(石器、玉器、陶器、磚瓦、壁畫、泥塑等)、有機材料(書、畫、紡織品、竹器、漆器、木製品及皮革等)。

這些文物經歷了漫長的歷史歲月,發生了許多變化。從長期保存文物的角度來看,有些變化並沒有不良的影響, 並可作為它特有的歷史標記,然而有些則不利於文物的長期保存。對於不利的因素,我們要利用現代的科技加以處理,以盡量保持它的原貌並延長壽命。在現今的保存環境下,文物還是會繼續發生變化,如青銅器的有害銹蝕、石刻的風化侵蝕、陶器彩繪和壁面退色剝落、古建築木製構件的腐朽和白蟻危害、出土紙類和紡織品的糟朽蟲蛀霉變等,都是需要繼續加以防止。青銅器、陶器、瓷器等是古代人利用化學方法改造過的物質;塗料、顏料、染料、接著劑、焊料等屬化工原料,則是研究化學史及其相關技術之重要資料。

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文物依材料分類的不同,受到的損害威脅與修復方式也不同。圖/wiki

因此,在文物修復、保護、考證方面,化學分析可作為強而有力的後盾:以化學方法研究阻止或延緩文物劣變的技術,提高文物抵抗不利因素(光輻射、蟲蛀、霉變等);或用以解開文物的製造時期,如秦代青銅件表面鉻層的著鍍和漢代銅鏡黑漆的形成;甚至能用於探討出土文物在地下之儲存環境,以便分析文物變化和保護條件;以及運用常見的同位素法以估計文物的年代。

舉凡地球上任何物件,從被製造或生成開始,即開始邁向毀損的趨勢,只是時間快慢而已,歷史文物亦不例外。因此欲使這些文物能留存,就得塑造環境使文物能減緩或免於毀壞。這就需借重各種科技的應用,而化學科技在其中就佔有很重要的角色,例如溫濕度控制、迴避光線的傷害、防止氧化退化等都常靠著化學的方法或理論推演技術來達成。出土文物之處理、保護與維持,更與化學離不開關係。另外,古物修護直接或間接所用到的材料,也都離不開與有機化學、無機化學、高分子化學及材料化學的關係;其他如古物材質鑑定、年代鑑定、及文物材料的鑑偽,亦都屬於化學的分析工作。

化學在文物保存應用的研究層面很廣,或多或少涉及有機化學、無機化學、物理化學、分析化學及高分子化學等原理及技術。因此要在文物保護技術方面有所突破,除必須瞭解各年代的科技發展,即具備科技史之知識外, 還必須以化學研究所必須具有的態度,發覺問題所在,研究出解決方案,提昇文物保存科技。

然而文物之所以能被留存與重視,有其特殊的歷史意義存在。因此利用化學科技來進行文物的保護有幾項原則必須遵行:保持文物的歷史標記,不讓文物值得被保存的意義性喪失;文物被保護性的處理後,不能留下隱藏性或不可回復的傷害;並需防止或延緩各種有害因素對文物的損害,同時達到長期性的保護效果

文物保修現場

文物保修並不像大家平日所看到的對物體修補及外觀塗漆保護那樣簡單。文物保修工作是一門結合了科學歷史藝術的專業學科,融合了傳統技藝、修護技能、現代科技與歷史美學的跨領域學門。對於文物的保修,必須先要對文物的材質、形狀、損害情況、損害原因及文物的歷史意義或藝術價值進行了解,再針對不同文物擬定出保修方案。然後才是對文物的具體處置,例如清洗(除汙)、修復、及最後的保護處理。

清洗除汙並非一般僅藉小刷子用水洗一洗,而是先要試驗選用能除污但又不傷害文物的適當清洗方式,如清洗溶液的種類、溶解度參數、清潔試劑或酵素及清洗技法等;修復則要先以儀器檢測出文物原有的材料,再優先以原材質或可相容的材質搭配適當工法來修復;保護處理更需要選擇耐候及可逆的材料對修復後的文物作加固或保護處理。

以出土的木製文物為例,從地底出土的木製品,如果直接脫水,往往會起裂開翹。另外文物埋在土中屬處在缺氧狀態,除沾有泥污外,亦吸附不少鹽類於文物本體中。當木製文物出土後觸及空氣及陽光,所處環境轉變為富氧狀態,文物很容易被氧化或受光反應分解裂化。很多從千年古墓出土的古文物很容易遭受環境的改變而毀損即是此因,因此對剛出土的木製文物就必須對此環境變異的毀損做防範。

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新港水仙宮修護前的壁畫。圖/作者提供
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師生很有耐心的試驗清潔處理方法。圖/作者提供

在表面除汙後,一般會將出土的木製文物置入水中,讓文物所吸附的鹽類溶至水中,不斷更換水直至鹽類不再溶出為止(可滴加硝酸銀水溶液至水中觀察有無白色氯化銀出現)。其次為加固的前處理,將除鹽後富滿水於木質細縫的文物移置入酒精溶液中,以酒精將在木質細縫中的水分置換出後,再移浸入丁醇溶劑中,以丁醇置換出木質細縫中的酒精。最後浸入含聚乙烯醇(PVA)的丁醇溶液中, 以平衡方式讓聚乙烯醇進入木質的細縫中置換出丁醇,漸提高聚乙烯醇濃度,使聚乙烯醇飽和於木質細縫中,讓填縫的聚乙烯醇與木質纖維間以氫鍵作用力加固木製文物後,再於木製文物表面塗上保護層隔離空氧及防止光害。經過這一連串複雜步驟,木製文物才不至於會起裂開翹。完成了出土木製文物的保修基礎工作後,再依文物管理的條件保存。不同材質的文物在文獻上都有特殊的保修策略可參考。

文物修復有賴修復師(文物醫生)的巧手回春,才能完成任務,而文物醫生巧手回春的重要工具及過程則有賴化學科技的檢測診斷(聽診器)、清洗除汙(清傷)、固定(支架)及修護暨保護(治療及醫美)。文物修復屬跨領域的科學,從事文物修復工作者大多屬於美術或藝術專業,因此需要更多化學相關的專業工作者一同加入。


科學月刊

 

本文選自《科學月刊》2016年7月號

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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狗用來標記地盤,老鼠用來求偶,但人類很可能沒有?神奇的化學分子費洛蒙——《完美歐姆蛋的化學》
日出出版
・2023/01/01 ・1841字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

可以傳染的「興奮感」:費洛蒙

費洛蒙是一種非常大的分子,會從動物體內散發出來並影響其他動物身體的行為。

這種物質當初是在 1959 年由德國生物化學家阿道夫.布特南特(Adolf Butenandt)發現, 這位科學家在二十年前就因為首次合成出性激素而獲得諾貝爾化學獎,說他是化學界的搖滾巨星都還不足以形容他的貢獻。

阿道夫.布特南特首次合成出性激素。圖/wikipedia

他的研究發現,費洛蒙的功能和激素一樣,但是只對附近的相同物種個體有效。

舉例來說,如果動物 A 在動物 B 附近釋放出性費洛蒙,動物 B 的身體會吸收這些分子,整體行為也會受到影響。這其實代表動物 A 具有像丘比特的能力,只不過用的不是箭,而是分子。

基於以上的原因,費洛蒙有時會被稱為「環境激素」(eco-hormone),因為這類分子的運作方式就像是體外的激素。

和激素相同的是,費洛蒙有各式各樣的結構。有些分子非常小,有些則相當大,不過全都是揮發性分子,這表示分子在特定條件下會輕易蒸發。揮發性物種通常很好辨識,因為會帶有強烈的氣味(像是汽油或去光水)。

汽油帶有強烈的氣味。圖/pixabay

研究人員決定把這種分子命名為費洛蒙(pheromone),是因為字面上的意思是「轉移興奮感」,而這正是費洛蒙的功能。

動物間的費洛蒙功用

強大的費洛蒙分子可以傳送幾種不同主題的訊號給附近的同類,例如食物、安全狀況或者性。舉例來說,螞蟻會在巢穴和食物之間的路徑散發費洛蒙,來通知彼此食物來源在哪裡。

狗在散步時對消防栓撒尿是為了標示自己的領域,這時釋放的就是領域費洛蒙。就連雄鼠也會散發出性相關的費洛蒙來吸引雌鼠,同時也會導致附近的雄鼠變得更有攻擊性。

狗在散步時對消防栓撒尿是為了標示自己的領域,這時釋放的就是領域費洛蒙。圖/pixabay

那麼人類呢?

人也會散發出任何一種類型的性費洛蒙嗎?

出乎意料的,人類不會散發任何一種形式的性費洛蒙。不過我們自以為有費洛蒙的原因在這裡:1986年,溫尼弗雷德.卡特勒(Winnifred Cutler)發表的研究宣稱,她成功分離出第一種人類性費洛蒙。

在這項研究計畫中,她蒐集、冷凍並解凍來自幾位不同對象的性費洛蒙。一年之後,她將這些分子塗在許多女性受試者的上唇,接著便宣稱她觀察到和大自然的動物類似的結果。

事實上,卡特勒的研究完全是一派胡言。她根本沒有分離出人類性費洛蒙;而只是把奇怪的氣味塗在隨機受試對象的上唇,其中包括——請做好心理準備——腋下的汗水。

與其說是分離出純費洛蒙,不如說她蒐集的是人流汗時排出的電解質,而且還抹在別人的臉上。

與其說是分離出純費洛蒙,不如說她蒐集的是人流汗時排出的電解質,而且還抹在別人的臉上。圖/pixabay

直到今天,卡特勒的噁心科學研究還流傳在網路上的各個角落,這表示如果有人在 Google 上搜尋「人類性費洛蒙」,就會和得到一堆錯誤資訊。有些研究人員堅信我們總有一天會發現性費洛蒙,不過在這本書出版的當下,科學界尚未找到任何人類性費洛蒙。

一直以來有不少相關研究在執行和重複進行,也盡可能針對各種變數進行調整,而所有的研究團隊都得出相同的結論:二十一世紀的人類大概沒有性費洛蒙。

但人類有史以來就是這樣嗎?如果大多數的其他哺乳類都有性費洛蒙,包括兔子和山羊,為什麼我們沒有?

答案其實意外簡單:人類學會了溝通。

我們可以用語言(和蠟燭……還有性感內衣……)告訴伴侶我們有興趣滾床單,而雪貂則必須往理想交配對象的方向散發性分子。

——本文摘自《完美歐姆蛋的化學》,2022 年 12 月,日出出版出版,未經同意請勿轉載。

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催產素可以幫你神助攻嗎?化學分子幫助你們之間的感情更緊密——《完美歐姆蛋的化學》
日出出版
・2022/12/31 ・1888字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

催產素:讓你產生「愛」的感覺

2003 年,瑞典醫師克絲汀.烏納斯.莫柏格(Kerstin Uvnäs Moberg)出版了《催產素因子》(The Oxytocin Factor,暫譯),她在書中指出,催產素對人體的影響,正好和戰或逃(fight-or-flight)反應相反。

催產素不會讓我們感到厭倦和對陌生人警戒,而是會讓我們感到安全和信任。

莫柏格的理論是基於一些針對動物進行的研究,例如老鼠和田鼠(看起來很像可愛的倉鼠)。她發現如果在田鼠靠近目標配偶的時候對田鼠注射催產素,就可以操控田鼠選擇特定的配偶。

以人類來說,大多數的證據都可以佐證催產素會大幅影響人如何與彼此(甚至和動物)產生連結。例如,當我們撫摸狗的時候,科學家可以觀察到催產素濃度明顯上升,尤其是面對動物寶寶的時候,例如可愛的小狗爬到你腿上窩著。

當我們撫摸狗的時候,科學家可以觀察到催產素濃度明顯上升。圖/pexels

想當然,新手媽媽抱著寶寶時,也同樣會出現催產素濃度上升的現象。從化學的角度來看,媽媽的愛多到一湧而出,以致於她體內的催產素飄升到驚人的程度,愛情分子可不是浪得虛名。

有感情後,催產素濃度會快速上升

研究人員也注意到,當成人對彼此有感情,催產素濃度會快速上升。以女性來說,催產素分子濃度會在前戲的時候開始升高。

有證據顯示,通常如果性行為過程比較長,人會覺得與伴侶比較有連結,即使真正的交合還沒開始。從化學的角度看來,這是因為有更多催產素分子從人體內湧出。

當人對彼此有感覺時,催產素濃度會快速上升。圖/pexels

女性在高潮之後,會馬上迎來第二次的催產素高峰。從生理的角度分析,這是為了讓我們可以與伴侶形成穩固的連結,以應對懷孕的狀況。女性的身體是出於直覺而且無意識地有這樣的行為,目的是協助鞏固兩人之間的連結。

相對地,男性不會迎來第二次催產素高峰,而是在各式各樣的性興奮過程中,都會大致呈現催產素升高的狀態,最後在高潮過後回復穩定。

研究人員認為男性沒有第二次催產素高峰,是因為從生理的角度而言,男性沒有與伴侶形成穩固連結的理由,畢竟他們不會懷孕。

愛情激素實驗:催產素對人體的影響

我最喜歡的愛情激素實驗之一,是以一大群處於一對一關係中的異性戀男性為實驗對象。研究人員會用醫療鼻腔噴霧把催產素噴入這些男性的鼻子,然後再向他們介紹一位極有魅力的陌生女性。

研究人員會先請實驗中的男性等待幾分鐘,這是為了讓催產素可以確實與催產素受器形成鍵。(別忘了催產素是大型肽分子,所以需要一點時間才能抵達目標位置,並且與受器結合。)當研究人員確信鍵已經形成,就可以開始實驗了。

首先他們一次介紹一位男性給那位美麗的女性認識,接著觀察雙方所站的位置有多靠近。

在實驗中,研究員會觀察雙方所站的位置有多靠近。圖/pexels

針對這些處於一對一關係的男性蒐集資料之後,研究人員又找來一群單身男性。他們再次執行催產素鼻腔噴霧的實驗,然後——讓這些單身男子接受觀測。

和先前一樣,研究人員測量了男性和陌生美人之間的物理距離,想知道是否有辦法確認催產素分子對人體的影響。

研究人員發現整體而言,比起單身男性,非單身男性與美麗女性之間的距離至少多出了十到十五公分。當然,實驗難免會有離群值,不過這項研究(尤其)顯示出,男性體內的催產素會使得伴侶之間的連結明顯更穩固。

所以,下次你老公要去單身派對之前,記得往他鼻子噴一點催產素,再給他一個大大的吻,然後其他的就交給化學吧。

這項研究顯示出,男性體內的催產素會使得伴侶之間的連結明顯更穩固。圖/pexels

——本文摘自《完美歐姆蛋的化學》,2022 年 12 月,日出出版出版,未經同意請勿轉載。