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華萊士難題:演化,是否停格在人類頭上?——《你不知道我們有多聰明》

PanSci_96
・2017/12/21 ・5947字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 538 ・八年級

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新創世論雖然沒有明確表明,但它假定演化已停格在人類頭上。圖/Valerie@Flickr

由於中斷觀點(discontinuity stance)本質上屬於前演化(pre-evolutionary),我就直接把它稱為新創世論(Neo-Creationism)吧。千萬別把新創世論和智能設計論(Intelligent Design)混為一談,後者只是舊瓶裝新酒的創世論。新創世論比較巧妙,因為它接受了半套的演化論,其中新教條是我們的身體演化自猿類,但是我們的心智並非如此。雖然沒有明確表明,但它假定演化已停格在人類頭上。

在許多社會科學、哲學和人文學科領域,這種想法依然普遍。新創世論認為人類心智是如此原創,除了為其確立特殊地位之外,將人類心智與其他動物相比並沒有任何意義。既然明明沒有能夠比較之處,我們為何還需要關心其他物種?這種跳躍式觀點是基於人類必定在演化過程中發生了重大變化而與猿類分道揚鑣,這個過程可能是在近幾百萬年間。儘管這種神奇變化籠罩著神祕色彩,但今日已被授予一個專有名詞--「人化作用」(hominization),其中經常伴隨了火花、間隔和鴻溝等詞彙。該領域的現代學者顯然不敢提到什麼神聖的火花,更不敢說「特殊創造論」(special creation),但仍然很難撇除此一立場背後的宗教影響。

在生物學中,「演化停格在人類頭上」的概念被稱為華萊士難題。

一顆能譜曲、算數的大腦,是生存必需的嗎?

艾爾弗雷德.羅素.華萊士(Alfred Russel Wallace)是與達爾文生活在同一時代的偉大英國自然學家,被認為與達爾文同是天擇演化的發想者。事實上,天擇的概念也被稱為達爾文-華萊士理論。儘管華萊士毫無疑問地支持演化論,但是他為人類心智領域畫上一條界線。他對所謂的「人類尊嚴」抱持強烈情感,無法忍受拿猿類來與人類做比較。達爾文認為,所有特徵都是功利主義的產物,只有生存才是真正的必要條件,但華萊士認為此規則必定有例外—-那就是人的心智。

大腦裡有音樂,對我們的祖先來說有助於生存嗎?圖/giphy

為何生活單純的人類,需要一顆能夠譜寫交響樂或計算數學的大腦?他寫道:「天擇,只賦予野蠻人稍微優於猿類的大腦,然而,也許這些野蠻人實際上擁有一顆不輸上流社會人士的大腦。」在東南亞旅行期間,華萊士開始對非使用文字的民族產生高度敬重,他認為我們之間「沒有差多少」的觀念,在當時盛行的種族主義觀點下是一項重大進展,當時認為這些野蠻民族的智力介於猿類和西方國家人民之間。雖然華萊士並無宗教信仰,但他將人類的高超智力歸因於「看不見的精神世界」。他認為人的靈魂幾乎無從解釋。達爾文對於看到他所尊敬的同僚援引上帝之手(無論以何種方式呈現)深感不安。他覺得根本不需要任何超自然的解釋,可是華萊士難題仍然潛伏在學術界四周,意圖讓人類心智擺脫生物學的束縛。

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我最近前往聆聽一位著名哲學家的演講,聽眾大多為「意識」主題慕名而來,沒想到他在演講時突然提及人類在這方面「明顯」遠高於其他物種。我感到疑惑而搔了搔頭,這樣的說法代表他對於靈長類動物的看法其實有著矛盾,因為這位哲學家給人們的印象是正試圖尋找意識演化的成因。演講中,他提到大腦存在龐大的交互作用,指出意識源於神經相連的數量和複雜度。有位機器人專家也說過類似的話,認為如果電腦擁有足夠數量的微晶片,必定會出現類似意識的現象。我頗為願意相信這番言論,只是目前似乎無人知道如何從連結中產生意識,也不確定意識到底是什麼。

萬物之靈的大腦,有什麼特別的嗎?

若是把重點放在神經的連結,我不禁懷疑要如何看待腦部比人類的 1.35 kg 還重的動物。海豚的腦有 1.5 kg 重、大象 4 kg 、抹香鯨 8 kg,難道這些動物比我們「更有意識」嗎?還是該取決於神經元的數量?我們在這方面的了解還不足。過去我們一直以為,即使不考慮腦的大小,人類腦部的神經元數量是所有物種中最多的,後來發現大象腦部神經元的數量是我們的三倍-—高達兩千五百七十億個。不過,這些神經元的分布位置與我們有異,大象的神經元多分布在小腦。厚皮動物(如大象)的腦部如此巨大,有人推測其中的連結分布非常廣泛,就像額外加上的高速公路系統,大大增加複雜度。

大象腦部的神經元竟然比「萬物之靈」還多?!圖/pixabay

面對人類腦部,我們往往強調被譽為理性所在的額葉(frontal lobe),但額葉在最新的解剖報告中並沒有那麼特別。目前,研究人員認為人類腦部是靈長類動物的「線性放大」,這表示人類不同腦區的大小比例和靈長類動物並無不同。總而言之,神經連結的差別似乎不足以支持人類獨特性的論點。如果我們真的能找到測量意識的方法,可能還會發現到意識是很普遍的現象,在那之前,我們可以參考達爾文提出的某些理論。

我並非否認人類的獨特性,在某些方面我們確實具有獨特性。不過,若是抱持這樣的假設看待所有生物的認知能力,我們便將遠離科學領域而進入信仰範疇。身為任職於心理學系的生物學家,我通常以不同方式探究這個問題。生物學、神經科學和醫學領域都默認了連續性(continuity)。若非如此,治療人類恐懼症時,為何要在實驗室研究大鼠杏仁核(amygdala)對於恐懼的反應?能如此實驗的前提,當然就是所有哺乳類動物的腦部皆相似。對這些領域而言,所有物種間的連續性是理所當然的,就算人類有多麼重要,也不過是全體自然界裡的一點塵埃。

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心理學領域正逐漸朝向這個方向發展,但其他社會和人文科學仍然抱持傳統的不連續性假設,所以我每次在面對這些觀眾的演講中都會強調這一點。我的演講難免會提到人類與其他人科動物的相似之處(但也不是每次都會提到),聽眾每每不約而同地問道:「那麼,身而為人到底有什麼特別呢?」以「那麼」做為問題的起頭,就是想把人類與其他物種的所有相似性都推到一旁,並且只想突顯我們和其他物種有何不同。我通常會用冰山的譬喻回答此類問題,描述我們和靈長類親戚之間在認知、情感和行為上存在龐大的相似度,但當然也有類似冰山一角的差異。自然科學領域試圖理解整座冰山,然而其他學科比較想要從冰山的頂端開始研究。

人是什麼?

西方國家迷戀這座冰山一角已久,而且還沒有要停止的跡象。人類的獨特總是被視為正面,甚至是高貴,但真要說出幾個不光彩的特點也沒想像中困難。我們一直在尋找人類的「獨特之處」,無論是拇指對生、合作、幽默、純粹的利他主義、性高潮、語言或是喉部結構。這個現象的源頭也許起始於柏拉圖(Plato)和第歐根尼(Diogenes)的辯論,他們試圖找出最簡潔的人類定義。柏拉圖提出人類是唯一的無毛兩足行走動物,但這個定義很快就被反駁了,當時第歐根尼帶了一隻毛被拔光的雞到柏拉圖的講學地點,一到柏拉圖面前,他便放手讓雞走路並說道:「瞧!我給你帶個人來。」人類的定義因此多添加了一條:「擁有寬指甲」。

一七八四年,約翰.沃夫岡.馮.歌德(Johann Wolfgang von Goethe)興奮地宣稱自己找到了人類生物學起源的證據:一小塊人類上顎骨頭,被稱為「頷間骨」(os intermaxillare)。雖然所有包括猿類在內的哺乳類動物都有這塊骨頭,但在此之前一直未能在人類身上找到,因此始終被解剖學家標誌為「較原始的」骨頭。人類也總是把身上找不到這塊骨頭視為值得自豪的現象。身為詩人的歌德也是一位自然科學家,他非常高興能找到這塊與哺乳類動物共享的原始骨頭,就此讓人類與自然界其他物種連結起來。歌德在達爾文提出演化論前的一個世紀就有這種想法,顯示演化概念已經醞釀許久。

直到今日,連續性和例外主義(exceptionalism)之間的張力依然存在,人類的獨特之處一次次地被點出,再一次次地被反駁。就像剛剛提到的頷間骨,人類獨特性的主張通常會歷經四個階段:言論會不停地被傳頌,隨後有人提出新證據反駁,該主張開始逐漸沒落,最後一腳踏進不光彩的墳墓。我常常覺得被這些主觀的論點打擊,這種吸引大眾目光的人類獨特性論點不知從何而來,大家好像也都忘了我們以前根本不覺得這些特質有什麼問題。

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達爾文因其提出的理論衝擊了人類與動物之間的界線,因而被畫成猿諷刺。圖/jwyg@Flickr

例如,在英語當中(其他語言也是如此),模仿行為的動詞常常用到我們的動物近親,暗示當時認為動物會模仿沒什麼大不了,而且這些行為由人類和猿類所共享。不過,當模仿被重新定義為是複雜的認知行為(也就是「真正的模仿」,”true imitation”),突然間,人類搖身一變成為唯一能掌握這種能力的物種。

這些論點的奇異共識是:「人類是唯一能模仿的猿類」。另一個例子關於心智理論,心智理論其實最早源自於靈長類動物研究。某種程度上,它曾經被重新定義成猿類沒有心智功能。定義與重新定義的循環讓我想起《週六夜現場》節目裡喬恩.洛維茲(Jon Lovitz)扮演的角色,他一直期待能合理化自己的行為,因此不停地思索和尋找理由,直到他能相信自己,於是帶著滿足的假笑說:「是的!這正是我要的!」

討論技術能力時也發生過同樣狀況。早期的印刷品和繪畫通常會將猿類描繪成手持拐杖或其他道具,最令人難忘的圖片是在卡爾.林奈(Carl Linnaeus)於一七三五年出版的《自然系統》(Systema Naturae)。猿類會使用工具眾所皆知,當時也從沒出現過一點爭議。二十世紀時,人類學家將工具使用提升為智力的跡象,因此提出這些藝術家讓牠們手持工具的原因,可能只是想要讓牠們看起來更像人類。此後,猿類的工具使用技術便飽受審視和質疑,甚至是嘲笑,而發生在人類身上的同樣能力則被推舉為智力超群的證明。

正是在這種歷史背景下,發現(或重新發現)野生猿類會使用工具的現象才會如此令人震驚,但人類學家仍試圖淡化其重要性。我聽過他們表示,黑猩猩可能是向人類學會如何使用工具,彷彿向人類學習使用工具會比自己發展出工具更為容易。這個提議顯然還沒碰到把模仿能力視為人類特有行為的論點。當李奇說我們不是選擇把黑猩猩當成人類,不然就得重新定義人類或重新定義工具,科學家總是直接擁抱第二個選項。重新定義人類永遠不會過時,每當我們找出一個新的特質時就會歡呼:「是的!這正是我要的!」

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比起宣稱只有人類的胸腔會跳動(這其實是所有靈長類動物的特點),更過分的是貶低其他物種。嗯,被貶低的不只有其他物種,認為白種男性的基因優於其他人種的觀點也是歷史悠久。種族優勝主義(ethnic triumphalism)的信念延伸至我們自身物種,於是有人會取笑尼安德塔人(Neanderthal)是頭腦簡單的野蠻人。不過,我們現在已經知道尼安德塔人的腦容量還比我們稍微大一點,我們的部分基因亦來自他們,而且他們擁有使用火、懂得墓葬、使用手斧和樂器等能力。即使尼安德塔人最終也許會獲得一點尊重,但每當談到猿類時,我們仍然充滿蔑視。

二○一三年,英國廣播公司(BBC)在其網站調查「您是否和黑猩猩一樣笨?」。我很好奇他們是如何確立黑猩猩的智力程度。後來發現該網頁(之後被移除了)只包含有關人類世界事務的測試,跟黑猩猩一點關係也沒有,標題如此只是想要與人類對比。不過,為什麼要拿猿類對比呢?為什麼不選擇蝗蟲或金魚?究其原因,顯然假定每個人都相信我們是最聰明的物種,只是很多人並不了解這些物種與我們的親緣關係。熱愛比較人類與其他人科動物的行為反應出我們沒有安全感,這也出現在書名上,例如《不止是黑猩猩》(Not a Chimp)和《只是隻猿類?》(Just Another Ape?)。

表現超過人類的黑猩猩阿步

面對黑猩猩阿步(Ayumu the chimpanzee)的表現,也有人展現同樣的不安。他們在網路上觀看阿步展現才能的影片,要不是不相信,就是認為這純粹是場騙局,或是做出「我不能接受我比黑猩猩還笨!」的評論。美國科學家認為這個實驗冒犯了他們,因此必須接受特殊訓練好擊敗這隻黑猩猩。當主導阿步研究計畫的日本科學家松澤哲郎第一次聽到這種回響時,他把頭靠在手上沉思。以下是維吉尼亞.莫瑞爾(Virginia Morrell)在報導演化認知領域背景時,描述了松澤哲郎的反應:

我真不敢相信他們有這種反應。如你所知,我們透過阿步發現黑猩猩在一種記憶測試中表現得比人類更好。這是黑猩猩能立即做到的事,但也只有這件事做得比人類好而已。我了解這讓有些人感到沮喪,但是現在居然有研究人員想透過訓練變得跟黑猩猩一樣好。我真的不明白為什麼我們必須在所有領域都是最優秀的。

儘管冰山已經開始融化了數十年,態度轉變的程度仍然很有限。我不打算深入探討這些問題,或是一一介紹最新的人類獨特性主張,在此我想帶領你們了解一些目前逐漸退流行的論述。這些言論描述了智力測試的方法論,這對於我們為動物進行的研究結果至關重要。我們該怎麼對黑猩猩、大象、章魚或馬進行智力測驗呢?這聽起來很像是在開玩笑,但這其實是科學界面對最棘手的問題之一。人類的智力差異本身就已經充滿爭議,尤其在比較不同文化或種族時,然而當我們在不同物種身上討論這個議題時,衝擊更是劇烈。

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我會樂意接受最近一項發現愛貓人士比愛狗人士更聰明的研究,假如研究裡探討的是貓和狗之間的智力比較,那就完全是另一回事了。這兩個物種間的差異如此之大,很難設計出可以讓兩者同時以相似方式接收和回應的智力測驗。然而,具爭議的不只是如何比較兩種動物,還包括我們往往視而不見、有關動物與人類之間的比較,而我們還經常在這方面放棄所有嚴謹的審查。

科學界對於動物認知領域的新發現都謹慎以待,但是對人類智力的主張卻是反其道而行。只要這些主張如我們預期,科學界就會全盤接受,於是阿步的壯舉便超出了理解範圍。大眾也因此感到困惑,因為不管有人宣稱了什麼,總會有人提出反駁的研究成果。這些研究結論的變動通常是方法論的問題,討論研究方法也許很無聊,但能直指問題核心—我們有能力知道動物有多聰明嗎?

所有科學研究都有其方法論,因此科學家非常重視研究方法。當我們研究的捲尾猴在觸碰螢幕的臉部辨識測試表現不佳時,我們會不斷追蹤數據,直到發現牠們會在每週特定的某天表現得很差。後來我們才發現原因出自一位學生志工,雖然她在測試過程中會仔細地遵循流程,卻做出了分散捲尾猴注意力的行為。這個學生不安且緊張,不斷地改變身體姿勢或調整頭髮,因此也讓猴子感到緊張。我們將這位年輕女性從這個計畫調走後,猴子的表現便大幅提升。

此外,最近也發現在進行小鼠(mouse)研究時,男性研究人員會帶給牠們過多的壓力而影響表現,女性研究人員則沒有這種現象。如果將男性穿過的衣服放在實驗室裡,也會造成相同效果,顯示嗅覺是關鍵。意指男性與女性研究人員執行的小鼠實驗可能有不同的結果。研究方法細節的重要性比我們想像的重要多了,這在進行物種間的比較時尤其關鍵。

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本文摘自《你不知道我們有多聰明:動物思考的時候,人類能學到什麼?》,馬可孛羅出版。

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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

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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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貓咪也會學鳥叫?揭秘貓貓發出「喀喀聲」背後的可能原因
F 編_96
・2024/12/24 ・2480字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live Science

貓是一種神秘而又引人注目的動物,牠們看似深居簡出,但擁有多元的聲音表達:從吸引人類注意的「喵喵叫」,到面對威脅時的「嘶嘶聲」與低沉的「咆哮」。

延伸閱讀:貓咪為什麼總愛對人喵喵叫?看貓如何用聲音征服人類的心

然而,細心的貓奴們可能會注意到,貓有時會對著窗外的鳥兒或屋內小動物玩具,發出一種獨特的「卡卡聲」或「咯咯聲」。這種聲音既像牙齒打顫,又好似一陣陣輕微的顫鳴,卻很難歸類到常見的喵叫或咆哮裡。這種名為「chatter」的行為,究竟在貓的生活中扮演什麼角色?目前科學界尚未對此有定論,但有幾種廣為討論的假說,或許能為我們提供一些思考方向。

卡卡叫:情緒的釋放或表達?

有些貓行為專家推測,貓咪在看到獵物(如窗外的鳥、老鼠)卻無法接近時,會因「欲捕無法」的挫折感或興奮感,發出這種「卡卡聲」。就像人類遇到障礙時,可能會發出抱怨的咕噥聲或乾著急的嘆息聲一樣,貓咪的「喀喀聲」也可能只是把當下的情緒外顯,並非有特別針對人或其他動物的溝通目的。

  • 情緒假說
    • 挫折:當貓看見鳥兒在窗外飛舞卻無法撲殺,內心焦躁,遂用聲音抒發。
    • 興奮:或許貓在準備捕獵時也感到高度亢奮,因此嘴部不自覺抖動並出聲。
貓咪的「喀喀聲」可能源於挫折或興奮情緒,表達捕獵受阻的內在反應。圖/envato

要在科學上驗證「情緒假說」並不容易,因為需要同時測量貓咪行為和生理指標。例如,研究人員可能需要測量貓咪在卡卡叫時的壓力荷爾蒙變化,才能確認牠們究竟是帶著正面興奮,或是負面挫折的情緒。不過,由於貓的獨立特質,實驗設計往往困難重重,樣本量要足夠也不容易,所以至今沒有定論。

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增強嗅覺?貓咪的「第二鼻子」

另一種說法則認為,貓咪發出「卡卡聲」時,可能同時開啟了其位於口腔上顎的「犁鼻器」(vomeronasal organ),也稱作「賈氏器官(Jacobson’s organ)」。這個感知器官能捕捉一般鼻腔聞不到的化學分子,如費洛蒙或特定氣味分子,因此對貓的求偶、社交和獵捕行為都非常重要。

  • 嗅覺假說
    • 張口呼吸:如果貓咪一邊「咯咯咯」地開合上下顎,可能在嘗試讓空氣(及其中所含的氣味分子)進入犁鼻器。
    • 蒐集更多環境資訊:在確定下手前,更完整的嗅覺分析或能提高牠們獵捕成功率,或是幫助判斷環境中是否有其他潛在威脅或機會。

然而,要科學驗證「增強嗅覺假說」同樣不簡單。研究人員不僅要觀察貓咪在卡卡叫時的行為,也需要測量牠們是否真的打開了更大的氣道,並在那個同時有效使用犁鼻器。這些行為與生理測量都必須在相對可控卻又不影響貓自由行動的實驗環境中進行,實務上難度頗高。

聲音模仿:貓咪的「偽鳥叫」?

貓咪的「卡卡聲」或許是為了模仿獵物的聲音,讓獵物降低警戒。圖/envato

第三種最有趣也最具「野性色彩」的假說,是「模仿獵物聲音」。在野外,一些中南美洲的小型貓科動物(例如:長尾虎貓,又稱美洲豹貓或瑪家貓,Margay)曾被觀察到,在捕獵小猴群時,發出類似猴子叫聲的音調;有些當地原住民族群也傳說,叢林裡的某些捕食者會模仿目標獵物的聲音來誘捕。由此推測,家貓看到鳥兒時發出的「卡卡聲」,可能包含些微模仿鳥兒啁啾的元素,試圖降低獵物警戒或甚至吸引獵物靠近。

  • 模仿假說
    • 案例參考:野生貓科動物曾出現學習或偽裝聲音的紀錄。
    • 家貓可能繼承的行為:家貓的祖先——北非野貓(African wildcat)及其他小型貓科物種,是否具備聲音模仿能力?這在生物演化研究上仍是未解之謎。
    • 缺乏大規模觀察:由於小型野生貓科動物研究資料有限,且家貓實驗更不易做大樣本長期追蹤,最終導致此理論尚未獲得廣泛實證。

貓咪行為研究的挑戰:野性祖先的重要性

探討貓咪行為,常常需要回溯至野生祖先的棲地環境。家貓(Felis catus)普遍被認為源自北非野貓(Felis lybica),然而,野貓習性的研究本就不多,尤其是關於聲音與捕獵策略更是資料有限。我們想知道「為什麼家貓會卡卡叫」,首先要確定:「牠們的野性祖先或其他小型貓科,也有同樣的行為嗎?」若有,家貓則可能繼承自古老基因;若無,則可能是家貓在與人類共處的環境中演化出的新行為。

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如果要探查家貓「卡卡叫」的原因,還需要了解其祖先或其他小型貓科是否具有類似行為。圖/envato

再者,貓在實驗室中的「不可控」因素相當多。貓不像狗般樂於服從人類指令,常有自己的規律與個性。要在實驗情境下穩定地誘發貓的「卡卡叫」行為、同時檢測牠們的生理和心理反應,並確保每隻貓的個體差異都被考慮到,這些都對研究團隊是極大考驗。

對於許多貓奴來說,貓咪坐在窗邊,一邊盯著外頭的鳥兒或松鼠,一邊發出獨特的「卡卡聲」,是一幕既可愛又神祕的風景。究竟牠們是在抒發情緒、強化嗅覺、抑或真的在「假扮鳥叫」以誘捕獵物?目前沒有確切的答案。然而,也正因為這層未知,貓貓才更顯得迷人。

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F 編_96
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一個不小心闖入霍格華茲(科普)的麻瓜(文組).原泛科學編輯.現任家庭小精靈,至今仍潛伏在魔法世界中💃

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從昏迷到死亡錯覺:摩托車事故後的科塔爾症候群——《大腦獵奇偵探社》
行路出版_96
・2024/08/24 ・3933字 ・閱讀時間約 8 分鐘

摩托車事故後的幻覺

一九八九年十月,二十八歲的股票經紀人,姑且稱之為威爾(Will),發生了嚴重的摩托車意外。他腦部受到重創,陷入昏迷,雖然幾天後恢復意識,但他在醫院裡住了好幾個月,治療腦傷以及其他損傷引起的感染。

到了隔年一月,威爾的復原情況非常良好,已經可準備出院。他的身上有些問題永遠好不了,例如右腿行動困難以及喪失部分視覺。但是最困擾他的問題發生在他的腦袋裡:他相當確定自己已經死了。威爾的母親為了幫助兒子早日康復,帶他去南非度假。但南非的炎熱讓威爾相信這個地方就是(真正的)地獄,因此更加確定自己必定是個死人。母親難以置信地問他是怎麼死的,他說了幾個可能的死因。有可能是血液感染(這是治療初期的風險),也有可能是他之前打黃熱病疫苗之後的併發症。此外他也提出自己可能死於愛滋病,雖然他沒有感染 HIV 病毒或愛滋病的任何跡象。

威爾康復出院,但堅信自己已經死亡。連他母親帶他去南非度假,都被他認為自己身在地獄。 圖/envato

有一種強烈的感覺纏上威爾,揮之不去─他覺得身旁所有東西都……這麼說好了……不是真的。車禍前熟悉的人和地方,他現在都不太認得,所以他愈發覺得自己住在一個奇怪又陌生的世界。連母親都不像真的母親。其實在南非度假的時候,威爾就曾這麼說過。他認為真正的母親在家裡睡覺,是她的靈魂陪伴他遊歷陰間。

喪失現實感:大腦如何捏造非理性的死亡解釋

四十六歲的茱莉亞(Julia)有嚴重的雙相情緒障礙症(bipolar disorder),入院時她相信自己的大腦和內臟都已消失。她覺得她早已不存在,只剩下一副空殼般的軀體。她的「自我」消失了,所以她(無論從哪個意義上看來都)是個死人。她不敢泡澡也不敢淋浴,因為怕自己空空如也的身體會滑進排水孔流走。

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三十五歲的凱文(Kevin)憂鬱的情況愈來愈嚴重,幾個月之後,腦海中的念頭漸漸演變成妄想。一開始,他懷疑家人正在密謀要對付他。接著,他認為自己已經死了,也已經下地獄,只是身體仍在人間。現在這副身體是空殼,裡面一滴血液也沒有。為了證明自己的想法沒錯,他從岳母家的廚房裡拿了一把刀,反覆戳刺手臂。他的家人明智地叫了救護車,將他送進醫院。

科塔爾症候群患者的大腦顯然有問題。發病之前,通常發生過嚴重的神經系統事故(中風、腫瘤、腦傷等等),或出現精神疾病(憂鬱症、雙相情緒障礙症、思覺失調症等等)。不過這些情況導致科塔爾症候群仍屬少見,神經科學家尚未找到明確原因,可以解釋科塔爾症候群患者的大腦為何如此與眾不同。再加上每個患者的症狀都不太一樣,判斷起來更加困難。話雖如此,有些共同症狀或許能提供蛛絲馬跡,幫助我們了解這種症候群。

科塔爾症候群的患者經常說,他們身處的世界莫名其妙變得很陌生。多數人看到自己曾邂逅多次的人事物時,大腦都能點燃辨認的火花,但這件事不會發生在科塔爾症候群的患者身上。舉例來說,患者可能認得母親的臉,但就是莫名的感到陌生。她似乎缺乏某種無形──但重要的─個人特質,所以患者即使看到這個生命中最重要的人,卻無法產生預期中的的情感反應。

患者也可能會有疏離感,彷彿自己是這世界的旁觀者,而不是參與者。術語叫做人格解離(depersonalization)。此外,周遭的一切都散發超現實的氣氛,讓患者相信自己生活在擬真的夢境裡─這是一種叫做喪失現實感(derealization,亦稱失實症)的症狀。科塔爾症候群患者體驗到的陌生感、人格解離、喪失現實感,都會嚴重扭曲他們眼中的現實世界。不難想像這會讓大腦難以負荷。

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大腦碰到如此矛盾的情況會拚命尋找原因。對大腦來說,能夠合理解釋各種生活事件是非常重要的。若找不到合理的解釋,世界很快就會變成無法預測、無法理解,最終變得無法忍受。因此為了清楚解釋所經歷的事情,大腦會無所不用其極。如果在經驗裡出現大腦難以合理解釋的元素,它會退而求其次:自己捏造合理的答案。

每個人的大腦都會這麼做,而且隨時隨地都在做,只是我們察覺不到。例如有研究發現,我們每天做的決定不計其數─從什麼時間吃點心,到要跟誰出去約會──但我們做這些決定時總是不假思索。我們好像大部分的時間都處於自動駕駛模式。可是每當有人問我們為什麼做這樣的決定時,大腦幾乎總能想出好答案來合理化我們的選擇。但有時候,它想出來的答案完全不合理。

有一項研究讓男女受試者看兩名女性的照片,請他們選出比較好看的那位。受試者做出決定之後,研究人員隨即將照片放在他們面前,要他們解釋為什麼選這個人。但受試者不知道的是,研究人員會偷偷調換照片(占比約二十%),要受試者解釋自己為什麼挑中這個(他們明明沒挑中的)人。大多數受試者都沒有識破研究人員的詭計。他們通常不會質疑照片上的人不是自己選的那個,而是當場想出合理的答案,說明為什麼覺得眼前照片上的人比較好看,例如「她看起來很辣」,或是「我覺得她比較有個性」(兩張照片差異甚大,所以受試者不是單純的認錯人)。

這種非刻意的捏造叫做虛談(confabulation),大腦做這件事的頻率比你以為的更高。虛談的原因可能有百百種,但這似乎是大腦遇到自己無法明確解釋的事件時,會使用的策略。神經科學家相信,科塔爾症候群患者的大腦也做了類似的事情。從這個角度來說,科塔爾症候群的起點,是前面提過的幾種狀況(例如創傷、腫瘤等等)導致大腦功能異常。

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大腦合理性檢查機制失靈

大腦功能異常導致現實感喪失與人格解離,進而使患者覺得周遭的一切很陌生,欠缺他們預期中的「真實感」。於是患者的大腦努力理解這樣的經驗,瘋狂尋找合理的解釋。基於不明原因,科塔爾症候群患者容易把注意力轉向內在,認為如果外在經驗不對勁,毛病可能出在自己身上。

結果基於某些更加不明的原因,大腦找到的解釋是他們已經死了、正在腐爛、被邪靈附體,或其他稀奇古怪的、與存在有關的原因。這一連串環環相扣的假設聽起來有點誇張。畢竟,喪失現實感這樣的症狀沒那麼少見;很多人(某些估計高達七十五%)會有類似的─但非常短暫的─喪失現實感的經驗。但有這種經驗的人,幾乎都不會認為自己已經死了。

顯然,科塔爾症候群患者的大腦裡還發生了別的事情。神經科學家相信,或許是重要的合理性檢查機制(plausibility-checking mechanism)沒有發揮作用。大腦偶爾會錯誤解讀生活裡發生的事,但我們通常不會想出一個明顯不合理的解釋。

或許是因為大腦錯誤解讀現實,讓科塔爾症患者對現實理解出現錯覺。 圖/envato

大腦似乎有一套用來評估邏輯的機制,確保我們的邏輯可以通過合理性的檢驗。在多數有過喪失現實感或人格解離等症狀的人身上,這套合理性檢查機制能使他們立刻否決「我感覺到自己脫離現實,是因為我已經死了」的想法;大腦認為這個提議很荒唐,很可能再也不會想起它。但是在科塔爾症候群的患者身上,這套合理性檢查機制顯然壞掉了。大腦將脫離現實的感覺歸因於他們已經死了,這個想法不知為何保留了下來,而大腦也認為這個解釋站得住腳。於是在其他人眼中絕對是妄想的念頭,成了他們深信不移的答案。

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醫生在為科塔爾症候群患者(以及後面會介紹的另外幾種行為古怪的精神障礙患者)尋找腦部損傷時,經常發現腦傷位於右腦。神經科學家因此假設合理性檢查機制位於右腦。大腦分為兩半,叫做大腦半球(cerebral hemispheres)。左腦半球和右腦半球的劃分簡單有力,因為有一道裂縫將大腦一分為二。乍看之下,左右兩邊一模一樣,但受過訓練的神經科學家用肉眼就能看出兩者並非完全對稱。透過顯微鏡觀察,差異更加顯著。因此左腦與右腦的功能有差異或許不足為奇。

長期以來,一直有人拿這些差異做文章,用錯誤的方式來解讀左腦和右腦的不同,以偏概全又過於誇大。例如斬釘截鐵地說,有些人較常使用右腦,也就是「右腦人」,所以擅長創意思考,「左腦人」則比較有邏輯。這是大家耳熟能詳的觀念,但神經科學家認為這只是迷思。實際上,我們使用大腦時不會特別偏左或偏右,而是完整使用兩個半腦。不過有些功能(例如語言的某些能力)會比較依賴某一個大腦半球。所以科塔爾症候群與右腦損傷有關的假設,並非全然不可能。

但科塔爾症候群(可能也包括合理性檢查機制)與右腦的關聯性依然只是假設,只不過許多(但不是所有)神經科學家深入研究過的科塔爾症候群案例,都支持這項觀察結果。無論合理性檢查機制確切位於何處,但在推演患者如何發展出科塔爾症候群的通用模型中,這個假設的機制扮演著重要角色。首先,大腦功能異常造成疏離症狀,例如喪失現實感與人格解離。大腦出於習慣,會先試著為眼前的情況找答案。問題是,仔細檢查並淘汰不合理答案的能力也受損了,於是大腦只好捏造稀奇古怪的答案,告訴自己身體已經死了(或是邪靈附體、正在腐爛等等),而且不會因為這個答案不合理而淘汰它。

有人認為,這種階段性的妄想形成過程也適用於另一些妄想症。這些妄想症的症狀也很古怪,不亞於科塔爾症候群。

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——本文摘自《大腦獵奇偵探社:狼人、截肢癖、多重人格到集體中邪,100個讓你洞察人性的不思議腦科學案例》,2024 年 7 月,行路出版,未經同意請勿轉載。

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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