世界最大虛擬光學望遠鏡

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。

陳妙嫻／畢業於臺大教育學程；任教於板橋高中；加入思辨教學團隊後，才發現竟然可以對著生物課本問出這麼多的問題，非常開心。

「左心室、主動脈、小動脈、微血管、小靜脈、右心房……」你或許曾為了應付考試背誦過這段文字，但可能從沒想過血管、心臟、所有器官為什麼非得這樣接。

「左心室、主動脈、小動脈、微血管、小靜脈、右心房⋯⋯」即使是將近二十年前的事情了，我還記得當初上生物課時，老師要全班一起朗誦三次、好加強記憶的情景。體循環、肺循環是中學生物課程的重點，也是學生最頭痛的地方之一。看看那張複雜的路線圖，還真不知道該從哪個構造認識起呢！本文要挑戰學生們老是抱怨「生物有好多要死背」的刻板印象，以理解和推理的方式，輕鬆地認識複雜的血管線路！

血管和器官為什麼這麼相連

你一定很熟悉這樣的考題：若護士從手臂靜脈注射藥物，循環至發炎處會經過哪些血管？然後賭氣地想，從手臂長一根血管通到發炎處不是很好嗎？為何要繞來繞去？這是一個非常好的反問──血管和器官之間為什麼要這樣相連？

循環是以心臟搏動為動力、血管為通路、血液為載體，將細胞所需的養分和氧氣送到器官。器官相連的直接想法，就是心臟將血液打出來後，先到第一個器官，再到第二個器官、第三個⋯⋯這樣不是很簡單嗎？

但是這個安排不太理想。第一，排在前面的器官比較幸運，可以獲得比較多的養分或氧氣；而後面的器官，甚至還會「吃到」前面排放的廢物！第二，這種線路有個致命的危險，只要一個地方斷掉，就全部完蛋了！第三，進入器官之後，血管會分支成更多的微血管，此時血壓下降、血流變慢。若血液要再流到下一個器官，恐怕會有血壓不足的問題。

器官一個接一個的相連方法，稱作「串聯」。若器官以「並聯」的方式相連，就可以解決上述問題。這就是為什麼從血液從心臟打出來之後，要經過「主動脈、小動脈、微血管、小靜脈、右心房⋯⋯」，這個過程稱作「體循環」。若考慮到人類體型的限制，並聯的方式會有一些變形。離開主動脈後，先分成四個分支；其中三個分支往上至頭、頸、上肢，最後一個分支往下到軀幹、下肢；而各個分支到該器官部位時，再分支成較小動脈進入器官內。

引入特別的器官—肺

從全身器官回流的血液，應該缺少氧氣和富含二氧化碳。此時考慮引進肺這個器官，將氧氣加入血液中，且排出二氧化碳。肺臟也與其他器官並聯，這樣好嗎？

並聯會使得肺臟每次只能清除少部分的血液，而當充氧血從肺臟流出時，卻必須跟其他器官的少氧血混在一起。因此，若將肺臟放在大靜脈的位置，似乎能解決上述問題。也就是說，讓肺臟跟其他器官串聯，但如此一來，又有串聯產生的問題。然而在肺臟並不存在第一、二個問題，真正有困難的是血壓不足。那麼，就在肺臟前面再加一個幫浦，推動血液。

可是人並沒有兩個心臟啊？其實我們雖然只有一個心臟，卻可說具有兩個幫浦！這兩個幫浦就是人類心臟中的左心和右心。當心臟收縮時，充氧血從左心打出，流經體循環，少氧血再流回右心；而同時間，少氧血從右心打出，流經肺臟加氧、排除二氧化碳，充氧血流回左心，如此循環不已。

小腸和腎臟該怎麼與其他器官相連

除了肺臟是特殊的器官外，小腸和腎臟也與身體的代謝有關。前者負責將養分（如葡萄糖）加入血液中，後者負責將含氮廢物排出體外。那麼，小腸和腎臟該怎麼與器官相連呢？

在思考小腸和腎臟的位置時，先回溯肺臟的情況。肺臟的功能為加氧氣和排除二氧化碳，前者與小腸的吸收養分功能相當，後者則與腎臟排除含氮廢物類似。我們以兩個理由排除了並聯的可能。第一，從肺臟出來的充氧血，流至靜脈時，會與少氧血混合；第二，每次只能排出身體部分的二氧化碳，效率較差。

我們將第一個理由套用到小腸中──從小腸出來的血液，充滿了各種養分，如葡萄糖；而流至靜脈時，會跟缺乏養分的血液混合，但這樣的混合到底有什麼問題？混合的結果是使該溶質的濃度下降，但是該物質的莫耳數（或顆粒數）並沒有減少。也就是說，使用並聯的方式來加氧或養分，都不會影響身體獲得氧或養分的「量」。所以說，小腸和其他器官是並聯就可以了，這樣還能避免血壓或其他串聯的問題。

不過，這麼反駁不是自己打自己的臉了嗎？文章前頭還振振有詞地說明肺臟必須串聯的理由。身體還因此多了一個幫浦（右心），為的就是要解決血壓的問題。看看小腸的例子，似乎也不需要嘛。

但仔細想想，氧氣和養分的情況其實並不相同。氧氣從肺泡至肺泡微血管、組織微血管和組織細胞間的交換，是以擴散的方式進行。而擴散的快慢與兩側氧分壓的差異有關，差異越大，擴散速率越快。因此，在並聯的情形下，充氧血與少氧血混合後又再循環至肺，會減少微血管和肺泡間的分壓差異，使氧氣擴散的速率下降。而全身器官也有相同情形。另外，由於氧氣對水的溶解度很低，人體以血紅素來運輸氧氣。然而血紅素與氧氣的結合率，與氧分壓的高低有關，當氧分壓上升時，血紅素與氧氣的結合率也會上升；因此，若充氧血和少氧血混合時，也可能造成氧合血紅素釋出氧氣，使氧氣的運輸量減少。

小腸上皮細胞是以主動運輸的方式吸收葡萄糖，因此吸收速率無關乎兩側的濃度差異。再者，身體中有嚴密控制血糖含量的機制。當血糖過低或過高時，可藉由肝醣的分解或合成來調控，因此「充養血」和「少養血」混合，造成的問題似乎沒有那麼嚴重。

在消化系統的循環中，另外有個有趣的部分。也就是「肝門循環」中，從小腸離開的靜脈，並沒有直接匯集到下大靜脈，而是由肝門靜脈進入肝臟。也就是說，小腸與肝臟串聯！

為什麼小腸要與肝臟串聯呢？方才提到血糖的調節與肝臟有關，因此由小腸吸收的葡萄糖，先送到肝臟儲存，以維持血糖的恆定；另外，肝臟有解毒和代謝的功能，由消化器官吸收的有害物質，會先送到肝臟去解毒；而胺基酸也會送至肝臟，作為製造血漿蛋白的原料。肝臟等於是消化系統的後端處理器官，在消化道分解後的養分，先送至肝臟做初步的處理，能藉此調節養分在血液中的含量。

那麼，有關串聯的困難又怎麼解決呢？肝臟就在小腸之後，自然沒有得不到養分的問題。肝臟有自己的肝動脈，可送來充足的氧氣；而血管內的平滑肌若接受神經或激素的影響，也可調節局部血壓，使血流推進至肝臟的微血管。

如果血管可藉由平滑肌收縮調整局部血壓，使得器官彼此之間可以串聯，那麼前面為什麼又說器官必須彼此並聯呢？可能的原因是，大規模的局部血壓調節可能較為複雜，雖然還是辦得到，卻不如並聯來得容易。而且串聯的其他問題──後面的器官無法獲得充足的養分和氧氣、後面的器官「吃到」前頭的廢物、一個地方斷掉就全數完蛋，依舊無法解決。若以體循環之並聯為架構，可以一次解決所有問題。而若有特殊的需求或功能，局部器官串聯也並非完全不可能。

肺臟為何非串聯不可

既然一個器官的血壓問題可以由靠血管解決，那麼肺臟為什麼不行？之前提過，除了血壓不足外，肺臟並沒有其他因串聯引伸出來的問題。

或許可以從以下現象獲得啟示：在脊椎動物中，呼吸器官與其他器官的串聯關係，從魚類就存在了。而魚的心臟只有一個幫浦在鰓之前，從鰓流出的血液接下來會流向全身器官（體循環）；但是在流向體循環前，並沒有流回心臟再度加壓，這樣的循環稱之為單環。不過在某些魚類中，體循環之前有由動脈特化而來的「輔助心臟」，以幫助血液流入身體的器官，但輔助心臟的收縮能力沒有心臟那麼強。由這個現象可知，鰓的循環對血壓的要求高於身體其他器官，後來脊椎動物登陸後才逐漸扭轉。至於為什麼鰓需要較高的血壓，有可能是因為呼吸器官為了增加氣體交換的速率，因此有廣大的表面積，因而具規模較其他器官大的微血管網，需要較大的推動力。另外，陸生脊椎動物要將來自全身器官的血液推送至肺，和僅來自小腸的血液推送至肝臟相比，兩者的血量應該有滿大的差距，所需的推動力也不一樣。

總而言之，肺臟之所以要串聯的原因，主要可能是交換和運輸氧氣的限制；而串聯又會造成血壓不足的問題，並且無法用動脈解決，則必須使用比動脈更強而有力的心臟推動。

腎臟也是體循環的一支

若腎臟與其他器官並聯，那麼每次循環都只能排除部份的含氮廢物，效率不彰。因此要以串聯才能解決。不過，就人體的構造來看，腎臟僅是體循環的一支，與其他器官並聯。

較有可能的原因是，在魚類中，排泄含氮廢物的器官主要是鰓，腎的功能則與水份和鹽類的恆定有關。若是考慮到滲透壓的恆定，其實沒有串聯的必要。因此，腎臟的並聯可能是演化的痕跡。再者，前面的討論發現串聯造成的問題較多，而肺臟從魚類開始就已經與其他器官串聯。可由此推測氧氣的取得造成的演化壓力較大，而丟棄含氮廢物的效率，對生存的影響沒有大到非串聯不可的程度。

不過脊椎動物登陸後，丟棄含氮廢物的壓力就增加了。因為環境中缺乏水分，廢物必須在體內暫存一段時間才能丟棄。也無法像魚類一樣，直接靠呼吸器官擴散。但此時腎臟已經與器官並聯，因為這個「歷史共業」，登陸後的脊椎動物將氨轉變成尿素或尿酸，讓毒性降低，彌補效率不彰造成的毒性問題。

學習科學的方法

本文示範了一種學習科學的方法，也就是──對現象問問題、提出可能的看法、反駁、再提出可能的理由、再反駁⋯⋯直到獲得到暫時的答案為止。學習科學時，重要的是要成為主動的思考者，而非被動的接受者；才能以理解代替死背，從諸多生物學細節中理出一種「看的方法」。而這個看的方法，其實是達爾文催生現代生物學的關鍵──演化。

備註： 本文依照人本創新教學專案小組教案〈血液循環之道〉施行。

〈本文選自《科學月刊》2015年2月號〉

延伸閱讀：
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