《柯南 通往天國的倒數計時》——2018數感盃 / 高中組專題報導類佳作

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。

「數感盃青少年寫作競賽」提供國中、高中職學生在培養數學素養後，一個絕佳的發揮舞台。本競賽鼓勵學生跨領域學習，運用數學知識，培養及展現邏輯思考與文字撰寫的能力，盼提升臺灣青少年科普寫作的風氣以及對數學的興趣。

本文為 2019數感盃青少年寫作競賽 / 國中組專題報導類佳作 之作品，為盡量完整呈現學生之作品樣貌，本文除首圖及標點符號、錯字之外並未進行其他大幅度編修。

• 作者：鍾依庭／台北市立明倫高中

一、研究動機

去年紅遍全台的柯南電影——零的執行人，不但壓倒性強勢攻上日本全國票房榜首，創下觀影人數達1,289,000人，票房突破16.7億円（約新台幣4.67億元），創下系列作品首週票房最高紀錄！我們就來一探柯南拯救世界背後的數字究竟隱藏了多驚人的秘密吧！

二、前情提要

一開始，無人探測機-天鵝號，結束火星上採樣本的任務，即將返回地球，透過遠端操控程式修正衛星軌道，讓其脫離等速率圓周運動的軌跡，使其墜落地球，且墜落過程中，探測機本體會在大氣層中燃燒，僅讓直徑約4m的太空艙重返大氣層，之後本體的隔熱罩分離，降落傘會展開，預定將在日本近海的的太平洋上降落。

殊不知，兇嫌利用網路技術，駭入遠端操控無人機的程式，更改其墜落軌道，企圖讓太空艙墜落於警視廳。警方為了避免傷亡，將居民疏散並暫時安置在新興建造，位於東京填海地區的博弈塔中。另一方面，為了防止無人機墜落於警視廳，柯南與公安警察安適透利用阿笠博士發明的遙控型無人機，承載炸藥，飛向墜落中太空艙，於離地30000m的高空將炸藥引爆，藉由爆炸的能量改變無人探測機落下的軌道，希望讓其落入太平洋上，沒想到改變軌道後的太空艙，居然不偏不倚的朝向充滿避難居民的博弈塔方向飛去 !

此時，柯南乘坐安室的車，為了再次解決危機，朝向博弈塔的方向駛去，並開上了一棟20層樓高的興建中大樓，從頂樓以180km/hr的速度衝向空中，接著就是大家熟悉的場景，柯南利用一記射門，將足球踢向墜落中的太空艙，並成功讓其些微偏移原本的軌道，只有擦撞到博弈塔邊緣，對整體結構沒有很大的影響，成功化解了危機。

接著，就來探討這令人吸睛的過程，究竟有無可能發生？

三、禍從天降

根據每日頭條報導，以色列一無人太空飛行器高1.5米，直徑2米，重600公斤，若將所有太空艙視為一圓柱體且密度皆相同，接著由圓柱體積公式及密度公式 :

將無人探測機從宇宙失重落下的位置視為警視廳的正上方，離地30km處（也就是引爆炸藥的高度）的順時速度為10km/s，不計空氣阻力，重力加速度為10m/，炸藥爆炸時會改變太空艙墜落的方向。

將炸藥產生的能量視為水平衝擊，不影響鉛質落下的速度，爆炸釋放的能量會使太空艙進行水平拋射運動。接著由下圖可知，警視廳本部到博弈塔（東京填海地區）的直線距離為11.63km（約12km）。

三、禍不單行

爆炸後太空艙會因為炸藥衝擊而得到一水平方向的力，也就是說爆炸造成的平拋運動，不影響鉛質速度，爆炸前後落地時間不會改變。已知改變軌道的太空艙會撞上博弈塔，又太空艙在爆炸後第3秒末時（落地瞬間），要擊中相距警視廳（原落下位置)）12km處的博弈塔，可以推算出爆炸後太空艙的水平速度為(km/s)。

安室與柯南將車駛至高20層樓的廢棄大樓，高度約為3*20=60(m)，柯南由離地60m高處將足球踢向墜落中的太空艙，假設柯南踢球的力道為鉛直向上，一顆普通足球的平均重量為440g，使球做一鉛直上拋運動，且足球與太空艙碰撞時，要讓太空艙產生1m的軌道偏離，也就是說球向上的鉛直速度要大到足夠讓太空艙鉛直下降的速度降低，使其落地的距離延後1m。若柯南所踢的足球接觸到太空艙的瞬間為落地前一秒，碰撞前，太空艙最後一秒的水平位移原為4km=4000m，碰撞後，要延後1m落地，也就是說，最後一秒內要行走的距離變成4000+1m。

利用動量守恆公式，可得4000 2400+0.44v=(2400+0.44) 4001，v = 9455.55m/s。

如果想讓太空艙偏離原本落下的軌道，柯南至少要讓一顆440g的足球產生將近10000m/s。那麼究竟需要多大的力道才能讓球產生比音速還快的速度呢？這個速度就連M16突擊步槍（子彈射出的速度為1450m/s）也無法超越。

假設柯南踢球時，腳與球的接觸時間為0.1s，接著可以利用衝量公式

當柯南對足球的鉛直施力大於41604.42N時才能讓太空艙產生1m的偏移，反之，若施以小於41604.42N的力，墜落太空艙就會擊中博弈塔，這樣是無法拯救在塔中避難的居民（還有小蘭）。

上述討論情形還是在沒有空氣阻力的理想情況下，若討論空氣阻力，也就是現實的情況之下，需要施比41604.42N更大的力，才有可能讓太空艙產生些許的軌道偏移。

五、大危機背後的數字

那麼，41604.42N的力量又有多大呢？如果對牛頓這個單位沒有概念的話，可以用1kgw=10N來換算，大約是4160.442kgw的重量，就連武林中的風雲人物李小龍，一也只能踢出700kgw的力量，再者以一個小學生的外表與肌肉量，想踢出超過4160kgw的力道，根本違反了人體工學，想做到幾乎不可能，但從成功的結果來看，應該要將一切歸功青山岡昌老師（名偵探柯南的作者）過人的想像力。

六、有朝一日

或許在未來科技的進步之下，宇宙並非遙不可及，但探索其奧秘的同時，勢必會有些負面的影響，例如大量的探測機要從宇宙帶回遙遠星球甚至星系的樣本，又或是突然有巨大太空垃圾撞擊地球時，一定會對地球造成傷害，但若科學家們能製做一台機器，讓某物體（例如足球）在極短的時間內獲得極大的加速度，藉此改變其落下的軌道，將能減少對地球的傷害。

更多2019數感盃青少年寫作競賽內容，歡迎參考 2019數感盃特輯、數感實驗室官網及粉絲頁喔。

參考資料

• 東京都港灣局
• 每日頭條-以色列將發射登月無人探測器