公民科學家發現銀河系裡的大小泡泡

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。

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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。

廚房小秘訣：用竹筷試油溫，原理是什麼？

傳統的烹飪智慧告訴我們，要判別油鍋的溫度不需要溫度計，只要插入油鍋的竹筷周圍開始浮現細小的氣泡，便表示油鍋溫度已達，可以開始放入食材。另外，煎牛排或是炒菜時，如果在食材下鍋的當下沒有聽到美味的滋滋聲，通常便表示溫度太低，無法做出漂亮的料理。

在廚房中，我們時常可以靠耳朵來測量溫度。這些氣泡和相應的 嗶啵聲來自於筷子（或食材）中的水分碰到滾燙的油鍋時，瞬間蒸發產生的微小爆炸。

猶他州立大學機械航太工程系的木山景仁（Akihito Kiyama）對這個現象很有興趣，拿起高速攝影機和麥克風紀錄了竹筷插入熱油中的事件，希望能仔細觀察熱油中的劇烈反應。出乎意料的是，他發現油鍋中的水滴在爆破時有三種主要的型態，各個所產生的氣泡形狀及爆破聲音都非常特別。

做為一個初步實驗，他首先直接將浸過水的竹筷插入高溫油鍋內。下圖可以看到氣泡的數量和大小都明顯和溫度成正相關，看來流傳許久的廚房秘訣沒有讓我們失望。

此外，他也觀察到氣泡數量和筷子中的含水量有明顯的關聯，沒有事先浸水的竹筷產生的氣泡少很多。另一方面，若是改用乾燥的金屬筷則不會觀察到任何氣泡，因為當中幾乎沒有任何水分。

顯然的，水分多寡是重點。但由於每雙竹筷的組成與含水量較難控制，研究團隊改用一條兩端懸掛的U形鐵絲，浸水後連著底部沾黏的水珠一同緩緩放入熱油中，等同於是在油炸一顆水珠，將實驗聚焦在水滴帶來的氣泡爆破。

氣泡的三種型態

利用每秒一萬張的高速攝影以及近距離收音的麥克風，研究團隊企圖進一步觀察爆破過程的細節以及產生的聲音特性。

根據爆炸時的不同深度，他觀察到三種氣泡型態：

第一種是爆破型氣泡。當水滴幾乎一接觸到油面就蒸發膨脹，引發一個凸出油面的圓形氣泡。最後在破裂時噴濺出大量的油滴。

第二種的拉長型氣泡在較深的位置才開始膨脹，因此沒有造成液面破裂，反而是朝上射出高高的柱狀熱油，同時氣泡則向下延伸形成一個長形的空氣室。

爆破型和拉長型氣泡的聲音雖然聽起來不太一樣，但是頻率特徵基本上大同小異，都是 1400 的赫茲清脆爆破聲響。值得一提的是，在這兩種情況下爆破聲響都不是來自油面上可見的泡泡破裂。從高速影像和錄音結果的比對可以發現，聲音的最大值明顯出現在泡泡破掉前的膨脹階段。此時的高溫蒸氣快速膨脹，劇烈壓力改變帶來空氣震波，基本上和空氣中炸彈發聲的原理一模一樣。因此說這些氣泡正在「爆炸」可是一點都不誇張。

除了上面兩種氣泡之外，當水珠意外從鐵絲上滑落掉入熱油中，研究人員發現了第三種與眾不同的表現：震盪型氣泡。由於掉落速度較快，水珠一直到較深的位置才開始汽化膨脹，並在液體表面下進行每秒數百次的膨脹收縮，過程持續了幾毫秒，最後消散成數個小氣泡。

儘管沒有明顯的噴濺或爆破，震盪型氣泡仍然會引發聲響，但聽起來似乎和前面兩者不太一樣，持續時間也較久。仔細一看，聲響的主要頻率竟然和高速影片中氣泡膨脹收縮的頻率不謀而合，都在 800 赫茲左右。研究人員因此推測，震盪型氣泡產生的聲響其實是來自於油面下的高速震盪。

關於震盪行為的起源，研究人員沒有提出直接的解釋。不過他們同時觀察到另一個有趣的現象：氣泡在下方高速震盪時會對熱油表面造成擾動，讓某些原本浮在油面相安無事的小氣泡破裂並噴濺。這顯示熱油表面的氣泡對於物理擾動十分敏感，可能也是造成廚房中熱油噴濺的主要原因之一。

這三種型態，不限於油鍋

說到這，有一個重要的問題還沒問：這三種氣泡的形態和油溫高低有沒有關係呢？也就是，我們能不能用不同的氣泡型態或爆炸音高來判別油溫高低？研究人員嘗試了 170 度到 220 度的常見油溫，發現三種氣泡型態在各種溫度都有機會出現。油溫的最佳判準，或許還是簡單的一根竹筷。

這次研究的眼光也不僅止於家中的廚房。大自然中的液面噴濺，例如海邊拍打的浪花還有火山爆發時的熔岩，會產生懸浮於空中的液體微粒，也就是氣溶膠（Aerosol）。不論是天然還是人工製造氣溶膠，都對環境有很大的影響。來自海浪的海洋氣溶膠主宰了全球氣候，而人為排放的氣溶膠則是我們看到灰濛濛的空氣汙染。

木山景仁和他的團隊希望透過這次研究辨明不同的氣泡種類與相對應的聲音特徵，用於發展音訊偵測技術來監控熱油噴濺或是氣溶膠形成的過程。

下方是研究團隊製作的精華影片，收錄了各種溫度下的竹筷氣泡以及三種氣泡型態的聲響，讓讀者親耳體驗油炸食物的美妙聲響。

參考資料

• Sizzling sound of deep-frying reveals complex physics: Moistened chopsticks, water droplets in hot cooking oil reveal complicated bubble dynamics, sound characteristics — ScienceDaily
• Where Champagne Gets Its Sound

一個由志工組成的團隊，利用史匹哲太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）紅外觀測資料，在銀河系盤面中發現超過5,000個氣泡狀結構，這些氣泡狀結構多半是年輕熾熱的恆星向外吹出的恆星風將周圍的氣體塵埃向外推擠所形成的，換言之，這類氣泡狀結構通常是新生恆星形成之地的特徵。

這個由35,000多名「公民科學家」組成的志工團隊，在英國牛津大學天文學家Robert Simpson的帶領下，仔細地篩檢史匹哲太空望遠鏡「銀河系計畫（Milky Way Project）」的線上資料，尋找各式各樣的氣泡狀結構；最後結果出爐後，發現的氣泡狀結構是先前已知10倍以上，整個銀河盤面就像冒著泡泡的香檳一般，到處是氣泡狀結構，讓這些市民科學家們喜出望外。這些氣泡狀結構既然代表新恆星形成之地，那麼所發現的數量如此龐大，顯示銀河系中的恆星形成比先前認為的還活躍許多。

利用電腦程式自動判別氣泡狀結構的工作，至今成效仍不佳；但是人眼加人心，對這種判別工作而言就是的絕妙組合，只需瞧見一部份氣泡狀結構的弧狀物質，不需瞧見完整的環狀，或是對付層層疊疊的泡泡，都能準確的將氣泡狀結構「揪」出來。因此銀河系計畫就是集合眾人智慧，每個氣泡狀結構都得通過5個人以上的鑑識才予以確認，編入目錄。這些志工利用一種特殊的精細繪圖工具，將史匹哲紅外影像中可能為氣泡狀結構的部分標示出來。

銀河系計畫使用史匹哲太空望遠鏡的GLIMPSE（Spitzer Galactic Legacy Infrared Mid-Plane Survey Extraordinaire）和MIPSGAL多波段光度相機（Multiband Imaging Photometer for Spitzer Galactic）等巡天計畫的資料來進行分析。這些巡天資料涵蓋約130度寬、2度高、沿著銀盤的天空視野。

公民科學家的志工們所找到的氣泡狀結構，大小與形狀的差異頗大，這是因為受到距離和氣泡狀構造周圍局部氣體雲限制的關係。這些搜尋結果將可幫助天文學家確認整個銀河系的恆星形成概況。此研究下的其中一個主題就是被觸發的恆星形成狀況，因為大質量恆星誕生而形成並向外擴張的氣泡狀結構，或壓縮鄰近的星際氣體而引發新一波的恆星形成，就像是骨牌效應一樣，所以銀河系計畫中常發現大一點的氣泡狀結構邊緣散佈著小一點的氣泡狀結構。

這些氣泡狀結構不同型態分佈現象其實可勾勒出銀河系的構造。例如：在某處找出大量的氣泡狀結構，很可能與旋臂有關。而或許這個計畫最大的驚喜是發現銀心各向邊緣上的氣泡狀結構數量驟降，與先前認為銀心附近因氣體密度高、恆星形成數量應該更多的印象不同。

除了氣泡狀結構的工作仍持續不斷外，銀河系計畫的志工團也捕捉到其他現象，例如星團、暗星雲、氣體的「綠色團塊（green knot）」和模糊的紅色天體（fuzzy red object）。對銀河系計畫或市民科學家相關計畫有興趣者，可拜訪下列網站：www.milkywayproject.org，或https://www.zooniverse.org/。

資料來源：Citizen Scientists Reveal a Bubbly Milky Way[2012.03.07]

轉載自台北天文館之網路天文館網站