閏秒的誕生 │ 科學史上的今天：06/30

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。

• 作者／陳子翔｜師大地科系，師大科教所， EASY 天文地科團隊創辦者

「一分鐘是 60 秒」是大家再熟悉不過的時間單位換算。

然而過去其實曾出現過許多次「一分鐘有61秒」的情形，原因是我們在曆法中加入了「閏秒」。自 1972 年至今，協調世界時（UTC）總共加入過 27 個閏秒，大約平均兩年就會插入一個閏秒。不過有趣的是，UTC 上一次加入閏秒已經是六年前的事了，最近甚至還有是否要「減去閏秒」的討論，這是怎麼一回事？閏秒為什麼會出現，它的功能又是什麼呢？

在討論閏秒前，先看「一秒鐘」是如何被定義的

「一日有 24 小時，一小時有 60 分鐘，一分鐘有 60 秒」，在這些時間單位中，「日」的概念是最天然而直覺的。在一天當中會有日出與日落、白晝與黑夜，地球上大多數的動物即便不會使用曆法與計時工具，也都依著一天一天的循環生活著。而要如何定義一天到底有多長呢？過去的人們以中午竿影達到最短的時間為基準，測量兩次竿影達最短的時間間隔來得出一日的長度，這樣定義出的一日就叫做一個「太陽日」。而有了一日的長度，就可以在以這個基準去切分成「小時」、「分鐘」和「秒」，或是「時辰」和「刻」等時間單位了。

然而隨著觀測與計時工具的技術提升，人們發現太陽每次達到最高點的時間間隔並不是完全一致的，而是會隨著季節有數十秒的差距，代表每一個太陽日的長度並不是固定的。但如果「一日」的長度是不固定的，那麼以「日」為基準定義的時、分、秒等時間單位，長度也當然會跟著每天的長度不同而變化，這樣「今天的一秒，不是明天的一秒」的奇怪狀況想必會產生許多問題。

因此「平均太陽日」就被定義出來以解決這樣的問題。顧名思義，「平均太陽日」就是把一年當中所有太陽日長度取平均，定義出的時間長度就是一個平均太陽日，如此一來一日的長度就能固定下來，也就不用擔心時間單位的長度會不斷變化的問題啦！

但，真的是這樣嗎？

平均太陽日的出現沒有讓時間的基本定義就此定下來，因為不論是太陽日或是平均太陽日，它們的長度都是決定於地球自轉的轉速，然而地球的轉速卻不是完全穩定的。因此又有一段時間，秒的定義改成以地球公轉的週期為基準訂定，但任何以天體運行為基礎定義出來的時間單位，都會有相似的問題：天體運行的週期不會是完全穩定不變的。

後來隨著原子鐘的發展，也為了盡可能讓時間的基本單位是一個不會變動的定值，1967 年世界度量衡大會決議將一秒鐘重新定義為「銫 133 原子於基態之兩個超精細能階間躍遷時所對應輻射的 9192631770 個週期的持續時間」，而以這個定義進行計時的時間則稱作「原子時間」。

為什麼會要加入閏秒，而閏秒又會帶來什麼困擾

改成以原子鐘為基準後，時間基本單位的定義變得更加精確而穩定。不過這麼一來，一秒的長度就與地球自轉沒有關係了。但「日」的概念終究還是地球自轉形成的，「一日有 86400 秒」這樣的單位換算也依然成立，如果長久下來都只以原子時間計時，我們使用的時間就會慢慢偏離實際的平均太陽日，也就是偏離地球的自轉週期。如果誤差無限制的累積下去，或許就會出現明明時鐘指著中午十二點，外頭卻是夜黑風高的景象。為了追求更加精確的時間單位，卻讓人類的計時計日與自然脫節，似乎就本末倒置了。

為了讓 UTC 中的一秒符合定義，又不要讓其與實際地球自轉週期漸行漸遠，1972 年世界時間局決定讓 UTC 使用標準定義的秒來計時，並以「閏秒」來修正偏離太陽日的問題。每當 UTC 與平均太陽日的時間差距達到約 0.6 秒時，就會以閏秒修正，好讓 UTC 與平均太陽日不會出現超過 0.9 秒的差距。

閏秒通常會插入在 UTC 12 月 31 日或是 6 月 30 日的最後一秒後面，而且每次插入閏秒都要提前半年公告。當閏秒插入時，UTC 就會出現「23 時 59 分 60 秒」，然而很多電腦系統並「不認得」這樣奇怪的時間格式，因此插入閏秒可說是讓許多電信、導航等系統工程師相當頭痛的噩夢。

為什麼過去閏秒都是加秒而沒有減秒？

從 1972 年 UTC 總共插入了 27 個閏秒，但從來沒有扣除過任何一秒。主要的原因是由於原子時間中的一秒被定義時，本就略短於當時平均太陽日定義的一秒，也代表原子時間是走得比較快一些的，因此 UTC 會需要透過加秒來對齊平均太陽日。

另外，由於地球長期受月球的潮汐力作用，使自轉轉速逐漸減慢，一個太陽日的長度就會越來越長，像是化石證據就顯示四億年前地球上的一天大約是現在的 22 小時。因此如果地球自轉轉速的趨勢持續，未來 UTC 加入閏秒的頻率應該會越來越高，也更不會有需要扣除閏秒的需求。

近年地球自轉速度比預期還快，讓「負閏秒」成為可能選項

然而事情沒有這麼簡單，根據近年的觀測發現，地球自轉轉速有略為上升的跡象，而目前地球的轉速比過去 50 年都來的快！地球自轉速度為何會有這樣的變化，目前也還沒有確定的答案。不過像是大地震和冰川融化等事件，都是可能提高地球自轉轉速的因子。因為這些現象能夠改變地球內部或表面的質量分布。當質量向地球中心移動，由於角動量守恆定律，地球轉速就會提升，就如同花式滑冰的選手在旋轉時收起手臂，就可以加速旋轉是一樣的原理。

地球自轉的些微加速，讓 UTC 已經超過五年沒有加入閏秒，而目前科學家也還不能確定地球自轉些微加速的趨勢會持續多久，會加速到多快。

如果地球的轉速持續變快，代表一日的長度會持續縮短，未來就可能會遇到原子時間超前太陽日的現象，而若是原子時間比太陽日還快上 0.9 秒時，如果相關單位沒有以其他方式解決，史上首次的負閏秒就有可能出現，不過想必這應該不是系統的工程師會樂於見到的事情。

大家不妨猜猜看，下一次 UTC 進行閏秒修正時，會是增加一秒還是扣除一秒呢？如果負閏秒真的出現了，可別忘了見證史上第一個只有 59 秒的一分鐘呀！

參考資料

1. Earth Is Spinning Faster Now Than It Was 50 Years Ago | Discover Magazine
2. 時間的單位：秒（s）
   https://www.nml.org.tw/measurement/new-knowledge/3668-時間的單位：秒-s.html

延伸閱讀

• 到底是GMT+8 還是UTC+8 ? – PanSci 泛科學
• 你的正午不是你的正午日晷與均時差- 科學月刊Science Monthly
• 一天24 小時不夠用？再等等，地球自轉越來越慢……