布拉格父子與 X光繞射 │ 科學史上的今天：07/02

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。

人類最早在什麼時候用火？這個問題非常難以回答。經過很久很久以後，火燒的痕跡不見得還會留下，分辨天然起火或人為生火也不容易。2022 年發表的兩篇論文採用不同分析辦法，判斷約 80 萬年前的以色列人已知用火。

🔥沒有痕跡，也能得知曾經炙熱

常理想來，物品被火燒過的痕跡應該很明顯。但是考古學、古人類學研究的對象距今幾千年起跳，甚至超過一百萬年，那麼久以前的火燒如今還能被分辨嗎？最近問世的兩項研究，順利突破此一難題。

一項研究採用的方法是「拉曼光譜」（Raman spectroscopy）。最最最基礎的原理是，材料被火高溫加熱過後，內部分子層級的排列會發生改變，即使外觀完全沒有變化，也有機會透過拉曼光譜分辨。

拉曼光譜考察的材料來自以色列的 Evron 採石場遺址，這兒出土一批石器與動物骨頭，估計年代為距今 80 到 100 萬年前。光看外觀，毫無被火燒過的跡象，但是分析後得知，有些燧石製作的石器曾經被加熱到超過 400 度，遺址中其他石頭卻沒有。動物骨頭方面，有一件象牙被加熱過。

遺址內沒有或有被火燒過的樣本，顏色、大小、形狀都沒有任何差異。按照以前的分析方法，我們會誤以為該群古早人不曾與火打過交道，這兒拉曼光譜的價值顯而易見。

這篇論文的作者認為，以色列距今 80 到 100 萬年前的古早人已經懂得用火，他們有能力控制火源，長期小規模燃燒。更重要的是，這項研究證實，即使遺址乍看缺乏用火的痕跡，也可能只是舊的分析辦法看不出來，實際上用火未必那麼罕見。

• 延伸閱讀：短篇 拉曼光譜：沒有火燒痕跡，但是已知用火？

🔥已知用火，不過做什麼用？

然而，當時的人類真的已經有意識控火，也就是已知用火嗎？光看這項研究的證據，其實有些疑慮。用火有目的，遺址環境是開放的空地，生火可能有煮食、取暖、威嚇掠食者等意圖，最容易判斷的應該是煮食。

被人類放在火上燒的動物性食物，骨頭應該也被加熱過，可是這項研究分析的動物骨頭卻只有一件象牙被火燒過，而象牙並非食物。除非是被加熱的動物骨頭沒有保留至今，否則實在難以想像，已知用火的古人類不會順便烹飪。

也許有讀者好奇，石頭不能吃，石器為什麼會被火燒呢？火是能改變物質狀態的能量，數萬年前的人類，有一種用火加熱修飾石器的技術；但是這種製作石器的手法相當先進，超過 80 萬年的古早人應該還沒這麼機智。更有可能是用過丟掉的石器（和象牙），在火堆旁順便被燒到，而非有意為之。

光是 Evron 採石場遺址的紀錄，天然起火也有機會產生一樣的結果。那個年代的古早人真的已知用火嗎？所幸幾個月後發表的另一篇論文打消我的疑慮，因為這項研究找到煮食的證據！

🔥水深火熱的鯉魚

另一篇論文的分析方法是「X光繞射」（X-ray powder diffraction，簡稱 XRD），一如拉曼光譜，它能探索加熱過後物體內部的晶格變化，估計曾經升溫到幾度。

考察材料來自以色列的 Gesher Benot Ya’aqov（簡稱 GBY）遺址，這兒古時候是 Hula 湖的湖畔，有不少古代生態的記錄，出土阿舍利石器等人造物，也證實古人類曾在此生活。

GBY 遺址距今 78 萬年的地層中，出土許多魚的骨頭，超過 4.3 萬件，約有 4 萬件可以歸類，大部分屬於鯉科（carp，學名 Cyprinidae）、塘虱（catfish，學名 Clariidae)、慈鯛科（Tilapiini，學名 Cichlidae），都是淡水魚。

死魚骨頭不見得是人為造成，也可能是自然死亡沉積所致。另一處 Kinneret 古湖遺址也出土很多魚骨，兩處的化石組成卻截然不同。Kinneret 超過 99% 是魚骨，GBY 遺址則有超過 95% 是咽頭齒（pharyngeal teeth）。

GBY 遺址出土的魚類遺骸，不只部位和天然遺存不一樣，也大量出現 2 種鯉魚：Luciobarbus longiceps 以及 Carasobarbus canis，都是口味適合人類食用的款式。由此推論，至少一些魚牙化石來自人類吃剩的大餐。

研究者先用現代魚牙測試，紀錄不同溫度燒過後，珐瑯質的晶格改變。接著再分析化石牙齒，對照估計化石當年經歷過多高的溫度。

結果判斷有些魚牙曾經被火燒過，多數未滿 500 度；這差不多就是露天生火的正常溫度，也足以將魚煮熟。由此推論，78 萬年前的以色列人或許已經配備火塘，會捕魚再煮熟來吃。

🔥認識人類用火歷史的新方向

和稍早問世的論文一同考慮，僅管 78 萬年前的火烤魚稍遲一些，卻強烈佐證早於 80 萬年前的以色列人已知用火，因為用火煮魚顯然是有意識的控火行為，假設同一地區更早幾萬年的人群也具備類似技能，十分合理。最早生火煮食的年代，想來不只 78 萬年。

如今智人獨存，過往「人類」則有許多成員，距今 78 到 100 萬年前，已知用火的以色列古早人是什麼人呢？這題缺乏直接證據。可能是直立人，也可能是很初期的海德堡人（或波多人）。直立人起源於 200 萬年前的非洲，後來分佈廣泛又十分多變，海德堡人算是直立人的衍生型號；如果真是直立人已知用火，那麼可謂是機智的直立人。

• 舊化石重新定義，古人類新物種：Homo bodoensis 波多人

何時已知用火依然是不容易回答的問題，根據現有資訊，距今 40 萬年前過後用火變得普及，距離遙遠的許多遺址，相對短期內出現用火的紀錄，有學者懷疑涉及文化與知識的傳播。

然而，新研究告訴我們，生火不見得會留下痕跡，也許早於 40 萬年前已有不少地方的人懂得用火，可是缺乏紀錄。還有可能 40 萬年內使用火源的人類，比已知還要更多。不論如何，2022 年發表的兩篇論文，預示了新的探討方向。

延伸閱讀

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參考資料

1. Stepka, Z., Azuri, I., Horwitz, L. K., Chazan, M., & Natalio, F. (2022). Hidden signatures of early fire at Evron Quarry (1.0 to 0.8 Mya). Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(25), e2123439119.
2. Evidence of fire use at ancient campsite in Israel
3. Artificial intelligence may have unearthed one of the world’s oldest campfires
4. Zohar, I., Alperson-Afil, N., Goren-Inbar, N., Prévost, M., Tütken, T., Sisma-Ventura, G., … & Najorka, J. (2022). Evidence for the cooking of fish 780,000 years ago at Gesher Benot Ya’aqov, Israel. Nature Ecology & Evolution, 1-13.
5. Oldest evidence of the controlled use of fire to cook food
6. MacDonald, K., Scherjon, F., van Veen, E., Vaesen, K., & Roebroeks, W. (2021). Middle Pleistocene fire use: The first signal of widespread cultural diffusion in human evolution. Proceedings of the National Academy of Sciences, 118(31), e2101108118.
7. Widespread cultural diffusion of knowledge started 400 thousand years ago

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。