《經度法案》開啟航海不迷航的新紀元 │ 科學史上的今天：07/08

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。

第一張世界地圖

本書的主題，是現存十六世紀地圖中最教人讚嘆的一張——亦即諾曼製圖師皮耶．迪塞利耶（Pierre Desceliers）為呈獻給法蘭西國王亨利二世（Henry II），而在一五五○年製作的世界地圖。

這張地圖由四張羊皮紙拼成，圖幅驚人，達 135 × 215  公分（4 呎 5 吋× 7 呎 1 吋），以精緻的筆法手繪而成。圖上不僅有城市、君王、異族、動物、船隻與海怪的圖案，還有二十六大段說明文字，內容似乎是專為這張地圖而寫的。這張地圖引人入勝之處，在於其精美，在於其不下於民族誌的插圖，更在於其（一如當時的其他諾曼地圖）對於假設性的巨大南方大陸所做的描繪——有些人認為，圖上的南方大陸透露出歐洲人對澳大利亞的「早期發現」，早於傳統上以威廉．楊頌（Willem Janszoon）在一六○六年發現澳洲的看法。

本書不僅首度以全彩、全幅方式帶來該地圖的複製圖，更是頭一遭以此圖為題所做的系統性研究，探討其繪製圖像的出處、地圖如何製作，同時還提供圖上長篇說明文字的完整謄寫與譯文。我希望，本書的研究不僅能呈現這張一五五○年地圖的細節、該圖與其他十六世紀地圖的關係，更能使我們對皮耶．迪塞利耶的手法、偏好，甚至是他的藏書有所了解，畢竟我們對此人仍知之甚微。

航海圖的起源

迪塞利耶的一五五○年世界地圖，是以實際用於地中海海域與東大西洋的航海圖作為製圖架構。這一類航海圖（又稱港灣關係圖〔portolanchart〕）起源不明，但帕特里克．古提耶．德契（Patrick Gautier Dalché）曾表示雖然現存最早的海圖出自十三世紀晚期，但海圖早在一二○○年便已問世，他的說法也深具說服力。

海圖通常畫在獸皮上，圖中呈現地中海與鄰近地區，西起愛爾蘭，東至聖地耶路撒冷，北起北歐，南至北非。海圖非常著重海岸特色，岸邊的地名以垂直於海岸線的方式書寫，內陸的地理細節則少之又少。圖上畫的不是經、緯度格線，而是方位線構成的網。方位線從節點往基本方位發散出去，各節點則圍繞海圖中心，呈環狀排列。

方位線具備的領航功能並不清楚，很可能是藉由指出羅盤方位，幫助制定航線。製作這類海圖的重鎮，是下列地中海港口城市（以興起的順序排列）：威尼斯、熱那亞、馬約卡的帕爾瑪（Palmade Mallorca）、安科納（Ancona），以及後起之秀墨西拿（Messina）和馬賽。

海圖的各種用途

未經裝飾的海圖是讓人在船上使用的。由於飽經摧殘，這種海圖通常都用不久。但在純粹的海圖之外，製圖師也為顧客提供程度不一的插圖，而這類裝飾性元素若非出於製圖師本人之手，就是由製圖作坊中專司插圖的畫家所繪。可資選購的裝飾圖案包括城市、旗幟（藉此點出控制城鎮的政治勢力）、羅經花，以及山川、樹木、君王、動物和船隻的圖案。顧客還能選添圖說，用來描述圖上各地不同的風土人情。這種海圖更為精緻，因此也更為昂貴——添飾豐富的地圖有可能比實用版的海圖貴上十倍，其用途不在航海，而是供王室與貴族蒐藏、展示之用（見下圖 ）。

到了十四與十五世紀，有人試著拓展海圖體系，將圖上呈現的空間推向已知（或部分已知）世界的邊緣。一三七五年的加泰隆尼亞地圖集（Catalan Atlas）是現存裝飾最精美的航海圖之一，其描繪的不光是東大西洋、歐洲與北非，還畫了中東與整個亞洲，直至亞洲大陸的東端。至於製作時間約為一四六○年的加泰隆尼亞埃斯特地圖（Catalan-Estense map），圖面上除了歐亞兩洲的全貌之外，連整個非洲都畫了進去。

這些地圖顯然有著混和的特質：圖上有些區域的地理資訊出自航海圖傳統，而該處的海岸就會有密密麻麻的地名；但在其他區域，也就是地理資訊採自馬可．波羅（Marco Polo）等人的旅行記述、海岸線乃出於推測之處，海岸地區就不會有大量的地名。此類進階版的十四、十五世紀海圖少有實例——它們是權貴的珍玩，想當然耳也少有人製作。

地圖再進階：加入經緯度

大約在十五世紀中葉，製圖師開始作實驗，將當時新的地理發現與另一種製圖素材——克勞狄烏斯．托勒密（Claudius Ptolemy）的《地理學指南》（Geography）融為一爐。西元二世紀，亞歷山卓學者托勒密寫了這本《地理學指南》，根據經緯度來劃分空間；拜占庭學者馬克西莫斯．普蘭努德斯在一三○○年前後重新找到這部著作，旋即在十四世紀初將之譯為拉丁文。

有些十五世紀中葉的《地理學指南》手稿不僅收錄了托勒密的地圖，還加入當代的地圖，更新托勒密一書的資訊；某些手稿中的地圖甚至涵蓋了托勒密當時不曉得的地區，但也仍然沿用托勒密的經緯度體系。一四九一年前後，人在佛羅倫斯就業的日耳曼製圖師恩里克斯．馬爾特盧斯（Henricus Martellus），便將當時有關非洲南部與亞洲東部的新知識，
與建立在托勒密架構的地圖合而為一。馬爾特盧斯根據托勒密體系繪製的掛牆地圖有複本傳世，大小為 122 × 201 公分（4 呎× 6 呎 7 吋）。

一五○七年，日耳曼製圖師馬丁．瓦爾特澤穆勒（Martin Waldseemüller）遵循馬爾特盧斯的模式，把更廣大的地表納入托勒密架構——包括新大陸，並且將地圖印在十二大張的紙上，拼合後達 128 × 233 公分（4 呎 2 吋× 7 呎 8吋）。

正當此時，其他的製圖師則將新的地理發現加入「進階版」的海圖；事實證明，這種作法在十六世紀大受歡迎。一五○○年，西班牙航海家兼製圖師胡安．德．拉．科薩（Juan de la Cosa，他曾在哥倫布首度橫渡大西洋時與之同行）創造了這麼一種海圖——圖上畫了當時仍流於推測的新大陸輪廓，南向延伸涵蓋了整個非洲，並向東推進，只差亞洲東海岸沒畫。這張手繪地圖相當精緻，大小為 93 × 183 公分（3 呎 1 吋× 6呎）。

圖中所繪的地表遠比傳統海圖遼闊，製圖師還加上一點托勒密經緯度體系的元素——赤道與北回歸線，好方便觀者領會地圖上畫的土地位於地球的哪個位置。到了一五○二年，費拉拉公爵埃爾科萊．埃斯特（Ercole d’Este, Duke of Ferrara）手下的間諜阿爾貝爾托．坎蒂諾（AlbertoCantino）將一張手繪世界地圖從葡萄牙偷渡到義大利，地圖的範圍東起
新大陸東海岸，直至亞洲東海岸，圖上的南方海洋也比胡安．德．拉．科薩的地圖更為廣大。

該圖長寬為 105 × 220 公分（3 呎 5 吋× 7 呎 3 吋），提供的內陸地理細節不多（不僅漏掉了非洲的尼羅河，亞洲大部分地區也留白），美術裝飾水準中下，但緯度資訊多於胡安．德．拉．科薩的地圖，畫出了赤道、北回歸線、南回歸線與北極圈。

• 本文接續下一篇：一切都從海圖開始！大型手繪地圖的演變與商機——《獻給國王的世界》下

——本文摘自《獻給國王的世界：十六世紀製圖師眼中的地理大發現》，2019 年 2 月，麥田出版。

1497 年的今天，葡萄牙航海家達伽馬（Vasco da Gama）從里斯本啟航，成功開啟了連結歐、非、亞洲的航線，成為歐洲第一位繞過非洲南端的好望角，抵達印度的人。達伽馬與哥倫布、麥哲倫等人為大航海時代揭開了序幕，然而當時的航海技術仍無法精確掌握所在位置，每次出航都是生死未卜，迷航或觸礁等事故時有所聞。直到 1714 年，同樣是 7 月 8 日這一天，英國國會通過《經度法案》，重金懸賞在海上測量經度的方法，才終於覓得良方，開啟航海時代的新紀元。

為什麼經度這麼難測量？因為在不同緯度仰望天體的仰角大小不同，還可以藉此得知身處哪個緯度，但東西向的經度並不會有此差異，無法單靠觀測天體就可得知，必須根據當下與出發地的時間差異才能推算出相隔多少經度（地球自轉一圈 24 小時，而東西經各 180 度，所以每差一小時就是相隔 15 度）。但問題就在於如何得知出發地現在幾點？

雖然十五世紀就已經發明用發條驅動的時鐘，但很不準確，一天誤差 15 分鐘以上，直到惠更斯（Christiaan Huygens）在 1656 年發現可以利用鐘擺加以校正，才將誤差縮小每週一分鐘。然而，鐘擺到了搖晃不止的海上根本毫無用武之地，雖然惠更斯後來又發明了可以取代鐘擺的螺旋平衡彈簧，但誤差卻又變大，無法滿足航海的要求。

重賞之下，必有勇夫。年輕的英國鐘錶匠哈里森（John Harrison, 1693－1776）聽聞懸賞之後，決心投入研究。1735 年，他終於推出第一代航海計時器 H1，用平衡彈簧取代鐘擺，經海上實測有不錯的表現，而獲得官方挹注經費繼續研發。1757 年，取得重大突破的 H3 完工，使用膨脹係數不同的兩個金屬片補償彈簧熱脹冷縮所導致的誤差。

不過他發現三年前所設計的懷錶竟然與 H3 的準確性不相上下，除了錶中有他設計的特殊擒縱輪，小型的懷錶也的確比時鐘更能精密加工。於是他予以改良後，於 1761 年發明了 H4 航海錶，經過 81 天航行到牙買加後只慢了 5 秒鐘，經度誤差僅 0.02 度，遠遠優於《經度法案》要求的 0.5 度誤差。

但評審之一的天文學家馬斯基林卻對這奇技淫巧相當反感，認為觀測月亮與恆星夾角的「月角距法」才是正統，因此故意刁難，扣住獎金不發，即使哈里森終於答應要求，於 1765 年交出 H1 到 H4 的設計圖，仍只拿到一半的獎金，另一半要他再做出更優異的 H5 才給。但他與兒子於 1770 年完工後仍被刁難，直到向國會申訴後，才於 1773 年拿到應得的獎金。

1775 年，三年前帶著 H4 的複製品出航的庫克船長（James Cook）完成遍及大洋洲與南極洲的航程返國，極力讚譽哈里森的計時器，讓哈里森得以在隔年離開人世之前見賭自己的發明獲得最大的肯定。他的計時器從此成為標定經度的最佳工具，讓航海不再有迷失方向的危險；而哈里森的許多設計至今也仍在現代鐘錶中繼續運作著。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。