巴斯卡氣壓實驗｜科學史上的今天：9/19

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。

不到一毫米身長的水熊蟲，是一種多細胞微小的生物，在 18 世紀被科學家發現，歸類於緩步動物門，目前全球大約有 1000 種被發現，棲息地包括淡水沉積物、苔蘚類的水膜，有少數種類棲息於海水的潮間帶，甚至在喜馬拉雅山脈或深海都可以發現牠們的身影。

聽起來毫不起眼…嗎？那你就錯了，牠可是目前是第一種被認證可在太空中生存的動物，堪稱地表上最強的生物！

環境不太舒適？ 那就「假死」一下吧

水熊蟲體長通常在 0.3-0.5mm 左右，擁有頭部和四個體節，身體的表面含有幾丁質（節肢動物外殼的成分），擁有 8 隻腳，末端有爪子、吸盤跟腳趾，在顯微鏡下觀察，看到牠們身形飽滿、動作又笨重，所以被科學家稱為「水熊蟲」。

在 2007 年 FOTON-M3 任務，水熊蟲在太空待了十天，隨後回到地球，發現約 70％ 的水熊蟲存活，並成功繁衍後代；而在 2019 年 2 月 21 日，以色列的太空船創世紀號墜毀在月球，卻意外發現有大量的水熊蟲在 DVD 大小的鎳片^［註1］。

水熊蟲可以在乾燥、高溫（約為150 °C）、絕對零度（-272℃），面對輻射以及真空下的環境存活，因為具有四種隱生狀態–低濕隱生、低溫隱生、變滲隱生跟缺氧隱生，面對不利於生存的環境，牠們會捲縮起來，讓水分排出、暫停身體代謝，處於「假死」的狀態！

科學家們表示微重力和宇宙輻射，對水熊蟲影響不大，未來有望在太空研究中扮演重要的角色！

水熊蟲可以上山下海，不禁讓人心想，那些因太空船墜毀而登上月球的水熊蟲，至今是否還能行動？ 

名字有「熊」、長了八隻腳，步態卻像蟲？

最近刊登在「美國國家科學院院刊」（Proceedings of National Academy of Sciences, PNAS）的一項新研究，透過用高速攝影記錄了水熊蟲的移動，意外發現水熊蟲的爬行方式跟比自己大 50 萬倍的昆蟲相似。

通常尺寸像緩步動物門一樣小的生物很少有腳，牠們不走路而只會四處滑動亂竄；水熊蟲卻擁有 8 隻腳，是一種很特別的生物，讓科學家不禁好奇，這麼微小的生物是利用什麼方式移動，於是對牠們進行了研究。

洛克菲勒大學的研究團隊，在顯微鏡下長時間持續觀察水熊蟲，並記錄其行走的步態（走路時身體各部位週期性的動態表現）。研究人員 Jasmine Nirody 表示，水熊蟲在沒有外力干擾下，有時牠們會很冷靜，以每秒半個身長的速度悠閒地漫步；當牠們看到對自己有吸引力的事物，這時會像踩了油門般，加快速度往目標物前進，可以達到每秒兩個身長。

研究團隊從水熊蟲移動的步態，以科學角度來解釋，我們平常走路，腳跟後蹬，此時會產生靜摩擦力，所以水熊蟲的爬行是靠著腳與地面接觸獲得動力，然而當我們行走在不同環境 （ 光滑或粗糙地面 ） ，會受到不同壓力、產生靜摩擦力不同，不過牠們的肢體協調很靈活，不管在大海或沙漠，牠們都會去應變不同環境！

水熊蟲跟昆蟲、甲殼類動物很相似，牠們都是在不同速度下步態相同，而脊椎動物會依據不同的速度改變其步態。

對此，研究團隊有兩種解釋，第一種是緩步動物可能跟螞蟻或是果蠅這類昆蟲或其他節肢動物有演化上的共同祖先，甚至有相似的神經迴路；第二種可能性是緩步動物和節肢動物並沒有共同的祖先，這兩類不同群體的生物為了生存，而演化出相同的行走。

但這只是兩種假設性說法，到底答案是什麼，還需要科學家們進一步研究。

水熊蟲的一小步，是科技上的一大步

水熊蟲的研究除了對動物運動學有很大的進展，科學們之後有望研究出，微小尺度行動的機器人！

例如 2020 年美國康乃爾大學跟賓夕法尼亞大學的研究團隊，設計出小於 0.1 毫米的微小機器人，一塊晶片上就可以製造出約一百萬個機器人。

這個微小型機器人由矽太陽能光電材料製作的簡單電路，跟四個電化學執行器製成的腳組成。研究團隊把機器人放在 200 微伏電壓、10 奈瓦功率的雷射光照射，從顯微鏡下觀察，會發現這些機器人在液體中游動。

這些機器人目前只能移動，其他功能還需要開發，水熊蟲的研究對微小型機器人的設計有很大的幫助，如果機器人再經過改良，在醫學上也有幫助，例如：運送藥物、人工受精、執行組織切片或微型手術等，雖然當中也有風險，需要經過跨領域的專家協助，找出適合臨床的使用。

除了微小型機器人，也對仿生機器人有幫助，其中昆蟲機器人考量到複雜機構學、運動學、動力學、昆蟲步態等研究，未來昆蟲機器人朝向以微小尺度、可進入角落或縫隙、環境監測等目標前進！

註解

1. 以色列的太空船創世紀號，是由「以色列方舟使命基金會」（Arch Mission Foundation）與其他民間機構合作發起的月球登陸計畫。由於該計畫的目的包括備份「地球生物學」的相關資料，基金會在發射計畫中，攜帶了一個稱作月亮圖書館（The Arch Lunar Library）的裝置，在大約一張光碟片大小的 25 片鎳片中，記錄了人類的歷史及科技等資料。此外，創世紀號裡也放入了25 名人類血液和毛髮樣本，以及部分生物的樣本，其中包括了本文所談論的水熊蟲，在經脫水乾燥後，保存於合成樹脂內。

參考資料

1. Creature Survives Naked in Space, SPACE.com
2. ‘Water bears’ are first animal to survive space vacuum, New Scientist.
3. The physics behind a tardigrade’s lumbering gait, Science Daily.
4. Electronically integrated, mass-manufactured, microscopic robots, Nature.

1648年的今天，巴斯卡（Blaise Pascal, 1623－1662）家鄉的廣場前聚集了許多居民，他們好奇的看著巴斯卡的姊夫拿著一根長玻璃管與一盆水銀做實驗。人在巴黎的巴斯卡幾個月前就一直寫信催促姊夫，但他拖到現在才動手，因為還得爬上一千公尺的山上再做次實驗啊！

幾個星期後，巴斯卡收到姊夫的來信，很高興看到實驗結果證實他的理論：越高的地方空氣越稀薄，大氣壓力就越小，所以水銀柱越低。

巴斯卡是在1646年才得知義大利物理學家托里切利（Evangelista Torricelli）於1643年用水銀柱發現了真空，並證實大氣壓力的存在。他不但親自實驗再次確認，還託請各地的親友在不同高度實驗，提供他水銀柱的數據，25歲的巴斯卡因此成為第一位測出大氣壓力與高度關係的人，如今氣壓的基本單位就以巴斯卡為名（簡稱Pa, 單位：牛頓／平方米）

其實巴斯卡從未上學受正規教育，他都是在家自學與接受父親指導。事實上，他父親原本不讓他太早學習數學，直到他12歲時獨自證明三角形內角和等於180度，父親才驚為天人，親自教導他幾何學。第二年，舉家遷往巴黎後，還常帶他參加包括費馬、笛卡兒等數學大師在內的聚會，大大增加巴斯卡的學識涵養。

不過他16歲發現關於圓錐曲線之內接六邊形的「巴斯卡定理」，寫成論文後寄給給笛卡兒，卻被笛卡兒嗤之以鼻，認為必是父親代為捉刀。巴斯卡氣得懷恨在心，從此拒用笛卡兒創造的解析幾何，反而阻礙了自己在幾何方面的研究。

但巴斯卡仍展現其多種才華。19歲時，為了減輕父親在稅務部門大量計算工作的負擔，他發明了機械式的計算機，並率先指出人的某些思維方式與機械的運算過程本質上並無區別；1970年代的Pascal電腦語言即因此以他為名。在物理方面，當他著手氣壓實驗時，也發現了流體中壓力傳導的「巴斯卡原理」，為後人發明舉起重物的油壓機提供了理論基礎。

1654年，巴斯卡為了回答朋友如何公平分配賭金的問題，與費馬書信往返討論，結果開創了機率這全新的學科。而他在後續的研究中所提出的「巴斯卡三角形」，啟發了牛頓發現「二項式定理」；萊布尼茲也從他的數學著作中得到靈感而發明微積分。

巴斯卡無疑是位才華洋溢的天才，可惜他不到三十九歲就因病過世，否則這位數學家、物理學家、發明家，兼哲學家與文學家，還不知會完成多少令人驚豔的作品。

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。