帕夫洛夫誕辰│ 科學史上的今天：9/26

本文由 建研所 委託，泛科學企劃執行。 

根據聯合國統計數據，全球每年 38% 的溫室氣體排放，並非來自道路上的交通工具，而是由「現代都市與建築」所造成的。

我們如今站在兩條路徑的十字路口。一條是依賴更多水泥建築與空調系統來抵禦夏季酷暑，然而這樣的選擇只會加劇室外大氣的惡化。另一條則是徹底改革建築、用電、設計與都市規劃，不僅尋求低碳排放的建築方式，還要找出節能降溫的解決方案，實現事半功倍的效果。

然而，我們是否真的能將建築業的碳排放歸零？

建築的溫室氣體哪裡來？

在建築物 60 年的生命週期中，建材的碳足跡其實只佔 9.8%，因為建築一旦完成後，材料不會頻繁更換。相反，日常生活中的用電才是主要的碳排來源，占了 83.4%，其中大部分來自冷氣、照明和各種電器。

當然，讓大家集體關燈停用電器「躺平」來拯救地球，顯然不切實際。既然完全不消耗能源是不可能的，我們應該尋找更現實的解決方案。

現在就來看看全球七棟零碳建築之一——成大的「綠色魔法學校」，臺灣首座淨零建築，如何運用建築技術，成為當代永續建築的典範。這些技巧中，有哪些能應用到你我家中呢？

為了省電要把煙囪塗黑、吸收更多太陽光？

都市裡，我們最大的挑戰之一就是夏天的高溫，水泥建築群在陽光的烘烤下，變成一個個巨大的窯爐。為了解決這個問題，綠色魔法學校在國際會議廳裝了一個煙囪，不過這不是為了讓窯爐更熱，而是用來降溫的。

煙囪為什麼都都要蓋的那麼高？原來煙囪越高，上下的溫差越大。熱空氣因為密度低而向上移動，產生熱對流。溫差越大，這個熱對流就越強烈，這就是所謂的「煙囪效應」。在要幫室內降溫的情況下，我們的目的是產生更強的煙囪效應，抽走熱空氣，讓室溫下降。但這棟建築裡沒有火爐，而溫差不夠大時，這效應會變得微弱，那該怎麼辦？

_{浮力通風效應。圖 / 泛科學自製動畫截圖}

綠色魔法學校提出了一個大膽的解法：在煙囪南面下半部改裝透明玻璃窗，並將煙囪內部塗成黑色，還加裝了黑色烤漆鋁板，這樣可以最大限度地吸收太陽光。每當艷陽高照，這個不插電的的「自然通風系統」就能自動啟動，創造局部的熱對流，帶動整根煙囪的熱氣向上移動，為室內降溫，達到節能效果。以熱制熱，完全反常識。

幫室內降溫的最大原則是：通風。

實際上，不是人人家裡都有煙囪。但如果建築的高處沒有任何窗戶或通風設備，熱空氣就是會從屋頂一路往下蓄積在室內。因此，你也一定在許多工廠或民宅的屋頂看過一個不斷旋轉的小風扇，它們也是有異曲同工的效用。雖然不是高聳的煙囪，但特殊的渦輪構造，風吹過就會開始轉動，並連帶空氣排出室外。是個不用插電的通風球。

綠色魔法學校的煙囪就是個效能更強的換氣機，足以讓 300 人大型會議廳的換氣次數，高達每小時 5 到 8 次，甚至能在室內颳起風速每秒 0.5 公尺的微風，是最舒適的環境。這些利用熱氣密度的差異來改善室內溫度的方法，又稱為「浮力通風」。

為了把通風貫徹到底，綠色魔法學校在建築的兩面裝設大量窗戶以及吊扇，來讓水平也能通風。這些我們習以為常的裝置，其實才是關鍵。靠吊扇的一點點電力讓自然風可以自由進出，耗費的能源，遠比冷氣還要少得多。

幫空調省電的最後一招，就是微環境控制。

實際上魔法學校內還是找的到空調設備，並不是完全拔除不用。除了選用最高效率的主機，以及把室內循環做到最好以外，降低周遭環境溫度才能減低冷氣的負擔。要降低水泥叢林的熱島效應，需要植被與水體來做溫度調適。

在太陽照射下，水泥屋頂表面最高可以達到攝氏 70 度，如果屋頂有種植植栽，室內頂層樓板的表面溫度就可以維持在攝氏32 度以下。不用開電就先幫室內降溫。

水也是關鍵的一環。一是水的比熱高，想打破水分子之間的氫鍵，需要大量的熱量，要讓一千克水的溫度升高一攝氏度，需要 4,200 焦耳的熱量，這可以避免溫度因為烈陽就快速上升。二是當溫度真的過高，水也會透過蒸發帶走熱量，讓溫度不至於向上飆。

魔法學校的屋頂花園使用水庫淤泥，研磨後燒製成的再生陶粒，裡頭混合了稻穀，結構極細，不會像有機土一樣分解消失，可以涵養水源，還不用動不動補土壤，不只降低屋頂植被的澆水次數，還能達到降溫效果。地面也採用透水鋪面，讓每一滴水都不浪費。

綠色魔法學校本名是成功大學的「孫運璿綠建築研究大樓」

2013 年被英國知名出版社羅德里其評為「世界最綠的建築」，並獲選為聯合國全球七棟零碳建築之一。

除了表彰之外，在認證上也確實取得了臺灣最高等級的「鑽石級綠建築」認證，以及美國最高級的「白金級綠建築」兩個綠建築認證。

為了讓相同的成效可以陸續在全臺的所有建築上實現，臺灣在既有的綠建築標章體系上，擬定出了「建築能效評估系統 BERS」，針對關鍵的空調、照明、插座電器的用電狀況訂出明確的耗電密度指標得分。簡單來說，就是每平方公尺的面積上，每年平均的用電量。

要打造一棟淨零建築，需要設計與材料硬體的相互配合。在日常用電這最大耗能項目上，能透過前面的淨零設計與智慧能源管理來減低能耗。而我們還沒提到的最後一塊拼圖，則是回到建築的建材本身。這部分減碳的方法有很多種，例如將傳統施作工法改為在工廠就完成模組化建材製造的「預鑄工法」，減少現場搭建鷹架、施工的步驟，達成減碳。又或是將部分建材更換為木、竹等負碳建材，甚至使用零廢棄物、能「循環使用」的建材。例如 2018 年亮相的臺中花博荷蘭館、或是 2021 年台糖在沙崙啟用的循環聚落。

建築物能夠完全不用電嗎？……電從哪裡來？

沒錯，連全球最綠的建築——綠色魔法學校，也無法做到完全不使用電力。正如前面提到的，建築的最大能源消耗來自日常使用，而這所「魔法學校」的成就，是成功將日常能源消耗降低，讓溫室氣體排放減少超過 50%。

這就是關鍵，減少一半後，剩下的部分就靠周邊的造林、太陽能和風能等綠色能源來補足。

2022 年 3 月，國發會公佈了 2050 淨零排放的路徑圖，參考美國、日本、歐盟等國，制定了 2050 年達成淨零建築的目標。

這條路徑包含兩個核心目標：第一，所有建築物要在建築能效評估系統（BERS）中達到 1 級節能，甚至進一步達到「1+ 級」近零碳建築的標準，減少至少 50% 的能源消耗。第二，同步發展再生能源，讓這些近零碳建築朝淨零邁進。

這個目標比你想像的要容易實現。比如，2023 年 12 月，台達電的瑞光大樓 II 就成功取得了「1+ 級」近零碳建築認證，並符合 0 級淨零建築規範。而在 2024 年 7 月，國泰人壽在臺中烏日的商辦大樓經過改造後，也達到 0 級淨零建築標準。這些案例證明了綠色魔法學校的成功經驗可以複製，不論是新建築還是舊建築，都能達成甚至超越淨零目標。

為了不讓每一年的夏天都是你我餘生最涼的夏天，碳排歸零是必須要實現的目標。現在你知道，這個任務的關鍵就掌握在你我手中。就像選擇能源標章電器一樣，只要選擇符合 BERS 能效標準的建築，我們不僅能降低冷氣的依賴，也能節省電費，讓地球和你的荷包都雙贏。

各種現代生物學相關研究無法不使用動物來進行實驗，而隨著我們對動物所知愈來愈多，我們不再如十七世紀名哲學家笛卡兒一般視動物為機器，而是有知覺的生命體，因此，基於側隱和道德，關注動物福利已是動物學界的主流。

B.O. Hughes提出動物福利意即動物與身處環境之和諧，而D.M. Broom對動物福利奠下了科學上的定義：動物嘗試適應身處環境的狀態(有能力控制身心的安定，包括生理、心理、行為等等)。對動物的福利關注早於動物福利被科學定義前的1920年代已經出現，由倫敦大學動物福利協會(1938年更名為動物福利大學聯會(Universities Federation of Animal Welfare, UFAW))提出。該會提出「處理動物問題須以科學為基礎，用上最大同情心，但要將感傷收到最小」。

動物福利最先推行於實驗動物。1947年，該會出版實驗動物手冊(laboratory animal handbook)，奠下了實驗動物的福利基準；並於1950年代提出動物實驗的3R原則：替代(Replacement)、減少(Reduction)及改善(Refinement)。這比後來同樣由該會制定的農業動物照護及管理福利基準的出現還要早二十年。儘管如此，實驗動物福利至今仍存在大量需要改善的空間，特別是過去人們多從生理層面去檢視動物福利，只顧消極地預防和處理病痛等問題，而忽略了心理福利需求(而心理問題也會對生理造成壞影響)。因此，過往的實驗動物福利改善多數只從改善居住環境的設計(如擴建和衛生等)著手，較少著眼於改善人類跟實驗動物的互動以減少實驗動物因人類而受的心理壓力。上個月筆者有機會參與澳紐實驗動物協會(Australian and New Zealand Laboratory Animal Association, ANZLAA)主辦的座談會，內容是講述運用行為訓練及條件制約(Conditioning)方法來改善動物設施內的福利，正好提供了改善實驗動物的心理福利的新方法。

動物的心理包括了認知、情緒以及由此而生的行為，而作為有知覺的生命體，動物或被動或主動地不斷從與身處的環境(外來刺激)中學習認知、情緒、行為。要改善動物的心理福利，就要先了解牠們的心理狀況，因此需要了解動物的學習原理和結果；而了解了動物的學習原理和結果後，則可以反其道而行，主動地應用這些原理去幫助動物適應環境。動物有多種學習方法，最不同動物共通、最主要的兩種分別為對情緒(及其延伸行為)作用的古典條件制約(Classical conditioning)，以及對行為作用的操作式條件制約(Operant conditioning)。

古典條件制約由俄國科學家巴洛夫(I.P. Pavlov)所發現，著名例子莫過於巴洛夫那隻聽到鈴聲就流口水的狗。以巴洛夫的狗作例子，狗本來不需要學習，看見食物(非制約刺激)就會被引發食慾而流口水(非制約反應)，而若狗每次看見食物時都聽到鈴聲，久而久之，鈴聲和食物就會在狗的認知中產生配對聯繫，使得鈴聲成為一個制約刺激，可以單獨地引發狗的食慾使其流口水(流口水成為對鈴聲的制約反應)。這過程讓狗學習了鈴聲對自己的意義和對鈴聲作出相應的情緒及行為反應。在實驗室之中，清潔機造成的噪音或人類強迫性的對待手法等等非制約刺激常常引起實驗動物的恐懼情緒，造成躲避、逃跑、反擊等非制約恐懼行為反應，通過古典條件制約過程，動物更學習對清潔機或人類本身(制約刺激)感到恐懼並做出相應行為(制約反應)，這使得實驗動物經常地處於莫大而不必要的心理壓力。動物對人類的恐懼反應更往往引起人類加倍粗暴的對待，例如更迅速用力地抓住動物不讓其逃走或反擊，造成惡性循環，使動物心理壓力更加惡化，並大大提高動物和人類受傷的風險，造成嚴重的福利問題。

然而，當我們理解古典條件制約的學習原理，就可以反其道而行對動物使用反條件制約(Counter-conditioning)——在實驗動物遇上引發恐懼(或有可能引發恐懼)的刺激時，給予牠們喜好的刺激(如牠們喜歡的食物、玩具、撫摸等等)，使那些刺激(如清潔機和人類本身)和喜好的刺激配對聯繫起來，令實驗動物不再對其恐懼，甚至更願意主動接近人類。這不但消除動物的恐懼，也使得粗暴的對待手法不再必須，因此可以大大減少動物的心理壓力，甚至讓牠們感到正面的情緒，滿足牠們福利需求。

影片：對注射疫苗的小貓進行反條件制約訓練

第二大學習原理為史金納(B.F. Skinner)發揚光大的操作式條件制約，原理請回顧筆者之前所寫的《狗狗不打不成器？非也，研究指獎勵式訓練較為可取》。要注意的是，因為筆者於該文以訓練動物的角度來介紹操作式條件制約，因此使用了「給予/移除刺激為後果去鼓勵/阻止」這種帶有訓練者主動意圖的描述，然而事實上操作式條件制約作為動物學習調整行為與環境互動的原理，刺激的出現及消除並不需要帶有主動的訓練意圖，以人跟實驗動物的互動為例：傳統對待實驗動物的手法都帶有正處罰(Positive punishment)和負增強(Negative reinforcement)——實驗員把白老鼠抓起，白老鼠掙扎，為免牠逃脫實驗員加強了握力。縱使實驗員無意訓練老鼠乖乖不掙扎，但握力帶來的痛苦卻正處罰了老鼠掙扎的行為，令牠停止掙扎；而見老鼠停止掙扎後，實驗員不自覺的放鬆握力，使得握力帶來的痛苦消失，也負增強了老鼠乖乖不掙扎的行為；不過，假若實驗員加強握力時，老鼠勇敢地反擊咬了實驗員手指使他放開手，得以從粗暴的對待中逃脫，則會負增強老鼠的咬人行為，讓老鼠學習當人加強握力時就要咬人以求逃脫。

在這例子可以看到傳統對待實驗動物的手法所引起的問題：製造人和動物的對抗，不僅對雙方造成不必要的心理壓力，更帶來更高的受傷風險。另外，動物訓練師Bob Bailey有句名言叫「巴洛夫常在你的肩上(Pavlov is always on your shoulder)」，就是說使用操作式條件制約時，古典條件制約仍然存在。因此，以正處罰及負增強這些涉及厭惡刺激的學習原理為主的對待手法往往令實驗動物學會恐懼人類，造成前一段所述的福利問題。

相反，使用正增強(Positive reinforcement)為主的訓練方法可以改善實驗動物福利，例如以小食獎勵主動行為的方式訓練白老鼠自動地走到磅上量體重、進入清潔的籠子，又或者訓練牛隻主動進入圍欄讓人抽血。正增強訓練如何改善動物福利？第一，壓力的成因在於動物無法控制牠所身處的環境，因此當容許動物主動選擇並以獎勵方式正增強想要的行為時，動物感知到原來自己可以控制環境，就能大大減少壓力。研究證實，使用正增強訓練主動接受麻醉注射的實驗用黑猩猩，比起被迫以麻醉槍麻醉的同伴，其血液檢驗結果顯示較低的壓力生理指標。第二，使用正增強訓練可間接達成部分反條件制約效果。比如近年就有研究指出使用正增強訓練的馬喜好親近人類，而使用負增強訓練的馬則恐懼人類。在實際應用上，正增強訓練動物主動量體重、接受注射等等，於先進的動物園及水族館等等設施已取得空前成功，成為動物檢查護理的一部分。此外，不少靈長目動物實驗室也開始了正增強訓練的應用。再加上操作式條件制約可應用到多種不同動物(包括哺乳類、鳥類、爬蟲類及魚類等等)，正增強訓練是改善實驗動物福利的好方法。

影片：正增強訓練狨猴量體重

雖然行為訓練及條件制約可大大改善實驗動物福利，但也有需要注意的事項。首先，實驗動物的飼養是以完成研究為主要目的，因此該座談會的一位講者Dr. John chofield提醒實驗動物照護員，對實驗動物進行行為訓練及條件制約前，必須先與研究員好好溝通。照護員須尋求並遵守研究員的指引，避免訓練對動物造成了實驗外變數(Non-experimental variables)——令動物除了實驗要檢視的不同處造成的影響外，多出了實驗沒有預期的同處所造成的影響——使得研究結果大亂而將整個研究(甚至研究員的研究生涯)毀掉。另外，目前使用行為訓練及條件制約改善實驗動物福利也有其阻力，比如實驗動物管理員常質疑訓練動物(並訓練實驗人員訓練動物)需求更多時間及資源而不願嘗試，然而，若能訓練實驗動物主動合作，一時的額外付出很可能帶外長期的時間及資源節省，因此這個改善實驗動物福利的新方法是大有潛力並值得考慮的。

參考資料：

Broom, D. M. 2011. A History of Animal Welfare Science. Acta Biotheoretica, 59, 121-137.

Common Marmoset Care: Handling and Training (http://www.marmosetcare.com/care-in-captivity/handling-and-training.html)

Highlights from UFAW’s History (http://www.ufaw.org.uk/highlights.php)

Incorporating Behavioural Training and Conditioning into Animal Facility Routines (Symposium organised by ANZLAA on Wednesday 20^th June, 2012)

Perlman, J. E., Bloomsmith, M. A., Whittaker, M. A., McMillan, J. L., Minier, D. E. & McCowan, B. 2011. Implementing Positive Reinforcement Animal Training Programs at Primate Laboratories. Applied Animal Behaviour Science.

Sankey, C., Richard-Yris, M.-A., Henry, S., Fureix, C., Nassur, F. & Hausberger, M. 2010. Reinforcement as a Mediator of the Perception of Humans by Horses (Equus Caballus). Animal Cognition, 13, 753-764.

同場加映兩個有關古典條件制約及操作式條件制約的小笑話：

除了「薛丁格的貓」，科學史上最負盛名的寵物再來應該就是「帕夫洛夫的狗」了。而且不像薛丁格的貓根本是虛構出來，只存在於思想實驗之中，牠可是貨真價實、活生生的狗，還有流口水的特殊技能（咦？）。不過就如同薛丁格的貓被不斷傳述後扭曲了薛丁格的本意，帕夫洛夫的狗也因名氣太大而遮掩了帕夫洛夫的其餘事蹟。

帕夫洛夫原本研究的其實是狗的胃液。當時已經知道食物進入胃以後，會刺激胃液分泌；但他想知道在食物還沒到達胃之前，會不會就已經分泌胃液了？要觀察到實際情況，顯然必須得對清醒的狗做實驗才行，於是帕夫洛夫用他的巧手

－－－－－（警告：以下畫面可能過於殘酷，膽小者與愛狗人士請自行斟酌是否繼續閱讀）－－－－－

將狗的食道與胃各開了幾條瘻管接到體外，讓被狗吞下的食物從瘻管排出體外，進不到胃中；再從胃外接出來的瘻管檢測是否有胃液。結果證實了帕夫洛夫的猜測：食物不用進到胃裡，光靠視覺、嗅覺、味覺等感官刺激就能刺激胃液分泌。

帕夫洛夫還進一步實驗不同的食物造成胃液分泌的快慢、多寡、與持續時間。他對消化系統的嚴謹實驗與深入研究為他贏得 1904 年的諾貝爾生理或醫學獎，不過他在領獎致辭時，講的卻是他發現的「制約反應」(conditioned reflex)。

原來他在實驗時觀察到：負責餵食的工作人員走進時，狗就開始分泌唾液。於是他試著在食物出現之前先給予視覺或聽覺的刺激，例如圖片、哨子、節拍器、音叉（偏偏就是沒有傳說中的鈴鐺）。這些原本並不會令狗分泌唾液，但連續幾次之後，狗被制約了；即使沒有食物，只要這些圖片或聲音一出現，狗就會流口水。

先別急著笑狗笨，後來有實驗證實人也會受到制約反應的影響，而不由自主地被不相干的事物勾起恐懼、厭惡、……等情緒反應。這正是為什麼「帕夫洛夫的狗」會如此深植人心吧？因為牠映照出我們人類也並非全然是自己的主人，原來還有理性、意志力，甚至自由意志所不能及的晦暗之處啊！

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。