植物根系看不到的忙碌生活：改造家園、抵禦外敵還要忙著報信！——根分泌物與它的製造者（上）

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。

看過了上篇〈植物根系看不到的忙碌生活：改造家園、抵禦外敵還要忙著送信！——根分泌物與它的製造者（上）〉與中篇〈用根分泌物搭起與微生物的敵我糾葛——根分泌物與它的製造者（中）〉植物根系多采多姿的生活後，你應該再也無法忽視這些地底下的隱密魔法師了吧！生命總是如此奇妙而充滿未知，我們越認識它們，也越有機會從中找到有益自己、有益環境的可能。

除了透過根分泌物調控生活環境、抵抗病害，根分泌物也幫助了植物應對生長地區氣候帶來的各種環境壓力，在氣候異變日益頻繁的今日，根分泌物調節與氣候之間的關係越來越受科學家們關注。

水稻根系的低溫因應機制

水稻根系最適生長溫度是 28～32℃，根系正常生長的臨界低溫為 16℃，隨著溫度的升高，根系生長量會逐漸增大，反之則不利生存。[1]

超氧化歧化酵素（superoxide dismutase, SOD）可催化超氧化物透過歧化反應轉化為氧氣和過氧化氫，而過氧化氫酵素（catalase, CAT）和過氧化酵素 （peroxidase, POD）都是植物體內用來清除細胞過氧化氫等活性氧物質的酵素，也同時保護它們撐過極端環境——當低溫脅迫發生時，水稻根系的這三種酵素活性都會增加以幫助它們撐過環境的變化。

直面高溫的內生真菌根

在面對高溫的環境時，不少植物會啟動熱休克蛋白或是部分的保護酵素，但高溫仍是大部分植物的罩門。不過有些植物仍可透過內生真菌的協助來應對高熱環境的壓力。

美國黃石公園地熱溫泉附近就有一種單子葉草本植物 Dichanthelium lanuginosum，它和一種內生真菌 Curvularia protuberata 在真菌病毒的調節之下，能夠藉由內生菌根的共生關係來應對極為高溫的地熱環境。但很特別地是，如果這中間的共生過程沒有病毒的參與，就沒有辦法達到耐高溫的作用。

這種複合式的共生關係是自然界相當奇特的案例，很值得科學家持續的探究。尤其在陽明山以及台灣各地的地熱溫泉附近，也常見到雜草生長，也許未來科學家能夠在這些植物週邊分離鑑定出更多重要的共生微生物或是某些耐熱機制，幫助氣候變遷下的永續農業發展。

乾旱與根系的變化

在熱帶地區，植物細根生長主要是在雨季，根系生物量增長高峰出現也在雨季，而低谷則出現在旱季，由此可知土壤缺乏水分會降低根系生物量。在乾旱脅迫下小麥根系數量與根系表面積會顯著降低，柑橘根系中則會的降低磷含量；增加鉀和氮的含量；顯著抑制鐵、鎂、鈣等累積。不過，乾旱也會誘導植物根系抗氧化酶等保護系統回應，幫助自己度過難關。

不少植物會運用矽元素來建構防禦工事的度過逆境。矽元素可增加根系生長的表面積，並透過提高多元醇等滲透物質含量來增加吸水能力，也可調節根細胞膜的通透性與活化膜上 H+-ATP 通道，降低根部對鈉離子的吸收；增加鉀、鈣等陽離子的吸收，進而提高作物的耐旱能力。同時，矽還能夠沉積在植物細胞壁並形成抵抗病原侵入的障礙結構，參與抗病生理表現，像是提高幾丁質酶等抗菌水解酶活性；及參與植物抗病物質生成的調控機制，如提升過氧化酶（POX）、多酚氧化酶（PPO）與苯丙氨酸裂解酶（PAL）等酵素活性。因此曾有施加矽元素來抑制農作物銹病、稻熱病、番茄萎凋病等成功研究案例。也有的研究運用奈米矽片來協助植物抑制多種病原真菌的菌絲生長，使奈米矽片成為具有潛力的植物保護資材。

根據阿姆斯特丹大學地球表面科學教授 Franciska de Vries 所指導的研究指出，受乾旱脅迫的植物還可能透過改變從根部分泌的碳水化合物混合物，促進微生物活動、改變附近真菌和細菌的行為，以釋放更多營養物質並促進其自身生長。 

Franciska de Vries 和他的團隊研究了絨毛草（Holus lanatus）和酸模（Rumex acetosa）這兩種傳統管理乾草甸非常常見的雜草的根分泌物影響。這兩種雜草生長都很快速，但有非常不同的根系——絨毛草的根系是由長而細的根所組成，而酸模的根系則短而粗。生態學家將兩種植物置於兩週的乾旱當中，並使之經歷乾旱期後與兩週的恢復期，再收集根分泌物，測試根分泌物對來自不同處理方案的土壤樣品的影響。結果顯示，兩種植物在乾旱條件下排出的根分泌物較少，但卻都增加了土壤微生物的活性。並且，這些增加都歸因於植物碳水化合物混合組成的變化。

再將這些發現與承受放牧壓力的草本植物進行比較，Franciska de Vries 發現放牧也會導致受壓植物的根系分泌物水平增加，並導致微生物活動增加，以釋放出更多的營養物質。而這類由植物所引導的微生物活動也會導致更多的碳從土壤中釋放。¹

以 Franciska de Vries 的研究為一例，學界越來越認識到從植物根部滲出的可溶性碳水化合物（如醣類、氨基酸和有機酸）對生態系統功能的重要性。我們已知高達百分之十的植物光合產物最終會成為根系分泌物，但在過去，這曾被認為是被動過程。植物利用這些根系分泌物來增進互利共生的微生物和它們之間的互動。

自然界的植物及其關聯的微生物種類萬千，還有太多是科學家所未能掌握的機制。但是這群隱密的魔法師其實是形塑自然生態很重要的推手，影響著未來的地球脈動，絕非生命科學可以忽略的議題。真實世界的奇妙，從來不亞於人類的想像世界，相信未來會有越來越多關於「根分泌物與它們的製造者」的課題被挖掘出來的。

注解：

1. 土壤雖然是一個重要的碳匯，但是這項研究顯示乾旱可能會改變碳匯功能。由此可知，了解植物和微生物之間的相互作用，對於深入理解碳循環所受乾旱氣候影響的反饋機制是非常重要的。

參考資料：

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2. 木嶋利男編著，蔡婷朱翻譯，2018，家庭菜園的土壤科學。晨星出版。
3. 石川拓治原著，王蘊潔翻譯，2009，這一生，至少當一次傻瓜─木村阿公的奇蹟蘋果。圓神出版社。
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10. 莊豐鳴、盧虎生，2013。高溫對水稻產量及品質之影響：從生理層次到田間環境之探討。作物、環境與生物資訊 10 卷 1 期 P 75 – 83。
11. 許家言、張有明、曾夢蛟。2007。以農桿菌法轉移氧化歧化酵素基因（sod）與過氧化氫酵素基因（cat）到小白菜之研究。興大園藝 32(2):45-61。
12. 陳紅、馮雲、周建梅、徐振國、廉超、郭起榮，2013，植物根系生物學研究進展。世界林業研究第 26 卷第 5 期。
13. 陳桂綿、劉瓊霦，2012，添加鈣對相思樹苗木在酸雨逆境下的效應。林業研究季刊 34(3)：237-250。
14. 蔣岱岡，2017，自土壤中分離出具促進植物生長能力之細菌並分析其促進植物生長之能力。大葉大學生物產業科技學系碩士論文。
15. 小兵立大功奈米化資材於植物保護之應用
16. 台北植物園好花共賞 126 《西洋接骨木：製作魔杖的植物》
17. 農業知識入口網《如何強化作物抗逆境能力協助化學農藥減半政策之推動》
18. 農業科技決策資訊平台《根分泌物能影響土壤穩定性》
19. 莊榮輝等，《植物對重金屬逆境之反應》，國立台灣大學生物化學研究室
20. 食品藥物管理署《誤食曼陀羅中毒! 呼籲民眾避免自行採摘及食用來路不明的植物》
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25. Friends with benefits: Biopesticides and biostimulants
26. Invasive tropical plant can completely remove metal pollutants from Britain’s rivers – new study 
27. Microbiome：根系分泌物驅動土壤記憶抵禦植物病原菌（作者解讀）
28. Wikipedia：Mandrake 
29. Neutrons investigate tomatoes for insights into interplant chatter
30. Plants Really Do Feed Their Friends
31. Plants under drought stress change their microbes through their roots 
32. Root exudates affect soil stability, water repellency 
33. Rhizosphere-scale quantification of hydraulic and mechanical properties of soil impacted by root and seed exudates
34. The Dark, Teeming Vineyard Underworld

35. The Mandrake- the art of magic in the Romanian tradition (imperial transilvania)

• 文字編輯/翁郁涵