「安提基瑟拉儀」橫空出世，史上第一台計算機？（下）│《電腦簡史》 齒輪時代（二）

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。

根據教育部編《國語辭典》，這成語的解釋是：「比喻人或事物，隨著憑藉者的地位提升而升高。」你覺得拗口是不是？其實這成語是說，水位高了，水裡的船跟著升高，造兩個句你就更明白了。

油價一漲，民生用品水漲船高，人們的生活開支就增加了。

最近老師教得認真，結果水漲船高，段考成績普遍提高了。

如果水位變低了呢？水裡的船當然跟著降低。當水位低於船隻沒入水中的部份（稱為吃水），船隻就會擱淺。談到這裡，就得談談浮力原理了。

這原理的發現還有個小故事呢！相傳某希臘國王，做了一頂純金王冠。有人密報，金冠攙假。然而秤一下重量，又和當初交給金匠的純金一樣重。國王還是不放心，就請科學家阿基米德鑑定。

阿基米德苦思多日，想不出辦法。一天，他在家裡洗澡，當他進入澡盆時，看見水往外溢，突然悟出：「可以用測定固體在水中排水量的辦法，來確定金冠的比重啊！」他興奮地跳出澡盆，大聲喊著：「尤里卡，尤里卡！」（尤里卡，就是「發現了」的意思）。

阿基米德把王冠和同等重量的純金，放在兩個容量相同、盛滿水的盆子裡，發現放王冠的盆子，溢出的水比另一盆多些。說明王冠的體積，比相同重量的純金的體積大，證明了王冠並非純金製的，揭露了金匠欺君之罪。

阿基米德因此發現了浮力原理（又稱阿基米德原理）：物體在水（液體）中所獲得的浮力，等於物體所排出（開）液體的重量。根據浮力原理，只要水夠深，幾萬噸的船都能浮在水上，因為它排開的水，比船還要重啊！

章老師曾搭乘郵輪經過蘇伊士運河。這條運河寬 205-225 公尺，深 23-24 公尺，所以只要船隻吃水的部份不超過 20 公尺，保證可以通行。章老師搭乘的是艘中小型郵輪，只有 3.5 萬噸，加上 1000 名乘客和 400 位工作人員，吃水可能不到 10 公尺。走在我們前面的，是艘 10 萬噸級的貨輪，也行駛得十分順當。查一下資料，這條運河可以浮起 24 萬噸的船呢！

那麼 2021 年 3 月間怎會發生蘇伊士運河事件？發生事故的長賜號，總噸位 220,940 噸，寬 58.8 公尺，都在安全值之下。可是運河水深 23-24 公尺，是指中央的航道，靠近岸邊就沒那麼深了。長賜號被強風吹離航道，在岸邊擱淺。這還不說，長賜號全長 399.94 公尺，擱淺時斜著卡在運河中，把整條運河堵住了。

安提基瑟拉儀如此精巧繁複，與十六世紀的鐘錶相比毫不遜色，究竟是誰能在西元前就打造出這樣的作品？而且當時仍以為地球是宇宙中心，天體都繞著地球轉。使用錯誤的地心說模型，安提基瑟拉儀如何仍能準確模擬天體的運行？

本文為系列文章，上一篇請見：「安提基瑟拉儀」橫空出世，史上第一台計算機？（上）│《電腦簡史》 齒輪時代

為什麼要發明安提基瑟拉儀？

自有歷史以來，人類便一直對天空的日月星辰感到好奇。每天日出東方、月亮西沉，滿天星斗也始終如一的橫過夜空，凝視這些在天空閃閃發亮的天體原本就會令人有無限遐想，更何況人們的生活似乎也被它們影響。天體的運行軌跡隨著季節變化而規律的改變，可以依據太陽的路徑劃分出一年四季，以利耕作；而潮水漲落更與月亮盈虧有明顯的對應關係，因此需要陰曆來掌握潮汐。另一方面，看似恆常規律的天象也偶有例外，例如日食、月食、流星，而幾個行星的運行軌跡顯然也與鑲嵌在夜空背景中的星座大不相同。這些異象又意味著什麼？是否暗示將有天災人禍？

因此無論是基於實用目的，想從天象找出蛛絲馬跡，以做好準備或趨吉避凶；或是純粹基於好奇心想知道天體運行背後的規律，世界各地的古文明很早就開始觀測天體並各自發展出天文曆法，例如四、五千年前的古埃及、印度、中國，乃至美索不達米亞平原的古巴比倫文明，與中美洲的馬雅文明。其實在默冬發現默冬週期之前，巴比倫人與中國周朝早就實施十九年七閏了。不過，是巴比倫人建立了有系統的方法，運用數學來分析天體運行的規律，率先發現日月食的規律，也就是沙羅週期。

在古人的宇宙觀中，當然地球是靜止不動的，所有天體都是繞著地球轉。這很合理，畢竟你感受不到地球在動，而仰望天空，看到的明明是日月星辰在移動。不過仔細觀察五大行星，卻會發現它們的移動速度時快時慢；更奇特的是，它們偶而還會改變方向，掉頭倒退一段距離——也就是所謂的「行星逆行」——再轉回原來方向繼續往前。巴比倫人雖然掌握了日月食的週期，卻對「行星逆行」這個神祕難解的天文的現象束手無策。這個問題得再過幾個世紀，才由古希臘的天文學家接力提出合理的解釋。

如何補救地心說的缺陷

或許是得力於歐幾里得在西元前三世紀左右出版的《幾何原本》，古希臘人更能有系統地將幾何學運用在天文學上。西元前二、三世紀交替之際，阿波羅尼奧斯 (Apollonius of Perga) 率先提出周轉圓理論。他認為五大行星並不是像太陽、月亮那樣直接繞著地球轉，而是各自繞著一個假想的圓心轉，這個周轉圓（也稱為「本輪」）再繞著地球轉，因此有時才會看到行星逆行的現象。不過這仍無法解釋行星為什麼會忽快忽慢，直到西元前一百三十年左右，希帕庫斯 (Hipparchus) 在周轉圓的模型加入了偏心圓，才解決這個問題。他設想五大行星的周轉圓雖然繞著地球轉，但是地球並不在圓心的位置，而是偏離圓心一段距離，因此行星離地球比較遠時看起來速度比較慢，離地球近時看起來就比較快。

兩百多年後，約莫西元二世紀中期，希臘學者托勒密 (Claudius Ptolemaeus) 發表《天文學大成》鉅著。書中結合周轉圓與偏心圓的概念，建立後世稱為「托勒密體系」的行星模型，一舉掌握日月星辰的運行軌跡，包括太陽、月亮的運行與日月食的週期、五大行星的周轉圓半徑與它們沿著周轉圓繞行的速率、周轉圓本身繞著地球轉的速率，以及圓心相對於地球的位置。地心說原本與天體實際運行不符之處，如今在托勒密體系下都獲得解決，人類的宇宙觀因此在他手中一錘定音，地心說從此主宰天文學一千多年，直到十七世紀克卜勒提出行星運動三大定律，地心說才終於被日心說取代。

由於《天文學大成》的權威地位，後世提到地心說都會以托勒密做為代表人物，但其實這本書是奠基於前人的研究成果，特別是希帕庫斯的研究。事實上，希帕庫斯的原始著作都已失傳，正是托勒密在《天文學大成》中加以轉述，我們才知道托勒密體系其實脫胎於希帕庫斯的周轉圓模型。

誰發明了安提基瑟拉儀？

安提基瑟拉儀經科學家復原重建後，赫然發現內部有周轉圓齒輪組，所以才能令行星指針完美地模擬行星運行，甚至包括逆行現象。由此可見當初設計者就已經充分瞭解周轉圓的行星模型；既然安提基瑟拉儀與希帕庫斯幾乎是在同一時代，相差不超過二、三十年，不禁令人猜想：安提基瑟拉儀會不會正是希帕庫斯所設計的？

也有人認為安提基瑟拉儀的設計可追溯至年代更早的阿基米德 (Archimedes) 。阿基米德被公認為發明齒輪裝置的先驅，除了螺旋抽水機，傳聞他還發明了計算里程的馬車，以及能將敵人的船隻吊起的巨型裝置。據史書記載，西元前 212 年羅馬軍隊攻陷位於西西里島的敘拉古 (Siracuse) 城時，阿基米德當場被羅馬士兵殺死，他所發明的一件天文儀器被羅馬將軍馬塞勒斯 (Marcellus) 據為己有。後來看過這件儀器的人描述道：

「這個銅製裝置上的月亮隨著太陽一起轉動，轉的圈數與天上的月亮一樣。而當（裝置上的）月亮轉到和太陽、地球成一直線時，月亮的影子投射在地球上，如實呈現了天上的日食現象。」

以往史學家並沒有太認真看待這段記述，因為除此之外都沒有關於這件儀器實際構造的描述；而且當時是否真有這樣的技術能力也令人懷疑，就像可以吊起敵人船隻的裝置，應該純粹只是阿基米德紙上談兵，並沒有真的建造出來。但如今安提基瑟拉儀的出土，為這段文字大大增添了可信度。加上安提基瑟拉儀的正面與這段文字所描述的如此類似，的確很有可能承襲自阿基米德真的設計。

無論是否與阿基米德有直接關連，安提基瑟拉儀的齒輪如此精巧複雜，除了需具備齒輪運作的知識，也需要有純熟的製造工藝配合才能完成，而知識與技術都需要時間的積累才會成熟，不可能當下憑空出現。也就是說，在安提基瑟拉儀發明之前，齒輪的相關知識與技術必定已存在相當時日。因此，如果說安提基瑟拉儀是史上第一台計算機，那麼若要探討計算機的起源，我們勢必得將目光投往阿基米德那個時期的古希臘。