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性,行動電話,與精力旺盛的兔子

鄭國威 Portnoy_96
・2011/04/23 ・1995字 ・閱讀時間約 4 分鐘

擔心行動電話會影響性功能表現的男性,請舉手。

別害羞,畢竟跟女性比較起來,男性的確比較常將手機放在褲子的口袋裡頭,我們很少手上拎著個小包包,也比較不常使用手機套。而一直以來對手機電磁波的疑慮始終縈繞在身邊,擔心是正常的!

針對手機電磁波對腦的影響所做的實驗跟調查非常多,絕大多數「並無法證實」手機電磁波能對腦部造成什麼影響,例如腦癌,最近的美國國家衛生研究院(National Institutes of Health,NIH)報告雖然顯示,手機的確會增加大腦接近手機天線部份的葡萄糖代謝,顯示它促進大腦活動,但也僅止於此。至於曾有謠言說三支手機同時響起,放在中間的荷包蛋都會熟,或是手機講久了連腦都會烤熟之類的…我想如果真的熟了,自己應該會先聞到香味吧…離鼻子那麼近…

圖片來自wall001.com

讓我們先把上半身放在一邊,回到本文的重點下半身:相較於有許多研究探討手機電磁波對腦的影響,對手機電磁波與生殖能力間關聯的研究就顯得少了,然而我相信,關心「小頭」的絕對不少於關心「大頭」的人。Salamat等人組成的研究團隊也想知道手機對性行為的影響;循慣例,當人類好奇心一起,動物就遭殃了。

要說遭殃,也不全對,畢竟在這個實驗裡頭,作為實驗對象的成年雄兔們可說是享盡豔福。這篇研究2010年發表在國際性無能研究期刊(International Journal of Impotence Research)上–竟然有這種期刊!–之前雖然有其他研究探討人類跟其他動物的睪丸,若接近手機會有什麼反應,但這篇論文則是首次直接針對性行為下手。研究一開始,先找來一堆年輕氣盛的雄兔,每隻雄兔都可以盡情跟眼前的雌兔大戰三分鐘,三分鐘一到就休息三分鐘,然後轉檯換下一隻雌兔,然後連續六次…這樣的狂歡每週一次,連續三週…目的是為了要確定雄兔的性能力正常(很遺憾,沒有辦法做人體實驗..Orz)。

接著就是實驗重點了:他們把雄兔放在無法轉身的小籠子裡,然後在睪丸正下方放了一台待機中的手機,每天要待在這個環境中8個小時,連續長達12週(…還好,沒有人體實驗…囧rz)。手機是什麼廠牌,哪家電信,不得而知。在這個環境下待那麼久,很有可能會感到高度壓迫,影響實驗結果的信度跟效度,所以就設計了另一組兔子,一樣放在小籠子裡,唯一的差異是手機是關機狀態,作為對照。

12週裡頭,每兩週測量一次直腸體溫以及「壓力賀爾蒙」皮質醇「性賀爾蒙」睾酮、以及「情緒賀爾蒙」多巴胺。12週過後,又到了酒池肉林的時刻了(感覺好像當兵放假…),比照之前的作法,雄兔又遇上了雌兔,這次更猛,連續兩周,每週三次,每次輪流由六位雌兔陪伴,三分鐘就轉檯。目的就是要讓雄兔產生「柯立芝效應」,最後精疲力盡。(蚵立芝效應的典故蠻好笑的,請看Wikipedia)

結果呢?不管是實驗組還是控制組的兔子都一樣飢渴,而且在三種賀爾蒙的測量上都沒有顯著差異。

比較有趣的是,從上圖中可以發現,第2隻雌兔讓所有雄兔都彷彿變回國中生那般血氣方剛,但除此之外,每隻雌兔都成功吸引了雄兔。研究的另外一個算是發現的發現,是射精次數。

MP這組,也就是實驗組的兔子,不管面對哪支雌兔,在射精次數上顯著低於其他兩組控制組,這就讓人有點擔心了。下圖則是各組交配次數跟射精次數的圓餅圖,可以明顯看出MP這組交配次數最多,但是射精次數比例最少。

不過即使找到了這個應該注意的發現,Salamat等人卻說:「這可能是因為動物未能勃起或射精」(This may be attributed to failure of the animals to attain an erection or accomplish ejaculation)…這還要你說嗎?而且還是可能?那不就是猜的嗎?研究結論也怪怪地,竟然一下子就導向「氧化應激」(Oxidative Stress),而且還是腦組織裡頭的氧化應激,可是整個研究從頭到尾也沒有調查腦,更沒有調查氧化應激XD,而且就算手機輻射真的對兔子腦發生影響,那也很難說對人類會造成類似影響,畢竟(應該)沒有人每天連續講手機8小時長達12個禮拜啊。

所以說呢,即使這個實驗結論很不靠譜,實驗設計有點小問題,但實驗結果倒是可以參考的…你的手機還是常常放在褲子口袋裡頭嗎?

註:氧化應激(oxidative stress),即機體活性氧成分與抗氧化系統之間平衡失調應起的一系列適應性的反應。對人類而言,氧化應激涉及許多疾病,如動脈硬化症帕金森氏病阿茲海默病。(根據維基百科)

資料來源:
Friday Weird Science: Rabbits, Cell Phones, and Sex

Salama, N., Kishimoto, T., Kanayama, H., & Kagawa, S. (2009). Effects of exposure to a mobile phone on sexual behavior in adult male rabbit: an observational study International Journal of Impotence Research, 22 (2), 127-133 DOI: 10.1038/ijir.2009.57

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是那種小時候很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛,所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。怎知長大後竟然因為諸般因由而重拾科學,與夥伴共同創立泛科學。現為泛科知識公司的知識長。

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新技術 PGPP 問世,將能保障通訊網路的資安問題與個資隱私性
科技大觀園_96
・2022/01/30 ・3139字 ・閱讀時間約 6 分鐘

新冠肺炎疫情在國際間蔓延接近兩年,疫情前期政府推出「電子圍籬」系統,透過手機監測居家隔離者是否違規外出,卻也衍生出人民隱私遭到侵犯的討論。但事實上,早在疫情前電信商就能取得使用者身分與手機位置的資料。即使關閉 GPS,日常手機在與周邊基地台交換數據的過程中,就需要提供裝置身分識別與位置資訊。當電信公司將相關資訊販賣給資料仲介(data broker)等第三方,或是資訊傳輸過程被駭客竊取,便可能造成潛在的資安問題。

因此,南加州大學(University of Southern California)研究團隊便提出一項新技術-Pretty Good Phone Privacy (PGPP),嘗試在確保服務品質的情況下,保護裝置使用者位置的隱私性。

手機在與周邊基地台交換數據的過程中,就會洩漏裝置身分識別與位置資訊,有機會造成資安問題。圖/pixabay

身分驗證:通訊網路如何識別用戶與提供服務

「我們在不知不覺間同意讓手機變相成為行蹤跟監裝置,但直到今天我們對現況仍然沒有其他選擇-使用手機等於同意接受跟監。」PGPP 研究者 Barath Raghavan 表示。另一位研究者 Paul Schmitt 則進一步指出,現有通訊網絡的問題在於身分驗證與提供通訊服務使用的透過相同的管道進行。不僅讓電信商能利用這些敏感資訊尋求商業利益,也讓駭客有機會從外部透過技術取得使用者的敏感資訊。

不過,想了解使用者訊息是如何在環環相扣的網絡中被蒐集,甚至面臨被竊取的風險,必須先從手機如何取得通訊服務講起。

日常生活中,手機在接收資訊時,需要與遍布周遭的基地台與通訊網路取得聯繫,由各個基地台以六角形的方式構成的通訊網絡,也稱作蜂巢式網絡(Cellular network)。為了提供收發資訊的服務,手機需要藉由無線電波與網絡中的基地台驗證身分,確認裝置為付費用戶後通訊網絡便可以開始提供其他服務。

進一步以 5G 服務為例,5G 架構可以分為 NG-RAN(Next Generation Radio Access Network)與 NGC(Next Generation Core)兩部分(如圖一):(1)NG-RAN 由手機(UE)與基地台(gNodeB)組成,手機可以透過基地台手機連接到NGC。(2)NGC 則提供身分驗證、計費、簡訊和資料連接等服務,包含 AMF(Access and Mobility Management Function)、AUSF(Authentication Server Function)、SMF(Session Management Function)和 UPF(User Plane Function)五個部分。其中 AMF 主要負責與手機溝通、AUSF 負責驗證、SMF 和 UPF 則提供 IP 位置與連線服務。

連網過程中,手機會透過最鄰近的基地台將儲存於 SIM 卡中的身分識別碼-SUPI(Subscription Permanent Identifier)在 4G 中稱作 IMSI(International Mobile Subscriber Identity)傳送給 AMF,此時 AUSF 會對 SUPI 進行驗證確保此手機是有效用戶。通過驗證後,SMF 與 UPF 便會提供 IP 位置與開放網路服務。而在驗證過程中,電信商的 AUSF 資料庫會記錄所有透過它取得網服務的 SUPI 以及其他註冊資訊。由於每個 SUPI 都是全球唯一且永久的識別碼,因此除了電信商,對有意監控手機用戶的人而言,SUPI 也成為一個極具價值的目標。

(圖一)現有通訊網絡運作時,身分驗證與網路服務由同一管道完成。圖/usenix

基地台定位系統可能成為駭客攻擊的跳板

此外,敏感資訊在前面提到的層層傳輸過程中也面臨駭客的威脅,駭客可以透過被動擷取與主動蒐集兩種方式,掌握用戶的 SUPI/IMSI 與位置資訊,並進行一連串後續的侵權行為。

被動擷取是利用手機與基地台溝通之間的漏洞來達成目的。例如,近年基地台模擬器-IMSI 擷取器(IMSI catchers)或俗稱魟魚逐漸興起,利用手機會自動連接到鄰近最強訊號源(通常是基地台),並提供自身 SUPI/IMSI 以供驗證的特性。IMSI 擷取器發送強於周圍合法基地台的訊號,藉此取得用戶的識別碼,讓監控者可以辨識與監聽未加密的用戶通訊內容,其實這種作法早已在情報單位與極權國家被廣泛地利用。

雖然現有通訊網路嘗試提供暫時性驗證碼-如 GUTI(Globally Unique Temporary UE Identity)來代替 SUPI。只要手機成功連到網路,便會用 GUTI 代替 SUPI,成為該手機的臨時標籤,減少 SUPI 暴露在網絡傳輸過程的次數。但就算 GUTI 會由 AMF 定期更換,實務經驗指出 GUTI 對於使用者隱私的保護有限,駭客仍可以透過技術將 GUTI 去匿名化,進而掌握特定個人的行蹤。

除了被動擷取資訊,駭客還可以利用基地台呼叫(paging)定位的原理主動地發動攻擊。為了能快速定位用戶位置以確保通訊服務能被送達,電信商會將數個基地台覆蓋區域組成一個追蹤區域(tracking area),並且如果有訊息傳送到閒置中的手機時,基地台會要求手機回傳臨時識別碼。駭客在不知道用戶位置與身分識別碼的情況下,可以頻繁地撥打電話給鄰近追蹤區域內的裝置再迅速掛斷。用戶手機可能根本不會跳出通知,但駭客卻可以利用追蹤區域的基地台呼叫訊息,在短時間內定位出用戶的大略位置,甚至進一步可以癱瘓與綁架目標用戶手機服務。

值得一提的是,儘管 5G 技術在保護隱私上做了許多改進。但 5G 訊號使用更高的頻段,提供高傳輸速率與低延遲服務的同時,也伴隨通訊距離、覆蓋範圍較 4G 小的限制。為了確保通訊服務便需要提高基地台密度,等於變相讓電信商與駭客能更準確定位使用者的位置。

PGPP:將身分識別驗證與網路服務分開進行

雖然個人行蹤隱私與手機識別訊息洩漏會造成龐大的社會成本,但要透過改變現有通訊網絡硬體設計,達到保護個資的目的,也需面臨設備更新成本巨大的挑戰。因此 PGPP 嘗試從軟體的角度解決問題,讓用戶可以透過 PGPP 保護自己的行蹤隱私。

「解決問題的關鍵在於,如果要希望保持匿名性,又要怎麼讓通訊網絡驗證你是合法的使用者?」Barath Raghavan 說。為了將身分驗證與網路服務的過程拆開,PGPP 使用了加密標記(Token)與代理伺服器的概念。在 PGPP 的協定中,付費用戶可以從電信商取得一個加密標記。而所有用戶第一次連接到基地台時,使用的是一樣的 SUPI/IMSI,讓使用者連結到代理伺服器的驗證畫面(PGPP-GW),並以加密代幣進行驗證。過程中電信商與駭客只能看到所有用戶都使用同樣的 SUPI/IMSI 與 IP 位置進行連網,如此一來,身分識別資訊與基地台資訊就能夠完成分離(圖二)。

(圖二)PGPP 將用戶去識別化。圖/usenix

此外,為了解決駭客利用追蹤區域基地台呼叫訊息來定位用戶,PGPP 為每個手機隨機客製不同的追蹤區域,而非傳統地由電信商定義出追蹤區域。如此一來,駭客即便取得追蹤區域編號也無法得知用戶實際所處的位置在哪裡(圖三)。

(圖三)相較傳統通訊網絡由電信商設定劃定追蹤區域(tracking area),PGPP 為每個用戶隨機劃分追蹤區域,不易被駭客追蹤。圖/usenix

為了能真實測試 PGPP,Barath Raghavan 與 Paul Schmitt 甚至成立了一家新創公司-Invisv。結果顯示 PGPP 在保護個資的同時,也幾乎不會有延遲增加、流量過載,以及其他匿名網路會遇到的延展性問題。由於 PGPP 只是停止讓手機向基地台傳送自己的身分,因此其他定位功能還是可以正常使用。

最後,Barath Raghavan 也指出現在是人類有史以來第一次,幾乎每個人無時無刻的行蹤都能及時地被掌握。但人們常常默許地將關於自身資訊的控制權交給大公司與政府,PGPP 的發明就是希望在這樣的洪流中取回一些對自身隱私的控制權。

資料來源

  1. Pretty Good Phone Privacy
  2. Is Your Mobile Provider Tracking Your Location? This New Technology Could Stop It.
  3. 4G、5G技術漏洞可讓駭客追蹤用戶地點、癱瘓手機、攔截通話內容
科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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不會跑跳的兔子會倒立,竟是基因突變所導致!
Carol
・2021/08/07 ・3137字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

大部分的哺乳動物可以隨意地轉換不同的姿態,例如步行、跑步、小跑及奔跑,有利於改變移動的速度,並且可以適應地形的改變。協調的肢體運動對於動物的生存及繁殖相當重要,位處於脊髓的中樞神經網絡則是負責調控四肢運動的能力,例如:左右腿的協調。不同動物會使用不一樣的運動方式。兔子可以跳躍,當他們進行跳躍運動(saltatorial locomotion)時,前肢會有節奏地向前移動,後肢則協調的雙側運動(bilateral movement),後肢的肌肉會同時收縮,產生移動的力量,袋鼠及其他齧齒類動物也會使用類似的動作跳躍。

一般的兔子是可以正常跳躍的。圖/Pexels

會倒立的兔子「sauteur d’Alfort

研究團隊觀察到某些馴化的家兔不能正常地用四肢跳耀,而是將後腳抬離地面僅用前腿來行走移動,看起來就像是「倒立」一樣。而這個會「倒立」的兔子,就名為 sauteur d’Alfort(後續簡稱為 sauteur)。相較於野生型(wild-type)兔子的跳躍運動,他們的運動行為很不尋常。他們經常僅使用兩隻前腳來移動,而不是使用四隻腳跳躍。在緩慢運動時,sauteur 兔子會將後肢大幅度地舉起且離開地面,來進行擺動。在高速運動時,牠們的後肢並不會和前肢協調地同步移動,而是後肢會產生偏移。這前肢與後肢不一致、不協調的擺動造成 sauteur 兔子無法有效率進行跳躍運動,因此他們在快速或長距離運動時僅會由前肢支持身體,看起來就像是人類倒立或是耍雜技。

sauteur 兔子的典型姿勢,在長距離或快速移動時會將後肢懸離地面,身體垂直,呈現類似「倒立」的姿勢,並透過前肢交替行走來移動。圖/PLOS Genetics

不但不能正常跳躍,還有盲眼的缺陷

sauteur 兔子除了無法正常跳躍之外,同時擁有視網膜缺陷的問題,牠們的眼睛天生雙盲,並且在出生的第一年就會罹患白內障。研究團隊藉由將公的 sauteur 與母個野生種兔子進行雜交。sauteur 和野兔皆為同型合子[註1]sauteur 為(sam/sam),野生兔子則為紐西蘭白種兔(+/+),並將其產下的後代進行基因比對。進一步地,藉由基因圖譜(genetic mapping)分析,並將 sauteur 兔子與野生型的紐西蘭白兔進行雜交來了解可能突變的基因區域。進而了解之所以發育缺陷,是因為 RORB 基因突變。

視網膜畸形的 sauteur 兔子。圖/PLOS Genetics

倒立兔子的外表型,與基因突變相關

從基因圖譜分析中,發現 sauteur 兔子特別的行為及外表特徵,可能與 RORB 基因有關。RORB 基因為 NR1 核激素受體家族的成員之一,先前已報導 RORB 基因缺陷的老鼠,具有視網膜退化並有運動障礙,走路的型態會像一隻鴨子般。在 RORB 基因的剪切位置(splice site)突變,會影響 RORB 正常剪切。因此,RORB 基因可作為最好的候選名單,來解釋 sauteur 兔子不正常的運動行為,及視網膜缺陷。

在 RORB 基因的第九個外顯子(exon)的末端有個剪貼位突變,這導致了三個主要的突變異構型(isoform)。圖/PLOS Genetics

RORB 基因無法正常轉錄

僅發現倒立兔子們不正常運動的基因,當然無法滿足研究人員的好奇心。他們進一步想了解的是,RORB 基因剪接位的突變,會對於 sauteur 兔子有什麼樣的影響?

研究團隊藉由 PCR 的方式,將野生型以及 sauteur 兔子脊髓及視網膜的 RORB 序列片段放大,並比較在野生型、sauteur 兔子及野生型和 sauteur 交配後所產生的後代,其體內的 RORB mRNA 片段,藉此可了解 sauteur 兔子 RORB 基因剪接位的突變對於體內生成 mRNA(信使核糖核酸)的影響。從下圖結果可發現野生型的兔子,其 RORB mRNA 不管在脊髓或視網膜都是屬於剪接位點未突變第一型(isoform 1)。不過,若是在 sauteur 兔子的 RORB mRNA,則會同時具有四種異構型(isoform 1 到 isoform 4)。因此可知,在 sauteur 兔子中,大部分的 RORB 是不正常轉錄,這也顯示與 RORB 剪切位點突變有因果關係。

橫軸顯示為不同基因型的兔子,野生型(WT)為+/+,sauteur 為 sam/ sam,而有野生型和 sauteur 雜交的兔子為 +/sam。Retina 為位於視網膜的 mRNA,spinal cord 為位於脊髓的 mRNA。 不同顏色的柱狀圖顯示為不同的 RORB mRNA 異構型。縱軸為相對比例。圖/PLOS Genetics

基因突變讓脊髓中的神經元數目大幅減少

一般來說,RORB 蛋白質會出現在兔子的神經系統,但若是 RORB 基因突變,則會導致在兔子脊髓中產生 RORB 蛋白質的神經元顯著減少。並且,sauteur 兔子在脊髓的不正常轉錄,就是因為 RORB-positive 神經元大幅減少,這個缺陷進一步導致兔子運動異常。

藉由免疫組織化學染色法(immunohistochemistry, IHC)可觀察到,相較於野生種(Wild-type),野生種與 sauteur 雜交,帶有異型合子(+/sam)的兔子後代,可以發現其表達 RORB 的神經元數量明顯下降,少了約 25%。相對地,帶有同型合子(sam/sam) 的 sauteur 兔子則無法偵測到會表現 RORB 的神經元。這顯示高比例 RORB 基因不正常轉錄會導致會表現 RORB 的神經元劇烈減少,且這樣的缺陷會導致 sauteur 兔子有著異常的外表型。

在野生型(Wild-type)的兔子中,可以偵測到許多會表現 RORB 的神經元,+/samsauteur 兔子脊髓中的神經元數目則相對野生型兔子來說減少許多。sam/samsauteur 兔子的脊髓中,則是偵測不到會表現 RORB 的神經元。圖/PLOS Genetics

綜括上述,我們可知造成 sauteur 兔子有如此的外表型,是因為轉錄因子 RORB 基因中第 9 個內插子(intron)的第一個核甘酸(nucleotide)突變。RORB 基因突變不僅倒致兔子無法跳耀,更會使得表現 RORB 的神經元大幅減少,並導致脊髓分化有缺陷,中間神經元異常分化,表達 RORB 的神經元減少,引起四肢失調,轉譯出的蛋白質也會影響脊髓正常運作。除此之外,RORB 基因所突變的核甘酸位置,在 70 個歐亞哺乳類中都是呈現保守性的。此研究結果,也與先前報導 Rorb 老鼠(RORB 基因突變的老鼠)有著退化的視網膜以及像鴨子般走路型態相以佐證。在老鼠的脊髓中,會表現 RORB 的神經元會對於把關內感感覺器(proprioceptive sensors)的資訊相當重要,可以確認突觸前抑制。在兔子的脊髓中也可能有著相似的運作機制,並導致如 sauteur 兔子的特別運動型態。RORB 除了會表現在脊髓,也會表現在腦部的許多區域,例如:主要體感覺皮質區、聽覺皮質區、運動皮質及下視丘等。因此,RORB 於腦部的功能改變於進而影響 sauteur 兔子的運動型態亦是不能被忽視的。

所以日後,我們看到兔子運動的樣子,可能就不再只是一般的跳躍模式,還可能看到如馬戲團般倒立走路兔子,而造成這種兔子運動方式的改變,是源自於基因變異。

註解

  1. 同型合子:個體內組成基因型的兩個基因相同,如:TT 或 tt。

參考文獻

  • Carneiro, M., Vieillard, J., Andrade, P., Boucher, S., Afonso, S., Blanco-Aguiar, J. A., … & Andersson, L. (2021). A loss-of-function mutation in RORB disrupts saltatorial locomotion in rabbits. PLoS genetics17(3), e1009429.
  • Rossignol, S., Dubuc, R., & Gossard, J. P. (2006). Dynamic sensorimotor interactions in locomotion. Physiological reviews86(1), 89-154.
  • Grillner, S. (1985). Neurobiological bases of rhythmic motor acts in vertebrates. Science228(4696), 143-149.
  • Ten Cate, J. (1964). Locomotory movements of the hind limbs in rabbits after isolation of the lumbosacral cord. Journal of Experimental Biology, 41(2), 359-362.
  • Boucher, S., Renard, J. P., & Joly, T. (1996, July). The’Alfort Jumper rabbit: historic, description and characterization. In 6th World Rabbit Congress, Toulouse (pp. 9-12).
  • Koch, S. C., Del Barrio, M. G., Dalet, A., Gatto, G., Günther, T., Zhang, J., … & Goulding, M. (2017). RORβ spinal interneurons gate sensory transmission during locomotion to secure a fluid walking gait. Neuron96(6), 1419-1431.
  • Carneiro, M., Rubin, C. J., Di Palma, F., Albert, F. W., Alföldi, J., Barrio, A. M., … & Andersson, L. (2014). Rabbit genome analysis reveals a polygenic basis for phenotypic change during domestication. Science345(6200), 1074-1079.
  • Schaeren‐Wierners, N., André, E., Kapfhammer, J. P., & Becker‐André, M. (1997). The ExDression pattern of the orphan nuclear receptor RORβ in the developing and adult rat nervous system suggests a role in the processing of sensory information and in circadian rhythm. European Journal of Neuroscience9(12), 2687-2701.
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Carol
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Carol|生科系畢業,喜歡植物,喜歡小丑魚。

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鄭國威 Portnoy_96
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針對手機電磁波對腦的影響所做的實驗跟調查非常多,絕大多數「並無法證實」手機電磁波能對腦部造成什麼影響,例如腦癌,最近的美國國家衛生研究院(National Institutes of Health,NIH)報告雖然顯示,手機的確會增加大腦接近手機天線部份的葡萄糖代謝,顯示它促進大腦活動,但也僅止於此。至於曾有謠言說三支手機同時響起,放在中間的荷包蛋都會熟,或是手機講久了連腦都會烤熟之類的…我想如果真的熟了,自己應該會先聞到香味吧…離鼻子那麼近…

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讓我們先把上半身放在一邊,回到本文的重點下半身:相較於有許多研究探討手機電磁波對腦的影響,對手機電磁波與生殖能力間關聯的研究就顯得少了,然而我相信,關心「小頭」的絕對不少於關心「大頭」的人。Salamat等人組成的研究團隊也想知道手機對性行為的影響;循慣例,當人類好奇心一起,動物就遭殃了。

要說遭殃,也不全對,畢竟在這個實驗裡頭,作為實驗對象的成年雄兔們可說是享盡豔福。這篇研究2010年發表在國際性無能研究期刊(International Journal of Impotence Research)上–竟然有這種期刊!–之前雖然有其他研究探討人類跟其他動物的睪丸,若接近手機會有什麼反應,但這篇論文則是首次直接針對性行為下手。研究一開始,先找來一堆年輕氣盛的雄兔,每隻雄兔都可以盡情跟眼前的雌兔大戰三分鐘,三分鐘一到就休息三分鐘,然後轉檯換下一隻雌兔,然後連續六次…這樣的狂歡每週一次,連續三週…目的是為了要確定雄兔的性能力正常(很遺憾,沒有辦法做人體實驗..Orz)。

接著就是實驗重點了:他們把雄兔放在無法轉身的小籠子裡,然後在睪丸正下方放了一台待機中的手機,每天要待在這個環境中8個小時,連續長達12週(…還好,沒有人體實驗…囧rz)。手機是什麼廠牌,哪家電信,不得而知。在這個環境下待那麼久,很有可能會感到高度壓迫,影響實驗結果的信度跟效度,所以就設計了另一組兔子,一樣放在小籠子裡,唯一的差異是手機是關機狀態,作為對照。

12週裡頭,每兩週測量一次直腸體溫以及「壓力賀爾蒙」皮質醇「性賀爾蒙」睾酮、以及「情緒賀爾蒙」多巴胺。12週過後,又到了酒池肉林的時刻了(感覺好像當兵放假…),比照之前的作法,雄兔又遇上了雌兔,這次更猛,連續兩周,每週三次,每次輪流由六位雌兔陪伴,三分鐘就轉檯。目的就是要讓雄兔產生「柯立芝效應」,最後精疲力盡。(蚵立芝效應的典故蠻好笑的,請看Wikipedia)

結果呢?不管是實驗組還是控制組的兔子都一樣飢渴,而且在三種賀爾蒙的測量上都沒有顯著差異。

比較有趣的是,從上圖中可以發現,第2隻雌兔讓所有雄兔都彷彿變回國中生那般血氣方剛,但除此之外,每隻雌兔都成功吸引了雄兔。研究的另外一個算是發現的發現,是射精次數。

MP這組,也就是實驗組的兔子,不管面對哪支雌兔,在射精次數上顯著低於其他兩組控制組,這就讓人有點擔心了。下圖則是各組交配次數跟射精次數的圓餅圖,可以明顯看出MP這組交配次數最多,但是射精次數比例最少。

不過即使找到了這個應該注意的發現,Salamat等人卻說:「這可能是因為動物未能勃起或射精」(This may be attributed to failure of the animals to attain an erection or accomplish ejaculation)…這還要你說嗎?而且還是可能?那不就是猜的嗎?研究結論也怪怪地,竟然一下子就導向「氧化應激」(Oxidative Stress),而且還是腦組織裡頭的氧化應激,可是整個研究從頭到尾也沒有調查腦,更沒有調查氧化應激XD,而且就算手機輻射真的對兔子腦發生影響,那也很難說對人類會造成類似影響,畢竟(應該)沒有人每天連續講手機8小時長達12個禮拜啊。

所以說呢,即使這個實驗結論很不靠譜,實驗設計有點小問題,但實驗結果倒是可以參考的…你的手機還是常常放在褲子口袋裡頭嗎?

註:氧化應激(oxidative stress),即機體活性氧成分與抗氧化系統之間平衡失調應起的一系列適應性的反應。對人類而言,氧化應激涉及許多疾病,如動脈硬化症帕金森氏病阿茲海默病。(根據維基百科)

資料來源:
Friday Weird Science: Rabbits, Cell Phones, and Sex

Salama, N., Kishimoto, T., Kanayama, H., & Kagawa, S. (2009). Effects of exposure to a mobile phone on sexual behavior in adult male rabbit: an observational study International Journal of Impotence Research, 22 (2), 127-133 DOI: 10.1038/ijir.2009.57

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是那種小時候很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛,所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。怎知長大後竟然因為諸般因由而重拾科學,與夥伴共同創立泛科學。現為泛科知識公司的知識長。

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可發展 6G 無線通訊,還能超感知透視!科技新星「太赫茲技術」到底是什麽?
科技大觀園_96
・2021/08/03 ・5035字 ・閱讀時間約 10 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

「太赫茲」是物理單位,英文為 Terahertz(THz),字首「Tera-」是 1012 的意思,所以太赫茲就是 1012 赫茲,也就是每秒 1012 次的意思,亦可翻譯為「兆赫茲」。目前常聽到的「太赫茲」,其實是指太赫茲波段,就是電磁波的一組特定波段,頻率範圍是 0.1 THz~10 THz,對應電磁波波長為 3 mm~30 µm,介於微波和可見光之間,因此也稱為毫米波和次毫米波。

研究太赫茲技術的清華大學電機系助理教授楊尚樺認為,對一般人來說,「太赫茲」依然是陌生名詞,因此就像之前的「奈米」和「量子」一樣,被許多廠商拿來當成行銷用語。 

橘色區間為太赫茲波段。圖/沈佩泠繪

太赫茲波段有什麼特別的?

楊尚樺強調,太赫茲波有三個特點:辨識化學分子、透視和不破壞生物體。不同波段的電磁波和物質都有很特殊的交互作用,比如說可見光就和人眼細胞有互動(註 1),柱狀和錐狀細胞可以感知可見光波段。相對地,太赫茲波可以辨識出特定的化學分子,得知物質成份,可應用在分析藥品、毒品或蛋白質的種類等。 

另外,太赫茲波可以做到「透視」,人眼看不到的東西,太赫茲波可以穿透表層到達內部。以行李箱為例,太赫茲波可以偵測行李箱裡面是什麼,可應用於機場安檢與毒品檢測。而且太赫茲波不僅可以檢測固體,還可以檢測液體和氣體。 

太赫茲波影像檢測的特點。圖/沈佩泠繪

 太赫茲波的「透視」有別於 X 光檢測。人體的生物分子(如 DNA、RNA)照射 X 光會受損,因為光子能量太強,容易把分子裡的電子打出來,成為游離電子;而失去電子的分子變得不穩定,會引發人體罕見與不正常的化學反應。反之,太赫茲波的光子能量很小,無法破壞生物分子,更無法將分子內的電子游離出來,因此太赫茲波對生物體是安全的。 

太赫茲波可以做到非破壞性的偵測,很適合工業製造與品質管控的應用,例如半導體廠在晶片封裝之後,檢查內部有無斷線,或是評估 3D 晶片封裝是否完好;藥廠則可以檢查膠囊成品內部有無破損等。

太赫茲技術前景看好

提到當初為什麼想要研究太赫茲技術,楊尚樺笑著說:「其實是有點誤打誤撞。」2011 年楊尚樺申請密西根大學博士班面試時,未來的指導教授Prof. Mona Jarrahi 提到實驗室是做太赫茲技術,這是他首次聽聞這個名詞。當時臺灣僅有少數團隊研究太赫茲科學與技術,多為物理系或應用物理的學者,太赫茲相關元件(發射器或接收器等)也很難取得。 

跟隨著 Mona Jarrahi,楊尚樺從太赫茲最重要的元件「太赫茲發射源」(terahertz emitter)開始接觸,博士班念到第 4 年和第 5 年時,他開始懷疑這項技術是否在 10 年內真的有出口。「因為遇到的困難比你成功要多很多,幾乎都是困難的,看不到出口的,出口的光相當微弱」,楊尚樺說道。 

甚至後期和指導教授 Mona 討論未來任教是否繼續研究太赫茲技術時,楊尚樺坦白和 Mona 說不會。當時專注在工程技術的楊尚樺認為,在許多人類所需的工程應用上,太赫茲很難和其他相對成熟的領域競爭,前景相當限縮。Mona自然不這麼認為,卻也沒有多說什麼。 

後來,在申請教職的期間,楊尚樺從更全面的角度看待太赫茲技術,不只看業界技術和資金來源,更看向 10 年後和 20 年後的研究發展。他認為如果太赫茲元件能夠量產,且 6G 無線通訊帶來大量市場需求,應可克服許多困難。再來,太赫茲研究對於學界是有挑戰性的問題,不僅符合臺灣半導體、電子、光電通訊產業的脈絡,又有很多題目,可以做長期的研究,很有發展前景。

檢測晶片內部破損、超感知透視藝術文物

現在楊尚樺實驗室的研究核心是太赫茲裝置(Terahertz Device),可分為主動元件和被動元件。主動元件包括最重要的太赫茲發射源或是太赫茲探測器被動元件則有太赫茲透鏡或太赫茲的訊號與空間調變器等。有了這些元件,就可以做出想要的太赫茲系統。 

楊尚樺目前已做出一套影像系統,用於工業破損檢測時,可以看出晶片內部的破損,或是看太陽能板裡面的隱裂位置和大小。這套影像系統還可以用來觀察植物,例如豆莢內部的豆子長得如何,以及水分子輸送的情況。生醫用途上,也可以從混和物中準確辨識出血糖、胺基酸和蔗糖的成份與比例。以上,是屬於太赫茲光譜學(Terahertz Spectroscopy)的應用。 

與影像系統有關的,還有超感知(Super sensing)的研究,例如太赫茲波可以直接看透一本書,在不碰觸到書的情況下,把每一頁的訊息解析出來。而且太赫茲波段不會破壞物質分子,也相當適合用來解析故宮文物,讓文物修復更順利。楊尚樺笑著說,如果有機會的話,真的非常想看看裡面藏有什麼祕密。 

楊尚樺指出,2013 年國外太赫茲團隊曾經發表過一項有趣的研究。知名的西班牙畫家 Goya,平常在作品上一定都會簽名,但是有一幅畫作「Sacrifice to Vesta」很特別,從整體風格來看,大家都認為是 Goya 畫的,卻看不到簽名。 

因此 C. Seco-Martorell 等人就用太赫茲影像系統解析了這幅畫,才發現原來 Goya 把自己的簽名簽在畫作底下,被上層的顏料蓋住了,他們將結果發表在光學期刊《Optics Express》(參考資料 1)。  

畫作「Sacrifice to Vesta」不同透明度的影像。(a)是原始畫作,(b)是可見光與太赫茲成像各占一半的情況,(c)則是 100% 太赫茲的成像情況,可以看到原作底下隱約有一位頭部朝左的女人。圖/參考資料 1
將畫作「Sacrifice to Vesta」的太赫茲成像加以放大,團隊終於在右下角找到 Goya 的簽名痕跡。(a)是原始畫作的太赫茲成像,(b)是畫家Goya的簽名對照組,(c)(d)(e)則代表 Goya 隱藏簽名在不同振幅強度的太赫茲成像,(c)是最大振幅,簽名圖像最為清楚。圖/參考資料 1

從影像系統邁向 6G 應用

除了影像系統外,楊尚樺團隊也努力將太赫茲技術應用在 6G 無線通訊的產業鏈之中。目前的工作主要是將 5G 的通訊系統頻率範圍轉移到太赫茲頻率範圍(0.1 THz~10 THz),同時要把很高速的訊號加載在太赫茲的載波頻段(註2)上,目標是做到每秒可傳輸 1012 位元,也就是在一秒要加載 1012 個 0 或 1。 

現在相關研究遇到了一些困難,與太赫茲元件有關。雖然從 5G 到 6G(太赫茲頻段)的頻寬擴大許多,但是系統的發射端和接收端是否能夠運作?如果太赫茲發射源能量很低,訊號很難到達接收端。如果太赫茲接收器不夠靈敏,也很難獲取資料,並且也要確保龐大的資料量得以順利解碼。 

為了評估通訊系統是否夠好,也可以從訊噪比(訊號和雜訊的比例,Signal-to-noise ratio)來看,如果訊號和雜訊的比例愈高,訊號就愈乾淨,也更容易成功解碼。因此,提升訊噪比也是將來改善的重點。

仍有重重困難有待突破

太赫茲系統為什麼難以量產?相關元件非常昂貴,市面上買不到整套消費級的太赫茲系統,一套系統造價約數萬到數十萬美元,公尺級別的大尺寸也相當占空間。 

楊尚樺表示,目前技術的最大問題在於「太赫茲發射源」,大家還不知道如何做出完善、實用、微小又可在室溫環境操作的太赫茲發射器,只能先借助過去的知識幫忙。太赫茲波段落在微波和可見光之間,是電學領域和光學領域的交集地,微波那端研究電學的人,會想要把頻率做高,靠近太赫茲波段;但是元件頻率愈高,電容影響愈大,輻射功率會急速下降。 

另一方面,電磁波段高頻那端研究光學的人,會從材料著手,通常會選用不同能隙(energy gap)大小的材料測試,比如說藍光 LED 的氮化鎵(GaN),能隙大,輻射出的光子頻率較高。如果要將輻射頻率降低,靠近太赫茲波段,能隙要夠小,但自然界找不到可以直接輻射出太赫茲波的窄能隙材料,必須要用特殊的技術才有辦法達成。 

即便達成了上述的窄能隙條件,例如輻射出頻率 1 THz 的光子,對應的能隙能量是 4 meV(milli-electron volts,能量單位),這個能量已經小於室溫下電子熱擾動的動能(幾十個 meV),所以很難控制每個電子從能隙掉下來的時機,以便讓材料發出一致的同調光。必須要在極低溫,例如低於 -196.15 °C(77 K)的液態氮環境下,才有辦法達成。 

楊尚樺強調,不論是電或光的方式,都很難在太赫茲波段輻射出足夠的功率,也就難以做出好的太赫茲發射源。發射源就像一支手電筒,如果不亮(功率不足),就無法探測周圍的環境,更不用說還要傳遞什麼訊號了。 

「太赫茲發射源」目前還沒有找到完美的解決方案,不過楊尚樺團隊已經可以做到足夠亮的發射源,下一步要往可量產、輕巧化的太赫茲發射源邁進。為了搭配臺灣在半導體製程的專業,除了主流的 III – V 族光電元件之外,更開發 IV 族光電元件,目前實驗室已可獨立實現這兩類的主/被動元件。 

楊尚樺團隊的 10 年研究目標是將整個太赫茲系統微縮到晶片大小(毫米等級,mm),這樣才有辦法讓太赫茲技術進入一般民眾的生活。

年輕學者如何在教學與研究中取得平衡?

在清大做研究的負擔很重,而楊尚樺也熱衷於教學,所以兩邊都忙,「我也不知道我有沒有取得平衡。」楊尚樺笑著說。他認為一般人都會直觀認為教學就是在課堂上教學生,但其實研究同時也是教學,因為必須讓本來習慣在課本做習題的學生,轉換成可以實作的初階研究者,這本身就要花很多心力教導。同時,行政角色上的導生,又或是其他系的學生,如果對太赫茲研究題目有興趣,他也會予以指點。 

「總之,做就對了!」他說道。在授課的同時,自己本身也會感受到某方面知識不足,會特別去學習。還有,因為在教學時強烈感受到每一屆學生思考模式都不同,所以楊尚樺認為不可能用同一套教學方法教 3 年,必須要想新招。每次看到學生學會知識有所成長,心中就很有成就感。

楊尚樺勉勵大學生要做自己有熱情的事。圖/簡克志攝)

要做自己有熱情的工作

楊尚樺認為,從他帶過專題的清大大學部學生和研究生來看,絕大多數都很積極,有很多東西想學。甚至有的學生不只在他這邊做研究,也同時要求自己在臺灣大學或是中央研究院做其他領域研究。通常多工的研究路線會需要儲備更多的專業知識,以及分散研究力道,導致多方都做不好的情況。而這些學生卻產出了不錯的成果,讓他感到相當驚訝。

不過,楊尚樺也提到,就他在學校的觀察,清大表現不錯的學生,普遍也都非常焦慮。即便在課業上、研究上、綜合表現上的成果在他看來已經相當出色了,但學生依然覺得想要再多做一些事情補強。這種好學和堅毅的態度,楊尚樺打從心裡給予高度肯定。然而,讓他覺得不好的原因在於:學生無法專注做好一件重要的事。若伴隨著患得患失的心態,卻沒有發展適合自己的主要路線,即便真的做了更多的事,表現往往也不會更好。換句話說,學東西不是因為想要學多而去做,而是自己本身有強烈的動機想要專注學習。 

楊尚樺看過一些很厲害的學生,他們並沒有一個好的目標,而且做事時會很快去計算短期之內能夠看到什麼樣的效益。沒有看到可能的效益,就很有可能會轉向。這些學生不怕做事情,怕的是沒有看到短期內的回饋,這其實不是好的學習態度,因為有些工作的效益,是不能只看短期的。 

最後,楊尚樺也勉勵清大的學弟妹,要做自己有熱情又喜歡的事。因為如果你在做「別人」認為不錯的事情時,若這件事和你的興趣並不相符,當過程中遇到挫折時,就很容易考慮要不要往另一個方向走,而沒有辦法堅持下去。 

但是,如果你是做自己有熱情的事情時,不管遇到什麼困難,你會廢寢忘食地不斷破關,獲得很多技能,當解決一個難題之後,你還會願意挑戰下一個關卡。看到的危機多了、功夫下得深了,你就比別人有更好的危機處理能力。堅持的道路上走得會比別人長、比別人久,你的獨特性就出來了,就比較容易出類拔萃。 

注釋

  • 註 1:不只人眼細胞,許多地球上的生物都和可見光有互動
  • 註 2:載波頻段(Carrier frequency band):用以乘載資料的電磁波頻率區間。 

參考資料

1. Seco-Martorell, C., López-Domínguez, V., Arauz-Garofalo, G., Redo-Sanchez, A., Palacios, J., & Tejada, J. (2013). Goya’s artwork imaging with Terahertz waves. Optics Express, 21(15), 17800. https://doi.org/10.1364/oe.21.017800

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