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太空英雄也是凡人

陸子鈞
・2012/08/19 ・1481字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

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如果要選一本書打破太空英雄的形象,我想就是瑪莉‧羅曲這本《打包去火星》了吧。在這本書中,羅曲揭露了太空英雄英勇形象背後的一面。但也或許因為這些英雄和地表上的芸芸眾生一樣有各種生理需求,也得應付複雜的心理狀態,所以才更顯得他們是英雄吧?

上太空其實和搭飛機一樣,乘客進入一個交通工具,交通工具啟動,然後就到了目的地。差別在於你身上穿的不是輕鬆的夏威夷襯衫配短褲還有夾腳拖,而是幾公斤重的太空裝;座位比經濟艙還小;比遭遇亂流還劇烈的搖晃;除了不能帶乳液登機之外,行李超重的成本是半公斤幾千美金計費!航程從最長十幾小時變成十幾天,途中還沒有親切的空姐推著餐車問你要吃魚還是豬,更別提難喝但至少還喝得到的紅酒或咖啡。

不只時差,上太空的一切都變得不一樣。像是在月球上因為沒有風、水的作用,所有塵土都變得非常尖銳,再加上缺少地磁,月表充滿了靜電,塵土全都附著在儀器上。

太空環境高輻射、低壓,最重要的是-重力變得非常微弱,甚至不存在。

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少了重力,我們生活中的一切-吃、喝、拉、撒、睡都會變得非常不一樣。用餐的時候食物不會安穩躺在盤子裡,可樂在太空也因為沒有重力,氣泡無法浮到表面;就算花了四十五萬美金研發出「無重力販賣機」,還會因為氣泡無法浮到胃的上方,太空人喝了會打嗝困難!

更別提在地表上的我們,幾乎每天都會掀開馬桶蓋,排入代謝或消化後的「產物」,按下沖水鈕,一池漂亮的漩渦帶走所有煩愁-在無重力環境下日常的如廁變得一點都不尋常。少了重力,身體很難感知到膀胱裝了多少尿液;少了重力,尿液無法形成一道完美的弧線,還會因為表面張力黏附在體毛上;少了重力,肛門括約肌不能順利和大便分手,會藕斷絲連,難分難捨-而大便是否能形成完美的棒狀或球狀,又是另一回事了(如果太空人腹瀉,大概不亞於阿波羅十三號的悲劇……)。

由此看來,最好太空人能夠不吃不拉(如果徵選太空人像《千鈞一髮》一樣,所有選汰都依照天生條件,那麼有便秘體質的人很有機會上太空)。不過這不可能,所以地表上有一群最聰明的人-上千名各領域的科學家,在替十來位太空人想辦法解決太空任務中會面臨的問題,像是太空人嘔吐的話,得避免嘔吐物在太空衣中塞住氧氣管。太空人也得重新學習如何穿衣服、洗澡、用餐、上廁所-就像小孩子一樣。

和《千鈞一髮》(GATTACA)同年的喜劇電影-《火箭人》(Rocketman)劇情安排前往火星的途中,主角的冬眠艙故障,於是八個多月的航程都醒著。這在十六章-吃你的褲子,也有討論到,其實是蠻麻煩的問題。

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常常這些辛苦努力顯得荒謬。花這麼昂貴的代價還有心血,只為了把人類送上太空,登月、登火星。值得嗎?

我認為這就是科學最浪漫的地方。1997年,NASA花了2億8千萬美元將探測車送到2億多公里以外的火星上,一群工程師在監控畫面前歡呼,其實就跟小孩子拼裝出遙控車,並讓他跑了一圈一樣的-只是所有規模都放大好幾倍。還有在地下打造直徑約九公里長的大型強子對撞機(LHC),只為了回答物理學的基本疑問(如果預算許可,我想不到他們不打造赤道大小的LHC的理由)。科學研究是否和我們的生活有關是其次,更重要的是滿足我們內心說不出來卻又真實存在對這世界的好奇心。就像星系天文學之父哈伯所說的:「人類備有了五種感官,開始探索四周浩瀚的宇宙,並且稱這趟冒險之旅『科學』。」(Equipped with his five senses, man explores the universe around him and calls the adventure Science. )

最後,如果你問我看完《打包去火星》會想上太空嗎?我會說,不了,我還是搭經濟艙去參觀詹森太空中心就好。

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陸子鈞
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Z編|台灣大學昆蟲所畢業,興趣廣泛,自認和貓一樣兼具宅氣和無窮的好奇心。喜歡在早上喝咖啡配RSS,克制不了跟別人分享生物故事的衝動,就連吃飯也會忍不住將桌上的食物作生物分類。

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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微重力下的挑戰!太空艙內除了上廁所以外,太空人還會遇到哪些生理問題?——《把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民》
三民書局_96
・2023/07/11 ・2898字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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人類探索神秘宇宙的步伐從未停下。目前,宇宙中有多個「太空站」,太空人會在太空站中進行實驗。但他們的生活狀況為何?和地球有何區別?

太空人的生活並不神祕,但以常人眼光來看,可能會覺得別有樂趣。畢竟在太空環境下,沒有地球重力,許多事情都變得「難以想像」。

擁擠的太空艙是太空人賴以維生的窩 任何資源都不容浪費

由於太空站的使命,是讓人類可以長期在那裡進行科學研究。太空站一旦進入宇宙,就不能再回到地球了,所以太空站中擁有所有生活起居需要的東西。人類送到太空的第一個太空站,是前蘇聯 1971 年的禮炮1號,在同年這個太空站被燒毀前,就已經足以承擔太空人生活 23 天的重任。

太空站的使命,是讓人類可以長期在那裡進行科學研究。圖/envatoelements

大家可以想像一下,太空中沒有重力,人類的排泄物可能會「亂飛」。這肯定是不能接受的,所以太空站中有一種設備,它會產生一些氣流,讓人類排出來的大小便朝一個固定方向流動抽除。這項設施,其實充當了地球重力的作用。整套設備在太空博物館中就有(在太空博物館中,你還可以瞭解許多失去重力後的生活方式)。

當然,太空人排出的大小便並不是直接「丟棄」到太空!像水資源,它在太空中十分寶貴,所以人們的尿液都會經過處理後再次飲用,糞便中的水分,也要經過處理完全提取出來,然後讓它變成一坨硬硬的東西,包裝好存放起來。至於糞便的後續處理,它可能應用於很多地方。比如糞便裡有細菌,就可能用於培養火星的土壤,或是帶回地球繼續做研究。

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氣壓是否不同?人還會不會排氣?

其實排氣放屁是人的生理功能,在太空站中,人的所有生理功能都不會變差。至於是否排氣,必須要看太空人吃了什麼東西,這跟自身腸胃功能有關,與太空的環境關聯不大。

太空人在太空中不是很「喜歡」吃東西,因為吃多就會上很多次廁所。但在太空中,上廁所的位置很小、很麻煩,所以大家吃的都很少。

一些太空站上會出現的食物。圖/維基百科

太空艙裡面的空氣如何?

最初,太空艙內、太空人的太空衣都是「純氧」的,最主要的原因是不想裝太多的氮氣,因為它太「重」了。

然而使用純氧的太空艙後,我們遇到了一個問題:大家都知道第一個到太空的太空人是加加林,但實際上他並非選定的第一人。之前,在做地面測試的時候太空艙突然著火,由於純氧易燃,當時的太空人直接在裡面發生了意外。

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而後美國也有 3 名太空人由於電線短路,被燒死在純氧的太空艙中。於是我們決定改善氣體結構,讓它的組成成分與地球一樣。所以,像和平號、國際太空站、太空梭、神舟和天宮號上的空氣,都和地球的大氣一樣。

不過,太空人有時候要到太空站外工作,這時他們出艙服內的氣體必須是純氧,這樣氣壓相對會比較小,可以讓他們胳膊和腿部的關節自由彎曲。所幸目前為止,太空人穿純氧出艙服出艙近 400 餘次,尚未發生意外傷亡事故。

太空人出艙執行任務。圖/維基百科

讓太空人在太空生活,沒有重力,身體生理機能處於高度失水狀態,吃喝拉撒也比較困難,我們當然要想辦法讓他們的呼吸儘量順暢啦!所以才為他們提供和地球一樣的家鄉氣體條件。

太空人會不會缺乏陽光?

在太空站中,每 45 分鐘,就會經歷日出、日落,在地球上則是 12 小時。但太空人睡覺的時間還是正常的,比如你想加班,那就睡 4、5 個小時,不加班就睡 8 小時。

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有人會擔心,太空人在太空站中,是一個昏暗的環境,只有燈光。沒有太陽的照射,人體內會不會缺乏一些營養物質,從而影響身體健康?其實,我們需要陽光照射,是由於太陽光照射皮膚後,人體內會產生維他命 D,它可以幫助身體吸收食物中的鈣。

所以,在太空中,太空人都會帶著維他命 D 片,這個問題也就不存在了。當然,太陽光是一個讓太空人生活環境舒適的必備條件。好在太陽每 45 分鐘就升起、落下,問題不大。

太空人會基因突變?

說到這個問題,就不得不提及之前的一則新聞了:有報導稱太空人在太空待了 340 天,回到地球以後,發生基因突變,和他的同卵雙胞胎兄弟有了不同,為什麼會這樣呢?

實際上,這兩名太空人在 NASA 非常有名,史考特・凱利馬克・凱利是一對同卵雙胞胎兄弟,NASA 對他們進行了實驗。讓史考特到太空中去,而馬克留在地球,觀察他們的基因表現。據新聞報導,史考特在太空中發生了 5% 的基因功能變化。從事實來看,並非史考特的基因發生了突變,而是基因的「打開閉合方式」出現了變化。

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我們都知道,基因是有功能性的 DNA 片段,DNA 是一個雙股螺旋結構,它會不定時的打開、閉合,並在打開的過程中,在細胞核中複製單股信使 mRNA,而 mRNA 脫離細胞核進入細胞質後,開始指揮身體製造所需的蛋白質組織,如頭髮、指甲、腸壁、紅白血球和荷爾蒙等等。人類在地球的環境下生存,DNA就會有適應地球重力環境的打開、閉合方式。同樣,在太空中,它會適應太空無重力環境,產生一定程度的變化,史考特的變化也是因此而來。

貧血、肌肉流失、骨質疏鬆 無重力下的生理問題

其實在太空生活,還有許多要注意的事情。比如,生活久了,你每天要做 4 小時的衝擊運動,讓自己的骨骼受到衝擊力。在地球上,我們走路、跑步,膝蓋都會受到衝擊。但在太空中,不會有這樣的「衝擊」,因此,骨細胞會偷懶減產,人體就會主動降低骨骼的強度,等他回到地球的重力場,再進行走路、跑步等活動,就很有可能受傷!

太空人正在做衝擊運動。圖/維基百科

還有,在沒有重力場的情況下,人體只能容納在地面情況下 95% 的水分,其實是處於極度缺水的狀態。體液一減少,體內紅血球、白血球又開始偷懶,產量會相對減少,人就會貧血,對細菌的抵抗力也會降低。諸如此類,都是太空人可能遇到的問題。

太空實驗不易,人類太空科學的進步,必須要這些英雄們為我們做出貢獻。如此,太空科學才能一步步發展起來。

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最後,讓我們向太空人致敬!  

——本文摘自《把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民》,2023 年 6 月,三民出版,未經同意請勿轉載。

三民書局_96
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創立於1953年,為了「傳播學術思想,延續文化發展」,60年來默默耕耘著書的園地。從早期的法政大學用書、三民文庫、古籍今注新譯叢書、《大辭典》,到各式英漢字典及兒童、青少年讀物,成立至今已出版了一萬多種優良圖書。不僅讀者佳評如潮,更贏得金鼎獎、小太陽獎、好書大家讀等諸多獎項的肯定。在見證半個世紀的社會與時代變遷後,三民書局已轉型為多元、綜合、全方位的出版機構。

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在外太空好睡嗎? 無重力下,身體會有什麼變化?
PanSci_96
・2023/03/27 ・2850字 ・閱讀時間約 5 分鐘

2022 年底到 2023 年全年的宇宙,很熱鬧!

先是維珍銀河(Virgin Galactic)2022 年開賣太空旅行票,預計 2023 年第二季成行;貝佐斯的藍色起源 (Blue Origin)則在 2022 年完成了第 6 趟商業載人發射;至於馬斯克的 SpaceX,把富豪送上太空站已經見怪不怪了。

不過,宇宙對土生土長的地球人可是充滿未知風險的,人類對一件攸關性命的事仍然充滿疑問:人上了宇宙,身體會發生什麼變化?而我們又要怎麼應對呢?

人類在太空會發生的事,線蟲知道!

平民宇宙飛行成真之前,有意競逐太空的各國政府和企業都要先搞清楚一個關鍵問題:太空對地球人的身體有什麼影響?短期停留和長程旅行個半年一年,又有什麼樣的差別?

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解密的鑰匙在一個小小的生物身上:線蟲。

2022 年 11 月,15 萬隻秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)大軍上了太空。線蟲的長度大約 0.1 公分,從孵化到成蟲只要 3 天左右,全身上下只有大約 1000 個細胞,每個細胞都能被追溯發育過程;又有簡單的神經網,而且許多基因和人類有相似性,為一種非常常見的實驗動物。

日本東北大學研究團隊把一批體內神經元用螢光蛋白標記好的線蟲送上國際太空站,交給太空站的日籍宇航員進行試驗,紀錄牠們由孵化到發育成成蟲的過程,目的是追蹤宇宙的微重力環境對線蟲會造成什麼影響。

他們發現線蟲的肌肉蛋白質和粒線體內代謝酵素減少、體長縮短、運動能力變差,並且多巴胺的分泌量也下降,不過背後的原因還不清楚。多巴胺是一種神經間傳遞訊號的化學物質,和調節身體動作、學習、情緒等有關。人類如果缺乏多巴胺會出現肢體動作障礙,最明顯的疾病就是帕金森氏症。

他們也在部分線蟲的培養皿裡加進許多塑膠小顆粒,讓塑膠粒時時碰觸到這些線蟲,結果發現,有碰觸的線蟲和沒有碰觸的相比,多巴胺減退比較少,運動能力也比較好。東北大學團隊提出的看法是:「除了運動外,『接觸』的刺激很可能是人在太空長保健康的要素」。

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「接觸」的刺激很可能是人在太空保健的要素。圖/Envato Elements

如果假設被證實的話,接下來就有機會特別設計出一套能刺激肌肉的接觸療法,例如按摩或指壓,上太空的人就不必每天耗一大段時間運動了。

不過,線蟲到人類離得很遠,要等到成果恐怕還需要花不少時間。

一上宇宙,身體馬上知道!

自從第一個太空人上宇宙以來,斷斷續續有小規模試驗記錄太空人的身體變化,從中可以歸納出許多「太空症狀」,我們舉出前 5 種最有感的改變當作例子:

一、水分跑到上半身,變成滿月臉

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一到了宇宙,少了重力把身體的血液往下拉,加上腿部本來有許多塊肌肉,只要一站起來或走動,就會像幫浦一樣把血液往上推擠,避免積存在下半身;於是不少太空人上太空頭幾天就發生上半身水腫,最明顯的是兩腿變細像鳥腿,還擁有一張又紅又脹的圓臉。

二、暈太空艙

搭乘太空艙也會發生類似的「動暈症(motion sickness)」症狀。眼睛告訴我們在移動,位在耳朵深處負責身體平衡感和空間感的前庭系統卻難以判斷上下左右,兩者衝突會讓人感到頭暈、噁心、嘔吐。

三、睡不著,睡不好

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在宇宙會失眠的原因還不完全明朗,推測和生理時鐘的晝夜節律被打亂有關,與大腦的水分分布改變有關;還有其他因素,如:說狹窄空間的壓迫感、身在危險環境的緊張感,可能也會導致睡眠變差。

在宇宙會睡不好。圖/Envato Elements

四、眼睛容易出問題

太空人的眼球變形、視神經發炎,視線變模糊,有些人甚至無法完全康復,目前的假說是眼睛受到腦部組織液的壓迫,把眼球和視神經「壓壞」了。舉個實例,美國太空人菲利普斯(John Phillips)先前在國際太空站待了半年,視力從 1.0 降到 0.2。

再加上宇宙裡無時無刻有輻射線穿透太空艙的防護壁,也連帶會損傷眼睛,例如提高水晶體變成白色混濁的機率,也就是俗稱的白內障。

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五、肌肉和骨質流失,這可能是最嚴重的太空健康問題

在地表因為有重力,不論提、拉、扛、站都需要使勁,一旦到了太空,你的身體會判斷肌肉沒有必要強而有力,肌肉合成量因此變少;骨頭也不必堅固到撐起全身,不用那麼努力生成骨骼組織,鈣質也就流失了。

因此進入太空的人,最明顯的症狀就是肌肉變鬆垮、手腳沒力,最明顯的就是下半身肌肉萎縮。骨質以每個月 1% 到 1.6% 的速率流失,1 個月的損耗量就超過地球的 1 年;也因為骨鈣大量從尿裡流失,容易得腎結石。

其他的太空症狀,還包括免疫系統變弱、造血功能可能變差、肺部容積下降等,也都是需要面對的問題。

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如何克服這些人體變化

直到目前,其實都還沒有很好的辦法。

最常見的做法是要求太空人每天花大量時間運動,例如踏上跑步機每天快跑、用阻力訓練機進行重量訓練、踩固定式腳踏車鍛鍊心肺功能,保持肌肉、骨骼和心血管的強度。不過這只是治標,不能治本,只能減慢肌肉骨骼的流失速度,而且在太空中的運動成效差,舉例來說,在跑步機上 2 小時,大約只等於在地表跑 20 分鐘的效果。

好消息是,一些應用的研究已經開跑,把人在太空發生的退化和衰弱現象,類比到肌少症、帕金森氏症、多發性硬化症等肌肉或神經退化性疾病,觀察小動物在太空中從分子層面到生理層面的變化,想找出地球上病人生病的原因和解方;例如:接觸療法有機會用來刺激帕金森氏症患者的大腦分泌更多多巴胺,改善手腳顫抖、走路小碎步的症狀。

另外,也有新創企業把大腦神經細胞和微膠細胞(microglia)裝在培養箱帶上太空站,微膠細胞是一種能在腦內環境發揮免疫功能的細胞,科學家懷疑它因為某些不明原因暴走,損傷到腦神經細胞,是導致神經退化性疾病的原因之一。在微重力環境下,的確可以誘發培養箱裡的微膠細胞出現異常行為,抽絲剝繭找出是哪些基因和蛋白質失控,或許就可以解開腦部病變的謎團。

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人類一上到宇宙,就會出現一連串的「太空症狀」。圖/Envato Elements

整體來說,太空醫學發展的速度比起太空飛行技術進步慢了非常多,這是在未來平民太空時代勢必要彌補的落差。

不過,現在也有一些大學開始設立太空醫學課程,例如倫敦國王學院今年 9 月要開課的航空太空醫學(Aerospace medicine)碩士班,這現象一方面顯示出市場有迫切的需求,一方面也透露出「宇宙民主化」可能真的不遠了。

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PanSci_96
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