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奈米讓蒸氣更爭氣 !

活躍星系核_96
・2012/11/29 ・1081字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 539 ・八年級

credit: CC by Mrs. Gemstone

文 / Y.-C. Wang

一般的傳統觀念認為,蒸氣的產生必須加入大量的熱能,使溶液達到沸點溫度,才能產生蒸氣。然而,最新的研究指出,若將奈米粒子加入水溶液中,只要利用陽光的照射,即可產生蒸氣。

萊斯大學 (Rice University) 的最新研究中,研究人員應用奈米粒子吸收大量光能量而產生熱能的特性,將含奈米粒子的水溶液經由陽光的照射而產生水蒸氣。奈米粒子由於粒徑小於可見光的波長 (約400-700 奈米),可吸收光的能量而產生熱能。此原理已被應用在許多生物與醫學的領域當中,包括癌症治療所使用的光熱療法 (Photothermal therapy) 與奈米粒子強化生醫影像(nanoparticle-enhanced bioimaging)等。過去也有許多研究在探討奈米粒子可以促進溶液的熱傳導的效應,但將奈米粒子加入水溶液中,並藉由吸收太陽能而產生蒸氣的研究則是首例。

該研究指出,在聚焦太陽光的照射下,奈米粒子水溶液將可在僅僅數秒內開始產生水蒸氣。原理是藉由奈米粒子在陽光的照射下,可以快速吸收能量而升溫到攝氏一百度以上 (水的沸點溫度)。此時水蒸氣(steam)會在奈米粒子表面上形成,而被水蒸氣包覆的奈米粒子會飄浮至溶液表面,而釋出水蒸氣,奈米粒子則回到溶液中重複上述步驟,如下圖。根據熱力學分析更進一步指出,將近 80%所吸收到的陽光能量被直接轉化為水蒸氣,僅 20 %左右的能量是被轉化為加熱水溶液的能量(此實驗中可視為能量損失)。這與傳統上必須要將全部的水溶液加熱至沸點溫度,才能開始生產蒸氣的觀念大不相同。

奈米粒子水溶液藉由陽光照射而產生水蒸氣之原理 (圖片來源: ACS Nano)

研究人員更進一步將奈米金粒子加入酒水(ethanol/water)混合溶液裡,進行酒精蒸餾的實驗。在聚焦陽光的照射下,更高純度的酒精可以在未經加熱的情況下產生。所產生的高純度酒精裡也完全不含有所添加的奈米金粒子。在尚未最佳化實驗條件的狀態下,這利用奈米粒子水溶液吸收太陽能而產生蒸氣的總能源效益(overall energy efficiency) 是 24 %,此能源效益在未來將有機會達到更高。

可以預料的是,這將是一個擁有龐大潛在商機的新研究。未來這現象將可應用於蒸餾、水質純化、汙水處理等。高溫的蒸氣也可應用於醫療用品的殺菌等。除此之外,未來在極地(南北極),也可能透過光照和奈米粒子,在不用投入大量熱量的情況下產生蒸氣。研究人員也指出,除了陽光以外,未來利用奈米粒子有機會捕捉更多包括地熱或生物所產生的能量等,將可有助於更有效的利用能源。

參考資料:

  1. Solar Vapor Generation Enabled by Nanoparticles (ACS Nano)
  2. Photothermal therapy

Y.-C. Wang 作者為美國威斯康辛大學麥迪遜分校博士班學生

文章難易度
活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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賽道上高溫與摩擦的平衡!賽車最重要的配件「剎車」——《黏黏滑滑》
晨星出版
・2023/01/06 ・3272字 ・閱讀時間約 6 分鐘

度影響剎車的抓力

雖然似乎有點違背直覺,但是煞車是高速駕駛不可或缺的一環。不管是在哪個賽車場,駕駛的目標之一就是保持在賽道的最佳路徑(racingline)—繞行賽道的最短路徑。所以駕駛過彎時不會沿著急轉彎處長長的外彎道前進,而是「夾著」彎道的內側,稱為彎頂點(apex,即過彎路線中最接近彎道內側的點)的地方,以將他們必須行駛的距離縮到最短。

這麼做需要非常精準的煞車:要在剛剛好的時間對煞車踏板施予剛剛好的壓力。當他們辦到時,駕駛就會出現在賽道轉彎處的絕佳位置,且依然帶有征服下一段賽程所需的速度。但是這樣的開車方式會耗損煞車;而且有些賽道沒什麼機會可以讓煞車冷卻。

以世界知名的摩納哥街賽道來說。雖然僅長3.34 公里(2 哩多),是F1 賽程中最短的賽道,但是卻必須不斷踩煞車和加速。煞車製造商布雷博(Brembo)指出,2019 年賽季中,駕駛們每一圈使用煞車 18.5 秒,多過總賽程的四分之一。

在需求最高的轉彎處,汽車要在不到 2.5 秒的時間內將時速從 297 公里(185 哩)減至 89 公里(55 哩);這會將大量動能快速轉換成熱能,難怪煞車碟盤會冒出火花。為了要負荷這樣龐大的熱負載,製造商在每個煞車碟盤的邊緣鑽入細小的徑向孔—數量超過 1000 個。

這樣的小孔可以增加煞車碟盤的表面積,比較容易散熱。但是也具有通氣孔的功能。與安裝在各個輪框上的大型冷卻管相結合時,可以把冷空氣拉入煞車碟盤中心,把熱空氣從邊緣帶走。還有個額外優點,這些F1 煞車碟盤相當輕,重量約各為1 公斤(2.2 磅),相較之下,差不多大小的鑄鐵煞車碟盤則為 15 公斤(33 磅) 。

所以為什麼不全面使用這種煞車碟盤呢?有個原因是價格—每片煞車碟盤可能要價高達 2000 美元(約 1500 英鎊) ,而且要六個月的時間才能製成。它們也不太耐久,通常每次比賽後就得更換。最後,它們受限於一定的工作溫度,只能處於 350 ∼ 1000℃。

低於溫度下限時,它們幾乎不具有停止能力—煞車片與煞車碟盤無法產生足夠的抓力。但是如果煞車的溫度高於上限值太久,則會災難性地失靈。如馬歇爾對我描述的,「彷彿在踩縫紉機。當這種狀況發生時,煞車碟盤耗盡『材料』的速度有多快,簡直難以置信。」

科技有助於車隊和駕駛控制他們的煞車,但是就跟 F1 的大部分狀況一樣,沒那麼簡單。冷卻管的大小與形狀可控制流經煞車碟盤的空氣量,所以你可以想像管子愈粗愈好。

但是如 F1 傳奇工程師帕特.西蒙茲(PatSymonds)告訴《賽車工程》(Racecar Engineering)雜誌的,冷卻有其後果:「遇到像蒙特羅這樣需要一直踩煞車的賽道,我們被迫使用一些該賽季最粗的管子。從最細的冷卻管換到最粗的冷卻管,會犧牲 1.5%的空氣動力學效率,這代表最高速度時速會減少 1 公里。」

我可以想像這會引發車隊的煞車工程師與他們的空氣動力學家爭辯。就連測量煞車配件的溫度都不容易。馬歇爾告訴我,在奧斯頓馬丁 F1 車隊中,他們會在煞車片的安裝托架中埋入高溫的熱電偶,和一系列直接朝向煞車碟盤的遠紅外線感測器。電視轉播賽事時偶爾會出現的彩色熱影像,主要是為了給我們這些觀眾看—顯示出他們建議的最高溫度。

剎車片的抓力在彎道時高速剎車時至關重要。圖/envatoelements

摩擦介面與溫度控制

煞車片與煞車碟盤之間還有另一個重要的過程是磨耗。所有滑動與摩擦都會對兩個表面造成實質傷害;每次煞車作動,兩者都會有微粒破裂。在煞車系統的使用期間,這會逐漸降低材料的摩擦係數—換句話說,會失去它們的抓力。

但這不只是因為彼此的表面被「磨光」,或是失去黏性。磨耗也會形成摩擦膜(tribofilm)這種東西—煞車片與煞車碟盤相接觸時壓碎的一層非常薄的細粒狀材料。「談到磨耗與摩擦力,摩擦膜非常有影響力,」英國里茲大學(University of Leeds)的沙赫里爾.柯沙利(Shahriar Kosarieh)說。

「我們把這層膜視為『第三體』,因為儘管它是由互相滑動的那兩種材料製成,其化學與機械性質還是與那兩種材料不同。」關注各式各樣市售鑄鐵煞車片的德國研究人員發現,無論煞車片是什麼材質,形成的摩擦膜總是會受到氧化鐵(Fe3O4)控制,其他成分的影響力則相當微弱。

「摩擦膜會控制散熱,且能減少摩擦力—它會主導性能,」柯沙利繼續說道。「煞車製造商很清楚這一點,調配自己的煞車片配方時會考量這一點。煞車片與煞車碟盤要互相搭配,才能產生最佳性能。只要你更動了任一個材料,就會改變界面產生的結果。」

柯沙利最近的研究關注鑄鐵煞車碟盤輕量替代物的摩擦表現,這些輕量煞車碟盤主要都是鋁製。不只有他這麼做—整個汽車產業都對減輕重量很執著,主要是因為汽車的重量愈輕,消耗的燃料就愈少,環境影響也愈少。目前是以鋁為主流。

「那是一種低密度金屬,約比灰鑄鐵(grey cast iron)還低 2.5 倍,所以減輕重量的可能性很高,」他跟我在電話中閒聊。「鋁的導熱性也很高,在表面形成的氧化物也具有一些防蝕效果。」把鋁合金與碳化矽等硬質陶瓷材料結合也能提升其強度。

「但是鋁的問題在於當溫度高於400℃時會開始熔化。就煞車而言,這代表摩擦力突然銳減,也是你能想像最糟的狀況。所以更加促使工程師更努力找出方法,既能讓表面有比較好的熱穩定性,使用壽命又能更持久。」

工程師致力於找出剎車在溫度與磨損上的平衡。圖/envatoelements

對柯沙利而言,最有意思的其中一種方法是電漿電解氧化(plasmaelectrolytic oxidation, PEO),這是用一個電場在鋁的表面形成一層複雜又高度耐磨的薄層。當他測試各種不同以電漿電解氧化處理過的鋁盤性能時,發現有些可以撐過約 550℃。不過,許多案例的摩擦係數太低—低於實際煞車系統所需的最低閾值。

柯沙利並不洩氣。「煞車是整個系統一起作動。如果你拿到一個新的煞車碟盤,那你也需要把對位碟盤調整到最佳狀態。製造商設計出專供電漿電解氧化塗層煞車碟盤使用的新煞車片配方。」我只找到幾篇已發表的研究,結合了電漿電解氧化煞車碟盤與這些新的摩擦片,但是結果看起來大有希望。輕量的鋁製煞車在未來的道路車輛上可能有機會亮相。

F1 在 1970 年代晚期為它們的煞車碟盤和煞車片找到了不同的解決方法,從那時候起就沿用至今:一種稱為碳-碳(carbon-carbon)的材料,在石墨基質裡包埋高度有序的碳纖維。其散熱效果非常好,所以也用在太空梭上。雖然它聽起來可能跟F1 賽車底盤用的碳纖維很類似,但其實是非常不一樣的猛獸。

製造碳-碳很緩慢且複雜,此材料是由原子薄層堆疊成層。它在摩擦力方面勝出,提供的抓力比傳統煞車配件高 2 倍(在其理想工作溫度範圍內)。但是那並非魔法。在競速的壓力之下,這種材料終究會磨耗殆盡,部分是由於摩擦,但也有化學方面的因素。溫度上升時,碳-碳會與空氣中的氧氣產生反應,而氧氣會提高其劣化程度。你有時候會看到F1 駕駛大力踩煞車時冒出黑塵,這就是原因。

藉由感測器數據調整剎車系統

這個過程代表車隊需要監測的煞車項目不只是溫度。馬歇爾跟我說,他們會使用壓力感測器留意流經管子的氣流。他們也有針對磨耗的電子感測器,可以測量胎側的活動。

「我們使用這些儀器測量煞車片還能接觸煞車碟盤多久。由此可以推論總磨耗程度—也就是煞車片與煞車碟盤的磨耗總和。」為了推算總磨耗比例與煞車片的關係,以及對煞車碟盤的磨耗程度,車隊會把感測器數據對照以往試駕和賽事所蒐集的煞車數據。

「我們可以從所有資料中追溯比賽時的磨耗速率。如果太快,我們可以調整煞車平衡,以免磨耗最高的車輛壽終正寢,或可以請駕駛找一些乾淨的空氣冷卻煞車。」不管怎麼做,目標都是確保駕駛在需要的時間和地點擁有阻擋能力。任一賽季都會面臨數以千計的彎道,這些系統,當然還有駕駛,都表現卓越。

——本文摘自《黏黏滑滑》,2022 年 11 月,晨星出版,未經同意請勿轉載

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蟲蟲危機!氣溫上升加速害蟲蠶食農作物——《圖解全球碳年鑑》
商業周刊
・2022/10/03 ・3771字 ・閱讀時間約 7 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

目前全世界的農田,因為病蟲害而損失 10% 至 15% 的農作物。

氣候和農業害蟲

昆蟲的生理機能對溫度的改變敏感,溫度上升 10°C 會使其新陳代謝率加倍,溫度突然上升會加速昆蟲的食物消耗、成長和移動。

昆蟲的生理機能對溫度的改變敏感,溫度上升 10°C 會使其新陳代謝率加倍,溫度突然上升會加速昆蟲的食物消耗、成長和移動。圖/Pixabay

最近一份《科學雜誌》(Science)的研究,證實溫度提高 2°C 可能使大量農作物遭到昆蟲啃食,在歐洲和北美洲,小麥和高粱的蛋白質成分顯著下降,西歐則是有近 75% 的小麥作物遭到蟲害。

溫度上升會改變害蟲的整體數量,結果造成:

  • 世代更替的頻率增加。
  • 地理區域擴大。
  • 昆蟲散播的植物病。
  • 更可能捱過冬天。
  • 昆蟲和其掠食者不再同步。
  • 植物的成長和昆蟲不同步。

氣候與農業疾病

真菌影響糧食作物, 而且通常在 20-30° C 時成長旺盛,氣候變遷使全球溫度上升,沿赤道區也將會發生真菌疾病的改變。

愛爾蘭馬鈴薯歉收是真菌疾病造成,被稱為「立枯病」,進而傳染當地的農作物。這些疾病在遠離赤道的地區極可能再度出現,影響地區的糧食安全。

20 億人的缺糧危機

地球上有超過 20 億人受到缺糧的威脅,或是缺乏安全營養的食物,大氣中二氧化碳濃度升高使溫度升高、洪水氾濫以及陸地和土壤劣化,於是農作物產出的營養價值和品質以及家畜的生產力下降。

地球上有超過 20 億人受到缺糧的威脅,或是缺乏安全營養的食物。圖/Pixabay

策略與國際研究中心(The Center for Strategic & International Studies, CSIS)表示,溫度中數每上升攝氏 1 度,和農作物產出下降 10% 之間有關連性,熱浪可能造成農作物的全面歉收,至於土地管理不良、森林砍伐以及牲畜過度放牧而破壞草地,則加重了氣候相關的影響,也增加糧食系統的整體威脅。

溫度中數每上升攝氏 1 度,和農作物產出下降 10% 之間有關。圖/商業週刊

食物匱乏將持續惡化,導致更多饑荒和營養不良,此外農作物和家畜大規模遠離養分耗盡或無法使用的土壤也將更為常見。

陸地和土壤劣化的問題

陸地和土壤失去支持生命的物理性、化學性或生物特質,稱為劣化。相較工業革命和大規模農耕之前的狀態,如今地球上超過 75% 的土地養分殆盡,科學家預期 2050 年以前, 可能到達 90%。

世界各地,每年有相當半個歐盟(418 萬平方公尺)的土地變得較不具生產力與耐受力,而以非洲和亞洲受創最重。

岩石和土壤崩解後,被風和雨沖刷侵蝕而使陸地劣化,這個過程是自然發生的,但極端天氣事件使它更加嚴重。

岩石和土壤崩解後,被風和雨沖刷侵蝕而使陸地劣化,這個過程是自然發生的,但極端天氣事件使它更加嚴重。圖/Pixabay

隨著海岸地區的海平面上升, 鄰近一帶的陸地被海水淹沒,剩下的陸地會因為鹽分和汙染物增加而變得不堪使用。

土壤劣化也透過以下發生:

  • 農業活動
  • 動物吃草
  • 森林砍伐
  • 都市化程度升高

如今,32 億人經歷某種程度陸地劣化的效應,導致糧食供應減少,且往往伴隨遷徙的增加。

土壤的重要性

在我們腳下的棕色塵土,裡頭至少包含所有全球生物多樣性的四分之一,而且對提供乾淨的水是不可或缺,1 茶匙裡的土壤有數十億微生物,據估計,土壤中所含的碳,比大氣多了 3 倍。

95% 的全球食物供應仰賴土壤,來養活大部分的生物。氣候暖化達 2°C 將使土壤中超過 2,300 億公噸的二氧化碳外洩,可能使地球突然陷入不可逆的氣候變遷中。

其他面臨的問題

每一分鐘有大約 30 座足球場的土壤,因為以下原因而侵蝕或退化:

  • 農業化學物質
  • 森林砍伐
  • 過度放牧

殺蟲劑的使用

二次世界大戰後,大型的化學公司鎖定食品業來擴充市場,在接下來的 50 年間,美國的殺蟲劑使用量增加 10 倍,但農作物的損失近乎翻倍,殺蟲劑毒死微生物,而這些微生物為世界各地數億公畝土地帶來健康土壤,例如土壤中的蚯蚓被噴灑殺蟲劑後,只生長到正常重量的一半,生殖力也遠不及未被殺蟲劑噴灑的蚯蚓。

二次世界大戰後,美國的殺蟲劑使用量增加 10 倍。圖/Pixabay

風力

陸上風力渦輪(onshore wind turbine)需要發電半年,來抵銷建設它所用掉的能源,但在此之後,在它使用年限 24 年間,生產出 100% 無碳的電力。

大規模太陽能

印度的巴德拉太陽能公園(Bhadla Solar Park)是全世界最大的太陽能農場(solar farm),創造出 2,245 百萬瓦(MW)的電,超過許多燒炭或核能電廠。它位在沙漠,太陽能板是由機器人清理,而這些機器人的運作不需要用到水。

主要農作物產量下降

根據聯合國農糧組織(United Nations Food and Agriculture Organization, FAO),2020 年有高達 8.11億人飽受飢餓之苦,約占全人類的 10%。

隨著全球的平均溫度上升,乾旱和洪水發生的頻率可能降低糧食供應,而更嚴重的天然災害和活躍的病蟲害也將進一步減少農作物產出,目前有針對氣候變遷對糧食產出做出整體預測,全球最重要的農作物玉米,預估將減少高達 24% 產量,第二重要的小麥,在升溫 1.5° C 的情況下減少 14%,在升溫 2° C 的情況下減少 37%,大豆的收成量在升溫 2° C 下則可能掉落 10-12%。

目前世界可以藉由向不受影響的地區採購,來因應特定地域的乾旱或農作物歉收,美國、巴西、阿根廷和烏克蘭這 4 個最大的玉米出口國,占了出口的 87%,過去這些國家因為地理位置相距遙遠,不會同時出現農作物歉收的情形,如今這些地區的產出,會在升溫 2° C 下減少 8 至 18%,在升溫 4° C 下,下降 19 至 47%。在升溫 2° C 下,4 大農作區同時歉收的風險是 7%,溫度上升到 4° C 時,風險飆高到 86%。

我們的人是在追求「富足」而不是「永續」,

對我而言,「永續」意謂維持國家資源在得以維生的線上,

直到這些資源最終消失,或工業已經受夠而離開。

追求「富足」是確保你的孫子不需要像你那麼努力工作,

確保當我們把這園子留給他們時,他們將擁有所需的一切。

⸺喬.馬丁(Joe Martin),獨木舟雕刻大師

一個起司漢堡的碳足跡,等於 9 個鷹嘴豆餅(falafei)加上口袋餅,或是 6 份炸魚和薯條(fish and chips)。

糧價也因此飆高

糧價由供需的改變決定,雖然需求大致穩定,但供給可能變動。旱災和水災降低農作物的生產力和農田的產出,威脅食物的供應而導致價格上升,行銷和包裝成本的改變也會。

貿易也是主要因素,英國有大約 40% 的食物(香蕉、茶、咖啡、奶油、羊肉等)要靠進口,大部分國家的食物供應也仰賴貿易,美國的食物來自加拿大、墨西哥等國家,船運的汽油和貨櫃成本也占糧食成本的一部分。

糧價高漲會因為氣候變遷而惡化,2021 年的平均糧食價格是近 50 年來最高,巴西的乾旱、洪水和霜害,使咖啡價格上漲 30%,消費者只能眼巴巴看著咖啡的價格節節高升。

糧價高漲會因為氣候變遷而惡化,2021 年的平均糧食價格是近 50 年來最高,巴西的乾旱、洪水和霜害,使咖啡價格上漲 30%。圖/Pixabay

俄羅斯、美國和加拿大⸺杜蘭小麥最大供應國⸺的乾旱,導致杜蘭小麥減產,麵包和麵條漲價已經讓消費者有感,以番茄為主的蔬果價格,也因為佛羅里達和加州氣候變遷問題而節節高升。

世界曾經目睹幾次糧價飆高,1973 年,全球石油危機和乾旱造成糧價上漲,2008 年,石油價格上漲、澳洲乾旱以及美國決定種玉米來生產燃料而不是食用用途,因此推高動物飼料的價格而導致糧食價格膨脹,2021 年,糧價飆高的情形類似 1973 年,只是這次極端天氣扮演較顯著的角色。

糧價上漲影響各種收入的人,只是方式不同。糧價直接威脅低收入戶的糧食供應導致飢荒,至於較高收入家庭,則是較不健康的飲食和肥胖增加。

到2030 年以前,10 種主要農作物當中,9 種的生長速度將遲緩或開始放緩。至少部分來自氣候變遷,平均價格將看到顯著上升。圖/商業週刊

到 2030 年以前,10 種主要農作物當中,9 種的生長速度將遲緩或開始放緩。至少部分來自氣候變遷,平均價格將看到顯著上升。

——本文摘自《圖解全球碳年鑑:一本揭露所有關於碳的真相,並即時改變之書》,2022 年 9 月,商業周刊,未經同意請勿轉載。

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空虛、寂寞、真的會覺得冷?體溫調節與憂鬱症的關聯──《做個有溫度的人》
時報出版_96
・2022/09/11 ・3423字 ・閱讀時間約 7 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

憂鬱跟冷的聯想

著名的臨床心理師貝克(Aaron Beck)曾寫電子郵件告訴我,他臨床治療的患者常說他們覺得冷。或許沒有人對這點感到意外,畢竟覺得冷與感到憂鬱似乎「很自然」就湊在一起了。然而,這並沒有告訴我們,讓兩者如此明顯相連的生理機制是什麼。

Cat GIF
如果常常覺得冷的話,記得注意保暖,還要注意你的心情哦!圖/GIPHY

1970年,韋克林(Anthony Wakeling)與羅素(Gerald Russell)做了一項研究,探索十一位罹患神經性厭食症的女性患者的體溫調節。

神經性厭食症是一種可能危及生命的飲食障礙,其特徵是自我限制飲食、過激的減肥欲望、非常害怕體重增加(該研究也找來十一位健康的女性作為對照組)。雖然多數的厭食症患者體重過輕,但她們還是認為自己太胖。儘管她們已經吃得很少了,有些人還會催吐或濫用瀉藥。我們知道神經性厭食症可能導致心臟受損、骨質疏鬆症、不孕,或其他與營養不良有關的疾病。

那十一位患者在住院期間於營養不良狀態下接受檢測,隨後又於進食後再次接受檢測;這些測試包括衡量口腔與皮膚的溫度在接受熱刺激與標準膳食之後的反應。

研究人員發現,這些患者基本上對任何類型的溫度變化都不太敏感。因此,神經性厭食症似乎與體溫調節能力受損有關。臨床證據與體溫控制失調是一致的,患者的四肢冰涼發青,組織與微血管床受損,常喊冷。事實上,一些嚴重營養不良的人會出現體溫過低的現象,甚至可能致命。

研究這些厭食症族群往往很困難,因為大樣本取得不易;樣本小則意味著,目前為止我們的結論大多只是推測。但我們的理論性推論呼應了一個概念:食物攝取是由下視丘的結構所調節的,下視丘也正是調節溫度的地方。

hypothalamus 就是下視丘,主要功能跟人體的恆定有關。圖/wikipedia

以手術破壞下視丘內的核(名稱是腹內側核〔ventromedial nucleus〕)會導致老鼠暴飲暴食及肥胖;老鼠下視丘的極外側部分(即遠離那個核)雙側受損時,會導致老鼠節食,把自己餓死。新的研究已把這些結果延伸應用到其他物種上,例如,山羊與老鼠的研究都顯示,腹內側核涉及食物攝取的調節。

注意,人類大腦中的下視丘很小,所以很難研究。不過,觀察顯示,人類的這個大腦結構出現病變時,可能使人變胖或消瘦。

前面提過,下視丘的一部分在體溫調節中負責扮演主恆溫器的角色;但我們也提過,下視丘不只是恆溫器而已,它也調節多種基本的代謝流程、睡眠、疲勞、晝夜節律與依附行為。這裡需要再次提醒大家,研究人員必須避免陷入反向推論的陷阱。

下視丘很複雜,一個神經區域不只負責一種行為或機制。我們知道,身體承受熱壓力時,它的視前區是散熱控制部位。食物攝取與體溫調節之間的關聯不是偶然的,兩者都攸關新陳代謝,也都參與身體能量平衡的間接控制。韋克林與羅素研究厭食症患者時,推測食物攝取調節失靈可能與無法調節體溫有關。

早期關於神經性厭食症的病因,理論是強調心理根源,例如童年遭到性侵、在功能失調的家庭成長所造成的情感創傷。一般認為導致神經性厭食症的其他心理因素,還包括焦慮、孤獨、自卑、憂鬱。以文化身體理想意象為基礎的社會原因,在過去也是重要因素。

厭食症發生的原因有很多種也很複雜。圖/Pixabay

厭食症跟憂鬱症的關聯

最近,研究探索了基因因素(這種疾病有很高的遺傳性)以及「下視丘─腦下垂體─腎上腺軸」的過度活躍(導致無法妥善地調節荷爾蒙)。有些人認為厭食症與憂鬱症之間是因果關係,但兩者的關聯其實沒那麼直接。

早期的憂鬱症理論就像厭食症理論一樣,把憂鬱症視為一種心理失調,但最近的研究是探索身體失調與社交情境的失調。在這方面,醫學與心理學都穩定地朝著一條漫漫長路發展:持續把神經運作視為身體現象,把大腦、神經系統與其他身體組成視為包含在單一生物的整體內。

以前的理論認為,大腦是所有心理疾病的源頭。這類理論雖然還沒被完全推翻,但越來越多人認為,把情緒障礙(尤其是憂鬱症)視為涉及中樞神經系統、周圍神經系統以及所有影響中樞神經系統的身心失調,可能比較正確。這反映了一種仍持續發展的心理健康觀點,不僅源自於大腦,而且源自一個更大、涵蓋更廣的系統,而那個系統會配合實體與社交環境進行調適。

換言之,從身體到中樞神經系統的輸入,在認知與情緒狀態中都扮演關鍵要角。來自周邊的輸入,其中包括溫度感覺訊號,那些訊號可能對幸福感與憂鬱感有很重要的影響。

傳統上,理論是把焦點放在體溫調節的生理面,也就是達成與維持恆定。不過,最近的研究以證據顯示,調節體溫所涉及的神經機制與情緒狀態的關聯,遠比傳統理論所想的更密切。

溫度的調節對於身體的影響遠比我們想得重要!恆溫動物是這樣,那變溫動物也一樣嗎?圖/envatoelements

溫暖的好處

我們已經看到,接觸實體冷熱與有關社交冷熱的認知及情感行為相關。最近,許多對嚙齒動物做的研究顯示,實體溫暖會刺激血清素的分泌;在大眾文化中,這些神經傳遞物質與產生幸福感、快樂感、甚至欣快感有關。這個觀點確實有些道理,雖然生物化學與生理上的現實複雜得多。

總之,臨床前的嚙齒動物研究顯示,啟動分泌血清素的神經元,身體溫暖後就會產生類似抗憂鬱藥的效果。因此,我們可以推論,溫度感覺通路與掌控情緒的大腦系統會相互作用,無法妥善調節溫度可能與情感疾病(affective disorder)有關。最耐人尋味的是,研究顯示,提供實體溫暖(即啟動溫暖的溫度感覺神經通路)可能有治療情感疾病(包括憂鬱症)的療效。

我們知道,有情感疾病的人,對溫度有不同的感知,對皮膚溫度變化也有不同的反應,他們不見得能調節體溫。有些研究人員甚至認為,膚電傳導程度可能是辨識憂鬱症的特徵。情緒與溫度看似具有許多關聯,不過,根據現有的證據,我認為目前並沒有簡單的生物特徵可以判斷心理症狀。

不管有沒有具體的生物特徵,憂鬱症患者似乎都有調節體溫的問題。這現象呼應了貝克在電子郵件中的臆測:憂鬱症患者對溫度的反應確實變了。

對無害的溫度刺激產生負面的情緒反應,可能也與憂鬱症有關,因為憂鬱症會弱化一個人對舒適溫暖的感知,但強化一個人對不舒適高溫的感知。研究也顯示,憂鬱症患者比健康的人更少流汗,可見降溫機制運作不良。

2009 年,一項研究綜合分析了三個獨立實驗室的研究結果,總共涉及 279 位憂鬱症患者與 59 位健康的參與者。綜合分析的結果顯示,膚電傳導性較低導致出汗減少,可能是憂鬱症患者自殺風險的一個指標。研究顯示,傳入的熱感應訊號,會刺激血清素合成系統以及與憂鬱有關的大腦區域。這表示,憂鬱症患者的體內降溫機制運轉不良。

熱的調節不良常被發生在憂鬱症換著身上,但這似乎跟前面提到的感到溫暖會有比較正面的感覺有衝突。圖/envatoelements

2007 年的一項研究,檢視了非典型憂鬱與自我安慰行為之間的關係(例如想吃巧克力之類的療癒美食、想洗熱水澡)。

研究結果顯示,社交因素、體溫調節、憂鬱症之間可能有關聯。這些行為是用來對抗皮膚溫度低或社交冷淡嗎?它們可能是為了觸發降溫機制,以降低交感神經與情緒的促發,以及核心體溫嗎?還是這兩種動機都存在呢?

回想一下前面的實驗:社交排擠導致皮膚溫度降低,但拿著熱飲又減少了社交排擠的負面影響。我相信身體溫暖可以抒解一些憂鬱感,但真正的解方當然複雜得多。那取決於社交環境、溫度,以及你因應這些因素的方式之間的關係。在未來幾年裡,我相信會有新的技術讓我們詳細研究這些關聯。

——本文摘自《做個有溫度的人:溫度如何影響我們的生活、行為、健康與人際關係》,2022 年 9 月,時報出版,未經同意請勿轉載。

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