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在天涯海角追尋恐龍的足跡——《恐龍一億五千萬年》

馬可孛羅_96
・2021/08/12 ・4316字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 作者 / 史提夫.布魯薩特(Steve Brusatte)
  • 譯者 / 黎湛平
景观, 山, 天空, 云, 性质, 恐龙
圖/pixabay

嚴格來說,恐龍時代始於侏儸紀。當然,初代真恐龍在侏儸紀前至少三千萬年就已踏進歷史舞台。誠如你我所見,這群早期的三疊紀恐龍壓根算不上優勢物種。後來,盤古大陸分裂,恐龍從末日餘燼探出頭來,看到了一個更為空曠的嶄新世界,讓牠們得以盡情征服。在初入侏儸紀的數千萬年內,恐龍家族開枝散葉,繁衍出大批眼花撩亂的新物種並組成子群(subgroups),有些血脈甚至延續一億三千多萬年。

恐龍的體型也越來越大,分布全球,在潮濕區、沙漠區及兩者之間的所有區域開疆闢地,大量繁殖。來到侏儸紀中期,世界各地都能見到數群最龐大、最具代表性的幾種恐龍。博物館展覽或童書經常出現的經典畫面並非虛構,而是事實:恐龍轟隆隆踩過大地,站上食物鏈頂端;凶猛的肉食恐龍和體型巨大、脖子長長或自帶盔甲的植食恐龍生活在一起,至於小小的哺乳動物、蜥蜴、青蛙及其他非恐龍動物就只能在恐懼中苟且偷生。

在盤古大陸的裂隙火山孕育出侏儸紀之後,以下幾種大家熟悉的恐龍也一個個躍上舞台:譬如肉食的獸腳類恐龍「雙冠龍」(Dilophosarus),頭上有兩道龐克風的「莫霍克式」(mohawk)突起物,體長約二十呎,比騾子大小的腔骨龍及其他多數三疊紀肉食動物大上許多。至於以植物為食、全身覆滿骨板的鳥臀目動物(如「稜背龍」〔Scelidosaurus〕、「小盾龍」〔Scutellosaurus〕)沒過多久即進化成你我更為熟悉、外形像坦克的厚頭龍,或是背覆骨板的劍龍;體型小、移動快、可能為雜食型的「畸齒龍」(Heterodontosaurus)和「賴索托龍」(Lesothosaurus)也是這個支系的早期成員,後來演化成三角龍及鴨嘴龍。其餘耳熟能詳、現蹤於三疊紀,但大多局限在少數環境的幾種恐龍(譬如長脖子的原蜥腳類、以及最原始的鳥臀目恐龍)也開始向外移動,散布至整個地球。

雙冠龍示意圖。圖/pixabay

巨龍現身

在這群新近取得生存優勢、且多樣性急劇增加的恐龍家族中,最具代表性 的就是蜥腳類(或稱「蜥腳下目」):頭小身體大,長脖子,大肚腩,四肢如柱 ,進食時宛如一座超級植物處理機。恐龍界最有名的幾種大多出自蜥腳類,包 括雷龍、腕龍(Brachiosaurus)和梁龍,不僅博物館展覽少不了牠們,牠們也是 電影《侏儸紀公園》的明星主角;卡通《摩登原始人》訓練牠們挖板岩,美國 「辛克萊爾石油」(Sinclair Oil)數十年來都以長脖子綠恐龍為公司標誌。與霸 王龍相比,蜥腳類才是最出名、最具代表性的恐龍。

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蜥腳類是在三疊紀末期、從一群我習慣稱之為「原蜥腳類」(proto-sauropods)的原始恐龍演化來的。這些原始種是一群體型小如犬、或大至長頸鹿,脖子超長,以植物為食的動物,也是兩億三千萬年前現身伊沙瓜拉斯托的首批原始恐龍之一。後來,牠們成為三疊紀盤古大陸潮濕帶的主要植食動物,卻因為無法在沙漠區生存,故無法發揮潛能,登上顛峰。不過,這種有志難伸的窘境在侏儸紀早期有了變化:蜥腳類終於突破環境限制,邁向全球,演化出最具特徵性的細長脖子,亦逐步成長為怪物級的龐然巨獸。

蜥腳類恐龍,由左到右依序為:圓頂龍腕龍長頸巨龍盤足龍。圖/wikipedia

小島上的巨龍

過去數十年來,學界陸陸續續在蘇格蘭西側的美麗島嶼「天空島」(Isle of Skye)發現真正的初代蜥腳類恐龍化石―這些動物個個重達十餘噸,體長超過五十呎,頸長高達數層樓。雖然線索還不夠多(頂多在這裡挖到幾支粗壯腿骨、在那裡翻出幾根牙齒或幾節尾椎),但證據顯示這種巨型動物約莫生活在一億七千多萬年前―當時早已進入侏儸紀時代(盤古大陸分裂、火山洪災已成遙遠記憶)―恐龍處於主宰地球前的最後一次大量繁殖期。

二○一三年,我一拿到博士學位就接下愛丁堡大學的新職,從紐約遷居蘇格蘭,想到即將主持自己的研究室就滿心雀躍。天空島的蜥腳類恐龍化石正巧引起我的興趣。剛到職的最初幾週,我常跟系上兩位同事一塊打發時間,一位是老練的田野地質學家馬克.威金森(Mark Wilkinson),他的馬尾與略為邋遢的落腮鬍使他看起來一副嬉皮樣;另一位是湯姆.恰蘭德(Tom Challands),這位虎背熊腰的紅髮男子是古生物學博士,專攻四億年前的微化石。

湯姆才剛結束為能源公司探勘石油的工作合約(算是應用地質所學吧)。那段時間,他幾乎都住在客製化的露營車裡(車上有床和小廚房),並且把車停在調查點附近。後來他結了婚,這種生活方式就此喊停,但那輛露營車仍隨時支援野地考察,而湯姆也常在週末駕車沿著蘇格蘭霧茫茫的海岸尋找化石。湯姆和馬克都在天空島做過地質調查,對那塊土地暸若指掌,因此我們決定組隊尋找更厲害的寶藏―巨大、神祕的蜥腳類恐龍化石。

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位於天空島的Rock pinnacles of The Storr,  曾出現於電影普羅米修斯開場畫面。圖/Pexels

關於天空島,我們涉獵的資料越多、就越常看到「杜加德.羅斯」(Dugald Ross)這個名字。我對這個名字毫無印象。他既不是古生物學家、地質學家,也不是任何一類科學家,然而他卻發現並描述過許多出自天空島的恐龍化石。杜加德從小在天空島東北深處的小村落「艾利沙德」(Ellishadder)長大,那是一片擁有崎嶇山峰、蓊鬱丘陵與泥灰溪流的荒地,海岸長年受強風侵襲,十足「魔戒風」(Tolkienesque),活像從奇幻小說蹦出來的地方。羅斯家族講「蓋爾語」(Gaelic) ―這是蘇格蘭高地的母語,目前僅一萬五千人操持。你不只會在路標上看到蓋爾語,像天空島這類偏僻島嶼的學校也會教。羅斯十五歲那年,在他家附近發現一個藏有箭尖和銅器時代工藝品的隱蔽洞穴。這項發現使他迷上家鄉島嶼的歷史,到了成年都還如此,也為自己開創「建築工兼農場主人」的事業。(在蘇格蘭高地,「農場主人」〔crofter〕專指從事小規模農業兼牧羊的人。)

杜加德.羅斯正在移取巨石內的恐龍骨骼化石。(地點:天空島)。圖/《恐龍一億四千萬年》


件大概是我寄過最幸運的信件之一,它開啟了一段友誼,也是這段科學合作的 濫觴。數個月後,我們踏上天空島,羅斯―他比較喜歡我們喊他「杜吉」―立 刻邀請我們去找他。他指示我們開上天空島東北沿岸蜿蜒的雙線幹道,在一幢 牧場風格的長型建築前與他會合。屋子外牆以各種大小不一的灰石拼貼而成, 屋頂則是黑色磚瓦;古老農具四散在屋外草坪上。農場前方有塊牌子寫著 「TAIGH-TASGAIDH」,即蓋爾語「博物館」之意。

杜吉從他的紅色工作用卡車 裡冒出來,身上掛著一大串鑰匙,短暫自我介紹之後便驕傲地領著我們走進博 物館。他以歌唱般的輕軟口音―融合史恩.康納萊(Sean Connery)迷人的蘇格 蘭腔和愛爾蘭腔―說明他如何接管這幢無隔間的校舍廢墟,再改建成我們此刻 置身的「斯塔芬地質暨恐龍博物館」(Staffin Museum)。這座博物館是他十九 歲那年成立的,今天,這座博物館依舊沒有隔間―沒有咖啡休憩區,沒有禮品區,沒有任何大城市博物館常見的昂貴設施、標誌或裝飾,甚至沒有電!裡頭 收藏許許多多他在天空島找到的恐龍化石,還有能回顧天空島住民歷史的種種 工藝品。這次體驗相當超現實:在巨大的恐龍骨頭和腳印旁,擺著老磨坊的木 輪子,還有挖蕪菁的鐵桿和高地農民使用的古式補鼴鼠陷阱。

蘇格蘭天空島迷人的地景風光。圖/《恐龍一億四千萬年

踏破鐵鞋無覓處

那禮拜的其餘幾天,杜吉帶我們去他最愛的幾處地點。我們找到一大堆侏儸紀化石―有體型如犬的鱷魚下顎骨,某種屬於「魚龍目」(ichthyosaurs)爬行類牙齒和脊骨(魚龍目的外形似海豚,生活在海裡,牠們出現的時間差不多是恐龍開始稱霸陸地的年代)―獨獨不見巨無霸恐龍的身影。接下來幾年,我們仍持續返回天空島不斷搜尋。

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二○一五年春天,我們終於找到尋尋覓覓的夢幻化石。起初我們並未領悟這個事實。那天,我們幾乎整天都趴在地上,尋找埋在侏儸紀岩塊裡的小小魚齒和鱗片(這片岩石平台直直探入北大西洋的冰水中,就在一座十四世紀城堡廢墟的正下方)。咱們之所以在這裡,都是湯姆的主意:最近他在研究魚類化石,為了請他幫我找恐龍化石,我便答應幫他採集魚骨魚末作為交換。我們瞇眼皺眉、盯著這些岩石已有個把鐘頭,身上裹了三層防水衣卻依然冷得快凍僵了。午後陽光逐漸西沉,潮水上漲,晚餐正在向我們招手。於是湯姆和我動手整理工具、收拾幾袋魚齒,準備慢慢走回停在海灘另一頭的多功能廂型車。就在這時候,某樣東西引起我們的注意:那是一塊印在石頭上、跟汽車輪胎差不多大的變形凹痕。先前之所以沒注意到它,是因為我們專注在尋找尺寸更小的魚骨,這麼大的痕跡完全不符合當下的搜尋目標。

我們繼續往前走,一路上頻頻發現更多類似的痕跡;在午後斜陽的映照之下,這些凹痕更加明顯,大小幾乎都差不多。我們越是仔細瞧,看見的凹痕就越多,而且還繞著我倆朝四面八方延伸出去。這些凹痕似乎呈現某種模式:一枚枚凹洞接續組成兩道長排,且呈「之」字型排列―左、右、左、右、左、右。這些長列有如緞帶,在我們工作一整天的岩石平台上散布交錯。湯姆和我對看一眼。那是兄弟之間心知肚明的一瞥,基於多年共同經驗、無須言語即可領會的連結。我們以前也看過這種痕跡。地點不在蘇格蘭,而是西班牙、北美西部這類地方。我們知道這是什麼玩意兒。咱們眼前這窪凹洞是足跡化石。尺寸超大,毫無疑問是恐龍的足跡。我們湊近細瞧,看出這些凹痕有些是掌印、有些是足印,有的甚至還留下掌指和足趾的印跡。依形狀判斷,這絕對是蜥腳類的掌足跡。我們竟然找到了一億七千萬年前的恐龍大舞池,而留下這片紀錄的是身型龐大、體長約五十呎、重量可比三頭大象的蜥腳類恐龍。

我和湯姆.恰蘭德在天空島上找到的恐龍舞池─蜥腳類恐龍足跡。圖/《恐龍一億四千萬年
——本文摘自《恐龍一億五千萬年:重新發現這個失落的世界,2020 年 6 月,馬可孛羅

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為什麼越累越難睡?當大腦想下班,「腸道」卻還在加班!
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/30 ・2519字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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。

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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。

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 / 圖片來源:envato

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)。

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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)」/圖片來源:益福生醫

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。

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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。

了解更多PS150助眠益生菌:https://lihi3.me/KQ4zi

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。

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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。

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 / 圖片來源 : envato

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肺部為何會「結疤」?揭開比癌症更致命的「菜瓜布肺」,科學家如何找到破解惡性循環的新契機
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/05/08 ・2041字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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。

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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 / 圖示來源:shutterstock

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。

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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。

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。/ 圖示來源:shutterstock

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?

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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。

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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。

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。/ 圖示來源:


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日曬雨淋2000年 古羅馬人的秘密建材
顯微觀點_96
・2026/01/28 ・3508字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文轉載自顯微觀點

火山灰掩蓋的龐貝古城中,科學家再度發掘價值非凡的考古地點:一座翻修重建中的民宅,其珍貴之處在於工地現場的工具與建材原料完好封存於西元79年,維蘇威火山爆發的時刻。現代科學家得以利用顯微鏡、能量散射X光譜(Energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS)、立體X光等科技深入分析原料成分,探究古羅馬建築工藝細節。

古羅馬建築物能夠長久矗立,建材韌性是不可或缺的關鍵。散布於帝國領土、綿長堅固的引水道(aqueduct)就是文明遞嬗中備受讚嘆的例子。其中數座引水道經歷修繕,迄今持續運作,西元前19年建立的少女水道(Acqua Vergine)今天依然為羅馬城內的噴泉供應來自20公里外的活水。

現代混凝土(concrete)具備抗壓、廉價、靈活等優點的同時,也有容易龜裂與腐蝕、難以修復等問題。現代高樓大廈需要以混凝土包裹鋼筋,才能達到維持近百年的高強度。尚未掌握鋼筋強化技術的古羅馬建築師,卻能以混凝土建造出核心架構長存超過2000年的大型公共建設,這種差異是材料科學家無法忽視的。

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View Of Great Theatre In Ruins Of Ancient Roman City Pompeii, Campania Region, Naples, Italy
龐貝古城中的大劇院遺跡。Source: Adobe Stock

偽裝成雜質的秘方:石灰塊

近數十年間,材料科學界普遍認為古羅馬混凝土(Roman concrete)原料中的火山灰(pozzolan)是其堅強韌性來源,因為加入水與熟石灰後,火山灰中豐富的二氧化矽(SiO2)與氧化鋁(Al₂O₃)可以形成水合矽鋁酸鈣(C-A-S-H. Hydrated Calcium Aluminosilicate)或水合矽酸鈣(C-S-H. Hydrated Calcium Silicate)膠體,提升羅馬混凝土的強度與耐腐蝕性。

但是,水合矽酸鈣並非羅馬混凝土所特有,今日最常見的混凝土原料「波特蘭水泥(Portland Cement)」就飽含矽酸鹽,與水混合後也能形成強化結構的C-S-H膠體。且現代混凝土也能展現水泥帶來的微弱自癒能力,但波特蘭水泥建成的現代建築,預估壽命大多不到百年,遠不如以穩固穹頂籠罩信徒千年的羅馬萬神殿。

2023年,麻省理工大學(MIT)材料科學家馬西奇(Admir Masic)研究團隊發表對古羅馬建材的成份分析,指出羅馬混凝土中特殊的「石灰塊(lime clasts)」提供了材料自癒能力,可能是古羅馬公共建築屹立不搖的關鍵。

石灰塊在顯微鏡下看來是數毫米大小的白色石塊,過往被材料科學家認為是羅馬混凝土品質控管不嚴的產物,但是馬西奇團隊的目光停留在這些未曾被科學界細究的「雜質」上。

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Eds分析 Sa
以能量散射X光譜檢驗普里維儂的牆壁砂漿,會發現富含鈣質(紅色)的大塊石灰顆粒,周遭則有鈣、硫(黃)形成的環狀自癒痕跡。Source: Source: Linda M. Seymour et al. ,Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concrete.Sci. Adv.9,eadd1602(2023). CC by 4.0

馬西奇團隊指出,在古羅馬學者維特魯威(Vitruvius)和老普林尼(Pliny the Elder)的記載中,當時對混凝土原料之一的石灰石(limestone, CaCo. 碳酸鈣)純化標準相當嚴格,成品必須要呈現純白粉狀。因此他們認為,混凝土中普遍存在的石灰塊不是古羅馬建材商品管鬆散所致,而是刻意加入的材料。

馬西奇團隊前往義大利中部普里維諾(Privernum)的古羅馬遺跡進行採樣,遺跡牆壁使用的砂漿(motar, 水泥混合水與砂礫等材料,比混凝土少了碎石等骨材,其他成分相近)中散佈著比水泥基質顆粒更大的亮白石灰塊。

科學分析 確認熱混合法

透過以能量散射X光譜(EDS)、X光散射、共軛焦拉曼光譜、掃描式電子顯微鏡分析這些構成牆壁近2000年的砂漿,研究團隊發現其中的石灰塊主要以鈣質構成,而且是來自生石灰(CaO, quicklime),現代建築工法已不再將這種材料加入混凝土中。

馬西奇論及,基於史料與現代技術,多數人相信古羅馬建築工使用熟石灰(Ca(OH)2, slacked lime. 氫氧化鈣,來自生石灰加水)混合火山灰、水以及其他骨材形成混凝土,類似現代工法。但透過精密儀器分析樣本成份,他推論古羅馬帝國曾採用熱混合(hot mixing)技術,以生石灰取代/混入熟石灰,與其他材料、水混合製成混凝土。

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在熱混合過程中,生石灰不會全數與水反應產生熟石灰與熱能,部分會形成不均勻分布的細小石灰塊。而這些石灰塊在混凝土乾燥的同時,會經歷表層的水化、擴張,最終碳酸化成為較為穩定的碳酸鈣外層。而石灰塊內層則保持著生石灰(CaO)的狀態與活性。

水流引發雙重自癒機制

石灰塊 Sciadv
石灰塊在古羅馬混凝土中的自癒運作機制。Source: Linda M. Seymour et al. ,Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concrete.Sci. Adv.9,eadd1602(2023). CC by 4.0

構成建築物的羅馬混凝土若受到強大拉力,產生裂隙,諸多石灰塊的穩定外層很可能隨之裂開,並暴露出飽含生石灰(CaO)的核心。在自然降雨之下,經過石灰塊核心的水流會獲得鈣離子,並使鈣離子與周遭的基質反應,在裂縫中形成碳酸鈣,使裂縫在延伸擴大之前就被填補。

裂縫中飽含鈣離子的水流,也能在混凝土中的火山灰顆粒旁引發火山灰反應(pozzolanic reaction),生成穩固的水化矽鋁酸鈣或水化矽酸鈣,對裂縫產生「癒合」效果,讓整體結構更加強韌。馬西奇稱這種定型後發生的火山灰反應為「後期火山灰反應(post-pozzolanic reaction)」,與製作混凝土的反應作出區別。

馬西奇團隊更採用實驗觀察熱混合技術對古羅馬混凝土和現代混凝土強韌度的影響。他們將不同工法製成的混凝土柱從中分裂,造成5公厘的裂縫,再讓水流持續流經裂縫30天。

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未使用生石灰進行熱混合的混凝土柱,僅出現一般水泥具有的小幅自癒能力,稍稍縮小裂縫。而具有石灰塊的古羅馬混凝土柱,則持續癒合,在水流第20天左右完成自我修復,水流幾乎完全無法通過。

多方驗證 重譯權威史料

古羅馬混凝土驚人的自癒能力引發熱議,並非所有材料科學專家都認同以生石灰為核心的熱混合理論。

更啟人疑竇的是,熱混合法並不符合維特魯威記錄的熟石灰建築工法。他在公元前30年左右著作的《建築十書》(De architectura)是唯一流傳後世的古歐洲建築著作,從文藝復興以來,就缺少足以挑戰其權威的建築史料,遑論馬西奇團隊基於成分分析的理論。

馬西奇團隊為了奠定更強的論證基礎,在2024年前往龐貝古城尋找證據。他們在民宅工地遺跡發現的建材原料,正包含熱混合工法的原料:生石灰與火山灰的乾燥混合物。這些原料與建築工具一起堆放在尚未完成的牆體旁邊,被公元79年噴發的火山灰封存至今。

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馬西奇團隊透過偏振光顯微鏡、電子顯微鏡等分析方法比對乾燥材料堆、未完成的牆體、已完成的牆體,確認了這些預拌的熱混合材料與牆體的混凝土、砂漿成分相符,支持他們的假說:古羅馬帝國龐貝城在公元前79年以熱混合工法製作混凝土。

這項材料科學考古發現不僅補充了古代建築史料的缺漏,也創立了新的建築材料理論,為未來的建築材料提供自癒功能的靈感。或許在數年之內,具備自癒能力、壽命長達上百年的大型建築就會動工。而人們也能期待更加環保、安全、需要遠見的都市規劃。

萬神殿穹頂 Wiki
羅馬萬神殿(Pantheum)穹頂,古羅馬人單純以混凝土建構出如此宏偉結構,並歷久不衰,是現代人依然讚嘆的建築奇蹟。Source: WikiMedia CC BY-SA 4.0

馬西奇團隊透過多樣方法及跨領域探索,穿越時空檢驗了古羅馬熱混合法工藝的假說。他們在遺跡搜索考古證據,以科學分析技術交替分析樣本,更研讀古羅馬史料,發現維特魯威與老普林尼雖然以 ’macerata’ 敘述以水消化生石灰,製作出熟石灰的過程。但維特魯威提及建築結構用的石灰消化過程,會轉而採用 ’extincta’ 一詞。

儘管在文獻中的古代拉丁文 macerata 和 extincta 都被用來指稱「生石灰加水消化為熟石灰」,並未在考古學界與材料學界引起太多注意。但馬西奇團隊懷疑,這種字眼的轉換可能暗示了古羅馬建築結構中的石灰並非來自「先製成熟石灰,再混入水與其他原料」,而是「生石灰直接混入水與其他原料」的熱混合工法。

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就如馬西奇團隊最新論文提及的,即使是古代文獻,也無法盡錄古羅馬從共和時期到帝國時期的建築文化變遷。透過顯微鏡與X光譜等現代科技,搭配古遺跡的妥善保存與發掘,我們今日依然有機會理解千年前的人類,如何利用更有限的科技,達成宏偉巧妙的文明成就。

參考資料

  • Linda M. Seymour et al. ,Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concrete.Sci. Adv.9,eadd1602(2023).DOI:10.1126/sciadv.add1602
  • Vaserman, E., Weaver, J.C., Hayhow, C. et al. An unfinished Pompeian construction site reveals ancient Roman building technology. Nat Commun 16, 10847 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-66634-7
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顯微觀點_96
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