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【2022 年搞笑諾貝爾藝術史獎】浣腸也搞儀式感!藥理學家的馬雅考古

寒波_96
・2022/09/21 ・5148字 ・閱讀時間約 10 分鐘

搞笑諾貝爾獎每年都是新的開始,2022 年也不例外。今年「第 32 次第一屆搞笑諾貝爾獎」一共頒發 10 個獎項,藝術史獎 2 位學者的得獎理由是:

「以跨領域手法研究古代馬雅陶器畫面的儀式性浣腸(A Multidisciplinary Approach to Ritual Enema Scenes on Ancient Maya Pottery)」。

浣腸場景的馬雅陶器,盡在不言中。圖/取自 mayavase

2022 年,肛門或成最大贏家!

浣腸(enema)別名灌腸,就是直接向肛門注入液體,刺激排泄。灌腸也指稱香腸的作法,浣腸讀起來比較有儀式感,本文之後就採用浣腸稱呼。

今年的生物學獎也和肛門有關,肛門或成最大贏家!有種蠍子斷尾求生後,連肛門都會一起脫落,而且無法再生,再也無法排泄,最終便秘致死。好在即使屁股沒惹一半,還可以再活幾個月,完成傳宗接代的蠍生大事。

同時看到馬雅人的浣腸研究,想說能不能幫斷尾的蠍子也浣腸一下,解決便秘問題……馬上想到它們已經沒有屁股,不再有機會享受浣腸的樂趣,嗚嗚。 😭

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有趣的是(疑似贅句,本文應該沒有無趣的事),2022 年受到表揚的藝術史獎來自 1986 年發表的論文,本身就很有考古精神,36 年過去,如今得獎者都老惹。

大部分搞笑諾貝爾獎頒給近幾年的研究。但是一查之下大吃一驚,穿越歲月的表揚很少,卻不算罕見:

2022 年的藝術史獎頒給 1986 年的研究,時隔 36 年。

2021 年的昆蟲學獎頒給 1971 年的研究,時隔 50 年。

2013 年的安全工程獎頒給 1972 年的研究,時隔 41 年。

2013 年的公共衛生獎頒給 1983 年的研究,時隔 30 年。

2011 年的公共安全獎頒給 1967 年的研究,時隔 44 年。

2011 年的生物學獎頒給 1983 年的研究,時隔 28 年。

2010 年的公共衛生獎頒給 1967 年的研究,時隔 43 年。

2008 年的化學獎頒給 1985 年的研究,時隔 23 年。
……

中間是考古學家地獄慕斯(Nicholas Hellmuth),右下是藥理學家德史密特(Peter A.G.M. de Smet)。圖/取自 頒獎影片

研究民族藥物的藥理學家:一個博士不夠,就再讀一個!

今年等待 36 年的 2 位得獎者,是什麼來頭呢?馬雅是個位於中美洲,有數千年歷史的文化,如今依然有數百萬馬雅人樸實地生活著,儘管不如古代輝煌。研究馬雅考古的人,應該是考古學家吧!其中一位地獄慕斯(Nicholas Hellmuth)確實符合想像,他正是探索古馬雅的考古學家。

然而,另一位德史密特(Peter A.G.M. de Smet)不是考古學家,而是藥理學家。這項探討馬雅浣腸的研究,源自他博士論文中的一部分,而且這是他的第二個博士學位。

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德史密特是荷蘭人,就讀烏特勒支大學(Utrecht University),公元 1979 年取得「藥學博士(Doctor of Pharmacy)」,具有一流的藥理學專業。後來他對民族藥物,也就是各地的草藥、菸草等傳統藥物產生興趣,於是 1981 年起又深造數年,1985 年再取得一個 PhD 博士。

他的博士題目叫作《美洲的儀式性浣腸與鼻菸(Ritual enemas and snuffs in the Americas)》,這段期間他幹勁十足地完成多達 11 篇論文!這麼多素材都被整合進博士論文,後來有出書。

德史密特出版過好幾本書,有亞馬遜作者頁面。圖/取自 亞馬遜網頁

這位藥學博士在第二個博士論文中(第 13 頁),一整個理組嗆文組的 fu:

「儀式性用藥的資料中,不當使用藥理學數據,是驚人的常見錯誤。實際上這不太意外,因為這個領域中的作者,往往缺乏藥理學背景。」

初出茅廬的德史密特,整理當時藥理學、民族學、考古學的多方資訊,加上自己的實驗,探討美洲原住民在浣腸、吸菸兩項行為的材料、手法、效果,使他成為以現代科學探討民族藥理學(ethnopharmacology)的先驅。

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40 年來他身兼藥理學家、民族藥物學家的雙重身份,兩個領域都頗有建樹,總共發表上百篇論文,有些引用數相當可觀。2011 年還出過一本書,由 20 世紀初的明信片討論各地的民族藥物。

出現浣腸場面的馬雅陶器畫面,中間有位睡蓮美洲豹。圖/取自 Here are the winners of the 2022 Ig Nobel Prizes

藥理學×考古學:馬雅人為什麼浣腸?

馬雅人為什麼浣腸?馬雅世界後來成為歐洲人殖民地,早在殖民時期便有紀錄,馬雅人以浣腸行醫療用途。這也是當今受過醫學訓練的醫師、護理師之基本專業。

然而,1977 年重現於世的古代陶器,上頭的浣腸畫面卻不像醫療,而是某種儀式的場景。此後累積愈來愈多證據,現在可以肯定馬雅人不只為了醫療浣腸,還會在儀式性的場子中浣腸,有搞別人屁股,也可以自己搞自己屁股,還有互相浣腸的。

馬雅浣腸是德史密特的博士論文中,少數有關考古的題材,他不懂考古學,因此找到前輩地獄慕斯助拳。地獄慕斯搜藏不少馬雅小本本(主要是 6 到 9 世紀的古典期晚期),在其協助下,德史密特能充分發揮藥理學專業,跨領域探討古代馬雅人的浣腸學問。

出現浣腸注射器的馬雅陶器畫像。馬雅人長相並不奇怪,畫面中人只是戴著面具喝酒。圖/取自〈【食慾流動】今晚我想來點中美洲烈酒

「儀式(ritual)」的目的千變萬化(很多人類學家不知道怎樣解釋就說是儀式,老套路),馬雅浣腸的目的是什麼?德史密特認為一項意義可能是「淨化」。浣腸就是人為強制排出消化道中的廢物,在淨化儀式中適合作為象徵。

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有些浣腸的目是追求快感,馬雅人應該也不例外,畢竟有些浣腸儀式的畫面,看起來就是派對。在儀式中使用藥物、興奮劑助興,不論古今都很常見。馬雅浣腸多半也是令參與者愉悅的儀式。還有人浣腸的目的是保健,像是現在也有人提倡咖啡浣腸。由此推敲,浣腸儀式能達到綜合性的目的。

浣腸跨越時空。福大命大的法蘭西大皇帝「太陽王」路易十四,便以喜愛浣腸聞名,別稱「大腸王」,據說一生浣腸超過 2000 次。當時浣腸和放血一樣,是流行的醫療與保健手段,不過懂玩的路易十四,想必也從中獲得不少快感。

提醒各位讀者,浣腸未必會傷害人體,但是一定有風險。不論目的是醫療、愉悅或保健,都要審慎進行,一旦碰到狀況,快點尋求醫療協助。尤其千萬不要用屁股直接喝酒或興奮劑!肛門、腸道細胞的吸收效果好,恐怕會不知不覺地中毒。

大腸王路易十四一邊浣腸,一邊接見外賓的歷史畫面。圖/取自 wiki 公共領域

實驗精神,注入!

注入肛門的液體是浣腸關鍵,浣腸液的配方、用量大有學問。幾乎可以確定馬雅人會用酒精浣腸,畫像中便能見到稱為「balché」的含酒精發酵飲料。

一堆博士牲讀的要死要活,即使僥倖畢業,也常常像 Long COVID 後遺症般,罹患遺憾終生的 Long PhD。德史密特的博士生涯卻充滿趣味,他拿自己的屁股做實驗,測試不同濃度與用量,讓讀者也猝不及防地上車。

讓人享受快感的浣腸,要將浣腸液留在腸道一段時間,不能馬上排出,所以不能注入太多。

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德史密特在博士論文第 57 頁寫到,現代西醫操作下,超過 200 cc 只作為刺激排泄使用。古代藝術品中,有些看起來 size 很大大大的注射器,能注入不少浣腸液,其目的看似為快速大爆射的淨化功能,而非慢慢醞釀,體驗灌腸的愉悅感。

然而,德史密特又指出,他用自己屁股做實驗發現,即使注入 500 cc 的酒精灌腸液,也能輕易地維持不會大爆射。因此不能說注射器比較大支,就一定無法享受快感。

大腸王路易十四直呼內行:這荷蘭仔,懂玩!

攻打荷蘭的太陽王路易十四畫像。圖/取自 wiki 公共領域

浣腸液除了酒精,馬雅人還有哪些素材?

酒精以外,德史密特還測試過 DMT(dimethyltryptamine,N,N-二甲基色胺)浣腸,沒什麼特別感覺,不過他謹慎使用的劑量非常低。致幻劑 DMT 可以調製死藤水(ayahuasca)等迷幻藥,吃多會出人命,千萬不要胡亂嘗試。

作為藥理學家,德史密特討論多款可能的成分,不過沒有自稱試用過。像是咖啡因、尼古丁、迷幻蘑菇(psilocybian mushroom)、毒蠅傘(fly agaric,學名 Amanita muscaria)、睡蓮(water lily)、柯拉豆屬植物的蟾毒色胺(Anadenanthera alkaloid bufotenin,巴西植物 paricá 的種子)等等。

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德史密特認為,他探討的大部分化學物質都不適合用於浣腸液,或是有機會被馬雅人使用。稀釋的咖啡因、尼古丁溶液肯定能用來浣腸,而且效果不錯。可是沒有馬雅人使用咖啡因、尼古丁浣腸的鐵證。

還有睡蓮值得一提。有些陶器畫面上出現睡蓮,可能作為儀式用途;而某些種類的睡蓮中又含有可作為致幻劑(hallucinogen)的成分,這才懷疑到睡蓮。但是睡蓮是否用於浣腸,至今仍缺乏可靠的證據。

這些研究看似搞笑,有什麼意義呢?不少人類學家、民族學家、考古學家,歷史學家做研究時,會接觸藥物與儀式,卻時常缺乏足夠的藥學知識,對於目的、用法、用量、效果等問題無法深入探討。人類學家 David J. Minderhout 在 1987 年的書評提到,德史密特以藥理學的視角切入,能彌補人類學、民族學的不足,對藥用植物感興趣的人,這類研究頗有參考價值。

總之就是,叔叔有練過,大家不要模仿。浣腸是有風險的行為,不論出於什麼目的,都要謹慎操作。

2022 年搞笑諾貝爾獎頒獎典禮影片(藝術史獎從 47:50 開始):

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更多有趣的研究,請到【2022 搞笑諾貝爾獎】

延伸閱讀

參考資料

  1. 2022 年搞笑諾貝爾獎得獎名單
  2. Here are the winners of the 2022 Ig Nobel Prizes
  3. 德史密特在 WHO 旗下 International Classification of Traditional Medicine(ICTM)的網頁
  4. 德史密特 1985 年的博士論文《Ritual enemas and snuffs in the Americas》
  5. de Smet, P. A., & Hellmuth, N. M. (1986). A multidisciplinary approach to ritual enema scenes on ancient Maya pottery. Journal of ethnopharmacology, 16(2-3), 213-262.
  6. Minderhout, D. J. (1987). Ritual Enemas and Snuffs in the Americas. Peter AGM de Smet.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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睡眠不足來杯咖啡?小心!這可能是個惡性循環——《人類文明》
天下文化_96
・2024/06/19 ・2251字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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咖啡因對大腦的影響

咖啡因是一種分子上的模仿大師。人類醒著的每一分鐘,腦中都會不斷增加腺苷(adenosine)這種化學物質,像是沙漏的沙子不斷累積,能夠告訴我們已經醒著多久,且會讓大腦運作逐漸放緩,創造出一種睡眠壓力,讓人體做好入眠的準備。所以醒著 12 個小時到 16 個小時,人就會感受到一種難以抗拒的誘惑,想回臥室躺著進入夢鄉。

然而,咖啡因的分子結構十分類似腺苷,能夠搶先一步與腺苷的受體結合,卻不會活化受體;這樣一來,反而是對這些腺苷受體形成一種化學封鎖。所以,只要你的腦中有大量咖啡因,腺苷就無法與受體結合,難以傳遞正常的訊號咖啡因就是靠著這種藥理作用來抑制睡意,使大腦保持警覺與專注。雖然腺苷依然不斷在大腦中堆積,只不過所發出的訊號就這樣被咖啡因給堵住了。但是,等到身體分解了咖啡因,腺苷就會宛如大壩潰堤,讓人感受到沛不可擋的睏意——這就是可怕的咖啡因崩潰(caffeine crash)。

植物合成咖啡因,原本是做為一種天然的殺蟲劑,避免葉子或種子遭到啃食,甚至還能殺死昆蟲。但奇怪的是,像是包括幾種咖啡類與柑橘類植物在內,有些植物的花蜜也含有咖啡因,花蜜原本該是用來吸引昆蟲授粉的。實驗結果顯示,咖啡因能夠增強蜜蜂的嗅覺學習能力,讓蜜蜂更能記得這些花的氣味,於是不斷回訪這些有著咖啡香氣的花朵。也就是說,這些植物等於是讓蜜蜂吸了興奮劑,引誘它們成為自己忠實的授粉者;可以說,正是咖啡因讓蜜蜂願意不斷嗡嗡嗡上工。

研究顯示,咖啡因是蜜蜂的興奮劑,可以讓他們願意不斷嗡嗡嗡上工。圖/envato

咖啡因的另一個作用是增加依核裡的多巴胺濃度,同時也會提高多巴胺受體的敏感性。這會刺激我們前面提過的中腦邊緣報償路徑,讓人在喝到一杯好茶或咖啡的時候,感受到愉悅的好心情;但也會讓人上癮。人類之所以愛喝咖啡或茶之類的飲料,是因為這能夠刺激大腦、抑制睡意;而且只要一開始喝了,就會因為咖啡因成癮而讓人維持這樣的習慣。於是回過頭來,我們就看到咖啡因對歷史產生了長久的影響。

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在啟蒙時代,咖啡在歐洲咖啡館裡刺激了知識份子的思想與話語;到了不斷變化的工業時代,則是茶讓英國工人階級的身心得以調適。工業革命淘汰了像是編織、打鐵這些傳統工藝,以龐大的機器加以取代。從煤氣燈到電燈泡,各種人造光源讓工廠開始能夠一路運作到深夜。而咖啡因不但能讓工人在單調無趣的工廠環境裡,維持清醒專注,連那些營養不良造成的飢餓感也能一併排除。茶裡面加的糖也能提供熱量,讓人在長時間的輪班期間維持體力。咖啡因就這樣將工人變成了更好的零件,更能配合那些永遠不知疲倦為何物的鋼鐵機器。

〔附注:出於類似的原因,戰爭時期的軍隊也會運用各種精神藥物。像是希特勒速度驚人的閃電戰,先是在 1939 年 9 月橫掃波蘭,接著在 1940 年初攻下法國與比利時。這一方面靠的當然是德意志國防軍裝甲師的機動性,坦克既配備了無線電裝置用於協調,還能得到德意志空軍轟炸機的空中支援。但另一方面,這項成功的背後還有另一項技術的支援:靠著合成興奮劑「甲基安非他命」(methamphetamine,分子結構類似腎上腺素),德軍能夠戰得更猛更久,而不會感覺精神倦怠或身體疲勞。安非他命的化學作用讓人進入高度警覺狀態,也大大提升了自信與攻擊性。閃電戰的成功,靠的其實也是部隊嗑了藥。就連希特勒本人也同時混打多種藥物(古柯鹼、甲基安非他命、睪固酮),提供作戰指揮時的體力。〕

咖啡因不但能讓工人在單調無趣的工廠環境裡,維持清醒專注,連那些營養不良造成的飢餓感也能一併排除。圖/envato

所以講到工業革命,工廠與磨坊的動力靠的是蒸汽機,但如果是操作機器的工人,靠的燃料就是東印度公司帶來的茶葉、加上來自西印度群島的糖。於是,茶的歷史深深植根於對勞工的剝削——從印度的茶園、加勒比海的甘蔗栽培園、再到英國的工廠,都壓榨著這些工人所有清醒的時分。

如今,若想要控制我們的睡眠清醒週期(sleep-wake cycle),咖啡因仍然是一項重要工具。這個科技社會的步調太過急促,不允許我們被動順應自己的生物時鐘,得主動加以調整,適應數位時鐘的要求。而很多人靠的就是自行攝取咖啡因,在每天上班途中把自己叫醒、讓自己能在辦公桌前熬夜趕工,或是在長途飛行後,把生理時鐘同步到新的時區。很多咖啡因成癮者都能自己調整這種藥物的劑量,一方面巧妙發揮咖啡因的正面作用,讓自己更能面對現代世界對專注力的需求,另一方面也能避免過度攝入造成的負面作用,像是焦躁不安、心跳加速、胃部不適。

然而,咖啡因雖然讓我們得以抑制大腦發出的睡意訊號,卻也成了現代人常常睡眠不足的一大主因。咖啡和茶就這樣和人類玩著兩面手法:我們喝咖啡和茶,是為了緩解長期的嗜睡;但造成這種情形的元凶也正是咖啡因。事實上,我們早上會想趕快來杯咖啡,讓腦子清醒一點、或是提振精神,很多時候其實是在緩解一夜難眠的戒斷症狀。

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——本文摘自《人類文明:生物機制如何塑造世界史》,2024 年 05 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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天下文化_96
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間質性膀胱炎是什麼?有哪些症狀?如何治療?
careonline_96
・2024/05/15 ・2573字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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劉育志醫師:請問什麼是間質性膀胱炎?

蔡青倍醫師:間質性膀胱炎,其實是一個慢性非細菌性的膀胱炎,所以既然是慢性,通常這些病人,會有超過六個禮拜以上,不舒服的情況,怎麼樣的不舒服,其實是很像細菌性膀胱炎的,解尿疼痛、下腹痛,所以它的核心症狀其實是疼痛,它的診斷需要,還有輔助一些下泌尿道的症狀,譬如有一些解尿疼痛,頻尿、急尿,一直要去上廁所,這樣非常困擾的下泌尿道症狀,它的盛行率,其實在女生的族群比較常見,也許有八到九成都是女性的病患,而且相對是年輕的,平均可能是四十幾歲左右,會被做診斷,也因為慢性,所以是無時無刻,可能病人都有覺得這樣的不舒服,在這種解尿疼痛、下腹痛,無時無刻的影響,也因此這些病人的生活品質,是非常的差的,甚至有些人覺得這些病人的生活品質,甚至比洗腎的病人還要來得差。

劉育志醫師:請問在確診間質性膀胱炎,會遭遇哪些困難?

蔡青倍醫師:間質性膀胱炎,基本上是一個慢性的過程,所以很多病人,在一開始的症狀,本來就是比較模糊不清,或者是一開始的症狀,其實是反反覆覆發生,也因為有些病人會在性行為之後,或者是月經來以前,這樣的症狀又再發作,也因此像這樣的疼痛、解尿不舒服,很容易被診斷為泌尿道感染,也許這些病人在給了藥物治療之後,症狀又有稍微得到緩解,沒有再進一步追根究柢,把根本的原因找出來,也有一個文獻說,平均這些病人,要經過七、八年的時間,可能會遇到五到七位,不一樣的主治醫師,最後才得到診斷。

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劉育志醫師:請問間質性膀胱炎該如何治療?

蔡青倍醫師:第一步,要先能夠好好的照顧自己,跟疾病能夠長期共處,所以第一點的保守治療,要能夠先了解自己,應該會有一些壓力、情緒,或者是飲食,會讓疼痛、解尿不舒服的情況,又再次發作,所以如果找到自己容易誘發的因素去避免,以平常的生活習慣,維持一個良好的生活習慣,不要有太大的壓力,適當的飲水,去減少發作,在比較一些緊急發作的狀況,會需要用到一些藥物治療,這樣的藥物治療,還是以一些止痛劑,適當的止痛劑,或者是一些膀胱,或者是一些骨盆肌肉,放鬆治療藥物為主,很多病人應該也會問到說,目前有玻尿酸的膀胱灌注治療,這樣的治療其實是藉由玻尿酸的溶液,可以修復膀胱上皮的黏多醣層,對於尿液裡面的一些刺激物,就會比較沒有那麼敏感,這也是病人常常在我們門診,有可能會反覆回來,做灌藥的一個療法,如果口服藥物治療,或者是膀胱灌注治療,可能都沒有辦法紓解,這麼嚴重疼痛的狀況,也會有比較侵入性的,像膀胱進水擴張手術,或者是膀胱鏡的注射手術。

劉育志醫師:請問玻尿酸灌注會如何進行?

蔡青倍醫師:玻尿酸其實是 50 cc 的一個透明的溶液,它的結構因為跟膀胱表皮的,黏多醣層類似,也因此如果能夠灌注到膀胱內側,其實是可以修復,補充破損的黏多醣層,病人的症狀也會獲得緩解,在診間醫師會經由導尿的方式,將 50 cc 透明的玻尿酸,直接灌注到病人的膀胱內側,之後導尿管其實就可以拿掉,病人就可以馬上下來活動,也許過一、兩個小時之後,再自己把玻尿酸,隨著尿液一起排出來,其實就可以了,病人也許在灌注之後的幾天,甚至到幾個禮拜之內,就會覺得這樣的疼痛,解尿不適的狀況舒緩許多。

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劉育志醫師:請問玻尿酸灌注治療的選擇,有何注意事項?

蔡青倍醫師:其實在全球而言,這樣的玻尿酸產品非常多,目前真正進入台灣的品項,也都有台灣衛福部的核可,但是大家在選擇這樣的產品,其實可以注意,是不是有標明來源,它的純化,整個過程到底是怎麼樣進行,再來是這些產品,是不是都有比較多的文獻,去佐證它的使用概念,所以其實建議大家,在選擇產品的時候,是可以稍微詢問,玻尿酸的來源跟廠牌。

蔡青倍醫師:她(患者)在來看我之前,的確也經歷了超過五年以上,蠻痛苦的就醫過程,因為她在一開始的症狀,其實是有點反反覆覆,大部分其實是在憋尿之後,開始就會覺得肚子痛、排尿不順,解尿痛的狀況,她就到處去看醫生,反反覆覆、來來回回,她可能看了也許不下十家的醫院,一開始的症狀是會好的,可是在來看我的前面那一、兩年,就發現這樣的症狀,在吃了藥之後,變得好像沒有什麼效果,那一年她其實是沒有辦法上班,所以她的工作也因此就沒有,就變成到處看醫生,可以想像其實她的生活非常痛苦,她的說法是每天尿尿超過二、三十次,在經過膀胱鏡的檢查之後,確定這樣的診斷,我們幫她做的治療,除了口服藥物之外,其實是玻尿酸的灌藥治療,她其實也蠻認真配合,所以在第一個月,她每個禮拜都來報到,她覺得那一個月,是這幾年最大的轉折點,她開始比較有辦法出門,後來她的玻尿酸的灌藥治療,是採用一個比較維持性的療法,也就是每一、兩個月,她再回來接受治療,後面變得非常的穩定之後,我們也慢慢的拉長灌藥時間,可能到兩、三個月,再回來灌藥一次,而且幾乎所有的止痛藥,或者是頻尿的藥物治療,也都不太需要了,給我最大的鼓勵是,她也很高興的回來跟我說,她後來又找到了工作。

蔡青倍醫師:雖然她是一位蠻年輕的病人,目前也才三十幾歲,可是看得出來,她從很年輕的時候,就開始慢慢的出現症狀,經過了那麼長時間,吃藥跟就醫治療,最後找到了確切的治療之後,其實是可以維持一個非常好的生活品質。

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