益生菌不只顧腸道還可抗 PM2.5？益生菌功效怎麼吃？

本文轉載自顯微觀點

畫面中以腫瘤與腸道的交界處作為分割，上方為十二指腸的腸絨毛血管和神經網絡，下方則是侵襲的胰臟癌腫瘤，呈現出生命與疾病在邊界對峙的氛圍

連2024台灣顯微攝影競賽評審都忍不住讚嘆：「影像具有魄力與情緒渲染力，讓人直觀感受到人體對抗癌症的不適和緊張。」

這幅「劍拔弩張」的影像由中研院基因體中心的博士後研究員簡宏任所拍攝。他目前的研究主題之一為探討胰臟癌的漸進發病過程中，出現的病變（lesion）和微環境變化。

他提到拍攝這張影像契機是當時正在做腫瘤轉移的試驗，正巧收到這個小鼠胰臟樣本。

「那隻老鼠的胰臟腫瘤剛好長在十二指腸的旁邊」，簡宏任表示，胰臟有很多神經，而胰臟癌特別之處在於腫瘤長大後，神經也會跟著長進去。

「但腫瘤中的神經從哪裡來？是從胰臟裡面自己長進去，還是從旁邊的器官？以概念上來說，你各自的器官神經理論上應該不會交錯吧！」但過去很少有人做過這樣的觀察和研究，而透過顯微鏡的觀察，發現神經從十二指腸的肌肉層，沿著血管長到胰臟腫瘤裡面。

「下面這是腫瘤範圍，神經會長進去耶！這還滿神奇的」，簡宏任一邊對著影像比劃，一邊興奮地分享研究發現。

胰臟癌很難治療的原因之一是腫瘤中沒有或是很少具有免疫細胞浸潤，即無免疫源性的腫瘤－「冷」腫瘤。但從影像中看到標記成藍色的免疫細胞順著血管和神經的網路進到腫瘤生長區域。「可見免疫細胞其實是可以進去的，但是為何這些免疫細胞無法發揮殺死癌細胞的作用或是僅駐留在腫瘤中的局部位置」，簡宏任坦言目前還沒有答案。

雖然對於免疫細胞和癌症之間的作用尚無明確解答，但影像的呈現仍然多少解開過去對於神經、血管和腫瘤之間如何交錯的疑惑。簡宏任表示，這都得歸功於3D組織學技術的發展。

器官很大病變很小 從2D走向3D找目標

胰臟癌又稱為「癌王」，因為癌症初期病人沒有任何不適，加上胰臟在腹腔深處，難以用超音波早期發現癌症病變，等到壓迫到其他器官出現腹痛、胃口差等症狀，腫瘤都已長得很大或是出現轉移，惡化速度快。

簡宏任研究的一部分就是觀察癌前病變的病理樣態。

胰臟很重要的功能分為內分泌和外分泌。內分泌為分泌胰島素調解血糖，外分泌則是分泌胰液含有多種消化酵素，進行醣類、蛋白質、和脂肪的消化作用。

簡宏任表示，胰臟腺泡細胞分泌的消化液需要透過導管結構送到消化系統，而研究發現這種導管結構可能會出現癌前病變，這些病變稱為胰臟上皮內瘤樣病變（pancreatic intraepithelial neoplasia, PanIN）。而PanIN也可能會由胰腺泡到導管化生（acinar-to-ductal metaplasia, ADM）發展而來。病變的進展是多重步驟的過程，除了病變細胞本身基因層面的改變之外，外在的微環境也會影響這些PanIN的發育。

因為胰臟組織裡細胞種類眾多，不同種類細胞的組成可能塑造出適合病變成長的環境；雖然這些病變並不一定最後都會走向癌症。而他所待的胡春美老師研究室，就在關注病變過程微環境的變化。

另一方面，胰臟癌難以早期發現，通常是轉移到肝臟，發現肝臟腫瘤後才回頭找出胰臟腫瘤。而發生遠端轉移之前，從原位胰臟腫瘤脫離的細胞團可能在血液中循環，這些細胞團被稱為循環腫瘤細胞簇（Circulating tumor microemboli, CTM）。

簡宏任另一部分的研究重心便是放在這些循環腫瘤細胞簇的特徵及其是否有喜歡的微環境，藉以找出可能的轉移熱點，以更好地了解癌症轉移並尋找治療的契機。

然而微環境「長成什麼樣子」，難以用一般分子生物的技術觀察，必須整合病理學的技術來「看見」其真實的樣態。

「但問題又來了，要怎麼找到這些小小的、開始發生病變的位置？」簡宏任說，在模式小鼠中，胰臟病變的平均直徑僅約100至200微米（µm，micrometer），以老鼠胰臟2公分乘以1.5公分的面積、厚度0.5公分來看，一個病變保守估計可能只佔胰臟體積的十萬分之一到百萬分之一。

過去受限於常規組織學技術的切片方法，研究者只能製備厚度3到5微米左右的樣本，以觀察組織薄片上二維（2D）空間的訊息。而且切片過程不僅得破壞樣本，對於無法明確知道起始位置、難以定位的目標來說，也無法準確擷取到想要的影像。

但是組織透明化技術允許研究者在不切片或是增加切片厚度的方式下製備出「厚」樣本，如此一來樣本就能保有立體的三維（3D）空間訊息。使用3D組織學技術便可以看到整體結構，再去找尋「不一樣」、「可能是病變」的部位加以觀察、分析。

簡宏任表示，3D組織學技術對於觀察隨機分布或是網狀、網路性質的結構特別有利。

組織透明化技術

使用光學系統觀察生物組織時，常會面臨因為光散色（light scatter ）的問題，觀察深層樣本時會因為難以對焦而模糊。就算使用連續薄切片再3D重建，不僅耗時費力也常發生影像對位不易或是資訊不連續的問題。組織透明化技術則是將組織內部不同構成物質的折射率趨近一致化，將組織呈現出透明的效果。

不過3D組織學技術並不是這麼簡單，其中組織透明化是十分關鍵的步驟。2010年代初期第一代透明化技術出世後，應用這項技術的研究開始變得熱門，但主要都是以大腦為研究主體並加以改良。然而像是胰臟或是其他器官，當時應用此技術的研究較少且製備高品質樣本的過程充滿挑戰。

簡宏任提到，以胰臟為例，製備透明胰臟樣本的難處在於，作為消化器官的胰臟本身會分泌消化液。當實驗進行，老鼠一犧牲，血液停止循環時，那些消化液就「停留在原地，開始消化牠自己」。一旦前置處理不理想，看到有點缺損的器官就無法判定是已經發生病變，還是被消化液破壞，影響後續的影像品質。

除了胰臟外，肝臟也是不易製備出透明化樣本的器官之一。因肝臟受到膽紅素（Bilirubin）影響而有顏色，這些色素一方面會阻擋雷射激發組織內的標定結構，也會限制激發出的螢光訊號回到偵測器。如何漂白可以達到透明化效果又不會去除掉標定的抗原，便成為一大學問。因此，透明化技術必須對應不同器官建立合適的前處理流程以提升樣本品質。

前處理之外，折射率也是需要考量的因素，簡宏任碩博班期間的指導教授湯學成提出將組織「固化」的想法。

「90%以上的透明化技術最後都處在溶劑中漂浮的狀態，雖然可以從四面八方觀察，但折射率固態大於液態，液態大於氣態。若能把折射率提升，透明度更好便能看到更多資訊」，湯學成教授的團隊反覆試驗後研發出可同時將生物樣本透明化與固化的技術。

由於光在不同介質中的因不同折射率導致光的散射。他們依據流體折射率與密度之間所滿足的Gladstone-Dale關係式，以高折射率的高n丙烯醯胺共聚物（high-n acrylamide-based copolymer）來填充組織的空隙，使折射率一致，達到透明化目的。

再進一步用紫外光（UV）照射成為固態高密度共聚物，提高折射率並成為穩定的透明樣本。

這樣的透明化技術相較過去，不僅克服組織放在溶劑裡攜帶不易、蒸發等問題，在實驗過程中也發現固體透明組織具有抗螢光淬滅（antifade）的特性。

由於使用共軛焦顯微鏡觀測時，需要使用雷射激發抗體螢光，如果照射多次可能因為螢光強度衰減而漸漸觀測不到訊號。

但是湯學成教授團隊所開發的固態透明化技術，儘管進行500次雷射掃描，螢光訊號僅下降9% ± 2%；相比其他液態透明化技術的樣本下降幅度在55%至95%，可說是非常穩定，適合長時間、多次成像。

「當別人對研究存疑時，以往只能就影片或是拍好的圖片討論，但有了這個材料，就可以將樣本直接寄給對方」，除了上述的優勢，簡宏任認為新材料還能促進學術交流。

點滿技能樹 喜獲銀獎

不過，組織透明化後雖能更加輕易找到病變位置，但拍攝「有拍照」跟「拍好照」是天差地遠的事。

「既然已經花了那麼多的精力、資源，做了這麼好的片子（樣本），那你要怎麼吸引『觀眾』（論文審查者、同儕），讓人家覺得研究、看到的東西，有那麼重要？」簡宏任認為安排顏色對比、構圖，以突顯影像中的重點是非常關鍵的。

以「對峙」這幅作品來看，簡宏任解釋，他通常將畫面面積最大的部分以白或灰等顏色處理，因此佔據畫面最大的腸道細胞以白色呈現並降低對比。至於神經與血管是他想強調的部分，便用較亮的紅、黃等色系，尤其大部分的人直覺認為血管是紅色，因此血管套上紅色，神經便給予黃色標示。免疫細胞則選擇藍色，在紅、黃色當中得以突顯，也避免以為是組織間交疊出的疊加色。紅、黃與藍的選色也應用了消減型的三原色（subtractive mixing color model）的概念，以不交疊的原色（primary color）凸顯不同結構的特色。

對於顏色、構圖呈現的敏銳度，也源自簡宏任過去的學經歷。簡宏任並非一開始就走上研究之路。國中畢業後選擇高職就讀的他，選修科目的平面設計與視覺藝術奠定了他美學的基礎；但在學術學程的課程中，他也發現自己對生物也挺感興趣，因此大學選擇分子生物暨人類遺傳學系就讀。

只是相較於「看不見」的分子生物，簡宏任更喜歡「看得見」的生物（顯微）影像。投身固態組織透明化技術的研究後，當中有些需要用到紫外光等儀器設備，也因為簡宏任高職時曾參加微控制相關的社團，喜歡動手操作，因此可以自己架設一些小型機台。

簡宏任笑說：「這次得獎算是把過去學的技能串在一起，技能樹剛好都點滿。」不過他也謙稱，得獎是運氣，在作品展看到其他人的作品時，可以看到不同技術在製備上也都有其厲害之處；銀獎抑或優選還是看評審的選擇，只能把自己最好的部分拿出來展現。

固化過程若是讓液態慢慢凝固，一方面時間漫長，另一方面容易出現不均勻的問題。因此簡宏任索性運用過去社團習得的技術，自行動手製作「固化系統」。從選擇適合波長的紫外線光源和照射時間，以避免蛋白質變性或是氣泡跑進透明化樣本，到組裝焊接，簡宏任全都自己來。

不好意思，你很可能會得這種癌症。其實，我也是。

它就是台灣十大癌症榜首，肺癌。

現在，根據 2023 年 11 月衛福部發布的最新統計數字，肺癌一年的新增病人數已經超越大腸直腸癌，成為台灣每年癌症發生人數之最，堪稱臺灣人的「國民病」。

可怕的是，肺癌在癌症之中有三個之最：死亡率最高、發現時已經是晚期的比例最高、醫藥費也最高。現在再加上發生人數最高，堪稱從癌症四冠王。

你說肺癌是抽菸的人的事？錯！台灣抽菸人口比例在全球排名 30，比日本、韓國、中國和多數歐洲國家都還低！顯然抽菸並不是肺癌的唯一主因！那難道是二手菸？還是空污惹的禍？還是台灣人的基因天生脆弱？我們到底要怎麼做才能遠離肺癌？

臺灣人的肺癌特別在哪？癌症和基因有關嗎？

根據衛福部國健署的說法，肺癌人數的增加，其實與 2022 年 7 月開始推動肺癌篩檢的政策有關。

隨著篩檢量的上升，近年內肺癌的確診人數預期還會再往上。

原來是因為篩檢量啊，那就不用擔心了。但換個角度想，這才是肺癌最可怕的地方，它可能已經存在在很多人身體裡，而我們卻沒能發現它。肺癌早期幾乎沒有症狀，高達 50％ 的患者發現時已經是第 4 期。屆時不只肺部遍布腫瘤，癌細胞可能還轉移到大腦、骨頭等器官，讓治療變得加倍困難。

對付肺癌，最關鍵點是愈早發現愈好。按照國健署統計，如果第 1 期就發現，5 年存活率可達九成以上，第 2 期發現降為六成，第 3 期存活率大約三成，一旦到第 4 期，僅僅剩下一成。

當然，最好的方法，就是做好預防，打從一開始就不讓癌細胞誕生。

那麼我們就要先了解問題到底是出在環境，還是你、我身體中的基因？ 過去關於肺癌的遺傳研究，多半以歐美國家為主，套用到我們身上總有些牛頭不對馬嘴。幸好，我這裡一份以臺灣人為主角的大規模研究報告，將為我們揭露答案。

這份研究是由中央研究院團隊主導，結合臺灣大學、臺北醫學大學、臺中榮總等單位的研究，還登上生物領域頂尖期刊《Cell》2020 年 7 月的封面故事。非常具有權威性，不能不看。

同時，這也是全球第一次完整剖析東亞地區肺癌的成因。他們的主題很明確：「為什麼不吸菸也會得肺癌？」

在西方，肺癌病人裡面只有 20% 左右的人不吸菸。但是在臺灣，卻有超過一半的肺癌病人都不抽菸，顯示有其他致癌要素潛伏在基因裡作怪。另外，臺灣肺癌病人的男女比例和西方人也大不同，臺灣女性通常更容易罹患肺癌。 為了瞭解肺癌，研究團隊取得肺癌病人的腫瘤和正常組織，解讀 DNA 序列和蛋白質表現量，最後鑑定出 5 種和西方人明顯不同的變異特徵。

其中最受關注的，是一種 APOBEC 變異，因為它有可能是臺灣女性為什麼容易罹患肺癌的關鍵。

這種變異特徵屬於內生性的，也就是人體機制自然產生的 bug。

APOBEC 不是指單一基因，它是細胞內負責編輯 mRNA 的一組酵素，包含 11 個成員。主要功用是把胞嘧啶核苷酸（C）轉變尿嘧啶核苷酸（U）。簡單來說，APOBEC 原本是細胞正常活動的一環。但因為它有改寫核酸序列的能力，在 DNA 修復過程同時活躍時，就很有可能出事。這就像是一個創意豐富的阿嬤，看到破損的古畫，就在沒和別人討論的情況下上去東湊西補，用自己的方式重新修復了這件藝術。一個與原本不同的突變細胞可能就這樣產生了。

APOBEC 變異在臺灣女性病人身上特別明顯，舉例來說，60 歲以下沒有吸菸的女性患者，就有高達四分之三有這種變異特徵。研究團隊認為，APOBEC 出錯造成的基因變異可能是導致女性肺癌的關鍵。 除了內生性變異，另外一個容易導致肺癌發生的，就是周遭環境中的致癌物。

致癌物有哪些？

研究團隊總結出 5 種肺癌危險物質：烷化劑、輻射線、亞硝胺（Nitrosamine）、多環芳香烴（PAHs），還有硝基多環芳香烴（Nitro-PAHs）。

其中，亞硝胺類化合物主要來自食品添加物和防腐劑，多環芳香烴大多來自抽菸和二手菸，硝基多環芳香烴則是透過汽機車廢氣和 PM2.5 等毒害肺部。

他們進一步分析，大略來說，女性在不同年紀，致癌因素也有差異。60 歲以下的女性肺癌病人，APOBEC 特徵的影響比較明顯；70 歲以上的女性患者，和環境致癌物的相關度比較高。 既然找到致癌原因，我們該如何著手預防呢？你知道肺癌，其實有疫苗可打！？

空氣污染和肺癌有關嗎？有沒有癌症疫苗？

想預防肺癌，有 2 種對策，一種是「打疫苗」，一種是「抗發炎」。

是的，你沒聽錯，英國牛津大學、跟佛朗西斯．克里克研究所，還有倫敦大學學院在 2024 年 3 月下旬公布，他們正在研發一款預防性的肺癌疫苗，就叫 LungVax。它所使用的技術，和過往牛津大學協同阿斯特捷利康藥廠製造 COVID-19 AZ 疫苗時的方法相似。

他們已經募到一筆 170 萬英鎊的經費，預計未來兩年資金陸續全數到位，第一批打算先試生產 3000 劑。不過，關於這款肺癌疫苗，目前透露的消息還不多，我們挺健康會持續追蹤這方面研究的進展。

在疫苗出來之前，我們還有第二個對策：抗發炎。發炎和肺癌有什麼關係呢？這就要先回到一個問題：為什麼空污會提高得肺癌的機率呢？

一個很直觀又有力的推測是，空污會導致肺部細胞 DNA 突變，因此而催生出腫瘤。

但是修但幾勒，科學要嚴謹，不能只看結果。科學史上發生過很多次表象和真實截然不同的事件，空污和肺癌會不會也是這樣？

2023 年 4 月《Nature》的一篇封面故事，明確地說：Yes！肺癌真的和我們想的不一樣。

其實早在 1947 年，就有以色列生化學家貝倫布魯姆（Isaac Berenblum）質疑主流觀點，他提出的新假設是：除了 DNA 突變以外，癌細胞還需要其他條件才能坐大。用白話說，就是肺癌是個會兩段變身的遊戲副本頭目，正常細胞先發生變異，接著再由某個條件「扣下扳機」，突變細胞才會壯大成腫瘤。

也就是説，只要攔住任一個階段，就有機會能防範肺癌。假如這論點正確，全球肺癌防治的方向將會直角轉彎。

《Nature》的研究支持這個假說，扭轉了過去 70 多年來的看法。在這項里程碑研究中，臺灣也是要角。

時間回到 2020 年，《Nature Genetics》上發表了一份針對 20 種致癌物質的研究報告，包括鈷、三氯丙烷和異丙苯等，但注意，這研究指出這些致癌物大多沒有增加實驗鼠的 DNA 變異量。

這個現象實在太違反直覺，過了 3 年，疑團還是懸而未決。直到《Nature》的跨國研究出爐，才解開部分謎底。

英國倫敦佛朗西斯．克利克研究所主導 2023 年的一項研究，他們鎖定對象為肺腺癌。肺腺癌是典型「不吸菸的肺癌」，台灣每 4 個肺癌病人就有 3 人是肺腺癌，尤其是女性肺腺癌患者有高達九成不抽菸。 為了抽絲剝繭探明空污和肺癌的關係，研究團隊聚焦在肺腺癌患者常發生的表皮生長因子受體基因變異，縮寫 EGFR。他們收集英國、加拿大、韓國和臺灣四國大約 3 萬 3 千名帶有 EGFR 突變的病人資料，進行深入分析，並且發現 PM2.5 和肺腺癌發生率有顯著關聯。研究團隊進一步用小鼠做試驗，把小鼠分成吸入和未吸入 PM2.5 兩組，結果發現吸入組更容易長出惡性腫瘤。

到目前為止都還不算太意外，然而，團隊切下肺部細胞、分析 DNA 以後發現，DNA 的突變量居然沒有明顯增加！但是有另一件事發生了：堆積在肺的 PM2.5 顆粒會吸引免疫細胞從身體各處聚集過來，並分泌一種叫做 IL-1β 的發炎因子，導致肺組織發炎。

這下子有趣了，根據克利克研究所團隊的檢驗結果，估計每 60 萬個肺部細胞有 1 個帶有 EGFR 突變，這些細胞在發炎環境裡會快馬加鞭生長。相反的，當他們給小鼠注射抑制 IL-1β 的抗體，肺癌發病率就跟著下降。 《Nature》一篇評論引述美國加州大學舊金山分校分子腫瘤學專家波曼（Allan Balmain）的看法。他總結說，空污致癌的主要機制，可能不是因為空污誘發了新突變，而是持續發炎會刺激原本已帶有突變的細胞生長。換句話說，本來在熟睡的壞細胞會被發炎反應「叫醒」。

這會給肺癌防治帶來巨大衝擊，這樣一來，問題就從「用公衛或醫療方法防止 DNA 變異」變成了「如何抑制發炎」。

人體的細胞每天不斷分裂，用新細胞替換老舊細胞。但是這就像工廠生產線，良率無法百分百，組裝幾十萬產品難免會做出幾件瑕疵品，也就是帶有基因突變的細胞。換句話說，從自然界角度來看，DNA 變異是一種自發現象，醫療手段實際上幾乎不可能阻止。

但是，降低發炎卻是有可能做到的，例如注射抑制 IL-1β 因子的抗體。不過，就公共衛生來說，要給幾千萬人施打抗發炎因子藥物根本不切實際，因為太花錢，而且也可能造成其他的副作用。 波曼在《Nature》評論裡建議，透過簡易可行的飲食方式來降低體內發炎，或許有機會減少某些癌症的風險。這也就是說，科學家應該重新回來審視，怎樣把每天的生活點滴點石成金變成防癌手段。

這也等於預告了肺癌的下一階段研究方向，除了內科、外科醫療科技持續精進，尋求預防惡性疾病的最佳飲食要素，也成為聚焦重點。

留言告訴我們你的想法吧，如果你覺得這集的內容特別實用，記得分享給你的親朋好友！

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識！

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位。

• 採訪撰文／陳儀珈
• 責任編輯／簡克志
• 美術設計／蔡宛潔

你以為的大氣，不是真實的大氣！

大氣邊界層是人類的生活範圍，也是大部分空氣污染物存在的地方。然而，傳統氣象學模擬的大氣邊界層結構並不符合臺灣的真實情況，因此真實的空氣污染現象和理論的模擬預測間往往存在顯著的差異，導致污染防制策略缺乏精確的指引。

中央研究院「研之有物」專訪院內環境變遷研究中心研究員兼空氣品質專題中心執行長周崇光，他是建立空品專題中心的主要推手，研究團隊從大氣結構出發，試圖改善臺灣空氣品質的診斷及預報，這項計畫集結了來自民生公共物聯網、國家高速網路與計算中心、環境保護署等跨部門的資源，以下讓我們一起看周崇光怎麼說。

根據國際貨幣基金組織（IMF） 2021 年的報告，臺灣位列全球第 22 大經濟體，這個只有 3.6 萬平方公里的小小島國，一年內卻可以創造出高達 7,855.89 億美元的市場價值。

在美國國家航空暨太空總署（NASA）公布的地球夜景照中，我們彷彿可以看見，高樓一棟棟升起、工廠一座座建成、百貨一間間林立，在又長又窄的西半邊，從北到南形成臺北、臺中和高雄三大都會區。

西部臨海，東部靠山，這個寬度可能不到 100 公里的窄長地區，不僅聚集了臺灣 2,300 萬人的極大多數人口，凝聚出商業與工業的巨大產能，更集結了大量、複雜的「空氣污染物」。中研院「研之有物」專訪周崇光研究員，請他從空氣品質與都市氣象學的角度，細細剖析空污議題在這座海島上的獨特之處。

臺灣雖然小，但空汙問題好複雜！

臺灣國土面積僅有 3.6 萬平方公里，以大氣尺度來看非常的小，然而，我們在空氣污染面臨的挑戰卻異常艱鉅。

臺灣不僅處於許多境外污染源的下風處，接受來自各方的空氣污染物，各大都會區也因為地形的關係吃足了苦頭，整個中西部更是在窄長的地域中，面臨來自山、海的多重影響。

以下圖的臺中都會區為例，臺中位處於中央山脈西側的中央，本身是一個有數個開口的盆地，被多重大氣動力機制所影響，包含季風、海陸風、山谷風以及熱島環流，形成極度複雜的區域環流。

盆地內的空氣污染物原本就不容易擴散，再加上複雜的大氣環流和大氣化學反應，讓臺中的空氣品質狀況非常、非常的複雜，無法使用現有的大氣理論進行簡單的描述，使得大氣科學家極為不易於觀測和研究臺中的空污情形。

「這裡就像是巫婆煉湯一樣。」周崇光這麼說。

臺灣在東北風的影響下，不適合傳統的高煙囪理論

周崇光笑著說，到處觀察「煙囪」是他的職業病。

大陸環境的大氣結構相對簡單，自歐洲工業革命開始，傳統大氣科學的理論都告訴人們：越高、風越大，只要把煙囪建得高高的，就可讓風把污染物吹散、吹到很遠的地方。

「到了大陸國家，你會發現他們煙囪排出來的煙，經常是非常穩定的水平煙流，可以飄得很遠，這種煙流挾帶著空氣污染物飛到 10 幾公里外都不是問題！」，然而反觀臺灣的煙囪，卻很少出現這樣的水平煙流。

根據中研院空品專題中心對火力發電廠的煙流觀測資料，如果臺灣的煙囪蓋得跟大陸國家一樣高，有時候反而容易造成空氣污染物的累積。

從上圖可知，當臺灣處在微弱東北風的大氣環境之中，西部沿海風速最快的大氣區域（藍底），大約落在 200～400 公尺高之間，此區的風速大約為 5～6 公尺/秒左右，以東北風為主，是空氣污染物的「最佳擴散區」。

若是再往上，到了 450～800 公尺左右，風速驟然下降（橘底），僅有 0.5～3 公尺/秒。這個區域的大氣就像是被下層的東北風與上層的南風「夾擊」一樣，在兩個不同方向的風的對切之下，形成一個風速很低的「污染累積區」。

因此，若臺灣真的按照傳統的大氣理論建造高煙囪時，反而會讓煙囪的高溫煙流進入污染累積區；換個做法，如果煙囪低一點，才可以被強風吹散。

不過周崇光話鋒一轉：低煙囪設計要相當謹慎，也很難推行。高溫煙流排出去會有很明顯的白煙（水蒸氣凝結），一般人都不喜歡看到白煙離居住地太近，因此實務上還會特別做加熱設計，讓煙流先往上浮，再擴散，等於加高了煙囪的高度，這在工程上稱為「有效煙囪高度」。降低煙囪高度除了有視覺污染的問題，污染排放點離民眾越近，當工廠發生緊急異常排放時，異常事件的衝擊風險也會越大。

和傳統理論不一樣？那就做出臺灣自己的資料吧！

這麼經典的高煙囪理論，為什麼不能用在臺灣？

周崇光表示，大氣科學的理論大都源自於美國、歐洲，使得傳統大氣理論都更適用於大陸環境之下，因此難以直接應用於臺灣地狹人稠的海島結構，而中研院空品專題中心的目標之一，就是發展出屬於臺灣的「空污氣象學」。

周崇光提到：「臺灣跟大陸國家的空間條件實在差太多，所以我們必須要更精確知道，臺灣空氣污染物的高度分布到底長什麼樣子，才能更有效的管制並改善空品狀況。」

既然臺灣無法參考大陸型國家的大氣狀況，那麼小一點的、近一點的國家呢？韓國、日本的有沒有參考的價值？

周崇光笑著說，「你知道嗎？臺中盆地也才 10 幾公里，但是外圍的中央山脈高達 3,000 公尺以上！」就算是韓國、日本，它們的地理空間也比臺灣大多了，而且地形也沒有這麼複雜。

當這麼多的工廠、車輛都擠在這小小的區域，究竟會對臺灣的空氣品質造成多嚴重的後果？某種程度來說，這也許是個細思極恐的問題呀。

因此，為了國內空污氣象學的發展，搞懂臺灣的大氣邊界層（Atmospheric boundary layer）是刻不容緩的工作。

大氣邊界層除了是人類的生活範圍，也是大部分的空氣污染物存在的地方，又被稱為行星邊界層（Planetary boundary layer）。在氣象學中，大氣邊界層指的是「直接受到地表作用影響」的大氣，高度從地表一直到數百至數千公尺不等，是大氣層中最靠近地球表面的部分。

然而，傳統氣象學所模擬出來的大氣邊界層結構並不符合臺灣的真實情形，因此，大氣科學家必須釐清大氣邊界層的氣象參數、動力機制，未來才能夠更精準的找到影響都市氣象以及空氣品質的關鍵因子。

但周崇光也感慨的說，「坦白講，目前臺灣還沒有辦法很『系統化』的改善邊界層的模擬條件，但我們仍然不斷的在努力，透過很多很多的調查、研究、模擬參數，漸漸地發展出半經驗、半理論的結構，最終的目標是歸納成一個系統性的成果，作為臺灣空污氣象學最扎實的理論基礎。」

從大規模的調查研究、積極補足知識的缺口、重新建立理論模型，到回頭檢視國家的空污防制策略，大氣科學家必須腳踏實地的、一步一步的，藉由大氣科學研究的力量，才能讓空氣品質管制更上一層樓。面對迫切的空氣污染防制議題、空污氣象學理論的不足，「空氣品質專題中心」也應運而生。

中研院在「大氣物理與化學」的研究群早已相當成熟，有著極為厚實的研究經驗和基礎，然而為了讓研究目標更明確、進一步聚集研究能量並進行跨部門的合作，中研院以提出空污議題的科學解釋與建議對策為目標， 2021 年 1 月在環境變遷研究中心之下成立空氣品質專題中心，成為全國規模最大的空氣品質專業研究機構。

除了宣示中研院對空污議題的重視之外，如此一來，研究預算的匡列、人力的評估，都有更紮實、更有架構的基礎。擺脫以往研究員們「自動自發」的空品研究，在中心的管理之下，空污的學術研究更能夠產生聚焦效果。

更精確的空氣品質預報

如果大家點入行政院環保署的空氣品質監測網，可以發現，目前來自中央監測的空氣品質預報的解析度並不高，由於空品狀況站數僅有 85 站，只能以「北部」、「竹苗」、「宜蘭」、「花東」、「中部」、「雲嘉南」、「高屏」等大範圍空品區進行未來三日的預報，尚無法以「縣市」或更小的區域為單位提供精準的預報。

因此，為了提供更先進的空氣品質預報，致力掌握國內 PM_2.5 及 O₃ 等空氣污染物濃度變化情形的「高解析度空氣品質診斷與預報模式發展計畫」，是空品專題中心相當關鍵的研究計畫之一，此計畫是行政院前瞻基礎建設中「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」的一個分支，集結了中研院、國家高速網路與計算中心、環保署等跨部門資源。

該計畫預計發展一套 1 km*1 km 高解析度的 72 小時空氣品質預報模式，並描繪空氣污染物的 3D 空間分布，預期能夠對臺灣地區 PM_2.5 及 O₃ 生成與傳輸過程進行更精確的模擬，進而應用於空氣污染事件的預報和成因診斷。

周崇光將這個計畫比喻為一個「神經系統」，由環保署統合高達 10,000 個感測器，就像是神經系統中的神經元，負責感知大氣環境中的變化，並透過民生公共物聯網提供的神經網路，將資訊傳輸至國家高速網路中心的超級電腦，而超級電腦就像是大腦一樣，提供強大的運算力，使得空污模式得以統合氣象條件、污染物排放量、以及感測器提供的環境變化狀況，計算和預報未來幾天空氣品質的可能變化。

雖然感測器來源不一，不同層級的靈敏度也有所落差，但隨著近年技術的進步和突破，微型感測器對 PM_2.5 的監測資料已經具有足供參考的準確度，目前各縣市大約都有 100 個以上的微型感測器，環保署已經在全臺灣佈建了約 10,000 個感測器，透過高密度的監測數據進行資料分析，有效掌握全臺各地的空品狀態。

此外，此研究計畫也希望藉由感測器的大量需求，協助推動臺灣感測器的產業，與經濟部、工研院合作推動感測器的國產化。目前工研院的技術已經技轉給國內廠商，國產感測器在環保署監測網的佔有率已達將近 3 成，未來會持續輔導相關廠商。

研究計畫一邊發展預報系統，也一邊透過微型感測器資料即時驗證預報的成效。就像是如果寫考卷時，我們可以一填答就馬上得知正確答案時，就可以隨時檢討自己的計算流程到底哪裡出了問題，不斷修正，找出最正確的解方。

同理，拜微型感測器遍布全臺之賜，大氣科學家逐漸能夠快速驗證空氣品質預報的模擬結果，有朝一日，國內空污的物理化學機制以及關鍵污染源，將不再是讓人頭痛的黑盒子。目前由於 PM_2.5 的感測器已相對成熟且數量足夠，因此中研院空品專題中心已成功驗證 3 km*3 km 解析度之 PM_2.5 預報資料，最終目標是精確到 1 km*1 km。

如何讓空氣品質變好，又不影響現有的生活？

在中研院環變中心周崇光研究員帶領下的空品專題中心，其中一個核心精神，就是要對社會關鍵議題有貢獻。

專注發表學術論文是科學研究的本質，也是科學進步的動力，不過進行社會議題相關的科學研究通常會更辛苦，往往會花費極大的心力與時間。

做空氣污染防制就像是「精準醫療」的概念一樣，如何讓藥物只攻擊癌細胞而不對身體的其他地方造成太大的副作用？經過科學研究的探索後，如何讓臺灣的空氣品質更好而不衝擊社會文化和經濟？

空污管制並非是一味阻擋臺灣經濟和工業發展，空品專題中心希望可以藉由科學的力量，更精準、更沒有副作用的改善臺灣空氣品質。

除了大氣科學理論和空氣污染排放清單有所不足之外，像是能源政策、交通規劃、國土計畫都需要重頭思考。周崇光說：「一路研究下去，我們開始疑惑，當初為什麼我們都傻傻的，把這麼多的大型污染源擺在海邊，讓海風把污染物往內陸帶？為什麼臺灣的國土利用那麼集中？」這一些命題，都是一環扣一環。

最後周崇光強調，「空氣品質絕對是應用導向的研究，因此，我們除了做科學，也要讓這些研究結果有願景、有視野，讓臺灣變得更好。」