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研究狗狗流口水如何贏得諾貝爾獎?帕夫洛夫「古典制約」與消化系統的經典研究

hemmings
・2017/05/18 ・1892字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 522 ・七年級

第四屆諾貝爾生理學/醫學獎,於 1904 年頒給了俄羅斯生理學家伊凡‧帕夫洛夫(Ivan Pavlov)。頒獎理由在於他消化系統上的研究工作打下了重要的生理學知識基礎,同時被廣泛轉化、應用在其他領域學科上。

劃時代研究:神經如何調控消化系統

Ivan Pavlov
Ivan Pavlov

1897年,在累積了12年研究工作成果後,帕夫洛夫發表了名為《The Work of the Digestive Glands》(消化腺功能)一書。

帕夫洛夫厚積薄發,在這一本書裡一口氣發表許多具有劃時代意義的研究結果,同時提出很多具有突破性的理論。

該書一共有十三章,涵蓋包括實驗(手術)方法、消化腺功能、消化腺的神經系統、理化刺激對消化腺的影響、食物經過消化道過程、和臨床經驗與治療結合等等, 內容豐富同時具有前瞻性。筆者在此不會一一詳述帕夫洛夫的所有實驗過程,只想針對帕夫洛夫提出的幾個我認為比較重要的觀念或方法進行概述。

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首先,帕夫洛夫通過對消化腺的傳入/傳出神經干預,證明了神經系統對消化系統的重要調控功能。在此之前,醫學界還無法確定神經系統對消化系統是否存在影響。其次,帕夫洛夫建立了假飼(fictitious feeding)模型:他通過外科手術成功讓狗將食物吃進嘴裡,但在食物進入胃之前,就從人造瘻管排出,並以此證明了「嘴裡的食物對胃消化液分泌也存在調控機制」。同時,他提出了所謂「精神因素所致消化腺分泌」(psychic secretion)的理論。他發現不光是食物在嘴裡會引起胃液分泌,看到、聞到食物也會,甚至同一研究人員的在場、腳步聲、談話聲等等這些過去認為「和消化系統一點關係也沒有的因素」對胃液和其他消化液分泌也都有影響。

帕夫洛夫用於研究狗唾腺分泌的儀器裝置示意圖。Image/wikimedia commons

最後,帕夫洛夫發現當他在每次餵食前發出固定某種聲音(比如鈴聲),經過一段時間以後,狗只要聽到鈴聲,消化液分泌量就會開始增加。

這一發現,成為日後古典制約(classical conditioning)理論的基礎。所謂古典制約,就是通過反覆人為干預,在原本不存在關聯的兩個事件(一為條件刺激,一為生理反應)之間建立起聯繫

對人類理論學科的震撼彈:古典制約

古典制約建立過程示意圖。Image/wikimedia commons

古典制約理論的建立,不光是對醫學界產生了重大影響,毫不誇張地說,它在整個人類社會各個不同領域、層面的理論學科中,投下了一顆震撼彈。其中又以對心理學、精神科學、教育學等等影響最大。

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「生物(包括人在內)可以通過人為干預被制約」的理論自此成為猶如「1+1=2」的數學公式一般紮根在所有相關學科裡,甚至成為許多政治、社會理論的基礎,也是無數小說、電影和其他形式藝術創作的靈感來源。

赫胥黎的經典名著《美麗新世界》(Brave New World)即是以極端經典制約下的人類社會作為大時代背景。

帕夫洛夫在他的著作裡還提到了許多非常重要的生理學發現,比如不同食物對消化液分泌的影響、消化液對彼此量和濃度的影響等等,實驗內容豐富而細膩。同時,我想要特別指出,其實在帕夫洛夫實驗進行的同時有許多其他研究團體也在進行類似工作,但是帕夫洛夫的實驗成果優於大部分競爭對手,因為帕夫洛夫的實驗方法很成功。他的手術技術高超,取得實驗數據(消化液量和濃度)的方法精良,建立動物模型的成功率也高。由此可見,除了有好的實驗構想以外,有可靠又實際的方法技術也同樣重要。

對帕夫洛夫的研究細節有興趣的朋友,可以到以下網站找到其著作英譯版

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最後以一張輕鬆的漫畫作為結束:

狗狗:「看我如何控制帕夫洛夫。只要我一流口水,他就會微笑然後在他的小本子裡寫東西。」Pavlov’s Dog. Comic by Mark Stivers. @twistedsifter

當我們在制約別人的同時,自己不也正處在被制約的過程中嗎?

順帶一提:我所在的比利時魯汶大學(KU Leuven)的心理系系酒吧(faqbar,每個系都有自己的專屬酒吧供系上教職員工和學生交流),名字就是Pavlov。想要被酒精和心理學家同時制約,去那兒就對了~

參考資料:

  • Pavlov, Ivan Petrovich, and William Henry Thompson. The work of the digestive glands. Charles Griffin, 1902.(此為1902年英譯版)
  • 備註:文中圖片作者不具有版權。如有侵犯版權/著作產權之行為,請即刻與作者聯繫。
    I do not own the copyrights to the images in this article. If you believe any content appearing constitutes a copyright infringement of another party’s right, please contact me immediately to notify of this infringement.

此原文轉載自原作者部落格,原文標題《巴甫洛夫的狗:1904年第四屆諾貝爾生理學醫學獎得主Ivan Pavlov的文章回顧

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hemmings
9 篇文章 ・ 1 位粉絲
認為科學必須從基礎紮根,相信經典必有其價值和意義。 通過介紹諾貝爾大師們的研究工作和嚴謹態度,在大眾科學的汪洋中推廣經典科學理論以及科學精神的重要性,並冀望藉此能讓讀者以一個更寬廣的角度來欣賞現代社會之包羅萬象。

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揭密突破製程極限的關鍵技術——原子層沉積
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/08/30 ・3409字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 ASM 委託,泛科學企劃執行。 

以人類現在的科技,我們能精準打造出每一面牆只有原子厚度的房子嗎?在半導體的世界,我們做到了!

如果將半導體製程比喻為蓋房子,「薄膜製程」就像是在晶片上堆砌層層疊疊的磚塊,透過「微影製程」映照出房間布局 — 也就是電路,再經過蝕刻步驟雕出一格格的房間 — 電晶體,最終形成我們熟悉的晶片。為了打造出效能更強大的晶片,我們必須在晶片這棟「房子」大小不變的情況下,塞進更多如同「房間」的電晶體。

因此,半導體產業內的各家大廠不斷拿出壓箱寶,一下發展環繞式閘極、3D封裝等新設計。一下引入極紫外曝光機,來刻出更微小的電路。但別忘記,要做出這些複雜的設計,你都要先有好的基底,也就是要先能在晶圓上沉積出一層層只有數層原子厚度的材料。

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現在,這道薄膜製程成了電晶體微縮的一大關鍵。原子是物質組成的基本單位,直徑約0.1奈米,等於一根頭髮一百萬分之一的寬度。我們該怎麼精準地做出最薄只有原子厚度,而且還要長得非常均勻的薄膜,例如說3奈米就必須是3奈米,不能多也不能少?

這唯一的方法就是原子層沉積技術(ALD,Atomic Layer Deposition)。

蓋房子的第一步是什麼?沒錯,就是畫設計圖。只不過,在半導體的世界裡,我們不需要大興土木,就能將複雜的電路設計圖直接印到晶圓沉積的材料上,形成錯綜複雜的電路 — 這就是晶片製造的最重要的一環「微影製程」。

首先,工程師會在晶圓上製造二氧化矽或氮化矽絕緣層,進行第一次沉積,放上我們想要的材料。接著,為了在這層材料上雕出我們想要的電路圖案,會再塗上光阻劑,並且透過「曝光」,讓光阻劑只留下我們要的圖案。一次的循環完成後,就會換個材料,重複沉積、曝光、蝕刻的流程,這就像蓋房子一樣,由下而上,蓋出每個樓層,最後建成摩天大樓。

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薄膜沉積是關鍵第一步,基底的品質決定晶片的穩定性。但你知道嗎?不只是堆砌磚塊有很多種方式,薄膜沉積也有多樣化的選擇!在「薄膜製程」中,材料學家開發了許多種選擇來處理這項任務。薄膜製程大致可分為物理和化學兩類,物理的薄膜製程包括蒸鍍、濺鍍、離子鍍、物理氣相沉積、脈衝雷射沉積、分子束磊晶等方式。化學的薄膜製程包括化學氣相沉積、化學液相沉積等方式。不同材料和溫度條件會選擇不同的方法。

二氧化矽、碳化矽、氮化矽這些半導體材料,特別適合使用化學氣相沉積法(CVD, Chemical Vapor Deposition)。CVD 的過程也不難,氫氣、氬氣這些用來攜帶原料的「載氣」,會帶著要參與反應的氣體或原料蒸氣進入反應室。當兩種以上的原料在此混和,便會在已被加熱的目標基材上產生化學反應,逐漸在晶圓表面上長出我們的目標材料。

如果我們想增強半導體晶片的工作效能呢?那麼你會需要 CVD 衍生的磊晶(Epitaxy)技術!磊晶的過程就像是在為房子打「地基」,只不過這個地基的每一個「磚塊」只有原子或分子大小。透過磊晶,我們能在矽晶圓上長出一層完美的矽晶體基底層,並確保這兩層矽的晶格大小一致且工整對齊,這樣我們建造出來的摩天大樓就有最穩固、扎實的基礎。磊晶技術的精度也是各公司技術的重點。

雖然 CVD 是我們最常見的薄膜沉積技術,但隨著摩爾定律的推進,發展 3D、複雜結構的電晶體構造,薄膜也開始需要順著結構彎曲,並且追求精度更高、更一致的品質。這時 CVD 就顯得力有未逮。

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並不是說 CVD 不能用,實際上,不管是 CVD 還是其他薄膜製程技術,在半導體製程中仍占有重要地位。但重點是,隨著更小的半導體節點競爭愈發激烈,電晶體的設計也開始如下圖演變。

圖/Shutterstock

看出來差別了嗎?沒錯,就是構造越變越複雜!這根本是對薄膜沉積技術的一大考驗。

舉例來說,如果要用 CVD 技術在如此複雜的結構上沉積材料,就會出現像是清洗杯子底部時,有些地方沾不太到洗碗精的狀況。如果一口氣加大洗碗精的用量,雖然對杯子來說沒事,但對半導體來說,那些最靠近表層的地方,就會長出明顯比其他地方厚的材料。

該怎麼解決這個問題呢?

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CVD 容易在複雜結構出現薄膜厚度不均的問題。圖/ASM

材料學家的思路是,要找到一種方法,讓這層薄膜長到特定厚度時就停止繼續生長,這樣就能確保各處的薄膜厚度均勻。這種方法稱為 ALD,原子層沉積,顧名思義,以原子層為單位進行沉積。其實,ALD 就是 CVD 的改良版,最大的差異在所選用的化學氣體前驅物有著顯著的「自我侷限現象」,讓我們可以精準控制每次都只鋪上一層原子的厚度,並且將一步驟的反應拆為兩步驟。

在 ALD 的第一階段,我們先注入含有 A 成分的前驅物與基板表面反應。在這一步,要確保前驅物只會與基板產生反應,而不會不斷疊加,這樣,形成的薄膜,就絕對只有一層原子的厚度。反應會隨著表面空間的飽和而逐漸停止,這就稱為自我侷限現象。此時,我們可以通入惰性氣體將多餘的前驅物和副產物去除。在第二階段,我們再注入含有 B 成分的化學氣體,與早已附著在基材上的 A 成分反應,合成為我們的目標材料。

透過交替特殊氣體分子注入與多餘氣體分子去除的化學循環反應,將材料一層一層均勻包覆在關鍵零組件表面,每次沉積一個原子層的薄膜,我們就能實現極為精準的表面控制。

你知道 ALD 領域的龍頭廠商是誰嗎?這個隱形冠軍就是 ASM!ASM 是一家擁有 50 年歷史的全球領先半導體設備製造廠商,自 1968 年,Arthur del Prado 於荷蘭創立 ASM 以來,ASM 一直都致力於推進半導體製程先進技術。2007 年,ASM 的產品 Pulsar ALD 更是成為首個運用在量產高介電常數金屬閘極邏輯裝置的沉積設備。至今 ASM 不僅在 ALD 市場佔有超過 55% 的市佔率,也在 PECVD、磊晶等領域有著舉足輕重的重要性。

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ASM 一直持續在快速成長,現在在北美、歐洲、及亞洲等地都設有技術研發與製造中心,營運據點廣布於全球 15 個地區。ASM 也很看重有「矽島」之稱的台灣市場,目前已在台灣深耕 18 年,於新竹、台中、林口、台南皆設有辦公室,並且在 2023 年於南科設立培訓中心,高雄辦公室也將於今年年底開幕!

當然,ALD 也不是薄膜製程的終點。

ASM 是一家擁有 50 年歷史的全球領先半導體設備製造廠商。圖/ASM

最後,ASM 即將出席由國際半導體產業協會主辦的 SEMICON Taiwan 策略材料高峰論壇和人才培育論壇,就在 9 月 5 號的南港展覽館。如果你想掌握半導體產業的最新趨勢,絕對不能錯過!

圖片來源/ASM

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美國將玉米乙醇列入 SAF 前瞻政策,它真的能拯救燃料業的高碳排處境嗎?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/06 ・2633字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 美國穀物協會 委託,泛科學企劃執行。

你加過「酒精汽油」嗎?

2007 年,從台北的八座加油站開始,民眾可以在特定加油站選加「E3 酒精汽油」。

所謂的 E3,指的是汽油中有百分之 3 改為酒精。如果你在其他國家的加油站看到 E10、E27、E100 等等的標示,則代表不同濃度,最高到百分之百的酒精。例如美國、英國、印度、菲律賓等國家已經開放到 E10,巴西則有 E27 和百分之百酒精的 E100 選項可以選擇。

圖片來源:Hanskeuken / Wikipedia

為什麼要加酒精呢?

單論玉米乙醇來說,碳排放趨近於零。為什麼呢?因為從玉米吸收二氧化碳與水進行光合作、生長、成熟,接著被採收,發酵成為玉米乙醇,最後燃燒成二氧化碳與水蒸氣回到大氣中。這一整趟碳循環與水循環,淨排放都是 0,是個零碳的好燃料來源。

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圖片來源:shutterstock

當然,我們無法忽略的是燃料運輸、儲藏、以及製造生產設備時產生的碳足跡。即使如此,美國農業部經過評估分析,2017 發表的報告指出,玉米乙醇生命週期的碳排放量比汽油少了 43%。

「玉米乙醇」納入 SAF(永續航空燃料)前瞻性指引的選項之一

航空業占了全球碳排的 2.5%,而根據國際民用航空組織(ICAO)的預測,這個數字還會成長,2050 年全球航空碳排放量將會來到 2015 年的兩倍。這也使得以生質原料為首的「永續航空燃料」SAF,開始成為航空業減碳的關鍵,及投資者關注的新興科技。

只要燃料的生產符合永續,都可被歸類為 SAF。目前美國材料和試驗協會規範的 SAF 包含以合成方式製造的合成石蠟煤油 FT-SPK、透過發酵與合成製造的異鏈烷烴 SIP。以及近年討論度很高,以食用油為原料進行氫化的 HEFA,以及酒精航空燃料 ATJ(alcohol-to-jet)。

圖片來源:shutterstock

每種燃料的原料都不相同,因此需要的技術突破也不同。例如 HEFA 是將食用油重新再造成可用的航空燃料,因此製造商會從百萬間餐廳蒐集廢棄食用油,再進行「氫化」。

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就引擎來說,我們當然也希望用到穩定的油。因此需要氫化來將植物油轉化為如同動物油般的飽和脂肪酸。氫化會打斷雙鍵,以氫原子佔據這些鍵結,讓氫在脂肪酸上「飽和」。此時因為穩定性提高,不易氧化,適合保存並減少對引擎的負擔。

至於酒精加工為酒精航空燃料 ATJ 的流程。乙醇會先進行脫水為乙烯,接著聚合成約 6~16 碳原子長度的長鏈烯烴。最後一樣進行氫化打斷雙鍵,成為長鏈烷烴,性質幾乎與傳統航空燃料一模一樣。

ATJ 和 HEFA 雖然都會經過氫化,但 ATJ 的反應中所需要的氫氣大約只有一半。另外,HEFA 取用的油品來源來自餐廳,雖然是幫助廢油循環使用的好方法,但供應多少比較不穩定。相對的,因為 ATJ 來源是玉米等穀物,通常農地會種植專門的玉米品種進行生質乙醇的生產,因此來源相對穩定。

但不論是哪一種 SAF,都有積極發展的價值。而航空業也不斷有新消息,例如阿聯酋航空在 2023 年也成功讓波音 777 以 100% 的 SAF 燃料完成飛行,締下創舉。

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圖片來源:shutterstock

汽車業也需要作出重要改變

根據長年推動低碳交通的國際組織 SLoCaT 分析,在所有交通工具的碳排放中,航空業佔了其中的 12%,而公路交通則占了 77%。沒錯,航空業雖然佔了全球碳排的 2.5%,但真正最大宗的碳排來源,還是我們的汽車載具。

但是這個新燃料會不會傷害我們的引擎呢?有人擔心,酒精可能會吸收空氣中的水氣,對機械設備造成影響?

其實也不用那麼擔心,畢竟酒精汽油已經不只是使用一、二十年的東西了。美國聯邦政府早在 1978 就透過免除 E10 的汽油燃料稅,來推廣添加百分之 10 酒精的低碳汽油。也就是說,酒精汽油的上路試驗已經快要 50 年。

有那麼多的研究數據在路上跑,當然不能錯過這個機會。美國國家可再生能源實驗室也持續進行調查,結果發現,由於 E10 汽油摻雜的比例非常低,和傳統汽油的化學性質差異非常小,這 50 年來的車輛,只要符合國際標準製造,都與 E10 汽油完全相容。

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解惑:這些生質酒精的來源原料是否符合永續的精神嗎?

在環保議題裡,這種原本以為是一片好心,最後卻是環境災難的案例還不少。玉米乙醇也一樣有相關規範,例如歐盟在再生能源指令 RED II 明確說明,生質乙醇等生物燃料確實有持續性,但必須符合「永續」的標準,並且因為使用的原料是穀物,因此需要確保不會影響糧食供應。

好消息是,隨著目標變明確,專門生產生質酒精的玉米需求增加,這也帶動品種的改良。在美國,玉米產量連年提高,種植總面積卻緩步下降,避開了與糧爭地的問題。

另外,單位面積產量增加,也進一步降低收穫與運輸的複雜度,總碳排量也觀察到下降的趨勢,讓低碳汽油真正名實相符。

隨著航空業對永續航空燃料的需求抬頭,低碳汽油等生質燃料或許值得我們再次審視。看看除了鋰電池車、氫能車以外,生質燃料車,是否也是個值得加碼投資的方向?

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【成語科學】望梅止渴:梅子真的可以解渴嗎?竟然跟巴夫洛夫的制約實驗有關!
張之傑_96
・2023/06/09 ・1110字 ・閱讀時間約 2 分鐘

當某人以不現實的想法來安慰自己,我們就可以說他「望梅止渴」。讓我們造個句:

我想到埃及看金字塔,可是沒錢、沒時間,只能以圖片望梅止渴。

望梅止渴和畫餅充饑的意思差不多,都是在心理上安慰自己。

為什麼望梅可以止渴?梅子很酸,當有人說到梅子的時候,就會流出口水,因而暫時不覺得渴了。這個成語出自南朝劉義慶的《世說新語》:曹操行軍途中,士兵們乾渴難耐,曹操就騙士兵們說,前面有片梅林,梅子都熟了,又酸又甜,士兵不禁流出口水,趕了一段路,雖沒看到梅林,卻找到水源。

當有人說到梅子的時候,就會流出口水,因而暫時不覺得渴了。圖/envatoelements

巴夫洛夫的制約實驗

其實望梅止渴是有科學根據的。在心理學上,將學習分為幾大類,其中一類就是制約反應,亦即動物經過訓練後,會產生一定的「聯想」,因而產生一定的行為。最有名的例子就是巴夫洛夫的制約實驗

巴夫洛夫每次餵狗的時候,就搖鈴鐺,久而久之,即使只搖鈴、不餵狗,狗也會流口水。巴氏稱第二刺激──鈴聲,為制約刺激,對制約刺激所產生的反應,即制約反應

巴夫洛夫是俄國人,生理學家,1904 年榮獲諾貝爾生理醫學獎。他在 20 世紀初所做的一系列制約實驗,為學習研究奠定生理學基礎,在科學史上具有泰山北斗般地位。

再來看看曹操的望梅止渴。曹操精於權謀,深知心理。梅子是酸的,吃梅子的時候,舌頭上的味蕾受到刺激,經神經傳導到腦,再由腦發出命令,促使唾液腺分泌唾液。經過若干次經驗後,一聽說梅子,立即引起酸的「聯想」。換句話說,梅子可以和「酸」一樣,引起流口水的反應。

早了 1400 年的發現?

巴夫洛夫的「搖鈴流涎」實驗,看起來沒什麼,但經過歸納、演繹,卻開創出一整套學問。歸納、演繹正是科學精神(或方法)。科學和非科學的分別,就是會不會從簡單的事象,推演出有系統的理論。

曹操是 2 世紀的人,如確有「望梅止渴」的事,就要比巴夫洛夫早上 1700 餘年;即使是劉義慶杜撰的,也比巴夫洛夫早上 1400 餘年。可惜曹操的望梅止渴是用來騙人的,並沒歸納出什麼理論,和巴夫洛夫的實驗不能相提並論。

在歷史上,類似望梅止渴的事例甚多,唐代張鷟的《朝野僉載》有段記載特別有趣:有位孝子母親死了,每次痛哭,都有鳥群飛過來,地方官員以為孝感動天,就報告皇帝表揚。後來才知道,孝子每次哭的時候,都會在地上撒些食物,鳥兒爭著來吃,經過多次「訓練」,鳥兒只要聽到哭聲就飛過來了。

張之傑_96
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張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。