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慾求不滿讓雄性折壽?!

Gene Ng_96
・2014/01/09 ・1890字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

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節食能夠讓許多生物長壽,這個養生的效果在線蟲、果蠅、老鼠、斑馬魚、猴子,甚至酵母菌中,都獲到一致的結果。

然而,現任教於美國密西根大學的遺傳學家Scott D. Pletcher,在任教於於德州休斯頓貝勒醫學院期間,領導的研究小組於2007年發表的Science論文指出,節食對延長壽命的效果,會在果蠅聞到食物的味道後,大打折扣 [1]!也就是說,節食中的果蠅在受到食物氣味的誘惑後,就比原本應該的更短命了!他們也發現,一個嗅覺受器基因Or83b在突變後,果蠅就更加耐受壓力並且延長了壽命,顯示嗅覺會影響果蠅的生理及老化。

可是,我們的老祖宗不是說,「食色性也」嗎?如果聞得到,吃不到就無法養生,那麼受到色誘的話呢?來自台灣的郭崇涵在貝勒醫學院就讀博士班期間,思考到這個有趣的問題,他和博士班指導教授Pletcher一同設計了實驗來探討這個充滿挑戰性的問題。在郭崇涵擔任共同第一作者的Science論文裡,他們發現,原來慾求不滿的果蠅,也會變得更加短命 [2]!

郭崇涵在清大就讀碩士班期間,研究的是果蠅費洛蒙和初期種化(incipient speciation)的關係,對費洛蒙影響老化之研究也深感興趣。他表示,在之前他們也試過讓雄果蠅受到色誘的方法,來探討雌性費洛蒙是否會影響雄果蠅的壽命,可是卻沒有得到顯著的結果。從前的實驗,是利用細網把雌雄果蠅隔開,以免牠們交配。不過那樣的方法,一來可能無法讓雄果蠅接觸到足夠的費洛蒙;二來可能雄性果蠅必須用其肢體接觸到性費洛蒙才有效,隔網阻絕了那樣的接觸。實驗方法上的限制,導致成效不彰。

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投影片1後來郭崇涵和Pletcher想到了一個絕妙的方法!已知絳色細胞(oenocytes)可將各式化學物質合成費洛蒙,他們就利用一個果蠅專屬的基因表現系統,把雌性的性別決定基因tra表現在雄果蠅的絳色細胞裡,雄果蠅的表皮就會表現出雌性費洛蒙,讓牠們聞起來就像香噴噴的雌果蠅。接著,他們把五隻正常的雄果蠅和25隻表現出雌性費洛蒙的雄果蠅關在一塊,那些散發雌性費洛蒙的雄果蠅卻不願意和正常雄果蠅交配。因此,正常的雄果蠅持續受到誘惑,於是一直處於慾求不滿的狀態!

接觸到雌性費洛蒙的雄果蠅身體裡有較少的脂肪儲存,而且更不耐饑餓,還有壽命比接觸雄性費洛蒙的正常雄性更短命!這些反效果,在雌性費洛蒙被移除後,就消失了!接著,他們利用Or83b嗅覺受器基因突變的雄果蠅來進行相同的實驗,結果發現效果仍相同,顯示嗅覺與性費洛蒙的接收無關。可是轉基因果蠅的味覺受器基因ppk23無法表現後,雄果蠅在接觸到雌性費洛蒙就不會短命了!那些味覺受器表現在雄果蠅的前腳,當砍斷那些腳上的鎖鏈,雄果蠅不能受到色誘後,生理和壽命就恢復了。這顯示雄果蠅是利用味覺受器來感覺雌性費洛蒙,並且影響了抗壓性以及壽命。

他們也發現,這樣的生理及壽命變化,是由於性動機以及報償系統的作用之變化,因為當他們利用遺傳學的方法剔除了表現參與性報償的神經肽F(NPF,neuropeptide F)的神經元後,那些雄果蠅即使接觸了雌性費洛蒙,也不會有耐餓和脂肪儲存的變化,可是提高了NPF的表現後,雄果蠅的壽命就減短了!更有趣的是,當那些雄果蠅在遭受色誘後,放入雌果蠅來燒燬性饑渴的網羅,牠們成功地和雌果蠅嘿咻後,壽命就不會縮短了!這顯示,改變雄果蠅生理及壽命的,是雌性費洛蒙,而非交配的行為!

然而,有人質疑在他們的實驗設計中,那些雄果蠅可能因為死命地追求散發雌性魅力的同性而疲於奔命,導致過勞死XD  不過郭崇涵卻表示,那樣的可能性不大,一來他們也設計了一個實驗,每三秒鐘就搖晃試管一秒鐘,以干擾那些雄果蠅對同性的求偶行為,結果他們發現效果依舊;二來,過去也有研究顯示,讓果蠅過動不會影響牠們的壽命;加上,同時間發表的另一篇Science論文,由史丹佛大學的Anne Brunet領導的小組也發現,在線蟲身上,費洛蒙的效果也和果蠅相似 [3]!顯示了九億年前就分家的線蟲和果蠅,在這些機制上仍保持著演化上的保守性。

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總而言之,他們這些有趣的實驗意味著,當動物透過感官認知到而產生的期待,和現實的收獲有所落差時,就會影響到健康以及壽命!如果慾望不能受到滿足,對我們可能是有害的。所以要嘛慾望能夠得到滿足,否則「無慾則剛」是有其道理的!

 

原學術論文:
1) Libert S, Zwiener J, Chu X, Vanvoorhies W, Roman G, Pletcher SD. Regulation of Drosophila life span by olfaction and food-derived odors. Science. 2007 Feb 23;315(5815):1133-7. Epub 2007 Feb 1.

2) Gendron CM, Kuo TH, Harvanek ZM, Chung BY, Yew JY, Dierick HA, Pletcher SD. Drosophila Life Span and Physiology Are Modulated by Sexual Perception and Reward. Science. 2013 Nov 29. [Epub ahead of print] http://dx.doi.org/10.1126/science.1243339

3) Maures TJ, Booth LN, Benayoun BA, Izrayelit Y, Schroeder FC, Brunet A. Males Shorten the Life Span of C. elegans Hermaphrodites via Secreted Compounds. Science. 2013 Nov 29. [Epub ahead of print] http://dx.doi.org/10.1126/science.1244160

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參考文章:
1) Scent of Opposite Sex Shortens Lives of Flies and Worms – National Geographic

2) Fruit flies with better sex lives live longer – Science Daily

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Gene Ng_96
295 篇文章 ・ 32 位粉絲
來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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環境共生的牆:冠軍磁磚如何幫建築降溫
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/08/29 ・4556字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文與 冠軍磁磚 合作,泛科學企劃執行

夏天早已不是可以輕忽的季節巨獸,就連位於中高緯度的歐洲也深受其威脅。然而,在德國漢堡,有一棟建築不僅不用付電費,還能自行發電,同時維持室內恆溫。它的秘密武器,不是屋頂上的太陽能板,而是長在牆壁上的「太陽能葉片」(SolarLeaf)

這面牆不是冰冷的水泥,而是一片片富有生命力的綠色面板,正式名稱是「光合生物反應器」。它由四層玻璃製成,僅 2 公分寬的玻璃空腔內,充填著 24 公升的微藻培養液。為了讓藻類保持活力,系統會定時從底部打入回收自鄰近設施的二氧化碳。產生的大量氣泡不僅提供光合作用所需的原料,還產生「氣舉效應」(airlift effect):向上浮力會帶動周圍的液體一起向上運動,產生液體流動、持續攪動培養液,就像為藻類進行 SPA 按摩,確保每顆藻都能均勻曬到陽光。

產生的大量氣泡不僅提供光合作用所需的原料,還產生「氣舉效應」(airlift effect)/ 照片:© Colt International、Arup Deutschland、SSC GmbH

在這過程中,微藻吸收日光,提供了動態的遮陽效果,並透過光合作用將能量轉化為可儲存的生物質。與僅能吸熱的水泥牆不同,這片牆真正「存住」了太陽能,同時避免城市熱島效應。更重要的是,這些反應器還能蒐集住家與周邊建築燃燒或煮菜所排放的二氧化碳,將其迅速封存於藻類體內。

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聽起來像科幻小說?別急,這才只是今天要介紹的第一種前衛建築。接下來,還有用真菌「種」出來的隔熱磚、會隨太陽軌跡跳舞的窗花,以及在台灣就能落實的降溫磁磚設計。在這些千變萬化的創新方法中,總有一款會讓你眼睛一亮。它們不僅節能省錢,更代表一種與環境共生的全新可能。

不只種藻,還能「種磚」

要讓建築自我降溫,科學家的靈感往往向自然界取經。前面提到的 SolarLeaf 是極致案例,但如果不想大動工程,也可以從「建材本身」著手。最常見的方法是鋪設隔熱磚,而有些科學家則做出更環保的版本,不是培養微藻,而是「種真菌」。

作法是先將稻殼、稻草、鋸末或紙漿廢料滅菌,去除雜菌後再將這些基材混入菌種,灌入特定形狀的模具。接著在攝氏 20~25 度、濕度控制良好的條件下,菌絲體便會自行生長,像一種有生命的「超級膠水」,分泌酵素分解廢料當作養分。並將它細長的纖維網絡穿透、包裹、纏繞所有廢棄物顆粒,把所有廢棄物緊緊地固化成一塊緻密的隔熱板 。整個過程約需 5 至 21 天。

這種材料的熱傳導係數介於 0.03~0.07 W/m·K之間,性能已能與常見的保麗龍板或礦棉相媲美。原因在於菌絲體本身是由真菌生長出的細長纖維所構成,纖維之間會自動交織形成一個三維網絡。當它「吃掉」農業廢料並填滿模具後,就會生成密實卻輕盈的纖維結構,材質類似「天然泡棉」,但更為堅固。

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想像一座由菌絲長出的「無限城」:熱能被困在層層彎曲的通道裡,難以迅速穿過。熱走得越慢,隔熱效果就越好。這種材料最大的優勢在於生命週期完整,它以廢棄物為食、生產過程低耗能,最後還能完全被生物分解,回歸大地。

菌絲體本身是由真菌生長出的細長纖維所構成,纖維之間會自動交織形成一個三維網絡/ 照片:©https://ecovative.com/

目前這項技術最成熟的應用來自美國 Ecovative Design 公司,他們利用大麻稈或玉米莖等農業廢棄物培養菌絲。2024 年,該公司啟動「鳳凰計劃」(The Phoenix),在加州奧克蘭打造一個含有三百間住宅的社區,外牆便採用這種菌絲材料。由於原料取得容易,只要有農業廢棄物與菌種,就能培養出建材,應用範圍從建築延伸到日常使用的包裝材料,潛力無窮。

生物混凝土:讓苔蘚在牆上自然降溫

藻類、真菌還不夠?那就再「種」苔蘚。

西班牙加泰隆尼亞理工大學的研究團隊開發出一種名為 「生物混凝土」 的創新材料,其設計宗旨在於支持苔蘚、地衣等微生物的生長。

這種材料是一個多層系統:第一層是結構層,也就是標準混凝土,負責承重;第二層是防水層,保護內部結構不受水分侵蝕;第三層則是最外面的生物層,經特殊處理的外層,其孔隙率和表面粗糙度經過調整,利於捕捉和保持雨水,為微生物的定殖提供一個理想的生活環境。 

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這個「活的」表面帶來多重效益:植被層本身形成了一層隔熱層,更關鍵的是,其保水能力使其可以透過蒸發冷卻(evaporative cooling)來主動降低牆體表面溫度,從而顯著減少建築的熱增益 。   

不過,從藻類到真菌,再到苔蘚,這樣住個房子還要考慮陽光、空氣、水,難道沒有更方便的方法嗎?

外牆乾掛系統:利用空氣與模組化磁磚實現隔熱

如果不想「種生物」,也可以透過工程手法和巧妙設計來降溫,那就是第四種方法「外牆乾掛系統」

它的原理,其實就是用了最便宜的隔熱材料:空氣。傳統牆壁中,磁磚是用水泥直接黏死,但乾掛系統透過金屬骨架,將外層飾面板「掛」在建築結構外,中間刻意留出一個連續的空氣腔。

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傳統牆壁中,磁磚是用水泥直接黏死,但乾掛系統透過金屬骨架,將外層飾面板「掛」在建築結構外,中間刻意留出一個連續的空氣腔 / 圖片來源:冠軍建材

為什麼有效?普通水泥的導熱係數約在 1.5–2.0 W/(m·K),而靜止空氣在標準條件下約 0.025 W/m·K,兩者相差了 70 倍。也就是說,傳統水泥建築在太陽照射下,熱量會直接傳入室內;而使用外牆乾掛系統的建築,就像多了一層隔熱盾,從一開始就將大部分熱量隔絕在外。這種方法的最大優勢,是不需研發複雜的新材料或製程,關鍵在於將瓷磚模組化,只要能安裝到外牆乾掛系統上,磁磚的樣式、顏色和種類也可以一樣多元。

在台灣,磁磚龍頭「冠軍建材」便推出了應用這原理的系統。該公司委託成功大學實驗室進行隔熱試驗,結果顯示:2 公分厚磚搭配特定乾掛工法,熱傳透率(U 值)可達 1.66 W/m²K,符合高性能綠建材 U 值需低於 1.8 的標準。這不僅能讓室內降溫約 4°C,空調用電還可減少 24–36%

屋頂同樣是最曬重災區。全球建築師常用屋頂綠化或太陽能板降低陽光的熱吸收,而冠軍建材提供更簡單的方法:將屋頂磁磚架高。他們的架高節能工法,採用義大利 ETERNOIVICA 架高器,將磁磚架高 15 公分。別小看這 15 公分,就能阻絕 90% 的熱傳導,並讓樓板降溫 15°C

這種降溫方式不影響美觀與安全性。冠軍建材推出了大理石、石紋等多種質感的磁磚,價格約為天然石材的 3 到 5 成。同時,其外牆乾掛節能工法也通過了17級風雨試驗、50 公斤多次撞擊測試,即便在地震、颱風頻繁的台灣,也能安心使用。產品具高抗折強度、低吸水率,可抵抗酸雨、風化等問題引起的剝落風險,並兼具耐火、防水、耐磨、防滑及易保養等優點。

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冠軍建材推出了大理石、石紋等多種質感的磁磚,其外牆乾掛節能工法也通過了17級風雨試驗、50 公斤多次撞擊測試。/ 圖片來源:冠軍建材

雖然不是生物建材,但冠軍製造的建材仍符合廢棄物減量(Reduce)、再利用(Reuse)及再循環(Recycle)的3R原則。他們在生產中使用廢陶瓷粒料、無機污泥及非有害廢集塵灰等回收料,並與大型建設公司合作回收工地廢磚。產品運至工地後,切割產生的邊角料亦會回收再利用。冠軍建材將永續理念融入生產,產品使用了50%的生產循環回收料、6.5%的廢陶瓷粒料與43.5%的天然原料,有效減少了廢棄物並降低碳排。

顛覆想像:三大建築降溫策略

到這裡,我們介紹的都是利用被動方式將熱量隔絕在外的方法。接下來,來看看幾種由工程師顛覆傳統想像、腦洞大開的「讓建築主動降溫的策略」。

1. 水源熱泵:讓水域成為建築的低耗電恆溫空調

第一個方法,是用更大尺度的環境系統來調節建築溫度—水源熱泵(Water‑Source Heat Pump, WSHP)。

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想像一台超大的冷氣機,冷媒在密閉管路裡吸收室內的熱量後蒸發,再進入壓縮機被壓縮後凝結,並釋放熱量。依照熱力學定律,熱總是從高溫流向低溫,如果想要讓熱量逆向流動,就需要消耗能量。也就是說,當室外空氣溫度越高,要再把熱量搬到空氣中,就需要耗費更多電力。

工程師們想到,比起氣溫會隨季節劇烈起伏,水體的溫度相對穩定,冬暖夏涼。像河川、湖泊,甚至城市污水系統,都能當作一個大型的「散熱水冷排」。如果熱量不是排進空氣中,而是排進溫度較低的水中,需要消耗的電力就可以下降。

研究顯示,空氣源熱泵的性能係數(COP)約為 2.33,每消耗 1 焦耳的電力,可搬運 2.33 焦耳的熱能;而使用水作為冷卻源的水源熱泵的平均 COP 可穩定在 3.9左右,比空氣源熱泵高出 67%。更棒的是,水源熱泵不只在夏天吹冷氣省電,只要反過來運作,讓熱泵把熱量從室外搬到室內,也能在冬天開暖氣時幫你省電。等於整個水域都是我家的低耗電恆溫空調。

2. 動態遮陽外牆:讓建築自己追著太陽動

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第二個方法,是讓建築的外牆自己能動起來。位於阿布達比的 Al Bahar Towers,它的整個外牆被超過1000個獨立的、傘狀的六角形遮陽單元所覆蓋,這些單元的設計靈感來自傳統伊斯蘭窗花「Mashrabiya」。

位於阿布達比的 Al Bahar Towers,它的整個外牆被超過1000個獨立的、傘狀的六角形遮陽單元所覆蓋 / 圖片來源:shutterstock

每個單元由 PTFE(聚四氟乙烯)面板構成,並由線性致動器驅動,整個系統由電腦集中控制,程式會追蹤太陽軌跡,在東、南、西向立面上,於最需要遮陽的時刻與位置提供蔭蔽。系統還配備感測器,在強風或陰天時自動收回遮陽單元以保護結構。

這套動態系統可減少超過 50% 的太陽熱增益,顯著降低空調負荷,使整體空調設備規模減少 20%,資本成本降低 15%,冷氣負載下降 15%,每年更能減少超過1750公噸的二氧化碳排放。

3. 電致變色智慧玻璃:光與熱量隨心控制

最後,概念相同但更簡潔的方法,那就是「電致變色智慧玻璃」(EC Glass)。這種內部,有一層由氧化鎢製成的電致變色層 。只需施加 3–5 伏特微弱電壓,玻璃中的鋰離子就會開始移動,改變材料的光學特性,讓玻璃從透明變成深色,進而阻擋陽光與熱量 。

它最大的優點,就是只有在「切換顏色」的那一瞬間才耗電,一旦固定在透明或深色狀態,耗電量就是零 。研究顯示,在炎熱氣候下,這種玻璃可以節省10%-58%的空調耗能 。

結語

從會呼吸的藻類牆、運用大地熱能的水源熱泵,到巧妙駕馭空氣流動的通風帷幕,以及能追蹤太陽軌跡的智慧窗花,我們可以看到,未來建築的趨勢已不再只是「遮風避雨」,而是一個個高度整合、能與環境互動的複雜系統。

展望未來,建築不太可能依賴單一技術主宰,而更可能透過多種技術的智慧整合,創造出更高效、可持續且環境友善的建築方案。

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為什麼再瘦腰還是沒線條?你可能忽略了這個結構
careonline_96
・2025/08/06 ・2395字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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影響腰部曲線的主要因素包括腹部皮下脂肪、內臟脂肪、腹部肌肉、骨骼結構。陳彥州醫師解釋,腹部皮下脂肪過多會影響腰線,使腰部曲線不明顯,有人會透過減重或抽脂手術來改善。內臟脂肪過多會使腹部膨脹,必須透過飲食調整與運動來減少內臟脂肪,改善腰線。腹部肌肉的部分,有部分產後女性可能會出現腹直肌分離及筋膜鬆弛的問題,導致腰線不明顯,這類狀況可能需要透過腹直肌分離修復手術來改善。

若上述三項因素皆已改善,但腰線仍不明顯,則可能與肋骨骨架有關,而需要考慮透過肋骨雕塑來調整。

過去曾經透過移除肋骨來讓腰部變細,但目前國際上已較少採用此方式,因為通常僅能移除兩對游離肋骨,術後通常會在後腰部留下5至7公分長的疤痕。術後疼痛感較強,且可能出現氣胸、血胸、傷口長期疼痛、神經痛等併發症。

肋雕芭比腰手術:創新技術與術後優勢

2023年,有位智利醫師發明了一種肋雕手術,使用超音波骨刀進行肋骨雕塑。陳彥州醫師解釋,在全身麻醉的狀況下,醫師透過後腰部皮膚的小針孔,以超音波骨刀將肋骨磨細。再施加外部力量使其折彎內縮,最多可調整5對肋骨,達到調整腰部曲線的效果。手術時間約1個小時。

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肋雕芭比腰手術不需移除肋骨,可調整最多5對(共10根)肋骨,通常為第八至第十二對肋骨。陳彥州醫師說,肋雕手術侵入性較小,且可處理的肋骨數量較多,能夠達到優於傳統肋骨移除手術的效果。

相較於傳統肋骨移除手術,肋雕芭比腰手術的傷口較小,術後疼痛較輕,恢復期較短,且不會留下明顯疤痕。陳彥州醫師說,接受肋雕手術後不需住院,術後可直接返家休養,依照指示服藥。術後可正常行動,但不建議進行劇烈運動或提重物,至少需休息兩週。

肋雕芭比腰手術的方式為折彎肋骨,仍保持連接,並未完全斷裂。術後需穿著塑身衣3至6個月,以塑造理想的腰型。腰圍平均可縮小9至13公分,若搭配抽脂手術,腰圍可能縮小達20公分。

陳彥州醫師說,傳統肋骨移除手術,可能出現氣胸、血胸、神經痛等併發症。肋雕芭比腰手術的併發症則較為少見。

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「曾經有位30歲的小姐,身形已經相當纖瘦,但腰部曲線仍不明顯。經過討論後,她決定接受肋雕芭比腰手術。」陳彥州醫師說,「術後三個月回診時,她的腰圍縮小了9公分。而且她覺得術後疼痛低,僅需服用一般止痛藥即可緩解,讓她感到相當滿意。」

術前評估與專業建議

肋雕芭比腰手術的術前評估包含幾個重要步驟,臨床檢查、抽血檢查、影像學檢查。陳彥州醫師說,抽血檢查主要是為了麻醉評估,確認適合接受全身麻醉手術。影像學檢查是利用電腦斷層掃描進行3D肋骨重建,以評估肋骨的形狀與結構,幫助醫師擬定手術計畫。

肋骨可分為三種類型,第1至第7對為「真肋骨」,真肋骨直接與胸骨相連,不會進行手術。第8至第10對為「假肋骨」,假肋骨的肋軟骨彼此融合,並連接至胸骨。第11和第12對為「游離肋骨」,游離肋骨不與胸骨相連。陳彥州醫師說,電腦斷層掃描可幫助判斷假肋骨的連接方式,以決定手術時的折彎角度,確保肋骨能順利內縮。

從皮下脂肪、肌肉、到骨骼構造,很多因素都會影響腰部曲線,陳彥州醫師提醒,請與醫師詳細討論,並在完整的評估後,選擇合適的處理方式,才能達到理想的成果。

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筆記重點整理

  • 影響腰部曲線的主要因素包括腹部皮下脂肪、內臟脂肪、腹部肌肉、骨骼結構。若前三項因素皆已改善,但腰線仍不明顯,則可能與肋骨骨架有關,而需要考慮透過肋骨雕塑來調整。
  • 過去曾經透過移除肋骨來讓腰部變細,但目前國際上已較少採用此方式,因為通常僅能移除兩對游離肋骨,術後通常會在後腰部留下5至7公分長的疤痕。術後疼痛感較強,且可能出現氣胸、血胸、傷口長期疼痛、神經痛等併發症。
  • 肋雕芭比腰手術使用超音波骨刀進行肋骨雕塑,在全身麻醉的狀況下,醫師透過後腰部皮膚的小針孔,以超音波骨刀將肋骨磨細。再施加外部力量使其折彎內縮,最多可調整5對肋骨,達到調整腰部曲線的效果。手術時間約1個小時。
  • 相較於傳統肋骨移除手術,肋雕芭比腰手術的傷口較小,術後疼痛較輕,恢復期較短,且不會留下明顯疤痕。接受肋雕芭比腰手術後不需住院,術後可直接返家休養,依照指示服藥。術後可正常行動,但不建議進行劇烈運動或提重物,至少需休息兩週。術後需穿著塑身衣3至6個月,以塑造理想的腰型。
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跨越百年障礙 擴張蠅腦的魔術
顯微觀點_96
・2025/06/23 ・1783字 ・閱讀時間約 3 分鐘

本文轉載自顯微觀點

圖 / 顯微觀點

平價嶄新技術 擴張毫微蠅腦

2023 Taiwan顯微攝影競賽銀獎 Wiring the Brain,題材為果蠅大腦的多巴胺神經網路。蠅腦中比頭髮纖細數千倍的神經纖維與突觸,放大印刷到超過人腦直徑,依然清晰可數。

由於果蠅具有與人類高同源性的基因,也能表現複雜的行為(求偶、覓食、打鬥等),精密解析其腦部構造與整體運作方式,是科學家探索人心智奧秘的重要里程。果蠅的大腦尺寸約為 0.59mm × 0.34mm × 0.12mm,比針尖更細小。其中的神經纖維與突觸更細小數千倍,僅有數百奈米,有時小於光學顯微鏡 200 奈米的繞射極限。即使透過最精密的轉盤式雷射共軛焦顯微鏡,科學家也難窺全像。

到了 21 世紀,在突觸等級分析果蠅大腦仍是相當困難的工程。以掃描式電子顯微鏡(SEM)逐步分析被切成薄片的蠅腦樣本,提供奈米等級解析度的同時,也是侵入性極高,而且可能破壞神經原貌的耗時作法。在AI協助下,2018 年首先問世的立體果蠅全腦圖譜就是由大量平面電子顯微影像重建而成。

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對於持續探索腦神經真實立體結構的科學家,除了鑽研更極致的光學放大效果(如螢光消去顯微術、晶格層光顯微術等足以達到超解析影像,也需要昂貴設備的技術),也有人另闢蹊徑,擴張樣本以浮現原本被繞射極限遮蔽的細節。

果蠅全腦連接體 by Flywire.ai
2023 年 8 月發表的果蠅全腦連接體圖,來自大量電子顯微圖片,由超過 200 位科學家與 AI 合力打造。而果蠅腦部的超解析螢光顯微影像,可以用於協助校正主要由平面電子顯微影像重建的模型,是持續理解果蠅全腦運作機制的重要資源。Courtesy of Flywire Project.

2015 年,麻省理工的波伊登(E. Boyden)提爾貝里(P. W. Tillberg)與陳飛等科學家發表擴張顯微術,以實驗室常見的水凝膠(Hydrogel)、蛋白質水解酶(Protease)等材料,就能將螢光染色的組織均勻(Isotropic, 各方向等量均質)放大,以傳統光學顯微鏡就能觀察原本相距數百奈米的微小構造。

即使有擴張顯微術的幫助,建立果蠅的連接體圖譜仍是一番繁複工程。取出果蠅大腦的顯微手術,需要數周到數月的時間才能熟練。成功擴張的樣本也必然遭遇螢光訊號被稀釋,影像解析度降低的問題。

聚合、分解與吸水 尿布材質推動腦科學

擴張顯微術的基本步驟包含

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錨定 / Anchoring:將樣本浸泡於水凝膠(常用丙烯酸鈉,與尿布吸水部位相同的材料分子),讓水凝膠單體分子滲入樣本,與樣本的蛋白質黏合固定。

聚合 / Polymerization:加入藥劑,讓水凝膠單體間形成聚合並交聯(Cross-link),形成一個緊密滲入、黏合樣本的立體網狀結構。

分解 / Digestion:以蛋白質水解酶分解樣本中的蛋白質骨架,除去擴張時來自樣本的抵抗,但盡量保留螢光蛋白。

擴張 / Expansion:將水凝膠與樣本的結合體加入水中,讓聚合水凝膠吸水擴張,使樣本隨之擴大,每個方向可均勻擴張4到5倍。反覆吸水,各維度最多可擴張近 20 倍。

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擴張顯微術
擴張顯微術示意圖。Courtesy of addgene

2023 Taiwan 顯微攝影競賽銀獎得主劉柏亨分享,其中的「分解」步驟最為關鍵。如何除去樣本內部的拉力,又盡量保持螢光蛋白的訊號,就是實驗的技巧所在。除了使用蛋白質水解酶分解細胞骨架,也能採替代方案,以藥物將蛋白質骨架「變性(Denature)」減少原有的拉力,保留全部螢光蛋白。但是殘存的拉力也會影響擴張過程,使其失去各向同性(Isotropic)的均衡性質,導致樣本扭曲。

他的訣竅是,結合兩種途徑,在過程中不斷調整實驗溫度等變項,並使用「生物素化(Biotinylation)」在擴張前放大螢光訊號;或是使用鍵擊化學(Click Chemistry)在樣本擴張後染上螢光,在每次嘗試中逐步接近理想的解析度與信號強度。

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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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慾求不滿讓雄性折壽?!
Gene Ng_96
・2014/01/09 ・1890字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

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節食能夠讓許多生物長壽,這個養生的效果在線蟲、果蠅、老鼠、斑馬魚、猴子,甚至酵母菌中,都獲到一致的結果。

然而,現任教於美國密西根大學的遺傳學家Scott D. Pletcher,在任教於於德州休斯頓貝勒醫學院期間,領導的研究小組於2007年發表的Science論文指出,節食對延長壽命的效果,會在果蠅聞到食物的味道後,大打折扣 [1]!也就是說,節食中的果蠅在受到食物氣味的誘惑後,就比原本應該的更短命了!他們也發現,一個嗅覺受器基因Or83b在突變後,果蠅就更加耐受壓力並且延長了壽命,顯示嗅覺會影響果蠅的生理及老化。

可是,我們的老祖宗不是說,「食色性也」嗎?如果聞得到,吃不到就無法養生,那麼受到色誘的話呢?來自台灣的郭崇涵在貝勒醫學院就讀博士班期間,思考到這個有趣的問題,他和博士班指導教授Pletcher一同設計了實驗來探討這個充滿挑戰性的問題。在郭崇涵擔任共同第一作者的Science論文裡,他們發現,原來慾求不滿的果蠅,也會變得更加短命 [2]!

郭崇涵在清大就讀碩士班期間,研究的是果蠅費洛蒙和初期種化(incipient speciation)的關係,對費洛蒙影響老化之研究也深感興趣。他表示,在之前他們也試過讓雄果蠅受到色誘的方法,來探討雌性費洛蒙是否會影響雄果蠅的壽命,可是卻沒有得到顯著的結果。從前的實驗,是利用細網把雌雄果蠅隔開,以免牠們交配。不過那樣的方法,一來可能無法讓雄果蠅接觸到足夠的費洛蒙;二來可能雄性果蠅必須用其肢體接觸到性費洛蒙才有效,隔網阻絕了那樣的接觸。實驗方法上的限制,導致成效不彰。

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投影片1後來郭崇涵和Pletcher想到了一個絕妙的方法!已知絳色細胞(oenocytes)可將各式化學物質合成費洛蒙,他們就利用一個果蠅專屬的基因表現系統,把雌性的性別決定基因tra表現在雄果蠅的絳色細胞裡,雄果蠅的表皮就會表現出雌性費洛蒙,讓牠們聞起來就像香噴噴的雌果蠅。接著,他們把五隻正常的雄果蠅和25隻表現出雌性費洛蒙的雄果蠅關在一塊,那些散發雌性費洛蒙的雄果蠅卻不願意和正常雄果蠅交配。因此,正常的雄果蠅持續受到誘惑,於是一直處於慾求不滿的狀態!

接觸到雌性費洛蒙的雄果蠅身體裡有較少的脂肪儲存,而且更不耐饑餓,還有壽命比接觸雄性費洛蒙的正常雄性更短命!這些反效果,在雌性費洛蒙被移除後,就消失了!接著,他們利用Or83b嗅覺受器基因突變的雄果蠅來進行相同的實驗,結果發現效果仍相同,顯示嗅覺與性費洛蒙的接收無關。可是轉基因果蠅的味覺受器基因ppk23無法表現後,雄果蠅在接觸到雌性費洛蒙就不會短命了!那些味覺受器表現在雄果蠅的前腳,當砍斷那些腳上的鎖鏈,雄果蠅不能受到色誘後,生理和壽命就恢復了。這顯示雄果蠅是利用味覺受器來感覺雌性費洛蒙,並且影響了抗壓性以及壽命。

他們也發現,這樣的生理及壽命變化,是由於性動機以及報償系統的作用之變化,因為當他們利用遺傳學的方法剔除了表現參與性報償的神經肽F(NPF,neuropeptide F)的神經元後,那些雄果蠅即使接觸了雌性費洛蒙,也不會有耐餓和脂肪儲存的變化,可是提高了NPF的表現後,雄果蠅的壽命就減短了!更有趣的是,當那些雄果蠅在遭受色誘後,放入雌果蠅來燒燬性饑渴的網羅,牠們成功地和雌果蠅嘿咻後,壽命就不會縮短了!這顯示,改變雄果蠅生理及壽命的,是雌性費洛蒙,而非交配的行為!

然而,有人質疑在他們的實驗設計中,那些雄果蠅可能因為死命地追求散發雌性魅力的同性而疲於奔命,導致過勞死XD  不過郭崇涵卻表示,那樣的可能性不大,一來他們也設計了一個實驗,每三秒鐘就搖晃試管一秒鐘,以干擾那些雄果蠅對同性的求偶行為,結果他們發現效果依舊;二來,過去也有研究顯示,讓果蠅過動不會影響牠們的壽命;加上,同時間發表的另一篇Science論文,由史丹佛大學的Anne Brunet領導的小組也發現,在線蟲身上,費洛蒙的效果也和果蠅相似 [3]!顯示了九億年前就分家的線蟲和果蠅,在這些機制上仍保持著演化上的保守性。

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總而言之,他們這些有趣的實驗意味著,當動物透過感官認知到而產生的期待,和現實的收獲有所落差時,就會影響到健康以及壽命!如果慾望不能受到滿足,對我們可能是有害的。所以要嘛慾望能夠得到滿足,否則「無慾則剛」是有其道理的!

 

原學術論文:
1) Libert S, Zwiener J, Chu X, Vanvoorhies W, Roman G, Pletcher SD. Regulation of Drosophila life span by olfaction and food-derived odors. Science. 2007 Feb 23;315(5815):1133-7. Epub 2007 Feb 1.

2) Gendron CM, Kuo TH, Harvanek ZM, Chung BY, Yew JY, Dierick HA, Pletcher SD. Drosophila Life Span and Physiology Are Modulated by Sexual Perception and Reward. Science. 2013 Nov 29. [Epub ahead of print] http://dx.doi.org/10.1126/science.1243339

3) Maures TJ, Booth LN, Benayoun BA, Izrayelit Y, Schroeder FC, Brunet A. Males Shorten the Life Span of C. elegans Hermaphrodites via Secreted Compounds. Science. 2013 Nov 29. [Epub ahead of print] http://dx.doi.org/10.1126/science.1244160

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參考文章:
1) Scent of Opposite Sex Shortens Lives of Flies and Worms – National Geographic

2) Fruit flies with better sex lives live longer – Science Daily

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Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋