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像《星際效應》讓人進入冬眠

李秋容
・2015/01/09 ・1792字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

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星際旅行都要費時數年,不只太空船要準備足夠的糧食,甚至人類終其一生還到達不了遠得要命的星系。這時候,像電影《星際效應》中的「冬眠艙」,就是許多星際旅行科幻作品中重要的概念了。但是,人類可能像動物一樣進入「凍齡」的冬眠狀態嗎?

這個看似奇蹟般的不可思議假設,在近期來的病例報告中陸續被揭露。2006年有位35歲的日本男性失蹤24天後,在雪山山坡被成功搜救,離奇的是他似乎是以近乎假死的狀態生存了下來:他的器官停止運作,體內溫度降了華氏71度,且新陳代謝放慢至幾乎是停滯狀態。但獲救後沒多久,他又完全復原了。

這麼離奇的事情怎麼發生的呢?難道這位日本人真的像熊一樣的冬眠了嗎?還是他擁有限於少數幸運者、或特定情況下才有的能力,使他可以進入長期的休眠並甦醒,那我們也可以嗎?

近年來許多科學家開始相信,那些奇異的存活故事或許不單純只是僥倖或媒體誇大,而有可能是所有人類都具備的潛在能力-休眠。

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硫化氫(hydrogen sulfide):令人長眠的氣體

西雅圖福瑞德.哈金森癌症研究中心(Fred Hutchinson Cancer Research Center)的細胞生物學家馬克.羅特(Mark Roth)和他的同事認為,氣化的硫化氫可能是造成假死狀態的關鍵。

2005年的一項實驗為這項論點帶來了轉捩點,研究人員讓實驗用鼠吸入高劑量的硫化氫氣體,並首次成功誘發了冬眠反應。硫化氫取代氧氣並和細胞產生化學鍵結,有效的中斷老鼠體內所有的代謝過程,且顯著的減少了牠們的體內溫度,幾個小時後,當科學家以正常空氣替換硫化氫後,老鼠從冬眠中甦醒且沒有顯現任何不良的影響。

羅特在《科學》(Science)的研究結果中表示:「我們認為這有可能是所有哺乳類甚至是人類都有的潛在能力,而現在我們只是在試圖控制它,依需求開啟或終止誘發休眠狀態。」

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自此之後,羅特實驗室中的研究人員便繼續以硫化氫實驗,他們利用秀麗隱桿線蟲(C. elegans)來測試反應,博士後研究生傑森.皮特(Jason Pitt)表示:「如果你暴露在硫化氫中,你會像被「擊倒」(knockdown)般立刻失去意識,持續停留在原地會導致死亡,但如果你離開並接觸新鮮空氣你就能復原,而這些寄生蟲對於硫化氫有和人類相同的反應。

由於寄生蟲和人類對於硫化氫有相似反應,且秀麗隱桿線蟲的基因較為簡單好操作,使我們更易於破解硫化氫所造成的反應,對於探討這化學之間耐人尋味的反應來說,這是個完美的模式生物(model organism)。

研究人員期許有一天,這種氣體能使用於誘發人類的休眠反應,甚至應用於長途的太空旅行中。

INTERSTELLAR
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“想去木星,但太空船內裝不下足夠的食物嗎?那就一路休眠吧!”

 

“需要腎臟移植,但排不到器官捐贈嗎?那就邊睡邊等吧!”

 

但這些想法似乎還稍嫌遙遠,皮特表示:「由於我們對於硫化氫的作用所知甚少,還無法確定能否使人類產生和其他生物完全相同的結果,我們需要藉由研究不同的相關分子和其運作方式,學習更多有關劑量和反應之間的關係,才能釐清這是怎麼回事。」

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如果最終氣體暴露的方式可以用於引發人類假死狀態,那要如何解釋一些特例中人類自發性地進行休眠狀態呢?

對此,皮特表示:「在我們的實驗初期,便已知我們的身體內原本就含有硫化氫,有越來越多的證據顯示這是種體內的調控分子,只是我們還不知道它的功能或它如何運作。」

雖然科學家聲稱他們對硫化氫所知甚少,但他們認為這種物質自從目前已知生命的起源-35億年前便存在我們體內。

我們跟細菌有多像?

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皮特表示:「有越來越多的想法認為,人類和其他哺乳類有進入假死狀態的潛在本能,地球形成初期並沒有氧氣,且確實產生了許多如硫化氫的含硫化合物。如今世界上依然有許多的生物,當時是生活在呼吸硫化氫的極端環境中,而生物會背負這些曾經的演變過程,因此人類擁有進行自古以來的化學反應的本能並不是奇怪的事。而我們現在在討論的事,發生在35億年前當氧氣開始出現,藍綠菌開始改變地球的化學作用之時。」

許多細菌能夠藉由開啟或關閉他們的代謝反應,以發展生存的機制,依照皮特的論點來說,人類或許也沒差多遠。

皮特表示:「我們真核生物是共生生物,我們的粒線體便是從細菌演化而來,基本上我們跟細菌的差異性可能比想像中來的小。」

參考資料:

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李秋容
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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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想變年輕?就靠時空旅行!——《高手相對論》
遠流出版_96
・2022/04/29 ・2673字 ・閱讀時間約 5 分鐘

孿生子弔詭

這難道不是一個讓人活得年輕的方法嗎?的確是,而且後面講到廣義相對論的時候還會介紹另一個讓時間變慢的機制。科幻作品經常使用這種素材,比如電影《星際效應》(Interstellar)裡,太空人去黑洞附近執行任務,回來的時候還挺年輕的,可是自己的女兒卻已經很老了。

正所謂「山中方七日,世上已千年」。我想提醒你的是,這裡說的時間變慢只是不同座標系對比的結果。對於參加星際旅行的你來說,你實實在在活過的時間還是正常的壽命。在相對性原理之下,你根本感覺不到自己多出來什麼時間,如果你在地面上一輩子能讀一萬本書,在太空船上過這一輩子也只能讀一萬本書;你在山中過的這七天,也是一日三餐,共吃二十一頓飯。

在相對性原理之下,你根本感覺不到自己多出來什麼時間。圖/envato elements

但是你的確比地面上的人老得慢。說到這裡,有個著名的問題,叫「孿生子弔詭」。

假設你有一個雙胞胎妹妹,在你們二十歲這一年,你乘坐接近光速的太空船前往遠方執行任務,你的妹妹留在地球上。在你妹妹眼中看來,你這一走就是五十年,你回來的時候她已經七十歲了。可是因為相對論效應,你在太空船座標系下體會到的這段旅程只有三十年,你回來的時候才五十歲。

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你離開的時候,兩人一樣大,回來的時候妹妹比你老了二十年。這個事實是沒問題,但人們會有一個疑問。相對於你的妹妹,你在太空船上是高速運動,所以會有時間變慢的效應,所以你比你妹妹年輕。可是反過來說,相對於你,你妹妹在地球上難道不也是在高速運動嗎?為什麼不是她比你年輕呢?

這個問題的答案是你和你妹妹所在的座標系並不是等價的。你妹妹一直待在地球上,可以近似為一個等速直線運動的座標系。而你離開地球必須首先加速到接近光速,到達目的地要減速、掉頭、再加速,回到地球還要再減速,你經歷的並不是等速直線運動。你在加減速的過程中得使用力量,你會有「貼背感」,而你的妹妹沒有。

相對於從地球出發又折返的星際旅行,一直待在地球上比較像是等速直線運動。圖/envato elements

考慮到這些,精確計算你在每個階段相對於你妹妹是什麼年齡就比較麻煩了,這裡先不講,在本書番外篇會專門進行一點技術性的討論。

確定的是,這個效應是真實的,你真的比你妹妹年輕了二十歲。孿生子的效應已經有實驗證實。

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驗證這個效應不需要真的進行星際旅行,你只需要一種精度非常高的原子鐘。先將兩個原子鐘對時,然後將一個放在地面不動,把另一個帶上一般的民航機的國際航班飛一圈。飛回來後,再把這兩個原子鐘放在一起,就會發現它們的時間有一個極其微小的差異——這個差異是實實在在地存在的。參加了飛行的那個原子鐘,現在確實比留在地面的那個「年輕」一點。

如此說來,那些經常在天上飛的飛行員和空服員都比一般同齡人要年輕一點!但是他們參與飛行的速度不夠快,一輩子也差不了一秒。而如果你能把自己的速度提高到接近光速,那麼你的一天是地面上人的一年,甚至一千年,在理論上都是可能的。你就等於穿越到了未來。

一輩子也比別人年輕不了一秒的飛行員們(?)圖/envato elements

時空是相對的

與時間膨脹相對應的一個效應是「長度收縮」。

還是以太空人為例。同樣一段距離,我們在地面看他應該飛二十五年才能到,在他自己看來,飛十五年就到了。而且請注意,不管是哪一方看來,太空船相對於這段距離的飛行速度是一樣的。

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這就意味著,太空人看到的這段距離,比我們看到的要短。

如同時間,長度也是個相對的概念。一個物體的長度在相對於它靜止的座標系中是最大的,如果你和它有一個相對的運動,你會覺得它比靜止的時候短一些。這就是長度收縮。

當我們和某物體有相對運動時,它的長度看起來會短一點。圖/envato elements

我還記得小時候看過一個日本動畫片,裡面用極其誇張的手法描寫了這個現象:幾個孩子騎自行車,其他人感覺他們都變瘦了。

其實嚴格地說,有人透過計算,得出三維物體的長度收縮效應是你「觀察」到的,而不是你「看」到的。考慮到物體各個部分的光到達你眼睛的距離不一樣,你的眼睛實際看到的感覺,只是這個物體旋轉了一個角度而已,在視覺上不會覺得它變短了;但是如果你考慮到光速是有限的,物體不同部分的光線到達你的眼睛有個時間差,你根據這個時間差做一番計算,即會得到長度收縮的結果。

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時間膨脹和長度收縮這兩個效應告訴我們:空間的長短也好,時間的快慢也好,都與座標系有關,不同座標系中的觀測者所看到的時間和空間是不一樣的。時空並不是一個客觀不變的、一視同仁的大舞臺,每個座標系都有自己的時空數字。當不同的座標系要想交流,得先做「座標變換」,把對方的時空數字轉換成自己的。

想跟不同的座標系交流,記得先調整時空數字。圖/envato elements

但是,在每個等速直線運動的座標系內部,你所用的物理公式,都是一模一樣的。

如果永遠不聯繫,你在太空船的生活和我在地面的生活就沒有任何差別。可是一旦要聯繫,我們的數字則會非常不一樣。而這些不一樣,又恰恰是因為光速在所有座標系下都一樣。

相對論是如此讓人不好接受,卻又是如此簡單。

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相對性原理是一個信念,但物理學家從來都沒有把相對論當作「信仰」——科學的精神是實驗結果說了算。物理學家始終對相對論保持開放的態度。二○一一年,物理學家一度以為微中子的速度能超過光速,但是後來發現那是一個烏龍,是實驗設備有問題。

現在,我們只能說愛因斯坦完全正確。

遠流出版_96
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遠流出版公司成立於1975年,致力於台灣本土文化的紮根與出版的工作,向以專業的編輯團隊及嚴謹的製作態度著稱,曾獲日本出版之《台灣百科》評為「台灣最具影響力的民營出版社」。遠流以「建立沒有圍牆的學校」、滿足廣大讀者「一生的讀書計畫」自期,積極引進西方新知,開發作家資源,提供全方位、多元化的閱讀生活,矢志將遠流經營成一個「理想與勇氣的實踐之地」。

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光如何被重力彎曲,構成黑洞的獨特景象?——黑洞旅行團,出發!(上)
ntucase_96
・2021/12/18 ・2499字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 撰文/劉詠鯤

本文轉載自 CASE 科學報黑洞旅行團,出發!(上)——彎曲的光與重力透鏡

在嚴峻的疫情下,雖然我們無法親自外出旅遊,但是想像力可不會被輕易束縛。今天讓我們一起前往廣袤的宇宙中,在那裡散布著無數龐大的天體,它們扭曲從旁擦身而過的光線,形成各式獨特的景象。在本篇文章中,我們將帶領各位讀者一起了解光線是如何被彎曲。

電影《星際效應》中,一幅令人印象深刻的畫面是主角們乘著太空梭在黑洞附近時,所看到的黑洞景象(如圖一)。但是以人類目前的太空實力,尚無法脫離太陽系,抵達巨型黑洞附近更是無法實現。那這幅景象只是純粹虛構的嗎?並不是,它是藉由物理理論將我們的認知延伸到遙遠的宇宙彼端,讓我們也有能力推測,遙遠的未來,黑洞旅行團會看到的景象!

圖一、《星際效應》中,「巨人」黑洞附近的景色。版權所有:華納兄弟。

黑洞附近獨特景象的原因,是因為它極為龐大的重力。因此,在討論黑洞景象之前,我們要先來認識描述重力的理論,那便是鼎鼎有名的廣義相對論。廣義相對論使得人們有能力理解宇宙中發生的各種現象,其中一個重要的洞見是:「重力的本質是時空的彎曲」。這句話看起來十分抽象,以下我們舉個例子試著讓各位讀者體會,力與時空彎曲這兩件看來毫無相關的事情是如何扯上關係的。

力與彎曲空間

假設有兩位螞蟻探險家,在他們眼中,地球是一個巨大的平面。有一天,他們相約從赤道上兩個不同的位置出發,拿著指北針,約好一起向正北方,以相同速度前進。在他們心中,地球是一個平面,因此兩人同時向北走,路徑會互相平行,應該永遠不會相遇(圖二a)。但經過了數個月,他們在北極點碰到了彼此,感到驚訝無比。為了解釋此結果,他們推斷:「由於地球是平的,我們會碰在一起,代表我們之間有某種吸引力,將我們越拉越近(圖二b)」。但是我們站在第三人稱的視角便會明白,他們倆最後會碰在一起,並非因為彼此之間有吸引力,而是他們所在的地球是個曲面而非平面。力與空間的彎曲似乎沒有我們想像的那麼毫無關係!

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圖二、兩位相約向正北前進的螞蟻旅行家,兩條軌跡在平面上由於互相平行,應該永遠不會相遇(a)。但在球面上兩位會在北極點相遇(b),由於他們認為自己身處在平面上,會認為相遇是因為彼此之間具有吸引力,將他們的前進軌跡彎曲。

愛因斯坦偉大的洞見,便是他了解到:我們時刻感受到的重力,其實本質上是具有質量的物體造成附近時空的彎曲;我們因為認為時空是平坦的,因此把他詮釋為一種「力」,就如同兩位螞蟻探險家。細心的讀者可能留意到,我們在此使用了「時空」,而非「空間」。相對論中,時間與空間不再互相獨立,而可以互相影響。

讀者可能會疑惑:重力是一種力或是時空的彎曲,這聽起來只是詮釋角度的不同,有實質上的差別嗎?其中一個主要的差別在於對「光」的影響。古典描述重力的理論:牛頓力學,對於光通過一個大質量天體附近時,路徑會如何改變的預測,和廣義相對論的結果並不一致。1919 年,艾丁頓爵士在日蝕發生時,向太陽的方向觀測,發現竟然能夠看到理應被太陽擋住的星光。其原因便是太陽的重力造成附近的時空彎曲,遙遠的星光在通過該區域時發生路徑的偏折,使我們有機會在地球上看到它。

一個物體附近時空彎曲的程度,會和其質量大小有關。因此當光線通過愈大質量的天體附近時,路徑的改變就會越大。這個效果就如同光線通過一個透鏡時會發生偏折(如圖三)。天文學中,人們會使用由透鏡、反射鏡等組成的望遠鏡來觀察遙遠的天體。那我們是否可以使用這些天體形成的「透鏡」,來觀察宇宙呢?答案是肯定的,這便是在當前天文與宇宙學領域中,一個正蓬勃發展的觀測方式:重力透鏡。

圖三、遙遠的星光經過大質量天體時,發出的光線會如同經過透鏡一樣被彎曲,使得在地球上的我們可以看到本該被擋住的星星。

重力透鏡

根據光線彎曲的程度(也代表著透鏡天體的質量大小),重力透鏡可以被分為:微重力透鏡、弱重力透鏡以及強重力透鏡。其中強重力透鏡,由於光線的彎曲程度較大,在地球上的觀察者可以看到十分有趣的圖像。例如愛因斯坦十字、愛因斯坦環。對此議題有興趣的讀者,可以參考[3],該文章有深入淺出的解釋。

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由於光線偏折的程度,與通過的天體質量有關。因此,如果我們對於光源的性質十分了解,重力透鏡可以反過來提供給我們透鏡天體的質量資訊。這特別適合拿來進行暗物質的分布量測。由於暗物質只透過重力和其他物質作用,它並不會放出任何的電磁波,要「看」到它,只能透過重力的效應。若是我們在宇宙中,發現某一個區域具有非常大的質量,造成通過的光軌跡有所偏移,但是我們又無法在該區域中,利用各種電磁波望遠鏡,看到可識別的天體,那很可能那裏有緻密的暗物質;再透過分析光線的彎曲情形,科學家們便可以推測出其中的暗物質質量分布。

在本篇文章中,我們向各位讀者介紹了光是如何受到重力的彎曲,以及相關的應用。這個效應在黑洞附近會更為劇烈,在下一篇文章中,我們將會介紹該如何「模擬」黑洞附近的景象。

延伸閱讀

本系列文章:
黑洞為什麼不黑?彎曲的光與重力透鏡——黑洞旅行團,出發!(上)
巨大的黑洞反而不危險?——黑洞旅行團,出發!(中)
怎麼模擬出真實的黑洞樣貌?光線追蹤技術——黑洞旅行團,出發!(下)

參考資料

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

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星際旅行都要費時數年,不只太空船要準備足夠的糧食,甚至人類終其一生還到達不了遠得要命的星系。這時候,像電影《星際效應》中的「冬眠艙」,就是許多星際旅行科幻作品中重要的概念了。但是,人類可能像動物一樣進入「凍齡」的冬眠狀態嗎?

這個看似奇蹟般的不可思議假設,在近期來的病例報告中陸續被揭露。2006年有位35歲的日本男性失蹤24天後,在雪山山坡被成功搜救,離奇的是他似乎是以近乎假死的狀態生存了下來:他的器官停止運作,體內溫度降了華氏71度,且新陳代謝放慢至幾乎是停滯狀態。但獲救後沒多久,他又完全復原了。

這麼離奇的事情怎麼發生的呢?難道這位日本人真的像熊一樣的冬眠了嗎?還是他擁有限於少數幸運者、或特定情況下才有的能力,使他可以進入長期的休眠並甦醒,那我們也可以嗎?

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近年來許多科學家開始相信,那些奇異的存活故事或許不單純只是僥倖或媒體誇大,而有可能是所有人類都具備的潛在能力-休眠。

硫化氫(hydrogen sulfide):令人長眠的氣體

西雅圖福瑞德.哈金森癌症研究中心(Fred Hutchinson Cancer Research Center)的細胞生物學家馬克.羅特(Mark Roth)和他的同事認為,氣化的硫化氫可能是造成假死狀態的關鍵。

2005年的一項實驗為這項論點帶來了轉捩點,研究人員讓實驗用鼠吸入高劑量的硫化氫氣體,並首次成功誘發了冬眠反應。硫化氫取代氧氣並和細胞產生化學鍵結,有效的中斷老鼠體內所有的代謝過程,且顯著的減少了牠們的體內溫度,幾個小時後,當科學家以正常空氣替換硫化氫後,老鼠從冬眠中甦醒且沒有顯現任何不良的影響。

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羅特在《科學》(Science)的研究結果中表示:「我們認為這有可能是所有哺乳類甚至是人類都有的潛在能力,而現在我們只是在試圖控制它,依需求開啟或終止誘發休眠狀態。」

自此之後,羅特實驗室中的研究人員便繼續以硫化氫實驗,他們利用秀麗隱桿線蟲(C. elegans)來測試反應,博士後研究生傑森.皮特(Jason Pitt)表示:「如果你暴露在硫化氫中,你會像被「擊倒」(knockdown)般立刻失去意識,持續停留在原地會導致死亡,但如果你離開並接觸新鮮空氣你就能復原,而這些寄生蟲對於硫化氫有和人類相同的反應。

由於寄生蟲和人類對於硫化氫有相似反應,且秀麗隱桿線蟲的基因較為簡單好操作,使我們更易於破解硫化氫所造成的反應,對於探討這化學之間耐人尋味的反應來說,這是個完美的模式生物(model organism)。

研究人員期許有一天,這種氣體能使用於誘發人類的休眠反應,甚至應用於長途的太空旅行中。

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“想去木星,但太空船內裝不下足夠的食物嗎?那就一路休眠吧!”

 

“需要腎臟移植,但排不到器官捐贈嗎?那就邊睡邊等吧!”

 

但這些想法似乎還稍嫌遙遠,皮特表示:「由於我們對於硫化氫的作用所知甚少,還無法確定能否使人類產生和其他生物完全相同的結果,我們需要藉由研究不同的相關分子和其運作方式,學習更多有關劑量和反應之間的關係,才能釐清這是怎麼回事。」

如果最終氣體暴露的方式可以用於引發人類假死狀態,那要如何解釋一些特例中人類自發性地進行休眠狀態呢?

對此,皮特表示:「在我們的實驗初期,便已知我們的身體內原本就含有硫化氫,有越來越多的證據顯示這是種體內的調控分子,只是我們還不知道它的功能或它如何運作。」

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雖然科學家聲稱他們對硫化氫所知甚少,但他們認為這種物質自從目前已知生命的起源-35億年前便存在我們體內。

我們跟細菌有多像?

皮特表示:「有越來越多的想法認為,人類和其他哺乳類有進入假死狀態的潛在本能,地球形成初期並沒有氧氣,且確實產生了許多如硫化氫的含硫化合物。如今世界上依然有許多的生物,當時是生活在呼吸硫化氫的極端環境中,而生物會背負這些曾經的演變過程,因此人類擁有進行自古以來的化學反應的本能並不是奇怪的事。而我們現在在討論的事,發生在35億年前當氧氣開始出現,藍綠菌開始改變地球的化學作用之時。」

許多細菌能夠藉由開啟或關閉他們的代謝反應,以發展生存的機制,依照皮特的論點來說,人類或許也沒差多遠。

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皮特表示:「我們真核生物是共生生物,我們的粒線體便是從細菌演化而來,基本上我們跟細菌的差異性可能比想像中來的小。」

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李秋容
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