科學月刊試閱版 2023-3月號 639期-搶救睡眠大作戰

搶救睡眠大作戰

在忙碌又緊湊的生活步調中，

你有多久沒有好好睡一覺？

不需愛上科學，讓生活就是科學。

2月活動足跡回顧

2月8日

IBM SkillsBuild

線上自主學習徵文競賽

頒獎典禮

由《科學月刊》主辦，並與 IBM SkillsBuild 共同合 作的「IBM SkillsBuild 線上自主學習徵文競賽」於

2 月 8 日舉辦頒獎典禮，由 IBM 大中華地區企業公民

部協理陳慧純、《科學月刊》總編輯林翰佐，以及 三位評審委員擔任頒獎嘉賓，表揚九位獲獎同學。

本次競賽投稿作品主題多元，涵蓋人工智慧、量子 力學、網路安全、物聯網、區塊鏈等新科技，與會

頒獎典禮當天與會人士大合影。

嘉賓肯定同學透過 IBM SkillsBuild 展現自主學習精神， 落實終身學習的態度，期待同學能持續學習，對世界保 持好奇。得獎作品請見《科學月刊》官方網站。

2月11日

由《科學月刊》主辦的「科學閱讀工作坊」，特別邀請品學堂創辦 人黃國珍老師與專案合作講師岳鋒，於 2 月 11 日和參與者線上相 會，共同探討閱讀素養的重要意義。同時，也宣布「星火相傳科學 閱讀寫作計畫」的相關施行細節，期望號召更多夥伴共同投入閱讀 推廣的行列。

閱讀，是我們認識世界的重要方式，隨著資訊獲取的管道益發多 元，教師究竟該如何引導學生閱讀、思考，便成了重要課題。本次 工作坊吸引了上百位教師、家長及一般民眾報名，於線上熱烈交 流，留下許多發人深省的片段。

《科學月刊》將推廣科學閱讀視為己身重要任務，期待未來能持續 發揮影響力，並透過星火相傳計畫持續走入全臺各地， 讓科學星火熠熠生光。關於計畫細節與合作方式，詳見 https://scistar.mystrikingly.com/。

在經歷近三年的新冠疫情後，《科學月刊》陸續開始舉辦實體活動囉！

科學閱讀工作坊暨 星火相傳計畫說明會

歡迎公私立學校、機構洽談科學活動合作

Contents

封面說說話

沉睡百年之久的睡美人，被王子 溫柔的一吻給喚醒，從此過著幸 福快樂的日子。殊不知，因為公 主長期的過度睡眠打亂了生理時 鐘，造成大腦日夜紊亂、入睡困 難、憂鬱等身心困擾。仙子們聽 聞此事後趕緊帶她去睡眠中心求 診，希望藉由科學的幫助改善公 主的睡眠問題。本期透過童話故 事與現代科學的趣味結合，引導 讀者翻開故事書一探究竟。

Contents-2

News Focus

4 獨一無二的指紋如何形成？／讓機器人 FRIDA 幫你畫

5 「新型冰」將解開水的謎團？／全球的水循環正在發生改變

科學‧出走

6 當你我都成為數據／張樂妍

思辨之評 36　青少年睡眠不足的解方？在高中生早自習被取消之後／蔡宇哲

40 COP 15 閉幕之後，臺灣生物多樣性工作該如何推展？／李玲玲

顯　影 44　臺灣櫻花鉤吻鮭／圖｜廖竣、文｜張樂妍

專　欄 46 數不勝數：用 PowerPoint 碎形疊代創作出一幅山水畫 陽明交通大學榮譽退休教授陳明璋專訪／林家妤 Sharkie Lin 52 格物致知：從科學定律出發 透過簡單的實驗及推理 探討「靜力平衡」與「摩擦力」／張慧貞 58 潛移默化：如何保持身體滑順乾爽？ 當水分子遇見滑石爽身粉／余樹楨

64 物換星移：測繪宇宙的三維地圖 暗能量光譜儀器 DESI ／林彥興

廣編漫畫 70　御風任務／原作｜馬開東、編繪｜銀甫

書　摘 78 《電子菸揭祕》

填問卷．拿新書

只要於 2023 年 3 月 31 日前，完 整填寫讀者問卷調查，就有機會 獲得寶鼎出版的《電子菸揭祕》。 問卷內容請至 reurl.cc/0Eo5EK 或掃描 QR code，並詳實填寫， 否則將喪失抽獎資格。

獲獎名單將於 2023 年 4 月 5 日 之前公布於《科學月刊》網站 （www.scimonth.com.tw）。

reurl.cc/0Eo5EK

《科學月刊》勘誤

《科學月刊》637 期〈隨手可見的報章雜 誌 蘊藏不為人知的印刷科學演變史〉第 22 頁的「（圖五）」、「（圖六）」為誤植， 文章並未包含圖五及圖六。造成讀者閱讀 上的困擾，謹向各位讀者致歉。

科學月刊編輯部 敬上

臺北市科學出版事業基金會 董事長：劉源俊 董　事：于宏燦　朱慶琪　邱韻如　林翰佐 胡維平　高甫仁　曾耀寰　蔡孟利 顧　問：王文竹　周成功　林基興 郝玲妮 高涌泉　羅時成 出版者：科學月刊社

理事會 理事長：蔡孟利 理　事：曲建仲　于宏燦　朱慶琪 林翰佐

邱韻如　紀延平　曾耀寰　蔡政修 執行總監：趙軒翎

編輯部 總編輯：林翰佐 副總編輯：趙軒翎　李依庭 編輯委員：王文竹　王伯昌　曲建仲　江建勳

李志昌 李精益 阮明淑 周鑑恆

林秀玉　林宮玄 邱韻如　金升光

金必耀 門立中　紀延平 范賢娟

倪簡白　高啟明 高憲章 張大釗

張敏娟 陳妙嫻 陳彥榮 陳鎮東

陳藹然　單維彰 景鴻鑫　曾耀寰

程一駿 程樹德　黃正球 黃相輔

楊正澤 葉李華　廖英凱 管永恕

劉宗平 蔡兆陽 蔡孟利 蔡振家 鄭宇君 鄭運鴻　鄭宜帆　韓德生

嚴如玉 嚴宏洋 蘇逸平 編輯顧問：王明蘅　古宏海　朱麗麗 吳明進 吳家誠　周延鑫　周榮泉　洪萬生 洪裕宏　胡進錕　孫維新　張　復 張勝祺　陳文屏　陳章波　陳國成

曾惠中　楊玉齡　劉仲康　駱尚廉 魏耀揮　蘇益仁　蘇振隆

編　　輯：羅億庭　張樂妍 美術編輯：黃琳琇

業務部

營運專員：廖本翔

財務顧問：江旻壕

專案經理：林品婕　沙珮琦

走進編輯室

好好睡一覺

也許是今（2023）年過年來得早，又或是過了個史上最長年假，總覺得時間走得 飛快，3 月已經悄悄到來，馬上就要迎接一年之中的第三個節氣「驚蟄」。在此時 節的氣候會逐漸由冷轉暖，萬物開始萌芽生長，初來乍到的春雷也將驚醒蟄居動 物的冬眠。不過，在草木欣欣向榮之際，人們反而會因季節轉換而感到全身懶洋 洋、昏昏欲睡。

提到睡眠，不知道各位讀者的睡眠型態是沾床秒熟睡，還是躺在床上翻來覆去， 眼睛仍瞪得老大、毫無睡意呢？現代人由於生活忙碌，導致日常作息紊亂，或因 為工作、玩樂而犧牲了睡眠時間。久而久之可能造成健康狀況下滑，甚至影響工 作上的表現或產生情緒問題。

為了提升人們對於睡眠的重視與關注，2008 年起由世界睡眠醫學協會（World Association of Sleep Medicine, WASM）和世界睡眠聯盟（World Sleep Federation, WSF）發起年度活動——「世界睡眠日」（World Sleep Day, WSD），並將每年的 活動日期定在春分前的星期五。希望透過活動讓人們了解有關睡眠健康、晝夜節 律、睡眠障礙等知識，且認知到睡眠對於個人身心健康及幸福的影響。

而今年的世界睡眠日則訂在 3 月 17 日，主題為「Sleep is Essential for Health 」， 強調如同人們會追求美食或運動鍛鍊一樣，睡眠也是一項對個人身體、心靈和 社會有深遠影響的行為。因此，我們也一起響應這項活動，從科學的角度剖析睡 眠的科學意義，進一步探討睡眠不足、失眠對人們身心帶來的危害。

俗話說：「休息是為了走更長遠的路。」在下一次鑽進被窩躺平前，不妨先試著 了解睡眠吧！希望在看完這期《科學月刊》後，平時有睡眠問題的讀者能從中找 出自身的睡眠癥結；沒有睡眠方面困擾的讀者，也能更加認識睡眠，體認睡眠對 人體的重要性，讓自己的睡眠品質更上一層樓。

副總編輯　李依庭

創刊於 1970 年

本期為第五十四卷第三期　第 639 期　發行於 2023 年 3 月

中華郵政北台字第 0677 號執照登記為雜誌類交寄 行政院新聞局版台誌第 0934 號

科學月刊社

地址：106013 臺北市大安區羅斯福路三段 77 號 7 樓

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獨一無二的指紋如何形成？

人類的指紋可以增加摩擦力、提升指尖的抓握力， 但為什麼人類會擁有指紋？近期一篇發表於《細 胞》（Cell）期刊的研究，揭開了指紋形成的祕密。

由英國數學家涂 靈（Alan Turing）提出的涂靈反

應－擴散模式（Turing reaction–diffusion system） 是一種透過化學理論解釋生物發育的方式，例如植

物葉子排列、熱帶魚的鮮豔鱗片、鳥羽的圖案排列

等。近期，來自蘇格蘭愛丁堡大學（The University of Edinburgh）的研究團隊，追蹤了小鼠腳趾上

的脊紋（ridges）和生長在 3D 培養物裡的人類細

胞，發現了三個會交互作用並共同調控指紋形狀的

讓機器人 FRIDA幫你畫

細胞間訊號分子⸺

WNT 、 EDAR 、 BMP 。

此外，這三種分子調控指紋形成的方式遵循涂靈反 應－擴散模式，能解釋指紋中常見的三種形狀：拱 形、環形、螺紋（arch, loop and whorl）。

研究團隊表示，過去針對指紋等皮膚紋理的研究往

往更注重理論和建模方法，但這項研究卻利用細胞

培養技術推動此領域的進展，有助於我們更了解皮 膚紋理中隱藏的密碼。

當機器人拿上畫筆後，你覺得它會畫出什麼作品？美國卡內基美隆大學（Carnegie Mellon University）機器 人研究所近期來了一位新的「駐校藝術家」⸺機器人 FRIDA。

FRIDA 的外觀看起來就像是一隻黏著畫筆的機械手臂。在開始創作時，FRIDA 會先花費約一個小時或更長 的時間學習如何使用畫筆；接著，透過 FRIDA 收集大量數據資料訓練出的大型視覺語言模型能力，它能藉 由使用者提供的文本描述、藝術作品、照片等媒材激發 自身的創作能力，生成新的文本或圖像。

此外，FRIDA 還可以模擬藝術家使用的筆 觸，並以機器學習判斷自己的工作進度。

研究團隊表示，目前 FRIDA 只是一個機器

人繪畫系統而非藝術家，未來他們也希望能 FRIDA 促進人們的創造力，例如與 FRIDA 合作用繪畫表現出人們的想法。

Aupperlee, A. (2023, February 7). Carnegie Mellon's AI-Powered FRIDA Robot Collaborates With Humans To Create Art. Carnegie Mellon University School of Computer Science. https://www.cs.cmu.edu/news/2023/frida-robot

Glover, J. D. et al. (2023). The Developmental Basis of Fingerprint Pattern Formation and Variation. Cell, 186, 1–17.

（Carnegie Mellon University）

（Carnegie Mellon University）

「新型冰」將解開水的謎團？

來自倫敦大學學院（University College London, UCL）的研究 團隊創造了一種與水的密度、結構相似，被稱為「中密度無定 型冰」（medium-density amorphous ice）的新型冰，期望能

解開有關水的科學謎團。

為了產生中密度無定型冰，研究團隊使用了一種傳統技術⸺ 球磨（ball milling）。他們在 -200 ℃的環境中將不鏽鋼球放到 含有普通冰塊的小容器中，再以約每秒 20 次的速度搖晃冰塊，

將冰分解成類似白色的粉末後，製造出中密度無定型冰。爾後

團隊再藉由 X 射線計算冰的結構，發現它的密度與液態水相 似，分子之間並不像原本的冰塊那樣井然有序，顯示結晶被破

壞成一種無序的材料。

大多數液體在冷卻時密度隨之上升，但水的密度卻會在接近

4℃時逐漸增加，變成冰時密度反而減小，因此研究團隊認為

這種新型冰能讓科學家以前所未有的方式研究水。此外，木衛 二歐羅巴（Europa）與土衛二恩克拉多斯（Enceladus）上的冰 冷表面，也可能出現由於潮汐摩擦而產生的中密度無定型冰。

或許，研究此新型冰也能加深我們對於宇宙的理解。

土衛二恩克拉多斯

全球的水循環正在發生改變

去（2022）年，連續迎來的第三年反聖嬰現象（La Niña year）為澳洲與東南亞帶來暴雨，至於太平洋 的另一端則遭遇了乾旱。澳洲的非營利性媒體 The Conversation 團隊長期關注全球的水循環，他們分

析 40 多個大氣與地表監測衛星的觀測結果，並與 地面上數千個天氣和水資源監測站的數據合併，整 理出一份全球各國家／地區一年內水循環全貌的觀 測報告。

報告中指出，地球上的水循環正在發生驚人的變 化。例如強降雨事件在去年席捲了南非、奈及利 亞、巴西、巴基斯坦等地，傾盆大雨造成的山崩與

土石流更使得數千人喪生。此外，他們也發現全球 的空氣變得愈來愈熱和乾燥，乾旱與火災的可能發 生得更快、更頻繁，使得農作物產量減少。不僅如 此，溫度升高也將加速高山融雪，像是去年因熱浪 造成喜馬拉雅山冰川融化，就令巴基斯坦的洪水更 加嚴重。

在氣候變遷的情境下，我們很難逃離全球暖化帶來 的威脅，僅能留意大自然帶給我們的各種警告訊 號，提早做出應對與準備。

ASA/JPL/Space Science Institute

Dijk, A. V. (2023, January 11). New Report Shows Alarming Changes in the Entire Global Water Cycle. The Conversation. http://bit.ly/3Ijbhrt

Rosu-Finsen, A. et al. (2023). Medium-density amorphous ice. Science 379 (6631), 474–478.

當你我都成為數據

202 3 臺灣國際光影藝術節

張樂妍 本刊編輯。

（本篇照片皆由作者拍攝自國立臺灣美術館）

每天站在接踵比肩的捷運車廂，或蜷縮在車水馬龍 道路中央的汽車座位，茫茫人海中的我們就像自然 界中的粒子一般，載浮載沉。然而同一時間，電子 設備中的數據資料裡，每一個位元正和我們相反， 以光速川流在我們周遭，未曾停歇。

在資訊爆炸的速食世界裡，我們努力不懈地追求數 據化和更快速的處理系統。從身體的生理狀態、消 費與攝入的物質到手機輸入的每一則訊息，甚至是 眼中的螢幕畫面和耳機裡的聲響，全都是一筆筆的

透過另一種樣貌再次呈現到我們面前。

近期在臺中國立臺灣美術館展出的「2023 臺灣國際

光影藝術節」便是以此為主題，將數據及資訊視覺 化於科技藝術作品中。來自國內外的多組藝術團隊 以「數據光景」為題，將自身作品融合各種形式的 光影與節奏，讓人深陷其中思考數據與藝術、資訊 與人類之間的關係。如同策展人葉廷皓和邱誌勇策 展的初衷：「當代科技藝術發展過程中，數據如何 成為支撐與驅動藝術作品的根基，並為藝術展演帶 來流動與多樣性？」

〈光的時間量子〉（Quantum of Time Inside Light） 是臺灣藝術家吳秉聖和烏克蘭／西班牙數位藝術家

勒赫（Iury LECH）的作品，以沉浸式音像藝術的呈 現手法營造身歷光影資訊世界的體驗。作者透過點 雲（point cloud）技術、即時生成圖像的演算法等

技巧，將顆粒即興、隨機組成絢麗的影像，並結合 沉重、不規律的音樂節奏，創造催眠性的迷幻立體 空間。利用數位新媒體素材搭配光影生成技術，為 整個舞臺場景注入動態光影和聲響，成為一幅觀眾

也身陷其中的三維數位藝術作品。觀賞過程除了是 一場十分嶄新的視聽饗宴，更讓人不禁思索數據時

代下個體存在的本質。

走到室外，一株株霓虹植物構成的花海綻放在黑夜

中。這是臺灣藝術家蔡宜婷的作品〈植光．花〉，

使用發光二極體（light-emitting diode, LED）、光 纖、彩虹膜、PC 管作為素材，嵌上登控系統而形 成的模擬花海。作品以仿生植物體的意象為題，加

入像是自然呼吸的韻律光芒，並在花叢間連接網路 使光訊號可以在植株間傳遞、變化，有如真實生物 與環境之間的訊號交流。作者在作品介紹中寫到： 「人工生命的植物最終可能成為現實。」而這樣的 未來有可能實現嗎？去（2022）年科學領域的多項 突破中，就包含了人工智慧生成藝術畫作的 AIGC （artificial intelligence generated content）技術、 預測出兩億種蛋白質結構的 AI 系統 AlphaFold 2、 AlphaTensor 找到 50 年來最高效的矩陣計算方法

等，人工智慧的數據計算早已大大拓展人類科學史 上的創造能力。

或許數據光景成為日常生活並建構現實世界的一 天，已經不遠。

延伸閱讀

1. 編輯部（2022）。AI 找出更快速的矩陣數學算法。科學月刊，635，7。

2. 編輯部（2022）。Meta 預測出六億種蛋白質結構。科學月刊，637，10。

當睡美人遇見的不是王子， 而是科學⋯⋯

−COVER STORY−

天天是好日 日日都好眠

睡眠，占據了我們生命中多達1/3的時間， 但現代人卻因為緊湊忙碌的生活而忽略它， 使失眠、睡眠不足成為現今社會的文明病。

好好睡一覺為什麼如此重要？

在鑽入被窩睡覺前，不妨先試著了解睡眠！

真的需要睡掉三分之一的人生嗎？

睡眠的科學意義與功能

張芳嘉

臺灣大學獸醫學院院長、臺灣大學神經生物 與認知科學研究中心主任、台灣睡眠醫學學 會常務監事。

Take Home Message

・睡眠是維持生存的必要生理狀態。然 而，臺灣慢性失眠症的盛行率卻高達 10.7％。

・目前已有多個理論說明睡眠的功能 和重要性，例如幫助大腦皮質的發 展、強化記憶、改善免疫功能等。

・透過改變睡眠相關神經傳遞物 質的濃度，能調控我們進入睡眠 各階段和清醒的時間；而光線 則會影響睡眠的節律。

（123RF）

近年來睡眠相關問題逐漸受到重視，主要的理由

是深受睡眠障礙困擾的人愈來愈多。根據臺灣

醫學學會在 2019 年的調查，全臺灣慢性失眠症

（insomnia）的盛行率約為 10.7 ％，在美國甚至有

高達一半以上的人抱怨過睡不著覺，至少有 3000 萬

的美國成年人受到嚴重的長期失眠所苦。另外，有

超過 1000 萬名美國人患有睡眠呼吸中止症（sleep

apnea），遺傳性睡眠疾病猝睡症（narcolepsy）

病人的盛行率則約為 1/2000，甚至許多人有睡眠

障礙卻不自知。其實，睡眠問題或睡眠障礙的情形 通常伴隨年紀增加，並且與日夜節律紊亂、生活壓 力增加有關。

為什麼我們需要睡覺？

睡眠是怎麼發生、又是如何調控的呢？睡眠的產生 最主要由大腦⸺中樞神經系統控制，而周邊神經

系統或周邊構造對於睡眠的影響則微乎其微。不能 說沒有但相當少，主要的調控機制仍在大腦裡面。

睡眠幾乎占據我們一天 1/3 以上的時間，讀者可以

思考人生總共花了多少時間在睡眠上。人一天大概 需要至少八小時的睡眠，假如活了 60 歲，總共有

20 年在睡覺。試想，20 年的時間可以做多少事情，

為什麼我們要花這麼長的時間在一個看似沒有作用 的睡眠行為上？事實上，睡眠一定有它的功能，但 是為什麼需要睡眠？睡眠的功能是什麼？目前有許 多研究睡眠的學者提出關於睡眠功能的假說和驗 證，不過都如瞎子摸象一般。研究發現的都是睡眠 的部分功能，無法完全得知睡眠真正完整的功能。

若要研究睡眠，就必須定義什麼是睡眠。睡眠的原

始定義是：「一種可逆的行為狀態，在睡眠時感官 脫離對於環境的刺激，且反應變得遲鈍。」這是從 行為學上定義的睡眠行為。不過目前已經知道這種 定義不太正確，雖然我們在睡覺時傳到中樞系統的 外在感覺刺激確實減少了，但這些感覺刺激還是可 以傳送到我們大腦中，只是會因為被抑制而減少。

而睡眠也並不單只是一種行為，它其實是一種基本 的生理需求，跟人們會口渴、飢餓一樣，屬於生物 體維持生存及生命必須的生理狀態。讀者應該有這

封 面 　 故 事 3

為什麼會失眠？

從大腦科學與心理學

找出失眠原因

明明有睡著，

詹雅雯 政治大學心理系博士，任教於中原大學 心理學系。研究睡眠及神經心理，致力 推廣睡眠衛生教育，以心理學策略協助 改善睡眠與腦心智健康。

Take Home Message

• 失眠患者經常有客觀檢查和自我睡眠知覺不一致的 落差，主因為情緒調控、警醒相關腦區、神經傳導 物質的功能缺失。

• 造成失眠的心理原因包含前置因子（個性特質）、 誘發因子（壓力、疾病、情緒亢奮等）、持續因子 （節律紊亂、不當用藥等）。

• 目前仍缺乏長期服藥的安全性研究，因此美國睡眠 醫學學會建議失眠患者合併藥物及非藥物的心理治 療，達到減藥目標。

失眠是臺灣各科門診中常見的抱怨之一。除了夜間

睡眠受到入睡困難、睡眠中斷、早醒等症狀影響

外，失眠問題對白天的生活品質和功能也都有顯著

影響。此外，調查研究指出，臺灣約有 25％的成年

人有過失眠的經驗，失眠患者即使移除社經地位、

生理健康的影響性，他們的失眠程度仍對心理健康

狀態存有顯著負面影響，顯示失眠不僅在國內相當

普遍，且對臺灣人的身心健康有所危害。

造成失眠的成因多元且複雜，除了大家普遍熟知的 身體不適、環境干擾（噪音、悶熱）、心理因素（煩 惱、擔憂）外，科學家也嘗試從大腦生理和心理行 為兩種面向釐清影響睡眠的因素，並針對上述成因 研究出有效解決失眠的藥物與非藥物治療策略。

失眠的大腦生理

失眠的臨床診斷著重在失眠患者的「主觀經驗」， 因此在診間常見到失眠患者本人宣稱自己都沒有睡 著，但同寢的床伴卻指證患者實際上有入眠！臨床

上經常可從失眠患者的夜間睡眠腦波紀錄中觀察到

「高頻腦波侵入」（alpha intrusion）的特性，大

腦影像研究結果則指出這項特性與 GABA 神經傳導 抑制（GABAergic inhibition）有關。GABA 是調節 睡眠的主要神經傳導物質，目前治療失眠的藥物也

以作用在 GABA 受體的類型為主，透過抑制神經元 作用達到治療失眠的目的。造成上述知覺落差的主 因就是由於 GABA 神經傳導抑制的功能缺失，使人 體產生睡眠障礙。

另外，從腦部結構的研究也發現，眶額皮質區域 （orbitofrontal cortex, OFC）的灰質密度低者容易

眶額皮質區域

早醒、睡眠片段化與睡眠品質不佳。OFC 與接收刺 激所活化的警覺網路（salience network）有關，

當此區的灰質密度降低時會減弱個體在睡眠歷程中 調控內外在知覺的能力，使失眠患者容易因覺察到 外在或自身的干擾刺激而從睡眠中醒來。在功能性 連結部分，失眠患者的 OFC 與尾狀核（ caudate nucleus）前部、前扣帶皮層（anterior cingulate cortex）和杏仁核（amygdala）的功能連結均有缺

失。其中，OFC 與尾狀核的功能性連結和抑制大腦 皮質活化有關，前扣帶皮層和杏仁核的連結則與情 緒調控有很大的關聯性。

（ The Figure was partly generated using Servier Medical Art,CC BY-SA 3.0 ）

4

封 面 　 故 事

睡眠不足的危害有多大？

從個人到企業的影響

蔡宇哲

心理學博士，主持podcast《哇賽 心理學》與《睡眠先生的活力學》。

筆者常到企業進行睡眠管理的講座與諮詢，發現一般公

司多半將睡眠議題視為對員工身心健康的關懷，並沒有 意識到員工個人的睡眠情況會對企業整體帶來多大的影 響。但企業的生產力來自於員工，因此當員工睡眠不足 使工作效率降低時，自然會對公司整體造成損失。

Take Home Message

• 睡眠是判斷人們身心理健康狀態一項重 要指標，員工睡眠不足可能造成他們的 職災風險上升、工作倦怠。

• 睡眠不足類似酒駕，當事人感覺不出影 響，但透過科學分析就能發現個人的判 斷力、反應時間、情緒控管明顯變差。

• 國外逐漸有企業重視睡眠對員工生產力 的影響。但此觀念仍需要制度與文化配 合宣導，才能讓員工了解睡眠對工作的 重要性，並有效提升企業生產力。

根據 2016 年美國蘭德智庫（RAND Corporation）針對 幾大國家，包含美國、德國、加拿大、英國、日本的睡 眠情況與經濟損失提出的報告指出，美國因人民睡眠 不足而造成的經濟損失高達 4000 多億美元，約占該國

GDP 的 2.28％；與臺灣地理位置相近的日本情況則更加 嚴重，損失約占國家 GDP 的 2.92 ％，將近 1400 億美元

（數據統計區間為 2015 ～ 2016 年）。美國國家安全委

員會（National Safety Council, NSC）估計，一個睏睡的 員工一年將造成企業損失約新臺幣 3 萬 5000 ～ 9 萬元。

若以一家位於紐約、擁有 100 位員工的金融管理公司來

說，員工睡眠不足將導致一年損失將近新臺幣 560

萬元，當中最大的就是生產力，將損失近 350 萬。

睡少一點差很多

睡眠不足對個人的影響有時和酒駕有點類似⸺當

事人都感覺不出影響，但實際上透過科學資料分析 就能發現，睡眠不足時個人狀態會明顯變差。近年

來，國外的睡眠相關學會持續呼籲要取消日光節約

時間（daylight saving time），其中一個理由就是

在轉換當天會造成整體性的睡眠不足，進而發生危

害。日光節約時間制度會在夏季的某個週末將時間 調快一小時，到秋季再調回來。換言之，在調快一 小時的那天人們勢必要提早一小時起床，而這個動

作會使得他們在這天的睡眠較少，也就造成小幅度 的睡眠不足，進而引發白天工作上的失誤。

一篇 2009 年發表的研究指出，在日光節約時間開 始的第一天，人們的平均睡眠時間少了 40 分鐘， 雖然人們可能對於這一天的工作感受沒有什麼差

異，但研究統計後卻發現在這天發生工作意外的 機率顯著高於其他天。另一篇發表於《美國經濟評

論》（American Economic Review）期刊的研究則指

出，在施行日光節約時間的當天，全球各大股市交 易的投資報酬率顯著較差，且明顯低於其他天。研 究人員認為，因為少了近一小時的睡眠及生理時鐘

移動，以致於民眾對判斷力、反應時間、情緒控管 等有了負面影響，容易犯下錯誤的判斷，最後體現 在股市交易工作上。

能發現它深遠的影響。

睡眠與職業災害

一般企業對於職災的防範都是針對工作的標準作業 程序（standard operating procedures, SOP）建 立，以及維持適當工作時數這兩方面。然而，員工 的睡眠情況對於職災也有一定程度的影響力。一篇 調查時間涵蓋了 2004 ～ 2008 年、共 17 萬多人的 資料指出，研究團隊在控制性別、年齡、種族、受 薪階級等變項後發現，若以每週工時 31 ～ 40 小時 為基準，工時超過 40 小時的話職災風險會提高為 1.31 倍；若以每天睡眠 7 ～ 8 小時作為基準，只睡

6 ～ 7 小時的話職災風險提高為 1.41 倍、睡 5 ～ 6 小時為 1.79 倍、少於 5 小時則為 2.65 倍。另一篇日 本的研究則發現，每週工時 51 小時以上者，發生 職災的情況會明顯比工時 35 ～ 40 小時的工作者還

高，且睡得不好的人也比較容易發生職災。研究中 更指出工時的影響力會因為職業類別而有差異，例 如對於公共運輸業者（巴士或卡車司機）的影響就 明顯較大。不過睡不好卻無差別性，對任何行業的

從這些生活中實際發生的情況可以知道，睡眠不足 的影響單看主觀性評估是不夠的，透過科學研究才

七家灣溪

臺灣櫻花鉤吻鮭的棲地之一

臺 櫻花鉤吻鮭的卵

圖｜廖竣

臺灣大學漁業科學研究所碩士；自幼隨父親跋 山涉水，培養出混水摸魚、摸蝦的喜好，致力 將臺灣淡水原生生物生態紀錄呈現給大眾。

文｜張樂妍

曾為武陵地區溪流生態系研究計畫盡一點微薄 的努力，本刊編輯。

臺灣櫻花鉤吻鮭（Oncorhynchus masou formosanus）過去曾是北半球 寒溫帶的迴游性魚類，因冰河時期的地質變動長期被封閉在位於亞熱帶

的臺灣高山溪流，所以當冰河期結束時早已失去迴游的能力，成為臺灣 歷經百萬年演化的孑遺生物〔註〕 ，也是地球上分布最南端的鮭魚類。

牠們生活於臺灣中部大甲溪上游的各個主要支流，但隨山區農地出現、 攔沙壩的建設、棲地被開發而破碎化等因素，曾一度僅剩武陵地區的七 家灣溪、高山溪、桃山北溪流域可以看到牠們的蹤跡，且數量也大幅減 少，據調查在 1992 年僅剩不到 200 尾。

為了復育臺灣櫻花鉤吻鮭，政府與學者從 1993 年著手各項監測與復育計 畫，了解長期生態環境變化對武陵地區生態系的影響。經多年的水質、

棲地環境、生物多樣性監測，同時進行人工繁殖復育研究，並執行減少 農地、拆除攔沙壩等棲地保護工作，讓臺灣櫻花鉤吻鮭的野生族群終於 在 2020 年增加至一萬多尾。

不過這並不代表保育工作告一段落，因為山區農地的農藥汙染、缺乏基 因多樣性、環境升溫等威脅並未完全消失，更多棲地重建與 生態系維護仍須持續進行。下次到武陵農場時， 讀者也可以順路至生態中心看看臺灣 櫻花鉤吻鮭的模樣，並提醒自己 及他人不在大自然遺留垃圾， 一同保護珍貴生態環境。

註

孑遺生物是指過 去曾廣布且數量很多 的生物類群，在幾乎 滅絕後，現今僅存於 特定地區的一個或數 個孤立族群。

臺灣鏟頜魚

Onychostoma barbatulum

俗稱苦花、鯝魚，棲息在低溫、清 澈水域的深潭或石縫，因棲地與臺 灣櫻花鉤吻鮭重疊而常被民眾誤認。

我是苦花！ 不是阿鮭啦！

用PowerPoint碎形疊代 創作出一幅山水畫

陽明交通大學榮譽退休教授 陳明璋專訪

• 碎形常見於自然界，能在雪花、 海岸、蕨類植物中發現。

• 透過陳明璋發明的 PowerPoint 增益集「AMA」，能將簡單的橢 圓、線條等幾何圖形以重複疊 代的方式生成山、樹木、雲霧 等圖。

• 陳明璋認為 AMA 是一種跳躍創 意，且融合資訊科技造形平臺、 數學脈絡、藝術文化、認知心 理的數位教材，具有深厚的科 學教育意涵。

讀者們有聽過「碎形」（fractal）這個詞嗎？碎形是自然界中 常見的幾何圖形，可以在雪花、海岸、樹木、蕨類植物、羅 馬花椰菜中發現。碎形幾何之父、美國數學家曼德博（Benoît Mandelbrot）曾說：「雲不是球體，山不是圓錐體，海岸線 不是圓形的，樹皮不是光滑的，閃電也不是直線傳播的。」

林家妤Sharkie Lin 喜歡新奇有趣的事物，像是數學 藝術創作、策展、採訪、寫作、 創意教學、博物館規劃，目前服 務於科學未來館籌備小組。

即使自然界中的碎形看起來無法以歐式幾何進行拆解，臺灣卻 有一位學者運用簡單的幾何元素與碎形疊代原理進行數學藝術 創作，而且人人都可以學會使用。這次《科學月刊》專訪了陽 明交通大學通識教育中心榮譽退休教授陳明璋，看看如何不寫 程式碼、在 PowerPoint 就能用碎形作畫。

（陳明璋提供）

圖一

由陳明璋所發明的

PowerPoint 增益集 「AMA」。（作者提供）

AMA簡介與優點

陳明璋發明了一套功能強大的 PowerPoint 增益

集「AMA」（activate-mind-and-attention），俗

稱「阿嬤」的外掛程式（圖一）。但為什麼會選擇

PowerPoint 作為使用平臺呢？陳明璋表示，以往 要學習一項新東西就要多學一個程式或平臺，缺

乏統一與方便的平臺可用，出發點也沒有考量到

老師教學使用上的設計，因此選擇 PowerPoint 是 希望「工具簡單、方法有效、過程充滿創意」。

為了降低使用門檻，AMA 運用許多認知心理學理

論的巧妙設計。像是採用編碼（coding）系統加

速溝通，當老師說出指令串 6-5-1 的時候，學生就

可以馬上找到「三點畫橢圓」的指令進行操作。

不像一般資訊課程光讓全班找到某個功能（如工

具→選項→進階模式），就要花很多時間才能找到 正確的路徑。筆者曾上過一整天 AMA 數學藝術研 習課程，過程非常流暢、充實，完全沒有停頓感。

雖然 AMA 平臺一開始是從認知與教學的理論出 發和設計，不過它其實也非常適合用來進行數學 藝術的教學與創作。創作數學藝術時必須處理大 量點、線、形、結構等物件，而結構化正是 AMA 的強項。它能將屬性相同的物件抽取出來，透過 AMA 介面一次更改上百個物件的屬性，在短時間 內便能體驗到解構、重構、學習三步驟，使用起 來非常有成就感。

碎形創作原理與過程

「力的存在產生了碎形，碎形從大自然而來。」 陳明璋說道。古人從碎形簡化成象形文字；而今 陳明璋發展了一套針對繪圖而設計的碎形幾何研 究，並將象形文字轉化成有著傳統山水畫感的碎 形圖案。接著就讓我們看看如何使用 AMA，從幾 個簡單的元素生成有意思的碎形圖案吧！

山的原理

首先是象形文字「山」，以四個橢圓形表示山的數 學結構⸺大地、主峰與兩座側峰（圖二）。再將 四個橢圓形轉成圖片作為生成子（generator）， 並以 AMA 中的定框複製功能（AMA 編碼 8.7）套 用至「結構」中疊代生成新的圖樣（圖三）。

疊代後的結果看起來像是 16（即 42）個橢圓，接

著再把第一次疊代後的結果轉化成圖片，成為第 二次疊代的生成子而結構不變。只要重複以上的 步驟會發現每次疊代後的結果愈來愈像一座山的 樣子，反覆操作幾次之後就能用碎形畫出有如山

以四個橢圓形表示山的數學結構：大地、主峰、兩座側峰。 （陳明璋提供）

從科學定律出發

透過簡單的實驗及推理

探討「靜力平衡」與「摩擦力」

Take Home Message

• 物體同時滿足合力＝ 0 且合力矩＝ 0 兩個條件時，會達到「靜力平衡」。 此時物體可能保持靜止、等速度運動，或等角速度自轉運動。

• 最大靜摩擦力與所受正向力成正比。在木尺實驗中，離重心較遠的手受

到的正向力較小、需克服的最大靜摩擦也較小，因此可以移動。

• 靜摩擦力不等於最大靜摩擦力，靜摩擦力這種被動力的大小只能依據牛 頓運動定律中的加速度反推，是學生常見的解題困難。

摩擦力在生活中無處不在，它不一定會造成生活

上的困擾或不便，有時候反而能促進物體運動或 維持物體的穩定。因此在靜力平衡的實例中，經 常涉及摩擦力的探討。但許多學生對於「靜力平

衡」與「摩擦力」經常存有許多似是而非的想法， 透過本文讓我們一一釐清。

張慧貞 彰化師範大學物理系教授， 研究興趣為物理概念發展。

你知道嗎？有個只需一支木製的尺（以下簡稱木 尺）就能完成的有趣實驗，可能會顛覆你的直覺！ 實驗要怎麼進行呢？首先以雙手食指水平撐住一 支木尺後，兩邊手指相互施力靠攏（圖一）。試 試看，你能否透過「意志力」決定兩邊手指的會 合位置，讓木尺在手指上達到力平衡？

圖一 | 木尺實驗

以雙手手指抬起木尺並互相靠攏，手指會在哪 個位置會合，並讓木尺在手指上達到力平衡？

在真實體驗後，你將發現透過意志力根本無法控

制雙手的移動步伐。雙手從靜止到相互靠攏的過

程中，只有離中心較遠的手指才能移動，最後雙 手必然會在木尺的正中心，也就是重心處會合。

木尺維持力平衡的關鍵

其實這當中的奧祕與「靜力平衡」有關。根據「牛

頓運動定律」的 ΣF ⇀ ＝ ma ⇀ cm（平移運動）和 Στ ⇀ ＝ Ia ⇀

（轉動運動），則當物體所受的合力＝ 0，且合力

矩＝ 0（平衡的條件）時，物體的 a ⇀ cm ＝ 0（質心加

速度＝ 0），且 a ⇀ ＝ 0（自轉角加速度＝ 0）（平衡

的結果）。也就是說，當物體處於「力平衡」時，

它可能出現的狀態是保持靜止、等速度運動或等

角速度自轉運動。

接著，我們將以「力平衡」的因與果

解釋上述實驗的玄機。由於木尺維持

靜止（ a ⇀ cm ＝ 0，且 a ⇀ ＝ 0），所以合力

＝ 0，合力矩＝ 0 兩個條件需同時成

立（圖二）。根據合力＝ 0，得到 N 左

＋ N 右 ＝ Fg（左手正向力＋右手正向

力＝尺的重力）；再依據合力矩＝ 0，

以重心為轉軸，則 :

左邊的力矩＝右邊的力矩⇒

τ 左＝ τ 右 ⇒ N 左 d 左＝ N 右 d 右

由於正向力（N）與距離（d）成反比

（N ∝ 1/d ），因此距離重心愈遠的手

指，所受的正向力愈小。

因為手指是由靜止開始移動，需克服與木尺之間的 最大靜摩擦力（F fs max）。根據 F fs max ＝ μsN（μs 為 最大靜摩擦力係數），我們可以知道 F fs max ∝ N， 也就是最大靜摩擦力與所受正向力成正比；又因 為 N ∝ 1/d，所以 F fs max ∝ N ∝ 1/d⸺最大靜摩

擦力與所受正向力、距離的倒數成正比。因此，當 雙手手指放在木尺的兩個不同位置並由靜止開始移 動、相互靠近時，只有離重心較遠的那隻手因為給 予木尺的正向力較小，需克服的最大靜摩擦力也較 小所以可以移動；至於另一隻手指則仍維持靜止。

藉由上面的原理解說，讀者們對於力平衡、靜摩 擦力是不是更有概念了呢？以下我們想透過幾題 小測驗考考大家，讓讀者小試身手。

圖二 ｜ 木尺達到力平衡狀態

由於合力＝ 0、合力矩＝ 0 兩個條件同時成立，木尺達到力 平衡維持靜止。從合力＝ 0，得到 N 左＋ N 右＝ Fg；再依據合 力矩＝ 0 並以重心為轉軸，則 τ 左＝ τ 右⇒ N 左 d 左＝ N 右 d 右。