養生新寵小扁豆基因定序完成——2016國際豆類年

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

隨著科技發達，各種社群網路與監控、氣候危機、機器人與人、優生學是我們必須正視的議題，更多有關科學、生物、科技的精彩電影，請見 Giloo 紀實影音與台北當代合作，「未來近了」片單

蘋果出了史上最貴的 iPhone XS Max，一支要價 NT$52,900。可是，如果把一支智慧手機的所有化學元素都分開再賣給你，價錢還會這麼高嗎？蘋果公司出這價錢合理嗎？我們是不是該抵制一下這黑心的商業行為？

別急，如果把你身體分解成元素，不過也就主要是一堆碳、氮、磷、氧、氫等等的元素，加起來的價格又是多少？

製造一部蘋果手機並不是把一堆化學元素隨意混合而已，而是依一大堆零件的設計藍圖，在眾多工廠裡頭用精妙複雜的機器生產再組合起來。不管智慧手機多昂貴或多便宜，我們所買的，是用非常多資訊和知識製造組合，然後用軟韌體運行的高科技產品。

而要製造出一個像你我他一樣的人類驅體，也要有大量的設計藍圖，然後在各種細胞和發育的作用下，長成我們現在這個樣子，並按照類似軟韌體邏輯的運作藍圖來控制日常的生理、生化運行，這些生命藍圖編碼了奈米小機器人的資訊。我們人類正常來說，大概有兩萬多個這樣的藍圖，它們就是我們的基因，奈米小機器人就是蛋白質。

豐富多樣的藍圖庫

每個物種，都有一個獨特的藍圖庫，就是基因體。不同物種之間，有許多基本藍圖頗相似，也有不少藍圖內容不太一樣，甚至有新的藍圖，或者份數不同。其中一些動植物種，經過人類上千年甚至上萬的選拔，不同品系間的藍圖庫也有差異，其中好些藍圖有了新的資訊，造就出多樣的品種。

這些多姿多彩的藍圖庫，無論是改進人類食物食材的生產效率和品質上，或是提供天然的藥物上，都有著舉足輕重的影響。不過很不幸的，在氣候變遷下，或者資本主義講求的極致效率下，很多野生的藍圖庫也好，人工培育出的藍圖庫也好，都面臨著滅頂之災。而這部紀錄片《基因諾亞方舟》，談的就是演化生物學家、遺傳學家、動物學家、植物學家、微生物學家、農學家、生物物理學家、細胞生物學家、生化學家、病理學家、流行病學家等等 ⋯⋯ 合力為守護地球上繽紛多彩的生命歷經試煉一路演化來的藍圖庫而作出的努力。

死都要保護的種子庫

我們人類其實是種子控，不信你數數今天吃了多少種子：米飯、麵條、麵餅、麵包、豆製品等等，全都是用植物的種子做的。這些糧食多樣性的喪失，讓農作物曝露在疾病、氣候變遷等危脅中。蘇聯在納粹德軍圍城時，守護多樣種子庫的科學家，坐視滿室的食物仍寧可餓死，真是令人不勝唏噓和感動。

《基因諾亞方舟》的開頭，帶我們到挪威只有兩千多住戶的斯瓦巴群島 (Svalbard)。為了延續我們糧食的未來，科學家在那蓋了一個全球最大的種子庫  — — 斯瓦爾巴全球種子庫 (Svalbard globale frøhvelv)，利用極地天然的寒氣保存了來自全球兩百多個國家的各種作物種子，最多可以容納廿二億顆種子，現今已收藏超過一百萬份種子樣本。

生物組織蒐藏庫

生命的多樣性也取決於個體擁有多樣的組織器官。保存在細胞核的 DNA 存有各種生命藍圖，但就像工程師施工時不需要把整本工程藍圖都搬到工地或工廠一樣，轉錄作用把 DNA 上的生命藍圖拷貝成一份信使 RNA 的藍圖副本再送到核醣體去製造蛋白質，就像工程師影印奈米機器人製造藍圖副本到工廠施工，工作完成後就銷毀副本資源回收。透過窺視細胞中有哪些和有多少藍圖副本，我們能夠猜測生命的運作。

《基因諾亞方舟》同時也介紹德國野生生物的細胞銀行，用液態氮的超低溫保存各種生物組織，為我們凍結了不同物種的不同組織的藍圖副本。而在南台灣，屏東高樹鄉的辜嚴倬雲植物保種中心，植物學家也把植物的各部分小心剪下裝入小試管瓶中，再放入裝滿液態氮的大型鐵桶中，為後世子孫保存各種植物的生命運作秘密。這個自然科學博物館、國立清華大學及保種中心合作向科技部申請的「冷凍保種計畫」，目標是要在三年內完成三萬種植物的液態氮保存計畫，每個物種至少八份組織樣本，完成後將是世界最具規模的蒐藏庫。

很科幻又不科幻的基因資料庫

過去要定序一個人類的生命藍圖，也就是人類基因體，耗費了幾百億美元，還有三千多位科學家十幾年的寶貴時間。拜 DNA 定序成本比 IT 產業的晶片成本下降速度更快許多所賜，如今定序你我的基因體，費用快要比 iPhone XS Max 還便宜了！於是中國野心勃勃的華大基因 BGI，單單一家機構，正以佔全球定序總量六成的大規模，日夜不停機地要為上萬種脊椎動物的基因體定序。

但我們也別忘了，除了物種和作物品系的多樣性，你我也都是獨一無二的，即使是同卵雙胞胎也有表觀遺傳的差異，就像同一本教科書被不同學生劃的重點有差一樣，不同的後天環境會在相同的 DNA 上做出不同的標記。為了保存和研究個體間的遺傳異同，影片訪問中國、英國和奧地利的生物資料庫或基因銀行，這些基因資料庫或許有一天能幫助我們破解疾病和藥物代謝差異的遺傳因素。臺灣人體生物資料庫也基於臺灣獨特的生活型態和致病因素而成立，為生物醫學研究蒐集龐大的生物檢體與健康資訊，迄今已收集超過九萬人的樣本。而在不久的未來，科學家甚至可能試圖用基因體編輯的技術來修正我們的生命藍圖以治療疾病，或者改造人類，甚至把已滅絕的生物復活，我們將進入一個很科幻但實際上不再科幻的世界！

線上觀看《基因諾亞方舟 Golden Genes》

• 本文轉載自Giloo紀實影音 Medium，原文為〈《基因諾亞方舟》：生物奧秘的未來之夢〉。

• 林翰佐／銘傳大學生物科技學系副教授，科學月刊總編輯。

萬那杜（Vanuatu）是指位於新幾內亞島東南方與斐濟（Fuji）西方海域上的島嶼，目前為萬那杜共和國的治權範圍。先前的考古學研究顯示，這個深入太平洋中心、由 80 餘個島嶼所組成的區域上，有關人類的活動僅能追溯到 3000 年前，幾乎可算是地球上最晚發現人類活動的區域，是地球上最後一塊被人類觸碰到的淨土。

萬那杜的居民從何處而來？

這是一個人類學上相當有趣的研究議題。語言學家們的研究發現，當地居民的語言根源於東南亞語系，透過與鄰近區域考古學證據顯示，第一批到達萬那杜的居民，跟其他遠大洋洲（Remote Onceania）島嶼上落地生根的先驅者應該同屬於拉匹達（Lapita）文明。

拉匹達文明最早發現於位於新幾內亞島東北部的俾斯麥群島（Bismarck Archipelago），是一個生活於沿岸，以採集為主的新石器文明。從已出土的文物當中發現，拉匹達文明已經具備相當精緻的製陶技術，並能利用貝殼製作大量的生活工具。

目前的考古學者認為，拉匹達文明源自東南亞，從文明特徵以及在大洋洲相關文明發現的時間序列來看，整個拉匹達文明可能源自於臺灣早期的原住民，在距今5000~6000 年前經海路逐步擴散到大洋洲的諸島。

這樣的人口擴散方式又是以何種形式發生呢？是逐步的擴散，每到一個地區便與當地人種通婚產生子代，落地生根以後再向其他島嶼擴散？或者是像有目的的旅行一般，在很短的時期不斷移動所造成？

在 2016 年發表的研究中，考古學家透過分子生物學技術，研究 3 具發現於萬那杜與東加群島的先祖遺骸，發現這些迄今 2600~3000 年前的遺骸身上鮮少有鄰近新幾內亞島上人種的 DNA 特徵，反而跟東南亞的人種在血緣上更為接近。顯示這些遠古先祖在遷徙的過程，可能鮮少與當地居民通婚以致沒有血統混合的現象，或者是因為這樣的遷徙是發生於短時間的，並非經歷數代所造成。一段源自臺灣原住先民透過海上旅行到達地球最後一塊淨土的傳奇故事就這樣被發表出來。

即便透過考古學以及語言學的深入研究勾勒出一段如史詩般的故事，但仍難以完美解釋我們目前所觀察到的現象；現今的萬那杜居民雖仍以南島語（Austronesian）作為主要的語言，然而從血緣的角度來看，現在的萬那杜居民，不論在骨骼型態的角度以及基因學上的表現，均已幾乎找不到先民們的血緣。這種語言與血統上錯位（mismatch）的現象更增添了這傳說中的神祕色彩。

全基因體定序用於考古學研究

分子生物學技術用於考古學上的研究其實至少有 3、40 年的歷史。透過位於染色體上基因序列的相似程度，來推算動物物種之間或是先祖遺骸與現代人之間血緣關係的問題。

傳統的研究當中，基因標的（target gene）的選擇相當重要，科學家們需要選擇適當的基因，以這些基因在不同來源材料之間的序列（sequence）差異，做為比較的基礎；通常這類基因需要具備「適當的變異，但又不能太有變異」的微妙特性，來符合判斷不同時間尺規（scale）中對親源性分析的要求。

像是利用分子生物學技術鑑定魚種間親緣關係（可能有數千萬年以上的差別）與人類人種之間的研究（數千到數萬年），所選擇用來比較的基因標的就會有所不同。

在眾多指標之中，粒線體DNA 是較為人所熟知的一個標的。粒線體是細胞當中的一種胞器（organelles），被認為是古代細菌寄生於細胞後共生的結果，稱作內共生學說（endosymbiotic theory）。

在高等哺乳動物當中，我們認為子代的粒線體皆源自母親的卵子，故粒線體DNA 可作為母系遺傳的重要指標。在早先的研究中，粒線體DNA的定序與比對數據提供了我們在形塑現代人類起源的概念上相當有利的參考，包括提出「粒線體夏娃（Mitochomdrial Eve）」的概念。

研究表明，目前世界人口中最接近的共同女性先祖，也被稱作是「幸運的母親」為非洲的單一人口，推測存活於距今14~20萬年前。

相對於先前需要以特定 DNA序列進行分析比對的研究方式，全基因體定序是截然不同的做法。所謂基因體（genome），就是人體所有的遺傳訊息，目前已知是包含有 32 億個鹼基對（base pair，DNA的單位）的龐大資料庫。

隨著電腦科技的進步與基因定序方法上的演進，針對研究標的進行全基因體定序並比對分析已成為可能，雖然這類研究的成本仍然相當的高（現今約新臺幣 30 萬元／每個人類基因體樣本）。由於並非針對單一與數個基因進行 DNA序列上的比對，全基因體的研究可以避免像是盲人摸象式的狹隘觀點，使得研究的結果更為可信。

這裡所提到有關萬那杜人口來源的相關研究，就是用全基因體定序分析的方式進行。

發生於距今約2300年的人種改變事件

今（2018）年2月，2 篇學術性論文的發表，分別對萬那杜人種之謎提出新的證據與看法。其中瑞克（David Reich）發表於《當代生物學》（Current biology）的研究當中，特別針對 14 具發現於萬那杜的先祖遺體以及 185 名現居於萬那杜的居民檢體進行全基因體定序以及分析，結果揭露出幾項更為明確的推測。研究團隊認為，最早到達萬那杜的第一批先祖應該是拉匹達文明，在距今約 2900 年前左右到達萬那杜群島。

但到了距今約 2300 年前，這些遠大洋洲先祖的 DNA 特徵便從現存的遺骨中消失，完全由生活於新幾內亞的種族所取代，這個現象一直到距今約 150 年前的遺骨中均有相同的現象，跟現代萬那杜人的基因體中同時具有 3 種新幾內亞人種特徵以及遠大洋洲人種特性的現象有截然不同的對比。

另一篇近期登載於《自然生態學與演化》（Nature Ecology & Evolution）的文章當中也提出相同的觀察結果。科學家們對於這樣的研究結果進行多種猜測，例如瑞克的研究團隊就認為，由於新幾內亞種族的移入，迫使原本生活餘萬那杜的那些屬於拉匹達文明的先祖們離開了這些島嶼。

先祖可能在附近區域進一步與新幾內亞的人種進行通婚，並將語言保留了下來。

這種可能性或許可以從萬那杜人所使用的南島語中發現，其實仍含有新幾內亞種族語言的特徵，例如雙脣顫音的使用，代表兩種文化間的一些交流，不過，這樣的語言特徵並未受到所有語言學家的認同；也有學者認為基因特徵的突然改變可能是一場滅族式的屠殺所造成，首批跨海而來的遠大洋洲先祖在這場種族間的爭鬥中消滅殆盡。

到底真相為何？依舊是人類學者持續想要解答的問題。更多先祖遺骨的發現與全基因定序研究的投入，或許能針對這個謎團有更進一步的發現。

延伸閱讀

1. Ewen Callaway, Ancient DNA offers clues to remote Pacific islands’ population, Nature, 2018/3/1.
2. Lipson et al., Population Turnover in Remote Oceania Shortly after Initial Settlement, Current Biology, Vol. 28:1-9, 2018.

〈本文選自《科學月刊》2018年4月號〉

什麼？！你還不知道《科學月刊》，我們48歲囉！

入不惑之年還是可以當個科青