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瑪莉.安寧:找到第一個完整魚龍化石的女孩—《25種關鍵化石看生命的故事》

PanSci_96
・2016/12/22 ・4920字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 503 ・六年級

  • 編按:「生命啟始、萌芽於大約三千四百六十五『百萬年』前(也就是,近三十五億年前),註記在澳洲西部,所謂『頂角燧石』中的一群藍綠藻化石群。」(引述自推薦序)截至目前已知的 35 億年生物長河中,許多物種曾生活在這塊土地,卻有超過 99% 的物種都已經滅絕。我們想多了解牠們的故事,只能從現存的少少線索來拼湊。在《25種關鍵化石看生命的故事》中,作者挑選了演化史上重要的 25 種化石來介紹,不僅包含了化石帶給我們的演化故事,也包含了化石發現者、研究者的探索足跡。
  • 這一次泛科學摘錄的章節介紹的是古生物學研究中的一個重要女性——瑪莉.安寧,她的故事曾被改編為小說《尋找化石的女孩》(Remarkable Creatures)等,因為她在發現魚龍、蛇頸龍等化石上的貢獻,而被認可為偉大的古生物學家之一。最初最初,她只是個沒有受什麼教育的貧窮女孩,為了生活撿化石……

小海在海邊賣海貝殼。(She sells seashells by the seashore)

我不懷疑小海賣的是海邊的貝殼。(The shells she sells are surely seashells)

因為如果小海在海邊賣海貝殼,我就不懷疑小海賣的是海邊的貝殼。(So if she sells shells on the seashore, I’m sure she sells seashore shells.)

             ──小海在海邊賣海貝殼(She sells seashells by the seashore)

十八世紀末,英格蘭南部多塞特(Dorset)地區沿岸的海邊小鎮來姆利吉斯(Lyme Regis),是富裕與時尚階級間熱門的避暑勝地,他們在此戲水,享受涼爽的海風。採集貝殼、化石和其他珍奇物品,都是當時受流行的嗜好。所有人都覺得化石只是岩石裡找到的風雅物體,適合取名和貼標籤,不會帶來什麼〈創世紀〉裡沒講過的新知識。

英格蘭南部多塞特(Dorset)地區沿岸的海邊小鎮來姆利吉斯(Lyme Regis),也是瑪莉安寧發現許多侏儸紀時代化石的海岸。圖/By Kevin Walsh - originally posted to Flickr as jurassic, CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9997986
英格蘭南部多塞特(Dorset)地區沿岸的海邊小鎮來姆利吉斯(Lyme Regis),也是瑪莉安寧發現許多侏儸紀時代化石的海岸。圖/By Kevin Walsh – originally posted to Flickr as jurassic, CC BY 2.0, wikimedia commons.

那時候還沒有人知道恐龍(1820 年代和 30 年代才發現恐龍),對地球上大部分已滅絕的動物幾乎都一無所知。確實,大部分的人(尤其是學者)都否認大滅絕曾經發生過,因為上帝會眷顧所有生命,連最微不足道的麻雀也不例外,祂不可能允許祂的任何創造物消失。詩人亞歷山大.波普(Alexander Pope)的作品《人論》(An Essay on Man, 1733)就說:「泰山與鴻毛之死,主均一視同仁。」(Who sees with equal eye, as God of all, / A hero perish, or a sparrow fall.)

1795 年,一名英國驗船師暨運河工程師威廉.史密斯(William Smith)開始注意到,英國各地的化石都以特定的順序出現,但是在他之後還要過二十年,世界才開始了解他的發現的意義。

尋找化石的女孩:瑪莉.安寧

在來姆利吉斯, 有一個窮工匠叫理查.安寧(Richard Anning),他和妻子莫莉(Molly)生活困難,只能勉強度日。兩人有很多個孩子,但幾乎都死於強褓期間;這在當時很常見,因為醫療不發達,很多致命的兒童疾病都無法治癒。他們最大的女兒在四歲就死去,原因是衣服著火。

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在這個悲劇發生後五個月,他們的女兒瑪莉.安寧(Mary Anning)在 1799 年出生。瑪莉十五個月大時,閃電打到這座村子,造成三名婦女死亡,但身在其中一名婦女懷中的小瑪莉卻安然無恙。瑪莉只在教堂念過一點書,學會讀寫,但是當時勞動階級婦女幾乎不會接受教育。等瑪莉夠大了,她就和爸爸與哥哥喬瑟夫(Joseph,她唯一存活的手足)去海邊的懸崖採集侏羅紀早期(兩億一千萬到一億九千五百萬年前)「藍里阿斯」(Blue Lias)地層裡的化石。這裡有很多「蛇石」(ammonites,即,菊石類)、「魔鬼的手指」(belemnites,即,箭石類)、「魔鬼的腳指甲」(the oyster Gryphaea,即,牡蠣類的師鷹貝屬)、「脊椎果」(vertebrae,即,脊椎動物化石)。很多村民都會採集化石賣給夏天來度假的有錢觀光客,補貼自己少得可憐的收入,度過十九世紀初的苦日子。除此之外,安寧一家還面臨更進一步的歧視,因為他們的信仰不屬於英國國教,因此在生活很多方面都受到排擠。

1810 年 11 月,悲劇再度降臨:爸爸理查因為罹患肺結核身體虛弱,加上採集化石時從危險的懸崖摔落,44 歲就過世。於是莫莉、約瑟夫和瑪莉(當時只有 11 歲)必須全天候採集化石,才能勉強賺一點點錢。

發現魚龍

第一個幸運的發現在一年後出現:約瑟夫發現了嵌在岩石裡、長度超過 1.2 公尺的驚人頭骨。在他挖掘出這塊骨頭後,瑪莉發現了剩下的骨骼。一開始這個骨骼被認為是「似鱷魚類的化石」,因為牠的口鼻部很長。這件化石後來由富裕的收藏家輾轉買賣,並在 1814 年由艾弗羅得.荷姆(Everard Home)記載了這件標本,但是他無法判斷這到底是什麼動物(圖 14.1)。他將牠分類為魚,因為牠是水生的,而且有和魚類相似的脊椎。可是他也在化石上辨識出很多爬行動物的特徵。他覺得這應該是「生命的巨大鎖鏈」中,魚類和爬行動物之間「失落的環節」。儘管如此,他並不認為彼此具演化序列的關聯性,這種想法直到四十年後才在學界出現。到了 1819 年,荷姆認定這件化石代表蜥蜴與始螈龍(Proteus)之間失落的環節,所以將之正式命名為始龍類(Proteo-Saurus)。

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(圖 14.1)最早的魚龍化石圖示,康尼比爾繪。圖 / 出自康尼比爾“Additional Notices on the Fossil Genera Ichthyosaurus and Plesiosaurus,” Transactions of the Geological Society of London, 2nd ser., 1 〔1822〕

1817 年,擔任大英博物館自然史部門研究員的查爾斯.迪耶崔奇.埃伯哈特.科尼(Charles Dietrich Eberhard Konig, 原名卡爾. 迪耶崔奇. 埃伯哈特. 科尼〔Karl Dietrich Eberhard König〕)非正式地把這塊化石命名為魚龍(Ichthyosaurus,是源自希臘文的「魚」和「蜥蜴」組合而成的字),因為他發現這個化石同時具有魚和蜥蜴的特徵。1819 年 5 月,他為大英博物館購藏到這件化石並永遠典藏。1822 年,英國地質學家威廉.康尼比爾(William Conybeare)正式記載並命名包括這件標本在內的多件化石,也正式採用「魚龍」這個屬名,於是之後發現的這類化石均以此為名(從此不需要使用始龍類這個名稱)。

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同時,安寧家的喬瑟夫減少採集化石的工作,因為他開始在裝潢商那裡當學徒,瑪莉則必須繼續在戶外採集這些化石養家。她通常在暴雨的冬季找到好東西,因為那時候的海浪會侵蝕懸崖,讓化石有新的機會暴露於外。但這段時間也是最危險的,因為懸崖隨時都可能坍方;萬一錯估退潮時間,海浪也會捲走採集化石的人。如布里斯托.米羅(Bristol Mirror)在 1823 年對瑪莉的描述:

這位堅忍不拔的女性每天都在潮汐退去時去尋找重要的化石遺跡,時間長達數年。在來姆的絕壁下數英里之遙的落石岩堆,就是她的首要目標,裡頭保留著這些地史上的珍貴遺跡,必須在岩層一落下之時就盡快搶救,但也必須冒著被後續搖搖欲墜的石塊殘骸打傷,或是被回頭的漲潮淹沒的風險—─多虧了她的努力,我們才能有這麼豐富並幾乎保存完整的魚龍化石群。

瑪莉曾數度命在旦夕。1833 年 10 月,她差一點點就被山崩活埋,雖然她逃過一劫,但是長年以來陪伴她的毛色黑白的狗特瑞(圖 14.2)卻不幸死去。那年稍晚,瑪莉寫信給朋友夏綠蒂.瑪琪森(Charlotte Murchison),內容提到:「也許你會笑我,但是我長年的忠狗死去這件事,讓我非常傷心;懸崖的落石一瞬間就在我眼前、在我腳邊奪走牠的性命……只差那麼一秒,我就會和牠同命。」

(圖 14.2)目前唯一確知為瑪莉的畫像。圖中有她的石鎚、採集袋、厚重的衣物,以及小狗特瑞,牠在一次採集化石的途中遭山崩砸死。圖 / 'Mr. Grey' in Crispin Tickell's book 'Mary Anning of Lyme Regis' (1996), 公有領域, wikimedia commons
(圖 14.2)目前唯一確知為瑪莉的畫像。圖中有她的石鎚、採集袋、厚重的衣物,以及小狗特瑞,牠在一次採集化石的途中遭山崩砸死。圖 / ‘Mr. Grey’ in Crispin Tickell’s book ‘Mary Anning of Lyme Regis’ (1996), 公有領域, wikimedia commons

但是她的努力有了回報。1823 年,她發現了完整的長頸型的蛇頸龍化石,使英國科學界更陷入五里霧中。一年後,她發現了在德國以外的地方最早的翼龍(pterosaur)化石。她採集了無數的化石魚類,由其他科學家加以研究描述,還有很多菊石和其他軟體動物化石。她在一個似子彈型的貝殼(稱為箭石〔belemnites〕)裡,發現墨囊的證據,證明這些箭石其實是已絕種的烏賊化石。她了解到大家都叫做「腸胃結石」(bezoar stones)的東西,其實是化石糞便,牛津大學的威廉.巴克蘭(William Buckland)後來也發表他的想法,稱之為「糞化石」(coprolites)。

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儘管她的教育程度不高,但是她讀遍所有能弄到手的科學論文,而且經常手抄這些論文(包括論文內的詳細圖示)。1824 年,哈莉特.西薇絲特夫人(Lady Harriet Silvester)對瑪莉做出下列描述:

這位年輕女性特殊之處在於,她讓自己徹底熟悉這項科學,只要一找到骨頭,她就能立刻知道這是屬於哪一類的。她用黏膠固化,在框架上修復這些骨頭,接著描繪構造,並且從圍岩中修整出這些骨頭……這顯然是受到神眷顧的美好例子:這個貧困、無知的女孩受到神的祝福,透過閱讀和應用,她在這個主題上達到的知識程度,足以和教授及其他聰明人書寫與交談;他們都承認,她對這項科學的了解比這個領域的任何人都還要豐富。

1826 年,瑪莉年僅 27 歲,但她已經存了足夠的錢開一間自己的店,幾乎所有著名的地質學家和古生物學家都會前去拜訪,購買化石。這些人包括阿加西、巴克蘭、康尼比爾、亨利.德.拉貝夏(Henry De la Beche)、 查爾斯.利耶(Charles Lyell)、基狄恩.曼特爾(Gideon Mantell)、羅德理克.馬其森(Roderick Murchison)、李察.歐文(Richard Owen)以及亞當.賽吉克(Adam Sedgwick)等。美國收藏家用她的化石建立了自己的博物館,各國貴族也都向她購買保存狀態最佳的標本。

儘管他們對瑪莉的評價甚高,這些在十九世紀初建立了現代地質學這門學科的英國紳士,並不接受她與他們平起平坐,因為她的社會階級低,而且也不是英國國教徒。她後來改信英國國教,以排除這項障礙。她所有驚人的標本都由買下這些標本的富裕「上流社會」士紳加以發表描述,但是幾乎沒有提到任何她採集化石的辛苦或是處理化石的努力。她的想法在有生之年也無法付梓出版,因為當時她沒有任何機會。

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瑪莉死於 1847 年,原因是乳癌,不過當時英國地質學界已經開始認同她的重要性。他們在她臨終前數月為她募款,支付了她的喪葬費用,在她的教會以她為名造了一面彩色玻璃窗,並在地質大會中頌揚她(這是只有會員才能享有的榮譽)。她甚至曾經是狄更斯筆下文章的主角。很多人表示,繞口令「小海在海邊賣海貝殼」說的其實就是瑪莉。

以瑪莉安寧命名的彩色玻璃窗。圖/By Ballista at the English language Wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3664286
以瑪莉安寧命名的彩色玻璃窗。圖/By Ballista, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

現在,瑪莉不只被認可為最早,也是最偉大的女性古生物學家,而且是古生物學的先驅之一。她的發現改變了她出生的那個時代的世界觀。1830 年代,一般人開始認真思考滅絕的魚龍和蛇頸龍代表的意義,開始討論一個黑暗、致命的「大洪水前的世界」,在那時候的海洋裡,這些怪物都曾悠游其中(圖 14.3)。幾年後,恐龍也加入了這個場景。

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(圖 14.3)一隻魚龍和兩隻蛇頸龍在來姆利吉斯沿海打鬥復原圖,由拉貝夏於 1830 年所繪。這是最早已知史前場景的圖畫之一,被視為現在稱為的「史前藝術」(paleoart)類別的第一件作品。這幅畫的平版印刷品販售金額用於為瑪莉募款。蛇頸龍和魚龍在十九世紀初廣為人知,但是當時尚未發現恐龍。圖 / 出自拉貝夏著,Duria Antiquior—A More Ancient Dorset 〔London, 1830〕

就算在 1820 年代以及更早之前,居維葉已經提出長毛象和乳齒象,以及巨大地懶(ground sloth)必定已經滅絕的論點,但正是因為像是魚龍和蛇頸龍這麼大型的動物大規模的滅絕,才讓科學家重新思考自己對〈創世紀〉的字面詮釋是否正確。尤其在魚龍兇惡的大眼睛瞪視下,他們心存恐懼地檢視大洪水之前的奇異世界。有些人認為地球已經經歷了循環,這些滅絕的動物中會重現,萊伊耳就是其中之一。但是最後,大多數的學者都被驅使不再接受所謂「諾亞方舟的大洪水後,所有動物都是完美的創作,從未改變」的看法。瑪莉這位虔誠又謙虛的女性,採集與販賣化石維生,卻在 47 歲英年早逝之前,無意間為科學思維的巨大改革奠定了基礎。


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本文摘自《25種關鍵化石看生命的故事:化石獵人與35億年的演化奇蹟》,臉譜出版。

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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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。

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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。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

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。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

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)」:

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  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。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

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。

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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。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

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。

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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

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從一片荒蕪到綠色星球:細菌與光合作用如何重塑地球——《你的身體怎麼來的?》
商周出版_96
・2025/01/27 ・3861字 ・閱讀時間約 8 分鐘

喜出望外

海中糟粕化為盎然綠意

這個星球現在仰仗光合作用運轉。

──史緹耶可.戈盧比奇(Stjepko Golubic)

四十億年前,地球的陸塊相當單調,黑色、褐色、灰色的岩石上一片荒蕪,火山朝著無氧的大氣噴發毒素,人類乘坐時光機回到那時間點會立刻窒息。當時地球上僅有的生命形態是細菌,以及比英文句號還小得多的單細胞生物。然而若往前快轉幾十億年,來到距今僅三億五千萬年前後,會發現大氣中氧含量接近人類已經習慣了的百分之二十一,這是個很奢華的數字。

那個年代,海洋中滿是巨大生物四處洄游,植物入侵陸地並為人類的演化鋪路。地球從無法居住的荒土蛻變為藍綠色的生命樂園,這麼戲劇性的轉折是什麼力量在背後推動?

種種因素之中有一項特別醒目:直到一九六〇年代人類才開始意識到光合作用的力量不下於各種地質學事件,改造這顆星球的手段神祕且驚奇,非常難以想像。

地球從荒土到生命樂園的蛻變,歸功於光合作用的出現。圖 / unsplash

改造過程中,光合作用或許曾經引發大規模生物滅絕。科學家一度認為其威力能夠與核戰浩劫相提並論,使這顆行星被寒冰覆蓋化作巨型雪球。但同時光合作用又輔助、甚至促成「不可能」的演化捷徑,進而提高生命多樣性,最終使植物甚至人類得以存在。科學家如何研究太古時代的自然變動?而光合作用又如何將地球鬧得天翻地覆?

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疊層石背後的生命故事

十九世紀末期,有人找到能夠追溯光合作用悠久歷史的第一條線索。那時候沒有任何證據指向距今大約五億五千萬年的寒武紀之前有生命存在,然而一八八二年冬天美國大峽谷深處名叫查爾斯.沃爾科特(Charles Walcott)的岩石收藏家改變了一切,後來還當上史密森尼學會的主席。

沃爾科特的故鄉是化石天堂紐約州由提卡市(Utica)。小時候他生得瘦瘦高高,喜歡在父母的農場以及附近未來岳父擁有的採石場內找化石,十八歲離開校園之後先去五金行當店員,卻自己閱讀教科書、研究化石並撰寫論文、與著名地質學家通信來維繫心中熱情。他曾經蒐集古代海洋生物三葉蟲的化石標本,品質在全世界而言也是數一數二,後來慷慨出售給了哈佛大學。

沃爾科特的勘探技巧十分高明,也藉此就職於新成立的美國地質調查局。一八八二年十一月,地質調查局局長、同時自己也是探險家的約翰.威斯利.鮑威爾(John Wesley Powell)要求沃爾科特勘測迄今為止無法進入的大峽谷深處。

鮑威爾之前嘗試過,但只能乘坐小木舟趁漂流時稍微觀察最底層岩石,後來他就在偶爾有「刺骨寒霧、雪花飛旋」的地方紮營監督,帶人修建一條從峽谷邊緣延伸到下方三千英尺(約九百一十四公尺)處溫暖地帶的陡峭馬徑,並且讓時年三十三歲的沃爾科特帶著三名工人和足夠支撐三個月的食物、九匹上鞍的騾子沿著那條臨時小徑進入谷底。

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「高原之後就會積滿雪,」鮑威爾告訴他:「春天之前你和搬運工無法離開峽谷。希望這段時間裡,你能好好研究地層序列,盡量收集化石。祝好運!」

對沃爾科特而言,這是千載難逢的機會。他已經發現一些已知的最古老化石,例如神似甲殼類但奇形怪狀的三葉蟲。此外,達爾文發表《物種起源》不過四十年前,但因為缺乏最原始的動植物或細菌化石而遭到很多抨擊。批評者仗著沒有化石這點堅稱所有物種都是神造,懷疑論者也要求達爾文證明古代有過更單純的生物,可惜他只能委婉表示若生物體很小就不容易留下化石,希望有朝一日會出現。

充滿驚喜的山谷

沃爾科特深知達爾文的窘境。他沿著陡峭原始小徑下降到幾乎沒有生命跡象的大峽谷谷底,然後用心觀察周遭環境。山谷、懸崖,除了石頭還是石頭,但這一隅紅色天地很得他喜愛,不過同行的化石收集家、廚師和馱獸管理員就未必能夠分享那份悸動了。

他們沿著八百英尺(約兩百四十四公尺)峭壁吃力前行,其中一段就是現在的南科維山徑(NankoweapTrail),一般認為是大峽谷裡最危險的路線,河流地形坡陡水急即使沿岸也難以行走,有時候不得不自己開路以求深入。後來一頭騾子死亡、另外兩頭受傷。旅程中至少一次,沃爾科特筆中的墨水結凍了,但又必須在篝火邊融冰為水給騾子飲用。但最可怕的其實是死寂與孤獨,才三個星期就導致那位化石收集家夥伴憂鬱求去。但沃爾科特不同,能來到谷底他太興奮了,堅持了七十二天才踏上歸途。

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有一天他爬上爬下,對部分岩石中層層線條感到好奇,乍看很像切開的包心菜。這些圖案極不尋常,所以沃爾科特認定是生物,後來將其命名為藍綠菌(最初曾視為藻類)。他還聯想到自己在紐約州看過來自寒武紀時期的類似化石,取「隱含生命」的含義命名為隱藻化石(Cryptozoön)。然而大峽谷的情況有點不同,這些化石明顯可見,卻又位於更古老的岩層內,因此歷史比任何其他已發現的化石都久遠。

沃爾科特在大峽谷的古老岩層中發現了類似藍綠菌的化石,命名為隱藻化石,揭示比已知更古老的生命存在。圖 / unsplash

沃爾科特後來在蒙大拿州等地持續發現同樣古老的隱藻化石,接著其他古生物學家也在前寒武紀岩石內察覺到疑似化石的特殊圖案,種種線索指向最原始生命形式的證據可能保存在寒武紀前的石頭裡。即便如此懷疑論調不斷,尤其某個長期存在爭議的標本被證明了並非化石,而是火山石灰岩經過壓力和高溫形成獨特的礦物沉積。

隱藻化石的爭議:解鎖前寒武紀生命的證據

一九三〇年代,沃爾科特去世的四年後,劍橋大學最具影響力的古植物學家蘇厄德(Albert Charles Seward)決定加入辯論,卻在後來被古生物學家肖普夫(William Schopf)形容是「讓煮熟的鴨子飛了」。蘇厄德在史稱「隱藻化石爭議」的事件中嚴格審視前寒武紀化石證據,得出結論認為這完全是一廂情願,所謂的化石與現存物種之間沒有明顯關係,大型結構並未顯示出由較小細胞組成的特徵。

他主張沃爾科特在隱藻化石找到的環狀圖案可能是海底富含鈣質的淤泥沉積,人類本來就不該期望細菌這樣微小的生物會被保存在化石,最後又語重心長告誡科學家:有些尋找化石的人太過一頭熱,他們宣稱找到特別古老的標本時不能輕信。

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地位如此卓著的人物提出警告,導致地質學家不願再從岩石尋找距今約五億年以上的化石,畢竟找到的機率幾乎等於零。久而久之許多人認定了生命在地球上的歷史很短,這顆星球的前面四十億年、其歷史的九成之中根本沒有生命存在。微生物學家史緹耶可.戈盧比奇指出許多科學家以「前寒武紀」一詞指稱生命尚未問世的太古時期,其實這是陷入「現有工具檢測不到就代表不存在」的思考偏誤,將缺乏證據直接視為否定證據了。

時間來到二十年後的一九五〇年代中期,澳洲年輕研究生布萊恩.洛根(Brian Logan)隨地質學教授菲利普.普萊福德(Philip Playford)探索了位置偏遠的鯊魚灣,也就是澳洲西北海岸一片孤立的鹹水潟湖。站在這兒的海灘,淺藍色海水退潮時會露出如夢似幻的奇景:數百顆三英尺(約九十一公分)高的圓柱狀岩石林立,彼此間距很小,彷彿堅硬粗糙如石塊的蘑菇聚集叢生。

兩人詳細調查了這片怪異石陣,然後意識到理解沃爾科特隱藻化石的關鍵。眼前這些不僅是活化石,還能回答一個經典謎語:什麼東西既死又活?石頭表面曾經活著,是藍綠菌累積起來形成網罩般的構造。海水進出時,這層菌網會捕捉沉積物。而藍綠菌死亡後,沉積物固定在原位如海綿狀的石塔,於是又有新的細菌附著其上、形成新的一層網罩。

細菌以同樣方式在太古海洋中創造出沃爾科特的隱藻化石,現在稱為疊層石,語源是希臘文stroma(層)和lithos(岩)。目前只有鯊魚灣等少數幾個地方能找到疊層石,環境對其他多數生物過於鹹澀無法生存。但另一方面,已經化石化的古老疊層石則在世界各地皆有發現。

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澳洲地質學家偶然發現還活著的疊層石,同時美國兩位地質學家史坦利.泰勒(Stanley Tyler)和埃爾索.巴洪(Elso Barghoorn)也宣布找到了蘇厄德口中不存在的化石標本,其中微生物有單細胞也有多細胞,藍綠菌絲也包括在內,而且這些化石都有大約二十億年歷史。「許多人很震驚的,」戈盧比奇表示:「原本以為生命在寒武紀才爆發,之前什麼都沒有。寒武紀應該是起點才對。」但現在普遍接受最古老的疊層石化石上微生物活在三十五億年前,依舊是地球誕生的十億年之後。達爾文和沃爾科特應該很欣慰。

哪種細菌造出最古老的疊層石?無法確定是已經會行光合作用的藍綠菌,抑或是它們的祖先。不過藍綠菌至少二十四億年前已經存在於海洋。

——本文摘自《你的身體怎麼來的?從大霹靂到昨日晚餐,解密人體原子的故事》,2025 年 01 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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台灣有恐龍嗎?化石學家帶你探索島嶼的古老秘密——《好久・不見》
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・2024/11/02 ・2579字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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台灣的地理位置與化石形成

台灣也有化石嗎?台灣也有恐龍嗎?

世界地圖攤開一看,台灣陸地上的面積看來是不大,但其面對的太平洋,不只在我的想像中、在我多年搭著飛機到世界各地檢視相關的標本,試著拼湊出鯨魚們在數千萬年間演化歷程的經驗中,我知道也相信台灣的地底下,必定蘊涵著能跟我們講出帶有全球視野的化石標本。

同時,台灣除了被海洋包圍之外,那平均深度只有六、七十公尺深的台灣海峽,也清楚的意味著,當更新世的冰河時期讓海平面下降幅度來到或超過這個臨界點時,台灣就會成為歐亞大陸最東南邊的一角。

相信在台灣的不少人都常聽過,台灣在冰河時期會和中國大陸連在一起,但我在跟大家解釋這樣的環境變遷與古生物演化時,總是會特別強調我不想泛政治化,但世界地圖清楚的標示出台灣的地理位置應該是可以、也該要放在更大的版圖:歐亞大陸的板塊底下來討論,而不是只有限縮在與中國大陸連結的關係。

畢竟,當我們像是讚嘆著非洲地區的陸生大型哺乳動物,能在以年為單位的時間軸來進行長距離的移動時,基本上是用「萬年」以上的尺度來探討生物演化、移動的古生物學,處於歐亞大陸東岸的台灣上的大型脊椎動物,要橫跨歐亞大陸到西邊、或是反方向的來到台灣,大概都會是稀鬆平常的移動距離。

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建立起這樣的思維模式後,當然就是需要有最直接的化石證據來驗證這樣的想法,或深入討論其化石標本的背後,隱藏了怎樣的大尺度演化事件。

大型脊椎動物跨越歐亞大陸到台灣,在古生物學的長時尺度下是平常現象。圖/envato

早坂一郎的開創性研究與犀牛化石

二○一八年一月底從日本的筑波搬到台北後,一邊重新改造所接手的退休丘臺生教授的實驗室、一邊開始準備新學期的上課內容;除此之外,很重要、也是主要的工作內容,就是要開始到野外和各個單位的收藏庫裡尋找、檢視相關的化石標本,試著解讀其背後所帶有的古生物學、演化學上的意義。

有趣、但不令人意外的是,知道我開始要在台灣從事大型脊椎動物化石研究的人,第一個反應通常都會是:台灣也有化石嗎?台灣也有恐龍嗎?這樣之類的疑問。

要回答台灣有沒有化石紀錄的出現,我在日本的工作經驗,和剛好不小心娶了日本太太,讓我能從搬到日本工作前還不會五十音的狀態,到現在能有一定用日文溝通和閱讀日文文獻的基礎能力,幫了很大的忙。

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因為,台灣的古生物研究歷史,基本上就是從日治時期展開並奠下根基。也因此,有一定的日文能力和在日本古生物學界中遊走的經驗,確實是對於一些細微的狀況,更能推敲或掌握。

舉例來說,我目前所服務的台灣大學於一九二八年創立時的前身:日治時期的台北帝國大學,一開始創校時就加入的早坂一郎教授,可以說就是在研究台灣大型脊椎動物化石的先驅,也就不意外為什麼一九八四年在台灣所發現、並被命名為一個新亞種的犀牛化石,會以早坂為名(犀牛的故事書寫在第四話)。

延伸閱讀:從放牛學生到震驚世界:左鎮犀牛化石背後的傳奇——《好久・不見》

台灣有化石的出沒,對生物多樣性、生命演化等議題有些敏感度的人來說,大概不會太意外。但台灣有沒有令許多人為之瘋狂的恐龍,聽起來就是一個棘手許多的疑問。

或許出乎大多數人的意外,台灣不只有貨真價實的恐龍,還有台灣才有的特有種恐龍!

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一九九三年上映的《侏羅紀公園》(Jurassic Park),可以說是徹底的激發了全世界對於恐龍的狂熱與追逐。即使到了二○二四年的今天,恐龍的形象,對於大多數的人來說,似乎就是古生物學研究的全部了。

《侏羅紀公園》激發全球恐龍熱潮,至今在大眾心中恐龍仍象徵著古生物學。圖/wikimedia

但恐龍有如此的代表性,可不是只有形象般的讓人摸不著邊際,而是有全世界各地的古生物學家用一生的精力,和政府、私人所挹注的大量資源,來試著一點一滴揭開恐龍那引人入勝的演化歷程。

舉一個比較可以讓大多數人理解到我們對於恐龍知識是如何持續的累積、建構起來的例子:我正在書寫這段文字的當下是二○二○年的五月中旬,這年從一月一日到這個時間點,已經有二十種,先前完全未知、生存於中生代的恐龍們被古生物學家發現,並且正式的命名為新物種、發表在國際間相關的古生物學研究期刊中—平均不到一個禮拜,全世界就又會多了一種中生代的恐龍在我們的知識體系中!

台灣的鳥類恐龍故事:恐龍演化新視角

藉由這樣的研究能量,我們現在不只清楚的知道所有現生鳥類都是貨真價實的恐龍,連我上課在談論恐龍演化所使用的教科書,所提到恐龍定義裡的其中一個主角,即有我們幾乎每天都會見到面的麻雀:

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恐龍包含了滅絕的三角龍和現生的麻雀最近的共同祖先,以及從這共同祖先開始的所有後代,都是恐龍。沒有被包含在三角龍和麻雀最近的共同祖先裡的後代,都不是恐龍。

大部分隨口問我台灣到底有沒有恐龍的人,我基本上都很難有足夠的時間用上述簡短的內容來說明,因為可以感覺得出來,大部分的人,真的都只是隨口問問,大概也沒有打算真的想要了解恐龍、或是古生物學的研究工作到底是怎麼一回事,背後又有什麼重要的意涵。所以我一般都只會簡短的回應著像是,台灣當然有恐龍,因為所有的鳥類都是恐龍,不只如此,我們每天也都在吃著貨真價實的恐龍肉!

——本文摘自《好久・不見:露脊鯨、劍齒虎、古菱齒象、鱷魚公主、鳥類恐龍⋯⋯跟著「古生物偵探」重返遠古台灣,尋訪神祕化石,訴說在地生命的演化故事》,2024 年 9 月,麥田出版,未經同意請勿轉載。

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