老鼠見色忘友是先天還是後天的呢？

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

憂鬱跟冷的聯想

著名的臨床心理師貝克（Aaron Beck）曾寫電子郵件告訴我，他臨床治療的患者常說他們覺得冷。或許沒有人對這點感到意外，畢竟覺得冷與感到憂鬱似乎「很自然」就湊在一起了。然而，這並沒有告訴我們，讓兩者如此明顯相連的生理機制是什麼。

1970年，韋克林（Anthony Wakeling）與羅素（Gerald Russell）做了一項研究，探索十一位罹患神經性厭食症的女性患者的體溫調節。

神經性厭食症是一種可能危及生命的飲食障礙，其特徵是自我限制飲食、過激的減肥欲望、非常害怕體重增加（該研究也找來十一位健康的女性作為對照組）。雖然多數的厭食症患者體重過輕，但她們還是認為自己太胖。儘管她們已經吃得很少了，有些人還會催吐或濫用瀉藥。我們知道神經性厭食症可能導致心臟受損、骨質疏鬆症、不孕，或其他與營養不良有關的疾病。

那十一位患者在住院期間於營養不良狀態下接受檢測，隨後又於進食後再次接受檢測；這些測試包括衡量口腔與皮膚的溫度在接受熱刺激與標準膳食之後的反應。

研究人員發現，這些患者基本上對任何類型的溫度變化都不太敏感。因此，神經性厭食症似乎與體溫調節能力受損有關。臨床證據與體溫控制失調是一致的，患者的四肢冰涼發青，組織與微血管床受損，常喊冷。事實上，一些嚴重營養不良的人會出現體溫過低的現象，甚至可能致命。

研究這些厭食症族群往往很困難，因為大樣本取得不易；樣本小則意味著，目前為止我們的結論大多只是推測。但我們的理論性推論呼應了一個概念：食物攝取是由下視丘的結構所調節的，下視丘也正是調節溫度的地方。

以手術破壞下視丘內的核（名稱是腹內側核〔ventromedial nucleus〕）會導致老鼠暴飲暴食及肥胖；老鼠下視丘的極外側部分（即遠離那個核）雙側受損時，會導致老鼠節食，把自己餓死。新的研究已把這些結果延伸應用到其他物種上，例如，山羊與老鼠的研究都顯示，腹內側核涉及食物攝取的調節。

注意，人類大腦中的下視丘很小，所以很難研究。不過，觀察顯示，人類的這個大腦結構出現病變時，可能使人變胖或消瘦。

前面提過，下視丘的一部分在體溫調節中負責扮演主恆溫器的角色；但我們也提過，下視丘不只是恆溫器而已，它也調節多種基本的代謝流程、睡眠、疲勞、晝夜節律與依附行為。這裡需要再次提醒大家，研究人員必須避免陷入反向推論的陷阱。

下視丘很複雜，一個神經區域不只負責一種行為或機制。我們知道，身體承受熱壓力時，它的視前區是散熱控制部位。食物攝取與體溫調節之間的關聯不是偶然的，兩者都攸關新陳代謝，也都參與身體能量平衡的間接控制。韋克林與羅素研究厭食症患者時，推測食物攝取調節失靈可能與無法調節體溫有關。

早期關於神經性厭食症的病因，理論是強調心理根源，例如童年遭到性侵、在功能失調的家庭成長所造成的情感創傷。一般認為導致神經性厭食症的其他心理因素，還包括焦慮、孤獨、自卑、憂鬱。以文化身體理想意象為基礎的社會原因，在過去也是重要因素。

厭食症跟憂鬱症的關聯

最近，研究探索了基因因素（這種疾病有很高的遺傳性）以及「下視丘─腦下垂體─腎上腺軸」的過度活躍（導致無法妥善地調節荷爾蒙）。有些人認為厭食症與憂鬱症之間是因果關係，但兩者的關聯其實沒那麼直接。

早期的憂鬱症理論就像厭食症理論一樣，把憂鬱症視為一種心理失調，但最近的研究是探索身體失調與社交情境的失調。在這方面，醫學與心理學都穩定地朝著一條漫漫長路發展：持續把神經運作視為身體現象，把大腦、神經系統與其他身體組成視為包含在單一生物的整體內。

以前的理論認為，大腦是所有心理疾病的源頭。這類理論雖然還沒被完全推翻，但越來越多人認為，把情緒障礙（尤其是憂鬱症）視為涉及中樞神經系統、周圍神經系統以及所有影響中樞神經系統的身心失調，可能比較正確。這反映了一種仍持續發展的心理健康觀點，不僅源自於大腦，而且源自一個更大、涵蓋更廣的系統，而那個系統會配合實體與社交環境進行調適。

換言之，從身體到中樞神經系統的輸入，在認知與情緒狀態中都扮演關鍵要角。來自周邊的輸入，其中包括溫度感覺訊號，那些訊號可能對幸福感與憂鬱感有很重要的影響。

傳統上，理論是把焦點放在體溫調節的生理面，也就是達成與維持恆定。不過，最近的研究以證據顯示，調節體溫所涉及的神經機制與情緒狀態的關聯，遠比傳統理論所想的更密切。

溫暖的好處

我們已經看到，接觸實體冷熱與有關社交冷熱的認知及情感行為相關。最近，許多對嚙齒動物做的研究顯示，實體溫暖會刺激血清素的分泌；在大眾文化中，這些神經傳遞物質與產生幸福感、快樂感、甚至欣快感有關。這個觀點確實有些道理，雖然生物化學與生理上的現實複雜得多。

總之，臨床前的嚙齒動物研究顯示，啟動分泌血清素的神經元，身體溫暖後就會產生類似抗憂鬱藥的效果。因此，我們可以推論，溫度感覺通路與掌控情緒的大腦系統會相互作用，無法妥善調節溫度可能與情感疾病（affective disorder）有關。最耐人尋味的是，研究顯示，提供實體溫暖（即啟動溫暖的溫度感覺神經通路）可能有治療情感疾病（包括憂鬱症）的療效。

我們知道，有情感疾病的人，對溫度有不同的感知，對皮膚溫度變化也有不同的反應，他們不見得能調節體溫。有些研究人員甚至認為，膚電傳導程度可能是辨識憂鬱症的特徵。情緒與溫度看似具有許多關聯，不過，根據現有的證據，我認為目前並沒有簡單的生物特徵可以判斷心理症狀。

不管有沒有具體的生物特徵，憂鬱症患者似乎都有調節體溫的問題。這現象呼應了貝克在電子郵件中的臆測：憂鬱症患者對溫度的反應確實變了。

對無害的溫度刺激產生負面的情緒反應，可能也與憂鬱症有關，因為憂鬱症會弱化一個人對舒適溫暖的感知，但強化一個人對不舒適高溫的感知。研究也顯示，憂鬱症患者比健康的人更少流汗，可見降溫機制運作不良。

2009 年，一項研究綜合分析了三個獨立實驗室的研究結果，總共涉及 279 位憂鬱症患者與 59 位健康的參與者。綜合分析的結果顯示，膚電傳導性較低導致出汗減少，可能是憂鬱症患者自殺風險的一個指標。研究顯示，傳入的熱感應訊號，會刺激血清素合成系統以及與憂鬱有關的大腦區域。這表示，憂鬱症患者的體內降溫機制運轉不良。

2007 年的一項研究，檢視了非典型憂鬱與自我安慰行為之間的關係（例如想吃巧克力之類的療癒美食、想洗熱水澡）。

研究結果顯示，社交因素、體溫調節、憂鬱症之間可能有關聯。這些行為是用來對抗皮膚溫度低或社交冷淡嗎？它們可能是為了觸發降溫機制，以降低交感神經與情緒的促發，以及核心體溫嗎？還是這兩種動機都存在呢？

回想一下前面的實驗：社交排擠導致皮膚溫度降低，但拿著熱飲又減少了社交排擠的負面影響。我相信身體溫暖可以抒解一些憂鬱感，但真正的解方當然複雜得多。那取決於社交環境、溫度，以及你因應這些因素的方式之間的關係。在未來幾年裡，我相信會有新的技術讓我們詳細研究這些關聯。

——本文摘自《做個有溫度的人：溫度如何影響我們的生活、行為、健康與人際關係》，2022 年 9 月，時報出版，未經同意請勿轉載。

你是那種喝水都會胖的人嗎？看著那些不需飲食控制和運動，就能享受美食並且保持好身材的人，是否感到羨慕忌妒恨？近期發表在 Science 上的研究顯示，如果擁有某些基因的變異，就有潛力成為吃不胖的天選之人（ Akbari et al., 2021）。

肥胖對健康的隱患

肥胖是一個在全球範圍內不斷增長的巨大健康隱患，根據世界衛生組織的統計，2016 年全球肥胖人數已是 1975 年的近 3 倍；2016 年，18 歲及以上的成年人中，過重者超過 19 億，其中肥胖者超過 6.5 億人。

肥胖的定義為可損害健康的異常或過量脂肪累積，而常用於定義肥胖的指標為身體質量指數 （Body Mass Index, BMI）。根據世界衛生組織的定義，BMI ≧ 25 時為超重、BMI ≧ 30 為肥胖。不過由於 BMI 未必表示不同的個體有相同的肥胖程度，因此常會合併其他標準如腰臀比或其他心血管症風險因子一起評估。

研究指出，肥胖者罹患心血管疾病、第二型糖尿病、退化性關節炎以及部分癌症的風險較高，也因此肥胖者的預期壽命較短。而全球因肥胖所造成的醫療支出逐年攀升，因此各國政府近年都積極推動減重的相關指引，期望能降低肥胖對醫療與經濟所造成的負擔。

想對抗肥胖，得先知道是怎麼胖的

肥胖的根本原因，是能量攝取與消耗間的不平衡所導致。簡單來說，就是熱量攝取太多而身體活動太少，這就導致脂肪的過量累積。在高熱量食物取得容易、工作形式轉為久坐與交通便捷的生活形態下，現代人想變胖並不難。雖然大部分人在飲食控制與運動的幫助下，都能有效地控制體重，但一個人是否容易發胖，還有很多因素必須考慮，從環境、生活型態、工作壓力到基因遺傳等都是會影響人發胖的因素。這些因素中，科學家對的基因遺傳更感興趣，因為了解造成肥胖背後的分子機制，就能為治療肥胖提供合適的藥物標靶。

事實上，先前已有不少研究找出與肥胖相關的基因。例如科學家透過研究早發性肥胖症^[註1]患者的基因組，就找出有 20 多個基因對 BMI 有影響。另外通過全基因組關聯研究 （Genome-Wide Association Study, GWAS ） ^[註2] ，也發現了數百個常見的基因變異對 BMI 有一定程度的影響。不過在先前的研究中，其樣本數通常不大，因此找到的基因是否有代表性，或者是否能成為藥物開發的標靶，仍有待商榷。

為了能更好的找出肥胖相關基因，並在其中找到好的藥物標靶，雷傑納榮製藥公司 （ Regeneron Pharmaceuticals ） 與紐約醫學院、杜克大學和賓夕法尼亞大學組成聯合研究團隊，進行了迄今針對肥胖研究規模最大的 GWAS 分析，希望能找到造成肥胖的關鍵基因。

GWAS 揪出肥胖關鍵基因 —— GPR75

研究團隊收集來自墨西哥、美國和英國共 645,626 名受試者的資料，並對其基因組進行定序。通過比較 BMI 的高低與受試者的定序結果，研究人員找出 16 個基因的變異，與 BMI 的影響有著高度關聯。

這 16 個基因中，有 5 個引起研究團隊的興趣。這 5 個基因分別是 CALCR、MC4R、GIPR、GPR151 和 GPR75，因這 5 個基因不僅都是 G 蛋白偶聯受體 （G protein-coupled receptors, GPCRs）^[註3]，也都在調節食慾和新陳代謝的下視丘中表現，這讓它們非常適合做為治療肥胖的標靶。

在進一步分析後，研究人員將目光放在 GPR75 這個基因上，原因是該基因的功能喪失型變異 （ loss-of-function variant）^[註4]與較低的 BMI 之間有著最大的關聯。分析結果顯示，每 3000 人中就有 1 人帶有 GPR75 的變異，而擁有這個變異的「天選之人」似乎天生就不容易發胖，他們的 BMI 比普通人低 1.8、體重比普通人要輕 5.3 公斤、肥胖的機率也比普通人低 54%。

但上面的結果是根據定序分析所得出的，那麼 GPR75 在生理上是否真的對體重有重要影響呢？為此研究團隊用小鼠實驗來驗證。

研究人員將小鼠的 GPR75 基因剔除，模擬出 GPR75 的功能喪失型變異，並以高脂肪飲食餵養基因剔除小鼠與正常小鼠 14 周後，觀察兩者的體重是否會產生差異，而結果令他們相當驚奇。他們發現基因剔除小鼠的體重要比正常小鼠輕 44%，並且擁有更好的血糖控制能力、對胰島素的敏感也更高。基於這些結果，研究團隊認為 GPR75 確實是極具潛力的肥胖治療標靶。

雖然研究團隊找出 GPR75 這個基因有治療肥胖的潛力，現在的研究也指出人體內會活化 GPR75 的潛在分子。但遺憾的是，活化 GPR75 並不能達到減肥的目的，抑制 GPR75 才能達到。因此研究團隊的下一步，便是找到能關閉 GPR75 的方法，藉此來觀察是否能有效對抗肥胖。

而在這篇研究發表後，Science 也發表對這篇研究有著高度評價的專文（ Yeo & O’Rahilly, 2021），認為這項研究不僅找出造成肥胖背後的新基因，也為治療肥胖的藥物開發以及分子機制提供了新的思路。不過在專文中也指出該研究的不足，例如只用 BMI 做為衡量身體胖瘦以及健康程度的指標並不精確，還需要更多其他因素進行分析。

雖然擁有 GPR75 變異的天選之人並不多，但隨著研究對肥胖有更多的認識，未來或許吃不胖將不再是讓人羨慕忌妒恨的能力，只需一顆小藥丸，人人都能輕鬆達成！不過在那天來臨前，多注意自己的飲食組成，然後規律運動，這才是保持身材和健康的不二法門〜

註釋

1. 早發性肥胖症：其定義為在十歲前就發生肥胖，且 BMI 較平均高出 3 個標準差以上的患者。能造成這種症狀的疾病有很多，如小胖威利症候群、科恩症候群等。
2. 全基因組關聯研究：是指在人類全基因組範圍內找出存在的序列變異，並從中篩選出與疾病相關的變異。
3. G 蛋白偶聯受體：是人體中最大的蛋白質家族，其基因數占了人類基因的 2～3%，擁有 826 個成員。因 GPCRs 在細胞內的訊息傳遞扮演著十分重要的角色，也參與了人體許多的生理活動，因此也成為許多藥物作用的目標。
4. 功能喪失型變異：是指該基因產生的變異，會讓基因表現不明顯，或者使基因的產物蛋白質失去功能。

參考資料

1. Akbari P et al. Sequencing of 640,000 exomes identifies GPR75 variants associated with protection from obesity. Science. 2021 Jul 2;373(6550):eabf8683.
2. 肥胖和超重
3. 肥胖症
4. Yeo GSH, O’Rahilly S. Finding genes that control body weight. Science. 2021 Jul 2;373(6550):30-31.