大腦地圖的起點：發現「布羅卡區」 │ 科學史上的今天：4/17

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

大腦，是人類一大招牌特色。人類所屬的 Homo 曾經有過許多物種，最早的 Homo 誕生超過 200 萬年。新研究卻發現我們的額葉，要等到距今 170 萬年過後才形成。^{[1, 2, 3, 4]}

人類簡史

人類的演化並非一步到位，而是延續數百萬年的漫長過程。已知紀錄中，最早的 Homo 化石距今 280 萬年，出土於東非；但是 200 到 280 萬年前這段期間，化石非常稀少。到了 200 萬年前左右，有巧人（Homo habilis）、魯道夫人（Homo rudolfensis）、直立人（Homo erectus），至少 3 種近親共存。

非洲以外最早的 Homo 化石，出土於亞洲西南部的喬治亞 Dmanisi 遺址，距今大約 177 萬年，一般認為是直立人，或是類似直立人的型號。但是更早以前，也許已經有其他人離開非洲。例如黃土高原便出土過距今 210 萬年的石器。

至於亞洲東部的直立人和其他古人類，像是北方的藍田人、北京人，南方的爪哇人、佛洛勒斯人（Homo floresiensis），都是距今 170 萬年以內的事了。一百多萬年來眾多 Homo 們之間複雜的交流、繼承、遷徙、取代、合體關係，曖昧難解。

現代化額葉是什麼時候轉型的？

大腦的改變，是人類演化史上非常關鍵的部分。但是頭殼是硬的，有機會形成化石；大腦軟軟的，幾乎不可能變成化石保存，又該怎麼研究呢？

幸好有些時候，大腦的形狀會印在頭殼上，就像軟體動物的印痕化石。這類樣本雖然稀罕，總是比沒有好，能夠提供極為寶貴的線索。

新研究比較不同地點、年代的古早頭殼，分析大腦組織的方式，特別是額葉（frontal lobe）。

額葉與認知、語言等功能有關，裡頭的布羅卡區（Broca’s area）對語言至關重要，可謂人之所以為人的一項基礎。

大腦是個很棒的東西，但是早期 Homo 的大腦不一樣

分析對象不只各色 Homo，也包括更資深的南猿。南猿超過 400 萬年前誕生，衍生出許多物種，一直到 200 萬年前全部滅團。Homo 當初應該就是由某群南猿改版而來，和其餘南猿共存了相當一段時間。

比較結果是：南猿的額葉和黑猩猩相似；而且連末代南猿，198 萬年前住在南非的泉源南猿（Australopithecus sediba）也不例外。上述結果並不意外，畢竟南猿的身體構造、體型、腦容量等特徵，和黑猩猩相去不遠。

那麼 Homo 呢？距今 200 到 280 萬年前期間欠缺樣本；約 200 萬年前的巧人，和南猿差別仍然有限；

值得玩味的是，已經離開非洲，喬治亞 177 萬年前的直立人，額葉組成竟然也還沒什麼改變！

之後大家都有了升級改版的額葉

要一直到距今 150 萬年前之後，才有明顯的轉變。在此之後，不論非洲的直立人、亞洲的直立人，或不太像是直立人的任何其他人，額葉組成都更接近我們。

此一階段另一顯眼的變化是，各地古人類的腦容量都變得更大。由此看來，額葉改版似乎和腦容量增大的趨勢一致。但是距今不是太久的 2 種小腦袋古人類：南非的納萊迪人（Homo naledi）、東南亞外海島上的佛洛勒斯人，卻可能也配備現代版額葉。

距今 20 多萬年的納萊迪人，以及數萬年前的佛洛勒斯人，某些形態特徵相當原始，生存年代卻相對晚近，因此難以判斷與其他人的關係，也不清楚他們的額葉在何時發生轉變。不過應該能夠判斷：腦容量和額葉組織的關係，並非完全一致。

另一點較為肯定的是，

距今 280 萬年前 Homo 首度誕生的時刻，額葉尚未改版，甚至到了一百萬年後，最早離開非洲的直立人也還沒有。額葉重組似乎發生在距今 150 到 170 萬年前，普及化是 150 萬年以後的事。

額葉組織再造，才能製作更複雜的石器？

不可忽略，額葉改變的年代，和石器技術發生轉型，更複雜的阿舍利（Acheulian）誕生的時期一致。

至今知道最原始的石器，拉米關（Lomekwian）出現於東非的肯亞，距今 330 萬年，不過僅限一時一地。超過 258 萬年前誕生的奧都萬（Oldowan），一直延續使用到幾萬年前。相比之下，176 萬年前首度於東非現蹤的阿舍利，手藝更為複雜。

從簡單的奧都萬到複雜的阿舍利，經過不短的 80 萬年，原因眾說紛紜。近來有研究指出，製作奧都萬或阿舍利時大腦的狀態不一樣，生產阿舍利時有更多腦區活躍（狀態和彈鋼琴意外類似）。

另一研究則認為，必需具備相當的溝通能力，才能傳承阿舍利的技藝。綜合來說，就是

需要更進階的認知與溝通能力，才能順利發展出阿舍利風格的石器。

• 延伸閱讀：短篇 會溝通才能成為高級工具人

• 延伸閱讀：短篇 製造石器時的腦袋狀態，跟彈鋼琴類似！

最早的阿舍利出土於 176 萬年前，周圍沒有化石，不清楚工具人是何許人也。不過可以確定在阿舍利尚未發明以前，直立人已經離開非洲，而喬治亞直立人，以及之後亞洲東部的直立人，都沒有生產過阿舍利。

然而，假如說額葉改版，導致石器轉型，繼續追究下去就會面臨一個矛盾。原始版額葉的人，確實都只能做出簡單的奧都萬；但是升級版額葉的人，不見得就會生產阿舍利，仍有像東南亞的直立人－爪哇人那般，滿足於奧都萬。

論文推論是，較早的喬治亞直立人，和較晚的亞洲直立人之間沒有繼承關係；爪哇人這類亞洲直立人，是祖先在非洲升級完額葉以後，才再度離開非洲的移民後裔。如果論文的推論正確，他們配備改版過的腦袋，卻不會使用升級後的石器，將是個有趣的問題。

大腦是個很棒的東西，我希望每個人都有一個。

延伸閱讀

• 人類對自身起源的百年追尋
• 非洲200萬年前的人種多樣性：巧人、魯道夫人、直立人
• 200萬年前最早的直立人，有泉源南猿和粗壯傍人鄰居
• 至少 210 萬年前，已經有「人」移民東亞
• 短篇 誕生於176萬年前的阿舍利石器
• 大腦地圖的起點：發現「布羅卡區」 │ 科學史上的今天：4/17
• 曾是智人祖先的鄰居？納萊迪人新發現
• 哈比人的奇幻漂流 佛洛勒斯島洞窟裡的大謎團
• 莫維斯線與竹子假說：東方真的比較落後嗎？

參考資料

1. de León, M. S. P., Bienvenu, T., Marom, A., Engel, S., Tafforeau, P., Warren, J. L. A., … & Zollikofer, C. P. (2021). The primitive brain of early Homo. Science, 372(6538), 165-171.
2. The enigmatic origins of the human brain
3. Modern human brain originated in Africa around 1.7 million years ago
4. Our earliest ancestors weren’t as brainy as we thought, fossil skulls suggest

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。

「以古為鏡，可以知興替。」如果能在過去、現在兩點拉出一條直線的話，未來的趨勢也有機會在我們掌握之中；當我們遇到困難時可以透過過往的經驗，幫助我們下判斷。這就是歷史的重要性！同樣的，歷史的脈絡可以幫助我們學習科學，而且還有機會發現科學家並不是我們想像中的神聖不可侵。2015 年 12 月 22 日在胖地台北，泛科學的專欄作者張瑞棋帶著《科學史上的今天》，和我們分享科學家背後鮮為人知的小故事。

「從小到大，科學家在我們心中非常偉大，無論是哥白尼的日心說，或者證明地心引力作用一樣的伽利略。這些科學家閃耀著光芒，直到越讀越多書後才發現，光芒的背後其實存在著陰影。這些科學家們的陰影來自信仰、權威以及性別。」

信仰

普遍認為哥白尼的日心說之所以不被認可，是因為宗教的打壓。然而另一種觀點是由於哥白尼認為上帝創造的宇宙應該存在著完美對稱的幾何關係，也就是軌道應該是圓形的！但這會和他觀察到的天文現象不吻合，因此與其說日心說的發表示因為教會的壓力，其實哥白尼本身的執迷才是造成學說延宕的原因。又比如提出滅絕說的居唯葉，他認為物種會因為某些災難而滅絕，另一方面在創世後仍物種繼續被創造。由於他深信聖經的創世論，甚至抨擊達爾文的演化論，導致演化論的發展備受阻礙。

權威

除了信仰外，有時候科學家利用自身權威、堅持己見，抑制別派學說，亦會影響科學的發展。你能想像西元十六世紀，醫生們拿著的解剖經典是出自於西元二世紀的蓋倫，且內容漏洞百出嗎？蓋倫是根據其動物解剖的經驗來推斷人體的內部構造，當然和人體的構造有很大的出入。但許多人不改抵抗權威，使得錯誤流傳千年。直到維薩留斯的出現，人體的結構才終於被了解。維薩留斯憑藉著大量的人體解剖經驗，推翻了多年來的理論，加上他有美術的長才，得以將知識快速的更新、傳播。

另一個為人所知的例子是牛頓及萊布尼茲。在微積分發展上，英國推崇地位較高的牛頓提出的流數，而非萊布尼茲的微積分，這導致英國的數學研究落後其他歐陸國家。最後一個權威造成的悲劇，讓許多產婦賠上了性命。十九世紀，醫生塞默維斯發現由醫院接生的產婦死亡率遠遠高出了由助產士接生的。他推測原因是醫學系的學生在解剖完大體後沒有清潔，而將細菌帶給產婦。然而其他高傲的醫生們認為：醫生怎麼可能害人呢？而摒棄了塞默維斯的想法。

性別

女性在科學界受到的打壓也不少：在代數領域有傑出成就的埃米諾特，竟因其性別而無法擔任大學教授；華生看了羅莎琳．佛蘭克林的 DNA  X 光繞射圖片，終於發現了 DNA 的雙螺旋結構，並以此得到了諾貝爾獎。雖然華生得獎的時候佛蘭克林已過世，然而我們可以想像，在當時的社會氛圍下，即便她在世，女性科學家的得獎機率仍然很低；發現脈衝星的喬瑟琳貝爾其成就在天文界有目共睹，然而諾貝爾物理獎的獎座是被指導教授赫維許拿走；吳健雄透過實驗證實宇稱不守恆，但最後是理論學家楊振寧及李政道是拿到了諾貝爾物理獎。

有些時候科學家對抗的不是來自外界的輿論、權威，反對的力量反而是來自科學界：牛頓打壓虎克及萊布尼茲；愛迪生堅持使用直流電系統，並利用交流電椅製造世人對交流電的恐懼，藉此反對特斯拉的交流電系統；發明氫彈的泰勒對前主管歐本海默落井下石，聲稱歐本海默對美國不忠……

我想呈現的不只是科學家的榮耀，還有其與常人無異的一面

跟著《科學史上的今天》的腳步，我們可以發現科學家或許只在智力上比一般人高超，但其品性仍和常人一樣：他們也會忌妒、也會排擠別人、也會為了得到權力耍手段。如果大家能用平等的角度認識科學家，去了解理論後的時代背景，那學科學就不再只是背公式和定理，而是和一段段生命故事相遇的奇幻旅程。

1861 年 4 月初，巴黎人類學學會的年會上爭論著大腦如何運作的問題：究竟大腦功能是整體運作的結果，或是不同腦區各自負責特定的功能？這兩派爭論已近半世紀，但都缺乏具體的證據足以支持己論或駁倒對方。此時特定區域論的奧布丹醫師 (Simon Auburtin) 在台上再度重申他岳父布依由 (Jean Bouillaud) 十三年前的賭注：因腦傷而失去說話能力的病患，其病灶一定是在前額葉，若有人能找到反例，他願奉上 500 法郎。

學會的發起人外科醫師布羅卡 (Paul Broca, 1824 – 1880) 坐在台下聽得興味盎然。他對此問題並未研究，也無特定立場，卻因緣際會成為拍板定案的關鍵人物。

就在一週後，醫院來了一個右腿嚴重感染的 51 歲病人，布羅卡注意到他除了「 Tan」這個音之外完全不會說話，但能聽得懂別人的話語。於是他進一步調查這位被稱為「 Tan」的病史，發現他是 30 歲以後才喪失說話能力，40 歲後右半身才從手臂到下肢逐漸癱瘓；目前的感染即是因為長期臥病在床而導致褥瘡。

4 月 17 日上午，「Tan」終因敗血症過世，布羅卡當天剖開他的腦袋取出大腦，果然在左腦額葉表面發現有個雞蛋大的傷口。布羅卡仔細觀察傷口的變化，並對照「Tan」的病史，推斷病灶始於額葉下方、眼眶之上的位置，這部位應該就是負責掌管說話能力。布羅卡繼續留意類似病例，在兩年內又從十二位病患的大腦確認了這個推論，成為史上第一位找出大腦特定區域之功能的人。為了紀念他的貢獻，左腦這個負責說話的部位就稱為「布羅卡區」。

布羅卡開啟了繪製大腦地圖的序幕，醫師與科學家們開始尋找大腦各個區域的職掌。隨著技術的演進，這幅地圖越來越精細，涵蓋的層面也越來越廣，包括知覺、運動、情緒、……等等。所以這代表特定區域論已取得全面勝利嗎？也不盡然。

就以說話能力為例，除了布羅卡區，其實還牽涉到韋尼克 (Wernicke) 區（韋尼克區損傷的病人雖然可以清楚地說出字詞，卻是亂無章法的組合，而他們也無法理解別人說的話）、聽覺皮質或視覺皮質、與運動皮質。事實上，任何心智活動都需要大腦各部位的協同運作，就像交響曲需要不同樂器一起演奏。另一方面，大腦裏的這些樂器必要時還能變換角色，彼此支援。

總之，大腦的運作遠比特定區域論者所以為的還要複雜，也更具彈性。布羅卡的發現成為大腦地圖的起點，而大腦地圖只是了解心智活動的起點。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。