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來無影去無蹤的「看天池」——《意外的守護者》

左岸文化_96
・2018/05/17 ・2787字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

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難以捉摸的「看天池」有什麼作用呢?

看天池(vernal pools)來來去去,出現之後又消失,這樣的一種自然景觀,其特性不僅在於物理性質,也有其獨特的時間性,通常僅維持幾週到幾個月的時間。隨著冬去春來,濕地被不流動的水淺淺地覆蓋,維持的時間長短不一,這些濕地一般都很小,面積不超過兩畝,沒有和其他水體相連。看天池是接收融化的雪水和春雨而成,經常完全為人類所忽略。

看天池。source:wikimedia

這可能就是安、喬伊絲、雷和我在那個四月的下午陷入困惑的原因。當時我們在紐約紅鉤鎮的法拉萊夫山玫瑰農場的一片草地上,試圖以眼睛和耳朵來尋找看天池存在的一些證據,儘管空拍圖中有顯示出其位置,但在現場卻完全看不出它存在的跡象。

儘管看天池難以辨認標記,但它對大地的影響卻相當明顯。這些池子所接收的水不是來自於流動的河流,因此當中不會有魚類棲身,這一點反而讓池子成了兩棲動物安全的繁殖場。不論是斑點鈍口螈以及北美林蛙這類相對常見的和分布廣泛的物種,還是稀有且受威脅的傑佛遜鈍口螈和雲斑鈍口螈。這當中的一切都是讓這個生態網絡正常運作的一個環節,也全都因為濕地面積縮減而造成這些生物的族群量日益下滑。

圖/pixnio

兩棲類會捕食大量的昆蟲,控制昆蟲族群的數量,這對人類健康有直接的影響:

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少了看天池,兩棲類就沒有繁衍的場地;沒有繁衍的場地,就沒有兩棲動物;沒有兩棲類,我們就等於失去控制昆蟲數量的天然防線,以及一小塊平衡自然的片段。

若要說看天池和那些大型的經常性水體之間有什麼實質上的區分,那就是看天池還提供小型哺乳動物、鳥類、兩棲類和爬蟲類一個休養生息的地方。這些小型物種也是食物鏈中一個非常重要的環節,每次進行長距離跋涉時,牠們都有可能落入大型森林動物的口中。

圖/flickr

看天池不僅是動物的棲身之所,同時也擔負比其他水體更為基本的功能:潔淨。

看天池土壤中的細菌有助於將水中的硝酸鹽轉化成氮氣,這些鹽類來自於一般用於草地的肥料,細菌將其轉化成氮氣,釋放到大氣中,減少對環境的危害。這批去硝化細菌讓看天池成了當地含水層的小型淨水廠,能夠在融雪、雨水和充滿污染物的洪水進入地下水層之前,加以過濾和淨化。看天池是高效的小型天然濾水中心,要是它們遭到破壞或完全消失,結果可能導致泛濫、供水減少、水源受到污染以及野生動物的棲息地喪失或減少。

看天池的存在與否、面積大小還有池中的生物都會影響到其在大自然中的功能,有些看天池依舊是良好的棲地,有些則日趨勢微,不再擔負相同的功能。在評估這些看天池的出現、面積和池中生物時,不免讓人反思,何以深度這麼淺、依季節來來去去又難以捉摸的自然景觀,竟然具有這樣的關鍵作用。

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看天池與公民科學

然而,地方政府很少有經費聘請環境顧問來進行這樣的狀態評估。大型濕地向來是基於聯邦法規來管理,看天池則是由地方政府和區域規劃部門來負責,但他們往往對看天池的存在和狀態一無所知。在紐約州,只有面積超過十二點四英畝(約五萬平方公尺)的濕地,而且當中棲息的生物在州政府制定的瀕危或受脅物種名單上,或是位於阿迪朗達克州立公園內,才會受到法規的保護。佔地小又是臨時存在的看天池基本上大多不受法律規範保護,相關的管理規範,就如同其自身一樣,虛無飄渺、毫無防備可言。

麥克.克萊門斯(Michael W. Klemens)致力於保育生物學。圖/ct.gov

為了解決這個問題,麥克.克萊門斯(Michael W. Klemens)和一九九七年成立的大都會保育聯盟、達奇斯郡的康乃爾合作推廣組織以及卡里生態系研究所聯合起來推動一項計劃,監測達奇斯郡的看天池。身兼兩棲爬蟲類學家又是研究和政策保育學者,克萊門斯在推動這項工作時所抱持的信念很簡單,他要與當地社群聯手合作,傳播科學研究和知識,透過這樣的途徑,制定出土地利用規劃政策。第一次和他接觸,是透過電話聯絡的,他形容自己「對揭發真相這檔事有興趣,」

他告訴我,從一九八○年代以來,他就和種種研究計劃中的志工團體合作,「這是一種道德感召。我對促使人產生作為的動機很感興趣。這樣看來,我到底算是倫理學家、科學家還是倡導者呢?我從一名研究科學家開始,到現在成為一個視野較為寬廣的人。身為一個人,我該做什麼呢?我要如何利用我的知識來打造一個更好的世界?其他人是如何改變自己的人生方向?一直以來,我都在思考這些問題。」

克萊門斯企圖把科學研究納入地方土地使用決策,他的努力並不僅侷限於志工培訓而已,還要讓地方居民對於他們所居住的地方產生一份理所當然的歸屬感,靠著這些,再加上與地方鄰里和地主之間已經建立起的關係,都對其研究計劃的推展大有助益;這些關係通常能讓研究人員進入私人土地,進行研究調查。「將公民放在適當的位置上,可以創造出我們所需要的變化,」幾個月後,我們再次碰面時他這樣說道:「他們可以在社群中激起小小的漣漪。」

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巴德學院一隅。圖/wikipedia

克萊門斯和他的工作人員選擇紅鉤鎮來進行看天池評估,乃是基於下列幾個原因:

鎮委會表達了對調查的支持,而且有可能在進行未來的市鎮規劃時,納入這些資訊。

紅鉤鎮是巴德學院所在地,環境運動在那裡深植人心,可提供為數不少的志工。在我們這組擔任志工協調的安,就是在巴德學院擔任開發經理和藝術教育協調員。其他的同伴還有喬伊絲.托馬塞利,她過去在IBM擔任業務發展和行銷經理,在二○○九年經濟衰退時丟了飯碗,她的鄰居雷.曼塞爾也一同前來。

計畫人員將紅鉤鎮分為四個象限,我們分配到的是東南區內的三個樣點。但才在第一個樣點,也就是法拉萊夫山玫瑰農場的調查站就遇到了問題。上星期過來調查的志工一直找不到此處的看天池,我們的狀況也好不到哪裡去。我們手上有一張列印出來的空拍圖,上頭以紅色剖面線標示出看天池的推測位置,沿著一處新建的蘋果園的邊緣,我們一路往南方走去,企圖尋找池子的蹤跡。但是我們只發現一團團的草叢、一大片灌木叢以及一排松樹。

 

 

本文摘自泛科學 2018 年 6 月選書《意外的守護者:公民科學的反思》,左岸文化出版。

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左岸文化_96
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左岸的出版旨趣側重歷史(文明史、政治史、戰爭史、人物史、物質史、醫療史、科學史)、政治時事(中國因素及其周邊,以及左岸專長的獨裁者)、社會學與人類學田野(大賣場、國會、工廠、清潔隊、農漁村、部落、精神病院,哪裡都可以去)、科學普通讀物(數學和演化生物學在這裡,心理諮商和精神分析也在這裡)。

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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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