巴斯德與狂犬病疫苗 │ 科學史上的今天：07/06

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

國安危機！為什麼葡萄酒變酸了？

在上一集中，我們聊到了十七世紀，荷蘭科學家 aka 手作達人雷文霍克，以他那充滿手工溫度的兩百五十臺顯微鏡，以及一百七十二塊鏡片，為世人展示了「微型動物」（微生物）的世界。

然而在雷文霍克之後，除了斯巴蘭札尼神父曾經投以關愛的眼神，做了一些相關的實驗與研究，微生物似乎逐漸被眾人遺忘。

一直到微生物學的奠基者，巴斯德（Louis Pasteur）的出現，微生物的存在終於開始閃閃發光。一開始，巴斯德是打算進行「自然發生說」的相關實驗，沒想到，一個可能動搖國本的問題卻找上了他。

在浪漫優雅的法國，飲酒文化與釀酒事業同樣歷史悠久，然而，當時的酒商與釀酒廠負責人卻天天急得跳腳，一點也浪漫不起來。

原來，釀酒這門手藝太過精細，只要一不小心，酒廠生產的酒很可能就會酸化變質，不僅造成商譽與營運的巨大損失，也會影響市場供應的穩定性。

生活不能缺少微醺的感覺，釀酒業的危機，簡直就是國安危機，巴斯德義無反顧的決定伸出援手。

於是，巴斯德拿出科學家的精神，仔細研究了整個釀酒過程，收集、觀察製程中，不同時間的發酵液，並且分析、比較這些酒液的不同。

經過一次一次的培養與試驗，巴斯德終於發現，在顯微鏡下，正常的發酵液中，有一種形狀圓圓的球體小生物（也就是酵母菌）；而那些發酵失敗、變酸的酒液中，則可以看見一種又細又長的桿狀小生物（乳酸菌是也）。

抓出讓酒精變質的小小兇手

一八五七年八月，巴斯德發表了他的研究成果，這篇論文，可以說是現代微生物學的開山之作。論文中指出，發酵，是涉及某些特定的細菌、黴菌、酵母菌等微生物的活動。

這些研究不僅拯救了釀酒業，也影響著食品業與醫藥產業。當時的科學界一度認為，發酵與食物腐敗、傷口發炎等現象，是可以畫上等號的，因此啟發了一名外科醫師的抗菌革命之路（這段故事我們後面再聊，先賣個關子）。

回到釀酒業的危機處理之上，雖然揪出了讓酒變酸的凶手，但巴斯德的工作還沒有完成，還得找出一勞永逸的方法，才算是功德圓滿。

經過一番苦思冥想，巴斯德最後採用的是加熱滅菌法，這種方法，如今也被稱為「巴斯德消毒法」（pasteurization）。

我們都知道，加熱是個有效的滅菌方式，巴斯德將釀好的酒，短暫、而且小心翼翼的加熱，直到攝氏五十至六十度，藉此殺死那些可能讓酒變質的細菌。如此一來，不僅能讓酒長斯保存，也不會犧牲酒的口感，是不是很讚！

陷入絕境的養蠶業：蠶寶寶為什麼會生病？

感謝飛天小女警，啊不，是巴斯德的努力，一天又平安的過去了，釀酒業終於恢復了平靜。然而，一八六五年，法國農村再次遭遇危機。

雍容華貴的絲綢，是廣受貴族喜愛的高級布料，養蠶、攪絲、織布，也是當時法國農村的一大主力產業。沒想到，一種傳播快速、並且容易致死的疾病，卻在蠶寶寶界蔓延開來，蠶農們對此束手無策，養蠶業因此陷入絕境。

在昔日師長的建議之下，巴斯德決定投身於蠶病研究，為蠶寶寶尋得一線生機。

在此之前，他並沒有養過蠶，也缺乏相關知識。於是他動身前往法國南部，花了五年的時間，在第一線的蠶病疫區進行研究。

透過顯微鏡，巴斯德在病蠶的身體裡，發現了一些微小的病原體。

同樣的，溯源之後還得找出根治方法，巴斯德除了研究鑑定方法，以幫助蠶農辨認染病的蠶寶寶之外，也建議蠶農對病蠶進行隔離。

篩檢與隔離，加上選擇性育種與提高蠶群的清潔度，巴斯德提出的「蠶界防疫新生活」，不但拯救了無數蠶寶寶的性命，也讓瀕臨崩潰的法國絲綢獲得喘息。

在釀酒業與養蠶業分別取得成功之後，巴斯德於是將目光從經濟產業轉向醫療產業。

這些肉眼看不見的微生物，既然可能讓酒變酸，也可能讓蠶生病，是不是也可能引發人類的疾病？如果真是如此，只要知道如何躲避生物的攻擊，或許就能增加戰勝疾病的可能性。

──本文摘自《厲害了，我的生物》，2022 年 9 月，聚光文創，未經同意請勿轉載。

在新冠肺炎的陰影之下，疫苗接種已是民眾每天都在談論的話題。不過你知道除了打針接種疫苗，也有所謂的「自我傳播疫苗」嗎？這類疫苗可以在接種給少數個體後，藉由這些個體將疫苗傳播給其他未接種的個體上（Nuismer & Bull, 2020）。接下來讓我們一起了解這種特殊的疫苗形式吧。

野生動物也要打疫苗？

現在的公衛體系如此發達，要給人接種疫苗並不困難，那為何需要這種能「自我傳播」的疫苗呢？其實這種疫苗的施打對象並不是人類，而是野生動物。那為何要給野生動物施打疫苗呢，這就與「人畜共通傳染病」有關了。

許多重大傳染疾病的來源，是人畜共通傳染病，也就是可以經由動物傳染給人的傳染病。這些疾病的病原體原本只能感染動物，但隨著病原體在動物群體內不斷感染的同時，病原體也不斷在演化，最終病原體就演化出能感染人的能力。而當人與這些被感染的動物接觸後，往往就是疫情爆發的開端。從禽流感、AIDS、SARS、伊波拉到現在肆虐全球的新冠肺炎 （雖然新冠肺炎是否源於野生動物仍有爭議），這些人畜共通傳染病都對人類的健康造成巨大的威脅。根據美國國際開發署（U.S.Agency for International Development）在 2009-2019 年間的研究顯示，有 1,000 多種可能導致人畜共通傳染病的新病毒在野生動物身上被發現。可以肯定的是，新冠肺炎絕不會是最後一個人畜共通傳染病，人類未來必定還會再遇到。

面對潛伏在野外的人畜共通傳染病的威脅，難道我們只能被動地應對嗎？其實針對這個隱憂，科學家就提出不少應對方案，而其中一個方法，就是給動物施打疫苗。只要能給動物施打疫苗，阻止病原體在動物間的傳播，就能大大降低病毒的演化與對人類的威脅了。不過講得容易，做的難〜

養殖動物我們還能逐一為其施打疫苗，但要給野生動物施打疫苗，就是非常艱鉅的任務了。過去曾有用誘捕給野生動物施打疫苗的方式，雖然這有一定的效果，但只適用能被誘捕的動物，而且這種方式很難在野生動物中達到群體免疫的效果。另外不少野生動物生活在偏遠地區，我們難以誘捕，況且就算真到了牠們的棲地，牠們可不會乖乖地捲起袖子排隊等著你施打疫苗。

為了突破這些施打疫苗的限制，科學家就提出一個想法：製造一種能在野生動物之間自然擴散的自我傳播疫苗 （Self-disseminating vaccines）。而發表在 Nature Ecology & Evolution 的文章，就對自我傳播疫苗進行回顧（Nuismer & Bull, 2020）。

自我傳播疫苗的兩個類型

自我傳播疫苗主要分為兩類：可轉移疫苗 （transferable vaccines）和傳播性疫苗（transmissible vaccines），兩類疫苗都是希望藉由給少數個體施打疫苗後，讓疫苗能在野生動物群體間自然散播，以達到群體免疫的效果。不過這兩類疫苗的傳播方式並不相同，下面就分別介紹這兩類自我傳播疫苗。

可轉移疫苗

在一隻蝙蝠的毛皮塗上一些疫苗物質，當牠回到自己的棲息地，其他蝙蝠會因梳理該蝙蝠的毛皮而接觸到疫苗，藉此達到散播疫苗的目的。

這個方法乍看之下傳播疫苗的效率並不高，不過根據計算，只要少數的個體攜帶可轉移疫苗，這種方式能讓足夠多的個體獲得免疫能力，從而根除病原體的。

但光有理論不夠，作者另外找到格拉斯哥大學於 2017 年，在秘魯針對吸血蝙蝠群體進行的可轉移疫苗對的研究。該研究找了三個蝙蝠群體，每個群體至少都有 200 隻蝙蝠。他們在每個群體中 20 到 60 隻蝙蝠的背部塗上含螢光的生物物質，一旦其他蝙蝠沾到這些物質，牠們的毛髮也會發出螢光。一段時間後，研究團隊分析群體中發螢光的個體數量，結果顯示至少 84% 的蝙蝠都會發螢光。這個研究的結果若應用到真正的狂犬病可轉移疫苗上，有很大的機率能讓夠多的蝙蝠產生對狂犬病的免疫能力，從而可以減少狂犬病爆發的頻率、規模和持續時間（Bakker et al., 2019）。

傳播性疫苗

此類疫苗由活的病原體經修飾弱化後製成。將疫苗施打在少數個體上，就能利用病原體本身的感染能力，在群體間造成大規模的傳播。同時病原體因經過修飾弱化，其感染後的症狀已大幅降低，不會對群體造成太多傷害。

這個方法面對數量龐大的野生動物群體是理想的做法，但風險並不小。雖然是使用修飾後的弱化病原體，但一旦設計上稍有不慎，很可能會讓這個病原體在動物群體中演化成新型疾病。因此比起直接使用修飾的病原體，重組疫苗 （recombinant vaccine） 是更安全的選擇。

重組疫苗簡單說就是將病原體的基因放到對宿主無害的病毒中，這樣就能借助病毒將疫苗散播到群體中。如果病毒在散播過程中遺失了病原體的基因也沒關係，因為剩下的病毒載體也對宿主無害。

在 1990 年代，馬德里動物健康研究中心的研究團隊，就曾測試過傳播性疫苗的效力。當時在西班牙一些小島上的野生兔子，正處在受致命出血性病毒感染的危機之中。研究團隊設計出重組疫苗，並將其散播在一個島上。一段時間後，研究團隊抽取當地兔子的血清進行分析，他們發現約一半的兔子其血清內都有能對抗出血性病毒的有效抗體，而且兔子並沒有出現其他副作用。顯示應用重組疫苗的傳播性疫苗，確實可行且有效（Torres et al., 2001）！

另外隨著分子生物技術的快速發展，現在我們已能精準設計出重組疫苗的使用期限，如此在給野生動物散播疫苗的同時，也能大幅降低病原體基因在疫苗中演化出有害突變的可能。

使用自我散播疫苗的注意事項

雖然自我散播疫苗看起來是預防人畜共通傳染病的實用方法，但若真施行起來，仍有不少問題要克服。

首先是病原體預測的問題。前面提到美國國際開發署的研究顯示，在野外會造成人畜共通傳染病的可能病原體數量非常之多。我們要如何準確預測下一個可能引起人類大規模感染的病原體，並不容易。如果不能準確預測病原體，就無法知道該病原體的宿主——也就是野生動物群體，我們就難以設計出相對應的自我散播疫苗。

不同野生動物的生活模式，會影響自我散播疫苗的使用。例如前面提到的可轉移疫苗，用在會為彼此理毛的蝙蝠或許適用，但其他動物若沒有這種親密的肢體接觸，這種方法就不適合了。因此必須先知道野生動物的生活模式，才能決定使用的疫苗種類與方式。

另外在將任何生物性物質釋放到自然前，安全與生態的考量是非常重要的。我們都不希望放出的自我散播疫苗，最終變成危害自然甚至是人類的殺手。

縱使仍有許多困難要克服，但使用自我散播疫苗的吸引力日益增加中。這次肆虐全球的新冠肺炎疫情，不僅威脅人類的健康，更對社會與經濟造成難以估計的損失。如果能在事前就阻斷病毒在野生動物間的傳染，這個成本明顯比疫情大爆發對人類社會的影響更低，因此越來越多的國家和研究單位，投入大量的資金到自我散播疫苗的相關研究上。

俗話說：「危機就是轉機」。這次的新冠肺炎疫情讓人們意識到，面對潛伏於野外的人畜共通傳染病，我們不能再被動應對了。是時候主動出擊，將下一波可能造成大流行的病原體，用自我散播疫苗等方法將其隔絕！

參考資料

1. Nuismer, S.L., Bull, J.J. Self-disseminating vaccines to suppress zoonoses. Nat Ecol Evol 4, 1168–1173 (2020).
2. 人畜共通傳染病
3. Bakker KM, Rocke TE, Osorio JE, Abbott RC, Tello C, Carrera JE, Valderrama W, Shiva C, Falcon N, Streicker DG. Fluorescent biomarkers demonstrate prospects for spreadable vaccines to control disease transmission in wild bats. Nat Ecol Evol. 2019 Dec;3(12):1697-1704.
4. Torres JM, Sánchez C, Ramírez MA, Morales M, Bárcena J, Ferrer J, Espuña E, Pagès-Manté A, Sánchez-Vizcaíno JM. First field trial of a transmissible recombinant vaccine against myxomatosis and rabbit hemorrhagic disease. Vaccine. 2001 Aug 14;19(31):4536-43.