簽訂蒙特婁議定書｜科學史上的今天：9/16

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

• 作者／茹絲．卡辛吉；譯者／鄧子衿

想回到 37 億年前，你可能需要先準備好「氧氣裝備」！

想像你自己來到三十七億年前的地球，在地球從宇宙塵埃聚集成行星之後，已經過了約七億五千萬年。

你站在一座岩石火山島上，往四面八方望去，只見富含鐵質的綠色海水延伸到地平線那端。你所在的這座島嶼上沒有植物，也沒有可供植物生長的土壤。因為土壤中含有植物被分解之後產生的有機成分，然而在三十億年前，地球上還沒有植物。

你可能要像是水肺潛水者那樣攜帶氧氣裝備，因為那個時候的地球上沒有氧氣。事實上，你周圍的大氣是由一氧化碳、二氧化碳和甲烷混合而成，其中可能還有氫氣、氮氣和二氧化硫，或許會致人於死，不過至少溫度是宜人的。

雖然當時太陽的亮度只有現在的七成，但是有二氧化碳和甲烷為地球表面保溫。當時地球自轉的速度是現在的兩倍，所以日出之後六小時就日落，這可能會讓你驚慌失措。

那時候月球和地球的距離是現在的十分之一，讓月球看起來有十倍大，在天空中非常明亮。由於距離地球很近，月球造成的重力效應也很強，海面漲落潮差超過數百呎。你或許可以看到月球上的隕石坑，不過可能得看日子。

當時地球上的火山活動比現在活躍，經常會噴出火山灰和硫酸到大氣中。在清晨與落日時分，天空會呈現黃色和橘紅色。

37 億年前的地球沒有臭氧層，那還有生命存在嗎？

當時地球上的海水量是現在的兩倍，但是水分子一個個消失了，因為大氣中沒有氧氣，也就沒有臭氧層。

在沒有臭氧層的狀況下，來自太陽的大批紫外線能毫不受阻攔地轟炸水，讓水分子分解成氫和氧。比較輕的氫原子很快地逸散到太空中，氧原子則馬上和水中的礦物質結合。在沒有臭氧層的狀況下，地球會朝著毫無生機的狀況進展。金星的命運便是如此，曾經有水的金星，現在乾燥無比。

不過這時候的地球有海洋，海洋中棲息著單細胞細菌，以及類似細菌的單細胞生物—古菌（archaea）。這些微生物和其他所有生物一樣，都需要能量才能運作，以及製造更多細胞的組成成分，以便分裂複製。

它們的細胞壁堅硬，因此不可能經由掠食其他同類來得到能量。不過它們可以把細胞壁外的硫化氫吸收到細胞內，經由化學反應讓硫化氫的電子釋放出來，再利用這些電子合成暫時儲存能量的分子 ATP（三磷酸腺苷）。細胞利用 ATP 和溶解在水中的二氧化碳合成有機化合物，包括生長和生殖所需要的胺基酸、蛋白質、脂質和醣類。

現在地球上依然有許多這類化學自營生物（chemoautotroph），它們生活在海底熱泉，或是黃石國家公園充滿硫的熱泉等這些極端的環境中。但是差不多在你拜訪古代地球的時候（或是前後一兩億年），一種新的細菌在太陽下演化出來了。

這種細菌漂浮在海面下附近，因為含有葉綠素和其他色素而呈現藍綠色。這些色素能吸收含有太陽能量的光子。藍綠菌用這些能量把水分解成氫和氧，產生電子，製造 ATP。然後它們就和化學自營生物一樣，利用 ATP 合成有機化合物，這個過程稱為光合作用。藍綠菌把氧氣當成廢棄物排出， 因此這過程稱為產氧型光合作用（oxygenic photosynthesis）。這是非常複雜的過程，就連今日的科學家依然還沒有解開這個機制的細節。

藍綠菌具備的功能讓它們繁榮昌盛。古菌和其他細菌只是到處飄盪，企盼能遇到它們各自喜愛的化學食物，但是這種新出現的生物並不是分解水中偶然才能遇到的成分，而是分解無所不在的水分子。藍綠菌只要在有陽光的狀況下就能進食，因此繁殖的速度非常快，而且持續產出氧氣。（在二十億年中）這些氧氣飄到大氣中，形成具有保護作用的臭氧層，讓我們的藍色行星免於籠罩於沉沉死氣之中。¹

藍綠菌和閃電竟然也有共通之處？！

如果這還不夠厲害，有些藍綠菌種類還有比舞動它們的藍綠色身段更厲害的技術。

地球上的生物需要氮，DNA、ATP、蛋白質和其他生物所必須的化合物中都含有氮原子。地球大氣中一直有很多氮氣，但是氮氣（N2）中的氮原子彼此結合得很緊密，生物無法直接運用。而閃電的電壓高達一億伏特，這等或是更高的能量能夠打破氮氣分子，讓個別的氮原子和氫或氧結合，形成氨、銨鹽（ammonium）或硝酸鹽等把氮固定起來的分子。

但是棘手的地方在於閃電雖然壯觀，卻無法大量產生這類分子。如果生命只能依靠閃電，就永遠無法登上陸地。正當此時，藍綠菌登場了。它們能做到和閃電一模一樣的事，只不過是在微生物的尺度下。

藍綠菌成為地球上主要的固氮生物（diazotroph）。幸好藍綠菌樂於分享，它所固定下來的氮有一半會排入水中，可以被細菌和古菌吸收。如果沒有具備固氮能力的藍綠菌，海洋中的生物形式將會非常簡單，而且數量也不多，只因固定下來的氮不足。

有創意的藍綠菌，讓自己在固氮時，不被氧氣擊倒

不論在過去或現代，藍綠菌固氮都相當不容易。首先它們要能夠製造固氮酶（nitrogenase），這種酵素含有鐵和鉬，能催化固氮反應。除此之外，它們還要防範一個由自己製造的問題：氧氣。

這個問題是這樣的：氧原子的最外層有六個電子，因此它還要再抓住兩個電子，才能讓最外層有八個電子，形成穩定的狀態。早期的海水溶滿了鐵，而鐵原子在最外層有兩個電子，所以你可以想見會發生什麼事──藍綠菌拋棄的氧很快就會抓住鐵，如此一來，藍綠菌就沒有能用來製造固氮酶的鐵原子了。

藍綠菌得要有創意才行。有些藍綠菌在固氮的時候停止光合作用（這樣就不會釋放氧氣了），有些藍綠菌只在晚上不進行光合作用時行固氮作用（但如果沒有陽光照射就會發生混亂）。有些則和同種的其他個體合作，細胞彼此連接成細微的絲狀結構，就像是一串珠鍊。約有十分之一的珠子會停止光合作用，並且讓細胞壁變得更厚，以阻擋氧氣進入。這些特殊的細胞稱為異型細胞（heterocyst），專門固氮，會把含氮分子分享給左右細胞，換來糖類以維持生存。現在能固氮的藍綠菌依然採用這些方法。

藍綠菌要讓自己繁榮昌盛，真的不容易！

藍綠菌要散播到全世界，不只必須解決固氮的問題。它們還面臨兩難的困境：它們需要靠近海洋表面，但是又要避免紫外線破壞 DNA。

為此它們演化出一層細胞外的多醣類（由糖分子連接而的長鏈），稱為黏質（mucilage），它可能是世界上最早的防曬成分，也是它讓藍綠菌具有那典型的黏滑表面。最後，所有的藍綠菌都因為有黏質而變得黏黏滑滑。

總加起來，藍綠菌確實具有各種讓它自己繁榮昌盛的能力。大部分的藍綠菌每七到十二小時可以複製一次，換算下來，一平方呎的藍綠菌可以在兩天之內覆滿一間小辦公室的地板。有些種類的藍綠菌每兩個小時便複製一次，於是同樣的大小在兩天之內就可以蓋滿六座足球場。

不論是哪一種，最早的藍綠菌在數億年中複製的幅度，遠遠超過我們的想像。這段其間，它們也演化出許多不同大小和形狀的種類：球狀、卵狀、桿狀、螺旋狀或絲狀（數量最多的是圓形原綠球藻〔Prochlorococcus〕，它們在 1986 年才被發現，也是最小的藍綠菌，一茶匙的海水有四十萬個原綠球藻）。

藍綠菌如果漂浮在水面上，並且經由黏質黏在一起，就會形成綠色的團塊。這些團塊會吸收當時在水中漂蕩的各種成分，包括碳酸鈣和碳酸鎂之類的礦物質，以及其他死亡的微生物而變得愈來愈稠密。自始至終，這些活生生的藍綠菌能夠藉由黏質滑動，往有陽光的海面移動，並持續增殖。

註解：

1. 最早進行光合作用的生物並不會造氧氣，它們以紫色的色素吸收近紅外線，從含硫化合物中取得電子，把細小的純硫顆粒當成廢棄物排出。它們沒有如同近親藍綠菌那般昌盛，但是依然能夠在現在無氧的水中續存。

——本文摘自泛科學 2020 年 1 月選書《藻的祕密：誰讓氧氣出現？誰在海邊下毒？誰緩解了飢荒？從生物學、飲食文化、新興工業到環保議題，揭開藻類對人類的影響、傷害與拯救》，2019 年 12 月，臉譜出版

由化石記錄可知，如今千奇百怪的動物，大多數祖先最早都可以追溯到寒武紀（Cambrian），這個距今約4.8到5.4億年前的地質時期。比起已經出現30億年以上的生命，5億年很短，但相較只有20萬年歷史的智人，5億年又長的無法想像。

海洋、大地、生命，跟現在截然不同的遠古年代

許多人知道寒武紀，是因為「寒武紀大爆發（Cambrian Explosion）」，也就是寒武紀時冒出來，大批前所未見的奇形怪狀動物。事實上，欣欣向榮的新生命不只眷顧寒武紀，開始於6.35億年前，更早前的埃迪卡拉紀（Ediacaran）也出現過許多新種動物，只是這批動物絕大部分都滅絕了，被寒武紀繼之而起的新世代所取代。

為什麼？為什麼生命在30幾億年前就已經誕生，卻要經過20多億年，等到埃迪卡拉紀才出現構造比較複雜的動物？為什麼？為什麼埃迪卡拉紀的動物又一夕間大量消失，相對迅速地被後輩取代？為什麼？為什麼寒武紀的動物與之前如此不同？

這些問題至今都沒有確定的答案，畢竟我們對那個悠遠古老，大地與海洋都跟現代截然不同的年代，所知相當有限，目前大致只能確定，那時的動物都是水生，尚未登陸。埃迪卡拉紀的動物相對簡單，沒有眼睛、肢體等構造，宅在海床上不會動；寒武紀的動物比較複雜，出現眼睛、長腳、硬殼、還會游泳。

過去一派看法認為，寒武紀大爆發的關鍵在演化上的創新，例如視覺；另一派則主張生命複雜度與氧濃度息息相關，等到寒武紀時，氧濃度才上升到足以支撐複雜動物，因此寒武紀大爆發是氧濃度增加的結果[1]。最近研究卻發現，埃迪卡拉紀跟寒武紀交界時期的氧濃度，其實沒什麼差異，無法直接用氧濃度增加，解釋生命形態的轉變[2]。

插播一個有趣的相關問題：最早的動物何時誕生？已知最古早的動物化石距今5.8億年，然而分子演化估計的年代卻是7到8億年前，也許線索就藏在氧濃度中。8億年前的氧濃度是現在的2到3%，應該已足以讓最初構造極簡的動物誕生，但要等到埃迪卡拉紀時，氧濃度才高到足以出現更複雜的動物，形成化石保存下來。

掠食刺激寒武紀大爆發？

回到寒武紀大爆發，有人認為掠食者才是關鍵。稍早研究認為，氧濃度低於0.5%只能支撐極簡單的生態系，動物只有微生物能吃；略升為0.5到3%，動物種類會變多，但還是只能吃微生物；然而氧濃度升為3到10%後，以別的動物為食的動物，也就是掠食者就能出現，更加複雜的食物網於是誕生[3]。

埃迪卡拉紀的典型動物，身體柔嫩，欠缺防禦，又不會跑，簡直是生來給掠食者享用的大餐，競爭失敗的軟弱動物最終被淘汰，發展出有效防禦措施的動物則隨之興起，掠食者刺激了生物多樣性誕生，造成寒武紀大爆發。

抵擋掠食者的方法之一，是靠硬殼保護肉體。埃迪卡拉紀末期時至少出現3種動物，配備礦物化的身體構造，其中一種叫作Cloudina，科學家在它的鈣質外殼上觀察到洞，可能是曾被掠食者攻擊的痕跡[4]。耗費能量的外骨骼不可能無緣無故誕生，有學者認為為了抵擋掠食者演化出殼，是最合理的解釋。

除了變硬以外，還有別的辦法避免被吃掉，像是更靈敏的感官、行為改變。埃迪卡拉紀的動物住在海床的微生物層（microbial mat）上，算是活在二維的平面世界，但一旦動物能挖穿微生物層，鑽入海床躲避掠食者（氧也能跟著接觸到底下的沉積層），或是游泳離開海床，2D就升級為3D，從此成為多彩多姿的立體世界。

輻射造成寒武紀大爆發？

以上解釋寒武紀大爆發的說法看似合理，但最近有另一個假說提出[5]。新研究報告，5.5億年前，也就是埃迪卡拉紀末期，地球歷經比現在頻繁20倍的地磁反轉，這波劇烈的地磁變化，也許導致那時損失高達20到40%的臭氧層，讓穿透的紫外線輻射大增[6]。

在狠毒的陽光下，沒有防禦、不會移動的軟弱動物將紛紛陣亡，能防禦輻射傷害的動物才能生存。用硬殼遮蔽肉體、長出眼睛偵測光線、從海床往下挖掘尋求庇護，都可能是動物演化而來抵抗輻射。這個假說聽來驚人，不過基本上跟前一個類似，只是把「掠食者」的角色換成「紫外線」。

驅使寒武紀大爆發的關鍵為何，目前仍沒有答案。氧濃度與掠食者的假說證據較多，看來有希望，但仍不足夠；紫外線假說則疑點重重，畢竟地磁反轉對輻射強度的影響，以及輻射對生物遺傳的影響，都還有許多未知之處，要證實這套論點，比前一個假說需要更多後續研究。

參考文獻：

1. What sparked the Cambrian explosion?
2. Sperling, E. A., Wolock, C. J., Morgan, A. S., Gill, B. C., Kunzmann, M., Halverson, G. P., … & Johnston, D. T. (2015). Statistical analysis of iron geochemical data suggests limited late Proterozoic oxygenation. Nature, 523(7561), 451-454.
3. Sperling, E. A., Frieder, C. A., Raman, A. V., Girguis, P. R., Levin, L. A., & Knoll, A. H. (2013). Oxygen, ecology, and the Cambrian radiation of animals. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110(33), 13446-13451.
4. Bengtson, S., & Zhao, Y. (1992). Predatorial borings in late Precambrian mineralized exoskeletons. Science(Washington), 257(5068), 367-369.
5. Hyperactive magnetic field may have led to one of Earth’s major extinctions
6. Meert, J. G., Levashova, N. M., Bazhenov, M. L., & Landing, E. (2016). Rapid changes of magnetic Field polarity in the late Ediacaran: Linking the Cambrian evolutionary radiation and increased UV-B radiation. Gondwana Research.

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。