【GENE思書軒】關於人體的那些事

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／江才健

一九四三年二月裡的冬天，物理學家薛丁格在愛爾蘭都柏林市做了一系列演講，演講的主題是由物理科學概念出發，希望給當時生命科學中的遺傳問題帶來新解。

薛丁格的科學成就早在十多年前已經得到肯定，當時已是地位崇隆的諾貝爾獎得主。由於生命科學研究曙光乍現，加上他自己對於哲學甚至東方宗教出名的好奇與思索，因此，一年後以他演講內容集結成的一本小書《生命是什麼》（What is Life?），成為二十世紀讓許多人議論的名著。有人說，這本書對現在蔚為主流的分子生物學，可謂啟蒙之作。

二〇一八年九月初，為回應薛丁格七十五年前的演講，在薛丁格當年演講的愛爾蘭三一學院舉行一個討論會，主題是「生物學的未來」，討論會踵續薛丁格演講的調子，當然要瞻望未來。

薛丁格當年演講，主調是以分子基礎來討論染色體遺傳，他提出猜想，認為遺傳物質是「不規律晶體」，由原子的一種無序但特殊有序結構形成。對於遺傳物質在生物體中的運作，薛丁格借用了物理的熱力學概念，熱力學第二定律是說整個體系的熱熵會持續增加，生物遺傳物質運作則選擇反其道而行。簡單說，薛丁格就是希望用物理學思維，來替生物學解惑。

一九四三年薛丁格五十六歲，他最輝煌的物理工作是一九二六年提出的波動方程，那奠定了量子力學或然律表徵的問題，也奠定他在物理科學上的不朽地位。有一個說法指薛丁格做出波動方程後表示，有了波動方程，化學家的工作變得沒有意義了。

薛丁格會做《生命是什麼》演講，當然也有物理科學燦然大備、顧盼自雄的味道，但是一些人看他的演講內容，覺得既沒有特別的原創性，也不是領先群倫之作，原因是薛丁格所說的遺傳分子的不規律性，遺傳學家穆勒（Hermann Muller）早在一九二二年已經提出。後來得到諾貝爾獎的穆勒在六〇年代曾寫信給記者，指薛丁格的說法只是錯誤揣測，因為一九四四年埃弗里（Oswald Avery）完成細菌轉化實驗後，DNA 才確定為遺傳分子，之前認為最有可能的遺傳分子角色是蛋白質。

但是薛丁格的影響確是毋庸置疑。十年後做出重要工作而開啟分子生物學的代表人物，由物理學家克里克（Francis Crick）、威爾金斯（Maurice Wilkins）和班澤（Seymour Benzer）到動物學家華生（James Watson），都聲稱他們受到薛丁格思想的啟發，原因除了薛丁格有思想創新的名聲，也來自一個絕佳時機；因為生物學已經由主要是描述性的有機體科學，轉變成為機械性的微觀科學。因此，由物理或化學觀點來探究生命現象，自然而然是順理成章。

一九五三年克里克與華生大膽猜測出 DNA 的核酸氫鍵結構，不但標誌著二十世紀生物科學的一個歷史躍進，也開啟了往後迄今的分子生物學新紀元，過去整體組織視野的生物科學，化約為微觀結構的分子與基因生物學，這個傳承的未來何去何從，事實上還在未定之天。

薛丁格雖說在物理科學的量子力學貢獻卓著，以新的數學方法解決了微觀粒子行為不能確定的或然率問題，但是他心知肚明，這些美妙玄奧的數學理論，到底如何能在真實客觀現象中展現，也還未可知。因此他曾經提出一般稱之為「薛丁格的貓」的悖論，這是一個想像的實驗，一隻貓與一個放射物質源共處於密閉空間，實驗設計如果放射物質源發生輻射反應，會觸動放射探測器，然後引發機關釋出致命氰化物殺死貓。

以巨觀世界來看，貓只可能是活的或是死的，但是在這個密閉空間的實驗中，貓的生死卻取決於一個或然率判定的微觀放射現象，因為根據量子力學的理論，微觀現象在觀察前，只是一個或然率，只在觀察時才確定，因此貓的生死也只能在觀察的當下決定。

薛丁格的貓悖論說明的，就是數學解釋合理的微觀現象，在巨觀世界是有矛盾的，因為巨觀的真實世界裡沒有既生又死的貓。

這麼多年以來，一些物理實驗學家在實驗室裡的努力，確實創造出在特定控制條件下，一個微觀粒子「既生又死」的「雙重狀態」，這樣的實驗就以「薛丁格的貓」為名。

但是這種物質的微觀現象只能在控制條件中存在，還無法同樣產生於一般的外在世界，更惶論用以來描摹更為多樣和難以預測的生命現象。

——本文摘自《一生必修的科學思辨課》，2021 年 9 月，天下文化。

《生命是最精彩的推理小說：一個生物學家眼中的奇妙世界》（生物と無生物のあいだ）是一本對生命科學研究（具體來說是對細胞分子生物學和生物化學）有興趣的高中生、大學生和研究生都適合閱讀的科普書。

在《生命是最精彩的推理小說》裡， 日本青山學院大學教授福岡伸一，用半自傳的方式同時勾勒出分子生物學研究和生命的分子現象，對生命科學的門外漢來說，可以吸收一些分子生物學的知識；對有 心想要就讀生命科學（尤其是分子生物學）方面的高中生，可以稍微看看是否真的對分子生物學感興趣；對想要唸研究所的學生，可以稍微看看生命科學研究是怎麼 一回事。

《生命是最精彩的推理小說》的日文原文書名『生物と無生物のあいだ』是「生物與非生物之間」的意思。可能編輯跟我一樣看太多日本推理小說，就把書名改成《生命是最精彩的推理小說》，不過並不失原味，因為作者在《生命是最精彩的推理小說》一 書中，的確作了一些推理，他在大師如雲的美國洛克斐勒大學，對著野口英世（1876－1928）的塑像思考日本人和美國學術界對他的科學貢獻觀感的矛盾； 然後從華生（James D. Watson，1928－）和克里克（Francis Crick，1916 – 2004）的DNA的雙重螺旋、物理學大師薛丁格（Erwin Schrödinger，1887－1961）的《生命是什麼》（What Is Life?）、舍恩海默（Rudolph Schoenheimer，1898 – 1941）的「動態的平衡狀態」來推理生命現象的分子本質；然後用在洛克斐勒大學及哈佛大學醫學院當博士後研究員的經歷，述說生命科學實驗室沒日沒夜的生活，還有用實驗推理GP2分子的功能之過程。

閱讀全文：

生物與非生物之間－生命是最精彩的推理小說