帕夫洛夫誕辰│ 科學史上的今天：9/26

本文與 BRITA 合作，泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎？

如果你回到兩百年前，試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水，可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐，氣味刺鼻，甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水，被戲稱為「流動的污水」，當時的人們雖然知道水不乾淨，但卻無力改變，導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

幸運的是，現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物，但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰，哪些技術真正有效？

濾水技術：從霍亂危機到高效濾芯

19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展，面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊，甚至未經處理的地下水，導致傳染病肆虐。

1854 年，英國醫生約翰·斯諾（John Snow）透過流行病學調查，發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關，這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度，促使公衛政策改革，加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初，英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒，成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率，這一技術迅速普及，成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾，尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後，惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年，後藤新平出任民政長官，他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設，對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題，他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓（William Kinnimond Burton） 來台，規劃現代化的供水設施。在雙方合作下，台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年，全台已有 16 座現代水廠，有效改善公共衛生，為台灣城市化奠定關鍵基礎。

進入 20 世紀，人們已經可以喝到看起來乾淨的水，但問題真的解決了嗎？ 科學家如今發現，水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物，甚至微量的內分泌干擾物，這些看不見、嚐不出的隱形污染，正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此，濾水技術迎來了一波科技革新，活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透（RO）等技術相繼問世，各有其專長：

• 活性碳吸附：去除氯氣、異味與部分有機污染物

• 離子交換樹脂：軟化水質，去除鈣鎂離子，減少水垢

• 微濾技術、逆滲透（RO）技術：攔截細菌與部分微生物，過濾重金屬與污染物等

這些技術相互搭配，能夠大幅提升飲水安全，然而，無論技術如何進步，濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯，決定了水質能否真正被淨化，而現代濾水器的競爭，正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是，最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能？

濾芯的壽命與更換頻率：濾水效能的關鍵時刻濾芯，雖然是濾水器中看不見的內部構件，卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例，其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂，能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質，並過濾鉛、銅等重金屬，同時軟化水質，提升口感。

然而，隨著市場需求的增長，非原廠濾芯也悄然湧現，這不僅影響濾水效果，更可能帶來健康風險。據消費者反映，同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯，顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全，建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯，避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙，正面則可看到 BRITA 商標，以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣，並且沒有拉環設計，底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節，才能確保濾芯發揮最佳過濾效果，讓每一口水都能保證潔淨安全。

不過，即便是正品濾芯，其效能也非永久不變。隨著使用時間增加，濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞，導致過濾效果減弱，濾水速度也可能變慢。而且，濾芯在拆封後便接觸到空氣，潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯，不僅會影響過濾效能，還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質，形成「過濾器悖論」（Filter Paradox）：本應淨化水質的裝置，反而成為污染源。為此，BRITA 建議每四週更換一次濾芯，以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題，BRITA 推出了三大智慧提醒機制，確保濾芯不會因過期使用而影響水質：

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈：即時監測濾芯狀況，顯示剩餘效能，讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒：掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間，自動提醒何時該更換，減少遺漏。

3. LINE 官方帳號自動通知：透過 LINE 推送更換提醒，確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天，濾芯已不僅僅是過濾裝置，更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備，成為了健康生活的關鍵。

濾水技術：不僅是進步，更是守護未來

人類對潔淨飲用水的追求，從未停止。19世紀，隨著城市化與工業化發展，水污染問題加劇並引發霍亂等疾病，促使濾水技術迅速發展。20世紀，氯消毒技術普及，進一步保障了水質安全。隨著科技進步，現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術，去除水中的污染物，讓每一口水更加潔淨與安全。

今天，消費者不再單純依賴公共供水系統，而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如，BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求，從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題，去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%，並通過 SGS 檢測，通過國家標準水質檢測「可生飲」，讓消費者能安心直飲。

然而，隨著環境污染問題的加劇，真正的挑戰在於如何減少水污染，並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具，更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備，它象徵著人類與自然的對話，提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利，更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源，且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

各種現代生物學相關研究無法不使用動物來進行實驗，而隨著我們對動物所知愈來愈多，我們不再如十七世紀名哲學家笛卡兒一般視動物為機器，而是有知覺的生命體，因此，基於側隱和道德，關注動物福利已是動物學界的主流。

B.O. Hughes提出動物福利意即動物與身處環境之和諧，而D.M. Broom對動物福利奠下了科學上的定義：動物嘗試適應身處環境的狀態(有能力控制身心的安定，包括生理、心理、行為等等)。對動物的福利關注早於動物福利被科學定義前的1920年代已經出現，由倫敦大學動物福利協會(1938年更名為動物福利大學聯會(Universities Federation of Animal Welfare, UFAW))提出。該會提出「處理動物問題須以科學為基礎，用上最大同情心，但要將感傷收到最小」。

動物福利最先推行於實驗動物。1947年，該會出版實驗動物手冊(laboratory animal handbook)，奠下了實驗動物的福利基準；並於1950年代提出動物實驗的3R原則：替代(Replacement)、減少(Reduction)及改善(Refinement)。這比後來同樣由該會制定的農業動物照護及管理福利基準的出現還要早二十年。儘管如此，實驗動物福利至今仍存在大量需要改善的空間，特別是過去人們多從生理層面去檢視動物福利，只顧消極地預防和處理病痛等問題，而忽略了心理福利需求(而心理問題也會對生理造成壞影響)。因此，過往的實驗動物福利改善多數只從改善居住環境的設計(如擴建和衛生等)著手，較少著眼於改善人類跟實驗動物的互動以減少實驗動物因人類而受的心理壓力。上個月筆者有機會參與澳紐實驗動物協會(Australian and New Zealand Laboratory Animal Association, ANZLAA)主辦的座談會，內容是講述運用行為訓練及條件制約(Conditioning)方法來改善動物設施內的福利，正好提供了改善實驗動物的心理福利的新方法。

動物的心理包括了認知、情緒以及由此而生的行為，而作為有知覺的生命體，動物或被動或主動地不斷從與身處的環境(外來刺激)中學習認知、情緒、行為。要改善動物的心理福利，就要先了解牠們的心理狀況，因此需要了解動物的學習原理和結果；而了解了動物的學習原理和結果後，則可以反其道而行，主動地應用這些原理去幫助動物適應環境。動物有多種學習方法，最不同動物共通、最主要的兩種分別為對情緒(及其延伸行為)作用的古典條件制約(Classical conditioning)，以及對行為作用的操作式條件制約(Operant conditioning)。

古典條件制約由俄國科學家巴洛夫(I.P. Pavlov)所發現，著名例子莫過於巴洛夫那隻聽到鈴聲就流口水的狗。以巴洛夫的狗作例子，狗本來不需要學習，看見食物(非制約刺激)就會被引發食慾而流口水(非制約反應)，而若狗每次看見食物時都聽到鈴聲，久而久之，鈴聲和食物就會在狗的認知中產生配對聯繫，使得鈴聲成為一個制約刺激，可以單獨地引發狗的食慾使其流口水(流口水成為對鈴聲的制約反應)。這過程讓狗學習了鈴聲對自己的意義和對鈴聲作出相應的情緒及行為反應。在實驗室之中，清潔機造成的噪音或人類強迫性的對待手法等等非制約刺激常常引起實驗動物的恐懼情緒，造成躲避、逃跑、反擊等非制約恐懼行為反應，通過古典條件制約過程，動物更學習對清潔機或人類本身(制約刺激)感到恐懼並做出相應行為(制約反應)，這使得實驗動物經常地處於莫大而不必要的心理壓力。動物對人類的恐懼反應更往往引起人類加倍粗暴的對待，例如更迅速用力地抓住動物不讓其逃走或反擊，造成惡性循環，使動物心理壓力更加惡化，並大大提高動物和人類受傷的風險，造成嚴重的福利問題。

然而，當我們理解古典條件制約的學習原理，就可以反其道而行對動物使用反條件制約(Counter-conditioning)——在實驗動物遇上引發恐懼(或有可能引發恐懼)的刺激時，給予牠們喜好的刺激(如牠們喜歡的食物、玩具、撫摸等等)，使那些刺激(如清潔機和人類本身)和喜好的刺激配對聯繫起來，令實驗動物不再對其恐懼，甚至更願意主動接近人類。這不但消除動物的恐懼，也使得粗暴的對待手法不再必須，因此可以大大減少動物的心理壓力，甚至讓牠們感到正面的情緒，滿足牠們福利需求。

影片：對注射疫苗的小貓進行反條件制約訓練

第二大學習原理為史金納(B.F. Skinner)發揚光大的操作式條件制約，原理請回顧筆者之前所寫的《狗狗不打不成器？非也，研究指獎勵式訓練較為可取》。要注意的是，因為筆者於該文以訓練動物的角度來介紹操作式條件制約，因此使用了「給予/移除刺激為後果去鼓勵/阻止」這種帶有訓練者主動意圖的描述，然而事實上操作式條件制約作為動物學習調整行為與環境互動的原理，刺激的出現及消除並不需要帶有主動的訓練意圖，以人跟實驗動物的互動為例：傳統對待實驗動物的手法都帶有正處罰(Positive punishment)和負增強(Negative reinforcement)——實驗員把白老鼠抓起，白老鼠掙扎，為免牠逃脫實驗員加強了握力。縱使實驗員無意訓練老鼠乖乖不掙扎，但握力帶來的痛苦卻正處罰了老鼠掙扎的行為，令牠停止掙扎；而見老鼠停止掙扎後，實驗員不自覺的放鬆握力，使得握力帶來的痛苦消失，也負增強了老鼠乖乖不掙扎的行為；不過，假若實驗員加強握力時，老鼠勇敢地反擊咬了實驗員手指使他放開手，得以從粗暴的對待中逃脫，則會負增強老鼠的咬人行為，讓老鼠學習當人加強握力時就要咬人以求逃脫。

在這例子可以看到傳統對待實驗動物的手法所引起的問題：製造人和動物的對抗，不僅對雙方造成不必要的心理壓力，更帶來更高的受傷風險。另外，動物訓練師Bob Bailey有句名言叫「巴洛夫常在你的肩上(Pavlov is always on your shoulder)」，就是說使用操作式條件制約時，古典條件制約仍然存在。因此，以正處罰及負增強這些涉及厭惡刺激的學習原理為主的對待手法往往令實驗動物學會恐懼人類，造成前一段所述的福利問題。

相反，使用正增強(Positive reinforcement)為主的訓練方法可以改善實驗動物福利，例如以小食獎勵主動行為的方式訓練白老鼠自動地走到磅上量體重、進入清潔的籠子，又或者訓練牛隻主動進入圍欄讓人抽血。正增強訓練如何改善動物福利？第一，壓力的成因在於動物無法控制牠所身處的環境，因此當容許動物主動選擇並以獎勵方式正增強想要的行為時，動物感知到原來自己可以控制環境，就能大大減少壓力。研究證實，使用正增強訓練主動接受麻醉注射的實驗用黑猩猩，比起被迫以麻醉槍麻醉的同伴，其血液檢驗結果顯示較低的壓力生理指標。第二，使用正增強訓練可間接達成部分反條件制約效果。比如近年就有研究指出使用正增強訓練的馬喜好親近人類，而使用負增強訓練的馬則恐懼人類。在實際應用上，正增強訓練動物主動量體重、接受注射等等，於先進的動物園及水族館等等設施已取得空前成功，成為動物檢查護理的一部分。此外，不少靈長目動物實驗室也開始了正增強訓練的應用。再加上操作式條件制約可應用到多種不同動物(包括哺乳類、鳥類、爬蟲類及魚類等等)，正增強訓練是改善實驗動物福利的好方法。

影片：正增強訓練狨猴量體重

雖然行為訓練及條件制約可大大改善實驗動物福利，但也有需要注意的事項。首先，實驗動物的飼養是以完成研究為主要目的，因此該座談會的一位講者Dr. John chofield提醒實驗動物照護員，對實驗動物進行行為訓練及條件制約前，必須先與研究員好好溝通。照護員須尋求並遵守研究員的指引，避免訓練對動物造成了實驗外變數(Non-experimental variables)——令動物除了實驗要檢視的不同處造成的影響外，多出了實驗沒有預期的同處所造成的影響——使得研究結果大亂而將整個研究(甚至研究員的研究生涯)毀掉。另外，目前使用行為訓練及條件制約改善實驗動物福利也有其阻力，比如實驗動物管理員常質疑訓練動物(並訓練實驗人員訓練動物)需求更多時間及資源而不願嘗試，然而，若能訓練實驗動物主動合作，一時的額外付出很可能帶外長期的時間及資源節省，因此這個改善實驗動物福利的新方法是大有潛力並值得考慮的。

參考資料：

Broom, D. M. 2011. A History of Animal Welfare Science. Acta Biotheoretica, 59, 121-137.

Common Marmoset Care: Handling and Training (http://www.marmosetcare.com/care-in-captivity/handling-and-training.html)

Highlights from UFAW’s History (http://www.ufaw.org.uk/highlights.php)

Incorporating Behavioural Training and Conditioning into Animal Facility Routines (Symposium organised by ANZLAA on Wednesday 20^th June, 2012)

Perlman, J. E., Bloomsmith, M. A., Whittaker, M. A., McMillan, J. L., Minier, D. E. & McCowan, B. 2011. Implementing Positive Reinforcement Animal Training Programs at Primate Laboratories. Applied Animal Behaviour Science.

Sankey, C., Richard-Yris, M.-A., Henry, S., Fureix, C., Nassur, F. & Hausberger, M. 2010. Reinforcement as a Mediator of the Perception of Humans by Horses (Equus Caballus). Animal Cognition, 13, 753-764.

同場加映兩個有關古典條件制約及操作式條件制約的小笑話：