黑皇后假說：擺爛耍廢也是種演化生存之道！

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

梅契尼可夫（Élie Metchnikoff, 1845－1916）悠悠醒來，失望地發現自己竟還活著。虧他自己是醫學教授，對愛妻感染的肺結核卻無能為力，只能眼睜睜看著她的生命力一點一滴流逝。因為承受不起失去工作收入，他只能困在這家連像樣的實驗設備都沒有的大學，醫學研究成為難以企及的夢想。於是在愛妻撒手人寰後，他已了無生趣，遂拿起她剩下的鴉片吞食下肚，怎知竟未能如願結束生命。

梅契尼可夫想起令他大受震撼的《物種源始》，也許他應該離開這個令他窒息的環境。於是就在 1873 這一年，他離開俄羅斯，動身前往中亞、西藏遊歷。或許是心境轉變，他於次年回到原來任教的大學後很快又墜入愛河，再度結婚，並且專心研究海星、水母等無脊椎動物的胚胎，企圖從胚胎學的角度探討演化學。

不料命運弄人，他的第二任妻子竟於 1880 年感染傷寒。他已無法再承受失去摯愛的痛苦，他決定自私的先走一步。為了避免自殺帶給妻子難堪，他故意將罹患回歸熱的病患血液注射到自己體內，孰知再一次地，他雖然成功得了回歸熱，卻還是自殺失敗。好不容易結束痛苦難熬的發病過程後，梅契尼可夫終於在 1882 年辭去教職，帶著妻子前往義大利設立自己的實驗室，繼續研究海星與海葵。

梅契尼可夫在透明的海星幼蟲體內發現一種四處遊走的細胞，會主動靠近外來物予以吞噬；隨後在水蚤體內也發現這種吞噬細胞在吞食消化入侵的真菌細胞，他立即想到這正是我們體內的白血球消滅病菌的方式，而於 1884 年發表論文，成為免疫系統之吞噬作用的發現者。然而當時免疫學說的主流意見是以柯霍為首的「體液說」，梅契尼可夫的吞噬說自然受到嘲笑，直到後來更多支持的證據出現，他才於 1908 年獲頒諾貝爾生理醫學獎。

相較於柯霍對梅契尼可夫冷淡以對，同是微生物學開山祖師的巴斯德卻是熱情邀他來巴黎進行研究。1888 年，他帶著妻子移居巴黎，在巴斯德研究所展開二十年的研究生涯。這段期間，他除了繼續研究吞噬作用，還提出另一個影響深遠的理論。原來他在保加利亞的長壽部落發現他們經常飲用發酵乳，他進一步研究發現發酵乳中有多種乳酸菌，於是主張乳酸菌有益健康、延年益壽，自己也身體力行每天飲用，因而被稱為「乳酸菌之父」。

梅契尼可夫後來活到 71 歲，在當時已算高壽，不知是否真與乳酸菌有關。不過他兩次自殺未遂，而兩個重要發現卻都與保障生命有關，還真像是肩負著某種使命而來的啊！

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

紅皇后假說：演化是場持續努力的軍備競賽

在疫情全球大流行之下，你是否想過這些類似的疾病，為何總是一波還未平息一波又來侵襲，似乎沒有永遠擺脫的一天呢？這個問題，我們可以用演化學中的紅皇后假說來說明。

• 延伸閱讀：紅皇后與有性生殖

紅皇后假說 (Red Queen Hypothesis) 是由美國古生物學家 Van Valen 在 1973 所提出。紅皇后一詞起源自英國小說《愛麗絲鏡中奇遇》，故事中的紅皇后說：「在這裡，你必須全力奔跑才能停在原地。」而在演化學上，Van Valen 認為生物必須全力奔跑（演化），才能停在原地（存活），如同一場無止盡的賽跑。

回到一開始的問題，病毒與人類的關係就符合紅皇后假說的說法。當一場流行病爆發後，人體會開始試著辨識出病毒並且消滅，隨著具有抗體的人增加，病情開始趨緩。然而病毒中總會演化出能夠再次入侵人體的新病毒，再次導致流行疾病。於是人類與病毒就這樣不斷的輪流領先，年復一年的前進，但彼此間的距離卻從沒拉開。

而按照紅皇后假說，生物的演化必然是越來複雜，越來越優秀。是個有競爭力還要繼續努力奮發向上的演化解讀，今天文章主要來提供另一種視角了：相對於紅皇后的角色，當然是黑皇后啦！

黑皇后假說提供了另一種面向：想活下來，有時候耍廢也是個好方法。

黑皇后假說：耍廢有時可以活得更好

黑皇后假說 (Black Queen Hypothesis) 由美國的生物學家 Morris 等人在 2012 年提出，故事要從海洋上的耀眼陽光說起。

當太陽光照射海水時，會使得海水中的有機物分解，產生有毒性的過氧化氫分子 (H₂O₂, hydrogen preoxide)，也就是雙氧水的主要成分，因此有一些藍綠菌會產生一種名為 KatG 的酵素來抵抗過氧化氫。然而 Morris 等人發現，有另一些藍綠菌，曾經具有產生 KatG 的能力，但現在卻沒有了。

Morris 等人認為，因為 KatG 是一種需要鐵原子的元素，生物如果失去了合成 KatG 的能力，可以節省能量並有助於在缺乏鐵的環境下生存。那麼這些生物要處理過氧化氫的問題呢？擺爛啊。嗯沒錯，就是擺爛，因為具有 KatG 的藍綠菌可以去除水中的過氧化氫，因此只要這些藍綠菌去降低水中過氧化氫的濃度，那些不具有 KatG 的菌種就可以安穩的活下來，並且省下一堆能量，生活可說是輕鬆又快活。

這個案例包含了四個黑皇后假說的要點：

1.  某個需要耗費大量能量或營養的產物。(KatG 酵素)
2.  只有部分物種生產該產物，為「協助者」。(部分藍綠菌生產 KatG)
3.  產物可以幫助「受益者」生存。(KatG 降低水中過氧化氫濃度)
4.  產物對於生存相當重要。

在黑皇后假說中，生物的祖先原是一群協助者，但其中部分的個體為了節省能量與資源，於是在演化的過程失去了該項能力，成為了受益者演化出現之後便開始增加，直到協助者無法負荷為止，讓兩者數量達到平衡。但若有第三方可以提供該項產物，那麼受益者便會不斷排擠掉協助者的生存資源，甚至會使協助者滅絕。

「耍廢」過得就比較好嗎？「爛好人」該如何大反攻？

從上面的例子看來，受益者似乎對於協助者有害。確實當兩者具有共同的需求時，例如：食物、空間……等資源時，受益者的增加會導致協助者的減少。但有時受益者與協助者也不需要競爭相同的資源，這時兩者之間也可以是片利甚至是互利的關係。

但不論是哪一種類型的關係，受益者似乎都不會吃虧，那麼協助者就只能夠當一個任勞任怨的爛好人嗎？這就要回過頭來說說，「黑皇后」除了與「紅皇后」相互映襯，其實還有另一個意義。

經典樸克牌遊戲「傷心小棧 (Hearts)」中，每張紅心牌代表 1 分，黑桃Q代表 13 分，因此玩家們必須盡力不去獲得分數。然而這個遊戲有個特別規則，被稱為「豬羊變色」或者「射月 (shooting the moon)」，就是當有玩家拿下所有分數牌時，就能逆轉結果，大幅地增加其他玩家的分數。

遊戲中的分數如同協助者的工作一樣，獲得越多越不好。但如果絕大多數生物都選擇不去承擔，而讓少數協助者獨自掌握了一項相當重要的工作時，那麼它在生態系統中的重要性就會大幅提升，甚至能成為所謂的「關鍵種 (keystone spicies) 」，以較少的生物量卻能對於生態系造成巨大的影響。

在遊戲中，最關鍵一張牌，就是分數最多的黑桃 Q，有著最大的風險，也是達成「豬羊變色」不可或缺的一張牌。這就是為何Morris 等人要以黑皇后來命名這個假說，比喻著眾人避之唯恐不及，有時卻又能夠逆轉戰局的那項重要任務。

紅皇后與黑皇后，演化的兩種面向

紅皇后假說的出現，讓我們知道環境的變遷並非演化唯一的動力，生物間的競爭也可以讓生物隨著時間進行改變。而黑皇后假說則向我們展示，除了向前競爭以外，向後依賴也是一種的選擇。

（所以當你的報告組員都不做事的時候，想想黑皇后理論，或許就不會這麼憤怒……並沒有，我還是很生氣 (／‵Д′)／~ ╧╧）

參考資料

• Morris, J. J., Lenski, R. E., & Zinser, E. R. (2012). The Black Queen Hypothesis: evolution of dependencies through adaptive gene loss. MBio, 3(2), e00036-12.