推動海洋的….水母?!

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

人腦的神經運作向來難倒大批科學家，因為人腦擁有一千億個神經元，百億條以上的神經連結。如此錯綜複雜，就像打結成一團的毛線球，究竟該從哪邊開始解？這時，就要使出研究學者通用的訣竅——化繁為簡，越複雜的問題，就用越簡單的雛型為思考出發點。

因此，一群學者發現了一個「極簡風」的研究雛型——水母，那透明小巧的身軀，再結合特殊工具，讓牠們每條神經都發光。在我們的視野下，水母的神經「坦誠相見」，接著發現了很多有趣的現象……欲知詳情，就繼續給他看下去！

為何水母是絕佳的實驗對象？

一般研究人類疾病的實驗室採用的實驗動物（也稱模式生物）無非是小鼠、黑猩猩、豬，因為這些動物與人類的親緣關係較近，生理機制也較為雷同。然而，為何研究神經系統，要拿與人類親緣關係一點都不近的水母來研究呢？研究學者對此給出解釋：一部分的學者認為所有生物的神經系統可能共享同一個神經科學原理，因此為了深入調查這個「共享通則」，相較於其他生物，水母小巧好操作，軀體透明好觀察。

• 延伸閱讀：協助人類健康的大功臣「模式生物」

最重要的是，牠體內的神經分布不像人腦如毛線球般集中​​在身體的某個部位，而是像一張漁網一樣「分散式」地遍佈全身，而這樣的神經系統優勢就在於即便將牠身體的一小部分獨立分離出來，這一部分仍能正常運行，例如網路火紅的迷因「歸剛欸」水母（影片一），即便水母的嘴被分離了，但這張「獨立的」嘴還是可以正常進食的呦！

相形之下，人類神經細胞一旦離開人體就非常脆弱，在培養皿中一定要有足夠的營養才能支撐它存活（相信養過人類神經細胞的朋朋們一定懂當中辛酸）。因此，綜合操作難易度、觀察便利性、神經細胞的生存韌性，水母可說是作為研究神經系統模式生物的不二人選。另外，還有一個有趣的點即是水母沒有大腦、心、肺，那它究竟是如何進食的呢？以下揭曉答案！

• 延伸閱讀：別小看無腦水螅，牠可以用神經系統和細菌溝通呢！

如何研究水母的神經？

早期為了研究水母的神經，通常採用單一神經元電生理紀錄（single-unit electrophysiological recordings），透過一個微小細尖的微電極靠在細胞膜附近，以記錄神經元產生的動作電位變化，但是這個方法只能看到單一神經元的狀態，而當水母在做出反應、活動時，都是由好幾個神經細胞們一同作用產生的，所以這個方法可說是見樹不見林，缺乏整體系統性的觀察。

因此科學家們又發明出了一個新方法——基因轉殖水母，要施展這個方法的第一步就是尋覓合適的研究主角，因此他們找到一種名為 Clytia hemisphaerica （圖一）的水螅綱水母，牠擁有嬌小體積（直徑約 1 釐米），且生命週期短，也擁有完整的基因定序，在實驗室操作的便利性極高，可謂是命定首選。

其中， Clytia hemisphaerica 還有更吸引人的一點，即是在進食時，其特定神經元會釋放一種特別的肽 RFamide（RFa）。為了追蹤這種肽如何影響水母的神經活動，一群學者決定將能發出紅螢光的 mCherry 基因質體（plasmid）與 Tol2 轉位酶（Tol2 transposase）^[1]顯微注射入大量的水母受精卵當中，以便追蹤身體每一處細胞的位置，並挑選能夠強烈表現出紅螢光基因的受精卵，進而將牠們培養成成體（初代，F0）。這些成體會再跟牠們的親代進行雜交，透過遺傳的方式產生穩定表現轉殖基因的子代（F1），並讓這些子代維持無性繁殖，以維持基因表現的穩定性。

除了在質體上裝載能讓細胞發紅光的 mCherry，學者也會在質體中放入特定基因，讓子代水母表現此種基因，並觀察此基因對水母進食行為帶來的影響。另外，若要探討神經動作電位，鈣離子的流動狀態一定是不可或缺的電位傳導指標，因此學者也會在質體中加入 GCaMP 這類鈣離子指示劑（calcium indicator）的基因^[2]，以追蹤後續水母在進行任何反應時神經細胞內鈣離子的濃度。當研究對象、研究工具都準備好了，就是學者大展身手的時刻啦！

水母進食的神經迴路

水母的神經細胞並非每個都會釋放 RFamide，而是在特定的神經才會產生 RFamide （以下稱這些神經元為 RFa⁺ neuron），而這些 RFa⁺ neuron 分布在水母的神經網（nerve net）、嘴、神經環（nerve rings）及觸手，尤其在神經網的所有神經中約 80% 都是 RFa⁺ neuron，神經網也是 RFa⁺ neuron 最多的地方。學者透過免疫螢光染色發現 RFa⁺ neuron 會與連接放射狀肌纖維神經軸突結節（varicosities）相連而跟著形成放射狀。相較之下，不會產生 RFamide 的 RFa⁻ neuron 則是較為害羞的傢伙，神經元較小，缺乏明確的放射方向。由此可明顯看出，掌握水母行為的主導權主要落在 RFa⁺ neuron 身上，所以學者準備玩轉（殖）這個 RFa⁺ neuron，並進行以下兩種操作：

1. 消除水母體內的 RFa⁺ neuron

學者為了消除水母體內的 RFa⁺ neuron ，特地在水母的 RFa⁺ 神經細胞中轉殖了硝基還原酶（nitroreductase, NTR）基因，硝基還原酶就像是遙控炸彈，當把這些轉殖基因水母浸泡在甲硝唑（metronidazole, MTZ）溶液（炸彈引爆器）中，便會使帶有硝基還原酶基因的 RFa⁺ 神經細胞產生細胞毒性而死亡，而 RFa⁻ neuron 不會受到影響。

當學者「炸」掉了水母的 RFa⁺ 神經細胞後，發現牠們捕捉獵物和進食能力變差了，不管是食物誘導或是用蝦提取物的化學誘導，水母的觸手完全無法抓取獵物，也無法摺疊身體將食物餵進其口腔內，但周遭肌肉功能正常，且水母仍能正常游泳和蜷縮。然而再將此類水母的下傘面（subumbrella）局部肌肉注入 RFamide，則會使局部肌肉收縮及邊緣傘面折疊。由此可知，水母的獵捕和進食能力主要還是得靠 RFamide 的力量。 

2. 水母神經電位偵測器

為了追蹤水母體內的 RFa⁺ neuron 活動，學者另外也將一群水母的 RFa⁺ neuron 轉殖入鈣離子指示劑 GCaMP6s 基因及紅螢光 mCherry 基因，並將這群水母放入一個小空間，讓他們自然游動，或是將牠們包埋在瓊脂糖凝膠（agarose）中，並攤開牠們的傘狀結構，以便捕捉稍縱即逝的電傳導訊號。

學者將獵物蝦子放在水母身體周遭，發現水母起初最靠近蝦子的一側觸手會先產生電訊號，而這個電訊號會從水母身體邊界傳導至嘴巴，而且整個電訊號路徑會呈現扇形區域（如圖三），接著 RFamide 便會使這個扇形區域的肌肉收縮，讓觸手直接被向內折疊到嘴巴的位置，然後把蝦子吃掉。

揭露水母的進食行為：「肽」重要了

以上操作，讓科學家們更了解沒有大腦的水母們究竟是如何進食，也發現 RFamide 對水母們來說「肽」重要了！水母在地球上存在了 5 億多年，卻可以透過如此單一的神經傳導機制生存至今，不過……揪斗！或許，這個發現也可能只是冰山一角；或許，透過水母的神經研究的成果能帶給學者更多對於人腦神經運作的發想，就讓學者邁向這條偉大的航道，去挖掘神經科學中更多的奧秘吧！

註釋

1. 通常注射入細胞中的質體上也帶有 Tol2 轉位酶基因，而一起被送入細胞的 Tol2 轉位酶（transposase）蛋白會催化此外送質體，並將 Tol2 轉位子活化且同時將外來的基因嵌入受體生物之基因組中，所送入的 Tol2 轉位子會持續跳躍和插入外來基因，直到 Tol2 轉位酶的活性消失或其 mRNA 完全降解為止。此方法常用於基因轉殖生物，主要特色便是外送基因傳承至子代幾乎沒有發生基因默化（gene silencing）的情況，具有高度穩定性，而且脊椎動物也通用此方法。
2. GCaMP 鈣指示劑是綠螢光蛋白（GFP）、鈣調蛋白（calmodulin，CaM，又稱攜鈣素）及肌球蛋白輕鏈激酶 M13 的合成物。當與鈣離子（Ca²⁺）結合時，GCaMP 便會發出綠螢光信號，而螢光信號會隨著鈣離子濃度的變化而增長或消散。

參考文獻

• How to read a jellyfish’s mind
• A genetically tractable jellyfish model for systems and evolutionary neuroscience
• A primer on reinforcement learning in the brain : Psychological, computational, and neural perspectives | Semantic Scholar
• Extracellular Single-Unit Recording and Neuropharmacological Methods – Oxford Medicine
• The genome of the jellyfish Clytia hemisphaerica and the evolution of the cnidarian life-cycle | Nature Ecology & Evolution
• 紐時摘譯：水母沒有脊椎不表示沒有大腦
• 前沿顯微成像技術專題之鈣離子成像
• 魚類Tol2轉位子在基因轉殖上之應用

世上動物千奇百怪，如果要找一個共同點，那應該就是──幾乎所有的動物都需要呼吸。

我們這裡要談的「呼吸」，是呼吸運動，也就是吸入氧氣、排出二氧化碳的動作。一提到這個動作，身為人類的你，或許下意識就會想到肺臟、鼻子等等部位。綜觀動物界，在不同的演化脈絡下，動物們賴以呼吸的構造真可說是無奇不有，就連肺臟、鼻孔本身也可能會有各種不同的形態。

現在，就讓我們來看看那些奇妙的呼吸器官吧！

大象：你的鼻子為甚麼那麼長？

「媽媽說鼻子長才是漂亮～～」大象（象科 Elephantidae）身上最惹眼的部分就是鼻子了！象鼻是牠們賴以聞嗅味道和呼吸的部位，除此之外，它相當靈巧，舉凡取水、拿東西、攜帶物品等等，象鼻都能做到。

除了長長的鼻子之外，大象的呼吸構造裡還有一個特殊之處：牠們是目前已知沒有胸膜腔 (Pleural cavity) 的哺乳類動物！

我們人類賴以呼吸的肺臟緊密包覆著一層臟層胸膜 (pulmonary pleurae)，會與包覆著胸腔壁內面的壁層胸膜 (parietal pleura) 組成一個很狹小的空間，就是胸膜腔。內部填充有液體潤滑，可避免臟器和胸壁摩擦損傷。

一般我們呼吸的時候，會由肌肉改變胸腔的空間，製造肺部與外在大氣的壓力差，才能夠吸氣或呼氣：當肺內的壓力大於大氣壓力，則會呼氣；而當肺內的壓力小於大氣壓力，則會吸氣。而夾在此之間的胸膜腔，多數時間會維持一定程度的負壓，讓主要由皮膜組織及彈性纖維組成的肺不致塌縮。所謂的「氣胸」就是胸膜受到破壞，使得胸膜腔無法維持負壓，連帶使著肺部塌縮的胸腔疾病。另外，胸腔膜的壓力當然會隨著呼吸而有所變化。

然而，大象的胸膜腔裡，充滿了許多疏鬆的結締組織──也就是說，原本的「腔」不復存在。該怎麼解釋大象沒有胸膜腔呢？

有個假說認為，這可能跟大象使用長鼻子來「浮潛」有關連。當牠們游泳時，可以將長鼻子舉出水面來呼吸──這是個稍微熟悉大象的人都不意外的畫面。但是成年大象高度可達至少三、四公尺，當游泳使用鼻子呼吸，或是，鼻子端大氣的壓力與位在水下肺部的壓力差距會非常巨大，這時薄薄胸膜腔可能就會頂不住啦，而胸膜腔內的結締組織就有強化的功能。

海豚：我不是跩，只是鼻孔朝天！

海豚（海豚科 Delphinidae）雖然多數生活在海中，少數生活在大河大江中，不過牠們可沒有魚類的鰓，而是用肺呼吸的哺乳類動物。

海豚是從陸生哺乳動物演化而來的，真要說起親緣關係，比起魚類，牠們反而更接近河馬等偶蹄類動物。

大約五千萬年前的始新世時期，陸生哺乳類開始進入水中，在這個過程中，牠們為了適應環境，在形態上產生諸多的改變。為了順利在水中游泳，牠們後肢逐漸退化，形成背鰭及尾鰭，體表變得光滑，身體也變得較偏向流線型。

而海豚的鼻孔更是位移到了頭頂，成為「呼吸孔」，以便在水面呼吸、換氣。此外，為了不讓自己嗆到，海豚的呼吸孔附近還有由肌肉與結締組織形成的鼻栓 (nasal plug)，可以將孔緊閉。鯨魚海豚頭頂的呼吸孔是比較接近鼻孔的構造，因此有些卡通裡會出現鯨魚海豚從嘴裡吸入海水，由呼吸孔噴出海水的情節，在真實世界不大可能出現。

水母：我想要呼吸，全身上下都行

水母是一種無脊椎動物，分類上屬於刺胞動物門 (Cnidaria)。從熱帶、溫帶到淡水區，世界各地的水域都找得到水母的蹤影。牠們的外型多呈現鐘型或者傘狀，構造簡單，體內有超過九成都是水，但沒有肺或鰓。

既然沒有肺或腮，牠們又要怎麼呼吸呢？方式很單純，就是透過擴散作用讓氧氣進出細胞膜。

水母的外表傘蓋的組織相當薄透（想想你吃過的海蜇皮），其中分為外層的表皮層 (epidermis) 和內層的胃皮層 (gastrodermis)，兩層之間再夾著一種彈性膠狀物質，又輕又薄的狀態更方便外層組織和海水交換氧氣和二氧化碳。

牡蠣：一輩子待在原地，就來用鰓呼吸！

牡蠣 （牡蠣科 Ostreidae）的殼有二枚，形狀相當不規則，左殼比右殼大一點。牠們大多棲息在淺海或潮間帶，以左殼固著在物體上，無法自由移動，所以終其一生只能待在原處開開合合，進行呼吸、攝食、生殖、排泄等等行為。

大多數的雙殼綱，殼的頂部有縫可以流通海水，並且在吸排海水的過程中呼吸。牡蠣並不像蛤蜊一樣自備出、入水管，牠們只有腮腔和腮上腔。牡蠣的鰓分左右各一對的內外鰓，上與唇瓣 (labial palps) 相連，下與外套膜 (mantle) 相接，構成一個腔室，水從鰓流入鰓腔及鰓上腔，在過程中進行氣體交換藉以呼吸、獲得氧氣。

雖然說都是呼吸，但生活在不同地方的生物用的方式卻大不相同，需要根據所在地來大顯神通，除了上述介紹的動物，你知不知道什麼其他特別的呼吸方式呢？

參考資料

• 鼻子喝水還是嘴巴喝水 by 台北市立動物園
• Pleural cavity by Niamh Gorman
• John B. West.  Why Doesn’t the Elephant Have a Pleural Space? PHYSIOLOGY (01.APR, 2002)
• 鯨豚的解剖演化和分類 by 環境資訊中心
• Mindy Weisberger. How Do Animals Breathe Underwater? Live Science (07.Dec, 2018)
• 台灣產長牡蠣解剖學的研究 by 台灣大學漁科所、中研院動物所
• 牡蠣養殖 by 金門水產試驗所