夏日炎炎學得快？

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

軍機操演保衛國家，噪音卻會干擾周遭社區。^[1]人類的聽力範圍，約在 20 至 20,000 赫茲之間；與蜥蜴的 100 到 5,000 赫茲，部份重疊。^[2]所以別只想到自己，請多關懷鄰居──此處不堪其擾的，可能還包括蜥蜴。學名 Aspidoscelis neotesselatus 的科羅拉多格紋鞭尾蜥蜴（Colorado checkered whiptail），列屬美國科羅拉多州的特別關注物種（species of special concern），^[3]並被美軍視為瀕危物種（species at risk）。^[2]由於其棲地涵蓋美國陸軍卡森堡軍事基地（US Army Fort Carson Military Base），科學家想知道軍機航道下的噪音壓力，是否會影響牠們的健康和生育。^[3]

孤雌生殖

Aspidoscelis屬之下，某些種的蜥蜴只有雌性，採行孤雌生殖（又稱單性生殖；parthenogenesis），^[4]即卵不用受精就能長成胚胎。這種方法一般會使物種幾無變異，遇上疾病或環境變化，便容易被一舉殲滅。^[5]比較特別的是，牠們過去有的曾與同屬不同種的雄性雜交，多少豐富了基因，混血產生的科羅拉多格紋鞭尾蜥蜴，還因此擁有三套染色體。^{[4, 5, 6]}孤雌生殖的 Aspidoscelis 屬蜥蜴，例如：科羅拉多格紋鞭尾蜥蜴，^[4]製造卵子時，比有性生殖（sexual reproduction）多複製一次染色體，才進行分裂。如此一來，無需精子湊對，依然能發展出正常胚胎。^{[5, 7]}

噪音的影響

研究團隊於 2021 年進入繁殖季的一個月後，也就是 6 月期間，跑去卡森堡軍事基地一帶，測量飛航範圍的地面噪音：^[3]軍機演練時，33.9 到 112.2 分貝；其他時候，則為 30.1 至 55.8 分貝。科學家也觀察科羅拉多格紋鞭尾蜥蜴，在這兩種情況下的行為，並幫牠們抽血、秤重、量身長、照婦科超音波等。^{[2, 3]}最後，將所有蒐集到的數據，依照設定的指標逐項分析：^[3]

• 皮質酮（corticosterone）：當壓力來襲，腎上腺會分泌皮質酮，來調節能量供給。軍機劃過天際的日子，科羅拉多格紋鞭尾蜥蜴的皮質酮，一如預期地上升。^[3]
• 血糖（plasma glucose）：歐洲海鱸（European sea bass；學名：Dicentrarchus labrax）遇到人為噪音時，血糖會提高，以應付壓力下所需的耗能。儘管這種現象聽起來相當合理，但是科羅拉多格紋鞭尾蜥蜴的血糖卻無動於衷。^[3]不曾飆高以因應外界刺激，也沒有消耗過頭而直直下墜。
• 反應性氧代謝物（reactive oxygen metabolites）：人為噪音會使歐洲濱蟹（shore crabs；學名：Carcinus maenas），加速代謝，而提高耗氧。科學家原本覺得，科羅拉多格紋鞭尾蜥蜴也會這樣。誰知道牠們血液中的反應性氧代謝物，出乎意料地於軍機操演時下降，懷孕者濃度又比其他個體更低。^[3]
• 補償性進食（compensatory eating）：壓力暴食不是人類的專利，認識科羅拉多格紋鞭尾蜥蜴後，有沒有倍感欣慰？牠們受軍機的噪音干擾，有時原地進食，有時邊走邊吃。整體來說，在壓力下吃多動少。^[3]
• 酮體（ketone bodies）：當血糖供不應求，身體會代謝脂肪，產出酮作為能量來源，^{[3, 8]}此即生酮飲食（ketogenic diet）的減肥原理。奇妙的是，人類努力控制飲食，才能達到的狀態，^[8][註]科羅拉多格紋鞭尾蜥蜴竟得來全不費工夫。在軍機的噪音下，牠們的血糖明明沒有變化，脂肪就直接開始代謝。體型小的個體，酮體濃度較高。^[3]

共存共榮

綜合以上，由上升的皮質酮，可以確定軍機飛行的噪音，會給科羅拉多格紋鞭尾蜥蜴帶來壓力。科學家認為，牠們一方面狂吃，所以血糖沒有下降，反應性氧代謝物甚至減少；另方面不等血糖耗盡，就搶先燃脂製造酮體當補給。在這個機制的調節下，儘管居住環境不太理想，抗壓消耗很多能量，但是科羅拉多格紋鞭尾蜥蜴適應得還算可以。當然，如果願意體貼孕婦，科學家建議軍機最好於繁殖季節期間，避開蜥蜴數量密集的地區，或是飛高讓地面噪音低於 50 分貝。^[3]以後當美軍飛航演練，維護人類社會的和平與穩定；期望科羅拉多格紋鞭尾蜥蜴也能安心增產，拓展成繁榮昌盛的族群。

備註

生酮飲食有痛風、腎結石和營養失調等潛在副作用，^[8]嘗試前請找醫師評估。

參考資料

1. Kirk A. (10 APR 2023) ‘What’s that noise? Colorado Air National Guard to fly F-16s at night’. 9News.
2. Dijkstra M. (29 MAR 2023) ‘Lizards at US Army installation are stress eating during flyovers’. Frontiers Science News.
3. Kepas ME, Sermersheim LO, Hudson SB, et al. (2023) ‘Behavior, stress and metabolism of a parthenogenic lizard in response to flyover noise’. Frontiers in Amphibian and Reptile Science, 1:1129253.
4. Walker JM, Montgomery CE, Cordes JE, et al. (2019) ‘Morphological Variation, Habitat, and Conservation Status of arthenogenetic Aspidoscelis tesselatus Pattern Class C in the Canyonlands of Southeastern Colorado, USA’. Herpetological Conservation and Biology 14(1):119–131.
5. ‘How an Asexual Lizard Procreates Alone’. (02 JUN 2022) National Geographic.
6. ‘Parthenogenesis’. Britannica. (Accessed on 20 APR 2023)
7. Newton AA, Schnittker RR, Yu Z, et al. (2016) ‘Widespread failure to complete meiosis does not impair fecundity in parthenogenetic whiptail lizards’. Development, 143(23):4486-4494.
8. ‘Diet Review: Ketogenic Diet for Weight Loss’. Harvard T.H. Chan School of Public Health. (Accessed on 19 APR 2023)

2016/11/18編按：有新的觀點認為這可能不是蛇的化石，而是伸龍（dolichosaur），一種水生蜥蜴的話時。相關文章歡迎參考國家地理的這一篇文章：轟動一時的「四腳蛇」可能只是恐龍時代的蜥蜴？

始祖鳥具有鋒利的牙齒、腳上三趾有彎爪、長的骨質尾巴，這些是恐龍的特徵，而牠也同時有羽毛、翅膀，和現代的鳥類相似，因此被認為是恐龍演化到鳥類的橋樑，後來也陸續發現有羽毛的恐龍化石，證實鳥類是從恐龍演化而來。

在爬蟲類演化的部分，現在科學家普遍接受蛇是從蜥蜴演化而來，但對於是陸生還是水生的蜥蜴一直以來有很大的爭議，各有理論支持。直到最近發表的這篇四腳蛇化石的研究，終於解開了一些謎團。

四腳蛇就是扮演了始祖鳥的角色。牠是在巴西發現的化石，約有1億2000萬年歷史，是第一個發現有四隻腳的蛇類化石。牠的體長只有20公分，前肢和後肢分別為4毫米與7毫米，因此乍看之下很難看出牠的四肢，但放大一看竟然還有五個指頭！

蛇怎麼會有腳？是蜥蜴吧你不要騙我了

一般辨認蛇跟蜥蜴就是從有沒有腳來判斷，但其實有些較原始的蛇類也有前肢或後肢的殘留構造，也有蜥蜴是沒有四肢的。所以辨別蛇跟蜥蜴應該從以下幾點來判斷：

1.尾巴長度：蛇的尾巴很短，蜥蜴的尾巴很長。尾巴的算法是從泄殖腔開始，到身體最末端。

2.腹鱗：蛇的腹部鱗片特化成只有一片，蜥蜴的話會是很多片排列在一起。

3.眼瞼：蛇的眼瞼是整片的，所以他們不能眨眼，但大部分蜥蜴可以。

4.舌頭有無分叉：想必大家對蛇吐出舌頭的畫面很熟悉吧，蛇的舌頭都有明顯分叉，但是多數蜥蜴沒有喔～

5.有無外耳孔：蛇的外耳、中耳退化，沒有外耳孔，蜥蜴有。

「雖然牠有四隻腳，但有其他的特徵清楚地顯示出牠是蛇。」——尼可拉斯・朗里奇（Nicholas Longrich），英國巴斯大學（University of Bath, UK）考古學家，同時也是這篇論文的共同作者如此說。

朗里奇說，化石的最前端，具有完整的骨頭，呈現一個緊緊纏繞的線圈形狀，看起來就像是個沒有四肢的身軀。除了迷你的四肢外，牠的頭骨大約是人類一個指甲的大小，脊椎有160個脊椎骨，尾部有112個脊椎骨。

四腳蛇的脊椎超過150節（蜥蜴的脊椎沒有這麼長），牙齒呈現尖的、有一點彎曲。另外牠具有橫越整個腹部寬度的鱗片（也就是「腹鱗」，蛇類為了在地上爬行特化出來的構造），這是爬蟲類有鱗目中只有蛇才有的特徵。

「這個生物無疑地是蛇。」耶魯大學（Yale University）的Bhart-Anjan Bhullar雖然沒有參與研究，但在看到化石之後就這麼說：「沒有一個其他的爬蟲類像牠一樣綜合了這些特性。」

「擁抱的蛇」

這個物種被命名為Tetrapodophis amplectus，屬名Tetrapodophis在希臘文中是四腳的蛇的意思，而種名amplectus來自拉丁文，意為「擁抱」。

科學家更深入的觀察四腳蛇後發現，牠的四肢具有纖長的指頭，末端還有細小的爪子，因此推測牠的四肢不是用來爬行，也不是演化過程中剩餘的、沒有用的痕跡，比較有可能用來抓住獵物或是在交配時抓住配偶，這也是種名用了「擁抱」這個詞的原因。「牠是一隻擁抱的蛇。」朗里奇教授說。

這個化石已經出土數十年才開始被關注，起先是由研究團隊中的大衛・馬提爾（David Martill），英國普茨茅斯大學（the University of Portsmouth），在德國的Solnhofen博物館中發現。但朗里奇說，覆蓋在化石上面的石灰岩，還有化石呈現的褐至橘色，都指向巴西東北部的一個特定區域。不過這個化石是如何從巴西跑到德國的博物館中，卻是無人知曉。（其實那些科學家也不是很在意）

四腳蛇令科學家著迷的地方

四腳蛇的脊椎總共有272節，這已經超過科學家認為動物在開始失去四肢之前體長可以到達的極限的兩倍，這也是四腳蛇令人驚訝的地方。馬丁・科恩（Martin Cohn），美國佛羅里達大學（University of Florida, Gainesville）的演化發育生物學家說，這表示動物的四肢在演化中重新找到它的用途，而不是隨著身體延長而逐漸萎縮。在蛇類演化的模型裡，科學家一直認為是他們的身體先不斷變長，四肢才開始退化。但四腳蛇的發現顯然違背了這個假設，表示身體的延長和四肢的退化可能是獨立的兩件事情，科恩解釋。

科學家們普遍認為蛇是從蜥蜴演化而來，是因為發現的化石證據表示在骨骼構造上，蛇與蜥蜴很相近。有一派學者認為蛇是從「洞蜥」演化而來，這種蜥蜴生活在洞穴中，這能解釋為何蛇的聽力、視力都退化，身體也變成流線型。另一派學者則認為蛇是從滄龍（沒錯就是侏羅紀世界裡面最後出來撿尾刀的那隻）演化而來，後來才移居到陸地上生活。在這種假設下，外耳的退化是因為在水中沒有作用，透明的眼膜也是因為要在水中活動。有些化石的研究報告發現滄龍和蛇的骨骼結構相似，而且蛇的化石旁邊也出現和滄龍生活相同時期的沈積物。

四腳蛇大幅縮小的四肢、長長的身軀、短的口鼻部，都是適應爬行、鑽洞而在演化上保留下來的特徵；沒有利於游泳的扁平狀尾巴，而是圓柱狀，也沒有發現鰭的構造。因此科學家們推測四腳蛇是生活在洞穴中的陸地生物，蛇類並不像先前一些科學家認為的是由海洋生物演化而來，朗里奇表示。

加拿大阿爾伯塔大學（University of Alberta, Edmonton, Canada）的脊椎考古學家邁克爾・考德威爾（Michael Caldwell）表示，所有的脊椎生物，當然包括爬蟲類，都有一個小小的骨頭叫做「椎間體」（intercentrum），然而四腳蛇的脊椎骨中並沒有發現這個構造。四腳蛇的脊椎構造和在2億5000萬年前那次大滅絕（二疊紀大滅絕）絕種的兩生類有較高的相似度。「我覺得這個生物遠比研究團隊所說的令人興奮。」考德威爾說。不過四腳蛇應該不是最原始的蛇，因為可能還有很多在二疊紀大滅絕前的爬蟲類化石還沒被找到。

四腳蛇，一個擁有完整的蛇軀體，卻有四肢，像是當初填補恐龍演化到鳥缺失的那塊拼圖——始祖鳥一樣，補齊了科學家一直遍尋不著，蜥蜴演化到蛇的那個關鍵證據。

參考資料：

• Four-legged snake fossil stuns scientists—and ignites controversy. Science [July 23,2015]
• Four-legged fossil snake is a world first. Nature [July 23, 2015]
• Four-legged snake ancestor ‘dug burrows’. BBC news [July 24, 2015]
• 【蛇學問】演化解密：蛇族身世檔案 環境資訊中心
• 雪霸國家公園 生態專欄第十九期
• 始祖鳥 維基百科

原始論文：

David M. M., Helmut T., and Nicholas R. L., 2015. Four-legged snake from the Early Cretaceous of Gondwana. Science, 349:416-419