從電台節目討論曲尾苔，活出屬於自己的生物區位——《三千分之一的森林》

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

如果要你從鳥類的一項「特徵」中猜出牠的生活環境和飲食習慣，你會選擇哪樣特徵呢？大部分人 (包括我) 可能都會講翅膀。畢竟翅膀是鳥類最大的特徵，過去也確實有研究顯示可以通過鳥類翅膀的長度與型態來推測牠們的習性。不過一項新的研究指出，比起翅膀，鳥類的「眼睛」更能體現牠們的生活環境與習性^[1]。

先聊聊什麼是「生態形態學」？

為了適應所處的生態環境，生物往往會有相對應的生理特徵。例如生活在無光環境的生物，大多會降低視覺的重要性，改為發展更敏銳的嗅覺或觸覺能力。除了生態環境，生物也會根據其飲食發展相對應的生理特徵。例如生活在加拉巴哥群島上的達爾文雀 (啟發達爾文演化想法的鳥鳥們〜)，其鳥喙的尺寸與形狀會高度適應食物來源。

這種研究生物型態適應生態環境的學科被稱為生態形態學 (Ecomorphology)。該學科認為，生物體所表現出的形態特徵會受到其所處生態環境的直接或間接影響。因此生態形態學旨在透過測量與行為相關的性狀以及生物體的適應性構造，來將生物形態與生態環境聯繫起來。

而科學家們在對鳥類的許多形態特徵如翅膀、尾巴和鳥喙等進行深入研究後，確實找出這些特徵與生態間的關聯，並且也能用這些特徵來回推鳥類的生態環境與食性。不過，來自佛羅里達大學生態系統保護實驗室的博士畢業生 —— Ian Ausprey 心中一直有個疑問，關於鳥類特徵與生態環境的研究中，為什麼沒有與「眼睛」相關的研究？

鳥類眼睛與生態環境的連結

鳥類的味覺和嗅覺較不發達，因此大部分鳥類主要依靠視覺來導航、尋找食物和躲避掠食者，而這就讓牠們在陸生脊椎動物中，有著相當大的眼睛 / 身體比例。大眼睛不僅讓鳥類擁有出色的距離和色彩辨識能力，同時牠們也有著頂尖的空間識別與物體對焦能力。不過，擁有這些能力要有相對應的處理器。

大眼睛所帶來大量的視覺訊號，需要一定發展程度的神經系統才能處理，而這就會進一步增加大腦的體積。鳥類的另一大特徵就是「飛行能力」，為此牠們發展出輕量化與流線性的身形。如果鳥類今天選擇強化自己的視覺能力，就會讓頭部體積變大，但當頭部體積變得太大，就會影響到牠們的飛行能力。

為了維持飛行能力，鳥類在頭部體積增加的情況下，也必須改變自己的體型，以此避免出現頭重腳輕的情況。因此鳥類的眼睛大小與其體型會達到一個平衡，這就讓我們能藉由眼睛大小來推測該鳥類的體型。另外大眼睛雖然有著出色的光捕捉和動態對焦能力，但面對強光也容易產生眩光，因此大眼睛的鳥類不會生活在強光環境，所以從眼睛的大小也能回推鳥類所處的生活環境。綜合以上想法，Ausprey 認為鳥類的眼睛應該是很好的生態形態學研究重點。

為了證明上述的想法，Ausprey 在秘魯的森林中花費五年的時間測量鳥類的眼睛尺寸。在他測到的十幾種鳥類中，眼睛的尺寸確實能有效回推鳥類的生活環境和食性。不過他想知道這種模式是否能適用所有鳥類，而不僅僅只是秘魯的鳥類，於是他開始搜尋有關鳥類眼睛尺寸的生態形態學相關研究，但他發現這方面的研究非常少。過往關於鳥類眼睛的研究，通常只包括幾十個物種並只在特定區域進行研究。不過至今沒有這種大規模的物種與全球性分析也很正常，在全球七大洲上有超過 8000 種的鳥類，若真要施行這種測量鳥類眼睛尺寸的實驗，那所耗費的人力、物力、財力和時間想必非常可觀！

在沒有足夠數據的情況下， Ausprey 卻在一個讓人想不到的地方找到大量鳥類眼睛尺寸的完整數據。

塵封的論文，記載了全球 4000 多種鳥眼數據

Ausprey 在查閱資料的過程中，意外發現一個在芝加哥大學攻讀博士的學生 —— Stanley Ritland 在 1980 年代所撰寫的文章^[2]。在該文章中，Ritland 記錄了 4000 多種鳥類眼睛尺寸的詳細數據 (其實不只有鳥類，哺乳類和爬蟲類動物他都一併紀錄)！這些數據是怎麼來的呢？是 Ritland 跑遍全美各地的博物館，從館藏的酒精標本中測量而得。

那麼為什麼如此大量寶貴的數據，沒有太多學術界的人知道呢？因為 Ritland 在獲得博士學位後就離開學術界，也沒有將他收集的數據發表在任何學術期刊上，因此這些數據就這樣靜靜地躺在芝加哥大學的圖書館中，直到 Ausprey 這個伯樂相中這些數據並開發其中的價值。

Ausprey 從文章中選取了 2777 種鳥類的數據，並將各鳥類物種的眼睛尺寸數據依體重進行標準化。在這個過程中，Ausprey 排除那些因生活在極端光照環境下而有格外大眼睛的鳥類，如老鷹和貓頭鷹，而把注意力放在白天捕食的陸棲鳥類身上。

鳥眼的大小，與環境及食性密切相關

分析結果顯示，鳥類的眼睛大小確實與生活環境高度相關。無論鳥類所處的緯度為何，只要是在接近森林底層等陰暗處狩獵與覓食的鳥類都長著大眼睛，因為大眼睛能讓牠們在陰暗的環境中捕捉到更多的光訊號。相反，那些在天空翱翔時間較長的鳥類則長著較小的眼睛，因為這樣能減少眩光的影響。

除了與生活環境有關，鳥類眼睛的大小也與食性密切相關。大眼睛不僅能吸收更多光線，還能增加焦距和解析度，這就相當於給相機加裝一個長焦鏡頭。不論是生活森林底層還是開闊環境的鳥類，只要是以昆蟲和其他小型動物為食，往往具有更大的眼睛，因大眼睛能遠距離發現獵物，並在追捕的過程中持續鎖定獵物。而吃花蜜和果實的鳥類，眼睛相對最小，這可能是因為牠們在尋找食物時，更多是依賴顏色而非形狀。

雖然這個研究並沒有將 Ritland 的數據全部分析完，但目前的結果已經顯示鳥類的眼睛大小這單一特徵，比起翅膀、尾巴和鳥喙等其他特徵，更能有效預測鳥類的體型、食性、生活環境和運動方式。

那麼這個研究能給我們怎樣的啟示呢？

首先是鳥類保護。近來隨著農地的開發與森林的砍伐，造成越來越多的森林破碎化問題。根據現有的研究指出，有著大眼睛的鳥類確實會避開光照強烈的農地和森林邊緣，躲進日益減小的森林棲地之中。而當這些鳥類躲在狹小又破碎的森林之中，很容易就會滅絕。因此根據這個研究的結果，未來我們可以從鳥類的眼睛大小來判斷牠們在農地開發區會受到怎樣的影響，這樣就能事先進行開發區的調整與鳥類相關的保護措施。

第二是動物標本作為研究動物形態的價值。過往科學界對於動物形態的資訊，大多仰賴田野調查的實際測量。但很多時候，動物處在難以抵達的環境，這就讓測量的難度大增。而這個研究的結果顯示，保存良好的動物標本也能很好地還原動物的真實形態。這就告訴生態學家，面對野外難以取得的動物形態資訊，或許可以在博物館的標本中找到。

最後，我覺得這篇研究很好的呼應了「保育」的概念。如果 Ritland 的文章與博物館中的動物標本都沒有保存，那就不會有這篇研究了。回到現實世界也是，很多時候人們都覺得生物保育沒有價值，但你怎麼知道呢？或許某些物種在未來的某一天能被人們發現其中的價值，但如果我們沒有做好保育，就只能讓這種價值隨著物種滅絕而消逝。

參考資料

1. Ausprey IJ. Adaptations to light contribute to the ecological niches and evolution of the terrestrial avifauna. Proc Biol Sci. 2021 May 12;288(1950):20210853.
2. Ritland S. 1982. The allometry of the vertebrate eye. Chicago, IL: University of Chicago

我在陽光照耀的泥塘裡獨舞，腳下的土像波浪般緩緩翻動。一陣暈船的感覺襲來，我的腳流連在半空中，等待踏回堅實的地面。每一步都創造了新的起伏，像走在水床上。我伸手抓住美洲落葉松的樹枝想穩住自己，但我在一個地方站了太久，冰冷的水已淹到腳踝。沼澤吸住了我的腳，把腳拔出來的時候還發出啵啵聲，小腿肚穿上一層黑色的泥。還好我把靴子留在蛇形丘上了。我有一隻紅色運動鞋還遺落在某地深處，好幾年前某次出差調查時掉的—現在我都打赤腳。除去愛偷鞋子的癖好之外，沼澤湖應該是夏天午後非常宜人的地方。

一圈環形的樹包圍沼澤，把森林隔絕在外。泥炭苔 (peat mosses, Sphagnum) 圈圈閃耀的翠綠色像是螢火蟲飛在一排深色雲杉木前。老人家說過，看得見和看不見的世界，有陽光照耀的沼澤表面和池塘的幽暗深處，兩者比鄰共存。有更多東西眼睛看不見，但依舊存在。

五大湖區的森林裡， 祖先留下的土地上有很多壺穴^註 沼澤。阿尼什納比部落 (Anishinaabe) 用水鼓來進行儀式，這種鼓非常神聖，不容易親眼見到。木碗上鋪著的鹿皮裝滿聖水，水鼓「代表水、宇宙、萬物和人類的心跳」。木碗表示敬重植物，鹿皮表示敬重動物，以及水表示敬重大地之母所滋養的所有生命。鼓上綁著一個環，代表萬物出生、成長、死亡的循環，還有四季的遞嬗跟年月的週期。

不適應環境？那就直接改造

說到苔蘚的重要性，地球上沒有一個生態系能超越泥炭苔沼澤。泥炭苔的碳含量比這個星球上任何一種植物都要高。在陸生棲地中，苔蘚跟維管束植物相比總是黯然失色，退居配角。但在沼澤裡，它們就是王者。泥炭苔不只在沼澤裡欣欣向榮，還能創造沼澤。土質酸又積水的棲地不利大部分高等植物生存，就我所知，大小植物沒有一種能像泥炭苔這樣，利用本身的特性來打造周圍環境的。

沼澤裡每一方寸都覆滿泥炭苔。事實上，那並不是地，而是水，只是被苔蘚的結構巧妙地支撐著。我其實走在水上，走在池塘表面的泥炭苔軟墊上。沼澤中央還看得見一部分池水， 水面平緩深邃。沼澤塘總是超乎尋常地平靜光滑，深色的水把你的視線往下拉進那無底世界。夏日浮雲的倒影寧靜無擾，因為唯一的水源就是雨水，沒有溪流往來在泥炭苔的小島之間。水很清，泥炭苔慢慢腐敗釋出的腐植質和單寧酸，讓水變成了沙士的顏色。

泥炭苔的莖，讓人聯想到英國牧羊犬在池塘裡游過泳後，全身濕淋淋的樣子。它的頭很像拖把長在水面上，稱為頭狀枝序 (capitulum)，身體的部分從莖節向外垂掛著長長的枝條。葉子很小，只有一層綠色的薄膜，像是濕透的魚鱗挨在樹枝上。泥炭苔如果被踩踏過，聞起來甚至很像濕漉漉的狗，沾染著從池底淤泥飄出的硫磺味。

死細胞才能發揮全方位功能

讓我最驚豔的是泥炭苔大部分都是死的。你可以在顯微鏡下看到每片葉子都有一條條細長的活細胞包圍著死掉的細胞，像是空空如也的牧場被綠籬包圍。二十個細胞裡只有一個是活的，其他不過都是死掉的細胞殼，也就是骨頭包著過去的細胞內容物消失後餘下的空間。這些細胞並沒有生病，只是在死後才會發揮全方位的功能。細胞壁有很多孔隙，布滿微型篩子般的小小孔洞。這些穿孔的細胞無法行光合作用或生殖，但對於植物的生長至關重要，唯一的功能就是保水，很多很多水。你若從沼澤看似結實的表面摘下一些泥炭苔，它會不斷滴水，一大把泥炭苔就可以擰出將近一夸脫的水來。

泥炭苔的內部充斥著死掉的細胞，因此可以吸收體重二十倍之多的水分，優異的保水能力讓它得以調整周圍的生態系統來順應生存的需求。泥炭苔會讓土壤變得潮濕，填滿土壤分子之間原本充滿空氣的縫隙。根需要呼吸，但積水的泥炭會創造出無氧的發根環境， 大部分的植物都受不了。因為周邊樹木長不起來，沼澤往往照得到光又開闊。

活的泥炭苔底下那一層濕氣導致氧氣不足，也減緩了微生物的生長。因此，泥炭苔死去後的分解速度極慢，可能好幾世紀都不會有什麼改變。埋在地下的泥炭苔就留在那兒，年復一年又一年，越積越多，最後淹滿整個池塘。如果我能在沼澤深處找到我的紅色運動鞋，應該還沒腐爛吧。想到一只運動鞋竟然比一個人活得還久，感覺很奇怪。百年之後，這隻鞋可能是我在這個星球上短暫存在過的具體證據。我很滿意它是紅色的。

註解

• 地質名詞，指流水侵蝕造成的圓形窪地或坑穴。