摩洛哥古城得土安巡禮——巷弄中的歷史遺產│環球科學札記(27)

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

世上曾經有許許多多種人類存在，如今只剩下我們智人（Homo sapiens）一種。全人類的祖先誕生於何時、何地？最近幾年普遍被接受的說法是：20 萬年前、東非，來自衣索比亞 2 處的化石：Omo Kibish 的頭骨碎片，距今 19.5 萬年；出土於 Herto，比較完整的頭骨，距今 16 萬年。他們比起其他古人類化石，型態上更接近後來的智人，被視為是智人於 15 到 20 萬年前，東非誕生的主要證據 [1]。

然而，新近發表的 2 篇論文報告 [2][3]，找到了年代更古老的智人，不但距今有 30 萬年之久，而且位於摩洛哥……咦！不在東非，在北非？

與尼安德塔人分家以後

在討論「北非」「智人」以前，先回顧一下人類演化史。演化是漫長的過程，具體上，不可能有父母是海德堡人（Homo heidelbergensis），子女突然變成尼安德塔人的狀況，古人類學家只能根據各種證據，判斷出大略的年代，比方說之前認為的，智人大約 20 萬年前於東非出現。

另一方面，近幾年古代 DNA 研究的進展，也提供了幾個關鍵年代，像是尼安德塔人與丹尼索瓦人，彼此間的親緣關係要比智人更近，他們和智人分家的年代，至少有 40 多萬年，或許還超過 70 萬年  [4]。先不管比較神秘的丹尼索瓦人，至少我們知道，在分家以後，尼安德塔人於歐洲演化，智人則是在非洲發展。

距今 43 萬年的胡瑟裂谷（Sima de los Huesos）化石，對了解尼安德塔人的演化至關重要。型態上，他們與後來的尼安德塔人有許多相似之處，特別是顏面部分；但臉以外的部位，卻同時配備一些更古早人種的特徵  [5]。由他們細胞核 DNA 建立的親戚關係，則能與尼安德塔人歸類為同一群  [6]。綜合已知證據，胡瑟裂谷人可以視為通往尼安德塔人支系（Neanderthal clade），處於初期，還沒那麼典型的階段。

成為智人以前

尼安德塔人與智人一定有個共同祖先，有人認為是海德堡人，卻也有人不同意。不過結合型態與 DNA 資訊，想必各位讀者已經注意到一段有趣的時間差：至少在 40 多萬年前，智人與尼安德塔人分家，卻要等到20萬年前，智人才正式出現。考量到人類必需一代傳一代，無法像美國隊長一樣冷凍保存，這段時間差就意謂我們的直系祖先，與尼安德塔人分家以後曾經有段期間，型態上仍尚未完全演變為智人。

非洲出土過不少距今 20 到 50 多萬年的古人類化石，我們的祖先應該就在其中；只是多數化石記錄都很殘缺，而且外形多變，無法歸類為同一物種，彼此間的關係也曖昧不明  [7][8]。

儘管能較為明確判斷型態上屬於智人的化石，始於 20 萬年前的東非，但學者其實曾在非洲多處遺址發現過，一些型態上已經具備某些智人特徵，年代早於 20 萬年的化石；例如南非 26 萬年前的 Florisbad 古人類遺骸，有學者將其歸類為海德堡人或羅德西亞人（Homo rhodesiensis），也有人覺得他算是初期型號的智人。

不過，已知的化石中，還沒有比這回新報告，30 萬年前的摩洛哥 Jebel Irhoud 遺址，能提供更為明確的訊息。

北非的老遺址，有新發現！

早在 1960年代，摩洛哥的 Jebel Irhoud 遺址就出土過一批人類與動物的化石，以及莫斯特（Mousterian）石器。歐洲的莫斯特石器，絕大部分是尼安德塔人的手筆，相較發明於170多萬年前的阿舍利（Acheulian），莫斯特更為進步。一開始，Jebel Irhoud 的化石被辨識為 4 萬年前非洲的尼安德塔人－那是「尼安德塔人是智人祖先」論點流行的年代。當然，後來這些說法都被推翻了。

遺址在本世紀新的定年結果，距今 16 萬年左右；不過那時學界已經知道，20 萬年前的東非就有智人，因此 16 萬年前歸屬不明的北非死人骨頭，自然無法引發太大重視。看似合理的推論是，他們應該是某種繼續生存於北非，後來滅絕的古早人類，和智人多半沒什麼直接關係 [9]。

2004 年起，古人類學家 Jean Jacques Hublin 又率隊繼續深入挖掘，取得了更多化石與地質樣品，也獲得更可靠的定年結果。新的型態分析與定年，都推翻了之前的認知，讓此處一躍成為人類演化史上，最重要的遺址之一。

通往智人道路上的最早成員

Jebel Irhoud 遺址中有不少石器曾被加熱過，熱釋光定年法（thermoluminescence dating，簡稱 OSL）可以得知樣本受熱時的年代，所以是此地適合的定年方式。結果出乎意料，這批石器曾經熾熱的年代，竟然是 30 萬年前左右；另外用 US-ESR 定年法（combined U-series and electron spin resonance dating），直接估計化石本身是 28 萬多年。2 種方法皆證實，遺址中人生存的時期，比本來以為的更早非常多。

是什麼人，生活在 30 萬年前？至今共有 5 位個體，包括 3 位大人，1 位青少年，1 位小孩的化石被尋獲，其中有一個完整的成人頭骨。跟其他化石比較後，令人驚訝的是，這群 30 萬年前北非人的顏面特徵，幾乎跟其他化石智人以及我們沒有區別，意思是只看臉的話，他們和我們是同一種人；我們是智人，照這樣說，他們也能算是智人。

然而 Jebel Irhoud 化石的外觀，跟我們仍有些差異，例如頭殼，就比我們更狹長一些。頭殼是裝腦袋的，頭殼形狀不同，意謂裡面的腦袋結構也很可能不一樣；這表示當今智人的臉，至少在 30 萬年前已經成形；大腦則要等到更晚，根據化石記錄，大概是 10 多萬年前的事。

此次發現證實，智人的型態中，臉是率先形成的特徵，比大腦更早。Jebel Irhoud 化石能否稱作智人，仍有一些爭議，不過能確定即使他們沒有我們的大腦，長相也已經是智人模智人樣。因此，在介於 20 到 50 萬年前，眾多曖昧的非洲化石中，Jebel Irhoud 人可以確定是通往智人支系（H. sapiens clade），只是處於初期，還沒那麼典型的階段。

非常有趣的是，非洲的智人，與歐洲的尼安德塔人，兩者都是首先演化出臉，再來才是其他部位。這在演化上有何意義？個人猜測，臉也許與求偶選擇有關，假如大家都優先選擇長得像自己的對象交流情慾，那麼生殖隔離就會造成族群分化，強烈影響物種生成。不過以上純屬猜測，真實原因目前仍不清楚，仍需更多證據。

在綠色撒哈拉狩獵羚羊，火烤斑馬，被獅子追

最早期的智人怎麼生活？遺址有火燒的跡象，表示他們已知用火，這也是熱釋光定年法能奏效的原因。動物相化石顯示，他們吃掉過很多羚羊，其他還有牛羚（wildebeests）、狷羚（hartebeests）、斑馬等多種大型動物，而且骨髓也不放過；比較小的兔子、陸龜、鴕鳥蛋、淡水軟體動物等等比例較低，不過也不缺，看來他們似乎是不錯的獵人與採集者。

優秀的智人獵人，配備屬於非洲 Middle Stone Age（簡稱 MSA）風格的石器  [10]。本來認為 MSA 始於 20 多萬年前，不過由於 Jebel Irhoud 距今 30 萬年，論文因此建議應該將其開端定為 30 萬年前。東非、南非多處遺址中，都出土過距今 20 多萬年的 MSA 石器，但目前無法確定，這些科技是先在一地發明，再傳往別處，或是多地獨立起源。

北非與東非、南非之間隔著撒哈拉，這塊跟美國差不多大的地區，由於降雨量的週期性變化，有時是缺水的沙漠，有時卻是水草豐美的綠地。總是較為濕潤的撒哈拉以南，一直養育著牛羚、羚羊、斑馬、長頸鹿、獅子、鬣狗等動物；南非與東非的大型動物，在北方宜居時會向北擴張，等到乾旱，又會退縮回撒哈拉以南。

整個泛非洲地區，都是智人演化大舞台

這是為什麼北非獵人有羚羊可以獵捕，也是獵人之所以住在北非的理由。根據地質記錄，撒哈拉大約 33 萬年前一度綠化過，Jebel Irhoud 的居民，或許就是在那個時期與動物們一起抵達北非。然而，他們後來的命運，與別處 hominin 間的關係，仍混沌不清。

例如前面提過，南非 26 萬年前的 Florisbad 人，他跟 30 萬年前的 Jebel Irhoud 人位於非洲一北一南，卻型態類似。這是兩地獨自演化的結果，或是可追溯到共同祖先，甚至是牽涉到情慾流動呢？

儘管已知最早的智人臉在摩洛哥出土，論文倒是相當謹慎的指出，根據至今的微薄線索，不足以證實智人是在北非起源。論文主張的論點是，在非洲多處都能見到有智人特色的化石，以及 MSA 風格的人造物，意謂在智人衍生而成的那段時期，範圍並非僅限於東非、南非，或北非，相對較小的某一地點，而是擴及整個泛非洲地區。

最後，只剩下我們

現在我們知道，至少在 30 萬年前，智人的臉已經誕生，其他型態則是後來補上；他們已知用火，配備 MSA 系列工具，是很好的獵人與採集者。初期智人的活動範圍，也許已經有整個非洲那麼大，整個非洲，都是孕育智人的大舞台！

即使孕育出智人的舞台真是一整個非洲，不能無視的是，在我們祖先衍生而成的同時，舞台上仍然住著許多親戚，當然，然後他們就死掉了。除了某些海德堡人（或羅德西亞人）族群外，還有生活在南非，最近確認距今 20 到 30 多萬年前的納萊迪人（Homo naledi）[11]。他們與初期的智人間有無交流，怎麼交流，都是有待探討的問題。

更多化石，更多古代 DNA，更多古代氣候、地質調查，都能讓我們更加認識祖先與親戚演化的歷史。智人發掘未知、探究過去的好奇心，也許是為什麼，所有親戚全都滅亡了，唯獨我們能獨存至今的一個理由。

參考文獻：

1. Palaeoanthropology: On the origin of our species
2. Hublin, J. J., Ben-Ncer, A., Bailey, S. E., Freidline, S. E., Neubauer, S., Skinner, M. M., … & Gunz, P. (2017). New fossils from Jebel Irhoud (Morocco) and the Pan-African origin of Homo sapiens. Nature.
3. Richter et al., (2017). The age of the hominin fossils from Jebel Irhoud, Morocco, and the origins of the Middle Stone Age. Nature.
4. Prüfer, K., Racimo, F., Patterson, N., Jay, F., Sankararaman, S., Sawyer, S., … & Li, H. (2014). The complete genome sequence of a Neanderthal from the Altai Mountains. Nature, 505(7481), 43-49.
5. Arsuaga, J. L., Martínez, I., Arnold, L. J., Aranburu, A., Gracia-Téllez, A., Sharp, W. D., … & Carbonell, E. (2014). Neandertal roots: Cranial and chronological evidence from Sima de los Huesos. Science, 344(6190), 1358-1363.
6. Meyer, M., Arsuaga, J. L., de Filippo, C., Nagel, S., Aximu-Petri, A., Nickel, B., … & Viola, B. (2016). Nuclear DNA sequences from the Middle Pleistocene Sima de los Huesos hominins. Nature, 531(7595), 504-507.
7. Rightmire, G. P. (2009). Middle and later Pleistocene hominins in Africa and Southwest Asia. Proceedings of the National Academy of Sciences, 106(38), 16046-16050.
8. Stringer, C. (2016). The origin and evolution of Homo sapiens. Phil. Trans. R. Soc. B, 371(1698), 20150237.
9. Was North Africa the Launch Pad for Modern Human Migrations?
10. Middle Stone Age Tools
11. Berger, L. R., Hawks, J., Dirks, P. H., Elliott, M., & Roberts, E. M. (2017). Homo naledi and Pleistocene hominin evolution in subequatorial Africa. eLife, 6, e24234.

延伸閱讀：

• 〈摩登原始人（上）：現代行為的起源〉
• 〈摩登原始人（下）：成為文青的第一步〉
• 〈丹尼索瓦人（上）：尼安德塔人的神秘近親〉
• 胡瑟裂谷，見〈最古老的尼安德塔人DNA？〉
• 〈海德堡人－人類承先啟後的演化關鍵〉
• 〈曾是智人祖先的鄰居？納萊迪人新發現〉

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。