拿走便便球，就能讓糞金龜斷子絕孫喔，科科

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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一個月前，2015年諾貝爾生理醫學獎頒給了發現青蒿素的屠呦呦（相關報導），以及共同研發伊維菌素的威廉·塞西爾·坎貝爾和大村智（相關報導一、相關報導二），以表彰他們在對抗寄生蟲醫藥上的貢獻。他們的發現，從肆虐的寄生蟲口中拯救了億萬人的性命，也讓放牧的家畜得以擺脫寄生蟲的威脅，挽救許多人的身家財產。獲得諾貝爾獎的殊榮，對他們而言是實至名歸。

但是今天，這篇文章不是要來歌功頌德，而是要來控訴的。具體的說，是要來控訴威廉坎貝爾和志村健大村智兩位，因為他們研發的阿維菌素，其實有著不容忽視的副作用。

且聽我娓娓道來。

阿維菌素，好威

1975年，大村智在靜岡縣川奈高爾夫球場土壤中發現的新種放射菌中，找到了可麻痺寄生蟲與昆蟲的抗生物質阿維菌素（Avermectin），並且以其為基礎開發出一系列抗寄生蟲藥品如伊維菌素（ivermectin）、Selamectin、由多拉A夢代言的多拉菌素和Abamectin。阿維菌素系列藥品的作用模式仍未十分了解，但與無脊椎動物特有的開口型麩胺酸鹽氯離子通道（glutamate-gated chloride ion channels）、以及無脊椎動物肌肉中γ-胺基丁酸氯離子通道（GABA-activated chloride channels）活化之抑制有關。這些阿維菌素的抑制作用會導致細胞膜對氯離子通透性增加，造成細胞膜過極化，讓寄生蟲肌肉麻痺及死亡[1]。

而且這些專一性受器，出現在線蟲、昆蟲及蛛形綱這類的節肢動物身上，雖然未出現在絛蟲與吸蟲上，但已經足以解決許多惱人的寄生蟲疾病，例如知名的犬心絲蟲防治藥物犬心寶，就是以阿維菌素系列藥品中的伊維菌素為有效成份。

另外，這些開口型配體（ligand-gated）氯離子通道，雖然也部分表現在哺乳動物的中樞神經系統，但它們跟阿維菌素的親和性低，而且受到血腦障壁（blood-brain barrier）保護。因此，阿維菌素的功效強大更保有高選擇性的優勢，只要以低濃度就能殺死寄生蟲而不傷及宿主簡直是五洲製藥先研究不傷身體再講求效果的好典範。所以阿維菌素系列藥品從人類、寵物到家畜通通可以使用，可以口服、注射或局部滴施，自1980年代開始就廣泛展現其威力，拯救了千萬生靈，其中的伊維菌素甚至被列在世界衛生組織基本藥物標準清單裡頭，這是基本醫療制度中最重要的藥物清單，其重要性可見一斑。

BUT，人生總有個BUT，連志村健大村智也沒料到。

從威脅潛伏到屎力覺醒

2006年，阿維菌素系列藥品廣泛使用的近三十年後，阿根廷與加拿大學者合作的研究發現，阿維菌素系列藥品中的伊維菌素（Ivermectin）從畜養的牛隻體內隨著糞便排出後，似乎會影響糞便的分解和糞便中的生物多樣性。他們使用兩群牛群，在實驗組牛群皮下注射了伊維菌素，取施打後1天、3天、7天、14天、和21天拉出來的糞便，接著在各個糞便拉出來後的第1、3、7、14、21、30和60天進行檢驗，測量裡頭的伊維菌素濃度、有機質比例、以及其中的生物群落組成，並且和控制組的牛糞比對。

他們發現，和沒有施打伊維菌素的控制組牛群的牛糞比起來，實驗組施打後1天和3天的牛糞顯然含有更高濃度的伊維菌素，有機質含量也較高，也就是分解速度較慢。另外，實驗組牛糞中的節肢動物數量和多樣性也較控制組牛糞低，尤其以施打後1天、3天、和7天的牛糞為最，這正好也是牛糞中伊維菌素濃度最高的時候[2]。

簡而言之，上述實驗暗示了伊維菌素可以通過牛隻的代謝，隨著糞便排出進入環境中卻不改變其性質。同時期的其他研究也發現，伊維菌素在哺乳動物體內不怎麼會被代謝，因此有六成到幾乎全部的伊維菌素可能會在性質毫無改變的狀況下直接隨著糞便排出[3]。伊維菌素在家畜體內殺得了寄生蟲，那麼性質不變而排出體外之後當然也保有其功效，甚至長達一個月有效。既然伊維菌素能夠影響昆蟲和蛛形綱寄生蟲，那麼環境中的非寄生性昆蟲和蛛形綱等節肢動物們也一樣得遭殃了。

這其中，就以氣喘吁吁整天推著大便跑來跑去的糞金龜為最。

我不殺伯仁，伯仁因我而死

糞便裡的動物群落之中，糞金龜因為多樣性高、數量多、個體重量通常又比其他食糞動物高、而且處理糞便的功能性強，因此重要性數一數二。於是，有好些研究便試圖了解糞便中的伊維菌素對糞金龜會有什麼樣的影響。研究顯示，糞金龜的幼蟲對於伊維菌素比較敏感，而成蟲則「可能」沒有任何影響。但說歸說，還是有研究發現糞金龜成蟲羽化時可能會因為伊維菌素的影響而死亡，雌蟲產卵的過程也會改變。於是一不做二不休，今年（2015）十一月由西班牙和法國科學家組成的團隊剛發表一篇最新研究，便直接測量在牛糞中殘留的低劑量伊維菌素下，糞金龜會有什麼樣的生理和行為上的改變[3]。

他們的研究結果顯示，即使每公斤濕牛糞中只有1微克（1/1000000 克）的伊維菌素，糞金龜還是受到極大的影響：糞金龜用來嗅聞糞便氣味的觸角神經活動會變得遲鈍、用來切割雕塑糞便讓蝙蝠俠奉為典範的鋸齒狀前腳肌肉會變得無力、尋找美味糞便的覓食行為也不再精準迅速而得要花上更久時間。整體而言糞金龜變得遲緩又短命，簡直整組壞光光。

而一般放牧牛隻拉出的每公斤濕牛糞裡頭，殘留的伊維菌素在三天後至少都還有100微克以上，甚至高達300微克之多。整整是糞金龜會受到影響的濃度（1微克）的百倍！

於是長久下來，一如今年這篇研究所觀察到的，伊維菌素施打區域的牛糞分解速度整整慢了30％，這可能就是三十年來糞金龜族群不斷的衰弱的結果。這不但意味著每年每公頃有將近350公斤的糞便因為缺少糞金龜而留在地面上，弱化了牧場的品質，讓草長不出來，也減緩物質循環的速度。更不用說伊維菌素可能因此進入食物鏈裡頭，繼續影響其他的生物[4]。

志村健大村智和威廉坎貝爾興高采烈的發現阿維菌素時，一定沒有想到會有這樣間接傷害的結果吧。

想我不體面卻重要的兄弟們

在伊維菌素依然是最有效的寄生蟲用藥，讓人類不得不繼續使用的現實下，糞金龜的前景實在堪慮。若不盡快制定新的用藥規範，讓伊維菌素在家畜糞便中的殘量低於糞金龜的敏感劑量，糞金龜的多樣性恐怕會走到無法挽回的局面。

但說來諷刺，這也不是人類第一次促成這種窘況了。印度的白背兀鷲（Gyps bengalensis）原本是印度次大陸最常見的猛禽之一，1990開始其族群突然災難式的重跌95％，現在和另外兩種相近兀鷲一起悽慘地名列嚴重瀕危鳥類名錄之中。究其原因，居然是因為在人類和家畜身上使用的常見消炎藥待克菲那（DICLOFENAC），當家畜死亡後在體內殘留的待克菲那被撿屍食腐的兀鷲吃下肚，就會造成兀鷲腎衰竭死亡[5]。

想想糞金龜也好，兀鷲也好，這些動物既不體面，食性又讓人退避三舍，卻是自然界中非常重要的角色。當我們努力發明藥物，期望能夠減少人類和身邊動物的病痛之時，似乎變得更光鮮亮麗的美好生活背後的陰影中，那些我們無意間造成的巨大傷害，卻總是這些動物默默承擔。

希望人類真的有能力，還來得及扭轉乾坤。

參考資料：

[1]【2015諾貝爾生醫獎特別報導】阿弗麥克素及青蒿素-對抗寄生蟲疾病的革命性治療法。高瞻平台[ 2015/10/26 ]

[2]Environmental impact of ivermectin excreted by cattle treated in autumn on dung fauna and degradation of faeces on pasture. Springer [04 July 2006]

[3]Low doses of ivermectin cause sensory and locomotor disorders in dung beetles. Nature[03 March 2015]

[4]Decline in dung beetle populations due to use of preventative medicine for livestock. Science daily[November 6, 2015]

[5]Diclofenac residues as the cause of vulture population decline in Pakistan. Nature[28 January 2004]

延伸閱讀：

• 高瞻平台諾貝爾生理醫學獎特別報導一
• 高瞻平台諾貝爾生理醫學獎特別報導二
• 高瞻平台諾貝爾生理醫學獎特別報導三

雄糞金龜一天的作息大概是這樣：飛到一堆排泄物上，將一部分堆成一顆大球，之後儘快推離現場。但有一些在晚上工作的糞金龜，理當是要擁有類似指南針的裝置來防止牠原地打轉。刊登於《Current Biology》期刊的新研究發現，昆蟲會使用星光來指引方向。鳥類、海豹及人類同樣也會使用星光作為導航，但這是首度在昆蟲上被發現。

滾糞球對糞金龜的意義，在於要得到雌性的青睞，來做為牠未來的配偶。雌糞金龜會在糞球中產卵並把埋在地底下一公尺深的網狀地道中，並在小糞金龜出生的時候作為牠們的營養來源。

但想成為一隻成功的糞金龜，必須要滾得又快又直。競爭中的對手會互相搶奪糞球，並將滾太慢的雄蟲的糞球據為己有。這種競爭經常在排泄物的附近發生，因此想要抱得美人歸，還得要學著如何又快又直地滾離戰場。

能夠發現糞金龜利用星光，瑞典隆德大學的動物學家Eric Warrant表示「完全是一場意外」。他的實驗小組在研究甲蟲如何使用月亮偏振光（polarized light）的規律性來辨識方向及道路，當他們遇到了沒有月亮高掛的夜晚時，甲蟲仍能保持在直線的軌道上。「甚至在沒有月亮的晚上，只有星光，它們便能夠導航」Warrant說，「我們都被嚇壞了！」

為了深入了解，Warrant及他的團隊設計了一個圓形的容器，裡面鋪沙子，並測量糞金龜從中心點滾糞球到邊邊的時間，同時拍攝他們的運動軌跡。同一實驗分別在室外的夜空下，及研究者可以模擬星空的天文館中進行，來探討糞金龜是參考哪部分的星空。

他們發現，在月亮或星光等自然光下，糞金龜能快速地直行目的地。他們同樣在天文館中模擬了相同的夜空以及只投射銀河的夜空。在「陰天」的情況下，當牠們的眼部被膠帶蓋住，或是只投射少量的星點於天文館時，它們就顯得較難以筆直的前進。

研究者得到了結論：在野外的環境下，糞金龜不只參考一顆顆的星點，而是看整個銀河的亮帶來當做指南針。Warrant表示在進行研究的南半球（南非）中，較容易看見銀河，「可能是銀河較容易被昆蟲看見吧，特別是這種視覺敏銳的昆蟲。」

普林斯頓大學的演化生物學家，同時也是昆蟲溝通及導航的專家James Gould表示，「糞金龜視覺比蜜蜂好1000倍，甚至擁有最厲害的日間視覺」。對糞金龜來說，銀河就像是夜空中一條明亮又模糊的亮帶，「它只要利用那個明顯的目標比較相對位置就行了。」

其他昆蟲也可能會依靠星光，Gould認為：「那些夜間活動的蜜蜂及蛾類，從來沒有人問過牠們能不能做這檔事。糞金龜提供我們一個往前探索的理由。」

資料來源：Dung Beetles Navigate by the Milky Way. ScienceNow [24 January 2013]