泰瑞的顏色是真的！？——鴨嘴獸的生物螢光

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

有時經過河邊或是水溝，仔細靜下來，就能聽見一陣一陣的蛙鳴聲。可是，你知道有些青蛙，是無法用蛙鳴進行溝通的嗎？

通體橘黃，南瓜一樣的小青蛙

世界上的蛙類百百種，有不斷想要侵略藍星的、也有每天都一直跑出門旅行的，不過，我們今天的主角是——鞍背短頭蟾 (Brachycephalus ephippium)。

鞍背短頭蟾分布在巴西東南部的山地沿海森林，是一種小型青蛙，具體一點來說，牠真的超級小，成體只有 12.5 到 19.7 毫米，跟我們的手指甲差不多大而已。

而牠的俗名則是「Pumpkin toadlets」（直翻就是南瓜蟾蜍），顧名思義，牠的體色跟南瓜一樣，全身都是橘黃的喔！而且虹膜也是黑色的，看起來就像裝了一對假的圓滾滾黑色大眼睛，很可愛的樣子。

大家都知道狐狸怎麼叫，那青蛙呢？

大部分的蛙類高度仰賴聲音來進行溝通，有些蛙類在不同的狀況下，還會發出不一樣的叫聲。比如說，當雄蛙或其他種蛙類嘗試找對象進行假交配，卻不小心抱錯蛙時，被抱錯的蛙會發出釋放叫聲 (Release call)，而當牠們被敵人抓住時，則會緊急發出求救叫聲 (Distress call)。順帶一提，去網路上搜尋「screaming frog」就能找到大量的青蛙求救叫聲影片合輯，一開始看覺得滿好笑的，不過後來知道那是求救叫聲後，就越看越難過了。

不過今天主要要說的是求偶叫聲 (mating call)。有些青蛙在求偶時會發出特定頻率的叫聲，且蛙類能聽到的聲音頻率範圍很窄，對同種類叫聲頻率特別敏感，尤其雌性常利用叫聲來確定雄性的位置，並選擇適當的交配對象。

那青蛙是怎麼聽到聲音的呢？鼓膜就像是蛙類的耳朵，而鼓膜內面連著耳柱骨 (columella)，耳柱骨是兩爬類與鳥類的聽小骨，能將聲音傳入內耳的感覺細胞，再刺激大腦產生聽覺。

聽不見彼此，蟾蜍的愛情也可以很安靜

令人震驚的是，根據一篇 2017 年的解剖結果顯示，鞍背短頭蟾和另一種同一屬的青蛙並沒有中耳骨可以將聲波傳進內耳。所以其實鞍背短頭蟾對同種之間的求偶叫聲非常不靈敏，甚至接近聽不見！

這就奇怪了，既然聽不見，那為甚麼南瓜蟾蜍還要白做工，繼續發出求偶叫聲呢？

聽不見彼此聲音的鞍背短頭蟾，只好轉而仰賴視覺來溝通了。因此，研究團隊推斷，發出求偶叫聲這個行為，之所以沒有隨著演化消失的原因，可能是由於發出叫聲時，蟾蜍的鳴囊也會跟著震動，異性就可以藉由看見鳴囊的震動來判斷「噢！原來牠正在求偶。」

另一方面，南瓜蟾蜍求偶的季節正是沿海森林的雨季！這下子，牠們真的只能聽見下雨的聲音，還用唇語（鳴囊語？）說愛情了呢XD

你可能會想，在一整座下雨的森林中，單單只靠鳴囊震動，是絕對不夠讓南瓜蟾蜍在茫茫落葉海中，找到彼此的身影的！許多科學家及生物學家在發現牠們聽不見彼此的求偶叫聲後，也是這樣想的：「究竟他們是靠甚麼來溝通的呢？」

直到研究團隊用紫外線照了鞍背短頭蟾，一切的謎終於被解開了：發光的骨頭。

深埋在骨頭裡的光芒

骨頭、發光……聽起來好像是有那麼一點，中二？

不過這可是大發現！研究團隊發現，鞍背短頭蟾的頭部、背部、關節處、手指和腳趾在紫外線的照射下，都發出了螢光！大部分生物發光的原因都是由於化學變化，不過，南瓜蟾蜍骨頭發光的原理可不一樣，是因為骨頭的分子能將光反射，且反射光的波長更長。

同時，鞍背短頭蟾的皮膚也非常非常薄，成體的皮膚厚度大約只有 7 微米而已！如此薄的皮膚，才能讓骨頭的螢光順利透出來。

至於另一種我們常常想到的「發光生物」──螢火蟲，牠們的發光原理，就是典型的化學反應喔！螢火蟲的發光原理和發光蕈類大同小異，泛科學也有介紹過喔！

發光的骨頭除了能求偶，還能做什麼啊？

關於鞍背短頭蟾的發光現象，還有一點很有趣，那就是年紀比較小的蛙發出來的螢光是偏藍色的，隨著年齡增長與皮膚增厚，螢光會漸漸變黃。研究團隊推斷，發出不同顏色螢光的原因，可能就是骨頭的膠原蛋白含量不同。（作者 OS：搞不好能透過螢光就能看出南瓜蟾蜍的年紀呢！）

另一方面，發光的骨頭不只有求偶作用。

對一些鞍背短頭蟾的掠食者（鳥類和蜘蛛）來說，紫外線都是可見光，意思就是南瓜蟾蜍平常骨頭的螢光，能對掠食者造成警示的效果喔！

原來，蛙兒們就算聽不見彼此的聲音，也能靠著發光找到對方，聽起來是不是有點浪漫呢？

參考資料

1. The National – Abu Dhabi researchers discover toad’s ability to glow in the dark

2. Amphibia Web – Brachycephalus ephippium

3. 維基百科 – Pumpkin toadlet

4. 楊懿如的青蛙學堂 – 鳴叫

5. Types of frog calls

6. 維基百科 – 耳柱骨

8. Scientific Reports – Evidence of auditory insensitivity to vocalization frequencies in two frogs
9. Science News – Tiny pumpkin toadlets have glowing bony plates on their backs

乳汁，一種專門演化出來給我們吃的食物

我們可以確實說，乳汁是唯一一種專門演化出來給我們吃的食物。我們把這個演化的禮物和其他生物共享，製成了起司。製造起司時，乳汁中的一小部分能量給了那些生物，它們慷慨回報無窮的好味道。乳腺，以及有時從乳腺分泌而出的乳汁，對哺乳類所有新生兒的生存都無比重要，真不知道哺乳類的祖先在還沒有乳汁時是怎樣活下去的。我們對於任何適應，都可以提這個問題。

達爾文在《物種原始》中堅稱，天擇造成的演化是一種漸進的過程，大自然不會突然跳一大步，而是踩著小碎步，經過長久的時間，才造成顯著的變化。他認為漸變論是天擇演化的基礎，讓這個理論能夠接受測試，並且寫道：

「如果有任何複雜的器官不是經由許多複雜、連續且細微的改變而造就的，那麼我的理論就完全失敗了。」

生物學家米瓦特（St. George Mivart）一直抓著這個句子攻擊達爾文的理論（他的名字是聖喬治，和傳說中的屠龍英雄一模一樣，或許因為這樣，覺得自己要有一樣的精神），指出古老祖先最早的乳腺應該還沒有發育完全，對於新生小動物來說根本沒有絲毫用處。他說：

「有某個動物年幼的時候能夠活下來，是因為偶然間吸取了母親皮膚上偶然出現的腫大腺體所分泌的一滴液體，其中的營養成分還少得可憐，這種說法可信嗎？」

好一個有著既定觀點的問題。

從汗腺演化而來的乳腺，比哺乳類更早出現

米瓦特年輕的時候支持達爾文的理論，但是在成為演化學家的過程中，由於本身在宗教上的信仰，他抗拒天擇的普遍性，也反對完全不含有上帝設計或指導的這個演化理論。

一八七二年，達爾文在進行《物種原始》第六版（也是最後一版）的修改工作時，發現需要撰寫一章全新的內容，才能夠回答米瓦特的各種批評。

在這一章中，達爾文寫道：「所有哺乳類動物皆具備乳腺，其存在無庸置疑，且必在遙遠古時便已出現……」達爾文繼續說道，米瓦特質疑原始的乳腺對於後代的用處，這個問題其實並不恰當，因為當時已經知道，鴨嘴獸有類似的器官，年幼的鴨嘴獸會直接從母獸皮膚上的腺體吸取乳汁，皮膚上並沒有乳頭，鴨嘴獸幼兒不太可能出現米瓦特所說的那種問題。

鴨嘴獸是卵生的哺乳動物，這類動物稱為「單孔類」，人們認為牠們類似早期的哺乳動物。只有澳洲才有野生的鴨嘴獸，牠們在夜間活動，白天躲在地道深處。在一八七二年的時候，鴨嘴獸能夠生蛋這件事情，還只是沒有經過確認的謠言。

如果當時達爾文就知道鴨嘴獸除了有原始的乳腺之外，還會生蛋，那麼他應該可以更用力強調這種動物是演化史上的孑遺生物，是哺乳動物產卵的祖先和後來具備完整乳頭的哺乳動物之間的過渡期。

就和達爾文當年的推測一樣，製造乳汁的腺體在結構上類似於皮膚上的汗腺，乳腺幾乎可以確定是由汗腺演化而來、具有特殊功能的腺體。他也正確推論出泌乳的古老起源。

現在的遺傳學與生物化學證據指出，最早的哺乳動物大約在二億年前出現。包括鴨嘴獸在內，會分泌乳汁的動物全部具備了一群相同的基因，製造出基本成分相同的乳汁，這便是證據。所有的哺乳動物都得起源於一個共同祖先，這個祖先當時便有了完整的泌乳機制，才會出現後來這樣的狀況。

由於泌乳機制本身很複雜，需要時間才能演化出來，因此起源的時間必定早於二億年前。這聽起來很矛盾，但是蛋比飛鳥更早出現，乳腺和乳汁也比哺乳動物更早出現。

乳糖的優勢：避免細菌及酵母菌感染乳腺

乳汁是一種特殊的液體，有兩種相輔相成的功能：

提供營養，以及提供保護。

營養來自於乳汁中的蛋白質、脂肪、糖類（乳糖）、鈣質與其他礦物質。保護來自於乳汁中的抗體，以及其他具備抗菌功能的酵素，這些成分在初乳中特別豐富。初乳是剛出生哺乳動物最早吸到的乳汁，其中也含有母親的免疫細胞。

乳汁中含有的碳水化合物，全都是罕見的糖類：乳糖，而不是所有細胞都能夠共通使用的葡萄糖。這種情況很少見，值得注意。哺乳動物為什麼要提供這種需要消化之後才能利用的碳水化合物給幼兒？如果乳汁中含有的是即刻便能利用的高能葡萄糖，對幼兒不是更好嗎？答案可能在於乳糖的獨特性質，具備了葡萄糖所缺乏的優勢。世界上到處都充滿想要大吃葡萄糖的細菌和酵母菌，只有幾種細菌能夠利用乳糖。

想想看細菌或酵母菌感染了乳腺之後，會對母親和幼兒造成什麼樣的災難？

釀酒者利用了酵母菌無法讓乳糖發酵的特性，在啤酒中加入乳糖以增加甜味，製造出來的啤酒稱為牛乳司陶特（milk stout）。如果加的是葡萄糖或是蔗糖，酵母菌會把這些糖類轉換成酒精。

乳糖酵素與乳糖不耐症，都是對偶基因在作怪

如果要用特殊的糖類餵養幼兒，會產生一個問題：幼兒需要特殊的酵素分解乳糖，之後才能加以利用。哺乳類的幼兒能夠製造乳糖酶來解決這個問題。當幼兒長大斷奶之後，乳糖酶便愈來愈少，最後身體不再製造這種酵素，因為沒有需要了。成年動物吃的食物中沒有乳糖。所以，哺乳類在小時候把乳汁中的乳糖當作能量來源，成年後卻通常無法消化乳糖。

人類成年後往往也無法消化乳糖。

如果你有乳糖不耐的狀況，又吃了沒有經過發酵的新鮮乳汁，那麼可能會腹瀉、肚子疼，因為腸胃道的細菌會大吃這些乳糖，讓你的肚子漲氣。如果你能夠耐受乳糖，是因為你身上有一種對偶基因，讓你在成年後依然持續產生乳糖酶。這類突變的出現與散播，與個人的家族歷史有關。

摘錄自《與達爾文共進晚餐》，2018 年 10 月，天下文化出版