把小孩吞進胃裡的青蛙

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

狐狸的育幼行為

對於生物來說，離開親代的意義是什麼？

放手讓子代獨當一面的意義又是什麼？

肉食性動物的親子分離是很絕情的，下面要介紹的例子是狐狸。

狐狸是很重感情的動物。

童話故事中的狐狸總是給人狡猾的印象，不過實際上狐狸家族之間的情誼相當牢固。

狐狸採一夫一妻制，雄性也會參與育幼，由夫妻一起照顧小孩。

母狐狸會躲在挖得很深的巢穴中待產，雄狐狸則會勤奮地替在巢穴中的雌狐狸覓食。即便小孩出生了，雄狐也不能進洞裡。據說曾有人觀察到在巢穴附近坐立難安的雄狐，好像很想見見自己的小孩，讓人不覺莞爾。

狐狸媽媽生產完之後，雄狐狸要持續替牠送食物。

狐狸以老鼠或兔子為食，覓食對牠們而言並不容易。就算生活在食物豐富的里山環境（編按：里山指環繞村落的山林和草原，經人類適當耕耘，可提供動植物多樣性的棲地），也需要一平方公里的領地。若是在食物匱乏的地方，領地可能要五十平方公里。為了家人，狐狸爸爸必須在遼闊的領地間徘徊覓食。

況且老鼠與野兔相當敏捷，獵捕起來並不容易。狐狸需要高超的狩獵技巧。

牠們的基本狩獵方式是跳躍，畢竟以追捕的方式捉老鼠與野兔有一定難度，因此狐狸選擇靜悄悄靠近，再一口氣跳高，由上往下攻擊獵物。

牠們還有一種特殊的狩獵方式，稱作「誘捕」（charming）。鎖定獵物的狐狸會維持著一個不會讓獵物溜走的距離，然後狀似痛苦地不斷打滾，老鼠和兔子看到狐狸的模樣心生好奇，就會忘記要逃命。此時狐狸一邊劇烈扭動、一邊慢慢靠近，趁獵物不注意的時候偷襲。據說牠們還懂得裝死讓獵物放下戒心，這也是需要高超的演技。

在獵捕水鳥時，狐狸也懂得把水草或雜草纏在身上，透過偽裝的方式靠近獵物。這種狩獵方式需要高度的智能。進行高階的狩獵行為需要深度的學習。所以小狐狸出生三個月左右，親代就會把牠們帶到遠方，傳授生存需要知道的重要事項，包括如何狩獵。

讓小狐狸離巢的狐狸爸媽

等到教會孩子怎麼狩獵之後，狐狸爸爸就不再替小孩覓食了，透過這種方式督促小狐狸自立。乍聽之下很無情，但牠們並非放任小孩自生自滅。有時候狐狸親代似乎會事先把食物藏好，再讓小狐狸自己去找，表面看起來嚴厲，實則處處有愛。這種愛在心裡口難開的表現，實在很有父親的育幼風格。

然而進入夏天的尾聲，就是別離的時刻了。

小孩不能永遠待在父母身邊。進入離巢期，親代會開始驅趕子代。狐狸是很寵小孩的動物，養育小孩時也關愛有加。在小狐狸眼裡，媽媽和爸爸都無比慈祥和藹。小狐狸也很依賴父母。可是在離巢期的狐狸爸媽會突然翻臉就不認小孩了。

小狐狸會困惑地無法理解，像平常一樣回到父母身邊。但是親代不允許子代回來，選擇強力恐嚇並驅趕小孩，狐狸媽媽甚至還會開咬。

儘管如此，小狐狸還是想回來，不過每次都會遭到恐嚇與攻擊。最終小狐狸會死心離開父母家園。

這就是孩子的自立，也是親代放手讓小孩獨當一面的時機。狐狸親代就是為了這一刻才不斷教導子代各種生存策略，最終子代也會擁有自己的領地並為人父母。

這一切都是為了讓小孩學會獨立自強。這就是狐狸的育幼方式。

——本文摘自《生物轉大人的種種不可思議：每一種生命的成長都有理由，都值得我們學習》，2023 年 8 月，商周出版，未經同意請勿轉載。

人類對螞蟻可謂無比熟悉，許多人還不識字就認識螞蟻了；相關的科學研究也十分豐富，產出如威爾森（E. O. Wilson）這類科學大師。2022 年底問世的一篇論文，卻出乎意料地報告一條普遍存在，此前卻一直受到忽視的現象：

螞蟻的蛹會分泌液體，作為成蟲與幼蟲的營養液。

螞蟻社會的內循環營養液

螞蟻是完全變態的昆蟲，有卵、幼蟲、蛹、成蟲 4 個階段。眾所皆知螞蟻是社會性昆蟲，整個蟻巢運轉精密，但是蛹有好幾天固定不動，除了佔空間以外，在蟻巢裡好像沒什麼存在感。

這項研究主要的對象是畢氏粗角蟻 (Ooceraea biroi) ，近年成為探索螞蟻奧秘的主力。照論文的寫法，一開始目的很單純，就是把蛹從蟻巢中移出，看看孤獨對螞蟻有什麼影響。

被移出巢穴的蛹，羽化成蟲的比例有 90% ；即使周圍沒有同儕，絕大部分的蛹似乎也能成功轉大蟲。然而過程沒這麼簡單。

蛹在成功羽化的前幾天會黑化，論文觀察到當蛹開始黑化不久，也就是羽化的 6 天之前，每天都會分泌出液體。留著液體會害蛹被自己淹死，人為將液體移除，蛹才能順利羽化。

如果是在原本的蟻巢中，蛹排放的液體還來不及把自己淹死，就會慘遭黴菌入侵感染而亡。所幸慘劇實際上不會發生，因為成年螞蟻會將液體去除。

將藍色染劑注入蛹，一天後觀察到成蟻的消化道都出現藍染，可見蛹產生的液體，都隨即轉移進入前輩同儕的肚子。分析蛹產生的液體，得知營養十分豐富。

完全變態的昆蟲，從幼蟲到成蟲的過程中經過蛹的階段，將幼年的身體砍掉重練。螞蟻蛹分泌的液體顯然來自蛹期分解的身體，可謂原汁原味的液化螞蟻。這些容易吸收的成分，在巢穴中直接轉移給同類，毫不浪費。

這些幼體原汁原味形成的液體營養豐富，其他會化蛹的昆蟲也會產生類似的產物，為什麼不會把自己淹死，或是被黴菌感染？應該是由於那些昆蟲會將其回收利用，轉化為成年身體的建材。社會性生活的螞蟻卻是直接排放出去，變成其他個體的食物。

同時餵養更老與更小的同儕

成年螞蟻以外，蛹產生的液體也是寶寶的營養補充液。螞蟻幼蟲移動能力有限，成年螞蟻會將寶寶放到蛹的旁邊，方便它們液來伸口。沒有液體也能正常長大，不過有得吃的幼體，生長速度更快、存活率更高。

近來在台灣出名的紅火蟻（Solenopsis invicta）雖然兇狠，卻也是畢氏粗角蟻的菜單美食之一。有個實驗是給予紅火蟻和蛹，讓成年蟻選擇，結果大部份都優先將寶寶放在蛹旁邊，可見它們認為蛹提供的善液，是更佳的育幼食品。

換句話說，螞蟻在幼年階段到成年之間的蛹，同時支持更老與更小的同儕。

奧妙還不僅如此，和一般印象不同，畢氏粗角蟻沒有特定蟻后，也缺乏男生，所有成員皆為工蟻，再透過孤雌生殖進入生殖時期。

• 延伸閱讀：蟻生online上線：如何決定成為要生寶寶或是做工的螞蟻？

奇妙的是，蟻巢中處於不同階段的螞蟻，時程非常協調。當卵孵化出寶寶的一天後，蛹也開始分泌液體。也就是說寶寶從出生以後，馬上就能獲得營養補充液，概念實在很像哺乳動物的哺乳。

畢氏粗角蟻只是一種螞蟻，論文還調查螞蟻分類上其他 4 大群的成員，發現各種螞蟻的蛹都會分泌液體，而且內容物極為相似。由此推敲，這是螞蟻大家族的普遍現象，可能在眾蟻尚未分家之前已經存在。

螞蟻巢穴的內部循環如此協調，充分反映出社會性昆蟲的優點，但是同為社會性昆蟲的蜜蜂沒有。這應該是螞蟻演化為社會性的重要一步，卻不是其他社會性昆蟲的特徵。

想來也很奇妙。人們對螞蟻很熟，研究螞蟻、養螞蟻的人一大堆，可是這回報告的現象儘管普遍，卻只是首度被明確指出。我猜以前應該有人發現這件事，只是沒有深入鑽研。

等待探討的問題，無所不在，只要有心。

延伸閱讀

• 如何用CRISPR 技術，揭開螞蟻複雜社會行為之謎？——《科學月刊》
• 台灣紅火蟻防治司令部——王忠信與他的千軍萬「螞」
• 對抗紅火蟻新兵法：破解關鍵基因，讓工蟻對蟻后下剋上？

參考資料

1. Snir, O., Alwaseem, H., Heissel, S., Sharma, A., Valdés-Rodríguez, S., Carroll, T. S., … & Kronauer, D. J. (2022). The pupal moulting fluid has evolved social functions in ants. Nature, 1-7.
2. A fluid role in ant society as adults give larvae ‘milk’ from pupae
3. Anatomy of a superorganism: Ant pupae secrete fluid as ‘milk’ to nurture young larvae
4. Pupating ants make milk — and scientists only just noticed

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。

R. silus 蛙媽媽嘴裡帶著一隻小蛙. 影像來源: Arkive.

全世界的兩生類裡面，大概就是澳洲的 Rheobatrachus 這一屬青蛙養小孩的招數最奇特。這屬青蛙一共只有兩種，分別是住昆士蘭北邊的 R. vitellinus 和住昆士蘭南邊的 R. silus。它們住在雨林和硬葉森林的溪流裡。交配後母蛙會把受精的卵吞進胃裡，讓小蛙在胃裡長大。蛙卵很大顆，裡面灌滿卵黃，有充足的養份讓它們在媽媽肚子裡長大。

這段時間裡想必媽媽是得餓肚子的。不過過去研究裡發現母蛙胃裡的蝌蚪數大概只有產卵數的一半，不知道是媽媽只選一半的小孩吞下肚來保護，或者是有半數的受精卵預計就是要犠牲來做為讓媽媽活下去的養份。 胃裡的受精卵孵出來變成蝌蚪，把胃撐大佔掉身體裡大部份空間，最後甚至讓母蛙的肺都沒地方撐開，害母蛙只能靠皮膚呼吸。蛙媽媽好辛苦，要一直支持到小蛙一隻隻嘴裡離開才算完成使命。

到底在胃裡從卵到蝌蚪到小蛙的這段過程發生了什麼事，科學家已經沒有機會再做深入研究了，根據 IUCN Red List 的記錄，這個屬的兩種青蛙  R. vitellinus 和  R. silus 都在 2002 年絶種消失。這個世界再也沒有能在胃裡養小孩的青蛙了。

而就在幾天前，多家科學新聞網站都報導了關於這種青蛙的新聞，澳洲新南威爾斯大學的研究團隊進行的「拉撒路復活計畫」(Lazarus Project)有了重大突破。這個計畫的目的是想要讓 R. silus 復活。關於這個計畫，我在新南威爾斯大學的網站上沒發現官方網頁，只找到公關稿，所以更進一步的細節資料要等研究論文發表了才能得到了。

根據校方發佈的消息，這個研究團隊從冷凍庫找出一九七零年代冷凍下來的成蛙標本，從組織裡取得細胞核，然後再找一種相近種類的青蛙，借它的受精卵，去掉細胞核後種入 R. silus 的細胞核。結果這個細胞居然成功開始複製，還一路長到胚胎早期才死。沒能成功養出絶種青蛙其實不意外，太難了。 可是至少這次能從冷凍成體細胞前進到完成早期胚胎發育，已經是重要的進展。 這個結果當然給了生物學家很大的想像空間，因為絶種的生物可能有機會再次出現在眼前，甚至可以開始幻想讓劍齒虎猛瑪象都排隊試試看。我們需要擔心這樣下去會創造出變種人嗎？我猜現在技術上的困難還很多，應該不用現在就開始傷腦筋吧。

我真的很想看看小蛙怎麼從母蛙嘴裡蹦出來，可惜在網上找到的影片都沒有拍到這個闗鍵時刻。不過倒是找到 Darwin’s frog (Rhinoderma darwinii) 的影片，可以跟大家分享。這種青蛙在產卵後，爸爸會把受精卵放進嘴裡，正確點說應該是放進鳴囊裡養大。影片裡可以看到一隻隻小蛙被爸爸「嘔吐」出來，也是一絶。

參考資料

• Dan Nosowitz. Scientists resurrect bonkers extinct frog that gives birth through its mouth. PopSci, 03/15/2013.
• Gastric-brooding frog. Wikipedia.
• Darwin’s frog. Wikipedia.