表現多種抗蟲毒素的轉殖作物就可以萬無一失嗎？

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

目前全世界的農田，因為病蟲害而損失 10% 至 15% 的農作物。

氣候和農業害蟲

昆蟲的生理機能對溫度的改變敏感，溫度上升 10°C 會使其新陳代謝率加倍，溫度突然上升會加速昆蟲的食物消耗、成長和移動。

最近一份《科學雜誌》（Science）的研究，證實溫度提高 2°C 可能使大量農作物遭到昆蟲啃食，在歐洲和北美洲，小麥和高粱的蛋白質成分顯著下降，西歐則是有近 75% 的小麥作物遭到蟲害。

溫度上升會改變害蟲的整體數量，結果造成：

• 世代更替的頻率增加。
• 地理區域擴大。
• 昆蟲散播的植物病。
• 更可能捱過冬天。
• 昆蟲和其掠食者不再同步。
• 植物的成長和昆蟲不同步。

氣候與農業疾病

真菌影響糧食作物， 而且通常在 20-30° C 時成長旺盛，氣候變遷使全球溫度上升，沿赤道區也將會發生真菌疾病的改變。

愛爾蘭馬鈴薯歉收是真菌疾病造成，被稱為「立枯病」，進而傳染當地的農作物。這些疾病在遠離赤道的地區極可能再度出現，影響地區的糧食安全。

20 億人的缺糧危機

地球上有超過 20 億人受到缺糧的威脅，或是缺乏安全營養的食物，大氣中二氧化碳濃度升高使溫度升高、洪水氾濫以及陸地和土壤劣化，於是農作物產出的營養價值和品質以及家畜的生產力下降。

策略與國際研究中心（The Center for Strategic & International Studies, CSIS）表示，溫度中數每上升攝氏 1 度，和農作物產出下降 10% 之間有關連性，熱浪可能造成農作物的全面歉收，至於土地管理不良、森林砍伐以及牲畜過度放牧而破壞草地，則加重了氣候相關的影響，也增加糧食系統的整體威脅。

食物匱乏將持續惡化，導致更多饑荒和營養不良，此外農作物和家畜大規模遠離養分耗盡或無法使用的土壤也將更為常見。

陸地和土壤劣化的問題

陸地和土壤失去支持生命的物理性、化學性或生物特質，稱為劣化。相較工業革命和大規模農耕之前的狀態，如今地球上超過 75% 的土地養分殆盡，科學家預期 2050 年以前， 可能到達 90%。

世界各地，每年有相當半個歐盟（418 萬平方公尺）的土地變得較不具生產力與耐受力，而以非洲和亞洲受創最重。

岩石和土壤崩解後，被風和雨沖刷侵蝕而使陸地劣化，這個過程是自然發生的，但極端天氣事件使它更加嚴重。

隨著海岸地區的海平面上升， 鄰近一帶的陸地被海水淹沒，剩下的陸地會因為鹽分和汙染物增加而變得不堪使用。

土壤劣化也透過以下發生：

• 農業活動
• 動物吃草
• 森林砍伐
• 都市化程度升高

如今，32 億人經歷某種程度陸地劣化的效應，導致糧食供應減少，且往往伴隨遷徙的增加。

土壤的重要性

在我們腳下的棕色塵土，裡頭至少包含所有全球生物多樣性的四分之一，而且對提供乾淨的水是不可或缺，1 茶匙裡的土壤有數十億微生物，據估計，土壤中所含的碳，比大氣多了 3 倍。

95% 的全球食物供應仰賴土壤，來養活大部分的生物。氣候暖化達 2°C 將使土壤中超過 2,300 億公噸的二氧化碳外洩，可能使地球突然陷入不可逆的氣候變遷中。

其他面臨的問題

每一分鐘有大約 30 座足球場的土壤，因為以下原因而侵蝕或退化：

• 農業化學物質
• 森林砍伐
• 過度放牧

殺蟲劑的使用

二次世界大戰後，大型的化學公司鎖定食品業來擴充市場，在接下來的 50 年間，美國的殺蟲劑使用量增加 10 倍，但農作物的損失近乎翻倍，殺蟲劑毒死微生物，而這些微生物為世界各地數億公畝土地帶來健康土壤，例如土壤中的蚯蚓被噴灑殺蟲劑後，只生長到正常重量的一半，生殖力也遠不及未被殺蟲劑噴灑的蚯蚓。

風力

陸上風力渦輪（onshore wind turbine）需要發電半年，來抵銷建設它所用掉的能源，但在此之後，在它使用年限 24 年間，生產出 100% 無碳的電力。

大規模太陽能

印度的巴德拉太陽能公園（Bhadla Solar Park）是全世界最大的太陽能農場（solar farm），創造出 2,245 百萬瓦（ＭＷ）的電，超過許多燒炭或核能電廠。它位在沙漠，太陽能板是由機器人清理，而這些機器人的運作不需要用到水。

主要農作物產量下降

根據聯合國農糧組織（United Nations Food and Agriculture Organization, FAO），2020 年有高達 8.11億人飽受飢餓之苦，約占全人類的 10%。

隨著全球的平均溫度上升，乾旱和洪水發生的頻率可能降低糧食供應，而更嚴重的天然災害和活躍的病蟲害也將進一步減少農作物產出，目前有針對氣候變遷對糧食產出做出整體預測，全球最重要的農作物玉米，預估將減少高達 24% 產量，第二重要的小麥，在升溫 1.5° C 的情況下減少 14%，在升溫 2° C 的情況下減少 37%，大豆的收成量在升溫 2° C 下則可能掉落 10-12%。

目前世界可以藉由向不受影響的地區採購，來因應特定地域的乾旱或農作物歉收，美國、巴西、阿根廷和烏克蘭這 4 個最大的玉米出口國，占了出口的 87%，過去這些國家因為地理位置相距遙遠，不會同時出現農作物歉收的情形，如今這些地區的產出，會在升溫 2° C 下減少 8 至 18%，在升溫 4° C 下，下降 19 至 47%。在升溫 2° C 下，4 大農作區同時歉收的風險是 7%，溫度上升到 4° C 時，風險飆高到 86%。

我們的人是在追求「富足」而不是「永續」，

對我而言，「永續」意謂維持國家資源在得以維生的線上，

直到這些資源最終消失，或工業已經受夠而離開。

追求「富足」是確保你的孫子不需要像你那麼努力工作，

確保當我們把這園子留給他們時，他們將擁有所需的一切。

⸺喬．馬丁（Joe Martin），獨木舟雕刻大師

一個起司漢堡的碳足跡，等於 9 個鷹嘴豆餅（falafei）加上口袋餅，或是 6 份炸魚和薯條（fish and chips）。

糧價也因此飆高

糧價由供需的改變決定，雖然需求大致穩定，但供給可能變動。旱災和水災降低農作物的生產力和農田的產出，威脅食物的供應而導致價格上升，行銷和包裝成本的改變也會。

貿易也是主要因素，英國有大約 40% 的食物（香蕉、茶、咖啡、奶油、羊肉等）要靠進口，大部分國家的食物供應也仰賴貿易，美國的食物來自加拿大、墨西哥等國家，船運的汽油和貨櫃成本也占糧食成本的一部分。

糧價高漲會因為氣候變遷而惡化，2021 年的平均糧食價格是近 50 年來最高，巴西的乾旱、洪水和霜害，使咖啡價格上漲 30%，消費者只能眼巴巴看著咖啡的價格節節高升。

俄羅斯、美國和加拿大⸺杜蘭小麥最大供應國⸺的乾旱，導致杜蘭小麥減產，麵包和麵條漲價已經讓消費者有感，以番茄為主的蔬果價格，也因為佛羅里達和加州氣候變遷問題而節節高升。

世界曾經目睹幾次糧價飆高，1973 年，全球石油危機和乾旱造成糧價上漲，2008 年，石油價格上漲、澳洲乾旱以及美國決定種玉米來生產燃料而不是食用用途，因此推高動物飼料的價格而導致糧食價格膨脹，2021 年，糧價飆高的情形類似 1973 年，只是這次極端天氣扮演較顯著的角色。

糧價上漲影響各種收入的人，只是方式不同。糧價直接威脅低收入戶的糧食供應導致飢荒，至於較高收入家庭，則是較不健康的飲食和肥胖增加。

到 2030 年以前，10 種主要農作物當中，9 種的生長速度將遲緩或開始放緩。至少部分來自氣候變遷，平均價格將看到顯著上升。

——本文摘自《圖解全球碳年鑑：一本揭露所有關於碳的真相，並即時改變之書》，2022 年 9 月，商業周刊，未經同意請勿轉載。

莊汶博／臺灣大學農藝系助理教授

今 (2019) 年全臺最火紅的昆蟲議題，絕對非秋行軍蟲 (fall armyworm, FAW) 莫屬了！這個近期飄洋過海來臺灣的外來種，為何會重要到被全民「通緝」？牠的出現，又會對本土農業實務與管理帶來什麼巨大的挑戰？

蟲蟲危機哪裡來？

秋行軍蟲，又名草地貪夜蛾 (Spodoptera frugiperda) ，原分布於美洲大陸，於 2016 年突然入侵非洲奈及利亞，且 2 年內在非洲造成重大的經濟危害，隨後於 2018 年入侵印度。此外，秋行軍蟲除了今年 1 月在中國雲南現身，臺灣苗栗的飛牛牧場也於今年 6 月初發現第一例入侵案件，不到一個月，經全民通報與形態確認後發現破百個案例，現今連日本鹿兒島都能發現秋行軍蟲的蹤跡。

秋行軍蟲的名聲之所以這麼響亮，是因為其幼蟲的寄主範圍廣且主要危害玉米、水稻及十字花科等農藝園藝主要作物，且植物受損的狀況相對其他害蟲來說嚴重許多，這隻蟲幼蟲的危害程度之大，令人感到驚訝。

以玉米為例，在玉米上看到的危害大都會發生在玉米輪生期，秋行軍蟲的幼蟲偏好輪生期的未展開葉，並可從未展開葉一路往下吃到植物頂端的分生組織，造成玉米的產量損失。也因為如此，田間通常可透過玉米危害狀及昆蟲糞便量的觀察，來判斷秋行軍蟲危害的可能性。

為何秋行軍蟲喜好這部份的葉片？首先，輪生期未展開葉的木質素尚未建構完成，因此幼蟲攝食這部份的葉片比較容易消化且可相對得到較多的營養；而輪生期未展開葉的濕度夠，幼蟲躲在這裡比較不會因為溫度太高或是太陽直射造成水分喪失；最後，幼蟲躲在輪生期的未展開葉裡，可以躲避天敵的攻擊。

什麼！原來秋行軍蟲還有分種類喔！

在美洲，秋行軍蟲大多都出現在玉米田，然而該蟲有少部分族群在水稻及小型禾本科植物被發現，進而得知秋行軍蟲有 2 個品系，分別為玉米品系 (corn strain) 及水稻品系 (rice strain) 。

令人頭痛地，這兩品系無法利用外型來區分，目前可辨別的方法，主要是針對品系間的遺傳差異，以分子鑑定來做區分。此外，這兩品系的取食行為及成蟲交尾時間也明顯不同。

然而，現今臺灣的通報案例雖皆在玉米田區發現，但分子鑑定的結果大多為水稻品系，僅有苗栗縣飛牛牧場鑑定結果為玉米品系，相當不尋常。不過，其實品系的不同，並不代表在玉米上取食的一定是玉米品系，反之亦然，牠們只是對寄主植物的喜好程度不同而已。

尤其這一波隨著西南氣流飛往臺灣的秋行軍蟲族群，可能為非洲或是亞洲入侵的少數特殊族群，已經無法利用原本美洲族群的相關研究來判斷其行為。

我們與秋行軍蟲的距離

根據研究，利用分子鑑定發現，在非洲危害玉米的秋行軍蟲大多為水稻品系，這表示在非洲的族群對於寄主植物的偏好性已經跟在美洲族群不太一樣。這些灘頭堡的族群可能已改變其取食行為，因此臺灣的相關研究學者需了解這些族群的特性，例如取食行為等。

現階段，大多數的研究都支持遷飛族群主要的寄主植物為玉米，在臺灣也是發現一樣的危害狀況。然而，需要思考的是，倘若當玉米採收後，在田間無玉米植株的狀況下，秋行軍蟲雌蛾會在哪些植物上產卵、替代植物或作物可能會受到哪些危害。

由於秋行軍蟲入侵非洲的時間為 2016 年，也代表著在短短 3 年內，已從非洲入侵到亞洲甚至東北亞，變成全球化的入侵物種，速度超乎眾人想像，也使得聯合國糧農組織 (Food and Agriculture Organization, FAO) 將此蟲列為全球預警的重要農業害蟲。

接下來，秋行軍蟲是否可以在入侵地區繁衍下一代，便成了重要的議題。在臺灣，已知該蟲的遷飛族群成功在此產出下一代的卵，也知道該子代已成功利用寄主植物（玉米）成長並化蛹，更有田間證據表示該族群已成功羽化成蛾。這些新羽化的族群是否能在臺灣建立起族群，為現在學者及政府單位觀察的重點。

此外，倘若秋行軍蟲能在臺灣立足，它的長距離遷徙行為是否會造成在監測管理上的困難？倘若無法立足，在中國的族群是否會如同在北美的遷飛方式（每年從南方遷飛至北方）隨著西南氣流飛抵臺灣？若真如此，臺灣政府部門可能要有相關的配套措施。

現代問題需要現代手段，秋行軍蟲也需要防治手段

殷鑑入侵臺灣的秋行軍蟲為水稻品系，而水稻為臺灣最大的種植面積作物，其是否會受到秋行軍蟲的危害，格外受到重視。

目前為止，臺灣還尚未在水稻上發現秋行軍蟲，筆者也詢問過國際水稻研究院的昆蟲專家相關問題，得到的回應是目前他們也在仔細觀察全世界的水稻是否會受影響，但目前為止並沒有發現這樣的現象。

農業界對於秋行軍蟲的危害有 2 種不同的看法。一方專家認為，秋行軍蟲跟一般廣食性害蟲一樣，可利用現今的害蟲防治管理。

另一方專家則認為，由於秋行軍蟲的寄主植物範圍遠大於現今在臺灣危害的害蟲，再加上其為新興入侵害蟲且有報導指出，秋行軍蟲對部份農藥具有抗藥性，故對於秋行軍蟲的入侵，需有比較謹慎並積極的管理策略。

筆者認為，秋行軍蟲是否可能在臺灣立足尚待觀察，然而對於這種新興入侵昆蟲的可能危害，需要比較謹慎地看待，理由有幾點如下：

第一，輪作制度的優點之一，便是利用種植不同類的作物使田間病蟲的危害無法延續下去；倘若秋行軍蟲能在臺灣立足且其寄主範圍仍跟美洲族群相似，那臺灣現今的輪作制度將受到挑戰。第二，雖然臺灣現今有休耕補助，然而，雜草或綠肥作物可能也會成為秋行軍蟲的寄主植物，故休耕政策可能也需要有討論的必要。

最後，則是有機農業及學校單位食農場域的管理方式──秋行軍蟲在臺灣是否會有天敵尚未了解，但筆者相信一些寄主範圍較廣的天敵昆蟲應該有機會作為防治的方法。

不過，這些天敵及現階段的生物防治資材，如蘇力菌、黑殭菌等，是否能有效管理秋行軍蟲的危害，仍有待觀察。

未雨綢繆總是好，秋行軍蟲別再跑

以上所提出的問題不盡然皆會發生，將有待政府相關單位及大專院校相關老師去做進一步的探討及研究。根據臺灣的防檢疫能力及田間管理能力，筆者相信，秋行軍蟲的危害可能不會像非洲或其他亞洲鄰國這樣的嚴重，然而仍需針對秋行軍蟲有一套害物整合管理 (Integrated Pest Management, IPM) 策略來因應其可能造成的危害。

本文摘自《科學月刊 08 月號/2019 第 596 期：仿物種智慧》，科學月刊社出版。