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熊貓瀕危是因為繁殖力差嗎?

科學松鼠會_96
・2013/12/05 ・3781字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 501 ・六年級

大熊貓應該不需要太多的介紹吧。
食肉目熊科,竹子為主食但別的也照吃,分佈於陝甘川一帶山區,因為棲息地的縮小和碎片化而歸入IUCN紅名冊的「瀕危」——

咦,等一下,平常都說大熊貓瀕危是因為它繁殖力不行嗎?難道牠不是連生養孩子都不會的活該絕滅「死胡同」嗎?

我們對「熊貓繁殖力差」的印象,幾乎肯定是來自以前動物園圈養的熊貓。在上個世紀的圈養環境下,這的確是事實,而且往往伴隨很多血淋淋的慘劇。

1936-1945年間有14隻大熊貓運出中國,倫敦動物園一地便獲得5隻,但無一例繁殖成功。1961年第一隻圈養環境下大熊貓在北京出生,但因為飼養員沒有經驗,溫度調節不當,數天後便死去。1972年美國獲贈的一對大熊貓「玲玲」和「興興」性成熟之後又花了五年才首次懷孕,隨後十年裡產下五隻幼體卻全部夭折。歷史上,熊貓圈養繁殖的「三難」讓不知多少飼養員費盡心血。

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但是,圈養繁殖力其實什麼問題也說明不了。

道金斯講過一個故事。一次會議上,一位學生抱怨說他養的石蠶無論如何都不肯繁殖,這時下面一個老師說:「你有沒有試過把它們的頭都擰掉?」

我們不知道這種石蠶是不是真的需要掉腦袋才能繁殖,但這的確是可能的—有多種螳螂和蜘蛛為例。這個故事的寓意是,很多動物我們暫時不知道它們野外如何生存,或者知道了也無法複製野外環境。這時不僅是繁殖,對它的一切行為、甚至是某些生理過程都要存疑。圈養研究自身當然有巨大的價值,但不能代替野外的行為觀察,這也正是我們不但需要動物園、也需要野生保護區的原因。

更何況,這些年來國內許多熊貓保護區在人工繁育上都有重大突破……

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05年臥龍保護區的一張合影。16只熊貓幼仔全部為當年出生。
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12年成都保護區的合影。可能是有幾隻太小了所以沒讓抱?

那麼大熊貓在野外的真實繁殖情況又如何呢?

不同的動物有不同的生存策略,要比較繁殖力的話不能跨界。熊貓的繁殖力顯然不如貓,但你怎麼不和大腸桿菌去比呢……因此最佳的比較對象應該是大熊貓的現存最近親—熊科的其他7個物種。(過去大熊貓曾經單立一科,但現在較多的意見是把它歸入熊科。)

我們先用數據說話:

一隻典型的雌性熊貓大約在6歲時生頭胎。我們不清楚野外熊貓平均每胎幾隻,但大多數情況下只有1隻出巢。這隻出巢的熊貓幼仔,成活率(能夠成功活到2歲左右,脫離對母親的依賴)大約是70%-90%。只有養大了當前的孩子,母親才會去懷下一胎,平均每2.2年繁殖一次。總歸來說,到20歲可以養大5-6隻後代。

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帶著幼仔的熊貓媽媽。

相比之下,一隻加拿大地區的棕熊,8歲生頭胎,平均每胎2隻,成活率60%,每4年繁殖一次,到了20歲也不過養大5隻後代。

當然加拿大對於棕熊來說並不是最好的環境,其它地方的棕熊繁殖力會略高一些。但現在這些殘破的棲息地也不是熊貓最好的環境。歷史上絕大部分熊貓化石是在當時500-700米的海拔出現的,而現在很大程度上因為人類的壓迫,熊貓已經退縮到海拔1500-3000米的區域了。

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現代大熊貓分佈圖。

無論如何,從數值來看,熊貓的繁殖力大概算不上「出色」,但和別的熊比起來並不落下風。既然大部分熊在野外過得都不錯,我們沒有理由認為大熊貓瀕危和它的繁殖力有關。

可惜用數據思考並非人類的長項,眼見耳聞的行為顯然更直觀。所以我們還是一一分析下大熊貓的行為特徵吧。

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大熊貓發情難、性冷淡?

在過去的圈養條件下,的確如此;但野外不一樣。要知道野生的大熊貓雄性平均有9.8平方公里的領地,雌性更是有23.7平方公里。熊貓平時獨居、不觸犯他人領地,但繁殖期的時候會聚到一起實行群婚制,幾隻雄性會相互競爭,雄性和雌性都可與多個異性交配,不論平日生活還是戀愛都相當自由。相比之下,圈養大熊貓大多只能生活在狹小的籠子裡,許多動物園更是因條件所限只能養一對,能不得抑鬱症就不錯了,還被催婚,這叫人家怎麼產生愛情。野外大熊貓成年後表現出繁殖行為的比例是100%,而到2000年為止圈養大熊貓只有26%,根本比不上。

大熊貓缺乏性教育和育兒教育?

圈養條件下那是當然。野生的熊貓幼仔8-9個月斷奶,但之後依然跟在母親身邊,到了1.5-2.5歲才基本自立(有的到了這時候還賴在母親身邊,雖然生活不依靠母親了)。相比之下,早期的圈養繁殖追求短平快[註],往往幼仔6個月就強行斷奶、拖出去分居,以免影響母親下一個發情期。這樣的幼仔能學到性教育才怪。

但這件事情背後有個更大的悲劇:圈養母親自己可能都沒有受到過性教育。

八十年代竹子開花時熊貓保育界一片恐慌,擔心熊貓自此絕種。(事實上熊貓吃掉的竹子生物量不過2%,而那一次竹子開花隻影響了20%-30%,熊貓依靠夾雜其間的未開花部分能夠生存。有影響,但沒有那麼嚴重。)於是我們本能地就想去大熊貓的棲息地裡「搶救」所謂的「老弱病殘」來圈養,而搶救回來的一半以上是未成年個體。

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這些未成年個體幾乎都是獨自待在巢穴裡或者樹上,我們想當然地以為是被母親遺棄的。但事實上熊貓經常把幼仔安置在安全的地方,自己出去覓食,遺留期通常在4-8小時不等,但有時甚至可以長達一兩天。那時我們對大熊貓的野外習性幾乎一無所知,哪裡會想到要等這麼長時間,遇到的都捉回來了。

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[臥龍保護區爬在樹上的熊貓幼仔。]

結果自然是這群圈養熊貓中很多個體連繁殖和育兒的知識底子都沒有。今天許多圈養熊貓的繁殖行為,某種意義上是飼養員摸索出來之後反過來教給熊貓的。

大熊貓幼仔發育不良、存活率低?

熊貓幼仔個頭是真的很小,但存活率低則是沒根據的說法。先前已經提到,熊貓野外存活率可以達到70%-90%,要知道今天的查德和阿富汗等國家,人類兒童存活率(5歲之前不夭折)也不過是80%;中世紀的歐洲這個數值更是只有可怕的50%。數據在此,所謂「熊貓媽媽不會養孩子」的說法也不攻自破。當然早期圈養下存活率是真低,不過圈養問題已經說得夠多了……

值得一提的是為什麼幼仔小?其實不止大熊貓,熊科所有物種的幼仔個頭都很小,出生時全都不能生活自理。這個現象的主流解釋是,熊科在懷孕期往往面臨食物匱乏。

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哺乳動物孕期依靠胎盤來提供營養。胎盤並不是讓母子的血液相混合,僅僅是二者的毛細血管接觸,因此形成了物質運輸的屏障。小分子的單糖可以基本自由出入,但是大分子的脂肪酸則幾乎不能通過。

如果是人類的孕婦,沒有問題。現代人的主食本來就是澱粉類物質。平常情況下的熊是雜食的,也可以應付。但是熊的孕期正值冬天,沒有多少食物,主要靠體內儲備的脂肪酸氧化供應能量,胎兒無法享受到這個能量來源……剩下的就只有分解自身的蛋白質了,而這是竭澤而漁的行為。

因此,熊科的祖先演化出了一個辦法——提前分娩。嬰兒一旦出生,營養的重任就從胎盤轉移到了乳腺,而乳腺分泌脂肪酸是沒有問題的,幼兒也能正常消化吸收。熊科生物原本就沒有多少捕食者,而熊媽媽會在胎兒出生後一段時間內放棄其他一切行為、寸步不離撫育胎兒(對於大熊貓而言一般是2-3個星期),所以對生存並不會有什麼影響。至於大熊貓沿用這一策略的原因還不甚清楚,可能是歷史遺留問題。但無論如何,在野外環境下,大熊貓幼仔的存活率依然很高,我想這就夠了。

大熊貓生下雙胞胎也只能養活一隻?

這大概是事實。在人工圈養條件下,大熊貓平均每胎生1.4隻,出現雙胞胎時自己多半只能養活1隻。野外環境下我們不知道平均一胎生多少,但一隻熊貓媽媽帶兩隻幼仔的情況也確實相當罕見。

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不過在自然界裡,養不活全部後代其實很正常。如果沒有人類的干擾,母貓自己能養大五分之一的小貓就相當不錯了……就算在熊科裡,其它的熊也養不起太多的孩子。棕熊的上限也就是2-3隻,如果一胎生下4隻的話多出來的幾乎肯定要死掉。

為什麼要這麼「浪費」呢?有可能是為了保險,防止其中一隻太早夭折或者流產。有可能是賭博,萬一環境條件比較好能養活兩隻就賺到了。但是對於大熊貓而言,這還有可能是一份淒涼的遺產—也許在人類的擴張影響到熊貓之前,它們本來是可以養活兩胎的。

說真的,許多動物都可以嘲笑大熊貓和其它熊科動物生殖力差,哪怕這樣的嘲笑是跨區比較、並不公正—-但是連人類也來的話就實在是太諷刺了。因為人類自己的繁殖力簡直是差到極點-—雌性個體要經歷十多年才能性成熟,常常不到三十年就停經。在農業和定居出現之前平均4-5年才能繁殖一胎,大多數情況下每胎都只有一個幼體。現代文明出現之前的幼體死亡率異乎尋常地高,甚至到了成體也不例外。和熊貓平均每年0.46胎的繁殖率、70%以上的幼體成活率、接近95%的成體年生存率相比,我們難道不應該害臊嗎?

但我們沒有害臊,因為我們其實都明白,生殖力僅僅是生命的無數指標之一。每一個物種都有自己的生存策略,有自己「擅長」的領域;有些物種很成功,有些不那麼成功,但是我們眼中所見的每一個生命迄今為止都生存了下來,它們都是自然選擇的勝利者。我們應當尊敬它們,正如我們尊敬我們自己一樣。大熊貓的策略並不以繁殖力見長,但它的生存並沒有因此受到影響。

可是照此說來,大熊貓瀕危的罪魁禍首又是誰呢?

  • 轉載自科學松鼠會,作者
  • [註] 短平快:中國用語,指投資效益高、回收快,或者指男女很快進入婚姻、感情平淡、離婚也快。

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6個關於熊貓瀕危的真假傳言

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

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,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
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 / 圖片來源:envato

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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)」 / 圖片授權:Shutterstock

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。

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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)。

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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。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

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。

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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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用精蟲王選拔打開繁殖科學大門—蔡沛學的生命探索
顯微觀點_96
・2025/08/14 ・3763字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文轉載自顯微觀點

「我覺得那個震撼度沒有實際親眼看到(精子)這麼震撼;而且就算實際親眼看到的震撼度,也絕對沒有比看到你旁邊那個同學的精子長什麼樣子還要震撼!」

台大獸醫系有一門大四必修-獸醫繁殖障礙及產科,課堂舉辦的「精蟲王選拔」堪稱該系的年度盛事,授課的老師便是台大副學務長蔡沛學教授。

蔡沛學的研究專長為繁殖生理。他提到自己從念獸醫、從臨床轉向研究,再到回台教書一切都是「偶然」。

當初大學會選填獸醫系,完全是因為「成績到了」,加上從小家裡一直有養狗貓,於是「不討厭就念了」。有別於大多數獸醫系同學選擇臨床,蔡沛學走向研究,他則笑說是源於大學「交了女友要打工賺錢」而到狗舍當起工讀生。

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每當打掃完狗舍回到實驗室,就會看到許多研究所學長姐正在做實驗,蔡沛學受到好奇心驅使開始了解學長姐在做的研究。這些研究讓他感到新奇有趣,加上考量未來若走臨床,生活彈性大幅壓縮,因此畢業後便留學踏上研究之路。

雖然流行病學並非真愛,但蔡沛學心知肚明碩士只是研究路上的過渡期,便在考量語言、經濟等各項因素後,赴荷蘭烏特列支大學(Utrecht University)攻讀流行病與經濟學。但他也仍然結合最愛的繁殖生理,運用流行病學的角度,以大規模數據分析不同類型的轉殖基因造成的繁殖生理問題。

面對人生低潮 參加會議刺激想法

一路從碩士到博士,在荷蘭歷經將近十年寒暑,蔡沛學仍抱著一絲「美國夢」,於是申請到美國的麻州大學醫學院進行博士後研究,卻也迎來人生第一個低潮。

蔡沛學解釋,當時待的實驗室在繁殖領域非常厲害、學術產出也非常多,但美國生活緊湊,和講求生活與工作平衡的荷蘭截然不同;加上實驗室過於偏向分生領域,蔡沛學很快就失去研究動力。

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另一方面,當時他和太太、小孩住在波士頓,和麻州大學雖然都在麻薩諸塞州但通勤時間長,往往出門孩子還沒醒、回到家孩子也正要睡。「當時覺得說我為什麼要來這邊尋找我的『American dream』,待在荷蘭好好的我幹嘛呢?」和家人相處時間短並非蔡沛學想要的生活,於是他過沒多久就辭去這份工作,轉往哈佛大學醫學院繼續博士後研究。

這個實驗室主要是系統生物學(system biology)的研究團隊,也是核心的影像中心。蔡沛學形容,一進去就有六台且不同類型的共軛焦顯微鏡,應有盡有。「只要能夠讓我照影像、看到亮亮的螢光,我都可以」,雖然蔡沛學加入的是腎臟研究團隊,並非獸醫、繁殖領域,但基於對影像的熱愛,加上離家近,他工作得非常愉快。

雖然在哈佛從事博士後研究做很多蔡沛學喜歡做的事,日子過得還算愉快,但太太這時跟他說了一句話:「It’s time to find a real job(該找個正式的工作了)」,而且正巧台灣大學獸醫系有個職缺,成了他回台教書的契機。

但回國後蔡沛學反而迎來第二次人生低潮。

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由於覺得在哈佛做的研究很有趣,蔡沛學回國後很直覺地想要延續部分想法,再改良成實驗室新的題目。但當他知會前老闆時卻被斷然拒絕。

「他很明確地跟我說,你有這些研究想法(thoughts)也是因為你在哈佛而發展(develop)出來的,所以這些想法是屬於哈佛的,你不能用。」蔡沛學表示,除了研究方向還沒確定,回到台灣擔任教職,也從原本只需專心做研究變成需要兼顧教學,過程非常難熬因而陷入低潮。

面對低潮,蔡沛學建議可多參加不同類型的會議或是研討會。

「也許你覺得沒有太大的意義,但是(研討會)會讓你遇到很多人、跟很多人聊天,我覺得很多idea(想法)就從那邊出來」,蔡沛學提到印象深刻的是剛回國時參加台大光電所教授孫啟光辦的影像攝影展。當時雖然並未參賽,但抱著「看一下人家在幹嘛」的心態去參加,會中和很多人聊天都會成為日後研究的養分。

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「就算是不是你做的領域,去聽、去看都會發現『原來還可以這樣看細胞啊』、『原來影像不是只有 Confocal(共軛焦),還有 Lightsheet(層光),還有 spinning(spinning disk confocal,轉盤式共軛焦)啊』,那對我們來講都是大開眼界」。蔡沛學說,聊天過程中慢慢發現大家不同的領域專長,其實可以在自己原有的興趣基礎往上疊加,不需要拘泥於過去所做的研究。

而他現在實驗室的研究領域廣泛,包括繁殖生理、细胞膜蛋白與囊泡傳輸機制、抗氧化/自由基機制、瀕危物種、野生動物保育等,只要和繁殖障礙以及影像這些他喜歡的興趣有關,都有所涉獵。

歡樂氣氛帶領學生辨別精蟲好壞

精子的頭部像牛舌餅一樣的圓形厚片,並以螺旋、弧線方式向前游動。

除了研究,大學教職另一個重要任務便是教學。蔡沛學教授的「獸醫繁殖障礙及產科」是大四的必修,也是阻擋學生可以順利進入大五實習的最後一門課。第一年,蔡沛學只是按部就班地了解不同動物的精子樣態及如何評估精子優劣,光上完課就「阿彌陀佛」了。但到了第二、第三年,他開始思考什麼樣的上課方式學生比較容易吸收,加上自己喜歡「把事情搞大」的個性,於是有了「精蟲王選拔」的教學構想。

過去上課雖然用了非常多圖片、影片讓同學「看到」精子的樣態,但就算如此,蔡沛學認為這些都不會比親眼在顯微鏡下觀察、甚至是觀察周遭同學的精子來得更有印象。因此他徵求志願的同學捐精(女生也可以拿男生朋友的精子)並給予加分,學生則在課堂上可以觀察這些混雜在一起,裝著動物和各志願者的不同試管。

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「上課就會出現此起彼落的驚嘆聲,『你看 3 號兩個頭』、『2 號幾乎不會動』,整堂課就非常歡樂。」蔡沛學笑說,過程中只有老師知道試管編號對應的身分以及當事者知道自己的編號,因此當學生知道精子主人在身邊卻不知是誰的時候,氣氛更加熱絡。而他認為這才是上課應該要有的氣氛,學生也在歡樂的氛圍之中了解何謂好的精子品質。

精子品質的評估首先得先認得不同動物的精子型態。以精子頭部為例,狗和牛與人一樣,都是橢圓形、禽類的像根棍子;而齧齒類的呈現鐮刀狀,在顯微鏡下就必須辨別和紅血球的差異。

評估也包含多種面向,如濃度、運動方式、活力等,而要觀察這些不同面向,就必須使用不同的顯微鏡觀察法。

蔡沛學解釋,在顯微鏡下看到精子游動,可能只有 60% 至 70%「真的在動」,因為也許精子本身已經死亡但受到介質擾動而出現流動的樣子。

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精子游動也不像我們一般想像,以平面左右擺動方式直線前進,而是以螺旋、弧線向前游動;且當要與卵子結合時,弧線的弧度降低、直線性增加。因此可藉由可以呈現立體影像的顯微鏡或是使用輔助軟體進行路線追蹤。

另外,精子的頭部其實是像牛舌餅一樣的圓形厚片,因此在游動時有時看起來是粗的、有時看到卻是細細的一條線,這時就必須使用如 DIC(微分干涉相差顯微鏡)才能看清楚頭部的樣子。又或是使用原子力顯微鏡分析精子表面的變化,才能針對精子品質進行繁殖障礙的精密評估。

當PI支持學生瘋狂想法

現在,蔡沛學的實驗室已經扎穩根基,目前主要研究方向為自由基對繁殖的影響,除了研究機制,也針對自由基傷害的不孕症研究治療方法。另外實驗室也和農場、動物園合作,研究如何增進動物繁殖能力或是如何有效保存動物精液。

雖然有多項研究計畫正在進行,蔡沛學還接任台灣大學副學務長一職,更將擔任本屆(2025)Taiwan顯微攝影競賽的評審。面對這些繁忙的公事,蔡沛學笑說:「少睡幾個小時就行啦!」

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他也表示,直到去年自己都還親自進實驗室做實驗,但現在確實已分身乏術。不過蔡沛學覺得最主要還是要把實驗室當作家庭一樣經營,當實驗室負責人(PI, Principal Investigator)最重要的就是能夠支持學生瘋狂的想法且不能藏私,「只要和學生、助理關係很好,事情就會很好」。

而對於即將擔任顯微攝影競賽評審,蔡沛學認為,或許有很多參賽者會為了追求影像好看而刻意「擺拍」進行後製,但他更期待看到研究中無意間發現的奇特影像,例如他就看過美國得的朋友曾在臉書上發布一張無意間觀察到精子圍繞成1顆愛心的圖像。

「那個 motivation(動機)比較強,而不是為了去競爭某個獎而拍出來的」,蔡沛學如此說道。

📋採訪後記

蔡沛學老師的實驗室和研究室充滿生氣,也可以感受到他與學生、家人間的感情緊密。

除了櫃子裡擺放陪兒子追星而愛上的韓團偶像,當天蔡沛學還帶了最近剛認養的小貓坐鎮辦公室。

而實驗室門後畫著一家人的圖案。蔡沛學解釋,因為位於隔壁的研究室門後畫著的是某一繪本中「精子向前衝」的圖案,於是學生們便畫上這幅圖案,象徵精子突破重重難關,終於誕下新生兒。

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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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動物其實吃不出甜食!因「偏食」而消逝的味覺演化——《舌尖上的演化》
商周出版_96
・2023/01/02 ・2012字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本喵不懂甜食啦!

貓即便有了甜味受器,也不會更容易存活或繁殖,如果牠們花更多時間吸花蜜,吃獵物的時間就會變少,如此一來還可能會影響生存。因此,即便貓的祖先的甜味受器失去功能,牠依舊可以存活。

時任蒙內爾化學感官中心研究員的李夏發現:這個演化對貓不僅有存活的意義,更是現代貓科動物的味覺濫觴,沒有任何一種現代貓科動物具有活化的甜味受器,充滿花蜜與甘甜果實的森林對貓沒有一絲口慾上的吸引力。

如果你給一隻貓一片糖霜餅乾,呃,牠也不會理你;就算牠吃了餅乾,也沒辦法感受到糖霜帶來的愉悅感,因為這個餅乾對牠來說沒有甜味。

貓咪其實無法分辨甜味。圖/envatoelements

除了貓以外,其他肉食動物如海狗、亞洲小爪水獺、斑鬣狗、馬島長尾狸貓以及瓶鼻海豚,牠們的甜味受器也沒有作用,只是這些甜味受器基因出現的破壞性突變都屬於獨立的演化事件,不過也共屬於一種基因功能缺失的趨同演化。

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有人可能會想問,為什麼其他肉食性動物的甜味受器沒有失去功能?例如貓的鹹味味覺受器,就跟其他肉食性動物一樣依舊安在,但牠們獵物體內鹽分的含量就足以應付生理所需,所以牠們的鹹味味覺受器喪失功能可能只是時間早晚的問題。

海獅已經喪失了甜味跟鮮味的味覺,海豚也是,而且海豚的無味人生開始得更早,牠們根本無法嚐出甜味、鹹味或是鮮味。對海豚來說,存在的只有飢餓感與飽足感,餓了就去吃飽,而牠們相信海裡任何長得像魚而且會動的東西都可以餵飽自己。

有人可能也會好奇,到底海豚的獵物要有什麼特色才能為牠們帶來進食的愉悅感?我們不知道。海豚的愉悅感從哪來、是什麼,至少到目前為止都是科學謎團。

不吃肉改吃素的大貓熊

特定味覺受器失去功能的情況,並不單發生在肉食性動物身上,也發生在食物選擇非常專一的動物身上。大貓熊的祖先屬於熊科動物,也跟現代的熊一樣是雜食性動物,會狩獵,會吃酸酸的螞蟻,也會吃甜甜的莓果。但到了大貓熊身上,新的食物偏好出現了,就是愛吃竹子,牠們吃竹子就可以活。

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其實,當牠們才剛開始喜歡吃竹子時,竹子跟肉都是牠們愛吃的食物,但久而久之,仍然愛吃肉的大貓熊就變得難以生存或難以交配繁殖,或另一個機率較小的可能是,牠們的食物偏好無法符合生理需求,所以在覓食時無法專心致志。一段時間後, 大貓熊的鮮味受器就失去功能了,就像貓兒的甜味受器。現在就算你把肉端到大貓熊面前,牠們也不會碰上一口。

即便在多年後的未來,貓、海獅或海豚的後代也不太可能會嚐到甜味,大貓熊也依然無法嚐到鮮味,雖然隨著竹林減少,大貓熊對吃竹子的執著也讓牠們的數量不斷減少。從這些日常生活中的演化故事中我們學到:當某些東西成為需求時,比起破壞,建設是更困難的。但從頭做起雖然很難,也並非完全不可能。

現在的熊貓不在吃肉,演化成只吃竹子。圖/《舌尖上的演化》

過了三億年,蜂鳥才嘗到了「甜」的滋味

以甜味受器為例, 它在某些動物身上曾經失去功能, 但後來又重新復活了。三億年前,現代鳥類、哺乳類與爬蟲類的祖先,應該可以嚐到食物中的鹹味、鮮味與甜味,然而現代鳥類的甜味味覺沒了,不知是什麼原因,牠們的甜味受器都失去了功能。因此鳥類無法嚐出甜味,至少大多數鳥類都無法。

蜂鳥是從古燕演化而來的,而古燕跟現代的燕子一樣專門吃昆蟲,喜歡品嚐蟲子體內會出現的鮮味,對於糖分則沒什麼興趣。但在大約四千萬年前,有一群燕子開始以花蜜與含糖物質為食,可能只是為了解渴。一般鳥類並無法嚐出花蜜的甜味,所以牠們吸食花蜜就像在喝水,但花蜜畢竟不是水,裡面可富含著糖分。

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因此有一假說猜測,那些喝到比較多花蜜的鳥可能獲得更多能量,因此更有機會將牠們的基因傳給後代,而牠們的鮮味受器在演化過程中,變成不只辨識原本的鮮味成分﹙像麩氨酸或是某些核苷酸﹚,也可以同時偵測糖分。

出現這種特徵的古燕就是最早的蜂鳥。蜂鳥跟一般鳥類不同,不僅能嚐出胺基酸,也能嚐出糖分。不過牠們只靠同一種味覺受器,所以胺基酸跟糖分對牠們來說,應該是同一種味道,一樣是帶來愉悅感的「鮮甜味」。

動物吃下新食物而產生美味感受的同時,也滿足了營養所需,這類美妙的演化故事,正是生物藉由愉悅感以精巧調控的生化機制滿足需求的例子。只要持續研究味覺受器的演化,我們就會發現更多類似的故事。

——本文摘自《舌尖上的演化》,2022 年 12 月,商周出版出版,未經同意請勿轉載。

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