哺乳類動物的尿尿時間都是21秒？——2015搞笑諾貝爾物理獎

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

無法分辨成體和幼體的生物

小孩與大人不一樣。但是有些生物的幼體形態與成體型態相同。

舉例來說，鱷魚的幼體與成體幾乎長得一模一樣，剛破蛋而出的鱷魚寶寶已經具有完整的鱷魚外形，出生後逐年長大，巨大的鱷魚可以長達好幾公尺。不過鱷魚的成長速度在不同環境和溫度下不盡相同，光從大小無法判斷年紀，只看外形也無法分辨是成體或幼體。有些生物的成體和幼體的形態則相差甚遠，好比蝴蝶和蛙類；也有些生物的成體和幼體沒有太大區別，如同鱷魚。

這兩類生物的差別是什麼？

海葵就是幼體和成體相差很多的生物。海葵幼體是一種很像水母的生物，叫做「浮浪幼蟲」 。浮浪幼蟲在海中自由自在漂游，找到喜歡的岩石區時就會落腳，落腳後就不再移動，附著在岩石上長成海葵。移動是海葵幼體的重要任務，長大後的海葵則是肩負產卵留下子代的使命。

蛙類和蝴蝶的成體與幼體形態也各不相同，不過任務分配上與海葵不同，負責移動的是成體不是幼體。
由此可見，如果一個生物的幼體與成體各有不同任務，彼此的形態就不會相同，而沒有區分任務的生物就具有相同形態。

人類的大人與小孩 

我們人類又是什麼情況呢？ 

人類不會因為長大而生出翅膀或尾巴消失。人類的大人和小孩的外型非常相似，但並非完全相同的個體。舉例來說，嬰兒在我們眼中看起來就很可愛。

小孩子可愛的祕密在於他們的寬額頭。嬰兒的眼睛和鼻子集中在臉的下半部，額頭顯得很寬闊，寬額頭會使得整張臉看起來就惹人憐愛。而且嬰兒頭大、四肢短，整體感覺圓滾滾的，帶有人類大人不具備的「可愛感」。假如出現了一個比成年人更巨大的嬰孩，所有人應該還是能夠辨識出他是個嬰兒。人類不像鱷魚，我們不會分辨不出來誰是大人、誰是小孩。 

人類的大人和小孩具有不同的外型。除了人類，貓狗的寶寶也長得很可愛，即便是凶猛的獅子與灰狼，牠們的幼崽看起來還是很討喜。哺乳類動物的一大特徵，就是「幼體很可愛」。

嬰兒為什麼可愛？

哺乳類動物的嬰兒擁有可愛的外型。

人類出生後先是嬰兒，嬰兒長大是兒童，童年時期的人類依然保有他們的可愛，但是在長大的過程中卻會漸漸失去這種特質。

蛙類的成體和幼體雖然具有不同形態，但是蝌蚪並不是很可愛；蝴蝶小時候是毛毛蟲，反而比較多人覺得毛毛蟲噁心，只有少數人認為牠們可愛。 

既然如此，哺乳類動物的嬰兒為什麼會可愛？

原因就在於，嬰孩需要大人的保護。哺乳類動物具有育幼行為，牠們的子代需要親代的養育。小孩的可愛外形是為了獲得大人的保護。烏龜以堅硬的龜殼防身，毛毛蟲透過毒毛保護自己，而哺乳類動物的嬰兒則是把「可愛」當護身符。 

嬰兒的額頭很寬。為什麼額頭寬看起來就比較討人喜歡呢？因為大人的腦袋裡內建了寬額頭等於可愛的程式。 證據就是只要額頭寬，不管是不是嬰兒看起來都很萌。不過額頭寬並不是為了可愛。

如果說紅燈是「停止」的信號，寬額頭就代表「不可以攻擊」與「要保護他」的信號。

對於哺乳類動物來說，大人要保護小孩，小孩要被大人保護。大人與小孩的外型相似卻又不盡相同，因為他們肩負不一樣的任務。這樣說來，小孩的任務是什麼呢？小孩的任務很明確，就是「長大」。一個人要有健全的童年，才能成為健全的大人，這就是小孩的任務。

不過近年來人類的大人和小孩越來越難區別了。 總覺得不像小孩的小大人一直在增加，長不大的巨嬰也很多。

——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。

長期以來，動物著色策略一直都是博物學家和哲學家感興趣的話題，甚至在 2000 多年前亞里士多德的《動物史》中也早已出現過相似的議題^[34]。在過去的幾個世紀中，科學家們開始認真探索動物顏色是如何產生的^[45]，並闡明它們可能的功能^{[11, 12, 57]}。

其中哺乳類的顏色一般都被認為是比較單調的^[8]，印象中雖然有看過五色鳥、變色龍和箭毒蛙等顏色鮮豔的動物了，但相比之下五顏六色的哺乳類確實難以想像，這不禁讓人思考是不是有哪些演化環節造成如此的差異？

本篇文章將以多元的觀點作切入，一步步探討為什麼哺乳類著色（coloration）會不夠豐富，並且梳理其中相關議題的脈絡。

什麼影響著色策略？

首先釐清這個問題必需要分成幾個層次。

• 發色機制

除了生物螢光（biofluorescence）外，所有動物顏色都是由兩種主要機制所產生的：（1） 色素著色以及 （2） 結構著色^[16]。

舉例來說，藍色顏料在自然界其實是稀缺的，大部分鳥類的藍色羽毛（如台灣藍鵲）就是利用結構著色，而不是藍色色素^{[2, 35, 42]}。

其中生物色素如類胡蘿蔔素（carotenoid），吸收光譜約為 400–500nm，能在動物體內產生紅色至黃色，而黑色素在所有可見波長範圍內都表現出高吸光度，真黑素（eumelanin）產生黑色至金色；棕黑素（phaeomelanin）產生淡黃色至淡紅色^{[21, 28, 36]}。

而不同於其他脊椎動物，目前除了洪都拉斯白蝙蝠（Ectophylla alba）能夠在皮膚中累積類胡蘿蔔素以外^[22]，大部分哺乳類都只能在皮膚與毛髮中產生黑色素^[7]。

• 視覺系統

再來必須意識到的是，我們人類所感知到的顏色與其他動物自己所感知到的顏色是兩回事。

生物的體色對於各式各樣的行為和演化研究非常重要，這些信號包括隱蔽（crypsis）、擬態（mimicry）、警戒色（warning coloration）、花果著色以及雌雄二型性（sexual dimorphism）等^{[4, 18]}。

對於這些特徵來說，真正重要的是這些信號的目標受眾的色覺（color vision），無論是捕食者、傳粉者還是潛在配偶等^[23]。所以有人就認為顏色不是物體的固有屬性，而是能感知它的生物體視覺系統屬性^[17]。

換句話說，根據動物光感受器的吸收光譜的不同，從物體反射的波長光譜將被感知為不同的顏色^{[17, 24]}。而關於色覺的差異，不同種類的視蛋白（opsins）就代表著不同的吸收光譜，然而在當代主要脊椎動物群中，四種視蛋白（代表四色視覺）是廣泛存在於各種鳥類、魚類和爬蟲類中的，但意外的是大部分哺乳類卻是雙色視覺^[6]。

重要的演化事件——夜行瓶頸（nocturnal bottleneck）

所以是什麼造成哺乳類與鳥類、爬蟲類的視覺差異？

• 時間背景

時間拉回到 2.5 億年前左右，哺乳動物最早是從三疊紀的獸孔目祖先演化而來，根據對化石證據的分析推斷，這些幾乎是夜行性的小型食蟲動物^[31]，關於這個現象有些議題會專注於討論視覺^{[50, 58]}，而有些會談地更全面^{[48, 60]}。具體的夜行瓶頸假說最初是由Menaker等人制定^{[20, 43]}，內容主要是推測一些類哺乳爬蟲類動物（合弓綱）在 P/Tr 事件（二疊紀／三疊紀滅絕事件）中倖存下來，並大約發展了 1.45 億年後形成了所謂的「中生代哺乳類」（圖1）。

• 生態背景

夜行瓶頸假說認為早期哺乳動物在中生代期間會面臨到日行性爬蟲類（主龍類，如恐龍）的競爭^{[10, 29, 43, 58]}，而這一系列的適應性變化使早期哺乳動物能不用受太陽輻射和環境溫度的限制下在夜間進行活動，並促進其內溫系統的發展^[23]。相對地，長期適應夜間活動可能使光感受器（photoreceptor）發生巨大變化，包括未充分利用之光感受器功能與紫外線保護機制的喪失^[23]。

• 視覺光感受系統

視錐細胞（cone cells）和視桿細胞（rod cells）內的感光色素皆是由視蛋白組成，而視蛋白基因可分為五個亞型：（sws1、sws2、rh1、rh2 和 lwS）^{[13, 59]}，它們的接收光譜範圍可以參考（圖2）。

儘管可能所有五種視蛋白基因早期都存在於合弓綱中，但隨著真獸下綱（eutherian）的演化輻射，視蛋白基因的多樣性就開始急劇減少了^[13]（圖1）。首先所有哺乳類祖先都丟失了 rh2 基因，雖然單孔目動物（鴨嘴獸和針鼴等）還是有保留著 sws1 基因，但是卻失去其功能，隨即真獸下綱也丟失了 sws2 基因，只剩 sws1 和 lwS 能表達^[13]，導致至今大部分的哺乳類都屬於雙色視覺 ^{[14, 56]}（表1）。

• 非視覺光感受系統

儘管在整個哺乳動物演化過程中，色覺的變化是被認為神經生態適應最經典的例子之一，但事實上夜行瓶頸在塑造非視覺光感受（non-visual photoreception）方面，也發揮了相當的影響力^[23]。其中黑視蛋白 （melanopsin，Opn4） 就扮演了非常重要的角色，它負責晝夜節律的光誘導及調節其他生理反應^[23]，例如：身體色素沉著的變化^[51]、瞳孔收縮^[38]、褪黑激素抑制^[39]、睡眠誘導^[40]及暗光運動^[19]（dark photokinesis^[註2]） 等。

黑視蛋白有 Opn4X 和 Opn4M 這兩種基因（Opn4M 是 Opn4X 的基因重複變體），它們廣泛存在於非哺乳動物脊椎動物中，但 Opn4X 在早期哺乳動物演化中丟失^{[3, 15]}（表1）。至於這兩個基因的差異並不明顯，主要在於組職表達模式的不同^[26]，且至今仍然沒有完全理解為什麼所有現存哺乳動物中保留的是 Opn4M 而非 Opn4X^[23]。

其他哺乳類的著色特例

• 舊世界猴

約 8–9 千萬年前第一批靈長類動物出現了^{[5, 54]}，雖然這些早期靈長類通常也被認為是夜行性的^[41]，但隨後有許多靈長類動物譜系開始漸漸適應白天活動。直至大約 3–4 千萬年前，不同於其他哺乳類，所有狹鼻小目（catarrhine primates，包含舊世界猴、猿類與人類）都藉由基因重複多產生了一個 LWS 基因^{[44, 9]}，而這種革新開始提供靈長類重新擁有了三色視覺的能力。例如山魈因此得以演化出藍色的臉譜，但牠們利用的原理是相干散射（coherently scattering）^[49]，而不是單純的色素。

2022/07/06 編按：
多出來的 LWS 基因只是感測綠色，和藍色的山魈臉譜沒關係，前後並沒有因果關係。

• 能生物螢光的哺乳類

生物螢光簡單來說就是生物將短波長的光吸收後並重新發射成長波長的光，與舊印象不同，有趨勢顯示越來越多哺乳類物種被發現能夠進行生物螢光，雖然生物螢光的生態功能與起源目前還有爭議，但可能與中新世古氣候及物種的生活型態具有密切關係^[25]。

目前已知的在紫外線下具有生物螢光毛皮的哺乳類物種中，全部都是夜行性的，其中包括：鴨嘴獸^[1]、美洲飛鼠屬 （ Glaucomys spp.）^[32]、跳兔（Pedetes capensis）^[46]和一些負鼠科 （ Didelphidae）物種^[47]。

• 非洲金鼴

非洲金鼴（Amblysomus hottentotus、Amblysomus septentrionals、Chrysochloris asiatica ＆ Eremitalpa granti）是一群撒哈拉以南特有的視力退化食蟲性穴居動物^[33]，牠們的毛髮具有特殊的虹彩（iridescent），能反射出藍綠色的高光，並且在電子顯微鏡下Snyder等人發現這些槳狀毛髮的超微結構^[53]，這構造除了能成色外還具有增加毛鱗耐磨性與減少摩擦力等功能，他們假設：因為缺乏視覺能力，非洲金鼴的虹彩既不是性擇的產物，也不可能起到偽裝的作用，唯一的可能就是毛髮在這種結構下能夠幫助非洲金鼴在地下移動時，減少在泥沙中的湍流，而毛髮的虹彩可能就只是演化下的副產品。

哺乳類的著色並沒有想像中的單調

雖然本篇的先入為主認為哺乳類的著色就是不豐富的，但如果論及花紋以及圖案了話，也有觀點是認為哺乳類的著色其實是很多樣的^[8]，況且如上面所提及的案例，就算以我們人類的視角，也有越來越多證據顯示某些哺乳類的顏色也沒那麼單調。正如前面所說的對於動物的著色而言，真正重要的是訊息的接受者，所以如果侷限於人類的視角了話，其實是難以了解其全貌的。

最後要提醒的是，即使夜行瓶頸影響了之後哺乳類的視覺系統，很多證據也顯示視覺與著色之間是有共演化關係的，特別是那些具有婚姻色或雌雄二型性的物種，但是對於隱蔽與偽裝色等來說，證據其實是有限的^[37,55]，更何況有如同非洲金鼴一樣的個案存在^[53]。所以總體而言，這算是一個還滿複雜的議題，某些時候在宏觀演化學上不一定有所謂的必然^[27]，演化並不是說一定會這樣發展或那樣發展，更多的其實是要看這些生物在一定時空間尺度下要如何應對及適應。

註解

1. 演化輻射指的是一個演化支多樣化的一個過程^[52]。
2. 暗光運動指的是動物在缺乏眼睛等感光器官下，所進行的隨機尋光行為^[19]。

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