人工肌肉組織的新希望

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

本文轉載自顯微觀點

現代主流藝術的「色感」豐富，卻缺少傳統東方繪畫的「質感」。

— 張元鳳

國立臺灣師範大學文物保存維護研究發展中心（下稱師大文保中心）主任張元鳳口中的「質感」，並非一種難以定義、不證自明的高尚，而是傳統顏料能被感官接收、儀器量測的物理特質。透過顯微科技，文物藝品的「質感」更能被突顯、深入分析。

張元鳳剖析，傳統東方畫顏料來自天然礦物，如青金石、藍銅礦及珊瑚末等。經過搗碎、研磨、淘洗去除雜質，並以水沉澱，區分顆粒大小，製成多彩的色粉。

多次沉澱淘洗之後能獲得小顆粒顏料，與初期沉澱的大顆粒色粉雖來自完全相同的礦物，卻呈現截然不同的飽和度。

張元鳳解釋，「東方繪畫不靠顏料混色而增加色彩，是利用顏料顆粒半徑差異。因為光的亂反射，顏料顆粒愈大就愈鮮艷，顆粒愈小的顏料就愈加淺淡。」而傳統礦物顏料特性的創作風格，至今矗立在我們的生活中。

張元鳳舉例，「台灣廟宇最常見的傳統彩繪模式，是衣甲、雲彩的漸層色彩。內圈的顏料最鮮艷，愈向外就愈淡素，形成華美的漸層。這種技法在日本被稱為繧繝彩色（うんげんざいしき）。」

這種色彩梯度，可以用手指觸摸出來。神像彩繪上，鮮艷的中心顏料顆粒明顯、粗糙如沙礫，素雅的外圍小顆粒顏料則十分滑順。張元鳳說，現在廟宇彩繪已改用油漆等現代顏料，但畫師依然遵循這種衍生自礦物顏料的風格。

由於對礦物顏料的研究，張元鳳對顯微技術的數位化印象深刻。她說，「早期並不容易看見顏料顆粒全貌。現在能堆疊 Z 軸成像的數位顯微鏡，能讓整個顏料顆粒如寶石一般清晰閃耀。繪畫層切片（cross-section）也能清晰展現層次，這是過往顯微鏡做不到的。」

師大文保中心：文物手術室

單顆顏料在整幅畫作中僅屬滄海一粟，如同顏料顆粒的體積，師大文保中心的每日文物研究與修護任務中也僅占中心業務一部分。

文保中心隱身在師大校園一隅，嚴格管理的閘門之內溫濕度恆常，地面一塵不染，連所有的照明都去除紫外線以保護文物。

墊高的日本榻榻米圍出中央的主要修護區，上方懸吊多盞手術燈，木桌上安放修護中的文物；四周則圍繞著檢驗攝影室、實驗用抽風櫃、木製工具架等。修護師與學生們錯落在這個融合日式畫室、手術室、化學實驗室的空間中埋首工作。

每一件進入師大文保中心的文物都必須進行修護前記錄，包含拍攝正面光、側面光、透光影像。還要經過拉曼光譜分析、紅外線、紫外線、X光螢光術（XRF）的檢驗。若有可疑處，就需要使用顯微鏡直接觀察，或是取文物邊緣的結構作為分析樣本。

透光攝影可以分析紙張在不同位置的厚薄，呈現出脆弱或是加固的跡象；側光使畫紙的凹凸皺褶無所遁形。紫外光則能讓霉斑呈現螢光，使白光下難以分辨的霉斑與普通褐斑展現出差異。

文物汙損性質的檢測之外，紅外光與 XRF 則用於顏料成分分析，尤其 XRF 光譜儀可接收不同材料受 X 光所激發出的次級 X 光，辨別顏料、媒材成分。

修護東方書畫：背面與正面並重

由於濕氣與溫度影響，長年收藏於庫房中的作品經常處於老化狀態，其大面積的黃化可以用典具帖紙（一種極致纖薄的日本和紙）覆蓋，再抹上蒸餾水，以這層極薄的水體吸取、移除黃化成分，並確保顏料穩定不暈開。

楮樹皮製成的典具帖紙具有長而強韌的纖維，能製作出世上最輕薄的紙張。被定為日本文化遺產的典具帖紙不僅能清潔畫面，也能作為背紙支撐書畫。

修復水溶性媒材製作的文物時，需要將作品局部解體，以水軟化糨糊，才能把舊背紙層層揭開。直到把舊的命紙（最接近畫作的背紙）與畫作分開來，再糊上新的命紙與背紙。若水量太多或施作時間太長，正面畫心的顏料、墨跡也會溶於水中。

紙質文物的折疊或脆弱處，也可以用撕成長條狀的楮皮紙作為「頂紙」支撐。修護中的林朝英的竹葉體書法作品，就是以研究生們細心手工撕成的頂紙進行補強。

張元鳳說明，林朝英被稱為清朝唯一台灣藝術家，其書法曾經過多次修復，但是過往觀念與技術較不穩定，導致畫面出現許多凹凸。現在團隊正以乾式手法更換背紙，希望能讓竹葉書法飛舞在平坦潔淨的表面上。

對於前人的修復構造，張元鳳說，「得用鑷子像做手術般移除極小塊的舊背紙，每天只完成 5 公分的進度。文物修護除了技術，也非常考驗定性。」

修復師知能：藝術史判斷力

在顯微鏡、紅外線、光譜分析等檢驗科技介入後，科學數據提供了客觀數值作為文物歷程的分析依據。但修護師的藝術史知識與批判性思考依然是決策中不可或缺的依據。

張元鳳舉例，以紅外線光譜進行成分檢驗時，需與既有的資料庫比對，但是目前資料庫中繪畫顏料樣本稀少，汽車烤漆的資料卻很多。因此含有鉛或鋅的顏料，經常被系統推斷為汽車烤漆。

張元鳳笑說，「如果缺乏對文物歷史的知識，只遵從儀器檢測與資料庫，就會被誤導『前人是用如同烤漆的顏料作畫』，那是不可能的！」

又或是在東方畫上面發現顏色鮮艷，半徑卻特別小的顏料顆粒，就應該萌生疑心。以創作年代常見的顏料顆粒進行比對，確認是否有後人補畫全色，又或者其實是仿造贗品。而非毫不批判地接受檢測結果。

張元鳳說，修護師的知識與文物的檢驗資料庫統合化、豐富化，能降低被誤導的風險，提升修護者對檢驗結果的辨別能力，而這兩個方向都需要修護研究單位長期的努力與合作。

科學檢驗藝術的客觀面

對於科學檢測技術對文物修護的影響，張元鳳認為在早期的修復中，常常出現受當下主流文化影響的詮釋，導致原本的創作被掩蓋。科學檢測技術實現了修護倫理的「客觀精神」與真實性基礎。

她回憶說，剛開始堅持使用科學檢測作為修護依據的時期，也有人質疑「修就修，為什麼要做這麼多有風險的檢查？」

現在，來自不同學科領域的學生在師大文保中心學習文物保護技術，多元的檢驗科技，反而更能善用每一次檢測、每一丁點樣本提供的資訊。張元鳳發現，來自理工領域的學生對操作檢測儀器、解讀圖表較有信心，但是美術領域的學生因為具備創作經驗，更能夠對檢驗結果進行合理詮釋。

對於跨領域的修護技術學習歷程，張元鳳說，「包括我在內，有些美術背景學生最初接觸檢測科技時會感到害怕或辛苦。我希望可以讓學生們免於這種痛苦，所以要求自己先學會各種技術來傳授他們。」

在最近的技術發展中，張元鳳相當期待XRF可以實現對文物進行大範圍 mapping（面掃描）的功能，並輸出定量成果，如此將能大幅提升成分檢驗的精準與效率。

同時她也很期待3D X-ray提供來更高效率的纖維構造分析，過往使用顯微鏡觀察，必須將文物纖維剝成細小的狀態，過程相當困難。若能使用高解析度的 3D X 光檢驗，對人力與樣本的使用會更有效率。

誰人眼中的完好：文物修護原則

忒修斯之船（Ship of Theseus）是古希臘最早的哲學難題之一，也或許是被修復過最多次的文物：雅典人在數百年間不斷替換忒修斯之船朽壞的部位，當這艘船的所有部位都被更新過，它還是原本那艘船嗎？若不是，何時開始它不再算是同一艘船？

對修護師來說，在每一次修護專案開始時，可能都需要經歷過一次類似的思想實驗，「如何修護，才能確保文物總是同一件作品？」

張元鳳認為，文物修護的基礎原則包含適宜性、安全性、可辨識性、可逆性。採取干預最低、效益最高的檢測與修護方法。任何後加的材料都需與原作成分相異，能讓未來的修復者得以辨認，且能在無損原作的條件下去除。

因此師大文保中心在修護時，都採用可去除的媒材。例如關公頭冠上氧化發黑的金屬，就以可去除的金粉覆蓋。在恢復原貌與可逆性中找到平衡。

張元鳳指出，「修護工作的目標，是讓恢復、保持文物應有的真實模樣，並確保我們的修護能被意見不同的後人除去。」

文化變遷：正視融合的結果

若說張元鳳對文物修護的忒修斯之船命題，以文物的「真實原貌」作為答案，那麼專精東方藝術的她對文化變遷則以「融合」優先於「鞏固」原貌。

她以台灣風行一時的膠彩畫為例，這種由日本藝術家引入台灣的畫作在日治時期被稱為「灣製（日本）畫」，國民政府稱之為「東洋畫」並加以冷落，之後由藝術家林之助正名為膠彩畫，漸漸重獲重視。

張元鳳指出，當年國民政府視膠彩畫為日本殖民象徵。但日本的膠彩畫卻是由唐朝流傳而來，並高度保留唐朝工筆重彩的技法，其實可以視為中華藝術的延伸。

張元鳳拿出正在修護的日本型紙，說明這些由江戶時代工匠精心雕刻的印刷模板已經有 200 年歷史，在 19 世紀大量流入歐洲，影響歐洲的文化潮流。其重複的精美樣式，成為歐洲文化至今活躍的元素。如時尚精品 Louis Vuitton 就是在 19 世紀末受型紙等日本文物啟發，設計出歷久不衰的品牌識別紋樣。

張元鳳笑說，「考慮到日本型紙歷史的中華元素，LV 等歐洲精品也能看作是一種東方文化的產物。」

面對文化元素的流動，張元鳳認為，「選擇融合，創作才會愈來愈豐富；切割只會讓文化愈形單薄。尊重每件文物的歷史，正視真實脈絡，是與台灣主體性相輔相成的價值。」

延伸資料

• 國立歷史博物館刊《歷史文物》307期。2020年12月。
• 史博文物醫生館

• 作者／賴昭正｜前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

因被極有彈性的膜和果凍層包圍著，非洲爪蟾的卵與其它兩棲動物的卵不同，使得微量移液器無法穿透，所以我第一次嘗試在非洲爪蟾中移植細胞核完全不成功。⋯⋯如果實驗——或其他事情——沒有立即成功，請不要放棄！

——格登（John Gurdon）2012 年諾貝爾醫學獎

在「認識病毒全攻略！病毒的發現、與細菌的不同、科赫假說和致病機制」一文裡，筆者提到細胞是生命的基本單位，它主要由基因組（genome）、細胞膜（cell membrane）、細胞質（cytoplasm）、和核醣體 （ribosome）組成。細胞質為執行細胞生長、代謝、和複製功能的地方，為細胞中的微觀工廠；核醣體將遺傳密碼從核酸的分子語言翻譯為氨基酸的分子。細胞本身含有代謝酶，因此有營養系統；不需宿主活細胞，即可自行繁殖。

高等動植物的細胞不像細菌，具有真正的細胞核（nucleus），故稱為真核細胞（eukaryotic cell）。它們沒有細菌的「質粒」(plasmid)，但卻有像消化系統一樣的「線粒體」（mitochondria）來吸收營養，分解營養，並為細胞創造能量豐富的分子。

幹細胞

在大多數物種中，只有兩種完全不同類型稱為「配子（gamete）」的生殖細胞：卵子與精子。卵子是生物體中最大的細胞，而精子則是最小的；它們可以說是「發育不完全」的精簡細胞：卵子只具有細胞核及細胞質，精子則只具有細胞核及粒線體；它們的細胞核內均只有一半的染色體（稱為「單倍體基因組」）。儘管如此，卵子還是是最引人注目的動物細胞：因為一旦被精子活化（精子與卵子融合，稱為「受精」¹），它可以在幾週內產生一個全新的個體。

人類的卵子受精後約五到六天，就會分裂形成大約一百個細胞的囊胚（blastocyst），見上圖右半。囊胚由內部細胞群（inner cell mass）及囊胚外層（trophectoderm）組成：前者將繼續分裂發展成胚胎（embryo ²），後者則將附著在子宮內膜成為胎盤 （placenta），保護和滋養發育中的胚胎。因為受精卵（zygote）可以分裂產生所有的細胞（包括胎盤），故稱為「全能幹細胞（totipotent stem cell）」。內部細胞群的細胞則因能繼續分裂發展成生殖細胞及體細胞（somatic cell）的人體各部位器官，故稱為「多能幹細胞 （pluripotent stem cell）」，又稱為「胚胎幹細胞（embryo stem cell）」，簡寫為 ES。

生殖細胞及體細胞一旦形成後，就有其特定「專業化」的功能，不能再如幹細胞一樣轉換成其它細胞。因此自 20 世紀初以來，一直困擾細胞生物學家的問題是：體細胞在基因上與它們所源自的受精卵相同嗎？一個受精卵如何會在胚胎分化中形成許多功能完全不同的體細胞呢？這些體細胞又如何記得繼續分裂成同樣的體細胞呢？

布里格斯（Robert Briggs）和金 （Thomas King）於 1952 年在活體生物體中進行了首次青蛙核移植 （nuclear transfer）實驗：將一個早期胚胎細胞核移植到去核的卵細胞中。他們發現不同發展階段的胚胎核可以造成非常不同的結果：早一天的可以繼續發展成青蛙，晚一天的則胎死腹中。此結果顯然回答了第一個問題：細胞核的遺傳物質在開始分化時會發生不可逆轉的改變，如重新排列遺傳物質使其變得更加專業化、永遠有效地關閉不使用的基因、甚或拋棄數百個不再需要的基因等等。

克隆教父——約翰．格登爵士

格登（John Gurdon）1933 年出生於英國漢普郡（Hampshire）迪彭霍爾（Dippenhall）。就讀於伊頓公學 （Eton College）寄宿學校時，成績不是特別好。在上了一學期的生物學後，老師寫了一份報告說：「我相信格登想成為科學家，但從目前的情況來看，這是相當可笑的。如果他不能學習簡單的生物學事實，他就沒有機會從事專家的工作，這對他和那些必須教他的人來說都純粹是浪費時間。」所以格登畢業後申請了牛津大學的古典學課程，但招生導師因為缺少理科生，告訴他說：「我很高興地告訴你，我們可以接受你，但有兩個條件：一是你得立即開始，第二是你不要學習你參加入學考試的科目。」就這樣，格登終於追求到他的夢想，最後在牛津大學取得發育生物學博士學位。你說人生不是一連串的巧合與意外麼？

1956 年格登開始了核移植的博士研究：但不是移植正在發展中的胚胎細胞核，而是移植已經發展完全的體細胞核到去核的未受精卵內——稱為「體細胞核移植 (somatic cell nuclear transfer，SCNT，見上圖左半 )」。格登早期得到的結論因與布里格斯和金的結論相左，因此受到了強烈的批評。1962 年，格登將西部矮爪蛙（學名 Hymenochirus curtipes）的腸細胞核移植到未受精、去核的非洲爪蟾卵中，竟然發現這種經過改造的卵細胞可以長成一隻新的西部矮爪蛙！這毫無疑問地證明了：(1) 成熟的細胞核仍含有形成所有類型細胞所需的遺傳訊息(即與受精卵具有同樣的基因)，(2) 幹細胞在發展中專業化成體細胞是可逆的。

克隆哺乳動物

格登成功地從體細胞核複製／克隆 (clone) 了兩棲類動物青蛙，當然立刻有科學家想到是否可以用同樣的方法來複製哺乳動物。可是為什麼要等到 30 多年才出現克隆的多莉羊 (Dolly the sheep ³ ) 呢？原來格登選青蛙是有其理由的：兩棲類動物的卵子都是透明、且非常大，一產就大量排出體外。即使這樣，他的成功率還是低的；還好正如筆者在「愛因斯坦所相信的上帝，是你以為的那位上帝嗎？」一文裡所說的「要證明上帝存在比證明祂不存在簡單多」，格登只要在幾百個實驗中不被合理質疑地克隆出一隻青蛙就夠了。

多莉的生命始於試管中的一個單細胞（取自芬蘭多塞特羊的乳腺細胞核和蘇格蘭黑臉羊的去核卵細胞），六天後在實驗室確認正常發育後，胚胎就被轉移到代孕母親體內，於 1996 年 7 月 5 日出生。但在英國羅斯林研究所 (Roslin Institute) 發表論文前，白臉多莉的出生一直被保密。1997 年 2 月 22 日宣布她的誕生後，全世界的媒體紛紛湧向羅斯林去一睹這只如今聞名的綿羊風采，也引發了媒體關於克隆倫理的爭論。

現在大部分先進國家都已經禁止克隆人的實驗，因此各地的實驗室大都只克隆人類胚胎細胞，作為研究及治療用。2018 年，中國科學院上海神經科學研究所首次利用 SCNT 成功克隆靈長類動物，誕生了兩隻名為「中中」和「華華」的食蟹雌獼猴。

誘導多能幹細胞

到了 21 世紀初，研究胚胎幹細胞的科學家已經鑑定出二十多個似乎對胚胎幹細胞至關重要的基因。這些基因的功能不一定相同：有些對於自我更新很重要（即一個 ES 細胞分裂形成兩個 ES 細胞），而另一些則用來阻止幹細胞分化。科學家也找到如何在培養皿中維持多能胚胎幹細胞的方法，及如何改變培養條件使其分化成各種細胞類型，如肝細胞、心臟細胞、和神經元等。但他們能否利用這些資訊將完全分化成熟的體細胞變成像胚胎一樣的幹細胞嗎？

2006 年，日本京都大學的山中伸彌（Shinya Yamanaka）和博士後研究員高橋（Kazutoshi Takahashi）終於宣稱只要透過其中四個基因，即可將小鼠纖維母細胞（只能產生其它纖維母細胞）重新編程 （reprogramming），成為能產生多種不同類型細胞的多能幹細胞。他們將這樣製造出來的幹細胞稱為「誘導多能幹細胞（induced pluripotent stem cell, iPSC）」。山中伸彌與格登兩人因研究出如何將專業化的成熟細胞重新編程使其具有多能性，而一起榮獲 2012 年諾貝爾醫學獎。

重新編程

精子和卵子像體細胞一樣，也是由受精卵分化出來了，所以應該是一個高度專業化的細胞，但它們融合成受精卵後又變成全能幹細胞，因此顯然融合後的細胞核被卵子微觀工廠的細胞質重新編程，失去大部分分化時的分子記憶（尤其是精子核，變成一張幾乎完全空白的畫布）。格登與複製綿羊的維爾穆特（Ian Wilmut）和坎貝爾（Keith Campbell）就是利用了這種重新編程現象，將體細胞核插入卵細胞質中創造出了新的克隆。

卵子的細胞質顯然就像一個巨大的分子橡皮擦，它能非常迅速地在 36 小時內完成這個重新編程過程，擦掉了細胞分裂過程中專業化的修飾痕跡（imprinting）。在提高山中伸彌之體細胞重新編程為 iPSC 細胞的效率（遠低於1%）和速度（需要數週）上，分子生物學家雖然已經取得了很大進展，但與自然界一比，仍相差甚遠。

筆者寫這篇文章的動機事實上是出於想解救同性戀的傳宗接代問題。研究顯示雖然不存在單一的同性戀基因，但來自數十萬人的 DNA 也揭示了一些與同性性行為有關的基因變異。在「同性戀、熊貓、與適者生存」（科學月刊 2014 年 7 月號，見《我愛科學》）一文裡，筆者提到：傳宗接代為「種族生存」的必要條件；同性戀者不能傳宗接代，不是遲早將從地球上絕跡嗎？一個筆者想到的解救的方法是：像體細胞核移植一樣，用同性「夫妻」的配子核取代受精卵中尚未融合的雌性與雄性原核 (pronuleus)，希望它們融合後能繼續發展成胚胎⋯⋯。

筆者正在幻想如何申請專利賺大錢時，卻發早在 1980 代，肯亞裔的英國發育生物學家蘇拉尼（Azim Surani ⁴）就已經開始了類似的研究。他以老鼠為對象的實驗毫無疑問地證明了哺乳動物的繁殖不只是傳遞系統的問題：不僅需要兩個單倍體基因組來融合形成一個二倍體核的受精卵，事實上其中一個必須來自母親，另一個來自父親！顯然卵子之細胞質的重新編程不是 100% 地擦掉了所有分裂過程中的修飾、專業化痕跡，而是至少保留了一些必要的基因來源資訊！⋯⋯夢想破滅，只好重做馮婦執筆寫文章（保證不是人工智能代寫的），悲哉！請點個「讚」以聊慰筆者之失望吧！先謝啦！

結論

幹細胞具有非凡的自我更新潛力：在生命早期和生長過程中可以在體內發育成許多不同的細胞類型。幹細胞可以分成多能幹細胞和「成體幹細胞（adult stem cell）」兩類。前者就是我們討論過的胚胎幹細胞和誘導多能幹細胞；後者也稱為「體幹細胞（somatic stem cell）」，它們已在許多器官和組織中被發現（通常在特定的解剖位置⁵）。這些特定器官的體幹細胞雖然不是多能的，但在生物體的整個生命週期中，卻扮演著非常重要的內部修復工作：它們可能會長時間保持靜止（不分裂），直到需要替代因正常磨損或疾病而損失的細胞時才被活化。

即使法律上不准複製人，相信讀者早已看出幹細胞在醫療上的可能作用：如果我們能用與我們體內相同的新細胞來取代罹患第一型糖尿病時失去的胰島素分泌細胞、或阿茲海默症失去的腦細胞、或骨關節炎失去的軟骨生成細胞等，那就不必擔心器官移植所造成的免疫系統排斥問題，或缺乏可用來移植的器官的困擾。這種使用克隆幹細胞來作為醫學治療用的領域稱為「治療性克隆（therapeutic cloning）」。

本文只回答了 20 世紀初以來一直困擾細胞生物學家的第一個問題：體細胞在基因上與它們所源自的受精卵相同嗎？至於如何重新編程、一個受精卵如何在胚胎分化中形成許多功能完全不同的體細胞、這些體細胞又如何在分子層面上被修飾使其只能繼續分裂成同樣的體細胞等更複雜的問題，則需等待新興的「表觀遺傳學（epigenetics）」來回答。

註解

1. 在某些生物體中，精子並不是嚴格必需的，它們可以透過各種非特異性化學或物理處理來人工活化卵子；例如一些脊椎動物（如一些蜥蜴）的卵子通常是在沒有精子活化的情況下繁殖的，稱為「孤雌生殖（parthenogenesis）」 。
2. 像胎兒（fetus）的生命從什麼時候開始一樣，胚胎從什麼時候開始也沒有嚴格一致的共識。因當囊胚成功地植入子宮內膜時，母體會立即開始產生荷爾蒙來支持懷孕，筆者認為這應該是很好的胚胎起始點。到受精後大約八個禮拜，大部分人體器官和系統均已成型，也可偵測到心跳。第八週後稱為胎兒。
3. 以美國西部鄉村歌手 Dolly Parton 的名字命名。
4. 因試管嬰兒而獲得 2010 年諾貝爾獎之愛德華茲（Robert Edwards）的博士學生。
5. 不是所有的器官都有這些體幹細胞，例如心臟就沒有，因此一旦數以百萬計的心肌細胞因缺氧(心肌梗塞)而死亡時，人體內就沒有自然系統可以取代它們。反之，肝臟則是具有高度再生能力的內臟器官，它可以在化學損傷或手術切除後再生。

延伸閱讀

• 《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017年12月出版）。
• 「日常生活範式的轉變：從紙筆到AI」（泛科學，2023/03/08） 。
• 「要被接受，需有不被合理質疑的證據 從科學與蔡博士學位事件討論起」 （科技報導，2020年2月1日）。

荷蘭恩荷芬科技大學的研究人員已經在實驗室裡找到一種簡單的方法來培養肌肉組織具有真正的肌肉結構。他們發現給予肌肉細胞單一個方向的張力，肌肉細胞會自然而然地彼此相互排列，這是肌肉能夠產生力量的主要條件。內皮細胞(血管)在同樣的體外培養環境下也會自動地組合起來形成新的血管。這個發現讓人工肌肉組織的工程技術向前邁進了一步，例如能夠使用更厚的肌肉組織植入術後的傷口。這個研究成果發表在本週《組織工程》期刊。

這個重要的發現還包括該技術不需要添加任何生化合成的生長因子來啟動整個過程。荷蘭恩荷芬科技大學的范德‧施哈芙特教授(Daisy van der Schaft)提到，組織形成的過程通常都需要生長因子來調節，但是生長因子的作用則非常不容易去控制。

漫無章法

其他研究人員也成功地用生物工程的技術做出包含血管的人工肌肉組織，但是在這些情況下，肌肉細胞與血管是呈現漫無章法的生長。為了讓肌肉能夠產生力量，所有的肌肉細胞必須被排列在同一方向。此外，肌肉需要血管提供他們氧氣和營養。

張力

荷蘭恩荷芬科技大學團隊製作的人工肌肉組織是從先在膠體上混合幹細胞與血管細胞(來自老鼠)進行前培養而來。然後，他們使用一小片魔鬼沾，將一小塊人工培養的組織(2 x 8 mm)固定在同一個方向。這些幹細胞之後會轉變為肌肉細胞，而這個過程通常會讓組織收縮。但是，由於這個組織被固定住，收縮的情況就被限制住，因而產生張力使得肌肉細胞在組織培養的過程中能夠排列整齊。這種整齊排列的特性是讓肌肉能夠發揮力量的必要條件。

製造生長因子

再則，血管細胞能夠自我組織形成血管，不需要研究人員額外添加生長因子，而這些都是自動創建而成。經過研究人員的檢驗發現，肌肉細胞在受到張力拉扯的情狀下會製造自己所需的生長因子。

較厚的組織

血管的形成是讓人工肌肉組織變厚的一個重要步驟。直到目前為止，人工肌肉組織的厚度僅能夠達到0.4 公厘，因為肌肉細胞不能夠跟血管距離超過0.2公厘，否則他們得不到充足的營養與氧氣。透過血管來提供血液的運輸意味著在不久的將來我們能夠提供養分給人工肌肉，可望將他們培養成更厚的組織。

不僅是化妝品

這個研究的最終目的是希望能夠治療失去肌肉組織的人，像說因為事故或是手術切除腫瘤的病人。范德‧施哈芙特教授解釋：「以修復顏面組織當作例子來說，使用這種人工肌肉組織不再只是化妝的遮掩，而是能夠給臉部組織回復功能性！」他期待在未來的十年這樣的想法能夠被實現。

荷蘭恩荷芬科技大學的研究人員近期要完成的下一步工作便是製作更厚的肌肉組織。同樣的技術也會被應用在人類細胞上。范德‧施哈芙特教授總結：「格羅寧根的醫療中心大學裡面的研究人員已經和我們合作，開始著手開發人類的人工肌肉組織。」

翻譯自: TU/e: Chained muscle tissue culture develops blood vessels and aligned structure

原始論文：Daisy W.J. van der Schaft, Ariane C.C. van Spreeuwel, Hans C. van Assen and Frank P.T. Baaijens. Tissue Engineering Part A. -Not available-, ahead of print. doi:10.1089/ten.tea.2011.0214.

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看到這個研究成果，讓我開始預想未來我們身體受傷的地方能夠獲得完善的修復！研究人員很巧妙地先在同一平面上固定未分化的幹細胞，利用幹細胞轉形(tranformation)會自然地發生萎縮形變的特性，讓細胞感受到張力的拉扯，而分泌出生長因子。不僅提供肌肉細胞正常的排列生長，而且促使血管細胞的自我組織。此外，他們採用的膠體環境能夠讓肌肉細胞在3度空間下成長，同樣對於未來人工肌肉組織工程的應用提供重要的幫助。