光合作用的爭論與希爾反應

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

顏色會依照我們觀看的對象吸收和反射的光而有所不同。樹葉因為會吸收所有藍色和紅色系光譜，只反射綠色，因此看起來是綠色的，而讓樹葉顯現綠色的東西，便是負責養育生命的葉綠素。

需要光合作用時也只會紅通通的日本紅楓

當然，也有葉子不是綠色的。樹木一生中雖然會變換顏色，但也有一開始長葉就不是綠色的。關於這類樹木，首先想到的便是日本紅楓（Acer palmatum ‘Shojo-Nomura’）。

日本紅楓連剛冒出葉子時也不泛綠色，和它的名字一模一樣，打一開始就很紅。那麼，日本紅楓紅色的葉子裡沒有葉綠素嗎？如果缺少葉綠素，樹木無法行光合作用；若不行光合作用，將無法製造生存所需的養分，那究竟該如何生存呢？

所有樹葉裡都有葉綠素，但是除了葉綠素，還有類胡蘿蔔素、花青素和單寧等各種成分，我們需要從這裡找出頭緒。類胡蘿蔔素、花青素和單寧等成分分別呈現黃色、紅色和褐色，葉子雖然從一開始就具備多種顏色的成分，但在更需要光合作用的時候，葉綠素會上來表面；待過了秋季，逐漸接近無法行光合作用的冬季，其他顏色的成分才會開始活躍，秋楓便是如此。然而，日本紅楓即使在需要光合作用的時期，葉子也只會紅通通的，非常奇妙。

淺綠色顯露出來的瞬間

日本紅楓是人們培育出來的品種，以做為造景用的觀賞樹木。換言之，日本紅楓並不是在自然狀態下生長的樹木，而是人們為了更長時間觀賞楓樹的紅色葉子所培育的品種，讓它一年四季都能呈現紅色。雖說紅色葉子裡頭同時含有泛綠色的葉綠素，但不管再怎麼看，都看不到綠色。

我再次重申，觀察樹木需要長時間、仔細地觀察。日本紅楓葉子上的紅色氣息轉淡的現象一年大概會發生兩次，分別是開花與果實逐漸成熟時，也就是樹木最需要養分的時刻。這時的日本紅楓葉子會發生非常細微的變化，乍看之下無法得知其差異：仍然泛著紅色，仔細觀察卻能在葉子某些部分感覺到綠色的氣息。

雖然葉子顯現紅色，但葉綠素若不進行光合作用，樹木就無法存活，在開花和結果等需要大量養分的關頭更是如此，這種時候只要仔細確認日本紅楓的葉子，將能感覺到葉綠素行光合作用活動的跡象。葉子上面延展的葉脈或葉柄端的紅色會轉淡，非常顯眼。果實結果和逐漸成熟時也一樣，可以在變淡的紅色之間突然看見綠色。即便葉子是紅色的，葉綠素還是會在它非常迫切需要養分時活躍起來，無怪乎顯現了綠色。

黃金松的樹葉只有黃色嗎？

日本紅楓是人工選育的品種，但自然狀態下也有樹木不是發綠色的芽，好比名為黃金松（Pinus densiflora ‘Aurea’）的樹木。雖然松樹的葉子一年四季都是綠色，黃金松的葉子卻呈金黃色。黃金松是松樹的品種之一，是相當稀有的樹木，它只有下方呈綠色，整體看來葉子是金黃色的。據說從以前開始，只要天氣乾旱，黃金松的金黃色葉子就會變成褐色，梅雨季則變成綠色，對於觀察氣候十分必要，不過這種說法並無科學根據。儘管如此，據說以前農夫們乾脆叫黃金松「天氣木」。

韓國曾經發現幾棵自然狀態下的黃金松，特別是慶尚北道蔚珍郡周仁里的黃金松就被指定為地方紀念物，是一株受到保護的珍貴樹木。這棵黃金松曾是預測氣候的標準，村裡亦相傳若發生戰爭，它的葉子會泛紅。

蔚珍郡周仁里的黃金松和旁邊其他樹木的葉子顏色不同，一眼就能清楚看出來。這棵佇立在斜坡上的樹木已有五十歲左右，由於被指定為文化財，四周圍上了柵欄、被確實地保護著。雖然遠處就見得到它神祕的模樣，但務必近距離觀察。必須仔細觀察葉子，才能得知樹木的祕密，知道樹木如何用金黃色的葉子製造養分、使自己生長。

即便植物圖鑑裡記載「除了葉子的基部，其他都是黃色」，實際上再怎麼觀察，仍然很難說是黃色，非要講的話，比較接近綠色和黃色混合在一起的淡綠色。當然，顏色以針葉來說算特別，但不能說是黃色或金黃色。與其說黃金松的葉子是金黃色的，不如說是以綠色為底，黃色顯現得稍微強一點。

無法丟掉綠色的原因

我們談日本紅楓和黃金松，但擁有紅葉或黃葉的樹木不只這些，尤其是觀賞用的培育品種中，還有不少葉子的顏色相當五彩繽紛。然而，不管是哪種樹木，都無法完全丟掉綠色，因為綠色是葉綠素的顏色，而葉綠素是樹木的生命之窗。

——本文摘自《樹葉物語》，2023 年 5 月，時報出版，未經同意請勿轉載。

編按：此為個人實驗結果，對內容有疑問者可向作者詢問。

自從退休之後，6 年來已習慣晚上到附近公園運動，某日，讀國小四年級的金孫跟我說：「阿公，植物白天光合作用會吸收二氧化碳，晚上會吐出二氧化碳，空氣不好，不要晚上去公園運動啦！」；確實，上網搜尋，有不少類似「夜間公園空氣不好」、「臥室不要擺盆栽」等擴大解讀植物光合作用的文章。

夜間（19 時～22 時）在公園運動的人不少，有慢跑的年輕人、有散步的銀髮族、有跳舞或練功的社團群眾，也有帶小孩玩溜滑梯、盪鞦韆等遊戲的家庭成員，那麼多人在夜間的公園活動；因此，「夜間公園空氣不好（太多二氧化碳），有害健康」的說法，似乎不符合常識邏輯，否則應有大半之慢跑、快走的人，將會休克，叫救護車送醫了。

其次，如果「臥室擺盆栽，有害健康」係金ㄟ，那麼，山上居民豈不會多病或短壽？似乎也不符合常識邏輯；敝宅客廳擺了 6 棵盆栽，N 年來夜間看電視 4 小時，健康損多少？

光合作用的 CO₂ 及 O₂ 值可以量測嗎？

網路上可找到許多探討「森林（樹木）的碳吸存」之類的文章，諸如：不同植物（喬木、灌木、草本…）的固碳量、每年每棵樹約可吸收 12kg 的 CO₂、一棵成熟樹約可提供一戶 4 口家庭的氧氣需量、植物大約吸收人類排碳量的 29% 等；林務局的網站說：「根據光合作用【森林碳儲存】反應式，林木生物量每增加 1 公噸，可吸收 1.6 公噸的二氧化碳，同時釋放 1.2 公噸的氧氣…」，這些公認的超現實數據，可否簡單地以一棵盆栽樹，來證實光合作用吸多少二氧化碳？釋放出多少氧氣？

在探討室內空氣品質（Indoor Air Quality）時，有一定的安全參考值，例如：連續 8 小時之二氧化碳 ≦1,000 ppm、一氧化碳 ≦9 ppm、甲醛 ≦0.08 ppm、氧 ≧18%，醫院及百貨商場等公共場所，多設有室內空氣品質監測儀器；顯然，有儀器可以量測二氧化碳、一氧化碳及氧等氣體的具體數值。

為了跟金孫簡單地解釋光合作用的「吸碳排氧」理論，特別花 2 萬多元買了一組可量測空氣中之二氧化碳、氧氣及溫濕度的空氣品質分析儀（Lutron/AQ-9918SD，精確度：CO₂±40ppm、O₂±0.2%、溫度±0.8℃），分別於正午及半夜，到公園、植物園區及大停車場等場所，量測白天及夜間之 CO₂（ppm)）和 O₂（%） 的變化，並且順便於自己臥室，量測在有、無盆栽狀態下，1 人睡覺時之 CO₂ 和 O₂ 的變化，結果卻逆轉「夜間公園運動、臥室擺盆栽，有害健康」的常識。

國小的光合作用反應式： 二氧化碳＋水     葡萄糖＋氧＋水

「夜間公園運動、臥室擺盆栽，有害健康」的理論，顯然與植物的光合作用有關，姑且由我們所認知的空氣成份常識談起，在維基百科中可找到如表 1 的空氣成份，例如，標準空氣之 O₂ 含量為 20.942% 及 CO₂ 含量為 330ppm（0.033%）等。

呼吸時，吐出最多的氣體是二氧化碳？

首先，以新購之空氣品質分析儀，進行人體呼吸實驗；以鼻吸口吐方式（圖 1），將吸氣吐入密封塑膠袋中，測試紀錄如下表，約經過 3 分鐘後（NO.7），CO₂ 由正常值之 373ppm 劇升為 15,606ppm 以上，而 O₂ 由正常值之 21.5% 降為 17.3% 以下（空氣氧含量安全值：≧18%），同時，吐出氣體含水汽，使露點溫度（℃dp）由 18.4℃ 劇升為 22.2℃ 以上（塑膠袋內產生水汽）；此證實人體呼吸確實是吸入 O₂ 而吐出 CO₂ 及水汽，將儀器探棒取出後（NO.14），CO₂ 及 O₂ 含量則逐漸恢復正常（如表 2 所示）。

由表 2 的數據，如果你以為人體呼吸吐出的氣體中，大多是 CO₂ 和水汽，那就錯了。依維基百科的資訊，因為鼻子吸入的空氣中，氮佔 78%、氧佔 21%、CO₂ 佔 0.033%、水汽佔 1.3%，所以，人體吐出的氣體中，體積比最多的依舊是氮氣，約佔 78%（不被需要，又被吐出來）、氧約佔 13%～16%（減少）、CO₂ 約佔 4%～5.3%（增加）、水汽約佔 5%（增加），以及原被吸入的痕量氣體，又被原封不動的吐出來。

盆栽光合作用的量測值，違反吸碳排氧理論

其次，找一棵種了約 6 年多的鳶尾花戶外盆栽（圖2）做實驗；以透明塑膠袋罩住（圖3），進行光合作用實驗，5 秒記錄 1 筆，持續 25 分鐘，為節省篇幅，僅摘錄每 1 分鐘 1 筆。

如表 3 所示，可看出前 4 分鐘（NO.1～5）之 CO₂ 值有明顯下降（吸碳），符合光合作用的吸碳理論，但是，O₂ 值也由 21.4% 降至 20.2% （吸氧而非排氧）；然而，自第 5 分鐘（NO.6）開始，CO₂ 值又逐漸回升至第 25 分鐘（NO.26）的 632ppm（排碳），而 O₂ 值仍續降至最後的 18.2%（吸氧），亦即自第 5 分開始（NO.6），完全顛覆了植物光合作用的「吸碳排氧」理論。

此時，塑膠袋內佈滿霧狀水汽（露點溫度由 20.0℃ 劇升至 35.4℃，即為數據明證），溫度也由起始的 27℃ 升至 56.8℃（如同密閉汽車日曬而溫升至 60℃ 以上一樣）。

因為「光合作用的吸碳排氧理論」是眾所皆知的知識，筆者不死心，分別於白天（正午）及夜間（深夜），量測灌木欉、喬木園區、大停車場、大稻田及臥室的 CO₂ 與 O₂ 值，方法或許不夠嚴謹，但是，若依表 4 的量測值總表，確實無法證明植物光合作用的「吸碳排氧」理論。

表4說明：

1. NO.1、2、3 是開放空間的量測結果；夜間的 CO₂ 值均低於白天，且夜間的 O₂ 值均高於白天，因此，「夜間不宜在公園運動」的常識可能有誤。
2. NO.4 及 5（與植物無關）的量測值，其夜間、白天的 CO₂ 值及 O₂ 值互有高低，量測值仍在儀器誤差範圍內；然而，可確定「CO₂ 值及 O₂ 值，除了海平面高度與地點因素之外，亦會隨著溫、濕度之變化而改變」。
3. NO.6 之臥室在有、無盆栽時（圖 4）的量測結果，由 6b 之比值可知，無論有、無盆栽，CO₂ 值幾乎無變化（無盆栽 66.73%，有盆栽 66.70%），對此結果感到非常詫異。
4. 重做一次如 NO.7、7a、7b，結果依舊近似，無盆栽為 73.52% 與有盆栽為 71.78%，而 O₂ 量亦維持減少 0.47%；顯然，「臥室擺盆栽，有害健康」的常識，亦可能有誤。
5. NO.7b 的 CO₂ 均值，白天（+73.52%）比夜間（+71.78%）高 1.74%，可能出自儀器誤差，或 NO.8 之 CO₂ 值下降 9.27% 之故。
6. 為了解 NO.6b 及 7b 的結果是否正確，做一次「臥室無人睡、僅擺盆栽」的量測，結果如 NO.8，盆栽在夜間 7 小時中，CO₂ 量減少了 9.27%，O₂ 量增加了 4.69%，與植物夜間呼吸作用的「吸氧排碳」理論顛倒。
7. 因而再做 NO.9 的量測，將盆栽移至臥室南側的窗邊（圖 5，日曬 9：05～14：20），由 9：00 量測至 16：00（7小時），CO₂ 減少 12.4%，似乎有吸碳功能，但 O₂ 減少了 1.4%（在儀器誤差內），也不符合植物光合作用的「排氧」理論。

本文之 10 次量測實驗，均有完整記錄，但限於篇幅，僅能提供如表 4 的總表；在做了數次量測之後，發現即使是同一植物或場所，以同一台儀器量測，可能因（1）陽光強度（雲層厚度）、（2）環境溫濕度、（3）量測方式、（4）取樣時距（10秒、20秒、30秒…）、（5）量測時間（20分、30分、60分、120分…）之不同，而有不同的結果，不過，這五種不同情況的量測誤差，多在 ±3% 之內。

表 4 量測方式之說明例

為了證明筆者確實有做量測實驗，於此說明表 4 NO.7 的量測方式與記錄如下：

因為（同一地點）空氣中的 CO₂ 及 O₂ 值，會隨溫濕度變化而改變，所以，本量測方式，以上床後之前 10 分鐘與醒來離床前 10 分鐘的均值做比較，每 5 分鐘記錄一筆，持續 7 小時，分別做了臥室無盆栽及有盆栽之量測；1 人睡覺的 CO₂、O₂、℃db（溫度）及 ℃dp（露點溫度）的 7 小時記錄值如表 5a、表 5b，不論是無盆栽（表5a）或有盆栽（表5b），CO₂ 值均呈緩緩上升的趨勢，而 O₂ 值均只降了 0.1%，仍在儀器誤差範圍內，無法證明 O₂ 值是增加或減少。

將表 5 的量測記錄，轉換為趨勢圖，可看出在無盆栽及有盆栽的 7 小時量測期間，雖然兩者的起始值不同，但是，CO₂ 值均呈緩緩上升的趨勢，且兩者之線性（y=ax+b）迴歸分析的斜率（a）幾乎相同，因此，可證明夜間臥室擺盆栽，不會增加 CO₂ 量，亦即無法證明「臥室擺盆栽，有害健康」的常識為真。

結語

樹葉真有能力分解空氣，只吸收空氣中僅佔約 400ppm 的 CO₂，而不吸入空氣中的其他成分氣體？光合作用的「吸碳排氧」理論，是否被過度解讀？由前述的人體呼吸實驗，正確的說法，是否應為「吸入空氣僅部份的 CO₂ 被吸收，而有部份的 CO₂ 和不被需要的氮氣、氧氣等均被吐出」？

筆者非植物專家，僅是一位秉持常識邏輯思考原則的退休工程師；本文之 10 種場合的量測樣本數仍嫌不足，不宜此結果下定論；但是，量測結果不符合植物「光合作用」的「吸碳排氧」理論，無法給金孫一個合理的解釋，反而搞混她在學校所學的「光合作用」知識，希望有專家賜教，指正本文之錯誤或做合理的說明。