幾萬年前就是好朋友？在北極發現狗的可能始祖

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

愛犬慘死，兇手逍遙法外。縱然不是每個人都如電影《捍衛任務》的 Johon Wick，身懷絕技，謀求私刑正義；^[1]透過科學管道，至少可以討個答案，獲得心靈平靜。義大利某隻母的傑克羅素㹴（Jack Russell Terrier），橫屍寵物旅館的院子，得年 8 歲。犬舍的網子破裂，有向內拉扯的痕跡。寵物旅館老闆養的3隻荷花瓦特犬（Hovawart），嫌疑重大；然而事後到場的獸醫，卻認為野生狐狸或海狸才是罪魁禍首。傑克羅素㹴的主人心有不甘，遂找上波隆那的一所動物疾病預防研究機構（L’Istituto Zooprofilattico Sperimentale della Lombardia e dell’Emilia-Romagna）。^[2]

解剖狗屍

這隻傑克羅素㹴死後，在日均溫 7 °C 的環境，被擱置 18 到 20 個鐘頭。接著於 − 18 °C 的冰庫裡，凍了 1 個月，才被研究機構拖出來驗屍。從外觀看來，牠生前的健康狀況良好。不過，毛皮沾血，且有 14 道 7 至 10 公厘，略呈橢圓，邊緣清楚的咬傷，分佈於頸、肩、胸、肋弓、大腿（照片）和鼠蹊。另外，腰部還有個 10 公分長，2.5 公分寬的大傷口。剝掉狗皮後，可見創傷頗深：左邊頸、胸的肌肉浸潤於血中；胸腔與腹腔內，也有輕微出血；肋間肌、肋膜及腹壁穿孔；並有一根肋骨骨折。綜合以上，牠顯然死於咬傷穿透胸部，^[2]使空氣在肋膜腔中累積而壓迫肺臟，^[3]所導致的氣胸（pneumothorax）。^[2]那麼究竟是什麼動物如此殘暴？

nDNA vs. mtDNA

兇手遺留在死者身上的 DNA，是指認身份的好線索。^[2]細胞中的細胞核（nucleus）和粒線體（mitochondria）都含有 DNA，^[4]分別簡稱為 nDNA 與 mtDNA，兩者並不相同。以人類為例，前者包含從雙親得來的 2 至 3 萬個基因；後者則有 37 個，主要遺傳自母親。^[5]分析 nDNA 的短縱列重複序列（short tandem repeat；STR），也就是一些鑑別度高的小片段；^[4]或是單核苷酸多型性（single nucleotide polymorphism；SNP），即DNA序列中單一鹼基的變異，^[6]便能辨識個體。^[2]

以此案來說，最理想的作法，當然是從㹴犬身上的咬傷取樣，分析 nDNA，再比對兇嫌的樣本。可惜屍體於運送的過程中，大概已經受到汙染，驗了也未必準確。再加上寵物旅館的老闆，絕不可能讓3隻荷花瓦特犬配合調查，這個辦案方向根本毫無希望。^[2]

好在天無絕人之路，數根 5 到 10 公分不等，顏色有深有淺的毛髮，不僅卡在死者的牙縫裡（照片），還纏於腳掌上。它們出現的位置奇怪，長得又跟梗犬的不同，或許正是來自兇手。儘管鑑識採集的毛髮時常不帶毛囊，^[2]而髮幹的 nDNA 含量又極低，不過會有相當充足的 mtDNA，^[7]可以辨識物種。於是，鑑識人員挑了最長又最完整的 4 根送驗。^[2]

狼 vs. 犬

毛髮 mtDNA 分析的結果，顯示其來源非狼即犬，才不是獸醫瞎說的狐狸或海狸。如果進一步由傷口位置，回推攻擊方式，嫌疑範圍又會縮得更小：^[2]

狼（Canis lupus）作為掠食者，攻擊講求效率。最好不太耗費能量，便獵得豐美肉食。特別是遇到傑克羅素㹴，這種小型犬的時候，會朝頸部直接咬死，然後狼吞虎嚥。此外，該寵物旅館附近，沒有狼出沒。^[2]

相對地，狗（Canis lupus familiaris）打起架來，才會全身從頭到尾胡亂咬。好不容易把對方搞癱了，卻放著全屍一口沒吃。因此，本案的兇手應該是中、大型犬，而且當時有機會與死者接觸的，唯有那 3 隻毛髮長度和顏色，與證物完全吻合的荷花瓦特犬。^[2]

身後貢獻

鑑識團隊完成狗主人託付的任務後，撰文介紹將 mtDNA 的細胞色素 b 基因（cytochrome b gene），放大並定序，最後確認物種的細節。^[2]雖然不曉得他們的努力，是否有助司法公道，但是好歹已為學術研究貢獻心力。天下蒼生多少默默無聞，死後被立碑著傳的又有幾個？一隻備受寵愛的傑克羅素㹴，能榮登學術期刊，也算不枉此生。

參考資料

1. ‘John Wick’. IMDb. (Accessed on 02 AUG 2023)
2. Roccaro M, Bini C, Fais P, et al. (2021) ‘Who killed my dog? Use of forensic genetics to investigate an enigmatic case’. International Journal of Legal Medicine, 135, 387–392.
3. McKnight CL, Burns B. (15 FEB 2023) ‘Pneumothorax’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
4. Department of Emergency Services and Public Protection. ‘Nuclear DNA’. U.S. Connecticut’s Official State Website. (Accessed on 01 AUG 2023)
5. Storen R, Smith E. (11 JUN 2021) ‘Mitochondrial donation in Australia.’ FlagPost by Parliament of Australia.
6. Gunter C. (01 AUG 2023) ‘Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs)’. U.S. National Human Genome Research Institute.
7. Tridico SR, Koch S, Michaud A, et al. (2014) ‘Interpreting biological degradative processes acting on mammalian hair in the living and the dead: which ones are taphonomic?’. Proceedings of the Royal Society B, 2812014175520141755.

公元 2023 年 4 月 28 日 Science 期刊發表專題「Zoonomia 計畫」，包含多篇定序、分析大量哺乳類的論文。其中一篇論文的分析尺度最小，研究對象的知名度卻最高，那就是一百年前名犬「巴圖（Balto）」的古代基因組。

先來緬懷巴圖的事蹟：他在 1925 年 2 月 1 日頂著低於零下 30 度的氣溫，駕駛雪橇 7.5 個小時，穿越 85 公里，與同儕成功將白喉血清送到目的地，拯救許多人命。

白雪季節，白喉來襲

巴圖的飼主 Leonhard Seppala 於挪威成長，後來搬到阿拉斯加，是駕駛雪橇以及培育雪橇犬的專家。巴圖 1919 年在阿拉斯加出生，從小與眾多同儕一起訓練，成為優秀的雪橇犬。

阿拉斯加西部的小鎮諾姆（Nome）在 1924 年底約三千居民，只有一位醫師 Curtis Welch 和四位護士。1925 年一月中，醫師確認恐懼的事正在發生，白喉已經入侵，人類開始死亡。

幾年前 H1N1 大流感（西班牙流感）襲擊諾姆，在醫療資源有限的當地造成重傷害。如果不及時阻止，白喉恐怕也將導致大災難。那時已經有白喉抗毒素（antitoxin）可以對付白喉桿菌，醫師緊急請求支援，也得到回應。

然而，地點、時節都很尷尬。諾姆離海港較近，可是時值嚴冬，被凍結的港口無法水運。那個年代已經有飛機，評估空運的成功機率卻不高。陸路是有鐵路，但是距離也相當遙遠。

陸海空方案中，陸路機會最高。最終人們下了艱難的決策：交給傳統技藝「雪橇宅急便」。當局緊急招募多位老經驗的雪橇駕駛人，與精銳雪橇犬組隊，一隊接力一隊，將白喉抗毒素血清送往諾姆。

一千公里的雪橇宅急便

任務極為困難，路途遙遠、氣候惡劣以外，血清預計只能維持 6 天。那時兩地郵件寄送預計為一個月，意思是要把本來普通天候下的一個月，縮短為酷寒下的 6 天時程。

最後擬定的計畫相當精密，貨物先由鐵路送到最近的尼納納（Nenana）。接著雪橇隊將從兩端同時出發，一邊從尼納納向前狂奔，送到努拉托（Nulato）；另一邊從諾姆出發，各隊依序就位，到努拉托收件，接著往回狂奔。

用台灣類比，像是把東西從台北送往高雄，一邊從台北經由桃園、新竹、苗栗、向台中前進，另一邊從高雄先向台中，沿路在台南、嘉義、彰化就位，再往回走。

從台北到高雄，國道一號的路程約為 350 公里，尼納納到諾姆則超過 1000 公里。大部分隊伍頂著零下 30 到 50 度的氣溫，前進 40 到 80 公里的距離。最後在 20 位雪橇駕駛員及 150 位雪橇犬日夜不停接力下，只花 5 天半就將血清送到諾姆。

開路先鋒 Bill Shannon 的 84 公里過程最凶險，他與 9 狗在零下 40 到 52 度的風雪中趕路，半路 3 狗不敵酷寒，不幸犧牲（三狗名為 Cub、Jack、Jet），人臉也嚴重凍傷，所幸隊伍依然完成任務。

貢獻最大的人是倒數第三棒，也就是巴圖的飼主 Leonhard Seppala。他帶領 20 狗，讓最信任的「圖哥（Togo）」與 Fritz 領隊，先從諾姆向東前進 270 公里就位，收件後又狂飆 146 公里，成為里程最長的隊伍。

圖哥也成為這趟任務中，貢獻最大的狗狗。他生於 1913 年，雪橇宅急便時 12 歲，後來活到 1929 年，16 歲去世。

英雄旅程，以及英雄的餘生

巴圖的飼主不特別看重他，所以沒有帶他同行，而是交給同樣來自挪威，在阿拉斯加工作的 Gunnar Kaasen。巴圖和同儕 Fox 是最後一棒共 13 狗的領隊，他們原本預計是倒數第二棒，負責從 Bluff 到 Safety 的 40 公里。

不過凌晨 2 點多抵達交棒地點時，預計接手的 Ed Rohn 判斷暴風雪會延誤行程，正在睡覺。Gunnar Kaasen 決定自己繼續趕路，最後累積 85 公里，在 2 月 1 日 5 點 30 分抵達諾姆。

及時獲得支援的 Curtis Welch 醫師，與手下成功控制白喉疫情，將傷害減到最輕。Alaskan Lives Matter！

當時雪橇宅急便是全美國關注的新聞，廣大民眾都很緊張是否能成。雪橇犬、駕駛人都被視為英雄，成為焦點話題。巴圖的貢獻應該算第二名，不過最後是他將血清送到目的地，這位 6 歲的狗狗也獲得最大的名聲。

熱潮過去後，巴圖被賣到洛杉磯，成為展示動物。1927 年，拳擊手轉職商人的 George Kimble 在洛杉磯見到巴圖，覺得這位英雄的待遇有夠爛，便運作讓巴圖與 6 位同儕搬到他的家鄉克利夫蘭。

巴圖抵達克利夫蘭時，受到遊行熱烈歡迎。他在動物園度過餘生，1933 年 3 月 14 日去世，享年 13 歲。接著化身為標本，成為克利夫蘭博物館的一員陪伴大家，直到 90 年後的現在。

遺傳一極棒，卻已經消逝的狗群

2023 年發表的論文由巴圖的皮膚取得 DNA，平均覆蓋率 40，品質相當好。歷史記載看他是西伯利亞哈士奇（Siberian husky），但是要等到他出生後 11 年， 1930 年這個品系才被美國犬業俱樂部（American Kennel Club）認證。

和現代品系相比，巴圖合計有 68% 血緣與多款北極狗一致。西伯利亞哈士奇只有 39%，格陵蘭雪橇犬 18%。有趣的是還配備 24% 的亞洲狗狗血緣，而且毫無任何狼的成分。

巴圖所屬的狗群，依照歷史記載源自西伯利亞，由於體型小、速度快、適合雪橇，所以被帶到阿拉斯加培育。和如今所有的品系狗比較，他配備的潛在有害變異較少，DNA 多樣性較高，遺傳上更加健康。

和一百年前的巴圖相比，如今的北極狗近親繁殖更嚴重，有害變異更多。巴圖 6 個月大便已絕育，沒有後代。他所屬遺傳更多元的族群，也已經消逝了。

根據 DNA 變異能預測古狗的形貌，只是以前都不知道準不準。巴圖有照片也有標本，可以精確比較。預測他有雙層狗毛、大部分黑毛加上少量白毛、肩高 55 公分，都符合實況。現今西伯利亞哈士奇的肩高介於 53 到 60 公分，巴圖算是範圍內略矮的。

另外有意思的是澱粉。遺傳上，狼、北極狗消化澱粉的能力最差，其餘狗從好一點到好很多。巴圖看來比其餘北極狗好一點，但是離多數狗差一截，符合他大量北極、少量亞洲血緣的遺傳背景。

他們都是英雄

巴圖的飼主 Leonhard Seppala 沒有將其選進自己的小隊，加上臨時更動計畫，反倒使得巴圖成名。其實知道多一點歷史就會覺得，歷史上最不意外的，就是發生意外。

Leonhard Seppala 事後曾經抱怨，他的難波萬愛犬圖哥應該享有的鋒芒，被巴圖獲得。歷來也不缺少貶抑巴圖的好事之徒，指控他不是隊長等等（巴圖也許不是唯一的隊長，但是反駁他擔任隊長的證據都弱弱的）。

可是稍微想想就知道，比圖哥年輕 6 歲的巴圖，當然不是弱雞。運送血清的漫長過程，只要一次失誤便前功盡棄，能參與的肯定都是精英。而巴圖也不辱使命，證實飼主調教有方。

重要的是，1925 年的雪橇宅急便及白喉保衛戰中，不論每一位有什麼貢獻，所有的狗與人都冒著巨大的風險工作，拯救許多人。他們都是英雄，我們懷念他們。

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參考資料

1. Moon, K. L., Huson, H. J., Morrill, K., Wang, M. S., Li, X., Srikanth, K., … & Shapiro, B. (2023). ​ Comparative genomics of Balto, a famous historic dog, captures lost diversity of 1920s sled dogs. Science, 380(6643), eabn5887.
2. Genome of famed sled dog Balto reveals genetic adaptations of working dogs
3. Hidden details of world’s most famous sled dog revealed in massive genomics project

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。