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能「吐絲」的蝦子

NTHU_BARON
・2011/11/29 ・580字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 497 ・六年級

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牛津研究團隊發現了一種學名為Crassicorophium bonellii的蝦子,能夠吐絲來固定牠用沙粒所造的房子。牠所製造的細絲結合了藤壺膠的生物學和蜘蛛絲生產的技術,帶有黏性且抗鹹水,是一種以自然方法所製造出的新高功能材料。他們的發現發表在Naturwissenschaften期刊,該研究的其中一名作者,牛津大學教授Fritz Vollrath解釋,這種蝦子是藉由腿上的管道釋放出材料:「牠利用這些纖維來固定沙粒、植物、藻類,甚至是自己的糞便來蓋房子。」

雖然科學家已經了解這種蝦子可以從腳製造出帶有黏性的物質,科學家更發現牠們會像蜘蛛一樣將這些物質織成有功能的細絲。然而,除了知道這個材質抗鹽分和水分之外,研究團隊對於這項材料的其他性質的了解非常少。「我們猜測它(細絲)擁有和蜘蛛絲一樣堅固且具延展性的特性,但這種細絲已經演化成能夠存在於海底並能在海底紡織,它應該擁有一些讓它在海裡表現的技巧。」

科學家團隊希望能夠藉由揭開這個材料的秘密,來奠定相關產品的基礎,例如船用黏膠或抗藤壺附著的塗料。舉例來說,若能夠徹底了解藤壺附著的機制,科學家就能夠發展出防止藤壺附著的塗料。「(因為藤壺)遠洋海運每年要多花四億美金來拖運,如果你有辦法使船底乾淨就能夠省下這筆花費。」對於這樣的發現,Vollrath教授表示「我們並不是想從自然界中複製物品,我們更想要從自然界的運作中找到靈感。」

資料來源:Shrimp has ‘silk-spinning skills’[15 November 2011]

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編譯:Vivian Yang

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NTHU_BARON
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純淨之水的追尋—濾水技術如何改變我們的生活?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/17 ・3142字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與 BRITA 合作,泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎?

如果你回到兩百年前,試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水,可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐,氣味刺鼻,甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」,當時的人們雖然知道水不乾淨,但卻無力改變,導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」(圖片來源 / freepik)

幸運的是,現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物,但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰,哪些技術真正有效?

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19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展,面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊,甚至未經處理的地下水,導致傳染病肆虐。

1854 年,英國醫生約翰·斯諾(John Snow)透過流行病學調查,發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關,這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度,促使公衛政策改革,加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初,英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒,成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率,這一技術迅速普及,成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾,尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後,惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年,後藤新平出任民政長官,他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設,對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題,他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓(William Kinnimond Burton) 來台,規劃現代化的供水設施。在雙方合作下,台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年,全台已有 16 座現代水廠,有效改善公共衛生,為台灣城市化奠定關鍵基礎。

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圖片來源/BRITA

進入 20 世紀,人們已經可以喝到看起來乾淨的水,但問題真的解決了嗎? 科學家如今發現,水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物,甚至微量的內分泌干擾物,這些看不見、嚐不出的隱形污染,正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此,濾水技術迎來了一波科技革新,活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透(RO)等技術相繼問世,各有其專長:

活性碳吸附:去除氯氣、異味與部分有機污染物

離子交換樹脂:軟化水質,去除鈣鎂離子,減少水垢

微濾技術逆滲透(RO)技術:攔截細菌與部分微生物,過濾重金屬與污染物等

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這些技術相互搭配,能夠大幅提升飲水安全,然而,無論技術如何進步,濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯,決定了水質能否真正被淨化,而現代濾水器的競爭,正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是,最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能?

濾芯的壽命與更換頻率:濾水效能的關鍵時刻濾芯,雖然是濾水器中看不見的內部構件,卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例,其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂,能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質,並過濾鉛、銅等重金屬,同時軟化水質,提升口感。

然而,隨著市場需求的增長,非原廠濾芯也悄然湧現,這不僅影響濾水效果,更可能帶來健康風險。據消費者反映,同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯,顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全,建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯,避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙,正面則可看到 BRITA 商標,以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計,底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節,才能確保濾芯發揮最佳過濾效果,讓每一口水都能保證潔淨安全。

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濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計 (圖片來源 / BRITA)

不過,即便是正品濾芯,其效能也非永久不變。隨著使用時間增加,濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞,導致過濾效果減弱,濾水速度也可能變慢。而且,濾芯在拆封後便接觸到空氣,潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯,不僅會影響過濾效能,還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質,形成「過濾器悖論」(Filter Paradox):本應淨化水質的裝置,反而成為污染源。為此,BRITA 建議每四週更換一次濾芯,以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題,BRITA 推出了三大智慧提醒機制,確保濾芯不會因過期使用而影響水質:

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈:即時監測濾芯狀況,顯示剩餘效能,讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒:掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間,自動提醒何時該更換,減少遺漏。

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3. LINE 官方帳號自動通知:透過 LINE 推送更換提醒,確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天,濾芯已不僅僅是過濾裝置,更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備,成為了健康生活的關鍵。

人類對潔淨飲用水的追求,從未停止。19世紀,隨著城市化與工業化發展,水污染問題加劇並引發霍亂等疾病,促使濾水技術迅速發展。20世紀,氯消毒技術普及,進一步保障了水質安全。隨著科技進步,現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術,去除水中的污染物,讓每一口水更加潔淨與安全。

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(圖片來源 / BRITA)

今天,消費者不再單純依賴公共供水系統,而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如,BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求,從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題,去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%,並通過 SGS 檢測,通過國家標準水質檢測「可生飲」,讓消費者能安心直飲。

然而,隨著環境污染問題的加劇,真正的挑戰在於如何減少水污染,並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具,更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備,它象徵著人類與自然的對話,提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利,更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源,且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

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蜘蛛絲退位!世界最強的蛋白質是…?
葉綠舒
・2015/06/02 ・603字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 447 ・四年級

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大家應該都知道蜘蛛絲是世界最強的蛋白質吧?完全由丙氨酸(alanine)與甘氨酸(glycine)兩種氨基酸所構成β-板(β-sheet)所組成的蜘蛛絲(見下圖),其強度可達1.5GPa,與同樣粗細的鋼絲差不多硬呢!

Structure_of_spider_silk_thread_Modified.svg
蜘蛛絲的結構。圖片來源: “Structure of spider silk thread Modified” by Chen-Pan Liao. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

不過,最近科學家們在笠螺(limpets,Patella vulgata)的發現,可能要請蜘蛛絲讓出寶座了。

Common_limpets1
笠螺 圖片來源:”Common limpets1″ by Tango22 – Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

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笠螺這種看來不起眼的軟體動物,一生就是在淺水區的石頭跟沙子裡,用牠的牙齒磨啊磨地找食物;也就是因為這樣,所以牠的牙齒(由蛋白質構成)的強度比蜘蛛絲還強,大約介於3到6.5GPa之間吧!

Napfschnecken_Galizien2005
笠螺的「牙齒」(左上角)。 圖片來源:”Napfschnecken Galizien2005″. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

雖然這個強度比一些人造的物質(如:石墨烯)尚有不如,但也已經遠遠贏過蜘蛛絲了!如果您想知道什麼時候我們可以有笠螺材質的假牙?答案是不知道,就像當初發現蜘蛛絲比鋼絲還強的時候,也有人想開發蜘蛛絲,不過光是要合成就不容易,而要讓蜘蛛為我們繅絲,對不起,蜘蛛可不是蠶寶寶,當然笠螺也不見得多聽話啊!

原刊轉載自作者部落格

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參考文獻:

  1. David Shultz. 2015/2/17. Spider silk dethroned as nature’s toughest fiber. Science Now.
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葉綠舒
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做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。

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不再讓鳥撞裂成仁:蜘蛛網的好點子
林大利_96
・2014/05/18 ・1829字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 484 ・五年級

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在加拿大多倫多蒐集撞擊玻璃而死的鳥類屍體 photo by Kenneth Herdy, Fatal Light Awareness Program (FLAP)

建築物的玻璃是造成鳥類死亡的首要威脅,據估計在美國每年造成5.5億隻鳥類死亡。這個問題讓世界各地的鳥類學家傷透腦筋,雖然設計了防鳥撞擊玻璃的貼紙和膠帶,但是成效有限。德國慕尼黑海拉布倫動物園(Hellabrunn Zoo)召集的合作團隊經過八年的苦思,直到蜘蛛網給了個好點子,設計一種特製玻璃。經過測試後,66%的鳥隻會閃避特製玻璃,即將登場大幅降低鳥類撞裂成仁的悲劇。

每年五億五千萬隻鳥撞裂成仁

美國林務署(United State Department of Agriculture, Forest Service; USDA Forest Service)在2005年的評估報告中指出[1],鳥類因人為因素死亡的主要原因是撞擊建築物玻璃致死。估計在美國每年造成5億5千萬隻鳥類死亡,占總數的58.2%,其餘因素分別是電線(1.3億隻)、野貓(1億隻)、車輛(8千萬隻)、殺蟲劑(6千7百萬隻)、基地台鐵塔(450萬隻)、風力發電機(2.85萬隻)、飛機(2.5萬隻)及其他(漏油汙染、漁業混獲等)。尤其在春天鳥類繁殖季時,以及秋天鳥類遷徙時,更是撞擊致死的高峰。

無論是巨大的玻璃帷幕建築、還是自家住宅的小窗戶,都會引起鳥類撞擊玻璃而死。主要是因為鳥類看不見透明的玻璃,或是玻璃上的風景鏡像,都讓鳥類毫無顧忌的快速飛去,結果卻是通往另一個世界。這個問題困擾鳥類學家已久,曾經設計過防鳥擊的猛禽貼紙膠帶塗料、毛玻璃等方法,但是成效有限,也影響建築物原先設計的的採光和美觀,不容易大幅推廣。

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那些蜘蛛教我的事

德國慕尼黑海拉布倫動物園的強化玻璃觀賞窗也面臨同樣的問題。園長Andras Knieriem不忍心園區內的野生繁殖鳥和候鳥因此於動物園終結一生,決定要解決這個問題,與玻璃公司Aronld Glas的研發員Christian Irmscher及鳥類學家Wolfgang Fieldler合作。Christian Irmscher為這個問題苦思了八年,嘗試過各式各樣的方法,或是在窗前栽種竹籬。但是,這些讓玻璃不透明的方法,都會影響遊客觀賞動物的視線。Christian Irmscher 說:「不影響玻璃的透明度,但是要讓鳥有所警覺。」

最後,大自然給了他一個解決之道。

為了避免鳥類毀了蜘蛛耗費大量能量製作的蜘蛛網,有些蜘蛛絲能夠反射紫外線。鳥類的視網膜上除了具備人類也有的三種的錐狀細胞:紅色、綠色和藍色,還有一種接收紫外線的錐狀細胞。大多數的鳥類都有紫外線視覺,用來尋找食物(由花瓣和田鼠的尿痕反射)和伴侶(由異性體羽反射)[2]。這個知識讓Christian Irmsche在玻璃中加上能反射紫外線的材質,並且設計成網狀,作為防止鳥擊的專屬玻璃(anti-bird-strike glass)。在鳥類的視覺裡,是一片帶有不透明網狀圖樣的玻璃;在人類的視覺裡,那仍然是一片透明無瑕的玻璃。

紫外線視覺下的特製玻璃。圖片來源:ORNILUX Bird Protection Glass
紫外線視覺下的特製玻璃。圖片來源:ORNILUX Bird Protection Glass

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快來試試看效果如何!

鳥類學家 Wolfgang Fieldler 趕緊測試特製玻璃的效果。他在僅一面牆有窗戶的暗房中做測試,窗戶分別裝上特製玻璃和一般的玻璃。為了避免鳥撞上玻璃而受傷,在窗戶前架了一個安全防護網。以一些常見的鶇科(Turdidae)和山雀科(Paridae)鳥類做測試,如黑鶇(Turdus merula) 和大山雀(Parus major)。受測鳥類會從包著黑布的鳥籠中飛出,將特製玻璃視為障礙物的大山雀,會在特製玻璃前徘徊一陣之後,轉而向一般玻璃飛去。最終的測試結果,共有66%的鳥隻會將特製玻璃視為障礙物。 Wolfgang Fieldler 說:「雖然不及我們所期望的達到100%或95%,但是這樣的比例告訴我們,已經可以救回非常多的小鳥。」

這些特製玻璃先安裝在北極熊區和鵜鶘區,遊客不僅能在安全無虞的狀況下觀賞動物;園區內的野鳥,也能盡情地飛翔。

動物園園長 Andras Knieriem 說:「從此以後,再也沒有翠鳥撞上玻璃了。」

延伸閱讀

引用文獻

  1. Erickson, W. P. et al. 2005.  A summary and comparison of bird mortality from anthropogenic causes with an emphasis on collisions. USDA Forest Service General Technical Report. PSW-GTR-191.
  2. Cuthill, I. C. 2006. Color perception. Pages 3–40. in Hill, G. E. and K. J. McGraw, editors. eds. Bird Coloration, vol. 1: Methods and Mechanisms. Harvard University Press.
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林大利_96
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來自森林系,目前於特有生物研究保育中心服務。興趣廣泛,主要研究小鳥、森林和野生動物的棲地。出門一定要帶書、對著地圖發呆很久、算清楚自己看過幾種鳥。是個龜毛的讀者,認為龜毛是一種科學寫作的美德。