Biology

轉載自潘彥宏老師教學網 http://web2.fg.tp.edu.tw/~panyenhung/moodle/course/view.php?id=8

表面效應是奈米科技發展之後日漸受人矚目的名詞，是物體被微小化、奈米化之後，所出現眾多效應當中的一種。

基本概念

物體的表面積除以體積，所得出的值稱為比表面積，也就是單位體積的表面積。物體的比表面積會隨著物體粒徑的縮小而逐漸變大，亦即當物體的粒徑較大 時，組成該物體的原子大多數位於內部，屬於內部原子，位於外圍的表面原子所佔的比例就比較小。反之，當物體的粒徑很小時，內部原子所佔的比例就變小，表面 原子所佔的比例就大增。當物體小到只由 3 、 4 個以下的原子構成時，那麼所有的原子就都是表面原子，而沒有內部原子了。

一開始我們談得是表面效應、比表面積，為什麼接著又說起表面原子呢？這是因為物體中表面原子所佔的比例，其實也就是比表面積的概念。對一個物體來 說，內部原子在內部，因此無法與外界、無法與其他物體相接觸，只有表面原子才可以，故而當這個物體要和外界、要和其他物體發生反應時，主要是藉由表面原子 來進行。所以說隨著物體的粒徑愈小，比表面積會愈大，代表的是該物體可與外界接觸的機會增多、反應進行的速率也會隨之增快，這就是表面效應的精髓。

表面效應在化學上早已被廣泛地運用在催化劑、反應速率的提升等方面。在日常生活中，有些大家熟知的現象，也與表面效應有關。例如：一根木頭不容易燒起來，但是削成木片或木屑之後就很容易燃燒；一杯汽油雖然很容易燃燒，但是被噴成霧狀之後不只會燃燒、還會發生爆炸。

生物學上的例子

生物體運用表面效應的情形更是俯拾皆是。生物在維持生命現象的同時，必須不斷跟外界進行物質交換，包含由外界獲得養分、氧氣，將二氧化碳等代謝廢物 排出細胞外。細胞與外界接觸的介面是細胞膜，如果一個細胞的細胞膜所佔比例愈大，那麼它可與外界交換物質的界面也就愈廣，交換的效率也就愈高。細胞膜其實 就是細胞的表面，所以這就是比表面積的概念，就是表面效應，也因此不論是在多細胞生物或是單細胞生物體內，單一個細胞的體積都不會太大，因為小的細胞才會 有較大的比表面積。

構造上的特化

在前述部份我們提到的，都是維持小的體積可以得到大的比表面積。然而除此之外，還有其他提高比表面積的方式，特別可以在不改變體積大小的情形下，有效地提高比表面積，那就是改變物體的形狀，生物學上的說法就是外形或是構造上的特化。我們來看幾個這類的例子：

紅血球在動物體內負責運送氧氣，如果紅血球有比較大的比表面積，那麼運送氧氣的效率就能得到提升。一般脊椎動物例如魚類、兩生類、鳥類等，紅血球都 是橢圓形。哺乳動物的紅血球在成熟的過程中，細胞核會消失，使得細胞呈現雙凹圓盤狀，大大提升其比表面積，也因此具有較好的攜氧效率。

消化道是動物分解食物、吸收養分的場所，以哺乳動物為例，為了增進養分的吸收效率，消化道內的小腸具有多層次的皺褶，以增加與養分接觸的表面積。最 大的皺摺稱為環狀皺襞，肉眼可見，就像是小腸內壁上的皺紋。環狀皺襞上又有許多肉眼看不見、十分微小的指狀突起，稱為絨毛。構成絨毛的上皮細胞，在與養分 接觸的這一面，細胞膜表面不是平整的，而是特化成許多稱為微絨毛的突起。凡此種種，使得人體內小腸的總表面積高達 300 平方公尺，約等同於一個網球場的大小。

在我們體內類似這種以增加表面積的方式，來提升物質交換效率的例子，還有肺臟和腎臟。肺臟內的肺泡，使得肺部可進行換氣的總表面積達 100 平方公尺。腎臟內腎小管的上皮細胞則是具有微絨毛，在製造尿液時，可提升再吸收營養成份的效率。

外形上的適應

哺乳類和鳥類屬於溫血動物，又稱為恆溫動物，目前愈來愈多人接受的新的說法則是內溫動物。這是因為這類動物的體溫，是由自己體內新陳代謝所產生的熱來維持的。

在生態學上有一個專門用來描述內溫動物體型與分布狀況的法則，稱為伯格曼法則。它的內容是：對親緣關係相近的哺乳動物來說，分布在熱帶地區的體型會 比較小，分布在寒帶的體型則較大。以熊為例，分布在熱帶的馬來熊，體型就比分布在寒帶的北極熊小。另一個類似的法則稱為阿倫法則，它的內容是：對親緣關係 相近的哺乳動物來說，分布在熱帶地區的，身體上的附屬構造會比較大，分布在寒帶的則較小。以狐為例，分布在熱帶的沙漠狐的耳朵，就比分布在寒帶的極地狐的 大的多。

為什麼會有這樣的法則呢？原來，這種現象背後的原理，其實與我們前面提到的表面效應有關。對內溫動物而言，皮膚是體溫調節器官，也是散熱的介面。套 我們前面的用語來說，皮膚就是動物體的表面積，體型大的動物有比較小的比表面積，相形之下，體型小的動物的比表面積會比較大。馬來熊生長在熱帶，因此，能 夠有效地散熱是個重要的議題。體型小的個體因為有較大的比表面積，也就是說單位體積內有較大的散熱表面，因此在演化上較具有優勢，容易成為適者被保留下 來。反觀寒帶，生存上的重大議題反而是保暖、減少散熱，使得天擇的力量不利散熱效果較差的個體。北極熊在這樣的環境篩選之下，體型大、具有較小比表面積的 個體將會成為適者而存活下來。我們可以用同樣的邏輯，來看阿倫法則背後的原理。外突的附屬構造會增加散熱的表面積，這對生活在熱帶的動物來說是好事，可增 加競爭的優勢，但是對寒帶的動物來說就是致命傷了，所以才會造成阿倫法則所描述的現象。

從以上的敘述中，相信大家應該已經發現，其實表面效應不算是奈米科技發展之後才有的新的效應，而是長久以來就一直存在的現象。奈米科技的貢獻是使物 體能夠比較精準地被微小化、奈米化，進而加強表面效應。總之，大自然充滿玄妙與寶藏，如果我們的人文關懷、科學視野以及科技能力能夠不斷向前，我們將能夠 逐漸窺其堂奧，進而加以妥善應用、造福人群。