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生物學上的表面效應

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。

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