藍眼淚不流淚,守護地球的藍碳

劉少倫
東海大學生命科學系副教授

 

 

自從 17 世紀工業革命推動了全球化的工業發展,將原本封存在地底或深海地層中的石化燃料(例如煤、天然氣等),轉化成大量溫室氣體(主要是二氧化碳),釋放到大氣;這些溫室氣體,宛如掙脫地獄枷鎖的惡魔,在人類的貪婪中,以非常快的速度加熱全球氣溫,並加劇全球氣候的改變。

這幾年,我們對極端氣候的感觸似乎更為強烈,聽著以下這些新聞:南歐和東京夏季更久更高溫的熱浪、北極圈創紀錄的夏季高溫、南北極冰川大量的崩解、臺灣五月竟然創下比夏季更高的溫度、澳洲大堡礁珊瑚因高溫白化將在未來死去 60-80% 等。

每一年,新聞媒體都說這些極端氣候打破過去幾百年來的紀錄,非常「異常 (abnorm)」。

但是,隨著每一年這樣的新聞重複的發生,未來的一年又再次創下過去幾百年來的高溫紀錄,這些極端氣候的新聞已經可以說不再異常,甚至可以說這些極端氣候的新聞變成習以為常地「正常 (norm)」。因石化燃料使用及工業發展,在我們享受它們帶來的舒適便利和經濟發展的生活時,其暗黑破壞性猶如喪鐘般替人類末日開始倒數計時。

臺灣各媒體有關極端氣候的報導標題(擷取自各媒體 2018 年網路報導)。圖/作者提供

藍碳是什麼,少年PI的藍眼淚?

在 1990 年,聯合國環境署 (United Nations Environment Programme)、聯合國糧食及農業組織 (Food and Agricultural Organization of the United Nations) 及聯合國教育、科學及文化組織下的政府間海洋學委員會 (Intergovernmental Oceanographic Commission, UNESCO) 共同發表聲明,指出全球海洋有 55% 的初級生產者應被視為「藍碳 (blue carbon)」。

其中,海草、紅樹林和鹽草等沿岸生態系封存大氣二氧化碳的量更遠高於熱帶雨林。但相較於熱帶雨林,這些藍碳生態系卻是以 5-10 倍的速度快速的消失,將對全球暖化狀況雪上加霜。在氣候變遷的威脅下,也因這樣的報告,激起全球政府跟海洋學界一股對這些沿岸藍碳生態系的保育重視跟研究,尤其著重在海草、紅樹林和鹽草等維管束植物為主的生態系。

由於全球暖化的影響,全球對藍碳生態系的保育跟研究更加重視。圖/pixabay

到底藍碳是什麼?海洋中怎樣的初級生生產者才可以被視為藍碳?

要回答這個問題,我們首先得了解「碳吸存(carbon sequestration;抑或翻譯成碳匯及碳截存)」。當維管束植物或藻類進行產氧光合作用的同時,能夠將大氣中的二氧化碳固定,使用太陽光能,藉由光合作用化學反應產生葡萄醣(C6H12O6;或6(CH2O))及氧氣(反應式一)。因為葡萄醣主要是以碳為分子骨幹,並由生物合成,故又稱之為有機碳。

反應式一(光合作用):

CO2 + 2H2O + >8 Photons → CH2O + H2O + O2

由光合作用產生出來的有機碳葡萄醣,能進一步成為主要原料,在維管束植物(例如海草、紅樹林和鹽草)體內用以合成另一種有機碳分子木質素 (lignin),支撐維管束植物生長。當維管束植物死去後,木質素是一種非常難被微生物分解利用的有機碳。

因此,這些不易分解的木質素就好比一個天然的碳吸存裝置,能抵抗微生物分解並最終埋葬於地底沉積物中,不再釋放回大氣中,達到降低大氣二氧化碳的目的,這樣碳吸存的過程我們稱為「碳埋葬 (carbon burial)」。此外,在大洋中生長的小型浮游藻類,死掉後會沉降到微生物作用不活躍的低溫深海,使得微藻殘骸無法被微生物分解而最終埋葬於深海中,這樣的碳吸存方式稱之為「生物幫浦 (biological pump)」。

整體而言,當二氧化碳藉由光合作用固定合成出有機碳後,這些有機碳能夠藉由碳埋葬或生物幫浦方式被長期儲存而不被微生物利用轉化為二氧化碳再度釋放回大氣中,這就是碳吸存的概念。相較於陸域生態系,因為海草、紅樹林、鹽草及大洋小型浮游微藻等生態系身處藍色海洋中,又具備碳吸存的功能,故以藍碳稱之。

不哭不哭眼淚是珍珠,鈣化的藍眼淚

在海洋中,從碳吸存的定義思考,假如初級生產者死後不能夠被碳埋葬(碳封存),或是無法有效降低大氣二氧化碳,我們就不能把它們視為藍碳。生活在海洋中的大型海藻(簡稱海藻),因不具備木質素,又大多生長在岩岸導致殘骸不易被沉積物包埋,也不像小型浮游微藻可藉由生物幫浦方式進行碳吸存,傳統認為它們藻體死亡後會快速被微生物分解,再度以二氧化碳方式釋放回大氣中,所以它們在藍碳科學討論中一直乏人問津。

但近年來,隨著更多的研究,海洋生物生態學家逐漸體認到沿岸這些大量生長的海藻,其實可以藉由不同的方式具備碳吸存的生態功能,可以說是一個長期被低估的藍碳生態系。在這幾年的研究,到底海洋生物生態學家學到了什麼,讓我們得以重新認識這群默默協助我們降低大氣二氧化碳的功臣?

海藻碳吸存的其中一種方式,就是藉由鈣化作用累積碳酸鈣。在所有海藻中,約有 5% 的物種能進行鈣化作用,於藻體內累積碳酸鈣,泛稱為「鈣化海藻」;其中,以紅藻中的珊瑚藻科藻種佔最大宗且具有最多樣的鈣化海藻,珊瑚藻科的殼狀珊瑚藻更能夠層層推疊,建構與珊瑚礁在規模上不相上下的巨大生物礁體 (super reef),例如臺灣西北海岸的桃園藻礁。

桃園大潭藻礁潮間帶(上圖;劉少倫攝影)退潮後暴露出來的胞石藻屬 (Sporolithon) 的殼狀珊瑚藻(左下圖;劉少倫攝影)和珊瑚藻屬 (Corallina) 的有節珊瑚藻(右下圖;陳品辰攝影)。

在水中,海藻無法像陸上的維管束植物,可藉由氣孔進行氣體交換而獲得源源不絕的二氧化碳。此外,因為海水弱鹼性的環境(約 pH 8.2),當二氧化碳溶於海水中,主要是以碳酸氫根負離子 (HCO3) 形式存在,而非二氧化碳形式。

因此,當海藻進行光合作用時,面臨到二氧化碳取得不易的難題,勢必要有辦法退而求其次的使用碳酸氫根負離子,以供光合作用所需。為了解決這個難題,海藻所演化出的鈣化作用就是一種能夠幫助它本身使用碳酸氫根負離子,以提供光合作用所需的二氧化碳。在鈣化海藻細胞中,可借助細胞膜上的質子鈣反向轉運蛋白(H+/Ca2+ antiporter),將鈣離子濃縮在細胞間隙,產生高鹼度區域,使細胞間隙成為催化碳酸鈣累積的區域(反應式二)。

反應式二(鈣化作用):

CO+ Ca2+ + H2O → CaCO3 + 2H+

在質子鈣反向轉運蛋白運輸鈣離子到細胞間隙的同時,另一方面則將氫正離子運輸到細胞外產生出高酸性區域,使氫正離子能夠與細胞外海水中的碳酸氫根負離子反應,使鈣化海藻間接使用水中的碳酸氫根負離子,產生出高濃度二氧化碳擴散至細胞內(反應式三)。

反應式三(碳酸氫根負離子使用):

2H+ + 2HCO3 → 2CO2+ 2H2O

希望以上這些複雜的化學反應式在還沒有把你搞得暈頭轉向前,你已看出鈣化海藻利用細胞間隙的碳酸鈣累積的策略,竟然可以協助藻體細胞獲得高濃度的二氧化碳,供光合作用所需。

落碳歸根,化作藻礁護地球

到這裡為止,我們不禁會聯想過去所學的鈣化作用反應,當鈣離子與碳酸氫根負離子反應,除了合成出碳酸鈣,也會釋放出大量的二氧化碳(反應式四)。

反應式四(動物鈣化作用):

Ca2+ + 2HCO3 → CaCO3 + CO2 + H2O

既然如此,那鈣化作用豈不是不能降低大氣中的二氧化碳,反而增加大氣二氧化碳的濃度?沒錯,骨骼形成的確是一種釋放二氧化碳的過程。然而,別忘了,鈣化海藻是能夠行光合作用的生物,雖然藻體因鈣化作用間接使用了水中碳酸氫根負離子,而產生細胞外高濃度二氧化碳,但這些二氧化碳會進一步被藻體的光合作用反應使用殆盡。

因此,當我們結合反應式一的光合作用、反應式二的鈣化作用和反應式三的碳酸氫根負離子使用,鈣化海藻的光合作用確確實實是一個降低外界二氧化碳,產生碳酸鈣、葡萄醣跟氧氣的化學反應(反應式五)。

反應式五(鈣化海藻光合作用):

Ca2+ + 2HCO3 → CaCO3 + CH2O + O2

想像一下,當殼狀珊瑚藻以約 7500 年的時間,將碳酸鈣層層堆疊建構出如桃園藻礁長達 27 公里的藻礁,這些礁體可以說是一個長期封存大氣二氧化碳的碳吸存裝置。除了殼狀珊瑚藻建構的藻礁,同樣屬於珊瑚藻科的有節珊瑚藻,更在近年被發現竟然也有合成木質素的能力,趨同演化下,以抵抗強浪的拍打。

因此,可以想見珊瑚藻死後的有機碳也能像維管束植物一般,碳埋葬於淺海沉積物中。整合文獻資料,根據粗算,珊瑚藻的有機碳(例如木質素)或無機碳(例如碳酸鈣),全球每年約有 1.6 × 109 公噸的碳可藉由它們的碳埋葬或生物礁體建構被吸存起來。

殼狀藻礁。圖/flickr

把碳封起來,環境救回來

海藻還有另一種進行碳吸存的方式,是藉由將生長在岩岸的海藻藻體,剝落後漂移沉降到能夠碳吸存的環境中被保存下來。舉例來說,許多褐藻(例如昆布、馬尾藻或囊藻)具有氣囊結構,能夠使剝落的藻體在海洋中漂移一段時間。但這些氣囊結構,以馬尾藻為例,實驗指出約在藻體剝落 5 小時以後,就會在洋流外力影響下崩解使得藻體沉降。

因此,當這些剝落的藻體漂移沉降到淺海沉積物上,在尚未被微生物完全分解前,即已埋葬於這些沉積物中。根據最近研究指出,利用穩定碳同位素分析技術,科學家發現在淺海海草床或紅樹林的沉積物中,約有 50-60% 的碳是來自於海藻或其它非維管束植物之初級生產者,顯示絕大多數海藻雖不具木質素,但其有機碳確實能夠搶在微生物分解前被封存於這些淺海沉積物中。

漂浮在東沙內環礁的亨氏馬尾藻(Sargassum henslowianum;上圖)及羊棲菜馬尾藻(S. fusiforme;左下圖)。白色箭頭為羊棲菜馬尾藻具有氣囊的小葉(右下圖)(劉少倫攝影)。

此外還有個非常類似生物幫浦的機制可以幫助碳封存。生長在沿海岩岸的海藻,如果位於海底峽谷附近,其剝落的藻體很容易由淺海經海底峽谷一路滑落到深海,或漂移到大洋並沉降至深海,使得這些藻體在深海低溫下埋葬於深海沉積物中,不受到微生物分解。由文獻資料粗算得知,藉由海藻有機碳在淺海碳埋葬或深海沉降方式,可貢獻全球每年約有 1.73 × 108 公噸的碳被封存起來。其中,約有 88% 是由深海沉降所貢獻的。

同樣也是粗略估算,在沿海生態系中的維管束植物(海草、紅樹林和鹽草)的有機碳,全球每年約有 1.21 × 108 公噸的碳可藉由淺海碳埋葬封存起來。相較於海藻的碳吸存能力,顯然海藻具有與沿海這些維管束植物相當或更高的碳吸存量。綜合這些研究,我們開始了解到,沿岸海藻可藉由四種不同的方式來達到碳吸存的生態功能,分別為鈣化作用礁體建構、木質素合成、淺海碳埋葬及深海沉降。

海藻碳吸存示意圖。
劉少倫繪

檢視台灣的藍碳生態系

不像沿海生態系中的維管束植物,海藻的碳吸存長期被學界所忽視。有鑑於雨後春筍般的研究證據,Krause-Jensen 等人於 2018 年在國際著名期刊 《Biology Letters 》以藍碳大象來描述海藻在藍碳中的貢獻,並呼籲學界應開始正視海藻在全球藍碳舞台已佔有舉足輕重的地位。

排除海藻在藍碳的貢獻,好比鴕鳥心態,將無法有效的進一步管理保育這些能夠減輕氣候變遷的藍碳生態系,並可能輕忽並破壞這些藍碳生態系;當這些尚未被好好了解的藍碳生態系消失後,將有可能是全球氣候變遷下壓垮駱駝的最後一根稻草。

舉例來說,臺灣最近鬧得沸沸揚揚的大潭藻礁生態系保育議題,政府希望在這個區域建置第三天然氣接受站,以提高臺灣未來石化燃料天然氣的使用量進行發電。然而,在這樣工程政策的背後,似乎並未意識到大潭這一片藻礁在藍碳中的貢獻,使得臺灣不僅無法遵守全球在 2015 年所簽訂巴黎協議以降低溫室氣體的排放外,可能更進一步摧毀能夠降低溫室氣體的藍碳生態系。

臺灣四周環海,具有多樣的沿海藍碳生態系,包括墾丁的海草生態系、西海岸的紅樹林生態系、西北部的藻礁生態系及東海岸鄰近海底峽谷的海藻生態系。然而,對於臺灣周遭這些藍碳生態系的碳吸存,許多基礎研究資料仍舊不明。在氣候變遷下的臺灣,了解我們四周海域藍碳的價值,是臺灣人身為全球公民一份子責無旁貸的責任。

了解台灣四周海域藍碳的價值,是臺灣人身為全球公民一份子責無旁貸的責任。圖/pixabay

參考文獻

  1. Martone P.T., Estevez J.M., Lu F., Ruel K., Denny M.W., Somerville C., Ralph J. 2009. Discovery of lignin in seaweeds reveals convergent evolution of cell-wall architecture. Current Biology 19: 169-175.
  2. van der Heijden L.H., Kamenos N.A. 2015. Reviews and syntheses: calculating the global contribution of coralline algae to total carbon burial. Biogeosciences 12: 6429-6441.
  3. Krause-Jensen D., Duarte C.M. 2016. Substantial role of macroalgae in marine carbon sequestration. Nature Geoscience 9: 737-742.
  4. Krause-Jensen D., Lavery P., Serrano O., Marbà N., Masque P., Duarte C.M. 2018. Sequestration of macroalgal carbon: the elephant in the blue carbon room. Biology Letters 14: 20180236.

 

本文轉載自MiTalkzine,原文《海洋中默默耕耘的藍碳大象》

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誤會呀!汗皰疹其實和流汗一點關係也沒有?

汗皰疹是夏季常見皮膚疾病,發作起來又紅又癢,還帶有小水泡,十分擾人。

汗皰疹其實是一種手部濕疹,在台灣的盛行率不低,許多網友都有過手指、手掌反覆出現發癢水泡的經驗。更麻煩的是斬草不除根,春風吹又生,汗皰疹在某些人身上常常會反覆發作,卻難以獲得控制。而腳部的汗皰疹和香港腳,以及手部的汗皰疹跟富貴手,這些疾病常常容易讓人混淆不清,也延誤了治療的時程與方向。

為了解決大家這些困擾, MedPartner 團隊的醫師和藥師一起回顧了汗皰疹從預防到治療相關的實證文獻,帶大家認識什麼是汗皰疹,有哪些治療方式?又能如何預防?

汗皰疹是因為汗流太多造成的皰疹嗎?命名故事與成因大解密!

汗皰疹好發在溫暖的季節,主要症狀是在手指、手掌或是腳底有紅疹、水泡、搔癢等,不但影響美觀也可能造成生活上的不便,也有患者擔心會傳染而因此不敢和別人握手。

雖然叫做汗皰疹(英文俗名 dyshidrotic eczema),不過汗皰疹其實跟只有一字之差的皰疹 (herpes) 一點關係也沒有

皰疹是由皰疹病毒所引起的,是一種傳染性疾病,但汗皰疹跟病毒無關,也不具傳染力。而是從英文 dyshidrosis 來的,這個字起源於 1873 年 Tilbury Fox ,用來描述手指和手掌的反覆性皮膚水泡。

有患者擔心會傳染而不敢和別人握手,但汗皰疹跟病毒無關,也不具傳染力。圖/pixabay

汗皰疹常常發作於春夏,甚至台灣這種氣候炎熱的國家,到秋天也是不少見,且容易在多汗症病人身上發生。但這個疾病跟汗水多寡並沒有絕對的關係,也不是汗腺構造異常或是汗腺阻塞,不過就這樣得過且過沿用下來了。簡單來說,汗皰疹這個名字名不符實,本身就是個徹徹底底的誤會,以型態來分類應該是濕疹的一種。Storrs 醫師的研究提出建議,合適的名稱應該是急性反覆水泡型手部濕疹 (Acute and Recurrent Vesicular Hand Dermatitis)2 。(這麼長的名字難怪沒有正名成功 XD )

那汗皰疹是什麼原因造成的呢?研究直到今日,還是無法得到明確的定論,而且發病往往是找不出原因的。過去有許多研究探討許多因素都可能有關,以下列出目前認為可能引起汗皰疹的原因:

  • 壓力
  • 異位性皮膚炎病史
  • 金屬過敏
  • 攝取含有鈷或鎳等金屬
  • 皮膚感染
  • 注射免疫球蛋白
  • 多汗症
  • 紫外線

圖/Medpartner 提供

在日常生活中,能夠儘量做就是避免過度壓力以及戒菸,還有避免紫外線曝曬。近年來對金屬過敏引起的汗皰疹逐漸被重視,有個假設是汗水會造成對鎳的敏感性,手掌和腳掌的汗腺多,可能累積會有較多經由汗腺排出的的金屬鹽類,例如鎳,造成手掌腳掌為汗皰疹的主要發病部位3 。後續許多探討發病因子的研究,都有將金屬納入研究範圍。以下我們簡單介紹兩個相關研究:

  • 研究以 50 位 20-39 歲汗皰疹病人為研究對象,執行過敏原貼片測試,有 40% 對一種以上的貼片有反應。對鎳過敏者有 14%,鉻為 8%,對苯二胺( PPD ,有些染髮劑裡有)為 8%,香精 6%,鈷 4%4
  • 另有一個研究探討汗皰疹發病原因, 120 位病人中的發病因子,黴菌佔 10%,化妝品與香精佔 31.7%,金屬佔 16.7% ,其他藥物食物等佔 6.7% ,並且仍有 15% 原因不明5

以上這兩個研究,都認為特定金屬的暴露與汗皰疹有相關性。但別忘了金屬只是可能的發病因子之一,還有許多其他因素都可能導致汗皰疹發作喔!雖然目前造成汗皰疹的機轉尚不十分明確,不過瞭解可能誘發的因素,進而避免,也是很重要的預防措施,在文末我們還會整理建議給大家。

汗皰疹的型態:急性期與復原期不同,還可能影響指甲

【急性期】
汗皰疹一開始發作的時候通常從手掌或腳掌紅疹開始,很快地會冒出小水泡,可能蔓延至手指或腳趾。  70-80 % 病人患部只有手部,臨床上也有只有水泡沒有皮膚發炎、或者手指出現水泡的案例。典型的水泡通常是小小的很多,有種形容詞是西米露狀 (tapioca pudding lesions),也有可能合併成大水泡,影響日常生活。急性期通常會癢,也要注意不要抓破水泡以免增加感染風險!

【復原期】
症狀可能持續好幾週,最後到了復原期呈現脫屑狀。有些個案是新舊病灶並存,也可能同時有水泡或脫屑的情形。

圖/Pompholyx: a review of clinical features, differential diagnosis, and management. Am J Clin Dermatol. 2010;11(5):305.6

以上幾張照片,是文獻中提到的多種汗皰疹形式。左上這張圖,在手上分佈著大大小小的水泡。右上的圖,是手指的側面產生小水泡,但並沒有合併發炎。左下是一位對金屬鎳過敏的女性,在接觸了鎳的貼膚測試後,引發了嚴重的汗皰疹發作,起了許多大小水泡,有些已經破裂。右下這張圖,則是反覆發生的汗皰疹,伴隨著脫皮現象。由以上的幾張照片,大家就可以理解,汗皰疹從輕微到嚴重,從偶發到反覆嚴重發作,其實外觀上會有許多不同的變化喔!

一般汗皰疹患者通常數周內會痊癒,不過少數病人可能常常週期性地發現汗皰疹你怎麼又來了⋯發作的頻率從幾個月一次,或是每年發作都有可能。反覆發作的結果,可能導致慢性皮膚發炎,引發其他黴菌或細菌感染,甚至是伴隨著甲溝炎的發生,進而造成指甲變型凹凸不平。

圖/左圖:Pompholyx: a review of clinical features, differential diagnosis, and management. Am J Clin Dermatol. 2010;11(5):305. 右圖:UpToDate: Acute palmoplantar eczema (dyshidrotic eczema)1

左上這張圖,這位患者的汗皰疹的態樣,就很容易跟慢性皮膚炎分不清楚。右上的這張圖,大家可以注意看一下指甲,因為汗皰疹反覆發作,已經讓指甲產生變形了。

疑似得到汗皰疹了怎麼辦?該如何預防反覆發作?掌握 5 大關鍵

通常越常見、卻不容易治癒的疾病,偏方就越多。坊間常聽到泡醋,抹生薑,塗維他命 C 等偏方,請千萬不要自己嘗試啊!這些做法不但缺乏證據,還伴隨許多風險。通常汗皰疹可能幾周之內會自行痊癒,不過,大多數病人的症狀是有感的話,建議應該接受正規治療。以下是我們建議的 5 大關鍵原則:

【掌握就醫時機,勿延誤治療】

● 大家看上面的圖應該可以發現,汗皰疹的型態跟其他皮膚疾病類似,手上可能會以為是富貴手、異位性皮膚炎,在腳上容易誤認為香港腳,一般人要自己判斷是有難度的,更何況你不知道你到底得到的是汗皰疹還是其他具有傳染性的疾病,建議就醫診斷治療以免延誤病情。若是水泡或泛紅範圍變大,或有傷口,務必盡速就醫

(以下這一小段比較專業,參考即可:))

● 進行汗皰疹的研究可以用「汗皰疹區域與嚴重度指數 dyshidrotic eczema area and severity index (DASI) 」做為疾病嚴重度的表示,綜合考量水泡、紅疹、脫屑、癢的程度,以分數表示做為治療改善程度的指標。不過一般在臨床上沒有這麼複雜,可以簡單區分為輕中度、重度。如果是大的丘疹或水泡影響到生活,或者無法耐受的搔癢或疼痛,即達重度等級。

如果是大的丘疹或水泡影響到生活,或者無法耐受的搔癢或疼痛,即達重度等級。圖/pixabay

【避免刺激維持皮膚完整性,並適度保濕】

● 皮膚是抵禦外部疾病的前線戰士,首要重點應該是避免刺激並維持防禦狀態。洗手時避免用過熱的水,使用溫和的清潔產品、洗手後將手擦乾,可使用不刺激的護手產品。但不宜過度清潔。

● 可使用溫和的保濕成分,在洗手後使用。

● 另一個重點是不可以抓破水泡,水泡一旦破了可能增加感染風險。

平時的手部護理是預防的第一步。 圖/pixabay

【降低食物及其它過敏原接觸】

● 若是對金屬過敏者,減少金屬接觸機會(尤其是電鍍金屬)。而且不僅是易發病處要避免接觸,過去研究就有過案例,貼了含有金屬的貼片在身上,還是引起了手部的汗皰疹。

● 避免其他接觸刺激性物質,例如香精、有機溶劑、酸性食物等,或者使用手套預防。

● 食物中也可能含有鎳、鈷、鉻等,有篇研究針對鎳過敏的病人,進行低鎳飲食至少 4 周, 61% 病人的汗皰疹情形有減緩,有 40% 病人表示長期改善,持續 1-2 年9。建議如果對金屬過敏,或者常常發作找不到原因,可以試試看低金屬飲食。

● 有篇研究低鎳飲食與皮膚建議幾個大原則,簡述幾項重點如下10

  1. 避免高鎳食物,如可可亞、巧克力、黃豆、麥片、堅果、豆莢類
  2. 避免含鎳的營養補充品、以及罐頭食物(可能有鎳溶出)。
  3. 動物組織通常比植物組織的含鎳量少(但多吃蔬菜還是好事,避開上述的高鎳食物即可)

飲食上應避免高鎳食物。 圖/pixabay

【藥物治療降低發炎反應】

目前針對汗皰疹的藥物治療主要方向是利用類固醇可降低發炎反應,來進行症狀治療,依疾病嚴重程度決定類固醇的給藥途徑與劑量。

● 輕中度汗皰疹:可使用高效價的類固醇藥膏 2-4 周
雖然外用類固醇不太會全身性吸收,不過因為長期使用還是有皮膚變薄防禦力降低等副作用,不建議民眾自行長期使用,都還是須要接受醫師診治。

● 重度汗皰疹:以口服類固醇為主,服用一周後可依治療情形調整劑量與治療時間。
如果治療 2-4 周未見改善或常常復發,也可以用光化學治療的方法改善,也可能須要重新檢查是否有其他長接觸的過敏原或共病(例如沒黴菌感染等)。

除了上述治療方案之外,有些免疫抑制劑如 calcineurin inhibitors 的外用藥膏也有效果(大致等同於中度效價類固醇藥膏),若需止癢也可處方抗組織胺。

【休養生息平靜心靈】

汗皰疹常常找不出具體引發物質,這可能是壓力引起的,減少壓力累積定期舒壓,維持作息正常避免熬夜晚睡,都可能可以改善症狀,降低復發機率。

圖/Medpartner提供

看完這篇文章,相信大家對汗皰疹都有完整的理解了!你身邊絕對還有很多人在用錯誤的觀念或偏方在治療。如果覺得這篇文章對你有幫助,歡迎分享給更多朋友一起澄清迷思喔!一個小小動作,往往就可以意外幫助很多人呢!

參考資料

  1. UpToDate: Acute palmoplantar eczema (dyshidrotic eczema)
  2. Storrs FJ. Acute and recurrent vesicular hand dermatitis. Not pompholyx or dyshidrosis. Arch Dermatol 2007;143(12):1578–80.
  3. Pompholyx: a still unresolved kind of eczema Dermatology 1993;186:241-2.
  4. Role of contact allergens in pompholyx.J Dermatol. 2004 Mar;31(3):188-93.
  5. A 3-year causative study of pompholyx in 120 patients.Arch Dermatol. 2007;143(12):1504.
  6. Pompholyx: a review of clinical features, differential diagnosis, and management. Am J Clin Dermatol. 2010;11(5):305.
  7. Acute and recurrent vesicular hand dermatitis. Dermatol Clin. 2009 Jul;27(3):337-53.
  8. Dyshidrotic Eczema and Its Relationship to Metal Allergy. Curr Probl Dermatol. 2016;51:80-5.
  9. Low nickel diet: an open, prospective trial. J Am Acad Dermatol. 1993 Dec;29(6):1002-7
  10. Low Nickel Diet in Dermatology. Indian J Dermatol. 2013 May-Jun; 58(3): 240.

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如何拿捏科研中的那把道德尺?談 CRISPR/Cas9 技術用於人體的適當性 ──《科學月刊》

  • 林翰佐/銘傳大學生物科技學系副教授,科學月刊總編輯。

最近生命科學界爆發一宗廣受關注的事件:

中國科學家賀建奎博士將 CRISPR/Cas9 活體基因編輯技術用於人類胚胎的編輯,並經植入孕母著床懷孕後,於日前成功產下 2 名基因體受到修改的女嬰。

賀建奎博士宣稱,該計畫主要針對具有人類免疫缺陷病毒(HIV,即一般人俗稱的愛滋病毒)感染的夫妻,研究其對胎兒垂直感染的可能性,並藉由將受精卵中名為 CCR5 基因剔除來達到防治之目的。

賀博士似乎對此研究信心滿滿,但透過網路視頻的發表與媒體專訪披露之後,反而引發科學界與社會的震驚。在中國,數百名科學家幾乎在第一時間便聯署聲明譴責,稱此瘋狂的實驗存在著嚴重的生命倫理問題,並要求政府補上監管漏洞。聲明更直言該實驗在技術上沒有任何創新,唯一的突破是科學家的倫理道德底線。

賀建奎博士將 CRISPR/Cas9 活體基因編輯技術用於人類胚胎的編輯。
圖/wikipedia

顯然,這樣的研究跨越了科學界普世道德標準。即便是一般社會人士,相信對於這樣的研究也會感到有所不妥。不過生命科學的相關研究道德尺度在哪裡?其實這仍有嚴謹的脈絡可循。

 

人體試驗的普世道德標準

探索生命一直是人類積極發展的科學議題,在人類進化的歷程當中,科學研究方向大抵朝向增進人類福祉為目標,但其中也不乏一些黑歷史,像是二次世界大戰時期納粹德國對集中營中的猶太人及日本 731 部隊對戰俘所做一系列不人道的人體試驗,這些研究顯然有其道德上的不公義性。不過,即便在承平時期,科學研究也有出岔錯的時候,例如美國發生塔斯基吉梅毒試驗 (Tuskegee syphilis experiment),原本立意良善的梅毒治療研究,在時空環境的改變下演變成為殘忍的見死不救。這些血淋淋的案例一再地揭示,以人類為主體的研究,似乎應該有明確的道德規範,藉以防止這類事情的不斷的重演。

參加塔斯基吉梅毒實驗的試驗者。
圖/wikipedia

有鑑於此,國際相關研究社群開始著手訂定人體試驗所應遵守的倫理規範。這些規範雖並非全然具有法律上的約束力,但這些凝聚國際團體共識的議定界定了普世對人體試驗中倫理的基本要求,因此幾經更迭修改,許多規範仍沿用至今,例如紐倫堡宣言 (Nuremberg Code)、赫爾辛基宣言 (Declaration of Helsinki) 及貝爾蒙特報告書 (Belmont Report) 等。

基本上,這些宣言與報告楬櫫人體試驗中應該遵行的 3 項重要的倫理基礎,分別為:

  1. 對人的尊重 ── 包括對人權的維護以及對受試個人的尊重。
  2. 善意的對待 ── 窮盡實驗的設計與執行降低對實驗者的傷害。
  3. 公平正義。

這些意涵也被各國的立法單位所重視,並將精神落實於立法之中,例如目前臺灣的「醫療法」中,即規定「人體試驗委員會」的設立,針對凡涉及人體及其組織檢體的研究進行實質上的審查,透過審核機制的管控確保研究計畫的品質,並保障對受試者的尊重以及各種權力的維護。

人類胚胎的研究與對社會的衝擊

人類胚胎的研究一直是生命科學研究上道德的邊緣地帶,爭議的觀點有很多,除了部分宗教裡對於「人」形成的見解之外,更廣泛的關注在於胚胎是否應視為人而賦予其等同於人的權利

雖說我國《民法》中規定「人之權利能力,始於出生,終於死亡。」,但並不意味著可對未出生的人類胚胎得以高唱科學為名為所欲為。在 1997 年透過核轉殖技術成功培育出第一隻高等哺乳動物「桃莉羊」,隨即引發人類社會的重視,其中的原因就是意識到人類科技的進展以迅雷不及掩耳的速度發展至今,已有操弄胚胎,改變生命的可能。發明人威爾穆特博士 (Sir Ian Wilmut) 在成名之後旋即受到梵蒂岡天主教教宗的召見垂詢,足見其影響性。即便這類高等動物的複製技術未來商機無限,科學家宣稱可以透過預定的方式訂做一個 mini me,作為未來器官移植的備料庫,但更多反對的聲浪也接踵而至,例如這樣直接取用他人器官的方式是否合法的問題。

第一個成功複製的哺乳動物,複製羊桃莉。
圖/wikipedia

生命科技進展對社會的另一次震撼教育發生於人類胚胎幹細胞 (embryonic stem cells) 的相關研究,所謂胚胎幹細胞係指位於囊胚期 (blastocyst) 胚胎中位於特定區域;內細胞團 (inner cell mass) 中游離出來的細胞。先前的研究顯示,胚胎幹細胞具有多元分化 (pluripotency),可以透過誘導技術分化成人體內任何一種型態的細胞,故具有相當的醫療未來性。

然而,人類胚幹細胞株的建立必須透過破壞一顆胚胎來獲得,這種殺生式的救人科學在道德層面上有著尷尬的地位。美國國會曾於 1996 年通過所謂的迪基維克法案 (Dickey-Wicker Amendment),禁止聯邦的經費資助足以製造或摧毀人類胚胎幹細胞用之研究,企圖從金源上來限縮該領域的發展,然而囿於龐大的醫療商機,確保戰略上的科技競爭優勢,該法案已於 2009 年由美國聯邦法案明令廢止。

讓我們再回到賀博士的問題

談到這裡,相信讀者會明顯的感受到問題的渾沌性,所有論述似乎只有原則與道德上的說明,而無明確的、法律上的明文規定

看起來的確如此,科技進展如此迅速與日益複雜,立法部門很難跟上腳步;另從實務的角度來看,法律保障的對象仍以現身在世者,在民主國家的政權當中更可能進一步的限縮於那些具有投票資格的選民,畢竟其為所謂的「民意基礎」,花心思在一個並不存在的個體為其設立法律謀求應有的福祉,並不是立法機構的首要任務。所以一切的把關機制,完全存乎研究主事者一心。

CRISPR/Cas 9 技術無疑是 21 世紀生物科學界最偉大的發現之一,透過這項技術可以實踐在世界上絕大多數生物體內誘導基因體的修改。然而此技術的不確定性也是眾所周知──整個技術如同拿霰彈槍獵鳥,除了目標,也會有「脫靶」造成其他基因被誤擊的可能──對人類胚胎而言,這意味著致癌機率的增加及未來衍生之代謝疾病發生的可能性。

更離譜的是,該實驗的設計與問題解決之間並沒有存在著必然性,反而有極大的機會衍生更多的問題。流行病學中研究中所論及的是擁有特殊亞型之 CCR5 基因的白血球可以降低 HIV 病毒感染的特性,但賀博士的作法是極端地利用 CRISPR 技術將 CCR5 基因的運作硬生生停止, CCR5 基因在器官發育等生理機轉中均扮演著重要的角色,僅為防止 HIV 病毒入侵的可能就大費周章的摘除宛如削足適履。

筆者認為,除了急功近利,實在看不出這樣的研究真正的學術價值。人體胚胎研究不比實驗動物,我們必須為出生的生命負責,不知道賀博士是否有想過這樣更深層的意義?

人體胚胎研究不比實驗動物,我們必須為出生的生命負責。
圖/pixabay

延伸閱讀

  1. 臺灣學術倫理教育資源中心
  2. 林翰佐,〈物種基因剔除技術爆炸性的新突破 ─ CRISPR/Cas9 技術淺談〉,《科學月刊》,第 552 期,2015 年 12 月。

 

 

〈本文轉載自《科學月刊》2019年1月號〉

一個在資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫的科普雜誌。


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實驗動物與牠們的產地,恆溫恆濕還有乾淨空氣

1 月 17 號,是國家生技研究園區實驗動物中心的「大徙之日」。新落成的六層樓建築依山傍水,對於實驗動物來說可說是座「帝寶級」的高級住所。這麼大費周章才完工的「實驗動物與牠們的產地」,究竟有哪些重要的功能呢?

實驗動物中心坐落於依山傍水的一塊寶地,日前正式舉辦啟用典禮。圖/國研院提供

25 歲的實驗中心,讓研究更加順利

動物實驗中心究竟是在做什麼呢?

這故事還得從 1994 年開始說起。培養實驗動物,對於科學研究而言十分重要,畢竟我們可沒辦法輕易進行人體實驗,這時候,便需要藉助動物的力量。然而,若是無法自行培育又缺乏固定的實驗動物來源,那研究人員在進行實驗時,便需從國外進口,不僅曠日廢時、更所費不貲。

動物實驗中心的存在,便是為了解決這樣的問題。他們從 1994 年開始提供無特定病源 (SPF) 嚙齒類實驗動物,而後更成立了實驗鼠種原庫,並開始培養綠色螢光鼠、無菌鼠、基因轉殖大鼠等等不同的實驗動物。現在,除了鼠之外,中心也提供了兔、犬、豬、羊等等實驗動物。

自己的實驗動物自己養,可以避開許多繁瑣的部分。(本圖老鼠僅為模型)圖/語柔 攝

國際結盟合作,走向世界的訂製鼠

咦?一個養動物的地方竟然這麼厲害?

沒錯!可別小看這些實驗動物,牠們背後都有著不同的任務和重要性。就拿前文提過的「無菌鼠」來說吧,牠們身上可是真真正正半點細菌也沒有,當然也沒有病毒和寄生蟲。這些無菌鼠們所喝的水、吃的飼料都必須經過嚴格的滅菌,居住的地方更是特殊設計的無菌隔離操作箱。

為什麼要培養這樣「乾淨」的無菌鼠呢?因為如此一來,我們才能夠藉由實驗,找出特定的操縱變因會帶來什麼樣的結果。無菌鼠對於基因改造、癌症、腸道微生物、消化道生理、免疫、藥物動物學及營養研究都有很重要的意義。

乾淨的實驗動物,需要住在特殊設計的箱中。圖/語柔 攝

另一方面,我們也有自行做出「訂製鼠」的能力,可以利用大片段基因構築、CRISPR/Cas9、基因剔除等技術,為各個實驗團隊打造出他們所需要的實驗鼠。

量身訂製的動物資源,更能夠協助實驗。圖/語柔 攝

研究員便分享到:我們的國家實驗鼠種原庫有被納入「國家小鼠品系資料庫 (International Mouse Strain Resource, IMSR)」,更曾為約翰霍普金斯大學提供全球第一隻剔除 Scn2a1 基因的小鼠,令其出現自閉症和行為運動異常。這樣的合作非常成功,後來大學方面更親自致電感謝台灣團隊的協助。

帝寶級高級住所,體現出對動物福祉的重視

這些實驗動物們為人類做出了重要的貢獻,當然也該被好好地對待。研究人員們便笑稱,這些動物就像是住在動物版的高級帝寶中。為什麼會這麼說呢?因為這些動物所居住的環境十分乾淨舒適且無菌,食物和墊料都經自動化處理,同時,環境也會維持低噪音、低粉塵、無光害、四季恆溫恆濕,並讓牠們 100% 的新鮮空氣。

為了打造舒適的環境,需要非常複雜的管線和相關設計。圖/語柔 攝

為了要讓實驗動物住得舒服,建築方面需要花費許多心思,不僅規劃節能、智慧控制、隔震等等系統,更打造了「全高貓道維修層」。「貓道」是動物房的維修管路,因為動物房是密閉空間,所有的管線設施都必須在動物房之外,而維修人員要工作時,僅能在貓道中進行維修。而大部分的動物房貓道高度都僅容爬行,這裡卻讓人可以直立,就像是兩層樓高的房,特別空出二樓的空間讓人維修,實在是十分的寬敞霸氣啊!

這種種的設施,除了是要達到實驗的需求外,更是實驗動物倫理的具體展現,動物實驗人員的誓詞便有提到:「將遵循動物福祉的最高標準,尊重和愛護將生命託付給實驗人員的實驗動物。」

實驗人員進行宣誓。圖/語柔 攝

動物實驗在目前的科學研究上有著不可取代的重要性,但我們在實驗同時,也應當注重實驗動物福祉、將牠們的福祉擺在第一位。新居的落成,將讓實驗動物中心的各項設施更為完善,也讓人期待未來的研究發展。

請好好對待 mouse 編的同胞喔!圖/語柔 攝


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不幸的家庭各有不幸:日劇「心理學家・成海朔的挑戰:少女為何必須失憶」背後的故事

最近台灣媒體突然又關心起兒虐相關事件,報導又特別著重於虐待細節,企圖引發社會大眾更尖銳的情緒,並引起後續堵人、圍毆等私刑正義的情況,民眾舉著「神不敢做的事情,由我替天行道」的大旗,執行各種失序的報復行為。

如果整個社會只停留在一報還一報的「果報論」層次,遇此相關案件一律嚴懲及加重刑罰(甚至極端的主張唯一死刑),而非思考背後為何會形成此事之成因,並著手加以改善。恐怕未來類似的事件還是會一再發生。

由於此事,讓我想到 2014 年的一部日本特別節目《心理學家・成海朔的挑戰:少女為何必須失憶》(なぜ少女は記憶を失わなければならなかったのか?~心の科學者・成海朔の挑戦~)。

(以下有雷,請自行迴避)

 

 

 

 

 

 

 

此劇就是在講述一個驚人的新聞事件:

警察在調查連續縱火案的過程中,逮捕了嫌疑人八神圭佑。在搜索相對人住家的過程中,發現了一間密室,這間密室中有一個被反鎖的七歲小女孩菜央。此一發現讓警察大為震驚,以為背後存在著什麼不可告人的重大案件。但將兩人帶回調查後,兩人怎麼樣也不肯說到底發生了何事。(如果以台灣的媒體習慣,有大叔又有羅莉,肯定暴動了。以為這個大叔做了多少虐待的幼女的故事,群眾可能一下子就被搧風點火,接著警局就會又被包圍了……)因為案情一直糾結,沒有任何進展,警方只好拜託心理學家成海朔介入,看能不能與小女孩接觸,進而鬆懈其心防。

如果繼續看下去,就發現事情不是我們所想得這麼簡單:其實嫌疑人並不是壞人,真的虐待小女孩的是父親與母親。

父親會暴力毆打小孩,母親的情況則更為複雜嚴重。母親會先弄壞父親的東西,之後又嫁禍給小孩。在父親處罰小孩時,又出來假裝自己是好母親的角色。

母親為何會這樣做?主要是因為母親沈迷於社群軟體的按讚數,只要自己寫出這些事,並裝出一個賢妻良母的樣子,追蹤數和按讚數就會增加。這個心理生病的母親,甚至會先讓小孩受傷,再假裝自己非常認真的在照顧小孩。之後又上傳照片博取同情(這裡沒有指涉先前的新聞事件,這真的是此劇的情節)。

如果一般民眾只得到片面資訊,就大量、快速地呈現各種情緒反應,認為一定要嚴懲嫌疑人。在這裡可能會完完全全搞錯方向,而讓真正的加害者逍遙法外。

此戲劇中的母親,不用懷疑就是得了心理疾病,可能就是患了 DSM-5 中「他為的人為障礙症」(Factitious Disorder Imposed on Another),此與先前較為人知的「代理孟喬森症候群」(Munchausen by Proxy) 為同一疾病,只是疾病演變而導致名稱不同(詳情請見先前個人先前寫過的人為障礙症的虛與實)。這一群人都是用偽造的方式,對他人造成身體或心理的症狀。

此病症是指稱加害人的狀態,受害人若是兒童的話,就是一種兒童虐待,故意讓小孩受傷、生病,用以取得疾病角色,博取同情。劇中的小女孩會崩潰是自然的,最後寧願被不熟悉的路人帶走,也不願意讓自己的媽媽養。跟著不認識的人都比母親安全,不用反覆的被迫住院、被迫醫療。被救治之後,又必須面對母親下一輪「無止盡的母愛」。

這樣的磨難,豈是網路上廉價式的正義所能挽回?

加害人的內心為何會扭曲至此,目前心理學家還未有一致性的定論。推測可能幼時也遭受原生家庭的忽視與虐待,以致於人格養成的過程中出現偏差。也有可能是養育兒女的過程中,所造成的巨大的壓力,而導致兒虐的出現。

在台灣現今的社會體制之下,首要應為強化一般大眾守望相助的簡單能力。遇見相關事件,願意舉手之勞,通報給 113 婦幼保護專線,後續即有專責單位處理。另外,也可增加第一線相關人員的敏感度,這些人員包含巡守隊志工、保母、托嬰中心老師、學校教師、社工、心理師、兒科相關醫師,這些人員遇到疑似個案時可循社會保護機制往上通報,社會系統才有介入之可能。

托爾斯泰說過一句話,「幸福的家庭都是相似的,不幸的家庭各有其不幸」(Happy families are all alike; every unhappy family is unhappy in its own way)。若我們願意停下來聽聽這些家庭的困難之處,同理其困境,並提供恰當的社會資源與支持,或許可以慢慢減少兒童虐待之發生。

參考文獻

  • American Psychiatric Association: Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders, 5th edition. Arlington, VA., American Psychiatric Association, 2013.
  • Jaghab, K., Skodnek, K. B., & Padder, T. A. (2006). Munchausen’s Syndrome and Other Factitious Disorders in Children: Case Series and Literature Review. Psychiatry (Edgmont), 3(3), 46–55.
  • Stirling J. Beyond Munchausen Syndrome by Proxy: Identification and Treatment of Child Abuse in a Medical Setting, Pediatrics. 2007;119:1026-1030.

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【GENE思書軒】聰明如章魚,牠為什麼有高智力?

世足賽神算子 章魚哥保羅

章魚哥保羅 (die Krake Paul,2008-2010) 是德國奧伯豪森一個水族館 (Sea Life Centre in Oberhausen) 的一隻普通章魚 (Octopus vulgaris)。據稱這隻章魚能準確預測德國國家足球隊的比賽結果,在 2010 年南非世界盃足球賽成功預測八場,因而有「德國神算子」、「章魚哥」、「保羅哥」、「章魚帝」、「預測帝」之稱。

在德國國家足球隊比賽前,奧伯豪森水族館的工作人員會在章魚哥進行「預測」前準備兩個透明玻璃箱,箱上分別貼著主場及對手雙方的國旗,而箱中會各被事先放入食物(如蚌)作為章魚哥的食餌,然後讓牠在選擇「預測」獲勝的隊伍旗幟所在的玻璃箱中獲取食物。

章魚哥保羅於 2010 年 10 月 25 日於奧伯豪森水族館壽終正寢,享年兩歲又八個月。2011 年初,紀念章魚哥保羅的雕像落成,該雕像置於奧博豪森水族館門前,高度達兩米,外形為保羅用八隻爪環抱著一個足球。足球上印有多國國旗,還開了一個小窗,遊客可通過小窗看到保羅的骨灰罈。

奧博豪森水族館門前的章魚哥保羅雕像。
圖/wikipedia

我們不知道科學該如何解釋章魚哥在南非世足賽的準確預測力,但是科學可以肯定的是,章魚有高超的智力。很多水族館或研究機構被章魚的調皮搗蛋搞得七葷八素,已不是新聞,像是故意玩逃脫秀、爬到隔壁缸偷食物、對討厭的工作人員噴水、堵塞排水系統、噴水破壞電燈⋯⋯等等,層出不窮;章魚甚至能從罐子裡自行開罐逃脫,連人類為了防止小孩打開的特殊藥罐都知道該怎麼對付,還會在迷宮裡來去自如,也有記憶。

哈囉,我是章魚啦!

章魚和烏賊、魷魚等同屬頭足類軟體動物,科幻小說或電影很愛用章魚來當作外星人原型設計的靈感。章魚是沒有外殼或內殼的頭足類軟體動物,除了喙之外沒有硬質部分。目前已知約有三百多種章魚,包括生活在深海和珊瑚礁的。章魚從不到一英寸長到重達百磅、從觸手尖到觸尖跨越二十英尺的巨型太平洋章魚都有。

章魚有三顆心臟,會把藍綠色的血液在八足的身體中泵送。牠們的身體非常具有延展性,可以擠入一個與牠們眼睛大小相當的空間。牠們可以透過改變體色和噴射墨汁來躲避和混淆掠食者。普通章魚約有五億個神經元,牠們的腦在解剖上和我們的很不一樣,章魚的食道直接穿過大腦,如果吃下去的貝殻或小動物的爪刺穿食道,就會直接貫穿入腦中。

圖/pixabay

和脊椎動物不同,章魚處理訊息的神經不僅集中在腦,還包括觸手上分散的神經,他們同時用中央及分散式的神經系統來處理訊息,肢體運動的計劃、運算和執行不需經過大腦,能夠在觸手上完成,所以牠們的觸手即使被切下來,仍舊能夠自行運動。

我今年去了韓國釜山及首爾,旅遊書和部落格都會介紹到韓國生吞小章魚的獨特吃法,還警告那是有危險性的,因為不小心讓章魚觸手上強力的吸盤在食道上緊緊吸住還堵住了氣管入口,那麼就等著窒息而死。據說這危險的吃法是韓國男人的成年禮之一,但因為覺得很不人道,所以沒試。在釜山松島去吃烤海鮮大餐時,一盤端上來的海鮮居然是小章魚的觸手,仍在扭動的章魚觸手我們嚇壞了,雖然知道該生吃,但還是在其他韓國客人和老闆鄙視的眼神下,趕緊用扇貝殻把它們炒熟。

窺探章魚智力的秘密

先別管炒章魚觸手了,如果想知道章魚的智力究竟是怎麼回事,來讀讀《章魚,心智,演化:探尋大海及意識的起源》(Other Minds: The Octopus, the Sea, and the Deep Origins of Consciousness) 吧!《章魚,心智,演化》的作者彼得.戈弗雷史密斯 (Peter Godfrey-Smith) 是位哲學家,但這本書並非宅在辦公室裡讀資料寫成的,他還跟動物學家在澳洲雪梨外海的一個叫做「章魚市」的地方水肺潛水,實地觀察章魚的行為。

科學家對於章魚演化出高超智力這事感到困惑,因為智力演化的理論、尤其是「心智理論」,認為智力是社會性動物演化出來預測和應對別的個體行為的工具,簡單來說就是用來推斷別人在想什麼、會做什麼的工具,可是章魚在動物學家的認知中,並非社會性動物,牠們大部分時間是孤獨生活的,雖然在章魚市裡觀察到了章魚個體間的互動關係,可能說明章魚並沒有過去想像中那麼孤僻,但是仍有另一個謎。

章魚的壽命並不長,即使在人工的飼養環境下,野生動物避免了天敵、寄生蟲和疾病的侵害,在照料得當的情況下可能會比在野外中長壽,但是即使貴為「章魚哥」,保羅在水族館的壽命和其他野外或水族館的章魚並沒有太大差異,加上戈弗雷史密斯在書中對章魚老態畢現的說明,可見章魚是會很明顯老化的動物,壽命和其他沒有高超智力的動物相比顯得短到異常。令人困惑的是,一般來說高智力的動物都是壽命較長的動物,因為在生命史中有更多更多機會使用上智力,很難理解為何一個短命的動物需要高超的智力。

回到澳洲雪梨外海的章魚市,戈弗雷史密斯在那裡觀察到的章魚也有不同個性,有些較拘謹、有些較莽撞,他甚至能分辨伸向他的觸手是好奇的友善試探,還是充滿敵意的試圖獵食。章魚也有好奇心,也會玩耍。牠們會用神經及肌肉系統快速在幾秒就改變身體的顏色和斑紋來模擬海底岩石和砂子的顏色、陰影和圖案,牠們的觸手不僅能自主運動,皮膚上甚至有感光細胞能夠「看到」東西。這種快速變皮的技術也不僅僅是為了偽裝而已,牠們也會根據自己的情緒改變體色。

章魚擁有快速變皮的能力。
圖/giphy

除了為這群迷人的動物智力立傳,戈弗雷史密斯也解說了動物的起源,以及神經系統的演化。當單細胞生物聚合成多細胞生物,其中一支演化成我們今天熟知的動物。細菌等單細胞生物也能對外界訊息產生反應,但它們是單身漢,不須要協調。像是動物這樣的多細胞生活,必須要有能夠感應外界訊息,並且協調各組織和器官活動以對外界產生反應的系統,那就是神經系統。寒武紀後,層出不窮的掠食者讓背腹受敵的動物更需要神經系統來快速反應。我們和頭足類軟體動物的最後共同祖先大約出現在六億年前,所以我們和章魚已經分家了這麼久,卻各自獨立演化出了能夠產生意識和複雜行為的神經系統。

現生動物有三十幾門,只有三個門的動物演化出所謂「複雜主動身體」── 節肢動物、軟體動物和脊索動物,能夠快速移動、抓取和操縱其他物體。其中又只有脊椎動物和頭足類動物形成了大而複雜的神經系統。身為一個哲學家,他並沒有用空想來理解意識是怎麼一回事,他到動物的世界去探索,甚至問了很生物學的問題,想要知道讓意識起源的材料為何。

章魚存在的時間比人類長了千倍。海洋孕育所有類型的生物,心智在海洋中誕生是合情合理的,但我們對海洋生物的了解甚至遠不及外星球,相信還有很多有待我們去探索的。

因為作者是哲學家,所以《章魚,心智,演化》相較其他生物學家出身的科普作家,在書中使用了更多抽像的概念,老實說讀起來並不輕鬆,但仍很值得對章魚、心智、演化有興趣的朋友一讀!

本文原刊登於閱讀‧最前線【GENE思書軒】,並同步刊登於The Sky of Gene


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【GENE思書軒】從剎那到永恆,來談談時間的奧秘吧!

光陰似箭,快樂的日子總是過得比較快的,沒一會兒,春節假期就過完了,還沒補夠眠就要上班了 Orz

「一個男人與美女對坐一小時,會覺得似乎只過了一分鐘;但如果讓他坐在熱火爐上一分鐘,會覺得似乎過了不只一小時,這就是相對論。」是愛因斯坦的名句。

即使不快樂的時光,也能夠過得飛快,尤其是當人年紀愈來愈大,就越來越有時間過太快不夠用的感覺。

年紀愈來愈大,就越來越有時間過太快不夠用的感覺。
圖/pixabay

來談談時間吧!

時間客觀上是一種尺度,根據維基百科,時間在物理定義是純量,藉著時間,事件發生之先後可以按過去/現在/未來之序列得以確定(時間點),也可以衡量事件持續的期間以及事件之間之間隔長短(時間段)。時間是除了空間三個維度以外的第四維度。

我們平時經歷的時間,在有鐘錶的情況下是小時、分鐘和秒。我們人類一生也不過幾十年,了不起百年,我們能輕易理解年月的意思。就算有讀書,人類文明頂多也只有上萬年歷史,因此要我們理解超過萬年的事物,如動輒幾百萬、幾千萬、幾億、幾十億年老的地質年代和古生物,我們演化來面對現實生活的腦袋就失靈了。因此有時候在解說一些演化史的時間概念時,我們要打個比方,比如說如果把寒武紀大爆發的五億四千萬年壓縮成一天,我們廿萬年前出現非洲草原的智人祖先不過是在最後卅秒才現身地球。如果算上地球的歷史 45 億年和銀河系的 132 億年歷史,那更難理解了。

圖/wikipedia

我們不僅不容易理解超長的時間,也不易理解極短暫的時間,除了禪修者之外。人類的歷史中,精準地計時,才幾百年的歷史,過去絕大多數人只是粗略地計時,不像現代人分秒必爭,一秒幾十萬上下。現在人類可以測量的時間,已經到了阿秒的地步,這也是人類難以想像的短暫時間!

極大時間 & 極短時間

儘管一再強調難以想像,可是科學家就能用理性的分法去理解並且設計測量的方法,但是這些極大和極短的時間究竟有何科學上的意義呢?有本稀有的好書《時間之冪:從極短暫到永恆,囊括各種時間尺度的祕密》(Time in Powers of Ten: Natural Phenomena and Their Timescales),就有兩位荷蘭烏德勒支大學 (Utrecht University) 的理論物理學家特胡夫特 (Gerard’t Hooft) 和范都仁 (Stefan Vandoren) 來告訴大家時間的秘密。

他們以 10 為倍數,從 1 秒、10 秒、100 秒、1,000 秒開始至到 1032 秒,然後倒過來從 10-25  秒、1 攸秒、10 攸秒、100 攸秒⋯⋯談回到 1 秒。全書有 48 章,每章談的有衰變、星球軌道、週期及頻率、宇宙學、光,層次分明。極長的時間中,我們進入宇宙學的領域;而極短的時間中,我們進入了量子力學和粒子物理的領域。《時間之冪》探討的尺度不僅是時間,也跨到了空間。

雖然談的是時空,但這本書的內容極為多樣,真佩服作者能收集到這麼豐富的材料,而且還深入淺出地解說,是不可多得的科普好書。他們用樓高 508 公尺的台北 101 大樓解說忽略空氣阻力的自由落體著地需要 10.18 秒。雖然我是物理白痴,但也能讀得趣味盎然。

他們坦承,這樣的寫法並非原創的,並指出一位住在比爾托芬 (Bilthoven) 小鎮的老師伯克 (Kees Bokes) 先生,在 1957 年出版了《宇宙觀:穿越宇宙的四十步》(Cosmic View: The Universe in 40 Jumps),是短片《十的乘冪》(Powers of Ten) 的前身,不過他們談的是超過半個世紀的科學成就,不僅主要是物理,還包括化學、生物和地質的現象。

時間之冪》提到,理論上,普朗克時間 (Planck time) 是最小的可測時間間隔。普朗克時間是光波在真空裡傳播一個普朗克長度的距離所需的時間。它的數值大約為 5 × 10-44 秒。現行的物理定律預測,在這短暫時間間隔裏所發生的任何變化,是無法測量或探測求得。到 2010 年 5 月為止,直接測量的時間不確定性最小為 12 阿秒 (1.2 × 10-17秒),約為 3.7 × 1026 個普朗克時間。

神岡探測器

時間之冪》有許多彩圖,有些篇章雖然超出我專業所以不見得都讀懂,但是仍舊被物理學家極強的毅力和智慧設計出測量極長和極短時間的儀器給折服到想跪下。質子衰變成 K 介子的生命期上限為 5.9 × 1033 年,為了探測極為罕見的質子衰變,科學家建造了令人印象深刻的大型微中子探測器超級——日本的神岡探測器 (Super-KamiokaNDE,可縮寫為Super-K或SK;スーパーカミオカンデ),是東京大學在岐阜縣飛驒市神岡町的茂住礦山一個深達 1000 公尺的廢棄砷礦建造的。神岡探測器之所以蓋在如此深的地層中是因為要阻隔其他的宇宙射線訊號。

圖/google地圖

神岡探測器主要部分是一個高 41.4 公尺、直徑 39.3 公尺的不鏽鋼圓柱形的容器,盛有 5 萬噸高純度的水。水箱容量被分成由一個直徑為 33.8 公尺和高度為 36.2 公尺的不鏽鋼上層結構的內部探測器 (ID) 區,和包括其餘結構的外部探測器 (OD) 區。容器的內壁上安裝有 11,200 個光電倍增管,用於探測高速微中子在水中通過時產生的契忍可夫輻射 (Cherenkov radiation),那是是介質中運動的電荷速度超過該介質中光速時發出的一種以短波長為主的電磁輻射,其特徵是藍色輝光。

2015 年日本物理學家梶田隆章就是因神岡探測器的研究「發現了微中子震盪,證明了微中子具有質量」而榮獲諾貝爾物理學獎。梶田的老師小柴昌俊用超級神岡探測器證實反應爐中產生的微中子發生了振盪,因「在天體物理學領域做出的先驅性貢獻,其中包括在探測宇宙微中子和發現宇宙X射線源方面的成就」在 2002 年獲得諾貝爾物理學獎。《時間之冪》提到的許許多多時間的測量,在基礎研究過程中,科學家為了突破測量極限,也都推升了科技的大幅進展,可見基礎研究實力才是先進國家科技發展最重要助力。

描寫時間的那些詞彙

雖然不容易想像,但中文裡還是有許多描寫極長和極短時間的詞彙,除了書中提到,還有如須臾、瞬息、彈指、剎那⋯⋯,以及恆河沙、阿僧祇、那由他⋯⋯從這些名詞不像中文來看,它們應該是外來的。沒錯,這些詞彙都來自印度,熟讀佛典的朋友更不陌生。印度人有很強的邏輯數學能力,我們現在通用的所謂阿拉伯數字,發明者其實就是印度人。以下是佛典的記載,非常長,有興趣可以研究一下:

極短的時間,在《摩訶僧祇律》就記載:「須臾者。二十念名一瞬頃。二十瞬名一彈指。二十彈指名一羅豫。二十羅豫名一須臾。日極長時有十八須臾,夜極短時有十二須臾。夜極長時有十八須臾,日極短時有十二須臾」。意思是 24 小時有 30 個須臾,1.2 萬個彈指,24 萬個「瞬間」,480 萬個「剎那」。推知「一剎那」是 0.018 秒;又據《大毘婆沙論》記載:「百二十剎那成一怛剎那。六十怛剎那成一臘縛,此有七千二百剎那。三十臘縛成一牟呼栗多,此有二百一十六千剎那。三十牟呼栗多成一晝夜」。一日一夜有 30 牟呼栗多,900 臘縛,54,000 怛剎那,6,480,000 剎那、一剎那的時間長度是 1/75 秒(約為 0.013 秒);《仁王護國般若波羅蜜多經觀如來品第二》中提到:「一念中有九十剎那,一剎那經九百生滅」。
而極長的時間,《妙法蓮華經》:「我成佛已來。復過於此百千萬億那由他阿僧祇劫。自從是來。我常在此娑婆世界說法教化。」;《大方廣佛華嚴經卷第四十五》:「佛言:『善男子!一百洛叉為一俱胝 (100 × 10^5 = 10^7),俱胝俱胝為一阿庾多 (10^7 × 10^7 = 10^14),阿庾多阿庾多為一那由他 (10^28),那由他那由他為一頻婆羅 (10^56),頻婆羅頻婆羅為一矜羯羅 (10^102),矜羯羅矜羯羅為一阿伽羅 (10^204),阿伽羅阿伽羅為一最勝 (10^408),最勝最勝為一摩婆(上聲呼)羅 (10^816),摩婆羅摩婆羅為一阿婆(上)羅,阿婆羅阿婆羅為一多婆(上)羅,多婆羅多婆羅為一界分,界分界分為一普摩,普摩普摩為一禰摩,禰摩禰摩為一阿婆(上)鈐,阿婆鈐阿婆鈐為一彌伽(上)婆,彌伽婆彌伽婆為一毘攞伽,毘攞伽毘攞伽為一毘伽(上)婆,毘伽婆毘伽婆為一僧羯邏摩,僧羯邏摩僧羯邏摩為一毘薩羅,毘薩羅毘薩羅為一毘贍婆,毘贍婆毘贍婆為一毘盛(上)伽,毘盛伽毘盛伽為一毘素陀,毘素陀毘素陀為一毘婆訶,毘婆訶毘婆訶為一毘薄底,毘薄底毘薄底為一毘佉擔,毘佉擔毘佉擔為一稱量,稱量稱量為一一持,一持一持為一異路,異路異路為一顛倒,顛倒顛倒為一三末耶,三末耶三末耶為一毘覩羅,毘覩羅毘覩羅為一奚婆(上)羅,奚婆羅奚婆羅為一伺察,伺察伺察為一周廣,周廣周廣為一高出,高出高出為一最妙,最妙最妙為一泥羅婆,泥羅婆泥羅婆為一訶理婆,訶理婆訶理婆為一一動,一動一動為一訶理蒲,訶理蒲訶理蒲為一訶理三,訶理三訶理三為一奚魯伽,奚魯伽奚魯伽為一達攞步陀,達攞步陀達攞步陀為一訶魯那,訶魯那訶魯那為一摩魯陀,摩魯陀摩魯陀為一懺慕陀,懺慕陀懺慕陀為一瑿攞陀,瑿攞陀瑿攞陀為一摩魯摩,摩魯摩摩魯摩為一調伏,調伏調伏為一離憍慢,離憍慢離憍慢為一不動,不動不動為一極量,極量極量為一阿麼怛羅,阿麼怛羅阿麼怛羅為一勃麼怛羅,勃麼怛羅勃麼怛羅為一伽麼怛羅,伽麼怛羅伽麼怛羅為一那麼怛羅,那麼怛羅那麼怛羅為一奚麼怛羅,奚麼怛羅奚麼怛羅為一鞞麼怛羅,鞞麼怛羅鞞麼怛羅為一鉢羅麼怛羅,鉢羅麼怛羅鉢羅麼怛羅為一尸婆麼怛羅,尸婆麼怛羅尸婆麼怛羅為一翳羅,翳羅翳羅為一薜羅,薜羅薜羅為一諦羅,諦羅諦羅為一偈羅,偈羅偈羅為一窣步羅,窣步羅窣步羅為一泥羅,泥羅泥羅為一計羅,計羅計羅為一細羅,細羅細羅為一睥羅,睥羅睥羅為一謎羅,謎羅謎羅為一娑攞荼,娑攞荼娑攞荼為一謎魯陀,謎魯陀謎魯陀為一契魯陀,契魯陀契魯陀為一摩覩羅,摩覩羅摩覩羅為一娑母羅,娑母羅娑母羅為一阿野娑,阿野娑阿野娑為一迦麼羅,迦麼羅迦麼羅為一摩伽婆,摩伽婆摩伽婆為一阿怛羅,阿怛羅阿怛羅為一醯魯耶,醯魯耶醯魯耶為一薜魯婆,婆薜魯婆為一羯羅波,羯羅波羯羅波為一訶婆婆,訶婆婆訶婆婆為一毘婆(上)羅,毘婆羅毘婆羅為一那婆(上)羅,那婆羅那婆羅為一摩攞羅,摩攞羅摩攞羅為一娑婆(上)羅,娑婆羅娑婆羅為一迷攞普,迷攞普迷攞普為一者麼羅,者麼羅者麼羅為一馱麼羅,馱麼羅馱麼羅為一鉢攞麼陀,鉢攞麼陀鉢攞麼陀為一毘伽摩,毘伽摩毘伽摩為一烏波跋多,烏波跋多烏波跋多為一演說,演說演說為一無盡,無盡無盡為一出生,出生出生為一無我,無我無我為一阿畔多,阿畔多阿畔多為一青蓮華,青蓮華青蓮華為一鉢頭摩,鉢頭摩鉢頭摩為一僧祇,僧祇僧祇為一趣,趣趣為一至,至至為一阿僧祇,阿僧祇阿僧祇為一阿僧祇轉,阿僧祇轉阿僧祇轉為一無量,無量無量為一無量轉,無量轉無量轉為一無邊,無邊無邊為一無邊轉,無邊轉無邊轉為一無等,無等無等為一無等轉,無等轉無等轉為一不可數,不可數不可數為一不可數轉,不可數轉不可數轉為一不可稱,不可稱不可稱為一不可稱轉,不可稱轉不可稱轉為一不可思,不可思不可思為一不可思轉,不可思轉不可思轉為一不可量,不可量不可量為一不可量轉,不可量轉不可量轉為一不可說,不可說不可說為一不可說轉,不可說轉不可說轉為一不可說不可說,此又不可說不可說為一不可說不可說轉。』」

圖/pixabay

本文原刊登於閱讀‧最前線【GENE思書軒】,並同步刊登於The Sky of Gene


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為什麼衛生棉可以做到「超乾爽不外漏」?

熟睡的女性要的就是能在生理期好好地睡一覺。圖/pexels

為什麼衛生棉可以「超乾爽不外漏」?

衛生棉是女性的生活必需品,大家一定對「 超強吸水、十倍吸收、超乾爽」這樣的廣告詞耳熟能詳!衛生棉廣告中,也常出現一個橋段──將水直接倒在衛生棉上──用以證明其有超強吸收及保水能力。

圖/pexels

事實上這一點都不誇張,因為在衛生棉內層當中具有極高吸水能力的「吸水性高分子」。吸水性高分子可吸收本身重量 500 倍(本身體積 30-60 倍)含量的水,當然可以超乾爽不外漏。

吸水性高分子本身不溶於水,且具有很高的保水能力。我們印象中的吸水材料如棉、紙、海綿等,是利用毛細管現象將水吸收於材的間隙;與吸水性高分子相較,其吸水能力低、保水能力也不好──受到壓力水就會流出。所以對於衛生棉、紙尿褲而言,尚且不足以把水分鎖住,並不適合作為吸水層主要材料。

「吸水性高分子」除了吸水還有什麼功能?

衛生棉的設計發想源自於土壤保水率材料的研究。圖/pexels

一個能夠用於衛生棉內的吸水材料,不但要有吸水能力,同時還要有保水能力。過去對於吸水能力的產生往往是因為水與纖維質孔隙之分子有作用力而使液體流動,但是如果要使液體不流動,就要想辦法讓水被抓住、被固定住,那麼在材料選擇的思維就不同了。

而這類吸水性高分子最早並非使用於衛生用品當中。在 1960 年代早期,美國農業部進行改善土壤保水率材料的研究,開發了能夠吸收本身重量 400 多倍水的高分子化合物,而且這類材料不會像纖維基吸收材料那樣釋放水。後來美國農業部將這項技術移轉給一些美國公司,進行進一步開發,逐漸被改良及應用於衛生用品中。

鎖住水分的保水能力,怎麼辦到的?

吸水性高分子最重要的特性是保水性。一個分子要如何擁有保水能力?

就是要有「抓」水的能力。

首先,先來介紹一下化學的基本觀念。水本身是一個分子,它是由氫原子以及氧原子所組成,分子式為 H2O (如下圖(B)所示)。由於氫原子以及氧原子周圍都有電子存在,然而原子本身對於電子的喜好程度不同,形成化學鍵結後,會產生電荷分布不均的現象,並產生所謂的極性(如下圖(A) 所示 )。

氧原子本身對於電子的喜好程度較高,因而較能吸引電子(喜好電子的程度在專業領域上稱之為陰電性);氫原子本身對於電子的喜好程度則較低。當兩者形成化學鍵結合時,會引起電子的局部流動──氧原子的周圍被較多的電子圍繞,氫原子的電子局部流失,形成了帶有正/負兩極的極性狀態(如下圖 (B) 所示)。

所以水本身就是有極性的。那要如何能夠抓住水分子呢?這個答案就很明顯了,就是找一個也有極性的分子, 因為正/負會相吸的簡單原理,就會把水吸引住,水就被「抓」住了。

(A)水的電子局部流動分佈 (B)水的極性。圖/作者提供

也就是說,如果我們能夠將具有極性特質的分子,固定於在衛生棉材料中,就能有效地將水抓住;而這類分子又不能被水給溶解出,那麼最好的選擇莫過於吸水性高分子了。

聚丙烯酸鈉上之-COO- 與水具有極性吸引力。圖/Edgar181 [Public domain], from wikimedia commons

在此以常用的吸水性高分子聚丙烯酸鈉 (Sodium polyacrylate)來說明:

 聚丙烯酸鈉分子式為 [-CH2-CH(COONa)-],而高分子在吸水前,分子的長鏈相互交纏,形成三維度的網目構造,類似交纏的毛線球。由於分子鏈段上的 -COONa 易解離(於水中分解成 –COO 與 Na+ 離子),所以 –COO本身會有極性,會與水分子的極性互相吸引,而將水「抓」住,(如 上圖 所示)。

由於 –COO本身帶負電,互相排斥之下,高分子網目擴大,吸水量隨之增加,換句話說,保水性也就提高了!如上面影片,我們可以觀察到其體積的膨脹,吸水前後體積有偌大的差異。

這也就能解釋為何衛生棉具有超強吸收及保水能力了!如今吸水性高分子被廣泛的應用在生活中,衛生棉、紙尿褲、土壤保水劑等都可一窺其蹤跡,具有龐大的商業價值,諸多廠商積極投入開發新材料並申請專利;但不論其結構變得多複雜,基本學理其實就是這樣簡單。

參考文獻 :

  1. Physics LibreTests: Capacitors and Dielectrics
  2. The Wire: Why Water Along the Surface of a Tank Isn’t Like the Water Inside
  3. Polymers-Osmosis Magic
  • 文字編輯/蔡雨辰

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如果有個哆啦A夢的《顛倒星球》,我們就能知道宇宙的形狀?

哆啦A夢有一集叫做《顛倒星球》:劇情是大雄一如往常的在學校裡被別人取笑,他便在七夕時祈求神仙令他變得聰明一點。哆啦A夢看見了,就拿出一台天文望遠鏡讓大雄用它來看看廣闊的宇宙,希望他的心情會因此變得好一點。

圖/giphy

看著看著,大雄突然間發現了一個和地球十分相似的星球,但有趣的是上面的大陸分佈跟地球的左右顛倒了。之後哆啦A夢與大雄一起乘坐太空船飛到這顆星球上面,驚奇地發現不單只有的大陸形狀,這裡的一切跟地球上的都完全相反,例如:男女的社會角色顛倒(這或許這是藉此對日本父權社會文化的一種探討吧)、貓與狗的叫聲顛倒、出木杉經常拿零分、甚至有一個女性打扮的哆啦A夢。

以前我經常在想,這一切都沒有可能吧!我們知道不單止生命,要使兩個星球有着同樣大小和形狀的大陸的機會率簡直微乎其微,因為這一切都與非常大量的粒子互動的結果有關。

不過,宇宙學告訴我們,這其實是有可能的!而且如果我們能觀察到這樣的一個顛倒星球,就能解決宇宙學其中的一個終極問題:時空的大尺度形狀究竟長什麼樣子?

如果我們觀察到這樣的一個顛倒星球,就能解決宇宙學的其中一個終極問題:時空的大尺度形狀究竟長什麼樣子?
圖/pixabay

宇宙的形狀

愛因斯坦的廣義相對論能夠描述整個宇宙的形狀和演化。基本上,宇宙的形狀可以分為三類:平坦的、開放的、封閉的。如果宇宙是封閉的,那就不是無限的;相反地,如果宇宙是無限的話,那他就必然是平坦或者開放的。

那什麼叫做封閉的宇宙呢?我們可以用地球儀來比喻:拿起一個地球儀,我們可以看見它的表面是沒有邊界的;雖然沒有邊界,但地球儀的表面積並非無限。如果你從表面的任何一點出發,向著任意一個方向走,你最終會從起點的後方繞回來;因此,我們就說地球的表面是封閉的。

Source:Pixabay

現在,讓我們把維度提升一級,想像三維空間也是如此。如果你從宇宙的任何一點出發,你最終會從出發點的後方繞回來,這樣的一個宇宙就是封閉的。而開放的宇宙是無限延伸,如果你不調頭,就永遠不會回到原來出發的地方。無限延伸的宇宙的形狀,如果用二維平面比喻,要不就是一張平坦的紙,要不就像一個馬鞍的形狀。理論上我們可以在宇宙中畫一個非常巨大的三角形,量度它的內角總和。如果宇宙是封閉的,我們就像在地球表面畫出一個非常巨大的三角形一樣,你會發現內角總和會比 180 度更大;相反,如果宇宙是開放的馬鞍形狀,你會發現內角總和少於 180 度。而如果宇宙是平坦的話,內角總和就會剛好等於 180 度(即如同一張平坦的紙一樣)。可是,就正如我們感受不到地球的表面是彎曲的,因為相對於地球來說我們太細小了,要畫出一個足夠用來量度整體宇宙形狀的三角形基本上是不可能的。

封閉的宇宙就是從宇宙的任何一點出發,最終會從出發點的後方繞回來;而開放的宇宙是無限延伸,如果不調頭,就永遠不會回到原來出發的地方。
圖/pixabay

 

科學家只能透過觀察非常遙遠的星系的光,細心檢查這些遙遠星系的影像有沒有異常之處。由於物質產生的重力會使光線的軌跡彎曲,我們就能看到光線扭曲了的影像。如果在這些影像之中看到星光曾經被相反方向的星系扭曲的話,就能證明光線曾經繞過宇宙一周回來了。可是這個方法有一個問題,那就是即使宇宙是封閉的,它還是非常巨大,像是星光從宇宙誕生的 137 億年以來,根本還沒跑完宇宙一週。

平行宇宙裡有千千萬萬無限個我

那麼,我們究竟要如何分辨宇宙的形狀呢?天文學家以觀察遙遠星系的分布和微波背景輻射來計算出宇宙的曲率,而觀測結果顯示宇宙的形狀非常接近平坦,這代表宇宙有可能是無限延伸下去的。假設我們身處的宇宙並沒有任何特別之處,那麼如果我們建造一艘超越光速的太空船,讓我們能夠即時飛到宇宙任何一個角落,我們應該會見到非常相似的星空,發現四周有著差不多數量的各種形狀的星系包圍着我們 ── 這就導致一個非常奇怪的結論:「宇宙有著無限的物質」。

「無限」是一個非常奇怪的概念,其中一個特點是無論機率多小,在一個無限的宇宙之中的事都必然會發生。所以,在一個絕對平坦的宇宙之中,只要物理定律允許,一切事件都必然會發生!那我們必然會在宇宙某個角落找到一個與地球完全一模一樣的星球,而且上面著另外一個我,另一個體型、聲線、外貌,還有喜好、身體裡的遺傳密碼、構成身體的成份,甚至身體裡各個粒子的排列都完全一樣的我!

或許不單止有一個我, 也可能「此時此刻」宇宙中有著無限個我正在做同樣的事情:在寫這篇文章。

「無限」其中一個特點是無論機率多小,在一個無限的宇宙之中事情都必然會發生,像是可能在「此時此刻」宇宙中有著無限個我正在做同樣的事情。
圖/giphy

只不過,現在的觀察仍然未能完全分辨宇宙的形狀。如果宇宙是開放的或者是封閉的話,以上情況就不會發生,這是因為缺少了無限的物質。

大雄觀察到宇宙之中存在著如此一個顛倒星球,就是宇宙是絕對平坦的一個非常有力的證據!如果提出來,這絕對是諾貝爾獎級的大發現,哆啦A夢也就再也不用擔心大雄會被人欺負!而如果我們現實中也能找到這樣的「顛倒星球」,肯定不只會得到諾貝爾獎,也絕對會震驚整個世界!


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會「哺乳」的蜘蛛?超營養蜘蛛奶讓幼蛛頭好壯壯!

  • 文/林傑│有點反骨的人類。談談科學,再談談文學。

你還記得在哈利波特第一集出現的阿辣哥嗎?牠擁有八隻腳八隻眼、巨大無比且毛茸茸的身軀,以及可怕的獠牙……這可怕的形象想必也曾出現在某些人的惡夢中吧?

不只是哈利波特,蜘蛛也是許多恐怖驚悚電影喜愛的元素之一。或許是被電影所影響,我們總覺得蜘蛛是種冷血無情、會吃人的八腳怪,但是,你有沒有想過,牠也有充滿母愛的一面?

你能想像長相可怕的蜘蛛也有充滿母愛的一面嗎?圖/By Neal Fowler @flickr

哺乳蜘蛛非新面孔!台灣也是牠的家

來自中國科學院昆明分院的科學家在雲南發現了一種蜘蛛,牠養育後代的行為與哺乳類動物相當類似,雌蛛不僅會分泌母乳給幼蛛喝,還會清潔牠們的巢穴,讓幼蛛在乾淨的環境下健康長大。

但這其實並非全新的物種,這種蜘蛛最早是於 1933 年在台灣發現的,當時的台北還被稱為台北州,發現蜘蛛的人則是日本學者齋藤三郎 (Saburo Saito)。而除了台北之外,台灣各地、中國東南部和東南亞都有發現這物種的蹤跡,許多野外攝影家的作品也有牠的身影。

這種蜘蛛的學名為 Toxeus magnus [註],更多人稱牠為大蟻蛛。在分類學中,牠是屬於蛛形綱、蜘蛛目、蠅虎跳蛛)科、蟻蛛屬。看看牠的外型,與我們熟悉的蜘蛛形象不太一樣,沒有毛茸茸的身軀(只有局部有毛)、沒有色彩鮮艷的斑紋,反倒有些樸素,長得就像螞蟻;若是到了野外,不仔細看,還很容易與黑棘蟻 (Polyrhachis dives搞混。

長得像螞蟻的大蟻蛛 (Toxeus magnus) 和一般的蜘蛛似乎有些不一樣呢!圖/By Sarefo, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons

當時研究團隊在野外發現大蟻蛛的巢穴,裏頭居然有不只一頭成年蟻蛛,這使得研究者相當困惑,因為大部分蜘蛛是獨居動物,只有少數具有群居或者社會性的行為,因此,他們決定將大蟻蛛帶回實驗室做進一步研究。

比牛奶更營養的蜘蛛奶,讓幼蛛流連忘返

研究團隊給大蟻蛛們打造了適當的窩,嚴格控管室溫與濕度,並給予充足的水分與食物,觀察大蟻蛛孵化及育兒的過程。

在幼蛛剛孵化的第一周,雌蛛,也就是蜘蛛媽媽,會從腹部的胃外溝(epigastric furrow;又譯為生殖溝)分泌出乳汁,滴在巢穴表面供幼蛛食用;隨著幼蛛長大,幼蛛會直接在胃外溝吸取乳汁。分析發現:這種乳汁含有糖分、脂肪、蛋白質等豐富的營養成分,其中蛋白質的含量高達 123.9mg/ml,相當於一般牛奶成分的四倍。

蜘蛛媽媽會從腹部的胃外溝 (epigastric furrow) 分泌出乳汁,滴在巢穴表面供幼蛛食用。B 圖左邊箭頭所指黃色處為乳汁。圖/研究圖片

孵化後 20 天,部分幼蛛會離開巢穴覓食,開始具有野外覓食的能力,但特別的是,幼蛛仍會返回巢穴吸食母乳。生長到了 40 天,蜘蛛媽媽不再分泌乳汁,但幼蛛仍會待在巢穴中「啃老」,與媽媽一同生活。

過了 60 天後,幼蛛成長到性成熟,成年雌蛛會持續生活在巢穴中,而成年雄蛛則會被媽媽及其他雌蛛攻擊驅趕。科學家認為,這個現象可以避免近親交配,減低罹患相關隱性疾病的風險,並增加基因多樣性。

給我滾出去!圖/By BET @giphy

哺乳+育幼,幼蛛的保命金符

研究團隊想要了解大蟻蛛媽媽及母乳對於幼蛛的重要性,進而設計了一系列的實驗。

研究者將蜘蛛分為四組,第一組為控制組,控制組的蜘蛛們非常幸福,一直到了成年都與母親待在一塊;第二組的雌蛛產卵後,研究人員立即以立可白阻斷雌蛛的乳汁分泌;第三組則是在幼蛛生長到第 20 天時,阻斷雌蛛的乳汁分泌;第四組在幼蛛生長到第 20 天時,將蜘蛛媽媽與幼蛛分開。

實驗發現,第二組的幼蛛一旦缺少媽媽的母乳,所有的幼蛛會在十天內死亡,證實了母乳是幼蛛成長時不可或缺的食物來源

出生的時候缺乏媽媽的乳汁,幼蛛便全部死亡了。圖/maxpixel

第三組的幼蛛成長到一定程度後再隔絕雌蛛的乳汁,幼蛛的生存率與物種體型比起控制組並無明顯變化,代表成長到 20 天後乳汁並非幼蛛的必要食物,而可以用其他的食物作為替代,因此牠們的覓食率明顯上升。

而第四組的實驗則發現:當幼蛛同時缺少乳汁與媽媽照顧,幼蛛的生存率與體型會下降,覓食率與離巢率則大幅上升。

研究人員進一步發現,缺少母親的照顧下,這些後代體內普遍存在寄生蟲,嚴重危害到幼蛛的健康,是幼蛛死亡的主因。這是因為母親可以清理並修補巢穴,大幅減少寄生蟲。就如同人類媽媽打掃小孩的房間,避免蟑螂螞蟻窩藏在我們的房間角落。

從這一系列的實驗可以發現,除了乳汁分泌,母親的存在對於後代的成長亦扮演很重要的角色。

這樣的養育行為或許另有用意

根據上述的實驗結果,我們能夠初步證實:媽媽的存在,對於後代的生存與成長有著正面幫助。除此之外,科學家還觀察到,幼蛛的雌性比例(雌:全部)在不同狀況下有著明顯的不同:第三組幼蛛的雌性比例 (0.50) 遠低於第四組 (0.84) 及控制組 (0.87),大蟻蛛媽媽似乎能夠控制幼蛛的性別比例,「刻意」地讓雌蛛的數量多於雄蛛。

在大蟻蛛這種一夫多妻的物種中,雌性在育幼方面比之雄性更為投入,在這種狀態下,更多的雌性意味著對於繁衍後代更為有利。可惜的是,雌蛛如何影響性別比的機制還未明瞭。

哺乳類以外的哺乳和育幼行為背後隱含什麼樣的意義呢?圖/By aitoff @Pixabay

在非脊椎動物中,目前只有發現大蟻蛛表現出與哺乳動物異常類似的養育及哺乳行為。無論是哺乳動物或者其他物種,哺育的行為對於物種繁衍皆有著正面效應,母親的存在能夠讓後代在成長時減少被捕食的危險,或是能夠教育後代生存的能力,不論是何者,皆可以提升後代在未來的生存機率,進而促進物種繁衍。

這次的發現,讓我們知道原來哺乳並不是哺乳動物的專利,不知道未來是否能找到更多會哺乳的物種呢?

  • [註]:大蟻蛛已於 2016 更改屬名(從 Myrmarachne 改成 Toxeus),現今正式學名應為 Toxeus magnus。其舊學名最初是由齋藤三郎 Saburo Saito 發現時命名為 Myrmarachne magnus

參考資料


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