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推動海洋的….水母?!

陳俊堯
・2009/07/30 ・397字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 580 ・九年級

蝴蝶效應看一隻蝴蝶動個翅膀看會不會引起大災難,那我到海裡游個兩圈總不會影響地球暖化吧?其實,是有那麼點關連哦!

過去研究指出,當浮游性生物們一大群出動時,它們整體造成的水流擾動效果可能相當大。可是這些力量大致在表層海水就散開了,没機會動到下面的海水。達爾文的孫子(物理學家,也叫Charles Darwin)在五十多年前觀察到當一個物體游過水層,就算它不會亂踢擺尾,還是會造成可觀的水體移動。一則刊登Nature的研究指出,海洋中四處游走的眾多生物可以造成相當可觀的水流。根據由研究團隊拍攝水母得到的資料推算,海洋生物趴趴走時提供的力量總和與其它機械力的貢獻是同一個等級的,也就是說,這些柔軟的生物對海洋循環的貢獻是不輸給大浪或著海風的!

Kakani Katija & John O. Dabiri. 2009.
A viscosity-enhanced mechanism for biogenic ocean mixing.
Nature 460, 624-626.

文章來源:30.6kj

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陳俊堯
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慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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規工欸!為何斷頭水母還是能吃東西?——解構「基轉水母」的神經迴路
Curious曉白_96
・2021/12/22 ・3671字 ・閱讀時間約 7 分鐘

人腦的神經運作向來難倒大批科學家,因為人腦擁有一千億個神經元,百億條以上的神經連結。如此錯綜複雜,就像打結成一團的毛線球,究竟該從哪邊開始解?這時,就要使出研究學者通用的訣竅——化繁為簡,越複雜的問題,就用越簡單的雛型為思考出發點。

因此,一群學者發現了一個「極簡風」的研究雛型——水母,那透明小巧的身軀,再結合特殊工具,讓牠們每條神經都發光。在我們的視野下,水母的神經「坦誠相見」,接著發現了很多有趣的現象……欲知詳情,就繼續給他看下去!

為何水母是絕佳的實驗對象

一般研究人類疾病的實驗室採用的實驗動物(也稱模式生物)無非是小鼠、黑猩猩、豬,因為這些動物與人類的親緣關係較近,生理機制也較為雷同。然而,為何研究神經系統,要拿與人類親緣關係一點都不近的水母來研究呢?研究學者對此給出解釋:一部分的學者認為所有生物的神經系統可能共享同一個神經科學原理,因此為了深入調查這個「共享通則」,相較於其他生物,水母小巧好操作,軀體透明好觀察。

最重要的是,牠體內的神經分布不像人腦如毛線球般集中​​在身體的某個部位,而是像一張漁網一樣「分散式」地遍佈全身,而這樣的神經系統優勢就在於即便將牠身體的一小部分獨立分離出來,這一部分仍能正常運行,例如網路火紅的迷因「歸剛欸」水母(影片一),即便水母的嘴被分離了,但這張「獨立的」嘴還是可以正常進食的呦!

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影片一:水母的身軀即便被分離,仍能正常運作。(此為不良示範,請勿隨意模仿、虐待動物!)影/YouTube

相形之下,人類神經細胞一旦離開人體就非常脆弱,在培養皿中一定要有足夠的營養才能支撐它存活(相信養過人類神經細胞的朋朋們一定懂當中辛酸)。因此,綜合操作難易度、觀察便利性、神經細胞的生存韌性,水母可說是作為研究神經系統模式生物的不二人選。另外,還有一個有趣的點即是水母沒有大腦、心、肺,那它究竟是如何進食的呢?以下揭曉答案!

如何研究水母的神經

早期為了研究水母的神經,通常採用單一神經元電生理紀錄(single-unit electrophysiological recordings),透過一個微小細尖的微電極靠在細胞膜附近,以記錄神經元產生的動作電位變化,但是這個方法只能看到單一神經元的狀態,而當水母在做出反應、活動時,都是由好幾個神經細胞們一同作用產生的,所以這個方法可說是見樹不見林,缺乏整體系統性的觀察。

因此科學家們又發明出了一個新方法——基因轉殖水母,要施展這個方法的第一步就是尋覓合適的研究主角,因此他們找到一種名為 Clytia hemisphaerica (圖一)的水螅綱水母,牠擁有嬌小體積(直徑約 1 釐米),且生命週期短,也擁有完整的基因定序,在實驗室操作的便利性極高,可謂是命定首選。

其中, Clytia hemisphaerica 還有更吸引人的一點,即是在進食時,其特定神經元會釋放一種特別的肽 RFamide(RFa)。為了追蹤這種肽如何影響水母的神經活動,一群學者決定將能發出紅螢光的 mCherry 基因質體(plasmid)與 Tol2 轉位酶(Tol2 transposase)[1]顯微注射入大量的水母受精卵當中,以便追蹤身體每一處細胞的位置,並挑選能夠強烈表現出紅螢光基因的受精卵,進而將牠們培養成成體(初代,F0)。這些成體會再跟牠們的親代進行雜交,透過遺傳的方式產生穩定表現轉殖基因的子代(F1),並讓這些子代維持無性繁殖,以維持基因表現的穩定性。

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除了在質體上裝載能讓細胞發紅光的 mCherry,學者也會在質體中放入特定基因,讓子代水母表現此種基因,並觀察此基因對水母進食行為帶來的影響。另外,若要探討神經動作電位,鈣離子的流動狀態一定是不可或缺的電位傳導指標,因此學者也會在質體中加入 GCaMP 這類鈣離子指示劑(calcium indicator)的基因[2],以追蹤後續水母在進行任何反應時神經細胞內鈣離子的濃度。當研究對象、研究工具都準備好了,就是學者大展身手的時刻啦!

圖一:名為 Clytia hemisphaerica 的水螅綱水母擁有嬌小體積(直徑約 1 釐米),且生命週期短,也擁有完整的基因定序,在實驗室操作的便利性極高。圖/Wikipedia

水母進食的神經迴路

水母的神經細胞並非每個都會釋放 RFamide,而是在特定的神經才會產生 RFamide (以下稱這些神經元為 RFa⁺ neuron),而這些 RFa⁺ neuron 分布在水母的神經網(nerve net)、嘴、神經環(nerve rings)及觸手,尤其在神經網的所有神經中約 80% 都是 RFa⁺ neuron,神經網也是 RFa⁺ neuron 最多的地方。學者透過免疫螢光染色發現 RFa⁺ neuron 會與連接放射狀肌纖維神經軸突結節(varicosities)相連而跟著形成放射狀。相較之下,不會產生 RFamide 的 RFa⁻ neuron 則是較為害羞的傢伙,神經元較小,缺乏明確的放射方向。由此可明顯看出,掌握水母行為的主導權主要落在 RFa⁺ neuron 身上,所以學者準備玩轉(殖)這個 RFa⁺ neuron,並進行以下兩種操作:

  1. 消除水母體內的 RFa⁺ neuron

學者為了消除水母體內的 RFa⁺ neuron ,特地在水母的 RFa⁺ 神經細胞中轉殖了硝基還原酶(nitroreductase, NTR)基因,硝基還原酶就像是遙控炸彈,當把這些轉殖基因水母浸泡在甲硝唑(metronidazole, MTZ)溶液(炸彈引爆器)中,便會使帶有硝基還原酶基因的 RFa⁺ 神經細胞產生細胞毒性而死亡,而 RFa⁻ neuron 不會受到影響。

當學者「炸」掉了水母的 RFa⁺ 神經細胞後,發現牠們捕捉獵物和進食能力變差了,不管是食物誘導或是用蝦提取物的化學誘導,水母的觸手完全無法抓取獵物,也無法摺疊身體將食物餵進其口腔內,但周遭肌肉功能正常,且水母仍能正常游泳和蜷縮。然而再將此類水母的下傘面(subumbrella)局部肌肉注入 RFamide,則會使局部肌肉收縮及邊緣傘面折疊。由此可知,水母的獵捕和進食能力主要還是得靠 RFamide 的力量。 

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圖二:Clytia hemisphaerica的生命週期。圖/ReseachGate
  1. 水母神經電位偵測器

為了追蹤水母體內的 RFa⁺ neuron 活動,學者另外也將一群水母的 RFa⁺ neuron 轉殖入鈣離子指示劑 GCaMP6s 基因及紅螢光 mCherry 基因,並將這群水母放入一個小空間,讓他們自然游動,或是將牠們包埋在瓊脂糖凝膠(agarose)中,並攤開牠們的傘狀結構,以便捕捉稍縱即逝的電傳導訊號。

學者將獵物蝦子放在水母身體周遭,發現水母起初最靠近蝦子的一側觸手會先產生電訊號,而這個電訊號會從水母身體邊界傳導至嘴巴,而且整個電訊號路徑會呈現扇形區域(如圖三),接著 RFamide 便會使這個扇形區域的肌肉收縮,讓觸手直接被向內折疊到嘴巴的位置,然後把蝦子吃掉。

圖三:水母在捕捉獵物時,神經傳導訊號路徑呈現披薩片形狀(扇形)。圖/A genetically tractable jellyfish model for systems and evolutionary neuroscience

揭露水母的進食行為:「肽」重要了

以上操作,讓科學家們更了解沒有大腦的水母們究竟是如何進食,也發現 RFamide 對水母們來說「肽」重要了!水母在地球上存在了 5 億多年,卻可以透過如此單一的神經傳導機制生存至今,不過……揪斗!或許,這個發現也可能只是冰山一角;或許,透過水母的神經研究的成果能帶給學者更多對於人腦神經運作的發想,就讓學者邁向這條偉大的航道,去挖掘神經科學中更多的奧秘吧!

註釋

  1. 通常注射入細胞中的質體上也帶有 Tol2 轉位酶基因,而一起被送入細胞的 Tol2 轉位酶(transposase)蛋白會催化此外送質體,並將 Tol2 轉位子活化且同時將外來的基因嵌入受體生物之基因組中,所送入的 Tol2 轉位子會持續跳躍和插入外來基因,直到 Tol2 轉位酶的活性消失或其 mRNA 完全降解為止。此方法常用於基因轉殖生物,主要特色便是外送基因傳承至子代幾乎沒有發生基因默化(gene silencing)的情況,具有高度穩定性,而且脊椎動物也通用此方法。
  2. GCaMP 鈣指示劑是綠螢光蛋白(GFP)、鈣調蛋白(calmodulin,CaM,又稱攜鈣素)及肌球蛋白輕鏈激酶 M13 的合成物。當與鈣離子(Ca²⁺)結合時,GCaMP 便會發出綠螢光信號,而螢光信號會隨著鈣離子濃度的變化而增長或消散。

參考文獻

Curious曉白_96
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對於科學新知充滿好奇心,對於一切新知都想通曉明白,期許自己有一天能成為有所貢獻於社會的曉曉科學家!

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一定要有肺才能呼吸?來認識動物們的花式呼吸大法
言蓁
・2020/07/24 ・2369字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 495 ・六年級

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世上動物千奇百怪,如果要找一個共同點,那應該就是──幾乎所有的動物都需要呼吸。

我們這裡要談的「呼吸」,是呼吸運動,也就是吸入氧氣、排出二氧化碳的動作。一提到這個動作,身為人類的你,或許下意識就會想到肺臟、鼻子等等部位。綜觀動物界,在不同的演化脈絡下,動物們賴以呼吸的構造真可說是無奇不有,就連肺臟、鼻孔本身也可能會有各種不同的形態。

現在,就讓我們來看看那些奇妙的呼吸器官吧!

跟我一起「吸,吸,吐──」圖/GIPHY

大象:你的鼻子為甚麼那麼長?

「媽媽說鼻子長才是漂亮~~」大象(象科 Elephantidae)身上最惹眼的部分就是鼻子了!象鼻是牠們賴以聞嗅味道和呼吸的部位,除此之外,它相當靈巧,舉凡取水、拿東西、攜帶物品等等,象鼻都能做到。

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除了長長的鼻子之外,大象的呼吸構造裡還有一個特殊之處:牠們是目前已知沒有胸膜腔 (Pleural cavity) 的哺乳類動物!

我們人類賴以呼吸的肺臟緊密包覆著一層臟層胸膜 (pulmonary pleurae),會與包覆著胸腔壁內面的壁層胸膜 (parietal pleura) 組成一個很狹小的空間,就是胸膜腔。內部填充有液體潤滑,可避免臟器和胸壁摩擦損傷。

一般我們呼吸的時候,會由肌肉改變胸腔的空間,製造肺部與外在大氣的壓力差,才能夠吸氣或呼氣:當肺內的壓力大於大氣壓力,則會呼氣;而當肺內的壓力小於大氣壓力,則會吸氣。而夾在此之間的胸膜腔,多數時間會維持一定程度的負壓,讓主要由皮膜組織及彈性纖維組成的肺不致塌縮。所謂的「氣胸」就是胸膜受到破壞,使得胸膜腔無法維持負壓,連帶使著肺部塌縮的胸腔疾病。另外,胸腔膜的壓力當然會隨著呼吸而有所變化。

然而,大象的胸膜腔裡,充滿了許多疏鬆的結締組織──也就是說,原本的「腔」不復存在。該怎麼解釋大象沒有胸膜腔呢?

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有個假說認為,這可能跟大象使用長鼻子來「浮潛」有關連。當牠們游泳時,可以將長鼻子舉出水面來呼吸──這是個稍微熟悉大象的人都不意外的畫面。但是成年大象高度可達至少三、四公尺,當游泳使用鼻子呼吸,或是,鼻子端大氣的壓力與位在水下肺部的壓力差距會非常巨大,這時薄薄胸膜腔可能就會頂不住啦,而胸膜腔內的結締組織就有強化的功能。

海豚:我不是跩,只是鼻孔朝天!

海豚(海豚科 Delphinidae)雖然多數生活在海中,少數生活在大河大江中,不過牠們可沒有魚類的鰓,而是用肺呼吸的哺乳類動物。

海豚是從陸生哺乳動物演化而來的,真要說起親緣關係,比起魚類,牠們反而更接近河馬等偶蹄類動物。

大約五千萬年前的始新世時期,陸生哺乳類開始進入水中,在這個過程中,牠們為了適應環境,在形態上產生諸多的改變。為了順利在水中游泳,牠們後肢逐漸退化,形成背鰭及尾鰭,體表變得光滑,身體也變得較偏向流線型。

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而海豚的鼻孔更是位移到了頭頂,成為「呼吸孔」,以便在水面呼吸、換氣。此外,為了不讓自己嗆到,海豚的呼吸孔附近還有由肌肉與結締組織形成的鼻栓 (nasal plug),可以將孔緊閉。鯨魚海豚頭頂的呼吸孔是比較接近鼻孔的構造,因此有些卡通裡會出現鯨魚海豚從嘴裡吸入海水,由呼吸孔噴出海水的情節,在真實世界不大可能出現。

呼吸孔長在頭頂的中華白海豚 (Sousa chinensis)。圖/WIKI

水母:我想要呼吸,全身上下都行

水母是一種無脊椎動物,分類上屬於刺胞動物門 (Cnidaria)。從熱帶、溫帶到淡水區,世界各地的水域都找得到水母的蹤影。牠們的外型多呈現鐘型或者傘狀,構造簡單,體內有超過九成都是水,但沒有肺或鰓。

既然沒有肺或腮,牠們又要怎麼呼吸呢?方式很單純,就是透過擴散作用讓氧氣進出細胞膜。

水母的外表傘蓋的組織相當薄透(想想你吃過的海蜇皮),其中分為外層的表皮層 (epidermis) 和內層的胃皮層 (gastrodermis),兩層之間再夾著一種彈性膠狀物質,又輕又薄的狀態更方便外層組織和海水交換氧氣和二氧化碳。

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看起來有點兒透明的太平洋黃金水母 (Chrysaora fuscescens) 是透過擴散作用的方式來呼吸的。圖/WIKI

牡蠣:一輩子待在原地,就來用鰓呼吸!

牡蠣 (牡蠣科 Ostreidae)的殼有二枚,形狀相當不規則,左殼比右殼大一點。牠們大多棲息在淺海或潮間帶,以左殼固著在物體上,無法自由移動,所以終其一生只能待在原處開開合合,進行呼吸、攝食、生殖、排泄等等行為。

大多數的雙殼綱,殼的頂部有縫可以流通海水,並且在吸排海水的過程中呼吸。牡蠣並不像蛤蜊一樣自備出、入水管,牠們只有腮腔和腮上腔。牡蠣的鰓分左右各一對的內外鰓,上與唇瓣 (labial palps) 相連,下與外套膜 (mantle) 相接,構成一個腔室,水從鰓流入鰓腔及鰓上腔,在過程中進行氣體交換藉以呼吸、獲得氧氣

牡蠣會用左殼附著在物體上,一輩子都不離開原地,並利用腮來呼吸。圖:WIKI

雖然說都是呼吸,但生活在不同地方的生物用的方式卻大不相同,需要根據所在地來大顯神通,除了上述介紹的動物,你知不知道什麼其他特別的呼吸方式呢?

參考資料

言蓁
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喜歡貓但不敢紮實去摸,像對所有喜愛的事物,嚮往也懼怕。依賴文字,生存於不被看好的文組,走著忽焉變成資訊的雜食動物。