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響尾蛇大戰機器松鼠

陳俊堯
・2013/02/11 ・1799字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 467 ・五年級

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圖片來源: Wikipedia

過年在網上找蛇故事,覺得這個挺有意思的,拿來跟大家分享。

這故事的主角是加州地松鼠(California ground squirrels)跟它的宿敵北太平洋響尾蛇(northern Pacific rattlesnake)。想像一下,松鼠在野外愉快地跳著,冷不防撞見前進的路上躺著的一隻吐著蛇信,有劇毒的響尾蛇。你押誰會贏?蛇年,當然賭蛇神的子弟勝出,可是真的是這樣嗎?下面這段是 YouTube 上眾多影片中的一支。

看來這松鼠挺難搞的,結果是蛇落荒而逃。響尾蛇雖然有毒,卻對松鼠起不了作用,這在多年就有正式研究證實過了[1]。不過這響尾蛇的確會吃松鼠,小松鼠比較容易死在響尾蛇手上,大松鼠就不一定了,所以松鼠看見響尾蛇會這麼兇惡是有原因了。這松鼠在見到響尾蛇時會開始用力搖尾巴,這個動作是要嚇阻蛇的進攻嗎?看起來不太威啊!

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他們在野外找到響尾蛇棲身地,架好攝影機看這些蛇在野外碰到搖尾巴的松鼠會有什麼反應。研究的結果發現,看到搖尾巴的松鼠後響尾蛇比較容易放棄在這一區的埋伏行動而離開[2]。所以松鼠搖尾巴是有用的。

後續的研究發現原來松鼠搖尾巴不只是造成視覺效果而已,它們還讓尾巴發熱,讓能偵測動物熱源的響尾蛇能在用兩種感官確實知道松鼠的存在[3]。尾巴發熱的現象我們用眼睛看不出來,但是可以借助紅外線攝影機拍來記錄。在下面的影片裡可以看到當松鼠看見響尾蛇時,會加熱自己的尾巴,影片裡可以清楚看到松鼠尾巴是熱的。

但是如果換成不能偵測紅外線的松蛇(gopher snakes, Pituophis melanoleucus)出現在面前,那松鼠就不用浪費能量去熱尾巴了。

到目前為止我們得到的資訊是當松鼠碰上響尾蛇時會動怒(會叫駡哦),遇會劇烈擺動發熱尾巴,而通常在這個狀況下蛇就退走了。這個故事還少一塊未解:到底松鼠尾巴發熱不發熱,蛇在乎嗎?

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這時,機器松鼠要上場了。為什麼一定要找電機教授幫忙建一隻機器松鼠來回答這個問題呢?因為你沒辦法要求松鼠違反本能,在看到響尾蛇時只搖冷尾巴呀!這隻松鼠的配備是一個會搖的尾巴,再配上一個讓你控制這搖動的尾巴要不要發熱的開關。這隻機器松鼠可以幫助研究人員搞清楚尾巴發熱這件事對蛇代表了什麼意義。他們在實驗室裡讓響尾蛇分別接見搖熱尾巴和搖冷尾巴的機器松鼠,發現響尾蛇在看到搖熱尾巴的松鼠後,會花比較長的時間注意熱松鼠,身體維持找獵物拉長形態的時間縮短,變得花比較時間纏繞起來戒備。

不過這些實驗都是在實驗室裡進行,搞不好只是一場誤會,在野外温暖陽光和青草香的影響下會不會出現完全不同的反應?驗證的最好辦法就是把機器松鼠搬到野外,測試響尾蛇對松鼠的的反應。聽起來很酷,可是你愛的話你去做,因為你得在豔陽下四處在草叢裡尋找響尾蛇,找到後在不能驚擾它(不然不是逃走就是攻擊),小心架好攝影機和軌道,把機器松鼠送到它面前,還要惹怒它向前進攻,記錄下蛇的動作和時間。研究人員先測試在野外松鼠能不能靠搖尾巴的動作來降低蛇的攻擊意願[4]。請看下面的影片。

實驗結果證實搖尾巴可以警告蛇,讓蛇更警戒而不進攻,或著放棄進攻。研究人員的解讀是這樣的,松鼠的這個動作讓蛇知道我已經看到你而且準備好跟你對戰,所以你勝算不大可以放棄了。當一隻松鼠搖起尾巴,也等於警告了其它松鼠,所以響尾蛇在這一帶埋伏沒什麼機會,還是趁早換獵場吧。

這一系列的研究還在持續進行中,新的故事還在發展中,等到進一步劇情明朗後再回來為大家報導。不過去年出現了個意外的插曲。美國有位參議員每年會選出他覺得美國政府浪費預算的花費明細,去年這篇拿稅金造機器松鼠的研究經費也上榜。請見美國 ABC 電視台的報導

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後續當然出現不少討論,有人指出這些研究有很不錯的學術價值,有人認為在教育上提供很好的教材,有興趣的人可以在網路上找找相關連結。國家經費當然需要用在對的,而且需要的地方。但是什麼是需要的地方?能賺錢申請專利的研究當然不錯,但是維持研究能力的多樣性,讓社會裡留住能從各種不同角度看問題的人,不也是件重要的事?

參考文獻:

[1] Poran NS, Coss RG, Benjamini E. Resistance of California ground squirrels (Spermophilus beecheyi) to the venom of the northern Pacific rattlesnake (Crotalus viridis oreganus): a study of adaptive variation.
Toxicon. 1987;25(7):767-77.

[2] Rulon W. Clark Pursuit-deterrent communication between prey animals and timber rattlesnakes (Crotalus horridus): the response of snakes to harassment displays. Behavioral Ecology and Sociobiology (impact factor: 3.18). 04/2012; 59(2):258-261.

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[3] Rundus AS, Owings DH, Joshi SS, Chinn E, Giannini N. Ground squirrels use an infrared signal to deter rattlesnake predation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2007 Sep 4;104(36):14372-6.

[4] Barbour MA, Clark RW.Ground squirrel tail-flag displays alter both predatory strike and ambush site selection behaviours of rattlesnakes. Proc Biol Sci. 2012 Sep 22;279(1743):3827-33.

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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

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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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秋季星空中一抹光亮:北落師門殘屑盤的觀測史——《科學月刊》
科學月刊_96
・2024/01/19 ・4118字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 謝承安/ EASY 天文地科團隊成員,因喜愛動畫《戀愛中的小行星》開始研究小行星,現就讀臺大物理系。
  • 林彥興/清大天文所碩士, EASY 天文地科團隊總編輯,努力在陰溝中仰望繁星。
  • Take Home Message
    • 殘屑盤是恆星周遭的盤狀結構,由於北落師門殘屑盤離地球僅 25 光年,數十年來天文學家時常會藉由觀測它以了解殘屑盤的特性。
    • 去(2023)年韋伯望遠鏡的觀測結果與過去不同,顯示北落師門殘屑盤其實分成多個部分,更讓他們相信北落師門中有多個行星環繞。
    • 韋伯望遠鏡提供的影像還揭露許多來源未知的構造及現象,例如內側殘屑盤與內側裂縫等,都有待繼續探索。

北落師門(Fomalhaut)又稱南魚座 α 星,是秋季星空中著名的亮星之一。去年 5 月,以美國亞利桑那大學(University of Arizona)天文學家加斯帕(András Gáspár)為首的研究團隊在《自然天文學》(Nature Astronomy)期刊上發表,他們藉由詹姆士.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope, JWST,簡稱韋伯望遠鏡),在北落師門周圍殘屑盤(debris disk)中首次發現了「系外小行星帶」的存在。韋伯望遠鏡拍下美麗的照片,也瞬間席捲各大科學與科普媒體的版面(圖一)。

圖一:韋伯望遠鏡在波長約 25 微米(μm)的中紅外線拍攝的北落師門影像,首次呈現北落師門殘屑盤中的三層結構。(NASA, ESA, CSA, A. Pagan (STScI), A. Gáspár (University of Arizona))

天文學家選擇北落師門作為目標並非偶然。半個世紀以來,北落師門一直是天文學家研究殘屑盤時的首選目標之一。韋伯望遠鏡的新影像為我們帶來什麼新發現?過去與現在的觀測方式又有什麼差異?本文將帶著大家一起回顧北落師門殘屑盤的觀測史。

行星相互碰撞後的殘屑盤

殘屑盤是環繞在恆星周遭,由顆粒大小不一的塵埃所組成的盤狀結構。如果讀者們聽過行星形成的故事,也知道行星是從恆星四周、由氣體與塵埃組成的「原行星盤」(protoplanetary disk)中誕生,那你或許會認為殘屑盤可能就是行星形成後剩下的塵埃。但實際上並非如此,在恆星形成初期的數百萬年間,原行星盤中的氣體和塵埃會被恆星吸積或是吸收恆星輻射的能量後蒸發,同時也會聚集成小型天體或行星,這些原因都會使原行星盤消散。而殘屑盤則是由盤面上的小行星等天體們互相碰撞後,產生的第二代塵埃組成(圖二)。

圖二:殘屑盤想像圖(NASA/JPL-Caltech)

這些塵埃發光的機制主要有兩種。第一,塵埃本身可以散射來自母恆星的星光,從而讓天文學家能在可見光與近紅外波段看到它們。第二,塵埃在吸收來自恆星的星光之後,以熱輻射的形式將這些能量重新釋放。由於恆星的光強度與距離成平方反比,愈靠近恆星,塵埃的溫度就愈高,因此發出的輻射以近紅外線為主;反之,愈是遠離恆星,塵埃的溫度就愈低,發出的光就以中遠紅外線為主。

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觀測目標:北落師門

北落師門殘屑盤的觀測始於 1983 年。當時,美國國家航空暨太空總署(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的紅外線天文衛星(Infrared Astronomical Satellite, IRAS)發現北落師門在紅外線波段的亮度異常高,代表周圍很可能有殘屑盤圍繞。由於北落師門離地球僅約 25 光年,這項發現引起眾多天文學家的關注,並在未來數十年前仆後繼地拿出各波段最好的望遠鏡,希望藉此深入了解殘屑盤的特性。其中,哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope, HST,簡稱哈伯望遠鏡)、阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA)與韋伯望遠鏡擁有非常好的空間解析度,因此能夠清楚地觀測殘屑盤的結構。

● 哈伯的觀測

2008 年, NASA 公布哈伯望遠鏡在 2004 與 2006 年對北落師門的觀測結果(圖三),讓天文學家首次清晰地看到北落師門殘屑盤的影像。這張照片是哈伯望遠鏡以日冕儀(coronagraph)在 600 奈米(nm)的可見光波段下拍攝,中間的白點代表北落師門的位置,而周圍的環狀亮帶正是因散射的北落師門星光而發亮的殘屑盤,放射狀的條紋則是日冕儀沒能完全消除的恆星散射光。除此之外,天文學家還發現有一個亮點正圍繞著北落師門運行,並認為此亮點可能是一顆圍繞北落師門的行星,於是將它命名為「北落師門 b 」。很可惜在往後的觀測中,天文學家發現北落師門 b 漸漸膨脹消散,到 2014 年時就已經完全看不見了。因此它很可能只是一團塵埃,而非真正的行星。

圖三:哈伯望遠鏡於 2008 年公布的北落師門。中間白點代表北落師門的位置,周圍環狀亮帶是因散射北落師門的星光而發亮的殘屑盤,放射狀條紋則是沒完全消除的恆星散射光。右下角亮點當時被認為是圍繞北落師門的行星,但很可能只是塵埃。(Ruffnax (Crew of STS-125);NASA, ESA, P. Kalas, J. Graham, E. Chiang, and E. Kite (University of California, Berkeley), M. Clampin (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.), M. Fitzgerald (Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, Calif.), and K. Stapelfeldt and J. Krist (NASA Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif.)

● ALMA 的觀測

ALMA 對北落師門的完整觀測於 2017 年亮相,他們展示出更加清晰漂亮的環狀結構,且位置與哈伯望遠鏡的觀測吻合。正如前面提到,殘屑盤中的塵埃溫度愈低,放出的輻射波長就愈長。因此 ALMA 在 1.3 毫米(mm)波段觀測到的影像,主要來自離殘屑盤中恆星最遠、最冷的部分。

圖四: ALMA 於 2017 年拍攝的北落師門殘屑盤,展示出清晰漂亮的環狀結構。(Sergio Otárola|ALMA (ESO/NAOJ/NRAO);M. MacGregor)

● 韋伯望遠鏡的觀測

最後則要來看去年韋伯望遠鏡所使用中紅外線儀(mid-infrared instrument, MIRI)拍攝的影像(圖五)。與之前的觀測不同,這次的影像顯示北落師門的殘屑盤其實分成幾個部分:

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圖五:韋伯望遠鏡在 25 微米波段觀測到的北落師門殘屑盤。(NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez;NASA, ESA, CSA, A. Pagan (STScI), A. Gáspár (University of Arizona))

首先,哈伯望遠鏡與 ALMA 之前就已觀測到的塵埃環,它的半徑約 136~150 天文單位(AU)、寬約 20~25 AU,而溫度則落在約 50~60 K,與太陽系的古柏帶(Kuiper belt)十分相似,因此被稱為「類古柏帶環」(KBA ring)。雖然在觀測上的溫度相似,但其實此塵埃環與北落師門的距離是古柏帶到太陽的四倍;不過北落師門光度約為太陽的 16 倍,根據前述提及的平方反比關係,才導致兩者的溫度相近。此外,在更外層名為「暈」(halo)的黯淡結構則對應古柏帶外圍天體密度較低的區域。

再來,韋伯望遠鏡還發現了更多未解的謎團:內側殘屑盤(inner disk)與中間環(intermediate ring)。其實早在本次韋伯望遠鏡的觀測之前,天文學家就已經從北落師門的光譜推測,北落師門的殘屑盤中除了存在前面提過的類古柏帶環之外,應該還有另一批更靠近恆星、溫度更高的塵埃,溫度與大小對應太陽系中的環狀小行星帶。但當韋伯望遠鏡實際觀測後,卻發現與太陽系的環狀小行星帶相比,北落師門有著相當瀰散的內側殘屑盤。為什麼會有這樣的不同呢?目前天文學家也不清楚,仍待進一步研究。

最後,在類古柏帶環與內側殘屑盤之間,還存在著一個半長軸約 104 AU 的「中間環」,在太陽系中則沒有對應的結構,這項新發現也需要進一步的研究來了解它的來源。

此外,雖然北落師門 b 最終被證實並不是一顆行星,但這並不代表北落師門旁沒有行星環繞。最初,殘屑盤的形成原因是由小行星等天體不斷碰撞所產生,經過不斷地碰撞合併,其實就有可能已經產生直徑數百到數千公里的行星。從北落師門的殘屑盤還可以推論,在內側殘屑盤與中間環之間可能有一顆海王星質量以上的行星,它就像鏟雪車般清除軌道上的塵埃,從而產生「內側裂縫」(inner gap)的結構。

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另一方面,天文學家也藉由數值模擬發現,如果僅考慮來自北落師門的重力影響,類古柏帶環應該要比觀測到的更寬才對。因此他們推測,很可能在類古柏帶環內外兩側有兩顆行星,像控制羊群的牧羊犬一樣以自身的重力限制塵埃移動,才產生了這麼細的塵埃環。

● 更多的殘屑盤觀測

北落師門雖然是一顆年齡僅4.4億年的年輕恆星,卻已經是一個擁有殘屑盤、形成行星的成熟恆星系統。而來自韋伯望遠鏡的最新觀測結果,無疑讓天文學家更深入地認識殘屑盤中複雜的結構,也更令他們相信北落師門系統中有多個行星環繞。

不過,北落師門系統仍舊有許多未解之謎。例如為什麼太陽系有著環狀的小行星帶,北落師門卻是瀰散的內側殘屑盤?在無數的恆星中,究竟是太陽系還是北落師門的殘屑盤構造比較常見?殘屑盤中是否有行星存在?如果有,在北落師門的演化歷史中又扮演著怎樣的角色呢?這些問題都有待更多的觀測與理論模擬來解答。

在北落師門之後,觀測團隊預計將韋伯望遠鏡指向天琴座的織女星(α Lyr, Vega),以及位於波江座的天苑四(ε Eri),兩者都是離地球非常近且擁有殘屑盤的恆星。其中織女星的溫度與質量比北落師門更大,而天苑四的質量與溫度雖然比太陽小,卻有強烈的磁場活動。藉由觀測不同系統中殘屑盤的性質差異,並與太陽系進行對比,不僅能更加認識殘屑盤的起源、與行星的交互作用,更能理解我們自己的恆星系中,數百萬顆的太陽系小天體從何而來。

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JWST 原始資料的處理過程影片介紹,非常值得一看!

  • 〈本文選自《科學月刊》2024 年 01 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

延伸閱讀

  1. Galicher, R. et al. (2013). Fomalhaut b: Independent analysis of the Hubble space telescope public archive data. The Astrophysical Journal, 769(1), 42.
  2. MacGregor, M. A. et al. (2017). A complete ALMA map of the Fomalhaut debris disk. The Astrophysical Journal, 842(1), 8.
  3. Gáspár, A. et al. (2023). Spatially resolved imaging of the inner Fomalhaut disk using JWST/MIRI. Nature Astronomy, 1–9.
科學月刊_96
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逼小鼠游泳,還怪牠放棄掙扎?
胡中行_96
・2022/07/07 ・2777字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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「可有任何事物能令你恐懼?」「有,孤獨地死去。因此,我帶你同行。」-電影《比得兔》(2018)。[1]拉別人陪葬的概念,雖然不太道德,但確實使人安心。然而,「兄弟爬山,各自努力」,人生總有非得獨立克服的重大挑戰。在缺乏救援的情況下,僅知他人也正經歷相同的苦難,對當事者又會有何影響?

《救難小福星》(2022)的花栗鼠,代替小鼠示範本研究的核心精神。圖/IMDB

實驗小鼠接受挑戰

日本研究團隊買了一票10週大的雄性實驗小鼠(C57BL/6 N),來接受行為測試。[備註]為避免不同生理性別的反應差異,可能影響比較結果,雌性被排除在外。小鼠們4到5隻住一籠,裏頭吃喝無限供應,室溫維持在攝氏23到26度之間,照明每天開關各12小時循環。[2]總之,小鼠養尊處優,就等著任人宰割。

C57BL/6實驗小鼠的正常狀態。圖/Scientific Reports

實驗項目:懸尾測試、強迫游泳測試

懸尾測試(tail suspension test):小鼠尾巴末端,被用膠帶固定,整隻吊離地面60公分。[2]

左圖/參考資料 2

強迫游泳測試(Porsolt forced swim test):在透明圓柱容器中,注入23 °C的水,直到水深達7.5公分,再將小鼠放置其中。[2]

右圖/參考資料 2

這二項行為測試,又分別以三種模式進行:[2]

  1. 每次一隻小鼠受試。
  2. 一次有二隻小鼠參與,中間以不透明隔板分開。理論上,還是可能聞到對方的氣味,或聽到彼此的聲音。
  3. 同時實驗的兩隻小鼠之間,沒有隔板阻擋視線。
三種模式:單鼠、雙鼠有隔板,以及雙鼠無隔板。圖/參考資料2,Figure 2a & Figure 3a

此外,為了瞭解受試小鼠是否會受同儕反應的影響,在雙鼠被迫游泳前,還有一道手續:先把小鼠關進圓柱容器中10分鐘,使其失去活動力,再對其中幾隻注射抗憂鬱劑imipramine。另一方面,能夠運動或是靜止的黑色玩具,也被納入此試驗。換句話說,除了單鼠模式外,所有游泳測試都會有下列5組之一,與被觀察的實驗組小鼠相鄰:[2]

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  1. 正常的對照組小鼠。
  2. 低活動力小鼠。
  3. 打了抗憂鬱劑的高活動力小鼠。
  4. 毫無作為的黑色玩具。
  5. 動作頻頻的黑色玩具。
強迫游泳測試的組別,由左至右:正常、低活力、高活力、靜止玩具,以及運動玩具。圖/參考資料2,Figure 5a

無論是上述哪種類型的實驗,每回都必須維持6分鐘,全程監視錄影,並記錄小鼠停止掙扎的次數與秒數。[2]

實驗結果:游泳的小鼠受鄰居或環境影響

日本團隊在2022年6月2日的《科學報告》(Scientific Reports)期刊上,發表了這個研究的結果:在二種測試中,小鼠放棄掙扎的次數,都沒有因為同伴或玩具的加入而改變。參加懸尾測試的小鼠,可能因為無法輕易轉頭觀察環境,所以同時受試的小鼠數量,以及是否加入隔板,都不會改變牠們不動的時間長度。相反地,在強迫游泳測試裡,實驗組小鼠的姿勢,比較容易察覺周遭變化。因此,不管有無隔板,旁邊出現什麼狀態的同類或玩具,小鼠都會靜止較久。[2]

於是,日本科學家下了一個結論:抓小鼠來實驗的時候,請記得注意牠們是否被鄰居或環境影響,以預防研究不精準。[2]但是,去除小鼠周遭的干擾,我們就一定會得到想要的結果嗎?

強迫游泳測試的根本問題

強迫游泳測試於1970年代誕生後,就時常被拿來驗證抗憂鬱劑的效果。21世紀初,其運用愈加盛行。到了2015年,平均每天有一篇精神科論文,是根據這種實驗寫出來的。使用該測試的研究人員,普遍相信小鼠放棄掙扎的行為,是一種絕望的憂鬱表現。所以,當小鼠在水裡被搞到生無可戀,再投以抗憂鬱劑,理論上就能從牠們用藥前後的行為異同,來分析藥效。[3]

唯一的癥結是:沒有人類能參透小鼠的感受。

♪小鼠不會寫信告訴您~ ♪ 今天的海是什麼顏色~ ♪牠的心情又如何~ 圖/Jack Robinson

反省強迫游泳測試的必要性

2019年的《自然》(Nature)期刊,以專文反省採用強迫游泳測試的必要性。畢竟醫藥界多年來的經驗顯示,該測試僅適用於百憂解(Prozac,學名:fluoxetine)等SSRI抗憂鬱劑。SSRI向來能讓小鼠在水中放棄掙扎前,多游一陣子;但其他抗憂鬱藥物,卻未必在小鼠身上造成相同作用。更令科學家困惑的,是有別於人類得長時間服藥才能抑制症狀;小鼠對藥物的反應通常極為迅速。這在在都說明,強迫游泳測試或許只是把小鼠整慘了,又未必使之憂鬱,而且根本不能提供對人類有用的科學數據。[3]

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有鑑於此,世界上不少知名藥廠,例如:賣COVID-19快篩劑和諸多醫藥產品的羅氏(Roche)、在嬌生旗下做COVID-19疫苗等藥物的楊森(Janssen),以及從奶粉商亞培分離出來專心製藥的艾伯維(AbbVie)等,近年都已經揚棄強迫游泳測試。[3]

強迫游泳測試只會讓人類與小鼠兩敗俱傷。圖/John Tenniel (Wikipedia)

至於日本實驗裡的小鼠,牠們在為科學奉獻之後,被用二氧化碳安樂死,從此不再遭受人類的折磨。[2]

  

備註:C57BL/6是一種實驗小鼠的品種,在繁衍數個世代之後,產生了具有相異特質的亞種。為了區別這些亞種,C57BL/6後面要加上繁殖小鼠的單位代號。例如:C57BL/6 J的J代表美國「傑克遜實驗室」(the Jackson Laboratory),而C57BL/6 N的N則是指美國「國家衛生研究院」(the National Institutes of Health,簡稱NIH)。[4]

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參考資料

  1. PETER RABBIT Funny Scenes Compilation, 5:39 – 5:44 (FRESH Movie Trailers, 2021)
  2. Ueno H, Takahashi Y, Murakami S, et al. (2022) ‘Effect of simultaneous testing of two mice in the tail suspension test and forced swim test’. Scientific Reports, 12 (9224).
  3. Reardon S. (2019) ‘Depression researchers rethink popular mouse swim tests’ Nature, 571, 456-457.
  4. There is No Such Thing as a C57bl/6 Mouse! (The Jackson Laboratory, 2016)
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。