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科學寶可夢 #009 水箭龜:打穿鋼板的洪荒之力

Rock Sun
・2016/08/24 ・2826字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 514 ・六年級

身為一名訓練師,你真的了解你的寶貝們嗎?寶可夢圖鑑讀熟了沒?

其實圖鑑告訴你的比想像中的還多喔!國外玩家建立了這個 Scientific Pokedex 網站,來跟大家分析這些寶可夢們是如何使用科學力來戰鬥的。

泛科學最近也會挑幾篇內容來跟大家分享一下。

blastoise
圖/Scientific Pokedex

御三家的噴水戰車:#009 水箭龜

說到水箭龜,大家第一件想到的八成是那突兀的兩根砲管,砲管長在生物身上已經瞬間超越常識了,就算人類再演化個數萬年可能也無法達成這個里程碑,儘管自然界有如射水魚這種可以使出水槍的生物,但長出砲管也太豪邁了吧!

在開始 Scientific Pokedex 的本文前,我第一個覺得奇怪的地方是水箭龜的體重。

世界上身長超過 1.6 公尺的烏龜並不稀奇,加拉巴哥陸龜身長就差不多是 1.6 公尺,但是水箭龜最弔詭的問題是體重。加拉巴哥陸龜體重最少也有大約 175 公斤,但是水箭龜平均體重只有 85 公斤……,差了一半,莫非他體內都是空氣!?

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烏龜內部骨骼。圖/dkfindout

等等,這或許很合理,因為當水箭龜使出水槍的時候,這些水的來源就是一個問題,水的來源不外乎:

  1. 水戰龜體內的水分
  2. 環境四周的水分
  3. 龜殼內腔室儲存的水分

最有可能的是第三者(注1),只要平常水箭龜有儲存水分,在適當的時候就有水量使出水槍。

而使液體從身體內噴出的方式不外乎就是壓力差,而產生壓力差的方式,生物上大概就是肌肉收縮或氣體壓縮。有看過烏龜骨骼的人就會知道,其實龜殼內是空的,如果這些空間分為儲水腔室和提供動力的高壓空氣的話,那麼水箭龜的體重或許就說得通了,而他們噴射水柱的原理就跟搖動過的可樂或玩具水槍的道理是一樣的。所以這段的結論就是,其實水箭龜都是虛胖啊(注2)!

The-Real-Blastoise
圖/reptiles.guru

以上純屬我的腦補,但這次 Scientific Pokedex 的重點是放在水箭龜的圖鑑介紹上。在神奇寶貝圖鑑中,有這麼一個敘述(注3):

「從他龜殼上大砲噴出的水柱足以打穿厚鋼板。」

一個物質能承受的力量看似是很難得到的資訊,但其實極限抗拉強度(Tensile Strength)的圖表已經幫我們找出了大部分的物質特性。極限抗拉強度代表的是「一個物質在斷裂或破壞前所能承受的最大應力」。對鋼鐵而言,我們藉由查表能得知最大能承受的應力為 400~550 兆帕(注4),屈服強度是 250 兆帕(注5)。

這時我們需要一個重要的數據,就是水箭龜的砲管截面積,從各種圖鑑上做一些比例上的運算,可以得到直徑大約 20公分(注6)。假設水箭龜在使出水槍到水打中鋼板時都以一樣的功率輸出,而作用在鋼板上的節面積等於他的砲管節面積,要達到可打穿鋼板的能量,我們計算得出大約 17,000,000 牛頓(注7)。

這 17,000,000 牛頓全部集中在一門砲管上,要得到水從砲管噴出的速度,我們需要從與鋼板撞擊的過程中得知。假設我們把噴出的水柱視為一個不間斷的球體,這時一個直徑 20 公分的球體,它的質量大概是 5 公斤(注8),當這樣一個球體撞擊鋼板時,假設它將能量全轉移至鋼板上,我們來將動能公式稍微轉換一下

攻勢

把數字都代進去,得知水柱從水箭龜砲管中噴出的速率是每秒 825 公尺。給大家作為比較,一般消防隊的水管噴水速率是每秒 20~30 公尺(注9),現代的步槍子彈速度是每秒 1200 公尺,至於砲彈的速度則是介於每秒 800~1000 公尺之間,所以水箭龜的砲管是名副其實的大砲。(注10)

giphy
圖/Giphy

但還有一個東西叫後作用力,從動量守恆: mv=MV,5 公斤的水球之於 85 公斤水箭龜本身,計算後我們可以得到水箭龜理論上會以每秒 48 公尺的速度向後飛,也就是時速 172.8 公里,比普悠瑪還快。(注11)

但是大家都知道,你不會在命令你的水箭龜使出水槍之後瞬間顯示「你的水箭龜以高速向後飛離了戰場」(注12),事實上他每一次似乎都好端端地承受這每秒 825 公尺的反作用力,所以我們下一個問題大概會是:水箭龜的腳底是產生出了多大的摩擦力抵銷了後作用力。在開始算之前,我預測這大概會是有史以來最詭異的腳皮。

 

 

注解:

  1. 我們不曾看到水箭龜使出水槍而脫水的狀況,也沒看過使出水槍的水箭龜身邊土表乾裂、河水乾枯的情況,固得結果為 3。
  2. 其實光是加拉巴戈象龜的殼(175 磅)就跟水箭龜一樣重了,這裡如果要幫忙找藉口,就是水箭龜的龜殼可能是某種特殊材質,又輕又堅固。不管怎樣,脫下龜殼的水箭龜可能跟沙瓦郎一樣纖細吧;另外一個可能就是這是水箭龜的「乾重」。
  3. 歷代神奇寶貝圖鑑對水箭龜的描述都大同小異,除了上述的的打穿鋼板外,另外幾種版本是:水槍非常準確,可以打中 160 英尺外的鐵罐;他進化的非常笨重,以抵銷後作用力;使用高壓水柱進行遠距離攻擊……等。有使用鐵板敘述的有銀、鑽石、珍珠、白金、黑、白、魂銀這些版本。
  4. 兆帕,也就是 MPa,等於 106 帕斯卡,帕斯卡(Pascal)為每平方米 1 牛頓,都是壓力單位。
  5. 這篇文章用的鋼板,是指美國材料試驗協會規定的 A36 Steel,在做成鋼板、鋼條上通常厚度不會超過 20 公分。屈服強度是指金屬材料發生屈服現象時的屈服極限,亦即抵抗微量塑性變形的應力。
  6. 20 公分是  Scienftific  Pokedex 的預估,但筆者自己從網路上各種圖片量測,得到的直徑大概都是 12 公分。
  7. 以最大值 550 x 10-6兆帕來運算,水箭龜的水柱截面積為 0.0314 平方公尺,兩個相乘得 17278759.59 牛頓。
  8. 筆者自己的計算結果是 4.2 公斤,如果這樣的話之後結果將近每秒 900公尺,有點太快了(?)。
  9. 寶可夢黃版圖鑑對水箭龜的敘述是:「瞄準之後射出的水柱,速度比消防水柱還強」,這已經是不同檔次的速度了,我說這位博士你是紀錄到一隻營養不良的水戰龜吧。
  10. 假設水箭龜那空蕩蕩的腔室內都是水,那麼大概會有 90 公斤,也就是 90 公升的水量,這水量在這種秒速 825公尺的輸出能力下,單根砲管在 0.0035 秒內就把水戰龜抽乾了。
  11. Scientific Pokedex 的計算是假設水箭龜使用水槍的整個時間內體重恆定於85公斤,並且兩根砲管加起來的輸出才能打穿鋼板,但是水來自於莫名的次元。如果要考慮我所提出的「龜殼內有裝水的腔室」(水箭龜樂使用水槍體重越輕),並且每根砲管都有單獨打穿鋼板的力量,那麼整個算法將會改寫。
  12. 這前提是後作用力作用在腳上,但以水箭龜發射水槍的身形,我們可以發現這些後作用力是作用在上半身,所以它大概會是以一個華麗的水車向後翻滾,消失在對戰中。

參考資料:

  1. Scientific Pokedex 
  2. 維基百科 (tensile strengthA36 steelbullet speed
  3. Pokemon Database 
  4. Animal Corner.com

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文章難易度
Rock Sun
62 篇文章 ・ 430 位粉絲
前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者


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就是想知道十萬個植物的為什麼!解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳,畢業自台灣大學植物系,在美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)進行博士後研究,研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究,在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機,可能很難立即知道失主是誰,甚至有點摸不著頭緒:因為她手機裡超過 80% 的照片,都是植物。為何會選擇植物作為研究領域?身為中研院分子生物研究所特聘研究員,在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說,這個決定其實「不太科學」,因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇,因為好奇而想要知道更多:許多 love story 都是這樣開始的,而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢?也因為一般人都不夠認識植物,聽不懂植物的細語呢喃,更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家,擔任植物駭客兼翻譯,讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事,從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。圖/劉志恒攝影

分子生物學突破:發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」,大幅提升了糧食生產量,餵飽了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要,然而植物透過什麼機制攝取氮肥?如何調控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮,是生物存活的重要元素;從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素,到與遺傳相關的核酸中,都有氮的存在。但對植物來說,要取得氮元素卻出乎意料地困難;大氣的組成中近五分之四為氮氣,但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」,其中又以硝酸鹽為主。

但是,硝酸鹽是帶電離子,無法自行通過脂質構成的細胞膜,那到底植物如何利用硝酸鹽呢?為了解開這個長年來的謎題,蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株,並利用當時最新發展出來的分子生物技術,試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示,這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株,在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現,這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹;卻直到她開始進行博士後研究,伴隨植物分子生物相關技術發展,才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰,因為新技術還不穩固,就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她,決定一邊持續研究氮代謝,一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術,1994 年,蔡宜芳從美國回到台灣,持續研究進一步發現, 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白,除了作為硝酸鹽的「搬運工」,還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中,植物是被動的吸收養分:但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時,植物會主動改變硝酸鹽的運作模式,這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換,因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1,植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度,幫助植物調控基因表現,以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控,在農業領域十分有發展潛力,蔡宜芳的研究進一步轉向,對接實際應用,期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外,她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式,增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失,因此多數的氮肥施放到田間後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能減少施肥的浪費,連帶減少製造氮肥耗用的能源,也讓農作物長得更好。

好消息是,透過基因調控,蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功,並取得相關專利,期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品:好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心,對她來說和植物有關的十萬個為什麼,猶如始終永遠拼不完的大型拼圖,從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意義),想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解,往往覺得植物跟動物一點也不同,然而在蔡宜芳看來絕非如此,她表示,已經有研究發現,當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間,植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫,但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其實都知道,只是用我們不懂的方式在表達,要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖/劉志恒攝影

當然研究也不能自己埋頭苦幹,交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年,但回憶起剛建立獨立實驗室的階段,面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題,當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人,被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點,一來一往的思辨與答辯,反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破,是因為被質疑的時候很生氣,可是不能光氣,也要想辦法解決。就在生氣的時候,想出來的方法,最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時,認真地給出言之有物的評論,幫她累積了領域內的信譽,才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練,對科學家的養成非常重要,然而蔡宜芳觀察,科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例,在美國課堂上,老師會要學生先讀一篇論文,接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人,都會把 paper 當作傳世經書在讀,讀懂它就覺得很開心了——要去批評它,我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦,但會痛就代表該變。

她就此改變了思路:面對知識,蔡宜芳要求自己不僅要讀懂,還要有餘力批評它,說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為,科學就是得永遠抱持著質疑的態度,在不疑處有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面,我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中,會不斷要求學生思考、批判。圖/劉志恒攝影

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她,在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了,革命十次稀鬆平常,如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走?那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力,身為科學界的女性,蔡宜芳認為,自己的成長環境中,性別造成的影響並不大,以她所在的中研院分生所為例,研究人員性別比例很平均。但若深入細究,「無意識偏見」(unconscious bias)仍難以避免。她以自己帶過的學生為例,生科領域在大學時期男女比例大約是各半,但隨著碩士、博士一路往上,男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候,往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先,這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」,成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她,時常是唯一獲獎的女性,而就在接受採訪不久前,她又獲頒一個獎項,直到頒獎當天的照片寄回到所上,「一片黑西裝裡面,就我穿黃色!」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時,也對她苦笑說:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西,做該做的事情。真正不平的時候,不要安靜不講。」儘管環境仍待改變,蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步,就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥,遇上一位不放棄的科學家兼植物迷,造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣,裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片,請別質疑自己是不是怪怪的,或許妳也將靠著研究,改變世界,這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。


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