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冥王星表面發現複雜分子的蹤跡

臺北天文館_96
・2012/01/14 ・652字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

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美國西南研究院(Southwest Research Institute)和內布拉斯加衛理公會大學(Nebraska Wesleyan University)天文學家Alan Stern等人,利用哈柏太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)上非常靈敏的宇宙起源光譜儀(Cosmic Origins Spectrograph)觀測,發現冥王星表面光譜中有條極強的紫外波段吸收譜線,分析之後認為應是個複雜的碳氫化合物分子或亞硝酸鹽分子的譜線。相關論文發表在天文期刊中(Astronomical Journal,AJ)。

對於這個發現,Stern等人相當興奮,因為這類化合物,可能是冥王星表面已知的甲烷冰、一氧化碳(乾冰)或氮冰等,與陽光或宇宙線交互作用而形成的;這些在紫外光譜出現的化合物光譜特徵,很可能就是冥王星呈現微紅色調的原因。此外,這些有機分子是地球生命建造的基石,對研究生命起源而言相當重要。

目前身為矮行星成員之一的冥王星,其實也可視為軌道在海王星軌道以外的古柏帶天體(Kuiper Belt Object,KBO)之一;許多KBO都呈現微紅的色調,有些甚至顯得非常紅,科學家先前就推測可能是這些天體表面的有機化合物造成的。

此外,和哈柏於1990年代所做的測量結果進行比對,Stern等人還發現冥王星紫外光譜有變化,可能是觀測的冥王星表面地形不同所致,也可能是有其他效應如冥王星大氣壓增減等原因所造成的。

Stern表示:對於這顆矮行星,需要探索的謎題還很多;這顯示新視界號(New Horizons)於2015年抵達冥王星附近時,必定還會為世人帶來更多驚喜。

資料來源:2011.12.20

  1. SwRI researchers discover new evidence for complex molecules on Pluto’s surface
  2. Surface of Pluto May Contain Organic Molecules

轉載自台北天文館之網路天文館網站

文章難易度
臺北天文館_96
482 篇文章 ・ 27 位粉絲
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同伴已死,限時清理!要找出剛死去的蜜蜂,就靠這一味~
Lea Tang
・2020/09/19 ・928字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 462 ・五年級

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蜂窩中,擔任「送葬者」的蜜蜂能在同伴死去的半小時內找到屍體,牠們是怎麼做到的呢?

蜂窩中的送葬者,靠味道找出屍體?

蜜蜂會把死去的同伴拖出蜂窩。圖/sciencemag.org

蜜蜂是一種社會性昆蟲,一個蜂窩中有幫忙照顧新生兒的保母,當然也有專門處理死去同伴的「送葬者」(undertaker)。這些工蜂有著很敏銳的嗅覺,能在同伴死亡後 30 分鐘內找到牠們,並把屍體帶離蜂巢。

死亡半小時遺體通常還沒開始散發出腐敗的典型氣味,要在漆黑曲折的巢穴中鎖定目標,靠得是某種特殊的香氣分子——碳氫化合物(cuticular hydrocarbons; CHCs)。這種化合物是昆蟲外表皮上蠟質塗層的一部份,有點類似我們洗完澡後塗的保濕,主要功能在維持身體的水分。

當蜜蜂還活著時,這些分子會持續散發到空氣中,方便彼此互相辨識。

遺體的加工實驗

科學家發現,當蜜蜂死去且體溫下降後,釋放到空氣中的費洛蒙也變少了。換句話說,屍體所散發的 CHCs 比活體還要少。為了證明這個理論,他們決定幫屍體加熱,然後連同普通屍體放置在蜂巢裡。

正在被加熱的蜜蜂屍體。圖/biorxiv

很快地,工蜂們在半小時內便清出了正常屍體;然而,即使只是增加個 1~2℃,這些加工後的屍體往往需要花費數個小時,才會被這些送葬者發現。

溫度影響了 CHCs 的發散

為了證明影響工蜂判斷的要素是 CHCs 的減少而不單純只是屍體的溫度高低,團隊又把死去蜜蜂身上的 CHCs 洗掉後加熱,放置在蜂巢內。這回,工蜂們正常發揮,90% 以上的遺體都在半小時內被清除了。

經過這個加熱實驗,我們可以知道工蜂要能準確判別哪裡有需要清除的遺體,主要靠的是個體身上 CHCs 的發散量,而溫度,是影響 CHCs 發散的重要關鍵。因為加工屍體所散發的 CHCs 和活蜂濃度相同,讓工蜂誤以為死去的同伴仍活著,進而延遲了遺體被清除的時間。

參考資料

Lea Tang
20 篇文章 ・ 8 位粉絲
徜徉在極北之海的浪漫主義者。 喜歡鯨豚、地科、文學和貓。

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想趕走爛桃花卻怕沒老婆,怎麼辦?野地蟋蟀用誘人的體味解決一切!
政佑
・2020/04/26 ・3283字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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移居到夏威夷後,跌落神壇的音樂蟀哥

夏天夜晚的唧唧蟲鳴是許多人的童年回憶,其中最響亮的,莫過於雄蟋蟀摩擦翅膀所發出的聲音了。

每到了交配季節,雄蟋蟀會發出悅耳的聲響,宛若天生自帶音樂才藝一樣,發動猛烈的情歌攻勢來吸引雌蟲,完成求偶大業。雄蟋蟀悅耳的聲響,就像是牠們追求另外一半的天賦技能。

然而,讓人驚奇的是,有一種來自大洋洲沿海地區的野地蟋蟀 (Teleogryllus oceanicus) 註1被人們帶至夏威夷,隨著時間的流逝,竟有不少居住在夏威夷的野地蟋蟀失去了這項天生才藝!

在夏威夷演化出不會鳴唱的蟋蟀。圖/Pascoal et al., 2019

明明留在大洋洲沿海地區的蟋蟀都好好地,為什麼到了夏威夷會演化出同種但不會鳴叫的蟋蟀呢?

一篇發表於 2019 年的研究指出,這可能跟當地的寄生性蠅類有關!在夏威夷,有一種稱為奧米亞棕蠅 (ormia ochracea) 的寄生性蠅類,而奧米亞棕蠅會根據「聲音」來尋找宿主,因此,倘若雄蟋蟀們發出響亮的聲音,反而會變這種寄生蠅的寄生目標。

這些寄生蠅就像是蟋蟀的爛桃花一樣,若蟋蟀繼續演奏動人的情歌,求偶不成是小事,嚴重的話,甚至可能會引來殺身之禍!

只要體味對了,不彈吉他也能追老婆!

然而,野地蟋蟀失去音樂才子的能力後,雖然成功逃離了寄生蠅的魔掌,但牠們又該如何追求異性呢?難道要一輩子當魯蛇嗎?

或許不會!2013 發表於 Behavior Ecology 的一篇文章指出,蟋蟀體表的碳氫化合物組成會影響雄性吸引力,而另一篇於 2019 年發表在 The Royal Society 的研究則發現,蟋蟀體表那些相對短的碳氫化合物,帶有吸引異性的潛力!

也就是說,雖然夏威夷的野地蟋蟀失去了鳴聲,但牠們的體表有較多的短鏈碳氫化合物,這些化合物揮發後也可以成功吸引雌蟲,如此一來,散發出誘人體味的野地蟋蟀們,或許就可以彌補一點失聲的劣勢。

而這裡所說的體味,就是我們俗稱的「費洛蒙」。

在昆蟲的世界裡,叫聲跟體味都能做為求偶的利器,廣為人知的演奏大師有蟋蟀、螽斯、蟬等等,而費洛蒙則泛指能在體外傳訊的各種化學分子,碳氫化合物也是其中一類化學物質,例如蛾類就會使用這樣的方式吸引另外一半。

不過,正所謂一個蘿蔔一個坑,不同物種會有各自對叫聲組成和碳氫化合物的偏好,喜歡的求偶歌曲頻率跟結構會不一樣,而也只有特定結構的碳氫化合物才具備性吸引力,而且它們的長度也會影響到傳遞的距離跟效能。

誘惑蟋蟀的體味來源:碳氫化合物

在野地蟋蟀的案例中,為什麼只要短鏈碳氫化合物變多,野地蟋蟀就可以「香香的」註2,甚至成功追到另外一半呢?這和碳氫化合物的結構有關。

碳氫化合物根據鍵結形式由單鍵到三鍵可分為烴、烯跟炔,它們都是不溶於水的非極性分子,其中

根據鍵結形式,這些碳氫化合物可以透過單鍵、雙鍵或三鍵來鍵結,分別對應烴(alkane)、烯(alkene)跟炔(alkyne),它們都是不溶於水的非極性分子。

碳氫化合物結構。(alkane:單鍵的烴、alkene:雙鍵的烯、alkyne:三鍵的炔)圖/QS Study

其中烴只由單鍵組成,當烴的鏈長越長,它們之間的吸引力(凡得瓦力)就會越大,與周圍的分子貼合較緊密,也因此,長鏈碳氫化合物比較不易被破壞,熔、沸點相應來說也比較高,造成化學分子難以揮發,雌蟲也比較難接收到雄蟋蟀愛的訊號!

反之,若雄蟋蟀的體表有比較高比例的短鏈碳氫化合物,就比較容易將帶有吸引異性功能的「體味」傳出去。所以,當雄蟋蟀用這個方法求偶時,科學家在雄蟋蟀身上發現具比較高比例的短鏈化合物,就是非常合理的觀察結果。

碳氫化合物越短,體味傳的越遠!

將蟋蟀與其他物種進行比較後,我們更可以明顯看到化合物長度對傳遞訊息的影響。

首先,蛾類體表的碳氫化合物常是個位數到十幾個碳的長度,可以做到非常遠距離的傳遞,但隨著長度增加,果蠅身上的碳氫化合物多為二十幾個碳,傳遞距離就變短了一點,到了蟋蟀身上後,則是三十幾個碳的碳氫化合物。

但別擔心,雖然比起蛾類和果蠅,蟋蟀的碳氫化合物較長,但 2019 年的研究指出,蟋蟀體表那些相對短鏈的碳氫化合物,對提高性吸引力仍然有一定的幫助。

用體味當作求偶手段的風險在於,由於短鏈的結構比較鬆散,使得水分容易從縫隙間蒸發出去,造成蟋蟀體表的保水能力下降,因此蟋蟀也有可能還沒找到另外一半,就因為散失太多水分而死亡。

物種改變的動力:天擇與性擇

上述蟋蟀的求偶故事,裡面其實包含著推動物種改變的兩大力量:天擇 (natural selection) 跟性擇 (sexual selection)。

達爾文在《物種起源》中提出了天擇的概念,他指出當突變發生,歷經過度繁殖、生存競爭,最後只有適合當下環境的族群可以存活,在天擇的概念中,「自然環境」是篩選的主要力量。

而除了天擇,性擇也是一個推動物種改變的力量,通常會遵循「付出較多一方」的喜好,舉例來說,若是有一種鳥僅由母鳥育雛,由於母鳥的付出更多,因此雌性就會處於選擇者的角色,看母鳥喜歡什麼,被選擇的公鳥就會遵循母鳥的喜好,若母鳥比較喜歡紅色的公鳥,這個物種的公鳥就會越來越紅。

孔雀的尾巴是性擇跟天擇共同作用的結果。圖/Pexels

天擇跟性擇都會影響物種演化的方向,有時候這兩種機制會相互抑制。若是性擇下演化的結果不利生存,天擇的壓力就會抑制這個性狀的發展,反之,若天擇的結果讓吸引力降低,在性擇壓力下就會不利繁殖。

孔雀尾巴也是廣為人知的例子之一,如果孔雀尾巴太長,就會不利移動生存,但太短又不夠有吸引力,現在的長度就是相互抵制後的最佳狀態,我們現在所見的尾巴長度就是兩方拉扯下的結果。

回到上述關於蟋蟀體表化學物質的研究,我們也可以總結得知,昆蟲體表的碳氫化合物組成演化也涉及了天擇跟性擇的拉扯,雖然夏威夷的野地蟋蟀失去了發聲的功能,但牠們的體表卻含有較高比例的短鏈碳氫化合物,或許這樣有助於彌補一點聽覺求偶的缺失?想知道更多就需要更多的研究發展了!

為了兼顧愛情和麵包,野地蟋蟀們可以說是經歷了相當艱辛的一番轉變,野地蟋蟀未來又會面臨哪些考驗和改變呢?接下來,吞下敗仗的寄生蠅是否也會演化出新的生存策略?在偌大的地球上,又有哪裡也隱藏著不為人知的物種小故事呢?面對如此變化多端又精彩紛呈的生物世界,讓我們期待科學家挖掘出更多故事吧!

筆者後記

感謝盲眼的尼安德塔石匠指證錯誤,並提供關於昆蟲費洛蒙的相關背景知識。

參考資料

  1. Holze, H., Schrader, L. & Buellesbach, J. Advances in deciphering the genetic basis of insect cuticular hydrocarbon biosynthesis and variation. Heredity(2020).
  2. Buellesbach, J., Vetter, S. & Schmitt, T. Differences in the reliance on cuticular hydrocarbons as sexual signaling and species discrimination cues in parasitoid wasps. Front Zool15,22 (2018).
  3. Heggeseth, B., Sim, D., Partida, L.et al. Influence of female cuticular hydrocarbon (CHC) profile on male courtship behavior in two hybridizing field crickets Gryllus firmus and Gryllus pennsyl vanicus. BMC Evol Biol20,21 (2020).
  4. Jacob D. Berson, Marlene Zuk and Leigh W. Simmons. Natural and sexual selection on cuticular hydrocarbons: a quantitative genetic analysis. (2019)
  5. Pascoal, Sonia & Risse, Judith & Zhang, Xiao & Blaxter, Mark & Cezard, Timothee & Challis, Richard & Gharbi, Karim & Hunt, John & Kumar, Sujai & Langan, Emma & Liu, Xuan & Rayner, Jack & Ritchie, Michael & Snoek, Basten & Trivedi, Urmi & Bailey, Nathan. (2019). Field cricket genome reveals the footprint of recent, abrupt adaptation in the wild. Evolution Letters. 4. 10.1002/evl3.148.
  6. Simmons LW, Thomas ML, Simmons FW, Zuk M. 2013 Female preferences for acoustic and olfactory signalsduring courtship: male crickets send multiple messages. Behav. Ecol. 24, 1099– 1107.(doi:10.1093/beheco/art036)
  7. 盲眼的尼安德塔石匠:【生存或是生寶寶,有時候是個問題】

註解

  1. 蟋蟀與寄生蠅的翻譯參考自:母蟋蟀需要靠「好聲音」來擇偶,但公蟋蟀為何惦惦不出聲?
  2. 「香香的」只是寫作上的比喻,論文中並未敘述或證實該化學分子真的有香味。

延伸閱讀

(2021/8/17 更新)關於夏威夷的這群蟋蟀,最近又有新研究發表啦!歡迎參考:

政佑
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停班停課遠距工作,這波疫情如何影響全球的科學研究?
瑋絜
・2020/03/25 ・2491字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

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隨著 COVID-19(俗名:武漢肺炎)疫情在全球各地升溫,許多大學、研究機構都採取停課措施,以避免校園成為病毒傳播的溫床。在疫情的陰影之下,校內學生和教職員除了上課受到影響,諸多進行中的科學研究計畫也被迫停擺,導致各領域的研究發展都受到重挫。

許多研究人員表示,他們過去不曾經歷過如此大規模的研究工作受到中斷,疫情造成的損失更是難以數計;《Science》的主編 Holden Thorp 也說,如果實驗所需物品的供應和研究進度持續停滯,「我們將失去很多科學知識。」

研究人員在家工作,生物醫學研究停擺

上週,哈佛大學文理學院向教職員工生發布通知,要求大家在 3 月 18 日前逐步減少研究活動,接下來的 6 到 8 週則暫停前往實驗室。愛荷華大學、塔夫茨大學等學校也祭出類似措施,以防堵肺炎疫情擴散。

基於防疫考量,許多實驗室的例行性討論都改在線上進行。圖/pxfuel

考量到公共衛生與研究人員的健康,大部分的實驗室也都遵守學校及研究單位的規定,讓實驗室人員在家閱讀文獻、分析資料,例行性的實驗室會議也改為線上討論。

然而,生物醫學研究並非在家中書房內或是沙發上就可以完成,缺乏特殊裝備、儀器及實驗動物,研究幾乎完全停擺。哈佛研究員 Richard Lee 就表示,他所在的實驗室正在進行一項為期 4 至 6 個月的老鼠實驗,關閉實驗室意味著他們過去幾個月付出的時間和心血將付諸東流;此外,該實驗室正在進行的老人免疫系統 DNA 研究也暫時中止,復工之時遙遙無期。

大腸桿菌當然也不是可以在家培養的東西。

密西根州立大學的 Richard Lenski 自 1988 年起,致力於觀察微生物生長、演化的情形,至今已培養超過 73,000 代的大腸桿菌。為抵擋這波來勢洶洶的肺炎疫情,Richard Lenski 決定將大腸桿菌冷凍保存,中斷 32 年來從未停歇的實驗。

然而並非所有科學研究都能在家中完成,仍是有些研究內容仰賴實驗室的設備。圖/piqsels

為了降低損失,約翰霍普金斯大學則將校內正在進行的臨床研究實驗依據急迫性和重要性分為三等級:

  • 第一等級:為「非做不可 ( essential ) 」,包含和 COVID-19 有關的試驗,以及停止試驗將對患者生命有即刻威脅性的臨床研究,此類研究可以如常進行,也可以繼續招募新的受試者。
  • 第二等級:包含多項癌症試驗,研究者可在減少人與人面對面接觸的情況下繼續工作。
  • 第三等級:多為長期追蹤的世代研究,研究者僅能透過 e-mail 或是電話方式與受試者聯繫。

實驗動物缺乏照顧只能自生自滅?

實驗室關閉的另一大隱憂,是實驗動物的照顧問題。哈佛大學演化生物學家 Hopi Hoekstra 的實驗室中,飼養了許多用於觀察動物行為的老鼠,而這些特殊樣本都是研究團隊辛苦從野外蒐集回來的。若疫情持續延燒,將導致動物照護人力短缺,最壞的情況下,研究團隊可能需要撲殺實驗室內一半的動物。

由於照護人力短缺,實驗動物恐怕在疫情中受到影響。圖/needpix

不過,約翰霍普金斯大學及耶魯大學的動物資源中心主管受訪時表示,事情並沒有大家想像的那麼悲觀。他們讓動物照護人員採輪班制,減少彼此間的接觸,以降低整個團隊工作停擺的機會,且研究機構內有多個動物照護團隊,若不幸有工作人員染病或需隔離,可以由其他團隊人員替補,因此不用擔心實驗室內的動物無法得到必要的照顧。

約翰霍普金斯大學研究動物資源中心副主任 Eric Hutchinson 認為,即使疫情真的到了無法控制的地步,大部分的實驗動物都可以在僅供給食物和水、不清洗籠子的情況下,安穩存活 14 天。耶魯大學動物資源中心副主任 Peter Smith 則說,若真的不幸有一半的動物照護人員停工,他們仍可以進行基本的動物保健。

上至天文下至地理,各領域學者皆成受災戶

當然,除了生物醫學領域的科學研究之外,其他領域的科學研究也因為實驗室停工、全球各地的入境管制、經濟衝擊等改變而受到或大或小的影響。

受到疫情的影響,各領域的研究計畫被迫暫停。圖/pxhere

密西根大學物理學者 David Gerdes 見全球疫情嚴峻,因而取消了 4 月前往智利天文台觀測的計畫。不巧的是,NASA 的新視野號 ( New Horizons ) 目前正以每小時 3.6 萬英里的速度經過古柏帶 ( Kuiper belt ) 的中心,因此正是近距離觀察古柏帶物體的絕佳時機,若放棄了這次的觀測,未來 10 年內可能再也盼不到這麼好的機會。

而流行病學家 CamilaGonzález-Beiras 原本在巴布亞紐幾內亞內進行熱帶肉芽腫 ( yaws ) 抗生素研究,然而,武漢肺炎疫情在全球擴散之後,當地的衛生官員被調派至機場執行檢疫工作,資助此研究計畫的世界衛生組織及當地衛生單位也將經費挪至防疫用,以西班牙籍工作人員為主的工作團隊更因班機取消而無法前往巴布亞紐幾內亞。因此,此項攸關當地人民健康的研究被迫暫時停止。

就連美國國家航空暨太空總署 ( NASA ) 的 2024 年登月計畫也難逃武漢肺炎的攪局,位於紐澳良市的火箭裝配廠由於當地疫情升溫而關閉,原定 3 月 20 日進行的太空發射系統 ( Space Launch System ) 及獵戶座太空船 ( Orion ) 測試工作皆取消。這表示已經延宕多年的登月時程將再度推遲,NASA 重返月球的日子仍不明朗。

多數研究者只得 work from home,直到疫情獲得平息。圖/pixabay

雖然心血結晶可能在這波疫情之中成為泡影,但大部分的研究者為了將資源留給公共衛生,並照顧自己與研究夥伴的健康,多選擇乖乖待在家中,進行實驗數據的推算與分析,或是編寫未來的研究計畫。同時,他們也在心裡祈禱著疫情獲得平息,早日重返他們熱愛的科學研究與熟悉的實驗室。

參考資料

瑋絜
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高中時為了要學自然科學還是社會科學煩惱了很久,最終選了一個介於兩者之間的科系就讀。敬畏文字,期待有一天能用其力量把世界變得更溫柔、善良一點。