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拔掉尖刺的海膽,才是岩岸的王者──《海洋的極端生物》

PanSci_96
・2017/07/18 ・2316字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 545 ・八年級
  • 【科科愛看書】廣闊無邊的藍色水域之中,究竟藏著什麼秘密?如果你以為到處都是尼莫式的溫馨場景,可就大錯特錯了!《海洋的極端生物》可是一群心機超重的傢伙,天天都要為了生存奮鬥。如果想見識海洋版的甄嬛傳,從這裡下手準沒錯。

圓圓的石頭?其實是海膽啦!

二十年來,夏威夷卡卡阿寇公園(Kaka’ako Park)的石牆都是擋住太平洋的屏障。重達上千公斤的巨石如同巨型磚塊一般緊密堆在數公里長的海岸邊上,完全沒用水泥黏合。在岸邊遊戲追逐的孩童從一塊石頭跳到另一塊、遊客沿著岸邊散步、外出野餐的家庭在野餐桌上擺好食物。在這一切進行之際,海浪不斷湧入,一波接著一波,用亙古以來就存在的力量撞擊黑色的岩石。

沿著海邊、比允許孩童遊戲更低一點的吃水線附近,有十元硬幣大小的堅硬紫色圓頂物攀附在岩石上,那是海膽屬(Colobocentrotus)下的卵石海膽(shingle urchin)。這種海膽的表面沒有一般海膽常見的可怕尖刺,但尖刺仍然存在,只是形狀變得像冰棒棍一般圓鈍,像裙子一樣從底部四周伸出。在海膽身體上方,尖刺則變得很扁,像是小蘑菇的頂蓋,一個個嵌在一起,與構成卡卡阿寇石牆的岩石類似;其功能也與之類似,可以防止海水侵犯。

海膽的尖刺在卵石海膽身上變成花瓣狀的鈍角。圖/Biobonnie – Own work, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

卵石海膽的存活有賴兩種演化適應:其一是特別的頂部尖刺提供了光滑的表面,以降低海水的沖刷力;其二是擁有特別強壯的足部,可抓住下方的石頭。卵石海膽底部有數以百計的管足,並利用小型的真空吸盤來製造吸力。每根管足只有麵條粗細,但眾多管足聯合起來,就在石頭上形成了死命的抓力。所有海膽都有管足,只是卵石海膽的管足更有力。

以直覺而言,上述適應是有道理的,但實際作用又如何呢?做個簡單的實驗可以回答這個問題:把正常的海膽尖刺裝在卵石海膽上,再來測試在拉力增加的情況下,其管足是否足夠強壯、仍可把自己固定在石頭上。如果可以,就代表管足要比維持最小的海水拉力更重要;如果不行,那麼維持平滑圓頂以降低拉力,就是更重要的事。

一般海膽的尖刺在海水沖刷下會產生拉力,而卵石海膽的圓頂演化就是為了減少海浪衝擊。圖/Böhringer Friedrich – Own work, CC BY-SA 2.5, wikimedia commons.

圓頭抓力比較大?變形海膽告訴你

當時在夏威夷大學擔任研究生的蓋連(Brad Gallien)把一個帶有尖刺的普通海膽外殼清理出來,然後像戴頭盔一樣把它固定在一隻卵石海膽的平滑頂端。他把這隻拼湊的海膽放回海岸邊,接受夏威夷海浪的衝擊考驗。觀察結果顯示,加上尖刺的確大幅增加了卵石海膽承受的打擊,但牠們仍然能夠固守陣地。顯然牠們有力的管足(也用來進食及移動)要比特殊的圓頭尖刺更有助安全。

另外還有一項影響因素,就是牠們的所在位置。海浪打在海膽的防衛堡壘上,但海水仍然會從防護的尖刺中間滲入下方,讓海膽維持在潮溼狀態。由於海膽沒有鰓或肺,因此牠們必須從潮溼的表面組織利用簡單擴散作用吸取氧。

一如其他種類的海膽,卵石海膽在短時間內缺水仍可存活,但終究會死亡。奇怪的是:身為海洋物種,海膽若浸在海水的時間過長,同樣也會死亡。氧在空氣中擴散比在水中快,因此對海膽來說,保持潮溼並停留在吃水線以上,更容易呼吸。卵石海膽的呼吸能力比其他海膽還差,可能原因是牠們有更密實的盔甲;如果被困在水下,不出幾天牠們就會溺斃。

海邊生物卻怕水?天天生活都糾結

海膽怕水,這點很難想像;事實上,生活在潮間帶的每種生物都面臨類似的困境。潮間帶的高處可能又熱又乾,低處則是充滿掠食者與競爭者的叢林。不論是沙灘還是岩岸,每一種生活在潮間帶的生物,都必須在乾燥與危險的兩極之間取得平衡。結果是,潮間帶的生物會沿著吃水線平行分布,就像老式黑膠唱片上的平行紋路一樣。退潮時,潮間帶上的生物也同其附著的礁石或沙灘一樣裸露在外,讓人看到沿著海岸分布的生物。

每一種生活在潮間帶的生物,都必須在乾燥與危險的兩極之間取得平衡。圖/Public Domain, wikimedia commons.

這種條紋狀分布,或稱區間,幾乎可在全球各地的海岸發現。早在一九三○年代,史帝芬森夫婦(T. A. and Ann Stephenson)就描繪了潮間帶的生物分布。 這對夫妻檔科學家走訪了全球各地海岸,都發現類似的水平分布型態。對他倆來說,這中間有一套邏輯系統在運作,根據的是某一層與下一層環境的微小改變。他們斷言:「分區是由……梯度造成。」 他們所說的梯度包括生物性及物理性,但可以確定的是:潮間帶生物是根據與海水的遠近而分布的。

在岸邊的任何一點,都是對某些生物來說最理想的環境狀況。如果你從最高的區域走到最低的區域,有兩種情況不斷在改變:變數之一是由太陽與乾燥空氣所造成的環境危險;這裡生活的畢竟是海洋生物,牠們停留在吃水線以上的任何時間,對身體系統來說都是負擔。

在光譜另一端的海水也是危險的所在,其中充斥著在水中遨遊的強壯大型生物。雖然海水中沒有太陽與空氣造成的環境壓力,卻多了競爭與掠食這兩種生物危機。 簡單來說,生活在離吃水線愈高位置的生物,受到的環境壓力愈大;生活在離吃水線愈低位置的生物,受到的生物壓力則愈大。在潮間帶中的每一點,都是由這兩種危機形成的特殊組合。生活在海岸邊的每一種生物,都擁有讓牠們生活在岸邊特定位置的特殊演化適應,也就是對抗牠們所面對的環境壓力與生物壓力的組合。


 

 

本文摘自《海洋的極端生物》衛城出版


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為什麼吃甜的會蛀牙?——《生活中的東西都可以寫成化學式》

快樂文化
・2022/05/09 ・1404字 ・閱讀時間約 2 分鐘

來談談我們的敵人——蛀牙。

蛀牙的化學物語

導致蛀牙的主要原因有兩個。前面提過的蛀牙菌是其中一個因素,而蛀牙菌具體的名稱為「轉糖鏈球菌」,據說這種細菌常在孩童約三歲以前經由大人傳染,原因包括使用父母用過的筷子和湯匙,或輪流喝飲料等;另一個因素就是食物中所含的糖分,主要成分為「蔗糖」。

這兩個因素結合在一起時,就會發生以下情況:首先,轉糖鏈球菌利用蔗糖製造一種稱為「葡聚糖」的分子。葡聚糖的化學式為(C6H10O5)n,後面會再詳細說明。葡聚糖附著在牙齒表面,會成為轉糖鏈球菌的棲息地。此外,口腔中的其他細菌(根據統計,口腔中的細菌有 600 多種)也會混入其中。

這些附著在牙齒上的組合物稱為「牙菌斑」,有時也被稱為「齒垢」或「生物膜」(biofilm,又稱菌膜)。你可能在牙膏等的廣告中有聽過這些名詞。

之後,獲得棲息地的轉糖鏈球菌會產生大量的「酸」,引發去礦質作用,最終導致蛀牙。這個過程如下列所示。

轉糖鏈球菌生活在溫暖的葡聚糖裡,並分解出乳酸;事實上它們也會分解出醋酸,及一種稱為甲酸(HCOOH)的酸,但乳酸所佔的比例較高。這些酸會引發強烈的去礦質作用,溶解牙齒並造成蛀牙。

在這種情況發生前,必須好好刷牙,以澈底清除黏附在牙齒上的牙菌斑(葡聚糖+細菌)!即使是漱口,具黏性的牙菌斑也不易脫落,最有效的方法還是好好刷牙。而牙膏中含有研磨劑(可幫助去除汙垢的顆粒),能有效去除黏黏的牙菌斑。

不易蛀牙的甜食

上個單元我們說明了糖是如何引起蛀牙的。事實上也有一些分子的味道就和糖一樣甜,但卻不太容易引起蛀牙,其中最有名的分子之一就是「木糖醇」,你可能有聽過加了木糖醇的口香糖吧!這個分子的化學式為 C5H12O5,詳細的結構如下圖。

為什麼木糖醇味道甜甜的,卻不容易引起蛀牙呢?在回答這個問題前,我們先回想一下為什麼蔗糖(糖)會導致蛀牙。蔗糖是轉糖鏈球菌用來製造葡聚糖的材料,而反應過程中產生的果糖,會被轉糖鏈球菌做為養分來源,並分解出乳酸分子。

那木糖醇呢?首先木糖醇不像蔗糖是製造葡聚糖的材料,另外轉糖鏈球菌不會把木糖醇當成養分來源,所以也不會分解出乳酸。因此它們的味道雖然很甜,但卻不容易引起蛀牙。

這裡出現了一個問題。木糖醇和蔗糖的結構看來截然不同,但為什麼味道也是甜甜的呢?若像下圖一樣,稍微改變一下木糖醇的畫法,就會發現它的結構與構成蔗糖的葡萄糖和果糖很像,具有許多羥基這點也非常相似。

——本文摘自《生活中的東西都可以寫成化學式》,2021 年 11 月,快樂文化


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