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曾經有50億鳥口的「旅鴿」,遺傳多樣性卻低得嚇死人?

寒波_96
・2018/01/09 ・4207字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

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旅鴿:曾與智人一樣多的鳥類

住在北美洲的旅鴿(passenger pigeon,學名 Ectopistes migratorius)是種非常獨特的鳥,最特殊的是牠們的數量,毫無疑問排名美洲第一,或許也是世界冠軍——全盛時期估計有30到50億。然而,不久前仍如此龐大的族群,竟然已經步向滅亡的命運,1914年以後,世界上就再也沒有旅鴿了。

被獵人們追捕的旅鴿們。source:wikimedia

古代 DNA 近來成為研究滅絕生物的利器,而消失不久、目前仍有不少標本保存在博物館的旅鴿,它的基因組也在其滅絕的一百週年,也就是2014年時被定序發表。這項由台灣學者主導的研究,最驚人的發現是:旅鴿的遺傳多樣性與牠們龐大的鳥口數目,完全不相稱。[1]

通常我們會直覺地認為,某種生物的數目愈多,其遺傳多樣性應該也會愈大;旅鴿可能一度是世界上最多的鳥類,有如此多個體能累積遺傳差異,DNA 多樣性應該會大的嚇死人。可是由基因組看來,旅鴿的遺傳變異反而低的驚人,如果不考量旅鴿的個體數量、單純從他們的DNA序列來估計鳥口的話,估計值只有大約 33 萬左右……對,單位沒有寫錯,但旅鴿實際上至少有 30 億個體啊!

旅鴿的標本。source:wikimedia

為什麼旅鴿的族群很大,遺傳多樣性卻很低?

為什麼旅鴿數量的理論估計與實際情況的落差會這麼巨大呢?影響遺傳多樣性的因素除了個體數目以外,還有何方神秘力量?在2017年發表的論文,提出相當具有啓發性的解釋,讓旅鴿無法累積 DNA 變異的主要因素是:天擇!?[2]

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讓我們來從頭說起:新發表的論文獲得了更多旅鴿的 DNA 序列,包括 2 個新的基因組(加上之前發表的一共有 4 個),以及 41 個粒線體 DNA。除此之外,還定序了旅鴿的近親班尾鴿(band-tailed pigeon,學名 Patagioenas fasciata)的 2 個基因組,一同用於研究旅鴿的遺傳史。

左圖,紅色是旅鴿歷史上分佈的範圍,紫色是班尾鴿分佈的範圍。右圖,旅鴿樣本的取樣位置。圖/取自 ref 2

用 DNA 差異計算出的族群大小稱為「有效族群量(effective population size)」,採用粒線體 DNA 估計的結果是 1300 萬,比之前計算的 33 萬高出不少,不過仍遠遠低於實際上的 30 到 50 億。和班尾鴿比較,更能看出旅鴿反差的驚嚇程度,旅鴿的鳥口遠遠超過這種親戚,基因組的 DNA 多樣性卻只有班尾鴿 2 倍;假如以「有效族群量除以實際族群量」換算,也就是反差愈大、數值愈小,班尾鴿是 0.2,亦即實際鳥口是遺傳估計值的 5 倍,而旅鴿約為 0.0002,足足有 5000 倍之多!

與天擇利害糾葛,沒有中立空間

為何旅鴿的個體變多,卻無法累積相應的遺傳多樣性?我們常常聽到「多樣性大便是好的」,這背後的潛台詞是:多樣性小,代表個體數少,容易近親交配,導致不良後果。但是回頭思考,憑什麼族群個體變多,多樣性也要跟著變大?這是有前提的,那就是新的遺傳變異是中性的,亦即對個體沒有利、也沒有害;在沒有利害關係之下,新突變造成的 DNA 差異能保留在基因組中,因為每隻鳥的突變機率一樣,所以族群中有愈多個體、就會有愈多差異,使得族群整體的遺傳多樣性愈大。

可是實際上,個體間許多遺傳差異並非中性,而是會影響生存與繁殖。這又有兩個可能,一種是有利的,亦即有此變異與沒有此變異的個體相比,會比較有優勢;另一種是有害的,分配到這類變異的鳥比較倒霉,傳承後代的機率較低。以上是路邊過馬路的老爺爺老太太和扶他過馬路的我們都知道的天擇。

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以 DNA 差異來看,牽涉利害關係的天擇多半會降低多樣性:舉例來說,如果單一品牌的市占率上升、或是一個牌子長保穩定優勢,會讓新品牌不易進入,「品牌多樣性」便會下降;相對的,如果大家都不挑品牌、買東西都碼是隨機選擇,那麼當有新品牌進入市場時,我們就多了一個牌子可以挑選、讓品牌多樣性變大,而之後影響其興衰的就只是機率而已了。

在演化上,隨機影響力的正式名詞叫作「遺傳漂變(genetic drift)」,它和非隨機的天擇都會影響 DNA。演化理論預測,比較大的族群中天擇的作用較強;比較小的族群遺傳漂變則較有影響力。旅鴿和班尾鴿相較,兩者多數特徵都差不多,旅鴿族群卻大了很多倍,應該會更強烈被天擇影響。那麼天擇的強大,與旅鴿遺傳多樣性不如預期之間,有關係嗎?

同一條染色體上不同區域,遺傳多樣性竟然不一樣?

分析基因組後觀察到的狀況非常奇妙,不過要解釋起來也很複雜,希望以下文字能正確傳達論文的概念。旅鴿染色體不同的位置,遺傳多樣性有明顯的差別。在同一條染色體的中間,遺傳多樣性普遍較低,而邊緣區域則顯著較高。相比之下,班尾鴿染色體不同區域間,遺傳多樣性的差異程度遠遠不如旅鴿劇烈。

旅鴿基因組上不同區域的 DNA 多樣性卻不一樣,靠近染色體邊緣的範圍較高,中央較低。圖/取自 ref 2

論文指出此一分佈模式,與染色體重組率(recombination rate)的高低一致,鳥類 DNA 重組率低的區域,也就是染色體中央的多樣性也低,重組率高的邊緣,多樣性也比較高 [3]。重組的影響是什麼?根據論文的說法,要與天擇的作用一起看。一個遺傳變異若是有利益糾葛,受到天擇作用時,影響的往往不是只有本身,還包括周圍的 DNA 序列,也就是遺傳學上說的「連鎖」。本身為中性的 DNA 片段,若是鄰居有利也會跟著受益,更容易傳遞下去,反之亦然。

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天擇會消滅差異,除非被重組拯救

在強大天擇力量的影響下,由於遺傳連鎖之故,整段 DNA 都不容易累積差異;就像買 A 牌手機,連帶也會買整套 A 牌週邊配備,壓縮他牌的空間;假如重組率低,連鎖的範圍較大,天擇能影響的範圍也會跟著變大,正是旅鴿染色體中央的狀況。相對的,在基因組中重組率高的區域,比較不受天擇與連鎖的影響,中性變異的生還率高,也就能觀察到族群個體很多之下,遺傳多樣性應有的上升。

旅鴿基因組研究,上了當期《Science》封面。圖/取自《Science》封面

論文還做了一些細緻的分析,對相關議題有興趣的讀者請自行欣賞。跳到結論,不論是有害變異的清除(淨化選汰,purifying selection),或是有利變異的增加(正向選汰,positive selection),旅鴿整個基因組受天擇的影響都更勝班尾鴿。可見族群較大,的確也會有較強的天擇力量。

天擇兩個方向中,吻合淨化選汰特徵的 DNA 變異,比較旅鴿基因組中,重組率不同的區域,不管高低皆有明顯差異,意謂掃蕩有害變異的能力都比較強;但是重組率高的區域內,儘管序列乍看之下符合正向選汰的特徵,論文卻警告,這可能只是染色體重組時 DNA 突變的傾向所致(AT 突變為 GC 的機率更高,影響序列判斷),而非讓有利變異更容易留下的演化力量作用。總之,旅鴿基因組受天擇作用時,顯然也受到重組機率影響。

比較具體的基因方面,旅鴿有 32 個基因疑似受到正向選汰影響,有些基因與免疫、壓力、吃飯消化有關。想來十分合理,鳥口多,大家住在一起也容易得到傳染病,需要較強的免疫力;另外,有人會因為人多而壓力大、感到恐懼,鳥也一樣。

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所以一度繁盛的旅鴿,為何會滅絕?

旅鴿標本。圖/取自本研究新聞稿〈 Passenger pigeon genome shows effects of natural selection in a huge population

個人答案是:不知道,不過應該不單純。已經發表的 2 個論文,對這問題的見解不同。2014 年論文的論點是,旅鴿並非一直這麼多,牠們經歷過多次劇烈的鳥口波動,是導致其滅絕的重要因素。然而新的論文分析指出,過去幾萬年來旅鴿的族群量不斷增加,到 2 萬年前達到高峰,之後就一直保持穩定,直到滅絕,所以波動不像是主因。

用旅鴿粒線體 DNA 推估的遺傳族群數目,近幾萬年來不斷上升,距今 2 萬年前達到高峰。圖/取自 ref 2

新論文的見解是,一度有利的天擇,讓旅鴿族群大增,卻也付出遺傳多樣性嚴重損失的代價,反倒使得環境轉變時,難以適應人類獵捕的壓力而短時間內徹底滅團。不過這個解釋……看起來也就只是另一個解釋,沒有進一步證據。

旅鴿的遺產

曾經能跟智人數目相提並論的旅鴿,消失一百多年。但是藉由研究牠們的 DNA 遺產,我們仍然能得到許多非常有價值的收獲。

一般認知中,族群大,遺傳多樣性也會跟著變高,然而旅鴿卻是極端的反例。對遺傳演化學家而言,即使都學過理論,知道大族群中天擇的作用力量也強,大概也難以想像現實世界中天擇的影響力,在極端龐大的鳥類族群中能如此驚人,強大到甚至會把正常累積的遺傳多樣性,大半排擠掉的境界。

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在論文的附錄中還有許多分析,附錄的圖 S25 修正一些參數後,重新計算 2014 年論文的歷年族群大小變化,與新的分析對照,兩者明顯有異。圖/取自 ref 2

重組率高低會導致基因組不同區域的 DNA 多樣性差異明顯,也告訴我們,探討抽象的演化力量作用時,不可忽略具體分子機制的影響。假如把旅鴿基因組視為一個整體,將無法釐清天擇的影響,而會把大部分區域錯誤地假設為中性演化,造成各種估計結果的偏差。

看完旅鴿的研究,雖然一些舊有認知受到挑戰,大家先別驚慌;也許旅鴿驚人的鳥口,讓牠們成為極端的特例,並非常態。可是回頭想想,遺傳學上大家研究最多,最在意的智人,不也是動物世界中,實際人口遠遠超過遺傳估計值的特例嗎?誰知道研究旅鴿獲得的知識,未來能有多少用於人類?

延伸閱讀:

參考文獻:

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1. Hung, C. M., Shaner, P. J. L., Zink, R. M., Liu, W. C., Chu, T. C., Huang, W. S., & Li, S. H. (2014). Drastic population fluctuations explain the rapid extinction of the passenger pigeon. Proceedings of the National Academy of Sciences, 111(29), 10636-10641.

2. Murray, G. G., Soares, A. E., Novak, B. J., Schaefer, N. K., Cahill, J. A., Baker, A. J., … & Gilbert, M. T. P. (2017). Natural selection shaped the rise and fall of passenger pigeon genomic diversity. Science, 358(6365), 951-954.

3. Ellegren, H. (2010). Evolutionary stasis: the stable chromosomes of birds. Trends in ecology & evolution, 25(5), 283-291.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
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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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水面艦如何找到潛水艇?潛水艇如何隱藏自己?——潛艦與反潛的捉迷藏
PanSci_96
・2023/11/25 ・5953字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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潛水艇到底有多重要?

最近關於潛水艇的新聞可不少,首艘國造潛艦「海鯤號」下水典禮、中國 093 潛艇「疑似」失事、前陣子還有烏克蘭使用導彈與無人機成功襲擊俄羅斯基洛級潛艇的新聞,潛水艇的關注度一時間高了不少。

但是你一定好奇,潛水艇對國防來說,真的很重要嗎?還有,現代觀測技術那麼發達,在這些儀器的眼皮之下,潛艇真的還能保持隱形嗎?

反潛方怎麼找到藏匿海中的潛艦?

潛水艇以安靜、隱蔽著稱,有著極重要的戰略價值,不僅可以水下布雷、隱蔽投送兵力與物資;它難以被發現的特性,更是打擊水面艦的刺客,往往能讓敵人不敢越雷池一步。

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當然,要造一艘能潛在水下的潛艇肯定不簡單,畢竟如果在水面下出事了,很難立即取得救援,安全的要求遠高於其他載具。另一方面,以隱蔽為最高原則的潛艦,從引擎、外型、武器到主動聲納,都需要新科技的改進,來讓自己發出的聲音降到最低。

但潛艦與反潛就像臥虎捉藏龍,如果能隨時掌握這隻水中蛟龍的動向,潛艦的威懾力就會大幅降低,甚至能將其一網打盡。因此相對地,隱蔽的技術進步時,反潛的技術也有所突破,透過光學、聲學、磁場等技術,要讓潛艦原形畢露。

潛艦與反潛就像臥虎捉藏龍。圖/imdb

既然我們知道潛艦的隱蔽性是最高考量,現在我們就站在反潛方,來看看如何抓出一艘潛水艇。
主動偵查其實跟「通訊」很像,都是傳送一個訊息到目標物,再接收傳回來的訊號。只是通訊的訊號是對方主動回傳回來的。主動偵查呢,則是訊號碰到目標物再反射回來被我們接收。沒錯,這跟蝙蝠的回聲定位很像,只是一個在水面上,一個在水裡。

為什麼水中使用的是「聲納」而非「雷達」?

現代遠距無線傳輸的方式主要有兩種,電磁波通訊與聲波通訊。在水面以上,我們通常以電磁波傳輸,因為在空氣中這麼做最有效率,因此不論是無線通訊還是手機微波訊號,多是以電磁波的形式在傳輸。
可惜這個方法到水中就不管用了,為什麼呢?電磁波穿過水的時候會因為兩個原因,讓強度快速衰減。一是電磁波容易被水吸收,二是電磁波與水分子碰撞會產生散射,舉例來說,太陽光也是電磁波的一種,而太陽光就會因為在海水中散射,而讓海看起來是藍色。

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太陽光就會因為在海水中散射,而讓海看起來是藍色。圖/unsplash

這種電磁波衰減的程度有多少呢?具體來說,在最清澈的海水中,可見光每前進 1 公尺,亮度就會衰減 4% 。如果想使用無線電通訊,以一個頻率 1000 赫茲的電磁波來說,每向前進一千碼(大約 900 公尺),訊號強度就會減少 1300 分貝。這邊說明一下,「分貝 dB 」不只是聲音音量的單位,而是可以用在各種需要表達強度比例的單位。

電磁波每減少 10 分貝,就意味能量減小 10 倍。圖/PanSci YouTube

舉例來說,電磁波每減少 10 分貝,就意味能量減小 10 倍。在前進一千碼時減少 1300 分貝,就意味能量會衰退 10 的 130 次方倍,小到等於沒有。在實務上,通常電磁波的極限穿透距離就只有幾十到幾百公尺而已。相比之下,如果從電磁波換成低頻聲波,每一千碼的損失約為 0.01 分貝,跟電磁波相比起來可以說是幾乎沒有損失。

通常電磁波的極限穿透距離就只有幾十到幾百公尺而已。相比之下,低頻聲波可以說是幾乎沒有損失。圖/PanSci YouTube

因此在水中,大家聽到的不會是什麼「雷達」,因為雷達(RADAR)的全名是 Radio Detection and Ranging ,是使用電磁波偵查的技術。在水裡我們用的是「聲納」,是利用聲音當傳輸訊息與探知物體的手段。

此時蝙蝠的回聲定位使漆黑水底頓時明亮起來,聲波在海裡的傳播速度約為每秒 1500 公尺,只要計算我們發出的聲波與接收到聲波的時間差,我們就能辨別物體的距離。例如我們在聲波發出後的 10 秒後接收到反彈的訊號,就代表聲波來回走了 10 秒共 1 萬 5 千公尺的距離,我們和目標物就是這個距離的一半,也就是 7 千 5 百公尺。

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聲納裝載潛水艇上可以成為潛水艇的眼睛,裝在水面艦上,可以成為抓出潛水艇的掃描儀。潛水艇沒有聲納,姑且可以靠海圖小心航行,水面艦沒有聲納,面對潛水艇就只能海底撈針。

潛艦與反潛技術的發展

潛水艇在第一次世界大戰中開始展現出重要的戰略價值,其中最著名的潛艇戰就是德國的 U 艇和德國實施的「無限制潛艇戰」。當時德國的對手英國是個島國,因此便想到利用潛艦封鎖英國,無論是軍艦或商船一律擊沉,希望能拖垮英國的經濟。雖然德國最後未取得戰爭勝利,但潛水艇也確實擊沉了多艘協約國的船艦,立下的戰績是有目共睹。

最著名的潛艇戰就是德國的 U 艇和德國實施的「無限制潛艇戰」。圖/wikipedia

有鑑於此,反潛聲納的技術由此萌芽。第一個主動式聲納在第一次世界大戰期間,被著名物理學家朗之萬發明。 1915 年,第一個潛艇探測器「ASDIC」開始在英國海軍的艦艇上被運用。 1931 年,美國也發明了潛艇偵測裝置,並稱它為「SONAR」,顯然這名字取得比較好,也成為現在最常稱呼這種技術的名稱,聲納。

第一個主動式聲納在第一次世界大戰期間,被著名物理學家朗之萬發明。圖/PanSci YouTube

至此,水面艦就像開了白眼一樣,潛水艇終於無所遁形⋯⋯真的嗎?聲納既然已經發明了百年,為何潛水艇至今似乎仍保有隱蔽優勢呢?在科技發達的現代,聲納為何還是無法抓出所有潛艇?

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很可惜,事情沒有那麼簡單。當大家帶著最新科技和設備準備挑戰潛水艇這個可敬對手,卻突然被隱藏 BOSS 跳出來狠狠地打了臉,他就是:物理。

什麼是「陰影區」?潛艦能夠躲藏的位置?

讓我們回到大家都做過的實驗,準備一個透明杯子裝水,把筷子插入水中。因為光線在穿過不同介質的介面時,會因為速度改變而轉彎,所以筷子插到水杯中會出現偏折,水面上跟下呈現不同角度,看起來就像是被折彎了。

光線在穿過不同介質的介面時,會因為速度改變而轉彎,聲音也是。圖/wikipedia

聲音跟光一樣都是「波」的一種,因此在穿過不同密度的介質時也會產生折射,路徑出現偏折。你說道理我都懂,但海裡面只有水,哪來的不同介質?

還真的有,那就是隨著經緯度與深度變化,鹽分、水溫、密度都不同的海水。鹽分、水溫、密度的升高,都會導致聲速變快。而這三者在海中的各處都不會是固定的。例如在不同深度的海水中,深度 1000 公尺內上層海域的斜溫層,當深度越深離海面越遠,海水越得不到太陽的加溫,因此海溫快速驟減,而海溫的降低也會導致聲速降低。深度超過 1000 公尺以後的深海等溫層,溫度、鹽分的變化趨緩,此時壓力會隨著深度增加而增加,海水密度開始小幅度上升,因此聲速緩慢增加。

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每一處海水根據鹽分、水溫、密度不同,都會影響聲速。圖/PanSci YouTube

每一層有不同聲速的海水,就等於是不同的介質,聲波會在不同層的海水之間產生折射。類似的現象也發生在空氣中。在炙熱的沙漠或是天氣熱的柏油路面,偶而會因為空氣的密度分布不均,光線在不同密度的空氣間產生偏折,出現影像在空中出現的錯覺,也就是海市蜃樓的現象。

重點來了,在海裡的折射會是怎麼樣的呢?假設我們有一艘潛的足夠深的潛艇,海面附近的聲納發出一道聲音斜向海洋深處前進,根據決定折射角度的斯乃爾定律,當聲速上升,聲音會偏離介面的法線,偏向兩個液體的交界面。在海中的實際表現,就是聲音產生偏折,漸漸與海平面平行,當偏折的角度超過 90 度,最後甚至會向上偏折,產生全反射。

而斯乃爾定律也告訴我們,偏折的程度跟入射角有關,當角度超過臨界角時,才會產生全反射。根據這些聲波行進路線畫出來的圖,可以看到一塊聲波永遠到達不了的地方,這就是陰影區(shadow zone)。如果潛艇躲藏在這個位置,那麼水面上的敵人就永遠也無法透過主動聲納發現你。

根據這些聲波行進路線畫出來的圖,可以看到一塊聲波永遠到達不了的地方,這就是陰影區(shadow zone)。圖/PanSci YouTube

除此之外,從聲納路徑圖可以看得出來,在水中聲納走的路徑像是 U 字型一樣,會不斷在海面反射,在海中全反射。而線與線之間的空白處,是聲波不會經過的地方,也屬於陰影區。因此實際從水面偵測潛艦時,只有在碰到這些線的時候會收到該點的訊號,如果要抓出敵人,就要在獲知訊號時抓緊時間。

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如何減少陰影區範圍?

為了減少這些陰影區死角的範圍,也有一些有趣但複雜的想法,例如使用拖曳式陣列聲納,一個點不夠,那我就拉一排,減少盲區。或是透過小角度的海底反射,來覆蓋近距離內的更多範圍。然而這也不會只是畫一張圖那麼簡單,平常聲納就要過濾來自自身引擎的噪音,或是因為海底等非目標物的環境反射。多一次反射,就意味會多一道訊號反射到聲納中,要如何將這些訊號區分開來,判斷哪些是海床訊號,哪些是敵艦訊號,就各憑本事。

沒錯,就算有了聲納系統還不夠,海底資訊的掌握度和後期運算更是兵家相爭的關鍵。你想想,就算你知道聲音會隨著密度轉彎,但你知道眼前海域每個深度的實際密度嗎?如果你不知道這些資料,就算接收到訊號,你真的算得出敵艦的位置嗎?

舉例來說,冬天和夏天的海溫不同,聲音偏折的角度不同,能探查的範圍與死角就不相同。當你在不同緯度,不同海域作戰時,所需要的資料也不相同。

冬天和夏天的海溫不同,聲音偏折的角度不同,能探查的範圍與死角就不相同。圖/PanSci YouTube

台灣冬夏兩季分別受東北季風與西南季風吹拂,周圍又有黑潮、中國沿岸流等洋流影響,各層水溫隨季節變化影響劇烈,台灣海峽又因地形原因海流複雜,被稱為黑水溝。在此之上,能掌握好周圍的海流活動,除了能兼顧潛艦的航行安全外,也有助於提升潛艦的隱蔽性。

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潛艦與反潛的無數過招?

海洋的複雜性,構成了潛艦至今仍能維持隱蔽優勢的原因。而這場臥虎捉藏龍的對決到此還沒有結束,我們只介紹了第一招,後面大概還有 99 種招式等待要過招。例如潛艦關掉主動聲納後,如何靠被動聲納安全航行並鎖定目標?

除了透過聲納,搭載磁性探測儀的反潛機怎麼從異常磁場訊號中辨別海底的金屬潛艇?又或是水面上的聲納會被全反射,那麼改變深度的話是不是就能解決了?實際上,既然在海面上聽不見,反過來把聲納放進海中,放在海水密度最低的「深海聲道通道軸」這個如同光纖般的區域,就能清楚聽到來自遠方的聲音。

諸如此類的軍事科技對弈,就像其他科技一樣,對決永遠不會結束。如果你還有那些想了解的面向,不論是潛艦或是其他軍事科技,也歡迎留言告訴我們。

最後也想問問大家,你覺得潛水艇最大的戰略價值是什麼呢?

  1. 多一種隱蔽武器,多一種威嚇,提升敵人的作戰成本
  2. 突破封鎖線,在關鍵時刻打擊敵人的大型艦艇
  3. 間諜作戰,深入敵後蒐集電訊號與艦艇聲譜特徵,偷偷獲取情報

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PanSci_96
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跟蟲搶吃生魚片?脈衝殺蟲保鮮甜
胡中行_96
・2023/11/23 ・1912字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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在東京連吃了兩、三個月的紅肉生魚片,雪子懷念起關西的明石鯛。作家谷崎潤一郎筆下,刀口彈跳的海鮮、切面誘人的色澤,是長篇小說《細雪》角色的鄉愁,也是地區的飲食差異。[1]描寫產地、品種、質地、肉色和新鮮度,不僅止於文學,日本人對刺身的執著,還漫溢到 2022 年 3 月的《水產科學》(Fisheries Science)期刊。[2]

圖/Gustavo Fumero on Flickr(CC BY 2.0

海獸胃線蟲

海獸胃線蟲(Anisakis)與生魚片的緊密關聯,不亞於日本人。牠們寄生鯨魚、海獅等哺乳類動物,把卵排進海洋。甲殼動物先吞了卵,再被魚或烏賊吃下肚。隨著漁獲捕撈,食材未經烹煮,或者沒熟透的話,生猛的幼蟲便躍上餐桌。附著人類的食道、胃部和腸道,遊走於嘴跟喉嚨。有些人藉由咳嗽、嘔吐清理,甚至徒手拉出幾條。[3]海獸胃線蟲症(anisakiasis)雖然不至於將谷崎潤一郎《細雪》的典雅,[1]發展成伊藤潤二《魚》的驚駭,[4]但是喉嚨刺痛、消化道發炎,而找醫師開刀除蟲大概在所難逃。[3]

食品殺蟲技術

熊本大學的學者,跟福岡的水產、電子公司以及工業技術單位合作,想殲滅生魚片裡的海獸胃線蟲。他們回顧既有的殺法,大致歸納出兩類:鹽漬、浸滷等化學處理;與冷凍、加溫、乾燥、煙燻、輻射、電擊、提高水壓等物理手段。其中最常見的是冷凍,若以歐洲食品安全局(European Food Safety Authority)的標準,放在 –20 °C 的溫度下,長達 24 小時,不只海獸胃線蟲死了,冰晶也同時形成。解凍後,滴水、軟化,變性肌紅蛋白(metmyoglobin)還會使魚肉變為褐色。[2]

另外,過去已知瞬間釋放高電能脈衝電力(pulsed power)技術,[5]能取秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)和宿貝海蜘蛛(Nymphonella tapetis)的性命。研究團隊想知道,這招是否能避免冷凍的缺點,又可以謀害海獸胃線蟲。[2]

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實驗設計

既然要研究傳統美食的安全,必定得用道地食材。實驗不僅採用在日本海域捕獲的竹筴魚(Trachurus japonicus),平均 103 x 45 x 9.6 mm 的生魚片,連寄生蟲也講究出身。從長崎海岸白腹鯖(Scomber japonicus)的內臟,挑取海獸胃線蟲屬的新鮮 Anisakis pegreffii,保存於 4 °C,含 0.9% 氯化鈉的生理食鹽水中備用。[2]

a. 用肉膠把蟲封進魚片;b. 打叉處為塞蟲的位置;c. & d. 裝籃、泡水或鹽水,再通電。圖/參考資料 2,Figure 1(CC BY 4.0

缺乏捕魚送蟲的天然套裝組合,在魚肉裏頭埋入特定數量的海獸胃線蟲,就成了考驗耐性的手工藝:橫剖半開,塞進幼蟲活體,[2]外圍沾一圈俗稱肉膠(meat glue)的轉麩醯胺酸酶(transglutaminase),[2, 6]再闔起來(圖a & b)。黏合好的竹筴魚片,被擺進塑膠網籃,方便浸泡在水或鹽水裡通電(圖c & d)。[2]

實驗調整水中的鹽份,來改變導電程度,並控制脈衝次數、水溫等變因。以海獸胃線蟲的死活,還有竹筴魚刺身的外觀、氣味、質地,及魚腥或鮮味等,為最後的評鑑標準。由於剛被電過的海獸胃線蟲,可能有點呆滯,所以生命跡象的判定,得在電完 24 與 48 小時進行。被鑷子騷擾,卻動也不動的,就算死了。[2]

脈衝殺蟲的成效

實驗中,最高電流發生時,鹽水導電率 5 mS/cm;而生魚片的是 8 mS/cm。連續打個 500 發(80 μF–15 kV–1 Hz),處決海獸胃線蟲的奪命率,可達到全盤通殺,片甲不留。儘管研究團隊承認,對致死的詳細機制不甚瞭解,結果無疑是稱心如意:生魚片的彈性、硬度跟顏色,都較冷凍再退冰好,而且質地、氣息和口味,接近未經任何殺蟲處理的食材。他們相當看好此技術的商業價值,在論文結尾表示,要繼續提升殺蟲的效率,並嘗試運用在白腹鯖等其他魚類身上。[2]

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參考資料

  1. 平野芳信(02 JUL 2014)《從蝸牛食堂到挪威的森林:解讀日本近現代文學中的飲食象徵》遠足文化
  2. Onitsuka C, Nakamura K, Wang D, et al. (2022) ‘Inactivation of anisakis larva using pulsed power technology and quality evaluation of horse mackerel meat treated with pulsed power’. Fisheries Science, 88, 337–344.
  3. Anisakiasis FAQs’. (16 SEP 2020) U.S. Centers for Disease Control and Prevention.
  4. ค๊อกคาเทล(02 DEC 2011)「【心得】噁心的經典、經典的噁心‧《魚》(內有噁心成分,請慎入)」巴哈姆特
  5. Pulsed Power’. The University of Queensland, Australia. (Accessed on 19 NOV 2023)
  6. Bub EL, Schneider K, Carr C, et al. (22 JAN 2019) ‘Food Processing: The Meat We Eat’. Institute of Food and Agricultural Sciences, University of Florida, U.S.
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。