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三倍體複製蝦全面入侵——進擊の大理石紋螯蝦(上)

寒波_96
・2018/02/27 ・2821字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

縱橫淡水水域的年輕入侵種

螯蝦與蝦、螃蟹等親戚一樣,屬於十足目的旗下一員,而近來有一種螯蝦以強勢入侵種之姿在眾多種螯蝦中備受關注;那就是 1995 年首度在德國發現的大理石紋螯蝦(marbled crayfish)。這種螯蝦誕生距今(2018 年)雖然還不到 30 年,已靠著非凡的適應能力,成為歐洲與馬達加斯加等地的淡水水域,到處都能見到的入侵種。

大理石紋螯蝦(marbled crayfish)。圖 / 取自 Josh More @Flickr

從生態的角度來看,是四處進攻的大理石紋螯蝦嚴重破壞原本的環境,是場保育災難。不過以演化的觀點來看,這種動物的誕生與其生殖模式,卻相當有意思。總之,大理石紋螯蝦很值得研究就對了!

目前我們知道,大理石紋螯蝦是由龍紋螯蝦(slough crayfish,學名 Procambarus fallax)演化而來;才誕生不久,演化上如此年輕的大理石紋螯蝦,能否被定義為一個新的物種?有一些觀察支持這個觀點。比方說,大理石紋螯蝦與龍紋螯蝦兩者並無法混血生下後代。還有更大的差異在染色體套數:龍紋螯蝦的染色體與人類一樣,是較常見的二倍體(diploid),但大理石紋螯蝦卻是動物中罕見的三倍體(triploid)!

單倍體、二倍體、三倍體與四倍體的染色體比較。圖 / 取自 Wikimedia

而更神奇的是,大理石紋螯蝦不但不會與龍紋螯蝦生下後代,也不需要另一隻同類就能生寶寶;龍紋螯蝦是有性生殖,而大理石紋螯蝦卻是採取無性生殖,直接由媽媽生下女兒,一代傳一代,也就是「孤雌生殖(parthenogenesis)」。

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兩種近緣物種之間存在生殖隔離、無法產生後代,有好幾種可能。人為配對的生殖實驗顯示,假如把大理石紋螯蝦(只有女生)與男性龍紋螯蝦放在一起,它們會開始情慾交流,男生的精子也能進入女生體內,不過女生產下的後代仍 100% 是大理石紋螯蝦,無一例外。這表示兩者的生殖隔離發生在交配之後的階段,也就是儘管會上演交配行為,卻無法生下混血後裔。[1]

情慾交流中的大理石紋螯蝦(下)與龍紋螯蝦(上),儘管有交配行為,卻無法生下混血的後代。圖/取自 ref 1

種種都證據顯示,大理石紋螯蝦值得一個名正言順的學名:Procambarus virginalis

罕見的三倍體動物

人類是二倍體,一套染色體有 23 條,兩套一共是 46 條,意即每一種染色體都有兩條。而大理石紋螯蝦是三倍體,也就是每一種染色體皆為三條;她們的基因組總共由 276 條染色體組成,所以一套 92 條,是人類的 4 倍。

最近發表的論文報告了大理石紋螯蝦的基因組定序結果,她們一套遺傳物質的 DNA 全長約為 3.5G,比我們智人的 3G 略長;基因數目估計超過 21000 個,也略多於我們的兩萬。[2]

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左圖,大理石紋螯蝦的基因組上,各種重複序列的比例。右圖,大理石紋螯蝦基因表現的轉錄體(transcript)數目。圖/取自 ref 2

與龍紋螯蝦相比,大理石紋螯蝦的染色體上,DNA的排列順序沒有明顯改變,像是旋轉、跳躍、閉著眼(誤)之類的跡象;兩者差異主要還是在染色體套數,龍紋螯蝦的每一種染色體皆為兩套,大理石紋螯蝦則是三套。

很有趣的是,大理石紋螯蝦每一對的三條染色體之間,總是有兩條的序列近乎一致,另一條差異明顯,算是所謂的「AA’B基因型」。生殖細胞要如何複製與合體,才能形成兩套遺傳物質一模一樣(A 與 A’),另一套不同(B)的三倍體?

綜合基因組分析與之前的研究結果,論文推測大理石紋螯蝦的遺傳組合是「同源多倍體(autopolyploidy)」,看起來一個可能是:母體其中一套染色體先複製一次後,再和另一套合體,產生兩同一異的三倍體。不過以上仍屬推測,需要更明確的實驗才能證實。

大理石紋螯蝦與其他生物間的親緣關係。圖/取自 ref 2

孤雌生殖新物種,最初是如何起源?

大理石紋螯蝦不只是動物中少有的三倍體,還是極端罕見的「孤雌生殖的三倍體」。孤雌生殖是無性生殖的一種,不需要結合兩性的生殖細胞,能夠直接由母體生下女兒。由於龍紋螯蝦是有性生殖,因此從精卵結合的方式,驟然改變為孤雌生殖,很可能與大理石紋螯蝦的演化起源息息相關。

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孤雌生殖有好幾種方式,論文指出在定義上大理石紋螯蝦可以歸類為非減數孤雌生殖(apomictic parthenogenesis,亦有稱為無融合孤雌生殖): 卵子生成時只經歷有絲分裂(mitotic oogenesis),卻沒有減數分裂(meiosis),就直接發育為胚胎(不過她們是三倍體,似乎又不是一般的偶數倍體那麼典型)。在此種生殖方式下,母體的 DNA 組合直接傳遞給女兒,不會發生遺傳重組,也就是說每隻大理石紋螯蝦,在遺傳上都可以視為複製品。

大理石紋螯蝦是如何誕生的?她們是 AA’B基因型的三倍體,龍紋螯蝦卻是二倍體(AB基因型),所以最初的大理石紋螯蝦,應該是由龍紋螯蝦的生殖細胞,經歷錯誤的複製程序,之後再不正常合體而形成。

大理石紋螯蝦。圖/取自 Science 新聞〈An aquarium accident may have given this crayfish the DNA to take over the world

已經知道某些水生動物,受到環境劇烈變化刺激時,生殖細胞的複製容易出錯,形成同源多倍體(通常會產生不孕的個體)。看似合理的劇本是,人類養殖的龍紋螯蝦,水溫突然太熱或太冷,導致卵子發育時的複製過程不正確,接著又成功受精,形成反常的三倍體。

而此一突變的三倍體不但成功活了下來,還不知道什麼原因,具有自我繁衍的孤雌生殖能力,隨後發展成一個全新的物種:大理石紋螯蝦。這類由於變成多倍體,而與同類生殖隔離而形成新種的狀況,在植物中不是太少見,但在動物中卻是罕有的案例。

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怎麼聽起來那麼像勵志故事!不過要提醒各位,以上劇本儘管合理,卻純屬推測,仍需更多證據支持。

大理石紋螯蝦怎麼誕生,怎麼生寶寶,目前了解都不夠清楚。只能肯定,此一「全新的物種」,已經帶來恐怖的生態浩劫。她們在世界各地不受阻礙地大肆擴張,是否得益於基因突變,而具備嶄新的遺傳優勢呢?儘管有了基因組,以上問題卻仍不是那麼容易回答。甚至還有演化理論預測,她們即使一時得意,長期卻難逃滅絕的命運!?

To Be Continued……

參考文獻:

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  1. Vogt, G., Falckenhayn, C., Schrimpf, A., Schmid, K., Hanna, K., Panteleit, J., … & Lyko, F. (2015). The marbled crayfish as a paradigm for saltational speciation by autopolyploidy and parthenogenesis in animals. Biology open, bio-014241.
  2. Gutekunst, J., Andriantsoa, R., Falckenhayn, C., Hanna, K., Stein, W., Rasamy, J., & Lyko, F. (2018). Clonal genome evolution and rapid invasive spread of the marbled crayfish. Nature ecology & evolution, 1.

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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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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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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每次呼吸都會吸入十個孢子?一朵菇如何形成?無所不在的真菌生命循環!——《真菌大未來》
積木文化
・2024/02/21 ・3532字 ・閱讀時間約 7 分鐘

真菌的生命週期

一切始於一顆孢子

孢子是真菌生命週期的開始,也是結束。這些單細胞單元裡,包含著新真菌個體的繁衍密碼。面對無數微生物競爭者和惡劣的環境條件,孢子萌芽的機率極低,因此真菌釋放出數萬億個孢子來提高生存機會。孢子維持在一個暫停於生死之間的狀態,密切留意周遭世界並尋找適合落腳的地方。孢子很微小,無處不在,所以根本無法躲避它們,以我們自己而言,每次的呼吸都會吸入十個孢子。

孢子是真菌生命週期的開始,也是結束。圖/unsplash

被稱為「胚種假說」(Panspermia)的生命起源論甚至認為:生命的藍圖被包裹在一顆孢子當中,並在太空中旅行,在宇宙中尋找適合落腳的家園。儘管對此假說爭論不休,但我們確實知道孢子可以耐受極端溫度、抗輻射,甚至可以在真空狀態的太空中存活。 1988 年,和平號空間站(mir)的俄羅斯太空人就注意到,他們的鈦石英窗外有「東西」在生長,而且正在漸漸「啃穿」鈦石英。後來證實,這個「東西」就是一種真菌。1

就像植物一樣,大多數真菌也都採用「紮根在土壤當中」這種耗時的繁殖方式:它們利用菌絲體生長,或透過孢子飄散到新的棲息地。在渴望繁衍其 DNA 的動力下,有些真菌採取巧妙的策略,確保其孢子在新環境中得以繁殖。

擁有誘人香氣的美食佳餚黑松露(Tuber melanosporum)就是一個很好的例子。這種跟黃金一樣珍貴的真菌生長在地底下,隨著孢子成熟,其所散發出的香氣會吸引動物、松露獵人和來自世界各地的美食家。松露的孢子不易被消化,所以最終會安全通過有幸一飽口福者的消化道;在理想狀況下,孢子應已遠離原來被採集到松露的位置。

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擁有誘人香氣的美食佳餚黑松露就是一個很好的例子,松露的孢子不易被消化,所以最終會安全通過有幸一飽口福者的消化道。圖/pexels

在地面上,圓形的巨型馬勃(Calvatia gigantea)子實體保護著數以百萬在內部熟成的孢子。有趣的是,只要戳一下成熟的馬勃,它就會噴出一股煙霧狀的孢子粉,讓風帶走飄散的孢子。

生長在糞便之中的水玉黴菌屬(Pilobolus)真菌,藉由分泌水分充滿泡囊增加壓力,最後像水槍一樣排射出泡囊頂部的孢子囊。有研究經計算發現,孢子囊能以至少 20,000 g (重力)的速率被噴射出去。相較之下,訓練有素的美國國家航空暨太空總署(NASA)太空人在太空船中穿著抗重力服(G-Suit)所承受的重力是 3 g ,而子彈是以 9,000 g 的加速度行進的。

生長在糞便之中的水玉黴菌屬真菌,藉由分泌水分充滿泡囊增加壓力,最後像水槍一樣排射出泡囊頂部的孢子囊。圖/wikipedia

還有能在黑暗中發光的真菌,光線會吸引昆蟲將它們的孢子散布到森林底層。例如,加德納臍菇(Neonothopanus gardneri,俗稱椰子花)就受到晝夜節律的調節,在夜間會發出明亮的光。 2所有這些演化而來的調整,都是為了確保繁殖能夠延續。

為菌絲找到一個家

當孢子落在一個溫度適中、靠近食物和水的地方時,它就會萌芽。孢子經由細胞壁吸收水分,並長出一種稱為菌絲的線狀管。當菌絲在營養基質上生長,就會分支出更多菌絲並形成一條細線。原本的菌絲繼續利用可能是木頭、昆蟲或土壤的基質,由尖端處長出更多菌絲。菌絲間開始融合相連,形成一個相互連接、被稱為菌絲體的物質。

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當孢子落在一個溫度適中、靠近食物和水的地方時,它就會萌芽。圖/wikipedia

每條菌絲的生長都結合了物理力量和化學策略。菌絲會分泌出作用相當於強力消化酸的酵素來分解物質。這個分泌酵素的作用,讓真菌能穿透最堅硬的基質:先將營養物質萃取出來,再經由菌絲體吸收。就像我們唾液中的酵素一樣,很快就可以將口中的麵包變成濕糊狀。

數英里的菌絲體,也許再來一朵菇

菌絲體如同漣漪一般,從孢子萌芽之處輻射向外生長。附近有營養物質出現時,菌絲體就會以圓形的方式使其表面積最大化,朝營養來源方向生長。當一個區域的食物來源耗盡,菌絲體中心處的舊菌絲就會被自己消化掉。殘存在被消化舊菌絲當中的可用資源,則會被重新傳送到菌絲體最外圈,供生長正旺盛的菌絲所用。

最後,菌絲體會長成一個廣大的空心環,也就是有時我們在草地上看見的「仙女環」。隨著資源被重新傳送到菌絲體生長的外緣,中心會逐漸消失,環的周長則逐漸增加。只要有養分和水,菌絲體就可以持續以這種方式不斷地生長下去。

菌絲體會長成一個廣大的空心環,也就是有時我們在草地上看見的「仙女環」。圖/wikipedia

在此階段,除了酵母菌以外的真菌就能由菌絲形成孢子,進行無性生殖。黴菌、銹病和粉狀黴菌等微型真菌總是以這種方式繁殖,例如麵包上所見的黴菌黑點就含有超過五萬個孢子。

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然而,屬於單細胞微型真菌的酵母菌,則採取不同於絲狀真菌的方式進行無性生殖。酵母菌利用分裂產生複製體進行無性生殖,雖然這種方法很有效率,但卻因此錯過了可以經由有性生殖確保遺傳多樣性的樂趣。3

除了透過無性生殖的方式繁殖,若環境條件惡劣(通常情況就是這樣),大型真菌也可以進行有性生殖。當兩個有性生殖相容的菌絲體相遇,它們就會進行融合並形成更大的團塊。

融合後已經具備遺傳多樣性的新菌絲體,等待著合適的環境條件到來,就會聚集它的菌絲、吸收水分膨脹,並形成被稱為原基(primordium)的菇蕾。幾天後,原基逐漸伸長菌柄,將菌傘推出基質表面。最後,菌傘打開就變成了一個完全成熟的菇。菇類的顏色、質地和形狀會因種類而異。

最後,菌傘打開就變成了一個完全成熟的菇。菇類的顏色、質地和形狀會因種類而異。圖/unsplash

根據菇類產生和釋放孢子的方式,可以將大型真菌分成兩群:一群是在封閉囊內產生孢子的子囊菌(asomycota),另一群是從菌褶中形成並釋放孢子的擔子菌(basidiomycota)。擔子菌的菌褶有一層菌膜保護,隨著菇的成熟,該菌膜就會剝落。

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菇的本身可以說就是一個慶典,慶祝擁有數萬億待釋放新世代真菌(孢子)的出現。孢子將再次進入那已經持續循環數十億年的過程之中。自然不會多愁善感,所以慶典終將結束;菇類在完成產生孢子的工作之後,就會開始腐爛消失。

菇的本身可以說就是一個慶典,菇類的出現是真菌生命循環的最美麗時刻。圖/unsplash

它們已經達成自然所交付的任務,而且也不吝讓我們一窺正大自然發自內在的美。菇類的出現是真菌生命循環的最美麗時刻,也許因為這樣,菇類才會如此受到歡迎。

註解

  1. Matthew Phelan, ‘Why fungi adapt so well to life in space’, Scienceline, 7 March 2018, . ↩︎
  2. Anderson G Oliveira, Cassius V Stevani, Hans E Waldenmaier, Vadim Viviani Jillian M Emerson, Jennifer J Loros and Jay C Dunlap, ‘Circadian control sheds light on fungal bioluminescence’, Current Biology, vol. 25, issue 7, 2015, . ↩︎
  3. 譯注:酵母菌也會進行有性生殖,遺傳物質亦會重新洗牌。 ↩︎

——本文摘自《真菌大未來:不斷改變世界樣貌的全能生物,從食品、醫藥、建築、環保到迷幻》,2023 年 12 月,積木文化出版,未經同意請勿轉載。

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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

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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參考資料

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