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直擊海上實驗室!TARA 探險船如何航遍太平洋珊瑚礁,進行研究?

PanSci_96
・2018/04/06 ・2105字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 562 ・九年級
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  • 首圖說明:Tara 探險船停泊於基隆港。 圖源/ZYC 攝影
  • 採訪/YCL

航跡遍及赤道到北極的 Tara 探險船

海洋孕育著各式各樣生物,從肉眼無法觀察到的微小生物,到長達 30 公尺的巨大鯨魚,都在海洋生態系中都扮演著不同角色。全球海域中珊瑚礁只佔了海洋面積不到 0.2%,但可涵蓋將近 30% 的海洋生物物種。隨著全球氣候暖化、海水酸化與海洋污染等問題,對於海洋生物造成相當大的衝擊。這些危機喚起了全球各地人士對於海洋研究與教育之重視 。

Tara 海洋探險船就是本著這樣的精神,航行於全世界海域進行探勘與教育推廣,航跡包含赤道海域到冰層覆蓋的北極,船上駐有科學家、船員、藝術家等 16 名成員。自 2006 開始進行全球海域的大規模採樣行動,經歷了 2006-2008 年的北極考察計畫、2009-2013 年的海洋考察計畫、2014 年的地中海海洋塑膠計畫。現階段自 2016 年開始,為太平洋珊瑚礁計畫,此計畫如今已接近尾聲,於今年(2018)年第二次停靠了基隆港,供民眾上船參觀。

Tara 海洋探險船本次計畫採樣區域為珊瑚礁豐富的亞太地區。代表 TARA 接受採訪的 Serge Planes 博士表示,他們關注的範圍包括珊瑚金三角(Coral Triangle)位在太平洋的菲律賓、馬來西亞與巴布亞新幾內亞區域,在珊瑚金三角地區,有高達約上千種的珊瑚與五千種的魚類。往金三角的南北延伸,珊瑚的多樣性與數量都會遞減。

全球珊瑚面臨的危機

圖/skeeze @Pixabay

珊瑚礁就像陸地上的熱帶雨林一般,為海中生物良好的棲地,具有豐富的食物來源並提供繁殖的場所;生態學上的「熱點」生物量與生態多樣性均很高。隨著氣候暖化,全球珊瑚面臨相當嚴苛的危機。海水溫度上升,會造成珊瑚與其共生藻分離,而使珊瑚白化(Coral bleaching),長時間的白化可能會造成珊瑚死亡。除了全球暖化,珊瑚礁系統還遭遇到了環境汙染、海岸開發與過漁等問題。

珊瑚礁的存在帶來了許多有形及無形的資產。Serge Planes 博士指出,珊瑚礁除維護了海洋生態系的多樣性,全世界約有五億人的生活與珊瑚直接相關,為人類提供重要漁業、觀光、醫藥、教育與文化等資源。且珊瑚礁如同天然的防坡堤一般,可保護脆弱的海岸線免於受到海浪侵蝕。珊瑚礁的退化與死亡,不但代表了一個海洋生態系的崩潰,也代表了文化與歷史的消失。

Tara 探險船的太平洋珊瑚礁計畫

Tara 探險船 2016-2018 年太平洋珊瑚礁計畫的主要目的,就是要了解現今珊瑚的狀況並探討其與環境變遷的關係。探險船在決定航行路線前,會先從文獻調查珊瑚之分佈形況,並且聯絡當地研究人員確定珊瑚分布區域。航行到採樣地點時,會先進行浮潛確定珊瑚位置,再決定實際採樣地點。在本次太平洋珊瑚礁計劃共包括了 35 個採樣區域,每個區域有三個採樣站點,在台灣的採樣站點包括了綠島、蘭嶼與墾丁海域。

珊瑚礁生態系統具有相當高的物種多樣性,從魚類,甲殼類到微生物等,每種生物都扮演著不同的生態角色。為了了解此生態系統與環境間之互動關係,因此 Tara 探險船採集的樣本除了珊瑚外,也包含有海水中的微生物、浮游生物與海洋參數等。採樣深度有表層海水與珊瑚礁附近之海水。

Tara 探險船後甲板的濕式實驗室。攝影/ZYC

由於船上空間有限,此船在空間利用上相當節省。在甲板上有工作台、濕式實驗室、衛星與氣象通訊系統、小艇與海水淡化系統。甲板下則有乾式工作室、起居空間、廚房與樣本儲藏空間等,其中乾式實驗室設置有儀器可分析溫度、鹽度、酸鹼度與浮游生物數量。

Tara 探險船甲板下的乾式實驗室。攝影/ZYC

近期任務:珊瑚礁採樣、教育推廣

台灣位處於副熱帶海域,周遭有許多珊瑚礁系統。台灣周邊海域約有三百種珊瑚,珊瑚礁較豐富的地方是恆春半島、綠島、蘭嶼、小琉球、澎湖群島等地的沿岸海域。代表 TARA 接受採訪的 Serge Planes 博士指出,在 TARA 航次採樣中發現,台灣附近的珊瑚礁都處於健康狀態且魚類豐富。但 TARA 在台灣的採樣點並不多、且採樣時間並不是水溫高的季節,因此仍應警惕珊瑚礁白化的危機。設置海洋保護區並確保不要過度漁獲珊瑚礁漁業資源,也是保護珊瑚礁重要方法之一。

TARA 航次除了採集樣本收集科學資料,在全球各地巡迴時也有另一個任務,也就是推廣海洋教育。雖然海洋保育對一般人來說是個看似遙遠的議題,Planes 博士也主張作為個人依然可以有行動、造成改變,例如減少使用一次性消耗品,尤其是塑膠製品。因為陸地上的塑膠進入到海洋生態系,需花費幾百年的時間才能分解。或是潛水的時候,不要觸碰珊瑚、破壞珊瑚表面。

「我們並不需要完全的禁止捕魚,但的確要小心不要過度濫捕。」 Serge Planes 博士說:「而讓每個人理解到每次消費的選擇會造成影響,減少使用一次性的塑膠製品,也是非常重要的。」

Tara 探險船的機房。攝影/ZYC

更多有關探險船的資訊,請見Tara expeditions foundation

Tara 海洋探險船過去計劃內容

  • 2006-2008 年 北極考察計畫
  • 2009-2013 年 海洋考察計畫
  • 2014 年 地中海海洋塑膠計畫
  • 2016-2018 年 太平洋珊瑚礁計畫
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要打要跑還是要忍?植物的生長策略比你想得更複雜
活躍星系核_96
・2018/09/03 ・1752字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 569 ・九年級
  • 匍匐委陵菜。圖/wikipedia
  • 文/李知咸

動物在面對競爭時,會依據自己的相對優勢來採取「對抗」、「躲避」與「忍受」等行為。例如當對手又高又壯時,動物們更易於「放棄對抗」,轉而選擇「躲避」或「忍受」。那植物呢?是否也會出現相似的行為呢?

德國蒂賓根大學演化與生態研究所的生物學家們發表在 Nature Communications 的研究發現,植物有辦法根據競爭對手的體型高度以及枝葉疏密程度,來做出多元的決策以謀求生機。換言之,植物具有評估鄰近對手競爭力,進而優化自己、在生存競爭中脫穎而出的能力。

匍匐委陵菜。圖/wikipedia

植物事實上能夠藉由各種線索來察覺周遭其他競爭者的存在。例如:當光先通過其他植物的葉片再照到下層植物時,照光量以及紅光-遠紅外光的比例(R:FR)1會降低。這會引發植物產生不同的反應:

一種是對抗性垂直生長,透過快速生長來遮蔽鄰居;另一種則是促進自身的陰影耐受度(Shade tolerance)來掙扎求生。而某些主要以無性生殖為主的植物(clonal plants)2,還有第三種反應──改變生長方向,以遠離其鄰居。

此研究的主要作者 Michal Gruntman 教授表示:「這三種反應在文獻中都已有詳盡的記載,而我們還想知道,植物是否能根據自己與對手的相對體型、枝葉疏密程度做出合宜的選擇。」

為了回答這個問題,研究人員使用一種無性系植物──匍匐委陵菜Potentilla reptans作為實驗對象,並且設置了光競爭情境。他們使用垂直的透明綠色濾光片,來同時降低光量以及紅光-遠紅外光的比例,以模擬植物競爭光源的實境。藉由改變綠色濾光片的高度以及密度,研究人員可以提供這些植物不同的光競爭場景。

實驗結果發現,匍匐委陵菜確實可以根據競爭者來做出最佳的決策。當對手矮小且枝葉茂密,限制了匍匐委陵菜的水平生長時,大多出現了對抗性的垂直生長。而當對手又高又密,使得植株既無法在高度上競爭也無法從橫向躲避,則植株大多會忍受陰影。若是面對高但稀疏的對手,亦即橫向躲避成為唯一的生存方式時,大多數的匍匐委陵菜也出現了橫向躲避的行為。

這項研究揭露了植物可以藉由評估鄰近競爭者的密度以及競爭力來量身打造相應的手段,「對於生長在高度異質性環境的植物來說,能因應不同需求而做出最佳決策尤為重要。旁邊的植物可能會有不同的大小、年齡以及密度,需要選擇最佳的戰略來謀求生機。」Gruntman 教授說。這項研究提供了植物能夠整合環境中複雜資訊並做出應對的新證據。

註解:

  1. 紅光-遠紅外光比例(R:FR):一般光線中都有紅光與遠紅外光,植物葉片能吸收紅光但遠紅外光大多是穿透過葉片,不同的R:FR比例會對植物的生長型態造成不同影響。
  2. 無性系植物(clonal plants):透過無性生殖或複製而來的植物,彼此基因相同。能行無性生殖的植物並非不能有性生殖,通常會因環境決定生殖方式。
  3. 匍匐委陵菜(Potentilla reptans):薔薇科委陵菜屬的植物,在西伯利亞、中亞、非洲北部、歐洲到俄羅斯以及中國新疆都有分布。生長在海拔 500~600 公尺之間的田邊潮溼地帶,目前未有人工栽培。

參考資料

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臺大獸醫研發動物用奈米疫苗,有效預防冠狀病毒
活躍星系核_96
・2016/08/24 ・803字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 637 ・十年級
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  • 圖/台灣大學新聞稿

動物用疫苗市場乃各大生技藥廠兵家必爭之地,每年全球之市場規模可達數十億美元,近年來更由於人畜共通傳染病頻傳,讓預防與維持動物健康成為了公共衛生領域的重要議題。

冠狀病毒對全球人畜之威脅

其中,冠狀病毒正是發生於人類與動物高致死率疾病的頭號元兇,例如 2003 年發生的嚴重急性呼吸症候群(SARS),以及 2012 年始於中東地區、隨後蔓延至全世界的中東呼吸道症候群(MERS);而禽類的冠狀病毒則會讓肉雞、蛋雞及種雞等引發支氣管炎、肺炎、腎衰竭等症狀,甚至造成輸卵管病變導致雞隻的「不孕」,讓臺灣及全世界的雞農蒙受重大經濟損失,因此,研製效果良好、成本低廉的動物用疫苗為產學界一致努力的目標。

圖片來源:Compassion in World Farming@flickr, bu NC 2.0
圖/Compassion in World Farming@flickr, by NC 2.0

台大獸醫系運用奈米科技打造疫苗

本次創新研究是由臺大獸醫系陳慧文老師實驗室學生黃湞鈺、林舒怡、方紫珣、許宸瑄共同參與,並與中央研究院生醫所胡哲銘博士主持之奈米醫學實驗室合作完成。研究團隊突破傳統病毒疫苗製作之框架、跨領域運用奈米科技,以奈米金顆粒與冠狀病毒棘突醣蛋白結合,開發出人工合成的類病毒顆粒(synthetic virus-like particles)。

此顆粒在形態與特性上,與原態之冠狀病毒非常相似,能模擬病毒、在動物體內誘發免疫反應。研究團隊先以小鼠模式,證明此顆粒能成功被免疫系統辨識並活化抗體生成,再進一步使用無特定病原雞隻的冠狀病毒感染模式,證實此合成的類病毒顆粒能有效增強雞隻的抗病毒免疫反應、降低臨床症狀、阻斷病毒於組織中的複製,效果優於傳統的次單位疫苗與不活化疫苗。

研究團隊以前瞻跨領域的生物科技開發出新式奈米疫苗,其製備過程簡單快速,能降低成本、符合動物用藥的市場需求。此研究已於 2016 年 8 月 15 日刊登在 Biomaterials 期刊。

本文改寫自台灣大學新聞稿。

原始論文:

  • Synthetic Virus-like Particles Prepared via Protein Corona Formation Enable Effective Vaccination in an Avian Model of Coronavirus Infection. Biomaterials. doi:10.1016/j.biomaterials.2016.08.018 (2016)
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別說螞蟻是工作狂,牠們更懂工作休息平衡
valerie hung
・2017/01/27 ・1375字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 503 ・六年級
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原來不只人類追求工作與生活間的平衡,密蘇里科技大學(Missouri University of Science and Technology)研究團隊發現,向來被人類當作工作狂代表的螞蟻,其實也在此道上摸索呢!

而研究員更進一步指出,當一部分的螞蟻正辛勤工作、尋找食物與各種資源時,有些螞蟻必須為了全體同胞休息,而且越龐大的螞蟻家族,誰工作誰休息的平衡就越顯重要。

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圖片來源: Pixabay

一直以來大家都很好奇為什麼和較小的螞蟻窩相比,大螞蟻窩的個體平均消耗能量反而更少?密蘇里科技大學生物科學系助理教授,也負責領導研究團隊的 Chen Hou 博士解釋:

「我們透過研究發現,那是因為大螞蟻窩裡有更多工人在『偷懶』,牠們不會四處奔波,能量自然就消耗的少。」

此外,團隊還觀察到隨著族群規模逐漸擴大,「待機」螞蟻佔整個族群的比例也會提升。例如,當螞蟻族群的規模落在 30 隻左右,會有六成的螞蟻工人在休息;當族群規模增加到 300 隻左右,休息的螞蟻則會增加到八成。「同時,能量測量顯示, 300 隻螞蟻家族的平均個體能量消耗量是 30 隻螞蟻家族的一半。」

也就是說,這些看似在懶惰的螞蟻,其實是在為整個族群節省資源,好讓族群更有生產力。此概念也許適合應用在人類社會,在積極工作與消耗能源間妥善分配資源,進而提升整體生產力。這份研究已經通過審查,即將發布在《昆蟲科學》( Insect Science)期刊上。

如果想獲得最多的資源,就需要群體中的每一個人火力全開,但也會因此消耗更多能量;反過來說,如果群體中的部份人適度休息,雖然資源獲取量變少,但整體消耗的能量也會降低。而研究團隊推測,螞蟻族群透過調配螞蟻工人的工作量,好在獲取資源與消耗能量間達到最佳化。

用電腦幫忙追蹤螞蟻們在做什麼

密蘇里科技大學電腦科學系助理教授尹朝征(Zhaozheng Yin),開發一套先進的電腦分析程式,幫助團隊用高清晰的畫面長時間記錄螞蟻的動態。這個系統還能自動分析每隻螞蟻在這段時間內的一舉一動,不用苦哈哈的靠研究員親自下去計算每隻螞蟻的座標。

透過這套自動化演算法,團隊從兩小時的紀錄影像中,分析出一個族群裡的每隻螞蟻平均移動速度都不太一樣,有的為秒速 2 公分,有的僅秒速 1.4 公分。

團隊也估算出一隻走路中的螞蟻,消耗能量約是休息狀態的螞蟻的五倍,也就是說,一隻走動的螞蟻使用的能量等於五隻休息的螞蟻。所以一個擁有 20% 活躍成員的螞蟻族群,和一個差不多規模,但全部成員都在休息的族群相比會消耗 1.8 倍的能源。

Chen Hou 博士解釋,偷懶的成員對族群來說是必須的,牠們的腳色是支援或緩衝,一旦群體突然面臨龐大的覓食壓力或有敵人來襲,待機成員的小宇宙才會開始燃燒。

「但目前還不清楚為什麼越大的族群,休息成員的比例就越高,未來我們將針對螞蟻的互動網路與行為繼續研究。」如果了解螞蟻根據族群規模安排工作與休息比例的秘密,就可能幫助人類群體在「永續經營」的前提下,最佳化每個人的工作量。

原始論文:

參考資料:

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