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高中生就成為第一作者!?難道發現新物種很容易嗎?——以華萊士命名的新種象鼻蟲

蕭昀_96
・2018/07/17 ・4243字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 553 ・八年級

不曉得大家的高中生活怎麼過的呢?以筆者來說,我的高中生活不外乎就是上課、讀書、考試、被念的四階段循環,然後不知不覺地就上了大學,高中生有可能參與一個科學研究並正式發表嗎?

高中生有可能參與一個科學研究並正式發表嗎?《男子高校生的日常》劇照。 圖/IMDb

話說從頭,筆者歷經了「失落的四個月」後,去年(2017)退伍那天回系上找柯俊成老師敘舊,一進實驗室看到一個陌生男孩,還以為才消失四個月實驗室的人都不認識了。後來老師介紹說這是正要升高三的學生曾偉哲同學,想要來實驗室以昆蟲分類學做一個專題。他受研究象鼻蟲的徐振輔同學指導,而後我也加入協助這個研究。經過了接近一年的形態研究和論文寫作,今年 6 月 22 日以曾偉哲同學為第一作者,順利將研究成果刊載國際動物學期刊《Zootaxa》(動物分類群),這個研究的重點之一,就是提出了一個象鼻蟲的新種。

華萊士圓榕象鼻蟲 Omophorus (Sinomophorus) wallacei 發表資訊頁。 圖/Zootaxa 論文原文

新種圓榕象鼻蟲:華萊士圓榕象鼻蟲與亞屬修訂

那麼這個華萊士圓榕象鼻蟲 Omophorus (Sinomophorus) wallacei 是什麼呢?首先這個新物種隸屬於象鼻蟲(Weevils),也就是象鼻蟲總科(Curculionoidea)的通稱,是甲蟲中多樣性最高的類群。典型的象鼻蟲頭部有著象鼻狀的構造,如同長了一根長鼻子;蘭嶼和綠島上有著天青色條紋或斑點,並且因翅膀退化、翅鞘癒合,進而無法飛行的球背象鼻蟲就是象鼻蟲家族的成員喔!

而這個來自婆羅洲馬來西亞屬沙巴州的新種象鼻蟲則是隸屬於圓榕象鼻蟲屬(Omophorus)的成員,這個屬別的象鼻蟲外型渾圓,體表有粗糙點刻且體側和腹面表面有著淡黃色蠟狀物質,本屬跟桑科榕屬植物伴生關係密切,而非洲的種類(O. stomachosus)有危害無花果樹而造成未成熟的果實提早落果的紀錄,本屬分為三個亞屬共七個物種,間斷分布於撒哈拉以南非洲、中國西南、巴布亞紐幾內亞。

中華圓榕象鼻蟲 Omophorus Sinomophorusrongshu Wang et al., 2011  圖/ Zookeys 論文原文

透過比較形態學以及動物地理分布等資訊,華萊士圓榕象鼻蟲被認為屬於 2011 年發表的中華圓榕象鼻蟲亞屬(Sinomophorus)[1],這個亞屬目前僅知其模式種中華圓榕象鼻蟲 O. (S.) rongshu(種小名就是「榕樹」發音)。值得額外一提的是,一般而言對於屬(亞屬)的定義往往需要由比較複數個成員間的形態而來,藉由比較支系中不同物種的形態來找出屬級單位的鑑定特徵;也就是說,只有一個種類的屬級會由於缺乏比較基礎,會無法區分出此屬的共有特徵。可以想見,當一個單模屬別在日後發現其餘成員時,也就是本次中華圓榕象鼻蟲亞屬Sinomophorus 遭遇的情況,極有可能一併發現當初所界定的特徵不適用的情形。而在這次的研究中,進行形態比對時我們也發現了如前述的特徵衝突,因此發表時也重新對本亞屬的鑑定特徵進行了修訂。

其實分類學家的工作除了探索發現未知的生物,持續對於現有鑑定系統的改進訂正也是很重要的喔!

新種圓榕象鼻蟲──華萊士圓榕象鼻蟲 Omophorus (Sinomophoruswallacei 圖/原始論文

新種圓榕象鼻蟲種小名為 “wallacei“,以阿爾弗雷德.羅素.華萊士(Alfred Russel Wallace)命名。華萊士曾深入馬來群島進行物種踏查和採集,以構想演化論而聞名 (與達爾文一同發表相關論文),同時為生物地理學的權威,被譽為「生物地理學之父」。獻名給華萊士,除了本種為東印度群島的物種外,更是因為圓榕象鼻蟲屬擁有特殊的生物地理學分布,與身為生物地理學的先行者的華萊士有相得益彰之妙。

華萊士 圖/wikipedia

圓榕象鼻蟲屬的衣索匹亞區和東方區的間斷分布

間斷分布意為親緣關係接近的類群,卻擁有著大範圍隔離的分布格局。這樣的情況出現在很多的昆蟲類群,例如跨洋分布的  Limnogonus 屬水黽 [2];亞洲東部 – 北美間斷的長扁朽木蟲(請見「冷門中的大冷門、甲蟲大家族中小支系的「長扁朽木蟲」有什麼新發現呢?」一文);地中海─南非間斷的 Scarabaeus 屬糞金龜 [3];歐洲大陸─中美洲間斷的 Eubria 屬扁泥蟲 [4];以及衣索匹亞區 – 東方區的間斷分布的寄生性蜂類 Eupetersia 屬 [5]。

而圓榕象鼻蟲屬便是主要以非洲衣索匹亞區和亞洲東方區呈現間斷分布,屬於所謂的岡瓦那式格局分布

在這種分布格局來說,早前一些岡瓦那分布的生物類群的相關研究如石蠅、蘋果螺、 鸚鵡 [6] [7] [8] 顯示這種分布可能與岡瓦那大陸起源有關,尤其圓榕象鼻蟲屬在撒哈拉以南非洲的物種多樣性又是最高的。順便一提,閱讀相關研究時也發現關係緊密的榕屬也有著岡瓦那起源的祖先,而 Rocha (2017) [9]未發表的博士論文也發現圓榕象鼻蟲所屬的這個族分歧時間約在 97.0 Mya,跟晚白堊紀東岡瓦那陸塊的分離的時間約相當呢!

不過呀,除了岡瓦那的割裂造成的隔離分化(Vicariance)其實還有很多原因會造成間斷分布的現象。例如「長距離傳播」(Long-distance dispersal),象鼻蟲雖然看起來小小圓圓笨笨的,但意外在遷移上很有一套;圓榕象鼻蟲所屬的魔喙象鼻蟲亞科(Molytinae)中的知名害蟲棉子象鼻蟲就被發現有著長距離傳播現象 [10],而有些不會飛如球背象鼻蟲、Rhyncogonus 屬種類甚至會用跳島方式在島嶼間 Bon! Bon! Bon! 的傳播呢 [11] [12]。此外還有「區域性滅絕」(Localized extinction),也可以解釋現今看起來是間斷分布的類群,實際上在遠古時代是廣泛連續性分布的;化石證據往往能提供這部分佐證(請見「逝者如斯,但昆蟲化石仍在生物地理學的研究中不捨晝夜」一文),如同樣呈現岡瓦那分布的澳洲蕈蟲科(Boganiidae),近日就被發現了中侏儸紀道虎溝生物群的化石物種,也就是該科在過去的分布顯然更加廣袤 [13]。

最後,基礎分類研究工作的不足,也會造成這種「看似」的間斷分布;因此圓榕象鼻蟲屬的間斷分布到底是怎麼回事?這個議題實際上相當複雜,未來還有很長一段路要走。

圓榕象鼻蟲屬 Omophorus 的全球分布圖。 圖/原始論文

高中生當第一作者,所以發現一個新物種很簡單嗎?

話說,本篇研究的第一作者曾偉哲是個高中生,所以額外得到不少注意力。不熟悉物種發表的夥伴可能因此會有疑問:發現一個新物種是不是很簡單?從發現到發表需要多久呢?

發現新物種的過程並不是表象的這麼簡單,並非是玩玩沙子就挖到新種了。

不,通常不是這樣發現的。圖/《哆啦 A 夢》劇照

大部分情況下,科學家在野外考察發現值得研究的物種時,得先把它們帶回博物館或標本室,然後必須詳細檢索文獻和比對模式標本(模式標本詳見:分類學家偵探事件簿:不存在的某櫛角菊虎?),確保之前沒人已經發現過這個物種,確認後撰寫文章並投稿至專業學術期刊讓專家同行審批,最終才得以發表刊登。前述這段時間將耗費數年,甚至數十年的時間,《當代生物學(Current Biology)》 的一篇文章就指出物種從第一次樣本採集到正式命名發表,平均需要 21 年時間 [14],可見得發現物種並非表面來的簡易迅速,綜觀發表新物種的要素主要包含了以下三點:

  1. 取得研究樣本,採不到就是採不到(當你在穿山越嶺的另一邊,我在孤獨的路上沒有盡頭 QAQ);
  2. 仔細檢視、解剖,甄別差異,確認新種,驀然回首,那蟲卻早已被發表(是什麼讓我不再懷疑自己?是什麼讓我不再害怕失去? QAQ);
  3. 論文撰寫,通過審批而刊登專業期刊,審查時間天長地久,等到花兒也謝了(直到現在我還默默的等待 QAQ)

在三大難題的包圍下,團隊分工合作在分類學研究上顯然是必須的。舉例在這次的發表中,樣本的發現者,也是共同通訊作者之一的徐振輔扮演了開拓者的角色,並且在研究前期注意到本種的形態差異,指導象鼻蟲在形態分類學上的細節技術;我在中後期協助科學文章的撰寫修改以及投稿事宜;而曾偉哲同學無疑是執行、完成這個研究工作不可或缺的核心。除了耗費時間的細部檢視解剖,文獻和模式標本的比對,為此曾偉哲同學並曾主動向肯亞、匈牙利和瑞典的博物館聯繫請求協助,以及文章初稿寫作工作和訂正;此間顯然除了一定的語言能力外,還需要有相當的毅力和耐性。如果不是真正有興趣而只是蜻蜓點水,甚至只為取得升學甄試的備審經歷,想必是不能完成此成果的。

新物種的發表並沒有想像中容易,而高中生要能有如此成果,更是相當難得。(掌聲下!)

參考文獻:

  1. Wang, Z.-L.; Alonso-Zarazaga, M.A.; Ren, L. & Zhang, R.-Z. (2011) New subgenus and new species of Oriental Omophorus (Coleoptera, Curculionidae, Molytinae, Metatygini). ZooKeys 85: 41–59.
  2. Ye, Z.; Zhen, Y.-H.; Zhou, Y.-Y. & Bu, W.-J. (2017) Out of Africa: Biogeography and diversification of the pantropical pond skater genus Limnogonus Stål, 1868 (Hemiptera: Gerridae). Ecology and Evolution 7: 793–802.
  3. Carpaneto, G.M. (2008) The Mediterranean-southern African disjunct distribution pattern in the scarab beetles: a review (Coleoptera Scarabaeoidea). Biogeographia 29: 67–79.
  4. Barr, C.B. & Shepard, W.D. (2017) Eubria mesoamericana Barr and Shepard (Coleoptera: Psephenidae: Eubriinae), a New Psephenid Species from Central America with an Enigmatic Generic Distribution. The Coleopterists Bulletin 71: 437–444.
  5. Pauly, A. (2012) Three new species of Eupetersia Blüthgen, 1928 (Hymenoptera, Halictidae) from the Oriental Region. European Journal of Taxonomy 14: 1–12.
  6. Wright, T.F.; Schirtzinger, E.E.; Matsumoto, T.; Eberhard, J.R.; Graves, G.R.; Sanchez, J.J.; Capelli, S.; Müller, H.; Scharpegge, J.; Chambers, G.K. & Fleischer, R.C. (2008) A Multilocus Molecular Phylogeny of the Parrots (Psittaciformes): Support for a Gondwanan Origin during the Cretaceous. Molecular Biology and Evolution 25: 2141–2156.
  7. Hayes, K.A.; Cowie, R.H. & Thiengo, S.C. (2009) A global phylogeny of apple snails: Gondwanan origin, generic relationships, and the influence of outgroup choice (Caenogastropoda: Ampullariidae). Biological Journal of the Linnean Society 98: 61–76.
  8. McCulloch, G.A.; Wallis, G.P. & Waters, J.M. (2016) A time-calibrated phylogeny of southern hemisphere stoneflies: Testing for Gondwanan origins. Molecular Phylogenetics and Evolution 96: 150–160.
  9. Rocha, L. P. (2017) Sistemática e biogeografia de besouros curculionídeos (Curculionoidea; Coleoptera) associados a figueiras (Ficus; Moracae). PhD Thesis, University of São Paulo, São Paulo, Brazil: 116 pp. http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/59/59131/tde-21062017-174238/ (accessed 24 Jun 2018).
  10. Kim, K.S. & Sappington, T.W. (2013) Population genetics strategies to characterize long-distance dispersal of insects. Journal of Asia-Pacific Entomology 16: 87–97.
  11. Claridge, E.M.; Gillespie, R.G.; Brewer, M.S. & Roderick, G.K. (2017) Stepping-stones across space and time: repeated radiation of Pacific flightless broad-nosed weevils (Coleoptera: Curculionidae: Entiminae: Rhyncogonus). Journal of Biogeography 44: 784–796.
  12. Tseng, H.-Y.; Huang, W.-S.; Jeng, M.-L.; Villanueva, R.J.T.; Nuñeza, O.M. & Lin, C.-P. (2018) Complex inter-island colonization and peripatric founder speciation promote diversification of flightless Pachyrhynchus weevils in the Taiwan–Luzon volcanic belt. Journal of Biogeography 45: 89–100.
  13. Liu, Z.-H.; Ślipiński, A.; Lawrence, J.F.; Ren, D. & Pang, H. (2018) Palaeoboganium gen. nov. from the Middle Jurassic of China (Coleoptera: Cucujoidea: Boganiidae): the first cycad pollinators? Journal of Systematic Palaeontology 16: 351–360.
  14. Fontaine, B., Perrard, A., Bouchet, P. (2012). 21 years of shelf life between discovery and description of new species. Current Biology 22: pR943–R944.





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蕭昀_96
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澳洲國立大學生物學研究院和聯邦科學與工業研究組織─澳洲國立昆蟲標本館聯合培養博士生,國立臺灣大學昆蟲學系學士,中研院臺灣生命大百科(TaiEOL)編輯人員、泛科學專欄作者,曾任科博館昆蟲學組蒐藏助理。研究興趣為鞘翅目(甲蟲)系統分類學和古昆蟲學,博士研究主題聚焦在澳洲蘇鐵授粉象鼻蟲的系統分類及演化生物學,其餘研究題目包括菊虎科(Cantharidae)、長扁朽木蟲科(Synchroidae)、擬步總科(Tenebrionoidea)等,不時發現命名新物種,研究論文發表散見於國內外學術期刊 。因為攻讀博士所以持續焦慮中。

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國中會考即將放榜!自然科時事閱讀題該如何破解?
Student.PanSci_96
・2023/06/07 ・1300字 ・閱讀時間約 2 分鐘

從各種大考的考古題中,我們都能發現「時事」在自然科的重要性,在 108 課綱中,又更強調閱讀素養,重視課程知識與生活概念的結合,可想而知,社會上發生的各種重大事件都有可能融入成為考題。今年(112 年)的國中教育會考,自然科的考題中就拿了三年前的一則真實事件當作考題(圖一),讓學生進行判讀!

(圖一) 112 年國中教育會考自然科第 40 題。圖/台灣師範大學心測中心

這個事件發生在 2020 年三月,俄羅斯一名網紅舉辦泳池生日趴,將 25 公斤的乾冰直接倒入泳池製造氣氛,結果不幸釀成 3 死的意外。這則新聞在社會大眾眼裡可能只是個不幸的意外,但是在自然科教師的眼裡,卻是同學們需要了解的知識,更是個出考卷的絕佳考題(只是沒想到隔了三年才考出來)。

科學生的閱讀任務裡面,搭配八年級上學期的文章「國中理化告訴你:為什麼不該在派對上,將 25 公斤乾冰丟泳池?」(圖二),就針對這個事件做了介紹與科學原理的分析:乾冰的升華、大量二氧化碳對於人體的危害作用機制等,等於同時用理化與生物課程的角度來對事件進行簡單、國中生能夠理解的介紹。

(圖二) 以時事中所含的科學概念來出題,是大考的重要方向。圖/科學生部分截取

雖然這次的考題主要概念,是希望同學們根據空氣的組成成分來進行分析。但如果能對這個事件更有熟悉感,也了解生活時事大概會用哪種方式融入考題,相信碰到類似題型時,就更容易輕鬆作答啦!

今年(112年)的國中教育會考,自然科的考題裡面,由第 43、44 題構成的題組(圖三),設計上包括較長的題幹敘述、圖片與表格,顯然是要考驗學生的閱讀與圖表判讀。主題內容則是兩個嶄新時事議題的結合──燕麥奶和碳排放。

(圖三)112 年國中教育會考自然科第 43、44 題。圖/台灣師範大學心測中心

第 43 題的考點出自於七上的營養,第 44 題則考跟生物、理化、地科都有點關聯的碳排放,這出題方向相當符合 108 課綱所強調的,學生所學的知識概念必須能夠跨科進行統整。

相比之下,43 題只要記得糖會分解成醣,而蛋白質會分解成胺基酸,就能回答;但 44 題碳排放的概念,同學們可能熟悉度較低。幸好,只要讀懂圖表,也看懂題幹沒有被繞暈(問固定碳排量下能生產的量,所以是碳排最低的杏仁奶生產量最多),還是能夠回答。

延伸閱讀:燕麥奶為什麼這麼好喝?如牛奶般微甜、絲滑的口感是怎麼來的?——解析燕麥奶的加工原理

在科學生的閱讀任務裡面,也提供了許多最新時事與課程結合的閱讀練習,例如:題組中的燕麥奶與碳排放議題。透過練習,可以降低同學們對陌生內容、長篇文章的恐懼感,並且逐漸了解科學文章的構成,而能更快抓住文內的重點。

想要進一步了解更多內容的話,閱讀任務內也有連結可以直通 PanSci 泛科學的原文。透過科學生的閱讀練習,訓練了素養能力,更提升了會考成績。

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Student.PanSci_96
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最安全的核電廠?小型核電廠 SMR 用發電量換安全性,遇到停電也不怕?
PanSci_96
・2023/06/03 ・2582字 ・閱讀時間約 5 分鐘

隨著核電廠陸續退役,台灣也逐漸邁向零核家園,郭台銘突然提出的「一縣市一核電」把核能議題的熱度重新炒到高峰。

雖然看似激進,但有人認為如果是郭董提到的「小型核電廠 SMR」的話,或許就有可能。這個 SMR 到底是什麼?它安全嗎?再者,它真的是核電的未來嗎?

實際上已經有人成功運行小型核電廠,並且已經併網發電了,他們是怎麼做到的?

小型核電廠是什麼?

台灣現在僅存,還在運作的核電廠就是核三廠,核三有兩部機組,每個機組的發電量大約為 950MW。

小型核電廠正式的名稱是「小型模組化反應爐」SMR(Small Modular Reactor),發電量通常在 20~300 MW,比一般核電廠小上許多。還有甚至更小,發電量 1~20 MW 的 MMR(Micro Modular Reactor)的反應爐。

奇怪,發電量怎麼越發展越小了呢?這樣不就得要蓋更多核電廠?

小型核電廠的特點就是小發電量,因為這能創造三個優點:安全、造價便宜、易組裝。

核能那麼危險,為什麼還要用?

這三個優點實際上就是現在核電發展的最大瓶頸。核能發電也已經有 60 年歷史了,但至今全世界的發電量中,核電也只佔大約 10%。最大的問題不外乎就是安全性、造價昂貴和建造時間久。

就算撇除安全性,漫長的建設時間與昂貴的發電成本,是讓許多電力公司卻步的原因之一。根據能源研究公司 BNEF(彭博新能源財經)的調查,從 2009 年到 2021 年,12 年間核能的建設成本增加了 36%;加上核電廠動輒 5~10 年的建設時間,就算核能是屬於低碳排的發電方式,大家也都更傾向選擇發展成熟的再生能源。

核能有一個最大的優點,那就是穩定持續發電。太陽能與風力這些再生能源容易隨天氣與時間影響發電量,反之核能屬於基載電力,本來就與風力、太陽能定位不同。

太陽能與風力等再生能源易隨天氣與時間影響發電。圖/Envato Elements

小型核電廠如何克服安全性?

要好要快也要便宜,除了穩定與低碳,還想要兼顧安全跟造價低的核電,小型核電廠真的是那個完美的選擇嗎?

小型核電廠 SMR 主打的特點就是一個字,小!只要夠小、功率降低,反應爐就不會一口氣釋放太多的熱,甚至能免除外部冷卻設備,靠自然循環降溫。

福島核電廠發生意外的主因就是海嘯破壞了核電廠中做為緊急電源設備的發電機與電池,導致冷卻系統失效,最後反應爐內的溫度無法抑制、不斷竄高,將水分解成了易燃的氫氣,產生爆炸。

如果 SMR 的反應爐可以撇除對外部冷卻系統的依賴,靠自己就能降溫,就能最大程度避免發生爆炸以及爐心熔毀的事故。

我們以目前 SMR 發展最成熟的美國公司 NuScale 為例,在他們發展的 60MW 反應爐中,含有 37 個燃料束,整個反應爐高約 17.8 公尺,直徑約 3 公尺。這個大小甚至可以在工廠製造,透過貨車或火車運送至預定地再快速組裝起來,大幅減少建造的時間與成本。

NuScale 把水循環系統都包在了反應爐,一次冷卻劑藉由熱對流上下循環,完全不需要幫浦,減少停電時產生的風險,一次冷卻劑的熱則會傳給二次冷卻劑,讓二次冷卻劑變為蒸氣推動渦輪發電。

如果真的遇上斷電事故,反應爐也有緊急冷卻系統,直接將整個反應爐泡在大水槽中;根據計算,水會在 30 天後完全蒸發,而此時的反應爐功率已經降低為原本的 4% 以下,只要靠空氣循環就能穩定溫度。

福島第一核電廠事故主因是由於海嘯破壞了做為緊急電源設備的發電機與電池。圖/維基百科

中國的小型核電廠是怎麼做到的?

而現在,在中國已經有第一座陸上 SMR 併到電網了!2021 年年底,中國山東省「石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程」正式併網發電,發電功率 200MW,雖然發電廠的總體積不小,但以它的發電功率及主打安全的設計,是實實在在的一座 SMR。

所謂的「高溫氣冷堆」,指的是流經燃料棒,充當冷卻劑與熱交換的材料,所使用氣體如:氦氣。與壓水式反應爐用水作為冷卻劑的最大差別在於不僅熱轉換效率更好,也不用擔心水因高溫氣化而有爆炸風險,故可承受更高的反應溫度。

比起傳統反應爐,高溫氣冷堆可以用更少的鈾 -235 進行反應,也就是能在燃料棒中有更多的鈾 -238 可以在溫度飆高時吸收掉多餘中子,加上高溫氣冷堆本身就能承受高溫的特性,如果真的遇到失去電力的情況,整個反應堆的溫度,也會穩定在 1600℃ 上下。

除此之外,石島灣核電廠的設計十分有趣,是球狀反應爐。在如同沙漏般的大反應爐中,燃料棒被做成了一顆顆直徑約 6.7 公分的燃料球,兩萬七千顆燃料球像沙漏中的沙子一般填充在反應爐內。

鈾燃料會被包裹在球狀構造的中心,外頭則是作為中子減速劑的石磨;作為冷卻劑的高溫氦氣會從球的中間通過帶走熱量,燃料球可從下方取出,並從上方填充。

不過,高溫氣冷堆能否成功,還需要許多時間觀察,例如石磨包裹的燃料球是否容易摩擦造成破裂,都是需要進一步注意的。

燃料棒被做成直徑約 6.7 公分的燃料球。圖/PanSci YouTube

小型核電廠的未來?

除了中國外,各國也都在發展不同形式的 SMR,甚至有人在發展功率 20MW 以下的微型核子反應爐 MMR。例如美國愛達荷國家實驗室正在建造的 MARVEL 反應爐,以及核能公司 Radiant,它們正在打造貨櫃大小、可以隨拉隨走的 MMR,希望能取代社區停電時使用的高污染柴油緊急發電機。

不論是小型還是微型核電廠,除了技術還有待發展,成本是否能壓低,也是個重要指標。當然,還有另一個大魔王,就是核廢料問題,還等著被解決。

根據研究推算,NuClear 各種機型每單位能量產生的核廢料可能會是傳統核電廠的 5.5~30 倍不等,球狀反應堆的體積因為球狀包裹物的設計,核廢料的體積也是明顯可見的變大,而這些核廢料的處置問題也是全球都在面對的問題。

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氣候變遷會讓世界變得又熱又病嗎?暖化之下的寄生關係可不簡單
阿咏_96
・2023/05/15 ・3188字 ・閱讀時間約 6 分鐘

近年來,氣候變遷已經變成一個眾所皆知的熱門話題,不僅影響著我們身處的自然環境,以及人類生活,也對生物的繁殖、生長、分布等造成衝擊。不過,今天我們沒有要討論海平面上升、極端天氣等這些巨觀環境的改變,而是要來談談或許你我體內都有的——寄生蟲。

提到寄生蟲,大家比較熟悉的或許是蟯蟲、蛔蟲等,有機會寄生於人類體內的寄生蟲,而自然中許多物種之間也有寄生關係,但這與氣候變遷有什麼關係呢?

有許多研究顯示,氣溫升高會導致寄生蟲爆發事件增加,也有些研究說寄生蟲在高溫下的表現比宿主好,因此暖化可能會造成相關疾病越來越嚴峻,後來也衍生出「地球越溫暖,流行病越多」的假說。

地球越溫暖,流行病越多」的假說近來相當盛行。圖/envatoelements

寄生不是哩想ㄟ那麼簡單

俗話說:魔鬼藏在細節裡。腹肌藏在脂肪裡。

如同在生物課本裡學過的,寄生關係是生物間的交互作用,一種生物寄居在另一種生物的體表或體內,獲取營養得以生存、繁殖,所以也並非只有寄生蟲的事,和宿主的生理也有很大關係。找到溫度升高會影響寄生過程的哪些步驟,以及背後的機制怎麼運作,是了解氣候變遷對寄生關係影響的關鍵。

近期發表在英國皇家學會《自然科學會報》(Philosophical Transactions of the Royal Society B)的一項新研究就發現,溫度能夠調節寄生真菌在宿主水蚤體內的感染機制。

這個研究由臺灣大學氣候變遷與永續發展學程助理教授孫烜駿與美國密西根大學研究團隊合作,利用暖化實驗觀察水蚤和真菌之間的寄生關係。

他們將一種水蚤 Daphnia dentifera 作為實驗物種,水蚤平常吃藻類等浮游植物,然後也會被更大的捕食者吃掉,因此水蚤在淡水食物網中扮演著重要角色。而今天的另一個主角 —— 寄生真菌 Metschnikowia bicuspidata ,則是一種會感染多種水蚤的酵母菌。

那水蚤是怎麼被感染的呢?

宿主與寄生真菌之間的攻防戰

水蚤在濾食水中浮游植物時,寄生真菌的孢子可能會一起被牠吃進去,這時感染過程就開始了(水蚤表示:窩⋯⋯窩不知道QQ)首先,寄生真菌的針狀孢子需要先刺穿水蚤的腸道上皮細胞,才能進到體腔內開始發育、繁殖,感染初期有些水蚤還可能痊癒,否則就會進到最終感染階段,一旦水蚤體腔內充滿寄生真菌的孢子或孢子囊,便不可能康復,最終走向死亡,之後下一代孢子釋放回環境中,再被新宿主吃掉,完成感染週期。

寄生真菌在水蚤中的感染過程。生真菌的針狀孢子會先刺穿水蚤的腸道上皮細胞。圖/英國皇家學會《自然科學會報》

也不是所有被吃進去的孢子都能夠成功感染宿主,必須要經過重重關卡,畢竟水蚤也不是吃素的(好啦水蚤真的吃素沒錯 XD)

而兩道最重要的關卡就是「物理屏障」與「細胞免疫」。

物理屏障是一種常見的防禦形式,例如我們的皮膚和植物的角質層,在水蚤與寄生真菌的感染過程裡,腸道上皮細胞就是抵抗孢子進入體腔的物理屏障,像是一道能夠抵抗外來敵人的城牆。

但如果孢子還是順利進到水蚤的體腔內,細胞免疫就像一支軍隊,免疫細胞士兵們會聚集到被感染的部位,開啟防禦模式,共同抵禦外敵,也就是前面提到的,有些剛被感染的水蚤有機會康復的原因。

健康的 Daphnia dentifera 水蚤(左圖)與被寄生真菌 Metschnikowia bicuspidata 感染的水蚤(右圖)。圖/國立台灣大學

暖化之下,寄生關係會怎麼樣

研究團隊想知道:溫度對物裡屏障和細胞免疫的影響,以及會不會影響最終感染的機率。

因此他們把水蚤放到 20°C 和 24°C 下的環境飼養,為甚麼是這兩個溫度呢?

根據先前研究,20°C 是適合水蚤生長繁殖的溫度,而 24°C 則是來自 2100 年氣候變遷預測下的平均溫度變化,自西元 1985 年起,夏季的湖面溫度以每十年 0.34°C 攀升,到本世紀末預計上升 4°C。

並將不同溫度下飼養的水蚤,分別放入有寄生真菌和沒有寄生真菌的環境,總共四種環境條件的組別。

  1. 實驗組:24°C,沒有寄生真菌
  2. 實驗組:24°C,有寄生真菌
  3. 控制組:20°C,沒有寄生真菌
  4. 控制組:20°C,有寄生真菌

接著,為了知道感染初期的情形,針對有寄生真菌的組別,研究團隊在放入真菌 24 小時後,用複式顯微鏡觀察,檢查水蚤腸道和體腔內是否有孢子,以及孢子的數量。

那要怎麼知道物理屏障和細胞免疫的防禦效果呢?

如同前段提過的,我們將作為物理屏障的腸道上皮細胞想像成城牆,免疫細胞想像成軍隊,而寄生真菌的孢子是試圖入侵的外敵

腸道的防禦力便是用「後來在體腔內的孢子數」與「所有試圖刺穿腸道上皮的孢子數」相除;也就是「進到城牆內的敵人數」除以「所有一開始來城牆外攻擊的敵人數量」。(編按:每一百個攻擊城牆的敵人,會有多少人突破城牆的防禦進到牆內)

除此之外,團隊也觀察在不同溫度下水蚤腸壁上皮的厚度,畢竟城牆的厚度可能是防禦的關鍵。

而細胞免疫則是以「前來支援的免疫細胞數」除以「體腔內的孢子數」計算,可以想像成一個敵人需要幾個士兵一起抵抗

除了兩道關卡的抵禦能力外,為了解水蚤的健康狀態,研究團隊紀錄牠們在感染後的死亡率和繁殖力。

溫度影響的不只是寄生關係

實驗結果發現,較溫暖環境下的水蚤腸壁上皮細胞比控制組厚,但腸壁是越厚越好嗎?

另一個結果顯示,其實較厚和較薄的腸壁上皮細胞,比較能抵抗寄生孢子的攻擊,反而是有中等腸道厚度的水蚤防禦孢子進入體腔的能力較弱。

而關於細胞免疫,則發現隨著成功進入體腔的孢子數量增加,附著在孢子上的免疫細胞總數也跟著增加,但在較溫暖環境下飼養的水蚤召集來的免疫細胞,比控制環境下來得少。也就是說,越多敵人入侵,軍隊會募集越多士兵來共同對抗,但在溫暖環境下召來的士兵較少

那物理屏障和細胞免疫之間有什麼關係呢?

在 20°C 下,腸道上皮細胞越厚,每個寄生孢子所需要的免疫細胞數就越少,這似乎蠻容易理解的,若城牆越厚,軍隊火力就不需要太強,反之亦然。

但在 24°C 卻看不到同樣的趨勢,我們知道的只有在溫暖環境下,同樣腸道厚度免疫細胞仍比控制組少。

最後,不論是繁殖力還是存活率,都是在溫暖環境下被感染的水蚤敬陪末座。

從這個研究,我們可以得知,溫度上升不僅會改變宿主的物理屏障,也會影響細胞免疫,進而改變寄生真菌對水蚤的感染結果。在更了解溫度影響寄生關係中的哪些關鍵特徵和結果後,便能預測在暖化環境中,宿主與寄生蟲之間的交互作用,以及所導致的後果。

參考文獻

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阿咏_96
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