0

0
1

文字

分享

0
0
1

不只是隨手關燈救北極熊:「節能」「減碳」如何走技術流?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2018/10/04 ・3956字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 584 ・九年級

本文由 NEPII「第二期國家型能源科技計畫」委託,泛科學執行

全球暖化已經發生了。──漢森博士(Dr. James E. Hansen),1988 年美國國會聽證會

地球大氣層的組成,超過 75% 為氮氣,超過 20% 為氧氣;餘下不及百分之五的大氣成分包括惰性氣體氬、水氣、二氧化碳。別小看這少少的百分之五,其中的水份很大程度了影響了我們的天氣系統,而眾所矚目的二氧化碳雖然平均值尚未達 0.05%(希望永遠不要達到),卻是數量最龐大、最具影響力、也最令現代人芒刺在背的「溫室氣體」。

圖/geralt @Pixabay

受限於今日的技術發展,能源來源無可奈何,還是會來自於高比例的化石燃料燃燒。如何節能減碳、更有效使用電力,也成了我們共同的習題。在第二期能源國家型科技計畫底下,「節能」以及「減碳淨煤」兩大主軸分別為了臺灣未來如何減少二氧化碳排放,做出殊途同歸的努力。

「『節能』與『減碳』兩個方向有點像減肥的兩個常見方向:『少吃』、『多動』,」計畫辦公室黃至弘副主任說:「兩個方向都要做到,才有機會達到最佳的效果。」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

一開始就減少排放:減碳淨煤怎麼做?

近兩百年來,人類大量燃燒化石燃料作為能量來源,大氣中的二氧化碳以及其他溫室氣體逐年增加。而減碳淨煤主軸的核心,就在於使用各種技術,儘可能減少人類燃燒化石燃料對大氣的影響,主要的技術可被囊括為兩大方向,首先為「新燃燒系統」;其次為 CCSU(CO2 Capture, Storage and Utilization):碳捕獲、碳封存及再利用。

減碳淨煤主軸內容架構。圖/NEPII計畫辦公室提供

國中課本就有提及燃燒三要素:可燃物如煤炭等燃料、助燃物如氧氣,以及最後一項是要達到燃點的溫度。新燃燒系統主要針對燃燒的三大要素進行優化或調整,試圖提高燃燒過程中產能的效率,─也儘可能減少產生的二氧化碳。

其中的「超超臨界粉煤發電」就是藉由調整溫度以及可燃物的狀態達到更佳的功能效率;而「富氧燃燒」則是藉著提高助燃物(氧氣)的濃度達到更佳的燃燒效果。另一類的技術研發則試圖在可燃物中加入生質物如稻草,以減少化石燃料使用的比例。

雖然新燃燒技術能減少碳排,但現階段的發電系統,仍無可避免產生大量的CO2。要處理這些碳排首先就必須將二氧化碳由氣體狀態攔截下來,先發的重要技術就是 CCSU 的第一項「碳捕獲」。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

碳捕獲主要應用化學材料特性對二氧化碳進行吸收(液體)、吸附(固態)或使用薄膜技術,將散布在空氣中的二氧化碳分子收集起來。目前在台灣發展較完整的兩項技術分別為「化學吸收法捕獲 CO2系統」與「鈣迴路捕獲 CO2系統」。

化學吸收法捕獲 CO2系統目前在台塑與長春石化已經有示範工廠,每年可捕獲 350 噸 CO2。而需要較高的運作溫度(600-800 ℃)、主要應用於水泥業的鈣迴路捕獲 CO2系統,更是在花蓮和平水泥廠建立了全球同技術最大的 CO2捕獲工廠,可以減少燃燒廢氣中 90%的二氧化碳,其規模超過 1.9 MW,每小時可捕獲1公噸的 CO2

捕獲下來的二氧化碳要怎麼處置呢?接下來就是 CCSU 的另外兩個技術「再利用」與「碳封存」了。

二氧化碳再利用,主要包括三個面向。其一為「直接應用」,如作為產品滅火器、發泡劑、製備為碳酸飲料等功能。其二為「培育生質作物」,例如用於養殖微藻類,再以微藻製作高附加價值產品,如做為畜牧水產養殖業之飼料添加物、生質燃料、化學產品等用途;目前在成功大學安南校區有東亞最大的微藻養殖池,最大之養藻系統容量達 300噸。再應用的第三個面向則以化學工程技術將二氧化碳結合氫氣或其他化學物質,合成出人類所需要的物質如化學原料或能源或儲能產品如甲醇等以供進一步應用。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

捕獲到的二氧化碳如果用不完還可以怎麼處理呢?另一種選擇則是將二氧化碳儲存在地底岩層之中,也就是「碳封存」的技術了。將氣體存放在地底岩層之中,乍聽相當不符合直覺,事實上大自然的岩層中本來就有百萬年以上的證據,除了家用的天然氣與近年來的化石燃料新寵頁岩氣以外,甚至全世界還有數百個儲存二氧化碳的天然岩層存在。台灣就曾經評估利用苗栗永和山、以及彰濱工業區外海的地下鹽水層作為碳封存的場址。

地球的生態系統裡面原本就含有二氧化碳,在大自然中會進行「碳循環」。就如同我們最熟悉的水循環:水由江川湖海蒸發後進入大氣,凝結成雲四處移動,在適當的條件下降水為冰霜雪雨。碳元素也會有類似的情況,會在生物圈、岩石圈、土壤圈、水圈以及大氣中移動,在大氣中最主要以二氧化碳的形式存在,可能會經由植物的光合作用進入生物圈,也可能溶入海水中,或者與各種礦物反應形成碳酸鹽類,而沉降到水底成為岩石圈的一部分。

碳循環示意圖。圖/J.Wong [Public domain], via Wikimedia Commons

CCSU 二氧化碳的捕獲、封存及再利用這些技術基本上都還在發展中,最終極版理想的狀態便是打造一個人工版的「碳循環」系統。在經濟、能源許可的範圍底下,處理能源使用過程中製造的二氧化碳,從而兼顧能源使用與避免產生溫室效應。

隨手關燈並不夠,技術與整合讓「節能」更有效

而除了在產能階段以及產能後端處理減少二氧化碳的影響,實際上直接以技術減少能源的使用也是控制二氧化碳排放很重要的角度。行政院環保署 2015年的統計資料,電力消費的比例,工業占 47.84%,運輸部門占 14.60%,服務業占 13.36%,住宅占 12.61%;這幾個項目累計高達 88%,也因此是在規劃節能技術最重要的切入角度。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

關係到日常生活的實際需求,倡導不開冷氣只開電扇、夜間不開燈早早睡覺等「苦行僧」的節能模式;或是要求政府機關、商家大樓減少照明燈具、空調設備而不使用,顯然並不那麼充足。真正有效的模式,需要建立於能夠滿足現有的經濟、商業模式的前提上。

人工智慧建築節能系統平台。 圖/工業技術研究院

節能主軸的研發主要分為兩個角度,其一是針對每項耗能的重點細節研發節能技術。如「工業節能」其中的項目「建立凹版轉印生產線」,就是減少傳統工序,預估可減少 60%的能源消耗以及提高了 70%以上的材料使用率。又或者於「住商節能」中用以評估最容易影響夏日尖峰負載的空調系統能耗狀況的「建築能耗模擬與分析平台」( Building Energy Simulation & Analysis Platform; BESTAI) ,這套系統由工研院綠能所發展,能夠透過輸入建築模型後,套用相對應的建築尺寸參數、以及建材等內容,根據熱能傳播的效應來估算建築的耗能數據,並且針對店家或建築提出建議的改良方向。

節能的另一個重要角度則是在於系統的整合,由於能源如電力的使用實際上牽涉到成本問題,因此許多製程改良至今能持續進步的空間並不大,但系統間的相互搭配往往才有機會更加優化整體的節能效率。舉例來說,「運輸節能」其中的「低碳交通運輸系統發展計畫」討論的內容就並非細部的技術層面,而在於評估台灣整體的運輸能耗,配合能耗與排放分析工具,以便提供未來有關綠色物流、智慧運輸系統與優化公路公共運輸營運模式等項目之建議。

另一個系統整合的案例要回到「建築能耗模擬與分析平台」的未來展望。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「冷凍空調系統的能源效率發展很接近瓶頸了,下一步要節能,就需要做到系統整合。」工研院綠能所智慧節能系統技術組經理林鴻文博士說。

舉例來說,台灣的超商通常會設置有開放的冷藏櫃;而由於沒有隔離的前門自然會讓冷氣外洩,開放冷藏櫃的周圍通常溫度會較低;而設置較近的空調系統會因此降低輸出,冷藏櫃由於環境溫度提高反而會提高輸出;因而造成冷藏櫃周圍的空調,主要會由較耗能的冷藏櫃提供,如此反而大大不利節能。最理想的做法是兩者之間應該要有系統整合,互相協調出最適當的輸出比例。

賣場的開放式冷藏櫃因為無門設計而使周遭較為涼爽,若能配合店內的空調系統調控整體溫度,可以減少電力浪費。 圖/KristenMathiasen @Pixabay

展眼未來,無論是減少能源使用的「節能」或是根本減少二氧化碳排放的「減碳」,都需要更多更多的細部技術研發與系統整合,藉由這些持續不斷的技術發展與數不盡的研究與技術人員的努力,或許終有一天,這些科技技術終能帶領人類走上真正永續發展的未來。

延伸閱讀:

參考資料:

本文由 NEPII「第二期國家型能源科技計畫」委託,泛科學執行

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
249 篇文章 ・ 320 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

0
0

文字

分享

0
0
0
AI 可以設計散熱,但誰敢讓它出貨?林唯耕談算力背後的物理現實
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/08/20 ・2819字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 高柏科技 合作,泛科學撰文

林唯耕剛回台灣任教時,曾在清華大學的實驗室裡用一立方公分的「氨」做實驗。沒想到氨氣意外洩漏,那股刺鼻的氣味瞬間瀰漫整棟大樓,引來眾多師生抗議。

「從此以後,我再也不敢在實驗室裡用氨了。」他在《思想實驗室》的訪談中,帶著笑意回憶這段往事。

這段插曲聽來像是一則工程師的寓言:在理論模型中,氨是太空熱控系統的理想介質;但在現實的辦公大樓裡,它首先是逼人逃竄的臭味。公式本身沒有錯,但現實世界永遠比公式更複雜——它包含了人、成本、風險,以及必須為後果負責的工程師。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

高柏科技技術專家、清華大學榮譽退休教授林唯耕 ,曾任職於美國 OAO 工程部熱流組,深耕電子構裝散熱與熱管技術多年。隨著 AI 浪潮席捲全球,他鑽研一輩子的老問題再次被推向科技產業的核心:當晶片運算速度無止境攀升,那股伴隨而生的熱,究竟該往哪裡去?

熱不會讀新品發表會

科技巨頭在發表會上熱衷於談論大型語言模型、GPU 規格與驚人的算力。這些詞彙在投影片上光鮮亮麗,彷彿進步毫無邊界。然而,每一次數位運算都紮實地發生在實體晶片上。晶片會發熱、材料會疲勞老化,一旦設備過熱,系統便會降頻保護。在物理現實面前,再動聽的發表會敘事也必須低頭。

晶片會發熱、材料會疲勞老化,一旦設備過熱,系統便會降頻保護 / 圖片:envato

回顧個人電腦發展早期,晶片幾乎不需專屬散熱元件。隨後,鋁製鰭片、風扇、熱管到均溫板逐一登場。這段歷程常被視為技術升級,其實更像是對空間的極限勒索:晶片功率翻倍,發熱源的面積卻沒變大,機箱空間也不可能無限擴張。

林唯耕指出,散熱設計的核心只有三要素:功率、熱源面積與空間限制。他舉例,在標準的 1U 機箱中,若發熱面積約為三十乘三十毫米,氣冷系統在達到八百瓦時就會面臨瓶頸。這並非固定的物理常數,而是取決於空間、面積與氣流的動態平衡。最現實的代價在於,風扇轉速提升的背後,是噪音、電力損耗與空間占用。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

因此,「液冷技術」的興起並非單純為了追求酷炫,而是算力密度提升後的必然選擇。它能更精準地帶走晶片廢熱,卻也將新的挑戰帶入機房:漏液風險、流道堵塞、材料相容性,以及維運時的難度。工程的進步,本質上鮮少是徹底消滅問題,更多時候是選擇一組「比較值得承擔」的新問題。

太空教他的,不是把答案搬回地面

太空熱控工程之所以迷人,是因為它剝奪了地球上最常見的散熱工具。在真空宇宙中,沒有空氣能讓風扇製造對流;受光面溫度破百度,陰影處卻極度嚴寒。工程師必須純粹仰賴熱傳導、熱輻射,以及熱管與環路型熱管(LHP)來搬移熱能。

熱管運作的關鍵在於「相變」——液體蒸發時吸收大量潛熱,冷凝後重回循環。林唯耕比較了銅與水的熱傳導能力:在他設定的特定條件下,實心銅塊約能傳導 120 瓦的熱能;但若每秒有一立方公分的水發生蒸發相變,移熱量可瞬間拉升至 2.4 千瓦(kW)。他強調「每秒」的觀念,因為散熱談的是動態流動速率,而非靜態的冷卻魔法。

儘管如此,太空科技並不能直接套用到地面。太空元件因考量重量、功耗與維修難度,偏好無馬達幫浦的被動式設計;但地面 AI 伺服器面臨更高的熱負載與環境溫度,往往仍需幫浦驅動流量。當年那場「氨氣洩漏」事故正是最好的提醒:技術是否「先進」,與它是否「適合」當下的場景,始終是兩回事。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
他強調「每秒」的觀念,因為散熱談的是動態流動速率,而非靜態的冷卻魔法。/圖片:envato

好論文,為什麼仍可能造不出好產品

學術研究致力於證明「可行性」,而工業現場則要求「可重複性」——不僅要能運作,還得確保每台出廠的設備都不漏水。林唯耕將此定義為「從 0 到 1」與「從 1 到 100」的差別。後者涉及良率、成本、公差與客戶信任。論文中那次最完美的實驗數據,在產線上往往未必管用。

他從不避談失敗。在高柏科技早期與學界合作時,也曾遇過實驗數據無法複製,或研究方向偏離產業需求。這未必是雙方努力不夠,而是彼此對「成功」的標準不同。為了解決這道鴻溝,高柏科技推動「柏苗啟航創新培育計畫」,每年投入逾千萬資金與成大、中山、台科大等校合作,並指派專業人才在過程中持續微調、校正,確保研發貼近產線現實。

他分享了近期一項液冷工質校正專案。團隊使用非侵入式的超音波流量計進行觀測,但由於儀器預設以「水」校正,換成其他化學流體後讀數便出現誤差。最初嘗試用幫浦壓差推算,卻發現缺乏重複性,數據甚至推導出不合理的蒸發率。最後團隊回歸基本面,改用秤重法搭配能量平衡進行交叉驗證,才讓數據成功收斂。

這個故事真正的價值不在於「產學雙贏」的口號,而在於那段不夠優雅的挫折:假設失效、數據混亂、方法砍掉重練。也正是在這種時刻,企業需要的不只是會算數的人才,而是能洞察研究何時「走鐘」,並有權力喊停、要求重來的關鍵決策者。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

林唯耕坦言,過去在校園裡總認為「技術第一、成本第二」,進入商界後才驚覺行銷與信任關係往往才是關鍵。這番話雖然不如科技突破那樣動聽,卻是產品能否進入市場的殘酷真相。再卓越的散熱設計,若無法穩定生產或贏得客戶信任,也僅止於一份精美的報告。

AI 會給答案,誰來負責出貨?

訪談尾聲,主持人國威提出了一個時代難題:假設 AI 能在彈指間生成散熱架構、材料配方與流道設計,企業該選擇全面擁抱 AI 的速度,還是保留緩慢但穩定的工程驗證,以規避潛在的失效風險?

林唯耕拒絕落入二選一的框架。他的觀點是:兩者並存。AI 擅長處理資訊、生成草案;但工程師仍須實作原型,進行嚴苛的性能與可靠度測試,最終由人決定是否出貨。這並非盲目崇拜人類直覺,而是基於一項事實:AI 的資料庫裡,通常沒記載下一次「意外洩漏」或「材料疲勞」的細節,且模型永遠無法為量產結果擔負法律與商業責任。

在 AI 時代,最稀缺的未必是熟練下指令(Prompt)的人,而是具備這種能力的人:能預判答案可能在哪裡出錯、能設計實驗將問題「逼」出來,並且願意為最終的量產品質負起責任。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

大眾習慣將雲端想像成輕盈、無重量的空間。但現實中,雲端是由龐大的機房架構而成,裡面裝滿了晶片、管線、泵浦與冷卻液。虛擬算力的每一次擴張,都會在實體世界留下發熱的足跡。散熱工程師的價值,就是不讓這筆物理帳單,被埋沒在光鮮亮麗的投影片背後。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
249 篇文章 ・ 320 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

3
0

文字

分享

0
3
0
從「衛生紙」開始的環保行動:一起愛地球,從 i 開始
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/03 ・1592字 ・閱讀時間約 3 分鐘

你是否也曾在抽衛生紙的瞬間,心頭閃過「這會不會讓更多森林消失」的擔憂?當最後一張衛生紙用完,內心的愧疚感也油然而生……但先別急著責怪自己,事實上,使用木製品和紙張也能很永續!只要我們選對來源、支持永續木材,你的每一個購物決策,都能將對地球的影響降到最低。

二氧化碳是「植物的食物」:碳的循環旅程

樹木的主食是水與二氧化碳,它們從空氣中吸收二氧化碳,並利用這些碳元素形成枝葉與樹幹。最終這些樹木會被砍伐,切成木材或搗成紙漿,用於各種紙張與木製品的製造。

木製品在到達其使用年限後,無論是被燃燒還是自然分解,都會重新釋放出二氧化碳。不過在碳循環中,這些釋出的二氧化碳,來自於原本被樹木「吸收」的那些二氧化碳,因此並不會增加大氣中的碳總量。

只要我們持續種植新樹,碳循環就能不斷延續,二氧化碳在不同型態間流轉,而不會大量增加溫室氣體在大氣中的總量。因為具備循環再生的特性,讓木材成為相對環保的資源。

但,為了木製品而砍伐森林,真的沒問題嗎?當然會有問題!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
從吸碳到固碳的循環

砍對樹,很重要

實際上,有不少木材來自於樹木豐富的熱帶雨林。然而,熱帶雨林是無數動植物的棲息地,它們承載著地球豐富的生物多樣性。當這些森林被非法砍伐,不僅生態系統遭到破壞,還有一個嚴重的問題–黃碳,也就是那些大量儲存在落葉與土壤有機質中的碳,會因為上方森林的消失重新將碳釋放進大氣之中。這些原本是森林的土地,將從固碳變成排碳大戶。

不論是黃碳問題,還是要確保雨林珍貴的生物多樣性不被影響,經營得當的人工永續林,能將對環境的影響降到最低,是紙漿和木材的理想來源。永續林的經營者通常需要注重環境保護與生態管理,確保砍下每顆樹木後,都有新的樹木接續成長。木材反覆在同一片土地上生成,因此不用再砍伐更多的原始林。在這樣的循環經營下,我們才能不必冒著破壞原始林的風險,繼續享用木製品。

人工永續林的經營者需要注重環境保護與生態管理,確保砍下每顆樹木後,都有新的樹木接續成長。

如何確保你手中的紙張來自永續林?

如果你擔心自己無意中購買了對環境不友善的商品,而不敢下手,只要認明FSC(森林管理委員會)認證與 PEFC(森林認證制度)認證標章,就能確保紙漿來源不是來自原始林。並且從森林到工廠、再到產品,流程都能被追蹤,為你把關每一張紙的生產過程合乎永續。

只要認明 FSC(森林管理委員會)認證與 PEFC(森林認證制度)認證標章,就能確保紙漿來源不是來自原始林。

家樂福「從 i 開始」:環境友善購物新選擇

不僅是紙張,家樂福自有品牌的產品都已經通過了環保認證,幫助消費者在日常生活中輕鬆實踐環保。選擇 FSC 與 PEFC 標章只是第一步,你還可以在購物時認明家樂福的「從 i 開始」價格牌,這代表商品在生產過程中已經符合多項國際認證永續發展標準。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「從 i 開始」涵蓋十大環保行動,從營養飲食、無添加物、有機產品,到生態農業、動物福利、永續漁業、減少塑料與森林保育,讓你每一項購物選擇都能與環境保護密切相關。無論是買菜、買肉,還是日常生活用品,都能透過簡單的選擇,為地球盡一份力。

選擇 FSC 與 PEFC 標章只是第一步,你還可以在購物時認明家樂福的「從 i 開始」價格牌
-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
249 篇文章 ・ 320 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

8
0

文字

分享

0
8
0
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 ・3195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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  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)

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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

  1. Sun, S. J., Dziuba, M. K., Jaye, R. N., & Duffy, M. A. (2023). Temperature modifies trait-mediated infection outcomes in a Daphnia–fungal parasite system. Philosophical Transactions of the Royal Society B, 378(1873), 20220009.
  2. Rohr, J. R., & Cohen, J. M. (2020). Understanding how temperature shifts could impact infectious disease. PLoS biology, 18(11), e3000938.
  3. Harvell, C. D., Mitchell, C. E., Ward, J. R., Altizer, S., Dobson, A. P., Ostfeld, R. S., & Samuel, M. D. (2002). Climate warming and disease risks for terrestrial and marine biota. Science, 296(5576), 2158-2162.
  4. Miner, B. E., De Meester, L., Pfrender, M. E., Lampert, W., & Hairston Jr, N. G. (2012). Linking genes to communities and ecosystems: Daphnia as an ecogenomic model. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 279(1735), 1873-1882.
  5. Ozersky, T., Nakov, T., Hampton, S. E., Rodenhouse, N. L., Woo, K. H., Shchapov, K., … & Moore, M. V. (2020). Hot and sick? Impacts of warming and a parasite on the dominant zooplankter of Lake Baikal. Limnology and Oceanography, 65(11), 2772-2786.
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
阿咏_96
12 篇文章 ・ 795 位粉絲
You can be the change you want to see in the world.