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《T恤上的宇宙》萬有理論的追尋之美

EverDark
・2012/04/05 ・1958字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 562 ・九年級

『有人問我:「你是不是在尋找物理的最終理論?」不!我不是。我只想對世界有更多的了解,如果最後出現了一個能解釋一切的理論,就讓它來吧,這是個值得去發現的好東西。』

——費曼

『我們對事實毫無所知,對真理只有些許認識。』

——德謨克利特

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《T恤上的宇宙:尋找宇宙萬物的終極理論》是《探索時間之謎》的作者丹.佛克於04年出版的科普作品,主題是追蹤物理學家追求「萬有理論」的歷史脈絡。類似內容的科普書族繁不及備載,我的書櫃上一眼望去就有不少本,雖然它們在談的不外乎就是那些了,從古典牛頓到二十世紀兩大支柱——相對論與量子力學——乃至於晚近的超弦理論,可每一本都有自己的魅力,方才令人浸淫其中。

比方說加來道雄的《穿梭超時空》從科學家探索額外維度以解決理論統合的歷史脈絡出發,文中大量有趣的類比故事充滿豐富活力;柯爾的《物理與頭腦相遇的地方》從比較人文的觀點漫談科學的進程、科學的態度、科學的審美問題;王寶貫的《洞察》除了內容同樣富有人文意象之外,也補足了西方作者通常對早期東方科學史料的缺漏;霍金《大設計》以滿溢學者霸氣的風範直言不諱地傳遞自己對世界真實的科學覺察……

這些書的內容如果抽離作者在背後的創作意象,事實上在談的都是相同的東西。或許他們會從希臘先哲講起,德謨克利特首先提出了物質乃不可無限細割的「原子」構成;或許他們從天文學的宗教尷尬說起,自托勒密、哥白尼、伽利略乃至於克普勒,地球在人們心中的地位不斷變換,真理愈見分明;又或許,他們直接從牛頓的古典物理學世界開始,漫談他那可說是承襲自笛卡兒機械世界觀的三大定律……然後無可避免地,他們會談傳奇性的愛因斯坦與他的相對論,談馬克士威方程式統一電磁,以及量子力學——波粒二象、薛丁格的貓、和多重世界詮釋——然後是萬有理論,一個企圖整合四大已知作用力的究極物理學說。

我很喜歡看這類的書。因為這些作者看似講述著相似的篇章,事實上讀來卻像是一個一個來自不同世界的故事。倒不是說他們不可能重複,但科學是人的科學,帶有人的色彩,與美感。不同的人看待科學,會有不同的感觸。這就是科學的審美吧!我喜歡探究這些科普作家審視科學的態度與思維。

回到本篇的主角《T恤上的宇宙》。這本書很通俗,鮮少闡述複雜觀念,比起《探索時間之謎》而言篇幅明顯比較精煉,閱讀的負擔較低。佛克的主要脈絡就是「統合」,如果我們要把能夠描述整個宇宙物理秩序的公式印在一件T恤上,那會是什麼樣的公式呢?

E=MC^2?

不,就連最初寫下這它愛因斯坦都不會同意吧!因為那是來自狹義相對論的公式,雖然將質能互換的驚人科學事實展露無遺,但離許多理論物理學家「大一統理論」的夢想還差得很遠哩。

那麼馬克士威方程式呢?他將電與磁統合在一起了,但這還不夠啊!我們的世界存在四種基本作用力:弱核力、強核力、電磁力、與重力。量子色動力學呢?還是不夠。電弱理論?不夠。標準模型?不夠。目前有望將量子重力也統合其中的其中一個理論,就是屬於超弦理論的M理論,同時也是史蒂芬.霍金奉為圭臬的理論。

然而,還是有物理學家認為弦論「只是美麗的數學,還沒有成為一門物理學。」因為它描述的是超高能環境下的粒子作用,我們當今最好的粒子對撞機也製造不出這種能量;我們也還沒能在實驗環境裡發現超對稱的證據;而且更重要的是,弦論所描述的事物離我們所感受到的現實又更遠了——

十一個維度?
它們在哪?

然而,究竟什麼是真實呢?霍金認為所謂的真實是我們人的感知所賦予的特性,只要理論模型能夠適切描述眼前的世界,那這模型也就是真實了。

到最後,我們發現這樣的一件T恤還沒辦法做出來!
當然,因為萬有理論尚未現出全形。
霍金在其最新的科普著作中倒是表明了態度,認為或許我們已經無法將作用力進一步簡統合,世界就是這個模樣!接受它!費曼也認為統合並非必要(或者可能),只是如果真有這麼一回事,那就太美妙了。

為何那些理論物理學家如此想要找到萬有理論?
用佛克的說法,這或許其實來自一種宗教式的情懷:我們想要解釋世界。世界從何而來?生命的起源是什麼?暗物質到底怎麼一回事?宇宙最後的命運為何?

科學家其實也在追求他們的神。
那是一種堅韌的信念。
求真的信念。

或許也正是讓科學之所以如此美麗的信念。

老樣子,
最後簡附本書主要目次如下:

引言
第一章 光與影 希臘世界與科學的開始
第二章 新視野 哥白尼的革命
第三章 天體與地球 伽利略,牛頓,與現代科學的誕生
第四章 真知灼見的閃光 電、磁與光
第五章 相對論,空間與時間 愛因斯坦的革命
第六章 量子理論與現代物理 事情變得更不可思議了
第七章 把尾端綁緊 弦論會是救贖嗎?
第八章 意義何在? 科學、上帝與了解的極限
第九章 終曲

 

 

*本文原文發表於Alienatio.

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觀賞蝦身上長蟲?俗稱蝦蛭、也不盡然是寄生蟲的蛭蚓

YTLai_96
・2020/12/29 ・3250字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

近年來觀賞蝦養殖興起,連帶的也讓許多人注意到心愛的蝦子身上有時會出現細長的條狀物。對飼主而言,這些像水蛭一樣用前後吸盤交錯黏附移動的不速之客,通常都稱之為「蝦蛭」,而且看那副噁心的長條模樣,勢必就是寄生在蝦子身上造成病狀的禍首,非除之而後快不可。

不過,這些坊間流傳的資訊裡頭其實有些誤會,且讓我們一一道來。

黏在淡水蝦頭上的兩隻蛭蚓。圖/作者提供

那些很像蛭類的小東西

首先,雖然這些細長條狀的蟲像水蛭一樣,用前後吸盤交錯黏附移動,但是牠們其實並不真的屬於蛭類,而是蛭類的親戚,叫做蛭蚓(Branchiobdellidan)。

蛭蚓,顧名思義,就是長相上介於蚯蚓和蛭類的動物。一般而言,蛭蚓的體型微小,身體圓柱狀,僅有數公釐至一公分出頭。雖然蛭蚓和蛭類一樣都是以頭尾交替吸附的方式移動,但蛭類擁有口吸盤和尾吸盤,蛭蚓卻只有尾吸盤而沒有口吸盤。此外,比起擁有 27 節軀幹體節的蛭類,蛭蚓的軀幹體節數僅有 11 節,加上癒合為頭部的 4 節體節也才 15 節。整體而言,似乎像是簡單版的蛭類,因此 21 世紀之前,蛭蚓被視為是較原始的蛭類。

然而,藉著分子親緣技術與工具的進步,本世紀初的研究發現蛭蚓是與蛭類有共祖的姊妹群,而不是原始的蛭類。因此,蛭蚓身上這些看似簡單版的蛭類特徵,應該只是共祖的後代在適應環境的過程中演化的結果。

蛭蚓在解剖顯微鏡下的模樣,左邊為游離搖擺的頭部,右邊則是吸附於表面的尾吸盤。圖/作者提供

蛭蚓或許礙眼,但並不一定是寄生蟲

和蛭類相比,蛭蚓的生活史實在是更不獨立了點。蛭類當中僅有一部份種類不時得附著在其他動物身上吸血營生,但目前已知的所有蛭蚓終其一生都必須附著在其他動物身上,而且絕大多數是以淡水蝦如螯蝦、米蝦為附著的優先選擇,但也有附著於淡水等足目或其他淡水蝦蟹的記錄,因此蛭蚓對於附著的淡水甲殼類種類並沒有強烈的專一性。

話說回來,蛭蚓雖然整個生活史都要依附在淡水蝦身上,但並不表示牠一定就是對淡水蝦有傷害的寄生蟲。如果蛭蚓的依附讓淡水蝦的生活變得更辛苦,那麼蛭蚓就是對淡水蝦宿主有負面影響的寄生蟲;但如果蛭蚓的依附生活史對淡水蝦不痛不癢,那麼蛭蚓和淡水蝦宿主就是片利共生的關係;而若是蛭蚓的存在讓淡水蝦生活得更好,那麼兩者就是互利共生的關係了。

因此,雖然坊間對蛭蚓在觀賞蝦身上的危害言之鑿鑿,但過去的研究顯示,蛭蚓的食性其實多半是其他更小的無脊椎動物或浮游生物,也會啃食宿主外骨骼上附著的單細胞藻類和其他有機碎屑,況且牠們由兩片硬化的顎構成的口器,實在也不適合啃食宿主的組織或吸食宿主的體液。先前的多數研究也發現,北美洲的蛭蚓待在螯蝦宿主身上,大部分時候既不會提高螯蝦的死亡率,也沒有其他明顯的負面影響,因此蛭蚓和淡水蝦的關係,應該是以對蛭蚓有利、對淡水蝦宿主無害的片利共生為主。

北美螯蝦螯上的蛭蚓。圖/Wikipedia

更進一步而言,蛭蚓依附在淡水蝦身上啃蝕宿主外骨骼黏附的藻類和碎屑,其實可能對宿主是有利的。在一些先前的研究中發現,當蛭蚓在螯蝦宿主身上達到相當密度,則可能因為清理了淡水蝦宿主身上和鰓上沾附的碎屑和藻類,讓宿主變得更身輕如燕而健康,因此蛭蚓和淡水蝦宿主就像是清潔蝦與海鰻一樣,形成了互利共生的雙贏局面。

清潔蝦與海鰻的互利共生關係。圖/Wikipedia

然而,要說蛭蚓在淡水蝦身上一點壞處都不會有,倒也不盡然。近年來的研究發現,當蛭蚓在淡水蝦身上的密度過高,可能就會在吃光了宿主外骨骼上附著的碎屑和藻類之後轉而啃食宿主的鰓組織,因此對宿主造成了負面影響。過高的蛭蚓密度也會限制淡水蝦宿主的移動能力,讓宿主無法正常進食,並且更容易成為捕食者的目標。蛭蚓的胃內含物分析也發現,蛭蚓幼體的消化道中的確有宿主的鰓組織,但蛭蚓成體卻沒有,而且只有棲息在宿主鰓部的蛭蚓,消化道中才會出現宿主的組織。因此,在蛭蚓的生活史中,或許只有早期生活史的幼體階段,而且只有在蛭蚓正好棲息於淡水蝦鰓部的時候,才可能轉以寄生的形式造成宿主負面影響。

台灣的蛭蚓目前僅一種,而且所知不多

話說回來,上述的研究都是以北美的蛭蚓和螯蝦宿主為研究的對象。在台灣,目前已知的蛭蚓只有平頭霍氏蛭蚓(Holtodrilus truncatus一種,這種蛭蚓廣泛分佈在台灣、日本、韓國與中國,而且多半是在俗稱黑殼蝦的擬多齒米蝦(Caridina pseudodenticulata)、台灣米蝦(Caridina formosae)、白斑米蝦(Caridina leucosticta)、多齒米蝦(Caridina multidentata)、甚至玫瑰蝦(Neocaridina davidi)等的小型淡水蝦身上發現。根據研究,目前僅知分佈於日本本州中部紀伊半島的平頭霍氏蛭蚓的確存在著某些宿主偏好,當兩種不同的淡水蝦同時存在時,會選擇特定一種做為宿主,而且對宿主的選擇偏好也符合在野外觀察到的感染盛行率。至於牠們對宿主的影響是否相似於北美的蛭蚓和螯蝦宿主,也還不得而知,或許因為宿主的相對體型更小,使得台灣的蛭蚓和淡水蝦之間更可能趨近於寄生關係也說不定。

尷尬的是,由於近年來台灣在觀賞淡水蝦市場上輸出了不少淡水蝦個體,連帶的也讓平頭霍氏蛭蚓輸出到世界各國,成了異國水族缸裡的新成員。2020 年的波蘭研究發現,120 隻從台北運到華沙的水族賞玩用的台灣米蝦當中,總共找出了 122 隻附在蝦子身上的平頭霍氏蛭蚓,整體來說這些米蝦感染蛭蚓的比例達 23.3%,感染蛭蚓的米蝦身上平均有 4.4 隻蛭蚓。區分米蝦的性別來看,雄蝦感染蛭蚓的比例似乎稍高,但雌蝦感染的蛭蚓平均數量比較多。平頭霍氏蛭蚓感染的位置也有所偏好,有 44.3% 的感染落在胸足區域,22.1% 的感染在額角附近,其次是 21.3% 的感染在腹足與腹部區域,最後才是 12.3% 的鰓部感染。此外,雖然雌雄米蝦同樣在胸足區域有最多的感染,但雄蝦被蛭蚓感染的位置更常發生在腹足與腹部區域(43.3%),卻不曾出現在額角;反觀雌蝦被蛭蚓感染額角區域有29.3%,在腹足與腹部區域則僅有14.1%。

如何去除平頭霍氏蛭蚓

讓淡水蝦玩家皺眉的消息是,在 2020 年這一篇研究中,雌性台灣米蝦的鰓部、腹足和腹部區域的確可見些許損傷,雖然也可能有其他的原因,但這有可能就是因為平頭霍氏蛭蚓活動造成的。所以,即使蛭蚓可能無害,但對淡水蝦玩家來說,或許是看了討厭、或者是為求保險,總之也許還是希望將蛭蚓除之而後快。那麼,到底該怎麼做才好呢?

其實,去除蛭蚓最簡單的方式,就是將水體鹽度升高到 0.5% 以上。根據 2016 年的日本研究,平頭霍氏蛭蚓在水體鹽度達1%時,三小時內就會死光光,不過這個實驗是把蛭蚓從宿主身上取下來以後才進行的,所以各位淡水蝦玩家們哪天要是想依法炮制,千萬務必先確定手上的淡水蝦能夠忍受鹽度 1% 超過三小時,否則為了去除蛭蚓結果也讓心愛的蝦子魂歸西天,宿主因為附生的無害小蟲而玉石俱焚豈不得不償失,你說是不是哪?

參考文獻:

Brown BL, Creed RP, Dobson WE (2002) Branchiobdellid annelids and their crayfish hosts: are they engaged in a cleaning symbiosis? Oecologia 132: 250–255

Brown BL, Creed RP, Skelton J, Rollins MA, Farrell KJ (2012) The fine line between mutualism and parasitism: complex effects in a cleaning symbiosis demonstrated by multiple field experiments. Oecologia 170: 199–207

Farrell KJ, Creed RP, Brown BL (2014) Preventing overexploitation in a mutualism: partner regulation in the crayfish–branchiobdellid symbiosis. Oecologia 174: 501–510

Maciaszek R, Jabłońska A, Prati S, Swiderek W (2020) First report of freshwater atyid shrimp, Caridina formosae (Decapoda: Caridea) as a host of ectosymbiotic branchiobdellidan, Holtodrilus truncatus (Annelida, Citellata). Knowledge & Management of Aquatic Ecosystems 421: 33–40

Niwa N, Archdale MV, Matsuoka T, Kawamoto A, Nishiyama H (2014) Microhabitat distribution and behaviour of Branchiobdellidan Holtodrilus truncatus found on the freshwater shrimp Neocaridina spp. from the Sugo River, Japan. Central European Journal of Biology 9: 80–185

Tanaka K, Wada K, Hamasaki K (2016) Distribution of Holtodrilus truncatus, a Branchiobdellidan Ectosymbiotic on Atyid Shrimps in the Kii Peninsula, Western Japan, with Reference to Salinity Tolerance and Host Preference. Zoological Science, 33: 154–161

大高明史,陳榮宗(2010)台灣內水域新紀錄一種蛭蚓類及四種貧毛類。台灣生物多樣性研究 12: 97–110

大高明史,格爾德,大和茂之,陳榮宗,西野麻知子(2015)台灣匙指蝦類體表兩種外共生蛭蚓目及切頭類之共棲。台灣生物多樣性研究 17: 253–262

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YTLai_96
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也許永遠無法自稱學者,但總是一直努力學著
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