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從大彗星風蘭之謎到基因體解碼,蘭花的祕密都在這裡!來花博花舞館賞花兼長知識吧!

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2018/11/22 ・4269字 ・閱讀時間約 8 分鐘

在我的一生中,最感興趣的莫過於蘭花了。

──達爾文致虎克信件

西元 1862 年,達爾文與大彗星風蘭 (Angraecum sesquipedale)首次相遇。大彗星風蘭在花的後方延伸出了長達 30~40公分的「花距」,這個特殊的構造徹底衝擊了達爾文對蘭花的想像,也成為他畢生未解的謎題。

大彗星風蘭。圖/Wilferd Duckitt from Darling, South Africa – 592A7605, CC BY 2.0,

蘭花困擾達爾文的多變特性,也正是其魅力所在。作為蘭花王國的台灣,形形色色的蘭花展出並不少見。欣賞其姹紫千红百態的同時,你是否曾經好奇過蘭花究竟為何、又如何發展出如此多樣的花色與種類呢?除了欣賞其美姿,形態多變的蘭花有哪些特點值得細細觀察呢?

今年台中世界花卉博覽會於外埔、后里、豐原三地盛大登場,呈現出台灣在花卉培育上令人驚豔的軟實力。其中在后里馬場園區的「花舞館」,以蘭花為主角,完整展現了其多樣性及台灣蘭花的產業發展及育種的成果,正是想認識蘭花最好的場所。接下來,就讓我們從蘭花的基本型態出發,一步步初窺這種大自然中最讓人腦洞大開的開花植物吧!

台中世界花卉博覽於后里馬場園區的「花舞館」,以蘭花為主角,完整展現了其多樣性及台灣蘭花的產業發展及育種的成果。攝影/莊貴竣

就是要不一樣!從「標準」一朵花談起

開花植物最「標準」的一朵花,主要有四個基本構造:萼片、花瓣、雄蕊及雌蕊。而在蘭科植物中,雌蕊和雄蕊會合生在一起,這個特殊的構造被稱為「蕊柱」。

右圖為龍膽科的新店當藥(Swertia shintenensis),它的花四個基本構造萼片、花瓣、雄蕊及雌蕊都很分明;左圖為蘭科繖花捲瓣蘭(Bulbophyllum umbellatum),雌蕊跟雄蕊明顯合生為蕊柱。攝影、製圖/莊貴竣

而蘭花的花瓣也多由「大家都一樣」的單一形態,演變成「我們不一樣」的差異外型。

右圖為香蘭(Haraella retrocalla);中為蓬萊隱柱蘭(Cryptostylis taiwaniana);左為台灣金線蓮(Anoectochilus formosanus)攝影、製圖/莊貴竣

另外大多數的蘭科植物還有個很重要的特色,會將成千上萬的花粉集結成「花粉塊」(如下圖所示)。

攝影、製圖/莊貴竣

因此單次成功授粉,就能夠形成上千至數十萬顆的種子。驚人的種子數量也造就了無數的的形態差異,原生的蘭科植物現今將近三萬種,占了開花植物將近 10%的種類,也因而成為達爾文醉心研究的類群。

透過達爾文的眼睛看蘭花

本次就讓我們先透過達爾文的觀點,穿梭在花舞館中一同認識豐富多樣的蘭花類群吧!踏入花舞館的展區,昏黃的燈光會將你引導走進達爾文的長廊當中,時光倒轉回到 9000 多萬年前,回到蘭花的演化起點:擬蘭亞科 (Apostasiodeae)。

擬蘭亞科的花朵形態,基本上還沒有開始「與眾不同」,顛覆了我們前面對蘭花的基本認知;此時它們還具有分開的雌、雄蕊,花瓣型態幾乎完全相同且輻射對稱,花粉粒還是維持散生的原始型態,棲息的環境皆為地生性。但隨著演化的腳步,緊接著出現的類別就開始「搞怪」:包括梵尼蘭亞科 (Vanilloideae),喜普仙履蘭亞科 (Cypripediodeae)、蘭亞科 (Orchidoideae),以及樹蘭亞科 (Epidendroideae),它們呈現出兩側對稱、具有特殊形態花瓣的特性、散生的花粉也集結形成花粉塊,棲息的環境也從地生性拓展成附生性、岩生性的多種可能。

這些變化也會影響與蘭花互動的授粉者(如昆蟲)其種類與行為,而一旦授粉者發生了變化,也會再回過頭來成為影響蘭花外型的重要因子,因此在長期共同演化的過程中,蘭花的變化往往超乎人類的想像。在花舞館達爾文長廊的尾端,便娓娓道出了大彗星蘭的故事:

達爾文當時就大膽預測,與大彗星蘭互動的授粉昆蟲,口器可以伸長超過30公分,才能獲取大彗星蘭花距末端的花蜜並且協助大彗星蘭的花粉傳播;但這個假設直到達爾文辭世的那天,都沒有獲得證實。一直到40年後,謎團的解答,一種有如神話般的天蛾(Xanthopan morgani praedicta)才在馬達加斯加島被發現。

蘭花就是這麼充滿驚奇的物種,但到底為什麼它們會具有這麼高度的多樣性呢?這些變化又有什麼用途呢?不妨就走進花舞館,一步步揭開蘭花的神秘面紗吧。

門道在這裡:各式各樣的「唇瓣」

讓我們先從蘭花的基本形態看起:由內而外,位於花朵最外部是三片萼片(如下圖橘色圓點所示);內輪的三片則為花瓣(如圖中粉紅色正方形所示),而其中,與蕊柱(圖中藍色三角形所示)相應的花瓣被稱為「唇瓣」,其形態在蘭花中最為多變。

唇瓣由於位置的關係,時常具有提供授粉昆蟲停棲、甚至是肩負吸引授粉昆蟲的重要使命,所以在蘭花與授粉昆蟲共演化的歷程中,唇瓣往往出現天翻地覆的變化。因此在觀賞蘭花時,也不妨留意許多種類的唇瓣以及萼片都出現特殊的形態喔。

以下舉幾個種類來看看特寫:

拖鞋蘭屬的唇瓣會特化成大型的囊袋狀,作用在於讓授粉昆蟲掉落後能引導其順著囊袋往上到達上方的蕊柱,協助兩側花粉塊的傳播。
日本風蘭屬的唇瓣則是會向後延伸出一個短距,裡頭能夠分泌花蜜,吸引具有長口器的授粉者前往取食。
石斛蘭屬中有一群來自澳洲、菲律賓及爪哇的羚羊石斛,除了艷麗的唇瓣外,兩側的萼片會不斷反卷並垂直向上伸展,形成有如羚羊般的長角。
豆蘭屬兩側的萼片會相對延長,形成尖尾狀,所以相比較之下,唇瓣便比較沒那麼顯眼,但是如果稍微遇到震動或氣流,唇瓣可是會上下擺動的喔。
因為授粉時與授粉昆蟲接觸角度的影響,天鵝蘭屬的蕊柱演化為特別延長的型態,形成有如天鵝般的長頸。

除此之外,還有太多花部形態上有趣的變化,像是外型、顏色對比、線條及斑點,都等著你自行來發現喔。

來花博花舞館賞花兼長知識吧!-1

另外仔細觀察的話,還可以找到所謂「三唇瓣」或「重瓣」的特殊現象。這些可能是自然繁殖過程中所出現的體細胞變異,或是因為後天科學家透過誘導基因表現所形成的特殊種類,所以當你細細品味花瓣及萼片的各種變化時,這或許是一個意想不到的驚喜喔。

左為重瓣石斛蘭,右為三唇瓣的石斛蘭。

離地不失水:蘭花的「假球莖」

蘭花演化到後期,除了紮根於腐植質土壤的生活方式,也出現了許多能夠附著在大樹表面或岩石表面的種類。有別於蘊含水分及養分的土壤,大樹及岩石的表面幾乎留不住水分,因此這些附生性的蘭花演化出了「氣生根」的構造來吸收空氣中的水氣,並且為了能夠儲存水分及養分,更演化出抵抗乾旱的重要構造「假球莖」。不同的種類假球莖的形式也大不相同,有些呈現卵形,有些則是棍棒形、圓柱形、竹筍形。在下面的相簿中,讓我們來看看假球莖能夠有什麼樣的變化吧!

觀察蘭花的假球莖

  • (點擊圖簿可看更多精彩的畫面喔)

在台灣這塊土地上的蘭花們

你知道嗎?在面積僅有三萬五千多平方公里的台灣,就有高達一百零一屬,超過四百種以上的原生蘭花,可以說是名符其實的蘭花王國。本次在花舞館的現場,仔細尋找就能夠發現許多台灣原生蘭花的蹤跡,和其他各國的特色蘭花同場競艷,其中還有許多是侷限分布或是數量稀少的種類,可以說是十分難得的機會喔。

各種台灣原生的蘭花都在這裡啦

  • (點擊相簿可看更多精彩的畫面喔)

在驚艷於台灣原生蘭種在大自然所演化出的萬千姿態後,更別忘記台灣農民這些年來在台灣所發展出來獨步全球的育種技術。除了傳統的選拔育種、雜交育種之外,透過各研究單位對於蘭花基因密碼與其調控功能的了解,誘導或抑制特定基因表現,成功的創造出了更多不同性狀的蘭花。再搭配上分工詳盡的組培技術,讓這些具有優秀性狀的品種能夠以穩定的品質與數量打響台灣在國際上蘭花王國的品牌。

花舞館的展示中,以壯觀的蜂巢的結構展現了台灣蘭花育種的多樣性成果,每一格美麗的展品都是台灣農民辛苦孕育的品種,上面的裝飾則象徵了遺傳物質中鹼基的基本形式。

關於蘭花的謎團:解答的開始

2014年,成功大學與國際團隊共同合作完成了桃紅蝴蝶蘭的全基因體解序,這也是全球第一個全基因體解序的蘭科植物;而2017年9月,成大團隊又進一步針對原始的擬蘭完成了全基因體解序。最原始的擬蘭亞科,以及演化後期所出現樹蘭亞科的遺傳密碼皆被破解,未來只要有更多研究,透過分析與對比遺傳密碼,科學家將能夠開始解開眾多有關蘭花的謎題:唇瓣及萼片的外型及顏色是如何被調控?蕊柱及花粉塊的形成又是藏著什麼樣的秘密?蘭花能夠附著在樹上及岩石上生長有哪些關鍵原因?這些困擾達爾文多年的疑問,終於開始獲得解答。

在花舞館一樓展區的最末,策展團隊布置了一組「達爾文的書桌」,在此處彷彿還能感受到達爾文當時觀察大彗星風蘭時的悸動。而與書桌相互遙望的佈置,則是未來對於蘭花智慧掃描系統的願景規畫。從傳統的採集觀察到現代的基因分析,關於蘭花多樣性的拼圖正一片片拼上,但也還有更多更多連問題都難以名狀的謎團等著我們去探索!

台中花博花舞館「達爾文的書桌」

延伸閱讀

本文由台中市政府新聞局委託,泛科學企劃執行

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地震規模越大,晃得越厲害?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/16 ・3706字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

某天,阿雲跟阿寶分享了一個通訊軟體上看到的資訊:

阿雲:「欸,你知道最近有個傳言說,花蓮有 7.7 級地震,如果發生的話台北會有 5.0 級的震度耶!」

阿寶:「蛤?那個傳言也太怪了吧,應該是把規模和震度搞混了!」

震度:量度地表搖晃的單位

確實常常有人把地震的規模跟震度搞混,實際上,因為規模指的是地震釋放的能量大小,所以當一個地震發生時,它的規模值已經決定了,只是會因為測量或計算的方式不同,會有些許的數字差異,而一般規模計算會到小數點後第一位,故常會有小數點在裡面。然而震度指的意思是地表搖晃的程度,度量表示方式通常都是以「分級」為主,比如國外常見、分了 12 級震度的麥卡利震度階,就是用 12 種不同分級來描述,而中央氣象局目前所使用的震度則共分十級,原先是從 0 級到 7 級,而自 2020 年起,在 5 級與 6 級又增了強、弱之分,也就是震度由小而大為 0-1-2-3-4-5弱-5強-6弱-6強-7 等分級,所以在表示上我們以整數 + 級或是強、弱等寫法,就可以區分規模和震度,不被混淆了!

而為什麼專家常需要強調震度和規模不一樣?那是因為震度的大小,是受到許多因素的影響。地震發生後,造成地表搖晃的主要原因是「地震波」傳來了大量能量,規模越大的地震,代表的就是地震釋放的能量越大,就像是你把擴音的音量不斷提高時,會有更大的聲音傳出一般。所以當其他的因素固定時,確實會因為規模越大、震度越大。

可是,地震波的能量在傳播過程中也會慢慢衰減,就像在演唱會的搖滾區時,在擴音器旁往往感覺聲音震耳欲聾,但隔了二、三十公尺之外,音量就會變得比較適中,但到了會場外,又會變得不是那麼清楚一樣。所以無論是地震的震源太深、或是震央離我們太遙遠,地震波的能量都會隨著距離衰減,一般來說震度都會變得比較小。

「所以,只要把那個謠言的台北規模 5.0 改為震度 5 弱,說法就比較合理了嗎?」阿雲說。

「可是,影響震度的因素還有很多,像是我們腳下的岩石性質,也是影響震度的重要因素。」阿寶說。

場址效應:像布丁一樣的軟弱岩層放大震波

原本我們都會覺得,如果地震釋放能量的方式就像是聲音或是爆炸一般,照理說等震度圖(地表的震度大小分布圖)上會呈現同心圓分布,但因為地質條件的差異,分布上會稍微不規則一些,只能大致看出震度會隨著離震央越遠而越小。地震學上有一個專有名詞叫做「埸址效應」,指的就是因為某些特殊的地質條件下,反而讓距離震央較遠的地方但震度被放大的地質條件。其中最常見的就是「軟弱岩層」和「盆地」兩種條件,而且這兩種還常常伴隨在一起出現,像是 1985 年的墨西哥城大地震,便是一個著名的例子。

影片:「場址效應」是什麼? 布丁演給你看

墨西哥城在人們開始在這邊發展之前,是個湖泊,湖泊中常有鬆軟的沉積物,而當湖泊乾掉之後,便成了易於居住與發展的盆地。雖然 1985 年發生的地震規模達 8.0,但震央距離墨西哥城中心有 400 公里,照理說這樣的距離足以讓地震波大幅衰減,而地震波傳到盆地外圍時,造成的加速度(PGA)大約只有 35gal,在臺灣大約是 4 級的震度,然而在盆地內的測站,卻觀測到 170gal 的 PGA 值,加速度放大了將近五倍,換算成震度,也可能多了一至二級的程度,也造成了相當程度的災情。盆地裡的沉積物,就像是裝在容器裡的布丁一樣,受到搖晃時,會有更加「Q 彈」的晃動!

1985 年墨西哥城大地震的等震度圖。圖/wikipedia

因此,在臺灣,雖然臺北都會區並沒有比其他區有更多更活躍的斷層,但地震風險仍不容小覷,因為臺北也正是一個過去曾為湖泊的盆地都市,仍有一定程度的地震風險,也需要小心來自稍遠的地震,除了建築需要有更強靭的抗震能力,強震警報能提供數秒至數十秒的預警,也多少讓人們能即時避災。

斷層的方向與震源破裂的瞬間,也決定了等震度圖的模樣

阿雲似懂非懂的接著問:「可是啊,為什麼有的時候大地震的等震度圖長得很奇怪,而且有些時候震度最大的地方都離震央好遠呢!也太巧合了吧?」

「這並不是巧合,因為震央下方的震源,指的其實是地震發生的起始點,並不是地震能量釋放最大的地方啊!」阿寶繼續解釋著。

「蛤!為什麼啊?」阿雲抓抓頭,一邊思考著。

地震是因為地下岩層破裂產生斷層滑動而造成的,雖然不是每個地震都會造成地表破裂,但目前科學家大多認為,地震的破裂只是藏在地底下,沒有延伸到地表而已,而且從地震的震度,也可以看出地底下斷層滑移的特性。

斷層在滑動時,主要的滑動和地震波傳出的地方,會集中在斷層面上某些特定的「地栓」(Asperity)之上,這些地栓又被認為「錯動集中區」,而通常透過傳統的地震定位求出來的震源,其實只是這些地栓中,最早開始錯動的地方。但實際上,整個斷層錯動最大的地方,往往都不會在那一開始錯動的地方,就像是我們跑步時,跑得最快的瞬間,不會發生在起跑的瞬間,而是在起跑後一小段的過程中,而錯動量最大的區域,才會是能量釋放最大的地方。而或許是小地震的地栓範圍小,震央幾乎就在最大滑移區的附近,因此也看不太出來,通常規模越大,震源的破裂行為會隨著時間傳遞,此效應才會越明顯。

震源與震央位置示意圖。圖/中央氣象局

那麼斷層上的地栓位置能否確認?這仍是科學上的難題,但近年來科學進展已經能讓我們透過地震波逆推斷層上的錯動集中區,至少可以透過地震波逆推斷層破裂滑移的型式,得以用來比對斷層破裂方向對震度分布的影響。以 2016 年臺南—美濃地震為例,最大錯動量的地區並不在震央所在的美濃附近,而是稍微偏西北方的臺南地區,也就是因為從地震資料逆推後,發現斷層在破裂時是向西北方向破裂。而更近一點的 2018 年花蓮地震,錯動量大、災害多的地方,也是與斷層破裂方向一致的西南方。

一張含有 地圖 的圖片  自動產生的描述
2016 年臺南美濃地震的等震度圖。圖/中央氣象局

透過更多的分析,現在也逐漸發現破裂方向性對於大地震震度分布的影響確實是重要議題。而雖然我們無法在地震發生之前就預知地栓的位置,但仍可從各種觀測資料作為基礎,針對目前已知的活動斷層進行模擬,就能做出「地震情境模擬」,並且由模擬結果找出可能有高危害度的地區,就能考慮對這些地區早先一步加強耐震或防災的準備工作。

多知道一點風險和危害度,多一份準備以減低災害

但是,直到目前為止,我們仍無法確知斷層何時會錯動、錯動是大是小。科學能給我們的解答,只能先評估出斷層未來的活動性中,哪個稍微大一些(機會小的不代表不會發生),或者像是斷層帶附近、特殊地質特性的場址附近,或許更要小心被意外「放大」的震度。而更重要的是,當地震來臨前,先確保自己的住家、公司或任何你所在的地方是安全還是危險,在室內要小心高處掉落物、在路上要小心掉落的招牌花盆壁磚、在鐵路捷運上要注意緊急煞車對你產生的慣性效應…多一些及早思考與演練,目的就是為了防範不知何時突然出現的大地震,在不恐慌的情況下保持適當警戒,會是對你我都很重要的防震守則!

【參考文獻】

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