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森林大火發生時,動物們在做什麼?

淨妍
・2019/01/11 ・2682字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

今年的夏天十分火熱,乾燥的天氣讓世界各地頻頻發生嚴重的森林大火,美國北加州、瑞典、希臘都有災情傳出。除了為人類帶來生命、財產的損失,對森林裡的動物們來說,大火也是一道攸關性命的關卡。到底森林大火發生時,森林內部會呈現什麼樣的情景?火災發生後,森林的生態又會有什麼樣的改變?

森林內部會呈現什麼樣的情景?火災發生後,森林的生態又會有什麼樣的改變?
圖/pixabay

逃生、打劫、點火 森林大火時的動物亂象

「野生動物和大火有很長期的關係。」俄亥俄州立大學的生態系統學家 Mazeika Sullivan 曾在一篇訪問中說到。

大火是森林生態的一部分。夏天時,溫帶地區森林只要擁有燃料、氧氣和熱源三個關鍵要素,再加上足夠乾燥的空氣,就很有可能發生森林大火。燃料是指森林的樹木及落葉等易燃物;熱源可分為自然與人為兩種:閃電、熱風、陽光都屬自然熱源;而未熄滅的篝火、菸蒂則是人為導致的起火點。

在森林露營後,沒有把篝火完全熄滅,很有可能會釀成森林大火。
圖/pixabay

面對森林大火,動物會本能的逃離,牠們大部分都了解自己該做些什麼,畫面大概就像動畫電影《小鹿斑比》描繪的那樣:能飛的飛,能跑的跑;兩棲類或是其他小型動物則有可能往樹洞、石頭縫裡鑽;部分像是麋鹿等大型動物則會往小溪、湖泊等有水的地方避難。2014 年,澳洲的一名消防隊員在森林裡滅火時,目擊到一大群無脊椎動物逃離火災,密密麻麻的在地面往個方向前進,場面十分壯觀。

動畫電影《小鹿斑比》中,動物逃離森林大火的片段。
圖/giphy

大部分的動物會安分守己的逃離火災,而部分動物如棕熊、浣熊和猛禽則會「趁火打劫」,捕食那些正在逃難的動物,澳洲甚至還存在會助長火勢的鳥類。

根據 BioOne 的一篇研究,他們觀察到黑鳶 (Milvus migrans)、嘯栗鳶 (Haliastur sphenurus) 及棕鶻 (Falco berigora) 會用鳥喙叼住或爪子抓住燃燒的樹枝,丟進可能有動物藏身的樹叢中,將躲藏其中的動物趕出來,並招呼同類一起享用這些「大餐」。

除了慘遭捕食的動物們,另一部份逃離不成的動物也會葬身火窟。有些動物是因為生病或是太過幼小,跑不過大火蔓延的速度;有些則是不會使用正確的逃離方式,像是天生會爬樹的無尾熊在逃生時,牠們爬樹的本能只會讓牠們困住自己。

森林大火會降低生物多樣性嗎?

而除了動物以外,各類植物、菌類則是連逃都無法逃離,只能任由大火帶走它們的生命,這樣會對森林生態環境帶來什麼樣的影響?答案是「不一定」。根據森林大火燃燒的火勢與當地環境的不同,會對森林的 β 多樣性產生不同的影響,甚至會出現截然相反的情況。

β 多樣性又稱為棲所間多樣性 (between-habitat diversity),指的是沿環境梯度的不同棲地之間物種組成的的相異性物種的更替速率,當 β 多樣性越高時,能生存其中的物種較多,因此生物多樣性也比較高。

森林大火帶走了許多動、植物的生命,會對森林生態環境帶來什麼影響?
圖/pixabay

較嚴重的森林大火,可能會造成樹冠層的植物全部死亡或是廣大範圍的土壤溫度升高,這些情況都會導致 β 多樣性降低。因為火災過後,森林只剩下那些耐干擾1或是拓殖2速度快的物種,讓物種組成變得單一;而若是一片森林的燃燒程度有高有低,則會形成物種耐干擾程度不一的地景鑲嵌體3,反而會提高 β 多樣性。

除了對生態多樣性的直接影響,森林大火還會另外帶來一些好處:它會燃燒死亡、腐爛的動、植物,讓營養物質回到土壤中;它還可以作為農藥,清除森林生態系統中被疾病纏身的植物和有害昆蟲;而透過燃燒茂密的樹叢,使陽光照射到森林地面,大火能夠讓新一代的幼苗得以生長。

森林大火創造的鮭魚水中樂園

森林大火對水域生態環境的影響也逐漸受到重視。去年 7 月,Science 發表了一篇研究,內容有關美國的森林大火對溪中的帝王鮭 (Chinook salmon) 和強壯紅點鮭 (Bull trout) 的影響。他們發現,樹木因為大火而倒塌在溪流中,增加了河床深度並製造可躲藏的空間,大大減少鮭魚們被水流沖走或是被吃掉的機率。

森林大火為鮭魚帶來更多的棲息地。
圖/pixabay

然而,這些倒塌樹木形成的坑洞因為水流與沉積物等條件不夠穩定,並不適合鮭魚產卵,所以森林大火過後的一段時間,魚卵和魚苗的數量都會減少。但這樣的減少只是短時間的現象,以長期的影響來看,鮭魚的棲地多樣性會因為森林大火而增加。

綜合目前有關森林大火的研究,雖然我們知道它會影響世界各地的溫帶的陸域與水域生態系統,但實際可考察的數據其實並不多,再加上全球暖化的關係,森林大火越加難以控制,生態系統的變動也存在許多未知數,因此,未來森林大火對環境造成的影響還須持續觀察。

圖/pixabay

註解

  1. 干擾 (disturbance):干擾分為天然與人為兩種。天然干擾包含火災、侵蝕、地滑、火山活動、病蟲害等;而伐木則屬人為干擾。
  2. 拓殖 (colonization):植物的繁殖體在一個新的地區萌發、成長並繁殖後代的過程。
  3. 地景鑲嵌體 (landscape mosaic):由區塊 (patch)、廊道 (corridor) 、本體 (matrix) 等三種地景空間元素所組成,森林景觀的探討通常都集中在三者互動關係及其所形成的機制。

參考資料

文章難易度
淨妍
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泛科的新人實習生,希望能在這個資訊過量的時代裡,留下有價值文字。 另一個身分是「喀報」記者https://castnet.nctu.edu.tw/search/%E6%88%B4%E6%B7%A8%E5%A6%8D


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水熊蟲真的能跟量子位元「量子糾纏」嗎?

linjunJR_96
・2022/01/20 ・2128字 ・閱讀時間約 4 分鐘

身形嬌小的水熊號稱地表最強生物,能夠透過獨特的「隱生」能力在最極端的環境下存活。這種狀態有點類似冬眠,遇見不利生存的條件時將所有代謝活動停止。

近期,有一國際研究團隊宣稱這種生物還有另一種出乎意料的能耐:和超導量子位元進行量子糾纏。用生物體做量子糾纏可是前所未聞,讓大家都嚇壞了。不過這個實驗究竟做出了什麼結果,讓作者可以做出這種宣稱?科學家沒事又為什麼要去抓水熊來糾纏呢?

掃描式電子顯微鏡下的水熊成蟲。圖/EOL

什麼是量子糾纏?

量子糾纏是量子力學獨有的一種描述,至於實際上到底是在「糾纏」什麼,可以參考先前這篇文章[2]

儘管名字聽起來很神祕,但量子糾纏並不只存在於科幻電影和內容農場,現今在實驗室中造出糾纏的粒子對早已是稀鬆平常的技術。量子計算和量子傳送等應用領域就是以糾纏作為基礎發展至今。

雖然這樣說,但利用糾纏粒子將物品或人類在星際間傳送的夢想可能還得再等等。因為目前能夠成功被「糾纏」的都是個別的金屬離子、奈米大小的粒子、和鑽石結晶這類易於控制,結構簡單的微小目標物。

相對於這些乾淨整齊的系統,生物體的結構可說是極為雜亂複雜,難以成為量子實驗的對象。

此外,為了減少物質本身熱能所帶來的振動影響,糾纏的實驗程序時常需要在接近絕對零度的低溫環境下進行。在這種溫度下不只生命無法延續,許多物質的特性也都已經改變。

因此,儘管實驗方面已經發展許久,要對活生生的生物進行量子糾纏仍是相當遙遠的目標。對量子力學來說,整個生物世界太亂又太熱,完全不會想靠近一步。正因如此,這篇拿水熊做實驗的文章才引起了大家的關注。

水熊和超導量子位元的糾纏

水熊一般只有幾百微米大,算是「巨觀」生物中相對微小的種類,要做量子實驗的話較好下手;更重要的是水熊能夠以隱生狀態度過嚴苛的實驗環境,爾後再重新恢復活力,如此一來要是成功便也算是對生物體進行量子糾纏了。

實驗團隊於是將一隻水熊放到了絕對溫標 0.01 度(也就是只比絕對零度高 0.01 度),同時接近真空的環境中,在此和兩個超導量子位元進行實驗。他們將水熊放入其中一個量子位元零件中,並觀察到位元的共振頻率產生改變。接著他們用常見的量子計算程序將兩個位元進行糾纏,並測試糾纏結果。

根據測試的結果,作者宣稱水熊和兩個量子位元形成了三個位元的組合態。也就是說,水熊在這裡變成了第三個等效的量子位元,和另外兩個超導位元糾纏在一起!實驗結束後,水熊周遭的溫度和壓力被緩慢恢復至適合生存的範圍,最後重新開始代謝活動。

作者宣布他們突破了以往的實驗限制,打開了通往量子生物學的大門,並以「水熊和超導量子位元的糾纏」為題,將文章的預印版放上了 arXiv 網站,引起科學界一片譁然。

圖/GIPHY

等等,這其實不用量子力學也能解釋

雖然實驗相當有趣,媒體也爭相報導,但是許多物理學家認為這份研究的標題過為聳動,突破性恐怕也是過於誇大。

超導量子位元其實跟一般電子零件一樣,裡面有電容、電感等等基本單元所組成的電路;而接近絕對零度的水熊,基本上能當成一小團冰塊。

實驗團隊將冰塊放到電容裡面,會改變它的共振頻率等特性其實不足為奇。如果電容裡面掉進了一些灰塵,其電路性質也會受到類似的影響。

不論零件中放入冰塊,灰塵,還是螞蟻,這些影響都是「傳統」的電磁學可以描述的,並非量子現象。

也就是說,作者宣稱的「整隻水熊做為一個量子位元進入了量子糾纏態」這個解讀不只言過其實,甚至有誤導之嫌。這篇文章目前還未投稿至期刊,因此沒有經歷同行科學家的審查,還不算是夠格的科學實驗結果。

關於這份研究有哪些方面需要改進,目前仍是備受爭辯的有趣問題。不過有件事是大部分人都同意的,那就是這次實驗再度刷新了水熊生存能力的極限。或許將來某天,水熊的隱生能力真的能成為生物世界和量子物理之間的橋樑。不過就目前而言,好奇心滿點的物理學家得再更努力些。

編按:該如何驗證量子糾纏,可以參考〈驗證量子纏結的貝爾不等式 │ 科學史上的今天:06/28〉,此論文的主要問題是不能藉由實驗設計,來確認三者共振頻率改變是源自於量子糾纏。

參考資料

  1. 看過「水熊蟲」走路嗎?——牠的步態與 50 萬倍大的昆蟲很相似!
  2. 照出黑洞不算什麼,科學家連量子纏結都能拍到!?
  3. 水熊和超導量子位元的糾纏(原文)

linjunJR_96
2 篇文章 ・ 2 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。