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認識植物世界的 Pokemon GO:植物標本是這樣製成的

Iyusungu Su
・2019/06/26 ・2462字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 474 ・五年級

說到標本,大家通常會想到的是泡在福馬林中一罐罐的屍體,或是內臟被掏空骨架內塞滿棉花的動物,也有可能是被釘在保麗龍上的昆蟲。其實,還有另外一種大家比較不熟悉的標本類別。在做植物研究時,為了鑑定物種或是做調查記錄,也經常要將野外採集的樣本帶回來做為材料。但植物也會爛掉,所以我們必須製作植物標本,又稱「臘葉」標本,來長期保存這些重要的研究資源。

我們印象中標本。圖/蘇昱。

為什麼會叫「臘葉」標本呢?不知道大家有沒有吃過臘肉,臘肉的製作過程就是用大量的鹽份讓肉脫水減少水分,使肉類能長期保存。而臘葉標本的製作,顧名思義就是讓植物的葉子與其他組織脫水,以達到長期保存的目的,以下就開始介紹臘葉標本的製作過程吧。

植物臘葉標本。圖/蘇昱。

植物標本的製作流程

1.標本採集

在野外時我們會選擇需要的目標物種做採集,採集時會記錄時間GPS 座標生育地環境植株物候採集者採集編號,並且放入夾鏈袋中保存。而採集時需要注意該植物的狀況,如果是很稀有的植物、蟲蛀、生病或枝條稀疏的植物不會做採集;採集時要用修枝剪在植株上靠近節間較不會影響它生長的地方平整剪下,剪下的枝條至少要20 cm 以上,要包含葉子排列的方式(葉序),且盡量要有花或有果實等辨認特徵;而草本植物則要連根部的完整植株都要採回來。

著高枝剪找植物。圖/蘇昱。

2.放進標本夾

採回來的新鮮植物我們會稍微整理,去掉過多的葉子與一些土壤或附在上面的昆蟲。將植物平整放在報紙上,擺好想定型的「姿勢」,並用報紙或紙板將突出的果實或花周圍墊高避免壓壞,之後就可以用紙板夾住,再用標本夾夾緊了。這樣一來可以用報紙與標本夾把水分吸出來,也可以保持標本平整。

標本夾。圖/蘇昱。

3.烘乾

烘乾是為了加速標本乾燥的方式,通常我們會將整個標本夾放進溫度約在攝氏50度的烘箱中,烘乾三至四天,使其含水量降低,達到目的。如果沒有烘箱也沒關係,只要每一到兩天更換夾標本的報紙,並將標本放置在通風乾燥處,過一至兩周也可以製作完成臘葉標本。

烘箱內的樣子。圖/蘇昱。

4.上台紙

烘乾完的標本失去水分、也缺乏彈性非常脆弱,必須固定在「台紙」上。台紙就是專門固定標本的紙板,這種紙板不會含有一些酸性化學成分,避免侵蝕與破壞脆弱的植物標本。固定植物的方式有很多種,成本最低但較花時間的方式是一針一線縫上去,但遇到豆科的羽狀複葉就會很崩潰,或者可以用專門的膠帶貼上台紙。完成固定後還必須要貼上標註有物種名字、採集地點、採集者、鑑定者、與其生育環境等備註的標籤紙,才算製作完成。

上到台紙的台灣馬醉木標本。圖/蘇昱。

5.保存

製作好的標本會收藏在標本館裡,那是一間全年恆溫恆濕、且會定期除蟲的地方。標本在那會按照系統分類並且管理與維護,就如同植物的圖書館一樣,我們可以透過索引找到想要找的植物標本,也可以登錄世界標本館資料,讓全世界知道這裡的標本館收藏哪些植物、提供研究者查閱。

對科學研究不可或缺的寶藏:標本

最初會製作標本,是因為大航海時代的探險家與生物學家們到了一個沒有人去過的荒島,要將島上的生物發表與命名,必須要有物種實體的證明。

所以就將動物泡在白蘭地、葡萄酒中,而植物則曬乾帶回自己的國家。而這項行為一直持續到現在在發表新物種時需要附上「模式標本」,作為這個物種的特徵鑑定標準,並且提供後人比對與查閱。

植物種類非常繁雜與變化多端,那我們要如何知道這兩個是不是同一個物種?很多時候就要用到標本的輔助,去查閱上段提到的模式標本或是其他已經鑑定出來的標本,比對兩者的特徵就可以做植物分類上的依據。

標本上會標示採集的地點,則可以透過這樣的資訊了解該物種的時間與空間分布。例如在日治時期台灣北部有一物種的採集標本與紀錄,但是現在在那附近已經找不到該植物的活體,而進階去討論是什麼樣的變化例如都市開發、環境變遷或物種競爭,造成該物種在這個地區族群消失。

了解植物的物候變化,也是透過標本的資訊紀錄,我們可以知道該物種在幾月的時候開花,幾月的時候結果實,例如有一個植物在二十年前時有10份標本紀錄在三月開花,但現今該物種都是在二月就開花了,可以進階探討為什麼經過二十年開花時間會提早?是溫度變化、土壤變化或是其他種種原因。

總之植物標本提供研究上非常大的幫助,包含植物分類、植物生態等等,是不可或缺且極為重要的研究材料。

大學時最快樂的一段歷程

森林系一定會有的作業是採集、製作標本。印象最深的一次採集是去蘭嶼,同船的其他乘客穿著海灘褲、拖鞋、墨鏡,手裡拿著相機、潛水裝備,而我是穿著雨鞋手拿高枝剪(過海關時還被問了老半天)、標本夾、採集袋,完全是活在平行宇宙的樣子。到蘭嶼後其他人都是玩水看海,只有我們整天往山裡跑,看見很多熱帶季風雨林型的植物與蘭嶼因為島嶼隔離演化出來的「蘭嶼特有種」對於森林系學生來說非常興奮的,這段採集時光可以說是大學時最快樂的一段時間。

在青青草原拍台灣百合。圖/周齊。

採集植物標本可以讓我們親身體會並仔細觀察台灣植物種類的豐富與多變,並且透過實戰經驗加深對各種植物的認識,包含辨識特徵與認識他的習性等等,帶回來的材料也非常珍貴,可以提供很多科學研究最直接且有力的證據。

蘭嶼民宿壓標本的晚上。圖/吳啟禎。

小小的標本可以帶來這麼大的用處,其實是難以用言語描述的,希望大家可以多往山裡走走,用心且實際去感受台灣森林的魅力吧。

文章難易度
Iyusungu Su
2 篇文章 ・ 2 位粉絲
一位研究臺灣海拔 3,000m 以上高山植群生態的研究生,研究樣區幾乎都是要重裝走好幾天才能到達,在山上的日子也發現一些高山植物的變化,希望能分享給大家。


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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

CASE PRESS_96
1 篇文章 ・ 3 位粉絲
CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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