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《 用數學來解釋原力,用原力來顛覆物理 》——2019數感盃/國中組專題報導類佳作

數感實驗室_96
・2019/05/25 ・2093字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 572 ・九年級

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數感盃青少年寫作競賽」提供國中、高中職學生在培養數學素養後,一個絕佳的發揮舞台。本競賽鼓勵學生跨領域學習,運用數學知識,培養及展現邏輯思考與文字撰寫的能力,盼提升臺灣青少年科普寫作的風氣以及對數學的興趣。
本文為 2019數感盃青少年寫作競賽 / 國中組專題報導類佳作之作品,為盡量完整呈現學生之作品樣貌,本文除首圖及標點符號、錯字之外並未進行其他大幅度編修。

  • 作者:周順興/康橋國中。
圖/imdb

對於眾多科幻電影中炫目、閃亮的情節的合理性及正確性,我一直深感懷疑。經典電影《星際大戰》劇情中正反派角色都會使用的「原力」,深深地令我著迷。於是,我希望能透過這次的研究來破解幾年來在腦中徘徊不去的迷思:尤達大師和達斯維達的最終對決片段,究竟合不合理?

於是,我使用星戰百科全書提供的各星球、船艦長度、重力和歷史以及查詢了功率計算的的方法、尤達大師中戰機的高度、秒速及身高。使用影格計算其來計算時間等實際數據。

兩大角色功力一覽:

表/作者整理

電影中,路克的 X 戰機墜毀並沈沒在沼澤中, 60 公分高的尤達大師竟然從水平面舉起了 1.4 公尺之高(起落架正好接觸水面的位置高度約為一點四公尺)。戰機為 12 公尺長、翼展 11 公尺的戰機,推算出來為 19 噸重。導入位能公式 PE = M(重量,公斤)x G (重力加速度)x H (高度)後,結果如下: 19000 x  9.8  x  1.4  = 260680 焦耳。因穩定施放能量的時間(五秒),可推出功率為 260680 J  / 5 sec = 5213.6 Watts 。

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而代表黑暗勢力的達斯維達( Darth Vader ),在追擊莉雅公主時,將一名身高約 175 公分, 70 公斤的反抗軍戰士在 0.46 秒中用 3.3m/s 的高速舉起 1.5 公尺高。假設使用原力轉換為動能的能量損失忽略為零。太空船上的重力是適合人類生存的環境,也就是 9.8 m/s 的平方。由公式 P (力量)= W (功)/ Δ t  (時間變化)及 PE = mgh 算出,達斯維達的瞬間能量為 1410 焦耳的動能和重力位能,除上他在 0.46 秒內的時間,最終功率為 3065 瓦。

最後,分別計算兩人對決時輸出的能量。

剛開始,尤達大師的輸出如下:

跳起的位能: 13  x  9.8  x  4  =  509.6  焦耳

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攻擊的能量: 5213.6  x  0.5  =  2606.8  焦耳 ( W  x  T )

總和: 3116.4  焦耳

維達此時並沒有感受到疼痛,他將力量專注於尋找尤達快速的身影中為小的空檔並予以致命的一擊。最後,維達找到了一個夠大的空檔,使命的揮出三萬五千瓦的光劍,砍向尤達瘦小的身軀。輸出如下: 3065  x 3 sec =  9195  焦耳

「吾友,帶給你憤怒和情緒,黑暗力量。」尤達用他那奇怪的倒敘法說。並奮力回擊,使用他畢生最大的原力將黑暗領主舉起(二十公尺)並重重摔在地上。輸出如下:

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PE  =  120  x  9.8  x  20  =  23520  焦耳

此時,痛覺終於透過他的機械神經傳到他的大腦。他大吼後快速起身並用原力將光劍掃向尤達,不偏不倚的命中尤達的左手。假設光劍重零點五公斤、離尤達四公尺,時間零點三秒,所以速度為每秒十三公尺,維達輸出如下:

維達控制光劍的動能: 1/2  mv^2 = 1/2 x 0.5 x 13^2 = 42.25 焦耳

光劍本身的能量:35000 W  x 0.2 sec = 7000焦耳

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「吾友,你真的願意傷害你師父的啟蒙者嗎?」看來尤達正在使用絕地心控術。趁這空擋,尤達盡快用原力治療傷口。假設復原的能量和造成傷害的能量一致,尤達治療輸出為剛剛維達傷害的 7042.25 焦耳。

兩人目前剩下的能量:尤達大師為 266321.6 焦耳

達斯維達為 290762.75 焦耳

維達已經知道要輸了,所以將剩下的能量用光並打在尤達身上:

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維達 150000 焦耳 + 光劍 35000 焦耳 = 185000

此時的尤達已經無法移動,但不影響右手光劍的戰力,也向維達肩膀一掃,向下直入心肺,砍去左半邊的軀幹。他將十萬焦耳用於治療,勉強維持住生命,所以只能輸出十七萬焦耳的能量。但這也足以讓他獲得勝利。輸出能量如下:

35000(光劍) + 170000(尤達) = 205000 焦耳

維達道:「吾友,我時辰已到,很榮幸和我最大的敵人一起迎向死亡。」他向他可敬的對手致謝。達斯維達就此死去。結論:尤達大師獲勝。

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分析達斯維達之所以無法獲勝原因有三:第一,他沒有治療的技能。第二,他的輸出功率太小,無法在短時間內使用大量的能量以至於死前還有十四萬焦耳未使用。第三,他無法拖延時間直到尤達用光力氣。

尤達大師能獲得勝利原因有三:第一,他的光劍第四戰型在短時間內製造大量傷害並取得優勢。第二,他的治療法術阻止了失血。第三,他分配原力的策略使用恰當,在治療時預留了最後一擊的能量。

想像力就是你的超能力,我們不能用數學和理性去批判一個用想像力構成的作品,因為兩者根本沾不上邊。老兄,放輕鬆,這只是一部電影。

最後,感謝大家願意來閱讀這篇簡短的文章。每一位讀者、評審的稱讚都更讓我更相信這些努力沒有白費。我希望以數學的方式來推廣星際大戰的文化,也希望數學、物理和原力可以共存。

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數感實驗室_96
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數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

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「真.無線充電」?試試電磁波獵能手環,你的身體就是最好的捕能裝置!
PanSci_96
・2023/04/22 ・2679字 ・閱讀時間約 5 分鐘

你的手機能無線充電嗎?不過,雖說是無線充電,但還是得要放在充電盤上,由充電盤連結一條電線,這樣的充電方式,想必跟大家期待的「真.無線充電」有落差。

好消息是,有人提出一種藉由捕捉空間中的無線電波、獲得電能的無線充電方式,所以代表這些電能是完全免費的!但……這是真的嗎?

隔空充電可行嗎

現在我們已經可以透過無線網路串連全球的資訊,但是遠距能量傳輸卻尚未成真。

當代的無線通訊裝置,舉凡手機電話、wifi 網路、無線電、衛星定位等,都可以靠著不斷地發射無線電波來交換訊息。不過其實仔細想想,無線電波、電磁波其實就是不斷變化的電磁場。既然可以透過磁場變化來傳遞能量,那這些強大的電磁波網絡,是不是也可以拿來傳遞電能呢?

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實際上還真有類似的例子,一百年前最早的收音機竟然完全不需要插電!礦石收音機只需要天然礦石、金屬針、線圈和一些電線,就能收到附近廣播電台送出的訊號,轉換成聲音並放出。

那麼為什麼沒有沿用至今呢?主要就是效率的問題。礦石收音機需要不斷調整金屬針接觸礦石的位置,還得拉長長的天線來捕捉更多的無線電波;市售的礦石收音機玩具,甚至附有一條長長的鱷魚夾電線,可以接到大型金屬家具,產生更清楚、更大聲的聲音。當然這種收音機很快就被以電驅動的真空管收音機取代了。

2021 年初小米曾發表過隔空充電技術專利,利用指向型遠距充電,系統會先定位出手機的位置,再透過多個天線組成的陣列將電波瞄準發射給手機,克服電磁波發散的問題,據稱能在數公尺內進行無線 5W 的無線充電,雖然還不到快充,但也算是革命性突破。不過目前還在技術發表階段,尚未正式推出。

礦石收音機是利用天然礦石或晶體,加上天線、地線和調諧電路,所製成的收音機。圖/維基百科

無線射頻獵能

再換個角度思考,能量在傳遞的時候會向四周發散,而我們生活周遭到處都是會發出電磁波的 3C 產品,那能不能反過來,捕捉這些由其他電器溢散的電磁波,並轉為能量呢?

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還真的有人這麼做了。收集這些廢能,並轉化成可用電能的技術,就稱為「無線射頻獵能」。近十年來,有許多相關的技術與研究,不過效率大多還未到達實用階段。

就在今年一月,美國麻州大學團隊發表了一種可以用於無線射頻獵能的線圈手環,而且功率竟然比一般的線圈天線高十倍以上。

有趣的是,其實他們當時並不是在研究無線充電,而是如何使用 LED 快速閃爍來傳遞訊息;這種名為可見光通訊 VLC 的技術,有望成為未來 6G 通訊的方式。但發現到,這種技術需要 LED 以每秒數百萬次的頻率閃爍,過程中會釋放出大量不可用的無線電波,浪費掉許多能量;於是轉念一想,嘗試用線圈收集這些逸散的能量,降低傳訊時的能量浪費。

研究團隊發現,當線圈靠近金屬片時,收集能量的效率會變得更好。透過反射增強訊號,金屬片吸收環境中的電磁波再向外放出;隨著金屬片面積越大,攔截到的電磁波也越多,收集能量的效果也越好。

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但是無線充電就是要擺脫這些笨重的金屬板,於是研究人員開始拿生活周遭的 3C 產品來進行實驗。從獵能的功率來看,效果最好的依序是筆電、平板、手機。這和預期的一樣:面積越大,獵能效果越好。

然而,意想不到的是,實驗效果最好的,竟然是人體!

推測這是因為人體中含有大量水分,其容易導電、被極化的特性有助於蒐集空間中的電磁波。人體就是一根巨大的共振天線,能增加無線電訊號的發射效率,同樣的道理,也可以用來收集環境中的無線電波能量。

人體是巨大的共振天線!圖/GIPHY

研究團隊將線圈手環的設計稱為「Bracelet+」,是第一個借助人體的獵能裝置;後續又嘗試將線圈做成戒指和手環,希望能打造出輕便的隨身獵能裝置。

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那這樣是不是以後只要綁條線圈在手上,就再也不需要幫手機充電了呢?該線圈手環目前在數公尺的距離外最多可以捕獲微瓦等級的功率,也就是百萬分之一瓦。用這種電壓當然不可能幫手機充電,不過已經足以供應一些低功耗的隨身裝置,像是常見的智慧健康手環,或是負責監控體溫或血糖的元件,甚至類似心律調節器的植入式醫療器材,或許就可以利用該線圈設計,減少充電的頻率。

在 5G 物聯網的架構中,各種居家和隨身裝置必須隨時維持連線,如何為這些獨立、低功耗的裝置供電便成了重要的課題。在這種情況下,如果可以汲取周遭無線電波的廢能,不只可以節省能源,還能免去定期更換電池或充電的麻煩。

遠距充電熱潮

目前的 5G 和開發中的 6G 技術,都持續往電磁頻譜中更高頻率的部分去探索,設置覆蓋率更高、頻譜更寬的無線通訊網絡,而這些頻率的電磁波也將為無線充電帶來新的發展機會。

去年在 Scientific Reports 期刊上,有篇研究提出了 5G 網路作為電力網的想法。團隊針對 5G 使用的頻率設計出一種天線以及搭配的電路,可以在 180 公尺外接收到 6 微瓦,為無線電力網的夢想邁出了第一步。

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不過,在這波遠距無線充電的熱潮下,市面上也出現許多令人半信半疑的遠距充電技術。

例如 2011 年一家新創公司推出了超音波充電技術,宣稱可以透過空氣的震動替手機充電;然而,雖說超音波充電雖然在原理上可能可以運作,但在充電效率和經濟成本上根本不切實際,對人體健康的影響也相當有爭議。

除此之外,還有一家叫做 TechNovator 的公司推出了前所未聞的量子充電技術,他們宣稱可以透過「能量量子化」來傳輸能量,並且在「空間中創造能量結構」,還不需要任何形式的電磁場,就可以達成 100 瓦的無線充電!至於到底有沒有這麼好的事,就留給各位判斷了。

在所有物品與資訊都以無線網路相連的這個時代,無線的電力傳輸與電力網是關鍵的下一步;能夠有效的無線傳輸能量,才能讓我們生活周遭的智慧裝置擺脫電線的束縛,減少電池的消耗,成為一個自由移動,自給自足的物聯網。

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不論是透過可見光、wifi、還是 5G 訊號,無線且遠距的充電與獵能,將來勢必會有讓人驚豔的發展。

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PanSci_96
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快充怎麼做到又小又快? 半導體材料氮化鎵,突破工作頻率極限
PanSci_96
・2023/03/11 ・2703字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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除了線材,市場上也到處可看到標榜使用氮化鎵、可支援大電流快充的充電頭。但為什麼之前充電速度一直快不起來呢?為什麼現在要改用氮化鎵呢?快充能變得更快更快更快嗎?

快充加速了充電速度

在快充出來以前,我們的智慧型手機充電器,功率大約是 5 瓦特(W)或是 2.5 瓦特,現在最夯的的氮化鎵快充頭功率則高達 65 瓦特,相差了 13 倍,理想上充電時間也會縮短為十三分之一。

實際上,這幾年快充的發展速度可能比想像的還要快上許多。

還記得在 21 世紀的 Nokia 3310 嗎?其功率僅 4.56 瓦特,而蘋果一直到 2014 年的 iPhone6 才支援更快的 10 瓦特快充。然而,現在不僅已經出現不少支援 50 瓦特以上快充的手機,今年二月中國手機品牌 realme 推出的 GT Neo5,甚至出現 240 瓦特的超快充技術,是目前充電最快的智慧型手機。

提升充電器功率的關鍵

從過去到現在,充電器不僅功率大幅提升,充電器的大小同時也縮小了許多。過去的線性充電器,除了有條細細長長的尾巴外,最大的特徵就是不僅大、充電時還會發熱的變壓器;為了將市電的 110V 交流電轉為手機可以使用的 5V 直流電,就需要變壓器協助降壓。

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變壓器的發熱來源來自內部占了絕大部分體積的線圈,在電路學中被稱為「電感器」。輸入與輸出的線路會以線圈的形式綑在一組鐵芯上,兩端的線圈數量十分關鍵,線圈數量的比值就是兩側電壓的放大大小;若想從 110V 變成 5V,則為輸入的線圈圈數是輸出的 22 倍,那麼輸出的電壓就會減少 22 倍。

在變壓的過程中,輸入端的線圈與鐵芯就像一顆大電磁鐵,讓磁通量通過鐵芯,將能量傳到輸出線圈,輸出線圈則會因為電磁感應,產生相同頻率但電壓不同的交流電,完成降壓。只要再把 5V 交流電轉成 5V 的直流電,就可以幫手機充電啦。

過去的線性充電器最大的特徵就是體積大、充電時還會發熱。圖/Envato Elements

聰明的你應該已經想到,提升充電功率的關鍵就在於——線圈數量

如果希望變壓器的輸出提升,必須在維持線圈比值的情況下,等比例增加輸入與輸出端的線圈數量;更多的線圈就意味更多的磁通量能透過鐵芯傳到另一端,更多的能量也隨之傳遞。但如此一來,早已被塞滿的變壓器,為了塞進更多的線圈就只能繼續增加充電器的體積,還會因能量耗損放出大量的熱。

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若想提升功率,又能減少電感器大小,最好的方法就是——增加工作頻率

透過「高頻變壓器」的幫忙,將原先市電 60 赫茲的頻率提升到 50K 赫茲,被轉為高頻的交流電再進行變壓,如此一來就能降低能量損耗,所需的電感器大小也會大幅降低。

然而,要注意的是,要想改變交流電的頻率,是無法直接轉換的。要先將交流電轉為直流電,再經由特殊的「開關」電路將直流電轉為特定頻率的交流電;這類型的充電器就被稱為「開關充電器」,現在的智慧型手機就是使用開關充電器。

救世主材料

但隨著手機電池容量不斷增加,手機充電效率的需求永無止盡,充電器又開始一個比一個大。

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智慧型手機所使用得充電器為開關充電器。圖/Envato Elements

不是繼續提升工作頻率就好了嗎?那是因為,我們遇到了「矽的極限」。

開關電路中將直流轉為交流的關鍵,就是我們熟知的半導體元件電晶體。裡頭的原料過去都以我們熟知的矽為主,然而以矽為材料的半導體工作頻率極限僅在 100k 以下,如果超過 100k,轉換效率會大幅下降,更有嚴重的能量浪費問題。

解決的方法就是:尋找下一個材料。沒錯,就是最近最夯半導體的——氮化鎵(GaN);其能隙是矽的 3 倍,電子遷移率為 1.1 倍,崩潰電壓極限則有 10 倍。

顯然,氮化鎵擁有更良好的電特性,還能在高頻、高電壓的環境下工作,使用氮化鎵為材料的快充頭因此誕生!氮化鎵最高的工作頻率是 1000K,是矽的 10 倍,除了讓變壓器的電感線圈能再次縮小,連帶縮小充電頭的體積;亦能降低能耗並減少電容與散熱器的大小,成為好攜帶的快充豆腐頭。

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到這裡,或許你會想問,提高充電效率應該不只有換材料一條路吧?還會有更快的充電技術出現嗎?

當然會的;和矽相比,氮化鎵仍有很大的研究性。

而且不僅手機,就以現在市面上正夯的電動車來說,也需要快充技術支援,來減少充電時所需要的時間;為應對龐大的充電市場需求,綜觀整個半導體材料的發展歷史,已經有許多材料問世。除了氮化鎵,還包括矽、鍺、三五族半導體「砷化鎵」(GaAs)、「磷化銦」(InP),以及化合物半導體「碳化矽」(SiC);在能源產業中,又以氮化鎵和碳化矽的發展最令人期待。

電動車也需快充技術的支援,來縮短充電所需時間。圖/Envato Elements

氮化鎵與碳化矽的未來與挑戰

不論以技術發展還是成本考量,這兩位成員還不會那麼快取代矽的地位。

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兩者應用的範圍也不完全相同。氮化鎵擁有極高的工作頻率,在高頻的表現佳,並且耐輻射、耐高溫,除了運用在充電技術內外,在高功率 5G 基地台、航空通訊、衛星通訊也都將大展身手。碳化矽則在高溫及高電壓下擁有良好的穩定性,尤其在未來電動車快充的需求增加,1000 伏特以上的充電需求,將使得僅能承受 600 伏特的矽半導體無法負荷,預期將接手電動車中的關鍵元件。

兩者看來潛力無窮,但目前在製程上仍需克服許多問題;如:材料介面的晶格缺陷及成本考量;在它們能像矽材料應用在各方領域之前,還需要投入更多研發能量。

但令人興奮的是,駛向下個半導體世代的鳴笛聲已經響起,不論是台積電、晶圓大廠環球晶,國內外各家半導體大廠,都早以搭上這班列車。不同的材料也意味著,從磊晶、製程、元件設計、晶圓製造都將迎來改變,陸續也有廠商開始使用 AI 輔助設計氮化鎵半導體元件。

未來半導體與科技產業將迎來何種轉變,就讓我們拭目以待吧!

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半導體未來的發展令人興奮!圖/GIPHY

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從基隆進港的深海活化石中,意外發現新種具足蟲!——專訪國立臺南大學副教授黃銘志
Heidi_96
・2022/11/29 ・3890字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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新種具足蟲,發現!

2019 年,國立臺南大學生物科技學系副教授 黃銘志 從基隆漁民手中獲得一批具足蟲。為了鑑定這些小傢伙的種類,黃銘志從日本換來兩隻大王具足蟲(B. giganteus),沒想到卻意外發現前所未見的新種——猶加敦具足蟲(B. yucatanensis)!

這到底是怎麼回事呢?別急,在我們看下去前,先告訴你一個具足蟲的小秘密。

具足蟲又稱為深水蝨,是居住在深海的甲殼類活化石。你可能沒聽過這兩個名稱,但如果你看過《風之谷》或是《星際大戰》(Star Wars),肯定對王蟲和黑武士有印象,而他們的原型就是具足蟲!

在宮崎駿動畫《風之谷》中,王蟲是守護腐海的生物。當他們憤怒時,眼睛會由藍轉紅。圖/スタジオジブリ
《星際大戰》系列電影的角色——黑武士的面具原型也是具足蟲!圖/Star Wars

既然不小心撈到了,那就抓來研究吧~

小秘密說完了,讓我們原地跳一下,回到 2019 年看看事情發生的經過。

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當年七月,黃銘志在基隆正濱漁港採集到俗稱「金絲猴」的紅頭龍蝦,登錄為臺灣新記錄種「海神後海螯蝦(Metanephrops neptunus)」。此後,黃銘志就有和當地漁民保持聯繫。

臺灣新記錄種「海神後海螯蝦(Metanephrops neptunus)」。圖/TaiBNET

後來,有船長告訴黃銘志:「我抓到十隻具足蟲,你要不要?」

在基隆,具足蟲的漁獲量並不多,通常是拖網捕蝦附帶的戰利品。雖然東北角有很多販售具足蟲料理的店家,具足蟲吃起來也像龍蝦,但民眾還是喜歡吃真正的蝦子,所以具足蟲銷不出去,黃銘志就整批買了下來。

這時,問題來了!臺灣沒有具足蟲專家,而黃銘志本身也不是分類學家,要怎麼鑑定呢?沒辦法,只好自行摸索。

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於是,黃銘志和日本新江之島水族館交換兩隻大王具足蟲,但這兩隻越看越不對勁,「⋯⋯怎麼其中一隻腰身比較細?難道是牠比較瘦、吃比較少嗎?」

「背景不同的人,就會用不同的視角看事情!」

後來,黃銘志想起赴日深造時,研究魚類基因演化、解析人體基因結構的經驗,就決定分析具足蟲的基因。從黃銘志的專業背景——分子生物學的角度來看,至少要採用兩種分析方法才夠,因為每個基因演化速度都不同,像具足蟲演化得很慢,基因差異不太明顯,就很難區分。

經過細胞色素 c 氧化酶亞基 1(COI)和 16S rRNA 分析後,黃銘志赫然發現很多 DNA 片段都不同。起初還以為是分析出錯,或是樣本破損,但重複試驗多次後的結果都一樣,黃銘志不禁感到困惑:「奇怪了,歐美研究大王具足蟲長達 140 年,有超過 1000 隻樣本,怎麼沒發現裡面可能有基因結構不同的個體?」

細胞色素 c 氧化酶亞基 1(COI)分析結果:第一行是猶加敦具足蟲,第二行是大王具足蟲。圖/Journal of Natural History
 16S rRNA 分析結果:第一行是猶加敦具足蟲,第二行是大王具足蟲。圖/Journal of Natural History

為了進一步梳理這些數據,黃銘志找來兩位分類學家助拳,一位是日本國際螯蝦學會的會長——甲殼類專家川井唯史(Dr. Kawai Tadashi),另一位則是澳洲昆士蘭博物館的無脊椎動物榮譽研究員——具足蟲專家尼爾.布魯斯(Dr. Niel L. Bruce)

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不是這個專業,所以才能做到這件事

在三人正式合作前,黃銘志就大致完成這篇新種具足蟲的論文了,但後來,布魯斯發現了一個天大的錯誤,那就是黃銘志引用了某位印度專家錯誤的研究。

過去,也有中國學者引用這篇印度論文,指出印度洋海域有肯氏具足蟲(B. kensleyi)。黃銘志原先也以為是這樣,畢竟順著前人的研究比較不會有爭議,沒想到卻因此得出錯誤的推論。

第一次研究具足蟲,就要指正其他專家的研究,「老實說,我算哪根蔥?」黃銘志苦笑道。

為了修正錯誤,具足蟲的細部結構就交給布魯斯研究,再讓川井逐一比對、鉅細靡遺地畫下來。具足蟲演化較慢,所以每一種長得都很像,必須仔細觀察才能看出差異,比如鼻子的形狀、尾扇棘刺的數量、身體兩側的彎曲程度等等。

詹姆斯具足蟲(B. jamesi)和猶加敦具足蟲(B.yucatanensis)的身體(a)、頭部(b)、鼻子(c)和頭部側視圖(d)。圖/Journal of Natural History

雖然三人至今都沒有見過彼此,但當初為了辨別出不同的形態,他們互相傳了上千封信討論,才終於達成共識。回想這漫長的過程,黃銘志說:「那些圖都確認過十幾次了,意見不合也是常有的事,比如尾扇棘刺的數量要從哪裡開始數?」

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黃銘志也提到,每種生物都有「種間變異」和「種內變異」。只要有變異,一定有不同的地方,但這些不同的地方可以直接判斷成不同種嗎?假如尾扇棘原本有 13 根,卻因為互相打鬥而斷了一兩根,是不是就要分成不同種?

詹姆斯具足蟲(B. jamesi)和猶加敦具足蟲(B.yucatanensis)的尾扇棘(c)。圖/Journal of Natural History

在這種情況下,由於形態非常接近,按照傳統分類學的做法,其實很容易將一整群可能摻雜不同種的樣本全都混為一類。因此,黃銘志認為最好的做法是從基因著手,用分子生物學的方法鑑定,而不是用個體的外觀差異判斷。

當分類學家多次比對不同樣本的外形,認為這不是大王具足蟲,而基因定序的結果也和資料庫既有的物種都不匹配的時候,就可以確認牠是未經發表的新種。

延伸閱讀:新種形成——秘中之秘

根據論文發表的結果,黃銘志最後將來自新江之島水族館的新種,以發現地墨西哥灣猶加敦半島(Yucatán Peninsula)為依據,命名為猶加敦具足蟲(B.yucatanensis)。

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鑑定深海物種,有助於我們更認識深海

在十八、十九世紀時,科學家非常好奇深海到底有沒有生物,而如今,具足蟲就是活生生的鐵證,因此歐美國家非常重視具足蟲的學術價值。這些深海小傢伙證明了一件事:即使在光線微弱、水壓極高、溫度極低、幾乎沒有食物的環境下,還是有生物存在。

目前,我們對於月球的了解甚至還比深海多。布魯斯表示,陸生生物即使雜交,只要能產生有生殖能力的後代,原則上都可以算是同種,但水生生物並不完全遵循這個原則。

比方說,現在有很多鱘龍魚是雜交種,而且是不同種交配生下的、具有生殖能力的後代,這些不同的後代,都各自稱得上是新物種。按照這個邏輯,海洋時刻都有新物種誕生,是我們探索不完的神秘區域。

本篇論文的第三作者:尼爾.布魯斯。圖/ResearchGate

不過,相對於西方國家多半將具足蟲作為研究用途,東方國家比較在乎的反而是「這可以吃嗎?要怎麼料理才能變得更好吃?」

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在日本,有一種零食就是將具足蟲磨成粉後加進仙貝,讓仙貝吃起來有蝦子的味道。黃銘志笑著說:「這很暢銷!」但也補充道,他在東京大學做研究時,實驗室有個傳統,那就是「當你研究某種生物的時候,你就不吃牠們,代表你對這種生物的敬意。」

關於具足蟲,還有哪些待解之謎?

這份耗時三年的研究,不但指正了前人的研究、改變了具足蟲近百年來的分類,也暗示著既有的「群模式樣本」或許有很大的問題。換句話說,目前已知的具足蟲種類不多,可能是分類錯誤造成的結果,說不定早就有很多種摻雜在其中了!

延伸閱讀:怎麼把牠們當成一樣的物種!物種分類出錯怎麼辦?——分類學家偵探事件簿(三)

在日本,鳥羽水族館有一隻具足蟲長達五年沒進食。目前仍沒有科學家著手細探背後的原因,而牠們的食物來源、繁衍方法,以及牠們如何在極端惡劣的深海環境生存,都是接下來必須進一步探究的課題。

舉例來說,紅色在深海是一種隱性色,而深海的甲殼類生物(比如甜蝦、天使紅蝦)體內通常帶有蝦紅素,使得體表呈現紅色,可以保護牠們不被天敵發現。可是,具足蟲的分布範圍深達數千米,體內卻沒有蝦紅素,煮熟後也不會像蝦子那樣變紅。

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延伸閱讀:煮熟的龍蝦為什麼會變色呢?

此外,透過研究具足蟲,科學家可以更了解全球暖化對深海的影響、陸地上的重金屬和放射性物質沉進深海造成的衝擊,以及這些具足蟲是否可以取代龍蝦,成為新的食物選擇。

最近,南海的船長捕到了 80 幾隻具足蟲,黃銘志買下了形態看起來比較特殊的 10 隻,希望可以篩出更多新種,解開更多有趣的謎底。

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參考資料

  1. Huang, M. C., Kawai, T., & Bruce, N. L. (2022). A new species of Bathynomus Milne-Edwards, 1879 (Isopoda: Cirolanidae) from the southern Gulf of Mexico with a redescription of Bathynomus jamesi Kou, Chen and Li, 2017 from off Pratas Island, Taiwan. Journal of Natural History, 56(13-16), 885-921.
  2. 交換日本水族館具足蟲 南大發現深水蝨新物種|生活|中央社 CNA
Heidi_96
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PanSci 編輯部角落生物|外語系畢業,潛心於翻譯與教學,試圖淡化語言與知識的隔閡。