想要個蟑螂冰箱磁鐵嗎?死蟑螂與活蟑螂的磁化實驗—— 2019 搞笑諾貝爾生物學獎

對人類而言,磁場是很虛幻的東西,我們感受不到,平常可能也用不到。但是世界上有很多動物擁有不同於人類的感官,可以利用磁場來討生活,這些生物的感磁能力一直是很多科學家研究的對象。藉由研究各種不同感應磁場的方法,我們除了可以更認識動物之外,還能改良人類的感測器技術。

其中昆蟲也是受磁場影響不小的物種,今天要介紹的實驗,科學家偏偏挑了其中一種大家最避之唯恐不及的昆蟲:蟑螂。

今年搞笑諾貝爾生物學獎由一支多國組成的團隊獲得,他們發現:死蟑螂跟活蟑螂被磁化後的消磁速度會不一樣喔

先講結論:死蟑螂消磁得很慢,能夠在磁化之後繼續吸在冰箱上~

領獎演說:「我們發現了:死掉的蟑螂比活蟑螂能夠維持磁化狀態更久,各位請看!!!」

為什麼挑蟑螂?帥氣的金龜子不好嗎?

在所有擁有磁感能力的動物中,昆蟲就是一個大宗,例如螞蟻、蜜蜂、果蠅……等,就具有類似感應磁場能力來偵測周遭或定位自己,甚至連昆蟲的屍體都能可能會有特殊的磁性現象。而屬於昆蟲的蟑螂,物理學界在之前的一些的實驗中,甚至發現牠們可以每 10 分鐘校準一次地磁的變化。所以這群科學家們(得獎團隊成員包括:南洋理工大學 Ling-Jun Kong 新加坡大學 Herbert CrepazRainer Dumke 和 Tomasz Paterek澳洲蒙納許大學 Agnieszka Górecka, 英國格但斯克大學 Aleksandra Urbanek)開始好奇:蟑螂體內的磁性物質到底有什麼特殊的運作方法呢?這裡需要開發出一種測量蟑螂體內磁性並量化的全新方法。

首先~最重要的是準備這次實驗的主角。

實驗的事前準備,科學家們先把活生生的公母蟑螂各一隻保存在透明的昆蟲箱裡,裡面有足夠牠們生活的水和食物(貓飼料)以及日夜燈光調控,再置放在攝氏 4 °C 的環境中讓牠們逐漸失去活性,直到蟑螂進入休眠狀態,我們的「活」蟑螂實驗體就完成了。

另一方面,這次實驗所使用的死蟑螂是使用非常人道的氮氣窒息法殺死的,死亡後甚至還有幫牠超音波沖澡,確認沒有外來的物質影響,所有的磁性反應都是蟑螂內部產生的。然後保存在 4°C 的環境中確保不會腐敗,一定死超過兩天之後才加入實驗的行列。

掛蟑螂賣實驗器材,重點其實是……

而為了準確的測出活蟑螂和死蟑螂之間的磁場差別,團隊需要開發出一種對生物無入侵性的測量方法

這實驗使用銫原子為基礎的感測器,來測量被磁化蟑螂身上的磁場。這種感應器靠的是磁滯性來判斷磁場的強度,當你想要測量的磁性物質在生物體內、不能用侵入式方法的時候,就可以使用這個技巧。

這些死蟑螂和動彈不得的活蟑螂以塑膠袋封包,被放置在兩個 N52 級釹永久磁鐵板中間進行磁化。我們從750G 開始,依遲滯現象循環進行,這兩個磁鐵產生的磁場在蟑螂的位置上最高可達 3 kG,最大最小值值相差15%,整個過程持續 10 分鐘。

實驗概念圖:實驗開始前美洲蟑螂與磁場呈垂直,實驗後蟑螂散發出的磁場跟磁偶極一樣……從腹部開始垂直散發出。圖/Kong, L. J. et al., 2018

化 20 分鐘後,蟑螂會被轉移到這次的實驗儀器:銫原子光學磁強計內,如下圖所示:

蟑螂磁化實驗示意圖。圖/Kong, L. J. et al., 2018

整個實驗裝置基本上就是 GT偏光片(Glan-Thomson polariser)、石蠟包覆以阻隔背景磁場的銫氣體膠囊(銫這個元素在室溫是液體喔)加上蟑螂,再搭上後面的平衡光電感測器。當偏振光經過儀器內的蟑螂身邊時,遇到磁場會發生極化旋轉 (polarization-rotation) 的現象,這時後方的稜鏡 (Wollaston prism) 和平衡光電感測器就能夠知道銫氣體的磁場改變。在 10 個小時的實驗內,每 20 秒移動一次蟑螂的位置,來產生不同的實驗結果來記錄。

最後科學家們發現活蟑螂被磁化後的半衰期為 50 ± 28 分鐘;而死蟑螂消磁的時間則長了將近 50 倍,半衰期為 47 ± 29小時

死活蟑螂體內的磁性作用大不同

注意!這裡的時間單位是分鐘 vs 小時喔!死活蟑螂磁性持續的時間這裡可是差了 50 倍左右。科學家們覺得可以用磁性物質在不同黏度流體中的布朗運動來解釋。

下圖是蟑螂體內磁場之於時間變化的實驗結果,黑點代表活蟑螂、藍方塊代表死蟑螂,團隊總共進行了 15 次的實驗,8 次在活蟑螂、7 次在死蟑螂身上,實驗長達 10 小時,另外還有 10 幾次比較短的實驗(2~5小時)來做確認,紅線則是每個實驗結果的回歸線,實線是活蟑螂、虛線是死蟑螂。

以下三組圖表分別代表實驗所得磁化蟑螂消磁的數據,可以發現在剛磁化完之後,活體的殘留磁場可能更高、相近或是更低都有可能,但是之後活蟑螂的磁場數值都快速下滑。三組實驗數據的呈現,活蟑螂半衰期分別為 25、71、30 分鐘;而死蟑螂則是 82.6、36.3、24 小時,平均之後得到就是實驗結果半衰期為 50 ± 28 分鐘 VS 47 ± 29小時。

被磁化的蟑螂磁場隨時間之變化。黑點代表活蟑螂、藍方塊代表死蟑螂。a, b, c 三組圖表分別挑選數據呈現了當活蟑螂的磁場低於、高於、約等於死蟑螂的變化情況。可以發現不管是哪個起始點,相較死蟑螂,活蟑螂磁場數值都快速下滑。圖/Kong, L. J. et al., 2018

那麼到底為什麼死蟑螂可以撐比較久呢?

對於活蟑螂與死蟑螂消磁速度的巨大差距,團隊提出了兩個解釋方向:蟑螂體內原本就有的亞微米 (sub-micron) 磁性顆粒 (magnetic deposits) 作祟;或者是死/活蟑螂體液有不同的黏滯性,造成其體內磁性物質布朗運動 (Brownian rotations) 有差別。

前者首先被科學家踢掉,因為這類的物質在其他研究發現需要數小時的時間才有辦法逐漸跟地磁校準,但是整個實驗磁化蟑螂只維持了 10 分鐘,應該不足以使其對實驗有影響,所以科學家們先試著從布朗運動來解釋。

為了更了解死活蟑螂內的磁場來源,科學家們另外針對蟑螂體內磁性物質的遲滯現象做了一段簡短的實驗,來驗證布朗運動是否與實驗結果有關係。這個實驗只在 1 隻蟑螂身上執行,觸發了之後針對蟑螂體內硫化鐵類物質產生的磁場進行討論,如下圖。

圖表中的紅點代表殘存的磁場與施加在蟑螂身上磁場的關係,藍色的線條則是運用遲滯原理的 Preisach 模型模擬出來的,黑線則是推導出的殘留磁場遲滯數據的原始模型。紅點勉強符合藍點的模擬結果。圖/Kong, L. J. et al., 2018

因為不管是死的還是活的蟑螂,體積都不曾改變,根據球形物質的布朗運動公式,我們可以知道死蟑螂活蟑螂的磁場衰退時間 (τ) 與體液黏滯性 (η) 的比例應該都會是相同的 (也就是 τ死/τ活 = η死/η活),也就是說死蟑螂為什麼消磁的很慢,理論上可能是因為他體內的黏滯性變的更高了。

布朗運動公式:$$ \tau =\frac{3V\eta }{k_B T} $$

事實上,在經過驗屍之後,也的確發現死蟑螂體內的黏滯性更高。主要是因為死蟑螂體內的細胞逐漸脫水,造成蟑螂細胞骨架的體積百分濃度逐漸增加,所以黏滯性也間接升高,造成死蟑螂不容易消磁。

以上~~就是這次搞笑諾貝爾獎生物學獎的大概內容,一群科學家們挑了一個大家最不想認識的動物做了一次徹頭徹尾、生死相交的電磁學實驗,為了找出一種不用侵入本體就能找出磁場變化的方法。另外我們也對於生與死動物細胞內的現象差異有了更進一步的了解。或許未來的某一天,這種技術能夠幫助我們更仔細的找到各種不同生物細胞間的差異、甚至是人腦喔~

喔!!我們也多了一種全新造型的的冰箱磁鐵,讓你晚上去冰箱找食物時嚇出一身冷汗~

經過磁化的死蟑螂可以成功的吸在冰箱上!圖/截自搞笑諾貝爾獎頒獎影片。

資料來源

關於作者

前泛科學的實習編輯,曾經就讀台大生物環境系統工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但這些現在已經不重要了。除了環境外,也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章,可能是因為自己也喜歡胡思亂想。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。

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