0

0
0

文字

分享

0
0
0

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

Rock Sun
・2019/12/02 ・3355字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 551 ・八年級

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

文章難易度
Rock Sun
61 篇文章 ・ 278 位粉絲
前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。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。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。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者


0

4
0

文字

分享

0
4
0

鳥界噁男出沒!雌鳥該如何自保?——白頸雅各賓蜂鳥的毛色演化策略

Fisher_96
・2021/10/21 ・2775字 ・閱讀時間約 5 分鐘

鹿的鹿角、大象的象牙、動物的體型大小、蝴蝶的特殊斑紋等,這些都是在自然界中動物為了繁衍後代、雄性動物們為了吸引雌性動物進行交配,而針對本身與其他雄性個體的「競爭特徵」進行強化或是展現外觀特色的演化結果。這就是達爾文早在 200 多年前提出的性選擇理論:同一性別的個體(通常是雄性)為了競爭有限的交配機會,會促進性狀的演化。

透過性選擇,動物在演化過程中也產生了新性狀,並造成了個體差異。而這些差異有時會產生全新的功能,對天擇演化作出貢獻。

為了避免騷擾,雌鳥演化出雄鳥的鮮艷羽毛

這樣的演化結果在鳥類中又特別明顯。大部分的鳥類,雄鳥幾乎都比雌鳥擁有更鮮豔的羽毛色彩,也就是鳥類透過鮮豔的羽毛色彩,以吸引雌鳥進行交配,保障自身的繁衍可能。但是,科學家們發現,有些鳥類的雌性也有部分會擁有與雄性外觀相似的鮮豔羽毛,他們還發現,這些雌鳥演化出鮮豔羽毛的原因,竟然是為了避免遭受雄鳥的騷擾。一種叫做白頸雅各賓(white-necked jacobin , Florisuga mellivora)的蜂鳥,就產生了這樣的現象。

白頸雅各賓是一種大型蜂鳥,分布於墨西哥到秘魯、玻利維亞和巴西南部等地區。因為頸背上有一條白色的帶子,也被稱作有領蜂鳥(collared hummingbird)。

白頸雅各賓頸背上有一條白色的帶子,也被稱作有領蜂鳥。 (圖/EOL

白頸雅各賓的雄性和雌性外觀差異相當大,雄性白頸雅各賓(上圖)有閃閃發光的藍色頭部、綠色背部、白色腹部和尾巴,脖子後面有一條白色帶子;雌性白頸雅各賓(下圖)的羽毛雖也是由綠色和黑色構成,但顏色明顯較為黯淡柔和,並有深色的尾巴。

雌白頸雅各賓。 (圖/EOL

一般來說,在鳥界中,鳥類的幼鳥外觀都會跟成年的雌鳥比較相似,也就是擁有顏色較黯淡不起眼的羽毛外觀。但白頸雅各賓卻不一樣,他們的幼鳥看起來卻和成年的雄鳥比較相似,都擁有顏色鮮豔的羽毛。

大部分的幼年雌鳥在成長的過程中與一般鳥類相同,羽毛的顏色會朝著異色外觀(成年雌鳥的一般毛色)進行轉變。但是,大約有 20% 的幼年雌鳥,在成年後的羽毛顏色依然會維持與幼年時期相同的鮮豔色彩,這樣的外觀使他們看起來就像一隻雄鳥。因為這樣的特徵,白頸雅各賓與一般成年後具有「兩性異態性」(同種生物雌雄之間的差異)的鳥類不同,雌性外觀具有多種型態的特徵,因而造成三種不同外觀樣貌的白頸雅各賓:(顏色鮮豔的)雄性色雄鳥、(顏色鮮豔的)雄性色雌鳥、(一般顏色的)異色雌鳥。

約有 20% 的幼年雌鳥成年後的羽毛顏色依然維持與幼年時期相同的鮮豔色彩,使他們看起來就像一隻雄鳥。圖/參考文獻 1

依據達爾文的性選擇理論,我們可以猜測,或許雄性色雌鳥的羽毛顏色,是為了要在成年後做為雄鳥的配偶選擇時,可以對雄鳥有較大的性吸引力,因此在成長過程中才會有這樣保留鮮豔色彩的情形?

從實驗中找到答案,雄蜂鳥的跋扈全曝光

為了搞清楚原因,研究人員設計了一個實驗,他們在一個餵食器的周圍擺放了三種組合的兩個不同標本進行實驗:(1)異色雌鳥與雄性色雄鳥(不同性別、不同羽毛顏色)(2)異色雌鳥與雄性色雌鳥(同性別、不同羽毛顏色)(3)雄性色雌鳥與雄鳥(不同性別、相同羽毛顏色),並觀察白頸雅各賓對標本的對待方式,觀察牠們會不會依據毛色而對不同個體而有不同。

結果,研究人員觀察到,與性選擇假說的預測相反,雄性在交配選擇上,仍然是對異色雌鳥(顏色比較黯淡的一般雌鳥),而不是雄性色雌鳥(長大過程中保留了鮮豔羽毛顏色的雌鳥),表現出更為明顯的偏好,只要實驗組中有異色雌鳥的標本,所有雄鳥第一次選擇發生交配行為的對象都是異色雌鳥。

另一方面,研究人員還觀察到,白頸雅各賓的個體交互行為中,雄鳥對異色雌鳥表現出攻擊性的狀況是 100%,卻不會對雄性色雌鳥表現出攻擊性,顯示出羽毛顏色才是雄鳥選擇性攻擊的原因,而不是性別本身。而在這個實驗的影像紀錄中,研究人員同時觀察了四周其他蜂鳥的互動,發現這些對標本的攻擊行為模式,與其他蜂鳥互相追逐的觀察結果一致:

雄性色蜂鳥(無論實際上是雄鳥或雌鳥)更常對其他各體進行攻擊,並且異色蜂鳥被追逐與攻擊的機率遠高於雄性色蜂鳥(無論實際上是雄鳥還是雌鳥)。

雄白頸雅各賓。 (圖/EOL

這樣的觀察結果讓研究人員更加確定,雄性色的羽毛可以幫助雌鳥免於雄鳥的攻擊,因此雌鳥將自己偽裝成雄性,可以降低自身受到雄鳥騷擾的機率,而這件事甚至比吸引雄鳥交配還要更重要。除此之外,雄鳥也會對有更多食物資源的餵食器展現出更高的控制性,因此雄鳥會傾向透過啄食或碰撞來攻擊雌鳥,以獲得對食物的支配地位。而雄性色雌鳥因為較不會受到雄鳥攻擊,而能取得更多的食物資源。

「這項研究的其中一個靈光一閃,是當我意識到所有幼年雌性都有艷麗的顏色的瞬間。」現任華盛頓大學(University of Washington)、前康乃爾大學鳥類學實驗室(Cornell Lab of Ornithology)和史密森尼熱帶研究所(Smithsonian Tropical Research Institute)的鳥類學家傑‧福爾克(Jay Falk)說,「在生物界中,一個幼體看起來像雄性的生物是很不尋常的事情,所以一定有些原因在對他們的演化進行作用。

大多數具有兩性異態的鳥類羽毛顏色往往更接近雌性,因為較不顯眼的顏色有助於保護脆弱的除鳥免受捕食者的侵害。雄鳥較不會對雄性色個體進行攻擊的這件事情,正好可以解釋蜂鳥幼鳥顏色的特殊性。

白頸雅各賓幼體為鮮豔顏色的事實同時也說明了,對他們來說,比起外在的捕食者,他們更需要想辦法免受自己的同類傷害。

物種演化——仍有等待挖掘的謎團

當然,性選擇理論在生物的演化中的確會發揮一定的作用。只是包括這個實驗,目前有越來越多的證據顯示,生物之間基於非性相關的社會互動也可能在外觀的演化中發揮作用,因而改變生物的性狀。研究團隊也希望在未來的研究中,利用他們的發現,來了解其他物種演化出性別異態的性狀的原因與方式。

「其實研究這件事,你不需要去找一隻你不認識的動物,來探詢有趣的事實或是啟發性的結果,蜂鳥是很多人都喜歡的動物,很多人都和蜂鳥很熟悉,但是他們仍有一些我們沒有注意到或研究過的謎團。」福爾克說「想挖掘有趣的生物事實,你可以從看看每個人都喜歡的動物開始。」

參考文獻

  1. 2021,《Male-like ornamentation in female hummingbirds results from social harassment rather than sexual selection
  2. EOL,《Oiseau Mouche A Collier

Fisher_96
1 篇文章 ・ 3 位粉絲
想藉由慢慢把知識收入囊中的方式來長大的一條魚,著迷於各種領域知識,想嘗試把困難的事情變簡單,並試著找方法讓自己跟別人都可以享受沒有目的性的吸收知識的快樂。
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策