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2020年國際科展現場直擊2:哪些因素會影響海平面的高度?絲葉狸藻的捕蟲囊是怎麼運作的?

吼猴
・2020/04/12 ・2365字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 565 ・九年級

上篇國際科展的介紹中,我們看見中學生們經由生活周遭的觀察,獲取研究的靈感與啟發。本篇延續這份對生活的熱情與對社會的關懷,走進環境科學的研究環節。

本次由於疫情的緣故,相關管控相當嚴謹。攝影/吼猴

科學的起源在於人類對自然的觀察與重視。對生命與環境的充滿熱誠、選擇地球與環境科學科、植物學科的同學們,究竟出現了哪些題目呢?來問問師大附中的廖廷涓同學,以及來自屏東潮州高中的莊惟婷、陳馬琤、賴安琦同學吧!

【地球與環境科學】:哪些因素會影響海平面的高度?

廖廷涓在上地球科學課時,發現有許多能影響海平面年際變化(一年以上的變化)的因素。舉例來說,2011 年就出現聖嬰現象,使得全球海平面高度平均下降 5 毫米。某些不清楚年際變化的陰謀論者就憑這個數據主張全球暖化並不存在,無視了長期趨勢變化。若對環境的改變毫無知覺、不了解這些變化背後所隱含的意義,我們就可能會錯估地球的健康狀況。因此,廖廷涓想知道有沒有其他也會成為影響海平面年際變化的因子?

圖/publicdomainpictures

為此,廖廷涓由美國太空總署(NASA)、法國國家太空研究中心(法文:Centre National d’Études Spatiales,縮寫:CNES)和美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)發布的公開數據。針對中太平洋聖嬰現象、東太平洋聖嬰現象、北極振盪、南極振盪,以及太平洋或大西洋多年代震盪這六個年際震盪因子,個別分析與 1993-2017 年的全球平均海平面年際震盪之間是否相關。此研究讓她獲得本次大會獎一等獎,並為地球與環境科學的出國正選代表。

結果顯示,這六種年際震盪中,中太平洋聖嬰現象、太平洋或大西洋多年代震盪三者對海平面高度的影響較大。北極振盪整體而言雖然不如前三者有顯著影響,仍然與平均海平面高度有相關性。

運用分析結果乘以各因子所佔比重後,預測模型作出 R 值 0.86 的海平面高度變化曲線圖。換句話說,只要得知這些因子的變化趨勢,就可以解釋約 70% 的全球平均海平面高度的年際變化,也有機會預測未來海平面高的年際變化。

另外,研究結果還顯示,大西洋多年代震盪及北極振盪出現後幾個月,海平面才會發生顯著變化。廖廷涓表示相當感興趣海平面變化延遲的原因,未來想更深入研究這些氣候現象與海平面高度之間如何互相影響,並釐清不同海域與這些因子間的關聯。

【植物學】絲葉狸藻的捕蟲囊是怎麼運作的?

莊惟婷、陳馬琤、賴安琦在生物課本上看到了各式各樣的食蟲植物,一個少見的水生食蟲植物抓住了她們的目光——絲葉狸藻Utricularia gibba)。從前人的研究中得知,絲葉狸藻是捕蟲界的一方之霸,捕蟲的吸入動作僅需 0.02-0.05 秒,非常快速。捕蟲囊內部的四爪腺毛是絲葉狸藻吸收養分與排出囊中水分的重要路徑。然而,同是特化構造的半球型腺毛卻很少在先前研究中被提及。因此她們希望能釐清半球型腺毛的功用,以及已知具有消化功能的四爪腺毛對不同營養物質吸收的狀況,並作出比較。

絲葉狸藻器官圖。(照片來源:Darwins’s Atelier

要解釋如何釐清半球型腺毛的功能,我們需從捕蟲囊的捕食機制談起:當獵物經過時,囊口外側的觸發毛會控制瓣膜開合,利用囊中負壓迅速吸入獵物與溶液;之後再由四爪腺毛把多餘的溶液排出囊外,重新回到準備捕食獵物的狀態。不過他們懷疑,不只是四爪腺毛,由氣孔特化出的半球型腺毛可能也具備排水的功能,於是開始著手進行實驗。

團隊調配兩種不同色的螢光染劑溶液,並以睫毛針觸發捕蟲囊開關,使捕蟲囊受內外染料染出不同顏色。隨後發現,外部位於捕蟲囊側面的半球型腺毛其出水孔有不同色的色素殘留痕跡,顯示半球型腺毛確有排水功能

解決半球型腺毛的問題後,他們轉向比較四爪腺毛在吸收不同營養物質(甘胺酸、硝酸鉀、甘油和葡萄糖),以及吸收水分時的表現差異。他們觀察到染色過的營養液被吸進捕蟲囊後,會立即充入四爪腺毛並流進捕蟲囊的基座細胞,由共質體路徑進入至植體。他們推測含氮物質是從專一性的離子通道運輸至體內,至於是否為主動運輸仍有待商榷。

四種營養素中,葡萄糖雖然能快速進入四爪腺毛,卻發現沒有被大量吸收,後他們推測因實驗系統設計是在光照下進行,由於絲葉狸藻可行光合作用補充葡萄糖,故不需使用捕蟲器進行葡萄糖補充。

顯微鏡下絲葉狸藻的捕蟲囊。(資料來源:youtube影片截圖

另外,他們也研究在不同理化因子(如照光、環境溫度)的影響下,對半球型腺毛和捕蟲運動造成的影響。在燈源上加上色紙作為藍、紅兩類色光光源,並比較色光觸發前後捕蟲囊的面積變化率。最終發現,短波長的藍光有使捕蟲囊面積下降的趨勢。但比較捕蟲囊在觸發捕捉獵物前後的形態變化,他們得出短波長的藍光可促進捕蟲囊的排水功能,進而可使捕蟲囊的捕蟲效率提升。另外,經由測量不同光照下對光合作用光反應速率的影響,他們發現紅光下光反應速率最好,藍光最差,正與先前捕蟲囊面積變化的實驗結果相反。因此,團隊推測正因藍光下光合作用光反應效率低,才需要活躍的捕蟲運動來補足養分。

除此之外,他們還發想到能以捕蟲囊為設計模型,製造一個以不同膨脹係數的雙層材料製造的囊袋(內層小,外層大),擺放於海面漂泊。在白天高溫時,可觸發袋口吸入海水與塑膠微粒,晚上低溫時袋口緊閉造成負壓內凹,將海水排出而留下較大的塑膠微粒於袋中,進而達到回收塑膠微粒的效用。

有很多設計的最初理念也都是在生物觀察時受到啟發,期望莊惟婷、陳馬琤、賴安琦三位同學的設計,能在未來減輕人類所造成的環汙問題!

(修改時間:2020年4月13日)

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吼猴
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臺大農業化學系出生。什麼都想嘗試,什麼都想創造。 但最深沈的渴望莫過於將生活的喜悅與驚奇分享給眾人,無論是狗狗貓貓的萌照、曲折離奇的故事,又或是總能帶給人新奇有趣的科學冷知識。 決意以溫柔真誠的言語將這個世界的驚奇,分享給想知道的人們。


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推開地獄之門?冰島開挖全球首座「火山岩漿井」,開啟地球科學新篇章!

安比西林_96
・2021/10/20 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

水井、石油井和天然氣井大家都知道,但你有聽過「岩漿井」嗎?最近,冰島著手開挖全球第一座「火山岩漿井」。這似乎是一個瘋狂的主意,滾燙的岩漿可高達攝氏上千度,還可能伴隨著可怕的火山災害。不過這個前所未有的大膽計劃,不僅具備新興可再生能源的巨大潛能,更有望開啓地球科學的新篇章!

冰與火之地——冰島,100% 依靠可再生能源的國家

落在北極圈邊緣的冰島(Iceland),擁有壯闊冰川與絢麗極光,同時也是地球上火山活動最頻繁的地區之一,可謂名副其實的「冰與火的國度」。這座大約 1500 萬年前才因火山活動形成的年輕島嶼,因位在大西洋中洋脊[註1]之上,受到歐亞大陸板塊與北美洲板塊往各自方向的拉扯,而有著 32 個活躍的火山系統,且平均每 4 年就會發生噴發。

圖/wikimedia

除了令人屏息的天然極地美景,冰島更是全球綠能國家中的模範生。得天獨厚的地理條件,讓冰島超過 99% 的電力都是依靠可再生能源,其中 73% 的電力源自水力發電,另 26.8% 則來自地熱能。在可再生能源,尤其是地熱能的開發應用技術上領先世界的冰島,在地發電厰不單是觀光旅游的賣點之一,更吸引了不少國外的投資入駐,以降低企業的碳足跡。

延伸閲讀:利用地球的熱情發電吧:深層地熱發電

通往「地獄」之門,也是推開科學新研究的大門

地熱能開發技術純熟的冰島,在 2009 年的一次鑽探中,卻遇到了意想不到的變故:原本想開挖深達 4500 公尺下的熱水,沒想到卻在 2100 公尺處挖到了一個岩漿庫[註2]!這此的開挖位於冰島北部的 Krafla 火山口附近,一個較小火山口 Víti (冰島語中正是「地獄」之意)邊上。

大量的蒸汽與玻璃從鑽孔中噴湧而出,在鑽探套管報廢之前,還觀測到破紀錄的 900°C 高溫。原先的計劃被迫喊停,但科學家卻從中看到進行地科研究的大好機會。

2009 年時,原先要鑽探地熱井的冰島團隊,卻意外挖到了一口岩漿井。圖/science.org

這起事故,促成了克拉夫拉岩漿試驗臺( Krafla Magma Testbed,簡稱 KMT)研究計劃的誕生。時隔多年籌備,這個備受矚目與期待的計劃,在國際大陸科學鑽探計劃(International Continental Scientific Drilling Program)與多個科研機構的支持資助下,終於於今年展開。這一次,科學家們帶著更堅實的鑽探工具,與明確的鑽研目標,要來敲開通往「地獄」的大門。

「我們曾去過火星,也到過金星,但我們從未觀測過地表下的岩漿。」意大利國家地理物理與火山學的研究主任 Paolo Papale 如是説道。

過去火山學家一直缺乏直接觀測地底岩漿的機會,只能仰賴地震儀、GPS 感測系統和雷達衛星,來推測岩漿的運動。儘管他們可以調查噴發到地表的熔岩,但這些已固化的樣本,早已失去大部分原本所含有的氣體。這些氣體是驅動火山噴發,影響岩漿原始溫度、壓力與成分的關鍵。

自 2009 年與這口岩漿井打交道以來,科學家確認它的脾氣相當溫和,並無噴發的太大風險,加上位處偏僻無人居住之地,因此非常適合進行研究。未來若從 KMT 取得新鮮熱辣的岩漿樣本,將可用來驗證過去科學家對於岩漿的認知是否屬實。

地底下的岩漿,揭開大陸形成的秘密

地球大部分海床,都是由玄武質熔岩[註3]構成,冰島也不例外 。然而組成大陸地殼的花崗岩,卻是由另一種更粘稠、富有二氧化矽的流紋質岩漿而來,而 KMT 岩漿井底下的就是流紋質岩漿。

為什麽構成海床與大陸地殼的熔岩種類有所差異?科學家相信,探究以玄武岩為主要構成的冰島上的流紋質岩漿樣本,將揭秘這個地質科學中很基本,卻未解決的問題。

要長期監測岩漿井的溫度、氣壓、化學成分等參數,實實在在地挑戰人類科技的極限,因為靠近岩漿處的溫度可是超過攝氏一千度。鑽探團隊正測試各種能耐高溫及膨脹的器械,而科學家也在研發各種可抵抗高溫高壓的新型偵測器。

這些研究成果不僅能用於地球科學,有朝一日更可能造福太空探索,如被運用在登陸太陽系中環境最惡劣的金星上。

水手 10 號拍攝的金星,由可見光與紫外光影像疊合而成,可見其表面被一層厚厚的硫酸雲遮蓋。圖/維基百科

一口岩漿井,將成為世界重要的火山學中心

KMT 引領科技的創新,也為冰島的地熱能產業帶來突破的機會。越靠近熾熱的岩漿,利用地熱能發電的效率便會增倍,這麽一來便可減少為了滿足能源需求而開挖的地熱井數量,降低對周圍環境造成的衝擊。光是在 2009 年意外挖掘的這一口岩漿井,就具備可以供應一整個小鎮電力的潛能。

開挖岩漿井時,需要注入大量的水來冷卻與潤滑鑽頭,這個對火山系統進行擾動的過程,也提供科學家一個瞭解火山運動的絕佳觀測機會。進行鑽探後,地震波速度發生的改變,也可透露岩漿流動的範圍。透過探究這些細微的火山運動變化,科學家能更好預測火山的噴發,讓我們能建立更整全的火山預警系統。

「十年後,這裏將可能成為火山學的中心。」冰島地熱研究中心科學主管 Ottó Elíasson 這麽認為。觀察地底下流動的岩漿,就像在瞭解地球的脈動,可以告訴人類更多關於這顆星球的故事,更能帶領我們走向更多科學新的可能性。

註釋

  1. 大西洋中洋脊(Mid – Atlantic Ridge,又稱中大西洋帶),是橫跨大西洋及北冰洋、大部分地區位於海底的山脈。
  2. 岩漿庫(Magma chamber,又稱岩漿房),是地球表面下一至十公里處由熔岩和火山灰氣體形成聚集之處。由於其內的岩漿密度比周圍的母岩來得低,因此會產生使岩漿往上移動的浮力。如果出現可讓岩漿通往地表的管道,便會造成火山噴發。
  3. 玄武岩(basalt),由基性岩漿噴發凝結而成,主要成分是矽鋁酸鈉或矽鋁酸鈣,是一種細粒緻密的黑色火成岩。玄武岩質熔漿被認為源自地球的上部地函。

延伸閱讀

參考資料

  1. Forget oil or water. In Iceland, well diggers seek to tap a volcano’s magma
  2. VisitIceland – Geography of Iceland
  3. VisitIceland – Renewable energy
  4. Magma chamber
  5. Krafla Magma Testbed
  6. Rhyolite
  7. Basalt

安比西林_96
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本職為生態環境領域的可撥煙酒生。 不定時掉落科普文章。 大家一起嗑科科(❍ᴥ❍ʋ)
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