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?

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?

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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關於作者

吼猴

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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