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宇宙探索與物理的突破,生態環境與政治的角力—— 2020 年《NATURE》年度回顧(其他科學篇)

A編
・2021/01/02 ・2663字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

2020 年,《Nature》的年度科學大事回顧分為「新冠病毒與 2020」與「其他科學大事」兩個部分,在「其他科學大事」中,《Nature》不只回顧科學重大研究,也回顧了對學術界或科學家產生重大影響的政治事件。

火星任務:三座探測器陸續出發

2020 年七月,三座探測器突破大氣層,朝火星出發,他們分別是阿聯的希望號、中國的天文一號,以及美國的毅力號。希望號將繞行火星研究火星天氣,天文一號是中國首次嘗試登陸火星,而毅力號則計畫帶回火星岩石。

毅力號發射現場。圖/Nature

此外,NASA的小行星探測器冥王號 (OSIRIS-REx),在十月接觸名為Bennu的小行星,並成功收集灰塵與樣本,預計 2023 年返回地球。不過冥王號並不是第一個取回小行星樣本的探測器,在十二月初,日本的隼鳥 2 號 (Hayabusa2) 已經帶著小星行 Ryugu 的灰塵樣本,平安降落在澳洲。

另外,中國的嫦娥五號也成功登陸月球正面的風暴洋,並收集到該地區的年輕火成岩樣本,這些樣本將幫助科學家理解十億到二十億年前的月球火山活動。

天災頻傳,大火與融冰

從一月開始,澳洲發生了史無前例的大火,火勢與濃煙殺死了數百人,並摧毀了生態系統。許多野外研究的場域遭到破壞,生物學家記錄下大火對生物多樣性的影響,而考古學家則開始調查數千個被大火破壞的古代遺址。

除了澳洲大火,加州、西伯利亞苔原、南美與美西的熱帶濕地,皆傳出大火,而加州大火更是威脅到李克天文台與威爾遜天文台。

今年有 30 個北大西洋颶風形成,其中有 12 個登陸美國本土。熱浪來襲也造成北極冰山急速溶化,出現有史以來第二低的紀錄。南極洲的思韋茨冰川(Thwaites Glacier)經由水下探測的數據得知,溫暖的水正不斷湧出破壞冰川結構,科學家擔心思韋茨冰川可能會崩潰,而冰川崩潰後,將會讓海平面上升超過 50 公分。

南極洲思韋茨冰川。圖:Wikipedia

拜登當選、英國正式退出歐盟

你沒看錯,Nature 將拜登當選放入年度回顧中。由於川普任內提出許多破壞科學與公共衛生的政策,尤其是在氣候變化與環境議題上,拜登當選有機會推翻這些政策。而拜登也承諾會改善川普對 COVID-19 的應對措施與解除封鎖令,讓國外科學家與工程師可以駐留在美國。

至於英國正式退出歐盟,則是影響歐盟對科學研究的資助計畫,除了研究資金的空缺外,還會造成科學家駐留英國時,必須多負擔高額的移民簽證費用;法規落差引起的試驗標準不一致;以及關稅造成的實驗設備與耗材成本激增。

科學家譴責種族歧視

今年五月,美國明尼蘇達州的警察殺死非裔的喬治.佛洛伊德(George Floyd)後,全球各地的科學家們皆一同譴責警察蠻橫的種族歧視行為,並呼籲大眾要採取行動,解決系統性不平等的現象。六月十日,成千上萬的研究人員及其所屬的機構(包含 Nature 自己)全都停止工作,一同在線上討論「如何反轉與對抗科學界中歧視黑人」的問題。

因為這場討論,許多大學開始針對課程或建築物進行審查,也有研究人員開始探索打擊種族歧視與限制警察武力的措施。

反種族歧視抗議者聚集在華盛頓特區。圖/Nature

1951 年,醫生未經拉克斯同意,擅自使用非裔婦女利埃塔.拉克斯(Henrietta Lacks)的癌細胞進行研究,並發現了「海拉細胞系」(Hela Cells line),由於海拉細胞系具有接近「永生」(避開海佛列克極限)以及快速增值的特性,使體外培養人類細胞得以實現。

海拉細胞系促成二十世紀許多重大醫療突破,包括小兒麻痺疫苗、化學療法、基因複製、基因圖譜及體外人工授精等,並支撐著數十億美元的生物科技產業。但拉克斯與他的親人並沒有從中獲得任何好處,也沒有任何研究人員詢問過家屬是否同意海拉細胞的使用。今年十月,霍華德.休斯研究所以捐贈的名義,主動向拉克斯的家屬提供六位數美金的款項,這是對有色人種進行不道德實驗做出賠償的先例。

物理學上的重大突破

今年,超導體的工作溫度第一次達到攝氏零度(攝氏十五度)以上,不過需要在 270 GPa 的壓力(約為平地大氣壓力的三百萬倍)下才能運作。

過去在量子力學理論中出現的「任意子」(anyon,指在二維系統中能同時符合費米子與玻色子統計分佈的粒子)獲得初步實驗驗證,這項發現可能會影響量子電腦的構築方法。

今年六月在國際太空站的物理實驗室中,成功讓玻色-愛因斯坦凝態(一種超流體,其中所有粒子都處在最低能量的量子態,是宏觀研究量子力學的素材)持續存在一秒鐘,這相當於地球上的最好紀錄。研究團隊預測,未來實驗中的玻色-愛因斯坦凝態,將有機會存在長達五秒鐘。

此外,望月新一的 abc 猜想論文今年發表了,不過數學界仍為此爭執不休。

低溫電子顯微鏡所看到的儲鐵蛋白 (apoferritin)。圖/Nature

另外兩個重大發現是關於蛋白質結構分析的突破。首先是低溫電子顯微鏡技術達到單原子的分辨率,接近 X 光晶體繞射的精準度。其次,是人工智慧 AlphaFold,成功從蛋白質一級結構推測出三級摺疊結構,這對未來藥物研發將有巨大的影響。


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A編
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PanSci 編輯|讀物理毀三觀的科學宅,喜歡相聲跟脫口秀,因為它們跟我一樣是個笑話。


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你聞過下雨的味道嗎?讓我們一同探究它是怎麼產生的吧!

椀濘_96
・2022/05/04 ・3083字 ・閱讀時間約 6 分鐘

夏日雨季來臨,下雨前及正在下雨時,總能聞到一股特殊的氣味,濕濕的又有點清新,但大多時候卻不太喜歡,聞起來反而像霉味,甚至臭臭的,而我們總說那是「雨味」。

你是否也曾好奇過,這個形容不出、抽象的「下雨的味道」,究竟是怎麼產生的呢?

夏日雨季來臨總能聞到一股特殊的氣味,我們總說那是「雨味」。圖/Pixabay

最美的的英文單字 —— Petrichor 的由來

在經過漫長的乾旱季後,雨水落在乾燥土壤上時,混雜新鮮泥土與青草的氣味,這股聞起來令人愉悅舒爽的初雨清香,就叫 —— Petrichor。

撇除這樣優美浪漫的文學意涵,Petrichor 本身是個術語,專指下雨的氣味。

Petrichor 一詞首次出現在 1964 年的《自然》(Nature)期刊中,由兩位澳洲的 CSIRO(聯邦科學與工業研究組織)研究人員 Isabel Joy Bear 和 Richard G. Thomas 所創造。

該單字是由兩個希臘字「petra」以及「ichor」所組成;其中 petra 為岩石、石頭,而 ichor 則為希臘神話中神的血液。(聽起來就超厲害的!)

「岩石的血液」實際上是被大地吸收的植物油脂

而在該篇論文中,Bear 與 Thomas 揭露了令世人好奇許久「雨味」的來歷。顧名思義,Petrichor 一詞表明了此氣味來自於岩石內的液體,源自於兩人在實驗中證實,這個味道就是植物在乾旱期間分泌出的油,隨後這些油則被泥土、岩石吸收了。在乾旱時,油脂與泥土、岩石表面的其他化學物質相互發生作用,等到雨季來臨時,多種組合物的氣味被釋放出來。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。中文則將 Petrichor 譯為「潮土油」。

然而礙於當時技術尚未發展成熟,兩人尚未分解出該植物油脂的組成成分。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。圖/Pixabay

隔年(1965 年)Bear 與 Thomas 在《自然》上發表了另一篇關於 Petrichor 與植物生長的論文。

在長期處於乾旱或沙漠條件的地區迎來降雨時,植物種子萌發的反應會較迅速。因此兩人以此觀點帶入假設:該氣候條件普遍有利於 Petrichor 的累積,並從黏土(有黏性的泥土,內含多種礦物與金屬元素)和其他矽酸鹽礦物中釋放,兩者作為土壤的成分,似乎有可能伴隨著 Petrichor 內的一些物質,其可能對種子萌芽產生有利的影響。

然而,根據兩人實驗觀察,發現並非如此。

根據實驗結果所示,從礦物中提煉出的 Petrichor 顯著延遲了水芹、芥菜等種子的發芽和生長。此外,發現播種在濕潤後、原先為暴露在溫暖乾燥大氣條件下之材料的種子,與播種在未暴露或使用前已先經蒸氣蒸餾和烘乾之材料上的種子相比,發芽需要更長的時間、生長的速度更慢。

雨的味道其實細菌也有出一份力

在 Petrichor 一詞還未出現時,當時人們把下雨的味道形容為「泥質的氣味」( argillaceous odour) ,以表達下雨時所散發出的味道是來自土壤。

泥土中除了植物分泌的油外,還有細菌,也為「雨味」做了貢獻。

在土壤中的放線菌(Actinomyces)和鏈黴菌(Streptomyces),他們的代謝副產物——二甲基-9-烷醇(Dimethyl-9-decalol),該化學物質存在於孢子表層,並帶有泥土氣味,稱為土霉味(geosmin)或土臭素。那麼我們又是怎麼聞到土霉味的呢?

放線菌在長時間的乾旱時,代謝活動的速度會較慢;而在乾燥的環境下,細菌則製造孢子以利生存。當下雨前空氣轉為潮濕,泥土也變得濕潤,這能讓放線菌的代謝活動加速,因此也產生更多土霉味;等到下雨的時候,孢子因雨滴彈到空氣中,潮濕的空氣攜帶孢子飄散,便使我們聞到了土霉味。

孢子落在潮濕的土中則會變成菌絲的形態,土壤乾燥後又形成孢子,下雨時又再一次發生上述的過程,如此循環。

2010 年,麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology , MIT)研究雨滴對土壤的影響時,也進一步分析出了 Petrichor 的產生機制 。實驗觀察後發現,當雨水落在土壤時會釋放被困在液體中的氣體——氣溶膠(aerosols)粒子,而這些粒子會與前面提及泥土中的放線菌等細菌、植物分泌的油相互作用,在雨滴衝擊下,進而迸發出我們所聞到的下雨的味道。

閃電分解氧氣形成臭氧也是其中一個味道來源

還有臭氧,也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。

閃電的高能量會將大氣中氧氣(O2)分解成獨立的氧原子(O),其中一些重組為一氧化氮,接著又與其他大氣中的化學物質發生反應,有時會產生由三個氧原子組成的分子——臭氧(O3)。因雷暴[1]的下沉氣流將臭氧從高處帶到接近地面的高度,使我們能聞到淡淡的、像是漂白水的臭氧氣味(也有人形容像青草味),預告著大雨來襲。

除此之外,弱酸性雨水和地面物質發生反應、雨後植物揮發的精油等,與雨滴、空氣相互作用後,都是產生氣味的來源。

閃電也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。圖/Pexels

雨的味道可能暗示著某些訊息嗎?

這些被天氣攪動所產生的氣味,都可能傳遞著某些訊息。

有微生物學家認為,土霉味可能可以幫助駱駝找到通往沙漠綠洲的路,而駱駝則作為放線菌孢子的載體,幫助其散播。

至於人類,昆士蘭大學的人類學家對澳洲西部沙漠中原住民的文化做了調查研究。在當地,夏季之前來的第一場雨相當重要,濕潤的空氣混合了潮濕的樹葉油脂、尤加利樹、動物糞便和灰塵的氣味,而雨水能為袋鼠、鴯鶓[2]等動物解渴,沙漠也增添了幾分綠意。對他們而言,雨的氣味與綠意、生機有關,被認為是保護和清潔,也將世人與祖先聯繫著;學者將此稱之為「文化聯覺」(cultural synesthesia)。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。心理學家觀察到,儘管人類似乎對這些氣味沒有天生的反應,但我們確實會將之與自身的經歷聯繫起來。大雨可能帶來了潮濕、發霉的回憶,便不太喜愛雨味;對另一部份的人而言是淨化和提神的,從炎熱的天氣中解脫,大地也因雨水洗滌而有了生機、煥然一新。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。圖/Pexels

下雨時的味道不單單只由一個事件構成,它很複雜、很多元,每個單獨氣味的背後都有著一套機制,說起來,不單單只有生物學,還搭配著物理學、化學、心理學等,在多方交織下而有了豐富的解釋和體驗。

待下次下雨時,你就可以和身旁的人問起:「你知道下雨的時候為什麼會有味道嗎?」

註解

註 1:雷暴指一種產生閃電及雷聲的天氣現象,通常伴隨著滂沱大雨。
註 2:鴯鶓(Dromaius novaehollandiae),別名為澳洲鴕鳥;是現存世上第二大的鳥類。僅分布於澳洲,為國徽上的動物之一。from wikipedia

參考資料

  1. 潮味、土味、青草味 有沒有聞到下雨的味道?——科學月刊
  2. Nature of Argillaceous Odour
  3. Petrichor and Plant Growth
  4. Aerosol generation by raindrop impact on soil
  5. Why you can smell rain
  6. Storm Scents: It’s True, You Can Smell Oncoming Summer Rain
  7. Why Does Rain Smell Good?
  8. 為什麼下過雨之後,地上會有個怪味?

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椀濘_96
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喜歡探索浪漫的事物; 比如宇宙、生命、文字, 還有你。(嘿嘿 _ 每天都過著甜甜的小日子♡(*’ー’*)