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奈米條紋化身金屬毒物偵探

NanoScience
・2012/10/14 ・835字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 565 ・九年級

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瑞士與美國的聯合研究團隊研發出一種新型感應器。這種個由載玻片覆蓋條紋狀奈米微粒所構成的元件,能探測出液體中的微量重金屬元素,未來可望應用於飲水或魚類體中毒物的檢測。

此研究團隊包含瑞士聯邦理工學院(EPFL)、美國西北大學及密西根大學的研究人員。他們先在顯微鏡載玻片上製作鉛電極,並在兩電極間填入功能化的奈米金粒薄膜,然後測量薄膜的電導。接著,研究人員把整個元件浸入水中,取出乾燥後,再次量測薄膜電導。奈米微粒表面覆蓋著正己硫醇及乙二醇硫醇,這些條紋狀的配位體結構能選擇性地捕捉正離子,如果水中存在有毒重金屬離子,薄膜的電導值便會因此增加。藉由改變這些奈米條紋(nanostripe)的長度,研究人員得以將目標設定為不同種類的污染物。

研究人員發現此元件對於甲基汞(methyl mercury)特別敏感,甲基汞是最常見的汞金屬污染物,並會累積於魚體內(例如鮪魚)。事實上,此探測器所能偵測的濃度可低至每立方公分600個甲基汞離子,相較於將樣本送至實驗室並枯等結果,此元件提供了一個快速、簡單又便宜的方式來檢驗河流中及魚體內毒物含量。

他們的方法同時是第一個能選擇性地束縛金屬離子,且無須倚賴鎖鑰機制(lock and key mechanism)的技術。研究團隊利用此新技術測量密西根湖水的甲基汞濃度,所獲得的結果與美國食品藥物管理局以傳統方法所得到的分析一致。另一項試驗則是針對沼澤地(Everglades)的食蚊魚,測量的結果與美國地質調查所相符。食蚊魚位於食物鏈下層,體內所累積的毒素並不多,因此可以用來測試此技術是否能偵測極微量的甲基汞。

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該研究團隊計畫進一步探討此奈米微粒的選擇性,也就是不同長度的配位體如何導致元件捕捉不同毒物。另一個研究重點在探討此奈米條紋結構中選擇性與 靈敏度的結合。下一個重要挑戰則是以此奈米條紋打造出能同時辨別分析不同金屬元素的裝置。詳見Nature Materials|DOI:10.1038/nmat3406。

資料來源:Nanostripes detect toxic metal cations. NanoTechWeb [Sep 20, 2012]

譯者:Yann-Bor Chen (Texas A&M University-Commerce)
責任編輯:蔡雅芝

轉載自奈米科學網

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NanoScience
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主要任務是將歐美日等國的尖端奈米科學研究成果以中文轉譯即時傳遞給國人,以協助國內研發界掌握最新的奈米科技脈動,同時也有系統地收錄奈米科技相關活動、參考文獻及研究單位、相關網站的連結,提供產學界一個方便的知識交流窗口。網站主持人為蔡雅芝教授。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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超壓縮的水會變成冰?!二維奈米薄冰能在室溫下穩定存在嗎?有什麼用途?——專訪中研院原分所謝雅萍副研究員
研之有物│中央研究院_96
・2024/03/10 ・4907字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文|張琬婷
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術編輯|蔡宛潔

水能被擠壓成冰?

水在攝氏零度以下會結冰。然而,當水被擠壓到極限時,會形成二維的奈米薄冰,不僅室溫下穩定存在,還有從未見過的鐵電特性(Ferroelectricity),而石墨烯則是實現這種擠壓條件的關鍵。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所的謝雅萍副研究員,她與我們分享了實驗室如何意外發現這層特殊的二維薄冰,以及團隊如何利用二維薄冰的鐵電特性製作有記憶電阻功能的奈米元件,研究成果發表在科學期刊《自然通訊》(Nature Communications)。

奈米尺度下,物質特性會跟著改變?

謝雅萍的主要研究題目之一就是合成新穎的二維材料,這是奈米科技的領域。奈米是什麼?奈米(nanometer)是長度單位,即 10-9 公尺,一根頭髮的直徑長度約為 1 奈米的十萬倍。奈米尺度之下,很多物質的特性會隨之改變,最常見的例子是「蓮花效應」,因為蓮花葉上具有奈米等級的表面結構,為蓮葉賦予了疏水與自我清潔的特性,髒污與水珠都不易附著在蓮葉上。

電腦模擬圖(左)和實際照片(右),蓮葉上密集的微小突起,讓大顆的水珠和灰塵不易附著,這讓蓮葉具有疏水與自我清潔的特性。
圖|William ThielickeGJ Bulte

奈米材料(nanomaterial)是指三維尺寸的材料,至少有一個維度的尺寸小於 100 奈米。只縮小一維,就是平面的二維材料(2D),例如石墨烯;縮小兩個維度,就是奈米線(1D);三維都縮小,就是零維的奈米顆粒(0D)。

奈米科技(nanotechnology)的概念最早可追溯到 1959 年美國物理學家理查費曼(Richard Feynman)在演講中提出的願景「為什麼我們不能把大英百科全書全部寫在一根針頭上呢?」。1974 年日本科學家谷口紀男則是首度創造「奈米科技」這個詞的人,他認為奈米科技包括原子與分子層次的分離、固定與變形。

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過去有不少科學家嘗試奈米材料的研發,但受限於製造技術不成熟,而無法順利製作出精細製程的奈米材料。1981 年,在掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope, STM)發明之後,不僅有助於材料的微觀分析,操縱單個原子和分子也成為可能,奈米科技也逐漸實現。

2013 年 IBM 研究人員使用 STM 顯微鏡將上千個一氧化碳分子製作成原子等級的動畫「男孩與他的原子」,目前是金氏世界紀錄最小的定格影片。

無處不在的奈米科技?

我們生活周遭的奈米科技俯拾即是,從大賣場商品到半導體產業的電子元件都有。謝雅萍舉例:防曬霜之所以是白色,是因為裡面有二氧化鈦的奈米顆粒;許多塗料與噴漆亦會以奈米添加物,來增進耐蝕、耐磨、抗菌與除汙的特性,例如汽車鍍膜或奈米光觸媒;羽球拍或牙醫補牙會使用奈米樹脂,讓球拍和補牙結構更堅固。

至於半導體產業,奈米科技更是關鍵。透過縮小元件尺寸以及調整奈米元件的幾何形狀,以便於在單一晶片上乘載更多電晶體。「當今的電晶體大小皆是奈米等級,製作電子元件就等同在處理奈米科技的問題」,謝雅萍說道。

IBM 展示 5 奈米技術的矽奈米片電晶體(nanosheet transistors),圖中堆疊起來的一顆顆橢圓形結構是電子通道的截面,IBM 設計立體結構以因應愈來愈小的元件尺寸。
圖|IBM

實驗中的難題,反而促成驚奇發現?

鐵電性是什麼?二維奈米薄冰有哪些可能的應用方式?

對謝雅萍來說,發現二維的奈米薄冰是個意外的驚喜。最初謝雅萍團隊其實是要製作以石墨烯為電極的開關,畢竟石墨烯是實驗室的主要研究項目,理論上當兩層石墨烯很靠近時,分別給予兩端電壓會是導通的「ON」狀態,沒電時就是斷開的「OFF」狀態。

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然而,實驗過程中團隊卻發現當電壓為零時,石墨烯開關仍會導通,甚至要給予負電壓時才會成為 OFF 狀態。這個奇特的現象讓研究團隊苦惱許久,嘗試思考了各種可能性,但都無法完善的說明此現象。

「原本以為實現石墨烯開關應該是一件能夠很快完成的題目,沒想到過程中卻出現了這個意料之外的難題,因此這個研究比預期多花了一兩年」,謝雅萍無奈地笑道。

靈感總是突如其來,某次謝雅萍在與朋友討論研究時,突然想到一個可能的方向:「一直以來都有人猜測水是否為鐵電材料,但都沒有真正證實。臺灣氣候潮濕,開關關不緊會不會就是水的影響?」

設計實驗跑下去之後,謝雅萍團隊終於擺脫了一直以來的疑雲。原來,兩層石墨烯結構中,真的有水分子的存在!「一般水分子用手去捏,還是會維持液體的狀態。但是我們發現,當水被兩層石墨烯擠壓到剩下原子厚度時,水分子就會變成具有鐵電特性的二維薄冰!」,謝雅萍開心地說道。

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換句話說,當極限擠壓之下,水會結成冰,而這層超薄的平面奈米薄冰會轉變成鐵電材料,而且可以在室溫下穩定存在!

示意圖,當水受到兩層石墨烯的極限擠壓之下,會形成單原子厚度的二維奈米薄冰,這層薄冰是鐵電材料,而且可以在室溫下穩定存在。
圖|之有物(資料來源|謝雅萍)

鐵電材料乍聽之下很抽象,謝雅萍表示:「相較於會吸磁鐵的鐵磁材料,大多數人對鐵電材料比較不熟悉,其實概念十分相似」。她說,鐵磁材料經過外加磁場的「磁化」之後,即使不加磁場仍可維持原本的磁性。相對地,鐵電材料經過外加電場的「極化」之後,即使不加電場仍可維持原本的電荷極化方向。

謝雅萍團隊發現的二維冰具有鐵電性,這意味著水分子的正負極在外加電場之下會整齊排列,形成一個永久的電偶極,並且在電場消失後保持不變。

鐵電材料經過外加電場的「極化」之後,即使不加電場仍可維持原本的電荷排列方向。圖片顯示為順電狀態,極化方向和外加電場相同,箭頭表示每一小塊區域(Domain)的平均極化方向。
圖|之有物(資料來源|Inorganics

接著,謝雅萍發現,二維冰的鐵電性只存在於單層原子,增加多層原子之後,鐵電性會消失,變成普通的冰,這是因為多層原子的交互作用會打亂原本的極化排列。因此研究團隊發現的二維冰,是非常特殊的固態水,不是手搖飲加的冰塊那麼簡單。

因為石墨烯的擠壓和固定,二維冰可以在室溫下穩定存在,不會蒸發。謝雅萍團隊實驗發現,要升溫到攝氏 80 度,被夾住的二維冰才會變成水。如此大範圍的操作溫度,這讓謝雅萍開始思考將二維冰作為鐵電材料使用的可能性。

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於是,謝雅萍團隊嘗試開發新型的電子元件,他們將二維冰與石墨烯整合成機械式的奈米開關。由於二維冰具有鐵電特性,在施加不同外加電壓之後,元件可以維持上次操作的電阻值,並保留至下次操作,有這種特性的元件稱為「憶阻器」(memristor)。

憶阻器這個詞是由記憶體(memory)與電阻(resistor)組合而成,字面上的解釋便是:具備記憶先前電阻值的能力。

謝雅萍表示:「我們可以藉由不同的外加大電壓寫入電阻值,再以微小電壓讀取之前的電阻值,允許快速存取」。而單獨一個二維冰奈米開關可以記住 4 個位元的資料,具備未來記憶體的發展潛能。

此外,二維冰奈米開關也是很好的開關裝置,團隊驗證導通電流和截止電流的比值可以達到 100 萬,開路和斷路的功能極佳,並且允許雙向操作。而開關的功能經過 1 萬次循環還不會衰減,相當穩定。

謝雅萍團隊是全世界第一個證實二維薄冰鐵電性的團隊,並實現第一個以石墨烯為架構的二維冰機械式憶阻器。她的團隊將往新穎二維材料的方向繼續邁進,目前實驗室有和台積電(TSMC)合作,希望透過產學合作,將更多奈米技術的應用落地實現。

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謝雅萍與研究團隊用意外發現的二維奈米薄冰,以石墨烯為架構,做出了全世界第一個機械式的憶阻器。
圖|之有物

與二維材料實驗的相遇?

謝雅萍目前除了是中研院原分所的副研究員,同時也是國立臺灣大學 MY Lab 實驗室的共同主持人,她和人生伴侶 Mario Hofmann 教授共同指導的 MY Lab 發揮了 1+1>2 的效果,創意與想法的激盪和交流,是產生傑出研究的關鍵。

回到碩博士時期,謝雅萍都在臺大物理所,鑽研材料的光電性質與新穎光電元件的機制。她回憶:「當時我們都要向化學系要材料,他們給什麼我們就得用什麼,但難以了解整個材料製造的細節。」後來她體認到,擁有製造材料的調控能力才能真正突破元件設計上的侷限。

謝雅萍在博士班時申請到了千里馬計畫,讓臺灣博士生獲得國科會補助前往國外頂尖研究機構,進行為期約半年至一年的研究。「我認為這個計畫非常好,也可以幫助學生建立重要人脈!」在指導教授引薦下,謝雅萍因緣際會進入美國麻省理工學院(MIT)的二維材料實驗室,自此與二維材料結下不解之緣,她認為:「好材料與好元件是相輔相成的,前瞻材料更是如此。」

「我到了 MIT 之後,深刻體悟到他們做研究的態度與臺灣學生的不同。臺灣學生像是把研究當作一份工作,然而我在 MIT 時就感受到他們學生對於自身研究的熱忱。討論風氣也非常盛行,學生之間會互相分享自己的研究內容,互相幫忙思考、激盪出新想法」,謝雅萍分享自己在 MIT 時期的觀察。

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當年二維材料還在萌芽階段,她所在的 MIT 實驗室已是此領域的佼佼者,她也因此立下了目標:「希望未來我有能力時,能夠自己掌控自己的材料做出好元件!」如今,謝雅萍正走在自己目標的道路上,過去認識的朋友也都是各頂尖大學的二維材料實驗室主持人,直到現在都還會互相幫忙。

從物理到二維材料,身處這些男性為主的學術環境,謝雅萍顯得自在,而且積極參與討論和交流。「我發現女科學人會把自己變得較中性,讓自己融入整個以男性居多的環境中,才不會在團體中有突兀的感覺」,她分享道。

謝雅萍的實驗室 MY Lab,是與臺大物理系 Mario Hofmann 教授共同主持的奈米科技實驗室,他們除了是工作上的夥伴,更是人生中的最佳拍檔!當初兩人就是在美國麻省理工大學 MIT 相識,再一起回到臺灣。

讓「研之有物」團隊好奇的是:這種共同主持的模式與一般實驗室相比,是否有特別之處?

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「從多個面向而論,我認為都是 1+1>2 的」,謝雅萍說道,「實驗室會有兩倍的資源、儀器、計畫與兩倍的人脈。遇到一個題目,兩個人思考時會從不同的觀點切入。即便是夫妻,我們在研究上看的面向也都不一樣,因此可以激盪出許多有趣的想法」。

她補充,不僅對實驗室本身而言,對學生也有很大的好處,「因為學生的研究必須同時說服我們兩個人,代表學生的研究成果會非常扎實,也可以為學生帶來信心。」重要的是,「學生也會得到兩倍的照顧與關愛,我覺得我們的學生是蠻幸福的」,謝雅萍笑笑地說。

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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人類真的在食物鏈頂層嗎?
椀濘_96
・2022/02/21 ・2537字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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神秘動物學家芭芭拉成為攻擊性強、移動速度快的頂級掠食者—豹女。 圖/IMDb

筆者在觀看電影《神力女超人 1984》時,對於神秘動物學家芭芭拉一角印象深刻,劇中她因私心向許願石許願成為「頂級掠食者」,於是變成了攻擊性強、移動速度快的大反派豹女,然而許願的後果使她漸漸失去人性,變得貪婪狂暴。

自古以來,人類在食物鏈上的位置會隨著演化、行為模式、民俗文化而有所不同,也出現了為滿足口腹之慾而將非牲畜類動物變成餐桌佳餚的現象,如:取食鯊魚鰭的魚翅、將熊掌做為補品等。人類征服了這些大型動物,是否也意味著,現代人類處在食物鏈的最頂端,成為真正的「頂級掠食者」了呢?

生物在食物鏈上的等級是怎麼訂定的?

在討論人類是否是頂級掠食者前,我們先來了解什麼是營養級。

營養級(trophic level)為各生物在食物鏈上的位置,通常以 1~5 等級進行評分。利用陽光獲取能量的植物和其他初級生產者處於第一營養級,隨後的計算則是以該動物所吃的物種其營養級加一:草食性動物處於第二級(吃第一級:1+1),三(2+1)級動物只吃二級草食性動物,四(3+1)級則吃第三級的肉食性動物。以此類推,一條食物鏈通常最多達五級。

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若從多個營養級獲取食物的物種,則是以所吃食物的營養級取平均作為依據。以雜食性動物為例:若該生物吃 50% 的植物(第一營養級)和 50% 的草食性動物(第二營養級),則此生物為 2.5 級。

美國乞沙比克灣水鳥的食物網,其內每個物種各自都有被定義的營養級。圖/維基百科

而「頂級掠食者」(apex predator)在生態學上的定義為「此生物在生活範圍內的食物鏈中,不存在對其做出掠食行為、更高營養級的其他物種」,如上圖中的老鷹。

其實人類沒有想像中的高等級!?

2013 年,法國海洋開發研究院(IFREMER)海洋生態學家 Sylvain Bonhommeau 的研究團隊在《美國國家科學院院刊》(PNAS)發表了一篇論文,確認人類在食物鏈上的營養級(human trophic level; HTL)。他們利用聯合國糧食及農業組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations; FAO)統計世界各地人類食物消費的數據,為所吃的每種食物分配了一個營養級。研究結果顯示,人類每天有平均 80% 的卡路里來自植物,20% 來自魚肉類。這邊我們可以用漢堡來理解,內容物除了肉片、蛋、起司外,其餘的食材皆為植物,或是以植物為原料,如麵包體就是從小麥而來的

圖/Pixabay

這份論文的數據計算出人類處於 2.21 的平均營養級——介於鯷魚和豬之間。不過人類的營養級在世界各地不盡相同,例如在蒲隆地共和國(位於非洲東部的小型內陸國家),植物佔當地飲食的 96.7%,使得該國人民的營養級為 2.04,但在冰島,飲食中約 50% 為肉類,使得該國人民的營養級高達 2.57。

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看來是時候越級打怪了!

大型貓科動物、老鷹和虎鯨有一個共同點:他們都是頂級掠食者!牠們是標準的肉食性動物,食物來源幾乎完全由肉類組成,這些動物沒有天敵——除了人類以外。

那麼,如果我們是頂級掠食者的掠食者,這是否意味著人類處於食物鏈頂端呢?

答案取決於如何定義「掠食者」,也就是說,是為了進食而殺戮,還是僅殺死其他動物。

無論是非掠食性的大型草食性動物(如象、犀牛等攻擊性極強的物種),或是具致命性的有毒物種,均能殺死其他動物,但牠們在食物鏈上仍有天敵,且無法捕食大型獵物,因此在定義上無法納入頂級掠食者。

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在生態學或生物環境相關的研究中,人類在食物鏈中的位置並非基於我們殺死了什麼,或是被什麼生物吃掉。相反地,Bonhommeau 指出「這完全取決於你吃什麼。」

若根據這個定義,人類是否處於食物鏈頂端呢?答案是否定的,因為我們不會吃掉所有被我們殺死的生物。

在多數情況下,我們不是為了吃野生動物而殺死它們,例如獅子數量下降的主要原因是棲息地喪失,以及人類不希望獅子威脅到自身或所飼養的牲畜而發生衝突。亦有研究指出,漁民會將 10% 至 20% 的總漁獲量作為混獲(意外捕獲到原本不打算捕撈的魚種)丟棄,而這些無意中捕獲的動物大多面臨受傷或死亡。

史前人類的等級竟然比現代人類還高?

另外,在探討人類的食物鏈位置時,也需考量「人類」是指史前人類還是現代人類。

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從歷史上來看,我們吃的東西和殺的東西,之間差異可能較小。2021 年,有研究團隊整合人類生理學、遺傳學、考古學和古生物學,重建了更新世(260 萬至 1.17 萬年前,也就是人類出現的時期)人類祖先的營養級。這份研究發表在《美國自然人類學雜誌》(American Journal of Physical Anthropology)。

研究顯示當時的人類很可能是頂級掠食者。直到 1.2 萬年前,最後一個冰河時代結束前,人類在這 200 萬年的時間裡主要是吃肉的,證據有兩項:一是古代人類遺骸中的氮同位素(與飲食以植物為主的人相比)比例較高,而氮同位素比例往往會隨著以肉類為主的飲食而增加;另一項證據則是人類與肉食性動物的生理相似性(與草食性動物相比)來得更高。

然而,一些變化可能導致人類食物鏈下降,該團隊認為主要的變化是大型動物的消失。大約在同一時期,人類開始發展出能夠食用更多植物的技術,例如學會磨製用於加工穀物的石器等。

不強求最高等,或許才是最好的

即使我們曾經可能是肉食性頂級掠食者,並不意味著現代人類也應該登上食物鏈頂端。隨著時代演替,人類在食物選擇上更加多元,但我們不該為滿足口腹之慾而肆意殺戮,破壞生態系統的平衡。每種生物的存在(包括屬於 2 級的我們,以及真正的頂級掠食者)都是維持生態系統中各物種數量的平衡和食物鏈穩定的重要貢獻者。

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圖/GIPHY

參考資料

  1. Are humans at the top of the food chain?
  2. Eating up the world’s food web and the human trophic level
  3. The evolution of the human trophic level during the Pleistocene
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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’*)