Loading [MathJax]/jax/output/HTML-CSS/config.js

0

6
0

文字

分享

0
6
0

隨著交通工具傳播的物種——擴散的生態危機│環球科學札記(30)

張之傑_96
・2021/06/09 ・2232字 ・閱讀時間約 4 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

  • 作者 / 張之傑

六月一日,吃過午餐到八樓散步,在星光廳外看到一隻小鳥,應該是停靠聖米格爾島時從八樓或九樓舷門飛進來的。我想把牠抓住,牠有氣無力地飛進星光廳的沙發椅底下躲起來。我們繞了一圈回到星光廳,看到一位日本婦人手捧著小鳥,另一人跟在後頭,連說tori(鳥)。日本婦人打開舷門,把小鳥放在甲板上放生。小鳥飛翔能力有限,沒能力飛回陸地。牠又是食蟲的(嘴巴是尖的),船上沒有蟲子吃,終究是死路一條。

嘴巴是尖的食蟲鳥很難在船上生存。圖/Giphy

此行在我們房間(7060室)發現過兩次蒼蠅,一次蚊子。我們上船時,已消過毒,蒼蠅、蚊子和那隻小鳥一樣,都是停靠港口時飛進來的。我們住的七樓沒有舷門,八樓和九樓有舷門,平時關得緊緊的。我們靠港時大多經由四樓舷門下船,而且在最後回船時刻之前,四樓舷門一直開著。蒼蠅、蚊子通常低飛,所以很可能是從四樓舷門飛進來的。至於那隻小鳥,可能隨著人們出入,從八樓或九樓舷門飛進船內。

如果以上推論正確,也就是蒼蠅和蚊子是從四樓舷門飛進船內的,那麼要飛進七樓的7060室仍得大費周章。可能經由樓梯間飛到七樓,也可能飛進電梯來到七樓。七樓有兩大排艙房,管家打掃房間時門開著,可能就那麼湊巧,當管家打掃7060室時趁機混了進來。當然啦,也可能是我們出入時跟著飛進來的。

從我們住的7060室就打死過兩隻蒼蠅、一隻蚊子來看,靠港時飛進來的蒼蠅、蚊子應該不少。船隻靠港時或運送貨物時,動物溜上船或被帶上船,這類事司空見慣。當年我帶學生到基隆八斗子採集,親眼看到老鼠沿著纜繩爬進漁船。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

演化生物學有項基本理論——同源,意思是說,同一物種不可能有兩個起源地。舉例來說,人們咸信家貓(Felis catus)由野貓(F. silvestris)馴化而成,但野貓有若干亞種,近年經由基因分析,家貓的基因和中東亞種一致,意味著家貓起源於單一地區,即約一萬年前的肥沃月彎。

二○○四年,科學家在賽普魯斯發現一處約九五○○年前的墓葬,一旁有座小墳,其內有隻貓咪的骨骸。貓不是地中海地區原生動物,所以一定是隨著人類搭船來的,或許就是來自比鄰的地中海東岸地區。這一發現也和家貓源自中東一致。

如今常見的兩種蟑螂——美洲蟑螂(Periplaneta americana)和德國蟑螂(Blattella germanica),其實源自非洲,十六世紀隨著船隻進入美洲,現已分佈世界各地。之所以冠名美洲和德國,和冠名標本(模式標本)的採集地或來源有關。這和原產中國的山茶花(Camellia japonica)的情形類似,七世紀傳到日本,十七世紀從日本傳到歐洲,遂令歐洲人以為是日本原產的。

近年常有火蟻的新聞,最新一則為二○二○年三月十一日,台北市圓山兒童樂園舊址發生火蟻咬人事件。火蟻原產南美洲,一九三○年代侵入美國南方,其後隨著貨櫃四處傳播,二○○三年在桃園機場周邊出現,現已分佈至嘉義、新竹、新北市及台北市等地,被農委會列入十大外來入侵物種之一。火蟻咬人極其疼痛,少數人甚至有昏迷、暈眩現象。火蟻還會侵害土棲動物,危害嚴重地區常造成蚯蚓及本土螞蟻滅絕。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
農地上的火蟻蟻丘。美國農業部發佈圖片。圖/Wikipedia

大虎頭蜂(Vespa mandarinia)侵入歐洲是另一個例子。大虎頭蜂分布東亞溫帶及亞熱帶地區,是世界上最大的胡蜂。二○○五年隨著從東亞進口的陶器中進入法國(大虎頭蜂喜歡在地下坑洞中築巢,生境和陶器相似,有些就在陶器內營巢),十年後已蔓延西歐各地,破壞了當地的生態平衡,對養蜂業危害尤甚。

大虎頭蜂以昆蟲為食,經常攻擊蜂巢,牠們對東方蜜蜂(Apis cerana)的危害不大,這是因為東方蜜蜂已演化出一種防衛機制,集合起來把入侵者裹成蜂球,使裹在其中的大虎頭蜂熱死。西方蜜蜂(A. mellifera)沒有這樣的防衛機制,一窩大虎頭蜂平均可以摧毀五個蜂巢!檢測各地大虎頭蜂的基因,其實是少數幾隻蜂后的後代。

大虎頭蜂原分佈東亞,現已散播至歐洲,對歐洲養蜂業造成重大為害。圖為其蜂后。Yasunori Koide攝。圖/Wikipedia

蘋果蠹蛾(Cydia pomonella)也是個例子。媒體常有從美國進口的蘋果又檢出蘋果蠹蛾幼蟲,防檢疫局已全數銷毀,並暫緩核准進口云云。蘋果蠹蛾是世界上最嚴重的蛀果害蟲之一,一九九五年列為我國十六大害蟲名單。成蟲通常將卵產在果實表皮或果實附近葉片上,孵化的幼蟲尋找適當蛀入點侵入果實蛀食,造成落果,或果實品質低劣,無法食用。果園一旦遭到入侵,被害率可達百分之九十以上。所幸因防治得法,目前尚未造成危害。

船隻為了維持空載時的穩定度,常汲取海水注入船艙,稱為壓艙水。當壓艙水排放時,水中的生物就會移到另一個地區,影響當地的生態系統。舉例來說,我們吃的長牡蠣(Crassostrea gigas)原產西太平洋海域,但隨著壓艙水已分佈到南北美洲、歐洲、澳洲、紐西蘭及非洲。在丹麥,已排擠當地原產牡蠣,造成生態危機。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

關於隨著交通工具傳播的物種,我個人有個經驗。約十年前,我從敦煌買回一些葡萄乾,回家後裝在玻璃罐裡。一天發現罐子裡有隻蛾,正在撲弄著翅膀,我把牠放了。隨即想到外來物種問題,如果再孵化出一隻,而且和前一隻是一公一母,豈不惹出禍事!我把買回的葡萄乾放在微波爐裡加熱,殺死可能藏在裡面的蛹,那放出去的一隻孤寡一人,已不足為害。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
張之傑_96
107 篇文章 ・ 224 位粉絲
張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。

0

2
1

文字

分享

0
2
1
ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

0

3
2

文字

分享

0
3
2
誠實面對人類參與的「自然」——太田欽也專訪
顯微觀點_96
・2024/07/11 ・3235字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文轉載自顯微觀點

斑馬魚是最知名的模式生物之一,其基因、型態與發育深受了解,並用於探討深度同源等重要演化生物學問題。但也有科學家提出,演化生物學該持續隨環境演進,並嘗試以新的實驗物種——金魚——探討人類世(Anthropocene)環境下的生物演化。

育種歷史與基因巧合 奠定金魚的演化生物學價值

例如有千年馴化歷史、型態千變萬化的金魚,就相當適合探討人類因素與生物型態演化的關聯。

中研院細生所派駐臨海研究站的演化與發育生物學家太田欽也指出,斑馬魚與金魚兩者的胚胎都可以透過顯微鏡仔細觀察,相對於受精一年後才成熟的金魚,斑馬魚有成熟較快,基因組較為單純等優點,也具備許多現成基因研究工具。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

但斑馬品系間仍以其生理機能與基因為主要差別,對型態差異的演化並未那麼明顯。因為,科學家為了操作基因與細胞特徵而培育斑馬魚,使不同品系的差異大多來自目標明確的基因工程。

金魚型態演化圖。Courtesy of Kinya Ota and Gembu Abe

而金魚的型態變異,則完全來自飼養者對型態的偏好和育種,蘊藏更多元的型態變化與發育差異。其悠長的馴養歷史以及更古老的基因重複(Gene Duplication)機遇,使其值得成為演化發育生物學的新模式生物。研究器材和方法上的調整,則是生物學家展現才智的機會。

太田欽也舉例,「一般的解剖顯微鏡工作距離適合觀察和操作斑馬魚,但是經過我們自己的創意,也改裝出可以對金魚進行顯微手術的器具和適合拍攝的大型解剖顯微鏡。設備上的差異並不難克服。」

金魚胚胎的發育生物學優勢

太田欽也說,現代生物學家以果蠅和微生物育種進行遺傳與演化實驗,擴大時間維度來看,千年來金魚愛好者挑選、強化金魚外觀特徵的過程,可以比擬長時間的人擇實驗。

金魚不僅適合用來觀察人擇壓力如何影響成年生物的型態。太田欽也更想進一步探索,從胚胎階段的差異進行選擇,是否可能改變生物的型態。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

太田欽也提到,人工育種對發育與型態的影響力也展現在其他物種上,例如家犬與鴿子也被培育出許多特殊表型。但是哺乳動物和鳥類的胚胎觀察不易,需要相當高的技術與成本。

相對於動物子宮與鳥類蛋殼內的胚胎,在透明卵囊中發育的半透明金魚胚胎,就是非常容易觀察的研究對象。只要有恰當的複式顯微鏡、解剖顯微鏡和顯微手術能力,金魚的胚胎從受精到孵化都可以全程順利紀錄,而且每次繁殖可以蒐集到上百筆資料。

現代顯微攝影技術搭配容易觀察的金魚胚胎,讓太田欽也可以拍攝清晰影片,在網路上生動地分享發育生物學知識。攝影:楊雅棠

自製影片 盼演化生物學跨過學院圍牆

除了將金魚研究成果發表在 Nature 等科學期刊,太田欽也同時努力當起「Youtuber」。他希望能將演化發育生物學、金魚飼育經驗、臨海研究站的學術特色,甚至是宜蘭的風光,透過網路傳達給大眾。

武漢肺炎導致的漫長隔離,是他學習影音製作的契機。最初他在百無聊賴之下看了大量影片,後來逐漸萌發「我也要拍自己的題材!」的企圖心。開始搜尋拍攝、後製、配樂等網路教學,在隔離的單人房中逐漸進步。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

太田欽也說,拍攝影片最重要的動機是「分享」。他解釋,「科學的頻道不管累積再多追蹤者,例如數十萬人追蹤的 Nature, Science, 觀眾也以科學領域工作者為主。現代知識逐漸朝向『專家』與『外人』的兩極化狀態發展,我不喜歡這樣的社會。」

如同他推進學術研究的方法,他也透過自學、自己組裝基礎設備如空拍機、手機等,在節省開支的情況下拍出了中研院同僚為之驚艷的影片。

太田欽也為臨海研究站拍攝的簡介影片,基本款空拍機呈現了頭城的舒暢美景。

在早已開始的人類世 何謂自然?

太田欽也熱衷以空拍影片介紹宜蘭的郊野與人文,但他對主流輿論的「自然環境」內涵存疑,他認為「自然」早已被人類行為大幅改變。自從農業擴張、工業革命發生,人類對環境與生物的改變程度早已無法恢復「自然原貌」。

他以金魚的馴化過程為例,從宋朝開始的愛好者,透過育種極力凸顯特殊形態,從沒有背鰭的「蛋種」,到眼周水泡足以遮蔽視線的「水泡眼」。都不是基於適應「自然」而進行的育種。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

太田欽也強調,「如果是宋朝或明朝人有今天的生物學工具,以他們的追求珍奇的育種態度,一定會用 CRISPR 編輯金魚基因,製造出更奇特的變異型態。」

他說,這樣的行為會在現代科學圈與社會輿論上遭到反對,「認為動物被修改基因、型態變異很可憐」,但人類採用動物進行藥物實驗或經濟用途時,也並未優先考慮「自然原則」。

太田欽也反問,「若是透過基因編輯技術將金魚修改回類似野生鯽魚的型態,更適應野外環境,這樣算是自然或不自然呢?」

建立科技倫理 而非堅守「自然」想像

他指出,金魚的馴化與育種反映著東亞社會的自然觀念,不同於西方基督教倫理的「人統御、保護自然」意識形態。可以促進人們反思,人類也身在其中的「自然」的標準是什麼?而非執著於保護想像中的自然「原狀」。

太田欽也強調,「本質化『自然』、建構一個保守不變的形象,不會幫助人們了解生物學。」

他認為,宋朝人、明朝人的自然觀念與今日不同;甚至現代人常引用的「道法自然」倡議者老子,他所提倡的自然,與現代許多人想像、意圖恢復的也是不同的自然。

背鰭退化、尾鰭倍增的蛋種雙尾金魚,是古代貴族最青眼有加的奇特型態之一。作者:清 馬文麟 來源:國立故宮博物院

太田欽也建言,科學地面對人類因素影響世界各地生態的現實、建立基因科技的社會倫理與規範,都是比恢復建構出的「自然」意象更重要的生物學議題。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

來自日本和歌山縣鄉間的太田欽也說,長期駐守宜蘭頭城的臨海研究站不僅是因為設施與職位,也是因為此處環境與故鄉有幾分神似。

「但我不會說這兩個地方都很『自然』,在人們對我說『這裡很自然!』的時候。」太田欽也無奈地笑說,「想到周遭可以釣起吳郭魚的溪流、被整治疏濬成田園的原洪氾濕地,反而會讓我很疑惑彼此對『自然』的共識。」

1995 年諾貝爾化學獎得主克魯岑(Paul Crutzen)指出,現代已是由人類行為影響地質特性的人類世。此概念引起地質科學界激烈討論,從新石器時代、工業革命到核彈試爆頻繁的 1960 年代都有學者認為是人類世的開端。

最後由國際地層委員會的人類世工作小組投票決定,視第二次世界大戰後、人口與人類活動高速成長的20世紀中葉為人類世起點。

查看原始文章

  1. Li IJ, Lee SH, Abe G, Ota KG. Embryonic and postembryonic development of the ornamental twin-tail goldfish. Dev Dyn. 2019 Apr;248(4):251-283.
  2. Abe G, Lee SH, Chang M, Liu SC, Tsai HY, Ota KG. The origin of the bifurcated axial skeletal system in the twin-tail goldfish. Nat Commun. 2014 Feb 25;5:3360.
  3. 太田欽也實驗室
-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。

0

4
4

文字

分享

0
4
4
海洋熱浪來襲怎麼辦?分析海水溫度變化,預警珊瑚白化危機——《科學月刊》
科學月刊_96
・2022/10/15 ・3629字 ・閱讀時間約 7 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

  • 文/王立雪|海洋生物博物館企劃研究組組主任、副研究員。

Take Home Message

  • 珊瑚在超過 30℃ 的海水中很容易白化,海洋熱浪會造成海水溫度升高,長期累積的熱緊迫會造就珊瑚嚴重白化、死亡。
  • NOAA 建立珊瑚礁觀測,利用衛星、海洋溫度偵測器確認海水表面溫度並以模式分析預測、預警大規模珊瑚白化事件。
  • 珊瑚白化的情況會因海水深度而不同。例如蘭嶼除了淺水區會發生珊瑚大規模白化外,水深大於 40 公尺的中光層珊瑚也有零星白化事件。

讀者知道什麼是「海洋熱浪」(marine heatwaves)嗎?

海洋熱浪其實類似陸地上的熱浪,只是發生地點在海洋,也就是當地海洋溫度與過去平均海洋溫度相比,出現幾天甚至更久到數月以上的不正常高溫。而這種海水溫度長時間升高的情況,有可能會造成發生地區海域生態的衰退、大量有毒藻類增生、魚類/無脊椎生物因缺氧而死亡或發育畸形,以及海洋脊椎動物(如海龜及魚類)性別比例改變。

海洋熱浪形成的原因通常跟大洋洋流造成的溫暖水團與海氣(ocean-atmosphere)熱交換有關,或是局部空氣因為低氣壓籠罩造成氣溫持續升高,使得海水表面溫度持續上升,再加上環境的風量減少且濕度高,造成海水垂直水層混合降低,而使海水溫度上升更加劇,熱也被累積在海水表層。

2015 年,東北太平洋的海域異常高溫。圖/Wikipedia

海洋熱浪對珊瑚礁生態系的影響

珊瑚礁生態系是世界上生物多樣性最高的生態系之一,常被稱為「海洋的熱帶雨林」。每年對全球的社會、經濟價值貢獻高達 9.8 兆美元。珊瑚礁生態系會受到全球氣候變遷造成的海水水溫上升、海水酸化、人為活動干擾、過漁、陸源汙染物等因素影響,造成大規模的珊瑚白化、進而死亡與衰退。而生態系中的珊瑚,則是維持珊瑚礁生態系穩定發展最重要的生物。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

珊瑚是刺胞動物(Cnidaria),牠的內胚層細胞居住著一種稱為共生藻(Symbiodinium,又名蟲黃藻)的特殊種類渦鞭毛藻(dinoflagellates),屬於細胞內的共生現象。共生藻可以行光合作用,提供珊瑚光合作用產物如葡萄醣、小分子有機酸、脂質等,而珊瑚則可以提供共生藻無機營養鹽與保護。

所謂的珊瑚白化,就是指共生藻死亡或離開珊瑚,使得珊瑚失去共生藻的褐色或綠色,呈現白色或是其他特殊的顏色如藍色、黃色、粉紅色(可能是由於體內大量累積的螢光蛋白)。如果白化時間持續,且造成珊瑚白化的影響因子未能被有效移除,珊瑚就會逐漸死亡。

白化的珊瑚。圖/Wikipedia

珊瑚合適生存的水溫介於 24~28℃,若是超過 30℃,就很容易會發生白化現象。而海洋熱浪主要會造成海水的水溫升高,如果海洋熱浪發生在熱帶海域,將使原本夏季平均海水溫度就比較高的熱帶海域水溫更高,長期累積的熱緊迫便會導致珊瑚嚴重白化與死亡。

珊瑚死亡後,海洋熱浪會繼續影響珊瑚骨骼上的微生物相、加速微生物的增生,造成珊瑚礁的三維結構被迅速瓦解,進而影響生活於此棲地的其他生物如魚類、甲殼類,使得當地的生物多樣性或數量下降。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

利用測量與大數據,分析海水溫度變化並提供珊瑚白化預警

為了因應全球暖化造成的海洋升溫,美國國家海洋暨大氣總署(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)在 2000 年建立了珊瑚礁觀測(Coral Reef Watch, CRW),他們在世界各地利用衛星偵測海水表面溫度(sea surface temperature, SST),以及實地以海洋溫度偵測器測量海水溫度,並配合模式分析成功提供了能夠預測大規模珊瑚白化的預警系統。

「DHW」(Degree Heating Week)是珊瑚大量白化最重要的預測指標,主要用來計算當珊瑚面臨的海水水溫比歷史夏季最高水溫還高時所累積的熱緊迫。舉例來說,當預測出的海水表面溫度比歷史上的夏季最高水溫高出 2℃ 且會延續四週,則當地珊瑚累積的熱緊迫就是 2(℃)×4(週)=8 DHW。

這項系統將珊瑚的白化預測分為五大階段:沒有緊迫、白化觀察、白化警示、一級警戒、二級警戒。沒有緊迫是指沒有熱緊迫及珊瑚白化發生,也就是海水的表水溫度低於當地最高月平均溫度;而白化觀察是指海水表水溫度高於當地最高月平均溫度,但小於珊瑚白化閥值(bleaching threshold temperatures),此時珊瑚面臨低程度的熱緊迫。

美國國家海洋暨大氣總署的珊瑚礁觀測預測了今年 7 月 6 日、7 月 31 日、8 月 18 日、9 月2 日在俗稱為「珊瑚金三角」的印尼、菲律賓、馬來西亞海域的珊瑚白化階段。圖/NOAA

白化警示顯示的是海水表水溫度高於珊瑚白化閥值,且累積熱緊迫程度 DHW 介於 0~4;一級警戒是海水表水溫度高於珊瑚白化閥值,且累積熱緊迫程度 DHW 介於 4~8,此時珊瑚會出現明顯白化;二級警戒,則是指海水表水溫度高於珊瑚白化閥值,且累積的熱緊迫程度 DHW 大於 8,這時候珊瑚會出現大規模的嚴重白化甚至死亡。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

提出珊瑚白化預警,可以讓研究者與管理單位提早介入,例如加強管理、減少珊瑚礁的緊迫,或是其他更積極的作為,降低海水溫度升高對珊瑚礁的衝擊與增加珊瑚礁的恢復力。

海洋熱浪對臺灣附近珊瑚的衝擊

臺灣過去也曾有多次珊瑚大規模白化的事件。例如 1987 年第一次在墾丁地區被報導大規模珊瑚白化,後續調查發現是因為第三核能發電廠(核三廠)的溫排水造成,這起事件也讓臺灣學者開始注意到溫度對珊瑚的影響。

之後在臺灣附近海域的珊瑚也陸續出現零星的白化現象,有些是高溫造成、有些則是特殊生物繁衍,如黑皮海綿(Terpios hoshinota)造成綠島附近海域珊瑚的白化死亡、營養鹽過剩造成大量毛叢狀藻類繁殖,使得臺灣西南部海域如小琉球的珊瑚覆蓋率衰退。除了高溫外,低溫也會造成珊瑚的白化與死亡,像是今(2022)年春天澎湖南方四島,就因為低溫而出現大量珊瑚白化的現象。

2020 年的海洋熱浪則使臺灣面臨了有史以來最大規模的珊瑚白化事件。全臺各地不論是南部的墾丁地區、綠島、蘭嶼、小琉球、澎湖南方四島,甚至東北角海域都發生大規模的珊瑚白化。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
2020 年 9 月蘭嶼機場跑道北側發生大規模珊瑚白化,水深約 10 公尺。圖/楊啟泰攝

此外,海洋熱浪發生時除了海水溫度升高,通常也會伴隨著強烈的日照,且陽光中的紫外線強度也非常高,因此在海水清澈的地區如蘭嶼,除了淺水區(水深小於 30 公尺)的石珊瑚(Scleractinia)會發生大規模的白化外,連中光層(水深大於 40 公尺)的石珊瑚也發生零星的白化事件,而在中光層的水溫已經遠低於會發生熱緊迫的水溫。

提供珊瑚白化預警,不一定代表當地會發生大規模的珊瑚白化事件,實際情形還是會因為局部地區的狀況而有所不同,而且珊瑚白化的發生情形也會因不同的海水深度而有所不同。

以臺灣而言,今年 7 月初在南部海域開始進入白化警示而後陸續進入一級警戒,並在 8 月中旬開始進入二級警戒,北部海域也陸續進入一到二級警戒。

位於南部的墾丁海域,一樣在 7~9 月初進入一到二級警戒,在恆春半島西岸的合界,則在水深 5~18 公尺處觀察到有多種珊瑚如軸孔珊瑚(Acropora)、表孔珊瑚(Montipora)、微孔珊瑚(Porite)、鹿角珊瑚(Pocillopora)、厚絲珊瑚(Pachyseris)等發生大規模白化。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

比較常有冷水團入侵的南灣近岸附近水深 3~10 公尺處如出水口、跳石,就只有觀察到零星的白化現象。而在南灣外也有發現到大面積的表孔珊瑚發生白化現象。

今年 9 月恆春半島南灣外,表孔珊瑚白化,及西側合界多種珊瑚白化。上圖水深約八公尺;下圖水深約十公尺。圖/鄭國佑攝

面對愈來愈頻繁的海洋熱浪,我們還能做什麼?

有學者預測,2030 年世界上將有超過 75% 以上的珊瑚礁每十年會經歷兩次以上的嚴重白化。雖然在珊瑚白化後,若能移除造成白化的因素還是有機會使珊瑚恢復原先狀態,但頻繁的經歷嚴重白化,仍會降低珊瑚礁的恢復力。

面對愈來愈頻繁發生的海洋熱浪,全球有許多政府機構與研究學者投入培育「超級珊瑚」的行列,希望能尋找出可以對抗熱緊迫的珊瑚,並在進行人工培育與增殖後移植到野外環境,期望利用人工的方式培育珊瑚,在珊瑚礁衰退區進行野外移植、復育。

此外,也能增加海洋保護區或是加強區域性白化事件發生時的環境管理,如降低人為干擾、減少漁業行為等,以降低對遭受緊迫的珊瑚來說更雪上加霜的影響。最後,努力控制全球暖化在 1.5℃ 是最迫切需要達成的事。節能減碳救地球不是口號,而是你我都需要努力盡一分心力。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  • 〈本文選自《科學月刊》2022 年 10 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
科學月刊_96
249 篇文章 ・ 3755 位粉絲
非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。