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防彈衣跟 T 恤一樣輕?用了蜘蛛絲就可能! ———《追光之旅:你所不知道的同步輻射》

天下文化_96
・2021/09/11 ・1479字 ・閱讀時間約 3 分鐘

在《蜘蛛人》系列電影中,蜘蛛人靠著強韌的蜘蛛絲,不僅可以飛簷走壁,還能當成武器來攻擊敵人、拯救世界;現實世界中,蜘蛛靠著蜘蛛絲捕捉獵物、保護自己……,每一根蜘蛛絲都蘊藏著大千世界的無窮奧妙,一直是科學家相當著迷且亟欲破解的自然界奧祕,可說是相當熱門且歷史最悠久的仿生材料研究主題。

圖/Pixabay

蜘蛛絲擁有極高的強度、延展性及韌性,且重量極輕——如果拿蜘蛛絲環繞地球一圈,所需要用到的蛛絲,總重量還不到 500 公克;最重要的是,對科學家來說,蜘蛛絲是純蛋白質,擁有極高的生物相容性,不易產生人體免疫反應,十分適合開發更加多元的應用,包括:軍事科學、醫療生技、紡織、工業等,是極具發展潛力的智慧生物材料。

事實上,早在十幾年前,工研院生醫工程中心(生醫與醫材研究所前身)便研擬將蛛絲基礎科學研究計畫列為前瞻科技計畫之一,由工研院研究員楊正昌、東海大學生命科學系教授卓逸民與國輻中心研究員許火順等人合作,以同步輻射X 光繞射實驗進行台灣人面蜘蛛絲研究,獲得三大發現:

第一,蛛絲耐熱性高,加熱到攝氏 200 度至 300 度時,蛛絲的奈米晶體才會崩解。

第二,蛛絲的粗細大約是頭髮的十分之一,強韌度卻是同重鋼絲的五倍,彈性是尼龍的三倍。

第三,蛛絲輻射狀的主要骨架稱為拖曳線,拖曳線的絲碰到水,長度會收縮為原本的一半,但更有彈性,能像橡皮筋般拉扯,超越多數人造纖維所能達到的程度。

利用基因工程,可大量生產人造蜘蛛絲蛋白,提供各類應用所需。(圖/楊正昌提供)

蛛絲的強韌關鍵:蛋白奈米晶體

一根蛛絲上同時擁有兩種蛋白奈米晶體,一種是排列整齊的結晶,另一種是不規則的混亂結晶,堅硬的晶體與柔軟的蛋白質體結合形成複合材料,強化了蛛絲的硬度與韌性,甚至使得蛛絲可以吸收巨大衝擊能量,僅需要極微量便能達到防彈效果,讓防彈衣可以做成如 T 恤般輕便,比現行防彈衣材料克維拉(Kevlar)纖維還要輕。

不過,蜘蛛是肉食動物,無法大量飼養,天然蜘蛛絲受限於產量和製程等因素,產品開發與實際生產仍有不少瓶頸,於是,科學家將蜘蛛絲蛋白基因殖入山羊乳腺細胞、倉鼠、大豆、大腸桿菌或酵母菌的基因,以基因工程方式生產大量蜘蛛絲蛋白,希望開發出比擬天然蛛絲特性的仿生蜘蛛絲。

以台大生科系教授吳亘承為例,他以天然蜘蛛絲纖維做為生醫工程材料,在蛛絲表面重新組裝蛋白質、酵素、抗體等物質,賦予蜘蛛絲纖維嶄新的生物化學功能,應用在動物癌症細胞株純化與分離,並成功將蜘蛛絲蛋白基因殖入大腸桿菌,大量生產蜘蛛絲蛋白,做為各類應用的仿生材料。

高強度纖維已廣泛應用在我們的日常生活,除了碳纖維,芳香族聚醯胺類纖維更因性能優異與形式多樣,成為目前應用最廣、產量最大的纖維,在國防、航太、汽車、能源材料等領域具有不可取代的地位。

譬如,國輻中心研究員莊偉綜、周哲民與遠東新世紀公司合作,開發出新型聚醯胺類纖維材料,具有高強度、質輕、耐高溫且耐化學侵蝕等特質,可以應用在輕航器、大型機具吊掛繩索、海底電纜等項目。

——本文摘自《追光之旅:你所不知道的同步輻射》,2021 年 8 月,天下文化

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天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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這是我們的生存之道!自然界中那些同類相食的動物
Lea Tang
・2019/05/17 ・1828字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 489 ・五年級

編按:人們對「吃同類」(cannibalism)這件事的看法大多是負面的。即使是為了活下去所做的不得已決定,在旁人聽來還是有些牴觸。但其實撇開人類不談,吃同類在動物界中可是見怪不怪。

科學家將把同類視為食物的行為定義為同類相食。目前已觀察到超過 1500 種生物有這種習性,而同類相食又可以分成三大類:性別間體型間子宮內

都是為了孩子好

性食同類(sexual cannibalism),指的是部分動物在交配過程中或交配後把配偶吃掉的一種現象。經過觀察,雌性把雄性吃掉的比率較高

螳螂的小腦位於腿部,就算頭部被咬仍可控制肌肉運動,完成交配。圖/wikimedia

在蛛形鋼與昆蟲綱動物中,除了我們熟知的螳螂外,多種蜘蛛、蠍子與海蛞蝓等都有這種特殊習性。

以澳洲紅背蜘蛛(Australian redback spider)為例,雄性紅背蜘蛛會在交配時將自己獻給雌蜘蛛,並在被進食的過程中持續傳輸精液。

圖/nationalgeographic

根據多倫多大學的一份研究: 65 %的公蜘蛛會在交配時被吃掉。

比起其它倖存者,吃掉公蜘蛛不但可以延長交配時間(確保受精),還因獲得充足養分,母蜘蛛後代的數量呈雙倍成長。

你的孩子不是我的孩子

體型間的同類相食就像大魚吃小魚,由較年長、體型較大的同類吃掉較幼小、體型較瘦弱的同類。行為生態學家約翰・胡格蘭(John Hoogland)發現,黑尾草原土撥鼠有同類相食的狀況。雖然他們觀察到幾乎所有的雌鼠都交配了,但最後成功把小鼠哺育到斷奶的媽媽卻少得可憐

研究發現,雌鼠會往親近的雌性親戚家奔走,但離開時頰上常沾染血色。接著,窩中的鼠媽媽便不再出現育幼行為。

你的孩子不是你的孩子。圖/sciencemag

最後,在窩裡找到無頭小鼠屍體的研究人員做了假設:

在競爭激烈的大自然裡,為了提高子代存活率,土撥鼠會殺掉近親的後代。

除了黑尾草原土撥鼠外,猶他草原土撥鼠也會吃自己的幼鼠,其它種類的土撥鼠則沒有這種特性。

不是不愛你,只是利益最大化

這類體型間相食的行為在蛇身上也有。

多斑響尾蛇(Crotalus polystictus)的新手媽媽為了補足再次繁殖身體所需的養分,有 68%會把沒能存活下來的後代全部吃掉。

圖/wikimedia.org

而埋葬蟲則是會把卵產在屍體內,並利用反芻的方式餵食孩子。

在幼蟲生長期間,父母會根據屍體的大小來調節幼蟲的數量。當小蟲太多,或是爬得太慢就會被雙親咬死。

圖/read01.com

這種狀況在哺乳類身上也可以看見。媽媽們這麼做的原因是為了控制幼崽數量,以確保自己能順利將子代撫養長大。另外,當孩子出生時就畸形、營養不良或病弱時,媽媽也傾向刻意忽略、或是把牠們吃掉。

孩子們的手足相殘

最後一種是子宮內的同類相食,又稱胎內互殘。雌性沙虎鯊(Sand Tiger Shark )長達一年的懷孕期中,一開始兩個子宮內共有 6~7 個胚胎,但最後每個子宮都只會生出一隻幼鯊。

圖/natgeomedia

第一個從卵囊中孵化出來的小鯊魚會開始吃旁邊的手足,等吃完了就轉往子宮內沒受精的卵。這種作法可以確保一出生的沙虎鯊足夠強壯,提高後代生存率。

動漫小教室:為了活下去!

不論是《進擊的巨人》、《阿修羅》或是《東京喰種》,同類相吃的題材也一直是創作題材中頗受歡迎的一種。它背後所要探討的不僅僅是道德議題,對於如何「活」下去,每個人心中都各有答案、也各有掙扎。

圖/kknews

動物界同類相食的狀況,簡單來說就是為了延續整個族群的繁衍。母親當然愛自己的孩子,但「最大利益」是確保牠們能在殘酷自然界活下去的首要考量,也是必要之惡。

願你們的未來充滿光明。圖/約定的夢幻島

資料來源:

  1. HOW MALE WIDOW SPIDERS AVOID BEING CANNIBALIZED DURING SEX
  2. This Can’t Be Love, The New York Times
  3. Sexual cannibalism, wikipedia
  4. Cannibalism, wikipedia
  5. 五種會吃同類的動物

 

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「你不要過來啊!」蜘蛛為了在交配中保命,竟然把自己給射出去了!
Peggy Sha
・2022/05/18 ・1686字 ・閱讀時間約 3 分鐘

自然界中,充滿了不少為了交配而「慷慨赴義」的勇者,像是:螳螂、蜘蛛等等,在激戰中或激戰後,雄性會變成配偶的盤中飧,如此一來,不僅可以延長交配時間、增加受精機率,還能為雌性提供養分,讓後代更有機會健康快樂地成長!(讓我們感謝飛天小爸爸的努力!)

「性食同類」不僅可以延長交配時間、增加受精機率,還能為雌性提供養分,讓後代更有機會健康快樂地成長!圖/Pixabay

這種現象呢,被稱之為「性食同類」(sexual cannibalism),通常是雌性吃掉雄性的比例稍微高一些。

但正如俗話所說,「生命會自己找到出口」,竟然有雄性蜘蛛靠著把自己「射」出去來保下一命!今天,就要來為你講述,隆背菲蛛(Philoponella prominens)的噴射故事。

交配到一半就彈出去了?超離奇高速彈射之謎!

這次的主角隆背菲蛛呢,是一種原產於日本、韓國等地的社會性動物,過去驚人的成就包括:能夠一次聚集 300 多隻同伴,共同編織出一片大網。

至於牠們超強的彈射能力又是如何被發現的?原先,來自湖北大學的張士昶副教授與團隊正在研究隆背菲蛛的性行為,卻忽然發現了一個超離奇現象:完成交配之後,雄蛛居然會猛然彈開,「biu」地一下就飛得老遠!

這驚人的過程可說是快到不可思議,最高紀錄達到一秒 88.2 公分,別說是肉眼,就連普通相機都沒辦法正確紀錄下細節。

這個現象立刻引發了研究團隊的好奇心,那麼接下來該怎麼辦呢?當然是:交配大戰看起來!

射,還是不射?這是個攸關性命的問題!

為了進行研究,團隊總共觀察了 155 次交配行為,並在其中 152 次中觀察到了這種超高速的彈射情形。你可能會很好奇,那剩下的 3 次呢?嗯……那 3 隻隆背菲蛛沒有成功彈射出去,交配後就成了配偶的大餐了。

什麼?沒彈掉就會被吃掉?這究竟是巧合還是命運的安排?

研究人員決定出手人為干預一下,他們選了 30 隻隆背菲蛛,然後想辦法阻止牠們彈射,結果發現:「彈射=保命」,要是你射不出去,那你就逃不過配偶的大口,注定要變成人家的晚餐。

要是隆背菲蛛彈射失敗,那就逃不過配偶的大口,注定要變成人家的營養來源。圖/Pixabay

相反地,如果成功彈出去了,那麼,你不但可以保命,也多了再次交配的機會。嘿,沒錯,牠們彈出去後還會再爬回來交配,再彈、再爬、再交配,就如此反反覆覆。(當然啦,有時也會在過程中不小心弄掉一些身體部位,比如一兩支步足。)

想要成功噴射,你需要一對強壯的步足!

至於為何隆背菲蛛能變成這樣的飛天小蜘蛛呢?秘密就藏在牠們的步足中。研究團隊發現,雄蛛們會將第一對步足抵在雌蛛身上,一旦交配完成,就用力蹬腳彈射出去。

根據實驗,科學家們發現這對步足可說是噴射與交配關鍵,少了一支都不行,只要沒有這對秘密武器,雄蛛只會停留在求偶階段,但不會真的跟雌蛛交配。但如果掉的是其他幾支腳,那可完全不會影響交配過程,還是能順利完成生育大計。

而這對秘密武器最強大的地方,其實是來自液壓;只要蜘蛛擠壓胸部的肌肉,便可以將其中的體液注入特定關節(tibia–metatarsus joint),透過液壓來伸直步足、產生彈力。

沒想到吧?為了在交配中保命,隆背菲蛛還得運用到流體力學,是不是很有趣呢?

參考資料:

Male spiders avoid sexual cannibalism with a catapult mechanism: Current Biology
These male spiders catapult away to avoid being cannibalized after sex
Watch These Male Spiders Jump Like Hell to Avoid Being Eaten After Sex
This Male Spider Catapults Itself Into the Air to Avoid Sexual Cannibalism | Science| Smithsonian Magazine
台灣物種名錄

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昆蟲在饗「屍」天堂中的四種玩法?——《犯罪手法系列3:法醫昆蟲學》
麥田出版_96
・2019/09/05 ・2961字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 515 ・六年級

盛大開幕囉!節肢動物們的屍樂園

就某些方面來說,腐屍就像一座剛從海裡冒出來的荒涼火山島。遺世獨立的火山島是一個資源,有待各種動植物來拓殖。植物率先搶灘,登陸後便開始改變這座島嶼,讓它成為後來者的棲地。同理,每一具屍體也是一個資源,個別屍體通常被單獨棄置在不同的棲地上,例如原野、池塘和樹林。

然而,和一座島嶼不同,腐屍只是一個暫時的微棲地 (microhabitat) 。對各式各樣的生物而言,它是一個變得很快也消失得很快的食物來源。這些生物從微小的細菌、真菌到大型的食腐脊椎動物不等,後者如野貓野狗。當然,有些生物存在於活體當中,例如腸道細菌,但入侵並消耗屍體的生物自成一個獨特的群體。如同島嶼一般,屍體也有明確的邊界,所有的改變都在屍體上或屍體近處發生。

絕大多數的食腐動物都是節肢動物,而在腐屍上找到的節肢動物當中,就個體數量、生物量(即個體的總重)和多樣性(即不同種類的數量)而言,昆蟲都是最大的一群。平均來講,在腐化研究報告中出現的生物種類,約有85%是昆蟲。

在眾多食屍昆蟲大軍中,隱翅蟲也是參軍者之一唷!圖/Judy Gallagher [CC BY 2.0], via Wikimedia Commons

暢玩屍樂園的四種方式

昆蟲及其他節肢動物以許多方式與屍體產生關聯,但法醫昆蟲學家認為,動物和屍體間的直接關係有 4 種主要的類型。根據這4種類型,食腐動物又可分為 4 大類。

直接吃起來

第一類是屍食性昆蟲,牠們直接以屍體為食物,主要成員是蒼蠅(雙翅目 (Diptera) )和甲蟲(鞘翅目 (Coleoptera) )。

蒼蠅有賴腐化的物質維生,尤其是麗蠅和麻蠅。這些蒼蠅如饑似渴地尋覓人類和動物的遺體,往往在生物死後幾分鐘內便聞風而至。在剛開始腐化的頭兩個星期,麗蠅和麻蠅通常是死後間隔時間最準確的指標。許多甲蟲較不是那麼仰賴腐化物質維生,但牠們在稍後的腐化過程中也會跑來分一杯羹,通常是在屍體已經開始變乾之後。

麻蠅是食屍性昆蟲中重要的代表之一。圖/Isfugl [CC BY-NC-SA 2.0] , via EOL.org

比起屍體,牠們覺得鮮活的自己人更好吃

隨著直接以屍體為食的物種數量增加,牠們又引來另一群節肢動物,這群節肢動物是屍食性昆蟲的掠食者和寄生蟲,牠們不是受到屍體的吸引,而是受到已經在屍體上大吃大喝的昆蟲吸引。

在這群節肢動物中,率先抵達的是埋葬蟲科 (Silphidae) 的埋葬蟲 (burying beetle) 、隱翅蟲科 (Staphylinidae) 的隱翅蟲 (rove beetle) ,以及閻魔蟲科 (Histeridae) 的閻魔蟲 (hister beetle) 。牠們都是以屍體上的蒼蠅卵和蛆蟲為食物。有些蒼蠅在幼蟲的階段也會成為掠食者,例如水虻科 (Stratiomyidae) 的水虻 (soldier fly) 。

有些種類的昆蟲既吃屍體,也吃其他昆蟲,前面提過的紅顏金蠅就是其中之一。

紅顏金蠅這種麗蠅廣泛分布在全亞洲和太平洋諸島,近來也出現在中美洲、南美洲和美國南部。牠們是在夏威夷的死屍上最常見的一種麗蠅,往往在生物死後 10 分鐘內抵達。另一種麗蠅是同一屬1的大頭金蠅 (Chrysomya megacephala) ,也是幾乎在死者死後立刻抵達。兩個種類的雌蠅都降落在屍體上,吸吮血液或其他可當食物的液體,接著開始在人體自然的空腔裡面或周邊產卵。

我在野外觀察到,如果紅顏金蠅在大頭金蠅之前抵達,紅顏金蠅就會延後產卵,等到大頭金蠅抵達為止。牠們可不是顧及禮貌。大頭金蠅只能吃腐化的屍體,但如果食物來源枯竭,紅顏金蠅會改變生活模式,變成其他昆蟲的掠食者,即使牠們比較喜歡以腐屍為食。而紅顏金蠅最愛的一種獵物,似乎就是大頭金蠅。在夏威夷典型的情況下,腐化過程中常會發現屍體上只剩紅顏金蠅的蛆蟲。

如果舉辦屍體搶頭香大賽,麗蠅會是非常有利的冠軍候選人。圖/Bob Peterson [CC BY 2.0] , via EOL.org
與屍食性昆蟲有關的寄生蟲,主要以膜翅目 (Hymenoptera) 為代表。膜翅目的昆蟲包括螞蟻、蜜蜂和寄生蜂。有許多非常小的寄生蜂(身長往往不到一公釐)都會寄生在蠅蛆和蠅蛹上,這些迷你寄生蜂會在蛆或蛹的內部或外部產卵。牠們的卵孵出幼蟲,幼蟲又以發育中的蒼蠅為食物。

這些寄生蟲的卵往往會產生不止一隻成蜂(數量依寄生蜂的種類而定)。在單單一隻被寄生的蛆身上,或在單單一顆被寄生的蛹中,有可能冒出多達數百隻的寄生蜂。就牠們對法醫昆蟲學家的重要性而言,由於這些寄生蜂往往專攻某一類型的蒼蠅,所以即使在蒼蠅完成發育、離開屍體,這些寄生蜂也能提供線索,讓我們知道有哪些蒼蠅曾經待在這具屍體上。

也有不挑食、什麼都吃的傢伙

第三類和死屍有關的動物,像是胡蜂、螞蟻和某些甲蟲,既吃屍體也吃其他節肢動物

和紅顏金蠅不同,這些種類屬於雜食性動物,牠們持續食用肉類和植物類兩種類型的食物。 1985 年,在夏威夷鑽石頭山 (Diamond Head Crater) 進行的腐化研究中,我在實驗用的屍體上觀察到一些侵略性很強的熱帶火蟻 (Solenopsis geminata) ,牠們將屍體上的蛆蟲大量移除。被移除的蛆蟲數量之多,甚至導致屍體腐化速度變慢。

成年胡蜂在腐化初期的屍體周邊特別活躍。牠們吃成年蒼蠅,蒼蠅往往還在半空中就被牠們捉來吃掉。牠們也吃來自屍體的液體。我在夏威夷島上進行的某些研究中,玻里尼西亞切方頭泥蜂 (Ectemniuspolynesialis2 這種在夏威夷演化出來的胡蜂種類,捕食蒼蠅的速度之快,腐化作用會因牠們的活動延遲一天以上才開始。

不要問我蟲哪裡來~我的故鄉在遠方~

第四類與死屍有關的動物代表,是把牠們的正常棲地延伸到屍體上的節肢動物

倘若美麗蜘蛛網的另一端是腐爛發臭的屍體,會是多麼衝擊的畫面呢?圖/Pixabay

在鑑識工作中,我見到這種節肢動物的頻率很高,包括聚集在屍體上和屍體周邊獵食的蜘蛛,牠們以現場的各種昆蟲為獵物,有時甚至會利用屍體的某個部位來結網。你會看到一張蜘蛛網連著一隻腐爛的手臂,在朝陽照耀下,蜘蛛網上的露珠閃閃發亮,畫面有點超現實的味道。

隨著屍體腐化產生的液體會滲透到下方的土壤中,這個過程從腐化初期就開始了,一直持續到屍體完全變乾為止。這些液體為大量棲居在土壤中的生物提供養分,屍體下方的土壤中總有一群與腐化相關的獨特生物,往往到了死者死後幾年都還在那裡。在這些生物當中,最主要的是土棲的蟎蟲(蟎蜱亞綱 (Acari) )、跳蟲( (springtail) 彈尾目 (Collembola) ),以及線蟲或蛔蟲。

像是為了混淆視聽似的,屍體上可能也有和腐化作用無關的節肢動物。有些可能是從周遭的植物上掉落到屍體上,尤其如果凶手為了藏匿屍體而碰撞到樹叢。有些可能純粹因為屍體是個方便的落腳地點,就在飛行途中到此歇個腿。

譯注

  1. 紅顏金蠅和大頭金蠅皆為麗蠅科金蠅屬 (Chrysomya) 的昆蟲。
  2. 此種類無既定譯名,在此依其學名翻譯。

延伸閱讀

——本文摘自《犯罪手法系列3-法醫昆蟲學:案發現場的蠅蛆、蒼蠅與甲蟲……沉默的目擊者如何成為破案證據》,2019 年 6 月,麥田出版

 

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麥田出版_96
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1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。