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【記錄】M.I.C.V 之「速度」:光速不變實像現 蚊子不動基因控

PanSci_96
・2012/12/25 ・3529字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 523 ・七年級

文/ 江書賢 (中興大學物理系博士生,PanSci 活動志工)
圖/ 李佳容 (中興大學昆蟲系碩士生,PanSci 活動志工)

時速五十公里,我騎著速可達,頂著一波小寒流的前奏,在街角找到了「默契」[1]。
時速歸零,我拔出車鑰匙。緩緩推開咖啡店的門緣,時速二點五公里。
速度,無所不在。任何的變化,亦或不變,背後都隱藏著速度的身影。
是了,世界末日後一天的夜晚,我們齊聚在這裡,以PanSci之名,要探討「速度」。

儘管因為路上車流的速度,PanSci從台北下來的成員遲到,造成了一點延遲,在咖啡店輕鬆而不失平靜的氣氛中,主持人P編終於開啟了PanSci M.I.C 第一場在台中舉辦的活動。

「PanSci 每天發表的新文章大約是3~5篇。」
「PanSci 粉絲成長的速度,在這兩年來已經達到了三萬多人。」
「我們開啟了PanSci 360的高中演講,希望能夠把全台灣360所高中跑透透,但是以我們現在的速度,大約需要十年。」

有點神經質地,我依然在流瀉的言語中不斷搜尋著速度的魅影。

簡單的介紹了PanSci如今運作的現況以後,接下來是夥伴們互相認識的時間。成員們有熱愛科學的高中、大學生與研究生們,也有從小學到高中的數學、生物、物理和美術老師、程式設計師、台積電工程師,也有台中榮總的年輕住院醫師。不管大家平時的生活有什麼樣的不同,今晚都聚在這裡,期待著傾聽與討論今天的主題。

左側:曾皓佑,右側:吳桂光

[Talk 1 – 講者:吳桂光,東海大學物理系副教授]

[速度]
儘管我們口中的速度有千千百百種,吳老師聚焦於物理學,讓我們體會物理上所定義的速度,和速度與時空的關係。

定義:「速度 = 距離 / 時間」[2]

4.5 km/hr,大約是一般人走路的速度。
43.93 km/hr,尤賽恩•伯特,世界短跑冠軍的最高速度。

「在東海大學,校內開車的時速限制是每小時二十公里,所以尤賽恩•伯特如果在校內跑步是犯規的!」 大家都笑了。

120 km/hr,獵豹跑步的速度。
190 km/hr,老鷹俯衝而下的速度,動物界的冠軍。
1188 km/hr,大約是音速。

「1663 km/hr,是地球自轉時赤道上面的轉速,比音速還快,但是因為人跟著地球一起轉,所以感覺不出來。」

「如果我們拿著一顆石頭往前丟,石頭飛行一段時間後會落向地面;投出的速度愈快,石頭可以飛得愈遠。當我們投出石頭的速度達到每秒7.9公里時,石頭雖然會落下,但是地球表面也是圓的,所以石頭可繞著地球轉,就變成一顆人造衛星了! 」 XD

11.2 km/sec,是太空梭能夠脫離地球表面的速度。

30 km/sec,是地球繞著太陽公轉的速度。
220 km/sec,是太陽繞著銀河系中心公轉的速度。

那銀河系的速度呢?

「宇宙的結構沒有一個絕對的中心,所以很難定義銀河系繞著誰轉的速度。」
「速度呢,如果沒有一個對象[3],是沒有意義的!」

(那,愛情呢? 有人[4]在心裡面問著。)

速度是一個相對的量,必須有參考座標系為基準才能定義。
在兩列相對來說等速運動交錯而過的火車上,沒有人可以分辨究竟是自己,還是對方的列車在運動。

速度,也可以連結到其他意義。
「每秒500公尺,大約是空氣分子運動的速度,這也代表了空氣的溫度。」
「電荷的速度,造就了電流。」
「每秒三公尺,是長江的流速,造就了水力發電廠的發電。」速度,因此和能量有了聯結。

[光速]
c = 299,792,458 公尺/秒,宇宙間的終極速度,沒有任何速度可以快過於光速。
「光速還有一個特性,就是他對於任何觀察者都是不變的,大家觀察到的光速都是一樣的數值。」[5]

「速度可以改變時間。」[6]
「同時性是相對的。」
「速度,可以使長度收縮。」

由於時間和空間都是會隨著相對於觀察者的速度而改變的,所以我們必須把時間和空間擺在一起看,形成「時空」,才是不變的。

對任何觀察者來說都相同的光速,帶領著我們墜入相對論迷人的世界。

[Talk 2 – 講者:曾皓佑,中興大學昆蟲所博士生]

[昆蟲界的速度]
2 km/hr,蚊子飛行的速度。
13 km/hr,蝗蟲過境。
20 km/hr,是蜜蜂的飛行速度。「所以,如果我們用力跑,還是可以跑得過蜜蜂的!」XD
100 km/hr 蜻蜓,是昆蟲界的飛行高手。

[2 km/hr  0 km/hr:沒有蚊子的世界?]
每小時兩公里,一個不算快的飛行速度,卻時時帶走世界上某一個角落,某個家庭心愛的孩子們。

蚊子所傳播的瘧疾,每30秒造成一位五歲以下的兒童死亡;經過多年的研究與防疫努力,現在變成了:(1死亡/ 45秒),僅僅拉長了15秒鐘。是否有一種方法,能夠降低因瘧疾而死亡的速度?

「是否能夠把 2km/hr 降低成 0km/hr,讓蚊子不會飛?」

基因轉殖的技術,能夠讓我們在實驗室裡,把能破壞蚊子飛行能力的基因殖入蚊子的卵內,當基因轉殖的蚊卵孵化並長大成蟲以後,將牠們釋放到環境中,和正常的成蟲交配。和基因轉殖蚊交配的蚊子所產下的後代,將因基因缺陷而失去飛行能力,因此蚊子的後代將被消滅!

「木馬屠蚊!」 我心裡這麼想著。

接下來是海綿寶寶與派大星的表演時間!XD

演講者曾同學以海綿寶寶和派大星這一對活寶來解釋,科學家如何利用DNA序列中的promotor(海綿寶寶)來控制基因(派大星)的表現,讓我們能夠操縱,決定讓蚊子不會飛的基因在什麼狀況下會被執行(比如說,只對特定性別的蚊子起作用)。而讓海綿寶寶又是嗑藥又是表演分身術的細節,因播出尺度限制,我們就馬賽克掉好了……(好吧,我承認其實是因為我有一點不太懂啦!XD)

這種木馬屠蚊的戰術,曾經在開曼群島試驗過,證實有讓蚊子數量減少的效果。但是若要大規模實施,可能還有一些政治,科研倫理與生態等因素需要考慮。

「沒有蚊子的世界,會是安全的未來嗎?」
講者表示,世界上有許多種類的蚊子,其中會吸人血並傳播疾病的蚊子僅占一小部分,我們只針對這些種類的蚊子進行撲殺,對生態的影響應該算是安全的。

就讓這2 km/hr,變成 0 km/hr,悄悄地走入寂靜。

[Q&A Time]
接下來的微型點子碰撞時間中,大家很熱烈地向吳老師追問許多關於相對論的問題,諸如「同時性的相對性」是什麼意思、著名的雙胞胎詭論、如何設計能在國高中教室中作的簡易的光速測量實驗等等……另外,在基因轉殖蚊的方面也有人提出了有趣的想法。

Q:光速不變是否因為人的知覺主要是依賴視覺而造成?
A:不是的,比如說電磁學裡的馬克士威方程式就能夠推斷出電磁波的速度(也就是光速)是不變的,不是主觀或感知因素所造成。

Q:觀察高速旋轉的星球上面的居民生活,是不是真的會看到他們的時間變慢呢?
A:沒錯,例如曾經有實驗證實環繞地球飛行的太空人所經過的時間確實減少了,但是這個效應非常小。另外就是muon(μ介子)的實驗告訴我們高速運動的粒子衰變的半衰期(就我們看來)確實會變長,這表示muon所經過的時間對我們來說是變慢了。

Q:時間變慢是否是因為血流速度變慢而造成的老化變慢?
A:時間變慢確實會造成血流等生理的運作變慢,但是本質上是因為運動者的時間本身相對於靜止的觀察者來說變慢了,而不是生理的原因造成。

Q:在一個高速飛行的醫院中時間變慢,是不是能讓一個得到絕症瀕死的病人活得比較久呢?
A:對於病人本身來說,他所經歷的時間是沒有改變的,而是對於地面上的人來說,飛行醫院中的時間看起來變慢,所以這對病人本身來說沒有延緩死亡的作用。但是,若是地面上的人在病人還沒死亡以前就研發出可以治療病症的新藥,就可以用新技術來治療病人,這對病人來說,就像是他在很短的時間內進行時光旅行,快速前進到未來一樣。

Q:為什麼我們要讓蚊子不會飛,而不是讓牠們不去吸血呢?
A:蚊子若不吸血就無法產卵,而且改變動物的食性但讓牠們仍能存活是比較困難的。不過有另一種利用基因轉殖技術來解決病毒傳播問題的方式是改造蚊子的基因,讓蚊子不帶病毒。

P:是不是可以改造蚊子讓牠們吸脂肪? XD
A:目前還沒有這種技術,改變食性比較困難。

Q:轉殖的基因是否在後代中會衰退呢?
A:確實有某一實驗中,證實在17代以後,轉殖的基因就幾乎消失了,但是原因還不很清楚。

[賦歸]
時間以它一貫的速度,不停流逝。[7]
充實的兩個半小時,終歸有結束的時候。

插上鑰匙,往右旋轉,時速四十公里。
我隆隆的引擎聲是回家的速度,我不是蚊青,我只是個科宅。[8][9]

[註]
[1] 本次聚會的場所,是在台中市的「默契咖啡」。
[2] 嚴格來說,物理學上所說的「速度」除了移動距離以外,還必須包含移動「方向」的概念,因此是:「速度 = 位移 / 時間」;而「距離 / 時間」則稱之為「速率」。
[3] 指的是一個定義物體位置的參考基準點,物理學上叫作「參考座標系」。
[4] 參考PanSci FB粉絲團上的一篇post.
[5] 這是狹義相對論的兩個基礎假設之一,稱為「光速不變原理」。
[6] 指的是狹義相對論中的「時間延遲」( time dilation)效應。
[7] 在物理上這種敘述是意義含糊的,在這裡只是文學手法,不需太仔細追究。
[8] 依照Z編的定義:「用認真的科學態度,看待所有我們愛的事物,這就是科宅呀!!!!」 XD
[9] 因為PanSci M.I.C V 報名網頁的啟發,小弟一時興起,第一次用這種(偽)文青風格寫文章,請大家鞭的時候稍微小力一點啊!XD


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相關標籤: M. I. C. 速度
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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
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Peggy Sha
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曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。