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科學家模擬出《沙丘》行星的氣候模型:現實中的人類真的能在 Arrakis 生存嗎?

Y.-S. Lu
・2021/11/12 ・3205字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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架空世界:任腦中遨遊的世界,嗎?

法蘭克‧赫伯特的《沙丘》是 2021 年上映的硬派科幻電影[註1]。《沙丘》之名,在科幻迷眼中,被視為科幻類型文本的開山始祖之一,更是難以電影化的科幻小說作品;在電影《沙丘》中,行星厄拉科斯(Arrakis)是作品中的主要場景,一片荒蕪的沙漠行星,除了有著珍貴的香料礦,還有可怕的沙蟲。

1984 年的厄拉科斯行星的想像圖。圖/WIKIPEDIA

這樣的架空世界,屢屢存在於各個作品中,《魔戒》中有中土大陸(Middle Earth),《冰與火之歌》中有維斯特落大陸與厄斯索斯大陸,《星際大戰》更有具雙日的環聯星運轉行星克卜勒16b[1]塔圖因星球。身為讀者,以及一位地球科學模擬科學家,有時不禁會想:這些架空是否真的有可能存在?這些作家設計的世界,真的能存在嗎?

今日,布里斯托大學氣象研究所的 Dr. Alexander Farnworth 與他的同事 Dr. Sebastian Steinig,以及薛菲爾德大學的 Dr. Michael Farnsworth 就實際驗證了一次,究竟一個架空星球的氣候環境,是否為真?是否真的適合人類居住?

《沙丘》的氣候模型:低碳高臭氧的沙漠環境

在他們發表的文章[2]中,他們使用了氣候模型來模擬厄拉科斯的氣候。Dr. Farnworth 亦提到[3],他們使用的是同樣用在 IPCC(The Intergovernmental Panel on Climate Change,跨政府氣候變化專門委員會)報告中,用以預測未來氣候變遷狀況的 HadAM3B-M2.1D 模型[4],其不需要海洋模式,所以海洋模式也就不用運行了(當然也可以省下計算資源)。

《沙丘》世界中的厄拉科斯行星的氣候模型。資料來源/climatearchive.org

這個模型使用與地球相同的物理行為與物理參數。他們也使用了《沙丘百科》所提供的資料,來告之氣候模型應使用的地型狀態以及星球軌道,而星球軌道將大大影響到一個星球上的季節情況。最後,則是厄拉科斯星球的大氣組成:350 ppm 的二氧化碳、0.5% 的臭氧層。這兩個數字會影響到地球的溫室效應,只不過雖然厄拉科斯的二氧化碳濃度低,但是同樣是溫室氣體的臭氧值高,因此具一定的溫室效應。

等這些數據確定後,氣候模型就可以開始運作並且計算。這個氣候模型一共跑了三週多,作者另外提到,他們總共模擬了五百年,而且還使用了地球的部份大氣情況來跑厄拉科斯的數據(當然同樣是為了省下電腦運算資源的策略)。幸運的是,在初始的幾年中,大氣就乾了,而五百年後,大部份的水都保存在地底[3]。這也不難想象,尚未蒸發到大氣中的水會因重力滲流到地表下保存,而在沒有植物行光合作用的情況下,大氣中的水蒸氣也將成為厄拉科斯上居民爭奪的「黃金」。

為什麼要算五百年的氣候狀態?因為氣候/氣象模型餵進去的只是 Initial Condition,也就是「初始條件」,而初始條件只是氣候模型的開端而已,不能當做結果。所以算到最後,這個氣候模型必須達到「平衡態」——也就是說,模型算出來的四季,與下一年算出來的四季,必須要有極小的差值。等這個差值小到可以忽略時,這種數值模型才算是成功的。

住在「赤道比高緯度區域還舒適」的沙漠星球

在書中描述了厄拉科斯是極為嚴苛的生存環境,像是人會利用「蒸餾服」來回收排出的汗、尿,再自己喝,連血都會快速凝固來防止蒸發。書中描述的厄拉科斯是個非常乾熱的地方,所以大多數的人會住在兩極地區。

但是根據氣候模型,熱帶/赤道地區,在夏天會達到 45°C,冬天則不低於 15°C,但是在中緯度與兩極地區,最高溫會達到 70°C,在中緯度最低溫會達到 -40°C,兩極則會到 -75°C。其主要的原因就是兩極地區的大氣濕度高、雲層厚,造成其極端的氣候狀況。

另外與書中描寫不同的,是降雨狀態。書中的厄拉科斯沒有降雨,但是依據氣候模型的計算,在高緯度的夏天,還有山區與高原地區,還是有非常少量的降雨。也因為前述提到的極端溫差,所以兩極地區也不存在冰帽。

厄拉科斯是極為嚴苛的生存環境,人會利用「蒸餾服」來回收排出的汗、尿,再自己喝,連血都會快速凝固來防止蒸發。圖/IMDB


最後的問題,人類可以住在厄拉科斯嗎?根據氣候模型,人類最有可能居住在熱帶地區,而不是書中提到的中緯度:畢竟中高緯度才是最熱的地方,也是最不適合人類居住的氣溫。如果有誰想要用岩石煎牛排,是可以考慮到中緯度一遊吧?

雖然書中的描述與實際氣候模擬的狀況有一點落差,但是作者們也提到,《沙丘》原著出版時間早(1965 年),比真鍋淑郎發表第一支地表模式早了整整四年,在這樣的落差下,《沙丘》原著中對厄拉科斯的氣候描述,雖與氣候模型模擬的結果有部分落差,但並無大錯。

Dr. Alexander Farnworth 給中文讀者的話

筆者與撰寫《沙丘》氣候模擬的文章作者進行了一些交流,除了學術交流外,也榮幸邀請了作者給中文讀者一些感言:

「從數十年前開始,我便一直是法蘭克·赫伯特的作品《沙丘》的超級粉絲,而他也打開了從我童年時開始,對奇幻世界的眼界。這也讓我有機會用一個科學家的角度,來重新檢視童年時有對此世界的奇想。我希望就此成果,也能夠一樣能吸引更多的人來了解我們的氣候是如何運作,知道為什麼要保護我們的星球,更希望能夠激發更多下一代的氣候學家。」[3]

I have been a massive fan of Frank Herbert’s Dune since childhood due to the fantastical world he first envisioned many decades ago, to be able to look at it as a scientist was a fantastic experience and brought back that childhood wonder. So, I hope this work equally inspires others to learn about how our climate works, how we should not take our planet for granted and maybe even inspires the next generation of climate scientists.

大氣科學是一門很有趣的學問,人類仰望星空,是透過地球的大氣層才有了閃爍的星光,也是有大氣層才保護人類免受宇宙射線侵害。人類在埃及、商朝、伽立略等年代,都建立了對星體運動的了解,但大氣動力學要一直等到納維爾-斯托克斯方程出現後,才有飛躍般的進展,更惶論在能用數值模型解釋氣候、氣象模型,以及人類擁有更精確、更大量的氣象資料後,才能大量驗證大氣運動,進而改良大氣模型,才能達到預測氣象與氣候推測(Climate Projection)的能力。但這非常需要大量的人力,以及大量的知識才能達到。

大氣科學是一門很有趣也有用的學問,能幫助人類更精準地預測氣象,但也考驗知識、人力與物力。圖/Pixabay

真鍋淑郎博士在近六十年前,以少數人力建構了第一代的地表模式,而現在最新的《通用地表模式第五版(Community Land Model Ver. 5)》,是橫跨多國的合作開發的模式[5],而這還只是地表模式,大氣模型中還有形成雲或雨的 Microphysics、輻射能量傳導模式的 Radiative Transfering Scheme、解大氣間傳輸的 Planetary Boudary Layer Physics、屬海洋領域的洋流模式,屬水文領域的三維地下水模型,以及用來進行數值解的計算流體動力學,更惶論日新月異的電腦資訊工程的發展,這些的確都需要未來學子們加入並一同改進,也是未來泛地球科學學門需要的生力軍。

註解

  1. 2021 年上映的科幻電影《沙丘》舊譯為《沙丘魔堡》。除了 1984 年大衛·林區所拍攝的初代電影使用舊譯名稱外,還有九零年代的同名即時戰略遊戲;遊戲版的《沙丘魔堡II》,也是《終極動員令(Command & Conquer) 》創作公司Westwood的代表作之一。

參考資料

  1. Doyle, L. R., Carter, J. A., Fabrycky, D. C., Slawson, R. W., Howell, S. B., Winn, J. N., … & Fischer, D. (2011). Kepler-16: a transiting circumbinary planet. Science, 333(6049), 1602-1606.
  2. Farnwoth, A, Farnwoth, M, Steinig, S, 2021, Dune: we simulated the desert planet of Arrakis to see if humans could survive there. https://theconversation.com/dune-we-simulated-the-desert-planet-of-arrakis-to-see-if-humans-could-survive-there-170181?fbclid=IwAR2EhRwjxNsGtFdkZGic8SZRS7cOgQbjfFXt27PmGYyZoVLH3BpANma569g
  3. Farnworth, A, 2021, Personal Communication.
  4. Valdes, P. J., Armstrong, E., Badger, M. P. S., Bradshaw, C. D., Bragg, F., Crucifix, M., Davies-Barnard, T., Day, J. J., Farnsworth, A., Gordon, C., Hopcroft, P. O., Kennedy, A. T., Lord, N. S., Lunt, D. J., Marzocchi, A., Parry, L. M., Pope, V., Roberts, W. H. G., Stone, E. J., Tourte, G. J. L., and Williams, J. H. T.: The BRIDGE HadCM3 family of climate models: HadCM3@Bristol v1.0, Geosci. Model Dev., 10, 3715–3743, https://doi.org/10.5194/gmd-10-3715-2017, 2017.
  5. Lawrence, D. M., Fisher, R. A., Koven, C. D., Oleson, K. W., Swenson, S. C., Bonan, G., … & Zeng, X. (2019). The Community Land Model version 5: Description of new features, benchmarking, and impact of forcing uncertainty. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 11(12), 4245-4287.
    https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2018MS001583
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Y.-S. Lu
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自從來到學界後,便展開了一段從土木人到氣象人的水文之旅。主要專業是地球系統數值模擬,地下水與地表模式的耦合系統,以及大氣氣象模擬。目前是于利希研究中心(Forschungszentrum Jülich GmbH)超級電腦中心的博士後研究員。

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致親愛的弗瑞曼人:一封來自地球的沙蟲愛好者之信——《沙丘》(三)
YTLai_96
・2022/10/28 ・5028字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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可佩的弗瑞曼人,您好:

謝謝您展信閱讀來自地球的沙蟲愛好者的第三封信。

在前兩封可能略顯冒昧的書信又沉澱數日之後,我也已經能夠比較冷靜的看待沙蟲、以及弗瑞曼族人與沙蟲間的依存關係。如果前兩封信讓您們感到任何些許的冒犯或不敬,請容我獻上最誠摯的歉意,也請您與族人們理解這絕非我的本意。

我只是想要以一個遙遠地球的沙蟲愛好者的身份,與弗瑞曼族人們分享我對沙蟲粗略甚至略嫌可笑的觀察和推想,並且期望您與族人們在忍俊不禁的閒暇之餘,有天願意回信提供一些回饋和指導而已。

地球上像我一樣的沙蟲愛好者還有很多,請看沙蟲愛好者們從生態人文記錄片中剪輯出來的沙蟲畫面。

先前兩封信,我與您和弗瑞曼族人們分享了沙蟲巨大體型如何克服各種難題的奧妙可能,也提到沙蟲或許依賴自營共生微生物而得以在荒蕪沙漠中獲得營養與能量所需。但我想最神奇的,或許還是沙蟲的生活史吧。

根據厄拉克斯星球的重要文獻「沙丘」的記載、以及弗瑞曼族人們千百年來的觀察,沙蟲只是成體,祂的幼體叫做沙鱒,體型從幾公分到一公尺多不等,生活在沙漠的地底深處。與成體沙蟲大不相同的是,沙鱒生性愛水,身上有能夠儲存大量水分的細胞(或者有些文獻指出其體表覆滿纖毛),而且喜愛群聚。當沙鱒在地底深處群聚,身體的代謝廢物與水混合並發酵後就形成了早期香料。當早期香料聚集夠多、發酵產生的氣體壓力夠大,就會把這些早期香料大規模噴發到地表,即所謂的「香料爆炸」。這些早期香料被陽光炙烤風乾,就成了珍貴的香料。

地球上其他沙蟲愛好者製作的,沙鱒與香料爆炸的解說影片。

然而,根據上述描述還有沙鱒與沙蟲的體型差異,我大膽猜測沙鱒與沙蟲之間並不是單純幼蟲與成蟲的關係,而是如同單體/聚合、單倍體/多倍體之間的世代交替關係。如前所述,沙鱒喜愛水、儲存水、而且會聚集成團,這樣的習性或許就是在召集夠多的單倍體沙鱒,只要被噴發到沙漠表面,受到炙熱陽光且乾燥環境的刺激,成團的沙鱒就會相互融合並且分化形成一隻沙蟲,如果一團沙鱒的生質量不足以撐起一隻沙蟲,說不定還得等待被已經存在的沙蟲吞食後融合進去。

在地球上,這樣運作的生物也所在多有,例如以二倍體原生質團狀態四處爬行的粘菌、或者以多個體聚合分化而成一整隻具有精細構造的僧帽水母,絕非天馬行空的無稽猜想。

具有單雙倍體世代交替生活史的黏菌,我大膽的猜想沙蟲和沙鱒的關係也是這樣,沙蟲屬於二倍體且類似黏菌可移動的原生質團,沙鱒則是移動能力較差的單倍體。 圖/wikimedia
地球上的黏菌,請欣賞它解決問題的本事。
俗稱葡萄牙戰艦或僧帽水母也是水螅體群聚且分工組成的群聚體,或許沙蟲也是異曲同工。 圖/wikimedia

據我對重要文獻的了解,其中有些字句間也曾經提過沙鱒是單倍體的生物,還有沙蟲萬一死去就會放出沙鱒重啟生活史的循環。如果又加上沙蟲壽命很長、甚至可達數千歲的傳聞,那麼沙鱒與沙蟲之間以世代交替生活史不斷轉變、沙蟲乃是眾多沙鱒聚合分化而成的群聚體,還可以不斷吸收新的沙鱒團來壯大自己,就更是合理了。

當然,也只有憑藉著弗瑞曼人的仔細觀察,才能夠確認這樣的猜想是否屬實。

因此如果可能的話,下次待您與族人發現沙鱒團時,是否能夠留意它們噴發到沙漠表面後的行蹤呢?

甚至如果您能夠主動的收集沙鱒團,將它們集中在沙漠表面以圍籬侷限起來,或許就能夠好好觀察沙鱒團在沙漠表面的命運:是真的如過去以為的多數沙鱒死去並留下極少數個體休眠數年再——蛻變狂長為沙蟲?

還是其實藉由多個沙鱒團分散又聚合、彼此邊界消弭並且開始分化的方式,在沙漠中組成一隻超級沙蟲體?如果有幸如我推想的,沙蟲是聚集眾多沙鱒而成、世代交替無盡轉生的群聚體,這樣能夠累積千年的不死智慧,豈不更加顯現沙蟲的神性嗎?

在沙漠裡面設置圍籬以觀察沙鱒團的行為和生活史,其實就有點像在地球上用培養皿畫菌盤養菌,只是厄拉克斯星球上的盤子比較大而已,但同樣都可以滿懷敬意啊。 圖/YouTube

關於沙鱒在地底下的生活,如果依循著我先前的假說,沙蟲的營養與能量來源是依靠體內的共生自營微生物而來、且平時吞食沙粒也只是在收集過濾這些共生自營微生物或者沙鱒團的話,那麼沙鱒在沙漠地底深處可能也是靠微生物一起共生過活,這些微生物可能是同樣在沙漠表面或沙蟲體內存活的微生物種類,只不過可能因為在地底深處缺乏氧氣和陽光,所以處於厭氧呼吸、異營(或化學自營)的代謝狀態,就等著沙鱒聚集成團被噴發到沙漠表面,再度回到太陽下轉回好氧自營的代謝狀態。

從這一點看來,以好氧自營狀態與沙蟲共生提供能量與營養、又在地底深處以厭氧異營狀態與沙鱒共生的這種微生物,整個生活史與沙蟲的生活史緊密相依,兩者很可能已經接近互利且專性的共生,難以離開彼此了。

這是我推想的沙蟲生活史(外圈)以及香料菌生活史(內圈),還有兩者之間的養分依存關係,請弗瑞曼族人們多多指教。

進一步猜想,所謂的早期香料,也許是在沙鱒體內的行厭氧呼吸的共生微生物排出的內孢子或休眠卵,這些內孢子/休眠卵靠著沙鱒排出的代謝廢物產氣以後造成香料噴發,也可以又回到陽光普照的沙漠表面,若有幸被沙蟲濾出帶到體內,就再次轉為好氧呼吸、自營代謝的狀態(這也解釋了沙蟲身上尤其嘴巴處帶有強烈香料味的緣由,因為嘴巴比起身體更深處的其他部位,理應擁有最多還未甦醒的內孢子/休眠卵);然而如果不幸被香料採集車吸起過濾,那就成了世人爭奪的珍貴香料了。

考量到許多地球上的微生物內孢子本身就帶有毒性,因此香料如果實際上是微生物的內孢子/休眠卵,其毒性屬於神經毒,劑量適當時得以大幅擴展感官能力與腦部運作,劑量不對或是當沙蟲遇水死亡後共生微生物一同破裂放出的體液則具有強烈毒性,也是合情合理。

以上關於香料來源的推想,還請尊敬的弗瑞曼人能夠給予指教。

地球上微生物的內孢子生成示意圖,大膽猜想所謂的香料,或許就是與沙鱒共生時的微生物在厭氧異營狀態時產生的內孢子。圖/wikimedia
關於香料的解釋影片。

最後,我想與弗瑞曼族人們分享,地球上的動物們與沙蟲間的相似之處。

沙蟲令人敬畏的滿嘴尖牙,有些人可能以為類似地球的八目鰻牙齒分佈,但仔細看其實跟地球的鬚鯨嘴裡的鯨鬚板更有異曲同工之妙,合理推想也都扮演了濾食的角色——一如地球的鬚鯨在海中用鯨鬚過濾磷蝦和小魚,厄拉克斯星球的沙蟲在沙漠中用尖牙過濾砂礫間能夠與其共生的自營微生物、不時還有剛從地底噴出的沙鱒團、偶爾可能也順便摧毀吵鬧的香料採集車。

還有,沙蟲攻擊地表入侵事物時,從地下竄出讓沙漠表面液化沸騰的景象,也相當類似座頭鯨捕食時困住魚群的氣泡網。

這樣的雷同之處,在地球的演化生物學稱作趨同演化,如果我們相信距離地球大半宇宙的沙蟲也遵循達爾文的演化論的話。

地球上的座頭鯨使用氣泡網捕食魚群。
看看沙蟲冒出表面吞食人事物的景象,不覺得跟地球上的座頭鯨用氣泡網捕食很像嗎?

還有,從沙蟲張大的嘴巴深處,我看見沙蟲的咽喉也分成三裂,和地球上具備三顎的蛭類頗為神似。沙蟲在沙漠中能夠躍出表面,那樣的移動方式也真的有點神似蛭類在水中的波浪狀游動行為,更別提沙蟲同樣能夠抬起身軀俯仰自如,很可能也擁有蛭類一樣的肌肉水骨骼系統。

乾燥的厄拉克斯星球上很可能沒有蛭類,我只能請您參考下方的影片理解蛭類的模樣與游動方式,哪一天如果有幸能夠邀請您與族人們到地球拜訪,相信您看到蛭類的實體時也會有似曾相識之感吧。

地球上的蛭類,這隻吸血蛭類的波浪狀游動和咽部三裂的模樣與沙蟲不謀而合。

最後,沙蟲能夠在無垠沙漠中聽到/感受到遠方來的規律震動,也是一件似曾相識又奧妙的本領。

在地球上能夠感受基質震動的動物很多,許多水生的動物都能夠感應水波震動進而找到來源,最有名的正是吸血蛭類,它們能夠藉由感受水波找到震動的來源,於是長距離游向入水或落水的宿主以吸取血液;水中伏擊的紅娘華也能夠感應落水昆蟲的掙扎震動,從水底往水面攫住獵物飽餐一頓。

在水中如此,在鬆軟乾燥的沙漠中卻是另當別論了。

乾燥的沙漠只要受力,沙子間就會崩解散落,連帶消去了能夠傳遞出去的震動動能,這就像是裝著乾沙的沙袋受到擊打,沙團就會散開變形於是消去動能、壓力和震動一樣。

因此,在地球上沙漠中潛沙伏擊的動物,無論是蜘蛛或沙蟒,大多都是依靠視覺或者觸覺、或者如絆腳索的絲線上傳來的震動,以得知獵物的到來與方位。只有少數的地底動物如非洲蝟目的金鼴,大概比較真有本事偵測從附近沙上傳來的細小震動。

根據地球這邊的研究得知,金鼴的聽骨不成比例的特大、而且也有精細巧妙的放大結構,也因此能夠偵測沙子上傳來的細小震動。而龐大的沙蟲又有什麼樣的精巧構造,讓祂得以在幾公里外偵測到人類規律走動的腳步呢?

這樣的謎團實在令人費疑猜啊。或許也只能期待哪一天,勇敢的弗瑞曼族人們從沙蟲神聖的大體和更仔細的觀察中略知一二了。

金鼴的可愛模樣。 圖/wikimedia
金鼴小小的體型,卻有不成比例的特大聽骨,可能就是演化出來偵測沙上的微小動靜。 圖/https://acousticstoday.org/wp-content/uploads/2020/06/The-Adapted-Ears-of-Big-Cats-and-Golden-Moles-Exotic-Outcomes-of-the-Evolutionary-Radiation-of-Mammals-Edward-J.-Walsh.pdf
金鼴潛沙並且偵測沙上小昆蟲的震動,與沙蟲有異曲同工之能。

尊敬的弗瑞曼族人們,衷心感謝您閱讀至此,期待有一天能夠收到來自厄拉克斯星球的回訊,更盼望有那麼一天,地球的沙蟲愛好者如我能夠與您並肩,看見族人幽藍雙眼看見的世界,穿上寶貴的蒸餾服,一同感受沙漠的不可侵犯,讓心跳隨著沙槌震動,同時體會沙蟲自遠方洶湧而來的神性震撼。

祝弗瑞曼族人們健康平安。

來自地球的沙蟲愛好者敬上

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YTLai_96
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也許永遠無法自稱學者,但總是一直努力學著

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致親愛的弗瑞曼人:一封來自地球的沙蟲愛好者之信——《沙丘》(二)
YTLai_96
・2022/10/26 ・4100字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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尊敬的弗瑞曼人,您好:

是的,又是我,來自地球的沙蟲愛好者。自從上次鼓起勇氣提筆寫信給您,我實在難以抑遏再次提筆寫信的激動與衝動,因此在短時間內又冒昧寫了這第二封信,希望您能夠海涵。也希望您與族人能夠感受到我對沙蟲的熱情,當您們閃著幽藍雙眼凝望沙漠深處之時,我是多麼期望能夠與您們在陰影下並肩,用皮膚體會厄拉克斯星球的乾熱、空中沙塵的粗糲、鼻尖若有似無的香料氣息、以及如果有幸的話,或許可以聽見沙蟲在遠方的低鳴,甚至一瞥祂磅礡無匹的身影。

身為地球的沙蟲愛好者,只能看著厄拉克斯星球的最新生態人文記錄片,遙想沙蟲的一切。

但您知道,地球距離厄拉克斯星球是多麼的遙遠啊。我只能在夢裡遙想您們所見所聞,期望您和族人們能夠體諒遙遠地球的沙蟲愛好者的迫切心情,並且願意抽空回覆與我分享關於沙蟲的見聞與觀察,哪怕只是隻字片語都好,對我而言都將是莫大榮幸更如獲至寶。


上一封信中,我談到沙蟲的龐大體型可能會帶來的諸多難題,也斗膽提出了我的猜想:沙蟲這麼大的體型,必定需要又輕又強韌的成份(如木質纖維素或幾丁質)構成身體,而且體內很可能具有許多氣囊和氣管系統,如此不僅可以促成身體大幅輕量化,氣囊與氣管系統和外界頻繁交換空氣也能解決龐大身體核心難以排出餘熱的問題、形成有效率的呼吸系統、大力輔佐循環系統、甚至也能夠解釋沙蟲在沙漠中快速游動的本事。

看看沙蟲這樣挺出沙漠表面又低頭俯視的姿態,體內一定需要強力的支持系統。 圖/wikipedia

不過我沒講完的是,即使如此,看著歷年來厄拉克斯星球的生態記錄片中珍貴的沙蟲畫面,我認為沙蟲還是必然擁有較為堅硬的骨骼系統,才可能辦到記錄片中把身體前端穿出沙漠表面還懸空低頭的動作。根據弗瑞曼族人的觀察,沙蟲表面有鱗片被覆,那麼像是地球上的蛇類一樣體內有脊椎貫串,似乎也不會太奇怪。

可是,根據我淺薄的理解,弗瑞曼人的重要文獻中從來沒提到沙蟲死後有留下明顯骨骼。於是我大膽的猜想,沙蟲的骨骼系統可能是像地球上的棘皮動物那樣,沒有脊椎骨、且主要由細碎骨片構成,又或者也可能是像地球上的節肢動物一樣,身體具有分節且帶關節的外骨骼系統。

沙蟲體內可能具有類似棘皮動物的骨片。 圖/wikimedia

不過我猜想,除了堅硬的骨骼系統外,更重要的是沙蟲體內應該擁有大量的縱向、橫向、以及環狀的肌肉或結締組織,就像我們口中的舌頭、大象(地球上最大的陸地動物)的長鼻子、章魚(地球上最聰明的無脊椎動物)的腳那樣,藉著這些肌肉構成的所謂的「肌肉水骨骼系統」,可以伸縮俯仰翻轉自如,來達成柔軟又強韌的身體動作。

舌頭就是肌肉水骨骼結構的絕佳範例。 圖/wikimedia

這樣大膽的猜想,終究只能依賴勇敢的弗瑞曼人您們對沙蟲的觀察與判斷,才能稍微確認是否屬實。下次有族人近距離看見沙蟲、或是正巧遇見沙蟲神聖的大體時,在敬畏俯首之前,可以請您們幫我仔細瞧瞧嗎?

不過,在沙蟲的龐大身軀裡,有一件事情始終讓我百思不得其解,那就是沙蟲的神經傳導機制與速度。試想,沙蟲那麼巨大的身體,神經傳導速度該有多快啊?就算根據弗瑞曼人重要文獻「沙丘」所述,沙蟲擁有所謂分散式的神經網狀節點,那也就像是地球上的環節動物或節肢動物那樣,在身體各節擁有自己的神經節,但是神經節之間還是要依靠神經索彼此連結,以互相協調傳遞訊息啊。

以地球已知最快的神經傳導速度 200 公尺/秒為前提,頭尾長達 200 公尺的中型沙蟲,訊息從頭傳到尾需要整整一秒,更別說更大的沙蟲就需要更久的時間,這樣的神經傳導速度要應付沙蟲的動作協調和反應,真的來得及嗎?但仰望沙蟲那樣迅速的活動與反應,我不禁揣想沙蟲其實擁有地球生物不曾演化出來的神經傳導機制,所以具備望塵莫及的神經傳導速度吧?

尊敬的弗瑞曼人啊,如果有族人正巧遇見沙蟲神聖的大體時,可以請您們幫我仔細觀察沙蟲令人敬畏的軀體內的神經系統嗎?

就算依照厄拉克斯星球的重要文獻「沙丘」所述,沙蟲體內只有分散的神經節點,那大概就像是地球上的蛭類一樣的神經系統,但身體前段與後段的神經節還是離得很遠啊,該怎麼快速傳導神經訊息呢? 圖/Nervous Systems

其實,我光是從歷年來的生態人文記錄片中,隔著螢幕就可以感受到沙蟲令人敬畏的魄力,曾經與祂面對面、被祂的陰影與低鳴吞噬的弗瑞曼人您們,必定更是深深臣服於祂的神性。

而坦白說,沙蟲那麼龐大的體型,在厄拉克斯星球的沙漠中還能夠存活多年,也實在是一種奇蹟。地球上最大的動物藍鯨要靠著吞食大團磷蝦與小魚來支撐所需能量和營養,沙蟲又比藍鯨大上了 50 倍有餘,需要的食物也該有十倍以上才對。

然而以生態學的角度來看,厄拉克斯星球的沙漠看起來就沒什麼初級生產力,沙蟲光靠吃沙子裡面的浮沙生物(Plankton,姑且容我如此翻譯)怎麼可能撐得起自身所需的龐大能量,實在令人費解。

地球上的鬚鯨需要大量取食小魚小蝦,才能撐起龐大身體所需的能量和營養。

基於我們近年來在地球的微生物群聚生態學的研究進展,請允許我做出如此大膽的猜想:沙蟲或許並不真的靠沙子和浮沙生物為食,而是在體內保有大量的、緊密共生的自營微生物,藉由這些自營微生物光合作用產物的供養,獲得大多數的必須營養與能量甚至還可能有氧氣。

如果我大膽的猜想屬實,那麼在神秘的沙漠深處,沙蟲的日常生活或許就只是攤在沙漠表面曬太陽,不時翻個面確保曬得均勻,讓體內各處的共生自營微生物都能夠充分進行光合作用。

當然,我相信弗瑞曼人對沙蟲的觀察依然無誤,沙蟲的確會吞食沙子和裡頭的浮沙生物,但是目的或許不是為了以這些浮沙生物為食,而是要把它們納入體內收集起來,成為緊密共生的好夥伴。

畢竟,殺掉一隻母雞頂多飽餐一頓,但是把母雞養起來就可以持續獲得雞蛋,沙蟲這樣收集共生自營微生物並且永續經營利用的習性,不也正展現祂們富有靈性與智慧的存在嗎?

地球上有好些水母湖,湖裡面的水母整天只管翻面曬太陽讓體內共生微生物行光合作用提供養分過活。小小的水母都有如此本事,巨大的沙蟲身上有些特殊的共生微生物提供各種好處也不會太意外吧。

如果弗瑞曼族人們覺得我的猜想似乎有理,那麼請容我更進一步說明。

共生自營微生物跟沙蟲緊密依存的假說,不僅能夠解釋沙蟲龐大身軀的營養來源,也可以解釋沙蟲身邊的火光與閃電現象。根據重要文獻所述,沙蟲的排泄物會產生大量氧氣,移動時尾部還常伴隨摩擦而來之火花與氧氣燃燒的火光。

但我們從地球的基礎化學知識得知,氧氣只是助燃氣體,真正燃燒的必定另有他物,如果沙蟲體內的共生自營微生物會產生氫氣或甲烷等易燃易爆氣體,混合氧氣後只要有點靜電火光就會爆炸燃燒,那麼沙蟲的糞便產生大量氧氣、移動時候尾部會冒出火光就不再只是神秘奧妙的現像,而是合理的化學反應與氣體燃燒了。

同樣的,弗瑞曼人歷代所描述的沙蟲,在沙漠淺層水平移動時的高速摩擦會產生閃電,也可能並非真的閃電,而是和沙蟲體內共生自營微生物的產氣有關。

厄拉克斯星球的空氣那麼乾燥,沙蟲移動時要累積靜電很容易,但是要突破大片乾燥空氣的絕緣特性,在沙蟲周圍產生長距離的閃電弧光則應該非常困難。但只要沙蟲體內有大量會產出易燃易爆氣體的共生自營微生物,當沙蟲移動時為了把沙團液化所以從氣孔往前噴氣,氣流裡面的易燃易爆氣體與氧氣混合以後被靜電點火,爆炸瞬間燃燒出銀色或藍色條狀火焰,看起來不就像是閃電模樣了嗎?

如此一來,沙蟲周圍的電光火花等異象也就都解釋得通了。

沙蟲體內如果有很多共生自營微生物產出的沼氣、甲烷或氫氣,往尾部或頭部噴出以後,被靜電的火花點著燃燒出藍色火光,看起來以為是閃電也不意外。 圖/Youtube

不過,地球的自然總有令人難解之處,厄拉克斯星球的自然當然也不例外。

我始終無法想像,如果沙蟲其實主要依賴共生自營微生物獲得能量和營養,平時只要曬太陽就能輕鬆過活,為什麼還要有強烈領域性呢?沙蟲們排好躺平一起曬太陽互不干涉也是挺好的不是嘛?這一點實在令人費解啊。

抱歉,再次強調我對沙蟲沒有一點不尊敬的意思,也理解弗瑞曼族人一時可能不容易接受這些大膽的沙蟲猜想和假說。無論如何,非常感謝您撥空讀信與理解,希望能夠很快收到來自厄拉克斯星球的回音,給我這個地球上的沙蟲愛好者更多的指引,衷心感激。

祝弗瑞曼族人們健康平安。

來自地球的沙蟲愛好者敬上

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YTLai_96
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也許永遠無法自稱學者,但總是一直努力學著

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致親愛的弗瑞曼人:一封來自地球的沙蟲愛好者之信——《沙丘》(一)
YTLai_96
・2022/10/21 ・3832字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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親愛的弗瑞曼人,您好:

展信愉快!我是一個來自地球的沙蟲愛好者,前陣子認真觀看了 2021 年底由傳奇影業在地球上發行的最新厄拉克斯星球生態人文記錄片「沙丘」,對厄拉克斯星球上的巨大生物、也是貴民族視為神的使者的「沙蟲」感到相當著迷與好奇。在我進一步翻閱描寫貴民族的重要文獻「沙丘」這套書,並且跟這套文獻典籍的其他同好討論過後,對於沙蟲有了更多的了解和體會,但也產生了更多的疑問。

最新的厄拉克斯星球生態人文記錄片2021年在地球上映了,規模之盛大,甚至還有預告片可以看呢!

冒昧寫這一封信給您,是希望能夠透過貴民族第一手的觀察和說明,解答我對沙蟲的一些疑惑。我完全理解沙蟲是弗瑞曼族人視為神的使者的存在,也請您相信我沒有一點點不敬的意思,我只想單純的從一個來自地球的沙蟲愛好者的角度,與族人分享我對沙蟲的理解、觀察和推測,並且期望族人們在尋找珍貴水源、躲避毒辣陽光、乃至與入侵者戰鬥的辛勞日常間,能夠撥冗提供我一點關於沙蟲的額外資訊和觀察,讓我確認我對沙蟲的觀察和推論是否合理或者大錯特錯,對我而言都會是莫大的鼓舞,我將不勝感激。


感謝您撥冗閱讀至此,接下來請允許我開始提出我對沙蟲的觀察、理解、以及讓我一籌莫展的困惑,誠摯期待您能夠分享弗瑞曼人與沙蟲共存千年的古老智慧和精準觀察,使我獲得解答。拜託您了!

首先,我的第一個問題是:沙蟲那麼大的體型,該如何應對龐大體重把自己壓垮、核心散熱不易、需要高效率的呼吸循環系統等困難呢?

根據弗瑞曼人的重要文獻「沙丘」所述,中型的沙蟲體長已達 200 公尺左右,目測到最大的沙蟲可達 400 公尺之多,傳說中在厄拉克斯星球的南極甚至有 750 公尺乃至 1 公里長的超巨大沙蟲。至於沙蟲的直徑,根據最新的生態人文記錄片「沙丘」還有歷來的生態人文記錄片畫面看來,中型沙蟲的嘴巴直徑至少就有 13 公尺左右,而且身體應該是呈現均勻的圓棒狀,身體後段也沒有看到明顯縮小延長的尾部。

沙蟲真的很大很大,幾可匹敵地球上最高的幾座建築物啊 圖/i redd it

這麼巨大的體型,第一個難題當然是龐大的體重了。在我們地球上已知的最大動物是藍鯨,長度只有30公尺、體高 4-5 公尺,但體重已經是 150 噸,這樣的重量讓藍鯨只能在水裡生活游動,一旦在海邊擱淺,自身的體重對於壓在底部的身體組織就會造成巨大的傷害。

相比之下,沙蟲直徑 13 公尺、長度 200 公尺的龐大軀體不僅是整天在沙漠中穿梭游動毫無水的浮力幫助,還能夠高舉頭部探出沙漠、甚至像鯨豚一樣躍出沙漠表面。從生態人文記錄片「沙丘」裡弗瑞曼人活動的畫面看來,厄拉克斯星球的重力應該跟地球差不多才對,但沙蟲這麼龐大的體型居然得以不被自身體重壓垮、還能夠這麼輕巧的在沙漠表面跳躍活動,想來必定有特殊的結構和材質,讓沙蟲可以兼顧強壯又輕巧吧?

擱淺的藍鯨,自身的體重就會對底部的身體組織造成巨大壓迫和傷害。 圖/wikimedia

容我猜想,沙蟲的身體或許類似地球上最大的現存樹種——世界爺一樣,以類似木質纖維素的複雜聚合物材質構成,這樣至少就有機會達到跟世界爺老樹乾材相仿的比重:0.3 Kg/L。如果沙蟲的身體主要由幾丁質構成,並且盡可能減少體內的含水率,那也大概可以達到 0.3 Kg/L 這樣的比重。

世界爺,地球上最大的樹種。圖/wikimedia

除此之外,我還有一個大膽的猜想:沙蟲龐大的身體裡面說不定其實充斥著許多氣囊和氣管系統,就好像地球上的飛行鳥類體內擁有的氣囊系統,再外加地球上眾多昆蟲體內的氣管系統一般。

這樣一來,沙蟲的身體就可以因為氣囊和氣管系統而更加大幅輕量化,減少被自身體重壓垮的機會,不但解決了體重難題,還可以依賴四通八達的氣囊、氣管與體表的氣孔,一併把龐大體型的核心餘熱排出體外,並且就近從周身的體表氣孔把氧氣帶進體內深處存在氣囊中,以備激烈運動時使用,形成高效率的呼吸系統與循環系統。

沙蟲的體內如果像中間的鳥類和底下的昆蟲一樣,具有許多氣囊和氣管,不僅能夠大幅減輕自身的重量,還可以解決核心的散熱問題以及呼吸系統的效率問題。 圖/wikimedia

更進一步而言,沙蟲體內如果充斥著氣囊和氣管系統,也能夠解釋沙蟲在沙漠中迅速游動的特殊移動能力:沙蟲藉著快速擠壓氣囊、從氣孔高速往前噴出氣流,就可以液化移動方向所在的沙團,於是得以像游泳一樣在沙漠中迅速悠遊。這樣液化沙子的機制在地球上已經有許多實例(例如下列影片),若是再搭配沙蟲體表鱗片的震動,勢必能夠加成液化沙子的效果,讓沙蟲移動更加無往不利。

這樣的推測,不也貼切符合了生態人文記錄片中,沙蟲在沙漠表面之下高速移動時前方冒出的大量煙塵、以及沙蟲冒出地表時沙地滾動如沸騰的現象嗎?

只要在沙中打入空氣,就可以讓沙子液化,沙蟲如果擁有氣囊、氣管與氣孔,往前大量高速噴氣應該就可以達成同樣效果,以在沙漠中游動。
適當的震動沙子也能夠讓沙子開始表現出液態性質,沙蟲或許也能夠藉由震動鱗片來達到這樣的效果。

不僅如此,勇敢的弗瑞曼人歷代相傳的駕馭沙蟲之術,藉由鉤子嵌入沙蟲的鱗片縫隙,稍微撬開鱗片讓沙蟲不適而轉身讓該處朝上,更持續在沙漠表面巡弋而不下沉的高超神技,或許也是因為沙蟲的鱗片下方有許多產生震動的精細構造,更有連結表面氣孔和體內氣囊的複雜氣管系統,於是當鱗片被撬出縫隙時,為了避免沙子滲漏進去造成傷害和問題,沙蟲也只好轉身讓鱗片縫隙處朝上,於是成就了勇氣與技術兼備的傳說美技。

近30年前的厄拉克斯星球生態記錄片,錄下了弗瑞曼人難得一見的沙蟲駕馭過程,當時耆老族人的說明以及沙蟲背上的噴氣氣孔,也證實了「沙蟲體內應有大量氣囊氣管連接到表面氣孔,以此噴氣來在沙漠中游動」的猜想。

我理解,這樣的大膽猜想或許使您感到意外,但請容我再次強調,我對弗瑞曼人視為神的使者一般的沙蟲,絕對沒有任何不敬之意。

我只是根據貴民族的重要文獻加上歷年來的厄拉克斯星球生態人文記錄片對沙蟲的描述和記錄,再結合我對地球動物的粗淺理解,做出「沙蟲體內可能有類似地球上的飛行鳥類的氣囊與昆蟲的氣管系統」這樣的推論。

而且坦白說,這樣的猜想推測不也正與沙蟲怕水、碰水會產生燒灼痛感、接觸大量水分將導致死亡的弱點不謀而合嗎?如果沙蟲體內有諸多氣囊和氣管系統,哪怕只是一點點水的入侵,水的黏附力可能就會造成大片的氣囊與無數氣管堵塞或塌陷,使得沙蟲組織缺氧過熱而迅速壞死,甚至引發骨牌效應牽連整個沙蟲導致死亡,您說有沒有道理呢?

當然無論如何,我畢竟只是遙遠地球上的一個沙蟲愛好者而已,我所能夠獲得的沙蟲資訊也相當有限,遠不及千百年來在厄拉克斯星球生活的弗瑞曼人您們切身經歷的萬一。

因此,如果可能的話,下次當您們以沙槌呼喚沙蟲前來、或者是又有哪位勇者騎上沙蟲的背橫越沙漠之時,麻煩幫我觀察一下,沙蟲體表是不是佈滿氣孔不斷吸吐空氣好嗎?

哪一天看到死去的沙蟲時,在哀悼之餘請也幫我仔細瞧瞧,沙蟲體內是不是佈滿氣囊與綿密的氣管系統好嗎?

噢對了,如果厄拉克斯星球大氣的氧氣濃度高於地球這邊的 20%,對沙蟲的氣囊和氣管系統會更有助益,不過我從生態人文記錄片裡面看不出來氧氣濃度,重要文獻裡面也沒寫,所以我也無從得知,如果您們能夠測量大氣中的氧氣濃度,那就可以多一項資訊做為參考和推測了。

大氣中氧氣濃度與昆蟲氣管系統中能夠獲得足夠氧氣的深度有關,沙蟲如果擁有氣囊和氣管系統,大氣中高一點的氧氣濃度對其龐大體型會相當有幫助。 圖/Arizona State University

行筆至此,也該是讓您的幽藍雙眼休息的時候了。誠摯的感謝您撥冗閱讀此信,期待弗瑞曼人能夠與我分享更多的沙蟲訊息,我將靜候來自厄拉克斯星球的佳音。

祝弗瑞曼族人們健康平安。

來自地球的沙蟲愛好者敬上

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