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什麼是「生命親緣樹」?古菌啟發人類對火星生命的想像——《穿越 4.7 億公里的拜訪》

三民書局_96
・2021/11/28 ・1682字 ・閱讀時間約 3 分鐘
  • 作者/前NASA太空任務科學家 李傑信

以目前人類擁有的火星知識推測,如果火星曾經有過生命,種類可能與地球最古老的生命接近。

什麼是地球最古老的生命呢?我們幾乎可以想像地球生命起源時的環境:無氧、地表熾熱、火山活動頻繁、甲烷廣布、硫磺濃湯漫流。如果生命在這種條件下起源,那最古老的細菌,也就是人類和所有地球生物的老祖宗,必得有耐高溫、厭氧、喜硫磺和甲烷等的古怪個性。

高溫、無氧又充滿甲烷與硫磺的海底熱泉,可能與原始的地球海洋十分相近;圖為香檳噴發口(Champagne vent)。圖/WIKIPEDIA

人類對地球生命的認識和分類,經過好幾個重要階段。18 世紀時,人類把生命分成動物和植物兩大類。這種分類法顯然過於粗糙,有些擁有葉綠體的單細胞生物,能蠕動或用鞭毛游動,它們究竟是動物還是植物?而真菌類一向被歸入植物類,但它卻無葉綠素。於是有一陣子,地球生命就被分成動物、植物、原生生物三大類。直到 20 世紀初,細菌分類學有了長足的發展,才將有核細胞生物(真核生物,包括動物、植物、真菌、原生生物)和無核細胞生物(原核生物)的細菌分開。

細菌雖然一般以形狀分類,如桿菌、球菌和螺旋菌等,但這種分類無法建立起它們之間的親緣關係,在當代是一件頭痛而無法解決的問題。一直到 20 世紀 60 年代,基因工程技術出籠,生物物理學家渥易斯(Carl Woese, 1928~2012)認為,核糖體核糖核酸(ribosomal ribonucleic acid, rRNA)排列順序保存了久遠的生物演化紀錄,並且這種排列順序變化緩慢,容易追尋親緣關係。他以這種排列順序為準,決定出各類細菌間的親疏遠近,發現總稱的細菌中含兩類截然不同的細菌,他分別命名為細菌和古菌兩大類。加上動物、植物、真菌、眼蟲、微孢蟲等所屬的真核生物,終於完成目前完整的生物三界說的生命親緣樹(universal phylogenic tree,圖9-1)。

圖 9-1:渥易斯在1977年底發表了地球生命親緣樹。

渥易斯在 1977 年底發表的古菌域發現,是一項劃時代的成就。當作者第一次看到古菌所涵蓋的各類細菌時,的確被震撼了一下。古菌類皆厭氧,含甲烷嗜熱菌(methanothermus)、甲烷球菌(methanococcus)、嗜熱纖維菌 (thermofilum)、熱網菌(pyrodictium)、硫還原球菌(desulfurococcus)、硫球菌(sulfolobus)等,幾乎就是想像中伊甸園裡該有的生命。另外,生命樹根的所在,雖然還沒有完全確定,一般認為應在古菌樹幹的下面。

地球最原始的生命似乎是厭氧嗜熱菌,生活在攝氏 90 度以上的環境,使用硫、氫、二氧化碳等地質化學能量生長繁殖。如果溫度低於攝氏 80 度,則生長停止。所以,地球所有生物的祖宗,應是依賴化學合成能量、居住在熱泉裡的古菌。生命一旦開始,就能適應外界逐漸變化的環境。環境如果變得實在無法忍受,有的古菌就停止一切生命機能,進入亙古冬眠,等待佳機復甦。1992 年,美國國家研究委員會(National Research Council, NRC)報告,一個嗜鹽古菌(halophiles)冬眠 2 億年,經實驗室培養後,恢復生命活力[註1]。南柯一夢數億年,生命頑強力可見端倪。

圖為屬於古菌的 NRC-1 高度好鹽菌,每一細胞長度大約 5μm。圖/WIKIPEDIA

古菌域的發現,使人類對生命的看法煥然一新。生命原來可以適應那麼多種極端的自然環境,只要給予一線生機,生命就能蓬勃發展。我們對生命重新樹立起了更崇高的敬意。

地球古菌類的發現,照亮了人類探測火星生命的道路。地球古菌類的生活習性,能告訴人類它們起源時的生命環境。那種環境可能與火星 35億~38 億年前時相差不遠。火星那時也有水、火山活動及熱泉,地球能發展出生命,為什麼火星不能?

註解

  • 註 1:“Biological Contamination of Mars,” National Research Council, National Academy Press, Washington, 1992.

——本文摘自《穿越4.7億公里的拜訪:追尋跟著水走的火星生命》,2021 年 7 月,三民

文章難易度
三民書局_96
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創立於1953年,為了「傳播學術思想,延續文化發展」,60年來默默耕耘著書的園地。從早期的法政大學用書、三民文庫、古籍今注新譯叢書、《大辭典》,到各式英漢字典及兒童、青少年讀物,成立至今已出版了一萬多種優良圖書。不僅讀者佳評如潮,更贏得金鼎獎、小太陽獎、好書大家讀等諸多獎項的肯定。在見證半個世紀的社會與時代變遷後,三民書局已轉型為多元、綜合、全方位的出版機構。


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如何從茫茫大海中,找到戰爭遺留的深水炸彈?——海底掃雷行動

Else Production
・2022/01/19 ・2597字 ・閱讀時間約 5 分鐘

對於年輕人來說,我相信「深水炸彈」一詞並不會陌生,因為這近乎是每一個狂歡派對裡的必需品。但對於埋藏在深海裡的炸彈,大家又有沒有想過我們如何找出來?

這些未爆炸的軍備,我們稱之為 Unexploded Ordnance(簡稱 UXO),有可能是水雷,有可能是深水炸彈,也有可能是導彈。它們多數是第一次或第二次世界大戰遺留下來的產品,受到多年來沉積(即水流在流速減慢時,所挾帶的砂石、塵土等沉淀堆積起來)的影響,令它們埋藏在海床以下的地方。跟據 Euronews 的估計,單單在波羅的海亦有超過 30 萬的 UXO 埋在那裡。

二戰期間,桑德蘭水上飛機掛載的深水炸彈,圖/維基百科

你也許會問,既然都已經埋藏了,何況我們仍然要處理他們?這是因為我們會在海底裡鋪設電欖、水管、天然氣輸送管等輸送系統,假如鑽探過程中不小心觸碰了它們已產生意外,或是在完成工程某一天突然爆炸而令輸電系統中斷,後果可真是不堪設想。因此,最理想的方法便是把他們全部找出來並繞道而行,或是安排專家把他們處理。

真正的大海撈針:用磁場把 UXO 吸出來!

要找到這些 UXO,最容易的方法便是使用金屬探測的方法,但由於普遍的金屬探測器的探測範圍是不超過 2 公尺的,我們很難把探測器貼近凹凸不平的水底前行(這大大增加了磨損探測器的風險),因此我們會選擇較間接的方法:磁強計(Magnetometer)。由於大部份的彈藥外層是用鐵形成的,而鐵是對磁非常敏感的,因此我們能夠在較遠的範圍便能察覺他們的存在。當在外勤工作,我們會以兩個磁強計為一組去作探測,令我們更準備知道其實際位置及大小。讓我們看看以下例子:

圖 1:磁強計的探測結果

在圖 1 裡,假設我們知道標記「1」是一個 UXO 的位置,上圖的平行線為磁強計由左至右的移動路線,下圖為磁場沿路的變化。我們可以看見,當若果沒有任何金屬物件存在的話,兩個磁強計量度的數是相近的,亦即是該環境本身的磁場。但在 UXO 的附近,我們可以看到明顯的變化。藍色線代表航行路線的左方磁強計的量度值,燈色線代表右方,由於磁場強度會隨著距離而減少,因此很明顯這一個 UXO 的位置更接近藍色線,亦即是航線的上方。

我們可以透過兩者的差距估計其位置及大小,但為了確保其真實性,我們亦會在附近再次航行,假如也有磁場變異,這便是一個不會移動的金屬物品(撇除了船、飄浮中的海洋垃圾等的可能性)。

排除法:用側掃聲納窺探看不見的海底!

正如上文提要,磁場變異所告訴我們的,只是金屬物品的位置,但它亦有可能不是炸彈,也有可能不是埋在海床下,因此我們也會使用其他科學方法去驗證。其中一個便是側掃聲納(Side Scan Sonar) ,透過聲波反射的原理,我們可以看到海床的影像。假如海床是乾淨的,聲波傳送及接收的時間是一樣的,因此我們可以看到連續的晝面。但假如有異物在水中間或海床上,聲波便會被折射而形成黑影。讓我們看看以下例子:

圖2: 側掃聲納 圖片,紅色箭咀範圍代表沒有反射的區域,綠色箭頭範圖代表船與海底的距離 (圖片來源:Grothues et al., 2017)

看看圖 2。燈色的部份是海床的晝面,中間白色的部份是船的航道,亦是側掃聲納的盲點,而黑色的部份則是有物件在海床上方而形成的聲波折射,讓我們能夠清楚看見它們的形狀。有時候我們亦會看到一些海洋垃圾,如車胎、單車等,而在上圖的左上方,我們相信是一些棄置的工業廢料。

當然你也可以爭論,在圖左上方的物件有機會不是死物,而是一種未知海洋生物,因此我們也會進行多次的側掃聲納,如果在同一位置並不能再看到它,那麼這是生物的機率便很高。假如在磁場異變的位置側掃聲納沒有探測到任何物件,這進一步證明其 UXO 的可能性。但假如有黑影在上方,我們也會透過黑影分析其大小是否吻合,並會憑經驗分析該物品會否存在金屬。

此外,在看側掃聲納,我們也很重視在磁場異變的位置附近有沒有刮痕,因為形成刮痕的原因多數是船上作業頻繁的地方,有機會是漁船拖網的地點,也有機會是大船拋錨起錨的地方,而這些動作均有機會接觸或移動了這些潛在的 UXO,產生危機。因此,這些地方都會是我們首要處理的地方。

筆者按:假如大家想看看其他用側掃聲納發現的東西,如沉船、飛機等,可以到這裡觀看

萬無一失:Mission Completed !

當然,在取得數據時,我們也要儘可能減低人為因素而形成的影響。舉個例子,我們要確保磁強計遠離測量船,以免船上的儀器影響了磁強計。因此,我們並不會把磁強計綁在船底,而是把它們用纜索綁在船尾數十米以外的地方拖行。

另外,我們也要確保測量船要以均速航行,以確保所有數據都是一致的。最後,我們也要確保船上的 GPS 系統準確無誤,否則所有有可能是 UXO 的位置都是錯誤的。

完成以上的工序後,我們便會製作磁梯度圖(Magnetic Gradient Map),把剩餘下來的磁場變置點用其強度及大小表示出來,正如圖 3,再交給拆彈專家們處理。他們便會跟據他們的專業知識,加上該海岸的戰爭歷史,對比當時有可能參戰的國家、使用的武器及其金屬含量以找出存在的炸彈來處理。

要知道這些 UXO,單單在 2015 年在世界各地亦奪去了超過 6000 人的性命,因此這個科學命題可真是不容忽視!

圖 3:磁梯度圖。左邊是潛在 UXO 的位置而右邊則是它們的磁場強度的改變。(圖片來源:Salem et al., 2005)

延伸閱讀:

參考資料:

  1. Salem, A., Hamada, T., Asahina, J. K., & Ushijima, K. (2005). Detection of unexploded ordnance (UXO) using marine magnetic gradiometer data. Exploration Geophysics, 36(1), 97–103.  
  2. Han, S., Rong, X., Bian, L., Zhong, M., & Zhang, L. (2019). The application of magnetometers and electromagnetic induction sensors in UXO detection. E3S Web of Conferences, 131, 01045.
  3. Image scans gallery. EdgeTech. (n.d.). Retrieved January 5, 2022, from https://www.edgetech.com/underwater-technology-gallery/ 
  4. Grothues, T. M., Newhall, A. E., Lynch, J. F., Vogel, K. S., & Gawarkiewicz, G. G. (2017). High-frequency side-scan sonar fish reconnaissance by autonomous underwater vehicles. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 74(2), 240–255.

本文亦刊載於作者部落格 Else Production ,歡迎查閱及留言

Else Production
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馬朗生,見習地球物理工程師,英國材料與礦冶學會成員,主力擔任海上測量工作,包括海床勘探、泥土分析、聲波探測等。