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耶穌也不知道的聖誕節科學

鄭國威 Portnoy_96
・2010/12/24 ・1272字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 460 ・五年級

科學部落格Communicate Science很應景地自12/6推出了「聖誕節科學系列文」,打算一連發表二十天,一直發到12/25日,到現在已經發表了18篇。下面我精選了三則聖誕知識介紹給各位,也代表PanSci祝各位佳節愉快,不管你這個週末是過聖誕節、情人節、行憲紀念日、還是牛頓誕辰紀念日(依照儒略曆):

第一則:替聖誕老人拉車的馴鹿是公的還是母的?

馴鹿(暫時先假定會飛得那種跟一般的馴鹿是同一種生物)不管公母,都會長出獨一無二型態各異的鹿角,就跟人類的指紋一樣,可以用來辨識野外的馴鹿身份。然而公馴鹿在進入交配季節時,角就會脫落,也就是每年的12月初。 然而聖誕老人的每一隻馴鹿的角都還在,所以,除了馴鹿Rudolph因為姓名陽剛,可以假設是公鹿以外,其他替聖誕老人拉車送禮物的八隻馴鹿應該都是母的。

第二則:如何讓聖誕樹保持青翠不掉葉?

在北美,聖誕樹通常採用黃杉(Douglas Fir)、歐洲赤松(Scots Pine)、以及冷杉葉石楠(Fraser Fir),英國則以高加索冷杉(Nordmann Fir)跟挪威雲杉(Norway Spruce)賣得最好。然而聖誕節假期很長,加上砍伐、運送、銷售等等過程,買來的聖誕樹通常在假期氣氛還高漲時就開始掉葉。加拿大Laval大學新斯科舍農學院針對同樣屬於針葉林的香脂冷杉(balsam fir)進行研究,發現香脂冷杉的樹枝在放置一段時間後會分泌激素乙烯,催使針葉掉落。

於是科學家便利用兩種乙烯抑制劑:氨基乙氧基乙烯甘氨酸(AVG)與1-MCP (1-methylcyclopropene)來干擾植物激素,發現針葉可以維持將近多一倍的時間而不掉落,從原本的40天延長到80天左右。所以一般家庭可以把AVG加在樹台的水裡,而運送聖誕樹的卡車也可以利用1-MCP氣體讓樹葉在運送過程中保持青綠。

第三則:演化影響了聖誕節男女購物行為的差異?

男生買禮物總是速戰速決,有買就好,甚至趕在最後交貨前一刻:而女生則是早早計畫,慢慢挑選,而且常常姊妹掏幾個人一起去血拼。學者Daniel Kruger認為,男女行為在購物上的差別有跡可循:簡單來說,遠古時代,女性通常負責採集食用植物跟菇類,必須天天採集,並且了解植物生長的地點、路線,透過顏色、觸覺、味道判斷出食物的安全性、並記住植物的生長節奏跟收穫期,才能不空手而回,相反地,男性通常負責狩獵,需要快狠準,而且因為危險性高,所以也不會帶著小孩一起去。

所以,女性比較會花長時間挑選完美的聖誕禮物,並且知道何時會有折扣、哪裡有好東西可買。男性就…原諒我們吧!這都是演化出來的啊!

以上,再次祝各位科學人佳節愉快!

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鄭國威 Portnoy_96
247 篇文章 ・ 708 位粉絲
是那種小時候很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛,所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。怎知長大後竟然因為諸般因由而重拾科學,與夥伴共同創立泛科學。現為泛科知識公司的知識長。

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這棵聖誕樹哪裡怪怪的?來找找聖誕樹上的動物朋友吧!
PanSci_96
・2017/12/25 ・7465字 ・閱讀時間約 15 分鐘 ・SR值 483 ・五年級

y編按:「咦?這棵聖誕樹好像哪裡怪怪的?」

受夠了每年聖誕節時,在卡片上、街道旁的聖誕樹都都千篇一律的聖誕樹嗎?這些小動物們也是!於是牠們悄悄地變成了聖誕節的裝飾,你認得出牠們來嗎?

泛科學祝大家聖誕佳節快樂喔:)

  • 備註:因為構圖關係,動物們的比例有進行縮放調整,並非等比例。
  • 若要使用原圖做卡片的話,這裡走:《這棵聖誕樹哪裡怪怪的?

 

  • 文字撰寫:曾文宣(花園鰻、大鱗海鞘、乳頭棘蛛、避債蛾幼蟲、鐘型水母),曾柏諺(大旋鰓蟲、蜜罐蟻、大西洋海神海蛞蝓、小真菌蚋)
  • 圖片繪製:微雨
  • 編輯:y編

花園鰻:你才拐杖糖、你全家都拐杖糖

走一趟屏東海生館,在珊瑚王國館的底端,你一定會發現有不少遊客圍著圓柱形的展缸,發出少女般的讚嘆聲。「欸!你看這個!好可愛哦!!!」這是近年來超級火紅的明星珊瑚礁魚類:花園鰻。

你看我嗎?source:i.pinimg

花園鰻在分類上屬於糯鰻科(Congridae)底下、異康吉鰻亞科(Heterocongrinae)的成員,一共有30餘種,大多分布在印度洋和西太平洋海域,居住在近岸礁岩、底質具細砂的溫暖環境中。牠們最讓人津津樂道的,莫過於花園鰻的特殊習性:身體後半部埋在底砂裡、前半部則高舉在水中,隨著海流搖曳生姿。又因為總是一整群住在一塊,動作又很一致,大魚經過時全數瞬間縮回砂中,威脅一走又全數緩緩地伸出頭來,就像花園裡漸漸抽高的植物(不過筆者其實無法想像有這樣的植物XD)而得名。

展缸中黃白黃白間隔體色的是橫帶園鰻(Gorgasia preclara)、另一種全身灰色具細小黑點斑及兩對大型黑斑的則是哈氏異糯鰻(Heteroconger hassi),兩種體長最長大概達40公分。

曾文宣拍攝於海生館。

對大多數喊「好可愛哦!」的遊客而言,花園鰻的生活似乎愜意極了。牠們似乎只做兩件事,一、伸出來,等著取食漂流而過的浮游生物,二、縮回去,以躲避掠食者。

沒錯,就是這麼蠢萌的外型和習性,花園鰻在幾年前聲名大噪,日本的水族館開始推出一系列的周邊商品,抱枕啦、吸管啦、鉛筆啦、帽子和聖代都有,非常轟動。甚至,他們還將每年的11月11日訂為「世界花園鰻日」,硬生生要跟Pocky巧克力棒日、還有光棍節撞在一塊,難道長長的東西都要同一篇歡慶就是了(好啦,世界蛇日不是這一天XD)

source:京都水族館

Ps. 還有動漫作家趕上了這股風潮,將花園鰻這種總是「進進出出」的動物設定為某部作品的吉祥物。各位有興趣可以搜尋《下流梗不存在的灰色世界》,值得一看嗎?我…我…我才沒有看過呢!

source:IMDb

參考資料:

大鱗海鞘:千萬別惹這條彩帶

如果各位在大海裡瞧見了這種中空管狀的半透明的物體,先別急著厭世地覺得又是什麼人工垃圾破壞海洋,這東西可大有來頭!

  • 這東西和我們脊椎動物的關係比起和昆蟲蝦蟹的關係都還要近。
  • 有看過小說《群》吧?裡頭假想的智慧型群聚單體生物 Yrr,控制著大海引起一連串的災厄……這Yrr讀起來還跟這影片中的主角神似阿。
source:biodiversityexplorer

這根身長超過20公尺、直徑可達1.2公尺的中空管狀物,由數百隻或是數千隻的單體所構成,名為大鱗海鞘(Pyrostremma spinosum),每隻單體大概只有14 mm 那麼大,彼此也以膠狀物質牽連著!管狀的開口端是這群生物的後面、封閉端則是前面,這幾千隻的小生物便這樣慢慢地過濾海水中的細小食物,並將水排至管內。幾千隻單體過濾後的水往開口端排出,然後透過水流的反作用力,慢慢地一起移動,團結力量大呀!

大鱗海鞘,顧名思義,屬於海鞘這一類的動物。牠們和我們一樣屬於脊索動物門,但歸類在被囊動物亞門(Tunicata,舊名尾索動物亞門。我們則是脊索動物亞門)當中。幼體同樣具有脊索和背神經管,成體時消失。因此,這海漂垃圾般的群聚蟲蟲,比起蝦蟹昆蟲等的節肢動物門,可說是我們的遠房表親呢。

在這一群稱為海鞘的動物當中,樽海鞘綱(Thaliacea)的成員有別於常見底棲固定於原處的海鞘,牠們是終生在大海中隨波逐流的。有些物種各過各的,但也有不少物種會群聚成「鏈狀」或「管狀」的聚合體,一齊討生活。我們的鱗海鞘(俗名是pyrosome)就是管狀的例子,而樽海鞘(salps)則是形成長鏈狀,但後者的單體比起前者要大得多。

牠們受到驚擾時的反應更是讓人驚奇,鱗海鞘會發出亮藍綠色的生物螢光,因此俗名的Pyro(火)+some(體),讓牠們也有了火體蟲這個搶眼的名字。169年前,大名鼎鼎、素有達爾文的鬥牛犬之稱的博物學家:湯瑪斯·赫胥黎,也曾被牠們閃耀到情不自禁寫下了這段話呢:「I have just watched the moon set in all her glory, and looked at those lesser moons, the beautiful Pyrosoma, shining like white-hot cylinders in the water.」。

Ps. 切記,如果真的遇上了大磷海鞘,可千萬不要一時興起游進管內。海洋無脊椎動物學家K Gowlett-Holmes 報告指出,她曾發現一隻企鵝死在兩公尺長的鱗海鞘群聚當中,可見,千萬不能低估這群膠狀小動物的強韌啊!

參考資料:

乳頭棘蛛:星星找海星太復古,找我才夠潮

如果每年聖誕樹頂上的星星都找海星來的話,那就太落伍啦。今年,我們有個更潮更具話題性的動物擔任聖誕樹星爵,那就是乳頭棘蛛(Gasteracantha cancriformis)……的女生!

星星的位置是我的!source:Wikimedia

棘腹蛛屬(Gasteracantha)是廣泛分布於新世界、南非、東南亞及澳洲的織網性蜘蛛,多棲居在低海拔的林緣或草叢邊,體型不大、不會超過三公分。體型雖小,但棘腹蛛們的模樣卻相當細緻搶眼、也帥氣滿點,平常鬆軟軟的蜘蛛腹部在牠們身上,是具有一到三對或長或短、或粗或細的棘刺,每個物種都略有不同,外型可能像六芒星、手裏劍、魟魚、飛碟、甚至是迴旋鏢都有。而且不少物種在棘刺和腹部主體上,有非常炫麗的高對比配色,白肚子+黑刺、白肚子+血紅刺、或黃肚子+紅刺等等,顏色相當多樣。

在台灣,一共有三種俗名稱作棘蛛的蜘蛛,分別是數量比較多的乳頭棘蛛、古氏棘蛛、和梭德氏棘蛛。我自己曾經在旗山服役的學校後頭,走一趟發現十多隻的古氏棘蛛(G. kuhlii),白肚黑刺一身對稱的牠們,真的超可愛又不害羞,大剌剌地待在圓網正中間讓你徐徐按下快門。梭德氏棘蛛(G. sauteri)則是三者當中最美艷的,鮮黃色橢圓形寬長的腹部,其上帶有黑斑,兩側還有紅色延伸的長棘刺,美的出奇。而乳頭棘蛛(Thelacantha brevispina),後來發現中文俗名使用失當,應改為短棘蛛才對,真正的乳頭棘蛛,應該只有美洲才有哦!

不過這些成員都有個共通的模式,那就是只有雌蛛才有如此亮眼的棘刺,到了雄蛛身上,這些棘刺多半又小又短鈍、只有被忽略的份。下回,有機會遇上這些帥氣又溫馴的女孩們,相機就準備好吧!

順帶一提,乳頭棘蛛的學名是來自古希臘Gaster(腹部)+acantha(刺)、和拉丁文 cancer(螃蟹)+formis(模樣)的意思,非常貼切哦!

參考資料:

避債蛾幼蟲:我是毬果,你看不到我

聖誕樹上高掛的毬果吊飾,長相似乎有點走鐘。沒錯,這是一個大家絕對有親眼看過,卻可能不曾好好多留心半刻的偽裝大師:避債蛾(Psychidae)的幼蟲!

source:Wikimedia

筆者第一次從朋友口中聽到這個名字還確認了數次,避債蛾?躲債的那個避債蛾?

是的。不知道當初給這個中文俗名的科學家是不是傾家蕩產做研究,計畫沒有拿到又得養助理、學生而欠了一屁股債,只好餐風露宿、裹著一件睡袋過聖誕節(好逼哀啊)?另一個比較中性一點的名字是蓑蛾,英文俗名則是簡單使用了bag+worm,都是形容這種世界廣布的蛾類,其幼蟲具有揹著護身鎧甲到處跑的習性。

避債蛾的幼蟲會利用泥沙、樹枝、殘葉等材料,纏繞自己的絲線,製作成一個囊袋住在裡頭。吃東西或是移動時,會將頭手伸出睡袋外,移動時就扛著這一大包趴趴走。一旦遇到危險,就會迅速躲入這個不起眼的小睡袋中。等到要化蛹了,就把這個睡袋繫在石頭、樹葉或人造物底下。有趣的是,雌蛾羽化後仍然宅在家躲債,牠們沒有發育出口器和翅膀,只能在家散發著費洛蒙、等著白馬王子—雄蛾飛來搭救她、並與之交配。結束過後,雌蛾還是不出來,她將會在自己的睡袋中產下大量的卵,然後死去。而新一代的幼蟲則從老媽的睡袋、娘家、洞房、產房中,開始嶄新的還債篇章(誤)。

不同種類、不同個體做出來的蓑巢都不太一樣哦。這裡,點綴蠶食著聖誕樹的主角則是來自美國東部,數量不少、喜食松柏杉的常綠樹蓑蛾(Thyridopteryx ephemeraeformis)。

參考資料:

鐘型水母:不會叮叮噹,但會螫到你沒叮沒噹

鈴鐺般的外觀、細長的觸手,這是在澳洲奪走至少60條人命的頭號殺手,也是全世界最毒、最危險的動物—鐘型水母,或稱作澳大利亞箱形水母(Chironex fleckeri)。牠們最響亮的俗稱,聽了都令潛水客膽寒,致命的「海黃蜂」!

source:Wikimedia

鐘型水母是立方水母綱(Cubozoa)裏頭體型最大的一員,鈴鐺狀的傘狀體可以長到籃球那麼大,重達兩公斤。多達60根的觸手在打獵時可以延長到三公尺長,每根上面都有數以百萬計的刺絲胞,用來將細小的毒針射進獵物體內,快速奪走對方的性命。

鐘型水母分布於越南、菲律賓至新幾內亞和澳洲東北部的淺海域裡頭,由於其日行性的習性及半透明的身體,置身在例如昆士蘭混濁的海水浴場裡,容易被這種水母螫傷。其刺絲胞中的毒素,會迅速引起劇烈疼痛、在五分鐘內大亂體內心血管系統,若沒有即時注射解毒劑,遭螫傷的患者可能在十多分鐘以內因心搏停止而死去。

像這樣不好惹的劇毒鈴鐺,還是得提防特定掠食者的。在整個西太平洋海域,綠蠵龜或革龜等海龜,就是著名的水母饕客。牠們只要把眼睛闔上,水母的刺絲胞就完全奈何不了海龜身上的硬殼和鱗片,只能當作蒟蒻點心被吃掉囉!

可是呀,近年來海洋垃圾的問題越來越嚴重,海龜們分不清塑膠袋和水母就都全吞下肚,造成不少憾事。而這些大型掠食者數量的下降,連動著讓不少海域的水母數量開始激升,也引來非常嚴重的生態問題。因此,總別以為海洋離我們很遠、與我們無關,這些由人們挑起的狂瀾,這些數字上的變化,無疑就是環境伺機反撲的警鐘呀。

參考資料:

大旋鰓蟲:聖誕樹 4ni!

擁有耶誕樹蟲(Christmas tree worms)之稱的大旋鰓蟲(Spirobranchus giganteus),盛開在全球熱帶海洋的珊瑚礁上,有玩海水缸的朋友一定對他不陌生,他就是水族箱裡管蟲的親戚,但是玩家一定覺得很奇怪,說是「管」蟲怎麼沒有管呢?原來大旋鰓蟲的棲管隱藏在與之共生的珊瑚礁裡,因此從外觀上就好像從珊瑚上開出的小耶誕樹一般,這才有此美名。

The Unknown Beauty Of Our Planet 。

大旋鰓蟲在繁殖季節會對海水釋放出精子與卵子,當精子與卵子相遇受精後便降落在活珊瑚上,分泌酸性物質在珊瑚上開一個洞,接著才分泌碳酸鈣製造自己的棲管,以這般雙重保護定居在珊瑚礁裡。

而我們在看到他在水中擺來擺去,看起來像是耶誕樹的構造稱作鰓冠,注意到上面佈滿細小的纖毛了嗎?以蜉蝣動植物維生的牠們,當他的纖毛攫獲到食物時,會擺動著將食物送回中央鰓柱的口部;不僅如此,這些鰓冠也肩負著交換氧氣的呼吸功能。當鰓冠受到光與機械刺激時,可是會咻的一下快速縮回鰓管中,等一陣子感覺周遭安全了才再度舒展開來。

至於大旋鰓蟲對珊瑚這房東來說是奧客還是好客人呢?科學家發現在大旋鰓蟲保護下,珊瑚可以避免天敵棘冠海星的啃咬,看來這棵耶誕樹可不只是擺著好看,還很實用呢。

參考資料:

蜜罐蟻:球球!是球球!

蜜罐蟻是生活在美洲、澳洲甚至是大洋洲,包含了數十種螞蟻的統稱。雖然分別被劃分在不同屬裡,但這群螞蟻們可都有個共通點,就是都得在乾燥地區討生活。

© Alex Wild, myrmecos.net, 2004

在沙漠等地區食物與水資源可說是得來不易呀!在這樣嚴苛的環境壓力之下,蜜罐蟻們演化出了以身體儲存食物的能力。

平常衣食無虞的時候,蜜罐蟻的工蟻們就如同一般螞蟻一樣,孜孜矻矻地將食物搬回巢穴,不過在巢穴中待命的夥伴可就神奇啦,蜜罐蟻族群裡有一群專門儲存食物的工蟻,會倒掛在巢穴通道頂上,將其他工蟻採集回來的植物汁液、無脊椎動物體液等等喝下儲存在腹中;而在糧食短缺的日子裡,只要用觸角碰碰這些大腹便便的儲存蟻,牠們便會將蜜露再反芻出來,藉由這樣的機制達到保存糧食的效果呢。

可別看蜜罐蟻小小一隻,當他們達到儲存的「完全體」時可以到一顆波霸珍珠那麼大!雖然國外是說葡萄但是我覺得是外國的葡萄太小顆的關係。在墨西哥與澳洲等地,可都是原住民的美食,而據BBC主持人大衛艾登堡爺爺在節目中親身嘗試的描述,這些蜜罐蟻吃起來又暖又甜喲。

如果喂蜜罐蟻吃食用色素的話,就會像這樣有各式各樣的顏色。source:spoon-tamago

參考資料:

大西洋海神海蛞蝓:長的華麗,連名字都帥帥der

海蛞蝓們大多不怎麼擅長游泳,即便是稱作「海神」的大西洋海神海蛞蝓(Glaucus atlanticus)也不例外,大多數的時間牠們都是仰賴腹中的氣囊漂浮在水面,並隨著水流四處飄浮。

source:Wikimedia

而要是恰好碰上同樣四處飄浮的僧帽水母那可就能夠大飽口福啦,你沒看錯,大西洋海神海蛞蝓熱愛的美食竟然是最惡名昭彰的僧帽水母,還不僅如此,就如同許多海蛞蝓都有神奇的轉移能力一樣,大西洋海神海蛞蝓能夠將水母的刺絲胞轉移到自己背部的樹枝狀結構裡,因此要是在海岸邊遇見被浪打到岸上的大西洋海神海蛞蝓,可別冒冒失失地用手去抓,否則那滋味可不太好受呢。

值得注意的是,因為氣囊位置的關係,大西洋海神海蛞蝓如果不是刻意調整姿勢幾乎都是以腹部朝天的樣貌出現。如果你仔細觀察便能發現,大西洋海神海蛞蝓的腹部具備美麗的藍色,而背部則是銀白色澤,這有什麼特別之處呢?原來這樣的體色倘若由上往下看的時候便能利用藍色將自己與海水融成一體,而由下往上看的時候恰好就和亮白的天空一模一樣啦。像這樣子的特徵生物學上稱作「反蔭蔽(的體色)」,你熟悉的企鵝也是採取這樣的策略將自己隱藏在背景中來躲避如虎鯨一般的天敵喲。

參考資料:

小真菌蚋:一閃一閃藍光蟲

當你一腳踏入紐西蘭島的懷托摩洞穴(Waitomo Cave),如果是不知情的朋友,抬頭仰望時或許就如同十九世紀的探險家一樣,以為看見了星空呢。

這些星子的真面目其實是小真菌蚋(Arachnocampa luminosa),又稱作藍光蟲、紐西蘭螢火蟲、穴螢火蟲,不過雖然有螢火蟲之名,但他們其實隸屬於雙翅目的角菌蚊科(Keroplatidae),換句話說,比起鞘翅目螢科(Lampyridae)的螢火蟲,蚊子才是他們的親戚啦。

source:Wikimedia

而這些在洞頂熠熠生輝的正是小真菌蚋的幼蟲,牠們在洞頂吐絲織巢,並垂下長達卌公分、多達七十條之譜的粘絲,在一旁守株待兔等著哪個倒楣鬼一頭撞上,成為今天得來不易的晚餐。有趣的是,大家常誤會這些絲線就像是LED燈泡一樣發著光,不過其實發光的是小真菌蚋馬氏管裡的螢光素,藉由氧化還原一閃一閃,絲線本身並不發光,僅僅是折射與反射罷了。然而在攝影師長曝光的巧手之下,整個小真菌蚋的族群就像是在洞頂一座座華麗的水晶燈,閃耀著童話般的湛藍光彩,實在是太夢幻了。

參考資料:

你認出來幾個了呢?若還有遺珠之憾,也歡迎留言給我們,或許他們明年就出場了呢!

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PanSci_96
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身體怎麼知道白天的白、懂夜的黑?生理時鐘的分子運作機制——2017諾貝爾生理醫學獎
李紀潔、羅鴻
・2017/10/03 ・2800字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 512 ・六年級

  • 編譯/李紀潔、羅鴻|陽明大學基因體科學研究所畢業生
    蔣維倫|喜歡虎斑、橘子、白底虎斑、三花貓。曾意外地先後收集到台、清、交三間學校的畢業證書。泛科學PanSci專欄作家、上下游新聞市集公民寫手、故事專欄作家。
地球上各個層級的生物體內演化出生理時鐘(Biological clock),協助我們感知時間流逝、日夜交替以做出特定的行為。 圖片來源

陽光不僅是許多生命體的能量來源,也是影響不同時刻溫度、濕度等條件的因子。因此,地球上各個層級的生物體內演化出的生理時鐘(Biological clock),就扮演著協助生物感知時間流逝、日夜交替以做出特定行為的重要角色。但這套神奇的生理時鐘到底是如何運作呢?

今年的諾貝爾生理醫學獎得主 Jeffrey C. Hall、Michael Rosbash 和 Michael W. Young 的研究即打開了這扇窗,讓我們可以一探到底植物、動物和人是如何調適體內的生物時間,讓其與地球的運行同步。

他們在果蠅身上找出一個能控制生物每日生活節律的基因。此基因生產出的蛋白質會在夜間累積,並且在白天降解。他們進一步的研究發現這套調控機制的其他蛋白質,由此揭示了生理時鐘的分子機制。現在我們已知其他多細胞生物,包括人類都是透過相同的原理來調控生理時鐘。

這套精準的生理時鐘協助我們管理了生物行為、荷爾蒙濃度、睡眠、體溫、新陳代謝等。當我們的外部環境和體內生理時鐘有差異時(如:搭乘飛機跨越時區生活),我們的身體會受到影響。而近來也有證據推測,如果我們的生活作息和生理時鐘長期地無法一致,那麼將會增加許多疾病的風險。

生物體內看不見的時鐘,正在滴答滴答

絕大多數的生物體能夠感測並適應生活環境中的變化。18世紀時,天文學家 Jean Jacques d’Ortous de Mairan 研究了含羞草,他觀察到了含羞草的葉子在白天時向著陽光,並在晚上時關閉。當他將含羞草放在永遠黑暗的環境時,發現葉子仍依照著原來的時間打開、關閉,因此他猜測含羞草體內有著自己的生理時鐘。

含羞草體內的生理時鐘使其葉片能在黑暗的環境下於原定的時間照常伸展、閉合。圖片來源:Nobelprize

後續的研究學者發現不只是植物,其他的動物甚至於人類也都有類似的生理時鐘。科學家命名這種生理節律現象為晝夜節律(Circadian rhythm;又稱日夜節律、概日節律、日變週期),但生物體內的生理時鐘如何運行仍舊是個謎題。

從果蠅身上發現的「週期」基因開啟生理時鐘研究之路

上個世紀的70年代,Seymour Benzer 和 Ronald Konopka 利用基因突變的方法發現調控果蠅生理時鐘的基因,他們將此基因命名為「週期(period)」。但是這個基因是如何調整這些小昆蟲的生理時鐘呢?

為了回答這個問題,Brandeis 大學的 Michael Jeffrey Hall、Michael Rosbash 以及 Rockefeller 大學的Michael Young 分別成功的分離和分析了「週期」基因。Hall 和 Rosbash 更進一步發現了「週期」基因轉錄而成的 PER 蛋白質會隨著日夜週期改變其表現量;PER 蛋白質會在夜晚時累積在細胞內、白天時被降解,以 24 小時為週期,隨日夜同步持續變化。

環環相扣的基因調控

接下來的問題是,生物體如何建立及維持生理時鐘的波動?Jeffrey Hall 和 Michael Rosbash 的假設是 PER 蛋白質對於自身有負回饋機制。換言之,PER蛋白質會抑制 「週期」基因的轉錄和轉譯,當 PER 蛋白質的濃度高於一定程度時,會回過頭來抑制自己的生產。而這樣的負回饋機制造就了穩定的生理時鐘循環。

PER蛋白質的負回饋調控機制。period基因所轉錄出的period mRNA會作為模板以生成PER蛋白質,而當PER蛋白質累積於細胞核中時,則會反過來抑制period基因的轉錄作用,進而抑制PER蛋白質繼續生成。圖片來源:Nobelprize

這個理論很吸引人,但留下了幾個延伸的問題未解,其中之一就是──在細胞質產生的的 PER蛋白質,要如何在夜晚時進入細胞核去抑制「週期」基因呢?1994 年,Michael Young 發現了另一段關鍵的基因──「永恆(timeless)」。「永恆」基因產出的蛋白質-TIM 蛋白質能和 PER 蛋白質結合並進入細胞核,完成上述學者所假設的負回饋機制。

生理時鐘的分子組成示意圖。圖片來源:Nobelprize

晝夜節律中, PER蛋白質隨日夜循環的機制已經有了清楚的解釋,那循環的週期又是透過何者調控呢?Michael Young 在 1998 年發表於期刊《細胞》(Cell)期刊之研究,發現另一個基因「雙倍時間(doubletime)」。其所生產的 DBT 蛋白質會延緩 PER 蛋白質的累積,以協助細胞調節生理時鐘能更接近一天24小時的週期。

得獎者們突破性的研究替生理時鐘領域打下了重要的基礎。後續的研究也陸續地發現其他參與生理時鐘的基因,並更進一步闡明生理時鐘的功用和穩定性。像是科學家也在人類上找到了某些生理時鐘基因的突變,會造成人整體生理時鐘提早4小時的「家族性睡眠象限提前綜合症」(FASPS)。

好好遵守時間啊,我們的生理狀態

生理時鐘調控我們的睡眠狀態、覓食行為、賀爾蒙釋出、血壓及體溫,協助我們適應一天裡的時間步調。圖片來源:Nobelprize

從過去到現在的研究都證實生理時鐘深深地影響我們的生理狀態。我們現在已知人類和多細胞生物都用類似的機制來調節體內的生理時鐘。我們體內大多數的基因都受到生理時鐘的調控,調節精準的晝夜節律機制協助我們的生理與每天的作息同步。奠基於三位獲獎者的不凡研究,研究生理時鐘的領域已經發展成一個重要和活躍的範疇,並持續影響著我們的健康。

如果你生活在「日不落」的國度……

住在高緯度的人在冬夏時會經歷永晝、永夜等現象,而長時間看不到太陽/天黑都可能造成憂鬱傾向,甚至導致失眠和誘發自殺。

那長年居住在冰雪中的其他生物怎麼辦呢?研究指出馴鹿的細胞雖然也有表現 Per2 和 Bmal1 基因這兩個生理時鐘的基因,但是他們卻沒有明顯的24小時的週期變化。科學家推測因為在長晝長夜的環境中,擁有穩定的生理時鐘反而會拖累身體適應周遭的環境。況且比起擁有每天準時起床的能力,馴鹿更在意不要錯過繁殖季的到來,不然錯過又要再等一年啦。

長年生存於高緯度的馴鹿雖然具有生理時鐘基因表現,卻沒有明顯的24小時週期變化。圖片來源:Alexandre Buisse@wikipedia

參考文獻:

李紀潔、羅鴻
13 篇文章 ・ 2 位粉絲
來自陽明大學基科所的畢業生,喜歡神經科學、遺傳和演化的企鵝狂熱二人組。本來對科普寫作毫無興趣,在大學老師強烈遊說之下仍然無動於衷,畢業後卻意外開始在泛科學寫科普文章。興趣分別是畫畫和魔術方塊。目前兩人都在德國攻讀神經科學博士,分別專攻老化和神經再生、電生理和動物行為。

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紙聖誕樹也能開花!掌握溶解度原理長出滿樹結晶雪花
活躍星系核_96
・2016/12/24 ・2094字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 479 ・五年級

聖誕樹是聖誕節重要的象徵物之一。圖/Artur Staszewski@flickr, CC BY-SA 2.0
聖誕樹是聖誕節重要的象徵物之一。圖/Artur Staszewski@flickr, CC BY-SA 2.0

文/范博勛|2016 年畢業於臺灣大學化學系學士班,目前在桃園過著清閒的替代役生活。

又到了聖誕季節,對西方人來說,除了濃厚的宗教意義外,也是屬於家人團聚、享用大餐的重要節日,雖然台灣不是基督教國家也不太會下雪,聖誕節仍是眾人喜愛的節慶。

其中,一個重要過節的指標性植物,可能就是聖誕樹了!我們很難在自己家裡擺一棵真的聖誕樹,大多只能以塑膠聖誕樹取代。不過其實你還有一個選擇,可以簡單擁有自己的聖誕樹,還可以看著它漸漸長大。

雖然不是真正的樹,還只是聖誕樹形狀的紙片,但只要組裝好將它立在塑膠平台的十字插槽上,接著倒入神秘的無色透明液體,只要等待一段時間,就會發現聖誕樹上開始長出雪花了。

這種紙樹開花的聖誕樹,你也玩過嗎?

為什麼紙聖誕樹會開花?

紙樹開花是應用溶液溶解度的特性而生的產品。可溶於水中的物質都有溶解量的上限,也就是所謂溶解度,如果溶在水中的物質量小於溶解度,就是「未飽和」溶液,剛好達到溶解度則是「飽和」溶液。未飽和溶液就像是沒吃飽,還能繼續溶解物質,飽和溶液則像是飽到極限肚皮極度緊繃。

想像一下,在你剛吃完吃到飽的情況下,有人用力擠壓你的肚子,讓你胃部體積瞬間縮小,結果絕對是吐得一塌糊塗。同樣的,將飽和水溶液的水慢慢移除,溶液中物質的量超過可溶解量,多出的物質最後會形成晶體而析出。

回到聖誕樹,神祕的無色透明液體通常是磷酸二氫鉀的水溶液(Potassium Dihydrogen Phosphate, KH2PO4),市面上也俗稱它為磷酸一鉀(註)。

  • 註:磷酸二氫鉀一般的用途為農業化學肥料,可直接噴灑在土讓或葉片上。磷酸二氫鉀具良好的水溶性,對於含有大量水份的植物來說非常容易吸收,特別是植物生長初期,需要快速建立根莖系統才能快速吸收養分,磷酸二氫鉀主要提供的「磷」、「鉀」元素能幫助植物達到這一點。
圖/擷取自YouTube
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當我們把磷酸二氫鉀水溶液倒入紙聖誕樹的平台中,這些溶液會藉由毛細現象(Capillarity)擴散浸濕整棵聖誕樹,隨等待時間越久,這些擴散到紙片的表面、邊緣的水分逐漸蒸散,相當於紙片上磷酸二氫鉀溶液的濃度越來越高,從未飽和溶液變為飽和溶液。隨著水量漸漸變少,可溶解磷酸二氫鉀的量也越少,超出水溶解量範圍的磷酸二氫鉀就開始以白色結晶的形式析出,在聖誕樹紙片上逐漸長大,最後就像是佈滿雪花的聖誕樹!

圖/擷取自YouTube
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至於市面上各種顏色的結晶,其實是預先在紙片上塗上顏料,水溶液吸收顏料後與磷酸二氫鉀一起析出,便生成有顏色的晶體。

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大家也許會好奇,只有磷酸二氫鉀水溶液才能用來種聖誕樹嗎?事實上,磷酸二氫鉀並不是唯一的選擇,其他鹽類或化合物像是食鹽(NaCl)、尿素(CON2H4)也曾被使用過。不同的鹽類具有不同的結晶性,像是結晶的難易度或晶形;聖誕樹紙片的材質也是影響結晶的因素之一,水溶液在不同材質下的擴散速率不相同,影響了晶形或是結晶的位置。考慮結晶難易度及晶形,為了種出美麗的聖誕樹,磷酸二氫鉀或許是相對突出的選擇吧!

作者在寫這一篇文章時,也嘗試種了一顆聖誕樹,只能說聖誕樹開花的原理不難,但要開出兼具藝術與不畸形的花朵真的有點難度!最後,跟大家說聲聖誕快樂,祝大家佳節愉快,趕緊去種出屬於自己的聖誕樹吧!

筆者自製的結晶聖誕樹,雖然沒辦法像外面販售的一樣漂亮,但以此小樹祝大家聖誕節快樂!圖/作者提供
筆者自製的結晶聖誕樹,雖然沒辦法像外面販售的一樣漂亮,但以此小樹祝大家聖誕節快樂!圖/作者提供

參考資料:

  1. 陳淑媛,〈化學示範實驗:雪花聖誕樹〉,科學 Online,2010年12月4日
  2. 結晶聖誕樹
  3. JunyiAcademy,1-4 觀念 12 過飽和溶液(youtube)
  4. 科學 Online《暖暖包的原理》
  5. Solution, From Wikipedia, the free encyclopedia
  6. 認識肥料
  7. Monopotassium phosphate, wikipedia
  8. Mono-Potassium Phosphate 0-52-34
  9. A High Analysis Water Soluble Fertilizer

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活躍星系核_96
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