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食蟲植物的藍光陷阱

活躍星系核_96
・2013/02/20 ・1028字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 501 ・六年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

編譯 / 洗碗精

印度的學者指出,有些食蟲植物會發出藍色螢光吸引獵物

這棵小豬籠草(Nepenthes gracilis)的唇會不會吸引你駐足呢?
這棵小豬籠草(Nepenthes gracilis)的唇會不會吸引你駐足呢?

對於食蟲植物稍有了解的人應該都知道,食蟲植物可利用蜜汁、色彩及氣味吸引獵物,然而出人意料的是,最近又發現一種誘引機制—研究團隊以紫外光照射,發現植物的捕捉區(capture spots)竟然會發出藍色螢光!這項研究由印度熱帶植物園暨研究協會發表,刊登於《植物學》(Plant Biology點此看文章)期刊上,研究團隊的成員Sabulal Baby博士指出「以前從未有人發現食蟲植物的捕蟲器上竟然會發出這麼獨特的藍光」、「就我們所知,它發出的這種藍色螢光應該是所有已知植物中最強最清楚的」。

重大意義

這種藍光在豬籠草、瓶子草及捕蠅草的捕蟲囊都可觀察得到,其原理與分子層面的反應機制有關。以波長366 nm的紫外燈照射食蟲植物,可觀察到捕蠅草的捕蟲葉內側、豬籠草及瓶子草的籠蓋、捕蟲囊內側及唇上緣發出藍色螢光。多數昆蟲及節肢動物可感知紫外光譜,因此豬籠草、瓶子草會發光的籠唇就像是個清楚的停機坪,吸引飛行昆蟲降落。螢光同時也會吸引老鼠、蝙蝠及樹鼩(tree shrews)等小型哺乳類。

這種藍色螢光在光線微弱的時候也能觀察得到,因此在夜間也具有誘引效果。

研究團隊設計了一項實驗來證明藍色螢光與誘捕獵物有關,他們以植物園中的印度豬籠草(Nepenthes khasiana)為材料,在籠唇上塗佈不會發出螢光的物質,結果在實驗進行的十天中,這些瓶子的獵物捕獲率遽降。由此證明,這種非常醒目的藍光訊號在誘捕獵物中扮演了重要角色。

珍貴的發現

生長在貧瘠土壤的食蟲植物,演化出了獨特的養分獲取方法,透過陷阱式(pitfall traps)、捕獸夾式(snap traps)、黏蠅紙式(flypaper traps) 等方法捕捉並消化獵物。例如捕蠅草利用類似捕獸夾的構造快速捕捉獵物,其夾子闔上的速度可說是植物界第一;以瓶子捕捉獵物的食蟲植物則具有光滑的唇緣,能 使獵物滑落跌至消化液中。除了上述已知的捕蟲機制之外,這次的研究發現了部分食蟲植物能在紫外燈下發出藍色螢光吸引獵物,使我們對於捕蟲機制以及動植物間 的互動又有了更深的了解。

資料來源:Carnivorous plant species glow blue to lure prey. BBC [19 February 2013]

譯者:洗碗精,中山生科學士班、中興園藝碩士班畢業。希望一生都能與植物相伴的園藝愛好者,特別喜歡熱帶果樹、蔬菜和食蟲植物,目前於貝里斯技術團工作,閒暇時間寫個網誌或翻個文章有助於放鬆身心

文章難易度
活躍星系核_96
754 篇文章 ・ 93 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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泰瑞的顏色是真的!?——鴨嘴獸的生物螢光
椀濘_96
・2022/06/12 ・2806字 ・閱讀時間約 5 分鐘

在動畫《飛哥與小佛》(Phineas and Ferb)中超人氣角色——鴨嘴獸泰瑞/特務 P,可愛的外表加上寵物與特務的雙重身分,使牠成為家喻戶曉的大明星,鮮明的體色「泰瑞色」也蔚為風潮。

特務 P 是隻藍綠色的鴨嘴獸。圖/GIPHY

但你知道嗎?泰瑞的顏色其實是真的!

動物界神奇寶貝——鴨嘴獸的二三事

鴨嘴獸是棲息在澳洲東部的半水生單孔目動物,而單孔目代表著具有長期獨立演化的古老哺乳動物,雖是哺乳類但卻會產卵;現存的單孔目動物僅存鴨嘴獸及針鼴,均為澳洲特有種。

鴨嘴獸通常為夜間活動,並依靠一套獨特的表徵在黃昏、夜間和渾濁的水中,活動於弱光水生環境,牠們可以閉著眼睛游泳獵捕,使用機械感受及電感受來定位、感知水下獵物。鴨嘴獸的皮毛除了喙、腳和尾巴外,覆蓋身體均勻且緻密,可在水中起到絕緣的作用。

雄性鴨嘴獸的後肢長了尖刺並分泌有毒物質,在打架中會善用毒刺攻擊,藉此爭奪雌性,是目前為數不多的有毒哺乳類之一。

動物界的神奇寶貝——鴨嘴獸。圖/維基百科

這些特徵已經讓鴨嘴獸夠特別了,現在又多了一樣更令人驚豔的能力:生物螢光

鴨嘴獸使出「生物螢光」!

生物螢光( Biofluorescence)是生物透過體內的螢光蛋白來吸收特定波長的光,然後發出另一波長的光。螢光蛋白吸收外來的能量,如紫外線,並發出螢光。

有一點還須特別注意:生物螢光與生物發光(bioluminescence)儘管都為發出螢光,但機制卻有所不同,又以生物發光較為常見,如螢火蟲、藍眼淚(夜光藻)等;站上亦有許多關於生物發光機制的文章,歡迎讀者閱讀~!

早期對於生物螢光的研究多半是在刺絲胞動物中發現,現今則觀察到越來越多不同物種也有此機制,從無脊椎動物到鳥類再到哺乳動物,遠比原先想像得還要更加普遍。

一切都是意外的發現?

2020 年 10 月期刊《哺乳類》(Mammalia)上發表了篇關於:鴨嘴獸在紫外光的照射下,會產生藍綠色的螢光,這項發現也使得在生物螢光研究領域有一大進展。

研究團隊在森林觀察螢光的生物時,發現北美飛鼠在紫外線照射下肚子會發出粉紅色的光,於是便前往芝加哥菲爾德自然史博物館(Field Museum of Natural History , FMNH)進一步確認,他們將存放在館內的飛鼠標本進行照射,證實牠們腹部的毛會散發粉紅螢光,並將研究成果發表於《哺乳類》期刊。

在好奇心的驅使下,該研究團隊試著用紫外光照射了自然史博物館內,同為夜行性哺乳類的鴨嘴獸標本,意外發現鴨嘴獸的皮毛也會發出螢光!(以後出門都帶著 UV 燈好了)

研究過程

研究團隊詳細檢查了館內的兩個鴨嘴獸標本,分別為編號 FMNH 55559(雌性)和編號 FMNH 16612(根據腳踝上的尖刺推斷為雄性);在黑暗的房間裡以 385~395 nm 紫外線燈照射,並用濾光片阻擋短波長(包括反射的紫外線),以提高更長的生物螢光波長的可見度,然後拍攝紫外光反射圖像。

結果顯示,鴨嘴獸的背側和腹側毛皮在可見光下呈均勻棕色,在紫外光下則呈綠色至青藍色。

可從圖中看到,在紫外光照射下會發出青藍色至綠色生物螢光。圖/參考資料 1

團隊也檢查了這兩個標本的腹部共五個不同點,在每個位置上將探針與標本成 45° 角,並將採集的五個光譜結合起來創建平均光譜,檢測到了約 500 nm 的螢光波峰。

與光源光譜相比,兩個標本光譜顯示的結果為:吸收紫外光(200~400 nm)並發出可見光(500~600 nm),確認了鴨嘴獸的生物螢光皮毛。

從 500 nm 開始的波峰與青藍色/綠色生物螢光有關。在 200~400 nm 範圍內,由於標本樣品對紫外光的吸收,導致黑、紅、藍色曲線之間的差異。圖/參考資料 1

為了驗證在 FMNH 標本中獲得的結果,團隊還檢查了另一個不同地點、日期收集的鴨嘴獸標本。存放在美國內布拉斯加州大學博物館(University of Nebraska State Museum , UNSM)內的雄性鴨嘴獸標本,再次驗證毛皮在可見光下呈均勻棕色,在紫外光下則呈生物螢光綠色。

在該團隊發表研究結果前不久,有另一篇論文報告了一隻剛被路殺的鴨嘴獸在黑光燈(一種照射出紫外光的燈)下發光,藉此印證了鴨嘴獸確實能發出螢光。

而在北美飛鼠及鴨嘴獸之前,唯一哺乳類會發出螢光的紀錄僅出現在 1983 年的一份有袋負鼠研究,該團隊這兩次的意外發現,無疑為哺乳世界的生物螢光拓展新知。

發光的目的

到這裡不免讓人好奇,鴨嘴獸是為了什麼目的而發螢光,或是有什麼生物意義?然而科學家們表示,目前仍不清楚鴨嘴獸為何會發光。

科學家們也為此作出了一些推斷,鴨嘴獸、美洲飛鼠和負鼠都是在黃昏至夜間活躍,許多夜行性哺乳動物似乎具有對紫外線敏感的視力,生物螢光在弱光環境中強化了適應性,進一步表明紫外線在弱光環境中具有生態意義。

因此推測:鴨嘴獸對紫外線的吸收和隨後發出的螢光,可能會降低對紫外線敏感的捕食者對牠們的能見度。不過這還得靠實地野生生態研究記錄,觀察生物螢光功能對鴨嘴獸的重要性。

2021 年也有研究團隊發現了另一種有生物螢光機制的哺乳類——跳兔(Pedetidae),而牠們也同為夜間活動的哺乳動物[4]

也許,生物螢光機制對在弱光環境中活躍的夜行性哺乳動物發揮著重要作用

後記

筆者非常好奇泰瑞的顏色為什麼就剛好是藍綠色,《飛哥與小佛》2007 年在迪士尼頻道首播,確認鴨嘴獸會發藍綠色螢光則是在 2020 年發表,嗯……,這也許就是個可愛的巧合吧!

圖/GIPHY

參考資料

  1. Biofluorescence in the platypus(Ornithorhynchus anatinus)
  2. 若你覺得鴨嘴獸不夠神奇,現在我們知道牠們也會發光!
  3. 生物螢光—維基百科
  4. Vivid biofluorescence discovered in the nocturnal Springhare(Pedetidae)
所有討論 1
椀濘_96
11 篇文章 ・ 19 位粉絲
喜歡探索浪漫的事物; 比如宇宙、生命、文字, 還有你。(嘿嘿 _ 每天都過著甜甜的小日子♡(*’ー’*)

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「紫外光燈」為何可以消毒?又要注意哪些事項?
Aaron H._96
・2021/07/08 ・2094字 ・閱讀時間約 4 分鐘

紫外光燈是應用非常廣的環境消毒工具,廣泛應用在手術室、圖書館、游泳池等公共場所,由於疫情的關係,又再次受到注意。但紫外光燈真的適用於家中進行消毒嗎?使用上又有什麼需要注意的地方呢?

紫外光是一種波長短、能量密度高的不可見光。圖/NASA

紫外光有分三種:UVA、UVB、UVC

紫外光可以依照波長分為三大類:分別是 UVA(波長介於320~400nm)、UVB(波長介於 280~320nm)以及 UVC(波長介於100~280nm)。

其中 UVA 的穿透力最強,抵達地球的陽光中,就有許多 UVA;UVA 可穿透大氣層、車窗、玻璃進入室內及車內,甚至抵達皮膚下的真皮層,使之生成黑色素、曬黑皮膚。

陽光中帶有大量的 UVA,能曬黑我們的皮膚。圖/envato elements

同時,UVA 可再細分為 UVA-2(320~340nm)與 UVA-1(340~400nm)。UVA-1 穿透力最強,即使在非夏季、比較感受不到「熱」的時候,UVA-1 仍然存在;此時如果長時間照射太陽或是坐在靠玻璃帷幕的辦公室,一樣有可能會造成皮膚的傷害。 UVA-1也會用在礦石鑑定、舞台裝飾、驗鈔或是吸引昆蟲時使用。

紫外光照射下的礦石。圖/Hannes Grobe/AWI, wiki

透過陽光抵達地球的,還有UVB,只不過日光中多數的 UVB(波長介於 280~320nm),在前往地球的途中會被臭氧層吸收,只有約 2% 的 UVB 能到達地表。UVB 的能量非常高,能促進「體內礦物質代謝」和「形成維生素D」,但長期或過量照射除了會曬黑皮膚之外,甚至可能灼傷皮膚。

生活中,UVB 一般用於植物生長燈,調節植物的生長。

UVB 燈一般用來調節植物生長速度。圖/envato elements

最後,UVC 是波長最短,因此能量也最密集的紫外光。多數紫外光滅菌燈就是利用 UVC 波長。UVC 能夠破壞細菌、病毒等病原體中遺傳物質(DNA/RNA)的化學鍵,讓病原體因為無法正常製造蛋白質,而立即死亡或喪失繁殖能力,達到消毒效果。目前 UVC 已被證實能夠消滅細菌、病毒、黴菌等常見病原。

UVC 能消滅細菌、病毒、黴菌的常見病原。圖/wiki

但紫外光燈也不是開著就能夠有效消毒,而是要根據不同的微生物,設定不同的照射劑量。

紫外線如何「有效」殺菌?

紫外線的殺菌量劑單位是 J/m2 ,一般來說,強度高但照射時間短,與強度低但照射時間長的效果相同。

不過,考量到微生物自我修復的機制,如果紫外線照射強度低於 40μW / cm2 ,就算持續延長照射時間,也無法有效消毒;所以待消毒的物體表面照射的強度必須大於 70μW / cm2 以上,並且離紫外光燈一定距離內,才能達到9成以上的殺菌力。

另外,UVC 的穿透力很差,在許多狀況下,UVC 都可能無法有效殺菌。

UVC 遇到葡萄酒,穿透力只剩 0.5-2.5mm。圖/envato elements

例如含有雜質的液體(例如葡萄酒或牛奶),UVC 穿透的深度大約只有 0.5 – 2.5 mm,而大部分的透明玻璃、塑膠甚至是厚紙箱,都能輕易阻擋 UVC,所以遇到過大、過厚的包裝,就無法用 UVC 有效對內容物進行殺菌。

紫外光具的殺菌力也容易受到灰塵、油漬的影響穿透力;相反地,對沒有照射到紫外光的家具背面與死角、衣物內面等,不但沒有殺菌效果,甚至還可能會加速家具、染料、藝術品、牆面表面褪色。

沒有照射到紫外光的家具背面與死角,可能會加速褪色。圖/envato elements

雖然多數的商用紫外光燈具,都會搭配藍紫色的光,讓我們可以看見它的照射範圍,但由於最主要的紫外光是不可見光,所以不應該完全依賴肉眼所見;而長時間例行使用的設備,每三到六個月,也應定期檢查燈管的照射強度。

用紫外光殺菌,也要小心別傷到自己!

雖然使用紫外光消毒看起來非常方便,不過既然紫外光對各種病原體都有殺傷力,對人體的傷害也不容小覷。

紫外光燈對人體也可能帶來傷害!圖/Chetvorno, wiki

最常見的,就是因為直視紫光燈管,導致眼睛出現「強光性角結膜炎」​;長期照射紫外光,也可能會造成皮膚灼傷、皮膚癌、黑色素瘤等傷害。此外,2011 年 4 月 13 日,世界衛生組織也已經將所有類別的紫外光輻射歸類為「一級致癌物質」。

如果真的想用紫外光燈消毒環境時,建議使用能夠設定時間啟動的固定式設備,等人離開環境了之後,再開始進行消毒,並保持空間通風,才是正確的使用方式。

參考文獻

  1. UV Lights and Lamps: Ultraviolet-C Radiation, Disinfection, and Coronavirus
  2. Ultraviolet (UV) Radiation

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耳朵太差聽不見求偶蛙鳴?南瓜蟾蜍用愛發光找伴侶
彥寧
・2019/07/25 ・2353字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 466 ・五年級

有時經過河邊或是水溝,仔細靜下來,就能聽見一陣一陣的蛙鳴聲。可是,你知道有些青蛙,是無法用蛙鳴進行溝通的嗎?

通體橘黃,南瓜一樣的小青蛙

世界上的蛙類百百種,有不斷想要侵略藍星的、也有每天都一直跑出門旅行的,不過,我們今天的主角是——鞍背短頭蟾 (Brachycephalus ephippium)。

牠就是本文的主角,鞍背短頭蟾 (Brachycephalus ephippium)。 圖/EurekAlert!

鞍背短頭蟾分布在巴西東南部的山地沿海森林,是一種小型青蛙,具體一點來說,牠真的超級小,成體只有 12.5 到 19.7 毫米,跟我們的手指甲差不多大而已。

而牠的俗名則是「Pumpkin toadlets」(直翻就是南瓜蟾蜍),顧名思義,牠的體色跟南瓜一樣,全身都是橘黃的喔!而且虹膜也是黑色的,看起來就像裝了一對假的圓滾滾黑色大眼睛,很可愛的樣子。

大家都知道狐狸怎麼叫,那青蛙呢?

大部分的蛙類高度仰賴聲音來進行溝通,有些蛙類在不同的狀況下,還會發出不一樣的叫聲。比如說,當雄蛙或其他種蛙類嘗試找對象進行假交配,卻不小心抱錯蛙時,被抱錯的蛙會發出釋放叫聲 (Release call),而當牠們被敵人抓住時,則會緊急發出求救叫聲 (Distress call)。順帶一提,去網路上搜尋「screaming frog」就能找到大量的青蛙求救叫聲影片合輯,一開始看覺得滿好笑的,不過後來知道那是求救叫聲後,就越看越難過了。

當被敵人抓住時,也些青蛙會發出求救叫聲。那關於這隻青蛙克明, 泛科學也有做過詳細的介紹喔! 圖/uludagsozlukgaleri

不過今天主要要說的是求偶叫聲 (mating call)。有些青蛙在求偶時會發出特定頻率的叫聲,且蛙類能聽到的聲音頻率範圍很窄,對同種類叫聲頻率特別敏感,尤其雌性常利用叫聲來確定雄性的位置,並選擇適當的交配對象。

那青蛙是怎麼聽到聲音的呢?鼓膜就像是蛙類的耳朵,而鼓膜內面連著耳柱骨 (columella),耳柱骨是兩爬類與鳥類的聽小骨,能將聲音傳入內耳的感覺細胞,再刺激大腦產生聽覺。

聽不見彼此,蟾蜍的愛情也可以很安靜

令人震驚的是,根據一篇 2017 年的解剖結果顯示,鞍背短頭蟾和另一種同一屬的青蛙並沒有中耳骨可以將聲波傳進內耳。所以其實鞍背短頭蟾對同種之間的求偶叫聲非常不靈敏,甚至接近聽不見!

這就奇怪了,既然聽不見,那為甚麼南瓜蟾蜍還要白做工,繼續發出求偶叫聲呢?

聽不見彼此聲音的鞍背短頭蟾,只好轉而仰賴視覺來溝通了。因此,研究團隊推斷,發出求偶叫聲這個行為,之所以沒有隨著演化消失的原因,可能是由於發出叫聲時,蟾蜍的鳴囊也會跟著震動,異性就可以藉由看見鳴囊的震動來判斷「噢!原來牠正在求偶。」

另一方面,南瓜蟾蜍求偶的季節正是沿海森林的雨季!這下子,牠們真的只能聽見下雨的聲音,還用唇語(鳴囊語?)說愛情了呢XD

在雨季期間求偶的南瓜蟾蜍真的只能聽見下雨的聲音,還用唇語說愛情,幸福也可以很安靜。 圖/Darius Krause@Pexels

你可能會想,在一整座下雨的森林中,單單只靠鳴囊震動,是絕對不夠讓南瓜蟾蜍在茫茫落葉海中,找到彼此的身影的!許多科學家及生物學家在發現牠們聽不見彼此的求偶叫聲後,也是這樣想的:「究竟他們是靠甚麼來溝通的呢?」

直到研究團隊用紫外線照了鞍背短頭蟾,一切的謎終於被解開了:發光的骨頭

深埋在骨頭裡的光芒

骨頭、發光……聽起來好像是有那麼一點,中二?

不過這可是大發現!研究團隊發現,鞍背短頭蟾的頭部、背部、關節處、手指和腳趾在紫外線的照射下,都發出了螢光!大部分生物發光的原因都是由於化學變化,不過,南瓜蟾蜍骨頭發光的原理可不一樣,是因為骨頭的分子能將光反射,且反射光的波長更長。

同時,鞍背短頭蟾的皮膚也非常非常薄,成體的皮膚厚度大約只有 7 微米而已!如此薄的皮膚,才能讓骨頭的螢光順利透出來。

鞍背短頭蟾的頭部、背部、關節處、手指和腳趾在紫外線的照射下,都發出了螢光。 圖/The National

至於另一種我們常常想到的「發光生物」──螢火蟲,牠們的發光原理,就是典型的化學反應喔!螢火蟲的發光原理和發光蕈類大同小異,泛科學也有介紹過喔!

發光的骨頭除了能求偶,還能做什麼啊?

關於鞍背短頭蟾的發光現象,還有一點很有趣,那就是年紀比較小的蛙發出來的螢光是偏藍色的,隨著年齡增長與皮膚增厚,螢光會漸漸變黃。研究團隊推斷,發出不同顏色螢光的原因,可能就是骨頭的膠原蛋白含量不同。(作者 OS:搞不好能透過螢光就能看出南瓜蟾蜍的年紀呢!)

另一方面,發光的骨頭不只有求偶作用。

對一些鞍背短頭蟾的掠食者(鳥類和蜘蛛)來說,紫外線都是可見光,意思就是南瓜蟾蜍平常骨頭的螢光,能對掠食者造成警示的效果喔!

原來,蛙兒們就算聽不見彼此的聲音,也能靠著發光找到對方,聽起來是不是有點浪漫呢?

鞍背短頭蟾骨頭的螢光能對掠食者造成警示的效果。 圖/NYU Abu Dhabi Postdoctoral Associate Sandra Goutte

參考資料

  1. The National – Abu Dhabi researchers discover toad’s ability to glow in the dark
  1. Amphibia Web – Brachycephalus ephippium
  1. 維基百科 – Pumpkin toadlet
  1. 楊懿如的青蛙學堂 – 鳴叫
  1. Types of frog calls
  1. 維基百科 – 耳柱骨
  1. Scientific Reports – Evidence of auditory insensitivity to vocalization frequencies in two frogs
  2. Science News – Tiny pumpkin toadlets have glowing bony plates on their backs