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植物內建計算機

活躍星系核_96
・2013/07/10 ・2323字 ・閱讀時間約 4 分鐘

一直以來,談到植物,我們大多是著眼於它們的產物:種籽、花、果實、根、塊莖、木材,甚至是氧氣。如今,人們逐漸對於植物本身感興趣,例如:當環境產生變化,植物會如何因應,而這又是如何進行的。在過去的印象裡,植物總被借來比喻、形容較無生氣、平淡的樣子,以「木」字為例,植物缺乏行動能力,常被用來形容反應欠靈敏、遲鈍,例如「像塊木頭似的」、「木訥」;或是「木然」、「麻木」,形容受到刺激也無動於衷的樣子。但是植物的這種形象現今已經改變,事實上,和動物一樣,植物具有多種感覺能力,植物間能夠互相傳遞消息,特別是在出現危險需要防禦的時候。

«植物的夜間模式»

我們知道植物能夠表達,如今,我們還知道他們甚至會計算!在今年6月25日出刊的eLife 雜誌披露了這個最新發現,這份報告來自英國的研究中心 John Innes Centre,這是一個以植物學與微生物學為重點的研究機構。

如同我們從學校裡的基礎教育學到的,植物行光合作用,利用從陽光裡取得的光能,藉由捕捉、消化與吸收大氣中二氧化碳的碳,用以合成生存所需的有機物質。

然而,植物並非無時無刻都在工作,夜裡沒有陽光,便無法取得光能,但植物在夜裡並不是停止生長,而是吸收他們白日工作時儲存下的碳水化合物(例如澱粉),從中獲取養分,好供給本身新陳代謝與生長所需。

以阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana,一種在植物學上被廣泛研究的模式植物)為例,白日時半數的碳會被消化並儲存到葉子內部的澱粉顆粒裡,並且在晚上消耗殆盡(95%),即使研究人員刻意調整了日照時間,使夜晚的到臨提前或是延後,這個消耗率95% 的數字仍維持不變。

注意到這個現象的研究人員,提出一個假設:在阿拉伯芥的內部,存在一個計算機制,它先計算出澱粉存量,然後計算距離破曉剩餘的時間,接著將第一個值除以第二個值,用以計算澱粉被消耗殆盡前應該採用的速率。

他們的想法是,植物在每一個晚上都在安全範圍內(最後剩餘5%)用最大的消耗速率消化醣類存糧。另一個可能的推測:植物在夜裡隨著時間推進,調整消耗的速率。在第一個假設裏,存糧消逝的速率是個常數,第二個假設裏,這個速率將在一條時間線上不停變動,有加速或是減速的可能。

«其實它們都知道,沒那麼好騙!»

為了證實這個假設,生物學家們做了很長一系列的實驗,以下簡單說明部分內容。首先,他們改變了夜晚的長度(植物們原本習慣12 小時白晝與12 小時夜晚的生活環境),白晝的長度分別被調整為8、12、16 小時,於是夜晚的長度變成16、12、8 小時。每一次調整,阿拉伯芥都能夠立刻因應新狀況調整自己,在夜晚結束的時候留下5% 的存糧,而且存糧的消耗速率是常數,也就是說存糧的遞減是線性的。值得注意的是,這條線的高低,取決於夜晚的長度,及白日儲下之澱粉的存量。

這個實驗結果顯示,植物除了做一次除法運算之外,還會執行一次減法運算。事實上,根據植物的內部時鐘(horloge interne),它知道兩次黎明之間應該相隔24 小時,如果夜晚不是在白晝開始的12 小時後降臨,而是突然提早於8 小時後降臨,它有能力算出夜晚新的長度是16 小時,不再是原先的12 小時,並且同時調整消耗速率好適應新的夜長。

研究人員(有點沒人性地)嘗試了另一種較為激烈的研究方式:日照時間不變,減弱光的亮度,藉光能的減少來削減能夠製造出的澱粉量。植物們雖然的確因此合成了較少量的醣類存糧,但於夜晚進行的穩定線性消耗則沒有被擾亂。

另外,他們還使用了一阿拉伯芥的突變種來進行實驗,此突變種的生理時鐘異常,它「認為」一天只有21 小時,在實驗過程中我們注意到,從黎明前三小時開始,也就是它認知的一天已經結束之後,由於天還沒亮,它仍持續用原有的速率消耗存糧,就和其他正常的植物一樣,但由於一開始它認知的資訊就是錯誤的,於是它計算失誤,在夜裡耗盡了所有的儲備糧食。

為了鑽更深的牛角尖(或者說更確定這研究結果), 研究人員繼續嘗試新的實驗方式,這一次他們在夜晚時段裡插入一段光照期,想知道黑夜的暫時消失會不會讓植物的內部時鐘重置歸零,但結果使他們失望了,即使植物在插入的光照期裡的確重新開始工作累積存糧,但它並沒有掉入陷阱,恢復夜晚狀態之後,它會計算接下來還剩多少屬於黑暗的時間,並且用更熱烈的新節奏運轉,好消化剛才多儲備下的存糧!

«到底植物是怎麼進行計算的?»

植物內部的這種運算機制是怎麼運作的,仍然有待我們去了解。毫無疑問的,這個問題無關真實機器,也不是如我們理解的那樣,是一個出於意識的計算。

研究人員推測,在兩種不同的分子間,存在一種相互的化學作用。第一類分子的濃度提供給植物作為距離天亮還有多少時間的判斷;另一種分子的濃度變化和儲糧的存量呈正比。在植物處於沒有其它能量來源的時候,這兩種分子間的相互作用控制它決定要用甚麼速度來消耗存糧。

«在動物體內也有類似的計算機»

研究人員強調,這種化學機制也能在候鳥身上看見,這個錙銖必較的精確庫存管理機制讓牠們可以平安回到繁殖地。

皇帝企鵝身上也有類似的狀況,這種不能飛的鳥類有一個瘋狂的行為:「在南極洲嚴酷的冬天繁殖下一代」,母企鵝生下蛋後,將蛋轉移到公企鵝的腳上,然後出發到海裡捕獵食物,這段時間企鵝爸爸只能在沒有進食的狀態下耐心等待。如果幾個星期後(此時企鵝爸爸已經挨餓超過一百天了),而牠的伴侶還沒有回來,將會啟動一個內在的警鈴,告訴牠身體裡儲存的能量與時間所剩不多,僅夠它挽救牠的皮膚(或者更確切地說,牠的羽毛),遺棄牠的小孩任其在冰天雪地裡死亡,然後走過幾十公里路到海裡覓食,這是一個殘酷的計算,但卻是為了生存的必要。

參考新聞與資料:

本文轉載自 Taiwan EU Watch 臉書專頁

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活躍星系核_96
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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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災難片成真!?小行星「貝努」行蹤飄忽,撞地球的機率有多大?

EASY天文地科小站_96
・2021/09/19 ・2765字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者)

知名物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)認為,小行星撞擊是宇宙中高等智慧生命最大的威脅之一。而回首地球的過去,六千五百萬年前的白堊紀末期,造成恐龍消失的生物大滅絕,也肇因於一顆直徑約十公里的小行星撞擊。那麼,我們應該擔心小行星帶來如同災難片場景的巨大浩劫嗎,人類又能為這件事做什麼準備呢?

我們該擔心哪些小行星,小行星撞擊能被預測嗎?

太陽系中的小行星不可勝數,但並非所有小行星都對於地球有潛在的危害。那麼,哪些小行星是應該注意的呢?

我們可以簡單從兩個條件,篩選出對地球有潛在威脅的小行星:第一是小行星的軌道,第二則是小行星的大小。如果一個天體的運行軌道與地球的運行軌道沒有交會,那也就不需要擔心它會部會撞到地球了。而直徑越大的小行星,撞擊地球產生的災害就會越大,例如一顆直徑 10 公尺的小行星墜落能造成小範圍的建築物受損,而直徑 50 公尺的小行星撞擊,其威力則足以摧毀整座大型城市。

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2013 年俄羅斯車里亞賓斯克小行星墜落事件,隕石在空中爆炸的震波震碎大片玻璃。圖/Nikita Plekhanov

過去天文學家透過遍布世界的天文台,不斷在夜空中尋找近地小天體,並持續監測它們的動向。而透過觀測資料推算其軌道,就可以算出這些危險的小鄰居未來與地球發生「車禍」的機率有多大,而這篇文章的主角「貝努」,就是一顆被認為有較大機會撞擊地球,因此被重點關注的對象。

貝努撞地球會是未來的災難嗎?

貝努在 1999 年被發現,是一顆直徑約 500 公尺的小行星,它以橢圓軌道繞行太陽,公轉週期大約 437 天。由於貝努的軌道與地球相當接近,它每隔幾年就會接近地球一次,而本世紀貝努最接近我們的時刻將會發生在西元 2060 年,不過別擔心,該年貝努與地球最接近時,距離預計也還有七十萬公里,大約是地球至月球距離的兩倍,撞擊風險微乎其微。

綠色為地球軌道,藍色為貝努軌道。圖/University of Arizona

然而天文學家真正關注,撞擊風險較大的接近事件則會發生在下一個世紀。根據目前的軌道計算,貝努在西元 2135 年和 2182 年的兩次接近,會有較大的撞擊風險。說到這裡可能許多讀者會覺得,既然我們都活不到那個時候,何必去操心那些根本遇不到的事情呢?

那麼,讓我們想像一個情境:

如果今天天文學家突然發現了一顆與貝努一樣大的小行星,並算出它將在一年後撞上地球,那身為這個星球上「最有智慧的物種」,我們能怎麼應對呢?

很遺憾的:我們很可能對於撞擊束手無策。當前人類並沒有任何成熟的技術,能夠在這麼短的時間內改變小行星的軌道。這時候人們可能就會希望前人早點望向星空,調查小行星,好讓人們能夠有多一百年的時間準備應對的方法了!

小行星軌道計算不就是簡單的牛頓力學,為什麼算不準?

那麼貝努在未來 100〜200 年到底會不會撞擊地球呢?其實天文學家也說不太準,只能給出大概的機率而已,而且時間越久,預測的不確定性就越大。

你也許會想,天體的運行軌道不就只是簡單的牛頓力學,三百年前的人就已經掌握得很好了,在電腦科技發達的現代怎們會算不準呢?確實,如果要算地球與火星在 100 年後的相對位置,那電腦還能輕鬆算出相當精確的答案,但如果是計算小行星 100 年後的位置,事情就變得棘手多了……

由於小行星的質量很小,就算是相對微小的引力干擾還是足以改變其運行方向,而混沌理論(Chaos theory)告訴我們,任何微小的初始條件差異,都能造成結果極大的不同。因此要對小行星軌道做長期預測,就不能只考慮太陽的引力,而是必須把行星等其他天體的引力也納入計算,才能獲得比較準確的結果。尤其是當這些小行星與地球擦肩而過時,即使只有幾百公尺的位置偏差,受到的引力也會有相當的不同,使得小行星的未來軌跡出現巨大的差異。

而更令天文學家們頭痛的是,有些問題甚至不是萬有引力能夠解決的,其中一個因子就是「亞爾科夫斯基效應」(Yarkovsky Effect)。這個效應是這樣的:當陽光照在自轉中的小行星上,陽光會加熱小行星的受光面,而被加熱的這一面轉向背光面時,釋放的熱能會像是小小的火箭引擎一樣推動小行星。這個作用的推力非常小,但長期下來還是足以對質量很小的天體造成軌跡變化,也讓軌道預測多了很大的不確定性。

亞爾科夫斯基效應的動畫。影片/NASA

OSIRIS-REx 任務揭露貝努的神秘面紗,也讓軌道推估更精確

為了更深入了解貝努,NASA 在 2016 年發射 OSIRIS-REx 探測器探查這顆小行星。OSIRIS-REx 主要的任務包括從貝努表面採取樣本並送回地球分析、對整顆小行星做完整的調查,以及評估各種影響貝努運行軌道的因子,改善貝努軌道的預測模型,評估將來的撞擊風險。

在軌道分析方面,OSIRIS-REx 一方面能在環繞貝努的過程中緊盯貝努的「一舉一動」,讓天文學家透過精確的觀測結果反推貝努的軌道特性。另一方面,要評估亞爾科夫斯基效應對小行星軌道的影響,也需要考量小行星的地形地貌、反照率等等因素,因此 OSIRIS-REx 的各項觀測資料,也有助於建立更精確的軌道預測模型。

OSIRIS-REx 探測器。圖/University of Arizona/NASA Goddard Space Flight Center

目前 OSIRIS-REx 的任務還沒有結束,但是在取得更準確的軌道預測模型與撞擊風險評估上,已經有了初步的成果。根據這次任務提供的觀測資料,天文學家將預測貝努未來軌道的時間極限,從原本的西元 2200 年延長至 2300 年。而西元2300年之前,貝努撞上地球的機率大約是 0.057% (1/1750),最危險的一次接近則會發生在西元 2182 年

「知己知彼,百戰不殆」。面對像貝努這樣的危險鄰居,唯有盡可能認識它的一切,才越能夠掌握其未來的動向,進而在將來思考要如何面對小行星的撞擊的風險。另外,目前 OSIRIS-REx 也正在返航地球的旅途上,期待 2023 年 OSIRIS-REx 能順利的帶著貝努的樣本回到地球,帶給我們更多有關小行星的重要資訊!

參考資料

EASY天文地科小站_96
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EASY 是由一群熱愛地科的學生於2017年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事
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