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氣溫升高攝氏二度將會造成大麻煩

商周出版_96
・2013/07/26 ・3931字 ・閱讀時間約 8 分鐘

2052單書封地球平均溫度在二○五二年升高攝氏二度的結果,人類將會在未來幾十年內,經歷愈來愈多更麻煩的氣候問題。這將會是一些極端氣候現象,像是,異常的大洪水,一再發生的乾旱,在新地點發生土石流,以及路線怪異的龍捲風、颶風和暴風。另外還會發生珊瑚白化、森林死亡,以及新的病蟲害。以上的每一種災害,都會引來眾怒並製造出對未來的恐懼。但在大部分情況下,短期的行動成本都會被視為高得難以接受,並因此而導致「考慮周詳」的決定,決定把重大行動延後。這些極端氣候導致的無窮盡災難所造成的後果,將會十分緩慢地創造出一個贊同採取真正行動的政治上的絕大多數。只有在幾十年後,全球社會才會投票支持進行額外的自願性投資,以大幅減少廢氣排放。

全球氣溫上升如果超過攝氏二度,將足以造成我們周遭正常環境的重大改變。最明顯的改變,將會是北極夏天出現冰融;極區之外的大部分冰河都縮小了;海平面上升一呎(主要是熱擴散引起的,並不是融冰的關係);氣候區分別向南北兩極移動一百公里;沙漠向外擴大、侵犯到熱帶的新地區,以及北方永凍土層的加速溶化。全球暖化甚至將摧毀美學價值:其中之一,可能就是奄奄待斃的生態系統出現醜陋的混合(例如,白化枯死的珊瑚和常綠的森林被甲蟲破壞死亡),以及生物棲地因為受到更接近赤道的物種的入侵,而造成生物棲地的恐慌(例如,寒帶的西洋菜〔watercress〕出現在溫帶地區)。

「未來之一瞥 5-3:陷入困境的北極海域」說明了全球暖化將會如何導致各個地區出現驚人的影響。

未來之一瞥 5-3

陷入困境的北極海域

達格.賀森(Dag O. Hessen)

這則故事裡的主要演員都很小,一般只有幾公釐(mm)長。事實上,他們是屬於浮游生物的哲水蚤Calanus是螃蟹和龍蝦的親戚)。這提醒了我們,重要的演員不一定都是體型很大的。在北極海域,哲水蚤的數量很大,它們並且扮演著很重要的角色。它們屬於高貴的有機體族群,並且很明確地贏得關鍵物種(keystone species,又稱基石物種)的頭銜。只要了解,北極海域的海水溫度升高後,會對哲水蚤產生什麼影響,就可以讓我們充足了解未來高緯度海域生物的狀況了。

生態與經濟體系有一些共同點,包括要預測它們的未來是很困難的,因為它們的每一件事都仰賴另外的每一件事情。它們兩者的共同點就是,多重互相作用回饋循環──也就是因果關係的循環,不時會產生違反直覺的反應。有時候,改變是緩慢的。在其他時候,似乎小小的影響也可以引發大反應,並可能啟動一連串無法逆轉的大規模改變。

到二○五二年時,北方海域將會處於這種轉型期的半途,沒有人能夠真正說出這樣的轉變有多大。這有一部分是因為非線性生物系統的緣故。這個意思是說,生態系統對某一特定改變(像是溫度)產生的反應,也許不會是逐漸發生的,也不容易預測。在跨過某個時間點或門檻之後,可能會出現突然、劇劇性和明顯隨機出現的變化,這是因為物種轉換,或是在重要生態過程中的轉換,對整個系統造成一連串影響。這有一部分是因為:這是一個食物網,實際上真的就是一個網絡。例如,物種B也許很能忍受氣溫升高,但如果它的獵物(物種A)不能忍受高溫,那麼,物種B可能會因為失去了A,而受到因為天熱而引發的崩潰的影響──產生的一連串影響,可能還會影響到物種C、D、E等更多物種。或者,考慮海洋溫度上升的另一種潛在的回饋循環:熱吸收增加了,因為減少了雪和冰的覆蓋;永凍土溶化,造成二氧化碳和甲烷釋出;海洋酸化造成生物固定住二氧化碳的能力減少等等。我真的不知道這種情況會把我們帶向何處,但從二○五二年以後,將會是一個未知的未來──或者,更像是航入了未知之海(mare incognitum)。

但我倒是知道,到了二○五二年,北海的溫度最有可能比今天平均上升攝氏一.五度。夏天的海水表面也許會上升超過攝氏二度。同樣的情況將一路發展到北冰洋(北極海),到二○五二年時,北冰洋在夏天將完全沒有冰,夏天並且可能出現相對較高的氣溫。因此,為什麼當冰冷的北極海域被加熱到似乎更舒適的溫度時,哲水蚤──這是專吃浮游生物的橈足類(Copepods)生物──和它們的同伴們反而會受苦呢?高溫不是會帶來高生殖力嗎?

不一定如此。首先,某些物種就是只能在低溫中生活得很好,因為它們演化的結果就是能夠適應低溫。但是,第二,水溫升高後會對浮游生物造成一些意外的副作用。我們預期,當海洋變溫暖時,浮游生物的生殖力和平均體形將會大幅減小

這至少有一部分原因,是因為缺乏營養浮游生物的海水表面將會被更快速的加熱,這使得它更難和含有豐富營養及浮游生物的深層海水混和。所以,高溫代表了哲水蚤的食物會減少──因為被混和進入表層海水的浮游生物更少了,而像哲水蚤這樣的橈足類生物,都是在表層海水中覓食的。這也表示食物更小了,部分是因為,在營養物極其有限的環境中,體形較小的物種要比體形較大的物種更能適應,但也因為細胞在氣溫升高時會變得更小。哦,當然了,哲水蚤也許很小,但藻類甚至更小,而更小的藻類代表哲水蚤很難一口就吃飽。

也許更糟的是,到二○五二年時,北極海域的海水的酸度也會改變,從歷史上一向很穩定的大約八.二左右,下提高到七.九。這可不是小的變化。我們將會看到,像哲水蚤這類甲殼類生物,以及其他有鈣化能力的有機體,包括植物和動物,都將會開始受苦,因為它們在建造它們的外骨骼時將會很困難。

但我們也不要太想不開。到二○五二年時,北極暖化將會透過一連串的後續效應而影響到整個系統。新物種將會出現。不僅會出現新的橈足類和藻類物種,也會出現新的魚種。本來會在當地出現的鱈魚、鯖魚和鯡魚將會往更北方移動。很多底棲植物群和動物群將會從南方向北方入侵,取代部分的老居民。有些物種會比較好,但很多卻反而更糟。各種水母將會大為繁殖,因而犧牲了一些魚群。還有,我幾乎忘了鳥類。你可能再也看不到海雀和海鸚鵡在挪威西海岸孵化。到二○五二年時,這些鳥兒將會離去,飛向更北方。

有人也許會這麼期待,當冰從北極海撤退後,將會釋放出更多新土地,不僅可以供石油和天然氣探勘,也增加了海洋生物的生產量。好吧,我很擔心,這種樂觀想法太天真了。首先,海洋深處並不像上層海水那般充滿豐富的生命力。第二,這種奇特的冰下生態系統,是這種高極區海洋生態系統中很重要的一部分,但將來會消失無蹤。在現在的極區春天,你會發現,在大塊浮冰下面有著青綠的地毯。這些都是冰藻類,含有豐富的多元不飽和脂肪酸,十分營養。哲水蚤和它們的同伴在進入繁殖高峰時,就是聚集在這些冰下牧場裡覓食的。但當冰開始提早融化時,冰藻和哲水蚤的繁殖期將會愈來愈無法配合。如果哲水蚤的數量因此而減少,這就代表魚類的主要食物也跟著減少了──接著,就會影響到海鳥、海豹、北極熊和其他動物。這樣的影響會向外擴散。到了二○五二年,這個本來十分優秀的食物網,將只剩下很少的殘餘。

不過,還有更多新聞在一旁等待,等待在二十一世紀的後半段裡出現。到那時,格陵蘭的冰棚將會融化得更多,會造成其他不愉快的情況出現。更大的程度來說,灣流(Gulf Stream)輸送帶是被淡水和鹽分較高的海水之間的密度差異所造成的鹽度傾斜度推動的。如果在二○五二年後,淡水的注入中斷了這種流動,我會說:「你什麼都都還沒有看到呢。」

如果命運之神對我不錯,我將能夠在二○五二年,以一個很老的老頭子的眼光親眼見識這個世界,但這將讓我在我的臨終之前的日子裡很不愉快地發現:我,以及另外多位科學家,在二○○○年之前就大聲嚷嚷的這些憂慮,終於被證明是正確的。我是生物學家,對於人類在過去二十五年遵循的軌道,儘管有很明確的警告,還是讓我對人類的理性行為覺得很奇怪。更精確來說,我感到奇怪的是,我們的自私居然能夠獲勝,在演化上短視的理性,把目前的個人利益放到最大,超越了本來能夠用來避免發生危機的智性或是更多的理性。

幸運的是,我可以用比較積極的語氣來結束這篇短文。我們將不會經歷到生態系統崩潰(這是我實在不喜歡的一個流行名辭,因為生態系統可以進行激烈改變,並且是以很不愉快的方式進行,但不會崩潰)。這個星球在以前曾經經歷過可怕的瓶頸,而生命總會找到它自己的出路的,但很明顯的,這要犧牲掉現在存在的很多生命形式。很明顯的,那兒會一直有各種細菌、藻類,甚至蟑螂存在。我相信,哲水蚤將會在某些棲息地生存下去,而人類其實也是相當堅強的。我真正擔心的是會自我強化的反餽──它們可能早已經開始了。到了二○五二年,我相信,即使是最全心全意的樂觀者也將會了解到,人類正面臨嚴重的挑戰。但我也相信,不管在社會、技術和心理方面,我們仍然被禁錮在「一切如常」的舊思維裡。

因此,我也許會在二○五二年覺得自己很幸運,在那時候,我在地球上的日子即將結束──但卻可以看到我的曾孫能夠在院子裡玩耍,這會讓我感到有點兒安慰。

達格.賀森(挪威人,一九五六年出生)是生物學教授。他發表過多篇有關於演化和生態學的科學論文,包括氣候變遷問題。他也出版過幾本大眾科學書籍和文章,並且積極參與有關氣候變遷的公開辯論。  

我沒有理由,也沒有資格不同意「陷入困境的北極海域」所呈現的未來場景。真正讓我擔心的是,在讀到這篇短文描述全球暖化在這個特定生態系統──北極區──所帶來的種種驚人影響時,像這樣的「驚奇」,可能也正在我並不熟悉的其他生態系統裡發生。

氣候變遷對各地區造成的影響,彼此之間是有很大的不同。整個場景的一端將是「新北方」──加拿大北部、阿拉斯加、西伯利亞、俄羅斯和斯堪的那維亞半島北部──將享受到很多好處:氣候變得較暖和,出現新的貿易航道,以及更快速的農業和森林成長。另一端則是地勢較低的島國,將會被海水所淹沒,而且沒有地方遷移他們的人民。介於兩端中間的,則是傳統生產糧食的地區,將會失去原有的雨水與陽光都很充足的穩定氣候型態──有些地區變得十分乾旱,有些地區又會變得太多雨水。

 

摘自《2052》,由商周出版。

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恐龍稱霸地球的秘訣,竟是牙齒自帶避震器?——《追光之旅:你所不知道的同步輻射》

天下文化_96
・2021/09/12 ・1747字 ・閱讀時間約 3 分鐘

《侏羅紀公園》系列電影掀起大家對恐龍的好奇,但其實科學家早就在研究遠古時代的各種生物。以恐龍為例,平均每星期會發現一種新種恐龍,每年大約會發現五十種新種恐龍。而在探討物種起源及鑑定遠古生物領域,同步輻射分析技術也展現了它的獨特價值。

例如,南非威特沃特斯蘭德大學(University of the Witwatersrand)領導的國際科學家團隊,針對一些世界上最古老的恐龍蛋胚胎頭骨,進行 3D 複製重建,發現牠們的頭骨生長順序與當今的鱷魚、雞、烏龜和蜥蜴相同,研究成果發表在《科學報導》(Scientific Reports)上。

美國自然歷史博物館收藏的恐龍蛋化石,內部留有胚胎構造。圖/WIKIPEDIA

在台灣,由加拿大多倫多大學教授賴茲(Robert Reisz)與台灣學者組成國際團隊,花費兩年時間,運用超高解析二維紅外光譜顯微術,在活躍於一億九千五百萬年前的雲南祿豐龍胚胎股骨化石中,發現殘留有機物,找到古化石內保存複雜有機物的最古老紀錄。這個破天荒的發現在 2013 年登上了《自然》(Nature)雜誌封面。

此外,在祿豐龍肋骨化石的微血管通道中,國輻中心研究員李耀昌也發現全球最古老且保存完整的膠原蛋白與赤鐵礦微粒聚晶。

「即使經過億萬年時空轉換,恐龍的軟組織經血液中鐵的氧化及碳酸鈣化包覆作用後,還是有機會被保存下來,」李耀昌表示,這將有助科學家進一步了解恐龍的生理機能與遺傳密碼。

李耀昌團隊將成果發表於《自然通訊》(Nature Communications)期刊,並獲選為《發現》(Discover)雜誌「 2017 年全球百大發現」第十二名,是近年來台灣學者主導的研究成果首度登上《發現》雜誌全球百大發現。

英國 Dinosaurland 化石博物館的鐮刀龍巢與蛋化石。圖/WIKIPEDIA

發現牙齒裡的避震器

恐龍胚胎裡有膠原蛋白,恐龍的嘴巴裡則是自帶「避震器」。

國輻中心團隊與台灣博物館、台灣石尚博物館、中國大陸北京自然博物館、加拿大安大略皇家博物館,以及中國大陸地質科學院地質研究所合作,蒐集十五種肉食性與植食性恐龍牙齒,利用同步輻射穿透式 X 光顯微術與現代的眼鏡凱門鱷牙齒進行研究比對,首度發現肉食恐龍牙齒具有避震結構。

在肉食性恐龍牙齒的琺瑯質與象牙質中間,存在一層相對柔軟且布滿微細孔洞的被覆牙本質層,可以保護牙齒,避免因撕裂骨肉造成牙齒瞬間斷裂。這項研究結果修正了過去對於原始爬蟲類牙齒結構的認知,因此登上國際知名期刊《科學報導》(Scientific Reports)與各大媒體。為了蒐集恐龍牙齒進行研究比對,國輻中心研究員王俊杰透露了一段小故事。

「當時我到桃園興仁花園夜市拜訪鱷魚攤,沒想到使用斜口鉗幫鱷魚拔牙時,斜口鉗當場應聲斷裂,只好再買一把硬度更高的老虎鉗,費了好大一番功夫才順利拔下鱷魚牙齒。」

透過同步輻射 X 光顯微鏡發現暴龍牙齒藏有「避震器」,保護牙齒不致斷裂。1:X光下的暴龍牙齒構造。2:暴龍牙齒外觀。 3:無避震結構的牙齒內部應力分布。4:有避震結構的牙齒內部應力分布。圖/王俊杰提供

牙齒的特殊結構,使得肉食恐龍成為頂尖獵食者,稱霸地表一億六千五百萬年。相較於人類咬合力約為 40 公斤、眼鏡凱門鱷咬合力約 1,000 公斤,以及咬合力可達 2,000 公斤、目前世上咬合力最大的動物—— 灣鱷,「暴龍的咬合力約 6,000 公斤,且拖行的獵物體重可能超過 1 公噸,但靠著微小的避震結構設計,便不致因巨大應力而造成牙齒斷裂,」王俊杰說。

遠古生物的活動型態一直是科學家亟欲解開的謎題,透過同步光源高解析度檢測技術,可以幫助我們了解古生物化石組織結構的細微差異,提供了一種嶄新的古生物分類與古生態研究檢測方法,而藉由恐龍胚胎化石中探測到的有機質殘留物,未來將可逐步解開更多遠古生物的奧祕。

——本文摘自《追光之旅:你所不知道的同步輻射》,2021 年 8 月,天下文化

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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。
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