0

0
0

文字

分享

0
0
0

迷戀海洋

科學松鼠會_96
・2013/10/28 ・3854字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 483 ・五年級

文/

一直都覺得,海洋生物有種神秘的魅力。

可當真要以美為主題,具體用文字來寫某個物種時,一下又不知怎樣做才好,眼前閃現的都是些游移不定的光影。

就像一部電影所描述的:幽藍幽藍的海,小船的尾跡裡發比夜空裡還要多的星光,忽然揮著長翅的巨獸從水中躍出,將身披的海水裡的星光打碎,藍綠色的火花飛濺……這樣的場景,若不是用眼睛親見,只靠無力的文字來欣賞它在是有點浪費審美情操。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

101113_0207_1

少年Pi的這一段鏡頭並非奇幻,最多只是誇張。它可以是這顆星球上最微小的發光生物和最大的動物一起創造出的真實景象。它們生活的世界,海洋,我們人類只探索了大約5%。迷人的,是海的深邃。地球上的生命誕生於此,這裡充滿著無限可能。

並不是鯨本身會發出藍綠色的螢光,發光的是沾在鯨身上的海水裡的一類單細胞生物,它們靠兩根鞭毛的擺動游泳,被簡單粗暴地稱作雙鞭毛蟲類(Dinoflagellata),有的還能光合作用,因此又叫雙鞭毛藻,或者因為細胞穿著盔甲而被叫做甲藻,這些稱呼是植物學家和動物學家在搶生意的例證。

實際上,雙鞭毛蟲並非植物或動物,而是古老的「原生生物」,我們熟悉的多細胞動物或植物的最基本形態在地球上初次亮相,比它晚了好幾億年。順帶提一句,包括燉老鴨湯用的海帶在內的不少多細胞藻類,其實也跟植物關係不大,它們祖上和雙鞭毛蟲跟沾親。

不進行光合作用的雙鞭毛蟲,主要吃矽藻為生,而進行光合作用的種類,似乎是吞掉了矽藻沒有消化掉,而讓矽藻成了細胞裡的一部分,持續用陽光製造營養。矽藻是一大類外殼是二氧化硅為主的光合生物,二氧化硅也是沙子的主要成分,矽藻們就像漂在海裡曬太陽的活的沙子。下次你去海邊旅遊,必須要帶上顯微鏡,不論是水邊的沙子還是水裡的矽藻,都是異常美麗的東西。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
101113_0207_2
圖為顯微鏡下形形色色的矽藻

是不是看上去很好吃?很多動物也是這麼想的。矽藻和與它喜結連理的冤家雙鞭毛蟲,是海岸最常見的生產者,食物鏈的最底層。光合的雙鞭毛蟲有眼睛,可以據此向著光游動,有的種類的眼睛甚至有作為鏡頭的晶體以及類似視網膜一樣的感光膜,對於一個單細胞生物來說,這就像是個奇蹟!

好像偏離主題有點遠了……雙鞭毛蟲發光是跟前面完全不同的故事。因為想吃它的動物很多,雙鞭毛蟲感受到水裡的擾動就會發光,想吃它的傢伙就暴露在了聚光燈下,也許它會逃走或被自己的冤家發現吃掉,這樣雙鞭毛蟲就有了生存的機會。

當雙鞭毛蟲很多時,拍打在岸邊的浪都會發光。比如2009的年元旦節在澳大利亞東南岸的礁湖裡就出現了夜光藻(Noctiluca scintillans)的爆發。實際上不用跑到澳大利亞,這類雙鞭毛蟲長江口也有,人為污染海洋造成的赤潮,也有雙鞭毛蟲爆發的參與,於是白天紅色的浪頭在晚上也會發出藍光,連聊齋裡都有描述。不過由於赤潮產生的毒素,這奇麗景象對於別的海洋生物來說是場災難。

101113_0207_3

101113_0207_4
2009年1月1日澳大利亞海邊礁湖裡的夜光藻爆發,右邊是這種單細胞生物的特寫照片

還好,並不只是生態災難發生時才有美景。海洋生物發光,是常態而不是特例。1832年1月,年輕的達爾文搭乘貝格爾號經過加那利群島的特內裡費島時,在筆記中寫到「在船的航跡和一些地方,大海在發光,那是一種均勻的,有點像銀河的色彩。」半年後,達爾文航行到了南美的拉普拉塔河口,又一次遇到發光的海洋,這次他看到的是圓形環狀的光斑。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

生物發光需要可以氧化的螢光素,和催化這個反應的蛋白質螢光素酶。這個從螢火蟲發光得出的結論對於海洋生物也適用。在海洋裡,”螢火蟲”到處都是:單細胞生物、海綿、珊瑚、水母、烏賊、章魚、磷蝦、各種蝦和別的甲殼類、海星、魚類……尤其是在陽光無法到達的深海,生物發出的光是視覺能派上用場的唯一理由。

在李安的電影裡,還出現過許多種發光的水母。有的水母是靠它體內的共生的雙鞭毛蟲的細胞來發光,但有的水母也可以自行發光。對了,2008年的諾貝爾化學獎桂冠,就由發現水母的綠色螢光蛋白的科學家摘取,天生麗質的維多利亞多管發光水母(Aequorea victoria)成了明星。

101113_0207_5
Aequorea victoria, 綠色螢光蛋白的主人。網上搜拉丁學名有更好的圖片,但這張是公共版權圖片裡最好的了 = =

博物學家林奈把水母叫做美杜莎,美杜莎的魅力又何止只是發光而已。人們驚嘆於這種幾乎只有內外兩層皮的輻射對稱生物,竟有如此豐富的形態和色彩,以及如美杜莎一般致命的長發。它們沒有力氣也沒有爪牙,卻可以捕食甲殼類和魚類。刺細胞,一種設計精巧的毒液的注射器,遍佈它們的觸手,只要有接觸就足以讓毒刺扎入受害者的皮膚,注入毒液。即使水母死後,刺細胞仍然可以做出同樣的應激。然而對於人類來說,水母蜇一下只能是無心之失,是人主動撞上的。即便如此,澳大利亞箱形水母(Chironex fleckeri)可能是對人類來說最毒的動物,被蜇以後的劇痛讓游泳者可能無法回到岸邊就溺死了。然而毒辣的箱形水母的親戚們,在德國博物學家海克爾的眼裡卻是風情萬種。

101113_0207_6
上圖:恩斯特‧海克爾《自然界的藝術形式》,圖版78:立方水母綱)

許多水母還有世代交替的生殖現象。也就是說,水母的精子和卵子結合以後發育成的後代不是水母的形態,而是水螅或者珊瑚蟲一樣,固定不動,像開在海底的微小的花。這朵小花並不和它的父母一樣擁有性別,從自己的身體裂開小塊來無性繁殖,直到又一世,才又變回水母去追求自己的另一半。因此水母的悲劇情侶,大多是不能相約來世相見的吧。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

從這裡可以看出水母、水螅和珊瑚的關係,它們其實出自同門,在久遠的年月以前是一家,都屬於刺胞動物。水螅和珊瑚似乎更多發展出了集體主義的生活,許多個體可以組成一個龐大的合體生物。我們知道珊瑚是由許多珊瑚蟲構成的,可是它為什麼像植物一樣呢?奧妙在於,如果你想如同樹一樣一動不動地依賴陽光生活,那麼,長成樹枝狀是最可行的方式。許多珊瑚體內都有光合作用的雙鞭毛蟲(是的,它又出現了!)共生,白天曬著太陽就是吃飯,所以要努力向陽光生長,珊瑚礁這時就相當於是一片森林,而到了夜晚,珊瑚蟲的觸手伸出覓食,一些珊瑚也會發出幽幽的光,森林就變成了迷幻世界。水母也有共生光合生物的種類,一些物種甚至基本上只靠曬太陽為生而失去了毒刺,不過它們可以自由漂浮追趕太陽,沒必要變成樹枝的樣子。

多嘴一句,珊瑚礁是海裡的熱帶雨林,是生物種類極其豐富,但又極其脆弱的生態系統,一旦破壞,千百年都難以復原。所以華麗的珊瑚本已經是自然的餽贈,請不要再把它們當作個人的禮物。我們應該下潛到珊瑚的世界裡去讚歎,而不是讓珊瑚在我們的世界變成枯骨。

101113_0207_7
大西洋海神鰓捕食銀幣水母

惹人喜愛的還有銀幣水母(Porpita porpita),它們並不是真正的水母,而是許多水螅一樣的個體組成的群體,如同光芒萬丈的藍色太陽,漂浮在海面上生活。有些它的親戚,例如著名的「葡萄牙風帆戰艦」僧帽水母(Physalia physalis),擁有複雜的群體結構,所有「小我」的消化道連通”互訴衷腸”,且分工明確,有的專門負責捕食,有的專門負責生殖,而像風帆一樣的那個氣泡,則專門負責幫我”大我”漂浮,在遇到危險時還能放一些氣下潛,危險過後再浮上來。

說到這裡就不得不提到另一類美得匪夷所思的生物,比如這只正在吃銀幣水母的大西洋海神海蛞蝓(Glaucus atlanticus),它全身擁有多達84個華麗露鰓,像鳥兒的飛羽一樣,海蛞蝓是海裡生活的類似沒殼的蝸牛的種類的通稱,這裡的主角屬於裸鰓目,海神鰓科。它們捕食銀幣水母和僧帽水母,把有毒的刺細胞收集在自己的露鰓頂部加以利用。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

我最喜歡的裸鰓目海蛞蝓是「西班牙舞姬」血紅六鰓(Hexabranchus sanguineus)。它足有45釐米長,在遇到威脅時突然躍起,展開鮮豔的紅色嚇退敵人,一如熱情的弗拉明戈的裙襬。

101113_0207_8

和海蛞蝓們同門的軟體動物還有大家熟悉的各種貝類,以及讓人驚嘆的一些烏賊、章魚等。章魚不僅可以改變身體的顏色,還可以改變形狀和外表的質感,讓陸生脊椎動物變色龍望塵莫及。登峰造極者如擬態章魚(Thaumoctopus mimicus),幾乎可以擬態每一種它生活環境中的動物,比如獅子魚,海蛇……這太獵奇了,已經不能算在我們「美麗的海洋生物」的討論中了。

回到故事開始時真正的主角,那隻躍出海面的座頭鯨(Megaptera novaeangliae),它的學名來自那對揮舞著的接近體長一半的前肢,因此又叫大翅鯨。雖然它沒有炫目的發光或者華麗色彩,甚至不是個子最大的鯨。但它牽動人心的是美麗的歌喉。可惜文字在這裡再一次無能,無法將座頭鯨那時而高昂激越,時而淺吟低唱,並重章疊唱,聲聲扣到心弦的聲音展現,這是鯨類最複雜的歌聲。如果要去研究這些聲音的意義,會發現有的是千里傳音的通訊,有的是千里相思的情歌,可大多數婉轉無常的歌聲,對我們來說只有讓人敬畏的神秘,甚至帶著宗教感。

是啊,它們在想什麼?這些和我們親緣不算太遠的巨大哺乳動物,它們在想什麼呢?如同座頭鯨喜愛的躍出水面的動作,有人說是為了清除體表寄生蟲,有人說是為了製造特殊的動靜用於社交……而這些行為的原因,我們或許永遠無法確知。可能真的不為什麼,成群的海豚們跳起,也許真的只是一時興奮,享受嬉戲。從智慧的鯨類,到精巧的單細胞雙鞭毛蟲,都會讓人感到自己的無知和渺小。不過,正因為有它們在藍色的海洋裡怡然自得,這世界才這麼美麗。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

轉載自科學松鼠會

文章難易度
科學松鼠會_96
112 篇文章 ・ 6 位粉絲
科學松鼠會是中國一個致力於在大眾文化層面傳播科學的非營利機構,成立於2008年4月。松鼠會匯聚了當代最優秀的一批華語青年科學傳播者,旨在「剝開科學的堅果,幫助人們領略科學之美妙」。願景:讓科學流行起來;價值觀:嚴謹有容,獨立客觀

0

2
2

文字

分享

0
2
2
圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
文章難易度

討論功能關閉中。

賴昭正_96
43 篇文章 ・ 54 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

0

4
3

文字

分享

0
4
3
勸你別碰!認識可愛又致命的「菟葵」
Evelyn 食品技師_96
・2022/06/25 ・3139字 ・閱讀時間約 6 分鐘

到海邊戲水時,不知大家是否曾注意過,海水漲退潮之間的潮間帶,可能會出現一朵朵黃綠、青褐或帶些紫色,像小菊花般的生物?只要輕輕一碰,牠的觸手就會迅速縮起,所以也被稱作「海中的含羞草」。 

這個生物的名字叫做菟葵 (zoanthid) ,俗稱「鈕扣珊瑚」,是介於珊瑚與海葵的生物[1]。因爲具有美麗的色彩,故常被用來作為水族箱的裝飾;但其實菟葵並不如牠的外表和別稱這麼可愛,反而暗藏著能致命的劇毒!

==密集恐懼症警告!】==

==【會害怕的大家趕緊撤離!】==

外表可愛 (?), 實則暗藏劇毒的菟葵。 圖/wikimedia

神秘的外表下隱藏劇毒?!

菟葵泛指所有「群體海葵目」的生物,故又稱群體海葵;其下游物種繁多,主要分布於熱帶及亞熱帶海域。牠們的體內的共生藻類除了可提供宿主能量之外,也使得牠們體表色彩豐富多變[2, 3]

不過菟葵並不像珊瑚,擁有分泌堅硬石灰質骨骼的能力,所以為了保護自身組織,菟葵會在其所附著的地方分泌黏液,這些黏液會隨著時間變硬,形成幾丁質外殼,以作為替代骨骼[2, 3]

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

菟葵單體含有一個直徑約 10 毫米的開口,為平滑且寬大的口盤,外圍處有兩圈短小觸手,並透過共肉組織 (coenenchyme) 聚集在一起[3]

這些觸手一經碰觸就會像含羞草似地收縮,埋入共肉組織裡,因此常引起前來潮間帶戲水的遊客或潛水員的好奇觸摸,但部份的菟葵含有「菟葵毒 (palytoxin; PLTX)」,很容易就不小心引起中毒[4]

瘤狀菟葵 (Palythoa tuberculosa)。圖 / 參考資料 4、6

中毒的後果不堪設想

摸到菟葵而中毒到底會有多嚴重呢?

2008 年德國 1 名男子於家中清理水族箱時,手指不慎碰觸到菟葵後,感到四肢無力、肌肉疼痛、顫抖,隨後出現暈眩及言語障礙等症狀,經治療 4 星期後才完全康復[3]

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

除了直接觸摸之外,菟葵毒素也會經由食物鏈,蓄積於高階生物體當中,所以會食用菟葵或藻類的生物,如螃蟹、河魨或其他魚類等,體內都有可能蓄積毒素。在臺灣,就發生過多起人類食用水產品所造成的中毒案例[2]

臺灣最嚴重的中毒案例發生於 2011 年,臺東縣 1 位漁民捕獲俗稱青鱗仔的小沙丁魚,分送給親友們食用,結果有 2 人食用後感到舌頭麻痺,出現嘔吐、胸痛及全身刺痛等中毒症狀,其中 1 人死亡[3]

台東曾出現食用青鱗仔後,出現菟葵毒素中毒的案例。圖/Totti,

還有 2000 年,臺灣 1 名歲男子食用 3 尾米點箱魨 (Ostracion meleagris) 後感到不適、冒汗和呼吸困難,送醫後出現呼吸衰竭、血壓下降且心律不整等症狀,經醫院緊急治療後,心臟功能才恢復正常。但由於橫紋肌溶解症,導致急性腎衰竭、寡尿症狀持續 20 天之久,一個月後才康復出院[3]

塗在矛上的劇毒

這麼可怕的毒素,被研究者發現的時間其實並不長,約 40 年左右而已。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

當初發現的由來,是源自於夏威夷 Muolea 地區,當地湖泊裡,生長著擁有劇毒的藻類,原住民會採集該毒藻塗抹於矛上製成毒矛,其毒性足以使獵物致命。後來經過許多學者前往採樣進行調查,1971 年終於成功純化出毒素,確認為——菟葵毒[5]

之後學者陸續發現,菟葵毒存在於許多生物體內,例如 Palythoa 屬及 Zoanthus 屬之菟葵及 Ostreopsis 屬的渦鞭毛藻皆有,與菟葵生活區鄰近的海洋生物,如海星、軟珊瑚或多毛蟲等,體內亦有發現菟葵毒[3]

不過有研究指出,從菟葵 (Palythoa caribaeorum) 分離出的細菌裡,發現具有類似菟葵毒之溶血活性。此外,也有學者從其他種細菌中分離出菟葵毒,所以大家推測,細菌也可能是菟葵的毒素來源[3]

日本沖繩本島東北海岸聚集許多瘤狀菟葵。圖 / 參考資料 6

菟葵毒分子結構龐大又複雜,比河魨毒更毒

菟葵毒為無色、易吸濕之非結晶性固體,外觀沒有固定形狀,為水溶性,具耐熱性。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

其化學式為 C129H223N3O54,分子量為 2680.13 Da,結構複雜且分子量龐大,並存在著許多異構體以及結構類似物[註 1]

菟葵毒分子結構及其結構類似物。圖 / 參考資料 7

而在毒理學中,半數致死劑量 (lethal dosage 50%; LD50) 是描述有毒物質的常用指標之一,意為動物實驗中,能致使實驗動物產生百分之五十比例之死亡所需要化學物質之劑量。通常毒素給予實驗動物的方式,分為口服、靜脈注射和腹腔注射,不同的給予方式,毒性亦略有差異。

那麼菟葵毒的毒性到底有多強?其實它在非蛋白質類的生物毒中是最強的,就小鼠腹腔注射之 LD50 來看,為 0.15~0.72 μg/kg (體重)[3],大約是河魨毒素 (tetrodotoxin) 之 20~80 倍[註 2],毒性強度遠高於之前筆者所介紹過的麻痺性貝毒及河魨毒。

延伸閱讀

《在海產店吃盤「塔香西施舌」然後就死掉了?——來認識致命的「麻痺性貝毒」》
《推理系動畫毒殺利器!——認識致命的「河魨毒」》

不知道的海洋生物不要摸也不要吃

令人眼花撩亂的菟葵毒及其各類似物,毒性雖略有差異,但致毒機制大致相同。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

身為神經毒素的菟葵毒,其引起中毒主要的症狀為發燒、噁心、嘔吐、呼吸困難、心律不整,或橫紋肌溶解所造成之肌肉疼痛,亦會引發其它藥理反應,如骨骼肌、平滑肌和心肌的收縮,及血小板的聚集等[2, 3]

菟葵毒的毒性不但猛烈,菟葵本身分佈的地區也不算少數——太平洋地區、西印度群島、牙買加、波多黎各及巴哈馬,以及臺灣的東北角、墾丁與綠島,均有出現的記錄[2]

此外,菟葵毒的研究歷史,不如麻痺性貝毒、河魨毒來得悠久,還有許多未知的地方。故呼籲大家,在進行夏日戲水活動時,請不要隨意觸摸不知名的海洋生物,也不要食用自行捕撈或來路不明的水產品,以避免菟葵毒中毒。

註解

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  1. 結構類似物 (structural analog),是指一系列的化合物在主結構上大致相同,但部分結構會有一個或多個原子、官能基或子結構不同,造成它們之間的化學特性不太一樣。
  2. 河魨毒素 (tetrodotoxin) 之腹腔注射之 LD50 是 12.5~16 μg/kg (體重)[8]

參考資料

  1. 鄭源斌,2021。美麗菟葵 新藥寶庫?。科學人,230: 12。
  2. 吳尚宜,2017。基隆產珊瑚菟葵種屬的基因鑑定及其毒素對細胞毒性之探討。國立台灣海洋大學食品科學所碩士學位論文。基隆。
  3. 葉子寧,2018。基隆產菟葵 Palythoa tuberculosa 之季節毒性分析及菟葵毒萃取液之細胞毒性探討。國立台灣海洋大學食品科學所碩士學位論文。基隆。
  4. 社團法人台灣環境資訊協會,2016。海中的有毒含羞草—菟葵。台灣珊瑚礁體檢志工快訊。
  5. Moore, R. E. and Scheuer, P. J. 1971. Palytoxin: a new marine toxin from a coelenterate. Science 172: 3982 495-498.
  6. Aratake, S., Taira, Y., Fujii, T., Roy, M. C., Reimer, J. D., Yamazaki, T. and Jenke-Kodama, H. 2016. Distribution of palytoxin in coral reef organisms living in close proximity to an aggregation of Palythoa tuberculosa. Toxicon 111 86-90.
  7. Pelin, M., Brovedani, V., Sosa, S. and Tubaro, A. 2016. Palytoxin-containing aquarium soft corals as an emerging sanitary problem. Marine drugs 14: 2 33.
  8. Abal, P., Louzao, M. C., Antelo, A., Alvarez, M., Cagide, E., Vilariño, N., Vieytes M. R. and Botana, L. M. 2017. Acute oral toxicity of tetrodotoxin in mice: Determination of lethal dose 50 (LD50) and no observed adverse effect level (NOAEL). Toxins 9: 3 75.
Evelyn 食品技師_96
23 篇文章 ・ 28 位粉絲
一名食品技師兼食品生技研發工程師,個性鬼靈精怪,對嗅覺與味覺特別敏銳,經訓練後居然成為專業品評員(專業吃貨)?!因為對食品科學充滿熱忱,希望能貢獻微薄之力寫些文章,傳達食品科學的正確知識給大家!商業合作請洽:10632015@email.ntou.edu.tw

0

0
0

文字

分享

0
0
0
迷戀海洋
科學松鼠會_96
・2013/10/28 ・3854字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 483 ・五年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

文/

一直都覺得,海洋生物有種神秘的魅力。

可當真要以美為主題,具體用文字來寫某個物種時,一下又不知怎樣做才好,眼前閃現的都是些游移不定的光影。

就像一部電影所描述的:幽藍幽藍的海,小船的尾跡裡發比夜空裡還要多的星光,忽然揮著長翅的巨獸從水中躍出,將身披的海水裡的星光打碎,藍綠色的火花飛濺……這樣的場景,若不是用眼睛親見,只靠無力的文字來欣賞它在是有點浪費審美情操。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

101113_0207_1

少年Pi的這一段鏡頭並非奇幻,最多只是誇張。它可以是這顆星球上最微小的發光生物和最大的動物一起創造出的真實景象。它們生活的世界,海洋,我們人類只探索了大約5%。迷人的,是海的深邃。地球上的生命誕生於此,這裡充滿著無限可能。

並不是鯨本身會發出藍綠色的螢光,發光的是沾在鯨身上的海水裡的一類單細胞生物,它們靠兩根鞭毛的擺動游泳,被簡單粗暴地稱作雙鞭毛蟲類(Dinoflagellata),有的還能光合作用,因此又叫雙鞭毛藻,或者因為細胞穿著盔甲而被叫做甲藻,這些稱呼是植物學家和動物學家在搶生意的例證。

實際上,雙鞭毛蟲並非植物或動物,而是古老的「原生生物」,我們熟悉的多細胞動物或植物的最基本形態在地球上初次亮相,比它晚了好幾億年。順帶提一句,包括燉老鴨湯用的海帶在內的不少多細胞藻類,其實也跟植物關係不大,它們祖上和雙鞭毛蟲跟沾親。

不進行光合作用的雙鞭毛蟲,主要吃矽藻為生,而進行光合作用的種類,似乎是吞掉了矽藻沒有消化掉,而讓矽藻成了細胞裡的一部分,持續用陽光製造營養。矽藻是一大類外殼是二氧化硅為主的光合生物,二氧化硅也是沙子的主要成分,矽藻們就像漂在海裡曬太陽的活的沙子。下次你去海邊旅遊,必須要帶上顯微鏡,不論是水邊的沙子還是水裡的矽藻,都是異常美麗的東西。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

101113_0207_2
圖為顯微鏡下形形色色的矽藻

是不是看上去很好吃?很多動物也是這麼想的。矽藻和與它喜結連理的冤家雙鞭毛蟲,是海岸最常見的生產者,食物鏈的最底層。光合的雙鞭毛蟲有眼睛,可以據此向著光游動,有的種類的眼睛甚至有作為鏡頭的晶體以及類似視網膜一樣的感光膜,對於一個單細胞生物來說,這就像是個奇蹟!

好像偏離主題有點遠了……雙鞭毛蟲發光是跟前面完全不同的故事。因為想吃它的動物很多,雙鞭毛蟲感受到水裡的擾動就會發光,想吃它的傢伙就暴露在了聚光燈下,也許它會逃走或被自己的冤家發現吃掉,這樣雙鞭毛蟲就有了生存的機會。

當雙鞭毛蟲很多時,拍打在岸邊的浪都會發光。比如2009的年元旦節在澳大利亞東南岸的礁湖裡就出現了夜光藻(Noctiluca scintillans)的爆發。實際上不用跑到澳大利亞,這類雙鞭毛蟲長江口也有,人為污染海洋造成的赤潮,也有雙鞭毛蟲爆發的參與,於是白天紅色的浪頭在晚上也會發出藍光,連聊齋裡都有描述。不過由於赤潮產生的毒素,這奇麗景象對於別的海洋生物來說是場災難。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

101113_0207_3

101113_0207_4
2009年1月1日澳大利亞海邊礁湖裡的夜光藻爆發,右邊是這種單細胞生物的特寫照片

還好,並不只是生態災難發生時才有美景。海洋生物發光,是常態而不是特例。1832年1月,年輕的達爾文搭乘貝格爾號經過加那利群島的特內裡費島時,在筆記中寫到「在船的航跡和一些地方,大海在發光,那是一種均勻的,有點像銀河的色彩。」半年後,達爾文航行到了南美的拉普拉塔河口,又一次遇到發光的海洋,這次他看到的是圓形環狀的光斑。

生物發光需要可以氧化的螢光素,和催化這個反應的蛋白質螢光素酶。這個從螢火蟲發光得出的結論對於海洋生物也適用。在海洋裡,”螢火蟲”到處都是:單細胞生物、海綿、珊瑚、水母、烏賊、章魚、磷蝦、各種蝦和別的甲殼類、海星、魚類……尤其是在陽光無法到達的深海,生物發出的光是視覺能派上用場的唯一理由。

在李安的電影裡,還出現過許多種發光的水母。有的水母是靠它體內的共生的雙鞭毛蟲的細胞來發光,但有的水母也可以自行發光。對了,2008年的諾貝爾化學獎桂冠,就由發現水母的綠色螢光蛋白的科學家摘取,天生麗質的維多利亞多管發光水母(Aequorea victoria)成了明星。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

101113_0207_5
Aequorea victoria, 綠色螢光蛋白的主人。網上搜拉丁學名有更好的圖片,但這張是公共版權圖片裡最好的了 = =

博物學家林奈把水母叫做美杜莎,美杜莎的魅力又何止只是發光而已。人們驚嘆於這種幾乎只有內外兩層皮的輻射對稱生物,竟有如此豐富的形態和色彩,以及如美杜莎一般致命的長發。它們沒有力氣也沒有爪牙,卻可以捕食甲殼類和魚類。刺細胞,一種設計精巧的毒液的注射器,遍佈它們的觸手,只要有接觸就足以讓毒刺扎入受害者的皮膚,注入毒液。即使水母死後,刺細胞仍然可以做出同樣的應激。然而對於人類來說,水母蜇一下只能是無心之失,是人主動撞上的。即便如此,澳大利亞箱形水母(Chironex fleckeri)可能是對人類來說最毒的動物,被蜇以後的劇痛讓游泳者可能無法回到岸邊就溺死了。然而毒辣的箱形水母的親戚們,在德國博物學家海克爾的眼裡卻是風情萬種。

101113_0207_6
上圖:恩斯特‧海克爾《自然界的藝術形式》,圖版78:立方水母綱)

許多水母還有世代交替的生殖現象。也就是說,水母的精子和卵子結合以後發育成的後代不是水母的形態,而是水螅或者珊瑚蟲一樣,固定不動,像開在海底的微小的花。這朵小花並不和它的父母一樣擁有性別,從自己的身體裂開小塊來無性繁殖,直到又一世,才又變回水母去追求自己的另一半。因此水母的悲劇情侶,大多是不能相約來世相見的吧。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

從這裡可以看出水母、水螅和珊瑚的關係,它們其實出自同門,在久遠的年月以前是一家,都屬於刺胞動物。水螅和珊瑚似乎更多發展出了集體主義的生活,許多個體可以組成一個龐大的合體生物。我們知道珊瑚是由許多珊瑚蟲構成的,可是它為什麼像植物一樣呢?奧妙在於,如果你想如同樹一樣一動不動地依賴陽光生活,那麼,長成樹枝狀是最可行的方式。許多珊瑚體內都有光合作用的雙鞭毛蟲(是的,它又出現了!)共生,白天曬著太陽就是吃飯,所以要努力向陽光生長,珊瑚礁這時就相當於是一片森林,而到了夜晚,珊瑚蟲的觸手伸出覓食,一些珊瑚也會發出幽幽的光,森林就變成了迷幻世界。水母也有共生光合生物的種類,一些物種甚至基本上只靠曬太陽為生而失去了毒刺,不過它們可以自由漂浮追趕太陽,沒必要變成樹枝的樣子。

多嘴一句,珊瑚礁是海裡的熱帶雨林,是生物種類極其豐富,但又極其脆弱的生態系統,一旦破壞,千百年都難以復原。所以華麗的珊瑚本已經是自然的餽贈,請不要再把它們當作個人的禮物。我們應該下潛到珊瑚的世界裡去讚歎,而不是讓珊瑚在我們的世界變成枯骨。

101113_0207_7
大西洋海神鰓捕食銀幣水母

惹人喜愛的還有銀幣水母(Porpita porpita),它們並不是真正的水母,而是許多水螅一樣的個體組成的群體,如同光芒萬丈的藍色太陽,漂浮在海面上生活。有些它的親戚,例如著名的「葡萄牙風帆戰艦」僧帽水母(Physalia physalis),擁有複雜的群體結構,所有「小我」的消化道連通”互訴衷腸”,且分工明確,有的專門負責捕食,有的專門負責生殖,而像風帆一樣的那個氣泡,則專門負責幫我”大我”漂浮,在遇到危險時還能放一些氣下潛,危險過後再浮上來。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

說到這裡就不得不提到另一類美得匪夷所思的生物,比如這只正在吃銀幣水母的大西洋海神海蛞蝓(Glaucus atlanticus),它全身擁有多達84個華麗露鰓,像鳥兒的飛羽一樣,海蛞蝓是海裡生活的類似沒殼的蝸牛的種類的通稱,這裡的主角屬於裸鰓目,海神鰓科。它們捕食銀幣水母和僧帽水母,把有毒的刺細胞收集在自己的露鰓頂部加以利用。

我最喜歡的裸鰓目海蛞蝓是「西班牙舞姬」血紅六鰓(Hexabranchus sanguineus)。它足有45釐米長,在遇到威脅時突然躍起,展開鮮豔的紅色嚇退敵人,一如熱情的弗拉明戈的裙襬。

101113_0207_8

和海蛞蝓們同門的軟體動物還有大家熟悉的各種貝類,以及讓人驚嘆的一些烏賊、章魚等。章魚不僅可以改變身體的顏色,還可以改變形狀和外表的質感,讓陸生脊椎動物變色龍望塵莫及。登峰造極者如擬態章魚(Thaumoctopus mimicus),幾乎可以擬態每一種它生活環境中的動物,比如獅子魚,海蛇……這太獵奇了,已經不能算在我們「美麗的海洋生物」的討論中了。

回到故事開始時真正的主角,那隻躍出海面的座頭鯨(Megaptera novaeangliae),它的學名來自那對揮舞著的接近體長一半的前肢,因此又叫大翅鯨。雖然它沒有炫目的發光或者華麗色彩,甚至不是個子最大的鯨。但它牽動人心的是美麗的歌喉。可惜文字在這裡再一次無能,無法將座頭鯨那時而高昂激越,時而淺吟低唱,並重章疊唱,聲聲扣到心弦的聲音展現,這是鯨類最複雜的歌聲。如果要去研究這些聲音的意義,會發現有的是千里傳音的通訊,有的是千里相思的情歌,可大多數婉轉無常的歌聲,對我們來說只有讓人敬畏的神秘,甚至帶著宗教感。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

是啊,它們在想什麼?這些和我們親緣不算太遠的巨大哺乳動物,它們在想什麼呢?如同座頭鯨喜愛的躍出水面的動作,有人說是為了清除體表寄生蟲,有人說是為了製造特殊的動靜用於社交……而這些行為的原因,我們或許永遠無法確知。可能真的不為什麼,成群的海豚們跳起,也許真的只是一時興奮,享受嬉戲。從智慧的鯨類,到精巧的單細胞雙鞭毛蟲,都會讓人感到自己的無知和渺小。不過,正因為有它們在藍色的海洋裡怡然自得,這世界才這麼美麗。

轉載自科學松鼠會

文章難易度
科學松鼠會_96
112 篇文章 ・ 6 位粉絲
科學松鼠會是中國一個致力於在大眾文化層面傳播科學的非營利機構,成立於2008年4月。松鼠會匯聚了當代最優秀的一批華語青年科學傳播者,旨在「剝開科學的堅果,幫助人們領略科學之美妙」。願景:讓科學流行起來;價值觀:嚴謹有容,獨立客觀

0

3
0

文字

分享

0
3
0
40 年珊瑚之謎終於揭密——「滿月後的黑暗」是同步產卵的關鍵
研之有物│中央研究院_96
・2022/05/09 ・5967字 ・閱讀時間約 12 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/林承勳、簡克志
  • 美術設計/林洵安、蔡宛潔

解開 40 年珊瑚同步產卵謎團

早在 1980 年代科學家就發現,珊瑚彼此之間很有默契,會在短時間內一起繁殖,附近水域瀰漫大量珊瑚卵,形成令人歎為觀止的壯麗畫面。對於珊瑚同步產卵現象,過去學者推測是受到溫度、潮汐、光線等因素影響,但觸發產卵的關鍵原因一直都沒有被確認。

經過 40 年,在中央研究院生物多樣性研究中心團隊努力下,終於揭開秘密!中研院「研之有物」專訪野澤洋耕副研究員與林哲宏博士後研究員,他們發現珊瑚同步產卵的關鍵就在於日落到月昇的黑暗時間

野澤洋耕的團隊在臺灣綠島進行長期觀察和研究,終於發現珊瑚同步產卵的關鍵因素。珊瑚繁殖季(南臺灣約 4-6 月)滿月過後,日落到月昇之間的黑暗期觸發了珊瑚產卵的條件。圖片為正在產卵的環菊珊瑚。圖/林哲宏

奇怪的知識增加了:原來珊瑚是一群型態差異相當大的動物!

由於珊瑚只能附著在固定位置、無法移動,因此曾被誤認為是植物。而且珊瑚的外觀又很容易誤導民眾,直覺認為一大株珊瑚就是一個生物體。但事實上,大多數的珊瑚其實是一群珊瑚蟲的聚落;只有少數像蕈珊瑚科(Fungiidae)部分種類,才是一隻巨大珊瑚蟲為一株珊瑚個體。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

以造礁珊瑚為例,珊瑚蟲聚落可分成非生物與生物兩個部分:成分為碳酸鈣的珊瑚石是保護殼和居所;覆蓋在珊瑚石上面的就是無數隻活跳跳的珊瑚蟲。

珊瑚蟲被分類在刺絲胞動物門,牠們外觀跟同門的海葵相似,有著圓筒身軀、一個開口,開口周圍分布數隻觸手,觸手上密布著刺絲胞,能捕撈浮游生物來吃。珊瑚蟲另一種食物來源是由互利共生的蟲黃藻提供,蟲黃藻會行光合作用產生養分與氧氣,同時也為白色的珊瑚石、透明的珊瑚蟲帶來繽紛色彩。

造礁珊瑚(又稱石珊瑚)的珊瑚蟲聚落,最初都是從一隻珊瑚蟲開始,透過緩慢持續的生長過程,才逐漸長成我們看到的珊瑚礁。圖/iStock

在海裡看到大大小小的珊瑚,最初都是由一隻體積微小的珊瑚蟲,分裂再分裂而來,珊瑚蟲們不斷進行無性生殖,經年累月分裂出大量個體。為數眾多的珊瑚蟲們世世代代分泌的碳酸鈣逐漸堆積,一直到如城堡般巨大,就形成所謂的「珊瑚礁」。珊瑚礁被科學家們認為是海中的熱帶雨林,提供魚類、甲殼類等生物棲息地與豐富食物、能量。

中研院副研究員野澤洋耕認為,珊瑚是種非常神奇的生物,從原本微小到肉眼無法辨認的一隻珊瑚蟲個體,居然能不停分裂生殖,最後數以億計隻珊瑚蟲群聚成唯一能夠從外太空觀察到的地球生命:大堡礁。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

只是,珊瑚蟲用分裂生殖新增的,是跟上一代基因、外形一模一樣的個體,這類無性生殖無法增加基因多樣性,還會讓族群失去面對環境變動的適應能力。因此珊瑚必須要另外花費時間、能量排精產卵,行有性生殖製造具有嶄新基因的後代。

珊瑚可以透過無性生殖和有性生殖繁衍個體。圖/研之有物(資料來源│Global Foundation for Ocean Exploration

珊瑚也懂投資?雞蛋分籃放與孤注一擲的產卵選擇

不像魚類可以找到配偶後再產卵受精,固定不動的珊瑚只能直接把精卵釋放到海水中。為了克服無法移動的劣勢,牠們會採取同步策略,約好在短時間內一起排出數量驚人的精卵。如此一來就能大大提高精卵濃度來增加受精成功率,即使有掠食者在旁想趁機飽餐一頓,也會頓時眼花撩亂、顧此失彼。

人們眼中珊瑚產卵的美景,同時也是生物為了繁衍而克服大自然困境的努力。

珊瑚同步產卵還能再細分成兩種模式,野澤洋耕指出,珊瑚一年只產卵一次,有些種類偏好分散風險,群體內珊瑚同時產卵,各群體間則是彼此錯開,可能往前往後幾天;另外有些珊瑚則是孤注一擲,約好「全部」一起生。相對來說後者受精機率當然更大,但當天要是碰到暴雨、颱風等天氣因素攪局,該年可能幾乎不會有後代成功生存。

看起來風險很高,只是既然會演化出不同方法,就代表雙方各有優勢。」野澤洋耕解釋地說。但不管是謹慎還是賭性堅強的種類,無法移動、不能彼此溝通的珊瑚,到底是用什麼方法約好一起產卵?自從 1980 年同步產卵現象被發現後,這謎團足足讓世人困惑了 40 年之久。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

七年田野調查資料顯示,關鍵因子藏在月週期裡

從 2010 年開始,野澤洋耕的研究團隊每年都會在珊瑚繁殖季(南臺灣通常是四、五、六月),來到綠島潛水調查。調查期間,團隊每晚下水記錄珊瑚種類、數量與排卵時間,在累積七年的調查資料後,博士後研究員林哲宏發現每一種珊瑚都有明顯的生殖模式。

根據研究團隊現有紀錄,隸屬於繩紋珊瑚科(Merulinidae)的珊瑚是採取分散風險策略,不同群體分批同步產卵。雖然群體間產卵日子錯開,但時程非常固定,都是在「滿月」之後五到八天;綠島還有另一大宗珊瑚,是分在軸孔珊瑚屬(Acropora)下的一些種類,牠們是「全部」約好在同一天產卵,但到底是哪一天,每年觀察到的日期都不太一樣。

「繩紋珊瑚科就是固定在滿月後五到八天產卵;軸孔珊瑚屬也是在滿月後,但毫無規則可言。」林哲宏說。即使如此,兩者都是在滿月後產卵,研究團隊於是鎖定月週期的因子:月光,來進行檢驗。

繩紋珊瑚科 vs 軸孔珊瑚屬。圖/研之有物(資料來源:Wikipedia、iStock)

室內室外重複操作結果都顯示:夜間光源會抑制珊瑚產卵

由於繩紋珊瑚科的環菊珊瑚(Dipsastraea speciosa)在綠島很常見,觀察、樣本取得都很容易,加上生殖時間又有跡可循,團隊就選擇該物種來進行實驗。「將月光遮住後,環菊珊瑚就提早產卵了。」野澤洋耕表示,初步實驗結果意味著滿月後的黑暗,就是通知珊瑚準備產卵的環境訊號

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
環菊珊瑚隸屬於繩紋珊瑚科,群體間大量產卵通常發生在滿月之後五到八天。圖/林哲宏

為了避開其他環境因子干擾,實驗首先是在研究室的水缸中進行;接著團隊來到綠島北邊的公館附近,要確認珊瑚不論是在人工環境或自然棲地中,都會因為黑暗籠罩提前產卵。「我們每天都下水,在滿月前三天、前一天,還有滿月後一天幫珊瑚蓋上不透光的鋁箔布或透明布。」林哲宏說。結果符合預期:珊瑚越早被蓋上黑布,就會越快產卵,很規律地在接收到黑暗訊號之後的五到八天大量產卵。

研究團隊在綠島設置實驗觀察環菊珊瑚產卵,人工控制在滿月前三天、前一天和後一天都不照月光,發現珊瑚越早蓋上布,就會越早觸發產卵時機。圖/PNAS

不同光譜的光源,都會有相同的抑制效果

除了照光與否,林哲宏還加入光源光譜與密集度的試驗。因為 2006 年刊登在《Science》期刊的一篇論文指出,珊瑚可能會偵測月光。野澤洋耕提到,論文中說明珊瑚只要照到月光,體內的 cry 基因就會表現,而且 cry 基因對藍光特別有反應。

所以團隊再回到研究室內,用人工光源模擬月光強度,分別給予紅、藍、綠三種不同色光,想確認是否真的如文獻資料敘述,不同光譜光源會給珊瑚帶來不同程度的刺激。但實驗證實,三種色光照下去,珊瑚都一樣不產卵。也就是說,目前蒐集到的線索都指向:黑暗是珊瑚產卵的關鍵

40 年珊瑚之謎,謎底就是日昇與月落之間的黑暗時段

經過一連串抽絲剝繭,終於確認夜間光線會抑制珊瑚產卵。然而團隊想進一步了解,珊瑚於漫漫長夜中只要一瞬間照到光就會被干擾,還是要有多長曝光才能達到抑制效果。因此團隊在實驗室環境中,個別探討了整晚黑暗、整晚照光、前半夜(日落到午夜)照光,還有下半夜(午夜到日出)照光等四種情形。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

結果顯示,下半夜照光跟整晚保持黑暗的組別一樣,珊瑚在五天之後同步排卵;前半夜照光,效果與整晚照光相同,會讓珊瑚延遲生產且產卵同步率下降。「看到這現象,我們推測珊瑚感應光線的受器應該有『營業時間』。」林哲宏笑著說,受器營業時間大概是在日落後到午夜,不過不同珊瑚個體還是存在著些許差異。

答案終於揭曉:以環菊珊瑚來說,只要連續兩個夜晚,於日落後有一小時左右的黑暗時段,就達成同步產卵的要件。這也解釋了珊瑚為什麼都挑在滿月後繁殖,林哲宏指出,因為地球自轉同時月球又繞地球轉的緣故,每天月球升起的時間會延遲約莫 30-70 分鐘[註1]。對照繁殖季四月的月週期,月初時月球升起會落在下午兩點多,之後每天延遲直到滿月,月球才會於日落後升起,而中間的黑暗期就是在告訴珊瑚:可以準備生產了。

選在滿月後生產是有其優勢的,野澤洋耕提醒說,環菊珊瑚產卵適逢黑暗、小潮,昏暗的環境能稍微蒙蔽掠食者目光,加上小潮時海浪沒那麼強,精卵不至於馬上被沖散。

研究團隊經過長年自然觀察以及實驗條件的控制,終於找出珊瑚同步產卵的秘密,關鍵就在繁殖季的滿月日之後的黑暗期。圖1顯示滿月日之前,月光會抑制珊瑚產卵,圖2顯示滿月日之後,日落月昇中間的黑暗期,觸發了珊瑚產卵的條件。圖/PNAS

收到「暗」示後,珊瑚卵需要五天催熟

至於繩紋珊瑚科固定在滿月後五到八天產卵的微觀機制,研究團隊還在努力研究中,有可能與精、卵的成熟機制有關,以下是研究團隊針對觀察現象的推測。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

繩紋珊瑚科是雌雄同體,珊瑚蟲體內先產生精子與尚未成熟的卵子,當珊瑚接收到連續兩天黑暗的刺激,卵子的細胞核就會逐漸往卵細胞邊緣移動。整個過程稱作胚核遷移(germinal vesicle migration, GVM),需要花費五天左右。

胚核遷移完成後,卵細胞核會開始瓦解,耗時約莫三到四個小時,稱作胚核破裂(germinal vesicle breakdown, GVBD),此時卵細胞幾乎已經為受精做好準備。接著,成熟的卵子與精子會被打包在一起,變成叫做「精卵束」的構造。野澤洋耕提到,精卵束被珊瑚排出體外後,會一路浮到水面,畢竟精卵在二維的海面相遇機率要比在三維的水下空間來得大些。

精卵束在水面破裂,釋出的卵子只剩最後一個步驟:擠出細胞內的極體(polar body),就可以跟精子結合了。有趣的是,年輕的卵會優先跟不同珊瑚的精子結合;但時間一長,即使是同一個珊瑚的精子也會接受。「不然再等下去,不是被沖散就是被吃掉,受精機會只會越來越渺茫。」林哲宏補充地說。

成功受精後受精卵會沉到水裡,並發育成一隻具有纖毛、可以自由活動的實囊幼蟲。實囊幼蟲會花好幾天在海底尋尋覓覓,待找到合適的地點,就附著、變態成為再也無法隨意移動的珊瑚蟲。接著珊瑚蟲會不停地分裂、分泌碳酸鈣,長成一株株珊瑚。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
野澤洋耕副研究員解釋目前正在研究中的珊瑚產卵微觀機制。圖/研之有物

奇妙機緣讓多年研究心血登上國際期刊

「說起來實在幸運,原本稿子都投到其他期刊去了。」論文第一作者林哲宏笑著說,前一陣子日本學者高橋俊一來臺灣訪問交流,意外讓這次珊瑚產卵新發現得以刊登在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上。

琉球大學教授高橋俊一在中研院停留時,順道拜訪同鄉人野澤洋耕的研究室,閒聊之下發現兩人居然還是大學同學。「大學時我們僅是點頭之交,畢業後再也沒有對方消息了。」野澤洋耕表示,高橋俊一後來在琉球大學進行熱帶生物基因、分子領域研究;自己則是在中研院、綠島兩邊奔走,做珊瑚生態、行為調查,沒想到老同學會偶然在學術圈再度相遇。

在高橋俊一的建議之下,雙方合作將實驗擴展得更加完善。林哲宏提到,高橋提供一些安排實驗、投稿期刊的秘訣,像是在實驗室內與自然環境中重複出相同結果,增加成果的說服力;撰寫論文時盡量保守,只寫已經確定的內容,不要節外生枝;還有花心思修飾文字段落安排,保持耐心與審查委員溝通等等。

巧妙的緣分促成臺日研究團隊跨國合作,也讓野澤洋耕與林哲宏等人多年來勤奮研究的成果有機會能夠被刊登在重量級期刊中,讓珊瑚產卵真相可以得到更多注意。

珊瑚產卵研究需要長時間投入,野澤洋耕副研究員(中)與林哲宏博士後研究員(右)團隊多年研究成果,終於刊登在美國國家科學院院刊(PNAS)。圖/研之有物

艱難的生態研究柳暗花明,組成跨國團隊再出發

回想起當初因為潛水的興趣才選擇珊瑚當作研究主題,經過 20 多年後,野澤洋耕慢慢開始期待自己的研究,能為持續減少的珊瑚族群帶來些貢獻。野澤洋耕提到:「很開心可以在這裡研究,中研院的支持讓我沒有後顧之憂。」

解開環菊珊瑚的同步產卵之謎後,林哲宏接下來要到現任老闆的老同學:高橋俊一在琉球大學的實驗室,展開新的珊瑚研究計畫。而野澤洋耕表示,他還是會繼續協助林哲宏的博士後研究,因為這次主要聚焦在環菊珊瑚,他們還想知道同樣是繩紋珊瑚科的其他種類,是否也是因為黑暗刺激同步產卵;還有軸孔珊瑚滿月後不規律的產卵模式,以及缺乏光照反而不產卵的現象,背後是否有更多秘密。

另外值得一提的是,珊瑚產卵的成果發表後,野澤洋耕收到來自以色列巴伊蘭大學學者 Levy Oren 的來信。Levy Oren 是在紅海研究光害對於當地珊瑚族群的影響,他對這次刊登的研究內容非常感興趣,更期待有機會能合作。原本珊瑚產卵的主題,因為一年只有一次觀察產卵機會,還要天天夜間潛水調查,風險之高、過程之辛苦,讓許多學者望之卻步。如今野澤洋耕與林哲宏等人多年來的堅持有了回報,而且橫跨紅海、綠島、琉球三地的搶救珊瑚大冒險,就在前方等待著他們。

註解

註 1:因為月球繞地球轉的軌道不是正圓,因此每天月亮升起的延遲時間會依照月相時間(新月/滿月)和季節而有所變化,延遲時間大約從 30-70 分鐘不等。

延伸閱讀

研之有物│中央研究院_96
296 篇文章 ・ 3558 位粉絲
研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook