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驚艷!自然界最偉大的建築師

dr. i
・2013/11/27 ・876字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

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Retired Florida State University professor Walter Tschinkel

建築可以說是人類文明的表象,人類集聚所有智慧,創造它為了對抗天災和人禍(譬如說:戰爭),當然是個令人驕傲結晶。不過,自然界除了我們以外,也存在著偉大的建築師你知道嗎?

低頭往下看,也許就能猜到,是螞蟻!

佛羅里達州立大學的生物學教授華特.秦柯(Walter R. Tschinkel)是一位研究螞蟻的專家,他除了對螞蟻的生物特性很瞭解,對螞蟻世界的社會結構也很有研究。為了研究後者,他還想盡了辦法想要知道牠們的居住環境到底長什麼樣子,因為這樣可以有助於瞭解螞蟻的數目和牠們之間互動的關係。

所以他想出了一個辦法 – 灌鋁!

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老實說,這樣調皮的事情,很多十歲孩童都曾想過,但有什麼辦法?畢竟人家看你就是十歲。不過,當你有個大學教授的頭銜就不一樣囉,有人給你錢(研究經費)做個調皮鬼,還能養一批小調皮鬼(研究生),所以孩子們,好好努力讀書吧!

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當他們在野地找到螞蟻巢後,就地就把鋁塊燒到約攝氏650度,熔化成為液態,再將它灌注到螞蟻巢口。過幾分鐘後,等鋁都凝固了,再將個螞蟻聚落都挖出來!

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當然,裡頭的螞蟻也為科學犧牲了… 讓我們向牠們致敬…

秦柯博士的研究顯示,一個收穫蟻(Harvester Ants)的蟻巢可以深達約3公尺,並居住9千到1萬隻螞蟻。它的結構分成一層層的居住空間,而這一層層的空間隨著深度縮小,住的螞蟻也越年輕。

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早期他是灌入膠狀的液體,等凝固後再取出來,所以裡面的螞蟻還可以被研究人員數清楚,不至於被炙熱的液態鋁燒得死無全屍。

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你看!掛起來像不像是水晶吊燈呢?

秦柯博士對於科學和藝術有著深刻的體悟,他說:「事實上,科學裡頭存在著一般人無法想像的藝術。」

https://www.youtube.com/watch?v=uQmrjndeblo

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(資料來源:Journal of Insect ScienceUniversity of Florida
轉載自 :: dr. i ::  新發現 | 新科技 |  新生活 |  新藝術 欲轉貼請註明文章出處

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文章難易度
dr. i
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小時候的啓蒙師父是小叮噹,偶像是馬蓋先,並崇拜發明燈泡的愛迪生,當時志向是發明會飛的車。在歐洲旅居十二年後回台灣,目前投身科技與藝術的跨界整合以及科學教育和傳播,現任國立台灣師範大學科技與文創講座兼任助理教授。dr. i 一輩子最大的幻想,是能夠使用時光機和隱形風衣。如果您恰巧擁有其中一項,請拜託用以下的連絡方式連絡!http://facebook.com/newartandscience

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日曬雨淋2000年 古羅馬人的秘密建材
顯微觀點_96
・2026/01/28 ・3508字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文轉載自顯微觀點

火山灰掩蓋的龐貝古城中,科學家再度發掘價值非凡的考古地點:一座翻修重建中的民宅,其珍貴之處在於工地現場的工具與建材原料完好封存於西元79年,維蘇威火山爆發的時刻。現代科學家得以利用顯微鏡、能量散射X光譜(Energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS)、立體X光等科技深入分析原料成分,探究古羅馬建築工藝細節。

古羅馬建築物能夠長久矗立,建材韌性是不可或缺的關鍵。散布於帝國領土、綿長堅固的引水道(aqueduct)就是文明遞嬗中備受讚嘆的例子。其中數座引水道經歷修繕,迄今持續運作,西元前19年建立的少女水道(Acqua Vergine)今天依然為羅馬城內的噴泉供應來自20公里外的活水。

現代混凝土(concrete)具備抗壓、廉價、靈活等優點的同時,也有容易龜裂與腐蝕、難以修復等問題。現代高樓大廈需要以混凝土包裹鋼筋,才能達到維持近百年的高強度。尚未掌握鋼筋強化技術的古羅馬建築師,卻能以混凝土建造出核心架構長存超過2000年的大型公共建設,這種差異是材料科學家無法忽視的。

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View Of Great Theatre In Ruins Of Ancient Roman City Pompeii, Campania Region, Naples, Italy
龐貝古城中的大劇院遺跡。Source: Adobe Stock

偽裝成雜質的秘方:石灰塊

近數十年間,材料科學界普遍認為古羅馬混凝土(Roman concrete)原料中的火山灰(pozzolan)是其堅強韌性來源,因為加入水與熟石灰後,火山灰中豐富的二氧化矽(SiO2)與氧化鋁(Al₂O₃)可以形成水合矽鋁酸鈣(C-A-S-H. Hydrated Calcium Aluminosilicate)或水合矽酸鈣(C-S-H. Hydrated Calcium Silicate)膠體,提升羅馬混凝土的強度與耐腐蝕性。

但是,水合矽酸鈣並非羅馬混凝土所特有,今日最常見的混凝土原料「波特蘭水泥(Portland Cement)」就飽含矽酸鹽,與水混合後也能形成強化結構的C-S-H膠體。且現代混凝土也能展現水泥帶來的微弱自癒能力,但波特蘭水泥建成的現代建築,預估壽命大多不到百年,遠不如以穩固穹頂籠罩信徒千年的羅馬萬神殿。

2023年,麻省理工大學(MIT)材料科學家馬西奇(Admir Masic)研究團隊發表對古羅馬建材的成份分析,指出羅馬混凝土中特殊的「石灰塊(lime clasts)」提供了材料自癒能力,可能是古羅馬公共建築屹立不搖的關鍵。

石灰塊在顯微鏡下看來是數毫米大小的白色石塊,過往被材料科學家認為是羅馬混凝土品質控管不嚴的產物,但是馬西奇團隊的目光停留在這些未曾被科學界細究的「雜質」上。

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Eds分析 Sa
以能量散射X光譜檢驗普里維儂的牆壁砂漿,會發現富含鈣質(紅色)的大塊石灰顆粒,周遭則有鈣、硫(黃)形成的環狀自癒痕跡。Source: Source: Linda M. Seymour et al. ,Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concrete.Sci. Adv.9,eadd1602(2023). CC by 4.0

馬西奇團隊指出,在古羅馬學者維特魯威(Vitruvius)和老普林尼(Pliny the Elder)的記載中,當時對混凝土原料之一的石灰石(limestone, CaCo. 碳酸鈣)純化標準相當嚴格,成品必須要呈現純白粉狀。因此他們認為,混凝土中普遍存在的石灰塊不是古羅馬建材商品管鬆散所致,而是刻意加入的材料。

馬西奇團隊前往義大利中部普里維諾(Privernum)的古羅馬遺跡進行採樣,遺跡牆壁使用的砂漿(motar, 水泥混合水與砂礫等材料,比混凝土少了碎石等骨材,其他成分相近)中散佈著比水泥基質顆粒更大的亮白石灰塊。

科學分析 確認熱混合法

透過以能量散射X光譜(EDS)、X光散射、共軛焦拉曼光譜、掃描式電子顯微鏡分析這些構成牆壁近2000年的砂漿,研究團隊發現其中的石灰塊主要以鈣質構成,而且是來自生石灰(CaO, quicklime),現代建築工法已不再將這種材料加入混凝土中。

馬西奇論及,基於史料與現代技術,多數人相信古羅馬建築工使用熟石灰(Ca(OH)2, slacked lime. 氫氧化鈣,來自生石灰加水)混合火山灰、水以及其他骨材形成混凝土,類似現代工法。但透過精密儀器分析樣本成份,他推論古羅馬帝國曾採用熱混合(hot mixing)技術,以生石灰取代/混入熟石灰,與其他材料、水混合製成混凝土。

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在熱混合過程中,生石灰不會全數與水反應產生熟石灰與熱能,部分會形成不均勻分布的細小石灰塊。而這些石灰塊在混凝土乾燥的同時,會經歷表層的水化、擴張,最終碳酸化成為較為穩定的碳酸鈣外層。而石灰塊內層則保持著生石灰(CaO)的狀態與活性。

水流引發雙重自癒機制

石灰塊 Sciadv
石灰塊在古羅馬混凝土中的自癒運作機制。Source: Linda M. Seymour et al. ,Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concrete.Sci. Adv.9,eadd1602(2023). CC by 4.0

構成建築物的羅馬混凝土若受到強大拉力,產生裂隙,諸多石灰塊的穩定外層很可能隨之裂開,並暴露出飽含生石灰(CaO)的核心。在自然降雨之下,經過石灰塊核心的水流會獲得鈣離子,並使鈣離子與周遭的基質反應,在裂縫中形成碳酸鈣,使裂縫在延伸擴大之前就被填補。

裂縫中飽含鈣離子的水流,也能在混凝土中的火山灰顆粒旁引發火山灰反應(pozzolanic reaction),生成穩固的水化矽鋁酸鈣或水化矽酸鈣,對裂縫產生「癒合」效果,讓整體結構更加強韌。馬西奇稱這種定型後發生的火山灰反應為「後期火山灰反應(post-pozzolanic reaction)」,與製作混凝土的反應作出區別。

馬西奇團隊更採用實驗觀察熱混合技術對古羅馬混凝土和現代混凝土強韌度的影響。他們將不同工法製成的混凝土柱從中分裂,造成5公厘的裂縫,再讓水流持續流經裂縫30天。

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未使用生石灰進行熱混合的混凝土柱,僅出現一般水泥具有的小幅自癒能力,稍稍縮小裂縫。而具有石灰塊的古羅馬混凝土柱,則持續癒合,在水流第20天左右完成自我修復,水流幾乎完全無法通過。

多方驗證 重譯權威史料

古羅馬混凝土驚人的自癒能力引發熱議,並非所有材料科學專家都認同以生石灰為核心的熱混合理論。

更啟人疑竇的是,熱混合法並不符合維特魯威記錄的熟石灰建築工法。他在公元前30年左右著作的《建築十書》(De architectura)是唯一流傳後世的古歐洲建築著作,從文藝復興以來,就缺少足以挑戰其權威的建築史料,遑論馬西奇團隊基於成分分析的理論。

馬西奇團隊為了奠定更強的論證基礎,在2024年前往龐貝古城尋找證據。他們在民宅工地遺跡發現的建材原料,正包含熱混合工法的原料:生石灰與火山灰的乾燥混合物。這些原料與建築工具一起堆放在尚未完成的牆體旁邊,被公元79年噴發的火山灰封存至今。

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馬西奇團隊透過偏振光顯微鏡、電子顯微鏡等分析方法比對乾燥材料堆、未完成的牆體、已完成的牆體,確認了這些預拌的熱混合材料與牆體的混凝土、砂漿成分相符,支持他們的假說:古羅馬帝國龐貝城在公元前79年以熱混合工法製作混凝土。

這項材料科學考古發現不僅補充了古代建築史料的缺漏,也創立了新的建築材料理論,為未來的建築材料提供自癒功能的靈感。或許在數年之內,具備自癒能力、壽命長達上百年的大型建築就會動工。而人們也能期待更加環保、安全、需要遠見的都市規劃。

萬神殿穹頂 Wiki
羅馬萬神殿(Pantheum)穹頂,古羅馬人單純以混凝土建構出如此宏偉結構,並歷久不衰,是現代人依然讚嘆的建築奇蹟。Source: WikiMedia CC BY-SA 4.0

馬西奇團隊透過多樣方法及跨領域探索,穿越時空檢驗了古羅馬熱混合法工藝的假說。他們在遺跡搜索考古證據,以科學分析技術交替分析樣本,更研讀古羅馬史料,發現維特魯威與老普林尼雖然以 ’macerata’ 敘述以水消化生石灰,製作出熟石灰的過程。但維特魯威提及建築結構用的石灰消化過程,會轉而採用 ’extincta’ 一詞。

儘管在文獻中的古代拉丁文 macerata 和 extincta 都被用來指稱「生石灰加水消化為熟石灰」,並未在考古學界與材料學界引起太多注意。但馬西奇團隊懷疑,這種字眼的轉換可能暗示了古羅馬建築結構中的石灰並非來自「先製成熟石灰,再混入水與其他原料」,而是「生石灰直接混入水與其他原料」的熱混合工法。

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就如馬西奇團隊最新論文提及的,即使是古代文獻,也無法盡錄古羅馬從共和時期到帝國時期的建築文化變遷。透過顯微鏡與X光譜等現代科技,搭配古遺跡的妥善保存與發掘,我們今日依然有機會理解千年前的人類,如何利用更有限的科技,達成宏偉巧妙的文明成就。

參考資料

  • Linda M. Seymour et al. ,Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concrete.Sci. Adv.9,eadd1602(2023).DOI:10.1126/sciadv.add1602
  • Vaserman, E., Weaver, J.C., Hayhow, C. et al. An unfinished Pompeian construction site reveals ancient Roman building technology. Nat Commun 16, 10847 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-66634-7
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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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當水泥叢林長出了「自主意識」:為什麼智慧建築是人類居住的終極演化? 
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/12/23 ・3985字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文為 內政部建築研究所 廣告

從「死」的殼,到「活」的有機體 

當我們談論「建築」時,你的腦海中浮現的是什麼?是鋼筋混凝土構成的冰冷牆壁?還是僅僅能遮風避雨的空間? 在過去的數千年裡,建築被視為「被動」的存在。它們靜靜地在那裡,承受日曬雨淋,等待人類去開窗、去點燈、去調整空調。如果這棟房子是一具軀殼,那麼過去的它,是沒有靈魂、沒有神經的「死物」。 

因此,當我們想要在建築上減少碳排,往往都是些很被動的過程:降低建造時的碳排、減少用電。 

然而,隨著科技的發展,我們正站在一個歷史的轉折點上 。智慧建築(Intelligent Building)是指藉由導入資通訊系統及設備之手法,使空間具備主動感知(Active Sensing) 的智慧化功能,以達到安全健康、便利舒適、節能永續目的之建築物。這意味著,如果你還認為智慧建築只是裝了自動門或聲控燈的房子,那你可能完全低估了這場演化的幅度。智慧建築正在從一個被動的「殼」,演化成一個具備生命特徵的「有機體」。 

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為什麼我們需要這種演化? 首先是為了生存。在全球追求「臺灣 2050 淨零排放路徑及策略」的背景下,建築物作為能源消耗的大戶,必須變得更聰明才能達成節能永續。其次是為了照護。面對高齡化社會的挑戰,建築必須具備「健康管理」的能力,主動守護居住者的生理狀態。最後是為了安全。在氣候變遷導致的極端天氣與地質風險下,建築需要更敏銳的神經系統來預判災難。 

內政部建築研究所特別訂定《智慧建築評估手冊》,指明智慧建築的評估指標。 只是堆砌昂貴電子設備的,不能再稱為智慧建築,而必須是人類為了回應環境劇變,利用資通訊系統(ICT)作為人工神經,賦予空間「看、聽、思考」的能力,終極目標只有一個:在最節能的狀態下,提供人類最安全、健康、便利的生存環境 。 

神經系統:光速傳遞的感知網絡 

一個聰明的生物,首先要有發達的神經系統。在智慧建築的架構中,這被稱為「基礎設施指標」 。這套系統是建構智慧建築中各項系統連結、溝通與傳輸所需的資通信網路架構。 

建築物內的垂直主幹佈線必須採用「光纖化架構設計」。光纖(Fiber Optics)不僅具備極高的傳輸頻寬,更擁有體積小、易擴容、抗干擾的特性 。這就像是生物演化出粗壯且傳導極快的中樞神經,確保海量數據能在建築大腦與感測器之間順暢流動。 

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除了有線的骨幹,智慧建築還佈建了全方位的無線傳輸網絡。這要確保電梯內、地下室等每個角落都有強穩的訊號,這是智慧建築與外界溝通的基本本能。再來,還要建構無線物聯網(AIoT),利用 Bluetooth、ZigBee 或 NB-IoT 技術,將環境中的微小變動——如空氣品質、溫溼度或設備運轉資訊——匯集到數據庫 。 

物聯網是智慧建築的關鍵。圖片來源:Shutterstock 

還有,智慧建築的神經系統設計必須考慮「未來」,也就是「擴充性」與「備援機制」。當主路由斷訊時,備援網路必須在毫秒間接管,確保數據不中斷;當新的 AI 技術出現時,現有的光纖架構還要能輕易升級 。這種設計讓建築具備了神經的可塑性,能隨著科技的進步而持續進化,而不是在完工五年後就變成了科技廢墟。 

此外,為了保護這套脆弱的神經系統,資訊安全也被提升到了基礎設施的核心位階 。這包含了防火牆、雙因子認證,甚至是非對稱的區塊鏈加密機制,確保建築的感知數據不會被外部駭客竄改或截斷 。 

大腦與意識:從數據到預判的維運智慧 

有了神經,還需要大腦。智慧建築的維運管理(Operation Management)系統,就是它的核心意識所在。 現在,建築的大腦不再只是被動地接收訊息,而是具備了自我意識的雛形。它透過整合 BIM(建築資訊模型)與數位孿生(Digital Twin)技術,在虛擬世界中建立了一個一模一樣的自我 。 

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這份「意識」並非從交屋那天才開始,而是從施工階段就開始孕育。在建造過程中,智慧建築就已經開始記錄自己的成長過程。資材追蹤能確保每一根鋼筋、每一方水泥都符合設計標準 。 這些數據最終匯集成「靜態數據庫」,成為建築一生中最重要的「初始記憶」。 

當建築進入營運階段,它的大腦開始處理大量的動態數據。最神奇的功能在於預測性維護。傳統建築是等電梯壞了才修,但智慧建築能分析馬達的震動與溫度曲線,在故障發生前兩週就發出預警,通知維修人員進行「預防性治療」。這不僅讓維修成本更低,也讓居住更安全與可靠。 

免疫與反射:毫秒級的生存本能 

關鍵來了,在「生物」的定義中,「反應」是一個關鍵要素。當危險來臨時,生物會本能地閃避或應對。智慧建築在「安全防災(Safety & Disaster Prevention)」指標中,演化出了強大的免疫系統與反射神經 。 

這套系統的核心在於偵知、顯示、連動的鐵三角架構 。 

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  • 偵知(Sensing):它具備火警感知、地震感測、用電異常偵測甚至漏水偵測的能力 。 
  • 顯示(Display):一旦察覺異樣,它會立即在公共空間、手機 APP 甚至住戶內的影音對講裝置發出告警訊息 。 
  • 連動(Linkage):這是最關鍵的「反射行為」 。 

假設有一場火災發生。智慧建築的感測器嗅到煙霧的瞬間,它會啟動一連串複雜的生理反射: 

  • 切斷威脅:自動關閉瓦斯閘門,關閉非必要的用電迴路以防二次災害 。 
  • 開闢通路:解除逃生動線上的所有門禁管制,並控制昇降機自動停靠避難層 。 
  • 引導逃生:啟動閃滅型或聲響型避難方向指示燈,主動引導人員往遠離起火點的方向移動 。 
  • 連動影像:防災中心會自動跳出火場即時影像,讓指揮人員能瞬間掌握真相 。 

這種像是科幻電影中太空船的「毫秒級」連動,能將人為判斷錯誤的可能性降到最低,與時間賽跑,保護生命。 

除了應對自然災害,建築也具備針對「人為威脅」的免疫力。 透過影像辨識、電子圍籬與防盜警報系統,建築能區分住戶與入侵者 。當發生入侵或求救訊號時,系統會立即連動周遭的照明與廣播設備,進行嚇阻並同步錄影存證 。甚至連地下室的有害氣體(如一氧化碳)濃度過高時,建築也會自動啟動送排風設備進行「排毒」 。 

智慧建築也能保護「人」的安全。圖片來源:Shutterstock 

這就是智慧建築的生存哲學:它不僅是一個避難所,它本身就是一個會主動防衛的戰士。 

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代謝與恆定:與地球共生的節能哲學 

作為一個龐大的能量消耗體,智慧建築懂得如何精準地調節自己的能量代謝。這對應的是「節能管理(Energy Management)」指標 。 

節能不再只是換裝 LED 燈具那麼簡單,而是進入了智慧化管理的層次。 

  • 智慧需量控制:透過能源管理系統(EMS),建築能即時預測用電峰值。當電力負擔過重時,它會主動調降非必要區域的空調或照明強度(卸載),甚至釋放儲能系統中的電量,以達成平滑負載的效果 。 
  • 再生能源與創能:智慧建築會利用太陽能或小水力發電來補充體力,並將這些綠色能量納入整體的能源調度計畫中 。 

在 AI 時代,這些智慧化管理都迎來了超進化。建築會自動分析過去的用電數據,模擬不同的環境參數(如室外溫度、日照強度、人流量),預測出最省電的運行模式 。這種精準的能耗管理,除了省電費,更是為了達成 2050 淨零排放的生存策略。 

建築是淨零的重要關鍵。圖片來源:Shutterstock 

節能的同時,住在裡面的我們也要感到舒適。就像恆溫動物需要維持體溫恆定,智慧建築也致力於維持室內環境的恆定性。這就是健康舒適(Health & Comfort)指標的核心 。 

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  • 環境狀態偵知:感測器不僅監控溫溼度,還監控二氧化碳濃度、PM2.5、TVOC(總揮發性有機物)以及光環境照度 。 
  • 設施連動控制:當感測到室內二氧化碳過高時,它會主動引進外氣;當窗外日照過強時,它會自動調節遮陽板角度或調光控制燈具 。 
  • 水環境管理:它甚至會監測水箱的水質與酸鹼值,確保流向你手中的每一滴水都是安全的 。 

這種「以人為本」的調節,讓居住者能處於最舒適、最健康的狀態,讓建築真正成為一個能呼吸、會調節的有機生命體。 

它不只是建築,它是你的生存夥伴 

演化從未停止。當建築智慧化程度不斷提高,過去許多我們認為僅與施工階段有關的項目,也可以納入管理,方便我們計算建築完整生命週期的碳排放。例如是否使用預鑄工法來減少施工廢棄物與工時、是否使用到了具備感知與自修復能力的智慧建材、甚至是跨建築的數據群管理的智慧管理雲平台。智慧建築正在打破單一建築的界限,向智慧社區、智慧城市張開聯網。 

建築是我們遮風避雨、休息的所在。但在這個氣候變遷劇烈、能源稀缺且人口老齡化的時代,傳統建築已經漸漸無法滿足人類的生存需求。我們需要的不再只是一個遮風避雨的洞穴,而是一個有神經、有大腦、懂代謝、且具備強大生存本能的智慧有機體。 

智慧建築會在你感到悶熱前為你開啟微風,會在危險來臨時為你開闢生路,會在能源短缺時為地球精打細算。它不只是你住的地方,它是你的守護者、你的管家,更是你在這個複雜世界中,最親密、最可靠的生存夥伴。這,就是智慧建築存在的真正意義。 

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露兜樹象鼻蟲的身世之考察——分類學家偵探事件簿(四)
蕭昀_96
・2023/12/25 ・3950字 ・閱讀時間約 8 分鐘

一般大眾或甚至其他領域生物學家們,對於基礎生物分類學家的刻板印象,無非是常常在顯微鏡下進行形態解剖比較來鑑定物種、描述並發表新物種,或者常常東跑西跑去採集標本,頂多是抽取遺傳物質進行 DNA 分析。然而一位稱職的分類學家,為了搞清楚物種學名的分類地位,將整個命名系統修訂成一個穩定並適合大家使用的狀態,往往需要做大量的歷史文獻,造訪各大博物館並進行模式標本考察,其中的繁瑣和複雜程度,往往令人出乎意料。

再讓我們複習一次模式標本是什麼和其重要性?

如果有閱覽過這系列的文章便會很清楚的知道,模式標本是物種發表時的實體存證,是學者對分類地位有疑慮時,用以判別的客觀證據。每個物種都有其模式標本,而每個屬也有其模式物種,是判定該屬別的決定性物種,模式種和模式標本是進行物種與屬別層級的基礎分類研究時,不可或缺的重要資訊。

這個故事的主角是一類來自南亞和東南亞的露兜樹象鼻蟲,本文將講述其模式標本和背後歷史脈絡的考察,以及我們對於分類處理過程的案例分享。

分布於南亞、東南亞的露兜樹象鼻蟲和研究緣起

露兜樹科(Pandanus)為分布於東半球的亞熱帶及熱帶地區的灌木或喬木植物,其中林投(Pandanus tectorius)具有抗風、耐鹽的特性,是常見的海岸防風定砂植物,而俗稱斑蘭葉(pandan)的七葉蘭(Pandanus amaryllifolius),則是東南亞常見的料理與糕點製作材料,而南亞和東南亞的露兜樹上棲息著一群黑色扁平的小型象鼻蟲——露兜樹象鼻蟲(Lyterius)。

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露兜樹是東半球的亞熱帶及熱帶地區的灌木或喬木植物。(攝/B.navez from Wikipedia)
小小扁扁的露兜樹象鼻蟲(Lyterius)是與露兜樹有伴生關係的特別物種。(圖/論文原文)

而故事的緣起可追溯到 2022 年,當時筆者正在澳洲進行博士論文題目「澳洲蘇鐵授粉象鼻蟲的多樣性與演化」的研究,我們意外地發現澳洲的蘇鐵授粉象鼻蟲與東南亞產的露兜樹象鼻蟲親緣關係接近,因此我們便想進一步探究本類群的分類。在我們初步搜索模式標本時,我們驚奇地發現德國象鼻蟲學者延斯・普雷納博士 Dr. Jens Prena 似乎曾經有研究過這類象鼻蟲,出於好奇,我們聯繫了普雷納博士,進而開啟了本類群錯綜複雜的分類歷史考察之旅。

露兜樹象鼻蟲分類研究的現存問題

首先露兜樹象鼻蟲的分類問題分成兩個面向,一個是屬別層級的,而另一個是物種層級的。屬別層級的問題比較簡單,我們發現露兜樹象鼻蟲屬有三個相關的屬別,分別為 Lyterius Schönherr, 1844、Barisoma Motschulsky, 1863 和 Plaxes Pascoe, 1885,根據牠們形態的相似性和地理分布的重疊,我們認為牠們應該被合併成單一屬別,也就是說只要我們確認三個屬別的模式種都是屬於同一個屬別後,那自然我們就能依照優先權原則,把 1863 年發表的 Barisoma 和 1885 年發表的 Plaxes 處理為最早發表的 Lyterius 的同物異名。

但是!分類學研究最困難的就是這個但是!

我們雖然追蹤到 Barisoma Plaxes 的模式種和其模式標本,但是 Lyterius 的模式種問題,卻將這個研究的難度拉向了另一個層面——也就是物種層級的問題。

模式標本來源和流向超級複雜的 Lyterius

Lyterius 這個屬別是由瑞典昆蟲學家卡爾・約翰・舍恩赫爾(Carl Johan Schönherr)於 1844 年所提出,並以 Rhynchaenus musculus Fabricius, 1802,這個 1802 年由丹麥昆蟲學家約翰・克里斯蒂安・法布里丘斯(Johan Christian Fabricius )所發表的種類作為模式物種。他的合作對象瑞典昆蟲學家卡爾・亨利克・博赫曼(Carl Henrik Boheman)也在同一本書中使用了 Lyterius musculus (Fabricius, 1802) 這個學名組合,同時他將德國昆蟲學家弗里德里希・韋伯(Friedrich Weber)在 1802 年所描述的 Curculio abdominalis Weber, 1801 也拉進這個屬別,學名組合變成 Lyterius abdominalis (Weber, 1801) ,並且描述一個菲律賓的新物種 Lyterius instabilis Boheman in Schönherr, 1844 。這其中最為複雜難解的,便是 Lyterius musculus (Fabricius, 1802) 和 Lyterius abdominalis (Weber, 1801) 之間的關係了,因為這兩個物種的模式標本來源,都源自於達戈貝爾特・達爾多夫 Dagobert Karl von Daldorff 這位在俄羅斯出生,擁有德裔血統的丹麥博物學家,在 18 世紀末葉任職丹麥東印度公司時,於 1795 年在蘇門答臘的一次採集。

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除了我們常常聽到的荷蘭、英國東印度公司,丹麥也曾經創立了東印度公司。(攝/Wikipedia)

根據我們對於 19 世紀初期的歐洲甲蟲分類歷史文獻的爬梳,達爾多夫在蘇門答臘的標本被帶回歐洲後,應該至少被他贈與或交換給五位學者或機構,而這五位學者就包含剛剛提到的德國昆蟲學家弗里德里希・韋伯(Friedrich Weber),以及丹麥昆蟲學家約翰・克里斯蒂安・法布里丘斯(Johan Christian Fabricius),這兩位顯然同時對這批標本進行分類學研究。

令人存疑的 Lyterius abdominalisLyterius musculus

因此第一個疑點就是,韋伯和法布里丘斯分別在 1801 年和 1802 年用達爾多夫所採集的同一批蘇門答臘象鼻蟲標本,發表了後來在 1844 年被博赫曼放在同一個屬別的物種 Lyterius abdominalisLyterius musculus,這讓人很難不懷疑,這兩個名字會不會根本就是同一個物種,這在當年資訊不流通、分類研究還很粗淺的年代,是非常容易發生的事情。

而支持這樣想法的關鍵則有二,首先德國昆蟲學家約翰・卡爾・威廉・伊利格(Johann Karl Wilhelm Illiger)其實在 1805 年的著作中,就已經提出這兩個物種是同一個物種的論點了,然而這項分類處理卻被博赫曼在 1844 年的著作中,不明地忽略了。雖然博赫曼不小心遺漏了伊利格的分類處理,他卻也在看過兩種的模式標本後,在他那 1844 年的著作中,提出了兩個物種只不過是同一個物種的雄蟲和雌蟲的猜想,然而因為他手邊就只有兩隻標本,一隻是雄的 Lyterius abdominalis ,一隻是雌的 Lyterius musculus ,因此他無法下這個決定情有可原,而我們如今已經知道露兜樹象鼻蟲有很明顯的雌雄二形性,雄蟲的口喙比較短,且足部的前腳腿節有明顯的突起,博赫曼的猜想不證自明。

總而言之,從上述的歷史文獻爬梳,我們可以從

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  1. 韋伯和法布里丘斯研究的都是同一批蘇門答臘採集的標本
  2. 同時代的伊利格和後來的博赫曼都直接或間接的認為 Lyterius abdominalisLyterius musculus 是同一個物種

來推斷,這兩個種類很有可能是同一個種類!

瑞典昆蟲學家卡爾・亨利克・博赫曼。(攝/Wikipedia)

找不到模式標本啊!

在爬梳大量文獻後,我們同時也造訪歐陸各大標本蒐藏去尋找這些物種的模式標本下落。我們很幸運的在德國基爾的動物學博物館找到兩隻 Lyterius musculus 的總/群模式標本。然而,在尋找 Lyterius abdominalis 模式標本的過程中卻碰了壁,不管是文獻還是實際探訪,幾乎都找不到韋伯收藏的下落,韋伯所發表的模式標本有極大的可能已經遺失了,那要怎麼辦呢?

分類學家的決策

雖然沒辦法找到 Lyterius abdominalis 的模式標本,然而我們從以上的間接證據,可以合理相信 Lyterius abdominalisLyterius musculus 就是同一個物種。為了最適當的處理分類議題,穩定整個分類命名系統。我們使用了一個技術性的分類學處理,首先我們指定了 Lyterius musculus 的選模式標本,並且我們將「這一個」標本,再次的指定為 Lyterius abdominalis 的新模式標本,這個時候,這兩個學名便產生了動物命名法規上所謂的「客觀同物異名(objective synonym)」關係,相較於分類學家自行主觀認定的同物異名(主觀同物異名 subjective synonym ),客觀同物異名指的是用同一個標本發表不同學名的狀況,這樣這兩個名字無庸置疑的是同物異名關係,只有最早被發表的名字有優先權,因此我們的 Lyterius abdominalis (Weber, 1801) 獲得了優先被使用的地位,也成為露兜樹象鼻蟲屬的模式種。經由這一波操作,我們確立了 Lyterius 的模式和包含的物種,也因此我們終於能進一步處理剛剛提到的 BarisomaPlaxes 的同物異名,最後我們可以大聲的說:露兜樹象鼻蟲屬的學名是 Lyterius Schönherr, 1844 !

番外篇的 Plaxes 模式標本調查

另外一方面,我們在調查 Plaxes 的模式標本時,也發現到其模式種 Plaxes impar Pascoe, 1885 的總/群模式標本散落在英國倫敦自然史博物館、德國柏林自然史博物館、德國德勒斯登森肯堡博物館、義大利熱拿亞自然史博物館、澳洲國立昆蟲館,幾乎涵蓋了半個地球。這些標本可以分為來自婆羅洲砂拉越和蘇門答臘的標本,採自砂拉越的標本無疑是一個獨立的物種,我們也指定砂拉越的總/群模式標本為本種選模式標本。而來自蘇門答臘的標本,無獨有偶地都和 Lyterius abdominalis 是同一個物種,顯然這個物種在蘇門答臘當地是個常見的物種,這又再次加強我們上面提到的,達爾多夫所採集的同一批蘇門答臘象鼻蟲標本應該就只有一種露兜樹象鼻蟲的推測。

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這個研究重新梳理了露兜樹象鼻蟲的分類歷史並考察了歷史文獻和模式標本,最終作出了適宜的分類學處理,為亞洲地區的象鼻蟲研究推進了一步。

  • 本論文日前已經線上刊載於《動物分類群 Zootaxa 》
  • 此文響應 PanSci 「自己的研究自己分享」,以增進眾人對基礎科學研究的了解。

參考資料

  • Prena, J., Hsiao, Y., Oberprieler, R.G. (2023) New combinations and synonymies in the weevil genus Lyterius Schönherr (Coleoptera, Curculionidae), with a conspectus of historical works on Daldorff’s Sumatran beetles. Zootaxa 5380(1): 26-36. https://doi.org/10.11646/zootaxa.5380.1.2
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蕭昀_96
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澳洲國立大學生物學研究院博士,在澳洲聯邦科學與工業研究組織國立昆蟲標本館完成博士研究,目前是國立臺灣大學生態學與演化生物學研究所博士後研究員,曾任科博館昆蟲學組蒐藏助理。研究興趣為鞘翅目(甲蟲)系統分類學和古昆蟲學,博士研究主題聚焦在澳洲蘇鐵授粉象鼻蟲的系統分類及演化生物學,其餘研究題目包括菊虎科(Cantharidae)、長扁朽木蟲科(Synchroidae)、擬步總科(Tenebrionoidea)等,不時發現命名新物種,研究論文發表散見於國內外學術期刊 。