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哥吉拉會越長越大嗎?

陸子鈞
・2014/05/25 ・2837字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 538 ・八年級

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沈睡了至少十年,日本鎮國神獸哥吉拉再度於銀幕上甦醒。自從哥吉拉在1954年初登場,短短半世紀,哥吉拉從50公尺、2萬噸,長到現在100公尺5.5萬噸。這次他以英雄之姿、帥氣的背影跟大家告別,未來登場會變得更大隻嗎?——肯定會!哥吉拉可是怪獸片的「巨」星ㄟ。而且如果19世紀的古生物學家愛德華柯普晚一百年出生,他也會預期哥吉拉將越來越大。

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愛德華柯普(Edward Drinker Cope,1840~1897)是一位古生物學家與比較解剖學家,研究產量驚人,一生發表過1400篇論文,命名超過1000種脊椎動物化石種類。閱骨無數的柯普,認為「動物族群譜系會隨著演化歷程而體型漸大」,這被稱作「柯普法則」(Cope’s rule)。

雖然柯普只是從同類群不同時期的化石型態演進歸納出這項法則,並沒有提出更多證據支持動物會朝體型大的方向演化。此外,也有其他科學家認為,因為大型骨骼比較容易形成化石,而且地質年代越近的化石就越可能保存,所以才有「化石越來越大」的現象;體型是否隨著演化越漸增加,還有待商榷。不過大體型確實有些優勢能夠提高適存度(fitness),從生存、生殖上的優勢產下更多大體型的後代,像是大體型容易擊退競爭者、容易抵抗掠食者,也因為比表面積降低 [註1],能量的利用效率也較高。以哥吉拉來看,從二代目的對手海魔大章魚(全長30公尺)、金剛(身長45公尺)、恐龍安基拉斯(Anguirus)(身長60公尺)……到最新九代目哥吉拉能夠捕食135公尺高的輻射怪蟲,看起來確實大體型能夠在打鬥上帶來優勢,足以對抗同樣受柯普法則還有怪獸片法則而逐年增大的怪獸。

不過大體型也給動物帶來一些限制,這得先提到r/K選汰( r/K selection)。r是指族群成長的最快速度,K則是環境能承載的族群最大量。假如是r選汰物種,那麼牠們的生殖策略傾向於世代短、快速產下很多胎、對單一子代的生殖投資少,也因此子代的夭折率很高;簡單來說,是靠「海選」來挑出適合生存的後代,像是老鼠。K選汰的物種在生存戰爭上打的則是「菁英策略」,親代對子代的生殖投資較高,子代的存活率較高,但也因此子代數量不多,而且世代較長,達成熟的時間較晚,像是大象。大體型的動物多為K選汰的物種。

1998年的酷斯拉(Godzilla [註2]),就可以看得出來她投資了多少親代照顧(parental care)。為了讓小孩取得美國籍一圓美國夢,酷斯拉泳渡太平洋,而且還大老遠選擇了在東岸紐約登陸產卵(不知道她是不是走巴拿馬運河……);還可能考慮到學區,產卵的地點選在麥迪遜廣場;產卵前還找了一大堆魚佈置在四周。而小酷斯拉不愧是含著金槍魚金湯匙出生,孵化沒多久就有約2公尺高,而且可以到處追著路過的生物學家(馬修·柏德瑞克飾)跑,顯示親代對小孩的投資讓牠們生來就成為優秀的獵食者,踏上食物鏈金字塔頂端,十足K選汰的策略。

不過我們不太能從這部作品就斷定日產哥吉拉(同樣叫Godzilla)的繁殖策略就是如此,因為在2001的電影《大怪獸總攻擊》中,日本軍隊提到:「美國人認為攻擊紐約的是哥吉拉,但日本科學家對此說法存疑。」而且在2004年的電影《哥吉拉 最後戰役》中,一隻外表看似酷斯拉的怪獸-吉拉,在攻擊雪梨時,一下就被日產哥吉拉打敗。顯示酷斯拉跟哥吉拉應該是不同物種。[同樣看註2]

1998年電影《酷斯拉》中,出生沒多久就很具獵人風範的「小酷斯拉」。
1998年電影《酷斯拉》中,出生沒多久就很具獵人風範的「小酷斯拉」。

影響動物體型演化的因素不只這些。2011年科學家發現,隨著全球暖化,許多種類的生物體型縮小了!國立新加坡大學(National University of Singapore)的生態演化學家比克佛德(David Bickford),和阿拉巴馬大學(University of Alabama)的保育生物學家謝里登(Jennifer Sheridan),他們在綜合了過去的諸多研究後發現,從植物(2種)、魚類(8種)、陸生爬蟲類(3種)、鳥類(19種)到哺乳類(6種),都有物種因為近幾十年來的氣溫升高而體型變小 [1, 2]。而且從古生物的研究中也發現,5580萬年前的「古新世–始新世氣候最暖期」(Paleocene-Eocene Thermal Maximum,PETM),當時的甲蟲、蜘蛛、地鼠化石也比較小。

科學家還不確定為何暖化會使得生物體型縮小,不過他們推測,其中一項原因和食物來源有關。以植物來說,暖化帶來的乾旱使得植物生長受限(請參考〈氣候變遷已經危害到農作物〉),或者高溫濕熱的環境讓植物更容易受到疾病侵襲(請參考〈氣候變遷造成小麥更容易感染疾病〉),進而影響食物鏈中的一級消費者或二級消費者。在海洋生態系中也有類似的情形-一種饒足類,過去40年內生長速度和發育速度因為溫度而有不同程度的改變,生長速度跟不上發育速度,使得個體都以比較小的體型達到成熟 [3, 4]。由於饒足類是海洋生態系的基礎生物,所以可以預期這樣的改變會影響海洋生態系的其他動物體型。不只是食物來源減縮,2012年還有一則研究發現,根據溶氧量模型,如果暖化持續發生,海洋溶氧量隨之減少,那麼數百種魚類可能因為無法負荷大體型的生理代謝而體型縮小超過24%。[5, 6]

早已突破生物力學限制的哥吉拉(請參考《空想科學讀本 1》第一部),究竟體型會越來越大還是受全球暖化的影響而縮小?我想最重要還是「人擇」(Human selection)的力量。美國北卡國家演化綜合研究中心(National Evolutionary Synthesis Center in North Carolina)的專家Craig McClain提到,使哥吉拉在系列電影中體型年漸增大的原因,很可能跟摩天大樓的發展有關 [7];為了使哥吉拉在城市中保持「巨大」的體態,就得增加身高,讓他繼續受到觀眾的青睞而「活下來」。如果哥吉拉未來得去對抗的怪獸所在的城市林立著百公尺高的大廈,那麼現在108公尺的身高似乎就顯得不夠力。

不同年間幾座著名高樓的高度。
不同年間幾座著名高樓的高度。

備註:

  1. 比表面積,是指物體體積增加,但表面積沒有成等比例增加。舉例來說,1立方公分的正立方體表面積是6平方公分,8立方公分的正立方體,表面積是24平方公分,到了27立方公分的正方體,表面積僅增加到54平方公分。對生物個體層次來說,表面積影響到散熱效率,所以體型越大的生物,比表面積項對較小,散熱較慢,進而影響生理功能。
  2. 1998年美版的酷斯拉,是被稱為「Godzilla」的怪獸中最符合生物學現實:牠的行動模式就像已知的獸腳類(Theropoda)恐龍,移動時脊椎與地表呈水平,而不是像日版哥吉拉很明顯是演員套上恐龍裝;游泳的方式也像水棲蜥蜴,劇中還有繁殖行為的設定。不過這些嚴格的科學考察,似乎有損日本神獸Godzilla的風采,於是許多哥吉拉愛好者並不承認1998年在紐約登陸的哥吉拉是哥吉拉;也因此哥吉拉系列電影中,在後來的劇情也有暗示那隻怪獸只是「吉拉」(Zilla),而非「GODzilla」。

參考資料:

  1. Jennifer A. Sheridan, David Bickford. Shrinking body size as an ecological response to climate change. Nature Climate Change, 2011.
  2. Climate Change Is Shrinking Species, Research Suggests. NYT [October 16, 2011]
  3. Jack Forster, Andrew G. Hirst, Guy Woodward. Growth and Development Rates Have Different Thermal Responses. The American Naturalist, 2011.
  4. How global warming could cause animals to shrink. ScienceDaily [November 10, 2011]
  5. Climate change ‘may shrink fish’. BBC [30 September 2012]
  6. Cheung, W. W., Sarmiento, J. L., Dunne, J., Frölicher, T. L., Lam, V. W., Palomares, M. D., … & Pauly, D. (2013). Shrinking of fishes exacerbates impacts of global ocean changes on marine ecosystems. Nature Climate Change, 3(3), 254-258.
  7. The Ever Increasing Size of Godzilla: Implications for Sexual Selection and Urine Production. DeepSeaNews [ May 4, 2014]

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陸子鈞
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Z編|台灣大學昆蟲所畢業,興趣廣泛,自認和貓一樣兼具宅氣和無窮的好奇心。喜歡在早上喝咖啡配RSS,克制不了跟別人分享生物故事的衝動,就連吃飯也會忍不住將桌上的食物作生物分類。


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水熊蟲真的能跟量子位元「量子糾纏」嗎?

linjunJR_96
・2022/01/20 ・2128字 ・閱讀時間約 4 分鐘

身形嬌小的水熊號稱地表最強生物,能夠透過獨特的「隱生」能力在最極端的環境下存活。這種狀態有點類似冬眠,遇見不利生存的條件時將所有代謝活動停止。

近期,有一國際研究團隊宣稱這種生物還有另一種出乎意料的能耐:和超導量子位元進行量子糾纏。用生物體做量子糾纏可是前所未聞,讓大家都嚇壞了。不過這個實驗究竟做出了什麼結果,讓作者可以做出這種宣稱?科學家沒事又為什麼要去抓水熊來糾纏呢?

掃描式電子顯微鏡下的水熊成蟲。圖/EOL

什麼是量子糾纏?

量子糾纏是量子力學獨有的一種描述,至於實際上到底是在「糾纏」什麼,可以參考先前這篇文章[2]

儘管名字聽起來很神祕,但量子糾纏並不只存在於科幻電影和內容農場,現今在實驗室中造出糾纏的粒子對早已是稀鬆平常的技術。量子計算和量子傳送等應用領域就是以糾纏作為基礎發展至今。

雖然這樣說,但利用糾纏粒子將物品或人類在星際間傳送的夢想可能還得再等等。因為目前能夠成功被「糾纏」的都是個別的金屬離子、奈米大小的粒子、和鑽石結晶這類易於控制,結構簡單的微小目標物。

相對於這些乾淨整齊的系統,生物體的結構可說是極為雜亂複雜,難以成為量子實驗的對象。

此外,為了減少物質本身熱能所帶來的振動影響,糾纏的實驗程序時常需要在接近絕對零度的低溫環境下進行。在這種溫度下不只生命無法延續,許多物質的特性也都已經改變。

因此,儘管實驗方面已經發展許久,要對活生生的生物進行量子糾纏仍是相當遙遠的目標。對量子力學來說,整個生物世界太亂又太熱,完全不會想靠近一步。正因如此,這篇拿水熊做實驗的文章才引起了大家的關注。

水熊和超導量子位元的糾纏

水熊一般只有幾百微米大,算是「巨觀」生物中相對微小的種類,要做量子實驗的話較好下手;更重要的是水熊能夠以隱生狀態度過嚴苛的實驗環境,爾後再重新恢復活力,如此一來要是成功便也算是對生物體進行量子糾纏了。

實驗團隊於是將一隻水熊放到了絕對溫標 0.01 度(也就是只比絕對零度高 0.01 度),同時接近真空的環境中,在此和兩個超導量子位元進行實驗。他們將水熊放入其中一個量子位元零件中,並觀察到位元的共振頻率產生改變。接著他們用常見的量子計算程序將兩個位元進行糾纏,並測試糾纏結果。

根據測試的結果,作者宣稱水熊和兩個量子位元形成了三個位元的組合態。也就是說,水熊在這裡變成了第三個等效的量子位元,和另外兩個超導位元糾纏在一起!實驗結束後,水熊周遭的溫度和壓力被緩慢恢復至適合生存的範圍,最後重新開始代謝活動。

作者宣布他們突破了以往的實驗限制,打開了通往量子生物學的大門,並以「水熊和超導量子位元的糾纏」為題,將文章的預印版放上了 arXiv 網站,引起科學界一片譁然。

圖/GIPHY

等等,這其實不用量子力學也能解釋

雖然實驗相當有趣,媒體也爭相報導,但是許多物理學家認為這份研究的標題過為聳動,突破性恐怕也是過於誇大。

超導量子位元其實跟一般電子零件一樣,裡面有電容、電感等等基本單元所組成的電路;而接近絕對零度的水熊,基本上能當成一小團冰塊。

實驗團隊將冰塊放到電容裡面,會改變它的共振頻率等特性其實不足為奇。如果電容裡面掉進了一些灰塵,其電路性質也會受到類似的影響。

不論零件中放入冰塊,灰塵,還是螞蟻,這些影響都是「傳統」的電磁學可以描述的,並非量子現象。

也就是說,作者宣稱的「整隻水熊做為一個量子位元進入了量子糾纏態」這個解讀不只言過其實,甚至有誤導之嫌。這篇文章目前還未投稿至期刊,因此沒有經歷同行科學家的審查,還不算是夠格的科學實驗結果。

關於這份研究有哪些方面需要改進,目前仍是備受爭辯的有趣問題。不過有件事是大部分人都同意的,那就是這次實驗再度刷新了水熊生存能力的極限。或許將來某天,水熊的隱生能力真的能成為生物世界和量子物理之間的橋樑。不過就目前而言,好奇心滿點的物理學家得再更努力些。

編按:該如何驗證量子糾纏,可以參考〈驗證量子纏結的貝爾不等式 │ 科學史上的今天:06/28〉,此論文的主要問題是不能藉由實驗設計,來確認三者共振頻率改變是源自於量子糾纏。

參考資料

  1. 看過「水熊蟲」走路嗎?——牠的步態與 50 萬倍大的昆蟲很相似!
  2. 照出黑洞不算什麼,科學家連量子纏結都能拍到!?
  3. 水熊和超導量子位元的糾纏(原文)

linjunJR_96
2 篇文章 ・ 2 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。