網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策

0

2
1

文字

分享

0
2
1

仿生-以自然為師的科學

雷漢欣
・2014/07/04 ・2034字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 560 ・八年級
credit: tommyscapes @flickr
credit: tommyscapes @flickr

為何鯊魚可以幫助醫療器材抗菌?為何海底成群結隊的魚群可能拯救能源危機?為何動物的循環系統可以促進糧食生產又兼顧生態保育?這些看似毫不相關的事件,是用什麼方法連結在一起的?答案就是仿生(biomimicry)。生命演化已有38億年的歷史,初來乍到的人類自詡為地球上最聰明的生物,可以運用我們的智慧跨過一切障礙,成就一項又一項的文明;然而,我們都是永續生態的一員,在改變世界的同時,卻無法衝出環境保護的瓶頸,該怎麼做?恐怕得回頭問問住在地球上許久的老前輩們。

台灣經濟研究院生物科技產業研究中心在6月27日舉辦國際仿生科技論壇,邀請國際仿生權威Janine Benyus、成大材料系暨奈微所李旺龍教授、清大材料系陳柏宇助理教授、興藝峰生技農業楊洵副總經理,向大家分享仿生的概念、以及在材料、農業等領域的成果與發展。

你不知道的早知道

李旺龍教授說,仿生學就是一門對大自然合法抄襲的學問,Janine Benyus說,仿生跟其他生物相關學科差別是,仿生採用的是生物的配方、做法,而不是直接或間接使用生物資源。自然界中形形色色的生命,以各種姿態適應環境、發展了許多充滿智慧的技巧解決生存的問題,仿生學的應用,就是從我們身邊的生物上找到他們古老的策略,轉化到人們生活上的科技,突破現有的困境,並與自然永續共存。

Janine Benyus說,台灣是一個島國,較有機會面臨環境崩潰的危機,所以更需要學習維持永續生態,最好的方法就是從自然中學習生物和系統,設計更有效率、低污染的生產方式。李教授說,仿生學對很多人來說還很陌生,其實已行之有年,仿生產品也已經在我們日常生活,受到鬼針草啟發的魔鬼氈就是最好的例子,近年來,科學家也從自然中想出了更多令人意想不到又具啟發性的好點子。

魚兒魚兒水中游,游來游去真有用

Credit: henry jager
Credit: henry jager

海底總動員動畫中,成群的沙丁魚不僅可以排列巨大圖型,指示多莉和馬林尋找小尼莫的方向;在現實世界裡,魚群的移動方式也引導科學家到更好的風力發電廠。Janine Benyus說,在魚群中,隊伍前面的魚擺尾向前游動時,身後的水會產生漩,後方的魚兒就可藉著這個漩,搭上順風車,輕輕鬆鬆的跟上隊伍,科學家靈機一動,將這個原理應用在風力發電上,一般的風力發電機距離甚遠,風電廠佔地廣大,由魚群發想出的風電廠,利用直筒狀的風電機,如魚群緊密排列,前方風電機轉動產生的氣流就像魚尾產生的漩,也吹動後方的風電機,這樣可以節省空間,是更有效率的發電方法。

省水也能像魚呼吸般簡單?自來水管線中的空氣累積,會導致管線損壞並降低過濾污染物的效果,目前只能一節一節的移除管線中空氣,在維護和操作上耗費龐大,且有大量的自來水因此從管線中流失,為解決這個問題,一個年輕的團隊模仿魚腮捕捉水中氧氣的方法,設計出水中的空氣過濾器,像魚兒呼吸一樣排掉管線中的氣體。

鯊魚的皮膚不僅可以降低摩擦力,表面上還有細微的粗糙結構,可以防止微生物附著,研究人員利用這個特性,開發出類似的材質,應用在醫院的牆壁、手術台,防止微生物滋生,可以達到抗菌功能,又能避免因為殺菌產生的超級細菌。

 生物導師,俯拾皆是

Credit: 牛犇LBNB @ flickr
Credit: 牛犇LBNB @ flickr

隨著科技進步,人們對材料的要求越來越高,堅硬必須,輕量佳,稀有金屬更好,在研究、生產過程往往需要大量的能量、伴隨著汙染的代價,而生物中有許多既硬且韌、人工無法匹敵的構造,卻是由普通的蛋白質和礦物質,在常溫常壓下優雅的形成。清大材料系的陳柏宇副教授從材料科學切入,研究鹿角、鮑魚殼、蜘蛛絲、海綿的機械性質,研發輕、韌、強的材質。

鳥類為了飛翔,從骨骼到羽毛都是中空的結構,巨嘴鳥的喙相當巨大,雖然看起來很笨重,但其實是個既輕且強的複合材料,中空的構造讓喙有龐大的體積而保持輕盈,外面有層薄膜保護結構的完整,兩者結合創造1+1>2的效果;豪豬的尖刺內部是多孔結構,外部由薄膜包覆,形成堅固又抗折彎的特性;在建築、汽車、航太上,都可利用多孔洞骨架降低重量,同時又兼具機械性質。

興藝峰生技農業將人類心血管系統的概念轉移到溫室蔬菜農場的地下灌溉設備,如同心臟加壓血液經由血管運輸氧氣和養份到目標細胞,幫浦打出營養液,經由地下管線滲透到植物根部,這樣可以減少地上灌溉法的水份流失,也能避免滴灌系統常面臨的阻塞問題。

台灣仿生齊步走

台灣是個位於亞熱帶的島國,我們有永續經營的必要,高度生物多樣性是我們珍貴的寶庫,讓我們有潛力利用仿生學逆風高飛,Janine Benyus建議,要發展仿生學,必須在從教育著手,由政府成立研究中心、輔佐成立企業,最後回饋自然,維護環境就能孕育出更多元的生命型態,讓我們有學習對象,形成正向的循環,讓我們將生物視為導師,想辦法和世界和諧永續的相處,保護我們共同生活的家。

延伸學習

文章難易度
雷漢欣
20 篇文章 ・ 3 位粉絲
PanSci的菜菜實習編輯,來自溫馨的動科系,心情好的時候喜歡說「你知道嗎!?」小故事,即使常得到「誰不知道阿.......」的冷眼回應,也不改其志。


3

13
3

文字

分享

3
13
3

觀賞蝦身上長蟲?俗稱蝦蛭、也不盡然是寄生蟲的蛭蚓

YTLai_96
・2020/12/29 ・3250字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

近年來觀賞蝦養殖興起,連帶的也讓許多人注意到心愛的蝦子身上有時會出現細長的條狀物。對飼主而言,這些像水蛭一樣用前後吸盤交錯黏附移動的不速之客,通常都稱之為「蝦蛭」,而且看那副噁心的長條模樣,勢必就是寄生在蝦子身上造成病狀的禍首,非除之而後快不可。

不過,這些坊間流傳的資訊裡頭其實有些誤會,且讓我們一一道來。

黏在淡水蝦頭上的兩隻蛭蚓。圖/作者提供

那些很像蛭類的小東西

首先,雖然這些細長條狀的蟲像水蛭一樣,用前後吸盤交錯黏附移動,但是牠們其實並不真的屬於蛭類,而是蛭類的親戚,叫做蛭蚓(Branchiobdellidan)。

蛭蚓,顧名思義,就是長相上介於蚯蚓和蛭類的動物。一般而言,蛭蚓的體型微小,身體圓柱狀,僅有數公釐至一公分出頭。雖然蛭蚓和蛭類一樣都是以頭尾交替吸附的方式移動,但蛭類擁有口吸盤和尾吸盤,蛭蚓卻只有尾吸盤而沒有口吸盤。此外,比起擁有 27 節軀幹體節的蛭類,蛭蚓的軀幹體節數僅有 11 節,加上癒合為頭部的 4 節體節也才 15 節。整體而言,似乎像是簡單版的蛭類,因此 21 世紀之前,蛭蚓被視為是較原始的蛭類。

然而,藉著分子親緣技術與工具的進步,本世紀初的研究發現蛭蚓是與蛭類有共祖的姊妹群,而不是原始的蛭類。因此,蛭蚓身上這些看似簡單版的蛭類特徵,應該只是共祖的後代在適應環境的過程中演化的結果。

蛭蚓在解剖顯微鏡下的模樣,左邊為游離搖擺的頭部,右邊則是吸附於表面的尾吸盤。圖/作者提供

蛭蚓或許礙眼,但並不一定是寄生蟲

和蛭類相比,蛭蚓的生活史實在是更不獨立了點。蛭類當中僅有一部份種類不時得附著在其他動物身上吸血營生,但目前已知的所有蛭蚓終其一生都必須附著在其他動物身上,而且絕大多數是以淡水蝦如螯蝦、米蝦為附著的優先選擇,但也有附著於淡水等足目或其他淡水蝦蟹的記錄,因此蛭蚓對於附著的淡水甲殼類種類並沒有強烈的專一性。

話說回來,蛭蚓雖然整個生活史都要依附在淡水蝦身上,但並不表示牠一定就是對淡水蝦有傷害的寄生蟲。如果蛭蚓的依附讓淡水蝦的生活變得更辛苦,那麼蛭蚓就是對淡水蝦宿主有負面影響的寄生蟲;但如果蛭蚓的依附生活史對淡水蝦不痛不癢,那麼蛭蚓和淡水蝦宿主就是片利共生的關係;而若是蛭蚓的存在讓淡水蝦生活得更好,那麼兩者就是互利共生的關係了。

因此,雖然坊間對蛭蚓在觀賞蝦身上的危害言之鑿鑿,但過去的研究顯示,蛭蚓的食性其實多半是其他更小的無脊椎動物或浮游生物,也會啃食宿主外骨骼上附著的單細胞藻類和其他有機碎屑,況且牠們由兩片硬化的顎構成的口器,實在也不適合啃食宿主的組織或吸食宿主的體液。先前的多數研究也發現,北美洲的蛭蚓待在螯蝦宿主身上,大部分時候既不會提高螯蝦的死亡率,也沒有其他明顯的負面影響,因此蛭蚓和淡水蝦的關係,應該是以對蛭蚓有利、對淡水蝦宿主無害的片利共生為主。

北美螯蝦螯上的蛭蚓。圖/Wikipedia

更進一步而言,蛭蚓依附在淡水蝦身上啃蝕宿主外骨骼黏附的藻類和碎屑,其實可能對宿主是有利的。在一些先前的研究中發現,當蛭蚓在螯蝦宿主身上達到相當密度,則可能因為清理了淡水蝦宿主身上和鰓上沾附的碎屑和藻類,讓宿主變得更身輕如燕而健康,因此蛭蚓和淡水蝦宿主就像是清潔蝦與海鰻一樣,形成了互利共生的雙贏局面。

清潔蝦與海鰻的互利共生關係。圖/Wikipedia

然而,要說蛭蚓在淡水蝦身上一點壞處都不會有,倒也不盡然。近年來的研究發現,當蛭蚓在淡水蝦身上的密度過高,可能就會在吃光了宿主外骨骼上附著的碎屑和藻類之後轉而啃食宿主的鰓組織,因此對宿主造成了負面影響。過高的蛭蚓密度也會限制淡水蝦宿主的移動能力,讓宿主無法正常進食,並且更容易成為捕食者的目標。蛭蚓的胃內含物分析也發現,蛭蚓幼體的消化道中的確有宿主的鰓組織,但蛭蚓成體卻沒有,而且只有棲息在宿主鰓部的蛭蚓,消化道中才會出現宿主的組織。因此,在蛭蚓的生活史中,或許只有早期生活史的幼體階段,而且只有在蛭蚓正好棲息於淡水蝦鰓部的時候,才可能轉以寄生的形式造成宿主負面影響。

台灣的蛭蚓目前僅一種,而且所知不多

話說回來,上述的研究都是以北美的蛭蚓和螯蝦宿主為研究的對象。在台灣,目前已知的蛭蚓只有平頭霍氏蛭蚓(Holtodrilus truncatus一種,這種蛭蚓廣泛分佈在台灣、日本、韓國與中國,而且多半是在俗稱黑殼蝦的擬多齒米蝦(Caridina pseudodenticulata)、台灣米蝦(Caridina formosae)、白斑米蝦(Caridina leucosticta)、多齒米蝦(Caridina multidentata)、甚至玫瑰蝦(Neocaridina davidi)等的小型淡水蝦身上發現。根據研究,目前僅知分佈於日本本州中部紀伊半島的平頭霍氏蛭蚓的確存在著某些宿主偏好,當兩種不同的淡水蝦同時存在時,會選擇特定一種做為宿主,而且對宿主的選擇偏好也符合在野外觀察到的感染盛行率。至於牠們對宿主的影響是否相似於北美的蛭蚓和螯蝦宿主,也還不得而知,或許因為宿主的相對體型更小,使得台灣的蛭蚓和淡水蝦之間更可能趨近於寄生關係也說不定。

尷尬的是,由於近年來台灣在觀賞淡水蝦市場上輸出了不少淡水蝦個體,連帶的也讓平頭霍氏蛭蚓輸出到世界各國,成了異國水族缸裡的新成員。2020 年的波蘭研究發現,120 隻從台北運到華沙的水族賞玩用的台灣米蝦當中,總共找出了 122 隻附在蝦子身上的平頭霍氏蛭蚓,整體來說這些米蝦感染蛭蚓的比例達 23.3%,感染蛭蚓的米蝦身上平均有 4.4 隻蛭蚓。區分米蝦的性別來看,雄蝦感染蛭蚓的比例似乎稍高,但雌蝦感染的蛭蚓平均數量比較多。平頭霍氏蛭蚓感染的位置也有所偏好,有 44.3% 的感染落在胸足區域,22.1% 的感染在額角附近,其次是 21.3% 的感染在腹足與腹部區域,最後才是 12.3% 的鰓部感染。此外,雖然雌雄米蝦同樣在胸足區域有最多的感染,但雄蝦被蛭蚓感染的位置更常發生在腹足與腹部區域(43.3%),卻不曾出現在額角;反觀雌蝦被蛭蚓感染額角區域有29.3%,在腹足與腹部區域則僅有14.1%。

如何去除平頭霍氏蛭蚓

讓淡水蝦玩家皺眉的消息是,在 2020 年這一篇研究中,雌性台灣米蝦的鰓部、腹足和腹部區域的確可見些許損傷,雖然也可能有其他的原因,但這有可能就是因為平頭霍氏蛭蚓活動造成的。所以,即使蛭蚓可能無害,但對淡水蝦玩家來說,或許是看了討厭、或者是為求保險,總之也許還是希望將蛭蚓除之而後快。那麼,到底該怎麼做才好呢?

其實,去除蛭蚓最簡單的方式,就是將水體鹽度升高到 0.5% 以上。根據 2016 年的日本研究,平頭霍氏蛭蚓在水體鹽度達1%時,三小時內就會死光光,不過這個實驗是把蛭蚓從宿主身上取下來以後才進行的,所以各位淡水蝦玩家們哪天要是想依法炮制,千萬務必先確定手上的淡水蝦能夠忍受鹽度 1% 超過三小時,否則為了去除蛭蚓結果也讓心愛的蝦子魂歸西天,宿主因為附生的無害小蟲而玉石俱焚豈不得不償失,你說是不是哪?

參考文獻:

Brown BL, Creed RP, Dobson WE (2002) Branchiobdellid annelids and their crayfish hosts: are they engaged in a cleaning symbiosis? Oecologia 132: 250–255

Brown BL, Creed RP, Skelton J, Rollins MA, Farrell KJ (2012) The fine line between mutualism and parasitism: complex effects in a cleaning symbiosis demonstrated by multiple field experiments. Oecologia 170: 199–207

Farrell KJ, Creed RP, Brown BL (2014) Preventing overexploitation in a mutualism: partner regulation in the crayfish–branchiobdellid symbiosis. Oecologia 174: 501–510

Maciaszek R, Jabłońska A, Prati S, Swiderek W (2020) First report of freshwater atyid shrimp, Caridina formosae (Decapoda: Caridea) as a host of ectosymbiotic branchiobdellidan, Holtodrilus truncatus (Annelida, Citellata). Knowledge & Management of Aquatic Ecosystems 421: 33–40

Niwa N, Archdale MV, Matsuoka T, Kawamoto A, Nishiyama H (2014) Microhabitat distribution and behaviour of Branchiobdellidan Holtodrilus truncatus found on the freshwater shrimp Neocaridina spp. from the Sugo River, Japan. Central European Journal of Biology 9: 80–185

Tanaka K, Wada K, Hamasaki K (2016) Distribution of Holtodrilus truncatus, a Branchiobdellidan Ectosymbiotic on Atyid Shrimps in the Kii Peninsula, Western Japan, with Reference to Salinity Tolerance and Host Preference. Zoological Science, 33: 154–161

大高明史,陳榮宗(2010)台灣內水域新紀錄一種蛭蚓類及四種貧毛類。台灣生物多樣性研究 12: 97–110

大高明史,格爾德,大和茂之,陳榮宗,西野麻知子(2015)台灣匙指蝦類體表兩種外共生蛭蚓目及切頭類之共棲。台灣生物多樣性研究 17: 253–262

所有討論 3
YTLai_96
2 篇文章 ・ 2 位粉絲
也許永遠無法自稱學者,但總是一直努力學著