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《宇宙》第 1 集:探索宇宙之海

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・2014/08/18 ・4483字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

作者:Shane L. Larson(猶他州立大學 物理教授)
編譯:Ankh Huang 黃于薇,現為兼職譯者(ankhmeow@gmail.com)

地球的表面,就是宇宙之海的沿岸。這句話多麼詩意、多有畫面啊!當我躺在草地上仰望夜晚穹空,一拱輕薄淡透的銀河高掛天際,看著這樣的景象,就不難理解為什麼將宇宙比喻為海洋。宇宙就像地球上浩瀚的海洋一樣,是個廣闊而未經完整探勘的區域,充滿了人類前所未見的事物,夜空中處處可見的光點像海上散佈的群島,可能是恆星、星雲、行星,也可能是個遙遠的星系,但其中相隔的空間卻是一片全然的黑暗。

奧林匹克半島(Olympic Peninsula) 的寶石灘(Ruby Beach)外,太平洋海面上的銀河景致(攝影:Dave Morrow)。
奧林匹克半島(Olympic Peninsula) 的寶石灘(Ruby Beach)外,太平洋海面上的銀河景致(攝影:Dave Morrow)。

我成長於太平洋西北地區(即美國西北部地區和加拿大的西南部地區),常常有機會在奧勒岡州(Oregon)和華盛頓州(Washington)多岩寂寥的海岸漫步。在白天,可以看到遙遠一方的海平線,像是疆界一樣將天空與海洋劃分開來,但到了夜裡,海洋延伸到海平線之上,和夜空融為一體,變得無法區分,就像久遠以前的神話傳說和從前人類對自然現象的猜測解釋一樣,讓人以為海洋和天空是相連的。雖然我們現在擁有更多知識,但是將蒼穹比喻為深不可測的海洋,也並非毫無道理。無論是深海還是宇宙,都是人類知識極限的挑戰;這兩種環境,是我們這樣脆弱的生命體無法存活其中的,而且同樣深藏著種種謎團,等待我們有朝一日去發掘。或許該說,更重要的一點是,海洋和宇宙都在人類心中激發出一種無法抵擋的迫切渴望,讓人想要進入其中一探究竟;除了敬畏之情,這兩種深秘的海洋還帶來一股隱然騷動的渴盼,和想像力交織著,不斷撩撥人心,讓人想要奮不顧身將自己的命運交付其中。這樣的心情,讓人做起種種陶醉的白日夢,也讓人極度渴望駛離地球安全的港灣,前去探索未知的世界。即使是腳踏實地站在太平洋海岸的遍地礫石之上,心中也充滿了一股「sehnsucht」(德文「憧憬」之意),一種無法平息的渴望,想要找到一個遙遠又熟悉、能夠成為安樂家園的世外桃源。

(左)1911 年版的《金銀島》封面。(右)《金銀島》中的地圖。[圖片來源:Wikimedia Commons]
(左)1911 年版的《金銀島》封面。(右)《金銀島》中的地圖。[圖片來源:Wikimedia Commons]

和很多小男孩一樣,我在小時候讀到史蒂文森(Robert Louis Stevenson)的《金銀島》故事,因此認識了大海和探險之間密不可分的關聯,隨著年幼的吉姆(Jim Hawkins)離開「海軍上將本保」旅館的小房間,登上希斯帕紐拉號展開驚心動魄的旅程,我對海洋的夢想也逐漸變得清晰起來。

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(左)正要出航的卡利普索號。(右)雅克-伊夫·庫斯托。[圖片來源:Cousteau Society]

在我小時候的想像中,海洋冒險充滿了寶藏、孤島和戴著單邊眼罩的海盜,但海上歷險的吸引力很快就被新的船隻和新的英雄所取代。那艘船叫做「卡利普索號」(Calypso),船長則是一位頭戴紅帽、非常現代的探險家:雅克-伊夫·庫斯托(Jacques-Yves Cousteau)船長。他所製作的影集《雅克·庫斯托的海底世界》讓我深深著迷。他帶我進入一個前所未聞的世界,對當時的我來說,那個世界雖然陌生未知,但卻顯然和地球上所有的生命密切相關。在我所有冒險犯難的幻想中,這是我第一次發覺「科學」在探險中也占了一席之地。庫斯托和他那班背景各異的船員既不是土匪,也不是海盜,他們為了尋找寶藏而航向大海,但他們所找尋的並不是光彩奪目的金銀財寶,而是《寂靜的世界》(The Silent World)這部紀錄片中的寶貴知識。這段探勘之旅,這些新知與發現,就是「探險」本身。

正要進入海中的深海潛水員,攝於 1915 年。科技的發展,讓人類探索海洋的夢想能夠成真。 [圖片來源:NOAA,取自 retronaut]
正要進入海中的深海潛水員,攝於 1915 年。科技的發展,讓人類探索海洋的夢想能夠成真。
[圖片來源:NOAA,取自 retronaut]

因為瘋狂迷上庫斯托的探險,我生平首度領悟到「科技」在探險活動中扮演著如此重要的角色。在船舶出現之前,沒有人能夠挑戰遙遠彼端的海平線,而即使我們學會如何穿越海洋的「表面」,也始終無法企及海洋的「深處」。地球的深海,長久以來都是有待探索的最終領域,就算現在人類已經能為廣闊的海面繪製地圖,但對海底的瞭解仍是相當有限,因為那裡難以測繪探勘,而且對於你我這樣需要仰賴氧氣的生物來說十分危險。但是「科技」帶來了潛水支援船、表面供氧潛水裝、水肺裝備(1943 年由庫斯托和夥伴 Émile Gagnan 發明),讓我們得以挑戰海洋深處,航向從未有過人跡的領域。花費相當的時間和智慧結晶以後,人類終於找到征服地球海洋的方法。

接著,在我童年的某日,當我的腦海還縈繞著隱藏在深遙海底的陌生景觀時,卻有非比尋常的事情發生了。197 年 7 月,一台來自地球的探測機器人降落在遙遠的 Chryse Planitia 沙漠,這個希臘語名字的意思是「黃金平原」。第一張傳回地球的火星照片,是維京一號(Viking 1,又譯「海盜一號」)傳回來的黑白照片,顯示出遍布卵石的岩質地表。科技已經到達了前人未至之境 [註1]。

維京一號支架的照片。這是第一張傳回地球的火星地表照片 [圖片來源:NASA, PIA00381]
維京一號支架的照片。這是第一張傳回地球的火星地表照片 [圖片來源:NASA, PIA00381]
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就在 6 週之後,維京二號(Viking 2)降落在 6700 公里外的烏托邦平原(Utopia Planitia)(關於火星各降落地點的簡介,請參閱 Martian Mileage Guide)。那天是 1976 年 9 月 3 日,就在我七歲生日的前一天。我貪婪地汲取所有找得到的維京號資訊來源,幾乎要把我的爸媽、老師還有學校圖書館館員通通逼瘋,當國家地理雜誌在 1977 年 1 月刊出一篇關於維京號的全版報導時,我想他們應該都大大鬆了一口氣,而我也不再纏著他們問問題,一頭栽進那本雜誌裡,每一頁的每張照片都要看個仔細(我媽從此再也沒看到那一期的國家地理雜誌了;媽,如果妳要看的話,那本在我書房的書架上啦 :-))。

對我來說,維京號不過是事情的開端而已。1979 年,航海家一號和二號(Voyager 1 and 2)穿過木星系統,接著航向土星。這兩艘太空船帶來了新的照片、新的謎團,也讓我父母家中更多期國家地理雜誌不翼而飛;不過,這一波追尋就到此告一段落。我聽見了全新冒險充滿誘惑的呼喚,那就是探索浩瀚的宇宙之海。我對宇宙的興趣,啟蒙於 NASA 多次淺探太空的偉大航行,因為《星艦迷航記》(Star Trek)而越發濃厚,最後則是 1980 年秋天首播、由卡爾·薩根(Carl Sagan)主持的《宇宙》節目,讓我對宇宙的愛好從此堅定不移。

一開始我並沒有注意到,但突然之間,我崇拜的英雄不再是人類,而是機器,而且是擁有名字和個性的機器:維京號、航海家號、哈伯(Hubble)、錢卓拉(Chandra)、卡西尼(Cassini)、精神號(Spirit)和好奇號(Curiosity)。每個名字都像《金銀島》中的角色,或是《雅克·庫斯托的海底世界》裡面的潛水夫,它們都是太陽系遙遠邊境種種關於探險與發現的偉大傳說的一份子。多年以後的現在,我已經瞭解到,其實我崇拜的英雄仍然是「人類」,是科學家和工程師,他們就像以前的庫斯托一樣,想像並打造出各種機器,讓人類探索宇宙的夢想成真。我從未忘記這些機器都是出自「人類」之手,只是當年並沒有意識到這一點。

但是,這種想法已經在我腦海中播下種子;曾幾何時,「人類打造出能夠探索未知的機器」這樣的念頭生根發芽,然後漸漸開花結果,形成更大的想法:「我」也可以製作出能讓我自己探索宇宙之海的機器,就在我眼前,而且專屬我一人。這個計劃一開始很單純,只是想做出可以載著樂高小人偶(我的塑膠替身)升空的火箭,但沒多久就進階了。我的探索過程中使用了多種望遠鏡,可以看到出數百萬光年之外的星系;我送上天空的氣象探測氣球飛到太空的邊緣,上面載著相機和科學儀器,可以對宇宙輻射進行測量;我做出了可遙控駕駛的潛水艇,能夠潛入地球黑暗的深海中;當然,我還有大型的望遠鏡,用來進一步觀察浩瀚的宇宙之海。

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科學技術讓我能盡情探索宇宙。從左到右為:[1] 一開始做的火箭(乘客是樂高小人);[2] 我自己製作的第一座望遠鏡,這座 8 吋反射望遠鏡名為「Albireo」;[3] 我送上天空的氣球飛到太空邊緣,高度足以看到黑暗的太空和地表的曲線;[4] 我自行製作的潛水機器人,就像 SeaMouse 一樣;[5] 我也不斷製作更大的望遠鏡,像是左邊的 Equinox 和右邊的 Mariner。
科學技術讓我能盡情探索宇宙。從左到右為:[1] 一開始做的火箭(乘客是樂高小人);[2] 我自己製作的第一座望遠鏡,這座 8 吋反射望遠鏡名為「Albireo」;[3] 我送上天空的氣球飛到太空邊緣,高度足以看到黑暗的太空和地表的曲線;[4] 我自行製作的潛水機器人,就像 SeaMouse 一樣;[5] 我也不斷製作更大的望遠鏡,像是左邊的 Equinox 和右邊的 Mariner。

將宇宙比喻為「海洋」,就很多方面來說很貼切,但也有不適合的時候,例如在討論到宇宙本身的「大小」時,這樣的比喻就不符合了。地球上的海洋雖然還有許多地方未經探索,但其大小是有限的,因為人類已經繪製出海洋的邊界,也探測到最深的海底深度。然而,宇宙之海就不是這樣了。在太空中,我們曾探索過的只是地球週邊的一小塊區域。而人類到過距離地表最遠的地方,就只有月球。在這個星球的 70 億人口中,只有 24 個人曾經從地球前往月球,其中僅 12 人曾踏上月球表面。

至於比月球更遙遠的地方,就只有機器探測器曾經造訪,但每一次振奮人心的發現,也都伴隨著新的謎團和問題。令人遺憾的是,這些探索之旅都不完整,而新的探險曠日費時,因為距離實在太遙遠了。現在我們已經習慣談論前往月球、前往木星這類話題,彷彿這和搭飛機到芝加哥或布里斯本沒什麼不同,但是要前往這些星球就已經困難重重,要飛往更遠的地方更是極其艱辛。航海家一號朝著太陽的反方向飛行已經長達 36 年了,它在人類發射的物體當中擁有最快的速度,但是它飛行的距離才只比冥王星和太陽距離的三倍多一點。如果要穿越宇宙之海,航海家一號得要花上 20 億年才能穿越整個銀河系。和宇宙之海相比,飛到冥王星只不過像走到遙遠孤立的潮池裡,濺起些許水花這麼簡單。

但是,我不會為此感到灰心。無論是海洋還是宇宙,它們的魅力都有一部分是來自其難以想像的浩瀚廣闊。就是因為廣闊無邊,那裡永遠有著冒險、謎團和新發現。要向浩瀚無垠、深不可測的宇宙認輸很容易,有時候我們會不斷強調人類是何等渺小,顯露人類多麼微不足道,在宇宙演化的洪流中多麼不值一提。但是,面對宇宙這樣難以想像其規模的浩瀚存在,面對它的壯麗絕景和神秘謎團,我們更應該昂首傲立,讓讚頌人類冒險精神的歌聲直上虛空。因為我們在天地間雖然只像幾許塵埃,卻創造出偉大豐碩的成果;我們不但能夠控制、利用自然定律,也洞悉了宇宙間某些驚人的規律,並藉此深入瞭解更多宇宙的奧秘。而我們到底發現了什麼呢?我們發現的,就是「人類即宇宙」,因為我們能夠感知,因為我們生生不息!雖然在宇宙之海遙遠狹窄的沿岸,我們形同是隨波逐流的一點小沙粒,卻掌握著讓宇宙瞭解自身的方法,而且,這或許也是唯一的方法。

[註1]:本句原文“Technology had gone where no person had gone before.”呼應科幻電視影集《星際爭霸戰》開場導語中的一句短語“Where no man has gone before”,這句短語是句子「勇踏前人未至之境」(To boldly go where no man has gone before)的一部分。(參考資料:Where no man has gone before — Wikipedia)

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原文:Cosmos 1: The Shores of the Cosmic Ocean 刊登於2013 年 12 月 3 日

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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 Panasonic 合作,泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享,不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上,「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水,但過不了幾天,馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑,甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢(黏質沙雷氏菌)。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」,讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看,世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制,並非打造完全不沾染髒污的材質,而是調整表面的物理與化學屬性,使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力,透過日常水流沖刷,便能輕易地將髒污帶走。

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為什麼污垢「黏不住」? 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」,我們得先像偵探一樣,拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇:

  1. 水垢與礦物沉積*1:我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時,這些離子會逐漸結晶析出,變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
  2. 生物膜與有機物*2:包含尿液中的無機鹽、油脂殘留,以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物,所組成的黏滑防禦大本營。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」,前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼,材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢?答案就藏在「表面能(Surface Energy)」與「濕潤性(Wettability)」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時,水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠,還是迅速攤平開來?這取決於表面的特性:

  • 疏水路線(Hydrophobic)*1:具備低表面能的疏水表面,能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠,當水珠滾動滑落時,就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走,這就是著名的「自清潔效應」。
  • 親水路線(Hydrophilic / Superhydrophilic)*2:相反地,極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子,在材料最外層形成一層薄薄的「水化層(Hydration Layer)」。這層水化層就像是實體的液體盾牌,讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底,只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻:傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆,髒污就像攀岩者,需要找到落腳點並用力撐住才能攀附;而我們做的是抽掉把手點,或是在把手上塗上潤滑油,讓髒污找不到施力點,自然難以停留。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢,下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢,在微生物學中被稱為「生物膜(Biofilm)」。細菌並不是孤立生長的,當單顆細菌落在表面後,如果覺得環境舒適,它就會開始分泌胞外聚合物(EPS),這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起,並築起堅固的防禦堡壘,這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出,要阻止生物膜形成,除了化學上的抗菌,材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論(Attachment Point Theory)」:

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  1. 粗糙與微孔洞表面:如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞,細菌(體積通常約 1 到 3 微米)就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點,還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
  2. 極致平滑與微結構表面:相反地,如果材料表面做到極致平滑,完全沒有微米級的缺陷;或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構,細菌的足跡構造(如鞭毛或纖毛)就無法在表面找到穩固的「接觸附著點(Contact Points)」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時,它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外,現代衛浴結構在設計時,也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角,等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何,我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系:【材料層(低附著力)】+【結構層(無縫平滑)】+【動態流體層(泡沫與水流剪切力)】= 高效清潔!

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例,就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表:

1. 材料層:有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」(以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料,這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩)。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性,水滴不易長時間攤平停留;材質堅固、不易破裂,耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試,這種素材配合泡沫洗淨,在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌,從源頭阻斷細菌定殖。

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2. 結構層:無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上,A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計,減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫,並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計:

  • 泡沫防護:在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層,有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺;
  • 外圍防護:馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔,防止液體延著外壁滴落至地板;
  • 測漏防護:便座與馬桶本體採用不外露的防護設計,避免液體從縫隙飛濺滲漏。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

3. 動態流體層:雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時,A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污,再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙,徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著,配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」,利用旋轉產生的流體剪切力,一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外,Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技,釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污,維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆,但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計,到微觀幾何的附著點控制,再到流體力學的水流沖刷,一座現代抗污馬桶的演進,縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而,A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破,展示了材料科學的另一種聰明思維:不靠強酸強鹼硬打,而是透過物理與化學邏輯,將「污垢固著」的機率降到最低。

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當材料科學與現代衛浴技術結合,刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持,我們得以從繁重的家務勞動中解放,享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文:A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文:Brushing up functional materials

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深海發現大型礦場和「暗氧」!是能源危機的希望還是潘朵拉之盒?
PanSci_96
・2024/09/21 ・2334字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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深海的暗氧:無光環境中的神秘氧氣生成

深海,被譽為地球最後的未開發疆域,隱藏著許多不為人知的奧秘。數千公尺深的海底沉積了數量龐大的多金屬結核,這些礦物因含有大量珍貴金屬,對現代技術,尤其是能源轉型,至關重要。然而,科學家在探索這些結核的過程中意外地發現了一種神秘的現象:暗氧,即在無光的深海環境中生成氧氣的過程。這一發現不僅可能改變我們對海洋生態系統的理解,還可能重新定義地球早期生命起源的故事。

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長期以來,科學界普遍認為氧氣的生成依賴於光合作用。光合作用是植物、藻類及一些細菌透過陽光將水和二氧化碳轉化為有機物並釋放氧氣的過程。這一過程主要發生在地球表層和淺水區域,是維持大氣和海洋中氧氣含量的核心機制。根據這一觀點,只有在陽光能夠到達的區域,氧氣才能被生成。因此,對於深達數千公尺的深海區域,我們的認識是,氧氣主要來自於表層水透過洋流輸送到深處。

然而,深海中缺乏光源,光合作用無法進行,這意味著氧氣在深海中的供應受到限制。雖然洋流能夠在一定程度上將氧氣輸送到深海,但這一過程極其緩慢,往往需要數百年甚至上千年才能完成一次循環。因此,科學家一直認為深海是一個缺氧的環境。

多金屬結核的發現,是新能源的關鍵,還是海洋生態的災難?

在這樣的背景下,科學家對深海進行了更深入的探索,並發現了錳結核(英語:Manganese nodules),又被稱為多金屬結核這一珍貴資源。多金屬結核是富含金屬的岩石,其主要成分包括鈷、錳和鎳等金屬。這些結核廣泛分佈於全球深海區域,尤其是太平洋海域,儲量高達數兆噸。這些金屬對綠色能源技術,如電池生產,具有極高的價值,吸引了全球各國的關注。

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然而,這些結核不僅是地球資源的寶藏,它們還隱藏著另一個重要的發現。2013 年,科學家安德魯·斯威特曼(Andrew Sweetman)在太平洋克拉里昂-克里珀頓區域進行深海研究時,意外地發現,在封閉的深海水域中,氧氣濃度竟然有所增加。這一現象引發了科學界的極大關注。

科學家探索深海的多金屬結核時,意外發現「暗氧」的存在。 圖/envato

暗氧的生成機制

斯威特曼的研究團隊推測,深海中的多金屬結核可能在某些化學條件下,充當了天然電池。這些結核通過電化學反應將水分解為氧氣和氫氣,從而在無光的環境中產生了氧氣。為了驗證這一假設,團隊在實驗室中模擬了深海環境,並確實觀察到氧氣從結核生成的現象。

不過,這一過程並非如想像中簡單。根據實驗數據,某些海底結核表面的電壓僅為 0.95 伏特,卻能夠生成氧氣,這與理論上需要的 1.6 伏特電壓不符。研究團隊進一步推測,這可能與結核的成分有關,例如含鎳的錳氧化物可能起到了催化作用,降低了反應所需的能量。此外,結核表面的不規則排列及空隙可能也促進了電子轉移和水的分解。

暗氧的發現挑戰了我們對氧氣生成的傳統理解。過去我們認為,地球上的氧氣主要來自於光合作用,但這一現象表明,甚至在無光的深海環境中,氧氣也能通過無機物的電化學反應生成。這意味著,我們對於地球早期氧氣循環及生命演化的認識可能存在重大疏漏。

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尤其值得注意的是,多金屬結核的形成需要氧氣,而這些結核大量出現在深海中,是否表明早期地球上就已經存在非光合作用的氧氣生成機制?如果是這樣,暗氧是否可能推動了地球上生命的起源?這一問題仍然未有定論,但暗氧的發現無疑為生命起源的研究開闢了一條新的途徑。

未來的挑戰:開採深海資源還是守護地球最後的「淨土」?

除了科學研究的價值,多金屬結核也吸引了全球對於深海資源開採的興趣。這些結核富含稀有金屬,特別是對電池生產至關重要的鎳和鈷。然而,大規模的深海開採可能會對海洋生態系統造成嚴重破壞。

對於發現的深海資源,是要開採?還是選擇守護海洋生態? 圖/envato

首先,深海採礦可能導致噪音和光污染,破壞深海生物的棲息地。此外,採礦過程中產生的懸浮物可能對海洋生物,尤其是水母等生物造成生理負擔。研究顯示,水母在模擬的採礦環境中會因應對懸浮物而消耗大量能量,這可能削弱其免疫系統並降低生存率。

因此,雖然深海資源的開採看似能解決當前的能源危機,但國際間對此議題的爭議仍然持續。全球已有32個國家支持暫停或禁止深海採礦,呼籲進行更多的生態影響研究以確保環境保護。

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暗氧的發現,不僅為科學研究帶來新的挑戰,也為深海資源的開採提出了更高的要求。在能源危機與生態保護之間,我們需要尋找平衡點。未來的技術或許能夠在不破壞環境的情況下,模擬自然過程生成多金屬結核,從而實現可持續的資源開採。

此外,暗氧現象的發現也為探索外星生命提供了新的思路。當我們在其他行星上發現氧氣時,不一定意味著那裡存在光合作用生物,可能是類似多金屬結核的無機反應在默默進行。這一發現或許將改變我們對地外生命的定義與尋找方式。

深海的秘密仍在不斷被揭開。從暗氧的發現到多金屬結核的開採,這片未開發的疆域將在未來的科學探索與資源爭奪中扮演至關重要的角色。無論是能源危機的解決還是生態系統的保護,我們都應以謹慎且負責任的態度面對這一未知的領域,避免打開潘朵拉之盒。

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海洋盛宴——抹香鯨落
黑潮海洋文教基金會_96
・2023/11/05 ・3099字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 文 胡潔曦|黑潮海洋文教基金會 鯨豚保育研究員
  • 本文轉載自黑潮海洋文化基金會《海洋盛宴——抹香鯨落》,歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持黑潮喔!
圖一、抹香鯨舉尾下潛

編按:本文主要內容與圖片摘錄、翻譯自文獻Three-year investigations into sperm whale-fall ecosystems in Japan,期望在頻繁目擊抹香鯨的 7 月,跟大家分享抹香鯨落的研究。

生存在深海中並非容易的事,由於深海裡缺乏陽光與有機物質,許多生物是藉著海水表層落入深海的有機物質維生。當鯨豚死亡後沉入海底,這段過程、遺體以及過程中所形成的生態系均可被稱為「鯨落」。鯨落可以說是生命的延續之源,而這些殞落至海底的鯨豚有如「金山銀山」,不僅能提供大量的有機物,同時也將許多硫化物帶入海底,造福許多海洋生命,因此也有一句話說:「鯨落,萬物生」。這篇文章透過閱讀國外文獻與整理,希望跟大家分享抹香鯨死亡之後的貢獻!

圖二、世界目前已知的鯨落位置,Implant=人工鯨落  Fossil=鯨落化石  Natural=自然鯨落(Li et al. 2022)

故事的開始——集體擱淺在日本的抹香鯨

在 2002 年 1 月,日本的西南海岸發生了一起集體擱淺,共發現了 14 隻抹香鯨,而其中 12 隻抹香鯨被綁上水泥塊後,被當地政府沉入了 Nomamisaki 岬角周邊深度大約兩、三百公尺的海裡,形成了多座人工鯨落。當時有許多學者對於抹香鯨落感到好奇,究竟牠們會吸引來哪些生物?而抹香鯨龐大的遺體會需要花費多長時間分解呢?透過這項研究,或許能讓人們對大型齒鯨落的分解過程更加瞭解。

圖三、編號 12 之抹香鯨在 2003 年之手繪插圖(Fujiwara et al. 2007)

事實上,在 2002 年以前,多數的鯨落研究出自於美國的加利福尼亞州外海,並以鬚鯨為主要研究對象,而這些鯨落的深度幾乎都落在一、兩千公尺深,比起這次抹香鯨落群的深度深了非常多。而這次大量出現在日本西南海域的多座人工鯨落有著種種獨特性,包含了:深度淺、是大型齒鯨的鯨落等等,也讓學者們充滿好奇心。

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究竟要如何長期觀察抹香鯨落呢?

閱讀至此,不知道讀者們是否有一項疑問?在兩三百公尺深的海裡,既缺乏可見光,同時也承受著數十倍的大氣壓,在這樣的條件下到底要如何觀察抹香鯨落呢?「ROV——水下探測載具」即是這個研究的一大助手,能夠幫助科學家們突破這些困難,不僅能在深海中蒐集珍貴的影像,也可以完成採集的工作。而在團隊耗費了 3 年運用水下載具追蹤其中的五隻抹香鯨後,他們也有了些有趣的收穫,透過圖四可以看到這段時間抹香鯨的外觀變化。

圖四、編號 12 之抹香鯨 a. 2003 年 7 月  b. 2004 年 7 月  c. 2005 年 7 月利用水下探測載具拍攝影像(Fujiwara et al. 2007)

經過數年的追蹤後,研究團隊發現,抹香鯨落歷經分解的速度堪稱飛快!根據 2003 年的鯨落研究,學者將鯨豚分解的過程定義為下述四個階段(Smith and Baco 2003),而第一個階段到最後階段可能會歷時數年甚至到數十年,當鯨豚的遺體越大,可能耗時越長:

  1. 移動清道夫階段(Mobile-scavenger):生物會快速消耗掉鯨豚體表上的肉與脂肪。
  2. 機會主義者階段(Enrichment opportunist):生物開始進駐鯨豚裸露的骨頭及周邊富含營養的底層泥沙上。
  3. 化能自養階段(Sulphophilic):骨骼釋放硫化物,供養海洋中依靠硫化物維生的生物。
  4. 骨礁階段(Reef):在所有有機物質被消耗之後,即會進入骨礁的階段。

註解:上述中文名詞翻譯參考自國家地理頻道及國立海洋科技博物館 鯨落展區。

鯨落最快被消耗掉的部分是身上的肉跟脂肪,而這份文獻研究的 5 座抹香鯨落,肉跟脂肪在經過 1 年之後已幾乎被消耗殆盡;經過 1.5 年之後,抹香鯨落已進入化能自養階段,骨骼開始釋放硫化物質;有些大型鯨落從化能自養階段轉為骨礁期要歷經數十年,根據這項研究發現,部分抹香鯨落竟在 3 年後就能夠進入骨礁期,身上所有的有機質都被消耗殆盡,而這樣的進度相較於過去鬚鯨落的研究是非常快的!研究人員初步推測,可能是因為此處的平均水溫相較其他鯨落研究的海域高,生物分解的速度比較快。

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抹香鯨落上意想不到的生物多樣性

這次的研究共有發現超過百種生物聚集在抹香鯨落周邊,包含軟體動物門、多毛綱與甲殼綱的生物等,在 1.5 年後,貽貝是抹香鯨骨骼上最為豐富的生物類群(圖五)。而抹香鯨落整體的生物多樣性在到達 3.5 年時來到高峰,紀錄中共有八十多種生物出現。

圖五、位在抹香鯨脊椎骨的貽貝(Fujiwara et al. 2007)

除了確認抹香鯨的腐化速度之外,研究人員也會在探測載具每次下海時採集底部的泥沙,經分析發現,抹香鯨身體下方泥沙中的硫化物濃度,隨著鯨落分解的時間越久,濃度也會逐漸提高,並吸引來大量仰賴硫化物生存的生物。為了進一步確認周遭環境的生物是否與抹香鯨身上的有差異,研究人員也將抹香鯨 10 米以內與外的生物做了比較,發現鯨落 10 米以外的物種與鯨落上的生物完全沒有重疊,也證明了鯨落的出現確實吸引來許多的生物。

鯨落,萬物生

鯨落的各個分解階段吸引了許多生物造訪,肉與脂肪等在幾個月內快速地被消耗掉,有機碎屑也能讓周邊海底的富含養分,而抹香鯨骨能釋放硫化物數年,部分大型鯨甚至可能長達數十年。「鯨落,萬物生」,在鯨豚生命的最後一章,牠們的身體緩緩沉入海底,成為了大量生物的食物來源。至 2022 年為止,目前世界已知鯨落共有約 160 座,也希望隨科技進步,人們能更深入認識鯨落為環境帶來的影響。

影片分享:美國於2019年在NOAA保護區發現的深海鯨落。

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參考資料

  1. Fujiwara, Y., Kawato, M., Yamamoto, T., Yamanaka, T., Sato-Okoshi, W., Noda, C., Tsuchida, S., Komai, T., Cubelio, S.S., Sasaki, T., Jacobsen, K., Kubokawa, K., Fujikura, K., Maruyama, T., Furushima, Y., Okoshi, K., Miyake, H., Miyazaki, M., Nogi, Y., Yatabe, A. and Okutani, T. (2007), Three-year investigations into sperm whale-fall ecosystems in Japan. Marine Ecology, 28: 219-232.
    https://doi.org/10.1111/j.1439-0485.2007.00150.x
  2. Li Q, Liu Y, Li G, Wang Z, Zheng Z, Sun Y, Lei N, Li Q and Zhang W (2022) Review of the Impact of Whale Fall on Biodiversity in Deep-Sea Ecosystems. Front. Ecol. Evol. 10:885572. doi: 10.3389/fevo.2022.885572
  3. https://oceanservice.noaa.gov/facts/whale-fall.html
  4. https://natgeomedia.com/environment/article/content-6001.html
  5. https://www.soest.hawaii.edu/oceanography/faculty/csmith/Files/Smith%20and%20Baco%202003.pdf
  6. http://hi.people.com.cn/BIG5/n2/2020/0409/c228872-33936490.html
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黑潮海洋文教基金會_96
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  黑潮海洋文教基金會,1998年於花蓮成立,是臺灣第一個為「鯨豚與海洋」發聲的民間非營利組織。最初以鯨豚調查為開端,多年來深耕於海洋議題、環境教育與科學調查,如同一股陸地上的黑潮洋流溫暖而堅定,期許每個臺灣人的心中都有一片海洋。
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