0

0
0

文字

分享

0
0
0

啤酒瓶的火山爆發到底是怎麼一回事

活躍星系核_96
・2015/01/12 ・1576字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

 未成年請勿飲酒

飲酒過量,有礙健康

編譯 / 張貽雯(就讀於臺灣科技大學應外系,覺得周遭皆科學,每個人都有機會一窺他的奧妙。)

想像你在一場派對上,有人趁你不注意,用啤酒瓶底敲擊你的瓶口,突然,啤酒泡泡從瓶口源源不絕的湧出,讓你全身濕答答,嘴巴裡滿滿都是啤酒泡沫。

如果曾經深受其害,那你對這種惡搞遊戲一定不陌生。最近一組流體力學的團隊解釋了這個有如火山溢流的現象,也許可以幫忙解釋湖底噴發的罕見現象,甚至對碳封存計劃的安全性提出警告。

物理學家德瓦拉傑·凡德米爾(Devaraj van der Meer)(未參與研究)任職於荷蘭東部的屯特大學(University of Twente),他說:「這項研究非常出色,提出的解釋頗具說服力。」

研究的主要作者—馬德里卡洛斯三世(Carlos III University of Madrid)大學的哈維爾·羅德里格斯(Javier Rodríguez-Rodríguez)說:「我們一開始是在酒吧裏想到這問題。」聽起來就好像平常人會想到的疑問!那為什麼輕拍酒瓶就會起泡沫呢?答案並不複雜,啤酒其實就是二氧化碳過飽和水溶液,也就是說,溶解在啤酒中的氣體體積遠高於正常氣溫及氣壓所能溶解的氣體體積,所以大量泡沫的產生就是過飽和的二氧化碳拼命往瓶口衝造成的現象。

但是事情沒有這麼簡單!羅德里格斯認為,照理說啤酒應該會在一瞬間就衝出瓶口,但卻多花了幾秒鐘的時間,其中一定有奧妙。為了找出背後原因,他和其他兩個人使用高速攝影捕捉啤酒瓶口受到敲擊後的動靜,這兩人分別是卡洛斯三世大學的學生卡薩多·查孔(Almudena Casado-Chacón)以及巴黎第六大學(Pierre and Marie Curie University)的流體力學家丹尼爾·福斯特(Daniel Fuster)。

Credit: Svartling
Credit: Svartling

他們觀察到爆發前的三個階段:首先氣泡在一開始的0.2毫秒迅速增加,對瓶口的拍打造成壓縮波沿玻璃瓶身向下傳遞到瓶底,反射之後在啤酒中形成膨脹波,膨脹波的瞬間擠壓讓氣泡變大,並破裂成幾百萬個更微小的氣泡;然後這些小氣泡在第二階段迅速變大,雖然體積不變,但大量增加的表面積讓二氧化碳在液體中迅速擴散,他們利用脈波雷射做出比較容易控制的氣泡雲,發現氣泡的直徑在幾毫秒內就增加了十倍,接著,隨著氣泡吸飽周圍的二氧化碳,氣泡雲的成長速度就慢慢緩和下來;第三階段在短暫的片刻後發生,過了o.1秒,充滿浮力的氣泡雲開始從液體裡出現,形成如菸圈般的渦旋環,旋渦扯進了更多的過飽和溶液,成為對流,氣泡變大的速度比之前自催化(autocatalytic)的過程還快,一秒內,瓶口就湧現啤酒噴泉!研究結果發表於《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

西班牙賽維利亞(Seville)大學的力學工程師戈迪略(José Manuel Gordillo Arias de Saavedra)說:「他們確實發現到不同的階段,而且用了簡易的物理學來解釋。換作其他人,也許只會用電腦模擬解決問題,所以有時候仔細思考問題還是比較好的做法。」

Lake Nyos Jack Lockwood, USGS
Lake Nyos Jack Lockwood, USGS

戈迪略補充,這項研究對地球物理現象或許有更廣的含義,例如尼歐斯湖(Lake Nyos),一座位於喀麥隆休火山山側的火山口湖,在1986年8月21日釋放大量二氧化碳造成一千七百人窒息,這場災難可能起因於湖底塌陷,而這可能跟啤酒自催化的過程有關。

羅德里格斯也說,啤酒發泡的物理學或許也會影響碳封存的計劃,包括隔離火力發電廠排出的二氧化碳,將其藏在地下岩層以減緩全球暖化。他強調這個議題將是他之後的研究方向,雖然確切發生的可能性還不知道,不過「讓世人知道當瞬變現象(transient)發生時會發生的狀況,就是一種的貢獻。」而這個啤酒實驗就提出,突發的瞬變現象將徹底打亂地底貯存的計劃,並可能導致嚴重氣體外洩。

一個簡單的啤酒實驗就延伸出這麼多新的點子,是不是很很值得來杯啤酒慶祝呢!

(影片來源:Almudena Casado-Chacón/馬德里卡洛斯三世大學)

參考資料:

Tapping into the science of the beer volcano [Science. 12.11.2014]

文章難易度
活躍星系核_96
759 篇文章 ・ 70 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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
156 篇文章 ・ 375 位粉絲
也許永遠無法自稱學者,但總是一直努力學著
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