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聞聲?真的有生物以肺當耳

Eating
・2015/03/16 ・1423字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 483 ・五年級

約4億年前,海洋生物踏出了登上陸地的第一步,但是約3億年前,陸地生物才發展出完整的耳朵,那麼在這段演化的過度期中,這些生物是如何聽見外界的聲音呢?horse-ears-49636_1280

第一步:魚在水中如何聽見聲音?

人類擁有外耳、中耳、內耳,相較之下,魚的聽覺構造只有內耳

魚聽見聲音的機制為聲壓在水中產生波動,當波動傳到內耳時,耳石會幫助聲音的解析,但是如果在空氣中,因為魚聽覺組織的密度和空氣密度相差很大,根據Snell’s Law,聲波會幾乎百分之百反射,不會進入魚的內耳,所以魚在空氣中無法聽見聲音。

因此為了在空氣中聽見聲音,陸生生物發展出鼓膜來幫助聲音傳遞,那在鼓膜完全發展之前,遠古的陸生生物是如何聽見聲音的呢?

第二步:演化過渡期-非洲肺魚

為了解答這個問題,丹麥的科學家先對非洲肺魚進行研究,因為非洲肺魚(African lungfish)是已知最接近遠古陸生動物的品種,牠們和遠古陸生動物一樣缺少中耳,且同時擁有充滿空氣的肺。

科學家將肺魚放置在金屬管中,從另一端輸入聲波,同時觀測腦幹和聽覺神經的反應,偵測牠們是否能感受到聲音。

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肺魚

研究結果發現,肺魚對頻率約200Hz的聲波有反應,同時牠們肺中的空氣還會隨著聲波的傳遞而發出嗡嗡聲,對此,科學家猜測肺魚是由充滿空氣的肺來感受聲音,為了證明這個想法,他們必須測出肺魚的肺會對200Hz左右的特定聲波有所共鳴。

再次實驗後,透過X光,科學家發現肺魚的肺在約300Hz的聲波時,會隨之震動,因此可以推定肺魚是利用肺的震動來感測聲音。

第三步:早期爬蟲類的聽覺

接下來,這群科學家把注意力放在有尾目的動物(salamander)上,例如蠑螈、娃娃魚等,他們的聽覺構造和早期爬蟲類的聽覺構造相同,這可以讓科學家更加釐清第一批登上陸地的四腳動物是否能聽見聲音。

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有尾目

科學家利用和第二步相同的實驗方法,偵測蠑螈對聲音的反應,結果發現在水中時,蠑螈能偵測到頻率高於120Hz的聲波,相較於肺魚只能聽見約200Hz的聲音,很顯然的,雖然還是缺少中耳,這群動物對聲音的感受度比他們的祖先—肺魚好上許多。

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有尾目

 結論

綜合以上兩項研究,劍橋大學的古生物學家—Jennifer Clark認為,雖然沒有明顯的聲音演化適應結構,但遠古陸生動物能透過肺的幫助來感受聲音,甚至有人推斷:肺在35億年前就演化出現,因此那時候的生物都可以在水中,透過肺來偵測聲音。

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地球發展已有46億年,環境也不停改變,上億種生物都有各自的適應機制,或許被淘汰;或許被留下,但每一次發現都讓人自嘆人類的渺小,與自然的奧妙。

參考資料

  1. Early land animals heard sounds with their lungs
  2. Wikipedia—Salamander

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Eating
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地球在20年間「亮度」變低了!——地球暖化讓陽光反照率直直落

Mia_96
・2021/10/23 ・2757字 ・閱讀時間約 5 分鐘

地球暖化會造成溫度升高?不稀奇!地球暖化會造成人類生活環境越來越嚴峻?也不稀奇!但你有聽過,因為地球暖化,讓我們的亮度竟然逐年遞減,地球變得越來越暗嗎?

地球亮度的改變並不是近期才出現的新興議題,關於地球亮度的變化,科學家早在 1990 年代前後便提出一種現象「全球黯化」(global dimming)去解釋為何地表獲得的太陽光能量越來越低。

當時透過資料指出,進到地球的太陽能量大幅降低,從 1950 到 1990 年入射至地表的太陽光能量,竟然平均減少 4%! 也就是身處在地球上的人類會覺得地表的亮度似乎逐漸地降低。

但入射地表能量降低的原因並非是太陽發出能量的變化,而是因為近幾年我們最常耳聞的,空污現象! (圖/pixabay

當人類使用石油、煤炭等非再生能源發電時,會在環境中產生許多氣膠微粒,而這些氣膠微粒進入大氣,微粒可以吸收、反射入射到地球的太陽光,使太陽之能量無法進到地球表面,進而造成地球亮度降低。

而全球黯化同時也影響著人們過去對於全球暖化的理解,當全球黯化造成入射到地表的太陽光減少時,代表著地球所獲得的能量並不如過往我們所想像的這麼多。換句話說,全球黯化所造成的冷卻效應竟比不上人們所造成的暖化速度!

知曉地球改變亮度的方法——地照!

近期最新研究更是顯示,1998 年到 2017 年近十年內,地球的反照率逐年下降!除全球黯化造成地表獲得太陽能量減少外,當從外太空看著地球時,地球竟然也越來越暗了!

反照率是一種常用於亮度表示的方式之一,其指的是太陽電磁波段入射至地表的總量質,除以被地表反射的量值所得出的數字。不同的地表特性即有不一樣的反射量質。因此,透過反照率的升降,科學家也可以推估氣候變遷對環境所產生的變化與影響。

計算反照率的方式十分特別,在科學中我們將其稱為「地照」!

地照現象指的為當太陽光照射到地表,地表會反射部分太陽光,而當地表反射太陽光至月球未被太陽照到的地方時,月球又會將地表所反射至月面的光線反射回地球。

看似應該沒有被太陽光照射到的月球表面,其實也會因為地球反射之陽光而產生微弱的光。而最適合觀測地照的時間通常為弦月時分。 (圖/Wikipedia

地照的變化與地表的改變息息相關。例如冰雪的反射率較高,當地表溫度較低,累積較多冰雪時,地照數據便可能會上升;而洋面的反照率較低,當地表溫度較高,造成冰雪融化成海洋,則地照數據便可能會下降。

透過地照反射的光線強弱,可以推測地球反照率的變化,進而推測地表本身變化。 (圖/Wikipedia

除了利用地照觀測地球反照率外,為使觀測更加精確,科學家利用於 2000 年發射的 CERES 儀器(Clouds and the Earth’s Radiant Energy System)觀測大氣至地表的太陽光輻射與地表放出之輻射,並進一步分析對影響地球溫度的重要因子──雲,和太陽輻射的交互關係。

CERES 主要希望可以解答雲在氣候變遷中所扮演的角色與造成的影響,是美國國家航空暨太空總署地球觀測系統(EOS)計畫中的一部分。 圖/Wikipedia

研究結果分析發現,從 2000 年到 2015 年,地球反照率曲線一直維持接近平坦的狀態,但近年,地球反照率的衰退卻日益明顯,如下圖表示:

(圖/參考資料 1

橫軸座標為年度,縱軸座標為地照反照率之異常改變(單位為每瓦/平方公尺),黑色為地照異常之數據,藍色為 CERES 觀測到異常之數據,而灰色陰影區域則為誤差範圍。從圖中可以看出,地照反照率在這幾年下降約 0.5 W/m2,而 CERES 之數據則是下降約 1.5 W/m2

十年一變──太平洋年季震盪

科學家推測,改變反照率的原因,是週期性發生在太平洋的氣候變化──太平洋年季震盪。

太平洋年季震盪指的為太平洋的海水溫度會以十年為週期尺度產生變化:當北太平洋和熱帶太平洋間的海水溫度較高時,稱作暖相位;而當北太平洋和熱帶太平洋間海水溫度較低時,稱作冷相位。

而地球亮度改變的原因,正是因為太平洋年季震盪到了暖相位,造成海面低雲減少,反照率降低!

低雲較為溫暖,其主要成分是由水滴組成,當太陽輻射照射水滴時,較多太陽反射至太空,地球的反照率較高,也造成地表溫度降低;而高雲主要成分由冰晶組成,透光性較佳,再加上高雲通常體積較低雲薄,故太陽輻射可以順利進入地表,地球反照率相對降低。

當北太平洋與熱帶太平洋間海水溫度升高時,洋面上空氣需達到飽和的水氣量相對增加,氣塊達到飽和條件較高,低層雲較難生成。(其實背後原因極其複雜,作者僅是以最簡單的方式嘗試解釋。)當低層雲減少時,反射率降低,造成較少太陽輻射至太空,地球亮度因此變得越來越暗。

雲在地球輻射能量中一直扮演著重要的角色,低雲反射太陽輻射的能力較強,高雲吸收地球輻射的能力較強,因此較多的低雲往往造成地表降溫,而較多的高雲則會造成地表增溫。 (圖/pixabay

交織纏繞的反饋機制

看完整篇文章也別急著下結論!其實地球上的現象不僅環環相扣,影響因素更是族繁不及備載,從海溫改變的原因、高低雲量多寡的變化、反照率升降的主因……,我們都很難用單純或是絕對的一段話去完整解釋自然界的現象。

科學家所能做到的,是透過原因推導、盡力的去解釋現象,所以關於地球反照率下降的趨勢原因,除了太平洋年季震盪、海溫升高、低雲變化等,或許也還有科學家尚未清楚的其他可能性。

但同時,令科學家擔心的事情是,因全球暖化造成地表的反照率降低,代表地表接收到的能量、進到地表之能量相對增加,而吸收的能量又加速全球暖化的速度,地球或許會因為這樣的回饋機制持續升溫,造成更加嚴重的溫室效應。如何去因應溫度上升造成的種種問題,也將會是我們需要不斷去思考問題。

參考資料

  1. AGU AdvancesEarth’s Albedo 1998–2017 as Measured From Earthshine
  2. science alert,《Two Decades of Data Show That Earth Is ‘Dimming’ as The Planet Warms Up
  3. Wikipedia,《Clouds and the Earth’s Radiant Energy System
  4. Wikipedia,《行星照

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Mia_96
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喜歡教育又喜歡地科,最後變成文理科混雜出生的地科老師
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