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分子馬達與氫離子的生物發電瀑布 ATP synthase!

Scimage
・2011/09/30 ・459字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

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生物使用ATP做為能量的貨幣,所以任何需要推動的生物化學反應幾乎都有ATP的參與。但是這樣的分子是怎麼樣源源不絕在生物體裡產生?

這問題很久以來一直困擾著科學家,一直要對最近完整的蛋白結晶與分子的動態量測才漸漸都完成。科學家才發現,原來大自然一直以一種非常精密又節能的分子耦合運動來完成ATP的合成。

下面的影片就是介紹這樣的過程,在細胞裡的葉綠素或是粒線體的內膜上都有跨膜所謂的ATP合成脢分子 (ATP synthase),這些分子的作用跟巨觀水力發電機非常像,都是藉著讓某種物質由高能往低能流的時候來擷取能量轉換成其他形式。 

在生物體體,因為照光(葉綠體)或是氧化有機物質(粒腺體)會產生高能的電子,這些電子經由膜上的一連串電子傳遞鍊,一個一個把電子往更低能的分子丟,然後利用丟電子所產生的能量差把氫離子打到膜的一邊,這樣一來內膜的兩端就是氫離子的濃度差異。然後只要這些氫離子經由流過ATPase,通過設計好的管道(像是旋轉門) 就可以讓ATPase發生轉動。因為轉動會讓蛋白質變形,所以就像用捏的方式把一個個ATP分子給捏出來了。

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http://www.youtube.com/watch?v=sBABGB8HTGo

轉載自 科學影像 scimage

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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紅紅的葉子要怎麼行光合作用?紅葉和黃葉裡也有葉綠素嗎?——《樹葉物語》
時報出版_96
・2023/10/29 ・2029字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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顏色會依照我們觀看的對象吸收和反射的光而有所不同。樹葉因為會吸收所有藍色和紅色系光譜,只反射綠色,因此看起來是綠色的,而讓樹葉顯現綠色的東西,便是負責養育生命的葉綠素。

需要光合作用時也只會紅通通的日本紅楓

當然,也有葉子不是綠色的。樹木一生中雖然會變換顏色,但也有一開始長葉就不是綠色的。關於這類樹木,首先想到的便是日本紅楓(Acer palmatum ‘Shojo-Nomura’)。

日本紅楓連剛冒出葉子時也不泛綠色,和它的名字一模一樣,打一開始就很紅。那麼,日本紅楓紅色的葉子裡沒有葉綠素嗎?如果缺少葉綠素,樹木無法行光合作用;若不行光合作用,將無法製造生存所需的養分,那究竟該如何生存呢?

所有樹葉裡都有葉綠素,但是除了葉綠素,還有類胡蘿蔔素、花青素和單寧等各種成分,我們需要從這裡找出頭緒。類胡蘿蔔素、花青素和單寧等成分分別呈現黃色、紅色和褐色,葉子雖然從一開始就具備多種顏色的成分,但在更需要光合作用的時候,葉綠素會上來表面;待過了秋季,逐漸接近無法行光合作用的冬季,其他顏色的成分才會開始活躍,秋楓便是如此。然而,日本紅楓即使在需要光合作用的時期,葉子也只會紅通通的,非常奇妙。

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淺綠色顯露出來的瞬間

圖/wikimedia

日本紅楓是人們培育出來的品種,以做為造景用的觀賞樹木。換言之,日本紅楓並不是在自然狀態下生長的樹木,而是人們為了更長時間觀賞楓樹的紅色葉子所培育的品種,讓它一年四季都能呈現紅色。雖說紅色葉子裡頭同時含有泛綠色的葉綠素,但不管再怎麼看,都看不到綠色。

我再次重申,觀察樹木需要長時間、仔細地觀察。日本紅楓葉子上的紅色氣息轉淡的現象一年大概會發生兩次,分別是開花與果實逐漸成熟時,也就是樹木最需要養分的時刻。這時的日本紅楓葉子會發生非常細微的變化,乍看之下無法得知其差異:仍然泛著紅色,仔細觀察卻能在葉子某些部分感覺到綠色的氣息。

雖然葉子顯現紅色,但葉綠素若不進行光合作用,樹木就無法存活,在開花和結果等需要大量養分的關頭更是如此,這種時候只要仔細確認日本紅楓的葉子,將能感覺到葉綠素行光合作用活動的跡象。葉子上面延展的葉脈或葉柄端的紅色會轉淡,非常顯眼。果實結果和逐漸成熟時也一樣,可以在變淡的紅色之間突然看見綠色。即便葉子是紅色的,葉綠素還是會在它非常迫切需要養分時活躍起來,無怪乎顯現了綠色。

黃金松的樹葉只有黃色嗎?

日本紅楓是人工選育的品種,但自然狀態下也有樹木不是發綠色的芽,好比名為黃金松(Pinus densiflora ‘Aurea’)的樹木。雖然松樹的葉子一年四季都是綠色,黃金松的葉子卻呈金黃色。黃金松是松樹的品種之一,是相當稀有的樹木,它只有下方呈綠色,整體看來葉子是金黃色的。據說從以前開始,只要天氣乾旱,黃金松的金黃色葉子就會變成褐色,梅雨季則變成綠色,對於觀察氣候十分必要,不過這種說法並無科學根據。儘管如此,據說以前農夫們乾脆叫黃金松「天氣木」。

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非常稀有的黃金松是在自然狀態下也會發金黃色、而不是綠色的芽。

韓國曾經發現幾棵自然狀態下的黃金松,特別是慶尚北道蔚珍郡周仁里的黃金松就被指定為地方紀念物,是一株受到保護的珍貴樹木。這棵黃金松曾是預測氣候的標準,村裡亦相傳若發生戰爭,它的葉子會泛紅。

蔚珍郡周仁里的黃金松和旁邊其他樹木的葉子顏色不同,一眼就能清楚看出來。這棵佇立在斜坡上的樹木已有五十歲左右,由於被指定為文化財,四周圍上了柵欄、被確實地保護著。雖然遠處就見得到它神祕的模樣,但務必近距離觀察。必須仔細觀察葉子,才能得知樹木的祕密,知道樹木如何用金黃色的葉子製造養分、使自己生長。

即便植物圖鑑裡記載「除了葉子的基部,其他都是黃色」,實際上再怎麼觀察,仍然很難說是黃色,非要講的話,比較接近綠色和黃色混合在一起的淡綠色。當然,顏色以針葉來說算特別,但不能說是黃色或金黃色。與其說黃金松的葉子是金黃色的,不如說是以綠色為底,黃色顯現得稍微強一點。

無法丟掉綠色的原因

我們談日本紅楓和黃金松,但擁有紅葉或黃葉的樹木不只這些,尤其是觀賞用的培育品種中,還有不少葉子的顏色相當五彩繽紛。然而,不管是哪種樹木,都無法完全丟掉綠色,因為綠色是葉綠素的顏色,而葉綠素是樹木的生命之窗。

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——本文摘自《樹葉物語》,2023 年 5 月,時報出版,未經同意請勿轉載。

時報出版_96
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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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現代智人的祖先到底是誰?全人類「共同的母親」——《真的假的!奇怪知識又增加了》
晴好出版_96
・2023/08/01 ・2140字 ・閱讀時間約 4 分鐘

約在 3,000 萬年前,地球上出現了人猿總科,我們和其他猿類共同的老老老老老祖宗,從此與猴子們踏上了不同的道路。

又過了 1,000 多萬年,那些在樹梢中討生活的表祖宗逐漸演化成了如今的長臂猿,而我們的老老老祖宗,儘管還距離我們現在的樣子甚遠,但終於開始沾上了「人」字,在分類上進入了「人科」的範圍。

然而從人科到「人」還有著漫漫長路,1,600 萬年前,我們的老老老祖宗和紅毛猩猩的老老老祖宗形成了兩條不同的分支;又過了 600 萬年到 800 萬年,大猩猩的祖先進入了另一個車道。

至此,我們的老祖宗「人」的成分進一步增加,終於在分類上進入了「人族」。

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現代智人的祖先——露西

500 萬年前,我們的老祖宗與黑猩猩的祖先終於分離,開啟了屬於「現代人」的傳奇。

1974 年 11 月 24 日,美國古人類學家唐納德.喬納森(Donald Johanson)和他的同事在衣索比亞的阿瓦什河谷進行調查時,發現了一根暴露在沙土表面的人骨殘段。經過搜尋,他們又在周圍發現了其他骨骼碎片,還包括一塊下頜骨碎片。最終,他們花了三週時間搜尋到了 100 多件骨骼標本,在進行分析研究之後,他們得出結論,這些骨骼屬於同一個個體,他們給予了這個個體一個編號「AL288-1」。

這是一個足以震驚古人類學界的發現,喬納森和同事們為此在營地舉辦了慶祝晚宴。在晚宴的背景音樂,披頭四〈Lucy in the sky with diamonds〉的歌聲中,他們又為「AL288-1」取了一個更為大家所熟知的名字——露西。

經過進一步的研究,喬納森披露了更多關於露西的細節:

露西是生活在 320 萬年前,20 歲左右的女性南方古猿,屬於南方古猿阿爾法種(Australopithecus afarensis)。

她的腦容量不大,只有現代人類的 1/3 到 1/2。但是她已經出現了與黑猩猩明顯不同的特徵:露西已經習慣直立行走了。直立行走,一直被看作「猿向人類進化」過程中的重大事件。也正因此,露西所屬的南方古猿阿爾法種以前經常被稱為人屬物種的祖先,也就是我們現代人智人的祖先。

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南方古猿——露西。圖/《真的假的!奇怪知識又增加了:自說自話的總裁顛覆認知的科學奇想

不過基於化石證據進行的古人類研究經常會因為新發現的化石而顛覆。2011 年 5 月,美國克里夫蘭大學的古人類學教授約翰尼斯.海爾—塞拉西(Yohannes Haile-Selassie)在南方古猿阿爾法的分布區,又發現了一個生活在距今 330 萬年到 350 萬年的南方古猿近親種(Australopithecus deyiremeda)。這個新種類的原始人挑戰了「露西是人類的祖先」以及「在這個時期這個區域僅有一種人」的觀點。

這樣一來,曾被稱為「人類的非洲老祖母」的露西可能要地位不保,不過科學家為我們找來的那位「共同的母親」——「線粒體夏娃」的證據倒是愈發明確了。

媽媽的媽媽的媽媽⋯⋯ 粒線體的母系遺傳

每個人的細胞中都有來自母親和父親的 46 條 DNA。除此之外,我們的線粒體中還攜帶著線粒體 DNA,線粒體是為細胞提供能量的細胞器。與父母雙方各提供 23 條染色體不同,精子中沒有線粒體,因此受精卵中的線粒體全部來自卵細胞的細胞質,也就是線粒體 DNA 全部是由媽媽傳給孩子的

媽媽生了女兒,女兒再生孩子的時候,會繼續將母親的線粒體 DNA 傳遞下去;但是如果某位女性的所有後代都是男孩,因為男性不能傳遞線粒體DNA,她的線粒體 DNA 就丟失了。

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我們的線粒體(圖中編號 9)中還攜帶著線粒體 DNA,由於精子中沒有粒線體,因此線粒體 DNA 全部是由媽媽傳給孩子的。圖/wikipedia

粒線體夏娃 共同的母親

1987 年美國加州大學的瑞貝卡·卡恩(Rebecca Cann)艾倫·威爾遜(Allan Wilson)帶領研究小組做了全球性的實驗。他們提取了不同人種 148 個胎盤中的線粒體 DNA,並對其進行研究。

結果顯示,這些線粒體 DNA 有高度的相似性。經由計算,他們得出了一個令人震驚的結論:現代人類應該有一位共同的母親,她是生活在約 15 萬年至 20 萬年前的一位非洲女性。對此進行報導的記者羅傑·勒溫(Roger Lewin)為這位「共同的母親」取了個眾所皆知的名字——「線粒體夏娃」。

其實「夏娃」這個稱謂並不準確,「她」應該不是一個人,而是這個遺傳位點的共同祖先。牛津大學的人類遺傳學教授布萊恩·賽克斯(Bryan Sykes)是世界上第一個證明可以從古人類的遺骸中提取 DNA 的學者。1999 年,他帶領小組,在研究分析了 6,000 多份歐洲人的線粒體 DNA 後,將他們分類歸屬於七個「母系氏族」,也就是七個「夏娃」。

她們是所有歐洲人的先祖,每個歐洲人的 DNA 都可以追溯到這七位「夏娃」的身上。他為她們取了名字,並根據考古學、地質學等知識,構築出了她們的生活,寫出了一本像小說一樣的科普書《夏娃和她的七個女兒》。

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——本文摘自《真的假的!奇怪知識又增加了:自說自話的總裁顛覆認知的科學奇想》,2023 年 7 月,好出版,未經同意請勿轉載。

晴好出版_96
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晴方好,雨亦奇,換個角度都是「晴好」