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赫歇爾提供地球海洋可能來自彗星的新證據

臺北天文館_96
・2011/10/08 ・1290字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

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由歐洲太空總署(ESA)和美國航太總署(NASA)合作的赫歇爾紅外太空望遠鏡(Herschel infrared space observatory)觀測資料分析結果,科學家發現彗星中的水,組成比例幾乎與地球海洋相同。這項發現讓「地球之水天上來」的理論再度復甦。

關於地球海洋的起源一直是熱門的爭議話題。我們的行星剛形成時溫度非常高,任何原始的水都會被蒸發掉。但在今日,約有2/3的地表都被水覆蓋,因此或許是在地球誕生後、經歷數百萬年的冷卻後,這些水才從太空中被運到地球上的。

由冰雪塵埃與石塊組成的彗星是宇宙中天然的超大型儲冰庫,這個巨大冰山環繞太陽公轉過程中,可能會穿越行星軌道,甚至可能撞擊到行星。,例如1994年的休梅克-李維9號彗星(Shoemaker-Levy 9)撞木星的事件便是如此。而在太陽系早期,那時彗星數量更多,撞擊行星的事件必定更頻繁。

然而在此之前,天文學家很難發現可以證明地球之水來自彗星的確切證據。其中一個關鍵是天文學家終於能測量水中的氘(deuterium)含量。氘是氫原子的同位素,在其原子核裡,比氫原子核多了顆中子。(譯註:氘音同刀)

宇宙中所有的氫和氘都是137億年前大霹靂後形成的,所以宇宙中的兩者整體比例是固定的。然而,水分子中的氘和氫比例會隨所在位置不同而異,這牽涉到太空中形成冰的化學反應對氘比較有利還是比較不利,能替換水分子中的1個或2個氫原子的程度等,都與周圍的環境狀況有關。

所有之前研究過的彗星都顯示氘含量為地球海洋的2倍左右。如果這類彗星撞擊地球,所提供的水量應該只佔了地球現有所有水量的百分之10而已。事實上,天文學家們之前本來想說地球上的水應該是流星帶來的,雖然它們含有的水量比彗星低得多了。

Heavy and Light Just Right. Image Credit: NASA/JPL-Caltech  因此德國普朗克研究所(Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung)Paul Hartogh等人,利用赫歇爾太空望遠鏡HIFI儀器觀測研究哈德利2號彗星(103P/Hartley 2)彗髮內的氘/氫比例。HIFI是迄今最強的水分子偵測儀器,而哈德利彗星在經過研究後,發現至少哈德利2號這個彗星的水分子氘/氫比例與地球海水相符。

Hartogh等人認為:哈德利2號彗星之所以結果不同,可能是因為它的出生地位在冥王星軌道以外、離太陽約30~50AU遠的的古柏帶(Kuiper Belt)中;而天文學家先前研究的其他彗星可能是在木星與土星附近形成的,之後才被這些巨行星的重力甩出去,集結在離太陽約10,000AU以外的歐特雲區(Oort Cloud),然後才在很久之後回歸到太陽系內側來。

Hartogh等人的研究結果指出:或許地球的海洋的確是來自彗星,只不過跟先前的想法不一樣的地方是:只來自特定族群的彗星。在太陽系外側陰暗寒冷的地方誕生的彗星,和比較靠近太陽內側溫暖區域誕生的彗星,其氘/氫比例這個彗星指紋或許差異很大。這些結果也顯示目前對太陽系早期歷史中,各種輕重元素如何分佈的瞭解相當貧乏。

為了驗證這個觀點,這些天文學家決定繼續利用赫歇爾研究其他彗星,看看是否有可佐證或反證之處。

資料來源:Did Earth’s oceans come from comets?

Space Observatory Provides Clues to Creation of Earth’s Oceans

NASA:Space Observatory Provides Clues to Creation of Earth’s Oceans

轉載自台北天文館之網路天文網網站

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海邊戲水要小心!一次帶你認識刺毒魚類,與被刺傷後的自救方法
自然保育季刊_96
・2022/07/20 ・4724字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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刺毒魚類是什麼?有刺的魚 ≠ 刺毒魚類

海洋是生命的發源地,其環境複雜多樣,孕育出多種多樣的海洋生物。在漫長的演化過程魚類發展出多樣適應環境的機制,包括物理性、化學性及生物性的調適,其中刺毒(venoms)屬於較為複雜的化學性防禦機制。

然而具有尖刺的魚類就等於是刺毒魚類嗎?答案是「否」的。

刺毒魚類的硬棘上附有毒腺,除了能為掠食者帶來物理性(刺傷)傷害以外,並會造成化學性(毒液)的二次傷害,毒腺所分泌的毒液會使傷口產生更為強烈的疼痛感,是一種特殊的防禦機制。

可能比你想像中多:世界上的刺毒魚類有多少?

全世界的魚類約有 30,000 多種,曾被報導過的刺毒魚類約有 2,500 多種(表 1),約占所有魚類的 8%,其主要可分為四大類,分別為:

(一)軟骨魚類中的銀鮫目(Chimaeriformes)、異齒鯊科(Heterodontidae)、角鯊科(Squalidae)

(二)軟骨魚類中的燕魟亞目(Myliobatoidei)

(三)硬骨魚類中的鯰形目(Siluriformes)

(四)硬骨魚類中的鰭棘魚類(Acanthomorphs)(Smith and Wheeler 2006;邵廣昭 2021)。

表 1 各類群刺毒魚類種類數量及毒刺部位。表/自然保育季刊

第一類刺毒軟骨魚類的毒刺主要分布於背鰭上,數量 1 至 2 根。

第二類魟類,現生種類約 200 多種,毒刺分布於尾柄上(Nelson et al. 2016),當其尾柄上的毒刺擊中掠食者後,毒液會經由外皮鞘(integumentary sheath)的破壞而全數釋出(Fenner 2004)。著名的電視節目主持人鱷魚先生 Steve Irwin 就是被大型魟類尾部的毒刺傷及心臟而喪命的。

黑線銀鮫(Chimaera phantasma)。箭頭標示處為其毒刺。圖/自然保育季刊

第三類鯰形目魚類,大多為淡水種類,其中有毒的種類大約為 1,500 種,毒刺分布於胸鰭及背鰭(Wright 2009),其毒刺外緣具鋸齒(圖 1A)。

鯰形目魚類在美洲具較高的多樣性,占所有種類的 60%(Nelson 2006)。臺灣產12種,淡水的種類有鈍頭鮠科(Amblycipitidae)1 種、鯰科(Siluridae)1 種、鬍鯰科(Clariidae)2 種、鱨科(Bagridae)2 種,鱨科的種類因背鰭(1 根毒刺)、胸鰭(2 根毒刺)具毒刺,故俗稱為三角姑;

海水的種類有鰻鯰科(Plotosidae)1 種,及海鯰科(Ariidae)5 種,兩者的俗稱分別為沙毛及成仔丁,毒刺的位置與鱨科一致。

圖 1 刺毒魚類毒刺形態之一。圖/自然保育季刊

A. 線紋鰻鯰(Plotosus lineatus)胸鰭硬棘。 B. 瞻星魚(Uranoscopus sp.)匙骨上的棘。C. 褐臭肚魚(Siganus fuscescens)背鰭硬棘。 D. 托爾逆鈎鰺(Scomberoides tol)背鰭硬棘。縮寫:gr,groove 溝槽。

第四類鰭棘魚類,由六個類群所組成,分別為蟾魚目(Batrachoidiformes)、鮋亞目(Scorpaenoidei)、刺尾魚亞目(Acanthuroidei)、䲁亞目(Blennioidei)、逆溝鰺亞科(Scomeroidinae)及鱷亞目(Trachinoidei),雖然僅有 585 至 650 種,但相對於前面的三個大類群,毒刺的形態則顯得更為多樣化,毒腺可發現於牙齒、主鰓蓋骨(opercle)、匙骨(cleithrum) (圖 1B)、背鰭、腹鰭和臀鰭多個部位(Smith and Wheeler 2006)。

圖 2 刺毒魚類毒刺形態之二。圖/自然保育季刊

A. 中華鬼鮋(Inimicus sinensis )背鰭硬棘。 B. 魔鬼簑鮋(Pterois volitans )背鰭硬棘。C. 眉鬚鱗頭鮋(Sebastapistes strongia)背鰭硬棘。 D. 眉鬚鱗頭鮋頭部的棘。縮寫:gr, groove 溝槽;vg, venom gland 毒腺。

雙斑櫛齒刺尾鯛(Ctenochaetus binotatus)。圖/自然保育季刊

臺語有云:「一魟、二虎、三沙毛」

在海岸活動頻繁的臺灣,亦不乏關於刺毒魚類的諺語:一魟、二虎、三沙毛、四斑五、五象耳、六倒吊,或者是四臭肚、五變身苦;四變身苦、五成仔丁。

不管何種版本,「魟、虎、沙毛」均是刺毒危險程度的前三名。

線紋刺尾鯛(Acanthurus lineatus)。圖/自然保育季刊
線紋鰻鯰(Plotosus lineatus)。箭頭標示處為其毒刺。圖/自然保育季刊

諺語中的,是泛指所有尾部具有毒刺結構的燕魟亞目魚類,身體呈圓盤形,大部分種類尾巴為細長的鞭狀,依不同種類尾部毒刺的數量可達 2 根或以上,大部分漁民在捕獲後,均會把尾部的毒刺去除。多數的魟類為底棲性魚類,部分種類更具潛藏於沙中的習性,因此在沙灘嬉水遊玩時,須多加注意腳下情況以免誤踩而被其刺傷。

沙毛指的是線紋鰻鯰(Plotosus lineatus),廣泛分布於臺灣沿海並常被釣獲,其體表光滑無鱗不易被抓住,故處理時須多加注意以免被刺傷;其幼魚常成聚集成群,被稱為鯰球。

黑帶稀棘䲁(Meiacanthus grammiste)。其毒腺位於下頜兩顆大型犬齒中。圖/自然保育季刊

二虎:多樣性豐富的刺毒魚類大家族

虎魚泛指臺灣產鮋亞目(Scorpaenoidei)的種類,其英文俗名有 scorpionfishes、stonefishes 、 waspfishes 等,有關 scorpionfishes 名稱的由來,或許命名者對其毒刺如蝎子螫到的觸感有著很深刻的體會。

除了虎魚這俗名外,石狗公、石頭魚亦為牠們常見的中文俗稱,因其偽裝(camouflage,一些種類會利用特化的皮瓣偽裝成礁石及表面的生物)或保護色,致使體態、體色與棲地環境極為相似而得名。

該類群是著名且危險的刺毒魚類,毒刺十分發達(圖 2),雖然鮋亞目魚類的頭部具有不少的棘(圖 2D),但具毒腺的部位僅為背鰭、腹鰭及臀鰭之硬棘(圖 2A-C) (Nelson et al. 2016),為海洋刺毒魚類的最大宗(Low et al. 1993;Church and Hodgson 2002;Vetrano et al. 2002;Fenner 2004),臺灣大約有 42 屬 100種(邵廣昭 2021)。

多數種類為底棲性魚類,棲息於沿海岩礁地形,行動緩慢並常靜止於礁石上,即使靠近之亦不動如山,其體色與環境十分相似不易被察覺,因此在潮間帶或岩礁海岸活動時,稍一不慎則有可能誤踩而遭其刺傷。目前被刺傷的個案僅國外有報導,被刺傷者大部分為漁業從事人員(Haddad et al. 2003),臺灣雖暫無相關學術文章報導,但大部分地區的海洋活動亦相對頻繁,相信有不少被刺傷的個案。

金圓鱗鮋(Parascorpaena aurita)。鮋科魚類多具備良好的偽裝能力,其體色與周遭環境融為一體。圖/自然保育季刊

鮋亞目魚類毒素均為蛋白質(Kiriake et al. 2013),結構並不穩定,遇熱後因蛋白質變性而失去毒性(伍漢霖 2006),亦有研究顯示斑點鮋(Scorpaena guttata)的毒素在 50°C 的條件下處理,短期內即失去活性(Schaeffer et al. 1971),表示魚肉在加熱煮熟後可食用。

俗稱獅子魚(Lionfish, Turkeyfish)的危險刺毒魚類亦同屬於鮋亞目家族的成員(簑鮋類 Pteroini),但與石狗公、石頭魚的不同之處在於其十分花枝招展的外觀,平常毫不躲藏、並徐徐地遊弋於礁石間。

因其華麗的外觀而常見於觀賞魚市場,亦因此經由水族觀賞魚途徑被棄養放生(Hamner et al. 2007;Betancur et al. 2011;Johnson et al. 2016),魔鬼簑鮋(Pterois volitans)自 1980 年起現踪於佛羅里達(Florida) (Freshwater et al. 2009),延長及發達的毒刺使其在當地幾乎沒有天敵,並逐漸擴張遍布整個大西洋西岸形成穩定的族群(Betancur et al. 2011;Ferreira et al. 2015;Johnson et al. 2016),而其驚人的食量對當地魚類族群造成極大的威脅,與另一種獅子魚—斑鰭簑鮋(P. miles)為知名的入侵物種。

毒擬鮋(Scorpaenopsis diabolus)。具備良好偽裝能力的鮋科魚類之一,喜靜止於礁石上伺機捕食路過之獵物。圖/自然保育季刊

毒刺的部位、結構及釋出毒液的機制

刺毒魚類的毒刺結構可發現於胸鰭、腹鰭、背鰭、臀鰭、尾柄、牙齒、主鰓蓋骨、肩帶上的匙骨等部位。大部分毒刺均由硬棘(spine)、溝槽(groove)及毒腺(venom gland)所組成。刺毒魚類這類用毒動物不同於河魨,其毒素由自體產生(河魨毒素由食物累積於體內),經毒腺分泌,藉由硬棘導引或注射到防禦對象身上(Bulaj et al. 2003;Fenner 2004;Smith and Wheeler 2006)。

毒腺附著於硬棘上,硬棘具溝槽。毒液的釋放是一種被動形式,並不能主動發射,當毒腺受壓迫時,毒液釋出並沿著溝槽導流至防禦對象的傷口上。被刺後傷口附近立刻產生劇烈疼痛感,隨後延伸擴散,會伴隨噁心、嘔吐、呼吸困難等症狀(伍漢霖 2006)。疼痛感可持續數小時之久,過敏體質者更會休克、甚至死亡。

波氏擬鮋(Scorpaenopsis possi)。具備良好偽裝能力的鮋科魚類之一,體表具備海藻狀之皮瓣。圖/自然保育季刊

如何預防刺傷,刺傷後應該如何處理?

刺毒魚類並不會主動利用毒刺進行攻擊,因此進行海岸活動或沿海作業時,應注意隨時週遭環境並穿戴相關保護措施(如手套、涉水鞋等)避免身體裸露、降低被刺傷的機會;若在必要情況下須接觸具尖刺且種類不明的魚類時,應避免徒手直接捕捉並藉由工具謹慎處理之。

刺毒魚類另一個對人類造成危害的地方,在於其造成的傷口可能會因為細菌感染而產生二次傷害,嚴重者會導致局部組織壞死、敗血症,甚至感染創傷弧菌(Vibrio vulnificus),而創傷弧菌感染後惡化快速,其所引致的併發症通常具較高的死亡率。

輻紋簑鮋(Pterois radiata)。獅子魚在遭遇威脅時,胸鰭及背鰭會展開,並以腹部朝著礁石、背部朝外的方式抵禦掠食者。圖/自然保育季刊

刺毒魚類的毒性依種類及釋放量而有所不同,而毒素主要為蛋白質,其結構不穩定,易受熱、酸鹼所破壞而失去毒性。遭刺傷後應盡快移除毒刺,在適當的條件下擠出毒液,使用熱、酸、鹼條件處理傷口,破壞毒素的活性,並做好傷口的清潔及消毒的工作,防止細菌的感染。

刺毒魚類所造成的傷害反應因人而異,經過現場初步處理後,應盡早送醫處理。

野外活動時要注意

刺毒魚類約占所有魚類的 8%。牠們形態多樣,彼此並非姐妹群關係,亦即起源於多個祖先,換言之,刺毒機制是多次獨立演化出來的,刺毒魚類一共可分為四個大類群,軟骨魚和硬骨魚各占兩大類,包括軟骨魚中的:(一)銀鮫目、異齒鯊科、角鯊科,(二)燕魟亞目;以及硬骨魚類中的(三)鯰形目,(四)鰭棘魚類。毒刺結構可發現於多個部位,如胸鰭、腹鰭、背鰭、臀鰭、尾柄、牙齒、主鰓蓋骨、肩帶上的匙骨等。

因為臺灣為海島地形,海岸線曲折漫長,周邊海域均有刺毒魚類的分布,民眾於海域進行經濟或休閒活動時均有機會接觸到刺毒魚類。雖然刺毒多為被動的防禦機制,並不是主動攻擊的手段,但部分刺毒魚類具備十分良好的偽裝能力,在靜止的狀態下難以被察覺,因此在野外活動時應隨時注意周遭環境是否存在刺毒魚類,並穿戴相關防護衣物、鞋子,避免誤觸而受傷,增加海域活動的安全性。

若不幸被刺毒魚類刺傷,在現場進行緊急處理後,應盡早求醫,以策安全。

斑馬短鰭簑鮋(Dendrochirus zebra)。胸鰭內側顏色鮮艷,具警戒作用。圖/自然保育季刊
自然保育季刊_96
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勸你別碰!認識可愛又致命的「菟葵」
Evelyn 食品技師_96
・2022/06/25 ・3139字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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到海邊戲水時,不知大家是否曾注意過,海水漲退潮之間的潮間帶,可能會出現一朵朵黃綠、青褐或帶些紫色,像小菊花般的生物?只要輕輕一碰,牠的觸手就會迅速縮起,所以也被稱作「海中的含羞草」。 

這個生物的名字叫做菟葵 (zoanthid) ,俗稱「鈕扣珊瑚」,是介於珊瑚與海葵的生物[1]。因爲具有美麗的色彩,故常被用來作為水族箱的裝飾;但其實菟葵並不如牠的外表和別稱這麼可愛,反而暗藏著能致命的劇毒!

==密集恐懼症警告!】==

==【會害怕的大家趕緊撤離!】==

外表可愛 (?), 實則暗藏劇毒的菟葵。 圖/wikimedia

神秘的外表下隱藏劇毒?!

菟葵泛指所有「群體海葵目」的生物,故又稱群體海葵;其下游物種繁多,主要分布於熱帶及亞熱帶海域。牠們的體內的共生藻類除了可提供宿主能量之外,也使得牠們體表色彩豐富多變[2, 3]

不過菟葵並不像珊瑚,擁有分泌堅硬石灰質骨骼的能力,所以為了保護自身組織,菟葵會在其所附著的地方分泌黏液,這些黏液會隨著時間變硬,形成幾丁質外殼,以作為替代骨骼[2, 3]

菟葵單體含有一個直徑約 10 毫米的開口,為平滑且寬大的口盤,外圍處有兩圈短小觸手,並透過共肉組織 (coenenchyme) 聚集在一起[3]

這些觸手一經碰觸就會像含羞草似地收縮,埋入共肉組織裡,因此常引起前來潮間帶戲水的遊客或潛水員的好奇觸摸,但部份的菟葵含有「菟葵毒 (palytoxin; PLTX)」,很容易就不小心引起中毒[4]

瘤狀菟葵 (Palythoa tuberculosa)。圖 / 參考資料 4、6

中毒的後果不堪設想

摸到菟葵而中毒到底會有多嚴重呢?

2008 年德國 1 名男子於家中清理水族箱時,手指不慎碰觸到菟葵後,感到四肢無力、肌肉疼痛、顫抖,隨後出現暈眩及言語障礙等症狀,經治療 4 星期後才完全康復[3]

除了直接觸摸之外,菟葵毒素也會經由食物鏈,蓄積於高階生物體當中,所以會食用菟葵或藻類的生物,如螃蟹、河魨或其他魚類等,體內都有可能蓄積毒素。在臺灣,就發生過多起人類食用水產品所造成的中毒案例[2]

臺灣最嚴重的中毒案例發生於 2011 年,臺東縣 1 位漁民捕獲俗稱青鱗仔的小沙丁魚,分送給親友們食用,結果有 2 人食用後感到舌頭麻痺,出現嘔吐、胸痛及全身刺痛等中毒症狀,其中 1 人死亡[3]

台東曾出現食用青鱗仔後,出現菟葵毒素中毒的案例。圖/Totti,

還有 2000 年,臺灣 1 名歲男子食用 3 尾米點箱魨 (Ostracion meleagris) 後感到不適、冒汗和呼吸困難,送醫後出現呼吸衰竭、血壓下降且心律不整等症狀,經醫院緊急治療後,心臟功能才恢復正常。但由於橫紋肌溶解症,導致急性腎衰竭、寡尿症狀持續 20 天之久,一個月後才康復出院[3]

塗在矛上的劇毒

這麼可怕的毒素,被研究者發現的時間其實並不長,約 40 年左右而已。

當初發現的由來,是源自於夏威夷 Muolea 地區,當地湖泊裡,生長著擁有劇毒的藻類,原住民會採集該毒藻塗抹於矛上製成毒矛,其毒性足以使獵物致命。後來經過許多學者前往採樣進行調查,1971 年終於成功純化出毒素,確認為——菟葵毒[5]

之後學者陸續發現,菟葵毒存在於許多生物體內,例如 Palythoa 屬及 Zoanthus 屬之菟葵及 Ostreopsis 屬的渦鞭毛藻皆有,與菟葵生活區鄰近的海洋生物,如海星、軟珊瑚或多毛蟲等,體內亦有發現菟葵毒[3]

不過有研究指出,從菟葵 (Palythoa caribaeorum) 分離出的細菌裡,發現具有類似菟葵毒之溶血活性。此外,也有學者從其他種細菌中分離出菟葵毒,所以大家推測,細菌也可能是菟葵的毒素來源[3]

日本沖繩本島東北海岸聚集許多瘤狀菟葵。圖 / 參考資料 6

菟葵毒分子結構龐大又複雜,比河魨毒更毒

菟葵毒為無色、易吸濕之非結晶性固體,外觀沒有固定形狀,為水溶性,具耐熱性。

其化學式為 C129H223N3O54,分子量為 2680.13 Da,結構複雜且分子量龐大,並存在著許多異構體以及結構類似物[註 1]

菟葵毒分子結構及其結構類似物。圖 / 參考資料 7

而在毒理學中,半數致死劑量 (lethal dosage 50%; LD50) 是描述有毒物質的常用指標之一,意為動物實驗中,能致使實驗動物產生百分之五十比例之死亡所需要化學物質之劑量。通常毒素給予實驗動物的方式,分為口服、靜脈注射和腹腔注射,不同的給予方式,毒性亦略有差異。

那麼菟葵毒的毒性到底有多強?其實它在非蛋白質類的生物毒中是最強的,就小鼠腹腔注射之 LD50 來看,為 0.15~0.72 μg/kg (體重)[3],大約是河魨毒素 (tetrodotoxin) 之 20~80 倍[註 2],毒性強度遠高於之前筆者所介紹過的麻痺性貝毒及河魨毒。

延伸閱讀

《在海產店吃盤「塔香西施舌」然後就死掉了?——來認識致命的「麻痺性貝毒」》
《推理系動畫毒殺利器!——認識致命的「河魨毒」》

不知道的海洋生物不要摸也不要吃

令人眼花撩亂的菟葵毒及其各類似物,毒性雖略有差異,但致毒機制大致相同。

身為神經毒素的菟葵毒,其引起中毒主要的症狀為發燒、噁心、嘔吐、呼吸困難、心律不整,或橫紋肌溶解所造成之肌肉疼痛,亦會引發其它藥理反應,如骨骼肌、平滑肌和心肌的收縮,及血小板的聚集等[2, 3]

菟葵毒的毒性不但猛烈,菟葵本身分佈的地區也不算少數——太平洋地區、西印度群島、牙買加、波多黎各及巴哈馬,以及臺灣的東北角、墾丁與綠島,均有出現的記錄[2]

此外,菟葵毒的研究歷史,不如麻痺性貝毒、河魨毒來得悠久,還有許多未知的地方。故呼籲大家,在進行夏日戲水活動時,請不要隨意觸摸不知名的海洋生物,也不要食用自行捕撈或來路不明的水產品,以避免菟葵毒中毒。

註解

  1. 結構類似物 (structural analog),是指一系列的化合物在主結構上大致相同,但部分結構會有一個或多個原子、官能基或子結構不同,造成它們之間的化學特性不太一樣。
  2. 河魨毒素 (tetrodotoxin) 之腹腔注射之 LD50 是 12.5~16 μg/kg (體重)[8]

參考資料

  1. 鄭源斌,2021。美麗菟葵 新藥寶庫?。科學人,230: 12。
  2. 吳尚宜,2017。基隆產珊瑚菟葵種屬的基因鑑定及其毒素對細胞毒性之探討。國立台灣海洋大學食品科學所碩士學位論文。基隆。
  3. 葉子寧,2018。基隆產菟葵 Palythoa tuberculosa 之季節毒性分析及菟葵毒萃取液之細胞毒性探討。國立台灣海洋大學食品科學所碩士學位論文。基隆。
  4. 社團法人台灣環境資訊協會,2016。海中的有毒含羞草—菟葵。台灣珊瑚礁體檢志工快訊。
  5. Moore, R. E. and Scheuer, P. J. 1971. Palytoxin: a new marine toxin from a coelenterate. Science 172: 3982 495-498.
  6. Aratake, S., Taira, Y., Fujii, T., Roy, M. C., Reimer, J. D., Yamazaki, T. and Jenke-Kodama, H. 2016. Distribution of palytoxin in coral reef organisms living in close proximity to an aggregation of Palythoa tuberculosa. Toxicon 111 86-90.
  7. Pelin, M., Brovedani, V., Sosa, S. and Tubaro, A. 2016. Palytoxin-containing aquarium soft corals as an emerging sanitary problem. Marine drugs 14: 2 33.
  8. Abal, P., Louzao, M. C., Antelo, A., Alvarez, M., Cagide, E., Vilariño, N., Vieytes M. R. and Botana, L. M. 2017. Acute oral toxicity of tetrodotoxin in mice: Determination of lethal dose 50 (LD50) and no observed adverse effect level (NOAEL). Toxins 9: 3 75.
Evelyn 食品技師_96
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自主式水下載具的未來:可在海中追蹤魚類的「仿生魚」
科技大觀園_96
・2022/01/18 ・3134字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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地球地表有 70% 被水體所覆蓋,但湛藍水面下的廣袤區域卻鮮少有人類踏足,水中的壓力、密度與溫度變化更構成許多潛在危險。而水下載具便提供相對安全的方式協助人類進行水下活動,早期遙控式水下載具(Remotely operated Vehicles,ROV)主要執行「粗工」類型的工業活動,母船以纜線供電並傳輸資訊給載具,對操作靈活度、節能的要求較低。直到近年水下載具逐漸被賦予水下探勘、調研等任務,在大範圍移動前提下,開始發展無纜線的自主式水下載具(Autonomous Underwater Vehicles,AUV)。但AUV在海中移動同樣會受到操作靈活性的挑戰,並且缺少纜線供電使得節能也成為一大難題。

自主式水下載具
自主式水下載具。圖/wikipedia

針對水下載具的限制,臺大工程科學及海洋工程學系郭振華教授便指出,若能研發出仿生魚,模仿在水中長期演化的魚類的力學系統—即仿生型自主式水下載具(Biomimetic Autonomous Underwater Vehicle,BAUV)。將有助於克服現行水下載具在海中所遭遇的節能與操作限制。

一般水下載具面對的挑戰:靈活度與節能

一般 AUV 以剛性機體搭配螺槳作為驅動,在活動時會受到許多挑戰與限制—(1) 靈活度:螺槳驅動的載具無法做到靈巧的迴旋,而淺水層或近岸水流通常較為強勁,更不利於剛性高的 AUV 活動。(2) 螺槳潛在故障風險:海洋垃圾與水生植物可能捲入螺槳導致故障。(3) 能源使用效率:螺槳驅動載具過於耗能,使得載具活動時間受限無法長期在水下獨立作業。

郭教授也提到,BAUV 吸引人之處在於近岸作業時非常好用。一般 AUV 受限於環境與自身結構的限制,在近岸作業時常綁手綁腳。相較之下,BAUV 柔軟的身軀可以在狹小空間內迴旋自己的身體,並且透過擺動尾鰭、胸鰭或是排水等方式推進,沒有螺槳捲入水草與垃圾的問題。

不過,BAUV 在設計上也需要考慮諸多因素。例如,BAUV 通常以連桿原理驅動鰭片擺動,需要考慮零件彈力係數多少、擺動幅度才能接近魚鰭的擺動。此外,生物學家甚至嘗試發展人工肌肉,利用改變材料的溫度或壓力,達成材料的膨脹收縮,進而模仿肌肉纖維的伸長與縮短。但相較電動馬達,人工肌肉目前提供的力量輸出較小、速度不夠快,只適用於小型載具。而且軟性人工肌肉如何承受海底高壓也須進一步研究。

郭教授提到中國浙江大學發表於 Nature 期刊的研究,便參考深海獅子魚(hadal snailfish)的身體結構,捨棄堅硬的抗壓外殼,改以柔軟的矽氧樹脂等聚合物包裹電子零件,並有著一對大而薄的翅膀規律擺動提供動力,最終成功地在馬里亞納海溝 10000 公尺深的海底游動。

作業環境大不同:淺海與深海作業的挑戰

如同魚類適應其生活環境演化出不同型態,在淺海與深海作業的 BAUV 外型設計也有不同。淺海因為有較為強勁的海流波動, BAUV 通常接近流線型,能因應海流借力使力、做出高速的迴旋動作。郭教授以溪流中的魚類為例,在溪流中常可以看到魚類緊貼在石頭後方游動。原理便是利用水流經過石頭後形成的反向渦流,幫助牠們不費力地在流動的溪流中保持在固定位置。

反之,深海水流較小,主要的問題是密度躍層(Pycnocline)、通訊與環境偵測:

(1) 密度躍層:海水密度受溫度、鹽度與深度影響,通常密度會隨水深增加而變大,直到一定深度後,深度的影響降低。此時,密度主要受溫度與鹽度影響增加,有時會突然形成一道密度劇烈增加的水層,便稱為密度躍層。若 BAUV 無法改變自身密度,可能因浮力太大無法突破向下潛入。相反的,也可能無法有足夠的浮力向上浮出水面。

密度躍層
海水密度到一定深度後,受到溫度及鹽度的影響形成密度躍層。資料來源/Physical Oceanography 1:The physics of seawater

(2) 與水面的通訊:深海作業的 BAUV 與母船間可能相隔有數公里厚的水層阻斷電磁波傳遞,使得資訊聯繫變得更加不易。儘管仍可利用通訊聲納與水面聯繫,但同樣面臨電力的限制。郭教授也提到或許載具不需要頻繁地與水面聯繫,以比目魚為例,比目魚身形扁平且長期在海底,幾乎與海底融為一體。教授指出若能設計一種 BAUV 模仿比目魚,不主動探測水面有甚麼,而是被動的接收資料與訊號,節省探測消耗的能量。直到接收到特定訊息,才啟動運動機制做出回應。另外,也可以在 BAUV 活動的範圍設置具有電磁感應接頭的海底電纜,BAUV 只要貼在電纜上便可以直接傳輸訊息與充電,更為方便與節能。

(3) 辨識周遭環境與導航:在深海無光環境中,BAUV 需要依靠聲納或是磁力感測周圍環境,但如何自主導航與定位仍是一大挑戰。因此,郭教授提到魚類在水中成群活動時,並不是依靠視覺追蹤前方的領游者,而是利用身上的體側線感測周圍流場的壓力變化,進而達成追蹤。教授近期的研究便模仿參考魚類體側線的原理使 BAUV 能夠追蹤前方的領游者。

神奇的設計讓仿生魚能自主追蹤其他魚類:模仿魚類的體側線

深海大部分魚類雖然視覺已經退化,但在掠食者靠近時仍然能快速地閃避。而淺海常可見到魚群快速地變換,形成螺旋等幾何圖案。這些行為部分仰賴的便是魚身上的體側線細胞,以纖毛感測水流加速度與壓力梯度變化,進而辨別周遭環境的變化。

近年,研究者們也嘗試模仿魚類體側線原理讓 BAUV 得以感知並與周遭環境互動。體側線的模仿可利用微晶片技術,搭配類似纖毛的感測元件達成。另一種則是現成的壓力感測器,以壓電材料將壓力變化轉為電壓。以此原理透過排列於 BAUV 體表的壓力計陣列感測,並反推出壓力源頭加以分析是否遭遇地形障礙,或有其他移動的物體正在靠近。

近期研究中,郭教授的團隊也以模仿魚類體側線的方式,透過側線的排列與偵測方程式的推算可以得出前方壓力源位置的方式,協助 BAUV 追蹤前方的領游者。結果發現當領游者位於 BAUV 前方一定角度扇形區域內時,對於領游者(壓力源)的跟隨與定位最為準確,這項發現也與現實中魚類追蹤行為的統計數據一致。

金魚的體側線
金魚的體側線。圖/wikipedia

不過,郭教授也提到體側線感測原理的限制,一般魚群群游時個體如此緊密相鄰,部分可能肇因於體側線有效感測的距離限制,其感測的水壓變化頻率較低、無法遠距離傳遞。因此若要使用水壓做導航,必須與相鄰的魚群靠得非常近。

未來展望

提到 BAUV 未來的發展目標,郭教授說,BAUV 在近海、淺水等水流強勁的區域能達成傳統 AUV 所做不到的操作,並能克服螺槳驅動載具的風險。甚至能利用海流或旋渦的水流「借力使力」,以較少的能量運作。除了近海作業,BAUV 也被看好能應用於海底探勘,節能的優點使 BAUV 能大範圍的蒐集資料,高度的靈活性也能幫助其閃避障礙物,研究結果可以應用於民生與國防用途。

例如,郭教授本次受訪前便剛結束黑潮發電的海上調研工作,未來若能以 BAUV 調查海洋渦流與季節、地域等變因間的關聯,更能有利於研究者以及政府做出有效率的決策。

參考資料

科技大觀園_96
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