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622 2021 10 月號

牠們不只是人類的好夥伴, 更是各領域中的優秀幫手。  焦點評論

IPCC公布第六次氣候變遷 評估報告

經典專欄

海洋公民科學家

從日晷看均時差

海大海資所邱靖淳

時間和你想的不一樣!

保護藍色海洋!專訪鱟博士楊明哲&

NT$249 ISSN:0250-331X

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770250

331001

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Contents 06 08 10 14

封面故事引言

犬英雄們出動, 偵測犬聯盟集結! 封面故事 1

再細微都逃不過牠的鼻子! 狗狗靈敏嗅覺的來源 羅書姍

封面故事 2

偵測犬把關, 讓入侵物種無所遁形! 林暉閔

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24 28 32

2021 OCTOBER

封面故事 6

臺灣國門的守護者:海關緝毒犬 劉政忠

封面故事 7

救災毛英雄! 做為急難救星的搜救犬 祁文浩

封面故事 8

犬隻也能協助保育工作? 保育偵測犬創新與運用 祁偉廉

封面故事 3

狗鼻子能拯救人類嗎? 嗅出疾病味道的醫療偵測犬 陳筱筑

封面說說話

Goo

! d job

〈神力偵測犬〉

在日常生活中,雖然難以見到偵測犬們的身 影,但牠們帶來的幫助及重要性遠遠超

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封面故事 4

美食、病害、過敏原 都逃不過牠的鼻子! 真菌偵測犬 陳晴惠

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乎想像,也在臺灣多個領域擔任不可 或缺的守護者,對人類而言簡直就 像超級英雄!

置中放射狀的構圖方式,讓視 覺焦點聚集在偵測犬們上, 美式寫實風格呈現牠們 執勤的英姿形象。

封面故事 5

化學物質也能聞 揪出農藥的化學物質偵測犬 羅書姍

SCIENCE MONTHLY Vol. 52 No. 10

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Contents-2

填問卷.拿新書

News Focus

只 要 於 2021 年 10 月 31 日 前,

 4 血、汗、淚加上太空塵埃,開發超抗壓的宇宙混凝土/

完整填寫讀者問卷調查,就有

   沒有觀眾的比賽,還有主場優勢嗎?

機會獲得世茂的新書《時間的

 5 氣候變遷,讓動物開始「變形」了嗎?

秩序》。

思辨之評

36 IPCC AR6 第一工作小組報告揭露的氣候危機/許晃雄 顯影 1

38 非洲水牛/游崇瑋

問卷內容請至 bit.ly/3u3S7gx 或 掃描 QR code,並詳實填寫,否 則將喪失抽獎資格。 獲獎名單將於 2021 年 11 月 5 日 之前公布於《科學月刊》網站 (www.scimonth.com.tw)。

專 欄

40 格物致知:以共振實現的魔法 超穎材料/欒丕綱 46 潛移默化:點燃蠟燭那一瞬間會發生什麼事?    關於「火」的科學/劉廣定 50 物換星移:你的正午不是你的正午 日晷與均時差/江秉城、林彥興 顯影 2

56 八角/植業病

bit.ly/3u3S7gx 精選文章

58 理論高能物理教父 史蒂芬.溫伯格/蔣正偉 62 閃耀於蘭嶼的瀕危臺灣特有種 珠光鳳蝶/李偉俊 專 訪

66 365 天,每天跟你說一則海洋故事    Serene《漫遊者號》海洋生物日曆專訪/採訪撰稿|羅億庭 海海人生

70 守護海洋中的鱟!鱟的保育&「鱟博士」楊明哲專訪/採訪撰稿|謝育哲 74 海洋垃圾退散!海洋大學海資所邱靖淳專訪/採訪撰稿|郭毓璞 書 摘

78 《時間的秩序》

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科學月刊 2021.10


臺北市科學出版事業基金會

走進編輯室

董事長:劉源俊 董 事:王文竹 周成功 林基興 邱韻如 郝玲妮 高涌泉 曾耀寰 羅時成 秘 書:李金穗 出版者:科學月刊社

就。很。會嗅。 大家都知道,狗狗們是人類最好的朋友,如果想養隻寵物,牠們肯定是陪伴的首 選之一。不過狗狗們為何會成為我們的好朋友呢?雖然這個問題目前還沒有定論, 但其中一項理論認為,遠古時期的人類會把多餘的肉丟給狼吃,由於人類給予食

理事會 理事長:蔡孟利 理 事:曲建仲 于宏燦 朱慶琪 林翰佐 邱韻如 紀延平 曾耀寰 蔡政修

物的行為,使牠們認為人並沒有那麼危險,跟隨人類也可成為獲取食物的來源之 一。因此,就如同訂定契約,人類把食物給狼吃,狼則跟隨並保護人類。而這些 狼經歷幾代後,逐漸變得溫馴,成了我們熟悉的狗狗好夥伴。

執行總監:趙軒翎

狗狗們或許不是最聰明的動物(大家可以上網觀看國內外各種飼主戲弄寵物狗的

編輯部 總編輯:林翰佐 副總編輯:趙軒翎 編輯委員:王文竹 王伯昌 曲建仲 江建勳 李志昌 李精益  阮明淑 周鑑恆 林秀玉 

影片),在生物學中也並非與我們親緣關係最接近的物種,但歷經長時間的馴化 後,人與狗打破了物種間的藩籬。看著人與狗的情誼,試想,有時就算是人與人 之間也不見得能建立如此深厚的關係。

林宮玄 邱韻如 金升光  金必耀 門立中 紀延平  范賢娟 倪簡白 高啟明  高憲章 張大釗 張敏娟  陳妙嫻 陳彥榮 陳鎮東  單維彰 景鴻鑫 曾耀寰  程一駿 程樹德 黃正球  黃相輔 楊正澤 葉李華  廖英凱 管永恕 劉宗平  蔡兆陽 蔡孟利 蔡振家  鄭宇君 鄭運鴻 韓德生 

也因為人狗之間的情誼,聰明的科學家想到能借用牠們的長處,在各種領域中協 助人類,因此誕生了許多狗狗的英雄事蹟。例如過去冷戰時期,蘇聯的太空犬萊 卡(Laika)成了第一隻進入地球軌道的動物;於墨西哥海軍服役的搜救犬芙烈達 (Frida),曾參與當地各大災害的搜救行動,拯救了無數的生命;還有在英國軍隊 中服役的軍犬庫諾(Kuno),過去在阿富汗戰爭中拯救了英軍的性命,被授予「動 物界維多利亞十字勳章」:迪金勳章。

嚴如玉 嚴宏洋 蘇逸平 編輯顧問:王明蘅 古宏海 朱麗麗 吳明進 吳家誠 周延鑫 周榮泉 洪萬生 洪裕宏 胡進錕 孫維新 張 復  張勝祺 陳文屏 陳章波  陳國成 曾惠中 楊玉齡 劉仲康 駱尚廉 魏耀揮 蘇益仁 蘇振隆 主  編:謝育哲

雖然不是每隻狗狗都可以獲得迪金勳章,但牠們靈敏的嗅覺還是可以成為名符其 實的「狗英雄」。本期《科學月刊》將介紹目前常見的偵測犬,包含能聞到外來入 侵種的偵測犬,災難現場值勤的搜救犬,海關查緝毒品的緝毒犬,能找出化學物 質的偵測犬,甚至是真菌與疾病等狗狗都能發現,以及介紹偵測犬的新項目的開 發及訓練。

編  輯:羅億庭 美術編輯:黃琳琇 封面插畫:許智翔

讀完本期封面故事後,肯定能讓你再次對狗狗們刮目相看!

業務部 經  理:李金穗 業務專員:廖本翔

主編 謝育哲

整合行銷專員:林承勳

創刊於 1970 年

科學月刊社

製版印刷:赫偉有限公司

本期為第五十二卷第十期 第 622 期 發行於 2021 年 10 月

地址:106013 臺北市大安區羅斯福路三段 77 號 7 樓

總經銷 : 聯華書報社

中華郵政北台字第 0677 號執照登記為雜誌類交寄

電話:(02)2363-4910  傳真:(02)2363-5999

行政院新聞局版台誌第 0934 號

網址:www.scimonth.com.tw  電郵:scimonth@gmail.com

圖文版權有任何疑慮請洽編輯部,廣告刊登及雜誌訂閱請洽業務部。本刊所刊登文章內容皆為版權所有,非經本刊同意不得作任何形式的轉載或複製。

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NEWS FOCUS

血、汗、淚加上太空塵埃, 開發超抗壓的宇宙混凝土

A.D.Roberts et al., Blood, sweat, and tears: extraterrestrial regolith biocomposites with in vivo binders, Materials Today Bio, Volume 12: 100136, 2021.

你知道搬一塊磚頭到火星,要花費多少錢嗎?答案是——

(human serum albumin, HSA),在黏合模擬版本的月

200 萬英鎊左右。

球、火星塵埃時,表現極佳。

這樣的天價高到令人卻步,也大大限制了人類未來在火

團隊將混合人類血清蛋白的新材料命名為「AstroCrete」,

星上建造移居地的可能。使得我們可能要開始考慮在外

其抗壓強度約 25 兆帕(MPa, megapascals),與一般混

星球的實地資源勘測和利用(in-situ resource utilisation,

凝土差不多!此外,他們更發現若將汗水、尿液中都含有

ISRU),例如使用一些鬆散的岩石、火星土壤(又稱風化

的尿素(urea)也加入其中,可以進一步使混凝土的抗壓

層)、稀少的水沉積物等物質作為建材。最近一篇發表於

強度提升 300%以上。歷史上,人類曾以動物血液作為灰

《今日生物材料》(Materials Today Bio)的論文中,科學

泥(mortar)的黏合劑,在不久後的將來,人類血漿或許

家發現人類血漿裡頭一種常見的蛋白質:人類血清蛋白

也能成為我們移居太空必備的好材料。

沒有觀眾的比賽,還有主場優勢嗎? 對於各大職業賽事來說,不論足球、籃

眾進場觀賽的賽季球隊戰績差異。結果

球、棒球等,大眾普遍認為主場優勢是

發現,疫情爆發後舉行的閉門賽事中,

左右比賽結果的重要因素之一。當主場

主場球隊的平均勝率從 48.1 %下降至

球隊獲得支持者的喝采加持後,往往能

39.8%,平均輸球的比率也從 27.6%上

拿出更好的表現;相反的,客場球隊的

升至 36%。此外,研究人員也發現在閉

隊員則會面對主場球迷的倒讚與噓聲,

門球賽時,裁判發出更多張黃牌給主場

導致表現失常,可能因此輸掉比賽。另

球隊,平均而言,主場球隊的犯規數增

外,裁判甚至也會因主場優勢的關係,

加了 26%,而客場球隊則僅增加 3%。

做出更多有利於主場球隊的判決。但觀

因此,根據研究結果,比賽有無球迷進

眾進場真的能帶來主場優勢嗎?近期一

場將大大影響主場優勢,並左右比賽勝

篇由奧地利薩爾茨堡大學(University of

負。如果希望自己支持的球隊能屢戰屢

Salzburg)研究人員發布的論文指出,觀

勝,球迷可前往球隊的主場觀賞比賽,

眾的確有可能影響比賽勝負。

為球隊加油喝采!

研究人員主要針對歐洲各地的足球聯賽

Michael Christian Leitner and Fabio Richlan, No Fans– No Pressure: Referees in Professional Football During the COVID-19 Pandemic, Frontiers in Sports and Active Living, 2021.

進行分析,比較了在 2019 冠狀病毒疾 (123RF)

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病(COVID-19)疫情爆發前後,有無觀


NEWS FOCUS

氣候變遷,讓動物開始「變形」了嗎?

(123RF)

當我們談論到全球暖化時,大多將

些「變形」的物種中,鳥類的改變

增加,蒙面鼩鼱(Sorex cinereus)的

重點放在「人類」該如何因應氣候

最 為 明 顯。 自 1871 年 以 來, 許 多

四肢長度也逐漸增長。研究團隊表

變遷,或是如何應用科技解決問題。

種澳洲鸚鵡的鳥喙大小增加了 4 ∼

示,即使我們目前看到的動物四肢

但你是否有想過生活在野外,又沒

10 %,且這些改變與每年的夏季氣

變化非常微小——甚至不到 10 %,

有科技可用的「動物」們,要如何

溫呈現正相關。生活在北美洲的暗

但未來一些較為明顯的身體外觀,

在越來越暖的地球生存呢?

眼燈草鵐(Junco hyemalis),其鳥喙

例如耳朵大小,可能也會隨氣候變

近 日 發 表 於《 生 態 與 演 化 趨 勢 》

變大的情形,也與在寒冷環境中的

遷而增加,也許有朝一日我們真的

(Trends in Ecology and Evolution)

短期極端氣溫有關。

能看見真實版小飛象?

中的一篇評論指出,動物外表形態

除了鳥類之外,哺乳動物的外形也

上的某些改變正在悄悄發生,演化

同 樣 產 生 了 變 化, 例 如 長 尾 森 鼠

出現的時間尺度也縮短了,而在這

(Apodemus sylvaticus)的尾巴長度

Sara Ryding et al., Shape-shifting: changing animal morphologies as a response to climatic warming, Trends in Ecology & Evolution, 2021.

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值勤中

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COVER

STORY

犬英雄出動, 偵測犬聯盟集結! 犬隻擁有強大的嗅覺能力,

不論緝毒、救災、外來入侵種、化學物質、真菌、疾病等, 都逃不過狗狗們的鼻子。

就讓我們一起認識各種狗英雄吧!

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02 封面故事

偵測犬把關, 讓入侵物種無所遁形! 林暉閔 蒙斯特農研有限公司執行長。 市儈商人一枚,熱衷於解決 惱人的蟲蟲問題,最大的夢 想是希望能訓練跳蚤讓牠們 互相廝殺。

(本篇照片皆由作者提供)

Take Home Message

(123RF)

入侵物種嚴重危害各地生態,而臺灣常見的入侵紅火蟻就

是其中的經典案例。入侵紅火蟻除了危害生態之外,也連

帶造成經濟損失。為了杜絕紅火蟻,必須找出並清除牠們

的巢穴。藉由紅火蟻身上特殊的氣味費洛蒙,可訓練嗅覺靈敏的犬隻作 為入侵物種的偵測犬。偵測犬的訓練首先為服從訓練,並評估該犬隻的

性格是否合適,後續進行氣味辨識訓練,最後再執行室內、戶外、實地 訓練及測驗,藉此培育出最適合的偵測犬。根據過往的經驗,通過嚴格 訓練、篩選的犬隻經常有出人意料的好表現。目前臺灣已有許多場所使 用入侵種偵測犬,協助找出可能的紅火蟻危害。

從「恐龍入侵南臺灣」的綠鬣蜥(Iguana iguana),「一碰觸,皮 膚秒潰爛」的荔枝椿象(Tessaratoma papillosa),到「拖鞋戶外趴 趴走,婦人遭咬險休克」的入侵紅火蟻(Solenopsis invicta),都是 今(2021)年以來臺灣常見的入侵生物。當某些動植物被人為有意或 無意引入,出現於非原生的新地點,又因環境適合而大量繁殖,並開 始威脅許多當地動植物,或危害人的健康安全後,就會被歸類為外來 入侵物種。 根據美國學者皮曼特(David Pimentel)的估計,美國每年因臺灣家 白蟻(Coptotermes formosanus)、入侵紅火蟻、斑馬貽貝(Dreissena

polymorpha)、褐樹蛇(Boiga irregularis)等入侵物種造成的經濟 損失近臺幣 4.1 兆,約是今年臺灣政府整年總預算(約 2.5 兆)的 1 ~

2 倍,損失十分巨大;而在美國的環境生態上,則約有 42 %原本數 量已相當稀少的當地原生物種,生存受到嚴重打擊。由於入侵物種 在進入新環境後並無天敵可以抑制牠們,因此繁殖相當迅速,若不 加以人為防治與控制,後果與損失將會越來越難以收拾。 領犬員搭配偵測犬搜尋地面上的入侵紅火蟻。

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領犬員以手杖指示偵測犬調查方向。 偵測犬找到紅火蟻後以坐姿指示領犬員。

偵查與消滅入侵紅火蟻巢穴

牠做出我們希望的行為或動作。例如當我們喊叫某隻狗的

偵測調查與移除消滅是防治入侵物種最基本的方式,尤其

名字,牠聞聲而來時,我們就給予餅乾當作獎勵,持續

以偵測調查最為重要。因為「斬草不除根,春風吹又生」,

這樣的模式,久而久之一旦聽到我們的呼喚,牠就會自

發現「根」在哪裡,才是整個防治行動的成敗關鍵。以臺

動地走過來,這就是我們熟知的制約反應(conditioned

灣常見的入侵紅火蟻來說,若能找到牠們的巢穴,就能有

response)。

效地清除消滅。 紅火蟻偵測犬的開發需經過數個不同階段的訓練與測驗, 入侵紅火蟻是一種兇猛的土棲性螞蟻,攻擊性很強,一旦

包含服從訓練、氣味認知、室內、戶外、實地訓練等,且

被牠們叮咬到後往往會造成皮膚起水泡、紅腫潰爛,嚴重

需要通過測驗後才有辦法晉級到下一階段的訓練。此過程

者甚至會休克死亡,是非常惡名昭彰的入侵種。這種螞蟻

就跟我們學校裡修課一樣,每個階段都可能失敗而被淘

會在地面築巢,巢的大小不一,大的直徑可達到 70 ~ 80

汰,所以能順利結業是很不容易的事,以下簡述紅火蟻偵

公分,小的則僅約 1 ~ 2 公分。要在地面上發覺如此小的

測犬訓練方式:

蟻巢非常困難,然而若是漏掉一個小蟻巢,經過一年半載 之後便會形成巨大的蟻巢,裡頭藏有數以萬計蓄勢待發的

服從訓練

紅火蟻!由於漏掉小蟻巢的代價太高,因此可以精確地找

這是所有訓練的基礎,使訓練的偵測犬能熟悉指令,並專

到小蟻巢的偵測調查方法便十分重要。

注在主人或訓練師身上,做出訓練師希望的動作,例如坐 下、趴下、過來、等待。在訓練過程中也能看出訓練犬的

入侵紅火蟻與一般螞蟻相同,都是透過氣味來互相溝通、

個性是否沉穩,注意力是否集中等。這個過程除了十分考

傳遞訊息,或是在地面上留下味道用於追蹤路徑,因此牠

驗訓練師的功力外,犬隻本身的個性也是決定往後成功與

們的身上都帶有特殊的費洛蒙。我們可以利用對嗅覺相當

否的關鍵。

靈敏的偵測犬,調查紅火蟻的出沒地點與巢穴位置。 氣味認知訓練

偵測犬如何揪出入侵紅火蟻?

讓偵測犬認知目標物的氣味並且做出指定的反應,例如聞

偵測犬的訓練方式有很多,核心概念與我們一般訓練家中

到紅火蟻的氣味時,牠們會以坐下的動作向訓練師指示。

寵物一樣,都是透過犬隻喜歡的食物或玩具當作獎賞,讓

目的是連結發現紅火蟻氣味、做出指示、獲得獎賞等一連

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07 封面故事

救災毛英雄! 做為急難救星的搜救犬 祁文浩 偵測犬訓練師,曾赴美國北卡羅萊納受 訓犬相關訓練,近年參與多項偵測犬相 關實務工作。

(本篇照片皆由台灣偵搜犬協會提供)

Take Home Message

當災害發生時,除了依靠救援人 員與各種偵測儀器的協助外,也

能藉由搜救犬靈敏的嗅覺找尋受

困者。搜救犬可依照工作的類型,分為雪地搜

救犬、瓦礫搜救犬、水域搜救犬、原野搜救犬 等。過去 921 大地震的經驗,使臺灣政府開始 建置搜救犬搜救隊。目前臺灣已有完善的偵測

犬養成、培訓、評鑑等規畫,未來若發生災害 時將可協助拯救更多生命。

(123RF)

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臺灣位於歐亞大陸板塊和菲律賓海板塊交界處,在板塊移

搜救犬的加入刻不容緩

動之下生成了這座美麗的島嶼,但同時也使得地震頻繁,

在災害現場的搜索工作中,

地震防災一直是備受重視的一環。在 1999 年發生的 921

主要有 3 個重要角色,也就

大地震中,來自國際救難隊的搜救犬拯救了無數生命,但

是特搜員、搜索器材、搜救犬。而搜救犬的優點在於,牠

臺灣當時並沒有搜救犬,這次的經驗也讓臺灣政府了解到

們能夠在短時間內搜索大片區域,利用自身優異的行動力

本土防災預防及搶救上的不足。

與穿越障礙進入狹窄空間的能力,再加上靈敏的嗅覺,是 搜救人員在災難搜救工作中的一大利器。 過去 921 大地震發生時,抵達臺灣協助救難工作的國際 搜救隊伍中,共有來自 20 個國家、38 個國外緊急搜救 隊(包括 2 個醫療團體),總計 728 人與 103 隻搜救犬 投入救災。

術業有專攻 搜救犬選擇與工作類別 談到搜救犬的起源,可追朔到西元 950 年,在瑞土和義大 利邊境的一個修道院,由一位修道士訓練了一隻有搜尋能 力的聖伯納犬(St. Bernard)。這支聖伯納犬在該山區曾 尋獲許多遭遇雪災的人,也因此第一種被開創的搜救犬類 別就是「雪地搜救犬」,而後搜救犬在許多救災項目上被 廣泛運用,除了雪地搜救犬外,還有了「瓦礫搜救犬」、 「水域搜救犬」、「原野搜救犬」等。以下簡單介紹這幾 類型的搜救犬。 雪地搜救犬 雪地搜救犬主要針對找尋遭遇雪災的受難者,牠們的工作 為在雪地空氣及地面積雪中嗅聞,找尋活體或大體。 瓦礫搜救犬 搜救犬於倒塌建物現場進執行搜救。

瓦礫搜救犬以搜尋倒塌建築物為主,藉由嗅聞找尋埋於瓦 礫堆中的活體或大體,但會以活體優先。 水域搜救犬 水域搜救犬針對各種水域所發生災難進行搜救,任務包含 於空氣中嗅聞、目視拖拉,以及嗅聞定位。例如協助搜尋 活體或大體,將待救者或失控船隻拉回岸邊,以及沿河岸 搜尋,或在小船上搜尋湖泊河川水域。

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顯 影

如果有在關注非洲大草原生態,或是去過非洲看動物的朋友,大概對 於「非洲五霸」(Big Five game)耳熟能詳。所謂的「非洲五

非洲水牛背上的啄 牛鳥可幫助移除體

霸」,分別為非洲獅(Panthera leo)、非洲象(Loxodonta

表寄生蟲。

africana)、非洲水牛、花豹(Panthera pardus)、黑犀牛 (Diceros bicornis),是參與「獵遊」(safari)的旅客們 最想要一睹丰采的巨獸! 本期聊的非洲水牛,是非洲五霸中相對低調的角色。論 體型,非洲水牛大不過非洲象與黑犀牛;而兇殘程度給人 的印象也肯定不如非洲獅及花豹。雖然說「非洲五霸」是 人為排出來的名單,也帶有娛樂性質的集郵意涵,但由於都 具有大型、兇猛等特性,因此牠們會被排入名單還是有些邏輯。 事實上,非洲水牛十分兇猛難馴,目前人類史上還沒有過成功馴化的 案例。此外,即使獨自面對獅群,非洲水牛都還能無懼反抗,何況牠 們大多數時間都是成群行動的,其兇猛程度可見一斑。 雖然我們大多數時候都是在白天觀察非洲水牛,但實際上 非洲水牛是怕熱且幾乎不會離水太遠的動物,夜間活 動頻率還比白天高,因此牠們算是夜行性動物。但不 論是什麼時間點,非洲水牛群體都會時刻保持警覺, 如果遇到獅群前來騷擾,這些水牛還會守望相助,合力 擊退兇猛的獅群。若能在野外親眼見證上述的畫面,想必 令人印象深刻吧! ,足以威懾 牛群數量龐大 妄動。 獅群不敢輕舉

圖.文 游崇瑋

非 洲 Syncerus

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顯 影

白天牛群大多在陰影處休息。

水 牛

非洲水牛身上有許多看似皮膚病的狀況,其實大部分是乾燥逐漸 脫落的泥巴塊。

caffer

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專欄文章

以共振實現的魔法 超穎材料

欒丕綱 任職於中央大學光電系, 研究興趣為超穎材料與 光子晶體。

Take Home Message 超穎材料是一種關於材料的新觀念,而非指特定的特殊材料,通常是指人工設計的某種週期結構,被當作材料

使用時,具有一般天然材料所沒有的特性。舉例來說,超穎材料可以製作出具有「負折射」性質的材料,或是

具有「負磁導率」的材料,甚至實現奇幻故事中才有的「隱形斗篷」等。由於超穎材料屬於開放型的研究,除 了光學領域之外,未來在其他領域中也有機會見到超穎材料的各種應用。

「超穎材料」(metamaterials)又稱「超材料」,可說是

前者的比值 n= c ,也就是折射率,數值越大代表介質中

近 20 年內發展最快速的研究領域之一。「Metamaterial」

的光速越慢。根據光的電磁理論可推得 n=√ϵμ,其中 ϵ 與

一字中的「meta」意指「超越」,大家如果搜尋超穎材料

μ 分別是相對介電常數(relative permittivity)與相對磁

的新聞,很容易就能找到有關「負折射」、「隱形斗篷」、

導率(relative permeability),代表在電場與磁場影響

「超薄透鏡」、「奈米天線」、「超輕隔音材料」,以及

下,介質容易被極化(polarized)的程度。在後續的討

其他相關的報導。但事實上,超穎材料並不是單指某類

論中,我們直接稱它們為「介電常數」與「磁導率」。由

特殊材料,而是一種關於材料的新觀念。超穎材料通常

此結果可看出:若介質越容易被極化,光與介質的交互作

是指:人工設計的某種週期結構,被當作材料使用時,

用就越強,使介質中的光速變得越慢。

v

具有一般天然材料所沒有的特性。這些特性可能是負的 折射率、負的彈性係數、對光或聲的異常阻隔,或吸收、

在天然的材料中,非導體的透明材料具有正的介電常數,

隱形能力,以及輕薄不佔體積,但卻能取代傳統材料元

而導體在不同頻率下則可以具有負的、正的,或是複數

件對光與聲的調控能力等。

( complex valued) 介 電 常 數。 複 數 介 電 常 數 的 虛 部 (imaginary part)代表介質吸收光並轉化為熱能的能

在此文中,將介紹早期超穎材料研究的基本概念與相關的

力;而負的介電常數則通常表示該介質中的電子或離子

物理現象。若要深入了解其他相關的資訊,讀者可參考文

因某種共振機制,而生出很大且與電場方向相反的電偶極

末的延伸閱讀資料。

(electric dipoles)。至於磁導率,除了鐵磁性物質可以 有很大的(正)數值之外,一般材料的磁導率都接近 1,

40

超穎材料的概念

而且基本上沒有負值。當 ϵ 與 μ 兩者只有一個是負值的時

光在物質中的傳播速率 v 與真空中的光速 c 不同,後者對

候,折射率 n=√ϵμ=√-|ϵμ|=i√|ϵμ| 是一個純虛數,即為「單

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格物致知

負介質」,這代表電磁波無法在介質中傳播。當光波照射

而不是相反側。

到這樣的介質時,就會完全被反射回入射區。 根據光的電磁理論,一個固定頻率,朝固定方向傳播的電 →

1964 年, 烏 克 蘭 / 蘇 聯 物 理 學 家 維 斯 拉 格(Victor

磁波,其電場(E)與磁場(H)的任一分量,都可以寫

Georgievich Veselago)突發奇想,問了幾個有趣的問

成 ψ=A cos(ωt-k‧r) 的形式,其中 ω 與 k 分別是波的角

題:天然材料沒有負磁導率的理由是什麼?負磁導率是 否會違反物理定律?經過仔細分析後,他發現負磁導率

頻率(angular frequency)與波向量(wave vector)。

k 的方向為相位的傳遞方向,也就是波峰與波谷的移動

並不會違反物理定律,但是當介電常數與磁導率同時

方向,而波能量的傳遞方向就是坡印廷向量(Poynting

為負值時,前述的折射率公式要改寫為 n=√ϵ √μ=(i√|ϵ|)

vector):S = E × H(電場與磁場的外積)的方向。

(i√|μ|)=-√|ϵμ|,是一個負值。這個結果與前述 ϵμ<0 的單負

介質不同,光波在這種「雙負介質」裡是可以傳播的,但

在正折射介質裡,k 與 S 的方向是一致的;而在負折射介

卻會出現一個新現象:負折射(negative refraction)。

質裡,這兩者的方向則相反。這個反向的相位傳播會形成 一個非常有趣的結果:一個點光源發射的光波,經過一個 負折射率的平板,則光波在該平板內會累積負的相位,以

即「n1 sin θ1=n2 sin θ2」。其中 n1 與 n2 代表「入射區」

至於可以「抵消」它在平板外累積的正相位,導致光波在

與「折射區」的介質折射率,θ1 與 θ2 則代表入射角與折

平板後聚焦至一個光點。若把電場與磁場的指向,當成

射角。如果 n1>0 而 n2<0 時,對於入射角 θ1>0 的入射光

一個笛卡爾坐標系(Cartesian coordinate system)的

就會有折射角 θ2<0 的折射光。參考區隔兩介質的介面,

x 軸與 y 軸,k 向量指向 z 軸,則正折射介質對應的是右

負的折射角代表折射光與入射光都位於介面法線的同一側

手系座標系(right-handed coordinate system),而負

圖一

左手介質的負折射現象 圖中的水平黑線以上是 負折射介質,也就是左手 介質,其 ϵ <0,μ<0。紅 色箭頭是電場方向,打叉 的圈代表指向紙內的磁 場方向,細的橘色箭頭代 表波印廷向量(能量流) 的方向。在左手介質區, 相位的傳播方向與能量 流相反。

Physics

光的折射現象一般可用斯乃爾定律(Snell’ s law)描述,

SCIENCE MONTHLY Vol. 52 No. 10

41


專欄文章

你的正午不是你的正午 日晷與均時差

江秉城

EASY 天文地科團隊成員,

喜歡美麗的星空與數學,現 就讀臺大電機系。

Take Home Message 日晷是根據太陽位置判讀時間的裝置,但通常需要利用校正表加減時間後,

才會與鐘錶一致。日晷的時間為「地方太陽時」,鐘錶則為「地方標準時」, 前者代表太陽在天上的位置,後者則根據人類畫分的經度而定。兩者的差異 林彥興

EASY 天文地科團隊總編,

現就讀清大理學院學士班, 努力在陰溝中仰望繁星。

究竟從何而來呢?原來是因為黃道與天球赤道間有著 23.5°的夾角,而且地 球繞日的軌道並非正圓,使太陽在黃道上移動時,赤經增加的速度時快時 慢,讓日晷影不像鐘錶以等角速度旋轉。

(Photo by Dawid Zawiła on Unsplash)

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科學月刊 2021.10


物換星移

日晷,將太陽的規律運行轉換成時間的語言。

我們就有了一座赤道式日晷(圖一)。只要讀出太陽晷影 所指的刻度,就能得知當下時刻,也就是地方太陽時。

小時候看到大型日晷時,總要拿鐘錶來驗證一番,看看 至於手機或鐘錶上走的時間則是「地方標準時」。人類

做過同樣的事,就會發現兩者顯示的時間通常不相同。

將地球畫分為 24 個時區,同時區內的鐘錶都要對齊中央

這時,你得尋找日晷附近是否有附上一面校正表(通常

經線上的鐘錶。以大家熟悉的跨年為例,由於地球向東

比較精細的日晷才有),將日晷顯示的時間依此校正表加

自轉,臺灣東邊花蓮的「地方平時」應該要比位置較西

減幾分鐘後,才會和鐘錶顯示的時間一致。想必這會使

的新竹更早一些。因此我們會看到大家搶在花蓮目睹新

人產生疑問:難道日晷做壞了嗎?為什麼看個時間還要

年第一道曙光。但在時區畫分下,花蓮人和新竹人手上

依賴校正表呢?

的鐘錶都是以東經 120° 為基準,所以在跨年的時候是全 臺灣一起慶祝。

事實上日晷並非不精準,而是因為日晷讀出的是「地方

Astronomy

自己手上的鐘錶和日晷顯示的時間是否一致。如果你也

太陽時」,鐘錶顯示的則是「地方標準時」,兩者本來

從上述的例子中我們可以發現,各地原本有各自的「地方

就不相同。而校正表顯示的正是這兩種時間的差距,這

平時」,但在經過人為的時區畫分後,臺灣都採用東經

與當地的經度及「均時差」有關。就讓我們一起來了解,

120° 的地方平時,做為共同的「地方標準時」。而地方

為什麼日晷和鐘錶讀出的時間會有所不同,以及什麼是

平時與地方標準時的差距,只和當地經度與時區中央經線

均時差?

的差距有關,並不隨著時間改變。

地方太陽時與地方標準時

而所謂的「均時差」,正是地方太陽時和地方平時的差,

首先讓我們先來看看,「地方太陽時」和「地方標準時」

也有人稱為「真太陽時」和「平太陽時」的差。地方太陽 時直接來自太陽在天空中的位置,那到底地方平時是如何

到底分別代表什麼意思。

被訂出來的呢?接下來將介紹天球和黃道座標的概念,協 地方太陽時代表著太陽在天上的位置。由於地球自轉,星 星規律繞著天北極(north celestial pole)東升西落,而 太陽也不例外。若我們將一根指針指向天北極,並拿一個 垂直於指針的盤面放在下面,再平均地畫上 24 格刻度,

助我們了解「真太陽」和「平太陽」之間的關係。

溫故知新:天球座標與黃道座標

除了用方位和仰角表示天上星星的位置,也就是「地平 座標」(horizontal coordinate system),而在天文領 域中我們常用「天球座標」(astronomical coordinate

systems)表示天體的位置。當我們站在地球上仰望夜空, 恆星好像都被鑲在一個很遠很遠的球殼內部,它們的東升 西落如同這個球殼在繞地球自轉,因此科學家將這個概念 圖一:赤道式日晷有指向天北極的 晷針,以及平行天球赤道的晷面。 (Flickr-xiquinhosilva, https://www.flickr. com/photos/xiquinho/48757889497/)

上的球殼稱為「天球」(圖二左)。天球座標以赤經和赤 緯表示,概念和地表的經緯度非常相似。赤緯有正有負,

其中天北極和天南極的赤緯分別為 +90° 與 -90°;赤經

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顯 影 八角的蓇葖果。

Illicium verum

八 角

臺灣特有種-臺灣八角,因為花 呈現紅色,又可稱為紅花八角。

圖.文/植業病 @ plantsholic

    (Facebook 粉絲專頁) 掃描 QR code, 追蹤植業病吧!

在吃滷肉時,你有沒有注意過滷鍋裡那一顆顆「咖啡

八角的命名由

色的多角星星」呢?其實那些長相特殊的多角星星,

來。 蓇 葖 果 是 由 單

有個與它外貌十分相符的名字——八角。八角是五味

心皮(unicapellate)〔註〕

子科(Schisandraceae)八角屬(Illicium)中的一種喬

的雌蕊或離生心皮(apocarpous)

木,更是一種常見的燉滷香料,在滷肉時加幾顆八角,

〔註〕 雌蕊發育而來,在形成過程中會沿心皮癒合處形

就可令滷肉香味十足。它的屬名源自拉丁文的「誘惑」

成腹縫線,並在腹縫線對側形成背縫線,成熟的蓇葖

之意,意指這一類植物會散發出誘人的香味,因此才

果只會由單側開裂,並將種子彈出。

能滷出令人垂涎三尺的肉。 八角最有可能的原產地是中國南部和越南東北部,目前 在臺灣、韓國、日本、中國海南島、菲律賓都有栽培。 它的果實為蓇葖果(follicle),數枚排列呈星狀,也是

臺灣八角的花被片(tepal)〔註〕呈杯狀,不會完全展開。 〔註〕當萼片與花瓣相似,難以區分時稱為花被片。

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科學月刊 2021.10

心皮是構成子房的單元,當子房僅由一個心皮 所構成,即為單心皮;當一朵花具有多枚單心皮且

彼此分離,則為離生心皮。

臺灣八角的蓇葖果,約 7 ~ 15 枚。


顯 影

的花

被片完全展開

中海拔春季盛開的白花八角。

八角屬的植物全世界約有 40 種,臺灣產 3 種,其中一 種為臺灣八角(Illicium arborescens),花為紅色,為 臺灣特有種,分布於中低海拔的潮濕闊葉林中;另外 兩種是花為白色的白花八角(Illicium anisatum)和東 亞八角(Illicium tashiroi),前者蓇葖果 7 ~ 8 枚,後 者蓇葖果 11 ~ 13 枚,兩者皆分布在中海拔的潮濕闊 葉林中。而在臺中大雪山一帶的山區,也曾發現一種 花形介於紅花八角與白花八角之間,且花色由內而外 呈漸層的粉紅色八角,可能是兩者的雜交種,被命名 為大雪山八角(Illicium x tasueshanensis)。 最後要特別注意的是,不是所有八角的果實都可以用 來滷肉唷!因為過往研究顯示白花八角的果實含有劇 毒,所以在野外看到八角時,可別隨意採回家使用啊!

白花八角的蓇葖果,約 7 ~ 8 枚。

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精選 文章

閃耀於蘭嶼的瀕危臺灣特有種 珠光鳳蝶 Take Home Message 珠光鳳蝶,是臺灣熱帶地區最大型的鳳蝶科蝴蝶,雌蝶的展翅全長約

李偉俊

14~18 公分。當光線以不同角度照射在珠光鳳蝶雄蝶的後翅鱗片時,

哈佛大學教育學院博士後研究、中

牠原先金黃色的後翅有時會呈現出金藍色、金綠色、金紫色、銀白色

與科教學門計畫審查委員、環保署

的光芒,這種現象被稱為「彩蝶效應」,也是珠光鳳蝶最為珍稀與具

低碳永續家園認證評等委員。

臺東大學教育學系教授。

山大學訪問學者、科技部科普傳播

有保育價值的地方。期望能藉由「臺灣寶珠計畫」讓民眾能對珠光鳳 蝶有更多了解,共同保育、復育此珍稀的臺灣特有種蝴蝶。

筆者原先的專長為資優教育研究,從事科學教育學門的科

在 2011 年國慶日,筆者意外與陳維壽在臺東市的美塔魔

技部專題研究計畫十餘年,更擔任過兒童科學節目主持

法學校相見,只記得當時他緊握我的手並告訴我:「在

人,並創辦科普教育實驗機構,但卻在 1985 年和蝴蝶結

臺東蘭嶼有一隻蝴蝶非常重要,你在臺東大學要好好保

下不解之緣。

育牠!」此時,筆者才開始慢慢知道珠光鳳蝶(Troides

magellanus sonani)的珍稀與保育地位。直至今(2021) 當年筆者就讀臺北市立成功高中時,認識了一位生物老師

年 5 月,筆者親眼在蘭嶼東清部落郊外的海檬果樹上,目

陳維壽,我依稀記得他曾在生物課帶著我們前往他的秘密

睹到這隻蝴蝶在高空盤旋的英姿,逐漸引發了筆者「臺灣

基地——成功高中的蝴蝶宮。陳維壽指著天花板問全班同

寶珠計畫」的蝴蝶效應(butterfly effect)。

學:「你們知道這上面是什麼東西嗎?」在大家望著色彩

62

絢麗的天花板發愣時,陳維壽又接著說:「這些都是蝴蝶

認識臺灣最大的鳳蝶科蝴蝶-珠光鳳蝶

的翅膀裝飾而成的。」所有人頓時瞪大雙眼、啞口無言、

珠光鳳蝶是是蘭嶼鄉特有種保育類昆蟲,更是臺灣地區最

一臉不可置信的神情,至今已過了 30 多年,我的印象依

大型的鳳蝶科蝴蝶,雌蝶的展翅全長可以達 14 ~ 18 公分,

然十分深刻,難以忘懷。

約莫成人張開手掌大小(圖一)。其飛行速度快且擅於利

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精選 文章

法令限制而未獲重視和採納。

為了倡議、推動民眾對於珠光鳳蝶的保育及復育,「臺灣 寶珠計畫」的重點工作內容共有 3 大項。首先是在全臺 各地中小學積極進行蝴蝶生態自然保育的推廣教育工作; 其次,在校園的適當地點,普遍種植蝴蝶幼蟲的食草, 例如港口馬兜鈴和卵葉馬兜鈴(Aristolochia tagala), 以 及 各 種 可 引 蝶 的 蜜 源 植 物, 像 是 馬 利 筋(Asclepias

curassavica)、馬櫻丹(Lantana camara)、朱槿(Hibiscus rosa-sinensis)、 冇 骨 消(Sambucus formosana); 第 三,進行自然吸引和復育珠光鳳蝶的相似物種——黃裳鳳 蝶(Troides aeacus kaguya),如果能成功便可奠定未來 在蘭嶼地區進行全面復育珠光鳳蝶的基礎。另一大重要的 計畫亮點,則是結合高雄市網路多媒體協會,並透過網路 自媒體於生態科普活動推廣應用與進行系列性的報導,以 增加生態科普教育的能見度與曝光度,帶給臺灣民眾另一 種良善的生態保育行動。

以下我便以蝴蝶這隻一般人認為微不足道的昆蟲,從我的 圖一:圖上方為珠光鳳蝶雄蝶,下方則是雌蝶,體型上雌蝶較雄蝶 大。另外雌、雄蝶後翅外觀亦有不同,雌蝶為連續黑斑將黄區分

美塔學(metalogy)三大思維角度:創造、後設、太極思

隔,後翅下部呈數個黄色倒 V 字形或迴旋鏢圖樣;雄蝶的後翅黑

維(圖二),探討蝴蝶身上隱含的科學原理與相關效應,

斑少,大片黄色後翅區經日光照射後,會呈現珠光七彩的現象因而 得名「珠光鳳蝶」。(Felder, Public Domain, Wikimedia Commons)

圖二

用上升氣流滑翔於樹梢之上,因遠觀形似小鳥,因此又有 「鳥翼蝶」之稱。此外,珠光鳳蝶還是分布於地球最北界 的鳥翼蝶,這也是牠具有保育價值的原因之一。

近 年 來, 蘭 嶼 的 發 展 越 發 興 盛, 導 致 珠 光 鳳 蝶 在 蘭 嶼 的 棲 地 遭 到 破 壞, 其 幼 蟲 的 主 要 食 草 —— 港 口 馬 兜 鈴 (Aristolochia zollingeriana)也被移除,筆者與當地保 育人士估計,目前蘭嶼現存的珠光鳳蝶可能不到百隻。

2012 年底,筆者曾與陳維壽一起到臺東縣政府為牠請命, 並且獻策提供保育此物種的計畫與建議,但礙於相關保育

美塔學理論三大思維與九項作法,其中的三大思維包括 創造、後設、太極思維。

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專 訪

Take Home Message 採訪 撰稿 羅億庭

想變成一條擬刺尾 鯛,本刊編輯。

地球約有 70%被海水覆蓋,大海既神祕又深不可測,裡面還有許多意想不到的驚喜!外表 像一張魔幻飛毯的毯子章魚,身長可能超過兩公尺;擁有 12 ~ 16 種感光細胞的螳螂蝦, 能看到紫外光到遠紅外光;有個霸氣名字「葡萄牙戰艦」的僧帽水母,原來根本不是水母, 而是一群水螅體與水母體的組合?其實大海中有趣的故事遠不止這些,每天借我一分鐘,跟 著《漫遊者號》海洋生物日曆一起認識海洋、愛上海洋吧!

365 天,每天跟你說一則海洋故事

Serene《漫遊者號》海洋生物日曆專訪

(本篇圖片及插圖皆由 Serene 提供)

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科學月刊 2021.10

基於對世間萬物的好奇,人類縱

論是在小說《木偶奇遇記》(The

身前往太空,探索未知的世界,

Adventures of Pinocchio) 裡 被

除了渴望了解神祕莫測的宇宙,

吞到鯨魚肚子裡的皮諾丘;成為

更想知道外太空中是否同樣有生

無數人心中的恐怖夢靨,聽到配

命存在;而另一部分人,則去到

樂就會讓你想起血盆大口的《大

了同樣深不可測的地方——大海。

白鯊》(Jaws);又或是深受眾

人們對於大海,甚至是海中生物

人喜愛,一聽到「尼莫」就會想

的好奇與想像,可以從過往許多

起那隻小丑魚的《海底總動員》

文學、影視作品中略窺一二,不

(Finding Nemo)。


專 訪

你喜歡海洋嗎?每當我們潛入海中,或是踏入水族館時,

至於又有哪些海洋生物的身體功能特別厲害呢?螳螂蝦

總是會看到許多色彩繽紛,形態千奇百怪的海洋生物。看

(Stomatopoda,俗名為蝦蛄)或許是其中之一,畢竟眼

著牠們在水中悠遊自在的樣子,讓許多人幻想著成為一條

睛擁有 12 ~ 16 種不同感光細胞(photoreceptor cell)

魚,逃避陸地上各種紛紛擾擾與壓力——但其實在大海中

的牠們,能感受的光波長約為 300 ~ 720 奈米(nm),

生活可沒想像中容易。為了在險惡的海裡生存、繁衍,這

可是從紫外光( ultraviolet, UV)到遠紅外光( far-red

些海洋生物可是個個身懷絕技哦!

light)都看得到呢〔註〕!

記載著各種知識的海中圖書館

人類眼睛的感光受器只有 3 種,分別能感受到紅、

「不要去外太空找外星生物了,去海裡找!裡面真的有很

綠、藍光 3 個波段,波長約為 400 ~ 700 奈米的可見

多你意想不到的驚喜!」一談起海洋生物,畢業於美國杜

光。而紫外光的波長範圍約 100 ~ 400 奈米,遠紅外光

克大學(Duke University)生物學系,專攻海洋生物的

的波長範圍則是落在 700 ~ 780 奈米。

創作者 Serene 便興奮地分享著。而說到海中形態各異的 生物,Serene 最喜歡的是哪些呢?

雖然螳螂蝦具有多達 12 ~ 16 種不同的感光細胞,但牠 們對於色彩的解析度卻很差,例如我們平常能輕易分辨出

「我覺得海洋生物可以分為兩種,一種是外表真的令人很

顏色的深淺,像是深橘、淺橘,但對於螳螂蝦來說都是一

驚艷,」面對這個困難的問題,她猶豫了一段時間後緩緩

樣的「橘色」。此外,研究發現螳螂蝦還能利用一種可以

說道,「另一種就是牠的『身體功能』很厲害。」在外表

吸收紫外線的胺基酸 MAA(mycosporine-like amino

令人驚豔的部分,Serene 分享了一種主要分布於澳洲北

acids),除了保護自己免於海中的紫外線傷害之外,其感

海岸的生物——毯子章魚(Tremoctopus)。生活在熱帶、 亞熱帶海域的毯子章魚,外型上最大的特色就是在雌性 觸手與觸手之間的那層「膜」,令牠們在海中游動時看起 來就像是一張華麗又巨大的飛毯,而說到毯子章魚,就 不能不提到牠們雌、雄個體間的體型差異。帶著飛毯的 雌性毯子章魚,其身長超過 2 公尺,但雄性毯子章魚的 身長卻只有約 2.4 公分,不過這巨大的體型差並不會影響 到牠們的交配行為!

身為海中的游牧民族,雄性毯子章魚一生中都在尋找著能 與之交配的雌性。雄性毯子章魚會將精子儲存於一條特化 的「交配觸手」——交接腕(hectocotylus)中,當牠們 在海中遇到雌性時,便會將交接腕撕離自己的身體並送入 雌性的外套腔(mantle cavity)裡儲存。接收了交接腕 的雌性,會等待一個適合的時機,讓儲存在交接腕中的精 子釋放出來,完成受精;至於失去交接腕的雄性毯子章魚, 則會在海中慢慢的等待死亡。在無邊無際的大海中,要遇 上與自己同種類的異性生物談何容易?而為了成功繁衍後 代,延續自身物種的存亡,海洋生物們無不卯足全力,

畢業於美國杜克大學(Duke University)生物學系,專攻海洋生

「不覺得事實有時候比小說更讓人難以置信嗎?」Serene

物的創作者 Serene,發起了《漫遊者號》海洋生物日曆計畫,希

笑著說道。

望能用一種輕鬆又有趣的方式,將大海裡的美麗生物分享給大家。

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採訪撰稿|謝育哲∕本刊主編。

3R 12

鱟的保育&「鱟博士」 鱟的保育& 楊明哲專訪

守護海洋中的鱟!

F)

海海人生

致力於推動鱟保育行動 的「鱟博士」楊明哲。 (楊明哲提供)

Take Home Message 鱟是一種古老的海洋生物,目 前 全 世 界 僅 存 4 種, 其 中 的

三棘鱟分布於東亞地區,臺灣 也看得到。但由於棲地破壞,

臺灣本島的鱟族群逐漸減少,

而離島的鱟族群也面臨生存挑

戰。對此,被譽為「鱟博士」的

楊明哲,多年來不斷推動鱟的保

育,包含網路的線上策畫,或是現

場實地調查等。近年來也與海洋保育

署及各地方合作,舉辦鱟保育相關的工

作坊,讓更多人認識這個古老又神秘的海洋 生物,並為保育盡一份心力。

說到海洋生物,在你腦中最先浮現出的是哪個物種

呢?是如同水中精靈的海豚?身為海洋頂級掠食者的

tridentatus )、 美 洲 鱟(Limulus polyphemus )、

家熟悉的海洋動物,但海洋中其實有個長得像外星人

(Tachypleus gigas ),而在臺灣出沒的為三棘鱟,目

鯊魚?還是在水中悠游自在的海龜呢?這些想必是大

的古老生物,牠的血液更是做為生物檢驗試劑而解救 了世上許多人,牠就是「鱟」。

70

目前現存的鱟共有 4 種,分別為三棘鱟(Tachypleus

科學月刊 2021.10

圓尾鱟(Carcinoscorpius rotundicauda )、南方鱟 前已是瀕危物種,對此有許多研究單位及公民科學家

等,致力於保育臺灣的三棘鱟。而被稱為「鱟博士」


海洋保育署 廣告企劃

的楊明哲是鱟保育的專家,本次就讓我們跟隨鱟博士的腳 步,一起認識這個古老又神祕的海洋生物吧!

緣起:這是什麼像外星人的生物呀?

最初會與鱟結下不解之緣,是在大一時前往澎湖水族館實

習的歲月。楊明哲回憶道,當初館內的其中一隻鱟已經死 掉了,因此館方將該具鱟的屍體交給楊明哲解剖,了解鱟

的內部構造。「以前從來沒看過這樣的生物,鱟長得跟其

他生物都很不一樣,當時就好像在解剖外星人的感覺。」 由於這次的經驗,讓楊明哲開始對鱟產生了興趣,後續就 讀研究所也以鱟為主題,博士班在東亞各地研究鱟的演化

歷程,到開始進行臺灣鱟的生態調查等,最後成為了我們 所熟悉的「鱟博士」。

根據多年的追蹤及記錄,由於三棘鱟的族群日漸衰退, 2019 年更被列入 IUCN 紅皮書瀕危物種,楊明哲也開始思 考該怎麼留住這個珍貴的生物,於是開啟了他後續的鱟保 育行動。

臺灣三棘鱟目前還好嗎? 本島和離島還有牠們的蹤跡嗎?

楊明哲表示,現階段臺灣本島三棘鱟的數量已非常稀少,

圖為雉鱟(上)及一對成鱟(下)的身影。由於棲地的破壞,嚴重 影響鱟的生存空間。(楊明哲攝影)

只剩下嘉義縣的布袋及新竹市的香山曾出現稚鱟的蹤跡,

但遺憾的是,即使近年有發現稚鱟,數量也只有個位數, 臺灣鱟的生態已岌岌可危。此外,雖然我們偶爾會在新聞

中,另一半的數量則持平。

但由於鱟的平均生命週期只有 20 年,而牠們從出生到成熟

面臨離島族群衰退與本島可能滅絕的危機,推動鱟的保育

報章等媒體上,看到有民眾發現成鱟(成熟的鱟)的身影,

需歷經長達約 10 年的時間,因此這些成鱟也大約只剩下 10 年可活。再加上本島一直都沒有發現稚鱟的蹤跡,楊明 哲認為,很可能在接下來的 10 ~ 15 年,當成鱟都老死後, 臺灣本島的鱟族群將全部滅絕。

而離島的研究則可以分為金門及澎湖兩部分。以金門為例, 2002 年時楊明哲在就讀碩士班時,指導教授陳章波希望他

計畫刻不容緩。但還得面臨許多的問題及挑戰。

保育三棘鱟所面臨的挑戰

雖然我們都知道必須保育瀕危物種,但仍有許多困境有待

克服。楊明哲表示,目前鱟保育面臨的挑戰主要可分為外 部與內部因素。

除了研究鱟的 DNA 外,也可以前往當地進行野外考察。楊

外部因素主要是海岸開發和漁業混獲等問題。舉例來說,

2017 ~ 2018 年承接金門縣水產試驗所的鱟調查計畫,他

續進行水頭商港的興建計畫,使得建功嶼海岸的稚鱟族群

明哲表示,根據他在 2002 ~ 2006 年的調查,以及後續於

發現金門當地這些年來鱟的族群數量約有一半正在衰退當

金門是目前臺灣鱟族群最多的地方,但由於當地 20 年來持 不斷衰退中。根據統計,從 2002 年至今,金門稚鱟族群的 SCIENCE MONTHLY Vol. 52 No. 10

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海海人生

海洋垃圾退散!

海洋垃圾是影響海洋生態的主因之一,目前垃圾的數量仍每年持續增加中。為了減少

撰稿

與追蹤海洋垃圾,除了常見的淨灘方式外,許多科學與環保相關的團隊積極研究海洋

垃圾,包含垃圾種類、密度、分布、位置、環境資訊等。來自海洋大學海洋事務與資 源管理研究所的邱靖淳,與許多公民科學家合作,共同製作出第一張「臺灣海漂垃圾

地圖」,讓大眾更了解臺灣的海洋垃圾問題。此外,海保署也利用海洋保育網平台, 追蹤與監測海洋垃圾,並積極處理減少來自陸地上的垃圾。

郭毓璞∕畢業於臺大生態 演化所的鯨豚實驗室,待 過環保團體,參與過各種

形式的科學教育,目前還

未偏離正業的一日生科人。

海洋垃圾是一個全球性的問題,根據聯合國環境規劃署

景點,但沒辦法有效掌握臺灣各地的海灘垃圾密度。有鑑

每年有 1000 萬~ 2000 萬公噸塑膠進入海洋,這個數量大

及荒野保護協會的海洋專員胡介申,從 2018 年 7 月開

(United Nations Environment Programme, UNEP)估計,

約是臺灣 1 天用水量(1210 萬公噸)與一整座屏東牡丹水

庫的蓄水量(2203 萬公噸)之間,且逐年累積在海洋中, 是非常嚴重的汙染現象。

對一般人來說,最輕易能夠觀察與接觸的海洋垃圾來自

潮汐,也讓美麗的沙灘和海水浴場蒙上陰影。民間很快 意識到海洋垃圾逐年增多的問題,開始組織起一場又一

於此,過去任職於綠色和平組織海洋專案主任的顏寧,以 始,每年利用更系統性的方式,把臺灣的海岸線分四季,

每隔 10 公里取樣 100 公尺,展開數垃圾不撿垃圾的「海 廢快篩」。在大量志工的協助下,完成了第一份臺灣「陸 上」的海廢分布圖,第一年的成果中,平均每 100 公尺海

岸就有高達 13 個黑色垃圾袋(約 53 公斤)的垃圾量,東 北角及整個西海岸的垃圾量特別令人憂心。

場的淨灘活動,到了 2000 年,黑潮海洋文教基金會引入

正式展開海洋垃圾研究

灘 行 動(International Coastal Cleanup, ICC)模 式, 臺

岸,94%會留在海底變成海底垃圾,剩下 1%會漂浮在海

美國海洋保育協會(The Ocean Conservancy)的國際淨

灣除了清除垃圾以外,也開始有系統地記錄垃圾種類和數 量,後續更和國立海洋科技博物館、中華民國荒野保護協 會、台灣環境資訊協會、臺南市社區大學,聯合成立了台

灣清淨海洋行動聯盟(Taiwan Ocean Cleanup Alliance, TOCA),於網站上呈現臺灣淨灘報告。

活動式的淨灘往往只會集中在交通方便,已觀光化的休閒

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Take Home Message

海洋大學海資所 邱靖淳專訪

科學月刊 2021.10

落入海洋的塑膠垃圾當中,實際上僅有 5%會被風浪打上 面上。因此若要更全面地了解海洋垃圾議題,需要更廣闊 的視角,這時輪到科學家出馬了!

過往有關海洋廢棄物的學術研究並不多,現任海洋保育署

署長黃向文是其中的先行者之一。在 2012 ~ 2013 年間, 她與指導學生在北部海岸的調查中發現,礁岩地形的海洋

垃圾密度特別高,此類地形也不適合淨灘活動。海底垃圾


海洋保育署 廣告企劃

的 研 究 上,2016 ~ 2017 年 在

墾丁海域藉由指導學生潛水進行

調查發現,遊客最多的萬里桐一帶有

最多的海底垃圾量,可說是直指沉痾。 而顏寧與胡介申,後續也成立了專門進行海洋廢

棄物研究的澄洋環境顧問公司,與中山大學的榮譽

教授方力行合作,進行了西海岸 8 個河口的海底垃

(123RF)

圾監測與採集。他們發現,臺灣西半部海底垃圾密度

最高的地點為彰化烏溪口,平均高達 21 萬件∕平方公里,

垃圾主體是纖維布料與膜狀塑膠,也就是塑膠包裝和塑膠 袋,顯然都是西半部聚集大量人口製造留下的生活垃圾。

海漂垃圾對海洋生物伴隨更大的危害性,例如被誤食,或 可能遭到纏繞致死等,但若要執行調查研究,卻又比前述

兩種垃圾有更大的困難,因至少需要坐船出海才有可能觀 測得到,因此當本專訪的主角邱靖淳 2017 年進入海洋大

學海洋事務與資源管理研究所,來到時任所長黃向文的研 究室時,接到的第一個重大任務就是建構海漂垃圾監測的 方法學,並於臺灣各地海域進行資料收集。

由於為了調查海洋垃圾本身出船的成本過高,當時黃向文 教授和規畫實驗的學姊決定採用公民科學家的模式,而考 取碩士班前已有過許多環境工作經驗的邱靖淳,利用過去

份是讓調查者在 15 ~ 30 分鐘之內計數,在視線範圍內的 海漂垃圾種類和數量(圖一),計算海漂垃圾的密度;另

一份則是遇到數不勝數的海漂垃圾帶(圖二)時可直接記 錄經緯度座標及環境資訊。

觀測者 圖一:海漂垃圾監測 觀察示意圖。 (邱靖淳提供)

觀測範圍

志工招募與聯繫模式,與臺灣各地有辦法定期出海的海釣 船長、賞鯨船長、研究人員、海巡人員等接洽,並舉辦工 作坊訓練志工,透過兩種簡明的海漂垃圾目擊記錄表,一

海洋公民科學知識報你知

什麼是蝠網?

由於海洋中的塑膠微粒垃圾不斷增加,嚴重影響海洋生 物的生存。為了能順利將顆粒極小的塑膠微粒從海洋移 除,國際上以蝠網作為打撈的主要工具。蝠網的結構是 模仿鬼蝠魟(Manta birostris )的外觀進行設計,能收 集海洋中的塑膠微粒與碎片等。

SCIENCE MONTHLY Vol. 52 No. 10

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《科學月刊》 623期 精采預告

2021全國科普論壇

透過跨領域的交流,

反思臺灣過往的科普活動, 展望未來科普趨勢。

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科學月刊試閱版2021-10月號 622期-超級犬英雄  

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