科學新粹


1987年12月216期｜上一篇＃發行日期：1987、12 ＃期號：0216 ＃專欄：科學新粹＃標題：科學新粹＃作者：李重義林雪蕙郭中一．浮游生物驗明正身．水螅再生之謎．巨型星系弧的發現．又一驗明超新星的方法？．圖：長頭或長尾？水螅的生長是由化學訊息所控制的。．圖：在某些星系圖──例如寶瓶座（Aguarius）中的2242-02（上圖）及鯨魚座（Cetus）中的艾貝爾370號（Abell 370）（下圖）──中發現的巨大弧狀物質，頗令理論學家困惑。如果類似的弧狀物出現在銀河系附近，便可用肉眼看到。與林德斯一起研究這種物體的皮特羅新說：「那是奇觀。」艾貝爾370中最亮的星系光度約為19½等。		科學新粹浮游生物驗明正身李重義澳洲和美國的研究人員發現，有一種在兩極地帶盛產而原先被認為是動物的生物，原來是一種植物。這種在顯微鏡下才能看到的生物很可能是北大西洋磷蝦（krill）的主要食物。澳洲科學部南極局的馬向（H. Marchant）認為，它們是海洋牧場的一部分而非消費者。馬向認為，此一錯誤鑑定的發生以及它在這麼久之後才被發現，顯示我們對於海洋中小於5微米的生物所知十分有限。而這些微小生物卻構成了海洋中主要的生質（biomass），而且它們進行了大部分的初級生產工作。馬向和西雅圖華盛頓大學海洋學院的布斯（B. Booth），共同將這種單細胞藻類命名為一個新的目，稱為小殼藻目（Parmales）。這個名稱根據拉丁文parma，其意為小的殼。這種藻類的細胞壁由殼狀矽片所構成。馬向和布斯根據細胞壁上矽片的數目、形狀和裝飾物將此目分成二個新的科、三個屬、七個新種和四個亞種（參考Journal of Phycology, 23：245）。小殼藻目的生物可能很小，必須用電子顯微鏡才能觀察，但在水下75～120公尺之間，它們卻能達到每公升含有75萬個細胞的數目。在這種深度下，只有一點點的陽光，且水溫很低，不超過2℃。但在冷極帶的水中，這種藻類卻是一種非常普遍的浮游生物。 1980年，阿拉斯加和南極的兩組研究人員首先敘述這種生物。兩組人員（其中一組包括布斯）都認為這種生物是一群稱為choanoflagellates的單細胞動物的包囊（cyst）或休眠狀態。這些科學家的分類乃是根據細胞壁的矽成分以及和其他一般choanoflagellates細胞的相關特性而分的。包囊並不攝食，而靠儲藏的油脂類維生。馬向培養了好幾年的choanoflagellates，但他不曾在其生活史中發現有包囊的存在。 1985年的夏天，馬向在南極的皮茲灣（Prydz Bay）地方蒐集了細胞數目極多的浮游生物樣品。他和也在南極局的麥克艾德尼（A. McEldowney）用穿透式電子顯微鏡觀察這些細胞的內部構造。結果大出所料，細胞中不但沒發現大量的食物貯藏，反而發現一個比較大的葉綠體。葉綠體會捕捉光線進行光合作用。馬向說：「看見一個巨大的葉綠體，顯然它是一種植物。」此外，這些細胞也會輻射紅色螢光，顯示它含有葉綠素的存在。馬向稱這種生物的生活史和壽命仍然是一個謎。於南極蝦的內臟和排泄物及阿拉斯加灣北大西洋磷蝦的排泄物中都發現這種藻類。馬向說：「小殼藻目可以幫助我們了解北大西洋磷蝦吃些什麼以及牠們在那裏吃它」。而北大西洋磷蝦是鬚鯨的主要食物。此外，根據馬向的說法，由於其矽的含量，這類生物可能最後貯存於高緯度的沈積物中，因此它可能是冷水域中一種良好地質指標。（譯自New Scientist, 8 Oct., 1987）水螅再生之謎林雪蕙不管是原生動物和植物或者蒼蠅和蝙蝠，這些生物的自然形態可一而再，正確無誤地複製繁衍。無論其間的差異如何，大多數的生物有共同的特徵，像是頭、尾及四肢，這些部位的圖樣在發育階段的早期便詳細規劃好，然而此一圖樣是如何製作的，長久以來便困擾著生物學家。現在，來自英、美的研究小組至少在水螅中發現，有類管道是那些信息──轉播生物發育圖協調一致的信息──必經的途徑（Science, 237：49）。加州的佛瑞塞（S. Fraser）等人與倫敦的葛林（C.Green），以水螅（Hydra）為研究對象。水螅是棲於淡水的小動物，有簡單的身體構造：由二層細胞厚的中空圓柱腔所組成，一端有一頭，另一端有一足。儘管水螅的外表構造簡單，牠卻有些不尋常的特徵。從它圓柱形軀幹割下一小片來，可再生成一完整的小型水螅，而且將牠斬首的話則會長出新頭來。因為頭和足的部位均有各自的本體（separate identities），由不同的化學成分所管轄。例如頭部產生的頭抑制子（head inhibitor）順軀幹流下來，並且可防止體內的其他細胞形成第二個頭。頭抑制子是科學家已知少數的發育信息中的一種。佛瑞塞等人的研究揭開了這類物質的行蹤動向。研究人員從探索頭抑制子是否會穿過「間隙結合」（gap junctions）著手，此細胞間的構造是特化的蛋白質，可穿透細胞膜並容許電流和水分子在細胞間流通。他們利用與「間隙結合」蛋白質連接的抗體，做為水螅移植實驗的工具。首先他們從水螅頭末端取下一小片環形組織，移植到圓柱軀體的另一部位。雖然這移植的小片組織有能力形成新頭，但它卻沒這麼表現。因為來自頭部的抑制因子擴散通過移植區，而壓抑了新頭的成長，長出第二頭的情況只有11％。如果頭部抑制物行經「間隙結合」時，無論如何可用「間隙結合」蛋白的抗體予以攔截而阻塞通路。為了驗證此一學說，佛瑞塞等人先讓水螅能被滲透，接著將牠們浸泡在「間隙結合」抗體中。於是他們重複先前的實驗，這次從正常水螅移植組織到另一個以抗體處理過的水螅體內。一旦移植處癒合後，22％接受移植的水螅長出第二個頭來。頭抑制物永遠不能到達移植區的頭部組織，因為它的通路讓「間隙結合」抗體給堵塞了。沒有這抑制物質的話，頭部組織即可依據它內部預定的程序而製作個新「頭」來。（譯自New Scientist, 15 October, 1987）巨型星系弧的發現郭中一美國天文學會在今年一月的會議中最重要的宣告，或許是有關在至少兩個遙遠的星系團中，發現有圍繞的巨大弧狀物。它們的大小是三十萬光年或更大，極為驚人。這弧狀物可輕而易舉地圍繞銀河系的周匝。事實上，它們是宇宙中已知在可見光波段閃耀的最大物體。同樣奇性的是，這窄到基特峰（Kitt Peak）上四公尺的望遠鏡，都幾乎難以分辨的弧狀物，它所在圓的圓心不是與一超大的橢圓狀星系，便是與星系團的質心相重合。最重要也是最令人困惑的是，這弧狀物的亮度十分均勻。史丹福大學的皮特羅新（V. Petrosian）說：「這好似上帝切斷的一段繩索，墜落於九霄。似此美好簡單的構造卻是理論學家的夢魘。」最後一點是，由此弧狀物釋出的功率非常大，相當於一千億個太陽，使這弧狀物輸出的能量甚至可與整個巨型橢圓星系相匹敵。這些謎似的物體是由美國國立基特峰天文台的林德斯（RogerLynds）與皮特羅新及桑代奇（A. Sandage），合作研究星系的表面亮度時，傳奇地發現的。十年前首度見到弧狀物的蹤跡，但那時所得的資料不夠詳盡，不足以提供仔細的探究。目前的結果是由極度靈敏的電磁耦合偵測器（chargecoupled device，簡稱CCD）所取得的。據林德斯說，基本的問題是：「你如何在如此遙遠的距離得到這般令人難以置信的幾何上的協合？」他和貝特羅新都還不能解決這個問題，而且他們也無法解釋在星系團的複雜重力場中，這些弧狀物是如何保持形狀的。他們之所以無法解釋，部分是因為缺乏光譜，由於這些物體太過模糊，以致於恰在目前儀器所能觀測的極限。甚至連這弧狀物到底是由星球或氣體組成的，都尚未知曉。有一個線索是它們的顏色，通常要比對應的星系偏向藍色。林德斯說：「藍色通常代表年輕的星球。」另外一個同樣可信的解釋是，這些弧狀物是藉著同步輻射發光，這同步輻射是由電子以接近光速的速率，於磁場中螺線行進造成的（蟹狀星雲之所以發光也是由於同一機制）。林德斯及貝特羅新相信這些弧狀物代表一種新的，而且可能是宇宙中普遍的現象。發現弧狀物的兩個星系團大約有三十億光年之遙。貝特羅新假設在更遠的距離裏，「弧狀物出現在星系團中，可能極為平常。」問題當然在於如何測到如此微弱似鬼火般的物體。他提出了幾種弧狀物的解釋，但都令人不滿意，而且全依恃某種「與大量能量及質量有關的」過程。由於星系落入星系團造成的潮汐扭曲（tidal distortion，譯註：由於作用於其上的重力不均勻所造成的形變）可造成長帶狀物，但卻不應有這弧狀物所具有的平滑組織。在星系團中心的巨大星系放出的爆波可以造成一個球殼，或至少是球殼的一部分，但是我們所見的卻似香腸一般。而它似乎也不可能是光噴束，最近的類比是在梅西爾星表87號（Messier 87）室女星系中，但與此比較卻嫌太小。最後兩個解釋也需要大量的能量，相當於一億或十億個超新星同時爆炸。貝特羅新引述了兩種弧狀物可能在宇宙論上的用途：一或用於解釋宇宙中物質聚集的分布；一或導致對似星體中進行的活動及某種星系核的更深了解。他總結如下：「我們所處理的是極不尋常、而且可能非常重要的現象。」（譯自“Giant galactic Arcs”, Sky ＆ Telescope, April, 1987.）又一驗明超新星的方法？林雪蕙今年二月，在大麥哲倫星雲中發生的爆炸，我們由其發射的「光」及「微中子」而驗明正身，確認它是顆超新星，名為SN 1987A。然而，慕尼黑的馬克斯蒲朗克外星物理研究所的俄格爾曼（Ögelman）等人，卻認為應當還有第三類徵象能夠提供線索，讓我們了解超新星是怎麼回事。天文學家預測，質量超過太陽8倍的星星，極可能以超新星的方式來結束它們的生命。臨終時，星球的核心因質子與電子融合成中子而崩潰，於是衝出一大群貫穿性強的微中子，把星球的外層像膨脹氣囊般吹離，而且產生激震波。當激震波突破氣囊時，照理會伴隨著一股波長較長的Ｘ光（相當於短波的紫外線）脈衝。這Ｘ光的脈衝必須行經綿延數百萬公里的星體殘骸，因而落於貫穿性強的微中子簇之後。根據俄格爾曼等人的估計，來自超新星1987A的Ｘ光脈衝應該是在核心崩潰1～1½小時之後，開始發出的，持續約數百秒，產生10⁴¹焦耳的總能量。俄格爾曼估算Ｘ光脈衝在穿越星系的旅程後，會加給地球大氣上方每平方公分10^-7焦耳的能量。Ｘ光脈衝穿過電離層的E區（地表上空110～125公里處）時，會導致游離的增多。此現象或可由分析氣象火箭所傳送回來的現成有關電離層資料而偵察到。超新星1987 A爆炸時澳洲西部與南美洲的部分地區正值最適宜觀察大氣游離效應的理想天候。因此，理論上，今年二月南半球的觀測者若能及時比較他們的電離層資料，就可能取得洩自超新星1987A的Ｘ光徵象。然而，事實上大多數用來研究電離層的儀器都操作得太慢，以致未偵測到此種Ｘ光脈衝。因而可能已錯失良機。另一彌補之途是，既然許多觀測台不斷在監視地球的地磁場，應該也可從中看出來自超新星1987 A的效應，雖然這比起Ｘ光脈衝效應要微弱得多了。（譯自New Scientist, 24 Sept., 1987）
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1987年12月216期｜上一篇＃發行日期：1987、12 ＃期號：0216 ＃專欄：科學新粹＃標題：科學新粹＃作者：李重義林雪蕙郭中一．浮游生物驗明正身．水螅再生之謎．巨型星系弧的發現．又一驗明超新星的方法？．圖：長頭或長尾？水螅的生長是由化學訊息所控制的。．圖：在某些星系圖──例如寶瓶座（Aguarius）中的2242-02（上圖）及鯨魚座（Cetus）中的艾貝爾370號（Abell 370）（下圖）──中發現的巨大弧狀物質，頗令理論學家困惑。如果類似的弧狀物出現在銀河系附近，便可用肉眼看到。與林德斯一起研究這種物體的皮特羅新說：「那是奇觀。」艾貝爾370中最亮的星系光度約為19½等。		科學新粹浮游生物驗明正身李重義澳洲和美國的研究人員發現，有一種在兩極地帶盛產而原先被認為是動物的生物，原來是一種植物。這種在顯微鏡下才能看到的生物很可能是北大西洋磷蝦（krill）的主要食物。澳洲科學部南極局的馬向（H. Marchant）認為，它們是海洋牧場的一部分而非消費者。馬向認為，此一錯誤鑑定的發生以及它在這麼久之後才被發現，顯示我們對於海洋中小於5微米的生物所知十分有限。而這些微小生物卻構成了海洋中主要的生質（biomass），而且它們進行了大部分的初級生產工作。馬向和西雅圖華盛頓大學海洋學院的布斯（B. Booth），共同將這種單細胞藻類命名為一個新的目，稱為小殼藻目（Parmales）。這個名稱根據拉丁文parma，其意為小的殼。這種藻類的細胞壁由殼狀矽片所構成。馬向和布斯根據細胞壁上矽片的數目、形狀和裝飾物將此目分成二個新的科、三個屬、七個新種和四個亞種（參考Journal of Phycology, 23：245）。小殼藻目的生物可能很小，必須用電子顯微鏡才能觀察，但在水下75～120公尺之間，它們卻能達到每公升含有75萬個細胞的數目。在這種深度下，只有一點點的陽光，且水溫很低，不超過2℃。但在冷極帶的水中，這種藻類卻是一種非常普遍的浮游生物。 1980年，阿拉斯加和南極的兩組研究人員首先敘述這種生物。兩組人員（其中一組包括布斯）都認為這種生物是一群稱為choanoflagellates的單細胞動物的包囊（cyst）或休眠狀態。這些科學家的分類乃是根據細胞壁的矽成分以及和其他一般choanoflagellates細胞的相關特性而分的。包囊並不攝食，而靠儲藏的油脂類維生。馬向培養了好幾年的choanoflagellates，但他不曾在其生活史中發現有包囊的存在。 1985年的夏天，馬向在南極的皮茲灣（Prydz Bay）地方蒐集了細胞數目極多的浮游生物樣品。他和也在南極局的麥克艾德尼（A. McEldowney）用穿透式電子顯微鏡觀察這些細胞的內部構造。結果大出所料，細胞中不但沒發現大量的食物貯藏，反而發現一個比較大的葉綠體。葉綠體會捕捉光線進行光合作用。馬向說：「看見一個巨大的葉綠體，顯然它是一種植物。」此外，這些細胞也會輻射紅色螢光，顯示它含有葉綠素的存在。馬向稱這種生物的生活史和壽命仍然是一個謎。於南極蝦的內臟和排泄物及阿拉斯加灣北大西洋磷蝦的排泄物中都發現這種藻類。馬向說：「小殼藻目可以幫助我們了解北大西洋磷蝦吃些什麼以及牠們在那裏吃它」。而北大西洋磷蝦是鬚鯨的主要食物。此外，根據馬向的說法，由於其矽的含量，這類生物可能最後貯存於高緯度的沈積物中，因此它可能是冷水域中一種良好地質指標。（譯自New Scientist, 8 Oct., 1987）水螅再生之謎林雪蕙不管是原生動物和植物或者蒼蠅和蝙蝠，這些生物的自然形態可一而再，正確無誤地複製繁衍。無論其間的差異如何，大多數的生物有共同的特徵，像是頭、尾及四肢，這些部位的圖樣在發育階段的早期便詳細規劃好，然而此一圖樣是如何製作的，長久以來便困擾著生物學家。現在，來自英、美的研究小組至少在水螅中發現，有類管道是那些信息──轉播生物發育圖協調一致的信息──必經的途徑（Science, 237：49）。加州的佛瑞塞（S. Fraser）等人與倫敦的葛林（C.Green），以水螅（Hydra）為研究對象。水螅是棲於淡水的小動物，有簡單的身體構造：由二層細胞厚的中空圓柱腔所組成，一端有一頭，另一端有一足。儘管水螅的外表構造簡單，牠卻有些不尋常的特徵。從它圓柱形軀幹割下一小片來，可再生成一完整的小型水螅，而且將牠斬首的話則會長出新頭來。因為頭和足的部位均有各自的本體（separate identities），由不同的化學成分所管轄。例如頭部產生的頭抑制子（head inhibitor）順軀幹流下來，並且可防止體內的其他細胞形成第二個頭。頭抑制子是科學家已知少數的發育信息中的一種。佛瑞塞等人的研究揭開了這類物質的行蹤動向。研究人員從探索頭抑制子是否會穿過「間隙結合」（gap junctions）著手，此細胞間的構造是特化的蛋白質，可穿透細胞膜並容許電流和水分子在細胞間流通。他們利用與「間隙結合」蛋白質連接的抗體，做為水螅移植實驗的工具。首先他們從水螅頭末端取下一小片環形組織，移植到圓柱軀體的另一部位。雖然這移植的小片組織有能力形成新頭，但它卻沒這麼表現。因為來自頭部的抑制因子擴散通過移植區，而壓抑了新頭的成長，長出第二頭的情況只有11％。如果頭部抑制物行經「間隙結合」時，無論如何可用「間隙結合」蛋白的抗體予以攔截而阻塞通路。為了驗證此一學說，佛瑞塞等人先讓水螅能被滲透，接著將牠們浸泡在「間隙結合」抗體中。於是他們重複先前的實驗，這次從正常水螅移植組織到另一個以抗體處理過的水螅體內。一旦移植處癒合後，22％接受移植的水螅長出第二個頭來。頭抑制物永遠不能到達移植區的頭部組織，因為它的通路讓「間隙結合」抗體給堵塞了。沒有這抑制物質的話，頭部組織即可依據它內部預定的程序而製作個新「頭」來。（譯自New Scientist, 15 October, 1987）巨型星系弧的發現郭中一美國天文學會在今年一月的會議中最重要的宣告，或許是有關在至少兩個遙遠的星系團中，發現有圍繞的巨大弧狀物。它們的大小是三十萬光年或更大，極為驚人。這弧狀物可輕而易舉地圍繞銀河系的周匝。事實上，它們是宇宙中已知在可見光波段閃耀的最大物體。同樣奇性的是，這窄到基特峰（Kitt Peak）上四公尺的望遠鏡，都幾乎難以分辨的弧狀物，它所在圓的圓心不是與一超大的橢圓狀星系，便是與星系團的質心相重合。最重要也是最令人困惑的是，這弧狀物的亮度十分均勻。史丹福大學的皮特羅新（V. Petrosian）說：「這好似上帝切斷的一段繩索，墜落於九霄。似此美好簡單的構造卻是理論學家的夢魘。」最後一點是，由此弧狀物釋出的功率非常大，相當於一千億個太陽，使這弧狀物輸出的能量甚至可與整個巨型橢圓星系相匹敵。這些謎似的物體是由美國國立基特峰天文台的林德斯（RogerLynds）與皮特羅新及桑代奇（A. Sandage），合作研究星系的表面亮度時，傳奇地發現的。十年前首度見到弧狀物的蹤跡，但那時所得的資料不夠詳盡，不足以提供仔細的探究。目前的結果是由極度靈敏的電磁耦合偵測器（chargecoupled device，簡稱CCD）所取得的。據林德斯說，基本的問題是：「你如何在如此遙遠的距離得到這般令人難以置信的幾何上的協合？」他和貝特羅新都還不能解決這個問題，而且他們也無法解釋在星系團的複雜重力場中，這些弧狀物是如何保持形狀的。他們之所以無法解釋，部分是因為缺乏光譜，由於這些物體太過模糊，以致於恰在目前儀器所能觀測的極限。甚至連這弧狀物到底是由星球或氣體組成的，都尚未知曉。有一個線索是它們的顏色，通常要比對應的星系偏向藍色。林德斯說：「藍色通常代表年輕的星球。」另外一個同樣可信的解釋是，這些弧狀物是藉著同步輻射發光，這同步輻射是由電子以接近光速的速率，於磁場中螺線行進造成的（蟹狀星雲之所以發光也是由於同一機制）。林德斯及貝特羅新相信這些弧狀物代表一種新的，而且可能是宇宙中普遍的現象。發現弧狀物的兩個星系團大約有三十億光年之遙。貝特羅新假設在更遠的距離裏，「弧狀物出現在星系團中，可能極為平常。」問題當然在於如何測到如此微弱似鬼火般的物體。他提出了幾種弧狀物的解釋，但都令人不滿意，而且全依恃某種「與大量能量及質量有關的」過程。由於星系落入星系團造成的潮汐扭曲（tidal distortion，譯註：由於作用於其上的重力不均勻所造成的形變）可造成長帶狀物，但卻不應有這弧狀物所具有的平滑組織。在星系團中心的巨大星系放出的爆波可以造成一個球殼，或至少是球殼的一部分，但是我們所見的卻似香腸一般。而它似乎也不可能是光噴束，最近的類比是在梅西爾星表87號（Messier 87）室女星系中，但與此比較卻嫌太小。最後兩個解釋也需要大量的能量，相當於一億或十億個超新星同時爆炸。貝特羅新引述了兩種弧狀物可能在宇宙論上的用途：一或用於解釋宇宙中物質聚集的分布；一或導致對似星體中進行的活動及某種星系核的更深了解。他總結如下：「我們所處理的是極不尋常、而且可能非常重要的現象。」（譯自“Giant galactic Arcs”, Sky ＆ Telescope, April, 1987.）又一驗明超新星的方法？林雪蕙今年二月，在大麥哲倫星雲中發生的爆炸，我們由其發射的「光」及「微中子」而驗明正身，確認它是顆超新星，名為SN 1987A。然而，慕尼黑的馬克斯蒲朗克外星物理研究所的俄格爾曼（Ögelman）等人，卻認為應當還有第三類徵象能夠提供線索，讓我們了解超新星是怎麼回事。天文學家預測，質量超過太陽8倍的星星，極可能以超新星的方式來結束它們的生命。臨終時，星球的核心因質子與電子融合成中子而崩潰，於是衝出一大群貫穿性強的微中子，把星球的外層像膨脹氣囊般吹離，而且產生激震波。當激震波突破氣囊時，照理會伴隨著一股波長較長的Ｘ光（相當於短波的紫外線）脈衝。這Ｘ光的脈衝必須行經綿延數百萬公里的星體殘骸，因而落於貫穿性強的微中子簇之後。根據俄格爾曼等人的估計，來自超新星1987A的Ｘ光脈衝應該是在核心崩潰1～1½小時之後，開始發出的，持續約數百秒，產生10⁴¹焦耳的總能量。俄格爾曼估算Ｘ光脈衝在穿越星系的旅程後，會加給地球大氣上方每平方公分10^-7焦耳的能量。Ｘ光脈衝穿過電離層的E區（地表上空110～125公里處）時，會導致游離的增多。此現象或可由分析氣象火箭所傳送回來的現成有關電離層資料而偵察到。超新星1987 A爆炸時澳洲西部與南美洲的部分地區正值最適宜觀察大氣游離效應的理想天候。因此，理論上，今年二月南半球的觀測者若能及時比較他們的電離層資料，就可能取得洩自超新星1987A的Ｘ光徵象。然而，事實上大多數用來研究電離層的儀器都操作得太慢，以致未偵測到此種Ｘ光脈衝。因而可能已錯失良機。另一彌補之途是，既然許多觀測台不斷在監視地球的地磁場，應該也可從中看出來自超新星1987 A的效應，雖然這比起Ｘ光脈衝效應要微弱得多了。（譯自New Scientist, 24 Sept., 1987）
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