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2014/08/12 第3期 | 訂閱/退訂 | 看歷史報份 | 科學少年 | 粉絲團
 
編輯的話 氣候變遷冒險記
本期主打 【探索地球】氣候變遷與人類的歷史
好文推薦 【探訪古生物】身藏雙匕首的猛獸──劍齒虎
【種子科學家】曾少茵:做科展要有最壞的打算、最大的熱情
【遨遊宇宙】熱力四射的太陽
   
氣候變遷冒險記
主編/郭雅欣

自有人類以來,地球發生過多次氣候變遷,冰河期的到來使氣溫降低,威脅人類的生存,但也讓海平面降低,給了人類出走非洲的機會。人類祖先如何將氣候變遷帶來的危機變成轉機?這場精采的冒險記,請見本期封面故事〈氣候變遷與人類的歷史〉。《科學少年》每期附上的「我的手作」系列,你動手作了嗎?歡迎到《科學少年》粉絲團參加「我的手作,分享給你」活動,分享你的成果!
 
【探索地球】氣候變遷與人類的歷史
撰文/ 周漢強

人類演化史上的許多重大事件,包括尼安德塔人滅絕、智人出走非洲、農耕畜牧的文化興起,甚至是中國的朝代更迭,都跟氣候變遷息息相關?

如果氣候學家說的是真的,未來全球暖化、海平面上升的現象持續惡化,人類會不會就此活不下去,在地球上完全滅絕呢?對了!我們是不是可以從過去的氣候紀錄,來看看人類是怎樣面對氣候變遷的?沒錯,科學家們也是這樣想,所以現在有很多很多氣候變遷的紀錄,都已經漸漸和人類演化的歷史連結起來,數不清的精采故事,就要一個個搬上舞臺啦!

人類出現時的地球,很冷!

地球的氣候自從5000萬年前,印度撞上歐亞大陸開始,就慢慢進入一個寒冷的年代。最可能的原因就是這個碰撞導致西藏高原迅速長高,大量被風化侵蝕下來的沉積物顆粒溶解在大海中,並且和已經溶解在大海中的二氧化碳結合,沉澱到大海深處,於是大氣中的二氧化碳就持續溶解到海洋中,降低大氣中的溫室效應,使得地球進入了一個比較寒冷的時期,稱為「冰室氣候」。

當190萬年前,像人類這樣的生物──直立人演化出現在地球上時,地球就正處於在冰河期跟間冰期之間擺盪的冰室氣候中。如果是在稍微溫暖一點的間冰期,氣候還可以和今天的地球差不多,原始人類能夠和其他生物一樣很容易存活下來。但是當地球進入冰河期時,由於原始人類不像很多動物具有可以保暖的毛髮,再加上人類生一胎小孩大概要將近一年,小孩生下來還要照顧好幾年才能自己求生,所以原始人類要在這樣的地球環境生存,是一件很不容易的事。

科學家根據現今人類染色體上的遺傳基因分析,發現人類的祖先是從非洲演化出來。再根據地層中原始人類的化石分布,我們發現最近這幾十萬年,由於冰河期頻繁出現,原始人類可能為了求生存,便經常利用冰河期時海水面降低,很多陸地跟陸地之間出現可以通過的低地時,離開非洲,前往世界各地。但是很不幸的,這些原始人類大多都還是抵擋不住氣候環境的劇烈變化,包括直立人、尼安德塔人和海德堡人,最後都是在氣候寒冷乾燥的冰河時期從地球上消失而滅絕。

幸好,人類演化歷史的轉捩點終於出現,在距今約19萬5000年前,今天所有人類的共同祖先──智人演化誕生在地球上。並且在8萬5000年前開始的那一次冰河期,智人和過往其他的人類祖先一樣,跨過變低了的海水面離開非洲,想要到世界各地去闖一闖。或許是老天爺存心要給人類一個大考驗,也或許是我們的祖先實在是運氣太差。8萬5000年前開始的冰河期不僅寒冷,還在7萬多年前遇上印尼托巴火山大爆發,大量火山灰阻擋住陽光,導致地球歷經了最冷的寒冬。

結果,世界各地除了智人以外的其他原始人類幾乎都完全消失,甚至連智人都只剩下大約1萬人左右。這可以從今天世界各地所有不同人種的遺傳基因看出來,因為今天每個人的遺傳基因都非常非常相似,表示我們的祖先一定是來自於很小的一群人。很幸運的,我們的祖先最終還是熬過了這次最嚴苛的氣候變遷大考驗。於是從5萬年前開始,智人的壁畫、使用的工具、畜牧和農業的遺跡就開始一個個出現,人類的足印也開始踏上每一塊陸地。我們終於成功的活下來了!

冰冷的回馬槍──新仙女木事件

人類所經歷最後一次的冰河期,我們稱之為末次冰盛期,大約持續到1萬8000年前開始發生轉變。地球的氣溫慢慢上升、冰河所覆蓋的範圍漸漸減少、海水面也開始高了起來。氣候變暖,對人類來說當然是件好事,根據古人類學家的估計,在1萬4000年前,地球從最冷的冰河期演變到最溫暖的年代時,人類的數量也從大約200多萬人暴增到800多萬人。但偏偏就在這個時候,地球的氣候卻突然來了個冰冷的回馬槍──新仙女木事件,地球變得又寒冷又乾燥,這下糟了!

我們先介紹一下所謂的「新仙女木事件」,仙女木是一種植物,生活在非常乾冷的環境,曾經有一位科學家在歐洲的地層裡發現三個地層裡有仙女木的花粉化石,表示這是三個氣候非常乾冷的時期,於是他就把三個時期取名為老仙女木、中仙女木和新仙女木事件。後來根據放射性同位素定年的結果,發現老仙女木事件就是末次冰盛期,中仙女木事件因為只有發生在歐洲某些地區,所以後來就比較少被討論,而新仙女木事件則是發生在末次冰盛期結束之後突然發生的寒冷氣候,而且在北美、南美跟歐洲都有發現,可見得新仙女木事件是一個全球同時變得寒冷又乾燥的大事件。

[更多詳細內容請參閱《科學少年》2014年8.9月號 ]


 
【探訪古生物】身藏雙匕首的猛獸──劍齒虎
撰文/鄭皓文

貓科動物一直都是狩獵高手,但已滅絕的大貓──劍齒虎,竟然還多帶了兩把匕首當凶器!

擁有雙匕首的動物

在《冰原歷險記》這部膾炙人口的動畫裡,最受大家歡迎的靈魂角色,除了長毛象蠻尼與愛搞笑的地獺喜德外,劍齒虎狄亞哥更是引人注目。三「人」不但聯手克服了許多難關,更建立了令人感動的情誼。不過動畫畢竟是動畫,大家可不能當真。在真實的自然環境中,長毛象和地獺可能都是劍齒虎獵殺的對象,劍齒虎也不是只出現在冰河時期,所以我們在欣賞動畫的娛樂效果之餘,也該發揮一下科學精神,好好來認識一下劍齒虎的真面目。

廣義的來說,劍齒虎其實不是一個大家族,也不是單一的物種,而是泛指生存在新生代不同時期、不同地區、由不同類型的肉食性哺乳動物,分別演化出具有兩顆匕首般上犬齒的動物。舉例來說:在3000多萬年前的歐亞大陸,肉齒目動物(一類目前已完全滅絕的哺乳動物)曾演化出「偽劍齒虎」;而在1000萬年前的南美洲,有袋類動物中也曾演化出「袋劍虎」;至於大家熟悉的、較狹義的劍齒虎,則是指約300萬年前出現在北美洲的劍齒虎(Smilodon),分類上則屬於食肉目底下的貓科、劍齒虎亞科。

換句話說,這也是一種「趨同演化」的結果,只是這次是發生在同為哺乳動物底下的不同類型。現在,就讓我們把焦點放在狹義的劍齒虎──美洲劍齒虎身上來介紹吧!

劍齒虎的構造

既然這次的主角是貓科的劍齒虎,我們就先大致認識一下貓科動物的特徵。大家熟悉的貓、獅子、老虎和豹等,都是屬於這一大家族。從骨骼和牙齒的構造來看,貓科動物具有兩大特徵,可以和其他肉食性哺乳動物區別:一個是具有分室的「聽泡」,聽泡是位於頭骨後方圍繞中耳所形成的骨質圓泡狀構造,而貓科動物的聽泡中具有骨質隔板再分為兩室。

另一個特徵則是為了適應肉食而高度特化的「裂齒」。裂齒是由上、下臼齒所演化而來具有銳利裂葉的牙齒,咬合時可發揮如同剪刀般的功能,所以貓科動物可輕易切割咬食獵物堅韌的肌肉或筋腱;雖然其他肉食性哺乳動物也有裂齒,但貓科動物的裂齒特化至左、右頰各只有一對,裂齒前後的臼齒則退化變小或消失,這是最大的不同。

[更多詳細內容請參閱《科學少年》2014年8.9月號 ]


【種子科學家】曾少茵:做科展要有最壞的打算、最大的熱情
採訪整理/郭雅欣

以一個乒乓球彈跳的研究奪得國際科展「青少年科學獎」的曾少茵,已經算得上是個科展「老手」了。她從國小至今累積的科展經驗,讓她領悟到科展不只是實驗技巧的展現而已,還需要良好的「推銷」能力,以及比別人更多的堅持。

國際科展的「青少年科學獎」多數時候是頒給高中生,但在今年的頒獎典禮上,來了一位身穿國中制服的得主,她是就讀高雄前金國中的曾少茵。她從自己最鍾愛的運動「乒乓球」出發,以球的彈跳頻率與次數的研究獲得評審青睞。如果你打過乒乓球,你或許曾發現乒乓球從彈跳狀態停下來時,會經歷一段彈得很快很多下、發出一連串聲響「噠噠噠噠……」的過程。這段密集的彈跳引發了曾少茵的興趣,心思細膩的她喜歡在日常生活中發揮好奇心,探究別人沒有注意到的小細節。

曾少茵的實驗裝置中,包括了一臺電訊號產生器、用鉛筆塗黑的乒乓球與木板,以及一臺載有錄音程式的電腦。當乒乓球與木板接觸時,會形成電流通路,讓錄音程式記下接觸的時間長度,進而能夠分析乒乓球的彈跳頻率、高度等等。看似簡單的裝置背後,其實有著許多曲折的過程,也帶給曾少茵不少心得與收穫。以下是訪談紀要。

科學少年(以下略):這個實驗裝置雖然成功記錄了乒乓球的彈跳數據,但聽說這方法並不是一開始就想出來的?

曾少茵(以下略):最初的想法其實很直觀,覺得既然乒乓球彈跳這麼快,就用1000倍的高速攝影機來拍。一開始好像還管用,但到後來,球的彈跳高度只有幾微米,比頭髮的直徑還小,從影片已經無法辨認球還有沒有在彈跳,所以失敗了。

那後來是怎麼想出這個裝置的呢?

我一開始是先想到用來剪歌的錄音程式「Audacity」,國小的時候老師教我們用它來製作畢業專輯。這錄音程式可以截取很小的時間片段裡的訊號,精細度可以到0.0001秒,所以如果可以把乒乓球的彈跳轉換成電訊號,輸入錄音程式,說不定會很有用。

不過一開始只是很初步的構想,因為如何把運動學轉成電訊號,當時還沒有想到。

所以把運動學轉為電訊號的過程相當關鍵。妳利用石墨的導電性,把乒乓球跟木板用鉛筆塗黑變成導體,這方法既簡單又管用,妳是怎麼想到的呢?

其實一開始打算把乒乓球變成導體的時候,我們也試過很多方法,比如用鋁箔紙包住乒乓球,結果乒乓球彈不起來,而且表面也變得凹凸不平;我們還試過抹鹽水,根本就不行!鹽水雖然也是導體,可是一旦球接觸木板的時候,水都彈開了,結果還是乒乓球本身跟板子在接觸。

後來是受到一臺壞掉的計算機的啟發。我把它拆開來看,發現它的按鍵背後被塗上石墨當做導體。所以我也想用用看石墨,就用2B鉛筆塗上乒乓球及木板,結果相當成功,石墨厚度大概只有500奈米,增加的重量也不到乒乓球的1%。

在實驗過程中遭遇這些失敗時,妳內心有什麼想法?要怎麼克服挫折?

當下會很懷疑是不是其實自己沒有能力把它完成,尤其當所有想到的方法都失敗的時候,心裡會覺得不知道下一步該怎麼走。

但其實有時候靈感是突然冒出來的,常常你硬要把它想出來,反而愈想不出來。遇到困難時,你可以先放下它,到外面去散散步或做運動,不要一直坐在這裡鑽牛角尖,說不定靈感就會跑出來。

[更多詳細內容請參閱《科學少年》2014年8.9月號 ]


【遨遊宇宙】熱力四射的太陽
撰文/邱淑慧

日頭炎炎,太陽總在夏天把我們曬得頭昏眼花,冬天又好喜歡它帶來的溫暖。每天東升西落的太陽是地球最重要的能量來源,一起來認識它吧!

炎熱的夏天,常常感覺頭上的太陽用盡全力在發威,曬得人頭昏眼花。有時候真希望它躲到雲裡面,讓我們可以涼快一點。但你有沒有想過,如果太陽真的不見了,會有什麼影響呢?

太陽是太陽系裡唯一會自己發光發熱的恆星,是太陽系主要的能量來源,沒有了太陽,地球就會是一顆無比冰冷的星球,你一定也知道,陽光、空氣、水是生命三要素,因此沒有了太陽,地球上也就很難有生命了。除了這些以外,太陽也造成地球上有白天黑夜和春夏秋冬的四季變化。

太陽有這麼多的重要性,你對它的認識有多少呢?

太陽的誕生

宇宙中,有許多由灰塵和氣體組成的星雲,在星雲裡面比較緻密的區域,灰塵和氣體會因為萬有引力而收縮聚集並且碰撞旋轉,慢慢變成漩渦一樣的扁平圓盤,大部分物質(絕大多數是氫原子)會逐漸旋轉到中間,在萬有引力造成的內聚壓力下擠在一起。氫原子核帶正電,彼此間具有庫倫斥力,本來是很難碰在一起的,但當聚集的物質非常非常多時,內聚的萬有引力也變得非常強大,超越了庫倫力的影響,造成氫原子核合併成氦原子核,並放出大量能量,這個過程稱為核融合。這種核反應比核電廠的核分裂反應劇烈很多很多,會產生巨大的能量,開始發光發熱,恆星於是誕生。

我們的太陽,就是在50億年前這樣的過程中誕生的。太陽形成之後,盤面上還剩餘一些物質,這些較小的碎屑碰撞、凝聚,有些就會形成地球等行星。但這些物質的量較少,不足以產生核融合反應,這就是為什麼地球、火星等行星不像太陽一樣會發光。

巨大的氣體球

太陽主要是由氫和氦構成,質量超過地球質量的33萬倍,整個太陽系的總質量有98%都在太陽的身上,但是它不像地球是固態的,而是一團巨大的高溫氣體。太陽到底有多大呢?其實在我們看見的太陽外圍,還有一大部分是我們平時看不見的。在日全食時,太陽遭到月球遮住,我們發現原來太陽外圍的氣體向外延伸的範圍可以達到好幾倍的太陽大小,和卡通影片裡面的太陽都有的光芒真有點像。這最外層的氣體稱為日冕,因為很稀薄,而太陽的中間部分又很明亮,所以平時不易看見日冕,只在日全食或是利用儀器把中間部分遮住才容易看到。

太陽距離我們大約1億5000萬公里(我們把這個距離稱為「天文單位」),是光走八分鐘的距離,所以我們看到的太陽其實是它八分鐘前的樣子。這個距離聽起來非常遠,但和其他恆星與地球的距離比較起來,算是非常非常靠近。

雖然太陽對我們來說是如此獨特,其實太陽在宇宙中一點也不特別,它只是宇宙中數十兆顆恆星中的其中一顆,就像夜晚時天上的星星一樣,只是因為太陽距離我們很近,所以看起來比其他星星大且明亮。

[更多詳細內容請參閱《科學少年》2014年8.9月號 ]


 
左撇子要不要改?
「我的小孩喜歡用左手拿湯匙吃飯、左手拿筆畫畫,他現在才三歲,要不要趁孩子還沒學寫字之前,趕快把他改過來?」,這是左撇子爸媽常見的困惱,左撇子生活似乎會有很多麻煩,慣用左手到底要不要改?

夏季日本瘋棒球
青春洋溢下的甲子園,總讓人聯想起耀眼陽光與藍天白雲。而優雅夜色裡的職棒球場,也總是滿溢著暢快心情與啤酒氣息。不管是哪一個,仲夏的8月,不妨就來瘋一場棒球吧。
 
 
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