「偷渡」到南極的海藻

「偷渡」到南極的海藻
Photo Credit: Andrew Mandemaker@Wiki CC BY SA 2.5

我們想讓你知道的是

一項研究顯示,就算有洋流和風的阻隔,低緯度的動植物仍然會漂流到南極大陸,然而難以定居下來。

文:Johanna L. Miller
譯:朱家誼

南極的生命非常地與眾不同:除了我們熟知的企鵝、海豹和其他大型動物之外,這片地球上最南端的陸地和水域,也孕育了特有的苔蘚、地衣、水藻、魚類和無脊椎動物社群。這裡的生態系統可以說從1萬8000年前的末次冰盛期(Last Glacial Maximum)結束後,幾乎就與世界脫鉤了。

這樣的閉關修練非常不正常,就算南極大陸距離其他陸地真的不近,但其他遙遠的陸地和小島的生態系統也沒這麼孤僻。廣大的海洋通常不至於阻隔物種遷徙;生物體本身有足夠的能力在海上飄、在天空飛,或是莫名其妙被外帶到新的棲息地。

但南極大陸硬生生的被強風和洋流包圍住,這種特殊的環境使得北方暖水無法進入南極,也使生物無法藉由空中或海上漂移,成功登陸南極大陸的海岸線。(想知道更多關於南冰洋的洋流請參閱Adele Morrison、Thomas Frölicher和Jorge Sarmiento在Physics Today 2015年一月號第27頁的文章)這樣的物理屏障使得自然遷徙幾乎不可能發生,生物要移居南極大陸只能靠人類外送。為了避免物種偷渡成功,要去南極大陸的不管是研究員還是遊客都必須要經過很嚴格地檢查,以確保他們沒有挾帶任何外來的泥土、種子或昆蟲。

在澳洲國立大學(Australian National University)任職的凱麗溫德.弗雷澤(Ceridwen Fraser)、愛黛兒.莫里森(Adele Morrison)及他們的同事,證實了上述的推論其實不正確;就算有洋流和風的阻隔,低緯度的動植物三不五時就會漂流到南極大陸。其實這些新物種不是不想定居下來,而是因為南極的氣候非常惡劣,在他們還沒成功之前就先成仁了。不過由於全球氣候變化,南極洲的生態也可能會跟著改變。

流浪的海藻

智利康塞普西翁大學(University of Concepción)的海洋生物學家埃拉斯莫.馬卡亞(Erasmo Macaya)2017年初曾到南極大陸做科學研究,卻因為一些陰錯陽差使得他在考察站上好幾個禮拜無事可作。當他在喬治王島(King George Island,就位於細長的南極半島端點旁)的海灘上散步時,他發現了一株漂流上岸的南極公牛藻(southern bull kelp);很巧的,3個禮拜之後他的同事又發現另一株。

雖然南極公牛藻(見圖一)在南半球幾乎隨處可見,但是目前南極洲還沒聽說有。馬卡亞發現這個植物好像跑錯棚、也知道弗雷澤會感興趣,所以就寫信給弗雷澤。

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圖由埃拉斯莫.馬卡亞提供
圖一、南極公牛藻在開闊的海洋上可以用幾百天的時間漂浮幾千公里。不僅可以在冷水裡活得好好的,也已經佔據南半球許多離島,而且現在已經知道他們甚至可以跑到南極大陸。(圖由埃拉斯莫.馬卡亞提供)

弗雷澤研究南極公牛藻怎麼遷移、如何攜帶其他物種已經有十多年的時間了。這種水藻會在潮間帶的石頭上生長,因此必須面對潮間帶上的強浪和水流。當宿主石頭破碎後海藻就會飄走,不過海藻的浮力和生命力可以讓它繼續漂浮、生存且保持繁衍能力好幾年。南半球的海洋裡隨時大概都有7000萬珠海藻在漂流著,而其中超過四分之一的海藻上還有其他物種當乘客。寄宿在水藻上的軟體動物和其他貝類或甲殼類動物有機會繼續存活,甚至可能在海上繁殖好幾代。

來自智利、紐西蘭和很多小島的南極公牛藻基因上各有一些微小的差異,因此可以得知各株水藻的來源。弗雷澤說︰「但是要取到水藻好的DNA並不容易,因為他們凝膠狀的物質會影響基因反應。」弗雷澤的研究不僅僅是到處收集水藻樣品而已,她的工作也包含創造新的實驗方法採集DNA。

當發現喬治王島的水藻樣品時,弗雷澤的水藻基因差異資料庫已經頗完整了,在比對了16,000組DNA基對後,找到了這些新發現水藻的故鄉:一株來自大西洋的南喬治亞島(South Georgia Island),位於南美洲南端的東邊;另一株則是來自印度洋的凱爾蓋朗群島(Kerguelen Islands)。這是首次在南極岸邊發現來自亞南極的物種。

穿越洋流

不過這些海藻到底怎麼跑到南極大陸的?而且這些海藻是特例、還是已經有很多還未被察覺的偷渡成功案例?要調查這些事情,弗雷澤就找了經驗豐富的南冰洋建模學家莫里森。

根據傳統的模型,向東流的南極繞極流(Antarctic Circumpolar Current)北向分量足以阻隔任何北方來的漂浮物。不過更細緻的模型還放入了大型洋流之外可以帶著物體漂移的方式,而且就像莫里森發現的一樣,模擬中放入一些小規模的機制就可以定性上改變整個結果。

這其中的一個機制就是加入直徑大約幾十公里渦流型(eddy current)的亂流。「我們本來以為只要模擬中加入渦流就有辦法看到往南的漂移,」莫里森繼續說道「我們很訝異這個機制的效應如此微弱。」就如圖二a裡褐色軌跡顯示的,這些從南喬治亞釋放的粒子雖受渦亂流影響依然一路向北,根本連接近南極大陸的機會都沒有。

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圖片來源:1. C. I. Fraser et al., Nat. Clim. Change 8, 704(2018). https://doi.org/10.1038/s41558-018-0209-7
圖二、海洋環流模擬位於大西洋南喬治亞島的測試漂浮物是否有機會被送到南極大陸上。褐色的軌跡是沒有飄流到南極大陸的軌跡,而藍色的則是有到達的。這三張圖分別是加入(a)渦流但沒有司徒克漂送(b)有司徒克漂送但沒有渦流(c)同時有渦流和司徒克漂送的情形。

其實離解開謎團只缺了另一個效應,一種被稱為司徒克漂送(Stoke drift)的非線性波現象。一般對表面波的描述都是他們只傳遞能量,不會傳遞物質;但是這並不完全正確。司徒克漂送就是一種順著表面波傳播方向緩慢但穩定地輸送水的現象。


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也因為科技與國家發展息息相關,有哪些技術是台灣不為人知的優勢?或是未來產業可大力投資布局的領域?我們找出其中四大項與智慧國家最有關的科技,展現台灣具備強勁的科技能量,或許你已經受惠,也或許你能從其中找到發展的機會。

關鍵科技一、融合海陸空領域的多維通訊

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隨著國家管理範圍逐漸擴大,通訊範圍多元且彼此關聯,相關科技如低軌衛星、5G通訊、海底電纜等,形成環環相扣的多維通訊聯網。

仔細洞察2021年的IMD報告,台灣在「行動寬頻的用戶比例」這項指標,拿下全球第1的傲人成績。顯見台灣在通訊基礎建設的投資及普及率,是走在全球領先位置。

尤其5G/6G關聯科技更是未來多維通訊的具舉足輕重的地位,原因是5G衍生的價值鏈相當廣泛,舉凡從晶片、模組、終端、邊緣、系統、到應用服務,可形成完整生態圈。為了強健台灣5G專網的自主技術與供應鏈,從2018年先後成立5G產業發展聯盟、5G垂直應用聯盟、以及5G Open Networking平台,逐漸形成5G國家隊。

除了把5G領先國視為戰略目標,當創新技術落地,更能帶來龐大商機。根據工研院的預估,將5G的小基站、邊緣運算、網路虛擬化等關鍵產品、模組、元件加總起來,2025年的市場規模上看2,510億美元(約新台幣7.5兆元),其他國家還在積極推動5G聯網建設,顯見相關商機仍有相當大發展空間。

關鍵科技二、新型態數位經濟與網路服務

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邁向Web 3.0的交叉點,元宇宙被視為下一代網際網路的新機會,市調機構Gartner預測,2026年全世界將有25%的人口,每天至少有一小時投入元宇宙虛擬世界,進行工作、社交、教育、購物、娛樂等活動,並藉由虛擬貨幣、NFT進行數位資產的交易,虛擬經濟逐漸成形。

所謂元宇宙,需要以5G/6G高速網路為基礎,透過VR頭盔/眼鏡作為進入3D虛擬世界的載體,在元宇宙的各種互動體驗則需仰賴AI運算、雲端/邊緣儲存、區塊鏈等核心技術支援。人們在元宇宙內可以滿足從現實世界做不到的事情,形成穿梭虛擬、現實之間的生活體驗與商業模式。

近七成投入元宇宙相關應用的企業,認為元宇宙在未來5年一定會蓬勃發展,虛擬音樂會、虛擬時裝秀、媒體及產品聯名展示活動,將是元宇宙優先發生的商業體驗。

那麼台灣要投入元宇宙有何利基?解析元宇宙供應鏈版圖,主要可分為晶片、光電、通訊、AR/VR裝置、內容以及AI技術,台灣科技可從硬體方面,包含晶片、感測IC、光學零組件、伺服器等擅長領域切入。像是大家熟知的半導體大廠台積電,對於相關晶片的供應就至關重要,另外光電產業也有揚明光、玉晶光、中光電等企業,讓投影技術更精緻,再來連接元宇宙的通訊技術,也有聯亞來支援,而裝置軟硬體、AI技術則是有創意、世芯、智原等企業投入,最後想到AR/VR集大成者,就不能遺漏宏達電在這一塊的耕耘,同樣威盛電、佐臻、未來市(XRSPACE)等品牌也積極佈局,可見台灣已有完整的供應鏈,接下來有志於加入元宇宙的廠家,不妨從自身的專長去思考,相信不論是哪個領域的企業,都能有更多的創新、應用內容投入,完善整個元宇宙生態。

關鍵科技三、疫後時代興起的智慧型代理人

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近年因疫情持續延燒,越來越多領域開始導入「智慧型代理人」,像是零售業者引進半自動化機器,協助人力處理訂單、點餐;又或是醫院使用機器人,藉由AI辨識功能分擔部分醫護工作。

所謂智慧型代理人,以它所知的知識範圍內,自主完成人類所給予的指令任務。智慧型代理人發展至今,能協助人類的廣度、深度越來越多,主要是受惠機器學習的技術更為先進,加上其他的自動規劃、互相協調等演算法的成熟,讓智慧型代理人成為下一波產業發展重點。

世界先進國家紛紛把AI納為國家產業重要發展策略,台灣從2018年就推出「台灣AI行動計畫」,全面啟動產業AI化。發展至今,AI應用已從測試階段逐步應用於各式產業,資策會統計發現,掌握AI技術的新創企業在台灣有300家,逐漸摸索出不同的商業策略與獲利模式。

尤其資通訊、醫療照護是台灣兩大擁有頂尖人才的雙軸產業,在疫情之下,就可以看到醫療+科技所衍生的智慧型代理人應用。像是過去為了解決醫療量能不足,開發「5G智慧防疫機器人」,用來隔離病房消毒、運送餐盒及藥品物資,比傳統人力消毒方式有效節省50%時間,還能降低醫護人員感染風險,讓醫事工作更有效率。

關鍵科技四、資訊安全網保護每個人數位資產

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我國面臨網路犯罪、駭客入侵政府、機關,甚至竊取個人資料事件持續增加,如何保護國民安心使用數位科技、保障財產安全將是未來重要方向。隨著AI普及所衍生的龐大資料量之隱私及資安問題,成為棘手的挑戰。從國際AI資安發展現況來看,歐盟在2021年提出人工智慧規則草案(Artificial Intelligence Act),鼓勵值得信賴且道德的AI進行研發與應用。微軟更在今(2022)年禁止提供AI推測情緒技術,並制定「負責任AI標準第二版」、Google則停止AI機器人具有自我意識、能與人類溝通等爭議事件,這些做法也都反映美歐在立法之際,業者也在努力自行節制敏感AI技術。

AI資安,是挑戰也是機會。未來,台灣政府與企業也須密切關注美歐相關草案的立法動態,找出AI規範的共同點,以此界定使用AI產品與服務之要求;因此,AI資安不僅需透過科技來防禦,更需要治理與法規,降低AI所帶來的衝擊。

另外,針對5G資安議題,台灣有展開大型科技防禦策略,包含5G資安防護系統、跨機關資安聯防。5G資安防護系統致力確保業者使用的5G系統具備安全、可靠、信賴,與國內5G專網業者進行服務驗證,以強化國產5G系統的整體資安防護能力。跨機關資安聯防的目標放在建立政府與民間的資安聯防體系,藉由橫向整合跨部會,全面提供威脅情資,減少機關隱匿資安事件,降低事件誤報與漏報。

持續提升台灣的科技能量 打造全方位的智慧國家

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圖片資料來源:IMD 2022 世界競爭力年報

台灣的科技能量持續提升,從2022年的IMD世界競爭力年報可發現,而且該報告還指出我國擁有高素質勞動力、經濟活力、企業治理能耐、高教育水準等優勢。上述四項與智慧國家高度關聯的新興科技,涵蓋「數位基盤、數位創新、數位包容」等元素,如何借助科技打造創新、包容的社會,在台灣強勁的科技應用產業鏈上,補強創新的能量,並延續發展優勢項目,將是台灣要持續努力的方向。

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