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你怎麼比宇宙還要老!嚴重超齡的恆星之謎

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  • 文/林祉均 就讀清大物理系的斜槓理工男,喜歡學習與嘗試新事物。目前對科學和翻譯有點上癮,看到 Netflix 上奇怪的字幕翻譯會皺眉頭。

瑪土撒拉 (Methuselah) 是聖經故事中最長壽的人,享壽 969 歲,堪稱世界級人瑞;瑪土撒拉同時也是宇宙中最老的星星,在 HD 星表中的編號是「HD 140283」。根據歐洲太空總署的觀測,它已經高齡 160 億歲了。

正如一般的高齡恆星,瑪土撒拉主要由氫氣與氦氣組成,缺乏金屬成分,因為較重的金屬元素在早期宇宙中非常少見。

在此為各位觀眾隆重介紹,宇宙中最老的星星──瑪土撒拉。圖/© Digitized Sky Survey (DSS), STScI/AURA, Palomar/Caltech, and UKSTU/AAO

不過,先等一下。

修但幾勒,好像有哪裡怪怪的!圖/Meme 梗圖倉庫

你現在可以回去翻翻高中課本,上面應該會寫到:「目前推測宇宙年齡約 140 億年。」但是,這根本就不合理啊!宇宙裡的星星怎麼可能比宇宙本身還要老呢?難道它在大爆炸之前就已經存在了?

年齡不是問題,先告訴我距離

瑪土撒拉 (HD 140283) 位於紅色十字處。圖/A. Fujii and Z. Levay (STScI)

要釐清這個謎團,必須先知道恆星的年齡該如何判定。年齡判斷守則第一條:確認距離才能決定年齡。

我們都知道,越年輕的恆星越明亮,但遙遠的恆星從地球上看起來會比較暗。掌握恆星跟地球之間的距離,才能回推恆星實際上發出的光芒強度,並進一步得知恆星年齡。

可是,距離的測量並非易事。

當你在高速公路上往車窗外看,較遙遠的山脈或高樓會以相對緩慢的速度後退。同樣的道理,當地球在繞日軌道上公轉,你也能看到遙遠的星體悄悄地移動。

理論上,由於我們已經清楚繞日軌道的大小,因此只要比較某顆星在不同晚上的位置變化,就能推算出它跟地球的距離。然而,大部分恆星距離我們實在太遠,移動的幅度往往極為微小,因此這項測量實際上並不容易。

時隔半年,地球公轉到太陽的另一側,可觀測到恆星在不同的位置。理論上,我們能從恆星移動的距離推知它與地球的距離。圖/NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

賓州大學的天文學家 Howard Bond 和研究團隊重新檢視哈伯太空望遠鏡在 2003 到 2011 年間的觀測數據,想要參透這顆恆星的年齡之謎。

Bond 提到:「HD 140283 的精確距離是推算年齡時的不確定因素之一。」而除了距離之外,他們也重新考慮恆星核融合的理論模型。團隊假設外層的氦氣會向中心擴散,導致可作為燃料的氫氣減少。如此一來,恆星融合並老化的速度更快,反推回去的年齡應該要更小。他們也發現 HD 140283 中的氧氣量高出預期,而氧元素要在大爆炸後幾百萬年才出現,這個線索再度顯示了恆星應該比原先的預估要來得年輕。

他們最終在 2014 年估計 HD 140283 的真實年齡大約是 142.7 億年,誤差正負 8 億年。也就是說,就算已經重新考慮了那麼多因素,還是得有頗大的測量誤差才能讓這顆恆星低於宇宙年齡。

那麼反過來想,會不會 138 億年這個數字也該被重新檢視一下?

宇宙到底有多老?答案原來會不斷變動

宇宙到底有多老?這個問題的答案其實隨著最新的觀測而不斷變動。藉由觀測大爆炸殘留下來的熱輻射,可以回推宇宙膨脹的程度,以及相對應的年齡。普朗克太空望遠鏡在 2013 年利用這種方法,得出了 138 億年,也就是我們目前熟知的標準答案。

天文物理學家哈伯曾在 1929 年提出「宇宙膨脹說」,並宣稱我們在宇宙中的鄰居們正持續地遠離地球,速度正比於其與地球的距離。因此,另一種幫宇宙測齡的方法,就是透過星體的距離和遠離地球的速度,來推算大爆炸的時間點。近期的觀測結果指出:宇宙的年齡大約 127 億年,另一則研究得到的結果則僅僅只有 114 億年。這或許表示我們目前對早期宇宙和膨脹理論的了解仍不夠完備,而許多科學家認為可能是暗物質或暗能量在其中搞鬼。

不過別的先不談。我們的難題還是懸而未決,HD 140283依舊嚴重「超齡」,而且現在情況似乎更不樂觀。

年齡之謎難道無解?等重力波為我們解答吧!

究竟是觀測有誤差,導致 HD 140283 年齡被高估;還是宇宙學理論尚未完整,宇宙其實比想像中更老?

「過往科學發展的經驗告訴我們,應該是兩者皆有」,英國阿斯頓大學的物理學家 Robert Matthews 提供了他的預測。他認為,暗能量的強度隨著時間而有所消長,膨脹速度也因此忽快忽慢。要驗證這個理論,可能需要重力波的幫忙。

所謂重力波,是兩個巨大的質量互相繞行所產生的時空漣漪,從它的頻率能夠計算出兩個質量的大小,以及撞擊將釋放的能量多寡。當重力波橫跨遙遠的宇宙,這股能量會隨著距離衰減。於是我們便可以從地球上觀測到的重力波能量,反推出重力波源和我們的距離。

只要有距離和速度,就能建構哈伯定律,推論出宇宙的年齡。速度的部分可以交給可見光。我們知道消防車的警笛聲在駛離時會逐漸「降 key」,而光線也是一樣的道理。當光源遠離我們,波長會被拉長,顏色會偏向紅色,其程度和光源的速度有關。因此,利用撞擊發出的可見光,便能推測星體遠離我們的速度。

宇宙初期恆星形成的概念圖示。圖/Wise, Abel, Kaehler (KIPAC/SLAC))

儘管愛因斯坦的廣義相對論中早已預測重力波的存在,它卻一直到 2015 年才首次現形,顯示其觀測的困難。不過,在未來的幾年內,科學家計畫觀測兩顆中子星的撞擊,有機會在重力波觀測上獲得重大的突破。屆時可能會讓科學家對哈伯定律和宇宙的年齡有全新的看法。

如此看來,「超齡星星」的謎團大概還會讓天文學家再頭痛一陣子,不過也有望為觀測技術和宇宙學理論帶來嶄新的發展。

參考資料:

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黑面琵鷺的度冬天堂(上):飯匙鳥從哪裡來又往哪裡去?

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  • 文/陳佳微

秋冬時節,我們常可在台南七股一帶發現黑面琵鷺的蹤影。黑面琵鷺是冬候鳥,每年都會從北方飛來台灣度冬。不過,這隻擁有黑色嘴喙的白色大鳥到底有什麼特別之處,又是從哪裡來、往哪裡去呢?

十月秋意漸濃,一群群的白色大軍陸續乘著東北季風南飛,從北方繁殖地分別沿著中國大陸沿海及琉球島弧註1 的飛行路線遷移到南方度冬。這些有著黑臉、黑色大嘴巴和長腿的白羽旅者就是黑面琵鷺(Black-faced spoonbill,學名:Platalea minor)。牠們是台南七股秋冬的常客,因其優雅的身姿而有「黑面舞者」之美稱,台灣話則親近的稱牠們「飯匙鳥」、「黑面仔」。

成群遷徙的黑面琵鷺。圖/wikimedia by LiCheng Shih

從百隻到千隻的起伏歷程

黑面琵鷺是全世界六種䴉科琵鷺屬中,體型最小且唯一處於瀕危的物種。早在 1989 年由香港觀鳥會(Hong Kong Bird Watching Society)首次發表的統計,黑面琵鷺當時的全球數量竟然只記錄到 288 隻,再加上整個族群局限在東亞沿海地區,屬於「極危」狀態。

在棲息地不多且數量如此稀少的情況下,一個物種若是面對氣候變化或棲地破壞等威脅,就極可能有滅亡的危機。正因為黑面琵鷺面臨的生存困境,促使各國學者、鳥會及觀鳥人士們積極投入保育工作,於 1993 年起,每年冬季都針對黑面琵鷺進行全球同步普查,並自 2003 年後由香港觀鳥會統籌調查等相關工作。

爾後,黑面琵鷺在國際上逐漸受到關注,不論是民間或政府單位的保育行動都有所提升,而可能因為繁殖率及生存率增加,亦可能因為各地觀察人員數目增加及調查努力量變大的緣故,使得全球的黑面琵鷺數量有上升的趨勢。2003 年的數量超越了一千隻6,且在開始普查之後的每一年,隻數幾乎都持續穩定的成長,不僅讓黑面琵鷺的國際保育級別從「極危」降至「瀕危」狀態,也終於在 2019 年達到 4,463 隻7,是自普查以來首次越過四千隻的新紀錄!其中,在台灣的黑面琵鷺紀錄占了全球已知度冬總數的五成左右,即使每年的數字多有波動,台灣(尤其是台南七股地區)依舊是該鳥種的最大度冬地。

黑面琵鷺從 1989 年至 2019 年的普查結果。製圖/作者

從出生的北方到南方茁壯

黑面琵鷺已知的繁殖地僅有韓國朝鮮半島西岸外的小島及中國大陸遼東半島,配對後便在黃海無人小島的高聳岩壁上築巢,於五六月產卵,並由公母黑面琵鷺輪流抱蛋直到整窩孵化。幼鳥經過四十幾天悉心餵養漸漸長大,原先粉紅色的嘴喙轉變成標誌性的黑色扁平大嘴,在寒冷來襲前,與同伴一同起飛到溫暖的南方,以取得充足的食物度過冬天。

粉紅色嘴喙是幼鳥的特徵。圖/wikipedia by TANAKA Juuyoh

南方主要度冬地點分布在東亞及東南亞地區,包含日本、韓國、中國大陸(香港、澳門、海南島等)、台灣、越南、菲律賓、泰國等地,其中又以日本九州、台灣台南、香港及澳門、越南紅河口及中國海南島為每年黑面琵鷺度冬必訪之處。

從多年的普查報告可知,黑面琵鷺主要的度冬範圍分布在繁殖地以南,約北緯 18.5 度以上的範圍。在更南方的東南亞地區如泰國、柬埔寨和菲律賓等,不僅黑面琵鷺造訪的頻度低,記錄到的總數量也少。至今我們仍無法確定候鳥遷徙是如何選擇和決定目的地的,或許在高風險且漫長的遷徙路途中,僅有少量的黑面琵鷺能抵達相對遙遠的東南亞。可惜的是,東南亞地區同時缺乏資深觀鳥者及當地統籌單位,若能排除調查人力不足的困難,一定能更全面的了解黑面琵鷺的度冬分布,進而更有效的進行保育。

離開了因寒冬而缺乏食物的北方繁殖地,來到度冬地的黑面琵鷺白天的主要行為是休息和遊蕩,覓食時段則在傍晚到清晨之間,屬於夜間覓食者(nocturnal feeder);然而在越接近返回北方的期間,不僅是夜晚,黑面琵鷺在白天的覓食和互動行為也會更頻繁10

黑面琵鷺會透過互相理毛來聯絡感情。圖/wikimedia by HSIAO,MING-CHANG

黑面琵鷺的度冬棲息環境包含感潮溼地、河口沙洲、沼澤等天然溼地,以及漁塭、鹽田及水田等人工溼地11。白天多群聚停棲在開闊的大面積淺水域,稱作群棲地(roosting habitats)3,如:潮間帶、鹽田及灘地。目前有兩種假說支持著這樣的棲地選擇5

  • 掠食風險假說:岸鳥通常會選擇空曠且上方無遮蔽的環境棲息,並採用成群作為避敵策略,其所產生的共同警戒及稀釋效應能降低牠們被掠食的機會1
  • 能量限制假說:岸鳥群棲時的能量限制可能受到覓食地距離及干擾程度的影響4。為了節省能量消耗,會盡量選擇離覓食棲地較近的棲地休息;同樣的,為了避免因受干擾而驚飛,導致花費過多能量,岸鳥會選擇干擾程度低的地方群棲。

黑面琵鷺會在黃昏之後以小群的形式陸續飛離白天的休息棲地,到鄰近的漁塭或鹽灘等食源豐富的棲地覓食8。時空變遷之下,棲地內各種資源的可用量(availability)會隨著自然或人為影響而有所變動。為了滿足生存條件、擁有足夠食物,個體或群體會改變活動範圍,例如族群量增加或競爭增加等,可能會導致活動範圍增大,進而增加覓食成本。1995 年的研究顯示2,台南七股的黑面琵鷺從日間群棲地到夜間覓食棲地的平均移動距離為 3.18 公里,最大值可到 5.54 公里。

隨著黑面琵鷺的族群逐年成長,覓食需求也隨之增加。從後續幾篇研究和進行多年的普查報告中,也顯示出黑面琵鷺確實有族群擴張及活動範圍擴大的情形。根據各地區的無線電追蹤回報,可知不同地區的黑面琵鷺日移動距離皆有所差異。統計之下,從日間群棲地到夜間覓食棲地的平均移動距離增加至 8 公里,最遠可到相距 15 公里左右的地方覓食8

在能量限制及資源可用量的拉鋸之下,度冬地的棲地品質就成為黑面琵鷺是否持續造訪的關鍵。

初春三月,當溫暖再度降臨北半球,「豐羽足食」的黑面琵鷺會陸續分批離開度冬地區,返回北方繁殖地。直到一個繁殖季結束,十月又會再返回度冬地享受美食、補充能量。

返回北方繁殖前,黑面琵鷺的頭頂和胸口會換上金黃色的繁殖羽。圖/wikimedia by Cp9asngf

揭開度冬天堂的面貌

是什麼樣的棲地能夠吸引黑面琵鷺前往度冬呢?隨著族群總量的成長,各地區每年的數量占該年總數的比例並非總是一樣,有的微幅增減、有的持續維持高比例或低比例、有的地區則是時有時無。我們取長年都有度冬紀錄且每年幾乎都有總數 1% 以上的地區,分成四種類群:

  • 穩定:日本九州沿海一帶(福岡縣、熊本縣及鹿兒島縣)、廣東省海豐、香港、深圳、澳門和台南,上述所列的各地區皆有著不同的背景和棲地環境。日本九州有許多溪流,尤其在西南側靠近內海的區域,其河口三角洲和海岸流所形成的沙洲,都是黑面琵鷺棲息的好場所。海豐的感潮溼地面積雖不大,但沿著河道兩旁的魚塭相當多,且海豐的省級自然保護區(大湖區)也提供了優秀的生態環境。台南的潟湖和鹽田溼地及香港的米埔溼地皆符合「拉姆薩爾公約」國際重要溼地,其所蘊含的豐富資源使兩地持續多年都是黑面琵鷺的前兩大度冬熱點。位在澳門的路氹城生態保護區面積僅 0.34 平方公里,每年的度冬紀錄卻有 40~55 隻之多。
  • 新興:嘉義鰲鼓和高雄茄萣從 2007 年開始有少量的目擊紀錄,並在 2011 年後有穩定且大量的度冬族群,推測可能為台南往南和往北的擴散所新增的黑面琵鷺熱點。
  • 聚集:福建省閩江口南北的海灣,如興化灣與福清灣,同樣有黑面琵鷺的紀錄,但並非穩定造訪。福建省海岸的開發使該地區的環境相對不穩定,也造就了閩江口附近流動的黑面琵鷺族群。
  • 衰弱:濟州島、越南紅河口及海南省東方等地,是在全球總數成長的趨勢下,度冬隻數未增反減的地區。濟州島和海南省東方皆面臨開發壓力,越南紅河口則可能是人為干擾及潮汐問題所致。

2004~2017年的度冬地中,記錄到黑面琵鷺的總年數與其核密度分析。主要度冬範圍分布在綠三角形繁殖樣點(37.5°N)以南,34.0°N(山口縣山口市)到 19.0°N(海南省東方)之間的範圍。製圖/作者,資料來源/香港觀鳥會

接下來針對三處黑面琵鷺度冬地的棲地來進行探討。

日本九州沿海以熊本縣八代市為例,其可用棲地以河口三角洲為主。不同於其他熱點絕大多數有高比例的魚塭面積,九州沿海幾乎沒有符合黑面琵鷺覓食需求註2 的養殖魚塭,牠們活動的場域除了廣闊的河口三角洲,也會到溝渠、水稻田或樹冠層等地方棲息。

越南紅河口設立的春水國家公園,棲地類型多元,包含紅樹林、海岸沙洲及河口三角洲,再往內陸有魚塭和鹽田。這裡的紅樹林沼澤被譽為候鳥天堂,有著豐富多彩的生態。1990 年和 2019 年,紅河口始終維持著六十幾隻黑面琵鷺的紀錄,期間可能因潮汐影響,記錄到的數量極少,但大抵平均都有四十幾隻。然而,在黑面琵鷺二十年來總數成長 15 倍的情況下,紅河口的數據卻沒有隨之增加,推測可能是當地保護區維護不佳及人為活動干擾所致。

台灣台南曾文溪口,包括七股、四草及土城,每年都榮登黑面琵鷺度冬隻數最多的寶座。最初 1990 年在台南地區進行普查估計有 150 隻,期間隨著黑面琵鷺族群的成長及擴散,台灣不僅有更多棲息地成為熱點,台南依舊吸引了絕大多數的黑面琵鷺前來度冬,2019 年的紀錄有 1,572 隻之多,占總量 4,463 隻的三分之一。

想知道台南為什麼每年都榮登黑面琵鷺度冬隻數最多的寶座嗎?請看下集〈黑面琵鷺的度冬天堂(下):台南七股溼地的吸引力與隱憂〉。

註解:

  1. 從繁殖地飛經南韓,越過玄海灘到日本九州沿海,接著繼續南飛至西南群島、台灣,甚至更南方的菲律賓群島。
  2. 黑面琵鷺多站立在深度約 16 公分以下的水域,這個高度約是黑面琵鷺的腳脛關節以下。香港的觀察報告顯示黑面琵鷺喜歡在深度小於 12 公分的水域覓食8

參考資料:

  1. Cresswell, W. 1994. Flocking is an effective anti-predation strategy in redshanks, Tringa totanus. Animal Behaviour 47:433-442.
  2. Lee, P. F. et al. 1995. Wintering habitat characteristics of Black-faced Spoonbill (Platalea minor) at Chi-Ku, Taiwan. Acta Zoologica Taiwanica 6(1):67-78. 1995.
  3. Milton W. Weller 1999, Wetland Birds: Habitat Resources and Conservation Implications, 113-165.
  4. Rogers, D. I., Battley, P. F., Piersma, T., Van Gils, J. A., and Rogers, K. G. 2006a. High-tide habitat choice: insights from modelling roost selection by shorebirds around a tropical bay. Animal Behaviour, 72(3), 563-575.
  5. Rosa, S., A. L. Encarnação, J. P. Granadeiro, and J.M. Palmeirim. 2006. High water roost selection by waders: maximizing feeding opportunities or avoiding predation? Ibis 148:88-97.
  6. Yu, Y.T. 2003, The International Black-faced Spoonbill Census 2019, The Hong Kong Bird Watching Society.
  7. Yu, Y.T. 2019, The International Black-faced Spoonbill Census 2019, The Hong Kong Bird Watching Society.
  8. Yu, Y.T. and C. Swennen 2004. Habitat Use of the Black-faced Spoonbill. Waterbirds, 27(2):129-134
  9. 台江小百科。2014。台江國家公園。
  10. 王佳琪。2000。台南七股地區黑面琵鷺(Platalea minor)度冬之日間活動模式。台灣師範大學生物學系學位論文。
  11. 王穎。2015。104 年度台江國家公園黑面琵鷺族群生態研究及其棲地經營管理計畫。台江國家公園管理處委託研究報告。
  12. 邵心杰、陳逸民報導。2007。黑面琵鷺 再傳肉毒桿菌中毒。自由時報。
  13. 陳璽安報導。2018。全球黑面琵鷺調查 台灣減少 400 隻。台灣動物新聞網。
  14. 陳文姿報導。2019。魚塭、水鳥、食物戰 當光電板遇上黑面琵鷺 面積總量成關鍵。環境資訊中心。
  15. 楊金城報導。2019。台南七股 10 多流浪犬追逐黑面琵鷺 保育現隱憂。自由時報。
  16. 蔡文居報導。2018。又有 2 隻軟腳送醫 瀕危黑面琵鷺陷危機。自由時報。
  17. 關於黑琵。2013。中華民國台江國家公園管理處。

本文亦刊登於臺灣國家公園生物多樣性資料庫

  • 責任編輯/竹蜻蜓

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茶樹精油經實驗可以防病毒?精油真的有防疫功效嗎?

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  • 作者/彭媺涵

武漢肺炎疫情延燒到現在,口罩與酒精搶購一空,甚至開始慢慢傳出用精油也可以防疫的聲音。

特別是常常被提到「抗菌、抗病毒」功效的茶樹精油,到處都在鋪天蓋地的銷售當中,一個個行銷用語越來越神奇,幾分鐘之內殺死多少病毒、某某大學發現用了精油就能隔絕幾成病毒……接著許多醫學專家也跳出來闢謠。

疫情意外引發了一場精油戰爭,到底我們要不要為了防疫來搶購茶樹精油呢?

茶樹精油跟消毒和清潔的關係

茶樹(Melaleuka alternifolia)的醫療價值可以追溯到 1788 年澳洲殖民時期1,澳洲當地各種運用茶樹的方式,包括嗅吸蒸氣、將葉子泡在水中喝下或外用等等;來自西方的統治者們將茶樹的療癒價值逐一公諸於世。

充滿療癒價值的茶樹。 圖/Wikipedia

二十世紀初,茶樹精油開始邁入商業化生產,到了 1930 年起,在澳洲、歐美等地,開始出現了茶樹精油的實證研究,例如 Humphrey 在 1930 年,曾在澳洲醫學期刊(Medical journal of Australia)指出茶樹具備抗菌功能,Halford 在 1936 年,將含有茶樹精油的產品「Melasol」用來消毒並敷在糖尿病潰瘍處,顯示能夠在無感染的狀況下治癒。1

茶樹精油持續在各式各樣的場合被運用,但人們對茶樹精油的醫療期待,卻在第二次世界大戰時代後,隨著抗生素的出現而逐漸降溫,然而茶樹精油仍然在商業產品圈或輔助療法圈悄悄發展,直到 1960 年代,茶樹精油的研究再次現蹤,並描述更具體的用法,例如:陰道感染、足部問題、驅蟲等等。1

一滴精油背後的萬千化學世界

精油是植物的次級代謝物 (Secondary metabolites,亦譯作二次代謝物)之一,次級代謝物協助植物在外界環境中生存,例如可以協助植物躲避掠食者、引誘授粉者、適應氣候變動等。3

一滴植物精油含有成千上百種成分,例如茶樹精油至少就含有萜品烯四醇 (Terpinen-4-ol)、α萜品烯(α-terpinene)、對傘花烴(p-cymene)、萜品油烯 (Terpinolene)、α 松油醇 (α-terpineol)等。精確的成分類別與組成比例,會因為植株本身的生長環境、與外界互動的經歷、以及萃取工法而有所不同。隨著植物的演化過程,精油具備多元功能,也就與酒精(乙醇)、漂白水(次氯酸鈉溶液)等產品的單純組成有別。

每一滴我們手上的精油,都是植物界演化歷程的精華。 圖/silviarita@Pixabay

精油的效果為人津津樂道,但精油複雜的特質需要顧及有機體本身的活動,在科學實驗中很難重複結果,也就很難透過科學加以驗證。當人們用茶樹精油和各種病毒進行實驗,發生了什麼事呢?

茶樹精油真的能對抗病毒嗎?

最早提出茶樹精油可以對抗病毒的論述,是由英國的 Chris D. Bishop(1995)一篇發表在精油研究期刊(Journal of Essential Oil Research)、探討茶樹精油對抗菸草鑲嵌病毒(Tobacco mosaic virus, TMV)的反應6;實驗中將茶樹精油以 100, 250, 500ppm 的濃度噴灑在乾燥黏葉菸草(Nicotiana glutinosa)後,放著風乾 15 分鐘,再用病毒噴霧噴過後,將黏葉菸草移到溫室內並維持狀態,過程中隨時抽檢植物汁液來確保植物體內有 TMV 存在;十天後,葉子上每平方公分面積的病斑數量,隨著精油濃度的增加,病變程度減少,並有顯著差異。

當代學術界普遍認為,染病毒的植物能夠好轉,是因為「植物精油誘導宿主植物產生反應」所致,而不是「精油分子直接干預病毒活動」,但這篇研究,筆者認為已埋下了精油可能直接對抗病毒的伏筆。

「八角茴香油(Star anise oil,橘色)、苯基丙烷(Phenylpropanoids,黃色)和倍半萜烯(Sesquiterpenes,褐色),直接與游離的單純型泡疹病毒(Herpes simplex virus,紅色)產生作用,表現出抗病毒活性;事前對細胞投藥、或在病毒複製過程中投藥皆不會影響病毒感染性」。圖與文/【參考資料 5】

自從有了精油對抗病毒的概念,許多人將抗病毒的關鍵,歸因於茶樹精油的主要成分——萜品烯四醇,並加以實驗驗證,但長期下來,各種研究的結果,仍無法一同認定萜品烯四醇是茶樹精油的唯一抗病毒價值所在。

在 2018 年,義大利帕多瓦大學(University of Padova)的研究團隊7,則是直接讓茶樹精油與病毒硬碰硬了!來勢洶洶的研究團隊採用了不只一種精油,而是在義大利當地取得十種茶樹純精油產品樣本(六種來自澳洲、一種來自非洲),以及各種細菌、真菌與病毒,展開一場精油與微生物之間的大對決,其中的病毒代表,是第一型單純皰疹病毒(Herpes simplex virus type 1, HSV-1)。培養皿在攝氏 37 度環境下放置兩小時,持續培養直到對照組出現細胞病變作用(Cytopathic effects)的 48 小時。發現有三組茶樹精油樣本在 5% 濃度、兩組茶樹精油樣本在 10% 濃度時,菌斑明顯地減少。

研究團隊將非洲綠猴腎細胞(Vero cell)與 0~20%(體積百分濃度)茶樹精油溶液共同培養一小時,再予以感染 1 MOI(病毒感染劑量)的 HSV-1;培養皿在攝氏 37 度環境下放置兩小時,持續培養直到對照組出線細胞病變作用(Cytopathic effects)的 48 小時。發現有三組茶樹精油樣本在 5% 濃度、兩組茶樹精油樣本在 10% 濃度時,菌斑明顯地減少。

但是這五組成功案例,包含了「萜品烯四醇濃度最少」的 4 號樣本。

反而「萜品烯四醇濃度最高」的 1 號與 7 號茶樹精油樣本,並不在五組成功案例之中。

甚至 7 號樣本在抗細菌與抗真菌的分組實驗中,效果也不如其他樣本!

萜品烯四醇 (Terpinen-4-ol) 的化學結構。圖/Wikipedia

事到如今,究竟是茶樹精油的功勞,還是茶樹精油中萜品烯四醇的功勞?

科學知識與生命智慧之爭

於是帕多瓦大學研究團隊在論文最後,承認了「茶樹精油對抗病毒的力量來源依舊難以定論」,但經過這次實驗,與其說是某個成分為茶樹精油帶來抗病毒能力,都還比不上茶樹精油本身成分之間的協同作用(Synergistic interaction)還來得有潛力。

因此有些使用者以「活力論(Vitalism)」來看待精油,認為物理或化學定律無法完全驗證有機體的活性,精油的療效特性難以透過化學分子來解釋其因果關係4,例如義大利卡塔尼亞大學(University of Catania)的研究團隊,在兩次茶樹精油的實驗中所經歷到的起起落落。

Garozzo 先在 2009 年探討茶樹精油每個主要成分8,各別作用於多種病毒的效果,其結果相當分歧:

  • 茶樹精油的各種成分,對於第一型小兒麻痺病毒(Polio 1)、第二型腺病毒(Adeno 2)、第九型 ECHO 病毒(ECHO 9)、克沙奇 B1 型病毒(Coxsackie B1)、第一型與第二型單純皰疹病毒(HSV-1、HSV-2)無顯著反應。
  • 實驗顯示僅需少量的萜品烯四醇、萜品油烯、α萜品醇,就能有效抑制人類流感病毒 A/PR8/34 對細胞的感染率,但 α萜品烯、對傘花烴卻是無效的。

2011年,Garozzo 再透過染色來研究茶樹精油對抗流感病毒的機轉,認為精油可以干擾溶酶體的酸化作用,抑制病毒的脫殼,也就阻止了細胞中的流感病毒生長。

為了觀察病毒週期中的步驟,研究還在細胞的不同活動時間點,逐次以茶樹精油和個別成分測試之,並且搭配螢光染色,終於發現:只有在特定時期添加化合物才能發揮明顯效果!9

好吧,眾學者們辛辛苦苦透過實驗觀察茶樹精油(或者裡面的成分)與各種病毒的互動,對比所有實驗結果,大家幾乎都看到了茶樹精油抑制病毒活動的現象,但對於發生抑制行為的關鍵角色、對象、時間點、程度等等,整體上卻很難結合成一個簡潔有力的共識。

難道科學實驗,還無法駕馭茶樹精油的抗病毒能力嗎?

植物是療癒性化合物的豐富來源,但是我們和其他研究所獲得的結果,指引了一條思路:植物萃取物的生物學特性,是嚴密地依賴於——評估特定活性時的實驗方法和實驗流程6
圖 /PublicDomainPictures@Pixabay

總之,我們現在似乎可以看到科學實證究竟走了多遠,學術所能描述的茶樹精油抗病毒的機轉,還有很多的探討空間;所以什麼都不做,只是拿著茶樹精油想要嚇阻病毒的人,被科學主義者視為走火入魔好像也是可以理解的事。

茶樹精油可能有效,但怎麼用怎麼買可是大問題

回到現實面,在疫情延燒的現在,茶樹精油能夠幫上忙嗎?

由於這些研究幾乎都還是在實驗室內完成的,距離實際應用上,恐怕還是有很大的落差,如果把培養皿換成人體,那麼茶樹精油還有效嗎?或著我們不用茶樹精油,只用化學單體,會有效嗎?如果有效,要用多少次、多少量、怎麼用?

很抱歉,目前沒有科學答案可以告訴你。

甚至大多數的研究,都是直接讓茶樹精油與病毒株接觸,那麼現實中的使用者要如何確保茶樹精油能夠接觸到呼吸道內的病毒?嗅吸過程中,是否會因為呼吸道黏液或免疫反應而使茶樹精油耗損,造成病毒接觸濃度不如預期?就算接觸了,那麼要如何判斷體內的病毒是否撲滅了呢?(還是要找個東西伸入呼吸道來滴茶樹精油?XD)

看起來,要認真使用茶樹精油,還是一個難題呢。

而且別忘了:每一瓶茶樹精油的成份組成都有所差異,就像帕多瓦大學在義大利當地買到的十瓶不同實驗結果的「茶樹精油」一樣,你無法保證「你的精油是否就是那個對的茶樹精油」。

甚至精油市場其實亂象重重,例如中文標示「茶樹」二字,但惡質廠商可能是採收其他白千層屬的植物來萃取偽茶樹精油,或者還混了基底油做稀釋而變成茶樹按摩油、加了其他精油而成為含有茶樹的複方精油,這些都是入門者難以判斷的細節。

並非精油的主要成分,而是成分與成分之間、或成分與基質之間的相對比例,可能會影響前驅物 (Precursors) 的濃度,從而影響微生物的毒性強度、或應對到特定的分型 (Strain)。
所有這些考慮因素,可以對植物油 (Plant oils) 有更全面的評估,讓植物萃取物的研究更加合理5
圖/しみるけいさん@photoAC

截至目前為止(2020 年 2 月),也還沒有研究顯示精油可對抗新型冠狀病毒,甚至醫學界也還持續在理解新型冠狀病毒當中。

所以即使有研究支持「茶樹精油能對抗第一型單純皰疹病毒、菸草鑲嵌病毒、流感病毒…」,但並不等於「茶樹精油也能對抗新型冠狀病毒」!

守護健康安全,合理使用精油

儘管你可以自由地相信茶樹精油擁有你希望的抗病毒功能,也確實將茶樹精油採取為防禦措施,但畢竟透過科學驗證的資訊實在不多,請務必注意合理安全的使用精油!

  • 不要因為有了茶樹精油,就省略了基本的行動——勤洗手、多運動、攝取營養、斟酌外出、遵守隔離與檢疫規則等等!
  • 不要把所有科學研究資訊都當作使用茶樹精油的依據,例如微生物種類眾多,「抗菌」、「抗真菌」的方向可能與「抗病毒」有別,而實驗室研究也無法完全類推到真實情境。
  • 不要忽略芳療知識的基礎,畢竟純精油是高度濃縮的物質,純精油用在擴香、加入清潔打掃用水、蒸氣是相對安全的,但純精油「接觸皮膚」時必須要適度稀釋,大量接觸人體可能會刺激黏膜與感官,或透過吸收途徑而增加肝腎代謝負擔!(尤其別忘了前面的研究都是用體積百分濃度來換算,也就是一次可能就要用幾毫升而非幾滴的茶樹精油。)
  • 如果你自己想要使用精油,不要勉強旁邊的人也要一起使用,或提供別人沒有把握的建議!老弱婦孺族群或患者族群,使用前一定要多方諮詢過醫師與具公信力芳療文憑的專門人士。
  • 當然,該有的防疫措施都做好了,想要多做些甚麼來讓自己安全一些、或者茶樹精油確實能夠幫你更舒服,也明白茶樹精油的功能到什麼程度、如何合理又安全的使用精油,那麼將精油作為補強,此時會是比較適合使用茶樹精油的。(而且搞不好某天真的發現茶樹精油是可以殺死新型冠狀病毒的吼 XD)

茶樹精油可以是生活輔助,在基本的衛生管理之外使用精油值得一試,但也不要認為有了茶樹精油就能夠佛系防疫啊!

儘管分子媒介的概念,已經讓我們建立了一個龐大的精油知識庫,但也成為一個陷阱,使得精油和芳香療法受到藥理學和化約論思想的限制。
近來,有機體論和演化生物學的角度已經在改變這種現象,對於化約敘述的方式無法解釋的現象,提供了合理的說明。
這種發展賦予了芳香療法最深遠的含義。若要向前探索,我們必須一步一步來3
圖/Bessi@Pixabay

總之,使用精油做個人保健時,務必保持真誠,有幾分證據,就做好幾分的預期。畢竟植物的療癒能力要透過醫學科學做解釋與定義,還需要相當多的心思。但在這充滿變數的疫情當中,或許茶樹精油正揭開了正統醫療與輔助療法共同發展的機緣。

  • 作者/彭媺涵
    復健科職能治療師 × IFA 英國國際芳療師 × Vodder 整合退腫治療師,同時也是編輯控兼選字控,尤其是對含有精油、水腫、淋巴等關鍵字的文章更加嚴重。臨床工作外也提供芳香療法、淋巴引流、個人化退腫的接案服務,久之發現要傳達的事情太多了,不如寫寫文章貼一貼比較快,於是也開始經營臉書粉絲頁「治療師梅根-癌症復健・淋巴水腫・芳香療法」與部落格

參考資料

  1. Carson, C. F., Hammer, K. A., & Riley, T. V. (2006). Melaleuca alternifolia (Tea Tree) oil: a review of antimicrobial and other medicinal properties. Clinical microbiology reviews, 19(1), 50–62
  2. Carson, C. F., & Riley, T. V. (1993). Antimicrobial activity of the essential oil of Melaleuca alternifolia. Letters in Applied Microbiology, 16(2), 49–55.
  3. Reichling. (2009). Plant–microbe interactions and secondary metabolites with antibacterial, anti fungal and antiviral properties. Annual Plant Reviews, 39, 214–347
  4. Kurt Schnaubelt (2014)。《精油的療癒智慧——芳療科學深度之旅》。原文嘉、林妍婷、劉語婕譯。台北。世茂。
  5. Astani, J. Reichling, and P. Schnitzler, “Screening forantiviral activities of isolated compounds from essential oils,”Evidence-Based Complementary and Alternative Medicine,vol. 2011, Article ID 253643, 8 pages, 2011.
  6. Bishop, C. D. (1995). Antiviral Activity of the Essential Oil ofMelaleuca alternifolia(Maiden amp; Betche) Cheel (Tea Tree) Against Tobacco Mosaic Virus. Journal of Essential Oil Research, 7(6), 641–644.
  7. Brun, P., Bernabè, G., Filippini, R., & Piovan, A. (2018). In Vitro Antimicrobial Activities of Commercially Available Tea Tree (Melaleuca alternifolia) Essential Oils. Current Microbiology.
  8. Garozzo, A., Timpanaro, R., Bisignano, B., Furneri, P. M., Bisignano, G., & Castro, A. (2009). In vitroantiviral activity ofMelaleuca alternifoliaessential oil. Letters in Applied Microbiology, 49(6), 806–808.
  9. Garozzo, A., Timpanaro, R., Stivala, A., Bisignano, G., & Castro, A. (2011). Activity of Melaleuca alternifolia (tea tree) oil on Influenza virus A/PR/8: Study on the mechanism of action. Antiviral Research, 89(1), 83–88.

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如何證明失明還是詐盲?從陳敬鎧案看法庭中的視覺科學

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  • 文/民間司法改革基金會陳梅慧

編按:眼見真能為憑嗎?2009 年,前手球國手陳敬鎧因車禍導致視力受損,儘管科學鑑定視力已達全盲,然而由於他的行為舉止與一般人看似無異,反被法院認定為詐盲。視力檢測結果難道並不可信嗎?視障者真的沒辦法與一般人做到一樣的事嗎?或許我們不只應理解該案中科學鑑定的方法,更該反思自己對視障者的想像。

陳敬鎧8,前手球國手,因為一場車禍導致視力嚴重受損。之後,陳敬鎧努力讓自己的行為表現與正常人類似,卻被認定是為了詐取保險金而詐盲。

2018 年 2 月 14 日,二審判決最終認定陳敬鎧有罪,宣判一年兩個月有期徒刑。但若仔細閱讀判決,可以發現其實法官也認為陳敬鎧的視力確實因車禍受損,可是受損的程度是否嚴重到符合保險理賠的標準「萬國視力 0.02 以下」?法官認為案件中相關的醫療檢測資料、鑑定報告都不足以認定。

「⋯⋯被告自發生車禍後而至多家醫院求診⋯⋯並提多出家醫院之電生理圖檢測表、診斷證明書;惟依上開儀器檢測結果,固可認被告視力與常人不同且弱於常人;惟上開儀器均無判讀被告之視力是已經達到萬國視力 0.01 標準以下全盲狀態⋯⋯」

「⋯⋯台灣大學心理系鑑定報告之結論,與被告遭攝錄之客觀日常生活行動表現顯不一致,亦與被告之辯詞不符;難認上開鑑定之認定合乎被告之真實視力狀況,是其鑑定結論認:被告之視力是比萬國視力 0.01 標準以下還更低等節,即無從採信。」

「經本院斟酌後,認均不足以據以認定本案被告視力是否是萬國視力 0.01 標準以下或雙眼全盲失明。又被告視力確有受損,惟其受損之程度如何,亦非本案應調查確認之事項。」

——摘自臺灣高等法院高雄分院 103 年度上易字第 574 號判決1

在陳敬鎧案中,最核心的問題始終是「視力值多少?」。本文嘗試就此問題進行整理與說明。

什麼是萬國視力 0.01?

視力(Visual Acuity, VA)的定義是在 1862 年由荷蘭眼科醫師 Snellen 所訂定。他定義若能在 20 呎(約 6 公尺)的距離分辨 5 角分(1 度為 60 角分,所以 5 角分等於 1/12 度)的字母缺口方向時,視力為 20/20,為 1.0(圖一);若是在 10 呎(約 3 公尺)的距離才能分辨時,視力為 10/20,為 0.5。因此,視力 0.01 就是在 0.2 呎(約 6 公分)的距離才能分辨字母的缺口方向2

圖一/視力的定義(圖/作者)
20 呎:約為 6.096 公尺;5 角分:完整的圓是 360 度,1 度為 60 角分,所以 5 角分等於 1/12 度;20 呎距離 1 角分的字母缺口大小約為 0.177 公分。直徑 × 3.14 × 占圓的比例 = 弧長;(6.096 × 100 × 2) × 3.14 × (1/60)/360 = 0.177

接著我們來了解萬國視力表中所用的視覺刺激——字母 C 或 E。C 和 E 的缺口寬度是整個字母的 1/5(圖二)。為了計算方便,將距離 20 呎的 1 角分,定義為 1 分視角,視力 1.0 即為可辨識 1 分視角的缺口。有了「分視角」,就不用一直換算距離和視覺刺激的大小。

視力值 = 1 ÷ 分視角

圖二/視覺刺激字母 C 及 E(圖/作者)

了解「視力」的定義後可以理解,視力的本質是主觀的感覺,需要受測者的反饋才能得知。順帶一提,許多人可能會將「近視度數(屈光度)」和「視力」混淆,這兩者的概念是不同的,之間無法相互換算3

接下來的問題是,需要受測者反饋的主觀感覺是否有可能被客觀的得知呢?這部分涉及的就是心理學領域了。

行為衡鑑實驗:運用心理物理學的定值刺激法

正因為「感覺」需要受測者回應才能得知,每個人回應的標準又不盡相同,因此所得到的答案並沒有辦法做出有意義的探討及結論。為了解決這個難題,發展出「心理物理學」這門學問,以科學方法研究刺激與感覺之間的關係。

在陳敬鎧案中的視覺系統功能鑑定報告,其中的行為衡鑑實驗便應用了這個方法。

該實驗使用了心理物理學中的「定值刺激法」,科學家依照想了解的感知能力,來選定幾個強度不同的刺激,這些選定的刺激會在實驗中隨機提供給受測者。刺激的範圍抓在受測者大概有一半的刺激範圍難以感知(看不太到),另一半的刺激容易感知(容易看到)。

實驗過程以「二因子強迫選擇」(2-alternative-forced-choice, 2AFC)進行,受測者不能回答看得到或看不到,而是必須回答該刺激的「實際狀態」,且該刺激的狀態只有兩種,假若一直假裝看不到、亂猜時,那麼正確率就會一直落在 50%。「強迫選擇」的方法,可以讓實驗者從測驗結果得知受測者是否有「如實」回應。

想親身體驗的朋友可以到 SAGE edge 玩一個線上實驗4,測測看自己「多亮才看得到?」,螢幕上會出現不同亮度的光點來測你的感知能力。你可以在「Method Settings(方法設定)」頁面裡選用「Forced-Choice(強迫選擇)」,並設定光點的相對亮度、重複次數、光點的最大和最小值等等,接著點選「Experiment」就可以開始實驗囉!

實驗時,光點會在螢幕上閃過,在「Forced-Choice」情況下,實驗的問題是「To which side was the dot?(光點在哪一側?)」,並強制你回應光點是在十字的「右」或「左」,看不到也要用猜的(圖三)。

圖三/SAGE edge 線上實驗(圖/作者)

實驗結束後,可以從「Results」看見結果生成的圖表。在筆者積極配合實驗的情況下,出現了圖四的藍色曲線,X 軸是亮度的強度,Y 軸是正確率,紅線標示處為「閾值」,指的是在該亮度時筆者有 75% 的辨識正確率。

圖四/積極配合實驗的情況下所生成的圖表(圖/作者)

「定值刺激法」讓科學家能「以客觀的指標呈現出受測者對特定刺激的感知能力」,而「二因子強迫選擇」則解決了「不同受測者、不同回覆標準」的難題。透過這兩種實驗設計的應用,進而能客觀的比較不同受測者之間的感知能力,並進行評估。

陳敬鎧的行為衡鑑實驗

了解心理物理學的基本概念後,接下來看怎麼應用在陳敬鎧的案件中。

實驗目的是「了解陳敬鎧的視力值是多少」,依照萬國視力的定義,視力是在特定距離下辨別特定大小的能力。因此科學家在陳敬鎧的實驗中,選用的視覺刺激是「隨機、不同大小的正立或倒立三角形」,三角形的底寬有 30、60、120、180、240 像素五種不同的大小,隨機以正立或倒立出現在螢幕上(圖五)。

實驗時陳敬鎧只能回答「正立」或「倒立」,即使看不到也要回答正立或倒立。實驗共進行 150 次,結束後計算受測者對「不同大小的三角形」回答的正確率。

圖五/螢幕出現隨機、不同大小的正立或倒立三角形,並請受測者強迫回答「正立」或「倒立」(圖/作者)

因為人類的視覺對於「不同大小的三角形」的偵測能力是連續的,若曲線的 X 軸是三角形的大小、Y 軸是正確率時,當受測者積極配合時,量測的結果將得到一個平滑的曲線,該曲線從「幾乎無法感知(看不太到)」逐漸上升到「幾乎都能感知(看到)」,透過此曲線,科學家便可得知受測者在特定正確率下的感知能力。

直接來看陳敬鎧的受測結果(圖六)。X 軸為分視角(刺激大小),Y 軸為正確率,圖中有兩條曲線,兩條曲線的受測距離不同,A 曲線的受測距離為 12 公分,B 曲線為 30 公分。

圖六/陳敬鎧對不同視角大小之刺激,判斷「刺激正立倒立」正確率的心理測量函數曲線。刺激的分視角越大,正確率越高(圖/作者)

從圖可以看出正確率從 50%(0.5)隨刺激變大而逐漸上升,這個實驗結果顯示陳敬鎧積極配合實驗。以此得到陳敬鎧的感知能力曲線後,我們可以定義在正確率多少時算「看得到」(閾值),若將正確率定在 90%,從曲線中即可推得陳敬鎧可辨識的三角形大小約為 2,350 分視角。

複習之前提過的視力定義「視力 1.0 即為可辨識 1 分視角,視力值 = 1 ÷ 分視角」,因此在 90% 正確率下,陳敬鎧的視力值約為 1/2,350 = 0.00042,遠小於保險理賠標準的 0.025

為什麼不用 C,而是三角形?

看到這裡,細心的朋友可能注意到了,萬國視力表和陳敬鎧實驗中所用的「視覺刺激」不同。萬國視力表一般使用「字母 C」,但在該實驗中卻使用「三角形」。為什麼實驗不選用字母 C,而是選用三角形呢?

使用字母 C 時,受測者分辨的視覺刺激是「C 的缺口」,但「整個字母 C」的大小是缺口的 5 倍;若是分辨三角形的方向(正立或倒立),則受測者是辨別「三角形頂點與底寬的差異」,而整個三角形的寬度即是三角形的底寬。

圖七/視覺刺激字母 C 與三角形的比較(圖/作者)

前面有提到,行為衡鑑實驗中選用的刺激大小範圍會抓在受測者約有一半的刺激難以感知(看不太到),另一半刺激容易感知(看得到)。這表示所選用的刺激一定要足夠大到受測者能感知,但當受測者的視力極低時,字母 C 就可能會大到實驗用的螢幕放不下。選用三角形做為視覺刺激時,只需字母 C 的 1/5 版面寬即可測到同樣的感知能力(視力)。

此外,若使用字母 C 還可能產生另一個問題。因為字母 C 的中間是空白的,而受測者距離螢幕只有 12 公分及 30 公分,在受測距離這麼近時,若受測者眼前剛好是中間的空白處,就無法接收到這個視覺刺激(圖八)。使用三角形就不會有這個問題。

圖八/受測者在近距離時可能看到的是 C 中間的空白處(圖/作者)

不被採信的科學鑑定結果

「⋯⋯足見 functional MRI 功能性核磁共振掃描與 VEP 視覺誘發電位之儀器量測是著重在大腦某部位神經如何對視覺刺激反應以及視覺刺激出現時腦部出現如何之訊號反應之衡量判斷而已,並無法據其測量所得結果判定被告之具體視力程度,亦即無從遽以推斷被告視力是否已達萬國視力 0.01 標準以下之全盲狀態⋯⋯」

「⋯⋯台灣大學心理系鑑定報告之結論,與被告遭攝錄之客觀日常生活行動表現顯不一致,亦與被告之辯詞不符;難認上開鑑定之認定合乎被告之真實視力狀況,是其鑑定結論認:被告之視力是比萬國視力 0.01 標準以下還更低等節,即無從採信。」

——摘自臺灣高等法院高雄分院 103 年度上易字第 574 號判決1

回頭看陳敬鎧案的二審判決,可以發現法官對於「視力定義」的不理解。「視力」是「感知能力」,需要受測者的反饋才能得知,目前沒有任何儀器可以「直接測量」感知能力。

正因如此,台灣大學心理系的鑑定實驗才設計了三個部分,第一部分以功能性核磁共振造影(fMRI)觀察受測者大腦的視覺反應,第二部分以腦電圖(EEG)觀察大腦神經細胞的電位變化,第三部分以心理物理學行為衡鑑測量受測者的視覺敏感度(視力),這三部分的實驗是互相支持的5

法官不相信行為衡鑑的鑑定結果,但也完全沒有挑戰該實驗的原理或方法,而是直接用「遭攝錄之客觀日常生活行動表現」來認定陳敬鎧的視力沒有低於 0.01 以下,一句話就推翻了行為衡鑑的鑑定結果。

再看 107 年法院駁回本案聲請再審的裁定,法院甚至認為日常生活行為的影像比起科學鑑定更為可信。

「所謂『科學鑑定』,係指對鑑定事實具有特別學識經驗之人,在現在之條件下(非事實發生當時),於嗣後利用其學識經驗,本於相當之推理作用,就其認識之具體事實所為之判斷及意見,其性質本屬間接證據,其證明力顯然不能凌駕於得經由眼見耳聞,重現法庭之『直接證據』(即本案聲請人日常行止影像)。

何況所謂『科學』,亦非尋求絕對無誤的真實,只是在現有基礎上,摸索式地不斷接近真實而已,並非不能質疑,是以若『科學鑑定』結果與真實情狀不符時,自應回頭檢視其鑑定過程、方法或判斷有無謬誤,若執意以之為是,顯違背科學求是之精神。」

——摘自臺灣高等法院高雄分院 107 年度聲再字第 187 號刑事裁定7

然而,究竟怎麼樣的「行動表現」才算是在視力 0.01 以下?「行動表現」與「視力值」之間的相關性又是如何建立?在判決及裁定中完全沒有說明,而且法官這個認定其實預設了「盲人怎麼行動」的想像。

眼見不能為憑,失明並非失能

人們時常因為對眼見為憑的信任,而忽略了自身生命經驗的局限,看到盲人可以接飛盤、打桌球,這樣「衝擊性」的畫面後,即使有科學的論證,也難以說服深植在心的偏見。

其實在科學發展史上,違反「眼見耳聞」的科學發現比比皆是。從十六世紀的日心地動說,到二十世紀的量子力學都是如此。科學當然不是絕對無誤的真實,但正因為眼見耳聞並不可靠,所以人類建立了科學方法幫助我們更貼近真實。

另外,視障者的行動表現牽涉的其實是另一門專業——特殊教育。特教專業工作者早已耕耘許久,協助許多中途失明者,在失去視力之後重建生活能力。事實上在一審時,盲人重建院的特教專家曾出庭表示意見,但可惜也未能說服法院。

觀察本案的審理過程,可以發現不只是視覺科學及特殊教育的專業不被理解,更根本的可能是明眼人對視障者的想像十分局限。不只是陳敬鎧仍持續在訴訟中對抗,視障者與明眼人眼光的對抗每一天都在發生。

「失明的人不等於失能,當你在做一件別的視障者沒有做的事情時,你會發現身旁充滿無數的質疑跟懷疑,其實我到今天都還是一直在對抗,總是在很多次的對抗中才證明,原來視障者可以做這個。」

——李秉宏,臺灣首位盲人律師

參考資料

  1. 臺灣高等法院高雄分院 103 年度上易字第 574 號判決
  2. 視力≠度數——近視度數無法換算成視力〉林昌平/彰化基督教醫院眼科醫師
  3. 屈光度(維基百科)
  4. 心理物理學線上實驗
  5. 陳敬鎧視覺系統功能鑑定報告
  6. 功能性視覺能力評估與觀察之研究〉張千惠/臺灣師範大學特殊教育系
  7. 臺灣高等法院高雄分院 107 年度聲再字第 187 號刑事裁定
  8. 陳敬鎧案。財團法人民間司法改革基金會

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黑面琵鷺的度冬天堂(下):台南七股溼地的吸引力與隱憂

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在大家努力普查、保育及研究下,黑面琵鷺族群數量終於從「極危」逐漸恢復,來台度冬的隻數也越來越多,其中的主棲地就在台南七股。為什麼台南能夠年年吸引大量黑面琵鷺前來呢?

溼地中的白色大鳥——黑面琵鷺。圖/wikimedia by LiCheng Shih

黑面琵鷺出現在台南的紀錄可以從 30 年前細數起。

當時「曾文溪河口新生地開發計畫」工程才剛開工,一位鳥類觀察家注意到,在預計開闢成海埔新生地的圍圈內,棲息著一群大嘴巴的白色大鳥。然而,當時沒有人知道牠們是珍稀鳥種,直到 1985 年又有人在那片溼地沼澤發現牠們,才確認是黑面琵鷺。

爾後至今,那片由堤防圍起的感潮泥灘地成為了黑面琵鷺每年冬季必訪的棲息地。這片約 300 公頃的溼地後來被稱作「主棲地」,於 2002 年被台南縣政府公告為「台南縣曾文溪口北岸黑面琵鷺野生動物保護區」,並在 2009 年 12 月 1 日由農委會特有生物研究保育中心接管當時的「黑面琵鷺管理中心」,後更名為「黑面琵鷺生態展示館」,積極整合民間團體和政府的力量,擔任起維護管理當地生態資源及對外推廣保育觀念的角色。

台江地區是台灣西南部沿海由沙洲與陸地圍成的潟湖,曾經是一座可以停泊多艘海船的海灣,現在多已淤積、填海陸化為溼地或魚塭。溼地生態十分豐富的台江地區隨著地區發展,陸續開發了重劃區和工業區,但在關心環境的人們努力推動下,逐步規劃了兩塊野生動物保護區(四草及曾文溪口北岸),並有多塊溼地陸續被遴選為台灣的國際級與國家級溼地(台江地區的曾文溪口、四草及七股鹽田、鹽水溪口等溼地),也終於在 2009 年 12 月成立台江國家公園。

台江國家公園內的七股潟湖蚵架。圖/wikimedia by 洪邵歆

最吸引黑面琵鷺的度冬天堂

台江獨特且多樣的溼地環境,加上周圍的魚塭和廢晒鹽田,提供生物豐富的食源與棲息場域,也吸引了許多水鳥和候鳥停棲或過境。台江國家公園的濱海陸域範圍可分成曾文溪以北的七股區和以南的安南區,包含七股潟湖、七股重要野鳥棲地、城西溼地景觀區(鹿耳門)、高蹺鴴保護區、原安順鹽田以及四草溼地等,海域範圍則至澎湖縣的東吉嶼。

台江國家公園設立了六種分區,除了著重保育的生態保護區,還有著重歷史保存的史蹟保存區。另外,一般管制區包含了不少魚塭區,這也是台江和國際上其他黑面琵鷺熱點較為不同之處。

若穩定的棲息環境是牠們是否會持續造訪的其中一個關鍵,那充足的食源就是能否吸引更大量族群前來度冬的因素。

台南的魚塭型態多為淺水型或一年型,養殖物種以虱目魚和文蛤為主,在冬季時通常是休養的狀態,而這正是黑面琵鷺大快朵頤池中雜魚的好時機。溫暖少雨且受到保護的群棲地,以及鄰近魚塭所提供的豐富食源,就是台南之所以能成為黑面琵鷺極重要度冬棲息地的原因。

黑面琵鷺喜歡在溼地中尋找各種雜魚來吃。圖/張俊德

永遠的天堂?或是危機暗藏?

即使台南一直是黑面琵鷺數量最多的度冬地,其年間的數字減少或低於全球成長率時,都還是會引起不小騷動。尤其在 2017~2018 年的全球年變化為零時,台南的紀錄卻減少了 545 隻(年差距 -30.1%),雖然台灣其他地區的數量有增加,但台南此次數量變化的情況也使隱憂浮現:這是否代表可乘載的族群量已經達到了飽和?抑或是環境變遷所致?這些都還有待更多的觀察才有辦法釐清。

2007 年,新聞報導有一隻黑面琵鷺因誤食死魚,被診斷肉毒桿菌毒素中毒,之後每兩三年間大致都會有數隻黑面琵鷺被救治,也有些個體是因虛弱或受傷而倒下16。由於截至目前為止,發生的多為少數個體,故此隱憂僅需加以觀察和增加救援即可。

遊蕩犬隻的問題也不能忽視且常常無法根治。2019 年就頻傳流浪犬追逐騷擾頂山黑面琵鷺的消息,擔任黑琵調查員的台南市生態保育學會副總幹事黃永豐表示:「兩年前就有觀察到流浪犬追逐騷擾黑面琵鷺的紀錄,但件數不多,今年追逐攻擊事件增加,懷疑是來自同一群野狗。」不僅頂山,七股主棲地和四草等地也曾傳出野狗追逐黑面琵鷺的事件。地方政府應避免棲息地受到干擾,並提升黑面琵鷺在台度冬的安全性,讓台灣成為真正的度冬天堂。

讓黑面琵鷺平安快樂的在台灣度冬吧!圖/wikimedia by LiCheng Shih

環境開發、魚塭轉型都可能對棲地造成巨大改變

上述多為小規模或個案問題,而對族群影響最深遠的絕大多數是棲地的改變,像是棲地及周圍的開發、環境汙染、魚塭轉型等,都可能衝擊黑面琵鷺的族群數量。

台灣政府近年來積極推動綠能,其中包含在魚塭和溼地上設置光電板。此計畫遭到當地漁民和保育人士抗議,擔憂此開發會影響黑面琵鷺到當地棲息。

特生中心副研究員洪夢祺指出:「一般推測架設光電會影響水鳥的棲地選擇,但這些潛在疑慮仍缺乏具體資料。我比較擔心的是食物來源,尤其是晒池模式會因光電而改變。」

此段話也帶出了七股正面臨的另一個轉變:魚塭轉型。冬季將魚塭池水抽乾,進行晒池消毒是當地許多養殖魚塭的慣例,此時降低的水位適合黑面琵鷺覓食。然而,近年越來越多魚塭改為「長年深水養殖魚塭」及「季節性養殖魚塭」,此兩類型的魚塭不會在冬天進行晒池並持續維持深水位,因此可利用的魚塭就減少了。

魚塭利用的轉變,若再加上光電設施的設立,將會使七股的黑面琵鷺族群遭受更大的衝擊。因此應避免未經詳細評估、忽略生態成本所進行的開發,許黑面琵鷺一個安定的度冬天堂。

參考資料:

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  4. Rogers, D. I., Battley, P. F., Piersma, T., Van Gils, J. A., and Rogers, K. G. 2006a. High-tide habitat choice: insights from modelling roost selection by shorebirds around a tropical bay. Animal Behaviour, 72(3), 563-575.
  5. Rosa, S., A. L. Encarnação, J. P. Granadeiro, and J.M. Palmeirim. 2006. High water roost selection by waders: maximizing feeding opportunities or avoiding predation? Ibis 148:88-97.
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  15. 楊金城報導。2019。台南七股 10 多流浪犬追逐黑面琵鷺 保育現隱憂。自由時報。
  16. 蔡文居報導。2018。又有 2 隻軟腳送醫 瀕危黑面琵鷺陷危機。自由時報。
  17. 關於黑琵。2013。中華民國台江國家公園管理處。

本文亦刊登於臺灣國家公園生物多樣性資料庫

  • 責任編輯/竹蜻蜓

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小強求生術(上):原來踩爆蟑螂沒有想像中的簡單——《破解動物忍術》

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  • 作者/胡立德;譯者/羅亞琪
  • 編按:本篇沒有蟑螂圖片,請安心服用!

黎明時分,柏克萊生物系的學生高什克‧賈拉雅姆 (Kaushik Jarayam) 聽見蟑螂竄走的聲音,他正坐在生命科學系館的階梯上吃貝果,就跟每天早晨一樣。貝果的屑屑掉落在水泥階梯上, 竄走的聲音愈來愈大,甚至演變成窸窣聲,同時,附近山茱萸樹下的落葉堆也開始出現動靜。

他看見灌木叢中冒出兩根長長的觸角,接著是一抹褐色物體朝他的腳衝來。高什克本能地站起身,胡亂踩踏了幾下,大部分只踩到水泥地,但其中一下踩到了一個小生物,發出壓扁的聲音。那個生物迅速逃跑,衝進他剛剛坐著的階梯上的一個小縫隙。

看到蟑螂,大家常出現的反應就是:我踩,我踩,我踩死你!圖/GIPHY

那是似乎天下無敵的美洲蟑螂 (Periplaneta americana),即使鞋子踩中了牠,牠卻還逃得了,高什克不禁感到好奇:蟑螂怎麼有辦法活過這樣的重擊?在進行縝密的實驗後,高什克將會發現這些動物看起來很堅硬,實際上卻很柔軟。在研究的歷程中,他將發明一種可被輾壓的機器人,會變形,但不會碎裂。

以柔克剛,軟一點才有存活的可能

高什克正在攻讀生物學博士學位,但是他從未上過任何一堂生物學的課程。他在印度的邦加羅爾長大,這個地方在他小時候還是個小鎮,但後來發展成一座繁忙的都市,有許多資訊科技人才湧入。他曾就讀印度理工學院孟買校區,專攻機械工程,特別是製造領域。

在我們的世界,隨處可見製造的痕跡,例如加工成型的塑膠或鑄造的金屬,這當中大部分的成品都是堅硬的。高什克將開始了解,製造業的發展前沿不再是如何讓機器和裝置更加堅硬,而是如何把這些東西變得更柔軟。

物品看起來很堅固,但還是一被輾壓就碎了 QQ。圖/GIPHY

高什克對製造產生興趣時,正值四軸飛行器剛被開發出來。四軸飛行器有四個各自獨立的旋翼,如同正方形的四個象限般排列。旋翼的數量使四軸飛行器非常具有機動性,可以定點旋轉、俯衝、懸停以及隨飛隨停。

早期的四軸飛行器有一個問題,那就是它們的性能遠超過存活能力,它們飛行的速度太快了, 如果撞到東西,便直接碎屍萬段。因此,工程師開始在飛行器外圍包覆一種類似倉鼠滾輪的保護裝置,倘若發生碰撞,保護裝置會先被壓碎,以便保護裡頭的旋翼。

於是,高什克便開始研究蟑螂的運動,因為牠似乎無論受到什麼樣的撞擊都似乎無法被摧毀。

跟蟑螂學習如何「完整地」活下來

從蟑螂的角度來看,這種能力是必需的,因為牠們一直處在被掠食者吃掉的危險當中,蜥蜴、貓、鳥等動物都很樂意大啖蟑螂這種具有豐富蛋白質與脂肪的營養來源。一旦被抓住,蟑螂很快就會遭到嚼食吞嚥, 因此能存活的唯一機會就是加速逃跑,愈快愈好。

為了躲避掠食者,最好是跑得越快越好,越快越好~圖/GIPHY

蟑螂隨時準備逃命,牠們可以在 \(\frac{1}{50}\) 秒的時間內做出反應,比人類快上 10 倍;牠們能以每秒 25 倍體長的速度奔跑,相當於一輛車以每小時 450 公里的速度前進。

速度是蟑螂生存的關鍵,因為太重要了,所以蟑螂沒有時間閃躲物體,只能直直一頭撞上。

如果你把這個動作用高速攝影機拍下,接著慢速播放,就會看見蟑螂是衝撞牆壁,回彈,接著才直爬上牆。如果牆壁下方有小縫隙,牠會以最快的速度把身體擠進去,這個行為可以讓牠在體型大上許多的掠食者面前消失無蹤,牠們通常是僥倖成功的。

蒙大拿州的生物學家塔拉‧馬吉尼斯 (Tara Maginnis) 曾對野外昆蟲進行一次普查。昆蟲生來會有六隻腳,但在野外捕獲的昆蟲之中,腳的平均數目卻是五隻,這些五腳昆蟲算是幸運的了,牠們勉強成功逃脫,可以再多橫行一天。

模擬野外環境,觀察蟑螂的荒野逃生

由於蟑螂速度太快,在野外很難觀察,高什克便在實驗室裡做了一個障礙訓練場。

想要有效逃生,首先要先學會變形!圖/GIPHY

蟑螂喜歡生活在散落著枯枝落葉的林地上,在這樣的環境中,其褐黑相間的體色有助完美偽裝。高什克建了一個開放的走道,末端是一個隧道入口,隧道屋頂只有兩枚硬幣疊起來的高度,是蟑螂站立時高度的 \(\frac{1}{4}\)。當蟑螂要進入隧道時,就會像黃金獵犬要把身體擠進信箱一樣。

高什克用高速攝影機拍攝蟑螂進入隧道的動作,從遠方看, 這隧道口就像是個小縫隙。在進入隧道前,蟑螂會先把長長的觸角伸進去,探索完裡面的空間之後,牠會短暫停頓,接著再把頭塞進縫隙,瞧瞧裡面。有時,牠得硬塞好幾次,頭才進得去。

蟑螂高 1.2 公分,是縫隙高度的 4 倍,為了擠進洞裡,牠用前腳往前走。縫隙很低,因此當牠把頭塞進去時,身體會往上傾斜 45 度,導致後腳在半空中亂踢。蟑螂處變不驚,繼續用前腳把身體拉進縫隙,短短 1 秒鐘,整隻蟑螂已經進到縫隙中,從掠食者的角度看,蟑螂就像是憑空消失了。

高什克用玻璃排成隧道的牆壁,這樣就能看到裡面。蟑螂幾乎把自己擠壓到完全扁平,牠在站立時,腳通常是位在身體下方,但現在卻像螃蟹一樣水平攤開。高什克拿一根棒子往隧道裡戳,模仿貓把爪子伸進去的動作。令人驚訝的是,蟑螂竟以螃蟹走路的方式遠離棒子。

他又多戳了幾下,蟑螂加快速度並開始跑了起來,雖然這時身體仍處在被壓平的狀態。被壓扁的動物還能夠全速衝刺,令高什克十分訝異。我們在開車經過狹窄巷弄時,並不會全速行進,若全速行進的話,車子很容易就會損壞到無以修復的地步。

穿戴盔甲的蟑螂,天生就有被壓扁的潛能?

雖然蟑螂看起來全身覆蓋著閃亮的盔甲,但牠們其實有許多柔軟的關節,讓身體能極度靈活地形變。例如,蟑螂腳上的每一個關節都是由柔軟可形變的半透明膜所組成,就如中世紀騎士的盔甲在膝蓋和肩膀部位有著互相重疊的甲片一般。蟑螂的腹部也覆滿了百葉窗般互相重疊的甲片,高什克認為,這些重疊的甲片允許蟑螂的身體在壓平時往側邊擴展。蟑螂天生就是可以被壓扁的。

蟑螂在承受強大的外力後,還能毫髮無傷地走開呢!圖/GIPHY

為了測試蟑螂的極限,他把蟑螂放在機械式壓機裡,四面都有透明牆壁,以防蟑螂脫逃。接著,他施加等同於蟑螂體重 900 倍大的力在牠身上,相當於把人壓在一間單房公寓底下。

此時腹部甲片輕輕擴張,讓蟑螂柔軟的內臟得以透過柔軟的透明膜被推出。蟑螂的體內大部分是液體,因此當身體受到向下的壓力時,也就意謂體液必需從某處流出,而流出的地方就在甲片之間。當外力消除後,這些透明膜會把蟑螂推回正常的形狀。

蟑螂在承受這麼大的外力後,仍能毫髮無傷地走開,牠們就像一顆裝有馬達的壓力水球,縱使被壓扁到認不出原貌,仍能繼續行走。蟑螂可以承受多大的下壓力而不死亡,就要看牠的外骨骼能承受多大的體內液壓了。

所以殺蟑螂,還是用噴得比較有效(?)圖/GIPHY

然而,機器人就不會有這樣的限制,它們互相連結的部位可以是空氣,而不必是液體,就跟紙鶴一樣,機器人具有被壓成一張紙後仍可繼續運作的潛力。高什克受到蟑螂承受輾壓的能力所啟發,決定製作一個人造版本。

——本文摘自泛科學 2020 年 3 月選書《破解動物忍術:如何水上行走與飛簷走壁?動物運動與未來的機器人》,2020 年 1 月,三民出版

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小強求生術(下):人類有辦法打造跟蟑螂一樣「抗壓」的機器人嗎?——《破解動物忍術》

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在前幾年,六足機器人的發展開始出現變革。研究人員對於可動的足式機器人一直都很感興趣,但使科學家的興趣達到巔峰的,是美國國防高等研究計劃署在 2000 年召集數名研究人員參與的特殊會議。

國防高等研究計劃署因資助月球探測而成為著名的政府機構,這些深具野心的探測計畫推動該領域的進展。那年,他們對具有跟昆蟲一樣行動能力的足式機器人產生興趣,高什克的指導教授鮑勃‧弗爾 (Bob Full) 以及密西根大學的電機工程學家丹尼爾‧科德舒克都在場。

六足機器人 RHex 圖/wikimedia

丹尼爾觀看了鮑勃有關蟑螂跋涉過困難地形的影片,因而受到啟發,建造了六足機器人 RHex,大小和體重跟 7 公斤的鬥牛犬差不多。它可以走過石頭、雜草和其他障礙物,全都是以開迴路的方式進行,也就是完全沒有接收周遭環境的回饋,即使沒有眼睛,也能奔跑而不跌倒。

堅硬與柔軟的結合

在 2009 年,微製程工業與機器人研究結合,建造了一系列的輕量級六足機器人。其中,「動態自主式爬行六足機器人」(Dynamic Autonomous Sprawled Hexapod,DASH) 是由一張厚紙板做成,僅 30 公克,可以放在手掌心。

這是由加利福尼亞大學柏克萊分校的電機工程學教授榮恩‧費林 (Ron Fearing) 的學生保羅‧柏克梅爾 (Paul Birkmeyer) 所設計的。柏克梅爾與費林使用了一種稱為「智慧複合微結構製造」(smart composite microstructures (SGM) manufacturing) 的技術,將堅硬的零件和柔軟的零件結合在一起,建造出一種複合型機器人。

  • 首先,他們使用電腦畫出一份藍圖,將要切割的地方事先安排在一個平面上。
  • 接著,他們使用雷射切割術在一張卡紙上進行切割,然後將紙對摺,並將一張具有彈性的聚酯薄片夾在中間,再使用黏著劑和加熱的方式讓卡紙和聚酯薄片永久黏附在一起。
  • 最後他們用雷射刀在上面切出洞來,讓它變成可以像立體書一樣彎曲摺疊的平坦形狀。
  • 最終完成的立體造型有六隻腳,只靠一個普通玩具遙控車會用的那種直流小馬達就能致動。

這個機器人每秒可移動自己的一個體長距離,相當於汽車以每小時 16 公里的速度前進,柔軟的外殼也讓這款機器人適於被重新設計成可輾壓的機器人。

DASH 有一個根本問題使它無法被輾壓——它只能被壓到馬達的高度,因為馬達必須是堅硬的。

那時,完全以柔軟的橡膠製成的馬達尚未被發明出來。高什克的創新之處在於他用兩個小一點的馬達來驅動機器人,馬達置於機器人的左右兩側,分別驅動該側的三隻腳。由於每個馬達只需要驅動三隻腳,而非六隻,因此可以比原本的馬達還要小。

全名為「具關節機構之可壓縮機器人」(compressible robot with articulated mechanisms) 的仿生機器人 CRAM 及其自然之師美洲蟑螂。在被壓縮到原本高度的一半下,機器人仍可移動;而蟑螂則能在被壓縮到原本高度的 1/4 時仍保持運動能力。(圖片由高什克‧賈拉雅姆提供。)圖/三民提供

原版的 DASH 有一個方形底座,是用來固定六隻腳的地方。高什克在機器人的中間位置設計了一個斷裂區,讓機器人可以被往下壓,但又能回彈(如圖)。你可以把它想像成中間有彈簧連接的兩個底座,用手指把它往下壓時,機器人的兩半就會向外展開;把手放開時,機器人就會彈回來。

最後,高什克把一張聚酯薄片摺成可壓縮的外殼,就像摺紙帽那樣,然後將它覆蓋在機器人的上端。他用油來潤滑這個外殼,以減少它與隧道天花板間的摩擦力。

當機器人站立時,可以輕易走在堅硬的地面上。整個機器人只有巴掌大,僅 50 公克重,不過幾顆葡萄的重量。這是可以自主的機器人,電池和電子設備都裝在身上,它的主體是由層壓紙製成,所以可用手拿起、放下、甚至彎折扭曲。

接著,高什克把機器人放進只有它一半高的隧道中,就如他所設計好的, 機器人背部的中間位置可以彎曲,讓它被壓平。然而,彈簧的反作用力大力頂住天花板和地面,產生很大的摩擦力,使機器人動彈不得。機器人掙扎著想把自己往前推,但六隻小腳卻只是對地面又抓又刮,徒勞無功。

觀察蟑螂爬行,重新修正機器人

把馬達一分為二、讓體節可以變形的設計都發揮了成效, 但現在問題出在腳上,他必須重新設計腳的部分。

原來問題出在腳上!圖/GIPHY

目前,他把腳設計成火柴般的紙造腳,而機器人就靠這些腳走路,但當機器人被壓縮時,這些火柴腳會彎離主體,使腳無法獲得足夠的抓地力。同時,當機器人遭擠壓時,因頂住上下壁而多出來的摩擦力又會阻礙前進,也就是說,腳的姿勢已經很奇怪了,而天花板加壓在機器人身上的力又使得腳必須出更多力才行。

於是,高什克重新觀看蟑螂爬行的影片。蟑螂的腳就跟牠的腹部一樣,是可以折疊的。當蟑螂不受拘束自由奔跑時,腳尖會碰觸地面,然而,在隧道中,牠把腿往外張,就像在劈腿一樣,牠用膝蓋來推離地面,跟我們爬行時一樣。而當蟑螂一離開隧道,儲存在腿部的彈性位能便立刻把蟑螂推回站立的姿勢。

高什克領悟到,機器人的腳也必須設計成可折疊的,這樣無論是站立或壓縮的姿勢,腳都能緊抓住地。他把火柴折成一半,設計出 L 形的腳,接著把連接腳的關節設計得更有彈性。當站立時,機器人會用 L 形的其中一邊走路;當被壓縮時,腳則會向外攤開,使機器人還是可以用 L 形腳的另一邊走路。這個設計使得機器人的腳無論在什麼姿態下,都可以抓牢地面。

未來可壓折機器人,或許還能用在搜救行動中。圖/GIPHY

高什克的可壓折機器人或許可以應用在搜救行動。

地震過後,現場救難人員會希望評估瓦礫堆中是否仍有生還者,問題是瓦礫堆通常十分不穩定,人走在上面太危險了,這時若能派出大量像高什克設計的這類可壓折的小型機器人,裝配著感應器,就能穿梭在各個角落和裂縫來尋找生還者。高什克的機器人大部分是以廉價的材料製成,像是厚紙板和玩具馬達,因此,這種搜救機器人可以被當作消耗品使用,任務完成後毋須設法取回。

——本文摘自泛科學 2020 年 3 月選書《破解動物忍術:如何水上行走與飛簷走壁?動物運動與未來的機器人》,2020 年 1 月,三民出版

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陽明山的地下世界:暗無天日的洞穴生態系

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  • 文/曾威捷

去陽明山踏青時,我們看見的多半是山上豐富的動植物生態,以及火山噴氣口、溫泉等特殊地形。然而,陽明山還有個不為人知的生態世界,那就是伸手不見五指的黑暗洞穴。

你知道陽明山有這樣的洞穴環境嗎?攝/作者

陽明山國家公園位處臺北盆地北緣,是臺灣最北的國家公園。整座國家公園東起磺嘴山、五指山東側,西至向天山、面天山西麓,北迄竹子山、土地公嶺,南迨紗帽山南麓,面積約 11,338 公頃,海拔高度自 200~1,120 公尺不等,此範圍包含以大屯山及七星山為中心的大屯火山群,其火山口、噴氣孔、溫泉、堰塞湖等火山地形為陽明山國家公園的特色,並以此聞名,另外溪流、瀑布及山峰等地形也相當引人入勝。

陽明山國家公園因受緯度及海拔影響,氣候分屬亞熱帶氣候區與暖溫帶氣候區,季風型氣候也極為明顯。隨著背風面、迎風面、地形和海拔變化的不同,孕育出豐富的動植物生態。

在維管束植物中,部份栽培的馴化種多達 1,359 種,且由於冬季低溫高溼的特質,部份原本棲生於 2,000 公尺的中海拔植物,如臺灣龍膽、昆欄樹,在此有海拔分布的「北降現象1」;而動物部分,至少有哺乳動物 34 種、鳥類 123 種、兩棲類 22 種、爬蟲類 53 種、魚類 22 種、昆蟲類 662 種,以及其他多種無脊椎動物。

在陽明山國家公園如此豐富的地形及生態之中,仍有鮮為人知的部分,那就是洞穴環境洞穴生態系

洞穴的形成與生態

洞穴泛指於地表開口且內部中空的空間。洞穴的形成通常需經過長時間的地質作用,包含化學作用、水的侵蝕、大地構造作用力、微生物、地質壓力及天候影響等。天然洞穴依照形成的原因,可區分為石灰岩洞、熔岩洞、海蝕洞、風化洞、冰河洞、裂隙洞及岩棚等。

在洞穴中生存的生物就稱為洞穴生物,一般可分為三類:真洞穴生物(Troglobite)、半洞穴生物(Troglophiles)、客居洞穴生物(Trogloxenes),由於洞穴大多是微光或黑暗環境,因此植物甚少被洞穴生物學(Biospeleology)探究,目前較常受洞穴生物學家討論的生物類群多半為動物界的生物。

研究人員於洞穴中進行蝙蝠監測工作。攝/作者

真洞穴生物

真洞穴生物是指整個生命週期都在洞穴內渡過的物種,牠們只能存在於洞穴環境內,離開洞穴即無法生存。這類動物通常代謝較慢、能量消耗較低及食物利用效率較佳,眼睛通常退化或消失、缺乏色素或透明、繁殖能力不佳,取而代之的是,許多物種演化出觸角或附肢來活動或接收環境刺激,並且相當長壽。

由於牠們無法離開各自的洞穴環境,因此這些物種多半是該洞穴系統的特有種,代表性的例子包含某些渦蟲、腹足綱、櫛蠶、蛛形綱、多足類、甲殼綱、昆蟲綱、盲魚、洞穴蠑螈等。

半洞穴生物

半洞穴生物可在洞穴內完成生命週期,但也可以在洞外黑暗潮溼的環境生活。這類動物通常有特化的聽覺、觸覺和嗅覺,也一樣多半缺乏色素及視覺,代表性物種包含腹足綱、甲殼綱、擬蠍、盲蛛、蜘蛛、多足類、昆蟲及蠑螈,其中半洞穴的昆蟲大多無翅且有較長的附肢。

客居洞穴生物

客居洞穴生物是指稱那些暫居或季節性於洞穴生活的動物。牠們多半利用洞穴作為度冬或避難場所,也有部分動物會利用洞穴作為日間棲息處。這一類動物的生命週期必須離開洞穴(通常是為了覓食),包含蛛形綱、昆蟲、爬蟲類、蝙蝠、老鼠及其他食肉目動物,甚至是史前時代的人類等。

陽明山的洞穴及生態

陽明山國家公園的洞穴多半不具知名度,筆者有幸於 2012~2014 年協助臺灣大學生態演化所野生動物研究室的穴居蝙蝠調查而探訪其中,這些洞穴大致可分為人工洞穴及天然洞穴兩類。

陽明山人工洞穴又可分為廢棄建築及人為坑道等,廢棄建築多半為前總統蔣中正接待賓客和避暑的中興賓館及其附屬建築、哨所等;人為坑道則可能為採礦、早期軍事需求所開鑿。至於陽明山的天然洞穴,其形成原因尚未有文獻進行探討,筆者推測這些洞穴可能是早期火山活動的熔岩管,或上層火山鬆軟地質被植被固定後,下層遭水流掏空所致。

人為開鑿的坑道形成了人工洞穴環境。攝/作者

臺灣的洞穴物種報導或研究文獻並不多,僅有翼手目蝙蝠有較多調查紀錄且為人所知,實際上臺灣的洞穴生物還包含無脊椎甲殼綱、唇足綱、蛛形綱及昆蟲綱,脊椎動物則包含兩生綱、爬蟲綱、鳥綱及哺乳綱,目前已知的物種皆為半洞穴生物或客居洞穴生物 。陽明山由於火山地質多孔隙的特性,多數洞穴無法形成水域,因此僅有陸生動物的紀錄,以下列舉數種常見於陽明山洞穴的物種。

1. 蚰蜒

蚰蜒是節肢動物門唇足綱的動物,成體約有 15 對非常長的附肢,爬行速度非常快速,以毒牙掠食蜘蛛、蟑螂、白蟻或衣魚等節肢動物。蚰蜒喜歡棲息在陰暗潮溼的地方,例如浴室或地下室,而野外則以洞穴及廢棄建築是牠們最喜愛的環境,在陽明山幾乎所有洞穴都會見到牠的蹤跡,夜晚也可能在潮溼的步道旁見到牠移動覓食。

蚰蜒雖然具有捕食用毒牙,但毒牙太過短小,很難穿透人類皮膚,對人的毒性也不高。筆者曾試著讓牠爬到手上,感覺就像被頭髮掃過一般相當輕柔,讓我相當驚奇。

陽明山洞穴中的蚰蜒。攝/作者

2. 白額高腳蛛

白額高腳蛛有另一個廣為人知的名字——旯犽(ㄌㄚˊ ㄧ ㄚˊ)。雖然蜘蛛的形象經常讓人感到害怕,但經過推廣教育,已經越來越多人了解牠是會捕食蟑螂的益蟲。白額高腳蛛成體展開寬可超過 10 公分,喜歡陰暗潮溼的地方,除了洞穴,也經常出沒於家中掠食居家害蟲。

白額高腳蛛與一般常見蜘蛛不同,屬於徘徊性蜘蛛,也就是主動追擊獵物,不結網埋伏的蜘蛛。牠們在繁殖時,會將吐絲結成的卵囊隨身攜帶,直到卵孵化後,小蜘蛛仍會在卵囊中待一段時間。筆者的老師就曾嘗試打開卵囊,結果造成小蜘蛛滿地跑的悲劇!建議大家縱使害怕蜘蛛,也不要傷害這種益蟲。保持環境整潔,減少牠的食物來源,自然就不會在家中與牠相見囉!

洞穴中的白額高腳蛛。攝/作者

3. 灶馬

灶馬是一種外觀介於螽蟴和蟋蟀之間的昆蟲,因後腿粗壯如馬腿而得名,牠在國外被稱為斑點洞穴蟋蟀(Spotted Cave Cricket),分類為穴螽科,不論中文名稱或英文名稱皆可看出牠棲息於陰暗環境如爐灶、洞穴的特性。在韓國電影《寄生上流》中,主角一家人生活的半地下室常見的就是這種昆蟲。而成語「蛛絲馬跡」中的「馬跡」也是指這種小昆蟲走過遺留的細微痕跡。

陽明山的幾乎每個洞穴都可見到灶馬的蹤跡,夜晚也有機會在野外見到牠。

洞穴中的灶馬。攝/作者

4. 龜殼花

蝮蛇科的龜殼花可說是臺灣最常見的毒蛇之一,三角形的頭部及背部斑點狀的斑紋是牠的主要特徵。蝮蛇科蛇類具有頰窩的構造,能讓牠感應環境中的熱源。在陽明山的洞穴中,牠也是常見的住戶,通常會利用體色隱身在洞穴邊緣或角落的石頭縫中,因此在洞穴工作時必須特別注意,避免踩到牠或過於靠近,引起牠的攻擊。筆者早期使用探照燈工作時,曾引起龜殼花空咬燈光熱源,可見牠們相當敏感。

棲息於洞穴角落的龜殼花。攝/作者

5. 黑眉錦蛇

黑眉錦蛇是另一種洞穴常見的蛇類,體型可長到非常大。由於欖黃色的體色及前段菱形黑斑、後段黃色縱紋,被稱為臺灣美蛇之一;也因為以老鼠為食而經常出沒於住家附近,又被稱為家蛇或視為土地公的化身,在陽明山洞穴中偶爾可以遇到牠們。

筆者曾在洞穴中聽到蝙蝠發出人耳可聽見的尖銳叫聲,才發現是黑眉錦蛇爬到高處掠食臺灣葉鼻蝠。在我試著觸摸蛇尾巴後,當天我就遺失了身邊的配件,直到三天後才在洞穴附近明顯的地方找回,從此我就對牠多了一分敬重之心。

洞穴高處的黑眉錦蛇。攝/作者

6. 臺灣紫嘯鶇

臺灣紫嘯鶇是臺灣少數可在洞穴中記錄到的鳥類,全身帶有藍紫色的光澤,相當美麗。牠的叫聲適應了溪流環境,顯得較為尖銳,有些人形容像車子的剎車聲。牠們經常在尚未天亮的凌晨時分就開始鳴唱求偶,歌聲悅耳但非常大聲,在陽明山常見於溪流附近及鄰近洞穴。

雖然紫嘯鶇喜歡溪流環境,但筆者不只一次在洞穴環境遇見牠,推測可能是為了利用洞穴的岩壁縫隙築巢而來。有時我們人類準備進入洞穴調查前,就會先看見一道藍紫色身影飛出,那伴隨著身影的尖叫聲非常容易分辨。

洞穴中遺留的紫嘯鶇羽毛,以及疑似食餘的蝸牛殼。攝/作者

7. 臺灣大蹄鼻蝠

臺灣大蹄鼻蝠是臺灣唯一一種獨居型洞穴蝙蝠,通常一個洞穴只會有一隻個體,也由於獨居的習性,在洞穴中算是可遇不可求的特殊蝙蝠。牠們在陽明山國家公園並不少見,幾乎較大的洞穴或廢棄建築物中都有機會遇到,只是數量稀少必須仔細搜索才能找到。

臺灣大蹄鼻蝠也是臺灣唯一休息時會用翼膜包覆臉部全身的蝙蝠。或許是這個原因,牠也是筆者見過最會睡的蝙蝠,還記得有次調查,我們進出洞穴時都與某隻個體擦身而過,而那位大蹄鼻蝠從頭睡到尾完全沒有被吵醒。附帶一提,如果將深度沉眠的蝙蝠吵醒,可能會使牠代謝異常,造成死亡喔!

休息中的臺灣大蹄鼻蝠會用翅膀包覆臉部。攝/作者

8. 臺灣小蹄鼻蝠

臺灣小蹄鼻蝠是臺灣洞穴中最常見的一種蝙蝠,在許多廢棄隧道、坑道及建築中都有機會見到。由於體型小、代謝快,白天休息時經常在洞穴擠成一團停棲,多的時候甚至可達上千隻。

牠們有時會與其他種類的蝙蝠共用洞穴,但會各自成群。在陽明山較大的洞穴中經常可一次見到上百隻群聚。臺灣小蹄鼻蝠生性敏感,容易受到驚擾,經常在我們進入洞穴調查時,立刻察覺我們的行蹤並且驚飛。假如有幸遇到牠們,務必保持距離遠觀降低干擾。

洞穴中小群聚集休息的臺灣小蹄鼻蝠。攝/作者

9. 臺灣葉鼻蝠

臺灣葉鼻蝠是臺灣體型最大的食蟲性蝙蝠,也是洞穴環境常見的蝙蝠種類。臺灣葉鼻蝠對於廢棄建築物的接受度也相當高,例如在中興賓館週遭的廢棄附屬建物中相當常見,在陽明山國家公園中,必須在較大型的洞穴或建築才有機會見到牠。

臺灣葉鼻蝠雖與臺灣小蹄鼻蝠同樣會群居,但與其他蝙蝠不同的是,牠們停棲時,彼此會間隔一定的距離。如果兩隻個體靠得太近,甚至會打架爭執。臺灣葉鼻蝠因為體型較大,飛行時的振翅聲也非常大聲。筆者曾經在狹窄洞穴中不幸和牠相撞,感覺就像是被躲避球擊中一般的沉重,所幸我們一人一蝠都沒有大礙。

陽明山洞穴中的臺灣葉鼻蝠。攝/作者

10. 東亞摺翅蝠

臺灣東北角頗負盛名的瑞芳蝙蝠洞中,主要棲息的物種就是東亞摺翅蝠。每年夏季,摺翅蝠會自南方飛回瑞芳蝙蝠洞繁殖育幼,數量最多可達數十萬隻!陽明山地區的東亞摺翅蝠族群並不穩定,通常夏季才有機會在大型洞穴中見到。

東亞摺翅蝠的名字來自牠特別長的第三指指骨,停棲時第二及第一指骨會反摺於翅膀內,因此也被稱為長指蝠或長翼蝠。牠經常與臺灣葉鼻蝠或臺灣小蹄鼻蝠共用洞穴,若有機會在洞穴環境或夜空中見到不同於其他蝙蝠,展翅特別細長,或許就是東亞摺翅蝠正在飛行覓食喔!

在洞穴中密集聚集的東亞摺翅蝠。攝/作者

11. 刺鼠

刺鼠是臺灣低中海拔山區較常見的齧齒動物。刺鼠之名是來自牠身上的柔毛雜有硬棘剛毛,若能近距離觀察,就可看出牠與其他老鼠的明顯分別。

在陽明山的洞穴中,由於石塊較多,因此不容易見到本尊,但經常可發現牠從洞外帶入植物葉片、樹枝所構築的碗狀巢穴。刺鼠的攀爬能力很強,筆者曾在洞穴中見過刺鼠沿洞穴岩壁跳躍而上,也有紀錄顯示牠擅長爬樹,動作相當靈敏。

洞穴岩壁上的刺鼠。攝/作者

12. 白鼻心

白鼻心又名果子狸,擅長爬樹,主要以水果為食,但也會獵捕昆蟲、蜥蜴或老鼠,在臺灣從平地到 2000 公尺的山區都有觀察紀錄。最大的特徵是鼻端到兩耳間的白色縱帶,以及末端黑色不蓬鬆的尾巴。在陽明山國家公園的洞穴環境裡偶爾可見牠的排遺,但實際進入洞穴是為了覓食或作為休息空間,仍不得而知。

白鼻心經常被誤認為鼬獾,兩者的差別在於鼬獾鼻頭的白斑並不連續,且尾巴末端為白色,如松鼠一般蓬鬆。

在陽明山洞穴中,被自動照相機拍攝到的白鼻心。圖/作者

結語

自然環境中的洞穴,對許多動物來說是遮風避雨的良好棲息處,根據前人的調查與文獻紀錄,光是陸生脊椎動物就有 4 綱 36 種動物曾出現於洞穴或棲息於洞穴中,但由於臺灣尚未有針對洞穴環境的長期監測,因此實際上應有更多未知的物種有待研究者發掘。目前國外已建立專門的洞穴生態學門,針對洞穴進行研究探討,期望能透過這些研究拓展人類未知的環境。

不過,洞穴探勘及洞穴生態研究其實是一門需要相當專業性且帶有危險的工作。不論是不穩定的地質或潛在的毒氣、病菌,甚至毒蛇、毒蜂等,都可能對洞穴探勘者造成威脅。

洞穴環境的地質並不穩定,研究人員必須面對洞穴隨時可能崩落及出入口狹小的危險。攝/作者

洞穴中的真菌是可能影響洞穴探勘者健康的一大隱憂。攝/作者

遭到真菌完全寄生的蜘蛛。攝/作者

另一方面,近期有某些報導指出,在國際上沸沸揚揚的新型冠狀病毒源頭來自蝙蝠,然而事實上,臺灣在經歷 SARS、狂犬病及禽流感等疫情後,已經建立相關的野生動物監測機制,在近五年的監測中,未曾在蝙蝠體內發現狂犬病毒或人畜共通的冠狀病毒。全世界 1411 種蝙蝠之中,僅有三種食血性蝙蝠會直接傳染狂犬病毒,但臺灣並沒有任何食血性蝙蝠,因此除非主動接觸蝙蝠,不然牠們並不會主動攻擊人類。

只要遵守不接觸、不干擾的守則,就不需擔心從蝙蝠身上感染疾病,也無需主動驅趕蝙蝠,如同面對洞穴中的其他生物一樣。為了避免自身危險並保護洞穴內的生物免受干擾,不建議一般民眾任意進入不熟悉的洞穴中。

註解:

  1. 北降現象是指植物受到冬季降溫或緯度升高的影響,分布在比原棲生海拔更低的地方。

參考文獻:

本文亦刊登於臺灣國家公園生物多樣性資料庫

  • 責任編輯/竹蜻蜓

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地球假如不是球:如果地球是平的會發生什麼事?

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你曾好奇過「如果地球是平的」會發生甚麼事嗎?

在搜尋引擎上用這個關鍵字一查,會冒出一億三千多萬個讓人眼花撩亂的結果,看上去卻又有些似是而非。

現在,就由科學家來告訴你:一旦地球是平的,會發生甚麼事?

地「球」掰掰!那些地平論者的看法

地球為球狀這件事,在 1957 年蘇聯發射史普尼克一號人造衛星後,可說是被徹底證實。

然而近年來,有一部分人主張世界並不是大眾普遍認知的球體,而是扁平的盤狀,這些人就是所謂的地平論者。他們對「地球是圓的」這項基本事實產生了懷疑,並提出許多解釋的主張。

但倘若地球真是平的,它便不會像我們所知的行星那樣運作,人類與其他地球上的小夥伴也都將面臨極大的危險

蘇聯於 1957 年發射的史普尼克一號衛星,是第一顆進入行星軌道的人造衛星。圖/WIKI

如果地平以後,我們會發生什麼事?

「如果星體要成為盤狀而非球型,它必須先被高速地旋轉,但這同時會將星體自身撕裂成細小顆粒,摧毀一切。」加州行星科學家戴維.史蒂文森 (David Stevenson) 說。

在 1850 年代,天文學家詹姆斯.克拉克.馬克士威 (James Clerk Maxwell) 進行土星環研究時,以數學表明:固態的盤狀體在宇宙中並非穩定的組態,進而解釋了銀河系周遭為何沒有出現行星尺寸的「盤狀」懸浮物。另外,他也預測了土星環是由大量小顆粒所構成的,並在日後被驗證。

即使有朝一日地球變得平坦,也沒辦法撐太久(地球:幫我撐十秒)(誤),幾個小時內,重力便會將把它壓回球狀。重力的延伸是平等的,這就是行星為球體或幾近球體的原因。當然,每個行星的自轉速度並不同,可能會與重力作用,而在赤道處產生一些凸起。

一如馬克士威的數學證明,在現實的重力條件下,不可能有一個穩定且固態的盤狀地球。

地平說支持者所繪製的世界地圖。(圖/WIKI

離開地球表面!重力起了甚麼作用?

失去重力,下自地球內核,上至大氣層甚至月球,地球的運作都將大不相同。

重力是地球分層的原因。重力作用下,最稠密的物質沉入岩心,較輕的物質構成地函,最輕的物質則形成地殼。地球液態的外地核創造了磁場,保護大氣免受太陽風和宇宙射線的剝奪,而重力將大氣層固定在地表上空。

紐約地球物理學家詹姆斯·戴維斯 (James Davis) 說, 如果地球是平坦的,便不能發生板塊作用

地球內部構造圖。圖/中央氣象局地震測報中心

那麼,月亮有可能倖免於難嗎?不,它也不能。

不論是認為曾有天體與原生地球碰撞,迸生的物質被引力累積、形成月球的「大碰撞說」;認為月球與地球是由不同化學成分的星雲物質凝聚、吸積,而後同時形成的「同源說」;抑或認為月亮原先是一塊太空岩石,只是被地球引力抓住成為衛星的「捕獲說」,都一再表明,現今所有對月球存在的可能解釋皆和引力有關。

一旦擺脫重力,地球上的所有事物都會迅速地消失。

如果想進一步了解月球的演進,可以參考 NASA 的影片:

把地球甩掉?那些地平論者沒想到的事

戴維斯認為,地平論者的諸多解釋在數學與物理運算中並沒有任何基礎。

在現實生活裡,我們可以基於「重力運作」這個可被量化的理由,解釋為何地球和月球皆為圓形,反觀地平論者,卻必須對兩者做出獨立的解釋,那些解釋又常彼此矛盾,科學理論可不能長這樣啊。

「用一個簡單的理論來解釋一千個觀察結果,勝過用一千個理論解釋一千個觀察結果。」戴維斯表示。

回到最初爭議的問題,如果地球是平的會怎樣呢?恩……那地球上的所有事物──包含認定它是平的人們──都終將急遽毀滅。

資料來源:

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工作虛累累~檢查看看,你過勞了嗎?

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如果你開始質疑自己在體力、情緒、或心智上的工作能力,也懷疑著自己工作的價值及意義,或許你就是已經「過勞」了。

我們應該正視過勞,否則持續性的過勞壓迫會嚴重影響健康。

如果你想要評估自己是否過勞,請先問自己幾個問題:

1. 工作時是否會變得憤世嫉俗,或者過度嚴厲要求?

2. 每天要上班時,你是否感到不情不願,到了工作現場也難以開頭做起?

3. 你是否覺得很沒力,不再有辦法維持原本工作時的高生產力?像是設計師想不出新作品,腦袋一片空白。或者是論件計酬的成衣工人,原本一小時能縫上百件衣物,現在只有不到五十件。

4. 工作方面不再想學習新的事物,也不想接受任何挑戰。

5. 對同事、顧客、客戶、甚至主管都極為不耐煩。

6. 不再覺得完成某些工作讓自己獲得了成就感。

7. 睡眠或飲食習慣改變,可能會睡不好,或是暴飲暴食。

8. 莫名其妙地感到背痛、腰痛、頭痛,或全身不舒服,但也找不到原因。

9. 試著用酒精、食物、或毒品麻醉自己。

以上這些狀況,可能是憂鬱症甲狀腺疾病等真正的疾病引發的,所以若你面臨到這些狀況,就需要請教醫師是否與疾病有關,還是由工作過勞引起的!

至於為什麼會過勞?不只僅僅與太費體力相關,還有許多因素會導致過勞。

  • 無法掌控工作:你無法改變工作的時間表、工作量、或工作項目。
  • 目標不明確:你不清楚主管要的是什麼,你需要達到怎樣的目標。
  • 工作不合興趣:覺得自己志不在此,愈做愈無趣。
  • 與雇主價值觀不同:和雇主或主管價值觀不同,造成內心或實質上的衝突。
  • 工作壓力太大:工作性質太過單調或太過混亂,因此需要用盡全力才能專心面對,因而容易疲憊。
  • 無暇兼顧家庭:工作時間過長,或工作時間不定,造成失去與家人的聯繫,因而加速過勞產生。
  • 因工作而生活孤立:覺得自己失去與社會的連結,無人支持,會感到更有壓力。

過勞不是邪說,而是真正會影響健康狀況的殺手。

過勞者容易感到焦慮、失眠、疲憊無力、變得肥胖、容易中風、有糖尿病心血管疾病,酗酒及藥物濫用的比率也變高。

所以當你覺得自己經歷過勞狀況的話,請不要猶疑,而要找醫師檢查是否有其他身體毛病。你也需要並檢視自己工作上的選擇,改變面對工作的態度,尋求家人及社會的支持、再次評估自己的興趣、技能、與熱情所在,養成規律運動、睡眠的習慣也很重要。

工作是我們維持生計的手段,也能讓人投注熱情,貢獻社會,但別因為工作而喪失了一切生活,甚至生命。

這篇主要取材自美國梅約診所的見解,目前過勞不像高血壓、腎衰竭等病,有明確的數據能讓人建立診斷,若有疑慮,可向醫師當面請教。

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至今傳染SARS-CoV-2威脅都來自人類,動物只需稍微注意

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「自己會感染」和「會傳染給別人」是不同的。動物有機會感染這件事,大家必須提高警覺,但是千萬不要棄養寵物、殺害動物,這方面恐懼比病毒的傷殺力更大。與其擔心動物,人類絕對是更需要小心的傳染源。

怕.jpg。圖/Junk DNA

去年底開始源自武漢的傳染病 COVID-19 已經感染超過 9 萬人,蔓延到世界許多地方,病毒被命名為 SARS-CoV-2,意思是類似 SARS 的第二種冠狀病毒,本文之後稱之為「 SARS二世」。這種病毒來自某種未知的動物,能感染人類以外,也有人擔心貓、狗等寵物,以及其他動物是否會被感染

  • 在討論是否會感染以前,有一點概念非常重要:「自己會感染」和「會傳染給別人」是不同的。一種動物即使會被感染,也不一定會再傳染給其他動物。
  • 另一點重要的概念是:感染後不一定有症狀。與人類的狀況一樣,這又有兩種可能:第一,一直都沒有出現症狀;第二,確診的當下沒有,但是一段時間後產生症狀。

假如一種動物會感染,卻不會有症狀,那麼這種病原體對動物本身多半沒什麼影響。但是此一動物有機會成為所謂的保毒宿主(reservoir),也就是本身帶有病原,又有機會傳染給其他動物,像是感染狂犬病病毒的大部分鼬獾。

對人類而言, SARS二世是一種非常新的病毒,它從何而來、會感染哪些動物、被感染的動物是否會繼續傳染等等問題,至今所知相當有限。根據已知情報,目前仍不需要特別擔心這方面的問題。

要如何了解一種動物會不會感染病毒?最直接的證據是觀察到動物感染病毒,或是以活體測試。然而即使是比較常見的實驗動物,例如狗,要進行活體實驗也不容易(例如台灣儘管前幾年出現嚴重的狂犬病疫情,仍一直沒有以米格魯進行感染實驗),因此這部分的發現往往來自實際案例。

病毒入侵動物以後,必須進入細胞,所以用各種動物的細胞進行體外測試,也能了解病毒的感染能力。不過體外細胞實驗可以感染,未必等於活體也會感染。

更簡單,參考價值也更低的研究方法是紙上談兵,只要有病原體與動物的遺傳資訊,就能模擬病原與細胞受器的親和性,預測感染能力。此一方法非常普遍,但是結果僅供參考。

哪些動物會感染 SARS二世,目前研究不多。已經知道感染人類細胞的關鍵,在於病毒的「 S蛋白質」和細胞「 ACE2受器」之間的親和性。一項研究根據不同動物的遺傳序列預測,紅毛猩猩、猴子、鼬獾、豬、貓的細胞受器和病毒的親和性不錯,果子貍不太好,小鼠、大鼠都很差。

藉由模擬親和性,推測動物感染病毒的可能性,圖為果子狸的模擬狀況。圖/ASM

另一項研究以 HeLa 細胞表現不同動物的受器,體外測試病毒的感染能力。結果中華菊頭蝠、果子貍、豬都能感染,小鼠不會。

由已知研究推論,SARS二世很可能可以感染蝙蝠和豬,果子貍也有機會,這些動物應該比較需要注意;而嚙齒目的小鼠與大鼠肯定不會。順帶一提,小鼠與大鼠也不會感染 SARS,導致這兩種常見的實驗動物無法用於研究冠狀病毒,相當可惜。

電腦程式預測,紅毛猩猩、猴子、鼬獾、貓這些動物的細胞與病毒的親和性不錯,似乎有可能感染,不過這只是紙上談兵。貓是一般人比較有機會接觸的動物,飼主們應該提高警覺,但是至今仍沒有更可靠的證據支持貓會感染,不需要過度緊張。

實際觀察方面,會感染穿山甲的冠狀病毒,儘管整體遺傳上和 SARS二世的差異較大,關鍵的 S蛋白質卻非常相似。然而,穿山甲瀕臨滅絕,相當稀有,一般人接觸的機率很低,應該不需要擔心。

比起動物,人才是真正需要小心的傳染源(圖片為示意,非當事狗)。圖/wikipedia

至今討論最多的是狗。香港有一個案例,飼主感染後遭到隔離,狗在隔離的隔天與後天共 3 次測試中,都在口腔與鼻子的樣本偵測到病毒。若是以人類的標準,這隻狗 100% 算是確診,可是狗不是人。我個人看法是,其他的狗不知道,但是這隻狗應該有感染病毒。不過即使這隻狗遭到感染,至今沒有出現症狀,病毒數量也不多,或許類似人類的無症狀感染者。

複習一次,「自己會感染」和「會傳染給別人」是不同的。SARS二世與各種動物的關係,目前資訊嚴重不足,完全不足以做出可靠的推論。

對於動物有機會感染這件事,大家必須提高警覺,但是千萬不要棄養寵物、殺害動物。在這方面,恐懼比病毒的傷殺力更大。而且與其擔心動物,人類絕對是更需要小心的傳染源。

本文轉載自新公民議會〈動物雖會感染,人類仍是最可怕傳染源〉

延伸閱讀

參考資料

  1. COVID-19 virus in a dog?
  2. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin
  3. Receptor recognition by novel coronavirus from Wuhan: An analysis based on decade-long structural studies of SARS. 
  4. COVID-19 virus in a dog: Update
  5. 香港首例寵物犬確診武漢肺炎 飼主為感染女富商

亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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在病毒肆虐的世界裡,戒除壞習慣打造自己免疫金鐘罩!

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疫情嚴峻,四周似乎危機四伏,即使我們身體裡有內建的防禦措施 – 免疫系統,但難保在這困難重重的時間點,病毒、細菌會不會乘虛而入,突破警戒線?

想要拉高身體自我防衛的層級,大家開始想:「是不是有什麼辦法能提高免疫力呢?」美妝店、免稅店、大賣場裡,一定有許多健康食品,甚至貨架上還不乏宣稱有增強免疫力功效的商品,然而這些說法模糊,又無法用科學方法驗證商品,吃了是好,還是反而傷身呢?

首先體內的免疫力是一個完整的系統架構,需要的是平衡與協調,不是僅有某一樣項目強就是好就是棒。記得,免疫系統裡有多種不同功能的細胞,我們該增強哪一種細胞,增強到多少數目呢?還有,增加了免疫細胞的數目,就等於增強細胞的能力了嗎?這些事情都比我們能想像的還要複雜,目前都沒有清楚的科學證據能解答。

年紀、運動、飲食、和睡眠的內容,都會影響到我們的免疫力。年紀愈大,我們的胸腺萎縮,骨髓功能變得較沒效率,免疫系統的整體能力逐步變差。愈來愈容易感染,甚至會較容易發展出癌細胞。那麼,究竟有哪些好方法可以增強免疫力呢?

看看你有幾個壞習慣?該如何改善它?

  • 不吃蔬果

生活在台灣,很多人都認為自己是營養過剩,不過如果從一些微量營養素的角度來看,卻有民眾並沒有攝取到足夠的維生素或礦物質。不少動物研究發現,不管是缺乏鋅,鐵,銅,葉酸,維生素 A ,維生素 B6 ,或維生素 C 等,都可能會改變動物的免疫反應。

不過缺乏單一微量元素對整體的免疫系統,會影響到什麼程度呢?目前研究結果還沒有帶來實際的定論,但到目前為止,我們可以注意的事情是,務必檢視自己飲食的內容。

假使自己是個很挑食,幾乎不吃蔬菜水果的肉食主義者,或是常常吃的少,吃的太固定,菜單不變,都可能會缺乏身體必須的維生素與礦物質。最好還是要採取地中海飲食法,攝取大量的蔬菜水果喔。自行從真實食物中攝取到的維生素與礦物質,會比僅靠補充綜合維他命好,天然的最好喔。

  • 不運動

假使一個人本來沒有運動習慣,剛開始運動的前幾天他可能覺得比較疲憊,但持之以恆後,變成一個保持運動習慣的人後,他很容易發現自己的精神變好了,也比較不會有一些小病痛或不舒服症狀。

運動能改善我們體內的荷爾蒙分泌,同時也讓人睡的更好,在在都能增進免疫力。不過,也不要突然之間變成健身狂。規律運動能增進免疫力,但過度健身反而會帶來反效果喔。

  • 不休息睡覺

你過去可能就曾經發現,自己如果變得很忙,需要趕工、加班時,連續熬夜睡太少幾天後,就容易有些感冒症狀。其實沒睡飽,或睡眠品質不夠好,對身體而言是個明確的壓力,還會容易導致發炎。所以對成人來說,還是盡量睡到 7 到 8 個小時吧!

另外一個會搞差身體的狀況就是壓力太大,壓力這件事情是很難量化的,每個人對同樣事情的反應也不同。當走在冰天雪地中,甲可能為了美景而感動,心情超好,但乙可能覺得太冷而壓力很大心情很差。

另外,會影響身體狀況的,常常是慢性的壓力來源,像是與家人、伴侶、朋友或同事之間的關係不良,就容易長期影響免疫狀況。所以要理解到這些壓力帶來的身體傷害,試著靠改變行為、做瑜珈、冥想、深呼吸等方式走出這些慢性壓力,或在壓力中獲得休息。

  • 抽菸

這個幾乎可以說是醫師說到不想再說了的主題,但抽菸真的是百害無一利,當然也包括了會降低免疫力,所以,想提振自己的免疫力者,請別抽菸,有抽菸習慣者還是趕快戒菸吧。

改變了以上的壞習慣,我們再來正向版。

健康生活的準則

以下是幾個健康生活的準則,跟著做,身體功能才會好,免疫力才不打折。

  • 飲食中含有大量蔬果
  • 規律運動
  • 維持健康體重
  • 若有飲酒習慣,節制一點,不要過量了
  • 睡眠足夠
  • 養成好習慣,平時多洗手,食物和飲水都煮熟、加熱後再進食
  • 減少壓力
  • 該打的疫苗記得打。超過六十五歲的話,務必記得接種流感疫苗和肺炎鏈球菌疫苗,接種疫苗能明顯降低因這些感染而引發的病症與死亡。還沒接種流感疫苗的趕快啊!

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深圳追蹤武漢肺炎:小朋友感染的風險和大人一樣高,及早發現隔離能有效防疫

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武漢在 2019 年 12 月出現第一起病例後,前所未見的冠狀病毒,引發的疾病席捲世界,如今感染已超過 12 萬人。了解這種全新傳染病的各種特徵,對於防疫非常重要。

過去中國的疫情由帳面上看來,未成年感染者的比例很低,年輕人似乎風險較低。然而,一項最近公佈,尚未正式發表的研究,卻指出未成年人被傳染的機率一樣高,非常值得重視。1

未成年也要防疫!圖片來源

導致本次疫情的病毒,被國際病毒研究學會命名為 SARS-CoV-2,彰顯它與另一種冠狀病毒 SARS 的親戚關係,本文之後稱為「SARS二世」。世界衛生組織(WHO)稱呼此疾病為 COVID-19,翻譯為中文應當是「一九冠狀病毒疾病」。現有的常見稱呼「新冠肺炎」與「武漢肺炎」都與 COVID-19 無關;新冠肺炎之名來自中國自創的稱呼(novel coronavirus pneumonia),而武漢肺炎則命名自疾病起始發源地武漢。

社區感染×積極防疫,追蹤深圳的接觸與傳播

智人仍在摸索 SARS二世的傳播能力與症狀,尤其是沒有症狀的感染者及其傳播能力,現階段這方面所知最少。

新研究深入調查的地點是深圳,三月以前深圳公佈的疫情算是嚴重,但是沒有到武漢般整個醫療體系崩潰的程度,病患能得到足夠的照顧,接觸者也受到嚴密的監控。深圳的疫情能視為出現大量社區感染,人為也強勢介入,阻止被傳染者再傳染給別人的狀況。

這項研究綜合許多團隊的數據,樣本來自介於 1 月 14 日到 2 月 12 日之間,總共 391 位深圳的感染者,以及與病患有過密切接觸的 1286 人。感染者中有女生 204 人、男生 187 人,平均 45 歲。到 2 月 22 日為止,有 3 人去世、225 人康復,康復時間的中位數為 32 天。

感染者年齡、嚴重程度、有無症狀、有無發燒的資訊。圖/取自 ref1

391 位感染者中,292 人為先出現症狀被發現,後續追蹤又找到 87 人,另外 12 人不明。這群人中 25 人一直沒有症狀,占 6.4%(不過論文指出和實際狀況相比,此數字一定是低估),有症狀的感染者占 93.6%。

有症狀的 336 位病患中,輕微 102 人(26.1%)、中度 254 人(65.0%)、嚴重 35 人(9.0%)。值得注意的是,有 61 人沒有發燒,占有症狀感染者的 15.6%;也就是說,

在深圳的案例中,即使不考慮尚未發病前的潛伏期,仍有超過 20% 的感染者從頭到尾都沒有發燒的症狀。

2 月前往中國考察的 WHO 特遣隊,2 月底交出的報告指出有 87.9% 病患發燒,比深圳的研究更高一截,應該是由於疫情狀況、取樣不同所致。量體溫是最普遍的防疫措施,但是深圳的狀況告訴我們,有超過 20% 的感染者無法靠量體溫偵測到。2

接觸患者後,孩童被傳染的機率一樣高

計算與確診病患至少有過一次密切接觸的人,之中有多少被傳染,可以了解病毒傳播的機率。558 位男生中有 58 人被傳染,486 位女生只有 26 人,在性別方面的差異明顯,不過目前不確定有什麼意義。

各種接觸與被傳染的資訊。圖/取自 ref1

接觸感染者後被傳染的機率,WHO 報告的數字是 1 到 5%。然而,深圳被傳染的機率更高一截,為 7.9%。最驚人的發現莫過於:

不同年齡的接觸者,被傳染的機率沒有太大差異。

以每十歲區分年齡層,深圳被傳染者中以 40 多歲的 4.9% 最低,其餘都超過 6.0%,60 多歲的 15.4% 最高。這邊最最最重要的數字是,0 到 9 歲被傳染的機率為 7.4%,10 到 19 歲為 7.1%。

將樣本拆成更小的分組後會降低統計效力,但是仍然可以由此推論,未成年與成年人被傳染的機率沒有什麼差異。未滿 20 歲的接觸者被傳染的機率超過 7%,超過 50 歲則是 9% 多,只是稍微高一些。

WHO 的報告中,未成年感染者只占全體的 2% 多,年輕人看似不容易得病。深圳的研究卻指出,年輕人在密切接觸感染者以後,不但會被感染,風險也高到不能忽視。假如此一觀察結果是疫情的常態,將影響整個防疫方向。

不同年齡的接觸者,被傳染的比例。圖/取自 ref1

接觸程度愈高,被傳染的機率也愈高。分為高中低度,高度接觸被傳染的機率為 14.8%、中度 3.0%、低度 0.4 %。低度接觸的 230 人中只有 1 人被傳染,機率非常低。而頻繁接觸,像是住在一起,是最容易傳染的狀況。由此似乎能夠推論,讓感染者自行在家隔離,仍有接觸家人的機會,不是好主意。

潛伏期多半不久,很難好

潛伏期與康復時間方面,深圳的研究和 WHO 報告差異不大。潛伏期的定義為:從感染到出現症狀經過的時間。根據 183 位資訊明確的感染者估計,潛伏期平均為 4.8 天。有 5% 病患在感染後 1.6 天內發病,95% 在 14 天內發病。超過 14 天才發病的很少,不過仍然存在。

康復時間與症狀為正相關,症狀愈嚴重,康復時間愈久。根據 228 位感染者的資訊估計,20 多歲的中位數為 27 天、50 多歲為 32 天、70 歲以上為 36 天。

感染後幾天,出現症狀的比例。圖/取自 ref1

整體而言,感染 SARS二世後潛伏期短、發病時間長。多數感染者在 6 天內出現症狀,但是到康復或死掉要耗費好幾個星期。而深圳的病例死亡率很低,符合其他地方普遍的觀察:醫療資源充足時,死亡率不高。

這點告訴我們,延緩疫情蔓延,減少感染人數相當關鍵。深圳的狀況表示:

人為介入確實能阻擋病毒的傳播。

及早發現、立刻隔離,就能有效阻擋病毒傳播

SARS二世的基本傳染數(R0)各家估計不一,不過肯定超過 1。而深圳在大量監控接觸者,一旦出現症狀立刻隔離,避免繼續人傳人之下,平均一位感染者又傳染給 0.4 人,實際傳染數為 0.4;這個數字小於 1,意謂目前狀況下,能夠阻止病毒持續傳播。

很多人混淆基本與實際傳染數,甚至某些學者也會講錯。簡單說,基本傳染數(R0)是傳播的「能力」,實際傳染數(R)是傳播的「結果」。同一次疫情中,病毒傳染的能力很可能沒什麼改變,但是傳播的結果會受到防疫措施影響。

顯而易見,短時間內病毒沒有改變,深圳的防疫措施,確實能有效減少病毒的傳播。

向居家隔離的無名英雄致敬武漢肺炎的疫情正在蔓延全球,大流行情勢相當嚴峻。由於武漢肺炎輕症也會感染,如果當時盡早公布人傳人的事證,並且做好輕症者的居家或住院隔離,相信武漢肺炎一定不會擴散到中國和世界各地。很可惜人傳人的證據一直被隱匿,才導…

陳建仁 Chen Chien-Jen 發佈於 2020年3月6日 星期五

對無症狀的感染者了解仍然有限,不可輕忽其數量

這項研究價值非凡,卻有許多限制,如論文提到蒐集自不同團隊的資訊,一些定義可能不一樣,某些數字不用過度解讀;而掌握的資訊和實際疫情相比,肯定不夠全面,也會低估實際傳染數。另一大侷限來自於,最初 292 位感染者之前的狀況是一團空白,不清楚他們怎麼被感染。

監控接觸者,一旦發現新的感染者便立刻隔離,避免繼續傳播的策略,證實至少在小範圍內能終結疫情。深圳的案例指出,傳染機率儘管不低,卻沒有一些模型估計的那麼誇張,是好消息。但是也代表在監控並未如此嚴格,沒有及早隔離感染者的狀況下,病毒的實際傳染數勢必更高。

即使感染者一直沒有症狀,或是尚未出現症狀的潛伏期內,都已經有傳染給他人的能力。不過無症狀下的傳播能力如何、有多少人被他們傳染,至今資訊仍相當匱乏。若要徹底終結疫情,認識無症狀感染者也十分重要。可是由於檢測不足或取樣偏差,目前究竟有多少無症狀感染者,沒有人知道(這項研究中得到的數字為 6.4%,很可能為低估)。

武漢肺炎發生率與致死率的國際比較世界衛生組織(WHO)對於國際武漢肺炎的統計表,只列出各國發生數和死亡數,而未考慮各國的人口數,因此在評估各國發病的風險時,就會產生偏差。最好的比較數據,應該是確診病例發生率,它是指全人口當中,有多少人得…

陳建仁 Chen Chien-Jen 發佈於 2020年3月11日 星期三

致死少、很難好、年輕人風險一樣高

之前的文章中曾歸納 SARS二世的疾病特徵有:傳播強、致死少、很難好。由深圳的詳細追蹤研究看來,醫療資源充足下「致死少」沒有問題,但是

患者仍然「很難好」,康復時間中位數超過 30 天,意思是有一半感染者需要住院超過一個月。

許多研究與觀察都發現,若是在沒有防護,或是有防護卻有疏漏之下接觸病患,不論感染者有沒有症狀,都有機會被傳染。

不過此一研究也指出,儘管傳播強,如果能大量投入資源,監控接觸者,及早發現被感染者,隔離有病與沒病的人,可以把實際傳染數降低到 1 以下,將繼續傳染的機率壓制到 7.9%,有效阻止疫情蔓延。

洗你的手手!

年齡方面,之前 WHO 的大鍋炒報告中,未滿 20 歲只占所有感染者的 2% 多;而且年紀愈大的病患重症機率愈高,高齡者被視為高危險群。而年紀輕的族群,則被認為不但得病機率低,重症率也低,似乎風險不大。

可是深圳更深入的研究卻發現,不同年齡的人,被傳染的機率其實都不低。目前仍不清楚此一發現是否為常態,若真是如此,可以推論年輕族群儘管重症機率不高,被傳染的風險卻沒有比較低,如果得病,還是有相當機率會很嚴重,甚至致死。

由防疫大局看,症狀輕微的感染者往往是容易疏忽的傳染源;若要阻止疫情蔓延,不能忽視可能存在,大量症狀輕微的未成年人。在此之下,台灣延後開學,一有狀況立刻全校停課的決策,將是非常有效的防疫策略。

不管叫作武漢肺炎、新冠肺炎或是 COVID-19,它都是可以擊敗的對手,但是要阻擋疫情傳播,需要全民參與。看似脆弱的小朋友,並不完全是接受保護的人,假如小朋友都能避免感染,不但能保護自己,也能幫助社會中的其他人。

如卻斯特頓(Gilbert Keith Chesterton)所言:

童話不需要告訴小朋友龍存在。小朋友早就知道龍的存在。童話告訴小朋友的是:龍是可以殺死的。」

龍,是可以殺死的!圖片嵌入自 telegraph

延伸閱讀

參考文獻

  1. Epidemiology and Transmission of COVID-19 in Shenzhen China: Analysis of 391 cases and 1,286 of their close contacts
  2. WHO 的中國考察報告 pdf〈Report of the WHO-China Joint Mission on Coronavirus Disease 2019 (COVID-19)

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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動物的尿尿工程學(上):為什麼小孩尿尿的時間跟大人一樣長?——《破解動物忍術》

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  • 作者/胡立德;譯者/羅亞琪
  • 編按:胡立德在 2015 年研究哺乳類動物的尿尿時間都是 21 秒,獲得搞笑諾貝爾物理獎。而他也在 2019 年因「破解袋熊的「方便」之謎」,二度獲得搞笑諾貝爾物理獎,真可說是研究屎尿的翹楚呢! XD

我領獎時,和諾貝爾化學獎的得主達德利‧赫施巴赫 (Dudley Herschbach) 握了手。另外七位諾貝爾獎得主站在一旁,露出嘉許的燦笑。

因研究哺乳類動物的尿尿時間,獲得 2015 年搞笑諾貝爾物理獎。圖/截圖自2015年頒獎典禮影片

我走向哈佛大學的講臺,對超過一千名的觀眾進行演說,來到生涯的巔峰之際,我注意到有幾件事跟我想像的不太一樣:掛在脖子上的馬桶座椅很重,還開始往下滑; 站在我身後的,是一個裸體的中年男子扮成的真人聚光燈,全身漆滿銀色顏料的他,是發明全彩 3D 列印的人之一;我走路時,可以感覺腳下的紙飛機被踩扁了,這些紙飛機散落在舞臺上,就是典禮盛大開幕時投向真人標靶(穿戴實驗室白袍、護目鏡和閃爍的紅光)的那數千架紙飛機。

我走到講臺時,一個臉上有雀斑、一頭紅髮、紮著馬尾、穿著連身吊帶褲的八歲小女孩站在我旁邊,手臂在胸前交叉著。如果我的演講超過時間——就算只有一秒鐘,她也會開始不斷大喊「拜託快停止,我好無聊」,直到我停下來為止。這不是諾貝爾獎頒獎現場,而是搞笑諾貝爾獎 (Ig Nobel Prize),但我卻再開心不過了。

「童子尿」是獲得搞笑諾貝爾獎的關鍵(?)

一年前,我的心情非常低落。我兒子哈利誕生了,妻子和我分工合作,她負責餵食,而我則負責代謝系統的另一端——換尿布。

哈利精力非常充沛,覺得任何事物都很好玩,換尿布的時間到了的時候,他會試圖爬走,躲在沙發後面,一邊咯咯笑,一邊尖叫。全身沾滿灰塵的我最終會抓到他,把他帶到換尿布的桌子上,而他則會不斷揮舞著小手小腳,我把尿布脫下來後,他又笑得更大聲了。這就是當父親的日常,直到有一天,他的尿柱直直射在我胸口上。

敵軍還有 5 秒到達戰場,請做好準備(誤)。圖/GIPHY

我從來沒有被尿過,胸口慢慢湧上一股怒氣,腦海中傳來妻子的聲音,告訴我應該大聲數數,讓自己冷靜下來。1、2、3,我一直數,尿也一直來。漸漸地,噴射水柱變成涓涓細流,在我數到 21 秒時停了下來。幫他穿尿布時,我心想,他尿得可真久,可能有點太久了。

對一個 4.5 公斤的孩子來說,哈利的膀胱還真大。腎臟會過濾血液中的尿素,形成尿液,因此尿液量應該和體內的血液量成正比,可是,我的體重至少是我兒子的 10 倍,我的血液量應該也是他的 10 倍,照理說尿液也應該會是他的 10 倍才對。

但他尿尿的時間為何這麼久?我開始擔心了,說不定我兒子的身體出了嚴重的狀況(例如某種阻塞),所以才尿這麼久,我開始想像自己在小兒科的候診間,到處都是尖叫的小孩。

你在上廁所時,有算過你的尿尿時間嗎?圖/pixabay

我把兒子放在地上,到浴室把自己清乾淨。我看見馬桶,決定來做個實驗,我把褲子脫掉,一手扶著牆壁,開始數數,這是我這輩子最重要的一次排尿。1、2、3……我數到了 23 秒。我心想:哇,我兒子已經能像個男人一樣尿尿了!我應該用希臘神話中的海克力士來給他取名。我兒子的尿液量是我的 \(\frac{1}{10}\),但為何能尿得跟我一樣久?

這個問題的答案將促使我思考泌尿系統的形狀,並進一步思考動物的形狀對驅動體內和身體周遭流體運動的重要性。

一旦開始思考動物的形狀,我便逐漸明白,動物運動不僅限於從甲地移動到乙地,還會使用身體各部位—無論在體內或體外—的運動來達成各種功能,包含清潔、理毛、進食和消化,這些動作都涉及把液體和固體物質從體內運送到體外,反之亦然。

動物形貌具有多樣性,不像多數跑車只追求流線型

我們周遭的動物似乎有無止盡的形貌多樣性。舉例來說,動物的多樣性高於跑車,因為跑車基本上都設計成流線型,以減少阻力。

每種動物都有屬於自己的樣貌,與生存優勢,像是拍電影(誤)。圖/IMDb

這有部分原因是,對動物來說,形狀的作用不只是讓牠們以最快的速度從甲地移動到乙地而已,否則的話,每種動物都會像跑車一樣呈現流線型。

在水裡和在空氣中,物體受不同的力作用,比方說排尿時,膀胱和尿液就會受到重力的影響,但在水裡,由於阿基米德原理作用的緣故,重力的影響就不重要了。因為水生動物的密度和周遭環境的密度一樣,牠們的重量可以被周圍的水壓所支撐,也因此,在水裡可以存在非常多樣的動物形狀,從鯊魚、魟到水母等等。

對飛行動物而言,高速和燃料效能不見得是主要的演化驅動因素,面對失速 (aerodynamic stall) 或迎面而來的氣流仍能保持穩定的能力反倒較可能是驅動演化的原因。

因為不同的環境,以及動物各自有的不同需求,身體的內外也就出現各種形狀。在這一章裡,我們會述說三則故事,在故事裡人們都對動物形狀有著濃厚的興趣。記住,這些形狀絕不是最佳的形狀,而是透過演化所產生的夠好的形狀。

試著用科學解釋未知,像是:排尿時間怎麼這麼長?

我兒子尿在我胸口的那天,我也剛好要教大學部的流體力學課,我覺得這是個告訴學生們自身經驗的大好機會。我問班上學生有沒有人可以解釋為什麼我兒子的排尿時間可以這麼長,他們似乎很困惑,有些人還交頭接耳。

我請想幫忙用科學來回答這個問題的人舉手,一位醫學系預科生―他將來會成為泌尿科醫生―和他的朋友志願協助,因此下課後,我把他們請到辦公室。我正好有適當的工具可以給他們進行這個實驗,試試他們的勇氣。

我給他們幾個碼表和一個我以前用來收集螞蟻的髒兮兮的水桶,並告訴他們,請帶著這些東西到亞特蘭大動物園, 若沒有將那裡所有動物的排尿時間都記下來,就不要回來。帶著桶子和碼表突襲動物園是需要受過適當訓練的。為了訓練這兩位學生,我找來楊佩良 (Patricia Yang),她是個高大開朗的臺灣研究生,在臺灣念的是物理學和海洋工程學。

她和這些大學生一起到附近的公園練習接住狗尿,這個任務比我當初預期的還要困難,我最初的想法是,拿著塑膠杯跟在狗的屁股後面,試圖接住牠們的尿,但這卻演變成我實驗室裡最失敗的實驗。

狗狗(覺得困擾):你們人類好奇怪…… 圖/GIPHY

我們每次看見狗在撒尿時,就會像美式足球隊員要截球一樣衝上前去,狗狗當然會看到我們,並馬上驚慌起來,只尿到一半就停了下來,一邊往反方向跑,一邊對我們吠叫。使用這個方法,我們一滴尿也收集不到。隨著時間過去,我們改善了做法,使用訓練狗狗的尿布墊來收集狗尿,接著秤秤看尿布增加的尿有多重,再利用尿的密度(和水差不多)來算出尿的體積。

佩良和她的學生們也到附近的農場進行類似的實驗,測量到山羊、綿羊和牛的排尿時間和尿量。現在經過充分訓練後,他們就要去對付動物園裡的動物了。

——本文摘自泛科學 2020 年 3 月選書《破解動物忍術:如何水上行走與飛簷走壁?動物運動與未來的機器人》,2020 年 1 月,三民出版

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動物的尿尿工程學(下):形狀大小不是問題,比例才是關鍵——《破解動物忍術》

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動物尿尿的時間,怎麼看起來都差不多?

這些動物必須待在圈欄內,好讓大家都安全無虞,為此,他們必須採取較不具侵擾性的方式來測量排尿時間。

在接下來數星期的每天下午,他們都站在烈日下的圈欄外,用一個巨大的反射板來替動物的生殖器打光,準備好高速攝影機,然後耐心等待。

幾個星期的辛苦工作後,他們從動物園回來,全身覆滿塵土,被尿噴得到處都是,而且看起來還蠻失望的。我問他們怎麼了,他們說自己非常認真工作,但是卻沒有得到什麼有趣的結果。

他們測量了超過 40 種動物的排尿時間,但發現每種動物的排尿時間都差不多,超過七成的排尿時間介於 10~30 秒,平均值為 21 秒。我驚呼:「這就是最有趣的發現啊!」

我們仔細查看數據,我的眼睛瀏覽過他們研究的各種動物,包括狗、山羊、貓熊、犀牛和大象,但沒有對飲食、性別或排尿的時間點進行控制。即便整個實驗都沒有進行變因控制,但這些動物的排尿時間卻驚人地一致。有些人可能會說,10~30 秒的範圍很大,但有一件事必須牢記,那就是每種動物的膀胱容量間差異很大。

我的狗狗傑瑞的膀胱容量大約是一個杯子,大象的膀胱容量則是這個數字的 100 倍強,能夠填滿一個 20 公升的廚房垃圾桶,你會以為大象尿尿的時間是傑瑞的 100 倍,或至少也要有 10 倍久,然而,這兩種動物清空膀胱的時間卻差不多,最多只差 2 倍。

我在研討會上很喜歡請科學家同僚們猜猜大象尿尿會花多少時間,多數人會給我一個骯髒的表情,或是乾脆忽視我的問題,如果我繼續問下去,他們給的答案通常都是 1 分鐘左右,沒有人猜得到大象和我兒子尿尿的時間一樣長

形狀大小不是問題,比例才是關鍵!

我和學生們仔細推敲了數百種哺乳動物泌尿系統的解剖簡圖(下圖),我們發現,雖然動物有各種形狀和大小,但在泌尿系統的演化上卻是非常一致。

哺乳動物泌尿系統簡圖。膀胱會儲存尿液,而膀胱下方的尿道則負責將尿液輸出膀胱。同樣性別的哺乳動物,尿道的長度與直徑比值相同。重力導致液體從膀胱流出。圖/三民提供

在所有哺乳動物的身上,泌尿系統都是從一個稱作膀胱、類似氣球的尿液儲存構造開始,膀胱下面有一條長長的管子,醫生稱之為尿道,我則叫它尿尿管。我兒子哈利很喜歡跟他妹妹說,只有他有尿尿管,而我必須告訴他,他搞錯了。

男性和女性都有尿道,長度和直徑的比分別是 25:1 和 17:1,而且,這些比例不只在人類一致,從老鼠到大象的所有哺乳動物也一樣。

尿道雖然無所不在,但在我們進行這項研究時,沒有科學家知道哺乳動物到底為何會需要演化出尿道。事實上,哺乳動物在其他方面多會隨著體型不同而有很大的差異:跟小型動物相比,大象的耳朵較大來幫助散熱,腿也比較粗,牠們需要較粗的腿,才能支撐龐大的體重,這些都是體型大造成的結果。

倘若大部分的身體部位會隨著體型變大而跟著變大,尿道的長徑比為何會守恆?直覺告訴我,這和尿道的功用有關:從膀胱釋出液體。

尿道可說是帕斯卡橡木桶實驗的生物版

要知道液體是如何從尿道中流出的,我們必須先了解壓力,這是一個有違直覺的微妙概念,曾令古希臘人百思不解。古希臘的頂尖哲學家描述過不少關於靜水的弔詭現象,都是將液體倒入靜止容器中時所發生的難以解釋的行為。

橡木桶跟壓力又有什麼關係呢?圖/pixabay

這個疑惑一直持續到 1646 年。據傳,法國數學家布萊士‧帕斯卡 (Blaise Pascal) 在當時會做一個令觀者大吃一驚的實驗,也就是後來所稱的「帕斯卡橡木桶」(Pascal’s Barrel)。據說他會告訴觀眾他能用液體輕易地打破當時最堅固的結構之一——裝葡萄酒的橡木桶。

接著,他會爬上一個梯子,將一根非常細、長 10 公尺的金屬管接到橡木桶頂端,酒桶頂端有一個洞,可以讓金屬管中的液體直接流進原本已滿的桶子。然後,他開始將水倒入金屬管中,因為管子非常細,裡面的液體自然是比桶內的液體還少很多,然而,在他快把整根管子填滿時,橡木桶的接縫竟然裂開了,桶子發出很大的斷裂聲,桶頂飛了出去,並開始漏水。我曾經在流體力學的課堂上用塑膠保鮮盒、壓力計和一根長橡皮管進行同樣的實驗,結果真的奏效了。

帕斯卡的實驗展現了液體的壓力和容量無關,重點是它在空間中分布的方式,這和我們習慣以固體物質來理解的認知非常不同。假設我們有塊黏土,我們不會認為黏土塑形的方式會影響到它對外施加的壓力。然而,這卻是液體表現的方式,因為它和固體傳遞力量的方式不同。

帕斯卡後來證實,管內液體的壓力和其高度呈正比,也就是現在所說的帕斯卡定律,因此他可以不斷增加管子的高度,無論管子有多細,都能隨心所欲地增加橡木桶內的壓力。在這方面,液體比固體更能放大重力的效應。

尿道其實就是帕斯卡橡木桶實驗的生物版。把尿道變長一些,生物就能利用重力來增加驅動尿液的壓力。

成年女性的尿道約 5 公分長,直徑跟咖啡攪拌棒一樣;但是母象的尿道則有 1 公尺長,直徑和你的拳頭一樣大,這樣的尺寸讓大象能以五個蓮蓬頭的流速排尿。較快的流速和較大的尿道截面積代償了較大的膀胱儲尿量,使得大型動物的排尿時間和小型動物一樣。

我的研究生佩良算出了排尿時間的數學公式,被我們稱為「排尿定律」(Law of Urination)。她發現,只要尿道的長徑比維持一致,釋出的尿液量便與膀胱的容積無關,而且排尿時間會維持在 21 秒。這些加速管內流速的原理可以用在水塔、水袋、甚至公寓大廈的設計上。這些原理告訴我們,透過聰明地設計管子的截面積和長度,液體就能在相同的時間內被排出,無論體積為何。

這個神秘的「21秒」在演化上有特殊的意涵嗎?圖/pixabay

動物是如何演化出相同的尿道比例的?我沒有這個問題的正解,但是我猜,尿道形狀的一致性很可能是「夠好即可」的結果。

我猜想,短暫的排尿時間是受獵捕風險所導致的結果,21 秒似乎是足以有效降低此威脅的時間長度。若要更短的排尿時間,尿道就必須變得更長,進而造成不便;或是變得更寬,進而使寄生蟲容易進駐。

這些演化壓力可能都是讓尿道長徑比維持一致的因素。想要更進一步了解尿道的演化,檢視鯨魚和其他離開陸地進駐海洋的哺乳動物的尿道結構,應該會很有意思。

——本文摘自泛科學 2020 年 3 月選書《破解動物忍術:如何水上行走與飛簷走壁?動物運動與未來的機器人》,2020 年 1 月,三民出版

The post 動物的尿尿工程學(下):形狀大小不是問題,比例才是關鍵——《破解動物忍術》 appeared first on PanSci 泛科學.


大腦如何操控渴與餓的行動?小小果蠅來解密!

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|歐宇甜、美術編輯|林洵安

我們的動機是如何形成的?大腦如何操縱飢渴的行動?中研院分子生物研究所林書葦助研究員帶領研究團隊,發現果蠅腦中有一種名為 leucokinin 的神經傳導物質,它能調控不同的神經細胞,影響果蠅進行覓水或覓食的行為,更發現渴、餓的神經機制在果蠅腦中會交互作用,研究成果已於 2019 年 10 月登上《自然:神經科學》(Nature Neuroscience),跟著研之有物一起來了解。

看似「頭腦簡單」的小小果蠅,竟是揭開大腦電路的關鍵生物。圖片來源│iSock

為什麼要研究果蠅大腦?

「果蠅大腦雖然簡單,卻可以解決重大的問題。」林書葦一語道破。如果不是果蠅大腦,我們對於複雜的人類大腦將更加束手無策!

果蠅大腦只有 10 萬顆神經細胞,人類大腦有 1000 億顆神經細胞,宛如早期的 286 電腦對上如今的超級電腦。但果蠅的腦雖然簡單,功能卻一應俱全,有各種感覺,也能學習與記憶。如果能找出果蠅大腦的各類運作機制,將有助於了解其他更複雜的動物腦,甚至人腦。2017 年的諾貝爾生理醫學獎,即是頒給三位研究果蠅生理時鐘的科學家。

林書葦研究團隊此次的發現,則是揭開果蠅大腦關於「動機」的秘密:渴和餓的神經迴路。

「動機是種內在的驅力,影響我們的行動、感受、做決定的過程,還有學習和記憶,也與憂鬱症、厭食症、成癮症相關。」林書葦解釋:「餓與渴,即是非常基本且普遍的動機。我們想知道果蠅怎麼知道自己渴了、餓了?又是哪些神經細胞負責操控找水、覓食等行為。」

訓練果蠅大作戰

實驗目標很明確,但一開始,研究員得先訓練果蠅學會按照特定訊號找水、覓食,建立行為系統,才能觀察過程中的大腦變化。

幫果蠅「上課」,聽起來簡直匪夷所思,怎麼辦到的?研究員運用一種 T 字狀迷宮「T-maze」,先讓果蠅渴八個小時,然後進入 T-maze ,通入氣味 A、不給水,接下來再通入氣味 B 、給水喝,訓練果蠅將氣味 B 與水連結起來,產生與水有關的嗅覺記憶。

研究員運用一種 T 字狀迷宮「T-maze」,先讓果蠅渴 8 個小時,然後進入 T-maze ,通入氣味 A、不給水 (放置乾燥的濾紙),持續 2 分鐘。間隔 1 分鐘後,再通入氣味 B 、給水喝 (放置潮濕的濾紙),持續 2 分鐘,訓練果蠅將氣味 B 與水連結起來,訓練就完成了。訓練完成 6 小時之後,將渴的果蠅放入 T-maze,大多數乖乖進入 B 氣味通道。資料來源│林書葦 圖說設計│黃曉君、林洵安

覓食的嗅覺記憶也使用 T-maze 訓練:

但實驗沒多久,研究團隊即發現果蠅只會產生短期記憶,訓練完半小時就統統忘個乾淨。他們不斷思考改進並反覆測試:如何延長果蠅的記憶?

後來發現,適合學習與記憶訓練的果蠅必須滿足一些條件。一般果蠅壽命約一到兩個月,年紀太輕的果蠅大腦尚未發育成熟,年紀大的果蠅學習與記憶力跟人類一樣會降低,所以必須挑選出生 5~7 天的「不太小不太老」的果蠅做實驗。

花了快半年時間,研究團隊又發現「讓果蠅渴得剛剛好」這件事很重要。早期他們讓果蠅渴大約 16 個小時,結果果蠅學習力很差,研究團隊猜測,長時間的缺水,可能讓果蠅身體變得太虛弱,大腦功能降低。後來他們嘗試放入乾燥劑,讓果蠅更快感覺渴,但身體狀態較好,果真產生比較穩定的長期記憶。

歷時半年多,終於訓練成功!以口渴的果蠅為例,訓練完成 6 小時(以上)之後,再將牠們放入 T-maze,大多數會乖乖進入 B 氣味通道,而且果蠅只在渴的時候才會尋找 B 氣味。

接下來,研究員即可準備觀察在果蠅大腦中,哪些神經細胞和找水、覓食有關。簡言之,他們會分別抑制果蠅大腦中不同位置的神經細胞,觀察哪些神經細胞被抑制時,將影響果蠅找水、覓食的行為。

找到與渴相關的神經細胞

結果發現,果蠅大腦有一些神經細胞會分泌神經傳導物質「leucokinin」,是負責渴的訊號;Leucokinin 是一種短的蛋白質鏈,稱為神經胜肽,過去只知道它在其他昆蟲體內與維持體內水分平衡有關,但作用的細節並不清楚。當果蠅口渴時,leucokinin 會在腦中釋放, 促使果蠅去找水。

但果蠅大腦有三群會表現 Leucokinin 的神經細胞,到底哪一群才是跟渴有關呢?由於生物體內水變少了,滲透壓會上升,這通常是渴的第一個訊號。因此研究團隊將果蠅大腦「取出來」,給予不同的滲透壓溶液,看看那些細胞會根據滲透壓變化起反應。

研究員將取出的果蠅大腦固定在顯微鏡開口,放入緩衝液讓腦不會乾掉,以觀察神經細胞活動。當滲透壓升高,只有一群名為 LHLK 神經細胞活性會上升,並釋放 Leucokinin;當滲透壓降低,LHLK 神經細胞的活性就恢復正常,宛如「滲透壓偵測器」,應該與渴的訊號有關。

果蠅大腦固定在顯微鏡下,給予不同滲透壓的緩衝液,並觀察神經細胞活動。當滲透壓升高,只有一群名為 LHLK 神經細胞的鈣離子訊號會增強,表示神經活性上升。資料提供│林書葦 圖說美化│林洵安

渴與餓訊號的神秘交織

更精彩的還在後頭!當他們繼續追查 LHLK 神經細胞的運作機制,竟然發現 LHLK 神經細胞並不是專一性的,它同時和渴與餓的訊號有關,而且呈現有趣的交互作用!

當果蠅口渴時,LHLK 神經細胞會釋放 leucokinin 前去抑制兩群渴神經元 (PPL1-γ2α′1、PAM-β′2a)。因為這兩群渴神經元 (PPL1-γ2α′1、PAM-β′2a) 屬於抑制性的神經細胞,就像一道關閉的門,會抑制覓水行為,但 leucokinin 能抑制它們活性,產生負負得正的效果,讓果蠅出現覓水的行為。

果蠅腦中的渴迴路。當果蠅口渴的時候,LHLK 神經元 (綠色) 會釋放 leucokinin,抑制 PPL1-γ2α′1 (洋紅色) 和 PAM-β′2a (橘黃色) 神經元,讓果蠅產生覓水行為。圖片來源│林書葦

當果蠅餓的時候,LHLK 神經細胞也會釋放 leucokinin,卻是活化另一群餓神經元 (PAM-β′2mp),讓果蠅出現覓食行為。在此同時,大腦竟會釋放另外兩種神經傳導物質 serotonin、dNPF,抵銷 leucokinin 對渴神經元的抑制,讓果蠅不想找水。

果蠅腦中的餓迴路。當果蠅飢餓的時候,LHLK 神經元 (綠色) 會釋放 leucokinin,活化 PAM-β′2mp (紅色) 神經元,讓果蠅產生覓食行為。在此同時,大腦也會釋放另外兩種神經傳導物質 serotonin、dNPF,抵銷 leucokinin 對渴神經元的抑制 (上圖洋紅色和橘黃色處),讓果蠅不想找水。圖片來源│林書葦

 

原來,大腦並非單純只用一群神經細胞負責渴訊號,另一群神經細胞負責餓訊號,彼此之間還有複雜的交互作用!為何會如此?林書葦認為,LHLK 神經細胞可能是演化上較為古老的一群細胞,果蠅祖先的生活環境或許相對單純,水與食物往往並存,所以覓食尋水只需要由一個單一訊號 (leucokinin) 來調控。

後來生活環境越來越複雜,有時比較容易找到水、有時比較容易找到食物,大腦漸漸發展出比較複雜的路徑,透過多種神經傳導物質的合作、競爭,去調控不同的神經細胞,讓果蠅能在更複雜的環境中,按照生理需求做出最有效率的選擇,比方說當牠們渴了又餓,會選擇去找食物而非水。

資料來源│林書葦 圖說重製│林洵安

大腦電路,解碼中……

故事還沒完!林書葦仍有更多問題想追究:當果蠅渴的時候,是不是也會抑制覓食的行為?是不是還有別的渴訊號?這些渴、餓神經細胞的下游是什麼?「雖然神經細胞最後是要傳送訊息到運動神經元、肌肉,但在這中間還有些複雜的東西,畢竟生物要面臨的事情往往不是那麼單純,像在一個危險環境中有食物,要不要過去找呢?大腦必須統合所有訊息,才能做出最好的決定。」 林書葦解釋。

沒料到一隻小小的果蠅,大腦卻比人類想像得還要複雜許多!目前大腦科學家積極想破解果蠅大腦的神經迴路機制與神經傳導物質等,一旦可以解開,「就像拿到習題的解答本,當我們碰到類似的問題,就可以去找到答案。」林書葦總結。大腦與神經的運作充滿奧祕,如同一間密室,而透過研究果蠅的大腦,一扇扇知識之窗正逐漸被開啟。

果蠅個頭小、腦袋更迷你,科學家如何觀察牠們的大腦變化?

問得好!如果把果蠅大腦想像成一塊電路板、每條神經都像一條電路的話,科學家想知道哪條電路是負責哪個功能,最好能幫每條電路做上不同的標記。

過去科學家想做神經細胞研究,通常是電極探針去測量細胞內外的電流變化,測量後再把染劑打進細胞裡,看看到底是刺激了哪一些細胞,比較複雜。後來因為遺傳學工具的大幅進展,目前可以標定出果蠅大腦的每顆神經細胞——讓細胞發光、在顯微鏡下無所遁形,研究起來簡單許多,稱為 GAL4-UAS 系統。

簡言之,GAL4(蛋白質)是從酵母菌而來的一種轉錄因子 (transcription factor ),科學家把 GAL4 的基因放到果蠅體內,並藉由改變 GAL4 基因的上游 DNA 序列,讓 GAL4 能在果蠅大腦不同的神經細胞中表現。這樣所產生的基因轉殖果蠅株,稱為 GAL4 line。UAS 則是一種特殊基因序列,當 GAL4 和 UAS 結合之後,它們可以驅動 UAS 下游基因的表現,比方說表現綠色螢光蛋白

綠色螢光蛋白 (Green Fluorescent Protein,縮寫 GFP) ,是一種很方便進行基因追蹤與標記的工具,可以用來標記果蠅的神經細胞。舉例來說,如果公果蠅身上帶有標號 A1-GAL4 的基因,讓牠和帶 UAS-GFP 基因的母果蠅交配之後,子代同時帶有 A1-GAL4 和 UAS-GFP ,於是大腦中可以表現 A1-GAL4 的神經細胞,即可發出綠色螢光。

如果公果蠅身上帶有 A1-GAL41 的基因,讓牠和帶有 UAS-GFP 基因的母果蠅交配之後,子代同時帶有 A1-GAL4 和 UAS-GFP ,於是大腦中可以表現 A1-GAL4 的神經細胞,即可發出綠色螢光。圖說設計│黃曉君、林洵安

以此類推,帶有 A2-GAL4 的公果蠅和母果蠅交配之後,子代大腦中可以表現 A2-GAL4 的神經細胞會發光……。科學家透過不同種類的 GAL4 line、UAS 和螢光蛋白,將果蠅大腦的神經細胞全都做出標記。

目前科學家已經建立一萬多種 GAL4 line,每種 GAL4 line 都有它的名字,就像每個神經細胞都有代號,而且全球通用。如果我們跟人家說這個是 R58E02-GAL4 ,所有人都知道被標定的是哪些神經細胞。

果蠅大腦不同神經細胞的標記,每一張圖 (綠色螢光部分) 代表現被某一種 GAL4 line 所標定的一群神經細胞。圖片來源│林書葦、FlyLight

幫大腦標好分區後,只要果蠅一行動,就能知道是哪些腦細胞控制嗎?

還沒還沒!在觀察每條神經負責什麼功能之前,科學家還需要一些其他的「工具」,能夠人為啟動或關閉特定神經細胞,才能確定這些神經細胞對於果蠅行為的影響。

例如:當表現 leucokinin 的神經細胞受到人為抑制、失去活性,果蠅的行為就會出現變化,即使是渴,也不會去找水;相反的,如果人為活化、刺激這些神經細胞,果蠅的行為會出現異常,明明已經喝很多水,還是會去找水,如此我們才能確認這些神經細胞與渴有關。

這類工具很多,如 Shibire 、TrpA 蛋白質, 它們對於溫度很敏感,Shibire 會抑制神經傳導物質的釋放、TrpA 則會刺激神經傳導物質的釋放。如果把 Shibire 接在 Gal4-UAS 系統的序列後面,然後將溫度升高,即可讓神經細胞失去作用;如果接上的是 TrpA ,將溫度升高時反而活化神經細胞。

還有像 CsChrimson、GtACR 蛋白質。CsChrimson 是一種陽離子通道,照射紅光時會打開,讓鈣離子等正電離子進入,造成神經細胞的膜電位上升,使細胞被活化。GtACR 蛋白質則是一種氯離子通道,照射綠光時會打開,讓帶負電的氯離子進入,造成神經細胞的膜電位下降,使細胞被抑制。

科學史上的重大突破,工具的進展往往是成功的關鍵。GAL4-UAS 系統等工具原理看似單純,但對於果蠅大腦研究影響甚鉅,足以促成當代大腦科學飛躍性的進展!

本次發現的研究團隊,包括中研院分生所林書葦助研究員 (左)、第一作者芭雅希博士生 (中) 以及曹昌暉博士後研究 (右)。圖片來源│中研院秘書處

延伸閱讀:

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為大腦如何操控渴與餓的行動?小小果蠅來解密!,泛科學為宣傳推廣執行單位

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防疫紅綠燈:這些事情你做對了嗎?

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從一月開始,新冠肺炎的疫情不斷變化,更慘的是,消息都指向疫情繼續延燒,沒有緩和的樣子。

對許多人的生活而言,這樣的疫情已經造成恐慌,不過,我們還是要認知到幾件事情。第一,生活本來就不可能零風險;第二,過度恐慌無濟於事;第三,我們只能在自己的能力範圍內做好準備。

正確防疫,想想自己該做哪些事情:

  1. 相信大家已經都知道多洗手的重要性了。請務必記得用肥皂洗手,每次至少洗 20 秒,一天多洗個幾次。尤其是「用餐前」,「上廁所後」,「擤鼻涕後」,「咳嗽後」等時間點都務必洗手!不要拿紙巾擦一擦而已。其實這陣子大家多洗手之後,連得到流感的患者人數都變少了呢!
  2. 了解新冠肺炎的症狀是發燒、咳嗽、喘,如果有這些症狀,請不要亂跑,請到醫院就診。如果不確定哪些醫院能提供服務,可以先以電話聯繫衛生所、衛生局來獲取就醫資訊。
  3. 中老年人盡量減少出入公眾場合,尤其本身帶有糖尿病、心臟病、慢性肺阻塞、腎臟病、肝病等慢性疾病的人,最好是待在家就好。
  4. 維持家庭清潔會有一定的好處,所以請定期打掃家裡。
  5. 假使想要到大賣場採購,可以一次買多一點,以減少採購頻率,另外在家可備足民生基本品,以及大約兩星期的糧食,萬一真的需要自主隔離時也還有足夠的物資。
  6. 在家怕無聊的話,可以準備書籍、樂器、電動、電影、電視劇、或繪畫手工藝材料,讓自己能在艱難時刻轉換心情。

哪些事情最好不要做,或者是要多注意呢?

  1. 首先是不要手賤。也就是說,不要沒事摸臉、揉眼睛、摸鼻子嘴巴,這些動作都會幫助病毒進入身體。
  2. 不要亂跑,尤其盡量不要出發到疫區遊玩,像中國、南韓、義大利、日本、伊朗等國現在都不適合當作旅遊點了,千萬不要為了搶便宜,或是為了捨不得已經付的旅費,就讓自己健康冒更大的風險。
  3. 懷疑自己有症狀時,不要搭乘捷運、公車、火車、高鐵、或計程車。可以先與當地衛生機關聯絡,看要到哪裡就醫,並用自家車出發至醫療機構。
  4. 不要亂瘋搶物資或在網路上亂傳謠言。每天的新聞真的是會讓大家非常緊張沒錯,不過,再怎麼說,生活都要過下去,恐慌也沒有用,請跟隨政府防疫腳步即可。

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眼睛色盲的章魚如何成為生物界的「偽裝大師」?——《章魚的內心世界》

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  • 作者/賽.蒙哥馬利(Sy Montgomery);譯者/鄧子衿

在無脊椎動物中,章魚的腦算大的了,大約有胡桃大小,和非洲灰鸚鵡(African gray parrot)的腦差不多大。

鸚鵡有多聰明呢?伊蓮.佩帕博格(Irene Pepperberg)博士訓練了一隻鸚鵡,叫做亞歷克斯(Alex),讓牠學到了百來個英文單字的意義,牠也能夠展現出對於形狀、大小和材質概念的理解,甚至能夠算數學和提出問題。牠還會故意欺騙訓練人員,被逮個正著時還會道歉。

海綿寶寶的章魚哥,會收銀,又會打掃,可說是多才多藝呢!圖/GIPHY

不過並非所有的事情都和腦部大小有關,畢竟所有的東西迷你化之後,都可以維持原來的功用,看看電腦科技就能夠了解我的意思。

科學家用來計算腦力的依據是神經元的數量,腦部處理資訊的能力來自於神經元。從這點來看,章魚還是不簡單。章魚有三億個神經元,魟魚有二億個,蛙類可能有一千六百萬個。同為軟體動物的淡水田螺最多只有一萬一千個。

外表看似 ET,思考方式也異於常人的章魚,智商和人類有得比嗎?

看起來擁有大頭的章魚,長跟大家想像中的外星人頗相似。圖/pixabay

相較之下,人類的腦中有一千億個神經元,但是人類的腦和章魚的腦是不可以放在一起比較的。

芝加哥大學的神經科學家克里夫.雷格戴爾(Cliff Ragsdale)說:「既然地球上沒有出現火星人讓科學家研究,那麼頭足類是脊椎動物之外,唯一能夠說明複雜又聰明的腦部是如何形成的動物。」雷格戴爾研究的是章魚腦部的神經迴路,他想知道章魚神經迴路的運作方式是否和人類的一樣。

舉例來說,人的大腦分成四個腦葉,各負責不同的功能。章魚的腦部依照種類不同以及計算的方式,可以有五十到七十個腦葉。而且,章魚的神經元,大多數不在腦中,而是在腕足內。

章魚得同時進行多項工作,包括協調所有腕足的動作、改變顏色與形狀、學習與思考、記憶與下決定,在此同時還得處理從全身皮膚湧來的味覺,這樣的神經系統可能是多工下適應的結果,這也能解釋,章魚的視覺系統有著和人類類似、發展完善的眼睛。

那來比一比眼睛吧!章魚的眼睛跟人類的眼睛有啥不同?

人類的眼睛功能,大概就是可以痴痴地望著你?圖/GIPHY

不過章魚的腦和眼睛演化得如此複雜,和人類的演化過程完全不同。人類和章魚的共同祖先是一種原始的管狀生物,非常古老,腦部和眼睛都還沒有演化出來,但是章魚的眼睛和人類的依然非常相似。

兩者都使用水晶體聚焦,都具有透明的眼角膜,以虹膜調整進入眼睛的光量,在眼睛後方都有視網膜能夠把光轉換成神經訊號讓腦部處理。

但也有不同之處。章魚的眼睛可以感受偏光,人類的沒有辦法。章魚的眼睛沒有盲點(人類的視神經連接在眼睛視網膜的後面,所以有盲點。章魚的視神經圍繞在視網膜外側)。

人類的眼睛產生的是雙眼視覺,直接看到前方(移動方向)的景物。章魚的眼睛是廣角的,能夠看到全景,而且和變色龍的眼睛一樣可以各自轉動。人類的視力可以遠看到地平線,章魚的視力範圍不到三公尺。

人眼和章魚眼之間,還有另一個重要的差異。人類的眼睛中有三種視覺色素,所以人類能夠看到彩色。但是章魚的眼睛只有一種色素,所以這種偽裝大師嚴格來說其實是色盲。

那麼章魚要怎樣決定該改變成什麼顏色呢?新的證據指出,牠們能夠用皮膚感知顏色。伍茲霍爾海洋研究所和華盛頓大學的研究人員發現,在章魚的近親歐洲烏賊(Sepia officinalis)身上,有些通常只在眼睛視網膜表現的基因,也表現在皮膚中。

——本書摘自《章魚的內心世界》,2019 年 9 月,馬可孛羅

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「人前手牽手,背後下毒手」其他魚類想跟章魚一起生活,沒那麼簡單!——《章魚的內心世界》

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  • 作者/賽.蒙哥馬利(Sy Montgomery);譯者/鄧子衿

雖然章魚通常不和同類打交道,和其他種類動物之間的關係,除了獵捕和被吃之外,也幾乎都不清楚。如果要在家飼養頭足類動物,專家的建議是不要把牠們和其他水族養在同一個水槽中,因為章魚可能會吃掉牠們。

也不是所有章魚都會毒死同槽,他們也可能會帶著同槽逃生呀(誤)。圖/GIPHY

不過章魚對於同槽水族也並非都處在敵對狀態。溫哥華水族館的館員丹尼.肯特(Danny Kent)發現在卑詩省水域展區中,「有些章魚能夠和許多石斑魚一起生活多年,不會吃牠們,但是有些章魚就會迫不及待的把同水槽中的其他動物吃掉。」

在這座水族館容量高達六萬五千加侖( 25 萬公升)的「喬治亞海峽」(Strait of Georgia)展示槽中,有一條章魚喜歡爬到接近水面的岩石上,把一條腕伸到流下的水柱中。肯特發現這條章魚把腕當成釣魚線,等著鯡魚撞到腕,就把鯡魚抓來吃。

複雜的「同槽」關係可能暗藏殺機

表面上章魚和同槽動物相安無事,背地裡卻偷偷的除掉那些「威脅」。圖/GIPHY

同槽水族之間的關係也可能非常複雜。2000 年,西雅圖水族館做了一個很冒險的決定:把一條北太平洋巨型章魚放到四萬加侖(15 萬公升)的水槽中,裡面有數條一公尺多長的白斑角鯊(dogfish shark,Squalus acanthias),他們覺得章魚如果受到鯊魚的威脅時,會好好躲著。但是他們錯了。

他們非常驚訝章魚非但沒有受到威脅,反而有計畫地逐一殺死了那些白斑角鯊(重現這個意外的影片在 2007 年放上網路後便瘋傳,有 290 萬人看過這個影片,也都非常驚訝)。研究人員發現鯊魚沒有消失,但是死亡了,沒有被吃掉。章魚沒有獵食牠們,也沒有因為直接威脅而馬上逃走。

根據最原始的新聞報導和影片的字幕,在鯊魚進行瘋狂殺戮之前,章魚就先發制人,進行攻擊。在鯊魚還沒有機會造成威脅之前,章魚就先把有可能掠食自己的動物殺死了。

直擊章魚下毒現場?

在科蘇美,我親眼目睹了另一個不同的跨物種互動,我從來沒有看到有人報告過這樣的景象。

猜猜他在潛水過程,見到了什麼呢?圖/GIPHY

在這趟旅程中最後一次潛水時,我們前往的礁岩樸實無華,沒有幾個大朵的珊瑚頭,也沒有許多突出的長礁與岩石。在潛水半個小時後,我們下潛到約十公尺深,這時看到在突出岩塊下的白沙子上,有一條加勒比礁章魚(Caribbean reef octopus,Octopus briareus)。

我靠近到兩公尺,發現在章魚前面幾公分的位置,大約有十幾隻活螃蟹聚集,有紅的也有黑的,身體的殼約五、六公分大。這些螃蟹看起來非常平靜,想到這些螃蟹所處的狀況,我極為驚訝。有些螃蟹慢慢爬著,如果有一隻螃蟹想要遠離章魚,章魚便伸出腕,把螃蟹(我認為非常溫柔地)撥回來。

這個狀況非常詭異。章魚的周圍是牠最喜歡的食物,但是牠並沒有因為興奮而變成紅色。牠的皮膚是白色的,夾雜了些明亮的藍色。章魚並沒有用吸盤把溜走的螃蟹抓回來,而是用腕把螃蟹掃到自己面前。螃蟹沒有急忙逃脫,這也很奇怪。

另外,我在旁邊沒有看到有螃蟹殼和其他殘骸,章魚巢穴外面通常會有這些東西。不過這裡可能不是那條章魚的巢穴。不論如何,這裡的螃蟹也太多了,牠們或許是站在以前同伴留下的外骨骼上,但是我也沒有看到。章魚看了我一眼,就回去專心看顧那些螃蟹了。就算我近到只有一公尺,牠也沒有退避。

我想在這裡待久一點,但是海流強勁,我們是在放流潛水中,停不住。後來我問水族館中的朋友:那些螃蟹在幹什麼?為什麼不逃走?那條章魚在打什麼注意?章魚為什麼要看顧這群螃蟹?我半開玩笑地拋出一個點子:那條章魚是不是用墨汁對那些螃蟹下藥了?

墨汁除了掩人耳目,還真有可能影響其他動物的行為

阿~怎麼眼前一片黑?圖/GIPHY

美國海洋動物學家馬吉尼蒂夫婦(G. E. and Nettie MacGinitie)有次把一條熱帶海鰻放到有泥灘章魚(mudflat octopus)的水槽中。熱帶海鰻開始尋找章魚,章魚在牠靠得太近的時候,便對牠噴墨汁。熱帶海鰻會繼續狩獵,但是不會攻擊章魚。就算熱帶海鰻真的觸碰到章魚,也不會想要攻擊章魚或是吃掉章魚。每次都這樣。

章魚的墨汁中含有黑色素(melanin),以及其他有重要生物功能的成分,其中一種是酪胺酸酶(tyrosinase),這種酵素能刺激眼睛,並堵住鰓。不過它可能還有其他效果。

1962 年,《英國藥理學期刊》(British Journal of Pharmacology)上有一篇論文指出,這種酵素能夠阻礙催產素(「擁抱激素」)與血管升壓素(vasopressin)1這兩種激素的活性。鳥類、爬行動物、無脊椎動物(包括章魚)等,都有個別的催產素和增壓素,哺乳動物的催產素曾經試驗用在魚身上,結果改變了魚的社會性行為。

如果這種激素正常的濃度受到影響,那麼像螃蟹這樣獨居的動物,可能會變得特別平靜,還能聚集在一起,面對主要掠食動物時也依然如此。

註解:

  1. 抗利尿激素,能夠影響血液循環。

——本書摘自《章魚的內心世界》,2019 年 9 月,馬可孛羅

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一探歷代生化武器的威力──西元前到19世紀

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聽到生化武器,你可能想到都是經典電影:《絕地任務》對準舊金山的 VX 毒氣火箭彈;《科洛弗 10 號地窖》裡說外頭世界因被生化武器影響而很不安全;或是聯想到各式各樣因變種病毒出現喪屍,接近世界毀滅的情節。其實,生化武器聽起來不僅致命又難以預防,還比我們想像中的還常見,常被認為是人類「一定會遇到,只是不確定何時何地」的災禍。

生化武器可以是生物或化學武器,也就是像微生物、化學物質或毒素,都屬於生化武器的範疇。例如使用不同的細菌,可以引發炭疽熱或鼠疫;若想利用病毒造成疫情,可能選擇天花、伊波拉等致命感染。

使用生化武器是人類本性?

像伊波拉病毒這樣的名詞,是 20 世紀以後才出現的,那麼人類早期懂得還不夠多時,就沒有生化攻擊嗎?錯。養小孩的家長都知道,小朋友聽到有關大便、尿尿等的話就會很開心,甚至也會說「我用一百個大便攻擊你喔!」←如果真的這麼做就算是生化武器攻擊。

翻開故事書,那些在教導誠實、守承諾等美德小故事裡,可能會提到某個貪心的老婆婆,誤以為箱子裡裝的是禮物,而特別選一個最大的箱子,打開後卻發現裡面裝滿了毒蛇。嗯,這就是老婆婆被生化攻擊了!

所以即使古時候人類雖然還不知道細菌或病毒的存在,也不懂化學元素週期表,但他們仍知道有些髒東西會傳播。所以呢,散佈汙染的水源與食物就是最原始的生化武器。當然過去的資料科學程度低,歷史學家很難分辨到底這些事件是否為精心策畫的一場攻擊,抑或只是無心插柳的成功報復。

只要提到古時候 XXX 事件算是生物攻擊,都會混入些國籍、種族的情感,讓史學家們持相反意見:「這種族的人沒有這麼壞心的啦!」。不過我們還是可以來看看過去幾個可能的生化武器例子。

西元前:傳播髒東西

  • 西元前一千多年就有人會送給敵人生病的羊。
  • 荷馬史詩中,提到用毒藥煨過箭,增加敵人致死率。
  • 希臘城邦會用植物黑藜蘆於敵國的水源下毒。
  • 賽西亞的弓箭手要發射前,會先把箭頭浸到動物糞便、毒蛇血、人血、屍體的混合物內,再射出去,因為他們知道,這樣可是會讓敵人傷口潰爛,再也好不了。
  • 漢尼拔於海戰時把毒蛇罐丟到對手船上,因而贏了戰役。
  • 荊軻刺秦王時,其匕首滲著暗藍光,應該是使用上毒藥,是能讓人一刀斃命的。

以上的記載都發生於西元前,看來當時的人類就很懂得使用生化武器了。不過我們也可以注意到,這時的生化武器規模不大,大約都是單一事件,多數武器還不具傳染眾人的能力。

中世紀:黑死病

到中世紀最有名的生物戰則是由蒙古人發起的。當時位於克里米亞半島的古城「卡法」非常繁榮,幾乎壟斷黑海的貿易市場。西元 1346 到 1347 年之間,蒙古人圍攻卡法城,把鼠疫病人的屍體用投石機投入卡法城,城裡的人慌張逃離,逃離的商人可能就因此把鼠疫帶到義大利,並從而引發歐洲黑死病的蔓延。

雖然黑死病是否單就是這事件而來的還有爭論。但黑死病隨著有史以來行動力最高的蒙古軍團快速傳播,歐洲人口死亡了三分之一,大幅撼動人口結構與羅馬天主教的統治地位。或許大家到威尼斯旅遊時,會看到一個長長鳥嘴樣的面具,這就是當時瘟疫醫師為了診治黑死病病患,又要避免接觸患者的體液飛沫,而設計出來的防護物,算是很早期的特殊款式口罩呢。

別以為是不文明、未開化的人類才想提倡生化武器。文藝復興時期的全才達文西不僅藝術造詣高,還幫忙了不少軍事防禦計畫,達文西就曾提議「釋放含砷的煙霧」來包圍敵人。

被天花擊潰的美洲大陸

另外一個例子是哥倫布發現美洲新大陸後,美洲原住民就被歐洲人帶來的各種傳染病打的七葷八素,尤其天花造成的災害更是一發不可收拾,絕對算是殖民時代最強大的生化武器。

雖說剛開始由歐洲人帶去美洲的天花疫情很可能是無心插柳,純屬意外;但到了 18 世紀,英國海軍已經會故意拿天花患者的毯子送給美洲原住民,並在日記上寫著:「我希望這會達成我期待的效果。」(我們不清楚後來這批毯子是否發揮功效?船長有沒有達成目的?因為天花比較容易藉由空氣傳播,體液雖也有傳播力,但病毒無法於空氣中長期存活,要很近期受汙染的毯子才有傳播力。)

微生物學與化學的進展

那人類什麼時候才知道所謂的髒東西,是包含了細菌與病毒呢?十九世紀的法國科學家巴斯德證明,所謂的髒東西不是自然發生,不是突然間從灰塵中蹦出來的,而是有細菌這樣小小的,小到我們看不見的「微生物」,而導致人類生病的。之後的科學家逐漸辨識出愈來愈多的細菌種類,了解不同的細菌會帶來不同的疾病。從 20 世紀開始,隨著科學界對微生物更加了解,小說家就不斷開始幻想生物戰爭的可能性,並將其寫成文章呢。

同樣地,化學這門科目到了 19 世紀才有長足發展,可以大量製造且純化化學製劑,科學家也更能掌握各種物質的毒性。生化武器再也不只是想像,而被推上前線,幫助統治者獲得勝利。

下一篇,我們再來說說20世紀的生化武器!

 

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