泛知識節紀實：跨越視覺科學：烏賊可能比你還聰明

「大象～大象～你的鼻子怎麼那麼長？」

喬治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）最新的研究發現，大象皺巴巴的「皮膚」竟然隱藏著超強的「伸展之力」，跟肌肉簡直就是完美搭檔。有了隱藏的伸展力，大象就能夠加倍發揮象鼻的各種功能，還能將象鼻伸得更長、更遠！

又硬又軟的萬用工具！象鼻究竟有多強？

象鼻實在是非常神奇的存在，它擁有超過四萬條肌肉，既能柔軟靈活地捲起水果和樹葉，又能強悍地打斷樹幹、抵禦攻擊。究竟它為何能這樣「又硬又軟」靈活切換呢？

為了深入探索象鼻的秘密，研究團隊特別跑去亞特蘭大動物園（Zoo Atlanta），設置了高速攝影機，紀錄下非洲大象用象鼻拿取食物的過程。

乍看之下，軟軟的象鼻似乎就像我們的舌頭一樣，是充滿肌肉的無骨組織。然而，它真正派上用場時，可一點兒也不像舌頭呢！透過鏡頭，研究人員發現：象鼻頂部跟底部的運動狀況完全不一樣。當大象伸長象鼻時，象鼻外側的延伸能力比內側強多了。仔細看看畫面，就能發現外側的象鼻其實伸得更長！

秘密就在皮膚裡！打開皺紋發揮伸展之力吧！

至於兩邊的長度為何會有如此大的差距呢？秘密原來就藏在象鼻的皺褶中！研究團隊解剖了大象屍體，發現象鼻外側與內側的皮膚非常不同——象鼻外側那摺疊起來的皮膚，比另一側的皮膚多出了約 15% 的彈性。

更有趣的是，大象移動象鼻的方式，跟章魚觸手這種軟趴趴器官常用的「平均伸展大法」十分不同，象鼻伸展時就像是打開了一把折疊傘，內部是固定的，而傘面則可以向外變寬、延伸。不只如此，大象們還會如同開折傘一樣「分批運動」象鼻喔！

怎麼說呢？牠們運用象鼻時，會先探出頂端，然後視需求一節一節依序運用後面的肌肉，不到萬不得已，絕對不會動到靠近身體這側的肌肉群！學者們表示，大象之所以會這樣動，是因為象鼻前端部分的肌肉量較少，動起來也比較不費勁，而大象其實就跟人類一樣懶，當然是追求越省力越好囉！

借我學一下啦！皺褶象皮竟能應用在機器人身上？

另一方面，象鼻上這些皺巴巴的皮膚其實也十分堅硬，能起到重要的保護作用。比如說，在關節部分，一般肌肉容易拉伸，甚至拉傷，但如果有了皺褶，則需要花上整整 13 倍的力量才能拉伸。

這樣的保護力有什麼用呢？在未來，或許可以應用在仿生機器人身上喔！許多仿生機器人都會設計液壓系統，雖然十分靈活，但施力時卻也非常容易斷裂。如果我們能在機器人身上添加一些皺巴巴的皮膚，不僅能提供更強大的保護力，也讓機器人在運用上出現更多不同的可能性。

參考資料

1. Skin: An additional tool for the versatile elephant trunk
2. Schulz, A. K., Boyle, M., Boyle, C., Sordilla, S., Rincon, C., Hooper, S., Aubuchon, C., Reidenberg, J. S., Higgins, C., & Hu, D. L. (2022). Skin wrinkles and folds enable asymmetric stretch in the elephant trunk. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 119(31), e2122563119. https://doi.org/10.1073/pnas.2122563119
3. How Skin Helps Elephants Move and Twist Their Trunks
4. 動物奇門功夫．象鼻神奇構造

眼睛是人類的靈魂之窗，除了能盡收美景之餘，似乎也能透過眼睛去闡述著不同的情感，但是但是，在這漫長的物種演化過程中，偉大的大自然先生竟然悄悄的把盲點藏在我們如此重要又浪漫的眼睛之中，人類的眼睛與其他物種的眼睛相比，難不成是不小心做壞掉的瑕疵品？

人類眼睛的結構大解密

要知道這個問題的答案，要從人眼結構開始談起。眼睛能夠幫助人們看到世間萬物，主要是因為在我們的眼球中有一種感光細胞，它能夠感知光源，然後將光的訊號轉換成電訊號，傳達給我們眼球中的神經細胞，而眼球的神經細胞將電訊號帶給大腦，而最後大腦會將收集到的各種電訊號整理成我們每時每刻看到的影像。

從上面的敘述中，我們知道眼睛能產生影像主要有兩個重要的原件：感光細胞 + 傳遞訊號的神經細胞。直覺上來想，我們的眼睛應該要設計成：感光的細胞距離光線越近越好，這之中障礙要越少越好。

但是呢，事實卻很殘酷，光線要到達人類的眼睛之前需要穿過一層一層的神經細胞才能到達感光細胞。除了需要經過層層阻礙，這種設計也會導致感光細胞要讓出一個空位給神經細胞從眼球離開，而讓出的空間即為盲點，也就是眼睛感知不到光線的地方。

章魚先生的眼睛結構，跟人不一樣！

章魚先生的眼睛設計即為剛剛提過的完美方案：首先光線可以無障礙的“直達”感光細胞，感光細胞再把訊息傳給較深層的神經細胞，神經細胞再將訊號傳給大腦處理影像，整個訊號就從最外層的感光細胞一路傳到最深層的大腦處理器。所以章魚先生眼中的神經細胞就不需要感光細胞的“讓位”，接收到感光細胞的訊號後就可以默默的離場，繼續接下來的傳遞工作。所以章魚先生的眼睛也就沒有盲點這種構造，這能讓他的感光細胞可以無死角的感光！如此有效率的擺設，讓人類的眼睛淪為悲慘的瑕疵品。

為了讚歎如此效率的設計，這裡再次簡單的闡述人類與章魚先生的差距。人類眼中的擺設由外到內為：神經細胞 → 感光細胞 → 大腦，感光細胞接受到光線後需要傳訊號給神經細胞，而神經細胞要傳訊號給大腦時，感光細胞由於在兩者之間，所以就必須讓出位置給神經細胞通過，這個被讓出的位置，就沒辦法塞入感光用的細胞，導致人類盲點的出現。然而章魚先生眼中構造的排列由外到內為：感光細胞→神經細胞 → 大腦，感光細胞可以自在的接收光線，傳訊號給神經細胞後，神經細胞也可以自在的離開眼睛直通大腦。

有盲點的眼睛真的比較殘嗎！？

眼睛的盲點區域是接收不到光線，也看不到成像的，但是，在我們的日常生活中，怎麼都沒注意到自己眼睛原來有盲點呢？這是因為我們這一雙明亮的眼睛，平常日常生活中看到的世界，很大部分都是重疊的，所以兩顆眼睛能互相幫助對方，補足對方看不到的盲區，讓我們的視野完整，完全感受不到盲點的存在。

那麼我們要怎麼去體會盲點呢？

你可以做個有趣的實驗：首先在紙上畫上兩個距離為 10cm 的十字架。然後把左眼閉起來，用右眼去看左邊的十字架，慢慢把紙貼近你的眼睛，過程中你會發現原本在右邊的十字架會“憑空消失”！會有這個現象是因為你的眼睛有盲點，感光神經需要“讓路”給視神經，導致有些地方的光線是感知不到的，所以才導致你沒辦法觀察某個地方的視線。做完實驗的你，可能會嘗試單眼去看看周遭，但是一樣無法發現盲點。那是因為我們強大的大腦很擅長“腦補”，會嘗試腦補我們盲點的區域，讓你擁有一個完美的視野，所以除非是故意去測試或挑戰它，不然平常生活中是很難捕抓到盲點的存在。

人類靈魂之窗的謎底揭曉！

那麼，為什麼人類的眼睛不好好的設計成章魚的眼睛呢，無死角的感光細胞不是很好嗎？

其實人類的感光細胞為“高配版”的感光細胞，如此高檔的感光細胞，讓我們能辨識更多顏色以及各種細微的邊邊角角。如此高配的感光細胞相對來說，需要很龐大的操作步驟，所以人類感光細胞的底層還有一層色素層細胞 – retina pigment epithelium。這種細胞即為感光細胞的管家，能夠幫忙感光細胞分擔其他事物，讓感光細胞能專注於高效率的感光，也讓光線處理的品質達到最優化。故人類的感光細胞要卡在眼球的最深處主要是為了優化感光細胞的品質，從而安排了一個“管家”細胞給感光細胞。

那麼為什麼章魚先生沒設計成高配版的感光細胞呢？這是因為章魚先生處在的環境為海底，在海中的光線很少，如此高配耗能的眼睛對於章魚先生是一個沒什麼用途的功能。此外，章魚先生的眼睛長在兩側，萬一有盲點，兩顆眼睛沒辦法互相代償，會使到他們看到的視野會有視野盲區，這對於身處於弱肉強食的世界來說，是相當致命的存在。所以章魚先生的眼睛寧願選擇低配版無死角版本的眼睛，去看看低配版的美麗世界。

綜上所述，其實人類的眼睛沒有裝反啦~人類的兩顆眼睛很靠近，所以可以互相補償對方看不到的盲點哦！作為盲點的交換，人類獲得了“高配版”的感光細胞，進而獲得了一個不愧於靈魂之窗的高配版眼睛。所以要好好的愛護自己高配版的眼睛哦！

資料來源

1. Boulton, M., Dayhaw-Barker, P. The role of the retinal pigment epithelium: Topographical variation and ageing changes. Eye 15, 384–389 (2001). https://doi.org/10.1038/eye.2001.141

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《用烏賊與科普的魅力，讓教室爆滿——專訪清華大學生命科學系焦傳金教授》
• 作者 / 科技大觀園特約編輯｜陳亭瑋

實驗進行中，一隻烏賊被放入透明的水族箱，其中一側被隔出了左右兩個小隔間，分別放有一隻與兩隻蝦。水族箱中烏賊看清了兩邊的活蝦後，可以自由選擇游進哪一個隔間，伸出腕足捕捉可口的食物。在烏賊游進其中一個隔間後，另一邊就會被關閉，因此每次都只能選一邊。

問題來啦，一隻蝦 v.s. 兩隻蝦，換做你是烏賊，會如何做決定呢？

這是清華大學生命科學系特聘教授焦傳金在去 (2020) 年所發表的研究成果，證實了烏賊具有「相對價值感」的概念。做為海產店、夜市小吃的盤中常客（而且還很好吃），烏賊也懂得數數，擁有「數感」，能夠分辨得出 2 比 1 來得多，一般情況下當然是選兩隻蝦啦。但經過特別訓練的烏賊，能夠「記得」一隻蝦可以代表不只一隻蝦，因此在後續實驗中，產生了烏賊覓食偏好一隻蝦，勝過了兩隻蝦的結果。

解密烏賊的決策邏輯

「實驗室的每個人，都有 T 恤上面是有墨汁的。」

談起飼養繁瑣，需要海水又每天都需要活餌，還三不五時受驚噴墨，養殖難度可說鑲金邊等級的烏賊，舉手投足間標準學者氣質，一派溫文儒雅的焦傳金，迸發出強大的熱切。他分享自己的觀察，大眾對於烏賊、章魚這類頭族類動物往往充滿好奇，也常常被用在塑造外星人、異形的形象。除此之外，在冰冷理性的實驗室，學生焦慮煩悶時也常去到「花枝房」，觀看水族箱中優游、表皮花紋瞬間變換的烏賊，療癒抒解心情。

烏賊又名花枝、墨魚，屬於頭足類軟體動物。多數人最熟悉的頭足類動物，除了餐桌上好吃的海鮮，最有名的大約就是德國奧伯豪森（Oberhausen）水族館的「章魚保羅」了。2010 年的世界盃足球賽，章魚保羅連續「成功預測」了賽事的勝利隊伍，引起了許多注目風靡。而焦傳金開始烏賊研究的起點，其實就是源自於大家的這個好奇：無脊椎動物到底能有多聰明？牠們的「聰明」擁有跟人類做決定一樣的邏輯特色嗎？

焦傳金在 2016 年的研究發表就揭露了烏賊具有「數感」，覓食找東西吃的時候，明顯看得出來烏賊會選擇數量較大的那一邊。而更有趣的是在後續實驗中，團隊讓烏賊從兩隻小蝦與一隻大蝦裡做選擇。最後實驗發現，烏賊的選擇，會跟當下的飢餓程度有很強的關聯。烏賊如果處於比較飢餓的狀態，就會鋌而走險選擇一隻大蝦，以獲得高風險高報酬；沒那麼餓的時候，則會選擇兩隻小蝦，穩健獲利。可以說，這樣的選擇邏輯，即使是人類，也無法做得更好了。

而在相對價值感的實驗中，團隊先以 0 對 1 訓練烏賊，在烏賊選擇 1 隻蝦那格的時候，當場會再額外多提供一隻活蝦，經過六次訓練，再以 1 對 2 測試烏賊會如何選擇。沒有經過訓練的烏賊主要偏好數量較多──也就是兩隻蝦那格；但曾經受訓記得「1 隻蝦不只是 1 隻」的烏賊，則對於一隻蝦那格展現了明顯的偏好，而這樣的覓食習慣改變，在經過一個小時後進行的實驗中顯示，仍然保留了下來。

什麼是「相對價值感」？焦傳金舉例：「一瓶礦泉水，如果是在沙漠中走了三天了，第一次遇到一罐礦泉水，那價值就會非常的高。」同樣的物質，在不同情境中的價值會改變，這樣的相對價值感在人類的決策中，佔有很重要的比例。而焦傳金的研究更證實了，在動物──甚至是無脊椎動物的行為中，也存在著相對價值的概念。

神經科學的聖杯：大腦

像這樣的研究，其實也是科學家認識神經系統、大腦運作的起點。

談及神經科學研究最終的「聖杯」人類的大腦，焦傳金眼神發亮。焦傳金做為神經科學家，研究主題無論是烏賊的價值判斷、軟絲的視覺溝通密碼，抑或視神經科學的研究，都圍繞著神經科學的核心探索：大腦是如何運作的？

「所有東西以物質論來說，都是一樣的，但為什麼生物、動物會這麼不一樣？」焦傳金一句話道出了生命世界最大的謎團，也是最引人入勝之處。

討論到以章魚做實驗的可能性，焦傳金興致勃勃，表示如果有機會，會希望探索神經系統發達的章魚是否真的具有「意識」。他也說明，相較於底棲性、身體內有硬質骨板的烏賊，章魚的活動範圍更加廣泛，實驗錄影紀錄較為困難，而且章魚僅有口器「牙齒」的部分有硬質結構，全身皆為肌肉，逃脫能力極為高強。

像章魚、烏賊這類頭足類動物，為什麼會發展出如此複雜的神經系統？一般認為，動物會演化出複雜的神經系統，可能與社會行為有關，無論是爾虞我詐的社會關係、各種合縱連橫、選擇策略獲得優勢，都需要複雜的決策能力。但除了軟絲有社會性，會藉由改變表皮花紋顏色彼此溝通；同樣屬於頭足類的烏賊與章魚都屬於獨居的動物，只有在繁殖期會與同族有交流。

較常見的推測認為，相較於其他有殼的軟體動物，頭足類沒有外殼保護，身體充滿蛋白質非常「好吃」，生存演化出現的生存之道，就是發展出複雜的行為策略，包括偽裝、噴墨、噴射推進，以避免被捕食，而複雜的神經系統，也是由此而來。焦傳金也特別說明，這個問題在科學上很難驗證，很可能最終都不會出現標準答案。

但焦傳金認為，科學的趣味與意義，就隱藏在這個試圖解答疑問的過程中。

對於大自然與科學的探索，多數的基礎研究起初獲得解答的時候，也都不具應用性，更像是一種心靈層面的滿足感：「做基礎科學，是一種探索真理的過程。你有一個問題，這個問題可以做實驗來回答，那晚上就可以安心睡覺。」

如何將科學帶給一般大眾

對焦傳金而言，這樣的滿足感，不應該侷限於科學家、研究者，更應該有機會讓所有的人都有機會一睹為快。焦傳金表示，當然不需要每個人都很懂科學，但提升國民素養，科普就是最好的方式。此外，科學家如果只專注自己的領域中，就只能影響同領域的同行。但科普將資訊分享給一般的社會大眾，成功的話可以影響的範圍就會很大，是很愉快的事情。

清華大學的「當代認知神經科學：腦與心智」，焦傳金透過淺顯易懂的比喻與連結，成為清大最受歡迎的通識課程。焦傳金分享，從事科普最大難處在於，要做到淺顯易懂卻又引人入勝。而其中最需要的，就是需要豐富的想像力，找到適合的語言，將艱深的科學發現轉換成大家可以聽得懂的比喻，使用日常生活的連結、慣用的用字用詞，讓聽眾接收並且理解。科普成功與否的關鍵之一，在於需要「有趣好玩」，因為通常科學內容並非對於大眾直接「有用」的，所以需要加入可以引發大家的興趣的元素。而最大的難處還在於，知識含量「含金度」高的時候，通常就不容易理解、也不容易產生趣味。該如何讓知識含量不減，又增加趣味，箇中取捨就像場拔河。

此外，「熱情」也是進行科普活動需要加入的元素。焦傳金解釋，透過鏡像神經元的作用，情緒會互相感染，如果講者選擇自己喜歡的題目講得很嗨，就可以吸引別人的注意力。一定要說服自己，是真的喜歡才去講，懷著溫度，就可以影響他人。

多接觸海洋，就是關懷海洋議題的起點

說到以科普影響他人，近年來海洋議題越來越受到關注，焦傳金也在課程中讓學生實際計算「海洋酸化」（Ocean acidification）的案例，探討海洋議題。

他說明，近年來大家越來越重視溫室氣體排放造成的全球暖化議題，也開始瞭解到升溫攝氏 1 到 2 度對於世界的影響極為巨大，但另一個同步發生卻容易遭忽視的主題，則是二氧化碳溶入造成的海洋酸化。在過去 200 年間，海洋的 pH 值降低了 0.1 到 0.2，數字上看來變化不大，但實際上，pH 值代表著氫離子濃度的對數關係，實際上如果 pH 值由 8.1 降到 8，在氫離子濃度上就有了超過 25%的改變，勢必會影響許多海洋生物像是珊瑚、貝類的鈣化作用，現在已經出現生物外殼骨架脆化與變薄的情況，對許多生物的生存造成很大的影響。

除此之外，塑膠微粒也是較受忽視的海洋議題。隨著大眾開始關注海洋廢棄物，近年來有越來越多研究顯示，塑膠材料進到海洋中後，經沖刷撞擊成為微粒，會由海洋循環進入大氣、進到循環中再被帶到陸地。如美國的國家公園自然野地中，已經有許多地方，可以找到這些塑膠微粒，塑膠微粒勢必將由冷門的海洋議題，逐漸進到我們的視野中。

談及海洋議題，當然也不能不聊聊，近期在臺灣引發諸多論戰的大潭藻礁保護與天然氣第三接受站的爭議。焦傳金畢業自中山大學海洋生物科技暨資源學系，由海洋研究的相關背景，他表示自己自然比較傾向讓藻礁能受保護，但也主張世事並無絕對，保育也不應只能與臺灣的用電需求、經濟發展硬碰硬二者不相容。臺灣該如何由其中走出平衡之路，將有賴於全體齊心協力的智慧。

對於藻礁議題讓台灣輿論充滿紛擾，焦傳金態度樂觀：「大家總算知道什麼是藻礁了，從海洋教育的角度來講，如果因此而更認識海洋環境、關心海洋環境，引發大家對這件事情的關注，還是有正面意義的。」台灣四面環海，但受限於過去的管制因素，大家對於海洋是較為陌生的。他也期待，有越來越多人投入海洋的活動，增加與海洋的接觸，發揮台灣作為海洋國家的優勢。