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基礎科學為什麼重要?

Gilver
・2014/03/05 ・3651字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 562 ・九年級

鴨子奇妙的那話兒壁虎「攀岩走壁」的秘密武器,演化呈現給我們許多不可思議的生物奇蹟;充滿好奇心的科學家面對大千世界,提出了無數的疑問。從小我們就知道,透過思考與實驗可以幫助我們去找到許多問題的答案,但在現實的學術界裡,絕大多數的研究都要花錢,學者們要絞盡腦汁博得審查委員們的青睞。有些研究特別稀奇古怪,比如說美國有份研究好奇「海產可以跑多快?」,竟花費了將近50萬美金。為什麼政府要資助這些看似派不上用處的基礎科學研究呢?如果把錢都拿去投資應用科學研究,會比較好嗎?

怪奇科學:研究不尋常的演化現象,為什麼重要?

原文/ Patricia L. R. Brennan, Duncan J. Irschick, Norman Johnson, and Craig Albertson
翻譯/ Gilver
原文出處/ 《Oddball Science: Why Studies of Unusual Evolutionary Phenomena Are Crucial》發表於 BioScience  (2014)

在美國,對預算赤字的關切正促使政府犧牲掉基礎科學,把研究基金用來資助功利導向的研究計畫和轉譯醫學[1]。科學資助的決策正面臨著政治化的風險,減少對基礎科學的資助常被當作是避免政府浪費支出的正當方式。確實,批評者們已經列出數個獲得政府資助的浪費案例[2],近年的例子則有像是鴨的陰莖、測試蝦可以跑多久、機器人松鼠和螺的性事。這些遭受批評的研究計畫通常是研究生物不尋常的型態或者行為,對社會卻沒有明顯的應用價值。

會有這些批評聲浪出現其實不需多加說明。在這個經濟艱困的時期,特別是和那些試圖治癒疾病、再生能源或是改良農業的應用科學相提並論時,研究這些怪異的演化議題乍看之下似乎顯得毫無意義。美國國家科學基金會(NSF)要求所有政府資助的計畫不分領域,一律得提出它在經濟上的影響力。有些生物學家甚至因而建議—我們認為是被誤導的—生物學應該要著手解決基礎科學和應用科學之間的分界,關切那些面臨應用困難的計畫[3]Aarssen(2013)甚至主張:「大學的研究若不抱持著社會利益的想法運作,早就已經自生自滅。」[4] 

這種觀點的問題在於,它預設人類的創新是在符合邏輯的程序下,從規畫好的研究中誕生,但歷史告訴我們的卻不是這樣。創新經常從未必相關的事物誕生。在2012年成立的「金鵝獎」(Golden Goose Awards),即是認可那些聽起來或許怪異、卻意外產生保健或經濟效益的研究計畫[5]。雖然追求應用導向的研究或許是個確保資金的良策,但我們仍主張:若降低我們運用創造力去檢驗獨特生物現象的能力,最終損失的不只是教育和健康,也危害了我們創新的能力—而這也是驅動全球經濟的主力。

生物體的研究常著重在演化上的創新—那些生物的結構,還有發生在牠們身上的罕見現象,使得新功能或某些行為成為可能。這些適應叫人感到意外,且可能看起來相當古怪。不過,它們不但是超過三十億年的演化產物,還常和在新棲地的拓荒成敗相關。這些關於古怪適應的研究雖然已經開始朝科技應用邁進,一開始卻是以基礎科學問題的模樣現身在世人面前。在本篇文章中,我們特別點出幾個例子,希望對所有為資助生物基礎研究辯護的人有幫助。

演化的創新與科技

 
從地熱湖中嗜熱細菌發現Taq 聚合酶,促使生物學研究往前邁進一大步。圖片轉載自墨爾本大學

 

研究仿生學的非營利組織「仿生學院」(The Biomimicry Institute)已經彙整出超過2000項以演化創新為靈感的科技,包括效能更高的太陽能電池板、絕緣玻璃、醫用/工業用黏合膠。另外還有應用在軍武的例子,像是以螳螂蝦(mantis shrimp)附肢結構性質為原型的人體護甲、奠基於昆蟲結構色發展的隱形科技,以及模擬動物移動的小型機器人Geckskin是種可重複使用、不含塗膠的膠布,貼在光滑表面上最高載重可達700磅,擁有多種用途。而它,正是數十年研究壁虎腳掌解剖構造的成果。壁虎的腳掌底覆蓋著數百萬根的軟毛,能與表面服貼,產生牢固的附著力,使壁虎能夠上下游走。然而,直到最近才有公司開始理解「壁虎膠布」的商業利益。創新總自基礎科學中誕生,但不一定很快,也不容易一眼就看出來。而在Geckskin問世之前,數百篇壁虎研究使得開發商足以有效的測試他們的想法和原型。

或許在科技應用的怪異生物基礎研究中,最為人所知的成功案例會是Taq聚合酶。它是一種廣泛應用的酵素,能在生物體外更有效率的複製DNA。Taq 聚合酶的發現來自一篇黃石國家公園的研究,它研究的是光合生物沿著溫度梯度變化的分布情形,學者們想知道這些不尋常的微生物怎麼能在這些險峻棲地中存活下來?[6]而在1967年第一項研究成果發表的時候,距離應用開發還有足足20年呢。今日,許多現代的分子生物知識得以發展,正是因為人們能夠應用Taq聚合酶進行「聚合酶連鎖反應」(Polymerase Chain Reaction, PCR)、在生物體外有效的複製DNA。這項創新也為醫療、工業化農業、甚至刑事司法系統都帶來莫大好處。

演化的創新與醫療


演化史上這些異變的生物,可以做為研究人類疾病的參考模型 (Albertson et al.,2008)[7]

有些研究各種生物體內物質的基礎科學,已經促成許多藥物的開發。例如有一種前途看好的糖尿病新藥”exenatide”便是來自鈍尾毒蜥(Gila monster)毒液成分的研究。

許多生物的演化創新能夠用以模擬複雜的人類疾病,當成實驗室的研究材料[7],例如麗脂鯉(Blind cavefish)的視網膜退化、軀體白化,還有骨骼密度退化的南極冰魚(Antarctic icefish),都提供了解人類疾病的研究材料。甚至,近年來有資料顯示某些特定的人類疾病基因在演化的過程中被修飾,如同狗被馴養的體型變化,還有棘魚(Sticklebacks)淡水種的骨質鎧甲退化,研究非傳統動物的演化創新遂成為和人類健康相關的事情。就連近年來被強調是浪費錢的鴨陰莖研究[8][9],現在也認為能夠用來了解一種常見的人類陰莖疾病「尿道下裂」(hypospadias)的發育進程[10]

此外,「怪異研究容易被人們了解」這件事有好有壞。或許就因為普羅大眾容易看懂這些怪異生物的研究,使得它們經常被非科學家在政治場合批評;不過新聞大量報導的生物科學故事,卻也顯示出這些研究本身具有大眾魅力,可以在教育上發揮作用。尤其對於美國這個只有40%民眾同意生物是透過自然歷程演化而來的地方[11],這些故事是支持科學大眾科學參與的重要元素。

演化的創新與投資未來

如果基礎科學真有其經濟效益,為什麼不把投資基礎科學這件事留給私人部門呢?這個看法的問題在於通常私人部門期待在投資後2-3年內就能得到回報,基礎科學卻可能需要持續數十年才會有經濟獲利產生,沒人能保證任何一項基礎科學研究計畫都會轉變成實質的應用。這種不可預期性更彰顯基礎科學需要長期的承諾,而這種承諾最適合各州或聯邦政府來實現。

科學的創新是來自許多要素—好奇心、創造力、知識,而那些能夠改變人們生活的靈感,正是萌生自基礎科學和應用科學之間歷久不衰的知識網絡。然而,根據NSF組織的資料顯示,透過整合生物系統部門(Division of Integrative and Organismal Systems)核准的個體生物學資金比例從2001年的28%降至2010年的17%,有些計劃甚至只拿到10%;然而期間內的計畫提案增加了43%,總預算卻沒什麼變。2001年時總預算是5.114億,2013年總預算數字是6.7893億,但根據生物科學董事會(Directorate for Biological Sciences)在計算通貨膨脹的影響後,其實2013年總預算是相近於2001年的5.1483億。這意味著:許多擁有傑出研究點子的年輕科學家,將失去追求研究的機會。

從基礎生物研究所獲得的啟發與理解,告訴我們生物問題無所不在。少了追求奇特個體生物學和演化生物學知識必要的維繫資金,經濟體系將必然無法利用大自然難能可貴的能力去創新。

參考文獻:

[1]  Hand E, Mole B, Morello L, Tollefson J, Waldman M, Witze A. 2013. A back seat for basic science. Nature 496: 277–279.

[2]  Fahrenthold DA. 2013. Private parts and public funding: A researcher champions oddball science. Washington Post 08 April 2013. (2 December 2013;  http://articles.washingtonpost.com/2013-04-08/lifestyle/38371443_1_science-lovers-duck-the-national-science-foundation)

[3]  Cooke SJ. 2011. On the basic–applied continuum in ecology and evolution and a call to action: Perspectives of an early career researcher in academia. Ideas in Ecology and Evolution 4: 37–39.

[4]  Aarssen LW. 2013. Valuation branding for bio-science research in the twenty-first century. BioScience 63: 417–418.

[5]  Underwood E. 2012. First Golden Goose Awards honor ideas that hatched unexpectedly. Science Insider 10 September 2012. (2  December 2013;  http://news.sciencemag.org/scienceinsider/2012/09/first-golden-goose-awards-honor.html)

[6]  Brock TD. 1997. The value of basic research: Discovery of  Thermus aquaticus and other extreme thermophiles. Genetics 146: 1207–1210.

[7]  Albertson RC, Cresko W, Detrich HW, Postlethwait JH. 2008. Evolutionary mutant models for human disease.  Trends in Genetics 25: 74–81.

[8]  Brennan P[LR]. 2013. Why I study duck genitalia. Slate 2 April 2013. (2 December 2013; http://slate.com/articles/health_and_science/science/2013/04/duck_penis_controversy_nsf_is_right_to
_fund_basic_research_that_conservatives.html)

[9]  Coburn T. 2013. Wastebook #4. (28 January 2013; www.coburn.senate.gov/public/index.cfm?a=Files.Serve&File_id=d204730e-4a24-4711-b1db-99bb6c29d4b6)

[10]  Zimmer C. 2013. The sex life of birds, and why it’s important. New York Times 6 June 2013. (2 December 2013; http://nytimes.com/2013/06/06/science/the-sex-life-of-birdsand-why-its-important.html)

[11]  Belief in evolution (http://www.data360.org/graph_group.aspx?Graph_Group_Id=286)

本篇亦收錄在譯者的BLOG 《科科普普風-科普翻譯部落格》

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畢業於人人唱衰的生科系,但堅信生命會自己找出路,走過的路都是養份,重要的是過程。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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貓咪也會學鳥叫?揭秘貓貓發出「喀喀聲」背後的可能原因
F 編_96
・2024/12/24 ・2480字 ・閱讀時間約 5 分鐘

F 編按:本文編譯自 Live Science

貓是一種神秘而又引人注目的動物,牠們看似深居簡出,但擁有多元的聲音表達:從吸引人類注意的「喵喵叫」,到面對威脅時的「嘶嘶聲」與低沉的「咆哮」。

延伸閱讀:貓咪為什麼總愛對人喵喵叫?看貓如何用聲音征服人類的心

然而,細心的貓奴們可能會注意到,貓有時會對著窗外的鳥兒或屋內小動物玩具,發出一種獨特的「卡卡聲」或「咯咯聲」。這種聲音既像牙齒打顫,又好似一陣陣輕微的顫鳴,卻很難歸類到常見的喵叫或咆哮裡。這種名為「chatter」的行為,究竟在貓的生活中扮演什麼角色?目前科學界尚未對此有定論,但有幾種廣為討論的假說,或許能為我們提供一些思考方向。

卡卡叫:情緒的釋放或表達?

有些貓行為專家推測,貓咪在看到獵物(如窗外的鳥、老鼠)卻無法接近時,會因「欲捕無法」的挫折感或興奮感,發出這種「卡卡聲」。就像人類遇到障礙時,可能會發出抱怨的咕噥聲或乾著急的嘆息聲一樣,貓咪的「喀喀聲」也可能只是把當下的情緒外顯,並非有特別針對人或其他動物的溝通目的。

  • 情緒假說
    • 挫折:當貓看見鳥兒在窗外飛舞卻無法撲殺,內心焦躁,遂用聲音抒發。
    • 興奮:或許貓在準備捕獵時也感到高度亢奮,因此嘴部不自覺抖動並出聲。
貓咪的「喀喀聲」可能源於挫折或興奮情緒,表達捕獵受阻的內在反應。圖/envato

要在科學上驗證「情緒假說」並不容易,因為需要同時測量貓咪行為和生理指標。例如,研究人員可能需要測量貓咪在卡卡叫時的壓力荷爾蒙變化,才能確認牠們究竟是帶著正面興奮,或是負面挫折的情緒。不過,由於貓的獨立特質,實驗設計往往困難重重,樣本量要足夠也不容易,所以至今沒有定論。

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增強嗅覺?貓咪的「第二鼻子」

另一種說法則認為,貓咪發出「卡卡聲」時,可能同時開啟了其位於口腔上顎的「犁鼻器」(vomeronasal organ),也稱作「賈氏器官(Jacobson’s organ)」。這個感知器官能捕捉一般鼻腔聞不到的化學分子,如費洛蒙或特定氣味分子,因此對貓的求偶、社交和獵捕行為都非常重要。

  • 嗅覺假說
    • 張口呼吸:如果貓咪一邊「咯咯咯」地開合上下顎,可能在嘗試讓空氣(及其中所含的氣味分子)進入犁鼻器。
    • 蒐集更多環境資訊:在確定下手前,更完整的嗅覺分析或能提高牠們獵捕成功率,或是幫助判斷環境中是否有其他潛在威脅或機會。

然而,要科學驗證「增強嗅覺假說」同樣不簡單。研究人員不僅要觀察貓咪在卡卡叫時的行為,也需要測量牠們是否真的打開了更大的氣道,並在那個同時有效使用犁鼻器。這些行為與生理測量都必須在相對可控卻又不影響貓自由行動的實驗環境中進行,實務上難度頗高。

聲音模仿:貓咪的「偽鳥叫」?

貓咪的「卡卡聲」或許是為了模仿獵物的聲音,讓獵物降低警戒。圖/envato

第三種最有趣也最具「野性色彩」的假說,是「模仿獵物聲音」。在野外,一些中南美洲的小型貓科動物(例如:長尾虎貓,又稱美洲豹貓或瑪家貓,Margay)曾被觀察到,在捕獵小猴群時,發出類似猴子叫聲的音調;有些當地原住民族群也傳說,叢林裡的某些捕食者會模仿目標獵物的聲音來誘捕。由此推測,家貓看到鳥兒時發出的「卡卡聲」,可能包含些微模仿鳥兒啁啾的元素,試圖降低獵物警戒或甚至吸引獵物靠近。

  • 模仿假說
    • 案例參考:野生貓科動物曾出現學習或偽裝聲音的紀錄。
    • 家貓可能繼承的行為:家貓的祖先——北非野貓(African wildcat)及其他小型貓科物種,是否具備聲音模仿能力?這在生物演化研究上仍是未解之謎。
    • 缺乏大規模觀察:由於小型野生貓科動物研究資料有限,且家貓實驗更不易做大樣本長期追蹤,最終導致此理論尚未獲得廣泛實證。

貓咪行為研究的挑戰:野性祖先的重要性

探討貓咪行為,常常需要回溯至野生祖先的棲地環境。家貓(Felis catus)普遍被認為源自北非野貓(Felis lybica),然而,野貓習性的研究本就不多,尤其是關於聲音與捕獵策略更是資料有限。我們想知道「為什麼家貓會卡卡叫」,首先要確定:「牠們的野性祖先或其他小型貓科,也有同樣的行為嗎?」若有,家貓則可能繼承自古老基因;若無,則可能是家貓在與人類共處的環境中演化出的新行為。

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如果要探查家貓「卡卡叫」的原因,還需要了解其祖先或其他小型貓科是否具有類似行為。圖/envato

再者,貓在實驗室中的「不可控」因素相當多。貓不像狗般樂於服從人類指令,常有自己的規律與個性。要在實驗情境下穩定地誘發貓的「卡卡叫」行為、同時檢測牠們的生理和心理反應,並確保每隻貓的個體差異都被考慮到,這些都對研究團隊是極大考驗。

對於許多貓奴來說,貓咪坐在窗邊,一邊盯著外頭的鳥兒或松鼠,一邊發出獨特的「卡卡聲」,是一幕既可愛又神祕的風景。究竟牠們是在抒發情緒、強化嗅覺、抑或真的在「假扮鳥叫」以誘捕獵物?目前沒有確切的答案。然而,也正因為這層未知,貓貓才更顯得迷人。

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F 編_96
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一個不小心闖入霍格華茲(科普)的麻瓜(文組).原泛科學編輯.現任家庭小精靈,至今仍潛伏在魔法世界中💃

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誠實面對人類參與的「自然」——太田欽也專訪
顯微觀點_96
・2024/07/11 ・3235字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文轉載自顯微觀點

斑馬魚是最知名的模式生物之一,其基因、型態與發育深受了解,並用於探討深度同源等重要演化生物學問題。但也有科學家提出,演化生物學該持續隨環境演進,並嘗試以新的實驗物種——金魚——探討人類世(Anthropocene)環境下的生物演化。

育種歷史與基因巧合 奠定金魚的演化生物學價值

例如有千年馴化歷史、型態千變萬化的金魚,就相當適合探討人類因素與生物型態演化的關聯。

中研院細生所派駐臨海研究站的演化與發育生物學家太田欽也指出,斑馬魚與金魚兩者的胚胎都可以透過顯微鏡仔細觀察,相對於受精一年後才成熟的金魚,斑馬魚有成熟較快,基因組較為單純等優點,也具備許多現成基因研究工具。

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但斑馬品系間仍以其生理機能與基因為主要差別,對型態差異的演化並未那麼明顯。因為,科學家為了操作基因與細胞特徵而培育斑馬魚,使不同品系的差異大多來自目標明確的基因工程。

金魚型態演化圖。Courtesy of Kinya Ota and Gembu Abe

而金魚的型態變異,則完全來自飼養者對型態的偏好和育種,蘊藏更多元的型態變化與發育差異。其悠長的馴養歷史以及更古老的基因重複(Gene Duplication)機遇,使其值得成為演化發育生物學的新模式生物。研究器材和方法上的調整,則是生物學家展現才智的機會。

太田欽也舉例,「一般的解剖顯微鏡工作距離適合觀察和操作斑馬魚,但是經過我們自己的創意,也改裝出可以對金魚進行顯微手術的器具和適合拍攝的大型解剖顯微鏡。設備上的差異並不難克服。」

金魚胚胎的發育生物學優勢

太田欽也說,現代生物學家以果蠅和微生物育種進行遺傳與演化實驗,擴大時間維度來看,千年來金魚愛好者挑選、強化金魚外觀特徵的過程,可以比擬長時間的人擇實驗。

金魚不僅適合用來觀察人擇壓力如何影響成年生物的型態。太田欽也更想進一步探索,從胚胎階段的差異進行選擇,是否可能改變生物的型態。

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太田欽也提到,人工育種對發育與型態的影響力也展現在其他物種上,例如家犬與鴿子也被培育出許多特殊表型。但是哺乳動物和鳥類的胚胎觀察不易,需要相當高的技術與成本。

相對於動物子宮與鳥類蛋殼內的胚胎,在透明卵囊中發育的半透明金魚胚胎,就是非常容易觀察的研究對象。只要有恰當的複式顯微鏡、解剖顯微鏡和顯微手術能力,金魚的胚胎從受精到孵化都可以全程順利紀錄,而且每次繁殖可以蒐集到上百筆資料。

現代顯微攝影技術搭配容易觀察的金魚胚胎,讓太田欽也可以拍攝清晰影片,在網路上生動地分享發育生物學知識。攝影:楊雅棠

自製影片 盼演化生物學跨過學院圍牆

除了將金魚研究成果發表在 Nature 等科學期刊,太田欽也同時努力當起「Youtuber」。他希望能將演化發育生物學、金魚飼育經驗、臨海研究站的學術特色,甚至是宜蘭的風光,透過網路傳達給大眾。

武漢肺炎導致的漫長隔離,是他學習影音製作的契機。最初他在百無聊賴之下看了大量影片,後來逐漸萌發「我也要拍自己的題材!」的企圖心。開始搜尋拍攝、後製、配樂等網路教學,在隔離的單人房中逐漸進步。

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太田欽也說,拍攝影片最重要的動機是「分享」。他解釋,「科學的頻道不管累積再多追蹤者,例如數十萬人追蹤的 Nature, Science, 觀眾也以科學領域工作者為主。現代知識逐漸朝向『專家』與『外人』的兩極化狀態發展,我不喜歡這樣的社會。」

如同他推進學術研究的方法,他也透過自學、自己組裝基礎設備如空拍機、手機等,在節省開支的情況下拍出了中研院同僚為之驚艷的影片。

太田欽也為臨海研究站拍攝的簡介影片,基本款空拍機呈現了頭城的舒暢美景。

在早已開始的人類世 何謂自然?

太田欽也熱衷以空拍影片介紹宜蘭的郊野與人文,但他對主流輿論的「自然環境」內涵存疑,他認為「自然」早已被人類行為大幅改變。自從農業擴張、工業革命發生,人類對環境與生物的改變程度早已無法恢復「自然原貌」。

他以金魚的馴化過程為例,從宋朝開始的愛好者,透過育種極力凸顯特殊形態,從沒有背鰭的「蛋種」,到眼周水泡足以遮蔽視線的「水泡眼」。都不是基於適應「自然」而進行的育種。

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太田欽也強調,「如果是宋朝或明朝人有今天的生物學工具,以他們的追求珍奇的育種態度,一定會用 CRISPR 編輯金魚基因,製造出更奇特的變異型態。」

他說,這樣的行為會在現代科學圈與社會輿論上遭到反對,「認為動物被修改基因、型態變異很可憐」,但人類採用動物進行藥物實驗或經濟用途時,也並未優先考慮「自然原則」。

太田欽也反問,「若是透過基因編輯技術將金魚修改回類似野生鯽魚的型態,更適應野外環境,這樣算是自然或不自然呢?」

建立科技倫理 而非堅守「自然」想像

他指出,金魚的馴化與育種反映著東亞社會的自然觀念,不同於西方基督教倫理的「人統御、保護自然」意識形態。可以促進人們反思,人類也身在其中的「自然」的標準是什麼?而非執著於保護想像中的自然「原狀」。

太田欽也強調,「本質化『自然』、建構一個保守不變的形象,不會幫助人們了解生物學。」

他認為,宋朝人、明朝人的自然觀念與今日不同;甚至現代人常引用的「道法自然」倡議者老子,他所提倡的自然,與現代許多人想像、意圖恢復的也是不同的自然。

背鰭退化、尾鰭倍增的蛋種雙尾金魚,是古代貴族最青眼有加的奇特型態之一。作者:清 馬文麟 來源:國立故宮博物院

太田欽也建言,科學地面對人類因素影響世界各地生態的現實、建立基因科技的社會倫理與規範,都是比恢復建構出的「自然」意象更重要的生物學議題。

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來自日本和歌山縣鄉間的太田欽也說,長期駐守宜蘭頭城的臨海研究站不僅是因為設施與職位,也是因為此處環境與故鄉有幾分神似。

「但我不會說這兩個地方都很『自然』,在人們對我說『這裡很自然!』的時候。」太田欽也無奈地笑說,「想到周遭可以釣起吳郭魚的溪流、被整治疏濬成田園的原洪氾濕地,反而會讓我很疑惑彼此對『自然』的共識。」

1995 年諾貝爾化學獎得主克魯岑(Paul Crutzen)指出,現代已是由人類行為影響地質特性的人類世。此概念引起地質科學界激烈討論,從新石器時代、工業革命到核彈試爆頻繁的 1960 年代都有學者認為是人類世的開端。

最後由國際地層委員會的人類世工作小組投票決定,視第二次世界大戰後、人口與人類活動高速成長的20世紀中葉為人類世起點。

查看原始文章

  1. Li IJ, Lee SH, Abe G, Ota KG. Embryonic and postembryonic development of the ornamental twin-tail goldfish. Dev Dyn. 2019 Apr;248(4):251-283.
  2. Abe G, Lee SH, Chang M, Liu SC, Tsai HY, Ota KG. The origin of the bifurcated axial skeletal system in the twin-tail goldfish. Nat Commun. 2014 Feb 25;5:3360.
  3. 太田欽也實驗室
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