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不只動物,植物可能也具有學習能力?

活躍星系核_96
・2017/05/04 ・1630字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 492 ・五年級

文/林孟均|行政院農業委員會苗栗區農業改良場副研究員

我們常覺得植物是種沒腦的生物,它們無法思考,更別說是學習了。但真的是這樣嗎?

西澳大學(The University of Western Australia, UWA)的研究團隊發現植物可能也有學習力!植物受到訓練可以學習事件間的關聯,並透過觀察環境的變化,出現類似動物的記憶及覓食等行為,這項研究 2016 年發表於著名的《科學報導》(Scientific Reports)期刊,受到國際植物學家的關注。

小豌豆想多「吃」點光,就去找風吧!

光線是植物生存的要素之一,植物運用光行光合作用製造養分,因此光線被視為是植物的糧食,西澳大學副教授 Monica Gagliano 偕同牛津及蘇黎世大學研究人員組成的研究團隊,想要了解植物是否可以透過訓練學習,並對於光線出現「覓食」行為?

將豌豆栽培於 Y 型迷宮中,在訓練期間先以風扇吹拂一段時間後,再照藍光(植物所需的光),建立豌豆對於風吹與藍光的聯想學習;接著在測試階段,僅以風扇在 Y 型迷宮的某一端吹拂,受訓的豌豆就像知道該方向比較容易出現光源般,會在黑暗的迷宮中傾向朝有風扇吹拂的方向生長,而未受訓練的豌豆則不會對風扇有特殊的偏好行為。

研究團隊認為這種現象就像豌豆具有覓食的行為,能透過訓練來記憶並建立事件間的特定聯結,「聯想」並朝著可能有糧食的方向生長。

科學家發現豌豆能透過訓練來「聯想」並朝著可能有糧食的方向生長。圖/By qtree @ pixabay, CC0 Public Domain

研究團隊更進一步調整訓練時間,先建立植物的生理時鐘一段時間,接著在植物認定是白天或夜間的時間,分別進行藍光與風扇的聯結學習,發現植物的學習行為會受到生理時鐘影響,僅有在白天接受訓練的植物會有聯結學習力,出現朝向風吹方向生長的覓食行為,夜間受訓的豌豆均不會出現聯結學習反應。

掌握制約實驗,讓你稱霸動/植物界

Gagliano 教授表示,他們的研究靈感來自於著名的巴夫洛夫古典制約試驗[註 1],狗可以透過訓練建立食物及鈴聲的聯結關係,在聽到鈴聲就聯想到食物,並出現流口水的行為。而他們的研究也發現相似的結果,豌豆也會學習光線及風吹的關係,感受到風吹而出現覓食行為。

過去的研究指出植物朝向光線處生長的向光性現象,是受到植物賀爾蒙──生長素(auxin)含量高低影響細胞生長大小的被動變化,這項研究卻顛覆這項理論,植物可透過學習,主動出現促進光合作用的覓食行為。

Gagliano 教授表示,動物有大腦可以用來記憶或學習,植物則可能是利用類似神經網絡(neural networks)的組織來進行記憶及學習能力的建構。

過去的研究指出植物朝向光線處生長的向光性現象,是受到植物賀爾蒙-生長素含量高低影響細胞生長大小的被動變化,這項研究卻顛覆這項理論,植物可透過學習,主動出現促進光合作用的覓食行為。圖/By MacKhayman, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons

有趣的是主導這項研究的 Gagliano 教授過去是研究熱帶魚生態的專家,或許是這個原因,讓研究團隊可以發現植物這個激似動物的學習力大發現!

Gagliano 也表示:植物學習力的發現,警示我們應該更加重視環境的破壞問題,因為這些破壞可能會加速植物朝著有利於生存的目標繁衍,並大大改變未來的環境生態樣貌,而植物是否有其他動物般的行為模式?也等著我們繼續深入的探索與發現!

  • 註 1:「巴夫洛夫古典制約試驗」:巴夫洛夫為俄羅斯生理學家,他觀察狗看到食物會分泌唾液,運用食物加上搖鈴聲來刺激狗分泌唾液,達到聯想學習訓練。爾後被訓練過的狗只要聽到搖鈴聲就會分泌唾液,對於狗的學習與記憶做出了詮釋,此項研究被視為古典制約理論的先驅。巴夫洛夫並在 1904 年因為對消化系統的研究得到諾貝爾醫學獎。

參考資料:


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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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我們的失眠和喜鵲的失眠有什麼地方不一樣?

胡中行_96
・2022/05/12 ・2031字 ・閱讀時間約 4 分鐘

輾轉反側,徹夜難眠的時候,您幾點起床?就算醒了,工作效率是否異常低落?
在此,請您非但別只想到自己,還要拿出一點同理心:因為被剝奪睡眠的澳洲喜鵲,也深受困擾。

徹夜難眠很可能會影響工作效率。圖/Pixabay

捉野生喜鵲來做失眠相關的實驗

2022 年 4 月的《科學報告》期刊,有一篇標題冗長的論文,叫做〈失眠削弱澳洲喜鵲的認知表現並改變其歌曲產出〉[1]。其第一作者澳洲 La Trobe 大學博士候選人 Robin Johnsson,認為歌唱的時辰與類型,對於喜鵲的社交生活相當重要,並以此做為研究主題[2]。且不論在 COVID-19 疫情之前,有些人就已經沒什麼社交生活,更不要談呼朋引伴一起歡唱 KTV,人家喜鵲可是隨時都過得多采多姿。

喜鵲齊聲合唱。影/Youtube

於是,牠們就被科學家抓去做實驗了。

首先,研究團隊架設陷阱,用起士誘捕野生喜鵲。為牠們戴上標有序號的腳環之後,再關進裝有監視器的房間裡。接著,為了測量腦電波圖(electroencephalogram, EEG)與肌肉電位圖(electromyogram, EMG),科學家把無辜的喜鵲抓來開刀。於其腦部表面和頸部肌肉,植入電極貼片(electrodes),方便之後記錄睡眠狀態[1]

然後,喜鵲們就去接受特訓。

反覆訓練後篩選符合資格的喜鵲來做失眠實驗

研究團隊準備了一種木製食器,左右各挖一個淺槽。其中一個槽裡,盛裝少量起士和麵包蟲。第一次食物直接攤在眼前,不加以掩飾;第二次猶抱琵琶半遮面;第三次開始蓋子完全擋住凹槽,令喜鵲啥也看不見。在訓練的初期,全部的食器都採用灰色蓋子。直到最後的「聯想學習」(associative learning),蓋子被換成黑色或白色。喜鵲掀開特定顏色的蓋子,發現下面藏有食物。這樣重複 15 次,讓牠們不把「食」、「色」的關係兜在一起也難[1]

認知測試的教具,澳洲喜鵲執行聯想或逆向學習任務。圖/參考資料 1

結訓後,研究團隊把食器裡的獎勵換成「不會動的麵包蟲冷盤」(chilled, unmoving mealworms),為喜鵲舉辦驗收成果的模擬考。除了執行「聯想學習」的覓食活動,科學家也期望牠們展現「反轉學習」(reversal learning)的能力。將蓋子的顏色調換,要喜鵲嘗試選出有食物的凹槽。這個階段有一些評分要點[1],例如:

  1. 喜鵲做出第一次選擇時,是否有延遲的行為。緩慢的反應,代表注意力不集中,或動機下降。
  2. 喜鵲得經過幾回,才能達到連續 12 次嘗試中,有 10 次正確的及格分數。
  3. 喜鵲選擇正確瓶蓋的比率。

凡是順利通過模擬考的喜鵲們,便能晉升至下一關。

在實驗的主要階段,喜鵲們被劃為三組,分別體驗下列三種睡眠模式之一:無干擾睡眠、6 小時睡眠剝奪,以及 12 小時睡眠剝奪。研究人員防止喜鵲睡著的花招,包括:迫近或拍打鳥舍、發出噪音,或是輕撫充滿睡意的喜鵲[1]。如同可憐的臺灣中學生,明明前晚都沒睡飽,隔天還得參加考試。研究人員存心要看失眠的喜鵲,怎麼失常。

人類跟喜鵲一樣會被睡眠影響行為

正式測驗的結果不出所料,沒睡飽的喜鵲容易犯錯,而且要花較長的時間,才能選出正確答案。有些喜鵲甚至失去參與測驗的動機,傾向找機會補眠。其實以前的研究便顯示,失眠也會降低人類的認知表現。諸如參與動機、清醒程度(alertness)、注意力、警戒等級(vigilance)等,都會受到負面影響[1]

除了喜鵲考試的成績,科學家也記錄了牠們社交行為的變化。失眠的喜鵲寧可睡覺,也不要唱歌。最後就算唱了,單曲的長度卻意外地延展。原本的晨曲改在中午演出,頻寬變得狹窄,內容相較貧乏,顫音也明顯減少。這與人類的口語溝通,大同小異。當一個人睡眠不足,說話的速度會緩慢下來,咬字不如平常清晰,語句重覆的機率提高,甚至可能妨礙聽眾理解講者所要傳達的訊息[1]

澳洲喜鵲有複雜的家族。牠們用歌聲來劃定疆域,分辨敵友,並建立「鳥」際關係。失眠不僅會害喜鵲把歌唱得七零八落,也會進一步危及其社交生活。既然以往的人類睡眠實驗結果,與喜鵲有那麼多的相似處,下次在抱怨疫情害自己沒朋友之前,我們是不是應該先睡飽,再來思考怎麼社交呢?

睡飽再來社交比較不會被睏意影響思考。圖/Pexels

備註:此實驗結束後,參與受試的澳洲喜鵲,均在 2019 年 7 月被野放。

參考資料:

  1. Sleep loss impairs cognitive performance and alters song output in Australian magpies (Scientific Reports, 2022)
  2. Researchers find what magpies lose from hitting snooze (Brisbane Times, 2022)


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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。臉書:荒誕遊牧。