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【Gene思書齋】沸騰的亞馬遜河流

Gene Ng_96
・2017/05/29 ・1817字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 443 ・四年級

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即使南美洲的亞馬遜河流域仍然給人神秘的感覺,但如果有人說,他在亞馬遜叢林深處發現一條科學上尚未公開描述的沸騰河流,河水滾燙到可以泡茶,動物跌進河裡馬上被煮熟,我會天真到相信嗎?

這是什麼時代了?我們有 Google Earth 耶,怎麼還會有這麼一個世人不知的神奇地方?這就像有人說雪霸國家公園內有一種未曾被描述的哺乳動物一樣啊。因為有 Google Earth,我有女性友人表示,過去在野外做研究時,使用的簡陋浴室沒屋頂原本不是問題,但現在她都會擔心會不會哪天洗澡時,被拍進 Google Earth 裡。

可是讀完安德魯.盧梭(Andrés Ruzo)的《沸騰的河流:亞馬遜叢林的探險與發現》The Boiling River),我驚呆了。我原本以為書名《沸騰的河流》的「沸騰」,是個象徵性的比喻,意思是熱情奔放等等的,看了書介才知「沸騰」就是字面上的意思,是河水物理性地「沸騰」,居然是我太腦補了!

原來我們那麼自以為是、以為人類早已翻遍、了解了地球上每一吋的土地,但其實我們還未徹底瞭解這個孕育了生命和文明的母親星球,卻早已因為私心而大肆殘害地球……

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《沸騰的河流》作者安德魯是位地質學家,從小在秘魯長大時,聽爺爺說亞馬遜叢林深處有條沸騰的河流。他長大後研究的正好是地熱,詢問地質學家和秘魯政府「沸騰河流」在哪時,大家都把他當白痴,他差點放棄。直到有一天家族聚餐,他姑姑說亞馬遜叢林深處不僅有條沸騰的河流,她還趁大豪雨水溫較低時跳下去游過泳。於是,他懇求姑姑帶他去探險。

因為那是條被薩滿巫師保護的聖河,所以他們前往亞馬遜叢林得先拜訪一位薩滿巫師,要得到薩滿巫師的許可,才能研究那條河。安德魯拜見薩滿巫師、真誠地打動了巫師,開始研究那條沸騰的河流,發現那條河真是太神奇了──沸騰的河水既非火山活動加熱的(最近的火山遠在七百公里之外)、也不是石油開採活動造成的;他搜遍網路,最後發現了秘密文獻。

沸騰河流是真的存在的!因為那是條被薩滿巫師保護的聖河,要得到薩滿巫師的許可,才能研究那條河。那條河真是太神奇了──沸騰的河水既非火山活動加熱的、也不是石油開採活動造成的。圖/nationalgeographic

那條沸騰的河流是個科學上首次被描述的特殊地熱現象。研究經費拮据,他先徵召自願者,冒著掉下去被水煮的危險,連續好幾年研究那條長達 6.24 公里、乾季最熱之處高達 94℃ 的沸騰河流。除了地熱研究,他也發現了能適應高溫的微生物。

另一個神奇之處,是薩滿巫師的草藥。安德魯在亞馬遜叢林中,原來被蚊子當作吸到飽大餐,可是在薩滿巫師的作法和草藥薰蒸後,蚊子開始敬他遠之。薩滿巫師表示,叢林接受了安德魯,所以不再排斥他,但我想一定有科學上的解釋。和薩滿巫師的相處,他也得知了許多寶貴的草藥知識,還有和大自然相處的哲學。

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在亞馬遜叢林中的這幾年,安德魯一再見識到地方居民、非法牧農、伐木業者、祕魯政府在當地逐利,大肆破壞開發雨林,大片森林永久消失,換來滿目瘡痍的土地。一向被認為邪惡且唯利是圖的石油公司,卻有誘因保護雨林,反而是短視的當地人縰容雨林被破壞。所以,雖然是個大發現,但為了以負責任的態度和做法來公開科學發現,他守密五年;為了保護沸騰的河,他成立了 Boiling River Project

這真的是個令人振奮的故事,原來地球上還有不少地方待人類探索和研究。沸騰的河流對當地人或者某些遊客來說,並不是啥新鮮事,但在科學上仍是片未被探索的處女地。

另外,安德魯的故事也說明:專家學者不總是對的,這世間仍有許多事,需要用實證的精神探尋答案。盡信書不如無書,在資訊發達的時代,我們更容易輕信已發表的知識,然而讀萬卷書,或許仍不如行萬里路,世界比我們所知的還遼闊,何不敞開心胸包容萬物?

本文原刊登於閱讀‧最前線【GENE思書軒】,並同步刊登於The Sky of Gene

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Gene Ng_96
295 篇文章 ・ 30 位粉絲
來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
43 篇文章 ・ 54 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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【成語科學】涇渭分明:古時的涇水、渭水分明現在還看得到嗎?誰濁誰清呢?
張之傑_96
・2023/09/27 ・1050字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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涇渭分明,是個很常用的成語,比喻界限清楚,或是非分明。讓我們先造兩個句看看。

這兩個政黨的主張,可謂涇渭分明,毫無妥協餘地。

他對是非善惡一向涇渭分明,沒人能影響他的看法。

接下來要說明這個成語的出處。《詩經.邶風》有句話:「涇以渭濁,湜湜其沚。」涇、渭是河川的名字。「涇以渭濁」,是說涇河因渭河而渾濁了。「湜湜其沚」,是說形容涇河的清澈。

當清澈的涇河,流入渾濁的渭河,起初清濁分明,形成了一道明顯的界限。這個自然現象,衍生出「涇渭分明」和「涇清渭濁」兩個成語。後者用來比喻人品高下或事物好壞顯而易見,限於篇幅,就不造句了。

涇河、渭河流域。圖/Wikimedia

那麼為什麼會涇清渭濁,或涇渭分明?在農業沒興起前,大地覆蓋著樹木或草原,河濱草木蔥蘢,這兩條河肯定都很清澈的。到了《詩經》時代,渭河流域已經開發,水土日漸流失,哪還能清澈?這時涇河流域的自然環境還沒破壞,所以河水仍是清澈的。

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然而,後來涇河流域也開發了,水也變渾了,甚至比渭河還要渾濁。這是因為涇河全程流經黃土高原,水土流失較渭河流域嚴重。唐代詩人杜甫在〈秋雨嘆〉詩中說:「濁涇清渭何當分」,可見當時涇河已經濯於渭河。

涇渭分明。圖/飛哥聊科學

那麼現在呢?由於渭河流域上游環境破壞,加上流失的土壤含有鐵質的關係,渭河的水色變得赤黃。因此涇渭分明仍然存在,但已成為水色一深一淺,而非一清一濁。

從涇河和渭河的水質變化可以看出,水土保持和河川的關係。以我們台灣來說,在清代時,許多河川都可以行船。以章老師居家附近的景美溪來說,清代時船隻可以沿著景美溪一直上溯到石碇。

然而由於集水區植被破壞,河川的水量減少,現今已沒有一條河川可以行船。西部地區除了河川水量變少,大多還遭到污染。當山洪爆發,滾滾泥沙傾瀉而下,往往造成土石流災害。

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那麼就沒辦法整治嗎?當然有。只要河川上游限制開發,沖進河裡的泥沙就會減少;下游不再導入污水,水質就會改善。以景美溪來說,如今河水已不再惡臭,除了耐污染的吳郭魚,還有鯉魚、塘蝨等生息呢!不過要恢復到清代那樣,河水豐沛得可以行船,恐怕已不可能了。

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【Gene思書齋】沸騰的亞馬遜河流
Gene Ng_96
・2017/05/29 ・1817字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 443 ・四年級

即使南美洲的亞馬遜河流域仍然給人神秘的感覺,但如果有人說,他在亞馬遜叢林深處發現一條科學上尚未公開描述的沸騰河流,河水滾燙到可以泡茶,動物跌進河裡馬上被煮熟,我會天真到相信嗎?

這是什麼時代了?我們有 Google Earth 耶,怎麼還會有這麼一個世人不知的神奇地方?這就像有人說雪霸國家公園內有一種未曾被描述的哺乳動物一樣啊。因為有 Google Earth,我有女性友人表示,過去在野外做研究時,使用的簡陋浴室沒屋頂原本不是問題,但現在她都會擔心會不會哪天洗澡時,被拍進 Google Earth 裡。

可是讀完安德魯.盧梭(Andrés Ruzo)的《沸騰的河流:亞馬遜叢林的探險與發現》The Boiling River),我驚呆了。我原本以為書名《沸騰的河流》的「沸騰」,是個象徵性的比喻,意思是熱情奔放等等的,看了書介才知「沸騰」就是字面上的意思,是河水物理性地「沸騰」,居然是我太腦補了!

原來我們那麼自以為是、以為人類早已翻遍、了解了地球上每一吋的土地,但其實我們還未徹底瞭解這個孕育了生命和文明的母親星球,卻早已因為私心而大肆殘害地球……

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《沸騰的河流》作者安德魯是位地質學家,從小在秘魯長大時,聽爺爺說亞馬遜叢林深處有條沸騰的河流。他長大後研究的正好是地熱,詢問地質學家和秘魯政府「沸騰河流」在哪時,大家都把他當白痴,他差點放棄。直到有一天家族聚餐,他姑姑說亞馬遜叢林深處不僅有條沸騰的河流,她還趁大豪雨水溫較低時跳下去游過泳。於是,他懇求姑姑帶他去探險。

因為那是條被薩滿巫師保護的聖河,所以他們前往亞馬遜叢林得先拜訪一位薩滿巫師,要得到薩滿巫師的許可,才能研究那條河。安德魯拜見薩滿巫師、真誠地打動了巫師,開始研究那條沸騰的河流,發現那條河真是太神奇了──沸騰的河水既非火山活動加熱的(最近的火山遠在七百公里之外)、也不是石油開採活動造成的;他搜遍網路,最後發現了秘密文獻。

沸騰河流是真的存在的!因為那是條被薩滿巫師保護的聖河,要得到薩滿巫師的許可,才能研究那條河。那條河真是太神奇了──沸騰的河水既非火山活動加熱的、也不是石油開採活動造成的。圖/nationalgeographic

那條沸騰的河流是個科學上首次被描述的特殊地熱現象。研究經費拮据,他先徵召自願者,冒著掉下去被水煮的危險,連續好幾年研究那條長達 6.24 公里、乾季最熱之處高達 94℃ 的沸騰河流。除了地熱研究,他也發現了能適應高溫的微生物。

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另一個神奇之處,是薩滿巫師的草藥。安德魯在亞馬遜叢林中,原來被蚊子當作吸到飽大餐,可是在薩滿巫師的作法和草藥薰蒸後,蚊子開始敬他遠之。薩滿巫師表示,叢林接受了安德魯,所以不再排斥他,但我想一定有科學上的解釋。和薩滿巫師的相處,他也得知了許多寶貴的草藥知識,還有和大自然相處的哲學。

在亞馬遜叢林中的這幾年,安德魯一再見識到地方居民、非法牧農、伐木業者、祕魯政府在當地逐利,大肆破壞開發雨林,大片森林永久消失,換來滿目瘡痍的土地。一向被認為邪惡且唯利是圖的石油公司,卻有誘因保護雨林,反而是短視的當地人縰容雨林被破壞。所以,雖然是個大發現,但為了以負責任的態度和做法來公開科學發現,他守密五年;為了保護沸騰的河,他成立了 Boiling River Project

這真的是個令人振奮的故事,原來地球上還有不少地方待人類探索和研究。沸騰的河流對當地人或者某些遊客來說,並不是啥新鮮事,但在科學上仍是片未被探索的處女地。

另外,安德魯的故事也說明:專家學者不總是對的,這世間仍有許多事,需要用實證的精神探尋答案。盡信書不如無書,在資訊發達的時代,我們更容易輕信已發表的知識,然而讀萬卷書,或許仍不如行萬里路,世界比我們所知的還遼闊,何不敞開心胸包容萬物?

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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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誰在馬丘比丘終老?來自印加帝國各地,還有遙遠的亞馬遜
寒波_96
・2023/09/13 ・3774字 ・閱讀時間約 7 分鐘

馬丘比丘(Machu Picchu)可謂世界知名的遺跡,觀光客前仆後繼。後世外人神秘的想像下,這兒其實是印加帝國王室冬季渡假的離宮,平時有一批工作人員長住。公元 2023 年發表的論文,透過古代 DNA 分析,證實這群人來自南美洲各地。

馬丘比丘,鍵盤旅遊常見的俯視視角。圖/Eddie Kiszka/Pexels, CC BY-SA

印加王室專屬的服務團隊

馬丘比丘位於現今的秘魯南部,安地斯山區海拔 2450 公尺之處,距離印加帝國的首府庫斯科(Cusco)約 75 公里,只有幾天路程。此處當年是一片完整的園區,足以容納數百人,王室成員會在冬天造訪(南半球的冬天,就是台灣所屬北半球的夏季月份)。

即使是使用淡季,馬丘比丘也住著不少工作人員;從遺留至今的墓葬,可以見到他們的存在。園區由 15 世紀初開始營業,到印加帝國 16 世紀滅亡為止,此後與外界斷絕聯繫數百年,一直到 1912 年,美國調查隊再度「發現」這處世界奇觀。

馬丘比丘總共留下 107 座墓葬,174 位長眠者。這群人顯然不是印加王室,應該是歷代的服務團隊。以前有許多證據,根據不同手法與思維,支持馬丘比丘的工作員來歷很廣。例如這兒的陶器,各地風格都有。

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誰在馬丘比丘工作呢?發跡於庫斯科的印加帝國,後來成為廣大疆域的征服者,有一套「米塔(Mita)」制度調用各地的資源與人力。這套韭菜輪替,後來被西班牙殖民者沿用加改造,成為恐怖的剝削機器,也算是南美洲國家現今社會問題的一個根源。

然而,馬丘比丘的工作人員應該不是米塔制度的服役者,而是「亞納柯納(yanacona)」。他們是王室專屬的服務人員,來自帝國各地,小時候就離開家鄉,接受培育以服務王室。

印加帝國的地理格局。圖/參考資料1

來自印加各地,還有帝國以外的亞馬遜

這項研究由馬丘比丘的墓葬取得 34 個古代基因組,以及附近烏魯班巴谷(Urubamba Valley)的 34 位古代居民樣本,他們代表當地原本的鄉民。

分析發現,印加帝國能接觸到的地區,當地特色的血緣都能在馬丘比丘見到。唯一例外是帝國最南端,現今智利中部、阿根廷西部那一帶。這使得馬丘比丘,成為印加帝國 DNA 多樣性最高的地點。

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但是我不覺得,這等於馬丘比丘存在多樣性很高的「遺傳族群」。分析對象中只有一對母女,其他人都沒有血緣關係。這群人的 DNA 差異大,是因為持續有一位又一位孤立的人,從不同地方被帶進來,整群人只能算特殊個體的集合。

不過遠離家鄉,服務終生的亞納柯納們,彼此間還是可以結婚生小孩的。

性別方面有細微的差異。整體而言,男生具備較多安地斯高地的血緣,女生則配備更多高地以外族群的血緣。一個因素是,有些女生來自更遠的地方,例如文化有別的亞馬遜地區。

印加帝國對亞馬遜的政治勢力不是征服關係,似乎大致上對等。有些亞馬遜的女生大概出於交流目的,來到印加帝國。至少長眠於馬丘比丘的這幾位,生前受到的待遇看來不錯。

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馬丘比丘長眠者的年代與血緣組成。圖/參考資料1

山區到更高山區的情慾交流

對於更在地的族群調查,發現一件有趣的事。庫斯科附近的人群,以「秘魯南部高地」血緣為主,可以視為長居本地的血緣。一部分人卻也能偵測到,與更高山上之「的的喀喀湖(Titicaca)」的居民共享血緣。

庫斯科與的的喀喀湖,兩個地區有點距離,考古學證據指出,早於 2500 年前兩地間就存在交流。而遺傳學分析則支持,兩地存在情慾流動;可惜現有樣本,不太能精確判斷交流發生的年代。

來自亞馬遜的媽媽,女兒,爸爸

這批調查對象中,我覺得長眠於馬丘比丘的那對母女最有意思,值得特別思考。這對母女都是百分之百的亞馬遜西北部血緣,長眠於同一墓穴,兩者的關係在當時有被強調。

「亞馬遜」的面積妖獸大,印加帝國最有機會接觸的,應該是距離安地斯東方不遠的區域,也就是亞馬遜的西部和西北部。不論如何,亞馬遜有自己的一套,印加帝國與其有所交流,不過始終無法將其納入統治。

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征服到山與海的盡頭!以及雨林的邊緣……

馬丘比丘長眠者的鍶穩定同位素比值。圖/參考資料1

根據牙齒中鍶的穩定同位素,可以判斷一個人小時候在哪兒長大。媽媽 MP4b 成長於亞馬遜地區,表示她在長出恆齒後才抵達安地斯。

她的女兒 MP4f 則無法判斷具體地點,不過應該位於安地斯山區。兩人後來都在馬丘比丘服務,去世後長眠於此。

女兒沒有其餘地區血緣的特色,意謂女兒的爸,也配備百分之百的亞馬遜西北部 DNA,只是在馬丘比丘墓葬中看不到他。

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印加帝國興起,亞馬遜扮演什麼角色?

年代方面,媽媽算是長眠於馬丘比丘最早的一批人,處於印加建國的初期,甚至有可能早於開國之日。

依照歷史敘事,印加帝國始於「印加太祖」帕查庫特克(Pachacuti)擊敗昌卡人(Chanka)。印加勢力征服烏魯班巴谷以後,才有機會建設其上方的馬丘比丘。而印加太祖登基的年份為 1438 年。

然而,針對馬丘比丘遺骸的放射性碳同位素定年(碳14),指出兩人的年代或許早於 1420 年。考古學家因此懷疑,印加帝國建國的實際年代比 1438 年更早,也許早在 1420 年已經完成建國大業。

馬丘比丘最早長眠者的年代,似乎比歷史敘事中,印加帝國建國的 1438 年更早。圖/參考資料4

亞馬遜西北部長大的媽媽 MP4b 之年代,剛好介於這段時期。不論如何,這都是明確的證據,支持印加帝國建國之初,和亞馬遜之間有一定程度的正面交流。而女兒的爸,身份也引人好奇。

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他是當時亞馬遜政權派往印加的政治代表,或是軍事團助拳人嗎?還是替印加王室服務的商人,或是作戰的傭兵?他是在哪個地方,什麼情境下,與來自家鄉的女性生下女兒?最後,他本人最終的命運如何?

馬丘比丘在這對母女以後,至少還有四位純亞馬遜西北部血緣的女性長眠,延續到印加帝國的最後時期,當中至少兩位是在安地斯山區長大,和前輩女兒 MP4f 一樣。印加王室與亞馬遜的人口交流,貫串整段帝國時光。

古代 DNA 的分析,有相當客觀的套路,但是從中能牽引出的主觀議題千變萬化,非常有意思。

延伸閱讀

參考資料

  1. Salazar, L., Burger, R., Forst, J., Barquera, R., Nesbitt, J., Calero, J., … & Fehren-Schmitz, L. (2023). Insights into the genetic histories and lifeways of Machu Picchu’s occupants. Science Advances, 9(30), eadg3377.
  2. Who lived at Machu Picchu? DNA analysis shows surprising diversity at the ancient Inca palace
  3. Ancient DNA reveals diverse community in ‘Lost City of the Incas’
  4. Burger, R. L., Salazar, L. C., Nesbitt, J., Washburn, E., & Fehren-Schmitz, L. (2021). New AMS dates for Machu Picchu: results and implications. Antiquity, 95(383), 1265-1279.

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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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。