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如果擁有《刺客教條》的鷹眼視覺,你看見的世界會有多精彩?

Peggy Sha/沙珮琦
・2017/07/18 ・4730字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 476 ・五年級

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在《刺客教條》(Assassin’s Creed)系列電玩中,歷代刺客都擁有特殊的「鷹眼」(Eagle Vision)視覺,可以藉由攀爬遊戲中的制高點來解開地圖、觀察形勢,順便 360° 全方位賞景兼耍帥。

在遊戲中,這種超凡的能力更能讓刺客看見血漬、路徑、乃至於敵人的蹤跡,讓角色不但可以充當偵探,還能始終保持沉默寡言的高冷風範,完全不用開口,看一眼就知道是敵是友。而他們 2017 年最新一代的作品中,更要嘗試將玩家直接變成老鷹,翱翔在天際,目前從官方釋出的宣傳片看起來,真是令人心癢難耐啊!(私心期待)

爬高高才能帥氣地看向遠方~圖/giphy

其實縱觀各種動漫、電玩和小說作品中,都常常有關於這種超強視覺的描述內容,不過,老鷹的視覺究竟是為何得以如此厲害?如果人類真的能擁有鷹一樣的眼睛,是不是人人都可以成為漫威英雄呢?

換上鷹眼,人人都是大眼仔

第一步,先讓我們將老鷹的眼睛裝在人的眼窩中吧!擁有了鷹的眼睛後,人人都可以變大眼美女/帥哥,再也不用擔心貼雙眼皮或畫眼線等等的問題。跟人類的眼睛比起來,鷹的眼睛簡直大得出奇──這指的不是牠們眼睛的真正大小,而是相對於頭部的比例。

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若以一隻 4.5 公斤的鷹來說,牠的眼睛大概就跟一個 90 公斤的人差不多大,所以假定在 60 公斤的人身上裝鷹眼……嗯,你臉上的其他器官大概都不太重要了吧(?)

給我更大的眼睛!圖/《人工進化》電影劇照 @IMDb

那麼,這麼大的眼睛到底會帶來什麼樣的好處呢?可以肯定的是,你的視野會變得更加開闊(這就是我們的電視為什麼越買越大的原因),讓你可以同時看到更多的東西。然而,這麼大的眼睛其實也有壞處,因為它們實在是太大了,以至於很難自由轉動,換言之,如果你要看向不同的地方,你就必須不斷擺動自己的頭。(所以當你偷瞄別人時,就更難不被你的伴侶發現惹 XD

鷹的視野開闊還有另一個原因,那就是牠們的眼睛分別在喙的兩側,而不像人類雙眼向前直視。以庫柏鷹(雞鷹,Accipiter cooperii)來說,牠們的雙眼視覺(binocular vision)約 36°、橫向視野(lateral field)則左右各 132°,意思即是,牠們只有後腦杓 60° 是完全看不到的,其他的部分都可以盡收眼底,相較之下,人眼視場僅能看到 200° 左右,完全就是「視野狹小」啊!(所以我說那個……刺客先生你都不用轉頭就能全方位賞景是怎麼回事?)

鷹的視野比人類廣得多,中間是庫柏鷹的視野。圖/實驗圖片

高密度感光細胞,看什麼都超清晰

除了超廣角的視野外,鷹眼更擁有超高解析度,這是因為牠們視網膜中的感光細胞密度極高。感光細胞分為兩種:視桿細胞(rod cell)和視錐細胞(cone cell);視桿細胞可以偵測很低的光度,而視錐細胞則可以在光線充足的情況下辨識彩度。

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高密度的感光細胞就像是配備了優良設備的照相機一般,讓鷹眼可以捕捉到更多的細節,而牠們眼中的兩個「中央窩」,更幫助牠們看遠看近都清晰!中央窩 fovea)位於視網膜中心黃斑部的中間,是眼睛中視覺最清晰、感光最敏銳的精華區域。人類僅有一個中央窩,而部分鳥類則有兩個。

雙倍的中央窩有什麼作用呢?當然是視覺上的雙倍滿足囉!鷹的淺中央窩可以讓牠們看清近距離物品上的細節,而深中央窩則像是望遠鏡的凸透鏡,有助於放大影像,並方便判斷出物品與自己間的距離。以上種種特殊構造讓牠們可在 3.2 公里之外就看見野兔的蹤跡,同時計算出自己需要花多少時間抓到獵物。

咦?那刺客可以看那麼遠嗎?

讓我們從《刺客教條:大革命》(Assassin’s Creed Unity)這部作品來瞧瞧:鐘樓怪人的老家「巴黎聖母院」(Notre-Dame de Paris)有一個可供同步的鳥瞰點(View Points),刺客站在上面最遠約可以清楚看見羅浮宮(Musée du Louvre)和巴黎商業交易所(Bourse De Commerce),如下圖所示:

相關位置示意圖。圖片改編自遊戲截圖

聖母院和兩座建築物間的實際距離皆是 1.25 公里左右,若有鷹眼加持,自然綽綽有餘。事實上,擁有鷹眼的刺客只需站在遊戲地圖中央就可以將所有地點看得一清二楚,根本不用一個個鳥瞰點分別同步。(刺客 os:那我爬得那麼辛苦是為了什麼?)

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如果你也擁有這樣的視覺,下次看 NBA 球賽的時候就不用再搶前排票了,反正就算坐在最外圍,你也依舊能看清球員臉上的表情。(還能算出要花多少時間衝上去要簽名)

鷹眼幫你捕捉各種球員表情!圖/giphy

比柯南辦案更犀利,紫外線也難不倒你

鷹的雙眼除了可以看見更清晰的影像外,也能看見比我們更多的色彩。在前文中我們提到了鷹擁有高密度的視錐細胞,事實上,牠們的視錐細胞不僅比較多,甚至還比人類多了一種。人類僅有三種視錐細胞,而鳥類則有四種,牠們的視錐細胞不僅可以分辨不同波長的光,更能夠看見人眼不可見的紫外線。如果要捕捉獵物,鷹便可用紫外線視覺(ultraviolet sensitiveUVS)追蹤獵物的尿液痕跡。這樣看來,遊戲中的刺客用鷹眼辦案其實也挺合理的,如果有了如此強大的視覺,跟偵探們搶飯碗簡直是輕而易舉。

想解開開膛手傑克留下的線索,就用鷹眼吧!圖/《刺客教條:梟雄》遊戲截圖

此外,在牠們的視錐細胞外層更有一層「油滴」(Oil droplet),這些油滴含有大量類胡蘿蔔素(carotenoid),就像是一層特別的濾網一樣,可以攔截、過濾光,並減少不同視錐細胞間的光譜敏感度重疊之處,可以將短波長、中波長區分開來。理論上來說,這種構造可以藉由吸收光譜的重疊部分,讓鳥類得以分辨更多的顏色。

油滴(Oil droplet),可以減少不同視錐細胞間的光譜敏感度重疊之處,讓鳥類得以分辨更多的顏色。圖/By Jimfbleak, Public Domain, wikimedia commons

我們很難理解鷹眼所看見的顏色究竟是什麼樣的,就像我們很難跟盲人描述顏色,鳥類眼中的顏色對我們來說實在無法想像。不過,若是有了那樣的色彩分辨能力,我們衣櫃裡的衣服大概都要重新購置,很多人應該也都會提出加大衣櫃的急切需求。

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想有超強視覺?拿味覺嗅覺來換吧!

這麼看起來,鷹眼真的是好處多多啊,雖然我們不會拿這種視力來打獵,不過舉凡看賽、裁判、抓小三,似乎全是好處啊!然而……真的是這樣嗎?

事實上,由於鷹的視覺實在是太敏銳了,導致牠們的其他感官顯得較為遲鈍。

鳥類對於氣味較不在乎,雖然這並不表示牠們沒有嗅覺,但若是面對兩種外型相同、氣味不同的食物時,牠們的選擇幾乎不受氣味影響。試想如果我們分不出巧克力冰淇淋和「黃金」的差別,只因為它們的外型一樣,這難道不可怕嗎?

此外,鳥類的味覺相較人類也差了許多,牠們只有數十個味蕾,而人類舌上則有近一萬個味蕾,兩者間的差異可以而知。(這就表示你分辨出黃金的機率又更低了一點……

是巧克力冰淇淋……嗎?圖/By memranmir @pixabay

輕薄高解析度隱眼,鷹眼視覺不是夢

如果我們想要真正擁有鷹眼般的視力,除了投胎到二次元空間外,還有沒有別的辦法呢?

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其實,這種願望已經不是幻想。早在 2013 年,聖地牙哥加大(UCSD)和洛桑聯邦理工學院(EPFL)的研究小組便已開發出一款新型「超輕薄」的隱形眼鏡,厚度僅有 1.17 mm

雖然相關隱形眼鏡的研究已經進行了一段時間了,過去的眼鏡卻有太大太厚的缺點,常讓配戴人感覺不適。而比較有效率的隱形眼鏡又需要以手術植入,侵入性太高。

那新的隱形眼鏡有多厲害,廢話不說,先上張圖:

2.8 倍光學變焦超清晰。圖/實驗圖片

這副眼鏡具有 2.8 倍光學變焦能力,而為了達到變焦,眼鏡經過特別設計,光線會先在鏡片內反射四次,方才進入配戴者的眼睛。此外,它更能夠校正色差,以避免失真。這項研究是為了幫助老年性黃斑部病變(age-related macular degenerationAMD)的患者找回原有視力,但或許也能夠讓一般視力者從此擁有一雙「鷹眼」,就讓我們拭目以待吧!

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  • 如果等不及隱型眼鏡上市,也可以先用刺客教條的老鷹視覺過過乾癮:

參考資料:

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Peggy Sha/沙珮琦
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曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。

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地震之島的生存法則!921地震教育園區揭開台灣的防災祕密
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/20 ・4553字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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為什麼台灣會像坐在搖搖椅上,總是時不時地晃動?這個問題或許有些令人不安,但卻是我們生活在這片土地上的現實。根據氣象署統計,台灣每年有 40,000 次以上的地震,其中有感地震超過 1,000 次。2024年4月3日,花蓮的大地震發生後,台灣就經歷了超過 1,000 次餘震,這些數據被視覺化後形成的圖像,宛如台北101大樓般高聳穿雲,再次引發了全球對台灣地震頻繁性的關注。

地震發生後,許多外國媒體擔心半導體產業會受影響,但更讓他們稱奇的是,台灣竟然能在這麼大的地震之下,將傷害降到這麼低,並迅速恢復。不禁讓人想問,自從 25 年前的 921大地震以來,台灣經歷了哪些改變?哪些地方可能再發生大地震?如果只是遲早,我們該如何做好更萬全的準備?

要找到這些問題的答案,最合適的地點就在一座從地震遺跡中冒出的主題博物館:國立自然科學博物館的 921地震教育園區。

圖:跑道捕捉了地震的瞬間 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

下一個大地震在哪、何時?先聽斷層說了什麼

1999年9月21日凌晨1點47分,台灣發生了一場規模7.3的大地震,震央在南投縣集集鎮,全台 5 萬棟房子遭震垮,罹難人數超過 2,400 人。其中,台中霧峰光復國中校區因車籠埔斷層通過,地面隆起2.6公尺,多棟校舍損毀。政府決定在此設立921地震教育園區,保留這段震撼人心的歷史,並作為防災教育的重要基地。園區內兩處地震遺跡依特性設置為「車籠埔斷層保存館」和「地震工程教育館」。

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車籠埔斷層保存館建於原操場位置,為了保存地表破裂及巨大抬升,所以整體設計不採用樑柱結構,而是由82根長12公尺、寬2.4公尺、重約10噸的預鑄預力混凝板組成,外觀為曲線造型,技術難度極高,屬國內外首見,並榮獲多項建築獎。而地震工程教育館保留了原光復國中受損校舍,讓民眾親眼見證地震的驚人破壞力,進一步強調建築結構與安全的重要性。毀損教室旁設有由園區與「國家地震工程研究中心」共同策劃的展示館,透過互動展示,讓參觀者親手操作,學習地震工程相關知識。

國立自然科學博物館地質學組研究員蔣正興博士表示,面積上,台灣是一個狹長的小島,卻擁有高達近4000公尺的山脈,彰顯了板塊激烈擠壓、地質活動極為活躍的背景。回顧過去一百年的地震歷史,從1906年的梅山地震、1935年的新竹-台中地震,到1999年的921大地震,都發生在台灣西部,與西部的活動斷層有密切關聯,震源位於淺層,加上人口密度較高,因此對台灣西部造成了嚴重的災情。

而台灣東部是板塊劇烈擠壓的區域,地震震源分佈更廣。與西部相比,雖然東部地震更頻繁,但由於人口密度相對較低,災情相對較少。此外,台灣東北部和外海也是地震多發區,尤其是菲律賓海板塊往北隱沒至歐亞板塊的隱沒地震帶,至沖繩海槽向北延伸,甚至可能影響到台北下方,發生直下型地震,這種地震因震源位於城市正下方,危害特別大,加上台北市房屋非常老舊,若發生直下型地震,災情將非常嚴重。

除了台北市,蔣正興博士指出在台灣西部,我們特別需要關注的就是彰化斷層的影響,該斷層曾於1848年發生巨大錯動。此外,我們也需要留意西南部的地震風險,如 1906 年的梅山地震。此兩條活動斷層距今皆已超過 100 年沒活動了。至於東部,因為存在眾多活動斷層,當然也需要持續注意。

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我們之所以擔心某些斷層,是因為這些區域可能已經累積了相當多的能量,一旦達到臨界點,就會釋放,進而引發地震。地質學家通常會沿著斷層挖掘,尋找過去地震的證據,如受構造擾動沉積物的變化,然後透過定年技術來確定地震發生的時間點,估算出斷層的地震週期,然而,這些數字的計算過程非常複雜,需要綜合大量數據。

挑戰在於,有些斷層的活動時間非常久遠,要找到活動證據並不容易。例如,1906年的梅山地震,即使不算久遠,但挖掘出相關斷層的具體位置仍然困難,更不用說那些數百年才活動一次的斷層,如台北的山腳斷層,因為上頭覆蓋了大量沉積物,要找到並研究這些斷層更加困難。

儘管我們很難預測哪個斷層會再次活動,我們仍然可以預先對這些構造做風險評估,從過往地震事件中找到應變之道。而 921 地震教育園區,就是那個可以發現應變之道的地方。

圖:北棟教室毀損區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

921 後的 25 年

在園區服務已 11 年的黃英哲擔任志工輔導員,常代表園區到各地進行地震防災宣導。他細數 921 之後,台灣進行的六大改革。制定災害防救法,取代了總統緊急命令。修訂了建築法規,推動斷層帶禁限建與傳統校舍建築改建。組建災難搜救隊伍,在面對未來災害時能更加自主應對。為保存文化資產,增設了歷史建築類別,確保具有保存價值的建築物得到妥善照料。

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最後,則是推行防災教育。黃英哲表示,除了在學校定期進行防災演練,提升防災意識外,更建立了921地震教育園區,不僅作為教育場所,也是跨部門合作的平台,例如與交通部氣象署、災害防救辦公室、教育部等單位合作,進行全面的防災教育。園區內保留了斷層線的舊址,讓遊客能夠直觀地了解地震的破壞力,最具可看性;然而除此之外,園區也是 921 地震相關文物和資料的重要儲存地,為未來的地震研究提供了寶貴的資源。

堪稱園區元老,在園區服務將近 19 年,主要負責日語解說工作的陳婉茹認為,園區最大的特色是保存了斷層造成的地景變化,如抬升的操場和毀壞的教室場景,讓造訪的每個人直觀地感受地震的威力,尤其是對於年輕的小朋友,即使他們沒有親身經歷過,也能透過這些真實的展示認識到地震帶來的危險與影響。

陳婉茹回憶,之前有爸媽帶著小學低年級的小朋友來參觀,原本小朋友並不認真聽講,到處跑來跑去,但當他看到隆起的操場,立刻大聲說這他在課本看過,後來便聚精會神地聽完 40 分鐘的解說。

圖:陳婉茹在第一線負責解說工作 / 圖片來源:921地震教育園區

除了每看必震撼的地景,園區也透過持續更新策展,邀請大家深入地震跟防災的各個面向。策展人黃惠瑛負責展示設計、活動規劃、教具設計等工作。她提到,去年推出的搜救犬特展和今年的「921震災啓示展」與她的個人經歷息息相關。921 大地震時的她還是一名台中女中的住宿生,當時她儘管驚恐,依舊背著腿軟的學姊下樓,讓她在策劃這些展覽時充滿了反思。

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在地震體驗平臺的設計中,黃惠瑛強調不僅要讓觀眾了解災害的破壞力,更希望觀眾能從中學到防災知識。她與設計師合作,一樓展示區採用了時光機的概念,運用輕鬆、童趣的風格,希望遊客保持積極心態。二樓的地震體驗平臺結合六軸震動臺和影片,讓遊客真實感受921地震的情境。她強調,這次展覽的目標是全民,設計上避免了血腥和悲傷的元素,旨在讓觀眾帶著正向的感受離開,並重視防災意識。

圖:地震體驗劇場 / 圖片來源:921地震教育園區

籌備今年展覽的最大挑戰是緊迫的時間。從五月開始,九月完成,為了迅速而有效地與設計師溝通,黃惠瑛使用了AI工具如ChatGPT與生成圖像工具,來加快與設計師溝通的過程。

圖:黃惠瑛與設計師於文件中討論設計/ 圖片來源:921地震教育園區

蔣正興博士說,當初學界建議在此設立地震教育園區,其中一位重要推手是法國地質學家安朔葉。他曾在台灣指導十位台灣博士生,這些博士後來成為地質研究的中堅力量。1999年921大地震後,安朔葉教授立刻趕到台灣,認為光復國中是全球研究斷層和地震的最佳觀察點,建議必須保存。為紀念園區今年成立20週年,在斷層館的展示更新中,便特別強調安朔葉的貢獻與當時的操場圖。

此外,作為 20 週年的相關活動,今年九月也將與日本野島斷層保存館簽署合作備忘錄(MOU),強化合作並展示台日合作歷史。另一重頭戲則是向日本兵庫縣人與自然博物館主任研究員加藤茂弘致贈感謝狀,感謝他不遺餘力,長期協助園區斷層保存館的剖面展品保存工作。

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右圖:法國巴黎居禮大學安朔葉教授。左圖:兵庫縣立人與自然博物館主任研究員加藤茂弘
/ 圖片來源:921地震教育園區

前事不忘,後事之師

盡力保存斷層跟受創校舍,只因不想再重蹈覆徹。蔣正興博士表示,921地震發生在車籠埔斷層,其錯動形式成為全球地質研究的典範,尤其是在研究斷層帶災害方面。統計數據顯示,距離車籠埔斷層約100公尺內,住在上盤的罹難率約為1%,而下盤則約為0.6%。這說明住在斷層附近,特別是上盤,是非常危險的。由於台灣主要是逆斷層活動,這一數據清楚告訴我們,在上盤區域建設居住區應特別小心。

2018年花蓮米崙斷層地震就是一個例證。

在921地震後,政府在斷層帶兩側劃設了「地質敏感區」。因為斷層活動週期較長,全球大部分地區難以測試劃設敏感區的有效性,但台灣不同,斷層活動十分頻繁。例如 1951 年,米崙斷層造成縱谷地震,規模達 7.3,僅隔 67 年後,在 2018 年再次發生花蓮地震,這在全球是罕見的,也因此 2016 年劃設的地質敏感區,在 2018 年的地震中便發現,的確更容易發生地表破裂與建築受損,驗證了地質敏感區劃設的有效性。

圖:黃英哲表示曾來園區參訪的兒童寄來的問候信,是他認真工作的動力 / 圖片來源:921地震教育園區

在過去的20年裡,921地震教育園區不僅見證了台灣在防災教育上的進步,也承載著無數來訪者的情感與記憶。每一處地震遺跡,每一項展示,都在默默提醒我們,那段傷痛歷史並未走遠。然而,我們對抗自然的力量,並非源自恐懼,而是源自對生命的尊重與守護。當你走進這座園區,感受那因地震而隆起的操場,或是走過曾經遭受重創的教室,你會發現,這不僅僅是歷史的展示,更是我們每一個人的責任與使命。

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來吧,今年九月,走進921地震教育園區,一起在這裡找尋對未來的啓示,為台灣的下一代共同築起一個更堅固、更安全的家園。

圖:今年九月,走進921地震教育園區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

延伸閱讀:
高風險? 家踩「斷層帶、地質敏感區」買房留意
「我摸到台灣的心臟!」法國地質學家安朔葉讓「池上斷層」揚名國際
百年驚奇-霧峰九二一地震教育園區|天下雜誌

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用黑白相機拍出色彩繽紛的宇宙
全國大學天文社聯盟
・2022/04/30 ・2550字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 文/邵思齊,現就讀臺大地質科學系,著迷於大自然的鬼斧神工。

現代的人們生活在充滿明亮人造光源的城鎮中,難以想像純粹的夜空是什麼樣子。對宇宙中天體的印象,多半來自各地天文台與太空望遠鏡所捕捉的絢麗星雲、星團、星系。但這些影像中的顏色是真實的嗎?如果我們能夠用肉眼看到這些天體,它們的顏色真能如影像中如此的五彩繽紛嗎?

色彩的起源:為什麼人眼能看到顏色?

電磁波跨越各種尺度的波段,有波長遠小於 1 奈米的伽瑪射線,也有波長數百公里長的無線電波。但人類眼睛中的的感光細胞僅能感測到波長介於 400-700 奈米之間的電磁波,也就是僅有這段電磁波能夠以紅到紫的色彩出現在人類的視野當中,所以我們對外界的認知就受限於這小一段稱為可見光(Visible Light)的視窗。人之所以能夠辨識不同的顏色,靠的是人眼中的視錐細胞。視錐細胞分成 S、M、L 三種,分別代表 short, medium, long,其感測到的不同波長的光,大致可對應到藍色、綠色、紅色。

S、M、L 三種視錐細胞可以感測不同的顏色,後來的相機設計也以此為基礎。圖/Wikipedia

肉眼可以,那相機呢?

在還沒有電子感光元件的時代,紀錄影像的方法是透過讓底片中的銀離子曝光、沖洗後,變成不透光的金屬銀(負片),但這樣只能呈現出黑白影像。於是,歷經長時間的研究與測試,有著三層感光層的彩色底片誕生了。它的原理是在不同感光層之間加上遮色片,讓三層感光片能夠分別接收到各自顏色的光線。最常使用的遮色片是藍、綠、紅三色。進入數位時代,電子感光元件同樣遇到了只有明暗黑白、無法分辨色彩的問題,但這次,因為感光元件無法透光,不能像底片一樣分層感光,工程師們只好另闢蹊徑。

於是專為相機感光元件量身打造的拜爾濾色鏡(Bayer Filter)誕生了,也就是由紅色、綠色、藍色三種方形濾光片相間排列成的馬賽克狀濾鏡,每一格只會讓一種顏色通過,如此一來,底下的感光元件就只會接收到一種顏色的光。接著,再把相鄰的像素數值相互內插計算,就可以得到一張彩色影像。由於人的視錐細胞對綠色特別敏感,因此拜爾濾色鏡的設計中,綠色濾光片的數量是其他顏色的兩倍。

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這種讓各個像素接收不同顏色資訊的做法,雖然方便快速,卻需要好幾個像素才能還原一個區塊的顏色,因此會大幅降低影像解析度。這對寸解析度寸金的天文研究來說,非常划不來,畢竟我們既想得知每個像素接收到的原始顏色,又想獲得以像素為解析單位的最佳畫質,盡可能不要損失任何資訊。

藍綠紅相間的拜爾綠色鏡,廣泛用於日常使用的彩色感光元件,例如手機鏡頭、單眼相機等裝置。圖/Wikipedia

要怎麼讓每個像素都能獨立呈現接收到的光子,而且還能夠完整得到顏色的資訊呢?最好的方法就是在整塊感光元件前加上一塊單色的濾色鏡,然後輪流更換不同的濾色鏡,一次只記錄一種顏色的強度。然後,依照濾鏡的波段賦予影像顏色,進行疊合,得到一張還原真實顏色的照片。如此一來,我們就能用較長的拍攝時間,來換取最完整的資訊量。以天文研究來說,這種做法更加划算。

另外,由於視錐細胞並不是只對單一波長的光敏感,而是能夠接收波長範圍大約數百奈米寬的光,因此若是要還原真實顏色的影像,人們通常會使用寬頻濾鏡(Broadband filter),也就是波段跨足數百奈米的濾鏡進行拍攝。

美麗之外?濾鏡的科學妙用

雖然還原天體的真實顏色是個相當直覺的作法,但既然我們有能力分開不同的顏色,當然就有各式各樣的應用方法。當電子從高能階躍遷回到低能階,就會釋放能量,也就是放出固定波長的電磁波。若是受到激發的元素不同,電子躍遷時放出的電磁波波長也會隨之改變,呈現出不同顏色的光。

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如果我們在拍攝時,可以只捕捉這些特定波長的光,那我們拍出的照片,就代表著該元素在宇宙中的分佈位置。對天文學家來說,這是相當重要的資訊。因此,我們也常使用所謂的窄頻濾鏡(Narrowband filter),只接收目標波段周圍數十甚至數個奈米寬的波長範圍。常見的窄頻濾鏡有氫(H)、氦(He)、氮(N)、氧(O)、硫(S)等等。

有時候,按照原本的顏色疊合一組元素影像並不是那麼妥當,例如 H-alpha(氫原子)和 N II(氮離子)這兩條譜線,同樣都是波長 600 多奈米的紅色光,但如果按照它們原本的波長,在合成影像時都用紅色表示,就很難分辨氫和氮的分布狀態。這時候,天文學家們會按照各個元素之間的相對波長來配製顏色。

以底下的氣泡星雲(Bubble Nebula, NGC7635)為例,波長比較長的 N II 會被調成紅色,相對短一點的 H-alpha 就會調成綠色,而原本是綠色的 O III 氧離子則會被調成藍色。如此一來,我們就可以相對輕鬆地在畫面中分辨各個元素出現的位置。缺點是,如果我們真的用肉眼觀測這些天體,看到的顏色就會跟圖中大不相同。

由哈伯太空望遠鏡拍攝的氣泡星雲,使用了三種波段的窄頻濾鏡。圖/NASA

當然,這種人工配製顏色的方法也可以用來呈現可見光以外的電磁波,例如紅外線、紫外線等。舉哈伯太空望遠鏡的代表作「創生之柱」為例,他們使用了兩個近紅外線波段,比較長波的 F160W 在 1400~1700nm,比較短的 F110W在900~1400nm,分別就被調成了黃色和藍色。星點發出的紅外光穿越了創生之柱的塵埃,與可見光疊合的影像比較,各有各的獨特之處。

三窄頻濾鏡疊合的可見光影像與兩近紅外線波段疊合的影像對比。圖/NASA

望遠鏡接收來自千萬光年外的天體光線,一顆一顆的光子累積成影像上的點點像素,經過科學家們的巧手,成為烙印在人們記憶中的壯麗影像。有些天體按照他們原始的顏色重組,讓我們有如身歷其境,親眼見證它們的存在;有些影像雖然經過調製,並非原汁原味,卻調和了肉眼所不能見的波段,讓我們得以一窺它們背後的故事。

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油滴不只是一堆油,還是脂肪細胞裡的加油站
研之有物│中央研究院_96
・2019/01/21 ・2803字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 493 ・六年級

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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

你身上的油脂原來都存在「油滴」裡

你可能會想把肚子上的肉肉減掉,但其實這些生命不可承受之重,是由許多脂肪細胞組成,而脂肪細胞裡面有「油滴」幫你儲存油脂。當身體需要能量時,油滴就會自動派上用場。你可以恨它,但也不能不愛它。

本文專訪中研院植物暨微生物學研究所的副研究員──王昭雯,認識攸關胖瘦與生存的「油滴」(Lipid droplets)。攝影│張語辰。

王昭雯笑說,親朋好友聽到她在研究「油滴」,通常第一個反應是問「如何減肥」。但其實談論減肥之前,不妨先認識身體的油脂是如何儲存,又是如何被使用。

吃飽了!能量如何被存進身體?

大口吃下喜歡的薯條、冰淇淋、蛋糕之前,有沒想過這些食物消化後,在體內會變成什麼呢?

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人體一段時間不進食,也不會立刻歸西,是因為身體有儲存能量的途徑:肝臟攝取消化完的食物來供應身體能量,多出來的部分則以「三酸甘油脂」儲存於脂肪細胞的「油滴」之中。

人們吃下去的食物,經過消化吸收後,將多出來的能量儲存在脂肪細胞裡的「油滴」。
圖說設計│王昭雯、林婷嫻、林洵安

油滴的基本構造,就是一個脂肪球。外面一層膜由「磷脂質」組成,裡面包裹主要是類似「三酸甘油脂」之類的中性脂肪。油滴是從脂肪細胞中的內質網生成,它在細胞中的大小並不一致。圖片來源│王昭雯

油滴的大小和數目,攸關胖瘦與生存。若脂肪細胞太少、無法儲存油脂,會導致代謝疾病,例如先天性脂肪失養症。但若脂肪細胞太多,或是油滴數目太多、尺寸太大,儲存的油脂過多,又會導致肥胖問題。因此,油滴如何維持體內油脂的平衡很重要。

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看起來「油滴」是很重要的角色,但其實以前科學界誤以為它「只是一堆油」積在那裡。直到近幾年,細胞學家才發現:

原來「油滴」負責重要任務:儲存油脂,以供需要的時候使用。

該加油了!油滴裡的油脂如何被使用?

王昭雯說明:「細胞,是生命的基本單位。它本身的運作,要能維持生命的穩定性」。所以油滴會儲存油脂,也會在需要的時候拿出來用,才能維持油脂代謝的平衡。

存於油滴的油脂,在細胞中透過兩種途徑被使用:脂肪分解、細胞自噬。

這兩種途徑,都是將油滴儲存的三酸甘油脂 (TAG) 分解成三磷酸腺苷(ATP),提供大量能量支持細胞運作。如下面兩張圖片所示:

脂肪分解:油滴裡的油脂,由脂肪脢分解後,產生三磷酸腺苷 (ATP),提供能量給身體使用。圖片來源│王昭雯

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細胞自噬:細胞裡的自噬體產生後將油滴吞噬,再經溶酶體分解後,產生三磷酸腺苷 (ATP),提供能量給身體使用。圖片來源│王昭雯

「我們找出這兩種油滴降解的途徑,代表這兩種途徑同時存在於細胞內,」王昭雯說明,但究竟細胞會走哪一條路,來運用油滴裡的油脂,會隨著生理狀態而不同,發生在身體不同組織也不盡然相同。

了解這些油脂儲存與代謝機制後,回到減肥的話題。

若要避免肥胖,就要避免飲食過度,因為身體會將用不到的能量,轉換成油脂送到脂肪細胞中存入油滴裡,好比將多餘存款放入定存,以備不時之需。另一方面,也要製造油滴被使用的機會,尤其是運動。當身體需要大量能量時,油滴儲存的油脂就會被分解,提供能量支持身體活動。

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油滴很重要,不能只有人類有?

油滴只存在於人體的脂肪細胞嗎?非也。像是酵母菌這種單細胞,也擁有「油滴」。並且隨著基因變異,也會出現油滴大小和數量異常的情況,如下圖所示:

左圖為正常酵母菌細胞,右圖為酵母菌單一基因 SEI1 的突變株,右圖明顯可見:細胞中綠色部分標示的油滴尺寸變大、且數量變少。圖片來源│王昭雯

酵母菌細胞裡的油滴,除了儲存三酸甘油脂 (TAG),也儲存了固醇脂 (SE),酵母菌如何運用這些油脂有另一個有趣的機制。

王昭雯團隊發現,當酵母菌因大量生長而進入到「營養不足」的狀態時,酵母菌的液胞表面會分化出兩種不同的小區塊。這時油滴會逐漸往液胞靠過去,直到定格在其中一種小區塊,好讓液胞利用「細胞自噬」的機制來吃掉油滴。

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這時,液胞中的水解酵素會分解油滴中的油脂,並將固醇脂 (SE) 轉換成固醇,以維持液胞的運作,此舉會讓更多的油滴再被吞噬。王昭雯比喻,基本上這就是一種「資源回收再利用」的環保概念。

透過這機制,酵母菌得以在營養缺乏時,慢慢地用液胞把油滴吃掉,以延續生命。

一個細胞學家,其實和一個好畫家有點像

「在顯微鏡底下,你可以看到油滴在細胞裡面移動,可以感受到這是一個活的東西!」王昭雯讚嘆,油滴充滿未知、也很有趣。

但其實求學時期,王昭雯原本想當個畫家。「我比較喜歡畫圖,當興趣可以,但將來能不能成就一番大事,我那時候不知道。」

畫家雷諾瓦說:人生就像順小河漂流的軟木塞。高中升大學時,王昭雯像是這樣的軟木塞,將志願卡交由昆蟲系畢業的爸爸填寫;而時間的小河,將王昭雯漂向臺大植病系。在這裡,意外發現「畫畫」可以在觀察紀錄細胞時派上用場。

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生活中累積的美學、空間概念,有助於理解、想像細胞裡的空間配置。

因為細胞很小,要用顯微鏡才看得到,但更細微的結構是看不見的,細胞裡許多分子作用機制,要靠想像腦補。米開朗基羅曾說:「繪畫時,不是用手,而是用腦」。王昭雯體悟到細胞學家的特質,其實和畫家有共通之處,對於空間結構和細微變化都要很敏感。

「油滴」這個微型空間之中,充滿未知,其實大部分的研究時間就是不斷在黑暗中摸索,也常常因為無法突破而感受到痛苦;但若發現新的東西,那樂趣足以支持王昭雯和團隊繼續前進。如同雷諾瓦所言──痛苦會過去,美會留下。

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  • 執行編輯|林婷嫻 美術編輯|林洵安

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

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