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蝙蝠的超音波到底在唱什麼?收集野外大型交響樂的「聲景」研究

研之有物│中央研究院_96
・2018/04/19 ・3589字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 551 ・八年級
  • 採訪編輯/嚴融怡 美術編輯/張語辰

你聽過「聲景」嗎?

走進公園或森林,你會聽到鳥聲、蟲叫、蛙鳴,甚至存在人耳無法聽見的蝙蝠超音波。這些生物聲響與環境音構成了「聲景」,是生物多樣性的重要指標。中研院生物多樣性研究中心助研究員──端木茂甯,與跨領域團隊正嘗試蒐集大量錄音資料、結合機器學習,探討生物的聲音反映生物進行了哪些活動、或生態環境中發生了哪些事件。

唱著超音波的蝙蝠

談到蝙蝠,你可能會想到身穿黑色緊身衣、痛揍敵人的蝙蝠俠?但在生態系統中,「蝙蝠」帶來的貢獻,可能比蝙蝠俠還要多(希望影迷不會抗議),例如移除害蟲、幫助傳播種子花粉、讓人類有機會發展生態旅遊等等。

在臺灣有 36 種蝙蝠,其中 33 種使用回聲定位,透過超音波偵測環境和獵物。
資料來源/端木茂甯提供 圖說重製/張語辰

但若想確切了解蝙蝠的行為,實在有些困難,除非你有雙翅膀、而且晚上不用睡覺,可以追蹤牠們飛來飛去,並且能用「超音波」和蝙蝠溝通。

生態學家雖然沒有這般能力,但靈活的大腦可以想出辦法,彌補感官與行動能力的不足。

端木茂甯團隊採用的研究方式是:錄下蝙蝠的超音波與環境音、運用機器學習分離出不同蝙蝠物種的聲音,並藉由「聲音特徵」辨別不同地區的蝙蝠、會發出哪些不同超音波,可能代表什麼樣的生態行為。

有趣的是,生活在不同環境的蝙蝠,叫聲類型也會不一樣。

以森林為主要活動範圍的蝙蝠,為有效偵測複雜的周圍環境,多使用「頻率變化大的短促叫聲」;相對地,喜好生活在開闊地區的蝙蝠,則多使用「固定頻率」的叫聲。且大多數的蝙蝠也會根據自己周遭環境的複雜程度,調整叫聲的頻率範圍與長度。

東亞摺翅蝠、臺灣小蹄鼻蝠,回聲定位發出的超音波頻率,因活動空間與生活型態而不同。 資料來源/端木茂甯、李佳紜提供 圖說重製/林婷嫻、張語辰

透過聲景監測,也可發現自然界一些「看不見」的因果關係。

當自然環境中某些高頻的噪音影響蝙蝠偵測空間,蝙蝠會改變超音波頻率、避開噪音。例如夏天時,有些暮蟬的吵雜跨及超音波的波段,蝙蝠為了不受干擾,會等到稍晚暮蟬發聲減緩之後,才展開活動、進行回聲定位。

運用聲景的概念與機器學習技術,可以解析不同物種的蝙蝠超音波、探討蝙蝠如何適應環境。「這講起來很容易,但要怎麼做,我在這方面也還是個新人。」端木茂甯說。

與「聲景」的初相遇

端木茂甯大學曾窩在實驗室做切片,也曾跟隨台大李玲玲教授至野外研究,與學長一起追尋山羌、飛鼠的腳步,碩班時則用無線電發報器與三角定位,追蹤神出鬼沒的食蟹獴。

「但野外最困難的是……動物不是想遇就遇得到,不確定因素太多了!」端木茂甯回想起來,仍能感到當時歲月流逝、生態觀測卻毫無進展的壓力。

後來在 2007 年美國的景觀生態學(Landscape Ecology)研討會,端木茂甯接觸到聲景生態學,「那時看到生物的聲音,如何在時間與空間上產生動態變化,感到很有趣,雖然當時還沒想到可以做這個題目。」

拿著蝙蝠的端木茂甯,與研究團隊。 攝影/張語辰

直到 2016 年,端木茂甯來到中研院生物多樣性研究中心,有了兩個強大的資料庫為基礎──邵廣昭博士帶領建立的台灣生物多樣性資料庫、來自林試所的王豫煌博士建立的亞洲聲景平台,加上跨領域專家的知識與技術合作,包含專精蝙蝠生態的黃俊嘉博士後研究員,以及中研院網格中心的研究副技師嚴漢偉,提供所需的雲端儲存運算空間。

天時地利人和,「聲景生態學」研究才得以實踐。

於是從 2017 年 3 月開始,沿著中橫海拔 100-3,350 公尺的山上,端木茂甯團隊辛苦地在蝙蝠容易經過的地方設置 15 個樣站,藉由 SM4 超音波錄音機、溫濕度計,蒐集蝙蝠的超音波與環境音,並同時紀錄環境氣候。

另一方面也要設置豎琴網,捕捉野外的蝙蝠、紀錄物種,再設置飛行帳錄下超音波,作為後續比對蝙蝠物種的音訊依據。

收錄蝙蝠聲音的超音波麥克風(Ultrasonic Microphone)與溫濕度計(HOBO)。 圖片來源/端木茂甯、李佳紜提供
在飛行帳中錄下蝙蝠的超音波。 圖片來源/端木茂甯、李佳紜提供
正在錄音的臺灣管鼻蝠,感謝牠提供後續比對蝙蝠物種的音訊依據。 圖片來源/端木茂甯、李佳紜提供

「我們每兩分鐘就錄一分鐘,從下午 4:30 錄到隔天早上 7:30 ,這是蝙蝠活動的時間。每個樣站每月至少錄音一個禮拜,一年下來共有 56 萬分鐘的音檔。」端木茂甯說明。

有了這些在不同環境條件取得的龐大音檔,接下來,讓專業的來。

從聲景交響樂,拆出蝙蝠的音符

與中研院資創中心曹昱副研究員、林子皓博士後研究員合作,端木茂甯團隊得以將在野外錄到的音檔,運用 PC-NMF 技術解析成可供後續生態分析的資料。

PC-NMF 技術、與聲音頻譜圖示意。 圖片來源/T.-H. Lin, S.-H. Fang, and Y, Tsao, “Improving Biodiversity Assessment via Unsupervised Separation of Biological Sounds from Long-duration Recordings,” Scientific Reports, volume 7, number 4547, pages 1, July 2017.  圖說重製/林婷嫻、張語辰

野外錄到的音檔像首交響樂,包含所有蝙蝠的超音波、嘈雜的背景噪音,幸好這兩者聲音有個區分之處:

蝙蝠的超音波通常有較強的週期性,因為每天活動時間、範圍幾乎都差不多。

因此, PC-NMF 技術藉由找出「較強週期性」的音頻,排除環境中沒有週期性的背景噪音,從聲景「交響樂章」中,分離出不同蝙蝠所唱的超音波「音符」。

聲景研究除了可以聲音為據,找出環境中不同種的蝙蝠,也能透過長期監測,觀察蝙蝠的回聲定位行為與環境條件的變化。

例如下圖,比較 2016/7/14~7/22 錄到的音訊,會發現每天分離出的蝙蝠超音波,在時間與頻率上有些不同。後續累積更多這類音訊變化、與環境氣候等資料,就能進一步探究讓蝙蝠改變回聲定位行為的因素。

團隊錄到的原始音訊(上方)、與 PC-NMF 分離出的蝙蝠超音波(下方)。
圖片來源/端木茂甯提供

聲音版的小獵犬號之旅

19 世紀達爾文航行小獵犬號,沿著各地海岸以紙筆、標本蒐集紀錄物種,那時尚無法錄下物種的聲音,並透過電腦分析音訊。現今受惠於錄音設備的普及、機器學習的發展,「聲景生態學」研究與延伸應用越趨成熟。

國際上有 〈xeno-canto〉 致力分享全世界的鳥類鳴聲,美國康乃爾大學有〈Macaulay Library〉 自 1929 年開始收集野生動物的聲音,而國內則有〈台灣聲景協會〉,促進大眾了解與參與保護聲景。

另外,〈雨林連結組織(Rainforest Connection, RFCx)〉也運用回收的舊手機、佈置在熱帶雨林中,透過遠端追蹤雨林中可疑的聲音,成功阻止了一些盜伐活動。

端木茂甯團隊以學術角度,希望在亞洲拼上更多片聲景保育拼圖,將繼續與王豫煌、林子皓等跨領域專家合作,將聲景研究擴展到東南亞國家,除了蝙蝠也會包含其他以聲音溝通的物種,橫跨水域和陸域。

最終期望將這些蒐集得到的聲景音訊與環境條件紀錄,轉換為公開資料,讓相關領域的研究團隊得以共享,一起保存生物多樣性。

人類雖然有兩只耳朵,但常常只聽見自己想聽的。或許今後可試著將注意力放在附近公園、野外踏青的聲景中,在寂靜的春天來臨之前,透過「聲音」展開屬於你的小獵犬號之旅。

本著作由研之有物製作,原文為《蝙蝠的超音波,藏了什麼訊息?》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

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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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》