Loading [MathJax]/extensions/tex2jax.js

0

0
0

文字

分享

0
0
0

側斑蜥天生綁定的「剪刀、石頭、布」繁殖策略:比例決勝負,時機造英雄!

林展蔚 (Jhan-Wei Lin)
・2018/09/18 ・2884字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

圖/OpenClipart-Vectors @Pixabay

「剪刀、石頭、布」是人類世界共通的遊戲,人人都會玩,但你知道蜥蜴也略懂嗎?側斑蜥(side-blotched lizard, Uta stansburiana)的雄蜥們就用牠們的一生來玩剪刀石頭布。牠們有三種繁殖策略,每種策略比其中一策略強,卻又比另一策略弱,剛好形成類似剪刀石頭布的勝負循環!

這種特殊的生活史策略是由 Barry Sinervo 發現的,讓側斑蜥這小傢伙自九零年代起一躍成為演化生物學中的明星物種1(爬行界另一演化巨星是變色蜥,改天再撰文談談吧~),直至今日這經典案例仍有不斷出爐的後續研究,持續讓人們感受演化的神奇。

乍看常見的側斑蜥,實則為演化生物學討論的明星。圖/Joshua Tree National Park@flickr

橘、藍、黃三種類型的繁殖策略

這大明星是北美洲西南部常見的小型鬣蜥,雄性的喉部具有明顯的體色多型性(color polymorphism),雖然是同一種但可以很清楚的區分成橘、藍、黃三種顏色類型。

這三種顏色的雄蜥有著完全不一樣的的繁殖策略:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  • 橘喉雄蜥(好鬥者)體型較大,兇猛而好鬥,咬合力與耐力都是三型雄蜥中最強的,守護著範圍極大的領域,因此擁有許多雌蜥後宮;
  • 藍喉雄蜥(防衛者)體型中等,具有領域性,但較橘喉的守護範圍較小,領地內常常僅有一隻雌蜥配對,領域行為比較謹慎而不好鬥,常與鄰近的藍喉雄蜥和平共處;
  • 黃喉雄蜥(偷情者)則完全沒有領域性,體型與體色擬態雌蜥,繁殖策略是偷偷摸摸的跑到其他領域雄蜥的家裡找雌蜥偷情。

當這些雄蜥遭遇時,會有以下三種情況:

  • 橘喉(好鬥者) > 藍喉(防衛者):兩者都有領域性,但橘喉雄蜥打鬥能力較強,總是能夠戰勝藍喉雄蜥,奪得領地和雌蜥。
  • 藍喉(防衛者) > 黃喉(偷情者):藍喉雄蜥的領域較小,而且經常與鄰近藍喉雄蜥共同守護領域,黃喉雄蜥常常不得其門而入,很難成功偷情。
  • 黃喉(偷情者) > 橘喉(好鬥者):橘喉雄蜥領域非常大,又獨力守衛整個領域,黃喉雄蜥很容易趁虛而入,偷偷的和橘喉雄蜥的眾後宮們交配。

終身性的剪刀石頭布遊戲

側斑蜥(Uta stansburiana)雄蜥的剪刀石頭布繁殖策略。
三種雄蜥的喉部顏色,分別對應不同的繁殖策略,左至右分別是橘喉好鬥者、藍喉防衛者與黃喉偷情者。三種雄蜥剛好互相克制,形成類似剪刀石頭布的勝負循環。 圖/作者修改自 Sinervo Lab

三種雄蜥的繁殖策略剛好類似剪刀、石頭、布,橘剋藍,藍剋黃,黃剋橘,形成迴圈的勝負循環(見上圖)。那究竟雄蜥色型與策略是怎麼決定的呢?中途可以變色轉職成另一種策略嗎?

Sinervo 等人當年的研究即顯示這有趣的色型與繁殖策略是由基因遺傳的,近年同一實驗團隊更是進一步指出這三種繁殖策略是由單一基因座的三個等位基因所調控2。簡單的說就是老爸的策略決定兒子的策略,雄蜥們是靠爸氣在玩剪刀石頭布的,中途沒有辦法轉職成其他策略。

在無法轉職的情況下,族群中各色型雄蜥的比例就扮演了非常重要的角色,「比例」能夠決定哪一種雄蜥較容易繁殖。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

試想一下這種剪刀、石頭、布的玩法,所有人在遊戲前先決定手勢,接著進行多場對決,與他人兩兩相遇時都不能變換手勢,直至所有對決結束。假設你決定出剪刀,而遊戲進行之前有九成的人決定出布,那你的遊戲一定戰無不勝;反之,若多數人決定出石頭,那你就會輸的屁滾尿流。

這就是側邊蜥雄性個體的一生寫照,時機若對,就可以擁有許多交配機會,但是生錯時代就準備當一輩子的羅漢腳。例如,一隻黃色雄蜥出生在橘色雄蜥比例高的族群,他就會變成超級小王,讓多數擁有大領域又好鬥的猛男們帶綠帽;但是若生在藍喉比例高的族群,就幾乎沒有什麼交配機會,注定終老一生。

風水輪流轉!

更有趣的是,由於基因遺傳的關係,這種終身的剪刀、石頭、布遊戲在時間的演進下,世代間的優勢策略會隨之改變!以橘喉比例高的族群為例,少數黃喉偷情者將極度優勢的生下一堆小小王,這些小小王長大後依然會很有優勢的繼續偷情,再生下另一批小小王。數個世代過後,當族群中黃喉偷情者的比例升高至一定程度時,風向就改變了,藍喉防衛策略將變成最優勢的策略,然後生下很多藍喉小雄蜥,使得防衛者的比例在幾個世代內漸漸增加。當藍喉比例增高時,由於對手幾乎都是藍喉雄蜥,橘喉猛男的時代就來了。

這種策略優勢度隨其頻度變動的現象被稱為「頻率依存型擇汰」(frequency-dependent selection),在這種擇汰壓力下,三種策略在族群中都會存在,其比例會在一定範圍內不斷波動(見下圖)。近年的大尺度野外研究即顯示在超過半數的側斑蜥族群中,這三個不一樣的繁殖策略同時存在。然而由於族群間存在著相異的環境壓力,這種剪刀、石頭、布的平衡狀態可能會被打破,導致部分族群僅僅只剩下兩個策略,或是一個策略,而這樣失去多型性的狀況與此物種型態的改變以及種化事件高度關聯。2

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
三種雄蜥策略在族群中的頻率隨著時間而重複波動之模擬圖。任一策略的頻度會因其所剋制的策略的頻度上升而隨之漸增,此策略增加至一定頻度後又因剋此策略之策略隨其漸增而下降,導致波動循環。 圖/參考研究結果[1]繪製。

剪刀、石頭、布、蜥蜴、史巴克循環!?

動物界體色多型性的情況比比皆是,除了側斑蜥的剪刀、石頭、布循環外,雙點花鱂(Poecilia parae)的雄魚有五種相異的色型(見下圖),這些形態和體色差異極大的雄魚,甚至一度被分成不同種!

雙點花鱂雄魚的色型同樣是由基因所決定的,不同色型雄魚的繁殖力、異性吸引力、和存活力等表現皆有不同。多數的族群擁有四種色型以上的雄魚,有些族群中甚至五型並存,這代表維持多型性共存的擇汰力量存在其中3。在這個物種中,除了性擇以外,天擇很可能一同參與了這個多色型的維持,這會不會是剪刀、石頭、布遊戲的升級版──「剪刀、石頭、布、蜥蜴、史巴克」的勝負循環呢(見下圖)?目前有數個科學團隊正在深入了解其中的機制。

雙點花鱂(Poecilia parae)雄魚的五個色型,以及剪刀、石頭、布、蜥蜴、史巴克的遊戲。 圖/參考資料[3] 與 wikipedia。

最後,不論是側斑蜥或是雙點花鱂,這些神奇有趣的多型性及生活史策略都需要專家們持續不斷的研究才能被發現。以側斑蜥為例,牠們經典的剪刀、石頭、布策略在 1996 年被發表,讓這個美西常見的小蜥蜴變成演化生物學中的經典,也帶領了後續許多開創性的研究。但在此之前,有關牠們的基礎研究自 1960 年代就開始了。經過多代兩爬學者努力研究,才漸漸解密其生態與行為背景,三十年後才能有這麼經典的研究發表。自然界中一定還有許多不起眼的小生物,身體裡藏著美妙的演化故事等著被探索發掘!

  1. Sinervo B and Lively CM. 1996. The rock-paper-scissors game and the evolution of alternative male strategies. Nature 380: 240-243
  2. Corl A, Davis AR, Kuchta SR, and Sinervo B. 2010. Selective loss of polymorphic mating types is associated with rapid phenotypic evolution during morphic speciation. PNAS 107:4254-4259
  3. Lindholm AK, Brook R, and Breden F. 2004. Extreme polymorphism in a Y-linked sexually selected trait. Heredity 92: 156-162
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
林展蔚 (Jhan-Wei Lin)
4 篇文章 ・ 4 位粉絲
台師大生科系博士,專長為演化生物學、族群生態學與脊椎動物學,目前正在國立自然科學博物館做博士後研究,在學術界強烈的擇汰洪流下力爭上游中(希望不會被沖到海裡)。空閒時寫寫科普文,當當說書人,讓大家了解生態與演化中的神奇故事。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
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!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
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)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

0

0
0

文字

分享

0
0
0
剪刀石頭布——和平號上自主企劃案協商│環球科學札記(49)
張之傑_96
・2021/10/20 ・1582字 ・閱讀時間約 3 分鐘

  • 作者 / 張之傑

和平號第一○一回行程,停靠港原有古巴的哈瓦那,所以文化教室特聘莎莎舞老師宗像志布子到船上教莎莎舞,預備船到哈瓦那時,到革命廣場和古巴人一起跳。古巴是莎莎舞的起源地,人人會跳,可說古巴的國舞。

每次上莎莎舞的課,一開始都有個踏著基本舞步的接龍遊戲。起初兩個人猜拳,輸者雙手搭在贏著肩上。當老師喊停,說聲じゃんけん(janken),前頭的贏者再和另一組的贏者猜拳,跺著腳大聲地喊じゃんけんぽん(jankenpon)。如此愈接愈長,最後產生出勝利的隊伍。

我小學就讀台北市松山區的興雅國小,記得小時候台語稱剪刀石頭布猜拳就是janken。外省社區,如四四兵工廠子弟小學的孩童,則稱作「將-軍-寶」,顯然來自日語。看來剪刀石頭布猜拳可能源自日本,且傳入中國可能是清末的事。

猜拳源自日本,圖為日本學童在課堂上猜拳。Aka Hige攝。圖/Wikipedia

じゃんけんぽん,漢字表記為石、鋏、紙。石頭在前,剪刀在中,布原為紙。英語世界大多稱rock paper scissors。關於剪刀石頭布的起源,有人說源自中國的酒拳(划拳),但沒有證據證明酒拳曾包含剪刀石頭布。根據日文版維基百科じゃんけん條,剪刀石頭布猜拳誕生於十九世紀,即江戶-明治年間,到十九世紀末已在日本普遍,二十世紀後傳至世界各地,甚至有國際賽事。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

剪刀石頭布這種日式猜拳傳到中國後,何以從石鋏紙變成剪石布,可能是布字的音韻接近日語的ぽん(pon)。關於日式猜拳,還有一件事值得一記。七月七日,是日本的七夕。明治維新後,棄陰曆,採陽曆,傳統節日也改成陽曆。為了慶祝七夕,船上特請中日聯姻的陸先生演講,由陸太太做日語翻譯。陸先生邀請我聽他的演講。

圖/Giphy

為了申請七月十日的自主企劃案「我的西藏因緣——兼談藏族的歷史、宗教和文學」,還沒聽完陸先生的演講,就趕到八樓阿古拉廳。已申請過一次,這次駕輕就熟。各廳可使用的時間寫在白板上。巴伊雅廳有一百二十分鐘,但已貼上六張條子。阿古拉廳有五十五分鐘,還沒人貼,我就貼在阿古拉廳。但我貼上去不到一分鐘,有位日本女孩子也貼上一張,意味著這個時段至少有兩個人競爭。

當貼條子的時間過了,工作人員開始處裡。只有一人貼條子的的空間,馬上找來貼的人,經確認後,向一旁的工作人員報到。有好幾個人貼的,就要協商,如每人分配幾分鐘。只有兩個人貼、時間又不長的話則以猜拳決定。阿古拉廳的五十五分鐘有兩個人貼,就得猜拳了。

圖/Giphy

我和那位日本女孩子猜拳,我不諳日本人的猜拳規矩,弄錯了幾次。原來日本人猜拳,彼此先以拳頭相對,再收回拳頭,接著大喊jankenpon,當喊到pon時,正式出拳。不能和我們一樣,不需甚麼儀式就可直接出拳。那日本女孩子大概被我弄糊塗了,我竟然成為贏家。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

工作人員認為我的題目太長,也不希望題目上有宗教字眼。透過翻譯,幾經商量,只留下「我的西藏因緣」,副標題「兼談藏族的歷史、宗教和文學」刪除了。確定了題目,向一旁的工作人員報到。技術人員要知道我的電腦的插頭,這有點麻煩,特地回房拿來電腦。又詢問有沒有音樂,我說沒有。又詢問需要幾支麥克風,我說一支。一切確認,才算完成手續。

七月十日,上午十時二十分至十一時零五分是我的自主企劃。交給船上的題目是「我的西藏因緣」,他們大概覺得不夠通俗,擅自改為「我與西藏的緣分」。這次演講也滿座,但事後沒人過來討論,整體來說沒有上次成功。聽者可能想聽一些神祕的人事物,而我的演講沒講歷史和宗教,也沒講奇風異俗。講的只是個人對藏族文化產生興趣的緣起,及其後續的一些經歷,這可能不是大家想聽的。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----