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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

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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:

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  • 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。

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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

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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
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林展蔚 (Jhan-Wei Lin)
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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。

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純淨之水的追尋—濾水技術如何改變我們的生活?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/17 ・3142字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與 BRITA 合作,泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎?

如果你回到兩百年前,試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水,可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐,氣味刺鼻,甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」,當時的人們雖然知道水不乾淨,但卻無力改變,導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」(圖片來源 / freepik)

幸運的是,現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物,但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰,哪些技術真正有效?

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19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展,面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊,甚至未經處理的地下水,導致傳染病肆虐。

1854 年,英國醫生約翰·斯諾(John Snow)透過流行病學調查,發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關,這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度,促使公衛政策改革,加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初,英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒,成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率,這一技術迅速普及,成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾,尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後,惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年,後藤新平出任民政長官,他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設,對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題,他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓(William Kinnimond Burton) 來台,規劃現代化的供水設施。在雙方合作下,台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年,全台已有 16 座現代水廠,有效改善公共衛生,為台灣城市化奠定關鍵基礎。

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圖片來源/BRITA

進入 20 世紀,人們已經可以喝到看起來乾淨的水,但問題真的解決了嗎? 科學家如今發現,水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物,甚至微量的內分泌干擾物,這些看不見、嚐不出的隱形污染,正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此,濾水技術迎來了一波科技革新,活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透(RO)等技術相繼問世,各有其專長:

活性碳吸附:去除氯氣、異味與部分有機污染物

離子交換樹脂:軟化水質,去除鈣鎂離子,減少水垢

微濾技術逆滲透(RO)技術:攔截細菌與部分微生物,過濾重金屬與污染物等

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這些技術相互搭配,能夠大幅提升飲水安全,然而,無論技術如何進步,濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯,決定了水質能否真正被淨化,而現代濾水器的競爭,正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是,最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能?

濾芯的壽命與更換頻率:濾水效能的關鍵時刻濾芯,雖然是濾水器中看不見的內部構件,卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例,其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂,能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質,並過濾鉛、銅等重金屬,同時軟化水質,提升口感。

然而,隨著市場需求的增長,非原廠濾芯也悄然湧現,這不僅影響濾水效果,更可能帶來健康風險。據消費者反映,同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯,顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全,建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯,避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙,正面則可看到 BRITA 商標,以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計,底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節,才能確保濾芯發揮最佳過濾效果,讓每一口水都能保證潔淨安全。

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濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計 (圖片來源 / BRITA)

不過,即便是正品濾芯,其效能也非永久不變。隨著使用時間增加,濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞,導致過濾效果減弱,濾水速度也可能變慢。而且,濾芯在拆封後便接觸到空氣,潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯,不僅會影響過濾效能,還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質,形成「過濾器悖論」(Filter Paradox):本應淨化水質的裝置,反而成為污染源。為此,BRITA 建議每四週更換一次濾芯,以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題,BRITA 推出了三大智慧提醒機制,確保濾芯不會因過期使用而影響水質:

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈:即時監測濾芯狀況,顯示剩餘效能,讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒:掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間,自動提醒何時該更換,減少遺漏。

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3. LINE 官方帳號自動通知:透過 LINE 推送更換提醒,確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天,濾芯已不僅僅是過濾裝置,更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備,成為了健康生活的關鍵。

人類對潔淨飲用水的追求,從未停止。19世紀,隨著城市化與工業化發展,水污染問題加劇並引發霍亂等疾病,促使濾水技術迅速發展。20世紀,氯消毒技術普及,進一步保障了水質安全。隨著科技進步,現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術,去除水中的污染物,讓每一口水更加潔淨與安全。

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(圖片來源 / BRITA)

今天,消費者不再單純依賴公共供水系統,而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如,BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求,從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題,去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%,並通過 SGS 檢測,通過國家標準水質檢測「可生飲」,讓消費者能安心直飲。

然而,隨著環境污染問題的加劇,真正的挑戰在於如何減少水污染,並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具,更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備,它象徵著人類與自然的對話,提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利,更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源,且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

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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

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  • 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。

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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。

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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。

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張之傑_96
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張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。