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人工授精失敗,然後她就死掉了!害斑鱉絕種的最後一根稻草?

活躍星系核_96
・2019/04/23 ・1299字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

中國蘇州動物園最後一隻雌性斑鱉Rafetus swinhoei)在 4/13 的人工授精結束後死亡。根據報導,麻醉及人工授精過程進展順利,在開始之前身體狀況良好,死因尚不清楚。已經計劃進行屍檢,並且已經收集並保存了她的卵巢組織。

如果在越南湖泊中的兩隻未知性別的斑鱉都是雄性,那麼斑鱉就正式成為殭屍物種,即使有個體存活,卻再也無法繁衍並有生態功能。

從廣布種到今天苟延殘喘的悲劇

斑鱉是世界上體型最大的淡水龜類之一,曾廣泛分布於中國長江下游和太湖地區。古人稱之為癩頭黿。過去幼體常被當成中華鱉Pelodiscus sinensis)成體常被當作黿Pelochelys cantorii),早在 1873 年便已命名卻直到 2002 年後才被確認為有效種。因為人為獵捕和環境破壞數量急遽減少,早期的人撈到或看到大鱉就直接吃了,誰管牠是什麼?而雌性個體又因需要上岸產卵的原因,更容易被抓去吃掉。長年下來,能對族群較有貢獻的大母鱉被越吃越少,最後從曾經的廣布物種變成今天苟延殘喘的局面。

斑鱉的故事就是一連串的人謀不臧造成的悲劇。過去數十年間,中國境內有幾間動物園都有飼養斑鱉,但過去一直被當成黿隨意養著,直到發現是斑鱉後,或許為了營運考量弄出了水中大熊貓的稱號,並將其移入空調室飼養,很多個體就在這個時候因為環境劇烈變動而死亡。

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最後幾隻個體又因為動物園本身的本位主義和調配問題拖很久才成功配對,當時雌雄個體都已經是九十歲以上的高齡。一開始園方曾嘗試讓這一對斑鱉自行交配,直到 2015 年才發現雄性的陰莖在早年時與其他雄性打鬥嚴重受損,能夠交配但無法正常授精。鱉的生殖器有一堆複雜的觸手狀結構(其實我覺得比較像船錨),這些觸手狀附屬物必須要鑲嵌到雌性的生殖構造才能成功授精。

鱉的雞雞是中間下排中立邪惡的位置。圖/Zug, G. R. 1966

前幾次人工授精雌鱉都有產下卵但沒有成功授精,推測可能是雄鱉精液品質不佳所致。而人工授精小組才剛完成了與新加坡動物園非瀕危巨鱉物種的合作,真正完善了他們的人工授精技術並採到至今最佳品質的精液。然後雌鱉就死亡了……

麻醉和人工授精兩爬類動物風險極高,但因為人的關係拖到別無選擇最後造成一個物種幾乎宣告滅亡,沒有什麼比這更可悲的了。現在越南那兩隻透過環境 DNA 確認存在的兩隻斑鱉就是這個物種的最後希望。

除了希望這個物種能再有一線生機之外,也希望台灣能好好珍惜自己的物種,不要再因為人的考量去進行保育行動,最好的時機拖過了最後什麼都來不及是最愚蠢也最可悲的。

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參考文章:

 

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活躍星系核_96
752 篇文章 ・ 126 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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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

  • 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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世界最小微型電腦,揭開蝸牛躲過大屠殺的可能原因!
羅夏_96
・2021/07/05 ・3890字 ・閱讀時間約 8 分鐘

生物滅絕是我們所不樂見的,當我們在新聞報導上看到某些物種滅絕,或者瀕臨滅絕,總會感到痛心疾首。不過你知道在過去 50 年間,有一群生物經歷了近乎完全滅絕的慘案,但卻不太為人所知嗎?接下來讓我們一起了解這個悲劇的始末,與殘留的生物究竟是怎樣躲過滅絕的。

太平洋島嶼的蝸牛多樣性世界第一

一般大眾可能對蝸牛的興趣不大,不過在太平洋的眾多島嶼上 (從法屬玻利維亞群島到夏威夷群島),當地原住民就對蝸牛非常感興趣。這是因為這些島上的原生種蝸牛,許多都有著鮮豔的外殼。像大溪地和夏威夷的原住民會收集並加工這些漂亮的蝸牛殼,做為展示地位象徵的首飾與裝飾品。

根據研究,太平洋群島上的蝸牛多樣性是世界上最高的,因此這些蝸牛不只吸引原住民,也吸引不少研究生物多樣性的專家前來朝聖。

而一場戰爭的到來,不僅打亂了島上居民的生活,也為這些在島上平穩生活的蝸牛們帶來意想不到的腥風血雨。

夏威夷蝸牛- 维基百科,自由的百科全书
被當作裝飾品賣的夏威夷蝸牛殼。圖/Wikipedia

外來種大亂鬥,原生種蝸牛遭池魚之殃

二次大戰期間,非洲大蝸牛 (Lissachatina fulica) 作為戰備糧食,被大量引進到這些太平洋島嶼1。而在戰爭後,這些非洲大蝸牛很快就成為當地島嶼的隱患。

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非洲大蝸牛是對農業有嚴重危害的外來種,牠們的食量大且食性雜,從農作物、花卉到林木都是牠們的食物,而且牠們的繁殖速度極快,這讓島上很快就遍布非洲大蝸牛。雖然非洲大蝸牛沒有威脅到原生種蝸牛的生存,但數量龐大且食量巨大的非洲大蝸牛,很快就威脅到島上的農作物生產。為了對抗非洲大蝸牛,人類決定用「生物防治法」除掉牠們。而這個決定,敲醒了島上原生種蝸牛滅絕的喪鐘。

Achatina fulica Thailand.jpg
非洲大蝸牛。圖/Wikipedia

生物防治法簡單來說就是利用自然界生物間的平衡力量,也就是利用各種天敵如捕食性昆蟲以及殺蟲微生物等生物性方法消滅外來種。而人類為了對抗非洲大蝸牛,所使用的生物防治法是引進另一外來種——玫瑰蝸牛 (Euglandina rosea)。

玫瑰蝸牛是一種原產於北美南部森林的中等體型蝸牛。和一般蝸牛的草食性不同,玫瑰蝸牛是專吃其他蝸牛的肉食性蝸牛!因此人們想靠玫瑰蝸牛來吃光島上的非洲大蝸牛。1955 年,美國政府開始將玫瑰蝸牛引進夏威夷群島,而其他太平洋島嶼也於 1958 年開始陸續跟進這個做法2。但玫瑰蝸牛引進後,人們很快就發現事情大條了。

Euglandina rosea.jpg
玫瑰蝸牛。圖/Wikipedia

首先,非洲大蝸牛的數量並沒有減少,牠們還是大肆地破壞農作物。接著,島上原生種蝸牛的數量越來越少了。後來研究發現,比起來非洲大蝸牛,玫瑰蝸牛更愛吃原生種蝸牛。而原生種蝸牛面對玫瑰蝸牛這種兇猛的外來殺手,根本毫無抵抗力,只能等著被宰。

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當人們終於意識到問題的嚴重性並準備做出干預手段時,卻為時已晚。根據研究,夏威夷群島本來有 81 種原生蝸牛。但在引進玫瑰蝸牛的十年後,島上 90% 的原生種蝸牛都被玫瑰蝸牛屠戮殆盡,而夏威夷政府和科學界根本無力阻止這場恐怖的屠殺,最後只能將剩餘的原生種蝸牛移到動物園或保護區做保護。2019 年,世上最後一隻金頂夏威夷樹蝸 (Achatinella apexfulva) — 「喬治」逝世,這標示著又一夏威夷原生種蝸牛滅絕3。而其他太平洋群島狀況也好不到哪去,以大溪地為例,島上本來有 61 種原生蝸牛。在玫瑰蝸牛引進的十年內,56 種原生蝸牛就被消滅殆盡4

這個引進玫瑰蝸牛的決策,可謂是生物防治法上的重大「失敗」案例,不僅消滅不了非洲大蝸牛,還對原生種蝸牛造成毀滅性的打擊。這個案例也告誡人們,未來想要再使用生物防治法時,務必要審慎思考。

不過在這種絕望的情況下,至今仍有少數的原生種蝸牛堅強地在野外生存。這就引起不少科學家的好奇心,想了解這些原生種蝸牛究竟是怎麼逃過玫瑰蝸牛的毒手。而來自密西根大學的生物學家和工程學家,就組成一個跨領域的研究團隊,一起攜手研究出可能的原因5

蝸牛怎麼逃離致命殺手,難道是靠反光?

Partula hyaline (P. hyalina) 是少數仍存活在大溪地森林中的原生種蝸牛,牠們有著白色的外殼,並且大多生活在樹林邊緣。而這兩條線索,讓密西根大學生態學系的兩個專門研究太平洋群島蝸牛滅絕的科學家 —— Cindy Bick 博士和其指導教授Diarmaid Ó Foighil 博士,有了一個 P. hyalina 逃過玫瑰蝸牛追殺的假設。

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A Partula hyalina snail resting on a wild red ginger leaf next to a Michigan Micro Mote computer system in a forest edge habitat in Tahiti. Image credit: Inhee Lee
睡覺的P. hyaline (左)和 M3 微型電腦 (右)。圖/news.umich.edu

蝸牛一般生活在比較潮濕,躲避太陽直曬的地方,這是因為蝸牛要維持其皮膚上的黏液。如果在太熱的地方,會讓其皮膚失去黏液,而這對蝸牛來說是致命的。P. hyalina 生活在樹林邊緣,這表示牠生活的環境會比生活在樹林中的玫瑰蝸牛,接受到更多的日照,溫度也更高。而這樣的環境會讓玫瑰蝸牛因過熱而失去黏液,讓玫瑰蝸牛不想接近。

但這樣的環境,對 P. hyalina 而言不會太熱嗎?由於 P. hyalina 的殼是白色的,讓牠能反射更多日光,這樣就能降低日照對牠的影響。因此 Bick 和 Foighil 認為,P. hyalina 因有著白色外殼而能生活在高日照地區,藉此躲避玫瑰蝸牛的追殺。

要驗證這個想法,只需要在蝸牛身上裝上光照感測器,測量並比較 P. hyalina 和玫瑰蝸牛生活環境的光照數值就行了。恩,講得容易,但做起來不簡單。

因為現有的光照感測器都必須裝上鈕扣型電池,這導致感測器的大小 (12*5*4 mm) 會嚴重影響蝸牛的行動。如果會影響蝸牛的行動,就很難還原牠們真實的生活模式,這樣得到光照數值就不會準確。

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微型電腦的神助攻

正當 Bick 和 Foighil 苦惱於沒有好的光照感測器時,Bick 得知了一個消息:密西根大學開發出目前公認最小的微型電腦 —— Michigan Micro Mote ( M3 )6,大小只有 2*5*2 mm,而這個大小放在蝸牛身上,非常合適。於是她立刻與 M3 的研發團隊聯繫,希望他們能提供協助。而 M3 的研發團隊在深入了解 Bick 和 Foighil 的需求後,決定與 Bick 和 Foighil 組成聯合研究團隊。他們修改了 M3 的程序,並將其改造成能以太陽能發電的微型光照感測器。

研究團隊先在密西根野外測試 M3 安裝在玫瑰蝸牛身上後,並不會影響玫瑰蝸牛的行動,同時 M3 也能長時間的偵測光照數值。確認一切妥當後,他們便前往大溪地進行實驗。

研究團隊成功在野外測試將 M3 安裝在玫瑰蝸牛身上。影片來源:參考資料 5

到了大溪地後,他們遇到一個問題,那就是不能在 P. hyalina 身上安裝 M3 。因為P. hyalina 是受保護的瀕危物種,不允許任何可能傷害牠們的行為,於是研究團隊採用間接的方法。由於 P. hyalina 是夜行動物,白天牠們會附在樹葉的背面睡覺,因此研究團隊就將 M3 安裝在 P. hyalina 休息的葉片頂端和底部,來觀察其生活環境的光照數值。研究團隊另外將 M3 安裝在玫瑰蝸牛身上,藉此比較兩者生活環境的光照數值。

(b) M3 安裝在 P. hyalina 附近。(c) M3 直接安裝在玫瑰蝸牛身上。圖/參考資料 5

結果顯示,白天 P. hyalina 所休息的環境中,其照度註1 ( 7674-9072 lux )遠超玫瑰蝸牛所能容忍的 ( 540-772 lux )。而這個結果符合 Bick 和 Foighil 的假設,即 P. hyalina 能生活在高日照地區,以此躲避玫瑰蝸牛的追殺。

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不過可能會有人好奇,玫瑰蝸牛難道不會在清晨光照較弱的時候,去捕食 P. hyalina 嗎? 

研究團隊在野外觀察發現,P. hyalina 大約在上午 9 點左右就寢。此時的光照量雖然仍在玫瑰蝸牛的忍受範圍內,但等牠們捕食完再移動回到陰暗處,時間會到上午10 點,而此時的光照量就遠超玫瑰蝸牛的最高容忍值了。因此玫瑰蝸牛若要去捕食 P. hyalina,很可能吃飽後就死在半路上了。

雖然藉著 M3 的協助,證實了 P. hyalina 能生存在光照量較高的環境,但是否光照量是決定 P. hyalina 不被玫瑰蝸牛所捕食的原因,仍需要很多實驗驗證。不過研究團隊表示,這個實驗開啟了研究無脊椎動物的新世界,因為 M3 這種微型電腦的發明,讓隨時監控這些無脊椎動物的生態與行為變成可能。

或許未來隨著 M3 對玫瑰蝸牛與原生種蝸牛的有更多認識的同時,也能找出拯救這些瀕危蝸牛的新方法。甚至隨著微型電腦的廣泛應用,能讓我們看到小型動物更多的生態與行為,大大開啟科學研究的新視野!

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註釋

  1. 照度:是每單位面積所接收到的光通量,SI 制單位是勒克斯 (lux)。居家的照度一般在 300-500 勒克斯之間。

參考資料

  1. 非洲大蝸牛
  2. 玫瑰蝸牛
  3. 世上最後一隻金頂夏威夷樹蝸「孤獨喬治」逝世,終年14歲
  4. Régnier C, Fontaine B, Bouchet P. Not knowing, not recording, not listing: numerous unnoticed mollusk extinctions. Conserv Biol. 2009 Oct;23(5):1214-21. doi: 10.1111/j.1523-1739.2009
  5. Bick CS, Lee I, Coote T, Haponski AE, Blaauw D, Foighil DÓ. Millimeter-sized smart sensors reveal that a solar refuge protects tree snail Partula hyalina from extirpation. Commun Biol. 2021 Jun 15;4(1):744.
  6. Michigan Micro Mote (M3) makes history as the world’s smallest computer
  7. Snails carrying the world’s smallest computer help solve mass extinction survivor mystery
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羅夏_96
52 篇文章 ・ 863 位粉絲
同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟

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人工授精失敗,然後她就死掉了!害斑鱉絕種的最後一根稻草?
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・2019/04/23 ・1299字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

中國蘇州動物園最後一隻雌性斑鱉Rafetus swinhoei)在 4/13 的人工授精結束後死亡。根據報導,麻醉及人工授精過程進展順利,在開始之前身體狀況良好,死因尚不清楚。已經計劃進行屍檢,並且已經收集並保存了她的卵巢組織。

如果在越南湖泊中的兩隻未知性別的斑鱉都是雄性,那麼斑鱉就正式成為殭屍物種,即使有個體存活,卻再也無法繁衍並有生態功能。

從廣布種到今天苟延殘喘的悲劇

斑鱉是世界上體型最大的淡水龜類之一,曾廣泛分布於中國長江下游和太湖地區。古人稱之為癩頭黿。過去幼體常被當成中華鱉Pelodiscus sinensis)成體常被當作黿Pelochelys cantorii),早在 1873 年便已命名卻直到 2002 年後才被確認為有效種。因為人為獵捕和環境破壞數量急遽減少,早期的人撈到或看到大鱉就直接吃了,誰管牠是什麼?而雌性個體又因需要上岸產卵的原因,更容易被抓去吃掉。長年下來,能對族群較有貢獻的大母鱉被越吃越少,最後從曾經的廣布物種變成今天苟延殘喘的局面。

斑鱉的故事就是一連串的人謀不臧造成的悲劇。過去數十年間,中國境內有幾間動物園都有飼養斑鱉,但過去一直被當成黿隨意養著,直到發現是斑鱉後,或許為了營運考量弄出了水中大熊貓的稱號,並將其移入空調室飼養,很多個體就在這個時候因為環境劇烈變動而死亡。

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最後幾隻個體又因為動物園本身的本位主義和調配問題拖很久才成功配對,當時雌雄個體都已經是九十歲以上的高齡。一開始園方曾嘗試讓這一對斑鱉自行交配,直到 2015 年才發現雄性的陰莖在早年時與其他雄性打鬥嚴重受損,能夠交配但無法正常授精。鱉的生殖器有一堆複雜的觸手狀結構(其實我覺得比較像船錨),這些觸手狀附屬物必須要鑲嵌到雌性的生殖構造才能成功授精。

鱉的雞雞是中間下排中立邪惡的位置。圖/Zug, G. R. 1966

前幾次人工授精雌鱉都有產下卵但沒有成功授精,推測可能是雄鱉精液品質不佳所致。而人工授精小組才剛完成了與新加坡動物園非瀕危巨鱉物種的合作,真正完善了他們的人工授精技術並採到至今最佳品質的精液。然後雌鱉就死亡了……

麻醉和人工授精兩爬類動物風險極高,但因為人的關係拖到別無選擇最後造成一個物種幾乎宣告滅亡,沒有什麼比這更可悲的了。現在越南那兩隻透過環境 DNA 確認存在的兩隻斑鱉就是這個物種的最後希望。

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除了希望這個物種能再有一線生機之外,也希望台灣能好好珍惜自己的物種,不要再因為人的考量去進行保育行動,最好的時機拖過了最後什麼都來不及是最愚蠢也最可悲的。

參考文章:

 

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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「基因恆久遠,一個永流傳」,隱藏在你我之間的尼安德塔人 DNA——《滅絕生物學》
PanSci_96
・2021/02/07 ・2648字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 535 ・七年級

  • 作者/池田清彥,本文摘自《滅絕生物學》,世茂出版,2020 年 11 月 04 日

從基因層級來看,尼安德塔人與丹尼索瓦人尚未滅絕

回到人類的話題,人屬之一的尼安德塔人於四十萬年前出現,三萬九千年時滅絕。但很明顯的,尼安德塔人的 DNA 確實存在於智人的基因內。除了十多萬年以來,每個祖先都是非洲原住民的人們之外,其他現存人類的基因中,都有一部分的基因來自尼安德塔人。也就是說,尼安德塔人曾與智人雜交過,所以現代人的基因中,有百分之二來自尼安德塔人。

現代人的基因中,有百分之二來自尼安德塔人。圖/pixabay

如果尼安德塔人從未與其他物種的人類雜交,一直保持尼安德塔人的「單系群」,這個種系確實在三萬九千年前便已滅絕。實際上,尼安德塔人卻曾和智人雜交,基因混入了現代人的基因體,故尼安德塔人的基因至今仍未滅絕。某種意義上,現代人可以說是尼安德塔人的後代。

我們常聽到有人說「人口再這麼減少下去,日本人就會滅絕了」。這裡說的「日本人」,究竟是指那些人?是指住在日本列島上的人嗎?還是所謂日本人血統的人?舉例來說,一位日本女性前往非洲,與非洲人結婚,並生下孩子。那麼這個孩子自然有日本人的血統。即使日本列島上的日本人因為某些原因而全部消失,只要其他地方還留著日本人的血統,那麼「日本人滅絕」就不會成真。再說,所謂的日本血統其實是個模糊的概念,日本人與中國人、韓國人在遺傳學上幾乎相同。

基本上,「不存在人種的概念」已是人類學上的常識。所有現代智人百分之九十九·九的 DNA 都相同。

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現代智人百分之九十九·九的 DNA 都相同,基本上可說是「不存在人種的概念」。圖/pixabay

前面提到,現代智人的祖先曾與尼安德塔人雜交過。丹尼索瓦人(Homo deni-sova)由尼安德塔人分歧而來,是與尼安德塔人稍有差異的物種。而智人的祖先就曾經和丹尼索瓦人雜交過。目前已知,丹尼索瓦人曾和智人與尼安德塔人共同生存了數萬年。

丹尼索瓦人在四萬年前便已「滅絕」。而走出非洲的智人,在十萬年前左右,以及六萬年前~五萬年前之間,曾兩度與尼安德塔人雜交。接著又在五萬年前~四萬年前之間,與丹尼索瓦人雜交,其後代再擴散至全世界。在基因的層次上,尼安德塔人與丹尼索瓦人皆沒有「滅絕」。西藏人、澳洲原住民、因紐特人、新幾內亞人、美拉尼西亞人等,都具有尼安德塔人與丹尼索瓦人的基因。特別是新幾內亞人的 DNA,有百分之三~六來自丹尼索瓦人,有百分之二來自尼安德塔人,故一共有百分之五~八的 DNA 來自其他人類。

而日本人也有少許 DNA 來自丹尼索瓦人,不過大致上還是尼安德塔人與智人的混血物種。

粒線體 DNA 必定繼承自母方,而非父方,故我們可以從粒線體 DNA 追溯母方的血統。而調查結果發現,現代智人的粒線體 DNA 全都來自智人。沒有任何一人的粒線體 DNA 來自尼安德塔人。也就是說,女性尼安德塔人在雜交後所生下的後代,並沒有一直延續至今。女性尼安德塔人與男性智人所生下的小孩,或許是在尼安德塔人的村落內長大的,後來隨著尼安德塔人族群的滅絕,這個種系也跟著消失了。因此,具有尼安德塔人粒線體 DNA 的「女性尼安德塔人後代」,便沒有延續至今。除了非洲人,現代智人皆為數萬年前,男性尼安德塔人與女性智人混血後產下的後代。

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可以從粒線體 DNA 追溯母方的血統。圖/Wikipedia

智人與尼安德塔人的「雜交種1」並未滅絕,而是留存至今

我曾在日本早稻田大學國際教養學部教書到二○一八年春季。這個學部的外國學生特別多,還有許多異國婚姻的學生。不同國家的人們結婚並生下小孩,可以增加人類的多樣性,是一件好事。

我常和大學生說:「最偉大的智人,就是那位和尼安德塔人性交的女性。」這聽起來像是玩笑話,但其實智人正是靠著與尼安德塔人雜交後獲得的基因,撐過許多環境變遷而存活了下來。

「純種」尼安德塔人約在三萬九千年前滅絕。在這之後,智人只能和智人繁衍後代,於是尼安德塔人的血統便逐漸稀薄。照機率來看,尼安德塔人基因在智人體內的比例應該會越來越小。然而實際上,來自尼安德塔人的基因卻沒有消失,代表這些基因可以讓個體有更強的生存能力。換言之,體內沒有尼安德塔人基因的人,便無法存活下來。

末次冰期於一萬年前結束,這時只有體內有尼安德塔人耐寒基因的智人能活下來。如本書第二章所述,智人與尼安德塔人性交後所獲得的基因,可以提供對寒冷的耐受度,幫助智人撐過更新世時的冰河期。另外,丹尼索瓦人的基因也混入了西藏人體內,有人認為這可以幫助西藏人適應高地。

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只有體內有尼安德塔人耐寒基因的智人活過了冰河期,並且使得他們的基因留存至今。圖/pixabay

當然,從前的歐亞大陸智人,某些個體並沒有獲得尼安德塔人或丹尼索瓦人的基因。這些所謂「純種」的族群,沒辦法應付氣候寒冷與各種環境變動,進而走上滅絕的路。

雖然尼安德塔人與丹尼索瓦人皆已滅絕,其 DNA 卻被保留至今。

現代人口已達七十六億,可說是相當繁盛,卻是人類種系的最後一個物種。如果發生破火山口噴發、大隕石撞擊地球等環境衝擊,或者人類這個物種的壽命到了盡頭,人類便會滅絕。無論如何,從地質學的時間尺度來看,人類的滅絕只是時間早晚的問題而已。若是如此,以查德沙赫人為起點的人類種系便會完全滅絕,地球將進入新的時代。雖然到時沒有一種生物能夠繼續觀測、研究、記錄這個星球。然而到了早上,太陽仍會東昇;到了傍晚,太陽仍會西沉,地球還會繞著太陽公轉好一陣子。

註釋

  1. 審訂註:尼安德塔人的部分基因組因為「遺傳滲漏」(genetic introgression)而進入現代智人的基因組,但這與「雜交種」的概念仍有一定的差距。
——本文摘自《滅絕生物學》,世茂出版,2020 年 11 月 04 日
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