0

13
2

文字

分享

0
13
2

想知道狗狗的年紀嗎?現在有更科學的算法啦!

Peggy Sha
・2019/11/22 ・2588字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 562 ・九年級
  • 2019/11/27 編註:文章內的公式僅適用於 1 歲以上的狗,原文沒有明確標明使用限制,特此更正。此外,7 周幼犬的年齡轉換是基於甲基化數據,亦同時修正原文敘述。

你是否曾經聽人跟你說「我們家狗狗現在 14 歲。」聽到這種說法,你會不會覺得好奇:欸?這樣是老還是年輕?

如果參考過去坊間流傳的說法「狗狗的一歲等於人類的七歲」,那我們可以推知這隻狗狗已經是隻百歲「狗」瑞了。這種換算法的道理其實十分簡單粗暴:狗的平均壽命大約為 10 年,人類則可以有 70 年,一歲等於七歲的換算大概就是這麼來的。

不過,現在科學家提出了另外一種更科學的換算方式,就讓我們一起來看看這條公式是怎麼來的吧!

你知道自己家裡的狗狗換算成人類年齡是幾歲嗎?圖/maxpixel

到底有多老?DNA 甲基化告訴你!

這種新的算式背後,主要是參考了「表觀遺傳時鐘」(epigenetic clock) 這個概念,這種方法可以利用人類 DNA 的「甲基化」(methylation) 來判斷人類的生理年齡。有些組織會將人的 DNA 甲基化狀態換算成年齡預估,甚至藉此預測我們所剩的生命。(這些做法也是有些爭議的,部分倫理學家擔心這些資料可能被保險公司等單位濫用QQ)

甲基化後的胞嘧啶。圖/wikimedia commons

而除了人類以外,有些其他物種也像我們一樣,會在年齡增長的過程中有 DNA 甲基化的現象,像是:老鼠、黑猩猩、狼,還有本篇的主角──狗,也就是說,牠們似乎也都有這個「表觀遺傳學時鐘」。

為了要知道動物們的時鐘和人類的時鐘有何不同,UCSD 的遺傳學家 Trey Ideker 和他的同事們就嘗試以狗為研究對象,至於選擇狗的原因,主要是因為牠們跟人類時常居住在相同的環境,接收的健康資源也不相上下。

你的老不是我的老?來對比一下吧!

無論是什麼品種的狗狗,基本上發展的軌跡都大同小異:在 10 個月左右進入青春期,在 20 歲前過世。不過,為了要更明確地找到跟老化有關的基因因素,Ideker 的團隊主要將研究對象鎖定在拉不拉多犬上。

研究人員掃描了 104 隻拉不拉多的 DNA 甲基化模式,這些狗的年齡跨距從 4 周到 16 歲都有。而後,研究者將數據與過去已經公開的 320 位人類(1 到 103 歲)和 133 隻老鼠的甲基化資料進行比對。

研究找來了 104 隻拉不拉多。圖/pxhere

這項分析發現了狗(至少拉布拉犬是如此)和人類的確在特定基因組有著類似的年齡相關甲基化現象。當研究員對比年輕人與年輕狗狗、老年人與老年狗狗的時候,這些相似之處則更加明顯。

更重要的是,他們發現到,在人與狗衰老的過程中,與發育有關的基因會有類似的甲基化,這代表什麼呢?這表示「衰老」有某些方面其實是發育的延續,而不是另一個獨特的過程,而這些轉變,至少在部分哺乳類變化並不大。

人們原本就知道,當狗狗變老的時候,牠們會患上與人類相似的慢性疾病,生理功能也會因此退化。而這項研究則讓我們更加確定,在老化的過程中,類似的分子變化也會隨之產生。未參與研究的生物老年學家 (biogerontologist) Matt Kaeberlein 則表示:「實驗美好地展現出人類和狗共享了表觀遺傳時鐘的保守特徵」。

新算式出爐啦!快來算算看!

實驗團隊對比了狗兒甲基化變化的比率與人類的表觀遺傳時鐘,而後得出了一個比坊間版本來得複雜一些的公式。如果你想知道如何換算,公式長這樣:

狗狗的人類年齡=16 (狗實際歲數的自然對數)+31

根據甲基化的數據,人類的生命階段和狗狗的年齡似乎就可以搭得上線了。舉例來說,一個 7 周大的幼犬跟 9 個月大的人類寶寶差不多大(沒錯就是那個流著口水準備長牙齒的階段)。再對比一下拉不拉多的平均壽命(12 歲)和全球人類的平均壽命(70 歲),有沒有發現也對得上呢!

總體而言,犬類的表觀遺傳時鐘轉得比人類來得快多了,如果依照公式來看,一隻兩歲的拉不拉多雖然看上去還像隻小狗狗,但牠其實已經中年了,而後,時鐘的變化會逐漸趨緩。

拉不拉多可能看上去很小,但其實已經是中年囉!圖/maxpixel

另一位演化生物學家和老化專家 Steve Austad 則對於實驗的結果其實並不感到意外,另一方面,他認為這種技術如果應用於不同品種的生命週期等相關研究的話,說不定會有更多更加有趣的發現。

相關的新研究現在也正不斷進行,像是 Kaeberlein 所帶領的「狗狗年齡計畫」,就準備為不同品種的狗狗們的表觀遺傳資料建檔。他們希望透過這種方式,可以找出為什麼有些狗會在年紀比較小的時候得病或較早死亡,而其他的狗狗卻能活得健康長久。

不過,在更多新研究出現之前,相信現在的公式已經很能夠滿足你的好奇心了,所以,你家的狗狗到底是人類年齡的幾歲呢?

註解:

直接套公式(此公式僅適用一歲以上的狗):狗狗的人類年齡=16* ln(狗實際歲數)+31

ln為自然對數,就是以 e 為底的對數,至於常數 e 到底是什麼,這就說來話長了……(延伸閱讀:史上最多產的數學家,歐拉忌日|科學史上的今天:9/18

套用這個公式的計算方式,基本上也可以理解成從人類的角度來說,狗狗長大的速度很快:第一個半年就等於人們的 19.9 歲,第一年等於 31 歲,第二年等於 42 歲;但之後的老化速度相較來說就比較慢:活了十五年的狗狗等同人類 74.3 歲,活了二十年則等同 78.9歲。

參考資料:

  1. Here’s a better way to convert dog years to human years, scientists say Science
  2. What’s The Real Human Equivalent of Your Dog’s Age? Here’s a New Formula sciencealert
  3. DNA時鐘:從DNA甲基化來觀察老化現象 investigator
  4. 表觀遺傳學 維基百科
  5. 甲基化 維基百科

文章難易度
Peggy Sha
58 篇文章 ・ 377 位粉絲
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。


0

12
2

文字

分享

0
12
2

如何幫畜牧業減排溫室氣體?——教會小奶牛上廁所,可有效降低「一氧化二氮」排放!

阿咏_96
・2021/10/17 ・2612字 ・閱讀時間約 5 分鐘

近年來,大眾對於「氣候變遷」這個詞越來越不陌生,國際間也會簽訂不同協議與政策,來減緩溫室氣體的排放,講到這邊,我們通常會想到化石燃料的使用,但較少被人們注意到的是,畜牧業也是排放甲烷、二氧化碳、一氧化二氮等溫室氣體的大宗,甚至會造成水污染及空氣污染。

最近由心理學家團隊發表的研究,提出一種可能的解決方案,以減少畜牧業對環境的影響,也就是——「教小奶牛上廁所」!

看到這邊一定頭上冒出好幾個問號,為什麼畜牧業會對氣候變遷造成影響?是哪方面的影響?為什麼教奶牛尿尿可能可以減緩對環境的衝擊呢?要怎麼教?

圖/Pixabay

畜牧業和氣候變遷到底有什麼關係?

首先,根據聯合國糧食與農業組織 (FAO) 的報告,全球畜牧業每年約排放 7.1 兆噸的二氧化碳,大約是人為排放溫室氣體的 14.5%,其中,牛是排放量最大的物種,佔畜牧業排放量的 65 %,而大約來自於腸道發酵、糞便儲存與加工、飼料生產過程、其他能源使用等活動,FAO 也提出了目前評估可實行的減緩方案,其中一項便是提高奶牛的飼料開發以及飼養技術,來減少消化過程中和分解糞便時產生的甲烷 (CH4) 與一氧化二氮 (N2O) 。

而這篇研究的主角之一就是一氧化二氮 (N2O) ,雖然它只佔全球溫室氣體總排放量的 5% ,但它把熱留在地球的能力卻將近是二氧化碳的 300 倍!除此之外,每次排放的一氧化二氮 (N2O) 都會停留在大氣中超過一世紀,可以說是一種「長壽」的溫室氣體。從 1990 年起,紐西蘭的一氧化二氮排放量增加了五成,主要是來自乳製品業擴展以及氮肥使用,因此紐西蘭政府制定了一個目標,要在 2050 年之前將一氧化二氮的排放減少到淨零。

但這和牛有什麼關係呢?

紐西蘭的一氧化二氮排放量增加與乳製品業擴展有關。 圖/Pixabay

從「牛尿尿」開始的氮旅程

原因是牛尿液中氮含量很高,而動物尿液中的氮來源主要是尿素  (CH₄N₂O),在紐西蘭和澳洲,通常將牛飼養在戶外,牠們排尿之後,就開始一趟名為「氮循環」的旅程,首先尿素會迅速在土壤裡被水解成銨鹽 (NH4+) ,再經過微生物「亞硝化菌」氧化成亞硝酸根 (No2),接著,另外一群微生物「硝化菌」,將亞硝酸鹽 (No2) 再氧化成硝酸根 (NO3),以上的過程稱為「硝化作用 (Nitrification) 」。

當然,旅程還沒有結束,另一群稱作「脱硝菌」或「脫氮菌」的微生物會將硝酸鹽還原成氮氣 (N2),叫做「去硝化作用」或「脫氮作用」,而一氧化二氮 (N2O) 是反應的中間產物,會直接被釋放到大氣中。

難道把牛飼養在牛舍裡就沒有問題了嗎?

代誌不是憨人想得這麼簡單!當牛尿液中的氮和地板上的糞便混在一起時,會產生另一種空氣污染物——氨 (NH4)。

File:Nitrogen Cycle 2.svg
生態環境中的氮循環系統。細菌在其中扮演了關鍵角色,將氮源轉換為各種化合物,能夠被生物利用。圖/WIKIPEDIA

所以,如果牛的尿液可以被收集處理,裡面所含的氮就可以被轉換,減緩對環境的衝擊,但是要怎麼收集牛的尿液呢?

最直接的方式就是,教小牛到「廁所」裡尿尿。

要怎麼教會小牛尿尿?獎勵和拆解步驟是關鍵

研究團隊利用行為心理學的原理,訓練小牛到特定的地方排尿,這個原理便稱為「操作制約 (Operant Conditioning)」,由美國哈佛大學心理學教授史金納 (B.F. Skinner) 於 1938 年提出,當時有個著名的動物實驗稱為「史金納箱 (Skinner Box)」,將飢餓的小白鼠放在箱子裡,內有電動裝置紀錄動物的正確反應次數和頻率,因飢餓不安而活動的小白鼠,偶然壓到槓桿就會得到少量食物,當以後小白鼠看到槓桿,再去壓桿的頻率就會比以前高。對小白鼠來說,因反應而出現的食物是「強化物」,對壓桿這個「操作性反應」產生了強化作用。

除此之外,他們還運用訓練小孩上廁所,一種叫做「反向鏈接技術 (Backward Chaining Technique) 」的方式,將目標拆解成小步驟,從最後一步開始訓練到第一步。

首先,小牛被限制在圍欄設置成的廁所區域裡,當小牛排尿後再給予牠們喜歡的食物進行強化。然後,把小牛帶到圍欄外的一條走廊上,並再次強化進去廁所裡尿尿的行為,如果小牛在走廊上就排尿,便會用讓牠稍微不開心的噴水阻止牠。

經過幾次強化訓練,他們訓練的八頭小牛中,有七隻學會了在廁所尿尿,而且學習的速度和人類小孩差不多快!牠們大約只受了 15 天的訓練,大部分的小牛在 20 至 25 次排尿後學會了整套,比三到四歲的人類小孩還快。

小奶牛在廁所尿尿的影片。資料來源/參考資料 1

由此,研究團隊得到了兩個結論,第一是牛能夠學會注意自己的排尿反射,在準備尿尿時會移動到廁所裡;第二,在可以得到獎勵的情況下,牠們學會先憋尿,除非到了正確的地方。

牛牛學會了,然後呢?

在知道可以訓練牛牛到廁所排尿後,下一步要怎麼做才能夠離減排溫室氣體的目標越來越近呢?

作者認為希望未來可以優化廁所裝置,自動檢測排尿以及給予獎勵,就像是放大版的史金納箱一樣。除技術層面外,像是紐西蘭、澳洲等地的畜牧業,大多將牛飼養在開放的圍場,應該要把廁所設在哪裡,或者牛願意走多遠過來上廁所,都是需要進一步了解的問題,也才能夠將這項技術真正運用在不同國家的畜牧業,實際做到減緩畜牧業對氣候變遷的影響。

參考資料

  1. Dirksen, N., Langbein, J., Schrader, L., Puppe, B., Elliffe, D., Siebert, K., … & Matthews, L. (2021). Learned control of urinary reflexes in cattle to help reduce greenhouse gas emissions. Current Biology, 31(17), R1033-R1034.
  2. Gerber, P. J., Steinfeld, H., Henderson, B., Mottet, A., Opio, C., Dijkman, J., … & Tempio, G. (2013). Tackling climate change through livestock: a global assessment of emissions and mitigation opportunities. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO).
  3. 張春興(民80)。教育心理學:三化取向的理論與實踐。台灣東華書局。
  4. Backward Chaining Technique
  5. 全國法規資料庫:空氣污染防治法施行細則
  6. The science of nitrous oxide

阿咏_96
1 篇文章 ・ 3 位粉絲
You can be the change you want to see in the world.
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策