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人類首次偵測到藍鯨的心跳!在深海的頻率原來這麼慢

Peggy Sha
・2019/12/06 ・1940字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 494 ・六年級

藍鯨是種非常矛盾又迷人的存在,牠們居住在深深的海中,卻需要呼吸新鮮空氣;體型稱得上是目前世上已知最大的生物,卻幾乎僅需依靠小不隆咚的磷蝦為生。

最近,科學家還發現了一個關於藍鯨的有趣事實,那就是:牠們的心跳超、級、慢

迷人又巨大的藍鯨,原來擁有極慢的心跳頻率。圖/By NOAA Photo Library – anim1754, Public Domain

想聽見藍鯨的心跳?你需要神奇吸盤

修但幾勒,你說要偵測藍鯨的心跳?那要用怎麼個測法?我們既不能把牠抓起來、也沒辦在海面上用聽的,難不成要派個潛水員下海跟蹤牠(喂)

為了順利解開藍鯨的心跳秘密,由史丹佛大學的海洋生物學家 Jeremy Goldbogen 所帶領的團隊,特別打造了客製化心電偵測裝置 (ECG)。心跳會在皮膚表面引起極小的電學變化,而 ECG 所做的,便是捕捉這些變化,並將其放大描繪成心電圖。

以時間為單位,記錄心臟的電生理活動,便可得到心電圖。圖/wikipedia

研究員將帶有電極的感測器裝在吸盤中,而後利用 6 公尺長的碳纖維桿子,將器具裝在加州蒙特利灣一隻 15 歲的藍鯨身上。他們特製的器具除了能偵測心律,還帶有 GPS 追蹤器,在記錄下各種數據後,會脫落、浮上海面,再由研究人員追蹤回收、分析數據。

這些新型器材,不僅能讓研究人員研究鯨魚的生活,也不會過度打擾牠們,對於鯨魚來說,就像是輕輕地拍了牠們的肩膀一樣。

問鯨能有幾多愁,恰似兩下心跳每分鐘

最後,這些器具收集到了約 8 個半小時的數據,研究團隊發現到,藍鯨的心跳頻率變化極大,從一分鐘跳 2 下到一分鐘 37 下都有可能。當鯨魚下潛時,牠的心律也會跟著大幅下降。在下潛的時候,心律約是一分鐘 4-8 下,偶爾會一路下降到一分鐘 2 下。

不過,為什麼牠們的心臟要跳得這麼緩慢?一般而言,維持較低的心律有助海洋哺乳類保存氧氣,讓牠們可以在水面下待更長的時間。

不過啊,科學家們看到數據後的感想是:這也實在是太慢了吧,這遠低於科學家最初的預估──每分鐘 11 下。(鯨魚表示:11 太多了,2 還差不多)。更驚人的是,即便是進行捕食這種需要耗費大量精力的事情時,藍鯨的心律也不過 8.5 下/每分鐘,拜託,牠們吃飯的時候可是得衝進磷蝦群中,大大張開嘴巴一口吞下磷蝦呢!

不過,藍鯨的心律也不是一直這麼慢,當逐漸上浮時,牠的心律會重新上升。到達海平面時,牠的血液流動會變得較快,努力再充氧 (reoxygenizing),為下一次的下潛做準備,而被偵測的鯨魚在此階段的心跳,紀錄可達巔峰的一分鐘 37 下,這麼快速的心律,基本上已經達到了鯨魚心臟的極限。

藍鯨的心律在下潛時會較慢,上升時則較快。圖/研究圖片

你以為一分鐘 37 下已經是最極限的事了?才不呢!藍鯨心臟從慢速跳動到快速跳動,兩者間的轉換其實非常快速,有的時候只需要 1、2 分鐘內就可以轉換完成,而牠們進行這種轉換的頻率其實還挺高的。若真要比喻,這種感覺就像是你在躺椅跟百米衝刺中反覆切換,而牠們竟然可以日復一日地從事這樣的轉換。

世上最大的心臟,還藏著各種未解的謎題

藍鯨身型最大可以到 30 公尺長、200 噸重,可想而知,牠們心臟也超大顆,目前發現過最大的藍鯨心臟約 200 公斤重,快要跟一台高爾夫球車一樣大。

目前最大的鯨魚心臟約重 200 公斤,血管大到可以讓人爬進去。圖/引用自《dailymail》新聞照片

藍鯨的心臟有非常靈活的主動脈弧 (aortic arch),可以讓牠們在心跳沒有劇烈跳動的情況下,維持 90% 的血液,而後緩慢地釋放,這或許是為什麼心臟可以跳得這麼慢的原因。

而對於藍鯨的心跳,其實還有著很多需要被解答的秘密,像是:牠們的神經系統是如何控制這種快速的心律變化?而抹香鯨這種一次可以下潛一個小時以上的鯨魚,牠們心臟又在做什麼呢?

科學家們正打算四處蒐集更多鯨魚心律的資料,說不定可以更了解這些巨大又神秘的生物。

參考文獻:

  1. J. A. Goldbogen, D. E. Cade, J. Calambokidis, M. F. Czapanskiy, J. Fahlbusch, A. S. Friedlaender, W. T. Gough, S. R. Kahane-Rapport, M. S. Savoca, K. V. Ponganis, P. J. Ponganis (2019) Extreme bradycardia and tachycardia in the world’s largest animal PNAS https://doi.org/10.1073/pnas.1914273116
  2. Blue Whale Hearts May Beat Only Twice a Minute During a Dive nytimes 2019.11.27
  3. A Blue Whale Had His Heartbeat Taken for the First Time Ever — And Scientists Are Shocked livescience 2019.11.27
  4. A blue whale’s heartbeat has been recorded for the first time – and the results are fascinating CNN 2019.11.26
  5. With suction cups and lots of luck, scientists measure blue whale’s heart rate reuters 2019.11.28

文章難易度
Peggy Sha
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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。


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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
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