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以後月底不吃土,吃蟲?——以蟲為食(上)

Sophia
・2020/01/06 ・4530字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 582 ・九年級

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世界糧食存量拉警報,畜牧產品價格漸漸上漲,同時你的錢包君仍然過瘦的現在……農作物大敵秋行軍蟲還來「trick and treat」!

該怎麼辦呢?

何不試試吃蟲?順便消滅秋行軍蟲?!

能吃的東西這麼多,吃蟲是個好選擇嗎?

聯合國糧食及農業組織(FAO)報告指出,地球需要再增加目前糧食產量的 70%,才能供給 2050 年全球的 90 億人口。其中肉類年產量需增長 億噸以上,糧食安全存量才能達標。但是全球碳排過量的現在,我們已沒有餘力承受畜牧產生的碳足跡與環境影響了。
(2006 年出版的《畜牧業的巨大陰影》刊物提及,光西半球的養殖業就要消耗全球 85% 的大豆來製作飼料(Stamer 2015)。)

人越來越多,肉可能會因此而不夠吃,所以我們開始找尋其他蛋白質來源。圖/libreshot

為了提供未來十年預計增長的 2~3 百萬人口足量的蛋白質,科學家早已開始找尋不同蛋白質的來源:

  1. 黃豆、豌豆與花生等植物性蛋白:市面常見,發展成熟,但營養價值稍遜動物性蛋白。
  2. 微藻、螺旋藻:近幾年替代蛋白不錯的選擇。這兩種藻類除了成長快速;養殖方式對環境友善,還含有機能性成分。不過細胞壁較難消化,且種植過程容易受到重金屬汙染。
  3. 蕈類:方便種植、收成,消費者接受度高,但是蛋白質含量相對較低。
  4. 人造肉:近年興起,來自培養皿的人造肉則是訴求乾淨無汙染,不用施打抗生素,且沒有動物因此死亡,但是目前生產成本高,外觀與口感也因沒有脂肪散佈而與真肉有差異,影響消費者觀感與接受度。

那麼食用昆蟲呢?

昆蟲蛋白屬於動物性蛋白,含有完整的人類必需胺基酸,2013 年 FAO 的《可食用昆蟲》報告指出全球有約 28% 人口以各生長階段的昆蟲為食,其中有些地區將之當作飢荒食物(famine foods)——在糧食短缺的時候或雨季及時提供蛋白質,熱量,微量元素與維生素等營養。

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常見的食用昆蟲種類與比例如圖。昆蟲種類多,可供食用的就超過1900種,來源豐富;應用廣泛,並且人類食蟲歷史早在聖經文獻中便可找到紀錄,因此部分蟲類被認為是傳統食品原料,甚至作為傳統醫學藥材。(Laura, R.. 2016)

再從養殖面來看,由於冷血動物需要的熱量較少,昆蟲「飼料換肉」的效益很高。養成一公斤雞肉需要 2.5 公斤飼料;豬肉要 5 公斤;牛肉則要 10 公斤,而一公斤的可食活蟋蟀,只要 1.7 公斤飼料,更甚者,部分昆蟲可以農產品廢棄物為食,不僅成本低,還可以減少剩食問題。此外,飼養過程中養殖場使用面積;水與殺蟲劑用量都較現行畜牧業少。

吃蟲可是好處多多,要不要來點蟲蟲啊。圖/wiki

綜上所述,食蟲符合了環境可持續性(sustainable),健康營養(healthy),經濟實惠(affordable),供應穩定(reliable),美味(palatable)五個要點(SHARP),因此,昆蟲被認為是傳統畜牧業的良好未來替代品。(Laura, R.. 2016)

你我都聽過的都市傳說:「吃到蟲就當作補充蛋白質!」所以昆蟲真的營養嗎?

圖 / 作者整理自食品營養成分資料庫與 Attila et al, 2017

上圖比較了常見的食用昆蟲與傳統肉品中的營養素。傳統肉品營養素比例相近,無論豬、牛、雞、魚肉,蛋白質都約占 20%,脂肪也都在 7 至 15% 之間。但是昆蟲的營養素比例變異卻相當大。若以營養價值指標(Nutrient Value Score)3比較蟋蟀、棕櫚幼蟲、黃粉蟲與常見肉類牛、雞肉,結果發現前三者更為健康,其他昆蟲則沒有顯著差異(Payne, et. al., 2016)。

德國科學家 Rumpold 與 Schlüter 曾在 2013 年整理了 236 種昆蟲的營養分析,並比較了各種昆蟲之間及昆蟲與傳統肉類的蛋白質、脂肪、纖維、碳水化合物與灰分含量佔比。以下根據是次研究成果分為蛋白質、脂肪與熱量、纖維三大類討論:

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圖 / 作者整理自Rumpold, B. A., & Schlüter, O. K. (2013)

1. 蛋白質

如前文所述,昆蟲有高品質蛋白,不過含量變異大。以囊括各種甲蟲的鞘翅目為例,平均蛋白質含量在 41%,範圍在 8.85~71.10% 之間。而昆蟲蛋白質與植物蛋白的品質相比,昆蟲蛋白質包含所有種類的必須氨基酸,且胺基酸組成完整,符合人體需求。此外,它的消化率約在 76~96% 之間,比植物性來源蛋白高,更只比牛肉(98%)、雞蛋(95%)低一些。

除了食用價值,以昆蟲飼養動物研究結果顯示,昆蟲蛋白質不存在限制生長的抗營養因子,且昆蟲蛋白可提高礦物質的生物利用率。而昆蟲蛋白衍生的機能性胜肽展現的抗高血壓、免疫調節、抗菌與抗氧化效果也開始受到注目,期望後續能應用在人體與動物營養、食品保存等領域。

2. 脂肪與熱量

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昆蟲的熱量與傳統肉品相比,有過之而無不及,其中幼蟲與蛹的階段熱量又比成蟲高,範圍約在 217~777 kcal / 100g。脂肪含量範圍則從 7~77% 不等,並含有豐富的單元與多元不飽和脂肪酸。其中包含的亞麻油酸與次亞麻油酸,為人體合成 DHA 之前驅物質。1有一些昆蟲脂肪還有功能特性,例如黑水虻幼蟲含有的月桂酸和月桂三甘油酯具有的抗菌,病毒效果,也有機會應用於食品保鮮或製作機能性成分。

3. 纖維

昆蟲纖維含量在 0.1~29% 不等,最常見的形式是存在於昆蟲外骨骼中的不溶性幾丁質,在人體腸道中難以消化,可當作膳食纖維。鐵、鋅與鈣的含量較牛、豬或雞肉多,也含有維生素 B 群,A、D、E、K 與維生素 C,很適合當作日常營養補給的營養來源(Kouřimská, et. al.,2016)。2

現今昆蟲食品所面臨的障礙:食蟲百利,法律規範、大眾知識卻還沒跟上

許多國家現在仍有食蟲習慣,但是不少已開發國家並不樂見昆蟲出現在食物裡,且將蟲類視為病菌傳染媒介,立法限制食物中昆蟲殘骸和蟲卵汙染量。如美國食品藥物管理局規定每 100 公克巧克力中不得含有超過 60 片昆蟲碎片;咖啡豆所含的昆蟲量不得超過 10%;果汁飲料中不得含有超過 5 顆蒼蠅卵等,讓昆蟲食品上市面臨限制。

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也有國家認為昆蟲是新穎性食品或食品添加物,要進一步變成能上市販售的普遍食品材料,要配合微生物,化學與環境等多方面研究,進行風險評估核可與制定相關的法規作規範管理。

想嘗試食用昆蟲?蜜蜂相關產品可以是你的第一步。圖/pxfuel

近期美國已准許販售整隻昆蟲,但是新型昆蟲衍生產品則被視為食品添加劑,需進行成分安全評估。歐盟雖較嚴苛地將食用昆蟲視為新穎性食品規範,但是盟內各國步調不一,不少接受度高的國家皆放寬處理,如比利時、德國與荷蘭已有昆蟲食品於市面上販售。台灣雖然批准 11 項昆蟲及其來源製取之原料可做食品原料使用(包括花粉、紅蚯蚓、蜂王乳、蜂王漿、蜂蛹、蜂蜜、蜂膠、蜂膠樹脂、蜂蠟、擬黑多刺蟻及蠶絲蛋白)但對昆蟲蟲體相關產品尚無法規規範,未來也不排除歸類於新穎性食品。

除了分類管理問題,產業經營也有許多要注意的地方:

  1. 昆蟲來源:若是採野外捕捉方式,就必須考慮永續經營;人工飼養則要有相關技術與配套的隔離方法,避免以昆蟲為媒介的傳染病,並控制蟲子熟成步調一致,穩定品質,才能形成大規模產業。而且無論以哪種方式取得昆蟲,都得注意環境中可能產生的重金屬污染與藥劑殘留。此外,來源與產地都將牽動全球的昆蟲貿易與產業鏈發展,不可輕忽。
  2. 飼料:應避免同種加工蛋白質餵養的風險,以免類似普利昂蛋白引發狂牛症,或是儲存不當的有機廢棄物產生質變等問題。
  3. 加工製造:得了解食用昆蟲的鑑定與食用方法等知識,預防攝入部分昆蟲含有的天然毒素;未去除足部的蚱蜢或蝗蟲引起的腸胃不適等風險。不同蟲體的物化特性直接影響到加工方式,還有萃取與濃縮後須了解食用安全性。
    另外,昆蟲蛋白可能還摻假問題,如額外使用皮革粉、羽毛粉等,蛋白含量高不等於動物源蛋白含量高。
  4. 產品推廣與食用注意事項:畢竟多數人沒有食蟲習慣,甚至對昆蟲充滿陌生與恐懼,因此上市前的感官品評與營養價值分析很重要,食品規範、包裝規範也需建立準則。尤其要注意昆蟲與許多其他節肢動物(如蟎蟲、甲殼類動物及軟體動物等)為類似過敏原,應標示可能產生過敏的訊息。才能減少風險並博得消費者信賴。
    近年生命福祉意識抬頭,收成前讓蟲子挨餓的清腸步驟,或密集飼養等道德福祉議題,也都可能影響消費者對昆蟲食品的接受度。

本文討論了食蟲的各種優點;分析了昆蟲的營養價值;也提出了目前推動食用昆蟲面臨的問題,下篇〈吃蟲進行式:昆蟲食品的新奇之路——昆蟲會成為未來糧食革命的主力嗎?(下)〉將正式帶你了解為了讓昆蟲好吃,世界各地做了多少努力,現在世界各國又有哪些已上市的「含蟲食品」,也許你也曾吃過喔!

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注解:

  1. 熱量多寡取決於脂肪的比例,脂肪酸組成的比例則受到種類、生長階段、飲食、環境溫度、休眠或遷徙有關。
  2. 除了測定方法與品種會影響到各項數值外,由於昆蟲的生命週期短,不同發育階段的同種昆蟲的營養組成都可能不一樣,飼料與產地造成的差異也較顯著。
  3. 營養價值指標(Nutrient Value Score):聯合國世界糧食計劃署開發,根據各種食物含有的營養素組成與微量元素含量為依據,以互相比較何種食用起來比較有益健康的一種評分工具(請參考附表,不同國家也會使用不同的評比標準)。

參考資料:

論文:

  1. Elhassan, M., Wendin, K., Olsson, V., & Langton, M. (2019). Quality aspects of insects as food—Nutritional, sensory, and related concepts. Foods, 8(3), 95.
  2. Kouřimská, L., & Adámková, A. (2016). Nutritional and sensory quality of edible insects. NFS journal, 4, 22-26.
  3. Laura, R.. (2016). Taste: The infographic book of food. Great Britain: Aurum Press.
  4. Jansson, A., & Berggren, Å. (2015). Insects as food-something for the future?.
  5. Musundire, R. (2014). Bio-active compounds composition in edible stinkbugs consumed in South-Eastern districts of Zimbabwe.
  6. Payne, C. L. R., Scarborough, P., Rayner, M., & Nonaka, K. (2016). Are edible insects more or less ‘healthy’than commonly consumed meats? A comparison using two nutrient profiling models developed to combat over-and undernutrition. European journal of clinical nutrition, 70(3), 285.
  7. Rumpold, B. A., & Schlüter, O. K. (2013). Nutritional composition and safety aspects of edible insects. Molecular nutrition & food research, 57(5), 802-823.
  8. Stamer, A. (2015). Insect proteins—a new source for animal feed: The use of insect larvae to recycle food waste in high‐quality protein for livestock and aquaculture feeds is held back largely owing to regulatory hurdles. EMBO reports, 16(6), 676-680.

報導:

  1. 吃蟲救地球?歐盟從食安、飼料管理、戴奧辛殘留到動物福利,都需規範〉,上下游
  2. The connoisseur’s guide to edible insects,Western
  3. Cricket Protein: the New Food Frontier Is Here Already, CRICKSTER
  4. 未來新食機——食用昆蟲發展的 4 項觀察〉,經濟部技術處
  5. 全世界有 20 億人口把昆蟲當食物的一種,他們會是未來食物新趨勢嗎?〉,關鍵評論網
  6. 蠶蛹作為動物性蛋白質飼料原料之安全性評估〉,苗栗區農業專訊第 83 期
  7. 251 萬噸的豬料市場空間,昆蟲蛋白為何難以進入?〉,南方農村報
  8. Insects as a more sustainable protein source, By
  • 文字編輯/翁郁涵

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從門得列夫到 118 種元素:元素週期表是怎麼出現的?
F 編_96
・2025/01/04 ・2302字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live Science

「氫鋰鈉鉀銣銫砝、铍鎂鈣鍶鋇镭…」相信很多人離開高中很多年,都還朗朗上口。

列著 118 種已知化學元素的「元素週期表」(Periodic Table),雖然唸起來像咒文,但有了它之後便能夠快速查詢原子序(proton number)、價電子(valence electrons)數量,以及元素可能的化學性質,成為各領域科學家與工程師設計實驗、預測物質反應必不可少的工具。

有趣的是,元素週期表並非一蹴可及。縱觀歷史,化學家們歷經數世紀的摸索、爭論與資料整理,才在 19 世紀後半葉逐漸確立。

我們現在看到的元素週期表,是在 19 世紀後半才逐漸確定。 圖/unsplash

週期表之父:門得列夫的突破

19 世紀中葉,已知的化學元素約有 63 種,許多化學家嘗試找出元素間的共同點,卻苦無系統性整理。當時能區分「金屬」與「非金屬」,或利用價電子概念將一些元素歸類,但要涵蓋大多數元素仍顯不足。俄國化學家門得列夫在撰寫《化學原理》教科書時,因接觸各元素的資料而產生新思路。他索性把已知元素各種性質寫在紙卡上,再一一比對它們的原子量(類似當今的原子量或原子序概念)與化學性質。

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確切的靈光乍現時刻,如今已無從完全重現,但我們知道門得列夫最後觀察到:「如果按照原子量(或後來的原子序)由小到大排列,某些化學性質就會呈週期性重複。」進一步來看,元素的價電子數量通常也會對應到表格的「欄位」或「族群」。於是,在 1869 年,他將研究結果發表,提出了第一版週期表的雛形,更大膽預言了尚未被發現的元素「eka-aluminium」(後來證實即鎵 gallium)及其他四種元素的性質。

讀懂週期表:原子序、符號與原子量

今日的週期表之所以能快速讓人獲得豐富資訊,關鍵在於三個核心欄位:

  1. 原子序(Atomic Number)
    代表該元素核內所含質子數。如果一原子核有 6 顆質子,就必定是碳(C),無論其他中子或電子數如何。此序號由上而下、由左而右遞增,貫穿整張表格。
  2. 元素符號(Atomic Symbol)
    多為一至兩字母縮寫,如碳(C)、氫(H)、氧(O)。但也有如鎢(W,因「Wolfram」得名)或金(Au,取自拉丁文「Aurum」)等較不直覺的符號。
  3. 原子量(Atomic Mass)
    表示該元素在自然界中各同位素的加權平均值,故通常是帶小數的數字。對合成元素則標示最常見或最穩定同位素的質量,但由於這些元素壽命極短,數值往往會被不斷修正。

舉例來說,硒(Se)在週期表中顯示原子序 34,屬於第 4 週期、第 6A 族,表示它有四層電子軌域,其中最外層(價電子層)有 6 顆電子。有了這些資訊,科學家可快速判斷硒的化學傾向、可形成何種化合物,乃至於在生物或工業應用中可能扮演的角色。

週期表的內部結構:週期、族與軌域

門得列夫最初按照原子量遞增排列元素,現代則依靠原子序(即質子數)來分類。橫向稱為「週期」(Period),從第 1 週期到第 7 週期;縱向稱為「族」(Group),目前總共有 18 組。週期數量在於顯示該元素電子軌域有幾層;而同一族則代表外層價電子數相同,故有相似化學性質。

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例如,第 18 族常被稱作「貴氣體」或「惰性氣體」,如氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)等皆不易與其他元素起反應。另一個顯著群體是位於第一族的鹼金屬(Alkali Metals),如鋰(Li)、鈉(Na)等,因外層只有 1 顆電子,極容易失去該電子而形成帶 +1 價的陽離子,故與水猛烈反應。

此外,在表格中央有一塊「過渡元素」(Transition Metals)區域,包括鐵(Fe)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)等。它們具有部分填充的 d 軌域,使得該區域的元素呈現多樣性質,例如具有金屬光澤、可塑性或導電性等,被廣泛應用於工業及工程領域。

同一族的外層價電子數相同,因此大多有著相似化學性質。圖/unsplash

再進化:從 63 種到 118 種

當門得列夫在 1869 年發表週期表時,已知元素只有 63 種,表格中甚至留有空白以預留「未來或存在尚未發現的元素」。他果然預測到了鎵(Ga)以及日後證實的日耳曼ium(Ge)等新元素性質,贏得舉世矚目。隨後,有越來越多元素透過科學發展,尤其是光譜分析與放射性研究而被發現,例如鐳(Ra)和氡(Rn)等。

到 20 世紀後期,隨著粒子加速器的誕生,人類可以合成更重的超鈾元素(Atomic Number > 92)。這些人工合成元素往往極度不穩定,壽命僅能以毫秒或微秒計,但仍證實存在、並填補週期表後段空白。如今,週期表已收錄到第 118 號元素「鿆(Og,Oganesson)」,但科學家預測或許還能繼續向上延伸;只要能合成更重、更穩定的原子核,我們就能拓展週期表的新邊境。

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一般認為,隨原子序遞增,原子核內部的質子數目激增,原子愈趨不穩,往往在極短時間內衰變成較輕元素。然而,一些理論物理學家提出「島狀穩定性」(Island of Stability)的概念:也許在某特定質子與中子數量組合下,能出現意外長壽的「穩定」重元素。

是否真能在表格上方再增添「第八週期」甚至更高週期的列,仍有待更多實驗來驗證。但無法否認的是,週期表一直是科學家檢驗自然規律的試驗場,也見證了人類探索未知的無盡熱情。

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人類的「長跑」很厲害?靠「跑」在荒野中脫穎而出
F 編_96
・2024/12/26 ・3048字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live Science

在美國加州死亡谷(Death Valley)「魔鬼鍋爐」般的炙熱溫度下,每年夏天都舉行一場被稱為「世上最極端越野賽」的經典賽事:Badwater 135。選手需在攝氏 49 度、下方為北美洲海拔最低的地帶上,跑步或走完 217 公里的山路,一路衝向位於美國本土最高峰(聖女峰)附近的終點。這聽來猶如天方夜譚,但每年仍有近百人勇敢挑戰。許多四足動物在此高溫下可能早已中暑倒地,為何人類卻能憑藉一雙腳在此環境中堅持下去?

事實上,速度上我們遠不及同等體型的動物,例如豹或馬,然而要比拼耐力,人類卻常能大放異彩。我們能在大草原中與野生動物「天荒地老」地消耗,即使我們在短程衝刺中會被輕易超越,仍可以憑藉馬拉松般的堅韌一路追趕,最終讓速度更快的對手因高溫與疲勞而甘拜下風。究竟人類為何會進化出這般特殊的耐久力?。

在跑步上,人類以耐力著稱,可透過拉長距離讓速度更快的動物因高溫與疲勞而屈服。圖/envato

人類長程奔跑的演化起源

人類的體質在遠古時期並非天生就能輕鬆長跑。據一種假說推測,大約 700 萬年前,類人猿的祖先於非洲開始「離開樹梢」,轉而在地面上覓食、移動。早期的兩足行走雖然看似笨拙,卻逐漸在持續的氣候變遷與草原化過程中展現優勢:

  1. 更廣闊視野:直立行走時,頭部位置提高,有利於觀察周遭環境,提早發現危險或獵物。
  2. 省力遷徙:兩足步態下,移動同樣距離所需能量相對降低,足以在開闊平原上長距離跋涉。

隨著數百萬年的進化,人科動物(hominids)在骨骼、肌肉與生理機制上更趨於適應長時間行走和奔跑。他們在廣袤的非洲大地上,並非以速度壓倒對手,而是依靠「耐力與持久追蹤」取得優勢。考古學家曾提出「持久狩獵」(Persistence Hunting) 的假設:古人類可能利用高溫時段在大草原上追趕羚羊或其他動物,待獵物體溫過熱而力竭之際,人類再上前制伏。一方面依靠長距離奔跑耐力,另一方面倚仗強大的散熱能力。

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足部與下肢結構:為奔跑而生的細節

哈佛大學的人類演化生物學家丹尼爾‧李伯曼(Daniel Lieberman)指出,人類的奔跑能力「從腳趾到頭頂」都有演化專門化的痕跡,稍加留意便能發現許多奧祕。

  1. 短腳趾與足弓結構
    • 人類的腳趾較短,是為了減少長距離奔跑時的折損機率。若腳趾過長,每次著地都更容易造成骨折或扭傷。
    • 足弓(包括足底肌腱與韌帶)則具備彈簧般的功能,可在踩踏地面時儲存彈性能量,接著釋放推力,減少肌肉能量消耗。
  2. 強力肌腱與韌帶
    • 跟腱(Achilles tendon)和髂脛束(IT band)都能吸收並釋放大量彈力,在跑步時有效節省體力。
    • 透過肌腱的彈性能量回饋,跑者在每一步落地與蹬地之間,都能減少額外的肌肉耗損。
  3. 臀部肌群的角色
    • 人類相較於猿類擁有更發達的臀大肌(gluteus maximus),能夠穩定軀幹,使身體不致向前傾斜或晃動得過於劇烈。
    • 這種「穩定性」非常關鍵,它能支撐直立姿勢,維持跑步時的協調和平衡。
人類發達的臀大肌穩定軀幹,得以支撐直立姿勢,提升跑步時協調與平衡的能力。圖/envato

軀幹與上肢:不容忽視的穩定器

奔跑並不只是腿部的事。上半身及頭部在跑動中也扮演著不可或缺的穩定與協調角色。

  1. 擺臂對頭部穩定的影響
    • 當我們在跑步時,雙臂自然擺動,有助於平衡腿部擺動帶來的轉動力矩;換言之,手臂的擺動能對沖下肢動量,讓我們在快速移動時仍保持穩定,頭部不至於過度搖晃。
    • 猿類上肢肌肉發達,卻沒有像人類一樣的大範圍肩關節「解耦」特性(能讓肩膀與骨盆分開晃動、頭部保持前方視線),這使得牠們在直立奔跑時更顯笨拙。
  2. 脊椎靈活度與呼吸節奏
    • 人類的脊椎與骨盆並非僵直連接,跑步時,骨盆能與肩部做出相對扭轉運動,使軀幹整體更靈活。
    • 這種結構也幫助人類在奔跑過程中匹配呼吸節奏:腳步落地的頻率能自然與肺部換氣形成同步節拍。

冷卻系統:靠「排汗」征服烈日

人類藉遍布全身的汗腺大量排汗散熱,透過蒸發有效降低體溫。人類藉遍布全身的汗腺大量排汗散熱,透過蒸發有效降低體溫。圖/envato

在非洲大草原上奔跑,面臨的最大挑戰之一便是高溫。人類為何可承受長時間高溫壓力,甚至能在午後與動物「耐力大戰」?

  1. 排汗與體溫調節
    • 大多數動物主要依賴氣喘(如狗的哈氣)或有限的汗腺冷卻。人類則擁有遍布全身、數量龐大的汗腺;這使我們可藉由大量流汗帶走熱量,再透過汗液蒸發達到降溫效果。
    • 雖然我們也會因此流失水分與電解質,但只要能適度補充,便能持續散熱。而某些大型哺乳動物,在持續奔跑一段時間後,往往因過熱而只能停下休息。
  2. 無毛皮膚與蒸發效率
    • 相較於其他哺乳類,人體毛髮主要集中在頭部與部分身體區域,大片皮膚裸露,有助於排汗時的蒸發散熱。
    • 這種「裸皮」極可能是長距離奔跑與日間活動的選擇性演化結果,確保人類能在炎熱的白天進行移動或狩獵,而不因過熱而必須在陰涼處長時間停留。

呼吸方式:維持長距離的關鍵

另外值得注意的是人類高效率的呼吸節奏。四足動物在奔跑時,呼吸通常與四肢步態高度耦合,比如馬或犬類在衝刺中必須配合四肢的震動節奏吸氣和吐氣,較難隨意變換節拍。而人類因直立姿態,使得呼吸與跑步步伐能保持更大程度的自主調控。

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  • 獨立呼吸調節
    • 能依跑者自主需求來決定吸氣與吐氣的頻率,不一定要剛好配合腿部的落地次數。
    • 這讓人類在長時間奔跑或耐力賽中,能以相對節能的方式調節氧氣和二氧化碳的交換量。
  • 嘴巴與鼻子的雙重進氣
    • 為支撐長時間有氧運動,跑者多半會同時用鼻子與嘴巴呼吸,以便快速補充氧氣並排出二氧化碳。
    • 相較之下,某些動物在喘氣散熱時犧牲了進氣效率,一旦體溫飆升,便難以同時維持高強度奔跑。

即使進入現代社會,大多數人不必再於烈日下持久追蹤獵物,我們仍可在馬拉松、越野超馬等各式比賽中看見古老遺傳「跑步基因」所迸發出的潛力。從波士頓馬拉松、超級鐵人三項,到極端氣候下的 Badwater 135,人類透過持續的鍛鍊與後勤補給,一次又一次突破極限。

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運動員的大腦跟一般人不一樣?從腦科學看體力之外的奪冠秘笈
F 編_96
・2024/12/17 ・2098字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live Science

是不是常聽人家講「運動天賦」?這種天賦到底是什麼?運動員哪裡跟我們不一樣?這個問題現在科學家或許可以給你一個答案。近年透過腦科學研究發現,運動員的大腦與普通人的大腦存在顯著差異,這些差異塑造了他們在比賽中的敏捷反應、精確動作及卓越判斷能力。

所以現在運動選手不只比體力,還要比腦力了嗎?這些差異具體差在哪裡?

快速反應:視覺處理能力

在團隊運動如足球或籃球中,快速處理視覺資訊並作出決策對勝負至關重要。一項 2013 年發表於《Scientific Reports》的研究發現,職業運動員比起業餘運動員或一般人更擅長處理動態視覺場景,例如追蹤快速移動的物體。這種能力能夠幫助運動員在瞬間解讀賽場上的複雜資訊,並迅速做出反應。

擁有快速的視覺處理能力,對團體運動來說至關重要。圖/envato

視覺處理能力的測試還可用於判斷運動員是否適合回歸賽場,例如在傷後復健階段,確保運動員在完全恢復判斷能力之前不會貿然上場。

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肌肉記憶:動作的自動化編程

對於體操選手或跳水運動員而言,肌肉記憶是完成複雜動作的關鍵。2023 年《Journal of Neuroscience》的一項研究表示,大腦如何通過訓練快速「壓縮」和「解壓縮」動作資訊,最終將動作序列整合成一個流暢的過程。這種訓練過程使運動員能夠無需刻意思考,便能完美執行複雜動作。

肌肉記憶的形成依賴於大腦皮層神經元的網絡活動,這種神經編程能力也同樣適用於訓練有素的音樂家或舞蹈家。

預測能力:球場上的決策利器

運動員擁有卓越的預測能力,例如棒球擊球手能根據投手的動作,快速判斷球的速度與方向。2022 年發表於《Cerebral Cortex》的研究發現,當擊球手預測投手的投球軌跡時,大腦左腹側顳葉皮質的神經元活動會根據預測結果而改變。

這種高效的預測能力源來於運動員在比賽中,學會透過關聯視覺線索與物體運動軌跡的技能。研究還發現,潛水選手等專業運動員的大腦中與動態運動解讀相關的區域,如上顳溝(STS),比普通人更厚,這也反映了運動訓練對大腦結構的塑造。

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平衡與空間感:身體控制的高峰

對體操選手來說,擁有非凡的平衡感與空間感知能力,兩者缺一不可,而這在科學上被稱為「本體感覺」(proprioception)。位於小腦的神經網絡讓運動員能迅速調整身體姿態,即使在空中失誤也能及時修正動作。

對體操選手來說,平衡感與空間感知能力非常重要。圖/envato

然而,當這套「安全網」失靈時,可能導致嚴重後果。如 2020 年東京奧運中,體操選手西蒙·拜爾斯(Simone Biles)因「扭轉失靈」而一度無法控制動作,凸顯了平衡能力在高風險運動中的重要性。

注意力與認知靈活性:多任務處理的關鍵

團隊運動要求運動員能快速在不同思維模式間切換,例如足球選手需在控球時預測對手動作並調整策略。2022 年《國際運動與運動心理學期刊》的一項研究顯示,運動員,特別是參與高強度間歇訓練的選手,擁有更強的認知靈活性和注意力分配能力。

研究也指出,這些能力的提升可能與長期訓練相關,但確切機制仍需進一步研究。

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抗衰老的秘密:運動對老年大腦的保護

這些運動訓練對大腦的影響,可不是只有相關區域的提升。運動對大腦健康的影響,可能會持續一生。一個典型例子是加拿大田徑選手奧爾加·科特爾科(Olga Kotelko),她在 95 歲時仍保持驚人的腦部健康,其白質結構完好程度甚至接近比她年輕三十多歲的普通人。科學家認為,持續的運動訓練可能是她保持記憶力與認知敏銳的原因之一。

運動不只是對身體的鍛鍊,對維持大腦健康也有影響。圖/envato

下一代的訓練策略:腦力與體力並重

隨著運動科學的不斷進步,科學家也開始呼籲教練更注重對年輕運動員的腦部訓練,例如提升記憶力與決策能力。西悉尼大學的運動科學家凱莉·斯蒂爾(Kylie Steel)指出,運動員的身體或許會訓練至極限,但在認知能力上仍擁有巨大的潛力提升。例如,足球訓練中可以鼓勵球員使用非慣用腳進行射門,以提升大腦靈活性,幫助他們在成年後更加出色地應對比賽挑戰。

近年研究讓我們重新認識了體育訓練對人體的深遠影響,運動改變的不僅是肌肉,還包括大腦。從視覺處理到肌肉記憶,再到抗衰老的腦部結構,透過運動與科學的結合,將為未來的運動員開啟全新可能性,也提醒我們,持續鍛煉不僅益於身體,也有助於大腦的健康。

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F 編_96
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一個不小心闖入霍格華茲(科普)的麻瓜(文組).原泛科學編輯.現任家庭小精靈,至今仍潛伏在魔法世界中💃