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光之深海,深海之光:那些在幽暗深處依然閃閃發光的動物們

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2020/01/21 ・3524字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 514 ・六年級

本文由國立海生館BOT經營團隊海景世界企業(股)公司委託,泛科學企劃執行

  • 作者/曾柏諺

提起深海,你的印象會是什麼呢?寒冷、漆黑、寂靜,甚至還可能有些面貌猙獰的生物神出鬼沒向你問好?

人們對深海的諸多印象,大多來自於它幽冥般的漆黑,但深海為什麼會是漆黑一片?這還得追溯到一個更古老的問題:海為什麼是藍色的?

想到深海的動物,往往給人有點猙獰的印象。圖/ wiki commons

吞噬光線的海水

如果你用容器撈起一把海水,如果沒有意外應該可以預期它會是透明無色的。因為「海水」裡絕大多數的成分是水,即便溶解了些許鹽類在其中,也大多是透明無色,看起來一點也不會影響海水顏色……對吧?

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其實影響海水顏色最大的因素正是「水」本身。太陽光是由許多不同波長的光所組成,不同波長的光線在水中被水分子吸收、散射的程度也不同,簡單來說,波長越長的光越容易被水分子所吸收。正因長波長的光線很快就消失殆盡,因此反射到我們眼裡的色光,就只剩下了波長較短的藍、紫色,這才顯得大海一片蔚藍呀!

科學家發現,在大約兩百公尺深左右,光線就會衰弱到再也無法負擔光合作用,因而大筆一畫,在此之上的區域稱為「表層帶」(epipelagic zone),又稱真光層、光合作用區。

圖/pixabay

不過倒也不是越此一步就漆黑無光,從兩百公尺再往下直到一千公尺深的區域,稱為中層帶(mesopelagic zone),生物還能藉由這一點點的光線,來看到東西,這裡也稱作黃昏帶(twilight zone)

離開了中層帶,再往下潛就是進入真正的深海了。在一千公尺以下,科學家依四千、六千公尺為界劃分了深層帶(bathypelagic zone)、深淵帶(abyssopelagic zone)以及超深淵帶(hadopelagic zone)等區域。

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在這樣的深海之中,生物的眼睛應該沒有什麼用武之地吧?如果這麼想可就大錯特錯啦。自從寒武紀淺海中,第一隻演化出感光能力的生物打響了生存競逐的槍響,自此誰能看的清、看的準就成了兵家必爭之地。正因為光線可以擴大生物的感官範圍,能夠掌握光線就再也不必瞎子摸象,能夠精準的掌握獵食、移動、避敵的效率,因此對海洋生物而言,即使是活在暗無天日的深海中,如果能掌握「光線」以及「視覺」的攻防戰,還是能享有獨特的優勢。

海洋生物的視覺攻防戰:透明、鏡像、色素、發光

海洋生物在視覺上的攻防不脫透明、鏡像、色素以及發光四項。

透明在許多動物的幼生時期都是相當普遍的伎倆,藉由讓自己的身體處於輕薄、無色素的情況,讓獵食者在茫茫大海中一眼望過去彷若無物;而鏡像則是在表層帶比較常見的手法,將身體表層藉由嘌呤之類的色素,讓體表呈現一片銀光閃閃,就好像在身體表面帶了一層鏡子般,能將背景的景象穿在自己身上,獵食者猛然一看,還真是看不出什麼東西來。

章魚也是海中生物視覺攻防戰的好例子,藉由色素的變化可以快速的融入環境中進行偽裝。圖/pixabay

色素就相當好理解了,在我們熟悉的陸生動物身上也很常見,最後一招就是照明了,既然深海裡沒有光線,那何不自己發光呢?不過生物是怎麼發光的,或者更進一步問,生物怎麼開始發光的呢?

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科學家在 1998 年曾提出假說,認為生物發光(Bioluminescenc)最重要的成份──螢光素(luciferin)最初的功能,其實是做為「抗氧化劑」使用,由於在大海中充斥著光化學產生的氧化物,以及藻類為了禦敵而衍生出的毒素,如何對抗這些無處不在的「毒物」就成了生存的大問題。

科學家發現,有些螢光素雖然美其名是螢光素,但事實上在許多不發光的部位,甚至不發光的生物身上也大量存在,尤其是皮膚、肝臟、腸道等地方更是常見。在驗證了化學活性後,科學家認為螢光素一開始的確是用來中和掉環境中無所不在的氧化物。

深海一片漆黑,那就自己來發光吧!

而發光的契機,則發跡自生物向深海移動的路上。還記得前面提過的深海環境特徵嗎?無光、低溫與缺氧的條件,讓光化學與藻類在這邊毫無用武之地;同時也因為生物的新陳代謝降低,氧化物帶來的生存壓力大幅滑落,正是在這樣的環境中,這套抗氧化系統逐漸演化出了新的可能。

因為深海無光的環境,釋出的光線意外成為了生物在生存競爭上的新武器,至此,海洋生物開啟了新的生存競賽。

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生物發光的用途相當廣泛,在防禦方面,生物可以在身體各處發出點狀、帶狀的光源,讓自己的輪廓顯得破碎,讓天敵認不出來眼前正是「食物的形狀」,因而錯過了一頓大餐;又或者當天敵靠近時,突然爆出一陣強光,就好像在一片漆黑的房間中開了一盞大燈,讓天敵睜不開眼,看不清楚眼前的視線,這時發光生物當然就可以逃之夭夭啦。

另外,有防守自然也有出擊啦!在月黑風高的路上如果看到遠方的燈火,是不是很吸引人呢?在海洋中生物也會利用光線來吸引獵物,讓獵物自己找上門來。

自備手電筒的燈眼魚與採用鏡像伎倆的櫛水母

燈眼魚就是個特別有趣的例子。在燈眼魚科 (Anomalopidae)家族下一共有六屬九種成員,這些魚的眼眶下方有著能翻轉的發光器,裏頭養著許多發光細菌。燈眼魚就像是我們用眼皮眨眼一樣,靠著遮蓋發光器與否,如同在海中帶了把可以自行開關的手電筒。

  • 影片說明:成群的燈眼魚在海裡游動,光點就像海中的螢火蟲。

燈眼魚帶著這個手電筒做什麼呢?曾經有人認為燈眼魚是為了與同伴溝通,才像燈塔一樣打著明明暗暗的光線,當作通訊訊號。不過在 2017 年,科學家在研究燈眼魚的成員之一的燈頰鯛( Anomalops katoptron)時發現,當周遭環境中出現食物時,燈眼魚會從一閃、一暗的打光模式,切換到長時間「開燈」的情況,這讓研究團隊推斷,燈眼魚其實是用這副手電筒尋找浮游生物來飽餐一頓。

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燈眼魚除了打著燈用餐外,還有一套「閃帶跑」(blink and run) 的功夫,讓天敵措手不及。科學家在 1975 年就曾經藉由研究另一種燈眼魚──眼燈眼魚 (Photoblepharon palpebratus) 時發現,燈眼魚在游泳時會先「開著燈」,讓光線在水中畫出一套軌跡;緊接著馬上把燈關掉,這時捕食者按著軌跡推理,想必燈眼魚就在軌跡末端的前方了對吧?

想得美!燈眼魚早在「關燈」的那一剎那,轉身朝著反方向遊走!依據研究團隊所述,「根本無法推測關燈後的游泳方向」,是不是很讓人佩服燈眼魚的這一套光把戲呢?

另外,雖然同樣看起來像有發光,在櫛水母 (Ctenophores)身上就是個完全不同的故事了!櫛水母最知名的就是牠在泳動時,身上擺動的櫛板輝映著彩虹的光芒,讓人以為櫛水母正不斷「發出」彩色的光。

  • 影片說明:櫛水母在泳動時,身上擺動的櫛板輝映著彩虹的光芒。

還記得前面提過的「鏡像」伎倆嗎?櫛水母雖然也有自己的螢光素與螢光素酶,但一種螢光素與螢光素酶的搭配,往往只能放出單色的螢光,無法造成彩虹般的效果呀!我們在櫛水母身上看到的這層彩虹,其實是在白光的照映下被結構精細的櫛板反射、折射,就像是光碟反面一般映照出多彩的顏色。在漆黑無光的深海裡,生物們利用光線,讓彼此間的競爭提升到了新的維度。除了文章中提到的例子,你還能想到哪些用光線過招的生物呢?

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深海可以講的故事實在太多了。因為環境所限,一般人難以親身進行觀察、體會這些生物奧妙之處。國立海生館今年度新開展了深海特展,首度在館中展出深海中的「夜光俠」燈眼魚。而在「究境海洋探索科技展覽」也展現了我們近年來對於深海的新發現。連假期間不妨去走走,親眼了解一下奇妙的「光之深海」吧!

參考資料

  • Bessho-Uehara, M., Yamamoto, N., Shigenobu, S., Mori, H., Kuwata, K., & Oba, Y. (2020). Kleptoprotein bioluminescence: Parapriacanthus fish obtain luciferase from ostracod prey. Science Advances, 6(2), eaax4942.
  • Haddock, S. H., & Dunn, C. W. (2015). Fluorescent proteins function as a prey attractant: experimental evidence from the hydromedusa Olindias formosus and other marine organisms. Biology open, 4(9), 1094-1104.
  • Hellinger, J., Jägers, P., Donner, M., Sutt, F., Mark, M. D., Senen, B., … & Herlitze, S. (2017). The flashlight fish Anomalops katoptron uses bioluminescent light to detect prey in the dark. PloS one, 12(2), e0170489.
  • Johnsen, S. (2014). Hide and seek in the open sea: pelagic camouflage and visual countermeasures. Annual review of marine science, 6, 369-392.
  • Morin, J. G., Harrington, A., Nealson, K., Krieger, N., Baldwin, T. O., & Hastings, J. W. (1975). Light for all reasons: versatility in the behavioral repertoire of the flashlight fish. Science, 190, 74-76.
  • Rees, J. F., De Wergifosse, B., Noiset, O., Dubuisson, M., Janssens, B., & Thompson, E. M. (1998). The origins of marine bioluminescence: turning oxygen defence mechanisms into deep-sea communication tools. Journal of Experimental Biology, 201(8), 1211-1221.

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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螃蟹有痛感嗎?我們是怎麼知道的?
F 編_96
・2025/01/16 ・1669字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live science

螃蟹一直是海鮮美食中的明星,從油炸軟殼蟹到清蒸螃蟹,餐桌上經常見到牠們的身影。有地方也習慣直接將活螃蟹丟沸水煮熟,認為這能保留最多的鮮味。過去人們認為甲殼類缺乏複雜神經結構,不會感受到痛苦,因此不必過度憂心道德問題。但近年來,越來越多研究開始挑戰此一想法,指出螃蟹與龍蝦等甲殼動物可能具備類似疼痛的神經機制。

以前大家相信甲殼類缺乏複雜神經結構,但近期這一認知逐漸受到質疑。 圖 / unsplash

甲殼類是否能感覺到痛?

人類長期習慣以哺乳類的神經構造作為痛覺判斷依據,由於螃蟹沒有哺乳動物那樣的大腦腦區,便被認為只憑簡單反射行動,談不上真正「痛」。然而,新興科學證據顯示包括螃蟹、龍蝦在內的甲殼類,除了可能存在被稱為「nociceptors」的神經末梢,更在行為上展現自我防禦模式。這些研究結果顯示,螃蟹對強烈刺激不僅是本能抽搐,還有可能進行風險評估或逃避策略,暗示牠們的認知或感受方式比我們想像更精緻。

關鍵證據:nociceptors 與自我保護行為

近期實驗在歐洲岸蟹(Carcinus maenas)中觀察到,當研究人員以刺針或醋等刺激手段測量神經反應,牠們顯示與痛覺反應類似的神經興奮;若只是海水或無害操作,則無此現象。此外,透過行為實驗也可看出,寄居蟹在受到電擊時,會毅然捨棄原本的殼子逃離電源,但若同時存在掠食者味道,牠們會猶豫要不要冒著風險離開殼子。這些結果使科學家認為,螃蟹並非單純反射,而可能有對於痛感的判斷。若只是「低等反射」,牠們不會考慮掠食風險等外在因素。

痛覺與保護:實驗結果引發的道德思考

以上發現已在科學界引發廣泛關注,因為餐飲業與漁業中常見「活煮」或「刺穿」處理螃蟹方式,如今看來很可能讓牠們承受相當程度的不適或疼痛。瑞士、挪威與紐西蘭等國已開始禁止活煮龍蝦或螃蟹,要求先以電擊或機械方法使其失去意識,試圖減少痛苦。英國也曾討論是否將甲殼類納入動物福利法保護範圍,最後暫時擱置,但此爭議仍在延燒。

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英國對於是否將甲殼類列入動物福利法的保護範圍,有所爭議。 圖 / unsplash

部分學者保持保留態度,認為雖然甲殼類展現疑似痛覺的行為與神經反應,但與哺乳類相同的「主觀痛感」仍需更多研究證明。大腦與神經系統結構畢竟存在很大差異,有些反射也可能是進化而來的自衛機制,而非真正意義上的感受。然而,科學家普遍同意,既然相關證據已經累積到一定程度,毋寧先採取更謹慎與人道的處理模式,而非輕易推卸為「牠們不會痛」。

海洋生物福利:未來的規範與影響

如果螃蟹被證實擁有痛覺,將牽動更廣泛的海洋生物福利議題,包括鎖管、章魚或多種貝類也可能具有類似神經機制。人類一直以來習慣將無脊椎動物視為「低等生物」,未必給予與哺乳類相同的法律或倫理關注。但若更多實驗持續指出,牠們同樣對嚴重刺激展開避痛行為,社會或終將呼籲修訂漁業與餐飲相關法規。未來可能要求業者在捕撈與宰殺前使用電擊或麻醉,並限制活煮等方式。這勢必對漁業流程與餐廳文化造成衝擊,也引發經濟與文化折衷的爭議。

龐大的實驗數據雖已暗示螃蟹「會痛」,但確鑿的最終定論仍需更多嚴謹研究支持,包括更深入的大腦活動成像與突觸路徑分析。同時,落實到實際操作也需追問:是否存在更快、更人道的宰殺或料理方式?能否維持食材鮮度同時保障動物福利?這種思維轉變既考驗科學進程,也考驗人類對自然資源的態度。也許未來,既然我們仍會食用海產,就該以最小痛苦的方式對待那些可能感受痛苦的生物,為牠們提供基本尊重。

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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💃

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大象你的鼻子怎麼伸得這麼長?因為多功能皮膚也能伸展!
Peggy Sha/沙珮琦
・2022/08/24 ・1627字 ・閱讀時間約 3 分鐘

「大象~大象~你的鼻子怎麼那麼長?」

在象鼻皺皺的皮膚下面,隱藏著超強伸展力。 圖/envatoelements

喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)最新的研究發現,大象皺巴巴的「皮膚」竟然隱藏著超強的「伸展之力」,跟肌肉簡直就是完美搭檔。有了隱藏的伸展力,大象就能夠加倍發揮象鼻的各種功能,還能將象鼻伸得更長、更遠!

又硬又軟的萬用工具!象鼻究竟有多強?

象鼻實在是非常神奇的存在,它擁有超過四萬條肌肉,既能柔軟靈活地捲起水果和樹葉,又能強悍地打斷樹幹、抵禦攻擊。究竟它為何能這樣「又硬又軟」靈活切換呢?

神奇的象鼻,靈活地就像大象的手一樣。 圖/GIPHY

為了深入探索象鼻的秘密,研究團隊特別跑去亞特蘭大動物園(Zoo Atlanta),設置了高速攝影機,紀錄下非洲大象用象鼻拿取食物的過程。

乍看之下,軟軟的象鼻似乎就像我們的舌頭一樣,是充滿肌肉的無骨組織。然而,它真正派上用場時,可一點兒也不像舌頭呢!透過鏡頭,研究人員發現:象鼻頂部底部的運動狀況完全不一樣。當大象伸長象鼻時,象鼻外側的延伸能力比內側強多了。仔細看看畫面,就能發現外側的象鼻其實伸得更長!

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非洲象用象鼻拿取食物的過程。影/Georgia Tech College of Engineering

秘密就在皮膚裡!打開皺紋發揮伸展之力吧!

至於兩邊的長度為何會有如此大的差距呢?秘密原來就藏在象鼻的皺褶中!研究團隊解剖了大象屍體,發現象鼻外側與內側的皮膚非常不同——象鼻外側那摺疊起來的皮膚,比另一側的皮膚多出了約 15% 的彈性。

更有趣的是,大象移動象鼻的方式,跟章魚觸手這種軟趴趴器官常用的「平均伸展大法」十分不同,象鼻伸展時就像是打開了一把折疊傘,內部是固定的,而傘面則可以向外變寬、延伸。不只如此,大象們還會如同開折傘一樣「分批運動」象鼻喔!

怎麼說呢?牠們運用象鼻時,會先探出頂端,然後視需求一節一節依序運用後面的肌肉,不到萬不得已,絕對不會動到靠近身體這側的肌肉群!學者們表示,大象之所以會這樣動,是因為象鼻前端部分的肌肉量較少,動起來也比較不費勁,而大象其實就跟人類一樣懶,當然是追求越省力越好囉!

在拿取東西時,象鼻會由前往後一節節伸展。圖/envatoelements

借我學一下啦!皺褶象皮竟能應用在機器人身上?

另一方面,象鼻上這些皺巴巴的皮膚其實也十分堅硬,能起到重要的保護作用。比如說,在關節部分,一般肌肉容易拉伸,甚至拉傷,但如果有了皺褶,則需要花上整整 13 倍的力量才能拉伸。

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這樣的保護力有什麼用呢?在未來,或許可以應用在仿生機器人身上喔!許多仿生機器人都會設計液壓系統,雖然十分靈活,但施力時卻也非常容易斷裂。如果我們能在機器人身上添加一些皺巴巴的皮膚,不僅能提供更強大的保護力,也讓機器人在運用上出現更多不同的可能性。

  1. Skin: An additional tool for the versatile elephant trunk
  2. Schulz, A. K., Boyle, M., Boyle, C., Sordilla, S., Rincon, C., Hooper, S., Aubuchon, C., Reidenberg, J. S., Higgins, C., & Hu, D. L. (2022). Skin wrinkles and folds enable asymmetric stretch in the elephant trunkProceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America119(31), e2122563119. https://doi.org/10.1073/pnas.2122563119
  3. How Skin Helps Elephants Move and Twist Their Trunks
  4. 動物奇門功夫.象鼻神奇構造
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Peggy Sha/沙珮琦
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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。