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病毒不是源於武漢的海鮮市場?從分子演化學角度看2019新型冠狀病毒(武漢肺炎)的起源與傳播

寒波_96
・2020/01/30 ・4564字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 586 ・九年級

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2019 年底發源自武漢的傳染病正在迅速蔓延,所幸在這資訊流通的時代,取自多位病人的病原體被迅速遺傳定序,也有不少專家根據公開的遺傳序列展開分析,以分子演化學探討疾病的不同面向。

  • 疫情瞬息萬變,本文訊息皆來自 2020 年 1 月 29 日之前。
此為2020年1月29日的疫情情況。source: 截圖自 gisanddata

武漢疫情的病毒誕生沒有多久,一開始就能人對人傳播

武漢疫情的元凶是一種冠狀病毒(coronavirus),此一家族的眾多親戚中,之前知道有兩種可以感染人類,就是都在本世紀造成過重大疫情的 SARS 和 MERS。SARS 的全名為 Severe acute respiratory syndrome,中文是「嚴重急性呼吸道症候群」,以症狀命名。MERS 全名為 Middle East respiratory syndrome,中文是「中東呼吸道症候群」,得名於發病地區。

source: Wikimedia

對於造成此次疫情的病毒,世界衛生組織(WHO)暫時使用的稱呼是 2019 novel coronavirus,簡稱 2019-nCoV,中文是「2019新型冠狀病毒」。我認為這名稱寫或唸起來相當拗口,也違反疾病命名的歷史常識,因此大眾媒體、社群網路以及不少專業人士仍然採用地名,稱呼其為「武漢病毒」、「武漢肺炎」,或是改編 SARS 的第一個字 Severe 為 Wuhan 變成 Wuhan acute respiratory syndrome,簡稱「WARS」——優點是「武漢急性呼吸道症候群」描述病徵可謂貼切,縮寫 WARS 還有戰爭的不安暗喻,又因為是縮寫,也不容易直接聯想到武漢。個人認為這個名號方便易讀,在此本文使用這個簡稱。

回到WARS 本身,它和其餘冠狀病毒一樣是單股 RNA 病毒,基因組全長為 3 萬多個鹼基。遺傳上它與 SARS 的序列相似度是 79.5%;已知最相似的親戚是取自蝙蝠的樣本,達到 96% 一致。1

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使用 5 個 WARS 基因組和親戚們建構的演化樹,可以看出 WARS 和蝙蝠的冠狀病毒最親近。圖/取自 ref 1

目前由不同病患體內獲得的 WARS 基因組,彼此間遺傳上的差異極小。由此推論,這批感染不同人體的病毒,皆可以追溯到非常近期的單一來源。

到底有多近期呢?斯克里普斯研究所(Scripps Research)的 Kristian Andersen 根據已經公佈的 27 個病毒基因組,上頭 32 個 RNA 位置的差異,估計它們的共同祖先可以追溯到 10 月 1 日左右。再考慮到第一位已知的感染者在 12 月 1 日發病,由此推論,WARS 或許在 11 月,甚至早在 10 月時已經開始感染人類,經過了一段時間才在 12 月初被注意到。2,3

Kristian Andersen 根據 27 個 WARS 基因組建構的演化樹,大家都非常非常相似。圖/取自 ref 2

不同病患的病毒之間非常非常相似,Andersen 由此推論,這些病毒是先由動物感染人類以後,再以人對人傳染。一開始傳染給智人的帶原動物,可能只有一隻個體,或是攜帶同樣病毒的數隻個體;而直接受到動物感染的智人,可能只有一人,或是少數幾人。在初步傳染以後,就不再關動物的事,而是人對人的持續傳播。

Andersen 目前不打算正式發表上述分析,不過他基於分子演化學的推論符合已知線索,所以受到重視,被 Science 新聞訪問與引用。現在我們可以肯定,屢屢受到 WHO 稱讚的中國官方,直到 1 月初的公開說法都是錯誤的,很可能對防疫已經造成無可挽回的負面影響。

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病毒起源大概不是武漢的海鮮市場

WARS 疫情爆發後,多數人相信中國官方的消息,認為疫情源頭位於武漢的華南海鮮批發市場(雖名為海鮮市場,不過似乎什麼都賣)。可是 1 月 24 日正式發表的論文指出,其分析的 41 位第一批確診病患中,竟然高達 13 人從頭到尾和市場沒有關係;最令人驚訝的莫過於,在 12 月 1 日發病的第一位已知感染者,竟然也和市場無關!4

關閉中的武漢海鮮市場,原本以為是起疫地點,結果可能不是。圖/取自 ref 3

武漢當局直到 1 月 10 幾日仍不斷強調:尚未證實病毒有人傳人的能力。若真是如此,那麼在 1 月 1 日封閉海鮮市場,追蹤市場的人流,或許有望能終結疫情。中國官方沒有指明 WARS 源頭是海鮮市場,卻多次表示大部分病患都與市場有關,缺乏病毒會人傳人的證據。然而,中國官方當時應該就有 41 位患者的病史,早就知道某些患者不是在市場內感染,還有其它未知的病源,中國官方卻隱瞞如此關鍵的訊息至少十幾天。

以演化樹和病史的推理之外,還有事後根據實際病例推論出的數字。 1 月 29 日發表的論文,分析武漢在 1 月 22 日之前確診的 425 位病患,估計病毒開始人對人傳播的時間,至少是 2019 年的 12 月中期。5

病毒只能由動物傳人,或是可以由人傳人,是截然不同的應對等級。

假如中國官方早點公佈,WHO 是否還會拒絕啟動國際公共衛生緊急事件(Procedures concerning public health emergencies of international concern,簡稱 PHEIC)呢?事實上,WHO 公開說明時大多採用中國單方面說詞,事後卻有些內容被證實不符合真相;本文作者認為 WHO 本身對局勢毫無判斷力,明顯失職,應當受到嚴厲譴責。

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  • 編按:WHO 在本文刊出隔日(1/31)正式宣佈將新型冠狀病毒疫情提升為國際公共衛生緊急事件,並強調這項決定並非批評中國對疫情的反應,而是旨在協助開發程度較低的國家,阻止病毒擴散到設施和經驗都不足的地區。
  • 延伸閱讀:宣告國際公衛緊急事件有利有弊 歷來僅5次
由於世界衛生組織 WHO 一連串的處置失當,有人將它改名為武漢衛生組織表達不滿。

目前推測 WARS 並非起源於武漢的海鮮市場,或許是有人先在市場外,被動物或被其他人感染後,把 WARS 帶入市場,再傳染給市場內的其他人。可惜至今仍缺乏病毒哪兒來的線索。

2019新型冠狀病毒,有沒有經歷過遺傳重組?

WARS 的來歷目前仍然不清楚,也有不少陰謀論流傳。格拉斯哥大學的 David L Robertson 分析發現,將 WARS 基因組拆開成不同段落各自分析,至少有兩段差異較大;以同一基因組的不同段落建構演化樹,會得到不同的樹形關係。6

假如這番推論正確,亦即 WARS 經歷過遺傳重組(recombination,指遺傳物質片段斷裂,並且轉移位置的現象)。至少三種遺傳上略有差異的蝙蝠舊型冠狀病毒,之間交流遺傳物質以後,才產生所謂的 2019新型冠狀病毒。不過 Robertson 後來又改變看法,到底怎麼回事?

David L Robertson 將 WARS 基因組拆成不同部分,分別建構演化樹,發現有不同的遺傳來歷。圖/取自 ref 6

Robertson 一開始的分析指出,WARS 基因組上兩處明顯經歷過重組的片段,一段較長,位於整個基因組中央, 包含到病毒的 ORF1b 基因的兩側(上圖中 11655-20953 那段);另一段較短,位於基因組前方的 ORF1a 基因之內(下圖中 1680-3014)。

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由演化樹可以看出,WARS 基因組位於前方與後方的部分,皆和 2018 年發表,取自中國浙江的兩種品系 ZC45 與 ZXC21 關係最接近,在演化樹上被歸類為一群(左邊與右邊兩棵樹)。但是用基因組中央建構的演化樹(中間的樹),親緣關係卻明顯與兩側有別。這意謂 WARS 基因組的中央,和其他品系發生過一次遺傳重組。7

另一段重組片段相對很短,儘管這段序列也涵蓋於上圖的左邊那棵演化樹之內,卻由於太短而不至於影響整段序列的演化關係。然而倘若單獨拆開來,只用這一小段建構演化樹,如下圖所示,會發現它不只與 ZC45 和 ZXC21,還與另一取自浙江的品系 Longquan-140 被歸為同一群。由此推論,此處也曾經上演過遺傳重組事件。

David L Robertson 將 WARS 基因組拆成不同部分,分別建構演化樹,發現有不同的遺傳來歷。圖/取自 ref 6

由此看來,WARS 的基因組在演化過程中並非完全垂直繼承,同類之間至少發生過兩次遺傳重組,有不少成分算是水平轉移而來。Robertson 這番推論本身無誤,然而判斷各品系間的親戚關係,會受到已知資訊的影響。

在 Robertson 完成上述分析以後,中國團隊上傳尚未通過同儕審查的論文初稿,當中報告採樣自雲南,中菊頭蝠(Rhinolophus affinis)的品系 RaTG13。比起已知樣本,這種蝙蝠體內取得的冠狀病毒遺傳上和 WARS 更加相似。

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Robertson 因此改變原本的看法,認為 WARS 既然有位雲南的最近親,那麼只看 WARS 此一品系的演化,似乎就不再需要考慮重組的角色;因為 WARS 和 RaTG13 分家以後,應該沒有再經歷過任何重組事件。這個案例告訴我們,科學證據與時俱進,即使根據已知資訊做出當下完全正確的推論,也可能由於更新資訊需要再修正。

WARS 遺傳上最近的親戚住在蝙蝠體內,它原本或許也是;不過傳染到智人的過程中,仍然可能牽涉至今未知的中間宿主。

順帶一提,前幾天有篇搶快出風頭的論文,指稱中間宿主是「蛇」,但是其切入問題的思維以及分析方法都完全錯誤。假如目的是討論疫情,那個研究完全沒有提到的價值。

假如真的對蛇蛇有興趣,中文可以看這邊的討論《WARS分子演化研究,沒有證據跟蛇有關係》。Andersen 則有進一步分析《nCoV-2019 codon usage and reservoir (not snakes v2)》,發現該論文從使用的資料來源就有問題,整個從頭到尾錯的非常離譜。

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提及蛇的論文經過完整同儕審查,仍然錯得離譜。平時同儕審查就不保證論文內文無誤,在疫情蔓延,期刊處理與發表都搶快的當下,即使經過同儕審查,論文從標題、分析方法,到結論,也更可能出現各方面的問題。儘管是正式發表的論文,我們也不該照單全收,還是要保持判斷力。

WARS的感染方式與治癒希望

WARS 的親戚 SARS 感染智人時,有個基因 ACE2(全名 Angiotensin converting enzyme II)非常關鍵。對武漢病毒的初步測試指出,WARS 也是靠著 ACE2 感染人類細胞;有 ACE2 受器的體外細胞株會被感染,沒有的則不會被感染。

好消息是,假如 SARS 和武漢病毒的進攻細胞的機制類似,之前研發針對 SARS 的藥物,有機會直接應用到新的病毒。除此之外,各路專家也正在賣力研發不同原理的治療方式,與不斷擴大的疫情賽跑。8, 9

劃重點:

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    • 隨便啦大家開心就好的肺炎同義字:2019-nCoV、2019新型冠狀病毒、武漢肺炎、武漢病毒、WARS⋯⋯
    • WARS 為冠狀病毒,是 SARS 的親戚,原本應該住在蝙蝠體內
    • 已知遺傳上最近的親戚住在雲南
    • 人類病源來自未知的單一起源,距今可能不到四個月,一開始就能人傳人
    • 武漢的華南海鮮市場不是起源地
    • 感染人類的方式與 SARS 類似,或許有助於尋找治療方法

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
193 篇文章 ・ 1093 位粉絲
生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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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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貓咪也會學鳥叫?揭秘貓貓發出「喀喀聲」背後的可能原因
F 編_96
・2024/12/24 ・2480字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live Science

貓是一種神秘而又引人注目的動物,牠們看似深居簡出,但擁有多元的聲音表達:從吸引人類注意的「喵喵叫」,到面對威脅時的「嘶嘶聲」與低沉的「咆哮」。

延伸閱讀:貓咪為什麼總愛對人喵喵叫?看貓如何用聲音征服人類的心

然而,細心的貓奴們可能會注意到,貓有時會對著窗外的鳥兒或屋內小動物玩具,發出一種獨特的「卡卡聲」或「咯咯聲」。這種聲音既像牙齒打顫,又好似一陣陣輕微的顫鳴,卻很難歸類到常見的喵叫或咆哮裡。這種名為「chatter」的行為,究竟在貓的生活中扮演什麼角色?目前科學界尚未對此有定論,但有幾種廣為討論的假說,或許能為我們提供一些思考方向。

卡卡叫:情緒的釋放或表達?

有些貓行為專家推測,貓咪在看到獵物(如窗外的鳥、老鼠)卻無法接近時,會因「欲捕無法」的挫折感或興奮感,發出這種「卡卡聲」。就像人類遇到障礙時,可能會發出抱怨的咕噥聲或乾著急的嘆息聲一樣,貓咪的「喀喀聲」也可能只是把當下的情緒外顯,並非有特別針對人或其他動物的溝通目的。

  • 情緒假說
    • 挫折:當貓看見鳥兒在窗外飛舞卻無法撲殺,內心焦躁,遂用聲音抒發。
    • 興奮:或許貓在準備捕獵時也感到高度亢奮,因此嘴部不自覺抖動並出聲。
貓咪的「喀喀聲」可能源於挫折或興奮情緒,表達捕獵受阻的內在反應。圖/envato

要在科學上驗證「情緒假說」並不容易,因為需要同時測量貓咪行為和生理指標。例如,研究人員可能需要測量貓咪在卡卡叫時的壓力荷爾蒙變化,才能確認牠們究竟是帶著正面興奮,或是負面挫折的情緒。不過,由於貓的獨立特質,實驗設計往往困難重重,樣本量要足夠也不容易,所以至今沒有定論。

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增強嗅覺?貓咪的「第二鼻子」

另一種說法則認為,貓咪發出「卡卡聲」時,可能同時開啟了其位於口腔上顎的「犁鼻器」(vomeronasal organ),也稱作「賈氏器官(Jacobson’s organ)」。這個感知器官能捕捉一般鼻腔聞不到的化學分子,如費洛蒙或特定氣味分子,因此對貓的求偶、社交和獵捕行為都非常重要。

  • 嗅覺假說
    • 張口呼吸:如果貓咪一邊「咯咯咯」地開合上下顎,可能在嘗試讓空氣(及其中所含的氣味分子)進入犁鼻器。
    • 蒐集更多環境資訊:在確定下手前,更完整的嗅覺分析或能提高牠們獵捕成功率,或是幫助判斷環境中是否有其他潛在威脅或機會。

然而,要科學驗證「增強嗅覺假說」同樣不簡單。研究人員不僅要觀察貓咪在卡卡叫時的行為,也需要測量牠們是否真的打開了更大的氣道,並在那個同時有效使用犁鼻器。這些行為與生理測量都必須在相對可控卻又不影響貓自由行動的實驗環境中進行,實務上難度頗高。

聲音模仿:貓咪的「偽鳥叫」?

貓咪的「卡卡聲」或許是為了模仿獵物的聲音,讓獵物降低警戒。圖/envato

第三種最有趣也最具「野性色彩」的假說,是「模仿獵物聲音」。在野外,一些中南美洲的小型貓科動物(例如:長尾虎貓,又稱美洲豹貓或瑪家貓,Margay)曾被觀察到,在捕獵小猴群時,發出類似猴子叫聲的音調;有些當地原住民族群也傳說,叢林裡的某些捕食者會模仿目標獵物的聲音來誘捕。由此推測,家貓看到鳥兒時發出的「卡卡聲」,可能包含些微模仿鳥兒啁啾的元素,試圖降低獵物警戒或甚至吸引獵物靠近。

  • 模仿假說
    • 案例參考:野生貓科動物曾出現學習或偽裝聲音的紀錄。
    • 家貓可能繼承的行為:家貓的祖先——北非野貓(African wildcat)及其他小型貓科物種,是否具備聲音模仿能力?這在生物演化研究上仍是未解之謎。
    • 缺乏大規模觀察:由於小型野生貓科動物研究資料有限,且家貓實驗更不易做大樣本長期追蹤,最終導致此理論尚未獲得廣泛實證。

貓咪行為研究的挑戰:野性祖先的重要性

探討貓咪行為,常常需要回溯至野生祖先的棲地環境。家貓(Felis catus)普遍被認為源自北非野貓(Felis lybica),然而,野貓習性的研究本就不多,尤其是關於聲音與捕獵策略更是資料有限。我們想知道「為什麼家貓會卡卡叫」,首先要確定:「牠們的野性祖先或其他小型貓科,也有同樣的行為嗎?」若有,家貓則可能繼承自古老基因;若無,則可能是家貓在與人類共處的環境中演化出的新行為。

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如果要探查家貓「卡卡叫」的原因,還需要了解其祖先或其他小型貓科是否具有類似行為。圖/envato

再者,貓在實驗室中的「不可控」因素相當多。貓不像狗般樂於服從人類指令,常有自己的規律與個性。要在實驗情境下穩定地誘發貓的「卡卡叫」行為、同時檢測牠們的生理和心理反應,並確保每隻貓的個體差異都被考慮到,這些都對研究團隊是極大考驗。

對於許多貓奴來說,貓咪坐在窗邊,一邊盯著外頭的鳥兒或松鼠,一邊發出獨特的「卡卡聲」,是一幕既可愛又神祕的風景。究竟牠們是在抒發情緒、強化嗅覺、抑或真的在「假扮鳥叫」以誘捕獵物?目前沒有確切的答案。然而,也正因為這層未知,貓貓才更顯得迷人。

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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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誠實面對人類參與的「自然」——太田欽也專訪
顯微觀點_96
・2024/07/11 ・3235字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文轉載自顯微觀點

斑馬魚是最知名的模式生物之一,其基因、型態與發育深受了解,並用於探討深度同源等重要演化生物學問題。但也有科學家提出,演化生物學該持續隨環境演進,並嘗試以新的實驗物種——金魚——探討人類世(Anthropocene)環境下的生物演化。

育種歷史與基因巧合 奠定金魚的演化生物學價值

例如有千年馴化歷史、型態千變萬化的金魚,就相當適合探討人類因素與生物型態演化的關聯。

中研院細生所派駐臨海研究站的演化與發育生物學家太田欽也指出,斑馬魚與金魚兩者的胚胎都可以透過顯微鏡仔細觀察,相對於受精一年後才成熟的金魚,斑馬魚有成熟較快,基因組較為單純等優點,也具備許多現成基因研究工具。

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但斑馬品系間仍以其生理機能與基因為主要差別,對型態差異的演化並未那麼明顯。因為,科學家為了操作基因與細胞特徵而培育斑馬魚,使不同品系的差異大多來自目標明確的基因工程。

金魚型態演化圖。Courtesy of Kinya Ota and Gembu Abe

而金魚的型態變異,則完全來自飼養者對型態的偏好和育種,蘊藏更多元的型態變化與發育差異。其悠長的馴養歷史以及更古老的基因重複(Gene Duplication)機遇,使其值得成為演化發育生物學的新模式生物。研究器材和方法上的調整,則是生物學家展現才智的機會。

太田欽也舉例,「一般的解剖顯微鏡工作距離適合觀察和操作斑馬魚,但是經過我們自己的創意,也改裝出可以對金魚進行顯微手術的器具和適合拍攝的大型解剖顯微鏡。設備上的差異並不難克服。」

金魚胚胎的發育生物學優勢

太田欽也說,現代生物學家以果蠅和微生物育種進行遺傳與演化實驗,擴大時間維度來看,千年來金魚愛好者挑選、強化金魚外觀特徵的過程,可以比擬長時間的人擇實驗。

金魚不僅適合用來觀察人擇壓力如何影響成年生物的型態。太田欽也更想進一步探索,從胚胎階段的差異進行選擇,是否可能改變生物的型態。

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太田欽也提到,人工育種對發育與型態的影響力也展現在其他物種上,例如家犬與鴿子也被培育出許多特殊表型。但是哺乳動物和鳥類的胚胎觀察不易,需要相當高的技術與成本。

相對於動物子宮與鳥類蛋殼內的胚胎,在透明卵囊中發育的半透明金魚胚胎,就是非常容易觀察的研究對象。只要有恰當的複式顯微鏡、解剖顯微鏡和顯微手術能力,金魚的胚胎從受精到孵化都可以全程順利紀錄,而且每次繁殖可以蒐集到上百筆資料。

現代顯微攝影技術搭配容易觀察的金魚胚胎,讓太田欽也可以拍攝清晰影片,在網路上生動地分享發育生物學知識。攝影:楊雅棠

自製影片 盼演化生物學跨過學院圍牆

除了將金魚研究成果發表在 Nature 等科學期刊,太田欽也同時努力當起「Youtuber」。他希望能將演化發育生物學、金魚飼育經驗、臨海研究站的學術特色,甚至是宜蘭的風光,透過網路傳達給大眾。

武漢肺炎導致的漫長隔離,是他學習影音製作的契機。最初他在百無聊賴之下看了大量影片,後來逐漸萌發「我也要拍自己的題材!」的企圖心。開始搜尋拍攝、後製、配樂等網路教學,在隔離的單人房中逐漸進步。

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太田欽也說,拍攝影片最重要的動機是「分享」。他解釋,「科學的頻道不管累積再多追蹤者,例如數十萬人追蹤的 Nature, Science, 觀眾也以科學領域工作者為主。現代知識逐漸朝向『專家』與『外人』的兩極化狀態發展,我不喜歡這樣的社會。」

如同他推進學術研究的方法,他也透過自學、自己組裝基礎設備如空拍機、手機等,在節省開支的情況下拍出了中研院同僚為之驚艷的影片。

太田欽也為臨海研究站拍攝的簡介影片,基本款空拍機呈現了頭城的舒暢美景。

在早已開始的人類世 何謂自然?

太田欽也熱衷以空拍影片介紹宜蘭的郊野與人文,但他對主流輿論的「自然環境」內涵存疑,他認為「自然」早已被人類行為大幅改變。自從農業擴張、工業革命發生,人類對環境與生物的改變程度早已無法恢復「自然原貌」。

他以金魚的馴化過程為例,從宋朝開始的愛好者,透過育種極力凸顯特殊形態,從沒有背鰭的「蛋種」,到眼周水泡足以遮蔽視線的「水泡眼」。都不是基於適應「自然」而進行的育種。

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太田欽也強調,「如果是宋朝或明朝人有今天的生物學工具,以他們的追求珍奇的育種態度,一定會用 CRISPR 編輯金魚基因,製造出更奇特的變異型態。」

他說,這樣的行為會在現代科學圈與社會輿論上遭到反對,「認為動物被修改基因、型態變異很可憐」,但人類採用動物進行藥物實驗或經濟用途時,也並未優先考慮「自然原則」。

太田欽也反問,「若是透過基因編輯技術將金魚修改回類似野生鯽魚的型態,更適應野外環境,這樣算是自然或不自然呢?」

建立科技倫理 而非堅守「自然」想像

他指出,金魚的馴化與育種反映著東亞社會的自然觀念,不同於西方基督教倫理的「人統御、保護自然」意識形態。可以促進人們反思,人類也身在其中的「自然」的標準是什麼?而非執著於保護想像中的自然「原狀」。

太田欽也強調,「本質化『自然』、建構一個保守不變的形象,不會幫助人們了解生物學。」

他認為,宋朝人、明朝人的自然觀念與今日不同;甚至現代人常引用的「道法自然」倡議者老子,他所提倡的自然,與現代許多人想像、意圖恢復的也是不同的自然。

背鰭退化、尾鰭倍增的蛋種雙尾金魚,是古代貴族最青眼有加的奇特型態之一。作者:清 馬文麟 來源:國立故宮博物院

太田欽也建言,科學地面對人類因素影響世界各地生態的現實、建立基因科技的社會倫理與規範,都是比恢復建構出的「自然」意象更重要的生物學議題。

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來自日本和歌山縣鄉間的太田欽也說,長期駐守宜蘭頭城的臨海研究站不僅是因為設施與職位,也是因為此處環境與故鄉有幾分神似。

「但我不會說這兩個地方都很『自然』,在人們對我說『這裡很自然!』的時候。」太田欽也無奈地笑說,「想到周遭可以釣起吳郭魚的溪流、被整治疏濬成田園的原洪氾濕地,反而會讓我很疑惑彼此對『自然』的共識。」

1995 年諾貝爾化學獎得主克魯岑(Paul Crutzen)指出,現代已是由人類行為影響地質特性的人類世。此概念引起地質科學界激烈討論,從新石器時代、工業革命到核彈試爆頻繁的 1960 年代都有學者認為是人類世的開端。

最後由國際地層委員會的人類世工作小組投票決定,視第二次世界大戰後、人口與人類活動高速成長的20世紀中葉為人類世起點。

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  1. Li IJ, Lee SH, Abe G, Ota KG. Embryonic and postembryonic development of the ornamental twin-tail goldfish. Dev Dyn. 2019 Apr;248(4):251-283.
  2. Abe G, Lee SH, Chang M, Liu SC, Tsai HY, Ota KG. The origin of the bifurcated axial skeletal system in the twin-tail goldfish. Nat Commun. 2014 Feb 25;5:3360.
  3. 太田欽也實驗室
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