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內建超強GPS!研究發現狗狗靠南北短跑定位,找出最佳回家路線

何如
・2020/08/17 ・2542字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 523 ・七年級

眾所周知,狗狗有著一副靈敏的好鼻子,能夠感知周遭環境變化,然而不僅如此,最近更有研究指出,牠們可能還具有另一項隱藏能力——自動導航功能。這項功能就像狗體內擁有能感應磁場的羅盤,可讓牠們利用地球磁場推算陌生地形上的捷徑。

新研究發現,狗從陌生地折返回原點的方式有兩大類:一是隨著氣味依循原路回去的「原路折返」,二是從全新的路跑回來的「偵查折返」,其中有些採用偵查折返的狗會在回程時出現「沿著南北軸短跑」的現象,出現這種行為的狗,更有機會以最短的路徑回到牠們的主人身邊。

圖/Pixabay

磁感悄悄出現?曾經發現狗會「定位」

「(導航能力)這是第一次在狗身上發現」,研究海龜磁感與導航的生物學家凱瑟琳.羅曼 (Catherine Lohmann)註1 如此說道。

她提到,跟鳥類等遷徙動物比起來,對於狗身上導航能力的研究其實相對少得多。英國斑戈大學註2研究鳥類導航的生物學家理查.荷蘭 (Richard Holland) 則附和道:「這是洞察狗如何建構牠們對於整個空間的畫面的機會。」

不過關於狗、其他動物甚至是人類「或許能夠感知地球磁場」這樣的情形,其實早已有過一些線索。2013年,已經研究磁接收 (magnetic reception) 30年的捷克學者海尼克.布爾達 (Hynek Burda)註3 和他的同事就表示,狗在排尿和排便時會傾向將自己定為南北向,而同時,因為這樣的行為與標記辨認領地有關,所以布爾達將這種定位校準解釋為「能夠協助狗釐清現在的位置與周遭的相對關係」。

然而,這種穩定不變的校準(白話文:知道東西南北),跟導航能力其實是兩回事。

隨意跑開後,狗竟然能從一條完全陌生的路折返?

在新的研究當中,布爾達的學生卡提捷娜.班尼迪克托瓦 (Kateřina Benediktová) 先將攝影機和 GPS 追蹤器放在4隻狗身上,然後再帶牠們到森林裡,接著讓狗四散而去,去追尋平均約 400 公尺外的動物氣息。

有趣的是,GPS 追蹤器顯示狗在回程路上(跑回向牠們的主人)出現兩種行為:一是「原路折返 (dubbed tracking),可能就是隨著氣味以沿著牠來時的路程回去;另一則是「偵察折返 (scouting),也就是從一條全新的路跑回來。

圖/eLife

當卡提捷娜將獲得的實驗結果資料給布爾達看時,布爾達發現了一個奇怪的特性:在偵察折返的途中,狗會突然停下然後先向著南北軸跑個 20 公尺左右,才再又開始往回跑。那種短暫的 20 公尺小跑有點像是要校準磁場方向的模樣,但卡提捷娜還沒有充足的資料可以肯定這樣的推論。

於是他們擴展了這項研究計畫,幾乎人人都有養一隻獵犬的狩獵管理與野生動物學系註4的同事也投入研究,3年來透過27 隻流浪狗進行數百次實驗。

在進入森林實驗時,研究團隊會試著避免給予狗其他能夠辨識方向的線索。只要情況允許,狗都會被帶到從沒去過的森林裡的一處,如此一來牠便不能依靠熟悉的地標來找路。同時主人會在牠開始漫步時就躲起來,以免狗是藉由看見主人而跑回來。另外,由於狗跑回來時,風向很少是從主人吹向狗的,所以氣味也不太會造成影響。

研究人員仔細看了 223 例的偵查折返狀況,發現狗會在回程時平均漫步約 1.1 公里的距離,而這當中有 170 次出現了「狗先停下,再掉頭沿著南北軸跑 20 公尺」的情形。同時,研究者們也指出,出現這種行為的狗,更有機會以最短的路徑回到牠們的主人身邊。「我真的對這樣的實驗結果感到蠻震撼的」羅曼如此說道。

圖/eLife

內建羅盤判斷最短回家距離?!其實不太意外

布爾達認為狗之所以會沿著南北軸跑是為了釐清牠們的方向,「這是最合理的解釋」他說。

羅曼則表示,這個行為的意義在於狗可能能夠記得牠們之前的移動路程,然後再藉由參考體內的磁場羅盤,來釐清回家的最短路徑

之後布爾達和卡提捷娜也開始嘗試另一種實驗方法,他們打算在狗的項圈中放入磁鐵,干擾磁場,然後觀察這樣是否會妨礙狗狗辨識方向的能力。這樣的想法與 1980 年曾經發表在《科學》期刊上的一篇爭議性實驗類似,當時的實驗是針對人類,研究者將磁鐵放入蒙眼受測者的眼罩中,實驗結果發現磁鐵似乎會擾亂人類直覺的方向感1

不過羅蘭大學註5專攻狗隻行為的亞當.米克洛希 (Adam Miklósi) 則認為,要設計磁感的實驗其實是相當繁複的,因為很難排除其他感官,讓一隻動物完全只依靠一種感知來做出行為。

「這樣操作的難處在於為了要百分之百證明磁感,或是任何一種感知,你必須排除所有其他的感知。」

而米克洛希亦說道,其實「狗能夠利用磁場來辨識方向」並不是太令人吃驚的事,因為這似乎是一種古老的能力,而且可能出現在任何會橫越大片土地的哺乳動物身上。羅曼也贊同道:「你會期望動物在狩獵之後能夠藉這種方式回家,顯然能在狗身上看到應該滿合理的。

註解: 

  1. 時任北卡羅萊納大學 (The University of North Carolina at Chapel Hill) 生物系的助理教授。
  2. Bangor University。
  3. 為布拉格捷克生命科學大學 (Czech University of Life Sciences Prague) 的感官生態學家 。
  4. The department of game management and wildlife biology, Czech University of Life Sciences Prague。
  5. Eötvös Loránd University。

參考資料:

  1. Baker, R. R. (1980). Goal orientation by blindfolded humans after long-distance displacement: Possible involvement of a magnetic sense. Science210(4469), 555-557.

本文主要編譯自:Dogs may use Earth’s magnetic field to take shortcuts

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「因為人因思想而獨特,但不說出來就什麼都不是。」 —為自己的冗言話多辯解的小菜鳥。

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為什麼腿短短,走路還搖搖晃晃?解密企鵝賣萌的背後真相!——《鴿子為什麼要邊走邊搖頭?》
晨星出版
・2023/10/24 ・1652字 ・閱讀時間約 3 分鐘

企鵝搖搖晃晃地走路

圖/giphy

說到用兩隻腳走路的鳥類,就不得不提企鵝。企鵝用兩隻腳在冰上搖搖晃晃走路的樣子非常可愛。在水中卻可以自由自在地高速游泳、追捕魚,這兩種樣子帶給人的印象有非常大的不同。

話說,企鵝意外地可以走很長一段距離。牠們會在地上蒐集石頭來作巢,所以當然要可以走到築巢的地點。通常企鵝類的繁殖群會位在距離海岸線幾百公尺的地方,但有時會在距離海岸 3 公里以上的內陸,想像企鵝排成一列搖搖晃晃地走 3 公里,實在是可愛至極。

說是這樣說,但是走 3 公里,我們人類都覺得有點遠了,企鵝真的可以搖搖晃晃走過去嗎?

牠們的走路方式感覺效率很差,好像很累。企鵝走路時腳會使用的力量以及計算其所需能量的研究顯示,企鵝的走路方式一如外表印象,效率很差。大概所有人都會覺得「我想也是」吧,但我們不妨來仔細思考為什麼會效率很差。

圖/giphy

鵝生好累!企鵝其實一直蹲著?

在討論企鵝的步行時,首先得要知道的是其獨特的體型。企鵝看起來是用兩隻腳站著,腳感覺極端的短。大概因為身上的毛色彷彿穿著燕尾服一樣,總覺得像是人類的喜劇演員一般。

但是牠嚴格說來並不是「站著」。看企鵝的骨骼圖(圖一)就很清楚。髖關節跟膝關節強烈彎曲的姿勢,以人類來說就是「蹲著」。換言之,企鵝時時刻刻都是蹲著的,連走路時也是蹲著的狀態。試著自己蹲著走路看看,就會像企鵝那樣搖搖晃晃地。牠們搖搖晃晃的姿態,背後的祕密就是體型與姿勢。

而由此延伸,企鵝的步行方式非常沒效率的理由,可能就是身體橫向搖擺和轉動幅度非常大。搖擺跟旋轉的動作,對前進而言怎麼看都是不必要的舉動,但是根據之前的研究,其實企鵝不搖晃反而效率會更差。之前也說過雙足步行的動能跟位能要有效率地轉換,才能有效率地運動,但企鵝似乎是用橫向搖擺的動作來進行這種能量轉換。

圖一、企鵝的樣子跟人很像,所以如果讓企鵝在山手線月台上排隊,也不會有人發現(右),但是如果看骨骼(左),企鵝蹲下來就可以跟站著的人類簡單區分開來。

短腿優先?

也就是說,企鵝走路效率不佳的理由,跟牠們這種體型跟姿勢有關。

企鵝的腳確實很短,以現在還活著的企鵝種類來說,體型最大的皇帝企鵝的體重將近 20 公斤,和澳洲的平胸鳥類鶆䴈幾乎相同,然而比較這兩種鳥類的腿長的話,鶆䴈的髖關節大概在 80 公分高的位置,而皇帝企鵝大概在 30 公分高左右。明明體重差不多相同,企鵝的腳的長度卻只有鶆䴈的一半以下,步行效率差也是沒辦法的事。

本章已經反覆提過好幾次,腿愈長一般來說會步行速度愈快、效率也愈好,企鵝的短腳和蹲下的姿勢非常不適合走路,這點沒有人能否定。

圖/giphy

企鵝的腳會這麼短,恐怕是為了在寒冷地帶保住體溫。雖然也有棲息在熱帶的企鵝,但多數企鵝都棲息在極地,在水中跟地面上不失去體溫就是牠們最重要的課題。四肢末梢要是比較長,就會因為體積的表面積變大,容易失去體溫。所以在寒冷地帶演化的物種,耳朵等突出部位通常都會比較小。

雖然意外地能走很長距離,但企鵝仍然主要屬於在寒冷地區游泳的鳥類,為此演化出的短腿跟蹲著的姿勢,必須讓身體左右搖晃走路來補足才更有效率。

——本文摘自《鴿子為什麼要邊走邊搖頭?》,2023 年 8 月,晨星出版,未經同意請勿轉載。

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動物移動方式大不同!獵豹為什麼跑這麼快?——《鴿子為什麼要邊走邊搖頭?》
晨星出版
・2023/10/23 ・1560字 ・閱讀時間約 3 分鐘

動物的移動方式及進化

動物會使用肌肉骨骼系統來進行各種運動,有時是只動身體的一部分,有時則是移動整個身體,讓自己移往其他地方的情況。理所當然的是,動物將自己整個身體移動到其他地方,會比只有動一部分身體需要更多的能量。所以移動時會特別需要注重效率。

動物們在進化過程中獲得各種生活形態,以及適合該生活形態的移動方法。只要看看動物們的走路方式,就能理解這個進化過程。

像山椒魚等兩棲類動物,以及蜥蜴、壁虎等爬蟲類,都是從軀幹伸出四肢來撐起身體,並扭動身軀,一一藉著四肢的支點往前方移動(圖一)。扭動軀體的運動跟魚在游泳時的軀幹動作很類似。兩棲類和爬蟲類是脊椎動物進化過程中最初上陸的動物們,本來就擁有類似魚那樣扭動身軀的身體構造,要善用這種構造在陸地上運動,就演化出了這樣的走路方式吧。

圖一、壁虎的步行姿勢。隨著步伐,脊骨(白線)會左右大大彎曲。

後來兩棲類中有一部分軀幹變短、後肢也變得發達,那就是蛙類(圖二)。長長的後肢可以產生強大的跳躍力。說到彈跳,身體要是扭來扭去的穩定性就不好,要是身體變短,就不會扭來扭去的了。因為獲得了短身軀跟長後肢,使得蛙類可以進行大幅度跳躍。

圖二、青蛙的骨骼標本。長腳可以進行強力跳躍,短短的軀幹則讓跳躍時可以保持身軀穩定。

一部分的爬蟲類(恐龍類)和哺乳類的四肢又更加發達,可以進行多樣化的運動。他們的四肢不只是變長,還跟兩棲類或蜥蜴等爬蟲類不一樣,四肢不是生長在身體兩側,而是下方。往下生長的四肢可以高高舉起軀幹,只要前後擺動四肢就能移動了。

比起移動整個身體,只有四肢動作的效率會比較好。另外,體幹如果可以不激烈動作,身體就可以比較安定,而且更容易控制。結果就能實現高速運動。另外,像鹿或是馬等擅長跑步的動物,牠們的四肢,特別是末端部分會很長(圖三)。腳變長的話,跨一步的距離也就會變長,可以跑得比較快。

圖三、馬(左)和人(右)的骨骼,馬的掌骨跟肱骨差不多是同樣長度,人的骨骼圖為臼田隆行作畫。

本來哺乳類也不是軀幹就保持不動,而是軀幹跟四肢經常一起協調地動作,但是方向跟魚或蜥蜴的橫向運動不同,是身體往腹背方向彎曲再伸直,像是為人熟知的貓科動物跑步時的動作。例如,獵豹跑步時,身體會大大彎曲再伸直,用全身力氣來有力地跳躍並讓步伐加大,創造出陸地上最快生物才有的跑步速度。(圖四)

圖四、跑步中的獵豹。跑步時脊骨(白線)會往腹背方向大大彎曲再伸直,讓每一步的步伐距離變長。

所有哺乳類雖有程度差別,但似乎都有像這樣身體往腹部方向屈伸的動作。前面所述的馬跟鹿等動物,雖然看起來軀幹動作沒這麼大,但脊骨還是會反覆進行彎曲再伸直的動作。只是活動程度比貓科動物少得多了。

稍微離題一下,從陸地再度回到水中的哺乳類也不例外,海豹或海狗、鯨魚等動物,游泳時的脊椎也是往腹背方向屈伸的。魚類一般是身體往兩側扭動來游泳,所以我們可以說水棲哺乳類的身體往腹背方向屈伸,是因為從腳配置在軀幹下方的哺乳類演化而來,可以說水棲哺乳類才有這樣的特性吧!

——本文摘自《鴿子為什麼要邊走邊搖頭?》,2023 年 8 月,晨星出版,未經同意請勿轉載。

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為什麼人類有頭髮?人類是如何從毛怪演變成現在的樣子?——《有點噁的科學》
時報出版_96
・2023/09/23 ・1579字 ・閱讀時間約 3 分鐘

哺乳動物的毛髮功能

所有哺乳動物都有毛髮(即使是醜得離譜的裸鼴鼠也有幾根陰毛),或多或少罷了,不過人類算是其中毛髮最少的。毛髮的主要功能是為我們的祖先們保暖,人全身約有五百萬根毛髮,其中大部分每天生長約○.四公釐(○.○二英寸)。這毛髮量聽起來好像很多,但與海狸上百億的毛髮和灰蝶的一千億根毛相比,這個數字就顯得微不足道了。

毛髮的主要功能是為我們的祖先們保暖,人全身約有五百萬根毛髮。圖/pexels

人類在演化過程中捨棄掉如此多毛髮,這在靈長類動物中絕無僅有,發生的原因目前尚不清楚。基因中有跡象顯示,我們約在一百七十萬年前就不再努力長毛了。

人類捨棄掉這麼多毛髮的原因

人類的體毛生長可能已轉化為青春期後的第二性徵,當我們準備好生育時才會出現。有個有趣的觀點是這樣的,人類毛髮脫落是因為跳蚤等體外寄生蟲作祟。

當人類的社群性格發展得更加明顯,群聚生活變得更緊密,跳蚤和蝨子的問題會變得更令人在意──將容易窩藏寄生蟲的毛髮削減掉,可避免牠們大批繁殖侵擾而造成破壞。

另外有個理論認為,人類學會用火之後,濃密的毛髮可能就成了一種負擔──毛髮稀疏的人引火自焚的機率比較小──但這個說法有點站不住腳。

人類的體毛生長可能已轉化為青春期後的第二性徵,當我們準備好生育時才會出現。圖/pexels

你閱讀本節時或許已經發現,我們對毛髮的了解遠不及我們所未知的。為什麼有些人頭髮是捲的,有些是直的,為什麼我們有頭皮屑,為什麼陰毛如此粗硬,這些都是待解的科學謎團。

一步一步解開毛髮的謎底

雖然如此,但基本生物學原理套用到所有毛髮上都還是說得通的。毛髮從深陷皮膚的毛囊中發芽,細胞在那裡分裂和繁殖,將毛髮從真皮乳突中擠出,有點像擠牙膏。你的頭髮在夏天長得比冬天時更快,毛髮的學術名稱為複層鱗狀角質化上皮(stratified squamous keratinized epithelium)。

複層意味著它是一層又一層細絲拼排而成,鱗狀表示它表面的細胞扁平,角質化上皮是一種由角蛋白組成的動物組織,角蛋白是相當特殊的纖維蛋白,許多堅韌而靈活的動物身體部位都由這種基礎材質構成,包括頭髮、指甲、爪子和蹄子。

毛髮有許多待解的科學謎團。圖/pexels

毛髮實際上已經死了,裡面沒有生化活動,但讓我們截取一根髮絲的橫切面來看看。它由三個主要的同心環組成:位於中心的是柔軟細緻、相對無明顯結構的髓質。

包圍它的是皮質,皮質為毛髮提供堅韌強度和支撐結構,並賦予其顏色(取決於黑色素含量)。然後是角質層外殼,其表面覆蓋著一層油性防水脂肪,只有薄薄的一個分子那麼厚。

毛髮的生長週期可謂絢爛又奇特,可分成三個發育階段,你身上的每根毛必定處於其中之一:較長的毛髮生長期;較短的衰退分解階段,此時毛囊收縮;以及休止期,此時原本的毛髮脫落,新的毛髮開始生長。

註解

  • 裸鼴鼠是哺乳類動物中唯一的溫度順應者(thermoconformer),牠們與昆蟲一樣,實際上是冷血動物,不必為調節體溫的事操心。

——本文摘自《有點噁的科學:尷尬又失控的生理現象》,2023 年 8 月,時報出版,未經同意請勿轉載。

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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。