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溫度越高,鳥類羽毛顏色越深?案情沒有這麼單純!

羅夏_96
・2021/01/29 ・3350字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

隨著人類使用石化燃料,讓文明有了飛速的進步,但石化燃料的大量使用同時也產生不少溫室氣體。大量的溫室氣體進入大氣層,或多或少都影響了地球的氣候型態,不論是全球氣溫上升還是海洋酸化等問題,都與溫室氣體的排放有所關連。

而生物的型態與外觀,也與所處的地理環境高度相關,針對這方面研究的學科被稱為生態地理學(Ecogeography)。從 19 世紀開始,不少動物學家都提出不同的地理環境會影響動物形態特徵的相關理論或法則。而 21 世紀因溫室氣體所造成的氣候變遷,或許也會改變動物的型態。此時,這些 19 世紀的古典理論,也成為我們預測動物型態變化的參考。

生態地理學發展史。圖/Current Biology

古典生態地理學有不少法則,因溫室氣體的大量產生主要影響溫度,這邊列舉幾個與「溫度」有關的法則。首先是伯格曼法則(Bergmann’s rule),這項法則指出同一種類的恆溫動物,其體形會隨著生活地區緯度或海拔的增高而變大。例如生活在北極地區的北極熊和北極狼,體型就比溫帶地區的棕熊和灰狼更大。伯格曼法則的物理基礎是由於隨著動物體形的增大,動物的相對體表面積(即體表面積與動物體積之比)變小,從而導致體表散熱比率變小,因而能更好地保存熱量以適應高緯度地區的寒冷環境。

柏格曼法則指出同一種類的恆溫動物,其體形(橫軸)會隨著生活地區緯度或海拔(縱軸)的增高而變大。此圖表以瑞典的駝鹿為研究對象繪製。圖/Wikipedia

另一個有關溫度影響動物型態的法則為艾倫法則(Allen’s Law)。該法則認為同種類的恆溫動物中,生活在寒冷地區的物種,其四肢等突出的部分,都比生活在溫暖地區的物種較短。例如生活在溫帶地區的狐狸給我們印象都是長臉、長鼻和尖耳的狡猾形象,但生活在北極地區的北極狐卻是圓臉、短鼻、短耳的可愛外貌。該法則的物理基礎為動物藉由減少表面積(四肢等突出部位)來降低體表散熱比率。

生活在溫帶地區(右)與北極地區(左)的狐狸在長相上有所差異。右圖/Wikipedia、左圖/Wikipedia

第三個法則除了溫度,還要加上濕度因素。格洛格氏法則(Gloger’s Rule)指出同種或親緣接近的恆溫動物,在濕潤溫暖的氣候下,其體內生物色素越多,體表顏色也會比燥寒冷氣候下來得的更深。這項法則適用於大部分哺乳類和鳥類,例如生活在低緯度地區的人膚色明顯比高緯度地區深,不過該法則目前沒有確切的機制可以解釋。目前格洛格氏法則有三種主流解釋:

  1. 在溫暖濕熱的地區如熱帶雨林,因植物的茂盛生長會產生大量的陰影,因此深色體表提供動物更好的隱蔽性。
  2. 低緯度地區如赤道帶附近因日照強烈,動物會產生大量黑色素在皮膚上,以降低紫外線的傷害。
  3. 專門針對鳥類的解釋。鳥類學家認為,赤道附近的鳥類羽毛顏色之所以較深,是因為羽毛的深色色素中含有一種化合物。而這種化合物可以抑制羽毛滋生細菌,使生活在溫暖潮濕地區的鳥類更健康4

中國地質大學的田力(Li Tian)和英國布里斯托大學的班頓(Michael Benton)教授兩人重新檢視了這些古典生態地理學法則後,認為隨著氣候變遷讓地球環境變得更熱更潮濕,大部分動物根據格洛格氏法則,體色變得越來越深2

但長期在澳洲進行鳥類研究的 Delhey 博士(Kaspar Delhey)認為事情並非如此。Delhey 的團隊發表了文章反駁田力和班頓的看法,認為格洛格氏法則混淆了溫度和濕度兩種因素的影響,應該將兩種因素分開討論3。他認為濕度是讓植物生長茂盛的主因,因為植物茂盛產生了可躲藏的陰影,讓動物也偏好有更深的體色,讓自己更容易來躲藏於陰影中,這點在熱帶雨林有很好的印證。

依照格洛格氏法則,存在於溫帶森林的鳥類,因為脫離赤道,這些鳥類的體色應該會比較淺,但 Delhey 卻發現,在一些溫帶多雨的森林如澳洲的塔斯馬尼亞島上,該地區的鳥類體色不比澳洲其他熱帶多雨的地區來得淺,甚至可能更深!這違反了格洛格氏法則中對鳥類的敘述。然而,如果是 Delhey 的想法,就能解釋溫帶多雨森林的鳥類為什麼體色比較深了5

Delhey 發現居住在溫帶多雨森林(右)的鳥類體色可能會比其他熱帶多雨地區(左)來得更深。圖/MPG

田力和班頓表示歡迎其他研究團隊提出不同的想法,針對 Delhey 的文章他們也提出實例來回應。生活在芬蘭針葉林的灰林鴞族群有兩種體色:較深的赤褐色和較淺的淺灰色。芬蘭針葉林因冬季長期有雪覆蓋,大部分灰林鴞的體色為淺灰色。他們研究發現氣候變遷導致這幾十年來芬蘭針葉林,冬季的溫度緩緩升高,讓針葉林地區的降雪時間減少(但降雨卻增加,濕度增加),產生了一個較原本環境更溫暖潮濕的氣候。在這種氣候變遷下,灰林鴞族群中赤褐色的個體數量,從 1960 年代早期只有 12%,上升到 2010 的 40%。這個觀察似乎驗證了「在越溫暖潮濕的氣候中,較深體色的鳥類更適合生存」,也符合格洛格氏法則的描述6

生活在芬蘭針葉林的灰林鴞族群有兩種體色。圖/NCBI

不過班頓也表示氣候驅使的體色改變現象,若同時考慮到溫度和濕度的變化,事情就沒這麼簡單了。氣候變遷不只讓環境變的更熱更潮濕,也有可能是更熱更乾燥。而後者的改變對動物體色的影響確實有可能是變淡。畢竟生物學不像物理和化學,有著嚴格遵守的法則。這也顯示格洛格氏法則需要更精確的定義來完善,就這點他們也同意 Delhey 的看法。

不過,格洛格氏法則主要是針對恆溫動物的體色作出解釋,但對於昆蟲和爬蟲類這些變溫動物,格洛格氏法則就沒那麼有效了。不少動物學家就發現在溫度較低的區域,昆蟲和爬蟲類反而會有更深的體色;反之在溫度高的區域,昆蟲和爬蟲類的體色則會變淡。有假說認為深體色可讓變溫動物在太陽下吸收更多的熱量。這種變溫動物因溫度影響其體色的假說被稱為 Thermal melanism hypothesis。

雖然我們有各種生態地理學法則,來解釋不同地區的物種型態,但法則只能提供大方向的解釋,個別物種與不同環境產生的互動也該納入考量(Delhey 考量的「躲藏陰影」就是一種環境互動)。華盛頓大學的 Buckley 教授便表示,高海拔地區的蝴蝶需要長時間在太陽下,吸收太陽的熱能來讓自己獲得足夠的熱量活動。按照 Thermal melanism hypothesis,高海拔區的蝴蝶應該是深色翅膀為主,如此才能吸收更多熱能。但她的研究表示高海拔區的蝴蝶翅膀顏色多為淺色,因蝴蝶只靠翅膀底面的一小塊黑色斑點來吸收太陽熱能,並非用整個翅膀1。「因此在研究環境如何影響動物的型態如體色時,也要考慮該物種是如何和環境互動的。」Buckley 教授如此說道。

關於氣候變遷如何改變動物體色,不論是古典還是現代的生態地理學,只探討溫度和濕度這兩個因素,作為判斷動物體色改變的基準顯然是不足的。氣候變遷也會導致物種棲息地的改變、天敵/獵物的消失等,這些因素對物種的型態變化也有很重大的影響。而不同物種面對單因素的改變,都有不盡相同的反應,何況多因素的改變!因此不論是田力/班頓團隊,還是 Delhey 團隊,他們對於氣候變遷如何影響動物體色的結論,明顯都是不足的。至於動物們實際如何應對氣候變遷,則需要更多科學家們一起投入研究。

參考文獻

  1. Will climate change make animals darker—or lighter?
  2. Li Tian, Michael J. Benton. (2020). Predicting biotic responses to future climate warming with classic ecogeographic rules. Current Biology, 30(13), R744-R749.
  3. Kaspar Delhey, James Dale, Mihai Valcu, Bart Kempenaers. (2020). Why climate change should generally lead to lighter coloured animals. Current Biology, 30(23), R1406-R1407.
  4. Edward H. Burtt Jr., Jann M. Ichida. (2004). Gloger’s Rule, feather-degrading bacteria, and color variation among Song Sparrows. The Condor, 106(3), 681–686.
  5. The rules of colour: rainfall and temperature predict bird colouration on a global scale
  6. Patrik Karell, Kari Ahola, Teuvo Karstinen, Jari Valkama, and Jon E. Brommer. (2011). Climate change drives microevolution in a wild bird. Nature Communications.

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既是科學家,也是樂團鼓手!──專訪數學物理學家程之寧

研之有物│中央研究院_96
・2022/03/11 ・5978字 ・閱讀時間約 12 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|郭雅欣、簡克志
  • 美術設計|林洵安、蔡宛潔

在學術與搖滾的多重維度上行走

還記得美劇《The Big Bang Theory》嗎?劇中常常出現的物理名詞「弦論」,是描述物理世界基本結構的理論。中央研究院「研之有物」專訪院內數學研究所程之寧研究員,她正是研究弦論的科學家,也是熱愛音樂的搖滾樂團鼓手,這種跨領域身份並不衝突,兩邊都需要創造力與紀律。由於天生斜槓的性格,讓程之寧在數學和物理領域大展身手,透過數學的深入探討,她試圖將弦論更往前推進。最近程之寧更跨足到人工智慧領域,為學界提供理論物理上的貢獻。

中研院數學所程之寧研究員,主要研究 K3 曲面(特殊的四維空間)的弦論,她發現模函數和有限對稱群之間有 23 個新的數學關聯,稱之為「伴影月光猜想」(Umbral Moonshine)。圖/研之有物

萬有理論和難以捉摸的「月光」

世界從那裡來呢?物理世界的本質是什麼呢?回答這樣的大哉問,一直是理論物理學家所追求的目標。從牛頓力學(日常應用)、廣義相對論(探討很重的物質)到量子力學(探討很小的物質),隨著物理學不斷發展,我們似乎一步步接近答案,但至今卻還未走到終點。

舉例來說,如果有個東西很重又很小,就像「黑洞」,或是大爆炸時的宇宙,我們要怎麼用數學描述?於是科學家試圖整合廣義相對論和量子力學,找出所謂的「萬有理論」(Theory of Everything)──能完全解釋物理世界基本結構的核心理論。

程之寧研究的「弦論」就企圖發展成這樣一個萬有理論。弦論一如其名的「玄妙」,它設定宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成,每一種基本粒子的振動模式不同,產生不同的粒子特性。

「人類一直以來的夢想之一就是,如果能用一句話解釋所有事情,那該有多麼美好。」中研院數學所研究員程之寧說道。

程之寧的研究牽涉到數學上的「月光猜想」(Moonshine)與弦論中 K3 曲面的連結。月光猜想是存在於模函數係數與特殊群之間的數學關聯,程之寧與其研究夥伴共發現了 23 個新的關連,並稱之為「伴影月光猜想」(Umbral Moonshine)。

基於弦論的假設,我們的世界是十維的,除了人們在日常生活中可以感知到的 3+1 維(空間+時間),還有六維是因為尺寸太小而無法用肉眼觀察的,這些看不到的維度影響著物理世界,最終也產生了我們這個物理世界所需的各種條件與特性。

綜觀程之寧的研究,橫跨了物理與數學兩個領域,她笑稱自己「天生斜槓」。在學術上,程之寧原先喜歡文學,之後卻走上數理研究的道路;在音樂上,程之寧喜愛搖滾樂,至今仍在自己的樂團裡擔任鼓手。

她如何看待自己一路走來的各種轉折?游徜在數學與物理之間,她又對這兩個領域的連結有怎樣的體會?在與「研之有物」的訪談中,程之寧侃侃而談她的經歷、想法,以及對學術研究的熱忱所在。

在弦論的設定中,宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成,每一種基本粒子的振動模式不同,產生不同的粒子特性。圖/iStock
  • 請問您是如何對數學及物理產生興趣?從何時開始?

一開始考大學時,其實我想去念中文系(笑)。不過,因為我高中是選理組,而且只念了一兩年,對文科考試比較沒把握,加上對工程科系沒興趣,最後就選擇臺大物理系就讀。

後來發生兩個轉折,第一個是我很認真的去修了大學中文系的課,結果發現真的沒有想像中容易。第二個就是我發現物理系的課還蠻有趣的,像量子力學和相對論,讓我覺得還想再多學一點、多知道一點。

我開始覺得如果念完臺大物理系就停下來,好像有一種小說沒讀完的感覺,所以就想繼續讀碩士班。那時還沒有覺得自己會走上學術研究的路,單純抱著想把故事看完的想法。

  • 後來是如何接觸到弦論?弦論是如何引起您的興趣?

後來我去荷蘭念碩士,指導教授是諾貝爾物理獎得主 Gerard ’t Hooft。他其實蠻不認同弦論,但他對於如何處理量子力學與相對論很有興趣。

當時 ’t Hooft 教授在建議我碩士題目時就說:「你也知道我不太認為弦論是一條正確的道路,不過聽說弦論最近真的在量子重力這一塊有一些成果。不如妳去讀一讀,看看是不是真的有一些東西在那裡,也可以比較一下其他量子重力理論。」

在我很認真的比較各個量子重力理論之後,就變成弦論派了(笑)。’t Hooft 教授對此也保持開放態度,他有幾個不錯的博士生後來也變成弦論學家,之後我在 Erik Verlinde 的指導下念博士時,就完全以弦論為研究主題了。

  • 研究理論物理會影響您對現實世界的理解嗎?

蠻多人會問我說,妳學了量子力學,是不是就會比較了解這個世界不是非黑即白?或問我量子力學跟宗教是不是有關?可是我覺得我分得很開,我不會去做這樣的連結,我還是活在現實裡,走路時大部分都在專注於自己不要跌倒之類的。

如果真的要講,我蠻感激我們的存在,因為我所學的東西讓我知道這是沒有必然性的。我們能這樣以一種人形的很奇怪的生物的形式存在,然後在這樣一個環境過一輩子,是機率很低的事情,而且我還蠻開心我是當人,而不是奇怪的阿米巴蟲或外星生物!有些人會從這裡連結到宗教或轉世,但我不會,我就停在這裡。

  • 來談談您的研究,伴影月光猜想與 K3 曲面弦論之間是什麼關係?

弦論中有很多的可能性,我們可以挑選特定的四維,然後假設這四維空間是個 K3 曲面。例如說,我們可以把兩個甜甜圈乘起來,在上面做特殊的奇異點,來製造出一個 K3 曲面。這個曲面有一些很有趣的對稱性。從弦論的角度來講,我們可以透過這個過程,找出一個解釋為何有伴影月光猜想的框架。

「把維度乘起來」這個概念很難想像,但這在數學上是成立的。我舉例一個我們能想像的「乘起來」:如果有一個空間是一條線,另一個空間是一個圓,乘起來就變成一個圓柱形,從一個方向剖面可以切出圓,另一個方向則切出線。而在數學上,不管幾維,能不能在紙上畫的出來,都可以這樣操作。

程之寧向「研之有物」採訪團隊解釋「把維度乘起來」的概念。圖/研之有物
  • 如何透過計算,發現捉摸不定的「月光」?

有時候這看似湊巧,一個數學上的函數正好就是弦論某個問題的答案。但其實並不是真的那麼巧,弦論看起來很有彈性,好像什麼都可以解釋,但它其實有非常多結構及限制。

當我在計算一個弦論理論時,它的內部結構可能原本就具有某些特定的性質,然後我再去觀察數學中,有這樣性質的函數可能就只有一兩個,只要再初步算一下,就能知道哪一個是答案。弦論學家日常的計算常常是這樣的,所以這是巧合嗎?是也不是。

  • 您曾經發現 23 個新的伴影月光猜想,您對這類題目特別有興趣嗎?

我覺得數學有兩種,有些數學家喜歡系統性的事情,就像蓋房子一樣,在數學裡建造一個很美麗、非常有系統性的結構,可以把很多事情都放入這個結構來理解。

另一種比較少數的,就是喜歡獵奇,去收集分類奇奇怪怪的特殊東西,例如有這些性質的函數在哪裡?可能你算出來就是 5 個,你也不知道為什麼。月光猜想很明顯就屬於這一類。

兩種的樂趣感覺是不一樣的,我覺得應該都很棒,但我可能是屬於偏好獵奇的這種。

  • 您的研究連結了物理上的弦論與數學上的月光猜想,您怎麼看待這兩個知識體系的互動?

弦論是一個需要很多數學理論配合的物理理論,它是一個有點繁複的框架,我們什麼都要會一些,才能看懂這個理論。當你把許多不一樣的學門的知識加起來,有時候就會在某一個學門──例如幾何──有意想不到的收穫。

弦論在數學上也扮演探索與找尋新方向的角色,讓數學家有新的發現。雖然最後數學定理的證明還是得仰賴傳統數學方法,但在這二三十年間,我們一直從弦論身上找尋數學研究的新方向或有趣的猜想,看到了弦論與數學之間的互動。

數學家有兩種,一種人喜歡建立美麗又有系統性的結構,另一種人喜歡尋找和收集奇怪特殊的數學物件(比如函數),程之寧表示自己屬於後者。圖/研之有物
  • 剛才一開始提到,您高中只念了一兩年,是因為對學校沒有興趣嗎?

其實我一直都覺得上學很無聊。我小時候臺灣教育和現在很不一樣,一班 50 幾個人,老師必須盡量軍事化管理,大家最好都一模一樣,比較好管理。我和學校一直處於互相磨合的狀況,我自認已經努力配合學校,但學校一直覺得我在反抗,這可能是一個認知上的差別。

舉例來說,我小學的時候不想睡午覺,可是老師說大家都一定要睡午覺,不睡午覺的人要罰抄課文,所以我早上到學校時就會把已經抄好的課文交給老師。我覺得我這樣做是在配合老師的規定,可是以老師的立場會覺得我在反抗,學校教育中我遇到了很多類似的情況。

還有就是不喜歡高中的升學氛圍,同學和老師好像都只有一個活著的目標,就是「考大學」。我當時無法習慣升學氛圍,感覺好像活在平行宇宙一樣。

  • 高中休學後,您去唱片行工作,可否談談當時的想法?

我國中開始聽音樂,這是我除了看書之外的重要興趣,我也很快就喜歡上了搖滾樂。高中休學的時候,我唯一的謀生技能可能就是我對音樂的各類知識吧!所以我就去了唱片行,這是唯一一個我會做又有興趣的工作,還好那時候還有很多唱片行(笑)。

  • 對音樂的熱忱,讓您與朋友共組了樂團,並擔任鼓手。您是否比較過樂團生活和學術研究之間的異同之處?

有些人覺得我這樣很跳 tone,但我自己覺得還好。音樂和學術都是我發自內心覺得好玩的東西,兩者也有相同之處,例如它們都需要創造性,也都有需要了解的框架。數學需要嚴謹的證明,音樂演奏也需要遵循結構,例如不能掉拍。

音樂領域還有一點和數學類似──玩樂團的圈子也是以男性為主。我們樂團則是只有一個男生,其他都是女生,可能我真的天生對框架有點遲鈍,玩團之後才發現:「怎麼大家都是男生?」

程之寧表示,學術界仍有許多性別不平等問題未受重視。圖/研之有物
  • 也就是說,目前數學學術圈仍是男性主導,在研究路上,您有因為性別而感受到一些衝擊或眼光嗎?您怎麼面對?

有。那感覺很明顯,日復一日地要去面對,尤其是年紀還比較輕、還必須每一天去證明自己的能力的時候,特別有感。

我遇到時的反應就是,在心裡暗罵一句髒話,然後繼續做我要做的事。我不會想改變別人的想法,感覺那是浪費時間,就算環境給我的阻礙是這樣,我還是繼續去做該做的事。

可是有些事情沒那麼簡單,現在我也當過老師,有時候會看到年輕女生在學術界因為性別而被欺負,或遭到不公平待遇、甚至騷擾。

對此我感到心痛,覺得為何我們學術領域還是這樣的狀況?甚至為什麼性騷擾至今還是一個議題?可以確定的是,學術界許多性別不平等問題未受到重視。

  • 您現在已經有傑出的研究成果,還會因為性別而遭受質疑嗎?

我現在比較會遇到一個狀況反而是來自學生的質疑。我在荷蘭阿姆斯特丹大學教書時,有時候學生會因為我是女教授,而且我的外表在許多歐洲人眼中看起來就像小妹妹,所以比較容易去挑我的毛病。

在課堂上,下面坐的可能都是男學生,只有一兩個女學生,那個氣氛就會變得很奇怪。例如說偶爾會聽到學生評論我的身材或樣貌。

我有和其他一些在歐洲或美國的女性教授聊過這樣的問題,似乎不少人都有類似的不太愉快的經驗。感覺不是很好。

  • 看到您最近的研究和人工智慧(AI)有關,為何會想往這個方向發展?

我有兩個動機。一個就是我真的想深入了解人工智慧。我也可以像普羅大眾,看看 AI 下圍棋,讚嘆「哇!好厲害!」這樣就好,可是我覺得我一定可以真的去理解它,這可能就是數學家的自大吧!

另一方面,我知道對科學研究來說,未來 AI 將會是一個非常重要的工具。這是「在職訓練」的概念,我可能會用到這個新工具,或以後我可能會需要教這樣的課,因為學生是下一代的科學家。因為這些原因,我覺得我需要去訓練自己使用新的工具。在我的領域裡,也有一些有趣的、還沒被解答的科學問題,是 AI 有可能幫得上忙的,我看到了一些潛力。

  • 弦論和 AI 感覺差距很大,AI 也可以應用到弦論的研究嗎?

乍看之下,弦論的確比較抽象,也不像其他許多實驗會產生大量數據。但其實弦論有大量的可能性,我認為使用 AI 來在這些巨量的可能性當中搜尋特別有趣的理論,是一個有潛力能夠加深我們對弦論理解的新的研究方法。

而且 AI 的應用絕不僅限於巨量資料。如果是面對一些比較新的挑戰,在沒有現成的演算法可以用的情形之下,可以自己做出需要的功能嗎?這過程我覺得也非常很有趣,而且應該是會有成果的一條路。這種不是那麼顯而易見的事情,我覺得很有挑戰性,也蠻好玩的。

除了用 AI 來幫助物理跟數學的研究之外,我也試著物理研究當做靈感來源,找出新的 AI 的可能性,我覺得這也是一個很有趣的研究方向。我現在有和 AI 的學者合作,嘗試做出一些創新的演算法,真的還蠻有趣的。

  • AI 對您而言是全新的領域,您如何面對跨領域遇到的門檻?

一開始會覺得真的要去碰這個新的領域嗎?其實現在也還是偶爾會有這樣的懷疑。我在弦論領域可能已經是專家,但去了一個新的領域,我學得不會比二十歲的人快,要怎麼去跟人家競爭?是不是在浪費時間?

但也會想,與其想這麼多,不如先做再說。到目前為止我做了兩年多,感覺還蠻好的,我有學到東西,也有做出小小的貢獻。

其實我還蠻感激有這樣的學習機會。對我來說當科學家最大的好處就是,去搞懂一個新的東西就是工作的一部分。當科學家雖然蠻辛苦,但就結果論來說,我還蠻開心能當一位科學家!

延伸閱讀

  1. Moonshine Master Toys With String Theory | Quanta Magazine
  2. Mathematicians Chase Moonshine’s Shadow | Quanta Magazine
  3. 林正洪教授演講 一 怪物與月光(Monster and Moonshine),《數學傳播》

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