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貓舌頭上深奧的物理學

陸子鈞
・2011/04/12 ・923字 ・閱讀時間約 1 分鐘

貓咪喜歡用他們的方式作事,連喝水也不例外。研究人員發現貓咪如何用牠們的方式喝水,牠們靈活的舌頭,在地心引力及慣性作用間,取得巧妙的平衡。

我們對舔舌這動作相關物理現象了解不多。狗還有很多動物,沒有完整的臉頰,牠們不能像我們人類一樣,封閉嘴巴,做出「吸」的動作。因此,牠們把舌頭捲成杓子狀,把水杓起。多數的科學家假設貓也如此,而沒考慮到貓的舌頭小很多,而且佈滿刺。但麻省理工學院的生物物理學家Roman Stocker,在一天的早餐時,看著他的貓喝水,開始懷疑這個假設。Stocker認為,貓喝水的機制應該比眼睛看到的現象更精巧。

Stocker和一些同事,在餘暇時間,利用高速攝影機拍攝貓咪喝水的過程。他們發現,不同於狗,貓只讓舌間接觸水表面,而沒有伸入。水會附著在貓的舌頭上,牠們把舌頭縮回嘴巴裡,合上嘴時,破壞了水柱的連續性,而且還能不沾濕下巴和鬍鬚。

「這機制比平常舔舌頭的動作來得精巧很多,而且需要很有技巧的控制」Stocker說。但最精巧的部份,是背後看不到的物理過程。為了更了解這機制,Stocker和他的團隊,建立一組「機器舌頭」,用大小近似貓舌頭的玻璃圓盤,在水面上下移動,模擬貓喝水的動作,觀察不同移動速度和破壞水柱連續性的關係。

研究團隊發現,貓舔舌時,平衡了慣性作用及地心引力。慣性作用讓水可以在貓收起舌頭時,進入嘴巴;而地心引力會把水拉回碗中。為了喝到足夠的水,貓必須快速伸縮舌頭,產生足夠的慣性力,以對抗地心引力。時間掌握得宜,可以喝到最多的水,因為最長、最粗的水柱,是在地心引力把水拉回碗的那瞬間。

「看起來貓似乎知道舌頭要動多快」Stocker解釋,「如果貓太早合上下巴,牠會漏失部分的水;如果太晚合上,牠會錯過整段水柱」。在動物園的研究中,有另一個讓研究團隊更驚訝的結果。他們一樣用高速攝影機記錄其他貓科動物的喝水,像是老虎、獅子,發現這些大貓也和他們遠房小親戚用同樣的機制在喝水,但由於大貓比家貓高,而且舌頭較大,所以大貓需要降低舌頭伸縮的速度,以維持慣性力及引力的平衡。

資料來源:ScienceNow: Cats’ Tongues Employ Tricky Physics [11 November 2010]

67倍慢速攝影:Cutta Cutta (67x slower)

12倍慢速攝影:‪Cutta Cutta (12x slower)‬

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陸子鈞
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Z編|台灣大學昆蟲所畢業,興趣廣泛,自認和貓一樣兼具宅氣和無窮的好奇心。喜歡在早上喝咖啡配RSS,克制不了跟別人分享生物故事的衝動,就連吃飯也會忍不住將桌上的食物作生物分類。

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「菲利浦島蜈蚣」成幼鳥殺手!——在澳洲孤島上默默擔當頂級掠食者

藍羊_96
・2021/09/22 ・2038字 ・閱讀時間約 4 分鐘

冒險電影中,場景時常在偏遠不為人知的荒山野嶺,甚至住著猛獸的遙遠孤島,有著顛覆常識的生態環境和駭人怪物。然而根據新發表在《美國博物學家》的一篇論文,在現實中就有一個島嶼,由蜈蚣擔當島上食物鏈的最頂端掠食者。

此菲利浦島,非彼菲利浦島

地點位在澳洲的菲利浦島(Phillip Island)——說到這個島嶼,可能會聯想到島上每年吸引上百萬觀光客的小藍企鵝棲地,以及世界摩托車競速的主要賽場之一。

故事並非發生在這個澳洲南岸的菲利浦島,而是在距離澳洲本土東方 1500 公里遠,過去做為囚犯流放地的諾福克群島。那裡有另一個面積僅 2.07 平方公里,無人居住的菲利浦島。兩個島正巧都以 18 世紀後半的英國海軍上將亞瑟‧菲利浦(Arthur Phillip)為名,但地理位置相距甚遠。

屬於諾福克群島一部分的菲利普島(Phillip Island)。圖/維基百科

無人定居的菲利浦島兇猛島民

菲利浦島有 13 種海鳥會產卵繁殖,還有一些小型動物在此生活。其中最引人側目的居民是菲利浦島蜈蚣Cormocephalus coynei),這種蜈蚣最長可達 23.5 公分,雖然比起現生蜈蚣中最大的 30 公分等級還差一些,仍遠勝長約 10 公分的常見蜈蚣。

研究團隊調查紀錄菲利浦島蜈蚣在夜間的捕食行為,並以穩定同位素分析蜈蚣的食物來源比例,發現這種蜈蚣的食物來源,48% 來自脊椎動物,52% 來自無脊椎動物,各占約一半比例。

菲利浦島蜈蚣最主要的食物是島上居住的蟋蟀、壁虎、石龍子,這些動物都小於體長超過 20 公分的大蜈蚣,算是合理的菜單。然而菲利浦島蜈蚣還有另外一個獨門佳餚,就是島上繁殖海鳥的幼雛。

菲利浦島蜈蚣(Cormocephalus coynei)。圖/ iNaturalist

菲利浦島蜈蚣的嘴下亡鸌

菲利浦島上最主要的築巢海鳥是黑翅圓尾鸌Pterodroma nigripennis),2017 年的紀錄約有 19000 對。黑翅圓尾鸌的成鳥體長約 30 公分,顯然蜈蚣面對牠們無法輕易取勝,因此脆弱的雛鳥就成為蜈蚣的下嘴目標。

菲利浦島蜈蚣會咬住黑翅圓尾鸌雛鳥的後頸並注入毒素,等雛鳥死亡後再啃食牠的頭頸部。而在兩年的調查期間,紀錄的雛鳥各有 19.6% 及 11.1% 被蜈蚣捕食。結合前面一年約有 19000 對黑翅圓尾鸌在此繁殖的紀錄來看,估計每年被蜈蚣吃掉的幼鳥在 2109~3724 隻之間。

其他在菲利浦島上繁殖的海鳥,活動期間可能跟蜈蚣活躍的夏季錯開,或是數量較少,黑翅圓尾鸌可能是菲利浦島蜈蚣最主要的獵捕鳥類。相較於脊椎動物吃節肢動物的紀錄,節肢動物大部分是清除死亡的脊椎動物屍體,像這樣反過來鳥類被節肢動物主動獵捕的紀錄非常罕見。

黑翅圓尾鸌的雛鳥慘遭蜈蚣獵捕。圖/參考文獻 1

咦,蜈蚣怎麼吃到海裡的魚?

根據穩定同位素分析,菲利浦島蜈蚣的飲食中有 7.9% 是鳥類,然而魚類卻有 9.6%。住在陸地上的蜈蚣要怎麼吃到海裡的魚呢?這是另一個值得注目的問題。

據推測海鳥帶回巢中,供應給雛鳥食用的魚屍,應該是蜈蚣能吃到魚的主要來源。也就是海鳥不僅本身是蜈蚣的獵物,牠們為了育雛的投食被蜈蚣吃掉後,也帶動了海洋和陸地間的營養循環。

過去在諾福克群島流放囚犯時期,由人類引入的山羊、豬和兔子等大型動物對島上的環境造成破壞,也讓當地獨有的生態體系遭受嚴重威脅。這些外來物種在 20 世紀期間逐一從島上移除,受破壞的環境現正緩慢復原。

雖然菲利浦島蜈蚣離最大的蜈蚣還有點距離,在牠所住的環境卻已經足以佔地為王。現已滅絕的諾福克卡卡鸚鵡(Nestor productus)體型比菲利浦島蜈蚣大,但以果實為主食,顯然不會威脅到蜈蚣作為掠食者的地位。

大英博物館內諾福克卡卡鸚鵡標本的畫。圖/維基百科

在島嶼生物地理學中,孤立海島上動物體型改變是一個重要的研究議題。在大陸上的大型動物,移居海島後因島嶼資源限制、天敵缺乏等因素,會縮小體型,稱之為島嶼侏儒化(Island Dwarfism);然而小型的動物卻會反過來巨大化,甚至取代原本大型動物所處的生態棲位,此現象即為島嶼巨型化(Island Gigantism)。

島嶼巨型化的案例如紐西蘭的奇異鳥、馬達加斯加島已滅絕的象鳥,以及在許多島嶼上各自獨立產生的巨大化齧齒動物;台灣在墾丁和部分離島分布的椰子蟹也是一個案例,不僅是保育類的甲殼動物,更是最大型的陸生寄居蟹。地處偏遠的菲利浦島,正是島嶼特殊生態系的一個案例,也是蜈蚣稱霸的極端案例。

參考文獻

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藍羊_96
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國立清華大學分子與細胞生物所博士生,國語日報科學版專欄作者。白天做植物標本,晚上讀演化文獻,假日寫科普文章。
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