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從電台節目討論曲尾苔,活出屬於自己的生物區位——《三千分之一的森林》

azothbooks_96
・2021/02/18 ・2708字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 477 ・五年級

每週六早上地方電台的系列節目裡,有一個節目常伴著我跑腿辦事或開車上山。

在《聊汽車》(Car Talk) 跟《你懂什麼?》(What Do You Know?) 中間的節目是《衛星姊妹》 (The Satellite Sisters):「我們五姊妹分住在兩大洲,雖是同一對父母所生,卻過著非常不同的生活。來抬槓吧!」這幾個姊妹從世界各地打電話登場,但節目有一種圍坐在廚房餐桌的感覺,桌上放著幾杯半滿的咖啡跟一盤麵包捲。閒聊的內容從職場策略、育兒、女性參與環境運動,到雜貨店的葡萄可不可以讓人試吃這種道德問題,當然,還有各種人際關係。

我老公在家裡的穀倉慢條斯理地做些瑣細活,女兒去參加慶生會了。這個早上我就像《衛星姊妹》的對話氛圍那樣愜意慵懶。外頭太濕,不好散步;太泥濘了,不好蒔花弄草;整個早上都是我的!我的!我一直想來好好瞧瞧這些難以分辨的曲尾苔 (Dicranums)。

多奢侈啊! 可以為了玩樂而工作。雨水滑落實驗室的窗櫺,只有《衛星姊妹》的聲音相伴。我可以跟隨她們放聲大笑,誰會在意呢?沒有學生、沒有電話,只有一把把的苔蘚,還有週末的偷得浮生半日閒。

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圖/Pixabay

曲尾苔家族

曲尾苔是苔蘚的其中一屬,包含許多物種,同一家族有許多姊妹苔蘚。我把它們都只想成女性,因為男子遭遇到的坎坷命運(或許很適合他們),女強人都能秒懂,這點待會再說。當《衛星姊妹》在討論新髮型這種「暴露暫時自我」怎麼造成自尊脆弱,我對自己從未注意過曲尾苔屬比起其他種類的苔蘚看起來更像頭髮而啞然失笑—像是梳過的頭髮,整齊分邊撥到一側。

其他苔蘚令人聯想到地毯或迷你森林,但曲尾苔屬讓人想到髮型:鴨尾頭、波浪捲、小捲髮、平頭。如果把它們排排隊來照張全家福,從最小的山地曲尾苔 (D. montanum),到最大的皺葉曲尾苔 (D. undulatum),你一定看得出它們的親緣關係:都有毛髮狀的葉子,尾端又長又細,全都拂往某個方向,一副被風掃過的樣子。

就像《衛星姊妹》分別從泰國和奧勒岡州的波特蘭市打電話進來,曲尾苔家族也廣泛分布在全世界的森林裡。棕色曲尾苔 (D. fuscesens) 生長在極北,而白綠曲尾苔 (D. albidum) 則遠及熱帶地區。或許它們之間的距離,讓手足之間得以和平共處。曲尾苔屬經歷過顯著的適應輻射 (adaptive radiation),也就是從同一祖先演化成多種類的過程。「達爾文雀」(Darwin’s Finches) 也好,曲尾苔也好,都是經由適應輻射演化出新物種,以適應特定的生態區位。

「達爾文雀」從迷失在海上的單一祖先物種演化而來,後續發展出新的物種遍布在貧瘠的加拉巴哥群島上,每個小島上有各自的特定物種,各有其特殊的食性。無獨有偶,曲尾苔分化成不同的物種,每種都根據祖輩的設定,發展出獨特的外觀、棲地和生存方式。

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曲尾苔。圖/《三千分之一的森林》

苔蘚版的「自己的房間」活出自己的生態區位

物種分化的驅力,無疑和手足之間的競爭有關。

還記得你只是因為哥哥有某個東西,就想要得到同樣的東西嗎?家族聚餐時,如果每個人都想要燉雞的雞腿,終究有人要失望。當兩種高度近似的物種對環境有相同的需求,假如分布範圍不大,兩個物種最後只能獲得比生存所需更少的資源。因此, 在一個家族裡,手足通常必須發展出各自的特點才能共存,如果你特愛白肉或馬鈴薯泥,就可以避免跟別人搶雞腿。同樣的特徵也發生在曲尾苔身上,各種物種藉由避開競爭而能同時存在,各自生長在不必跟手足物種共享的棲地裡,相當於苔蘚版的「自己的房間」

在曲尾苔親族中,有些角色就像任一個大家庭的姊妹一樣,你可以一眼就辨識出來。山地曲尾苔(D. montanum)靦腆低調,你知道的—毫不起眼、容易被忽視,她的短捲髮總是翹翹亂亂,每次都只能撿剩下的棲地:偶爾裸露的樹根或岩石,像是週日大餐剩下的雞翅。潮濕陰暗的岩石也是迷人的曲尾苔(D. scoparium)的家,有著長長、閃亮亮的葉子,甩向一側。這是毛絨的曲尾苔,你會想要用手撫過她如絲的表面,然後把頭枕在她厚實的靠墊上。

當這些姊妹物種都長在一顆大石上,招搖的曲尾苔佔據了所有的最佳位置,像是濕潤又陽光充足的頂部跟肥沃的土壤, 山地曲尾苔就只好去填補縫隙。就算曲尾苔把小妹妹 排擠到一邊,佔去她的空間,把她逼到角落,也沒什 麼好驚訝的。

山地曲尾苔。圖/《三千分之一的森林》

其他的曲尾苔也傾向避免因共享空間造成的衝突,高度相似會造成排擠效應。鞭枝曲尾苔(D. flagellare)的葉子整齊俐落又直直的,像軍人的小平頭,她孤傲不群,只願住在腐朽的木頭上。她性格保守,多數時候選擇獨身,透過無性繁殖,捨家庭追求個人成就。

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孤僻又極綠的綠色曲尾苔(D. viride)有不為人知的脆弱面,她的葉尖總是坑坑疤疤,像咬過的指甲。另外,波葉曲尾苔(D. polysetum)是家族裡最能生的媽媽,這是身負多個孢子體的必然結果。接著是有長波浪葉子的皺葉曲尾苔(D. undulatum),覆蓋在濕軟的山丘頂部;絨葉曲尾苔(D. fulvum)則是個敗家女。這裡有十幾個強大的女性。

絨葉曲尾苔。圖/《三千分之一的森林》

我倒了第二杯咖啡,耐心地為苔蘚樣本分門別類, 這時《衛星姊妹》的話題聊到男人。幾個姊妹婚姻幸福,其他人交流著上週找白馬王子的主題,探討承諾和當爸爸的人格特質。找到好對象是普世女性的心願, 對曲尾苔來說也是。

苔蘚的有性生殖是樁前途難料的事業,眾所周知,受限於體虛命短的男性。精卵之間, 受制於可供泅泳的水體,它們要成功受精,仰賴及時的降雨。精子必須游向卵子,努力衝破隔絕彼此的障礙,即便它們之間只有幾英吋之遙。大部分的卵子只能枯坐在頸卵器中等待永遠不會到來的精子,遠在天邊,近在眼前。

波葉曲尾苔。圖/《三千分之一的森林》

註解

  • 此處引用英國作家維吉尼亞·吳爾芙 (Virginia Woolf) 的經典散文著作《自己的房間》(A Room of One’s Own) 作為比喻,本書的名言「女性若是想要寫作,一定要有錢和自己的房間。」象徵物種都有自己獨特的生態區位,藉以跟其他物種區別。
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azothbooks_96
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漫遊也許有原因,卻沒有目的。 漫遊者的原因就是自由。文學、人文、藝術、商業、學習、生活雜學,以及問題解決的實用學,這些都是「漫遊者」的範疇,「漫遊者」希望在其中找到未來的閱讀形式,尋找新的面貌,為出版文化找尋新風景。

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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確認過眼神?比起翅膀,鳥類的眼睛大小更能說明牠們的生活習性
羅夏_96
・2021/09/07 ・3131字 ・閱讀時間約 6 分鐘

如果要你從鳥類的一項「特徵」中猜出牠的生活環境和飲食習慣,你會選擇哪樣特徵呢?大部分人 (包括我) 可能都會講翅膀。畢竟翅膀是鳥類最大的特徵,過去也確實有研究顯示可以通過鳥類翅膀的長度與型態來推測牠們的習性。不過一項新的研究指出,比起翅膀,鳥類的「眼睛」更能體現牠們的生活環境與習性[1]

先聊聊什麼是「生態形態學」?

為了適應所處的生態環境,生物往往會有相對應的生理特徵。例如生活在無光環境的生物,大多會降低視覺的重要性,改為發展更敏銳的嗅覺或觸覺能力。除了生態環境,生物也會根據其飲食發展相對應的生理特徵。例如生活在加拉巴哥群島上的達爾文雀 (啟發達爾文演化想法的鳥鳥們〜),其鳥喙的尺寸與形狀會高度適應食物來源。

這種研究生物型態適應生態環境的學科被稱為生態形態學 (Ecomorphology)。該學科認為,生物體所表現出的形態特徵會受到其所處生態環境的直接或間接影響。因此生態形態學旨在透過測量與行為相關的性狀以及生物體的適應性構造,來將生物形態與生態環境聯繫起來。

Darwin's finches.jpeg
達爾文雀的鳥喙尺寸和形狀差異很大,而這反應了牠們的食性。圖 / 維基百科

而科學家們在對鳥類的許多形態特徵如翅膀、尾巴和鳥喙等進行深入研究後,確實找出這些特徵與生態間的關聯,並且也能用這些特徵來回推鳥類的生態環境與食性。不過,來自佛羅里達大學生態系統保護實驗室的博士畢業生 —— Ian Ausprey 心中一直有個疑問,關於鳥類特徵與生態環境的研究中,為什麼沒有與「眼睛」相關的研究?

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鳥類眼睛與生態環境的連結

鳥類的味覺和嗅覺較不發達,因此大部分鳥類主要依靠視覺來導航、尋找食物和躲避掠食者,而這就讓牠們在陸生脊椎動物中,有著相當大的眼睛 / 身體比例。大眼睛不僅讓鳥類擁有出色的距離和色彩辨識能力,同時牠們也有著頂尖的空間識別與物體對焦能力。不過,擁有這些能力要有相對應的處理器。

大眼睛所帶來大量的視覺訊號,需要一定發展程度的神經系統才能處理,而這就會進一步增加大腦的體積。鳥類的另一大特徵就是「飛行能力」,為此牠們發展出輕量化與流線性的身形。如果鳥類今天選擇強化自己的視覺能力,就會讓頭部體積變大,但當頭部體積變得太大,就會影響到牠們的飛行能力。

為了維持飛行能力,鳥類在頭部體積增加的情況下,也必須改變自己的體型,以此避免出現頭重腳輕的情況。因此鳥類的眼睛大小與其體型會達到一個平衡,這就讓我們能藉由眼睛大小來推測該鳥類的體型。另外大眼睛雖然有著出色的光捕捉和動態對焦能力,但面對強光也容易產生眩光,因此大眼睛的鳥類不會生活在強光環境,所以從眼睛的大小也能回推鳥類所處的生活環境。綜合以上想法,Ausprey 認為鳥類的眼睛應該是很好的生態形態學研究重點。

為了證明上述的想法,Ausprey 在秘魯的森林中花費五年的時間測量鳥類的眼睛尺寸。在他測到的十幾種鳥類中,眼睛的尺寸確實能有效回推鳥類的生活環境和食性。不過他想知道這種模式是否能適用所有鳥類,而不僅僅只是秘魯的鳥類,於是他開始搜尋有關鳥類眼睛尺寸的生態形態學相關研究,但他發現這方面的研究非常少。過往關於鳥類眼睛的研究,通常只包括幾十個物種並只在特定區域進行研究。不過至今沒有這種大規模的物種與全球性分析也很正常,在全球七大洲上有超過 8000 種的鳥類,若真要施行這種測量鳥類眼睛尺寸的實驗,那所耗費的人力、物力、財力和時間想必非常可觀!

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在沒有足夠數據的情況下, Ausprey 卻在一個讓人想不到的地方找到大量鳥類眼睛尺寸的完整數據。

鳥類的多樣性非常高,種類超過 8000 種。 圖/Pixabay

塵封的論文,記載了全球 4000 多種鳥眼數據

Ausprey 在查閱資料的過程中,意外發現一個在芝加哥大學攻讀博士的學生 —— Stanley Ritland 在 1980 年代所撰寫的文章[2]。在該文章中,Ritland 記錄了 4000 多種鳥類眼睛尺寸的詳細數據 (其實不只有鳥類,哺乳類和爬蟲類動物他都一併紀錄)!這些數據是怎麼來的呢?是 Ritland 跑遍全美各地的博物館,從館藏的酒精標本中測量而得。

那麼為什麼如此大量寶貴的數據,沒有太多學術界的人知道呢?因為 Ritland 在獲得博士學位後就離開學術界,也沒有將他收集的數據發表在任何學術期刊上,因此這些數據就這樣靜靜地躺在芝加哥大學的圖書館中,直到 Ausprey 這個伯樂相中這些數據並開發其中的價值。

Ausprey 從文章中選取了 2777 種鳥類的數據,並將各鳥類物種的眼睛尺寸數據依體重進行標準化。在這個過程中,Ausprey 排除那些因生活在極端光照環境下而有格外大眼睛的鳥類,如老鷹和貓頭鷹,而把注意力放在白天捕食的陸棲鳥類身上。

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鳥眼的大小,與環境及食性密切相關

分析結果顯示,鳥類的眼睛大小確實與生活環境高度相關。無論鳥類所處的緯度為何,只要是在接近森林底層等陰暗處狩獵與覓食的鳥類都長著大眼睛,因為大眼睛能讓牠們在陰暗的環境中捕捉到更多的光訊號。相反,那些在天空翱翔時間較長的鳥類則長著較小的眼睛,因為這樣能減少眩光的影響。

除了與生活環境有關,鳥類眼睛的大小也與食性密切相關。大眼睛不僅能吸收更多光線,還能增加焦距和解析度,這就相當於給相機加裝一個長焦鏡頭。不論是生活森林底層還是開闊環境的鳥類,只要是以昆蟲和其他小型動物為食,往往具有更大的眼睛,因大眼睛能遠距離發現獵物,並在追捕的過程中持續鎖定獵物。而吃花蜜和果實的鳥類,眼睛相對最小,這可能是因為牠們在尋找食物時,更多是依賴顏色而非形狀。

雖然這個研究並沒有將 Ritland 的數據全部分析完,但目前的結果已經顯示鳥類的眼睛大小這單一特徵,比起翅膀、尾巴和鳥喙等其他特徵,更能有效預測鳥類的體型、食性、生活環境和運動方式。

那麼這個研究能給我們怎樣的啟示呢?

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首先是鳥類保護。近來隨著農地的開發與森林的砍伐,造成越來越多的森林破碎化問題。根據現有的研究指出,有著大眼睛的鳥類確實會避開光照強烈的農地和森林邊緣,躲進日益減小的森林棲地之中。而當這些鳥類躲在狹小又破碎的森林之中,很容易就會滅絕。因此根據這個研究的結果,未來我們可以從鳥類的眼睛大小來判斷牠們在農地開發區會受到怎樣的影響,這樣就能事先進行開發區的調整與鳥類相關的保護措施。

鳥類的眼睛具有瞬膜,在保護眼睛的同時還能保有部分視覺。圖 / 維基百科 by Toby Hudson

第二是動物標本作為研究動物形態的價值。過往科學界對於動物形態的資訊,大多仰賴田野調查的實際測量。但很多時候,動物處在難以抵達的環境,這就讓測量的難度大增。而這個研究的結果顯示,保存良好的動物標本也能很好地還原動物的真實形態。這就告訴生態學家,面對野外難以取得的動物形態資訊,或許可以在博物館的標本中找到。

最後,我覺得這篇研究很好的呼應了「保育」的概念。如果 Ritland 的文章與博物館中的動物標本都沒有保存,那就不會有這篇研究了。回到現實世界也是,很多時候人們都覺得生物保育沒有價值,但你怎麼知道呢?或許某些物種在未來的某一天能被人們發現其中的價值,但如果我們沒有做好保育,就只能讓這種價值隨著物種滅絕而消逝。

參考資料

  1. Ausprey IJ. Adaptations to light contribute to the ecological niches and evolution of the terrestrial avifauna. Proc Biol Sci. 2021 May 12;288(1950):20210853.
  2. Ritland S. 1982. The allometry of the vertebrate eye. Chicago, IL: University of Chicago
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羅夏_96
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同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟

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沼澤裡的王者,自己改造環境的泥炭苔——《三千分之一的森林》
azothbooks_96
・2021/02/21 ・2121字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 484 ・五年級

我在陽光照耀的泥塘裡獨舞,腳下的土像波浪般緩緩翻動。一陣暈船的感覺襲來,我的腳流連在半空中,等待踏回堅實的地面。每一步都創造了新的起伏,像走在水床上。我伸手抓住美洲落葉松的樹枝想穩住自己,但我在一個地方站了太久,冰冷的水已淹到腳踝。沼澤吸住了我的腳,把腳拔出來的時候還發出啵啵聲,小腿肚穿上一層黑色的泥。還好我把靴子留在蛇形丘上了。我有一隻紅色運動鞋還遺落在某地深處,好幾年前某次出差調查時掉的—現在我都打赤腳。除去愛偷鞋子的癖好之外,沼澤湖應該是夏天午後非常宜人的地方。

一圈環形的樹包圍沼澤,把森林隔絕在外。泥炭苔 (peat mosses, Sphagnum) 圈圈閃耀的翠綠色像是螢火蟲飛在一排深色雲杉木前。老人家說過,看得見和看不見的世界,有陽光照耀的沼澤表面和池塘的幽暗深處,兩者比鄰共存。有更多東西眼睛看不見,但依舊存在。

泥炭苔單株。圖/《三千分之一的森林》

五大湖區的森林裡, 祖先留下的土地上有很多壺穴 沼澤。阿尼什納比部落 (Anishinaabe) 用水鼓來進行儀式,這種鼓非常神聖,不容易親眼見到。木碗上鋪著的鹿皮裝滿聖水,水鼓「代表水、宇宙、萬物和人類的心跳」。木碗表示敬重植物,鹿皮表示敬重動物,以及水表示敬重大地之母所滋養的所有生命。鼓上綁著一個環,代表萬物出生、成長、死亡的循環,還有四季的遞嬗跟年月的週期。

不適應環境?那就直接改造

說到苔蘚的重要性,地球上沒有一個生態系能超越泥炭苔沼澤。泥炭苔的碳含量比這個星球上任何一種植物都要高。在陸生棲地中,苔蘚跟維管束植物相比總是黯然失色,退居配角。但在沼澤裡,它們就是王者。泥炭苔不只在沼澤裡欣欣向榮,還能創造沼澤。土質酸又積水的棲地不利大部分高等植物生存,就我所知,大小植物沒有一種能像泥炭苔這樣,利用本身的特性來打造周圍環境的。

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沼澤裡每一方寸都覆滿泥炭苔。事實上,那並不是地,而是水,只是被苔蘚的結構巧妙地支撐著。我其實走在水上,走在池塘表面的泥炭苔軟墊上。沼澤中央還看得見一部分池水, 水面平緩深邃。沼澤塘總是超乎尋常地平靜光滑,深色的水把你的視線往下拉進那無底世界。夏日浮雲的倒影寧靜無擾,因為唯一的水源就是雨水,沒有溪流往來在泥炭苔的小島之間。水很清,泥炭苔慢慢腐敗釋出的腐植質和單寧酸,讓水變成了沙士的顏色。

泥炭苔。圖/Wikipedia

泥炭苔的莖,讓人聯想到英國牧羊犬在池塘裡游過泳後,全身濕淋淋的樣子。它的頭很像拖把長在水面上,稱為頭狀枝序 (capitulum),身體的部分從莖節向外垂掛著長長的枝條。葉子很小,只有一層綠色的薄膜,像是濕透的魚鱗挨在樹枝上。泥炭苔如果被踩踏過,聞起來甚至很像濕漉漉的狗,沾染著從池底淤泥飄出的硫磺味。

死細胞才能發揮全方位功能

讓我最驚豔的是泥炭苔大部分都是死的。你可以在顯微鏡下看到每片葉子都有一條條細長的活細胞包圍著死掉的細胞,像是空空如也的牧場被綠籬包圍。二十個細胞裡只有一個是活的,其他不過都是死掉的細胞殼,也就是骨頭包著過去的細胞內容物消失後餘下的空間。這些細胞並沒有生病,只是在死後才會發揮全方位的功能。細胞壁有很多孔隙,布滿微型篩子般的小小孔洞。這些穿孔的細胞無法行光合作用或生殖,但對於植物的生長至關重要,唯一的功能就是保水,很多很多水。你若從沼澤看似結實的表面摘下一些泥炭苔,它會不斷滴水,一大把泥炭苔就可以擰出將近一夸脫的水來。

泥炭苔的內部充斥著死掉的細胞,因此可以吸收體重二十倍之多的水分,優異的保水能力讓它得以調整周圍的生態系統來順應生存的需求。泥炭苔會讓土壤變得潮濕,填滿土壤分子之間原本充滿空氣的縫隙。根需要呼吸,但積水的泥炭會創造出無氧的發根環境, 大部分的植物都受不了。因為周邊樹木長不起來,沼澤往往照得到光又開闊。

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積水的泥炭會創造出無氧的發根環境,周邊的樹木長不起來。圖/Pexels

活的泥炭苔底下那一層濕氣導致氧氣不足,也減緩了微生物的生長。因此,泥炭苔死去後的分解速度極慢,可能好幾世紀都不會有什麼改變。埋在地下的泥炭苔就留在那兒,年復一年又一年,越積越多,最後淹滿整個池塘。如果我能在沼澤深處找到我的紅色運動鞋,應該還沒腐爛吧。想到一只運動鞋竟然比一個人活得還久,感覺很奇怪。百年之後,這隻鞋可能是我在這個星球上短暫存在過的具體證據。我很滿意它是紅色的。

泥炭苔的多孔細胞。圖/《三千分之一的森林》

註解

  • 地質名詞,指流水侵蝕造成的圓形窪地或坑穴。
azothbooks_96
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從電台節目討論曲尾苔,活出屬於自己的生物區位——《三千分之一的森林》
azothbooks_96
・2021/02/18 ・2708字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 477 ・五年級

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每週六早上地方電台的系列節目裡,有一個節目常伴著我跑腿辦事或開車上山。

在《聊汽車》(Car Talk) 跟《你懂什麼?》(What Do You Know?) 中間的節目是《衛星姊妹》 (The Satellite Sisters):「我們五姊妹分住在兩大洲,雖是同一對父母所生,卻過著非常不同的生活。來抬槓吧!」這幾個姊妹從世界各地打電話登場,但節目有一種圍坐在廚房餐桌的感覺,桌上放著幾杯半滿的咖啡跟一盤麵包捲。閒聊的內容從職場策略、育兒、女性參與環境運動,到雜貨店的葡萄可不可以讓人試吃這種道德問題,當然,還有各種人際關係。

我老公在家裡的穀倉慢條斯理地做些瑣細活,女兒去參加慶生會了。這個早上我就像《衛星姊妹》的對話氛圍那樣愜意慵懶。外頭太濕,不好散步;太泥濘了,不好蒔花弄草;整個早上都是我的!我的!我一直想來好好瞧瞧這些難以分辨的曲尾苔 (Dicranums)。

多奢侈啊! 可以為了玩樂而工作。雨水滑落實驗室的窗櫺,只有《衛星姊妹》的聲音相伴。我可以跟隨她們放聲大笑,誰會在意呢?沒有學生、沒有電話,只有一把把的苔蘚,還有週末的偷得浮生半日閒。

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圖/Pixabay

曲尾苔家族

曲尾苔是苔蘚的其中一屬,包含許多物種,同一家族有許多姊妹苔蘚。我把它們都只想成女性,因為男子遭遇到的坎坷命運(或許很適合他們),女強人都能秒懂,這點待會再說。當《衛星姊妹》在討論新髮型這種「暴露暫時自我」怎麼造成自尊脆弱,我對自己從未注意過曲尾苔屬比起其他種類的苔蘚看起來更像頭髮而啞然失笑—像是梳過的頭髮,整齊分邊撥到一側。

其他苔蘚令人聯想到地毯或迷你森林,但曲尾苔屬讓人想到髮型:鴨尾頭、波浪捲、小捲髮、平頭。如果把它們排排隊來照張全家福,從最小的山地曲尾苔 (D. montanum),到最大的皺葉曲尾苔 (D. undulatum),你一定看得出它們的親緣關係:都有毛髮狀的葉子,尾端又長又細,全都拂往某個方向,一副被風掃過的樣子。

就像《衛星姊妹》分別從泰國和奧勒岡州的波特蘭市打電話進來,曲尾苔家族也廣泛分布在全世界的森林裡。棕色曲尾苔 (D. fuscesens) 生長在極北,而白綠曲尾苔 (D. albidum) 則遠及熱帶地區。或許它們之間的距離,讓手足之間得以和平共處。曲尾苔屬經歷過顯著的適應輻射 (adaptive radiation),也就是從同一祖先演化成多種類的過程。「達爾文雀」(Darwin’s Finches) 也好,曲尾苔也好,都是經由適應輻射演化出新物種,以適應特定的生態區位。

「達爾文雀」從迷失在海上的單一祖先物種演化而來,後續發展出新的物種遍布在貧瘠的加拉巴哥群島上,每個小島上有各自的特定物種,各有其特殊的食性。無獨有偶,曲尾苔分化成不同的物種,每種都根據祖輩的設定,發展出獨特的外觀、棲地和生存方式。

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曲尾苔。圖/《三千分之一的森林》

苔蘚版的「自己的房間」活出自己的生態區位

物種分化的驅力,無疑和手足之間的競爭有關。

還記得你只是因為哥哥有某個東西,就想要得到同樣的東西嗎?家族聚餐時,如果每個人都想要燉雞的雞腿,終究有人要失望。當兩種高度近似的物種對環境有相同的需求,假如分布範圍不大,兩個物種最後只能獲得比生存所需更少的資源。因此, 在一個家族裡,手足通常必須發展出各自的特點才能共存,如果你特愛白肉或馬鈴薯泥,就可以避免跟別人搶雞腿。同樣的特徵也發生在曲尾苔身上,各種物種藉由避開競爭而能同時存在,各自生長在不必跟手足物種共享的棲地裡,相當於苔蘚版的「自己的房間」

在曲尾苔親族中,有些角色就像任一個大家庭的姊妹一樣,你可以一眼就辨識出來。山地曲尾苔(D. montanum)靦腆低調,你知道的—毫不起眼、容易被忽視,她的短捲髮總是翹翹亂亂,每次都只能撿剩下的棲地:偶爾裸露的樹根或岩石,像是週日大餐剩下的雞翅。潮濕陰暗的岩石也是迷人的曲尾苔(D. scoparium)的家,有著長長、閃亮亮的葉子,甩向一側。這是毛絨的曲尾苔,你會想要用手撫過她如絲的表面,然後把頭枕在她厚實的靠墊上。

當這些姊妹物種都長在一顆大石上,招搖的曲尾苔佔據了所有的最佳位置,像是濕潤又陽光充足的頂部跟肥沃的土壤, 山地曲尾苔就只好去填補縫隙。就算曲尾苔把小妹妹 排擠到一邊,佔去她的空間,把她逼到角落,也沒什 麼好驚訝的。

山地曲尾苔。圖/《三千分之一的森林》

其他的曲尾苔也傾向避免因共享空間造成的衝突,高度相似會造成排擠效應。鞭枝曲尾苔(D. flagellare)的葉子整齊俐落又直直的,像軍人的小平頭,她孤傲不群,只願住在腐朽的木頭上。她性格保守,多數時候選擇獨身,透過無性繁殖,捨家庭追求個人成就。

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孤僻又極綠的綠色曲尾苔(D. viride)有不為人知的脆弱面,她的葉尖總是坑坑疤疤,像咬過的指甲。另外,波葉曲尾苔(D. polysetum)是家族裡最能生的媽媽,這是身負多個孢子體的必然結果。接著是有長波浪葉子的皺葉曲尾苔(D. undulatum),覆蓋在濕軟的山丘頂部;絨葉曲尾苔(D. fulvum)則是個敗家女。這裡有十幾個強大的女性。

絨葉曲尾苔。圖/《三千分之一的森林》

我倒了第二杯咖啡,耐心地為苔蘚樣本分門別類, 這時《衛星姊妹》的話題聊到男人。幾個姊妹婚姻幸福,其他人交流著上週找白馬王子的主題,探討承諾和當爸爸的人格特質。找到好對象是普世女性的心願, 對曲尾苔來說也是。

苔蘚的有性生殖是樁前途難料的事業,眾所周知,受限於體虛命短的男性。精卵之間, 受制於可供泅泳的水體,它們要成功受精,仰賴及時的降雨。精子必須游向卵子,努力衝破隔絕彼此的障礙,即便它們之間只有幾英吋之遙。大部分的卵子只能枯坐在頸卵器中等待永遠不會到來的精子,遠在天邊,近在眼前。

波葉曲尾苔。圖/《三千分之一的森林》

註解

  • 此處引用英國作家維吉尼亞·吳爾芙 (Virginia Woolf) 的經典散文著作《自己的房間》(A Room of One’s Own) 作為比喻,本書的名言「女性若是想要寫作,一定要有錢和自己的房間。」象徵物種都有自己獨特的生態區位,藉以跟其他物種區別。
文章難易度
azothbooks_96
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