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用烏賊與科普的魅力,讓教室爆滿——專訪清華大學生命科學系焦傳金教授

科技大觀園_96
・2021/06/09 ・3919字 ・閱讀時間約 8 分鐘

實驗進行中,一隻烏賊被放入透明的水族箱,其中一側被隔出了左右兩個小隔間,分別放有一隻與兩隻蝦。水族箱中烏賊看清了兩邊的活蝦後,可以自由選擇游進哪一個隔間,伸出腕足捕捉可口的食物。在烏賊游進其中一個隔間後,另一邊就會被關閉,因此每次都只能選一邊。

問題來啦,一隻蝦 v.s. 兩隻蝦,換做你是烏賊,會如何做決定呢?

究竟烏賊是否有判斷出 2>1 的能力呢?圖/科技大觀園繪製

這是清華大學生命科學系特聘教授焦傳金在去 (2020) 年所發表的研究成果,證實了烏賊具有「相對價值感」的概念。做為海產店、夜市小吃的盤中常客(而且還很好吃),烏賊也懂得數數,擁有「數感」,能夠分辨得出 2 比 1 來得多,一般情況下當然是選兩隻蝦啦。但經過特別訓練的烏賊,能夠「記得」一隻蝦可以代表不只一隻蝦,因此在後續實驗中,產生了烏賊覓食偏好一隻蝦,勝過了兩隻蝦的結果。

解密烏賊的決策邏輯

「實驗室的每個人,都有 T 恤上面是有墨汁的。」

談起飼養繁瑣,需要海水又每天都需要活餌,還三不五時受驚噴墨,養殖難度可說鑲金邊等級的烏賊,舉手投足間標準學者氣質,一派溫文儒雅的焦傳金,迸發出強大的熱切。他分享自己的觀察,大眾對於烏賊、章魚這類頭族類動物往往充滿好奇,也常常被用在塑造外星人、異形的形象。除此之外,在冰冷理性的實驗室,學生焦慮煩悶時也常去到「花枝房」,觀看水族箱中優游、表皮花紋瞬間變換的烏賊,療癒抒解心情。

烏賊又名花枝、墨魚,屬於頭足類軟體動物。多數人最熟悉的頭足類動物,除了餐桌上好吃的海鮮,最有名的大約就是德國奧伯豪森(Oberhausen)水族館的「章魚保羅」了。2010 年的世界盃足球賽,章魚保羅連續「成功預測」了賽事的勝利隊伍,引起了許多注目風靡。而焦傳金開始烏賊研究的起點,其實就是源自於大家的這個好奇:無脊椎動物到底能有多聰明?牠們的「聰明」擁有跟人類做決定一樣的邏輯特色嗎?

烏賊又名花枝、墨魚,屬於頭足綱軟體動物。圖/Pixabay

焦傳金在 2016 年的研究發表就揭露了烏賊具有「數感」,覓食找東西吃的時候,明顯看得出來烏賊會選擇數量較大的那一邊。而更有趣的是在後續實驗中,團隊讓烏賊從兩隻小蝦與一隻大蝦裡做選擇。最後實驗發現,烏賊的選擇,會跟當下的飢餓程度有很強的關聯。烏賊如果處於比較飢餓的狀態,就會鋌而走險選擇一隻大蝦,以獲得高風險高報酬;沒那麼餓的時候,則會選擇兩隻小蝦,穩健獲利。可以說,這樣的選擇邏輯,即使是人類,也無法做得更好了。

而在相對價值感的實驗中,團隊先以 0 對 1 訓練烏賊,在烏賊選擇 1 隻蝦那格的時候,當場會再額外多提供一隻活蝦,經過六次訓練,再以 1 對 2 測試烏賊會如何選擇。沒有經過訓練的烏賊主要偏好數量較多──也就是兩隻蝦那格;但曾經受訓記得「1 隻蝦不只是 1 隻」的烏賊,則對於一隻蝦那格展現了明顯的偏好,而這樣的覓食習慣改變,在經過一個小時後進行的實驗中顯示,仍然保留了下來。

什麼是「相對價值感」?焦傳金舉例:「一瓶礦泉水,如果是在沙漠中走了三天了,第一次遇到一罐礦泉水,那價值就會非常的高。」同樣的物質,在不同情境中的價值會改變,這樣的相對價值感在人類的決策中,佔有很重要的比例。而焦傳金的研究更證實了,在動物──甚至是無脊椎動物的行為中,也存在著相對價值的概念。

神經科學的聖杯:大腦

像這樣的研究,其實也是科學家認識神經系統、大腦運作的起點。

談及神經科學研究最終的「聖杯」人類的大腦,焦傳金眼神發亮。焦傳金做為神經科學家,研究主題無論是烏賊的價值判斷、軟絲的視覺溝通密碼,抑或視神經科學的研究,都圍繞著神經科學的核心探索:大腦是如何運作的?

「所有東西以物質論來說,都是一樣的,但為什麼生物、動物會這麼不一樣?」焦傳金一句話道出了生命世界最大的謎團,也是最引人入勝之處。

動物的大腦究竟是怎麼運作的?圖/科技大觀園繪製

討論到以章魚做實驗的可能性,焦傳金興致勃勃,表示如果有機會,會希望探索神經系統發達的章魚是否真的具有「意識」。他也說明,相較於底棲性、身體內有硬質骨板的烏賊,章魚的活動範圍更加廣泛,實驗錄影紀錄較為困難,而且章魚僅有口器「牙齒」的部分有硬質結構,全身皆為肌肉,逃脫能力極為高強。

像章魚、烏賊這類頭足類動物,為什麼會發展出如此複雜的神經系統?一般認為,動物會演化出複雜的神經系統,可能與社會行為有關,無論是爾虞我詐的社會關係、各種合縱連橫、選擇策略獲得優勢,都需要複雜的決策能力。但除了軟絲有社會性,會藉由改變表皮花紋顏色彼此溝通;同樣屬於頭足類的烏賊與章魚都屬於獨居的動物,只有在繁殖期會與同族有交流。

較常見的推測認為,相較於其他有殼的軟體動物,頭足類沒有外殼保護,身體充滿蛋白質非常「好吃」,生存演化出現的生存之道,就是發展出複雜的行為策略,包括偽裝、噴墨、噴射推進,以避免被捕食,而複雜的神經系統,也是由此而來。焦傳金也特別說明,這個問題在科學上很難驗證,很可能最終都不會出現標準答案。

但焦傳金認為,科學的趣味與意義,就隱藏在這個試圖解答疑問的過程中。

對於大自然與科學的探索,多數的基礎研究起初獲得解答的時候,也都不具應用性,更像是一種心靈層面的滿足感:「做基礎科學,是一種探索真理的過程。你有一個問題,這個問題可以做實驗來回答,那晚上就可以安心睡覺。」

如何將科學帶給一般大眾

對焦傳金而言,這樣的滿足感,不應該侷限於科學家、研究者,更應該有機會讓所有的人都有機會一睹為快。焦傳金表示,當然不需要每個人都很懂科學,但提升國民素養,科普就是最好的方式。此外,科學家如果只專注自己的領域中,就只能影響同領域的同行。但科普將資訊分享給一般的社會大眾,成功的話可以影響的範圍就會很大,是很愉快的事情。

清華大學的「當代認知神經科學:腦與心智」,焦傳金透過淺顯易懂的比喻與連結,成為清大最受歡迎的通識課程。焦傳金分享,從事科普最大難處在於,要做到淺顯易懂卻又引人入勝。而其中最需要的,就是需要豐富的想像力,找到適合的語言,將艱深的科學發現轉換成大家可以聽得懂的比喻,使用日常生活的連結、慣用的用字用詞,讓聽眾接收並且理解。科普成功與否的關鍵之一,在於需要「有趣好玩」,因為通常科學內容並非對於大眾直接「有用」的,所以需要加入可以引發大家的興趣的元素。而最大的難處還在於,知識含量「含金度」高的時候,通常就不容易理解、也不容易產生趣味。該如何讓知識含量不減,又增加趣味,箇中取捨就像場拔河。

此外,「熱情」也是進行科普活動需要加入的元素。焦傳金解釋,透過鏡像神經元的作用,情緒會互相感染,如果講者選擇自己喜歡的題目講得很嗨,就可以吸引別人的注意力。一定要說服自己,是真的喜歡才去講,懷著溫度,就可以影響他人。

多接觸海洋,就是關懷海洋議題的起點

說到以科普影響他人,近年來海洋議題越來越受到關注,焦傳金也在課程中讓學生實際計算「海洋酸化」(Ocean acidification)的案例,探討海洋議題。

他說明,近年來大家越來越重視溫室氣體排放造成的全球暖化議題,也開始瞭解到升溫攝氏 1 到 2 度對於世界的影響極為巨大,但另一個同步發生卻容易遭忽視的主題,則是二氧化碳溶入造成的海洋酸化。在過去 200 年間,海洋的 pH 值降低了 0.1 到 0.2,數字上看來變化不大,但實際上,pH 值代表著氫離子濃度的對數關係,實際上如果 pH 值由 8.1 降到 8,在氫離子濃度上就有了超過 25%的改變,勢必會影響許多海洋生物像是珊瑚、貝類的鈣化作用,現在已經出現生物外殼骨架脆化與變薄的情況,對許多生物的生存造成很大的影響。

除此之外,塑膠微粒也是較受忽視的海洋議題。隨著大眾開始關注海洋廢棄物,近年來有越來越多研究顯示,塑膠材料進到海洋中後,經沖刷撞擊成為微粒,會由海洋循環進入大氣、進到循環中再被帶到陸地。如美國的國家公園自然野地中,已經有許多地方,可以找到這些塑膠微粒,塑膠微粒勢必將由冷門的海洋議題,逐漸進到我們的視野中。

談及海洋議題,當然也不能不聊聊,近期在臺灣引發諸多論戰的大潭藻礁保護與天然氣第三接受站的爭議。焦傳金畢業自中山大學海洋生物科技暨資源學系,由海洋研究的相關背景,他表示自己自然比較傾向讓藻礁能受保護,但也主張世事並無絕對,保育也不應只能與臺灣的用電需求、經濟發展硬碰硬二者不相容。臺灣該如何由其中走出平衡之路,將有賴於全體齊心協力的智慧。

藻礁保育成為近日大眾熱烈討論的議題之一。圖/pixabay

對於藻礁議題讓台灣輿論充滿紛擾,焦傳金態度樂觀:「大家總算知道什麼是藻礁了,從海洋教育的角度來講,如果因此而更認識海洋環境、關心海洋環境,引發大家對這件事情的關注,還是有正面意義的。」台灣四面環海,但受限於過去的管制因素,大家對於海洋是較為陌生的。他也期待,有越來越多人投入海洋的活動,增加與海洋的接觸,發揮台灣作為海洋國家的優勢。

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科技大觀園_96
22 篇文章 ・ 357 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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用最新儀器,分析鯨豚死因的「鯨豚調查局」——專訪臺灣大學獸醫學院楊瑋誠教授

科技大觀園_96
・2021/06/23 ・3657字 ・閱讀時間約 7 分鐘

受訪時被問及人們鯨豚最大的誤解是什麼?「海豚過得很好,想要像海豚一樣在海裡自由自在。」台大獸醫專業學院副教授,專業為鯨豚保育醫學的楊瑋誠談到遭遇到生存危機的鯨豚,直率坦言:「我不想跟海豚一樣,尤其是在台灣。」

全世界共有 80 多種鯨豚,有 30 多種會出沒在台灣周遭的海域,許多生存狀態都岌岌可危。舉例來說,近年來大眾最耳熟能詳、在政治攻防佔有一席「會轉彎」名言的台灣白海豚(Sousa chinensis taiwanensis),就是生活在台灣海峽的特有種,近年來的觀察顯示,其族群數量約莫不超過 50 隻。

現今的鯨豚研究有哪些主要的努力目標?生活在大海中的鯨豚面臨了那些威脅?一般人對於鯨豚有哪些誤解?楊瑋誠創立粉絲頁「CIB 鯨豚調查局」,就是希望經由研究專題介紹、擱淺事件追蹤等,讓大眾更認識鯨豚。

FB 粉絲專業「CIB 鯨豚調查局」旨在讓大眾更了解鯨豚。圖/pexel

鯨豚調查局在調查什麼?

「為什麼用『調查』這兩個字,而不是鯨豚研究室,或單純的鯨豚愛好者的FB社群,是因為我們認為『調查』這兩個字是有需要的。」楊瑋誠分享當初也考慮過「救援隊」之類的稱呼,最後還是決定用「調查局」,一方面強調其中的急迫性與重要性,另一方面保留其中抽絲剝繭解開鯨豚的遭遇、針對事實下判斷的語感。

不只錯誤的迷思,人們的「感性」有時也會成為保育討論的阻礙。楊瑋誠認為,處理鯨豚面對的問題,極度需要科學、理性的證據。不管是討厭或喜歡鯨豚,都要保持理性、有多少數據說多少話。在公共政策或各種爭議上,才有討論對話的空間。

舉例來說,楊瑋誠多年前在海洋公園服務時,就曾遇過遊客投訴表演音響音量過大、認為會傷到海豚。團隊後來秉著研究精神測量水下音量,發現經過水的隔絕後,真正在水中傳播的音量,尤其是在海豚能夠接收到的音頻已經減弱到幾乎沒有影響。

「鯨豚擱淺的死因分析」是鯨豚調查局的重要目標,在死因資訊尚未明瞭時,不少人會捕風捉影任意猜測,像是看到胃裡面有垃圾,就說死因是吃垃圾。楊瑋誠舉例,在 2020 年 1 月 19 日,宜蘭新城溪出海口擱淺的柯維氏喙鯨,外表並無重大創傷,經解剖、組織切片與細菌培養後,才在排除細菌感染的情況下,診斷是罹患了「潛水夫病」,根據過往研究,巨大噪音(如軍事聲納)會使鯨豚受到驚嚇,改變鯨豚原本潛水的模式,使鯨豚罹患潛水夫病。因此調查局也推測,這次的擱淺原因,很可能是源於台灣周邊海域軍事升溫,海上軍事演習頻繁所造成。

鯨豚擱淺事件層出不窮,「鯨豚擱淺的死因分析」是鯨豚調查局的重要目標。圖/pexel

噪音對鯨豚的影響是非常大的,而近期即將組建的風力發電機組,其打樁造成的巨大聲響,無疑是鯨豚保育必須關注的現況。近期,楊瑋誠也發表了打樁機噪音對鯨豚影響的研究,希望能藉由科學研究提供的數據為基礎,一同制定相關規範,並在施工階段採取預防性措施。

楊瑋誠對鯨豚調查局的期許,就是能夠提供更多經過科學考驗過的數據資料,讓未來相關的保育政策討論,能有堅實的科學基礎。而他也強調,也是這二十年的人才與研究能量累積,才讓鯨豚調查局開始有機會發掘、展現更多更在地的鯨豚資訊。「生命有限、人力有限,時間要花在刀口上(累積事實與資料)。鯨豚調查局所做的每件事情都很重要。」

調查局用上了什麼特別的技術?

從 1999 年起開始鯨豚相關研究,浸淫其中超過 20 年的楊瑋誠分享,剛起步從事研究時,不僅國內資料闕如,就連國外文獻都找不到幾篇。只能一步步摸索、從實務中累積經驗與數據。

鯨豚調查局使用的技術,有沒有什麼比較特別的地方?楊瑋誠表示,一般會用在人身上的檢測儀器,像是X光機、超音波、熱成像儀等設備,都能用於擱淺鯨豚的驗傷上。過去,楊瑋誠就曾使用高解析度的熱成像儀用在擱淺海豚上面,除了偵測體溫,還能用來檢查是否有表面看不出來的瘀青,或是牙齦發炎等情況。

此外,雖然聽力對於鯨豚的重要性人盡皆知,但令人出乎意料的,世界上有在針對鯨豚進行聽力檢測的團隊不到十組,而臺灣正是其中一處,楊瑋誠說:「一般獸醫檢測中,很少有對聽力做檢測,世界上能做的人很少,臺灣更是花了兩、三年的時間,才完善了儀器、技術與人員培訓。」鯨豚聽力檢測的原理,其實跟人類新生兒一樣,都是給予聽覺刺激後用腦電圖觀察腦波變化。楊瑋誠認為目前聽力檢查需耗時 3-4 個小時,實在太長,希望未來能跟美國合作更新軟硬體,把檢查時間壓低在 1 小時以內。這樣往後就可以在野外現場直接檢查鯨豚,不用限制於有運回水池的個體。

而運用斷層掃描技術做死因分析,雖然無法取代法醫解剖,卻有機會指出一些解剖時不易發現的狀況,如骨骼上細微的骨折、骨刺、退化性關節炎,或是其他隱晦的損傷,更重要的是,解剖會破壞骨骼或臟器間的相對位置,這時不具破壞性的斷層掃描技術,就能提供相對完整的資訊,幫助辨別死因。楊瑋誠舉例,香港的研究團隊針對擱淺死亡的鼠海豚進行斷層掃描,才發現許多個體有出現頸椎脫位的情況 ,爾後才推測此類死亡的原因,有可能與受困漁網掙扎有關。此研究也揭露鯨豚與漁業衝突的另一層面相。像這樣的資料,都直接或間接支持了楊瑋誠的「調查」理念,在開始討論之前,累積源自於事實的科學數據,自有其重要性。

利用電腦斷層掃描技術做死因分析,能夠找到解剖時難以找到的細小線索,提供更加完整的資訊。圖/ pexel

不管是研究上的突破或新設備的投入,每一點數據的累積都代表我們對鯨豚欠缺的認識補足了一點,逐漸步上更理想的保育路線。

從照顧單隻海豚到保育整個族群

對不同物種先入為主的誤解,往往在進行保育討論時,造成溝通上的障礙。「有些人覺得『海豚有海就可以活』,那就表示施工的時候(海豚)就應該閃邊去。又沒有把整個海圍起來,你可以去其他地方啊!」說到大眾對鯨豚常有的迷思,楊瑋誠只能苦笑。其實就跟人類都市會劃分商業區、住宅區一樣,鯨豚在海中也有屬於自己的覓食區、育幼區、繁殖區。而各種鯨豚對於海洋自有不同的棲地需求,像是台灣白海豚就生活在深度不超過二十公尺水域,離岸多在三至五公里範圍內,大海雖大,卻也不是到處都能去的。

多數大眾對於鯨豚的關注主要從擱淺事件開始,關心的是某個個體是否回復健康、回到大海。楊瑋誠在鯨豚調查局的研究,從鯨豚面對壓力的緊迫生理、潛水夫病等疑難雜症,甚至是如何在檢測違法鯨豚肉的試紙開發,以及發現鯨豚身上有來自陸地汙染海洋的病原,皆是期待能做得更多。「我們在做的事情已經不是在保護一隻海豚,而是保護更多海豚。」

除了累積研究科學研究之餘,如何把成果傳達給更多人、發揮影響力也是同等重要的任務。經過二十年的累積,楊瑋誠團隊開始經營起 FB 粉專「CIB 鯨豚調查局」傳遞相關的知識洞見。除此之外,他也期待近年鯨豚保育議題已經開始逐漸發酵,如出現在中小學課本中,或者有更多相關的展覽等,都能加深大眾對鯨豚的認識。雖然「保護更多鯨豚」的目標任重而道遠,但楊瑋誠認為這就跟種樹一樣,即便可能要很久才能看到成果,卻絕對有努力去做的價值。

「保育一詞雖代指『保護各種生物的行為』,但其內涵是生物的『共存』,讓不同生物都能活在這個地球上。我認為推廣保育的工作,也應該秉持『共存』的概念,讓意見相左的人一同前進,才是真正的保育。透過公開數據與資料,將不同意見的人們拉向針對事實的討論,正是鯨豚調查局的初衷。」

鯨豚保育的初衷為人類與鯨豚「共好」。圖/pexel

鯨豚身為海洋食物鏈的頂點消費者,其種類與數量反應了海洋的生產能量,是海洋健康的指標物種。台灣周遭海域的鯨豚,既是自然的餽贈,維繫其健康與福祉,也應是我們無法推卸的責任。

參考資料

科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。
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