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蛭類的醫療用途(一):認識水蛭的 101 種古代療法,連戀愛暈船症也能治?

ntucase_96
・2021/07/23 ・2809字 ・閱讀時間約 5 分鐘

自古以來,蛭類因為吸食人畜血液、讓傷口流血不止的習性而惡名昭彰,即使並非所有蛭類都是以血液為食,多數人還是不自覺的將蛭類與「貪婪吸血」劃上等號。

不過,正因為蛭類吸血造成的傷口會流血不止,蛭類在醫療上做為「放血」或「治療血液循環」相關病症的用途,在東西方醫學史中早已履見不鮮。

放血療法在19世紀前的歐洲大為盛行,許多時候也利用蛭類來輔助。圖/維基百科, CC0

蛭類的英文俗稱(Leech)乃是起源於古代盎格魯-撒克遜語言中的醫師(laece)一字,據此不難想像蛭類在西方醫學史上的重要性。蛭類在醫療用途上大致可分成「活體外用」或「藥材內服」兩大方式,此篇,就讓我們先從「傳統的活體外用法」來介紹蛭類的醫療用途吧!

古文明的活體外用法

吸血蛭類的醫療應用,最早可以追溯到數千年前。

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西元前 15 世紀,蛭類療法的景象就出現在埃及第十八王朝的法老墳墓的壁畫中;西元前 7 世紀的古希臘史詩「伊利亞德」(Iliad),也提及古希臘醫師在特洛伊戰爭中,用吸血蛭類來治療戰士的傷口;猶太教經典、文獻以及聖經中,也曾概述以蛭類放血的醫療目的。

不過,蛭類在醫療上最早的記錄,應為西元前兩世紀,古希臘克羅豐地區的說教詩人「尼坎德(Nicander of Colophon)」,在其醫藥相關詩作「毒與解毒劑(Alexipharmaca)」中所記錄的蛭類療法在當代希臘醫學的用途。

尼坎德畫像Nikander, Theriaca, 10th century, Constantinople。圖/維基百科

西元以後,埃及、印度、希臘以及阿拉伯古文明的醫師,不僅利用吸血蛭類為病人單純放血,也藉由蛭類吸血治療各種問題。當時的希臘學者亦認為邪靈導致疾病,故必須藉由放血將邪靈逐出體外。

西元二世紀以降,羅馬醫師蓋倫(Galen)進一步闡揚希波克拉底(Hippocrates)的「體液失衡致病說」,認為用蛭類來放血就能夠恢復體液平衡、並移除體內的毒素。

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體液學說認為人體由「血液、黏液、黃膽汁、黑膽汁」四種液體組成。這四種液體關係到人的情緒、氣質與健康的平衡。圖/維基百科, CC0

此一學說影響其後的西方及鄰近地區伊斯蘭醫學一千多年之久,蛭類因此屢屢用來放血治療各式疾病,從單純的發炎症狀、痔瘡、風濕痛、痛風、發燒、聽力喪失、頭痛、到心智失常都包括其中。

西元十世紀的波斯醫師阿維真納(Avicenna)就相信,蛭類放血比拔罐更可以直達更深層的靜脈血液,不但推薦使用蛭類放血來治療皮膚病,甚至認為此療法可避免愛人陷入瘋狂。

十二世紀時的伊斯蘭醫學文獻中,記載了手術後使用吸血蛭類的好處,並且開始依照外型和顏色區分「醫用蛭類」和「非醫用蛭類」。

文藝復興時期的活體外用法

隨著文藝復興時期到來,蛭類放血的用途越加廣泛。從神經系統疾病如癲癇和腦中風、到泌尿生殖疾病如腎炎、亞急性卵巢炎和性病、甚至連急性胃炎、喉炎與眼科疾病,全都成了適應症之一。

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婦人以蛭類放血圖 Bossche, Guillaume van den, 1639。圖/維基百科

十六世紀,文藝復興時期最知名的外科醫師「安布魯瓦茲・帕雷(Ambroise Paré)」,在著作中除了討論槍傷治療、截肢後的動脈結紮之外,還用了整整一章來說明蛭類放血療法的各種應用。

由於當時普遍認為蛭類放血療法遠比其它器械放血更加無痛,再加上相較玻璃拔罐或放血針等放血器械,蛭類更適合用在痔瘡和陰道炎等脆弱敏感患處上,讓蛭類放血療法變得更受歡迎。

無獨有偶的,在十六世紀後期的中國明代,名醫李時珍所編著的《本草綱目》當中,也使用了水蛭放血的方式,來治療赤白丹腫和癰腫初起的症狀。

用來儲存吸血蛭類以備使用的各式水蛭罐。圖/左:維基百科;中&右:Wellcome Image

盛極而衰的活體外用法

蛭類放血療法的風氣,隨著拿破崙大軍的外科醫師「佛郎施瓦・布魯塞(François-Joseph-Victor Broussais)」的推廣,在十八世紀末攀上巔峰。

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在他的鼓吹之下,拿破崙從匈牙利進口了數以百萬隻的吸血蛭類,來治療戰場上的傷兵;而這股「在戰場上使用蛭類放血進行醫療」的風氣,也於十九世紀初吹到了英國,英國軍醫尤其推薦反覆以蛭類放血,來治療關節處的槍傷。

除此之外,蛭類放血療法的適應症,也拓展到心智失常、痛風、結核病、百日咳和歇斯底里症。當時全歐洲的蛭類放血療法所需的蛭類數量極大,例如僅 1833 年的法國醫界,就進口了四千兩百萬隻吸血蛭類,各國的蛭類總需求量甚至達到一億隻!

「蛭類放血療法」隨著拿破崙四處征戰而聲名遠播。圖/Louis Lejeune, 維基百科

然而,過度採集之下,歐洲吸血蛭類在部份西歐地區變得日漸稀少、甚至瀕臨絕種;一直到今日,歐洲的醫用吸血蛭類都依然被 IUCN 認定為「近危」—— 亦即在不久的將來可能有瀕危或滅絕風險 —— 幾乎在所有原生分佈區域都受到法律保護。

為了滿足對吸血蛭類的需求,義大利、匈牙利和波蘭開始出口大量吸血蛭類到西歐,法國政府也開始提供獎賞,以鼓勵開發蛭類養殖的新方法。吸血蛭類的稀缺,也導致 1823 年就有禁令控管從德國漢諾威出口的蛭類數量,而俄羅斯也訂定採集吸血蛭類的季節。

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—— 就某方面而言,這可能是史上第一個保育單一動物物種的政策,而且保育的對象居然不是雄壯亮眼的哺乳動物,而是不起眼又惹人厭的水蛭。

被列為「近危物種」的歐洲醫蛭(Hirudo medicinalis)。圖/Karl Ragnar Gjertsen, 維基百科

到了十九世紀末,由於現代醫學觀念興起與常規建立,以及各醫學領域的迅速進展,蛭類放血療法漸漸不再受到歡迎,僅在癲癇治療或預防上還算常見。單一間英國醫院的蛭類用量從 1832 年的十萬隻,到了五十年後大幅下降到不及兩千隻,蛭類放血療法的盛況不再,由此可見一斑。

參考文獻

  1. A. M. Abdualkader, A. M. Ghawi, M. Alaama, M. Awang, and A. Merzouk. 2013. Leech Therapeutic Applications. Indian J Pharm Sci 75: 127–137
  2. K.S. Bharanija, K. Jalagandeswarar & V. Ashok. 2016. Hirudotherapy-A Cure in Vampire’s kiss: A Review. J. Pharm. Sci. & Res. 8: 822-827
  3. J.Malcolm Elliott and Ulrich Kutschera. 2011. Medicinal leeches: historical use, ecology, genetics and conservation. Freshwater Reviews 4: 21-41
  4. U. Kutschera. 2012. The Hirudo medicinalis species complex. Naturwissenschaften 99: 433–434
  5. Sebastian Kvist, Gi-Sik Min & Mark E Siddall. 2013. Diversity and selective pressures of anticoagulants in three medicinal leeches (Hirudinida: Hirudinidae, Macrobdellidae). Ecology and Evolution 3: 918–933
  6. Porshinsky BS, Saha S, Grossman MD, Beery II PR, Stawicki SPA. 2011. Clinical uses of the medicinal leech: A practical review. Journal of Postgraduate Medicine 57: 65-71
  7. Sawyer, R.T. 1986. Leech Biology and Behaviour. Oxford University Press, New York, USA
  8. I.S. Whitaker, J. Rao, D. Izadi, P.E. Butler. 2004. Historical Article: Hirudo medicinalis: ancient origins of, and trends in the use of medicinal leeches throughout history. British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery 42: 133—137
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

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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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致親愛的弗瑞曼人:一封來自地球的沙蟲愛好者之信——《沙丘》(三)
YTLai_96
・2022/10/28 ・5028字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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可佩的弗瑞曼人,您好:

謝謝您展信閱讀來自地球的沙蟲愛好者的第三封信。

在前兩封可能略顯冒昧的書信又沉澱數日之後,我也已經能夠比較冷靜的看待沙蟲、以及弗瑞曼族人與沙蟲間的依存關係。如果前兩封信讓您們感到任何些許的冒犯或不敬,請容我獻上最誠摯的歉意,也請您與族人們理解這絕非我的本意。

我只是想要以一個遙遠地球的沙蟲愛好者的身份,與弗瑞曼族人們分享我對沙蟲粗略甚至略嫌可笑的觀察和推想,並且期望您與族人們在忍俊不禁的閒暇之餘,有天願意回信提供一些回饋和指導而已。

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地球上像我一樣的沙蟲愛好者還有很多,請看沙蟲愛好者們從生態人文記錄片中剪輯出來的沙蟲畫面。

先前兩封信,我與您和弗瑞曼族人們分享了沙蟲巨大體型如何克服各種難題的奧妙可能,也提到沙蟲或許依賴自營共生微生物而得以在荒蕪沙漠中獲得營養與能量所需。但我想最神奇的,或許還是沙蟲的生活史吧。

根據厄拉克斯星球的重要文獻「沙丘」的記載、以及弗瑞曼族人們千百年來的觀察,沙蟲只是成體,祂的幼體叫做沙鱒,體型從幾公分到一公尺多不等,生活在沙漠的地底深處。與成體沙蟲大不相同的是,沙鱒生性愛水,身上有能夠儲存大量水分的細胞(或者有些文獻指出其體表覆滿纖毛),而且喜愛群聚。當沙鱒在地底深處群聚,身體的代謝廢物與水混合並發酵後就形成了早期香料。當早期香料聚集夠多、發酵產生的氣體壓力夠大,就會把這些早期香料大規模噴發到地表,即所謂的「香料爆炸」。這些早期香料被陽光炙烤風乾,就成了珍貴的香料。

地球上其他沙蟲愛好者製作的,沙鱒與香料爆炸的解說影片。

然而,根據上述描述還有沙鱒與沙蟲的體型差異,我大膽猜測沙鱒與沙蟲之間並不是單純幼蟲與成蟲的關係,而是如同單體/聚合、單倍體/多倍體之間的世代交替關係。如前所述,沙鱒喜愛水、儲存水、而且會聚集成團,這樣的習性或許就是在召集夠多的單倍體沙鱒,只要被噴發到沙漠表面,受到炙熱陽光且乾燥環境的刺激,成團的沙鱒就會相互融合並且分化形成一隻沙蟲,如果一團沙鱒的生質量不足以撐起一隻沙蟲,說不定還得等待被已經存在的沙蟲吞食後融合進去。

在地球上,這樣運作的生物也所在多有,例如以二倍體原生質團狀態四處爬行的粘菌、或者以多個體聚合分化而成一整隻具有精細構造的僧帽水母,絕非天馬行空的無稽猜想。

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具有單雙倍體世代交替生活史的黏菌,我大膽的猜想沙蟲和沙鱒的關係也是這樣,沙蟲屬於二倍體且類似黏菌可移動的原生質團,沙鱒則是移動能力較差的單倍體。 圖/wikimedia
地球上的黏菌,請欣賞它解決問題的本事。
俗稱葡萄牙戰艦或僧帽水母也是水螅體群聚且分工組成的群聚體,或許沙蟲也是異曲同工。 圖/wikimedia

據我對重要文獻的了解,其中有些字句間也曾經提過沙鱒是單倍體的生物,還有沙蟲萬一死去就會放出沙鱒重啟生活史的循環。如果又加上沙蟲壽命很長、甚至可達數千歲的傳聞,那麼沙鱒與沙蟲之間以世代交替生活史不斷轉變、沙蟲乃是眾多沙鱒聚合分化而成的群聚體,還可以不斷吸收新的沙鱒團來壯大自己,就更是合理了。

當然,也只有憑藉著弗瑞曼人的仔細觀察,才能夠確認這樣的猜想是否屬實。

因此如果可能的話,下次待您與族人發現沙鱒團時,是否能夠留意它們噴發到沙漠表面後的行蹤呢?

甚至如果您能夠主動的收集沙鱒團,將它們集中在沙漠表面以圍籬侷限起來,或許就能夠好好觀察沙鱒團在沙漠表面的命運:是真的如過去以為的多數沙鱒死去並留下極少數個體休眠數年再——蛻變狂長為沙蟲?

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還是其實藉由多個沙鱒團分散又聚合、彼此邊界消弭並且開始分化的方式,在沙漠中組成一隻超級沙蟲體?如果有幸如我推想的,沙蟲是聚集眾多沙鱒而成、世代交替無盡轉生的群聚體,這樣能夠累積千年的不死智慧,豈不更加顯現沙蟲的神性嗎?

在沙漠裡面設置圍籬以觀察沙鱒團的行為和生活史,其實就有點像在地球上用培養皿畫菌盤養菌,只是厄拉克斯星球上的盤子比較大而已,但同樣都可以滿懷敬意啊。 圖/YouTube

關於沙鱒在地底下的生活,如果依循著我先前的假說,沙蟲的營養與能量來源是依靠體內的共生自營微生物而來、且平時吞食沙粒也只是在收集過濾這些共生自營微生物或者沙鱒團的話,那麼沙鱒在沙漠地底深處可能也是靠微生物一起共生過活,這些微生物可能是同樣在沙漠表面或沙蟲體內存活的微生物種類,只不過可能因為在地底深處缺乏氧氣和陽光,所以處於厭氧呼吸、異營(或化學自營)的代謝狀態,就等著沙鱒聚集成團被噴發到沙漠表面,再度回到太陽下轉回好氧自營的代謝狀態。

從這一點看來,以好氧自營狀態與沙蟲共生提供能量與營養、又在地底深處以厭氧異營狀態與沙鱒共生的這種微生物,整個生活史與沙蟲的生活史緊密相依,兩者很可能已經接近互利且專性的共生,難以離開彼此了。

這是我推想的沙蟲生活史(外圈)以及香料菌生活史(內圈),還有兩者之間的養分依存關係,請弗瑞曼族人們多多指教。

進一步猜想,所謂的早期香料,也許是在沙鱒體內的行厭氧呼吸的共生微生物排出的內孢子或休眠卵,這些內孢子/休眠卵靠著沙鱒排出的代謝廢物產氣以後造成香料噴發,也可以又回到陽光普照的沙漠表面,若有幸被沙蟲濾出帶到體內,就再次轉為好氧呼吸、自營代謝的狀態(這也解釋了沙蟲身上尤其嘴巴處帶有強烈香料味的緣由,因為嘴巴比起身體更深處的其他部位,理應擁有最多還未甦醒的內孢子/休眠卵);然而如果不幸被香料採集車吸起過濾,那就成了世人爭奪的珍貴香料了。

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考量到許多地球上的微生物內孢子本身就帶有毒性,因此香料如果實際上是微生物的內孢子/休眠卵,其毒性屬於神經毒,劑量適當時得以大幅擴展感官能力與腦部運作,劑量不對或是當沙蟲遇水死亡後共生微生物一同破裂放出的體液則具有強烈毒性,也是合情合理。

以上關於香料來源的推想,還請尊敬的弗瑞曼人能夠給予指教。

地球上微生物的內孢子生成示意圖,大膽猜想所謂的香料,或許就是與沙鱒共生時的微生物在厭氧異營狀態時產生的內孢子。圖/wikimedia
關於香料的解釋影片。

最後,我想與弗瑞曼族人們分享,地球上的動物們與沙蟲間的相似之處。

沙蟲令人敬畏的滿嘴尖牙,有些人可能以為類似地球的八目鰻牙齒分佈,但仔細看其實跟地球的鬚鯨嘴裡的鯨鬚板更有異曲同工之妙,合理推想也都扮演了濾食的角色——一如地球的鬚鯨在海中用鯨鬚過濾磷蝦和小魚,厄拉克斯星球的沙蟲在沙漠中用尖牙過濾砂礫間能夠與其共生的自營微生物、不時還有剛從地底噴出的沙鱒團、偶爾可能也順便摧毀吵鬧的香料採集車。

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還有,沙蟲攻擊地表入侵事物時,從地下竄出讓沙漠表面液化沸騰的景象,也相當類似座頭鯨捕食時困住魚群的氣泡網。

這樣的雷同之處,在地球的演化生物學稱作趨同演化,如果我們相信距離地球大半宇宙的沙蟲也遵循達爾文的演化論的話。

地球上的座頭鯨使用氣泡網捕食魚群。
看看沙蟲冒出表面吞食人事物的景象,不覺得跟地球上的座頭鯨用氣泡網捕食很像嗎?

還有,從沙蟲張大的嘴巴深處,我看見沙蟲的咽喉也分成三裂,和地球上具備三顎的蛭類頗為神似。沙蟲在沙漠中能夠躍出表面,那樣的移動方式也真的有點神似蛭類在水中的波浪狀游動行為,更別提沙蟲同樣能夠抬起身軀俯仰自如,很可能也擁有蛭類一樣的肌肉水骨骼系統。

乾燥的厄拉克斯星球上很可能沒有蛭類,我只能請您參考下方的影片理解蛭類的模樣與游動方式,哪一天如果有幸能夠邀請您與族人們到地球拜訪,相信您看到蛭類的實體時也會有似曾相識之感吧。

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地球上的蛭類,這隻吸血蛭類的波浪狀游動和咽部三裂的模樣與沙蟲不謀而合。

最後,沙蟲能夠在無垠沙漠中聽到/感受到遠方來的規律震動,也是一件似曾相識又奧妙的本領。

在地球上能夠感受基質震動的動物很多,許多水生的動物都能夠感應水波震動進而找到來源,最有名的正是吸血蛭類,它們能夠藉由感受水波找到震動的來源,於是長距離游向入水或落水的宿主以吸取血液;水中伏擊的紅娘華也能夠感應落水昆蟲的掙扎震動,從水底往水面攫住獵物飽餐一頓。

在水中如此,在鬆軟乾燥的沙漠中卻是另當別論了。

乾燥的沙漠只要受力,沙子間就會崩解散落,連帶消去了能夠傳遞出去的震動動能,這就像是裝著乾沙的沙袋受到擊打,沙團就會散開變形於是消去動能、壓力和震動一樣。

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因此,在地球上沙漠中潛沙伏擊的動物,無論是蜘蛛或沙蟒,大多都是依靠視覺或者觸覺、或者如絆腳索的絲線上傳來的震動,以得知獵物的到來與方位。只有少數的地底動物如非洲蝟目的金鼴,大概比較真有本事偵測從附近沙上傳來的細小震動。

根據地球這邊的研究得知,金鼴的聽骨不成比例的特大、而且也有精細巧妙的放大結構,也因此能夠偵測沙子上傳來的細小震動。而龐大的沙蟲又有什麼樣的精巧構造,讓祂得以在幾公里外偵測到人類規律走動的腳步呢?

這樣的謎團實在令人費疑猜啊。或許也只能期待哪一天,勇敢的弗瑞曼族人們從沙蟲神聖的大體和更仔細的觀察中略知一二了。

金鼴的可愛模樣。 圖/wikimedia
金鼴小小的體型,卻有不成比例的特大聽骨,可能就是演化出來偵測沙上的微小動靜。 圖/https://acousticstoday.org/wp-content/uploads/2020/06/The-Adapted-Ears-of-Big-Cats-and-Golden-Moles-Exotic-Outcomes-of-the-Evolutionary-Radiation-of-Mammals-Edward-J.-Walsh.pdf
金鼴潛沙並且偵測沙上小昆蟲的震動,與沙蟲有異曲同工之能。

尊敬的弗瑞曼族人們,衷心感謝您閱讀至此,期待有一天能夠收到來自厄拉克斯星球的回訊,更盼望有那麼一天,地球的沙蟲愛好者如我能夠與您並肩,看見族人幽藍雙眼看見的世界,穿上寶貴的蒸餾服,一同感受沙漠的不可侵犯,讓心跳隨著沙槌震動,同時體會沙蟲自遠方洶湧而來的神性震撼。

祝弗瑞曼族人們健康平安。

來自地球的沙蟲愛好者敬上

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YTLai_96
51 篇文章 ・ 28 位粉絲
也許永遠無法自稱學者,但總是一直努力學著

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看完電影「失落謎城」,我們來談談「水蛭」吧?
YTLai_96
・2022/07/02 ・3275字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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話說,珊卓布拉克和查寧坦圖主演的失落謎城(The Lost City)近日在二輪片戲院上映了,電影本身頗具娛樂效果也讓我相當享受,但裡頭出乎意料的居然出現了水蛭吸血的橋段。

本著龜毛水蛭宅的認真心態,我當然仔仔細細地檢視了這個橋段,除了確定查寧坦圖沒有露出半根不該露出的東西(例如毛髮,請別想歪),也確定這個橋段裡面的水蛭有好些不盡正確的特徵,在此想要跟各位讀者分享,希望哪一天有人要在電影裡面用上水蛭的時候,特效或模型可以做得更精準一點。

這是Youtube上可以找到最完整的水蛭和屁股的畫面了,各位讀者請享用

先講優點,電影裡的水蛭模型做的還算有模有樣,體表的質感雖然乾皺了點但還算可以接受,值得一提的是水蛭正吸血時口吸盤會有的「垂直壓向皮膚」的姿態也做出來了。光是這一點,就值得為模型組的工作人員拍拍手。

這是一隻正在吸血的菲擬醫蛭,左邊是牠的頭部,請注意吸血中的頭部那個「垂直壓向皮膚」的姿態。 圖/作者提供

好話說完了,接下來要開始挑剔了。

水蛭的附著和去除方式不正確,攻擊位置不盡合理

首先,吸血的水蛭不算是長時間游泳的高手,而且很依賴水波震動來找尋下水移動的倒楣宿主,所以通常是棲息在靜止或頂多是緩流的水域,電影裡面那樣不算開闊又有明顯水流的小溪是不太可能遇到吸血水蛭的。不過這一點相對不那麼有問題,我們就假設兩位主角涉水的溪流曾經經過一段緩流的溼地,只是畫面沒有拍到好了。

比較明顯的問題是水蛭吸血時的特徵行為和應對方式。

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根據幕後花絮的說法,劇組是用膠水把水蛭黏在查寧坦圖的下背跟屁股上,也因此珊卓布拉克將水蛭拔掉的時候就像撕掉膠布一樣,甚至還可以看到膠水在水蛭跟皮膚之間拉開的黏絲

但可惜的是,水蛭是靠著口尾兩個吸盤附著的,其他部位的體表毫無黏附的能力,所以要是你我被水蛭咬上吸血,從皮膚上把水蛭拔下來的時候,切記得要用指甲貼住皮膚把水蛭的兩個吸盤推掉,這才是最快也最安全的方法。至於為什麼這個方法最好,其他坊間流傳的火燒灑鹽法又有什麼不好,還請讀者參考先前的拙文「被水蛭咬了怎麼辦」,就不在這裡再多費唇舌了。

失落謎城的幕後花絮:水蛭篇

再說,水蛭身體本來就佈滿黏液,吸血的時候絕對是又黏又滑根本抓不住,要把吸血中的水蛭從皮膚上取下來,絕對不可能像珊卓布拉克那樣輕鬆,用手指直接捏住水蛭身體如撕膠布一樣的把水蛭拿下來,這樣做只會一直把水蛭身體捏扁,把牠吸到肚子裡的血液混著體內共生菌又擠回傷口裡面增加感染風險而已,各位讀者千萬不要學啊。

另一個問題是水蛭咬上身體的部位。一般而言,水蛭游到在水裡走動的宿主身上,基本上是找尋皮膚裸露處吸血,不太會鑽進衣服覆蓋的身體部位,尤其是那麼大隻的水蛭更是如此。

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所以,既然水蛭沒有那麼會鑽,吸到查寧坦圖的上衣下擺跟褲頭之間還有可能,畢竟他的上衣看起來沒有紮進褲頭可能會在水中擺動,讓上身的水蛭有機可乘;但吸到包在褲子裡面的屁股就不太合理了,大概只是為了讓觀眾大飽眼福而已。

話說回來,查寧坦圖的台詞倒是說得沒錯,像珊卓布拉克在戲裡那樣的連身緊身衣,基本上對吸血水蛭而言就是絕佳防護,所以她的身上沒有水蛭也是合情合理。

珊卓布拉克的連身緊身衣,除了胸口那一大塊裸露區域,在水中可稱得上水蛭的絕佳防護裝。 圖/yahoo!sports

衣物包緊緊,水蛭不上身:美軍的水蛭避忌實驗在台灣

各位讀者想必有所不知,二戰時期歐美軍方在太平洋戰場體驗到吸血蛭類的擾人之後,蛭類避忌藥劑與效果研究才開始蓬勃的發展。由於水棲與陸棲吸血蛭類在東亞、東南亞與南亞地區種類繁多又常見,吸血蛭類的避忌研究也因此多以亞洲的種類為實驗物種。

例如越戰時期,美國軍方曾苦於前線官兵在越南叢林受到蛭類侵擾,便與 1955 年於台北重新設立的美國海軍第二醫學研究所(US Naval Medical Research Unit No. 2, NAMRU-2)以及瘧疾研究所合作,在屏東潮州進行一系列蛭類毒殺與避忌的實驗。

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同樣是吸血蛭類,水棲種類與陸棲種類的擾人程度其實有相當的差異。吸血的水蛭生活在水中,只要不涉水就不會造成任何困擾;而且一般而言吸血水蛭的體型較大,不容易鑽過衣物間的縫隙,更不可能穿過疏鬆的衣物纖維直達皮膚。

因此,要防止吸血水蛭上身其實很簡單,只要士兵不要下水、萬一不得已下水時務必穿著衣褲襪子並且紮好紮滿,尤其是褲管必定要紮入襪子裡,確保沒入水中的身體都被衣物緊密覆蓋,吸血水蛭也就只能黏附在衣物上遊走,幾乎無法接觸皮膚吸食血液。這樣一來,就算長褲襪子沒有施用任何避忌藥物,也已經足以防止吸血水蛭的攻擊,而且避忌效果就和驅蟲劑處理過的長褲一樣好。也因此,針對吸血水蛭的避忌研究就相對少了許多。

在雨鞋上不得其門而入的日本醫蛭,牠們只會在水面下頂多高出水面一點的範圍試探,不會像吸血螞蟥那樣四處遊走找尋縫隙。 圖/作者提供

話雖如此,美軍還是針對吸血水蛭測試了好些避忌配方,經過一番試驗,藉著混合綿羊油、礦物脂和矽氧樹脂這些成份,終於把塗抹皮膚用的驅蟲藥劑從入水後五分鐘就會失效,延長到避忌效果可達 70 分鐘左右或更久。也有研究發現有 15 種單方與複方組合,能夠在超過 200 次入水洗手後依然保持避忌效果。

不過,這些以塗抹皮膚的避忌藥物在戰場上頂多只能做為輔助配備,以軍方的角度而言,如果能在制服上施加藥物,讓避忌各種昆蟲與蛭類的效果如同軍事裝備將戰士「武裝」起來並提供持久效果,當然更是理想。

因此,為了戰場所需,當時的諸多研究便著眼於以浸泡的方式讓衣物吸附各種避忌藥劑並評估持久程度,尤其在陸棲吸血蛭類的避忌研究中更是蔚為主流。

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畢竟,俗稱螞蟥的陸生吸血蛭類跟吸血水蛭的擾人程度可不是同一個等級的,這些飢腸轆轆又敏捷的小傢伙沾上身體以後,即使是附著在衣物鞋襪上也會四處遊走,無所不用其極地找到衣褲鞋襪的交界、甚至是布料纖維間的縫隙,然後死命擠過去以抵達皮膚大快朵頤。

所以,美軍測試了許多配方,就是為了找到讓吸血螞蟥厭惡至極而拒絕靠近的辦法,但到底找到了什麼配方並不是這篇文章的重點,我們還是回來討論電影裡的水蛭吧。

拔掉那麼大的水蛭,傷口沒有持續流血幾小時是不可能的

最後,關於傷口沒有流血這件事,實在是非提不可的大問題。自古以來,吸血水蛭的抗凝血能力就舉世皆知,甚至因此被拿來當成放血治療的醫療工具,在十九世紀末歐洲的吸血水蛭還因為採集過度搞到瀕臨絕種。像電影裡面那麼大的吸血水蛭,咬出來的傷口絕對不小,拔掉以後應該會一直流血,就算是剛吸血十幾分鐘的傷口大概也要流個半小時的血,如果已經吸血超過半小時,傷口沒流血個幾小時都是上天保佑。所以,珊卓布拉克拿掉水蛭以後那些傷口應該會持續不斷的滲血出來,查寧坦圖的下背和屁股應該會漸漸染血成片,才不可能毫不狼狽地繼續帥氣行動呢。

是的,遠比電影裡還小的水蛭,吸血以後就會變成這種景象,千萬不要小看自然界最強的抗凝血能力啊。圖/作者提供

哪裡有蛭,哪裡就有我的事。今天挑剔「失落謎城」電影裡的水蛭橋段就到這裡,下次再看到電影裡面出現水蛭的時候,就是我們再會的時候啦。

YTLai_96
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