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錄音帶才不只是文青復古小物!來看數據磁帶如何在網路時代穢土轉生

羅夏_96
・2021/08/04 ・4351字 ・閱讀時間約 9 分鐘

編按:「磁帶」一度從80年代蝦趴到90年代、更可說是蘋果電腦經典產品ipod的始祖!本文旨在讓00後的讀者認識這個傳奇發明、90後的朋友溫故知新、80後的朋友以古鑑今!

《咒術迴戰》中的七海健人有云:「枕邊掉的頭髮越來越多,喜歡的夾菜麵包從便利商店消失,這些微小的絕望不斷積累,才會使人長大。」——泛科《童年崩壞》專題邀請各位讀者重新檢視童年時期的產物,讓你的童年持續崩壞不停歇 ψ(`∇´)ψ

你看過下面的酷東西嗎?對稍有年紀的讀者來說,它乘載了滿滿的青春回憶。但對年輕的讀者來說,卻可能看都沒看過⋯⋯

認識錄音帶已變成會暴露年齡的一種事。圖/pixabay

這東西的名稱是「磁帶」,可用來記錄各類資訊。1980 ~ 1990 年代是它的黃金年代,從音樂影視到電腦資料,都是用磁帶做為儲存媒介。各大科技公司也針對磁帶設計出不少經典的影音播放器,例如大名鼎鼎的 Sony Walkman 隨身聽。但隨著 MP3 等儲存媒介飛速發展,磁帶逐漸遭市場淘汰,也讓不少人都認為它跟 BB call 一樣走入歷史。但事實上,磁帶不僅沒有消失,甚至在專業領域浴火重生,成為許多高科技公司和科學單位所仰賴的重要儲存工具。接下來,讓我們一起來看看磁帶的前世與今生吧!

磁帶的作用原理

在講磁帶的歷史前,我們得先了解磁帶背後的作用原理。

磁帶是磁儲存 (Magnetic storage) 的一種方式,那甚麼是磁儲存呢?簡單來說,是將資料儲存在磁性媒介上的技術

磁儲存背後所應用的原理是「電磁感應」和「電流磁效應」。電磁感應是磁場的變化會產生電流的「磁生電」效應;電流磁效應則是電流的變化會產生磁場的「電生磁」效應。這兩種效應就讓科學家對資料記錄產生的新想法:既然電可生磁、磁也可生電,那將電訊號轉換成磁場並記錄在磁性物質上,之後再用這些被記錄的磁場轉換回電訊號,不就能實現資料的儲存和輸出嗎?而這個想法正是磁儲存的基本原理。

當我們要寫入資訊的時候,訊號所產生的電流會讓記錄頭 (Record head) 的電磁鐵產生磁場,而這個磁場就會改變磁帶上磁粉的排列方式,如此便將資訊以磁場排列的方式記錄下來。而要讀取的時候只要反過來,讓讀取頭 (Playback head)根據磁粉排列所產生的磁場反向產生電流,就能將資訊讀出了。

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Audio/imgaud/tape.gif
磁帶的作用原理。圖/。Tape Recording Process

磁帶發展史

1888 年,美國的工程師 Oberlin Smith 發表文章,認為應用電磁感應和電流磁效應的原理,就能設計出磁儲存的留聲機,不過 Smith 並沒有將他的想法付諸實現。而丹麥的工程師 Valdemar Poulsen 根據 Smith 的文章,在 1898 年成功設計出第一款應用磁儲存的留聲機,不過他使用的是磁性物質是細鋼絲而非磁帶。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f9/Telegrafon_8154.jpg/1280px-Telegrafon_8154.jpg
Valdemar Poulsen設計的磁線留聲機,如今保存在丹麥科學與技術博物館裡。圖/維基百科

Poulsen 的發明是磁儲存技術的重大突破,不過人們很快就發現用細鋼絲來記錄聲音的效率並不高,而且儲存不易,於是不少科學家紛紛投入研究改良。當時大部分的科學家都把改良的重點放在細鋼絲上,而德國的工程師 Fritz Pfleumer 則另闢蹊徑。Pfleumer 認為既然是要記錄磁場,那把細鋼絲改為塗上帶有磁粉的紙帶,理論上也有記錄效果,而且這樣便於製造和儲存,而後續的實驗證實他的想法沒錯。於是在 1928 年,Pfleumer 設計出世界上第一款磁帶錄音機。

Fritz Pfleumer和他設計的磁帶錄音機。圖/維基百科

1935 年,德國 AEG 公司得到 Pfleumer 的授權,開始量產磁帶錄音機 – Magnetophon。不過 Magnetophon 不僅昂貴而且也很難操作,因此只有軍方在使用。但在二次大戰後,隨著錄音磁帶在世界各地的使用率上升,越來越多公司開始研發更好的磁帶錄音機。

1958 年,美國的 RCA 公司開發出第一款盒式錄音磁帶,用塑膠外殼保護磁帶,並設計成可翻面播放。該產品的錄音時長和品質都與後來的卡式錄音帶相當,但因體積過大,並未在市場上獲得成功。不過該錄音磁帶卻成為其他公司產品研發的重要參考指標。

1962 年,飛利浦公司發明了緊湊型磁帶,也就是我們所熟悉的「卡式錄音帶」,並於次年開始在歐洲市場被使用。當時在市場上流通的錄音磁帶有很多格式,而飛利浦公司為了搶佔市場,在 1964 年公開了卡式錄音帶的專利與格式,讓所有廠商都能免費使用。這一舉動確實讓飛利浦的卡式錄音帶一躍成為市場主流,其主要競爭對手 – 日本的索尼也不得不放棄自己的錄音帶發展計畫。

卡式錄音帶 (左)和 RCA 公司的盒式錄音帶 (右)。圖/維基百科

卡式錄音帶成為市場主流後,很快就被應用在流行音樂的播放上,而各家公司也積極地推出更好的音樂播放器。索尼雖然沒有開發出屬於自己的錄音帶,但他們在 1979 年推出世界上第一款卡式錄音帶隨身播放機 – Walkman。Walkman 的出現將卡式錄音帶推向高峰,索尼也靠卡式錄音帶和 Walkman 賺進大筆鈔票。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/87/Firstwalkman.JPG
Sony Walkman 隨身聽。圖/維基百科

不過正所謂「盛極而衰」。隨著光碟和 MP3 格式在 1990 年代出現,卡式錄音帶和播放器就逐漸被 CD 和 CD 播放器所取代。2001 年,蘋果公司推出的 iPod MP3 隨身聽更是打下 Walkman 的龍頭寶座。之後卡式錄音帶就逐漸淡出大眾的生活。雖然卡式錄音帶確實退出歷史舞台,但磁帶卻沒有消失。在其他領域中,磁帶仍舊發光發熱!

磁帶的今生——數據磁帶

雖然磁帶是為了記錄聲音所開發的,但它也能記錄電腦數據。1951 年,磁帶首次被應用在記錄電腦數據上。雖然當時使用的磁帶體積非常大,能記錄的資訊也很少,但其潛力仍被科技巨頭 IBM 所看上。隨著 IBM 不斷對磁帶進行改良,1970 年代開始,電腦用磁帶 (或稱數據磁帶) 成功進入商業市場,其體積與價格不僅都是一般家庭所能負擔的,也成為個人電腦儲存數據的標準配備。

但隨著光碟和硬碟的快速發展,數據磁帶在 2000 年以後也逐漸淡出電腦數據儲存的領域。正當許多人認為,數據磁帶也和卡式錄音帶一樣要退出歷史舞台時,它卻走出嶄新的一條路。

講到電腦數據的儲存,我們首先都會想到硬碟和固態硬碟,畢竟你我現在都在用,那磁帶是如何回到這領域上呢?這得益於 IBM、惠普和希捷三家公司於 1997 年聯合建立的磁帶協議——線性磁帶開放技術 (Linear Tape Open, LTO)。LTO 簡單來說是由三家公司共同開發的磁帶技術,旨在提升磁帶的性能。LTO 也像蘋果的 ios 系統一樣會定期發布新的版本,目前最新的 LTO – 9 數據磁帶,其數據的讀寫能力已不輸硬碟,而且儲存容量更達到 18 TB (若數據經壓縮後,容量可達 45 TB )。另外比起硬碟和固態硬碟,數據磁帶在資料儲存上有以下三個優勢:

  1. 網路防駭:磁帶需要磁帶機才能讀寫數據,而磁帶平時都是放在磁帶庫裡做保存,這種狀態等同設下了物理防護來隔絕駭客的攻擊,讓數據丟失和被篡改的機會降低。
  2. 資料保存:磁帶的損毀如斷裂也會丟失數據,但斷裂後的磁帶重新接上後,僅造成數百 MB 的數據損失。對於存放數據量為 TB 等級的專業儲存設備來說,這點損失可說是小事一樁。而硬碟的損毀非常容易導致數據的整個丟失,就專業儲存設備來說很嚴重。
  3. 成本低廉:1 TB 容量的硬碟售價約為 50 美元,相同容量的磁帶價格僅需 5美元。而且磁帶比硬碟更耐用,一般硬碟的壽命約為 10 年,而磁帶只要保存得當,數據保存數十年不是問題;另外硬碟運行需要電力(有時需要針對硬碟的發熱準備額外的降溫設備),而磁帶本身不耗電,只有在磁帶機中讀寫數據時才需耗電,因此比起硬碟更節省電力。
LTO-2數據磁帶。圖/維基百科

這些優勢讓有著巨量數據的科技公司 (如 Facebook 和 Google)和科學單位(CERN 和 NASA),甚至是對數據安全性有較高要求的機構 (如銀行和國家檔案館)都選擇使用磁帶來儲存數據。

2011 年,Google 的信箱 Gmail 因一次更新的 Bug,意外地刪除了 40000 多個賬戶的郵件。雖然 Google 一直有在多個數據中心用硬碟儲存數據副本,但仍有部分數據無法恢復。所幸這些數據都有備份到數據磁帶裡,才得以恢復。

看到這兒,估計有些讀者已經想入手一塊 LTO 的數據磁帶了。不過別著急,上面的優點只針對有一定財力的公司和機構,一般大眾可享受不到這些好處。

磁帶聽起來很棒,想要趕快入手?修但幾勒,事情沒你想的那麽簡單!圖/giphy.com

首先磁帶是比硬碟便宜很多沒錯,但磁帶機可不便宜,磁帶機的價格至少都是幾千美元起跳。另外磁帶雖然能保存很久,但那是在恆溫、恆濕的專門儲存空間,想必你不會為了磁帶專門設立這樣的環境。所以數據磁帶的優點放在一般大眾的需求上,反而變成缺點。因此在一般的資料儲存上,硬碟和固態硬碟依舊是把磁帶壓在地上打。不過倒不是磁帶不先進,而是它先進到我們的錢包配不上它⋯⋯

LTO 磁帶機的價格,單位是美元。圖/IBM網站

隨著網路的快速發展,網路所產生的數據量已越來越高。根據國際數據資訊公司的資料顯示,網路的數據正以每年 30% – 40% 的速度增長,但目前硬碟容量增長的速度不到這個速度的一半。而數據磁帶的儲存容量正以每年 33% 的速度增長,並且沒有放緩的跡象。同時隨著磁帶機的發展,現在數據磁帶的讀寫速度已不輸固態硬碟了。因此不少人認為,磁帶很有可能成為未來儲存大數據的首選。

一些技術和發明從我們的日常生活中消失,往往是因為它們跟不上時代。但磁帶的例子告訴我們,它從我們的生活中消失後,反而在資料儲存的領域上變得更先進了。而磁帶做為我童年記憶的一環,看到它不僅沒有被時代淘汰,至今仍在專業領域上發光發熱,也讓我感到欣慰。

當然不只磁帶,同樣逐漸被遺忘的光碟,或許未來突然來個重大的技術突破,讓它來個絕地大反攻,再次稱霸資料儲存界也不是沒有可能!

參考資料

  1. Magnetic Tape
  2. Magnetic storage
  3. Cassette tape
  4. Linear Tape-Open

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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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寵物過敏原有很多種,避免飲食過敏困擾,可選擇單一/特殊肉種寵物飼料
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/06/06 ・2173字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文由 新萃 Nutri Source 委託,泛科學企劃執行。

你有發現家裡的狗狗經常舔自己四肢,或是身上出現不明紅疹?當心這可能是過敏反應。寵物和人類一樣,也會有過敏反應,過敏可依照「來源」分為三種:吸入性過敏、接觸性過敏和食物性過敏。

寵物的過敏源有哪些?

不管是哪一種過敏反應,在人的身上都比較容易發現和排除。但狗狗的過敏卻很難處理,如果是接觸性或吸入性過敏,即使你把家裡打掃得很乾淨,還是無法排除帶狗出去散步時可能接觸到的環境過敏原。因此,對飼主來說,最容易控制的是食物性過敏。

食物性過敏是怎麼發生的呢?其實,「食物過敏」這個詞並不太準確。正確的臨床醫學用詞是「食物不良反應」(Adverse Food Reaction, 簡稱AFR)(Jackson, H. , 2009),指的是吃下食物後身體產生各種不良反應。並進一步分為食物過敏(Food Allergy)和食物不耐受(Food Intolerances)兩種。

如果你看過動漫作品《工作細胞》,你就會知道過敏其實只是免疫系統對特定成分產生的過度反應,因此全名為「過分敏感」;而食物不耐受則並非免疫性反應,而是消化系統無法代謝或對該生物體有毒,例如狗不能吃洋蔥或巧克力,否則會致死等等。

由於寵物沒有選擇權,只能吃飼主提供的食物,如果飼料中恰好有會造成牠 AFR 的成分,就可能產生各種症狀。除了腸胃發炎和拉肚子外,最明顯的外在症狀就是皮膚問題,包括搔癢、脫毛和紅疹等。後者容易被誤判為皮膚性疾病,讓許多飼主狂跑獸醫院的同時,獸醫也難以對症下藥。

雖然曾有研究透過讓醫師用血液或唾液是否檢測出 IgE 抗體來判斷狗是否過敏(Ermel, R et al.,1997),但最新的研究卻發現,無論使用無論血清的 IgE 抗原或是唾液裡的 IgM 或 IgA 抗原都無法有效檢測出狗狗的過敏來源(Udraite Vovk Let al., 2019 & Lam ATH et al., 2019),甚至會造成偽陽性誤判。因此,目前學界公認唯一能識別食物過敏原的方法就是「食物排除法」(Food Elimination Method)。

以食物排除法,找出毛孩的食物過敏原!

食物排除法的原理相當簡單粗暴,類似我們過去在學校做的實驗一樣,抓出「控制組與對照組」。首先,將狗狗的食物換成牠沒吃過、單一來源且易消化的高蛋白質或水解蛋白質;同時嚴格限制牠對其他食物接觸,包括其他人餵食或路上亂吃等可能性都要注意,此為「對照組」,如此持續 8~12 週,觀察皮膚是否有改善。如果確實有改善,那就證明了確實是 AFR 而非皮膚病。

下一步我們可以進行「食物挑戰」,在每餐食物中逐一嘗試可能的過敏原(例如常見的牛肉、雞蛋等),有如「控制組」,等到症狀又出現,就可以確認哪種食物成分是過敏原,未來就可以在飼料中排除,讓狗狗健康快樂地成長。

這個方法需要飼主的大力配合和耐心紀錄,不僅要在漫長的試驗期,更需要在控制期一一排除所有不可能之後,才能找到答案。而其中最困難的部分,也是實驗的基礎可能是第一步:「提供狗狗牠從未吃過,且肉品單一的蛋白質」,這點對多數飼主來說幾乎是不可能的任務,因為大部分的寵物飼料成分都很複雜。不要說狗狗了,搞不好你連自己沒吃過什麼恐怕都不知道。

飼料成分多而雜,可選單一肉種飼料降低過敏。

那該怎麼進行食物排除法呢?別擔心,沒有找不到的肉品,只有勇敢的狗狗。市面上已經有了針對過敏狗狗的低敏飼料,新萃推出了一系列低敏肉,包含單一肉種的袋鼠肉、鹿肉以及野豬等相比牛豬羊等較不容易取得的肉類,是進行食物排除法第一步測試的首選。

此外,新萃牌無論哪種飼料都有美國專利 Good 4 Life® 奧特奇專利保健元素,能促進飼料中的營養都被狗狗完整吸收。不僅過敏的狗狗能吃,有消化不良症的狗狗也適用。

新萃商品選擇的是單一/特殊肉種的成分,低敏感肉品讓寵物吃了更安心。

參考資料

  1. Thus for the purpose of this discussion, although the term food allergy is used throughout, it should be recognized that this term is a presumptive clinical diagnosis and adverse food reaction is a more accurate term for these canine cases. – Consensus
  2. Jackson, H. (2009). Food allergy in dogs – clinical signs and diagnosis.. Companion Animal Practice.
  3. Assessment of the clinical accuracy of serum and saliva assays for identification of adverse food reaction in dogs without clinical signs of disease – PubMed (nih.gov)
  4. Lam ATH, Johnson LN, Heinze CR. Assessment of the clinical accuracy of serum and saliva assays for identification of adverse food reaction in dogs without clinical signs of disease. J Am Vet Med Assoc. 2019 Oct 1;255(7):812-816. doi: 10.2460/javma.255.7.812. PMID: 31517577.
  5. Direct mucosal challenge with food extracts confirmed the clinical and immunologic evidence of food allergy in these immunized dogs and suggests the usefulness of the atopic dog as a model for food allergy. – Consensus
  6. Ermel, R., Kock, M., Griffey, S., Reinhart, G., & Frick, O. (1997). The atopic dog: a model for food allergy.. Laboratory animal science.
  7. https://www.moreson.com.tw/moreson/blog-detail/furkid-knowledge/pet-knowledge/dog-food-allergen-TOP10/
  8. 狗狗因為食物過敏而搔癢不舒服,為什麼做「過敏原檢測」沒什麼用?
  9. 【獸醫診間小教室】狗狗皮膚搔癢難改善?小心食物過敏! – 汪喵星球 (dogcatstar.com)
  10. 寵物知識+/毛孩對什麼食物過敏?獸醫:驗血完全不準!診斷法只有一個 | 動物星球 | 生活 | 聯合新聞網 (udn.com)
  11. Is there a gold-standard test for adverse food reactions? – Veterinary Practice News
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國中會考即將放榜!自然科時事閱讀題該如何破解?
Student.PanSci_96
・2023/06/07 ・1300字 ・閱讀時間約 2 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

從各種大考的考古題中,我們都能發現「時事」在自然科的重要性,在 108 課綱中,又更強調閱讀素養,重視課程知識與生活概念的結合,可想而知,社會上發生的各種重大事件都有可能融入成為考題。今年(112 年)的國中教育會考,自然科的考題中就拿了三年前的一則真實事件當作考題(圖一),讓學生進行判讀!

(圖一) 112 年國中教育會考自然科第 40 題。圖/台灣師範大學心測中心

這個事件發生在 2020 年三月,俄羅斯一名網紅舉辦泳池生日趴,將 25 公斤的乾冰直接倒入泳池製造氣氛,結果不幸釀成 3 死的意外。這則新聞在社會大眾眼裡可能只是個不幸的意外,但是在自然科教師的眼裡,卻是同學們需要了解的知識,更是個出考卷的絕佳考題(只是沒想到隔了三年才考出來)。

科學生的閱讀任務裡面,搭配八年級上學期的文章「國中理化告訴你:為什麼不該在派對上,將 25 公斤乾冰丟泳池?」(圖二),就針對這個事件做了介紹與科學原理的分析:乾冰的升華、大量二氧化碳對於人體的危害作用機制等,等於同時用理化與生物課程的角度來對事件進行簡單、國中生能夠理解的介紹。

(圖二) 以時事中所含的科學概念來出題,是大考的重要方向。圖/科學生部分截取

雖然這次的考題主要概念,是希望同學們根據空氣的組成成分來進行分析。但如果能對這個事件更有熟悉感,也了解生活時事大概會用哪種方式融入考題,相信碰到類似題型時,就更容易輕鬆作答啦!

今年(112年)的國中教育會考,自然科的考題裡面,由第 43、44 題構成的題組(圖三),設計上包括較長的題幹敘述、圖片與表格,顯然是要考驗學生的閱讀與圖表判讀。主題內容則是兩個嶄新時事議題的結合──燕麥奶和碳排放。

(圖三)112 年國中教育會考自然科第 43、44 題。圖/台灣師範大學心測中心

第 43 題的考點出自於七上的營養,第 44 題則考跟生物、理化、地科都有點關聯的碳排放,這出題方向相當符合 108 課綱所強調的,學生所學的知識概念必須能夠跨科進行統整。

相比之下,43 題只要記得糖會分解成醣,而蛋白質會分解成胺基酸,就能回答;但 44 題碳排放的概念,同學們可能熟悉度較低。幸好,只要讀懂圖表,也看懂題幹沒有被繞暈(問固定碳排量下能生產的量,所以是碳排最低的杏仁奶生產量最多),還是能夠回答。

延伸閱讀:燕麥奶為什麼這麼好喝?如牛奶般微甜、絲滑的口感是怎麼來的?——解析燕麥奶的加工原理

在科學生的閱讀任務裡面,也提供了許多最新時事與課程結合的閱讀練習,例如:題組中的燕麥奶與碳排放議題。透過練習,可以降低同學們對陌生內容、長篇文章的恐懼感,並且逐漸了解科學文章的構成,而能更快抓住文內的重點。

想要進一步了解更多內容的話,閱讀任務內也有連結可以直通 PanSci 泛科學的原文。透過科學生的閱讀練習,訓練了素養能力,更提升了會考成績。

Student.PanSci_96
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由 PanSci 泛科學 X 南一書局 X 科學月刊 聯手打造:《科學生》科普閱讀素養線上學習平台,集結三大教育品牌的堅實陣容,提供搭配國中課程的科普文章及試題,增進孩子對科學知識的理解,掌握最新的科學脈動,逐步培養科學素養!

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植物口渴就喊:「啵、啵、啵~」
胡中行_96
・2023/04/06 ・2954字 ・閱讀時間約 6 分鐘

久旱不雨,植物悲鳴,[1, 2]類似教育部《臺灣閩南語常用詞辭典》所謂「因飢餓而吵鬧」的「哭枵」(khàu-iau)。[3]別問為何沒聽過,也不怪天地寡情,人類無義,從來漠不關心。植物叫那種超音波,傳至咱們耳裡就只剩寧靜。幸好靠著以色列科學家幫忙,轉換到常人的聽覺範圍,並分享於 2023 年 3 月底的《細胞》(Cell)期刊,才廣為周知。[1]

轉換到人類聽力範圍的番茄「叫聲」。音/參考資料 1,Audio S1(CC BY 4.0)

傾聽植物的聲音

面臨乾旱或草食動物的威脅,植物會做出多種反應,例如:改變外貌,或是以揮發性有機化合物影響鄰居等。[1]過去的文獻指出,缺水引發空蝕現象(cavitation),使植物負責輸送水份的木質部,因氣泡形成、擴張和破裂而震動。[1, 4]現在科學家想知道,這是否也會產生在特定距離內,能被其他物種聽見的聲音。[1]

受試的對象是番茄菸草,分別拆成乾旱、修剪和對照 3 組。對照組又有常態生長的一般對照、有土卻無植物的盆器,以及每株植物實驗前的自體對照 3 種。實驗大致有幾個階段:首先,在隔音箱裡,距離每個受試對象 10 公分處,各立 2 支麥克風收音。將聲音的紀錄分類後,拿去進行機器學習。接著移駕溫室,讓訓練好的模型,分辨雜音和不同情況下植物的聲音。再來,觀察乾旱程度與植物發聲的關係。最後,也測試其他的植物和狀態。[1]

麥克風對著乾旱、修剪和對照組的植物收音。圖/參考資料 1,Graphical Abstract局部(CC BY 4.0)

植物錄音與機器學習

隔音箱裡常態生長的植物,每小時平均發聲少於一次;而沒植物的盆器當然完全無聲。相對地,遭受乾旱或修剪壓力的實驗組植物,反應則十分劇烈:[1]

 平均值(單位)番茄菸草
乾旱發聲頻率(次/小時)35.4 ± 6.111.0 ± 1.4
 音量(聲壓分貝;dBSPL)61.6 ± 0.165.6 ± 0.4
 聲波頻率(千赫茲;kHz)49.6 ± 0.454.8 ± 1.1
修剪發聲頻率(次/小時)25.2 ± 3.215.2 ± 2.6
 音量(聲壓分貝;dBSPL)65.6 ± 0.263.3 ± 0.2
 聲波頻率(千赫茲;kHz)57.3 ± 0.757.8 ± 0.7

隔音箱中實驗組的錄音,被依照植物品種以及所受的待遇,歸納為 4 個組別,各組別再彼此配對比較,例如:乾旱的番茄對修剪的番茄等。以此資料訓練出來的機器學習模型,判別配對中各組別的準確率為 70%。第二階段在溫室中進行,自然較隔音箱嘈雜。科學家拿空蕩溫室的環境錄音,來教模型分辨並過濾雜訊。訓練後,令其區別乾旱與對照組番茄的聲音,結果 84% 正確。[1]既然能聽得出基本的差別,下一步就是了解水量對番茄發聲的影響。

體積含水量

為了操縱體積含水量(volumetric water content,縮寫VWC),即水份與泥土體積的比值或百分比,[1, 5]科學家狠下心,連續幾天都不給溫室裡的番茄植栽喝水。一邊觀察 VWC 的變化;一邊錄下它們的聲音。起先水份充足,番茄不太吵鬧;4、5 天下來,發聲的次數逐漸增加至高峰;然後應該是快渴死了,有氣無力,所以次數又開始減少。此外,番茄通常都在早上 8 點(圖表較像 7 點)到中午 12 點,以及下午 4 點至晚上 7 點,這兩個時段出聲。[1]科學家覺得這般作息,可能與規律的氣孔導度(stomatal conductance),也就是跟光合作用的換氣以及蒸散作用的水份蒸發,兩個透過氣孔進行的動作有關。[1, 6]

大部份的聲音都是在 VWC < 0.05 時出現;當 VWC > 0.1,水份還足夠,就幾乎無聲。科學家將比較的條件進一步分成 VWC < 0.01 與 VWC > 0.05、VWC < 0.05 跟 VWC > 0.05,以及 VWC < 0.01、VWC > 0.05 和淨空溫室的聲音。機器學習模型分辨起來,都有七、八成的準確率。[1]

縱軸為每日發聲次數;橫軸為缺乏灌溉的天數。圖/參考資料 1,Figure 3A(CC BY 4.0)
乾旱狀態下,番茄發聲的時段。縱軸為每小時發聲次數;橫軸為 24 小時制的時間。圖/參考資料 1,Figure 3B(CC BY 4.0)

植物發聲的原理

實驗觀察所得,都將植物發聲的機制,指向木質部導管中氣體的運動,也就是科學家先前預期的空蝕現象[1]下面為支持這項推論的理由:

  1. 木質部導管的口徑,與植物被錄到的聲波頻率相關:寬的低;而窄的高。[1]
  2. 乾旱與修剪所造成的聲音不同:在木質部導管中,前者氣泡形成緩慢,發聲時數較長;而後者則相當迅速,時數較短。[1]
  3. 聲音是由植物的莖,向四面八方傳播。[1]
  4. 空蝕現象造成的震動,跟記錄到的超音波,部份頻率重疊;而沒有重疊的,其實已經超出其他物種的聽力以及麥克風收音的範圍。[1]
葡萄、菸草和番茄木質部導管的水平橫截面。圖/參考資料 1,Figure S4B(CC BY 4.0)
葡萄(綠色)、菸草(灰色)和番茄(橙色)的差異:縱軸為聲波頻率;橫軸是木質部導管的平均口徑。圖/參考資料 1,Figure S4A(CC BY 4.0)

問誰未發聲

觀察完番茄和菸草之後,科學家不禁好奇,別的植物是否也會為自己的處境發聲?還是它們都默默受苦,無聲地承擔?研究團隊拿小麥玉米卡本內蘇維濃葡萄(Cabernet Sauvignon grapevine)、奇隆丸仙人掌(Mammillaria spinosissima)與寶蓋草(henbit)來測試,發現它們果然有聲音。不過,像杏仁樹之類的木本植物,還有木質化的葡萄藤就沒有了。另外,科學家又監聽感染菸草嵌紋病毒(tobacco mosaic virus)的番茄,並錄到它們的病中呻吟。[1]

你敢有聽著咱的歌

之前有研究指出,海邊月見草(Oenothera drummondii)暴露於蜜蜂的聲音時,會產出較甜的花蜜。[2]若將角色對調過來:植物在乾旱、修剪或感染等壓力下釋出的超音波,頻率約在 20 至 100 kHz 之間,理論上 3 到 5 公尺內的某些哺乳動物或昆蟲,例如:蝙蝠、老鼠和飛蛾,應該聽得到。[1, 2]以色列科學家認為幼蟲會寄住在番茄或菸草上的飛蛾,或許能辨識植物的聲波,並做出某些反應。同理,人類可以用機器學習模型,分辨農作物的聲音,再給予相應的照顧。如此不僅節省水源,精準培育,還能預防氣候變遷所導致的糧食危機。[1]

  

備註

本文最後兩個子標題,借用音樂劇《Les Misérables》歌曲〈Do You Hear the People Sing?〉的粵語和臺語版曲名。[7]

參考資料

  1. Khait I, Lewin-Epstein O, Sharon R. (2023) ‘Sounds emitted by plants under stress are airborne and informative’. Cell, 106(7): 1328-1336.
  2. Marris E. (30 MAR 2023) ‘Stressed plants ‘cry’ — and some animals can probably hear them’. Nature.
  3. 教育部「哭枵」臺灣閩南語常用詞辭典(Accessed on 01 APR 2023)
  4. McElrone A J, Choat B, Gambetta GA, et al. (2013) ‘Water Uptake and Transport in Vascular Plants’. Nature Education Knowledge, 4(5):6.
  5. Datta S, Taghvaeian S, Stivers J. (AUG 2018) ‘Understanding Soil Water Content and Thresholds for Irrigation Management’. OSU Extension of Oklahoma State University.
  6. Murray M, Soh WK, Yiotis C, et al. (2020) ‘Consistent Relationship between Field-Measured Stomatal Conductance and Theoretical Maximum Stomatal Conductance in C3 Woody Angiosperms in Four Major Biomes’. International Journal of Plant Sciences, 181, 1.
  7. FireRock Music.(16 JUN 2019)「【問誰未發聲】歌詞 Mix全民超長版 粵+國+台+英 口琴+小童+學生+市民 Do you hear the people sing?」YouTube.
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。