0

1
0

文字

分享

0
1
0

有功夫,沒懦夫。來練經濟又環保的武林絕學「獅吼功」。|2021 數感盃|高中專題|銅獎

數感實驗室_96
・2021/12/25 ・5327字 ・閱讀時間約 11 分鐘

  • 作者:王佳欣、何忻曄/北一女中

數感盃青少年寫作競賽」提供國中、高中職學生在培養數學素養後,一個絕佳的發揮舞台。本競賽鼓勵學生跨領域學習,運用數學知識,培養及展現邏輯思考與文字撰寫的能力,盼提升臺灣青少年科普寫作的風氣以及對數學的興趣。
本文為 2021 數感盃青少年寫作競賽/高中組專題報導類佳作之作品,為盡量完整呈現學生之作品樣貌,本文除首圖及標點符號、錯字之外並未進行其他大幅度編修。

壹、探究動機 

獅吼功,起源於佛家用語「師(獅)子吼」,形容佛講法如獅子威服眾獸一般,能調伏一切眾生。

《阿彌托經義疏》:「獅子一吼,百獸皆死,喻佛說法,魔外消亡」。後少林七十二絕學中有獅子吼:「發功呼嘯,讓敵肝膽劇烈,心驚膽戰,毛骨悚然,往往一聲長嘯即使對手不戰而敗。」武俠小說《倚天屠龍記》也寫謝遜的獅吼功:「謝遜張開大口,似乎縱聲長嘯,只見天鷹教、巨鯨幫、海沙派、神拳門各人一個個張口結舌,臉現錯愕之色;跟著臉色變成痛苦難當,宛似全身在遭受苦刑;又過片刻,一個個先後倒地,不住扭曲滾動。」

而在電影《功夫》中的描寫更是神奇,包租婆大吼一聲,把人震飛,搭配大鐘造成聲波反射集中,連房子都被震垮,談笑間,檣櫓灰飛煙滅,火雲邪神也莫之能禦。

如此淵源於華夏深厚之武林絕學, 不費一兵一卒、一槍一彈,便可制敵於機先、克敵於無形,沒有槍彈的血光四濺,又沒有核彈的遺禍萬代,攜帶方便、經濟又環保,既可健身又可防身,若是可以用所保存進而推廣, 豈不妙哉,因此我們接此天降大任,探討《功夫》一片獅吼功的合理性。 

貳、探討過程 

一、包租婆的威力 

《功夫》一片中有一段經典的史詩戰役,發生在滿清時代,一處面積僅為 0.026 平方公里的小圍城──豬籠寨村。主角是豬籠城寨的武則天──包租婆,對手是殺遍天下無敵手,苦尋寰宇無對手的火雲邪神。

邪神身高並不高,加上他那一頭秀髮(還是僅有的一綹,約 200 根) 讓他的身高激增了 5 奈米(因單位太小故可忽略不計)到了大約 170cm,以及因為中年飲食不節、菸酒不忌加上缺乏運動,被居家隔離十四年後激增到了 70kg 的體重。

他們在城寨前一方光滑的場地上打鬥,假設他被獅吼功震飛以加速度 15m/s2 向後彈開,且他穿的不知名國產藍白拖因為多年磨損,摩擦力小到可以忽略,依照牛頓第二運動定律:F = m × a,獅吼功必須施加在火雲邪神身上的力為:

F = 70(kg) ✕ 15(m/s2),F = 1050(N) 

假設包租婆和火雲邪神站很近,只有一部天竺鼠車車的距離:50cm,所以先忽略聲音的衰減,還有聲線甜美與否的問題。因此包租婆聲音所造成的力火雲邪神全部都接收:F火 = F,而且如果包租婆除了與頭髮共生的髮卷還有煙不離口的強健肺葉之外,生理構造和正常人相同,那聲門(兩瓣聲帶之間開口)的截面積大約是 1cm= 10−4m2

依照壓力公式: \( P=\frac{F}{A} \) ⇒ F = P × A,包租婆發出聲音對聲門產生的壓力為:

 F火 = P ✕ A

⇒ 1050(N) = P ✕ 10-4(m2)

P = 1.05 ✕ 107(N/m2)

平地氣壓大約是 1atm,已知 1atm = 1.013 × 10N/m2= 10.33m 水深,所以包租婆對聲門造成的壓力為: 

1.05 ✕ 107(N/m2) = 103.6atm ≒ 1070m水深

這代表包租婆可以在水深 1070 公尺這樣大氣壓的環境下吐氣。

目前,人類自由潛水的深度只到大約 120 公尺深,有裝備的潛水也只到大約 332.35 公尺深,能到達這個深度的生物,除了俗稱 Osedax 的骨蠕蟲之外,就只有巨型魷魚。基於本文是一篇嚴謹嚴肅的學術論文,所以暫且不討論包租婆與他們是親戚的可能。可見常人,是絕對練不成包租婆的獅吼功的。

二、一般人的威力 

接著來算常人在理論上呼氣可以達到的最大氣壓。

根據波以耳提出定溫定壓下,氣體體積與壓力的關係:PV =定值。所以 PV吸 = PV。要求 V,我們先依照 TLC(肺總容積)公式:TLC = IC(吸氣量) + FRC(功能儲備量),計算一般人的 TLC(V):

IC = TV(潮氣量)+ IRV(吸氣儲備容積)

⇒ 正常呼吸下,吸進呼出的氣體容積 500mL + 正常呼吸後,全力吸進的氣體容積 3000mL

⇒ IC = 3500mL

FRC = ERV(呼氣儲備容積)+ RV(殘氣量)

⇒ 正常呼吸後,全力吐出的氣體容積 1100mL + 不能再呼氣後,肺留存的氣體容積 1100mL

⇒ FRC = 2200mL

TLC = 3500(mL) + 2200(mL) =TLC (V) = 5700mL

因為吸氣時的肺部壓力大約是 1atm ,所以 PV吸 = 1(atm) × 5700(mL) = 5700,而 V 相當於 RV(殘氣量) = 1100mL,因此 PV吸 = PV ⇒ 5700 = P ✕ 1100(mL) ⇒ P = \( 5.\overline{18}atm \)

正常人在呼吸的最大極限下,肺理論上能含最多 \( 5.\overline{18}atm \) ,而包租婆卻需要 103.6atm 來將火雲邪神震飛,足足差了 20 倍。可見普通人,就別再妄想練成包租婆的獅吼功了,練外單丹功好了。 

三、包租公還好嗎? 

 就在包租婆使出獅吼功將火雲邪神震飛時,包租公就站在稍微有點距離的地方,大約 20 部天竺鼠車車排在一起的距離(至於為什麼排在一起不重要)。難道每天跟包租婆相處的包租公,在打鬥時不會受到友軍傷害嗎? 

雖然包租婆所發出的聲音大小不變,但距離增加會造成聲音衰減。音源通常有大小,但充分遠離時,音源可視為一點,和音源的距離每增加 1 倍時,聲音衰減 6dB。

如下圖所示:

紅點是音源(包租婆所在位置),r1 是火雲邪神和包租婆的距離,如上述,只有 0.5m, 所以我們忽略衰減,包租婆的獅吼聲在火雲邪神耳朵裡是多少分貝呢?

1atm = 1.013 × 105Pa, 可得 103.6atm ≒ 1.05 × 107Pa,接著依照聲壓級(SPL)公式:

\( SPL=10log(\frac{p}{p_{0}})^{2}dB \) ,(P0在大氣中常取 2 × 10−5,大約是 3 米外一隻蚊子飛行的聲音),可得火雲邪神聽到的聲音大小是: 

 \( SPL=10log\left ( \frac{1.05\times 10^{7}}{2\times 10^{-5}} \right )^{2}dB \)

SPL = 10log(2.75 ✕1023)dB

⇒ SPL = 234.4db

而 r2 是包租公和包租婆的距離,上面說大約是 20 隻天竺鼠車車的距離:10m,依照聲音衰減公式:Lp= Lp− 20 × log(r2/r1)可求得包租公所聽到的聲音是:

 Lp = 234.4db – 20log(10/0.5)

Lp = 234.4db – 20 ✕ log20

Lp = 208.4db

所以我們可以得知包租公是受到 208.4dB 的聲音攻擊。那 208.4dB 的聲音對包租公除了小鹿亂撞之外還會造成甚麼影響呢?

我們先依聲壓公式: \( SPL=10log(\frac{p}{p_{0}})^{2}dB \) ,把分貝換成聲壓:

208.4dB = 10log( P/ 2 ✕ 10-5 )2

P = 5.14 ✕ 105Pa

可得知獅吼功對包租公來說,包租婆的聲音產生 5.14 × 105Pa(= 5.14 × 10N/m2),依照上文論述,聲門表面積 (A)=10−4(m2),所以施在包租公身上的力為:

F = P婆 × A = 5.14 × 105(N/m2) × 10−4(m2) = 51.4(N) 

包租公體重 65kg,依照牛頓第二運動定律:F = ma,可得知包租公的加速度為: 

F = m × a ⇒ 51.4 = 65 × a ⇒ a = 0.79 m/s2

由此可知,包租公不會像電影中描述的一樣被震飛,假如他們在光滑的地面上打鬥,那他只會以 0.79 m/s2 的加速度向後退。

但值得注意的是,208.4dB 的聲音絕對會讓耳膜破裂,瞬間造成失聰。希望包租公每天和包租婆相處在一起,能夠知道包租婆甚麼時候要使出獅吼功並做好耳朵的防護,如此一來,包租婆就可以震退火雲邪神卻不傷及包租公。

話說回來,只要受過一次傷害,應該也就永久免疫了。 

四、是甚麼限制了獅吼功? 

不過就算包租婆的生理構造奇特,能達成上述不可能達成的吼叫聲,也不可能練成獅吼功。因為包租婆所發出的 234.4dB,已經超過地球大氣中最大能傳播的 194dB。

目前在空氣中測得最大的聲音是 1883 年 8 月 27 日,印尼克拉克托火山爆發,在 160 公里外測得 172dB。 雖然科學家曾製造出 270dB 的聲音,但是是在水下,且已經達到水中傳播極限。(你不要跟我說卡通海賊王裡的魚人泰格可以,也不要跟我說什麼賣碳的可以水之呼吸,就跟你說了我們是嚴肅嚴謹學術論文)

可見包租婆的獅吼功是不可能存在的。另外一個原因是,根據牛頓第三運動定律:作用力與反作用力,包租婆自己,也會受到極大的衝擊而和火邪神一起被震飛;且包租婆比火雲邪神輕,只有 61kg,因此自己會被震飛得更遠,每發功一次還得搭捷運回來準備下一回合也太累了,如此便喪失了攻擊敵人的效果了。

五、真實版獅吼功  

既然要達到像功夫中把人震飛的效果是不可能的,那如果獅吼功只是要讓人感到不舒服(姑且不論發功人的長相以及音質的話),造成暫時性的失聰、聽損,正常人是不是也有可能做到呢?

所以接下來我們來探討什麼樣的聲音會使人不舒服,甚至是失去聽力。(你不要跟我談你的媽媽還有國文老師,我再重申一次,我們是嚴肅嚴謹學術論文。)

上圖是人耳聽覺範圍,縱軸是聲壓級(分貝),橫軸是頻率 (千赫茲)。下方曲線叫做聽閾, 是人可以感覺到的最小聲音,上 方曲線叫痛閾,在痛閾以上是人無法忍受的聲音。

大約在 140dB 左右的聲音,就會造成耳膜破裂永久失聰。但在痛閾以下還有一 段會讓人感到不舒服的範圍,大約是 80dB 到痛閾。聽閾和痛閾之間被稱為聽覺面積,每個人都不一樣,也會隨著年齡不同而改變,一般來說年齡越大聽覺面積越小。 

由圖可以發現,當頻率極端的低或高時,聽閾都比較高,表示人對極低極高的聲音比較不敏感;但是痛閾都較低,達到較低的分貝就能使人感到不舒服。在聲音頻率高的時候尤其明顯。  

人類可以達到最大的頻率範圍大約是 85~1100Hz,而男女各有不同。依照上方的圖,在 85Hz 時,痛閾大約是 132dB;在 1100Hz 時,痛閾大約是 140dB。那正常的人類可以發出這 麼大的聲音嗎?

目前人類尖叫所達到的最大音量是 129dB,但理論上,依照前面證明,肺構造可製造的聲壓為 \( 5.\overline{18}atm \) 又 1atm = 1.013 × 105 Pa,可得 \( 5.\overline{18}atm \) ≒ 5.25 ✕ 105Pa,再依照聲壓級(SPL)公式: \( SPL=10log(\frac{p}{p_{0}})^{2}dB \) ,人理論上可達到得最高分貝是:

\( SPL=10log(\frac{5.25\times 10^{5}}{2\times 10^{-5}})^{2}dB \)

⇒ SPL = 10log(2.625 ✕1020)dB

⇒ SPL = 204.2dB

但人類當然沒辦法達到 204.2dB,原因有下: 

  1. 肺活量不夠:雖然理論上 TLC = 5700mL,但每個人的 IC(吸氣量)FRC(功能儲備量)不同,造成 TLC 不同,所以吸、吐氣的容積和理論上不同。 
  2. 人發聲有三要素:激發體、振動器、共鳴器。激發體是肺,振動器是聲帶,共鳴器是口腔咽喉鼻腔鼻竇等。順帶一提,發聲不是真的聲帶在震動,而是氣流推動聲帶急速的開合, 然後產生週期性的高低氣壓,所以就算真的達到了理論上的 TLC:5700mL,不會全部的氣流都讓聲帶開合。
    聲帶的表層(Reinke’s space)和黏液的黏稠度以及傳遞聲波的順暢度也會影響到發聲。
    再來是共鳴的問題,每個人的共鳴器大小不同,會造成聲音大小不同。

還有和包租婆一樣會遇到的問題: 

  1. 發聲的人會承受不了聲音而耳膜破裂甚至被反作用力震飛。 
  2. 就算克服了上述問題, 在空氣中能傳播的最大聲音是 194dB。 

參、結論 

要達到像電影中包租婆獅吼功的效果在現實生活中是不可能的,但若只要造成聽損的話, 可以嘗試達到 140dB 的聲音。火雲邪神說過:「天下武功,唯快不破。」140dB 可以瞬間造成耳膜破裂而永久聽損,但這也是幾乎不可能做到的事。

不過還有另一個方法:若是相當靠近敵人,我們建議只要突然地大吼將近 120dB,接近飛機起飛的聲音,就可以造成敵人感覺耳朵痛或耳鳴,爭取到一些時間足夠逃跑啦!

(什麼 ! 閃電五連鞭呢?最後說一次,我們是嚴肅、 嚴謹的學、術、論、文!) 

資料來源 

文章難易度
數感實驗室_96
60 篇文章 ・ 35 位粉絲
數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

0

1
0

文字

分享

0
1
0
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
文章難易度
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
172 篇文章 ・ 276 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

5
1

文字

分享

0
5
1
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
119 篇文章 ・ 41 位粉絲
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。

0

1
1

文字

分享

0
1
1
比起文字,人類更傾向透過聲音來理解並記憶語言——《大腦這樣「聽」》
天下文化_96
・2023/02/12 ・1436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!!

我們正在逐步瞭解語言學習策略如何改善腦中的聲音處理過程。

語言學習策略與大腦處理聲音的過程息息相關。圖/Envato Elements

以聲音來強化語言能力

如果,我們能在孩子蹣跚學步時,就藉由瞭解他們的聽覺神經系統來預測他們七歲時的閱讀能力,那麼我們就能預先採取行動,避免負面結果發生。

海德公園日校所使用的輔助性聽覺裝置是其中一種方法,普羅維登斯採用的穿戴式計字科技產品是另一種,默澤尼克和塔拉爾開發的聽覺訓練遊戲,以及貝納西奇研發的寶寶玩具則是提供了額外的有效途徑。

對聲音和語言之間的關係有更多瞭解之後,我們就能找出更好的方法幫助孩子發展語言能力,幫助我們可以聽得更好的科技正在蓬勃發展。

了解更多聲音和語言之間的關係,就能找出幫助孩子發展語言能力更好的方法。圖/Envato Elements

我希望看見它們成為主流,而非僅限於像海德公園日校這樣的少數地方。我有位學生是語言障礙人士,我在教學時會戴上有如項鍊的麥克風,而她所戴的輔助性聽覺裝置可以接收來自麥克風的訊號。

某天下課後,我跟她交換裝置,結果令我印象深刻:她站在演講廳的另一頭說話時,我可以清楚聽見她的聲音。我能想像,在嘈雜的環境中每個人都能因這項科技而受惠,如果可以發展出更強的語言能力對每個人都有幫助。

聽覺、閱讀、有聲書

身為一個對聲音有著各種琢磨的人,我想知道體驗聲音的新方式會對我們的聽覺神經系統產生什麼影響。我之前曾提過,我結束一天的方式大部分是由我先生唸書給我聽;但我沒有提到的是,我也會聽有聲書。這對我的聲音意識會有什麼影響?我的閱讀、說話和思考方式會有什麼變化?就理解和記憶的層面而言,聽文本和讀文本的效果似乎相差不遠。

有時候,用聽的效果可能更好。

我就發現莎士比亞筆下那些古文,比起閱讀,用聽的更能讓我理解;演員在聲音中加入諷刺、幽默或其他線索,可以幫助我們對所聽到的內容有更全面的理解。

莎士比亞浪漫喜劇〈仲夏夜之夢〉(A Midsummer Night’s Dream)。圖/GIPHY

大聲朗讀也可以提升你對所讀內容的記憶程度,我認為人類的天性更傾向於透過聲音來理解並記憶語言,而不是透過文本;因為在我們開始讀跟寫之前,聽覺是幾百萬年就演化出來的能力。

有聲書擴大了我們可以閱讀的環境,聽有聲書時我會戴上耳塞式耳機,一方面聆聽內容,一方面同時隔絕了我在烹飪(滋滋作響的洋蔥)、健身或搭火車時的背景噪音。

我期待進一步探究聽文本和讀文本的生物學基礎,以及個體之間的差異;我想要知道聆聽有聲書會對聲音意識的演化產生何種影響。

——本文摘自《大腦這樣「聽」:大腦如何處理聲音,並影響你對世界的認識》,2022 年 12 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

天下文化_96
129 篇文章 ・ 611 位粉絲
天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。