0

3
2

文字

分享

0
3
2

蚊子為什麼不會被雨滴打死?:《破解動物忍術》導讀——2021 台積電盃 青年尬科學/「科普書籍閱讀寫作競賽」優選導讀文

青年尬科學_96
・2021/12/26 ・2070字 ・閱讀時間約 4 分鐘

台積電盃青年尬科學」是臺灣大學科學教育發展中心於 2012 年主辦「青年尬科學」競賽,自 2013 年起獲得台積電文教基金會贊助。期望藉由競賽提升 15 至 18 歲、國三到高三青年的科普表達能力。

本文為 2021 台積電盃青年尬科學/「科普書籍閱讀寫作競賽」優選導讀文,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。

  • 撰文:葉至宸|國立羅東高中
利用磁懸浮技術飄起一隻活青蛙。此實驗獲 2000 年搞笑諾貝爾物理學獎。得主之一的俄羅斯裔荷蘭物理學家安德烈·海姆在十年後憑藉與石墨烯相關的研究獲得了 2010 年真正的諾貝爾物理學獎。圖/WIKIPEDIA

科學的原動力——好奇心

科學出於好奇,想必多數人都曾聽過這句話,最近在新聞上,看到搞笑諾貝爾獎的得獎者名單。裡面不乏是些看似荒謬、可笑的題目。從人與貓之間的語言交流,到用倒掛的方式運送犀牛。每個獎項都頒給了大眾可能嗤之以鼻、不以為然的主題。但正如搞笑諾貝爾獎的宗旨:「乍看之下令人發笑,之後發人深省」,一個看似可笑的題目,背後常令人深思。用倒掛的方式運送犀牛可能早就行之有年,但從沒有人想過該以何種方式才會使犀牛的身體承受最低的負荷。同理,在本書中也可看到許多類似的故事,像是已經獲得此項殊榮的「21 秒排尿原則」,或是「蚊子怎麼能在雨中飛」,都是些看似令人發笑,但深入了解後卻會有「原來是這樣啊」的感嘆。

尿尿的黃金秒數

在前面提到的 21 秒排尿原則一文,可以看到作者從發現問題到開始研究,到最後完成研究,其中的心路歷程。明明這不是甚麼難發現的現象,但作者不僅是紀錄下了觀察到的現象,而是透過動物解剖學的知識,再加上簡單的帕斯卡原理。最後發現因為尿道的長度生長異於其他身體器官的異速生長尺度,它的異速生長尺度是等速生長,而根據作者的猜測,21 秒的原因可能是在演化的過程中「夠好即可」,21 秒應該已經夠短而不使動物在排尿時承受過大的風險。而如果要更短的時間,則尿道要變更長,使動物生活不便,或是變得更寬,使寄生蟲容易進駐。

奶牛, 牛肉, 有必要的, 撒尿, 农业, 尾巴, 捕捉
21 秒的尿尿時間可能是剛剛好,所以大部分的動物並沒有演化成更長或更短的時間。圖/Pixabay

昆蟲身上的智慧

而在蚊子怎麼能在雨中飛一文,作者使用高速攝影機觀測實際生活中,蚊子被雨滴打到之後的行動,他們發現,這就像是用一隻手嘗試殺死一隻蚊子,不可能使其死亡,實際上只是在推動牠。而他們也發現了熊蜂與胡蜂在翅膀中的翅脈與「褶皺緩衝區」,藉由實驗測試後,他們推測了這塊區域的功能類似於避震器。而令人驚豔的,這塊區域可以承受高達 40 萬次的撞擊而不會使該個體無法移動,原因來自於它的材質──節肢彈性蛋白,因為這種材料的彈性,如果使用這種材質來取代人類的肌腱,我們所踏出的每一步將能多出 10% 的距離。

蟻群是流體還是固體?眾所皆知,螞蟻是一種社會性動物,在許多狀況下表現出來的都是群體而不是個體,像是渡過水面時,牠們會形成蟻筏,一隻隻的螞蟻連結在一起,這時若有外力衝擊,使蟻筏斷裂,牠們可以以最快的速度重新連結,在人類世界,這就稱為自我修復。而若可以模擬螞蟻的這種行為,那就可以達成許多現在科技還無法做到的事,本文提及的是利用演算法模擬蟻群行為,並操縱模組機器人,使其能在許多環境下發揮功用。

近年來仿生學的應用越來越廣,從上山到下海,從救災到提升人類生活品質,從前幾篇文章中不難發現,仿生學的進步往往出自於人類的好奇心,不管是古怪的抑或是令人發笑的,在經過縝密的科學觀察以及實驗之下,常會有意想不到的功效,也許原本蟻群的群體智慧會被拿去救災,也許在昆蟲身上的節肢彈性蛋白將來會取代我們身體的一部分。而這本書就提供了許多這類的想法,而在本書之中不僅有許多有趣的小故事,也有科學家們在仿生的過程中,遇到了哪些困難與如何解決,如果對仿生學有興趣的話,這本書將會是一個良好的媒介。

蚂蚁, 宏, 昆虫, 自然, 植物, 花园, 天线, 工人, 花瓣
昆蟲是古老而成功的類群,也許有許多地方值得人類學習。圖/Pixabay

作品評語

文章中規中矩,能從簡介書籍內容,論述科學研究的價值與潛在貢獻。


這張圖片的 alt 屬性值為空,它的檔案名稱為 MZaGyiYHI66LMDTd2HkKrQhVXhf5P9fCEXczOjqguTWYaeiNDcNI5VlMUvNlM2Qs8sImgdqGEhWxCwzIhrwFxJzAYsQSKelkuvAfYW0v49HoCSDFM5EGNhkOk5ohAeBhUCuYtAZI

  • 書名:破解動物忍術:如何水上行走與飛簷走壁?動物運動與未來的機器人
  • 作者:胡立德(David L. Hu)
  • 譯者:羅亞琪
  • 出版社:三民書局
  • 出版年:2020

數感宇宙探索課程,現正募資中!

文章難易度
青年尬科學_96
9 篇文章 ・ 2 位粉絲
「台積電盃青年尬科學」是為提升高中生科學素養與表達能力的全國性競賽,自2013年起獲得台積電文教基金會贊助。 「科普書籍閱讀寫作競賽」:閱讀科普好書並撰寫導讀文。 「科學創意表達競賽」:撰寫科學影片報告並重新演示影片中的知識。


2

4
1

文字

分享

2
4
1

我們的失眠和喜鵲的失眠有什麼地方不一樣?

胡中行_96
・2022/05/12 ・2031字 ・閱讀時間約 4 分鐘

輾轉反側,徹夜難眠的時候,您幾點起床?就算醒了,工作效率是否異常低落?
在此,請您非但別只想到自己,還要拿出一點同理心:因為被剝奪睡眠的澳洲喜鵲,也深受困擾。

徹夜難眠很可能會影響工作效率。圖/Pixabay

捉野生喜鵲來做失眠相關的實驗

2022 年 4 月的《科學報告》期刊,有一篇標題冗長的論文,叫做〈失眠削弱澳洲喜鵲的認知表現並改變其歌曲產出〉[1]。其第一作者澳洲 La Trobe 大學博士候選人 Robin Johnsson,認為歌唱的時辰與類型,對於喜鵲的社交生活相當重要,並以此做為研究主題[2]。且不論在 COVID-19 疫情之前,有些人就已經沒什麼社交生活,更不要談呼朋引伴一起歡唱 KTV,人家喜鵲可是隨時都過得多采多姿。

喜鵲齊聲合唱。影/Youtube

於是,牠們就被科學家抓去做實驗了。

首先,研究團隊架設陷阱,用起士誘捕野生喜鵲。為牠們戴上標有序號的腳環之後,再關進裝有監視器的房間裡。接著,為了測量腦電波圖(electroencephalogram, EEG)與肌肉電位圖(electromyogram, EMG),科學家把無辜的喜鵲抓來開刀。於其腦部表面和頸部肌肉,植入電極貼片(electrodes),方便之後記錄睡眠狀態[1]

然後,喜鵲們就去接受特訓。

反覆訓練後篩選符合資格的喜鵲來做失眠實驗

研究團隊準備了一種木製食器,左右各挖一個淺槽。其中一個槽裡,盛裝少量起士和麵包蟲。第一次食物直接攤在眼前,不加以掩飾;第二次猶抱琵琶半遮面;第三次開始蓋子完全擋住凹槽,令喜鵲啥也看不見。在訓練的初期,全部的食器都採用灰色蓋子。直到最後的「聯想學習」(associative learning),蓋子被換成黑色或白色。喜鵲掀開特定顏色的蓋子,發現下面藏有食物。這樣重複 15 次,讓牠們不把「食」、「色」的關係兜在一起也難[1]

認知測試的教具,澳洲喜鵲執行聯想或逆向學習任務。圖/參考資料 1

結訓後,研究團隊把食器裡的獎勵換成「不會動的麵包蟲冷盤」(chilled, unmoving mealworms),為喜鵲舉辦驗收成果的模擬考。除了執行「聯想學習」的覓食活動,科學家也期望牠們展現「反轉學習」(reversal learning)的能力。將蓋子的顏色調換,要喜鵲嘗試選出有食物的凹槽。這個階段有一些評分要點[1],例如:

  1. 喜鵲做出第一次選擇時,是否有延遲的行為。緩慢的反應,代表注意力不集中,或動機下降。
  2. 喜鵲得經過幾回,才能達到連續 12 次嘗試中,有 10 次正確的及格分數。
  3. 喜鵲選擇正確瓶蓋的比率。

凡是順利通過模擬考的喜鵲們,便能晉升至下一關。

在實驗的主要階段,喜鵲們被劃為三組,分別體驗下列三種睡眠模式之一:無干擾睡眠、6 小時睡眠剝奪,以及 12 小時睡眠剝奪。研究人員防止喜鵲睡著的花招,包括:迫近或拍打鳥舍、發出噪音,或是輕撫充滿睡意的喜鵲[1]。如同可憐的臺灣中學生,明明前晚都沒睡飽,隔天還得參加考試。研究人員存心要看失眠的喜鵲,怎麼失常。

人類跟喜鵲一樣會被睡眠影響行為

正式測驗的結果不出所料,沒睡飽的喜鵲容易犯錯,而且要花較長的時間,才能選出正確答案。有些喜鵲甚至失去參與測驗的動機,傾向找機會補眠。其實以前的研究便顯示,失眠也會降低人類的認知表現。諸如參與動機、清醒程度(alertness)、注意力、警戒等級(vigilance)等,都會受到負面影響[1]

除了喜鵲考試的成績,科學家也記錄了牠們社交行為的變化。失眠的喜鵲寧可睡覺,也不要唱歌。最後就算唱了,單曲的長度卻意外地延展。原本的晨曲改在中午演出,頻寬變得狹窄,內容相較貧乏,顫音也明顯減少。這與人類的口語溝通,大同小異。當一個人睡眠不足,說話的速度會緩慢下來,咬字不如平常清晰,語句重覆的機率提高,甚至可能妨礙聽眾理解講者所要傳達的訊息[1]

澳洲喜鵲有複雜的家族。牠們用歌聲來劃定疆域,分辨敵友,並建立「鳥」際關係。失眠不僅會害喜鵲把歌唱得七零八落,也會進一步危及其社交生活。既然以往的人類睡眠實驗結果,與喜鵲有那麼多的相似處,下次在抱怨疫情害自己沒朋友之前,我們是不是應該先睡飽,再來思考怎麼社交呢?

睡飽再來社交比較不會被睏意影響思考。圖/Pexels

備註:此實驗結束後,參與受試的澳洲喜鵲,均在 2019 年 7 月被野放。

參考資料:

  1. Sleep loss impairs cognitive performance and alters song output in Australian magpies (Scientific Reports, 2022)
  2. Researchers find what magpies lose from hitting snooze (Brisbane Times, 2022)


數感宇宙探索課程,現正募資中!

所有討論 2
胡中行_96
29 篇文章 ・ 26 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)。臉書:荒誕遊牧。