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五個新種、兩個世代,深海擬棘茄魚屬分類學研究的百年追尋

Hans Ho_96
・2022/02/08 ・4890字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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編按:本文為台灣魚類學家何宣慶自述近期發表的擬棘茄魚屬Halieutopsis)分類研究背後的故事。

這是一個跨越兩個世代研究一個魚類類群的故事,事情開始於 17 年前的一個新種以及我的一趟美國之旅。

研究船帶回來的新種

在 2005 年一月,台灣的深海調查仍如火如荼在進行中,當時我剛剛結束兵役,回到中研院的實驗室。助理帶回來一些棘茄魚的樣本,希望我可以鑑定種類。第一隻樣本是一隻灰灰的,全身長滿小刺的小魚,全長只有四公分左右,大概可以知道是擬棘茄魚屬(Halieutopsis),但是翻遍文獻完全無法得知是什麼種。

何宣慶於2005年在阿拉斯加參與NOAA的漁業調查

為了進一步破解這個問題,我們寫信問了當時已經自丹佛大學退休的 Dr. Margaret G. Bradbury,她從 1960 年代開始研究這個類群,發表過不少重要的相關著作。她告訴我們,她想起了在夏威夷的主教博物館(Bishop Museum)也有看過類似的樣本,建議我們可以借回來進行比對看看。很快地我們就確認這個物種是新種,並以 Dr. Bradbury 的名字命名為瑪格莉特擬棘茄魚(Halieutopsis margaretae Ho & Shao, 2007)。

擬棘茄魚屬是一種小型的鮟鱇魚,它們的身體相當扁平,體盤接近圓盤狀或略為心形,具有一細細的尾部,看起來有點像是很小的魟魚。它們隸屬於鮟鱇魚目下棘茄魚科的成員,所有種類都是深海魚,最深的紀錄達四千公尺以下,除了是棘茄魚最深的紀錄外,也是鮟鱇魚中最罕見的一群。一般研究調查鮮少有機會採集到樣本,而少部分物種即使樣本數較多的樣本,也都來自於是研究船在人煙罕至的地方所採集而來的,平時的漁港很難找到,如台灣的樣本多數也是來自靠研究船的調查而來。

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2005 年拜訪 M. G. Bradbury 所拍攝的照片,前方為大量的照片與底片。
瑪格莉特擬棘茄魚(Halieutopsis margaretae

跟上一個世代的棘茄魚分類權威交流

2005 年 5 月,我獨自前往美國幾個研究單位進行研究,並在美國的魚類與爬蟲類學會年會上報告了新種的擬棘茄魚。因為還尚未確定博士班題目,所以還算是在摸索的階段。在加州科學院停留的時候,聽聞 Dr. Bradbury 就住在南部靠近 Monterey Bay 的 Pacific Groove,於是我就跟她約定時間,並央請一位博士生載我去拜訪。這次的拜訪,我們稍微交換了一下研究的經歷,多數是我聽她說,我提出一些問題,她也很認真回答。拜訪中,她很快拿出一疊又一疊的底片、黑白照片還有許多寫了密密麻麻的筆記跟不少的文獻,並說這些都給我:「Good luck! Young man !」隨後我們一起簡單用過午餐後就道別。

接下這些資料之後,當下除了感動也覺得有些責任跟義務,需要好好地做研究。這也就促使我選定「棘茄魚的分類及系統演化研究」當成博士研究的主題。隔一年,我又再次回到加州科學院,也再次拜訪 Dr. Bradbury,將我一年的收穫跟她說明,她顯得非常開心,一直都笑著聽我說,中途也會很直接地告訴我她的想法。

印象很深刻的是,其中有一隻樣本與我的鑑定不同,我問她為什麼會把這個魚鑑定成這個物種?她只是笑笑告訴我:「其實我也不太確定,但是因為他們需要放一個名字,所以我就給他們一個名字……。」當下其實覺得她很豁達,這也讓我比較放心,把那個樣本正確的學名寫上去。當然除此之外,她還有給我更多她做棘茄魚分類的邏輯跟緣由,這讓我可以追溯她過去所做的研究以及思考如何做判斷。

Dr. Bradbury 先前的研究

時序回到 1988 年,Dr. Bradbury 已經發表了全球的擬棘茄魚分類研究,並描述四個新種,在依靠郵件通信跟船運的年代,要獲得這些樣本並進行研究已經是相當不易,尤其是有些樣本甚至於來自丹麥哥本哈根、俄國莫斯科等地的館藏。往後的數十年間,Dr. Bradbury 並沒有停止對於這個類群的研究,而是親自前往俄國、印度、歐洲各個不同的館所檢視樣本、收集資料,還有用她高超的攝影技巧拍攝許多精美的標本照。這一批珍貴的資料,也都在她先前所贈與我的資料中。

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有了這樣的基礎後,我除了在不同的國家跟博物館間穿梭,檢視樣本外,也按圖索驥,回到過去 Dr. Bradbury 去過的地方,實際檢視樣本,逐一確認。包含當時令她覺得困惑的近似種。

站在巨人的肩膀上,跨越兩個世代的研究結果

分類研究包含了一連串不斷的考證,可能也是某種形式的考古或文獻探討。上一世代留下未解的謎題與資料,讓後面的人可以繼續進行、進一步釐清相關的疑惑。有幸可以在承襲 Dr. Bradbury 的研究下,讓我可以站在巨人的肩膀上看世界。

因為擬棘茄魚屬跟腔蝠魚屬(Coelophrys)及雙鰓魚屬(Dibranchus)相當接近,所以中間有不少的混亂或誤鑑的狀況。所幸在有博物館跟研究計畫持續地支持下,讓我得以持續進行研究。歷經將近十七年的時光,也才終於把所有的資料都準備完備,並且撰寫成論文發表。這大概也有賴於疫情期間,無法出國去做研究,所以就坐下來好好整理資料,並且投稿發表。

解謎擬棘茄魚屬:前人留下的謎題以及物種釐清

有幸於在 2021 年發表的這個文章,主要釐清了過去所發表的所有學名的有效性以及討論同種異名。擬棘茄魚屬過去還存留有不少有疑問的物種,這也困擾著幾個世代的人們。

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首先是由英國著名的自然科學家 A. W. Alcock 在 1891 年所發表的 Dibranchus nasutus。Alcock 最著名的是在印度的 Zoological Survey 工作時所發表的許多魚類巨作,其中包含許多精美的繪圖。不過,等到 Dr. Bradbury 在 90 年代見到 D. nasutus 的正模標本時候,只有在瓶中看到魚體的碎片,而且還包含兩個個體。我個人在 2015 年造訪時也再次印證這件事。而且,當時Alcock並未出版這一個物種的繪圖。因此,在 Alock 發表後的往後幾十年間,沒有人能確定 D. nasutus 這個物種的歸屬。

從標本碎片中,Dr. Bradbury 已經約略可以看出這個種很接近擬棘茄魚,但不確定是哪個物種。而我在檢視全球的樣本之後,發現原來 Alcock 曾經寄送一尾由他親自鑑定的標本到大英自然史博物館,這個發現讓我可以很快確認,它跟後來在菲律賓所發表的蟲紋擬棘茄魚Halieutopsis vermicularis)是同一個物種。因此在這次的發表中,重新將 D. nasutus 歸入擬棘茄魚屬成為大吻擬棘茄魚Halieutopsis nusuta),並將蟲紋擬棘茄魚歸入其次同物異名(junior synonym)。

蟲紋擬棘茄魚的正模標本, 同時也是大吻擬棘茄魚的次同物異名。

第二個有問題的物種,則是同樣印度進行研究的英國學者 R. E. Lloyd 在 1909 年利用緬甸外海採集的樣本所發表的 Dibranchus nudiventer,這個物種的特徵是蠻明顯的,只是模式標本已經遺失,無從考究。所以先前 Dr. Bradbury 在幾個文獻中一開始以疑似蟲紋擬棘茄魚(Halieutopsis cf. vermicularis)稱之,後以棘茄魚科中的未定種(Incertae sedis)稱之。這也間接導致日本學者(Shimazaki et al. 2004)錯誤地將日本的樣本誤認為是真正的蟲紋擬棘茄魚。

事實是從原始的描述跟其他文獻中,可以知道蟲紋擬棘茄魚的尾部棘為雙叉,D. nudiventer 的尾棘為單一不分叉。我也發現,在 Dr. Bradbury 許多的標本照中,有一張在莫斯科大學拍的,她已經觀察到,有另一個長得很像是她所發表的 Halieutopsis bathyoreos 的物種,所以將兩者放在一起做比較並拍照,而這一個物種正是真正的 D. nudiventer。經過檢視許多印度洋的樣本,並且多方以各種文獻做比較,可以確認這是擬棘茄魚屬中的一個有效種,因此更名為裸腹擬棘茄魚(Halieutopsis nudiventer

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裸腹擬棘茄魚(Halieutopsis nudiventer)。

第三個有問題的物種是 Coelophrys oblonga,這個物種的模式標本產自菲律賓,唯一個正模標本曾經乾掉過,所以現在已經是嚴重縮水的狀態,除了一些身體表面的棘還可以清楚辨識以外,很多特徵都無法確認。Dr. Bradbury 認為這可能是雙鰓魚屬的一種,但不確定是哪一個物種。首先因為腔蝠魚屬的腹鰭很小,而這個物種有正常大小的腹鰭,所以應不屬於這個屬。一開始我們在水試所的樣本中發現一尾採自南中國海的樣本,這一個樣本吻部有相當特殊的棘刺,我們一度認為是新種。不過在比對過橢圓腔蝠魚的模式標本後,確認兩者應該是一樣的,因此我們將這個物種歸入擬棘茄魚屬中,成為橢圓擬棘茄魚Halieutopsis oblonga)。

橢圓擬棘茄魚的樣本,採自南中國海。

為什麼有這麼多有問題的物種

其實先前擬棘茄魚屬這個類群中被誤鑑機率最高的就是大吻擬棘茄魚,不過可能主要是因為這是最早被描述的物種。

舉例來說,Brauer(1906)年曾經提到這個種,但是我們實際檢視其描述內容才發現,其實是後來 1988 年發表的 Halieutopsis bathyoreos 的誤鑑。而 Norman(1939)在報導 John Murray Expedition 的採集結果時,也將一尾採自紅海的樣本鑑定為大吻擬棘茄魚,我實際檢視這尾保存在大英自然史博物館的標本時,發現它的各種棘刺樣式跟形態都跟大吻擬棘茄魚不同,也跟其他同屬成員不同。於是在歷經近一個世紀後,才得以被正式描述及命名,我將它命名為新種莫氏擬棘茄魚Halieutopsis murrayi)。另外一個被認定為大吻擬棘茄魚的則出現在 Radcliffe(1912)所發表的文獻中,但是完全沒有機會進行驗證,因為當時只有一張圖片,標本已經無從考證,因此只能留待以後有機會再次在菲律賓採集到時才能做確認。日本學者所認定的蟲紋擬棘茄魚(現為大吻擬棘茄魚之次同物異名),現在則被我重新鑑定為裸腹擬棘茄魚。

當然,會有這麼多問題存在主要還是在於標本過於稀少,能夠全面研究的機會不多。再者,可以參考的文獻也不多,所以這個類群一直處於不明的狀態,一直到今日才被完整研究。

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重新分類後的成果

最後發表的研究共計彙整了全球 16 個擬棘茄物種資訊,包含發表 5 個世界新種,其中有 3 個新種是來自台灣。分別是:

  • 來自台灣東北海域所採集的新種台灣擬棘茄魚Halieutopsis taiwanea)。
  • 台灣擬棘茄魚Halieutopsis taiwanea
    • 採自台灣及澳洲昆士蘭的棘皮擬棘茄魚Halieutopsis echinoderma)。
    棘皮擬棘茄魚的正模標本,採自台灣大溪漁港。
    • 採自台灣及印尼,以日本學者命名的河合氏擬棘茄魚Halieutopsis kawaii)。
    河合氏擬棘茄魚Halieutopsis kawaii
    • 採自紅海的莫氏擬棘茄魚
    莫氏擬棘茄魚
    • 以日本學者岡村收(Osamu Okamura)之名,所命名的岡村氏擬棘茄魚Halitueopsis okamurai)。
    岡村氏擬棘茄魚正模標本,採自日本。

    橫跨半世紀的經驗傳承將持續下去

    擬棘茄魚屬這個研究,所涵蓋的物種命名與採集跨越了 130 年,也歷經了兩個世代(1960 年代至今)的資料累績才得以完成。

    從我與 Dr. Bradbury 第一次見面交換心得,到後面歷經所有到不同博物館做研究的經驗、體驗不同國家的民俗風情、入住不同的青年旅館、在不同時區穿梭於各個機場、以及搭乘不同的交通工具,許多情景都歷歷在目。

    或許幾十年的時間並不長,但是能夠持續不斷傳承,並得以完成算是相當不容易。我曾邀請 Dr. Bradbury 一起發表這篇論文,但她相當客氣地婉拒,認為年輕人自有一片天。遺憾的是 Dr. Bradbury 在 2010 年我完成博士學業之後不久就過世,無法親眼見到這篇研究的發表。

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    僅以本篇文章紀念 Dr. Bradbury 對我的研究影響以及對學界的貢獻。

    參考文獻

    1. Bradbury, M. G. 1988. Rare fishes of the deep-sea genus Halieutopsis: a review with descriptions of four new species (Lophiiformes: Ogcocephalidae). Fieldiana Zoology (New Series), 44: 1-22. 
    2. Ho, H.-C. and K.-T. Shao. 2007. A new species of Halieutopsis (Lophiiformes: Ogcocephalidae) from western North and eastern central Pacific Ocean. Raffles Bulletin of Zoology Suppl. no. 14: 87-92.
    3. Shimazaki, M., H. Endo and M. Yabe. 2004. Redescription of a rare deep-sea batfish, Halieutopsis bathyoreos (Lophiiformes: Ogcocephalidae). Ichthyological Research v. 51(no. 2): 120-125.
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    Hans Ho_96
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    海生館研究人員,專注於魚類分類研究....

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    如何靠溫度控制做出完美的料理?
    鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
    ・2024/06/21 ・2766字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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    本文由 Panasonic 委託,泛科學企劃執行。 

    炸雞、牛排讓你食指大動,但別人做的總是比較香、比較好吃?別擔心,只要掌握關鍵參數,你也可以做出完美料理!從炸雞到牛排,烹調的關鍵就在於溫度的掌控。讓我們一起揭開這些美食的神秘面紗,了解如何利用科學的方法,做出讓人垂涎三尺的料理。

    美味關鍵 1:正確油溫

    炸雞是大家喜愛的美食之一,但要做出外酥內嫩的炸雞,關鍵就在於油溫的掌控。炸雞的油溫必須維持在 160 到 180℃ 之間。當你將炸雞放入熱油中,食物的水分會迅速蒸發,形成氣泡,這些氣泡能夠保證你的炸雞外皮酥脆而內部多汁。

    水的沸點是 100℃,當麵衣中的水分接觸到 160℃ 的熱油時,會迅速汽化成水蒸氣。這個過程不僅讓麵衣變得酥脆,也能防止內部的雞肉變得乾柴。

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    如果油溫過低,麵衣無法迅速變得酥脆,水分和油脂會滲透到食物中,使炸雞變得油膩。而如果油溫過高,水分會迅速蒸發,使麵衣變得過於硬或甚至燒焦。

    油炸時,麵衣水分會快速汽化。圖/截取自泛科學 YT 頻道

    美味關鍵 2:焦糖化與梅納反應

    另一道美味的料理——牛排。無論是煎牛排還是炒菜,高溫烹調都會帶來令人垂涎的香氣,這主要歸功於焦糖化反應和梅納反應。

    焦糖化反應是指醣類在高溫下發生的非酵素性褐變反應,這個過程會產生褐色物質和大量的風味分子,讓食物變得更香。而梅納反應則是指醣類與氨基酸在高溫下發生的反應,這個過程會產生複雜的風味分子,使牛排的色澤和香氣更加迷人。

    要啟動焦糖化反應和梅納反應的溫度,至少要在 140℃ 以上。如果溫度過低,無法啟動這些反應,食物會顯得平淡無味。

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    焦糖畫反應。圖/截取自泛科學 YT 頻道


    焦糖化反應與梅納反應。圖/截取自泛科學 YT 頻道

    油溫與健康

    油溫不僅影響食物的風味,也關係到健康。不能一昧地升高油溫,因為每種油都有其特定的發煙點,即開始冒煙並變質的溫度。當油溫超過發煙點,會產生有害物質,如致癌的甲醛、乙醛等。因此,選擇合適的油並控制油溫,是保證烹調健康的關鍵。

    說了這麼多,但是要怎麼控制溫度呢?

    各類油品發煙點 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

    科學的溫度控制

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    透過 IR Sensor 精準測溫並提升火力。圖/截取自泛科學 YT 頻道
    IH 調理爐完美控溫 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

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    因為沒有使用明火,料理過程安全又舒適。圖/截取自泛科學 YT 頻道
    Panasonic IH調理爐火力精準聚集在鍋內。圖/Panasonic提供

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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
    43 篇文章 ・ 53 位粉絲
    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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    露兜樹象鼻蟲的身世之考察——分類學家偵探事件簿(四)
    蕭昀_96
    ・2023/12/25 ・3950字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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    一般大眾或甚至其他領域生物學家們,對於基礎生物分類學家的刻板印象,無非是常常在顯微鏡下進行形態解剖比較來鑑定物種、描述並發表新物種,或者常常東跑西跑去採集標本,頂多是抽取遺傳物質進行 DNA 分析。然而一位稱職的分類學家,為了搞清楚物種學名的分類地位,將整個命名系統修訂成一個穩定並適合大家使用的狀態,往往需要做大量的歷史文獻,造訪各大博物館並進行模式標本考察,其中的繁瑣和複雜程度,往往令人出乎意料。

    再讓我們複習一次模式標本是什麼和其重要性?

    如果有閱覽過這系列的文章便會很清楚的知道,模式標本是物種發表時的實體存證,是學者對分類地位有疑慮時,用以判別的客觀證據。每個物種都有其模式標本,而每個屬也有其模式物種,是判定該屬別的決定性物種,模式種和模式標本是進行物種與屬別層級的基礎分類研究時,不可或缺的重要資訊。

    這個故事的主角是一類來自南亞和東南亞的露兜樹象鼻蟲,本文將講述其模式標本和背後歷史脈絡的考察,以及我們對於分類處理過程的案例分享。

    分布於南亞、東南亞的露兜樹象鼻蟲和研究緣起

    露兜樹科(Pandanus)為分布於東半球的亞熱帶及熱帶地區的灌木或喬木植物,其中林投(Pandanus tectorius)具有抗風、耐鹽的特性,是常見的海岸防風定砂植物,而俗稱斑蘭葉(pandan)的七葉蘭(Pandanus amaryllifolius),則是東南亞常見的料理與糕點製作材料,而南亞和東南亞的露兜樹上棲息著一群黑色扁平的小型象鼻蟲——露兜樹象鼻蟲(Lyterius)。

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    露兜樹是東半球的亞熱帶及熱帶地區的灌木或喬木植物。(攝/B.navez from Wikipedia)
    小小扁扁的露兜樹象鼻蟲(Lyterius)是與露兜樹有伴生關係的特別物種。(圖/論文原文)

    而故事的緣起可追溯到 2022 年,當時筆者正在澳洲進行博士論文題目「澳洲蘇鐵授粉象鼻蟲的多樣性與演化」的研究,我們意外地發現澳洲的蘇鐵授粉象鼻蟲與東南亞產的露兜樹象鼻蟲親緣關係接近,因此我們便想進一步探究本類群的分類。在我們初步搜索模式標本時,我們驚奇地發現德國象鼻蟲學者延斯・普雷納博士 Dr. Jens Prena 似乎曾經有研究過這類象鼻蟲,出於好奇,我們聯繫了普雷納博士,進而開啟了本類群錯綜複雜的分類歷史考察之旅。

    露兜樹象鼻蟲分類研究的現存問題

    首先露兜樹象鼻蟲的分類問題分成兩個面向,一個是屬別層級的,而另一個是物種層級的。屬別層級的問題比較簡單,我們發現露兜樹象鼻蟲屬有三個相關的屬別,分別為 Lyterius Schönherr, 1844、Barisoma Motschulsky, 1863 和 Plaxes Pascoe, 1885,根據牠們形態的相似性和地理分布的重疊,我們認為牠們應該被合併成單一屬別,也就是說只要我們確認三個屬別的模式種都是屬於同一個屬別後,那自然我們就能依照優先權原則,把 1863 年發表的 Barisoma 和 1885 年發表的 Plaxes 處理為最早發表的 Lyterius 的同物異名。

    但是!分類學研究最困難的就是這個但是!

    我們雖然追蹤到 Barisoma Plaxes 的模式種和其模式標本,但是 Lyterius 的模式種問題,卻將這個研究的難度拉向了另一個層面——也就是物種層級的問題。

    模式標本來源和流向超級複雜的 Lyterius

    Lyterius 這個屬別是由瑞典昆蟲學家卡爾・約翰・舍恩赫爾(Carl Johan Schönherr)於 1844 年所提出,並以 Rhynchaenus musculus Fabricius, 1802,這個 1802 年由丹麥昆蟲學家約翰・克里斯蒂安・法布里丘斯(Johan Christian Fabricius )所發表的種類作為模式物種。他的合作對象瑞典昆蟲學家卡爾・亨利克・博赫曼(Carl Henrik Boheman)也在同一本書中使用了 Lyterius musculus (Fabricius, 1802) 這個學名組合,同時他將德國昆蟲學家弗里德里希・韋伯(Friedrich Weber)在 1802 年所描述的 Curculio abdominalis Weber, 1801 也拉進這個屬別,學名組合變成 Lyterius abdominalis (Weber, 1801) ,並且描述一個菲律賓的新物種 Lyterius instabilis Boheman in Schönherr, 1844 。這其中最為複雜難解的,便是 Lyterius musculus (Fabricius, 1802) 和 Lyterius abdominalis (Weber, 1801) 之間的關係了,因為這兩個物種的模式標本來源,都源自於達戈貝爾特・達爾多夫 Dagobert Karl von Daldorff 這位在俄羅斯出生,擁有德裔血統的丹麥博物學家,在 18 世紀末葉任職丹麥東印度公司時,於 1795 年在蘇門答臘的一次採集。

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    除了我們常常聽到的荷蘭、英國東印度公司,丹麥也曾經創立了東印度公司。(攝/Wikipedia)

    根據我們對於 19 世紀初期的歐洲甲蟲分類歷史文獻的爬梳,達爾多夫在蘇門答臘的標本被帶回歐洲後,應該至少被他贈與或交換給五位學者或機構,而這五位學者就包含剛剛提到的德國昆蟲學家弗里德里希・韋伯(Friedrich Weber),以及丹麥昆蟲學家約翰・克里斯蒂安・法布里丘斯(Johan Christian Fabricius),這兩位顯然同時對這批標本進行分類學研究。

    令人存疑的 Lyterius abdominalisLyterius musculus

    因此第一個疑點就是,韋伯和法布里丘斯分別在 1801 年和 1802 年用達爾多夫所採集的同一批蘇門答臘象鼻蟲標本,發表了後來在 1844 年被博赫曼放在同一個屬別的物種 Lyterius abdominalisLyterius musculus,這讓人很難不懷疑,這兩個名字會不會根本就是同一個物種,這在當年資訊不流通、分類研究還很粗淺的年代,是非常容易發生的事情。

    而支持這樣想法的關鍵則有二,首先德國昆蟲學家約翰・卡爾・威廉・伊利格(Johann Karl Wilhelm Illiger)其實在 1805 年的著作中,就已經提出這兩個物種是同一個物種的論點了,然而這項分類處理卻被博赫曼在 1844 年的著作中,不明地忽略了。雖然博赫曼不小心遺漏了伊利格的分類處理,他卻也在看過兩種的模式標本後,在他那 1844 年的著作中,提出了兩個物種只不過是同一個物種的雄蟲和雌蟲的猜想,然而因為他手邊就只有兩隻標本,一隻是雄的 Lyterius abdominalis ,一隻是雌的 Lyterius musculus ,因此他無法下這個決定情有可原,而我們如今已經知道露兜樹象鼻蟲有很明顯的雌雄二形性,雄蟲的口喙比較短,且足部的前腳腿節有明顯的突起,博赫曼的猜想不證自明。

    總而言之,從上述的歷史文獻爬梳,我們可以從

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    1. 韋伯和法布里丘斯研究的都是同一批蘇門答臘採集的標本
    2. 同時代的伊利格和後來的博赫曼都直接或間接的認為 Lyterius abdominalisLyterius musculus 是同一個物種

    來推斷,這兩個種類很有可能是同一個種類!

    瑞典昆蟲學家卡爾・亨利克・博赫曼。(攝/Wikipedia)

    找不到模式標本啊!

    在爬梳大量文獻後,我們同時也造訪歐陸各大標本蒐藏去尋找這些物種的模式標本下落。我們很幸運的在德國基爾的動物學博物館找到兩隻 Lyterius musculus 的總/群模式標本。然而,在尋找 Lyterius abdominalis 模式標本的過程中卻碰了壁,不管是文獻還是實際探訪,幾乎都找不到韋伯收藏的下落,韋伯所發表的模式標本有極大的可能已經遺失了,那要怎麼辦呢?

    分類學家的決策

    雖然沒辦法找到 Lyterius abdominalis 的模式標本,然而我們從以上的間接證據,可以合理相信 Lyterius abdominalisLyterius musculus 就是同一個物種。為了最適當的處理分類議題,穩定整個分類命名系統。我們使用了一個技術性的分類學處理,首先我們指定了 Lyterius musculus 的選模式標本,並且我們將「這一個」標本,再次的指定為 Lyterius abdominalis 的新模式標本,這個時候,這兩個學名便產生了動物命名法規上所謂的「客觀同物異名(objective synonym)」關係,相較於分類學家自行主觀認定的同物異名(主觀同物異名 subjective synonym ),客觀同物異名指的是用同一個標本發表不同學名的狀況,這樣這兩個名字無庸置疑的是同物異名關係,只有最早被發表的名字有優先權,因此我們的 Lyterius abdominalis (Weber, 1801) 獲得了優先被使用的地位,也成為露兜樹象鼻蟲屬的模式種。經由這一波操作,我們確立了 Lyterius 的模式和包含的物種,也因此我們終於能進一步處理剛剛提到的 BarisomaPlaxes 的同物異名,最後我們可以大聲的說:露兜樹象鼻蟲屬的學名是 Lyterius Schönherr, 1844 !

    番外篇的 Plaxes 模式標本調查

    另外一方面,我們在調查 Plaxes 的模式標本時,也發現到其模式種 Plaxes impar Pascoe, 1885 的總/群模式標本散落在英國倫敦自然史博物館、德國柏林自然史博物館、德國德勒斯登森肯堡博物館、義大利熱拿亞自然史博物館、澳洲國立昆蟲館,幾乎涵蓋了半個地球。這些標本可以分為來自婆羅洲砂拉越和蘇門答臘的標本,採自砂拉越的標本無疑是一個獨立的物種,我們也指定砂拉越的總/群模式標本為本種選模式標本。而來自蘇門答臘的標本,無獨有偶地都和 Lyterius abdominalis 是同一個物種,顯然這個物種在蘇門答臘當地是個常見的物種,這又再次加強我們上面提到的,達爾多夫所採集的同一批蘇門答臘象鼻蟲標本應該就只有一種露兜樹象鼻蟲的推測。

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    這個研究重新梳理了露兜樹象鼻蟲的分類歷史並考察了歷史文獻和模式標本,最終作出了適宜的分類學處理,為亞洲地區的象鼻蟲研究推進了一步。

    • 本論文日前已經線上刊載於《動物分類群 Zootaxa 》
    • 此文響應 PanSci 「自己的研究自己分享」,以增進眾人對基礎科學研究的了解。

    參考資料

    • Prena, J., Hsiao, Y., Oberprieler, R.G. (2023) New combinations and synonymies in the weevil genus Lyterius Schönherr (Coleoptera, Curculionidae), with a conspectus of historical works on Daldorff’s Sumatran beetles. Zootaxa 5380(1): 26-36. https://doi.org/10.11646/zootaxa.5380.1.2
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    蕭昀_96
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    澳洲國立大學生物學研究院博士,在澳洲聯邦科學與工業研究組織國立昆蟲標本館完成博士研究,目前是國立臺灣大學生態學與演化生物學研究所博士後研究員,曾任科博館昆蟲學組蒐藏助理。研究興趣為鞘翅目(甲蟲)系統分類學和古昆蟲學,博士研究主題聚焦在澳洲蘇鐵授粉象鼻蟲的系統分類及演化生物學,其餘研究題目包括菊虎科(Cantharidae)、長扁朽木蟲科(Synchroidae)、擬步總科(Tenebrionoidea)等,不時發現命名新物種,研究論文發表散見於國內外學術期刊 。