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紅皇后與有性生殖

科學月刊_96
・2011/05/13 ・4501字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 580 ・九年級

紅皇后假設是演化學中知名的理論,原本只是提出生物因為彼此競爭而會有共同演化現象,後更引伸來解釋有性生殖的出現。

程樹德

英國作家卡洛(Lewis Carroll)在他的奇幻大作《愛麗絲鏡中奇遇》(Through the looking glass, and what Alice found there)裡,描寫小女孩愛麗絲在夢中變成棋子,與紅皇后博弈(圖一)。紅皇后腳步疾行如風,但人卻總留在原地,落後於她的愛麗絲喘著大氣說:「在我們家鄉,您走得這麼快,肯定早不知走到那去了!」紅皇后說:「那是多慢的國度,在這你光是費勁跑,也只能留在原地。如果想到別的地方去,你至少得跑兩倍快才行!」

化石堆裡窩出紅皇后

1973年,終日窩在美國芝加哥大學收藏的化石堆及書山中的范華倫(Leigh van Valen),在研究海洋化石多年後,得到一個結論:「一科動物,不管牠在地球史上已存活了多久,牠滅絕的機率依然不會更小,而是隨機的變動,其意義即是不管過去表現多佳,想要生存,未來依然是危機重重呢!」

多年浸淫在化石堆,沒有太注重邊幅的范華倫,提出理論時鬍子長得快要比老年時的達爾文還長了。他體會到物種之間的生存競爭一向不容易,一物種縱使再適應牠所在的物理環境,但牠的競爭者和敵人不會讓牠鬆一口氣,因為這些競爭者也要適應同一個環境。由於資源有限,生存成了一場兩方競爭者無法雙贏,趨向零和的博弈。

范華倫在自己的理論中提出兩個重點。首先,生物面臨惡劣的物理環境,如乾旱冰冷飢饉,對生存誠然是挑戰,但在造成生物死亡的原因當中,物理環境占的比例算小,大多讓生物致死或失去繁殖能力的,仍以寄生蟲、掠食者及競爭者為主,因此他在論文中把演化壓力的主方向,由物理環境轉到生物環境。

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其次,既然生物在需要生死搏鬥的競爭當中會不停變化,那為何有些物種的形態始終滯留不變,甚至長達百萬年呢?范華倫認為生物會變,是因為與其他生物的武裝競賽,其變的重點可能是內在的生理及生化結構。這競賽可能表面似乎不變,但底下「鴨子划水」較勁更殷呢!這讓范華倫回憶起兒時讀到的紅皇后一角,她跑得飛快卻始終留在原地,便以此為自己的這項理論取了個童話般的名字——「紅皇后假設」(Red Queen Hypothesis),用來表示物種必須不斷演化,才能在競爭中保持現有地位,不致於被競爭者淘汰。

圖一:愛麗絲在鏡中世界遇上紅皇后,被強迫跟她競技。這一幕讓范華倫有所感觸, 用來命名他的演化理論。

范華倫把紅皇后假設稱為一個新演化定律,向一流學報投稿,但都被退了回來,最後論文被一個當時新設立的期刊《演化理論》(Evolutionary Theory)所接受,成了該期刊第一卷的第一篇。由於此文甚受演化學界重視,《演化理論》便因這篇論文一砲而紅。

雖然范華倫起初以「演化的軍備競賽」為主軸立論,但其他學者將之延伸到「有性生殖」上,使這一個理論有了新的面向。與無性生殖相比,有性生殖比較麻煩,不但雌雄要互相尋覓,而且雄性對生殖的貢獻雖稱緊要,但相對於雌性而言,投入資源之比例較小。因此若一個物種內,同時存在著有性生殖與無性生殖方式,那讓兩者競爭後代數量,則對行有性生殖者是很不利的。舉個例吧:若無性生殖(孤雌生殖)每次生4個子代,每一子代又生4個,第二代即有16個個體;但有性生殖要雌雄合作,方生4子,4子之中只有兩雌,故第二代只有8個個體,才兩代在數量上就有此差異,再久些有性生殖者豈不被排擠光了?因此若其他條件不變,有性生殖恐怕鬥不過無性生殖,不太可能演化出來。

有性生殖優勢何在?

但有性生殖畢竟出現了,而且不少動物都以之為唯一的繁殖方式,那麼尋求它的優點,就是眾多演化學家提出有性生殖優勢理論的目的了。就這些理論所注重的題材,大致可以區分為兩類:遺傳上或生態上的優勢論。

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從遺傳的層次來看有性生殖,它的優點是能造成個體基因的重新組合。雌雄各約貢獻了一半的基因,造成新子代,因而第一個有性生殖的優勢理論,認為好基因能因代代重組而歡聚一堂,產生更能適應外在環境的個體,這些個體再生殖更多後代,讓好基因的比例繼續累積上升,最終取代較次的基因。但好基因畢竟稀少,要在大族群內讓許多好基因聚首,真要等待不少時光,因此第一個理論的缺陷,便是發生的速度太慢了。

相對地,壞基因常因突變而產生,無性生殖者除不掉這些阻礙生存能力的基因,長久累積下來,後代子孫便會含有許多壞基因,適應不了環境,容易早夭。這個理論是由遺傳學家穆勒(Herman Muller)所提出,別名叫穆勒撐高機(Muller’s ratchet),取自撐高機裝置的特性——以單方向懸動拉抬重物,若反向運動恐會壓死底下的工作者,故會有安全裝置預防意外發生,藉此來形容基因的累積不會輕易往反向移動。相較之下,有性生殖可藉基因重組,拋棄壞突變,故有性生殖的第二個優勢理論,便是立足於避免壞基因在穆勒撐高機下累積的困境,甚至讓撐高機的機制反轉,經有性生殖淘汰掉壞突變較多的後代。

然而以上兩個基於遺傳上的優勢理論,均有發生時間過於遲緩,難以觀察的缺陷,於是生態解釋應運而生。理論演化學家威廉斯(George Williams)注意到,草在所生長環境周邊蔓延時,會向外長出無性的根或莖,但是當要送出遠行的小種子時,才會行有性生殖。相似的還有蚜蟲在氣候穩定的夏天行無性生殖,秋末才進行有性生殖,讓後代待在囊狀卵中熬過環境惡劣的冬天。威廉斯以彩票為例,說明這兩種模式背後的策略。

無性生殖就像購買大量同號碼的彩票,而有性生殖像買少量但號碼張張不同的彩票,兩者相較,前者中獎時雖然獲益會比後者高,但是後者的得獎機會要遠高於只買單一號碼,以此來比喻無性生殖與有性生殖在不穩定環境下尋求生存的效宜,故他的理論又被稱為彩票理論(lottery principle)

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加拿大蒙羅特羅市的貝爾(Graham Bell)試著為彩票理論來尋找證據。依據彩票理論,動植物若處在高緯度或高海拔處,因地理環境艱困而多變,那麼為了產生能適應變化的後代,行有性生殖者應該多於無性生殖。此外淡水環境易有旱澇、冰凍及溽暑等變化,而海水環境較穩定,故淡水生物行有性生殖的機會應該較海水生物要高。但貝爾研究的結果卻跟預期相反,反而是體形較小的無性生物喜住在多變或相對艱困的環境。

既然彩票理論也不怎麼受現實的證據支持,美國科學家季士林(Michael Ghiselin)便根據經濟學理論,提出分歧是對物種較佳經營策略的說法,他認為同種生物其實也會和同胞兄弟競爭,如果這些子代能有不同之處,可能會提高整體的存活率。就像是若父母靠某行業維生,到子代時如果沒有作出改變,兄弟全都開設同樣的店,則這個行業可能就會因為出現太多同行的競爭者導致難以為繼了。貝爾將這理論命名為「樹根糾纏的河岸論」(tangled bank hypothesis),源自於達爾文大作《物種起源》的最後一段,提到一個生物聚集的河岸。

圖二:噬菌體能入侵細菌體內,藉細菌的資源增殖。這張 電子顯微鏡照片中,小顆粒群即為噬菌體,右邊的半圓形 則為被噬菌體入侵的細菌。

貝爾的一位學生伯特(Austin Burt)接著推論,若河岸論有理,那麼體形小而生育率高的生物在行減數分裂時,染色體交換(crossover)發生的比率應該會多些,以增加後代的變異。結果卻又跟理論相反。他算出在一個週期的減數分裂中,人類染色體發生交換的平均數量有30個、兔子10個,原本預期應該最高的小鼠只有3個,表示長壽且成熟較晚的哺乳類,其染色體交換的頻率反而比較高。

以上諸多理論不是發生時效太慢,就是缺乏證據支持,因此演化學家只好繼續構思新的理論。當范華倫的紅皇后假設一出現,應用該理論的有性生殖優勢理論就應時而生,其中一例是針對寄主跟寄生蟲的關係,來說明有性生殖的好處。

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由於寄生蟲既多種又難防,因此寄主與寄生蟲的演化鬥爭,就無時無地不在進行,而有性生殖的好處,恰好在於能創造不同於親代的子代。只是有性生殖的子代基因會重組,上一代能有效抵禦寄生蟲的基因組合,在下一代反可能被打破,這似乎與前文有些矛盾,但考慮寄生蟲也可能演化出破解上一代抵禦能力的招數,則下一代寄主產生的新招數,反而讓同在演化的寄生蟲所難以預料。

用細胞及分子生物學來說明更易解釋,寄生蟲想侵入寄主,必定要結合到寄主細胞表面的接受器,故接受器似鎖,而寄生蟲的侵入蛋白似鑰匙。寄生蟲如果演化的速度夠快,便有機會演化出鑰匙蛋白,以入侵寄主;而寄主方面可以靠有性生殖存個鎖庫,每一代都拿出不同的鎖,用來防止寄生蟲破解。

美國科學家賴夫利(Curtis Lively)為此跑到紐西蘭研究一種淡水螺(Potamopyrgus antipodarum)和牠的寄生吸蟲(trematode)的關係。此螺會行純孤雌生殖,也行有性生殖,兩種生殖方法的螺均有分布在該島湖泊及河流中,而能寄生這種螺的吸蟲會吃掉螺的性器官,使其無法產生後代。

賴夫利針對66個湖中的螺,調查牠們有性及無性生殖的個體比例,以及被吸蟲侵擾的頻率,發現如果湖中的吸蟲越多,則該湖中的雄螺比例越高,表示他們比較常行有性生殖,亦表示這支持紅皇后假設。

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紅皇后的性演化理論自此有了證據的支持,而范華倫原設想競爭者之間的演化軍備競賽,尚不易有實驗的佐證,因為寄生蟲雖世代較短,但若寄主壽命很長,則不易觀察出兩種生物的演化互動,但若利用可以短時間大量繁衍的微生物,讓寄主是細菌而寄生蟲是噬菌體病毒(圖二),則比較容易研究它們的共同演化關係。

軍備競爭 終獲證據

由英國利物浦大學、牛津大學等四個單位聯合發表的一篇論文,利用一個簡單的實驗,來測驗病毒與細菌的共同演化關係。這個共同演化實驗,使用了1000隻噬菌體病毒(Φ2噬菌體病毒),來感染1000萬隻假單胞桿菌(Pseudomonas fluorescens),待兩天後再取出60微升的菌液,建立下一代的細菌跟病毒。

在這種處理中,細菌跟病毒都有可能演化,故可視為一個共同演化體系。而在對照用的控制組中,則是先用氯仿破壞細菌,使其釋放菌體內的病毒,再取60微升病毒液感染原始菌株,在這種操控下只有病毒可能演化,而細菌因為一直反覆使用原始菌株,故演化的機率極低。如此做了12代(換瓶一次叫一代),共計6個共同演化的實驗組及6個病毒單獨演化的控制組,然後再分離族群內的病毒,決定其核酸序列,與起始的祖先相比對,並繪製親緣關係樹。結果發現,共同演化組中有5群病毒,與開始實驗時的原始病毒序列相差甚多,而只進行病毒演化的6個族群,與原始病毒序列相差較少,可見病毒在有寄主細菌共同演化的競爭壓力下,其分子演化速率才會較快,這正與紅皇后假設相符。

研究者還取共同演化跟單獨演化的病毒,去感染不同族群內演化的寄主,發現共同演化出來的6組病毒感染力各有不同,但是控制組單獨演化的病毒,已完全不能感染實驗組經歷過共同演化的寄主細菌,表示這些細菌有了明顯的改變,雖躲不掉被共同演化的病毒感染,但已能抵禦控制組中單獨演化的病毒侵襲。

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研究者從這些病毒的序列中,發現有4個基因發生最多的變化,其中一個基因是負責病毒尾狀構造的蛋白,在病毒進行感染侵入細菌時有重要功能,所以是共同演化受到競爭壓力最大的地方。經過12代演化後,病毒的尾部長度明顯縮短了,或許表示短尾的病毒比原本尾部較長的病毒更能感染寄主。

在這個簡單實驗中,研究團隊蒐集證據,支持范華倫的軍備競賽假設,即當寄主與寄生蟲互鬥時,雙方分子可能共同發生高速演化,造成遺傳分歧的後果。相對於人類的科技發展,發展最快的時段,不也是在有競爭壓力下的幾次大戰跟冷戰期間嗎?

引用文獻:
1. Ridley, M., The red queen:sex and the evolution of human nature, Penguin Books, 1993.
2. Paterson, S., et al., Antagonistic coevolution accelerates molecular evolution , Nature, vol. 464:275-278, 2010.

本文作者為程樹德,任教於陽明大學微免所

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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【2023 年搞笑諾貝爾化學與地質獎】舔石頭以外,猛獁象竟是海龜湯?
寒波_96
・2023/10/20 ・2211字 ・閱讀時間約 4 分鐘

搞笑諾貝爾獎每年都是新的開始,2023 年也不例外。今年「第 33 次第一屆搞笑諾貝爾獎」頒發十個獎項,「化學與地質獎」以看似獵奇的舔石頭博取不少眼球,不過得主揚.扎拉謝維奇( Jan Zalasiewicz)的文章中,其實還提到另一件知名的歷史公案。

1951 年晚宴真相,竟然是海龜湯?!圖/americanoceans

1951 年晚宴真相,竟然是海龜湯?!圖/americanoceans

文學史上用味覺帶出情節,最知名的案例之一是普魯斯特的小說《追憶似水年華》開頭,由瑪德蓮的味道切入,接著進入意識的海洋游泳。扎拉謝維奇的文章開頭,也從品嚐岩石的味道切入,自由切換不同的題材。

地質學家為什麼要舔石頭?《舌頭、石頭,迸出新滋味?科學家為什麼要舔石頭?——2023 搞笑諾貝爾獎》一文有精簡介紹。最主要的理由是,缺乏現代儀器之際,舌頭可謂方便的化學感應器,能提供有用的資訊。

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當然,即使有了現代儀器,舌頭還是很方便的工具。

處於意識流科學史中,扎拉謝維奇的文章從舌頭感應器,十分合理地切換到一場宴會。那場 1951 年的晚宴中,據說提供猛獁象肉製作的餐點。

這場晚宴由美國的「探險俱樂部(The Explorers Club)」舉行,主辦方宣稱當天有道菜,來自已經滅絕的動物大地懶(Megatherium)。但是幾天後有報紙披露,宴會中的奇珍異獸不是大地懶,而是來自阿留申群島,25 萬年久遠的猛獁象!

1951 年保存至今的晚餐。圖/取自 參考資料3

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奇妙的是,當天的餐點竟然有少量樣本被保留至今。當時沒有參加的豪威斯(Paul Griswold Howes)寫信要到一份樣本,一直保存到他去世為止。後來樣本輾轉來到耶魯大學的皮博迪自然史博物館(Yale Peabody Museum)。

那一餐到底是大地懶,還是猛獁象呢?2014 年,耶魯大學的研究生葛拉斯(Jessica Glass)等人成功由樣本中取得 DNA,結果在 2016 年發表。比對之下相當明顯,答案是綠蠵龜。

現今綠蠵龜是保育類動物,合法的狀況下沒有機會吃到。然而 1951 年那個時候,綠蠵龜尚未面臨滅團威脅,仍然是普遍的食材。

區區綠蠵龜製成的海龜湯,當然無法彰顯晚宴的尊絕不凡。不過俱樂部宣稱的大地懶,怎麼又會變成猛獁象?

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最可疑的是當天在場的俱樂部成員尼可斯(Herbert Bishop Nichols),他也是基督科學箴言報(The Christian Science Monitor)的科學編輯。可考的記錄中,他第一個對外提出相關描述,後來被視為吃猛獁象的證據。

海龜湯的幾位相關人猿。(A) 據說將食材從北極帶回的極區探險家 Father Bernard Rosecrans Hubbard。(B) 極區探險家 George Francis Kosco。(C) 晚宴主辦人 Wendell Phillips Dodge。(D) 保存樣本的 Paul Griswold Howes。圖/取自 參考資料3

如果真的是那道菜的材料,那麼狀況就是:俱樂部用綠蠵龜做菜,宣稱是大地懶,報紙以訛傳訛寫成猛獁象。

「吃猛獁象」之類的傳聞,雖然不是嚴謹的科學,卻因為有噱頭而容易引人注目。作為沒多少負面影響的玩笑,也沒有人想要特別澄清。使得這類事件的真相,往往不了了之。

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儘管沒有特別獲得搞笑諾貝爾獎關注,對於這道海龜湯的追根究底,倒是相當符合搞笑諾貝爾獎的精神。

海龜湯以後,扎拉謝維奇的文章意識又跳躍到另一種已經滅團的生物:貨幣蟲(Nummulites)。許多古生物,當初也是其他古生物的食物。儘管擁有堅硬的外殼保護,貨幣蟲這種生物依然有機會成為美食。

1912 年的時候,英國古生物學家庫克派崔克(Randolph Kirkpatrick)提出一個觀點:地球有一段時間存在非常大量的貨幣蟲,後來它們變成稱為「貨幣球(Nummulosphere)」的地層,是地殼岩石的源頭。

看起來很搞笑,可是庫克派崔克是認真的。所以他即使生在現代,應該也沒有獲得搞笑諾貝爾獎的機會。

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2023 年搞笑諾貝爾獎頒獎典禮影片(化學與地質獎從 10:18 開始):

延伸閱讀

參考資料

  1. The 33rd First Annual Ig Nobel Prizes
  2. Eating fossils
  3. Was Frozen Mammoth or Giant Ground Sloth Served for Dinner at The Explorers Club?
  4. Mammoth meat was never served at 1950s New York dinner, says researcher

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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【2023 年搞笑諾貝爾獎快訊】10 項怪奇獲獎研究出爐
PanSci_96
・2023/09/15 ・3874字 ・閱讀時間約 8 分鐘

一年一度、讓你廢到笑出來的搞笑諾貝爾獎,今年在美東時間 9 月 14 日下午 6 點準時直播。

今年的主題為「水」,這次 10 項獲獎都或多或少與「水」有關(但大部分是口水),現在就快讓我們一起來看看今年的得獎快訊,並一起期待後續的個別研究報導吧~

化學和地質獎:為什麼地質學家與古生物學家會舔化石

這是一封說明「過去」地質學家與古生物學家,為什麼會有舔化石習慣的「快訊」(發表在期刊上,但被歸類為快訊),這封快訊說了幾個故事,其中最讓我印象深刻的,是「義大利地質之父」的喬瓦尼·阿爾杜伊諾(Giovanni Arduino,1714-1795)用自己的舌頭「品嚐」這些化石,分類出可能是史上第一個「地質時期」

故事的亮點是引用了喬瓦尼·阿爾杜伊諾的研究紀錄,看起來就像是個美食家在品嚐化石。

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文學獎:重複寫字,直到感覺不對勁

A 編小學時,曾被老師罰抄生字 100 遍,寫到一半突然懷疑這個字是不是這樣寫,趕緊回頭看前面寫的字,還把課本翻出來看才確定自己沒有寫錯。

上述的情境,稱為「猶昧感」(Jamais Vu),「猶昧感」是「既視感」(Deja Vu)的反義詞,描述人們對熟悉的事物,突然感到陌生,也是這篇論文主要探討的主題。

這研究的笑點在於他的實驗,他們讓受試者一直重複寫同一個字,跟小學被老師罰抄生字一樣。

實驗中,約有三分之二的受試者體驗到「猶昧感」,這些受試者大約在重複 30 次或一分鐘後開始感到異狀。另外,研究也發現平常越容易發生「既視感」的人,也更容易發生「猶昧感」,未來「猶昧感」的相關研究,可能會加深我們對「既視感」的理解。

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  • 原文研究: “The The The The Induction of Jamais Vu in the Laboratory: Word Alienation and Semantic Satiation,” Chris J. A. Moulin, Nicole Bell, Merita Turunen, Arina Baharin, and Akira R. O’Connor, Memory, vol. 29, no. 7, 2021, pp. 933-942.  doi.org/10.1080/09658211.2020.1727519

機械工程獎:死靈機器蜘蛛

會招喚骷髏或操縱屍體的死靈法師稱為 Necromancer,而科學家再次中二病發作,把用液壓操控的蜘蛛屍體,稱作 Necrorobotics 死靈機器。

我跟同事討論這種死靈機器,算不算是一種仿生科技?他覺得是,我覺得不是,你們覺得呢?

  • 原文研究:“Necrobotics: Biotic Materials as Ready-to-Use Actuators,” Te Faye Yap, Zhen Liu, Anoop Rajappan, Trevor J. Shimokusu, and Daniel J. Preston, Advanced Science, vol. 9, no. 29, 2022, article 2201174.  doi.org/10.1002/advs.202201174
死靈機器蜘蛛。

公共醫學獎:斯坦福馬桶

恩,就是接上各種感應器的物聯網馬桶,能即時檢測使用者的糞便與尿液。這東西最酷的是能「肛門辨識」,只要坐到馬桶上,斯坦福馬桶就能透過肛門的型態,辨識出使用者!

因為這個獎項,我才知道原來每個人的肛門都長得不一樣……謝謝你,搞笑諾貝爾獎。

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  • 原文研究:
    •  “A Mountable Toilet System for Personalized Health Monitoring via the Analysis of Excreta,” Seung-min Park, Daeyoun D. Won, Brian J. Lee, Diego Escobedo, Andre Esteva, Amin Aalipour, T. Jessie Ge, et al., Nature Biomedical Engineering, vol. 4, no. 6, 2020, pp. 624-635.  doi.org/10.1038/s41551-020-0534-9
    • “Digital Biomarkers in Human Excreta,” Seung-min Park, T. Jessie Ge, Daeyoun D. Won, Jong Kyun Lee, and Joseph C. Liao, Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology, vol. 18, no. 8, 2021, pp. 521-522.  doi.org/10.1038/s41575-021-00462-0
    • “Smart Toilets for Monitoring COVID-19 Surges: Passive Diagnostics and Public Health,” T. Jessie Ge, Carmel T. Chan, Brian J. Lee, Joseph C. Liao, and Seung-min Park, NPJ Digital Medicine, vol. 5, no. 1, 2022, article 39.  doi.org/10.1038/s41746-022-00582-0
    • “Passive Monitoring by Smart Toilets for Precision Health,” T. Jessie Ge, Vasiliki Nataly Rahimzadeh, Kevin Mintz, Walter G. Park, Nicole Martinez-Martin, Joseph C. Liao, and Seung-min Park, Science Translational Medicine, vol. 15, no. 681, 2023, article eabk3489.  doi.org/10.1126/scitranslmed.abk3489

傳播獎:嗎話說著倒能你?

趣有超也獎學播傳,心擔別,的常正是來過反來起看子句得覺在現你!

你有試過快速把彩虹的顏色順序倒著背,或是把你說話中的每個名詞都倒過來講嗎?大家都知道這超難,但這份研究中的兩位受試著確有著超強「顛倒單字或語句」的能力。

研究對象以西班牙語為母語,他們能在對話中輕鬆地將 banana 念成 ananab,或是將「 basket is fun」念成「nuf si teksab」。研究著重在這兩位有著特殊能力的人,推理、記憶能力是否優於常人,以及大腦灰質、白質比例與一般人(對照組)是否有差別。

大腦如何組織語言一直都是個有趣的研究題目,像是為什麼中文的序順不會響影到閱讀,這也是 A 編跟大家都一樣好奇的。而了解大腦語言是如何形成的,也能推進對於失語症、癡呆症的症狀研究。

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  • 原文研究:“Neurocognitive Signatures of Phonemic Sequencing in Expert Backward Speakers,” María José Torres-Prioris, Diana López-Barroso, Estela Càmara, Sol Fittipaldi, Lucas Sedeño, Agustín Ibáñez, Marcelo L. Berthier, and Adolfo M. García, Scientific Reports, vol. 10, no. 10621, 2020.  doi.org/10.1038/s41598-020-67551-z

醫學獎:屍體兩個鼻孔的鼻毛數量是否一致?

俗稱鬼剃頭的「圓禿」(Alopecia areata)不只會頭髮脫落,同時睫毛、眉毛與鼻毛也會脫落,其中,鼻毛脫落會增加得到過敏、呼吸道感染的機率。

由於鼻毛的相關研究非常少,為此,研究者調查 20 具「遺體」的鼻毛數量與長度,並收集相關病史、死往原因…等數據,來評估正常人的鼻毛數量與長度。研究結果顯示,平均每個鼻孔的鼻毛數量約為 120~122 根,左右鼻孔並沒有顯著差異,鼻毛平均長度大約是 1 公分。

  • 原文研究:“The Quantification and Measurement of Nasal Hairs in a Cadaveric Population,” Christine Pham, Bobak Hedayati, Kiana Hashemi, Ella Csuka, Margit Juhasz, and Natasha Atanaskova Mesinkovska, Journal of The American Academy of Dermatology, vol. 83, no. 6, 2020, pp. AB202-AB202.  doi.org/10.1016/j.jaad.2020.06.902

營養獎:電流有一股「電味」

日本明治大學教授宮下芳明 (Homei Miyashita)與他的團隊,發現在筷子與吸管上附加微弱電流,會改變食物的味道。

他們發現微弱電流刺激舌頭時,會產生一股「電味」(論文上寫 Electric taste,你說我要怎麼翻比較好) 。這股「電味」味道如何呢?基本上沒有味道(不能啟動味覺細胞),但如果有其他味道存在,例如鹹味(氯化鈉)或鮮味(麩胺酸鈉),電味會讓食物吃起來更鹹或更鮮。

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接著,他們發明了連著電線的通電筷子與吸管(看起像整人玩具),證明了通電筷子與吸管確實能在不改變食物味道的情況下,讓人們吃進更少的鹽跟味精。

通電吸管構造
  • 原文研究:“Augmented Gustation Using Electricity,” Hiromi Nakamura and Homei Miyashita, Proceedings of the 2nd Augmented Human International Conference, March 2011, article 34.  doi.org/10.1145/1959826.1959860

教育獎:系統性研究課堂上感覺無聊的學生與老師

你覺得上課無聊嗎?多半人都會問答「是」,而這系列研究仔細分析了為什麼上課無聊,且越來越無聊的原因。

你可能會想:「那不就是老師上課很無聊啊,老師不有趣阿。」我只能說你們這樣太沒同理心了,搞不好老師也在想:「教你們真無聊!」

所以,研究者第一個想探討的問題是:「老師如果覺得無聊,會不會讓學生也覺得無聊。」先說結論,不會。

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雖然學生不會刻意去了解老師的心情。但如果學生明確感受到老師很無聊,像是死氣沉沉地念課文,學生就會覺得這堂課更無聊,進而影響學習動機與學習成效。某種程度上,研究還是印證了「老師不有趣覺得無聊」這件事,但老師是否在強顏歡笑,這就不得而知了。

另一個問題則是:「是不是想著上課很無聊,就會覺得更無聊?」沒錯,的確是這樣!只要上課前預期這堂課很無聊,那這堂課就會比你預期的還要更無聊!

  • 原文研究:
    • “Boredom Begets Boredom: An Experience Sampling Study on the Impact of Teacher Boredom on Student Boredom and Motivation,” Katy Y.Y. Tam, Cyanea Y. S. Poon, Victoria K.Y. Hui, Christy Y. F. Wong, Vivian W.Y. Kwong, Gigi W.C. Yuen, Christian S. Chan, British Journal of Educational Psychology, vol. 90, no. S1, June 2020, pp. 124-137.  https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31342514/
    • “Whatever Will Bore, Will Bore: The Mere Anticipation of Boredom Exacerbates its Occurrence in Lectures,” Katy Y.Y. Tam, Wijnand A.P. Van Tilburg, Christian S. Chan, British Journal of Educational Psychology, epub 2022.   doi.org/10.1111/bjep.12549

心理學獎:你會跟著抬頭看天空嗎?

他們到底在看什麼?眼前一群人停下腳步抬頭看著上方,你一定會跟著將視線移向相同的地方,看看他們到底在看什麼。

沒錯,這就是著名的從眾效應,或稱做群聚效應、羊群效應。這個1969年進行的經典實驗,應該很多人也聽說過。Stanley Milgram、Leonard Bickman、Lawrence Berkowitz 三人組,在紐約的街道上測試要有多少人同時往上看,才能吸引其他人也駐足湊熱鬧。

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這個實驗能得獎感覺毫不意外,甚至覺得怎麼現在才得獎!

群聚效應引響甚遠,因為整個社會的運作都養類人與人之間的互動與連結。不管是跟風買東西、參與熱鬧的大型活動、政治意識型態的抉擇等等,都能看到群聚效應影響著人們的身影。

大家都有可能是羊群裡面的羊。

  • 原文研究:“Note on the Drawing Power of Crowds of Different Size,” Stanley Milgram, Leonard Bickman, and Lawrence Berkowitz, Journal of Personality and Social Psychology, vol. 13, no. 2, 1969, pp. 79-82. psycnet.apa.org/doi/10.1037/h0028070

物理學獎:一群鯷魚能影響海流?

一隻拍翅膀的蝴蝶能讓海的對面產生颶風,那一群在海中游泳的鯷魚呢?他們可能直接影響了洋流與海面的大氣流動。

如果要計算颱風能量或是海洋鹽分的變化,我們通常會考慮海面風速與氣壓,要不然就是洋流、海溫和密度的垂直梯度等等。但這份研究發現,我們或許忽視了大海居民造成的影響。

研究發現只要到了鯷魚的產卵季,當天晚上海面附近海水的垂直混合程度會增加10~100倍。也就是這群游動的小魚們,像是攪拌棒一樣攪混了上層海洋,程度相當於地球物理現象造成的影響,對海溫與營養鹽分布的作用可能比我們想像的還大。

  • 原文研究: “Intense Upper Ocean Mixing Due to Large Aggregations of Spawning Fish,” Bieito Fernández Castro, Marian Peña, Enrique Nogueira, Miguel Gilcoto, Esperanza Broullón, Antonio Comesaña, Damien Bouffard, Alberto C. Naveira Garabato, and Beatriz Mouriño-Carballido, Nature Geoscience, vol. 15, 2022, pp. 287–292.  doi.org/10.1038/s41561-022-00916-3
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