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鳥的眼睛有多敏銳?-《鳥的感官》

貓頭鷹出版社_96
・2014/05/19 ・3660字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 487 ・五年級

201405鴨子的眼睛在腦袋兩側,牠看到的影像是一個還兩個?灰林鴞的大眼睛跟我們一樣都朝著前方,跟我們一樣只看到一個影像嗎?英國伯明罕大學的馬丁花了多年的時間測量不同鳥種的3D視野,發現視野可以分為三大類。

第一類為典型的鳥兒,例如黑鶇、鴝和鶯:部分的前方視野,以及絕佳的側向視野,但(跟我們一樣)看不到背後的東西。想不到的是,這一群的鳥兒幾乎都看不到自己的喙尖,但有足夠的雙眼視覺來餵食小鳥和築巢。

第二類則包括鴨子和山鷸之類的鳥,眼睛在頭兩側比較高的地方。牠們看不太到前方的東西,大多數也不需要看到喙尖,因為進食時會仰賴其他的感覺,但牠們上方和後方則有全景視野,以便於偵查是否有敵人接近。耐人尋味的是,雙眼看到的東西幾乎不重疊,或許鳥兒會看見兩個分開的影像。

第三類則是貓頭鷹之類、跟人類一樣雙眼向前的鳥。人類非常仰賴雙眼視覺來察覺深度和距離,因此會自動假設其他生物也以同樣的方式受惠。我們賦予貓頭鷹很重大的意義,或許正因為人類對雙眼視覺的依賴,而貓頭鷹能用兩隻眼睛看著我們的一雙眼睛。但外表會騙人,事實上貓頭鷹雙眼所構成的角度比外表看起來更大,所以牠們雙眼視覺的重疊比我們小得多。很多人認為,貓頭鷹適應了夜行生活後,雙眼才會向前,事實並非如此。很多貓頭鷹當然是夜行性動物,但具有第三類視野跟在黑暗中生活沒什麼太大的關係:油鴟和夜鷹屬夜行性,卻有第二類視野。貓頭鷹的眼睛為什麼朝前,馬丁有個很有趣的想法。他認為這是因為貓頭鷹為了在光線不足的時候飛行,所以需要很大的眼睛,再加上牠們需要很大的外耳孔(下一章會討論),頭顱上只剩朝前的地方可以放眼睛。「還有哪裡可以去呢?」他問。你可以從貓頭鷹的耳孔裡看到眼睛的後方,就說明了牠的頭上沒有地方可以同時放下眼睛和耳朵(還有大腦)[1]!

跟我同一代的讀者若於一九六○年代在英國受教育,就會記得學校很早就把人類眼睛的基本結構灌輸到我們腦海裡:球形器官,直徑大約二.五公分;可讓光線進入的開口(虹膜);可將光線投射到視網膜前的水晶體,視網膜則是眼睛後方的光感覺螢幕。來自視網膜的資訊透過神經網路傳輸,通過視神經到達大腦的視覺中心。我們甚至解剖了牛眼,現在回想起來,那時候還真年少呢:我可著迷了!

研究人員一開始研究鳥類的眼睛,並和人類眼睛比較時,發現了幾處顯著的差異。首先,有些鳥類的眼睛比我們的瘦長,例如大型貓頭鷹。十九世紀有位偉大的鳥類學家紐頓(一八二九至一九○七)說鳥類的眼球就像「觀劇望遠鏡粗短的鏡筒」[2]。第二個差異則是鳥類多了一層半透明的眼瞼,數百年來,養過鳥的人都知道。亞里斯多德提過,腓特烈二世在鷹獵術手冊中也提過:「為清潔眼球,有層特別的膜能快速蓋過前方的表面,又快速拉回。[3]」讓人意外的,這層額外的眼瞼首次正式出現在文獻上,跟一隻獻給路易十四的鶴鴕(食火雞)有關,而那隻鶴鴕於一六七一年死在凡爾賽宮的動物園裡[4]。雷和威勞比在他們一六七八年的那本鳥類百科全書裡寫道:「或許有些例外,但大多數鳥兒都有一層瞬膜……可隨心所欲用來蓋住眼睛,而眼瞼仍保持開啟……並用來擦拭和清潔,也可發揮溼潤之效……」瞬膜一詞來自拉丁文的 nictare,眨眼睛的意思。我們人類的瞬膜只剩下眼頭內側粉紅色的一小片[5]。

鳥類的瞬膜在眼瞼下方,在照片中最容易看見。如果你在動物園近距離拍鳥的照片,我打賭你一定會拍到鳥兒的眼睛看似乳白色,不知怎地有點朦朧,但在拍照時卻看起來好好的。通常,模糊不清是因為眼睛上的瞬膜快速水平或斜線移動,快到幾乎看不見,但照相機卻能拍得到。腓特烈二世也發現,瞬膜能夠清潔眼部,也能提供保護。每次鴿子低頭啄地上的東西,瞬膜就會在眼睛上移動,免得眼睛被樹葉或草刺到。猛禽在撞到獵物身上的時候,瞬膜會立刻蓋住眼睛,鰹鳥在衝入水中的時候,瞬膜也一樣會蓋上。

人類跟鳥類眼睛的第三個差別則是叫作梳膜的結構。因為很像梳子(拉丁文的 pecten)而得名,應該是在一六七六年由貝侯(一六一三至一六八八)發現,他是法蘭西學術院數一數二的解剖學家[6]。梳膜顏色很深,外表有皺褶,鳥種不同,皺褶數也不一樣,從三到三十都有。曾有一度,鳥類學家希望梳膜或許能跟其他結構特性一樣,提供重大的資訊,告訴我們不同種間有什麼關係。事實不然。然而,在猛禽般視力最為敏銳的鳥兒身上,梳膜是最大最複雜的。的確,一開始大家以為鷸鴕完全沒有梳膜,但在二十世紀早期,伍德發現鷸鴕有梳膜,其構造非常簡單[7]。

乍看之下,梳膜像根粗大的手指頭,伸到眼後房中,看似對視線並無幫助,反而會造成阻礙。但是細看之後,包括伍德在內的解剖學家才發現它的位置很巧妙。梳膜的陰影會落在視神經上,也就是視網膜的盲點上,因此不會阻礙視覺。梳膜有什麼用途?為什麼我們沒有呢?鳥類的梳膜似乎會為眼後房提供氧氣和其他養分。與人類和其他哺乳類不同的是,鳥類視網膜中沒有血管,而由一團血管組成的梳膜就是很聰明的供氧裝置。除此之外,皺褶也增大了表面積,讓眼睛內的氣體得以交換(吸入氧氣,吐出二氧化碳),眼睛便能呼吸。

人類的中央窩,也就是眼睛後方影像最鮮明的重點部位,是在一七九一年發現的。接下來,形形色色的動物體內也發現了中心凹,但要到了一八七二年,人類才找到鳥類的中央窩[8]。過了不久便有人注意到,雖然大多數的鳥兒跟人類一樣,只有一個圓形的中央窩,但蜂鳥、翠鳥和燕子,以及猛禽和伯勞鳥,都有兩個。值得注意的是,包括家雞在內的少數幾種鳥則完全沒有中央窩。有些鳥有線狀的中央窩,也有些鳥兩者兼具。包括大西洋鸌在內的許多海鳥則有水平的線狀中央窩,應該可以用來偵測地平線。

隼、伯勞鳥和翠鳥之類的鳥類體內所擁有的兩個中央窩,分別稱為淺中央窩和深中央窩[9]。淺中央窩和只有一個中央窩的鳥兒眼球內的一樣,提供單眼視覺,主要是看近距離的東西。然而,深中央窩則在頭側呈四十五度角,構成視網膜上的球狀凹陷,作用像望遠鏡頭裡的凸透鏡,有效增加眼球的長度和放大影像,提供很高的解析度[10]。深中央窩在眼睛裡的位置也表示猛禽有某種程度的雙眼視覺,能幫牠們判斷出迅速移動的獵物距離有多遠[11]。如果你觀察過圈養的猛禽,會發現牠們看著你走過來的時候,會上下左右移動頭部。這是因為牠們在切換兩個中央窩上的影像,淺中央窩負責特寫,深中央窩負責距離。跟我們的眼睛相比,鳥類的眼睛在眼窩裡比較固定(空間和重量的限制,減少了移動眼睛所需要的肌肉,省下不少重量),因此日行性猛禽和夜行性的貓頭鷹在細細查看時,特別需要轉動頭部。

鳥類眼睛的大小跟基本構造只提供了一些資訊,但視網膜的顯微構造透露了更多。猛禽絕佳的視力主要是因為視網膜中的感光細胞密度很高。感光細胞也叫光感受器,有兩種主要的類型:桿狀細胞和錐狀細胞。桿狀細胞可以比擬成老派的高速黑白底片:能偵測很低的光度。另一方面,錐狀細胞則像低速(ISO,感光度)的彩色底片(或數位相機上的低ISO設定):高清晰度,在明亮的光源下表現最佳。

我們只有一個中央窩,也就是視網膜上稍微凹陷的地方,這裡的錐狀光感受器非常密集,每個光感受器都有自己的神經細胞,傳輸資訊到大腦。在眼睛裡的其他地方,每個光感受器(同時包括桿狀和錐狀)則共用神經細胞,就像很多人透過同一條電話線把電腦連到網路上─慢到令人沮喪。中央窩內光感受器和神經細胞一對一的關係,表示錐狀細胞會將獨立的訊息送到大腦,提供來源更加準確的信號,並解釋了為什麼中央窩是解析度最高和彩色成像的地方。

有好幾個因素影響了鳥兒能看見什麼:眼睛的宏觀結構跟大小、視網膜光感受器的密度和分布,以及大腦如何處理從視神經傳來的資訊。雖然三個因素彼此相關,只看其中一個因素,並不能完全看出鳥類的視覺敏感度,或是鳥類能看得多細。

日行性猛禽的眼睛具備出色的視覺敏銳度─能明察秋毫。另一方面,貓頭鷹的眼睛具備出色的感光度─能在昏暗的光源下看得一清二楚。沒有眼睛能兩者兼具,就像照相機不能同時具備廣角和景深。物理定律就是這樣。視覺生物學家馬丁和歐索里歐說:「這兩種基本的視覺能力(感光度和敏銳度)之間總有取捨:如果影像中的資訊量很少(由於光線不足,視覺資訊稀少),解析度就不高;就算是眼睛本身能達到很高的空間解析度,在暗淡的光線下仍做不到。[12]」視覺敏銳度以眼睛的基本構造為基礎,包括大小(因為這決定了投射到視網膜上的影像大小)和視網膜本身的設計。可以拿照相機來打比方:鏡頭的品質決定影像的品質,底片的感光度(顆粒)或數位相機上的ISO設定決定重現影像的正確度。猛禽視網膜中的錐狀細胞占了優勢,尤其在每個中央窩裡面,每一平方毫米就有一百萬個錐狀細胞(人類大約只有二十萬個)。因此,猛禽的視覺敏銳度大概超過人類的兩倍。

 

摘自PanSci 2014五月選書《鳥的感官》,由貓頭鷹書房出版。

註:

  1. Martin (1990).
  2. Newton (1896: 229).
  3. Wood and Fyfe (1943: 60).
  4. Perrault (1680).
  5. Ray (1678).
  6. Perrault(1676,Cole (1944) 曾引用並圖解說明)。
  7. Newton (1896); Wood (1917).
  8. Soemmerring – 在Slonaker (1897) 中引用。
  9. 也稱為顳部的和外側的;深中央窩和淺中央窩。
  10. Snyder and Miller (1978).
  11. 也請參見 Tucker (2000) 和 Tucker et al. (2000)。雙眼視覺(兩隻眼睛同時看著同一個物體)是否給鳥類深度知覺(立體影像),目前沒有答案 (Martin and Orsorio, 2008)。
  12. Martin and Osorio (2008).

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喝母乳的寶寶能提升神經認知功能?——是真的!而且「曾經喝過就有效」

查克爸
・2021/10/26 ・3015字 ・閱讀時間約 6 分鐘

喝母乳的寶寶,真的會更聰明嗎?母乳不僅能夠提供小寶寶所需的營養以及免疫力,而透過母親的生理機制,更能將各種符合自己孩子需求的成分,客製成孩子專屬的母乳。需要發育大腦,就多給些相關的成分,如果要長肌肉也沒問題,媽媽隨時隨地都準備為孩子產製最適合的母乳,這可是任何產業都難以複製的機能。因此母乳被說是對寶寶是最好的禮物,想當然各種與母乳哺育相關的研究主題,便是眾多學者探討了解的目標。

其中,研究智力發展應該是最吸引人的主題之一,不過目前為止也是有研究指出,母乳哺育的孩子,他們的平均智商與沒有母乳哺育的孩子相差無幾,這不知潑了多少人一身的冷水,掃了無數爸媽的興致。但以前的證據說智商沒差異,不代表新的研究一樣沒差異,科學這件事就是會不斷變化,產出新的結論,全世界仍有不少研究都提出母乳可能使寶寶更聰明。

這次要介紹的羅徹斯特大學醫學中心(URMC)神經科學研究所(Del Monte Institute for Neuroscience)的成果就是其中之一,他們這次提出的新證據是與認知能力有關,而且他們的結論應該會讓人眼睛一亮,因為他們發現,母乳哺育的時間長短與 9-10 歲兒童的部分認知發展有關連,而且只要孩子有吃母乳一段時間就可以看出差異[1]

人類積極探索智力,母乳與智力的關係更是熱門主題之一。圖/Pixabay

改變研究方向,找出母乳與智力之間的正向證據

隨著各種研究產出,我們得以知道智力受到很多變項影響,尤其是與父母親直接相關的因素,例如父母的社經地位、智力程度、學經歷等都可能使孩子擁有較高的智力。換句話說,也就是研究者比較了相同教育程度或是經濟程度的母親後,結論是不管有沒有哺餵母乳,他們孩子的智商分數可能相近。

既然知道多種因素可以影響智力,便要在研究方法的設計下足功夫,因為要盡可能控制所有影響,讓母乳哺育的小孩,以及沒有母乳哺育的小孩都能在同一個基準線上比較,才能看出客觀上的差異,或可說是未能控制好混雜因素[2]

不過就如開頭所說,研究目標、方法不同,看到的成果就不一樣,羅徹斯特大學醫學中心這篇藉由分析青少年大腦認知發展研究計畫[3](The Adolescent Brain Cognitive Development Study;ABCD Study)數據的報告,就看到了母乳與認知的正向關係,改而分析更細項的各種認知能力[4],其涉及了執行與感知、學習、記憶、理解、意識、推理、判斷、直覺和語言相關的等各種任務技能。

認知能力分好多,研究分析哪些?

這個認知研究採用 ABCD 研究數據來探討,但為了減少測量誤差的影響(例如孩童曾經暴露會接觸酒精的環境、未參加訪視的兒童等因素),研究者最終保留了 9,116 名兒童的數據,並以此分析母乳哺育時間與神經認知能力之間的關係。那列入分析的認知能力向度有哪些?

向度一共有三項,而且跟每個人都有關,分別是一般能力(general ability)、執行能力(executive function)以及記憶力(memory),而這三項能力各自有其解釋在,如一般能力,美國心理學會對此提出的解釋定義是,一種可以被衡量的能力,且被認為是基礎能力,用來處理所有與智力相關的任務。

再來是執行能力,這個能力則可用來管理和控制工作記憶、注意力,也跟抽象思考等種種認知過程有關,像是設定目標、想像並預見;最後一個是大家耳熟能詳的記憶力,是透過大腦系統所儲存的訊息,是能回憶特定訊息或曾經有過的經歷。

不過這些能力的發展程度真的能評量嗎?放心,各項認知能力背後有眾多的研究依據,也發展出各種不同的測量方式來評定。像是「魏氏兒童智力量表的矩陣推理測驗」就在這個研究被用來測量知覺推理和組織、空間訊息處理等相關的能力;而美國國立衛生研究院的 NIH Toolbox®-Cognition battery,也在這個研究裡被整合運用評估兒童的神經和行為功能。最後通過次數以極多的神經認知測驗,也才讓研究結果得出有吃母乳的小朋友,是能改善某個認知能力。

針對各種能力、認知所開發的測驗,不斷的被開發出來並應用。圖/Pexels

母乳真的有助於認知能力!是哪一項呢?

研究要分析的有一般能力、執行能力以及記憶力,那究竟哪像能力獲得提升呢?鏘鏘,從數據提供的結論是一般能力(general ability)與母乳哺育的時間長短有顯著關聯[1]。但你可能會說「怎麼才提升一種能力?」,這時候我們要關注的是,在心理學上的一般能力也包含多種能力,一般能力只是所有分向能力的統整稱呼。

研究中把這九千多位 9-10 歲的孩子,依照他們吃母乳的時間長短分成四組,第一組是 0 個月的控制組,接著是三組母乳哺育的實驗組,分別是 1-6 個月、7-12 個月以及吃母乳超過 12 個月的寶寶,可以看到在母乳哺育期最短的 1-6 個組別寶寶,他們在一般能力的測驗結果,比起沒吃母乳的寶寶有所提升,而且隨著母乳哺育的時間變長,孩子們在一般能力的發展程度也越來越高。

用另外一個角度來看研究結果就是,今天有某一個家庭選擇餵養母乳,即便哺育期間落在有點長又不算太長的 2 個月或是半年內,對寶寶的神經認知發展來說也是有幫助的,這也符合研究人員的設定目標,因為這有望幫助改善人們的動機,讓更多人想要母乳哺育,不只告訴每個家庭們可以量力而行,也藉此呼籲政府、社會企業能夠更設身處地為媽媽們著想。

母乳哺育與一般能力認知的關聯性較高,且隨著期間變長而增加。資料/參考資料1

研究成果重要,但更該考慮「人」

各種母乳相關的科學證據報告,讓母乳對孩子的好處不言而喻,這次介紹的研究也是,也的確可以藉由這些證據協助家庭做出決定,讓他們決定是否要餵養母乳,但這篇研究成果的重點,是希望能夠「鼓勵」家庭選擇用母乳哺育寶寶,而不是「非得要」。

不可否認的是,母乳哺育對媽媽們是一個壓力來源,常常聽到「給寶寶最好的」,反而讓各種美好變成壓力,像是聽到哪位媽媽不給寶寶吃母乳,各種批評襲來,不餵母乳變成一種罪過。而如果選擇母乳哺育,又可能因為家人不支持而宣告放棄。

母乳對寶寶有幫助,但家人彼此間的支持才更重要。圖/Pixabay


研究也實實在在告訴我們,餵養母乳的意願及時間長短,可是牽涉眾多因素,其中個體因素如教育程度、年齡會改變想法,還有環境和社會文化影素也會影響,例如就業問題、丈夫支持程度、家人態度也都大大的參雜其中[6]

因此每個家庭間的討論、媽媽的個人意願都很重要,有了共識後再來下決定,而當你們決定好要給寶寶母乳,又就差那決定性的臨門一腳時,不妨想想這篇研究提出的結論,「只要曾經給寶寶喝母乳,便有機會提升他特定的認知能力喔」。

參考資料

  1. Lopez, D. A., Foxe, J. J., Mao, Y., Thompson, W. K., Martin, H. J., & Freedman, E. G. (2021). Breastfeeding Duration Is Associated With Domain-Specific Improvements in Cognitive Performance in 9-10-Year-Old Children. Frontiers in public health, 9, 657422. https://doi.org/10.3389/fpubh.2021.657422
  2. Walfisch, A., Sermer, C., Cressman, A., & Koren, G. (2013). Breast milk and cognitive development–the role of confounders: a systematic review. BMJ open, 3(8), e003259. https://doi.org/10.1136/bmjopen-2013-003259
  3. https://abcdstudy.org/
  4. https://dictionary.apa.org/cognitive-ability
  5. Natland ST, Andersen LF, Nilsen TI, Forsmo S, Jacobsen GW. Maternal recall of breastfeeding duration twenty years after delivery. BMC Med Res Methodol. 2012 Nov 23;12:179. doi: 10.1186/1471-2288-12-179. PMID: 23176436; PMCID: PMC3568415.
  6. Shi, H., Yang, Y., Yin, X. et al. Determinants of exclusive breastfeeding for the first six months in China: a cross-sectional study. Int Breastfeed J 16, 40 (2021). https://doi.org/10.1186/s13006-021-00388-y

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查克爸
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查克爸|醫學生物技術領域 碩士,現職為開發自然科學評量工具的研究 人員,將各種研究設計為科學教育評量工具的同時,也投入喜愛的科普領域。
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