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【Gene思書齋】鳥羽之美:鳥為何有多彩多姿的羽毛?

Gene Ng_96
・2015/05/19 ・4028字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 490 ・五年級

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鳥類,在生物學上,其實就是一種爬蟲類,牠們的祖先就是恐龍。我們認識到的「恐龍」,嚴格來說,應該叫做「非鳥類恐龍」,而鳥類則是「鳥類恐龍」。我和朋友打賭,說賭輸了請他們吃恐龍肉,如果真賭輸了,用雞排就能應付了。

當初我念生命科學時,有朋友問我是因為當時最紅的桃莉羊嗎?我的答案是,不是,是因為看了科幻電影《侏羅紀公園》(Jurassic Park)的原著小說。曾身為醫生和科學家的科技驚悚小說之父麥可‧克萊頓( Michael Crichton,1942 -2008),在原著小說中加入了不少紮實的科學知識,讓我一賭生命科學的奧妙。

《侏羅紀公園》的小說和電影熱潮,甚至在學術界引起不少認真的討論。書中提到用蛙的基因體來改造成恐龍,現在看來是頗不實際的,因為鳥類的基因體和恐龍的才最相像,而且何必想要從琥珀的蚊子中抽取到恐龍的 DNA呢?那樣只會抽到一堆蚊子的 DNA,還不如用演化基因體學的方法來推估恐龍和鳥類基因體究竟可能差異在哪,再用基因工程改造鳥類。

雖然《侏羅紀公園》在當時很前衛,可是1993年的《侏羅紀公園》到2015年夏天將上映的《侏羅紀世界》,轉眼間又過了廿幾年。在這廿幾年間,科學家對恐龍的認識,又更上了層樓。其中,最具顛覆性的新認識,就是發現原來好些在《侏羅紀公園》中出現的恐龍,原來表皮不是像鱷魚或蜥蜴那樣光禿禿、滑溜溜的,而是像鳥類那樣長著光鮮亮麗的羽毛。

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《侏羅紀公園》和《侏羅紀公園 2:失落的世界》中,動作迅速、伶俐而且異常殘暴的迅猛龍,身體應該要覆蓋者羽毛才對。不知如果當時電影中跳來跳去攻擊獵物的迅猛龍是全身毛絨絨的,會不會讓主角和觀眾們都很囧。

羽毛主要是由蛋白質組成的,當恐龍或鳥類死亡後,羽毛會被細菌或真菌分解,只有少數遠古的幸運兒,有機會成為化石後,還完整地保留羽毛,供後人欣賞。過去的廿年中,古生物學家們在中國新疆準噶爾盆地、內蒙古東南部和遼寧西部以及德國和俄國西伯利亞侏羅系地層中,在中國東北地區、蒙古戈壁地區、北美、南美以及非洲的白堊系地層中發現了大量帶羽毛的恐龍化石。這意味著具有毛狀衍生物和羽毛可能是獸腳類恐龍,甚至是大部分恐龍的普遍特徵。所以,真實的獸腳類恐龍如迅猛龍,搞不好應該都長成這些德性:

《侏羅紀公園》的系列電影和小說中出場的恐爪龍、嗜鳥龍、美頜龍、雙脊龍,其實身上也都帶有光鮮亮麗的羽毛。在《侏羅紀公園》裡頭,最接近鳥類的恐龍可能就是迅猛龍,而最接近鳥類的現生爬蟲動物是鱷魚。鳥類從恐龍演化而來的證據有骨骼解剖、行為和生理上的相似,這些相似處尤其來自馳龍科的恐爪龍、傷齒龍科的蜥鳥龍等等,除了羽毛之外,有化石證據顯示這些恐龍會利用胃石進行消化,這和一些草食性鳥類頗為相似;恐龍的骨骼也有氣腔,意味著恐龍可能像鳥類一樣是內溫動物;恐龍不僅也會築巢並育幼,牠們的蛋和鳥類的也很相似;恐龍的骨骼特徵顯示牠們的骨骼同樣生長迅速等等。有了這些證據,反而很難排除鳥類的祖先就是一種獸腳類恐龍的可能性。

可是無論如何,沒有任何一隻鳥長得像迅猛龍或鱷魚啊。那是因為在鳥類這一群動物裡頭,演化出太多新穎的特徵了!與其他陸生脊椎動物相比,鳥是一個擁有很多獨特生理和形態特點的動物。鳥身披羽毛,前肢演化成翅膀,具有堅硬的喙,其他特徵還有蠟膜、孵卵斑、距、尾脂腺、嗉囊。鳥的體型大小不一,最大的鴕鳥體高可達2.5公尺,而最小的吸蜜蜂鳥體長最小僅5公分。目前全世界為人所知的現存鳥類一共有一萬多種。

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鳥繼承了恐龍的羽毛,從此外觀產生了很大的變化,大到沒人會把鳥當作爬蟲動物,雖然生物學上牠們是,也不會有人把鳥當作恐龍。恐龍變成鳥,也非沒有爭議,《羽的奇蹟》Feathers: The Evolution of a Natural Miracle)這本好書,讓我們去探索科學家們,是如何看待恐龍演化成鳥這回事。雖然獸腳類恐龍成鳥,算是學術的共識了,可是仍有一派BAND的學者,堅持「Birds Are Not Dinosaurs」XD

提出羽毛演化重要理論的科學家,耶魯大學的鳥類學家普魯姆(Richard Prum)曾在2013年訪台,計畫了許多賞鳥旅程,甚至為了一種稀有的鳥類到馬祖去賞鳥。一般上,要作科學研究,一定要懂英文,可是在鳥類的起源和羽毛演化這個領域,許多貢獻卓越者,卻有中文名字,例如在〈鳥羽之美:台灣版《羽的奇蹟》〉中提到的鍾正明院士,還有中國科學院古脊椎動物及古人類研究所的周忠和及徐星等等。

羽毛是最複雜的角質化皮膚衍生物,就因為複雜,所以羽毛有許多功能,《羽的奇蹟》這本好書將為你一一道來。羽毛不僅對鳥類有用,對人類來說,最大的功用之一就是保暖吧。就因為有羽毛,連天寒地凍的南極都有鳥的蹤跡,真是不折不扣的鳥地方啊。

台灣冬天,許多人愛穿輕盈的羽絨衣、蓋溫暖的羽絨被,《羽的奇蹟》帶我們去見識了羽毛工廠,和全球特殊的羽毛供應鏈。台灣也貢獻了不少羽毛到國際市場,其中決定羽毛供應的,是台灣人愛吃的薑母鴨、烤鴨、燒鴨和鵝肉哦XD

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羽毛對鳥類而言,另一大用處還有保護牠們嬌嫩的皮膚。

就是有羽毛,讓蜂鷹能抵抗虎頭蜂的圍攻。日本戰國時期,有些武士的鎧甲也用上了羽毛。雖然羽毛只能提供一些保護力,不如鋼鐵堅硬,可是羽毛質輕,讓日本武士有更大的機動力,真動起手來不見得會輸給披上堅硬盔甲的戰士。

羽毛還有一大功能,是有助飛行:

鳥是怎麼翱翔上天的,學界仍議論紛紛,就像《羽的奇蹟》裡頭提到的,有人提出是爬到樹上滑翔下來的,也有人提出是從陸地上助跑飛上去的,都各有各的證據支持,在學界還未定案。

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不過,恐龍演化出羽毛的用意,恐怕不是為了保暖,因為當時地球還很溫暖。也非飛行,因為早期長羽毛的恐龍還不會飛。恐龍長羽毛,很可能是為了把妹!就像現代鳥類一樣,長出千變萬化的羽毛來把妹。像孔雀的開屏,就是鳥界的一大盛事!

還有冠青鸞(Argus pheasant)這就分佈在東南亞的雉類,其羽毛上的圓點,還有漸層,彷彿像一顆顆立體的珠子鑲在羽毛上:

連長得不太可愛的鴕鳥,都會用羽毛跳舞把妹:

《羽的奇蹟》作者索爾・漢森(Thor Hanson)提到,他為了寫這本書,還到拉斯維加斯去看了歌舞秀,真是個好藉口啊XD

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拉斯維加斯最受歡迎的歌舞秀「Jubilee!」舞者的舞姿,和以上鳥類求偶有沒有異曲工同之少呢?她們身上的舞衣,就是披上假真價實的鳥羽!羽毛,曾是歐美時尚界的聖品,是女仕衣物的基本裝飾品,有人作羽毛生意發了大財,可是也有人因羽毛退流行而家破人亡。《羽的奇蹟》為我們述說了這段有趣的歷史,例如南非曾經盛極一時的鴕鳥生意。連珍貴的鴕鳥羽毛,都曾讓西方列強反目呢!

提到鳥用羽毛把妹,就不能不提幾內亞的天堂鳥:

當地物產豐富到,這些鳥類實在吃飽太閒了,公鳥勤練舞藝,用身上亮麗的羽毛來把妹。

有朋友可能會好奇,為何鳥類會長出這麼多樣的羽毛來把妹,其他動物卻不是如此?這是個好問題,原因有很多,一樣羽毛夠複雜,能產生變化,不是我們哺乳動物簡單的毛髮能相提並論的。而且鳥類的視覺一般上來說頗好,有興趣可以參考這本好書《鳥的感官:當一隻鳥是什麼感覺?》Bird Sense: What It’s Like to Be a Bird?)(請參見〈鳥的超強感官〉)。所以訊號(羽毛)和感官(眼睛)對上了,就能變幻無窮。

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鳥類優異的感官也不限於視覺啊,鳥的鳴唱也是遠近馳名的。鳥類不僅能用嘴歌唱,還能把羽毛當弦弓,以下影片介紹的就是《羽的奇蹟》提到的梅花翅嬌鶲:

能用羽毛發出樂音把妹的,還不只是梅花翅嬌鶲,還有蜂鳥:

以上例子說不定還僅是冰山一角而已。羽毛能帶給我們的驚喜恐怕還不止以上例子。

鳥類是充滿創意的動物,把羽毛用作多用途,能飛翔又能把妹,讓自己和人類能溫暖。可是我們人類也不遑多讓啊《羽的奇蹟》提到用毛鉤釣魚,我雖然沒試過,不過已經聽許許多多玩過的老美說,那是個很能讓人上癮的嗜好;中國人寫字用歷史悠久的毛筆,用的是獸毛,可是西方人用的,就是鋼筆的前身羽毛筆。看了《羽的奇蹟》的解說,才知道原來羽毛筆的製作也是門絕活,用羽毛筆寫好字,現在也能算是絕活了吧XD

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《羽的奇蹟》把羽毛的身世和用途寫得興味盎然,不僅是鳥羽的傳記,也是人類的文化史。除了《羽的奇蹟》,祁偉廉先生的《鳥羽:台灣野鳥羽毛圖鑑》也值得大力推薦,這本圖鑑是一本集實用和藝術質賞價值於一身的好書。《鳥羽》全書蒐藏了42科108種、近3000枚取自台灣野鳥身體各部位的羽毛,以實物大小呈現。優雅地帶我們遨遊美麗的羽毛世界(請參見〈鳥羽之謎〉)。

本文原刊登於The Sky of Gene

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Gene Ng_96
295 篇文章 ・ 32 位粉絲
來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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美國將玉米乙醇列入 SAF 前瞻政策,它真的能拯救燃料業的高碳排處境嗎?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/06 ・2633字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 美國穀物協會 委託,泛科學企劃執行。

你加過「酒精汽油」嗎?

2007 年,從台北的八座加油站開始,民眾可以在特定加油站選加「E3 酒精汽油」。

所謂的 E3,指的是汽油中有百分之 3 改為酒精。如果你在其他國家的加油站看到 E10、E27、E100 等等的標示,則代表不同濃度,最高到百分之百的酒精。例如美國、英國、印度、菲律賓等國家已經開放到 E10,巴西則有 E27 和百分之百酒精的 E100 選項可以選擇。

圖片來源:Hanskeuken / Wikipedia

為什麼要加酒精呢?

單論玉米乙醇來說,碳排放趨近於零。為什麼呢?因為從玉米吸收二氧化碳與水進行光合作、生長、成熟,接著被採收,發酵成為玉米乙醇,最後燃燒成二氧化碳與水蒸氣回到大氣中。這一整趟碳循環與水循環,淨排放都是 0,是個零碳的好燃料來源。

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圖片來源:shutterstock

當然,我們無法忽略的是燃料運輸、儲藏、以及製造生產設備時產生的碳足跡。即使如此,美國農業部經過評估分析,2017 發表的報告指出,玉米乙醇生命週期的碳排放量比汽油少了 43%。

「玉米乙醇」納入 SAF(永續航空燃料)前瞻性指引的選項之一

航空業占了全球碳排的 2.5%,而根據國際民用航空組織(ICAO)的預測,這個數字還會成長,2050 年全球航空碳排放量將會來到 2015 年的兩倍。這也使得以生質原料為首的「永續航空燃料」SAF,開始成為航空業減碳的關鍵,及投資者關注的新興科技。

只要燃料的生產符合永續,都可被歸類為 SAF。目前美國材料和試驗協會規範的 SAF 包含以合成方式製造的合成石蠟煤油 FT-SPK、透過發酵與合成製造的異鏈烷烴 SIP。以及近年討論度很高,以食用油為原料進行氫化的 HEFA,以及酒精航空燃料 ATJ(alcohol-to-jet)。

圖片來源:shutterstock

每種燃料的原料都不相同,因此需要的技術突破也不同。例如 HEFA 是將食用油重新再造成可用的航空燃料,因此製造商會從百萬間餐廳蒐集廢棄食用油,再進行「氫化」。

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就引擎來說,我們當然也希望用到穩定的油。因此需要氫化來將植物油轉化為如同動物油般的飽和脂肪酸。氫化會打斷雙鍵,以氫原子佔據這些鍵結,讓氫在脂肪酸上「飽和」。此時因為穩定性提高,不易氧化,適合保存並減少對引擎的負擔。

至於酒精加工為酒精航空燃料 ATJ 的流程。乙醇會先進行脫水為乙烯,接著聚合成約 6~16 碳原子長度的長鏈烯烴。最後一樣進行氫化打斷雙鍵,成為長鏈烷烴,性質幾乎與傳統航空燃料一模一樣。

ATJ 和 HEFA 雖然都會經過氫化,但 ATJ 的反應中所需要的氫氣大約只有一半。另外,HEFA 取用的油品來源來自餐廳,雖然是幫助廢油循環使用的好方法,但供應多少比較不穩定。相對的,因為 ATJ 來源是玉米等穀物,通常農地會種植專門的玉米品種進行生質乙醇的生產,因此來源相對穩定。

但不論是哪一種 SAF,都有積極發展的價值。而航空業也不斷有新消息,例如阿聯酋航空在 2023 年也成功讓波音 777 以 100% 的 SAF 燃料完成飛行,締下創舉。

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圖片來源:shutterstock

汽車業也需要作出重要改變

根據長年推動低碳交通的國際組織 SLoCaT 分析,在所有交通工具的碳排放中,航空業佔了其中的 12%,而公路交通則占了 77%。沒錯,航空業雖然佔了全球碳排的 2.5%,但真正最大宗的碳排來源,還是我們的汽車載具。

但是這個新燃料會不會傷害我們的引擎呢?有人擔心,酒精可能會吸收空氣中的水氣,對機械設備造成影響?

其實也不用那麼擔心,畢竟酒精汽油已經不只是使用一、二十年的東西了。美國聯邦政府早在 1978 就透過免除 E10 的汽油燃料稅,來推廣添加百分之 10 酒精的低碳汽油。也就是說,酒精汽油的上路試驗已經快要 50 年。

有那麼多的研究數據在路上跑,當然不能錯過這個機會。美國國家可再生能源實驗室也持續進行調查,結果發現,由於 E10 汽油摻雜的比例非常低,和傳統汽油的化學性質差異非常小,這 50 年來的車輛,只要符合國際標準製造,都與 E10 汽油完全相容。

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解惑:這些生質酒精的來源原料是否符合永續的精神嗎?

在環保議題裡,這種原本以為是一片好心,最後卻是環境災難的案例還不少。玉米乙醇也一樣有相關規範,例如歐盟在再生能源指令 RED II 明確說明,生質乙醇等生物燃料確實有持續性,但必須符合「永續」的標準,並且因為使用的原料是穀物,因此需要確保不會影響糧食供應。

好消息是,隨著目標變明確,專門生產生質酒精的玉米需求增加,這也帶動品種的改良。在美國,玉米產量連年提高,種植總面積卻緩步下降,避開了與糧爭地的問題。

另外,單位面積產量增加,也進一步降低收穫與運輸的複雜度,總碳排量也觀察到下降的趨勢,讓低碳汽油真正名實相符。

隨著航空業對永續航空燃料的需求抬頭,低碳汽油等生質燃料或許值得我們再次審視。看看除了鋰電池車、氫能車以外,生質燃料車,是否也是個值得加碼投資的方向?

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參考資料

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誠實面對人類參與的「自然」——太田欽也專訪
顯微觀點_96
・2024/07/11 ・3228字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文轉載自顯微觀點

斑馬魚是最知名的模式生物之一,其基因、型態與發育深受了解,並用於探討深度同源等重要演化生物學問題。但也有科學家提出,演化生物學該持續隨環境演進,並嘗試以新的實驗物種——金魚——探討人類世(Anthropocene)環境下的生物演化。

育種歷史與基因巧合 奠定金魚的演化生物學價值

例如有千年馴化歷史、型態千變萬化的金魚,就相當適合探討人類因素與生物型態演化的關聯。

中研院細生所派駐臨海研究站的演化與發育生物學家太田欽也指出,斑馬魚與金魚兩者的胚胎都可以透過顯微鏡仔細觀察,相對於受精一年後才成熟的金魚,斑馬魚有成熟較快,基因組較為單純等優點,也具備許多現成基因研究工具。

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但斑馬品系間仍以其生理機能與基因為主要差別,對型態差異的演化並未那麼明顯。因為,科學家為了操作基因與細胞特徵而培育斑馬魚,使不同品系的差異大多來自目標明確的基因工程。

金魚型態演化圖。Courtesy of Kinya Ota and Gembu Abe

而金魚的型態變異,則完全來自飼養者對型態的偏好和育種,蘊藏更多元的型態變化與發育差異。其悠長的馴養歷史以及更古老的基因重複(Gene Duplication)機遇,使其值得成為演化發育生物學的新模式生物。研究器材和方法上的調整,則是生物學家展現才智的機會。

太田欽也舉例,「一般的解剖顯微鏡工作距離適合觀察和操作斑馬魚,但是經過我們自己的創意,也改裝出可以對金魚進行顯微手術的器具和適合拍攝的大型解剖顯微鏡。設備上的差異並不難克服。」

金魚胚胎的發育生物學優勢

太田欽也說,現代生物學家以果蠅和微生物育種進行遺傳與演化實驗,擴大時間維度來看,千年來金魚愛好者挑選、強化金魚外觀特徵的過程,可以比擬長時間的人擇實驗。

金魚不僅適合用來觀察人擇壓力如何影響成年生物的型態。太田欽也更想進一步探索,從胚胎階段的差異進行選擇,是否可能改變生物的型態。

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太田欽也提到,人工育種對發育與型態的影響力也展現在其他物種上,例如家犬與鴿子也被培育出許多特殊表型。但是哺乳動物和鳥類的胚胎觀察不易,需要相當高的技術與成本。

相對於動物子宮與鳥類蛋殼內的胚胎,在透明卵囊中發育的半透明金魚胚胎,就是非常容易觀察的研究對象。只要有恰當的複式顯微鏡、解剖顯微鏡和顯微手術能力,金魚的胚胎從受精到孵化都可以全程順利紀錄,而且每次繁殖可以蒐集到上百筆資料。

現代顯微攝影技術搭配容易觀察的金魚胚胎,讓太田欽也可以拍攝清晰影片,在網路上生動地分享發育生物學知識。攝影:楊雅棠

自製影片 盼演化生物學跨過學院圍牆

除了將金魚研究成果發表在 Nature 等科學期刊,太田欽也同時努力當起「Youtuber」。他希望能將演化發育生物學、金魚飼育經驗、臨海研究站的學術特色,甚至是宜蘭的風光,透過網路傳達給大眾。

武漢肺炎導致的漫長隔離,是他學習影音製作的契機。最初他在百無聊賴之下看了大量影片,後來逐漸萌發「我也要拍自己的題材!」的企圖心。開始搜尋拍攝、後製、配樂等網路教學,在隔離的單人房中逐漸進步。

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太田欽也說,拍攝影片最重要的動機是「分享」。他解釋,「科學的頻道不管累積再多追蹤者,例如數十萬人追蹤的 Nature, Science, 觀眾也以科學領域工作者為主。現代知識逐漸朝向『專家』與『外人』的兩極化狀態發展,我不喜歡這樣的社會。」

如同他推進學術研究的方法,他也透過自學、自己組裝基礎設備如空拍機、手機等,在節省開支的情況下拍出了中研院同僚為之驚艷的影片。

太田欽也為臨海研究站拍攝的簡介影片,基本款空拍機呈現了頭城的舒暢美景。

在早已開始的人類世 何謂自然?

太田欽也熱衷以空拍影片介紹宜蘭的郊野與人文,但他對主流輿論的「自然環境」內涵存疑,他認為「自然」早已被人類行為大幅改變。自從農業擴張、工業革命發生,人類對環境與生物的改變程度早已無法恢復「自然原貌」。

他以金魚的馴化過程為例,從宋朝開始的愛好者,透過育種極力凸顯特殊形態,從沒有背鰭的「蛋種」,到眼周水泡足以遮蔽視線的「水泡眼」。都不是基於適應「自然」而進行的育種。

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太田欽也強調,「如果是宋朝或明朝人有今天的生物學工具,以他們的追求珍奇的育種態度,一定會用 CRISPR 編輯金魚基因,製造出更奇特的變異型態。」

他說,這樣的行為會在現代科學圈與社會輿論上遭到反對,「認為動物被修改基因、型態變異很可憐」,但人類採用動物進行藥物實驗或經濟用途時,也並未優先考慮「自然原則」。

太田欽也反問,「若是透過基因編輯技術將金魚修改回類似野生鯽魚的型態,更適應野外環境,這樣算是自然或不自然呢?」

建立科技倫理 而非堅守「自然」想像

他指出,金魚的馴化與育種反映著東亞社會的自然觀念,不同於西方基督教倫理的「人統御、保護自然」意識形態。可以促進人們反思,人類也身在其中的「自然」的標準是什麼?而非執著於保護想像中的自然「原狀」。

太田欽也強調,「本質化『自然』、建構一個保守不變的形象,不會幫助人們了解生物學。」

他認為,宋朝人、明朝人的自然觀念與今日不同;甚至現代人常引用的「道法自然」倡議者老子,他所提倡的自然,與現代許多人想像、意圖恢復的也是不同的自然。

背鰭退化、尾鰭倍增的蛋種雙尾金魚,是古代貴族最青眼有加的奇特型態之一。作者:清 馬文麟 來源:國立故宮博物院

太田欽也建言,科學地面對人類因素影響世界各地生態的現實、建立基因科技的社會倫理與規範,都是比恢復建構出的「自然」意象更重要的生物學議題。

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來自日本和歌山縣鄉間的太田欽也說,長期駐守宜蘭頭城的臨海研究站不僅是因為設施與職位,也是因為此處環境與故鄉有幾分神似。

「但我不會說這兩個地方都很『自然』,在人們對我說『這裡很自然!』的時候。」太田欽也無奈地笑說,「想到周遭可以釣起吳郭魚的溪流、被整治疏濬成田園的原洪氾濕地,反而會讓我很疑惑彼此對『自然』的共識。」

1995 年諾貝爾化學獎得主克魯岑(Paul Crutzen)指出,現代已是由人類行為影響地質特性的人類世。此概念引起地質科學界激烈討論,從新石器時代、工業革命到核彈試爆頻繁的 1960 年代都有學者認為是人類世的開端。

最後由國際地層委員會的人類世工作小組投票決定,視第二次世界大戰後、人口與人類活動高速成長的20世紀中葉為人類世起點。

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參考資料

  1. Li IJ, Lee SH, Abe G, Ota KG. Embryonic and postembryonic development of the ornamental twin-tail goldfish. Dev Dyn. 2019 Apr;248(4):251-283.
  2. Abe G, Lee SH, Chang M, Liu SC, Tsai HY, Ota KG. The origin of the bifurcated axial skeletal system in the twin-tail goldfish. Nat Commun. 2014 Feb 25;5:3360.
  3. 太田欽也實驗室
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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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不為人知的鳥秘密?全都藏在羽毛裡——《五感之外的世界》
臉譜出版_96
・2023/09/19 ・2471字 ・閱讀時間約 5 分鐘

比孔雀還要顯眼、高調的鳥類並不多,但如果可以的話,我想請各位先忽略牠那華麗又色彩斑斕的尾羽。我們要將關注焦點放在孔雀頭上形成冠羽的那些硬挺羽毛。

細節藏在羽毛的「振盪頻率」裡

這些長得像鍋鏟的羽毛雖然也很醒目,卻常常被忽略。蘇珊.阿瑪德.康恩(Suzanne Amador Kane)從專門繁殖鳥類的鳥舍與飼養員那裡找來了一些孔雀,再加上一隻來自動物園、曾經不小心飛進北極熊圍欄裡的倒霉孔雀,想要研究孔雀冠羽的用途。

她的學生丹尼爾.凡.貝爾倫(Daniel Van Beveren)在孔雀冠羽上裝設了機械振盪器,並且觀察冠羽的擺動。當機器的振盪頻率為二十六赫茲時──也就是一秒振盪二十六次──冠羽擺動得特別劇烈。這是會令孔雀冠羽產生共鳴的頻率,也正好是雄孔雀求偶時擺動尾羽的頻率,因此康恩對我說:「這不可能只是巧合。」

孔雀冠羽產生共鳴的頻率,正好是雄孔雀求偶時擺動尾羽的頻率。圖/pexels

凡.貝爾倫對著架設好儀器的孔雀冠羽播放各種錄音,假如播出的是真正的孔雀搖動尾羽的聲音,冠羽就會產生共鳴;若是播放其他聲音,例如 Bee Gees 的〈Staying Alive〉,就沒有這種效果。

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該研究結果顯示,站在求偶的雄孔雀面前的雌孔雀或許真的能夠感知到雄孔雀尾羽製造出的氣流。除了看見雄孔雀賣力的求偶動作以外,雌孔雀或許也能感覺到這一番努力。(這種現象也會反過來,有時候雌孔雀也會對雄孔雀展現自己。)

康恩想要拍攝真實的孔雀求偶時冠羽的模樣,觀察牠們擺動冠羽的頻率是否真和尾羽相同,藉此證明她的論點。假如真是如此,就表示孔雀求偶的過程中除了有浮誇的視覺效果以外,其實還存在著人類一直以來都沒注意到的元素;而我們會忽略這些細節,是因為缺少適當的配備。

假如連大自然中如此耀眼浮誇的行為展演中,都有被我們忽視的環節,我們到底還錯失了多少東西?

孔雀細小的纖羽會告訴我們答案

從孔雀冠羽底部細小的纖羽(filoplume)就能找出線索。纖羽的樣子就像一根尖端為簇狀的茅,還能做為機械性受體之用。

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當空氣流動擾動了冠羽,便會擠壓到纖羽,進而觸發神經。大部分的鳥類都有纖羽,而且幾乎都會伴隨其他羽毛一起發揮作用。

鳥類可以透過纖羽掌控羽毛的狀態,因此或許能夠在鳥羽澎亂時即時整理羽毛,重整態勢。不過纖羽還有一項最重要的功用──幫助鳥類飛行。

從孔雀冠羽底部細小的纖羽就能找出線索。圖/pexels

避免失速墜落技巧

鳥飛行的樣子看起來是如此地輕鬆自在,因此我們很可能根本想不到那是一件多費力的事。為了維持在空中飛行,鳥必須一直調整翅膀的型態與角度。如果一切都對了,氣流就能順著翅膀流動,鳥類的身體也就能順利抬升至空中。

然而如果鳥的翅膀角度太大,原本順暢的氣流會形成擾流,抬升的力量也就隨之消失,這種現象叫做失速(stalling)。一旦鳥無法避免這種狀態產生或即時修正,就會從天上掉下來。不過這不常發生,一部分原因是因為纖羽能為鳥類提供必要資訊,因此能夠因應各種情況快速調整翅膀的狀態,避免不幸。

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老實說,這種能力實在相當驚人。我記得有次站在船上看著一隻海鷗緊跟船身飛行;那天風很大,而我們──也就是我坐的船和那隻海鷗──都在高速移動。當我伸出手感受從手上與指間吹過的風時,不禁讚嘆海鷗的翅膀竟然也能產生同樣的作用,讓鳥類能夠在天空中飛翔。

如果一切都對了,氣流就能順著翅膀流動,鳥類的身體也就能順利抬升至空中。圖/pexels

然而我當時我根本不知道鳥類還會運用纖羽判讀氣流,在飛行時不斷微調姿態。法國的眼科醫師安德烈.羅尚-杜維尼奧(André Rochon-Duvigneaud)曾描述鳥是「一對靠雙眼引導方向的翅膀」,不過這個說法還不夠正確──鳥的翅膀其實會為自己找到方向。

蝙蝠翅膀長得不一樣,功能卻一點都不差

蝙蝠的翅膀也是如此。牠們翅膀的薄膜雖與鳥羽構造大不相同,敏感度卻不相上下。蝙蝠的翅膀薄膜上布滿有敏銳觸覺的毛髮,這些毛髮從小小的半圓球狀上凸出,並且連接著機械性受體。

蘇珊.斯德賓發現這些毛髮大多數只會對來自蝙蝠背後往前吹拂的氣流有反應,而這種現象通常在蝙蝠快要失速時才會出現。因此蝙蝠其實就跟鳥類一樣,都能感覺出快要失速的狀態,也能夠及時採取行動修正。

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多虧這些毛髮,蝙蝠能以陡峭的角度飛行、在空中盤旋和後空翻,捕捉在尾巴附近的昆蟲,甚至還能以頭下腳上的姿態降落。當斯德賓以除毛膏去除蝙蝠翅膀上的毛髮,並讓牠們飛過障礙物後,可以發現毛髮消失對牠們產生的影響非常明顯。

蝙蝠翅膀的薄膜雖與鳥羽構造大不相同,敏感度卻不相上下。圖/pexels

牠們雖然不會墜落,卻會選擇與周邊的物體保持相當的距離,轉彎的角度也比平常更大,姿態更笨拙;反之,假如牠們翅膀上的毛髮完好無缺,就能夠以離物體僅僅幾公分的姿態飛行,還能做出過髮夾彎一般的飛行動作。

對牠們來說,氣流感受器的存在與否決定了牠們只能用一般方式飛行,還是能夠進一步做出各種飛行特技。

對於其他動物來說,這些感受器的存在很可能更是存亡與否的關鍵。這或許就是為什麼它們會演變為這世上數一數二敏感的器官。

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——本文摘自《五感之外的世界:認識動物神奇的感知系統,探見人類感官無法觸及的大自然》,2023 年 8 月,臉譜出版,未經同意請勿轉載。

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