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生物界建築大師

探索頻道雜誌_96
・2015/08/19 ・3085字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

人類對於自己巨大的物質創作過於自豪,以至於往往以為只有人類才有卓越的設計。《Discovery探索頻道雜誌》發現事實正好相反,並深入了解背後原因,帶我們踏入神奇的動物建築世界。

動物建築四處可見。舉凡數十億隻珊瑚蟲分泌鈣搭建而成的大堡礁、水利工程大師河狸,乃至黏性強且易致命的小蜘蛛網,以及蜂巢、白蟻窩,還有種類樣式多到幾乎無以計數的鳥巢。

科學家和博物學家長年來仔細鑽研這些神奇的設計,並逐漸認識到這些特別複雜的結構究竟是如何建造。倘若能深入了解這些動物建築,勢必有助於科學方面的進展:畢竟要建造出這些結構,需要具備技能、智力,以及從錯誤中學習的能力,而這些特質在過去被認為是人類獨具的。

格拉斯哥大學動物建築榮譽教授麥可‧韓索爾(Mike Hansell)表示,動物搭造建築主要是為了提供安全的遮蔽,免受嚴寒及酷熱之苦,以及躲避掠食者。這點和人類一樣。

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他在著作《動物建造:動物建築的自然史》(Built by Animals: The Natural History of Animal Architecture)中寫道:「巢、穴和繭都是為此建造的家。動物建築和人類的家類似,並非只提供保護,有時也會具備一些額外的附加功能,例如儲存糧食、廢物處置,還可能內建食物生產區。」事實上,有些動物建築甚至還具備通風散熱系統。

30-31 動物界建築大師
圖左一、二:石蠶蛾(Limnephilidae)建造的兩種沙管;圖右為巢鼠(Micromys minutus)建造的巢。本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年04月號第27期,全見版請點擊本圖放大。

堅固耐久

舉例來說,草原松鼠在北美大平原上挖掘的洞穴即使遇到極端氣溫、水災和火災也經得起考驗──裡頭有功能各異的洞室,用來儲存食物、監聽掠食者或養育幼鼠。牠們的洞穴能構成相互接連的地下「城鎮」,規模相當龐大。其中一例就是在1900年德州一處未有人類聚落的場所發現的草原松鼠巢穴,占地6萬5000平方公里,估計當中約居住4億隻草原松鼠。

南美切葉蟻的巢穴也在地下,可達六公尺深,容納八百萬隻成蟲。蟻群不停將新鮮的植物葉子剪切成薄片,搬進巢穴,接著將葉片嚼碎混合作成堆肥,用來培養牠們養在「真菌園」裡的真菌,維持蟻群的食物來源。

這個地下迷宮藉由一煙囪系統將巢穴的空氣排出,保持通風。這樣的機制也出現在某些白蟻丘和齧齒動物的洞穴。此外也被一些水棲的動物,包括穴居習性的魚類和蝦猴所應用。

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澳洲北部的磁白蟻則將此提升至更高的境界。宛如墓園般的場地,佈滿兩公尺高瘦長的「墓碑風格」蟻丘,其中不僅有拱門、隧道、煙囪、隔離區和育嬰室,甚至還由北至南排列成一線,好將陽光曝曬程度降至最低。

「動物建築有兩個主要的其他功能:作為陷阱或展示。」韓索爾補充道。最顯而易見的陷阱建造者,當然就屬蜘蛛了。而澳洲亭鳥的雄鳥則會建造「亭子」,並精心布置、裝飾自己的作品,以用來擄獲雌鳥的芳心。

34-35 動物界建築大師
圖左為鋼腹蜂鳥(Amazilia saucerrotte)的巢,圖右則為細紋葦鷹(Acrocephalus scirpaceus)的巢。本圖出自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年04月號第27期,全見版請點擊本圖放大。

嘗試錯誤學習

但為何這麼多動物,儘管並非擁有高度智慧,卻懂得建造如此繁複精巧且看似科學的構造呢?

正如任一個人類建築計畫一樣,動物雖是因應需求而創造建築,也必須善用大自然的條件。動物要能運用腦力來規劃、設計和操控材料,這多半仰賴環境所給予的資源,以及動物天生所具備的專長。動物在打造建築時會用到自己本來就有的工具,包括身體、喙、手、腳、牙齒、爪子、尾巴、吐絲器和螯。

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用科學方法來衡量白蟻、珊瑚蟲或某些類蝦子等的築巢動機並不容易,而目前科學家大致歸納出了幾種理由。諸如作為掩蔽處、養育家庭或是吸引伴侶,甚至作為捕捉獵物的陷阱,然而無論是何種理由,動物對於建造巢穴的種類、地點、以及材料所做出的每個選擇,都會對最後的成敗有重大影響。正由於巢穴相當重要,因此長久以來,築巢被認為是由基因遺傳決定的:畢竟,即使毫無經驗的未成年者也能建造出與成年者相當接近的成品。

不過近來有大量關於鳥類的研究顯示,在這群築巢脊椎動物中,基因只不過是其中一個因素而已。這些研究發現,鳥類並沒有遵循與生俱來的築巢範本,也不受限於遺傳天性所選的材料,而會從嘗試、錯誤和範例中學習如何選擇最適合的建材和技術,蓋出自己的夢想家園。

在一項以斑胸草雀為對象的研究中發現,斑胸草雀在野外會以乾燥的草莖和細枝築巢,以用作掩護,提供安全的環境以養育下一代。為了解牠們如何在不同的建材之間做出選擇,蘇格蘭聖安竹斯大學的艾達‧貝利博士(Dr Ida Bailey)對一組飼養箱中的斑胸草雀提供有彈性、鬆軟的繩子作為建材,而另一組則提供較僵硬、結構較健全的繩子。

之後再讓兩組鳥類選擇有彈性還是較僵硬的繩子,這時先前被迫造出鬆軟鳥巢的那組立即選擇較堅硬的建材。「我們發現斑胸草雀喜愛較僵硬的繩子,因建造起來較有效率,使用較少的建材就能完成一個巢,」貝利表示。

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科學家研究波札那的黑額織巢鳥以草編成的複雜鳥巢後,進一步肯定「學習」對築巢的價值。他們發現,每隻鳥會使用不同的技巧建築自己的巢,有的鳥喜歡從左到右築巢,有的則喜歡自右而左。他們同時也發現,鳥兒在將草葉編織和打結築成巢這方面愈來愈有經驗後,掉落的建材數量也會減少。

「假使鳥兒遵循遺傳基因範本來築巢,那麼你會期待所有的鳥每次都以同樣方式築巢,」愛丁堡大學生物科學學院的派翠克‧華許博士(Dr Patrick Walsh)解釋,「然而事實並非如此。黑額織巢鳥的築巢方法變化不少,顯示經驗在築巢過程扮演了關鍵角色。即使是鳥類也會熟能生巧。」

當然頭腦好也有幫助。其他研究顯示,腦容量較大且皺褶多的小腦,能建造出結構較為複雜的鳥巢,因為小腦與複雜的運動技巧、過程學習和計畫有關。

「建造出結構複雜鳥巢的鳥類,其小腦皺褶比建造出簡單鳥巢的鳥類更大。」聖安竹斯大學的生物學家札克里‧浩爾博士(Dr Zachary Hall)表示。

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「其他與小腦有關的築巢行為,例如動作順序和學習,也可以解釋鳥巢複雜度和小腦皺褶的關係,」他表示。

雄性亭鳥會精心建造展示用的亭子,並蒐集彩色的物品來裝飾。2005年的研究顯示,鳥類小腦的腦容量愈大,其建造的亭子複雜度就愈高。

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圖上為哥倫比亞的硬珊瑚(Meandrina meandrites),圖下為築巢初期階段的黃胡蜂(Vespula vulgaris)巢。本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年04月號第27期,全見版請點擊此處。

連鎖反應

除了造型迷人有趣之外,動物建築師建造的建築功能甚至已不只滿足動物自身需求。隨著時間過去,這些建築也會從根本改變當地的景觀,並且增加生物多樣性。舉例來說,海狸砍伐樹木,因而開闢新的發展空間,並創造溼地,進而帶來了無脊椎動物、魚類和蛙類,以及寄生在牠們身上的生物。

珊瑚礁會隨著時間緩慢生長,其生物多樣性的豐富程度與熱帶雨林不相上下;而蜥蜴和鳥類則樂於在白蟻丘中築巢。即便是不起眼的蚯蚓,牠們每年咀嚼、鑽過大量的土壤和泥地,也都有助於使土壤更肥沃,讓其他植物和動物能在其上成長茁壯。

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唯有人類,雖可說是所有動物之中最偉大的建築師,但卻似乎具有傷害周遭陸地的天賦。「人類是會改變棲息地的強勢物種,」韓索爾贊同此觀點,「除了人類,沒有任何一種物種會因為建築行為而造成劇烈的環境變遷。」

幸好我們從動物身上學到的智慧或許能幫助我們設法轉危為安,建造出對地球更友善的設計。「現在該輪到人類將其他物種吸引至我們所建造的棲息地了,」韓索爾如是說。

 

本文出自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年04月號第27期

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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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為什麼腿短短,走路還搖搖晃晃?解密企鵝賣萌的背後真相!——《鴿子為什麼要邊走邊搖頭?》
晨星出版
・2023/10/24 ・1652字 ・閱讀時間約 3 分鐘

企鵝搖搖晃晃地走路

圖/giphy

說到用兩隻腳走路的鳥類,就不得不提企鵝。企鵝用兩隻腳在冰上搖搖晃晃走路的樣子非常可愛。在水中卻可以自由自在地高速游泳、追捕魚,這兩種樣子帶給人的印象有非常大的不同。

話說,企鵝意外地可以走很長一段距離。牠們會在地上蒐集石頭來作巢,所以當然要可以走到築巢的地點。通常企鵝類的繁殖群會位在距離海岸線幾百公尺的地方,但有時會在距離海岸 3 公里以上的內陸,想像企鵝排成一列搖搖晃晃地走 3 公里,實在是可愛至極。

說是這樣說,但是走 3 公里,我們人類都覺得有點遠了,企鵝真的可以搖搖晃晃走過去嗎?

牠們的走路方式感覺效率很差,好像很累。企鵝走路時腳會使用的力量以及計算其所需能量的研究顯示,企鵝的走路方式一如外表印象,效率很差。大概所有人都會覺得「我想也是」吧,但我們不妨來仔細思考為什麼會效率很差。

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圖/giphy

鵝生好累!企鵝其實一直蹲著?

在討論企鵝的步行時,首先得要知道的是其獨特的體型。企鵝看起來是用兩隻腳站著,腳感覺極端的短。大概因為身上的毛色彷彿穿著燕尾服一樣,總覺得像是人類的喜劇演員一般。

但是牠嚴格說來並不是「站著」。看企鵝的骨骼圖(圖一)就很清楚。髖關節跟膝關節強烈彎曲的姿勢,以人類來說就是「蹲著」。換言之,企鵝時時刻刻都是蹲著的,連走路時也是蹲著的狀態。試著自己蹲著走路看看,就會像企鵝那樣搖搖晃晃地。牠們搖搖晃晃的姿態,背後的祕密就是體型與姿勢。

而由此延伸,企鵝的步行方式非常沒效率的理由,可能就是身體橫向搖擺和轉動幅度非常大。搖擺跟旋轉的動作,對前進而言怎麼看都是不必要的舉動,但是根據之前的研究,其實企鵝不搖晃反而效率會更差。之前也說過雙足步行的動能跟位能要有效率地轉換,才能有效率地運動,但企鵝似乎是用橫向搖擺的動作來進行這種能量轉換。

圖一、企鵝的樣子跟人很像,所以如果讓企鵝在山手線月台上排隊,也不會有人發現(右),但是如果看骨骼(左),企鵝蹲下來就可以跟站著的人類簡單區分開來。

短腿優先?

也就是說,企鵝走路效率不佳的理由,跟牠們這種體型跟姿勢有關。

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企鵝的腳確實很短,以現在還活著的企鵝種類來說,體型最大的皇帝企鵝的體重將近 20 公斤,和澳洲的平胸鳥類鶆䴈幾乎相同,然而比較這兩種鳥類的腿長的話,鶆䴈的髖關節大概在 80 公分高的位置,而皇帝企鵝大概在 30 公分高左右。明明體重差不多相同,企鵝的腳的長度卻只有鶆䴈的一半以下,步行效率差也是沒辦法的事。

本章已經反覆提過好幾次,腿愈長一般來說會步行速度愈快、效率也愈好,企鵝的短腳和蹲下的姿勢非常不適合走路,這點沒有人能否定。

圖/giphy

企鵝的腳會這麼短,恐怕是為了在寒冷地帶保住體溫。雖然也有棲息在熱帶的企鵝,但多數企鵝都棲息在極地,在水中跟地面上不失去體溫就是牠們最重要的課題。四肢末梢要是比較長,就會因為體積的表面積變大,容易失去體溫。所以在寒冷地帶演化的物種,耳朵等突出部位通常都會比較小。

雖然意外地能走很長距離,但企鵝仍然主要屬於在寒冷地區游泳的鳥類,為此演化出的短腿跟蹲著的姿勢,必須讓身體左右搖晃走路來補足才更有效率。

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——本文摘自《鴿子為什麼要邊走邊搖頭?》,2023 年 8 月,晨星出版,未經同意請勿轉載。

晨星出版
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動物移動方式大不同!獵豹為什麼跑這麼快?——《鴿子為什麼要邊走邊搖頭?》
晨星出版
・2023/10/23 ・1560字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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動物的移動方式及進化

動物會使用肌肉骨骼系統來進行各種運動,有時是只動身體的一部分,有時則是移動整個身體,讓自己移往其他地方的情況。理所當然的是,動物將自己整個身體移動到其他地方,會比只有動一部分身體需要更多的能量。所以移動時會特別需要注重效率。

動物們在進化過程中獲得各種生活形態,以及適合該生活形態的移動方法。只要看看動物們的走路方式,就能理解這個進化過程。

像山椒魚等兩棲類動物,以及蜥蜴、壁虎等爬蟲類,都是從軀幹伸出四肢來撐起身體,並扭動身軀,一一藉著四肢的支點往前方移動(圖一)。扭動軀體的運動跟魚在游泳時的軀幹動作很類似。兩棲類和爬蟲類是脊椎動物進化過程中最初上陸的動物們,本來就擁有類似魚那樣扭動身軀的身體構造,要善用這種構造在陸地上運動,就演化出了這樣的走路方式吧。

圖一、壁虎的步行姿勢。隨著步伐,脊骨(白線)會左右大大彎曲。

後來兩棲類中有一部分軀幹變短、後肢也變得發達,那就是蛙類(圖二)。長長的後肢可以產生強大的跳躍力。說到彈跳,身體要是扭來扭去的穩定性就不好,要是身體變短,就不會扭來扭去的了。因為獲得了短身軀跟長後肢,使得蛙類可以進行大幅度跳躍。

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圖二、青蛙的骨骼標本。長腳可以進行強力跳躍,短短的軀幹則讓跳躍時可以保持身軀穩定。

一部分的爬蟲類(恐龍類)和哺乳類的四肢又更加發達,可以進行多樣化的運動。他們的四肢不只是變長,還跟兩棲類或蜥蜴等爬蟲類不一樣,四肢不是生長在身體兩側,而是下方。往下生長的四肢可以高高舉起軀幹,只要前後擺動四肢就能移動了。

比起移動整個身體,只有四肢動作的效率會比較好。另外,體幹如果可以不激烈動作,身體就可以比較安定,而且更容易控制。結果就能實現高速運動。另外,像鹿或是馬等擅長跑步的動物,牠們的四肢,特別是末端部分會很長(圖三)。腳變長的話,跨一步的距離也就會變長,可以跑得比較快。

圖三、馬(左)和人(右)的骨骼,馬的掌骨跟肱骨差不多是同樣長度,人的骨骼圖為臼田隆行作畫。

本來哺乳類也不是軀幹就保持不動,而是軀幹跟四肢經常一起協調地動作,但是方向跟魚或蜥蜴的橫向運動不同,是身體往腹背方向彎曲再伸直,像是為人熟知的貓科動物跑步時的動作。例如,獵豹跑步時,身體會大大彎曲再伸直,用全身力氣來有力地跳躍並讓步伐加大,創造出陸地上最快生物才有的跑步速度。(圖四)

圖四、跑步中的獵豹。跑步時脊骨(白線)會往腹背方向大大彎曲再伸直,讓每一步的步伐距離變長。

所有哺乳類雖有程度差別,但似乎都有像這樣身體往腹部方向屈伸的動作。前面所述的馬跟鹿等動物,雖然看起來軀幹動作沒這麼大,但脊骨還是會反覆進行彎曲再伸直的動作。只是活動程度比貓科動物少得多了。

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稍微離題一下,從陸地再度回到水中的哺乳類也不例外,海豹或海狗、鯨魚等動物,游泳時的脊椎也是往腹背方向屈伸的。魚類一般是身體往兩側扭動來游泳,所以我們可以說水棲哺乳類的身體往腹背方向屈伸,是因為從腳配置在軀幹下方的哺乳類演化而來,可以說水棲哺乳類才有這樣的特性吧!

——本文摘自《鴿子為什麼要邊走邊搖頭?》,2023 年 8 月,晨星出版,未經同意請勿轉載。

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