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生聯網前傳——從一個「葉脈紋理模式」感測小研發說起

oeo
・2015/09/14 ・2305字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 572 ・九年級

車桑子

近年很喜歡和科學科幻同好分享一個概念——IoL,它不是近年廣受歡迎也飽受批評(干擾學業、衝擊生活)的網路遊戲LoL兄弟作,而是我們人類在「網路」的世界解讀上,從(資訊)網際網路(Internet)時代正邁入物聯網(Internet of Things,縮寫IoT)時代的當今,是否有下一個大願景或說另一個大文明:生聯網(Internet of Lives,IoL)?!

「如果沒有人在觀察,宇宙是否存在?」這是物理大師約翰.惠勒的大哉問。而生物與生物及其與人之間的科技與可利用互聯,自然就牽連到自動辨識與感測技術的基礎建置,終極版之下的一個小意象,可能就會像科幻電影《阿凡達》那樣:人可以直接和其他生物「連結」、「通訊」!

一般人或平時,許多不起眼的植物是根本不太會被以「資源」甚至「生命」的角度看待,「常見卻陌生」、「繁多卻疏離」成了一種現代文明中的矛盾現象!進而言之,現今生活科技進展神速,我們隨時隨地要知道餐廳、商店、旅遊、新聞、消費購物……等各種人造事物的資訊唾手可得,在網路資訊發達(最新調查數據指出,任何時間都有多於20億人在網路上),行動科技普及的生活環境中,對於生物資源——以植物為例,是否能有更多更廣的認識與資訊的應用?要能將植物資訊整合、網路利用、開發應用的第一步又該從何處入手?植物識別中的特徵有沒有可以如同條碼與指紋那樣有利於機器判別的模式?這些問題都值得探究、開發!

「未來某一天,活在生態文明的居民,用穿戴科技設備對著身邊的植物掃描後發出『嗶』一聲,螢幕上顯示出該種植物名稱、特徵、生態、典故、用途、價值的相關資料……」上述一直是國立苗栗農工森林科,一個長期接觸並學習生物資源的迷你師生研發團隊的一個小夢想與嘗試行動計畫,近年也以此系列研發作品屢獲全國專題、科展競賽佳績 。

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前月更正式刊載於全國林業的官方期刊「台灣林業」41卷第3期(可至農委會林務局網站全文下載 ),這在科研上,大致屬於「大問題的小貢獻」型,嚴格來說略嫌方法生嫩、成果粗陋的作品,但在國內研發風氣尚未成熟,資源配置紛雜不足,基礎投入難得健全(例如近年已經有很多人注意到:台灣有那麼多光鮮亮麗的的國內外研發得獎成績,但為什麼延續性、獲專利率如此低?)的背景下,現實中能以高職團隊進行而獲此微型成果,難能可貴!

專題競賽照片2
這個研發簡單說,是透過一種新的嘗試,整合日新月異的數位條碼與圖形(包含指紋)辨識的基本概念,導入植物識別技術,盡可能站在其他相關領域之行動科技與辨識機器的立場來思考與設計,將有「樹木的名片」之稱的「葉片」,其中的葉脈特徵―主脈與側脈的分布模式加以二元數位資料化,增進「辨識」部分趨向科技設備自動化作業,強化人們對植物資訊認識與掌握的便利性與效能。

本研究設計並測試了一套將傳統人為感官植物識別導向結合葉脈數位資料化的植物自動辨識系統,以103年版為例,將48科92屬102種植物葉片,每種重複10組,共計1020筆資料,並以其葉脈分布以葉長、葉寬為區段等分中出現有無測計為1 或 0之數位資料(條碼化),建立為一個可包含102種植物的「葉脈數位基模樣本資料庫」,透過「資料比對」最大範圍最佳狀況下可供這102種的植物識別參考所用。試驗結果以第一種比對演算法「樹種標準數位碼運算法」,計有九重葛、犬黃楊、波羅蜜、相思樹、紅楠、台灣三角楓、黑板樹、梭羅木、白樹仔、印度塔樹、朱槿、菲律賓樟12組樹種完全辨識成功。

以第二種比對演算法「全體參照數位碼運算法」,則計有大紅袍、山黃梔、相思樹、紅楠、菩提樹、台灣三角楓、楊梅、黑板樹、梭羅木、石楠、印度塔樹、菲律賓樟12組樹種完全辨識成功。總計在102種1020筆所建構出的資料庫試算表,以30種測試樣本進行測試,總計可辨識成功者為17種,辨識度達57%,又在102種樹種1020筆資料中,進入辨識樹種名單前20名者更達28種,參考性高達93%。

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葉脈條碼總表

在網際網路尚未出現之前,其實「網路」就已存在並發展於人類世界,例如軍事網路、貿易網路、文明網路,甚至在還沒有人類世界之前,「網路」就存在於地球,例如(生物)食物網,關係緊密,結構精巧,運行熱絡,而我們也必須牢記,像麥克魯漢尼爾.波斯曼這種傳播理論大家早已提醒我們:名稱影響概念,概念形塑發展!而任何違犯自然,背棄生命的文明發展,終究是弄得勞民傷財,荒腔走板!而古人說得好:「陽春召我以煙景,大塊假我以文章。」相信大自然中的「文章」,不單只有文學、美學的價值,其實更具有「科學」上的意涵,紋理模式(pattern)即是一窺其奧秘可供人為參與互聯的門徑之一!

「天地與我並生,萬物與我共存」,人類文明距離「生聯網」的巧妙極致還非常遙遠,路途漫長艱辛,然而若想起號稱史上最傑出的目的論者,形態學大師達西.湯普森(Thompson)曾提醒:「我們必須記住……聰明絕頂的人發現簡單的事物;這些人十分傑出,解釋過石塊的路徑、鏈條的下垂、肥皂泡的色彩,以及杯中的影子等。」這說法著實正向且勵志,我們大都不是聰明絕頂的人,但在科學科技探究生涯中,雖然跨出的是一小步,記得有夢最美,總不放棄讓自己去成為更接近聰明絕頂的人!

中國時報

Ps: 目前苗農森林科迷你團隊持續此主題研發,至今大致採取「非典型」研發模式,但也非常期待、需要各界先進同好的支持,尤其需要電腦程式編寫人才(APP程式)、影像辨識專家的協助,懇請指教,歡迎合作!

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森林學研究所畢業 曾任台大創發社幹部(臉書社團 "創發社CAIV" 召集人 ) 某屆倪匡科幻獎得主 從事教育工作 科學科幻 自然生態 文藝創意 一切"豐富生命"的愛好者...

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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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「科學家也需要 Art!」持續破解果蠅大腦神經迴路的李奇鴻
研之有物│中央研究院_96
・2022/04/11 ・6084字 ・閱讀時間約 12 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/歐宇甜、黃曉君、簡克志
  • 美術設計/林洵安、蔡宛潔

神經科學與視覺

我們怎麼「看到」顏色,「察覺」東西在動?大腦如何產生視覺?中央研究院「研之有物」專訪院內細胞與個體生物學研究所所長李奇鴻,他是國際知名的神經科學家,過去長期在美國國家衛生院(National Institutes of Health)做研究,2018 年回到中研院貢獻自己所學。李奇鴻的實驗室主要是以果蠅視覺系統為模型,研究神經元如何在發育過程形成複雜的突觸連結,以及神經迴路如何產生視覺來引導動物行為。

李奇鴻是國際知名的神經科學家,研究神經迴路如何產生視覺來引導動物行為。圖/研之有物

技術帶動神經科學研究

神經系統如何運作?這對以前的科學家來說是黑盒子。由於大腦發生錯誤或出問題時,會直接表現在外在行為上,早期科學家想了解人腦運作機制,只能透過腦部哪裡受傷壞掉或中風等,知道腦部的大概功能區域,但沒辦法進入細胞層次。

「在生物學的發展上,除了需要有智慧的思考,其他都要靠技術去推動。你可能想到一個有趣的題目,但也許要 30 年後,才出現足夠的技術來解決問題。」李奇鴻舉例,從光學顯微鏡、電子顯微鏡、電生理技術、分子生物學到結構生物學發展,每個都在細胞、分子、及系統層次開啟了新的世界。

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隨著顯微技術與遺傳工程日益完備,果蠅成為現今熱門的腦科學研究對象。李奇鴻指出,「果蠅的生長速度快,相較老鼠要幾個月成熟,果蠅只要兩週。果蠅的大腦複雜程度介於人和單細胞生物中間,結構跟人高度相似,成果可應用在人身上。」

因此,近 10 幾年來是神經科學大起飛時代,科學家透過遺傳學方法控制果蠅的神經元活性、觀察行為,藉此了解哪些基因會影響大腦發育和運作,逐漸破解神經迴路的奧祕。

「我在選博士後研究時,想到底要做線蟲、老鼠、魚、果蠅或其他模式生物?最後才選果蠅。回想起來,近年剛好碰到果蠅相關技術蓬勃發展,選果蠅是很正確的決定!」李奇鴻笑道。

李奇鴻引用知名神經科學家 David Marr 的三層假說(tri‐level hypothesis),認為大腦運作有三個層次:

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  1. Computation level(運算):神經系統在做的事,如分辨顏色、觀察東西移動、辨認物體是圓是方、是蘋果或橘子等。
  2. Algorithm level(程序):神經系統的操作方式、程序怎麼做。 
  3. Implementation level(實行):神經系統如何透過神經元、神經網路來達成這個程序。

李奇鴻表示,「過去多數神經科學家都在討論 computation,再探究 algorithm,卻沒辦法解決 implementation 。現在因為具備技術,科學家終於能找出 implementation,再回推上層問題,甚至發現 algorithm 跟原本想的不一樣。」

視網膜感知系統怎麼運算?

關於神經系統的操作方式(Algorithm level),也有因為技術進步而解決爭議的案例。李奇鴻舉例,以前神經科學家在研究視覺系統感受物體運動的機制,曾出現幾種理論,HR 理論認為神經訊號是用乘法,另一派 BL 理論認為是用減法,爭議了很久。

近年科學家發現,原來視網膜感知系統的運算機制是混合的,一共三種,稱為 HR-BL 混合視覺運動偵測器。過去兩派都只對了一半。

關於視網膜感知系統的運算機制,過去 HR 理論和 BL 理論都只猜對其中一種方向(打勾處)。資料來源/Current Biology

Hassenstein-Reichardt(HR)模型:從昆蟲行為研究而來。

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  1. 當有偏好方向(從左到右)的視覺刺激出現,左邊的光感應神經元收到訊號,這個信號會被延遲(時間 τ),接著右邊的光感應神經元收到訊號,兩者的訊號會同時到達下游的神經細胞(X),訊號將會相乘,生成運動訊號。
  2. 當有非偏好方向(從右到左)視覺刺激出現,兩個訊號會在不同的時間到達,不會生成運動訊號。

Barlow-Levick(BL)模型:從兔子電生理研究而來。

  1. 當有偏好方向(從左到右)的視覺刺激出現,左邊的光感應神經元收到訊號,接著右邊的光感應神經元收到訊號,但它為抑制訊號且會被延遲(時間 τ),左邊的訊號會先到達下游的神經細胞,生成運動訊號。
  2. 當非偏好方向(從右到左)視覺刺激出現,左、右兩個光感應神經元的訊號會在相同時間到達,刺激訊號和抑制訊號互相抵銷,不會生成運動訊號。

持續分析果蠅大腦的神經迴路!

近代電腦的所有運算都能用 and、or、Xor 三個邏輯閘表達,科學家想知道,大腦裡有沒有類似但更高階的神經迴路運作方式?「從感官到行為比較容易觀察和操作,目前在視覺運動方面的神經迴路運作,我們知道的最多。」

李奇鴻近年在做昆蟲視覺與行為研究,發現昆蟲在感受顏色,如綠光和紫外光時,感光細胞的處理方式是先將紫外光跟綠光的強度做比較,把兩個光的強度相減,讓原本兩個訊號變成一個訊號,所謂的「顏色拮抗」。

「這種神經迴路能解析、比較兩個顏色強度的差異性,因為大部分在視覺上最重要的正是對比。拮抗運算模組能在一片訊號裡找出哪裡最強、其他較弱。其他感官機制也一樣,像觸摸物品時有凸出來的部分較重要,聽覺上要找出哪個聲音特別高等,讓最重要的訊號能凸顯出來。」李奇鴻補充道。

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2021 年李奇鴻的團隊首次發現果蠅視覺系統堆疊了多套拮抗運算模組,以達成顏色及空間接受域雙拮抗的效果,成果發表在《Current Biology》。這樣的神經迴路可以比較相鄰的顏色,產生色彩區間對比感。「沒這樣的功能,我們就看不出紅配綠很悲劇了!」李奇鴻笑道。

科學家們正努力鑽研果蠅大腦的神經運算迴路,希望逐步整理出基本運算模組。或許有一天,看似複雜的大腦功能,都可能用基礎的迴路來破解!

李奇鴻實驗室所發現的顏色及空間接受域雙拮抗神經迴路。R1-R6 是吸收頻率範圍較廣的光接收器(輸出刺激訊號),R7 是吸收紫外光的光接收器(輸出抑制訊號),R8 是吸收綠光或藍光的光接收器(輸出刺激訊號)。從 R1-R8 接收光,輸出到神經細胞 Dm8 之後,會形成顏色拮抗效果。此外,相鄰的 Dm8 之間透過特殊的氯離子通道 GluClα 中介,會產生側向抑制作用(Lateral inhibition),形成空間拮抗效果。資料來源/Current Biology

老師是怎麼走上研究大腦神經科學這條路呢?

「我滿晚才走上科學研究的道路。我對電腦有興趣、喜歡寫程式,大學上中國醫藥學院醫學系,家裡也希望我當醫生。不過在實習時,我發現自己對治療病人沒興趣,反而對問題或疾病本身更有興趣。跟幾個老師談過之後,我決定不當醫生,跑去清華大學讀生命科學,後來就到中研院。」

因為有醫學背景,一開始比較想做能立刻解決問題的研究,像是用蛋白質跟毒素的綜合體來治療癌症。但後來了解,如果沒有深刻了解致病機制、沒有鑽進基礎科學研究,很難有突破。

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後來去美國洛克斐勒大學攻讀博士,在洛克斐勒讀書期間,大家常互相交流,對我有很大的啟發。那時我在鑽研結構生物學,希望了解疾病真正的生理過程,曾解開愛滋病病毒跟人體信號傳遞有關的蛋白質結構。

博士畢業前,我接觸到神經科學,感到很有興趣,就去加州大學洛杉磯分校(UCLA)讀博士後,學神經科學裡的發育學,想了解大腦在發育過程是如何用不同分子在細胞間傳遞訊息。那時我待在很大的實驗室,老師不太管學生,要自己想辦法或跟旁邊的人學習,很多人素質都很高,學習環境很好。

之後我進入美國國家衛生院(National Institutes of Health,NIH)開始開實驗室帶自己的團隊,待了 16 年,算是真正進入神經科學領域,直到現在依然在做相關研究。

每個人的人生選擇,都被以前的經歷主導,如果沒有醫學背景,恐怕我不會去學結構生物學或走入大腦神經科學領域。

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老師在美國的研究很順利,那是什麼契機才決定回臺灣呢?回來後是否有不適應之處呢?

「我 26 歲出國,在美國也待 26 年,幾乎完全融入美國生活,實驗室運作得蠻好,連太太也是美國人。但在美國很多年後,內心出現一個很深感覺:我在臺灣待過這麼久,臺灣是我進入科學的起點,也許該回來教教臺灣的子弟。」

剛開始有些想法,曾受邀回臺演講幾次,但沒有下決心。後來出現一個重要轉捩點。中研院分子生物研究所 30 週年慶時邀我回來演講,那時有機會跟歷任所長聊天,這些所長中許多是我過去在中研院碰過的老師。聊了後感觸很深,發現每任所長都要面對分生所的成長或各種問題,每個所長都有獨到的見解和重要貢獻。

我看到分生所運作得很好,覺得非常感動, 內心想:也許我回來能效法他們,也許對中研院細胞與個體生物學研究所的發展能有一點點實質貢獻。

雖然如果待在美國國家衛生院,我也會有這樣一個機會,但還是想帶自己的子弟,把力氣用在自家子弟身上,讓自己的國家和組織進步。我想將在美國國家衛生院學到的經驗,像哪些組織可以運作、哪些不行,嘗試帶回臺灣。

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我很清楚可能碰到的問題,像科學研究會受影響,要重新花幾年時間建立實驗室,但那次契機讓我徹底下定信心。我曾跟廖俊智院長開玩笑,就算不給我錢,我大概也會回來。因為真的覺得這是一個很好的機會,自己能為中研院、為臺灣做些事。畢竟中研院也一直都像我的家!

不過,畢竟過去在美國實驗室和家裡都是講英文,只有打電話給媽媽會說臺灣話,因此, 2018 年剛回臺灣時,國語講得不太流利,臺灣話反而比較流利。

老師覺得美國的研究環境有哪些優點?希望將什麼樣的新觀念、新風氣帶進臺灣呢?

「國外最大特點是學術交流很頻繁,雖然國內也蠻頻繁,但他們交流層次更深入。也就是說,我跟參與的老師交流之後,常能改變想法、做事方法或方向,且是正向的改變。」

國外老師受邀演講,會很積極在幾小時內一直談,在一天中完全沉浸其中,不單講出自己在做的東西,也要求聽眾給予批評或建議等,彼此有深度交流,我每次參加都覺得收穫很多並產生合作可能性。

國內我的經驗是,演講結束後比較缺乏機會跟其他老師深度溝通,領完演講費就屁股拍拍坐高鐵回來。這可能是國內的慣有模式,我覺得需要改變。現在所內我也要求大家,既然花錢請老師來,一定要做深度交流,請對方給予建議。

重要的不是形式或邀到諾貝爾獎得主之類,而是在演講結束後、這個人走出我的辦公室、這些人離開後,對我做的事或做事方法,是不是有什麼實質的改變?在其他科學家交談中是否能得到啟發,改變自己的思考或做實驗方式?或聽聽別人告訴你,你還有哪些沒想到的地方?

分享,也是一種很重要的技術,在交流過程中,當我們可以把一件事講清楚,自己也會茅塞頓開,知道問題在哪。

現在所裡的計畫是把老師分成各種不同興趣小組,組內做交流或有跨組活動。其餘像寫計劃、申請經費、經營實驗室或撰寫並發表文章,這些是基本技術問題。

做任何工作,一個是基本的核心技術,如果沒有「技」就無法生存;另一個是 「藝」(Art) , 可以驅動你一直做下去。訓練人才時,除了培養技術,還要訓練 Art。

老師提到工作上需要 Art,科學家的 Art 是指哪些部分?可以說明得更詳細嗎?

「我想在科學裡面,Art 有很多面向。例如,你怎麼選擇一個問題,怎麼找切入點,如何把一個大問題拆成幾個可攻破的部分,一步步去解開,這是一種 Art。尤其在選擇問題和切入點上,要有獨特的見解或洞燭先機才能成功。」

科學家必須創造有用的知識。什麼叫有用的知識呢?就是聽到學到後,會改變你想事情的方向或做事的方法。很多東西都可以研究,只要科學方法夠嚴謹,都可以得到一些知識。但到底要選擇什麼題目呢?什麼叫做有趣的問題呢?評斷這些就是科學的 Art 。

如果說在人類前面是一個黑暗深淵,知識像光照亮我們前面的路,科學家就像站在最前面,要知道如何踏出那一步?怎麼踏出去?這是 Art。

當科學家看到一個問題、問題成形後,最重要的關鍵是如何選擇一個核心問題去解決。就像玩拼圖時,要放下去最核心、最重要的那塊拼圖。

我回到臺灣後,覺得這裡的研究環境很好,儀器不輸人家,老師很優秀。但可能我們多半只是關注自己的研究,沒有花時間認真去思考,最重要的一塊拼圖在哪裡?當我們有更深度的交流,才能找到最核心的那一塊,做出最重要的貢獻。

李奇鴻說,科學家必須創造有用的知識,也就是會改變做事和想事情方法的知識。至於要選擇創造什麼知識,需要用 Art 來判斷。圖/研之有物

老師在國外的實驗室時是如何帶領研究團隊呢?對年輕的科學家有什麼樣的期待嗎?

「在碩士、博士訓練中最重要的關鍵,是從「讀」科學變成真正「做」科學。我們攤開一本教科書,看到裡面講這個、那個,只是讀人家的科學。即使去念了原始文章,仍然是看著科學怎麼被別人做出來而已。」

自己真正做研究才知道,教科書上每一頁、每一句,背後都可能有數千篇文章支持,那時才知道自己很渺小,懂得謙虛,了解自己一生能做的有限。

所以,每次要跨出一小步,要想該怎麼跨最有效率、得到最大效果。我認為,在碩士班或博士班,最重要的就是了解這種感覺。

有些學生可能覺得,反正我很渺小,世界這麼大,即使做一輩子,即使最成功的科學家,也不過是得到教科書上面的一句話而已,我怎麼做都沒關係啊。 但我們必須帶領學生了解,這個計畫不是老師叫你做才做,而是讓學生覺得這個計畫是自己的,有前進和發展的空間,就像自己的小孩,必須負責。

以前在碩、博士班,剛開始學會技術、實驗做出結果,或能像人家一樣發表文章,會很高興,但這很短暫,真正的轉捩點是我知道有什麼事,是全世界任何人都不知道的那種驕傲,才是真的能支持很久的。我還記得在某一天做到早上五點,從實驗室走出來,知道有個東西全世界只有我知道的喜悅!

當學生曾感受這種發現真實的快樂,你不用規定他早上幾點來、晚上幾點走,他自己就有動機做。

當一個人想這東西應該是怎樣,想辦法做實驗證明出來時,那真的是一種快樂。我想,這是任何其他行業都沒辦法比較的!

學生是要培養成未來的科學家、獨當一面,應該讓他自己走。即使在你看得到的地方,也要讓他自己走出來,而且,他自己想到的,比你告訴他來的有用。

其實,我當老師最興奮時,是學生告訴我那些我不知道的事,會覺得很喜悅,學生想到我沒想到的東西,表示他們有進步,比我還厲害,這很棒!

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一定要有肺才能呼吸?來認識動物們的花式呼吸大法
言蓁
・2020/07/24 ・2369字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 495 ・六年級

世上動物千奇百怪,如果要找一個共同點,那應該就是──幾乎所有的動物都需要呼吸。

我們這裡要談的「呼吸」,是呼吸運動,也就是吸入氧氣、排出二氧化碳的動作。一提到這個動作,身為人類的你,或許下意識就會想到肺臟、鼻子等等部位。綜觀動物界,在不同的演化脈絡下,動物們賴以呼吸的構造真可說是無奇不有,就連肺臟、鼻孔本身也可能會有各種不同的形態。

現在,就讓我們來看看那些奇妙的呼吸器官吧!

跟我一起「吸,吸,吐──」圖/GIPHY

大象:你的鼻子為甚麼那麼長?

「媽媽說鼻子長才是漂亮~~」大象(象科 Elephantidae)身上最惹眼的部分就是鼻子了!象鼻是牠們賴以聞嗅味道和呼吸的部位,除此之外,它相當靈巧,舉凡取水、拿東西、攜帶物品等等,象鼻都能做到。

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除了長長的鼻子之外,大象的呼吸構造裡還有一個特殊之處:牠們是目前已知沒有胸膜腔 (Pleural cavity) 的哺乳類動物!

我們人類賴以呼吸的肺臟緊密包覆著一層臟層胸膜 (pulmonary pleurae),會與包覆著胸腔壁內面的壁層胸膜 (parietal pleura) 組成一個很狹小的空間,就是胸膜腔。內部填充有液體潤滑,可避免臟器和胸壁摩擦損傷。

一般我們呼吸的時候,會由肌肉改變胸腔的空間,製造肺部與外在大氣的壓力差,才能夠吸氣或呼氣:當肺內的壓力大於大氣壓力,則會呼氣;而當肺內的壓力小於大氣壓力,則會吸氣。而夾在此之間的胸膜腔,多數時間會維持一定程度的負壓,讓主要由皮膜組織及彈性纖維組成的肺不致塌縮。所謂的「氣胸」就是胸膜受到破壞,使得胸膜腔無法維持負壓,連帶使著肺部塌縮的胸腔疾病。另外,胸腔膜的壓力當然會隨著呼吸而有所變化。

然而,大象的胸膜腔裡,充滿了許多疏鬆的結締組織──也就是說,原本的「腔」不復存在。該怎麼解釋大象沒有胸膜腔呢?

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有個假說認為,這可能跟大象使用長鼻子來「浮潛」有關連。當牠們游泳時,可以將長鼻子舉出水面來呼吸──這是個稍微熟悉大象的人都不意外的畫面。但是成年大象高度可達至少三、四公尺,當游泳使用鼻子呼吸,或是,鼻子端大氣的壓力與位在水下肺部的壓力差距會非常巨大,這時薄薄胸膜腔可能就會頂不住啦,而胸膜腔內的結締組織就有強化的功能。

海豚:我不是跩,只是鼻孔朝天!

海豚(海豚科 Delphinidae)雖然多數生活在海中,少數生活在大河大江中,不過牠們可沒有魚類的鰓,而是用肺呼吸的哺乳類動物。

海豚是從陸生哺乳動物演化而來的,真要說起親緣關係,比起魚類,牠們反而更接近河馬等偶蹄類動物。

大約五千萬年前的始新世時期,陸生哺乳類開始進入水中,在這個過程中,牠們為了適應環境,在形態上產生諸多的改變。為了順利在水中游泳,牠們後肢逐漸退化,形成背鰭及尾鰭,體表變得光滑,身體也變得較偏向流線型。

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而海豚的鼻孔更是位移到了頭頂,成為「呼吸孔」,以便在水面呼吸、換氣。此外,為了不讓自己嗆到,海豚的呼吸孔附近還有由肌肉與結締組織形成的鼻栓 (nasal plug),可以將孔緊閉。鯨魚海豚頭頂的呼吸孔是比較接近鼻孔的構造,因此有些卡通裡會出現鯨魚海豚從嘴裡吸入海水,由呼吸孔噴出海水的情節,在真實世界不大可能出現。

呼吸孔長在頭頂的中華白海豚 (Sousa chinensis)。圖/WIKI

水母:我想要呼吸,全身上下都行

水母是一種無脊椎動物,分類上屬於刺胞動物門 (Cnidaria)。從熱帶、溫帶到淡水區,世界各地的水域都找得到水母的蹤影。牠們的外型多呈現鐘型或者傘狀,構造簡單,體內有超過九成都是水,但沒有肺或鰓。

既然沒有肺或腮,牠們又要怎麼呼吸呢?方式很單純,就是透過擴散作用讓氧氣進出細胞膜。

水母的外表傘蓋的組織相當薄透(想想你吃過的海蜇皮),其中分為外層的表皮層 (epidermis) 和內層的胃皮層 (gastrodermis),兩層之間再夾著一種彈性膠狀物質,又輕又薄的狀態更方便外層組織和海水交換氧氣和二氧化碳。

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看起來有點兒透明的太平洋黃金水母 (Chrysaora fuscescens) 是透過擴散作用的方式來呼吸的。圖/WIKI

牡蠣:一輩子待在原地,就來用鰓呼吸!

牡蠣 (牡蠣科 Ostreidae)的殼有二枚,形狀相當不規則,左殼比右殼大一點。牠們大多棲息在淺海或潮間帶,以左殼固著在物體上,無法自由移動,所以終其一生只能待在原處開開合合,進行呼吸、攝食、生殖、排泄等等行為。

大多數的雙殼綱,殼的頂部有縫可以流通海水,並且在吸排海水的過程中呼吸。牡蠣並不像蛤蜊一樣自備出、入水管,牠們只有腮腔和腮上腔。牡蠣的鰓分左右各一對的內外鰓,上與唇瓣 (labial palps) 相連,下與外套膜 (mantle) 相接,構成一個腔室,水從鰓流入鰓腔及鰓上腔,在過程中進行氣體交換藉以呼吸、獲得氧氣

牡蠣會用左殼附著在物體上,一輩子都不離開原地,並利用腮來呼吸。圖:WIKI

雖然說都是呼吸,但生活在不同地方的生物用的方式卻大不相同,需要根據所在地來大顯神通,除了上述介紹的動物,你知不知道什麼其他特別的呼吸方式呢?

參考資料

言蓁
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喜歡貓但不敢紮實去摸,像對所有喜愛的事物,嚮往也懼怕。依賴文字,生存於不被看好的文組,走著忽焉變成資訊的雜食動物。