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尋龜宿 中興保育團隊為食蛇龜環島

劉珈均
・2015/10/07 ・3930字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 557 ・八年級

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食蛇龜保育單車環島團隊,左起為Wendy、肯尼、洪敏瑜、廖珠宏。圖/劉珈均攝

台灣珍稀保育動物食蛇龜(Cuora flavomarginata)因嚴重盜獵、走私而面臨生存危機,中興大學食蛇龜保育團隊走出實驗室,本月1日開始為期十天的單車環島活動,打扮為吉祥物大使和各地民眾玩耍,希望讓大眾認識這曾經遍佈鄉間,而今難以生存的台灣原生龜。

不吃蛇的食蛇龜

牠名列二級保育類動物,是台灣唯一陸棲性的淡水龜,其實食蛇龜並不吃蛇,雜食性的牠會吃蚯蚓、蝸牛、蛞蝓等無脊椎動物或動物死屍,香蕉、菇類、果實與花葉也是牠的食物。保育宣導專員廖珠宏說,「食蛇龜」這名字來由已不可考,「可能牠吃蚯蚓的樣子很像吃蛇吧!」(註1)

「縮頭烏龜」一詞常用來形容躲避現實的態度,不過,只有潛頸龜亞目(Cryptodira)的龜類才能把頭部縮進龜甲內,食蛇龜便屬於此目,牠更是台灣唯一「箱龜」──其腹甲可閉合,當牠完全縮進殼中時,外觀就像個密閉盒子(相反的,鱷龜、大頭龜、海洋裡的所有海龜等就無法縮進龜甲)。

中國、台灣、日本琉球群島皆有食蛇龜分布,牠生活在海拔1000公尺以下的淺山森林、丘陵與平原,與人類的活動環境高度重疊。食蛇龜從孵化開始,需要8到10年才性成熟,每年只生產一兩次,每次只有1至4顆蛋;蛋需要75~110天孵化,但半數幼龜無法破殼而出,幼龜死亡率也相當高。

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食蛇龜組圖(3)
食蛇龜兩側耳後各有一道褐色鑲邊的鮮黃色條紋,龜甲中央有一道黃色不連續脊稜,又名黃緣閉殼龜、黃緣箱龜。左/林哲安攝;右/取自維基與翡翠水庫網站。
食蛇龜腹甲有橫向韌帶-龜鱉目地龜科-屏東縣墾丁毛柿林-20110512-賴鵬智攝
食蛇龜腹甲分前後兩頁,以韌帶相連,食蛇龜驚嚇時會完全縮進龜甲以躲避敵害。卡通常有烏龜脫殼奔逃的畫面,其實龜的脊椎與龜甲相連,身體無法與龜甲剝離。圖/賴鵬智

為何食蛇龜回不了家?

早期食蛇龜被大量走私販賣到中國作為食物、中藥材或寵物,近年演變為投機市場的炒作物件,查緝到的走私龜唯一去處是由林務局分配至全台為數幾個收容單位,作為牠們短期中繼休養。中興的食蛇龜臨時收容中心自2006年成立,約可容納五六百隻食蛇龜與柴棺龜(但現實中各中心都面臨超收困境,只能盡量找地安置)。

中興生命科學所博士生洪敏瑜說,被走私者捕獲的食蛇龜處於緊繃狀態,腎上腺素飆升以便逃命,因此剛到達收容中心的食蛇龜通常相當「亢奮」,稱為「緊迫症候群」。這導致食蛇龜免疫力下降,當牠腎上腺素開始降低,一些身體機能也可能無法維持而出現病症。

進入收容所的食蛇龜至少得觀察半年以上,才能確知其健康狀態。「有些病症要三個月或半年後才出現,而出現症狀後可能半天就死了。」中興生命科學系副教授吳聲海表示,一批批進入收容中心的食蛇龜有多少比例能撐到恢復健康、甚至野放,端視先前狀態。

食蛇龜組圖(4)
食蛇龜被裝在網袋或籠子走私,過程中常有外傷,狀況不佳者送到收容中心後須立即給獸醫治療。圖/中興食蛇龜保育團隊提供

野放不是件簡單的事,有好幾年時間,收容中心只能收,不能野放,因為不知道這些走私龜來自哪裡,也尚不清楚全台各地食蛇龜族群的基因分佈。野放的龜若不屬於當地,可能細菌混雜而感染疾病,或是破壞當地的遺傳多樣性。

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為了讓這些龜安全回到野外,吳聲海的實驗室研究多年,分析台灣各地食蛇龜族群的基因型態,尋找鑑定來源的簡易方法。這些研究有助於了解食蛇龜的微棲地需求,也做為日後規劃保育單位、尋覓合適復育或野放地點的參考。研究結論得出,全島的食蛇龜族群基因差異不大,粒線體基因型可歸納大致為東部和西部兩群,分化指數(Fst)為0.77(達高度分化),遺傳距離最大為0.9 %。(註2)

直至2013年,中心才首次進行野放,團隊選擇適合食蛇龜生存而族群量稀少的地方,以避免打擾既有的穩定族群(例如翡翠水庫食蛇龜保護區就不適合),以及像國家公園這類有人巡守之地。「野放與放生有個很大的不同點,野放會繼續追蹤動物狀態。」洪敏瑜解釋,野放的食蛇龜身上有晶片,殼上有標記,以便後續監測。

然而,結果並不樂觀,吳聲海說,2013年團隊在墾丁放了200隻食蛇龜,過兩個月去看還有60隻,今年七八月只找到1隻,「後來發現,有的是野放後又被抓了!」吳聲海無奈的說,中心的經費和人力有限,收容個體太多急需野放,台灣卻難以找到安全的野放地點。

拍賣市場一年成交量達10公噸,但十年只查緝到1萬多隻

洪敏瑜說:「有份民國50年的研究資料,當時一小時內可以抓到100隻食蛇龜!」但現在研究團隊到野外調查,可能三天、甚至三個禮拜才遇到一隻。食蛇龜還有許多課題待研究,而走私者一次幾千、幾萬隻地抓,族群消失速度太快,學術研究與食蛇龜的繁殖速度都跟不上。

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「與十年前相比,食蛇龜族群量大概少了八成以上。」研究食蛇龜20餘年、屏科大野生動物保育所助理教授陳添喜表示,牠的保育類身分讓市場有空間炒作價格,2011年中國拍賣市場食蛇龜成交量有20噸(一隻成體的龜約為500公克,20噸換算下來大約是4萬隻),近一兩年有降到10噸以下。這些食蛇龜幾乎全來自台灣,而柴棺龜比食蛇龜好抓,處境甚至比食蛇龜更糟。
查緝的保育龜(1)

查緝的保育龜(2)
2006年至今查緝到的台灣原生龜有1萬5000多隻,陳添喜說,走私成功的大概超過十萬隻。圖/中興食蛇龜保育團隊提供

一些保育單位認為盜獵猖獗與法律漏洞有關,因「野生動物保育法」中沒有走私「未遂」的罪名,走私者多以「騷擾」被起訴,罰則輕了許多,盜獵者不只在淺山森林設陷阱,甚至鎖定收容中心,2013年中興大學就有一千多隻食蛇龜遭竊;2013年底「翡翠水庫食蛇龜野生動物保護區」成立;2014年有立委提案,在野保法中針對走私、購買保育類野生動物增列未遂罰則。

對此,陳添喜認為,其實《懲治走私條例》就能處理,此法罰則比野保法更重,也涵蓋了走私未遂,增列野保法條文是重複立法了。盜獵根源在於政府不夠重視,以及執法不力。走私成案的機率低,且走私前的盜獵、搜購環節難以處置,有時因檢警的呈堂證據薄弱導致輕判,走私者的犯罪所得與懲罰不成比例。

陳添喜說,美國近年開始實施「受害補償」原則,走私保育動物者除了本罪判刑之外,走私一隻動物要額外裁罰美金1000~3000元,走私幾隻就累加上去,各州規定金額不一,這些罰緩就作為收容、野放那些走私動物之用,讓法律處罰能對動物產生實質效益。

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食蛇龜判例_關懷生命協會
歷年相關判例。圖/取自關懷生命協會網站

環島行動:「知道」就是一種力量

洪敏瑜說,保育推廣工作一大阻礙是大家都沒聽過食蛇龜,他們早就策劃環島宣傳,因人力不足而一再延宕。今年六月底,廖珠宏結識車隊隊長肯尼,聽聞車隊要環島,便向他介紹食蛇龜保育,希望結合兩者,雙方一拍即合。環島活動兵分兩路,車隊七人專心環島,廖珠宏與洪敏瑜則扮演吉祥物到各地點與大眾互動。

中興收容中心兩三年前開始保育推廣工作,首先以宗教團體為對象,「我們跟他們說,對放生或物種有任何問題,可以問我們,我們也願意找專家。」洪敏瑜說,其實犯錯都源自於不了解,有些人聽過專業意見後,會開始反思自身作為是否對動物有益。

而今環島行動的考驗除了每天騎一百多公里的體力負荷,最困難的就是如何「不嚴肅」的讓保育議題親近大眾。他們發現自製的吉祥物「阿食」效果最好,廖珠宏笑著說:「只要靠過去,大家都會過來要抱抱。」肯尼也表示,此行「讓每個人從『不知道』到『知道』就夠了!」

想跟隨團隊十天環島所見所聞,可看看FB「2015單車環島守護食蛇龜

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守護食蛇龜單車環島
圖/取自活動FB粉絲頁
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Scimu科學募資專案「阿食想回家──單車環島守護食蛇龜

註:

  1. 陳添喜認為,食蛇龜的稱呼可能是受台語「欱(hop)蛇龜」的影響;也有人考察古文典籍試圖找出詞源(文章:〈食蛇龜不吃蛇,為什麼叫做食蛇龜〉)
  2. 就保育經營觀點,若物種存續面臨嚴重威脅,保育物種會優先於保育其基因多樣性;資源多寡也是保育工作能做到何種程度的一大關鍵,要鑑定族群來源,一隻食蛇龜從抽DNA到完成定序需要新台幣兩三百元(沒有一次成功的話花費更高),但各單位經費有限,以中興食蛇龜收容中心為例,最佳情況下一年經費為新台幣50萬。經費不固定,收容的龜卻日益增多,中心僅能勉強維持基本收容照護工作,無法一一鑑定龜的來源,加上安全地點非常有限,野放時難以周全兼顧讓牠「回家」與「安全性」,因此中興團隊作法傾向尋找食蛇龜族群稀少之地與有保全的地方,避免打擾既有族群,並提高野放動物的生存機率。

參考資料:

  • 陳添喜,《在龜的國度:龜的生態與習性》,行政院農業委員會特有生物研究保育中心,2009
  • 〈台灣全島食蛇龜族群遺傳與棲地環境調查及復育經營策略研究計畫〉,林務局委託中興大學研究,2012
  • 陳添喜部落格:台灣龜主題網站
  • 公視《我們的島》台灣走私龜記錄影片合輯
文章難易度
劉珈均
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PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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為何非洲「莫三比克」的母象長不出象牙?——戰爭促發的「無齒」之症
TingWei
・2021/11/22 ・3528字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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莫三比克共和國(Republic of Mozambique),位在非洲東部接鄰印度洋,再往東跨過莫三比克海峽,就是馬達加斯加。從地圖上來看,莫三比克的形狀有點像是個右邊落筆太重的y字型。東非大裂谷(Great Rift Valley)的南端,從y字型中間劃過然後入海。而曾經以豐富的野生動物生態受人矚目的「哥隆戈薩國家公園」(Gorongosa National Park),就座落在東非大裂谷的南端、莫三比克境內。

哥隆戈薩國家公園所在處,在 1960 年代曾經以觀光業為主,全世界各地的遊客為了該處成群的獅子、大象和水牛去到莫三比克。1970 年代,莫三比克的發展目標是將這個國家公園,變成一個遠勝非洲其他地方的自然保留區。

莫三比克共和國的哥隆戈薩國家公園入口。圖/WIKIPEDIA

內戰結束後,「無齒之象」比例遽增?

令生態學家與野生動物愛好者趨之若鶩的好景並沒有持續太久,戰爭來了。1977 年,莫三比克脫離葡萄牙的殖民後沒有幾年,就開啟了內戰。大約有 100 萬人死於戰爭與饑荒,500 萬人被迫離開家園。莫三比克內戰持續 15 年後,於 1992 年結束。位在莫三比克中心的哥隆戈薩國家公園成為戰場,而公園中的野生動物,也成為征戰雙方果腹的獵物。

內戰其間,大型草食動物數量銳減 90%,整個生態系統都遭到了嚴重的破壞。漫步在哥隆戈薩國家公園,最大的危險不再是肉食性的掠食者,而是埋藏在地下的地雷。

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而其中的一個轉變,引起了演化生物學家的注意:這個公園內的母象,沒有長牙的「無齒之象」比例非常高。

相較於只有公象才會長出明顯長象牙的亞洲象,一般來說,非洲象不論公母,都會有一對長牙。生物學家根據內戰前後的歷史照片、影片進行統計,發現到內戰之前沒有象牙的母象只佔了族群的五分之一不到(18.5%)[註1];但 2000 年,也就是戰爭結束後 8 年的資料卻顯示,沒有長牙的母象卻高達一半以上(50.9%)。

戰爭使得大象族群數量減少了 90%,統計模擬也支持,哥隆戈薩國家公園內「無齒之象」[註2]比例大幅增加,這樣的變化,不可能是隨機發生的;「無齒之象」比例遽增,顯示整個族群經過了強烈的選擇壓力。

正常情況下,成年的非洲象都會有一對長牙,哥隆戈薩國家公園卻有半數的母象沒長出象牙。圖/Pixabay

有象牙的慘遭獵殺,讓「無齒基因」在族群內擴大

追本溯源,價值不菲的象牙,在內戰期間自然也成為籌措軍費的重要來源;而且在乏人管理的情況下,內戰結束了,盜獵可沒有。而大象因為象牙承受了強大的狩獵壓力,「無齒之象」的基因型自然在種族間擴大、脫穎而出。

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其實這個狀況與傳統的育種相當相似:人類特意留下跑得最快、體型最壯碩的馬匹做為種馬來生小馬。後代雖然會有變異,但長時間累積下來,那些會造成馬跑得「不夠快」的基因,自然會越來越少。家禽家畜的育種是在長時間、人類密切的關注之下,「人擇」留下人類偏好的特性。而在大象的情況下,可以說野外的大小也遭到狩獵者的「育種」,只不過這裡存活下來的,是沒有長牙的大象。

下一個觀察重點是,這樣「無齒」的特性,似乎只出現在母象身上。除了後天的因素外,哥隆戈薩國家公園公象幾乎都還是有長牙。[註3]

科學家仔細檢視發現,無齒母象生出的小象,大多也是小母象,佔了 65.7%;而小象如果是母象的話,長大後沒有長牙的比例大約是 1:1。看起來,似乎有某些因素,讓「無齒基因」沒能遺傳給小公象。

大多數可以遺傳的性狀變化基本上都可以連結到基因的表現,差別是有些特徵比較複雜、也可能交互受到環境的影響,像是身高、膚色等;也有一些比較單純只由單因基因控制,像是國中課本經典的美人尖、ABO 血型。

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原本要確認是哪組基因與長牙的產生有關,需要掃描大象的全基因組,可謂工程浩大。但是,「無齒之象」都是母象、幾乎沒有公象,這讓科學家可以作出一個合理的推測:這個「無齒基因」很有可能是性聯顯性遺傳。而更進一步,如果小公象遺傳到無齒基因,則無法存活,則可以解釋,無齒母象的小象,為何會有個明顯的的性別比落差。

無齒母象特別容易生出小母象,而且無齒的特徵只會遺傳給小母象。圖/Pixabay

促成母象「無齒」的關鍵:AMELX 基因

因此,科學家掃描無齒大象的 X 染色體基因組序列,來找出到底是哪些組基因與無齒有關,而且還真的找到了。無齒大象的 AMELX 基因位置都有出現了一些變異,這個位置的基因,根據目前的理解推測,會參與構成牙齒最外堅硬部位的琺瑯質形成的蛋白。

這部分的基因人類與大象屬於同源,在人類身上,AMELX 的基因如果有突變,就有可能會影響琺瑯質的礦化、造成牙齒容易脆化。AMELX 位於染色體的位置有些特殊,這部分的基因如果有嚴重的缺失,除了影響牙齒,遺傳到的男性會死亡,女性則會出現嚴重的頭骨異常,像是小齒或是上頷發育缺陷。

而除了與 X 染色體連鎖的 AMELX 基因有變異,科學家還發現到無齒大象還有個共同的基因表現:位在第一染色體的 MEP1aMEP1a 這也是會影響牙齒發育的基因。在小鼠身上,MEP1a 的變異會顯著影響牙齒象牙質的骨質密度,造成象牙質發育不良、牙根畸形或是提早掉牙。[註4]

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論文作者推測 AMELX、MEP1a 兩基因分別影響的牙齒構造。深藍色表示 AMELX 可能影響的位置,淺藍色表示 MEP1a 可能影響的位置。

缺牙問題在於基因?顯然「人類」才是大問題!

總結一下,哥隆戈薩國家公園的大象族群遭受到巨大的選汰壓力──擁有象牙的成象成為人類狩獵的主要目標,因而使得擁有無齒基因 AMELX 與 MEP1a 的母象在族群中逐漸佔據優勢、比例提高。但同時,AMELX 屬於顯性遺傳的性聯基因,獲得此遺傳的小公象會因此而死,因此無齒母象的後裔明顯母象較多。

某種程度來說,無齒基因在原本的象群間,可以視作某種遺傳疾病或基因缺陷,會自然受到天擇的壓力而受限、不會在族群中持續擴增;但在人類大規模獵取象牙的極端的情境之下,反而成為有利的演化特徵。

但大象缺少了長牙,受影響的,並不只是大象的外觀。非洲象使用長牙有點像馬蓋仙的瑞士刀──什麼都能做──牠們用長牙進行挖掘、推倒樹木剝取樹皮、獲取地下食物與水源。失去了象牙,大象的行為自然會有所改變。而象群在生態系中的一舉一動,都會擾動該地的微氣候。

舉例來說,當大象為了食用樹皮推倒一顆大樹,就有無數種子能夠透過新產生的林隙發芽,以嫩葉、草類為主食的草食動物因此獲得更多的食物來源。這是生態系統中關鍵擾動的微妙變化:當人們為了象牙獵取大象,當倖存下來的大象不再長出長象牙,後續的生態系統,也就失去了伴隨關鍵物種擾動而引出的種種變化。

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一半的母象沒有了長牙,會有什麼影響?這個,沒有人說得準。我們只知道,勢必會有一些蝴蝶效應悄悄地發生。

圖/Pexels

後記:

好消息是,隨著內戰結束,陸續有人投入哥隆戈薩國家公園的保育工作,試圖恢復當地的野生動物族群與野生動物觀光產業。而隨著當地國家公園開始進行執法管制、大象數量逐漸增加,後面的世代裡,是不是有機會讓更多帶著長牙的大象可以繁衍生息,讓象群「恢復原貌」?戰後第一個世代的母象無齒的比例為 33%,這個比例會有機會隨著人們的保育工作,再度減少嗎?我們只能繼續看下去。

註解

  1. 有一個說法認為非洲象一般族群無長牙的比例約為 2%,因此哥隆戈薩國家公園內戰前就已達 18.3%,有可能是已經承受狩獵壓力的結果。
  2. 「無齒」在此代稱沒有長象牙,不是真的全部沒有牙齒(人家還是要吃飯的)
  3. 這裡的討論省略了還有一個小比例(內戰前後均小於 10%)的大象只長出了單邊的象牙。
  4. 目前的資料顯示 AMELX、MEP1a 這兩個基因跟母象沒有長牙有明確的關聯,但詳細是否會影響其他牙齒發育之類的,尚無進一步研究討論。

參考資料

TingWei
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據說一生科科的生科中人,不務正業嗜好以書櫃堆滿房間,努力養活雙貓為近期的主要人生目標。

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「安靜的滅絕」——全球長頸鹿面臨生存危機?
風言
・2021/07/20 ・3593字 ・閱讀時間約 7 分鐘

「世界長頸鹿日」(6/21)剛過不久,一則長頸鹿受到不當圈養甚至死亡的新聞,就躍上媒體版面。長頸鹿雖然不是新聞報導的常客,但大家對牠們應該不會陌生:長頸鹿高高的身影配上非洲草原的日落美景,經常出現於宣傳非洲旅遊的圖片,在世界各地的主要動物園,也幾乎都可以見到牠們的蹤影,牠們應該安好地在非洲生活繁衍著。可是近年的調查發現,原來牠們的數量一直在下降,正靜悄悄地在非洲大地上消失!

長頸鹿高高的身影配上非洲草原的日落美景,經常出現於宣傳非洲旅遊的圖片。圖/Pixabay

無聲無息消失的長頸鹿

和大象和犀牛等野生動物相比,長頸鹿受到的關注相對較小;一直以來針對長頸鹿野外族群的研究也不太多,因此多年來各國均十分缺乏針對牠們族群數目的研究數據。2016 年,多國專家整理了各國零星分散的數據,才發現長頸鹿在過去數十年間的數字大幅下降了 30%:由 80 年代起超過 150,000 隻長頸鹿,下跌至 2016 年時只有約 97,000 多隻。

當所有族群數加起來,97,000 多隻看上去好像還不太差,但實際上若把不同種的長頸鹿分開計算,部份種類和亞種的數目實在下降得驚人,一些族群如努比亞長頸鹿(Nubian giraffe)的數目更大幅下跌超過 9 成。

國際自然保護聯盟從 1963 年起編製瀕危物種紅色名錄(IUCN Red List),根據物種及亞種的滅絕風險,把不同物種族群分成無危、近危、易危、瀕危、極危,以至野外滅絕和滅絕七個級別,代表不同物種族群數目受到的威脅。IUCN 把所有長頸鹿歸成易危(Vulnerable)級別,但也把數個他們認為是亞種的長頸鹿歸成瀕危或極危。這個評級引起了外界對長頸鹿保育的關注。在此之前,由於長頸鹿的族群危機並未受到一般民眾及新聞的注目,所以牠們也被形容為「安靜的滅絕(Silent Extinction)」。

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一張含有 地圖 的圖片

自動產生的描述
長頸鹿看似數量不少,其實各族群有著不同程度的滅絕風險,努比亞長頸鹿的數目更下跌超過9成,與科爾多瓦長頸鹿一同被列為極危級別。圖/discovergiraffe

為什麼長頸鹿的數目會直直下降?

對於某些瀕危動物,科學家很了解影響牠們數量下降的主要原因,就如大象和犀牛便因象牙和犀牛角而被大量獵殺;紅毛猩猩的棲地便因森林被大量開發而遭受破壞。長頸鹿在非洲分佈甚廣,為什麼牠們的數量會直直下降?

經過多年的調查和分析,科學家漸漸發現令長頸鹿族群數目下降並不只有單一原因,而是源自不同層面的威脅,在非洲的不同地方,因著環境和文化的不同,長頸鹿受到的威脅也會有分別,下文簡單地把不同的原因說明一下: 

  • 棲地的破壞:廣泛來說,這是現今世界很多物種的第一大威脅,長頸鹿也不例外。世界自然基金會(WWF)估計,瀕危物種紅色名錄內85%受威脅物種的主要威脅,來自棲息地的破壞。在非洲的草原,由於人類對土地有不同的需求,往往在草原大量伐木、放牧、建設農地和市鎮,掠奪了長頸鹿原先應有的棲息環境。很多長頸鹿的棲地也不在保護區範圍之內,令長頸鹿的生活備受威脅。例如在東非北部生活的網紋長頸鹿(Reticultaed Giraffe)便因土地的開發和人類放牧而令牠們的數目下降了 50%。 
  • 棲地破碎化:長頸鹿是大型哺乳動物,需要很大的地方生活,由於人類的開發,很多長頸鹿的棲地被切割而變得破碎。試想像,如果我們家強行被一條通道分成兩部分,那將對生活帶來多大的不便和影響?在東非肯雅和坦桑尼亞生活的馬賽長頸鹿(Masai Giraffe),和在西非尼日爾(Niger)生活的西非長頸鹿(West African Giraffe),均由於城市建設、農業以及畜牧業的開發,使得很多長頸鹿的棲地被人類分割而變得支離破碎,牠們的棲地往往被人類的農地、道路或房屋分隔,這令很多長頸鹿族群被迫分離,也令牠們承受人為意外(如汽車碰撞、被鐵栅傷害)的機會大增。
人類在草原大量伐木、放牧、建設農地和市鎮,掠奪了長頸鹿原先可用的棲地。圖/Pixabay
  • 原住民捕獵:很多原住民會捕獵羚羊、猩猩以及長頸鹿作為肉食的來源,長頸鹿由於身型巨大,牠們的生活範圍很多時候也在保護區以外,所以也是十分受歡迎的「野味」。當中最受此原因影響的便是在東非生活的馬賽長頸鹿(Masai Giraffe),牠們的族群數目已經下降了 50%。在肯亞,有報導指出在一個野味市場,一年可能有多達 800 公斤的長頸鹿肉出賣,而每頭長頸鹿的價值可以高達 600-800 美元。
  • 非法捕獵:捕殺長頸鹿販賣至國外是也長頸鹿族群減少的其中一個原因。近年便有兩隻十分罕見的白化長頸鹿在肯亞被非法獵殺,而引起廣泛的報導。英國的獨立報發現,美國在 2006-2015 年間,入口了 40,000 件從長頸鹿不同身體部份製成的物品,包括骨骼、皮膚,甚至是長頸鹿幼兒的標本。這也是導致努比亞長頸鹿(Nubian Giraffe)數目大幅下降的主因。
  • 政治因素:非洲部份國家多年的戰爭亦令很多長頸鹿的保育工作不能進行,很多地方的政府均無法在生態保育投入大量資源,長頸鹿的保育很多時也需要非政府組織(Non-governmental organization)或私人機構的幫助才能進行。
長頸鹿所面臨的各種人為生存壓力。圖/discovergiraffe

地方發起保護長頸鹿的支援前線

就此看來,保護長頸鹿並不容易,需要多方通力合作,針對不同原因而作出對應的方法。

就棲息地的保護,很多地方政府或私人保育機構會成立保護區,例如尼日爾便有一個專為保護西非長頸鹿而成立的 Koure Giraffe Reserve。在南非和納米比亞,南部長頸鹿(Southern Giraffe)由於相對上得到較多私人保育機構的妥善保護和管理,令牠們的族群數目在四個長頸鹿物種中唯一不跌反升。有保育組織會把長頸鹿轉移到受保護的區域,希望牠們能在新的地方落地生根,成功繁衍。專注長頸鹿保育的保育組織 Giraffe Conservation Foundation(GCF)便在非洲不同國家協助長頸鹿搬家,最近他們便幫助於烏干達的 Pian Upe Wildlife Reserve 成功引進了消失了 25 年的長頸鹿。

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重新引入烏干達默奇森瀑布國家公園的羅氏長頸鹿,是努比亞長頸鹿的一個亞種。圖/wiki

在禁止非法貿易方面,長頸鹿在 2019 年被列入瀕危野生動植物種國際貿易公約(CITES)的動物名單附錄 II[註],儘管很多地方的法律只明訂進出口個體需要准許證,卻沒有規範動物身體部位的貿易,但被列入法律保護也是重要的成就。教育方面,很多保育組織也在非洲以及不同地方進行教育推廣,向公眾和下一代灌輸保育長頸鹿的知識。

除了合適的政策,增加對不同地方長頸鹿的認識也十分重要。保育專家近年便提倡正確的長頸鹿分類,生物學家也在非洲各地進行人類對長頸鹿族群影響的研究,希望更能針對性地為保育政策提供重要的資訊。

綜合來看,長頸鹿的生存受到多種原因的威脅,要全面保育長頸鹿免受滅絕的危險,需要政策、法律、科研、教育等一系列的配套措施,看來,我們還有漫漫長路要走。希望在各方的努力和大家的關注下,長頸鹿的族群可以穩定下來,讓我們及下一代可以繼續在非洲的草原上欣賞到這種美妙的動物。

註解

  • 瀕危野生動植物種國際貿易公約(CITES),是於 1963 年起草、1975 年正式執行的一份國際協約,其目的是希望透過限制對野生動植物的出口和進口,確保野生動植物的國際交易不會危害到物種本身的生存。

參考資料:

  1. 聯合新聞網:頑皮世界將引進18隻長頸鹿 挨轟飼養條件差10年死4隻
  2. Giraffe Conservation Status. Giraffe Conservation Foundation. https://giraffeconservation.org/giraffe-conservation-status/
  3. Giraffe. The IUCN red list of threatened species. https://www.iucnredlist.org/species/9194/136266699
  4. Giraffes facing ‘silent extinction’ as population plunges. BBC News. https://www.bbc.com/news/science-environment-38240760
  5. Losing their homes because of the growing needs of humans. World Wild Fund. https://wwf.panda.org/discover/our_focus/wildlife_practice/problems/habitat_loss_degradation/ 
  6. Two rare white giraffes killed in Kenya. National Geographics. https://www.nationalgeographic.com/animals/2020/03/rare-white-giraffes-poached/
  7. CITES conference responds to extinction crisis by strengthening international trade regime for wildlife. The Convention on International Trade in Endangered Species of Wild Fauna and Flora (CITES). https://cites.org/eng/CITES_conference_responds_to_extinction_crisis_by_strengthening_international_trade_regime_for_wildlife_28082019
  8. Kenya’s giraffes slump under local bushmeat trade. African Wildlife Foundation. https://www.awf.org/news/kenyas-giraffes-slump-under-local-bushmeat-trade
  9. A bold plan to save Africa’s shrinking giraffe herds. National Geographics. https://www.nationalgeographic.com/animals/article/bold-plan-to-save-africas-giraffes-feature
  10. Bushmeat hunting: The greatest threat to Africa’s wildlife? Mongabay. https://news.mongabay.com/2020/10/bushmeat-hunting-the-greatest-threat-to-africas-wildlife. /https://news.mongabay.com/2020/10/bushmeat-hunting-the-greatest-threat-to-africas-wildlife/
  11. Bibles, bar stools and cowboy boots: How the US market in giraffe products is driving their ‘silent extinction’. Independent. https://www.independent.co.uk/environment/illegal-wildlife-trade-giraffes-extinction-africa-us-hunting-markets-a9674996.html?fbclid=IwAR26w_Cnt2g4OTmrTefItL1vBjT5Di1RKbHo0EBBZUFcSw2NyJ862iZSles
  12. In Tanzania, Survival of Giraffes Is Influenced by How Close They Live To Towns. Science The Wire. https://science.thewire.in/environment/in-tanzania-survival-of-giraffes-is-influenced-by-how-close-they-live-to-towns/
風言
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從少對動物行為和演化著迷,特別喜愛長頸鹿,修讀了生態學系的環境保護碩士。 愛到不同地方作生態旅遊,閒時也會觀鳥和閱讀有關書籍,希望透過文字介紹神奇的動物行為和生態冷知識。