2016年5月31日

日本明仁天皇探究高鰭鰕虎魚演化之旅

作者/莫顯蕎(中山大學榮譽退休教授,美國自然歷史博物館魚類系研究,紐約市立大學博士,教研領域包括形態,系統分類,行為及聲音生態。)、劉淑惠(國立中興大學昆蟲學研究所碩士,國立中山大學海洋生物研究所博士,主要的研究興趣是魚類的分類與系統演化。)

日本皇室向來是日本民眾關注的重點,有關皇室的報導常常都是頭條新聞!但是多數報導都是皇室成員的動向,一般較少注意到,其實日本皇室在學術研究上也是國際知名的。明仁天皇是一位魚類學家,他的二兒子秋篠宮文仁親王則是魚類與鳥類專家,另外,選擇嫁給平民脫離皇籍的紀宮內親王清子(現名黑田清子)也是鳥類專家。因此本文要介紹給大家的是有關日本明仁天皇的最新魚類研究。

研究鰕虎魚類世界級的專家—明仁天皇
明仁天皇是研究鰕虎魚類世界級的專家,他發表的文章除了刊登在日本魚類學雜誌上,甚至也刊登在知名科學期刊Science 上。今年更第三度在《基因》(Gene)上發表以「Speciation of two gobioid species, Pterogobius elapoides and Pterogobius zonoleucus revealed by multi-locus nuclear and mitochondrial DNA analyses」為題的論文,本文主要探討兩種高鰭鰕虎魚類的種化現象,這兩種均產於日本海與太平洋,藉由運用兩性遺傳特徵與母系遺傳特徵所推演的演化樹的差異,更進一步解析這兩個物種的演化史。

為了瞭解兩種鰕虎魚類:蛇首高鰭鰕虎(Pterogobius elapoides) 和白帶高鰭鰕虎(Pterogobius zonoleucus)的地理分化如何造成種化,明仁天皇等人在2008年分析粒線體基因,推論白帶高鰭鰕虎並非一個單系群,太平洋型與日本海型可能分屬於不同物種(如圖假說一),但是這與以外部形態鑑定物種的結果並不相同。因此,需要找尋更多的證據來釐清這些物種的關係。所以,今(2016)年他們選用位於細胞核內的基因做為遺傳標記,再次探討這兩個物種的分類與演化關係。此研究除了以新取得的核基因序列做系統演化分析,另外更加入2008年的粒線體基因序列與新取得之核基因序列進行族群遺傳分析,最後綜合形態特徵與分子生物特徵(包括粒線體與細胞核)的推論,提出白帶高鰭鰕虎為一單系群(如圖假說二),且白帶高鰭鰕虎有發生回交現象(introgression),回交的方向為白帶高鰭鰕虎回交至日本海的蛇首高鰭鰕虎。......【更詳細的內容請見科學月刊第558期】



圖假說一



圖假說二

在海底深處竊聽海洋生態的多樣性

作者/林子皓(國立臺灣大學生態演化所博士後研究員、臺灣聲景協會秘書長。)

聽海洋中的聲音能做甚麼?是研究如何偵測潛水艇嗎?這是我在研究過程中最常被問的問題。其實,會想到要透過聽聲音來研究海洋動物的生態習性,都要從一次出海調查中華白海豚的經驗談起。

與中華白海豚水下聲音的初次接觸
2007 年夏天我們在大肚溪口調查中華白海豚在臺中、彰化沿海的族群現況,由於中華白海豚的數量稀少、目擊的機率很低,大部分的調查時間都只是不斷地在搜尋海面,一整天的調查可能只看到兩、三頭中華白海豚。有次我們帶了一組水下麥克風,在搜尋的過程中把麥克風放入水中聽海裡的聲音,想要藉此提高遇見中華白海豚的機會。但除了海浪聲、漁船和貨輪的噪音,沒有什麼太多的驚喜。就在想要放棄的那一瞬間,我從耳機裡聽到一聲清脆且細微的口哨聲,和背景噪音相比之下更為高頻,像極了陸地上的鳥叫聲。正當我懷疑是不是聽錯的同時,耳機又傳來第二、第三聲口哨聲。這時,船上的調查同仁們也在離船一兩公里遠的河口側發現小小的背鰭接連地浮出水面,從照片上斑駁的體色來看,的確就是中華白海豚!

這次的經驗讓我驚訝地發現,原來聲音在海水中可以傳得這麼遠。雖然臺灣西部各個河口附近的海水混濁度相當高,能見度經常不到20公分,要在水中透過視覺來觀察環境與尋找獵物幾乎是不可能的事情。然而,中華白海豚能夠發出一種窄頻且音頻可能會隨時間而有所變化的哨叫聲,哨叫聲主要的音頻範圍約介於3000~6000赫茲之間。中華白海豚群體在移動旅行時主要發出固定頻率的哨聲類型,但在社交玩耍時發出的哨聲則相當多樣化,除了固定頻率類型,還有許多抑揚頓挫、音頻高低起伏的複雜哨聲。因此,哨叫聲被認為具有傳遞訊息、維持群體結群模式等社交溝通的功能。除此之外,中華白海豚也會發出一種寬頻、且主要音頻位於超音波範圍的答聲,並利用一連串的答聲進行回聲定位,以發聲和聽到回聲的時間差來
偵測障礙物的距離、鎖定獵物的位置。雖然在海上與中華白海豚相遇的時間不長,在水面上也只看到幾次牠們的身影,但我卻在水下錄音中聽到各種不同的哨叫聲和寬頻答聲。於是我想如果能夠在臺灣西岸的各個河口收集水下錄音,那麼不就能夠透過中華白海豚聲音出現的時間來了解牠們在河口的生態習性嗎?於是,我決定透過「被動式聲學」來研究鯨豚在海洋中的活動。

竊聽海洋的生態
所謂的「被動式聲學」,就是被動收集現場的錄音,並分析錄音資料中各種來自於環境、動物以及人為活動的資訊。說起來好像很困難,但其實就和我們拿著錄音筆在錄音一樣,只要有一台錄音機和一個專門用來感應水下聲波壓力變化的水下麥克風,就可以聽到海洋中的各種聲音。近年來隨著水下技術的發展,小型且較為省電的錄音機可以被放在耐水深100公尺、甚至更深的防水盒中,透過大容量的硬碟或記憶卡,能收錄長時間的海洋聲音。海洋錄音機可以被錨定在海床上,透過電腦的自主排程定時收錄一段聲音,或是連續不斷地收錄聲音,直到耗盡電池或儲存空間不足為止。目前普遍應用的水下麥克風也都具有非常好的性能,除了人耳可聽見的音頻範圍之外(20~20000赫茲),許多的水下麥克風甚至可以靈敏地收集到超音波範圍的聲音(> 20千赫茲)。因此,透過這種海洋錄音機,海洋動物聲學研究人員便可以在世界各地的海洋中,利用水下聲音來竊聽海洋中的各種聲音,了解海洋生態系的變化。


應用尖端科技尋找鯨豚聲音
長時間的水下錄音雖然可以蒐集到寶貴的監測資料,但也需要耗費大量的人力與時間來分析資料。因此,海洋動物聲學的研究人員嘗試著開發自動化的偵測演算法來尋找鯨豚的水下聲音,以提高研究分析的效率。最初,研究人員利用計算聲音的音量大小(聲壓值),當音量超過一定偵測閾值後,就記錄下這段聲音的時間。這種「能量偵測器」雖然能夠有效地偵測出具有高訊雜比的鯨豚聲音,但是卻也容易偵測到許多的噪音,包含船隻的聲納、魚類的叫
聲、槍蝦的聲音等等⋯⋯。於是,研究人員開始利用已知的聲音模板,以聲音的波形或是利用快速傅立葉轉換的頻譜圖,偵測水下錄音資料中和聲音模板相似度高的區段。......【更詳細的內容請見科學月刊第558期】

超薄電視的未來(上)—LTPS、IGZO、OLED 技術

作者/曲建仲(臺灣大學電機工程學系博士,美商德州儀器公司市場行銷與資深應用工程師,負責嵌入式處理器與無線微控制器相關產品,應用在各種工業與消費性電子產品與物聯網。)

鴻夏戀終於簽約了,鴻海取得夏普夢寐以求的LTPS、IGZO、OLED等6大關鍵技術佔據了所有的新聞版面,號稱這些技術足以抗衡三星新一代的顯示器技術,到底什麼是LTPS、IGZO?什麼又是OLED?這些新的面板技術與目前的液晶顯示器(LCD)有什麼不同之處,讓這些國際大廠趨之若鶩?

液晶顯示器
液晶顯示器(Liquid Crystal Display, LCD)的構造如圖一所示,如果我們將液晶顯示器的某一部分放大,可以得到如圖所示紅(R)、綠(G)、藍(B) 不停地反覆的排列,當我們從側面觀察液晶顯示器的一個畫素,可以得到圖的構造,由液晶顯示器的後方向前方,依序為背光模組、後偏光片、後導電玻璃(後玻璃基板+ 後透明電極)、薄膜電晶體(主動矩陣式的液晶顯示器才有)、前導電玻璃(前玻璃基板+ 前透明電極)、彩色濾光片、保護玻璃、前偏光片等,構造真是複雜!......【更詳細的內容請見科學月刊第558期】


圖一

1 前偏光片:主要的目的在決定是否要讓旋轉後的極化光通過,如果可以通過則眼睛看起來是「亮(白)」,如果無法通過則眼睛看起來是「暗(黑)」。

2 彩色濾光片:在塑膠薄片上塗佈紅(R)、綠(G)、藍(B)三種不同顏色的顏料,不停地反覆排列在顯示器的整個畫面上,稱為「彩色濾光片(Color filter)」。彩色濾光片當白光(紅、綠、藍的混合光)通過「紅色的濾光片」,則只有紅光可以通過,綠光、藍光被吸收,所以眼睛只看到紅光,當白光通過綠色或藍色的濾光片,道理亦同。「濾光片」其實就是濾掉我們不要的顏色,只讓我們想要的顏色通過。圖中的彩色濾光片只畫出一個畫素來代表而已,實際上應該是RGB 三種不同顏色,不停地反覆排列在顯示器的整個畫面上。

3 前導電玻璃:與後導電玻璃相同。

4 薄膜電晶體:在「後導電玻璃」的上面使用半導體製程技術成長「開關元件」,如圖一所。最簡單的開關元件就是「CMOS」,但是CMOS 必須具有金屬、氧化物、半導體的結構,必須成長在矽晶圓上才行,要在導電玻璃上成長開關元件沒辦法使用CMOS,因此必須另外設計一種開關元件,它的工作原理和「CMOS」很像,我們稱為「薄膜電晶體(Thin Film Transistor, TFT)」,使用薄膜電晶體製作的液晶顯示器稱為「薄膜電晶體– 液晶顯示器TFTLCD)」,屬於「主動矩陣式(Active Matrix, AM)」的控制方式。

5 後導電玻璃:在玻璃基板上使用濺鍍法(Sputter) 成長「氧化銦錫(Indium Tin Oxide, TO)」形成可以導電的玻璃,稱為「導電玻璃」。ITO 是一種陶瓷(金屬氧化物),幾乎所有的陶瓷都是絕緣體,但是科學家發現ITO 不但可以導電,而且在厚度很薄的時候,還是透明的,故稱為「透明電極」。

6 後偏光片:由於光源發出來的白光為「非極化光」,後偏光片主要的目的在使非極化光變成「極化光」。

7 背光模組:背光模組包括光源、反射板、導光板等元件組成,使光源均勻分布在整個液晶顯示器的畫面上。



科學哲學的新發展方向

作者/嚴如玉(陽明大學心智哲學研究所助理教授、約翰霍普金斯大學哲學博士。專攻認知神經科學哲學( 特別是意識與自我) 、神經科學哲學、與精神醫學哲學。)

「你對哲學的印象是什麼?」 這是我教陽明大一哲學概論時,最喜歡問學生的第一個問題。我很好奇,當下的大學生們,對哲學的掌握,到底是誤解多還是理解多呢? 我自己是直到高三才第一次碰到「哲學」這兩個字。當時懵懂的我,又興奮又好奇地,跑去問我的高中老師:「老師,什麼是哲學?」但老師卻面有難色地告訴我,她不知道。可幸的是,在我教過的陽明大一生中,多數對哲學都有些基本的認識,在這裡,由衷地感謝長期對專業知識普及化一事貢獻的學者與相關人員 。

哲學是什麼?
關於這個問題,我的許多學生回答,哲學是跟理性分析有關。沒錯,這一個答案,抓到了哲學方法學的根本,也就是以理性分析的方式,去探究事物的各個面向。接下來第二個問題:「如果哲學是以理性分析為主,哲學與科學的差別在哪裡?」多數學生的反應是兩者差別很大。不少學生都會指出,哲學的分析很抽象,到最後常常不知所云,好像也無助於解決問題。或者,哲學的主張常常難以檢驗,因為它不像科學以實驗數據來驗證主張。我認為這些學生的評論精準地反應出多數人對哲學的感受,而專業哲學也確實容易給人這樣的印象,以致於哲學與科學常常被認為是風馬牛不相及的兩門學問。

然而, 在西方現代(modern) 哲學史上, 哲學與科學其實是不做區分的, 皆統稱為自然哲學(natural philosophy)。因為理性分析是許多哲學與科學共享的基本方法學之一。這也是為何對當代人而言牛頓以物理科學家聞名,而在十七世紀的西方人眼中,牛頓卻是以自然哲學家著稱。發表的名著也是哲學科學參半的《自然哲學的數學原理》(Mathematical Principles of Natural Philosophy)。

就結果論而言,哲學與科學開始出現分流是方法學上的分歧。哲學家較偏重對直覺(intuition)與概念(concept)進行分析,而科學家則偏重發展實驗工具(tool)與方法(method)收集實驗數據,對資料進行分析,並結合既有知識,以便對研究目標進行探討 。這方法學上的差異,讓哲學與科學在接下來兩百多年的西方歷史中,逐漸地分道揚鑣。

二十世紀的科學與哲學
在二十世紀初,哲學與科學關係產生了一連串的變化。這一切都得從一個重要的哲學流派談起— 分析哲學(analytical philosophy), 始源於一群在德國與維也納的哲學家與科學家,爾後以柏林學派(the Berlin Circle)與維也納學派(the Vienna Circle)著稱。它主要的語言是英文,發展地為美國、英國與澳洲等地。分析哲學很快地發展成一個主流學派,主宰了哲學與科學間微妙而複雜的興衰演變。

分析哲學認為哲學應著重於使用邏輯(logic)(當時正發展蓬勃的一套形式系統) 來研究科學,而非囿限於傳統的哲學方法學以及課題(例如:藉由分析上帝這個概念來證明上帝是否存在)。他們所追求的是經驗的哲學(empirical philosophy), 也就是讓哲學與科學重回同一陣線。例如,著名的哲學家懷海德(Alfred North Whitehead) 與羅素(Bertrand Russell)於1910、1912與1913年發表三冊的《數學倫理》(The Principia Mathematica),試圖證明可以將數學化約到邏輯。雖然,後來的哲學家們大多認為他們沒有成功。但這樣的嘗試,企圖證明科學與哲學的理性分析法是站在邏輯這一基礎上,造就出後來的科學哲學(philosophy of science),一種探討科學研究、理論與知識的哲學。......【更詳細的內容請見科學月刊第558期】

活動斷層「個性」怎知曉?

作者/梁勝雄(經濟部中央地質調查所技佐。專長構造地質、活動斷層調查。)、陳文山(國立臺灣大學地質科學學系,專長層序地層學與地震地質學。)、盧詩丁(經濟部中央地質調查所科長,專長第四紀地質與活動斷層調查。)、陳建良(經濟部中央地質調查所科長。專長大地測量、活動斷層及地表變形觀測。)

《加州大地震》電影中的眾多特效場景,讓民眾在看電影時有如身處於加州大地震發生當下的場景,雖然電影為了賣座,常常以誇張的特效呈現,不過電影結束後,不少人都在問:地震這麼可怕,地震的發生與活動斷層有何關聯性?臺灣地區有沒有活動斷層?地質科學家是如何「預估」何時可能會再發生地震呢?很顯然電影有發揮它「驚恐」的效果,引起民眾對於古地震地質學研究的好奇。解決這些問題前,我們必須先了解什麼是「活動斷層(active faults)」。

何謂「活動斷層」?活動斷層又分哪些類型?
就學理而言,「目前正在活動或是近期曾經活動,將來也有機會重新活動的斷層」稱之為活動斷層。近期曾經活動的「近期」,各國多有不一之見解,以我國主管機關的定義為例:「過去10萬年內曾活動,未來可能再度活動的斷層稱為『活動斷層』。其中,過去1萬年內曾活動者,為第一類活動斷層;在過去10萬年至1萬年內曾活動者,為第二類活動斷層。」經過宏觀的地質野外調查與斷層活動監測,目前我國主管機關於2010年公布的活動斷層總共有33條,主要集中於東部的花東縱谷及西部丘陵與平原地帶。其中,第一類活動斷層有20條,第二類活動斷層有13條。但是活動斷層的數字並非永遠不變,將來如果有新的科學證據與資料,將會隨證據與資料的健全度進行更新。

了解活動斷層的定義後,如何知道斷層活不活潑呢?中學的物理課本告訴我們:「累積移動之距離為Y軸,時間為X軸,得到的直線斜率就是速率。」所以,地質科學家也用這觀念來定義斷層活不活潑。如果將斷層累積滑移的距離除以時間,將得「斷層滑移速率(fault slip rate)」。如果斷層無時無刻在移動,則能得到一條直線,稱為穩定滑移(stable sliding)(圖一),這代表岩層一旦受力就滑動,能量並不會累積在溫度更高、壓力更大及更深的下部地殼岩層中。然而,地表的活動斷層卻不是這麼一回事。

依據累積位移量(距離)與時間的關係,研究人員發現活動斷層發震方式主要有兩種,其一為斷層黏滑(fault stick-slip)型,即斷層帶附近岩體強度較強,固鎖(lock)能力較強,需要應力累積至超過岩體的強度,才突然斷裂,釋放累積的應變能量,產生地震,此種斷層型態常常會有週期性的地震活動,如車籠埔斷層;另一種斷層潛移(fault creep)型,主要發生於斷層圍岩較弱或斷層帶中含有孔隙水或是軟弱的岩體,使得斷層帶的固鎖能力弱,在受力的過程中不需要累積太大能量就能造成地表變形或位移,花東縱谷的池上斷層就是世界上非常有名的快速潛移斷層。

藉由精密的地形量測(精密水準測量、全球衛星定位系統、雷達差分干涉法)與地表人工建物破裂等資料,長期觀測後發現池上斷層滑移速率每年約「動」2~3公分,是目前世界上屬一屬二活潑又好動的斷層。話說回來,雖然說「長期」觀測,但累積的資料也不過幾十年的時間,可是大部分的活動斷層個性可都說相當「閉俗」,再現期(recurrence interval)可能由數十年到上千年。我們人類要如何才能知道在數千年的時間內斷層活動過幾次?每次錯動多少距離呢?這裡就是古地震研究的範疇了,而在實務上,研究人員常利用的是「槽溝挖掘」來獲取相關的古地震證據。......【更詳細的內容請見科學月刊第558期】


圖一:斷層累積位移量與時間的關係示意圖。