科學人 7月號/2020 第221期

科學人 7月號/2020 第221期

  • 雜誌名稱:科學人    新功能介紹
  • 刊別:月刊
  • 出版地區:台灣
  • 語言:繁體中文
  • 封面標題:聰明如鳥
  • 出版日期:2020/07/01
  • 定價:280
  • 優惠價:149
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封面故事

聰明如鳥
研究顯示,有些鳥類的認知能力與非人靈長類相當。鳥類小小的腦如何突破限制,以不同的生理基礎展現相似的認知功能?
 
撰文/岡特昆(Onur Güntürkün)翻譯/謝伯讓

在德國波鴻魯爾大學(Ruhr University Bochum)的實驗室中,我和同事把一隻名為加蒂的歐亞喜鵲(Eurasian magpie)抓出籠子、戴上頭罩,然後把一小片黃色貼紙黏在牠喉嚨處的羽毛上,牠看不見自己的那個部位,接著我們把牠單獨放進有大型鏡子的測試籠,並在隔壁房間透過監視器觀察。加蒂先看了鏡子一眼,然後馬上努力搔抓脖子並磨蹭地板來移除貼紙,移除後又看了鏡子最後一眼,才逐漸平靜下來。在猿類身上,這種行為被視為自我辨識(self-recognition)能力的證據,在鳥類身上則是首次觀察到。
當時是2006年,我們發現這個現象時都很興奮,但隨即提出質疑:或許我們錯了?加蒂可能因為感覺到脖子羽毛上有異物才移除貼紙?我和團隊的普賴爾(Helmut Prior)及施瓦茲(Ariane Schwarz)等人進一步在相同情境下測試加蒂,但這次黏在牠黑色羽毛上的是不易發現的黑色貼紙,此外也測試了黃色貼紙但不給牠鏡子。在這些狀況下,加蒂都沒有試著去移除貼紙,只有當牠能從鏡子中明顯看見貼紙時,才會做出移除貼紙的行為。由於我們測試的其他喜鵲也表現出相同行為,因此我們認為歐亞喜鵲似乎可從鏡子中認出自己。
除了人類,當時只觀察到少數幾種腦容量大的哺乳類展現出類似的自我辨識能力,例如黑猩猩、紅毛猩猩、印度象和瓶鼻海豚。而喜鵲能從鏡子中認出自己,只不過是最近在鴉類和鸚鵡身上觀察到的各種複雜認知能力之一。百年來的主流理論一直認為,要具備這些能力必須有大面積的大腦皮質(cortex,前腦最外層),但是新發現動搖了這個想法。依此想法,由於鳥類沒有大腦皮質,牠們應該無法在自我辨識或其他認知測試中有良好表現。但是過去20年來的鳥類認知研究告訴我們,儘管鳥類和人類大腦的生理差異極大,經歷數億年的演化,兩者卻出現了極為類似的基礎認知功能,也都擁有高階學習、自我覺知和行為決策能力。

認知演化的多樣性
如果想知道為什麼生物學家原本不認為鳥類會有這些能力,得回到19世紀末德國法蘭克福大學艾丁格(Ludwig Edinger)的神經解剖實驗室。艾丁格一生致力於研究脊椎動物的大腦和心智演化,相信演化是一步步由簡單趨向複雜,從魚類一路演進到兩生類、爬行類、鳥類和哺乳類,並且他發現了許多基本的大腦結構一直存在於脊椎動物的腦中。
但有很大一部份的腦區,似乎經歷了劇烈的演化改變,可能因此擴展了認知能力,這個腦區就是大腦(cerebrum)。大腦包括腦皮質(pallium,拉丁文意思是「覆蓋物」)和位於其下的下皮質(subpallium)。哺乳類的腦皮質大多是由六層的大腦皮質結構所組成,這也是職司哺乳類認知能力的主要腦區,此外還包括杏仁體和海馬回等較小腦區,相較之下,下皮質看起來像一大團同質的神經細胞,負責儲存曾經學習的動作模式,並且在之後可喚起;在鳥類的腦中,情況則大不相同。當我們透過艾丁格的解剖學概念來觀察鳥類大腦時,很容易把十分相似的腦皮質和下皮質搞混;艾丁格自己就把鳥類腦皮質中的許多區域誤認為下皮質,因此他主張鳥類的下皮質區很大、腦皮質區很小,牠們的認知能力必然有限。
這可是天大的錯誤!艾丁格是當代的頂尖科學家,透過他的理論也能合理解釋哺乳類卓越的認知能力,因此他的錯誤理論延續了超過百年,並且深刻影響神經科學家的想法,直到21世紀初才出現變化。
鳥類的腦被視為差人一等,還有另一個原因:兩者大小有差異。鴕鳥的腦是所有鳥類中最大的,約25公克重,相較之下,黑猩猩的腦約400公克,人腦約1300公克,抹香鯨的腦則約9000公克。至少在靈長類身上,我們發現腦的大小和認知能力呈正相關,有鑑於鳥類缺乏大腦皮質加上腦的尺寸比較小,便認為牠們的認知能力有限。
但若真是如此,就連許多腦很大的哺乳類都無法通過的鏡子測試,喜鵲加蒂怎麼會通過呢?鳥類究竟聰不聰明?百年來認為,動物的腦一定要有大的皮質才具備認知能力,此傳統觀點是否可能有誤?

論因果的烏鴉
南太平洋的新喀里多尼亞烏鴉(New Caledonian crow)可以為我們提供一些不同的觀點。這些烏鴉通常以樹皮裂縫中的小蟲為食,1996年任職於紐西蘭馬西大學的杭特(Gavin Hunt)發現,新喀里多尼亞烏鴉會使用兩種工具來覓食,而且製作這些工具的過程十分複雜,他認為可以和舊石器時代中期(30萬~4萬年前)人類製作的石器相提並論。
有好幾種動物看似能夠使用工具,但仔細檢視後會發現,大多數使用工具的行為只是根據與生俱來的反應所產生的行為程序,而非透過認知能力衡量問題後所做的結果。紐西蘭奧克蘭大學的泰勒(Alex H. Taylor)和德國馬克士普朗克人類歷史科學研究所的葛瑞(Russell Gray)研究新喀里多尼亞烏鴉,想了解牠們使用工具行為背後的心智運作機制,實驗結果顯示,烏鴉可以透過理解事物的因果關係來解決問題。例如當物體移動到視線之外時,烏鴉仍可透過心智表徵來推測物體的位置,或透過觀察事物的發生順序來推論並計畫行動。
烏鴉在理解自己行為的物理意義時,仍然有所局限。雖然牠們可以透過觀察垂吊物體在空中搖晃的程度來判斷其重量,但有時仍然無法理解重物會在著陸時造成較大衝擊。整體來說,新喀里多尼亞烏鴉在一些物理認知方面展現了突出的能力。
那社會認知方面呢?烏鴉能進行團隊合作,卻不明白可以透過合作把夥伴當成一種「社會工具」來協助達成某些目標。烏鴉會觀察其他同類正在玩弄的物體,卻無法察覺到這類行為的關鍵細節,以致於無法理解其中的關鍵動作程序。牠們似乎會把工具使用的方法視覺化,然後在記憶中以逆向工程的方式還原出操作方法,而不是直接模仿學習。雖然烏鴉演化出卓越的物理認知能力,卻沒有演化出社會互動相關的心智活動。這是新喀里多尼亞烏鴉獨有的局限嗎?還是其他鳥類也是如此?我們來看看渡鴉(raven)研究找到的答案。......
 

編者的話

追尋科學的解釋
撰文/李家維

伏藏師」是禮讚能搜尋藏傳佛教寶物之人的頭銜,台灣就有這麼一位奇人江敏吉,蒐聚數以萬計的藏傳文物,蔚為奇觀。我代邀了清華大學腦科學研究中心及科技考古與文物鑑定研究中心的教授們,共赴江府賞寶,重點是西藏外科手術刀和「嘎巴拉」。
初識藏醫是20年前在雲南中甸的松贊林寺,喇嘛簡介藏藥多取材自高原物種,多樣性毫不遜於中草藥。10年前,西藏高原生物研究所來訪辜嚴倬雲植物保種中心,說是因採擷過度和棲地破壞,不少藥材資源已瀕危,因此來台借鑑保種經驗,言談中也提及自豪但瀕危失傳的西藏外科手術。兩年前初識江大師,即詢問是否有罕見的手術刀蒐藏?他攤開一大綑牛皮捲,現出驚人的上百把精緻刀具,而他竟然有50餘套之多!這次眾教授觀之當然愛不釋手,齊歎千餘年前藏醫獨步全球之先進,也感嘆現今之失落,該深入研究啊!
接著我們上手了嘎巴拉,那是用高僧頭蓋骨做成的法器。層架上擺放了3000多個嘎巴拉,卻了無陰森。把顱骨並列,一眼即可見滋養腦細胞的血管分佈之歧異,只看這點,就該認知每個人的腦子都不一樣。
豐盛的晚宴,美酒助興。江敏吉自述從小在苦寒的藏區阿里學習巫術,雖不迷信靈異神祇,卻能以咒語和手印為人治病。虛心詢問這可有科學依據?以解析腦圖譜聞名的江安世院士也以自身經驗應答。他曾以對腦神經系統的了解,協助一位傑出的長笛演奏家,澈底擺脫了不定期口唇抽搐的痼疾。這看似神蹟的案例,其實奠基於神經生物學的精進,超自然與超能力是科學進程中人為的暫時描述。北美洲大樺斑蝶的年度遷徙就是個世紀之謎,牠們的遷徙之旅竟然是四個世代接力完成,現今的知識說明不了這超自然現象,但科學家並不視之為神蹟,相信終能解謎。然而這信念可能鬆動,若主角不見了,哪有解惑機會?〈大樺斑蝶消逝之謎〉是個新隱憂。
科學是人類的獨創,也是文明持續進展之所繫。我們期許《科學人》的知識能廣受享讀,在台灣該有更高的訂閱率。企業家童子賢認同這使命,慷慨贊助,他豪氣地說:「支持《科學人》雜誌,我不需要被說服。」他也期許有更多人加入這贊助行列,財團法人李長榮教育基金會、高平磊晶科技公司都響應了,《科學人》將更普及,內容也將更豐富。
 

雜誌目錄

總編輯的話
10  追尋科學的解釋  文/李家維

11  讀者論壇

16  科學人新聞
冥王星也有地下海洋?|保存疫苗新利器|增血換體力的魚|量尺大混戰|藥物過量致死不可小覷|蚊子咬一口,好多瘧原蟲|雉,最早的家禽|一覽世界科技進展|雙管齊下 拯救生物危機|水質檢測魔杖

形上集
26  達利、達賴喇嘛與對物理失去興趣  文/高涌泉

教科書之外
27  氣泡水,人愛,珊瑚不愛  文、圖/陳文盛

網上世代
28  物聯網設備屬於誰?  文/黃勝雄

談心說理
29  外野手眼中的高飛球  文/曾祥非

專家看新聞
88  守護星空之美  文/德里梅爾(Ronald Drimmel)

科學佐以詩文
89  萊爾峽谷的巨礫  文/麥克費登(Janet MacFadyen)

健康與科學
90  安樂死與器官捐贈結合 文╱華立斯(Claudia Wallis)

科學焦點
91  讓美國科學再次偉大  文/歐瑞斯克斯(Naomi Oreskes)

反重力思考
92  地平胡說  文/米爾斯基(Steve Mirsky)

生物手記
94  虎灰蝶與懸巢舉尾蟻的共生暗號  文/廖一璋、林岳賢

所見所聞
96  人類學家在澎湖灣  文/李詩慧

科學人書摘
100  四維世界的三維樣貌  文/摘自《從一到無限大》

圖表會說話
104  人造衛星暴增  文╱菲謝蒂(Mark Fischetti)、圖表╱布瑞摩爾(Nadieh Bremer)

編輯部的抽屜
106  隨口一說妙標題  文/老編
 

內容簡介

《科學人》雜誌-全球科普雜誌第一品牌

自2002年創刊以來共11年榮獲出版界最高榮譽雜誌出版金鼎獎!身為全球科普雜誌的第一品牌,《科學人》一直領先報導全球最先進的科學脈動與產業趨勢,除生命演化及天文奧秘的探索外,也包括成就未來經濟創新的各種工具:「NBIC,Nano-Bio-Info-Cogno(奈米科技、生物科技、資訊科技與神經科技)」,及其聚合衍生的「長壽醫學」、「未來能源」、「淨化科技」、「即時通訊」、「人工智慧」及「前進太空」等產業趨勢內容。除了原Scientific American文章精確編譯外,台灣延伸企劃採訪篇章更佔40%以上,藉由淺顯易懂的編輯呈現方式,帶給產業精英、知識家庭、高中及大專院校師生最具未來性的知識力。

《科學人》雜誌即將於2017年2月滿15週年!15年來,在「廣」的方面,《科學人》月月帶給台灣讀者科學新知、科學新聞、重要科學研究;而在「精」的方面,《科學人》推出15週年特別獻禮:「博學誌」系列文集,滿足您在單一領域更深入、更全方位的知識渴望。

「博學誌」系列文集

問,時間為何物?(2016/9/20全新出版) 台灣大學物理系教授 高涌泉 專文導讀

窺探大腦(2016/10/20修訂版)  中央研究院院士 曾志朗 專文導讀

發現天文之美(2016/11/20修訂版) 國立自然科學博物館館長 孫維新 專文導讀

掌握數位生活(2016/12/20全新出版) 台灣大學資工系教授 林守德專文導讀 活靈活現動物行為(2017/1/20全新出版)金鼎獎科普作家 張東君 專文導讀

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