2013年6月28日 星期五

人類與猩猩,誰是好投手?

我們看慣了猩猩在叢林樹幹間擺盪、跳上跳下,總覺得他們是天生的體育選手;但是,如果舉辦一個投球比賽,來比比看球速呢?

結果可能會出乎我們的意料。最近的一項研究顯示,因為猩猩與人類身體構造的差異,使得猩猩在投擲的時候頂多能投出時速20英哩的球--只有少棒投手的三分之一球速。

怎麼會這樣呢?原來是因為

一、人較為靈活的腰部使胸部與臀部可以分開旋轉,讓軀幹旋轉的角度變大,從而使得人能經由大範圍的移動來實現高扭矩;如此才能使肩膀存入更多的彈性能。

二、比較人類與黑猩猩在肱骨扭轉時,肱骨頭方向和肘部的軸線之間的角度,人類的低了10到20度。這個角度的差異,使得人類的肩膀可以向外側旋轉更多,讓人在投擲的時候,可以在擊發階段(cocking phase)儲存更多的彈性能。

三、人的肩關節方向較為水平取向,使得胸大肌屈曲的方向與軀幹旋轉的方向位於同一軸線上。(見下圖右)這個安排使得人可以藉由將肱骨與軀幹旋轉和肩膀前屈力矩做連結來提升慣性,將兩者的阻抗提升到最大。相比之下,黑猩猩有個更顱導向的肩關節(下圖左),造成他們產生軀幹旋轉扭矩的能力受限。

圖片來源:自然期刊
因為猩猩的肩關節構造,使得在做投擲動作時,猩猩跟人的姿勢就完全不一樣(見下圖)。
圖片來源:自然期刊
人(上圖右)在投擲時,上臂可以跟肩膀維持水平,而下臂和上臂成為直角。於是當要把球投出的時候,整個手臂就好像彈弓一樣,而下臂的作用就像彈弓的那條橡皮筋,將先前儲存的彈性能瞬間化為動能,轉到球上面使球「就像變心的另一半一樣飛出去」。

相對的,猩猩因為肩關節的構造,使得上臂與肩膀之間的角度無法維持水平,這也使得上下臂之間的角度較大,於是無論姿勢怎樣擺都無法像人一樣儲存那麼多的彈性能,也就沒辦法達到那麼高的球速了。

據信,人類投擲的能力應該是兩百萬年前就演化出來了,這個能力應該對打獵很有幫助。不過,那時候人類還不能製造複合式工具(如矛、標槍之類),所以可能就是扔石頭吧!

後記:一位曾在動物園工作的學生給我的回饋,讓我想到,猩猩的肩關節的構造產生的姿勢,其實對於猩猩在森林裡的生活是需要的。相對的,投擲能力的精進(達到每小時60英哩甚或更高),對於叢林中的採集生活其實沒有什麼實際上的用處。相對的,數百萬年前的猿人,因為東部非洲草原的擴張,如果能發展出可投擲高球速的能力,應該對於打獵有極大的幫助。試想,能以迅雷不及掩耳的速度投擲出高速飛行的石塊先將草原另一頭的獵物打倒或打傷,這樣在狩獵時應該可以節省下不少狂奔的力氣。

參考文獻:

1. Neil T. Roach, Madhusudhan Venkadesan, Michael J. Rainbow& Daniel E. Lieberman Elastic energy storage in the shoulder and the evolution of high-speed throwing in Homo. Nature, 2013; 498 (7455): 483 DOI:10.1038/nature12267

2. Science Daily. Chimps or humans: Who's the better baseball pitcher?

2013年6月27日 星期四

馬唐屬的雜草(crabgrass)如何霸佔土地


馬唐屬的雜草是草地以及農田中常見的雜草,只要不除掉很快就會佔滿整片土地;究竟它是如何在短時間達成這個任務的呢?請看下去...

2013年6月21日 星期五

蔬菜的生命何時終止?

不認同植物跟動物一樣有生命的人其實不在少數,但是最近發表在Current Biology上的這篇文章,應該會讓這些人停下來想一想。

圖片來源:ScienceNOW
由德州萊斯大學(Rice University)與加大戴維斯分校(UC Davis)組成的聯合研究團隊,將超市買回來的甘藍菜(cabbage)做了以下的處理:
一、農場類似的晝夜循環;
二、連續光照;
三、連續黑夜。
結果他們發現,相對於其他兩組,第一組的甘藍菜產生了三倍量的glucosinolates(硫苷),硫苷是十字花科用來抵禦害蟲的武器,也是為什麼甘藍菜、芥菜會有特別的味道(芥菜尤其強烈)的原因。

既然第一組的甘藍菜產生了三倍量的硫苷,那麼它們是否也比較能抵禦害蟲的啃噬呢?答案是肯定的。作者取了尺蠖蛾(Trichoplusia ni)的幼蟲,讓他們啃噬這些甘藍菜;結果發現啃噬第一組甘藍菜的尺蠖蛾,吃的量少(難吃吧?!),幼蟲的體型也只有啃噬其他兩組尺蠖蛾的一半。

對於相信植物有生命的人,接下來應該就會想到:到底什麼時候他才會不再對外界有反應?

研究團隊發現,在他們買回來一週後,植物就不再對於光照週期有反應了。而他們也詢問了超市的人,發現在採收後大約需要2-3天運到超市來。

也就是說,大概在收穫後10天左右蔬菜就不再對外界的刺激作出反應了。不過應該很少有人會把菜買回來一周到十天後才煮。當然,媽媽們都知道甘藍菜其實是比較能放的蔬菜,筆者覺得如果是小白菜之類的葉菜類應該會比較快就不再對外界的刺激有反應了。

這樣看來,我們除了要慶幸到現在還沒有人發現植物有「痛覺」以外,適當儲存蔬菜的方法,可能是冷藏吧,既可以提前結束植物對外界環境繼續有反應的時間,同時低溫對於(跟著蔬菜被帶進來的)害蟲也有抑制的效果。

參考資料:
ScienceShot: 'Dead' Cabbage Keeps on Kicking - ScienceNOW

2013年6月6日 星期四

海洋垃圾能掉到多深?

最近在蒙特利灣水族館研究所(Monterey Bay Aquarium Research Institute, MBARI)的一群科學家,想要知道究竟人類所產生的海洋垃圾能掉到多深的地方,於是他們分析了過去22年來,研究所的遙控載具帶著攝影機到深海(最深可以下到4,000公尺)去拍攝的影像(共有18,000小時,筆者覺得這真的是很累的工作)。

他們看到的影像收集的範圍,北從加拿大的溫哥華島(Vancouver Island),南到加州灣(Gulf of California),西到夏威夷。總共看到了超過1,500個海洋垃圾,其中有1,150個垃圾落到海底。閱讀更多...

2013年6月4日 星期二

老祖宗的菜單

我們的老祖宗吃什麼?

圖片來源:維基百科

最近由幾個研究團隊分析了十一種古人類的173顆牙齒的碳13與碳12的比例發現,雖然有很長一段時間,靈長類一直都只食用樹葉與水果;但是,大約在350萬年前,靈長類也開始嘗試新口味:熱帶的禾本科植物與莎草科植物(sedges)。而這些新口味,草食動物們在1000萬年前就開始吃了。

分析的方法是取少量的牙齒磨粉並拿到質譜儀去分析琺瑯質中的碳元素比例。因為吃較多的C4跟CAM植物的動物,牙齒中的碳13含量較高;所以,透過分析碳13與碳12之間的比例,科學家可以得知究竟這動物吃了較多的C3、C4、還是CAM植物。

C4與CAM植物是非洲草原上常見的植物。東非大草原大約在600到700萬年前開始擴張,但是,為什麼古人類直到400萬年前才開始嘗試將草原的植物列入菜單中,還是一個謎。

440-400萬年前的南方古猿(Australopithecus anamensis)的飲食,跟現代的猩猩是一樣的:約有90%來自於樹葉與果實;到了340萬年前的阿法南猿(Australopithecus afarensis)開始把熱帶禾本科植物與莎草科植物帶到餐桌上。不過,食用的比例因人而異。有些人完全不吃,有些人則非常的熱愛新口味(佔飲食的70%)。同時他們也吃些多肉植物。

為何阿法南猿吃C4植物而南方古猿不吃呢?目前沒有答案。

相同的時空下居住在圖爾卡納湖區的肯尼亞平臉人(Kenyanthropus platyops)也開始攝取C4禾本科植物與莎草科植物了。

到了270萬年到210萬年前的南非,羅百氏傍人(Paranthropus robustus)與南方古猿都會吃C4與莎草科植物了。新菜單約佔羅百氏傍人的飲食的30%,而南方古猿約有50%。

等到了200-170萬年前,可能是因為氣候變遷(變得較乾燥),當時人屬動物的飲食中大約有30%來自C4與莎草科植物(有些應該是來自於動物的肉以及昆蟲);而同時期的鮑氏傍人(Paranthropus boisei)則有75%的飲食來自新菜單。到了140萬年前的圖爾卡納湖區,C4與莎草科植物已經佔據了人屬動物飲食的55%。

到了一萬年前,C3植物與C4植物(部分應來自於肉類)佔人類飲食的比例大約是五五波。

不過,在這個研究裡面使用的研究方法,並沒有辦法鑑定老祖宗們究竟吃了植物的哪個部分;同樣的,也沒辦法鑑定我們的老祖宗們究竟什麼時候轉為肉食(開始吃吃草的蟲蟲或是吃草的動物的肉)。我們也不知道到底他們吃不吃魚(吃魚在牙齒琺琅質留下跟吃草一樣的訊號),或是他們成為甚麼都吃的動物?

為什麼我們這麼想知道老祖宗們的菜單呢?因為由光吃水果與樹葉,到開始因為草原的擴張而攝取熱帶禾本科植物與莎草科植物,這很可能也是古人類與其他非洲大猿開始分道揚鑣的時間點。畢竟過去的研究顯示,飲食一直都是推動人類演化的重要動力。400萬年前人類的腦子開始變大,也跟飲食的改變有關;在200萬年前「人屬」開始出現,那時候我們的腦子已經比其他靈長類要大得多了。而智人要到20萬年前才出現。

什麼時候人類開始肉食?不清楚。目前發現的直接證據顯示,人類大約在250萬年前開始腐食,而第一個狩獵行為的證據則要到50萬年前才出現。這個研究同時也發現,在當時除了古人類以外,還有兩種肯亞的狒狒(Theropithecus brumpti Theropithecus oswaldi)也有嘗試草原新菜單;但是,他們後來都絕種了。現存與他們同屬的狒狒(居住在肯亞高地的Theropithecus gelada)只吃溫帶禾本科植物。

我們老祖宗的菜單,在三四百萬年前開始由90%的樹葉與水果(C3植物)慢慢轉變為一兩百萬年前的C3植物與C4/莎草科(可能還有肉)各50%。究竟是什麼推動了他們的飲食轉變,而這個飲食轉變又對於人類的演化有什麼影響呢?人類的大腦容積也恰好在發生飲食轉變的那段時間開始慢慢變大,究竟這只是巧合,或者是飲食轉變所帶來的必然呢?

參考文獻:

A grassy trend in human ancestors' diets

2013年6月1日 星期六

我們的老祖宗為何開始用兩足行走?

人類的老祖宗們何時開始用兩足行走,由於可以從化石證據看到,所以並不是個難以回答的問題;但是我們的老祖宗究竟「為什麼」要開始用兩足行走,這個問題就難了。

過去廣為被學界接受的理論是:因為氣候變遷,使得非洲東部與南部的森林漸漸被草原取而代之;造成我們的老祖宗因為沒有樹可以爬,加上在草原上站立起來看得更遠,所以他們漸漸放棄了四足行走,改用兩條腿站立。

但是最近由約克大學與法國的巴黎地球物理學研究所的科學家們提出了一個不同的看法(1)。他們認為,我們之所以改用兩腿站立、行走,是因為非洲南部、東部的地形有許多露頭與峽谷--是這些高高低低的地形讓我們的祖先覺得在這裡生活比較安全(因為躲藏的地方比較多),但也是這些高低不平的地形,使我們的老祖宗慢慢由四足改為兩足行走(筆者看到這一段時,不由得想到新北市的某些區的騎樓也是高高低低,可惜好像對人類的演化沒有多少幫助)。

當然,這些都是假說。這個新的假說提出來,就看大家對它能否接受囉!不過筆者倒是想到,之前閱讀「重返人類演化現場」(2)時,提到直立的人因為只有頭頂會受到陽光直射,所以相對於以四足走路的動物因為頭部與整個背部都受到陽光直射,直立的人類比較不易中暑。不知道這個說法是否讓「氣候變遷」假說多得一分呢?

在「重返人類演化現場」一書中,另外提到人由四足行走改為用兩腿站立後,身體的構造也起了很多的變化,包括第二性徵變得更明顯,而相對來說可以在其他靈長類看到的發情信號(紅通通的臀部皮膚),則因為直立後轉而朝下方變得不容易觀察,於是慢慢的消失等等,所有這些種種常常讓筆者想到,很多事情都是連鎖效應,one thing leads to another,演化上如此,而許多其他的事情(如公共政策的制訂)不也是這樣嗎?

參考文獻:

1. ScienceDaily. 2013. Why early human ancestors took to two feet
2. Chip Walter. 重返人類演化現場. 蔡承志譯.