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第254話:天生就懂音速的蝙蝠

2021/05/06閱讀時間約 3 分鐘
­「蝙蝠」這種生物,一直以來都很能刺激人類的想像力,由於牠特殊的造型、身為哺乳類卻會飛行、晝伏夜出的習性、吸血為食、使用超音波偵測獵物的特異功能、攜帶各式病毒的練蠱神獸…這讓牠的形象偏向「暗黑系」,最具代表性的當然是「最強不死系」吸血鬼的化身,就算是正義的超級英雄「蝙蝠俠」,也跟同屬 DC 宇宙的陽光男孩優等生「超人」截然不同,隨時散發出黑暗的氣息。
除了蝙蝠車以外,蝙蝠機車也超帥!只要花個六萬美金就可以買一台(來源:Curtiss)
除了創作者之外,這些特性同樣吸引了科學家的興趣。其中一個問題是,會使用「聲納」來探測環境的蝙蝠顯然是普通物理第一部份「運動學」的好手,因為牠透過發射超音波以及接收反射波的時間差,來定位障礙物、掠食者以及獵物。甚至還會「計算」都卜勒效應,來對移動中的獵物位置進行修正。
蝙蝠俠自己好像沒有用到超音波定位功能,倒是裡面的反派「人蝠」(Man-Bat),本來是個研究蝙蝠的科學家Dr. Kirk Langstrom,想要利用蝙蝠的能力來造福聾人,卻因為實驗失敗讓自己變成怪物(來源:DC/維基百科)
不過要做這些事情,蝙蝠必須先知道「音速」是多少,才能得到後續那些對牠生存有用的訊息。於是問題來了:蝙蝠是「天生就知道音速是多少還是後天學習來的?」
以色列特拉維夫大學的動物學家Eran Amichai 與 Yossi Yovel 為了回答這個問題,進行了以下的實驗:
抓來一堆野生蝙蝠,訓練牠們飛行去攫取距離起飛線 130 cm 遠的食物,這對蝙蝠來說自然是小菜一碟,勝任愉快。然後把測試空間中的空氣混入氦氣,空氣中的音速是 330 m/s,氦氣中的音速可以達到 1000 m/s 以上,不過當然不能用純氦,不然蝙蝠會窒息而死。空氣混入氦氣後,音速會因此增加,所以同樣的距離下,蝙蝠收到反射波的時間會縮短,結果造成蝙蝠低估了食物的距離,捕食失敗。
接者研究者從把另一批蝙蝠從小養大,而且飼養的環境是在混有氦氣的空氣中。所以如果蝙蝠對音速的認識是來自「後天學習」的話,這批蝙蝠所認知的音速應該就會是氦氣中的音速,應該就能在含有氦氣的環境中,估算出正確的食物位置。
實驗結果顯示,在含氦大氣中養大的蝙蝠,跟野生蝙蝠一樣,在正常大氣中能夠抓到正確的獵物距離,但是在含氦大氣中則低估了距離而失敗。
實驗場景(來源:PNAS)
結論就是,蝙蝠的音速的認知,是「硬體內建」的,也就是生來就已經知道,而不是來自於後天的學習。原因可能是,蝙蝠成長後很快就需要自行覓食,「硬體內建」的音速可以讓牠們很快進入狀況,後天學習可能會緩不濟急導致餓死。
當然啦!這邊講的「蝙蝠知道的音速」不是說蝙蝠腦袋裡真的「懂」音速這個概念,就像是聲納這個設備也不會「懂」聲音的特性,它指示透過機械與電路的設計而具有這個功能,對於蝙蝠而言,就是相關神經迴路的連接好像聲納的電子迴路一樣,讓牠們能夠使用超音波來聽音辨位。所以,如果我們能弄清楚蝙蝠神經系統中的聲納神經迴路,也許能設計出更厲害、更小型的聲納。
這個研究,將發表於 5 月 11 日的「Proceedings of National Academy of Sciences」(美國國家科學院院刊)。
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Phys.org 報導(2021/05/4):https://phys.org/news/2021-05-innate.html
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