【文獻分享】自然界的雙焦眼鏡

在最新ㄧ期的Current Biology中，有篇研究論文介紹自然界的雙焦眼鏡～擁有者是某種龍蝨的幼蟲，而這是第一次發現現生物種具有真正的雙焦眼睛。牠們是如何做到？這對牠們又帶來什麼好處？請在文章中找答案。

閱讀過後若對生物視覺產生興趣，當然就別錯過我們今年十一月舉辦的生物物理研習營IV，主題是～

Vision beyond Visibility

蟲魚鳥獸的婆娑視界：視覺中的生物物理

這篇文章，也在本期的Science中報導喔！

Biophysics:

Two Eyes in One

Lisa D. Chong

Nearly 500 million years ago, schizochroal trilobites roamed the oceans, guided by compound eyes with bifocal lenses. In extant animals, the structures of the eye range from those with accommodating lenses (us) to those with multilayered retinas, such as the complex eyes of jumping spiders. Now, to add to these varieties, Stowasser et al. have described a bifocal lens in the larva of the sunburst diving beetle Thermonectus marmoratus. Of its six pairs of eyes, the E2 eyes are tubular and face directly forward. They contain two retinas that are positioned at unequal distances from the lens, with photoreceptors oriented either parallel or perpendicular to the light path. Using a microscope to observe images formed by isolated lenses, the authors measured optical performance and determined that two distinct and well-focused images are produced on the proximal and distal retinas, indicating a true bifocal lens. Moreover, the images are separated vertically, leading to an improved contrast for each of the focused images.

【分享】黑猩猩研究系列報導

本期的 Science 報導了近期黑猩猩研究的發展，對這群人類近親有興趣的夥伴，可以去看看。以下為此系列報導的涵蓋內容，摘錄自第一篇文章～

This special news report describes research documenting a bevy of unique chimp "cultures," from nut-cracking to grooming techniques, in different communities (p. 34), researchers who have moved beyond teaching apes to communicate (p. 38) to refined studies of vocalizations in both wild and captive chimps (p. 36), magnetic resonance imaging scans of captive chimps that are clarifying how their brains differ from ours (p. 40), cognitive experiments with 14 animals in Japan that are taking the field to new heights (p. 41), and a growing database of CT scans of chimp skeletons (p. 43).

（照片來源: MALCOLM LINTON拍攝）

【文獻分享】代謝與體重具多P關係

如果說，物理學家們致力於尋找自然界運作的法則；那麼，生理學家便是生物學界的物理學家。

數十年前，生理學家便開始試圖尋找動物代謝率與體重間的關係。部份科學家相信，這兩者間存在所謂power-law的關係，亦即在對數座標系中，兩變數間呈線性關係，而此直線的斜率，可能具有特殊的生物意涵。

本週的一篇研究論文卻指出，原本預設在對數座標系的直線，根本會轉彎（也就是沒有固定的一個斜率P）～慣於線性思考的人們，或許也該學會轉個彎了！

有興趣的夥伴，也可以看看期刊編輯和其他生理學家怎麼說。

【文獻集分享】生物磁場感應

本期的 Interface Focus，以生物磁場感應為主題，有興趣的夥伴們，可以去看看喔！

此外，Interface Focus 過去所選擇的主題，多與生物物理學相關（這是為什麼期刊名為 "Interface"【界面】～生命科學與物理科學的界面），應該是個挖寶的好地方！

【文獻分享】青蛙王子的跳躍力學

從白馬上一躍而下的王子，和變成王子前跳躍的青蛙，有什麼相似處？根據這則新聞報導，青蛙連同牠們的近親蛤蟆，在跳躍時使用肌肉的方式和人們一樣，都讓「負責避震」的肌肉群在落地前預先收縮，以緩衝因落地所致的撞擊力。這個研究發表在英國皇家學會的Biology Letters 中。有興趣的夥伴，可以讀讀看。

(照片來源）

【文獻分享】小海龜歷險記

元宵都過了，來換個新口味吧！

這一篇研究，是美國喬治亞理工學院物理學系的 Daniel Goldman 教授團隊所做的研究，探討新孵化的小海龜，是如何克服重重難關，回到海洋中。

Goldman 教授，可是純正的物理學家喔！會進入生物力學的圈子，應該肇始於加入 Bob Full 教授的實驗室，擔任博士後研究工作吧！他現在的研究方向令人著迷。有沒有人想嘗試選讀這一篇文章呢？

(照片來源）

新春開紅

新春開紅，恭喜紀老師剛發表的研究論文受到諸多科學媒體的注意，紛紛報導：Science Daily、PhysOrg、Wired Science。

紀老師，請客啦！

【文獻分享】「腳踏實地」的生物力學

你花了多少錢在一雙好的運動鞋上，期望能跑得更快並且避免受傷？最新的研究指出，最好的運動鞋就是我們與生俱來的這雙腳！這個研究在許多平面媒體皆有報導。

但從演化的觀點來看，這結果並不意外。雙腳直立是人類演化過程中重要的里程碑，那麼跑步呢？這篇 review 指出，人類在短跑上或許不如許多其他動物（如犬科、牛科動物、甚至馬），但卻是十足的長跑健將，具有追逐獵物的優勢！在漫長的追逐競賽中，人類的腳往復地衝擊地面，在慣於穿鞋的現代人身上，這可能是 2~3 倍體重的衝擊力！然而，現今加強足跟緩衝的運動鞋雛形卻在 1970 年代才形成... 時值今日，即使科技大幅改善運動輔具的設計，然而因運動而造成的足部運動傷害卻時有所聞。那麼，在跑鞋出現前的漫長歷史中，人類是如何避免受傷的命運？

在這個由哈佛大學知名人類學家 Daniel Lieberman 領導的研究中，科學家進一步比較了赤腳與穿鞋奔跑時腳步的動作與來自地面的反作用力。結果顯示，慣於以赤腳奔跑的跑者以足尖著地，而慣於穿鞋者無論穿鞋與否，奔跑時均以足跟落地。足部落地時，身體一部份的等效質量在 10-20 ms 間減速為零，造成了可能危害骨骼肌肉的衝擊力。以足尖落地時的等效質量約為足跟落地時的 1/3 ~ 1/4，大大減少了衝擊力。為什麼足尖落地時等效質量會減少呢？作者進一步將足部模擬成 L 形的雙擺 (L-shaped double pendulum)，當關節的可彎曲程度增加時，系統的轉動動能將增加，減少了與地面撞擊的等效質量。

有興趣的夥伴，可以參考這篇 News & Views 的報導，甚至挑戰這篇研究論文，別忘了，許多研究的細節在該文的補充資料 (Supplementary information) 中喔！

[文獻分享] 迷你伏擊軍

今天出刊的 Science 中，有一則報導介紹運用高速攝影機，來拍攝顯微鏡下浮游動物攝食行為的研究。

大家都知道，不同尺度下的流體行為差異很大-- 有別於我們生活的世界 (inertia dominated)，那些微小的動物是如何在相對黏稠的水中 (viscosity dominated) 捕食呢？運用伏擊策略，這些體長介於 0.3-1 mm 的動物，得以有效地捕捉到獵物。

靈長類考古學

上星期的Nature雜誌有篇在談靈長類考古學的review，將這門剛萌芽的跨領域科學的緣起、目標、課題介紹給科學界。考古學向來的研究對象是人類，靈長類學則聚焦在現存的靈長類的各種行為；靈長類考古學結合了這兩門科學，將考古學應用到靈長類的活動遺蹟上，尤其是這些活動所憑藉之工具的化石。

之所以介紹這篇文章給大家是因為兩年前Vogel教授在生物物理研習營的通俗演講中，談到如何用生物力學來幫助考古學研究；同樣的，靈長類考古學裡也有生物力學發揮的空間。舉例來說，這篇文章引用的兩篇發表在《美國物理人類學期刊》（Americcan Journal of Physical Anthropology）裡的研究報告就是從生物力學的角度來看問題的：工具的物理特性、使用工具時的生物力學。還記得Vogel教授演講片段的人應該會發現第二篇文章的圖看起來蠻熟悉的。

至於台灣有哪些單位與科學家在研究靈長類，那就要請紀老師來開講了。

[文獻分享] 翩然降落的種子

這是今天 Science 的封面 ~
是由楓樹種子墜落時，其連續影像疊合而成。

這個現象，相信許多人都看過，例如今年三月，本校森林系馮豐隆老師在 BJC 演講時，便帶來了有翅的種子（我忘了樹種），當場示範其墜落的過程。相信在場的觀眾對其翩然降落的樣貌印象深刻。

過去我們都預設：這類的種子在旋轉時，應該有升力產生來抵抗重力，以有效增加種子在空中停留的時間；當風起時，種子便有機會乘著風，散播到更遠的地方～而這對生物是很重要的。

如今，生物流體力學家們解答出了翅果在旋轉過程中，產生升力的機制-- 原來，它們和昆蟲、蝙蝠、蜂鳥類似，會運用 leading-edge vortex，來提升翅膀產生的升力！

[文獻分享] 蛇爬行的秘密

2007 年底的生物物理研習營中，胡立德 (David Hu) 教授與我們分享了他研究蛇類爬行力學的初步成果。這個研究，已於上週在 PNAS 線上發表：The mechanics of slithering locomotion。

這個研究，也引起多方關注。在 Nature、New York Times、Discover Magazine 等雜誌、媒體上都有相關報導：
Nature: Snakes use scales to slither--Mathematical model suggests 'sideways' friction is key
New York Times: Snakes' Locomotion Appears a Matter of Scales
Discover: How To Be A Snake [Life in Motion]

［附註］2007 年生物物理研習營的活動報導，與胡教授的專訪，均已刊登於物理雙月刊中。

音樂的演化生物學

最近一期的Current Biology的封面是隻會隨著音樂起舞的鸚鵡，名叫Snowball。網路上有它完整跳完一曲的影片，讓我看得目瞪口呆。這段影片是2007年年底就放上去的，所以有不少人應該已經看過這段影片了。那到底有什麼新發現讓Current Biology拿它來當封面呢？

科學可不是「有圖有真相」這麼簡單的。無論Snowball跳得多麼起勁，還是得通過嚴格的檢驗，才能排除瞎貓碰上死耗子的可能性。根據Tecumseh Fitch（我們在謝寶森教授的演講公告中引用過這位科學家的一篇文章）所寫的報導，Snowball聞樂起舞的影片引起了科學家的注意（可見上網亂逛有時候還可以撈到寶），決定進一步探究，看看Snowball是不是真的會隨音樂起舞。研究結果確認了Snowball的確知道音樂節律，不是亂跳一通的。

Fitch的報導中提到的另一篇文章也刊登在這一期的Current Biology中，就緊接著那篇有關Snowball的論文之後。這篇論文的作者們上YouTube把所有跟動物跳舞的影片通通都拿來分析，過濾出真正隨音樂起舞的動物。令人驚訝的是，只有鸚鵡和亞洲象具有這種能力，而像狗、馬、海豚、其他鳥類等等常在馬戲團或娛樂節目中跳舞的動物反倒通不過檢驗。而人類的近親黑猩猩雖然常用敲擊樹幹的方式製造有節奏的聲音，但也同樣無法通過檢驗。Fitch還簡短地討論了這個結果的演化涵義，有興趣的可以去讀讀他的這篇報導。

Fitch說拿YouTube作為研究材料的資料庫，這篇研究論文是先驅之作。這個看起來簡單且直接的研究手法，真的執行起來需要無比的耐性：作者們總共分析了令人肅然起敬的五千三百多部YouTube影片！可見科學研究有時候（我覺得不只「有時候」，而是「常常」）不能光靠聰明才智，毅力與耐性也是很重要的。

嗯，我猜研究做完之後，第一線處理這些影片的人（苦命的研究生？）大概會有好一陣子看到YouTube影片就奪門而逃了。

ps 1. Fitch說第二篇論文所研究的對象之一是鼎鼎大名的鸚鵡Alex，2007年過世的時候，紐約時報還登了篇訃聞。我Google了一下，發現還不只紐約時報哩！連經濟學人和洛杉磯時報都有它的訃聞。我看我們之中大概沒有人有辦法在掛點之後，讓這麼多著名報紙與雜誌為文追悼啊！

ps 2. 其實達爾文也注意到音樂的出現在演化上是個非常值得探究的重要問題。有趣的是，最近有位演化生物學家寫了篇文章說，達爾文對音樂完全沒輒，而他的太太和子女們則非常喜歡音樂。

[科學報導] 烏賊的聽覺

去年11月曾參加生物物理研習營的夥伴們應該還有印象，中研院的嚴宏洋老師在他第二場精采的演講中，介紹了如何應用海洋生物聲學的原理和技術在漁業及保育上。

今早看到了兩則新聞報導，便是關於嚴老師研究烏賊聽覺的成果：破解烏賊聽覺密碼 我獨步全球、記錄聽覺腦幹反應 好惡全都露。方才連結到原始研究論文，意外發現，五位作者中，有三位在過去三年裡，各給過一場 BJC 演講：
Hong Young Yan （中研院細胞與個體生物所嚴宏洋博士）2006-10-12：魚類的多媒體世界
Wen-Sung Chung（中研院細胞與個體生物所鍾文松先生）2007-5-3：海洋魔術師
Jen-Chieh Shiao （台灣大學海洋研究所蕭仁傑教授）2008-10-16：引人上鉤的魚耳

不知下學期是否邀請第五作者 :)

Scaling在古人類學的應用

最近一期的Nature用幾年前發現的佛羅勒斯人（Homo floresiensis）當封面，因為裏頭有兩篇研究論文及一篇報導是在討論這種矮小的古人類。我大概沒有能力讀懂那兩篇研究論文，所以就只讀了那篇報導。

這篇報導說佛羅勒斯人的化石剛被發現的時候，許多人都提出質疑，認為那不是新的人種。我記得當時讀過幾篇相關報導，確實是眾說紛紜，相當精采，後來還為了搶化石而扯出一堆人與人之間的糾紛呢。這篇報導接著說，這些質疑中最有力的是從scaling的角度來審視這些化石：拿不同種的生物來比較，腦的質量與身體的質量通常有個冪次等於0.75的scaling關係；拿親緣關係密切的物種來比的話，這個冪次會小一點，在0.2到0.4之間。根據這個scaling關係來計算，不論把佛羅勒斯人當成得了侏儒症的現代人或是得了侏儒症的直立人，腦袋都太小了，令人懷疑佛羅勒斯人根本不能算是人類。

在Scaling讀書會中，大家應該都學過如何應用scaling來比較不同的生物，不論這些生物是否已經滅絕，scaling都派得上用場。這篇報導讓我們又多學到一個scaling的應用實例。不過，這回根據scaling所提出的質疑暫時被擊退了，因為照這篇報導所說的，佛羅勒斯人的足部結構證明了他們是人類家族的一份子。

除了scaling之外，生物力學在討論佛羅勒斯人的足部結構時扮演了很關鍵的角色，有興趣的可以去讀讀這篇報導。事實上，這篇報導的作者幾年前寫過一篇文章，就是從生物力學來分析人類的演化的。那時候紀老師還沒來，所以生物力學這門課還是由我這個門外漢在惡搞。一看到這篇文章很高興，就把它列入期末報告的文獻庫當中。只是，沒有學生選這篇來報告就是了。

最後要說的是，我很喜歡這篇報導的第一句話：Good science requires a healthy dose of tempered scepticism--at its heart, the process involves trying to reject proposed hypotheses.

[文獻分享] Traditional allometric analysis fails to provide a valid predictive model for mammalian metabolic rates

本期 Journal of Experimental Biology 中，有篇文章討論一直頗具爭議的 Kleiber's Law ，可能根本是數學操弄下的假象（artefact of mathematical manipulation）。欲淺嚐的同好，可先讀該期 Inside JEB中的簡介。

聰明的喜鵲

今天早上ICRT六點到七點的BBC新聞有一則很有趣的報導，說德國科學家最近研究發現，喜鵲十分聰明，知道出現在鏡子裡的身影是自己。到了學校之後，上網把相關文獻找了出來。這篇發表在PLoS Biology上的論文，在Supporting Information中附了九段影片，很有趣。此外，著名的靈長類學者de Waal為這篇論文寫了篇簡介，讓沒時間細讀原始論文的人可以很快地了解整個研究的重要性與相關背景。

這個研究測試的是喜鵲有沒有所謂的mirror self-recognition（MSR）的能力，方法是在喜鵲身上放個有色標記，看看如果它只能從鏡子裡看到這個標誌的話（例如，放在頸部），會不會試圖將身上的這個異物弄掉。能過通過這個測試的動物很少，目前為止只有人、黑猩猩、大猩猩、紅毛猩猩、瓶鼻海豚、亞洲象。連最近研究發現很聰明的灌叢鴉（scrub jay）都沒辦法通過這個測試，所以喜鵲有此能耐是很令人驚訝的。de Waal也大略地談到為什麼這個能力如此特殊，以及演化上這個能力可以帶來什麼好處。他的簡介只有1.5頁，很快就可以讀完，所以我就不多說了，各位自己去讀吧！

de Waal的文章中提到灌叢鴉的研究，是一對夫妻檔科學家Emery和Clayton的工作。去年Science有篇關於Clayton的特別報導，Current Biology也有篇專訪，是位蠻有意思的科學家。有空的話，也可以去讀讀。

［文獻分享］紙捲的秘密

這一期的Nature有篇很簡短的報導，是關於智利聖地牙哥大學的Cerda所做的紙捲的力學研究。Cerda注意到，像上圖中的紙捲有個共通的現象：在最中心的部位，紙捲在接近末端的地方不會乖乖的緊貼在紙捲的內側，而是稍微打直（參見圖中最接近右下角，但沒有被切掉的那個紙筒）。經過計算，Cerda發現不論紙捲的大小，也不論材質，有兩個角度是固定的：紙捲末端與紙捲內側接觸的角度，以及未緊貼在紙捲內側的部位所張的角度。這裡最有趣的是，不論材質。換句話說，捲成圓筒狀的東西可以是紙做的，也可以是不銹鋼、塑膠等等。用物理學家喜歡用的字眼來說，這兩個角是普適的（universal）。Cerda說研究中用到的是十八世紀的數學，雖然當時沒有電腦，但花點工夫硬算，還是可以算出來的。因此，兩百年來，之所以沒有人研究這個問題，純粹只是因為沒有人注意到這個現象可能是普適的。

Cerda是智利本土培養出來的優秀青年物理學家，這不是他第一次受到矚目，2007年的搞笑諾貝爾獎的物理獎就是頒給他和哈佛大學的Mahadevan。雖說是「搞笑諾貝爾獎」，但這不代表得獎的研究是在惡搞。依照維基百科的說明，搞笑諾貝爾獎的頒獎對象是「乍看之下令人發笑，之後發人深省」（first make people laugh, and then make them think）的研究。Mahadevan的實驗室向來以充滿創意的研究著稱，想一窺其研究的人，可以找《學蜘蛛人趴趴走》來讀。Cerda是Mahadevan的博士後，看他列出來的著作一直都很出色，顯然不是只靠Mahadevan這樣的有名獅子闖江湖的兔子（不知道這個寓言的，請見兔子、狐狸與狼）。

Mahadevan是做軟物質的，所以這篇報導的最後一段談到這個研究在生物學上的可能應用。其實，還有一個可能的生物學應用沒被提到：包覆纏繞在神經元外圍的許旺細胞。忘了在哪裡看過一個說法：軸突因外傷等因素被截斷之後，即使軸突能夠再生，也不見得能沿著原來的許旺細胞所提供的通道，重新接起來。這會不會是因為Cerda所研究的物理現象，使得許旺細胞的末端往內縮，擋住通道呢？

[文獻分享] Surface Tension Transport of Prey by Feeding Shorebirds: The Capillary Ratchet

有沒有人要挑戰這篇?　看看水鳥怎麼靠牠的嘴（不是吸管喔，比較像一雙筷子）來喝水和吃水中的食物！（作者 John Bush 是 David Hu 的 Ph.D. advisor）

Science 16 May 2008: Vol. 320. no. 5878, pp. 931 - 934
Surface Tension Transport of Prey by Feeding Shorebirds: The Capillary Ratchet

Manu Prakash,¹ David Quéré,² John W. M. Bush³
The variability of bird beak morphology reflects diverse foraging strategies. One such feeding mechanism in shorebirds involves surface tension–induced transport of prey in millimetric droplets: By repeatedly opening and closing its beak in a tweezering motion, the bird moves the drop from the tip of its beak to its mouth in a stepwise ratcheting fashion. We have analyzed the subtle physical mechanism responsible for drop transport and demonstrated experimentally that the beak geometry and the dynamics of tweezering may be tuned to optimize transport efficiency. We also highlight the critical dependence of the capillary ratchet on the beak's wetting properties, thus making clear the vulnerability of capillary feeders to surface pollutants.

導讀: Science : Perspective
Biophysics: The Intrigue of the Interface, by Mark W. Denny
from: Science 16 May 2008: Vol. 320. no. 5878, p. 886