在吵雜的環境中，雌蛙要如何聽見雄蛙「愛的呼喚」？
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當綠樹蛙的肺部充滿空氣時，在外界傳入的聲音中，生物噪音頻率區間內的訊號會被減弱。這種機制可幫助牠們在自己物種的呼喚聲中，過濾掉環境中的噪音以及來自其他兩棲動物的聲音，能使肺部充氣的雌樹蛙，能更好地聽見雄樹蛙求偶的鳴叫聲。
文：Alex Lopatka ｜譯：宋育徴
當人們參加大型、人聲鼎沸的聚會時，要聽到對方的談話會變得相當困難。這所謂的雞尾酒派對問題，也會影響到棲息在充斥著各種不同動物的聲音，以及人為噪音環境下的綠樹蛙（圖1，改編自ref.1）和其他青蛙。環境的背景噪音能達到60至80分貝（相對於標準聲壓度的參考），大約與真空吸塵器的強度相同。為了讓自己能被聽見，樹蛙會發出響亮的聲音，通常在距離1公尺遠的地方會有100分貝，比背景噪音高了一個數量級。
例如：青蛙和其他動物，在刺耳的環境下可能會錯誤地辨認特定物種的呼喚模式，或是難以找到聲源。在特別吵雜的環境中，有些物種會完全放棄聲音上的交流，轉而採取像是揮舞著雙腿的視覺提示（ref.2）。
若您的研究目標，是為了改善外界傳入聲音訊息的訊噪比（signal-to-noise ratio）的演化適應，那麼青蛙會是一個有趣的主題。在大約2億年的時間裡，他們已經在嘈雜的環境中成功鳴叫（ref.3）。牠們與其他兩棲動物發展出了一條從肺部到耳朵的聲音傳播途徑。在圖1中的插圖，顯示了聲波到達樹蛙的鼓膜（eardrum）或鼓室（tympanum）內表面的空氣傳播途徑：直接通過連接至動物嘴巴的耳咽管（eustachian tube），以及一條從肺部到聲門（glottis）開口的曲折路徑。
在至少發展30年以上的青蛙解剖學裡，研究人員已對青蛙的肺部到耳朵有充分了解，並一直在研究「肺部如何調節到達鼓膜的聲音訊號」。在先前的研究中顯示，有些青蛙透過肺部充氣，以改善在某個特定的頻率範圍內單個鼓膜的定向靈敏度（ref.4）。
面對雞尾酒派對問題，至少有一種青蛙並不是靠著使自己產生比背景噪音還要大的聲音來解決，而是藉由減低周圍的噪音來改善彼此間的交流。
在明尼蘇達州聖奧拉夫學院（St. Olaf College）的諾曼・李（Norman Lee）、明尼蘇達大學 （University of Minnesota）的馬克・畢（Mark Bee）以及他們的同事們發現，當綠樹蛙的肺部充滿空氣時，在外界傳入的聲音中，生物噪音頻率區間內的訊號會被減弱（ref.4）。這種做法使肺部充氣的雌樹蛙，能更好地聽見雄樹蛙求偶的鳴叫聲。
拾取振動：蛙類肺部充氣後，對定向聲源的辨識度反而變差
在先前的研究中，研究人員試圖了解「肺部」是否可以控制青蛙對「聲源」的定位。大多數的實驗，多探究外界傳入的聲音如何影響單個鼓膜的方向靈敏度。但是，李與他的同事們想更近一步的研究聲音方向性，並弄清楚聲音撞擊在青蛙的耳朵內外表面的作用。因此，他們在青蛙周圍的各個位置放置了調頻聽覺刺激物（frequency-modulated acoustic stimulus），並分析在鼓膜處產生的振幅。
李和他的同事們使用雷射都卜勒振動量測器（laser Doppler vibrometry），來量測「肺部的充氣」與否對「動物的耳朵振動」造成的影響。該方法是將雷射光打在目標物上（在這個實驗中，目標物為青蛙的鼓膜和肺的外部），之後再以高精準度的干涉儀記錄從振動目標散射出來的光頻率。再將入射雷射光與瞄準光偵測器的參考雷射光束疊加，並計算都卜勒頻移（Doppler shift）。
單個鼓膜的實驗結果顯示，肺部對於提升青蛙的定向聽力只有一點點貢獻。但青蛙在其他不同的方式中，也會像人類及其他脊椎動物一樣，透過左右耳之間聲音的大小差異來分辨聲音的來向（ref.5）。
當以生物體的角度去分析兩隻耳朵的數據時，研究人員發現因肺部充氣而在各鼓膜上所造成方向靈敏度的提升會相互抵消。「這個結果相當令人震驚，」李說：「我們在想，如果這樣的肺部輸入與改善方向性並無關聯，那可能會是什麼用處呢？」
降低音量：蛙類充氣的肺部在聲頻1.4kHz到2.2kHz的區間會產生最強烈振動，有助於減弱該頻段的噪音
為了了解更多信息，李和他的同事分析了在不同頻率和聲音入射角下，鼓膜的振動幅度。「當我們觀察肺部充氣和放氣的狀態並比較其中的差異時，那些圖表確實呈現了令我們震驚的結果，」李說。圖2（a）顯示了這項差異：在1.4kHz和2.2kHz之間，鼓膜的靈敏度有明顯的損失。研究人員並沒有看到樹蛙充氣的肺部會增強它們自身的呼喚聲，而是發現充氣的肺能降低來自其他蛙類發出的噪音音量（圖2亦改編自ref.1）。
由北美兩棲動物觀察計劃（North American Amphibian Monitoring Program）所收集許多物種合唱的數據分析，顯示了即使在1.4kHz到2.2kHz的頻率區間非常嘈雜，許多青蛙還是會在該頻段中發出求偶聲。圖2（b）顯示了綠樹蛙的求偶聲在該頻段之外有兩個局部的高峰，分別為834Hz和2730Hz。雖然綠樹蛙求偶聲的峰值分別位在該頻段的兩側，但周圍的噪音依舊讓牠們難以尋找潛在配偶。
這種演化壓力，可能讓綠樹蛙——或許還有其他種蛙類——產生了降低噪音的適應能力。在嘈雜的1.4kHz到2.2kHz頻率區間中段的共振頻率下，樹蛙充氣的肺部會有最強烈的振動，這有助於減弱該頻段的噪音。
當將新結果與擁有1.55億年共同祖先的其他三種蛙類的數據進行比較時，李與他的同事發現所有的青蛙都具有相似的聲學關係：肺部共振的頻段會位於求偶聲的兩個峰值之間。青蛙的體型是否以及如何影響肺部介導的降噪功能仍有待解答。
自帶降噪耳機：蛙類肺部充氣行為，可降低耳中的聲音訊號感覺器靈敏度對特定聲音頻率範圍的震動反應
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臺灣年輕科學家的幕後推手，李長榮教育基金會為優秀青年人才打造走向國際的舞台
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臺灣的年輕人才值得更多機會與資源，李長榮教育基金會作為一個拋磚引玉的角色，除了舉辦李謀偉科學論壇，讓年輕科學家能和國際頂尖大師進行交流，更辦理多項獎助學金計畫，希望能喚起更多人對人才教育的重視，並共同參與其中。
出於對人才培育的重視，李長榮教育基金會自創立以來，就以推動創新研究思維、促進產業與學術領域的交流互動為核心，開辦各式獎學金計畫與李謀偉科學論壇來幫助年輕世代。其中由李長榮集團總裁李謀偉與李長榮教育基金會董事長楊賽芬所贊助的「李謀偉科學論壇」（Bowei Research Conference, 以下簡稱BRC），更提供了讓年輕科學家能接觸到各國頂尖學者的機會，接受豐沛的知識洗禮。
李謀偉總裁在麻省理工學院求學期間，模塑了自己對於教育、知識傳授形式的想法。在回國後，更對臺灣年輕學子，因為受限於環境、經濟等條件而無法進一步打開國際視野、接觸到更多領先知識，甚至與世界級專家學者進行交流等，感到可惜。因此李謀偉總裁運用自己的資源，透過主辦BRC，將國際頂尖的科學家，帶進臺灣。
最高度期待的科學盛會，BRC李謀偉科學論壇
2023年舉辦的第三屆BRC，邀請到國際間最重量級的學者群來到臺灣，並交由科學諮詢委員會（Scientific Advisory Board, 以下簡稱SAB）負責推薦講者與規劃整個論壇流程。其中，SAB的主席，同時也是國際知名的化學家——Dr. Ehud Keinan，今年已是第二次參加BRC，他在談及論壇的意義，以及自己為此所投入的心力時，非常懇切地表示：「我人生中很大的一部分，都在為了幫助更多年輕科學家、為他們創造機會而努力，我不求取任何回報，只希望能夠為科學界與科學人才，打造一個更有活力的未來。」Dr. Ehud Keinan表示，當初他向李謀偉總裁建議，BRC應該要往更國際化、更高規格的形式發展，立刻獲得總裁的全力支持。
最初在廣邀國際學者參加時，由於是非常新鮮的嘗試，也不為人所知，許多專家學者們都是在再三請託之下才願意來到臺灣，但是經過了兩屆的經營與鑽研，成果逐漸發酵，BRC在國際間打響了名聲。「這些重要的學者，現在都非常樂意來參加論壇，甚至預約了明年（2024年）要再次來訪，這真的是非常令我們感到振奮和感動。」Dr. Ehud Keinan充滿期盼地說道。
李謀偉總裁也進一步說明BRC的目標，是希望臺灣年輕學子與世界最頂尖科學家的切磋能夠有更多靈感碰撞，並進一步發展為改善人類生活的關鍵。他補充說明，這樣的靈感碰撞，不是大家規規矩矩坐在會議室中就會出現，所以BRC從地點到議程的安排，都跟一般論壇不一樣，參考了美國戈登論壇的作法，選擇一個遠離都市紛擾的僻靜地點，讓所有與會者可以在這裡充分地放鬆、沈澱思緒。
在議程上，除了研討會之外，也會穿插安排休閒活動的交流時段。「我們邀請所有的學者和學生一起去健行、或騎自行車。在藍天白雲下，所有人都在很輕鬆自在的狀態中，自然而然地互動、談天。這是因為我相信，很多的靈感火花，就是在這個時候迸現。」李謀偉總裁認為這樣的安排，提供年輕學子一個跟大師們素面相見的絕佳機會，更是建立友誼、提高交流延續性的最好方法。
化學如何改變人類的生活，分子工程是科技新未來
第三屆BRC的主題為「The Magic of Chemistry」，議題聚焦在「New Frontier of Molecular Engineering – Electronic & Optical Materials（前瞻分子工程——電子與光學材料）」。針對這次的主題，Dr. Ehud Keinan分享，化學是事物的基礎，是滿足人類生活需求的科技中，最重要的元素。科學家發揮想像力，在自然生物、礦物，甚至化學元素中，找到可以模仿的靈感，再利用科學的方式重新整合這些素材，創造出了令人驚嘆不已的成果。
說到本次與會的科學家，Dr. Ehud Keinan興奮地介紹：「他們都是現今世界上，最重要、最有影響力的科學家。」包括諾貝爾獎、普里斯特利獎章（Priestley Medal）、威爾許獎（Welch Award in Chemistry）、沃爾夫獎（Wolf Prize）的得主們，或者擁有實力角逐這些獎項的科學家。
Dr. Ehud Keinan認為，對於年輕科學家來說，最好的刺激就是近距離的接觸這些大師，認識他們、了解他們的故事和思考的方式，從中獲得關於研究、科學、未來的種種啟發。「這是最高的學習，比起念任何理論，或者坐在課堂中記著一頁又一頁的筆記還要重要，你獲得的不只是知識，還有這個知識的發展過程。」
另外值得一提的是，本屆BRC所邀請的其中兩位學者，在論壇這段時間分別獲得了國際級大獎。科學諮詢委員翁啟惠院士，以醣科學的開創性研究，榮獲以色列化學學會Medicinal Chemistry Section（MCS-ICS）Barry Cohen藥物化學獎；而Jackie Yi-Ru Ying教授，則是成功將奈米科技與技術醫學結合，榮獲費薩爾國王國際科學獎（King Faisal Prize），成為首位獲得此項殊榮的女性科學家，Jackie Yi-Ru Ying教授在得知獲獎消息後，更俏皮地分享：「BRC is my lucky conference！」
多管道促進人才培育，讓世界看見臺灣年輕科學家
「我認為，對學生來說，不需要去要求他們有創意、有想法，因為這些事情並不是可以透過教導或學習而來的。對有志於從事科學的年輕人來說，只需要有自信，對自己正在做的事情與目標有信心。」自從15年前Dr. Ehud Keinan第一次訪問臺灣之後，他便時常因為教學或演講再次來訪。在他眼中，臺灣的學生們充滿了可能性，以及對知識的渴求。這就是為什麼他非常希望透過BRC，將大師們帶到臺灣，讓大師的身教和言教，給予學生們更多正面的鼓勵和刺激。
這樣的想法，和對於促進人才培育，無私挹注資源的李謀偉總裁不謀而合，因此這些年來，除了舉辦BRC，李長榮教育基金會也提供優秀人才更多獎勵管道，例如：優秀學生獎學金、李長榮博士生獎助學金計畫、李長榮碩士生獎助學金計畫等。李謀偉總裁特別提到：「教育是改變一個人的人生、改變一個社會最重要的動力。」這就是為什麼李長榮教育基金會，將持續推動各種研究活動，提供獎項、獎學金，希望幫助臺灣的年經科學家與學子，在研究與學習的道路上，能夠走得更自在、順遂。
