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師大新聞

2021.1021

烏龜也會比大小?生科院研究發現烏龜優異的數感能力

動物能算數嗎?牠們能辨別數量差異嗎?過去研究證實,孔雀魚最高可以分辨4個和5個物件的差異,鴿子可以分辨6和7,而巨猿可以分辨9和10。看起來智商不高的爬蟲類,可以分辨多大的數量?國立臺灣師範大學生命科學專業學院研究團隊證明,臺灣野外最常見的斑龜,竟然也可以分辨到9比10,這是全世界爬行動物目前所知的最高紀錄。

臺師大生命科學系林思民教授、李佩珍教授、生科系碩士林鳳君、「會思考的狗」行為獸醫團隊謝明穎組成研究團隊,近日發表最新研究結果在國際期刊《動物學前沿》(Frontiers in Zoology),並在研究過程中留下了珍貴影像紀錄,10月21日舉行學術研究成果記者會,並由生命科學專業學院李冠群院長主持。

斑龜數感能力佳 有「大於」概念能辨數量

數感是什麼?三個蘋果大於一個蘋果,而四個橘子大於二個橘子;所有幼稚園的學童,從小都在習作本上訓練這種對「數」量的「感」覺。動物為什麼需要數感?雖然目前沒有定論,但憑藉著數感,牠們可以在野外判斷食物的多寡、配偶的多寡、藏身處的多寡,甚至對社會性動物而言,牠們可以判斷敵我的族群數量,而決定要打鬥還是要撤退。

斑龜是臺灣野外最常見的龜鱉類,頭側一整排平行的黃色細線,是牠們在外觀上的註冊商標。人工繁殖的斑龜寶寶是所有的水族館和寵物店最容易買到的爬行類小寵物,然而臺師大的實驗可能讓所有人對烏龜的智力徹底改觀。在行為獸醫師的指導之下,研究團隊利用獎勵性的行為增強效應,成功誘導烏龜展現優異的數感能力。表現最好的烏龜,甚至可以分辨9與10之間的細微差異。

測試動物的數感有幾種不同的門派,各有其優點與缺點。過去較常使用的方式是直接給予動物不同數量的具體物件(例如給予1隻蝦子與3隻蝦子),一旦選擇正確,自然就會獲得較多的食物。但是研究團隊這次使用的是先讓動物學習選擇數量較多的紅色方塊,選對之後再給予食物作為獎賞。這種對抽象事物的關聯,需要更細膩的訓練與學習,但是卻能隔絕其他外在條件的干擾,讓動物的智能得到更佳的發揮。

過去普遍認為,變溫動物(也就是俗稱的冷血動物,例如青蛙、蜥蜴、烏龜、魚類等等),智能一定低於恆溫動物(例如哺乳類、鳥類)。在過去的研究之中,大多數的爬行動物也確實較難展現牠們的數感。例如,蜥蜴只能分辨2和3,而赫曼陸龜只能分辨3和4。師大的研究團隊一舉將烏龜的數感能力推進到9比10,同時讓烏龜嘗試極為複雜的混合題組。這項研究不但刷新了爬行動物數感能力的新紀錄,也直接媲美其他恆溫動物的高標準。

精華影片連結:https://youtu.be/XvpYcOaTYyM

題目的難易設計 韋伯律影響辨認的難易度

在研究初期,團隊使用的是「固定題」。例如,每天測試的20個題目都是2:4或4:2,用亂數決定左右的排列。連續實施五天之後,再把題目提升到下一組數字。但是當題目的難度已經升高到6:7,所有的烏龜仍然在統計上通過了正確率的測試,研究團隊開始採用混合題型。

混合題型每次會考22題,其中包含11個不同的題目(同一個題目會出現兩次)。等於在短短的十分鐘左右,受測的烏龜必須連續處理一大堆不一樣的題目。這堆題目包括大數量(>5)與小數量(<5)的搭配,也會出現不同難易程度的題型。最難的題目包括7:9、8:9、9:10等,連人眼也甚難輕易分辨。

決定烏龜辨別能力的主要因素在於兩個數字之間的比例。比例越低,代表兩個數字差距越大,難度越低。比例越高,代表兩個數字的差距越小,難度越高。例如1與5的比例是0.2,大小差距顯而易見。但是4與5的比例是0.8,對動物來說就難以區分。在固定題型之中,每隻烏龜都能答對的數字6比7,這個比例是0.86,一般人在不經意的情形下已經會犯錯。在混合題之中,烏龜能答對9比10的難題,一般人用肉眼已經甚難進行立即的判讀。

學習能力 烏龜到底是用估的還是用算的?

烏龜的辨別能力會隨著研究的時間而逐漸增強,這個代表烏龜即使在訓練的過程之中,仍然不斷改善、調整自己的學習歷程。

在研究過程之中,對烏龜最困難的是兩種狀況:轉移測試(transfer test)與衝突測試(conflict test)。舉例來說,當給予的題目由1比3增難為2比4,其中2和4這兩個數字對烏龜都是陌生的,這就是「轉移測試」。當題目由2比4再次增難為4比5,烏龜必須捨棄原本已經熟悉的「4」,改而選擇一個更大的數字「5」,這就是「衝突測試」。

在固定題的階段,研究團隊的實驗對象每一隻都可以通過轉移測試與衝突測試。但是每次發生轉移測試和衝突測試的時候,烏龜的表現都會下降,顯示這兩種挑戰對牠們有一定的難度,必須透過學習再逐漸修正。

到了複合題的階段,研究團隊設計的22個題目讓每隻烏龜都得在瞬間面對複雜的轉移測試與衝突測試,但是這些狀況烏龜仍然游刃有餘。顯示這批烏龜均成功建立起「大於」的抽象概念,並不會受到陌生數字的影響。

數感能力的估計方式,其實也是心理學上一個討論題材。人類孩童在面對4或5以下的數字,通常是用「估」的;如果數字大於5,就必須要用「算」的。我們所說烏龜所具備的「數感」,其實非常有可能從頭到尾都不是「算」,而是「估」。這也解釋了為什麼烏龜可以在比人更快的時間之內,就決定要走向數量較大的牌子。

如何排除「聰明漢斯效應」?

「聰明漢斯」是20世紀初年一匹號稱「會算數」的馬。但是後來發現,漢斯其實利用了主人無意間透漏的肢體訊息,來給予現場觀眾正確的答案。因此在研究過程之中,給予獎賞的人不能比受測的烏龜更早知道題目的答案,也必須防止與受測的烏龜有視線上的接觸,以避免人的姿態無意中透漏了正確答案給烏龜知曉。

但因受測的烏龜在整個實驗的歷程中,不斷展現對舊考題的逐漸純熟,也展現對新考題忽然出現時的困窘,而這些訊息都無法由測試人員提供。因此,在本研究中已經排除了「聰明漢斯效應」的可能。

動物行為訓練的重要性

在本次研究之中,團隊利用動物行為訓練的方式,成功誘導斑龜展現驚人的心智與數感能力。而本文的共同作者之一、謝明穎Mina老師,就是專業的動物行為訓練師。動物行為訓練是一門專業學問,它有助於促進寵物在圈養環境下與飼主的互動,養成適切生活習慣,也有益於日常的健康檢查與醫療管理,最終目的是提升照養環境下的動物福利。適合從事行為訓練的動物除了常見的犬貓之外,在動物園內的大型動物也需要這樣的訓練,以降低刻板行為,並適度配合獸醫團隊的醫療或健檢。

結論

本次研究大幅突破了過去對龜鱉類智能的認知。其實不只是龜鱉,幾乎所有爬行動物的心智能力和數感能力,在全球都欠缺研究,而且嚴重被低估。研究團隊期待有更多相關的研究發表,除了更加破除大家過去對「冷血動物」的迷思,也希望能徹底改善圈養下爬行動物的福祉。(資料來源:生命科學專業學院提供 / 攝影:黃樂賢 / 核稿:胡世澤、鄧麗君)

論文名稱及網址:《Frontiers in Zoology》Superior continuous quantity discrimination in a freshwater turtle(https://frontiersinzoology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12983-021-00431-y

論文作者

【林思民】臺灣師範大學生命科學系教授

較為人所熟知的研究包括發表翠斑草蜥、鹿野草蜥、泰雅鈍頭蛇、太田樹蛙等臺灣特有的新種,首次紀錄原生緬甸蟒在金門的現況,並長年研究草蜥斷尾與候鳥掠食之間的交互作用。現在亦兼任臺灣猛禽研究會理事長,發表數篇與猛禽相關的研究。

【林鳳君】臺灣師範大學生科系碩士

自小即對烏龜有極大的研究熱忱;大學時期即進入林思民老師的實驗室進行專題研究。受到清大教授、科博館焦傳金館長的啟發,將數感認知研究應用在烏龜的身上,在爬行動物認知生態領域獲得突破性發展。

【謝明穎】「會思考的狗」行為獸醫團隊

具有動物行為專業背景的獸醫師,目前從事寵物的訓練與行為管理;同時也協助特生中心等研究單位進行圈養下野生動物的野放訓練或長期照養下的行為管理。

【李佩珍】臺灣師範大學生命科學系教授

小型哺乳動物與生物統計學的專家,在野生動物行為生物學上具有專長。