2018年11月27日 星期二

本學期實驗課的孔雀魚系列之五 - 雄魚橘斑面積與雌性選擇有關嗎?

在上一次的實驗中,同學們檢測了不同種的花鱂(包含兩個近緣種,與一個親緣關係較遠物種)在配對時的行為反應。當然由那樣的實驗來佐證生殖器型態的差異就是造成三種兩性個體間反應的差異或生殖隔離是言之過早的,因為與種間辨識、配偶選擇與生殖隔離有關聯的特質(trait)不會只有一個。這也就是說除了生殖器型態差異之外,一定還有其它的因素。

早在1978年與1980年發表的兩篇論文中,John Endler報導產在千里達溪流中的野生孔雀魚雄性體色的鮮豔程度與掠食壓力之間具有明顯的關連性。在諸多探索雄魚體色醒目程度(conspicuousness)與雌性選擇關係的研究中也顯示雌魚的確會偏好體色亮麗的雄魚。

馬里蘭大學的Anne Houde在1987年的時候使用三個指標,也就是「單一雄魚與處女雌魚相遇到交配所花費的時間」、「處女雌魚對經過身旁但並未求偶的雄魚回應的頻度」、「雌魚回應雄魚展示行為的相對頻度」來檢測雌魚對不同大小雄魚橘斑的反應。

Houde當年在實驗中使用了來自千里達的Paria河野生個體的第二與第三子代,但是現實上我們很難直接拿到野生個體的第二或第三子代,因此我們直接採用水族貿易中流通的個體。反正只要橘色斑面積與醒目程度在雄魚個體間有差異就行了。

Houde當年怎麼做實驗的呢?根據那篇論文,她使用如下幾個指標來判斷雌魚是否對雄魚有反應:(1) 她遇到雄魚以後就停下手邊的工作 (例如看到帥雄魚就不吃飼料了);(2) 會尾隨雄魚,癡癡地跟人家走,而且頭也不回;(3) 遇到自己的菜就整個「滑過去」,和平常的泳姿完全不同。

好,以上這三個行為只是雌性發現雄魚是她的菜的行為指標,實際上Houde做了三個實驗收集數據。
  • 交配速度:求偶行為到交配成功的時間長短被視為衡量雄性的性吸引力的方式。她把雄魚依據不同橘斑大小分成四個等級(分別為A、B、C與D)。每隻雄魚的「第一次展示到成功交尾時間」與「在成功交配前的展示次數」會被記錄下來。
  • 雌魚對沒有展示行為雄魚的反應:雌性在15分鐘內繞過雄魚的次數(是一個頻率)。
  • 雌魚對有展示行為雄魚的反應:雌性在20分鐘內對展示雄魚的有回應而且最後交配的次數。
Houde收集了這些數據後,先做出橘斑面積佔身體比例的分布圖(histogram),然後再把雌魚的反應分級,最後再統計檢測橘斑所佔面積與雌魚反應的關聯性。

那麼我們要怎麼做呢?Houde的實驗設計比較麻煩,所以我們不要這樣做。我要你們這樣做:
  • 一組給你兩雌六雄
  • 六隻雄性分別與雌性配對,一次配對至少15min。
  • 每一次配對時,都要記錄:
    (1) 雌性停下原來動作,游到雄魚邊的時間 T1
    (2) 雌性持續停在該雄魚旁邊的時間T2
    (3) 雌魚在20min內繞過雄魚的次數N1
    (4) 雌魚與雄魚保持近距離接觸的時間T3
    (5) 最後是否有交配成功 (Y or N)
  • 假設你有六雄兩雌,表示你們最多可以進行12次的配對(雌性可互換),然後如果有那一次配對成功(有交配),那隻雌性就不必再使用。
  • 每一隻魚都有自己的編號
  • 拍攝每一隻雄魚,並測量其橘斑面積與身體面積的比例 (%)
  • 把所有數據以這個表單的格式填寫,然後開放給同學抓取。填寫完畢之後所有同學應該可以看到所有組別的數據,這樣大家就可以根據48隻(或42隻)雄魚的數據,製作出X軸為橘色比例,以及Y軸為隻數的圖。助教根據大家數據分布,再決定我們要把雄魚的橘色比例區隔為幾個等級,並加以編號。
  • 我們使用Spearman's係數來檢測橘斑面積等級與以上行為之間究竟是正相關?負相關?還是無相關?
  • 數據繳交與整併:在實驗結束後次日晚間10點前在Line上面上傳本次實驗所錄製影片的頻道短網址,與google資料夾短網址,而該資料夾應該要包含以下資訊:
    (1) 所有雄魚的照片 (應該被編輯過),檔名就是那條魚的編號
    (2) 數據紀錄的Excel檔案
  • 報告繳交:周六晚間10點前,以線上文件書寫,擺在同一個線上資料夾裏 
  • 相關論文可由此處下載:https://tinyurl.com/ybkd8hxm 

2018年11月5日 星期一

本學期實驗課的孔雀魚系列之四 - 如何檢測種間生殖隔離的機制?

一般的基礎生物學、演化生物學、演化生態學課本在提到「物種生成」(speciation)與「物種觀」(species concept)的時候一定會提到「生殖隔離」(reproductive isolation)這的概念。雖然課本上提到生殖隔離的時候經常提到這是恩斯特·瓦爾特·邁爾(Ernst Mayr)在1942年所提出的「生物物種觀」(Biological Species Concept,簡稱BSC)的基礎。然而生殖隔離事實上已由費奧多西·多布然斯基(Theodosius Dobzhansky)在1930年代末期提出來。

課本上所提到的生殖隔離通常區分為「合子形成前」(prezygotic)與「合子形成後」(postzygotic)兩群機制。而在合子形成前的隔離機制方面,「機械性」(mechanic)與「行為性」(behavioral)隔離最容易被肉眼所觀察。而機械性生殖隔離還由「鎖鑰假說」(Lock-and-Key Hypothesis)所支持。

所謂的鎖鑰理論其實是一個很早就被提出來的構想。法國的昆蟲學家雷翁杜富(Leon Dufour)在1841年時發現可以使用生殖器來區辨物種(根據當時的物種觀)。這樣的發現不僅限於昆蟲,也在爬行動物以及哺乳動物中被發現。Dufour在1844年宣稱「每個物種的雄性都發展出來一套獨特的複雜生殖器官,用於匹配該物種的雌雄生殖器官」,也就是說「雄性需要發展出一枚能夠打開雌雄生殖器大門的鑰匙」。

這個理論從1844年至今已有長期的歷史,然而由於我們對兩性生殖動物的生殖器功能並不完全清楚,因此這個理論並不那麼容易檢驗。此外在一些仰賴婚飛或集體求偶交配的動物上,高度的生殖器個體變異也可能讓這個理論的預測失準。

不過在花鱂科(Poecilidae)魚類的生殖、婚配與性擇演化議題上,雄性交尾器(gonopodium)的尖端形態經常被視為「種間辨識」(interspecific recognition)與機械性生殖隔離的佐證。如果你使用Poecilidae、gonopodium和reproductive這類的字眼在資料庫或google中搜尋,你一定可以找到非常多的研究議題,例如「生殖器形態與其它身體部位能量投資的權衡得失」、「近緣種的交尾器差異」以及「生殖器型態與雌性選擇偏好的關聯性」。雖然這些研究的操作都不算很困難,不是技術門檻很高的研究,但因為要瞭解性擇偏好所代來後果所需要的實驗時間較長,而且所需要的動物數量與空間也大,因此我打算讓同學做一個非常非常簡化的實驗,也就是讓各位使用「親緣關係遠近不同的花鱂」進行同種與異種配對。由於花鱂亞科的魚類為胎生魚,因此同學可以輕易觀察到兩性之間的互動與是否完成交配。

我打算讓各位使用一般孔雀魚(Poecilia reticulata)與近緣的恩德勒孔雀魚(=安德拉斯孔雀魚)(Poecilia wingei),加上親緣關係稍遠的黑純胎生鱂(Girardinus metallicus)進行這個實驗。首先我們需要瞭解孔雀魚、恩德勒孔雀魚以及黑唇胎生鱂三個物種分別的求偶行為(可以參考這個說明),這樣你才能理解你究竟看到了什麼。在實驗流程中同學需要以手機錄下雌雄之間的互動行為,然後再交換性別與物種來比較同種異性與異種異性個體之間的互動究竟有什麼樣的差異。我們將進行以下 9個配對,且讓每個組合進行2個重複:
  • A處理 - Poecilia reticulata male x Poecilia reticulata female
  • B處理 - Poecilia wingei male x Poecilia wingei female
  • C處理 - Girardinus metallicus male x Girardinus metallicus female
  • D處理 - Poecilia reticulata male x Poecilia wingei female
  • E處理 - Poecilia reticulata male x Girardinus metallicus female
  • F處理 - Poecilia wingei male x Poecilia reticulata female
  • G處理 - Poecilia wingei male x Girardinus metallicus female
  • H處理 - Girardinus metallicus male x Poecilia reticulata female
  • I處理 - Girardinus metallicus male x Poecilia wingei female

每一隻魚都不能被重覆使用。例如A處理中的雄性孔雀魚就不能在D處理中使用,這是因為在這個實驗中我們要確保每一隻受測個體的先前經驗與次數相同,以免影響先前經驗影響後續行為。

那麼各位要觀察與記載什麼?
  • 假設你分配到A處理,那麼你就需要有兩對魚,包含兩隻一般孔雀魚雄魚和兩隻孔雀魚雌魚。首先你要把水族箱中的隔離板打開,打開後就要開始錄影,記錄魚的互動。若展現求偶行為,交配了,或是完全沒反應,等再久都沒有反應,就表示一輪實驗結束。
  • 記載你被分配到的組合的雌雄之間的互動情形,以手機清楚錄下行為,分析雄性是否對雌性展現求偶行為?雌性是否接受雄性求偶?最後有沒有交配成功?
  • 有展現或有接受記載為YES,沒展現或不接受記載為NO,交尾成功記載為YES,沒有交尾記載為NO。
  • 把編輯與標記過的影片上傳到youtube,將短網址與與觀察結果填入這個表單,匯集全班的實驗數據以後,全班就使用一模一樣的數據進行以下的分析。

要分析與檢測什麼?
  • 「雌雄是否同種」與「雄性是否展現求偶行為」是否有關聯性?
  • 「雌雄是否同種」與「雌性是否接受雄性求偶」是否有關聯性?
  • 「雌雄是否同種」與「是否成功交配」是否有關聯性?
  • 我們應該會使用費雪精確檢定,詳細操作將在課堂上解說。

檢測完以後,你可以嘗試回答以下提問:
  • 若交配成功與否與是否同種有關,就表示某種型式的生殖隔離發揮作用嗎?
  • 若雄性對雌性求偶,雌性不接受,就表示有生殖隔離嗎?
  • 若雄性對雌性求偶,雌性接受了,就表示沒有生殖隔離嗎?

實驗做完要怎麼辦?
  • 交配過的雄魚(要同一種)可集中管理
  • 交配過的每一隻雌魚(要標記配對雄魚是那一種那一隻)要隔離飼養
  • 沒有交配、沒有展現任何求偶、接受或拒絕行為的魚便回到原飼養缸中繼續飼養。

2018年10月1日 星期一

本學期實驗課的孔雀魚系列之三 - 如何規畫一個圈養計畫?

委內瑞拉Campoma產的Poecilia wingei雄魚,圖片來自wikipedia
自從我告訴大家這個學期的實驗要使用孔雀來進行以後,我們就要面對幾個實際的挑戰:

  1. 就算我原本的課程設計構想看起來很完美,就表示我能夠得到完全可配合實驗構想的動物嗎?
  2. 就算我得到那些動物,那麼我平常應該怎麼照顧牠們?使牠們能夠完全符合實驗設計的需求與狀態?

我先告訴大家物種獲得的狀況:

  1. 從水族中盤商叫來的混和孔雀(註一),也就是第一次上課拿來量雞雞的孔雀魚,有點生病,而且多數雄魚身上完全沒有橘色斑塊,所以我們無法拿那樣的魚來檢測雌性選擇與特定性狀的關聯性;
  2. 我們再找來所謂的委內瑞拉孔雀魚(Venezuela guppy)。但我們所得到的雄魚並不具備穩定的花紋顏色特徵,再加上過了一個週末就感染疾病死亡,所以數量也不夠多。
  3. 後來我們得到一批野生型孔雀魚,保證是Poecilia reticulata這個種,而且沒有與Poecilia wingei雜交過。
  4. 然後我們又在專業繁殖者的協助下,得到親本來自委內瑞拉Cumana河流域的恩德勒孔雀魚(Poecilia wingei)。具繁殖者表示,該批應該沒有與一般孔雀魚雜交過。
  5. 在四處探問下,也買到了可能有委內瑞拉Campoma地區產的Poecilia wingei
  6. 除此之外,我們也得到了與孔雀魚同屬花鱂亞科(Poeciliinae)但不同屬的黑唇胎生鱂(Girardinus metallicus)。

我理想中的實驗設計是這樣的。
  1. 種間的生殖隔離 (第9週):比較同種與異種花鱂之間的求偶與同種辨識行為是否具顯著差異。首先我們需要瞭解孔雀魚、恩德勒孔雀魚以及黑唇胎生鱂三個物種分別的求偶行為。在實驗流程中學生需要以攝影方式記載求偶過程中所呈現的行為。然後再交換性別與物種來比較同種異性與異種異性個體之間的互動究竟有什麼樣的差異。若要能有效比較其間的差異,那麼我們就應該要進行以下 9個配對,且讓每個組合進行3個重複:

    A處理 - Poecilia reticulata male x Poecilia reticulata female
    B處理 - Poecilia wingei male x Poecilia wingei female
    C處理 - Girardinus metallicus male x Girardinus metallicus female
    D處理 - Poecilia reticulata male x Poecilia wingei female
    E處理 - Poecilia reticulata male x Girardinus metallicus female
    F處理 - Poecilia wingei male x Poecilia reticulata female
    G處理 - Poecilia wingei male x Girardinus metallicus female
    H處理 - Girardinus metallicus male x Poecilia reticulata female
    I處理 - Girardinus metallicus male x Poecilia wingei female

    同一種魚的同一性別個體可以被重覆使用嗎?例如A處理中的雄性孔雀魚可以在D處理中被使用嗎?我認為不行,因為在行為學實驗中我們要確保每一隻受測個體的先前經驗都相同,以免影響後續行為。這意思就是說,如果要完成所有檢測,會需要9對孔雀魚、9對恩德勒孔雀魚還有9對黑唇胎生鱂。在實驗開始前雌雄與不同整魚必須要被隔離,雌性需要保持處女狀態以免影響雄魚求偶的動機。每一組需要負責記錄與觀測不同處理與重覆中的魚類行為,然後完成分析影片中的魚類行為後進行統計檢測。如果能夠發現明顯的行為差異,就可以佐證合子形成前(prezygotic isolation mechanism)的存在。

    所以呢,為了準備這個實驗,再考量有週三與週四兩個班級的需求,我們需要事前準備各18對的孔雀魚、恩德勒孔雀魚和黑唇胎生鱂,不同性別與物種還要隔開,如果怕掛掉或養不好就各養個20對吧。但平常要怎麼養?不同物種與不同性別通通要隔開養,就是這樣。
  2. 檢測特定性狀品質與性擇結果的關聯性(第11週):孔雀魚(無論是一般孔雀魚或恩德勒孔雀魚)的雌魚是否接受雄魚的交配是否與雄性橘色斑紋的面積與生殖器尺寸有關聯性(correlation)。這個實驗的設計精神是讓同學瞭解怎麼檢測兩個獨立事件是否有正或負向的關聯性。那我會如何評估雌性選擇與橘色斑紋面積的關係呢?你怎麼知道雌魚做出選擇?那就表示在配對實驗中不能只配給雌魚一尾雄魚,而且受測雄魚的身體橘色斑塊面積一定要具備個體變異。因為一班有9組,所以我們就設立9個水族箱,裏面各有一隻處女雌性,還有三隻在橘斑面積上具有差異的雄魚。

    做實驗之前我們得先把處女雌魚與三隻雄魚隔開,然後在同樣的水溫、光照、空間與干擾程度下進行實驗。週三班若做了9組,週四班也做個9組,這表示我們需要事前準備18隻處女雌魚,還有54隻雄魚,兩性也要分開飼養。至於使用一般孔雀或恩德勒孔雀來進行這個實驗都可以。全班就分析所有數據來瞭解雄魚身體的橘斑面積究竟與求偶成功與否是否有關聯性。
  3. 檢測性擇的後果(第17週):假如我們在11週的實驗中發現具有較多橘斑的雄魚的確具有性擇上的優勢,那麼我們要如何解釋這種雌性選擇的偏好所帶來的利益呢?好,需要檢測假說。假說有很多種,例如子代數量較多、子代尺寸較大、子代發育速度較快都是。不管我們想要檢測那一個假說,從第11週以後,就要好好地把懷孕雌魚養大,而且還要清楚標記那一條雌魚是由那一條雄魚受孕的。這時候我們就需要準備至少18個水族箱來各別飼養這些雌魚。

所以現在大家清楚知道圈養計畫要怎麼擬定嗎?接下來就要執行好好照顧動物的任務了。

註一:所謂的混和孔雀就是沒有品系可言、被繁殖場淘汰,然後體型花色皆非上等的個體。混和孔雀通常非常廉價,就是給沒錢想養魚的人養的。

2018年9月22日 星期六

本學期實驗課的孔雀魚系列之二 - 實驗用的孔雀魚要怎麼養?

雄性孔雀魚(圖片來自丹尼爾)
很多人都認為孔雀魚很好養,很好生,不太容易生病,也不太會死。所以呢,如果想用孔雀魚做實驗,就會覺得「隨便養就好」,反正要用的時候撈起來就好了。真的是這樣嗎?

其實孔雀魚的行為生態學研究真的是多如牛毛,自從John Endler教授在1980年在Evolution發表掠食壓力對孔雀魚斑紋演化的效應之後,孔雀魚的行為學研究真的就如雨後春筍一般一直冒出來。行為生態學研究有兩種操作方式,一種可以在野外觀測,另一種則需要在研究室內進行操控。無論如何我們都應該要知道,當我們打算在研究室內進行操控變因的實驗,而且還是行為生態學實驗的時候,我們就應該要致力達到兩個目標:(1) 避免動物的先前經驗干擾後面的研究結果;(2) 在該研究的設計下,在同一個實驗中的每一隻受試動物都應該在親本來源、遺傳特質、生長發育、營養條件方面是均質的。也就是說,就是要以飼養實驗模式動物(model animal)的規格與思維進行動物的飼養、照護與繁殖。

假設你的實驗研究主題是「雌性孔雀魚的婚配選擇與雄魚橘色斑面積是否有關?」那麼你應該要調控的變因除了什麼水溫水深光照飼料空間大小以外,就是雌性的成熟度、雄性的成熟度,還有所有受測雄性身上橘色斑面積在所有個體之間的分布梯度。但是一開始買來的孔雀魚就算是有雄有雌,你都無法得知牠們先前的交配經驗與偏好,甚至看不出來雌魚究竟是剛懷孕?還是剛生產?所以呢,如果你要建立一群魚來做這個實驗,你應該怎麼做呢?
  • 首先你應該確認買來的魚是否可能來自相同的親本。如果是,或許你不太需要擔心不同品系的親本的複雜交配狀態無法讓你在子代看到你所期待的性狀;
  • 然後你應該挑出懷孕最久且懷孕期差不多的雌魚,以一模一樣的飼養方式讓牠們能夠「養胎」產仔;
  • 你應該要事前準備好隔離盒讓仔魚被產出後不會被親魚吃掉;
  • 請規畫好你的實驗究竟要使用幾個變因組別與幾個重覆(或個體),這樣才能估計出合理的仔魚數量需求與飼養規模;
  • 當你得到根據實驗設計所需的仔魚數量後,就應該要以最充份的餌料供給與水質管控方式,讓你可以在最短的時間內獲得足夠的亞成魚;
  • 當你開始可以開始判斷性別(但雄魚還未顯示出花紋)時,你就應該把雌雄兩性分開飼養;
  • 分開飼養期間,你還不能讓雌雄魚隔著玻璃缸看到彼此。因為孔雀魚無論如何不是笨的動物,牠們還是可以辨識與自己熟悉與不熟悉的個體;
  • 何時可以開始做實驗?我們要養到雄魚的體色已經顯現,且讓我們可以挑選出具有不同橘色斑塊面積的個體。

以上才是合格的飼養流程,而這一切就只是飼養出一批可以符合實驗設計的魚。

那麼為了本學期的普生實驗,我們應該怎麼養魚呢?以下是我的建議與規範:
  • [演化學與分類學部份]生殖隔離的實驗:我們將會進行一般孔雀魚(Poecilia reticulata)與安德拉斯孔雀魚(Poecilia wingei) (或其它近緣屬物種)的雜交試驗,這個試驗的目的主要是讓大家瞭解生殖器的結構差異是否會促成合子形成前的生殖隔離(prezygotic isolation mechanism)。所以呢,我們需要觀察的是雌性孔雀魚對兩種孔雀魚雄魚接受程度的差異,以及兩種孔雀魚對雌性孔雀魚的求偶策略差異。我們應該控制的就是雌魚的體型與懷孕的狀態。所以呢,我們應該要從現在開始飼養小魚,然後給予非常充份的食物,這樣才可能在一個半月後進行我們想做的實驗。
  • [性擇] 雌魚的婚配選擇與雄孔雀魚的某種性狀變異的關聯性:例如雄魚的交接器(gonopodium)或是橘色斑的面積是否與求偶成功有關聯,好吧,這表示我們也得從小魚開始養。
  • [天擇與性擇的綜合效應] 當有雌魚觀看時,掠食者出現對雄孔雀魚行為的效應:由於在這個實驗中我們要檢驗的是掠食者現身與孔雀魚行為之間的因果性,所以我們未必需要花時間養一批一模一樣的魚,但我們至少要控制孔雀魚的大小、體態、鰭的型態,以及雄魚體色的醒目程度。而這個實驗可以在前一實驗完成後進行,因為這兩個實驗彼此之間是獨立的,唯一要排除的是在上一個實驗中交配成功的雌魚。

好,也就是說我們需要馬上設立飼養計畫,把懷孕雌魚挑出來,給予最好的照顧,然後由各組分別照顧,並進行日常例行的照顧與觀察。

2018年9月18日 星期二

本學期實驗課的孔雀魚系列之一 - 量雞雞還有拍影片

在這學期的實驗課中我不打算讓同學做一些有一點蜻蜓點水、不明究理、與正課的關聯性低、彼此之間的連繫度不好,或是執行度不佳的實驗。我想啊想,究竟要使用什麼生物來做實驗呢?麵包蟲的確好取得,但是對昆蟲沒經驗的學生比較無法偵測到細微的形態與行為變化,而且麵包蟲本身的行為多樣性不足。蟋蟀呢?蟋蟀的問題是會打,而且要單隻飼養,更換食物與飲水需要時間,而且因為每一隻個體的發育未必同步,所以蟋蟀這種昆蟲也未必可以滿足多組同時進行某一個時間的需求。斑馬魚呢?不錯。但是斑馬魚的行為多樣性也不太夠,而且買到便宜的短鰭的大量的斑馬魚(不需要剔除任何基因,只要野生型就好),也沒有那麼容易。所以呢,我就決定使用孔雀魚了。

為什麼使用孔雀魚呢?有幾個主要的理由:
  • 容易取得,一般來說只要不是特別的品系價格都算便宜
  • 有相當龐大的基礎研究,不會有找不到資料回應簡單問題的可能
  • 遺傳、形態、行為方面的研究很多
  • 許多實驗的操作門檻不高
  • 形態構造具有相當程度的發育可塑性
  • 行為夠複雜
  • 其同屬的近緣種(例如安德拉斯孔雀Poecilia wingei)在市面上都能輕易買到
好,那麼我會想要如何利用孔雀魚來執行普生實驗課呢?在這學期的課程設計中有幾週會使用到孔雀魚與其近緣物種:
  • 第2週:度量、量化、記錄與解讀孔雀魚的形態與行為
  • 第9週:檢測偏好性
  • 第11週:檢測關聯性
  • 第13週:檢測因果性
在9、11與13週的課程會圍繞在性擇、學習、生殖隔離等議題。但如果我要順利執行9到13週的課程設計,那麼我就會希望學生至少要先學會如何科學地記載與量化現象。因此我在第2週想讓學生操作的項目如下:
  • 度量雄性孔雀魚交接器(gonopodium)的形態:學習影像擷取,觀察交接器,以及使用軟體進行形態測量(morphometrics);
  • 度量雄性孔雀魚身體橙色斑的面積:學習拍攝影像並且度量色塊面積,完成個體辨識
  • 記錄孔雀魚個體之間的行為,並嘗試解讀行為:學習錄製與編輯影片,並判讀孔雀魚的行為意義
為什麼要聚焦在生殖器呢?因為花鱂科(Poecilidae)魚類的雄性交接器尺寸可以受到非常多因素的影響,例如營養狀態、掠食壓力、遺傳與個體競爭等。此外,由於近緣種之間的交接器也有形態構造上的差異,所以交接器形態的個體與種間變異與性擇間的關聯性,以及懷孕與產仔數,就很適合成為檢測相關性與因果性的題材。

在第2週的實驗中,我參考Gasparini et al. (2011)發表在PLoS One上的論文教導學生測量雄性孔雀魚交接器的形態。花鱂科交接器的先端通常具有一些勾狀或刺壯突起,這樣的結構不是隨便拿游標尺就可以直接量取,所以最好是拍下良好的影像以後,再由影像軟體的協助量取需要的數值。由於Gasparini et al.的研究就是探索生殖器形態與婚配成功的關聯性,所以在第2週時先讓學生練習記錄、量化與度量現象,如此一來就有足夠的時間讓學生準備後續更繁複的實驗。

2018年9月5日 星期三

我打算怎麼上107學年度的普通生物學(一)上半部?

我經常解釋,為什麼中山生科的普生不從細胞開始上,然後為什麼我們未必會照著課本上。既然是新學期開始,那麼我就再解釋一次我為什麼會這樣設計課程,然後我期待這樣的上法可以達到什麼學習目標。

無論是國中或高中生物,陳述生物學議題的方式都是「從微觀到巨觀」,「從細胞到環境」,聽起來非常有系統性。但是對不起,我認為這樣的上課方式已經出問題了。不是這樣的知識陳述方式不對,而是許許多多的學生從學齡前到小學這段時間,就沒有養成足夠的觀察、提問、知識吸收、資訊查找的能力,國高中又唸了六年的懶人包,外加一些額外的知識填補,各位認為上大學以後再這樣上一次,就會得到生物學的知識架構與內容,並且因此產生自學與探索的動力,還有知識品味嗎?

我認為很難,而且難以養成發現與解決問題的能力。不是這種從微觀到巨觀的知識陳述順序有問題,而是他們在上大學之前應具備的能力不存在。

還有一種上課方式就是唸投影片,老師一再單方面地告訴學生很多的知識。學生只要坐著聽,欣賞老師的口才與投影片,外加一點笑話。那請問他來上課做什麼?上上課幫學生畫個重點,說會考喔~然後就去做做練習題。小考時出個50題英文選擇題,學生哀鴻遍野,最後到學期末再來個加分。但很有趣,學生會認為他學到很多。為什麼?因為這是他們早就習慣的學習方式,也就是被動被餵食,然後再催吐。

這就是修課的經驗,就算學生修過了,還是空的。因為學生就只是再經歷一次舊式的,早就習慣的學習方式。而這種方式我也試過了,成效不好。如果學生考試考得不錯,可能會讓老師有一種很會教的飄飄然感,但不會帶給學生後續的學習效應。

所以,我就不想這樣做了。所以啊~同學,我們就不會從細胞開始重講一次,然後你們就一直腦補啊腦補細胞的結構,其實你們什麼都沒看過,頂多只用亞甲藍染過口腔黏膜罷了。

那我打算怎麼上呢?我們把上課的順序倒過來,從你們肉眼可見的世界與尺度出發。你明明天天都在吃東西,為什麼會不知道食衣住行育樂中的生物學議題呢?所以不要再去腦補細胞模型了,因為你拿到一個真正的細胞也無法判斷胞器在那裏。我們重頭來過打掉重練好嗎?

上學期的普生(一)談博物學發展、系統分類學、演化、遺傳、行為生態、生態學、環境科學、氣候變遷這些議題的發展與知識。然後下學期的普生(二),就會從上學期所引發的問題進去微觀世界去談機制,也就是細胞學、基因體、生理、代謝、消化、循環、免疫、內分泌、神經傳導、物質交換啊等等。

最重要的是,不能讓所有的議題圍繞著人體轉,不能只談動物和植物,不要忘了生物世界有那麼多的「界」,只談幾種模式生物所衍生的知識,是不利於對生物學的認識的。

好喔,那麼由我負責的前九週要怎麼上?上什麼?以下是我的規畫:
  • 第一週:生物學的簡史、知識分眾過程、與其它知識領域的接觸、結合與分工、政治經濟與科技對生物科學各學門的影響。還有,那麼你認為你的日常生活中究竟有什麼議題與問題是生物學可以幫忙解決的?是那些問題呢?請同學提出來。所以呢,第一週的作業就是學習提問,而且要學著理解一個問題所涉及的各知識學門究竟有多少?
  • 第二週:博物學、大航海、殖民主義、系統分類學、物種大發現以及各文明對自然資源與生物多樣性的利用與記述上的差異。同學需要從這週起理解為什麼人類對其它生物的認識會從人、動物、植物,漸漸發展成更複雜的體系?
  • 第三週:神學、智能創造論、演化論的衝撞,以及遺傳學的興起:物種怎麼來?怎麼演變?課本上說的那些演化證據還是對的嗎?數學如何進入生物學?我們是否開始需要假說來解讀疑竇?從這週起,同學需要開始瞭解重要假說的形成與檢驗。
  • 第四週:族群遺傳學、分子遺傳和表觀遺傳,還有分子演化是什麼?如何協助我們瞭解演化、適應與性狀的產生?好囉,所以學生不能只知道Aa,還有染色體互換聯會這些事。我們要談如何知道現象與機制間的關係?那些猜測與假說是如何被檢驗的?
  • 第五週:如何重建演化歷史?重建了演化歷史可以回應什麼問題?我們需要再回到演化一開始的發想,如果演化事件已經發生了,我們如何推測過去發生什麼事?何時發生?基於什麼樣的理論我們可以進行什麼樣的推測?這時候數學與演算法又扮演什麼角色?同學需要舉出例子,告訴大家日常生活中有多少議題需要靠這些知識來回答。
  • 第六週:生命起源的多重假說與原核生物的世界:除了高中課本提過的假說之外,還有沒有其它的假說?原核生物只有細菌嗎?細菌的多樣性是什麼?古細菌又是什麼東西?
  • 第七週:真核生物的多樣性與演化架構:這邊就複雜了,我們要重新談胞器的形成、更複雜的內共生假說、真核生物起源的假說,還有真核生物究竟有多少類群?它們是誰?長什麼樣子?和我們有什麼關係?
  • 第八週:無脊椎動物的演化與多樣性:我們暫且簡短帶過真菌、黏菌、變形蟲界這些生物,直接進入動物的起源與多樣化歷程。我們要談談一些主要演化事件對現今世界所造成的影響,另外也要同學瞭解無脊椎動物的多樣性,與我們的關係。
  • 第九週:脊索動物的演化與多樣性:因為人是脊索動物的成員之一,因此我們當然需要瞭解胚胎發育的演化如何塑造出後口動物?而脊索動物又可能是怎麼來的?導致我們現存優勢的大腦、脊椎、四肢、肌肉又是怎麼產生的?如果有時間,我們要聊聊智人這個物種又是怎麼出現的?科技真的會影響人類的演化嗎?

至於真菌、泛植物、各層次的生態學議題、人類與環境的議題就會由張楊家豪老師接著上。

學生要做什麼準備?我們會有小考,也會有一些簡短的作業。所有的問題都是開放性的,需要大量查找資料的。但是許多同學恐怕連查找與閱讀資料的品味與能力都還不存在,因此這是我們在實驗課要教大家的。

如何評量?當然就是作業與考試成績,再加上與老師的互動。

我希望達到什麼樣的學習效果?很簡單也不簡單:
  • 能夠問出一個精準的問題,瞭解雕琢問題的過程
  • 瞭解從現象偵測、問題形成、假說產生到學說形成的過程
  • 知道如何解讀假說間的衝突與調合
  • 能夠自行組裝回應一個問題所需要的知識與技術來源
  • 開始得到精準查找資料的能力
就這樣,大家加油。

2018年8月25日 星期六

我打算怎麼上107學年度的普通生物學實驗(一)?

Rogelio Moreno Gill所拍攝的蕨類成熟孢子囊
這學期(107學年度第一學期)將是我第四次帶大一上學期的普生實驗。大家想像的普生實驗是什麼?學習使用顯微鏡?然後開始切片?開始走檢索表?抽DNA?測定ABC?解剖五四三?然後請問最後會得到什麼能力?對生物學更喜歡了?認識更清楚了?還是變成手工藝課呢?

其實我以前認為比較傳統的實驗課安排,也就是想一些三節課能做完的快速實驗,安排在整個學期的十幾週做一做並沒有不好。有些學生的確是可以從這樣的課程安排中自我組裝知識與經驗的。但是自從我發現,有更多的學生從小到大幾乎沒有做過真正的實驗與操作以後,我認為大學的普通生物學實驗就不能這樣安排了。

為什麼?因為學生根本不知道為什麼要上這些?為什麼要做這些?甚至不知道自己為什麼被稱讚?為何被罵?就算過了也過得莫名其妙。

因為我自己受不了了,所以我打算再次修改這門課的設計與上法。我的想法是這樣的。

課程的目標

由於從國小到高中的生物學教學時數相當少,並不被視為主科,且絕大多數新生幾乎沒有做過完整的實驗,也沒有寫過論說文與小論文,因此他們在入學時通常只有殘破的課本知識與考試經驗,會日常生活中無所不在的生物科學議題一無所悉,嚴重為害生物科學系(與相關科系)的教學與研究進度及品質。

為了改善此種荒謬的狀況,本課程擬以過去三年生科系改革普通生物學正課與實驗課教學方式的經驗,擬定新一波的教學改善方案,使大一學生能察覺日常生活中無所不在的生物學議題,由現象的確認與議題的釐清出發,甚至由公眾的誤解出發,進入較有結構的學習。

這門課的教學計劃以18週為時程規劃,內容包含三大部分:(1) 基礎邏輯與知識品味的錘鍊、(2) 科學素養與方法的練習,以及(3) 學生自行構想執行之專題計畫,並在最後一週以小型研討會的方式呈現最後的成果。我們希望這樣可以盡可能彌補多數學生在邏輯思維、知識結構、自我探索、技術學習以及與生活及產業連結的落差,並希望能因此稍微有利於他們在大學一年級下學期學習方式的改變,以因應高年級進階課程的執行。

十八週課程的主要議題
  1. 為什麼生物學無所不在?而且就在你的日常生活中?
  2. 操作一個實驗之前你應該要準備的功課 (不是讀實驗課本) 
  3. 日常生活中的敏銳度:現象的偵測與解讀 
  4. 日常生活中的”生物議題多樣性”:從你的三餐開始
  5. 何謂成立的問題?精確的問題?可回應的問題?為何某個議題會被大眾、決策與科學家認為重要?
  6. 假說、假設、預測、期望的差異與前提是什麼?
  7. 現象檢測與假說檢測型研究的差別
  8. 如何記載、度量與呈現現象?
  9. 眼見為憑 vs 抽象推測的差異
  10. 參數的決定與數學模型的建立
  11. 何時需要量化?何時需要質化?v
  12. 相關性 vs 因果性
  13. 基礎生物統計學的基本概念 
  14. 原始數據與統計數據的差異
  15. 數據與現象解讀的保守性、嚴謹性與開放性
  16. 合理的延伸應用與胡思亂想的差別
  17. 合乎科學要求的口語、文字與視覺傳達
  18. 期末小型研討會以及課程總檢討

這樣的內容設計是否需要跨領域?

學習所有領域的知識都需要跨領域,所以我認為不需要特別說明自己跨了什麼領域。由於這門實驗課的重點就是「由日常生活出發」,因此食、衣、住、行、育、樂,小至上廁所吃早餐,大至海洋酸化影響無脊椎動物多樣性,都是生物科學關注以及可參與的範圍。所謂的跨領域知能被我區隔為三個面相:
  • 生物科學內部的跨領域:例如「台灣獼猴的屁股為什麼是紅的」就同時涉及「生殖生物學」、「內分泌學」、「社會生物學」以及「動物傳訊與溝通」。
  • 生物科學與其它知識領域的跨領域:例如「台灣獼猴的保育地位降級是否會使農民痛下殺手」就會涉及「保育生物學」、「農業生產」、「地方行政」、「保育法規」幾個面相。
  • 學好生物科學所需素養的跨領域:學好一門知識不能只看看課本,依此要領操作一次。以「台灣獼猴為何如此重要」來說,就可涉及「18世紀起荷屬東印度公司的野生動物貿易」、「日治時期的山林與原住民管理」、「森林破壞與土地利用變遷」等歷史議題。而在比較人類對狗與獼猴的情感差異時,又會涉及「動物福利」與「心理學」。因此學好生物學,便需要瞭解大學之前所學到的語文、史地、數理地科、公民等課程的關聯性。這就是我設計這堂課的主要目的。

和以往的課程設計有什麼不同?

本課程主要的創新之處就是沒有創新,我以自己過往學習某些科目的挫折經驗,以及觀察自己與其它教授在教學上所感受到的挫折,在與國小、國中、高中老師與家長,加上學生社群討論之後而得到的想法,並於每一年開課時依學生的狀況調整作法。主要方式與策略為:
  • 不急著把老師想告訴學生的塞給他:多數學生根本不知道自己要做什麼,所以本課程希望在大一上學期,還算聽話的時候試圖再次引起他們的好奇心、對知識的熱情、對現象的敏感度,還有執行力。也就是說,他們在實驗課中所做的,都是為了回應自己的好奇,而不是執行老師的指令。
  • 不急著進行分組:由於很多學生在彼此不熟的狀況下被強行要求分組,因此在日後的分組作業上產生極大的問題。由於本人身兼大一的導師,所以會在導生活動時討論「分組的必要與不必要」、「如何調合衝突」、「領導與分工」以及「如何促進合作效率」這些議題。這有助於實驗課程的進行,以免在一開始分組,在期中考前翻臉而讓學習效果大打折扣。此外我也不強迫不喜歡與其它同學一組的同學分組,可允許一個人一組。
  • 花很多時間在日常生活中觀察、思考、雕琢問題品質與閱讀文獻:許多實驗課為了求快與成果,太快讓學生進入「操作階段」,因此使得許多學生誤以為生物學(科學)研究可以在不假思索下,直接進入操作。但這是有害教學發展的。因此在他們進行小型專題研究之前,他們需要花很多時間與教師與助教討論,把混亂的思維釐清後才能真正進入議題回顧、設定目地,以及實驗設計的地步。最重要的是,有些學生會捨近求遠,以為科學議題只存在實驗室,因此我們希望學生利用日常生活,以及中山大學校園與壽山的自然資源出發。
  • 不要只求高科技,而要瞭解點子怎麼來:我們的實驗進度不會只要求昂貴科技的介入,我最在意的是學生是否知道「當年的科學家為什麼會想到這個點子」,還有「課本上的經典實驗是否可被重現」。所以我們不要求學生在一知半解的情況下去讀「近5年SCI期刊文章」,而是讓他們嘗試追溯許多重要議題與假說的源頭,並試著重現當年的實驗 (例如小麥根系的生長可受磁場影響)。
  • 為印證自己的點子設計實驗:很多實驗課的設計只讓學生操作「某一個環節」就下課,學生根本不知為何而做?連實驗報告都是抄學長姐的。所以本系的普通生物學實驗自四年前開始進行「小專題」以後,沒有一組的題目是一樣的,但都是為了自己的好奇心而做。
  • 進行長期觀察與嘗試,而不是蜻蜓點水:生物科學領域的完整實驗都無法在短時間內完成或馬上看到變化。因此我們要求學生做小專題的時候,就是讓他們知道「原來一個現象要產生變化要好幾週」,「要培養出一批均質的實驗生物需要一個月」、「兩天內未必能觀測到降雨對生物的影響」。如果我們不要做那麼多蜻蜓點水的實驗,但能做少數完整的實驗,對學生的素質將有很大的幫助。
  • 請學生寫部落格與網誌練習寫作:多數學生在上大學之前,不管是應用文或論說文都沒有寫過,更別說是使用嚴謹語氣及用字的實驗報告。在這門課中,我一向要求各組學生需要寫網誌來記載自己的實驗經過、議題發想過程、資料閱讀心得還有小小成果。所有的網誌或部落格皆應公開,接受同領域師生的檢驗,讓他們一開始就覺得「玩真的」。此為目前升大四的一組學生在大一上學期所經營的網誌(https://bit.ly/2uqtlJ2),其部份內容曾經被科博館的特展所盜用,衍生一段小插曲。
  • 和學生一起把作業與報告要「改到好」:很多時候作業改完以後,學生得到一個分數就算了,我認為這樣不宜。學生在每兩週的進度報告中都要提出口頭與書面簡要報告,讓老師瞭解他們在表達(文字、口語、視覺)與科學概念上的問題,每一次都要改到好才能進行到下一階段,而不是到期末交出來產生大爆炸。
  • 學生自行設定評量標準:台灣學生最缺的就是對自己的瞭解,最多的就是對自己的誤解。因此我在這門課中一向讓學生自定評量標準與成績比例,但這是有前提的。第一,學生需要在一個月左右透過各種測驗、報告繳交與討論瞭解自己的強項與弱項。第二,設定成績比例原則是把弱項比重提高,把強項比重壓低,這樣才能看出自己是否在本學期有進步。
  • 分析分組小專題的「諸多角色」:什麼角色?就是在科學發展、技術發展、教育傳播、法規制度、產業研發、生活應用、與政府體制上的角色。很多學生都會太快希望自己所學「可以變現金」,但在真實社會中是沒有那麼快的。所以在這個課程上,我會花時間與他們討論如何勾勒一個生物科學議題與這些事務的遠近與關聯性,使他們能自行建立知識網絡,而不再是破碎的知識。

如何評量?

本課程將會使用的學習評良方法與證據如下:

  • 線上問卷結果
  • 小考
  • 進度報告 (包含進步的幅度)
  • 每週實驗操作的品質與態度
  • 課後討論
  • 小專題成果
我希望看到什麼成果?

學生要如何達成?這個問題其實應該是在學生身上,如果學生對學習已經沒有動力,那麼老師再怎麼彩衣娛親都是不會有用的。在這門課程中,學生若要能夠達到這門課的要求,其實應該要具備的態度與能力如下:
  • 走出室外與走進圖書館鍛練其觀察現象的敏銳度,也就是說不要只會划手機和坐在電腦前面。生物科學系的學生不可以這樣。
  • 習慣天天接收大量想看懂,又看不懂的新知。大多數的學生都是等待被餵食懶人包式的知識,所以如果沒有習慣天天都主動查找,與主動接收許多複雜、前瞻、具衝突性、精緻與嚴謹的資訊(資料),那麼他們就會很難進入這堂課。
  • 說得到做得到:有些學生就是嘴砲,在老師面前都說「好好好」,但其實什麼都沒做。由於生物科學實驗有時效性,所以他們必須要有即知即行的實踐力,否則很難完成實驗。
  • 把一件事做完整做到好的能力:我要求所有學生要全程參與,如果有同學偷懶,只負責裝可愛和買宵夜,還有假認真,這樣是不行的。
也就是說,我希望一個學期下來,學生能找回一點敏銳度、好奇心、執行力、對知識的品味,還有對自己的信心。