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為什麼臺灣角金龜有兩種武器?

PanSci_96
・2017/10/28 ・2854字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 522 ・七年級

臺灣角金龜是全世界獨一無二、只在臺灣才見得到的特有種甲蟲,牠的外觀在族群中更是獨領風騷,大型雄蟲頭上長著一對發達的鹿角狀分叉的觭角,同時具有細長的前腳和大型的腳爪,這些特殊造型吸引日本籍博士後研究員小島涉遠渡重洋,加入臺師大生科系林仲平研究團隊,一起探索臺灣角金龜的生態與行為,透過野外繁殖季時長期大量的錄影觀察,與實驗室中的操控雄蟲打鬥實驗發現,生物為了繁殖上的優勢,針對競爭雌性的特定打鬥階段,能演化出多種專門的雄性武器。

臺灣角金龜小型雄蟲(左)、大型雄蟲(中)和雌蟲(右)。

臺灣角金龜(Dicronocephalus wallichii bourgoini),或稱鹿角金龜,是廣泛分佈於臺灣全島低海拔森林中獨一無二的特有種甲蟲。大型雄蟲頭上長著一對巨大且向前延伸、末端捲曲、形狀像鹿角的犄角。小型雄蟲的角則較短小且平直,雌蟲頭上沒有犄角。由於臺灣角金龜特殊的造型,深受小朋友、一般大眾、與研究者的喜愛,牠也在早年被選為臺灣昆蟲學會會徵中的昆蟲。

臺灣昆蟲學會會徵。

和大多數長角的甲蟲ㄧ樣,臺灣角金龜的犄角是雄蟲用來和對手較量、守衛雌蟲與領域的武器。但是除了長出巨大犄角之外,臺灣角金龜最特別的是雄蟲同時具有細長的前腳和大型的腳爪。這些特別細長的前腳到底具有什麼功能一直是個昆蟲學家與業餘愛好者們好奇的謎題。

臺師大生科系林仲平老師實驗室裡的小島涉(Wataru Kojima)博士後研究員,長期研究甲蟲武器的構造與功能,對於臺灣角金龜特長前腳的功能與演化抱有很大的好奇心。他為了解開這些有趣的謎題,在日本東京大學畢業取得博士學位後,取得日本學術振興會的海外研究獎學金,遠渡重洋特地到臺灣來探索臺灣角金龜的生態與行為。

計畫主持人林仲平老師實驗室的研究團隊在小島涉博士的帶領下,在新北市三芝地區找到適合研究、族群量穩定的臺灣角金龜棲地。在2016年4到6月間,透過野外繁殖季時長期大量的錄影觀察與實驗室中的操控雄蟲打鬥實驗發現,臺灣角金龜雄蟲細長的前腳主要用於和對手打鬥的早期,雄蟲雙方會高高舉起前腳向對手舞動推擠,可能用於評估對手的體型與實力,許多雄蟲打鬥在這個階段便已分出勝負。

而巨大誇張的犄角則用於打鬥激烈程度不斷升級的後期,此時雄蟲會試圖用牠們的犄角和對手纏鬥,將對手頂開其領域,或將對手拖離雌蟲。研究的結果證實生物為了繁殖上的優勢,針對競爭雌性的特定打鬥階段,能演化出多種專門的雄性武器。

臺灣角金龜雄蟲舉起前腳向對手舞動推擠。
臺灣角金龜雄蟲使用犄角和對手纏鬥。

本研究成果已經於2017年7月發表在世界上最早的生物學會期刊: 英國林奈氏生物學會期刊(Biological Journal of the Linnean Society )。此期刊為生物學大師達爾文和華萊士的演化學論文發表的期刊前身。

雖然林老師實驗室的研究結果發現角金龜為了競爭配偶,針對特定打鬥階段演化出兩種武器,但是這些武器在生態與演化上的意義還有許多未解的謎團, 例如攜帶如此巨大的武器是否造成雄蟲行動與飛行上的劣勢,或是有較短的壽命與其他器官的障礙?雄蟲細長的前腳除了打鬥之外是否有其他的功能?體型較小的雄蟲如何獲得交配的機會?大型角金龜真的獲得較多的交配機會並且有較多的子代嗎?小島涉博士與林仲平老師實驗室的成員目前仍持續研究這些有趣的問題。

臺灣角金龜除了有特殊的造型與武器,牠們還擁有ㄧ般花金龜沒有的護幼行為。交配後的雌蟲會先尋找合適的產卵地,鑽入地表用腳在土壤中挖出一個空洞,然後用腳和頭楯將地表上的落葉、有機質、土壤等拖進這個洞,填滿之後用腳紮成如粽子般的包裹,然後只產一顆卵於包裹中,之後角金龜雌蟲將整個卵包埋在離地表約2-3 cm深的土壤裡。雖然目前我們知道臺灣角金龜雌蟲有如此精密的產卵行為,但產卵包是否能增加角金龜卵和幼蟲的存活率與成長率? 或是孵化後的角金龜幼蟲是否食用雌蟲精心準備的”葉粽”? 是什麼樣的生態力量在趨動角金龜護幼行為的演化? 這些問題仍有待進一步研究釐清。

 臺灣島上居住著眾多奇特的生物,牠們有趣的構造與行為,有待好奇的年輕朋友們ㄧ齊加入林老師實驗室的行列,探索昆蟲世界的謎題。

臺師大生科系林仲平老師(右)與小島涉博士(左)。

參考文獻

相關連結

臺灣角金龜(Dicronocephalus wallichii bourgoini

分類:金龜子科/鞘翅目

外觀特徵:

體長雄蟲23-35mm,雌蟲20-23mm。體背粉狀灰褐色或黃褐色,老熟個體局部粉狀物會脫落而呈黑色。雌雄差異在於,雄蟲頭部前端有鹿角狀觭角,雌蟲無。

生態習性:

成蟲出現於4至7月,生活在低、中海拔山區。喜吸食樹汁或訪花。鞘翅目金龜子科, 為完全變態昆蟲,生活史需經卵、幼蟲、蛹及成蟲四個階段。雄蟲體長約為23至35公釐,雌蟲體型較雄蟲小,體背被有灰褐色或黃褐色絨布狀粉末,部分老舊個體會因磨損而脫落。雄蟲頭部具有兩根鹿角狀的觭角,雌蟲則無此構造。成蟲主要出現在4至7月中低海拔山區,常吸食樹液或在樹花上吸 食花蜜,腐熟的水果亦會吸引成蟲前來進食。

臺灣角金龜俗名臺灣長臂絨金龜、鹿角金龜,屬中小型甲蟲,體長2.3-3.7公分,翅鞘具有黃絨般的色彩,雄蟲犄角因個體差異而變化很大,雌蟲則無犄角。成蟲出現於4-7月,數量不多,低山地果熟時較容易發現,為臺灣特有種,分佈全省低海拔山區。

臺灣角金龜是全世界獨一無二,只有在臺灣才見得到的特有種,而它的外觀在族群中更是獨領風騷。雄蟲的頭部前方長著一對發達的鹿角狀分叉的觭角,不仔細看很容易將它誤認成鍬形蟲;不過鍬形蟲的大顎可以左右移動、咬合,而臺灣角金龜的觭角則無法左右移動,只能隨著頭部上下擺動。臺灣角金龜的雄蟲還有一個明顯的特徵:各腳特別修長,尤其跗節的總長度比脛節還要長。至於它的雌蟲外觀上則和雄蟲明顯不同,頭部前端不但沒有觭角,各腳的跗節也明顯短於脛節。

一般的昆蟲在遭受人們騷擾或捕捉威脅時,正常的反應不外乎是立刻振翅起飛、拔腿就跑或縮腳裝死,而擁有危險武器的昆蟲則會立刻反擊自衛。臺灣角金龜在身體結構與本能上,和一般金龜子相同,都算是溫和無害的種類。不過,當臺灣角金龜的雄蟲與雌蟲在一起,也許是正攀爬在雌蟲背上進行求偶或交配,此時的雄蟲頓時就變成火爆浪子,極盡所能的不允許其他的競爭者靠近。誇張的反應是,人們伸手去騷擾或試圖捕捉它們時,護妻如命的雄蟲還會抬起特別修長的前腳揮動示威,抵死也不肯離開自己心愛的老婆哩!

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臺灣半數肺癌患者沒吸菸!不吸菸肺癌的致病成因是?

PanSci_96
・2020/07/20 ・2263字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 605 ・十年級

肺癌傳統被認為與吸菸畫上等號,不過,臺灣的不吸菸肺癌患者卻比吸菸者多。中央研究院與臺大醫學院跨單位研究團隊以蛋白基因體技術建立臺灣早期肺癌病人的多體學大數據,找到不吸菸肺癌患者可能的致病機制。

研究主要有三個發現,首先是肺癌和人體體內APOBEC*突變特徵的高低、其次與致癌物的曝露有關;最後更發現一個從未被發現的新亞型肺癌,及其致癌基因突變的差異,有助早期發現臨床潛在的高風險肺癌患者。

*註:APOBEC的突變被認為跟癌症的發生有關。

研究主持人中研院化學所所長陳玉如表示,「這是東亞第一套結合深度多體學大數據及完整臨床資料,深度解析不吸菸肺癌成因的研究成果」,也是美國臨床蛋白基因體學腫瘤分析聯盟(CPTAC)首次和國際聯盟團隊(臺灣)攜手合作,以蛋白基因體學揭開臺灣及美國病人肺癌生物學的面紗。臺美二個獨立成果於今年(2020)7月9日同步發表在國際頂尖期刊《細胞》《Cell》上,並共同榮登本期雜誌封面。

肺癌致病的關鍵:APOBEC突變特徵、致癌物效應

肺癌是全球癌症死亡的主因,即使藥物治療近年有長足的進展,5年存活率仍低於20%,目前仍是國人癌症死亡頭號殺手。研究指出,在美國不吸菸者約佔肺癌患者的20%,而東亞地區(包括臺灣)的肺腺癌有獨特的特色,不吸菸者(尤其是女性)患病的比率高過於吸菸者。在臺灣有50%以上的肺癌病患並不吸菸,超過9成得肺癌的女性都不抽菸,而且近十年有年輕化的趨勢。為釐清東亞不吸菸肺癌的致病機制,此研究分析東亞地區103名肺癌病患,探究早期不吸菸肺癌的發病與進展。

癌細胞基因突變結果顯示,東西方病人突變的基因背景大為不同;肺腺癌癌變與APOBEC的突變特徵很有關。罹癌患者中,高達74%從未吸菸年輕女性(小於60歲)和所有無肺癌「表皮生長因子受體(EGFR)」 驅動突變的女性患者APOBEC突變特徵程度高,顯示APOBEC的突變特徵可能為女性早期肺癌的驅動因素;而高APOBEC突變特徵又與免疫療法療效呈正相關。因此,APOBEC突變特徵可能成為早期診斷和免疫治療的潛在生物標誌物。

此外,研究也發現,暴露於致癌物而引起的基因體編輯突變特徵,亦可能是癌症早期的主要驅動因素。在部分較年長女性(大於70歲)中程度較高,化學致癌物代謝和解毒過程及特定途徑的活化可能影響腫瘤癌化、惡化和免疫調節異常。換言之,減少生活中致癌物的暴露率可能是預防肺癌的有效策略。

發現「新亞型」肺癌 有助早期發現潛在高風險患者

過去研究已知,臺灣肺癌患者主要在EGFR基因上會發生Del19和L858R兩種突變,病患若是發生L858R突變,存活率較低,且容易產生惡性胸腔積液和癌細胞轉移,不過至今仍未發現明確的生物機轉。此次透過蛋白體學特徵可將肺腺癌分為五個亞型,其中有一個從未被發現的新型早期肺癌「類晚期」亞型。此亞型可區分出Del19和L858R突變的腫瘤在早期癌症之惡性特徵。因此,臨床醫師有機會可藉惡性特徵發現早期肺癌患者,進一步提供密集的監測和考慮可能的佐劑加以治療。此外,「類晚期」亞型的早期腫瘤也可發現顯著增加的蛋白,如間質溶解素MMP11等,可能可以作為檢測的生物標誌。

東亞第一個解析不抽菸肺腺癌之多體學大數據

工欲善其事,必先利其器,有賴於深度蛋白質基因體技術和多體學數據整合分析,及臺灣肺癌臨床團隊提供高品質檢體及臨床資料分析,此次跨領域及院校研究方能就東亞肺癌有此重大突破。肺癌團隊主持人楊泮池指出,「蛋白基因體學發現不吸菸肺癌患者在腫瘤發生和癌症進程上存在著人種和地域上的獨特性,此研究為早期不吸菸者肺腺癌提供了新的見解」。

除中研院之外,研究團隊成員由臺灣大學、臺北醫學大學、臺中榮總提供病人檢體、臨床數據及檢測技術等,共同呈現前所未有的東亞肺腺癌完整鳥瞰圖景,包括針對男女族群、吸菸與不吸菸族群,描繪出更清晰的肺腺癌疾病進程,並且發現新的癌症標誌物與找出導致臺灣肺腺癌的可能病因。

首次攜手合作 臺美「癌症登月計畫」重大發現

本院擁有領先世界的蛋白基因體技術、生物資訊分析平台與大數據分析技術,且臺灣醫療團隊具備完善的長期追蹤資料。藉此優勢,本院與美國國家癌症研究所(National Cancer Institute, NCI)於2016年簽署「癌症登月計畫(Cancer Moonshot)」合作備忘錄,參與國際癌症蛋白基因體學聯盟(International Cancer Proteogenome Consortium, ICPC)。同年10月臺灣通過生醫產業推動方案,科技會報將癌症登月計畫納入為「推動特色重點產業」策略之一,提供利用蛋白基因體大數據開發創新診斷及新藥研發之契機。

持續關注肺腫瘤生物學及早期肺腺癌的研究進展,將有助推動肺癌檢測開發和相關管理策略。「癌症登月計畫」臺灣團隊認為,臨床資訊、多體學技術及體學大數據為發展癌症精準醫學之必要基礎工程,為欲深入研究和發展肺腺癌精準醫療的研究人員和臨床醫生的最大後盾。若能進一步凝聚跨學研單位、醫學中心及跨部會及產學合作,透過與國際癌症登月計畫團隊分享各國數據與資源,持續研發新策略,有助未來發展臺灣特色的精準醫學。

記者會合影

論文共同第一作者為本院化學所陳誼如博士後研究員、本院統計所張雅媗博士後研究員及英國癌症研究所Theodoros I. Roumeliotis,本院資訊所陳鯨太博士後研究員及時任本院化學所林妙霞博士後研究員(現任臺灣大學)亦列為共同第二作者。研究團隊包括本院化學所陳玉如所長、臺大醫學院內科教授楊泮池(本院院士)、本院統計所陳璿宇副研究員、英國癌症研究所Jyoti S. Choudhary、臺灣大學醫學檢驗暨生物技術學系與基因體暨精準醫學研究中心俞松良教授、臺大醫院外科醫師陳晉興、本院資訊科學研究所宋定懿研究員及臺北醫學大學韓嘉莉助理教授等。本次研究經費主要來自科技部、中研院及臺灣大學支持。


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