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藻華爆發、稻米凋黃、狒狒偷菜、扇貝被吃光……這些「生態癌症」的背後有什麼共通點呢?——《生命的法則》

八旗文化_96
・2018/02/05 ・4997字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 535 ・七年級

當癌症在身體中散播時,會入侵並破壞維持身體恆定的器官。當癌症襲擊骨髓或肺臟時,身體便會缺乏氧氣。當癌症入侵消化器官,身體就無法得到足夠的營養。當癌症進入骨骼和肝臟,血液中重要化學物質的精細平衡就會遭受破壞。

同樣地,大量藻類會因為阻礙了湖泊的重要功能,而使得許多生物死亡。那些毒素對魚類和其他野生動物而言非常地毒,使得食物鏈變得一團混亂。藻類死亡後會沉到湖底,細菌分解這些藻類屍體時,會用掉湖水中的氧氣,讓魚類和其他生物窒息,從而造成水中化學成分變異、不適合生物棲息的「死區」(dead zone)。

美國俄亥俄州伊利湖(Lake Erie)不是唯一陷入這種緊急狀況的大型水域,類似的地方很多,像是加拿大的溫尼伯湖(Lake Winnipeg)、中國的太湖,以及荷蘭的紐瓦湖(Lake Nieuwe Meer)。因為某些生物過多而受損的生態系還不只這些,這種癌症有各種形式,出現在生物圈中的各個部位。我將會多說明幾個例子,然後才提出疑問:是哪些法則遭受破壞,才使得這些湖泊、田野、海灣和莽原生了病。

美國伊利湖正面臨藻類大量增生、生態失衡的危機。圖/Tom Archer

灑了農藥,怎麼害蟲更多了?

如果曾經搭飛機經過或實際前往過亞洲的熱帶地區,就很清楚當地居民所吃的食物。從印度到印尼到處都是稻田,山坡谷地也開發成梯田。以柬埔寨來說,所有的耕地中稻田就占了九成。人類有一半以這種穀物為主食。在亞洲,人們攝取的熱量中三成是由稻米供應的。在孟加拉、越南和柬埔寨,稻米提供了每天六成的熱量。

稻米在亞洲栽種的歷史已超過六千年,但現在的翠綠稻田是 1960 年代綠色革命下的產物。為了因應可能因為乾旱、欠收和人口爆炸所造成的飢荒,人們透過遺傳方法改良出新的稻米品種,並且引入可提高產量的農耕方式,包括定期使用肥料和農藥。在十年中,有四分之一的農地栽種了新的稻米品種,亞洲許多農夫的稻米收成倍增。

亞洲熱帶的主食作物為稻米,圖為泰國清邁的稻田。圖/MaxPixel

但是到了 1970 年代中期,在菲律賓、印度、斯里蘭卡和亞洲熱帶其他國家的綠色稻田,開始轉黃並且枯萎。1976 年,印尼發生大災難,超過百萬英畝的稻田受到病害。在此地,農民完全倚靠稻作維持一家終年所需,稻米是一年當中人們絕大部分的收入來源,因此狀況十分危急。

造成病害的是一種稱為褐飛蝨(brown planthopper)的小型昆蟲。褐飛蝨雖然只有幾公釐長,但是光一隻雌蟲在每株植物上就可以產下數百顆卵。孵出的若蟲飢腸轆轆,就靠生長中的稻株為生(圖 8-2)。牠們會吸食稻株的汁液,導致稻株的葉子變黃、乾燥,最後整株死亡,這種現象稱為「蝨燒」(hopperburn)。在溫暖又潮濕的熱帶地區,水稻成長結穀所需的時間,可以讓褐飛蝨繁殖三代。褐飛蝨數量會爆增,席捲整片農田,從一個稻株上只有一隻褐飛蝨,激增到五百到一千隻。

農民在農田中看到了褐飛蝨,很自然的第一反應就是噴灑大量農藥。在印尼,農民從空中噴灑農藥,但是災情持續蔓延,絲毫未減。整整損失了三十五萬公噸的稻米,這個數字足以餵飽三百萬人一年。許多農民變得一貧如洗,印尼被迫成為世界上最大的稻米進口國。

1970 年代之前,這種昆蟲只被當成不重要的水稻害蟲。到底是什麼原因導致褐飛蝨成為恐怖威脅?牠又是如何抵抗成噸的農藥轟炸?

造成「蝨燒」的褐飛蝨。圖/WikimediaCommons

科學家仔細研究農夫稻田和實驗稻田的褐飛蝨生長情形之後,發現了一件驚人的事:經噴灑農藥過的稻株,其上的蟲卵、若蟲和成蟲數量,和沒有噴灑的稻株不同:不是減少,而是數量反而更多。事實上,農藥讓褐飛蝨的密度增加了八百倍,這意味著農藥抑制蝨燒,而是引起了蝨燒。

怎麼會這樣呢?

許多因素都造成影響。首先,褐飛蝨演化出抵抗常用農藥(例如二嗪磷)的能力,但這僅僅是讓農藥沒有效用而已,讓褐飛蝨大量繁殖另有他因,事實也的確如此。第二,讓人更驚訝的是,科學家發現殺蟲劑會讓褐飛蝨產出的卵增加大約兩倍半。還有第三個因素,不過我暫時把這個因素按下不表,先來介紹其他更多的生態癌症,因為調節稻田的規則在其他地方也受到破壞了,最後再來說明第三個因素。在非洲西部,有些農田受到更大型動物的侵襲。

野生的鄰居來偷菜啦:狒狒來襲

在迦納西北部的莽原上,有個叫做拉拉邦加(Larabanga)的村子,夜幕低垂,村民就感到惶惶不安。這個鄉下社區有 3800 人,距離莫爾國家公園(Mole National Park)僅數公里。公園中棲息著各種哺乳動物,包括河馬、大象、水牛、羚羊和靈長類動物,還有各種貓科動物,像是藪貓、花豹和獅子。村民很習慣遇到野生動物,但現在讓村民在晚上提高警覺的,並不是獅子。

許多村民在共有土地上栽種玉米、甘薯、木薯,並且飼養小型牲畜,賴以維生。但在最近幾年,有些非常大膽的四足小偷,會在夜色掩護之下,成群結隊地溜進農田中掠奪農作,這些小偷是東非狒狒(olive baboon)。十幾二十頭的東非狒狒,在幾分鐘之內,就能搶走多排作物,並且嚴重破壞其他作物,然後才溜走或是被憤怒的農民趕走。

入侵拉拉邦加村的東非狒狒。本圖為示意圖。圖/kashin1234@Flickr

狒狒已經變得非常大膽,敢在光天化日之下來農田偵察,甚至趁機掠奪。對農民而言,需要時時警覺防備才行,因此要求兒童來守備這些重要作物,可是兒童應該在學校上課才對。這些到處犯案的靈長類動物,對於經濟和社會都造成了嚴重的影響,成為突發的危機。

在非洲,人類和狒狒比鄰而居由來已久,那麼狒狒為何會在迦納引發問題?原因是什麼呢?

這個問題的部分解答,在於迦納撤銷了國內數個地區的動物保留區和國家公園。迦納野生動物署(Ghana Wildlife Division)自 1968 年起,開始仔細調查境內四十一種哺乳動物的數量。每個月,在六個保留區的六十三個工作站的巡察人員,會步行十到十五公里,計算看到的動物數量或是每種動物留下的痕跡。數十年來的調查,能指出大小不同的保護區中哺乳動物的數量變化。這些保護區最小的是只有五十八平方公里大的賽山自然保護區(Shai Hills Resource Reserve),最大的則是占地四千八百四十平方公里的莫爾國家公園。

調查顯示,在這四十一種哺乳動物中,只有一種在 1968 到 2004 年這三十六年當中,於保護區內數量不減反增,並且在最小的保護區中數量增加得更快。哪一種呢?你猜到了,就是東非狒狒,牠們的數量增加了 365%。除此之外,牠們在國家公園中的分布範圍增加了 500%。

我要再描述另一個生態癌症的例子,然後才回來說明狒狒暴增的原因。這個例子使得美國大西洋海岸的珍貴漁場封閉了。

鮮食危機:北美東岸干貝荒

海灣扇貝曾一直是北美文化的一部分,遠在歐洲的殖民者抵達之前,美國東岸的原住民就採集扇貝,取食貝中數公分大的白色閉殼肌(譯注:就是干貝)。從 1870 年代到 1980 年代中期,在麻州、紐約州和北卡羅萊納州,都有大規模的扇貝商業漁撈。1928 年,北卡羅萊納州撈捕到的扇貝肉高達一百四十萬磅,高居全國首位。對於該州的許多漁民而言,初冬時節的扇貝是其他漁季之間的重要收入來源。

對於北卡羅萊納州的許多漁民而言,初冬時節的扇貝是其他漁季之間的重要收入來源。圖/Alex Proimos@Flickr

但是在 2004 年,全部的扇貝魚貨量卻不到一百五十磅。百年多來的漁場宣告「廢棄」,接下來的幾年幾乎完全封閉,包括 2014 年。漁民、州主管單位和科學家都在問:發生了什麼事?

首先,漁民注意到在拖網和定置漁網中,捕獲到大量牛鼻魟(cownose ray)。這種約一公尺大小的魚,秋天時會沿著美國東海岸南下,然後纏住漁網,使得漁網遭到破壞。牠們的刺有毒,且沒有市場價值。對漁民來說,魟魚是擾人的東西。

漁民對北卡羅萊納大學的海洋生物學家彼得森(Charles “Pete” Peterson)抱怨,因為他一直在研究東海岸牛鼻魟捕食海灣扇貝的事情。他和北卡羅萊納大學與達豪士大學的同事,合作研究這個問題。他們發現,在過去十六到三十五年來,大西洋海岸中的牛鼻魟增加了十倍,總數可能有四千萬條。彼得森之前也觀察到,牛鼻魟在某些海岸會把扇貝全部吃光光。牛鼻魟數量暴增,似乎能解釋為何北卡羅萊納州大部分海域中扇貝全都消失了。但是牛鼻魟的數量為什麼會暴增呢?現在是揭露這些癌症背後秘密的時候了。

揭開造成災荒的面紗

微囊藻、褐飛蝨、狒狒和牛鼻魟等生物數量的暴增,到底是什麼規則受到破壞之後的結果?

要回答這個問題,我們先得思考:調節牠們數量的因素是什麼?艾爾頓強調,如果想要瞭解一個生物群聚的運作方式,就得追查其食物鏈。這些生物的數量之所以增加,是因為食物增加的關係嗎?

在微囊藻的案例中,這似乎是個正解。磷這種元素是藻類生長的限制因子。當有大量的磷(以無機磷的形式)出現,就馬上會刺激藻華爆發。那些流入伊利湖的磷,來自春夏時分的農場以及其他地方。在伊利湖的食物鏈中,磷對於藻類的生長有從下往上調節的效應。

但是對其他的環境癌症來說,食物增加並非答案。每片稻田中都有許多稻子可當成褐飛蝨的食物,但是這些蟲子通常不會侵襲這麼多的稻田。食物增加也無法解釋為何農藥會讓褐飛蝨大增。同樣地,食物增加也無法解釋,在迦納的公園中其他哺乳動物減少,而只有狒狒增加了。牛鼻魟增加也不是因為有了更多扇貝。如果不是食物,那麼是什麼因素調節了這些生物的數量呢?

或許我們不該往下看,而是該往食物鏈上方尋找。

牛鼻魟數量暴增,似乎能解釋為何北卡羅萊納州大部分海域中扇貝全都消失了。圖/WikimediaCommons

彼得森和同事就是這樣研究牛鼻魟的。鯊魚會吃魟魚。科學家研究美國東岸的鯊魚數量紀錄,結果發現有五種鯊魚從1972年起數量大減,鉛灰真鯊(sandbar shark)減少了 87%,黑邊鰭真鯊(blacktip shark)減少了 93%,雙髻鯊(hammerhead shark)、低鰭真鯊(bull shark)和灰色真鯊(dusky shark)則減少了 97~99%。鯊魚也會吃其他動物。如果牛鼻魟數量大增是因為鯊魚減少,那麼鯊魚的其他獵物數量也應該會增加。的確如此。科學家發現除了牛鼻魟之外,其他十三種鯊魚的獵物,包括各種小型的軟骨魚,數量都大幅增加了。

類似事件也能解釋迦納狒狒成災的情形。獅子和花豹會獵捕狒狒,但在迦納的國家公園中,牠們的數量大幅減少。1986 年,六座國家公園當中有三座裡面的獅子和花豹完全消失了。當這些公園沒有了獅子與花豹,狒狒便大肆繁衍了(圖 8-3)。

迦納一些地區的獅子與花豹消失了讓東非狒狒的數量增加了。illustration based on Brashares et al. 2010, redrawn by Leanne Olds.

那麼褐飛蝨呢?為什麼在噴灑農藥的稻田中暴增呢?褐飛蝨的天敵是蜘蛛和一些其他昆蟲,狼蛛(wolf spider)和幼蛛會吃掉很多褐飛蝨和若蟲。然而,農藥殺死了蜘蛛和其他褐飛蝨的天敵,使得褐飛蝨的數量不受控制地成長。在噴灑農藥的農田中,沒有了掠食者,能抵抗農藥的獵物便大肆繁衍了。

環境失去掠食者,獵物瘋狂增加

從這三個不同的環境癌症中得到的結果非常簡單:只要殺了掠食者,獵物就會瘋狂增加。這些生態癌症背後的道理很熟悉。掠食者是對抗族群增加的負向調控因子,牠們就像癌症抑制子,能夠阻礙增殖。當把食物鏈中這些重要的環節剔除了,其獵物的生長便如脫韁野馬,下游的營養級串聯效應也會如此。上面說明的每種生態癌症,都肇因於最頂層的生物消失了,使得原來的三階層串聯變成二階層(圖 8-4)。

鯊魚、蜘蛛和大型貓科動物消失後,產生了創連效應。失去了控制之後,牛鼻魟、褐飛蝨和狒狒增加,各自使得扇貝、稻米和其他重要作物減少。illustration by Leanne Olds.

從扇貝漁民、稻農或是迦納的家庭(以及在具備完整雙重負向調節的串聯)的角度看,鯊魚、蜘蛛和獅子是他們的同盟者,不該被剔除。每個案例都一再證明了那句古老的諺語:「敵人的敵人就是朋友。」

伊利湖的狀況可能也是某個營養層級消失後產生的。在健康的淡水湖中,小型的浮游生物會控制藻類的生長,像是小型甲殼動物會吃藻類。當藻華發生時,這樣的調節方式來不及對應,或是那些生物被藻類的毒素給殺死了。這時就在來自下方的營養太多(油門踩死了)、上方的調節不足(煞車削弱)兩者同時出現之下,產生了藻類癌症的結果。

 

本文摘自《生命的法則:在賽倫蓋蒂草原,看見大自然如何運作》,八旗文化出版。

 

 


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「你不要過來啊!」蜘蛛為了在交配中保命,竟然把自己給射出去了!

Peggy Sha
・2022/05/18 ・1686字 ・閱讀時間約 3 分鐘

自然界中,充滿了不少為了交配而「慷慨赴義」的勇者,像是:螳螂、蜘蛛等等,在激戰中或激戰後,雄性會變成配偶的盤中飧,如此一來,不僅可以延長交配時間、增加受精機率,還能為雌性提供養分,讓後代更有機會健康快樂地成長!(讓我們感謝飛天小爸爸的努力!)

「性食同類」不僅可以延長交配時間、增加受精機率,還能為雌性提供養分,讓後代更有機會健康快樂地成長!圖/Pixabay

這種現象呢,被稱之為「性食同類」(sexual cannibalism),通常是雌性吃掉雄性的比例稍微高一些。

但正如俗話所說,「生命會自己找到出口」,竟然有雄性蜘蛛靠著把自己「射」出去來保下一命!今天,就要來為你講述,隆背菲蛛(Philoponella prominens)的噴射故事。

交配到一半就彈出去了?超離奇高速彈射之謎!

這次的主角隆背菲蛛呢,是一種原產於日本、韓國等地的社會性動物,過去驚人的成就包括:能夠一次聚集 300 多隻同伴,共同編織出一片大網。

至於牠們超強的彈射能力又是如何被發現的?原先,來自湖北大學的張士昶副教授與團隊正在研究隆背菲蛛的性行為,卻忽然發現了一個超離奇現象:完成交配之後,雄蛛居然會猛然彈開,「biu」地一下就飛得老遠!

這驚人的過程可說是快到不可思議,最高紀錄達到一秒 88.2 公分,別說是肉眼,就連普通相機都沒辦法正確紀錄下細節。

這個現象立刻引發了研究團隊的好奇心,那麼接下來該怎麼辦呢?當然是:交配大戰看起來!

射,還是不射?這是個攸關性命的問題!

為了進行研究,團隊總共觀察了 155 次交配行為,並在其中 152 次中觀察到了這種超高速的彈射情形。你可能會很好奇,那剩下的 3 次呢?嗯……那 3 隻隆背菲蛛沒有成功彈射出去,交配後就成了配偶的大餐了。

什麼?沒彈掉就會被吃掉?這究竟是巧合還是命運的安排?

研究人員決定出手人為干預一下,他們選了 30 隻隆背菲蛛,然後想辦法阻止牠們彈射,結果發現:「彈射=保命」,要是你射不出去,那你就逃不過配偶的大口,注定要變成人家的晚餐。

要是隆背菲蛛彈射失敗,那就逃不過配偶的大口,注定要變成人家的營養來源。圖/Pixabay

相反地,如果成功彈出去了,那麼,你不但可以保命,也多了再次交配的機會。嘿,沒錯,牠們彈出去後還會再爬回來交配,再彈、再爬、再交配,就如此反反覆覆。(當然啦,有時也會在過程中不小心弄掉一些身體部位,比如一兩支步足。)

想要成功噴射,你需要一對強壯的步足!

至於為何隆背菲蛛能變成這樣的飛天小蜘蛛呢?秘密就藏在牠們的步足中。研究團隊發現,雄蛛們會將第一對步足抵在雌蛛身上,一旦交配完成,就用力蹬腳彈射出去。

根據實驗,科學家們發現這對步足可說是噴射與交配關鍵,少了一支都不行,只要沒有這對秘密武器,雄蛛只會停留在求偶階段,但不會真的跟雌蛛交配。但如果掉的是其他幾支腳,那可完全不會影響交配過程,還是能順利完成生育大計。

而這對秘密武器最強大的地方,其實是來自液壓;只要蜘蛛擠壓胸部的肌肉,便可以將其中的體液注入特定關節(tibia–metatarsus joint),透過液壓來伸直步足、產生彈力。

沒想到吧?為了在交配中保命,隆背菲蛛還得運用到流體力學,是不是很有趣呢?

參考資料:

Male spiders avoid sexual cannibalism with a catapult mechanism: Current Biology
These male spiders catapult away to avoid being cannibalized after sex
Watch These Male Spiders Jump Like Hell to Avoid Being Eaten After Sex
This Male Spider Catapults Itself Into the Air to Avoid Sexual Cannibalism | Science| Smithsonian Magazine
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Peggy Sha
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曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。