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白堊紀植物改朝換代,昆蟲們如何因應?問問嚼嚼花粉的琥珀甲蟲吧!

蕭昀_96
・2018/06/25 ・2513字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 568 ・九年級

白堊紀(Cretaceous),可說是被子植物的時代。被子植物從白堊紀早期開始適應輻射,其多樣性在此時期爆炸性的成長,到了白堊紀晚期時被子植物已成了陸地植群的主宰,許多現生的科群也已然誕生。而相較於「花花世界」的絢爛,在此之前的中生代前期則是裸子植物和蕨類植物的世界,陸地森林充滿了蘇鐵、本內蘇鐵、銀杏和松柏等植物。

植物這樣大規模的「改朝換代」如何影響與其共生的昆蟲們呢?透過琥珀化石,我們可能得到了一點線索。

中生代的森林充滿了高大的裸子植物。 圖/12019 @Pixabay

來自白堊紀的琥珀化石:馬氏達爾文擬天牛

在西班牙北部的巴斯克─坎塔布連盆地,可以找到出產自白堊紀時期的琥珀化石,其年代估計約在 1.05 億年前,比近年在古昆蟲學界相當夯的緬甸琥珀估計為 9900 萬年前來得更早。2017 年一篇刊載於《支序分類學》(Cladistics)的論文中,揭露了一塊特別的巴斯克─坎塔布連盆地甲蟲琥珀化石:這隻甲蟲的周圍佈滿了花粉(甚至有一些還附在蟲體身上)。學者推測,這位苦主當時正在大口嚼著花粉餐,卻在吃得滿嘴都是時,倒楣地被樹脂給包埋,成為了時空凝結的可憐蟲。

被包埋在琥珀中的甲蟲苦主。研究人員們認為這隻甲蟲是在取食花粉時被包覆進樹脂,由於蟲體掙扎和樹脂流動而使花粉脫離身體,其右圖綠色箭頭方向為樹脂的流向,可看出花粉漸漸散開呈現一圓錐狀。 圖/原始論文

透過比較形態學,研究人員認為這隻甲蟲隸屬於擬天牛科(Oedemeridae),是本科最古老的化石紀錄。本種被命名為馬氏達爾文擬天牛(Darwinylus marcosi Peris),其屬名字首以達爾文命名,種小名則紀念作者的兒子馬可仕。擬天牛科為小、中小型甲蟲,軀體、足部修長而身體柔軟,觸角細長,前胸背板前寬後窄;成蟲白日會出現在花或葉面上,喜訪花取食花粉;部分類群像是芫菁會分泌毒素芫菁素(Cantharidin) 接觸到肌膚會造成起水泡、潰爛。

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現生的擬天牛喜訪花,很容易在花間觀察到。圖/Pollinator [CC BY SA-3.0] via wikipedia

白堊紀有哪些昆蟲幫裸子植物授粉?

研究人員更進一步對這個化石物種的形態和古生物學角度的剖析,探討其演化意義。2017 年稍晚,同篇文章作者領頭的研究團隊在《當代生物學》(Current Biology)再次發表了針對馬氏達爾文擬天牛的古生物學研究,探討訪花甲蟲與裸子植物間的授粉關係及演化歷史。

這次,研究團隊先確認了「這些花粉是否真的是屬於裸子植物的?」。透過植物孢粉化石的研究和微細結構的比對,這些花粉被認為屬於單槽粉屬(Monosulcites)(下圖),雖然單槽粉屬實際上除了包含各種不同的中生代裸子植物的花粉,在一些少數的例子裏,有一些被子植物的花粉也被歸類到單槽粉屬,然而由於這些被子植物單槽粉屬的化石在年代上均是新生代,因此研究團隊確認該琥珀化石中的這些花粉應是屬於裸子植物的花粉。

琥珀中的花粉屬於單槽粉屬(Monosulcites)。 圖/原始論文

在確認包裹馬氏達爾文擬天牛的的確是裸子植物的花粉後,文章作者接著探討達爾文擬天牛屬與裸子植物間的交互關係。

在此之前,與中生代裸子植物授粉有關的昆蟲依口器和取食方式分為三類:

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  • 透過吸管狀的長喙吸食裸子植物的授粉滴(Pollination Drops),這類昆蟲包括了:雙翅目張氏擬樹虻科 (Zhangsolvidae)的華麗喇叭虻(Buccinatormyia magnifica)、脈翅目麗蛉科(Kalligrammatidae)的猛暴麗蛉(Kallihemerobius feroculus) 和 艷麗中生脈翅蛉(Meioneurites spectabilis)。
  • 利用唇瓣舔吸授粉滴的雙翅目昆蟲,如:帕洛蠅屬(Paroikus)。
  • 使用口錐對植物體進行銼吸的纓翅目食孢薊馬科(Merothripidae)裸子粉授薊馬屬 (Gymnopollisthrips),包含大裸子粉授薊馬(G. maior)和小裸子粉授薊馬(G. minor)。

透過形態觀察,研究人員發現馬氏達爾文擬天牛的口器屬於咀嚼式口器;這點與原先的三種分類不同,卻與現生的擬天牛一樣:利用強壯的大顎啃食花粉。因而亦可能扮演著協助傳播花粉的角色,進而被認為是第四種中生代裸子植物的授粉形式。

馬氏達爾文擬天牛(Darwinylus marcosi Peris, 2016)的古生態學復原圖,其體表佈滿了裸子植物的花粉。 圖/原始論文。

植物大規模改朝換代,活下去或是我跟你走?

然而現生的擬天牛科成員常見於被子植物的花叢間,與裸子植物沒有明顯的伴生關係。那麼,又是什麼讓我遇見這樣的你?

白堊紀中期,有段全球性震盪期被稱為阿普第─阿爾布間斷期(Aptian-Albian gap),約在 1.25 億到 9 千萬年前。從化石紀錄來看,這段期間中原本優勢的裸子植物多樣性驟降,而被子植物則漸漸興盛,可謂改朝換代。此時站在命運交叉點的裸子植物伴生昆蟲們當然也面臨了生存挑戰,某些類群出現了新的策略,當然也有一些維持原來的生存方式,迎來了不同的結局和未來 (如下圖)。

某些昆蟲的類群因此在演化的歷史上滅絕,如:張氏擬樹虻;另一些昆蟲則繼續維持與裸子植物的伴生關係、存續至今,如現在還存在的食孢薊馬。當然,還有另外一些昆蟲的寄生對象則由裸子植物轉移到被子植物。如今在花間依然常見的擬天牛,由這次的琥珀化石暗示我們的,很可能就是成功由裸子植物拓殖到被子植物,度過嚴峻考驗、從此生生不息綿延昌盛的好例子。

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歷經裸子植物多樣性急遽下降,而被子植物則漸漸興盛的阿普第─阿爾布間斷期,與裸子植物伴生昆蟲們面臨了生存上的考驗,迎來了各式各樣的結局。 圖/原始論文

論文連結:





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蕭昀_96
22 篇文章 ・ 17 位粉絲
現任國立中興大學昆蟲學系助理教授,澳洲國立大學生物學研究院博士,在澳洲聯邦科學與工業研究組織國立昆蟲標本館完成博士研究,曾任國立臺灣大學生態學與演化生物學研究所博士後研究員、科博館昆蟲學組蒐藏助理。研究興趣為鞘翅目(甲蟲)系統分類學和古昆蟲學,博士研究主題聚焦在澳洲蘇鐵授粉象鼻蟲的系統分類及演化生物學,其餘研究題目包括菊虎科(Cantharidae)、長扁朽木蟲科(Synchroidae)、擬步總科(Tenebrionoidea)等,不時發現命名新物種,研究論文發表散見於國內外學術期刊 。

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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 Panasonic 合作,泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享,不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上,「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水,但過不了幾天,馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑,甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢(黏質沙雷氏菌)。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」,讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看,世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制,並非打造完全不沾染髒污的材質,而是調整表面的物理與化學屬性,使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力,透過日常水流沖刷,便能輕易地將髒污帶走。

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為什麼污垢「黏不住」? 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」,我們得先像偵探一樣,拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇:

  1. 水垢與礦物沉積*1:我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時,這些離子會逐漸結晶析出,變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
  2. 生物膜與有機物*2:包含尿液中的無機鹽、油脂殘留,以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物,所組成的黏滑防禦大本營。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」,前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼,材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢?答案就藏在「表面能(Surface Energy)」與「濕潤性(Wettability)」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時,水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠,還是迅速攤平開來?這取決於表面的特性:

  • 疏水路線(Hydrophobic)*1:具備低表面能的疏水表面,能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠,當水珠滾動滑落時,就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走,這就是著名的「自清潔效應」。
  • 親水路線(Hydrophilic / Superhydrophilic)*2:相反地,極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子,在材料最外層形成一層薄薄的「水化層(Hydration Layer)」。這層水化層就像是實體的液體盾牌,讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底,只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻:傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆,髒污就像攀岩者,需要找到落腳點並用力撐住才能攀附;而我們做的是抽掉把手點,或是在把手上塗上潤滑油,讓髒污找不到施力點,自然難以停留。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢,下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢,在微生物學中被稱為「生物膜(Biofilm)」。細菌並不是孤立生長的,當單顆細菌落在表面後,如果覺得環境舒適,它就會開始分泌胞外聚合物(EPS),這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起,並築起堅固的防禦堡壘,這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出,要阻止生物膜形成,除了化學上的抗菌,材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論(Attachment Point Theory)」:

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  1. 粗糙與微孔洞表面:如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞,細菌(體積通常約 1 到 3 微米)就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點,還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
  2. 極致平滑與微結構表面:相反地,如果材料表面做到極致平滑,完全沒有微米級的缺陷;或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構,細菌的足跡構造(如鞭毛或纖毛)就無法在表面找到穩固的「接觸附著點(Contact Points)」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時,它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外,現代衛浴結構在設計時,也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角,等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何,我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系:【材料層(低附著力)】+【結構層(無縫平滑)】+【動態流體層(泡沫與水流剪切力)】= 高效清潔!

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例,就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表:

1. 材料層:有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」(以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料,這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩)。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性,水滴不易長時間攤平停留;材質堅固、不易破裂,耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試,這種素材配合泡沫洗淨,在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌,從源頭阻斷細菌定殖。

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2. 結構層:無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上,A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計,減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫,並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計:

  • 泡沫防護:在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層,有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺;
  • 外圍防護:馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔,防止液體延著外壁滴落至地板;
  • 測漏防護:便座與馬桶本體採用不外露的防護設計,避免液體從縫隙飛濺滲漏。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

3. 動態流體層:雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時,A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污,再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙,徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著,配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」,利用旋轉產生的流體剪切力,一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外,Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技,釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污,維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆,但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計,到微觀幾何的附著點控制,再到流體力學的水流沖刷,一座現代抗污馬桶的演進,縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而,A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破,展示了材料科學的另一種聰明思維:不靠強酸強鹼硬打,而是透過物理與化學邏輯,將「污垢固著」的機率降到最低。

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當材料科學與現代衛浴技術結合,刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持,我們得以從繁重的家務勞動中解放,享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文:A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文:Brushing up functional materials

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

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草莓是果實還是種子?又或者……以上皆非?——「112年會考自然科考題」
椀濘_96
・2023/09/22 ・858字 ・閱讀時間約 1 分鐘

112 會考甫結束,自然考科中有題非常令人印象深刻……。

自然科第 35 題。圖/國立臺灣師範大學心理與教育測驗研究發展中心

原來我們吃的草莓不是以為的「果實」,那個紅紅的果肉是其實是草莓的花托,而上面黑色的點點也不是「種子」,而是果實本人!至於真正的種子呢?當然是在那些黑黑的果實裡啦~

這似乎顛覆我們的印象,以為日常生活中所吃的水果果肉就是植物的果實,究竟這當中又藏著什麼奧秘呢?若想進一步完整理解草莓,就得從果實的構造及分類說起。

果實為被子植物的生殖器官之一,當雌蕊中的胚珠完成受精作用後,子房便逐漸發育為果實,胚珠則發育成種子。有些植物的花托、苞片、花萼等構造會與子房外壁癒合,並隨之生長而膨大,成為果實的一部分;例如這次的主角——草莓。

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接著我們談談果實的分類。可依據發育、構造、型態的不同,分為:橘子的「柑果」、水蜜桃為「核果」、杏仁屬於「堅果」等等,至於草莓則被歸類在「瘦果」及「聚合果」。

花的解剖構造。圖/維基百科

現在我們要先將草莓紅紅的果肉剔除,只剩下單獨一粒粒黑黑小小的果實。「瘦果」(achene)顧名思義,型態硬而細小,其內僅有一粒種子,除了草莓外,常見的如愛玉子、向日葵的瓜子。

屬於「聚合果」(又稱「聚心皮果」,為複合果實的一種)的植物則是一朵花中有多個(兩個以上)離生的雌蕊,花的萼片(花萼)、花托一同參與了果實的發育,最終膨大癒合形成肉質果肉;另外,其果實被分類在聚合果的植物,常見的有釋迦、覆盆莓。

其實除了草莓還有許多我們意想不到,所吃的水果果肉並非單單只有果實本人,例如鳳梨、桑葚、香蕉、無花果……等等;它們也都和草莓一樣,由於果實發育的方式,所造就了如此特別、豐富型態,等著我們一一去認識!

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椀濘_96
12 篇文章 ・ 21 位粉絲
喜歡探索浪漫的事物; 比如宇宙、生命、文字, 還有你。(嘿嘿 _ 每天都過著甜甜的小日子♡(*’ー’*)
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