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誰都別想惹鴨嘴獸:天上天下唯一有毒刺的哺乳動物──《毒特物種》

PanSci_96
・2018/06/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 501 ・六年級

地表上最怪異的動物

圖 / Matt Chan@Flickr

如果你打算開列地球上最怪異動物的清單,那麼鴨嘴獸勢必輕易入榜。鴨嘴獸真的很怪,以至於喬治.蕭(George Shaw)在 1799 年首度對鴨嘴獸進行科學描述時,簡直不敢相信真的有這種動物。他在自己的著作《博物學家文集》(Naturalist’s Miscellany)第十卷中寫道:「懷疑是否真的有這種動物,不只能夠體諒,甚至值得讚揚。我應該承認,當時我幾乎不敢相信親眼所見之物。」我能了解這種心情。

鴨嘴獸泰瑞。圖/《飛哥與小佛》劇照。 圖/IMDb

當我在澳洲墨爾本的龍柏無尾熊動物園(Lone Pine Koala Sanctuary)看到一頭大大的雄鴨嘴獸時,幾乎不敢相信眼前出現的是真實存在的生物。靠近看,鴨嘴獸更像是精緻的木偶,屬於吉姆.韓森1最偉大的傑作那類。

蕾貝卡.班恩(Rebecca Bain),綽號「貝卡」,她是動物園的首席動物飼育員,也是負責照顧園中兩頭雄鴨嘴獸的人之一。她很好心,讓我私下滿足對動物的好奇心。她發出哨聲,把巢中比較老的雄鴨嘴獸召喚出來。牠具備了河狸的尾巴、鴨子的喙、水獺的腳。雖然牠的這些特徵全都奇怪到無法想像,不過鴨嘴獸還有一個特徵,強壓過其他怪異之處。我就是為了這個特徵才到澳洲來,只為親眼見牠一面。你要小心雄鴨嘴獸,因為在已知的 5416 種哺乳動物中,唯有雄鴨嘴獸才具備毒刺。

雄鴨嘴獸用位於腳踝的毒刺打架,藉以爭奪雌鴨嘴獸。目前已知有十二種哺乳動物會分泌毒液,除了鴨嘴獸之外,都是用咬的方式注入。這十二種哺乳動物中,有四種鼩鼱、三種吸血蝙蝠、兩種大獺鼩(solenodon,長吻、鼠狀的穴居哺乳動物),一種鼴鼠、懶猴以及鴨嘴獸。有些證據指出,懶猴其實可以分為四個物種,這使得總數量增加為十五種。即使如此,能分泌毒液的哺乳動物,三隻手就數得完。

就動物的演化譜系來看,能分泌毒液的物種分布於刺絲胞動物門(Cnidaria)、棘皮動物門(Echinodermata)、環節動物門(Annelida)、節肢動物門(Arthropoda)、軟體動物門(Mollusca)以及脊索動物門(Chordata),人類屬於脊索動物門。和其他門動物相比,哺乳動物中能分泌毒液的物種非常少。刺絲胞動物門包括了水母、海葵、珊瑚,整個門中物種超過九千種,全都會分泌毒液。但是如果要比數量,那麼能分泌毒液的節肢動物,包括蜘蛛、蜜蜂、黃蜂、蜈蚣和蠍子,加總起來絕對是壓倒性獲勝。還有能夠分泌毒液的螺類、蠕蟲與海膽。除了以上這些,脊索動物門中也有能分泌毒液的魚類、蛙類、蛇類和蜥蜴。

Autor: Richter, H. C. The mammals of Australia. by John Gould. (1845-1863) Volume 1, Plate 1, Volné dílo@wikipedia commons

 

要冠上「能夠分泌毒液(venomous)」之名,得符合數條明確的要求。許多生物是「有毒性的(toxic)」──這些生物含有某些物質(毒素),這些物質少量就能夠引起顯著的傷害。「能夠分泌毒液」、「有毒性的」、「有毒的(poisonous)」這幾個詞,在日常中彼此是可以交替使用的;現代科學家則對這些詞加以區別。有毒的物種和能夠分泌毒液的物種,的確都是「有毒性的」,因為牠們的身體組織能夠製造或儲存毒素(toxin)。

你可能聽說過,任何東西只要劑量足夠,都是「有毒性的」,不過這句話並非完全正確。有些東西大量進入身體之後,的確多少會產生毒性,但若要非常多才能取人性命,那麼這種東西便不是毒素。可樂喝到某個量的確會死人,但是碳酸飲料讓人致死的量實在是太大了(你得一口氣灌下好幾公升才行),所以不算毒素。相反的,炭疽菌(anthrax bacterium)只要一丁點就足以致死。

藉由這些毒素進入受害者體內的方式,可以進一步分類物種是否具有毒性。如果毒素是經由消化道或是呼吸道進入而引起傷害,那麼這種毒素就會被當成是毒藥(poison)。箭毒蛙(dart frog)或河豚(pufferfish)這類「有毒的」物種,必須要等到其他動物犯了錯,才會施予毒素。有些科學家認為,除了「能分泌毒液」與「有毒的」動物之外,還可以細分出第三類具有毒性的動物,稱為「施毒的(toxungenous)」。施毒動物具備毒素,但是比較缺乏耐性。海蟾蜍(cane toad, Bufo marinus)或是射毒眼鏡蛇(spitting cobra)就屬於這類。牠們如果被冒犯者激怒,不用等到對方來碰或是來咬,才能施予,而是主動噴出毒液攻擊。

有毒刺的雄鴨嘴獸

生物要能冠上「能夠分泌毒液」這個鼎鼎大名的稱號,非但要具備毒性,同時得有特殊的方式把這危險的玩意兒送到其他動物體內,也就是要以積極主動的手段幹下毒這檔事。毒蛇有毒牙、獅子魚有棘刺、水母有刺絲胞、雄鴨嘴獸有毒刺。

鴨嘴獸的毒刺不容易發現。龍柏動物園的貝卡在同我講解鴨嘴獸與照顧牠們的方式時,我看著鴨嘴獸後腿上淡黃色有如牙齒般伸出的毒刺。這根毒刺約兩、三公分長,比我想像的還要大。被這麼大根的刺給扎到,就算沒有毒,那傷口也夠痛的了。為了拍攝近照,我的手伸到距離那根刺只有十幾公分距離。想到如果被眼前這頭動物刺到會有多痛,就讓我禁不住發抖。

鴨嘴獸的毒刺。(照片提供:克莉絲蒂‧威爾考克斯)圖/馬可孛羅出版社提供

鴨嘴獸的毒既可怕又恐怖。我聽說被鴨嘴獸刺到造成的傷害之痛,猶如經歷一場足以改變人生的深刻遭遇。鴨嘴獸的毒所造成的劇痛會持續數個小時,甚至數天。紀錄中,有位五十七歲的退伍老兵出外打獵時,路上遇見一隻看起來像是受傷又或許是生病的鴨嘴獸。他擔心這頭小動物的安危,便抱起了牠,好心的回報是右手被刺傷了,叫人想死的疼痛讓他在醫院待了六天。頭半個小時的治療中,醫師便使用了 30 毫克嗎啡(一般病人的用量通常是每小時一毫克),但是幾乎沒有任何效果。老兵說,這種疼痛遠超過服役時遭砲彈碎片刺傷的疼痛。最後使用了神經傳訊阻斷劑讓整隻手都麻痺掉,才讓他覺得好過些。

比起其他有毒液的哺乳動物,鴨嘴獸的毒素還有更奇怪的地方。鴨嘴獸的外型奇特,像是從不同動物的身體部位拼湊出來;牠的毒液中含有的各種蛋白質,也像是從其他動物那兒偷來的。在鴨嘴獸的毒腺裡,有八十三種不同毒素的基因表現著,其中有些基因的產物,很像是蜘蛛、海星、海葵、毒蛇、毒魚和蜥蜴所產生的蛋白質,這就像是有人把各種能分泌毒液動物的基因,全都剪貼到鴨嘴獸的基因體(genome)中。鴨嘴獸從內到外,都是趨同演化(convergent evolution)的有力證據。趨同演化是指在血緣關係相距很遠的物種之間,因為受到相近的天擇壓力而產生極為相似的特徵。除此之外,鴨嘴獸獨特的地方在於牠是唯一已知不是把毒液用來獵食或防禦、而是用來爭奪伴侶的動物。

貝卡把那隻雄鴨嘴獸放回巢箱之前,先讓牠發洩怒氣。她拿出一條毛巾,垂在牠身後,鴨嘴獸馬上欣喜地用後腿揪住毛巾,奮力扭打。牠那全力將毒液注入毛巾的模樣,既可愛又可怕。我在心中默默感謝這頭怪異的動物容忍我的出現。我很確定牠心中所想的是,牠抓住的那條不是毛巾,而是我的手臂。

熊鴨嘴獸憤怒地給毛巾注入毒液。(照片提供:克莉絲蒂‧威爾考克斯)圖/馬可孛羅出版社提供

注解:

  • [1]:Jim Henson,美國著名木偶師,也是知名木偶劇《The Mupets》之父。

 

 

本文選自泛科學2018年6月選書《毒特物種:從致命武器到救命解藥,看有毒生物如何成為地球上最出色的生化魔術師》,馬可孛羅出版社。





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如何幫畜牧業減排溫室氣體?——教會小奶牛上廁所,可有效降低「一氧化二氮」排放!

阿咏_96
・2021/10/17 ・2612字 ・閱讀時間約 5 分鐘

近年來,大眾對於「氣候變遷」這個詞越來越不陌生,國際間也會簽訂不同協議與政策,來減緩溫室氣體的排放,講到這邊,我們通常會想到化石燃料的使用,但較少被人們注意到的是,畜牧業也是排放甲烷、二氧化碳、一氧化二氮等溫室氣體的大宗,甚至會造成水污染及空氣污染。

最近由心理學家團隊發表的研究,提出一種可能的解決方案,以減少畜牧業對環境的影響,也就是——「教小奶牛上廁所」!

看到這邊一定頭上冒出好幾個問號,為什麼畜牧業會對氣候變遷造成影響?是哪方面的影響?為什麼教奶牛尿尿可能可以減緩對環境的衝擊呢?要怎麼教?

圖/Pixabay

畜牧業和氣候變遷到底有什麼關係?

首先,根據聯合國糧食與農業組織 (FAO) 的報告,全球畜牧業每年約排放 7.1 兆噸的二氧化碳,大約是人為排放溫室氣體的 14.5%,其中,牛是排放量最大的物種,佔畜牧業排放量的 65 %,而大約來自於腸道發酵、糞便儲存與加工、飼料生產過程、其他能源使用等活動,FAO 也提出了目前評估可實行的減緩方案,其中一項便是提高奶牛的飼料開發以及飼養技術,來減少消化過程中和分解糞便時產生的甲烷 (CH4) 與一氧化二氮 (N2O) 。

而這篇研究的主角之一就是一氧化二氮 (N2O) ,雖然它只佔全球溫室氣體總排放量的 5% ,但它把熱留在地球的能力卻將近是二氧化碳的 300 倍!除此之外,每次排放的一氧化二氮 (N2O) 都會停留在大氣中超過一世紀,可以說是一種「長壽」的溫室氣體。從 1990 年起,紐西蘭的一氧化二氮排放量增加了五成,主要是來自乳製品業擴展以及氮肥使用,因此紐西蘭政府制定了一個目標,要在 2050 年之前將一氧化二氮的排放減少到淨零。

但這和牛有什麼關係呢?

紐西蘭的一氧化二氮排放量增加與乳製品業擴展有關。 圖/Pixabay

從「牛尿尿」開始的氮旅程

原因是牛尿液中氮含量很高,而動物尿液中的氮來源主要是尿素  (CH₄N₂O),在紐西蘭和澳洲,通常將牛飼養在戶外,牠們排尿之後,就開始一趟名為「氮循環」的旅程,首先尿素會迅速在土壤裡被水解成銨鹽 (NH4+) ,再經過微生物「亞硝化菌」氧化成亞硝酸根 (No2),接著,另外一群微生物「硝化菌」,將亞硝酸鹽 (No2) 再氧化成硝酸根 (NO3),以上的過程稱為「硝化作用 (Nitrification) 」。

當然,旅程還沒有結束,另一群稱作「脱硝菌」或「脫氮菌」的微生物會將硝酸鹽還原成氮氣 (N2),叫做「去硝化作用」或「脫氮作用」,而一氧化二氮 (N2O) 是反應的中間產物,會直接被釋放到大氣中。

難道把牛飼養在牛舍裡就沒有問題了嗎?

代誌不是憨人想得這麼簡單!當牛尿液中的氮和地板上的糞便混在一起時,會產生另一種空氣污染物——氨 (NH4)。

File:Nitrogen Cycle 2.svg
生態環境中的氮循環系統。細菌在其中扮演了關鍵角色,將氮源轉換為各種化合物,能夠被生物利用。圖/WIKIPEDIA

所以,如果牛的尿液可以被收集處理,裡面所含的氮就可以被轉換,減緩對環境的衝擊,但是要怎麼收集牛的尿液呢?

最直接的方式就是,教小牛到「廁所」裡尿尿。

要怎麼教會小牛尿尿?獎勵和拆解步驟是關鍵

研究團隊利用行為心理學的原理,訓練小牛到特定的地方排尿,這個原理便稱為「操作制約 (Operant Conditioning)」,由美國哈佛大學心理學教授史金納 (B.F. Skinner) 於 1938 年提出,當時有個著名的動物實驗稱為「史金納箱 (Skinner Box)」,將飢餓的小白鼠放在箱子裡,內有電動裝置紀錄動物的正確反應次數和頻率,因飢餓不安而活動的小白鼠,偶然壓到槓桿就會得到少量食物,當以後小白鼠看到槓桿,再去壓桿的頻率就會比以前高。對小白鼠來說,因反應而出現的食物是「強化物」,對壓桿這個「操作性反應」產生了強化作用。

除此之外,他們還運用訓練小孩上廁所,一種叫做「反向鏈接技術 (Backward Chaining Technique) 」的方式,將目標拆解成小步驟,從最後一步開始訓練到第一步。

首先,小牛被限制在圍欄設置成的廁所區域裡,當小牛排尿後再給予牠們喜歡的食物進行強化。然後,把小牛帶到圍欄外的一條走廊上,並再次強化進去廁所裡尿尿的行為,如果小牛在走廊上就排尿,便會用讓牠稍微不開心的噴水阻止牠。

經過幾次強化訓練,他們訓練的八頭小牛中,有七隻學會了在廁所尿尿,而且學習的速度和人類小孩差不多快!牠們大約只受了 15 天的訓練,大部分的小牛在 20 至 25 次排尿後學會了整套,比三到四歲的人類小孩還快。

小奶牛在廁所尿尿的影片。資料來源/參考資料 1

由此,研究團隊得到了兩個結論,第一是牛能夠學會注意自己的排尿反射,在準備尿尿時會移動到廁所裡;第二,在可以得到獎勵的情況下,牠們學會先憋尿,除非到了正確的地方。

牛牛學會了,然後呢?

在知道可以訓練牛牛到廁所排尿後,下一步要怎麼做才能夠離減排溫室氣體的目標越來越近呢?

作者認為希望未來可以優化廁所裝置,自動檢測排尿以及給予獎勵,就像是放大版的史金納箱一樣。除技術層面外,像是紐西蘭、澳洲等地的畜牧業,大多將牛飼養在開放的圍場,應該要把廁所設在哪裡,或者牛願意走多遠過來上廁所,都是需要進一步了解的問題,也才能夠將這項技術真正運用在不同國家的畜牧業,實際做到減緩畜牧業對氣候變遷的影響。

參考資料

  1. Dirksen, N., Langbein, J., Schrader, L., Puppe, B., Elliffe, D., Siebert, K., … & Matthews, L. (2021). Learned control of urinary reflexes in cattle to help reduce greenhouse gas emissions. Current Biology, 31(17), R1033-R1034.
  2. Gerber, P. J., Steinfeld, H., Henderson, B., Mottet, A., Opio, C., Dijkman, J., … & Tempio, G. (2013). Tackling climate change through livestock: a global assessment of emissions and mitigation opportunities. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO).
  3. 張春興(民80)。教育心理學:三化取向的理論與實踐。台灣東華書局。
  4. Backward Chaining Technique
  5. 全國法規資料庫:空氣污染防治法施行細則
  6. The science of nitrous oxide

阿咏_96
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