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蟻生online上線:如何決定成為要生寶寶或是做工的螞蟻?

寒波_96
・2018/12/24 ・2703字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

螞蟻這種昆蟲,以分工合作著稱大部分螞蟻算是社會性昆蟲。而多數種類的螞蟻女生分為「蟻后」與「工蟻」兩種角色蟻后不工作,專職生寶寶;工蟻只會工作,沒有生殖能力。

講得更專業一點,螞蟻分工為蟻后與工蟻的狀態稱作「真社會性 (eusociality)」。除了螞蟻之外,白蟻、蜜蜂也算是真社會性的昆蟲,不過歷史上它們卻是獨立起源,與螞蟻演化為真社會性是無關的獨立結果。

超英雄蟻人與黃蜂。圖/取自 marvel

由同一位母后生育,蟻后與工蟻在遺傳上配備同一套 DNA,卻會發育為截然不同的兩種個體,顯然是由於基因不同的表現所致。因此要研究影響真社會性發展的基因,必需從基因調控下手,比較蟻后與工蟻之間,在同樣的基因表現上的差異。

基因本身是 DNA 序列,會先轉錄為 mRNA,再轉譯為蛋白質。

為了研究基因表現差異,近年流行的一種分析方法是,搜集樣本內所有 mRNA 片段,再全部定序取得「轉錄組 (transcriptome)」;若是定序到愈多 mRNA 片段,意謂基因量表現愈高。

今年發表的論文中,採取這個方法比較工蟻與蟻后的基因表現差異,可以發現在分析的 7 種螞蟻中,都觀察到有一個基因的表現量差異明顯,那就是 insulin-like peptide 2(簡稱 ILP2)。[1][2]

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各位大概都聽過胰島素,除了和糖尿病有關,胰島素也影響許多發育和生理功能。螞蟻有兩個胰島素基因,一號的功能比較不同;而這回找到的二號和其他生物差不多,本文之後就直接稱作胰島素。

左邊是各種螞蟻間的親戚關係,右邊是 7 種用於分析的螞蟻。將生殖與不生殖個體間 ilp2 基因的表現量比較後,可以發現都是生殖的個體明顯高於不生殖的個體。圖/取自 ref1

胰島素讓螞蟻當媽媽

論文分析的 7 種螞蟻的胰島素表現量,在會生寶寶的女生中都比較高;相反的,不生的都比較低,可見胰島素對螞蟻生育能力的影響,或許是普遍現象。研究團隊挑選其中一種螞蟻,畢氏粗角蟻 (Ooceraea biroi) 深入調查,這種螞蟻比較特殊,她們沒有蟻后,也沒有男生,是全女生團體;而所有畢氏粗角蟻平時都是會工作的工蟻,她們會等時候到了再把肚子搞大變蟻后,接著一起用孤雌生殖生寶寶。

大多數種類的螞蟻是把工作拆開,分工為蟻后/工蟻;不過同一隻畢氏粗角蟻卻會經歷生寶寶、育幼的循環,她們會這週當蟻后,下週就改當工蟻。

螞蟻製造胰島素的地方是腦袋,比較不同時期,能觀察到胰島素產量會在生寶寶的時候增加,等到不生的階段便開始降低。神奇的是,假如把蟻巢中的寶寶移除,本來當工蟻的個體胰島素又會開始上升,準備生寶寶。這表示畢氏粗角蟻的生殖狀況,受到寶寶存在與否影響,與營養優劣沒有直接關係。

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畢氏粗角蟻在不同階段,ilp2 基因的表現變化。圖/取自 ref1

不過研究者也發現,營養狀況仍然對生育能力有點影響。儘管沒有蟻后,畢氏粗角蟻仍有些個體的體型較大、卵巢較多、生育能力更強。這款有女王屬性,卻又不是蟻后的女王化工蟻,英文稱為「intercastes」,目前沒有慣用的中文翻譯,有人翻譯為「中間階級」,或許「女王工蟻」更加傳神。特點是她們的胰島素基因表現量也普遍比其他同類更高。而比較分析發現,在成長過程中較為滋潤的寶寶,發育為生育能力較佳的女王工蟻的機率也比較高。

令人震驚,只差一個胰島素基因,就足以決定螞蟻的生殖能力!此一研究大大增進我們對真社會性的認識,非常有價值。同樣值得玩味的是,論文在取得確信無疑的結果以後,筆鋒一轉,就開始探討真社會性的起源與演變。

螞蟻社會,從個體戶到社會化的昆蟲

螞蟻的祖先類似胡蜂,是非社會性的個體戶生物,後來才演化為現在分工為蟻后/工蟻的真社會性。可想而知,由個體/個體,演變成蟻后/工蟻的路上,一定存在半分化的階段。

被人為塗色的畢氏粗角蟻。這種螞蟻之前成為第一種成功被 CRISPR 基因改造的螞蟻。圖/取自 eurekalert

如今的螞蟻,擁有蟻后是常態,所以沒有蟻后的畢氏粗角蟻反而算是特例。畢氏粗角蟻的演化過程中,一度也曾經有過蟻后,後來才又失去;也就是在螞蟻共同祖先由沒有差異的個體/個體,完全分工化為蟻后/工蟻的社會化階段後,畢氏粗角蟻隨後才再度演變成,蟻后與工蟻不分化的狀態。

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不過論文的討論中卻把畢氏粗角蟻,類比為螞蟻的真社會演化史上「半分化」的階段。別出心裁的研究者用畢氏粗角蟻,蟻后/工蟻分工化完成後,卻又失去分工差異的特例去類比,推測當年眾家螞蟻仍處於共同祖先,仍屬於初步分化時的階段。

螞蟻變成真社會性的演化過程:

一開始,螞蟻的祖先類似胡蜂,是只有欠缺差異的個體們。後來雖然仍然都是個體,卻漸漸區分出比較會生,以及比較不會生的個體,於是發展出初步的真社會性;此一史上曾經經歷的階段,如今已經見不到了,論文作者才只好用畢氏粗角蟻類比。

接著則是進一步分工化:比較會生的個體,演化成只會生殖的蟻后,比較不生的個體則完全失去生育能力,形成專職工作與育幼的工蟻,達到全面分工的真社會性。只有少數如畢氏粗角蟻般的螞蟻,又在隨後的演化中失去蟻后,轉變成所有成員都會輪流生育的個體,形成特殊的真社會性狀態。

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這是個非常重要的發現,其論文寫法也很有意思。

延伸閱讀:

參考文獻:

 

  • 勘誤:修改「品種」為「種類」。(2019/1/10)

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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《世紀帝國II:決定版》之蟻群爭霸?!
胡中行_96
・2023/10/12 ・3293字 ・閱讀時間約 6 分鐘

風靡全球的電玩系列《世紀帝國》(Age of Empires),問世將近 26 年,歷經多次新作發表與改版。[1]終於,有生物學家發現它的附加價值,妥善利用於學術研究:2023 年 8 月澳洲聯邦科學暨工業研究院(CSIRO)跟西澳大學(University of Western Australia)隆重巨獻,於美國《國家科學院院刊》(PNAS)正式發表[2, 3]──《世紀帝國II:決定版》(Age of Empires II: Definitive Edition)之蟻群爭霸!

當然,微軟 Xbox 沒有業配贊助,論文標題也不長這樣,而且研究設計浪費了遊戲豐富的功能,玩法單調純樸。[1, 2]不過,成果依然獲得 YouTube 電玩頻道的專業評析,與網友的熱烈討論。[4]

CSIRO 釋出的《世紀帝國 II:決定版》戰爭畫面。圖/參考資料 3(© CSIRO;Fair Use

遊戲模擬

《世紀帝國II:決定版》的場景編輯器,允許玩家在地圖上,改變環境特徵,並配置人力與建物。遊戲裡軍民單位的行為,由32,000行的程式所控制:在「if… then…」的語法下,如果某單位滿足特定條件,便會引發對應的行為。與此研究有關的部份,規範敵軍進入反應半徑時,軍事單位必須向前移動並發動攻擊,但是對於友軍或中立者則一概忽略。其中精銳條頓騎士(Elite Teutonic Knight)的反應半徑為3個格子;而雙手劍兵(Two-Handed Swordsman)則是 4 個。[2]利用這樣的設計,便可以激發戰爭。

研究團隊選擇「標準」的遊戲難度,先讓精銳條頓騎士跟雙手劍兵單挑,直到一方陣亡,總共 10 次。如此確定前者的強悍名不虛傳,無往不利。接著每次出 1 名精銳條頓騎士,跟 2、3、4…8 名雙手劍兵對打,即至1:4 的時候,都還是精銳條頓騎士勝出。最後,研究團隊做了下列設定:[2]

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  • 藍軍:玩家控制;紅軍的敵人;擁有最高生命值和最強攻擊力的精銳條頓騎士,共 9 名。[2]
  • 紅軍:電腦控制;藍軍的敵人;以 20、30、40…100 名戰力薄弱的雙手劍兵,組成數個步兵團。[2]
  • 綠軍:電腦控制;藍、紅兩軍分別的友軍。[2]
  • 簡單競技場:以城牆圍出一塊不會遭藍軍或紅軍攻擊,形狀為長方形的綠軍地盤,讓藍、紅兩軍於其中捉對廝殺。[2]
  • 複雜競技場:先圈出一個簡單競技場,然後用步兵單位無法跨越的水域,在裏頭隔出3條巷道。每條都有3名藍軍的精銳條頓騎士駐守,與巷道外紅軍的雙手劍兵團對峙。[2]

在玩家完全不操作的狀況下,藍軍與不同人數的紅軍,於簡單和複雜競技場交戰。每種排列組合打 10 場,總共 180 場戰役。每場都要打到有一方被完全殲滅,才算結束。簡而言之,就是以不同的人數和場地,不斷重演一模一樣的情境。[2]「大概是遊戲最無聊的玩法」,論文的第一作者 Samuel Lymbery 博士抱怨。[5]整體來說,當紅軍人數增加到一個程度,藍軍的勝算便開始下降,而場地差異則會影響達到此變化的門檻。[2]

藍、紅兩軍在簡單競技場中對戰。影/參考資料 3(© CSIRO;Fair Use

螞蟻實戰

2021年 7 到 10 月間,研究團隊去西澳伯斯丘(Perth Hills)地區的小鎮Chidlow,找澳洲肉蟻(Australian meat ants;學名Iridomyrmex purpureus[註]),還有外來的阿根廷蟻(Argentine ants;Linepithema humile)。從兩者分別的 6 個聚落抓工蟻,數量恰為實驗所需,且不會危害蟻群續存。帶回實驗室後,將來自同個蟻窩的關在一起,用水、蜂蜜和死蟋蟀飼養。[2]

澳洲肉蟻與阿根廷蟻的工蟻,先一對一「釘孤枝」(tìng-koo-ki[6]),直到其中一方死亡為止。凡是有打起來的場次,一律由澳洲肉蟻獲勝。接下來,研究團隊以類似電玩版的模式,調整蟻群的大小與所處的環境,讓兩軍對戰。[2]

  • 澳洲肉蟻:每場戰役徵召20隻。[2]
  • 阿根廷蟻:每次發派 5、10、20、60、100、150 或 200 隻。[2]
  • 簡單競技場:10 公升裝的塑膠容器。[2]
  • 複雜競技場:在塑膠容器裡,用木板區隔出數條巷道。[2]

各種排列組合,照原計劃是要打 7 次,排除有技術性問題的幾次,最後總共進行了 93 場戰役。這裡與遊戲模擬的差別,在於限制時間長度為 24 個鐘頭,結束後統計雙方死傷,而非等到單方全軍覆沒。不意外地,澳洲肉蟻總是勝利,然而傷亡數量卻隨情況而異。[2]

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巨大的澳洲肉蟻;弱小的阿根廷蟻。圖/參考資料 3(© Bruce Webber CSIRO;Fair Use

人類與螞蟻

螞蟻之類的社會性昆蟲打起來,規模與人類的傳統戰爭雷同。[3, 5]澳洲肉蟻對上阿根廷蟻,就像精銳條頓騎士之於雙手劍兵。無論是實戰或電玩,少數強者跟眾多弱者戰鬥時,強者於複雜競技場的死亡率較低,而在簡單競技場則較高。所以戰爭的結果,「取決於戰場的特性」,Samuel Lymbery博士表示。[3]

侵略性的外來螞蟻,會攻擊本土動物,並破壞農作物。[5]阿根廷蟻雖然體型渺小,卻在人為環境或受人類影響的棲地大量繁殖,[2, 3]而且是最猖獗的外來種之一,每年造成全球 1 千 9 百萬美金的經濟損失[2]這是因為人類整頓地面時,移除了植物和自然碎屑,於是創造出簡單競技場般,空曠、開放的戰鬥場域。[3]對真實世界的螞蟻來說,簡單競技場就是人行道和公園;而複雜競技場為樹叢或木屑等。[5]總之,原本自然環境中,具有體型優勢、擅長單挑的澳洲肉蟻,在人為的干擾下,變得容易死於敵軍圍毆。[3]人類務必把複雜的結構加回去,才能減少外來者造成的物種失衡。[3, 5]

YouTube電玩頻道推薦

澳洲這篇論文在美國《國家科學院院刊》上線後,擁有 36.9 萬追蹤者的 YouTube 電玩頻道 Spirit of the Law,發表了一支 12 分鐘,深入淺出的影片,摘要研究重點,還提到其中運用的蘭徹斯特法則(Lanchester’s laws)。不到1個月,已有將近 30 萬人次觀賞。[4]影片下方留言區的科學家與資深玩家,不僅熱議這個描述第一次世界大戰前的戰爭型態中,戰力、人數與戰爭結果關係的數學模型,也執著於論文不影響結論的計算錯誤。[2, 4]發覺迴響熱烈的 CSIRO,感謝 Spirit of the Law 之餘,更將影片節錄到自己的頻道上推廣。[7]

CSIRO 節錄 YouTube 頻道 Spirit of the Law,對此研究的介紹。影/參考資料 7
YouTube 電玩頻道 Spirit of the Law 介紹用《世紀帝國》模擬螞蟻行為的研究。影/參考資料 4

備註

研究團隊把 Iridomyrmex purpureus,叫作澳洲肉蟻(Australian meat ant)。[2]這種螞蟻的學名,有多個中文翻譯。臺灣大學昆蟲系名譽教授吳文哲導讀,彰化師範大學生物學系教授林宗岐審訂的《螞蟻螞蟻:螞蟻大師威爾森與霍德伯勒的科學探索之旅》,稱其為紫虹琉璃蟻[8]

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參考資料

  1. Age of Empires. (26 OCT 2022) ‘Age of Empires – A Franchise History’. YouTube.
  2. Lymbery SJ, Webber BL, Didham RK. (2023) ‘Complex battlefields favor strong soldiers over large armies in social animal warfare’. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 12;120(37):e2217973120.
  3. Dewar I. (29 AUG 2023) ‘Ant wars: How native species can win the battle over invasive pests’. CSIRO, Australia.
  4. Spirit of the Law. (13 SEP 2023) ‘How AoE2 is helping scientists understand ants’. YouTube.
  5. Hughes M. (03 OCT 2023) ‘Scientists use Age of Empires computer game to simulate ant warfare’. ABC News, Australia.
  6. 釘孤枝」教育部臺灣閩南語常用詞辭典(Accessed on 06 OCT 2023)
  7. CSIRO. (24 SEP 2023) ‘Testing ant warefare models in Age of Empires II #ageofempires’. YouTube.
  8. Wilson EO, Hölldobler B.(05 SEP 2019)《螞蟻螞蟻:螞蟻大師威爾森與霍德伯勒的科學探索之旅》貓頭鷹出版社
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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螞蟻這種昆蟲,以分工合作著稱大部分螞蟻算是社會性昆蟲。而多數種類的螞蟻女生分為「蟻后」與「工蟻」兩種角色蟻后不工作,專職生寶寶;工蟻只會工作,沒有生殖能力。

講得更專業一點,螞蟻分工為蟻后與工蟻的狀態稱作「真社會性 (eusociality)」。除了螞蟻之外,白蟻、蜜蜂也算是真社會性的昆蟲,不過歷史上它們卻是獨立起源,與螞蟻演化為真社會性是無關的獨立結果。

超英雄蟻人與黃蜂。圖/取自 marvel

由同一位母后生育,蟻后與工蟻在遺傳上配備同一套 DNA,卻會發育為截然不同的兩種個體,顯然是由於基因不同的表現所致。因此要研究影響真社會性發展的基因,必需從基因調控下手,比較蟻后與工蟻之間,在同樣的基因表現上的差異。

基因本身是 DNA 序列,會先轉錄為 mRNA,再轉譯為蛋白質。

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今年發表的論文中,採取這個方法比較工蟻與蟻后的基因表現差異,可以發現在分析的 7 種螞蟻中,都觀察到有一個基因的表現量差異明顯,那就是 insulin-like peptide 2(簡稱 ILP2)。[1][2]

各位大概都聽過胰島素,除了和糖尿病有關,胰島素也影響許多發育和生理功能。螞蟻有兩個胰島素基因,一號的功能比較不同;而這回找到的二號和其他生物差不多,本文之後就直接稱作胰島素。

左邊是各種螞蟻間的親戚關係,右邊是 7 種用於分析的螞蟻。將生殖與不生殖個體間 ilp2 基因的表現量比較後,可以發現都是生殖的個體明顯高於不生殖的個體。圖/取自 ref1

胰島素讓螞蟻當媽媽

論文分析的 7 種螞蟻的胰島素表現量,在會生寶寶的女生中都比較高;相反的,不生的都比較低,可見胰島素對螞蟻生育能力的影響,或許是普遍現象。研究團隊挑選其中一種螞蟻,畢氏粗角蟻 (Ooceraea biroi) 深入調查,這種螞蟻比較特殊,她們沒有蟻后,也沒有男生,是全女生團體;而所有畢氏粗角蟻平時都是會工作的工蟻,她們會等時候到了再把肚子搞大變蟻后,接著一起用孤雌生殖生寶寶。

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螞蟻製造胰島素的地方是腦袋,比較不同時期,能觀察到胰島素產量會在生寶寶的時候增加,等到不生的階段便開始降低。神奇的是,假如把蟻巢中的寶寶移除,本來當工蟻的個體胰島素又會開始上升,準備生寶寶。這表示畢氏粗角蟻的生殖狀況,受到寶寶存在與否影響,與營養優劣沒有直接關係。

畢氏粗角蟻在不同階段,ilp2 基因的表現變化。圖/取自 ref1

不過研究者也發現,營養狀況仍然對生育能力有點影響。儘管沒有蟻后,畢氏粗角蟻仍有些個體的體型較大、卵巢較多、生育能力更強。這款有女王屬性,卻又不是蟻后的女王化工蟻,英文稱為「intercastes」,目前沒有慣用的中文翻譯,有人翻譯為「中間階級」,或許「女王工蟻」更加傳神。特點是她們的胰島素基因表現量也普遍比其他同類更高。而比較分析發現,在成長過程中較為滋潤的寶寶,發育為生育能力較佳的女王工蟻的機率也比較高。

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令人震驚,只差一個胰島素基因,就足以決定螞蟻的生殖能力!此一研究大大增進我們對真社會性的認識,非常有價值。同樣值得玩味的是,論文在取得確信無疑的結果以後,筆鋒一轉,就開始探討真社會性的起源與演變。

螞蟻社會,從個體戶到社會化的昆蟲

螞蟻的祖先類似胡蜂,是非社會性的個體戶生物,後來才演化為現在分工為蟻后/工蟻的真社會性。可想而知,由個體/個體,演變成蟻后/工蟻的路上,一定存在半分化的階段。

被人為塗色的畢氏粗角蟻。這種螞蟻之前成為第一種成功被 CRISPR 基因改造的螞蟻。圖/取自 eurekalert

如今的螞蟻,擁有蟻后是常態,所以沒有蟻后的畢氏粗角蟻反而算是特例。畢氏粗角蟻的演化過程中,一度也曾經有過蟻后,後來才又失去;也就是在螞蟻共同祖先由沒有差異的個體/個體,完全分工化為蟻后/工蟻的社會化階段後,畢氏粗角蟻隨後才再度演變成,蟻后與工蟻不分化的狀態。

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不過論文的討論中卻把畢氏粗角蟻,類比為螞蟻的真社會演化史上「半分化」的階段。別出心裁的研究者用畢氏粗角蟻,蟻后/工蟻分工化完成後,卻又失去分工差異的特例去類比,推測當年眾家螞蟻仍處於共同祖先,仍屬於初步分化時的階段。

螞蟻變成真社會性的演化過程:

一開始,螞蟻的祖先類似胡蜂,是只有欠缺差異的個體們。後來雖然仍然都是個體,卻漸漸區分出比較會生,以及比較不會生的個體,於是發展出初步的真社會性;此一史上曾經經歷的階段,如今已經見不到了,論文作者才只好用畢氏粗角蟻類比。

接著則是進一步分工化:比較會生的個體,演化成只會生殖的蟻后,比較不生的個體則完全失去生育能力,形成專職工作與育幼的工蟻,達到全面分工的真社會性。只有少數如畢氏粗角蟻般的螞蟻,又在隨後的演化中失去蟻后,轉變成所有成員都會輪流生育的個體,形成特殊的真社會性狀態。

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這是個非常重要的發現,其論文寫法也很有意思。

延伸閱讀:

參考文獻:

 

  • 勘誤:修改「品種」為「種類」。(2019/1/10)

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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陸地上的首批動物是什麼?又是如何上岸的呢?——《直立猿與牠的奇葩家人》
大塊文化_96
・2023/08/19 ・3911字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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從志留紀末期到泥盆紀這段時間,地球的大陸成了首批陸生動物的家園。
狀似馬陸的呼氣蟲是最早的節肢動物先驅。
同時,蜘蛛與蠍子的早期親屬,也利用已在地球表面建立起來的植物與真菌生態系。
牠們在陸地上進食、繁殖與死亡,為陸地食物網增添了新的複雜性,也為後來從水邊冒險登陸的其他動物提供了獎勵。

動物隨著地球的演化踏上岸

隨著地球表面被植物染綠,動物跟隨植物的腳步上岸只是時間問題。

隨著地球表面被植物染綠,動物跟隨植物的腳步上岸只是時間問題。圖/envato

第一批維管束植物在地球大陸的年輕土壤中安家後不久,節肢動物踏進了這些矮樹叢。這些無畏探險家留下的最古老證據之一,是在蘇格蘭亞伯丁附近出土的一塊化石,名為呼氣蟲(Pneumodesmus)。

牠是一種多足類,與馬陸和蜈蚣屬於同一個群體。雖然原本將牠的年代界定在四億兩千三百萬年前的志留紀,但是近期研究顯示牠可能更年輕,生活在最早期的泥盆紀。

無論如何,到了泥盆紀,動物已經在陸地上站穩腳跟,而呼氣蟲更是最早在地球上行走的動物之一。

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發現目前唯一的呼氣蟲化石

目前出土的呼氣蟲化石只有一件,而且只是一塊一公分(○.四英寸)的身體碎片。

然而在這一小塊化石中,可以清楚看到很多隻腳,從一隻可識別的馬陸狀動物的六個體節長出來。

呼氣蟲的外觀可能和這種現代的馬陸很像。圖/大塊文化

更重要的是,呼吸結構的細節清楚可見:外骨骼角質層上有稱作氣門的孔。這些氣門讓氧氣與其他氣體進入並離開身體,這塊化石也是根據這項特徵而命名為呼氣蟲(Pneumodesmus 的「pneumo」來自希臘文的「呼吸」或「空氣」)。

這塊化石提供了第一個呼吸空氣的決定性證據,這是一種全新的演化適應,為數百萬微小的節肢動物探索者,以及追隨牠們的捕食者,開放了大陸的表面。

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最古老的多足類演化過程

在泥盆紀,呼氣蟲並非獨自生活在植被中。還有許多多足類和牠一起生活,最古老的多足類化石出現在志留紀與泥盆紀的岩層。

儘管不屬於任何現代的馬陸或蜈蚣群體,牠們是現存馬陸與蜈蚣的早期親戚,外表與馬陸和蜈蚣非常相似,具有分節的長條狀身體許多腳―馬陸每個體節的兩側各有兩隻腳,蜈蚣則只有一隻。

目前已知有最多腳的馬陸是全足顛峰馬陸(Illacme plenipes),擁有七百五十隻腳。現存的大多數馬陸都是食碎屑動物,以腐爛的植物為食。這些動物的化石紀錄很少,因此每一件化石對於我們瞭解生命從水裡浮現的過程都特別珍貴。

一隻有著 618 條腿的雌性 Illacme plenipes。圖/wikipedia

最早的多足類,可能是受到早期植物產生的新食物來源所吸引,才來到陸地上。

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最早的蛛形綱動物也充分利用了頭頂上的廣闊天地。蛛形綱動物包括蟎、蠍子、蜘蛛與盲蛛。牠們有八隻腳(不同於昆蟲的六隻腳),大多數仍生活在陸地上,儘管少數(如水蛛〔Argyroneta〕)又回到水中生活。

奧陶紀與志留紀的化石顯示,蛛形綱動物和其他節肢動物可能在更早的時候就偶爾會出現在陸地上,但是到了泥盆紀,有些已經完全過渡到能夠呼吸空氣的狀態。最早的蛛形綱動物是角怖蛛,這是一個已經滅絕的群體,看起來像是蜘蛛與蟎的雜交體。

蟎與擬蠍也很多,後來還有類似蜘蛛、具有吐絲管能製造絲的始蛛(Attercopus)。就像今天一樣,這些早期的蛛形綱動物大多是捕食者,可能以其他從水邊冒出來的節肢動物為食。

到泥盆紀末期,出現了第一批昆蟲,據估計,昆蟲構成今日地球上所有動物生命的 90%。最後,一些脊椎動物也過渡到陸地上,這或許是受到尋找新的食物來源所驅動。

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我們所知的陸地生命基礎終於到位了。自此之後,演化在這些群體中繼續發揮作用,創造出我們今日所見的驚人多樣與多量。

節肢動物牠們有什麼用處呢?

節肢動物通常被看作是害蟲,昆蟲尤其如此。

然而,牠們在整個地球的運行中扮演十分重要的角色。現在有超過一萬六千個多足類物種、六萬種蛛形綱動物,以及大約一千萬種的昆蟲。

牠們不僅在地球最早期生態系中舉足輕重,至今對自然界及人類的世界仍然非常重要。

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多足類處理森林中的落葉,成為營養循環中的一個重要齒輪。蜈蚣通常是捕食者,最大的蜈蚣甚至能吃小型哺乳動物與爬蟲類。

蛛形綱動物大多也是捕食性的,因此在調節獵物的族群數量方面,發揮重要的作用。這裡所指的包括昆蟲害蟲在內,這些害蟲數量不受控制,就會損害植物的族群數量。因此,不起眼的蜘蛛對人農業非常重要。

蟎與蜱可以寄生並傳染疾病,對人類及其他動物構成威脅,其他昆蟲也會造成類似的危險。然而,昆蟲的角色變化多端,其價值確實無法估量,包括生產蜂蜜,甚至以其勤奮的活動精明操控整個生態系,例如蜜蜂、螞蟻與白蟻。

許多節肢動物都有毒,有些對人類甚至具有致命性。然而,讓獵物喪失能力和死亡的毒液也可發揮其他用處;蜘蛛毒液已被用作替代的殺蟲劑,科學家也正在研究其醫藥用途,以及在新材料上的應用。

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蜘蛛毒液已被用作替代的殺蟲劑,科學家也正在研究其醫藥用途,以及在新材料上的應用。圖/envato

此外,節肢動物可以為包括彼此在內的無數動物提供食物來源。許多節肢動物是人類的食物,包括狼蛛、蠍子、蚱蜢、白蟻與象鼻蟲等。

目前,世界各地有多達二千零八十六種節肢動物被當成食物,而且至少從舊石器時代開始,牠們已經成為食物的來源。

有人認為,隨著人類人口不斷增加,昆蟲尤其可能在未來提供重要的蛋白質來源―這是資源密集型肉類養殖的替代方案。

我們很難想像一個沒有節肢動物的地球;事實上,這樣的地球可能無法存在。早在泥盆紀,世界就是節肢動物的天下。

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但牠們冒險去到的地方,捕食者也在不遠處。節肢動物的存在,為另一個從水中出現的動物群體提供了食物,而這個動物群體在人類的演化史上特別重要:這裡講的是四足動物。

——本文摘自《直立猿與牠的奇葩家人:47種影響地球生命史的關鍵生物》,2023 年 7 月,大塊文化,未經同意請勿轉載。

大塊文化_96
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由郝明義先生創辦於1996年,旗下擁有大辣出版、網路與書、image3 等品牌。出版領域除了涵括文學(fiction)與非文學(non-fiction)多重領域,尤其在圖像語言的領域長期耕耘不同類別出版品,不但出版幾米、蔡志忠、鄭問、李瑾倫、小莊、張妙如、徐玫怡等作品豐富的作品,得到讀者熱切的回應,更把這些作家的出版品推廣到國際市場,以及銷售影視版權、周邊產品的能力與經驗。