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像憤怒鳥一樣彈射的種子:豆科種子可以「炸」多遠呢?

活躍星系核_96
・2019/07/13 ・1973字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

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作者:何郁庭│國立中興大學森林系碩士畢業,現職計畫專任助理。

一個尋常午後,窗台邊突然傳來巨響。

原先以為是鳥撞上玻璃,走近一看,才發現是前幾天隨手採下木豆 (Cajanus cajan) 的莢果,因乾燥後開裂,發出巨大的爆裂聲。兩片木質果皮分別捲曲成螺旋狀,數顆木豆種子則彈射到各處,窗台前一片狼藉。

木豆 (Cajanus cajan)。成熟開裂的莢果,圖為當事莢果。圖/作者

開裂的兩片果皮很堅韌,怎樣也沒辦法回復成打開前的樣子,這引起了我的好奇。我猜想,部分的豆科植物是不是利用莢果開裂,使種子「彈射」到更遠的地方,以利於種子在更遠的地方發芽呢?

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為此,我開始搜尋一些跟「豆科」以及「種子傳播」有關的報告,發現一篇來自雨林生態期刊 (Journal of Tropical Ecology)的文獻,這個研究位於西非的加彭 (Gabon),講述 Tetraberlinia moreliana 這種雨林中的喬木,如何讓光滑扁平的種子,從樹冠「彈射」到 50 公尺以外的沙地上。

T. moreliana 是豆科下甘豆亞科的大喬木,根據描述,樹高可以生長至 51 公尺,同時,它也是加彭地區雨林的「突出樹」,比週遭大多樹木來得更高,半圓形的樹冠遮住了週圍其他樹的樹冠。T. moreliana 的木質莢果生長於樹冠層並突出於樹冠,像一枝枝三角旗豎立。每個莢果內含 0-4 顆扁平盤狀的種子,而平均是 2 顆。

Tetraberlinia moreliana 莢果圖。A. 在樹上未開裂的莢果,長軸水平於地面,宛如一枝旗子豎在樹冠外層。B. 扁平盤狀的種子。C. 開裂的莢果。D. 完全乾燥後的莢果果皮。圖/Explosive seed dispersal of the rainforest tree Tetraberlinia moreliana (Leguminosae —
Caesalpinioideae) in Gabon.

種子可以彈射多遠呢?

研究人員嘗試觀測 T. moreliana 的種子究竟能彈射多遠,因此設計了試驗:

首先,他們定義了「水平傳播距離」,也就是彈射落底的種子,到樹冠邊緣的最近水平距離。

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然後,在莢果成熟的 12月至 2月期間,每日計算有多少種子彈射到預設的區域,以 50 公尺為界,由於密集的植被和起伏的地形,水平距離小於 50公尺的區域並沒有計算種子落下的數量。又因為觀測的地點是沙地地形,所以也毋須擔心種子落地後滾去很遠的地方。實驗之所以不計算所有彈射的種子,而僅僅計算 50 公尺之外的種子,其實是因為觀測地點的限制,使得研究人員無法計算所有的彈射種子數量。T. moreliana 是雨林中特別高聳的獨立樹,距離林緣 50 公尺,除了落在雨林外沙地的種子,剩下的皆會落進雨林中,而雨林有複雜的垂直結構,包含樹冠層、第二樹冠層、灌叢、地被、腐植質…等,除此之外,還有各種附生植物及藤蔓,要從雨林中找到觀測樹所有的種子,是非常困難的!

這個觀察共調查了 4 棵樹,經過 3個月的計算,研究人員記錄到最遠的彈射距離可達 61 公尺,而彈射距離取決於樹的高度。他們對其中一棵樹進行較詳細的觀察,根據莢果估算了總種子數,大約有 15,000- 20,000 顆種子,其中 1.5- 2% 的種子彈射距離超過 50 公尺。

此外,研究中也爬上樹將莢果採下,將果序插在沙地上,觀察開裂時種子彈射的角度和距離。18 顆種子中,距離最遠的可達 23.2 公尺,仰角則平均 17.3°。

Tetraberlinia moreliana彈道假設剖面圖。實線為最佳路線。圖/Explosive seed dispersal of the rainforest tree Tetraberlinia moreliana (Leguminosae —Caesalpinioideae) in Gabon

研究人員試圖重建種子彈射的彈道,並繪製剖面圖。而這個預測的彈道有一些前提:

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1. 起始點為樹冠外層
2. 沒有受到風及其他外力作用
3. 受到的空氣阻力與速度平方成正比
4. 接觸地面後便不再移動

依照以上前提而重建的軌跡,其起始點仰角為 21.2°,初始速度為 37.1公尺/秒,比前人研究沙盒樹 ( Hura crepitans) 彈射的起始速度 70 公尺/秒還要低得多。沙盒樹是大戟科的植物,彈射距離最遠紀錄是 41 公尺。

 

與沙盒樹同屬 Hura polyandra 果實爆開的畫面。(這邊是用暴力砸開)

生活中其他靠彈力傳播的種子與問題發想

毛毛蟲以會即將爆開的果實為食,會發生什麼事呢?

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回想我們生活中常見的彈力傳播種子,不外乎兒時共同回憶的非洲鳳仙花、紫花酢漿草,除此之外,還有蕨類的孢子囊,彈射距離不外乎數十公分,然而 T. moreliana 卻能將種子傳遞到數十公尺之外,飛越其他樹木直至雨林的邊緣。

不過,有趣的是,若這是一個有效的傳播方式,又為什麼彈射距離超過 50 公尺的比例僅僅 2%呢?這個問題,並沒有在報告中得到明確解答。

再看看木豆,儘管原先的疑惑得到解答,卻隨之而來出現更多問題。木豆並非雨林中的突出樹,而是高 1- 2公尺的灌木,彈射的種子傳播策略,在原生育地有怎樣的優勢?此外,木豆的種子又能彈射多遠、速度多快?是否有方向性?這些問題,也許得自己設計實驗才能獲得解答了。

參考資料:

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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

延伸閱讀

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豆科植物如何保持不多不少的根瘤?
葉綠舒
・2014/10/29 ・1031字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

豆科(legume)植物能在缺乏氮素的土壤中生長,完全是依靠著他們能與根瘤菌(rhizobia)共生的本事;而人們也很早就發現,把豆科植物納入輪作系統,可以使土地保持肥沃。

中國在漢朝時已發展出精緻的三年輪作系統,由夏季種黍開始,接著是小麥,第二年春天收穫小麥後種下大豆,然後到第三年夏天種小米。如此循環三年,同時將土地分成三份,第一年夏天第一塊地種黍、第二塊地種小米、第三塊地種大豆….這樣田地的養分會因為有大豆加入輪作而不至於缺氮,而每年都可以有小米、黍、大豆、小麥可吃。 歐洲直到一千年後才發展出輪作,但是複雜的程度則遠遠不及漢朝。

對於豆科植物來說,雖然根瘤菌可以使他們得以在缺氮的土地上繁衍,但如果根瘤長太多,對植物本身也會造成負擔。所以,植物一定要有個方法來調節根瘤生長的量。

NitrogenFixingNodulesOnClover
根瘤。圖片來源:wiki

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過去透過研究長太多根瘤的植物發現,在百脈根(Lotus japonicus,為豆科的模式植物)裡面有個類受體激酶(receptor-like kinase)HAR1,它負責接收來自根的信息。當根與根瘤菌建立共生關係之後,由根部分泌出CLE-RS1與CLE-RS2(RS是「根的信號」Root Signal的意思)兩個多肽並經由導管傳送到植物的莖與葉(shoot);在莖與葉,由HAR1負責接收這兩個信號之後,然後莖與葉的細胞分泌一個化學物質來抑制更多的根瘤形成。

最近的研究發現,原來這個由莖與葉負責分泌的化學物質,應該就是細胞分裂素(cytokinin)。研究團隊發現,缺少HAR1的植物,只有細胞分裂素的分泌量顯著下降,而在過度表現CLE-RS1與CLE-RS2的植物中,細胞分裂素反而上昇;接下來更有意思的是,當植物被根瘤菌感染時,細胞分裂素也呈現上昇的趨勢。

於是研究團隊把缺少HAR1的植物用細胞分裂素處理,結果發現,原本缺少HAR1的植物會有非常多的根瘤,但是在使用細胞分裂素處理後,它的根瘤的數目甚至可以回到野生種的水平。

所以,豆科植物透過分泌細胞分裂素來抑制根瘤的產生;而細胞分裂素的分泌則有賴於HAR1的活化,而CLE-RS1與CLE-RS2(由根部分泌)可以活化HAR1。可以看到,植物透過層層嚴密的負回饋控制(negative feedback control)來調節根瘤產生的數目,使自己取得平衡,不至於因為產生太少根瘤造成氮不足,但也不會因為產生過多根瘤,使得養分分配錯置,影響生長。

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參考文獻:

  • T.R. Sinclair,C.J. Sinclair. (2010) Bread, Beer and the Seeds of Change:Agriculture’s Imprint on World History. ISBN:9781845937058
  • Takema Sasaki, Takuya Suzaki, Takashi Soyano, Mikiko Kojima, Hitoshi Sakakibara & Masayoshi Kawaguchi. (2014) Shoot-derived cytokinins systemically regulate root nodulation. Nature Communications 5, Article number: 4983 doi:10.1038/ncomms5983

原刊載於作者部落格老葉的植物王國

葉綠舒
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做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。

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像憤怒鳥一樣彈射的種子:豆科種子可以「炸」多遠呢?
活躍星系核_96
・2019/07/13 ・1973字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

作者:何郁庭│國立中興大學森林系碩士畢業,現職計畫專任助理。

一個尋常午後,窗台邊突然傳來巨響。

原先以為是鳥撞上玻璃,走近一看,才發現是前幾天隨手採下木豆 (Cajanus cajan) 的莢果,因乾燥後開裂,發出巨大的爆裂聲。兩片木質果皮分別捲曲成螺旋狀,數顆木豆種子則彈射到各處,窗台前一片狼藉。

木豆 (Cajanus cajan)。成熟開裂的莢果,圖為當事莢果。圖/作者

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開裂的兩片果皮很堅韌,怎樣也沒辦法回復成打開前的樣子,這引起了我的好奇。我猜想,部分的豆科植物是不是利用莢果開裂,使種子「彈射」到更遠的地方,以利於種子在更遠的地方發芽呢?

為此,我開始搜尋一些跟「豆科」以及「種子傳播」有關的報告,發現一篇來自雨林生態期刊 (Journal of Tropical Ecology)的文獻,這個研究位於西非的加彭 (Gabon),講述 Tetraberlinia moreliana 這種雨林中的喬木,如何讓光滑扁平的種子,從樹冠「彈射」到 50 公尺以外的沙地上。

T. moreliana 是豆科下甘豆亞科的大喬木,根據描述,樹高可以生長至 51 公尺,同時,它也是加彭地區雨林的「突出樹」,比週遭大多樹木來得更高,半圓形的樹冠遮住了週圍其他樹的樹冠。T. moreliana 的木質莢果生長於樹冠層並突出於樹冠,像一枝枝三角旗豎立。每個莢果內含 0-4 顆扁平盤狀的種子,而平均是 2 顆。

Tetraberlinia moreliana 莢果圖。A. 在樹上未開裂的莢果,長軸水平於地面,宛如一枝旗子豎在樹冠外層。B. 扁平盤狀的種子。C. 開裂的莢果。D. 完全乾燥後的莢果果皮。圖/Explosive seed dispersal of the rainforest tree Tetraberlinia moreliana (Leguminosae —
Caesalpinioideae) in Gabon.

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種子可以彈射多遠呢?

研究人員嘗試觀測 T. moreliana 的種子究竟能彈射多遠,因此設計了試驗:

首先,他們定義了「水平傳播距離」,也就是彈射落底的種子,到樹冠邊緣的最近水平距離。

然後,在莢果成熟的 12月至 2月期間,每日計算有多少種子彈射到預設的區域,以 50 公尺為界,由於密集的植被和起伏的地形,水平距離小於 50公尺的區域並沒有計算種子落下的數量。又因為觀測的地點是沙地地形,所以也毋須擔心種子落地後滾去很遠的地方。實驗之所以不計算所有彈射的種子,而僅僅計算 50 公尺之外的種子,其實是因為觀測地點的限制,使得研究人員無法計算所有的彈射種子數量。T. moreliana 是雨林中特別高聳的獨立樹,距離林緣 50 公尺,除了落在雨林外沙地的種子,剩下的皆會落進雨林中,而雨林有複雜的垂直結構,包含樹冠層、第二樹冠層、灌叢、地被、腐植質…等,除此之外,還有各種附生植物及藤蔓,要從雨林中找到觀測樹所有的種子,是非常困難的!

這個觀察共調查了 4 棵樹,經過 3個月的計算,研究人員記錄到最遠的彈射距離可達 61 公尺,而彈射距離取決於樹的高度。他們對其中一棵樹進行較詳細的觀察,根據莢果估算了總種子數,大約有 15,000- 20,000 顆種子,其中 1.5- 2% 的種子彈射距離超過 50 公尺。

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此外,研究中也爬上樹將莢果採下,將果序插在沙地上,觀察開裂時種子彈射的角度和距離。18 顆種子中,距離最遠的可達 23.2 公尺,仰角則平均 17.3°。

Tetraberlinia moreliana彈道假設剖面圖。實線為最佳路線。圖/Explosive seed dispersal of the rainforest tree Tetraberlinia moreliana (Leguminosae —Caesalpinioideae) in Gabon

研究人員試圖重建種子彈射的彈道,並繪製剖面圖。而這個預測的彈道有一些前提:

1. 起始點為樹冠外層
2. 沒有受到風及其他外力作用
3. 受到的空氣阻力與速度平方成正比
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依照以上前提而重建的軌跡,其起始點仰角為 21.2°,初始速度為 37.1公尺/秒,比前人研究沙盒樹 ( Hura crepitans) 彈射的起始速度 70 公尺/秒還要低得多。沙盒樹是大戟科的植物,彈射距離最遠紀錄是 41 公尺。

 

與沙盒樹同屬 Hura polyandra 果實爆開的畫面。(這邊是用暴力砸開)

生活中其他靠彈力傳播的種子與問題發想

毛毛蟲以會即將爆開的果實為食,會發生什麼事呢?

回想我們生活中常見的彈力傳播種子,不外乎兒時共同回憶的非洲鳳仙花、紫花酢漿草,除此之外,還有蕨類的孢子囊,彈射距離不外乎數十公分,然而 T. moreliana 卻能將種子傳遞到數十公尺之外,飛越其他樹木直至雨林的邊緣。

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不過,有趣的是,若這是一個有效的傳播方式,又為什麼彈射距離超過 50 公尺的比例僅僅 2%呢?這個問題,並沒有在報告中得到明確解答。

再看看木豆,儘管原先的疑惑得到解答,卻隨之而來出現更多問題。木豆並非雨林中的突出樹,而是高 1- 2公尺的灌木,彈射的種子傳播策略,在原生育地有怎樣的優勢?此外,木豆的種子又能彈射多遠、速度多快?是否有方向性?這些問題,也許得自己設計實驗才能獲得解答了。

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吃果子的魚孕育了遙遠的叢林
陸子鈞
・2011/03/24 ・745字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 483 ・五年級

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新的研究指出,亞馬遜的大蓋巨脂鯉(Colossoma macropomum)能帶著植物的種子,橫越超過五公里外的氾濫平原。

大蓋巨脂鯉(Colossoma macropomum)可能是亞馬遜地區植物種子主要的傳播媒介。

過去以來,雖然科學家預期魚在植物種子的傳播上扮演重要的角色,但對於種子的發芽率及傳播距離,卻缺少實際證據。

杜克大學的演化生態學家Jill Anderson,和她的團隊在祕魯的國家保護區裡發現,大蓋巨脂鯉腸道內有數以百計的種子。然而,這種魚能帶著種子多遠的距離,以及種子是否能在新地點發芽都是未知。

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為了要找到答案,Anderson和她的團隊利用無線電,在河水會氾濫的季節,追蹤24隻大蓋巨脂鯉的位置,結果發現魚移動5.9公里遠。配合在實驗室中,種子能在魚腸道內存活多久的資料,推測大蓋巨脂鯉平均移動337~55英尺,而且種子能被帶到5.5公里之外。

這是食果動物傳播種子最遠的紀錄,與非洲犀鳥及亞洲象不相上下。

更重要的關鍵是,這些分布在氾濫平原的種子,偏好在這樣的環境發芽,而非在像是湖泊這樣不流動的水域中。

美國加州的生態學家Michael Horn認為,過去我們都低估了魚對種子傳播的貢獻,即使科學家們都認為魚在生態系中扮演潛在的重要角色;熱帶非洲、北美及歐洲,都有魚攜帶種子傳播的例子。然而,我們對於細節卻都不清楚,其中一個原因是,和魚相比,鳥類及陸上哺乳類傳播種子的行為較容易研究。

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即使Anderson的研究指出大蓋巨脂鯉在種子傳播扮演重要的角色,但她認為大蓋巨脂鯉對生態的貢獻仍被低估了。因為她預期,更大的魚能將種子帶到更遠的地方,但這項研究所追蹤的個體,體型並不是最大的。在過去的紀錄中,大蓋巨脂鯉能長到30公斤重。

此外,這項研究也指出另一項隱憂,亞馬遜地區的過度漁撈,對生態的衝擊可能遠超過我們的想像。

資料來源:Fruit-feasting fish fertilize faraway forests

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陸子鈞
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Z編|台灣大學昆蟲所畢業,興趣廣泛,自認和貓一樣兼具宅氣和無窮的好奇心。喜歡在早上喝咖啡配RSS,克制不了跟別人分享生物故事的衝動,就連吃飯也會忍不住將桌上的食物作生物分類。