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對抗紅火蟻新兵法:破解關鍵基因,讓工蟻對蟻后下剋上?

研之有物│中央研究院_96
・2019/07/26 ・3675字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|歐宇甜、美術編輯|林洵安

入侵紅火蟻的超級基因!
入侵紅火蟻 (以下簡稱紅火蟻) 個性兇殘,防治困難,許多遭到入侵的國家皆很頭痛,包括台灣。中研院生物多樣性中心的王忠信副研究員,多年來持續研究紅火蟻,發現紅火蟻的社群行為,是由六百多個基因鎖在一起的「超級基因」所調控。

近年來,他積極尋找超級基因上面、決定蟻后氣味以及工蟻辨識氣味的關鍵基因,希望能開發出更有效的防治餌藥,誘騙工蟻暗殺自己的蟻后。

入侵紅火蟻 (以下簡稱紅火蟻)原產在溫暖、潮溼的南美,1920 年代傳入美國,擴散到全美各地,再透過進出口貨物、盆栽泥土傳播,從美國擴散到澳洲、中國、日本、韓國、臺灣等地。
圖片來源│王忠信

入侵紅火蟻:天生脾氣暴、不好惹!

入侵紅火蟻有多恐怖?

紅火蟻的食性雜,什麼都吃,像是死掉的動物、昆蟲,地面鳥巢中不會飛的幼鳥。連蜥蜴、烏龜等靠近巢穴,紅火蟻也會發動攻擊,把動物咬得奄奄一息。只要有紅火蟻侵入的地區,其他生物幾乎無法存活,造成生態浩劫。

紅火蟻還有毒!雖然許多螞蟻都是自備毒液的狠腳色,但大多數個性溫和、攻擊性低,一旦被人踩到,立刻四處逃竄。紅火蟻侵略性非常強。誰敢侵門踏戶,立刻傾巢而出,發動恐怖攻擊。

連人類也難擋紅火蟻的恐攻!紅火蟻會吃農作物的果實、根莖,還會捕食泥土中的蚯蚓,造成嚴重的農業損失。

氣得想一腳踩死?哼哼,紅火蟻立刻順著人腿往上爬,用大顎咬住皮膚,再用腹部螫針注入毒液蛋白。人被咬到立刻有像火燒灼熱的疼痛感 (所以稱為紅火蟻),少數過敏嚴重的人會休克,甚至死亡。

現有餌劑效果不佳

2003 年,台灣發表境內存在入侵紅火蟻,危害範圍主要在桃園,隨著每年的婚飛、繁殖,領域漸漸往外擴展,新北市、松山機場等地也有災情。

目前台灣的防治策略是採熱點控制 (hotspot control),當有人發現巢穴並通報,負責人員會前往施打餌劑。

不過,目前餌劑只能防除 85~95% 的入侵紅火蟻的族群,主要原因可能是:餌劑是用藥和去油脂玉米顆粒、大豆油混合,一旦不新鮮了、受潮了,就會降低對螞蟻的吸引力,偏偏台灣天氣又很潮濕。另外,觸殺型藥劑可能傷害其他昆蟲,只建議小範圍使用,因此效果有限。

另外,還有灌入低溫液態氮、凍死紅火蟻,或灌入熱水、燙死牠們,但這兩種比較麻煩又有危險⋯⋯

中研院王忠信副研究員提出新解方:從紅火蟻的社群行為和基因組下手!

單蟻后 v.s. 多蟻后

大部分的螞蟻巢穴中不是單蟻后 (巢中只有一隻蟻后) ,就是多蟻后 (巢中有多隻蟻后),只有 5~10% 的螞蟻同時具有單蟻后和多蟻后巢穴,紅火蟻就是其中之一。

有趣的是,當單蟻后巢的工蟻發現外來的單蟻后或多蟻后,統統格殺勿論。但多蟻后巢的工蟻似乎比較「包容」,牠們會殺死單蟻后巢的蟻后,但會接納其他多蟻后巢的蟻后。

資料來源│王忠信 圖說設計│黃曉君、林洵安

工蟻怎麼認出自己的「母后」?答案:氣味。

美國科學家曾做過實驗,把多蟻后巢的工蟻,分別與多蟻后的蟻后、單蟻后的蟻后摩擦,再放回工蟻原本的多蟻后巢穴。結果發現,與多蟻后巢的蟻后摩擦的工蟻,可被同伴接受,但與單蟻后巢的蟻后摩擦的,會遭到同伴攻擊,證實蟻后氣味的轉移會引發工蟻辨識行為的混亂。

王忠信靈機一動:擒賊先擒王,想要有效防治紅火蟻,可以誘騙工蟻殺死自己的蟻后,即可輕鬆瓦解整個蟻群!方法是:找出紅火蟻身上控制氣味和嗅覺的關鍵基因,以此設計餌劑,改變蟻后的氣味或誤導工蟻的嗅覺。

但關鍵基因上哪找?這就要說到王忠信在 2013 年的重大發現:紅火蟻的超級基因 (supergene) 與社群染色體 (social chromosome)。

找到紅火蟻超級基因

科學家很早就知道,紅火蟻的單、多蟻后巢受到一組 B、b 基因所控制。不過,單蟻后或多蟻后巢,不光是蟻后的數量和氣味不同,還有許多特徵和行為差異。

比方說:單蟻后的處女蟻后腹部脂肪較肥厚,當其另立門戶,會用大量的脂肪餵養首批工蟻,而工蟻的侵略性也比較強;相反地,多蟻后族群的蟻后只囤積少量脂肪,而且不自立門戶,選擇加入其他多蟻后族群……科學家認為,光是一組 B、b 基因不可能控制這麼多差異。

直到 2013 年,王忠信發現,控制紅火蟻社群行為的關鍵,是一組包括六百多個基因的「超級基因」。

超級基因有多「超級」?一般減數分裂時,染色體的基因有機會互相交換,形成新的基因組合,所以「龍生九子,子子不同」。

超級基因則是被「鎖在一起」的一群基因,在減數分裂時,裡頭的基因是不能拆開、互換的。即使真的互換了,前、後的基因會重複或缺少,誕生的子代通常無法存活。換句話說,超級基因必須「整組」傳給後代,像被綁在一起的「套裝式」基因。

決定社會行為的社群染色體

而紅火蟻超級基因所在的染色體,即是「社群染色體」。紅火蟻的社群染色體有兩種:SB、Sb ,超級基因位於 Sb 上。

因為 Sb 上有超級基因,SB 和 Sb 在整體結構上很不一樣,很像人類的性染色體 X 和 Y 的情況。也就是說,兩種染色體的不同組合,會造成個體很大的差異,就像 X 跟 X 組合是女性,X 和 Y 組合就變成男性。

單蟻后族群的個體,只有 SB 這種染色體 (就像女性只有 X ) ,多蟻后族群則有兩種染色體:SB 和 Sb (就像男性有 X 和 Y )。這兩種社群染色體的組合,決定了多蟻后巢和單蟻后巢截然不同的社會型態。

資料來源│王忠信 圖說設計│黃曉君、林洵安

這項發現證實了動物的社會行為與遺傳有關,也是首次發現動物社群染色體決定牠們的行為差異,對社會和演化生物學有極大的貢獻,論文於 2013 年 1 月 17 日獲登國際權威期刊《自然》(Nature)。

工蟻的氣味結合蛋白

找到了調控社群行為的超級基因,接下來,王忠信想知道,在這六百多個基因中,哪些基因負責調控蟻后的氣味以及工蟻的嗅覺?是否能用在防治上?目前已經有一些眉目⋯⋯

先從工蟻的嗅覺說起!多蟻后巢的工蟻有 SBSB 和 SBSb 兩種,單蟻后巢只有 SBSB 工蟻,王忠信將兩種工蟻的觸角切下來,測試基因表現。

結果發現,有種可以抓住氣味分子的蛋白質 OBP12,在 SBSb 工蟻的 RNA 的表現量很高,在 SBSB 工蟻身上沒有,調控這個氣味分子的基因在超級基因上,那麼這種氣味分子會不會就是工蟻辨認蟻后的關鍵呢?

「下階段的實驗,就是除去這種蛋白質 OBP12 的基因,觀察是否會影響工蟻辨認蟻后。」王忠信說。

紅火蟻的觸角外面有一層殼,中間的神經表面有受器,可接收外界的氣味分子,形成嗅覺。但是!外殼和神經之間是液體,就像一條河,氣味分子不溶於水,不能自己「渡河」,必須由一種氣味結合蛋白 OBP12 抓住、保護,才能順利「游過」液體、抵達神經的受器。
資料來源│王忠信 圖說設計│黃曉君、林洵安

多蟻后的獨家油脂

另外,他將蟻后泡入有機溶劑,將身上的油脂溶出並分析。他發現一種編號為 23 的油脂,在 SBSb 多蟻后身上量很高,在 SBSB 單蟻后很低。這種油脂會不會是工蟻判斷多蟻后和單蟻后的關鍵?

因為雄蟻的基因是單套的 SB 或 Sb,他又去分析不同的雄蟻,發現 Sb 雄蟻身上有決定脂肪酸構造的多種蛋白質基因 (可產生油脂),但在 SB 雄蟻表現量比 Sb 低,也許這就是具有 Sb 的多蟻后身上為什麼會有大量編號 23 油脂的原因。

下一步要證實:編號 23 的油脂是多蟻后工蟻辨認蟻后的關鍵!

他在多蟻后巢中放兩張紙片,一張是泡過多蟻后的紙片,一張是泡過單蟻后的紙片。正常情況下,多蟻后的工蟻會把泡過多蟻后紙片帶回家 (因為編號 23 油脂量很大),將泡過單蟻后的紙片丟到巢外牠們的專屬「垃圾桶」(無編號 23 油脂)。

王忠信的想法是:如果泡過單蟻后的紙片添加物質 23,工蟻也帶回巢,那麼編號 23 油脂很可能就是工蟻辨識蟻后的關鍵!

一旦確認了,只要想辦法除去多蟻后身上的這種油脂,讓工蟻聞不到,工蟻就可能殺死自己蟻后。反過來說,如果讓單蟻后身上有這種油脂,讓工蟻誤以為牠是多蟻后,也可能讓單蟻后巢的工蟻發動攻擊!

目前這些研究仍在進行,如果未來進一步突破,就可能開發成防治藥劑。例如:找出兩、三個關鍵基因,製作能與工蟻辨識蟻后氣味的受器結合的藥劑,讓工蟻聞不到味道或聞錯;或是設計一種可改變蟻后氣味的藥劑,讓同巢工蟻認不出自己的蟻后。

對此,王忠信微笑著說:

但願能研發有效的藥劑消滅紅火蟻,解決惱人的防治問題,這是我的夢想!

中研院王忠信副研究員,是一位演化基因學家,但希望自己在實驗室的基礎研究,能夠解決現實生活的紅火蟻防治難題。
攝影│林洵安

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為人蟻大戰出奇招:破解紅火蟻超級基因,誘騙工蟻暗殺蟻后,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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蟻巢營養內循環,螞蟻的蛹不動也能貢獻社會
寒波_96
・2022/12/20 ・2477字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

人類對螞蟻可謂無比熟悉,許多人還不識字就認識螞蟻了;相關的科學研究也十分豐富,產出如威爾森(E. O. Wilson)這類科學大師。2022 年底問世的一篇論文,卻出乎意料地報告一條普遍存在,此前卻一直受到忽視的現象:

螞蟻的蛹會分泌液體,作為成蟲與幼蟲的營養液。

圖/drawception

螞蟻社會的內循環營養液

螞蟻是完全變態的昆蟲,有卵、幼蟲、蛹、成蟲 4 個階段。眾所皆知螞蟻是社會性昆蟲,整個蟻巢運轉精密,但是蛹有好幾天固定不動,除了佔空間以外,在蟻巢裡好像沒什麼存在感。

這項研究主要的對象是畢氏粗角蟻 (Ooceraea biroi) ,近年成為探索螞蟻奧秘的主力。照論文的寫法,一開始目的很單純,就是把蛹從蟻巢中移出,看看孤獨對螞蟻有什麼影響。

被移出巢穴的蛹,羽化成蟲的比例有 90% ;即使周圍沒有同儕,絕大部分的蛹似乎也能成功轉大蟲。然而過程沒這麼簡單。

將螞蟻的蛹由巢中取出,搜集分泌液體的裝置。羽化前幾天,蛹會由白轉而黑化,羽化前 6 天開始分泌液體。圖/參考資料 1

蛹在成功羽化的前幾天會黑化,論文觀察到當蛹開始黑化不久,也就是羽化的 6 天之前,每天都會分泌出液體。留著液體會害蛹被自己淹死,人為將液體移除,蛹才能順利羽化。

如果是在原本的蟻巢中,蛹排放的液體還來不及把自己淹死,就會慘遭黴菌入侵感染而亡。所幸慘劇實際上不會發生,因為成年螞蟻會將液體去除。

將藍色染劑注入蛹,一天後觀察到成蟻的消化道都出現藍染,可見蛹產生的液體,都隨即轉移進入前輩同儕的肚子。分析蛹產生的液體,得知營養十分豐富。

把食用藍色染料注入蛹,便可觀察蛹分泌液體的轉移。圖/參考資料 1

完全變態的昆蟲,從幼蟲到成蟲的過程中經過蛹的階段,將幼年的身體砍掉重練。螞蟻蛹分泌的液體顯然來自蛹期分解的身體,可謂原汁原味的液化螞蟻。這些容易吸收的成分,在巢穴中直接轉移給同類,毫不浪費。

這些幼體原汁原味形成的液體營養豐富,其他會化蛹的昆蟲也會產生類似的產物,為什麼不會把自己淹死,或是被黴菌感染?應該是由於那些昆蟲會將其回收利用,轉化為成年身體的建材。社會性生活的螞蟻卻是直接排放出去,變成其他個體的食物。

同時餵養更老與更小的同儕

成年螞蟻以外,蛹產生的液體也是寶寶的營養補充液。螞蟻幼蟲移動能力有限,成年螞蟻會將寶寶放到蛹的旁邊,方便它們液來伸口。沒有液體也能正常長大,不過有得吃的幼體,生長速度更快、存活率更高。

幼蟲破蛋出生的之後一天,蛹也開始分泌液體。圖/參考資料 1

近來在台灣出名的紅火蟻(Solenopsis invicta)雖然兇狠,卻也是畢氏粗角蟻的菜單美食之一。有個實驗是給予紅火蟻和蛹,讓成年蟻選擇,結果大部份都優先將寶寶放在蛹旁邊,可見它們認為蛹提供的善液,是更佳的育幼食品。

換句話說,螞蟻在幼年階段到成年之間的蛹,同時支持更老與更小的同儕。

奧妙還不僅如此,和一般印象不同,畢氏粗角蟻沒有特定蟻后,也缺乏男生,所有成員皆為工蟻,再透過孤雌生殖進入生殖時期。

奇妙的是,蟻巢中處於不同階段的螞蟻,時程非常協調。當卵孵化出寶寶的一天後,蛹也開始分泌液體。也就是說寶寶從出生以後,馬上就能獲得營養補充液,概念實在很像哺乳動物的哺乳。

檢視螞蟻大家族 5 大群各自的代表,都觀察到蛹分泌類似的液體。圖/參考資料 1

畢氏粗角蟻只是一種螞蟻,論文還調查螞蟻分類上其他 4 大群的成員,發現各種螞蟻的蛹都會分泌液體,而且內容物極為相似。由此推敲,這是螞蟻大家族的普遍現象,可能在眾蟻尚未分家之前已經存在。

螞蟻巢穴的內部循環如此協調,充分反映出社會性昆蟲的優點,但是同為社會性昆蟲的蜜蜂沒有。這應該是螞蟻演化為社會性的重要一步,卻不是其他社會性昆蟲的特徵。

想來也很奇妙。人們對螞蟻很熟,研究螞蟻、養螞蟻的人一大堆,可是這回報告的現象儘管普遍,卻只是首度被明確指出。我猜以前應該有人發現這件事,只是沒有深入鑽研。

等待探討的問題,無所不在,只要有心。

延伸閱讀

參考資料

  1. Snir, O., Alwaseem, H., Heissel, S., Sharma, A., Valdés-Rodríguez, S., Carroll, T. S., … & Kronauer, D. J. (2022). The pupal moulting fluid has evolved social functions in ants. Nature, 1-7.
  2. A fluid role in ant society as adults give larvae ‘milk’ from pupae
  3. Anatomy of a superorganism: Ant pupae secrete fluid as ‘milk’ to nurture young larvae
  4. Pupating ants make milk — and scientists only just noticed

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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一見如故,其實是一「聞」如故?「氣味」相投有科學根據,原來我們會用嗅覺交朋友!
Bonnie_96
・2022/07/18 ・2712字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

有想過人跟人到底是如何變得親近,甚至變成朋友嗎?或許,你會猜可能是有共同話題、類似的喜好等。但最近發表在《Science Advances》的研究[1] 就指出,人更有可能和自己「氣味」類似的人建立關係。

難道科學根據真的可以應證「氣味相投」?

阿寶與他最好的朋友老皮。圖/GIPHY

任何有遛過狗勾的人就知道,狗通常在遠處就可判斷出接近的狗是朋友還是敵人。如果還是有點猶疑的話,它們也會在遇到彼此時,停下腳步、更仔細地聞對方,再決定是要主動示好一起玩,還是對著彼此狂吠。

不只是狗狗,目前也有越來越多的證據發現,人類也會不斷地去聞自己[2][3] 和彼此[4] 的體味。而聞到朋友的體味和自己的體味會引發相似的大腦活動模式,但如果是聞到陌生人的體味,則會引發邊緣恐懼型大腦反應[5] (limbic fear–type brain response)。

為什麼有些人明明認識不久,卻可以一拍即合?

一般來說,在生活中常見的友誼型態有:

  • 隨著時間推移,彼此變得更熟悉、感情也變得更穩固的「多年好友」。
  • 偶爾,還是會出現那種見不到幾次面,但是一聊就很投緣、「一拍即合的朋友」。
美國情境喜劇《六人行》(Friends),劇情圍繞著六個好友在紐約曼哈頓的日常生活。圖/IMDb

除了共同話題、共同朋友等,能讓彼此在不是很熟悉的狀況下就能一拍即合外,還有哪些其他因素在悄悄影響我們嗎?這成為魏茨曼科學研究所(Weizmann Institute of Science)的研究人員 Inbal Ravreby 最感興趣的問題。

即便大家都知道,人們傾向選擇與自己外表、背景、價值觀,甚至在大腦活動等指標上與自己比較相似的人,進一步發展成為朋友。Inbal Ravreby 過去在研究上觀察的結果發現,人會不斷地聞自己,儘管大部份是下意識的,而且不只會聞自己的,也會下意識地去聞別人身上的氣味。

她提出假說:比起多年好友的關係,「氣味」在一拍即合的友誼中作用可能更加明顯。

當人下意識地聞到自己和他人的體味,並且比較這兩種味道後,接著將被那些氣味和自己類似的人所吸引。也就是說,研究者提出「人在體味的相似性,可能有助於快速建立友誼」的假說。

看到目前為止是不是覺得有夠神奇的!所以,下次要認識新朋友之前,雙方要花個幾分鐘來聞一下彼此的味道,再決定要不要當朋友,或是大腦會響起「以後別做朋友」的警鈴。(歪)

事不宜遲,直接切入實驗

為了驗證假說,研究者招募了一群「一拍即合成為同性朋友」的參與者,在他們身上蒐集了體味樣本,並進行了一系列實驗,把將這些體味樣本和隨機從不同人中蒐集而來的樣本,進行比較。

在一項實驗中,研究者想知道一拍即合的朋友間,體味是否存在化學上的相似性。於是,他們找來 20 位一拍即合同性朋友的參與者,為了讓他們身上的氣味不受其他因素影響。

實驗者要求參與者都要使用同款沒有香味的肥皂,而且要穿著至少 6 個小時的襯衫。其間,要避免使用乳液,除臭劑,止汗劑,香水,古龍水等,也不能吃會影響氣味的食物,像是咖哩、大蒜等。甚至,還要防止其他人或寵物和參與者一起睡等。

隔天再把穿過的衣服放在夾鏈袋中密封,就是為了避免和其他氣味接觸。之後再透過類似電子鼻(eNose)的設備 ,來評估氣味的化學特徵,並預測完全陌生個體間的社交互動品質。

PEN3 eNose 電子鼻用於測量罐中上衣累積的揮發物。圖/參考資料 1

不只檢測氣味的化學相似性,研究者也會請參與者聞過 40 種體味(20 種來自一拍即合朋友的氣味;另外 20 種則是來自隨機個體),並且按照視覺類比量表(Visual Analogue Scale,簡稱 VAS)對「愉悅」、「性吸引力」等面向進行評分。以及,按照這些氣味從「不同」到「相似」進行評分。

在這兩種實驗就發現,一拍即合朋友的氣味明顯比隨機陌生人比起來會更相似。對此,這有三種解釋的方式,第一是可能和假說一致,也就是這種相似性可能和友誼建立的原因有關。

或者,這種相似性可能某程度上是長期友誼的結果,像是生活在同一地區、飲食習慣等都很相近。最後,我們承認這種相似性可能和一些獨立且未知的因素有關,這樣的未知因素也可能反過來推動友誼。

接著,研究者想要排除具有體味相似性是一拍即合朋友的結果,像是朋友有類似的飲食習慣,也就可能形塑出類似的體味。

即使不說話,你也可以「聞」到朋友

為了解決這樣的問題,研究者進行了一組額外的實驗,她透過 eNose 讓彼此完全陌生的參與者,要求他們成對進行鏡子遊戲。這個遊戲不能透過語言,只能透過肢體的方式,模仿出對方的動作。

受試者在進行鏡子遊戲期間,桌子上的隱藏攝影機會拍攝記錄。圖/參考資料 1

以鏡子遊戲來形成對對方的印象,只透過非語言互動,不容易受到聲音、對話內容等因素影響。在非語言的互動結束後,參與者被要求評估對另一個人的喜歡程度,以及和他們變成朋友的可能。

隨後分析表明,具有更多積極互動的參與者聞起來的味道更像彼此。

事實上, Inbal Ravreby 和統計學家 Kobi Snitz 博士以 eNose 數據輸入計算模型後,就有高達 71% 的準確率,能預測雙方會否出現正向的社會互動。換句話說,體味的分析似乎可以預測陌生人之間社交互動的品質。

這篇研究蠻有趣地打破我們習以為常地認為共同話題、興趣等是建立關係的關鍵,但其實體味、氣味在建立一拍即合的友誼上扮演重要角色。

但在現實生活中,不管是使用洗髮精、沐浴乳等所帶有的香味,甚至是香水等,都可能影響人的體味,這會不會改變人與人建立關係的可能性,或許也是未來值得探討的議題。

圖/GIPHY

參考資料

  1. Ravreby, I., Snitz, K., & Sobel, N. (2022). There is chemistry in social chemistry. Science advances, 8(25), eabn0154. https://doi.org/10.1126/sciadv.abn0154
  2. O. Perl, E. Mishor, A. Ravia, I. Ravreby, N. Sobel, Are humans constantly but subconsciously smelling themselves? Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 375, 20190372 (2020).
  3. S. C. Roberts, J. Havlíček, B. Schaal, Human olfactory communication: Current challenges and future prospects. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 375, 20190258 (2020).
  4. I. Frumin, O. Perl, Y. Endevelt-Shapira, A. Eisen, N. Eshel, I. Heller, M. Shemesh, A. Ravia, L. Sela, A. Arzi, N. Sobel, A social chemosignaling function for human handsinging function.eLife 4, e05154 (2015).
  5. J. N. Lundström, J. A. Boyle, R. J. Zatorre, M. Jones-Gotman, Functional neuronal processing of body odors differs from that of similar common odors. Cereb. Cortex 18, 1466–1474 (2008).
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你聞過下雨的味道嗎?讓我們一同探究它是怎麼產生的吧!
椀濘_96
・2022/05/04 ・3086字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

夏日雨季來臨,下雨前及正在下雨時,總能聞到一股特殊的氣味,濕濕的又有點清新,但大多時候卻不太喜歡,聞起來反而像霉味,甚至臭臭的,而我們總說那是「雨味」。

你是否也曾好奇過,這個形容不出、抽象的「下雨的味道」,究竟是怎麼產生的呢?

夏日雨季來臨總能聞到一股特殊的氣味,我們總說那是「雨味」。圖/Pixabay

最美的的英文單字 —— Petrichor 的由來

在經過漫長的乾旱季後,雨水落在乾燥土壤上時,混雜新鮮泥土與青草的氣味,這股聞起來令人愉悅舒爽的初雨清香,就叫 —— Petrichor。

撇除這樣優美浪漫的文學意涵,Petrichor 本身是個術語,專指下雨的氣味。

Petrichor 一詞首次出現在 1964 年的《自然》(Nature)期刊中,由兩位澳洲的 CSIRO(聯邦科學與工業研究組織)研究人員 Isabel Joy Bear 和 Richard G. Thomas 所創造。

該單字是由兩個希臘字「petra」以及「ichor」所組成;其中 petra 為岩石、石頭,而 ichor 則為希臘神話中神的血液。(聽起來就超厲害的!)

「岩石的血液」實際上是被大地吸收的植物油脂

而在該篇論文中,Bear 與 Thomas 揭露了令世人好奇許久「雨味」的來歷。顧名思義,Petrichor 一詞表明了此氣味來自於岩石內的液體,源自於兩人在實驗中證實,這個味道就是植物在乾旱期間分泌出的油,隨後這些油則被泥土、岩石吸收了。在乾旱時,油脂與泥土、岩石表面的其他化學物質相互發生作用,等到雨季來臨時,多種組合物的氣味被釋放出來。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。中文則將 Petrichor 譯為「潮土油」。

然而礙於當時技術尚未發展成熟,兩人尚未分解出該植物油脂的組成成分。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。圖/Pixabay

隔年(1965 年)Bear 與 Thomas 在《自然》上發表了另一篇關於 Petrichor 與植物生長的論文。

在長期處於乾旱或沙漠條件的地區迎來降雨時,植物種子萌發的反應會較迅速。因此兩人以此觀點帶入假設:該氣候條件普遍有利於 Petrichor 的累積,並從黏土(有黏性的泥土,內含多種礦物與金屬元素)和其他矽酸鹽礦物中釋放,兩者作為土壤的成分,似乎有可能伴隨著 Petrichor 內的一些物質,其可能對種子萌芽產生有利的影響。

然而,根據兩人實驗觀察,發現並非如此。

根據實驗結果所示,從礦物中提煉出的 Petrichor 顯著延遲了水芹、芥菜等種子的發芽和生長。此外,發現播種在濕潤後、原先為暴露在溫暖乾燥大氣條件下之材料的種子,與播種在未暴露或使用前已先經蒸氣蒸餾和烘乾之材料上的種子相比,發芽需要更長的時間、生長的速度更慢。

雨的味道其實細菌也有出一份力

在 Petrichor 一詞還未出現時,當時人們把下雨的味道形容為「泥質的氣味」( argillaceous odour) ,以表達下雨時所散發出的味道是來自土壤。

泥土中除了植物分泌的油外,還有細菌,也為「雨味」做了貢獻。

在土壤中的放線菌(Actinomyces)和鏈黴菌(Streptomyces),他們的代謝副產物——二甲基-9-烷醇(Dimethyl-9-decalol),該化學物質存在於孢子表層,並帶有泥土氣味,稱為土霉味(geosmin)或土臭素。那麼我們又是怎麼聞到土霉味的呢?

放線菌在長時間的乾旱時,代謝活動的速度會較慢;而在乾燥的環境下,細菌則製造孢子以利生存。當下雨前空氣轉為潮濕,泥土也變得濕潤,這能讓放線菌的代謝活動加速,因此也產生更多土霉味;等到下雨的時候,孢子因雨滴彈到空氣中,潮濕的空氣攜帶孢子飄散,便使我們聞到了土霉味。

孢子落在潮濕的土中則會變成菌絲的形態,土壤乾燥後又形成孢子,下雨時又再一次發生上述的過程,如此循環。

2010 年,麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology , MIT)研究雨滴對土壤的影響時,也進一步分析出了 Petrichor 的產生機制 。實驗觀察後發現,當雨水落在土壤時會釋放被困在液體中的氣體——氣溶膠(aerosols)粒子,而這些粒子會與前面提及泥土中的放線菌等細菌、植物分泌的油相互作用,在雨滴衝擊下,進而迸發出我們所聞到的下雨的味道。

閃電分解氧氣形成臭氧也是其中一個味道來源

還有臭氧,也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。

閃電的高能量會將大氣中氧氣(O2)分解成獨立的氧原子(O),其中一些重組為一氧化氮,接著又與其他大氣中的化學物質發生反應,有時會產生由三個氧原子組成的分子——臭氧(O3)。因雷暴[1]的下沉氣流將臭氧從高處帶到接近地面的高度,使我們能聞到淡淡的、像是漂白水的臭氧氣味(也有人形容像青草味),預告著大雨來襲。

除此之外,弱酸性雨水和地面物質發生反應、雨後植物揮發的精油等,與雨滴、空氣相互作用後,都是產生氣味的來源。

閃電也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。圖/Pexels

雨的味道可能暗示著某些訊息嗎?

這些被天氣攪動所產生的氣味,都可能傳遞著某些訊息。

有微生物學家認為,土霉味可能可以幫助駱駝找到通往沙漠綠洲的路,而駱駝則作為放線菌孢子的載體,幫助其散播。

至於人類,昆士蘭大學的人類學家對澳洲西部沙漠中原住民的文化做了調查研究。在當地,夏季之前來的第一場雨相當重要,濕潤的空氣混合了潮濕的樹葉油脂、尤加利樹、動物糞便和灰塵的氣味,而雨水能為袋鼠、鴯鶓[2]等動物解渴,沙漠也增添了幾分綠意。對他們而言,雨的氣味與綠意、生機有關,被認為是保護和清潔,也將世人與祖先聯繫著;學者將此稱之為「文化聯覺」(cultural synesthesia)。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。心理學家觀察到,儘管人類似乎對這些氣味沒有天生的反應,但我們確實會將之與自身的經歷聯繫起來。大雨可能帶來了潮濕、發霉的回憶,便不太喜愛雨味;對另一部份的人而言是淨化和提神的,從炎熱的天氣中解脫,大地也因雨水洗滌而有了生機、煥然一新。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。圖/Pexels

下雨時的味道不單單只由一個事件構成,它很複雜、很多元,每個單獨氣味的背後都有著一套機制,說起來,不單單只有生物學,還搭配著物理學、化學、心理學等,在多方交織下而有了豐富的解釋和體驗。

待下次下雨時,你就可以和身旁的人問起:「你知道下雨的時候為什麼會有味道嗎?」

註解

註 1:雷暴指一種產生閃電及雷聲的天氣現象,通常伴隨著滂沱大雨。
註 2:鴯鶓(Dromaius novaehollandiae),別名為澳洲鴕鳥;是現存世上第二大的鳥類。僅分布於澳洲,為國徽上的動物之一。from wikipedia

參考資料

  1. 潮味、土味、青草味 有沒有聞到下雨的味道?——科學月刊
  2. Nature of Argillaceous Odour
  3. Petrichor and Plant Growth
  4. Aerosol generation by raindrop impact on soil
  5. Why you can smell rain
  6. Storm Scents: It’s True, You Can Smell Oncoming Summer Rain
  7. Why Does Rain Smell Good?
  8. 為什麼下過雨之後,地上會有個怪味?
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椀濘_96
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