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台灣紅火蟻防治司令部——王忠信與他的千軍萬「螞」

研之有物│中央研究院_96
・2019/08/21 ・3183字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

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

在中研院,有一間神秘的實驗室,飼養的生物數量達到百萬級!莫驚莫慌莫害怕,這是生物多樣性研究中心王忠信副研究員的「螞蟻房」,用來飼養、觀察「入侵紅火蟻」(以下簡稱紅火蟻),以研究紅火蟻的超級基因,尋找防治解方。但但但……這麼龐大的螞蟻軍團,是從哪裡找來的?牠們要住在哪裡?平常吃什麼、伙食費會不會爆表?聽說在實驗室的處女蟻后會因為「環境」不對,拒絕雄蟻求愛哩。一起來瞧瞧!

中研院的神秘螞蟻房。2010 年,演化基因學家王忠信從國外回到台灣中研院,研究入侵紅火蟻的超級基因。為了近距離觀察紅火蟻,他向中研院申請設立這間院區內最特別的螞蟻房。 攝影/林洵

天啊!這裡有數以萬計的紅火蟻,從哪裡找來的呢?

這些紅火蟻都是從野外採集來的。只要有人通報哪裡出現紅火蟻,我們就會組隊過去採集,每次大約五、六個人一組。

紅火蟻主要出現在農地、還沒蓋的建築工地、公園、高爾夫球場等地,人們將樹木、落葉都清除乾淨,開闊的地面剛好是紅火蟻喜歡的築巢點。凸起的蟻丘高度可達一公尺,並可往下延伸十幾公尺,天冷乾旱時紅火蟻會往暖溼的地底移動,成熟的巢穴可能多達 20~50 萬隻紅火蟻!

開闊的地面剛好是紅火蟻喜歡的築巢點。圖片來源/王忠信
紅火蟻巢穴內部示意圖。圖說設計/黃曉君、林洵安

不過,我們也不是哪裡都去,多半是去固定幾個地區,像是桃園和新莊一帶。而且一收到通報就要動身「搶收」紅火蟻,不然巢穴很快會被施藥,那就抓不到了。

可是紅火蟻天生脾氣暴,怎麼採集呢?要穿防護裝備嗎?

當然要!(滴汗)紅火蟻喜歡順著垂直的物體攀爬,比方說……人腿。所以採集前,必須穿著長筒雨靴等防護設備,上面撒上滑滑的痱子粉,讓紅火蟻爬不上來。找到紅火蟻巢穴後,立刻用鏟子挖到水桶裡,動作必須迅雷不及掩耳,以免受到驚嚇的蟻后有機會逃跑。

下一個問題是:怎麼把巢內的紅火蟻逼出來?這要說到紅火蟻有個神奇的本領:蟻筏

在紅火蟻的故鄉——南美亞馬遜雨林,每年都有雨季、洪水氾濫,大水淹沒紅火蟻巢穴。為了活命,紅火蟻會用大顎咬住彼此的腳,組成一顆球狀或筏狀,把蟻后和卵、幼蟲放在「球」中間保護,稱為「蟻筏」。一般螞蟻遇水會淹死,但紅火蟻體表防水,可以藉著蟻筏在水面漂流,等待時機重新登陸。所以在美國,每當颶風一來、淹水時,人們還得注意水面是否漂著蟻筏,免得慘遭「蟻吻」呢。

紅火蟻的蟻筏。把紅火蟻丟入水中,牠們會用大顎咬住彼此的腳,組成一個球狀或筏狀物,把蟻后和卵、幼蟲放在「球」中間保護,稱為「蟻筏」。 攝影/林洵安

紅火蟻這個有趣的特性,提供科學家誘出巢中紅火蟻的靈感。方法是:拿寶特瓶裝水,對著裝了蟻巢的水桶緩緩滴水,模擬下雨、淹水,紅火蟻就會傾巢而出,自動在水面聚成一團蟻筏,如此就能輕鬆抓出整巢的紅火蟻。

對著裝了蟻巢的水桶緩緩滴水,模擬下雨、淹水,紅火蟻就會傾巢而出,自動在水面聚成一團蟻筏。資料來源/王忠信、圖說設計/黃曉君、林洵安

把紅火蟻抓回來後,要讓牠們住哪裡?吃什麼?紅火蟻不會逃跑嗎?

我們準備了大型的塑膠盒,裡面放紅火蟻的人工巢穴,盒子內壁塗上 Fluon® (氟龍),這種物質非常滑,讓紅火蟻爬不出來。人工巢穴是石膏做的,紅火蟻喜歡潮溼的環境,石膏可吸水、維持溼度,有時會再放幾塊溼海綿,讓牠們住的更舒適。(影片中有大量螞蟻,有密集恐懼症的夥伴請自行斟酌觀看)

餐點方面,我們會餵蟑螂、蟋蟀或麵包蟲,有時也有水煮蛋。你們一進來聞到的「奇妙」味道,嗯,就是這些「食材」發出來的……我們通常週一、三、五各餵食一次,每巢給約一湯匙份量的食物,並用小玻璃管裝水,管口塞棉花,讓紅火蟻可以喝水。不過紅火蟻的食量很大,有時蟻后又生太多、一個盒子可多達十萬隻,就必須清掉一些,免得伙食開銷太大,實驗室被吃垮……

蟻房裡有養單蟻后巢、也有多蟻后巢嗎?怎麼分辨兩者的不同呢?

在單蟻后巢,工蟻會給唯一的蟻后多一點空間,所以蟻后的周圍會淨空一圈,很容易觀察到蟻后在哪裡。但在多蟻后巢,可能蟻后比較多,工蟻不會留給每隻蟻后空間,蟻后就跟大家擠在一起生活,仔細觀察才能找到蟻后。

單蟻后巢的蟻后(黃色圈圈內),工蟻會讓出空間,使周圍淨空一圈。 攝影/林洵安
多蟻后巢穴的蟻后(黃色圈圈內)大家混在一起,仔細觀察才能找到蟻后。攝影/林洵安

另外科學家也發現,單、多蟻后的消長跟居住空間變化有關。在亞馬遜雨林,雨季大水消退後,河流兩旁土地淨空,這時紅火蟻的單蟻后會搶先飛來,占據領域築巢並繁衍後代,族群比較興盛。當紅火蟻越來越多、空間變擠,反而換成多蟻后族群比較興盛。

推測原因,可能是多蟻后巢能容納多隻蟻后、節省生存空間,所以在棲地不夠時,族群比較容易繁衍。不過等到下一次雨季,大水再次氾濫、消退,又會換成單蟻后族群強勢登場……兩者的族群消長呈現周期性循環,非常有趣。

實驗室的處女蟻后和雄蟻會不會交配,誕生新的族群?

紅火蟻要成功交配,必須經歷一個「婚飛」的過程。在春、夏繁殖期,有翅的雄蟻與處女蟻后會飛到巢外交配,之後蟻后再找適合地點建立新巢。螞蟻房也有雄蟻和處女蟻后,牠們有時會飛到盒子外。我們試過將雄蟻跟處女蟻后黏在小棍子、夾在鑷子上,進行人工配對。

結果發現:雄蟻想和處女蟻后交配,但處女蟻后會拒絕雄蟻,所以至今還沒有配對成功……

推測原因可能是溫度、濕度等條件不對 。總之,目前還沒辦法在實驗室繁衍新的族群。

除了入侵紅火蟻,螞蟻房還有養其他螞蟻嗎?

哈哈,大家出野外若發現其他種類的螞蟻,也會帶回來當「寵物」養,像我們也飼養熱帶火蟻熱帶火蟻和入侵紅火蟻是近親,推測在西班牙航海貿易時期被帶入,喜歡炎熱環境,主要分布在南部,目前與入侵紅火蟻各自稱霸南、北台灣。熱帶火蟻和入侵紅火蟻的外型非常相似,但有一種頭部特別大、大顎發達的兵蟻,主要擔任守衛工作;牠們喜歡吃種子,肌肉發達的大顎適合咬破種子。

熱帶火蟻有大頭兵蟻,入侵紅火蟻沒有兵蟻,只有工蟻,可用來區別兩種火蟻。 攝影/林洵安

照顧螞蟻大不易

在實驗室門口有張告示:「若您發現螞蟻在外煩請聯絡XXX……」呼呼,看來養螞蟻也是操碎了心,不但要置辦住屋、定期餵食、操心婚飛 (Nuptial flight),還要擔心牠們離家出走。

想知道王忠信助研究員在這群螞蟻軍團,找到了什麼重大的研究成果?不要錯過上一篇《對抗紅火蟻新兵法:破解關鍵基因,讓工蟻對蟻后下剋上?》。

王忠信副研究員與他的千軍萬「螞」。 攝影/林洵安

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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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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》