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鑽來鑽去,生態系統的建築師——掘穴者

嚴融怡_96
・2021/06/06 ・2857字 ・閱讀時間約 5 分鐘

生態系統當中的掘穴者 (burrowers / diggers) 經常都很隱匿或是不太起眼,除了那些較大的鼴鼠、草原犬鼠、穿山甲、狐狸、貛、袋熊等動物,或是某些比較有名的掘穴鳥類像是翠鳥、棕沙燕、蜂虎等等。有更多的掘穴者,是那些絕大多數時光都待在土壤或水域沉積物裡面活動的動物群,如蚯蚓、白蟻、蟹類和各類蠕蟲等等。

翠鳥。圖/Wikipedia

較大的掘穴者對於生態系統經常都是擔任初級洞巢者 (Primary excavator) 的角色,牠們所興築的洞穴經常在廢棄之後可以作為次級洞巢者 (secondary cavity nester),像是貓頭鷹或某些雀形目小鳥的巢窩,牠們還會對這些洞穴做一些改造。

而有些特殊的互動也是在這種情境下發生的,如草原犬鼠和穴鴞的關係很好,還會主動將一些洞穴分給穴鴞居住,讓穴鴞協助防禦外敵。或者,袋熊的家會連結很多洞穴,這樣的習慣在澳洲森林大火事件中間接讓很多小動物們受益。科學家發現很多小動物因為在大火當中躲藏在袋熊所修築的洞穴當中,因此得以倖免罹難。

掘穴者塑造了生態地貌

從微域的地貌來看,掘穴者還是生態系統很重要的塑造者,無論是小至蚯蚓和海洋蠕蟲所在各類土壤或沉積物的掘穴,可能會造成水分優勢流動路徑的產生,影響養分循環的進程;或是大至土豚這類大型動物,透過大規模挖掘洞穴與破壞白蟻穴等,對於生態地貌的塑造等。

白尾草原犬鼠(Cynomys leucurus)是草原犬鼠的一種,也是陸地生態系統當中重要的掘穴者之一。圖/Wikipedia

蚯蚓作為土壤當中最重要的掘穴者,大部分種類的蚯蚓所吃進的腐植質與土粒,經過消化之後會再形成富含各類較容易利用的氮、磷、鉀等養分,並且土壤也能透過它們的掘穴和翻攪等等而使土壤的團粒結構發展得更好,也更肥沃。蚯蚓的掘穴與活動過程,還有利於加強土壤微生物群落,和各類微形動物群落的生物聯繫,並增強土壤生態系統的多功能性。一般在土壤含水量充分高的情況下,蚯蚓的活動、豐富度與生物量往往也會隨著溫度的升高而增加。

然而,晚近以來的氣候變遷所導致的乾旱和洪水等極端天氣,正在對於全球的許多蚯蚓產生有害影響。有些條件還會導致蚯蚓的分布產生較大的改變,而這些從生態系統底層所產生的改變,其實也會逐漸對於地上的生物產生影響。

交配中的蚯蚓。蚯蚓一直都是最著名的掘穴動物群。對土壤環境的塑造舉足輕重。圖/Wikipedia

海洋中的掘穴者們

海床和潮間帶環境,一如陸地土壤,也有許多一大群掘穴動物生存,像是為數眾多的招潮蟹會開鑿複雜的洞穴體系,彈塗魚也會為自己挖掘掩蔽洞穴。而螻蛄蝦(蝦猴)則終年蟄居於蜿蜒泥沙洞中,最深還可達 1 公尺。

海洋當中還有各類多毛類環節動物所挖掘的洞穴,像是沙蠶、博比特蟲等,或是由吃食碎屑物的方格星蟲所挖的洞穴、經常在珊瑚礁沙質底泥利用尖硬尾部鑽沙洞而將身體埋入其中的花園鰻等等。

這些掘穴動物同樣會對微域環境的地貌甚至化學物質的循環產生各類的影響。

法國地質學家Joachim Barrande所製作的三葉蟲群像圖。三葉蟲作為古生代最有名的海洋動物群,實際上許多種類應該也都是古生代時期舉足輕重的掘穴者。圖/Wikipedia

早期的掘穴者如何改變世界

事實上,掘穴動物在生態系統中,可能早在久遠的古生代寒武紀時期,就已扮演關鍵性的角色。根據耶魯大學 Lidya Tarhan 團隊的研究顯示,棲息在海底沉積物中的掘穴動物,早在大約 5.41億年前的寒武紀早期,就已開始擴散並且變得活躍起來。

根據化石記錄,早期的掘穴動物們同樣也是寒武紀大爆發的成員,在這一時期,大多數具備複雜身體造型與生物行為的動物群體都陸續開始出現。由於牠們掘穴行為的生物擾動 (biological disturbance) 會改變沉積物的沉積過程,或者造成沉積物的混合作用,因此也會影響大氣和海洋的化學循環,像是改變海洋的磷循環、硫酸鹽濃度以及大氣當中的氧氣含量等等。

寒武紀大爆發時期海底的歐巴賓海蠍。圖/Wikipedia

事實上,早期掘穴動物的出現,增進化學循環的複雜程度,也可能促進了生產力日益提高和複雜型態生態系統的出現。牠們甚至還可能是寒武紀大爆發的重要推手之一。

南丹麥大學 Richard Boyle率領的研究團隊推測,第一批掘穴而居的動物們,可能在穩定地球氧氣庫方面發揮了重要作用。牠們可能顯著增加了含氧水域和海洋沉積物接觸的程度。

暴露在含氧條件下,會導致棲息於沉積物當中的細菌將磷酸鹽儲存在細胞中。因此有掘穴動物們擾動混合的沉積物當中,磷的埋藏量會增加;而這又可能反引致海洋磷酸鹽濃度、有機碳埋藏與氧氣含量的減少。

耶魯大學的Lidya Tarhan團隊認為,大氣的氧氣含量,往往與有機碳的掩埋直接相關。隨著海洋掘穴動物們開始進行廣泛性的生物擾動,造成有機碳的掩埋減少,越來越多的氧氣被運用於生物的呼吸作用來處理那些碳,因此氧氣量也就跟著減少了。因此地球氧氣的穩定,與掘穴動物的行為有很大的關聯性。

甫誕生就開始影響生態環境的掘穴動物群

不過,那些最古老的掘穴動物群其實行動緩慢,仍舊無法和現今的掘穴動物們相提並論。

事實上,根據最近的研究顯示,海洋當中真正大規模的生物擾動現象,比過去科學界所認定的年代還要延遲了數百萬年,大約要在 1.2 億年後的志留紀晚期,才開始了重要的生物擾動情形。所以即便 5.41 億年前的寒武紀大爆發時期,動物物種的複雜性和多樣性都明顯擴大許多。掘穴動物並非在寒武紀大爆發時期那個階段,就已到處掀起對於海洋和大氣化學的急遽影響,這中間仍然有一個遲滯的時間。

只是打從牠們剛剛誕生,所對於其他動物以及生態環境的影響就已不可小覷。

可以想像一些三葉蟲和甲殼類動物在沙泥當中鑽來鑽去,牠們或許不是生態系統中的頂級掠食者,但卻擁有對於生態系統重要的形塑能力。無論如何,我們都應該更為佩服這些塑造生態系統的掘穴者們!

參考資料

  1. 沙泥灘下的寶貝——螻蛄蝦
  2. 海洋萬花筒─美食螻蛄蝦簡介 
  3. Ancient dirt churners took their time stirring up the ocean floor
  4. Burrowing animals may have been key to stabilizing Earth’s oxygen   
  5. Climate change effects on earthworms – a review 
  6. Earthworms Coordinate Soil Biota to Improve Multiple Ecosystem Functions
  7. Revenge of the seabed burrowers: Taking another look at bioturbation and ocean ecosystems  
  8. Take a look at biological disturbances and marine ecosystems again
  9. Wombats: The Furry Heroes of the Australian Wildfires

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嚴融怡_96
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曾就讀中興大學土壤環境科學系,曾在中央研究院地球科學研究所擔任助理,長期作為台北鳥會的生態解說志工,並曾在多個學校社團擔任過講師;喜歡生態學、環境科學、地球科學、生物學、與科學史等領域,對科普教育和環境教育都有著很大的熱情。居里夫人曾說:『我們應該不虛度一生,應該能夠說我已經做了我能做的事。』希望一生都徜徉在科學的星河當中。


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「你不要過來啊!」蜘蛛為了在交配中保命,竟然把自己給射出去了!

Peggy Sha
・2022/05/18 ・1686字 ・閱讀時間約 3 分鐘

自然界中,充滿了不少為了交配而「慷慨赴義」的勇者,像是:螳螂、蜘蛛等等,在激戰中或激戰後,雄性會變成配偶的盤中飧,如此一來,不僅可以延長交配時間、增加受精機率,還能為雌性提供養分,讓後代更有機會健康快樂地成長!(讓我們感謝飛天小爸爸的努力!)

「性食同類」不僅可以延長交配時間、增加受精機率,還能為雌性提供養分,讓後代更有機會健康快樂地成長!圖/Pixabay

這種現象呢,被稱之為「性食同類」(sexual cannibalism),通常是雌性吃掉雄性的比例稍微高一些。

但正如俗話所說,「生命會自己找到出口」,竟然有雄性蜘蛛靠著把自己「射」出去來保下一命!今天,就要來為你講述,隆背菲蛛(Philoponella prominens)的噴射故事。

交配到一半就彈出去了?超離奇高速彈射之謎!

這次的主角隆背菲蛛呢,是一種原產於日本、韓國等地的社會性動物,過去驚人的成就包括:能夠一次聚集 300 多隻同伴,共同編織出一片大網。

至於牠們超強的彈射能力又是如何被發現的?原先,來自湖北大學的張士昶副教授與團隊正在研究隆背菲蛛的性行為,卻忽然發現了一個超離奇現象:完成交配之後,雄蛛居然會猛然彈開,「biu」地一下就飛得老遠!

這驚人的過程可說是快到不可思議,最高紀錄達到一秒 88.2 公分,別說是肉眼,就連普通相機都沒辦法正確紀錄下細節。

這個現象立刻引發了研究團隊的好奇心,那麼接下來該怎麼辦呢?當然是:交配大戰看起來!

射,還是不射?這是個攸關性命的問題!

為了進行研究,團隊總共觀察了 155 次交配行為,並在其中 152 次中觀察到了這種超高速的彈射情形。你可能會很好奇,那剩下的 3 次呢?嗯……那 3 隻隆背菲蛛沒有成功彈射出去,交配後就成了配偶的大餐了。

什麼?沒彈掉就會被吃掉?這究竟是巧合還是命運的安排?

研究人員決定出手人為干預一下,他們選了 30 隻隆背菲蛛,然後想辦法阻止牠們彈射,結果發現:「彈射=保命」,要是你射不出去,那你就逃不過配偶的大口,注定要變成人家的晚餐。

要是隆背菲蛛彈射失敗,那就逃不過配偶的大口,注定要變成人家的營養來源。圖/Pixabay

相反地,如果成功彈出去了,那麼,你不但可以保命,也多了再次交配的機會。嘿,沒錯,牠們彈出去後還會再爬回來交配,再彈、再爬、再交配,就如此反反覆覆。(當然啦,有時也會在過程中不小心弄掉一些身體部位,比如一兩支步足。)

想要成功噴射,你需要一對強壯的步足!

至於為何隆背菲蛛能變成這樣的飛天小蜘蛛呢?秘密就藏在牠們的步足中。研究團隊發現,雄蛛們會將第一對步足抵在雌蛛身上,一旦交配完成,就用力蹬腳彈射出去。

根據實驗,科學家們發現這對步足可說是噴射與交配關鍵,少了一支都不行,只要沒有這對秘密武器,雄蛛只會停留在求偶階段,但不會真的跟雌蛛交配。但如果掉的是其他幾支腳,那可完全不會影響交配過程,還是能順利完成生育大計。

而這對秘密武器最強大的地方,其實是來自液壓;只要蜘蛛擠壓胸部的肌肉,便可以將其中的體液注入特定關節(tibia–metatarsus joint),透過液壓來伸直步足、產生彈力。

沒想到吧?為了在交配中保命,隆背菲蛛還得運用到流體力學,是不是很有趣呢?

參考資料:

Male spiders avoid sexual cannibalism with a catapult mechanism: Current Biology
These male spiders catapult away to avoid being cannibalized after sex
Watch These Male Spiders Jump Like Hell to Avoid Being Eaten After Sex
This Male Spider Catapults Itself Into the Air to Avoid Sexual Cannibalism | Science| Smithsonian Magazine
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Peggy Sha
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曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。