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揭露蜜蜂的防疫策略!——保持「社交距離」如何阻斷寄生蟲在巢內傳播?

Fisher_96
・2021/11/27 ・3047字 ・閱讀時間約 6 分鐘

昆蟲的群落中存在特殊的社會結構以及互動方式,使得牠們的接觸與聯繫都相當密集。這樣的行為模式帶給昆蟲很多優勢,牠們能夠更有效率地養育幼蟲、進行覓食與資訊傳播,或穩定環境以更有效利用儲存在巢中的大量食物。但同時,這樣高度密集的接觸也有可能為昆蟲的群落帶來不可挽回的缺陷——例如傳染病。

昆蟲會依據不同的年齡而有不同的工作,並產生不同的階級,不同階級在巢中所居住的位置也不同,昆蟲的巢中都會被組織成不同空間來利用。為了對抗疾病的壓力,群居的昆蟲還進化出了不同形式的社會防疫方式:昆蟲會透過行為的改變,來避免病原體入侵群落,而且病原體或寄生蟲等可能對群落造成傷害的外來壓力,還會是推動昆蟲群落組織的關鍵因素。

目前,已經有研究透過螞蟻與蜜蜂實驗證實,昆蟲會透過調整群體社交網路以及巢內空間使用,來降低微生物疾病傳播的風險,並且可以成功發展為組織免疫反應。群居昆蟲的巢穴中棲息著各種各樣的蟎蟲,某些種類會對群落適應性產生重大影響。這樣的防疫方式對寄生蟲也一樣成立嗎?

遭瓦蟎(圖中央蜜蜂背上紅點)寄生的蜜蜂。圖/WIKIPEDIA by Piscisgate

瓦蟎去去走!威脅蜂群生存的寄生蟲

瓦蟎(Varroa destructor,又稱狄斯瓦蟎)就是全世界蜜蜂生存最嚴重的威脅之一。瓦蟎會吸食蜂蜜體液,也會傳播各種病毒和病菌,若是幼蟲被瓦蟎寄生,在羽化後常會有翅膀變形或沒有翅膀而無法飛行,影響整個蜜蜂群落。因為這樣,瓦蟎在過去幾十年中,對整個北半球蜜蜂群落的衰落產生了巨大影響。

在蜜蜂族群的巢內空間中,最靠近中心的巢室由蜂后、幼蟲以及保育蜂構成。保育蜂是工蜂的一種,由羽化三天的幼年雌蜂擔任,除了照顧幼蟲與蛹,也進行與外部巢室的聯繫。外部巢室主要是工蜂的空間,保育蜂會在外部巢室為其他蜜蜂進行社交梳理(幫另一隻蜜蜂清除身上的髒東西和寄生蟲等的行為)。

在羽化一個月後,保育蜂會成為中年覓食蜂,負責出外採蜜,這時候牠們就可能會在花朵上遇到寄生蟲而不小心帶回巢中,進而影響整個群落。雌蟎會為了繁殖而寄生在保育蜂身上進入內部巢室。

瓦蟎不僅會吸食蜜蜂體液,還會傳染疾病/WIKIPEDIA

面對瓦蟎威脅,蜂群也會加大「社交距離」

為了查明蜜蜂族群在遭遇瓦蟎侵襲時,是否會啟動如前述遇到微生物疾病時的反應?近期倫敦大學學院(University College London, UCL)和義大利薩薩里大學(University of Sassari, Uniss)的研究人員共同在《科學進展》(Science Advances, AAAS)發表研究,透過觀察蜜蜂的空間使用和社交互動模式,發現當蜜蜂的蜂巢受到寄生蟲威脅時,蜜蜂也會增加社交距離來減少寄生蟲傳播。

研究團隊針對蜜蜂的群落進行了幾種實驗設定與假設。第一,觀察在野外環境中遭瓦蟎入侵的整個群落,以觀察特定免疫防禦策略的變化;第二,觀察在實驗室中對實驗感染瓦蟎的侵擾引起的社會行為變化,並依據社會免疫理論進行了預測,如下圖。

在實驗的第一部分中,團隊監測了巢中與寄生蟲傳播較密切相關的兩種行為:覓食舞蹈和社交梳理。覓食蜂在進入蜂巢後會進行覓食舞蹈,以將食物來源的確切位置傳達給其他覓食蜂,在有瓦蟎的蜂巢中,覓食蜂跳覓食舞的位置更集中在靠近蜂巢入口處,而在沒有瓦蟎的蜂巢中,覓食蜂跳舞的位置平均分布在巢中蜂巢入口的位置和蜂巢的中央。

奇妙的是,在感染組中,採蜜蜂仍然會在無蓋的育雛室中跳舞,團隊推測是因為在無蓋的巢室跳舞時,振動信號可以傳遞的更遠,而更可以有效將食物訊號傳遞給其他採蜜蜂(過去已經有研究確認)。同時,社交梳理也更頻繁地發生在蜂巢中央以及無蓋的育雛室中。

因此可以發現,蜜蜂固然會為了防疫而改變跳舞的位置,但還是需要在防止寄生蟲傳播以及群落內資訊傳遞的需求之間權衡,牠們也會同時透過過增加社交梳理的頻率以及改變位置來達成防止瓦蟎入侵的目的。社交梳理行為向巢穴中心的轉移,也就代表保育蜂(較年輕的工蜂)更集中在巢穴中心的位置,拉開了與較年長的其他工蜂的距離。

而在第二個實驗中,研究團隊觀察 1 天齡蜜蜂成長過程中的社交行為,包括社交梳理、觸角接觸和交哺行為,來確認蜜蜂群體是否會為了防止瓦蟎入侵改變社交行為。觸角接觸是蜜蜂用來識別與溝通的主要方式,交哺行為則是蜜蜂將液體食物分發給其他蜜蜂的過程。

團隊原本預測,在瓦蟎入侵的壓力下,社交梳理會增加,而觸角接觸和交哺行為會減少,降低巢穴中社交網路的凝聚力(即群體的聯繫程度),受感染群體的網路連接性和節點中心性(蜜蜂在社交互動網絡中的良好連接程度都會降低)。

蜜蜂會為了防疫而改變跳舞的位置,但也會為了資訊傳遞的效率不得不靠近容易被傳染的幼蟲。圖/Pixabay

揪甘心!遭寄生的蜜蜂獲得更多支援

研究人員在實驗中發現,有瓦蟎組中的蜜蜂接受社交梳理的次數增加,這是符合團隊推測的結果。不過與無瓦蟎組相比,在有瓦蟎組中觀察到的觸角接觸和交哺行為卻都增加了。實驗團隊推測,或許是因為觸角接觸可以放出巢穴中有寄生蟲的資訊,同時,感染了寄生蟲的蜜蜂,需要透過吸收更多營養來強健體魄、對抗寄生蟲,進而除去身上的寄生蟲。

看到這裡我們可以發現,蜜蜂對於蟎蟲的存在其實缺乏明顯的組織免疫策略,有蟎組的蜜蜂社會凝聚力並沒有降低,而且與其他蜜蜂相比,被瓦蟎感染的蜜蜂個體在社交網路中的地位也沒有降低,反而受到了更多的照顧。或許是因為,若過度劃分與受感染蜜蜂的互動,可能會導致蜜蜂社會的混亂,以及工蜂勞動力的流失。

雖然目前的實驗與推測沒有非常強力的證據支持,但至少可以看出,昆蟲的社會免疫策略還是會產生變化,並且這些變化在昆蟲社會中不同年齡或階級相互作用的重要性。

當然,前述蜜蜂的防疫策略,在昆蟲的行為與階級都擁有特定表現的基礎上,更有利於調整社會結構的特定變化(例如空間、頻率等),又能同時保持群體內的互動,更能讓昆蟲個體在利用社會行為好處的同時,盡可能將傳染病的特定風險降至最低,而或許對蜜蜂群體來說是利大於弊。

昆蟲個體既要維持對族群的貢獻,又要避免將疾病傳染給同伴。圖/Pixabay

畢竟,為了防疫所造成的社會疏遠對於所有群居動物來說代價肯定都相當高昂,這從 2020 年持續至今的 COVID-19 病毒來看更加明顯。人類在這樣的過程中要如何去拿捏利弊,基於人類社會的複雜性可能造成牽一髮動全身的成果,或許不同人、社會與國家都會有不同的想法與做法,而不像昆蟲行為能夠如此單純。但至少我們可以確定,就像蜜蜂群體的發展一樣,遲早會有一個平衡。

參考資料

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Fisher_96
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想藉由慢慢把知識收入囊中的方式來長大的一條魚,著迷於各種領域知識,想嘗試把困難的事情變簡單,並試著找方法讓自己跟別人都可以享受沒有目的性的吸收知識的快樂。


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水熊蟲真的能跟量子位元「量子糾纏」嗎?

linjunJR_96
・2022/01/20 ・2128字 ・閱讀時間約 4 分鐘

身形嬌小的水熊號稱地表最強生物,能夠透過獨特的「隱生」能力在最極端的環境下存活。這種狀態有點類似冬眠,遇見不利生存的條件時將所有代謝活動停止。

近期,有一國際研究團隊宣稱這種生物還有另一種出乎意料的能耐:和超導量子位元進行量子糾纏。用生物體做量子糾纏可是前所未聞,讓大家都嚇壞了。不過這個實驗究竟做出了什麼結果,讓作者可以做出這種宣稱?科學家沒事又為什麼要去抓水熊來糾纏呢?

掃描式電子顯微鏡下的水熊成蟲。圖/EOL

什麼是量子糾纏?

量子糾纏是量子力學獨有的一種描述,至於實際上到底是在「糾纏」什麼,可以參考先前這篇文章[2]

儘管名字聽起來很神祕,但量子糾纏並不只存在於科幻電影和內容農場,現今在實驗室中造出糾纏的粒子對早已是稀鬆平常的技術。量子計算和量子傳送等應用領域就是以糾纏作為基礎發展至今。

雖然這樣說,但利用糾纏粒子將物品或人類在星際間傳送的夢想可能還得再等等。因為目前能夠成功被「糾纏」的都是個別的金屬離子、奈米大小的粒子、和鑽石結晶這類易於控制,結構簡單的微小目標物。

相對於這些乾淨整齊的系統,生物體的結構可說是極為雜亂複雜,難以成為量子實驗的對象。

此外,為了減少物質本身熱能所帶來的振動影響,糾纏的實驗程序時常需要在接近絕對零度的低溫環境下進行。在這種溫度下不只生命無法延續,許多物質的特性也都已經改變。

因此,儘管實驗方面已經發展許久,要對活生生的生物進行量子糾纏仍是相當遙遠的目標。對量子力學來說,整個生物世界太亂又太熱,完全不會想靠近一步。正因如此,這篇拿水熊做實驗的文章才引起了大家的關注。

水熊和超導量子位元的糾纏

水熊一般只有幾百微米大,算是「巨觀」生物中相對微小的種類,要做量子實驗的話較好下手;更重要的是水熊能夠以隱生狀態度過嚴苛的實驗環境,爾後再重新恢復活力,如此一來要是成功便也算是對生物體進行量子糾纏了。

實驗團隊於是將一隻水熊放到了絕對溫標 0.01 度(也就是只比絕對零度高 0.01 度),同時接近真空的環境中,在此和兩個超導量子位元進行實驗。他們將水熊放入其中一個量子位元零件中,並觀察到位元的共振頻率產生改變。接著他們用常見的量子計算程序將兩個位元進行糾纏,並測試糾纏結果。

根據測試的結果,作者宣稱水熊和兩個量子位元形成了三個位元的組合態。也就是說,水熊在這裡變成了第三個等效的量子位元,和另外兩個超導位元糾纏在一起!實驗結束後,水熊周遭的溫度和壓力被緩慢恢復至適合生存的範圍,最後重新開始代謝活動。

作者宣布他們突破了以往的實驗限制,打開了通往量子生物學的大門,並以「水熊和超導量子位元的糾纏」為題,將文章的預印版放上了 arXiv 網站,引起科學界一片譁然。

圖/GIPHY

等等,這其實不用量子力學也能解釋

雖然實驗相當有趣,媒體也爭相報導,但是許多物理學家認為這份研究的標題過為聳動,突破性恐怕也是過於誇大。

超導量子位元其實跟一般電子零件一樣,裡面有電容、電感等等基本單元所組成的電路;而接近絕對零度的水熊,基本上能當成一小團冰塊。

實驗團隊將冰塊放到電容裡面,會改變它的共振頻率等特性其實不足為奇。如果電容裡面掉進了一些灰塵,其電路性質也會受到類似的影響。

不論零件中放入冰塊,灰塵,還是螞蟻,這些影響都是「傳統」的電磁學可以描述的,並非量子現象。

也就是說,作者宣稱的「整隻水熊做為一個量子位元進入了量子糾纏態」這個解讀不只言過其實,甚至有誤導之嫌。這篇文章目前還未投稿至期刊,因此沒有經歷同行科學家的審查,還不算是夠格的科學實驗結果。

關於這份研究有哪些方面需要改進,目前仍是備受爭辯的有趣問題。不過有件事是大部分人都同意的,那就是這次實驗再度刷新了水熊生存能力的極限。或許將來某天,水熊的隱生能力真的能成為生物世界和量子物理之間的橋樑。不過就目前而言,好奇心滿點的物理學家得再更努力些。

編按:該如何驗證量子糾纏,可以參考〈驗證量子纏結的貝爾不等式 │ 科學史上的今天:06/28〉,此論文的主要問題是不能藉由實驗設計,來確認三者共振頻率改變是源自於量子糾纏。

參考資料

  1. 看過「水熊蟲」走路嗎?——牠的步態與 50 萬倍大的昆蟲很相似!
  2. 照出黑洞不算什麼,科學家連量子纏結都能拍到!?
  3. 水熊和超導量子位元的糾纏(原文)

linjunJR_96
2 篇文章 ・ 2 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。