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傾盡一生研究螞蟻的「蟻人」——愛德華.威爾森

活躍星系核_96
・2021/12/29 ・4619字 ・閱讀時間約 9 分鐘

命中注定的螞蟻

16 歲時,愛德華.威爾森(Edward Osborne Wilson)就想明白了,他要研究螞蟻。威爾森從小喜歡研究動物,小時候生活在海邊,對水母和魚十分著迷,早早立下了成為生物學家的志向

演化生物學家愛德華.威爾森。圖/ Wikipedia

但天意弄人。他有聽力問題,聽不到高頻聲音,因此青蛙之類叫得歡的動物,他研究不了。再有,7 歲時的一次釣魚,他不小心刺瞎了右眼,僅靠一隻眼睛無法立體成像,因此像鳥這種運動敏捷的動物,他也無法觀察。

好在,上帝關了門,也會打開窗。右眼失明後,威爾森的左眼視力反而超過常人,能讓他觀察到很細小的事物。雖然威爾森聽不得叫聲,看不到運動,但超強的細節觀察能力,讓他的研究對象鎖定在了昆蟲。但世間昆蟲也千千萬萬,該研究哪種呢?1945 年秋天,16 歲的威爾森開始嚴肅考慮起自己的未來,他想:

必須選出一些能使我成為世界權威的昆蟲。 」

首先排除蝴蝶,因為它們太有名了,已經有許多出色的學者在研究它們。蠅類看起來比較有希望,它們到處都是,而且種類繁多。雖然家蠅以及糞蠅敗壞了雙翅目昆蟲名聲,威爾森卻十分欣賞它們的利落身姿和悠閒態度。行動力極高的威爾森著手準備工具:瓶子、標本盒,以及一種特製的昆蟲針

天意再次弄人。這種昆蟲針,當時主要由捷克斯洛伐克製造。1945年,捷克斯洛伐克加入了蘇聯陣營,他再也買不到這種針了。

於是,威爾森將目光投向了螞蟻。在過去的 5000 萬年裡,螞蟻一直是地表上佔壓倒性多數的昆蟲,分佈在幾乎每一寸陸地上。此刻,有至少 1 千萬億隻螞蟻生活在人類周圍。

就這樣,威爾森在 16 歲時確定了自己一生的研究對象。

年輕的權威與螞蟻的複仇

自從下定了研究螞蟻的決心,威爾森真是什麼都敢做。25 歲,他與未婚妻分別,隻身前往新幾內亞的熱帶雨林轉了一圈。為收集當地才有的特種螞蟻,他忍受著酷暑、瘧疾、水蛭、甚至還有不知名的殺人逃犯。26 歲,威爾森從哈佛博士畢業,這期間主要研究了螞蟻的分類問題。

「分類」絕不是簡單的給生物貼標籤。在當時,有權進行生物分類的人,往往是某一物種的權威人物。他們需要透澈了解文獻裡有關該物種一切,唯有如此,才能鑑定出選定的物種到底是哪種。

一位分類學家,可謂是這種生物的「大總管」兼「發言人」。

作為已經勝任螞蟻分類的人,威爾森博士畢業沒多久,就得到了哈佛大學的終身教職。但威爾森的螞蟻研究,卻給哈佛帶來一場「小災難」。

20 世紀 60 年代的一天早上,生物系一位研究員的移液器(pipette)不能用了,仔細一看,原來是一隻螞蟻堵住了前端處的針管。這天午餐時分,許多教職工發現,在三明治和漢堡上,有一些黃色的小螞蟻。

「災難」初露端倪

當天下午,整個生物系室內的玻璃器皿、文件袋、筆記本中,都出現了黃色螞蟻的身影。蟻群,正在經由大樓中的牆縫與管道,向四面八方散播。

這種黃色螞蟻,叫「法老王蟻」,是一種源自東印度群島的害蟲,能損害建築,還會傳播細菌。

小黃家蟻
法老王蟻(又稱法老小家蟻)。圖/中文百科全書

正如你想的那樣,法老王蟻就是從威爾森的實驗室跑出去的。這種螞蟻的生存和繁殖能力太強了,哈佛花了數年時間,才逐漸控制住了它們的規模。這一場「災難」,被威爾森戲稱為「螞蟻的複仇」。

怎樣湊齊十萬隻螞蟻?

隨著科技的進步,人們的觀察範圍逐漸超脫出五感的局限,嶄新的世界在科學家面前展開。生物學家們發現,大部分的動植物可以通過釋放化學信號,來進行溝通。這些化學信號統稱為費洛蒙(Pheromone)。自然而然,威爾森想知道,螞蟻怎樣使用費洛蒙交流

Peony, Bud, Ants, Rain, Drops, Raindrop, Nature, Macro
螞蟻如何使用費洛蒙交流呢?圖/Pixabay

首先,通過解剖,他發現螞蟻體內達氏腺可能含有費洛蒙。但是如何分析這些費洛蒙的成分,卻是個大難題——每隻螞蟻體內的關鍵物質只有十億分之一克。當時,最先進的分析手段,可以鑑定百萬分之一克的微量物質。換句話說,需要十萬隻螞蟻才能湊足實驗所需的最低劑量。

但要上哪裡找這麼多的螞蟻?此時,威爾森的豐富經驗起到了作用。有一種火蟻,當河水暴漲淹到蟻窩時,工蟻就會結成一團緊密的球,浮在水面上,保護蟻后及幼蟻安全轉移。

於是,威爾森開車來到盛產火蟻的南方鄉間。這裡簡直就是螞蟻們的「北上廣」,整片草地上到處都是半人高的蟻窩。

威爾森的團隊成員把蟻窩鏟起,放進水溝中,螞蟻就會都浮出了水面,抱成一團。大家趕緊用鏟子,把這些螞蟻球收集起來。當然,火蟻也不是吃素的,被它刺到,皮膚會像被火灼燒的痛。只要有機會,蟻窩裡的每一隻螞蟻都想連續刺你十幾下。

在被火蟻叮咬的體無完膚之後,威爾森終於收集夠了材料,順利成功完成了螞蟻費洛蒙的研究。

生物學的岔路口——進化生物學該走向何方?

通過螞蟻的收集、分類和費洛蒙的研究,威爾森早已實現了他在 16 歲發下的心願——成為生物學領域世界級的學者。然而,當他自覺走上人生巔峰的時刻,他所處的進化生物學領域,遭到了一次巨大的衝擊。

衝擊來自一門嶄新的學科——分子生物學,顧名思義,是指在分子層面對生物進行研究。這一學科的奠基人與領軍者是詹姆斯.沃森,諾貝爾獎得主,DNA 雙螺旋結構的發現者之一。

詹姆斯.沃森。圖/Wikipedia

年少成名的沃森,心高氣傲,認為生物學必須轉換成由分子及細胞所主導的科學,而且生物學還必須改用物理及化學語言來重寫。沃森甚至認為,從前所建立的生物學中充斥著一批批「才智平庸之人」。

分子生物學在短時間內取得了一系列重大的成果,而大獲成功。幾乎在一夜之間,生物學界人人口中必說分子、蛋白質、DNA。面對新興學科的強勢,以威爾森為首的進化生物學家們,可不打算臣服在這一群「連紅眼蜻蛉和螻蛄」都分不出來的「試管操作員」的手下。

威爾森等人的反擊點在於:如果放棄個體、種群以及生態,去談論生物學,無疑是一種「愚蠢」的方法。兩派最僵的時候,在走廊裡碰頭沃森對威爾森都不會打招呼。

此時的分子生物學家信心十足,深信未來屬於他們。他們的目的是:從分子到細胞再到生物個體,在微觀的層面解決關於生命的科學問題,自下往上進行一場生物學的革命。那麼,威爾森的進化生物學,能帶來什麼突破呢?

經過漫長的探索,威爾森決定把生物學帶到社會層面

別人落水了,你救不救?

幾十年來,在觀察了數十種螞蟻的生活後,威爾森形成了自己最重要的學說——社會生物學。

社會生物學,是威爾森從進化的角度,來解釋生物社會行為的學說。該學說的著名成就之一,是解釋了「利他行為」。或者換一種說法:「別人落水了,你救不救?

達爾文的進化論,核心是自然選擇,其對像是生物「個體」。理論上自然界的所有生物都應該是自利的,也就是「別人落水,你不能救,這樣你才能活下去」

但顯然,這個說法是有違常識的。為了解釋這種利他行為,學者威廉.漢密爾頓,提出了「親緣選擇」(Kin Selection)理論:利他行為的目的,是確保有近似基因的個體能存活下去。也就是說,自然選擇的對象是「基因」

當別人落水,救不救要看血緣關係:自己孩子落水,拼了命也要救;叔叔或侄子落水,可能水不太深才會去救;陌生人落水,自己在岸邊喊救命。

親緣越近,真的利他性越強嗎?威爾森不同意漢密爾頓的觀點。威爾森認為:「親緣選擇」意味著我們要時刻「算計」著,看別人落入危險,先要查查他和自己的家譜,看看是不是血親?

為什麼我們願意為完全陌生的人幫忙,甚至付出生命——想想那些在前線戰鬥的士兵,或者在火場冒險的消防員,他們完全是在保護陌生人。為了解釋這一現象,威爾森通過研究螞蟻的社會行為,構建了數學模型,並為「利他行為」提出了另一種解釋——「群體選擇」(Group Selection)。

自然選擇的對象不是達爾文的「個體」,也不是漢密爾頓的「基因」,而是生物「群體」。利他行為的發生,是為了確保自己所處的「群體」活下去

一對裂唇魚(Bluestreak cleaner wrasse)正在替一尾疊波蓋刺魚(Blue angelfish)清理魚鰓中的寄生蟲,蓋刺魚藉此也可擺脫寄生蟲的困擾,維持魚體的健康(攝於台灣綠島石朗海洋保育區)。圖/Wikipedia

威爾森也用實驗證據,支持這一模型:把一些分屬不同譜系的螞蟻,從小放在一個蟻巢裡養大。這些毫無親緣關係的螞蟻之間演化出互幫互助和奉獻精神。

也就是說,開啟螞蟻利他行為的,不是基因,而是群體的共同成長

群體選擇理論雖然不是威爾森首創,但他成功通過數學與實驗的方法,論證了其合理性。當,「親緣選擇」與「群體選擇」在學界仍沒有定論。但威爾森的理論,無疑給回答這一問題找到了新的科學視角。

威爾森進一步把相關理論擴展到了人類,從社會生物學的角度,他解釋了人類的社會分工、親緣關係,階層,兩性分工、親子關係、部落主義、民族國家等等。

簡單來說,威爾森重新解讀了「人性」。

當然,研究一旦觸及「人性」,往往會引起巨大的反彈:有人認為威爾森的學說為種族主義提供了土壤,也有人反對僅僅從螞蟻、蜜蜂這樣的「低等動物」來推論人的行為。曾有 137 位科學家聯名反對威爾森的學說;在一次公開演講時,反對者甚至還潑了威爾森一身冷水。

面對反對的聲音,威爾森早做好了準備。作為一名科學家,他覺得自己有責任去「思考一些宏大的問題」,「(為人類建立)全面、正確的自我認知」。回看威爾森的研究生涯,他認真研究了螞蟻的一切,在此基礎上,他還想窺探一些生命的奧秘。

無論正確與否,威爾森已經為我們重新認識人類自身,提供了一種可能。

暮年

幾年前,威爾森在自家花園接受采訪。記者還沒來得及說話,耄耋之年的威爾森,俯下身,撿了一隻螞蟻,並喃喃自語:「我得先找個小瓶子把它裝起來,研究一下。」就像 16 歲時那樣。


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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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「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。