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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

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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。

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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」。

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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

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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。

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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。

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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?

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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)。

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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_96
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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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《世紀帝國II:決定版》之蟻群爭霸?!
胡中行_96
・2023/10/12 ・3293字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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風靡全球的電玩系列《世紀帝國》(Age of Empires),問世將近 26 年,歷經多次新作發表與改版。[1]終於,有生物學家發現它的附加價值,妥善利用於學術研究:2023 年 8 月澳洲聯邦科學暨工業研究院(CSIRO)跟西澳大學(University of Western Australia)隆重巨獻,於美國《國家科學院院刊》(PNAS)正式發表[2, 3]──《世紀帝國II:決定版》(Age of Empires II: Definitive Edition)之蟻群爭霸!

當然,微軟 Xbox 沒有業配贊助,論文標題也不長這樣,而且研究設計浪費了遊戲豐富的功能,玩法單調純樸。[1, 2]不過,成果依然獲得 YouTube 電玩頻道的專業評析,與網友的熱烈討論。[4]

CSIRO 釋出的《世紀帝國 II:決定版》戰爭畫面。圖/參考資料 3(© CSIRO;Fair Use

遊戲模擬

《世紀帝國II:決定版》的場景編輯器,允許玩家在地圖上,改變環境特徵,並配置人力與建物。遊戲裡軍民單位的行為,由32,000行的程式所控制:在「if… then…」的語法下,如果某單位滿足特定條件,便會引發對應的行為。與此研究有關的部份,規範敵軍進入反應半徑時,軍事單位必須向前移動並發動攻擊,但是對於友軍或中立者則一概忽略。其中精銳條頓騎士(Elite Teutonic Knight)的反應半徑為3個格子;而雙手劍兵(Two-Handed Swordsman)則是 4 個。[2]利用這樣的設計,便可以激發戰爭。

研究團隊選擇「標準」的遊戲難度,先讓精銳條頓騎士跟雙手劍兵單挑,直到一方陣亡,總共 10 次。如此確定前者的強悍名不虛傳,無往不利。接著每次出 1 名精銳條頓騎士,跟 2、3、4…8 名雙手劍兵對打,即至1:4 的時候,都還是精銳條頓騎士勝出。最後,研究團隊做了下列設定:[2]

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  • 藍軍:玩家控制;紅軍的敵人;擁有最高生命值和最強攻擊力的精銳條頓騎士,共 9 名。[2]
  • 紅軍:電腦控制;藍軍的敵人;以 20、30、40…100 名戰力薄弱的雙手劍兵,組成數個步兵團。[2]
  • 綠軍:電腦控制;藍、紅兩軍分別的友軍。[2]
  • 簡單競技場:以城牆圍出一塊不會遭藍軍或紅軍攻擊,形狀為長方形的綠軍地盤,讓藍、紅兩軍於其中捉對廝殺。[2]
  • 複雜競技場:先圈出一個簡單競技場,然後用步兵單位無法跨越的水域,在裏頭隔出3條巷道。每條都有3名藍軍的精銳條頓騎士駐守,與巷道外紅軍的雙手劍兵團對峙。[2]

在玩家完全不操作的狀況下,藍軍與不同人數的紅軍,於簡單和複雜競技場交戰。每種排列組合打 10 場,總共 180 場戰役。每場都要打到有一方被完全殲滅,才算結束。簡而言之,就是以不同的人數和場地,不斷重演一模一樣的情境。[2]「大概是遊戲最無聊的玩法」,論文的第一作者 Samuel Lymbery 博士抱怨。[5]整體來說,當紅軍人數增加到一個程度,藍軍的勝算便開始下降,而場地差異則會影響達到此變化的門檻。[2]

藍、紅兩軍在簡單競技場中對戰。影/參考資料 3(© CSIRO;Fair Use

螞蟻實戰

2021年 7 到 10 月間,研究團隊去西澳伯斯丘(Perth Hills)地區的小鎮Chidlow,找澳洲肉蟻(Australian meat ants;學名Iridomyrmex purpureus[註]),還有外來的阿根廷蟻(Argentine ants;Linepithema humile)。從兩者分別的 6 個聚落抓工蟻,數量恰為實驗所需,且不會危害蟻群續存。帶回實驗室後,將來自同個蟻窩的關在一起,用水、蜂蜜和死蟋蟀飼養。[2]

澳洲肉蟻與阿根廷蟻的工蟻,先一對一「釘孤枝」(tìng-koo-ki[6]),直到其中一方死亡為止。凡是有打起來的場次,一律由澳洲肉蟻獲勝。接下來,研究團隊以類似電玩版的模式,調整蟻群的大小與所處的環境,讓兩軍對戰。[2]

  • 澳洲肉蟻:每場戰役徵召20隻。[2]
  • 阿根廷蟻:每次發派 5、10、20、60、100、150 或 200 隻。[2]
  • 簡單競技場:10 公升裝的塑膠容器。[2]
  • 複雜競技場:在塑膠容器裡,用木板區隔出數條巷道。[2]

各種排列組合,照原計劃是要打 7 次,排除有技術性問題的幾次,最後總共進行了 93 場戰役。這裡與遊戲模擬的差別,在於限制時間長度為 24 個鐘頭,結束後統計雙方死傷,而非等到單方全軍覆沒。不意外地,澳洲肉蟻總是勝利,然而傷亡數量卻隨情況而異。[2]

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巨大的澳洲肉蟻;弱小的阿根廷蟻。圖/參考資料 3(© Bruce Webber CSIRO;Fair Use

人類與螞蟻

螞蟻之類的社會性昆蟲打起來,規模與人類的傳統戰爭雷同。[3, 5]澳洲肉蟻對上阿根廷蟻,就像精銳條頓騎士之於雙手劍兵。無論是實戰或電玩,少數強者跟眾多弱者戰鬥時,強者於複雜競技場的死亡率較低,而在簡單競技場則較高。所以戰爭的結果,「取決於戰場的特性」,Samuel Lymbery博士表示。[3]

侵略性的外來螞蟻,會攻擊本土動物,並破壞農作物。[5]阿根廷蟻雖然體型渺小,卻在人為環境或受人類影響的棲地大量繁殖,[2, 3]而且是最猖獗的外來種之一,每年造成全球 1 千 9 百萬美金的經濟損失[2]這是因為人類整頓地面時,移除了植物和自然碎屑,於是創造出簡單競技場般,空曠、開放的戰鬥場域。[3]對真實世界的螞蟻來說,簡單競技場就是人行道和公園;而複雜競技場為樹叢或木屑等。[5]總之,原本自然環境中,具有體型優勢、擅長單挑的澳洲肉蟻,在人為的干擾下,變得容易死於敵軍圍毆。[3]人類務必把複雜的結構加回去,才能減少外來者造成的物種失衡。[3, 5]

YouTube電玩頻道推薦

澳洲這篇論文在美國《國家科學院院刊》上線後,擁有 36.9 萬追蹤者的 YouTube 電玩頻道 Spirit of the Law,發表了一支 12 分鐘,深入淺出的影片,摘要研究重點,還提到其中運用的蘭徹斯特法則(Lanchester’s laws)。不到1個月,已有將近 30 萬人次觀賞。[4]影片下方留言區的科學家與資深玩家,不僅熱議這個描述第一次世界大戰前的戰爭型態中,戰力、人數與戰爭結果關係的數學模型,也執著於論文不影響結論的計算錯誤。[2, 4]發覺迴響熱烈的 CSIRO,感謝 Spirit of the Law 之餘,更將影片節錄到自己的頻道上推廣。[7]

CSIRO 節錄 YouTube 頻道 Spirit of the Law,對此研究的介紹。影/參考資料 7
YouTube 電玩頻道 Spirit of the Law 介紹用《世紀帝國》模擬螞蟻行為的研究。影/參考資料 4

備註

研究團隊把 Iridomyrmex purpureus,叫作澳洲肉蟻(Australian meat ant)。[2]這種螞蟻的學名,有多個中文翻譯。臺灣大學昆蟲系名譽教授吳文哲導讀,彰化師範大學生物學系教授林宗岐審訂的《螞蟻螞蟻:螞蟻大師威爾森與霍德伯勒的科學探索之旅》,稱其為紫虹琉璃蟻[8]

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參考資料

  1. Age of Empires. (26 OCT 2022) ‘Age of Empires – A Franchise History’. YouTube.
  2. Lymbery SJ, Webber BL, Didham RK. (2023) ‘Complex battlefields favor strong soldiers over large armies in social animal warfare’. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 12;120(37):e2217973120.
  3. Dewar I. (29 AUG 2023) ‘Ant wars: How native species can win the battle over invasive pests’. CSIRO, Australia.
  4. Spirit of the Law. (13 SEP 2023) ‘How AoE2 is helping scientists understand ants’. YouTube.
  5. Hughes M. (03 OCT 2023) ‘Scientists use Age of Empires computer game to simulate ant warfare’. ABC News, Australia.
  6. 釘孤枝」教育部臺灣閩南語常用詞辭典(Accessed on 06 OCT 2023)
  7. CSIRO. (24 SEP 2023) ‘Testing ant warefare models in Age of Empires II #ageofempires’. YouTube.
  8. Wilson EO, Hölldobler B.(05 SEP 2019)《螞蟻螞蟻:螞蟻大師威爾森與霍德伯勒的科學探索之旅》貓頭鷹出版社
胡中行_96
169 篇文章 ・ 65 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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面對螞蟻的防疫政策,蟲生真菌該如何生存下來?
one minute biology
・2023/07/03 ・2366字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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社交梳理以及令螞蟻聞風喪膽的黑殭菌

這三年來人類對抗新冠肺炎的防疫戰絕對是科學史上的重大突破,防疫的科學知識和技術出現突破性的成長。然而,不只人類通過合作對抗病原體,許多社會性的生物也會合作對抗病原。

以最著名的社會性昆蟲——螞蟻為例,牠們會幫助同伴清除身上的病原體真菌孢子,這種互相幫忙清理身體的行為在許多社會性的生物上都可以發現(例如獼猴、蜜蜂等),稱為社交梳理(Allogrooming)社交梳理是這些社會性動物對抗病原體的重要防線,可說是群居動物的獨特「防疫政策」。

正所謂道高一尺魔高一丈,致病病原體也不是吃素的,就像新冠肺炎病毒不斷有新的病毒株出現,感染螞蟻的蟲生真菌同樣也有一套對付螞蟻社交梳理的招數。今年發表在《Nature ecology and evolution》的論文就做實驗以了解:螞蟻的社交梳理行為是否會對黑殭菌(Metarhizium sp.)造成生存壓力,以及黑殭菌的應變策略進行探討。

黑殭菌屬的真菌屬於蟲生真菌的一類,如著名補品冬蟲夏草,具有感染寄生昆蟲並使其死亡的能力;因此,對於螞蟻來說,黑殭菌絕對是致命的敵人,若看到同伴身上有黑殭菌孢子一定要幫忙清除。

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螞蟻的「防疫政策」對黑殭菌造成生存壓力

首先,科學家想要透過研究「社交梳理行為是否會改變真菌群集組成」,來確認「社交梳理是否會對黑殭菌造成生存壓力」,因此使用六種不同菌株感染螞蟻,並將實驗分成「獨自面對真菌」以及「有兩名同伴照護」的組別,前者的螞蟻個體只能透過自身免疫力來抵抗真菌感染,後者則是有同伴幫忙清除有害真菌孢子。在感染真菌後的八天內,如果有螞蟻死亡,就會將這些孢子拿去感染新的螞蟻個體,並同樣分成兩組進行上述實驗,如此重複十個循環(圖一)。

圖一。實驗方法示意圖。圖/Stock et al., 2023

實驗結果顯示,社交梳理行為確實對真菌群集造成天擇壓力。獨自面對真菌的組別,在經過十個循環後出現較低的真菌多樣性(只剩兩株菌株),然而同伴照護組卻出現較高的真菌多樣性(還剩四株菌株),說明社交梳理行為足以影響菌株間的競爭。(圖二)。

既然螞蟻的「防疫政策」會對真菌造成影響,那麼真菌在螞蟻「防疫政策」的洗禮下,是否也會產生改變呢?答案是:會!

圖二、實驗結果顯示經社交梳理篩選出來的群集多樣性較高,代表社交梳理是足以改變真菌間競爭情形的天擇壓力。圖/Stock et al., 2023

黑殭菌利用「隱身術」騙過螞蟻的防疫政策

科學家首先針對真菌的兩項特徵進行研究:毒性(致死率)子代數量(產孢數)。研究結果顯示,經過社交免疫的篩選後,真菌的毒性有顯著的下降(圖三 a),然而產生子代的數量卻有所提升(圖三b)。

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圖三、經過社交免疫的選擇(同伴組)後真菌的毒性有顯著的下降,然而產生子代的數量卻有所提升。此外,相較於獨自組,同伴組的真菌孢子對社交免疫產生抵抗力,圖 a 中的兩條粉紅色長條說明經社交免疫篩選出來的孢子感染有無同伴的螞蟻致死率是一樣的。圖/Stock et al., 2023

更有趣的是,這些經過社交免疫篩選的真菌孢子竟提升對社交免疫的抵抗力!相較於獨自對抗真菌篩選出來的菌株,社交免疫篩選出的菌株再次感染單獨的螞蟻和有同伴照顧的螞蟻時,致死率竟沒有差異(圖三 a),這代表社交免疫已經失效了!

科學家猜想,這種現象源於螞蟻們不再好好清除同伴身上的致命孢子,實驗結果也確實顯示同伴螞蟻們似乎對於經社交免疫篩選出來的真菌孢子沒有敵意,因此大大降低清除這些孢子的意願(圖四 a)。與此同時,科學家還發現,經社交免疫篩選出的真菌孢子中「麥角固醇(Ergosterol)」的含量大幅減少,麥角固醇是真菌孢子中的重要組成成分,科學家懷疑螞蟻可能就是因為麥角固醇的幾少而無法辨識孢子。

最終的行為實驗結果支持了這個論點,若把麥角固醇塗在螞蟻身上可以吸引同伴前來清潔,構造相似的膽固醇則沒有類似效果(圖四c、d),因此,麥角固醇很可能就是吸引螞蟻進行社交梳理的標的!

圖四、圖 a 說明經社交免疫(同伴組)「訓練」出來的孢子能夠減少螞蟻幫忙同伴清除孢子的頻率;圖 c、d 則說明在螞蟻身上塗上麥角固醇會讓吸引同伴來社交梳理,構造與麥角固醇相似的膽固醇則無此效果。圖/Stock et al., 2023

不僅是本實驗的阿根廷蟻(Linepithema humile)被麥角固醇吸引並進行社交梳理,前人的研究發現另外一種社會性昆蟲——白蟻也具備類似的行為,科學家推測麥角固醇可能就是真菌避免被同伴螞蟻清除的關鍵。值得留意的是,麥角固醇的實驗結果可能也解釋了毒性下降以及後代數量提升,由於麥角固醇是真菌孢子重要的組成成分,因此若麥角固醇的含量改變將會導致資源的分配有所調整,毒性下降和後代數量提昇可能就是資源調整分配的結果。

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昆蟲的行為背後往往牽涉複雜的因素,麥角固醇是否真為引起螞蟻社交梳理行為的因素或是唯一因素仍需更進一步的證據支持才能夠確認。可以肯定的是,在螞蟻「防疫政策」的伺候下,黑殭菌正透過某種「隱身術」來躲避螞蟻的清除,這不由得令人想起 Jurassic Park (侏儸紀公園)中那句經典的台詞:

Life will find its way out.

參考文獻

  • Stock, M., Milutinović, B., Hoenigsberger, M., Grasse, A. V., Wiesenhofer, F., Kampleitner, N., Narasimhan, M., Schmitt, T. & Cremer, S. (2023). Pathogen evasion of social immunity. Nature Ecology & Evolution7(3), 450-460. https://doi.org/10.1038/s41559-023-01981-6

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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

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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。

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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。

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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。

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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。

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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》。