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飛天蝸牛的奇幻旅程

葉綠舒
・2011/09/14 ・569字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 435 ・四年級

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北美洲南部及中美洲的兩岸住著兩種不同的鐵針螺(horn snail,屬名為Cerithideopsis ;因為他們的形狀跟台灣的鐵針螺[俗稱燒酒螺]類似,所以筆者借用了這個名稱)(1),住在太平洋岸的稱為太平洋鐵針螺(Pacific horn snail, Cerithideopsis californica),住在大西洋岸的稱為大西洋鐵針螺(Atlantic horn snail,C. pliculosa)(2)。

這兩種鐵針螺原本是同種的生物,但在3百萬年前中美洲地峽升起後,因為地理環境的隔絕,使得地峽兩岸的鐵針螺各自演化,最後成了兩種。

但是最近的研究發現,雖然地峽將牠們分開,但在這三百萬年間,兩種鐵針螺之間仍有基因的交換;到底這是如何達成的呢?

由於鐵針螺的外殼又厚又硬,研究團隊提出一個說法:在地峽兩岸同時出沒的海鳥,在無意中擔任了這個交流大使的任務。

怎麼說呢?原來當海鳥把鐵針螺吞下去的時候,有些在海鳥的消化道中存活了下來;這些沒有被消化掉的鐵針螺,當海鳥飛到地峽的另一岸時,隨著海鳥的糞便排出去,見到了牠幾十萬、幾百萬年前的表親,然後基因的交換就這樣發生了!

記得小時候看過的木偶奇遇記嗎?小木偶到了鯨魚肚子裡見到了他的義父,原來可以在動物的腸子裡生存的生物不只有小木偶和他的義父,鐵針螺也是其中的一員啊!

參考資料:
1. 北門濱海常見產食用貝類
2. Science Now. 2011/9/13. Did Flying Snails Cross Mexico?

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葉綠舒
262 篇文章 ・ 8 位粉絲
做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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世界最小微型電腦,揭開蝸牛躲過大屠殺的可能原因!
羅夏_96
・2021/07/05 ・3890字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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生物滅絕是我們所不樂見的,當我們在新聞報導上看到某些物種滅絕,或者瀕臨滅絕,總會感到痛心疾首。不過你知道在過去 50 年間,有一群生物經歷了近乎完全滅絕的慘案,但卻不太為人所知嗎?接下來讓我們一起了解這個悲劇的始末,與殘留的生物究竟是怎樣躲過滅絕的。

太平洋島嶼的蝸牛多樣性世界第一

一般大眾可能對蝸牛的興趣不大,不過在太平洋的眾多島嶼上 (從法屬玻利維亞群島到夏威夷群島),當地原住民就對蝸牛非常感興趣。這是因為這些島上的原生種蝸牛,許多都有著鮮豔的外殼。像大溪地和夏威夷的原住民會收集並加工這些漂亮的蝸牛殼,做為展示地位象徵的首飾與裝飾品。

根據研究,太平洋群島上的蝸牛多樣性是世界上最高的,因此這些蝸牛不只吸引原住民,也吸引不少研究生物多樣性的專家前來朝聖。

而一場戰爭的到來,不僅打亂了島上居民的生活,也為這些在島上平穩生活的蝸牛們帶來意想不到的腥風血雨。

夏威夷蝸牛- 维基百科,自由的百科全书
被當作裝飾品賣的夏威夷蝸牛殼。圖/Wikipedia

外來種大亂鬥,原生種蝸牛遭池魚之殃

二次大戰期間,非洲大蝸牛 (Lissachatina fulica) 作為戰備糧食,被大量引進到這些太平洋島嶼1。而在戰爭後,這些非洲大蝸牛很快就成為當地島嶼的隱患。

非洲大蝸牛是對農業有嚴重危害的外來種,牠們的食量大且食性雜,從農作物、花卉到林木都是牠們的食物,而且牠們的繁殖速度極快,這讓島上很快就遍布非洲大蝸牛。雖然非洲大蝸牛沒有威脅到原生種蝸牛的生存,但數量龐大且食量巨大的非洲大蝸牛,很快就威脅到島上的農作物生產。為了對抗非洲大蝸牛,人類決定用「生物防治法」除掉牠們。而這個決定,敲醒了島上原生種蝸牛滅絕的喪鐘。

Achatina fulica Thailand.jpg
非洲大蝸牛。圖/Wikipedia

生物防治法簡單來說就是利用自然界生物間的平衡力量,也就是利用各種天敵如捕食性昆蟲以及殺蟲微生物等生物性方法消滅外來種。而人類為了對抗非洲大蝸牛,所使用的生物防治法是引進另一外來種——玫瑰蝸牛 (Euglandina rosea)。

玫瑰蝸牛是一種原產於北美南部森林的中等體型蝸牛。和一般蝸牛的草食性不同,玫瑰蝸牛是專吃其他蝸牛的肉食性蝸牛!因此人們想靠玫瑰蝸牛來吃光島上的非洲大蝸牛。1955 年,美國政府開始將玫瑰蝸牛引進夏威夷群島,而其他太平洋島嶼也於 1958 年開始陸續跟進這個做法2。但玫瑰蝸牛引進後,人們很快就發現事情大條了。

Euglandina rosea.jpg
玫瑰蝸牛。圖/Wikipedia

首先,非洲大蝸牛的數量並沒有減少,牠們還是大肆地破壞農作物。接著,島上原生種蝸牛的數量越來越少了。後來研究發現,比起來非洲大蝸牛,玫瑰蝸牛更愛吃原生種蝸牛。而原生種蝸牛面對玫瑰蝸牛這種兇猛的外來殺手,根本毫無抵抗力,只能等著被宰。

當人們終於意識到問題的嚴重性並準備做出干預手段時,卻為時已晚。根據研究,夏威夷群島本來有 81 種原生蝸牛。但在引進玫瑰蝸牛的十年後,島上 90% 的原生種蝸牛都被玫瑰蝸牛屠戮殆盡,而夏威夷政府和科學界根本無力阻止這場恐怖的屠殺,最後只能將剩餘的原生種蝸牛移到動物園或保護區做保護。2019 年,世上最後一隻金頂夏威夷樹蝸 (Achatinella apexfulva) — 「喬治」逝世,這標示著又一夏威夷原生種蝸牛滅絕3。而其他太平洋群島狀況也好不到哪去,以大溪地為例,島上本來有 61 種原生蝸牛。在玫瑰蝸牛引進的十年內,56 種原生蝸牛就被消滅殆盡4

這個引進玫瑰蝸牛的決策,可謂是生物防治法上的重大「失敗」案例,不僅消滅不了非洲大蝸牛,還對原生種蝸牛造成毀滅性的打擊。這個案例也告誡人們,未來想要再使用生物防治法時,務必要審慎思考。

不過在這種絕望的情況下,至今仍有少數的原生種蝸牛堅強地在野外生存。這就引起不少科學家的好奇心,想了解這些原生種蝸牛究竟是怎麼逃過玫瑰蝸牛的毒手。而來自密西根大學的生物學家和工程學家,就組成一個跨領域的研究團隊,一起攜手研究出可能的原因5

蝸牛怎麼逃離致命殺手,難道是靠反光?

Partula hyaline (P. hyalina) 是少數仍存活在大溪地森林中的原生種蝸牛,牠們有著白色的外殼,並且大多生活在樹林邊緣。而這兩條線索,讓密西根大學生態學系的兩個專門研究太平洋群島蝸牛滅絕的科學家 —— Cindy Bick 博士和其指導教授Diarmaid Ó Foighil 博士,有了一個 P. hyalina 逃過玫瑰蝸牛追殺的假設。

A Partula hyalina snail resting on a wild red ginger leaf next to a Michigan Micro Mote computer system in a forest edge habitat in Tahiti. Image credit: Inhee Lee
睡覺的P. hyaline (左)和 M3 微型電腦 (右)。圖/news.umich.edu

蝸牛一般生活在比較潮濕,躲避太陽直曬的地方,這是因為蝸牛要維持其皮膚上的黏液。如果在太熱的地方,會讓其皮膚失去黏液,而這對蝸牛來說是致命的。P. hyalina 生活在樹林邊緣,這表示牠生活的環境會比生活在樹林中的玫瑰蝸牛,接受到更多的日照,溫度也更高。而這樣的環境會讓玫瑰蝸牛因過熱而失去黏液,讓玫瑰蝸牛不想接近。

但這樣的環境,對 P. hyalina 而言不會太熱嗎?由於 P. hyalina 的殼是白色的,讓牠能反射更多日光,這樣就能降低日照對牠的影響。因此 Bick 和 Foighil 認為,P. hyalina 因有著白色外殼而能生活在高日照地區,藉此躲避玫瑰蝸牛的追殺。

要驗證這個想法,只需要在蝸牛身上裝上光照感測器,測量並比較 P. hyalina 和玫瑰蝸牛生活環境的光照數值就行了。恩,講得容易,但做起來不簡單。

因為現有的光照感測器都必須裝上鈕扣型電池,這導致感測器的大小 (12*5*4 mm) 會嚴重影響蝸牛的行動。如果會影響蝸牛的行動,就很難還原牠們真實的生活模式,這樣得到光照數值就不會準確。

微型電腦的神助攻

正當 Bick 和 Foighil 苦惱於沒有好的光照感測器時,Bick 得知了一個消息:密西根大學開發出目前公認最小的微型電腦 —— Michigan Micro Mote ( M3 )6,大小只有 2*5*2 mm,而這個大小放在蝸牛身上,非常合適。於是她立刻與 M3 的研發團隊聯繫,希望他們能提供協助。而 M3 的研發團隊在深入了解 Bick 和 Foighil 的需求後,決定與 Bick 和 Foighil 組成聯合研究團隊。他們修改了 M3 的程序,並將其改造成能以太陽能發電的微型光照感測器。

研究團隊先在密西根野外測試 M3 安裝在玫瑰蝸牛身上後,並不會影響玫瑰蝸牛的行動,同時 M3 也能長時間的偵測光照數值。確認一切妥當後,他們便前往大溪地進行實驗。

研究團隊成功在野外測試將 M3 安裝在玫瑰蝸牛身上。影片來源:參考資料 5

到了大溪地後,他們遇到一個問題,那就是不能在 P. hyalina 身上安裝 M3 。因為P. hyalina 是受保護的瀕危物種,不允許任何可能傷害牠們的行為,於是研究團隊採用間接的方法。由於 P. hyalina 是夜行動物,白天牠們會附在樹葉的背面睡覺,因此研究團隊就將 M3 安裝在 P. hyalina 休息的葉片頂端和底部,來觀察其生活環境的光照數值。研究團隊另外將 M3 安裝在玫瑰蝸牛身上,藉此比較兩者生活環境的光照數值。

(b) M3 安裝在 P. hyalina 附近。(c) M3 直接安裝在玫瑰蝸牛身上。圖/參考資料 5

結果顯示,白天 P. hyalina 所休息的環境中,其照度註1 ( 7674-9072 lux )遠超玫瑰蝸牛所能容忍的 ( 540-772 lux )。而這個結果符合 Bick 和 Foighil 的假設,即 P. hyalina 能生活在高日照地區,以此躲避玫瑰蝸牛的追殺。

不過可能會有人好奇,玫瑰蝸牛難道不會在清晨光照較弱的時候,去捕食 P. hyalina 嗎? 

研究團隊在野外觀察發現,P. hyalina 大約在上午 9 點左右就寢。此時的光照量雖然仍在玫瑰蝸牛的忍受範圍內,但等牠們捕食完再移動回到陰暗處,時間會到上午10 點,而此時的光照量就遠超玫瑰蝸牛的最高容忍值了。因此玫瑰蝸牛若要去捕食 P. hyalina,很可能吃飽後就死在半路上了。

雖然藉著 M3 的協助,證實了 P. hyalina 能生存在光照量較高的環境,但是否光照量是決定 P. hyalina 不被玫瑰蝸牛所捕食的原因,仍需要很多實驗驗證。不過研究團隊表示,這個實驗開啟了研究無脊椎動物的新世界,因為 M3 這種微型電腦的發明,讓隨時監控這些無脊椎動物的生態與行為變成可能。

或許未來隨著 M3 對玫瑰蝸牛與原生種蝸牛的有更多認識的同時,也能找出拯救這些瀕危蝸牛的新方法。甚至隨著微型電腦的廣泛應用,能讓我們看到小型動物更多的生態與行為,大大開啟科學研究的新視野!

註釋

  1. 照度:是每單位面積所接收到的光通量,SI 制單位是勒克斯 (lux)。居家的照度一般在 300-500 勒克斯之間。

參考資料

  1. 非洲大蝸牛
  2. 玫瑰蝸牛
  3. 世上最後一隻金頂夏威夷樹蝸「孤獨喬治」逝世,終年14歲
  4. Régnier C, Fontaine B, Bouchet P. Not knowing, not recording, not listing: numerous unnoticed mollusk extinctions. Conserv Biol. 2009 Oct;23(5):1214-21. doi: 10.1111/j.1523-1739.2009
  5. Bick CS, Lee I, Coote T, Haponski AE, Blaauw D, Foighil DÓ. Millimeter-sized smart sensors reveal that a solar refuge protects tree snail Partula hyalina from extirpation. Commun Biol. 2021 Jun 15;4(1):744.
  6. Michigan Micro Mote (M3) makes history as the world’s smallest computer
  7. Snails carrying the world’s smallest computer help solve mass extinction survivor mystery
所有討論 2
羅夏_96
52 篇文章 ・ 493 位粉絲
同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟

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古人、動物和細菌為何吃土?那些以泥巴為食的傢伙
嚴融怡_96
・2017/09/13 ・7467字 ・閱讀時間約 15 分鐘 ・SR值 533 ・七年級

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土壤,作為萬物之源。

地球上每一種生物或多或少都得依靠土壤而生。植物生長於土壤,所以直接吸取土壤的養分,那是天經地義。那其他的生物呢?事實上很多生物也都或多或少有過直接以泥巴為食的情形,這當中也包括人類。

source:wikimedia

僅管,從十九世紀晚期現代醫學日益蓬勃至今,很多科學家已習慣以食土癖(geophagia)來稱呼吃土的行為。精神科醫生甚至在標準參考指南《精神障礙診斷與統計手冊第四版》(DSM-IV)中,把食土癖列入異食癖(把非食物的東西拿來吃的飲食失調症,如菸灰和油漆片)。但實際上吃泥土的行為,尤其是吃黏土,其實早已流傳於人類和動物數千年甚至上萬年的時間。

吃土的古人們

食土行為可追溯自 250 萬年前的巧人(Homo habilis)。從中國東漢的《神農本草經》、到明代的《本草綱目》等藥典當中皆記載土壤可以入藥。而在古希臘和羅馬時代,黏土則常被認為是可以防治霍亂和細菌感染的藥材。希臘醫生希波克拉底時期(公元前460年)。美索不達米亞人和古埃及人把黏土入藥:用以塗抹傷口;也吃土治療各種疾病,尤其是腸道疾病。古埃及人甚至將黏土處方記載於紙草書卷裡。

病人家屬向印和闐(Imhotep)祈禱。印和闐是公元前 27 世紀古埃及第三王朝時期著名集醫生、大法官、農業大臣與建築總監於一身的學者,也是古埃及醫學的啟蒙者。古埃及醫學也十分善用黏土做為醫藥,公元前 2500 年,古埃及醫師使用一種黃色的黏土和鐵的氧化物/氫氧化物混合的材料作為治癒傷口的敷料。 約當同一時期,也開始使用銅鹽作為眼睛用藥。圖/wikimedia commons

進入中古時代以後,古地中海文明的習慣被基督教文明所吸收和實踐,聖潔的黏土片被廣泛流傳於地中海地區和西歐,被使用在宗教習俗和儀式上,並應用於治療中毒和瘟疫。這些羅馬天主教會所祈福過的黏土片甚至還曾在 1848 年被列入藥典(pharmacopeia)。我們知道1796年,英國醫生愛德華·金納(Edward Jenner)已經發明了牛痘疫苗,許多醫學和微生物學的發展在十八世紀末正突飛猛進。1848年,距離巴斯德(Louis Pasteur)和柯霍(Heinrich Hermann Robert Koch)帶動微生物醫學的全面革新也只不過幾十年。所以聖潔的黏土片被列入藥典應該不僅僅只是宗教上的慰藉而已。

在古代有一些黏土還常被用以塗抹皮膚抵禦感染,最近有一種法國的綠色黏土(富含Fe-smectite),在 2010 年被科學家驗證它的黏土礦物表面緩衝的 pH 與氧化態可能是抑制細菌細胞壁上產生溶液化學和氧化還原相關反應的關鍵,未來或許可應用作為布如里氏潰瘍(Buruli ulcer)這類感染病症的治療材料。

距今三千五百年前古埃及莎草紙卷「埃伯斯草紙醫典」(Ebers Papyrus)記載當時的人以赭石或藥用粘土作為腸道與泌尿外科疾病的處方。圖/wikimedia commons

事實上,直至今日,地球上也仍然存在持續以泥巴為食的人們。

在喀麥隆的大部分市場上都可以買到高嶺土,而且吃泥土的習俗由來已久。在撒哈拉以南的非洲地區,進食土壤或黏土的孕婦比例從坦尚尼亞的 28% 上升到肯亞的 65%。黏土在這些地區的市場上準備與銷售,或者從被認為富含礦物質的白蟻堆當中取出,每天平均吃 30 克。在坦尚尼亞,特殊的黏土被稱為“udongo wa pemba”,斯瓦希里語意為『Pemba的土壤』。

關於這些地區的孕婦為何吃土,有三個主要的理論,包括:

  1. 黏土當中有一些特定的礦物質含量。在非洲,容易獲得鈣的族群,吃土行為通常比起不易獲得鈣的族群要少見。母親為了獲取更多的鈣來提供胎兒骨骼發展所需。鈣需求是其中一類最常被提及的礦物質。
  2. 使用黏土或可提供噁心和嘔吐症狀的緩解。
  3. 黏土在消化道中的作用,或可防止毒素。關於黏土解毒的功用其實也被澳洲北邊的住民所使用,他們會在吃比較毒的魚肉前,吃一些黏土墊墊肚子,有利於毒素的排除。若是遭遇糧食缺乏,而需要食取草根、莖、樹皮或雜草時,摻入黏土食用也可避免吸收太多有毒的植物次級代謝物。

不過,有的時候以土壤為食材卻也可能是饑荒中沒有辦法的選擇。

地球上也仍然存在持續以泥巴為食的人們。圖/Pixabay

2008 年,美國國家地理雜誌以及其他國際媒體就曾報導過海地窮人以泥餅(mud cake)果腹的情形。在海地中部高原有一種以乾掉的黃色泥土所製作的餅乾。它是用鹽、沙拉油與當地的泥土所製成。這種泥土早年即被孕婦和兒童所珍視,是一種抗酸劑與鈣源。在某些地方被視作點心,而並非充飢的食物。但是前幾年有段時間,加勒比地區原物料和食品的價格飛漲,在諸如太陽城(Cité Soleil)這樣的極其貧困又人口稠密的地區,很多海濱貧民窟的家庭,已將這種泥餅作為常規的膳食。雖然當地人有些已習慣了泥餅的口感,但是泥餅吃多了還是會給婦女和孩童帶來腹痛的問題。

吃土和以土為家的動物們

食土的行為在動物界也很普遍。其中很大一部分是為了要攝取不足的礦物質。

現代人類因為高度科技文明而和自然界脫節,所以常會覺得一些野生動物或傳統區域的居民吃土很奇怪。人類是自然界當中很典型會去攝取礦物質的動物,其中人類對於食鹽的開採和精製可以說是礦物質攝取的極致行為。但自然界當中,哺乳動物(特別是偶蹄類動物的鹿、牛和綿羊)也很常頻繁地對鹽漬地進行鹽舔的行為(Salt Licks),以獲得鈉、鈣、鐵、磷和鋅等礦物質的補充。有些大象也會有跑到地下洞穴去挖掘含鹽石塊來吃的情形。

牛在進行鹽舔的行為(Salt Licks)。source:wikimedia

在過去,研究人員發現了 200 多種動物都有吃土的行為,包括鸚鵡、鹿、大象、蝙蝠、兔子、狒狒、大猩猩和黑猩猩等。

以金剛鸚鵡為例,牠所處的亞馬遜熱帶雨林,由於安地斯山脈會把太平洋水氣加以阻擋,因此雨林區域受到大西洋帶來的潮濕氣團所影響,等到海洋水氣飄到亞馬遜西部,大部分鹽份已經消耗殆盡,而雨林區域的土壤在大量雨水的沖刷之下,又帶來強烈的淋溶作用(leaching),將許多可溶解性礦物質,如鉀、鈉、鈣、鎂等的鹽基都加以溶解流失,土壤失去植物必需養分而變得特別貧瘠。於是讓此區動物極度缺乏鹽份,專吃林冠果實的金剛鸚鵡,也會為了獲取鹽份而飛到裸露土層上吃土。牠們還會挑取地質演進上比其他時期較鹹的土壤層。

亞馬遜雨林的金剛鸚鵡由於氣候和土壤的因素,使得食物當中的鹽份含量不足,因此這種鸚鵡會特別去攝取一些含鹽量較高的土壤。圖/作者提供

土壤是白蟻築窩重要的材料。有的鳥類例如家燕也會使用土壤作為巢材。不過,巴西的黃翅斑鸚哥(yellow-chevroned parakeets;Brotogeris chiriri),則是直接將巢築在廢棄的白蟻窩當中。這種鳥會用嘴喙把白蟻窩的壁面刮薄,以擴大巢內的空間。但是,有時候這種鳥會乾脆將牆壁一塊塊地吃掉。同樣都是土壤材料,為什麼黃翅斑鸚哥有時候會吃白蟻窩的牆壁,而不是直接吃地面上的土壤。

科學家透過對於白蟻窩牆壁上的土層與地面的土層進行了化學分析比較,包括有機物、pH、陽離子交換能力、和微量營養元素等等。結果發現白蟻窩中的土壤,主要營養元素和陽離子交換能力都高於地面土壤,有機物更是地面土壤的好幾倍。對於主要營養元素如磷和鉀,白蟻窩土壤的含量剛好可以提供這種鳥類的大量攝取。

而白蟻窩牆壁土壤的鐵和鋅等微量元素含量較少,這些元素雖然重要,但對鳥類而言只需要少量攝取。黃翅斑鸚哥不僅可從白蟻窩的泥土當中獲取額外的營養物質。而且當牠產卵育雛而需要大量取時野果時,白蟻窩中的泥土還能夠協助這些鳥鍵結掉水果中存在的毒素。

白蟻窩。source:wikimedia

動物對於礦物質的需求會隨季節、年齡與整體健康狀況等而有不同的情形,也因此當動物的飲食不能提供足夠礦物質時,或者環境額外的挑戰而需要元素補充時,就會比較常見吃土的行為。例如生活在高海拔的山地大猩猩和非洲水牛,從土壤當中攝取促進紅血球細胞發育的鐵元素。大象、猩猩與蝙蝠在飲食中的鈉不足時,就會吃富含鈉的黏土。

動物當中某些昆蟲對土壤的依存度更高,很多鞘翅目的昆蟲在幼蟲階段都是以土壤中的腐植質為食。例如赤腳青銅金龜和獨角仙等。雖然這類昆蟲有不少在成蟲階段經常是農民所厭惡,會啃食農作物的害蟲。但牠們幼蟲生活期的攝食和糞便還是對土壤腐植質的進一步分解有一小點作用。獨角仙幼蟲準備化蛹時還會將體內的糞便排空,並利用這些潮濕有黏性的糞便做出一個光滑堅硬、呈直立型的橢圓形蛹室,然後進入蛹室中靜待蛻變。

非洲大蝸牛什麼都吃,當然也吃土壤腐植質。圖/wikimedia commons

蝸牛有時候也會吃土壤。在臺灣,隨處可見的非洲大蝸牛很多人以為是臺灣人自己在近代引入的,但實際上最早引入者是日本學者下條久馬一,他在 1932 年以食用目的從新加坡引進台灣飼養,結果後來因為缺乏周詳計畫,加上這種蝸牛繁殖力太強不易處置等因素而遭到棄養,結果造成野外大量擴散並持續危害農作物至今。

非洲大蝸牛什麼都吃,當然也吃土壤腐植質。許多地棲性蝸牛會在攝食時也攝取到一些土壤,土壤自然不是蝸牛的主食,對許多蝸牛而言,植物性食材是主要的食物,其次是真菌類食材,也有的肉食性蝸牛具有掠食性。土壤的攝取在蝸牛而言並非主要,但因為蝸牛們需要利用碳酸鈣來製造外殼,而牠所棲身的土壤環境,是石灰質土壤或是酸性土壤等,對牠們仍具有一定的影響性。無論蝸牛可能直接從土壤中攝取到或是從植物中攝取到鈣,酸性土壤都不利於鈣質在生態系統中的利用和傳遞。

其實一些蝸牛體內器官的重金屬污染物含量還能夠作為反映土壤污染程度的重要指標,透過這一指標的分析,可適時瞭解土壤環境是否受到重金屬的污染。事實上蝸牛器官對土壤重金屬的反映並不輸給蚯蚓,甚至還比彈尾目這類小型土壤節肢動物要更敏感一些。也更適宜作為生態毒理學的生物指標

吃土的大戶:蚯蚓

蚯蚓大概是以土壤為食最著名的動物群了,目前世界上已命名的蚯蚓有二千五百多種,而且牠們吃土壤的方式很特別。蚯蚓鑽洞的行為本身就和攝食相結合,牠一面攝食,一面鑽土。不僅在鑽土的過程當中獲得食物,也用食物當中取得的能量繼續鑽土,因此蚯蚓可以長時間不斷在土裡鑽洞。蚯蚓就像是一臺非常有效率而耐久的鑽洞器具。

蚯蚓雖然消化系統極為簡單,分為口、咽喉、食道、嗉囊、砂囊與腸等結構,但一整個消化道卻強而有力,就像一條高效率的輸送帶,把阻力很大的土吃下去之後,又往後輸送,並形成鑽洞的推進力。目前無論表層型(epigeic)與底層型(endogeic)的蚯蚓都已發現其腸子中有纖維素消化酶(cellulase),且砂囊的構造是強壯的肌肉,可以把物質磨碎,並且具有各類酵素可以消化食物。蚯蚓消化排出後的糞球,由於將有機質進一步分解,並且又和體內微生物加以混合,是協助土壤生成團粒結構與改善土壤養分很有益的動物,自古以來就頗受人類文明的重視。

蚯蚓大概是以土壤為食最著名的動物群。圖/BY Natfot @ wikimedia commons

不過不是每種蚯蚓都對土壤有益,也有少部分蚯蚓種類反而是土壤劣化的推手,例如台灣目前常見的入侵種蚯蚓─原產南美洲的黃頸蜷蚓(Pontoscolex corethrurus),這類蚯蚓反而會讓土壤變硬不利於植物生長。

現今農業上,除了直接將蚯蚓加入到土壤當中作為改良幫手,也有應用蚓糞堆肥的方式。蚓糞堆肥是藉由蚯蚓及微生物的作用,把農業廢棄物、工業廢棄物、禽畜糞、有機垃圾、和廚餘等廢棄物轉變成無臭味並具較低有害化合物、較高植物養分、較高微生物生質量、較多土壤酵素,類似腐植質的東西。大部分蚯蚓每天可消化相當於自己體重的有機廢棄物,且增殖快,因此蚯蚓可提供對於環境廢棄物另一個便宜有效的解決方法。

吃土的小玩意兒,是土壤生態系的大功臣

真菌和細菌每天都在以土壤為食,而且牠們有很多直接就住在土壤裡面。牠們想方設法從土壤有機質當中分解出可以使用的養分,或者直接去破壞土壤礦物的鍵結來取得必要的養分,像是具有溶磷作用的細菌或真菌如 Pseudomonas spp. 、Mycobacterium spp.Bacillus spp.Aspergillus spp. 和 Penicillium spp.等,都具有直接利用不溶性磷酸鹽作為磷素來源的能力。

而植物則是這些微生物分解礦化作用的直接受益者。原先封鎖在有機物和土壤礦物當中的各類養分,由於微生物作用的釋放,而讓植物的根部得以利用。當然植物也不是白吃白喝,植物透過根分泌物回饋了微生物,在植物根圈分泌物當中常常包含有多種醣類、胺基酸、有機酸、維生素、核酸鹽、甚至是促進真菌物質或促進線蟲卵孵化物質等豐富的食料給予微生物們,所以植物根圈附近經常成為土壤微生物聚集的熱點。

換句話說,植物在土壤中培育出一整套生物群,它是一個地下社區,甚至包括蠕蟲、昆蟲、蟎蟲,以及我們從未聽說過的其他節肢動物、變形蟲和原生動物。而這當中主要的生物體則是細菌和真菌。所有這些成員一起工作,而有時則會彼此掠食和競爭。細菌會聚集在根部周圍。而真菌則會形成大量的網際網路,這些網際網路還常常可以將一個植物連接到另一個植物。

菌根真菌不僅和植物共生,一起攝取土壤中的養分,而且還可以做為植物和植物之間的訊息聯絡網。圖/作者提供

目前科學家已經發現植物和植物之間也巧妙運用這些菌根真菌的菌絲作為訊號傳遞的線路;當某株植物地上部正遭受蚜蟲侵襲時,受害者可透過真菌互聯網傳遞蚜蟲入侵的警訊,這時收到訊號的其他植物便可以發出既排斥蚜蟲又吸引蚜蟲天敵的化學防禦物質。而當細菌將氮或其他營養成分轉化為植物可以運用的形式時,其他微生物也狼吞虎嚥地吃掉這些養份。一種見者有份的概念。

在日常生活中,和植物一起共生的真菌,還能透過真菌絲和菌絲體,有效地將宿主植物的根質量提高一千倍,並協助將一些好吃的養分運送到宿主植物這裡,包括磷、銅、鈣、鋅等養分。微生物和植物之間彼此合作而讓土壤的營養能夠持續的循環,並且也讓整個土壤生態系統形成極為豐富多元的地下王國。

科學家從紐約中央公園採集了將近 600 個土樣,發現驚人的多樣性與豐富性。當中有超過 12 萬種細菌以及超過 4 萬多種真菌、原生動物和節肢動物等等。對於土壤微生物而言,土壤既是一個大餐廳,又是牠們居住的地方。而這樣的一個環境既複雜多元,卻又很容易受到各類物理、化學等因子而被干擾。就拿化學上我們最熟悉的酸鹼度來說。土壤酸鹼度對土壤養分有效性的影響很大,強酸性土壤容易引起磷、鉀、鈣、鎂等養分的短缺,強鹼性土壤則又會引起鐵、錳、鋅、銅和磷、硼等養分的不足,酸鹼度也同樣影響細菌和真菌以及許多土棲生物的生活。

以磷元素在土壤當中的有效性來說,一些微生物在生長過程中雖然本身會分泌一些有機酸代謝產物,例如乳酸、乙醇酸、草酸和檸檬酸等;或是一些化學自營性菌如硝化菌和硫酸菌本身就會分泌硝酸和硫酸;或是微生物分解利用腐植質過程中也會產生腐植酸和黃酸,這些酸性物質經常能促進土壤無機磷的溶解釋放,而讓磷元素轉變為生物較好利用的化學形式。不過如果當土壤酸性持續加強,則會不利於根瘤菌、硝化菌等細菌的生存,土壤過酸同樣容易造成磷素被土壤層間所吸附固定。

而真菌的酸鹼耐受度比細菌要強,當微生物相因為土壤酸鹼性而發生變動時,真菌會開始拓展牠們的勢力範圍,但過度擴張的真菌有時會是很多問題的根源,這也是某些真菌容易在土壤酸鹼度發生異常時侵害植物根系的原因。而通常一些極端情況發生時,土壤微生物的穩定性已經先被破壞掉了。簡而言之,這整個餐廳都被毀掉了。

某些亞熱帶土壤當中的 B 層(可移動物質洗入聚積的礦物質土層)常常會有紅棕色的呈色,這種顏色常常源自於含有三價鐵的礦物。三價鐵通常在土壤通氣良好的情況下生成,通氣良好對多數土壤中的微生物而言十分有利,然而亞熱帶高溫多雨,容易造成土壤酸化,當土壤呈現強酸性時又會衝擊到微生物對有機質的分解和攝取。圖/wikimedia commons

生態系統當中那些吃土的傢伙們,真的有那麼奇怪嗎?

其實那只是各類生物的適應性行為罷了。人類因為將視角跳脫了生態太久,所以當吃土行為發生時,有時反而本能上就覺得那些是食土癖(geophagia),是不太正常的行為。但食土癖不見得是不正常的,在生物圈當中,很多時候直接獲取土壤中的養分或微量元素反而是非常經濟而有效率的方式。

而透過大大小小的生物吃土行為加以連結在一起,我們會發現,其實土壤對每個生物而言還真的是滿重要的。也許哪一天,當你正作為一個園丁,在一塊土地上種植小番茄的時候,你發現土壤中的小蚯蚓正在大快朵頤地吃土,而實際上土壤當中還有萬千的生命也正在吃土。然後你可能在國外看過鸚鵡和猩猩吃土。一切都不再那麼奇怪了。

顧好你腳下的那塊土壤王國,每個人都是地球的園丁,只有健康的土壤才能撐起一大群以土維生的生物們。

參考資料

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  25. Ancient Egyptian Medicine (crystalinks)
  26. Imhotep and the Origins of Ancient Egyptian Military Medicine
嚴融怡_96
12 篇文章 ・ 60 位粉絲
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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飛天蝸牛的奇幻旅程
葉綠舒
・2011/09/14 ・569字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 435 ・四年級

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北美洲南部及中美洲的兩岸住著兩種不同的鐵針螺(horn snail,屬名為Cerithideopsis ;因為他們的形狀跟台灣的鐵針螺[俗稱燒酒螺]類似,所以筆者借用了這個名稱)(1),住在太平洋岸的稱為太平洋鐵針螺(Pacific horn snail, Cerithideopsis californica),住在大西洋岸的稱為大西洋鐵針螺(Atlantic horn snail,C. pliculosa)(2)。

這兩種鐵針螺原本是同種的生物,但在3百萬年前中美洲地峽升起後,因為地理環境的隔絕,使得地峽兩岸的鐵針螺各自演化,最後成了兩種。

但是最近的研究發現,雖然地峽將牠們分開,但在這三百萬年間,兩種鐵針螺之間仍有基因的交換;到底這是如何達成的呢?

由於鐵針螺的外殼又厚又硬,研究團隊提出一個說法:在地峽兩岸同時出沒的海鳥,在無意中擔任了這個交流大使的任務。

怎麼說呢?原來當海鳥把鐵針螺吞下去的時候,有些在海鳥的消化道中存活了下來;這些沒有被消化掉的鐵針螺,當海鳥飛到地峽的另一岸時,隨著海鳥的糞便排出去,見到了牠幾十萬、幾百萬年前的表親,然後基因的交換就這樣發生了!

記得小時候看過的木偶奇遇記嗎?小木偶到了鯨魚肚子裡見到了他的義父,原來可以在動物的腸子裡生存的生物不只有小木偶和他的義父,鐵針螺也是其中的一員啊!

參考資料:
1. 北門濱海常見產食用貝類
2. Science Now. 2011/9/13. Did Flying Snails Cross Mexico?

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葉綠舒
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做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。