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生物界建築大師

探索頻道雜誌_96
・2015/08/19 ・3085字 ・閱讀時間約 6 分鐘

人類對於自己巨大的物質創作過於自豪,以至於往往以為只有人類才有卓越的設計。《Discovery探索頻道雜誌》發現事實正好相反,並深入了解背後原因,帶我們踏入神奇的動物建築世界。

動物建築四處可見。舉凡數十億隻珊瑚蟲分泌鈣搭建而成的大堡礁、水利工程大師河狸,乃至黏性強且易致命的小蜘蛛網,以及蜂巢、白蟻窩,還有種類樣式多到幾乎無以計數的鳥巢。

科學家和博物學家長年來仔細鑽研這些神奇的設計,並逐漸認識到這些特別複雜的結構究竟是如何建造。倘若能深入了解這些動物建築,勢必有助於科學方面的進展:畢竟要建造出這些結構,需要具備技能、智力,以及從錯誤中學習的能力,而這些特質在過去被認為是人類獨具的。

格拉斯哥大學動物建築榮譽教授麥可‧韓索爾(Mike Hansell)表示,動物搭造建築主要是為了提供安全的遮蔽,免受嚴寒及酷熱之苦,以及躲避掠食者。這點和人類一樣。

他在著作《動物建造:動物建築的自然史》(Built by Animals: The Natural History of Animal Architecture)中寫道:「巢、穴和繭都是為此建造的家。動物建築和人類的家類似,並非只提供保護,有時也會具備一些額外的附加功能,例如儲存糧食、廢物處置,還可能內建食物生產區。」事實上,有些動物建築甚至還具備通風散熱系統。

30-31 動物界建築大師
圖左一、二:石蠶蛾(Limnephilidae)建造的兩種沙管;圖右為巢鼠(Micromys minutus)建造的巢。本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年04月號第27期,全見版請點擊本圖放大。

堅固耐久

舉例來說,草原松鼠在北美大平原上挖掘的洞穴即使遇到極端氣溫、水災和火災也經得起考驗──裡頭有功能各異的洞室,用來儲存食物、監聽掠食者或養育幼鼠。牠們的洞穴能構成相互接連的地下「城鎮」,規模相當龐大。其中一例就是在1900年德州一處未有人類聚落的場所發現的草原松鼠巢穴,占地6萬5000平方公里,估計當中約居住4億隻草原松鼠。

南美切葉蟻的巢穴也在地下,可達六公尺深,容納八百萬隻成蟲。蟻群不停將新鮮的植物葉子剪切成薄片,搬進巢穴,接著將葉片嚼碎混合作成堆肥,用來培養牠們養在「真菌園」裡的真菌,維持蟻群的食物來源。

這個地下迷宮藉由一煙囪系統將巢穴的空氣排出,保持通風。這樣的機制也出現在某些白蟻丘和齧齒動物的洞穴。此外也被一些水棲的動物,包括穴居習性的魚類和蝦猴所應用。

澳洲北部的磁白蟻則將此提升至更高的境界。宛如墓園般的場地,佈滿兩公尺高瘦長的「墓碑風格」蟻丘,其中不僅有拱門、隧道、煙囪、隔離區和育嬰室,甚至還由北至南排列成一線,好將陽光曝曬程度降至最低。

「動物建築有兩個主要的其他功能:作為陷阱或展示。」韓索爾補充道。最顯而易見的陷阱建造者,當然就屬蜘蛛了。而澳洲亭鳥的雄鳥則會建造「亭子」,並精心布置、裝飾自己的作品,以用來擄獲雌鳥的芳心。

34-35 動物界建築大師
圖左為鋼腹蜂鳥(Amazilia saucerrotte)的巢,圖右則為細紋葦鷹(Acrocephalus scirpaceus)的巢。本圖出自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年04月號第27期,全見版請點擊本圖放大。

嘗試錯誤學習

但為何這麼多動物,儘管並非擁有高度智慧,卻懂得建造如此繁複精巧且看似科學的構造呢?

正如任一個人類建築計畫一樣,動物雖是因應需求而創造建築,也必須善用大自然的條件。動物要能運用腦力來規劃、設計和操控材料,這多半仰賴環境所給予的資源,以及動物天生所具備的專長。動物在打造建築時會用到自己本來就有的工具,包括身體、喙、手、腳、牙齒、爪子、尾巴、吐絲器和螯。

用科學方法來衡量白蟻、珊瑚蟲或某些類蝦子等的築巢動機並不容易,而目前科學家大致歸納出了幾種理由。諸如作為掩蔽處、養育家庭或是吸引伴侶,甚至作為捕捉獵物的陷阱,然而無論是何種理由,動物對於建造巢穴的種類、地點、以及材料所做出的每個選擇,都會對最後的成敗有重大影響。正由於巢穴相當重要,因此長久以來,築巢被認為是由基因遺傳決定的:畢竟,即使毫無經驗的未成年者也能建造出與成年者相當接近的成品。

不過近來有大量關於鳥類的研究顯示,在這群築巢脊椎動物中,基因只不過是其中一個因素而已。這些研究發現,鳥類並沒有遵循與生俱來的築巢範本,也不受限於遺傳天性所選的材料,而會從嘗試、錯誤和範例中學習如何選擇最適合的建材和技術,蓋出自己的夢想家園。

在一項以斑胸草雀為對象的研究中發現,斑胸草雀在野外會以乾燥的草莖和細枝築巢,以用作掩護,提供安全的環境以養育下一代。為了解牠們如何在不同的建材之間做出選擇,蘇格蘭聖安竹斯大學的艾達‧貝利博士(Dr Ida Bailey)對一組飼養箱中的斑胸草雀提供有彈性、鬆軟的繩子作為建材,而另一組則提供較僵硬、結構較健全的繩子。

之後再讓兩組鳥類選擇有彈性還是較僵硬的繩子,這時先前被迫造出鬆軟鳥巢的那組立即選擇較堅硬的建材。「我們發現斑胸草雀喜愛較僵硬的繩子,因建造起來較有效率,使用較少的建材就能完成一個巢,」貝利表示。

科學家研究波札那的黑額織巢鳥以草編成的複雜鳥巢後,進一步肯定「學習」對築巢的價值。他們發現,每隻鳥會使用不同的技巧建築自己的巢,有的鳥喜歡從左到右築巢,有的則喜歡自右而左。他們同時也發現,鳥兒在將草葉編織和打結築成巢這方面愈來愈有經驗後,掉落的建材數量也會減少。

「假使鳥兒遵循遺傳基因範本來築巢,那麼你會期待所有的鳥每次都以同樣方式築巢,」愛丁堡大學生物科學學院的派翠克‧華許博士(Dr Patrick Walsh)解釋,「然而事實並非如此。黑額織巢鳥的築巢方法變化不少,顯示經驗在築巢過程扮演了關鍵角色。即使是鳥類也會熟能生巧。」

當然頭腦好也有幫助。其他研究顯示,腦容量較大且皺褶多的小腦,能建造出結構較為複雜的鳥巢,因為小腦與複雜的運動技巧、過程學習和計畫有關。

「建造出結構複雜鳥巢的鳥類,其小腦皺褶比建造出簡單鳥巢的鳥類更大。」聖安竹斯大學的生物學家札克里‧浩爾博士(Dr Zachary Hall)表示。

「其他與小腦有關的築巢行為,例如動作順序和學習,也可以解釋鳥巢複雜度和小腦皺褶的關係,」他表示。

雄性亭鳥會精心建造展示用的亭子,並蒐集彩色的物品來裝飾。2005年的研究顯示,鳥類小腦的腦容量愈大,其建造的亭子複雜度就愈高。

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圖上為哥倫比亞的硬珊瑚(Meandrina meandrites),圖下為築巢初期階段的黃胡蜂(Vespula vulgaris)巢。本圖擷取自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年04月號第27期,全見版請點擊此處。

連鎖反應

除了造型迷人有趣之外,動物建築師建造的建築功能甚至已不只滿足動物自身需求。隨著時間過去,這些建築也會從根本改變當地的景觀,並且增加生物多樣性。舉例來說,海狸砍伐樹木,因而開闢新的發展空間,並創造溼地,進而帶來了無脊椎動物、魚類和蛙類,以及寄生在牠們身上的生物。

珊瑚礁會隨著時間緩慢生長,其生物多樣性的豐富程度與熱帶雨林不相上下;而蜥蜴和鳥類則樂於在白蟻丘中築巢。即便是不起眼的蚯蚓,牠們每年咀嚼、鑽過大量的土壤和泥地,也都有助於使土壤更肥沃,讓其他植物和動物能在其上成長茁壯。

唯有人類,雖可說是所有動物之中最偉大的建築師,但卻似乎具有傷害周遭陸地的天賦。「人類是會改變棲息地的強勢物種,」韓索爾贊同此觀點,「除了人類,沒有任何一種物種會因為建築行為而造成劇烈的環境變遷。」

幸好我們從動物身上學到的智慧或許能幫助我們設法轉危為安,建造出對地球更友善的設計。「現在該輪到人類將其他物種吸引至我們所建造的棲息地了,」韓索爾如是說。

 

本文出自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年04月號第27期

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殭屍真菌的心智操控術!被附身的螞蟻變成「孢子釋放機」——《真菌微宇宙》

azothbooks_96
・2021/09/25 ・1691字 ・閱讀時間約 3 分鐘
  • 作者 / 梅林.謝德瑞克
  • 譯者 / 周沛郁

最多產、最能有創意地操控動物行為的,是一群住在昆蟲體內的真菌。這些「殭屍真菌」改變寄主行為的方式,得到明確的好處──真菌綁架一隻昆蟲,就能散播孢子,完成自己的生命週期。

研究最透徹的殭屍真菌是偏側蛇蟲草菌(Ophiocordyceps unilateralis),這種真菌的一生都繞著巨山蟻(carpenter ant)打轉。巨山蟻受真菌感染之後,會失去自己怕高的本能,拋下相對安全的巢,爬上最近的植物──這症狀稱為「登頂症」(summit disease)。在適當的時候,真菌會迫使巨山蟻用大顎鉗住那株植物、「死命一咬」,菌絲體從巨山蟻腳上長出來,把巨山蟻固定在植物表面。真菌接著消化巨山蟻的身體,從巨山蟻頭上發出菇柄,孢子撒向經過下方的巨山蟻身上。如果孢子錯失了目標,就會產生次生的黏性孢子,在作為引線的細絲上向外延伸。

受到蛇形蟲草(zombie fungus)感染的巨山蟻。圖/AntWiki by João P. M. Araújo

殭屍真菌極為精準地控制它們寄主昆蟲的行為。蛇形蟲草(Ophiocordyceps)會強迫螞蟻去溫度、溼度剛好的區域死命一咬,讓真菌結實──就在森林離地二十五公分高的地方。真菌利用太陽的方向來引導螞蟻,在中午時分同步感染螞蟻。螞蟻不會咬進葉背的任何老位置。百分之九十八的情況下,螞蟻會咬住主脈。

殭屍真菌如何控制寄主昆蟲的心智,一直令研究者大惑不解。二○一七年,真菌操控行為的一位頂尖專家大衛.休斯(David Hughes)帶領的一支團隊,在實驗室裡用蛇形蟲草感染了螞蟻。研究者在螞蟻死命一咬的那一刻,把螞蟻的身體保存起來,切成薄片,重建真菌住在螞蟻組織中的三維圖像。他們發現真菌變成螞蟻體內的一個假體器官,占據螞蟻身體的程度令人不安。受感染的螞蟻生物量之中,高達百分之四十是真菌。菌絲從頭到腳蜿蜒鑽過螞蟻的體腔,纏住螞蟻的肌纖維,透過互連的菌絲體網絡來協調螞蟻活動。然而,螞蟻的腦中居然沒有菌絲。休斯和他的團隊完全沒料到這情況。他們預期螞蟻的腦部會有真菌,才能那麼精細地控制螞蟻的行為。

結果真菌似乎是採用藥理學的方式。研究者懷疑,真菌雖然沒有實際存在於螞蟻腦部,但還是靠分泌化學物質,影響螞蟻的肌肉和中央神經系統,進而操控螞蟻的行動。但究竟是哪些化學物質,還不清楚。也不知道真菌能不能切斷螞蟻腦部和身體的連結,直接協調螞蟻的肌肉收縮。不過,蛇形蟲草和麥角菌是近親,瑞士化學家艾伯特.赫夫曼(Albert Hofmann)最初正是從麥角菌分離出用於製造 LSD 的化學物質,繼而做出一類化學物質,LSD 正是衍生物──這類化學物質稱為「麥角鹼」。在感染的螞蟻體內,負責產生這些生物鹼的蛇形蟲草基因組啟動了,表示這些基因組在操控螞蟻行為的過程中,可能扮演了某種角色。

雀麥上的麥角菌。圖/WIKIPEDIA by Claude De Brauer

不論這些真菌是怎麼辦到的,它們的干預以人類的任何標準來看,都十分驚人。經過幾十年的研究,投入數十億美元的經費,用藥物調控人類行為的能力還完全無法微調。比方說,抗精神疾病藥物無法針對特定的行為,其實只有鎮定效果。相較之下,蛇形蟲草百分之九十八的成功率,不只是讓螞蟻向上爬或是死命一咬(這百分之百會發生),而是咬到葉片特定的部位,並且是對真菌最理想的環境。不過公平起見,蛇形蟲草和許多殭屍真菌一樣,其實有很長的時間可以微調它們的做法。受感染的螞蟻行為有跡可循。螞蟻的死命一咬在葉脈上留下明顯的疤痕,依據化石化的疤痕,這種行為的起源可以追溯到距今四千八百萬年前的始新世(Eocene)。真菌很大部分的時間都在操控動物心智,可能自己也有心智。

——本文摘自《真菌微宇宙:看生態煉金師如何驅動世界、推展生命,連結地球萬物》,2021 年 8 月,果力文化

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