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除了你家的小強,還有其他漂亮的蟑螂

miss9_96
・2015/08/20 ・2037字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 483 ・五年級

蟑螂,這麼可怕的生物,怎麼會有人當成寵物飼養呢?蟑螂最古能追溯到石炭紀(約三億年前) [1],而現存的蟑螂中除了熟知的「小強」,在古巴還有晶瑩剔透的綠蟑螂,澳洲有愛挖洞又充滿慈愛光輝的犀牛蟑螂,以及用聲音彼此溝通的馬達加斯加蟑螂等。就讓我們來看看這些有趣的蟑螂家族吧~

晶瑩剔透的水果蟑螂-古巴蟑螂 

在加勒比海一帶有種晶瑩剔透、喜吃水果的蟑螂。中文的名字是古巴蟑螂(Panchlora nivea),或稱綠香蕉蟑螂,外型如同名稱一般,翠綠色的身軀附著黃白色的翅膀,長約1-2公分,由於外型亮麗,也被作為寵物昆蟲飼養。和我們所熟知的蟑螂不同,古巴蟑螂愛吃的是香蕉、棕櫚樹皮和可可樹葉,雖然聽起來非常無害,但由於牠們的食物同時也是經濟作物,所以對於農家而言仍屬害蟲的一種 [2]。

Panchlora nivea
Source from Pavel Kirillov

蟑螂界的聲樂家-馬達加斯加蟑螂 

馬達加斯加蟑螂(Gromphadorhina portentosa)的原產地如同於名稱,牠原生於非洲外海的馬達加斯加島。成體長度5-9公分(註:iPhone 6 Plus寬度約為7.8公分)[3],最吸引人的特徵是馬達加斯加蟑螂不論性別、成體或幼蟲,都能透過體表的透氣孔發出明顯的嘶嘶聲,而最讓科學家和飼主著迷的就是這聲音的用途。科學家發現,雄性在求偶和交配時,都會發出不同的嘶嘶聲,而如果兩隻雄性正相互對戰,雙方的嘶嘶聲甚至可以代表著誰是此戰役的贏家 [3]。由於特殊的外型和有趣的聲音,許多昆蟲飼主們也十分喜愛馬達加斯加蟑螂。

Gromphadorhina portentosa
Source from wikimedia

超重量級蟑螂-犀牛蟑螂

犀牛蟑螂(Macropanesthia rhinoceros在蟑螂界有巨人的稱號,外型猶如鋼鐵人的「浩克毀滅者」,粗壯且渾身蓋滿硬甲。成體長約8公分,重量可超過30公克[4]而德國蟑螂成體一般約在0.05公克 [5],兩者相較之下,犀牛蟑螂確實稱的上是蟑螂界的巨人。目前只生活在在澳洲的東北方,喜食尤佳利樹的落葉,是生態圈極為優秀的回收者。犀牛蟑螂有著這麼粗壯的外型卻有著慈愛的個性,當幼蟲被孵育而出後,成年蟑螂至少會撫育牠們6個月,直到後代能夠獨立成家為止 [6]。

Macropanesthia rhinoceros
Source from ArachnoVobicA

###以下將介紹大強&小強,附生動照片,膽小者慎入~###

蟑螂家族裡的閃電俠-美洲蟑螂 

美洲蟑螂(Periplaneta americana)就是大家口中俗稱的「小強」,身長可達4公分,是台灣最常見的居家型蟑螂之一。牠們喜歡住在陰暗且高濕度的環境,喜食腐敗的食物,所以算是生態系統的清道夫 [7]。但美洲蟑螂一旦開始與人類同居,絕不挑食的飲食習慣成了人類最頭痛的問題,膠水、書籍、頭髮、皮革和啤酒等,凡是能咬的東西通通來者不拒 [8]。而讓人瞠目結舌的是牠那神速的移動能力,加州大學柏克萊分校(University of California, Berkeley)曾測得美洲蟑螂的速度為5.4 公里/小時,相當於每秒飛奔40-50個身長,以人類的標準來說,我們的奔跑速度得要提升到約300公里/小時才能跟牠並駕齊驅 [9],並且由於具備飛行能力,受到驚嚇時會四處亂竄或「啪答啪答」地振翅飛行,對於許多人來說,遇到這種會飛的蟑螂,真的算是一種夢魘…

Periplaneta americana
Source from wikimedia

「啪嘰!」跑出更多小蟑螂!-德國蟑螂 

「『啪嘰』!擊斃蟑螂後不到1秒,數十隻小蟑螂從屍體中逃出,飛竄上拿著拖鞋的手…」,這可不是網路恐怖故事,將卵鞘帶在身上直到孵出後代為止,正是德國蟑螂(Blattella germanica)的特性之一 [10]。德國蟑螂長約1公分,由於身型較小,喜歡群居,反而比美洲蟑螂更難被殲滅,而卵鞘內可以有30-40顆卵,換句話說,打死一隻母蟑螂,換來的可能是數十隻小蟑螂飛竄而出的景象。德國蟑螂的飲食習慣跟人類很像,雖然曾被記錄吃過肥皂和牙膏,但牠最愛的仍是高糖類、高油脂的食物,因此在家中儲藏甜點及油炸餅乾的食物櫃,很自然地就成了德國蟑螂眼中的美食自助吧 [11]。

1
左右圖皆為德國蟑螂, 右圖為攜有卵鞘的母蟑螂, 來源皆為wikimedia

 參考文獻

  1. Marion Copeland (2012) Cockroach (Animal) Reaktion Books
  2. William H. Robinson (2005) Urban Insects and Arachnids: A Handbook of Urban Entomology, Cambridge University Press
  3. Margaret C. Nelson, Jean Fraser (1980) Sound production in the cockroach, Gromphadorhina portentosa: evidence for communication by hissing, Behavioral Ecology and Sociobiology, 6(4), 305-314
  4. W.V Brown, H.A Rose, M.J Lacey, K Wright (2000) The cuticular hydrocarbons of the giant soil-burrowing cockroach Macropanesthia rhinocerosSaussure (Blattodea: Blaberidae: Geoscapheinae): analysis with respect to age, sex and location, Comparative Biochemistry and Physiology Part B: Biochemistry and Molecular Biology,127(3), 261-277
  5. Yuping Wei, Arthur G Appel, William J Moar and Nannan Liu (2001) Pyrethroid resistance and cross-resistance in the German cockroach, Blattella germanica(L), Pest Management Science, 57(11), 1055-1059
  6. Liangwen Xu, Edward P. Snelling, Roger S. Seymour (2014) Burrowing energetics of the Giant Burrowing Cockroach Macropanesthia rhinoceros: An allometric study, Journal of Insect Physiology, 70, 81-87
  7. Jones, Susan C. (2008) Agricultural and Natural Resources Fact Sheet: American Cockroach, Ohio State University
  8. Adiyodi, K.G. (1981) The American Cockroach, Springer
  9. Marko B. Popović (2013) Biomechanics and Robotics, CRC Press
  10. William J. Bell, Louis M. Roth, Christine A. Nalepa (2007) Cockroaches: Ecology, Behavior, and Natural History, Johns Hopkins University Press
  11. Michael K. Rust, John M. Owens, and Donald A. Reierson (1995) Understanding and Controlling the German Cockroach, Oxford University Press

文章難易度
miss9_96
156 篇文章 ・ 379 位粉絲
蔣維倫。很喜歡貓貓。曾意外地收集到台、清、交三間學校的畢業證書。泛科學作家、科學月刊作家、故事作家、udn鳴人堂作家、前國衛院衛生福利政策研究學者。 商業邀稿:miss9ch@gmail.com 文章作品:http://pansci.asia/archives/author/miss9


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牠如何長出一雙「隱形的翅膀」?——玻璃翼蝶的成長日誌

Curious曉白_96
・2021/10/28 ・3597字 ・閱讀時間約 7 分鐘

蝴蝶的美,源於牠們擁有的千變萬色的翅膀,這些色彩是門面,也是保護傘,鮮豔顯目派警戒掠食者別靠近!小心牠們有毒(即便有些蝶其實没毒 XD);擬態派能巧妙地偽裝成自然環境中的枯葉、樹木等騙過掠食者的眼睛,或是如猛禽眼睛樣貌的翅膀,嚇唬掠食者。多數蝴蝶們視顏色為性命,但對玻璃翼蝶來說……就是不給顏色瞧瞧,幾近透明如玻璃的翅膀,即使飛行也如穿上一層隱形罩袍,讓大家都難以察覺牠的存在。究竟,這個蝶界的「小透明」是如何成長?又何以成為科學家們研發新型抗反射材料的重要靈感?Let’s check it out !

玻璃翼蝶的成長日誌

玻璃翼蝶,又名寬紋黑脈綃蝶(學名:Greta oto,俗稱透翅蝶),屬於鳳蝶總科的蛺蝶科(Nymphalidae),主要分布在中南美洲的雨林及山區。牠們的卵殼型態非常多變,有些如珍珠般光滑透亮,有些點綴上小撮鱗毛,有些具有雕刻般的紋路。

玻璃翼蝶, 又名寬紋黑脈綃蝶 ,俗稱透翅蝶,為蛺蝶科寬紋黑脈綃蝶屬。圖/EOL

幼蟲時,牠們主要吃的是夜香樹屬的植物,這類植物含有具毒性的生物鹼,且能夠存儲於幼蟲體內,當有些鳥兒吃了他們,輕則拉肚子,重則中毒身亡。玻璃翼蝶向來與眾不同,即便同屬鱗翅目(Lepidoptera),他們卻不與其他蝶一般擁有鱗翅目的招牌特徵 —— 成蟲全身布滿鱗毛,取而代之的是光滑剔透如玻璃般的翅膀,而成蟲的牠們一樣喜愛吃「毒」口味的食物,例如菊科(含生物鹼 (pyrrolizidine alkaloids))、馬纓丹屬植物,讓掠食者們敬而遠之。

鱗翅目招牌特徵 —— 成蟲全身布滿鱗毛。圖/EOL
可從罌粟分離出生物鹼-嗎啡。圖/維基百科

隱形翅膀的誕生

玻璃翼蝶是如何生成如此獨特的翅膀呢?帕特爾(Nipam H. Patel)和他的同事們首度將玻璃翼蝶詳細的成長時間序公開於《實驗生物學期刊》(Journal of Experimental Biology),他們分別在其成蛹不同時間點(16, 30, 48, 60 hr)進行解剖,並觀察其生成翅膀型態的變化(如圖一)。

  • 成蛹 16 小時

起初牠們與其他鱗翅目物種一樣,蛹翅由一層輕薄、勻稱的上皮組織組成,接著許多表皮細胞已分化為平行排列的感覺器官前細胞(Sensory Organ Precursor cells , 以下簡稱 SOP 細胞)。在翅膀生成前期,帕特爾等人發現翅膀透明區域與非透明區域相比,具有較低密度的 SOP 細胞,因此他們猜測,玻璃翼蝶翅膀上形成透明區域及非透明區域的關鍵點就在於 SOP 細胞密度的差異,導致兩個區域的 SOP 細胞日後受到不同的調節,進而影響成體翅膀上兩區域的鱗片密度和表面翼膜分布具有極端的差異。

  • 成蛹 30 小時

此時玻璃翼蝶身上的 SOP 細胞開始分化成為鱗狀細胞(scale cells)及似人類的神經膠質細胞的界面上皮細胞(socket cells),鱗狀細胞主要位於翅膀內部,而界面上皮細胞肌動主要負責連接每個鱗狀細胞,並位於翅膀較為表層的位置。此外,他們透過染色技術發現翅膀上開始出現由肌動蛋白組成的小圓柱狀增生鱗片,而這群增生鱗片甚至長到超出翅膀表面。這個階段的透明翼區域鱗片細胞型態跟不透明區域的未分化鱗片細胞一樣,像極了一個個被吹成橢圓狀的氣球。

  • 成蛹 48 小時

鱗狀細胞開始延展並擴散生長,這時候透明翼區和非透明翼區要開始分道揚鑣了!非透明翼區(尤其是翅膀周圍有顏色的分界線)有很粗的肌動蛋白束,鱗片細胞呈圓扁狀;而透明翼區的鱗狀細胞開始向上延伸,並產生兩種型態(短小倒三角狀及狹長鬃毛狀)的細胞交替分布於其中。

  • 成蛹 60 小時

透明翼區的短小倒三角鱗狀細胞們的兩個角角開始伸出「觸鬚」,形成兩個似觸角型的細胞並開始延伸生長,而長鬃毛鱗狀細胞的長度早已生長至一定長度,甚至還長到彎曲。非透明翼區的鱗狀細胞則會再長得更長、更寬、更平坦(葉狀),並在尖端處形成鋸齒狀。

隨成蛹時間翅膀發育變化。 圖中洋紅色螢光為 SOP 細胞,綠螢光為肌動蛋白,粉紅色螢光為鱗狀細胞膜,成蛹 30 小時,透明翼區(Clear)與非透明翼區(Opaque)細胞分布密度差異大,成蛹 48 小時後兩區域細胞開始發展成截然不同的型態。 圖(一)/參考資料3

我們之所以能看到非透明物體具有色彩,是由於物體會吸收部分光線,並將其他光線反射入我們的眼睛。反射程度主要取決於生物組織和環境介質之間的折射率差異,差異越大,表面反射越高。以會呈現透明的水生生物為反例,因為其組織與周遭環境(水)的折射率相近,因此他們就能施展「隱身術」。但是呢!在陸地上,要隱身可難囉~因為陸地生物組織的折射率(n=~1.3-1.5)和空氣(n=1)的折射率差異很大,所以易產生極大的表面反射。

有色翅膀的蝴蝶擁有於一排排扁平、重疊的鱗片,每個鱗片都可以通過色素沉澱產生顏色,並與光於奈米結構層級上進行交互作用,產生所謂的「結構色(structural coloration)」,選擇性吸收特定波長的光,且使光發生散射、漫反射、衍射或干涉而產生各式炫麗色彩。相反地,像透明翼蝶與部分蛾類的翅膀之所以會呈現透明,讓光線穿透,並能夠從透明翅膀區域看見他們身後的物體,關鍵在於他們只含有一層幾丁質膜(chitin membrane,也稱甲殼質),這層膜並不會明顯地吸收或反射光線,因此光線能輕易透射這層膜。

仿生靈感:抗反射材料的誕生

然而,幾丁質膜的加持還不夠,因為幾丁質本身具高折射率(n=1.56),因此即便透明,還是會有反射光。為此,透明翼蝶的翅膀發展出一款新型態的「抗反射構造」,造就此構造的三大功臣:微小且垂直稀疏的鱗片、幾丁質組成的奈米柱、蠟質層。垂直的鱗片能順著光線移動,使光線更容易致穿透翅膀;奈米柱使翅膀顯得凹凸不平,不但能減少因相同角度反射所產生的眩光,還能使光線呈現漫反射的效果;可是,透過電子顯微鏡的觀察,科學家們發現透明翼蝶的透明翼區的漫反射率僅約 2 % (空氣與翅膀介面的比率),後來他們查出這是翅膀表面覆蓋蠟質層的功勞,蠟質層似緩衝膠,因為比空氣密度大,能緩衝光線穿透翅膀的速度,還能大幅減緩光線照射鱗片所產生的眩光,若去除透明翼區的奈米柱及蠟質層,則會使反射率提升 2.5 倍,使翅膀受光照而閃亮。

這項驚人的發現不只有帕特爾等人注意到,卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruhe Institute of Technology)的研究團隊也曾於 2015 年在《自然通訊》(Nature Communications)期刊發表,玻璃翼蝶翅膀表面不規則的奈米結構能降低反射,並透過蝕刻沈積技術(etching techniques)製造了仿透明蝶翅的塗層,厚度僅 500 奈米,且具有防水及自潔功能。

雖然目前研究處於測試階段,但在未來可望將這類新型塗層應用於防眩光的眼鏡鏡片、相機鏡頭、3C 產品的螢幕上,還能用於太陽能板以提升太陽能轉換效率,甚至軍事領域能發展出「隱形效果」的武器或裝備,這就是透明翼蝶帶來的重大效應。

卡爾斯魯厄理工學院研究團隊於 2015 年在《自然通訊》期刊中發表玻璃翼蝶翅膀表面不規則的奈米結構能降低反射。圖/參考資料4

結語

來自杜克大學的生物學家桑克‧強森(Sonke Johnsen)曾指出儘管許多具透明性質的物種都在身體結構上演化出奈米柱,但蠟質層倒是個令人費解的新發現,蝴蝶的幾丁質覆蓋層是個牢固的結構,為何還要加上蠟質層削弱其堅固度呢?因此他認為這個問題的解答或許會發掘出更多酷東西!不過一想到能在大太陽底下使用仿透明翼蝶的仿生手機,不再受惱人的反光所擾,這個對重度使用 3C 產品的捧由們已經是件很酷的事了!

仿生透明翼蝶產品,對人類來說,是一個保護眼睛、免於反光摧殘的一項發明。 圖/GIPHY

參考資料

  1. See through the Glasswing Butterfly’s Fascinating Wings
  2. New images clarify how glasswing butterflies make their wings transparent
  3. Developmental, cellular and biochemical basis of transparency in clearwing butterflies
  4. The role of random nanostructures for the omnidirectional anti-reflection properties of the glasswing butterfly
  5. How glasswing butterflies grow their invisible wings
  6. 抗反射塗層 仿透明蝶翼
  7. 科技大觀園:抗反射表面塗層仿生透明蝶翅
  8. 求真百科:玻璃翼蝶
  9. 寬紋黑脈綃蝶:形態特徵,棲息環境,生活習性,分布範圍,繁殖方式,種群現狀,保護級別
  10. MPlus | 隱形的翅膀:玻璃蝴蝶的透明演化之謎

Curious曉白_96
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對於科學新知充滿好奇心,對於一切新知都想通曉明白,期許自己有一天能成為有所貢獻於社會的曉曉科學家!
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