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蝶:擁有一雙美麗翅膀的嬌客──《大人的昆蟲學》

PanSci_96
・2015/11/17 ・6234字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 459 ・五年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

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「正在進行長途飛行」的青斑蝶。它們的後方是瀨戶內海。

一趟遇見「旅途中蝴蝶」的旅行

「當上船長,為渡海途中的旅蝶提供休憩之處」是我的綺麗夢想之一。
不曉得是在哪本書讀過:據說作者航行在廣大的海面時,曾經遇到成群的紋白蝶,數量多達幾萬隻。我幻想著自己隨手拿了件T恤鋪在甲板上,再提起一桶砂糖水灑在上面。尋味而來的紋白蝶們翩翩飛到甲板,伸出口器滋潤喉嚨。我坐在桅杆上,看著吸取砂糖水的蝴蝶們,自顧自地拿著蘇打汽水乾杯……。

說到全球知名的「渡海蝴蝶」,馬上讓人想到大樺斑蝶〈※1〉。這種蝴蝶的體色是鮮豔的橘色;平常棲息在北美落磯山脈的蝶群,會南下到墨西哥過冬。浩浩蕩蕩的蝶群,重量驚人,據說,連樹枝都被牠們折斷了。

日本也有會長途飛行的蝴蝶。
在九州大分縣的東北部,國東半島沿岸的瀨戶內海,有一座名為姬島〈※2〉的小島。從九州本島搭乘渡輪大約是二十分鐘的航程,島上的人口約有兩千人。每到初夏和秋天,名為青斑蝶的大型蝴蝶會降臨這座小島。

二○一二年五月下旬,我回到了我在大分縣別府市的老家。雖然聽說姬島的青斑蝶一直到六月上旬左右都看得到,但是身為不能隨時請假的上班族,我一年也就只有這麼一次機會,可以一睹芳澤。我抱著迫不及待的心情,登錄姬島村公所的網頁,確認青斑蝶觀測數量的預報資料。據說,運氣好的時候能夠看到三百隻青斑蝶漫天飛舞的奇景,但是如果遇到下雨,可能連一隻都看不到。

向我透露「你可以去看看姬島村的青斑蝶」這個消息的人,是我爸爸。我想當地的新聞節目應該都有報導相關訊息,但是在大分待到高中畢業的我,卻一點印象也沒有。或許是當時正值青春期,我的心思被其他事情佔據,所以無暇顧及;相反地,如果我在青春期便沉迷於蟲子的世界,不知道我的人生會有多麼充實……。

在別的縣市工作的姐姐也回來了,最後由她開車一起去。意外的是,我竟然是最近才知道長我八歲的大姊,也是熱烈的蟲迷。我們這對對蟲有志一同的姊妹,曾相約一起出國賞蟲呢。

姬島的青斑蝶

從別府市開車一個半小時,我們抵達了伊美港。接著要在這裡搭乘前往姬島的渡輪─「姬島丸」。二十分鐘後,身穿禮服、看似從九州本島參加婚禮歸來的家族,還有身穿社團制服的學生們依序下船。瀨戶內海一片風平浪靜。

「哇,我看到蝴蝶在飛了!」
車子行駛在青斑蝶會出沒的海角,看到道路兩旁翩然飛舞的大型蝴蝶,我們兩姊妹更加興奮。

車子一到停車場,我們看到路旁的草叢間停了幾隻青斑蝶。正如淺蔥(青斑蝶日文名為「淺蔥斑」,日文淺蔥意為水,代指水藍色)這個名字,水藍色搭配茶色的組合看起來很高雅。當我拿出相機,拍得正入迷時。

姐姐「現在不是拍照的時候吧!妳看那邊、那邊!」
Mereco「啊?……哇!!」

我順著姐姐指的海角前端,看到不計其數的蝶影飛舞。姊妹倆發出不成聲的尖叫,一起衝了過去。

「奇怪?我已經死了嗎?」
草地一望無際的綠意從海角的砂地延伸出去,海面風平浪靜,晴空萬里。數十隻被海風吹襲的青斑蝶,在其間晃動著翅膀。難道我已經悄悄來到天國了嗎?翅膀拍動空氣的聲音,吧噠吧噠地響著。有蝴蝶在的地方,就能引起蝴蝶效應〈※3〉,即使讓陰陽兩世產生連結也不足為奇。

海角前方的田地種植了青斑蝶喜愛的砂引草(Messerschmidia sibirica),吸引大批青斑蝶聚集。青斑蝶不只會從白色的花朵吸取花蜜,對草汁的味道也來者不拒。我們走過的草地,停留了數量多到嚇人的青斑蝶。斑蝶科的成員,體內大多帶有毒性。青斑蝶會吸食砂引草,好像很積極把毒物吃到身體裡。

「今天飛來的青斑蝶特別多呢!妳們是從哪裡來的?」
看似當地島民的大嬸向我們搭話。聽到我們回答「從神奈川來的」,對方大吃一驚「哇~太厲害了,居然從那麼遠的地方來」。原來這裡不是熱門觀光區嗎?我心中驚訝了一下,環顧四周,看到十幾個人,大部分都是按照旅館指引而來的釣魚客。這樣也好,反正人少,我們不必擔心人擠人,可以慢慢欣賞。

青斑蝶乘著海風,飄忽不定的姿態看似優雅,不過這裡畢竟只是它們漫長旅途中的休息站。青斑蝶終其一生都過得很辛苦。它們在台灣或沖繩過冬,在夏天即將來臨之際,又要北上到日本近畿或東北的高原。秋季的南下途中,它們則會在姬島短暫停留,趁此時吸取澤蘭的花蜜,所以只有在初夏才看得到青斑蝶在大海前飛舞的身影。

為了慰勞這群辛勞的旅客,姬島的居民努力種植青斑蝶喜歡的植物。感覺就像阿公阿嬤做了滿桌好菜,等待只有在中元節和過年返鄉的子孫享用。和我這個連年度返鄉都常翹掉的不孝女比起來,昆蟲還比較孝順呢。話雖如此,在秋天南下的隊伍,和北上隊伍並非同樣班底,而是它們的下一代。為什麼牠們能夠飛行這麼長的距離,真是讓人百思不得其解。

具備長途遷徙能力的青斑蝶,生態尚有許多不明之處。為了調查它們的移動路徑等資訊,在亞洲各地都有人用油性筆在蝶翼上記錄辨別資訊的標示調查。根據標示調查顯示,單獨個體的最長移動記錄,竟然超過兩千公里。

DSCN2689
根據調查,青斑蝶會在東亞各國之間隨著季風跨海遷徙,目前最遠的紀錄在2006年秋季,從日本長野縣到台灣的蘭嶼,約2321公里,間隔41天。(欲知更多相關資料可洽青斑蝶的台日航線一文)

日本的蟲迷〈※4〉號稱有七成都是蝴蝶迷,不過,熱中為青斑蝶進行標示調查的人,和一般認知的蝴蝶迷有點不一樣。透過小小的蟲子,把距離十萬八千里的兩個地方,串連起來……抱著此如此浪漫情懷的人,可是不在少數。

攝影家佐藤英治先生的著作《青斑蝶:跨海飛行的蝴蝶之謎》中,詳細地說明青斑蝶的生態與觀測地,以及標示調查的方法等資訊。我最喜歡的部分如下。

從網子捕捉青斑蝶,捉法有兩種;一種是按住翅膀,另一種是按住胸部。我選擇按住翅膀。原因是青斑蝶非常不耐熱;如果按住胸部,我擔心人的體溫會傳到牠身上,產生不良影響。

為了不妨礙青斑蝶的漫長旅途,調查得如此周到,完全捨不得讓牠們增加任何一點負擔。這樣的考量,將他對蝴蝶們的愛護之情表露無遺!

鳳蝶餐廳的女主人

以我目前的生活型態而言,想要為青斑蝶提供休憩之處很困難。不過,即使住在市區的公寓,還是有辦法吸引蝴蝶過來。春天的時候,我專挑檸檬、萊姆、金桔、山椒等芸香科植物的苗株,買回來放在陽台上,打造成蝴蝶專屬的餐廳。

我的鳳蝶餐廳「謝利」,首位客人是在六月三日光顧。那天,我走到水盤前一看,發現有如橡皮擦屑的脆弱生物,正在啃食自己的蛻皮殼。巡視一遍周圍,總共找到四隻,我馬上決定把牠們取名為橡皮擦屑1~4號。

我原本以為要區分1~4號很困難,沒想到經過幾天的觀察,我發現牠們會停留在固定的地方。即使移動到別的地方吃葉子,待我再去查看,牠們已經回到老位置了。感覺好像是為了避免從啃食葉片的痕跡,使自己的棲身之處曝光,所以把住家和用餐的地方分得很清楚。雖然外表和橡皮擦屑沒有兩樣,看來謀生的技能還是有從祖先處好好繼承下來。

一直叫牠們橡皮擦屑,好像很看不起牠們似的,其實我很驚訝牠們的生命力竟然如此強韌。在我去公司上班的這段時間,牠們很可能會被蜜蜂、寄生蜂、草蛉〈※5〉襲擊,或者慘遭風吹雨打而變得奄奄一息……想到這裡,我簡直是坐立難安。我決定把牠們棲息的葉片連枝剪下,插進裝水的瓶子裡,再找個圓頂的容器裝起來,養在室內。

打從我親自動手把葉子剪下來,開始照料牠們,才知道原來牠們是一群忘恩負義的傢伙。牠們居然會揮舞黃色的臭角來恐嚇我,虧我還是拉拔牠們長大的母親。「臭」角正如其名,會發出宛如柑橘類植物濃縮了幾百倍的惡臭。我深刻體認到,儘管柑橘類的香氣怡人,但是再芬芳的氣味,如果超過限度也會轉為可怕的臭味。

脫皮之後,牠們的體色變成茶色,帶著白斑。皮膚的光澤濕潤,已經完美擬態為溼鳥糞。難道牠們不知道忤逆衣食父母的行為,等於自取滅亡嗎?如果要牠們上吊自殺,也不知道哪個部位算是脖子就是了。我胡思亂想一番,覺得自己快要虛脫。和養貓養狗不一樣,這種完全不能期待牠們會和飼主「心有靈犀一點通」的無力感,或許正是養昆蟲的趣味所在。

一天天過去,這四塊鳥糞,總算變成我熟悉的柑橘鳳蝶幼蟲模樣,全身綠油油。牠們和之前只能小口小口的啃著葉子,承認「對啦,我就是地位最低,我是一塊沒人想吃的鳥糞」的樣子,完全判若兩蟲。胃口驚人,吃葉子有如秋風掃落葉,一下子就清潔溜溜。為了張羅這群綠色大胃王的食糧,我連忙出去採購柑橘類植物的苗株。

蝶-2
柑橘鳳蝶的幼蟲長大後,模樣很像恐龍寶寶。食量驚人,一株芸香在一天之內就被啃得光禿禿。背部的斑點是為了嚇阻鳥類,以免被捕食。雖然有人說這些斑點看起來像蛇眼,但是實際是否能派上用場,至今仍無定論。

發現那幾條橡皮擦屑,至今已過三個星期。養得圓圓胖胖的橡皮擦1號,「糞」量也相當驚人。但是我總覺得牠的體積有縮水。牠會一直停在枝椏上,搖頭晃腦,仔細一看,發現牠正努力補強結在枝椏上的絲。這些絲的作用,是等到結蛹時用以固定身體。

牠們在晚上吐絲結繭,到了早上,把身體縮成一球,進入「前蛹」期,一動也不動。早上我出門上班,下班回家時,牠們已經變成淺綠色的蛹,看起來好像巴爾坦星人(日本特攝節目《鹹蛋超人》系列中的外星人)。所有的變化在短短的半天內完成,讓我很後悔,「早知道就不去上班了……」

守著巴爾坦星人的日子又過了兩個星期,某一天晚上,我打算進房間睡覺時,忽然驚叫一聲。原本是綠色的蛹,已經透出黃色和黑色的翅膀顏色。我很有信心,明天早上一定可以看牠破蛹而出。

牠沒有包覆在堅硬的繭裡,單憑結在枝椏上的細絲固定。虧牠處於這種完全沒有防備的狀態下,還能夠一路撐到現在。從當初的橡皮擦屑,演變成鳥糞、綠色恐龍、巴爾坦星人。到底要變身幾次啊?總之,明天就可以看到最後的模樣。如果可以,我真想整晚不睡,以免錯過這重要時刻,但是隔天還得上班。我很不甘願地把鬧鐘調成五點,才上床睡覺。

隔天早上起床,就是一連串的等待。但是左等右等,蛹還是沒有任何動靜。明明蛹殼已經半開,都可以看到新的觸角和眼睛了,可是我只剩下三十分鐘就得出門。我心碎的回到房間吹整頭髮,只離開五分鐘左右,沒想到,等我回來以後,發現豬羊變色,牠的樣子已經變得和剛才完全不一樣了。

「你、你真的在約定時間內現身了!」
像是故意看準時間,鳳蝶趁我不在的時候,已經完全蛻變,破蛹而出。當我看到牠的時候,牠正在伸展翅膀。我花了幾個小時盯場,終究白費工夫。

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羽化中的青斑蝶。source:Youtube / 201206 琉球青斑蝶羽化記錄

為什麼我覺得連複眼和觸角都看起來如此水潤呢?大概是淚水在我眼眶裡打轉的關係吧!之後我又挑戰了好幾次,想要親眼目睹羽化的一瞬間,可惜最後都功虧一簣,每次都錯過破蛹而出的時刻。

連變身的瞬間都不讓我見識,未免太忘恩負義。難道你們以為自己能夠自食其力嗎!我抱著自憐自艾的心情,打算在牠們的翅膀乾掉以前,把鳳蝶拿到陽台,卻看到牠們為了把蛹便傳送到翅膀,拼命振翅的模樣。鼠灰色的體液,有如傘上的水珠紛紛落下。於是,鳳蝶的首次飛行直接在陽台啟程。

「可惡!你們給我好好的飛!我不管你們是男是女,反正通通給我找到好對象,能生多少就生多少。等到死後上天堂,你們再站到業鏡之前,最後恍然大悟『是妳嗎,Mereco?每次都替我們準備新鮮葉子的人就是妳嗎?』」

我彷彿化身為鳳蝶之母,內心如此吶喊著。

蝶-3
我一直看不到鳳蝶羽化的那一刻,好像不是單純的運氣不佳。對蝴蝶悉知甚詳的昆蟲館館員告訴我「我想鳳蝶儀定是看準Mereco小姐離開的空檔,趕快破蛹而出。在羽化及將完成之前,不是隱約可以看到鳳蝶的眼睛嗎?我想牠們已經有視力,可以看得到周圍的事物。」雖然我能夠體會鳳蝶的心情,但還是很悲傷。

不再是秘密之家的餐廳

1~4號號離巢獨立之後,留在陽台的柑橘盆栽裡,不斷有新來的「蟲」產卵。不曉得是自立門戶的第一代成員回來產卵,還是餐廳的名號已經透過口耳相傳,在蟲界流傳開來。因為照顧不來,我決定讓毛毛蟲們自己看著辦,長大並自行獨立。某天早上,替牠們補充水分的時候,我看到才剛羽化的鳳蝶,跌跌撞撞地飛走。

我猜測鳳蝶王朝在我家陽台已經繁衍到第五代;以「食部落格」(日本的美食情報網站)來比喻,我想我這間餐廳,相當於平均分數高達3.5分的優質好店。正當我如此沾沾自喜,有一天早上我躺在床上,聽到陽台上有一群吱吱喳喳的麻雀。我在半夢半醒之間,竟然覺得鳥語聽起來像是人話。

麻雀A「哎呀,我之前都不知道這裡開了一間店,很不錯的家常小館呢!」
麻雀B「可惜就是品項不夠多,如果菜單再多點變化就好了。」
麻雀A「那我的評論就這樣寫吧:希望能夠增加幼蟲的種類,能達到就給四顆星。」
(喀啦喀啦)
Mereco「喂!我這裡可不是麻雀餐廳呢!!」
麻雀們「哇~~好可怕喔!」拍著翅膀逃走了。

只要被鳥盯上,這個純粹以人工打造的環境,等於陷入無處可逃的絕境。我睜眼仔細一瞧,那些鳥糞狀的幼蟲們已經消失無蹤,取而代之的是多到嚇死人的鳥糞,讓我大驚失色「原來真正的鳥糞是長這副模樣!」

「小鳳,我對不起你們。我下次一定記得裝網子……」

我抬著仰望著天空,向那些早夭的鳳蝶寶寶道歉。

身為經營鳳蝶餐廳的女主人,一點也不輕鬆。委屈和辛酸的事接踵而來。雖然說這就是大自然的本質,但我還是相信人定勝天。我暗自下定決心,明年一定要做好萬全的準備,打造一間讓鳳蝶們能安心歇息的餐廳。

註釋:

  • ※1 大樺斑蝶在美洲大陸是種廣為人知的蝴蝶。在販賣進口手工雜貨的網站「Etsy」上,鍵入大樺斑蝶的英文「Monarch butterfly」搜尋,就會出現許多以這種蝴蝶為造型的飾品。
  • ※2 每年8月舉辦的盂蘭盆舞大會很有名。由小朋友戴上頭巾,把臉塗白所表演的「狐狸舞」尤其受到歡迎,也吸引了眾多業餘及專業攝影師, 把島上擠得水洩不通。
  • ※3 原文是「一隻蝴蝶在巴西拍動翅膀,可能會在美國德州引起龍捲風」。這就是混沌理論中的主題,意即微小的變化,可能會帶動巨大的連鎖反應。雖然寫下這段話的同時,我其實對這句話的意思一無所知,唯一肯定的是,如果我想用它來取代「大風起,桶匠喜」(比喻不知道誰什麼時候會走運)這句諺語,大概還是用錯了吧。
  • ※4 日文漢字為「蟲屋」。不過, 這個詞隱含著對昆蟲的熱愛非同小可,幾近狂熱,把大半人生都奉獻給昆蟲;不但對昆蟲如數家珍,而且眼中只有蟲,對周遭的事物常常視而不見的意思。
    可依照種類分為「蝴蝶屋、天牛屋」,或依照活動分為「採集屋、飼育屋」等。
    有位編輯曾告訴我「以人文科學系來說,我們也會自稱『 列寧屋』 」 。我想只是我不知道, 但是各個業界, 想必也存在著許多「○○屋」吧。
  • ※5 草蛉成蟲的翅膀呈半透明狀,看起來纖細脆弱,但是幼蟲卻是肉食性動物,擁有像蟻獅一樣的大顎。有些種類的幼蟲具備可怕的習性,會把吃剩的獵物殘渣背在背上行走。

ubTqkAF本文摘自泛科學2015年11月選書《大人的昆蟲學》,世茂出版。

 

 

 

 

PanSci Talk-變態

本書搭配精彩講座活動《變態》,邀請到台灣蝴蝶保育學會的資深講師呂晟智和國立中山大學生物科學系顏聖紘副教授,要和大家分享這些「變態」的小東西的迷人之處。

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呆萌的墨西哥虎螈不簡單!淺談牠的兩棲「變態」機制——《我們身體裡的生命演化史》
鷹出版_96
・2021/09/16 ・2480字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

華爾特.戈斯登(Walter Garstang,1968〜1949)就對赫克爾的概念鄙夷到連自己所做的批評最後都轉變為對於生物演化的新概念。他一生有兩個相距甚遠的嗜好:蝌蚪和韻文。當他沒在研究青蛙的幼態時,就在寫押韻五行詩。這兩份嗜好在他去世後兩年集合成《動物幼體形式與詩文》(Larval Forms and Other Verses)一書,書中把科學研究轉換成了詩句發表。

〈墨西哥虎螈與幼八目鰻〉看來不像是首好詩的標題,內容提到了蠑螈(墨西哥虎螈)和類似蝌蚪的動物(幼八目鰻)。

在水族箱中的蠑螈。圖/Pixabay

不過詩中表達的意義改變了整個領域,並且決定了後來數十年的研究方向。戈斯登的概念不只解釋了迪梅里圈欄中發生的神奇事件,也揭露了讓人類能夠出現在地球上的一些變革。對於戈斯登而言,幼態不只代表了發育的過程,也具備了許多生物演化史的痕跡,以及未來變化的潛能。

居住在水中的蠑螈,發育過程中有許多時間待在石頭下、落在溪流中的樹枝上,或是池塘的底部。牠們的幼體出生時頭部扁平、有鰭狀肢以及寬廣的尾部。鰓從頭顱的基部冒出,就像雞毛撢子中有一撮羽毛突出來一般。每片鰓都既扁平又寬大,將表面積增加到最大,好吸收水中的氧氣。牠們的鰭狀肢和尾部再加上鰓,顯然是為了在水中生活。墨西哥虎螈的卵中蛋黃含量非常少,所以孵化出的幼體必須大吃大喝,才能夠生長發育。牠們的大頭像是吸濾漏斗,只要把嘴張大,水和食物顆粒就會流進去。

墨西哥虎螈的腮。圖/WIKIPEDIA

接著就發生了變態(metamorphosis),上述特徵全都改變了。幼體的鰓消失了,頭顱骨骼、四肢和尾巴重新改造,從水生生物變成陸生生物了。新的器官讓牠們能夠在新的環境中棲息。在陸地吃的食物也和在水中的不同。頭部結構原來適合在水中吸入獵物,在空氣中就不管用了。所以牠們的頭顱骨骼改變,讓舌頭能夠快速伸出抓取獵物。一個簡單的轉變影響了全身,包括鰓、頭顱與循環系統。這個從水中到陸地的轉變,數億年前發生在人類的魚類祖先身上,而在蠑螈幾天的變態過程中重現了。

迪梅里在他的圈欄中看到蠑螈這樣驚人的變化,便追蹤了蠑螈整個生活史。這些蠑螈是戈斯登詩作中所說的墨西哥虎螈,牠們通常會從居住在水中的幼體,變態為在陸地上生活的成體。但是一如迪梅里後來所發現的,事情並非全然如此。變態有兩種途徑,取決於幼體生活的環境;如果環境比較乾燥,那麼蠑螈在生長的過程中就會變態,進而失去在水中生活的特徵,成為在陸地生活的成體。

但若是在潮濕的環境中長大,那麼牠們就不會產生變態,而是直接長成水生幼體的放大版,具有完整的鰓與鰭狀的尾巴,寬的頭顱很適合在水中攝食。當時迪梅里並不知道他從墨西哥得到的大型成體並沒有發生變態,因為牠們原本居住的環境是潮濕的。但那些蠑螈的後代是在乾燥的圈欄中生長,於是發生了變態,以致幼體所有跟水棲有關的特徵全都在變態過程中消失了。發生在迪梅里圈欄中的神奇事蹟,只是動物發育的過程出現了一個簡單的轉變。現在我們知道,變態之所以會啟動,是因為血液中的甲狀腺激素(thyroid hormone)濃度突然增加。

幼態維持的蠑螈,具有完整的鰓與鰭狀的尾巴 。圖/WIKIPEDIA

這種激素造成某一些細胞死亡、某一些增殖,還有另一些轉變成其他形式的組織。如果甲狀腺激素濃度維持平穩,或是細胞對甲狀腺激素的變化沒有反應,變態過程就不會啟動,如此一來,蠑螈將保有幼體的特徵而長大成熟。發育過程中的變化縱然很微小,也能促成整個身體的改變。

戈斯登改善迪梅里的研究,提出一個共通原則:在發育過程中適時出現的小變化,有可能在演化上造成巨大的差異。這樣說好了,在某個遠古發育階段的序列中,如果發育減緩或是提早結束,那麼這個後代就會看起來像是祖先年幼時的樣貌。

發生在蠑螈身上,就可能讓牠們的身體看起來像是在水中生活的幼體,依然有露在外面的鰓,而且四肢的指頭比較少。另一方面,如果發育過程延長或是加速,誇張的器官或是身體部位就會出現。蝸牛的外殼是在發育階段一圈又一圈地加上去的。有些種類的蝸牛演化成發育時間增長,或是發育速度加快,這樣蝸牛的後代,殼圈的數量就會比祖先更多。同樣的過程可以解釋各種大型或是誇張器官的出現過程,不管是麋鹿的角,還是長頸鹿的脖子。

「 在發育過程中適時出現的小變化,有可能在演化上造成巨大的差異」,或許能解釋麋鹿誇張的角是如何演化而來。 圖/WIKIPEDIA

修改胚胎發育的過程,能夠造就出截然不同的新生物。從戈斯登開始,科學家針對發育的時機如何改變並造成演化上的改變,進行了分類。減緩發育的速度與提早結束發育,是兩種不同的過程。這兩種過程造成的結果很相似,都有看起來較年幼的後代,但是起因卻不同。類似的因果關係也出現在發育的速度較快,以及延長發育時間的狀況下。在這兩種情況下,有些特徵變得誇張或是變大了。

科學家在找尋不同的原因時,會去調查可能控制這些事件的基因,或是引發事件的激素,例如甲狀腺激素。這種發育與演化的研究方式稱為「異時發生」(heterochrony),後來成為獨自一門的研究領域。動物學家和植物學家這一個多世紀以來比較了各種生物的胚胎和成體,指出改變發育事件的時機, 會讓動物和植物產生新型態的身體。戈斯登自己就舉出一個人類演化過程中的驚人例子,那時我們人類的祖先還是像蠕蟲的動物。

——本文摘自《我們身體裡的生命演化史》,2021 年 月,鷹出版

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在絕壁和雲層之上,開通想法的路。 鷹出版將聚焦在自然、科普、哲學等知識領域,以超克的視野,提供生活之慧眼與洞見。

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高原鼠兔的過冬絕招——吃大便!?
羅夏_96
・2021/08/04 ・3016字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

冬季,自古以來就被認為是萬物休眠的季節,因動植物的活動在此時會大幅降低。面對寒冷的天氣和食物的短缺,不少動物的因應策略便是「冬眠」。但對於無法冬眠的動物,牠們又該如何應對冬季呢?近期發表在 PNAS 上的研究就顯示,生活在青藏高原上的高原鼠兔發展出一種讓人不敢恭維的過冬絕招(Speakman et al., 2021)!

高原鼠兔。圖/維基百科

動物因應冬季的策略

對於要保持穩定體溫的恆溫動物來說,冬季可說是非常頭疼的。因外在環境的溫度降低,動物的身體必須產生更多的熱量來維持體溫的恆定,而這就需要靠攝取大量的食物來達成。但冬季除了寒冷外,通常也伴隨著食物的匱乏。因此恆溫動物最常見的兩個過冬策略,就是「遷徙」和「冬眠」。

遷徙的思路非常簡單,既然冬季這個生活環境不好,那我就直接搬到較溫暖且食物充足的地方。這個方法主要由鳥類使用,例如每年冬季來台灣的候鳥們,就是遷徙來過冬的。雖然遷徙是個好方法,但對於無法長距離移動的動物來說,這個方法就不實際了。因此一些動物就會採取另一個策略——冬眠。

Black faced spoonbill at Niigata.JPG
來台過冬的黑面琵鷺。圖/維基百科

冬眠是指動物會通過降低體溫,讓身體進入類似昏睡的生理狀態。在冬眠的狀態下,動物的身體機能會大幅下降,這樣就能降低能量的耗損。不過即使身體進入低耗能狀態,光靠這樣就想渡過冬季仍有難度。因此會冬眠的動物通常在秋季會大量進食,將熱量以脂肪的形式預先儲存下來。另外牠們也會尋覓理想的冬眠場所,並事先鋪好草和葉子,以此增加冬眠處的安全性和保暖性。這樣動物就能在溫暖的冬眠處,讓身體在低耗能情況下,緩慢的消耗預先儲備的脂肪來度過冬季了。

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冬眠中的黑熊。圖/Do Black Bears Hibernate?

上面兩種因應冬天的策略是最為人所知的。然而,一些動物在冬季既不遷徙也不冬眠,那牠們又是如何過冬呢?

以北美紅松鼠(Tamiasciurus hudsonicus)為例,牠們會在秋季先修好一個溫暖的庇護所,並在庇護所內囤放大量的食物。到了冬季,如非必要,牠們幾乎都待在溫暖的庇護所中,以儲備的食物來過冬。

和北美紅松鼠不同,白靴兔 (Lepus americanus)既不會建立庇護所,也不會預先儲備食物。但牠們可以透過主動調控自身的體溫和代謝率,讓自身在寒冷的環境中活動。但究竟白靴兔是通過怎樣的生理機制作調控,仍需更多研究。

事實上,科學家投注在研究遷徙和冬眠的興趣上,遠比這些非冬眠策略高。因此過往對於非冬眠動物的過冬策略,並沒有太多研究。不過隨著氣候變遷,一些本會遷徙和冬眠的動物也開始改變牠們的過冬策略,因此近年來對於非冬眠策略的研究正逐年增加。而近期發表在 PNAS 上的研究,就揭示了高原鼠兔這種非冬眠動物的過冬策略(Speakman et al., 2021)。

高原鼠兔的生活環境

高原鼠兔 (Ochotona curzoniae)是生活在青藏高原及附近地區的草食性動物。牠們可愛的外表被不少人認為是精靈寶可夢中 – 皮卡丘的原型。不過根據寶可夢設計師的說法,皮卡丘的原型是松鼠〜

Plateau pika of the Tibetan Plateau.jpg
高原鼠兔。圖/維基百科

雖然高原鼠兔很可愛,但牠們生活的環境卻不可愛。青藏高原世界上最高的高原,平均海拔高度 4,500 m。青藏高原有著空氣稀薄、降雨少、氣溫低、太陽輻射強等嚴峻的環境條件,這讓生活於此的動物受到不少考驗。而要想生活在冬季的青藏高原又更艱難了,乾燥少雨又低氧的環境,加上動輒 -30℃ 的低溫,讓植物的生長受到極大的限制,而這對高原鼠兔這種草食性動物來說,無疑是壞消息。然而在這種嚴峻的冬季環境下,高原鼠兔不僅不會遷徙到溫暖的區域,也不會冬眠,牠們究竟如何在寒冬裡生存,一直是個謎。而來自蘇格蘭亞伯丁大學和中國國家科學院的聯合團隊,就對這個問題進行深入研究。

高原鼠兔的過冬策略

研究團隊透過測量高原鼠兔的體溫和活動紀錄發現,冬季的高原鼠兔其體溫和活動量都比夏季低。研究團隊認為,這是高原鼠兔的降低能量消耗的策略。而後續的檢測證實了他們的想法,冬季的高原鼠兔其身體代謝率比夏季低 30%。研究團隊也測量了高原鼠兔血液中的甲狀腺素含量,發現其甲狀腺素的含量會在冬季大幅下降。因此他們推測,高原鼠兔降低代謝率的能力是通過控制甲狀腺素的量來調控的。

降低身體代謝率是動物過冬的常見策略,因此這個發現沒讓研究團隊太意外,但光靠這個策略是不足以撐過冬天的。要對抗寒冷,必須要攝取食物來產生熱量,但冬季的青藏高原並沒有足夠的食物讓高原鼠兔食用。正當研究團隊困惑這些小傢伙到底靠食用甚麼來維生時,當地的西藏人給他們一個驚人的觀察報告:高原鼠兔會吃氂牛的糞便。起初研究團隊對這個觀察沒放在心上,但隨著越來越多西藏人都表明有看到這樣的景象,讓他們覺得有必要進行深入研究。

研究團隊通過在多個氂牛的群居地設置狩獵用攝影機,成功拍攝到高原鼠兔在大啖氂牛糞便的景象,而且頻率頗高!

影片來源/PNAS

研究團隊進一步分析高原鼠兔的胃部殘留物和腸道菌組成,發現牠們的胃內確實有大量氂牛的 DNA ,而且其腸道菌組成也和氂牛幾乎一致,顯示了高原鼠兔確實會將氂牛糞便當作食物來源。不過根據研究顯示,高原鼠兔的吃屎行為一年四季都有,只是在食物匱乏的冬季頻率較高。這個結果解釋了過往科學家們的疑惑:為何氂牛數量較多的地方,高原鼠兔的數量也較多?這兩個物種會互相競爭食物,理論上同一地區不該都有高數量。但這個結果告訴我們,因為氂牛糞便也是高原鼠兔的食物來源,因此氂牛多的地方,高原鼠兔自然也多~

那高原鼠兔怎麼會發展出這種讓過冬策略呢?研究團隊推測有以下原因:

  1. 氂牛糞便作為食物來源,非常容易取得,這讓高原鼠兔不用花太多能量就能找到。而這也體現在,居住在氂牛數量高地區的高原鼠兔,其活動量也較少。
  2. 這些糞便因經過氂牛的消化,更容易被高原鼠兔吸收,而這減少了高原鼠兔消化食物所需消耗的能量。
  3. 糞便能提供水分和稀缺的營養成分。

雖然糞便做為食物有不少好處,但同樣也有不少風險,例如攝取到寄生蟲的問題,因此關於高原鼠兔食用糞便背後的好處/壞處,還需要更多的研究。

相信隨著對非冬眠動物的研究增加,未來一定能揭示更多的非冬眠策略。或許未來地球的氣候突然來個大轉變,再次進入冰河期,這些策略就能作為人類存活下去的重要參考依據。不過希望這方面的研究能揭示更多策略,畢竟吃大便的策略,還真讓人不敢恭維啊……

參考資料

  1. Speakman JR, Chi Q, Ołdakowski Ł, Fu H, Fletcher QE, Hambly C, Togo J, Liu X, Piertney SB, Wang X, Zhang L, Redman P, Wang L, Tang G, Li Y, Cui J, Thomson PJ, Wang Z, Glover P, Robertson OC, Zhang Y, Wang D. Surviving winter on the Qinghai-Tibetan Plateau: Pikas suppress energy demands and exploit yak feces to survive winter. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021 Jul 27;118(30):e2100707118
  2. 冬眠
羅夏_96
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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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猛禽遊隼的度冬航線,跟氣候變遷有什麼關係?
Carol
・2021/06/03 ・3426字 ・閱讀時間約 7 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

目前已知全球氣候變遷及人為開發活動會影響及鳥類每年的遷徙移動,進而可能導致鳥類遷徙到不適宜居住的地點以及不相符合的繁殖環境。

遷徙鳥類會隨著季節性地偏好的北極(極地)繁殖地,不過科學家對於鳥類遷徙路經的資訊、維持方法、未來途徑,以及體內基因是如何影響及決定遷徙路徑目前仍不甚清楚。

最近的研究發現,遊隼身上的 ADCY8 基因,可能與遷徙路徑有關。而全球暖化的情況持續下去,歐亞大陸西部的遊隼族群遷徙距離會越來越短,而東部的族群遷徙距離則會越來越長。

地表最速猛禽,遊隼

遊隼 (peregrine falcons,Falco peregrinus) 是體型壯碩,飛行極為快速的鳥類,俯衝時最高時速甚至可達 300 km 以上。遊隼會先在高空鎖定欲捕食的中小型鳥類,然後將尾翼後折,俯衝而下(如影片)。

在遊隼的名字中,falcon 指的是「隼」,在拉丁文中更是有著「鐮刀」的意思,是源自於遊隼飛行時彎曲的翅膀。目前有些戰鬥機、重機就以遊隼為名。例如:日本生產的重機鈴木 GSX1300R 隼,其車頭的特殊造型就是仿製遊隼而來的。除此之外,身為飛行之王的遊隼也會出現在阿拉伯聯合大公國的國徽,作為該國的國鳥。

圖三/阿拉伯聯合大公國的國徽是以遊隼為形象。Wikimedia

為了食物,棲息極圈的遊隼必須遷徙到南方

遊隼除了南極大陸及少部分的區域外,在世界各地皆有分布。不同地區的遊隼生活環境略為不同,可生活在平原、濕地等山區棲地,甚至是城市裡。有部分遊隼是留鳥,有部分遊隼則會在特定季節遷徙。遊隼的遷徙原因主要可分為兩類,一種是因為幼鳥成熟離巢而擴散到其他棲息地;另一個原因則是為探尋食物來源。在秋季來臨,氣候逐漸寒冷的時候,身處在高緯度地區的遊隼因所處環境食物資源日漸缺乏,會開始進行遷徙的行為,到較溫暖且食物充足的地方渡冬,待冬季過去,才會再回到原來的繁殖地。

北極地區的遊隼,具有特定的遷徙途徑

生活在北極地區的遊隼,約在九月時開始進行秋季遷徙,大約可在 27 天內旅行 2,280 到 11,002 公里,並且在十月時到達他們度冬的區域。遊隼通常獨自遷徙,而來自極地不同地區的遊隼,使用的遷徙路徑也大不相同。研究團隊藉由衛星追蹤 6 個族群共 56 隻遊隼,可觀察到 5 種不同的路徑(圖四),遷徙的出發地,也各不相同,區分為 Kola、Kolguev、Yamal、Popigai、Lena 及 Kolyma 六個(Kola 及 Kolguev 地點出發的遊隼使用相同的遷徙路徑)。

圖四/藉由衛星追蹤 56 隻遊隼,可發現 5 種不同的路徑。實線為秋季遷徙,虛線則是春季遷徙。參考文獻 1

若是連續追蹤遊隼三年的飛行路徑,則可發現其遷徙路徑的會重複性相當高,每年變動的幅度不大(圖五)。倘若進一步計算且比較不同族群遊隼的遷徙路徑,則可發現使用東方路徑 (Eastern routes) 遷徙的遊隼其旅行途徑明顯地遠高於使用西方路徑 (Western routes) 遷徙的遊隼。

圖五/從 2010 到 2014 年,從 Lena 啟程的遊隼遷徙路徑。參考文獻 1

藉由路徑距離的長短,來將從五個不同地點遷徙的遊隼區分兩大類,分別為長距離遷徙 (LD, long-distance) 及短距離遷徙 (SD, short-distance),長距離遷徙指的是從 Yamal、Popigai、Lena 及 Kolyma 等地遷徙的遊隼飛行路徑,短距離遷徙則是指從 Kola、Kolguev 地點的遊隼遷徙路經。(圖六)

圖六/從五個地點出發的路徑,可分為長距離遷徙 (LD, long-distance) 及短距離遷徙 (SD, short-distance)。其中 Kola 與 Kolguev 屬於 SD;Yamal、Popigai、Lena 及 Kolyma 屬於 LD。參考文獻 1

遊隼的遷徙路徑,受不同時期的環境影響

這些繁殖族群一共使用五種不同遷徙途徑來橫跨歐亞大陸 (Eurasia),可能是源自過去末次冰盛期 (LGM, Last Glacial Maximum) 至全新世 (Holocene Epoch,約一萬年前) 的過渡期間,氣候從寒冷轉逐漸轉換成溫暖穩定,冰河逐漸融化,遊隼的繁殖地也亦有經緯度的改變。現今這些不同遷徙路經中的環境差異 (divergence) 也讓這些途徑保留各自的獨特性 (distinctiveness)。

在末次冰盛期 (LGM),生活在北極西方區域的遊隼有較小的度冬區域,然而在東邊區域是仍然維持不變,遊隼們會遷徙到一個渡冬區域,進行一個東南向的遷徙(經過印度及東南亞)(圖七)。而在全新世中期 (the middle of the Holocence),則改為西南向路徑遷徙。在全新世中期 (the middle of the Holocence) 時,遊隼的繁殖地區已逐漸向北邊轉移。這也顯示,遊隼需有一個更長的遷徙路經。這些結果顯示冰川周期 (glacial cycle) 的改變是可以調控遊隼遷徙的方向以及距離。

圖七/不同時期時,遊隼的繁殖地及渡冬區的位置分布與遷徙路徑。最上方圖示為末次冰盛期 (LGM);中間的圖示為全新世中期 (the middle of the Holocence);最下方的圖示則為現今的遊隼遷徙路徑。參考文獻 1

基因變異造成遷徙距離不同

此研究中,研究團隊不僅僅使用衛星追蹤遊隼飛行路徑,還從觀測的 6 個族群共 56 隻遊隼中,取其中 4 個族群中的 35 隻遊準進行基因定序。研究團隊發現一個名為 ADCY8 的基因,此基因先前已被報導出會參與在其他動物的長期記憶中。根據先前研究,ADCY8 會轉譯 adenylyl cyclase type8 催化酵素,可以促使 ATP 轉換成 cAMP,並扮演次級信使可向下調節與記憶相關的基因。除此之外,

ADCY8 基因的突變可促進轉錄因子 CREB1 的結合。CREB 是一個轉錄因子,可利用 CREB basic region及leucine zipper domain (bZIP) 與 CREB1 的結合 (bind),並且可藉由 DNA 甲基化來調節基因表現。CREB1 已被指出對於長期記憶的發展有著決定性的影響,因 ADCY8 基因的突變是發生在長距離遷徙遊隼與短距離遷徙遊隼族群分離之後,只有長距離的遊隼遷徙族群的 ADCY8 基因有較高的活性,並藉此可增強長期記憶的能力,這有助於對於遊隼長距離的遷徙。

此研究發現 ADCY8 基因與族群間相異的遷徙距離有相關性,並了解 ADCY8 和 CREB1 會藉由共同調節長期記憶的能力來影響遊隼的飛行距離,長期記憶可能是造成在遊隼族群 ADCY8 基因變異的選擇性因素。

全球暖化對於遊隼遷徙的影響

研究團隊使用生態區位模型 (ecological niche) 來模擬未來在 2070 年時,每個族群的遊隼的繁殖地及度冬地分散情形。結果發現,每個族群的繁殖地及度冬地會北極遷移 2.08 緯度(圖八)。這也與大部分的北極海濱鳥 (Arctic shorebirds) 遷徙狀況有一致的情形,並可彰顯苔原亦受到氣候影響的生長區域。

圖八/現今及 2070 年時,5 個族群遊隼的繁殖區域及渡冬區域。綠色虛線為現在的繁殖區域,實線則為 2070 年的繁殖區域。橘色虛線區域為現在的渡冬區域,實線則為 2070 年的渡冬區域。參考文獻 1

除此之外,未來使用短距離路徑 (SD) 的遊隼,其遷徙路徑會越來越短;反之,長距離的遊隼其遷徙路徑則會越來越長。如果今後數十年間,地球氣候以相同的速率暖化,歐亞大陸西部的遊準族群可能會明顯地減少,並且可能會停止遷徙。而歐亞大陸東部的遊隼族群則會遇到長途遷徙的很大的危機,因為遊隼的死亡率會隨著遷徙路徑增長而提高。

全球暖化也被預測會影響遷徙策略,並且減少遊準在歐亞北極的繁殖區域範圍。釐清生態作用與演化過程的交互作用,進一步可以有利於保護遷徙鳥類。

為因應全球氣候變遷,遊隼會需要改變新的度冬區域,並且調整的遷徙路徑。

氣候暖化,北極的繁殖地減縮,可能不止會導致遊隼族群減縮,亦會連帶影響其他北極遷徙物種瀕臨危機。因此,減緩全球暖化的速度實為重要,氣候變遷不僅會直接影響人類生活環境,更會立即影響到極地生物的生存。

參考資料

  1. Gu, Z., Pan, S., Lin, Z., Hu, L., Dai, X., Chang, J., … & Zhan, X. (2021). Climate-driven flyway changes and memory-based long-distance migration. Nature591(7849), 259-264.
  2. Biologists Find Evidence of Migration Gene in Birds
  3. 台灣的猛禽-遊隼
  4. 設定目的再挑戰並行動吧!世界最快的鳥類——遊隼
Carol
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Carol|生科系畢業,喜歡植物,喜歡小丑魚。