生命會為自己找到出路(二):冬眠、煙草、與變性的魚

■面對環境裡種種對生命的威脅,大自然裡有多種令人驚訝的存活策略,帶給我們震撼與啟示。

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撰文|莊宇真

●動物的冬眠策略

在乾旱、遷徙、嚴冬、或其他因素下,生物往往會被迫面對資源短缺的問題。例如,在美國南達科他州的大草原邊,北美地松鼠(Ictidomys tridecemlineatus)正以「大吃大喝」做為對抗寒冷冬季的策略。透過狼吞虎嚥地吃下大量種子、蝗蟲、與其他美味佳餚,牠們每天能為自己增加2%的體重;等到地松鼠挖好洞穴準備冬眠時,牠的體重將增加40%,而這些多出的脂肪將能幫助牠撐到春天來臨。當然,這個策略也有缺點。吃地圓滾滾的囓齒類,一向是老鷹與郊狼的最愛。

由於這個存糧也可能過早耗盡;因此,一旦地松鼠已足夠「圓滾」時,牠必須立刻進入冬眠狀態,好讓身體的能量耗損瞬間降低。此刻,牠的體溫會大幅降低,從37 °C降至3~5 °C,需氧量降至1/50,心率也從每分鐘350-400次、降低至每分鐘僅4-5次[1,2]。根據2013年美國明尼蘇達大學Matt Andrews實驗室的研究,地松鼠的身體會將大量累積的脂肪移至心臟,藉以保護心臟功能;但同時也會啟動一組特殊的基因,使脂肪得以燃燒[2]。

數十年來,動物的冬眠策略一直是科學家心嚮神往的探索主題之一。藉由更瞭解冬眠實際的運作機制,研究者希望能開發出可幫助人類(例如:太空人)處於冬眠狀態以撐過漫長歲月的方法。不過,原本就緩慢推進的這個研究領域,在一項「冬眠熊與第二型糖尿病研究」因竄改數據被期刊撤下後,受到重挫[3]。

縱使如此,無論是熊或是地松鼠,科學家們確實觀察到牠們在冬眠時,身體呈現類似重症病人或極於危險的狀態。例如:冬眠時,熊的心臟裡會出現血球團塊[4]、地松鼠的大腦也將承受缺乏血液與氧氣的狀態[5];然而,牠們是如何能在甦醒後完全恢復健康,絲毫未受影響?再者,短時間內在身體裡裝載如此多脂肪,牠們又是如何避免產生如糖尿病的代謝異常?這些都仍鼓舞著研究者,持續為解開箇中奧妙努力。

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●挺身抵抗的植物

植物不像我們有腳,可以跑離我們所厭惡的一切;不過,牠們也因此發展出面對食草者攻擊時的獨特策略。北美洲有一種別名為郊狼煙草的植物(Nicotiana attenuata),即因其面對毛毛蟲的獨特抵制策略聞名。

郊狼煙草面對食草者的第一道防線為 – 讓自己有毒。當察覺到被多數食草者攻擊時,此時會產生茉莉酸(jasmonic acid)訊號,從韌皮部送往根部;此訊號使根部快速產生大量的尼古丁(nicotine, 一種會影響肌肉功能的神經毒素),並經木質部傳送到葉子裡[6]。當煙草發動此波攻擊時,每一片葉子裡可含有如同半盒香菸那麼高的尼古丁總量。

不過,這招式用來對付一般的食草者還可以,但對於如煙草天蛾(Manduca sexta)等天蛾(hawkmoths)的幼蟲,由於天蛾本身也是煙草的重要傳粉者(pollinators),其幼蟲已演化出不受尼古丁影響的腸胃機制。天蛾前來傳遞花粉,但也同時在煙草產下卵。面對這樣的兩難困境,郊狼煙草則發展出進階的抵制策略。

當煙草察覺受到的是特殊敵人的進攻(天蛾幼蟲)時,此時會釋放出揮發性化學物質(volatile chemical compounds),此物質就像是對外呼叫救兵的信號彈,吸引以此毛毛蟲為食的昆蟲前來,飽餐之餘順便為煙草掃除敵軍;這些化學物質同樣也會讓其他天蛾不想在此產卵[7,8]。接下來,煙草會將原本夜間開花的時間改變為日間;原本夜間開花容易吸引到天蛾類的傳粉者,日間開花則可改為吸引如蜂鳥等不同的傳粉者[9,10]。

2017年,德國馬克斯普朗克協會(Max Planck Institute)進一步找出負責調控此揮發性物質(E)-α-bergamotene的基因(NaTPS38),發現在夜裡,這個物質對天蛾成蟲具有吸引力,吸引牠們前來協助傳粉;但在日間,這個物質吸引的則是以天蛾幼蟲與卵為食的掠食者[11]。

這樣複雜的防衛機制,竟然能由植物本體上各個細胞各自決定而協調而成,且在不具有大腦中樞的情況下完整執行,實在是令人嘆為觀止!

●為生存而變性的魚

魚類是繁殖策略的大師。約有450種魚類,在其一生中,會為了壯大該族群的後代數量而改變性別。魚類透過荷爾蒙就來改變性別,不同種類的改變方式不大相同。

例如,體型大的雌魚可以產下較多的卵;因此,在某些種類裡(如:小丑魚),生命初期由於體型較小而擔任雄性,待未來體型長大之後再改擔任雌性角色。而在雄性需要透過打鬥來競爭配偶或領土的魚類,例如:石斑(groupers)、海鯛(sea breams)、真鯛(porgies)等,體型過小的雄性意味著無法擁有下一代;因此,年幼體型小時,則以擔任雌性角色較有助於族群的繁殖[12]。

如今,此種策略有助於魚類適應當前一些干擾性別平衡的挑戰,例如:過漁(overfishing)。以海鯛為例,漁民喜好捕捉體型大的魚,而原本體型大的通常為雄魚,雄魚因此面臨被捕撈殆盡的危機。研究發現,人類這種使大量雄性海鯛消失的行為,促使海鯛魚群中的部分年輕雌海鯛因此改變性別,藉以恢復魚群的性別平衡[13]。

當然,這並非長久之計。因為海鯛被迫在年齡更小時即需轉換性別(雌→雄),如此一來,雌魚則沒有機會長大;此種改變同時也會導致後代數量減少與族群縮小。因此,魚類透過改變性別來應付人類對其繁衍的傷害,仍舊僅能抵擋一時,僅僅依靠魚類的繁殖復原力是不足夠的。

 

相關閱讀:生命會為自己找到出路(一):再生與基因竊取

報導出處:From stealing genes to regrowing limbs, how life finds a way to survive and thrive

參考文獻:

  1. Thorington RW & Ferrell KE. Squirrels: The Animal Answer Guide (pp.82). Maryland: Johns Hopkins University Press. 2006.
  2. Gammon K. Life-Saving Lessons from Hibernating Ground Squirrels. Discover April 8, 2016.
  3. Woodfield J. Falsified data and diabetes: Grizzly bears, chocolate and serious misconduct. diabetes.co.uk Sep 2, 2015.
  4. Goode E. Learning From Healthy Bears (You Mean We Should Hibernate?). The New York Times July 4, 2016.
  5. Hibernating ground squirrels provide clues to new stroke treatments. Nov 17, 2017.
  6. Lambers H, et al. Plant Physiological Ecology (2nd, pp.466). German: Springer. 2008.
  7. Franzen H. Plants Attract Enemy's Enemies To Survive. Scientific American March 16, 2001.
  8. Russell SA & Aguilera-Hellweg M. Talking Plants. Discover April 1, 2002.
  9. Flowering by Day Keeps the Caterpillars Away. Jan 21, 2010.
  10. Kessler D, et al. Changing pollinators as a means of escaping herbivores. Curr Biol 2010;20(3):237-42.
  11. Max Planck Institute. Bergamotene—alluring and lethal for Manduca sexta. April 24, 2017.
  12. Benvenuto C, et al. Ecological and evolutionary consequences of alternative sex-change pathways in fish. Scientific Reports 2017;7(9084).
  13. Lowerre‐Barbieri S, et al. Reproductive resilience: a paradigm shift in understanding spawner‐recruit systems in exploited marine fish. Fish and Fisheries 2017;18(2):285-312.

 

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