蜘蛛網,乾濕有別

■相信讀者們都知道很多蜘蛛會結網捕捉昆蟲溫飽三餐,也知道蜘蛛絲是一種在獵物衝撞網面、掙扎時不會斷裂,相當強韌有彈性的生物纖維。但是你知道蜘蛛網黏性,到底從何而來嗎?

圖一:歐洲中世紀文本裡描繪的蜘蛛,守在她的圓網中央。圖片來源:Wellcome Collection. (CC BY 4.0)

撰文|陳瑩

蜘蛛絲是一種相當強韌有彈性的生物纖維。蜘蛛網的形式和功能千千萬萬種,各有千秋。其中垂直於地面、蜘蛛絲從中央輻射向外形成的圓網 (orb web),有著即使獵物直接衝撞網面、掙扎也不易斷裂的特性,被認為是捕捉飛行昆蟲效率最好的網。

織圓網的蜘蛛依據其製造的捕絲 (capture threads) 的類型,可以大致分成篩疣類 (cribellate) 和無篩疣類 (ecribellate) 兩大類群。雖然說篩疣類蜘蛛出現在地球上的時序比無篩疣類蜘蛛還要早,但是時至今日,無篩疣類的蜘蛛,不管是在普遍性還是在物種多樣性上,都比篩疣類蜘蛛來得高。一般認為這是因為無篩疣類蜘蛛的網,採用的是裹上水性黏膠的捕絲,比起篩疣類蜘蛛的乾式捕絲,前者生成成本低,生產速度快,在實驗室進行的人工測試也顯示黏膠捕絲的黏著力也比較高。無篩疣類的黏膠網,好像怎麼看都完封對手,市佔率高似乎一點也不奇怪。

不,實在太奇怪了。如果篩疣類的乾式捕絲大大不如無篩疣類的黏膠捕絲,爲什麼沒有被過去數百萬年的演化天擇洪流淘汰掉呢?再說,如果篩疣類的乾式捕絲的黏著力真的比較差,為什麼被黏到的昆蟲反而要花比較久的時間掙脫呢?

為了解答這些疑惑,一組由德國和奧地利科學家組成的研究團隊,採取了果蠅等昆蟲的翅膀,以及羽蟱蛛 (Uloborus plumipes) 、南家蛛 (Kukulcania hibernalis) 、猛暗蛛 (Amaurobius ferox)、長社蛛 (Badumna longinqua) 等等篩疣類物種的乾式捕絲,在實驗室裡進行了一連串仔細的實驗觀察。

他們發現,乾式捕絲在接觸到昆蟲身體 (在實驗中使用的是昆蟲的翅膀) 的時候,捕絲上面的奈米纖維 (nanofibres) 會逐漸和昆蟲「融合」(fusion) 成為一體 (圖二)。而這種「融合」的現象,在用其他人造材質的外物接觸乾式捕絲的時候下不會出現。

圖二:在電子顯微鏡下觀察到的不同物種的乾式捕絲 (a: 猛暗蛛; b: 長社蛛; c: 羽蟱蛛) 在接觸到的翅膀後 (a, b: 四紋豆象 Callosobruchus maculatus; c: 果蠅 Drosophila melanogaster),奈米纖維出現的「融合」現象 (圖中 * 號標記處)。+ 號標記處為沒有接觸到蟲翅的奈米纖維原狀。圖片來源: a,b: Figure S2 in Bott, et al. (2017). Proc. R. Soc. B, 284(1855), 20170363. (CC-BY 4.0); c: Hana Adamova 攝, Anna-Christin Joel 提供。

接著,他們使用高速光學顯微鏡攝影觀察該「融合」現象,看到某種液體從蟲翅膀溢出、吸附住捕絲纖維,將捕絲和蟲翅融合在一起 (影片一)。氣溫越高,吸附的速度越快;但是就算溫度低至攝氏 4 度,還是觀察得到同樣的現象。

影片一:篩疣類蜘蛛製造的捕絲纖維在接觸昆蟲翅膀 (畫面右方) 時發生的變化。紅箭頭處可觀察到有「液體」從蟲翅溢出的現象。影片來源:Movie S1 in Bott, et al. (2017). Proc. R. Soc. B, 284(1855), 20170363. (CC-BY 4.0)

 

最後他們透過化學分析,查明那些從蟲翅上溢出的液體,其實是昆蟲體表既有的蠟 (epicuticular waxes)。如果把昆蟲身上的蠟全部移除,則接觸捕絲時的黏性就會大減。有蠟和無蠟之間的黏性差異可高達八倍之多。此外,如果把蠟塗到人造材質的外物上,在接觸到捕絲也會出現吸附融合的現象。也就是說,過去的實驗室人工測試顯示乾式捕絲黏力弱,其實是因為缺乏昆蟲身上或多或少都有的蠟作為介質的緣故所致。

過去認為,沒有黏膠幫助的乾式捕絲,主要是靠凡德瓦力 (Van der Waals’ forces)、吸濕力 (hygroscopic forces) 等弱弱的作用力黏住昆蟲。這項新的研究結果,雖然沒有完全推翻過去的假說,但確實找到了也許可稱為是乾式捕絲最強大的隱藏祕技。研究人員認為,乾式捕絲靠的是毛細作用力 (capillary forces) ,牢牢吸附昆蟲身上分泌的蠟,讓蟲蟲想賴也賴不掉。如此一來也合理地解釋了為什麼昆蟲從乾式捕絲網逃脫分外困難。

研究人員甚至懷疑,後來黏膠型圓網的出現,是由於過去幾百萬年的歲月裡,乾式捕絲網所造成的天擇壓力,演化汰選出身上蠟少、或是其他材質外殼的昆蟲類型——畢竟,黏膠網對這些類型的昆蟲,有著比較好的捕捉效果。然而後來黏膠網的大量流行,又促成另一波汰選身體多蠟滑溜容易從黏膠網逃脫的昆蟲出現,讓乾式捕絲網不致斷炊而流傳下來。

蜘蛛網,乾濕有別,各有所長。各位讀者下次遇到蜘蛛網的時候,不管是在森林、公園、還是自家房間裡,不妨花點時間觀察一下其中的奧妙吧。

 

參考資料:

  1. Bott, R. A., Baumgartner, W., Bräunig, P., Menzel, F., & Joel, A. C. (2017). Adhesion enhancement of cribellate capture threads by epicuticular waxes of the insect prey sheds new light on spider web evolution. Proc. R. Soc. B, 284(1855), 20170363.
  2. Foelix, R. F. (2011). Biology of Spiders. Third edition. Oxford University Press.
  3. 张志升. (2003). 中国漏斗蛛科和暗蛛科的分类研究 (蛛形纲: 蜘蛛目) (Doctoral dissertation, 保定: 河北大学).

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作者:陳瑩 台灣大學生態與演化生物學碩士、英國德倫大學生命科學博士。現為耶魯-新加坡國立大學院生命科學系博士後研究員。過去主要以海洋哺乳動物族群遺傳學為研究主題,新研究主題將聚焦於無脊椎動物的基因體學與行為演化。

 

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