臺大昆蟲夜 – 2015年秋季「展望」演講心得

作者 :林書維

2015年秋季「展望」的第三場探索昆蟲的感知世界,台大昆蟲學系的楊恩誠主任,為大家解說昆蟲在視覺以及受磁場影響的奧秘。這個在地球上已知有超過百萬種的物種,不僅是生存成功,而且對生態也帶來不一樣的影響,究竟在過去到現在,地球經歷的氣候、地質變化下,牠們是以甚麼樣的方式演化、生存至今。楊主任提出,在視覺上人類可以辨識顏色不同,昆蟲是否也可以呢?在地球磁場的感受上,一直以來人類都無法感知,除了某些宣稱自己有此類敏感感受的人類,是甚麼讓感受磁場成為一種稀少而且獨特的力量,在昆蟲的身上是否也存有這樣的能力抑或是沒有呢?也許你從未想過昆蟲擁有的能力或是對整個生態所處的位置,或許你會覺得牠們只是「蟲蟲危機」當中逗趣又可愛的動畫主角,卻不知道在地球演化的這部片子中,已經扮演了許久的重要角色。

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昆蟲為何?

在分類上,昆蟲屬於昆蟲綱(Insecta),是世界上目前最繁盛的動物,已經發現超過100萬種。構造上,昆蟲有別於脊椎動物,牠們的身體沒有內骨骼的支持,外面有一層名為幾丁質(chitin)構成的殼,不僅可以分節讓運動更靈活,而且就像是盔甲一般。一般而言,昆蟲的身體會分做頭、胸、腹三節,最常被注意的就是有六條腿,複眼以及一對觸角。另外在身體內,牠們有脂肪體,功能就如同肝功能一樣,可以幫助代謝。

不過,堅硬的外殼雖然有保衛功能,卻讓昆蟲的生長也受到限制,因此若要持續長大就只能靠蛻皮的方式,將舊的外殼蛻去,有的昆蟲更會將自己的舊殼吃掉。昆蟲的生長方式主要分為兩種,半變態、完全變態。

完全變態:生長過程中需要經過「蛹期」,在此期間體內會經歷劇烈的組織、器官改變的過程,成蟲會破蛹而出,大多數的昆蟲均屬此類,像是甲蟲、蝴蝶、蜜蜂、螞蟻等等。

半變態(不完全變態):此類的昆蟲發育過程分為三階段,卵、稚蟲、成蟲。三階段的過程是慢慢變化,少掉了蛹這個階段,稚蟲與成蟲的外觀非常相似,有複眼、腿、和翅膀等等特徵,例如蝗蟲或是蟋蟀屬於此類。

在昆蟲的生命中,幼蟲時期就是不斷進食,成為成蟲後的任務就是生育繁殖,非常簡單的目的。許多昆蟲的生命週期都少於一年,不過自己擁有一套內在的調節機制,讓成蟲可以在每年的同一個季節出現,雖然看似沒有什麼但卻十足重要,透過這樣的機制,讓他們不用因為依賴某種特地的作物卻在錯誤的季節造成斷糧的狀況,每年都可以找到最適合自己生長的地方。

昆蟲與生態間的關係

在昆蟲的世界中,也許生存目的只有繁育後代這麼簡單,不過對於生態而言,牠們卻舉足輕重的存在。目前已經有發展一門專精的昆蟲生態學,研究昆蟲與周遭環境還有生態系之間的關係。在生態系中,扮演的角色十分多元,也許是幫助鬆土、通風,或是利用自身條件來抑制對生態有害的蟲類,播種抑或是其他動物的食物來源。例如蟲媒花需要得到昆蟲的幫助才能傳播花粉,常見的蜂蜜其實也是透過蜜蜂辛勤的採集人類才能輕易收穫,在某些地區(像是東南亞或南美),昆蟲更是當地人補充蛋白質的來源,作為食物的用途。又如甲蟲是食腐的動物,以腐肉或是倒下的植物當作食物,在這過程中將生物體轉換為其他生物需要的成分。

複眼下的世界

本次講座的重頭戲,便是昆蟲的視覺。昆蟲最特殊的就是—複眼。複眼是一種由不一定數量的小眼所組成的視覺器官,主要會在昆蟲身上出現。組成小眼數量其實視物種而有不同,從一個到數千個的數量都有可能。對於擁有複眼的動物們而言,優點就是可以提供寬闊的眼界,而且可以有效的計算自身和觀察物體的方位、距離,因此利用複眼的昆蟲們可以做更快速的判斷、反應,在某些特殊的案例中,昆蟲甚至可以分辨光的偏振,感受到光的強度以及方向,擁有這項能力讓牠們就像是有了天生的GPS導航,另外,有些昆蟲具有辨識偏振光的能力,例如蜜蜂舞蹈*。複眼其實佔了昆蟲整個頭部非常大的面積,而複眼的解析度,據研究會受到所見像點的限制,解析度也會比人類的眼睛低,不過人類眼睛一秒大概可以看24張圖畫,昆蟲則是一秒就可以看240張,而且昆蟲的複眼視野大,難怪日常想打蒼蠅永遠都打不到,不管是從哪個方面下手。

細說小眼,通常呈現六角形,呈現的影像來說,人們常以為會像是多重的影像重複(有如萬花筒一般),但其實不是這樣。複眼看到的影像其實是很多小眼提供的訊息所組成,其實無法提供有效的成像,只能偵測光源,所以真正的複眼視覺會接近馬賽克拼貼的感覺,不如印象中的清晰。而且,小眼內的對光的接受機制在受到刺激之後,回復到再接受下一次刺激的速度很快,所以其實昆蟲對於動作非常敏感,也就是為什麼有些蟲子要慢慢抓才抓得到,動作越快就越會被逃走道理所在。

*蜜蜂舞蹈(waggle dance):蜜蜂行為當中特有的八字形舞蹈(figure-eight dance),這個舞蹈幫助成功覓食的蜜蜂可以跟群體中其他成員分享有關可以產生花蜜、花粉的花或水源的方向以及距離的訊息。由奧地利生物學家卡爾・馮・佛里希(Karl Ritter von Frissch)研究以及翻譯蜜蜂此舞蹈的意義,在工蜂採完蜜回巢後,會進行兩種移動方式,分別為搖臀舞、環繞舞。

搖臀舞:跳舞路徑為8字形,外圍環狀部分和中間直線部分分別被稱為回歸曲和搖臀區,蜜蜂會一邊搖動臀部一邊走過直線,搖臀的持續時間就表示食物的距離,而直線和地心引力方向的夾角會代表食物方向和太陽方向的夾角。而且,蜜蜂還會因為太陽位置的相對移動去修正直線的角度。

環繞舞:一樣是工蜂用來表示蜂巢附近有食物的存在,不過無法精確的知道食物的距離還有方向,通常用在近距離的食物表示。
 

昆蟲與磁場,天生的GPS

很多人都好奇,為甚麼動物們可以在災難來臨前有預先知道的能力?因此學者開始研究昆蟲與磁場之間的關係。台灣屬於板塊活躍的地帶,因此地震頻繁,目前對於預測地震不像氣象一樣有較為準確的方法,但是卻觀察到昆蟲會在地震出現前有異常的反應。地震其實是地球內部能量的釋放,所以在震前會有相當的物理、化學、氣象等等變化,像是地熱、地電、地磁等等都會有些許的不同,雖然人類感受不到,但是對於昆蟲來說,牠們敏銳的感受力就會引起生理和行為上的變化。

昆蟲在磁場的感知上,其實非常細微,當磁場改變的時候會影響到牠們的神經或是腦部的活動,而地磁對牠們的影響就目前觀察來看,最簡單的就是方向的指引,例如朝北或是朝南,也有些會因為磁場的線索去拼湊大概的地理位置,或是相對目標的位置(類似蜜蜂舞的概念),在心中自有地圖的存在。不過必定有許多人好奇,動物要如何察覺磁場以達到後續的感知?目前有三種假說,包括引發電磁感應、身體中包含磁鐵系統、化學的磁性受體。電磁感應通常需要比較高度敏感的磁性受體,其實在許多動物中皆不存在,不過因為海水的導電性較強,因此魚類在水中較容易感受到地磁,而陸棲動物比較難的差異來自於此。而化學磁性受體,則是因為動物受到地磁影響後的生化反應會導致化學的磁受作用,這些反應包含了自由基的中間體,在1970年代,科學家發現了自由基的化學反應會受到磁場的影響,因此在研究中,昆蟲的化學磁性受體可能就存在於視覺系統當中,許多自由基的配對反應都是從移轉電子開始,藉由吸收光來誘發,這就是化學磁性受體的觀念。隱色素(cryp-tochrome)指的是能夠感受到藍光還有紫外限區域光的一種受體,科學家在蜜蜂大腦的視葉細胞中發現此蛋白質,可以做為磁感受器,藉此去偵測地磁的變化產生定位,不只有蜜蜂,在其他昆蟲像是果蠅、斑蝶等等也都被證實具有這類的反應,磁場對昆蟲的判別方向的確是有影響的。

  在探索昆蟲感受的能力時,會發現牠們不如我們平常所想,只是單純有六隻腳、擁有複眼的生物兒已,在生態上面牠們與其他生物間的平衡關係,抑或是在感知的能力上是如何被證實的,楊主任都盡所能的告訴大眾們,並且還分享了昆蟲可能的神經機制,不只是研究成果的揭露,同時也讓大家開始對這些小小的生物有了大大的認知。