昆蟲世界 奧祕無限
97/03/05
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周延鑫｜
國立自然科學博物館（前）館長
張志玲｜
《科學發展》特約文字編輯（文字整理）
每當蟑螂出現時，總不免引起驚慌失措的尖叫聲，殊不知科學上的蟑螂研究可是競爭激烈呢。在昆蟲世界中，取食與求偶是主要的兩件大事。大部分雌昆蟲會分泌「性費洛蒙」（sex pheromone），雄蟲聞到氣味後會與牠交配，這是動物的本能，不需經過大腦，就好像敲打膝蓋後直接有反應一樣。
曾有一個實驗，研究者把微量性費洛蒙釋入全是雄蟑螂的箱子，因為雄性找不到雌蟑螂，雄的就打架，由打贏的當雄性，開始和其他雄蟑螂交配。當初人們不了解同性戀，至此才知道同性戀行為與化學物質有關，後來美國加州政府修改法規，對於不危害第三者的同性戀行為不予懲罰。這是研究昆蟲行為的貢獻。
蟑螂是研究都市昆蟲學的代表，其他如蝗蟲對於農學研究，蚊子對於醫學研究，果蠅對於生命科學研究都具有代表性。昆蟲研究對於人類科技文明有著不可磨滅的貢獻，光是 10 次昆蟲學者得到諾貝爾生理醫學獎這件事就足以證明。
蟻后掌控「有我沒你」
昆蟲是生物世界中數量最多的動物，與蜈蚣、鳥、高等動物不一樣的是，牠們全身上下由頭、胸、腹構成，胸部有翅膀和 3 對腳，屬無脊椎、節肢動物。昆蟲一生有不同的外形變態，究竟變成何種形態，由昆蟲分泌的化學物質決定。這些化學物質若留在體內稱為荷爾蒙，釋出體外稱為費洛蒙。另就社會型態看，有些昆蟲單獨生活在小範圍內，有些昆蟲有社會行為。白蟻是社會性昆蟲的代表，牠們的社會型態和生命歷程令人嘆為觀止。
白蟻是雌雄異體，蟻后的身體裡面都是卵。在牠們的社會中，除了一隻掌權的蟻后，其他都是工蟻。蟻后不停地產卵，並且分泌一種化合物壓抑其他個體的卵巢，使得牠們只能發育成工蟻，其本身則發育雌性特徵成為蟻后。於是所有工蟻都來服侍蟻后和幼蟲，直到現任蟻后死亡，其他少數工蟻才有機會朝向成為蟻后的路途發展。然而，只要有一隻工蟻轉變成蟻后，新蟻后又開始壓抑和奴役別的工蟻。而且在壽命上兩者也有天壤之別，蟻后壽命長達 3 年，工蟻只有 3、4 個月，但牠們原本都是同一種性別！
青春激素和脫皮素
昆蟲一生歷經卵、幼蟲、蛹及成蟲4個階段，稱為完全變態。成蟲約活一、二個星期，並在這段期間交尾、產卵。「變態」是昆蟲和兩棲動物的特徵，必須由化學物質決定。兩棲動物如青蛙的變態是由甲狀腺素控制；昆蟲的變態譬如蠶寶寶，需要由「青春激素」和「脫皮素」決定。脫皮素由脫皮腺（或稱前胸腺）分泌，脫皮腺受腦部胜F脫皮腺刺激激素控制。青春激素除了由腦部的神經激素（行使抑制作用）和 allatotropin（行使促進作用）調控外，脫皮素也會幫忙刺激合成青春激素。
剛從卵孵出來的昆蟲稱為初齡期幼蟲，之後，每脫皮一次增加一齡，而幼蟲在脫皮與脫皮之間的生長期稱為「齡期」。實驗發現，昆蟲幼蟲脫皮時，這個脫皮是「幼蟲脫皮」還是「化蛹脫皮」是由青春激素和脫皮素濃度決定。倘若幼蟲體內保有較高濃度的脫皮素，就會持續分泌青春激素，這時候的脫皮是「幼蟲脫皮」。倘若到達最後一齡的早期，這時幼蟲體內幾乎停止分泌青春激素，接著就轉變成為誘導幼蟲變蛹的「化蛹脫皮」。
研究人員為此做了一個實驗，他們把第五齡幼蟲和第一齡幼蟲的體液交換，發現，只需要一隻幼蟲就可使得第五齡幼蟲不變為成蟲；若以第二齡幼蟲連結需要兩隻幼蟲；若以第三齡幼蟲連結需要 3 隻，可見愈年輕幼蟲的青春激素愈多。而另一隻未足齡接受第五齡幼蟲體液的幼蟲，會提前變態為成蟲，只是牠的體型較小，各器官並不成熟，無法完全生育。
另一個實驗是把脫皮素塗在桑葉上給蠶寶寶吃，蠶寶寶吃了以後可以合成更多的青春激素，青春激素劑量增多後，牠會變成幼蟲，不會變為成蟲。這是一個重大發現，顯示青春激素對昆蟲的「延年益壽」具有影響力。
昆蟲研究有益農作物
人類藉由視覺、聽覺、嗅覺、味覺及觸覺等 5 種感覺認識四周環境。昆蟲是低等動物，牠們的視覺、聽覺、觸覺不如人類，但仍生生不息地生存著，倚靠的就是靈敏的嗅覺與味覺，尤其在繁衍後代的表現上特別好。
譬如臺灣雌茶蠶在交配期間會釋放費洛蒙，即使只有 1 微克的劑量，遠在 4 公尺外的雄茶蠶也會飛來與其交配。中央研究院動物所（現為生物多樣性研究中心）實驗證實，臺灣雌茶蠶釋出的費洛蒙主要由 4 種化合物組成，雄茶蠶對其中的 E11、E14−十八碳烯醛（18：Ald）的反應最明顯。由於茶蠶幼蟲專吃茶樹葉子，對茶園危害很大，研究人員便以化學方法合成 E11、E14−18：Ald 誘捕茶蠶，協助茶農滅蟲。
茶蠶幼蟲與紅頭莞菁是臺灣本土昆蟲，因為會啃食植物嫩葉而不受歡迎。若以全球農業論，蝗蟲的危害最大。大陸蝗蟲的最高密度每平方公尺四、五千隻，那裡曾動員 10 萬多人抓蝗蟲。臺灣蝗蟲多半獨居很少群飛。澎湖群島的蝗蟲有群居現象，牠們有可能飛來臺灣。
由於科學界對蝗蟲的認識已經差不多了，因此有名的英國蝗蟲實驗室已經結束，他們的研究成果告訴世人：蝗蟲有單獨個體也有群居族群。在食物多的時候，蝗蟲身體呈單獨一種顏色，若是食物不足，體色會改變。而且只要帶頭者起飛，其他蝗蟲會跟著飛，但當蝗蟲分泌化合物 2−甲氧基−5−乙基酚時，牠們就聚集，這是蝗蟲實驗的重大發現。
蚊子是最有名的昆蟲代表
蚊子是海陸空生物，其幼蟲在水中生長叫孑孓，成蟲時有翅膀會飛，雌蚊會吸食人畜血液傳染疾病。若被瘧蚊叮到，瘧疾原蟲進入人體血液，會在肝臟、紅血球裡生存，並在那裡行無性繁殖。人類的紅血球沒有核，檢查血液時倘若看到紅血球裡有異形固體，有可能就是寄生蟲。早在唐太宗時代就有瘧疾，當時人稱「瘴癘之氣」。鄭成功 39 歲生病死亡，得到的疾病是虐疾。日據時代興建臺灣總督府（現今總統府）的日本首任臺灣總督華山資紀，也是死於瘧疾。這種病在 19 世紀造成上百萬人死亡。
唐太宗時期的中醫，用苦艾中的青蒿素治療瘧疾，可惜後繼無人，藥方子沒了。西方人用奎寧治療瘧疾，可是現在奎寧已經沒效。美國人打越戰時發現「中共士兵吃青蒿素不得瘧疾」，後來做出青蒿素衍生物，現已在非洲大量應用，青蒿素被聯合國視為「中國醫學對世界醫藥界最大的貢獻」。
用青蒿素治療瘧疾是中國古人的智慧，不過古人的想法未必完全正確。譬如中醫上稱為金蒼蠅的豆莞菁，會分泌液體「莞菁素」，古人把它當成壯陽劑，若把莞菁素塗在皮膚上會起水泡。然而現代科技實驗已經證實，莞菁素沒有壯陽效果。
英國科學家羅斯（Ronald Ross）發現瘧疾是由瘧蚊傳播，因而得到「防治蚊子可以避免瘧疾」的結論，還因此得到 1902 年諾貝爾生理醫學獎。瑞士科學家穆勒（Paul Hermann Muller）發現 DDT 可以對抗害蟲，因而得到 1948 年諾貝爾生理醫學獎。
羅斯是國父孫中山先生的同學，羅斯的老師，英國人派翠克‧曼森（Patrick Manson）做的是蚊子傳染黃熱病的研究。曼森的其他學生繼續研究，發現澳洲原住民具有特別的抵抗性，其後便發現了Ｂ肝病毒。臺灣施打肝炎疫苗的成效相當好，倘若沒有當初這些研究，發現疫苗的時間會往後延，這是昆蟲學對Ｂ型肝炎研究的一項貢獻。
幹細胞可發育成不同組織
另一種在昆蟲學裡和蚊子齊名的是果蠅。果蠅的生命周期短，很容易在實驗室裡培養操作，因為飼養費用低廉，因此成為標準的試驗動物。最先研究，也是最有名的果蠅專家，是得到 1933 年諾貝爾生理醫學獎的美國科學家摩根（Thomas Hunt Morgan），他以果蠅做實驗發現染色體具有傳遞遺傳訊息的功能。此外，對於現代生命科學與現代組織培養學的研究，果蠅也占有重要地位。
果蠅幼蟲的身上有「成蟲盤」，在變態時，成蟲盤上的各部位會發育為成蟲身上的各組織。如果把「翅盤」放到成蟲身上，成蟲身上會多長出 1 對翅膀，這是「重疊生長」。如果是正常的組織分化，「翅盤」經變態會發育成相同組織的翅膀。不過有些翅盤經數代移植與變態後，會發育成觸角、足、眼睛等不同組織，而這種發育情形也可能在「足盤」、「生殖盤」發育時發生，這是「超越分化」。
美國科學家路易士（Edward B. Lewis）、魏斯豪斯（Eric F. Wieschaus）及德國科學家紐斯蘭渥荷德（Christiane Nusslein-Volhard），因為研究果蠅早期發育的控制機制而獲頒 1995 年諾貝爾生理醫學獎。
幹細胞（stem cell）研究也是從昆蟲身上開始的。昆蟲的「超越分化」證明，生物體的不同組織可由一種組織或幹細胞發育而成，這就是幹細胞的原理。
器官衰敗或無藥可治的病人，因為幹細胞能夠再生而燃起生命曙光，不過目前仍有許多障礙等待克服，譬如，僅僅研判哪一個是我們需要的幹細胞就是件棘手的事。唯有親緣關係愈接近，細胞表面的 γ 接受器愈接近，才能產生作用，若是不接近就會有排斥作用。排斥作用有兩種，一種是把腎臟移植入體內時，身體會對移入的腎臟產生排斥，因此要吃抗排斥藥物。另一種是植入的腎臟在體內長大後，也會排斥其他器官。這些問題必須全部解決，病人才能存活。
蜜蜂以不同舞姿傳遞訊息
生物世界是個多元世界，從外表看有植物、動物、微生物，從分子層次看，所有生物都由 DNA 密碼組成。從 DNA 化學結構可以明瞭生物體一代傳一代的縱向遺傳現象，可是 DNA 的次序在複製時有可能改變（或稱突變），也就是說，DNA 有可能橫向改變或者不表現，因而使得生物多樣性的發生更有可能。
DNA 是密碼，密碼可以傳遞消息，這些消息除了在分子層次傳送外，在細胞與個體層次上應該也可以傳送。20 世紀末的昆蟲學家極重視昆蟲個體間傳送消息的方式，研究蜜蜂語言的奧地利科學家費立區（Karl von Frisch）發現，蜜蜂會以不同舞姿告訴同伴哪裡有花、距離多遠、方位如何、花粉的量多不多等，這個發現令他得到 1973 年諾貝爾生理醫學獎。
昆蟲遍布海、陸、空，惟其生活史有一致的原理原則可尋。昆蟲學是研究昆蟲的科學，了解果蠅後可知道生物生長發育的基本原則；研究變態學時，昆蟲是最好的試驗材料；昆蟲也可以做為生命科學的實驗模式材料；研究本土昆蟲的行為時，可以經由專業化與國際接軌。
