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昆蟲世界 奧祕無限

蟑螂實驗改變加州政府對同性戀的看法。白蟻社會令人嘖嘖稱奇。蜜蜂以不同舞姿傳遞消息。幹細胞研究從昆蟲身上開始。大自然的奧妙,盡在昆蟲世界中。
 
 
 
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。
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