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Dec. 07 2020

切葉蟻身披昆蟲中前所未見的礦物結晶盔甲!

  • 棘頂切葉蟻體表發現新型生物礦質盔甲 PHOTOGRAPH BY EDUARD FLORIN NIGA / EDDIMAGE PHOTOGRAPHY 【首頁影片】無

    棘頂切葉蟻體表發現新型生物礦質盔甲 PHOTOGRAPH BY EDUARD FLORIN NIGA / EDDIMAGE PHOTOGRAPHY 【首頁影片】無

  • 棘頂切葉蟻的盔甲有助於牠們在與其他螞蟻的戰爭中活下來。 PHOTOGRAPH COURTESY OF EUGENIA OKONSKI, SMITHSONIAN INSTITUTION

    棘頂切葉蟻的盔甲有助於牠們在與其他螞蟻的戰爭中活下來。 PHOTOGRAPH COURTESY OF EUGENIA OKONSKI, SMITHSONIAN INSTITUTION

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研究發現在切葉蟻外骨骼表面有著類似白雲石的新型礦物。

棘頂切葉蟻體表發現新型生物礦質盔甲 PHOTOGRAPH BY EDUARD FLORIN NIGA / EDDIMAGE PHOTOGRAPHY 【首頁影片】無

棘頂切葉蟻體表發現新型生物礦質盔甲 PHOTOGRAPH BY EDUARD FLORIN NIGA / EDDIMAGE PHOTOGRAPHY 【首頁影片】無

切葉蟻(leaf-cutter ant)得名自牠們的壯「舉」:牠們能咬下並帶著笨重的葉子碎片,就像舉著比自己大上好幾倍的綠色旌旗一樣,長途跋涉回到蟻窩;在蟻窩內切葉蟻會將葉子咀嚼過後,拿來栽培牠們的地下菌圃。而這一路上,切葉蟻得勇敢面對各種捕食者,還要經常與其他螞蟻作戰。

而切葉蟻可比我們原以為得要「堅強」。

新研究發現,有種中美洲切葉蟻的外骨骼上有層天然盔甲。這種如防護盾的外層由含有高量鎂的方解石(calcite)構成,過去只在另一種足以研磨石灰岩的生物結構──海膽牙齒上發現。

許多動物的骨骼與牙齒都含有鈣質礦物,螃蟹與龍蝦等甲殼類動物也有礦化的甲殼與其他部位。但過去從未在哪一種昆蟲成體身上發現過任何類型的方解石。

棘頂切葉蟻的盔甲有助於牠們在與其他螞蟻的戰爭中活下來。 PHOTOGRAPH COURTESY OF EUGENIA OKONSKI, SMITHSONIAN INSTITUTION

棘頂切葉蟻的盔甲有助於牠們在與其他螞蟻的戰爭中活下來。 PHOTOGRAPH COURTESY OF EUGENIA OKONSKI, SMITHSONIAN INSTITUTION

據11月24日發表在《自然通訊》(Nature Communications)期刊上的論文所述,棘頂切葉蟻(Acromyrmex echinatior)身上的盔甲外層是由上千個微小板狀結晶構成;這能強化其外骨骼,並保護牠們免於與其他螞蟻的戰爭中失去附肢,甚至還能防止真菌感染。

研究作者之一的威斯康辛大學麥迪遜分校演化生物學家卡麥隆.居禮(Cameron Currie)表示:「與切葉蟻有關的論文有數千篇,我們很興奮能在自然界中研究得最透徹的昆蟲之一身上發現這個。」

雖然這篇論文只研究了棘頂切葉蟻這個物種,但居禮與同事認為,其他相關的螞蟻應該也有這種生物礦層。

包在岩石中的螞蟻

早在人類或其直系祖先演化出來之前,切葉蟻在距今6000萬年前就已經發明了自己的農業型態。不同種類的切葉蟻會與相異的真菌物種締結共生關係,並在蟻巢中建造菌圃;這些菌圃提供切葉蟻幼蟲食物,而切葉蟻則保護這些真菌。

包含此次研究的物種在內,約有50種切葉蟻身懷某種共生菌,能保護牠們的菌圃免於其他有害真菌感染。這些微生物包裹在年輕的工蟻身上,當牠們踅過菌圃時,這些細菌便會分泌化學物質殺死侵入的真菌。

居禮實驗室的前博士後研究員李洪傑(Hongjie Li,音譯)──現為中國寧波大學研究員──在開始研究這些細菌後,切葉蟻外骨骼上這些奇怪的微小結晶很快就引起了他的好奇,並說服地質學家利用電子顯微鏡等成像技術幫忙研究、描述這些看似礦物的材質成份。

在2018年秋天的某個早上,李洪傑拿到研究結果時簡直樂壞了,他發現棘頂切葉蟻身披一種在昆蟲身上前所未見的生物礦物。

李洪傑說:「螞蟻身上有石頭,我發現一隻岩石螞蟻!」

他也表示,切葉蟻身上的盔甲與白雲石(dolomite)的成份非常相似,不過比白雲石要硬一些。

如同所有昆蟲一般,螞蟻的外骨骼成份也是幾丁質(chitin)這種堅韌的材質。李洪傑和同事為了確認這層在外骨骼上的生物礦物是否具備額外的盔甲功能,牠們針對有無盔甲的螞蟻做了幾個測試。(如果在蛹期就將切葉蟻從蟻窩中取出,並在特定條件下培養,就能養出不具備盔甲的切葉蟻。)

螞蟻戰爭

其中一項實驗是讓這些切葉蟻與另一種體型稍大、親緣相近的物種相鬥。李洪傑表示,在一小時的搏鬥中,缺乏礦質外層的棘頂切葉蟻失去的身體部位,高出具有礦質外層切葉蟻的三倍之多。

接著,研究團隊將切葉蟻暴露在能感染螞蟻的病原真菌下,而這種真菌的親戚正是能導致「喪屍蟻」的物種。經過六天之後,所有缺乏礦質外層的切葉蟻都死了,但同窩礦質外層完好的切葉蟻仍有半數的存活下來。

此外,另一項實驗則證實,含有礦質外層的棘頂切葉蟻外骨骼,要比缺乏礦質外層的外骨骼硬上兩倍。

李洪傑表示,隨著切葉蟻成長,礦質外層也逐漸增厚。年輕的切葉蟻傾向待在菌圃中,並不需要面臨被捕食者或是其他螞蟻攻擊的風險,對礦質外層的需求很低;當牠們開始到菌圃外的世界覓食時,牠們的礦質外層就比年輕時厚上許多。

伊利諾大學昆蟲學家安德魯.蘇亞雷斯(Andrew Suarez)說,考慮到此前類似的礦物成分多在牙齒等更孤立的特化結構上發現,這次在外骨骼上所見格外令人興奮。

「這就像是用琺瑯質把你的身體包起來一樣。」蘇雷亞斯說,他並未參與此次研究。

哈佛大學的生物礦物專家安德魯.諾爾(Andrew Knoll)也說:「我很喜歡這篇紀錄了些新鮮事的論文──昆蟲身上的生物礦物骨骼!」

「有一堆節肢動物都在製造碳酸鈣外骨骼,包含......螃蟹、龍蝦還有滅絕的三葉蟲都是,但這事擴展到完全陸生的昆蟲身上實在很有意思。」

 

未竟的盔甲探索

研究團隊表示,這類生物礦物結晶未來或許能應用在製造業上,比如用於塗層或奈米晶體中來增加各式材料強度或是防止鏽蝕。

研究團隊也說,目前最重要的是了解這些礦物質在螞蟻身上扮演什角色?還有沒有其他尚未發現的盔甲與生物礦物。

「這很可能啊,」居禮說:「如果你不知道這個物種身上的生物礦物,遑論其他99.9%研究甚微,甚至未經研究的昆蟲呢?」

 

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