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Apr. 16 2021

印度一種螞蟻的腦部能萎縮又再生!

  • 蟻后死亡後,印度跳蟻的工蟻們會開始競逐下一任蟻群領袖。而自競賽中脫穎而出者,身體會經歷異常變化,比如可逆的大腦萎縮。

    蟻后死亡後,印度跳蟻的工蟻們會開始競逐下一任蟻群領袖。而自競賽中脫穎而出者,身體會經歷異常變化,比如可逆的大腦萎縮。

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研究發現,這種在昆蟲上前所未見的可逆變化竟出現在印度跳蟻身上!

對大多數蟻群來說,牠們的社會結構相當簡潔:蟻后負責產卵,而如覓食、養育幼蟻、征戰等一切其他事務,則完全交由工人階級處理。由於只有雄蟻與蟻后可以繁衍後代,其他螞蟻則不具備生殖能力。因此一旦蟻后「六腳一蹬」,蟻群通常也隨之滅亡。

不過在印度跳蟻(Indian jumping ant,又名跳鐮猛蟻、跳躍掠針蟻)身上可不是這麼回事。印度跳蟻是種棲息在印度東岸森林中,有著副鑷子般的大顎以及一雙黑色大眼的螞蟻。在印度跳蟻的蟻群中,如果蟻后死了,工蟻(所有工蟻都是不具生殖能力的雌性)們會舉辦一場「勝者為后」的奇特比賽,冠軍將具備產卵的能力:贏家雌蟻的卵巢開始發達,但腦部則縮水了約25%。

不過,新研究表明,蟻后也可以「脫下皇冠」復歸工蟻──此時卵巢將再度萎縮,而腦部也重新生長,這在昆蟲身上可是前所未見的「壯舉」。

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這項研究的主要作者克林特.佩尼克(Clint Penick)解釋道:「在動物世界裡,這種程度的可塑性─尤其是可逆的可塑性─相當獨特。」該研究於4月14日發表於《皇家學會學報B刊:生物科學》(Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences)。

螞蟻遊戲

佩尼克是喬治亞州肯尼索州立大學的助理教授,鑽研印度跳蟻已有數年的時間。當這些印度跳蟻切換到類似蟻后的生殖模式時,科學家稱呼牠們為生殖工蟻(gamergates)──可別與電動玩家們的線上爭議(GamerGate controversy, #GamerGate)搞混啦!「生殖工蟻」一詞源於1980年代提出希臘詞彙,意思是「結了婚的工蟻」(married worker);在此「gam」的發音和「ham」同韻。

每一隻印度跳蟻都有生殖潛力,不過這份能力只有在贏得了蟻后死後蟻群所舉辦曠日廢時的爭霸戰後,才會真正派上用場。在爭霸戰中場面堪比一場微型的長槍對戰( jousting championship),螞蟻們會快速轉動著牠們的觸角來戳擊對手。

蟻群中大約一半的成員都會參加這場拳擊賽,賽事最高可以長達40天;而除了唯一的優勝者外,賽後大家仍維持工蟻之身。

在俄亥俄州立大學研究螞蟻演化與化學生態學的拉切爾.亞當斯(Rachelle Adams)說,其他昆蟲會透過複雜的行為來挑出優勢階級,以蜂后為例,牠們就會彼此競爭生殖力。亞當斯強調:「不過在印度跳蟻的例子中,工蟻們競爭的是『生殖角色』,這真的很巧妙。」

一但生殖工蟻繼任,牠將會經歷一連串體內變化。最明顯的就是牠的腦部會縮水約25%,佩尼克說:「這對腦部來說是流失了很大的質量。」研究人員也發現,這些類蟻后的生殖工蟻不僅會停止產生毒液,行為也有所改變,比如會躲避入侵者並停止一切覓食活動。

為了進一步鑽研螞蟻腦部的可塑性,並探究這些生理變化是否可逆,佩尼克與同事挑選了60隻生殖工蟻,先替牠們塗上特殊顏色以利區別;接著從中隨機挑選30隻生殖工蟻,個別獨立隔離數週;另外30隻則做為控制組。這些隔離措施似乎降低了類蟻后工蟻的生殖力,而當牠們被放回原本的蟻群時,會立刻被其他工蟻給逮住並拘留下來。

佩尼克解釋到,這個現象稱為「受監管」(policed),並認為這是印度跳蟻為了防止蟻窩中出現太多生殖成員的方法:一但某隻類蟻后工蟻被發現卵巢已經部分發育,其他工蟻就會在不傷及對方的狀況下,用大顎架著牠數個好時甚至是好幾天。佩尼克說:「這就好像把那隻生殖工蟻關起來一樣。」

科學家推測,在這種情況下壓力會誘發一連串的化學變化,讓生殖工蟻在一天左右的時間內變回普通工蟻。

佩尼克說:「當我們犧牲並掃描這些工蟻的腦部時,發現牠們身上的一切完全變回原樣了:不僅卵巢縮水、也開始產生毒液,而腦部則長回到原本的大小。」

「完全是兩回事」

腦部在尺寸與複雜度上的明顯變化,在少數物種身上也曾有過紀錄,好比冬眠的地松鼠蟻及部分鳥類。以白冠帶鵐(white-crowned sparrows)為例,在生殖季節會新生6萬8000個神經元來學習新式求偶鳴聲;在冬季糧食短缺時,等量的神經細胞則會死去;直到春季再度開始下一輪循環。不過這個現象在昆蟲身上可是新鮮事。

明尼蘇達大學的演化生物學家埃米莉.斯內爾雷德(Emilie Snell-Red)說道:「許多昆蟲在前開生理特徵上也都有如此可塑性的記錄,不過據我所知這種程度的『可逆』可塑性還真是聞所未聞。許多社會性昆蟲在從工的一生中,腦部區域會隨著不同的生活階段的切換而改變,比如從覓食行為轉變成皇后行為;不過調整挹注資源在神經上,與再把它切換回來,完全是兩回事。」

亞當斯表示,像這樣可逆的腦部變化也許並非如人們所想的那麼罕見,我們只是還不夠細心罷了:「要是我們看到更多這樣的發現,我一點也不感到驚訝。」

亞當斯建議,可以多關注紫彩虹臭蟻(Australian meat ant)等擁有複數蟻后的螞蟻物種。在這類螞蟻中,蟻后會分工合作,某些蟻后留在蟻巢裡、其他則外出覓食,也許這些蟻后在腦部尺寸與行為上也有相應的差異。

在所有物種中這類可逆可塑性的研究愈多,對於我們理解人類腦部的幫助也就愈大。佩尼克說:「在非常、非常、非常之後的下游應用,這有助於我們洞見人類腦部發育。」

比如這類研究可能是讓科學家更深入理解哪些基因與神經可塑性有關,以及它們如何運作。

「有些人也許會問『為什要特別研究這個螞蟻物種呢』。」斯內爾雷德說:「這些螞蟻可能在演化路上偶然發現了一些有關神經可塑性的『酷機制』,而我認為我們可以從動物驚人的神經適應中學到許多東西。」

 

延伸閱讀:切葉蟻身披昆蟲中前所未見的礦物結晶盔甲!難以解釋的神祕行為:這些螞蟻會拿敵人頭顱裝飾巢穴

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