昆蟲學家中的唐門毒圣,靠閑逛發了幾百篇論文

2020-10-06 13:27 來源:澎湃新聞·澎湃號·湃客

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原創 紅色皇后 物種日歷
托馬斯·艾斯納(Thomas Eisner),美國科學院院士,曾獲美國國家科學獎章,發表過幾百篇論文。據他自己說,他的成就建立在“閑逛”上。不管他身處哪里,都要到四處走動走動,看看花朵怎樣散發香氣,昆蟲怎樣相愛相殺。新的發現就蘊藏在這些微小生命的互動之中。
比檸檬精更酸
1959年,艾斯納前往亞利桑那州的一個研究站,四周都是沙漠。我們通常以為沙漠是生命的禁區,其實夜間的沙漠充滿了生機。各種生物沒有遮擋,直接呈現在你的眼前,忙著生,忙著死,艾斯納完全被迷住了。
一天傍晚,他發現了一種長相猶如異形的怪物:全身漆黑,像蝎子又像龍蝦,體型可以占滿他的手掌心。它是巨鞭蝎(Mastigoproctus giganteus),屬于蛛形綱一個古老的目,有3億年歷史。它的黑色在沙地上十分顯眼,而且走得慢吞吞的,艾斯納判斷,這怪物一定有某種防御措施,否則捕食者會立即讓它上西天。
抱卵的雌性巨鞭蝎。圖片:Matt Reinbold / Wikimedia Commons
艾斯納心生好奇,這種防御術是什么呢?當時人們已經知道,鞭蝎受到攻擊,會噴射具有強烈醋酸味的液體。艾斯納把鞭蝎請到大學的化學研究史,與他的化學家同事邁沃爾德(Jerrold Meinwald)檢驗了鞭蝎的分泌物,發現它含有84%的乙酸(醋酸)和5%的辛酸。一般食醋只含有6~8%的乙酸。
巨鞭蝎與人手的比較。圖片:Acrocynus / Wikimedia Commons
艾斯納開始追根究底,探尋現象背后的機制。鞭蝎的“醋壇子”是腹部的兩個腺體,開口在身體末端,長長的天線狀“尾巴”的根部。它可以通過轉動“尾巴根”,朝不同的方向“發炮”,定點轟擊掠食者。艾斯納曾把鞭蝎喂給南食蝗鼠(Onychomys torridus),雖然外表就是一只小老鼠,但食蝗鼠是兇猛的捕食者,蝎子都是它的盤中餐。南食蝗鼠一碰到鞭蝎,馬上被噴了一臉,幾次嘗試后,終于在“酸爽”之下敗退了。
南食蝗鼠。圖片:Nature Ali / inaturalist
后來艾斯納發現,“醋炮”里少量的辛酸也有特別的意義。節肢動物如昆蟲,表皮上含有蠟質,與醋酸不相溶。辛酸具有親脂性,讓鞭蝎的分泌物可以在蠟質上鋪展開,滲透進去,強化攻擊效果。
鏟屎官的不幸
鞭蝎給我們的啟示是,一切生物都是由化學分子構成的,而在吃與被吃的無休止斗爭中,生物演化出了形形色色的化學物質進行攻防戰,我們一般稱之為“毒藥”。艾斯納成了小動物的唐門毒師。
另一個“幕后毒手”的出現更具意外性。上世紀70年代,艾斯納養了一只寵物斯氏夜鶇(Catharus ustulatus),這只小鳥非常貪吃,但是有些蟲子它是不吃的,這說明昆蟲具有防御毒素。艾斯納很快想到,他可以利用小鳥的反應,來發現新“毒藥”。于是艾斯納每天抓昆蟲和其他節肢動物,“貢獻”給“主子”,總共實驗了一百多種。他發現有三種螢科(螢火蟲)受到了堅決拒絕。
斯氏夜鶇。圖片:Cephas / Wikimedia Commons
當時對于螢火蟲的毒素研究完全是空白,一個新課題!艾斯納大喜,為了收集足夠的螢火蟲供化學分析用,他在報上登了廣告,收購螢火蟲,5美分(購買力接近今天的1美元)一只,結果差點破產——本來他是想吸引小孩來捉螢火蟲,但是價格太高,連孩子的爹媽都貪小便宜出來捉螢火蟲了。
艾斯納和同事們用溶劑萃取螢火蟲體內的化學物質,終于找到了這種毒素,這是一種類固醇,與蟾蜍體內的類固醇毒素有相似性,因此被命名為螢蟾素(lucibufagin)。鳥和蜘蛛都拒食含有螢蟾素的螢火蟲,后來艾斯納還發現,有寵物鬃獅蜥(Pogona vitticeps)誤食了螢火蟲而死。鬃獅蜥的老家在澳大利亞,沒有演化出辨別有毒螢火蟲的能力。
螢火蟲受到干擾之后,流出含有螢蟾素的“血液”作為武器。昆蟲的“血液”,確切地說是血淋巴,沒有傳送氧氣的功能,所以流失一部分也不會危及生命。許多昆蟲把“流血”作為釋放毒素的方法。圖片:Scott R. Smedley, et al. / Chemoecology (2017)
愛情是毒藥
隨著真相的揭示,艾斯納逐步展現出毒藥背后的原理,而這個原理就是一切生命競爭和繁衍的基本原則——進化論。
1966年在佛羅里達進行田野研究時,艾斯納發現一只美麗的蛾子撞在了蜘蛛網上,翅膀上交錯著粉紅、白、黑三色的花紋。蜘蛛跑過來,把纏繞蛾子的絲線一根一根咬斷,把它放掉了!原來,這是一只響盒蛾(Utetheisa ornatrix),又叫美麗燈蛾,鮮艷的顏色說明它有毒。響盒蛾的幼蟲以豬屎豆屬(Crotalaria spp.)的植物為食,體內累積了劇毒的吡咯里西啶生物堿(pyrrolizidine alkaloid),蜘蛛吃不了它,只能把這尊佛送走。
響盒蛾在豬屎豆屬植物的花上。圖片:Bob Peterson / Wikimedia Commons
對于響盒蛾來說,毒素貫穿了生物進化中的兩件大事:生存與繁殖。雄蛾在求偶時,身體尾端會露出兩個“茸球”,輕輕地撫弄雌蛾?!叭浊颉钡谋砻娓灿幸粚颖”〉幕瘜W物質,由雄蛾體內累積的毒素產生。差不多同時,艾斯納的同事發現,雄性的響盒蛾可以把毒素通過精包傳遞給雌蛾,雌蛾再傳送給卵。這樣下一代也能獲得毒素的保護。這種投資是很可觀的,雄蛾交配之后,體重可以下降10%。
響盒蛾腹部末端的“毛刷”。圖片:William E Conner et al. / Behavioral Ecology and Sociobiology (1981)
“茸球”的作用是“炫富”,雌蛾可以通化學物質的多寡,選擇毒素多的如意郎君。艾斯納還發現,一種學名Neopyrochroa flabellata的甲蟲的交配方式異曲同工。雄蟲的精包里含有毒性很強的斑蝥素(cantharidin),也同樣傳遞給雌蟲,再傳遞給卵起到保護作用。雄蟲頭部有一條裂縫,里面裝著少許的斑蝥素,在交配正式開始之前,雌蟲會抱著雄蟲的頭,品嘗這一點點毒藥,借此判斷雄蟲的“存款”。
探索永遠不會結束
生物學是一門古老的學問,人類自打出現起,就開始與草木魚蟲打交道了。但如今古老的生物學又有新波瀾,在野外研究活生生草木魚蟲的“宏觀生物學”,與在實驗室研究分子、基因的“微觀生物學”發生了割裂。甚至有些身處“高精尖”領域的微觀生物學家,認為宏觀生物學落后于時代,馬上要被淘汰了。
古老的探索自然的方法過時了嗎?喜歡閑逛的艾斯納,把活生生的動物與化學分子聯系起來,為一門新學科——化學生態學奠定了基礎,讓古老的學問煥發出新光輝。艾斯納表示,大多數物種都還沒有命名,對于它們的生活我們更是一無所知,新的發現之旅才剛剛開始呢。下一種“毒藥”是什么,值得我們期待。
原標題:《昆蟲學家中的唐門毒圣,靠閑逛發了幾百篇論文》
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關鍵詞 >> 鞭蝎
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