2015年3月2日

蟋蟀好聲音

2003年,夏威夷島上變得安靜許多,因為愛唱歌的公蟋蟀「封麥」了。難道是因為唱到「燒聲」?不唱歌的公蟋蟀魅力全失,這下該如何吸引母蟋蟀的注意?那就要從1991年說起了……

作者/許家偉(輔仁大學生物系碩士、陽明大學微免所博士:曾任職加州大學洛杉磯分校(UCLA)微免暨分子遺傳系、南加大(USC)分子藥理學系;現任職於生物科技公司產品研發及品管部門)

從1991年開始,夏威夷可愛島(Kauai) 上的野地蟋蟀(Teleogryllus oceanicus)遭受到一種從北美洲移入、稱為奧米亞棕蠅(Ormia ochracea) 的寄生蠅侵襲。這種寄生蠅,專挑那些會發出聲音訊號的蟋蟀去產卵。因為只有公蟋蟀會摩擦翅膀,發出聲響去求偶,所以奧米亞棕蠅就在公蟋蟀身上產卵;之後所孵化出來的蒼蠅幼蟲,就會將宿主的內臟吃光!這個掏空的過程只需要一個禮拜。到了2001年, 可愛島上的居民注意到,島上變得寧靜清悠許多,因為多年下來,會唧唧叫的公蟋蟀數目已嚴重銳減。

不發聲的公蟋蟀
時間來到2003年,歷經了12個年頭、20個蟋蟀世代之後,美國加州大學河邊分校(University of California Riverside)的研究人員發現,可愛島上的蟋蟀數量已經反彈,但高達96%的公蟋蟀是不會發聲的。很顯然,在可愛島上,公蟋蟀不會發出聲音是一種生存優勢,這樣就可以避免成為奧米亞棕蠅幼蟲的宿主而喪命。研究人員把這種不出聲的變異公蟋蟀品種稱為平翼(flatwing)。

兩年後(2005年), 英國聖安德魯大學(University of St. Andrews)的研究人員,在可愛島以東相隔約100公里的歐胡島(Oahu)上,發現有45%的公蟋蟀也變得惦惦不出聲;但在群島最東邊的夏威夷大島(Hawaii)上,則只有2%的公蟋蟀不會發聲。由於可愛島和歐胡島兩地的居民往來頻繁(每小時都有航班),研究人員想知道到底歐胡島上的平翼品種(代號fwO),是由可愛島遷移過來,而在相同的選擇壓力(selection pressure,即寄生蠅的威脅)底下繁殖興旺?還是所謂的「趨同演化(convergent evolution)」,也就是歐胡島上的公蟋蟀,獨立演化出跟可愛島上的平翼公蟋蟀品種(代號fwK)相同的特性呢?

研究人員首先觀察蟋蟀翅膀上的脈絡(vein patterns)。他們發現,fwK公蟋蟀翅膀上的脈絡紋路,跟一般正常會發聲的公蟋蟀有很大的差別;而fwO公蟋蟀翅膀上的紋路,又跟fwK公蟋蟀的紋路不大相同。昆蟲翅膀上脈絡的遺傳徵狀,是由一個性染色體連鎖的單一基因座(X-linked single-locus)所控制。於是研究人員就對蟋蟀這個基因座區域,進行單一核苷酸多型性(single nucleotide polymorphism, SNP)分析,比較這兩種蟋蟀在基因上 DNA序列的變異位置和程度。結果顯示,可愛島和歐胡島上的平翼公蟋蟀,其翅膀脈絡差異呈現是來自不同的等位基因(alleles,負責決定一種遺傳特性的遺傳基因),這就表示變異是獨立發生的。

演化大比拼
綜合起來,從外型和遺傳分析的結果都能看出,可愛島和歐胡島上的平翼變異公蟋蟀是獨立出現,並且逐漸成為兩個族群。這種由於不同的等位基因歧異,卻造就出一致的外在特徵效果,正是在短時間內發展出適應性的趨同演化的例子。

雖然趨同演化在自然界裡有很多例證,但很難「看得見」這個過程是如何開始和發展的。不過,由於昆蟲的生命週期短(少於1年),就可以在世人眼前展現出演化的過程。而這項針對夏威夷島嶼上野地蟋蟀的研究,也正好逮到趨同演化發生的時刻。有些人執著於要有「看得見」的實證,質疑(甚至不相信)達爾文提出的演化論,而這項研究卻提供了另一個鐵證,說明了演化天天都在不同的物種身上發生。

從這個夏威夷的蟋蟀和寄生蠅的軍備競賽中也可以看到,公蟋蟀為了避免死於奧米亞棕蠅之手,居然使出了絕招──不再發聲!可見演化過程中,物種競存是多麼地激烈。不過,不發聲的蟋蟀並非一勞永逸。因為研究人員在可愛島上,還是看到被奧米亞棕蠅殘害的平翼公蟋蟀。所以,奧米亞棕蠅也在改變嗎?我們拭目以待。這同時也讓人聯想起,演化生物學裡的紅皇后原理(Red Queen principle)──競爭雙方的互動,導致兩造都同時在演化;但到頭來,沒有一方佔到明顯的上風,仍在原地踏步。

另外,母蟋蟀需要憑藉公蟋蟀的「好聲音」來擇偶,但不能發出聲音的公蟋蟀,該如何吸引異性?而母蟋蟀是否就會因此變得不那麼挑三揀四了呢?看來,不只奧米亞棕蠅的寄生策略在改變,連母蟋蟀的生殖策略和習性也得跟著變化了。

這項研究帶出了更多有趣的問題, 等待解答。所謂「研究」是「research」──「re-」和「search」,也就是「再次」及「追尋」。因為一個好的研究,不只是解決當下的問題而已,還會啟發下一步,這才是科學進展的原動力!

蟋蟀透過翅膀上橫脈紋路的摩擦來發聲。但夏威夷群島上的蟋蟀,因為天敵寄生蠅的威脅而快速演化,使得翅膀上的基因出現變異,不再唱歌的蟋蟀便存活下來。

延伸閱讀
Pascoal, S. et al. , Rapid convergent evolution in wild crickets, Current Biology, Vol. 24: 1369-1374, 2014.

沒有留言: