2009年9月9日

從南極搖蚊看昆蟲的抗寒及抗熱性

作者/朱耀沂(台灣大學昆蟲系名譽教授)

台灣雖說是四季如春,但冬天時我們多少會加些衣服,夏天到了要開冷氣。生活在野外的昆蟲雖然無法利用這些文明的設備,但不少昆蟲還是能安然生活在極地、高山、沙漠或髒汙的環境中,無疑地一定有一套功夫,才能存活下去。

昆蟲之所以能延續4億多年的種族生命,和我們常提到的抗寒性、抗旱性、抗病性等以「抗性」表示的因素有關。只就與氣候因子有關的抗寒、抗熱、抗旱性等來說,自烏伐拉夫(B. P. Uvarov)的經典作《昆蟲與氣候》(Insects and Climate)於1931 年發表以來,相關的研究報告已超過一萬篇。過去昆蟲抗性的研究,多止於抗性的表現和機制的解明,作出「因而昆蟲能夠存活下去」或「這就是昆蟲奧祕世界的一端」等結論。其實昆蟲學與農業息息相關,絕不能忽略昆蟲可作為生物資源的事實。換句話說,昆蟲學者及專家面臨的挑戰之一,就在於能否把思考延伸到「如何將昆蟲的這些超能力,應用在我們的日常生活上」,讓昆蟲在生物資源的世界裡提高牠們的存在價值。在此就以南極搖蚊為例,來看看牠們作為生物資源的展望。

南極搖蚊(Belgica antarctica)是南極的特有種,牠生活的地域只限於企鵝、海象棲息地附近的岩石地或藻蘚類生長地,至今未在南極內陸出現採集紀錄。因為企鵝等棲息地凹陷處流出來的水,夾帶著企鵝的排泄物,含氮量甚高,促進了微生物的繁殖,才讓搖蚊幼蟲有充足的食物。南極搖蚊的生活史長達2年,成蟲多在1月初產卵,至2月底棲息地結冰以前是幼蟲的發育期,此後經過約10個月的休眠,幼蟲在12月隨著融冰重新開始發育,再越冬一次(南極冬季為每年6~8月),翌年1月化蛹,不久後羽化為成蟲。成蟲利用10天左右的壽命完成交尾、產卵的工作。

由於南極不時刮著強風,雌、雄成蟲為了適應環境,都演化成沒有翅膀。南極四季的溫差很大,長年看來多是冰天雪地,棲息地自浸水狀態至完全結冰。對昆蟲而言,冰與雪不能當水利用,結冰期等於乾涸期。此外,強烈的紫外線週期性發生,也引起海水浸透壓的改變,使水域中的酸鹼度大幅變化。南極搖蚊得克服這些難關才能存活。

到底南極搖蚊是以什麼策略適應溫度的變化?實驗結果顯示,幼蟲在-10℃下能夠忍受凍結而存活,但在-15℃下死亡率高達50%,到了-20℃更是全軍覆沒。但供試幼蟲在-5℃下置放一個小時,可獲得抗寒性,此後置放在-25℃下24小時,存活率仍有75%。相對於幼蟲,成蟲只在夏季有短暫的活動期,無法獲得抗寒的能力。南極搖蚊幼蟲之所以能在數小時內氣溫自零下陡升到10℃的南極夏季存活,迅速產生的抗寒性是其中的關鍵。

由於南極搖蚊幼蟲必須在被冰與土壤圍住的冰點下,經歷兩次越冬期,加上夏天棲息地的土地忽溼忽乾,幼蟲除了抗寒性之外,也要具備抗旱性。若將已喪失70%水分、呈木乃伊狀的幼蟲放回水中,牠會在24小時內甦活過來。研究顯示,幼蟲不但能夠忍受極度脫水狀態,也能因應乾旱的條件提高自己的抗旱及抗寒性。由於幼蟲表皮的通透性甚高,因此牠在冬季先脫水再獲得抗寒性的可能性相當之高。【更詳細的內容,請參閱第477期科學月刊】

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