|
在一片沈睡的大地中,有一隻蟲在移動、在咬食,很容易就成為早起鳥兒的早餐。 |
俗諺說「早起的鳥兒有蟲吃」,這是以鳥的觀點說明在時間上若避開自己的同伴,就能找到更多的食物。然而換個角度,對蟲兒來說,如果它也偷偷躲開同伴的搶食,提早出來找食物,試想在一片沈睡的大地中,突然有一隻蟲在移動、在咬食,應該很容易就被眼尖的鳥兒發現,當然蟲兒立刻會成為早起鳥兒的早餐。這個俗諺的勵志功能,是基於一種深刻的自然觀察。然而這個生物獵食現象,反映出「時間」是決定生死的關鍵,而這個時間性的表現與掌控,就由體內的「生物時鐘」來主宰。
生物時鐘的運作機制
生物時鐘指的是生物體內具有計時的構造。它是利用二條時鐘基因表現負回饋機制,以達到計時的功能。也就是這二條基因轉錄轉譯的蛋白質,會互相結合再進入細胞核內去抑制基因的表現,必須等到不再有這二個蛋白質的結合體進入核內時,這個抑制作用才能停止,而時鐘基因才可再被開啟,重新下一回合的時鐘蛋白質結合的負回饋循環。這樣的一輪迴,所需時間大約是 24 小時,因此時間訊息就由這個時鐘細胞製造,傳遞至體內各細胞、組織或器官。
為何需要生物時鐘
地球因為自轉與公轉,造成生物棲息環境呈現規律性的變動,這種變動具有固定周期,會重複出現,例如潮汐變化、日夜轉換或四季輪替等。生物必須按照這種環境變動,調整牠們的生存策略,才能順利生存及繁衍後代,生物時鐘就是因應這種環境規律性變化所演化出來的,目前發現它普遍存在於各類生物體內。
當我們檢視昆蟲體內的生物時鐘時,發現它在事件尚未發生前就能開始準備,等到事件來臨時,它已準備就緒,馬上能應付來自生物或物理環境的挑戰。舉例來說,當天色漸漸暗下來時,一隻幾天前才羽化的雄蟋蟀,仍然蟄伏在地下洞穴中,靜待夜晚的來臨,然而它體內的能量資源卻已開始動員,積極往兩個方向運送。
就雄蟋蟀而言,又粗又大的胸肌是提供飛行及唱歌(鳴叫)的動力,得快速收縮肌肉才能產生足夠的動力,這需要有充足的能源補充。另外生殖系統內必須儘快完成「精苞」的製造,如此當雌蟋蟀受到雄蟋蟀的歌聲引誘前來交尾時,才有精苞可以傳送,完成交尾的任務。
為了能夠在短時間內,利用一對前翅快速摩擦,發出動人的求偶歌聲,以吸引心儀的雌性,達成傳宗接代的任務,雄蟋蟀的事前準備工作是絕對必須的。而遵守按「表」操課的雄蟋蟀,才有傳宗接代的機會。
在昆蟲世界中充分利用生物時鐘表現於日常行為的,以蜜蜂為最。大家所熟悉的「蜜蜂語言」,就是以肢體動作來傳達食物資源的訊息。它主要是利用太陽來定位,然而太陽的方位會隨時變換,因此在不同的時間,傳遞訊息的「蜜蜂語言」勢必要做若干校正。甚且當天氣有變化時,譬如一陣雷雨或一場大風造成環境的改變,蜜蜂若再次出巢覓食,也勢必要修正牠的「語言」,才不會有所失誤。這種計算時間的變異而調整行為模式的能力,就是生物時鐘功能的充分展現。
生物時鐘雖然能提供時間訊息,但是無法提供瞬間的訊息,讓生物做生死的決定。生物時鐘只能讓生物體內的生化反應,按照特定的時刻表呈現出正常的生命現象,至於與其他生物互動的反應,就往往依賴隨機的結果。
例如一隻夜行性的雄天蛾,當夜晚來臨時,牠體內的新陳代謝會從白日的休息狀態慢慢復甦。當黑暗完全籠罩大地後,牠的生理狀況已達活躍的程度,在內在生理及外界刺激下,牠起飛去找尋配偶。在飛行途中,觸角突然偵測到空氣中混有雌天蛾的性費洛蒙,於是牠就循著這些化學軌跡,往雌蛾所在的地方找去,希望藉著夜色的掩護,能避開天敵的捕食,順利找到配偶。
然而不幸地,一隻飢餓的蝙蝠正利用牠所發出超音波的回音,鎖住這隻雄天蛾。如果這時雄天蛾體能正達高峰,對外界訊息敏感度超強,牠就會利用自由落體式的失速方式,馬上從正常的飛行軌跡上消失,以逃過一劫。這種生死一瞬間的互動,並不是由生物時鐘所掌握,而是由機會及時機來決定的。
生物時鐘的證明
如何證明昆蟲體內具有生物時鐘?這是一個相當專業的問題,實驗者必須把環境中一切外界時間的訊息移除,讓昆蟲在這種環境下生存,然後觀察牠特定的生命現象是否出現固定周期的律動。這種證明方式一般而言是相當困難的,因為在自然界是無法藉由觀察來確定其生物時鐘的存在。不過若造成昆蟲產生時差,則能反證生物時鐘是存在的。因為只有在體內生物時鐘與外界時間無法同步時,才會發生某些不正常的現象。
例如當你晚上坐在沙發上看電視時,一隻蟑螂突然從角落奔出,直往你座下沙發椅下鑽去,這時你可能眼明手快地拿起拖鞋,把牠打得血肉模糊。這種噁心萬分的事件,說明了晚上亮燈的狀態,已造成蟑螂體內生物時鐘與居家環境產生了時差。因為蟑螂是按照自己的生物時鐘活動的,而環境一片光亮代表黃昏尚未結束,因此蟑螂迫不及待地出來伸展筋骨,哪知會遭橫禍。這種偶發事件的出現證明了這種比恐龍年代還久遠的活化石昆蟲,具有生物時鐘。
年周律動
臺灣位處熱帶與亞熱帶區,四季並不分明,相對於生活在四季分明的溫帶區昆蟲,需要利用休眠或遷徙來避開寒冬,臺灣大部分的昆蟲則不必經歷這些嚴峻的環境考驗。再加上昆蟲壽命普通都很短暫,因此以一年為周期的生物時鐘,在臺灣的昆蟲體內並沒有發現。不過仍然有些生活在較高海拔山區及緯度較高地區的昆蟲,由於冬季環境惡劣,就需要發展出具有年周期的生物時鐘,來適應這種劇烈季節變化的環境。
一般而言,昆蟲可以利用日照長短當作季節變換的指標,然而臺灣緯度正好跨在北回歸線上,夏季與冬季的日照時間並沒有很大的差異,不過仍然有一些昆蟲以日照長短來代表季節變化,例如蚜蟲就保有許多溫帶地區昆蟲所特有的有性繁殖與無性繁殖世代交替的生活方式。在早春時,從受精卵孵化出來的雌蚜蟲會在初級寄主植物上,以孤雌生殖的方式生長繁衍。當族群數量變大時,會飛到次級寄主植物上,快速以孤雌生殖方式繼續繁殖。至秋季來臨,有翅型的雌蟲會再飛回到初級寄主植物上,仍然以孤雌生殖方式產出有性的雄蟲與雌蟲,二者會交配產出受精卵,就以這受精卵越冬,然後周而復始。
因此在臺灣也可以發現一些壽命較短的昆蟲具有年周律的生物時鐘,至於年周律時鐘與日周律時鐘是否為同一型?或二者之間以何種固定模式互動?目前則尚未有定論。
自然選汰的作用
自然環境充滿著未可預知的危險,因此動物的生存之道,在於適當的地點,選擇正確的時間,做出合宜的行為。倒霉的早起蟲兒被鳥吃掉,是因為時間性錯了,因此賠上了一條命。相反地,吃到蟲的早起鳥兒則高興萬分,得以繼續成長繁殖,享受正確時間性所帶來的好處。這些複雜的情境與反應,並沒有經驗或智慧的參與,而是千萬年來自然選汰的作用,選出具有這套標準行為準則的動物,在特定的環境下,使牠成功地生存繁衍。
雖然本文強調時間的重要性,但不代表昆蟲適應環境的時間性是有意識或具有選擇的表現。時間性的存在,是由體內的「生物時鐘」提供特色的生理狀態及行為反應,再由自然選汰作用,挑選出具有正確時間性的個體繁衍下去。因此我們就看到大部分蟲子不再早起,而特地起早的鳥也漸漸地沒蟲可吃。