2022年9月22日 星期四

帝王斑蝶幼蟲、成蟲的記憶傳承 (Caterpillar’s Memories)

 

                       帝王斑蝶幼蟲、成蟲的記憶傳承 (Caterpillar’s Memories)

                                                                                                         黃慶三 (09/22/2022)

 

                                https://cshuang2.blogspot.com/2022/09/caterpillars-memories.html

     

帝王斑蝶幼蟲 (By Donna Chen)    
帝王斑蝶成蟲 (By Donna Chen)
帝王斑蝶秋天遷徙圖 (USGS)1  
                                                                                                                帝王斑蝶春夏遷徙圖 (USGS)1 
Butterfly Lady “Alabama Native Milkweed”

Butterfly Lady “Maryland Native Milkweed”


  

            拙作《乳草與帝王斑蝶 (Milkweed & Monarch Butterfly) 》, 黃慶三 (08/05/2022) (https://blog.xuite.net/cshuang2/twblog/590487919 https://cshuang2.blogspot.com/2022/08/milkweed-monarch-butterfly.html) 曾記述:

 

帝王斑蝶可能是北美洲最廣為人知的蝴蝶。牠們美麗的翅膀上有顯眼的橙色及黑色斑紋,令人喜愛;而最令人讚嘆、壯觀的是數千萬的帝王斑蝶,每年秋天都會進行數千哩 (~3,000 miles) 的遷徙,避寒過冬,然後明年春天向北回歸。而回到北美及加拿大的原住地方已經是第二、三或四代的帝王斑蝶。牠們是如何隔幾代後仍能回到原住地點,誠屬不可思議 (有待研究)

 

帝王斑蝶每年秋天都會進行數千哩的遷徙,避寒過冬,然後明年春天向北回歸。在這遷徙途中,帝王斑蝶會在遷徙路途中生長的乳草下卵、孵化爲幼蟲 (Caterpillar)、幼蟲食用乳草葉子生長、經過五次的脱變 (5th instar) 作繭 (Chrysalis)變形(Metamorphosis),即從蛹變為斑蝶的成蟲,而在一年之中,完成四代的生命週期 (Life cycle)

 

這過程的細節及所需時間,可略為說明一下:2

 

 (1). 三、四月間,帝王斑蝶雌蝶在乳草上產卵,這卵約4天後孵化成幼蟲。這幼蟲不做什麽事,只是食用乳草葉 (An eating machine!)、成長、脫變。

(2). 幼蟲經過五次脫變,共約兩週的時間而完全成長後,就尋找一適當地點固定、作繭蛹。

(3). 經過約10天的時間,幼蟲就在繭裡變形(Metamorphosis),變成帝王斑蝶,破繭而 出,飛翔覓食 (吸食各種花蜜)

(4). 這第一代 (1st generation) 帝王斑蝶繼續南飛, 約有26個禮拜的生命,在它產卵後即死亡,而重覆第二代的生命週期如上述

(5). 第二代的帝王斑蝶在五月及六月誕生;第三代在七月及八月誕生。第二代和第三代的帝王斑蝶和第一代的帝王斑蝶一般,也是只有26個禮拜的生命。

(6). 第四代的帝王斑蝶和前三代的帝王斑蝶生命期不同。它們在九月及十月誕生,但却不會在26個禮拜後死亡,而是遷徙至墨西哥 (美洲東部帝王斑蝶) 或加州南部 (西部的帝王斑蝶) 過冬。在那兒它們會生存68個月,然後才又開始上述的第一代 (產卵、幼蟲、作、產生第一代) 的生命循環,北遷飛回北美及加拿大的老家(這遷徙中間有第二代至第四代的誕生)

(7). 帝王斑蝶遷徒時,每天平均飛翔50 100英哩 (但曾有過一天飛翔 265英哩的記錄)。這單程3,000英哩的遷徒,需時約兩個月。1

 依據 National Geographic November 2023 報導,8 New Mexico Tech (Socorro, NM) 副教授 Mostafa Hassanalian的研究指出,飛抵墨西哥過冬的帝王斑蝶,其翼上的白色斑點花紋面積,比北美洲其他地方帝王斑蝶面積平均大上3%。而帝王斑蝶翼上,錯綜於黑色部份中間的白色斑點,由於太陽的照射,會產生冷、熱空氣的微渦流 (Micro-vortices),可以減少飛行的空氣阻力 (Drag)。這大上 3% 的面積似乎不多,但3,000英哩,需時約兩個月的遷徒,累積下來的能量,對於這小小的帝王斑蝶,該也頗爲可觀。這種利用翼上不同顏色形態,而減少飛行空氣阻力的現象,也可在一些海鳥上見到。

在幼蟲變形(Metamorphosis) 期間,它會分泌促使組織溶解的酵素 (Histolysis),使大部的身體組織溶解,然後一群所謂的結締織胚細胞 (Histoblasts),會把這些溶解的身體組織,重新再造爲蝴蝶或蛾的各種器官。3 所以人們相信蝴蝶及蛾類的幼蟲在繭裡變形時,原來的幼蟲 (即毛毛蟲 Caterpillar) 會化成一灘的湯水(“Soup”) ,而這一灘湯水」裡的「分子」,就是一群所謂的幹細胞 (Stem cells),隨著需要,而長成成蟲 (蝴蝶或蛾) 的各種器官。

 

但依據 Georgetown University, Washington DC, 以煙草天蛾 (Tobacco hornworm moths,學名Manduca sexta) 作實驗的2008 年研究報告,4 指出這原來幼蟲的 (部份) 腦部,即使經過變形」的極端變化,仍會保存一部份的記憶」,傳承至成蟲。這結果有環境生態上及進化上的意義。幼蟲經過變形後所傳承至成蟲的記憶,會影響對宿主的選擇 (即成蟲下卵植物的選擇),進而可能導致進化上同域性物種的形成Sympatric speciation,即同一物種在相同的環境,直接變成不同的物種)。

 

Georgetown University這報告並沒討到第二、三或四代的帝王斑蝶,能够回到北美及加拿大的原住地點地點的原因或方法。候鳥的遷徙常用地標、太陽、星象的位置、地球磁埸*、甚或量子力學(Quantum Mechanics)的能力,來做引導。也許帝王斑蝶也利用相同的方法,藉著上幾代持續保存、傳承下來記憶」,來完成「回家」遷徙的導航?

*NOTE: 磁感磁反應  (Vision-based magnetoreception) 是一種感覺,它允許生物體探測磁場來感知方向、高度或位置。這種感官方式被一系列動物用於定向和導航。

 

2014 University of Oxford 的一位研究生報告,3 認為這種傳承至成蟲的「記憶」,可能是一部份保存下來、沒受「變形」的影嚮、在幼蟲階段就有的類神經連接 (Neural connections) 。幼蟲基本上可說是一群饕餐者 (Eating machines),它們不停的蠶食鯨吞寄主的葉子,以期聚積足够的各種營養,使成蟲有强健的翅膀、飛行肌肉、以及其他重要機能的器官,並聚積乳草的毒性,使掠食者 (Predators,包括鳥類、老鼠、甚或其他小動物、昆蟲等) 避免食用它。因此幼蟲食料的份量及品質,會影響成蟲的大小、機能、及體力等。不祗如此,它們的飲食」也會影響成蟲的翅膀顏色,這顏色又和成蟲警戒色 (Warning signals)、甚或交配有關。

 

每隻帝王斑蝶翅膀橘色、黑色顏色的分佈、深淺都略有不同。而這微妙的不同,可能和個別基因的些許差異、環境因素、以及幼蟲時期的「飲食」有關。例如曾被「禁食」一天的幼蟲,長成成蟲翅膀的顏色,就比不被「禁食」者淡些。這些較淡顏色的成蟲警戒色機能上就稍遜,尤其雄帝王斑蝶,受到雌蝶青睬」的機會也因而較少。因此幼蟲經過變形後所傳承至成蟲的記憶、身體特徵和機能、顏色、和其下一代的傳衍,也是目前研究者追尋的目標。1

 

依據研究,帝王斑蝶運用幾個導航的方法作遷徒 (雖然有些機制的細節仍在研究中)

 

(1). 像所有動物一般,帝王斑蝶腦子裡有晝夜節律 (Circadian rhythm) 時鐘**可以知道時間」;5 加上由眼晴觀察到的太陽位置,帝王斑蝶就可定向,南遷至墨西哥、或南加州過冬。春天回歸北方時,則方向反之。**: 2017年,美國的三位遺傳學家Jeffrey Hall等,因發現控制晝夜節律的分子機制而共同贏得了諾具爾生理醫學獎

(2).  陰天沒太陽時,帝王斑蝶的觸鬚 (Antenna) 可偵察到地球的磁埸,加上時間來做導向。5

 

既然帝王斑蝶能運用這幾個導航的方法作遷徒,但這些遷徒的帝王斑蝶,都是第四、第五代的後代」,以百萬計 (在未變成瀕臨絕種前) 的新生代,南遷時,如何在途中棲息 (據說每年遷徒時,都會停留、棲息那些特定的樹木、樹林--隔了四、代的帝王斑蝶,如何能够、或會這麽做,是因某種記憶的傳承? --仍是一個謎團!)、產卵、傳承培育下一代、而繼續遷徒。

 

從北美東北部往墨西哥遷徙者,最後或許可由鎖定墨西哥的冷杉 (Oyamel firs,學名Abies religiosa) 林區過冬;7由洛磯山 (Rocky Mountain) 以西往加州南部遷徙者,將棲息在聖地哥 (San Diego)、及聖大克魯斯 (Santa Cruz) 海邊的有加利樹 (Eucalyptus)、蒙得勒杉 (Monterey pine)、及蒙得勒柏樹 (Monterey cypress) 過冬。4但明春回遷北美的「回家」途中,同樣的如何在途中棲息、產卵、傳承培育下一代、而繼續遷徒,最後找到第四、第五代以前的老家的知識和機制,又是如何一代、一代的傳承、運用? 這些都是有趣、而有待繼續研究的課題。6,7  


有位名爲 “Butterfly Lady” po 了美國48州每州所有原生乳草的照片。筆者就把這些照片,依各州字母的順序整理爲 Milkweeds in 48 States by Butterfly Lady https://photos.app.goo.gl/CfY7h88rq9cJJYnx9,以供讀者參考。