向大自然学生存:逆境时合作更有利!

作者:中央研究院《研之有物》

沈圣峰与团队在肯亚 Mpala 保护区,实际观测灰头织巢鸟的合作繁殖行为。(图片来源/沈圣峰提供)

      人气: 69
【字号】    
   标签: tags: , ,

萤幕快照 2017-08-17 下午8.01.11“演化生物学”的启示

资源稀少、遭遇外来竞争时,我们应该坚持保护自己的资源与利益,还是以更开放的态度与邻人合作?中研院生物多样性研究中心的沈圣峰副研究员发现,受到“逆境”促进“合作行为”的物种,反而展现出更强的族群繁殖表现,更胜顺遂环境下的激烈竞争策略。

符号懂得合作的物种:冠羽画眉、埋葬虫、织巢鸟

冠羽画眉 (Yuhina brunneiceps) 是台湾特有鸟类,体长 12~13 公分,体态短小敏捷,头顶则有镶黑边的栗褐色羽冠。(图片来源/林英典摄影/沈圣峰提供)
冠羽画眉 (Yuhina brunneiceps) 是台湾特有鸟类,体长 12~13 公分,体态短小敏捷,头顶则有镶黑边的栗褐色羽冠。(图片来源/林英典摄影/沈圣峰提供)

也被称作尖头仔(闽南语)的冠羽画眉,是台湾中、高海拔山区相当优势的鸟种,总是成群出现在森林,寻觅昆虫、嫩芽、种子、花蜜等食物,也会和其他画眉及山雀科鸟类混群觅食。在山樱花盛开的春天山区,挂在枝枒上吸食花蜜的冠羽画眉,总是摄影爱好者们争相卡位拍摄的画面。

同样分布在中海拔的台湾山林,尼泊尔埋葬虫 (Nicrophorus nepalensis,又名橙班埋葬虫)的觅食画面就没那么受到摄影师们欢迎。体长不到 2 公分的尼泊尔埋葬虫在黑色翅鞘上有四枚橙斑,外表娇小低调。它们不以体色或鸣声求偶,而是以食物—“动物尸体”—主导权决定配偶。

尼泊尔埋葬虫体长不足 2 公分,但是它们的多元合作策略,透过沈圣峰的研究,成为台湾在地的生物学知识宝藏。(摄影/张语辰)
尼泊尔埋葬虫体长不足 2 公分,但是它们的多元合作策略,透过沈圣峰的研究,成为台湾在地的生物学知识宝藏。(摄影/张语辰)

尼泊尔埋葬虫会受到野外动物尸体吸引、聚集并与同性竞争打斗,直到留下最强悍的一对异性。这对优胜者配偶确认彼此后,会将战利品拖行至安全恰当的位置,合力把尸体下方土壤挖松,再以土壤覆盖尸体,形成中空墓穴。接着剥去尸体的毛皮与内脏,将腹部分泌的防腐液抹上尸体以免真菌侵蚀尸体。

此时尸体已经成为无法辨别原貌的防腐肉球了。这对掘墓者伴侣再行交配,将受精卵产在肉球旁土壤。幼虫孵化后进入肉球,食用肉球作为养份。尼泊尔埋葬虫双亲会清洁、喂食幼虫直到它们进入土中化蛹。

优势的埋葬虫配偶,将尸体埋入地下、进行防腐处理,并在肉球上育幼。 (资料来源/Scientific American 图片重制/张语辰)
优势的埋葬虫配偶,将尸体埋入地下、进行防腐处理,并在肉球上育幼。
(资料来源/Scientific American 图片重制/张语辰)

距离台湾 9000 公里的肯亚,貌似麻雀染白头顶、披上褐色羽毛的灰头织巢鸟 (Pseudonigrita arnaudi, 又称 grey-capped social weaver) 由雄性在树上以草杆编织球状鸟巢,雌性挑选喜爱的巢穴和配偶。鸟巢通常建筑在生长棘刺的树枝上,并制造出朝向下方的开口,用以防范掠食动物。

冠羽画眉、尼泊尔埋葬虫、灰头织巢鸟,其中两者可在台湾发现、两者是鸟类,但是三者有什么共有的特点呢?

符号1这三种生物都采纳“合作”策略,来加强繁殖效率、对抗竞争对手与恶劣环境。

中研院生物多样性研究中心沈圣峰副研究员说:“它们的行为不仅丰富且有趣,也是我们理解人类社会、面对社会问题时的重要参考。”

沈圣峰自学生时代起研究冠羽画眉的繁殖行为与生态,并以生物的合作策略、动物行为中的赛局理论为研究兴趣,迄今将近二十年。去年他与团队研究发现“日温差与年温差对生物跨海拔适应力产生不同影响”则是另辟蹊径,在新的研究方向以野外实际观测发现,填补了四十年来被封为经典的假说。

符号1动物行为和历史一样,是人类社会借鉴的重要来源。动物行为策略是和我们同步演进、适应环境变动的无穷宝藏,人可以从中得到知识并预防和准备面对难题。

符号为什么要合作?

有许多演化生物学假说试图解释合作行为的演化,其中以 William D. Hamilton 的亲缘利益理论 (inclusvie fitness theory) 最被广为接纳,认为亲戚间拥有相同的基因,因此可以互相合作。

Wilson 认为,蚂蚁与人类分别是无脊椎、脊椎动物之中数量最多,这两个物种取得优势的原因是个体能够合作,进而提高族群整体效益,成为最强势的物种。(图片来源/Mikhail Vasilyev)
Wilson 认为,蚂蚁与人类分别是无脊椎、脊椎动物之中数量最多,这两个物种取得优势的原因是个体能够合作,进而提高族群整体效益,成为最强势的物种。(图片来源/Mikhail Vasilyev)

沈圣峰的研究志趣则再更进一步,探讨合作行为在生态上成功的原因;以及环境因素如何促进动物社会行为的演化,有哪些环境条件可以促使个体间的合作?

这个社会生物学 (Sociobiology) 关键问题的诸多答案中,有两个著名假说如下,目前两种假说都可以分别在不同物种的研究上被验证。

第一个假说,由沈圣峰的老师 Emlen 所提出的 “Ecological Constraint Hypothesis” ──在稳定优渥的环境之中,许多个体各自繁殖成功,导致群体密度增加。合作行为是为了辨识彼此、对抗种内竞争压力。合作行为并不是为了适应恶劣环境因素,而是优渥环境因素导致的产物。已经获得优势的物种有最高的机会进行合作。

而另外一个 “Fluctuating-Harsh Environments Promotes Sociality” 假说则认为──在一个不稳定、恶劣环境下,合作行为反而会被促进,群体透过合作对抗恶劣的环境因素以获得最大利益,提高繁殖成功率。

符号同舟共济:逆境促进合作与共利

沈圣峰自大学起研究冠羽画眉,他发现:“习性、栖地、体态相近的鸟类不少,例如黄山雀,但是冠羽画眉在数量上总是比较占优势。”(图片来源/Robert tdc)
沈圣峰自大学起研究冠羽画眉,他发现:“习性、栖地、体态相近的鸟类不少,例如黄山雀,但是冠羽画眉在数量上总是比较占优势。”(图片来源/Robert tdc)

在求知欲的驱使下,他开始研究冠羽画眉的特殊行为──“合作繁殖”是否足以解释它们的繁殖优势,也踏上“环境因素”如何影响“合作行为”的探索之路。

冠羽画眉在繁殖季进行“共用一巢”合作生殖的社会行为,多对亲鸟合作筑巢、育幼,也在同一巢内产卵竞争。台湾中高海拔山区在梅雨季连绵降雨、冬季低温、台风、豪雨等恶劣气候考验著冠羽画眉,也让冠羽画眉族群演化出了罕有的合作社会行为。

沈圣峰团队在研究中发现,较恶劣的天候下,冠羽画眉亲鸟会减少彼此的竞争,例如生蛋时减少卡位打斗,并产下较少的蛋,及增加共同孵蛋行为。因为竞争减少,雏鸟死亡数反而较一般天候更少,雏鸟平均体重也较高。恶劣天候下的合作繁殖,使得更多雏鸟能够成功离巢。

符号1资源愈多未必让族群愈大,动物在稍微匮乏下开始合作行为,反而让族群达到最大。人类解决资源分配问题的方法,常常是开发更多资源,但如果开发之后社会成员的行为却更加自私,就会适得其反。

尼泊尔埋葬虫相对于其他埋葬虫,个体能力并不突出,但特殊的“合作繁殖”就是它们适应“更大海拔范围”的关键。

沈圣峰团队透过操作野外实验发现,缺乏丽蝇等腐食竞争者的良好环境下,尼泊尔埋葬虫们会在尸体旁搏斗直到分出胜负,甚至打到肢体断裂、丧失性命。但是在温度较高、出现丽蝇时,尼泊尔埋葬虫反而能够接纳同类,合作处理尸体,合力除去竞争者丽蝇的卵和幼蛆,并容许其他同类产卵、育幼,让更多尼泊尔埋葬虫的幼虫得以成功化蛹。

而灰头织巢鸟在野外经常遭到掠食者侵袭或是遭遇旱灾,繁殖成功率并不高。沈圣峰与团队成员远赴肯亚 Mpala 保护区,使用摄影和 RFID 设备观察。发现灰头织巢鸟在天敌稀少、食物充沛的环境下,会由多对配偶在一棵树上分别筑巢,展开繁殖竞争。遭到掠食者、天灾造成损失后,丧子的亲鸟不会另起炉灶,反而会协助育幼中的邻居。环境中的不利因素,反而促进它们的合作行为以及繁殖成功率。

符号超越温带视角:南方观点的生态学

沈圣峰与团队在肯亚 Mpala 保护区,实际观测灰头织巢鸟的合作繁殖行为。(图片来源/沈圣峰提供)
沈圣峰与团队在肯亚 Mpala 保护区,实际观测灰头织巢鸟的合作繁殖行为。(图片来源/沈圣峰提供)

符号1在理想的世界裡,科学的概念与发展不受地域限制,但实际上科学发展势必与当地的自然环境、社会文化息息相关。

2016 年,沈圣峰与合作伙伴透过本地物种的研究与跨国物种资料库分析,发现“生活在日温差愈大的环境,动物的跨海拔分布范围愈小”。颠覆了传统生态学“温差愈大的环境下,动物的跨海拔分布范围愈大”的适应力假说。他们的研究成果登上《Science》杂志,成为新的重要生态学假说。

“这是意外的发现,在研究台湾昆虫的分布时,我们察觉旧的适应力假说无法解释在地资料,进而开始探讨‘日温差’对生物适应力的影响”沈圣峰说。

生物学经典假说大多来自欧美研究机构,研究者难免受到当地环境限制,欧美学者很容易以为低纬度地区的山林日温差并不大,生物主要的挑战是适应“年温差”,而忽略了“日温差”对生物的影响。但沈圣峰团队发现,很多生物是专注在适应特定海拔范围的日温差。

“许多生态学理論的建构,是从温带地区的视角來看全球尺度的问题。”沈圣峰期待自己的团队在探讨气候变迁如何影响生物多样性时,关注不同时间尺度下的气候变異度。以台湾在地研究为基础,进行跨纬度研究,持续拓展生态学研究的“南方观点”。

除了建构在地观点的生态学研究,沈圣峰认为,生态学与动物学者肩负以“生态学知识”提供人类社会参考,藉以处理公共难题的任务。例如他的指导教授 Emlen 研究白额蜂虎的家庭行为,不仅吸引社会科学家的引用,也受邀至国会听证,协助制定社会福利制度。

在开放空间讨论实验成果和论文写作,是最能代表沈圣峰团队的工作景象。图中投影为埋葬虫行动的热像仪录影。(摄影/张语辰)
在开放空间讨论实验成果和论文写作,是最能代表沈圣峰团队的工作景象。图中投影为埋葬虫行动的热像仪录影。(摄影/张语辰)

符号1以团队成员来说,我最重视学生的一种特质:“能不能和他人合作。”

现代生态学领域引入许多新的技术与设备,例如 RFID 、热像仪、数学建模程式等,沈圣峰经常与其他领域的专家学习,也从中得到乐趣。并在合作过程中发现,很多假说的建构都需要良好的“演化生物学”基础,这是其他专长不能取代的。

沈圣峰认为,好的生态学研究一定要具备操弄变项的设计,在团队的“埋葬虫行为实验室”中,透过调控实验室的温度、日照与苍蝇的竞争,观察埋葬虫在不同环境的行动策略。若有兴趣走出野外、向大自然学习生存,“合作能力”和“演化生物学观念”最值得生态学领域的学生投入培育。#

──转自中央研究院《研之有物》(本文限网站刊登)

责任编辑:杨真

如果您有新闻线索或资料给大纪元,请进入安全投稿爆料平台。
  • 你以为“图文部落客”是现代产物?走进中研院文哲所李丰楙研究员的收藏世界里,你会发现老祖宗将“文字”化为“图像”的功夫发挥得淋漓尽致!这些被用来祭祀祈福,或作居家摆设的图像,其中蕴含的文学与宗教意义,早已普及于古人的日常生活。
  • 工业革命后,各种产业加速发展,首当其冲就是商业模式的改变。当物资开始充足,我们对生活有另一种想像,百货公司也因而诞生。中研院近史所连玲玲,研究历史悠久的上海百货公司的现代化过程,建构出其背后传达的意识。
  • 百货公司改成用“开放式玻璃柜”兜售商品,商品上也以“明码标价”,采用不二价制度。 这些现代商业制度,与以往店铺内藏商品、靠关系喊价相较之下公平许多,变得有其合理性,不用报上祖宗三代名号都付一样的价钱买东西。
  • 工业革命后,各种产业加速发展,首当其冲就是商业模式的改变。当物资开始充足,我们对生活有另一种想像,百货公司也因而诞生。中研院近史所连玲玲,研究历史悠久的上海百货公司的现代化过程,建构出其背后传达的意识。
  • 在皇帝颁布天下的诏书中,最重要者是两种:即位之初的“登极恩诏”、宾天之际的“大行遗诏”,是皇帝的第一道和最后一道命令。
  • 因应路程远近不同,康熙四十二年 ( 1703 ) 时曾明确订定赍诏官赴各地颁诏往返的时限,例如从京师到河南、山西一带往返限 30 天。
  • 宫中争权夺位的可怕,坐在龙椅上的皇帝想必体会最深,一方面要让自己坐稳、一方面也要阻止别人窜位,透过颁诏的总动员仪式,将皇帝对自己的期许、对政权的看法布告天下。
  • 古代皇帝原来也会护航文,而诏书的字里行间还藏着皇帝各种烦恼,中研院发布官方科普媒体“研之有物”,用浅显活泼的笔法,带民众认识艰涩难懂的研究。
  • 首尔森林的设施非常多,除了美丽的花草、绿油油的树木与广阔的湖泊外,特别规划的蝴蝶屋、鹿之家能让您近距离观察昆虫生态及与动物近距离接触,公园内还设有人工湖、湿地生态园、马场、汉江水边公园和文化艺术公园等等
  • 6月30日以来,中国长江中下游经历严重洪涝灾害,沿江数省受灾人群近3300万人。湖北省灾情最重,计17个市、80个县与1162.85万人受灾。
评论