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在东非大草原上做科研,是怎样一种体验?

2021-01-06

在你的想象中,去东非大草原上工作是怎样的画面?埋伏在池塘边静候鳄鱼猎食,追着迁徙的角马一路北上,还是开着敞篷吉普四处巡逻、抓捕偷猎者?

 

对于德国鲁尔大学的生物学家菲利克斯·哈格(Felix Hager)和凯瑟琳·克劳萨(Kathrin Krausa)来说,他们的经历是这样的:在暴晒的肯尼亚草原上,对着平均2.5米高、长着膨大尖刺的金合欢树辨认上面的蚂蚁群落;又或者每隔一段时间跑去一根树枝边数数有多少蚂蚁在吃蜜、多少蚂蚁在散步,从一个日出数到下一个日出[1]……

 

“振动生物学家”的新课题

 

菲利克斯是一位振动生物学家(Biotremologist),经常在肯尼亚草原研究蚁啊蜂啊一类的昆虫,观察它们如何利用机械振动定位猎物、躲避天敌、寻找伴侣、传递信息。然而俗话说得好:“常在河边走哪有不湿鞋”。菲利克斯和同事凯瑟琳常在不经意间触碰到金合欢树的树枝,然后就会感到突然的蛰痛[2]。这是金合欢树(又名相思树)的共生伙伴——相思树蚁快速而有力的攻击造成的。

金合欢树上的相思树蚁| Felix A. Hager & Kathrin Krausa

金合欢树上的蚂蚁居住在中空的树刺内,以花外蜜腺分泌的花蜜为食。而作为“回报”,它们能够帮助金合欢树抵御病原体、寄生虫,以及像人类这样的大型动物的侵袭[1]

 

以往研究认为,蚂蚁们是通过接收叶子损伤时分泌出的化学信号来识别入侵行为的[3]。但菲利克斯和凯瑟琳认为,化学信号传递容易受气流状态干扰,并不是很好的信息传递途径;而且,他俩触碰到树枝后很快就被咬了,化学信号传递没有这么快;更重要的是,他俩没有吃树叶,也没有其它伤害树木的行为,可是还是被咬了呀!

 

那么,还有什么高效稳定的信息传递途径能够传递树木的求救信号呢

 

发挥专业特长,菲利克斯和凯瑟琳联想到,会不会是机械振动呢

 

很多昆虫的六条大长腿上都有振动感受器[4],所以它们对脚底下的振动特别敏感。有一种切叶蚁甚至能够捕捉到振动传到不同脚下的时间差,产生相应的趋向性行为(生物体响应外部刺激而产生的方向性运动)[5]

 

树木受到侵袭时也会产生振动。那么,相思树蚁是不是通过感受这种振动,意识到金合欢受到了侵袭,从而做出攻击行为的呢?

 

相思树蚁如何感知敌人?

找头“替罪羊”测试下吧!

 

为了回答这个问题,菲利克斯和凯瑟琳首先要看看金合欢树受到侵袭时是否能产生独特的振动频率。因此,他们需要一个主动入侵金合欢树的“志愿者”。

 

金合欢树是草原上很多食草动物的美餐。例如,长颈鹿和大象就经常啃食金合欢树的叶子。但是,这些入侵者都不太好用——菲利克斯和凯瑟琳曾尝试记录长颈鹿吃叶子时的树枝振动频率,失败了;又考虑了大象,为了自身安全,也放弃了。

 

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嗯?听说有人想拿我做实验?| Felix A. Hager & Kathrin Krausa

那么,俩人亲自做坏人呢?开玩笑,相思树蚁咬人的疼痛程度可是榜上有名的,也就是“有人往你脸上钉了钉书针”那么疼吧[6]

 

最后,他们牵来了一头山羊(是替罪羊没错了)

 

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被选中的“替罪羊”| Felix A. Hager & Kathrin Krausa

他们发现,山羊啃食金合欢树的树叶时,相思树蚁很快就会赶到现场,尽职尽责地展开驱赶山羊的工作。菲利克斯和凯瑟琳通过仪器测得,正常情况下金合欢树树枝的振动频率约为2kHz,而山羊啃食树叶时,树枝平均振动频率可以达到6kHz,振动频率显著不同。因此,入侵者引发的高频振动有可能作为引起蚂蚁攻击的信号

 

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 咩咩咩?看见我脸上的蚂蚁了没?| Felix A. Hager & Kathrin Krausa

为了进行更可重复的实验,也为了排除入侵者可能产生的化学信号与视觉信号,菲利克斯和凯瑟琳在后续实验中利用一台振动发生器模拟了山羊啃食时的振动扰动。

 

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振动发生器,带刺的金合欢树,以及正在记录数据的凯瑟琳  | Felix A. Hager & Kathrin Krausa

有大块头在啃树叶?上吧兄弟们!

 

现在,菲利克斯和凯瑟琳有了一位毫无感情也不怕疼痛的冷面“志愿者”。它要如何证明金合欢树上的蚂蚁们是否能够根据不同频率的振动而产生攻击行为呢?

 

菲利克斯和凯瑟琳在距离振动点不远的位置确定了一个标记点。实验中,他们统计了振动扰动开始前的30秒内爬过这一标记点的蚂蚁数量,以及扰动开始后的30秒内爬过这一标记点的蚂蚁数量。如果扰动后数量明显增加,则表明蚂蚁们可能接收到了攻击信号,开启暴走模式,蠢蠢欲动了。

 

结果显示,风速——从无风到4m/s的草原常见风速,不会对蚂蚁爬行行为产生影响;而开启振动发生器后,扰动后的蚂蚁数量与扰动前相比明显增加,表明蚂蚁们能够响应振动, 且这一特殊频率的振动很可能来自啃食金合欢树的动物。

 

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风不会影响相思蚁的行为,而大型动物引起的振动会立刻引起蚁群警觉 | Felix A. Hager & Kathrin Krausa

进一步实验显示,就算是远达2米之外的振动也能引起蚂蚁的响应,表明振动信号能够进行长距离传递。因此,振动是一种非常有效的信息传递途径,能够使金合欢上的蚂蚁群一呼百应,帮助金合欢树抵御入侵者

 

收尾工作

 

接下来,菲利克斯和凯瑟琳又有了一个问题:既然入侵信号能被传递到很远的树枝上,那么各处的蚂蚁接收到信号之后,是原地暴走、无差别攻击,还是能够分辨出振动发生点,有目标地奔向“入侵者”呢?

 

菲利克斯和凯瑟琳带着这个问题,走访了200只蚂蚁——散落在10根不同树枝上、振动发生器开启时正在安逸地吃着花蜜的蚂蚁。他们发现,绝大多数蚂蚁都会在振动发生的10秒之内,抛下香甜的花蜜,准确地朝着“入侵者”的方向杀过去!

 

经过分析,菲利克斯和凯瑟琳认为,相思树蚁快速确定振动发生点方位的方法与切叶蚁类似,是通过感受振动传导到不同脚下的时间差计算的——这个时间差,是0.02毫秒到0.14毫秒的时间差,足够蚂蚁进行分辨了。但到底是不是这个原理?就留给后续的工作来验证吧……

 

总结一下他们在东非大草原上的研究工作,大概就是:晒晒太阳,开开脑洞,数数蚂蚁,然后解决一下科学问题。虽然条件艰苦,但是看起来,这两人一羊在向导的带领下也玩得很开心呢!

 

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肯尼亚大草原上的科研小队。从左至右: 菲利克斯·哈格  , 彼得·姆瓦西·龙目(Peter Mwasi Lombo), 山羊, 和凯瑟琳·克劳萨.  | Felix A. Hager &  Kathrin Krausa

 

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作者名片

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作者:氪罗钡路斯

编辑:Yuki

排版:夏晓茜

题图来源:Felix A. Hager &  Kathrin Krausa

参考文献:

[1] Hager, Felix A., and Kathrin Krausa. "Acacia Ants Respond to Plant-Borne Vibrations Caused by Mammalian Browsers." Current Biology (2019).

[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2019/02/190215082337.htm

[3] Agrawal, Anurag A. "Leaf damage and associated cues induce aggressive ant recruitment in a neotropical ant‐plant." Ecology 79.6 (1998): 2100-2112.

[4] Lakes-Harlan, Reinhard, and Johannes Strauß. "Functional morphology and evolutionary diversity of vibration receptors in insects." Studying vibrational communication. Springer, Berlin, Heidelberg, 2014. 277-302.

[5] Hager, Felix A., Lea Kirchner, and Wolfgang H. Kirchner. "Directional vibration sensing in the leafcutter ant Atta sexdens." Biology open 6.12 (2017): 1949-1952.

[6] https://www.washingtonpost.com/news/speaking-of-science/wp/2015/03/17/this-scientist-rates-and-describes-insect-stings-as-if-they-were-fine-wines/?noredirect=on&utm_term=.8860ae467547

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