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生物手記

新渡戶歪白蟻的超高速大顎彈擊

2020-09-01 關貫之、邱俊禕、李後鋒

新渡戶歪白蟻小檔案

  1. 只分佈在亞洲和東南亞,白蟻科(Termitidae)、近歪白蟻屬(Pericapritermes)。
  2. 棲息於森林土壤表層,會在土壤中挖掘孔道並建立分散的巢腔,以有機質為食。
  3. 巢中個體包含生殖階級(蟻王、蟻后)、工蟻與兵蟻。工蟻消化道存在共生細菌,可協助消化有機質。兵蟻左大顎特化且具彈性,可在右大顎擠壓下高速彈擊。


你知道世界上高速運動生物的榜首是誰嗎?答案是新渡戶歪白蟻(Pericapritermes nitobei)的兵蟻,牠的大顎彈動速度可高達每秒132公尺。這項研究從我(關貫之)大學二年級就開始進行,花了五年才完成。


故事回到2015年,我剛轉系到中興大學昆蟲學系,在各間實驗室串門子,有一天遇到當時的博士生邱俊禕。閒聊中,我提到自己正在煩惱物理課的報告選題,邱俊禕忽然用鑷子從培養皿中夾出一隻兵蟻,轉過頭來對我說:「新渡戶歪白蟻的兵蟻會用右大顎壓彎左大顎來引發彈擊,速度非常快,我覺得測量它的速度是很好的題目。」話一說完便把兵蟻丟進玻璃樣本瓶,兵蟻立刻用大顎敲擊玻璃、發出清脆的聲響。我當時被這隻小蟲子的驚人力量深深吸引,開始查找相關資料。


白蟻兵力有多強大?


白蟻是社會性昆蟲,主要天敵是螞蟻,牠們演化出各式兵蟻來對抗螞蟻,大部份兵蟻用剪刀狀大顎夾咬敵人;有些兵蟻大顎退化,改用頭部發達的管狀構造噴出化學物質來防禦;另一類兵蟻具有彈性大顎,又可分成兩型:對稱型透過兩邊大顎相互擠壓、滑開彈擊;不對稱型的左大顎呈彎曲形狀,遇到敵人時會使用右大顎把左大顎壓得更彎,再滑開彈擊。台灣有兩種白蟻具有不對稱型大顎,分別是霧社華歪白蟻(Sinocapritermes mushae)和新渡戶歪白蟻。


2015年高速運動紀錄保持者巴拿馬小白蟻(Termes panamaensis)和鋸針蟻(Odontomachus bauri)都是同時彈動兩根大顎,但新渡戶歪白蟻卻只彈動左大顎,把能量集中在一根大顎上,彈動速度可能更快。我依照邱俊禕的建議、以新渡戶歪白蟻的兵蟻大顎彈擊為題設計實驗,在期末獲得高分,後來受普通物理課教師、生物物理學家紀凱容的指導,申請到2016年科技部大專學生研究計畫。遞交申請書前,我希望能找昆蟲學系教授李後鋒共同指導,才剛表明來意,李後鋒就笑著說:「歪白蟻大顎運動速度極快在學界已經流傳一段時間,但還沒證實。」主要原因是:擁有超高速攝影機的國家大多在北溫帶,而歪白蟻主要分佈在熱帶及亞熱帶。此外,歪白蟻難以人工飼養,帶離土壤後只能存活一小段時間。因此,有設備的地方無法取得樣本,有樣本的地方缺乏設備,台灣正是後者。


我們一開始就遭遇更大的問題:沒辦法直接拍攝。經過幾個月的沉澱,我開始嘗試間接測量,找一個物體讓新渡戶歪白蟻的兵蟻擊打,透過物體擊出的速度推算動能,再根據能量守恆原理換算大顎的彈動速度。可是該如何找到合適的物體讓兵蟻擊打?我嘗試了BB彈以及各種大小的保麗龍球,都失敗告終,最後發現原子筆尖端的鋼珠密度大、體積小,高度跟兵蟻大顎末端相似,重量接近兵蟻的體重,非常適合。最重要的是操作難度低,我只要用鑷子把鋼珠放在兵蟻前方,牠就會把鋼珠擊飛出去,過程中也只需要使用每秒拍攝數千張的高速攝影機,就可以清楚記錄。


破紀錄的高速運動


解決技術上的難題,我們著手採集新渡戶歪白蟻樣本。新渡戶歪白蟻並不吃木頭,而是取食土壤,最直接的方法是拿著鏟子到處挖土。邱俊禕研究新渡戶歪白蟻已經一段時間,總能輕易挖到牠們。但令人沮喪的是,兵蟻階級只佔白蟻巢群體不到5%,數百隻蟻中只能挑出2~3隻兵蟻。最終,我們測試了15隻兵蟻,成功記錄到將近100次的打擊行為。


新渡戶歪白蟻的兵蟻左大顎形狀特殊,形似「7」,但末端基部較膨大,彎折處細長,運動機制上有點像球桿。當鋼珠被擊出產生直線運動,兵蟻本身會因反作用力向後旋轉。由於動能是由質量與速度所產生,透過微量天平測得左大顎質量,便能計算出大顎彈動的平均速度約為每秒60公尺,最高可至每秒100多公尺,產生的撞擊力超過120毫牛頓。統計鋼珠的路徑,兵蟻趨向在大顎與體軸夾45度角時打中鋼珠,此時彈性位能最小、動能最大、撞擊力最強。因為兵蟻眼睛退化,對於外界的感應主要來自觸覺跟嗅覺,除了同伴以外,會攻擊所有被觸角偵測到的物體。在高速攝影機鏡頭下,兵蟻會用兩根觸角抵住鋼珠,在高速彈擊發生前的0.03秒,迅速舉起觸角以避免被打到。在這些條件下,兵蟻仍能精準打中鋼珠,實在令人驚歎。


取得大量擊球數據後,我們遇到千載難逢的機會。2017年中,每秒可以拍攝100萬張的超高速攝影機廠商來亞洲展示,我們成功借用並拍攝兩段珍貴的影片,其中一段完整記錄兵蟻的彈擊動作,速度高達每秒132公尺,證明我們保守估計每秒超過100公尺是正確的。研究團隊開心之餘,也著手進行下一步的計畫,希望研究更多類型的歪白蟻大顎,並比較、探討其功能型態。


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