較大的動物如何承擔「製造」和維持不成比例的「大型武器」的能量成本?
據外媒報導,尼泊爾人錢德拉·巴哈杜爾·唐吉(Chandra Bahadur Dangi)以54.6釐米的身高保持著世界上最矮成年人的記錄。 而”世界第一高人”是土耳其農民蘇爾坦·科森(Sultan Kösen),他的身高是2.52米,是唐吉的近五倍。 在自然界中,單一物種雄性之間的尺寸差異並不罕見,但在一篇新的論文中,來自史密森尼熱帶研究所(STRI)、奧克蘭大學和亞利桑那大學的一個團隊發現了一個雄性甲蟲的案例,它們不僅在尺寸上差異極大,而且還為進化生物學中長期存在的難題提供了一個答案:大型動物如何能夠承擔”製造”和維持不成比例的”大型武器”的能量成本?
世界上幾乎每四個物種中就有一個是甲蟲:到目前為止,科學家已經確定了大約35萬個甲蟲物種。 雄性紐西蘭長頸鹿象鼻蟲Lasiorhynchus barbicornis,被認為是世界上最長的甲蟲,但當研究人員測量最小和最大的甲蟲的重量差異時,他們感到很驚訝。
STRI的Earl S. Tupper研究員Ummat Somjee說:”當我第一次看到最小的和最大的雄性甲蟲的重量時,我以為有人犯了一個錯誤。 但是我們再次對它們進行稱重,得到了相同的結果。 最大的雄性甲蟲比最小的雄性甲蟲大30倍。 這是我們所知道的世界上任何甲蟲物種中最大的成年體型範圍。 ”
就像許多其他擁有「戰鬥武器」的動物(如長著獠牙的大象和長著角的羚羊)一樣,雄性長頸鹿象鼻蟲的脖頸被用於與同性進行爭鬥,贏得雌性的芳心。 但是,當巨大的雄性甲蟲爭奪上面的位置時,一隻最小的雄性甲蟲可能會在腳下偷襲,使雌性受孕。 因為這兩種交配策略都會產生後代,所以大的雄性和小的雄性甲蟲都持續存在。
在熱帶森林中,每一點能量的消耗都可能意味著生與死的區別。 Somjee對能源的經濟性非常著迷–他從昆蟲身上尋找靈感。 雄性長頸鹿象鼻蟲,實際上體現了能量的權衡。 大雄性甲蟲的脖頸比小雄性的脖頸大很多:所以乍一看,大雄性甲蟲似乎比小雄性甲蟲在其「武器」上投入相對更多的材料和能量。 但情況真的是這樣嗎?
Somjee與紐西蘭甲蟲專家Chrissie Painting合作,對甲蟲”武器”的經濟性進行了仔細研究。 為了測量大雄性和小雄性甲蟲使用多少能量,他們把它們分別放在小房間里,測量它們的耗氧量。 他們發現,與較小的雄性甲蟲相比,較大的雄性甲蟲支付的成本更低,而不是更高–以它們體內每克組織的能量計算。 這些大型雄性動物如何攜帶相對較大的「武器」,並且仍然付出較低的相對代謝成本?
“大雄性甲蟲就像非常省油的汽車–甲蟲世界的普銳斯(燃油效率每加侖58英里)–而小雄性甲蟲則更像勞斯萊斯幻影轎跑車(燃油效率每加侖14英里)。 大型雄性動物怎麼會有如此高的能源效率,而且還能承擔大型武器的額外能源成本? “Somjee說。
他們發現,這個秘密在於”武器”本身的結構。 小脖頸是由高比例的活體組織構成的,這種組織的維護成本相對較高,就像我們的肌肉一樣,但是大脖頸是由高比例的角質層構成的,就像我們頭髮和指甲中的角蛋白一樣,這種組織的維護成本要低得多。 因此,大雄性動物實際上是用較少的能量來維持其不成比例的”大武器”,而小雄性動物則是用較少的能量來維持其”小武器”。
這些怪異的象鼻蟲證明瞭大型動物可以削減大型結構的成本。 現在Somjee又在巴拿馬尋找其他昆蟲物種,以瞭解其他具有極端結構的昆蟲是否也能找到創造性的方法來盡量減少其維護成本。
“正是因為長頸鹿象鼻蟲異常大的尺寸變化,我們才能夠回答這個長期存在的進化問題,”Somjee說。 “長頸鹿象鼻蟲並沒有以某種方式找到額外的能量來維持它們巨大的頭部,它們改變了頭部的結構,使其更加有效,從而節省能量。”