肚子像金箍棒一樣伸長三倍，只為把蝗蟲后代產(chǎn)在最安全的地方

撰文 | 黃雨佳

審校 | clefable

“新禾未熟飛蝗至，青苗食盡余枯莖?！边@是唐代詩人戴叔倫在《屯田詞》中對蝗蟲的描述，反映出了蝗災(zāi)的恐怖?；认x是一種臭名昭著的昆蟲，它們能成群遷徙數(shù)千公里，像一片黑云遮天蔽日，吞噬沿途的一切植物。據(jù)估計(jì)，一平方千米的蝗群中包含大約 4000 萬只蝗蟲，一天能吃掉 3.5 萬人的口糧。2020 年的東非蝗災(zāi)就是一個(gè)慘痛的例子，蝗蟲從非洲一路蔓延至印度，影響了 20 多個(gè)國家和地區(qū)，沿途 1190 萬人的糧食供應(yīng)受到直接威脅。

蝗蟲能造成如此嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)災(zāi)害，與其強(qiáng)大的繁殖能力密不可分?；认x主要在沙質(zhì)土壤中產(chǎn)卵，每只雌蝗蟲一次可以產(chǎn)下 60-80 粒卵，一生至少可以產(chǎn)卵 3 次。約兩周左右，這些卵就能孵化出若蟲。若蟲經(jīng)過五次蛻皮后成為成蟲，再歷經(jīng)兩到四個(gè)月即發(fā)育成成熟的蝗蟲，就能開始繁殖了。因此，只要環(huán)境條件適宜，蝗蟲的數(shù)量會呈幾何級數(shù)增長。

為了保護(hù)后代不被鳥獸和其他昆蟲發(fā)現(xiàn)和捕食，雌性蝗蟲不僅要選擇合適的土壤和濕度，還要將卵產(chǎn)在地下 10 厘米甚至更深的地方，這樣也可以減少風(fēng)雨對卵的影響。然而，一只成年的雌性蝗蟲體長也不過 4-7 厘米，站在地面產(chǎn)卵的蝗蟲如何完成這樣艱難的工作呢？

自由伸縮的“挖掘姬”

雌性蝗蟲會用腹部在土壤中打洞。和雄性蝗蟲不同，雌性蝗蟲腹部有一個(gè)特殊的結(jié)構(gòu)，叫做產(chǎn)卵器（ovipositor），它由兩個(gè)像鏟子的瓣膜組成。一瓣位于腹部末端，負(fù)責(zé)插入土壤中；另一瓣位于背部末端，主要負(fù)責(zé)挖掘土壤。在產(chǎn)卵時(shí)，雌性蝗蟲會將腹部尖端壓進(jìn)地面，然后巧妙地控制產(chǎn)卵器的運(yùn)動，使其周期性地打開、關(guān)閉和收縮等，一直挖土，直到蝗蟲腹部伸長至地下 10 厘米，甚至 15 厘米。

隨后，它們會先判斷腹部末端的土壤濕度、鹽度是否合適，如果不適合產(chǎn)卵，或者產(chǎn)卵過程被其他蝗蟲打斷，它們就會在不到一分鐘甚至幾十秒內(nèi)，就迅速收回腹部，終止這個(gè)過程。而如果一切順利，它們就會小心翼翼地把卵放在卵莢中，邊產(chǎn)卵邊收縮腹部，并用分泌的泡沫覆蓋住卵，最后把產(chǎn)卵的洞口用土壤蓋好。一個(gè)完整產(chǎn)卵的過程會持續(xù)一個(gè)小時(shí)之久。

蝗蟲腹部正常不會超過 5 厘米，而之所以能伸至原來的 2-3 倍長，是因?yàn)橐环N名為節(jié)間膜（intersegmental membrane）的特殊結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)非常柔軟，連接著蝗蟲腹部的每一節(jié)，可以讓蝗蟲腹部的背片就像折扇一樣，既能折疊起來，又可以在產(chǎn)卵時(shí)展開。

在展開這些背片時(shí)，蝗蟲還需要用到背片間的腹部肌肉。這就意味著，當(dāng)背片展開時(shí)，蝗蟲的腹部肌肉也要跟著伸展?？茖W(xué)家們在顯微鏡下觀察到，在沒有展開背片時(shí)，蝗蟲腹部的肌肉原纖維相互纏繞排列，側(cè)面有許多凸起的波紋。而當(dāng)它們產(chǎn)卵拉伸腹部時(shí)，原本纏繞的原纖維被拉長，呈平行排列，肌肉表面也變得平滑，甚至肌肉細(xì)胞的細(xì)胞核都會被壓扁。

人類和蝗蟲都有同樣能伸能縮的肌肉，為什么人類的骨骼肌就沒有這么強(qiáng)大的伸縮能力呢？

骨骼肌主要由兩種蛋白質(zhì)纖維構(gòu)成：粗肌絲和細(xì)肌絲。它們可以相互滑動，從而使肌肉收縮或拉長。粗肌絲和細(xì)肌絲重疊得多，肌肉就會收縮；當(dāng)粗肌絲和細(xì)肌絲重疊得少時(shí)，肌肉就會拉長。在人體內(nèi)，骨骼肌中的粗肌絲和細(xì)肌絲都會固定在一個(gè)名為 Z 盤（Z-disc）的結(jié)構(gòu)上，形成一種名為肌小節(jié)的結(jié)構(gòu)。當(dāng)粗肌絲和細(xì)肌絲已經(jīng)重疊得很少，但還繼續(xù)拉伸時(shí)，就會導(dǎo)致 Z 盤斷裂或撕裂，造成肌肉損傷。

科學(xué)家們推測，雌性蝗蟲產(chǎn)卵時(shí)，腹部肌肉會被極度拉長，Z 盤也發(fā)生了斷裂，轉(zhuǎn)變成了一種不同于肌小節(jié)，但仍然能伸長和收縮的結(jié)構(gòu) ——Z 體（Z-body）?？茖W(xué)家們對這種現(xiàn)象提出了兩種可能的解釋：一種是“傾斜”模型，認(rèn)為斷裂后的 Z 盤會傾斜成一個(gè)角度，從而擴(kuò)展了肌肉能伸長的長度；另一種是“滑動”模型，認(rèn)為斷裂后的 Z 盤會錯(cuò)位重疊排列，通過滑動進(jìn)一步延伸。

但是，無論是哪種情況，雌性蝗蟲的腹部肌肉在過度拉伸后，粗肌絲和細(xì)肌絲原本的規(guī)則排列都已經(jīng)被破壞了。在顯微鏡下，它們不再呈現(xiàn)出因粗細(xì)肌絲重疊排列形成的明暗花紋（上圖右 CN），而是變得混亂不堪。這也就意味著，在地下深處產(chǎn)卵后，蝗蟲媽媽腹部肌肉的結(jié)構(gòu)可能已經(jīng)永久改變了。

“神經(jīng)大條”的蝗蟲媽媽

雌性蝗蟲在產(chǎn)卵時(shí)伸長身體，這影響的不僅是腹部肌肉，它們腹部的器官如腸道、心臟，甚至連神經(jīng)也會被拉伸。脊椎動物的背部有脊髓，類似地，蝗蟲也有一種對應(yīng)的名為神經(jīng)索（nerve cord）的結(jié)構(gòu)，腹部范圍共有五個(gè)神經(jīng)節(jié)。一般來說，對人等脊椎動物來說，神經(jīng)拉長超過 30% 就會受到不可逆轉(zhuǎn)的損傷。但是，蝗蟲再把神經(jīng)索拉伸到原來的幾倍，仍然不會受到損害，這簡直不可思議！

為了比較蝗蟲的神經(jīng)是否天然就具有超凡的可拉伸能力，科學(xué)家們對比了雄性、性成熟前雌性（PM）和性成熟雌性（SM）蝗蟲腹部神經(jīng)系統(tǒng)的拉伸能力。他們通過解剖取出這些蝗蟲的神經(jīng)索，然后用手術(shù)鉗逐漸拉伸，直到神經(jīng)索斷裂。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這些的腹部長度基本一致，都是 3 厘米左右，三者的神經(jīng)索長度也沒什么差別，樣子也非常相似。但是，一旦開始拉伸，三者的差異就立刻顯現(xiàn)了。雄性蝗蟲的腹神經(jīng)索最多能拉伸至原始長度的 140.5%；大多數(shù)性成熟前的雌性蝗蟲能拉伸至原始長度的 164%，個(gè)別能拉伸至 186%。但性成熟的雌性蝗蟲的腹神經(jīng)索平均能拉伸至原始長度的 214%，甚至達(dá)到 249%。

后來，這些科學(xué)家們摒棄了手動拉伸，改為用儀器來檢測蝗蟲腹神經(jīng)索的伸長能力。其間，有幾只性成熟雌性蝗蟲的腹神經(jīng)索甚至已經(jīng)達(dá)到了設(shè)備能測量的最大長度，仍然沒有斷裂。而當(dāng)儀器慢慢地松開這些腹神經(jīng)索，它們竟然能完全可逆地恢復(fù)到原始的長度，不會像超過彈性限度的橡皮筋那樣變得松弛，依然還是緊繃狀態(tài)。

他們還發(fā)現(xiàn)，腹神經(jīng)索上不同神經(jīng)節(jié)之間的可拉伸性也不相同。對性成熟前的雌性蝗蟲而言，不同神經(jīng)節(jié)間節(jié)段的可拉伸性相對平均，從原始長度的 145% 到 186% 不等。而對于性成熟的雌性蝗蟲，不同節(jié)段的可拉伸性則差異很大，從原始長度的 172% 到 257% 不等。其中，可拉伸性最強(qiáng)的是腹神經(jīng)索的中間區(qū)域，也就是第 2 至第 4 神經(jīng)節(jié)之間的部分。

其實(shí)，蝗蟲并非人類發(fā)現(xiàn)的首個(gè)神經(jīng)能可逆伸長超過 2 倍長度的物種。例如，須鯨在進(jìn)食時(shí)需要快速吞下大量海水，口腔和腹腔的體積會迅速膨脹。相應(yīng)的，它們的神經(jīng)也會一起伸長。須鯨采取的策略是把神經(jīng)纖維束像手風(fēng)琴一樣折疊起來，再用同樣高度折疊的外膜和外壁包裹。這樣一合一張之間，舌頭的長度就翻了番，而神經(jīng)自身的長度卻沒有變化。當(dāng)然，須鯨也有一些保護(hù)性構(gòu)造，來防止神經(jīng)過度伸長。

可是，科學(xué)家們卻沒有在雌性蝗蟲的神經(jīng)索中發(fā)現(xiàn)這樣的構(gòu)造。和性成熟前相比，性成熟的雌性蝗蟲除了神經(jīng)看起來更厚一點(diǎn)，并沒有什么特殊的結(jié)構(gòu)，拉伸前后也沒有特殊的形態(tài)變化?？茖W(xué)家們也僅僅只能推測，或許是在雌性蝗蟲性成熟的過程中，有某種信號改變了神經(jīng)組織的生物力學(xué)特性。但是，這種信號是什么，它是如何作用的，都還有待進(jìn)一步研究。

人類的身體有時(shí)會因?yàn)檫^度拉伸而受傷，但是動物界卻有許多奇妙的生物，它們能把自己的身體延展到令人瞠目結(jié)舌的程度，卻不會損傷任何組織。這些生物的身體構(gòu)造已經(jīng)為人們開發(fā)生物材料和合成器官提供了許多靈感。等到科學(xué)家們完全探明雌性蝗蟲超強(qiáng)伸展性奧秘的那一天，說不定我們就能開發(fā)出隨時(shí)隨地伸長三倍、跑步飛快的義肢了呢！

參考文獻(xiàn)：

• https://www.fao.org/ag/locusts/en/info/info/faq/index.html

• https://www.agriculture.gov.au/biosecurity-trade/pests-diseases-weeds/locusts/about/about_locusts

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• https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/0022191083900720

• https://antisensescienceblog.wordpress.com/2014/04/25/stretching-whats-the-big-whoop-debunking-one-of-the-oldest-exercise-myths/

• https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S258900422201567X

• https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0960982215002845

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