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2/15/2009

森林裡的蘑菇為什麼都有圓點?

桃太郎為什麼是從桃子裡生出來的,橘子就不行嗎?從生物學、植物學的角度重新拆解童話故事中的情節,會讓我們看到意想不到的謎底。

【龜兔賽跑】

動作遲緩而被兔子取笑的烏龜,大膽的向兔子提議,比比看誰比較快跑到山腳下。從起跑線開始就以飛快速度衝出去的兔子,跑了一會兒回頭一看,發現烏龜還離得很遠。因此,兔子決定小睡一會兒。而烏龜的速度雖然很慢,但不眠不休踏著穩健的腳步向終點邁進,終於追過了兔子。睡過頭的兔子睜開眼睛,發現烏龜已經先抵達終點。

兔子與烏龜賽跑,如果認真跑起來,兔子的速度當然比較快。但我們可以發現,烏龜其實也挺逞強的。如果兔子沒有在中途打盹,牠打算怎麼做呢?恐怕烏龜早有勝算。要不是這樣,應該不會貿然向兔子提出挑戰,以賽跑來分勝負。

烏龜發狠,提出要和兔子賽跑到對面小山的山腳下。沒錯,這正是烏龜的策略。其實,兔子是短跑健將,牠最大的優點就是行動迅速,一旦遭到敵人襲擊,會敏捷的跳進樹叢裡躲起來,但牠並不擅長長跑。烏龜很清楚這點,才邀兔子跑長途賽。

烏龜的勝利方程式

兔子毫無警覺的掉進烏龜的算計裡,還在重要比賽中犯了致命的錯誤。人類在跑步時會出汗,以流汗來防止體溫過度升高。然而,兔子的汗腺不發達,無法以流汗來降低體溫。兔子是靠牠的長耳朵來吹風散熱,使血液冷卻、降低體溫。所以,兔子跑步時必須豎著耳朵跑。

但事情總有例外。翻看《兔子與烏龜》的繪本會發現,書上畫的兔子一定是垂著耳朵跑。這可能是兔子為了讓烏龜瞧瞧牠御風而跑的英姿吧,但牠這樣跑久了,身體吃不消。本來就只擅長短跑的兔子,由於耳朵沒迎風散熱,體溫不斷升高的結果,身體很快就熱得受不了。於是,跑累了的兔子不得不睡個覺。事後,兔子應該會後悔:至少不要只有外表看起來很酷,如果一直豎著耳朵跑的話……。

兔子眼睛不全是紅的

龜兔賽跑的結局,兔子的確因為輸給烏龜而自食苦果。但不知為何,自古還有很多關於兔子被弄哭的傳說。在傳說故事中,經常描述兔子哭了之後眼睛變紅的情節。至於兔子的眼睛為什麼是紅色的?

仔細觀察兔子可以發現,並不是所有兔子的眼睛都是紅色的。有紅色眼睛的兔子通常是白兔。眼睛黑色者是因為瞳孔四周有黑色素(melanin)。但小白兔的瞳孔四周沒有黑色素,眼球是透明的,經由眼球反射眼底的血管,使得小白兔的眼睛看起來是紅色的。

相傳白兔之所以有紅眼,是因為人工飼養的關係。其實,白兔是基因突變後不具黑色素的兔子。生物會出現少有的色素消失的基因突變現象,稱為白化症(albino)。然而,白色個體在自然界非常醒目,很容易遭天敵襲擊,所以白化症的生物很難在自然界生存。從前的人把白狐狸或白蛇等視為神的使者,非常敬畏牠們,就是因為稀有的緣故。由於人們非常珍視無法在大自然中生存的白化生物,所以經由飼養產生白色兔子。除了兔子之外,白色家鼷鼠(house mouse,學名Mus musculus)也是白化症的好例子。此外,植物界也可以看到白化症。如白花椰菜(cauliflower)就是從綠花椰菜(broccoli)基因突變而成的,我們平常吃的白色金針菇來自發生基因變異的茶褐色菇類。

相較於人工飼養出來的白兔子,野生的兔子多半是茶色或灰色。但為了能在下雪的地方生存,有些野生兔子冬天時會長出具保護色彩的白毛,這不是因為失去色素。野生兔子的毛色即使是白色的,眼睛也不會是紅色。

【螞蟻與蟋蟀】

夏天時,螞蟻為了儲存冬天的糧食勤奮工作,蟋蟀卻無視於螞蟻的忠告,整天只知道唱歌和玩樂。不久,冬天來臨,到處都找不到食物,蟋蟀哀求螞蟻說:「我的肚子快餓扁了,請分點食物給我吧!」可是,螞蟻拒絕的說:「當夏天我們在工作的時候,你只知道唱歌,所以沒辦法給你食物。」

蟋蟀、螽斯等會叫的昆蟲,經常被描寫成很會演奏樂器的音樂家。 當然,真實世界裡的蟋蟀並不會拿樂器。那麼,蟋蟀是怎麼演奏出美妙的音樂呢?蟋蟀的翅膀是銼刀狀,相互摩擦就能發出聲音。這個構造和小提琴等弦樂器,靠弓弦的摩擦發出聲音一樣。

一提到和蟋蟀一樣能大聲鳴叫的昆蟲,大家一定會聯想到蟬。但蟬和蟋蟀的發聲結構完全不同。

蟬的腹部有震動膜,震動此一震動膜所發出的聲音,在其腹部的空腔內產生共鳴,製造出更大的聲音。這樣的發聲器官,和太鼓發出聲音的構造非常類似。

蟋蟀真的是懶惰鬼嗎?

儘管如此,蟬和蟋蟀的鳴叫聲還是很吵。叫得這麼大聲,難道牠們自己不覺得煩嗎?以《法布爾昆蟲記》聞名的法布爾(Jean-Henri Fabre),也曾對蟬的聽覺抱持疑問。為了確認蟬的聽覺,他大膽的在有蟬叫的大樹下鳴放大砲。實驗結果令人驚訝。蟬並沒有因為大砲聲而安靜下來,反而繼續大聲鳴叫。因此,法布爾做了一個結論:蟬是聾子。

然而,日後證實法布爾的想法是錯的。其實,昆蟲只對固定的聲波有反應,也就是只聽得到某些聲波範圍內的聲音。因此,蟬對大砲的聲音沒有反應。根據不同品種,蟬的聲波頻率為兩千至兩千九百赫,蟋蟀則超過九千五百赫。因此,不管蟬叫聲多麼吵鬧,蟋蟀也不會有任何怨言。

在《伊索寓言》中被烙印上懶惰印記的蟋蟀,真的只知道玩樂嗎?

當然,蟬和蟋蟀在夏天大聲唱歌,並非為了玩樂。大家都知道,只有雄性的蟬和蟋蟀會叫。而牠們之所以鳴叫,都是為了求偶,吸引雌性的注意。此外,這種舉動也有向同類的雄性彰顯勢力範圍,不讓對方靠近的作用。也就是說,蟬和蟋蟀是為了傳宗接代才拚命鳴叫,絕不是在玩樂。

反觀,批評蟋蟀的螞蟻又如何呢?牠們根本不必尋找配偶,只知道拚命搬運食物。雖然專心工作過日子的感覺很酷,但光是拚命工作就可以傳宗接代嗎?大家都知道,螞蟻的社會是以蟻后為中心來建立階級,不同階級的螞蟻各自扮演不同的角色。例如,在工蟻中,有負責搬運食物的工蟻,也有負責照顧幼蟻的工蟻。兵蟻則擔任防止入侵者的衛兵角色。不過,連工蟻也應該留下後代。事實上,工蟻是靠勤奮工作、好好照顧幼蟻留下後代。

道金斯(Richard Dawkins)在《自私的基因》(The Selfish Gene)中闡明,所有生物體內的遺傳基因,都在進行利己的行動。換言之,生物繁衍的目的不是傳宗接代,而是想留下自己的遺傳基因。

由於是同一隻蟻后所生,所有工蟻都是姊妹關係。對工蟻而言,維持姊妹的團體生活,使得姊妹當中順利產生蟻后來產卵繁衍後代,留下與自己相同的遺傳基因,比繁衍自己的孩子更重要。也就是說,為了整個蟻巢做出自我犧牲的行為,反而是使整個螞蟻族群繁衍下去、留下自己遺傳基因的利己行為。

為了談一個夏日戀情而活的蟋蟀和蟬,與為了工作而活的螞蟻,乍看之下好像彼此的生活方式完全不同,但其實有同樣的目的,就是留下自己的遺傳基因。

螞蟻不是想像中的工作狂

螞蟻一直教導蟋蟀勤奮工作的重要性,但螞蟻真的是工作狂嗎?在《螞蟻與蟋蟀》故事中,一直在酷熱的夏天勤奮工作的螞蟻,據說溫度太高的日子一樣處於休息狀態。由於昆蟲是變溫動物,氣溫太高會使牠們活動力減緩。事實上,夏天開花的植物如牽牛花、鴨跖草等,大部分是在上午涼爽的時候開花,因為一到下午天氣變熱,蜜蜂和虻(horse fly)等幫忙傳播花粉的昆蟲就不會出現。不僅是工蟻,工蜂等也會在天氣熱時好好休息。

但關於螞蟻的工作實情,還有更驚人的研究結果。螞蟻總是給人勤奮工作的印象,但據說真正在工作的螞蟻只有八成,剩下的兩成只是假裝很勤奮的樣子,其實在混水摸魚。更令人玩味的是,如果移除這兩成怠工的螞蟻,在下次出勤的螞蟻中,同樣會出現怠工現象,而且也占全體的兩成。人類世界其實適用同樣的法則。連最勤奮工作的螞蟻都出現怠工者,我們人類老想偷懶的想法也就不足為奇了。

【傑克與豆子】

傑克把母牛帶到市場賣的途中,用牛和一位不認識的老爺爺交換了豆子。傑克的母親非常生氣,把豆子丟到窗外;隔天早上,豆子很快變成一株直達天上的大樹。爬上豆子樹到了天上的傑克,從巨人家盜走金幣、會生金蛋的雞和會唱歌的豎琴。巨人發現之後追著傑克,傑克的母親在傑克到達地面時,用斧頭砍倒豆子樹,巨人就摔死了。從此以後,傑克和母親靠著從巨人那裡得到的寶物,過著幸福的生活。

傑克真的有到天上去嗎?

一夜之間就長到天上的豆子樹,究竟是什麼植物?植物的確會在夜間生長,但可能長得這麼快嗎?

一般植物的種子是由胚及胚乳構成的,胚就像植物的胎兒,胚乳則是植物發芽時的營養來源。然而,豆科的種子卻不一樣。我們來看看比較容易觀察的蠶豆吧!蠶豆的種子裡只有兩片子葉,也就是它沒有胚乳。那麼蠶豆發芽時,是從哪裡獲得必要的營養來源呢?

其實,它的營養成分都在子葉裡。如果把蠶豆播種在泥土裡,最先冒出來的就是肥厚的子葉。那兩片子葉是蠶豆的能量庫。豆科植物是以內藏能量庫的方式,有效活用種子裡有限的空間,才得以順利生長。

不過,這樣只解決了植物發芽時的問題。不管芽發得多快,植物發芽之後,怎樣才能快速生長呢?

關於蔓生植物生長秘密的提示,就在本篇這個故事的標題裡。我查了一下原作發現,這個故事的標題原本並不是「傑克與豆子」,而是「傑克與蔓生的豆子」。這樣大家就可以理解了吧!蔓生的豆子就是指生長快速的蔓生植物。

一般植物的生長要靠莖來支撐,需要健壯的莖。但蔓生植物只須攀附在其他植物或支柱上就能生長,不需要健壯的莖,因此可以用多餘的能量來生長和伸展。如此一來,就可以在短時間內看到蔓生植物明顯的生長。此外,蔓生植物輸送水分的導管及輸送養分的篩管都很粗,可以有效率的輸送水與養分。

然而,蔓生植物得以快速生長的代價,就是沒有強壯的莖,無法靠自己的力量挺立。為了向上生長,蔓生植物必須有可攀附的支柱。換言之,就算豆藤有攀爬至天上的能力,如果沒有可倚靠的支柱,仍只能在地上到處蔓生。

那麼,世界上原本就有可以長到天上的植物嗎?

植物要長得巨大,問題在於是否能將水分輸送至頂端。植物將水往上輸送的力量,就是蒸散作用(transpiration)。植物的葉片裡有數個讓空氣進出的口狀器官,稱為「氣孔」。植物裡的水分變成水蒸汽,從氣孔向外蒸發,便是蒸散作用。植物有從氣孔連接到根部的一股水流,就像一條水柱。因此,如果因為蒸散作用而失去水分,水就會往上移動。就像我們一吸吸管,水就被往上吸的感覺。

然而,即使蒸散作用讓水往上移動,但移動得越高,水的重量越重,還是有高度限制。根據一種計算方式,從水往上移動的力量,算出樹木的高度極限大約是一百三十公尺至一百四十公尺。這和現存世界最高的巨杉(giant sequoia,學名Sequoiadendron giganteum)高度一致。遺憾的是,世界上並沒有像童話故事中描述的那樣生長到天上的植物。從現代植物學的知識來看,無法否認的是,豆子可以長到天上的故事完全是錯誤的。

揭開豆子樹的真面目

不過,還有新的疑問。暫不討論植物能否長到天上,先來談談什麼樣的種子可以一個晚上長成大樹。

傑克的豆子一個晚上就長大了,但植物必須進行光合作用才能生長。換言之,植物的生長一定要靠陽光。只有一個大膽的假設可以解決這個疑問,就是假設故事中的豆子是巨大的蘑菇類植物。

我們一般所說的蘑菇,是指菌類的子實體。蘑菇和黴菌是同類植物,一樣靠菌絲增生茁壯。子實體是製造孢子的生殖器官,就像一般植物製造種子的組織「花」一樣。蘑菇會在一個晚上從毫不起眼的菌絲拚命長大;原本眼睛還看不見的纖細菌絲,一夜之間突然變成巨大的子實體,也就是一般所說的蘑菇。蘑菇的菌絲一方面吸收營養,一方面分支增生,不斷向四周蔓延擴展,在一定的季節和發育階段,產生子實體。如果是蘑菇,就可能一夜之間生長完成。

蘑菇通常是靠菌絲的增生慢慢茁壯長大,但一旦受到刺激,立刻形成子實體。例如,大家都知道光或放電等刺激,可以促進蘑菇生長。 自然界一直存在著這種經由刺激而急劇產生質變的現象,如果在遍布地上的菌絲中投入關鍵物質,它們一口氣形成子實體,並非不可能。

傑克拿回來的究竟是什麼種子,至今無人知曉。但說不定是因為傑克的母親將種子丟到窗外,為布滿地面的菌絲帶來某種刺激,使菌絲一夜之間快速長成巨大的蘑菇呢!當然,由於大家都說傑克拿到的是豆子的種子,所以他認為快速長到天上的蘑菇是豆子樹,攀爬上去,也並非不合理的說法吧!