托马斯·艾斯纳(Thomas Eisner),美国科学院院士,曾获美国国家科学奖章,发表过几百篇论文。据他自己说,他的成就建立在“闲逛”上。不管他身处哪里,都要到四处走动走动,看看花朵怎样散发香气,昆虫怎样相爱相杀。新的发现就蕴藏在这些微小生命的互动之中。
1959年,艾斯纳前往亚利桑那州的一个研究站,四周都是沙漠。我们通常以为沙漠是生命的禁区,其实夜间的沙漠充满了生机。各种生物没有遮挡,直接呈现在你的眼前,忙着生,忙着死,艾斯纳完全被迷住了。
一天傍晚,他发现了一种长相犹如异形的怪物:全身漆黑,像蝎子又像龙虾,体型可以占满他的手掌心。它是巨鞭蝎(Mastigoproctus giganteus),属于蛛形纲一个古老的目,有3亿年历史。它的黑色在沙地上十分显眼,而且走得慢吞吞的,艾斯纳判断,这怪物一定有某种防御措施,否则捕食者会立即让它上西天。
艾斯纳心生好奇,这种防御术是什么呢?当时人们已经知道,鞭蝎受到攻击,会喷射具有强烈醋酸味的液体。艾斯纳把鞭蝎请到大学的化学研究史,与他的化学家同事迈沃尔德(Jerrold Meinwald)检验了鞭蝎的分泌物,发现它含有84%的乙酸(醋酸)和5%的辛酸。一般食醋只含有6~8%的乙酸。
艾斯纳开始追根究底,探寻现象背后的机制。鞭蝎的“醋坛子”是腹部的两个腺体,开口在身体末端,长长的天线状“尾巴”的根部。它可以通过转动“尾巴根”,朝不同的方向“发炮”,定点轰击掠食者。艾斯纳曾把鞭蝎喂给南食蝗鼠(Onychomys torridus),虽然外表就是一只小老鼠,但食蝗鼠是凶猛的捕食者,蝎子都是它的盘中餐。南食蝗鼠一碰到鞭蝎,马上被喷了一脸,几次尝试后,终于在“酸爽”之下败退了。
后来艾斯纳发现,“醋炮”里少量的辛酸也有特别的意义。节肢动物如昆虫,表皮上含有蜡质,与醋酸不相溶。辛酸具有亲脂性,让鞭蝎的分泌物可以在蜡质上铺展开,渗透进去,强化攻击效果。
鞭蝎给我们的启示是,一切生物都是由化学分子构成的,而在吃与被吃的无休止斗争中,生物演化出了形形色色的化学物质进行攻防战,我们一般称之为“毒药”。艾斯纳成了小动物的唐门毒师。
另一个“幕后毒手”的出现更具意外性。上世纪70年代,艾斯纳养了一只宠物斯氏夜鸫(Catharus ustulatus),这只小鸟非常贪吃,但是有些虫子它是不吃的,这说明昆虫具有防御毒素。艾斯纳很快想到,他可以利用小鸟的反应,来发现新“毒药”。于是艾斯纳每天抓昆虫和其他节肢动物,“贡献”给“主子”,总共实验了一百多种。他发现有三种萤科(萤火虫)受到了坚决拒绝。
当时对于萤火虫的毒素研究完全是空白,一个新课题!艾斯纳大喜,为了收集足够的萤火虫供化学分析用,他在报上登了广告,收购萤火虫,5美分(购买力接近今天的1美元)一只,结果差点破产——本来他是想吸引小孩来捉萤火虫,但是价格太高,连孩子的爹妈都贪小便宜出来捉萤火虫了。
艾斯纳和同事们用溶剂萃取萤火虫体内的化学物质,终于找到了这种毒素,这是一种类固醇,与蟾蜍体内的类固醇毒素有相似性,因此被命名为萤蟾素(lucibufagin)。鸟和蜘蛛都拒食含有萤蟾素的萤火虫,后来艾斯纳还发现,有宠物鬃狮蜥(Pogona vitticeps)误食了萤火虫而死。鬃狮蜥的老家在澳大利亚,没有演化出辨别有毒萤火虫的能力。
随着真相的揭示,艾斯纳逐步展现出毒药背后的原理,而这个原理就是一切生命竞争和繁衍的基本原则——进化论。
1966年在佛罗里达进行田野研究时,艾斯纳发现一只美丽的蛾子撞在了蜘蛛网上,翅膀上交错着粉红、白、黑三色的花纹。蜘蛛跑过来,把缠绕蛾子的丝线一根一根咬断,把它放掉了!原来,这是一只响盒蛾(Utetheisa ornatrix),又叫美丽灯蛾,鲜艳的颜色说明它有毒。
响盒蛾的幼虫以猪屎豆属(Crotalaria spp.)的植物为食,体内累积了剧毒的吡咯里西啶生物碱(pyrrolizidine alkaloid),蜘蛛吃不了它,只能把这尊佛送走。
对于响盒蛾来说,毒素贯穿了生物进化中的两件大事:生存与繁殖。雄蛾在求偶时,身体尾端会露出两个“茸球”,轻轻地抚弄雌蛾。“茸球”的表面覆有一层薄薄的化学物质,由雄蛾体内累积的毒素产生。差不多同时,艾斯纳的同事发现,雄性的响盒蛾可以把毒素通过精包传递给雌蛾,雌蛾再传送给卵。这样下一代也能获得毒素的保护。这种投资是很可观的,雄蛾交配之后,体重可以下降10%。
“茸球”的作用是“炫富”,雌蛾可以通化学物质的多寡,选择毒素多的如意郎君。艾斯纳还发现,一种学名Neopyrochroa flabellata的甲虫的交配方式异曲同工。雄虫的精包里含有毒性很强的斑蝥素(cantharidin),也同样传递给雌虫,再传递给卵起到保护作用。雄虫头部有一条裂缝,里面装着少许的斑蝥素,在交配正式开始之前,雌虫会抱着雄虫的头,品尝这一点点毒药,借此判断雄虫的“存款”。
生物学是一门古老的学问,人类自打出现起,就开始与草木鱼虫打交道了。但如今古老的生物学又有新波澜,在野外研究活生生草木鱼虫的“宏观生物学”,与在实验室研究分子、基因的“微观生物学”发生了割裂。甚至有些身处“高精尖”领域的微观生物学家,认为宏观生物学落后于时代,马上要被淘汰了。
古老的探索自然的方法过时了吗?喜欢闲逛的艾斯纳,把活生生的动物与化学分子联系起来,为一门新学科——化学生态学奠定了基础,让古老的学问焕发出新光辉。艾斯纳表示,大多数物种都还没有命名,对于它们的生活我们更是一无所知,新的发现之旅才刚刚开始呢。下一种“毒药”是什么,值得我们期待。