⼀周趣科学 Vol.20

作者: 牧⼼

来源: 科学⼤院

发布日期: 2024-05-25 12:09:13

本文介绍了近期科学界的有趣研究,包括狐獴的交流方式、德国小蠊的全球化进程、虎甲虫的超声波伪装、再生水泥的生产方法以及老鼠一夫一妻制的起源。这些研究展示了动物行为、生态适应和材料科学的最新发现。

狐獴是⼀种⽣活在⾮洲南部沙漠地带的群居动物,⼩巧灵活的外形赢得了不少⼈的喜爱,因此也是影视作品中的常客,例如《狮⼦王》中的丁满和《少年pi的奇幻漂流》中的狐獴岛。群居动物⼀般来说都有⼀些互相交流信息的⽅式,⽽科学家也对群居狐獴的叫声进⾏了记录和分析。相关结果发表在近⽇的《皇家学会哲学汇刊 B》上。

德国⻢克斯普朗克动物⾏为研究所的 Vlad Demartsev 与合作者⼀起,在南⾮的狐獴身上安装了带录⾳功能的 GPS 项圈。使⽤这些项圈,研究⼈员可以得到同步录⾳,并可以看到哪只动物在什么时间和地点发出了什么声⾳。根据数据分析和⽐对的结果,研究者发现,狐獴的聊天模式分为“群聊”和“私信”两种。狐獴⽤⼀种短促的连续呼叫声来进⾏群聊。

群聊的内容⼤概是“发定位”,就是告诉⼤家⾃⼰所处的位置,所以没⼈会回应,因为⼤家都只是在播报⾃⼰的位置,相当于是各聊各的。⽽另⼀种时间较⻓的呼叫声更像是⼀种“私信”,如果某只狐獴找不到种群⾥的其它个体,它就会向周边发出这种呼叫声,此时它的队友就会及时地给它回应。1776年,⽣物分类学之⽗、瑞典⽣物学家卡尔·林奈第⼀次⻅到了蟑螂,由于他是在德国⻅到的,所以把这种⽣物命名为“德国⼩蠊”。

虽然这种臭名昭著的昆⾍让德国⻛评被害,但⼈们很早就知道,蟑螂并⾮起源于德国。然⽽,这种⽣物是如何辗转传播到全世界的,却⼀直是⼀个迷。蟑螂之所以能够成为如此“成功”的物种,是因为它的⽣活习性与⼈类⾼度重合,⼈能吃的它就能吃,⼈不能吃的(下⽔道污泥、地板上的胶⽔)它也能吃,⽽且体型⼩,能钻进⾏李箱,随着⼈类满世界迁徙。

基于这⼀点,来⾃美国哈佛⼤学的进化⽣物学家 Qian Tang 决⼼揭秘蟑螂的环球旅⾏。研究者分析了从澳⼤利亚、埃塞俄⽐亚、印度尼⻄亚、乌克兰和美国等 17 个国家收集的 281 只德国⼩蠊的基因组。他们利⽤基因组之间的相似性和差异来计算不同种群可能建⽴的时间和地点。数据分析的结果表明,德国⼩蠊的近亲是⽣活在南亚地区的亚洲⼩蠊。

⼤概在2100年前,亚洲⼩蠊中的⼀个⼩种群搭上了⼈类迁徙的便⻋——可能是塞琉古帝国的商队,或者是被征调的孟加拉⺠夫——并从此开启了⾃⼰的全球化进程。⻁甲⾍是⼀种分布⼴泛的昆⾍,整个热带地区都有它的身影。为了⽣存,有⼀些种类的⻁甲⾍进化出了夜⾏的习性,来躲避⼤多数天敌。但是夜⾏不意味着绝对安全。夜晚⾥的蝙蝠是这类夜⾏性昆⾍的噩梦,晚上⼤家都看不⻅彼此,但蝙蝠会⽤超声波定位,在⿊暗中轻松地捕捉到昆⾍。

因此,许多夜⾏性昆⾍进化出了能听到超声波的能⼒,但这还不够:你能听到蝙蝠的超声波时,那就说明它已经来抓你了,逃跑可能已经来不及了。科学家发现,⻁甲⾍的⾏为有些反常:其它昆⾍听到蝙蝠超声波基本会选择快速逃⾛,⽽⻁甲⾍不但不逃,反⽽会向蝙蝠发出超声波脉冲。这种⾃我暴露的“⾃杀式”⾏为究竟能给⻁甲⾍带来什么好处?科学家百思不得其解。

在⼀个谁都看不⻅彼此的夜晚,⼀种甲⾍向外发射超声波暴露⾃⼰的⽬的到底是什么?美国佛罗⾥达⾃然历史博物馆的博⼠研究⽣ Harlan Gough 灵光⼀现。他猜想,这种甲⾍⼀定是在试图告诉蝙蝠:“我不好吃!别吃我!”但是实验表明,⻁甲⾍并不会毒死蝙蝠。于是,线索似乎再⼀次断掉了。不过,研究者想起有⼀类⻜蛾确实是能毒死蝙蝠的,所以蝙蝠会避免捕⻝这种⻜蛾。

⻁甲⾍所发出的超声波信号,会不会和这种⻜蛾的信号有关?获得这⼀新思路后,研究者⽴即将⻁甲⾍发出的超声波信号与这种⻜蛾的超声波信号进⾏⽐对,结果发现⼆者⾮常相似。于是谜底解开了:⻁甲⾍本身没毒,但是为了躲避蝙蝠的捕⻝,它们在听到蝙蝠发出的超声波后,会发出⼀种特别类似某种有毒⻜蛾的超声波信号作为回应。蝙蝠听到这段回应之后,会误以为对⾯是⼀只有毒⻜蛾,于是就放过对⽅,⽽⻁甲⾍则因此逃过⼀劫。

英国剑桥⼤学的研究⼈员开发了⼀种⼤规模⽣产极低排放混凝⼟的⽅法,这⼀创新可能会在碳中和的过程中带来变⾰。混凝⼟是地球上使⽤量第⼆⼤的材料,仅次于⽔。它的主要成分除了沙⼦、砾⽯和⽔外,还有充当粘合剂的⽔泥。⽯灰⽯和其他原材料被粉碎,并在⼤型窑炉中加热⾄约 1450°C。该过程将材料转化为⽔泥。当⽯灰⽯加热分解成⽣⽯灰时,会释放⼤量⼆氧化碳,约占⼈为排放总量的 7.5%。

过去⼗年来,科学家们⼀直在研究混凝⼟中的⽔泥替代品,发现混凝⼟中⼤约⼀半的⽔泥可以⽤粉煤灰等材料替代,但完全不⽤⽔泥是不现实的。在满⾜全球需求的同时,采⽤⼀种经济有效的⽅法来减少混凝⼟带来的碳排放,是世界上最⼤的减碳挑战之⼀。剑桥⼤学的研究⼈员从传统的炼铁炉中获得了灵感。炼铁过程中需要加⼊⼀些⽯灰⽯,它能够结合矿⽯中的杂质并且沉淀出来,成为炉渣。

研究者发现,废旧⽔泥的化学成分与⽯灰⽯有相似性,⽽新⽔泥与炉渣的成分有相似性。那么,如果⽤废旧⽔泥代替⽯灰⽯加⼊炼铁炉中,那么产⽣的炉渣应该可以⽤来制作新的⽔泥。如此⼀来,⽔泥可以回收利⽤,这样就能够极⼤地减少新⽔泥的制造,从⽽显著减少⽔泥⽣产过程中的碳排放。是什么让奥菲尔德⿏⼀⽣都坚定地实⾏⼀夫⼀妻制,⽽它的近亲却没有这⼀习性呢?

美国哥伦⽐亚⼤学的研究者近⽇于《⾃然》杂志在线发表的⼀项新研究表明,答案可能是⼀种以前未知的激素细胞。这项新研究调查了两种⽼⿏。⼀种是北美数量最多的哺乳动物——东部⿅⿏,⽽另⼀种是体型稍⼩的奥菲尔德⿏。⼈们早就知道,⿅⿏是没有固定的配偶关系的,即便是同⼀窝出⽣的⼩⿅⿏也可能会有不同的⽗亲。⽽奥菲尔德⿏是坚持⼀夫⼀妻制的。⼀夫⼀妻制是⼀种更有利于种群繁衍的⾏为模式。

⼀种观点认为,⼀夫⼀妻制可以让⽗亲更加确信孩⼦是⾃⼰的,所以愿意与⺟⿏合作来照顾后代,增加后代的存活⼏率。但是,这两种在各个⽅⾯都极为相似的⽼⿏,为什么会有不同的⾏为模式呢?换句话说,⼀夫⼀妻制在⽼⿏中到底是如何起源的呢?这两种⽼⿏虽然极为相似,但有⼀点明显的不同:⼀夫⼀妻制⽼⿏的肾上腺要⽐⾮⼀夫⼀妻制⽼⿏的⼤好多倍。这⼀差异也许就是问题的答案。

解剖发现,普通⽼⿏的肾上腺有三个区域,⽽⼀夫⼀妻制⼩⿏的肾上腺有四个区域。这个多出来的区域细胞中,能够⼤量合成⼀种被称为 20?-OHP 的激素。进⼀步研究表明,这种激素可以改变⽼⿏的⾏为。⾮⼀夫⼀妻制的⽼⿏是不会有太多关爱后代的⾏为的。但是如果将这种激素注射给它们,它们就会开始给幼崽梳⽑,并且把跑丢的幼崽带回巢⽳。这是第⼀次发现可以增加⽗⺟关爱程度的激素。

对相关基因的突变速率的估算表明,肾上腺的第四区域是在不到 20000 年的时间内进化出来的。这给出了⽼⿏⼀夫⼀妻制的可能出现时间。

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