昆蟲或因外殼製造方式需分子氧 鮮見於海洋之中

昆蟲已在地球生存了將近 4.8 億年,幾乎在所有地表與地底都可以找到牠們爬行、挖洞和振翅飛翔。然而,昆蟲很少有物種生活在海洋中,昆蟲學家一直想知道當中的原因。最新刊於《生理昆蟲學》的研究提出假說,並聲稱發現了對這個長期存在的學界問題的一個「簡單解釋」。

該團隊提出,幫助昆蟲硬化外殼的獨特酵素「多銅氧化酶 2 (Multicopper oxidase-2, MCO2) 」,是昆蟲在海洋環境中很少見的原因。

領導是次研究的東京都立大學生命科學科助教朝野維起此前曾表明,昆蟲已經演化出一種特殊機制來硬化其堅韌的外層,而該外層使用分子氧和 MCO2 。

團隊在是次研究中解釋了這如何使海洋變成昆蟲生存的不利環境。團隊指,這基本上歸結於每種環境中的化學物質分佈,以及昆蟲外骨骼的重量。

報告指,昆蟲的出現是地球生命演化過程中的一個重要事件,並突出了生命向新的陸地生態系統出現關鍵適應性擴張。

昆蟲是地球上一些最成功的生物,是節肢動物門中最大的群族,是所有陸生動物中最大的生物量 (biomass) ,在維持地球生命平衡方面發揮關鍵作用。

分子系統發育學的最新分析表明,昆蟲和甲殼類動物屬於同一個演化枝,均為泛甲殼綱 (Pancrustacea) 。

雖然昆蟲從甲殼類祖先中分途演化,並發展出以陸地為基礎的生活方式,但牠們仍具有甲殼素 (Chitin) 這種由蠟製成的外骨骼和堅硬的碳水化合物角質層。

甲殼素是一層身體表面的保護層,除了令身體保持濕潤和細菌,亦可以保護身體免受外部物理力量的影響,並有助保持身體的形狀和活動能力,是昆蟲的外部支架。

現時的甲殼類動物主要利用海水中的鈣將角質層硬化成殼,而昆蟲利用分子氧通過 MCO2 的調節將自己的角質層轉化為耐用的器官外殼。朝野的團隊認為,空氣中氧氣的存在使土地更容易吸引昆蟲;大海現在對牠們而言是一個嚴酷的地方,除了因為無足夠氧氣製造堅硬外殼,更重要是當中容納和孕育了許多有更好適應性的物種。

對昆蟲更為有利的是,其角質層通過 MCO2 變得更硬、更乾爽,並產出具有保護作用的生物材料,同時或多或少像羽毛一樣的輕盈。與甲殼類動物相比,這是一個顯著的區別:由於殼密度和鈣化水平成正比,甲殼類動物的殼更緻密,這不適合在有更多空氣含量的環境中生活。

同時因為經 MCO2 製造的角質層夠輕,可能是昆蟲發展出滑行、飛行等的能力,以進佔一些無被佔據的地表生態位。團隊甚至形容:「沒有 MCO2,就沒有昆蟲。」因為其他節肢動物,包括昆蟲的近親非昆蟲六足亞門 (Hexapoda) 生物,如彈尾蟲是不具有 MCO2 基因的。

團隊強調昆蟲並非唯一適應陸上生活的節肢動物,因此 MCO2 並非成功離開海洋棲息地的必要條件。不過,如果昆蟲無獲得 MCO2 ,昆蟲的演化和成功,可能與我們目前觀察到的有很大不同。

來源:

Science Alert, Surprisingly Few Insects Live in The Ocean, And We May Finally Know Why

報告:

Asano, T., Hashimoto, K. & Everroad, R.C. (2023). Eco-evolutionary implications for a possible contribution of cuticle hardening system in insect evolution and terrestrialisation. Physiological Entomology. doi: 10.1111/phen.12406

文/AC

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