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解開八丈島鋸鍬形蟲的身世之謎

從大顎的差異，追尋島嶼與海洋的歷史

日本本土和八丈島，都生活著鋸鍬形蟲這一類的甲蟲。假設把兩地各一隻體型差不多的雄蟲放在一起，八丈島那隻的大顎比較短。光憑這一點，就能說牠們是不同的物種嗎？

大顎的差異，確實是判斷物種是否不同的一條線索。研究人員比較許多隻甲蟲後發現，相對於身體大小，八丈島雄蟲的大顎往往比本土雄蟲的短。

為什麼八丈島會出現這樣的差異呢？這座島是海底火山露出海面後形成的。甲蟲的祖先，很可能是在島上出現陸地以後，才越過海洋來到這裡。

甲蟲在八丈島定居後，本土和其他島嶼的甲蟲還會繼續來到這裡嗎？岸野紘大和同事們關注的，正是這些往來。八丈島與外界聯繫的不同，可能與大顎變短有關。這篇文章就來追尋其中的謎團。

要比較大顎，先量胸部的寬度

體長，就是動物身體的長度。有些鍬形蟲圖鑑把大顎尖端到身體末端的距離算作體長。這樣一來，即使大顎以外的部分一樣大，大顎較長的甲蟲，體長也會比較長。為了判斷大顎相對於身體究竟有多長，研究團隊沒有採用包含大顎的體長，而是用緊接在頭部後面的胸部寬度，作為身體大小的指標。

他們從正上方拍攝日本本土那須高原，以及大島、新島、神津島和八丈島的甲蟲，再從照片測量胸寬與大顎長度。以胸寬為基準，按照本土、大島、新島、神津島的順序，雄蟲的大顎相對於身體有逐漸變短的趨勢。在研究對象中，八丈島甲蟲的大顎相對最短。

八丈島的甲蟲，起初被視為與本土鋸鍬形蟲屬於同一物種、但具有八丈島特色的一群。到了1985年，人們依據外形差異，將牠們視為另一個物種，其日語名稱可譯作「八丈鋸鍬形蟲」。岸野團隊這次研究的問題，是八丈島甲蟲過去與其他島嶼及本土的甲蟲有過怎樣的聯繫。

八丈島是什麼時候與本土分開的？

如果本土和八丈島的甲蟲有共同祖先，兩地以前是不是連在一起的呢？八丈島是一座火山島，位於從伊豆半島近海向外延伸的伊豆群島南部。地質研究沒有找到它從本土分離而形成的證據。構成島嶼基礎的火山先出現在海底，後來才露出海面。

判斷時間的一條線索，是從九州飄來的火山灰。八丈島在陸地上形成的地層中，發現了約24萬年前的火山灰。這表示，火山灰落下時，這裡很可能已經有陸地露出海面了。

考量這樣的形成過程，認為甲蟲祖先在陸地出現後才渡海而來，是合理的。搭乘漂流木抵達，就是一種可能的方式。牠們是直接從本土來的，還是經過附近的島嶼？靠什麼漂來，又是什麼時候抵達的？地層能告訴我們的，只是當時這裡已經有了陸地。

從DNA尋找定居之後的往來

假設甲蟲祖先越過海洋，在島上定居了。那麼此後，本土和其他島嶼的甲蟲還來過嗎？我們無法直接看到遠古的遷移，但如果外來甲蟲在島上留下後代，牠們的DNA就可能一直傳到今天。研究團隊於是從現生甲蟲的DNA中尋找痕跡。

DNA是一種承載身體構造與運作資訊的物質。它的結構中有四種叫作「鹼基」的化學組成部分，排列順序記錄著資訊。這種排列會從親代傳給子代，不過有時會發生局部變化。比較不同族群保留了哪些變化，就能研究族群之間的聯繫。這裡的族群，指生活在某個地區的一群同類生物。

研究團隊首先比較的是粒線體中的DNA。粒線體位於細胞內部，利用食物提供的營養，產生細胞能使用的能量形式。在許多動物中，粒線體DNA主要由母親傳給後代。因此，比較它的排列，就像沿著家譜從母親追到外祖母一樣，可以追尋母系的聯繫。

研究人員讀取了粒線體DNA的一部分。這部分記錄著製造某種部件的資訊，而這個部件參與能量的產生。

他們比較甲蟲之間DNA排列的相同與不同之處，再據此推測各支從共同祖先分開的先後順序。把這些關係畫成像樹枝一樣的圖，就叫「親緣樹」。

研究團隊用伊豆群島八座島嶼，以及本土等地的甲蟲建立親緣樹。結果，八丈島與三宅島等南部島嶼的甲蟲位於同一條分支，與本土一側的分支分開。這表示，據推測，這條分支上的甲蟲彼此擁有更近的共同祖先，而與本土一側甲蟲的共同祖先更久遠。大島與新島則位於本土一側的分支。增加比較的粒線體DNA部分後，這種分支關係仍然沒有改變。

接下來比較的是細胞核中的DNA，它由父親和母親雙方傳給後代。細胞核是細胞裡存放大部分DNA的地方。研究團隊比較了核DNA中的1,317個基因。基因是DNA上的一個資訊片段，與身體的構造或運作有關。

用核DNA建立親緣樹後，大島、新島、三宅島與八丈島這四座島嶼的甲蟲位於同一條分支，與本土一側分開。這條分支又分為八丈島和其餘三島兩支。在粒線體DNA的樹上與八丈島同支的三宅島，在核DNA的樹上卻與大島、新島同支。

這種不一致，會不會與甲蟲定居後的往來有關？如果後來渡海的甲蟲在島上繁殖，牠們的DNA也會加入後代之中。研究團隊進一步調查了這種可能性。

哪一邊保留了更多與本土相同的DNA變化？

研究團隊把大島、新島和三宅島的甲蟲合為一組，與八丈島族群比較。他們要看的是，哪一組保留了更多與本土甲蟲具有相同DNA變化的位置。

如果兩組分開後，都沒有再與本土甲蟲繁殖後代，那麼這些共同變化的數量，預計不會明顯偏向其中一組。然而實際比較發現，三島一側與本土具有相同變化的位置，比八丈島更多。

如果從本土而來的甲蟲與三島甲蟲繁殖，後代繼承了本土親代的DNA，就能解釋這種偏向。結合其他分析，研究團隊認為，本土甲蟲曾在這三座島嶼留下後代。對於八丈島，他們沒有獲得本土甲蟲以同樣方式加入當地族群的證據。

黑潮阻礙了甲蟲前往八丈島嗎？

大島、新島和三宅島留下了與本土往來的痕跡，八丈島卻沒有發現相同的痕跡。每座島都隔著海，為什麼會不一樣呢？

為了思考這個問題，研究團隊還利用DNA推測本土與八丈島族群分開的時間。估計約為15萬年前，論文給出的估計範圍約為12萬至19萬年前。這項計算假設兩個族群分開後不再彼此繁殖，因此，它並不代表第一批甲蟲抵達八丈島的時間。

地層顯示，約24萬年前，八丈島就已經有了陸地。在考慮甲蟲此後的聯繫時，岸野團隊注意到了黑潮。這股強勁的洋流有時會流經御藏島與八丈島之間，他們認為它可能阻礙了甲蟲抵達八丈島。

根據海底沉積泥研究古代海洋的其他研究認為，在一個寒冷時期，黑潮流經的位置比現在更靠南。岸野等人提出，甲蟲祖先也許能在那時抵達八丈島。後來，洋流向北移動，橫穿島嶼之間，可能把漂流木帶向別處，讓抵達八丈島變得更困難。這是一種假說。族群分開時間的估計範圍很寬，尚不清楚它是否與黑潮改道的時間恰好吻合。

本土甲蟲每在島上留下後代，就會把本土來源的DNA帶入島上族群。研究團隊認為，八丈島的這類流入較少，適合島上生活的變化可能因此更容易保留下來，大顎變短的演化也可能得到推進。

研究人員改變了幼蟲生長中的什麼？

如果大顎的發育方式發生變化，與生長有關的DNA或許也有線索。幼蟲細胞中有一種部件，能接收隨身體營養狀況而來的「生長訊號」。八丈島甲蟲中，記錄這種部件製造資訊的DNA，存在其他族群未發現的差異。

研究團隊把本土幼蟲分為兩組，讓其中一組更難製造這種部件。測量羽化後的雄蟲時，他們發現，與未做這種處理的一組相比，製造部件受到抑制的一組，大顎相對於身體更短。實驗因此證實，這種部件參與大顎的發育。

已經知道了什麼，還要驗證什麼？

這項研究證實，即使考量身體大小，八丈島雄蟲的大顎仍然較短。DNA比較顯示，本土甲蟲曾在大島、新島和三宅島留下後代。八丈島沒有發現相同痕跡，說明不同島嶼與本土的聯繫並不一樣。

研究團隊認為，八丈島較少加入本土來源的DNA，可能使適合島上生活的變化更容易保留，也讓大顎變短的演化得以推進。島嶼環境，以及較少有本土新成員加入的歷史，都可能與八丈島甲蟲的大顎較短有關。

要驗證這個想法，還有問題需要研究。實驗已表明，讓本土幼蟲難以製造某種與生長有關的部件，會使大顎變短。但八丈島甲蟲中發現的DNA差異本身是否改變了這種部件的功能，還沒有得到驗證。短大顎在島上什麼情況下有用，也需要調查雄蟲在哪裡相遇、爭奪什麼。

黑潮阻礙了甲蟲抵達八丈島這個解釋，同樣還處於假說階段。甲蟲最初何時、沿什麼路線抵達島上，後來的遷移又如何改變，都需要更多證據。比如，比較同時生活在御藏島和八丈島的其他昆蟲，看看兩島之間是否也出現較大的DNA差異，或許能幫助理解洋流的影響。

追究大顎的差異，竟然一路連到了島嶼的形成和海洋的流動。與本土聯繫變弱，是否為八丈島獨特的演化創造了條件？以這次研究為起點，把DNA的作用與甲蟲在島上的生活聯繫起來驗證，就是接下來的課題。

參考文獻