视频 | 科学家解密台湾蝙蝠迷航之谜

975797d8aa79334c2cf39ae2b21234e3再过两周就是过年,蝙蝠的「蝠」与「福」同音,中华传统文化常见蝙蝠图案,乡下见到屋檐下聚集蝙蝠,更相信会带来福气,但最近国立台湾师范大学生命科学系采集台湾各区蝙蝠,发现因环境污染毒物如农药及重金属,累积在蝙蝠体内,破坏中枢神经及回声定位系统,导致迷航的蝙蝠无法正常在空中捕捉昆虫或躲避障碍物,逐渐消失在田野中。

过去科学家发现,不同种类的蝙蝠多会发出超高频的叫声,再利用回声定位方式在空中捕捉昆虫或是躲避障碍物。台师大生科系吴忠信教授,投入台湾蝙蝠回声定位研究长达20年,过去研究发现蝙蝠中枢脑神经系统可以辨识自己发射出去的超声回波,让它们可以自由遨翔捕食猎物,却不会在天空相撞!近几年吴教授更发现台湾环境污染的毒物会累积在蝙蝠体内,结果造成蝙蝠中枢神经系统以及回声定位系统的破坏,严重时甚至引发蝙蝠迷航而无法在空中正常飞翔,一旦蝙蝠无法正常在空中捕捉昆虫或是躲避障碍物,则许多蝙蝠的种类便会丧失生存的本能而逐渐消失在台湾田野之中。

花莲池南黄金蝙蝠洞的台湾叶鼻蝠
花莲池南黄金蝙蝠洞的台湾叶鼻蝠

检验台湾各地蝙蝠的粪便(夜明砂) 发现含有不同种类的环境毒物累积

吴教授研究团队利用蝙蝠田野研究与调查的机会,顺便采集台湾北、中、南与东部等不同样区蝙蝠的粪便(夜明砂),再带回实验室内利用ICP-MS(感应耦合电浆质谱分析仪)分析蝙蝠粪便重金属含量,结果发现北部蝙蝠粪便中含有超量的铅、汞、铬、镉、铜、锰等重金属;中、南部蝙蝠粪便中则含有超量的砷、铜、锰等重金属;东部的蝙蝠粪便中则仅测出锰重金属超量。

此外,中、南部蝙蝠粪便也检测出农药益达胺的累积。以污染类型来分类,北部蝙蝠粪便中的环境毒物主要来自工业与交通排废气的污染;而中、南部蝙蝠粪便中的环境毒物主要来自农业的污染。吴教授利用各地收集到的蝙蝠粪便分析重金属污染的资料,此结果与环保署分析台湾各地排放废水所获得的环境重金属污染资料大致吻合。由于野生蝙蝠会在我们生存的周边环境中飞翔并且觅食,因此当周边环境遭受环境重金属或农药污染时,野生蝙蝠粪便中所含的环境重金属或农药含量应该就会超标,由这些结果可以推估某一地区环境重金属与农药的污染情况。

 

环境重金属会透过饮食、呼吸或是直接接触的路径进入人体,但是重金属不像其他的毒素可以在肝脏分解代谢,然后排出体外。相对的,它极易积存在大脑、肾脏等器官,渐进式的损坏身体正常功能。此外,重金属进入人体后,大部分会与我们体内的蛋白质、核酸结合,结果可能造成基因突变,影响细胞遗传,产生畸胎或是癌症。环境重金属铅、锰过量累积在人类的脑部,常会让人体出现类巴金森氏症的神经退化与行动困难等症状;重金属镉在工业上经常被用于塑胶加工业或当安定剂使用,当含超量镉的河水灌溉稻田,禾稻便吸收重金属镉,人类食用受污染的稻米后,镉便积聚在人体内,镉累积人体内过量会导致骨骼软化及肾功能衰竭,有些镉中毒患者甚至会因为关节和骨头极度疼痛而呐喊痛楚,产生所谓的「痛痛病」;重金属砷常用于合成农药、除草剂和杀虫剂,过去曾有案例指出引用含砷量高的井水可能会让人末肢发黑、溃烂、产生所谓的「乌脚病」。

蝙蝠对农业提供高价值的生态服务可说是免费的「天然杀虫剂」

蝙蝠对农业提供了很高价值的生态服务,例如协助植物传粉、防制植物病虫害以及粪便提供天然有机肥料等,世界上有一百多种果树,都有赖蝙蝠播种及传播花粉。在台湾有些农民利用农园附近设置蝙蝠屋,让蝙蝠帮忙除虫,还收集蝙蝠粪便当肥料;食虫性蝙蝠对农业虫害控制具备关键作用,不但可增加农林产业之营收,也可减少因大量使用农药所造成的环境污染,而蝙蝠粪便更是一种优质而高效的磷肥,可促进农作生长进而降低成本,施用蝙蝠粪便除了减少化学肥料对土地的伤害,耕种的有机蔬菜也可长得非常健康茂盛。

利用蝙蝠除虫与粪便施肥,成为有机农业耕种的新模式,也为台湾的农业带来新的商机。研究人员发现单只食虫蝙蝠一个晚上的觅食就可能吃掉数百只,甚至上千只的昆虫,其中不乏许多可能危害农作物的经济害虫,不仅对农业收成助益甚大,而且不会污染环境,对控制害虫的数量极为重要,可说是免费的「天然杀虫剂」,对于生态与人类的经济活动具有重大影响。

蝙蝠摄食含有高剂量农药益达胺的昆虫会破坏中枢神经系统造成记忆力受损

吴教授团队的萧淳任博士研究发现,当蝙蝠摄食含有农药益达胺污染的昆虫时,蝙蝠海马回与内嗅皮质的神经细胞会有损伤的情形发生,此情形会导致蝙蝠大脑内部定位导航系统以及记忆学习功能的丧失,最终造成蝙蝠迷航的情形发生,此研究成果已于2016年刊登在国际学术期刊神经报导Neuroreport。

过去科学家发现,田野间使用的农药益达胺会严重伤害蜜蜂,害它们找不到回家的路,研究发现主因是农药益达胺不但会影响蜜蜂的神经发育,也会损伤蜜蜂的记忆学习功能,结果干扰蜜蜂返巢的能力。由于农药益达胺在环境中非常不容易被自然分解,益达胺的半衰期长达228天,因此当昆虫吃进含有农药益达胺的农作物时,农药益达胺后会保留在昆虫体内好长一段时间。据统计每只食虫蝙蝠一晚上就能吃掉数百只,甚至上千只的昆虫,虽然蝙蝠对昆虫数量的控制占举足轻重的角色,然而当蝙蝠吃进上千只昆虫的同时,昆虫体内的农药益达胺也不断的累积在蝙蝠的体内,农药益达胺累积到一定量后便会损伤蝙蝠脑部的神经元。2014年的诺贝尔生理医学奖研究发现人类大脑内部具有内建定位导航系统(Inner GPS system),其中海马回(hippocampus)的位置细胞(place cell)可以协助定位;内嗅皮质(entorhinal cortex)的网格细胞(grid cell)则是导航系统,这些神经元让我们能够知道自己身在何方,并且找出正确抵达目的地的路线,而阿兹海默氏症(Alzheimer’s disease)病人通常在发病初期,脑内的海马回与内嗅皮质就出现问题,因此无法辨识熟悉环境而容易迷路。

蝙蝠摄食含有高剂量重金属锰或益达胺的昆虫会破坏回声定位系统而造成迷航

吴教授指出,蝙蝠飞行时会利用回声定位系统来捕食空中的昆虫或是躲避障碍物,蝙蝠的回声定位系统包含了发声、听觉与飞行定向三大系统。当周遭环境遭受到工业以及农业污染时,蝙蝠可能会因为摄入过量的环境重金属或是农药而造成回声定位系统受损,最终造成蝙蝠的迷航。为解开蝙蝠迷航的谜团,吴教授团队利用台湾叶鼻蝠作为实验模式动物,透过分析蝙蝠超声波声纹图谱、检测蝙蝠对超声波的听觉诱发电位、以及分析蝙蝠飞行轨迹来分别探讨当蝙蝠摄入过量的环境重金属锰或是农药益达胺后,对于蝙蝠的发声系统、听觉系统与飞行定向系统是否造成损伤?

实验结果发现,当蝙蝠摄食含有重金属锰或是农药益达胺后的昆虫食物后,原本飞行时发出的CF-FM(常频-变频)超声波声谱会变得残缺不全;而原本听觉敏感度较佳听觉诱发电位,也会因为蝙蝠摄食含有重金属锰或是农药益达胺后的昆虫食物后而变得很差;此外,当蝙蝠摄食含有重金属锰或是农药益达胺后的昆虫食物后,原本有规律的蝙蝠飞行路径也会变得相当紊乱。这结果显示,环境重金属锰或是农药益达胺确实会对于蝙蝠的回声定位系统造成伤害,此种环境毒物的伤害损及了蝙蝠的发声、听觉与飞行定向三大系统,结果引发蝙蝠迷航,而使得蝙蝠无法正常在空中飞翔,甚至丧失捕捉昆虫的能力。

研发组装迷你型的蝙蝠飞行轨迹分析仪用于记录并且分析蝙蝠飞行的轨迹

由于在野外蝙蝠飞行观测不易,为纪录并且分析蝙蝠飞行的轨迹,吴教授团队的徐志翔博士研发组装一个重量仅5公克的蝙蝠飞行轨迹分析仪,此分析仪由一个速度与加速度感测器结合LED小灯泡所组成,加速规是一种电机式的感测器,可以利用无线传输出受测试物体的转动角度与加速度的电子信号到手机,再由厂商免费提供的APP应用程式作进一步的分析。吴教授团队将迷你型的飞行轨迹分析仪装置在台湾大型食虫蝙蝠的台湾叶鼻蝠的身上,然后放飞于一个长方形的室内空间,让蝙蝠连续飞行数分钟后,再将蝙蝠飞行的转动角度与加速度讯号利用无线传输到手机,借此计算出蝙蝠在空间内的飞行轨迹距离。此外,吴教授团队也利用数位相机或是摄影机,在黑暗中利用连续曝光方式拍摄蝙蝠身上LED小灯泡所发出的光轨,借此来记录蝙蝠的飞行轨迹。

蝙蝠研究人员在蝙蝠洞内记录
蝙蝠研究人员在蝙蝠洞内记录

由于蝙蝠在完全陌生环境中飞行时,会利用发出超声波来探索周遭的环境背景,并且会很快的熟悉并且记住周遭的环境背景,而循着固定的路径飞行,这称之为蝙蝠飞行的固定行为模式。吴教授团队研究发现,当蝙蝠摄食含有重金属锰或是农药益达胺后的昆虫食物后,原本有规律的蝙蝠飞行路径则会变得相当紊乱。这结果说明,蝙蝠飞行的固定行为模式会因为蝙蝠摄食含有重金属锰或是农药益达胺而被扰乱。

蝙蝠摄入高剂量重金属锰或农药益达胺妨碍脑内发声与听觉神经元正常表现

吴教授团队的林清隆与王雪娥两位博士利用免疫组织化学染色技术与西方点墨法技术研究,当重金属锰或是农药益达胺累积在蝙蝠体内,是否会影响蝙蝠脑内发声与听觉神经元的功能表现?实验结果显示,当蝙蝠摄食到含有高剂量重金属锰或农药益达胺后,蝙蝠中脑发声相关神经元FOXP2发声基因的表现蛋白大幅降低;而蝙蝠中脑听觉相关神经元Otoferlin听觉基因的表现蛋白大幅降低;此外,蝙蝠听觉耳蜗组织外耳毛Prestin听觉基因的表现蛋白也是大幅降低。这些结果均说明了当重金属锰或是农药益达胺累积在蝙蝠体内,确实会大大地影响蝙蝠脑内发声与听觉神经元的正常功能表现。

FOXP2基因是一种转录抑制子,功能主要与语言和讲话有关,当人体的FoxP2基因发生突变后,会造成语言学习困难、讲话口齿不清,这影响主要是口腔与脸部涉及讲话的肌肉运动协调不佳;Otoferlin基因是耳蜗内将声音讯号转换为神经讯号过程中不可或缺的一部份,若病人的有缺陷,其耳蜗外型结构会是正常的,但是并不能正常的运作;此外,听觉耳蜗组织外耳毛细胞具有Prestin运动蛋白质,可以调节内耳毛细胞对声音的敏感性,特别是对于高频声刺激所引起的听觉敏感性。

蝙蝠摄入高剂量重金属锰或农药益达胺引发脑内神经元的发炎与细胞凋亡反应

吴教授团队进一步利用西方点墨法技术研究重金属锰或是农药益达胺究竟透过哪些分子生物途径来破坏脑神经元的功能表现?实验结果显示,当蝙蝠摄食到含有高剂量重金属锰或农药益达胺后,脑组织与耳蜗组织的神经发炎表现蛋白质TNF-α会明显增强;此外,脑组织与耳蜗组织中细胞凋亡表现蛋白质的Cytochrom C、Caspase 12、Caspase 3也显著增加。这些结果说明了,当重金属锰或是农药益达胺累积在蝙蝠体内,确实会藉由引发脑内发声与听觉神经元的发炎与细胞凋亡反应,进而损伤蝙蝠脑内的回声定位系统,如此一来便可能造成蝙蝠迷航,使得蝙蝠无法在空中正常飞翔。

吴教授团队研究发现,台湾多数蝙蝠的粪便(夜明砂)含有多种的环境重金属以及农药、杀虫剂的累积,这些环境毒物的来源主要是它们环境周遭所捕食的昆虫。当蝙蝠体内累积大量重金属以及农药后,会引起蝙蝠脑神经元的发炎以及凋亡,进而损伤蝙蝠脑内主管回声定位以及记忆学习相关神经元的死亡,造成蝙蝠因为回声定位与记忆学习的功能障碍而无法顺利飞翔与觅食,结果就会让蝙蝠迷航。根据统计,2005年台湾共有50万只蝙蝠,到了2007年仅剩一半,2014更剩不到20万只,蝙蝠数量急遽下降。

虽然利用野生蝙蝠监测台湾生态环境至今尚未在国内成为学术研究主流,但是透过野生蝙蝠作为环境评估的生物指标工具,或许可以让人类了解生活环境中究竟充斥着哪一些环境毒物,藉由环境保护与降低污染途径,来维护整体环境品质与确保国人以及野生物的身体健康。

论文链接:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26966783

(据国立台湾师范大学)

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