【媒體報導】新渡戶歪白蟻的超高速大顎彈擊
更新時間：2020-09-01 08:59:33 /
張貼時間：2020-09-01 08:54:35
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新聞來源科學人雜誌
2,160
稿源：2020-09/科學人雜誌/關貫之、邱俊禕、李後鋒
你知道世界上高速運動生物的榜首是誰嗎？答案是新渡戶歪白蟻(Pericapritermes nitobei)的兵蟻，牠的大顎彈動速度可高達每秒132公尺。這項研究從我(關貫之)大學二年級就開始進行，花了五年才完成。
故事回到2015年，我剛轉系到中興大學昆蟲學系，在各間實驗室串門子，有一天遇到當時的博士生邱俊禕。閒聊中，我提到自己正在煩惱物理課的報告選題，邱俊禕忽然用鑷子從培養皿中夾出一隻兵蟻，轉過頭來對我說：「新渡戶歪白蟻的兵蟻會用右大顎壓彎左大顎來引發彈擊，速度非常快，我覺得測量它的速度是很好的題目。」話一說完便把兵蟻丟進玻璃樣本瓶，兵蟻立刻用大顎敲擊玻璃、發出清脆的聲響。我當時被這隻小蟲子的驚人力量深深吸引，開始查找相關資料。
白蟻兵力有多強大？
白蟻是社會性昆蟲，主要天敵是螞蟻，牠們演化出各式兵蟻來對抗螞蟻，大部份兵蟻用剪刀狀大顎夾咬敵人；有些兵蟻大顎退化，改用頭部發達的管狀構造噴出化學物質來防禦；另一類兵蟻具有彈性大顎，又可分成兩型：對稱型透過兩邊大顎相互擠壓、滑開彈擊；不對稱型的左大顎呈彎曲形狀，遇到敵人時會使用右大顎把左大顎壓得更彎，再滑開彈擊。台灣有兩種白蟻具有不對稱型大顎，分別是霧社華歪白蟻(Sinocapritermes mushae)和新渡戶歪白蟻。
2015年高速運動紀錄保持者巴拿馬小白蟻(Termes panamaensis)和鋸針蟻(Odontomachus bauri)都是同時彈動兩根大顎，但新渡戶歪白蟻卻只彈動左大顎，把能量集中在一根大顎上，彈動速度可能更快。我依照邱俊禕的建議、以新渡戶歪白蟻的兵蟻大顎彈擊為題設計實驗，在期末獲得高分，後來受普通物理課教師、生物物理學家紀凱容的指導，申請到2016年科技部大專學生研究計畫。遞交申請書前，我希望能找昆蟲學系教授李後鋒共同指導，才剛表明來意，李後鋒就笑著說：「歪白蟻大顎運動速度極快在學界已經流傳一段時間，但還沒證實。」主要原因是：擁有超高速攝影機的國家大多在北溫帶，而歪白蟻主要分佈在熱帶及亞熱帶。此外，歪白蟻難以人工飼養，帶離土壤後只能存活一小段時間。因此，有設備的地方無法取得樣本，有樣本的地方缺乏設備，台灣正是後者。
我們一開始就遭遇更大的問題：沒辦法直接拍攝。經過幾個月的沉澱，我開始嘗試間接測量，找一個物體讓新渡戶歪白蟻的兵蟻擊打，透過物體擊出的速度推算動能，再根據能量守恆原理換算大顎的彈動速度。可是該如何找到合適的物體讓兵蟻擊打？我嘗試了BB彈以及各種大小的保麗龍球，都失敗告終，最後發現原子筆尖端的鋼珠密度大、體積小，高度跟兵蟻大顎末端相似，重量接近兵蟻的體重，非常適合。最重要的是操作難度低，我只要用鑷子把鋼珠放在兵蟻前方，牠就會把鋼珠擊飛出去，過程中也只需要使用每秒拍攝數千張的高速攝影機，就可以清楚記錄。
破紀錄的高速運動
解決技術上的難題，我們著手採集新渡戶歪白蟻樣本。新渡戶歪白蟻並不吃木頭，而是取食土壤，最直接的方法是拿著鏟子到處挖土。邱俊禕研究新渡戶歪白蟻已經一段時間，總能輕易挖到牠們。但令人沮喪的是，兵蟻階級只佔白蟻巢群體不到5%，數百隻蟻中只能挑出2~3隻兵蟻。最終，我們測試了15隻兵蟻，成功記錄到將近100次的打擊行為。
新渡戶歪白蟻的兵蟻左大顎形狀特殊，形似「7」，但末端基部較膨大，彎折處細長，運動機制上有點像球桿。當鋼珠被擊出產生直線運動，兵蟻本身會因反作用力向後旋轉。由於動能是由質量與速度所產生，透過微量天平測得左大顎質量，便能計算出大顎彈動的平均速度約為每秒60公尺，最高可至每秒100多公尺，產生的撞擊力超過120毫牛頓。統計鋼珠的路徑，兵蟻趨向在大顎與體軸夾45度角時打中鋼珠，此時彈性位能最小、動能最大、撞擊力最強。因為兵蟻眼睛退化，對於外界的感應主要來自觸覺跟嗅覺，除了同伴以外，會攻擊所有被觸角偵測到的物體。在高速攝影機鏡頭下，兵蟻會用兩根觸角抵住鋼珠，在高速彈擊發生前的0.03秒，迅速舉起觸角以避免被打到。在這些條件下，兵蟻仍能精準打中鋼珠，實在令人驚歎。
取得大量擊球數據後，我們遇到千載難逢的機會。2017年中，每秒可以拍攝100萬張的超高速攝影機廠商來亞洲展示，我們成功借用並拍攝兩段珍貴的影片，其中一段完整記錄兵蟻的彈擊動作，速度高達每秒132公尺，證明我們保守估計每秒超過100公尺是正確的。研究團隊開心之餘，也著手進行下一步的計畫，希望研究更多類型的歪白蟻大顎，並比較、探討其功能型態。
你知道世界上高速運動生物的榜首是誰嗎？答案是新渡戶歪白蟻(Pericapritermes nitobei)的兵蟻，牠的大顎彈動速度可高達每秒132公尺。這項研究從我(關貫之)大學二年級就開始進行，花了五年才完成。
故事回到2015年，我剛轉系到中興大學昆蟲學系，在各間實驗室串門子，有一天遇到當時的博士生邱俊禕。閒聊中，我提到自己正在煩惱物理課的報告選題，邱俊禕忽然用鑷子從培養皿中夾出一隻兵蟻，轉過頭來對我說：「新渡戶歪白蟻的兵蟻會用右大顎壓彎左大顎來引發彈擊，速度非常快，我覺得測量它的速度是很好的題目。」話一說完便把兵蟻丟進玻璃樣本瓶，兵蟻立刻用大顎敲擊玻璃、發出清脆的聲響。我當時被這隻小蟲子的驚人力量深深吸引，開始查找相關資料。
白蟻兵力有多強大？
白蟻是社會性昆蟲，主要天敵是螞蟻，牠們演化出各式兵蟻來對抗螞蟻，大部份兵蟻用剪刀狀大顎夾咬敵人；有些兵蟻大顎退化，改用頭部發達的管狀構造噴出化學物質來防禦；另一類兵蟻具有彈性大顎，又可分成兩型：對稱型透過兩邊大顎相互擠壓、滑開彈擊；不對稱型的左大顎呈彎曲形狀，遇到敵人時會使用右大顎把左大顎壓得更彎，再滑開彈擊。台灣有兩種白蟻具有不對稱型大顎，分別是霧社華歪白蟻(Sinocapritermes mushae)和新渡戶歪白蟻。
2015年高速運動紀錄保持者巴拿馬小白蟻(Termes panamaensis)和鋸針蟻(Odontomachus bauri)都是同時彈動兩根大顎，但新渡戶歪白蟻卻只彈動左大顎，把能量集中在一根大顎上，彈動速度可能更快。我依照邱俊禕的建議、以新渡戶歪白蟻的兵蟻大顎彈擊為題設計實驗，在期末獲得高分，後來受普通物理課教師、生物物理學家紀凱容的指導，申請到2016年科技部大專學生研究計畫。遞交申請書前，我希望能找昆蟲學系教授李後鋒共同指導，才剛表明來意，李後鋒就笑著說：「歪白蟻大顎運動速度極快在學界已經流傳一段時間，但還沒證實。」主要原因是：擁有超高速攝影機的國家大多在北溫帶，而歪白蟻主要分佈在熱帶及亞熱帶。此外，歪白蟻難以人工飼養，帶離土壤後只能存活一小段時間。因此，有設備的地方無法取得樣本，有樣本的地方缺乏設備，台灣正是後者。
我們一開始就遭遇更大的問題：沒辦法直接拍攝。經過幾個月的沉澱，我開始嘗試間接測量，找一個物體讓新渡戶歪白蟻的兵蟻擊打，透過物體擊出的速度推算動能，再根據能量守恆原理換算大顎的彈動速度。可是該如何找到合適的物體讓兵蟻擊打？我嘗試了BB彈以及各種大小的保麗龍球，都失敗告終，最後發現原子筆尖端的鋼珠密度大、體積小，高度跟兵蟻大顎末端相似，重量接近兵蟻的體重，非常適合。最重要的是操作難度低，我只要用鑷子把鋼珠放在兵蟻前方，牠就會把鋼珠擊飛出去，過程中也只需要使用每秒拍攝數千張的高速攝影機，就可以清楚記錄。
破紀錄的高速運動
解決技術上的難題，我們著手採集新渡戶歪白蟻樣本。新渡戶歪白蟻並不吃木頭，而是取食土壤，最直接的方法是拿著鏟子到處挖土。邱俊禕研究新渡戶歪白蟻已經一段時間，總能輕易挖到牠們。但令人沮喪的是，兵蟻階級只佔白蟻巢群體不到5%，數百隻蟻中只能挑出2~3隻兵蟻。最終，我們測試了15隻兵蟻，成功記錄到將近100次的打擊行為。
新渡戶歪白蟻的兵蟻左大顎形狀特殊，形似「7」，但末端基部較膨大，彎折處細長，運動機制上有點像球桿。當鋼珠被擊出產生直線運動，兵蟻本身會因反作用力向後旋轉。由於動能是由質量與速度所產生，透過微量天平測得左大顎質量，便能計算出大顎彈動的平均速度約為每秒60公尺，最高可至每秒100多公尺，產生的撞擊力超過120毫牛頓。統計鋼珠的路徑，兵蟻趨向在大顎與體軸夾45度角時打中鋼珠，此時彈性位能最小、動能最大、撞擊力最強。因為兵蟻眼睛退化，對於外界的感應主要來自觸覺跟嗅覺，除了同伴以外，會攻擊所有被觸角偵測到的物體。在高速攝影機鏡頭下，兵蟻會用兩根觸角抵住鋼珠，在高速彈擊發生前的0.03秒，迅速舉起觸角以避免被打到。在這些條件下，兵蟻仍能精準打中鋼珠，實在令人驚歎。
取得大量擊球數據後，我們遇到千載難逢的機會。2017年中，每秒可以拍攝100萬張的超高速攝影機廠商來亞洲展示，我們成功借用並拍攝兩段珍貴的影片，其中一段完整記錄兵蟻的彈擊動作，速度高達每秒132公尺，證明我們保守估計每秒超過100公尺是正確的。研究團隊開心之餘，也著手進行下一步的計畫，希望研究更多類型的歪白蟻大顎，並比較、探討其功能型態。
