癡迷昆蟲神經研究,楊恩誠創全球首例,解開蜜蜂消失之謎,開發授粉蜂,對抗氣候變遷

如果蜜蜂王國有文字可以記錄歷史,蜜蜂子孫們會讀到這樣一個篇章:

「曾經有一段時間,我們的祖先集體變笨,容易生病甚至崩潰,幸好有一位來自台灣的科學家楊恩誠,在祖先的身上刺青,追蹤飛翔路徑,發現禍首是人類使用的農藥,讓祖先們中毒。這個發現讓地球人反省改變,才讓蜜蜂王國度過危機,地球人也得以永續。」

楊恩誠是誰?他是一個從小就喜歡觀察生物的科學奇才,迷戀小昆蟲裡的大世界,後來成為台灣大學昆蟲學系教授。他對蜜蜂的研究獨步全球,更首次證實只要 1 ppb 農藥益達胺,就會讓蜜蜂幼蟲中毒,成蟲時大腦崩壞,從而解開蜜蜂消失之謎,促使歐美等國加嚴管制類尼古丁農藥。

台灣大學昆蟲學系教授楊恩誠透過研究蜜蜂,替台灣在國際昆蟲界留下光輝事蹟。(攝影/孫維揚)

自幼為生物觀察家,就學癡迷昆蟲神經學

楊恩誠從小就喜歡觀察昆蟲,小學就對動物行為科普書愛不釋手,高中與同學參與科展,以黑紙沾黏蜘蛛網後撒上太白粉,取得便宜又清楚的「蜘蛛網拓印」,分析形狀不同的蜘蛛網,動物行為的奧妙讓他著迷不已。

因為興趣,楊恩誠選擇就讀中興大學昆蟲學系,父親也鼓勵他,「讀這個(系)好,能幫到農民」。楊恩誠入學後,熱衷於研究室實驗,例如以石蠟封住蟲體切成薄片,在顯微鏡下觀察寄生真菌的菌絲。作實驗彷彿辦案,抽絲剝繭找出答案。

啟發楊恩誠對昆蟲生理與神經的研究,來自一個獨特的場景。大三時,他協助台灣昆蟲學會研討會播放幻燈片,內容是昆蟲電生理學研究,講述當時罕見的精密試驗儀器,昆蟲複眼接受光線後產生神經訊號刺激昆蟲反應,令他震撼不已,當下甚至「停格」,忘記按幻燈片,就此離不開昆蟲神經學。

昆蟲神經學於 1990 年代的台灣並非顯學,楊恩誠至澳洲深造,研究蜻蜓複眼中的色覺細胞。楊恩誠癡迷研究,寒假時仍在實驗室重複解剖、製作切片、觀察結構、分析神經訊號的輪迴。無數試驗讓他透徹分析蜻蜓神經,人類僅三種色覺細胞,但「蜻蜓就有五種」,相關論文還收錄於昆蟲界重要書籍《The Insects》中。

楊恩誠醉心於昆蟲神經學,講到蜜蜂神經研究時更是滔滔不絕。(攝影/孫維揚)

鑽研蜜蜂腦部組織,連續開刀精進技術

後來楊恩誠把研究轉向蜜蜂,不僅因為蜜蜂貼近人類生活、學習能力好,也因為蜜蜂的生理、神經領域研究甚少,「想知道蜜蜂的世界長什麼樣子」。

不過他解釋,蜜蜂腦部組織「形狀特別又較黏」,神經系統也比較曲折,量測儀器不容易深入蟲體,稍有遲疑還可能「被黏住」,研究技術門檻高。但這些無法阻擋他,耗費兩年以上對蜜蜂不斷「開刀」,扎穩研究蜜蜂的技術。

楊恩誠投入蜜蜂研究之時,全球也開始出現蜜蜂「迷航」、無故消失等現象。當初各國已有不少「類尼古丁農藥益達胺」對蜜蜂的急毒性研究,普遍認為,若僅接觸 10 ppb 劑量,並不會造成成蟲死亡。但蜜蜂為何持續消失?科學界始終找不出答案。

為何蜜蜂消失?發明「刺青蜜蜂」找禍首

楊恩誠認為「蜜蜂不會無故消失」,他懷疑益達胺可能不會產生「急毒性」,卻會對蜜蜂產生「慢性毒害」。於是他飼養蜜蜂,餵食牠們含微量益達胺的糖水,再記錄外勤工蜂出巢時間、感受糖水後吐出口器等行為,想補足益達胺慢性毒的研究。

研究發想說來簡單,但量化研究數據才是難題,楊恩誠想出了一個獨步全球的方法,他與台大生物機電工程學系特聘教授林達德、江昭皚合作,用雷射雕刻機設計「微型刺青機」,於蜜蜂身上刻上 QR code,再於蜂箱口設置紅外線感應器,在每隻蜜蜂「進出家門」時掃瞄 QR code,計算外出時間,解決人工難記錄蜜蜂出巢時間的困境。

楊恩誠與多位教授合作,於蜂箱口設置紅外線感應器,在每隻蜜蜂「進出家門」時掃瞄 QR code(圖非實驗場景)(攝影/孫維揚)

幼蟲被農藥毒害,出現慢性毒害:早熟、變笨、易生病

蜜蜂初初攝入微量益達胺時,雖會延長外出時間,但未有明顯異狀。不過楊恩誠不死心,他靈機一動,想到蜜蜂幼蟲也可能攝入含益達胺的蜂糧,於是把研究延伸到工蜂所飼育的幼蟲。

初始,蜜蜂幼蟲未出現大量死亡或行為失調,但楊恩誠耐心等候,終於浮現成果。他發現,幼蟲僅接觸 1 ppb 益達胺,在長成工蜂後就開始出現問題,例如嗅聞糖水時,不懂得伸出口器取食。他解剖這些蜜蜂腦部,發現掌管蜜蜂記憶等學習行為的「蕈狀體」中的突觸變少,等於蜜蜂幼蟲中毒,長大後腦部發育不全,記憶與學習力銳減。

楊恩誠繼續觀測,發現農藥造成蜜蜂內分泌系統異常,提早成熟,更快飛出去採蜜,結果因發育不全又缺乏記憶力,「不知道怎麼回家」。他還分析蜜蜂基因,證實益達胺干擾蜜蜂多達 578 個基因,最明顯的是控制免疫的基因。

換言之,蜜蜂接觸益達胺後,會逐漸「早熟、變笨、易生病」,最終導致「蜜蜂族群崩潰症」(CCD) 爆發。

益達胺會導致蜜蜂腦部掌管記憶和學習能力的「蕈狀體(mushroom body)」出現異常。(上下游資料照)

研究促使歐盟禁用益達胺,台灣管制使用

楊恩誠揭露益達胺毒害蜜蜂的研究成果在全球廣傳,各國重新檢視類尼古丁農藥毒性,甚至檢討「評估農藥風險性」的標準。後續全世界相關學術報導超過百篇,持續印證類尼古丁農藥會傷害蜜蜂,歐盟、美國等也加嚴管制類尼古丁農藥。

苗栗區農業改良場蠶蜂科科長吳姿嫺說明,類尼古丁農藥雖對哺乳類動物的毒性雖屬低急性,但楊恩誠透過蜜蜂研究,顯示低劑量、長時間接觸仍可能具危害,也提醒農藥管理需注意「亞致死劑量」評估,健全制度。該系列研究也獲得國際重視,甚至讓歐盟於 2018 年底禁止田間使用類尼古丁農藥。

楊恩誠的益達胺研究也讓台灣蜂農心生警惕。吳姿嫺表示,過去防檢署曾因荔枝椿象肆虐,預計准許益達胺用於龍眼、荔枝時,蜂農們強烈反彈,讓防檢署重新討論後,並未開放使用,更促使政府發佈「荔枝椿象防治警訊」,協助龍眼、荔枝農正確用藥,間接降低蜜蜂被毒害風險。

農藥使用不當,將導致蜜蜂死亡。(上下游資料照)

維護台灣蜂產業,開發蜂蜜鑑定技術

在找出全球蜂群崩潰的原因後,楊恩誠對台灣蜂產業的關切並未止步。他分析,常見的西方蜂由蜂農飼養,野生蜜蜂則有較高抗逆境能力,台灣蜂產業暫無瓦解疑慮。但隨著全球貿易自由化,越南、泰國等廉價蜂蜜進口來台,甚至假冒台灣蜜販售,威脅台灣蜂蜜市場。

楊恩誠與吳姿嫺等專家開始研發「蜂產品來源國鑑定技術」,防範國外蜜混充台灣龍眼蜜。楊恩誠介紹,不同國家的地理環境、蜜源植物等都有差異,團隊廣泛搜集國際間蜂蜜,並用精密儀器分析蜂蜜的微量元素、蛋白質、香氣物質等,以此判斷原產地。他強調,鑑定技術在眾人協力下愈趨成熟,相信問世後,「能保護本土蜂蜜不受進口(蜂蜜)打擊」。

養蜂不一定只能賣蜜,開發「無蜂王」技術

楊恩誠也認為,蜜蜂產業需適當轉型,養蜂不一定賣蜂蜜,可以建立「授粉蜂」產業。他表示,國際之間有生產授蜂的企業,台灣則多是蜂農採蜜完,再把蜜蜂販售給農民。但這時蜜蜂可能太虛弱,不一定有良好授粉表現;農民也多不具養蜂能力,加上許多作物以溫網室生產,蜜蜂螫傷人、撞網而死等問題有待解決。

楊恩誠找學生謝祥文開發「無蜂王授粉」技術,用費洛蒙控制工蜂,讓蜂群沒有蜂王也不會瓦解,又無育幼負擔而更溫馴、專注授粉,讓小面積、溫網室栽培的農民反應熱烈。謝祥文表示,野外授粉昆蟲因氣候變遷逐漸減少,楊恩誠很早就關注、研究授粉蜂產業,才得以快速發展技術、找到合適的農民推廣,「他重視(技術)要實務應用」。

無蜂王技術可讓工蜂更溫馴、專注授粉,嘉惠農民。(攝影/孫維揚)

拯救全台刺桐,幫忙解決問題

除了蜜蜂研究,楊恩誠也經常接下與昆蟲有關的計畫。如刺桐釉小蜂入侵台灣,幼蟲鑽入刺桐樹內就難以根治,但刺桐非經濟樹種,被感染後較不被關注。當初楊恩誠接受現任台灣環境資訊協會理事董景生請託,救治頻死的刺桐,「畢竟刺桐對某些地區是重要民俗植物」。

為了對抗刺桐釉小蜂,楊恩誠到夏威夷學習對刺桐注射藥劑,清除葉片內幼蟲的方法。回台之後他覺得國外儀器不耐用,還自己買電鑽、注射器等自製注射筒,到台北、台南、台東及離島替 49 株病危刺桐「打針」、封好傷口,最終有 47 株被救活,「幫忙解決問題,很有成就感」。

經過楊恩誠團隊醫治的刺桐樹,現在恢復健康、欣欣向榮。(攝影/孫維揚)

研究永無止境,「幫助農民」有目共睹

楊恩誠對蜜蜂多年研究熱情不減,未來他想提升授粉蜂技術,讓農民有機會使用抗病、環境逆境較好的野生蜜蜂,與適合幫番茄授粉的本土熊蜂,確保授粉不受氣候變化干擾,部分農民購買授粉蜂不需依靠進口,又能因而保存本土種野蜂與熊蜂。

楊恩誠並思考如何讓蜜蜂更貼近大眾,他正在研究蜜蜂識別空間能力,依此設計特殊花紋的衣著,使蜜蜂「空間感混亂」,避免蜂農與大眾被蜂螫。他也跨界合作,嘗試把蜜蜂結構透過沈浸式巨觀影像展現,方便大家欣賞,種種努力都為了讓國人能更關注蜜蜂。

多年對昆蟲研究的貢獻,是否有如父親期許的「幫到台灣農民」?楊恩誠不敢斷言,只強調昆蟲研究永無止盡,能藉此回饋給農民甚至整體大眾的事情仍很多,他腦中還有很多計畫等著實踐,也教導後輩有傑出研究精神,「也要解決農民的問題」。

台灣野蜂經過研究,可能於未來成為農業授粉的助力。(上下游資料照)

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