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揭秘雨林第一伪装大师“枯叶蝶”

原创
枯叶蛱蝶 张蔚
返朴

枯叶蛱蝶俗称“枯叶蝶”,有着带橙色斑纹的蓝丝绒样的美丽翅膀。当它停下来将翅膀合拢后,华丽的翅膀就会消失不见,变成枯叶的模样,甚至能将叶中脉、次脉、叶柄甚至叶片腐烂的形态都模拟得极为逼真。这种神奇的演化结果究竟是被何种遗传机制调控的?枯叶蛱蝶在分类学、形态学等多学科中都受到了相当的重视,但是关于它们的起源和神奇拟态演化的遗传基础研究仍较为缺乏。最近,北京大学生命科学学院和北大-清华生命科学联合中心张蔚团队的一项研究,回应了上述问题。【视频请前往“返朴”公众号观看】

撰文 | 张蔚

大多数人关于童年的印象里,可能都有一个蝶影蹁跹的场景,蝶翅的绚丽斑纹自由而灵动,为初识世界打开一扇美丽多样的窗。

作为一种完全变态发育的昆虫,蝴蝶在幼虫期与其寄主植物关系密切,对环境和气候变化也较为敏感,可作为指示物种用于生态监测,从多个尺度研究生物多样性,因此具有丰富的生态学资料积累。纵观超过18000个蝶类物种,令人印象最为深刻的,莫过于小小的蝶翅。这个器官的结构看似扁平简单,却承担着复杂的生物学功能,诸如运动、求偶、御敌、热调控等。结构简单但功能复杂的蝶翅,是大自然塑造的产物,受到了诸如自然选择、性选择等压力的驱动,也因此被生物学家关注,并成为生态与演化研究的一个模式。

我们如何理解蝶翅的多样性?蝶影重重之中,选择何种体系来开展何种研究?自始至终是一个问题。例如,在亚马逊丛林里,具有毒性、不同物种呈现相似的鲜艳翅花纹、发生了辐射式演化的袖蝶,是研究物种形成、种间杂交、适应性辐射的理想体系。在东南亚雨林里,无毒的玉带凤蝶呈现出了模仿有毒凤蝶的鲜艳翅花纹,但这种拟态现象却限于雌蝶,并显示了多态性,这为研究表型的多样性、性二型(有性生殖的生物中,雌性和雄性个体具有的诸如结构和功能的差别)、适应性演化带来了灵感。

而本文聚焦的一类隐秘低调的蝴蝶,其对于叶子的伪装和模仿易于被人们和其天敌忽略。叶子在自然界无处不在,这一类动物模仿植物的现象因大有裨益,在动物界广泛存在,例如亚马逊叶鱼、马拉西亚叶蛙、叶䗛、拟叶螽蟖等,但不影响本文主角成为最著名和引人注目的叶形拟态动物之一。

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图1 枯叶蛱蝶中华亚种翅表型。其翅腹面展现惟妙惟肖的叶形表型,背面展示鲜艳的斑块。丨图源:滕德群

一种蝶翅腹面受到不同选择压力的蝴蝶

枯叶蛱蝶属的物种广泛存在于东亚和东南亚,以其别具特色的翅花纹而闻名。当它们的翅向后折叠,巧妙模拟了棕色的枯萎叶片,类似叶形的图案惟妙惟肖,组成了包括叶中脉、次脉、叶柄等元素,甚至带有类似于霉斑的图案(图1),这一性状很可能是受到了自然选择压力的驱动。而当其展翅飞舞,又呈现了鲜艳的翅背面图案,有些枯叶蛱蝶属物种具有鲜艳的斑块状花纹,这一性状又可能与求偶有关,进而受到了性选择压力的驱动,但也有可能是为了警示天敌,是另一种自然选择的结果,有待于进一步研究和确认。

由此,笔者认为其翅背腹面不对称的花纹,很好展示出了表型多样性在保守的发育约束下的可演化性,可分别研究不同选择压力对于表型和功能的塑造

而演化生物学家对于枯叶蛱蝶的关注,早在华莱士于1889年发表的著作《达尔文主义:对自然选择理论的探讨及其部分应用》中即有记载,认为它们是“蝴蝶中最美妙和毫无疑问的保护性相似的实例[1]。在这之后的一百多年里,科学家从分类、谱系地理、生理与形态等多个角度对其开展研究,认为其叶形表型是一种渐进式演化的产物,为探究构成叶形拟态各种翅型元素的演化和遗传机制奠定了基础。

2022年8月2日,笔者和团队成员在《细胞》杂志发表研究文章,揭示了枯叶蛱蝶属及其叶形拟态的演化和遗传机制。通过收集和分析蛱蝶科20个属的蝴蝶样本,发现了叶形拟态在蛱蝶科呈现趋同演化,即多种蝴蝶在相似的选择压力下独立演化出了拟叶形的表型。而枯叶蛱蝶属的多个物种形成了单系群,意即枯叶蛱蝶属的叶形拟态可能遗传自它们的共同祖先。

在采集样本的过程中,笔者和团队还在东亚与东南亚的11个地理区域收集到枯叶蛱蝶属6个物种的样本(图2),虽然深知没有哪两片叶子是完全相同的,但要从个体差异中辨认出共性,鉴定其所属何物种仍是一个很大的考验。然而,与之相比,更大的困难可能来自于从那些丛林密布的生境发现它们的身影,这是对其开展深入研究的重要前提。

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图2 枯叶蛱蝶属采集样品的地理分布。在图左上角的采集区域(墨脱县)可采集到三个物种的样品,在其他采集地点均采集到单一物种的样品。丨图源:参考文献[2]

多学科交叉的团队成员在年复一年的科学考察中获得了非常重要的线索,即在西藏墨脱县的雨林里,发现了至少三种枯叶蛱蝶属物种,这与在其他任何一个区域只能收集到单个物种的情况迥然不同。即使如此,笔者眼中的这片墨脱雨林,仍然蕴藏着太多不为人知的生物多样性资源,也仍有可能还有未知的枯叶蛱蝶属物种翱翔其间。

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图3 墨脱县雅鲁藏布江果果塘大拐弯。张蔚/摄

喜马拉雅东部是分化的起点

墨脱县位于喜马拉雅山东端,世界上河床平均海拔最高的大河—雅鲁藏布江流经此处,形成了最深最长的河流峡谷—雅鲁藏布大峡谷,为青藏高原与印度洋的水汽屏障开辟了一条通道,其数千米的海拔落差也为当地丰富的生物物种提供了多样的生境。雨季的墨脱,雅鲁藏布江及其支流沿着山谷发出轰鸣,像是在演奏一首生命的赞歌,使刚刚翻越了米拉山、色季拉山、嘎隆拉山而来的远客一扫疲惫。在这片莲花密境之中,枯叶蛱蝶属的来历也即将被揭开。

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图4 即将穿过嘎隆拉隧道抵达墨脱。张蔚/摄

基于在墨脱的发现,笔者和团队提出假设,即喜马拉雅东部地区由于其巨大的海拔梯度变化,形成了多样的微环境,可能是枯叶蛱蝶属的分化中心,但也不排除另一个可能,即该地区是枯叶蛱蝶属的避难所,使其在冰期得以幸存。

实际的研究结果印证了第一个假设,系统发生、种群历史、栖息地模型等分析的结果显示了枯叶蛱蝶属多个物种的种群均存在由喜马拉雅东部地区迁出并向东南亚岛屿扩散的趋势,而喜马拉雅东部地区在多个历史时期均可能为枯叶蛱蝶属提供相对适宜的栖息地,其属内物种分化的时间也可与青藏高原的隆升时期相对应。

至此,枯叶蛱蝶在这山河壮阔的环境中起源分化,轻盈的蝶翅飞舞过数十万载,而分化的起点始于青藏高原东南部。而彼时的海南和台湾等岛屿通过陆桥与大陆相连,爪哇岛、苏门答腊岛、婆罗洲岛与泰国-马来半岛构成了巽他古陆。借道冰河期的古陆桥,枯叶蛱蝶属进一步迁移分化,笔者团队推测,目前特有的一些岛屿物种很有可能是以前大种群中的一部分,由于后来的气候变化、海平面上升而被隔离和发生种化

在这地质剧变、气候变化的洪流中,枯叶蛱蝶属的演化揭示了山地生物区系和其他低地生物多样性热点地区的关系,也为理解物种多样性的形成提供了一个重要的切入点。

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图5 在奔腾的雅鲁藏布江之上(在阿尼桥附近采集)。张蔚/摄

要深入研究一个物种,不仅要了解它的生境,还要了解它的生活史。研究团队选定了该属的枯叶蛱蝶中华亚种,它便如同果蝇、小鼠、线虫、拟南芥一样,成为了模式(被选定进行科学研究的生物物种,用于揭示生命科学的一般规律),只是解锁这个模式尚无经验可循,唯有多次的尝试和摸索。

饲养室位于地下二层,闷热憋气,却恰好为枯叶蛱蝶和其寄主植物提供了一个恒温恒湿的环境,也再一次使笔者团队获得了意外的发现,即发现了枯叶蛱蝶具有至少10种离散的叶形表型(图6),而通过家系实验进一步确认了这10种表型,并发现它们可能是受到了孟德尔单基因座控制,推定可能有5种等位基因。

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图6 在枯叶蛱蝶中华亚种发现了10种离散的叶形表型,推测其可能受到一个孟德尔基因座控制。丨图源:参考文献[2]

一个基因控制了多样的拟叶翅型

通过整合了多种基因组学和基因编辑的分析方法,研究团队鉴定到了一个单基因cortex参与控制了这一系列的叶形表型,并具有5个单倍型。这不仅印证了之前的假设,还陆续发现其单倍型间的连锁不平衡由染色体倒位、拓扑关联结构域等多种机制来维持。与之调控翅表型相对应的,该基因展现了与枯叶蛱蝶翅发育相关的表达特征,其嵌合缺失的突变体也展示出了斑驳的翅花纹(图7)。

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图7 基于CRISPR/Cas9基因编辑的枯叶蛱蝶中华亚种个体表型。cortex基因嵌合缺失突变体呈现斑驳的翅表型,即敲除该基因可能影响叶形表型的形成。丨图源:参考文献[2]

其实,这个大名鼎鼎的cortex基因并非等闲之辈。作为一个控制蝴蝶翅发育的工具盒基因(参与控制生物形态和结构等发育过程的基因),它还被发现参与到控制桦尺蠖工业黑化表型和袖蝶穆氏拟态的翅花纹中[3],早已屡建奇功。这一类工具盒基因在发育过程中承担着重要的作用,容易被自然选择压力所喜好,进而获得更多的调控方式和参与行使更多的功能。以此为例,发育约束和演化创新这一对看似矛盾的概念得以斡旋调和,这也展示了保守的发育进程中的可演化性,进一步揭示了遗传多样性、表型多样性的可能的产生机制。

至此,叶形拟态的遗传机制已在枯叶蛱蝶属中华亚种得到阐释,而要探究其如何在枯叶蛱蝶属诸多物种起源和演化,就又要继续未知的探索。笔者团队发现不同的叶形表型在多个枯叶蛱蝶属物种中均有存在,而不同表型及基因型在多个物种的野生种群具有不同的频率。要维持这样的多态性,笔者团队假设其可能受到了自然选择的压力,即受到了长期的平衡选择而使多态性在各个物种均得以保留。

如果该假设得以证实,这又将是一个令人兴奋的发现。长期以来,平衡选择压力驱动下的多态性大多见于物种以下水平或分歧时间较短的物种间,这是归因于倘若具有不同表型的个体具有不同的适合度,则将与其表型对应的遗传信息遗传给后代的机会就有所差别,这种差别最终将造成种群内个体产生的后代数量低于预期水平,对种群的延续造成了压力,亦称之为遗传负荷。

通过对枯叶蛱蝶属多个物种的cortex基因进行分型和构建群体遗传学模型,笔者团队获得的最适合模型显示了枯叶蛱蝶属的叶形拟态多态性经受了平衡选择。自然选择的重重压力塑造了这多样精妙的叶形伪装。

枯叶蛱蝶属及其叶形拟态的揭秘,至此已告一段落,而探索的脚步从未停止,头脑风暴正刚刚开启。蝶翅背腹面的不对称性,结构色与色素色星罗棋布,旱雨季翅花纹转换、隐秘的物种、未知的表型……以及表象之下所暗含的适应性演化、表型可塑性、个体发育与演化创新、物种形成、生物多样性产生……生命演化的种种。自35亿年前至今,所有的保留有待重新认知,所有的未知有待继续探索。这又是一个新的雨季,此刻墨脱的万重山壑间,雨后彩虹、空山鸟鸣(图8)。

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图8在墨脱雨林之中(在德兴乡附近采集)。张蔚/摄

而追蝴蝶的人将再次启程,为这翩跹蝶影,千千万万遍。

参考文献

[1] Wallace, A.R. (1889). Darwinism: An Exploitation of the Theory of Natural Selection with Some of its Applications. (London: Macmillan).

[2] Wang, S., Teng, D., Li X., Yang, P., Da, W., Zhang, Y., Zhang, Y., Liu, G., Zhang, X., Wan, W., et al. (2022). The evolution and diversification of oakleaf butterflies. Cell 185, 1–15.

[3] Nadeau, N.J., Pardo-Diaz, C., Whibley, A., Supple, M.A., Saenko, S.V., Wallbank, R.W., Wu, G.C., Maroja, L., Ferguson, L., Hanly, J.J., et al. (2016). The gene cortex controls mimicry and crypsis in butterflies and moths. Nature 534, 106–110.

出品:科普中国

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评论
无限探索者
少师级
枯叶蝶,伪装技术极为高超,是自然界最强的“伪装大师”。无论是人类还是动植物,都是适者生存,不适者淘汰。
2022-09-22
无限探索者
少师级
在自然界众多天敌的威胁下,枯叶蝶的伪装技术越发高超,练就了如此强大的一身本领,成为难分真假的"伪装大师"。
2022-09-22
科普科普知识的摇篮!
少傅级
枯叶蛱蝶俗称“枯叶蝶”,有着带橙色斑纹的蓝丝绒样的美丽翅膀。枯叶蛱蝶在分类学、形态学等多学科中都受到了相当的重视,但是关于它们的起源和神奇拟态演化的遗传基础研究仍较为缺乏。需要人类的进一步研究,继续探究它不为人知的秘密。
2022-09-22