揭秘雨林第一偽裝大師“枯葉蝶”

枯葉蛺蝶俗稱“枯葉蝶”，有著帶橙色斑紋的藍絲絨樣的美麗翅膀。當(dāng)它停下來將翅膀合攏后，華麗的翅膀就會消失不見，變成枯葉的模樣，甚至能將葉中脈、次脈、葉柄甚至葉片腐爛的形態(tài)都模擬得極為逼真。這種神奇的演化結(jié)果究竟是被何種遺傳機制調(diào)控的？枯葉蛺蝶在分類學(xué)、形態(tài)學(xué)等多學(xué)科中都受到了相當(dāng)?shù)闹匾?，但是關(guān)于它們的起源和神奇擬態(tài)演化的遺傳基礎(chǔ)研究仍較為缺乏。最近，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院和北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心張蔚團隊的一項研究，回應(yīng)了上述問題?！疽曨l請前往“返樸”公眾號觀看】

撰文 | 張蔚

大多數(shù)人關(guān)于童年的印象里，可能都有一個蝶影蹁躚的場景，蝶翅的絢麗斑紋自由而靈動，為初識世界打開一扇美麗多樣的窗。

作為一種完全變態(tài)發(fā)育的昆蟲，蝴蝶在幼蟲期與其寄主植物關(guān)系密切，對環(huán)境和氣候變化也較為敏感，可作為指示物種用于生態(tài)監(jiān)測，從多個尺度研究生物多樣性，因此具有豐富的生態(tài)學(xué)資料積累?？v觀超過18000個蝶類物種，令人印象最為深刻的，莫過于小小的蝶翅。這個器官的結(jié)構(gòu)看似扁平簡單，卻承擔(dān)著復(fù)雜的生物學(xué)功能，諸如運動、求偶、御敵、熱調(diào)控等。結(jié)構(gòu)簡單但功能復(fù)雜的蝶翅，是大自然塑造的產(chǎn)物，受到了諸如自然選擇、性選擇等壓力的驅(qū)動，也因此被生物學(xué)家關(guān)注，并成為生態(tài)與演化研究的一個模式。

我們?nèi)绾卫斫獾岬亩鄻有?？蝶影重重之中，選擇何種體系來開展何種研究？自始至終是一個問題。例如，在亞馬遜叢林里，具有毒性、不同物種呈現(xiàn)相似的鮮艷翅花紋、發(fā)生了輻射式演化的袖蝶，是研究物種形成、種間雜交、適應(yīng)性輻射的理想體系。在東南亞雨林里，無毒的玉帶鳳蝶呈現(xiàn)出了模仿有毒鳳蝶的鮮艷翅花紋，但這種擬態(tài)現(xiàn)象卻限于雌蝶，并顯示了多態(tài)性，這為研究表型的多樣性、性二型（有性生殖的生物中，雌性和雄性個體具有的諸如結(jié)構(gòu)和功能的差別）、適應(yīng)性演化帶來了靈感。

而本文聚焦的一類隱秘低調(diào)的蝴蝶，其對于葉子的偽裝和模仿易于被人們和其天敵忽略。葉子在自然界無處不在，這一類動物模仿植物的現(xiàn)象因大有裨益，在動物界廣泛存在，例如亞馬遜葉魚、馬拉西亞葉蛙、葉?、擬葉螽蟖等，但不影響本文主角成為最著名和引人注目的葉形擬態(tài)動物之一。

圖1 枯葉蛺蝶中華亞種翅表型。其翅腹面展現(xiàn)惟妙惟肖的葉形表型，背面展示鮮艷的斑塊。丨圖源：滕德群

一種蝶翅腹面受到不同選擇壓力的蝴蝶

枯葉蛺蝶屬的物種廣泛存在于東亞和東南亞，以其別具特色的翅花紋而聞名。當(dāng)它們的翅向后折疊，巧妙模擬了棕色的枯萎葉片，類似葉形的圖案惟妙惟肖，組成了包括葉中脈、次脈、葉柄等元素，甚至帶有類似于霉斑的圖案（圖1），這一性狀很可能是受到了自然選擇壓力的驅(qū)動。而當(dāng)其展翅飛舞，又呈現(xiàn)了鮮艷的翅背面圖案，有些枯葉蛺蝶屬物種具有鮮艷的斑塊狀花紋，這一性狀又可能與求偶有關(guān)，進而受到了性選擇壓力的驅(qū)動，但也有可能是為了警示天敵，是另一種自然選擇的結(jié)果，有待于進一步研究和確認(rèn)。

由此，筆者認(rèn)為其翅背腹面不對稱的花紋，很好展示出了表型多樣性在保守的發(fā)育約束下的可演化性，可分別研究不同選擇壓力對于表型和功能的塑造。

而演化生物學(xué)家對于枯葉蛺蝶的關(guān)注，早在華萊士于1889年發(fā)表的著作《達爾文主義：對自然選擇理論的探討及其部分應(yīng)用》中即有記載，認(rèn)為它們是“蝴蝶中最美妙和毫無疑問的保護性相似的實例” [1]。在這之后的一百多年里，科學(xué)家從分類、譜系地理、生理與形態(tài)等多個角度對其開展研究，認(rèn)為其葉形表型是一種漸進式演化的產(chǎn)物，為探究構(gòu)成葉形擬態(tài)各種翅型元素的演化和遺傳機制奠定了基礎(chǔ)。

2022年8月2日，筆者和團隊成員在《細胞》雜志發(fā)表研究文章，揭示了枯葉蛺蝶屬及其葉形擬態(tài)的演化和遺傳機制。通過收集和分析蛺蝶科20個屬的蝴蝶樣本，發(fā)現(xiàn)了葉形擬態(tài)在蛺蝶科呈現(xiàn)趨同演化，即多種蝴蝶在相似的選擇壓力下獨立演化出了擬葉形的表型。而枯葉蛺蝶屬的多個物種形成了單系群，意即枯葉蛺蝶屬的葉形擬態(tài)可能遺傳自它們的共同祖先。

在采集樣本的過程中，筆者和團隊還在東亞與東南亞的11個地理區(qū)域收集到枯葉蛺蝶屬6個物種的樣本（圖2），雖然深知沒有哪兩片葉子是完全相同的，但要從個體差異中辨認(rèn)出共性，鑒定其所屬何物種仍是一個很大的考驗。然而，與之相比，更大的困難可能來自于從那些叢林密布的生境發(fā)現(xiàn)它們的身影，這是對其開展深入研究的重要前提。

圖2 枯葉蛺蝶屬采集樣品的地理分布。在圖左上角的采集區(qū)域（墨脫縣）可采集到三個物種的樣品，在其他采集地點均采集到單一物種的樣品。丨圖源：參考文獻[2]

多學(xué)科交叉的團隊成員在年復(fù)一年的科學(xué)考察中獲得了非常重要的線索，即在西藏墨脫縣的雨林里，發(fā)現(xiàn)了至少三種枯葉蛺蝶屬物種，這與在其他任何一個區(qū)域只能收集到單個物種的情況迥然不同。即使如此，筆者眼中的這片墨脫雨林，仍然蘊藏著太多不為人知的生物多樣性資源，也仍有可能還有未知的枯葉蛺蝶屬物種翱翔其間。

圖3 墨脫縣雅魯藏布江果果塘大拐彎。張蔚/攝

喜馬拉雅東部是分化的起點

墨脫縣位于喜馬拉雅山東端，世界上河床平均海拔最高的大河—雅魯藏布江流經(jīng)此處，形成了最深最長的河流峽谷—雅魯藏布大峽谷，為青藏高原與印度洋的水汽屏障開辟了一條通道，其數(shù)千米的海拔落差也為當(dāng)?shù)刎S富的生物物種提供了多樣的生境。雨季的墨脫，雅魯藏布江及其支流沿著山谷發(fā)出轟鳴，像是在演奏一首生命的贊歌，使剛剛翻越了米拉山、色季拉山、嘎隆拉山而來的遠客一掃疲憊。在這片蓮花密境之中，枯葉蛺蝶屬的來歷也即將被揭開。

圖4 即將穿過嘎隆拉隧道抵達墨脫。張蔚/攝

基于在墨脫的發(fā)現(xiàn)，筆者和團隊提出假設(shè)，即喜馬拉雅東部地區(qū)由于其巨大的海拔梯度變化，形成了多樣的微環(huán)境，可能是枯葉蛺蝶屬的分化中心，但也不排除另一個可能，即該地區(qū)是枯葉蛺蝶屬的避難所，使其在冰期得以幸存。

實際的研究結(jié)果印證了第一個假設(shè)，系統(tǒng)發(fā)生、種群歷史、棲息地模型等分析的結(jié)果顯示了枯葉蛺蝶屬多個物種的種群均存在由喜馬拉雅東部地區(qū)遷出并向東南亞島嶼擴散的趨勢，而喜馬拉雅東部地區(qū)在多個歷史時期均可能為枯葉蛺蝶屬提供相對適宜的棲息地，其屬內(nèi)物種分化的時間也可與青藏高原的隆升時期相對應(yīng)。

至此，枯葉蛺蝶在這山河壯闊的環(huán)境中起源分化，輕盈的蝶翅飛舞過數(shù)十萬載，而分化的起點始于青藏高原東南部。而彼時的海南和臺灣等島嶼通過陸橋與大陸相連，爪哇島、蘇門答臘島、婆羅洲島與泰國-馬來半島構(gòu)成了巽他古陸。借道冰河期的古陸橋，枯葉蛺蝶屬進一步遷移分化，筆者團隊推測，目前特有的一些島嶼物種很有可能是以前大種群中的一部分，由于后來的氣候變化、海平面上升而被隔離和發(fā)生種化。

在這地質(zhì)劇變、氣候變化的洪流中，枯葉蛺蝶屬的演化揭示了山地生物區(qū)系和其他低地生物多樣性熱點地區(qū)的關(guān)系，也為理解物種多樣性的形成提供了一個重要的切入點。

圖5 在奔騰的雅魯藏布江之上（在阿尼橋附近采集）。張蔚/攝

要深入研究一個物種，不僅要了解它的生境，還要了解它的生活史。研究團隊選定了該屬的枯葉蛺蝶中華亞種，它便如同果蠅、小鼠、線蟲、擬南芥一樣，成為了模式（被選定進行科學(xué)研究的生物物種，用于揭示生命科學(xué)的一般規(guī)律），只是解鎖這個模式尚無經(jīng)驗可循，唯有多次的嘗試和摸索。

飼養(yǎng)室位于地下二層，悶熱憋氣，卻恰好為枯葉蛺蝶和其寄主植物提供了一個恒溫恒濕的環(huán)境，也再一次使筆者團隊獲得了意外的發(fā)現(xiàn)，即發(fā)現(xiàn)了枯葉蛺蝶具有至少10種離散的葉形表型（圖6），而通過家系實驗進一步確認(rèn)了這10種表型，并發(fā)現(xiàn)它們可能是受到了孟德爾單基因座控制，推定可能有5種等位基因。

圖6 在枯葉蛺蝶中華亞種發(fā)現(xiàn)了10種離散的葉形表型，推測其可能受到一個孟德爾基因座控制。丨圖源：參考文獻[2]

一個基因控制了多樣的擬葉翅型

通過整合了多種基因組學(xué)和基因編輯的分析方法，研究團隊鑒定到了一個單基因cortex參與控制了這一系列的葉形表型，并具有5個單倍型。這不僅印證了之前的假設(shè)，還陸續(xù)發(fā)現(xiàn)其單倍型間的連鎖不平衡由染色體倒位、拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域等多種機制來維持。與之調(diào)控翅表型相對應(yīng)的，該基因展現(xiàn)了與枯葉蛺蝶翅發(fā)育相關(guān)的表達特征，其嵌合缺失的突變體也展示出了斑駁的翅花紋（圖7）。

圖7 基于CRISPR/Cas9基因編輯的枯葉蛺蝶中華亞種個體表型。cortex基因嵌合缺失突變體呈現(xiàn)斑駁的翅表型，即敲除該基因可能影響葉形表型的形成。丨圖源：參考文獻[2]

其實，這個大名鼎鼎的cortex基因并非等閑之輩。作為一個控制蝴蝶翅發(fā)育的工具盒基因（參與控制生物形態(tài)和結(jié)構(gòu)等發(fā)育過程的基因），它還被發(fā)現(xiàn)參與到控制樺尺蠖工業(yè)黑化表型和袖蝶穆氏擬態(tài)的翅花紋中[3]，早已屢建奇功。這一類工具盒基因在發(fā)育過程中承擔(dān)著重要的作用，容易被自然選擇壓力所喜好，進而獲得更多的調(diào)控方式和參與行使更多的功能。以此為例，發(fā)育約束和演化創(chuàng)新這一對看似矛盾的概念得以斡旋調(diào)和，這也展示了保守的發(fā)育進程中的可演化性，進一步揭示了遺傳多樣性、表型多樣性的可能的產(chǎn)生機制。

至此，葉形擬態(tài)的遺傳機制已在枯葉蛺蝶屬中華亞種得到闡釋，而要探究其如何在枯葉蛺蝶屬諸多物種起源和演化，就又要繼續(xù)未知的探索。筆者團隊發(fā)現(xiàn)不同的葉形表型在多個枯葉蛺蝶屬物種中均有存在，而不同表型及基因型在多個物種的野生種群具有不同的頻率。要維持這樣的多態(tài)性，筆者團隊假設(shè)其可能受到了自然選擇的壓力，即受到了長期的平衡選擇而使多態(tài)性在各個物種均得以保留。

如果該假設(shè)得以證實，這又將是一個令人興奮的發(fā)現(xiàn)。長期以來，平衡選擇壓力驅(qū)動下的多態(tài)性大多見于物種以下水平或分歧時間較短的物種間，這是歸因于倘若具有不同表型的個體具有不同的適合度，則將與其表型對應(yīng)的遺傳信息遺傳給后代的機會就有所差別，這種差別最終將造成種群內(nèi)個體產(chǎn)生的后代數(shù)量低于預(yù)期水平，對種群的延續(xù)造成了壓力，亦稱之為遺傳負(fù)荷。

通過對枯葉蛺蝶屬多個物種的cortex基因進行分型和構(gòu)建群體遺傳學(xué)模型，筆者團隊獲得的最適合模型顯示了枯葉蛺蝶屬的葉形擬態(tài)多態(tài)性經(jīng)受了平衡選擇。自然選擇的重重壓力塑造了這多樣精妙的葉形偽裝。

枯葉蛺蝶屬及其葉形擬態(tài)的揭秘，至此已告一段落，而探索的腳步從未停止，頭腦風(fēng)暴正剛剛開啟。蝶翅背腹面的不對稱性，結(jié)構(gòu)色與色素色星羅棋布，旱雨季翅花紋轉(zhuǎn)換、隱秘的物種、未知的表型……以及表象之下所暗含的適應(yīng)性演化、表型可塑性、個體發(fā)育與演化創(chuàng)新、物種形成、生物多樣性產(chǎn)生……生命演化的種種。自35億年前至今，所有的保留有待重新認(rèn)知，所有的未知有待繼續(xù)探索。這又是一個新的雨季，此刻墨脫的萬重山壑間，雨后彩虹、空山鳥鳴（圖8）。

圖8在墨脫雨林之中（在德興鄉(xiāng)附近采集）。張蔚/攝

而追蝴蝶的人將再次啟程，為這翩躚蝶影，千千萬萬遍。

參考文獻

[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：科普中國

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