2023.04.22 北京

                            

 

观众朋友们，大家好，我是来自北京大学生命科学学院的张蔚，我的研究方向是生物演化，我用来做研究的动物是蝴蝶，尤其关注蝴蝶的翅花纹。

 

蝴蝶的翅花纹其实具有非常丰富的生物多样性，蝶翅的结构相对简单，可以看作是一个平面化的结构，但是这种简单的结构背后蕴藏着非常复杂的生物学功能，例如运动、求偶、抵御天敌等等。

 

这是一个放大的蝶翅，上面有很多鳞片，不同的色素与角度还有调控温度的功能。

 

▲ 图源：张蔚实验室

 

所以这样一个结构简单、功能复杂的器官，非常适合我们去研究生物演化的很多问题。我今天要介绍的是其中一种蝴蝶——枯叶蛱蝶。

 

 

01 “消失”的枯叶蛱蝶

 

枯叶蛱蝶其实在我国是一种常见蝶类，只不过它们的伪装性比较好，可能大家不容易发现它们。下面这张照片中，大家可以猜猜看枯叶蛱蝶在哪里？

 

▲ 图源：张蔚实验室

 

答案是全部都是。你看它们是不是长得都非常像叶子？

 

它们呈现的是一种叶形伪装拟态，这是一个被动受到自然选择的过程。也就是说，在历史演化的进程里，长得不这么像叶子的枯叶蛱蝶可能都被淘汰掉了，所以生物演化是一个被动的过程。

 

▲ （点击完整视频观看）

 

而且枯叶蛱蝶的翅花纹多种多样，每一只和每一只的叶形花纹都不同，真的就跟自然界的叶形花纹很相似——没有哪两片叶子是完全一样的。

 

不过我们刚才展示的拟叶伪装的表型，是枯叶蛱蝶在闭合蝶翅后的花纹，也就是它的翅腹面。

 

 

当它飞翔起来的时候，就会展现非常多彩多姿的翅背面，有这样一些鲜艳的橙色斑块。

 

 

其实早在大概160多年以前，演化生物学的先驱华莱士就关注到了枯叶蛱蝶属，他为此还写了一本书，在书中说到：“在我所见到的蝴蝶中，枯叶蛱蝶是最美妙的，和最典型的保护性相似的例子。”

 

还有一句更加生动，“它们从不在鲜花和绿叶上停驻，但却多次在满是枯叶的灌木和树丛中消失了踪迹。”就如朋友们刚才看到的，它停在树干上，很容易就会把它忽略掉。

 

 

我在做博士后的阶段读到的这样一本著作，给了我非常多的灵感，我就非常想要研究这类物种，因为它可以研究很多生物学问题。

 

例如它有丰富的表型多样性，而这种表型多样性的背后，其实是由非常多的遗传多样性来决定的，这样可以从多个角度研究生物多样性的重要问题，而生物多样性是生态系统多样性中很重要的一部分。

 

我也非常想要把枯叶蛱蝶属建立成一个研究体系，方便人们未来研究更多生物学问题。那么要怎么去建立它的研究体系呢？

 

 

02 怎么饲养它？

 

为了研究它，我们要在实验室里饲养这种枯叶蛱蝶。

 

首先，我们要了解它的生活史。大家有没有养过家蚕？它们是属于鳞翅目的昆虫，所以大部分是经历了完全变态发育的。

 

枯叶蛱蝶的一生也是非常类似。它从受精卵开始，每蜕一次皮，毛毛虫就长大一点，就成了蛹。

 

▲ 枯叶蛱蝶的一生。图源：张蔚实验室

 

图中最右边的就是枯叶蛱蝶的蛹的结构，在这儿也是很低调的一个状态，不容易被发现，长大后它们就会化蛹成蝶。

 

在幼虫期，它们依赖取食的寄主植物是马兰。养过家蚕的朋友们可能有印象，家蚕的饭量还挺大的。大家可以猜一下枯叶蛱蝶的饭量，大概要取食多少马兰才能长大成蝶？

 

▲ 图源：张蔚实验室

 

这个答案我就先揭晓了，一只枯叶蛱蝶大概要吃掉45棵马兰，也就是要吃15盆这么多的植物，才能长大成蝶。

 

因此在实验室里，我们要研究这样一类枯叶蛱蝶属的物种，要把它建立成一个研究体系，不光要饲养这些蝶类，还要饲养大量的寄主植物，这是一个蛮大的工作量。

 

成蝶后还要继续饲养它，例如在实验室，我们会为它准备一些发酵的植物果实（比如橘子），它用一个虹吸式口器来取食里面的汁液，吃得津津有味。

 

▲ 图源：张蔚实验室

 

除此之外，还有一点小秘密。

 

通常来讲，枯叶蛱蝶的生存环境是在热带、亚热带或者是温带的树林里，这样的温度和湿度与实验室的环境——特别是北京的实验室的环境是不太一样的。北京的气候比较干燥，温度有时候也比较低，在北京饲养它也是有点难度的。

 

这里就是我们最后选定的环境——地下二层，一个之前被用作车库的地方。我们在这里为枯叶蛱蝶搭建了一个温室饲养房，温度和湿度相对来讲是可以保证的。

 

 

在这个环境里，大家可以脑补一下，比较潮湿闷热，人待进去可能不太舒适，但是对于枯叶蛱蝶来说是再舒适不过了。此外我们还要搭建实验环境，方便对它进行一些实验室的操作。

 

开始饲养以后，我们又发现了一个有意思的现象：枯叶蛱蝶是一个属，其中包括了多个物种。但是因为大家长得实在是太像了，又很低调，在野外观察难度很大，所以它的物种关系尚待厘清。

 

为了弄清楚它们的物种关系，我们也来到了野外，走进枯叶蛱蝶的生存环境，去观察、采集和研究。

 

我们跟随着它们去了很多地方，经过了奔腾的雅鲁藏布江，也穿梭在墨脱的雨林之中——都是枯叶蛱蝶的栖息地，在这些地方我们获得了很多种枯叶蛱蝶。

 

▲ 图源：张蔚实验室

 

当然了，在野外采集这些蝶类，也不是说我们简单地挥舞着捕虫网蝴蝶就会飞到网里来。我们是用了一种诱笼的办法——把枯叶蛱蝶喜欢的食物装到诱笼里，然后把诱笼悬挂在林间。

 

▲ 收获诱笼。图源：张蔚实验室

 

刚才我们提到过，枯叶蛱蝶的成虫在实验室里喜欢以一些发酵果实的汁液为食，那么在野外的条件下，这是不是也仍然奏效呢？

 

我们先试了一下，给它们喂一些西瓜、苹果等等，甚至还兑上了一点啤酒。是不是美滋滋？

 

但是枯叶蛱蝶就是不来取食。后来我们转念一想，采集的地点一般是在亚热带或者是热带的雨林里，最不缺的就是果实，确实我们提供的食物看起来吸引力不大。

 

要在这样的丛林里吸引它，有更好的办法吗？我的学生灵机一动，去了当地的菜市场，买了很多鸡杂、鸡肠。注意我们不是要烹饪鸡杂，而是把它放在阳光下暴晒，让它产生刺鼻的气味。

 

这个时候人就退避三舍了，但是这个味道对于枯叶蛱蝶来讲有非常大的吸引力，因为在这样的丛林里，动物来源的食物是来之不易的。所以在这个大餐的诱惑下，我们终于能够采集到枯叶蛱蝶了。

 

采集到这些枯叶蛱蝶后，我们把它们放进笼子里，再放上寄主植物，继续饲养。

 

▲ 饲养枯叶蛱蝶。图源：张蔚实验室

 

选择笼子也有一些窍门。我一直是研究蝶类的，养过几十种蝴蝶，包括凤蝶、蛱蝶、粉蝶等等，我发现不同的蝴蝶喜欢的笼子、需要的空间和生活习性是不一样的。

 

如果大家见过玉带凤蝶或者是柑橘凤蝶——就是在我们国家常见的凤蝶，它们需要比较大的空间，饲养它们时就需要一个比较大的笼子。

 

但是我有时候会饲养一些在美洲丛林里采集的袖蝶，它们在雨林的生境里生活，上下穿梭，所以就需要一个长条形的笼子，有一个纵深的空间对它们来讲是更合适的。

 

如果是菜粉碟，它们很好养活，用一个小笼子就非常合适了。

 

枯叶蛱蝶虽然是一种比较中大型的蝶类，但是因为它比较宅，平常都是闭合着翅来去，伪装成叶子，大部分时间是不爱动的。因此在这样一个中型的笼子里，我们也勉强能让它很开心地生活。

 

 

03 墨脱县的不同寻常

 

我们的足迹遍布了很多枯叶蛱蝶的栖息地和分布区，采集到了很多枯叶蛱蝶的样本——它们在分类上都属于一个属，但是其实是不同的物种。

 

除了枯叶蛱蝶，我们还采集到了其他形似枯叶的蝶类。它们的名字也很有意思，比如蠹叶蛱蝶、蓝叶蝴蝶、非洲枯蛱蝶等等。

 

 

之所以有这么多形似枯叶的蝶类，是因为叶子在自然界中广泛存在，自然选择的压力就在多种蝴蝶中都塑造了拟叶形的翅花纹，这是一个被动选择的过程，也是趋同演化的结果。

 

所谓趋同演化，是指不同的生物、不同的物种，经受了相似的选择压力，展现出了相似的表型。这些蝶类正是如此。

 

在漫长的采集过程中，图中都是我们到过的枯叶蛱蝶栖息地，大部分位置一般只能采集到一种枯叶蛱蝶的物种或者是亚种。

 

▲ 图片改编自：Wang et al. Cell 2022

 

但有一个地方不太寻常，那就是红圈中这个区域——墨脱县。墨脱县位于喜马拉雅东部的地区，在我们国家的藏东南地区，我们在这里找到了三种枯叶蛱蝶的样本。这也就意味着这个地方对于枯叶蛱蝶来讲，物种的丰度很大，不同寻常。

 

▲ 红圈里是墨脱县。图片改编自：Wang et al. Cell 2022

 

为什么在墨脱县会这样呢？于是我们对枯叶蛱蝶的起源有了两种假设。

 

第一种假设是，我们推断墨脱县所属的喜马拉雅东部区域，可能是一个产生枯叶蛱蝶属物种的分化中心，也就是说很多枯叶蛱蝶属的物种是在这里产生的。

 

还有一种假设就是，这些物种之前就有，然后在冰期得以保留。在冰期时，一些大的地质活动导致气温变化和波动，我们推断在这个时期，喜马拉雅东部区域很有可能作为了枯叶蛱蝶属的避难所。

 

到底哪一种假设是成立的？喜马拉雅东部地区的角色到底是什么？这就需要我们用实验去做验证。

 

一个重要的指标是，不同的物种或者是同一物种的不同种群之间，它们的基因流的方向是什么？

 

* “基因流”指的是一些生物之间遗传信息的交换。物种会迁徙流动，于是它们的遗传信息就会随之流向一些方向。

 

如果喜马拉雅东部区域是枯叶蛱蝶属的分化中心，我们大概要能看到的一个证据，证明基因流的方向是从喜马拉雅东部流向外部。

 

 

如果这个地方呈现为一个避难所，那就是说基因流可能是双向的，或者是由外部流向喜马拉雅东部区域的。事实到底是什么？

 

这是我们的一个分析图，箭头表示的就是基因流的方向。

 

▲ 图片改编自：Wang et al. Cell 2022

（这个图看不懂也没关系😂不影响阅读）

 

我们看到，在不同的枯叶蛱蝶属的物种和亚种当中，基因流的主要方向都是从墨脱地区代表的喜马拉雅东部地区向外走的，以及从大陆向岛屿的方向走。

 

这印证了我们的第一个假设大概是成立的，也就是说，喜马拉雅东部地区很有可能是枯叶蛱蝶属的分化中心。

 

再来第二个指标，另一个佐证的证据。如果我们认为喜马拉雅东部地区盛产枯叶蛱蝶的物种，在历史上产生了好多物种，那么在这个地方，历史上各个时期都应该有适宜这一类蝴蝶的生存环境，以及它赖以生存的寄主植物，这样一个假设才成立。

 

这个地图上显示的正是如此。这是基于我们的生态学建立模型模拟的一个结果。

 

▲ 颜色代表生境的适合度。图片改编自：Wang et al. Cell 2022

 

这个模拟的结果显示，喜马拉雅东部的区域，在历史上各个时期都有比较适宜枯叶蛱蝶生存的环境，包括现在，向前推有全新世中期、末次冰期、末次间冰期这样一些时期。青藏高原的隆升所带来的巨大的地理环境的变化，也促进了这些物种的形成。

 

在末次间冰期的时候，大家可以看到，地图上的板块结构跟我们现今是不太一样的。

 

▲ 图片改编自：Wang et al. Cell 2022

 

那是因为海平面的下降和温度的下降，形成了大陆和岛屿之间的路桥结构，这些路桥结构帮助枯叶蛱蝶向岛屿迁移，然后跟岛屿的物种之间发生了基因流，是一个漫长且壮丽的迁移事件。

 

 

04 谁在控制它的翅花纹？

 

弄清楚了枯叶蛱蝶属这么多物种的关系后，终于可以研究它的翅花纹了。

 

首先我们聚焦了在实验室里饲养的枯叶蛱蝶，它们的翅花纹看上去好像有一些相似，但是又不同，很难用肉眼判断它们到底有什么规律以及彼此间的关系。

 

于是我们为它建立了一个基于机器学习的表型分析软件，去分析它到底有多少种花纹。

 

 

再进一步分析，我们一共找到了十种离散的叶形花纹。

 

▲ 图片改编自：Wang et al. Cell 2022

 

我们起了一些名字去区分它们。素面（plain），就是很朴素的花纹。有主脉（veined）就是它的翅花纹有一条很明显的叶脉。还有一些是有分支的，是有侧脉（scrambled）。

 

▲ 图片改编自：Wang et al. Cell 2022

 

还有的翅花纹上有水波纹（rippled），有霉斑（moldy），我们可以想象一下，叶子的枯叶也是有霉点的，真是惟妙惟肖。还有一些不同的表型，是把几种特征按照一定规律组合。

 

▲ 图片改编自：Wang et al. Cell 2022

 

那么到底是谁在控制这些翅花纹的表型呢？于是我们在实验室里做了遗传学实验，去观察不同表型的亲代会产生什么样的子代。

 

实验结果发现，控制翅花纹的有五种等位基因（分别是P、V、S、R、M），这十种翅花纹表型是被五种等位基因用不同的组合形式来控制的。这就有点像我们的血型，等位基因的不同组合产生了A、B、O这些不同的血型。

 

▲ 图片改编自：Wang et al. Cell 2022

 

经过我们的观察和研究发现，这五种等位基因都位于基因组的一个单个位点上。那这单个位点是什么？

 

我们把有不同表型的个体两两分组，然后进行一个关联分析，去定位它们的遗传信息里哪些位置的差异最大。

 

▲ 图片改编自：Wang et al. Cell 2022

 

结果我们就发现了控制叶形翅花纹的一个关键基因，叫作cortex基因，它是一个很有名的基因，之前在别的物种里也被研究过。

 

比如大家也许在生物学的课本里见到过这个例子，桦尺蠖的黑化。

 

▲ 图源：

https://www.warrenphotographic.co.uk/

 

桦尺蠖原本是这种浅色的表型，而环境的变化导致这一物种的cortex基因发生了突变，产生了这种深色的表型。这个基因发挥了很重要的作用，它可能控制了自然界非常多的翅花纹，无论是蛾翅的花纹，还是蝶翅的花纹。

 

 

为了进一步验证cortex基因的功能，我们还用基因编辑的手段，在一只枯叶蛱蝶的受精卵里面敲除了它的cortex基因，获得了一个个体，想看看它的翅花纹会是怎样的呈现。

 

当这个个体长大成蝶后，我们发现它确实拥有嵌合的表型。它的一部分翅花纹受到了cortex基因被敲除的影响，呈现出了斑驳的翅花纹。

 

▲ 基因cortex功能的缺失会使翅花纹受到影响。图片改编自：Wang et al. Cell 2022

 

这也就再次印证了这个基因可能参与控制了枯叶蛱蝶的叶形花纹，所以敲除这个基因会使它的叶形花纹受到影响。

 

此外，这五种等位基因在同一个枯叶蛱蝶的种群里也是有不同的存在频率的。例如等位基因的频率不一样，基因型的频率不一样，表型的频率也不一样。

 

 

当我们去回溯前面的研究，就发现这么多的多态性，这么多的翅花纹，其实都产生自它们的共同祖先。

 

其中，控制素面这个表型的基因P可能是祖先型的一个基因，而其他的等位基因是后来才演化出来的，它们有一个先后关系。

 

▲ 图片改编自：Wang et al. Cell 2022

 

之后我们又发现，有一些表型到现在还没有找到能纯合的个体，例如说这种有霉斑的个体，它一般都是以杂合的状态存在的。

 

▲ 图片改编自：Wang et al. Cell 2022

 

这可能就是因为控制这些霉斑的等位基因也是相对新产生的，它可能还存在一些不适应的情况，所以主要还是以跟其他的等位基因产生一个杂合的状态存在。

 

因此我们得出结论，这些多种多样的叶形花纹，其实是产生于枯叶蛱蝶属的共同祖先，然后在它们的各个物种中进行继承和保留后的结果，这也是枯叶蛱蝶属可以维持这种叶形多态性的一个机制。

 

于是我们基于群体遗传学建立了一个模型去验证，这是我们的模型图。其中的箱型图代表的是模型模拟出的基因型频率，圆圈代表的是实际观察到的这基因型频率。

 

▲ 图片改编自：Wang et al. Cell 2022

 

可见实际值和模拟出来的值是匹配得很好的，很好地解释了当前我们观察到的野外环境里枯叶蛱蝶的基因型频率。

 

这说明枯叶蛱蝶这么多的叶形翅花纹，是受到了长期的平衡选择而保留下来的。

 

▲ 图源：张蔚实验室

 

试想一下，如果大家在买假花时看到质量不好印得千篇一律的，是不是一眼看上去就是假的？如果说是多种多样的，可能就使天敌更不容易分辨，也就使得这样一些物种获得了更好的伪装。

 

 

05 过程中的惊喜

 

讲到这里，这个故事暂时要告一段落了，我们的研究也以封面论文的形式发表在了生物学期刊CELL上。我们建立了一个以枯叶蛱蝶为模式的研究体系，但这仅仅是一个开始。

 

 

《自然生态与演化》期刊对这个研究非常感兴趣，他们评价说这个工作的全面性是很好的，分别从宏观和微观研究了生物演化的问题。并且聚焦了一个被关注得较少的区域，也就是以我国墨脱县为代表的喜马拉雅东部的区域。

 

 

而我们要说的是，喜马拉雅东部的这个区域，其实是一个生物多样性的热点地区。一开始我想要去墨脱县进行研究，只是因为我觉得枯叶蛱蝶在这里会有分布，但是我没有料到这里竟然有着这么丰富的多样性。

 

当时我们采集到了很多枯叶蛱蝶属的物种，以至于一开始我以为弄混了，后来才发现并没有，它们真的是不同的物种，那时候我才知道，赚到了。

 

也许这就是科学研究有意思的地方，你不知道你的假设和最后的结论会对应成啥样，很多的惊喜都是在过程里发现的，我觉得挺有意思。

 

最后我想说，关注生物多样性就是关注人与自然的关系，最后也就是关注我们人类自身。我今天的演讲就结束了，谢谢大家。

 

 

文字版内容根据试讲有所增补。

 

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