枯葉蛺蝶俗稱(chēng)“枯葉蝶”，有著(zhù)帶橙色斑紋的藍絲絨樣的美麗翅膀。當它停下來(lái)將翅膀合攏后，華麗的翅膀就會(huì )消失不見(jiàn)，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。這種神奇的演化結果究竟是被何種遺傳機制調控的？枯葉蛺蝶在分類(lèi)學(xué)、形態(tài)學(xué)等多學(xué)科中都受到了相當的重視，但是關(guān)于它們的起源和神奇擬態(tài)演化的遺傳基礎研究仍較為缺乏。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，回應了上述問(wèn)題。
大多數人關(guān)于童年的印象里，可能都有一個(gè)蝶影蹁躚的場(chǎng)景，蝶翅的絢麗斑紋自由而靈動(dòng)，為初識世界打開(kāi)一扇美麗多樣的窗。作為一種完全變態(tài)發(fā)育的昆蟲(chóng)，蝴蝶在幼蟲(chóng)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)監測，從多個(gè)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(guān)超過(guò)18000個(gè)蝶類(lèi)物種，令人印象最為深刻的，莫過(guò)于小小的蝶翅。這個(gè)器官的結構看似扁平簡(jiǎn)單，卻承擔著(zhù)復雜的生物學(xué)功能，諸如運動(dòng)、求偶、御敵、熱調控等。結構簡(jiǎn)單但功能復雜的蝶翅，是大自然塑造的產(chǎn)物，受到了諸如自然選擇、性選擇等壓力的驅動(dòng)，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(gè)模式。我們如何理解蝶翅的多樣性？蝶影重重之中，選擇何種體系來(lái)開(kāi)展何種研究？自始至終是一個(gè)問(wèn)題。例如，在亞馬遜叢林里，具有毒性、不同物種呈現相似的鮮艷翅花紋、發(fā)生了輻射式演化的袖蝶，是研究物種形成、種間雜交、適應性輻射的理想體系。在東南亞雨林里，無(wú)毒的玉帶鳳蝶呈現出了模仿有毒鳳蝶的鮮艷翅花紋，但這種擬態(tài)現象卻限于雌蝶，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(gè)體具有的諸如結構和功能的差別）、適應性演化帶來(lái)了靈感。而本文聚焦的一類(lèi)隱秘低調的蝴蝶，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(wú)處不在，這一類(lèi)動(dòng)物模仿植物的現象因大有裨益，在動(dòng)物界廣泛存在，例如亞馬遜葉魚(yú)、馬拉西亞葉蛙、葉?、擬葉螽蟖等，但不影響本文主角成為最著(zhù)名和引人注目的葉形擬態(tài)動(dòng)物之一。圖1 枯葉蛺蝶中華亞種翅表型。其翅腹面展現惟妙惟肖的葉形表型，背面展示鮮艷的斑塊。丨圖源：滕德群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。當它們的翅向后折疊，巧妙模擬了棕色的枯萎葉片，類(lèi)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(lèi)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動(dòng)。而當其展翅飛舞，又呈現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(jìn)而受到了性選擇壓力的驅動(dòng)，但也有可能是為了警示天敵，是另一種自然選擇的結果，有待于進(jìn)一步研究和確認。由此，筆者認為其翅背腹面不對稱(chēng)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(zhù)作《達爾文主義：對自然選擇理論的探討及其部分應用》中即有記載，認為它們是“蝴蝶中最美妙和毫無(wú)疑問(wèn)的保護性相似的實(shí)例” [1]。在這之后的一百多年里，科學(xué)家從分類(lèi)、譜系地理、生理與形態(tài)等多個(gè)角度對其開(kāi)展研究，認為其葉形表型是一種漸進(jìn)式演化的產(chǎn)物，為探究構成葉形擬態(tài)各種翅型元素的演化和遺傳機制奠定了基礎。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(guò)收集和分析蛺蝶科20個(gè)屬的蝴蝶樣本，發(fā)現了葉形擬態(tài)在蛺蝶科呈現趨同演化，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(gè)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(guò)程中，筆者和團隊還在東亞與東南亞的11個(gè)地理區域收集到枯葉蛺蝶屬6個(gè)物種的樣本（圖2），雖然深知沒(méi)有哪兩片葉子是完全相同的，但要從個(gè)體差異中辨認出共性，鑒定其所屬何物種仍是一個(gè)很大的考驗。然而，與之相比，更大的困難可能來(lái)自于從那些叢林密布的生境發(fā)現它們的身影，這是對其開(kāi)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域（墨脫縣）可采集到三個(gè)物種的樣品，在其他采集地點(diǎn)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一年的科學(xué)考察中獲得了非常重要的線(xiàn)索，即在西藏墨脫縣的雨林里，發(fā)現了至少三種枯葉蛺蝶屬物種，這與在其他任何一個(gè)區域只能收集到單個(gè)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(zhù)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。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(cháng)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(kāi)辟了一條通道，其數千米的海拔落差也為當地豐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(zhù)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(lái)的遠客一掃疲憊。在這片蓮花密境之中，枯葉蛺蝶屬的來(lái)歷也即將被揭開(kāi)。圖4 即將穿過(guò)嘎隆拉隧道抵達墨脫。張蔚/攝基于在墨脫的發(fā)現，筆者和團隊提出假設，即喜馬拉雅東部地區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(gè)可能，即該地區是枯葉蛺蝶屬的避難所，使其在冰期得以幸存。實(shí)際的研究結果印證了第一個(gè)假設，系統發(fā)生、種群歷史、棲息地模型等分析的結果顯示了枯葉蛺蝶屬多個(gè)物種的種群均存在由喜馬拉雅東部地區遷出并向東南亞島嶼擴散的趨勢，而喜馬拉雅東部地區在多個(gè)歷史時(shí)期均可能為枯葉蛺蝶屬提供相對適宜的棲息地，其屬內物種分化的時(shí)間也可與青藏高原的隆升時(shí)期相對應。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(guò)數十萬(wàn)載，而分化的起點(diǎn)始于青藏高原東南部。而彼時(shí)的海南和臺灣等島嶼通過(guò)陸橋與大陸相連，爪哇島、蘇門(mén)答臘島、婆羅洲島與泰國-馬來(lái)半島構成了巽他古陸。借道冰河期的古陸橋，枯葉蛺蝶屬進(jìn)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(lái)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系和其他低地生物多樣性熱點(diǎn)地區的關(guān)系，也為理解物種多樣性的形成提供了一個(gè)重要的切入點(diǎn)。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(gè)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(xiàn)蟲(chóng)、擬南芥一樣，成為了模式（被選定進(jìn)行科學(xué)研究的生物物種，用于揭示生命科學(xué)的一般規律），只是解鎖這個(gè)模式尚無(wú)經(jīng)驗可循，唯有多次的嘗試和摸索。飼養室位于地下二層，悶熱憋氣，卻恰好為枯葉蛺蝶和其寄主植物提供了一個(gè)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，即發(fā)現了枯葉蛺蝶具有至少10種離散的葉形表型（圖6），而通過(guò)家系實(shí)驗進(jìn)一步確認了這10種表型，并發(fā)現它們可能是受到了孟德?tīng)枂位蜃刂?，推定可能?種等位基因。圖6 在枯葉蛺蝶中華亞種發(fā)現了10種離散的葉形表型，推測其可能受到一個(gè)孟德?tīng)柣蜃刂?。丨圖源：參考文獻[2]
通過(guò)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(gè)單基因cortex參與控制了這一系列的葉形表型，并具有5個(gè)單倍型。這不僅印證了之前的假設，還陸續發(fā)現其單倍型間的連鎖不平衡由染色體倒位、拓撲關(guān)聯(lián)結構域等多種機制來(lái)維持。與之調控翅表型相對應的，該基因展現了與枯葉蛺蝶翅發(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(gè)體表型。cortex基因嵌合缺失突變體呈現斑駁的翅表型，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(shí)，這個(gè)大名鼎鼎的cortex基因并非等閑之輩。作為一個(gè)控制蝴蝶翅發(fā)育的工具盒基因（參與控制生物形態(tài)和結構等發(fā)育過(guò)程的基因），它還被發(fā)現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(lèi)工具盒基因在發(fā)育過(guò)程中承擔著(zhù)重要的作用，容易被自然選擇壓力所喜好，進(jìn)而獲得更多的調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和，這也展示了保守的發(fā)育進(jìn)程中的可演化性，進(jìn)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?zhuān)骄科淙绾卧诳萑~蛺蝶屬諸多物種起源和演化，就又要繼續未知的探索。筆者團隊發(fā)現不同的葉形表型在多個(gè)枯葉蛺蝶屬物種中均有存在，而不同表型及基因型在多個(gè)物種的野生種群具有不同的頻率。要維持這樣的多態(tài)性，筆者團隊假設其可能受到了自然選擇的壓力，即受到了長(cháng)期的平衡選擇而使多態(tài)性在各個(gè)物種均得以保留。如果該假設得以證實(shí)，這又將是一個(gè)令人興奮的發(fā)現。長(cháng)期以來(lái)，平衡選擇壓力驅動(dòng)下的多態(tài)性大多見(jiàn)于物種以下水平或分歧時(shí)間較短的物種間，這是歸因于倘若具有不同表型的個(gè)體具有不同的適合度，則將與其表型對應的遺傳信息遺傳給后代的機會(huì )就有所差別，這種差別最終將造成種群內個(gè)體產(chǎn)生的后代數量低于預期水平，對種群的延續造成了壓力，亦稱(chēng)之為遺傳負荷。通過(guò)對枯葉蛺蝶屬多個(gè)物種的cortex基因進(jìn)行分型和構建群體遺傳學(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(kāi)啟。蝶翅背腹面的不對稱(chēng)性，結構色與色素色星羅棋布，旱雨季翅花紋轉換、隱秘的物種、未知的表型……以及表象之下所暗含的適應性演化、表型可塑性、個(gè)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知，所有的未知有待繼續探索。這又是一個(gè)新的雨季，此刻墨脫的萬(wàn)重山壑間，雨后彩虹、空山鳥(niǎo)鳴（圖8）。而追蝴蝶的人將再次啟程，為這翩躚蝶影，千千萬(wàn)萬(wàn)遍。[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.
