北大生命科学学院研究员张蔚：蝶影重重—揭秘丛林伪装者

　　 　　主题为“和而不同，思想无界”的 CC讲坛第50期演讲于2022年9月24日在北京东方梅地亚M剧场举行。来自北京大学生命科学学院研究员张蔚出席，并以《蝶影重重—揭秘丛林伪装者》为题发表演讲。

　　以下为演讲全文：

　　大自然中存在着各种各样的动物伪装者，它们在多样的生境中展示它们的隐身绝技，在这场奇妙自然的旅途中，伪装者神秘低调又生机勃勃，它们身上到底隐藏着自然赋予的什么秘密？

　　由于叶子在自然界中无处不在，在一众伪装者中，拟叶伪装是一种广泛存在的模拟植物的拟态现象，只要用心观察，你就能发现这些拟叶动物的踪迹。在这一众叶形拟态动物中，有一种因其拟叶绝技久负盛名，它就是枯叶蛱蝶。

　　大家好，我是张蔚，来自北京大学生命科学学院，很高兴能为大家介绍我们的研究成果，揭开枯叶蛱蝶拟叶绝技的秘密。我们实验室的主要研究方向是演化生物学，研究非模式生物。这是一类基础研究，它将拓展我们认知的边界。

　　首先解释一下，模式生物和非模式生物的区别。模式生物是用来研究特定生物学过程的物种，用于揭示生命现象的普遍规律，例如果蝇、拟南芥、小鼠等，它们的研究基础比较好。然而，它们是大自然的沧海一粟，更广泛存在的是非模式生物，具有很多模式生物不具备的特征，可用于研究更多科学问题，一般来讲，研究非模式生物相对困难，科学技术的发展解锁了深入研究它们的可能性，甚至有望将之建立成研究体系。因此，这个研究过程将充满挑战，但也是探索未知的必经之路。

　　我的研究主要关注的就是蝶翅。为什么要关注蝶翅？它有一些怎样的特点？请大家先看一下右边这幅图片，蝶翅的花纹多彩多姿。它们的结构相对简单，近似于一个二维平面上覆盖着有各种花纹的鳞片；当它们的功能又很复杂，包括运动、热调控、求偶、御敌等等。这样一类结构简单、功能复杂的器官，是很好的研究对象，我们用它研究一些有意思的问题，它们的多样性如何产生，大自然又是如何塑造蝶翅的？

　　随着我的合作者西藏昆虫学家达娃老师的镜头，我们来到枯叶蛱蝶的栖息地，这是中国西藏自治区的墨脱县，请大家从一个天敌的视角仔细观察，是否已经发现了猎物？而当镜头逐渐拉近，是否又发现这些蝴蝶拟叶翅花纹的区别？没有哪两片叶子是一模一样的。它们展示了多样的叶形翅花纹。

　　视频中展示的是枯叶蛱蝶的翅腹面，它们闭合着翅。但当它们飞翔时，会显示出它的翅背面，带有鲜艳的斑块。其实早在1867年，它们就被演化生物学的先驱华莱士所发现，并写在了书中。这本书也与这项研究的萌芽直接相关。

　　时间回溯至2015年，我在芝加哥大学生态与演化系做博士后研究。有一天我在读华莱士的《动物拟态和其他保护性相似》，它记载了对于枯叶蛱蝶的精彩描述，给我留下了深刻的印象。枯叶蛱蝶在我们国家是三有动物，以保护性伪装而出名。我意识到这是一个很好的研究体系，并决心研究它们。这类蝴蝶的蝶翅有背腹面迥异的花纹，显示出可能受到不同的选择压力。这些假设都有待于进一步研究和证明。

　　因此，这个体系可以用于研究不同选择压力驱动下的表型多样性，此外还可以研究背腹面表型不对称的发育机制。我把这个想法分享给了我的导师，以及和我同系的著名华人演化生物学家龙漫远教授，他们都对我的想法非常支持。

　　我就此总结一下我们的这个研究体系都可以研究什么科学问题。我们以枯叶蛱蝶的蝶翅为模式研究生物多样性，包括遗传多样性、物种多样性，以及受到环境因素和遗传因素影响的表型多样性，所以我认为它是一个非常好的体系。

　　要研究枯叶蛱蝶，首先要了解它的生活史。它从受精卵孵化，在幼虫时期要经历多次蜕皮，进而结蛹，破茧成蝶。在幼虫期，离不开赖以为食的寄主植物，因此，我们做蝴蝶研究，不仅要在实验室饲养蝴蝶，还要找到并饲养它们的寄主植物，给他们做口粮，这对于非模式生物的研究来说，着实是一个大工程。大家可以猜想我们把一只枯叶蛱蝶养大成蝶，需要多少寄主植物？需要15盆，大约几十颗寄主的小苗。只有把这些问题搞明白了，才可能去开展研究，这也是研究非模式生物的一个特色。

　　回到我们的研究体系，我们今天要介绍的是蝴蝶模仿植物，这是一种特殊的伪装，也是一种欺骗，称之为叶形拟态。总而言之，拟态使蝴蝶逃避了捕食者，是有好处的，它们展示的这些巧妙拟态是经受大自然选择所造成的，也可以理解为在这些拟态体系里，没有这么相像的蝴蝶都被淘汰掉了，这是一个被动被选择的演化过程。

　　谈到生物演化，不管是我们平常听到的进化还是演化，指的都是一回事，对应的英文单词都是evolution，词根是evolve，卷着的东西展开，所以从这个角度来看，演化本身是没有方向的。生物演化可以追溯至生命起源的阶段，我们都共享一棵生命之树。它枝繁叶茂，也不是一种简单的线性的演替，让我们看到的世界多姿多彩，这也是生物多样性的魅力所在。

　　在这样一个演化的框架下，我们可以提出很多问题，例如：生物种是怎样形成？物种又是怎样适应生存环境的？演化本身是没有方向的，没有低级和高级之分，但是选择压力在一定时间内可能有一定的方向，那么施加在生命体上的选择压力又是怎样？只有选择压力本身，没有可供选择的材料也是不行的，所以我们的遗传信息里会存在一定的变异，它们又从何产生，有何结局呢？这些都是生物演化领域关注的问题。

　　有了研究框架和手段，我们准备揭开今天主角的神秘面纱。我首先参与组装了枯叶蛱蝶中华亚种的参考基因组，为后续开展基因组学研究建立了基础。之后，我们还实现了在实验室条件对枯叶蛱蝶饲养和开展实验。我们开发了一系列分析软件，用来准确的判断枯叶蛱蝶这些复杂的翅表型。我们还开发了一个基于深度学习的软件来分析复杂的物种关系。这些方法不仅可以帮助我们自己开展工作，也可以应用到其他的研究中去。

　　有了这些研究基础，我们需要采集样品，枯叶蛱蝶在分类学中是一个属，分布范围很广泛，其中包括多个物种，弄清楚样品所属的物种及其关系，这是开展研究的重要前提。之后，我们将从宏观和微观演化的水平对枯叶蛱蝶开展研究。

　　我们首先将从宏观演化的水平解析枯叶蛱蝶属的物种多样性，解析其物种的起源和演化。我们去到它们自然的生境里进行观察，足迹遍布典型的分布区域，并幸运的获得了一些罕见的样本。这个图上所示的是一些主要采集区域。我们还厘清了这些枯叶蛱蝶的物种关系，发现它们在系统发生树上构成了一个单系群，这都是后续开展研究的基础。

　　我们采集枯叶蛱蝶的地区很多都是热带和亚热带的雨林，例如西藏、云南、海南等等，听起来似乎都是旅游或者徒步的胜地。但对于采集样品来讲，更多的时间不是在看如画的风景，而是风景在看着如痴的我们，看我们寻找蝴蝶的身影。我们躲过了毒蛇，但很多人没逃出蚂蝗和一点红的追捕。我们的博后曾被一点红咬到了手，手就肿的像个馒头，但还是坚持每天完成采集工作。

　　在这个过程中令我印象最深的一件事，莫过于枯叶蛱蝶的采集，我们习惯采用捕虫网，有时难以追上它们隐蔽又迅速的身影。后来，我们根据枯叶蛱蝶成虫喜食发酵水果汁液的习性，准备了诱笼，并为它们奉上混合着啤酒和西瓜的大餐，但收效甚微，有时遇到降雨，把食物冲散，有时即使食物完好，也吸引不到枯叶蛱蝶。最后我们恍然大悟，原来雨林里并不缺乏腐烂的果实，我们准备的大餐显然不够有吸引力。我们的同学灵机一动，去当地的菜市场，买了鸡肠鸡杂，再经过阳光暴晒，发出了刺鼻的味道，让人避之犹恐不及。但就是这种味道，尤其受蝴蝶的亲睐，纷纷现身大快朵颐，原来这才是枯叶蛱蝶的大餐！虽然大家被熏得受不了，但纷纷表示这个办法绝妙。

　　在采集过程中，我们还发现了有意思的现象。枯叶蛱蝶属的样品是广泛存在的，一般在一个地理分布区只能获得一个物种或者亚种的样品，但我们在西藏的墨脱县，属于喜马拉雅东部区域的地方，获得了多个物种的样品。一开始我们没意料到这个发现，以为是把样品弄混了。等到我们把样品的基因组分析验证了以后，才相信了这个事实。这里为什么会有这么多种枯叶蛱蝶物种呢？我们因此提出假设，认为这个区域可能是枯叶蛱蝶属的分化中心，或者是它们在冰期的一个避难所。

　　此外，为了研究叶形拟态的起源，我们还收集到很多的蛱蝶科样本，包括一些有叶形拟态的其他蝶类，例如蠹叶蛱蝶、美洲枯叶蝶等等，就是在这个系统发生树标出绿色的样本，可以看出它们构成了多系群。自然界的叶子广泛存在，自然选择多次选择了类似叶形的翅花纹，这些叶形性状可能在蛱蝶科多次独立起源，这属于趋同演化。这样我们不仅把枯叶蛱蝶属的物种关系厘清了，还把枯叶蛱蝶属与其枝繁叶茂拟叶形的蛱蝶科物种之间的关系弄明白了，这让我们感到很开心，万事开头难，这确实是解决了比较困难的一件事。

　　根据提出的假设，我们进一步研究枯叶蛱蝶属的起源和分化。我们对这些枯叶蛱蝶的遗传信息进行聚类和研究，发现这些物种或者亚种都根据它们的亲缘关系聚类，说明我们目前的研究分类是比较合理的。

　　我们又研究了这些蝴蝶物种在历史上的种群大小的变化，这张图是根据遗传信息反映出从现代到以前，不同物种种群的变化情况。可以看到大部分的枯叶蛱蝶属物种或亚种，有比较大的种群，但是都在末次冰期受到了瓶颈效应的影响，具有波动。但总体来说在喜马拉雅东部区域的物种都显示出相对较大的种群，再次说明这个区域对枯叶蛱蝶比较重要。有一个例外，蓝带枯叶蛱蝶始终保持较小的种群，这种蝴蝶目前在我国仅在墨脱发现分布，样品难以获得，这也印证了它种群较小这一点。我们很难像研究大型动物一样对这些昆虫进行抽样计数。但通过基因组学研究可以获得这些数据，这可以为生物保护提供科学依据。

　　我们又进行了一些基于模型的分析，研究不同亚种之间或者不同种群之间的基因流，即遗传信息的交换。这个研究发现了枯叶蛱蝶属主要有一些单向基因流，从喜马拉雅东部向大陆区域流动，或从大陆向岛屿地区流动，反映了这些蝴蝶的一个迁移和分化的过程。我们还对它们历史上适宜的栖息地进行分析，发现喜马拉雅东部地区始终有适宜的生境，而冰期由于海平面下降产生的陆桥则有助于它们向岛屿进发，进而分化形成岛屿物种。这是一幅波澜壮阔的迁移图景，持续数十万年，枯叶蛱蝶属的分化时间和青藏高原隆起的时间相符，高原隆起产生的海拔落差形成了多样的生境，有助于孕育新的枯叶蛱蝶物种。至此，我们研究了枯叶蛱蝶属起源和演化的历程，揭示了山地生物多样性热点区域和低地生物多样性热点区域的联系，以及它们对物种多样性产生的贡献。

　　现在我们知道了枯叶蛱蝶属如何起源和演化，那它们的叶形翅型又是如何产生的呢？我们将从微观演化的水平解析它们叶形表型的遗传机制。我们观察到了它们具有表型多态性，就要回到实验室作实验。讲到这里，想问问大家印象里的植物和蝴蝶饲养室是什么样子的？是不是充满阳光的温室大棚？如果我不说，大家可能想象不出我们的温室是一个位于地下二层的地下室。这是一个由植物饲养室改造的小房间，很憋闷湿热，但枯叶蛱蝶喜欢这个恒温恒湿的状态，胜过喜欢我们楼上有窗户有阳光的房间，这反而成了我们成功实现全人工条件饲养枯叶蛱蝶的一个窍门。

　　我们先以枯叶蛱蝶中华亚种为模式，建立家系，把具有不同叶形表型的个体进行组合，看后代会有怎样的表型？在这个过程中，我们一共发现了10种离散的表型，我们给它们命名，有比较朴素的没有花纹的，有的有主脉，有的还有侧脉，有的有霉斑，还有的有水波纹，不同表型还会以一定的规律进行组合。这是很经典的遗传学研究方法，用在非模式生物上，可以想象我们付出了很大的努力。

　　我们还对这些表型进行判断，推测有5种等位基因，都位于一个单基因座，它们通过组合形成不同的基因型，参与控制这10种表型。这些基于初步实验结果提出的假设，逐渐让整个研究脉络更加清晰。发现这么多的叶形表型，是令我们惊喜的，但也意味着这个研究过程将比我们预期的还要复杂，科学研究中最有趣的事情，莫过于在提出和回答一个科学问题的过程中，陆续发现更多有意思的待解答的问题。

　　我们用饲养获得的个体，根据它们的不同表型进行分组，开展全基因组关联分析，解析控制叶形拟态的遗传机制，把两两类群进行比较分析，都在基因组同一个位置获得类似信号，使我们发现了一个控制拟态的关键基因cortex。这个发现又是一个意外之喜。

　　为什么这么说？cortex是一个大名鼎鼎的基因，蝴蝶的发育过程相对比较保守，有一些工具盒基因起到重要的作用，cortex便是其中之一。它已经被报道参与到多个受到自然选择产生表型多样性的例子里：例如在一个自然选择的有名的例子——桦尺蠖工业黑化中，它是参与控制野生表型和黑化表型的关键基因。

　　我们还用基因编辑的手段进一步验证了cortex的功能，这个基因的缺少会使枯叶蛱蝶翅腹面和背面的花纹受到影响，总而言之它是起到了非常重要的作用。

　　进一步，我们想知道这多样的叶形表型是如何维持的。我们统计了枯叶蛱蝶中华亚种中各种cortex基因型和表型的频率，发现它们都各不相同。说明cortex不同的等位基因已经演化了比较久的时间了。其实不仅是在这个种群，我们又在很多的枯叶蛱蝶属物种发现了叶形拟态的多态性，这个结果让人眼前一亮，这可能是一个平衡选择的例子。这些等位基因产生的时间，刚好跟枯叶蛱蝶属物种分化的时间是能对上的，进而又跟这个青藏高原隆起时间能对得上，这是一个罕见的长期平衡选择。

　　要维持长期的平衡选择，对于这些物种来讲是压力比较大的，因为不同的等位基因会有不同的适合度，会使种群受到遗传负荷的压力。即便如此，枯叶蛱蝶中的叶形多态性是长期存在的。我们还建立了模型证明它是受到了频率依赖的负选择和纯和劣势。这个比较好理解，例如，在枯叶蛱蝶中华亚种我们发现有些只能以杂合形式存在的基因型，例如具有霉斑表型的个体就都是杂合个体，说明最新演化出来的控制霉斑的这个等位基因，尚有一些劣势需要通过杂合状态来弥补。而频率依赖的负选择，在这个叶形拟态的体系里也显得顺理成章，试想如果捕食者看到整齐划一的叶形，着实有些假，这些多种多样的叶形，恰是自然的伪装，每一种都在种群维持一定的频率，这就是自然选择的结果，也是枯叶蛱蝶属的生存策略。

　　总结一下，我们在宏观和微观演化水平研究枯叶蛱蝶起源和多样化的工作，最近以封面文章的形式发表在《细胞》杂志。这归功于我们团队的老师和同学们，坚持数年如一日的工作，他们毫无保留的分享和合作，最终使得一个灵感乍现的想法得以实现

　　那我们究竟从研究枯叶蛱蝶的叶形伪装中获得了一些怎样的启发呢？我们解锁了一个新的研究体系，通过它研究了生物多样性的演化和遗传机制。这些丰富的生物多样性，是在保守的发育的框架下产生的，也是由地理变化和自然驱动驱动下产生的。这个体系还可以研究更多的科学问题，即使关于叶形伪装拟态的研究也是刚刚开始，这也只是蝶翅的其中一面，这是枯叶蛱蝶作为研究体系的魅力所在，也是科学研究的魅力所在。

　　当然，更多的启发，还包括对于研究非模式生物的感悟。孤举者难起，众行者易趋。非模式生物的研究，看似星星之火，但让我们得以遨游在生物多样性的海洋，探索和发现更多未知的生命规律。当我们克服重重困难再次回顾的时候，它们就变成了科学求索道路上的风景。

　　从枯叶蛱蝶的故事中走出来，我也想跟大家探讨一下身边的生物多样性，它跟我们的生活密不可分，例如当你看到了多姿多彩的蝴蝶，也就看到了丰富的寄主植物，看到了一个比较好的生态环境。生物多样性的研究，它不仅是生态演化领域的重要问题，它的重要性将逐渐被我们所关注，大自然的美好就在我们的身边，我们也是大自然的一部分。

　　新浪声明：所有会议实录均为现场速记整理，未经演讲者审阅，新浪网登载此文出于传递更多信息之目的，并不意味着赞同其观点或证实其描述。