蝴蝶換新衣，只需六代
IvyP 發表於今天13:55
野生的偏瞳蔽眼蝶。圖片來源：flickr.com
耶魯大學的研究者們發現，蝴蝶通過改變翅膀上鱗片的結構，能在六代之內快速產生新的顏色。研究論文[1] 於8月4日發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。
以往研究發現，蝴蝶翅膀的結構色有多種產生機制，然而科學家們卻還不太清楚這些千變萬化的顏色是如何演化出來的。為了深入了解這個問題，研究團隊將注意力投向了蔽眼蝶屬（Bicyclus）。該屬包含超過80種蝴蝶，其中絕大多數的翅膀呈棕色並帶有眼狀花紋，如偏瞳蔽眼蝶（Bicyclus anynana）。然而有一些蔽眼蝶則獨立演化出了前翅背面上藍紫色的橫紋，例如桑巴蔽眼蝶（Bicyclus sambulos）和藍帶蔽眼蝶（Bicyclus medontias）。
三種蝴蝶的翅膀比較。圖片來源：研究論文
與其它蝴蝶一樣，偏瞳蔽眼蝶翅膀上的鱗片包括表層鱗片（cover scales）和底層鱗片（ground scales），兩種鱗片會交替排列，表層鱗片部分覆蓋底層鱗片，兩種鱗片基部均與翅膜相連。單個鱗片又分為上片和下片，其中下片（lower lamina）為連續的光滑表面，而上片則含有平行排列的縱肋（ridge）以及橫肋（crossrib），並依靠小梁（trabecula ）結構與下片相連。這些結構在不同蝴蝶中厚度和样式會有所不同，它們能夠通過使光發生干涉、衍射和散射，產生不同顏色。
偏瞳蔽眼蝶翅膀鱗片結構，由左到右逐一放大。中間的圖中展示了表層鱗片（c）、底層鱗片（g）以及翅膜（m）；右圖中展示了單個鱗片的下片（LL）以及上片的縱肋（R）、衡肋（ Cr）、小梁（T）和窗口部位（W）。圖片來源：研究論文
研究者們首先利用顯微鏡挑選出了翅膀對藍紫色波長反射能力最強的雌性和雄性蝴蝶進行繁殖。到第六代時，他們驚喜地發現，偏瞳蔽眼蝶原本棕色的翅膀變成了藍紫色，而這一過程僅僅用了不到一年的時間。為了進一步弄清藍紫色產生的機制，研究者們選取了最後一代蝴蝶中，翅膀對藍紫色波長反射能力最強的雌性，對它們的翅膀以及單個表層鱗片和底層鱗片的正反兩片分別進行了光學測量，同時用野生型偏瞳蔽眼蝶作為對照。結果發現，蝴蝶翅膀的表層和底層鱗片的下片都有所增厚，而後者增厚幅度更大，是顏色改變的主要原因。另外，偏瞳蔽眼蝶翅膀鱗片的透光性也有所增加，這也有助於產生藍紫色。
左圖為偏瞳蔽眼蝶翅膀上的藍紫色，圖中展示了表層鱗片（C）和底層鱗片（G）；右圖為野生的偏瞳蔽眼蝶（左）的翅膀和經過人工選擇的第八代偏瞳蔽眼蝶（右）的翅膀。圖片來源：研究論文
另外，研究者們還對天然帶有藍紫色翅膀的桑巴蔽眼蝶和藍帶蔽眼蝶的鱗片進行了光學分析。結果顯示，這三種蝴蝶的翅膀產生藍紫色的原理相同，但部位不同：偏瞳蔽眼蝶的藍紫色主要產生於底層鱗片，桑巴蔽眼蝶則產生於表層鱗片，而藍帶蔽眼蝶的則產生於兩種鱗片。
由於表層鱗片與外部光線的接觸面積更大，因此不難推測結構色多由表層鱗片產生，然而實驗中經過人工選擇的偏瞳蔽眼蝶卻出人意料地演化出了利用底層鱗片產生顏色的機制。研究者們推測，可能是由於實驗室中的培養箱內蝴蝶密度較大，它們之間碰撞的機率也會增加，並且在選取和測量的過程中都有可能導致表層鱗片的剝落，從而使得底層鱗片成為了人工選擇的主要作用部位。同時這一結果也證明，表層和底層鱗片在選擇過程中都有發生獨立變化的巨大潛能。
這項研究說明在蝴蝶體內長期存在基因多樣性，在選擇壓力下，能夠在短時間內出現較大的變化。這一能力可能對蝴蝶的健康和多樣性十分重要，因為有觀點認為，蝴蝶翅膀上的圖案可以作為物種識別、配偶選擇等的信號。同時，研究也為未來有關結構性顏色的遺傳學奠定了基礎。此外，人們還可以模擬鱗片的光學特性，來設計開發電子材料和設備。（編輯：球藻怪）
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