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 “兩棲爬行動物保護(hù)協(xié)會”擬面向全國致力于兩棲爬行動物科普知識宣傳與保護(hù)的志愿者協(xié)會。目前已受到中科院成都生物所兩棲爬行動物研究中心等相關(guān)部門的強(qiáng)力支持。協(xié)會立足于中國兩棲爬行動物研究中心——中科院成都生物所兩棲爬行動物研究中心。協(xié)會計劃每年開展系列科普宣講活動,能與各個大學(xué)、研究所、自然保護(hù)區(qū)、動物園、政府部門、社會團(tuán)體等機(jī)構(gòu)展開合作。

動物界的“拿來主義”

從水到陸
2015年07月11日

作者:CSAR科普團(tuán)

《詩經(jīng) 小雅》中有這么一句話——他山之石,可以攻玉。人們習(xí)慣于把它引申為這樣一個意思,即外來的事物可以幫助自己提高。通常情況下,先行者總是要付出更多的代價,而追隨者只需要“拿來主義”就可以獲得一樣的效果,其成本和面臨的風(fēng)險要小得多。
但是在生物界,除了微生物,“拿來主義”至少在人們的意識中不是那么流行,這是因為我們總覺得在各個物種之間存在著天然的壁壘,那就是生殖隔離。很早以前我們就在教科書里學(xué)到,生殖隔離造就物種形成。生物性狀都是要通過遺傳給下一代才能保留下去,不同物種之間顯然很難合伙做這件事,所以,你的就是你的,我的就是我的。烏龜不會因為看兔子跑得快,就想要把兔子的腿拿過來,傳給下一代。
還有一些關(guān)系比較近的近緣物種之間可以產(chǎn)生雜交后代,比如你一定順口就能說出來的騾子和獅虎獸等。但你一定也知道,它們都是人工的產(chǎn)物,在生物學(xué)意義上并不是成功的雜交物種。
往細(xì)了說,近緣物種之間的雜交在生物界其實并不罕見,但關(guān)鍵的問題是雜交了之后有沒有對其中的某個物種產(chǎn)生了好處。在一些情況下,即便發(fā)生了雜交,但雜交性狀本身是中性的,對物種來說沒有意義;又或者,在自然選擇的作用下,雜交個體或后代直接被淘汰出局,從而也沒有產(chǎn)生什么積極的影響。
這么看,要找到動物界“拿來主義”的例子,希望就很渺茫了嗎?當(dāng)然不是!生物圈是一個神奇的地方,“拿來主義”這種低成本高收益的事,肯定都不乏例子。
袖蝶(Heliconius butterflies)是一類大名鼎鼎的蝴蝶,包含有很多個物種和亞種。而且,即使你沒聽過這種蝴蝶的名字,那你也應(yīng)該接觸過“擬態(tài)”這個詞。米氏擬態(tài)(M llerian mimicry)是擬態(tài)的一種形式,指的是物種以鮮艷的顏色等手段警告或嚇唬其天敵,而袖蝶就是米氏擬態(tài)的典型代表物種,你可以從它們的翅膀上看出來。
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1袖蝶鮮艷的翅膀可以用于嚇唬天敵(圖片來自維基百科)

紅帶袖蝶(Heliconius melpomene)是袖蝶的一個種,在中南美不同的分布區(qū),這個種擁有30個左右翅膀上不同的圖案格局,而這些所有圖案又可以統(tǒng)一歸為兩類,一類是紅帶型(前翅有一個紅帶),另一類是放射型(前翅有橙色斑點,后翅有放射狀橙色),我們可以簡單把它們稱之為紅色和橙色。此外,在同一區(qū)域還分布有另外三個物種青衫黃袖蝶(H. cydno)、白袖蝶(H. timareta)和富麗袖蝶(H. heurippa)。其中青衫黃袖蝶的擬態(tài)自成一派,翅膀條紋由黑色和黃色或白色組成,而白袖蝶和富麗袖蝶的圖案格局卻與和紅帶袖蝶類似。
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2 四種袖蝶的分布和翅膀圖案格局(左圖為紅帶袖蝶的分布,右圖為另外三種袖蝶的分布,顏色代表翅膀圖案類型,圖片來自Pardo-Diaz et al. 2012)

我們知道,擬態(tài)對袖蝶來說非常重要,因此它們的翅膀圖案格局勢必受到強(qiáng)烈的自然選擇,紅帶袖蝶、白袖蝶和富麗袖蝶之間相似的圖案格局肯定與它們所處的環(huán)境有關(guān)。到這里問題來了,是什么原因,或者說是驅(qū)動力使它們進(jìn)化出了同樣的翅膀圖案呢?

第一個可能就是它們是各自獨立起源的,也就是趨同或者平行進(jìn)化。但是,雖然趨同/平行進(jìn)化在自然界中也很常見,但不要忘了,紅帶袖蝶有上文提到的紅色和黃色兩大類圖案,在三個物種中兩大類表型上同時發(fā)生獨立起源,這樣的概率其實是非常低的。第二個可能是某個表型是祖先性狀,然后在進(jìn)化過程中發(fā)生了缺失,使有的支系個體改變了表型。然而,這幾種袖蝶的翅膀圖案格局和它們之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系并不一致,因此這樣的概率也很低。

同時,研究人員發(fā)現(xiàn)這幾個物種之間盡管存在強(qiáng)烈的生殖隔離壁壘,但在某些區(qū)域仍然有低水平的雜交出現(xiàn),這就使得第三個可能出現(xiàn),即某翅膀圖案在一個物種出現(xiàn)以后,其它兩個物種通過雜交獲得了相同的圖案,也就是我們提到的“拿來主義”。

進(jìn)化生物學(xué)本身是一個非常不直觀的科學(xué),因為我們無法看到歷史本身,而只能通過實驗和分析來推斷。要驗證上面的假設(shè),就需要首先找到與翅膀圖案相關(guān)的遺傳標(biāo)記,然后再尋找它的起源。

基因組研究發(fā)現(xiàn)optix基因是與紅帶袖蝶的翅膀圖案相關(guān)的基因,遺憾的是這個基因的蛋白編碼區(qū)在這幾個物種相似的翅膀圖案個體之間沒有變異,本身不能作為研究的分子標(biāo)記。但Pardo-Diaz等(2012)在optix的側(cè)翼非編碼區(qū)發(fā)現(xiàn)了一個DNA座位HmB453k與它們的翅膀圖案關(guān)聯(lián)程度最好,通過鄰接法和最大似然法構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹都能夠很好反應(yīng)這一點。因此,追溯這一段DNA片段的歷史,可能可以幫助我們找出相關(guān)翅膀圖案的起源之謎。

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3 物種系統(tǒng)樹(上)與HmB453k座位的最大似然樹(下)(圖例與圖2相同,圖片來自Pardo-Diaz et al. 2012)

種群遺傳學(xué)的溯祖理論能夠幫助我們分析基因座位的起源(關(guān)于這個理論的詳細(xì)描述可以參看大塊頭參考書),總之,最后研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)紅帶袖蝶和白袖蝶、富麗袖蝶之間在這個座位確實存在著基因交流,而且這個基因流是單向的,從紅帶袖蝶流向白袖蝶和富麗袖蝶。因此,白袖蝶和富麗袖蝶的的翅膀圖案,可能就是從紅帶袖蝶那里“借”來的。

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4 HmB453k座位在紅帶袖蝶的基因流方向(綠色代表流入,藍(lán)色代表流出,橫軸為基因流強(qiáng)度,圖片來自Pardo-Diaz et al. 2012)

說了這么多,那么這個發(fā)現(xiàn)對我們有什么啟示呢?人們探索自然界的一個終極目標(biāo)就是要弄清楚豐富多彩的生物多樣性是怎么形成的。物種間的雜交對生物多樣性形成的貢獻(xiàn)一直被忽略?,F(xiàn)在,到了重新正視這個問題的時候了,說不定,物種概念本身,都會受到挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)

Pardo-Diaz et al. 2012. Adaptive introgression across species boundaries in Heliconius Butterflies. PLoS Genetics 8(6): e1002752.

中國科普博覽-從水到陸專欄 首發(fā)
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