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。圖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。圖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。
圖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。
圖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)