教科书中飞蛾与蝙蝠的进化故事被改写

作者: 糖兽

来源: https://www.floridamuseum.ufl.edu/science/butterflies-plants-evolved-in-sync-but-moth-ears-predated-bats/

发布日期: 2019-10-22

一项新的研究表明,飞蛾的耳朵进化先于蝙蝠的声纳系统,至少早2800万年,这与教科书中关于飞蛾和蝙蝠进化的标准版本相矛盾。研究还揭示了飞蛾和蝴蝶的进化与开花植物和蜜蜂的密切关系,以及飞蛾耳朵进化的目的可能是为了探索世界和探测其他捕食者的声音。

飞蛾和蝴蝶是动物王国中种类最丰富的物种,已知的物种种类已经超过16万种。1964年,著名生物学家保罗·埃利希和彼得·雷文撰写了一篇开创性论文,他们首次将这些昆虫与开花植物之间紧密交织的关系作为共同进化理论的基础,阐述了不同的生物群体会根据彼此之间的反应而进化的思想。他们推断,当植物产生毒素来抵御饥饿的毛虫时,蝴蝶就会进化出了对它们的耐受性。

而反过来,植物也会不断加强它们的“武器装备”,让这两者在此消彼长的循环不断上演。

这种思想也延续到了飞蛾与蝙蝠的进化故事上。在所有教科书中,关于飞蛾和蝙蝠的标准进化版本是这样写的:数百万年前,蝙蝠进化出了声纳,它们能通过释放出高音的叫声再分析反射回的回声来感知世界。这种回声定位能力使蝙蝠能在完全黑暗的环境中识别并捕捉飞行的猎物。而作为它们的一种主要猎物——飞蛾也不断地进化出了能探测蝙蝠声纳的超声波耳朵,以躲避蝙蝠的追捕。一场物种之间为了生存而展开的进化竞赛开始了。

对于蝙蝠与飞蛾之间的这场古老的进化竞争,科学家已经研究了50年。但一项新的研究表明,所有的这些工作都是在一个错误的框架下展开的!佛罗里达大学的进化学家Akito Kawahara和他的研究团队发现,基本上所有的飞蛾的耳朵进化都先于蝙蝠声纳系统的进化——至少早2800万年。研究人员尚不清楚最初飞蛾进化出耳朵的目的,但可以确定的是这不是用于探测蝙蝠的。

这一消息对与之相关的研究领域来说是爆炸性的,这意味着从事蝙蝠和飞蛾研究的学者在过去的论文中所写下的介绍都是错误的。

关于飞蛾的起源,其实仍存在许多模糊不清之处。在过去的研究中,科学家一般会通过将活的飞蛾和化石飞蛾的物理特征进行对比来拼凑进化的细节。但采用这种方法通常很难估计特征的进化速度,从而往往会低估了一些重要的进化事件的时间——比如飞蛾耳朵的起源就是这样一个例子。

为了避免犯同样的错误,Kawahara和他的团队花了数年的时间在黑夜里游历世界各地的森林,他们用紫外线灯吸引飞蛾;检查了过去关于鳞翅目化石的研究,排除了任何可疑的例子;比较了186个物种的2000多个基因组,建立了一个可展示不同群体之间联系的系谱图。最重要的是,这个系谱图还显示了进化史上的那些重要转变都发生在什么时候。

石蛾是飞蛾和蝴蝶的最近的近亲,石蛾的幼虫生活在水中,之后才会改变形状,飞到空中。大约在3亿年前,有着相似的生活方式的昆虫离开水面,开始以早期的陆地植物为食,幼虫就生活在植物内部,从内部蚕食它们,最终成长为有翼的成虫,从一片叶子飞到另一片叶子。这些就是最早的飞蛾。

接着,两项重要的进化的出现,让这些生物有了发展成现在这样一个拥有16万个物种的庞大群体的可能:第一个出现在大约在2.41亿年前,成虫的咀嚼型下颚变成了一根卷曲的吸管——喙,从此它们可以啜饮花蜜。第二个是一些毛虫开始停止蚕食植物的内部,而是开始在植物的表面大快朵颐。

飞蛾进化出喙,从而可以啜饮花蜜。随着空间的增大,它们的身体也随之变大。较大的毛虫可以四处走动,寻找更有营养的叶子,以及其他更安全的蛹化地点。更大的毛虫会产生更大的成虫,这些成虫可以飞跃更远的距离来寻找食物。如此一来便有可能巩固了它们与开花植物之间的关系:它们给花授粉,使植物变得更加多样化,而与此同时让它们自身也变得更多样化。Kawahara的系谱图显示,飞蛾与开花植物这两个群体是同步发散的。

借助花的力量,飞蛾飞得很高,成长得更加茁壮,但它们大多在夜间活动。但大约在9800万年前,它们中的有些飞蛾在白天也变得活跃起来——蝴蝶到来了。这时,蝙蝠再次在这个故事中登场。1999年,卡尔顿大学的Jayne Yack提出,蝙蝠的回声定位能力对飞蛾来说是一个巨大的威胁,这使得有的飞蛾完全逃离了黑夜,转而在白天活动。她认为,蝴蝶实际上是由蝙蝠“创造”的。蝙蝠的进化是一个充满了争议的过程。

大多数研究所得的结论都大致认为,蝙蝠出现在5500万到6500万年前,在5000万年前进化出了声纳。而Kawahara的新研究表明,蝴蝶出现的时间远远早于此。他认为,与蝴蝶的起源有关的是植物和蜜蜂,而不是蝙蝠。蜜蜂的进化稍早于蝴蝶,大约在1亿到1.25亿年前。

Kawahara认为,蜜蜂是这个进化故事中非常重要的一部分,它们与开花植物有着非常密切的互动,它们的出现可能推动了颜色鲜艳且绽放在白天的花朵的进化,这些都是飞蛾需要加以利用的特征,使得蝴蝶可以从中受益。

早在蝙蝠出现之前,飞蛾就已经进化出了听觉器官。Kawahara的研究显示,飞蛾曾在系谱图的9个不同的位置进化出了听觉器官,其中4次大约发生在9100万年前,这比蝙蝠主宰夜空的时间早了大约3000万年。不过,这则故事中也有例外,一些飞蛾物种,比如天蛾和夜行的喜蝶就是在后来才进化出的耳朵,而这种进化可能是出于对蝙蝠的声纳所作的反应。但这只是一小部分例外,绝大多数(96%)的飞蛾是更早进化出耳朵的。

这很令人费解,因为所有这些耳朵都能感应超声波,因此它们很可能会对蝙蝠有所反应。那么,如果它们在蝙蝠出现之前就可以探测到超声波,那么它们会听到什么呢?我们或许可以在那些没有蝙蝠的地方找到揭开这个问题的线索。那些地方的飞蛾的耳朵通常会调到较低的频率,从而可以听到一些天敌发出的沙沙声或拍击翅膀的声音。总的来说,耳朵的进化似乎就是为了探索世界,以及探测其他捕食者的声音。

如果在蝙蝠第一次飞上天空时,就已经存在长着耳朵的飞蛾了,那么蝙蝠进化出回声定位能力是为了更好地捕捉那些能听到它们飞来的猎物吗?蝙蝠的声纳系统并没有推动飞蛾耳朵的进化,但它会反过来吗?Kawahara表示他们还不知道这个问题的答案,蝙蝠以很多昆虫为食,但蝙蝠也确实经常吃飞蛾,所以这也是很可能出现的情况。

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