誰在操控生命錄像帶？1.2億年前蝴蝶基因，藏著演化的預(yù)定終局

本文來源于海潮天下（Marine Biodiversity）

海潮天下·導(dǎo)讀

如果你穿越到一億年前，還能在那時的森林里看到和今天一模一樣的蝴蝶嗎？更不可思議的是，為什么上百種親緣關(guān)系極遠(yuǎn)的蝴蝶、蛾子，會跟商量好了一樣，集體穿上同一套“橙黑條紋”的制服？這種跨越億年的“大撞衫”，究竟是進(jìn)化的巧合，還是某種被刻進(jìn)DNA深處的必然呢？科學(xué)家近期揭開了一個令人脊背發(fā)涼的真相——生命演化的劇本，或許早在1.2億年前就已經(jīng)寫好了。

本文約3100字，閱讀約8分鐘

文 | 王芊佳

出品 | 海潮天下

自然界有一種奇妙的“撞衫”現(xiàn)象。在熱帶雨林里，你會發(fā)現(xiàn)上百種親緣關(guān)系極遠(yuǎn)的蝴蝶和蛾子，竟然都穿著一套極其相似的“制服”——那種扎眼的橙黑條紋、或是明黃斑塊。這種現(xiàn)象在生物學(xué)上被稱為“虎紋”擬態(tài)環(huán)（tiger mimicry ring）。之所以長得這么像，是因?yàn)榇蠹叶荚诠蚕硗环N“我有毒，別吃我”的警戒信號。這種跨物種的趨同演化，給了科學(xué)家一個難得的機(jī)會去觀察：生命的進(jìn)化究竟是隨機(jī)的“涂鴉”，還是存在某種可以被預(yù)測的底層邏輯呢？

海潮天下（Marine Biodiversity）小編讀到一篇最新研究，2026年4月30日，來自英國約克大學(xué)、謝菲爾德大學(xué)、厄瓜多爾基多圣弗朗西斯科大學(xué)、法國國家自然歷史博物館（ISYEB, CNRS）等科研人員構(gòu)成的一個龐大的國際科研團(tuán)隊(duì)在《PLOS Biology》上發(fā)表的這個研究中，深入的拆解了這一現(xiàn)象背后的遺傳架構(gòu)，揭示了跨越1.2億年演化史的驚人平行性。

這項(xiàng)研究對285個野外樣本的全基因組測序與關(guān)聯(lián)分析，重點(diǎn)剖析了鱗翅目（Lepidoptera）中七個物種的遺傳機(jī)制。

▲上圖：鱗翅目物種的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系與擬態(tài)表型分布。(A) “虎紋”子擬態(tài)環(huán)的地理分布：結(jié)合熱圖與地理界限，展示了黃帶型、橙黑型和條紋型三種擬態(tài)模式在全球的分布范圍及物種豐富度。圖中藍(lán)色背景標(biāo)識了進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWA/QTL）的核心物種，黃色背景則為基因流分析的輔助物種。(B) 是時間校準(zhǔn)的系統(tǒng)發(fā)育樹，標(biāo)示了本研究重點(diǎn)關(guān)注的8個鱗翅目物種（加粗顯示），其演化分歧時間跨度巨大。論文出處： Ben Chehida Y, van der Heijden ESM, Page E, Salazar C PA, Rosser N, Córdova KGG, et al. (2026)

這些物種的演化分歧時間跨度極大，從100萬年到1.2億年不等。研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管這些物種在時間長河中早已各自獨(dú)立演化，但它們在調(diào)節(jié)關(guān)鍵顏色圖案時，竟然不約而同地反復(fù)利用了同一套遺傳工具箱：ivory基因與optix基因。

在對綃蝶族（Ithomiini）四個屬的研究中，前翅黃色斑帶的盈虧始終受控于ivory基因——這是一種靠近c(diǎn)ortex基因的長鏈非編碼RNA。

令人訝異的是，在分化時間達(dá)3000萬年的不同物種中，控制這一特征的基因組區(qū)間精確地指向了ivory基因的第一內(nèi)含子。這意味著自然選擇在漫長的歲月中，精準(zhǔn)地在同一個遺傳“開關(guān)”上反復(fù)操作，以實(shí)現(xiàn)相同的視覺偽裝效果。

▲上圖：拍攝于厄瓜多爾東部的一只梅氏美紋綃蝶（Mechanitis messenoides）。攝影：Geoff Gallice

與此同時，后翅的黑色與橙色圖案分布，則普遍遵循了optix基因的指揮。雖然不同物種間的調(diào)控模塊存在細(xì)微差異，但，所有的關(guān)聯(lián)信號最終都匯聚在optix基因的上游區(qū)域。

研究人員利用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，在梅氏美紋綃蝶（Mechanitis messenoides）這一物種中驗(yàn)證了這些基因的功能。實(shí)驗(yàn)顯示，敲除ivory會導(dǎo)致原本的黑色和橙色鱗片轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色，而敲除optix則會使原本鮮艷的橙色鱗片徹底變黑。

▲上圖：ivory與optix控制多物種間的趨同表型。該研究用曼哈頓圖揭示了ivory與optix兩個關(guān)鍵基因如何跨越物種界限，精準(zhǔn)調(diào)控蝴蝶與蛾類的翅膀圖案。圖(A)顯示，前翅黃色斑塊的盈虧在多個物種中均與ivory基因組區(qū)域顯著相關(guān)，特別是Chetone histrio在這一區(qū)域展現(xiàn)出約1 Mb的高關(guān)聯(lián)倒位區(qū)間（紅色線段），這與Heliconius numata已知的P1倒位（橙色線段）在位置上高度重合。圖(B)則證實(shí)了后翅黑色與橙色圖案的變異普遍指向optix基因及其上游調(diào)控區(qū)。這些數(shù)據(jù)強(qiáng)有力地證明，即便演化分歧時間長達(dá)1.2億年，不同生物仍會通過重復(fù)利用相同的遺傳“開關(guān)”來實(shí)現(xiàn)相似的生存策略。論文出處： Ben Chehida Y, van der Heijden ESM, Page E, Salazar C PA, Rosser N, Córdova KGG, et al. (2026)

研究中最具突破性的發(fā)現(xiàn)源自對一種名為弄臣擬燈蛾（Chetone histrio）的晝行性蛾類的觀察。

這種蛾類與其擬態(tài)對象狐眼袖蝶（Heliconius numata）在大約1.2億年前就已經(jīng)分道揚(yáng)鑣，但在維持復(fù)雜的顏色多態(tài)性方面，它們竟然采用了近乎復(fù)制的遺傳策略。在弄臣擬燈蛾中，圖案的變化由一個約1 Mb大小的基因組倒位（inversion）結(jié)構(gòu)決定，這個倒位區(qū)間恰好包含了ivory基因。這種以“超級基因”（supergene）形式存在的遺傳架構(gòu)，與袖蝶屬中的發(fā)現(xiàn)高度一致，甚至倒位的斷點(diǎn)位置在基因組圖譜上，也表現(xiàn)出了極高的重合度。

▲上圖：弄臣擬燈蛾（Chetone histrio）的警戒色與形態(tài)特征。比例尺為1厘米。圖源：Fiedler, Konrad, and Gunnar Brehm

這種在遠(yuǎn)緣物種間發(fā)生的架構(gòu)平行演化，有力地證明了生物發(fā)育通路在時空尺度上承受著極強(qiáng)的遺傳約束。

傳統(tǒng)演化理論曾認(rèn)為，模擬演化是由無數(shù)微效基因共同修飾的結(jié)果，但本項(xiàng)研究以實(shí)證數(shù)據(jù)證明，演化往往傾向于走“捷徑”，即利用少數(shù)具有大效應(yīng)的核心調(diào)控基因。

這種“基因重復(fù)利用”而非“等位基因共享”的模式意味著，盡管近緣物種間存在基因流，但這些精巧的擬態(tài)特征，大多還是各物種在相似的遺傳位點(diǎn)上獨(dú)立演化出來的突變。

這表明熱帶蝴蝶與蛾類的擬態(tài)演化路徑是高度受限且可預(yù)測的。ivory與optix作為核心遺傳樞紐，在跨越上億年的尺度上保持了功能的一致性。這種遺傳上的路徑依賴，不僅解釋了為何如此眾多的物種能匯聚在同一個擬態(tài)環(huán)中，也展示了演化的必然性——由于深層的發(fā)育限制，生命的錄像帶無論重播多少次，在特定的生存壓力下，演化往往會通向相似的終局。

他山之石·海潮觀察

這個團(tuán)隊(duì)整合了全球范圍內(nèi)的資源，以“全球采樣+博物館調(diào)撥+實(shí)驗(yàn)室共享”的模式，將散落在世界各地的演化碎片拼湊在一起，搞定了一個包含285個樣本、涵蓋1.2億年演化跨度的龐大“數(shù)據(jù)庫”。比如這個作者名單里面有一個Gerardo Lamas，就是秘魯國立圣馬科斯大學(xué)自然歷史博物館的資深專家，他應(yīng)該算是當(dāng)今世界蝴蝶分類學(xué)領(lǐng)域的泰斗級人物了；作者之一James Mallet是哈佛大學(xué)的演化生物學(xué)界的頂級權(quán)威；團(tuán)隊(duì)陣容比較多樣化。

海潮天下（Marine Biodiversity）小編注意到，這篇論文的核心亮點(diǎn)，多多少少在于他們拿CRISPR-Cas9技術(shù)對關(guān)鍵的基因做了功能驗(yàn)證。或許，這對我們國內(nèi)的科研也是有所啟發(fā)的。國內(nèi)許多蝴蝶研究目前仍停留在全基因組測序、形態(tài)特征描述或種群遺傳學(xué)分析階段，即所謂的“描述性科學(xué)”。比較好找到很多可能影響花紋的基因位點(diǎn)，但少有實(shí)驗(yàn)室能真正用分子生物學(xué)手段，去精準(zhǔn)地“關(guān)閉”或“開啟”某個基因，從而實(shí)錘演化機(jī)制。

蝴蝶的演化往往是跨國界、跨氣候帶的宏大敘事。中國有著得天獨(dú)厚的蝴蝶多樣性，從高海拔的絹蝶到南方的熱帶蝶類，都是研究演化規(guī)律的天然實(shí)驗(yàn)室。如何更好的突破“組學(xué)描述”，直接在多個非模式物種（而非實(shí)驗(yàn)室飼養(yǎng)幾十代的果蠅）上大規(guī)模應(yīng)用CRISPR-Cas9技術(shù)來進(jìn)行功能“閉環(huán)驗(yàn)證”？

當(dāng)然了，近年來中國科學(xué)家在蝴蝶基因組圖譜、高原環(huán)境適應(yīng)（青藏高原特色）以及特有物種演化等領(lǐng)域，已經(jīng)產(chǎn)出了多項(xiàng)具有世界級影響力的成果。上面的這個國際研究，比較清晰的展示了ivory基因周邊的非編碼區(qū)、以及“基因組倒位”這種結(jié)構(gòu)變異在演化中的主導(dǎo)作用，這類基因組中的“暗物質(zhì)”、空間架構(gòu)或許是調(diào)控復(fù)雜性狀的關(guān)鍵。這一研究思路，對我國國內(nèi)的昆蟲演化研究或也可供一種新的角度來參考。

中國的蝴蝶生物多樣性。攝影 ?海潮天下（Marine Biodiversity）

本文參考資料
感興趣的海潮天下（Marine Biodiversity）讀者可以參看該研究的全文：
Yacine Ben Chehida, Eva S. M. van der Heijden, Edward Page, Patricio A. Salazar C, Neil Rosser, Kimberly Gabriela Gavilanes Córdova, Mónica Sánchez-Prado, María José Sánchez-Carvajal, Franz Chandi, Alex P. Arias-Cruz, Maya Radford, Gerardo Lamas, Chris D. Jiggins, James Mallet, Melanie McClure, Camilo Salazar, Marianne Elias, Caroline N. Bacquet, Nicola J. Nadeau, Kanchon K. Dasmahapatra, Joana I. Meier. Genetic parallelism underpins convergent mimicry coloration in Lepidoptera across 120 million years of evolution. PLOS Biology, 2026; 24 (4): e3003742 DOI: 10.1371/journal.pbio.3003742
https://www.sciencedaily.com/releases/2026/05/260502233856.htm
https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3003742

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資訊源 | Ben Chehida Y, van der Heijden ESM, Page E, Salazar C PA, Rosser N, Córdova KGG, et al. (2026)

文 | 王芊佳

編輯 | 海潮君

排版 | 盧曉雨

時間 | 2026年5月8日

聯(lián)系小編 | editor@oceanbiodiversity.cn

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