科學(xué)普及
|
科普文章
植物偽裝的演化:打造多款色彩,應(yīng)對(duì)不同環(huán)境 文章來(lái)源:中國(guó)科學(xué)院東亞植物多樣性與生物地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 | 發(fā)布時(shí)間:2017-10-09 | 作者:牛洋 | 瀏覽次數(shù): | 【打印】 【關(guān)閉】 在弱肉強(qiáng)食的世界里,避免被天敵發(fā)現(xiàn)是首選的防御策略。偽裝是各種生物慣用的防御伎倆,而隱蔽色(Cryptic coloration)則是最常見(jiàn)的偽裝方式。擁有隱蔽色的生物通過(guò)特殊的體色將自身與環(huán)境融為一體,以達(dá)到偽裝的目的。然而,在多變的自然環(huán)境中,背景的色彩常常因地而異。沒(méi)有哪一種單一的“爆款”體色可以在所有環(huán)境中都達(dá)到最佳的偽裝效果。于是,一些動(dòng)物演化出種內(nèi)的體色多樣性,以適應(yīng)不同的色彩環(huán)境。人類的軍事活動(dòng)同樣遵從相似的法則,為不同環(huán)境中作戰(zhàn)的部隊(duì)配備各色迷彩。植物是否也擁有這樣的“智慧”呢?近日,孫航研究組(高山植物多樣性研究組)報(bào)道了一項(xiàng)植物通過(guò)表型分異實(shí)現(xiàn)偽裝色彩局部適應(yīng)的研究案例。
不同環(huán)境中作戰(zhàn)的部隊(duì)需要配備不同款式的迷彩 流石灘上的隱士 極高山地區(qū),由于強(qiáng)烈的凍融風(fēng)化作用,巖石容易碎裂崩解。崩解的巖石散落堆積,就形成了流石灘。遠(yuǎn)觀,這里似乎是不毛之地;近看,石縫中卻孕育著諸多特有的動(dòng)植物。由于視野開(kāi)闊沒(méi)有遮擋,生活在這里的生物被天敵發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)無(wú)疑更高。一些紫堇屬植物僅生長(zhǎng)在西南高山的流石灘環(huán)境中,其中的一些種類是絹蝶屬昆蟲(一類北半球高山及高緯地區(qū)特有的蝴蝶)的寄主。雌性絹蝶成蟲依靠視覺(jué)尋找寄主,并將卵產(chǎn)在心儀的寄主附近,蝴蝶幼蟲孵化后即以紫堇為食。體型矮小的紫堇在遭受幼蟲的啃食后常常面臨滅頂之災(zāi)。 該研究組在多年前已經(jīng)發(fā)現(xiàn),某些紫堇群體中同時(shí)包含兩類葉色的個(gè)體:既有“正?!钡木G色型,也有“特殊”的隱蔽色型。具有隱蔽色的個(gè)體與周遭的巖石非常相似,很容易被人忽略,只有在開(kāi)花的時(shí)候才暴露自己。以囊距紫堇(Corydalis benecincta)為研究對(duì)象,研究者此前已經(jīng)證實(shí),與綠色個(gè)體相比,偽裝色個(gè)體具有更高的生存概率(文章鏈接)。然而,流石灘本身的色彩常常千差萬(wàn)別,這意味著生物的“背景”不是一成不變的。以云南白馬雪山為例,強(qiáng)烈的造山運(yùn)動(dòng)將不同地質(zhì)歷史時(shí)期形成的巖石擠壓和抬升到一起,相距幾十公里內(nèi)的不同山頭,有的棕褐、有的暗紅、有的灰白。對(duì)這些現(xiàn)象的觀察引發(fā)了一個(gè)大膽猜測(cè):為實(shí)現(xiàn)最佳的偽裝,紫堇的體色是否會(huì)在不同的山頭間發(fā)生適應(yīng)性的分化呢?
半荷包紫堇的生活史背景。a:自然環(huán)境中的植株;b,c:不同生境的迥異色彩;d:產(chǎn)卵的絹蝶(彭建生攝影);e:絹蝶卵粒(箭頭指示);f:絹蝶幼蟲;g:幾乎被取食殆盡的紫堇小苗 多款色彩應(yīng)對(duì)不同環(huán)境 近年來(lái),研究者以半荷包紫堇(Corydalis hemidicentra)為研究對(duì)象,收集到五個(gè)群體的葉片和巖石樣本,測(cè)得了它們的反射光譜數(shù)據(jù)(色彩),并利用蝶類的色彩感受模型加以分析。結(jié)果表明,盡管它們同為一個(gè)物種,且相距并不遙遠(yuǎn),但群體間的葉色卻發(fā)生了明顯的分異。研究者甚至可以僅僅通過(guò)葉子的色彩判定某個(gè)個(gè)體大約產(chǎn)自哪個(gè)山頭。更有意思的是,灰白色流石灘上生長(zhǎng)的個(gè)體葉色灰白,而暗紅色巖石中生長(zhǎng)的個(gè)體葉色紅褐。簡(jiǎn)言之,葉色幾乎總是與其原本所在的巖石背景最為匹配,表現(xiàn)出局部適應(yīng)的格局。 此外,葉色的偽裝效果在群體間也具有顯著的變化,某些山頭的偽裝更好一些(更難被發(fā)現(xiàn)),某些群體則稍差一些。同時(shí),絹蝶危害的程度(選擇強(qiáng)度)在不同山頭間也有差異,某些山頭葉片被啃食的比例比其他山頭更高。一個(gè)貌似合理的推測(cè)是,在較強(qiáng)的選擇壓力下,葉色將會(huì)向著偽裝更好的方向演化。試想一個(gè)沒(méi)有天敵危害的極端群體,植物或許根本沒(méi)必要“偽裝”起來(lái)。通過(guò)相關(guān)分析進(jìn)行檢驗(yàn)后,研究者確實(shí)在兩者間找到了強(qiáng)烈的相關(guān)趨勢(shì),即選擇強(qiáng)度越高,偽裝效果越好。
蝶類色彩空間中各群體葉色的分異情況。 每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)樣本,多面體圍成的空間表示色彩的變異范圍
葉色與背景的局部匹配格局。橫坐標(biāo)為各群體背景,縱坐標(biāo)為葉片與背景 的色彩距離(距離越小代表偽裝越好),當(dāng)?shù)厝~片與背景的距離值用紅色表示
選擇強(qiáng)度(以啃食率衡量)與偽裝效果(色彩距離越小越好)之間的聯(lián)系 植物中的“點(diǎn)彩派”藝術(shù)家 紫堇的多樣葉色如何“調(diào)制”而成呢?多數(shù)藝術(shù)家在用色彩作畫時(shí),會(huì)利用許多顏料在調(diào)色盤上混合、調(diào)制成豐富的色彩,然后涂抹在畫布上。紫堇的多樣葉色是否也對(duì)應(yīng)了許多類不同色彩的色素呢?通過(guò)色素提取和解剖觀察,研究者給出了否定的答案。他們發(fā)現(xiàn),紫堇葉片中似乎只有三類基本“顏料”,他們是葉綠素、花青素以及不含任何色素的空腔。他們是顆粒狀的,獨(dú)立而不混合。但以不同比例組合、排列,就可以調(diào)配出看似復(fù)雜多樣的葉色。例如,表面多空腔的葉片呈灰白色,表面多花青素而少空腔的葉片則呈紅褐色。這種機(jī)制很類似印象派畫家的點(diǎn)彩技法、現(xiàn)代彩色印刷術(shù)或者您手機(jī)屏幕的顯示方式——少數(shù)原色的不同排列組合就能創(chuàng)造出萬(wàn)千色彩。
紫堇葉色分異的色素基礎(chǔ),以不同群體(按列組合)的葉片 顯微結(jié)構(gòu)(橫切與表面)展示
點(diǎn)彩派藝術(shù)家的作品及其色彩的表現(xiàn)方式 以上研究結(jié)果近日以“Divergence in cryptic leaf colour provides local camouflage in an alpine plant”為題發(fā)表于英國(guó)皇家學(xué)會(huì)生物學(xué)旗艦刊物Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences(文章鏈接)。該研究得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研究與發(fā)展項(xiàng)目(2017YFC0505200),國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(31590820 and 31590823)、面上項(xiàng)目(31670214)及云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃(2016FB035)的支持。 ?。ㄘ?zé)任編輯:李雪) |
版權(quán)所有 Copyright © 2002-2025 中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所,All Rights Reserved 【滇ICP備05000394號(hào)】
地址:中國(guó)云南省昆明市藍(lán)黑路132號(hào) 郵政編碼:650201
點(diǎn)擊這里聯(lián)系我們