偶然还是模式？竹节虫表现出可重复的进化

竹节虫的纤细身躯表面的变化比肉眼所见的要多得多。有些种类的竹节虫可以与植物融为一体以躲避捕食者。它们如何进化出这种伪装是进化之谜的一部分：特定的身体特征是偶然进化的还是遵循可预测的模式？在梳理了 30 年的数据后，一组科学家可能发现了竹节虫可重复进化的证据。这项研究于 5 月 24 日发表在《科学进展》杂志上。

一次进化重来？

进化论中仍有许多未解之谜，尤其是进化过程是如何展开的。进化是按照容易观察到的顺序发生的，还是取决于偶然事件？已故进化科学家斯蒂芬·杰伊·古尔德将这种现象描述为“重播生命的录音带”。他在 1989 年出版的非虚构作品《奇妙的生命：伯吉斯页岩和历史的本质》中运用了这个比喻，提出了一个深刻的问题：如果有机会再次进化，地球上的生命会和我们现在所知道的生命相似，还是会截然不同？

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“如果你把它当做一个非此即彼的问题，那就太简单了，”这项研究的共同作者、犹他州立大学进化生物学家 Zachariah Gompert 在一份声明中说。“答案不是‘完全随机’或‘完全确定和可预测’。然而，通过研究短时间尺度，我们可以找到可预测、可重复的进化模式。”

对于竹节虫和一般的进化活动来说，变化是偶然发生的还是按照可靠的顺序发生的，这要微妙得多。这通常归结为一种宝贵的资源——时间。

神秘的色彩变换器

在这项研究中，研究小组观察了一种多态性竹节虫物种Timema cristinae 。这些无翅昆虫遍布北美，身体颜色和图案多种多样。  有些是绿色的，这有助于它们与加州丁香灌木融为一体。其他的则有绿色条纹，与同样图案的沙地灌木形成鲜明对比。藏身于这些植物中是T. christinae抵御灌丛鸦等饥饿鸟类的主要防御手段之一。

“鸟类捕食不断影响着昆虫的生物特征，包括颜色以及有条纹与无条纹，”戈姆珀特说。

他们筛选了 30 年来有关加州 10 个野生竹节虫种群隐秘颜色图案频率的数据。他们发现所有昆虫种群的柄频率都存在可预测的波动，这代表着一种重复的进化动态。根据 Gompert 的说法，这些波动涉及负频率依赖性自然选择 (NFDS) 现象。当像条纹这样的隐秘颜色图案很少见而不是很常见时，它们会被视为更有益。对于竹节虫来说，这可能是因为如果鸟类知道它们的图案，它们就可以发展出一种更好的方法来寻找更丰富的猎物。

“在短时间内，涉及现有变异的进化是相当可预测的，”戈姆珀特说。“你可以指望某些驱动因素始终存在，比如鸟类以昆虫为食。”

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在较长的时间尺度上，这些进化动态不太可预测。昆虫种群可能会经历偶然事件（如干旱或洪水），从而破坏现状和更可预测的结果。在较长的时间尺度上，物种的新突变可能会随机引入一种罕见的特性。

“这几乎是你能得到的最接近真正随机的了。稀有的东西很容易因偶然而丢失，因此新突变很有可能在获得稳固地位之前就消失，”戈姆珀特说。

相比之下，另一种同样以沙米斯植物为食的Timema竹节虫要么从未出现过这些条纹突变，要么很快就失去了条纹。这意味着昆虫身上条纹的进化并不是如此长时间尺度上可重复的进化结果。

“时间不能催促”

对自然种群进行长期重复研究的情况很少见，包括查尔斯·达尔文著名的雀类研究。这很困难，因为这类研究仅限于一个或几个动物种群，因此很难推断或得出结论，确定某一特征的可重复性。

戈姆珀特说：“这类研究实施起来很有挑战性，不仅因为它们需要大家齐心协力，还因为时间紧迫。”