家雞對絲帶鳳蝶性二型體色的反應

張增燾,喻龍,焦曉國,常海珍

(1.生物催化與酶工程國家重點實驗室,湖北大學生命科學學院, 湖北 武漢 430062;2.武漢武珞路實驗初級中學, 湖北 武漢 430064)

0 引言

雄性蝴蝶往往比同種雌性體色更鮮艷[1-2],通常認為在性選擇過程中,鮮艷明亮體色的雄性蝴蝶更能引起雌性蝴蝶的關注[3-8]。一方面,這種雌雄體色二型特征在性選擇過程中不斷強化;但另一方面體色二型同時也受到自然選擇壓力的侵蝕[9-11],因為艷麗色彩的個體會帶來更高的捕食風險[12-13]。絲帶鳳蝶(SericinusmontelusGray)為中國特有種,屬鱗翅目鳳蝶科昆蟲,幼蟲主要以馬兜鈴科植物為食。已有研究表明,馬兜鈴科植物富含馬兜鈴酸(AAs),蝴蝶幼蟲能夠隔離和儲存植物中的AAs,導致幼蟲、蛹和成蟲都含有AAs,形成“不可口”毒物,而避免被捕食者捕食[14-17]。從人類視覺來看,絲帶鳳蝶雄性翅面被有大面積黃白色鱗片,雌性翅面被大面積黑褐色鱗片并伴有紅斑和黃白斑紋,二者有明顯的人類可見光范圍內的性二型體色。但是許多動物(包括蝴蝶及鳥類)都具有不同于人類的紫外視覺[18-23],因此,只有從動物視覺來評估其體色及相關功能才是科學全面的。鳥類是蝴蝶的重要天敵之一[23],科學家對其顏色視覺進行了深入研究[24],并在多領域廣泛運用鳥類視覺模型來估計捕食風險[25-27]。目前從動物視覺研究絲帶鳳蝶體色及相關功能的報道少有,本研究擬用光譜測量分析儀測量雌雄絲帶鳳蝶鱗翅斑紋的反射光譜,科學地表述絲帶鳳蝶的體色特征。嘗試用鳥類視覺代替人類視覺探索分析絲帶鳳蝶雌雄個體的體色差異,并在實驗室內用雛雞作為捕食者,設計捕食行為試驗來評估捕食者對雌雄絲帶鳳蝶的反應,推測雌雄絲帶鳳蝶不同體色的潛在功能或代價,以期為今后的深入研究提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試昆蟲2021年6月中旬,在湖北省武漢市黃陂區木蘭山自然風景區,采集到絲帶鳳蝶二齡和三齡幼蟲90只,帶回實驗室飼養。幼蟲10只為一組,用新鮮馬兜鈴葉片飼養在透氣透明塑料盒(20 cm×10 cm×8 cm)內,置于25 ℃光照培養箱(廣東省韶關市鑫騰科普儀器有限公司LRH-Gb)中,每天定時檢查幼蟲生長情況,更換食材、打掃衛生并做好數據記錄。一周后幼蟲陸續化蛹羽化,剔除羽化失敗個體,挑選出鱗翅完整、翅展大小一致(雌:(66.77±6.15) mm,雄:(64.16±5.33) mm)的個體用于光譜檢測和捕食行為試驗。

1.2 絲帶鳳蝶雌雄成蟲反射光譜的測量與分析選擇鱗翅完整的絲帶鳳蝶雄性和雌性成蟲活體各5只用于光譜檢測。為方便操作降低其活動能力,將蝴蝶用塑料盒裝好置于-20 ℃冰箱冷凍5～10 min,然后室溫放置5 min,再進行光譜檢測。使用Ocean Optic USB4000光譜儀(Ocean Optics Inc.)和OOIBase32TM光譜儀操作軟件(Version 2.40),參考標準測量方法[21,28-29],分別測量絲帶鳳蝶雌雄成蟲翅膀下述5個部位的反射光譜(圖1):1前翅黑斑(black spots on the forewing, BF)、2前翅黃白斑(yellowish white marks of the forewing, YWF)、3后翅黃白斑(yellowish white marks of the hindwing, YWH)、4后翅紅斑(red spots on the hindwing, RH)、5后翅黑斑(black spots on the hindwing, BH),每個測量點記錄3次反射光譜數據。

圖1 反射光譜測量點

待所有個體反射光譜測量完畢后,先按光譜數據處理方法對數據進行處理[21,28-30],然后再對各測量點反射光譜進行主成分分析。通常使用3個標準量化描述反射光譜:亮度、色度和飽和度。其中第一主成分(the first principal component, PC1)描述平均反射率亮度的變化;第二主成份和第三主成份(PC2和PC3)表示光譜形狀的變化[28-29]。計算雌雄個體反射光譜各主成分得分后,在統計軟件中(SPSS 23.0)用多因素方差分析(MANOVA)整體比較雌雄二者主成份得分。當MANOVA結果顯著時,再計算出雌雄個體對應測量點反射光譜的各主成分得分,運用重復測量的方差分析比較絲帶鳳蝶雌雄個體5個對應測量點的反射光譜差異。

1.3 鳥類視覺模型分析雌雄絲帶鳳蝶體色鳥類的顏色視覺有成熟的研究基礎[18,24,31-33]和應用實例[25-27,34],鳥類先用消色差視覺(明暗視覺)遠距離搜索背景中的潛在獵物,發現目標獵物后,再用色度視覺(彩色視覺)近距離仔細辨識鎖定獵物[35]。早先的研究表明雛雞可以代替自然界鳥類模擬捕食試驗[34],用木地板為預設背景代替自然界土壤、綠葉等無紫外光背景開展試驗[34]。試驗中使用R語言(Version 4.0.3)中pavo包的功能進行光譜處理和視覺建模[36],分別計算雌雄絲帶鳳蝶體色的識別度。根據鳥類模型估算的色度和明暗度對比度分析雌雄絲帶鳳蝶體色的識別度,以剛好可見的差異(just noticeable distances, JNDs)為單位,3以上的JNDs值表示鳥類易于區分,而1和3之間的JNDs值表示僅在良好的光照條件下才可區分,低于1的JNDs值是鳥類不易區分的顏色值[36-37]。

1.4 小雞捕食行為試驗

1.4.1 獵物、捕食者及試驗裝置 將體型及翅展相等的活體絲帶鳳蝶成蟲(雌:(66.77±6.15) mm,雄:(64.16±5.33) mm)放入-20 ℃冰箱冷凍5～10 min,以降低其活動能力。取出冷凍個體,室溫放置5～10 min,以排除溫度對后續捕食試驗結果的影響,再平展其鱗翅作為獵物用于捕食試驗。從養雞場購入120只2日齡雌性小雞作為捕食者飼養于實驗室,實驗室溫度用空調控制在28～30 ℃,并給予全光譜光照及14∶10 h的晝夜節律,使小雞處在理想的生長環境中。把小雞分組飼養于形狀大小一致(100 cm×80 cm×50 cm)的飼養籠內,每隔3 h給小雞投喂足夠的飼料和涼開水。用于試驗的裝置是一個“L”形的木質無蓋木箱(圖2):木箱用兩塊孔徑1 cm的鐵絲網隔分為3個部分,兩端是試驗區(40 cm×60 cm×40 cm),中間是伙伴區。用透明玻璃把試驗區平面分成適應區(20 cm×40 cm)和捕食區(40 cm×40 cm)兩部分,捕食區正中間有一直徑5 cm圓形凹陷食盤。

1.4.2 小雞訓練試驗 將3日齡小雞隨機分成伙伴小雞(40只)和捕食小雞(80只)二部分,分別接受學習訓練。訓練1,隨機選擇2只伙伴小雞放入伙伴區,并提供涼開水供小雞飲用,而試驗區食盤及周圍投放顆粒飼料但不提供飲用水。3只為一組,從捕食小雞隨機選擇二組分別放在兩個適應區。適應2 min后,抽出玻璃擋板讓小雞進入捕食區活動,2 min后結束訓練,再換下一組小雞進入試驗區。每對伙伴小雞可用于3組訓練活動,然后換下一對伙伴小雞。待所有80只捕食小雞輪流訓練完后,再隨機選取分組重復訓練一次。訓練2,捕食小雞以2只為一組放入到適應區,按照訓練1的步驟接受學習。訓練3,捕食小雞以1只為一組放入到適應區,按照前二次訓練步驟接受學習。訓練4,在捕食區食盤投放顆粒飼料,綠色生菜葉片及黃粉蟲幼蟲,讓4日齡小雞按前三次訓練步驟再接受學習,確保每只捕食小雞在捕食區都進食過顆粒飼料、綠色生菜葉片及黃粉蟲幼蟲,能獨立適應捕食觀察區環境,獲得捕食新獵物的技能和經驗。

1.4.3 小雞捕食試驗 接受系列訓練學習后的5日齡小雞,作為捕食者用于捕食試驗。試驗開始前30 min,對小雞進行饑餓處理(不再投喂飼料),以提高其覓食欲望。實驗過程中,先將處理好的絲帶鳳蝶雌雄成蟲鱗翅正面向上打開,各取1只隨機放入到二個捕食區的食盤里。然后引入伙伴和捕食者,待捕食者在適應區活動2 min后抽出玻璃擋板,用2臺攝像機分別記錄下每只捕食者的活動表現,5 min后結束捕食試驗,換下一組絲帶鳳蝶和捕食者。如果捕食者一直在適應區,沒有進入到捕食區活動,計為試驗失敗。當捕食者進入捕食區活動后,記錄捕食者發現絲帶鳳蝶所用時間、開始啄食絲帶鳳蝶的潛伏時間、啄食絲帶鳳蝶的次數及處理絲帶鳳蝶而消耗的時間,所有數據用非參數檢驗(Mann-Whitney test)進行統計分析(SPSS 23.0)。

2 結果與分析

2.1 絲帶鳳蝶成蟲反射光譜及主成份分析雌雄絲帶鳳蝶所有測量點的反射光譜特征如圖3所示:光譜在前翅黑斑、后翅紅斑和后翅黑斑的反射強弱與波形都很相似(圖3A, D, E),但雄性前翅黃白斑、后翅黃白斑光譜反射率高于雌性,雄性在紫外波段多一個反射峰(圖3B, C)。這表明雄性絲帶鳳蝶前后翅的黃白斑紋在全光譜范圍內要比雌性的明亮和多彩。

圖3 試驗用蝴蝶測量點及背景木地板反射光譜(A)前翅黑斑,(B)前翅黃白斑,(C)后翅黃白斑,(D)后翅紅斑,(E)后翅黑斑。黑色實線示雌性,紅色虛線示雄性。(F)背景木地板。圖中數據為平均值±標準差

反射光譜主成分分析結果顯示,雌雄絲帶鳳蝶體色光譜反射率存在極顯著差異(F= 0.749,P= 0.004),而且二者5個測量點3個主成分得分上也有不同表現(表1)。雖然二者在前翅黑斑、前翅紅斑、后翅黑斑3個測量點的主成分得分都沒有明顯差異,但二者在前翅黃白斑和后翅黃白斑主成分得分上都表現出極顯著差異。其中前翅黃白斑在主成分明度(PC1)和飽和度(PC3)上有顯著差異,后翅黃白斑在3個主成分得分上都有顯著差異(表1)。這也表明雄性絲帶鳳蝶前翅黃白斑紋比雌性前翅黃白斑紋要明亮和多彩,而在后翅黃白斑紋上的差異更加明顯,二者確有明顯的體色差異。

表1 絲帶鳳蝶雌雄成蟲反射光譜方差分析結果

2.2 鳥類視覺中的絲帶鳳蝶雌雄體色識別度鳥類捕食者視覺模型結果如圖4所示,在遠距離(明暗視覺)時,雌雄絲帶鳳蝶所有測量點的識別度值都高于3,說明在明暗視覺中絲帶鳳蝶雌雄都很容易被捕食者發現。但隨著距離越來越近,逐漸由明暗視覺轉為顏色視覺時,雌性絲帶鳳蝶前翅的黃白斑(0.95

圖4 小雞視覺中的蝴蝶測量點與背景木板顏色識別度A 明暗視覺識別度,B 顏色視覺識別度。a 雌性前翅黑斑,b 雌性前翅黃白斑,c 雌性后翅黃白斑,d 雌性后翅紅斑,e 雌性后翅黑斑,f 雄性前翅黑斑,g 雄性前翅黃白斑,h 雄性后翅黃白斑,I 雄性后翅紅斑,j 雄性后翅黑斑。箱線圖中數據為中值、上四分位數和下四分位數,黑色虛線示JNDs值3,紅色虛線示JNDs值1

2.3 捕食行為試驗結果捕食試驗中,雌性和雄性絲帶鳳蝶捕食區分別有38只小雞成功進入到捕食區活動,有15只小雞啄食雌性絲帶鳳蝶,有25只小雞啄食雄性絲帶鳳蝶,雄性絲帶鳳蝶受攻擊機率顯著高于雌性(χ12=4.275,P=0.039)。小雞發現雌雄絲帶鳳蝶的潛伏期(Mann Whitney test;U=612.5,P=0.254,n=76)和啄擊的潛伏期(Mann Whitney test;U=185,P=0.944,n=40)都沒有顯著差異(圖5A, B),但小雞啄食雌雄絲帶鳳蝶次數(Mann Whitney test;U=85,P=0.004,n=40)和處理耗時(Mann Whitney test;U=76,P=0.002,n=40)都有極顯著差異(圖5C, D),攻擊雄性絲帶鳳蝶的次數和處理時間顯著高于雌性。這說明雄性絲帶鳳蝶較雌性更能引起小雞的注意,具有更高的捕食風險。

圖5 捕食試驗箱線圖A～D 小雞對絲帶鳳蝶雌雄蟲發現潛伏期、攻擊潛伏期、處理獵物耗時及啄擊次數上的差異。

3 討論

在人眼看來,雄性絲帶鳳蝶翅面主基調為黃白色,前翅點綴黑色斑紋,后翅點綴黑色斑紋和紅色斑塊;而雌性翅面主基調為黑色,點綴著黃白色條紋和紅色斑塊。本研究通過光譜測量分析發現,在300～700 nm光譜范圍內,雄性絲帶鳳蝶的前翅和后翅黃白斑的光譜反射率都高于雌性,而且雄性在紫外光區多一個明顯的反射峰?？梢娦坌越z帶鳳蝶體色較雌性更加亮麗, 在人類可見光和紫外光范圍的確具有明顯的性二型體色,而且雄性絲帶鳳蝶具有明顯紫外顏色,這是本研究率先發現的。許多動物除了有紫外顏色外還具有紫外視覺[18-22],而且這種顏色和視覺能力在種內交流[3,8,20]、性選擇及覓食等方面都有重要作用[4,38-42]。本文中以鳥類捕食者視覺模型來分析絲帶鳳蝶成蟲性二型體色差異,估計二者的生存風險,并通過小雞捕食行為學試驗取證,這是不乏創新的研究工作。鳥類視覺模型結果表明,當捕食者由遠及近靠近絲帶鳳蝶成蟲時,雄性絲帶鳳蝶成蟲更容易被鳥類捕食者發現,存在較高的捕食風險。小雞捕食試驗結果與視覺模型結果非常一致,因為小雞啄食雄性絲帶鳳蝶的次數和總處理時間顯著高于雌性,雄性個體確實有更高的被捕食概率。

此外,視覺模型結果還顯示,隨著距離的拉近,捕食者對雌雄鱗翅紅斑異常敏感,因為紅斑與背景木板顏色識別度非常高,與其他斑紋顏色形成了鮮明的差異,這與警戒色動物體色特征非常相似。在自然界,一些具有毒性或不可口的動物類群,通常利用體表明亮的紅色、橙色、黃色等與黑色相結合形成“警戒色”,向潛在捕食者發出無利可圖的信號[43-45],以降低捕食風險。本研究的捕食行為試驗結果表明,亮麗體色的雄性絲帶鳳蝶較雌性更能引起捕食者的攻擊,但雌性個體較低捕食概率的原因沒有直接的證據。如果結合警戒色的功能特征來考慮的話,雌性絲帶鳳蝶較低的被捕食概率就容易解釋了。因為一些蝴蝶幼蟲取食寄主植物后,積累生物堿[46]、豆蔻烯醇內酯[47]、環烯醚萜苷[48]、生氰糖苷[49]或者馬兜鈴酸[50]等多種化學物質,并將其傳遞給成蟲[51-53],達到防御天敵的目的。絲帶鳳蝶寄主為馬兜鈴屬植物,幼蟲可能將馬兜鈴酸(AAs)傳遞給成蟲,因為馬兜鈴酸在蝴蝶成蟲對鳥類捕食者的化學防御中發揮著重要作用[14-16]。一旦絲帶鳳蝶獲得“毒素”,形成“毒物”,再結合雌性絲帶鳳蝶的前翅和后翅上都分布有紅色、黑色斑塊,形成了一種特殊的紅黑結合圖案,可能構成“警戒色”,讓捕食者“望而生畏”。因為有毒獵物的“警戒色”視覺信號,可以提高捕食者回避學習的速度和持久性[54-55],在無經驗的幼雛捕食者中誘導回避[56],并增加已有經驗的捕食者的識別概率[57]。本研究結果顯示,雌雄絲帶鳳蝶翅面紅色斑塊與背景顏色反差強烈,且不受距離和光照條件的影響。雌性絲帶鳳蝶前后翅面都有紅色斑塊與大量黑色斑塊結合,似乎較雄性而言更具有“警戒色”屬性,降低了被捕食概率。

總之,本研究表明絲帶鳳蝶雌雄成蟲在全光譜范圍確有性二型體色,而且雄性絲帶鳳蝶顏色更亮麗,但雄性亮麗的體色吸引了捕食者的注意,可能會帶來更大的生存風險;而雌性絲帶鳳蝶特有的鱗翅斑紋對于鳥類捕食者可能構成“警戒色”,具有防御天敵自我保護的功能。但在復雜的野外環境中,絲帶鳳蝶成蟲在平衡性選擇和自然選擇壓力的過程中,收獲生存利益的同時也可能要付出相應的代價,其中性二型體色是否直接影響雌雄絲帶鳳蝶的生存概率尚不能妄下結論,還需更多野外調查和更加直接的試驗取證。