家鸡对丝带凤蝶性二型体色的反应

张增焘,喻龙,焦晓国,常海珍

(1.生物催化与酶工程国家重点实验室,湖北大学生命科学学院, 湖北 武汉 430062;2.武汉武珞路实验初级中学, 湖北 武汉 430064)

0 引言

雄性蝴蝶往往比同种雌性体色更鲜艳[1-2],通常认为在性选择过程中,鲜艳明亮体色的雄性蝴蝶更能引起雌性蝴蝶的关注[3-8]。一方面,这种雌雄体色二型特征在性选择过程中不断强化;但另一方面体色二型同时也受到自然选择压力的侵蚀[9-11],因为艳丽色彩的个体会带来更高的捕食风险[12-13]。丝带凤蝶(SericinusmontelusGray)为中国特有种,属鳞翅目凤蝶科昆虫,幼虫主要以马兜铃科植物为食。已有研究表明,马兜铃科植物富含马兜铃酸(AAs),蝴蝶幼虫能够隔离和储存植物中的AAs,导致幼虫、蛹和成虫都含有AAs,形成“不可口”毒物,而避免被捕食者捕食[14-17]。从人类视觉来看,丝带凤蝶雄性翅面被有大面积黄白色鳞片,雌性翅面被大面积黑褐色鳞片并伴有红斑和黄白斑纹,二者有明显的人类可见光范围内的性二型体色。但是许多动物(包括蝴蝶及鸟类)都具有不同于人类的紫外视觉[18-23],因此,只有从动物视觉来评估其体色及相关功能才是科学全面的。鸟类是蝴蝶的重要天敌之一[23],科学家对其颜色视觉进行了深入研究[24],并在多领域广泛运用鸟类视觉模型来估计捕食风险[25-27]。目前从动物视觉研究丝带凤蝶体色及相关功能的报道少有,本研究拟用光谱测量分析仪测量雌雄丝带凤蝶鳞翅斑纹的反射光谱,科学地表述丝带凤蝶的体色特征。尝试用鸟类视觉代替人类视觉探索分析丝带凤蝶雌雄个体的体色差异,并在实验室内用雏鸡作为捕食者,设计捕食行为试验来评估捕食者对雌雄丝带凤蝶的反应,推测雌雄丝带凤蝶不同体色的潜在功能或代价,以期为今后的深入研究提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试昆虫2021年6月中旬,在湖北省武汉市黄陂区木兰山自然风景区,采集到丝带凤蝶二龄和三龄幼虫90只,带回实验室饲养。幼虫10只为一组,用新鲜马兜铃叶片饲养在透气透明塑料盒(20 cm×10 cm×8 cm)内,置于25 ℃光照培养箱(广东省韶关市鑫腾科普仪器有限公司LRH-Gb)中,每天定时检查幼虫生长情况,更换食材、打扫卫生并做好数据记录。一周后幼虫陆续化蛹羽化,剔除羽化失败个体,挑选出鳞翅完整、翅展大小一致(雌:(66.77±6.15) mm,雄:(64.16±5.33) mm)的个体用于光谱检测和捕食行为试验。

1.2 丝带凤蝶雌雄成虫反射光谱的测量与分析选择鳞翅完整的丝带凤蝶雄性和雌性成虫活体各5只用于光谱检测。为方便操作降低其活动能力,将蝴蝶用塑料盒装好置于-20 ℃冰箱冷冻5～10 min,然后室温放置5 min,再进行光谱检测。使用Ocean Optic USB4000光谱仪(Ocean Optics Inc.)和OOIBase32TM光谱仪操作软件(Version 2.40),参考标准测量方法[21,28-29],分别测量丝带凤蝶雌雄成虫翅膀下述5个部位的反射光谱(图1):1前翅黑斑(black spots on the forewing, BF)、2前翅黄白斑(yellowish white marks of the forewing, YWF)、3后翅黄白斑(yellowish white marks of the hindwing, YWH)、4后翅红斑(red spots on the hindwing, RH)、5后翅黑斑(black spots on the hindwing, BH),每个测量点记录3次反射光谱数据。

图1 反射光谱测量点

待所有个体反射光谱测量完毕后,先按光谱数据处理方法对数据进行处理[21,28-30],然后再对各测量点反射光谱进行主成分分析。通常使用3个标准量化描述反射光谱:亮度、色度和饱和度。其中第一主成分(the first principal component, PC1)描述平均反射率亮度的变化;第二主成份和第三主成份(PC2和PC3)表示光谱形状的变化[28-29]。计算雌雄个体反射光谱各主成分得分后,在统计软件中(SPSS 23.0)用多因素方差分析(MANOVA)整体比较雌雄二者主成份得分。当MANOVA结果显著时,再计算出雌雄个体对应测量点反射光谱的各主成分得分,运用重复测量的方差分析比较丝带凤蝶雌雄个体5个对应测量点的反射光谱差异。

1.3 鸟类视觉模型分析雌雄丝带凤蝶体色鸟类的颜色视觉有成熟的研究基础[18,24,31-33]和应用实例[25-27,34],鸟类先用消色差视觉(明暗视觉)远距离搜索背景中的潜在猎物,发现目标猎物后,再用色度视觉(彩色视觉)近距离仔细辨识锁定猎物[35]。早先的研究表明雏鸡可以代替自然界鸟类模拟捕食试验[34],用木地板为预设背景代替自然界土壤、绿叶等无紫外光背景开展试验[34]。试验中使用R语言(Version 4.0.3)中pavo包的功能进行光谱处理和视觉建模[36],分别计算雌雄丝带凤蝶体色的识别度。根据鸟类模型估算的色度和明暗度对比度分析雌雄丝带凤蝶体色的识别度,以刚好可见的差异(just noticeable distances, JNDs)为单位,3以上的JNDs值表示鸟类易于区分,而1和3之间的JNDs值表示仅在良好的光照条件下才可区分,低于1的JNDs值是鸟类不易区分的颜色值[36-37]。

1.4 小鸡捕食行为试验

1.4.1 猎物、捕食者及试验装置 将体型及翅展相等的活体丝带凤蝶成虫(雌:(66.77±6.15) mm,雄:(64.16±5.33) mm)放入-20 ℃冰箱冷冻5～10 min,以降低其活动能力。取出冷冻个体,室温放置5～10 min,以排除温度对后续捕食试验结果的影响,再平展其鳞翅作为猎物用于捕食试验。从养鸡场购入120只2日龄雌性小鸡作为捕食者饲养于实验室,实验室温度用空调控制在28～30 ℃,并给予全光谱光照及14∶10 h的昼夜节律,使小鸡处在理想的生长环境中。把小鸡分组饲养于形状大小一致(100 cm×80 cm×50 cm)的饲养笼内,每隔3 h给小鸡投喂足够的饲料和凉开水。用于试验的装置是一个“L”形的木质无盖木箱(图2):木箱用两块孔径1 cm的铁丝网隔分为3个部分,两端是试验区(40 cm×60 cm×40 cm),中间是伙伴区。用透明玻璃把试验区平面分成适应区(20 cm×40 cm)和捕食区(40 cm×40 cm)两部分,捕食区正中间有一直径5 cm圆形凹陷食盘。

1.4.2 小鸡训练试验 将3日龄小鸡随机分成伙伴小鸡(40只)和捕食小鸡(80只)二部分,分别接受学习训练。训练1,随机选择2只伙伴小鸡放入伙伴区,并提供凉开水供小鸡饮用,而试验区食盘及周围投放颗粒饲料但不提供饮用水。3只为一组,从捕食小鸡随机选择二组分别放在两个适应区。适应2 min后,抽出玻璃挡板让小鸡进入捕食区活动,2 min后结束训练,再换下一组小鸡进入试验区。每对伙伴小鸡可用于3组训练活动,然后换下一对伙伴小鸡。待所有80只捕食小鸡轮流训练完后,再随机选取分组重复训练一次。训练2,捕食小鸡以2只为一组放入到适应区,按照训练1的步骤接受学习。训练3,捕食小鸡以1只为一组放入到适应区,按照前二次训练步骤接受学习。训练4,在捕食区食盘投放颗粒饲料,绿色生菜叶片及黄粉虫幼虫,让4日龄小鸡按前三次训练步骤再接受学习,确保每只捕食小鸡在捕食区都进食过颗粒饲料、绿色生菜叶片及黄粉虫幼虫,能独立适应捕食观察区环境,获得捕食新猎物的技能和经验。

1.4.3 小鸡捕食试验 接受系列训练学习后的5日龄小鸡,作为捕食者用于捕食试验。试验开始前30 min,对小鸡进行饥饿处理(不再投喂饲料),以提高其觅食欲望。实验过程中,先将处理好的丝带凤蝶雌雄成虫鳞翅正面向上打开,各取1只随机放入到二个捕食区的食盘里。然后引入伙伴和捕食者,待捕食者在适应区活动2 min后抽出玻璃挡板,用2台摄像机分别记录下每只捕食者的活动表现,5 min后结束捕食试验,换下一组丝带凤蝶和捕食者。如果捕食者一直在适应区,没有进入到捕食区活动,计为试验失败。当捕食者进入捕食区活动后,记录捕食者发现丝带凤蝶所用时间、开始啄食丝带凤蝶的潜伏时间、啄食丝带凤蝶的次数及处理丝带凤蝶而消耗的时间,所有数据用非参数检验(Mann-Whitney test)进行统计分析(SPSS 23.0)。

2 结果与分析

2.1 丝带凤蝶成虫反射光谱及主成份分析雌雄丝带凤蝶所有测量点的反射光谱特征如图3所示:光谱在前翅黑斑、后翅红斑和后翅黑斑的反射强弱与波形都很相似(图3A, D, E),但雄性前翅黄白斑、后翅黄白斑光谱反射率高于雌性,雄性在紫外波段多一个反射峰(图3B, C)。这表明雄性丝带凤蝶前后翅的黄白斑纹在全光谱范围内要比雌性的明亮和多彩。

图3 试验用蝴蝶测量点及背景木地板反射光谱(A)前翅黑斑,(B)前翅黄白斑,(C)后翅黄白斑,(D)后翅红斑,(E)后翅黑斑。黑色实线示雌性,红色虚线示雄性。(F)背景木地板。图中数据为平均值±标准差

反射光谱主成分分析结果显示,雌雄丝带凤蝶体色光谱反射率存在极显著差异(F= 0.749,P= 0.004),而且二者5个测量点3个主成分得分上也有不同表现(表1)。虽然二者在前翅黑斑、前翅红斑、后翅黑斑3个测量点的主成分得分都没有明显差异,但二者在前翅黄白斑和后翅黄白斑主成分得分上都表现出极显著差异。其中前翅黄白斑在主成分明度(PC1)和饱和度(PC3)上有显著差异,后翅黄白斑在3个主成分得分上都有显著差异(表1)。这也表明雄性丝带凤蝶前翅黄白斑纹比雌性前翅黄白斑纹要明亮和多彩,而在后翅黄白斑纹上的差异更加明显,二者确有明显的体色差异。

表1 丝带凤蝶雌雄成虫反射光谱方差分析结果

2.2 鸟类视觉中的丝带凤蝶雌雄体色识别度鸟类捕食者视觉模型结果如图4所示,在远距离(明暗视觉)时,雌雄丝带凤蝶所有测量点的识别度值都高于3,说明在明暗视觉中丝带凤蝶雌雄都很容易被捕食者发现。但随着距离越来越近,逐渐由明暗视觉转为颜色视觉时,雌性丝带凤蝶前翅的黄白斑(0.95

图4 小鸡视觉中的蝴蝶测量点与背景木板颜色识别度A 明暗视觉识别度,B 颜色视觉识别度。a 雌性前翅黑斑,b 雌性前翅黄白斑,c 雌性后翅黄白斑,d 雌性后翅红斑,e 雌性后翅黑斑,f 雄性前翅黑斑,g 雄性前翅黄白斑,h 雄性后翅黄白斑,I 雄性后翅红斑,j 雄性后翅黑斑。箱线图中数据为中值、上四分位数和下四分位数,黑色虚线示JNDs值3,红色虚线示JNDs值1

2.3 捕食行为试验结果捕食试验中,雌性和雄性丝带凤蝶捕食区分别有38只小鸡成功进入到捕食区活动,有15只小鸡啄食雌性丝带凤蝶,有25只小鸡啄食雄性丝带凤蝶,雄性丝带凤蝶受攻击机率显著高于雌性(χ12=4.275,P=0.039)。小鸡发现雌雄丝带凤蝶的潜伏期(Mann Whitney test;U=612.5,P=0.254,n=76)和啄击的潜伏期(Mann Whitney test;U=185,P=0.944,n=40)都没有显著差异(图5A, B),但小鸡啄食雌雄丝带凤蝶次数(Mann Whitney test;U=85,P=0.004,n=40)和处理耗时(Mann Whitney test;U=76,P=0.002,n=40)都有极显著差异(图5C, D),攻击雄性丝带凤蝶的次数和处理时间显著高于雌性。这说明雄性丝带凤蝶较雌性更能引起小鸡的注意,具有更高的捕食风险。

图5 捕食试验箱线图A～D 小鸡对丝带凤蝶雌雄虫发现潜伏期、攻击潜伏期、处理猎物耗时及啄击次数上的差异。

3 讨论

在人眼看来,雄性丝带凤蝶翅面主基调为黄白色,前翅点缀黑色斑纹,后翅点缀黑色斑纹和红色斑块;而雌性翅面主基调为黑色,点缀着黄白色条纹和红色斑块。本研究通过光谱测量分析发现,在300～700 nm光谱范围内,雄性丝带凤蝶的前翅和后翅黄白斑的光谱反射率都高于雌性,而且雄性在紫外光区多一个明显的反射峰。可见雄性丝带凤蝶体色较雌性更加亮丽, 在人类可见光和紫外光范围的确具有明显的性二型体色,而且雄性丝带凤蝶具有明显紫外颜色,这是本研究率先发现的。许多动物除了有紫外颜色外还具有紫外视觉[18-22],而且这种颜色和视觉能力在种内交流[3,8,20]、性选择及觅食等方面都有重要作用[4,38-42]。本文中以鸟类捕食者视觉模型来分析丝带凤蝶成虫性二型体色差异,估计二者的生存风险,并通过小鸡捕食行为学试验取证,这是不乏创新的研究工作。鸟类视觉模型结果表明,当捕食者由远及近靠近丝带凤蝶成虫时,雄性丝带凤蝶成虫更容易被鸟类捕食者发现,存在较高的捕食风险。小鸡捕食试验结果与视觉模型结果非常一致,因为小鸡啄食雄性丝带凤蝶的次数和总处理时间显著高于雌性,雄性个体确实有更高的被捕食概率。

此外,视觉模型结果还显示,随着距离的拉近,捕食者对雌雄鳞翅红斑异常敏感,因为红斑与背景木板颜色识别度非常高,与其他斑纹颜色形成了鲜明的差异,这与警戒色动物体色特征非常相似。在自然界,一些具有毒性或不可口的动物类群,通常利用体表明亮的红色、橙色、黄色等与黑色相结合形成“警戒色”,向潜在捕食者发出无利可图的信号[43-45],以降低捕食风险。本研究的捕食行为试验结果表明,亮丽体色的雄性丝带凤蝶较雌性更能引起捕食者的攻击,但雌性个体较低捕食概率的原因没有直接的证据。如果结合警戒色的功能特征来考虑的话,雌性丝带凤蝶较低的被捕食概率就容易解释了。因为一些蝴蝶幼虫取食寄主植物后,积累生物碱[46]、豆蔻烯醇内酯[47]、环烯醚萜苷[48]、生氰糖苷[49]或者马兜铃酸[50]等多种化学物质,并将其传递给成虫[51-53],达到防御天敌的目的。丝带凤蝶寄主为马兜铃属植物,幼虫可能将马兜铃酸(AAs)传递给成虫,因为马兜铃酸在蝴蝶成虫对鸟类捕食者的化学防御中发挥着重要作用[14-16]。一旦丝带凤蝶获得“毒素”,形成“毒物”,再结合雌性丝带凤蝶的前翅和后翅上都分布有红色、黑色斑块,形成了一种特殊的红黑结合图案,可能构成“警戒色”,让捕食者“望而生畏”。因为有毒猎物的“警戒色”视觉信号,可以提高捕食者回避学习的速度和持久性[54-55],在无经验的幼雏捕食者中诱导回避[56],并增加已有经验的捕食者的识别概率[57]。本研究结果显示,雌雄丝带凤蝶翅面红色斑块与背景颜色反差强烈,且不受距离和光照条件的影响。雌性丝带凤蝶前后翅面都有红色斑块与大量黑色斑块结合,似乎较雄性而言更具有“警戒色”属性,降低了被捕食概率。

总之,本研究表明丝带凤蝶雌雄成虫在全光谱范围确有性二型体色,而且雄性丝带凤蝶颜色更亮丽,但雄性亮丽的体色吸引了捕食者的注意,可能会带来更大的生存风险;而雌性丝带凤蝶特有的鳞翅斑纹对于鸟类捕食者可能构成“警戒色”,具有防御天敌自我保护的功能。但在复杂的野外环境中,丝带凤蝶成虫在平衡性选择和自然选择压力的过程中,收获生存利益的同时也可能要付出相应的代价,其中性二型体色是否直接影响雌雄丝带凤蝶的生存概率尚不能妄下结论,还需更多野外调查和更加直接的试验取证。