全彩3d打印昆蟲模型揭示貝茨氏擬態(tài)進(jìn)化圖譜

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在貝茨氏擬態(tài)研究中，不準(zhǔn)確擬態(tài)的持續(xù)存在是進(jìn)化生物學(xué)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，現(xiàn)有理論因難以評(píng)估現(xiàn)存物種中不存在的表型適應(yīng)性，導(dǎo)致適應(yīng)性景觀研究受限。諾丁漢大學(xué)Christopher H. Taylor教授團(tuán)隊(duì)與紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)、劍橋大學(xué)等機(jī)構(gòu)合作，利用3D打印技術(shù)，將真實(shí)昆蟲（蒼蠅和黃蜂）的3D圖像變形生成中間表型，制作出高分辨率全彩3D打印刺激物，系統(tǒng)測(cè)試了鳥類（大山雀、藍(lán)山雀）和無脊椎動(dòng)物（螳螂、跳蛛、蟹蛛）對(duì)這些擬態(tài)表型的辨別能力。該研究驗(yàn)證了多模型假設(shè)、特征顯著性及“觀察者視角”假設(shè)，為探索擬態(tài)進(jìn)化的適應(yīng)性景觀提供了新方法。相關(guān)工作以“Mapping the adaptive landscape of Batesian mimicry using 3D-printed stimuli”為題發(fā)表在《Nature》上。

通過3D掃描、攝影測(cè)量和3D打印技術(shù)，研究了從非擬態(tài)蒼蠅（如Mesembrina meridiana）到黃蜂（Vespula vulgaris）的表型漸變模型（如M100到V100的中間態(tài)M50/V50）。結(jié)果表明，成功制備出具有蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型，其外觀特征（如身體形狀、顏色條紋、體型大?。┛蓮摹巴耆n蠅樣”平滑過渡到“完全黃蜂樣”，且細(xì)節(jié)（如翅膀、觸角）具有生物真實(shí)感。   

圖 1. 3D打印擬態(tài)模型的形態(tài)漸變過程與結(jié)構(gòu)表征

通過野外行為觀察實(shí)驗(yàn)，研究了野生大山雀對(duì)3D打印擬態(tài)模型的取食偏好——訓(xùn)練鳥類區(qū)分“獎(jiǎng)勵(lì)性蒼蠅模型（M100）”和“無獎(jiǎng)勵(lì)性黃蜂模型（V100）”，并測(cè)試其對(duì)中間擬態(tài)（如75%黃蜂相似度）的攻擊順序。結(jié)果表明，大山雀能通過顏色和大小識(shí)別擬態(tài)差異，對(duì)更接近黃蜂的模型攻擊率更低，且對(duì)圖案和形狀的敏感度低于顏色特征。     

圖 2. 大山雀對(duì)不同擬態(tài)精度的辨別能力實(shí)驗(yàn)

通過設(shè)置“單一模型（V100）”和“雙模型（V100 + 另一種黃蜂A100）”的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究了中間擬態(tài)（如A50/V50）是否因同時(shí)相似于兩種模型而獲得額外保護(hù)。結(jié)果表明，捕食者更關(guān)注擬態(tài)與最近模型的相似度，中間擬態(tài)未因多模型存在而提升保護(hù)效果，其保護(hù)水平僅與距單一模型的距離相關(guān)。   

圖 3. 多模型環(huán)境下擬態(tài)保護(hù)效應(yīng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

通過實(shí)驗(yàn)室行為測(cè)試，研究了雛雞對(duì)獨(dú)立變化的擬態(tài)特征（顏色、大小、形狀、圖案）的敏感度——訓(xùn)練雛雞區(qū)分“蒼蠅樣特征（差）”和“黃蜂樣特征（完美）”，并測(cè)量其對(duì)中間特征組合的攻擊延遲。結(jié)果表明，顏色是最關(guān)鍵的辨別特征（顏色越接近黃蜂，攻擊延遲越長(zhǎng)），其次是大小，而形狀和圖案對(duì)辨別影響較小。

圖 4. 雛雞對(duì)擬態(tài)特征顯著性的辨別實(shí)驗(yàn)

通過觀察螳螂、跳蛛、蟹蛛等無脊椎動(dòng)物對(duì)擬態(tài)模型的行為，研究了無脊椎動(dòng)物與鳥類的辨別能力差異——測(cè)試其對(duì)不同精度擬態(tài)（如M50/V50、M25/V75）的攻擊概率、躲避行為。結(jié)果表明，無脊椎動(dòng)物對(duì)擬態(tài)的辨別精度顯著低于鳥類：螳螂對(duì)50%黃蜂相似度的模型反應(yīng)與真實(shí)黃蜂相似，而跳蛛需更高相似度才表現(xiàn)回避，蟹蛛對(duì)中等擬態(tài)的反應(yīng)差異較小。

圖 5. 無脊椎動(dòng)物對(duì)擬態(tài)模型的行為反應(yīng)對(duì)比

研究結(jié)論
本研究利用3D打印技術(shù)生成擬態(tài)表型，系統(tǒng)測(cè)試了鳥類與無脊椎動(dòng)物的辨別能力。結(jié)果顯示，鳥類雖能通過顏色和大小等特征識(shí)別細(xì)微差異，但對(duì)圖案和形狀的敏感度較低；多模型中間擬態(tài)未獲得額外保護(hù)。無脊椎動(dòng)物（如螳螂、蟹蛛）對(duì)擬態(tài)的辨別能力顯著低于鳥類，部分物種對(duì)中等擬態(tài)表型的保護(hù)反應(yīng)與模型相當(dāng)。研究證實(shí)，不準(zhǔn)確擬態(tài)的持續(xù)存在并非源于選擇性優(yōu)勢(shì)，而是不同捕食者的辨別能力差異與特征顯著性（顏色>大小>形狀/圖案）導(dǎo)致的選擇壓力放松。本研究為解析貝茨氏擬態(tài)的適應(yīng)性景觀提供了新技術(shù)框架，揭示了捕食者群落結(jié)構(gòu)與視覺特征優(yōu)先級(jí)對(duì)擬態(tài)進(jìn)化的關(guān)鍵影響。

文章來源：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09216-3