玻璃翼蝶到变色章鱼,「进化」犹如一位疯狂的科学家。

在秘鲁雨林中徒步旅行时,距离最近的丛林定居点有八小时船程的地方,生物学家亚伦·波默兰茨看到了一些看似微小无形的喷气式飞机在小径上穿梭。“我当时拿着网在那里试图捕捉东西,”他说,“而这些小东西突然改变了方向,然后就消失了。”

这是他首次近距离接触透明翅蝴蝶,这种昆虫栖息在中南美洲的森林中,并拥有一种非凡的伪装手段:透明或“玻璃”般的翅膀使它们在茂密的林下植被中尤其难以被发现。

“这就像是隐身的能力,”波默兰茨说,他是一项发表在《实验生物学杂志》上的研究的主要作者,该研究探讨了透明翅膀是如何形成的。“如果你能披上隐形斗篷,捕食者就更难发现你。在海洋环境中有许多透明物种,但在陆地上这种情况要少见得多。这真的引出了一个问题:‘在陆地上实现透明需要什么条件?”

一些适应性使得某些蝴蝶的翅膀变得透明,比如这只Cithaerias esmeralda。

图片由亚伦·波默兰茨提供。

通过研究玻璃翼蝶(学名:Greta oto)在蛹发育不同阶段的翅膀,波默兰茨与他在加州大学伯克利分校、伍兹霍尔海洋生物实验室和加州理工学院的同事们发现翅膀透明性与以下因素有关:

鳞片形态和密度的变化:通常,蝴蝶翅膀上的微小鳞片负责产生色彩。在玻璃翼蝶的透明区域,这些鳞片数量较少,形态呈细长的刚毛状,而在不透明区域则为扁平、圆形。这种独特的鳞片配置有助于减少光的反射,增强透明度。

蜡质纳米柱层:翅膀表面覆盖有一层微小的蜡质纳米柱,这些结构在明亮阳光下能有效防止眩光。当光线照射到这些纳米结构时,它不会反射,而是直接穿过,从而提供更好的透明度。

如果这看起来像是一种独特的适应,其实不然。“这种情况已经多次进化,”波默兰茨说。他指出,有数百种蝴蝶和蛾类拥有玻璃般的翅膀。虽然它们只占鳞翅目的一小部分,但它们构成了陆地上这种透明现象的罕见案例中的大多数。玻璃蛙是另一个例子,它们表现出不同程度的皮肤半透明性。

另一方面,在海洋环境中,透明性相对容易实现,这部分归功于水的视觉和物理特性。海洋中充满了透明物种,从水母和海绵到甲壳类、头足类,甚至鱼类。21年夏季,在太平洋凤凰群岛附近的深海探险中,研究人员在施密特海洋研究所的“福尔库尔”号上两次罕见地观测到透明章鱼。这表明,在海洋中,透明性是一种常见且有效的生存策略。

一只玻璃翼蝶停在亚伦·波默兰茨的笔记上。

相比之下,陆地上的透明物种要少得多。陆地环境需要生物发展出特殊的适应性,例如在组织超微结构上进行调整,以影响其光学特性。生物学家劳拉·巴格(Laura Bagge)在杜克大学进行博士论文研究期间,曾在一次研究航行中对透明动物产生了浓厚兴趣。

她从一桶海洋生物中捞起一个神秘标本,发现它坚硬如龙虾,但完全透明。这是一种类似虾的甲壳类动物,名为Cystisoma,体型可达成人手掌大小。巴格对其硬外壳和肌肉发达却完全透明的特性感到惊讶,激发了她对动物透明性的深入研究。

劳拉·巴格表示:“你可以把它想象成在水中放置一块玻璃。”她解释道,这种环境比陆地更为单调,且不受重力影响。因此,这些动物通常是某种水生、浮力十足的生物,没有脊椎或在陆地上生存所需的致密结构。

想象一下经典的《大白鲨》场景——从鲨鱼视角看,一个游泳者的剪影在上方透下的光线中显现。在阳光明媚的地方,水下捕食者很容易看到不透明的形状,因此保持透明有助于避开它们。在更深的海洋中,这种透明性同样重要,因为即使在无光带(即阳光无法渗透的深度),许多生物发光的动物也会发出自己的光芒。

这只玻璃章鱼最近在太平洋偏远凤凰群岛附近被发现。施密特海洋研究所。

巴格发现,Cystisoma的外壳具有类似玻璃翼蝴蝶翅膀上的微观结构,这些微小的结构有助于其保持透明。这些纳米结构启发了在太阳能电池板、眼镜和相机中应用防反射涂层的设计。此外,Cystisoma的肌肉还有其他适应性,使其保持透明,这是巴格计划在未来研究论文中探讨的主题。

然而,有时保持不透明反而更有利。为了躲避深海捕食者,这些捕食者进化出了生物探照灯来照射潜在猎物,两种头足类动物——日本小章鱼(Japetella heathi)和班氏爪鱿(Onychoteuthis banksii)——在需要时能够迅速从透明变为不透明。

一种名为 Phronima 的深海甲壳类动物(如图所示,背负幼体)是完全透明的种类之一。这类生物生活在全球各大洋的深海中,体型相对较大。 

巴格表示:“它们大多数时间保持透明,但如果捕食者对其照射蓝光,它们会立即变换成一种吸收光线的色素外衣。”她解释道,如果它们在那个深度完全透明,就像在夜晚对着窗户照射手电筒,你会看到反射,而不是像夜晚的黑色天鹅绒那样吸收光线。







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