發育過程中的溼度差異是否會影響紫蛇目蝶的翅色

前言

生物的性狀除了基因的決定外，環境因素也同時影響性狀的表現。在環境的作用下，同一種基因會產生多樣的性狀，是為非遺傳多型性(Polyphenism)。例如，因季節氣候變化，生物產生的季節性性狀(Seasonal Polyphenism)！而這在昆蟲中十分普遍。(Shapior,1976)

眼蝶就是個經典的例子！生活在乾溼分明的非洲大草原，為應變環境的變化，藉由翅膀上眼斑的性狀改變：濕季眼斑明顯，乾季則相對不明顯，來躲避天敵以求自身的生存率提高！許多其他種的蝴蝶，在翅色斑紋上也都有表現季節多樣性的情形(Brakefied & Reitsma,1991)。像是在徐堉峰老師的台灣蝴蝶圖鑑中，及提到紫蛇目蝶似乎在乾季低溫時，翅腹面色淺，內外側明暗對比鮮明。

然而紫蛇目蝶真的有這樣的變化嗎？也是為了躲避天敵？藉由這次的生物小組實驗，我們究中山大學校園內頻繁出現的紫蛇目蝶做相關實驗探究。

實驗背景議題

季節多樣性(Seasonal Polyphenism)

要提到seasonal polyphenism ，就不得不提到 Phenotypic plasticity ,即表型可塑性。它用於描述在不同的環境下相同的基因表達出不同的表現型這一現象。這個現象曾經被科學家們所忽視，原因恐怕在於拉馬克主義的誇大解釋。

然而漸漸地，當越來越多的人們意識到將基因表達與環境分隔開來是一件錯誤的事時，表型可塑性的議題又重新被提起。潛在的基因表達與環境有關這一觀點取代了基因的規律性表達。最終，一個明確的定義被提出，「表現型是由基因和環境的相互作用形成的，即所謂的表型可塑性（Phenotypic Plasticity)。」

根據表型的靈活程度，儘管他們之間的界限並不清晰，但仍可大致分為三種：

1. 在個體成長的過程中受到環境因素（environmental cues)的影響形成的不可逆的表型變化。這一類的生物多數壽命不長，如昆蟲。                                                                                     
2. 在個體的一生其表型隨環境的變化而產生可逆的變化，這些動物相對而言要比較長壽，如雪兔。                                                                                                                                                   
3. 個體行為上的差異也會導致性狀的差異。

而季節性性狀就是指「在不同季節所展示出的不同表型」，這在昆蟲當中是一種普遍的現象，它們的表型大多可以作為性狀可塑性的範本。蝴蝶經常展示出季節多型性，但在大多數的案例中，它們的作用機制是不明的。有一假說及認為季節的差異影響到蝴蝶幼蟲體內的黑色素的量，進而體現在溫度與表型的關係上。

眼蝶(Bicyclus)及其表現的季節性性狀(Seasonal Polyphenism)

• 界：動物界(Animalia)
• 門：節肢動物門(Arthropoda)
• 綱：昆蟲綱(Insecta)
• 目：鱗翅目(Lepidoptera)
• 科：蛺蝶科(Nymphalidae)
• 屬：蔽眼蝶屬 (Bicyclus)
• 種： 偏瞳蔽眼蝶 (B. anynana)

偏瞳蔽眼蝶，或稱叢林斜眼褐蝶(Bicyclus anynana)具有季節性多樣性 (Kooi,1994)，在不同的季節與溫度的生長下，它們表現出兩種不同的形態。
原產於非洲中部至東南部一帶的沙地森林；在濕季時，其前後翅的腹側有很大且顯眼的眼斑。在其靜止時顯露出來，用於驚嚇掠食者。而在亁季時，借以降低或使其前後翅的腹側的眼斑消失，偽裝成枯葉使其增加存活率。（圖）

紫蛇目蝶(Elymnias hypermnestra hainana)

• 界：動物界(Animalia)
• 門：節肢動物門(Arthropoda)
• 綱：昆蟲綱(Insecta)
• 目：鱗翅目(Lepidoptera)
• 科：蛺蝶科(Nymphalidae)
• 屬：鋸眼蝶屬(Elymnias)
• 種： (hainana Moore, 1878)

• 寄主植物：棕櫚科植物，如黃椰子、孔雀椰子等。
• 成蟲形態：展翅寬55~65㎜。雄蟲翅膀外緣為波浪狀。前翅背面為深紫褐色，具有弧狀分布的水青色斑；後翅背面為黑褐色，外緣為橘褐色。翅膀腹面為橘褐色，佈滿灰藍色波紋狀斑紋。雌蟲翅膀顏色較淡。存在地域性差異。
• 分佈地區：台灣、中國大陸南部
• 台灣分布區域：多棲息台灣各處的平地至低山地區，但高山也有分布

又稱「藍紋鋸眼蝶」，因擁有藍色閃光結構(metallic blue sheen)和近緣白斑(submarginal white spots)而被廣泛認為與小紫斑蝶(Euploea tulliolus koxinga)有擬態關係。

小紫斑蝶擬態

• 界：動物界(Animalia)
• 門：節肢動物門(Arthropoda)
• 綱：昆蟲綱(Insecta)
• 目：鱗翅目(Lepidoptera)
• 科：蛺蝶科(Nymphalidae)
• 屬：紫斑蝶屬(Euploea)
• 種： (koxinga Fruhstorfer，1908)

• 寄主植物：桑科之盤龍木
• 成蟲形態：展翅 60 - 65 mm，翅膀表面前、後翅緣有一排白色斑點，翅基半部具藍紫色琉璃光澤，翅腹面色澤較淡，斑紋位置與翅表面同，前翅中室有一枚白色的橢圓形斑，雄蝶翅膀顏色較深，前翅後緣較彎曲而突出。
• 分佈地區： 普遍分布於低中海拔山區，成蟲全年可見。

小紫斑蝶與紫蛇目蝶存有「貝氏擬態」的關係。
在科學人雜誌，擬態 生物避敵最高招中，顏聖紘(2011)老師說明「在貝氏擬態的系統中，至少有三種生物參與：掠食者、模式物種、以及擬態者。擬態者必須與模式物種在棲息時間與空間上重疊，且在環境中的數量必須低於模式物種。」除了以上所提貝氏擬態，擬態還分為以下幾種：

實驗動機

小紫斑蝶沒有季節性性狀變化，而是藉由身上的毒性，嚇阻敵人的捕食；紫蛇目蝶擬態小紫斑蝶，是為了讓捕食者誤以為他也具有毒性。若此時紫蛇目蝶存在乾濕兩型，是否失去了擬態小紫斑蝶的意義？

實驗設計&預期結果

為了驗證紫蛇目蝶有沒有乾濕兩型，我們小組假設牠具有季節性性狀變化；影響季節性性狀的因素包含光照、溫度、溼度等。考量這學期時間及實驗設備技術等條件，我們實驗課題只著手濕度這一塊去探究。

操作變因：濕度，將三組長寬高均為22cm的玻璃箱分別濕度設為為55%，70%，99%
控制變因：溫度、光照等其他環境因素，環境溫度為27~28℃，每日光照時長為12小時

待其羽化，將獲得的成蟲製成標本，使用光譜儀對標本的翅色進行分析，觀察並統計最終羽化后成蟲的翅色差異與百分比。我們預期各種可能的翅色分析結果，如下：

實驗過程

(一)、誘捕紫蛇目蝶：

事前準備的鳳梨，建議先泡過米酒，放在誘捕網盤子上；在紫蛇目蝶寄主植物黃椰子樹上掛上誘捕陷阱。

 

過程中我們遇到的一個小問題，如何分辨雄雌？哪隻才是我們要的已受精雌蝶？

後來得知，雌性通常比雄性成蟲大隻，且下翅有白色斑點！

(二)、產卵、分箱：

已受精的雌蟲，使其在寄主植物上產卵。

（補充：建議使用孔雀椰子葉。因葉面積較大，不必太頻繁的更替葉子）

黃椰子葉

孔雀椰子葉

(三)、平分在3箱不同濕度55%、70%、99%的實驗箱：

假設紫蛇目蝶跟眼蝶一樣有乾濕季兩型，參考非洲東南部眼蝶所在地(盧薩卡 贊比亞)的一年濕度變化，如圖可見，當地濕度在60±20%上下，因此我們將台灣一年平均濕度70%參考±20%此值差做出55%，70%，99%的預設值。

調控方法：

(四)、記錄其生長狀況：

包括：食葉量、頭殼寬，目的是藉由紀錄食葉量及頭殼寬，看出是否每箱的幼蟲生長條件皆一致；排除其他可能影響實驗結果的變因。

定義：

1. 食葉量：幼蟲掉一次頭殼，是進入下一齡期的表徵。因此，在它掉頭殼前，吃掉的葉片面積，即是此齡期的食葉量。
2. 頭殼寬：戴爾法則(Dyar's law)，堅硬的外骨骼［如:頭殼、腳］的寬度會和其齡期成正相關。若是使用身體較柔軟的部分，如:腹部節間，常因吃食的多寡而影響長短。藉此得知幼蟲生活史和目前的生長情形，也能得知預測樣品中遺失齡期的頭殼寬。
   

測量方式：

食葉量

子蛇目蝶幼蟲期分五個齡期，每進入新的一個齡期會掉一次頭殼。每個齡期計算一次食葉量。以一齡為例，拍攝將要放入實驗箱的所有葉片(稱為before)，等在實驗箱內發現了掉落的幼蟲頭殼後，代表一齡幼蟲期結束，此時要把吃剩餘的葉片從實驗箱拿出，再拍攝一張(稱為after)。

一齡的食葉量計算: before減去after的食葉量面積

我們是用描圖紙和大頭針去固定展開的葉片，拍下影像；也可直接將葉片攤平放到掃描器下掃描，更為方便。事後放到imagej這軟體去計算面積大小，在此推薦大家上阿簡老師的blog「阿簡生物筆記」，有清楚的imagej使用教學，也有提到計算葉面積！
建議:
墊在葉子底下的紙要有格線或劃一條比例尺，才有相對比例計算葉面積。(建議單位mm)

拍攝時，要注意相機是與葉面保持平行的，以免葉片形狀面積與實際不相符。

頭殼寬

測量時，使用工具為游標卡尺
測量的位置如右圖紅線標示處，接近口器的頭殼兩側。

幼蟲要進入下一個齡期時會脫皮，我們會收集好幼蟲脫下的頭殼，藉此也能判斷目前大致的幼蟲在哪一個齡期。

(五)、標本製作：

準備材料及製作方式等，在國科會數位博物館先導計畫:蝴蝶生態面面觀，這網站中，有詳盡的介紹。下圖是我們的成品結果

(六)、翅色分析：

蝴蝶翅色是來源於翅膀上的鳞片。鳞片像瓦片一樣緊密的排列，但是鱗片並不排列在一個平面上，而是高低參差，鳞翅的角度各不相同。如果刮去鳞片，就只剩下透明的蝶翅膜。

翅色的功用：保護色，警戒色，控溫，求偶，種類識別，擬態

翅色的形成分為三大類：

1. 結構色 / 金屬色/ 物理色(structural color)：結構色是由鳞片的特殊結構（脊紋）而形成的光學現象（如干擾，折射，或衍射）。翅上鳞片結構不同，具有的物理屬性也不同，產生不同颜色。鳞片上的脊纹有一定角度且充滿空氣，这些结構能使光線產生折射、反射或干擾，從而形成各式各樣的光澤。這種物理結構導致虹彩效應形成。                                     
2. 色素色/ 化學色(pigmentation color)：由鳞片内部含有的色素構成，這種颜色在任何情况下都不會產生改變，色素可以吸收部分光波而反射其他光波，從而呈現出相應的色彩。蝴蝶身上的黑色、黄色、紅色和綠色，也是由色素决定的。例如，黑色素呈現出深沉的墨色、褐色、黄褐色和红褐色等色彩。                                                                                                 
3. 混合色：又稱化學物理色或綜合色，即翅膀上既有色素粒存在又有特殊的物理結構(脊纹)存在，因而從不同角度觀察，就能看到不同的光澤和美麗變幻的色彩。例如，在同一個表面的結構有藍色的結構色和黃色的色素色，就會導致（藍+黃=綠）的色彩形成。

紫蛇目蝶翅色大致分結構色及色素色兩種，假設實驗結果有其變化，翅色分析方式

測量方式：

1. 結構色: 利用光譜儀測量反射率(reflectance)。鱗片上蝶呤色素(pterin pigment)的吸收和入射光的非干涉散射決定了翅色的反射率。                                                                                         
2. 色素色: 計算後翅上黑色素的比例。測量黑化(melanism)指數 。

數據分析

食葉量

(1~2齡因實驗失誤未測得)

頭殼寬

隨齡期的變化趨勢在各濕度的差異在誤差允許範圍內

蝴蝶翅色

左邊是徐堉峰老師所觀察到的翅色變化圖；右邊三行則是我們透過實驗實際觀察到的變化。我們發現實際上，紫蛇目蝶均有個體上的差異！有些紅色區塊就如徐老師觀察所述；有些的結構色藍色亮面顯著。然在「每一箱」不同濕度的實驗箱都有這樣的個體存在，並非皆集中在某一濕度下的實驗箱內！因此我們推斷，紫蛇目蝶本身具有高度變異性，且只在組內。

結論&討論

發育過程中的濕度差異不會影響紫蛇目蝶的翅色。不過由於變量的單一(濕度)，我們無法完全的支持徐老師的觀點，但也難以否認其觀點的合理性！或許在溼度外的其他環境因子(溫度、光照等)才是影響他翅色的關鍵。

而在這次的實驗課題過程中，我們提出兩個疑惑：

1. 紫蛇目蝶本身個體差異變化大，那麼在他與小紫斑蝶間的擬態關係是否有影響？會不會紫蛇目蝶這樣變化的存在反而威脅到小紫斑蝶原有的生存？                                                          
2. 相同地區中，存在著有季節性性狀的蝴蝶（mycalesis），但根據我們的推斷紫蛇目蝶並不存在著這樣的特性，或許與不同種蝴蝶對環境變化的敏感度有關？

參考資料

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苏澄宇（2015）為什么我們看到蝴蝶翅膀是彩色的？ WebExhibits

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