竹节虫的细长身体表面隐藏着比肉眼所见的更多奥秘。这些虫子的一些物种能够融入植物中以躲避捕食者。它们是如何进化出这种伪装的，这是进化谜团的一部分：特定的生理特征是通过偶然还是遵循可预测的模式进化的？经过对 30 年数据的梳理，一个科学家团队可能发现了竹节虫可重复进化的证据。相关研究成果于 5 月 24 日发表在《科学进展》杂志上。
一次进化的重演？
进化论中仍有许多未解之谜，尤其是它如何展开。进化是按照易于观察的顺序发生的，还是取决于偶然事件？已故的进化科学家斯蒂芬·杰伊·古尔德将这种现象描述为“重放生命录像带”。他于 1989 年出版的非虚构书籍《奇妙生命：寒武纪生物群与历史的本质》中的这个隐喻提出了一个深刻的问题：如果生命有机会再次进化，地球上的生命会与我们现在所知的相似，还是会截然不同？
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“如果你将其定义为非此即彼的问题，那就太过于简单了，”该研究的合著者、犹他州立大学进化生物学家扎卡里亚·戈姆珀特在一份声明中说。“答案不是‘完全随机’或‘完全确定和可预测’。然而，在考察短时间尺度时，我们可以发现可预测、可重复的进化模式。”
对于竹节虫和一般的进化活动而言，变化是偶然发生还是以一种可重复的序列发生，这一点更为微妙。这通常归结于一个宝贵的资源——时间。
色彩隐蔽的变色者
在这项研究中，该团队研究了一种多态性的竹节虫物种 Timema cristinae。这些无翅的虫子遍布北美，具有多态性的身体颜色和图案。 其中一些是绿色的，这有助于它们融入加州紫丁香灌木。另一些则有绿色条纹，这些条纹在相似图案的腺毛灌木上会消失。躲藏在这些植物中是 T. christinae 防御饥饿的鸟类（如丛鸦）的关键防御手段之一。
“鸟类捕食是塑造昆虫有机体性状（包括颜色和条纹与非条纹）的持续驱动力，”戈姆珀说。
他们梳理了 30 年来在加州 10 个野生 T. cristinae 种群中隐蔽颜色模式频率的数据。他们发现所有这些昆虫种群的条纹频率都存在可预测的波动，这代表了一种重复的进化动态在起作用。据戈姆珀称，这些波动涉及一种称为负频率依赖性自然选择（NFDS）的现象。也就是说，当隐蔽的颜色模式（如条纹）是稀有而非常见时，它们被认为更有益。对于竹节虫来说，这可能是因为如果鸟类知道它们的图案，它们就可以开发出更好的方法来寻找更常见的猎物。
“在短时间尺度上，涉及现有变异的进化可能相当可预测，”戈姆珀说。“你可以依赖某些驱动因素始终存在，例如鸟类以昆虫为食。”
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在更长的时间尺度上，这些进化动态的可预测性会降低。昆虫种群可能会经历一次偶然事件——比如干旱或洪水——这会扰乱现状和更可预测的结果。在更长的时间尺度上，该物种的新突变可能会随机引入一种罕见性状。
“这几乎就是真正随机的程度了。稀有的东西很容易因偶然而丢失，因此新的突变很可能在获得立足点之前就消失了，”戈姆珀说。
相比之下，一种以腺毛灌木为食的不同的 Timema 竹节虫物种，要么从未有过这些条纹突变，要么迅速丢失了它们。这意味着在长远来看，竹节虫身体上进化出条纹并不是一个可重复的进化结果。
“时间无法催促”
对自然种群进行长期的重复研究很少见，包括查尔斯·达尔文著名的雀类研究。这很困难，因为这项工作仅限于一个或几个动物种群，这使得就某种性状的可重复性得出推论或结论变得具有挑战性。
“此类研究不仅难以实施，因为它们需要共同的努力，而且因为时间无法催促，”戈姆珀说。
