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解开八丈岛锯锹形虫的身世之谜

从大颚的差异，追寻岛屿与海洋的历史

日本本土和八丈岛都生活着锯锹形虫这一类甲虫。假设把两地各一只体型差不多的雄虫放在一起，八丈岛那只的大颚比较短。单凭这一点，就能说它们是不同的物种吗？

大颚的差异，确实是判断物种是否不同的一条线索。研究人员比较了许多只甲虫后发现，相对于身体大小，八丈岛雄虫的大颚往往比本土雄虫的短。

为什么八丈岛会出现这样的差异呢？这座岛是海底火山露出海面后形成的。甲虫的祖先，很可能是在岛上出现陆地以后，才越过海洋来到这里。

甲虫在八丈岛定居后，本土和其他岛屿的甲虫还会继续来到这里吗？岸野紘大和同事们关注的正是这些往来。八丈岛与外界联系的不同，可能与大颚变短有关。这篇文章就来追寻其中的谜团。

要比较大颚，先量胸部的宽度

体长，就是动物身体的长度。有些锹形虫图鉴把大颚尖端到身体末端的距离算作体长。这样一来，即使大颚以外的部分一样大，大颚较长的甲虫，体长也会更长。为了判断大颚相对于身体究竟有多长，研究团队没有采用包含大颚的体长，而是用紧接在头部后面的胸部宽度，作为身体大小的指标。

他们从正上方拍摄了日本本土那须高原，以及大岛、新岛、神津岛和八丈岛的甲虫，再在照片上测量胸宽和大颚长度。以胸宽为基准，按照本土、大岛、新岛、神津岛的顺序，雄虫的大颚相对于身体有逐渐变短的趋势。研究对象中，八丈岛甲虫的大颚相对最短。

八丈岛的甲虫，最初被看作与本土锯锹形虫属于同一物种、但具有八丈岛特色的一群。到了1985年，人们依据外形差异，将它们作为另一个物种处理，其日语名称可译作“八丈锯锹形虫”。岸野团队这次研究的问题，是八丈岛的甲虫在过去与其他岛屿和本土的甲虫有过怎样的联系。

八丈岛是什么时候与本土分开的？

如果本土和八丈岛的甲虫有共同祖先，两地以前是不是连在一起的呢？八丈岛是一座火山岛，位于从伊豆半岛近海向外延伸的伊豆群岛南部。地质研究没有找到它从本土分离而形成的证据。构成岛屿基础的火山先出现在海底，后来才露出海面。

判断时间的一条线索，是从九州飘来的火山灰。八丈岛在陆地上形成的地层中，发现了约24万年前的火山灰。这说明，火山灰落下时，这里很可能已经有陆地露出海面了。

考虑到这样的形成过程，认为甲虫祖先在陆地出现后才渡海而来，是合理的。搭乘漂流木抵达，就是一种可能的方式。它们是直接从本土来的，还是经过附近的岛屿？靠什么漂来，又是什么时候到达的？地层能告诉我们的，只是当时这里已经有了陆地。

从DNA寻找定居之后的往来

假设甲虫的祖先越过海洋，在岛上定居了。那么此后，本土和其他岛屿的甲虫还来过吗？我们无法直接看到远古的迁移，但如果外来的甲虫在岛上留下后代，它们的DNA就可能一直传到今天。研究团队于是从现生甲虫的DNA中寻找痕迹。

DNA是一种承载身体构造和运作信息的物质。它的结构中有四种叫作“碱基”的化学组成部分，排列顺序记录着信息。这种排列会从亲代传给子代，不过有时会发生局部变化。比较不同种群保留了哪些变化，就能研究种群之间的联系。这里的种群，指生活在某一地区的一群同类生物。

研究团队首先比较的是线粒体中的DNA。线粒体位于细胞内部，利用食物提供的营养，产生细胞能够使用的能量形式。在许多动物中，线粒体DNA主要由母亲传给后代。因此，比较它的排列，就像沿着家谱从母亲追到外祖母一样，可以追寻母系的联系。

研究人员读取了线粒体DNA的一部分。这部分记录着制造某种部件的信息，而这个部件参与能量的产生。

他们比较甲虫之间DNA排列的相同与不同之处，再据此推测各支从共同祖先分开的先后顺序。把这些关系画成像树枝一样的图，就叫“系统发育树”。

研究团队用伊豆群岛八座岛屿以及本土等地的甲虫建立系统发育树。结果，八丈岛与三宅岛等南部岛屿的甲虫出现在同一条分支上，与本土一侧的分支分开。这表示，据推测，这条分支上的甲虫彼此拥有更近的共同祖先，而与本土一侧甲虫的共同祖先更久远。大岛和新岛则位于本土一侧的分支。增加比较的线粒体DNA部分后，这种分支关系仍然没有改变。

接下来比较的是细胞核中的DNA，它由父亲和母亲双方传给后代。细胞核是细胞里存放大部分DNA的地方。研究团队比较了核DNA中的1,317个基因。基因是DNA上的一个信息片段，与身体的构造或运作有关。

用核DNA建立系统发育树后，大岛、新岛、三宅岛和八丈岛这四座岛屿的甲虫位于同一条分支，与本土一侧分开。这条分支又分为八丈岛和其余三岛两支。在线粒体DNA的树上与八丈岛同支的三宅岛，在核DNA的树上却与大岛、新岛同支。

这种不一致，会不会与甲虫定居后的往来有关？如果后来渡海的甲虫在岛上繁殖，它们的DNA也会加入后代之中。研究团队进一步调查了这种可能性。

哪一边保留了更多与本土相同的DNA变化？

研究团队把大岛、新岛和三宅岛的甲虫合为一组，与八丈岛种群进行比较。他们要看的是，哪一组保留了更多与本土甲虫具有相同DNA变化的位置。

如果两组分开后，都没有再与本土甲虫繁殖后代，那么这些共同变化的数量，预计不会明显偏向其中一组。然而实际比较发现，三岛一侧与本土具有相同变化的位置，比八丈岛更多。

如果从本土而来的甲虫与三岛甲虫繁殖，后代继承了本土亲代的DNA，就能解释这种偏向。结合其他分析，研究团队认为，本土甲虫曾在这三座岛屿上留下后代。对于八丈岛，他们没有获得本土甲虫以同样方式加入当地种群的证据。

黑潮阻碍了甲虫前往八丈岛吗？

大岛、新岛和三宅岛留下了与本土往来的痕迹，八丈岛却没有发现相同的痕迹。每座岛都隔着海，为什么会不一样呢？

为了思考这个问题，研究团队还利用DNA推测了本土与八丈岛种群分开的时间。估计约为15万年前，论文给出的估计范围约为12万至19万年前。这一计算假设两个种群分开后不再彼此繁殖，因此，它并不代表第一批甲虫到达八丈岛的时间。

地层显示，约24万年前，八丈岛就已经有了陆地。在考虑甲虫此后的联系时，岸野团队注意到了黑潮。这股强劲的洋流有时会流经御藏岛与八丈岛之间，他们认为它可能阻碍了甲虫抵达八丈岛。

根据海底沉积泥研究古代海洋的其他研究认为，在一个寒冷时期，黑潮流经的位置比现在更靠南。岸野等人提出，甲虫祖先也许能够在那时到达八丈岛。后来，洋流向北移动，横穿岛屿之间，可能把漂流木带向别处，让抵达八丈岛变得更困难。这是一种假说。种群分开时间的估计范围很宽，尚不清楚它是否与黑潮改道的时间恰好吻合。

本土甲虫每在岛上留下后代，就会把本土来源的DNA带入岛上种群。研究团队认为，八丈岛的这类流入较少，适合岛上生活的变化可能因此更容易保留下来，大颚变短的演化也可能得到推进。

研究人员改变了幼虫生长中的什么？

如果大颚的发育方式发生了变化，与生长有关的DNA或许也有线索。幼虫细胞中有一种部件，能够接收随身体营养状况而来的“生长信号”。八丈岛甲虫中，记录这种部件制造信息的DNA，存在其他种群没有发现的差异。

研究团队把本土幼虫分为两组，让其中一组更难制造这种部件。测量羽化后的雄虫时，他们发现，与未作这种处理的一组相比，制造部件受到抑制的一组，大颚相对于身体更短。实验因此证实，这种部件参与了大颚的发育。

已经知道了什么，还要验证什么？

这项研究证实，即使考虑身体大小，八丈岛雄虫的大颚仍然较短。DNA比较显示，本土甲虫曾在大岛、新岛和三宅岛留下后代。八丈岛没有发现相同痕迹，说明不同岛屿与本土的联系并不一样。

研究团队认为，八丈岛较少加入本土来源的DNA，可能使适合岛上生活的变化更容易保留，也让大颚变短的演化得以推进。岛屿环境，以及较少有本土新成员加入的历史，都可能与八丈岛甲虫的大颚较短有关。

要验证这一想法，还有问题需要研究。实验已表明，让本土幼虫难以制造某种与生长有关的部件，会使大颚变短。但八丈岛甲虫中发现的DNA差异本身是否改变了这种部件的功能，还没有得到验证。短大颚在岛上什么情况下有用，也需要调查雄虫在哪里相遇、争夺什么。

黑潮阻碍了甲虫抵达八丈岛这一解释，同样还处于假说阶段。甲虫最初何时、沿什么路线到达岛上，后来的迁移又如何变化，都需要更多证据。比如，比较同时生活在御藏岛和八丈岛的其他昆虫，看看两岛之间是否也出现较大的DNA差异，或许能帮助理解洋流的影响。

追究大颚的差异，竟然一路连到了岛屿的形成和海洋的流动。与本土联系变弱，是否为八丈岛独特的演化创造了条件？以这次研究为起点，把DNA的作用与甲虫在岛上的生活联系起来验证，就是接下来的课题。

参考文献