研究揭示蓝色甲虫升温更快的物理化学机制与生态适应进化新理论

颜色多态性现象在生物中广泛存在，其物理和化学机制复杂，往往与增强生态适应力和促进物种分化相关。有关生物颜色的功能，通常由伪装、体温调节、机械抵抗、紫外线防护等假说进行解释。然而，颜色的形成是一个复杂的物理、化学过程。过去关于种内颜色多态性的研究多集中在现象描述、假说讨论、分子机制探讨等，忽视了颜色形成的物理和化学机制基础，因而阻碍了功能假说的论证设计，进而误解其生态功能和演化驱动因素。

8月4日，中国科学院动物研究所研究员白明团队与德国国家科学院院士、德国基尔大学教授Stanislav N. Gorb团队合作，以一种我国广布的常见甲虫——棉花弧丽金龟（Popillia mutans）为对象，首次系统阐明了其种内颜色多态性的物理化学机制；结合地理分布格局的可能驱动因子，设计实验论证了不同色型的力学性能与热调节功能差异，为理解生物如何适应环境变化提供了关键线索。

棉花弧丽金龟具有多个色型，包括蓝色型、蓝绿型、绿色型、红色型等，类似的色型在其他生物中也常有发现。棉花弧丽金龟具有相对均匀的体色，是研究物理化学机制的理想研究对象。

为了揭示其颜色形成机制，研究团队利用光学特性、化学特征检测、扫描电镜和透射电镜技术，获得了不同色型的表面和截面超微特征。结合物理仿真模拟计算，研究发现该物种的颜色形成不单纯由物理色或化学色来解释，而是代表了一个罕见特殊案例——其颜色是由色素与表皮结构组成的复合结构产生，并非仅仅由结构色决定（通常认为丽金龟是物理色的典型代表）。与此同时，不同色型的主要机制亦存在差异。具体而言，在超微观层面上，其表皮的多层膜结构、黑色素的分布与排列等，共同作用于颜色的形成。蓝色型和绿色型由结构色主导：外表皮存在 25 层深浅交替排列的亚层，通过光的多层干涉呈现出蓝、绿两种物理色。其中，绿色型的浅色层更厚，导致反射光波长更长，峰值为531-561nm，而蓝色型的浅色层较薄，反射峰值为445-461nm。红色型则以化学色素色为主导：表皮的黑色素类似物直接吸收特定波长的光，呈现红色，其表皮深浅亚层边界较模糊，物理色的效应较弱。以往研究中物理色与化学色研究往往是独立进行验证的，该研究创新性地解析了甲虫物理色和化学色协同成色机制，丰富了颜色多态性与物种形成理论。

为了理解不同色型的生态适应进化机制，研究对544个地理分布信息进行分析，发现其不同色型呈现一定的地理分布规律。不同色型分布与纬度和海拔相关，其中蓝色型在我国北方占优势，其余色型则主要分布于南方。科研人员通过分析19个气候因子和全年太阳辐射值与色型分布的关系，发现温度与色型分布最相关。为进一步探明不同色型的生态学意义，研究分别比较了不同色型个体力学性能和热调节能力。与以往研究不同，在本研究案例中，尽管表皮的超微观结构和化学组成并不相同，但纳米压痕仪测试表明各色型间体壁的力学性能无显著性差异。对于热调节功能假说，研究团队通过控制实验设计，证实了色型之间的热调节能力存在差异，其中蓝色型升温相对更快，有助于昆虫在低温环境中更快提升体温，达到其飞行、取食所需的最低能量。这也与蓝色个体更能适应北方或高海拔地区的现象吻合。

相关研究成果以Structural background of intraspecific color polymorphism and the driver of geographic patterns in a shining leaf chafer为题，发表在Frontiers in Zoology上。研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院相关项目等的支持。

论文链接

棉花弧丽金龟不同色型的分布格局及关联气候因子

棉花弧丽金龟三种色型（蓝色、绿色和红色）的光学特性

棉花弧丽金龟的微观结构特征

棉花弧丽金龟鞘翅角质层的力学性能

三种色型鞘翅的热调节能力