出品|网易科学人栏目
译者|晗冰
当他开始研究菜粉蝶时，Nathan Morehouse并没有指望发现什么不一样的东西。这种蝴蝶五彩斑斓的色彩和遍布五大洲的足迹，让其闻名于世。 Morehouse将其称之为“世界上最大的香草蝴蝶”，他甚至没有研究这种蝴蝶的计划。他之所以要研究菜粉蝶只是因为他原本研究的的蝴蝶经历了大规模的死亡，他需要一个可靠的研究替代品。
“事实证明这是我职业生涯中最好的选择之一，”他说。
在过去几年里，匹兹堡大学教授Morehouse及其同事Nathan Clark也表明，菜粉蝶的性生活是非常独特。这种生物带有一个奇怪尺寸的精子包囊，其性器官也是消化食物的胃，甚至其中还有一副正儿八经的牙齿。
让我们从菜粉蝶的颜色开始介绍。菜粉蝶的大部分白色外表反射了大量的紫外线，我们人类肉眼看不到，但蝴蝶自己可以。对我们人类来说，它们看起来平淡无奇，但是对于雌性菜粉蝶来说，这是一种柔和的薰衣草色调，而雄性个体则是一种耀眼的紫色。而Morehouse显示，雄性个体发出的紫色越亮，就越能够引起雌性同类的注意，这是为什么呢？
部分原因是因为它们的颜色亮度反映了它们的体质。菜粉蝶外表的图案和颜色依赖于翅膀中的蛋白质含量。由于菜粉蝶主要通过主食白菜和羽衣甘蓝来摄取合成蛋白质。这样以来，只有最优等的菜粉蝶才能够吃饱，才能在生命后期发出明亮的色彩。就是说，这些雄性菜粉蝶有能力为雌性同类带来更诱人的礼物。
菜粉蝶的授精过程与人类有很大的不同。菜粉蝶并不会像人类一样产生白色的精液，而是拥有一个复杂称之为“精子包囊”的固体包囊。这个精子包囊由硬外壳，柔软的有营养内脏以及内部的精子组成。雄性菜粉蝶会将其存放在雌性生殖道内的交尾囊中。精子进入交尾囊之后，雌性菜粉蝶会用其为卵子提供营养。其会开始分解精子细胞的外壳，以吸收其中的营养物质。因此，雄性菜粉蝶的精子细胞也是一个婚礼礼物——是雄性菜粉蝶为其配偶提供营养的一种方式。
精子包囊堪称很大的一个礼物。平均而言，每个精子包囊占到雄性菜粉蝶体重的13％。 Morehouse表示：“我从来没有从我身上抽出一个五加仑的水桶。但是如果你将相应比例扩展到人类的情况，这就是我们正在谈论的射精量，堪比一个饮水机。“
这些巨大的礼物是如此的营养，以至于雌性菜粉蝶会利用其中的蛋白质。这就是为什么雌性菜粉蝶会选择那些色彩最鲜艳的雄性菜粉蝶进行交配，因为它们所提供的精子包囊体积最大。
如果雄性菜粉蝶在每次射精中都会损失13％的体重，肯定会限制到一生中的交配次数。没有人知道确切的数字，但雄性菜粉蝶在一生中至少有两三次交配。如果营养不良或者摄入的食物匮乏，它们产生的精子包囊就会很小，并会分解其肌肉和内脏。老年的雄性菜粉蝶甚至会消化自己的内脏，从而为产生足够分量的精子包囊提供营养。
相比之下，研究关于雌性菜粉蝶性行为频率问题要简单得多。因为雌性菜粉蝶即便吸收了所有的营养物质，也无法完全消化精子细胞的外层。在吸收过精子包囊的蛋白质之后，枯萎的精子包囊外皮就会遗留在其生殖器内。如果你对一个雌性菜粉蝶进行解剖，就可以算出其一生中交配的次数。通过这种方法，Morehouse知道大多数雌性菜粉蝶在一生中会交配两到三次，但有些菜粉蝶最多可以达到六次。
从雌性菜粉蝶的角度来看，由于每次交配都能为自己带来新的营养，因此最好方式是尽可能多地进行交配，但这对雄性菜粉蝶来说是灾难性的，因为后来者的精子可能会取代自己的授精。这导致了激烈的性别争夺战，雌性菜粉蝶在重新可以交配时经常会遇到雄性菜粉蝶试图会阻止其再次交配。 Morehouse说：“这是一场拔河比赛，看谁能够谁控制雌性个体的再交配。”但这不是体育比赛。这是一个看不见的竞争，主要通过精子在雌性菜粉蝶体内发挥的化学作用。
当雌性菜粉蝶将现有的精子营养吸收殆尽时，就会再次配合交配，这就是为什么雄性菜粉蝶的精子包囊外层非常坚韧。为了分析这些精子包囊的外层，Morehouse和Clark带领的研究团队首先必须将其破开。研究人员只能通过将精子包囊放在浓硫酸中煮沸来做到。这似乎就如同雄性菜粉蝶送给雌性个体的婚礼礼物包裹在在几乎不可破坏的坚韧包装纸中。
当然，雌性菜粉蝶无法获得硫酸。相反，她用一种称为阴道口器的器官咀嚼生殖器内的精子包囊，这个器官位于其交尾囊中，看起来像一对齿形的钳口，中间带有一个控制开合的枢纽。 Morehouse说：“我喜欢告诉人们我们发现了有牙阴道，但是它存在于蝴蝶体内。当一名女性在交配中接受了精子包囊后，她的交尾囊会收缩，并且阴道口器会不断弯曲开合。这样不断咀嚼24至36小时才能破开精子包囊。
同时，交尾囊还会分泌一种蛋白酶的混合物，这种蛋白酶与胃用于消化食物的酶基本相同。但是，Morehouse的同事Melissa Plakke表明，交尾囊产生的蛋白酶浓度是消化液的20倍。而当交尾囊产生蛋白酶的时候，所有的精子会在几分钟之内从囊中游出来，进入一个单独的粘液囊中，因此它们不会被消化酶所消化掉。
菜粉蝶的许多性特征，诸交尾囊液囊，精子包囊以及阴道口器在蝴蝶和蛾类中非常常见的，很多不同的物种在不同程度上阐述了这一机理。人类在几千年前就已经驯化的蚕蛾也是此类。通过控制其交配生活，人类在蚕蛾中强制执行一夫一妻制，消除了其他蝴蝶中存在的性冲突问题。结果导致蚕蛾溶解精子包囊的时间要长的多。雌性蚕蛾在其囊中产生的蛋白酶水平要低得多。而相比之下精子流出包囊的时间要更长，甚至要花费几个小时的时间。
Clark的同事卡米尔·梅斯林（Camille Meslin）通过研究还表示，雄性菜粉蝶不会将现成的精子包囊转移到雌性体内。相反，其会在雌性菜粉蝶体内打造一个完整的精子包囊。雄性菜粉蝶会使用阴茎样的器官aedeagus中的腺体来转移坚韧的精子包囊外壳，然后用营养物质填充，并用精子覆盖整个包囊。
这个过程使得雌性菜粉蝶有机会进行干预。 Meslin发现精子包囊外层蛋白质中四分之一实际上是来自女性的蛋白酶。通过在精子形成之后立即包裹这些细胞，她可以自行溶解包囊外壳，从而缩短两次交配的时间间隔。
牛津大学的Jen Perry指出，“射精往往有如此巨大的戏剧性影响：雄性物种可以籍此改变雌性的生理，生活，繁殖以及吃饭和睡觉等各种行为。但对菜粉蝶的这些研究表明，我们经常认为的雄性特征，实际上是雄性和雌性共同作用的产物。从雌性菜粉蝶获得雄性个体产生的包含大量复杂化学物质的精子包囊包装到成为这些精子包囊的积极参与者来看，相关理念对我们认识雄性个体的授精行为是一个非常重要的转变。“
Meslin还发现，无论是雄性菜粉蝶用于打造精子包囊的蛋白质，还是雌性个体用于溶解包囊外壳的蛋白酶都在不断进化。德比大学的Karim Vahed表示：“正如我们所预期的那样，两性之间存在持续的进化式军备竞赛。”
这正是该研究的最大收获。例如伍斯特学院的劳拉·西罗德（Laura Sirot）想知道，雌性个体能否通过雄性个体精子包囊的坚韧程度来衡量对方的强壮程度。也许他们可以使用这这个方式来选择是否会使用交配者的精子来为自己的卵子授精。那么在精子细胞内的其他化学物质呢？那些影响女性行为的方式呢？塔夫茨大学的萨拉·刘易斯（Sara Lewis）说：“我们已经知道，昆虫精子在结构上是很复杂的，但是这项研究表明它们的生物化学性质也很复杂。 “这里显然是一场平静而又激烈的关于性行为的拔河比赛，”他指出。
“平静而又激烈”也是对菜粉蝶本身的一个适当描述，可以用于描述Morehouse发现的一切。他告诉我，“研究后院昆虫的乐趣之一就是提醒我们，在我们周围依然有不少大自然的魔术。”“无论是蜘蛛用于吸引伴侣的舞蹈，还是菜粉蝶通过有牙阴道控制自身繁殖时间的努力莫不如此。正是这些生物学特征让我们不断地发现惊喜。而且我的希望是，我的工作在某种程度上可以让别人从日常生活回想起一些童心般的奇迹。只有爱上大自然，我们才有机会拯救自然。”
本文来源：网易科学人
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郭浩_NT5629
