菜粉蝶夠拼的！一次射精就耗掉體重的十分之一

出品|網易科學人欄目

譯者|晗冰

當他開始研究菜粉蝶時，Nathan Morehouse並沒有指望發現什麼不一樣的東西。這種蝴蝶五彩斑斕的色彩和遍布五大洲的足跡，讓其聞名於世。 Morehouse將其稱之為「世界上最大的香草蝴蝶」，他甚至沒有研究這種蝴蝶的計劃。他之所以要研究菜粉蝶只是因為他原本研究的的蝴蝶經歷了大規模的死亡，他需要一個可靠的研究替代品。

「事實證明這是我職業生涯中最好的選擇之一，」他說。

在過去幾年裡，匹茲堡大學教授Morehouse及其同事Nathan Clark也表明，菜粉蝶的性生活是非常獨特。這種生物帶有一個奇怪尺寸的精子包囊，其性器官也是消化食物的胃，甚至其中還有一副正兒八經的牙齒。

讓我們從菜粉蝶的顏色開始介紹。菜粉蝶的大部分白色外表反射了大量的紫外線，我們人類肉眼看不到，但蝴蝶自己可以。對我們人類來說，它們看起來平淡無奇，但是對於雌性菜粉蝶來說，這是一種柔和的薰衣草色調，而雄性個體則是一種耀眼的紫色。而Morehouse顯示，雄性個體發出的紫色越亮，就越能夠引起雌性同類的注意，這是為什麼呢？

部分原因是因為它們的顏色亮度反映了它們的體質。菜粉蝶外表的圖案和顏色依賴於翅膀中的蛋白質含量。由於菜粉蝶主要通過主食白菜和羽衣甘藍來攝取合成蛋白質。這樣以來，只有最優等的菜粉蝶才能夠吃飽，才能在生命後期發出明亮的色彩。就是說，這些雄性菜粉蝶有能力為雌性同類帶來更誘人的禮物。

菜粉蝶的授精過程與人類有很大的不同。菜粉蝶並不會像人類一樣產生白色的精液，而是擁有一個複雜稱之為「精子包囊」的固體包囊。這個精子包囊由硬外殼，柔軟的有營養內臟以及內部的精子組成。雄性菜粉蝶會將其存放在雌性生殖道內的交尾囊中。精子進入交尾囊之後，雌性菜粉蝶會用其為卵子提供營養。其會開始分解精子細胞的外殼，以吸收其中的營養物質。因此，雄性菜粉蝶的精子細胞也是一個婚禮禮物——是雄性菜粉蝶為其配偶提供營養的一種方式。

精子包囊堪稱很大的一個禮物。平均而言，每個精子包囊佔到雄性菜粉蝶體重的13％。Morehouse表示：「我從來沒有從我身上抽出一個五加侖的水桶。但是如果你將相應比例擴展到人類的情況，這就是我們正在談論的射精量，堪比一個飲水機。「

這些巨大的禮物是如此的營養，以至於雌性菜粉蝶會利用其中的蛋白質。這就是為什麼雌性菜粉蝶會選擇那些色彩最鮮艷的雄性菜粉蝶進行交配，因為它們所提供的精子包囊體積最大。

如果雄性菜粉蝶在每次射精中都會損失13％的體重，肯定會限制到一生中的交配次數。沒有人知道確切的數字，但雄性菜粉蝶在一生中至少有兩三次交配。如果營養不良或者攝入的食物匱乏，它們產生的精子包囊就會很小，並會分解其肌肉和內臟。老年的雄性菜粉蝶甚至會消化自己的內臟，從而為產生足夠分量的精子包囊提供營養。

相比之下，研究關於雌性菜粉蝶性行為頻率問題要簡單得多。因為雌性菜粉蝶即便吸收了所有的營養物質，也無法完全消化精子細胞的外層。在吸收過精子包囊的蛋白質之後，枯萎的精子包囊外皮就會遺留在其生殖器內。如果你對一個雌性菜粉蝶進行解剖，就可以算出其一生中交配的次數。通過這種方法，Morehouse知道大多數雌性菜粉蝶在一生中會交配兩到三次，但有些菜粉蝶最多可以達到六次。

從雌性菜粉蝶的角度來看，由於每次交配都能為自己帶來新的營養，因此最好方式是儘可能多地進行交配，但這對雄性菜粉蝶來說是災難性的，因為後來者的精子可能會取代自己的授精。這導致了激烈的性別爭奪戰，雌性菜粉蝶在重新可以交配時經常會遇到雄性菜粉蝶試圖會阻止其再次交配。Morehouse說：「這是一場拔河比賽，看誰能夠誰控制雌性個體的再交配。」但這不是體育比賽。這是一個看不見的競爭，主要通過精子在雌性菜粉蝶體內發揮的化學作用。

當雌性菜粉蝶將現有的精子營養吸收殆盡時，就會再次配合交配，這就是為什麼雄性菜粉蝶的精子包囊外層非常堅韌。為了分析這些精子包囊的外層，Morehouse和Clark帶領的研究團隊首先必須將其破開。研究人員只能通過將精子包囊放在濃硫酸中煮沸來做到。這似乎就如同雄性菜粉蝶送給雌性個體的婚禮禮物包裹在在幾乎不可破壞的堅韌包裝紙中。

當然，雌性菜粉蝶無法獲得硫酸。相反，她用一種稱為陰道口器的器官咀嚼生殖器內的精子包囊，這個器官位於其交尾囊中，看起來像一對齒形的鉗口，中間帶有一個控制開合的樞紐。Morehouse說：「我喜歡告訴人們我們發現了有牙陰道，但是它存在於蝴蝶體內。當一名女性在交配中接受了精子包囊後，她的交尾囊會收縮，並且陰道口器會不斷彎曲開合。這樣不斷咀嚼24至36小時才能破開精子包囊。

同時，交尾囊還會分泌一種蛋白酶的混合物，這種蛋白酶與胃用於消化食物的酶基本相同。但是，Morehouse的同事Melissa Plakke表明，交尾囊產生的蛋白酶濃度是消化液的20倍。而當交尾囊產生蛋白酶的時候，所有的精子會在幾分鐘之內從囊中游出來，進入一個單獨的粘液囊中，因此它們不會被消化酶所消化掉。

菜粉蝶的許多性特徵，諸交尾囊液囊，精子包囊以及陰道口器在蝴蝶和蛾類中非常常見的，很多不同的物種在不同程度上闡述了這一機理。人類在幾千年前就已經馴化的蠶蛾也是此類。通過控制其交配生活，人類在蠶蛾中強制執行一夫一妻制，消除了其他蝴蝶中存在的性衝突問題。結果導致蠶蛾溶解精子包囊的時間要長的多。雌性蠶蛾在其囊中產生的蛋白酶水平要低得多。而相比之下精子流出包囊的時間要更長，甚至要花費幾個小時的時間。

Clark的同事卡米爾·梅斯林（Camille Meslin）通過研究還表示，雄性菜粉蝶不會將現成的精子包囊轉移到雌性體內。相反，其會在雌性菜粉蝶體內打造一個完整的精子包囊。雄性菜粉蝶會使用陰莖樣的器官aedeagus中的腺體來轉移堅韌的精子包囊外殼，然後用營養物質填充，並用精子覆蓋整個包囊。

這個過程使得雌性菜粉蝶有機會進行干預。 Meslin發現精子包囊外層蛋白質中四分之一實際上是來自女性的蛋白酶。通過在精子形成之後立即包裹這些細胞，她可以自行溶解包囊外殼，從而縮短兩次交配的時間間隔。

牛津大學的Jen Perry指出，「射精往往有如此巨大的戲劇性影響：雄性物種可以籍此改變雌性的生理，生活，繁殖以及吃飯和睡覺等各種行為。但對菜粉蝶的這些研究表明，我們經常認為的雄性特徵，實際上是雄性和雌性共同作用的產物。從雌性菜粉蝶獲得雄性個體產生的包含大量複雜化學物質的精子包囊包裝到成為這些精子包囊的積极參与者來看，相關理念對我們認識雄性個體的授精行為是一個非常重要的轉變。「

Meslin還發現，無論是雄性菜粉蝶用於打造精子包囊的蛋白質，還是雌性個體用於溶解包囊外殼的蛋白酶都在不斷進化。德比大學的Karim Vahed表示：「正如我們所預期的那樣，兩性之間存在持續的進化式軍備競賽。」

這正是該研究的最大收穫。例如伍斯特學院的勞拉·西羅德（Laura Sirot）想知道，雌性個體能否通過雄性個體精子包囊的堅韌程度來衡量對方的強壯程度。也許他們可以使用這這個方式來選擇是否會使用交配者的精子來為自己的卵子授精。那麼在精子細胞內的其他化學物質呢？那些影響女性行為的方式呢？塔夫茨大學的薩拉·劉易斯（Sara Lewis）說：「我們已經知道，昆蟲精子在結構上是很複雜的，但是這項研究表明它們的生物化學性質也很複雜。 「這裡顯然是一場平靜而又激烈的關於性行為的拔河比賽，」他指出。

「平靜而又激烈」也是對菜粉蝶本身的一個適當描述，可以用於描述Morehouse發現的一切。他告訴我，「研究後院昆蟲的樂趣之一就是提醒我們，在我們周圍依然有不少大自然的魔術。」「無論是蜘蛛用於吸引伴侶的舞蹈，還是菜粉蝶通過有牙陰道控制自身繁殖時間的努力莫不如此。正是這些生物學特徵讓我們不斷地發現驚喜。而且我的希望是，我的工作在某種程度上可以讓別人從日常生活回想起一些童心般的奇蹟。只有愛上大自然，我們才有機會拯救自然。」

本文來源：網易科學人責任編輯：郭浩_NT5629

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