2023年度“科普中國青年之星創作大賽”獲獎作品

作者：kyo

在地球漫長的歲月更迭中，有哪些物種曾盛極一時，無可匹敵？恐龍？它們的確站在整個中生代的食物鏈頂端，但隨著大滅絕事件的到來，它們早已消失無蹤，我們只能通過遺存的骨骸與化石幻想它們曾經威風凜凜的模樣；人類？我們的確在短短數千年里成為地球的主人，但與65億年的地球相比，數千年不過滄海一粟，我們只能算地球發展的匆匆過客。那么，是否有一種生物，它既統治過地球，又遍布世界，并且一直延續至今呢？還真有，那就是昆蟲——在恐龍出現之前，它們曾統治了整個石炭紀，是古生代當之無愧的霸主；從食物鏈頂端跌落后，昆蟲又成為這顆星球不可或缺的成員，不僅占據地球物種的半壁江山，更是繁衍、遍布至這片大陸的每一個角落。但是長期以來，我們對昆蟲卻不甚了解——數億年前的它們是什么模樣？它們是如何進化的？它們給我們的生活帶來了哪些影響？想要一探究竟，不妨搭上時光列車，我們一起從石炭紀開始尋找答案。

這里是距今三億年前的石炭紀，石炭紀是地殼運動的活躍期，伴隨著地貌變化，陸地面積不斷增加，加上當時溫暖、濕潤的氣候環境，使得森林與沼澤遍布大地，這為昆蟲提供了廣闊的活動空間與豐富的食物來源。在天時地利的幫助下，昆蟲踏上了征服地球的道路，其中水生昆蟲的羽狀外腮逐漸演化為翅膀，使得昆蟲成為第一種進化出飛行能力的生物......你看，它正在朝我們飛來，小心不要被它發現。

你不是覺得它有些眼熟？沒錯，它就是我們熟悉的蜻蜓的祖先——巨脈蜻蜓。它與現在的蜻蜓沒有什么不同，有著細長的身體、巨大的復眼與兩對透明翅膀，唯一的區別在于體型上的差異——巨脈蜻蜓的翼展達到0.75-1米，是現代蜻蜓的6-9倍，體長更是現代蜻蜓的10倍之多！在其他生物還在地面笨拙爬行的石炭紀，會飛的巨脈蜻蜓堪稱“降維打擊”，它們利用視野優勢鎖定獵物，繼而低空飛行，用腿上的鉤刺將其虜獲，再用強大的雙顎將獵物撕成碎片，飽餐一頓。

你或許好奇，巨脈蜻蜓為何如此巨大？事實上，不只是巨脈蜻蜓，石炭紀的陸地上還有2.6米長的巨馬陸、0.6米長的蛛鱟以及老鼠大小的蟑螂，也難怪石炭紀被后人稱作“巨蟲時代”。而昆蟲巨大化的原因，正與它們的生存環境息息相關——森林與沼澤。石炭紀大陸被植物覆蓋，它們向天空排放了過量的氧氣，導致大氣中氧氣含量達到了30%，幾乎是如今大氣氧含量的一倍之多。生物學家認為，這樣的富氧環境足以滿足昆蟲的代謝需求，使得缺乏天敵的昆蟲走向巨大化；但也有生物學家認為，富氧環境反倒對昆蟲有害，它們不得不巨大化，以減輕氧氣對身體的損傷。雖然至今仍無定論，但唯一可以確定的是，石炭紀的巨型昆蟲們占據了生物鏈的頂端，彼時的它們是這顆星球的主宰。于此同時，以甲蟲和蜂類的祖先為代表的小型昆蟲也在巨型昆蟲的陰影下謀得生存空間，構成了以昆蟲為主體的石炭紀生物鏈。

巨大的昆蟲又是因為什么消失無蹤，只留下體型較小的同類延續至今呢？我們看看腳下厚厚的枯枝落葉，就能找到答案——整個石炭紀，大陸都被植物層層覆蓋，它們死后沉入泥土，化作煤炭。經過一億年，這些煤炭積蓄成30米厚的、遍布全球的煤炭層，如同一個不穩定的火藥桶，只需一根引線，一根火柴，就能燃遍世界。終于，某次地殼運動造成巖漿噴發，煤炭層在高溫作用下開始燃燒，最終，這把火從地下蔓延至地上，在富氧環境的作用下，它劇烈燃燒，點燃了一棵樹、兩棵樹，點燃了成片的森林，最終蔓延成無邊無際的火海。這就是石炭紀的物種大滅絕——石炭紀燃煤事件。

巨型昆蟲不僅失去了賴以維生的潮濕環境，甚至無法在火海蔓延的過程中找到躲藏的角落，即便是巨脈蜻蜓也找不到歇腳的枝頭，筋疲力盡后，它們也墜落火海，被烈焰吞噬。這場大火燃燒了十年，將大陸表面的大部分地區焚燒殆盡，只有山脈與河流隔離開的區域幸免遇難；煤炭燃燒產生的有毒氣體對氧氣需求量較大的物種影響極大，僅剩的巨型昆蟲也因呼吸問題大量死亡。加上災后食物短缺等因素，巨型昆蟲就此消亡，只有體型較小、更適應極端環境的昆蟲存活下來，而失去了霸主地位的它們，又如何在新環境中尋找自己的出路呢？

這里是二疊紀，距離石炭紀燃煤事件過去了數百萬年。經過漫長的休養生息，地球恢復了欣欣向榮的模樣，爬行動物成為新的霸主橫行天下，而昆蟲則成為被捕食的對象。為了生存，昆蟲不得不朝新的方向進化，以期在全新的生物鏈中找到自己的一席之地。正在向我們爬來的就是這一時期昆蟲進化的代表——蟑螂。當然，此蟑螂非彼蟑螂，我們熟悉的“小強”和它所屬的蜚蠊目要到一億年后的侏羅紀時期才登場，這里的蟑螂其實是“小強”的祖先——多新翅總目下的類似蟑螂的昆蟲。

作為石炭紀燃煤事件的幸存者，多新翅總目不僅是昆蟲物種的延續，同時也是昆蟲頑強生命力與超強進化能力的代表。在二疊紀末期的物種滅絕事件中，多新翅總目下的小型昆蟲不僅憑借超強的適應能力存活，而且逐漸分化，走向不同的進化道路，形成我們熟悉的現代門類：其中一支向生物鏈上層攀爬，它們成為了肉食類昆蟲，以捕獲其他昆蟲為生，并進化出了捕捉足，這就是螳螂目下的螳螂；另外一支則安于現狀，以其他生物的腐敗、排泄物為生，繼續在生物鏈底端扮演分解者的角色，這就是蜚蠊目下的蟑螂。后來，一部分蟑螂在進化過程中改變了飲食喜好與生活習慣，它們開始以樹木為食，并出現明顯的群體組織與階級分工，這就是等翅目下的白蟻。伴隨著昆蟲研究的深入，如今白蟻已在科學家的幫助下“認祖歸宗”，并入蜚蠊目，成了蟑螂的親戚。

我們把時間再往后撥幾百萬年，來到二疊紀以后的中生代。除了多新翅總目下的小型昆蟲，其他昆蟲也開始冒頭，它們和新興的生物，尤其是被子植物，共同構筑起多樣且復雜的協同演化機制。昆蟲與植物究竟是什么關系？我們往往將食植昆蟲與植物的關系對立起來，似乎兩者之間只有“吃”與“被吃”的關系，這樣的觀念是錯誤的。事實上，昆蟲與植物唇齒相依，誰也離不開誰：昆蟲的采食行為不僅是植物間傳粉、授粉的重要渠道，使植物形成豐富多樣的花形態與花結構，同時也使得植物為了自衛而演化出不同的防御機制，加快了昆蟲的進化過程。在“你有張良計，我有過墻梯”的博弈過程中，植物與昆蟲朝著未知領域不斷進化，造就了今天令人乍舌的昆蟲和被子植物多樣性。

在中生代晚期的白堊紀，伴隨著被子植物登上歷史舞臺，昆蟲也隨之產生巨大改變，完全變態昆蟲就是這一時期迅速崛起的新勢力。什么是完全變態昆蟲？所謂完全變態昆蟲，是指發育過程包括“卵”、“幼蟲”、“蛹”和“成蟲”四個階段的昆蟲，每個階段的形態與習性都不同：比如幼蟲階段只負責積累營養，蛹階段只負責快速成長，成蟲階段則負責采食與繁殖。由于不同階段的巨大差異，完全變態昆蟲不僅可以在不同階段占據不同的生態位，避免幼蟲與成蟲直接競爭，減少內耗，而且能夠合理分配精力，在不同階段完成不同任務，使得生存、繁衍率大大增加。此外，由于每個階段都存在變異可能，也使得完全變態昆蟲的多樣性大大增加，更容易在嚴酷的自然環境中保留物種存續的火種。這些特性讓完全變態昆蟲最終成為地球上最成功的生物之一，跨越數億年后，我們仍然能在身邊發現這些昆蟲的身影。

完全變態昆蟲之所以與被子植物的出現聯系緊密，是因為它們扮演了重要的傳粉、授粉角色，比如膜翅目下的蜜蜂與螞蟻，鞘翅目下的甲蟲以及鱗翅目下的蝴蝶與飛蛾，時至今日依然是植物繁殖的重要媒介。而在漫長的進化過程中，一部分完全變態昆蟲另辟蹊徑，開始在生態系統中扮演起其他角色：比如雙翅目下的蒼蠅與蚊子，它們這時承擔起分解者的工作，讓恐龍與其他生物的尸體與排泄物回歸自然。別看我們對它們避之不及，但對自然界而言，蚊子與蒼蠅的價值與作用，要遠比我們人類大得多。昆蟲就這樣在地球上不斷繁衍、進化，直到白堊紀晚期，一顆小行星撞擊地球，物種大滅絕事件重現。伴隨著恐龍消失，地球進入新生代，我們熟悉的昆蟲世界也就此形成，直到今天。

從石炭紀時期的巨無霸，到如今的小蟲子，除了順應環境的自我進化，弱小的昆蟲又是如何躲避外界威脅，存活、繁衍至今呢？這與它們的生存策略息息相關。如果將昆蟲世界比作江湖，那么為了生存，部分昆蟲也有著自己的獨門武功，在遇到危險時可保自己安全逃生。它們都有哪些門派？大致上可分為三類：威嚇派、偽裝派與易容派。在學術界，這三大門派有著另一個名字：“貝氏擬態”、“穆氏擬態”與“隱蔽擬態”。

什么是擬態？擬態是指一種生物模擬另一種生物或模擬環境中的其他物體從而獲得好處的現象。昆蟲的擬態化由來以久，早在侏羅紀時期，蛉類昆蟲的翅膀就已發育出猶如裸子植物葉片般的條紋，其翅膀脈絡也變成也葉脈狀，這都是昆蟲早期通過擬態躲避天敵的例證。進入新生代后，伴隨著昆蟲的不斷進化以及外界威脅的增加，昆蟲的擬態策略變得愈發復雜多樣，最終形成了以上述三種擬態為代表的生存方式。

貝氏擬態，也就是威嚇派，是指無毒、可食的昆蟲通過模擬其他有毒、不可食的昆蟲的外表，以假亂真，狐假虎威，讓捕食者不敢輕易下手的生存策略。生活在北美地區的黑條擬斑蛺蝶就是這一策略的忠實擁躉，無毒的它們通過模仿自幼帶毒的黑脈金斑蝶欺騙天敵，從而避免被捕食的命運。如果將兩種蝴蝶放在一起比較，你將被黑條擬斑蛺蝶超強的“山寨能力”所震驚：不僅是體型相似，連翅膀顏色分布與翅脈走勢都驚人的一致，如果不是專業人員，很難分清兩者的細微差別。除此以外，食蚜蠅、管蚜蠅、鹿蛾與透翅蛾也保有黑黃相間的外表特征，遠看與蜜蜂無異，這足以打消大部分捕食者的出擊欲望了。

與貝式擬態相比，穆氏擬態所代表的偽裝派更近一步，它特指兩種有毒、不可食的昆蟲在外表上互相模仿的生存策略。明明自己已經有了防御措施，卻還要模仿其他物種，這聽起來有些多此一舉？但其實，這恰恰是昆蟲絕妙的生存哲學：接連吃虧的教訓足以使捕食者對所有近似的昆蟲避而遠之，從而同時降低兩種昆蟲族群被捕食幾率，確保物種的延續。穆氏擬態并不罕見，我們常見的蜜蜂、馬蜂與胡蜂都有毒刺，它們也都是黑黃相間的顏色，起到彼此保護的作用；有毒的狐眼袖蝶與蘋綃蝶不僅在外觀上極其相似，甚至還能彼此對應不同的翅膀花色與圖案，令人不得不贊嘆大自然的鬼斧神工。

貝氏擬態與穆氏擬態是昆蟲之間的相互模仿，隱蔽擬態所代表的易容派則另辟蹊徑，從環境著手，為自己創造生存空間：通過改變體表顏色與形態，使自己在外觀上與枯枝、落葉、石頭等無異，與自然環境融為一體，避免引起捕食者的警覺。我們比較熟悉的代表是枯葉蝶與竹節蟲，它們不僅在外表上與枯葉、樹枝近似，在遭遇危險時也會一動不動，與植物融為一體，從而避開天敵的視線，保全自己的生命。除了植物型隱蔽擬態，還有另外一條分支，被稱為異物型隱蔽擬態：鳳蝶的幼蟲，以及某些小蛾子，在外形上與鳥類的糞便很相似。與枯葉蝶、竹節蟲相比，偽裝成糞便的它們不僅可以躲避捕食者，還能避免被不明所以的“路過群眾”誤食誤傷，稱得上是進階版的隱蔽擬態。

除了生存，不少昆蟲還要在繁衍上下功夫，確保自己的后代可以降生，甚至付出自己的生命也在所不惜——雄性昆蟲需要在交配過程中被雌性昆蟲殺死并吞食，成為孕育新生命的養分，這種現象被稱作“同類相食”，在螳螂、蜘蛛中較為常見。雌性昆蟲為什么要吃掉雄性昆蟲呢？首先，這一類昆蟲的雌性往往比雄性更大、更強，在交配過程中掌握絕對的主動權，在雌性眼中，上門求歡的雄性不僅是情人，也是任其宰割的口糧，如果趕上饑腸轆轆的時候，它們就是充饑的好選擇；而對雄性來說，它們也愿意被雌性吃掉，以換取交配的機會，比如大部分雄性赤背蛛會在交配時主動扭轉身體，把自己往雌蛛的嘴邊湊，希望被雌性吃掉。當然，這里面也有些小心機：在被雌蛛進食的過程中，雄蛛依然可以進行交配，讓更多的卵成為它的孩子。與故事中相濡以沫、可歌可泣的偉大愛情相比，不同性別之間的對抗與征服才是族群亙古不變的主題。“同類相食”是占據繁衍主動權的雌性對雄性的征服，雄性則尋找著與之抗衡的手段。整個族群也在漫長的兩性博弈過程中不斷進化，尋找最佳的繁衍與生存策略。

由于在進化過程中過早的分化，我們對昆蟲的印象不如其他哺乳動物那般親切，它們的節肢、口器與翅膀往往讓我們心生畏懼，避而遠之。但在科學家眼中，這是昆蟲進化哲學的凝聚與智慧的結晶，是科學創新的重要參考，比如蝴蝶與衛星。在衛星研制過程中，有一個難題令科學家傷透腦筋：當太空中旋轉的衛星受到太陽直射時，表面的溫度會達到2000℃，而當它旋轉至陰影區域時，溫度又會驟降至零下200℃左右，短時間內極端的溫度變化極易對衛星內的機器造成損壞，有什么辦法能避免這一情況呢？科學家們將目光放在了蝴蝶身上。蝴蝶體表的細小鱗片可以通過閉合控制體表溫度，當周遭溫度過高時，鱗片自動張開，折射陽光，減少對熱能的吸收；而當周遭溫度過低時，鱗片又自動閉合，讓陽光直射，吸收熱量。科學家便以此為靈感，在衛星上設置可動的散熱片，它可以像蝴蝶一樣開啟與閉合，防止衛星的內外溫度出現大幅波動。

除了理工科，昆蟲的生活習性也啟發了社會學發展。美國博物學家愛德華·威爾遜就通過研究螞蟻的群體生活與組織架構，解釋了集體意識與奉獻精神的由來，并以此為基礎創辦了全新的學科——社會生物學。你或許沒有聽說過這門學科，但它卻對一個生物學界的難題提供了新的解答，那就是利他主義出現的原因，即“為什么人有時會冒著危險去拯救他人？”根據達爾文進化論，這樣有悖自己基因延續的行為是不合理的，它理應在漫長的進化競爭中被淘汰。但顯然，這個說法是有違實際，生物界充滿相親相愛，甚至舍己為人的行為，進化論無法解釋這一現象。后來，威廉·漢密爾頓提出了“親緣選擇”理論，認為利他主義的基礎是兩者間存在血緣關系，利他行為只會在同一物種中出現，以確保族群的延續。然而威爾遜的實驗證實，即便是不同種類的螞蟻，只要一起生活、長大，它們之間也會出現利他行為；此外，人類社會中也有為拯救素不相識的陌生人付出生命的情況，“親緣選擇”不能全面的解釋這一現象。而威爾遜基于螞蟻研究提出的“群體選擇”理論，則提供了解釋利他主義的新視角：利他主義的起源不是親緣關系，而是群體的共同成長。在朝夕相處中，個體學會了分工與合作，不僅愿意為自己所處的群體奉獻一切，也甘愿犧牲自己保護其他同胞，確保群體的延續。而以利他主義為代表的，與他人產生聯結、合作與競爭關系的行為方式，又加深了個人與群體乃至社會的深層互動，成為社會演變的重要驅動力。

昆蟲，石炭紀統治地球的霸主，自二疊紀逐漸分化、演化，在白堊紀與被子植物一同興起，從此成為地球不可分割的一部分。在數億年間，它們經歷了4次物種大滅絕事件，每次事件都幾乎終結了所有生命，唯有昆蟲，見證了無數次物種的興盛衰亡，氣候的風云變幻，它們依然在地球上頑強地生存，并且成為地球生態最多樣、最龐大的生物類群。我們有理由相信，如果有一天，地球表面再次遭受毀滅性的打擊，從廢墟中再次崛起的未必是人類，更有可能是螞蟻、蟑螂與蚊子；而它們也將在新的環境中繼續進化，成為新生態不可或缺的一部分。它們與自然的作戰也將永遠持續下去，無休無止。

來源: 中國科普作家協會

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