Copy your neighbour
A. There’s no animal that symbolises rainforest diversity quite as spectacularly as the tropical butterfly. Anyone lucky enough to see these creatures flitting between patches of sunlight cannot fail to be impressed by the variety of their patterns. But why do they display such colourful exuberance? Until recently, this was almost as pertinent a question as it had been when the 19th-century naturalists, armed only with butterfly nets and insatiable curiosity, battled through the rainforests. These early explorers soon realised that although some of the butterflies’ bright colours are there to attract a mate, others are warning signals. They send out a message to any predators: “Keep off, we’re poisonous.” And because wearing certain patterns affords protection, other species copy them. Biologists use the term “mimicry rings” for these clusters of impostors and their evolutionary idol.
Không có loài động vật nào tượng trưng cho sự đa dạng của rừng mưa nhiệt đới một cách ngoạn mục như loài bướm nhiệt đới. Bất cứ ai may mắn nhìn thấy những sinh vật này bay lượn giữa các vệt nắng không thể không bị ấn tượng bởi sự đa dạng của các hoa văn của chúng. Nhưng tại sao chúng lại thể hiện sự rực rỡ đầy màu sắc như vậy? Cho đến gần đây, đây vẫn là một câu hỏi gần như thích đáng như khi các nhà tự nhiên học thế kỷ 19, chỉ được trang bị vợt bướm và sự tò mò không mệt mỏi, đã chiến đấu vượt qua các khu rừng mưa. Những nhà thám hiểm ban đầu này sớm nhận ra rằng mặc dù một số màu sắc rực rỡ của loài bướm là để thu hút bạn tình, thì những màu khác lại là tín hiệu cảnh báo. Chúng gửi đi một thông điệp cho bất kỳ động vật săn mồi nào: “Tránh xa ra, chúng tao có độc.” Và bởi vì việc mang những hoa văn nhất định mang lại sự bảo vệ, các loài khác đã sao chép chúng. Các nhà sinh vật học sử dụng thuật ngữ “vòng bắt chước” (mimicry rings) cho những cụm kẻ mạo danh này và thần tượng tiến hóa của chúng.
B. But here’s the conundrum. “Classical mimicry theory says that only a single ring should be found in any one area,” explains George Beccaloni of the Natural History Museum, London. The idea is that in each locality there should be just the one pattern that best protects its wearers. Predators would quickly learn to avoid it and eventually all mimetic species in a region should converge upon it. “The fact that this is patently not the case has been one of the major problems in mimicry research,” says Beccaloni. In pursuit of a solution to the mystery of mimetic exuberance, Beccaloni set off for one of the megacentres for butterfly diversity, the point where the western edge of the Amazon basin meets the foothills of the Andes in Ecuador. “It’s exceptionally rich, but comparatively well collected, so I pretty much knew what was there, says Beccaloni.” The trick was to work out how all the butterflies were organised and how this related to mimicry.”
Nhưng đây là một vấn đề nan giải. “Lý thuyết bắt chước cổ điển nói rằng chỉ nên có một vòng duy nhất được tìm thấy trong bất kỳ khu vực nào,” George Beccaloni thuộc Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên, London, giải thích. Ý tưởng là ở mỗi địa phương chỉ nên có một kiểu hoa văn bảo vệ tốt nhất cho những kẻ mang nó. Động vật săn mồi sẽ nhanh chóng học cách tránh nó và cuối cùng tất cả các loài bắt chước trong một khu vực nên hội tụ về nó. “Thực tế là điều này rõ ràng không đúng đã là một trong những vấn đề lớn trong nghiên cứu bắt chước,” Beccaloni nói. Để theo đuổi giải pháp cho bí ẩn về sự rực rỡ của sự bắt chước, Beccaloni đã lên đường đến một trong những siêu trung tâm đa dạng bướm, điểm mà rìa phía tây của lưu vực Amazon gặp chân đồi Andes ở Ecuador. “Nơi đó đặc biệt phong phú, nhưng được thu thập tương đối kỹ lưỡng, vì vậy tôi gần như biết rõ những gì ở đó,” Beccaloni nói. “Thủ thuật là tìm ra cách tất cả các loài bướm được tổ chức và điều này liên quan đến sự bắt chước như thế nào.”
C. Working at the Jatun Sacha Biological Research Station on the banks of the Rio Napo, Beccaloni focused his attention on a group of butterflies called ithomiines. These distant relatives of Britain’s Camberwell Beauty are abundant throughout Central and South America and the Caribbean. They are famous for their bright colours, toxic bodies and complex mimetic relationships. “They can comprise up to 85 per cent of the individuals in a mimicry ring and their patterns are mimicked not just by butterflies, but by other insects as diverse as damselflies and true bugs,” says Philip DeVries of the Milwaukee Public Museum’s Center for Biodiversity Studies.
Làm việc tại Trạm Nghiên cứu Sinh học Jatun Sacha trên bờ sông Rio Napo, Beccaloni tập trung sự chú ý của mình vào một nhóm bướm gọi là ithomiines. Những họ hàng xa này của loài Camberwell Beauty ở Anh rất phong phú khắp Trung và Nam Mỹ và Ca-ri-bê. Chúng nổi tiếng với màu sắc rực rỡ, cơ thể độc hại và các mối quan hệ bắt chước phức tạp. “Chúng có thể chiếm tới 85% số cá thể trong một vòng bắt chước và hoa văn của chúng không chỉ bị bắt chước bởi các loài bướm, mà còn bởi các loài côn trùng khác đa dạng như chuồn chuồn kim và bọ thực sự,” Philip DeVries thuộc Trung tâm Nghiên cứu Đa dạng sinh học của Bảo tàng Công cộng Milwaukee cho biết.
D. Even though all ithomiines are poisonous, it is in their interests to evolve to look like one another because predators that learn to avoid one species will also avoid others that resemble it. This is known as Miillerian mimicry. Mimicry rings may also contain insects that are not toxic, but gain protection by looking likes a model species that is: an adaptation called Batesian mimicry. So strong is an experienced predator’s avoidance response that even quite inept resemblance gives some protection. “Often there will be a whole series of species that mimic, with varying degrees of verisimilitude, a focal or model species,” says John Turner from the University of Leeds. “The results of these deceptions are some of the most exquisite examples of evolution known to science.” In addition to colour, many mimics copy behaviours and even the flight pattern of their model species.
Mặc dù tất cả các loài ithomiines đều độc, lợi ích của chúng là tiến hóa để trông giống nhau vì động vật săn mồi học cách tránh một loài cũng sẽ tránh các loài khác giống nó. Đây được gọi là bắt chước kiểu Müller. Các vòng bắt chước cũng có thể chứa các côn trùng không độc, nhưng nhận được sự bảo vệ bằng cách trông giống như một loài kiểu mẫu có độc: một sự thích nghi gọi là bắt chước kiểu Bates. Phản ứng tránh né của động vật săn mồi có kinh nghiệm mạnh đến mức ngay cả sự giống nhau khá vụng về cũng mang lại một số sự bảo vệ. “Thường sẽ có cả một loạt các loài bắt chước, với các mức độ chân thật khác nhau, một loài tiêu điểm hoặc loài kiểu mẫu,” John Turner từ Đại học Leeds nói. “Kết quả của những sự lừa dối này là một số ví dụ tinh xảo nhất của quá trình tiến hóa mà khoa học biết đến.” Ngoài màu sắc, nhiều loài bắt chước còn sao chép hành vi và thậm chí cả kiểu bay của loài kiểu mẫu của chúng.
E. But why are there so many different mimicry rings? One idea is that species flying at the same height in the forest canopy evolve to look like one another. “It had been suggested since the 1970s that mimicry complexes were stratified by flight height,” says DeVries. The idea is that wing colour patterns are camouflaged against the different patterns of light and shadow at each level in the canopy, providing a first line of defence against predators.” But the light patterns and wing patterns don’t match very well,” he says. And observations show that the insects do not shift in height as the day progresses and the light patterns change. Worse still, according to DeVries, this theory doesn’t explain why the model species is flying at that particular height in the first place.
Nhưng tại sao lại có quá nhiều vòng bắt chước khác nhau? Một ý tưởng là các loài bay ở cùng một độ cao trong tán rừng sẽ tiến hóa để trông giống nhau. “Kể từ những năm 1970, người ta đã gợi ý rằng các phức hợp bắt chước được phân tầng theo độ cao bay,” DeVries nói. Ý tưởng là các kiểu màu cánh được ngụy trang dựa trên các kiểu ánh sáng và bóng râm khác nhau ở mỗi tầng trong tán lá, cung cấp một tuyến phòng thủ đầu tiên chống lại động vật săn mồi. “Nhưng các kiểu ánh sáng và kiểu cánh không khớp nhau lắm,” ông nói. Và các quan sát cho thấy các loài côn trùng không thay đổi độ cao khi ngày trôi qua và các kiểu ánh sáng thay đổi. Tệ hơn nữa, theo DeVries, lý thuyết này không giải thích được tại sao loài kiểu mẫu lại bay ở độ cao cụ thể đó ngay từ đầu.
F. “When I first went out to Ecuador, I didn’t believe the flight height hypothesis and set out to test it,” says Beccaloni.”A few weeks with the collecting net convinced me otherwise. They really flew that way.” What he didn’t accept, however, was the explanation about light patterns. “I thought, if this idea really is true, and I can work out why, it could help explain why there are so many different warning patterns in any one place. Then we might finally understand how they could evolve in such a complex way.” The job was complicated by the sheer diversity of species involved at Jatun Sacha. Not only were there 56 ithomiine butterfly species divided among eight mimicry rings, there were also 69 other insect species, including 34 day-flying moths and a damselfly, all in a 200-hectare study area. Like many entomologists before him, Beccaloni used a large bag-like net to capture his prey. This allowed him to sample the 2.5 metres immediately above the forest floor. Unlike many previous workers, he kept very precise notes on exactly where he caught his specimens.
“Khi tôi lần đầu tiên đến Ecuador, tôi không tin vào giả thuyết độ cao bay và bắt đầu kiểm tra nó,” Beccaloni nói. “Một vài tuần với lưới thu thập đã thuyết phục tôi điều ngược lại. Chúng thực sự bay theo cách đó.” Tuy nhiên, điều ông không chấp nhận là lời giải thích về các kiểu ánh sáng. “Tôi nghĩ, nếu ý tưởng này thực sự đúng, và tôi có thể tìm ra lý do tại sao, nó có thể giúp giải thích tại sao có quá nhiều kiểu hoa văn cảnh báo khác nhau ở bất kỳ một nơi nào. Sau đó, chúng ta cuối cùng có thể hiểu làm thế nào chúng có thể tiến hóa một cách phức tạp như vậy.” Công việc trở nên phức tạp bởi sự đa dạng tuyệt đối của các loài liên quan tại Jatun Sacha. Không chỉ có 56 loài bướm ithomiine được chia thành tám vòng bắt chước, mà còn có 69 loài côn trùng khác, bao gồm 34 loài bướm đêm bay ban ngày và một con chuồn chuồn kim, tất cả đều trong một khu vực nghiên cứu 200 héc-ta. Giống như nhiều nhà côn trùng học trước ông, Beccaloni đã sử dụng một chiếc lưới dạng túi lớn để bắt con mồi. Điều này cho phép ông lấy mẫu ở 2,5 mét ngay trên sàn rừng. Không giống như nhiều người làm trước đây, ông đã ghi chú rất chính xác về nơi chính xác ông bắt được các mẫu vật của mình.
G. The attention to detail paid off. Beccaloni found that the mimicry rings were flying at two quite separate altitudes. “Their use of the forest was quite distinctive,” he recalls. “For example, most members of the clear-winged mimicry ring would fly close to the forest floor, while the majority of the 12 species in the tiger-winged ring fly high up.” Each mimicry ring had its own characteristic flight height.
Sự chú ý đến chi tiết đã được đền đáp. Beccaloni phát hiện ra rằng các vòng bắt chước đang bay ở hai độ cao khá tách biệt. “Cách chúng sử dụng khu rừng khá đặc biệt,” ông nhớ lại. “Ví dụ, hầu hết các thành viên của vòng bắt chước cánh trong suốt sẽ bay gần sàn rừng, trong khi phần lớn trong số 12 loài trong vòng cánh vằn hổ bay ở trên cao.” Mỗi vòng bắt chước có độ cao bay đặc trưng của riêng nó.
H. However, this being practice rather than theory, things were a bit fuzzy. “They’d spend the majority of their time flying at a certain height. But they’d also spend a smaller proportion of their time flying at other heights,” Beccaloni admits. Species weren’t stacked rigidly like passenger jets waiting to land, but they did appear to have a preferred airspace in the forest. So far, so good, but he still hadn’t explained what causes the various groups of ithomiines and their chromatic consorts to fly in formations at these particular heights.
Tuy nhiên, đây là thực tế chứ không phải lý thuyết, mọi thứ hơi mờ nhạt. “Chúng dành phần lớn thời gian bay ở một độ cao nhất định. Nhưng chúng cũng dành một tỷ lệ nhỏ thời gian bay ở các độ cao khác,” Beccaloni thừa nhận. Các loài không bị xếp chồng cứng nhắc như máy bay phản lực chở khách đang chờ hạ cánh, nhưng chúng dường như có một không phận ưa thích trong rừng. Đến đây thì mọi chuyện vẫn ổn, nhưng ông vẫn chưa giải thích được điều gì khiến các nhóm ithomiines khác nhau và các bạn đồng hành có màu sắc của chúng bay theo đội hình ở những độ cao cụ thể này.
I. Then Beccaloni had a bright idea. “I started looking at the distribution of ithomiine larval food plants within the canopy,” he says. “For each one I’d record the height to which the host plant grew and the height above the ground at which the eggs or larvae were found. Once I got them back to the field station’s lab, it was just a matter of keeping them alive until they pupated and then hatched into adults which I could identify.”
Sau đó Beccaloni nảy ra một ý tưởng sáng suốt. “Tôi bắt đầu xem xét sự phân bố của các loài thực vật làm thức ăn cho ấu trùng ithomiine trong tán cây,” ông nói. “Đối với mỗi loài, tôi ghi lại độ cao mà cây chủ phát triển đến và độ cao so với mặt đất nơi tìm thấy trứng hoặc ấu trùng. Khi tôi đưa chúng trở lại phòng thí nghiệm của trạm thực địa, vấn đề chỉ là giữ cho chúng sống sót cho đến khi chúng hóa nhộng và sau đó nở thành con trưởng thành mà tôi có thể nhận dạng.”