昆虫翅膀哪里来

陈世杰

苍蝇、蚊子、蝗虫、蟑螂，这些恼人的小生命生活在我们周围，每当我们小心翼翼地准备一掌拍死或一脚踩死它们的时候，它们“呼啦”一下就飞走了，只留下我们的拍得通红的手掌和跺得麻木的腿脚。这时候你也许会感叹，造物主为什么要将翅膀赐给这些讨厌的昆虫呢？要是它们不会飞就好了！那么，昆虫的翅膀是怎么获得的呢？

强壮的“胸肌”变来的？

昆虫是地球上最早获得飞行能力的动物，比爬行动物和鸟类获得飞行能力早了至少5000万年。于是，昆虫学家们在寻找昆虫翅膀的起源的时候，很自然地想到，鸟类和蝙蝠的翅膀都与它们强壮的“胸肌”有关，这種演变的方法是不是从昆虫身上学来的呢？

持有这种想法的科学家几乎能想象出古老的昆虫在茂密的原始森林中苦苦进化的样子：距今大约3亿年前，大地上到处都生长着高大的蕨类植物，它们在富氧的环境中自由生长，有的甚至能长到40米高。这些植物是昆虫们的食物来源，但随着植物越长越高，不会飞的昆虫开始吃不上食物了。为了能有饭吃，昆虫开始努力锻炼身体，它们借助胸背处的侧突结构蓄力，在树木间跳跃、滑翔;锻炼使得胸背侧突越来越有力，随着一代代地演化，昆虫的滑翔距离越来越远，最后，胸背侧突终于发展成了能够自由飞翔的翅膀。

古老的蜻蜓翅膀给这一观点提供了些许证据。蜻蜓的翅膀上有许多厚重的翅脉，昆虫学家认为，这些翅脉是昆虫的胸背侧突进化成翅膀后的结构残余之一。在进化初期，昆虫的胸背侧突首先形成一种叫做“侧背叶”的结构。侧背叶不能自由活动，只能蓄力帮助昆虫滑翔。在翅膀演化出来后，侧背叶最终退化成了昆虫翅膀上的翅脉。后来演化的较先进的昆虫翅膀，比如蝴蝶、蜜蜂和甲虫的翅膀中都几乎看不到翅脉了。

四肢是滑翔的动力源？

不过，另一些昆虫学家不同意上述想法，他们认为，紧接着昆虫之后获得飞行能力的爬行动物在进行滑翔的时候，起到主要作用的是它们的四肢。因此，帮助昆虫滑翔的也很可能是四肢，四肢最终演化成翅膀。

美国的昆虫学家斯蒂芬·亚诺维亚克是四肢滑翔说的拥护者，为了证明这个假说，他从秘鲁的原始森林中抓了近200只石蛃虫。石蛃处于昆虫起源的基部，是最原始的昆虫类群，保留了很多原始古昆虫的特征，包括无翅、足短、尾须发达等。斯蒂芬将这些石蛃虫分成六组，除了一组不做处理外，剩余五组分别取下其前附肢、中附肢、后附肢或者用于弹跳的尾须。做完这些处理后，斯蒂芬将石蛃虫从树木顶部丢下去，观察它们在掉落过程中的运动情况。

结果发现，没做处理的石蛃虫基本上在掉落到地面之前就成功滑翔到了邻近的树上，除去前后两组附肢的石蛃虫的滑翔成功率与未处理的石蛃虫相似，但是它们到达目标地点所用的时间更长。而那些没有中间附肢的石蛃虫基本失去了滑翔的能力，只能束手无策地掉到地上。通过这个实验，斯蒂芬认为，正是从胸部或腹部延伸出的附肢给无翅昆虫提供了滑翔的动力，随着时间的推移，这些附肢演化成了更完善的翅膀结构。

该图显示了基因、腿节和翅膀之间的关系

翅膀由腿演化而来？

上述两种观点的主要分歧在于昆虫的翅膀究竟是从胸部体壁上直接长出的新结构，还是由原有的附肢演化而来，为了找到答案，科学家们决定从昆虫的祖先——古代甲壳类动物入手。

就像陆地动物是从鱼类演化而来一样，古代甲壳类动物被认为是昆虫的祖先。大约4.8亿年前，古代甲壳类动物上岸了。在干燥的陆地上生活时，甲壳类原有的甲壳演化成了昆虫的外骨骼，更有利于锁水和保护身体。甲壳类的身体分节也遗传给了昆虫，这让它们的运动更加灵活。此外，甲壳类与昆虫在基因层面也有许多相似处。

美国生物学家希瑟·布鲁斯将一种原始甲壳动物夏威夷虾的附肢基因与果蝇和其他昆虫的腿节基因进行了比较，发现两者具有惊人的相似性：决定它们附肢的前六节腿节的基因完全吻合。不同的是，夏威夷虾具有八节腿节，而昆虫只有六节，希瑟在昆虫体内并没有找到编码甲壳类动物的剩余两节腿节的基因。

对于这一段基因及腿节的去向，希瑟有自己的猜想：上岸后，为了方便运动，昆虫将这两个腿节合并到了体壁中。这样，附肢与身体的连接关节就上移了，身体对附肢的掌控更加省力。在后来的演化中，隐藏的第八节腿节又从体壁中钻了出来，形成了我们现在见到的昆虫翅膀。这种猜想是有依据的，希瑟通过基因测序发现，昆虫前肢的近体端腿节与其相邻的体壁结构很相似，两者的基因是同源的。而且，现代昆虫的翅膀基因与编码甲壳类动物的附肢的基因出现了部分的重叠。这足以说明，昆虫的附肢、体壁和翅膀三者具有不可分割的关系。

不过，除了腿节直接演化成翅膀的猜想，昆虫体壁和最近的腿节都参与了翅膀的发育也是一种合理的假说，两种不同组织的合并最终使昆虫获得了一种全新的器官。目前，科学家还找不到明确的证据最终验证这两种假说的真实性，但确定的是，昆虫的翅膀来源与爬行动物相似，与祖先的腿关系密切。昆虫翅膀从何处来，我们离这个谜题的真相不远了。