顏色多態性現象在生物中廣泛存在，其物理和化學機制復雜，往往與增強生態適應力和促進物種分化相關。有關生物顏色的功能，通常由偽裝、體溫調節、機械抵抗、紫外線防護等假說進行解釋。然而，顏色的形成是一個復雜的物理、化學過程。過去關于種內顏色多態性的研究多集中在現象描述、假說討論、分子機制探討等，忽視了顏色形成的物理和化學機制基礎，因而阻礙了功能假說的論證設計，進而誤解其生態功能和演化驅動因素。
8月4日，中國科學院動物研究所研究員白明團隊與德國國家科學院院士、德國基爾大學教授Stanislav N. Gorb團隊合作，以一種我國廣布的常見甲蟲——棉花弧麗金龜（Popillia mutans）為對象，首次系統闡明了其種內顏色多態性的物理化學機制；結合地理分布格局的可能驅動因子，設計實驗論證了不同色型的力學性能與熱調節功能差異，為理解生物如何適應環境變化提供了關鍵線索。
棉花弧麗金龜具有多個色型，包括藍色型、藍綠型、綠色型、紅色型等，類似的色型在其他生物中也常有發現。棉花弧麗金龜具有相對均勻的體色，是研究物理化學機制的理想研究對象。
為了揭示其顏色形成機制，研究團隊利用光學特性、化學特征檢測、掃描電鏡和透射電鏡技術，獲得了不同色型的表面和截面超微特征。結合物理仿真模擬計算，研究發現該物種的顏色形成不單純由物理色或化學色來解釋，而是代表了一個罕見特殊案例——其顏色是由色素與表皮結構組成的復合結構產生，并非僅僅由結構色決定（通常認為麗金龜是物理色的典型代表）。與此同時，不同色型的主要機制亦存在差異。具體而言，在超微觀層面上，其表皮的多層膜結構、黑色素的分布與排列等，共同作用于顏色的形成。藍色型和綠色型由結構色主導：外表皮存在 25 層深淺交替排列的亞層，通過光的多層干涉呈現出藍、綠兩種物理色。其中，綠色型的淺色層更厚，導致反射光波長更長，峰值為531-561nm，而藍色型的淺色層較薄，反射峰值為445-461nm。紅色型則以化學色素色為主導：表皮的黑色素類似物直接吸收特定波長的光，呈現紅色，其表皮深淺亞層邊界較模糊，物理色的效應較弱。以往研究中物理色與化學色研究往往是獨立進行驗證的，該研究創新性地解析了甲蟲物理色和化學色協同成色機制，豐富了顏色多態性與物種形成理論。
為了理解不同色型的生態適應進化機制，研究對544個地理分布信息進行分析，發現其不同色型呈現一定的地理分布規律。不同色型分布與緯度和海拔相關，其中藍色型在我國北方占優勢，其余色型則主要分布于南方。科研人員通過分析19個氣候因子和全年太陽輻射值與色型分布的關系，發現溫度與色型分布最相關。為進一步探明不同色型的生態學意義，研究分別比較了不同色型個體力學性能和熱調節能力。與以往研究不同，在本研究案例中，盡管表皮的超微觀結構和化學組成并不相同，但納米壓痕儀測試表明各色型間體壁的力學性能無顯著性差異。對于熱調節功能假說，研究團隊通過控制實驗設計，證實了色型之間的熱調節能力存在差異，其中藍色型升溫相對更快，有助于昆蟲在低溫環境中更快提升體溫，達到其飛行、取食所需的最低能量。這也與藍色個體更能適應北方或高海拔地區的現象吻合。
相關研究成果以Structural background of intraspecific color polymorphism and the driver of geographic patterns in a shining leaf chafer為題，發表在Frontiers in Zoology上。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院相關項目等的支持。
論文鏈接
棉花弧麗金龜不同色型的分布格局及關聯氣候因子
棉花弧麗金龜三種色型（藍色、綠色和紅色）的光學特性
棉花弧麗金龜的微觀結構特征
棉花弧麗金龜鞘翅角質層的力學性能
三種色型鞘翅的熱調節能力
本文鏈接：研究揭示藍色甲蟲升溫更快的物理化學機制與生態適應進化新理論http://www.sq15.cn/show-12-1604-0.html
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