树蛙为什么有“祖传”滑翔技能？破解它可能有助于预防和治疗人类疾病

动物的复杂性状可分为具有连续表型分布的经典数量性状、具有间歇表型分布的性状以及其他难以精确测量的动物行为和心理。经典人物包括身高、寿命、体重等。表型不连续分布主要指人类的复杂疾病和动植物的复杂抗性性状，如精神分裂症、高血压、骨质疏松、植物的抗病性状等。

“物竞天择，适者生存”，这一自然规律在古往今来不断得到印证。达尔文的自然选择理论是生物种群层面的进化理论，自然选择是生物进化的动力。如果自然条件的变化是有方向性的，那么经过长期的自然选择，小的变异就会积累起来，成为显著的变异，从而可能导致亚种或新物种的形成。

复杂的动物性状是动物长期适应和进化的结果。然而，对其形成机理的分析一直是一个科学难题，面临着难以追溯、预测和控制的困境。近日，在国际学术期刊《美国科学院院刊》发表的一篇新封面研究论文成果中，中国科学院成都生物研究所(以下简称中科院成都生物所)李研究团队以云南西双版纳“飞蛙”3354黑蹼树蛙为研究对象，分析了“飞蛙”树栖适应性复杂性状的遗传基础，阐明了与其攀爬和滑翔行为相关的表型遗传基础。

复杂动物性状的分析有很大的应用前景。

为了应对外部环境条件的变化，自然物种采取了各种进化策略来适应不同的生境，如高原、海洋、沙漠等生境。比如两栖类，作为脊椎动物的一个重要类群，完成了脊椎动物从水生向陆生的过渡，使动物向更加多样化发展成为可能。

复杂的动物性状是动物长期适应和进化的结果。例如，新研究中的树蛙进化出了一系列树栖适应性表型和行为特征，以占据树栖生态位。

那么，到底什么是复杂的动物特征呢？动物的复杂性状可分为连续表型分布的经典数量性状、间歇表型分布的数量性状和其他难以精确测量的动物行为和心理。例如，“经典数量性状包括身高、寿命、体重等。”；表型不连续分布主要指复杂的人类疾病和复杂的动植物抗性性状，如精神分裂症、高血压、骨质疏松、植物抗病性状等。李研究小组成员、论文第一作者说。

吴伟解释说，一些具有间歇分布的表型性状具有潜在的连续分布，但它们在表型上表现为间歇分布。有些性状不仅受多种遗传因素的影响，还受到环境等非遗传因素的干扰，机制相当复杂。例如，植物复杂的抗性性状可能会受到光、水或湿度等环境条件的影响；人类的一些复杂疾病，也可能受到其生活环境、不良习惯、性格、情绪等非遗传因素的影响。”

学术界普遍认为，复杂的动物性状是动物长期适应和进化的结果，是动物多样性存在的主要基础。因此，系统分析复杂的动物性状不仅是揭示自然界本质规律的基础性前沿科学工作，而且具有巨大的应用前景。

蹼足是支持树蛙滑行行为的关键特征。

白垩纪末大灭绝事件后，许多无尾类家族独立进化出攀缘和滑翔的相关表型，并成功殖民于树栖生态位。黑蹼树蛙就是代表物种之一。黑斑蛙属于蛙科，常年生活在热带雨林的林冠中。它是一种典型的树栖蛙，最高栖息高度为57米，是树栖蛙停留高度的最高纪录

中科院成都生物研究所李研究组等研究人员推测，滑翔与黑蹼树蛙的蹼足有关。根据蹼在手指和脚趾之间的面积所占的比例，青蛙的蹼分为无蹼、半蹼、全蹼和全蹼三种，黑蹼树蛙的蹼属于全蹼。

为了证实蹼与滑翔的关系，研究人员以蹼黑蹼树蛙和蹼宝兴树蛙为研究对象，进行了滑翔行为实验。

“我们分别设置了1米、1.5米、2米跳台，让两种树蛙从跳台上落下，记录它们的运动轨迹。发现黑蹼树蛙落地时会尽力张开四肢和蹼足，其轨迹形成一定的弧线，四肢与水平面的夹角明显变小。”吴伟说，这项实验证实了树蛙的蹼状蹼在滑翔中发挥了重要作用，是支持滑翔行为的关键特征。

作为一个复杂的性状，蹼足的形成不是由单个基因控制的，而是由多个基因间复杂的调控机制控制的。为了分析这种调控机制，研究团队从黑林蛙和宝兴林蛙的蹼足中提取RNA，结合这两种树蛙肢体发育的表型和转录组数据，通过比较基因组学和时间序列基因共表达网络分析，发现与Wnt信号通路相关的基因参与蹼的生长发育，在树蛙滑行相关性状的形成中起关键作用。

“以树蛙为模型，分析动物滑行的复杂性格，对人们开展动物特殊功能的仿生研究和人类相关疾病的防治具有重要意义。”吴伟认为黑蹼树蛙为揭开两栖动物树栖适应的奥秘提供了一个很好的动物模型。

不是所有的树蛙都能滑翔。

树蛙复杂滑行性状的形成是逐渐进化的还是有一个关键节点？

在物种水平上，新物种的形成是逐渐进化的还是突然进化的，可以看作是进化梯度理论和不连续平衡理论的争论。前者认为变异是普遍的，变异的原因和形式是多样的。在长期的进化过程中，生物经过自然选择，其微小的变异逐渐积累成显著的变异。因此，祖先种和现生种之间应该存在一系列界限不清的连续中间类型，化石记录的不完善可能是中间类型缺失的原因。后者认为物种可以保持长期的稳定状态，但在物种形成的作用下可以突飞猛进，从而在短时间内迅速进化成新的物种。

对于树栖蛙来说，几乎所有现存的树栖蛙都起源于白垩纪晚期。

规模灭绝事件之后，科学家推测，物种灭绝事件可能清空了当时的生态空间，而森林生态系统的恢复为树栖蛙类的出现创造了机会。这可能是蛙类拓殖树栖生态位的关键节点。但是需要注意的是，并不是所有树栖蛙类均会滑翔，只有演化出支持滑翔行为的相应表型，如满蹼、皮肤褶以及特殊的身体形态等特征的部分类群才具备滑翔能力。因此，蛙类拓殖树栖生态位的节点不适合直接用于表示其滑翔行为的起源。

“蹼是支持树蛙滑翔行为的关键性状，最先被用于游泳，尤其是后肢的蹼，而后在树蛙中被用于滑翔，这属于性状的功能创新。”研究团队成员推测，从滑翔相关表型的形态演化来看，树蛙滑翔复杂性状的形成可能是逐渐演变的。

蹼可能对树蛙垂直生态位的分化起到重要作用。比如具有满蹼且能滑翔的黑蹼树蛙通常栖息在树冠层，不具滑翔能力且为弱蹼的宝兴树蛙则栖息在高原草甸或沼泽中，而一些具有半蹼的树蛙则倾向于栖息在灌木丛。“这可能是逐渐演化的一种体现，但其具体演化模式及驱动因素还需要未来深入探究。此外，需要注意的是，并不是具有发达蹼的树蛙都可以滑翔，比如白颌大树蛙具有发达的蹼足，但其身形巨大，不具备滑翔能力。”吴威说，团队将不断进行研究，持续探索相关复杂性状的演化机制。

“蛙类滑翔行为是多次独立演化的趋同事件，不同物种间演化路径是否相同需要未来持续的探索。这涉及到一系列复杂的科学问题，如趋同表型是否有相同的分子机制，其演化路径是殊途同归还是单一路径？进化是否可重复等等？这需要我们不断去追问。”在吴威看来，能不能从动物复杂性状的解析中获取一些信号，为人类疾病的防治提供启示，这也是未来要继续探索的。