全彩3d打印昆虫模型揭示贝茨氏拟态进化图谱

来源：EFL生物3D打印与生物制造

在贝茨氏拟态研究中，不准确拟态的持续存在是进化生物学的关键挑战，现有理论因难以评估现存物种中不存在的表型适应性，导致适应性景观研究受限。诺丁汉大学Christopher H. Taylor教授团队与纽卡斯尔大学、剑桥大学等机构合作，利用3D打印技术，将真实昆虫（苍蝇和黄蜂）的3D图像变形生成中间表型，制作出高分辨率全彩3D打印刺激物，系统测试了鸟类（大山雀、蓝山雀）和无脊椎动物（螳螂、跳蛛、蟹蛛）对这些拟态表型的辨别能力。该研究验证了多模型假设、特征显著性及“观察者视角”假设，为探索拟态进化的适应性景观提供了新方法。相关工作以“Mapping the adaptive landscape of Batesian mimicry using 3D-printed stimuli”为题发表在《Nature》上。

通过3D扫描、摄影测量和3D打印技术，研究了从非拟态苍蝇（如Mesembrina meridiana）到黄蜂（Vespula vulgaris）的表型渐变模型（如M100到V100的中间态M50/V50）。结果表明，成功制备出具有蜂窝状多孔结构的实体模型，其外观特征（如身体形状、颜色条纹、体型大小）可从“完全苍蝇样”平滑过渡到“完全黄蜂样”，且细节（如翅膀、触角）具有生物真实感。   

图 1. 3D打印拟态模型的形态渐变过程与结构表征

通过野外行为观察实验，研究了野生大山雀对3D打印拟态模型的取食偏好——训练鸟类区分“奖励性苍蝇模型（M100）”和“无奖励性黄蜂模型（V100）”，并测试其对中间拟态（如75%黄蜂相似度）的攻击顺序。结果表明，大山雀能通过颜色和大小识别拟态差异，对更接近黄蜂的模型攻击率更低，且对图案和形状的敏感度低于颜色特征。     

图 2. 大山雀对不同拟态精度的辨别能力实验

通过设置“单一模型（V100）”和“双模型（V100 + 另一种黄蜂A100）”的对比实验，研究了中间拟态（如A50/V50）是否因同时相似于两种模型而获得额外保护。结果表明，捕食者更关注拟态与最近模型的相似度，中间拟态未因多模型存在而提升保护效果，其保护水平仅与距单一模型的距离相关。   

图 3. 多模型环境下拟态保护效应的对比实验

通过实验室行为测试，研究了雏鸡对独立变化的拟态特征（颜色、大小、形状、图案）的敏感度——训练雏鸡区分“苍蝇样特征（差）”和“黄蜂样特征（完美）”，并测量其对中间特征组合的攻击延迟。结果表明，颜色是最关键的辨别特征（颜色越接近黄蜂，攻击延迟越长），其次是大小，而形状和图案对辨别影响较小。

图 4. 雏鸡对拟态特征显著性的辨别实验

通过观察螳螂、跳蛛、蟹蛛等无脊椎动物对拟态模型的行为，研究了无脊椎动物与鸟类的辨别能力差异——测试其对不同精度拟态（如M50/V50、M25/V75）的攻击概率、躲避行为。结果表明，无脊椎动物对拟态的辨别精度显著低于鸟类：螳螂对50%黄蜂相似度的模型反应与真实黄蜂相似，而跳蛛需更高相似度才表现回避，蟹蛛对中等拟态的反应差异较小。

图 5. 无脊椎动物对拟态模型的行为反应对比

研究结论
本研究利用3D打印技术生成拟态表型，系统测试了鸟类与无脊椎动物的辨别能力。结果显示，鸟类虽能通过颜色和大小等特征识别细微差异，但对图案和形状的敏感度较低；多模型中间拟态未获得额外保护。无脊椎动物（如螳螂、蟹蛛）对拟态的辨别能力显著低于鸟类，部分物种对中等拟态表型的保护反应与模型相当。研究证实，不准确拟态的持续存在并非源于选择性优势，而是不同捕食者的辨别能力差异与特征显著性（颜色>大小>形状/图案）导致的选择压力放松。本研究为解析贝茨氏拟态的适应性景观提供了新技术框架，揭示了捕食者群落结构与视觉特征优先级对拟态进化的关键影响。

文章来源：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09216-3