• 重大突破

    南京古生物所利用人工智能技術揭示一億年前昆蟲的擬態行為

      現在自然界中,動物可以演化出紛繁復雜的生存策略,例如各類常見的擬態和偽裝行為。這些神奇的偽裝術,不僅可以幫助動物躲避天敵,還可以使捕食者更好地隱藏自己以便高效捕捉獵物。  

      作為多樣性最高的生物,昆蟲往往能演化出不同的形態結構來實現這種生存策略,比較常見的當屬擬態植物和覆物偽裝。昆蟲擬態植物,指的是昆蟲模擬其生活環境中的植物以達到偽裝的效果,例如竹節蟲擬態樹枝、螽斯擬態樹葉等。覆物偽裝則是指昆蟲主動利用環境中的各種材料遮蓋體軀,從而達到偽裝效果的行為。覆物行為是昆蟲偽裝術中非常奇特復雜的一類,需要昆蟲同時具有辨別、采集、攜帶材料的能力以及相關的形態學適應。  

      然而,在漫長的地質歷史中,昆蟲的這些偽裝本領是如何起源以及演化的,我們知之甚少。此外,由于化石保存的不完備性,人們對化石中擬態行為的判定只能依靠肉眼觀察與主觀判定,缺少定量化的分析與判定。  

      近期,中國科學院南京地質古生物研究所博士生許春鵬在王博研究員指導下,與武漢大學的崔曉輝教授、研究生樊麗合作,從一億年前白堊紀緬甸琥珀中發現了一類奇特的昆蟲擬態植物以及一系列昆蟲覆物行為的化石記錄。本研究不僅報道了中生代首個直翅目昆蟲擬態植物葉片的記錄,還報道了嚙蟲目和半翅目蟾蝽科昆蟲最古老的覆物行為記錄。同時,本研究還應用深度學習中孿生神經網絡對化石昆蟲的擬態行為展開了定量分析,進而驗證了古昆蟲的擬態行為,并為其提供了新的判定模型與方法。相關研究成果在線發表于《崗瓦納研究》(Gondwana Research)和《歷史生物學》(Historical Biology)雜志上。  

      本次報道的擬態植物的昆蟲為直翅目蚤螻科的昆蟲,該物種被命名為王氏擬葉蚤螻。從形態上觀察,擬葉蚤螻與同時期苔類和卷柏類植物表現出了極高的相似性:中足腿節與脛節折疊后,與卷柏類植物的小葉極度相似;后足腿節異常膨大,與卷柏類等植物的葉片極其相似。經過度量,擬葉蚤螻與卷柏類等植物在尺寸上也極為接近,更加證明了擬葉蚤螻的擬態行為。  

      本研究還首次應用孿生神經網絡對地質歷史時期的擬態行為進行了定量分析,并提供了一套初步的定量判定模型與方法。孿生神經網絡是近年來新發展的人工智能分析技術,被廣泛應用于圖像相似度衡量中。其主要利用對抗的思想,每次輸入一對圖片,使得經算法優化的目標與相似圖像對距離更小,不相似的圖像對之間距離更大。孿生神經網絡還可以提取肉眼無法觀察到的多維信息,從而對不同圖片之間的語義距離進行定量化計算。由此,便可以定量化計算出不同圖像之間的不相似度數值,從而客觀地判斷不同圖像之間的相似性。  

      本研究中也通過孿生神經網絡的定量化計算進一步證明擬葉蚤螻的擬態行為。使用來自TLL(相似圖像對)數據集的1836個圖像對對孿生神經網絡進行初步訓練,并使用來自LIMD數據集(現生擬態植物昆蟲與被擬植物的圖像對)的1453個圖像對進行微調。而后通過對LIMD數據集剩余的665個圖像對不相似度的計算,得出現生昆蟲是否擬態的判定值域。再對FIMD數據集(化石中擬態植物昆蟲與被擬植物的圖像對)不相似度進行計算,以現生的判定值域為基礎,進一步得出化石中昆蟲是否擬態的判定值域。  

      此次研究現了七枚覆物偽裝昆蟲,涉及兩大類昆蟲(嚙蟲目和半翅目蟾蝽科)。其中六枚嚙蟲目昆蟲包括三個形態種類,一枚蟾蝽科昆蟲包含一個形態種類。該蟾蝽科昆蟲的背上覆蓋有大量的碎屑物,包括土壤顆粒、砂礫和植物碎屑等。這類昆蟲極有可能利用背部的剛毛將碎屑物質粘在其背上。研究還發現在有花植物植物大輻射之前,大部分具有覆物行為的昆蟲,都已經演化出了覆物偽裝這一復雜行為。  

      本次報道不僅是兩大類昆蟲(嚙蟲目和半翅目蟾蝽科)的覆物行為在中生代的首次報道,更將其覆物行為的記錄推進到有花植物大輻射之前。  

      本研究工作由中國科學院、科技部和國家自然科學基金委資助。北京夏蟲琥珀博物館卓德先生參與了本項研究。感謝王寧和葛暢先生為本研究提供了標本支持,南京古生物所楊定華繪制了生態復原圖。  

      論文信息:  

      Xu, C., Wang, B., Fan, L., Jarzembowski, E.A., Fang, Y., Wang, H., Li, T., Zhuo, D., Ding, M., Engel, M.S. (2021). Widespread mimicry and camouflage among mid-Cretaceous insects. Gondwana Research. https://doi.org/10.1016/j.gr.2021.07.025.  

      Fan, L., Xu, C., Jarzembowski, E. A., Cui, X. (2021). Quantifying plant mimesis in fossil insects using deep learning. Historical Biology, 1-10. https://doi.org/10.1080/08912963.2021.1952199.  

     

    1. 擬葉蚤螻(b:整體圖;d:中足腿節與脛節;f:后足腿節)與卷柏類植物(a,c:整體圖;e:小葉;g:葉片)  

     

    2. 覆物偽裝行為的嚙蟲目(a-f)與半翅目蟾蝽科(g,h)昆蟲  

     

    3. 昆蟲擬態與覆物偽裝行為的化石記錄  

     

    4. 擬葉蚤螻生態復原圖(楊定華繪制)  

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