螳螂复眼光谱敏感性研究揭示其潜在三色视觉能力

《Journal of Comparative Physiology A》：Praying mantises possess multiple spectral photoreceptor classes

本研究通过电生理视网膜电图（ERG）技术，针对三种具有独特拟态策略的螳螂（Theopropus elegans、Popa spurca和Hymenopus coronatus）的复眼光谱敏感性进行系统分析。研究发现螳螂并非传统认为的单色视觉者，而是具备多类光谱光感受器，其中T. elegans和P. spurca表现出潜在的三色视觉（绿光515-525 nm、紫外线350-360 nm和蓝光441/416 nm），H. coronatus为二色视觉。该研究为解决螳螂视觉能力与拟态行为适应性这一长期争议提供了关键实验证据，对理解昆虫视觉生态演化具有重要意义。

　　

在昆虫世界中，螳螂以其精湛的拟态能力著称——它们能完美融入花朵、树叶或树枝的环境，成为自然界中伪装大师。然而令人困惑的是，科学界长期将螳螂视为色盲生物（monochromats），认为它们无法感知自己所模仿的丰富色彩。这一矛盾现象引发了研究人员的思考：这些依赖视觉捕食的昆虫，是否真的生活在色彩斑斓的世界却只能看到黑白影像？

早期研究仅对中华大刀螳（Tenodera sinensis）进行了初步探索，但结果并不确定。为了解开这个谜团，来自佛罗里达国际大学的研究团队选择了三种代表不同拟态策略的螳螂：与花卉环境融为一体的带花螳（Theopropus elegans）、模拟树枝的非洲树枝螳（Popa spurca）以及在白绿色叶片上模拟兰花的冠花螳（Hymenopus coronatus）。研究人员推测，如果螳螂需要选择与自身外观匹配的栖息地来维持伪装效果，那么颜色视觉（color vision）能力将是其生存的关键。

通过发表在《Journal of Comparative Physiology A》上的这项研究，科学家们首次系统证实了螳螂拥有多类光谱光感受器（photoreceptors），推翻了长期以来的色盲假说。这一发现不仅重新定义了我们对螳螂视觉能力的认识，更为理解昆虫视觉系统与生态适应性的协同演化提供了新视角。

研究人员主要采用了几项关键技术：使用光谱仪测量螳螂翅膀在350-650 nm波长范围内的反射光谱；通过形态计量学分析身体形状比例；利用电生理视网膜电图（electroretinography, ERG）技术在暗适应和色适应（chromatic adaptation）条件下记录复眼的光谱敏感性；最后采用视觉色素模板对光谱敏感性曲线进行建模分析。所有实验均使用成年雌性螳螂，以确保信号质量和一致性。

光谱敏感性曲线特征

在暗适应条件下，三种螳螂均显示出主要敏感峰位于绿光区（515-525 nm），并在紫外线区（350-360 nm）存在次要峰。通过色适应实验证实，UV峰确实代表独立的紫外线敏感光感受器类群，而非11-顺式视黄醛（11-cis-retinal）的非特异性响应。

物种特异性视觉差异

在530 nm色适应条件下，T. elegans和P. spurca表现出第三敏感峰（分别为441 nm和416 nm），表明存在蓝光敏感光感受器，支持潜在的三色视觉（trichromatic vision）。而H. coronatus在所有适应条件下均保持二色视觉模式，仅包含UV和绿光敏感光感受器。

形态与拟态特征

形态计量学显示T. elegans和H. coronatus具有相似的椭圆形身体比例，而P. spurca则呈现细长柱状形态。反射光谱分析发现所有物种均表现出极低的UV反射，这与许多花卉的高UV反射模式形成鲜明对比，表明螳螂的拟态策略可能针对特定视觉环境进行了特化。

视觉色素建模结果

光谱敏感性建模进一步证实了不同物种的视觉色素组成差异。T. elegans和P. spurca的最佳拟合模型包含三种视觉色素（UV、蓝光和绿光敏感），而H. coronatus仅需两种色素（UV和绿光敏感）即可充分解释实验数据。在不同适应条件下，各色素的相对贡献度发生规律性变化，绿光敏感色素通常占主导地位。

研究结论表明，螳螂视觉系统存在显著的物种多样性，这种差异可能与其生态适应策略密切相关。T. elegans和P. spurca的三色视觉能力可能提供更丰富的色彩辨别能力，有助于在复杂背景下识别合适的拟态位置。而H. coronatus的二色视觉可能已足够满足其静止诱捕策略的需求，这种视觉系统的简化或许反映了能量节约的演化压力。

紫外线敏感性作为昆虫的祖先特征，在螳螂中得以保留，可能在花卉识别和背景选择中发挥重要作用。特别值得注意的是，尽管H. coronatus模拟花卉，但其翅膀缺乏UV反射，这可能表明它们特化于模仿某些不反射UV的花卉类型，或者通过避免与真实花卉竞争传粉者来提高捕食成功率。

这项研究首次提供了螳螂具备多光谱视觉能力的直接证据，为理解昆虫视觉系统与行为生态的协同演化开辟了新途径。未来研究可进一步探索螳螂色彩视觉的行为学表现及其与特定拟态策略的神经机制关联，这些发现也将为仿生视觉技术和人工智能目标检测算法提供生物学灵感。