今日（15日），央視新聞用約1分半的時間，講述了一種會滑翔的“飛蛙”為什麼會“飛”。這種會滑翔的“飛蛙”，正是生活在我國雲南省西雙版納地區的黑蹼樹蛙。

該項研究成果的背後團隊，是中國科學院成都生物研究所李家堂研究團隊。曆經四五年時間，李家堂研究團隊以雲南西雙版納地區的“飛蛙”——黑蹼樹蛙為研究對象，解析了“飛蛙”樹栖适應性複雜性狀的遺傳基礎，闡明了與其滑翔行為相關表型的調控機制。

該成果對人類并指症等相關疾病的防治和治療，以及相關仿生機制運用場景有着重要基礎科學價值，于3月15日在國際學術期刊《美國科學院院刊》上發表。

李家堂研究團隊（前排左五為李家堂）

“網紅”樹蛙

“飛”下10米高台不是事兒

在西雙版納勐遠仙境的熱帶雨林中，有一種樹蛙。該蛙全身碧綠，身體扁平，腳上有寬大的黑色蹼，它們就是“黑蹼樹蛙”。

黑蹼樹蛙在樹蛙中，算是一個“網紅”般的存在。

2021年，據報道，有科研人員在雲南西雙版納野外科學考察研究時，在一棵望天樹的57米高處發現一隻黑蹼樹蛙，刷新了樹栖蛙類停留高度的最高記錄。黑蹼樹蛙具有強大的滑翔能力，從高處向低處滑翔時，蹼完全張開。網友們也将這種會滑翔的“飛蛙”稱作“望天神蛙”。

黑蹼樹蛙 張海華 攝

如果要了解黑蹼樹蛙的“上樹”史，那就要追溯到恐龍大滅絕時代。

李家堂告訴紅星新聞記者，黑蹼樹蛙常年生活在熱帶雨林樹冠層，是典型的樹栖蛙類。在白垩紀末期大規模物種滅絕事件後，無尾目多個科的一些物種獨立演化出了攀爬和滑翔的相關功能，成功地“上樹”了，黑蹼樹蛙就是其中的代表性物種。“樹栖生活拓展了物種對垂直空間資源的利用，有助于它們躲避天敵，獲取豐富的食物資源等。但森林環境複雜的立體結構也對動物的運動能力提出了嚴苛的要求。”

據估算，黑蹼樹蛙能夠滑翔15米甚至更遠的距離。“相較于其他蛙類，黑蹼樹蛙最大的特征在于指（趾）間寬大的蹼。”那麼，黑蹼樹蛙這麼強大的滑翔能力，是否與蹼有關？

李家堂介紹，根據蹼占指（趾）間區域的比例，可以将蹼從弱到強劃分為無蹼、半蹼、全蹼以及滿蹼等類型。研究團隊選擇了蹼很弱的寶興樹蛙和蹼很發達的黑蹼樹蛙做對比，開展滑翔行為學實驗。

實驗時，研究人員分别設置了1、1.5和2米的高台，讓兩種樹蛙分别落下并記錄運動軌迹。

結果發現，黑蹼樹蛙在下降過程中會盡力撐開四肢，依靠滿蹼維持空氣動力學平衡，使其身體與水平面夾角始終小于寶興樹蛙。而寶興樹蛙則更像是在“跳樓”。這一結果提示蹼是樹蛙滑翔行為的關鍵性狀。在“飛蛙”滑翔過程中，張開的蹼足像滑翔傘一樣支持其向前滑翔十幾米遠，并平穩降落在另一棵樹上。

探尋蛙蹼發育過程

為人類并指症等相關疾病提供重要基礎材料

滑行靠“蹼”，這種蛙有什麼特别的成長經曆？探尋蛙蹼的發育過程，對人類又有什麼意義？

李家堂告訴記者，人的手腳都有五根手指（腳趾），不過，在發育的過程中，我們的手指并不是一根根長出來的，而是在肢體發育到一定階段，指間區域的細胞出現大規模凋亡，繼而“刻畫”出了手指和腳趾。

在這個過程中，指間區域細胞凋亡相關基因的表達調控起到至關重要的作用。抑制指間細胞凋亡相關信号通路會導緻并指、指骨畸形等疾病，同時也是鴨子的蹼足和蝙蝠的翼膜等物種相關性狀形成的關鍵機制。然而，這種指間凋亡機制僅在羊膜動物中參與五指形成，而在兩栖動物中極為少見。

“兩栖動物蹼足的形成是由指和指間區域生長速率異質性決定的。”即，當指的生長遠遠快于指間區域的時候形成無蹼，而在指和指間區域具有相似生長速率的時候形成全蹼甚至滿蹼。“這種指和指間區域生長速率異質性是一種更基礎的塑造五指形态的機制。”他說，作為一種複雜性狀，蹼足不是由單一基因控制的，而是通過多基因之間複雜的調控機制形成的。為了揭示這種調控機制，研究人員選擇了兩個極端，即蹼很發達的黑蹼樹蛙（滿蹼）和蹼很弱的寶興樹蛙為研究對象開展研究。

黑蹼樹蛙 饒濤 繪

兩種樹蛙蝌蚪發育時期的肢體形态學比較提示它們之間存在不同的發育模式。随後，研究人員以兩種樹蛙高質量基因組為基礎，結合它們蝌蚪四肢發育過程中的轉錄組數據，通過時序基因共表達網絡分析，發現黑蹼樹蛙蝌蚪肢體在發育階段特異共表達一系列與Wnt信号通路和血管重構相關的基因。這種發育時期特異表達模式可能通過參與其指和指間區域生長速率的調控，對蹼足的形成起到關鍵作用。

“指和指間區域生長速率異質性和指間凋亡是動物形成自由指的關鍵機制。對其調控的解析有助于研究人員對肢體發育模式形成更全面的了解。”然而，還有更多問題亟待探讨解決。比如，為什麼指和指間生長速率異質性能在兩栖動物中塑造出自由指，但卻不足以塑造羊膜動物的自由指？指間凋亡機制是如何被整合進羊膜動物肢體發育模式中的？這些問題需要在之後研究工作中持續探索。

“從野生動物的角度篩選影響四肢發育的基因，對基礎科學研究有較大的推動作用。”李家堂說，對這些基礎科學問題的探索，将為人類相關疾病如并指症等的防治提供重要基礎資料。

蛙類“蜘蛛俠”，和人類頭發也有關系

除具備非凡的滑翔能力之外，樹蛙的指尖演化出了膨大的吸盤組織并賦予了它們強大的攀爬能力，這是它們能上樹的前提。不同于蜘蛛和壁虎等物種依靠腳底的剛毛提供的範德華力進行飛檐走壁，樹蛙吸盤依靠納米狀的細胞骨架蛋白突起形成的毛細管力攀附在垂直牆面上，可以說是蛙類“蜘蛛俠”了。

“蛙類‘蜘蛛俠’還跟人類的頭發有關系。”李家堂表示，本研究還發現，樹蛙中調控角蛋白和細胞骨架形成的PPL基因受到正選擇，且存在樹蛙屬内保守的氨基酸替換，這可能有助于樹蛙攀爬相關性狀——吸盤的形成。

壁虎的剛毛主要由β角蛋白擴張形成，而樹蛙指尖吸盤的主要結構蛋白為α角蛋白。有趣的是，α角蛋白同樣是哺乳動物和人類毛發纖維最主要的成分之一。“這些祖先角蛋白可能在早期四足動物需要皮膚強化的區域中表達，而随後分化為支持兩栖動物和哺乳動物不同的适應性結構。”

研究滑翔相關表型的調控機制和強大的攀爬能力，對動物特殊功能的仿生研究有重要的基礎科學價值。

以滑翔機制為例，他提到，黑蹼樹蛙身體扁平，有肥厚的趾墊，除了指（趾）間蹼的形狀，四肢間也有由皮膚伸展形成的薄膜。“用怎樣的滑翔姿态才能擁有最大受力面？着陸到葉面上時如何實現最小緩沖？”他認為，通過對上述等問題的基礎科學研究，将對日後空中飛行器、極限運動輔助裝置等設備的仿生機制運用場景起到重要作用。

幕後故事：

研究周期四五年，對結果抱有遺憾

盡管黑蹼樹蛙在近兩年來才成為“網紅”被大衆所知曉，但李家堂團隊早在四五年前就對其開展了針對性研究。

“這是一個兼具趣味性的研究。”他提及，黑蹼樹蛙通常生活在高大的喬木上，并能滑翔到其他樹梢或樹下水塘中進行躲避或繁殖。黑蹼樹蛙具有發達的指（趾）間蹼這一特殊性狀，讓他希望找到控制其生長的基因，從遺傳學的角度對人類醫學作出科學探索。

設定了科學課題，研究則是一個漫長的過程。

除了要在野外進行長時間滑翔行為和生活史觀察外，研究人員還需要在實驗室裡通過基因組數據分析等科學手段篩選基因，開展行為學實驗并孵育蝌蚪，獲取每一個關鍵時期的樣本，并進行轉錄組測序工作。

蝌蚪肢體發育過程是本研究的核心工作内容之一，需要從蛙卵開始孵育，對發育時期有嚴格要求。對于研究成果，李家堂也抱有一些遺憾：在研究過程中，由于各種原因，在蝌蚪取樣方面錯失了一些關鍵時期的數據，盡管後來在持續補充該數據，但依然不夠完善。如果有機會，他希望未來可以補全這些數據。因為“科學是永無止境的，它是一個永恒之謎”。

紅星新聞記者 彭祥萍 實習生 張業欣 圖據中科院成都生物所

編輯 譚王雨

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