【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】自然界中，動(dòng)物可以演化出紛繁復(fù)雜的生存策略，如各類常見的擬態(tài)和偽裝行為。這些神奇的“偽裝術(shù)”，可以幫助動(dòng)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，昆蟲能演化出不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這種生存策略，比較常見的是擬態(tài)植物和覆物偽裝。昆蟲擬態(tài)植物是指昆蟲模擬其生活環(huán)境中的植物以達(dá)到偽裝的效果，如竹節(jié)蟲擬態(tài)樹枝、螽斯擬態(tài)樹葉等。覆物偽裝是指昆蟲主動(dòng)利用環(huán)境中的各種材料遮蓋體軀，從而達(dá)到偽裝效果的行為。覆物行為是昆蟲偽裝術(shù)中奇特復(fù)雜的一類，需要昆蟲同時(shí)具有辨別、采集、攜帶材料的能力以及相關(guān)的形態(tài)學(xué)適應(yīng)。 然而，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史中，昆蟲的這些偽裝本領(lǐng)是如何起源及演化的，知之甚少。此外，由于化石保存的不完備性，對(duì)化石中擬態(tài)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。
近日，中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所博士生許春鵬在研究員王博的指導(dǎo)下，與武漢大學(xué)教授崔曉輝、研究生樊麗合作，在一億年前白堊紀(jì)緬甸琥珀中發(fā)現(xiàn)了一類奇特的昆蟲擬態(tài)植物以及一系列昆蟲覆物行為的化石記錄。該研究報(bào)道了中生代首個(gè)直翅目昆蟲擬態(tài)植物葉片的記錄，以及嚙蟲目和半翅目蟾蝽科昆蟲最古老的覆物行為記錄。同時(shí)，該研究應(yīng)用深度學(xué)習(xí)中孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)化石昆蟲的擬態(tài)行為展開了定量分析，驗(yàn)證了古昆蟲的擬態(tài)行為，并為其提供了新的判定模型與方法。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《崗?fù)呒{研究》(Gondwana Research)和《歷史生物學(xué)》(Historical Biology)上。
本次報(bào)道的擬態(tài)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(tài)上觀察，擬葉蚤螻與同時(shí)期苔類和卷柏類植物表現(xiàn)出了極高的相似性：中足腿節(jié)與脛節(jié)折疊后，與卷柏類植物的小葉極度相似；后足腿節(jié)異常膨大，與卷柏類等植物的葉片極其相似。經(jīng)過度量，擬葉蚤螻與卷柏類等植物在尺寸上也較為接近，更證明了擬葉蚤螻的擬態(tài)行為。
該研究首次應(yīng)用孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)地質(zhì)歷史時(shí)期的擬態(tài)行為進(jìn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)是近年來新發(fā)展的人工智能分析技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于圖像相似度衡量中。其主要利用對(duì)抗的思想，每次輸入一對(duì)圖片，使得經(jīng)算法優(yōu)化的目標(biāo)與相似圖像對(duì)距離更小，不相似的圖像對(duì)之間距離更大。孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還可以提取肉眼無法觀察到的多維信息，從而對(duì)不同圖片之間的語義距離進(jìn)行定量化計(jì)算。由此，便可以定量化計(jì)算出不同圖像之間的不相似度數(shù)值，從而客觀地判斷不同圖像之間的相似性。
研究通過孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的定量化計(jì)算進(jìn)一步證明擬葉蚤螻的擬態(tài)行為。使用來自TLL(相似圖像對(duì))數(shù)據(jù)集的1836個(gè)圖像對(duì)對(duì)孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初步訓(xùn)練，并使用來自LIMD數(shù)據(jù)集(現(xiàn)生擬態(tài)植物昆蟲與被擬植物的圖像對(duì))的1453個(gè)圖像對(duì)進(jìn)行微調(diào)。而后通過對(duì)LIMD數(shù)據(jù)集剩余的665個(gè)圖像對(duì)不相似度的計(jì)算，得出現(xiàn)生昆蟲是否擬態(tài)的判定值域。再對(duì)FIMD數(shù)據(jù)集(化石中擬態(tài)植物昆蟲與被擬植物的圖像對(duì))不相似度進(jìn)行計(jì)算，以現(xiàn)生的判定值域?yàn)榛A(chǔ)，進(jìn)一步得出化石中昆蟲是否擬態(tài)的判定值域。
研究發(fā)現(xiàn)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(gè)形態(tài)種類，一枚蟾蝽科昆蟲包含一個(gè)形態(tài)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。這類昆蟲有可能利用背部的剛毛將碎屑物質(zhì)粘在其背上。研究還顯示，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(jīng)演化出了覆物偽裝這一復(fù)雜行為。
該研究是兩大類昆蟲(嚙蟲目和半翅目蟾蝽科)的覆物行為在中生代的首次報(bào)道，并將其覆物行為的記錄推進(jìn)到有花植物大輻射之前。研究工作得到中科院、科技部和國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的資助。
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