15日，央视新闻用约1分半的时间，讲述了一种会滑翔的“飞蛙”为什么会“飞”。这种会滑翔的“飞蛙”，正是生活在我国云南省西双版纳地区的黑蹼树蛙。
该项研究成果的背后团队，是中国科学院成都生物研究所李家堂研究团队。历经四五年时间，李家堂研究团队以云南西双版纳地区的“飞蛙”——黑蹼树蛙为研究对象，解析了“飞蛙”树栖适应性复杂性状的遗传基础，阐明了与其滑翔行为相关表型的调控机制。
该成果对人类并指症等相关疾病的防治和治疗，以及相关仿生机制运用场景有着重要基础科学价值，于3月15日在国际学术期刊《美国科学院院刊》上发表。
▲李家堂研究团队（前排左五为李家堂）
“网红”树蛙
“飞”下10米高台不是事儿
在西双版纳勐远仙境的热带雨林中，有一种树蛙。该蛙全身碧绿，身体扁平，脚上有宽大的黑色蹼，它们就是“黑蹼树蛙”。
黑蹼树蛙在树蛙中，算是一个“网红”般的存在。
2021年，据报道，有科研人员在云南西双版纳野外科学考察研究时，在一棵望天树的57米高处发现一只黑蹼树蛙，刷新了树栖蛙类停留高度的最高记录。黑蹼树蛙具有强大的滑翔能力，从高处向低处滑翔时，蹼完全张开。网友们也将这种会滑翔的“飞蛙”称作“望天神蛙”。
▲黑蹼树蛙 张海华 摄
如果要了解黑蹼树蛙的“上树”史，那就要追溯到恐龙大灭绝时代。
李家堂告诉红星新闻记者，黑蹼树蛙常年生活在热带雨林树冠层，是典型的树栖蛙类。在白垩纪末期大规模物种灭绝事件后，无尾目多个科的一些物种独立演化出了攀爬和滑翔的相关功能，成功地“上树”了，黑蹼树蛙就是其中的代表性物种。“树栖生活拓展了物种对垂直空间资源的利用，有助于它们躲避天敌，获取丰富的食物资源等。但森林环境复杂的立体结构也对动物的运动能力提出了严苛的要求。”
据估算，黑蹼树蛙能够滑翔15米甚至更远的距离。“相较于其他蛙类，黑蹼树蛙最大的特征在于指（趾）间宽大的蹼。”那么，黑蹼树蛙这么强大的滑翔能力，是否与蹼有关？
李家堂介绍，根据蹼占指（趾）间区域的比例，可以将蹼从弱到强划分为无蹼、半蹼、全蹼以及满蹼等类型。研究团队选择了蹼很弱的宝兴树蛙和蹼很发达的黑蹼树蛙做对比，开展滑翔行为学实验。
实验时，研究人员分别设置了1、1.5和2米的高台，让两种树蛙分别落下并记录运动轨迹。
结果发现，黑蹼树蛙在下降过程中会尽力撑开四肢，依靠满蹼维持空气动力学平衡，使其身体与水平面夹角始终小于宝兴树蛙。而宝兴树蛙则更像是在“跳楼”。这一结果提示蹼是树蛙滑翔行为的关键性状。在“飞蛙”滑翔过程中，张开的蹼足像滑翔伞一样支持其向前滑翔十几米远，并平稳降落在另一棵树上。
探寻蛙蹼发育过程
为人类并指症等相关疾病提供重要基础材料
滑行靠“蹼”，这种蛙有什么特别的成长经历？探寻蛙蹼的发育过程，对人类又有什么意义？
李家堂告诉记者，人的手脚都有五根手指（脚趾），不过，在发育的过程中，我们的手指并不是一根根长出来的，而是在肢体发育到一定阶段，指间区域的细胞出现大规模凋亡，继而“刻画”出了手指和脚趾。
在这个过程中，指间区域细胞凋亡相关基因的表达调控起到至关重要的作用。抑制指间细胞凋亡相关信号通路会导致并指、指骨畸形等疾病，同时也是鸭子的蹼足和蝙蝠的翼膜等物种相关性状形成的关键机制。然而，这种指间凋亡机制仅在羊膜动物中参与五指形成，而在两栖动物中极为少见。
“两栖动物蹼足的形成是由指和指间区域生长速率异质性决定的。”即，当指的生长远远快于指间区域的时候形成无蹼，而在指和指间区域具有相似生长速率的时候形成全蹼甚至满蹼。“这种指和指间区域生长速率异质性是一种更基础的塑造五指形态的机制。”他说，作为一种复杂性状，蹼足不是由单一基因控制的，而是通过多基因之间复杂的调控机制形成的。为了揭示这种调控机制，研究人员选择了两个极端，即蹼很发达的黑蹼树蛙（满蹼）和蹼很弱的宝兴树蛙为研究对象开展研究。
▲黑蹼树蛙 饶涛 绘
两种树蛙蝌蚪发育时期的肢体形态学比较提示它们之间存在不同的发育模式。随后，研究人员以两种树蛙高质量基因组为基础，结合它们蝌蚪四肢发育过程中的转录组数据，通过时序基因共表达网络分析，发现黑蹼树蛙蝌蚪肢体在发育阶段特异共表达一系列与Wnt信号通路和血管重构相关的基因。这种发育时期特异表达模式可能通过参与其指和指间区域生长速率的调控，对蹼足的形成起到关键作用。
“指和指间区域生长速率异质性和指间凋亡是动物形成自由指的关键机制。对其调控的解析有助于研究人员对肢体发育模式形成更全面的了解。”然而，还有更多问题亟待探讨解决。比如，为什么指和指间生长速率异质性能在两栖动物中塑造出自由指，但却不足以塑造羊膜动物的自由指？指间凋亡机制是如何被整合进羊膜动物肢体发育模式中的？这些问题需要在之后研究工作中持续探索。
“从野生动物的角度筛选影响四肢发育的基因，对基础科学研究有较大的推动作用。”李家堂说，对这些基础科学问题的探索，将为人类相关疾病如并指症等的防治提供重要基础资料。
蛙类“蜘蛛侠”，和人类头发也有关系
除具备非凡的滑翔能力之外，树蛙的指尖演化出了膨大的吸盘组织并赋予了它们强大的攀爬能力，这是它们能上树的前提。不同于蜘蛛和壁虎等物种依靠脚底的刚毛提供的范德华力进行飞檐走壁，树蛙吸盘依靠纳米状的细胞骨架蛋白突起形成的毛细管力攀附在垂直墙面上，可以说是蛙类“蜘蛛侠”了。
“蛙类‘蜘蛛侠’还跟人类的头发有关系。”李家堂表示，本研究还发现，树蛙中调控角蛋白和细胞骨架形成的PPL基因受到正选择，且存在树蛙属内保守的氨基酸替换，这可能有助于树蛙攀爬相关性状——吸盘的形成。
壁虎的刚毛主要由β角蛋白扩张形成，而树蛙指尖吸盘的主要结构蛋白为α角蛋白。有趣的是，α角蛋白同样是哺乳动物和人类毛发纤维最主要的成分之一。“这些祖先角蛋白可能在早期四足动物需要皮肤强化的区域中表达，而随后分化为支持两栖动物和哺乳动物不同的适应性结构。”
研究滑翔相关表型的调控机制和强大的攀爬能力，对动物特殊功能的仿生研究有重要的基础科学价值。
以滑翔机制为例，他提到，黑蹼树蛙身体扁平，有肥厚的趾垫，除了指（趾）间蹼的形状，四肢间也有由皮肤伸展形成的薄膜。“用怎样的滑翔姿态才能拥有最大受力面？着陆到叶面上时如何实现最小缓冲？”他认为，通过对上述等问题的基础科学研究，将对日后空中飞行器、极限运动辅助装置等设备的仿生机制运用场景起到重要作用。
幕后故事：
研究周期四五年，对结果抱有遗憾
尽管黑蹼树蛙在近两年来才成为“网红”被大众所知晓，但李家堂团队早在四五年前就对其开展了针对性研究。
“这是一个兼具趣味性的研究。”他提及，黑蹼树蛙通常生活在高大的乔木上，并能滑翔到其他树梢或树下水塘中进行躲避或繁殖。黑蹼树蛙具有发达的指（趾）间蹼这一特殊性状，让他希望找到控制其生长的基因，从遗传学的角度对人类医学作出科学探索。
设定了科学课题，研究则是一个漫长的过程。
除了要在野外进行长时间滑翔行为和生活史观察外，研究人员还需要在实验室里通过基因组数据分析等科学手段筛选基因，开展行为学实验并孵育蝌蚪，获取每一个关键时期的样本，并进行转录组测序工作。
蝌蚪肢体发育过程是本研究的核心工作内容之一，需要从蛙卵开始孵育，对发育时期有严格要求。对于研究成果，李家堂也抱有一些遗憾：在研究过程中，由于各种原因，在蝌蚪取样方面错失了一些关键时期的数据，尽管后来在持续补充该数据，但依然不够完善。如果有机会，他希望未来可以补全这些数据。因为“科学是永无止境的，它是一个永恒之谜”。
红星新闻记者 彭祥萍 实习生 张业欣 图据中科院成都生物所
