‧ 人工智慧如何揭開 200 多年前的進化謎題？

Butterfly identification Part 2 - Family Nymphalidae - Key identification features

蝴蝶辨識 - 蛺蝶科 - 主要辨識特徵

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來源：科技行者

人工智慧有助於解決進化研究當中最古老的謎題之一，但同時又給我們帶來更多新的困惑。

▲圖中為虎紋長翼蝶，學名為灰袖蝶。

自然界充滿了抄襲者。螟蛾會使用與虎蛾相同的高音，嚇退前來的捕食者，無毒的王蛇則長出了與毒蛇類似的體色。王蛇與螟蛾的這類作法，被稱為貝特斯擬態，指某種無害的物種，透過將自己的外貌改變為，類似於強大或有毒同類特種的方式，嚇退捕食者。

當然，這並不是什麼惡意抄襲，只是長期生存壓力下的產物 —— 生存時間達到一定程度之後，王蛇的外觀，又開始向珊瑚蛇靠攏，並透過這種方式，將擬態能力傳遞給下一代。

不過，其它一些物種則選擇了自己的生存技巧。明亮的色彩在大自然當中基本就是「不適合食用」的標籤，科學家們將其稱為警戒態。這可能代表著有毒，或者只是味道很糟糕（也可能是呈現明亮色彩的生物，故意想讓捕食者以為是這樣）。

但有時候，鳥類與蜥蜴這類捕食者，可能會堅持吃下這些苦苦的食物，並透過這種「吃虧」的方式，讓自己將鮮艷的色彩，與糟糕的進食體驗聯繫起來。

因此，要想讓擬態真的發揮作用，虎紋長翼蝶可能需要至少犧牲一位同伴，向獵人們證明自己真的不好吃。

十九世紀的博物學家 Fritz Müller 曾經指出，如果有兩只蝴蝶進化出虎紋長翼蝶，這樣的警示顏色，那麼二者會以責任分攤的形式，完成對捕食者的口味「調教」。

假設，當地的鳥類要吃掉大約 20 隻色彩鮮艷的蝴蝶才能弄明白，這種色彩斑斕的圖案代表著「不好吃」。那麼如果兩種當地蝴蝶品種發展出不同的標記，那麼捕食者必須得各吃掉其中 20 隻，才會明白這兩類蝴蝶都不好吃。

但如果二者擁有相似的標記，那麼各自只需要犧牲 10 隻同類，就能讓捕食者意識到這一點。因此，兩個物種很可能逐步發展出類似的外貌特徵，旨在降低群體生存風險。

＞＞＞未經驗證的假設

這種被稱為繆勒擬態的論斷，正是進化領域最古老的構想之一，其誕生於 1878 年 —— 也就是達爾文於 1859 年提出，自然選擇理論後的不到 20 年之內。這也是生物學家們提出的趨同進化理論中最著名的例子之一 —— 不同的物種在類似的壓力下，會發展出相似的特徵，這有點像是兩個人，各自獨立地提出了相似的問題解決方法。

例如，收斂進化使得蝙蝠與鳥類，都發展出了翅膀，也使得鯨和鯊都擁有鰭。然而，虎紋長翼蝶卻將這種傾向發展到了一個全新的、令人眼花繚亂的複雜高度。對其翅膀模式的 AI 研究顯示，繆勒擬態理論是完全正確的，而且這種變化並非單向模仿。不同的亞種之間，亦會來回交換模式，並以新的方式結合「抄」來的特徵，以產生新的模式。

虎紋長翼蝶主要生活在，美洲廣闊的熱帶與亞熱帶氣候地區。在其兩大分支以及和幾十個亞種當中，昆蟲學家已經確定了至少 30 種獨特的翅膀圖案模式，其中每種模式都在少數幾種亞種之間共享。所有這些多樣性，再加上翅膀圖案的複雜性，使得我們很難對其相互關聯進行大規模研究。

再加上大多數生物學家只能依靠自己的眼睛，和筆記記錄觀察到的情況，因此繆勒假設雖然很有意義，但卻一直無法得到嚴格證明。

劍橋大學的 Jennifer Hoyal Cuthill 在最近的聲明當中指出，「我們之前之所以未能完成，對這一模仿進化系統加以測試，是因為很難量化兩隻蝴蝶之間的相似程度。」然而，這類無法由人類眼睛與大腦消化的高密度資訊，卻正是電腦的專長所在 —— 其非常善於量化事物，並利用機器學習（一種 AI 實現方式，電腦可以借此發現新的數據與經驗，從而超越固有編程內容）更好地解讀蝴蝶翅膀的進化複雜性。

▲奇數列為藝神袖蝶，偶數列則為詩神袖蝶，分別按照翅膀圖案的相似性排序

＞＞＞從蝴蝶到 ButterflyNet

那麼，各位生物學界的先賢們，會如何看待今天的機器學習算法？相信他們至少會肯定 Hoyal Cuthill，和她的同事們制訂的研究成果：ButterflyNet。

該團隊為這套 AI 系統，提供來自 38 個不同亞種，總計約 2400 張虎紋長翼蝶照片，並教導其從照片中辨識出各個亞種。後來，系統完成了人類科學家幾個世紀以來，可望而不可及的目標：對每組翅膀圖案之間的相同點，與不同點進行量化。ButterflyNet 測量，並比較了翼形的差異，以及圖案在不同部位的尺寸、形狀、位置及顏色等細小變化。

接下來，它將所有蝴蝶進行了分類並整理出圖表：兩個亞種之間的距離越近，則代表其翅膀圖案的相似度越高。這一結果幫助 Hoyal Cuthill 及其同事，得出了關於不同亞種間翅膀圖案關聯方式的結論，構成這些圖案的形狀與顏色的進化、複製與改變過程，以及不同亞種間相互借用與創造的方式。結果似乎證明繆勒擬態的正確性，即兩種有毒的蝴蝶物種，確實有可能發展出類似的警示圖案。

Hoyal Cuthill 在一份聲明中指出，「事實上，收斂的趨勢是如此強烈，以至於不同物種的擬態與目標的相似度，甚至高於同一物種的不同個體。」然而，事情並不是蝴蝶照著鄰居的樣子「打扮」自己那麼簡單。

亞種之間會依次相互模仿，在複雜的進化過程中，傳遞形狀與顏色。從邏輯上講，這種相互複製應，該導致全部蝴蝶都只進化出幾種相似的圖案，但結果恰恰相反 —— 蝴蝶獲得了更多新的圖案。隨著各個亞種根據鄰居做出自我調整，其又會以新的方式，組合這些形狀與顏色要素，相關結果隨後會再次作為鄰居們的模仿與重新組合素材。

目前還不清楚這種模式，是否能夠幫助蝴蝶們更快地趕走捕食者，因為繆勒擬態的觀點，在於不能食用的物種之間，有動機提高相似度 —— 而發展出新圖案似乎與這一論斷不太相符。但無論如何，事情已經有了進展，也許我們距離真相已經不遠。

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