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      作者:李晨陽 來源:中國科學報 發布時間:2022/8/6 19:31:50
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      動物界的“內卷”才是真的“卷”

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      球金龜 張巍巍攝影

      人類“內卷”,動物也“內卷”——個中高手甚至能把自己卷成一個“球球”。犰狳、穿山甲、刺猬、球馬陸、球鼠婦等,在遇到危險時都能迅速卷成緊密球體,保護腹部、四肢等脆弱的部位。

      “這種行為甚至有一個專業名詞——成球行為(Conglobation)。”中國科學院動物研究所研究員白明告訴《中國科學報》。

      近日,由中科院動物所牽頭,中意德三國科學家合作完成的一篇論文,發表在《通訊生物學》(Communications Biology)雜志上。這篇論文針對一種小小的昆蟲——球金龜,揭示了它們“成球”的秘密。

      “球”與“非球”區別在哪?

      在各種動物類群中,昆蟲的身體結構其實并不適于成球。

      “因為它們的身體軀干只有頭胸腹三個體節,很難形成緊密的球形。大多數情況下,身體腹面、足等部位會不可避免地外露。”白明解釋道,他是這篇論文的共同通訊作者之一。

      但有一些小家伙做到了。

      球金龜是金龜總科、駝金龜科、球金龜亞科昆蟲的統稱,已知44屬448種,分布在泛熱帶區。這類昆蟲比較罕見,主要生活在白蟻巢、枯枝落葉層和朽木等隱秘生境中。

      雖然都被稱為球金龜,但它們的身手差距還是比較大的。一些球金龜只能形成松散球形,或者完全不能成球,而另一些則能形成緊密球形。

      “球”與“非球”的區別到底在哪里呢?

      研究人員通過幾何形態學定量分析了全球74種球金龜的形態特征,發現在3種不同的成球類型(不能成球,松散球形、緊密球形)中,球金龜的頭、前胸背板、鞘翅和足等結構均有穩定差異。

      進一步結合顯微CT和三維重建技術,研究人員首次發現,緊密型球金龜在體壁厚度上存在異速生長現象,也就是球外側(前胸背板和鞘翅)的體壁厚度顯著厚于內側體壁(胸部和腹部腹面),而它們的體壁厚度也與不能成球的金龜有顯著差異。

      “我們推測,這可能是在能量有限情況下的一種權衡策略(trade-offs)。”論文第一作者、中科院動物所博士后路園園說,“當組成體壁的物質有限時,更多的材料被分配到球的外側,而被包裹在球內的體壁組成材料則相對較少”。

      成球行為從何而來?

      在此之前,球金龜的成球行為演化歷史并不清晰。僅有的一塊化石記錄表明,松散球形種類可能最早出現在新生代(約1500萬至2500萬年前)。

      這一次,研究人員詳細調查了不同產地和地質時間的化石。幸運的是,他們在克欽琥珀和多米尼加琥珀中都發現了球金龜的存在,并且首次在中生代(約1億年前)記錄了松散球形的新屬種,以及新生代完整球形的新種。

      這些發現不僅將球金龜成球行為的起源提前了約8000萬年,也是昆蟲中成球行為的最早記錄之一。

      化石初步串聯起了球金龜的成球之路,為成球行為的演化揭開了冰川一角。

      “我們的研究結果表明,成球行為在球金龜中是單次起源的,即從不成球到松散球形,然后到緊密球形的演化順序,其中也伴隨著在少量節點上的反轉。”路園園說。

      與成球關系密切的身體結構包括頭、前胸背板和鞘翅,它們的演化過程并不相同。本文重要作者,中科院動物研究所鄒征廷研究員說:“中生代球金龜首先經歷了鞘翅的快速適應演化,為成球行為形成奠定了基礎,前胸背板緊隨其后,最后在新生代球金龜頭部的快速演化,為緊密球形的形成補上了關鍵的一環”。

      為什么要變成球球?

      看似簡單一卷的成球行為,背后卻有如此復雜的結構演變。動物為什么要演化出這樣的行為呢?

      “科學家們推測,成球行為可能具有防御和生理功能,例如保水能力和溫度調節能力。”路園園說,“比如很多人熟悉的鼠婦,就缺乏陸生節肢動物應有的氣門系統,所以需要靠成球來減緩體內水分散失,從而適應登陸后的生活。”

      而對球金龜而言,抵抗天敵襲擊也是非常重要的一個因素。研究人員選擇球金龜與另外兩種金龜——駝金龜和鰓金龜,開展了機械力學分析,發現在被天敵直接攻擊的特定場景下,卷曲成球的球金龜可以抵抗更大的咬合力而不變形,表現出更為“抗揍”的特性。

      “這些球金龜的‘抗揍’特性,一方面得益于球形結構本身,另一方面也歸功于更厚的外側體壁,以及體壁本身較強的機械性能。”另一位論文共同通訊作者、中科院動物所研究員顧奇說。

      有趣的是,球金龜中松散球形種類主要生活在枯枝落葉層,緊密球形主要生活在白蟻巢穴中,研究人員由此提出了“攻擊者壓力”假說——來自白蟻的威脅驅動了球金龜成球行為的復雜化。

      人們還發現,驚擾到某些生活在樹冠上的球金龜時,它們會迅速成球從而掉落消失。“對那些生活在開放環境生活的球金龜來說,球形有助于其通過滾動快速逃脫。然而我們認為,這更可能是緊密球形個體在重新適應開放環境中,成球行為的二次適應性演化。”白明說。

      論文DOI : 10.1038/s42003-022-03685-2

       
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