作者:李晨阳 来源:中国科学报 发布时间:2022/8/6 19:31:50
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动物界的“内卷”才是真的“卷”

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球金龟 张巍巍摄影

人类“内卷”,动物也“内卷”——个中高手甚至能把自己卷成一个“球球”。犰狳、穿山甲、刺猬、球马陆、球鼠妇等,在遇到危险时都能迅速卷成紧密球体,保护腹部、四肢等脆弱的部位。

“这种行为甚至有一个专业名词——成球行为(Conglobation)。”中国科学院动物研究所研究员白明告诉《中国科学报》。

近日,由中科院动物所牵头,中意德三国科学家合作完成的一篇论文,发表在《通讯生物学》(Communications Biology)杂志上。这篇论文针对一种小小的昆虫——球金龟,揭示了它们“成球”的秘密。

“球”与“非球”区别在哪?

在各种动物类群中,昆虫的身体结构其实并不适于成球。

“因为它们的身体躯干只有头胸腹三个体节,很难形成紧密的球形。大多数情况下,身体腹面、足等部位会不可避免地外露。”白明解释道,他是这篇论文的共同通讯作者之一。

但有一些小家伙做到了。

球金龟是金龟总科、驼金龟科、球金龟亚科昆虫的统称,已知44属448种,分布在泛热带区。这类昆虫比较罕见,主要生活在白蚁巢、枯枝落叶层和朽木等隐秘生境中。

虽然都被称为球金龟,但它们的身手差距还是比较大的。一些球金龟只能形成松散球形,或者完全不能成球,而另一些则能形成紧密球形。

“球”与“非球”的区别到底在哪里呢?

研究人员通过几何形态学定量分析了全球74种球金龟的形态特征,发现在3种不同的成球类型(不能成球,松散球形、紧密球形)中,球金龟的头、前胸背板、鞘翅和足等结构均有稳定差异。

进一步结合显微CT和三维重建技术,研究人员首次发现,紧密型球金龟在体壁厚度上存在异速生长现象,也就是球外侧(前胸背板和鞘翅)的体壁厚度显著厚于内侧体壁(胸部和腹部腹面),而它们的体壁厚度也与不能成球的金龟有显著差异。

“我们推测,这可能是在能量有限情况下的一种权衡策略(trade-offs)。”论文第一作者、中科院动物所博士后路园园说,“当组成体壁的物质有限时,更多的材料被分配到球的外侧,而被包裹在球内的体壁组成材料则相对较少”。

成球行为从何而来?

在此之前,球金龟的成球行为演化历史并不清晰。仅有的一块化石记录表明,松散球形种类可能最早出现在新生代(约1500万至2500万年前)。

这一次,研究人员详细调查了不同产地和地质时间的化石。幸运的是,他们在克钦琥珀和多米尼加琥珀中都发现了球金龟的存在,并且首次在中生代(约1亿年前)记录了松散球形的新属种,以及新生代完整球形的新种。

这些发现不仅将球金龟成球行为的起源提前了约8000万年,也是昆虫中成球行为的最早记录之一。

化石初步串联起了球金龟的成球之路,为成球行为的演化揭开了冰川一角。

“我们的研究结果表明,成球行为在球金龟中是单次起源的,即从不成球到松散球形,然后到紧密球形的演化顺序,其中也伴随着在少量节点上的反转。”路园园说。

与成球关系密切的身体结构包括头、前胸背板和鞘翅,它们的演化过程并不相同。本文重要作者,中科院动物研究所邹征廷研究员说:“中生代球金龟首先经历了鞘翅的快速适应演化,为成球行为形成奠定了基础,前胸背板紧随其后,最后在新生代球金龟头部的快速演化,为紧密球形的形成补上了关键的一环”。

为什么要变成球球?

看似简单一卷的成球行为,背后却有如此复杂的结构演变。动物为什么要演化出这样的行为呢?

“科学家们推测,成球行为可能具有防御和生理功能,例如保水能力和温度调节能力。”路园园说,“比如很多人熟悉的鼠妇,就缺乏陆生节肢动物应有的气门系统,所以需要靠成球来减缓体内水分散失,从而适应登陆后的生活。”

而对球金龟而言,抵抗天敌袭击也是非常重要的一个因素。研究人员选择球金龟与另外两种金龟——驼金龟和鳃金龟,开展了机械力学分析,发现在被天敌直接攻击的特定场景下,卷曲成球的球金龟可以抵抗更大的咬合力而不变形,表现出更为“抗揍”的特性。

“这些球金龟的‘抗揍’特性,一方面得益于球形结构本身,另一方面也归功于更厚的外侧体壁,以及体壁本身较强的机械性能。”另一位论文共同通讯作者、中科院动物所研究员顾奇说。

有趣的是,球金龟中松散球形种类主要生活在枯枝落叶层,紧密球形主要生活在白蚁巢穴中,研究人员由此提出了“攻击者压力”假说——来自白蚁的威胁驱动了球金龟成球行为的复杂化。

人们还发现,惊扰到某些生活在树冠上的球金龟时,它们会迅速成球从而掉落消失。“对那些生活在开放环境生活的球金龟来说,球形有助于其通过滚动快速逃脱。然而我们认为,这更可能是紧密球形个体在重新适应开放环境中,成球行为的二次适应性演化。”白明说。

论文DOI : 10.1038/s42003-022-03685-2

 
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