作者:李晨阳 来源: 中国科学报 发布时间:2022-8-8
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最厉害的“内卷”在动物界
科学家揭示球金龟成球行为之谜

 

球金龟 张巍巍摄

■本报记者 李晨阳

人类“内卷”,动物也“内卷”——能把自己卷成“球”。犰狳、穿山甲、刺猬、球马陆、球鼠妇等,在遇到危险时能迅速卷成紧密球体,保护其腹部、四肢等脆弱部位。

“这种行为甚至还有一个专业名词——成球行为。”中科院动物研究所(以下简称中科院动物所)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于《通讯生物学》。此文针对一种小小的昆虫——球金龟,揭示了它们“成球”的“内卷”之谜。

“球”与“非球”区别在哪儿?

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。”论文共同通讯作者之一白明解释道。

但有一些“小家伙”却做到了。

球金龟是金龟总科、驼金龟科、球金龟亚科昆虫的统称,目前已知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,但它们的身手却差距较大—— 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”的区别到底在哪儿?

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的情况下的一种权衡策略。”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2500万至1500万年前)。

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,以及新生代紧密球形的新种。

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,最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。论文重要作者、中科院动物所研究员邹征廷说:“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快速演化,为紧密球形的形成补上了关键一环。”

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。那么,动物为何要演化出这样的行为呢?

“科学家们推测,成球行为可能源于防御和生理功能,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,抵抗天敌袭击也是成球行为的一个重要因素。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,紧密球形种类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的球金龟来说,球形有助于其通过滚动快速逃脱。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。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s42003-022-03685-2

《中国科学报》 (2022-08-08 第3版 综合)
 
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