黃大明 張雪妍 王瑜琪 胡習(xí)蓉 赤雅蓉 Ellen D.Ketterson2 Val Nolan,Jr
摘 要:雄性親本撫育在大多數(shù)動(dòng)物種類中很少見,但在鳥類中很普遍。鳥類哺育后代的形式差別很大。雄性親本撫育中父本經(jīng)常會(huì)為非血親提供撫育。具有雄性孵化的鳥類中,性選擇相對(duì)弱,雄性在外表與生理方面都更接近雌性。由于雌性要為多重婚配付出更大代價(jià),或者雄性孵化與持續(xù)進(jìn)行性行為不相容,雄性相比之下更可能是它們所撫育的后代遺傳上的父本。從歷史、功能、機(jī)制和發(fā)展進(jìn)化的整探討鳥類雄性撫育。
關(guān)鍵詞:親本撫育;婚配制度;兩性異形;雄性移除;激素;表型工程
中圖分類號(hào):Q958.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-2064(2018)15-0005-07
1 引言
除巢寄生鳥類外,所有鳥類在產(chǎn)卵后都有親本撫育,雄性親本撫育比其它脊椎動(dòng)物更普遍。有時(shí)雄性撫育并不直接,例如:協(xié)助建巢(65%-70%鳥類亞科),在產(chǎn)卵或孵蛋期飼喂雌鳥(48%-70%鳥類亞科),更明顯的是雄鳥對(duì)卵和幼鳥關(guān)注。在大多數(shù)鳥類亞科中雄鳥會(huì)孵卵(68%)、照顧喂養(yǎng)幼鳥(71%)、護(hù)送幼鳥到覓食場(chǎng)所(73%)[70]。盡管在兩棲類和哺乳類中,都有雄性孵化或撫育后代的記錄,但都明顯低于鳥類[9,23,25,63]。
黑眼燈芯草雀(Junco hyemalis)是一種由雄性承擔(dān)后代喂養(yǎng)和保護(hù)、雌性承擔(dān)其余大部分育雛行為的鳴禽。學(xué)者通過(guò)在孵化階段移除雄性,比較有無(wú)雄性幫助的雌性的繁殖成功率,研究雄性撫育對(duì)繁殖的重要性[102,103,104];調(diào)整雄鳥睪酮水平,加強(qiáng)求婚行為,同時(shí)抑制親本行為[38,41]。觀測(cè)雌鳥付出更多努力來(lái)補(bǔ)償雄鳥投入減少,是否會(huì)基于雄鳥撫育后代程度來(lái)選擇今后的伴侶。進(jìn)行了為期12年的研究。
研究中移除雄鳥后,新來(lái)的雄鳥會(huì)向雌鳥求婚,并時(shí)常進(jìn)行婚配,準(zhǔn)備下次繁殖。新雄鳥只為前雄鳥的后代提供有限的關(guān)懷,只有少數(shù)有父本行為,飼喂非己后代[40,102]。通過(guò)研究撫育行為的刺激因素、自然進(jìn)化機(jī)制[38],發(fā)現(xiàn)睪酮會(huì)增加雄鳥對(duì)雌鳥的吸引力,同時(shí)抑制其育雛行為[41,71]。睪酮應(yīng)該是雄性婚配和親本撫育模式變化的重要激素[38]。
2 過(guò)去和現(xiàn)在
大概20世紀(jì)70年代,繁殖生態(tài)學(xué)家開始關(guān)注婚配制度、親本撫育和第二性征的兩性異型(大小,結(jié)構(gòu),顏色)等方面。特別是:一般單配制和單型性的雄性親本有撫育行為,而一雄多雌制和兩性異型的雄性親本的撫育行為降低或缺失[43,77]。在一雄多雌制中與同一只雄性婚配的雌性的繁殖成功率,一般是第二個(gè)婚配的雌性將獲得少于單配制雌性的雄性關(guān)懷,盡管如此,它們也和單配制雌性一樣成功[7,54,76]。實(shí)際上一雄多雌制的雄性,會(huì)有足夠大的領(lǐng)地,以保證其中資源能夠補(bǔ)足稀少雄性撫育帶來(lái)的欠缺[54,76]。那些對(duì)單配制感興趣的生態(tài)學(xué)家則認(rèn)為,在單配制的鳥類中,來(lái)自雄性親本的撫育對(duì)于成功的繁殖非常重要的[43,101]。有些人已經(jīng)開始實(shí)地研究驗(yàn)證那些假設(shè)[28,62]。此外,研究者還對(duì)雄性一生繁殖效果的變化進(jìn)行長(zhǎng)期評(píng)估,雄性被標(biāo)記,并以它們配對(duì)的雌性和生產(chǎn)的后代作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[10]。研究者認(rèn)為雄性對(duì)繁殖的貢獻(xiàn)大于雌性,并與婚配制度有關(guān);性選擇在一雄多雌制的鳥類中更加強(qiáng)烈,所以具有更大的兩性異型性[10,57,68]。
一雄多雌制的鳥類中額外配對(duì)婚配(EPP,short for Extra-pair paternity)很常見;雌鳥會(huì)在其它雌鳥的窩里產(chǎn)卵(種內(nèi)巢寄生conspecific brood parasitism CBP)[4,29,85],使得婚配制度,雄性親本撫育和兩性異型的經(jīng)典模式顯得不太規(guī)范。事實(shí)上,EPP和CBP的存在使我們對(duì)婚配制度的分類產(chǎn)生了質(zhì)疑,還引發(fā)了對(duì)過(guò)去所測(cè)量的繁殖成功率的懷疑[24]。就像一雄多雌制,一雄一雌制這種以前根深蒂固的詞匯,現(xiàn)在又被細(xì)分成“表觀單配制”和“社會(huì)單配制”,對(duì)應(yīng)的有“社會(huì)一雄多雌制制和公開一雄多雌制”。既然被撫養(yǎng)方與撫養(yǎng)方?jīng)]有親緣關(guān)系,額外配對(duì)婚配也會(huì)使雄性親本撫育的進(jìn)化產(chǎn)生一些未曾料到的結(jié)果[4,50,57,86,89,108]。使人們重新認(rèn)識(shí)評(píng)估雄性親本撫育的適宜收益[3,16,49,82,102,104]。表觀單配制的鳥類中,雄鳥的繁殖成功率大于預(yù)期。但是,由于種內(nèi)巢寄生(CBP)的存在,這種波動(dòng)在雌性中或許不會(huì)太大。有很多觀測(cè)關(guān)注雌性的配偶選擇,和性選擇、兩性異型的選擇含義[4]。通過(guò)研究機(jī)理,加強(qiáng)了對(duì)親本行為、婚配制度和兩性異型根本原因的理解。一般認(rèn)為睪酮參與協(xié)調(diào)性分化,與兩性異形、婚配制度和親本行為有關(guān)[5,21,33,53,93-95]。
3 雄性親本撫育:進(jìn)化
3.1 雄性親本撫育進(jìn)化的生態(tài)學(xué)和生活史方法
環(huán)境是當(dāng)前行為選擇因素的整合者,決定鳥類生活史特征[43]。移除法現(xiàn)在被認(rèn)為過(guò)于簡(jiǎn)化,但移除[43]可以記錄和解釋鳥類婚配制度和親本撫育的巨大變化。例如涉禽通常一雌多雄,雌性色彩鮮艷,而雄性負(fù)責(zé)孵化。這種行為的進(jìn)化可能是由于它們生活在北極地區(qū),可供繁殖的時(shí)間太過(guò)短暫[19,20,44,61]。如果雌性和雄性起初就分擔(dān)孵化任務(wù),這之后,為了應(yīng)對(duì)緊迫的時(shí)間,雌性開始選擇產(chǎn)一枚卵給雄性孵化,剩下的則由自己孵化,這就向雌性為不止一個(gè)雄性產(chǎn)卵并由它們承擔(dān)孵化任務(wù)、而自己不參與孵化的體系邁出了一步[20]。雄性親本撫育在以表觀單配制的陸生鳥類中更加普遍。相比早成鳥,更多見于晚成鳥。發(fā)育模式也影響撫育的種類。晚成鳥的雄鳥通常會(huì)喂養(yǎng)雌鳥和幼鳥,但不會(huì)參與孵化。與此相反,早成鳥的雄鳥會(huì)參與孵化或者護(hù)送幼鳥到捕食地點(diǎn),但不會(huì)親自飼喂雌鳥和幼鳥。
Silver等人[70]使用了典型相關(guān)分析來(lái)描述鳥類237個(gè)禽亞科的親本行為分布。五種雄性親本撫育行為(飼喂雌性,營(yíng)巢,孵蛋,育雛,保護(hù)幼鳥)由29個(gè)生活史特征和生態(tài)屬性編碼(比如幼鳥發(fā)育類型,兩性異型程度,飲食的偏好,棲息地的選擇)。認(rèn)為:雙親的撫育可能是晚成性的來(lái)源,當(dāng)后者進(jìn)化時(shí),本來(lái)就已經(jīng)投入很多的雌性需要外界幫助它們獲取食物,以養(yǎng)育后代。因此,研究者推測(cè),雄性幫助飼喂幼鳥的行為可能較后出現(xiàn),并取代了對(duì)孵化的幫助。
圖1標(biāo)注了17種燕子和1種山雀不同鳥巢結(jié)構(gòu)模型起源的系統(tǒng)樹(50%多數(shù)規(guī)則共識(shí),基于DNA雜交)。類群的英文名稱,由上至下,分別是cliff swallow, South African cliff swallow, rufous-chested swallow, house martin, barn swallow, rock martin, brown-chested martin, gray-breasted martin, white-banded swallow, sand-thighed swallow, blue-and-white swallow, southern rough-winged swallow, tree swallow, sand martin, banded martin, gray-rumped swallow, black sawwing, tufted titmouse[100]。
3.2 兩性單態(tài),物種形成和雄性親本撫育的形成
最近的研究中,Pierotti和Annett[60]發(fā)現(xiàn),在有雄性撫育的類群中,屬內(nèi)雜交更加普遍。他們認(rèn)為這是因?yàn)橐揽啃坌詤⑴c撫育的雌性更喜愛代表?yè)嵊凉摿Φ奶卣?,而相?duì)不適應(yīng)一些夸張的特征,比如體型、羽毛顏色(如[37,90,107])。它們?cè)谔暨x伴侶時(shí)不對(duì)雄性外表過(guò)于挑剔,那么產(chǎn)生新物種可能性較低,而雜交的可能性較高(cf WestEberhard[84])。
為了支持此觀點(diǎn),Pierotti和Annett[60]觀測(cè)鳥類科或亞科(46非雀形目,48雀形目),并把它們分成單配單態(tài)(monogamous and monomorphic,即MM,55個(gè)物種),單配兩態(tài)(monogamous and dimorphic,即MD,24個(gè)物種)或者明顯的一雄多雌妻兩態(tài)(polygynous and dimorphic,即PD,9個(gè)物種)。MM組比MD和PD組每科中物種數(shù)更少,且MM組中雜交種所占的比例最大(34%),其次是DM組(17%),最少的是PD組(9%)。因?yàn)樾坌杂H本撫育是社會(huì)單配制種類的特征,他們認(rèn)為,當(dāng)兩性相似且雄性提供撫育時(shí)不太可能有物種形成。
親本行為顯著不同的在雀形目中,與單態(tài)聯(lián)系最緊密的親本行為是雄鳥孵化[60,77]。雄性筑巢在單態(tài)和兩態(tài)的類群中都普遍存在(94%和71%),飼喂未離巢的雛鳥也同樣普遍(100%and80%),但在單態(tài)類群中,雄性孵化比例達(dá)到79%,而兩態(tài)類群只有25%。Silver等人[70]發(fā)現(xiàn),雄鳥傾向于僅孵化或僅飼喂雛鳥,而不會(huì)同時(shí)進(jìn)行這二者。Pierotti和Annett補(bǔ)充,孵化傾向于在單態(tài)類群中出現(xiàn),而筑巢和飼喂雛鳥卻不會(huì)。這是為什么呢?一種解釋是,雄鳥孵化可能是雄性親本行為中最具限制性的,因?yàn)樗认臅r(shí)間又不能推遲。再有,孵化可能會(huì)產(chǎn)生妨礙性行為的生理變化。無(wú)論是哪種情況,雄性都會(huì)付出失去婚配機(jī)會(huì)、減少繁殖效果的代價(jià)。如果真是這樣,兩性異形(包括異色)通常反映性選擇更強(qiáng)。雄性孵化的類群中,性選擇強(qiáng)度更弱。這可能是因?yàn)樾坌詫迅嗟木ㄔ谟H本撫育上,而減少婚配的精力。如果雄性孵化類群中的雌性會(huì)基于雄鳥在親本撫育方面的屬性,而非外表來(lái)挑選婚配對(duì)象(尤其是當(dāng)自然選擇傾向于雄性關(guān)于孵化的某種隱藏特征時(shí)),那么雄性孵化、單態(tài)、社會(huì)單配制之間的聯(lián)系就能得到更好的解釋。相反的,在雄性不參與孵化、但可能飼喂后代的種系中,尤其是那些喂食不從時(shí)間或生理上影響雄鳥對(duì)復(fù)數(shù)異性的吸引力(公開一雄多雌制)的種系;或是營(yíng)社會(huì)單配制,有著更多婚配機(jī)會(huì)的物種中,兩態(tài)和一雄夫多雌制更可能得到發(fā)展。但觀測(cè)到的是:雄性參與孵化的單形鳥類中也存在婚外婚配[51]。單形鳥類中,雌性也傾向于選擇“質(zhì)量更高”的雄性[4]。確認(rèn)還是拒絕結(jié)論,可能還需要更多EPP發(fā)生率和雄性繁殖效果差異(評(píng)判婚配制度唯一可靠的標(biāo)準(zhǔn))的數(shù)據(jù),也需要更多比較雌性和雄性繁殖效果差異的數(shù)據(jù)。需要強(qiáng)調(diào)的是,闡明兩性異形、雌性擇偶標(biāo)準(zhǔn)和雄性親本撫育間聯(lián)系的關(guān)鍵是,根據(jù)雄性提供的撫育方式改善物種分類。
3.3 比較方法的進(jìn)展
系統(tǒng)發(fā)育分析研究相關(guān)特征進(jìn)化順序[5,11,33,48,53,60,70]。Winkler和Sheldon[100]把燕子巢的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)到分子系統(tǒng)發(fā)育上,發(fā)現(xiàn)這種特性非常保守。17種鳥類有5種不同的鳥巢結(jié)構(gòu),每一種鳥類只有一種巢。利用其它動(dòng)物建好的洞穴是最新進(jìn)化出來(lái)的(圖1)。Mckitrick[48]研究鳥類雄性親本撫育的進(jìn)化。在60種鳥類中,52種為雙親撫育。她的系統(tǒng)發(fā)生判斷基于解剖(69個(gè)特征)和行為(15個(gè)特征)數(shù)據(jù),祖先是一種沒(méi)有孵化后撫育行為的爬行類。以飼喂雛鳥為親本撫育的指標(biāo)時(shí),樹形圖顯示雄性親本撫育(雄性或者雙親)是鳥類的原始特征,圖中雄性飼喂消失過(guò)兩次,一次在鴨子和松雞的分支中,一次在蜂鳥屬Eulampis中,它和猛禽在同一分支。
與Silver等人不同[70],McKitrick[48]認(rèn)為雄性親本撫育與晚成性沒(méi)有聯(lián)系。其中雄性親本撫育的丟失,一種與早成鳥的進(jìn)化有關(guān),而另一種沒(méi)有。McKitrick支持雙親孵化是單雄孵化的先導(dǎo)[19]:?jiǎn)涡蹞嵊鹪次宕?,平胸類(例如三趾鴕鳥、幾維鳥)是唯一祖先沒(méi)有雙親孵化。雄性孵化的穩(wěn)定性和燕子筑巢[100]的保守性都說(shuō)明親本撫育的不同形式都有巨大的慣性,一但形成就很難改變。
不幸的是,研究鳥類親本撫育的活躍領(lǐng)域大多數(shù)都是鳴禽類(雀形目),而McKitrick的解剖學(xué)數(shù)據(jù)并不能簡(jiǎn)便區(qū)分這一大類群中的物種。比如烏鴉(Icterinae)中的一個(gè)亞科,其婚配制度變化巨大,有的種是雙親撫育,有的種只有雌鳥撫育,有的種(巢寄生)沒(méi)有親鳥撫育。有些在大小而非顏色方面表現(xiàn)出兩性異形,有些兩性大小相似但顏色不同[43]。涉禽(非雀形目)巨大的多樣性也很有研究?jī)r(jià)值[20,43,44,61]。
總之,雙親撫育可能是鳥類的原始特征。雄性孵化的鳥類一般是社會(huì)單配單形的種類,不易產(chǎn)生新物種,繁殖效果可變性較低,有較弱的性選擇。這些特性的不穩(wěn)定性和進(jìn)化的順序還有待研究。
4 雄性親本撫育:功能
用成本效益法研究雄性親本撫育是否對(duì)雄性最有利,換言之,它存續(xù)至今,是否是自然選擇的結(jié)果。經(jīng)典的方法見Maynard Smith的《親本投入:一種可能的分析》[46,86,89,96]。
分析有利于撫育進(jìn)化的條件,并判斷何時(shí)會(huì)是雙親撫育,何時(shí)會(huì)是單親。最容易想到的是:撫育能夠提高后代存活率。但還有其它關(guān)鍵的考慮:(1)提供撫育比放棄當(dāng)前配偶而去追求不確定的繁殖更有利;(2)親本一方的響應(yīng)可能影響另一方的去留決定。比如,如果親本撫育能夠提升后代的存活率,但是只要一個(gè)親本就足夠了,那么雙方就會(huì)產(chǎn)生矛盾:誰(shuí)應(yīng)該留下,誰(shuí)應(yīng)該離開?結(jié)果取決于兩性的繁殖力差異。雄性需要權(quán)衡提供撫育得到的好處和放棄其余婚配機(jī)會(huì)作為代價(jià);雌性則需權(quán)衡撫育的收益與放棄所有撫育可以得到的繁殖力提升,比如,產(chǎn)出更大窩卵數(shù)的能力或產(chǎn)卵速度的提升。
在雌鳥育雛的類群中,額外婚配還是撫育后代對(duì)雄鳥更有利,將取決于單雌性育雛降低雌鳥繁殖力的程度。如果單雌性育雛會(huì)延長(zhǎng)育雛的時(shí)間,那么尋找其他婚配機(jī)會(huì)的雄鳥將找到更少可繁殖雌鳥。同樣,如果單雌育雛導(dǎo)致更小的窩卵數(shù),那么雄性額外婚配的收益會(huì)下降;另一方面,如果雄性撫育會(huì)導(dǎo)致雌性窩卵數(shù)上升,那么它或許是有利的。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),一種性別的最優(yōu)方案取決于另一種性別的選擇。鳥類的雙親撫育應(yīng)該優(yōu)于婚后逃跑(mate desertion),因?yàn)?,一般?lái)說(shuō),雙親撫育幼鳥的繁殖效果更高,因?yàn)樾埒B找其它雌鳥的概率很低。數(shù)學(xué)表示為:
P2>P1+pP1,
其中P2是雙親撫育的繁殖率,P1是單親照顧的繁殖率,p是雄性找其它雌性婚配的可能性。
4.1 雄性親本撫育的適合度檢測(cè)
雄性撫育可以通過(guò)撫育增加和減少對(duì)繁殖成功率的影響來(lái)評(píng)估。目前已有一些方法:移除雄性,僅留雌性育雛[3,16,102],通過(guò)控制減少雄性撫育。減少雄性的撫育的方法有:激素處理[35,38,47,41];心理學(xué)處理(比如減輕雄性的“父親”觀念);使其飛行困難,提高撫育付出的體力代價(jià)[72,105]。其它方法還有:調(diào)整環(huán)境,比如調(diào)整性別比例[73]、一窩的生殖價(jià)[108]、對(duì)雄性幫助的需要程度[88,107]。任何對(duì)撫育效果的研究都必須考慮撫育對(duì)產(chǎn)生親生后代的有利程度,這就必須對(duì)EPF進(jìn)行校正,包括雄鳥的婚外婚配,以及它的配偶與其它雄鳥婚配的情況。使用分子技術(shù),研究者能夠很快計(jì)算EPF的頻率,并且判斷父子關(guān)系的確定性是否與親本撫育的程度相關(guān)[4,51,86,89]。這種方法是理論性的[86,89,104],可比較的[51],具有實(shí)驗(yàn)性[13,90]。
4.2 雄性移除
Gowaty[28]和Richmond[62]是雄性移除的先驅(qū)者,而Wolf等人[102],Bart & Tomes[3],Dunn & Hannon[16],和Clutton-Brock[9]進(jìn)行了總結(jié)。研究中假設(shè)雄性撫育的優(yōu)勢(shì)可以由雌性在無(wú)援助時(shí)繁殖效果的降低來(lái)測(cè)度。雄性撫育的優(yōu)勢(shì)可以是直接或間接,也可以是即時(shí)或延遲。直接優(yōu)勢(shì)是雄性撫育使繁殖效果提高。間接優(yōu)勢(shì)來(lái)自雌性及其健康狀態(tài),雌性健康狀態(tài)與影響其適合度的雄性有關(guān)。直接優(yōu)勢(shì)的一個(gè)例子是:當(dāng)雄鳥飼喂或者保護(hù)鳥巢時(shí),雛鳥數(shù)量增加。間接收益是雄鳥撫育的貢獻(xiàn)使得雌鳥能產(chǎn)生更多后代。即時(shí)優(yōu)勢(shì)與雄鳥被移除期間雌鳥的育雛嘗試(breeding attemp)有關(guān),也包括幼鳥的數(shù)量;延遲優(yōu)勢(shì)對(duì)未來(lái)的繁殖率有影響,假設(shè)雌鳥和雄鳥保持配對(duì),包括在雌鳥產(chǎn)生下一次繁殖前的時(shí)間、下一次的窩卵數(shù)、雌鳥活到下次繁殖的可能性。延遲優(yōu)勢(shì)可以是直接的:影響雄鳥的存活;也可以是間接的:沒(méi)有幫助的雌性更難存活,雌性受性別限制(在生殖中投入更大的一方,在兩性關(guān)系中擁有選擇主動(dòng)權(quán))。
大多數(shù)雄性移除研究只觀測(cè)了有無(wú)雄性撫育的雌性產(chǎn)生幼鳥的數(shù)量,很少會(huì)跟蹤觀測(cè)直到幼鳥獨(dú)立生活[102]。也就是說(shuō),大多數(shù)只觀測(cè)直接即時(shí)的影響。一些研究顯示缺失雄鳥時(shí)繁殖成功率顯著下降[65],但另一些并沒(méi)有[28, 45]。當(dāng)雄性參與孵化時(shí),對(duì)繁殖成功可能是不可缺少的[16,20],但只保護(hù)幼鳥或者飼喂幼鳥的雄性可能對(duì)幼鳥成活率沒(méi)有可測(cè)影響或只有增量效應(yīng)[3,16,102]。在雀形目中,只有黑嘴喜鵲(Pica hudsonia)在沒(méi)有雄鳥的幫助時(shí)無(wú)法產(chǎn)生后代,在這個(gè)物種中,雄鳥有孵化行為[16]。
研究雀形目鳥類雄性移除后發(fā)現(xiàn)[102]:雄性撫育很少對(duì)每窩的存活率起關(guān)鍵作用,即繁育至少一個(gè)后代。對(duì)窩卵數(shù)較大的穴居鳥類(cavity nester)和生活在高海拔地區(qū)的鳥類(雌性需用自身體溫加熱變冷的巢穴,因此捕食育雛受到限制)而言,雄性撫育更具優(yōu)勢(shì)。對(duì)雀形目和非雀形目鳥類觀測(cè)顯示:無(wú)雄鳥撫育的雌鳥產(chǎn)生幼鳥的數(shù)目是有雄鳥撫育的77%[3,82]。要暫時(shí)具有繁殖優(yōu)勢(shì),且雄性只需很低付出,雄性親本行為就會(huì)通過(guò)自然選擇保持下去[18]。雄性移除的影響可能只在食物受限時(shí)才明顯[17]。
雄性移除研究是否能證實(shí)Maynard Smith的假設(shè):雙親撫育是進(jìn)化方向,因此雙親的繁殖率比單親高?窩卵數(shù)為4的燈芯草雀中,有無(wú)雄性幫助的雌鳥在幼鳥孵化的數(shù)量上沒(méi)有差別(圖2)。但是,無(wú)雄性撫育的雌鳥平均只能撫育1.0只幼鳥到其獨(dú)立生活,有雄性撫育的雌鳥為2.6只[102](圖2)。因此,雙親確實(shí)能夠撫育更多幼鳥。如果一只雄鳥遺棄后代,需要平均3只雌鳥來(lái)獲得有雄鳥撫育一樣的效果。很明顯:在燈芯草雀繁殖中,雄性親本撫育會(huì)產(chǎn)生即時(shí)又直接的優(yōu)勢(shì)。
Birkhead和Moller[4]不認(rèn)為雄性移除觀測(cè)有意義:僅當(dāng)喪偶的雌性在存活率和未來(lái)繁殖率不受損時(shí),雄性撫育的價(jià)值才能被正確評(píng)價(jià)。目前的繁殖率和存活率都是雄性移除后的雌性行為效果。有兩個(gè)問(wèn)題:首先,不能假設(shè)雌性后期付出成本;如果存在后期效應(yīng),應(yīng)測(cè)量并評(píng)估其重要性。第二,雌性為彌補(bǔ)雄性撫育缺失的付出,不一定對(duì)雄性適合度有不利影響。
在燈芯草雀[104]研究中尋找雄性撫育的延時(shí)和間接效果顯示:沒(méi)有雄性撫育的雌鳥獨(dú)自撫育后代時(shí)會(huì)失去更多體重(10.4%vs8.6%,此及下文,無(wú)幫助的雌鳥數(shù)值在前)。然而,移除雄鳥后雌性在重新筑巢方面并沒(méi)有巨大的差異(100%vs91%),包括每窩幼鳥之間的間隔(19.3vs15.9天;后一窩幼鳥為替代雄鳥的后代),以及下一次的窩卵數(shù)(3.5vs3.7顆蛋),所有p>0.1[104]。我們還發(fā)現(xiàn),下一個(gè)季節(jié)回歸繁殖的雌鳥比例(58%vs45%)和繁殖種群對(duì)兩種不同撫育方法下長(zhǎng)大的幼鳥的接受度(15%vs15%)都沒(méi)有很大的差異[28,45,102]。
無(wú)雄性幫助的雌性燈芯草雀的延時(shí)代價(jià)并不大,這可能是因?yàn)闊o(wú)雄性幫助的雌性所撫育的后代更可能在獨(dú)立之前死亡,它們死亡后,雌鳥需要的親本付出就會(huì)降低。如果此事成立,那么與Birkhead和Moller觀點(diǎn)相反,雌性燈芯草雀失去雄鳥幫助的代價(jià)是即時(shí)、首要的:更少的現(xiàn)有幼鳥能夠成長(zhǎng)到獨(dú)立生活。觀測(cè)雄鳥不撫育對(duì)其適宜度的重要延時(shí)影響說(shuō)明:如果雄鳥強(qiáng)制雌鳥獨(dú)自撫養(yǎng)后代,盡管無(wú)幫助的雌鳥很有可能存活(即后一年還會(huì)出現(xiàn)),但是它們不太可能回到前一年的繁殖領(lǐng)地(48%vs75%)。因?yàn)橛行┬坌詿粜静萑笩o(wú)法選到雌鳥(成鳥性別比例雄鳥更高)。一對(duì)存活的鳥通常會(huì)連續(xù)幾年婚配,未得到幫助的雌鳥改換領(lǐng)地,未提供幫助的雄鳥下一年很可能無(wú)法配對(duì)。然而,在這種情況下,選擇雄性親本撫育的因素是來(lái)自雌鳥的性選擇,而非無(wú)幫助雌鳥的繁殖代價(jià)[104]??傊?,研究者認(rèn)為雄性移除研究,比如那些用實(shí)驗(yàn)方法減少雄性撫育[13,35,38,41,71,72,105],是一種評(píng)價(jià)雄性親本撫育效果(適宜度優(yōu)勢(shì))的有效方法。更多的問(wèn)題還在研究[45,105,109]。
圖2幼年黑眼燈芯草雀由孵化到獨(dú)立的存活率曲線。上方曲線由雙親撫養(yǎng),下方由單親撫養(yǎng)。測(cè)量了三個(gè)年齡段后代存活率的平均百分比:雛鳥期(6日齡),成長(zhǎng)初期(12日齡)和成熟期(26日齡)[102]。(星號(hào)表示單尾p<0.05,秩和檢驗(yàn))。
4.3 父權(quán)與雄性親本撫育
研究雄性撫育優(yōu)勢(shì)時(shí),要考慮雄鳥與幼鳥的關(guān)聯(lián)性[29,4,85]。早期的理論工作認(rèn)為[57,83],只有當(dāng)受益者是親本相關(guān)基因后代時(shí),雄性撫育才能進(jìn)化。但最新的理論認(rèn)為關(guān)聯(lián)性與撫育水平協(xié)同變化[86,89,106],也有不同結(jié)果[12,13,50,51,86,89,90]。確定親權(quán)(paternity,即雛鳥為雄鳥親生)感知水平對(duì)親本撫育的影響:在雌性的受精期中系統(tǒng)性地移除雄性一小段時(shí)間,并在放回后記錄它們的行為。如果在雌鳥的受精期內(nèi)放回雄鳥,雄性巖鷚則更有可能會(huì)照顧幼鳥[13,15]?;橥夥敝车母怕适欠駮?huì)隨著雄性撫育的形成而變化。一般,雄鳥孵化時(shí),EPP會(huì)減少(比如在黑禿鷲black vultures和蠣鷸oystercatchers中[14,34])。觀測(cè)50種鳥類巢中額外配對(duì)雄性的后代所占比例,以及雄性對(duì)孵化的貢獻(xiàn)比例。在38個(gè)雀形目鳥類中,3種雄鳥參與孵化,巢中其它雄鳥的后代占比為5.2%。其他35個(gè)雄鳥不參與孵化的雀形目鳥類中,這個(gè)比例是19.1%。在非雀形目鳥類中,有5種不存在親本撫育;7種有雄性親本撫育的,6種存在雄性孵化,一種沒(méi)有。這7種鳥類巢中,其它雄性的后代占比分別為2.3%和5.4%。因此,雄性撫育的非雀形目鳥類中EPP很少,且是雄性撫育鳥類中最低的[51]。研究雄性撫育、單形性和雌性配偶選擇標(biāo)準(zhǔn)之間的聯(lián)系,忽略雄性質(zhì)量、基因和所占有的資源,鳥類一雌多雄的基本原因似乎是為獲得足夠的受精卵[4,84,81]。兩性單形鳥類,如果有雄性撫育雄鳥所產(chǎn)生精子的變異少于兩性異形無(wú)雄性撫育鳥類,則雌鳥從多重婚配中獲得的更少(也即需要更少的受精保障),失去的更多(失去雄性親本撫育潛在可能性)。單形鳥類有雄性撫育雄鳥精子確實(shí)變異可能會(huì)減少。但極端的兩性異型的代價(jià)之一是可能某些個(gè)體的生殖能力受損,因?yàn)楦卟G酮水平可能會(huì)抑制精子產(chǎn)生。
4.4 婚配效果(mating effort)和親本效果(parental effort)的投入與效果關(guān)系:表型工程
雄性親本撫育機(jī)制是否由自然選擇保持。在研究中改變巢中鳥蛋或者幼鳥的數(shù)量是很容易的,但還沒(méi)有人使單配制的物種成為一雄多雌制,或使獨(dú)居物種集群[43]。因此Wingfield[92]的發(fā)現(xiàn):睪酮處理可以誘導(dǎo)單配制物種成為一雄多雌制是一個(gè)重要的成就。按照這種思路,表型工程(phenotypic engineering)的方法,使用睪酮調(diào)整黑眼燈芯草雀的生理和行為[38]。測(cè)量表觀繁殖成功率,即與目標(biāo)雄性配對(duì)(pair-bonded)的雌性在交配中產(chǎn)生的幼鳥數(shù)量,我們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)雄性與對(duì)照雄性沒(méi)有差別[38,41]。實(shí)際成功率(realized success)是表觀成功率減去伴侶雌鳥與其他雄鳥交配造成的損失[24],這需要了解雄鳥與子代之間基因關(guān)系。在這種測(cè)量下,實(shí)驗(yàn)雄鳥表現(xiàn)得比對(duì)照雄鳥略差。這些劣勢(shì)可能由于實(shí)驗(yàn)雄性活動(dòng)范圍更廣,而使得它的伴侶沒(méi)有得到保護(hù)。更大的挑戰(zhàn)是量化隱性成功率(covert success),包括所有目標(biāo)雄性和非社會(huì)伴侶婚配產(chǎn)生的后代。在這種測(cè)量下,實(shí)驗(yàn)雄性表現(xiàn)略好于對(duì)照雄性,可能也是因?yàn)樗鼈冊(cè)陬I(lǐng)地上呆的時(shí)間更長(zhǎng)或更具吸引力。在燈芯草雀中,研究Maynard Smith親本行為模式[46]。雄性親本撫育提高幼鳥的存活數(shù)量[圖2][102]。用睪酮處理后,雄性飼喂后代的貢獻(xiàn)會(huì)減少50%,但表觀繁殖成功率沒(méi)有降低[41]。降低撫育程度的生理變化可能對(duì)其它方面的適應(yīng)度造成影響,比如存活率下降或EPP上升[39,52]。用模擬巢捕食,即破鳥巢法,研究Maynard Smith模式。在很多開放式筑巢的雀形目鳥類中,巢捕食率非常高,以此調(diào)整可繁殖雌性的數(shù)量(比如燈芯草雀中>80%)。在到繁殖期,這種捕食的影響常常使雌性變得可婚配并嘗試再次婚配,這樣雌性可能參與額外婚配的繁殖。高捕食者密度會(huì)影響雄性用于護(hù)巢的時(shí)間,還會(huì)讓它們尋找其它雌鳥婚配(巢捕食者數(shù)量增加,會(huì)降低巢中產(chǎn)生幼鳥數(shù)量,降低EPF值)。雄性美洲紅翅鶇(red-winged blackbirds)會(huì)根據(jù)后代數(shù)目、幼鳥年齡和食物豐富度來(lái)調(diào)整親本撫育的投入[87,88,108,73]。
5 雄性親本撫育:機(jī)制
系統(tǒng)發(fā)育法研究雄性撫育可以闡明生活史的進(jìn)化順序,但無(wú)法揭示親本撫育生物機(jī)制。例如:在雄性孵化的進(jìn)化中,讓雄性看到卵就想孵化的反射變化;雌雄性輪流孵卵上協(xié)調(diào);雄性食欲時(shí)間表的調(diào)整,保證固定而非隨機(jī)的飼喂時(shí)間;在某些情況下,為了更高效地向鳥卵傳遞熱量而建立抱卵點(diǎn)。此外,抑制對(duì)其它競(jìng)爭(zhēng)刺激(比如其他雄性或可繁殖雌性)的反應(yīng)也非常重要。
5.1 與哺乳動(dòng)物的雄性親本撫育的比較
脊椎動(dòng)物中,親本行為系統(tǒng)在機(jī)制層面研究得最充分的是哺乳動(dòng)物(見綜述[64])。但是,因?yàn)樾坌杂H本撫育在哺乳動(dòng)物中相對(duì)少見,所以重點(diǎn)就被放在了母性行為上(例[42,59])。最近,研究者已經(jīng)解決了雄性親本撫育的機(jī)制[6,30-32,100,110]。盡管鳥類和哺乳類動(dòng)物的親本行為有明顯差異,比如鳥類不泌乳,哺乳類動(dòng)物不孵化,但共同點(diǎn)是親代與子代之間關(guān)系的確立(parental bond)。此外,在很多脊椎動(dòng)物中這些聯(lián)系的潛在機(jī)制可能與神經(jīng)垂體的分泌有關(guān)[59,69,100]。尋找其它鳥類和哺乳類物種的相似性也可能有價(jià)值。Gubernick等人[32]研究了下丘腦的內(nèi)側(cè)視前區(qū)(MPOA),這是一個(gè)控制哺乳動(dòng)物母性行為的重要區(qū)域,并經(jīng)常展現(xiàn)出雌雄差異。在加利福尼亞大鼠中,雄性提供親本撫育,并且只有在第一窩幼崽被飼喂前,MPOA才是兩性異型的,之后,這塊神經(jīng)核在兩性中變得相同。對(duì)鳥類采取比較法可能揭示了親本撫育種間性別差異的神經(jīng)基礎(chǔ)。
5.2 循環(huán)激素和鳥類的雄性親本撫育
對(duì)于鳥類親本撫育機(jī)制的研究已經(jīng)對(duì)循環(huán)激素有所關(guān)注:解釋激素對(duì)行為的影響和行為、環(huán)境對(duì)激素的影響。已有研究的主要成果是睪酮對(duì)雄性親本行為的抑制效應(yīng)(Wingfield等人在[95]中總結(jié))和催乳素在禽類孵化中的作用(Goldsmith在[26,27]中總結(jié))。應(yīng)用比較法,研究者選出了獨(dú)立生活且生活史的某些方面值得研究的種類。比如,在合作育雛種類中,幼鳥經(jīng)常晚熟并參與照顧兄弟姐妹或者不相干的幼鳥,研究者想了解它們激素的變化是否導(dǎo)致了性成熟的延緩[47,66,79,96]。類似的,Dufty[15]比較了巢寄生物種(不提供任何照顧)與提供撫育物種的激素狀況。對(duì)于角色顛倒的種類,即雌性保衛(wèi)雄性、雄性孵化的物種[22,56],性激素狀況是否與大多數(shù)只由雌性孵化或者雙親孵化的種類相反[26,27,40]。
5.3 睪酮和雄性親本撫育
雄鳥育雛的開始與促性腺激素的增多和隨后的睪酮含量上升有關(guān)[1]。后來(lái),雄鳥開始表現(xiàn)出親本行為,睪酮水平隨之下降[1]。Wingfield和他的合作伙伴收集了多種鳥類的睪酮隨季節(jié)變化的信息[94,95]。記錄了雄性對(duì)雌性和雄性入侵者(真實(shí)入侵者或模擬入侵者)的內(nèi)分泌反應(yīng)[93,94]。在Silverin[71]的帶領(lǐng)下,在野外調(diào)節(jié)了雄鳥的睪酮水平,并測(cè)量其對(duì)雄性親本撫育,婚配行為和適合度的影響[35,92,38,78]。
種間睪酮狀況比較得到有趣的結(jié)論[93,95]。(1)大多數(shù)物種在繁殖期早期具有睪酮水平高峰,但是高峰的持續(xù)時(shí)間有差異。一些物種的高峰時(shí)期很短,另一些物種則持續(xù)幾乎整個(gè)繁殖期。(2)各類鳥類對(duì)于入侵者或是其它威脅的激素反應(yīng)有所不同,有些反應(yīng)很小,有些在領(lǐng)土被入侵后,其血液睪酮含量迅速升高。這種差異可能與婚配制度和親本撫育有關(guān)。首先,公開一雄多雌制鳥類的季度高峰時(shí)期比社會(huì)單配制鳥類更長(zhǎng)[94]。第二,用睪酮進(jìn)行處理會(huì)抑制雄性育雛的鳥類雄性對(duì)后代的撫育[35,38,41,71]并且破壞雄性孵化的鳥類中的雄性孵化過(guò)程[55]。還可以在通常為單配制的麻雀種類中誘導(dǎo)產(chǎn)生一雄多雌制[92]。第三,對(duì)于入侵者反應(yīng)最劇烈的種類是親本撫育最多的種類[93]。
為了檢測(cè)20個(gè)物種中激素、婚配制度和親本撫育之間的關(guān)系,Wingfield等人[95]收集了攻擊性和親本撫育指數(shù)對(duì)應(yīng)的繁殖期的睪酮峰值。高比值代表幾乎不進(jìn)行親本撫育的侵略性種群,低比值則相反。季節(jié)性峰值對(duì)侵略性或親本撫育作圖(圖3),雄性提供撫育的種類具有最高的激素水平季節(jié)性變化,說(shuō)明除此短期外睪酮分泌均被抑制。無(wú)雄性撫育的鳥類處于一種隨時(shí)準(zhǔn)備進(jìn)行侵略性行為的狀態(tài),這種狀態(tài)明顯干擾了進(jìn)行親本行為的意向。這種狀態(tài)與傳統(tǒng)婚配制度也有松散的聯(lián)系(圖3)。今后的研究需要對(duì)侵略性有更好的測(cè)量、對(duì)雄性親本行為更清晰的分類、收集雄性真實(shí)繁殖成功率變化的數(shù)據(jù)和不同發(fā)育史的鳥類的數(shù)據(jù)。事實(shí)上,社會(huì)單配制鳥類,有撫育行為雄性可能對(duì)于親本行為和婚配的精力分配更隨意,因此對(duì)于環(huán)境改變的響應(yīng)更依賴激素。如果是這樣,由Trivers[75]首先描述的混合生殖策略可能有相對(duì)應(yīng)的生理機(jī)制。有關(guān)雄性燈芯草雀對(duì)婚配和育雛機(jī)會(huì)協(xié)調(diào)反應(yīng)的研究,觀測(cè)其在面對(duì)增加的幼鳥和可繁殖雌鳥時(shí)的睪酮水平、鳴叫率、精子密度和育雛情況。
然而,總被我們與雄性求愛和性行為、攻擊性和兩性異型聯(lián)系在一起的睪酮,可能正處于權(quán)衡婚配和親本撫育的核心??梢园巡G酮想做一種能夠上下調(diào)節(jié)的成分,就像調(diào)節(jié)聲音大小的旋鈕一樣。當(dāng)睪酮含量多時(shí),雄性和雌性角色分離,量少時(shí),不同性別的外表和行為更相像。
圖3雄性激素反應(yīng)的種間差異(也即繁殖期的睪酮含量峰值)與雄性—雄性侵略性和親本撫育有關(guān)。高而尖的睪酮季節(jié)峰與低攻擊性、高親本撫育水平和社會(huì)單配制有關(guān)。攻擊性鳥類很少有親本撫育行為,睪酮含量的季節(jié)性峰也不太明顯,婚配體系趨于公開的一雄多雌制[95]。
5.4 催乳素和雄性親本撫育
一般而言,孵化的開始與性腺類固醇的減少和催乳素循環(huán)水平的上升有關(guān)[1]。在少數(shù)只由雄性孵化的物種中,雄性的催乳素含量高于雌性[22,56]。當(dāng)兩性參與孵化時(shí),它們的催乳素含量都會(huì)升高,只有雌性孵化時(shí),通常只有雌性的催乳素水平會(huì)升高[27]。也有例外情況。在合作育雛的物種中,幫手鳥的催乳素水平也會(huì)提高,即便它們不參與孵化[79]。相似的,南美的雄性歐椋鳥、雌雄褐頭燕八哥,盡管不參與孵化,在繁殖期,其催乳素水平也會(huì)上升[1]。這些例子暗示激素有很多效應(yīng),激素調(diào)節(jié)的進(jìn)化不僅僅通過(guò)調(diào)整內(nèi)分泌進(jìn)行[27]。組織對(duì)激素的反應(yīng)也有進(jìn)化上的改變[22]。燕八哥的腦組織相比親本鳥類的腦組織,與放射性催乳素結(jié)合更少。這顯示了腦組織對(duì)催乳素反應(yīng)的降低[2]。催乳素是引發(fā)孵化行為還是只在孵化行為開始后對(duì)其有支持作用存在爭(zhēng)論[26,27,64]。關(guān)于催乳素的作用的未來(lái)研究可能需要調(diào)整血管活性腸肽(VIP,一種催乳素釋放因子)的野外實(shí)驗(yàn)。如果能以實(shí)驗(yàn)手段誘導(dǎo),我們可能了解孵化行為的生理機(jī)制是否與婚配生理性機(jī)制沖突。
6 雄性親本撫育:發(fā)育
過(guò)去曾被認(rèn)為基因型的許多行為或形態(tài)上的個(gè)體差異,現(xiàn)在都被認(rèn)為是年齡或環(huán)境的反映。Hews等人在蜥蜴種群中[36]發(fā)現(xiàn),在其生命早期使用睪酮,可以改變雄性的生殖策略。在哺乳動(dòng)物(家鼠)中,vom Saal[80]發(fā)現(xiàn),雌性成年后的侵略性和性吸引力會(huì)被它在子宮內(nèi)時(shí)臨近胎兒的性別影響。直到最近,類似的影響還未廣泛見于鳥類。Schwabl[67]報(bào)道,成年雌性金絲雀和斑胸草雀會(huì)將睪酮混合進(jìn)它們的卵中,混合量隨產(chǎn)卵順序而變化。無(wú)論性別如何,最后產(chǎn)的卵睪酮水平最高,后產(chǎn)卵孵化出的幼鳥在鳥群中能取得更高的社會(huì)地位[67,98]。從環(huán)境引起變異的角度思考,在食物充足年份孵化的雄性將會(huì)發(fā)育為通過(guò)額外婚配提高適合度;食物稀缺時(shí)孵化的雄性則傾向于進(jìn)行親本撫育。
7 結(jié)語(yǔ)
總體來(lái)說(shuō),絕大多數(shù)雄性撫育的鳥類傾向于單行社會(huì)單配制,并且,相比于公開一雄多雌制的雄性,它們的外貌與形態(tài)和雌性更加相似。這些特點(diǎn)使它們可被分為一大類,反映出它們共同的進(jìn)化史。它也可能來(lái)自共同的起源。例如一些在發(fā)育早期起作用的激素機(jī)制。比較方法的發(fā)展,包括系統(tǒng)發(fā)育學(xué)方法,可能不僅反映了遺傳和血統(tǒng)的可塑性,還暗示了生態(tài)與雄性親本撫育的聯(lián)系。用功能性方法和分子技術(shù)來(lái)確定親緣關(guān)系,可以了解雄性撫育對(duì)適合度的影響。未來(lái)研究將集中在基因和發(fā)育方面,并闡釋進(jìn)化過(guò)程中基因和行為間的關(guān)系。孵化是與單形有關(guān)最為緊密的撫育形式,額外婚配繁殖在雄性孵化的類群中很少見。如果結(jié)論得到證實(shí),且若雄性孵化種類與沒(méi)有雄性撫育或營(yíng)其它育雛方式相比,其中雄性繁殖成功率的變化要少,就要確定其原因。一種原因可能是雌性在孵化期間對(duì)雄性撫育的巨大依賴性;另一種可能是參與孵化的雄性為確保受精而產(chǎn)生的精子數(shù)量的變化較少。這些影響將提高雌性多次婚配的代價(jià)且同時(shí)降低收益。因此,當(dāng)挑選配偶時(shí),雄性孵化的物種中,雌性可能更關(guān)注能夠預(yù)測(cè)親本行為的線索,而更少關(guān)注夸張的特征。因此,除單型性外,我們還可以指導(dǎo)預(yù)見這些種類具有相對(duì)不發(fā)達(dá)的物種隔離機(jī)制和更強(qiáng)的地方適應(yīng)性[60]。個(gè)體發(fā)育、季節(jié)和睪酮短期變化的水平可能是這些特點(diǎn)的核心機(jī)制,包括雄性對(duì)婚交配和多種親本撫育形式精力分配。以上是鳥類雄性親本撫育研究的總結(jié)。
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