梁瀟方,計(jì) 翔

(南京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210023)

溫度大小規(guī)則(temperature size rule,TSR)是指變溫動(dòng)物在較高溫度下發(fā)育較快,且在體積較小時(shí)性成熟較早的趨勢(shì). 體溫較低的動(dòng)物在較高的環(huán)境溫度下生長(zhǎng)得更快,在較小體型時(shí)達(dá)到性成熟[1]. 然而,和大多數(shù)生物學(xué)規(guī)律都有例外一樣,目前,已有大量文獻(xiàn)記載的反TSR事例,即在較高的溫度下,性成熟個(gè)體的體型更大[1-2].

對(duì)蜥蜴咬合力功能不同結(jié)構(gòu)組成的研究發(fā)現(xiàn),形態(tài)結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的同時(shí)參與了咬合力和咬合持續(xù)時(shí)間的優(yōu)化. 即作用于咬合力選擇壓力的基礎(chǔ)是某些形態(tài)特征,咬合力增加的代價(jià)是咬合力持續(xù)時(shí)間的減少,反之亦然[3]. 蜥蜴咬合力本身可能受到生存壓力和性選擇的影響,雄性高咬合力的適應(yīng)選擇可能導(dǎo)致咬合力和頭部形狀的兩性差異[4-6]. 這些過程可能取決于棲息地環(huán)境,因此在頭部形態(tài)兩性異形(sexual dimorphis)之間也可能存在趨同進(jìn)化[7]. 兩性異形在爬行動(dòng)物中很常見[8],在蜥蜴和鱷魚中,主要是雄性偏多(在長(zhǎng)度上雄性比雌性多出50%);而在蛇和海龜中,通常是雌性偏多(在長(zhǎng)度上雄性比雌性多出50%).

北草蜥(T.septentrionalis)為中國(guó)特有種[9],它們活動(dòng)在各種大型山脈和水體,分布范圍覆蓋中國(guó)中部和東南部地區(qū)[10],是研究種群間性狀特征和兩性異形進(jìn)化的理想物種. 目前,關(guān)于蜥蜴兩性異形的研究主要涉及體型和頭部形態(tài),而關(guān)于咬合力的研究還未見報(bào)道. 本文以北草蜥為研究對(duì)象,探討它們種群間的性狀特征(形態(tài)和咬合力)是否符合溫度大小規(guī)則,形態(tài)與咬合力之間的關(guān)系以及是否存在兩性異形現(xiàn)象等.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 樣點(diǎn)的選取

采集動(dòng)物的5個(gè)樣點(diǎn)為桂陽(GY:25°75′N,112°73′E)、寧德(ND:26°66′N,119°53′E)、舟山冊(cè)子島(ZS:30°05′N,121°56′E)、滁州(CZ:32°29′N,118°31′E)、煙臺(tái)(YT:37°50′N,121°27′E),依次由低緯度向高緯度逐漸過渡. 同一地區(qū)的北草蜥可以看作一個(gè)種群,桂陽、寧德、滁州、煙臺(tái)均為內(nèi)陸地區(qū),舟山種群所屬舟山市位于浙江舟山群島.

1.1.2 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的采集

選取桂陽(GY)、寧德(ND)、舟山冊(cè)子島(ZS)、滁州(CZ)、煙臺(tái)(YT)5個(gè)樣點(diǎn)的北草蜥作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物,在2018年和2019年的三月底至四月初從野外徒手抓或用套圈采集北草蜥. 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物采集后將雌雄分開飼養(yǎng),避免在實(shí)驗(yàn)開始之前發(fā)生交配,以便之后實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行. 總計(jì)452只(GY:♀93 ♂95,ND:♀21 ♂22,ZS:♀45 ♂47,CZ:♀56 ♂53,YT:♀6 ♂14)北草蜥用于本實(shí)驗(yàn).

A:設(shè)計(jì)圖;B:實(shí)物;C:蜥蜴咬合片;D:咬合力峰值圖圖1 咬合力傳感器Fig.1 Bite force sensor design

1.1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

形態(tài)數(shù)據(jù)使用Mitutoyo數(shù)顯游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)定,精度為0.01 mm,稱量體重使用Mettler電子天平,精度為1 mg.

咬合力儀器為定制咬合力傳感器Ⅱ型(量程:100 N,分辨率:0.01 N,重量:500 g,南京神源生智能科技有限公司)測(cè)量蜥蜴咬合力(圖1 A、B). 在每個(gè)咬合片的外表面的末端粘合一條皮革(厚度1 mm)來制備咬合點(diǎn)從而保護(hù)蜥蜴的牙齒免受損傷[11].

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的飼養(yǎng)

將采集到的動(dòng)物帶回南京師范大學(xué)兩棲爬行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室,剪趾標(biāo)記,以便識(shí)別. 置于90 cm×60 cm×50 cm(長(zhǎng)×寬×高)飼養(yǎng)缸內(nèi)飼養(yǎng),下鋪5 cm厚適當(dāng)濕度的營(yíng)養(yǎng)土、椰土,放置瓦片和新鮮草皮,種植麥冬供北草蜥攀附. 將具有交配斑的成年雌性和雄性分別置于同樣規(guī)格的飼養(yǎng)缸內(nèi),不同種群蜥蜴分開飼養(yǎng),避免產(chǎn)生混亂,影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行. 飼養(yǎng)缸置于溫度為(28±2)℃的模擬外界環(huán)境的玻璃控溫室內(nèi),缸一端懸掛一只75 W全光譜燈,光照時(shí)間段設(shè)置為07:00～17:00(陽光充足時(shí)關(guān)閉全光譜燈,使蜥蜴接受陽光照射,避免眼睛因長(zhǎng)時(shí)間直射光照受到損傷),燈開啟后可在缸內(nèi)形成室溫至55 ℃ 的連續(xù)溫度梯度,供蜥蜴自主調(diào)溫. 飼養(yǎng)缸一側(cè)放置培養(yǎng)皿,作為食皿和水皿供蜥蜴自主進(jìn)食和飲水,每天喂食一次黃粉蟲,一周喂食一次白蟋蟀(幼體),定期喂食維生素、鈣粉;對(duì)感冒的個(gè)體中止實(shí)驗(yàn)進(jìn)行隔離(防止交叉感染),同時(shí)每日喂食3次含有電解質(zhì)、維生素和鈣粉的水,直至恢復(fù)正常;不定期對(duì)飼養(yǎng)缸內(nèi)土壤進(jìn)行松動(dòng),避免因陰暗潮濕滋生細(xì)菌,保持飼養(yǎng)環(huán)境清潔衛(wèi)生.

1.2.2 測(cè)量形態(tài)指標(biāo)

2019年4月中下旬所有動(dòng)物采集完畢,在南京實(shí)驗(yàn)室對(duì)成年個(gè)體進(jìn)行性別識(shí)別,稱量,記錄斷尾情況和測(cè)量時(shí)間,測(cè)量?jī)?nèi)容包括個(gè)體的頭體長(zhǎng)(snout-vent length,SVL)、腹長(zhǎng)(abdomen length,AL)、頭長(zhǎng)(head length,HL)、頭寬(head width,HW)、頭高(head hight,HH)、張口尺寸(mouth opening,MO[12])、尾長(zhǎng)(tail long,TL)、體重(body mass,BM).

1.2.3 測(cè)量咬合力

在進(jìn)行咬力測(cè)試之前,將蜥蜴置于一個(gè)飼養(yǎng)箱中,在全光譜燈下持續(xù)2 h的光照以達(dá)到蜥蜴近似的活動(dòng)體溫. 對(duì)個(gè)體進(jìn)行3次測(cè)試,3次測(cè)試之間至少相隔0.5 h,使用RDS軟件(用于傳感器配置和傳感器數(shù)據(jù)采集)記錄每次測(cè)試過程中獲得的咬合力最大值;在繁殖期間每隔一個(gè)月(4月15日,5月15日,6月15日)測(cè)量實(shí)驗(yàn)個(gè)體的形態(tài)數(shù)據(jù)和咬力數(shù)據(jù),最后取3次測(cè)量均值作為個(gè)體本次繁殖季節(jié)咬合力大小進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,避免個(gè)體形態(tài)和性狀隨時(shí)間發(fā)生變化而產(chǎn)生誤差.

1.2.4 頭部尺寸與咬合力的關(guān)系

1.2.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用Bartlett檢驗(yàn)和Kolmogorov-Smirnor檢驗(yàn)對(duì)所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差均質(zhì)性和正態(tài)性檢測(cè),使用 STATISTICA 8.0和SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析. 描述性統(tǒng)計(jì)值均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(Mean±SE)來表示,顯著性水平均設(shè)置為α=0.05. 采用單因素方差分析(one-way ANOVA),多重比較(Tukey’sposthoctest)和主成分分析(principal component analysis,PCA),對(duì)形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析,并對(duì)北草蜥不同種群的雌雄間主要形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行比較.

2 結(jié)果與討論

2.1 北草蜥種群間的性狀比較

年均溫和年降水量(數(shù)據(jù)來源)如下所示,桂陽:17.2 ℃,1 385.3 mm;寧德:17.0 ℃,2 350.0 mm;舟山:16.7 ℃,1 222.6 mm;滁州:15.4 ℃,1 054.0 mm;煙臺(tái):12.6 ℃,672.5 mm. 年均溫是隨緯度的升高而逐漸降低,GYGY>ZS>CZ>YT(圖2,表1).

種群間形態(tài)指標(biāo)描述統(tǒng)計(jì)值(表1)分析顯示,SVL(F4,448=94.50,P<0.001)、AL(F4,448=67.78,P<0.001)、HH(F4,448=22.17,P<0.001)和HS(F4,448=63.10,P<0.001)隨緯度的升高而逐漸增加,即GY

圖2 北草蜥采樣點(diǎn)及年均溫和年降水量Fig.2 Sampling sites and their annual average temperature and precipitation of T.septentrionalis

表1 北草蜥不同種群身體指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)值Table 1 Descriptive statistics of body indicators in different populations of T.septentrionalis

種群間形態(tài)多重比較檢驗(yàn)(Tukey’sposthoctest)結(jié)果顯示:(1)SVL在桂陽、寧德和舟山種群與滁州和煙臺(tái)種群之間差異顯著,而滁州與煙臺(tái)種群間沒有差異;(2)HS在桂陽和寧德種群間沒有差異,舟山、滁州和煙臺(tái)種群間也沒有差異,但桂陽和寧德種群與舟山、滁州和桂陽種群之間差異顯著;(3)BF在桂陽和寧德種群間沒有差異,舟山和滁州種群間也沒有差異,但桂陽和寧德種群與舟山和滁州種群以及煙臺(tái)種群之間存在顯著差異(表1).

本研究5個(gè)樣點(diǎn)中,桂陽、寧德、滁州、煙臺(tái)4個(gè)種群所處陸地,且緯度遞增,環(huán)境溫度遞減. 研究結(jié)果顯示北草蜥陸地種群隨著所在地區(qū)年均溫的降低,蜥蜴的形態(tài)和咬合力呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì). 但與猜想不同的是,舟山種群的北草蜥表現(xiàn)出不同于其他種群的性狀,舟山種群在頭長(zhǎng)、頭寬、張口尺寸、尾長(zhǎng)、體重、和咬合力上都大于滁州種群,滁州的年均溫小于舟山,而且在地理分布上緯度大于舟山. 這說明在研究結(jié)果中環(huán)境溫度的變化對(duì)不同種群的北草蜥形態(tài)和咬合力的改變有著重要作用,但不是唯一決定因素,其性狀的變化是為了適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境而做出的可塑性突變.

2.2 北草蜥咬合力與頭部尺寸的關(guān)系

以頭體長(zhǎng)作為協(xié)變量進(jìn)行方差分析發(fā)現(xiàn),5個(gè)種群間咬合力之間沒有差異(F4,439=0.867,P=0.484). 以頭部尺寸作為協(xié)變量分析發(fā)現(xiàn),5個(gè)種群間咬合力呈差異顯著(F4,439=11.704,P<0.001). 對(duì)頭部尺寸與咬合力進(jìn)行回歸分析和單因素方差分析(F1,447=1230.26,P<0.001,均質(zhì)性檢驗(yàn):P<0.001,平行性檢驗(yàn):P<0.001)顯示,這兩個(gè)變量間呈顯著正相關(guān)(F1,448=1 230.27,P<0.001),對(duì)不同種群間的兩個(gè)變量進(jìn)行回歸分析時(shí),同樣具有顯著正相關(guān)(P<0.001),其回歸方程斜率大小為GY

A:5個(gè)種群所有個(gè)體的頭部尺寸與咬合力均值之間的回歸分析;B:不同種群間北草蜥頭部尺寸與咬合力之間的回歸分析.圖3 北草蜥頭部尺寸與咬合力的回歸關(guān)系Fig.3 Regression relationship between head size and bite force

圖4 北草蜥性狀指標(biāo)主成分分析Fig.4 PCA analysis of character indice of the T.septentrionalis

2.3 北草蜥性狀指標(biāo)的兩性異形分析

對(duì)北草蜥性狀特征進(jìn)行主成分分析選取出主要的指標(biāo). 對(duì)主成分分析中的第一主成分(PC1)系數(shù)較高的指標(biāo)進(jìn)行兩性之間的比較. 第一主成分的值與各個(gè)指標(biāo)呈正相關(guān),占據(jù)74.212%的變異,SVL、HL、HW、HH、MO、HS、BM、BF具有較高的相關(guān)系數(shù);第二主成分(PC2)的值與SVL、AL、TL、BM呈正相關(guān),而與HL、HW、HH、MO、HS、BF呈負(fù)相關(guān),但相關(guān)系數(shù)較低,占據(jù)10.689%的變異;每個(gè)形態(tài)指標(biāo)的分布由95%置信橢圓表示(圖4).

兩性異形比較分析結(jié)果顯示,雌雄個(gè)體的HS、MO、BF在5個(gè)種群中均具有顯著差異(allP<0.001),并且雄性的HS、MO和BF均大于雌性;雌性個(gè)體的SVL在桂陽、滁州種群中具有差異(P<0.05),但在寧德、舟山、煙臺(tái)種群中并沒有差異,并且除寧德外的4個(gè)種群中雌性的SVL都大于雄性;雌雄個(gè)體的BM在5個(gè)種群中都沒有差異,但除了桂陽種群之外的4個(gè)種群中雄性的體重都大于雌性(表2).

3 結(jié)論

探究物種性狀在種群間的變化是理解物種適應(yīng)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境條件必不可少的環(huán)節(jié). 已有證據(jù)表明,隨著個(gè)體所處環(huán)境溫度的升高,體細(xì)胞生長(zhǎng)和個(gè)體發(fā)育的速度都在增加,在較高的溫度下,達(dá)到性成熟的時(shí)間更短[13]. 熱環(huán)境差異是導(dǎo)致個(gè)體大小產(chǎn)生地理差異的重要原因之一. 生活在歐洲西南部和非洲西北部潮濕的灌木叢中的阿爾及利亞砂蜥蜴(Psammodromusalgirus)的體型隨著海拔的升高而增大,降溫速率隨著海拔和體型的增大而減小[14]. 島嶼的特殊氣候和飲食條件很有可能是造成舟山種群形態(tài)和咬合力不同于其他種群的原因. 飲食生態(tài)位的差異導(dǎo)致了斯基羅斯島壁虎(Podarcisgaigeae)的體型、頭部形狀和進(jìn)食習(xí)慣的差異,有以下4個(gè)原因:首先,體型較大的島嶼種群的頭部相對(duì)較寬. 第二,島嶼蜥蜴進(jìn)化出更強(qiáng)壯的頭部肌肉來應(yīng)對(duì)當(dāng)?shù)氐膱?jiān)硬獵物[15],因此咬合力也更強(qiáng)[16]. 第三,更大的體型和變異的形態(tài)導(dǎo)致了更強(qiáng)的咬合力;這些變異可能是由于基因突變,也可能是適應(yīng)環(huán)境的可塑性反應(yīng)[17]. 第四,與陸地蜥蜴的獵物相比,島嶼上的硬質(zhì)獵物比例更高,島嶼蜥蜴吃掉的硬質(zhì)獵物比例也要大得多[18]. 這就可以解釋為何島嶼種群與陸地種群在形態(tài)和咬合力之間的差異.

目前國(guó)內(nèi)鮮有關(guān)于蜥蜴咬合力的研究,通過對(duì)北草蜥的形態(tài)與咬合力之間的關(guān)系進(jìn)行探討,結(jié)果表明北草蜥的頭部形態(tài)與咬合力之間存在顯著正相關(guān). 北草蜥雌雄之間在頭部尺寸、張口尺寸和咬合力上具有顯著差異,即存在明顯兩性異形現(xiàn)象. 北草蜥兩性異形產(chǎn)生的原因可能是飲食(生存壓力)和配偶競(jìng)爭(zhēng)(性選擇壓力)導(dǎo)致蜥蜴需要進(jìn)化出更大的張口以咬住獵物,更大的頭部來支撐頭部肌肉和更強(qiáng)的咬合力以撕裂獵物[19-20]. 雄性間在沖突中使用的武器通常是由性選擇驅(qū)動(dòng)進(jìn)化的,雌性傾向于選擇具有“優(yōu)質(zhì)”武器的雄性[20]. 同時(shí)推測(cè)咬合力也可能是雌性對(duì)雄性能力的一種預(yù)估[21-22].

綜上所述,北草蜥種群間形態(tài)和咬合力具有顯著差異,而且內(nèi)陸種群的性狀隨著所在地區(qū)環(huán)境溫度的降低而增大,島嶼種群則不同,這與島嶼的特殊氣候和飲食條件有關(guān);北草蜥的頭部尺寸、張口尺寸、咬合力具有明顯的兩性異形,頭部尺寸與咬合力呈正相關(guān). 北草蜥的性狀進(jìn)化形成的差異性與自然環(huán)境因素密切相關(guān),這為理解蜥蜴形態(tài)、功能和生態(tài)之間的關(guān)系提供了依據(jù).