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为了看清它们怎么交配,科学家拿出高科技拍摄起来…



在昆虫学家眼中,千足虫(马陆)不仅因为它们数量众多的对足而出名,更神秘的是它们扑朔迷离的交配过程。此前,昆虫学家尝试利用它们脱落的外壳研究千足虫的交配过程,但一直未能成功。现在,昆虫学家索性拿起了最高清的成像技术直接记录它们的生殖器官。。。

这幅紫外线增强图展示了两只维持交配姿势的千足虫 。图片来源:STEPHANIE WARE

这幅紫外线增强图展示了两只维持交配姿势的千足虫 。图片来源:STEPHANIE WARE

去年夏天,演化生物学家Xavier Zahnle邀请研究千足虫(学名马陆)的同事一起开展了一项可视化研究。当时,加州大学戴维斯分校的博士生Zahnle刚刚制作出了雄性Pseudopolydesmus serratus千足虫生殖器(或称生殖肢)罕见的内部结构的数字化图像。Zahnle的合作者仔细研究了这来之不易的图片,并试图破解一个已经提出了数十年的问题:雄性千足虫是如何释放精子的?

之所以这个问题如此难以回答,是因为千足虫的交配过程很难被观察到——性行为的具体细节会被晃动的足所隐蔽。雌性千足虫的生殖器位于从头部向后的第三体节处。在准备交配时,雌性千足虫会将其从足下推出。这时,雄性千足虫会用自己的许多对足抓住雌性千足虫,用两个长度仅为1毫米的生殖肢卡住雌性千足虫,然后将一个生殖肢表面的多毛短管插入雌性千足虫体内。

早在1931年,研究千足虫的学者就提出假设:千足虫生殖肢中一个叫做细精管的导管可以直接将精子通过细管运送至雌性千足虫体内。Zahnle团队在2019年的一篇关于Pseudopolydesmus属千足虫的综述中也对该观点表示了支持。但是一直以来,都没有人能够证实该观点。

 这幅3D 模型是利用显微CT制作的,图片展示了雌性的外生殖器(绿色-青绿色)和雄性的外生殖器(橘黄色)。图片来源:XAVIER ZAHNLE

这幅3D 模型是利用显微CT制作的,图片展示了雌性的外生殖器(绿色-青绿色)和雄性的外生殖器(橘黄色)。图片来源:XAVIER ZAHNLE

为了用事实证明上述猜想,Zahnle和芝加哥菲尔德自然博物馆蜘蛛与多足动物副馆长Petra Sierwald以及其他同事决定使用更精湛的成像技术,例如扫描电子显微术和紫外荧光成像。他们直接在菲尔德博物馆的馆藏样品中应用了这些技术,其中就包括在一对正保持交配姿势的P。 serratus千足虫样品。得益于此,研究团队对千足虫的交配过程有了全新的认识。

在观察千足虫内部结构的过程中,显微计算机断层扫描技术(Micro-CT)起到了重要作用,该方法通过对样本进行X线照射,能产生一系列不同灰度的图片,而密度较高的部位,在图片中会更亮。与之配套的还有一套电脑程序,可以将这些图片编译为像素区块,这样研究人员就能指示程序对不同结构的区块着色,构建出样品的3D复制品。研究员可以从“各个角度”对样品的模型进行研究,Zahnle说:“你真的可以感受到生殖器部位是如何构成的,哪里挨着哪里都很清楚。”

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Zahnle的显微CT图像显示,雄性千足虫释放精子的方式远比之前预想的要曲折,细精管并不会笔直地通向多毛短管的出口。根据图像,当精子通过多毛细管后,会被释放到一个腔隙中,然后,精子才会被释放出多毛细管。Zahnle说,细精管“构成了一个完整的环,这完全是千足虫有意为之的”,并且 “这和我们在2019年发表的文章中提到的观点完全相反。我们错了。”他和研究团队在今年年初,将全新的结果发表在了在《节肢动物结构与发育》上。

Javier Alba-Tercedor是西班牙格拉纳达大学的水生生物学家,虽然他并未参与这项研究,但他表示Zahnle的研究“是利用Micro-CT开展研究的优秀案例。”Alba-Tercedor曾利用Micro-CT开展研究获得过奖项,他说,在此过程中最耗费时间的还是对不同结构着色的环节。但一旦完成了这一步,其他研究者就可以利用这一数据库对样本的新结构进行研究。

事实上,Sierwald认为Micro-CT改变了对千足虫的研究模式。她早在1997年就开始研究千足虫,但当时Micro-CT还非常罕见,更别说用在昆虫学研究中了。她最初计划通过脱下的外壳对雌性千足虫的生殖部位进行研究,但由于“千足虫会吃掉它们蜕下来的壳”,这项研究失败了。没有Micro-CT,“就意味着需要杀死许多千足虫来进行解剖,”她说。然而有了Micro-CT,就不需要解剖这些昆虫了。也就是说,因实验而死掉的千足虫数量会大大减少,并且我们还可以对完整的动物进行研究。“这是很酷的一件事。”她还说,Micro-CT极大地帮助了她了解昆虫的性器官如何工作。

Sierwald说,长久以来,团队都希望成像技术可以帮助研究者区分千足虫的种群, 展示它们的地理分布,并且了解不同种类的千足虫是如何与其它类别的千足虫产生联系的。

Thomas Simosen是丹麦奥尔胡斯自然历史博物馆的昆虫学研究员和馆长。他说,这项新研究“非常棒”,并且同样认为该方法可以帮助到千足虫研究。他认为,对于“认识节肢动物的多样性和进化”而言,形态学研究与DNA研究一样重要。

Zahnle现在将关注点放在了雄性千足虫上。对他来说,千足虫向人们展示了无数的外观形式和自身功能。它们不只是有很多条“腿”,他表示,这些对足的形态从“扁平的到大圆柱形到细小绒毛样的”都有。在利用Micro-CT取得突破性研究后,Zahnle发现自己这个领域存在大量优秀的科学家,而采用Micro-CT的昆虫学研究员也在日益增多。他想知道,其他物种是否也有像雄性P。 Serratus千足虫一样的精子闭环管道,他说,“我想要用图像将这些结构都展示出来。”