两栖动物幼体如何变身“食肉魔”?

撰文: STARRE VARTAN
 
  有些蝾螈和青蛙的幼体会长出大头和“尖牙”,变身“食肉魔”,嗜食同类,以便让自己快速发育成熟。
  
两栖动物幼体如何变身“食肉魔”?
图上这只成年长趾蝾螈(Ambystoma macrodactylum)来自俄勒冈州德舒特县(Deschutes County)。,长趾蝾螈的幼体时期,如果生活的池塘里食物匮乏,蝾螈幼体的头可能会变大,还可能长出犁骨齿。
摄影:JOEL SARTORE, NATIONAL GEOGRAPHIC PHOTO ARK
 
  俄勒冈州中部的三姐妹火山上隐藏着一处安静的季节性水潭,在这里生活的蝾螈外形奇特。
 
  “我立刻注意到这些蝾螈幼体特别瘦,但它们的头很大,”美国地质调查局的生物学家Susan Walls说道。当她近距离观察时,发现它们的头和颌骨比正常的蝾螈幼体要大得多。事实证明,这些“大嘴”有着非常特殊的用途:嗜食同类。
 
  在以这群蝾螈幼体为研究对象的一篇研究论文中, Walls 指出,它们的颌骨上还长着更大的尖牙状犁骨齿(在这一物种中,犁骨齿通常只是长在第一排牙齿后面的小凸起)。这些特征都有助于它们吃掉同类,为什么会出现这种情况呢?
 
两栖动物幼体如何变身“食肉魔”?
环境压力下的“变形”过程称为表型可塑性。长趾蝾螈只有在幼体期才会发生形变。一旦它们完全成熟,比如图上这只,就不可能再发生变化了。
摄影:JOEL SARTORE, NATIONAL GEOGRAPHIC PHOTO ARK
 
  长趾蝾螈幼体无法在陆地生活,形变就发生在幼体时期,头和颌骨会越来越大,犁骨齿也会越来越明显。如果食物和水充足,这些特征就不会出现;但如果它们饿了好几天,需要尽快离开池塘(比如,在干燥的春季或夏季),它们的头和牙齿就会变大,度过危机之后又会变回原来的样子。更大的嘴巴和尖牙有助于它们吃掉更大的猎物,其中也包括它们的兄弟姐妹。这种高蛋白饮食可以让它们免于饿死,并帮助它们更快地成熟,这样它们就可以在池塘干涸之前离开。
 
  这是表型可塑性的一个典型例子,阐释了环境因素诱发的变化对动物外形的影响,“变形”现象不仅存在于长趾蝾螈中,两栖动物和其它类型的动物中也有。“有的昆虫分为大头型和小头型,有的线虫会长出牙齿,还有的原生生物(单细胞生物)在拥挤环境中会疯狂吞噬同类,”北卡罗莱纳大学的生物学教授David Pfennig说道,他研究过火蜥蜴和犁足蟾蜍的表型可塑性。
 
  两栖动物的种类在全球范围内已经减少了43%,是脊椎动物中多样性丧失比例最高的物种。了解了表型可塑性的机制,有助于帮助两栖动物恢复种群的多样性。
 
变身食肉魔
 
  大多数两栖动物的幼体生活在水中,成年之后才会在陆地生活。而表型可塑性只发生在幼体时期。
 
  长趾蝾螈的幼体看起来很像蝌蚪,通常不会嗜食同类,但它们攻击性较强:“我直接观察它们时,常会看到互相撕咬的现象,”加州州立大学生物学副教授Erica Wildy说道。
 
两栖动物幼体如何变身“食肉魔”?
锄足蟾蝌蚪通常会发育成杂食动物(左)。但它在捕食大型的猎物时,比如虾(中间),会呈现出独特的食肉动物形态(右),这种状态下它们专门以虾,其他蝌蚪或更大的猎物为食。
摄影:DAVID PFENNIG
 
  Erica Wildy在研究食物如何影响长趾蝾螈幼体攻击性的过程中发现,与世隔绝的山地蝾螈与山谷蝾螈之间存在行为差异,而山谷里通常更容易获得食物和水源。她还注意到,山谷蝾螈没有表现出那么强的攻击性,也没有出现任何“食肉魔”。Wildy在论文中指出,食物匮乏这一环境压力是引发山地蝾螈攻击性和同类相食行为的一个关键因素。
 
  Wildy还注意到,与那些以浮游动物为食的蝾螈幼体相比,变形后的蝾螈幼体生长速度似乎更快。她推测,这可能是因为环境压力下它们不得不快速成长,以便在池塘干涸之前离开。如果池塘干涸,那尚处于幼体时期的蝾螈会立即死亡。
 
  此外,据Walls称,如果“食肉魔”迁移到一个更广阔的栖息地,并恢复之前的饮食结构,它们将会变回正常形态。
 
变形的物种
 
  什么样的压力能引起如此剧烈的变化呢?对于长趾蝾螈来说,主要是食物的匮乏以及即将干涸的季节性水潭。对于虎蝾螈来说,空间压力是引发变形的主要原因。在非常拥挤的环境中,虎蝾螈之间的相互碰撞可能会诱发“食肉魔”的出现。
 
  锄足蟾蝌蚪的头部大小会随着食物种类的不同而变化。Pfennig说,如果它们在幼体时期碰巧吃下了大型猎物,一些幼体就可能会变成大头。正常形态和大头形态差别很大,以至于科学家们曾认为它们是两个不同的物种。
 
两栖动物幼体如何变身“食肉魔”?
两栖动物幼体如何变身“食肉魔”?
新热带树蛙蝌蚪(Neotropical treefrog tadpoles)可以根据附近捕食者的类型变化成不同的形态。蜻蜓形态(上)时会长出彩色的尾巴来分散蜻蜓的注意力,而鱼形态(下)时会长出尾巴来帮助它们躲避鱼类。
摄影: JUSTIN TOUCHON
 
  有些变形是为了躲避捕食者。新热带树蛙蝌蚪会根据捕食者的类型做出不同的反应,它们在颜色和肌肉结构上都发生了变化。
 
  “如果它们闻到水里有鱼的味道,就会长出一条长尾巴,尾巴上的肌肉也会变大,”瓦萨学院(Vassar College)的生物学助理教授Justin Touchon说道。这样一来鱼就很难认出它们,也方便它们快速地游走。
 
   “但是如果它们闻到了蜻蜓幼虫的气味,就会长出五颜六色的大尾鳍,”Touchon说道。这条尾巴会分散蜻蜓的注意力,成为蜻蜓幼虫的攻击对象,这样蝌蚪那脆弱柔软的身体就能逃过一劫。
 
进化正在发生?
 
  我们不知道引起这些变化的具体原因,Touchon说,但基因表达是其中一个关键因素。“动物闻到某一捕食者的气味,或者察觉到水是热的,就会激活一些基因,使其快速表达,或者抑制其他基因。”
 
  他目前正在研究哪些基因可能与树蛙的变形有关。
 
  “许多研究人员认为,表型可塑性对进化没有影响,因为环境引起的变异通常是不会遗传的。另一些人则认为可塑性会减缓进化。还有人持相反观点,他们认为表型可塑性加速了进化,”Pfennig说道。
 
  对任何一个物种来说,能够对不同的环境条件做出快速反应都是一种优势,随着气候的不断变化,这一优势的重要性将会更加突出。近年来美国西部干旱和火灾频发,生活在亚利桑那州普芬格的拙足蟾的生长周期越来越短。肉食性变种(或食肉魔)可能会更加常见,因为嗜食高蛋白食物有助于它们更快地发育成熟,尽早离开水育室,繁殖速率也会更快。
 
  “表型可塑性应该给物种一段缓冲期。拥有一定的灵活性可以让物种更容易适应环境的变化,增加生存几率,”Touchon说道。

  虽然Touchon的观点有道理,但前提是动物们已经做好了迎接变化的准备。“有机体的生存能力取决于它们的居住地,适应条件,以及居住地会发生什么样的气候变化,” Mary Jane West-Eberhard说道,她是史密森热带研究所的高级科学家。
 
  表型可塑性有助于动物适应气候变化,佛罗里达州的网纹钝口螈就是一个很好的例子。2018年10月,飓风迈克尔席卷墨西哥湾岸区,海水涌入了圣马克国家野生动物保护区 (St. Marks National Wildlife Refuge),那时,网纹钝口螈正在这里的季节性淡水潭中繁殖。风暴过后,工作人员Susan Walls在园区发现了活的蝾螈,即使是被盐水淹没的地方也有网纹钝口螈出没。
 
  它们是怎么活下来的呢?“研究表明,生活在沿海地区的相关动物,例如蝾螈,比生活内陆地区的个体耐盐性强。这是表型可塑性的一个类型,它们能够更好地适应当地的环境条件,” Walls说道。
 
  近年来,科学家对两栖动物如何适应气候变化引发的压力环境有了更多的了解, Walls希望人类可以利用这些信息制定更加明智的保护计划。
 
(译者:陌上花开)
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