基于PAE編碼系統(tǒng)對武陵洞蛭行為譜的初步研究

伍麗艷,劉 力,任伯凇,嚴(yán)思思,劉志霄

(吉首大學(xué)生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,中國湖南 吉首 416000)

動(dòng)物行為是動(dòng)物所做的有利于眼前自身存活和未來基因存活的一切事情,或者說是在個(gè)體層次上,動(dòng)物對來自體內(nèi)的生理變化和來自體外的環(huán)境變化所做出的整體性反應(yīng)[1]。研究動(dòng)物行為可揭示動(dòng)物活動(dòng)規(guī)律、探索動(dòng)物行為調(diào)節(jié)對環(huán)境的適應(yīng)及動(dòng)物與環(huán)境之間的關(guān)系[2]。研究動(dòng)物行為的首要步驟是將所研究動(dòng)物的各種行為,進(jìn)行真實(shí)的觀察記錄、詳細(xì)的辨析歸納、定義和描述[1,3],并按照一定的組織構(gòu)建行為目錄。行為譜(ethogram)是指研究對象近乎全部所能表現(xiàn)出來的行為目錄[4]。行為譜編制作為動(dòng)物行為研究的基礎(chǔ)性工作,為進(jìn)一步深入研究動(dòng)物行為的機(jī)制、功能與進(jìn)化等問題提供了前提和條件[5～6]。編制一套完整的行為譜對動(dòng)物行為學(xué)的定量研究尤為重要[7]。

行為譜這一概念最早由Makkink于1936年提出,隨后國內(nèi)外學(xué)者參考該方法對大量的動(dòng)物行為構(gòu)建了“描述行為譜”,其不僅包括人工環(huán)境下的動(dòng)物行為[8～14],也包括自然環(huán)境下的動(dòng)物行為[15～16]。在所建構(gòu)的動(dòng)物行為的描述行為譜中,有學(xué)者將描述行為譜與行為繪畫相結(jié)合[16～18];也有學(xué)者對動(dòng)物行為進(jìn)行層次劃分,并根據(jù)行為的生態(tài)學(xué)意義對行為進(jìn)行分類[19];同時(shí)還有學(xué)者對特定環(huán)境條件下動(dòng)物某些特殊行為的發(fā)生頻次及活動(dòng)節(jié)律進(jìn)行研究[20～21]。

2000年,蔣志剛[22]則以麋鹿為實(shí)例,通過辨識行為的基本單元,區(qū)別了“姿勢”“動(dòng)作”“環(huán)境”三要素,分解了動(dòng)物行為的層次,然后根據(jù)行為的適應(yīng)和社群機(jī)能進(jìn)行歸類,建立了以“姿勢-動(dòng)作-環(huán)境”為軸心、以生態(tài)功能為分類依據(jù)的動(dòng)物行為分類編碼系統(tǒng)(PAE編碼系統(tǒng))。之后,國內(nèi)出現(xiàn)了許多PAE編碼行為譜,其主要涉及哺乳綱的靈長目[23～30]、食肉目[31～33]、偶蹄目[34～38]、鯨目[39～40],以及鳥綱[41～47]。魚綱[48]和兩棲綱[49]也有研究報(bào)道。

迄今,對于無脊椎動(dòng)物PAE編碼行為譜的研究極為罕見,尤其是環(huán)節(jié)動(dòng)物門的PAE行為譜尚缺乏研究報(bào)道。

武陵洞蛭(Sinospelaeobdellawulingensis)隸屬于環(huán)節(jié)動(dòng)物門、蛭綱、無吻蛭目、山蛭科、中國洞蛭屬(Sinospelaeobdella),目前僅發(fā)現(xiàn)于湖南省湘西土家族苗族自治州(簡稱湘西州)吉首市、古丈縣和永順縣境內(nèi)的少數(shù)幾個(gè)溶洞中,以及四川省鄰水縣的老龍洞內(nèi)[50～51]。中國洞蛭屬是2019年1月由劉志霄教授課題組所發(fā)表的一個(gè)新屬[50]。與人們所熟知的水蛭和山蛭不同,洞蛭棲息于溶洞的頂壁,吸食洞棲性蝙蝠的血液,并在洞頂壁完成其生活史,已演化成為真洞穴動(dòng)物(troglobites),因此對其PAE行為譜進(jìn)行研究有助于深入探究其行為生態(tài)學(xué)特征及進(jìn)化適應(yīng)意義。

1 研究方法

1.1 研究樣洞及時(shí)間

2019年6月—2021年4月,選擇吉首市堂樂洞、水牛洞和舊寨坪巖洞作為主要觀察樣洞,同時(shí)把永順縣金雞洞、黃泥洞以及古丈縣的雞公洞作為參考樣洞進(jìn)行野外觀察與數(shù)據(jù)采集。

1.2 野外觀察

研究期間,3～4人一組進(jìn)入樣洞,主要采取隨機(jī)取樣和掃描取樣的方式觀察并記錄洞蛭的各種行為,以初步明確各類行為的發(fā)生頻率,包括多發(fā)行為、明顯行為和少見行為等。之后,采用目標(biāo)取樣和行為取樣法觀察具有代表性的特定研究對象的特定行為,用自制的行為觀察描述表對行為過程及行為模式進(jìn)行描述和記錄,采用連續(xù)記錄法對行為發(fā)生的頻次和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行記錄。

除了用筆和紙實(shí)時(shí)觀察記錄外,為了對武陵洞蛭(以下簡稱洞蛭)明顯具有生理或生態(tài)功能的行為進(jìn)行準(zhǔn)確定義和描述,我們采用佳能全畫幅專業(yè)單反EOS 5D MarkⅣ機(jī)身和佳能EF 24～70 mm f/2.8L鏡頭對洞蛭的行為進(jìn)行攝錄。

為了對洞蛭覓食行為、運(yùn)動(dòng)行為、寄(宿)主專一性等生物學(xué)特性進(jìn)行研究,我們將小泡巨鼠(Leopoldamysedwardsi)(在洞內(nèi)捕獲的)、家鼠、家兔、家鴿、蝙蝠等脊椎動(dòng)物作為受試物種,將其手托或裝在套袋中,再將套袋固定在有洞蛭分布的巖壁上,觀察并記錄洞蛭對受試動(dòng)物的覓食情況,同時(shí)觀察洞蛭對人體手部皮膚的敏感性及吸血情況。

1.3 室內(nèi)研究

對野外拍攝到的照片和錄像進(jìn)行反復(fù)觀看與比較,提取并分析行為要素。期間,也將少量代表性的個(gè)體帶到室內(nèi),在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)一步地觀察洞蛭的行為特征,以補(bǔ)充、修正野外觀察到的行為要素與行為模式。

2 結(jié)果與分析

2.1 行為的姿勢編碼

通過反復(fù)觀察和分析,共分辨和記錄到洞蛭的5種基本姿勢(圖1):臥、倒掛、貼、爬、立。其中,臥、倒掛、貼屬于靜態(tài)姿勢;爬、立為動(dòng)態(tài)姿勢。各姿勢的編碼如表1所示。

表1 武陵洞蛭的基本姿勢及其編碼(P碼)Table 1 Basic postures and their codes of S.wulingensis

圖1 武陵洞蛭的5種基本姿勢(A)臥;(B)倒掛;(C)貼;(D)爬;(E)立。C圖中一只洞蛭的口吸盤正貼附于一只蝙蝠的足趾間;D圖是洞蛭在尺蠖狀爬行過程中,后吸盤被放置在口吸盤的后面,使得身體呈極度彎曲時(shí)的狀態(tài)。Fig.1 Five basic postures of S.wulingensis(A)Lying;(B)Hanging upside-down;(C)Attaching;(D)Crawling;(E)Erecting.In photo C,the oral suction cup of S.wulingensis is attached between the toes of a bat.In photo D,the posterior sucker is placed behind the oral sucker in the inchworm crawling process of the cave leech,making the body extremely bent.

2.2 行為的動(dòng)作編碼

按照洞蛭動(dòng)作發(fā)生部位的不同(頭部、體部、肛門部、尾吸盤),初步分辨和記錄到22種動(dòng)作。這些動(dòng)作的編碼如表2所示。

表2 武陵洞蛭的基本動(dòng)作及其編碼(A碼)Table 2 Basic acts and their codes of S.wulingensis

2.3 洞蛭行為發(fā)生的環(huán)境及編碼

此次研究共分辨和記錄到洞蛭行為發(fā)生的環(huán)境11種,包括生物環(huán)境和非生物環(huán)境,其中生物環(huán)境6種,非生物環(huán)境5種。這些環(huán)境的具體編碼如表3所示。

表3 武陵洞蛭行為發(fā)生的環(huán)境及其編碼(E碼)Table 3 Behavioral environments and their codes of S.wulingensis

2.4 洞蛭行為的PAE編碼

將所有觀察到的行為劃分為5大基本類型:休息行為、運(yùn)動(dòng)行為、覓食行為、生殖行為和排遺行為(表 4)。

表4 武陵洞蛭行為的PAE編碼系統(tǒng)Table 4 PAE coding system of behaviors for S.wulingensis

休息行為是指洞蛭在某種環(huán)境中身體呈放松狀態(tài)并維持某種姿勢不變的現(xiàn)象(圖2)。洞蛭的休息行為主要表現(xiàn)為靜臥休息和倒掛休息這兩種基本方式,前者又包括一字臥、弓形臥和貼壁臥。一字臥:洞蛭口、尾吸盤固著,蛭體伸展且呈現(xiàn)“一”字型。弓形臥:洞蛭口、尾吸盤固著,蛭體縮短且腹向彎曲為弓形。貼壁臥:洞蛭口、尾吸盤固著,蛭體縮短且貼在洞壁上,蛭體形狀因吸盤吸附位置和支持物形狀的不同而各有差異,此類靜臥較為常見。倒掛休息:洞蛭僅尾吸盤固著,蛭體因自身的重力而指向地心。

圖2 武陵洞蛭的休息行為(A)一字臥;(B)弓形臥;(C)貼壁臥;(D)倒掛休息。Fig.2 Resting behaviors of S.wulingensis(A)Lying in line;(B)Lying in arch;(C)Lying while attaching cave-wall;(D)Resting while hanging upside-down.

運(yùn)動(dòng)行為是指洞蛭改變自身位置的過程,主要包括蠕蟲式爬行和尺蠖式爬行(圖3),后者更為常見。蠕蟲式爬行是指處于靜臥狀態(tài)的洞蛭,其口吸盤松脫,蛭體向前端伸展,隨后口吸盤吸附,蛭體體節(jié)由前端往后端逐步縮短,產(chǎn)生拉力,使尾吸盤松脫,并拉引蛭體后端向前,然后尾吸盤吸附,再重復(fù)這一動(dòng)作程式,使身體發(fā)生位置變化。尺蠖式爬行是指處于靜臥狀態(tài)的洞蛭,其口吸盤松脫,蛭體向前端伸展,然后口吸盤吸附,蛭體前段的體節(jié)快速縮短產(chǎn)生拉力,使尾吸盤松脫,蛭體后段因拉力而抬高,接著蛭體腹向彎曲使尾吸盤緊靠在口吸盤的后面吸附,之后口吸盤再松脫,蛭體向前伸展,如此反復(fù)動(dòng)作,身體發(fā)生位移。

圖3 武陵洞蛭的運(yùn)動(dòng)行為(A)蠕蟲式爬行;(B)尺蠖式爬行。Fig.3 Locomotion behaviors of S.wulingensis(A)Worm-crawling;(B)Inchworm-crawling.

覓食行為是指洞蛭為維持自身新陳代謝和生長發(fā)育的需要,在周圍環(huán)境中探測、搜尋、抵近和攝取食物的姿勢與動(dòng)作過程(圖4)。洞蛭覓食行為的基本程式如下:

1)對可能的宿主動(dòng)物(食源刺激)到來的初始反應(yīng):當(dāng)可能的宿主動(dòng)物,如蝙蝠、鼠、鴿、兔或人等,在一定范圍內(nèi)靠近洞蛭時(shí),洞蛭可感受到相應(yīng)的刺激,通常呈靜止?fàn)顟B(tài)的洞蛭對這類刺激的反應(yīng)較慢,表現(xiàn)出身體前段伸展,然后抬起。

2)對可能的宿主動(dòng)物的定向定位探測運(yùn)動(dòng):當(dāng)感受到可能的宿主動(dòng)物的刺激而又不知其方向和位置時(shí),洞蛭會(huì)以身體的前段進(jìn)行探貼,即洞蛭用口吸盤貼附于支持物的表面,隨即抬起蛭體的前段,然后洞蛭對支持物表面的其他位點(diǎn)重復(fù)以上動(dòng)作。隨著可能的宿主動(dòng)物的逐漸靠近,刺激越來越強(qiáng)烈,這時(shí)洞蛭的身體開始擺動(dòng)并向周圍的各個(gè)方位作點(diǎn)式偏移,最后在一個(gè)確定的方位進(jìn)行探貼,并用口吸盤吸附在支持物的表面,這表明洞蛭已經(jīng)感覺到了可能的宿主動(dòng)物的方位。

3)向可能的宿主動(dòng)物爬行:口吸盤吸附于支持物的表面以后,洞蛭隨即向可能的宿主動(dòng)物的方向爬行,主要是尺蠖式爬行。在爬行過程中,洞蛭會(huì)抬起蛭體的前段進(jìn)行探貼、擺動(dòng)和點(diǎn)式偏移以對可能的宿主動(dòng)物重新定位,確定下一處爬行點(diǎn)。

4)對可能的宿主動(dòng)物進(jìn)行識別:當(dāng)爬至可能的宿主動(dòng)物的軀體周圍時(shí),洞蛭會(huì)以尾吸盤牢牢地固著于支持物上,并以探貼的方式對宿主動(dòng)物進(jìn)行識別。

5)尋找適合的位置,咬住后吸血:以洞蛭對蝙蝠的探吸為例,其用口吸盤不斷地在蝙蝠體表的不同位置進(jìn)行試探,有時(shí)吸吮,有時(shí)不吸吮,有時(shí)吸吮片刻又脫開,另找位置再試探,最后多數(shù)是在蝙蝠的足趾關(guān)節(jié)或者翼膜等皮薄毛稀、毛細(xì)血管豐富之處,咬開皮膚吸血。在溶洞內(nèi),我們僅觀察到洞蛭的倒掛吸食、倒立吸食和弓形臥吸食3種吸血行為(圖 4)。

圖4 武陵洞蛭的覓食行為(A)探貼;(B)點(diǎn)式偏移;(C)探吸;(D)倒掛吸食;(E)倒立吸食;(F)弓形臥吸食。Fig.4 Foraging behaviors of S.wulingensis(A)Attaching while detecting;(B)Skewing to orientation;(C)Sucking while detecting;(D)Sucking while hanging upsidedown;(E)Sucking while erecting upside-down;(F)Sucking while lying in arch.

生殖行為是指洞蛭在繁殖期發(fā)生的與繁殖直接相關(guān)的動(dòng)作過程與活動(dòng),包括親吻、交媾、產(chǎn)繭等。

親吻行為是指兩條洞蛭的尾吸盤固著,蛭體懸空且其環(huán)帶區(qū)的前段腹面相貼,兩口吸盤相互貼近,一前一后互抵,此運(yùn)動(dòng)是交媾行為的前奏(圖 5A)。

交媾行為是指兩條洞蛭的尾吸盤固著,蛭體懸空且其環(huán)帶區(qū)的前段腹面相貼,以口吸盤互吻一段時(shí)間之后,兩者的頭部呈鉤狀,使身體的前段反向纏繞,并以環(huán)帶區(qū)的腹面相貼互抵,將陰莖相互插入對方的陰道內(nèi),把精子輸送給對方(圖5B)。

產(chǎn)繭期是一個(gè)非常重要的時(shí)期,產(chǎn)卵行為極其有意思且復(fù)雜。洞蛭的尾吸盤固著,產(chǎn)卵時(shí)先由環(huán)帶區(qū)分泌黏液,黏液分泌時(shí)因摻入空氣而呈肥皂泡沫狀,隨著黏液分泌物的增多,這些泡狀物向兩側(cè)背移動(dòng)包住身體且粘住支持物,隨后環(huán)帶區(qū)分泌另一種黏液,形成一層卵袋包于環(huán)帶周圍,接著再分泌黏液形成另一層卵袋,然后雌孔產(chǎn)出一些黃色、較濃、含有受精卵的黏液,黏液落入卵袋和身體之間的空腔內(nèi)。排完卵后的洞蛭,其身體的前段后縮,在退出卵袋的過程中,以口吸盤腺體分泌形成的栓塞住卵袋的前后兩個(gè)開孔。剛產(chǎn)出的卵繭大致呈球形,外圍透明呈泡沫狀,里面可見白色卵袋(圖5C),在受精卵孵化的過程中,卵繭的顏色逐步加深變?yōu)榈S色或黃褐色,幼體孵出后,卵繭逐漸萎縮,呈現(xiàn)枯黃狀。

圖5 武陵洞蛭的繁殖行為(A)親吻;(B)交媾;(C)剛產(chǎn)下卵繭后正在離開的洞蛭。Fig.5 Reproductive behaviors of S.wulingensis(A)Kissing;(B)Copulating;(C)A cave leech leaving after laying a cocoon of eggs.

排遺行為是指洞蛭將經(jīng)消化道消化、吸收之后的食物殘?jiān)约S便的形式排出體外的過程,包括爬行時(shí)排糞(圖6)、靜臥時(shí)排糞和倒掛時(shí)排糞3種排糞行為。

圖6 武陵洞蛭的爬行時(shí)排糞行為Fig.6 Defecating behavior of S.wulingensis while crawling

3 討論

中國洞蛭屬是近年首先在湘西州境內(nèi)發(fā)現(xiàn)的一個(gè)新屬,其模式種為武陵洞蛭[50～51]。該新屬種棲息于黑暗潮濕的溶洞頂壁,以暫時(shí)性吸食蝙蝠的血液(簡稱吸蝠血)來維持種群的繁衍,因此其行為生態(tài)學(xué)特征具有重要的蛭類學(xué)和洞穴生物學(xué)研究意義[52]。

與行為描述、行為繪制等傳統(tǒng)的行為譜研究方法相比,以PAE編碼系統(tǒng)構(gòu)建動(dòng)物的行為譜可操作性強(qiáng),不僅能夠客觀系統(tǒng)地記述動(dòng)物的行為要素與行為類型,而且PAE行為譜的可檢驗(yàn)度高,便于不同類群之間行為系統(tǒng)與行為發(fā)育方面的比較研究,有助于理解和掌握動(dòng)物行為系統(tǒng)的發(fā)育規(guī)律。

但是,任何一種動(dòng)物PAE行為譜的制訂都比較耗時(shí)費(fèi)力,研究人員必須仔細(xì)觀察、反復(fù)驗(yàn)證,才可能構(gòu)建全面而準(zhǔn)確的PAE行為譜,而且編碼系統(tǒng)的各個(gè)元素要求具有獨(dú)特性或不可替代性。此外,PAE編碼系統(tǒng)制訂之后,如果作者或其他學(xué)者又發(fā)現(xiàn)了該種動(dòng)物行為新的姿勢、動(dòng)作和環(huán)境,還須要對整體行為譜編碼進(jìn)行調(diào)整、修改和補(bǔ)充。

基于對PAE編碼系統(tǒng)的理解和對武陵洞蛭行為的反復(fù)觀察,本文首次構(gòu)建了洞蛭的PAE行為譜,這也是首次采用PAE編碼系統(tǒng)研究蛭類及環(huán)節(jié)動(dòng)物門的行為系統(tǒng),為今后蛭類及其他環(huán)節(jié)動(dòng)物行為的比較研究提供了基本的參比資料。

當(dāng)然,限于時(shí)間、精力及條件,有些行為(如幼蛭從卵繭中孵出時(shí)的行為),以及行為的節(jié)律性(如日活動(dòng)節(jié)律、季節(jié)活動(dòng)節(jié)律和年活動(dòng)節(jié)律),還有待今后進(jìn)一步的觀察與研究。

行為學(xué)研究的首要工作是對觀察到的行為加以描述和定義,只有對行為進(jìn)行準(zhǔn)確的描述和定義之后,才能進(jìn)一步研究行為背后的機(jī)制、功能和演化等問題[53]。而行為進(jìn)化的一些重要發(fā)現(xiàn)來自對行為個(gè)體發(fā)育的研究。幼年動(dòng)物的行為往往類似于或等同于一個(gè)較原始物種成年個(gè)體的行為,就好像它們是該物種的祖種一樣[1]。

本研究發(fā)現(xiàn),武陵洞蛭幼體的某些行為較之成體(指具有環(huán)帶的繁殖體)有較多的不同。在運(yùn)動(dòng)行為方面,成體的尺蠖式爬行是借助身體前端至后端逐步收縮產(chǎn)生拉力,將后吸盤從被固著物上拔起,然后借助產(chǎn)生的慣性和肌肉的輔助作用使蛭體抬起,同時(shí)腹向彎曲;而幼蛭的尺蠖式爬行是借助肌肉收縮提拉蛭體的后端,并通過背向彎曲使蛭體的后段相對前移,再腹向彎曲。產(chǎn)生這種差異的原因可能是幼蛭的吸盤尚在發(fā)育之中。我們推測,洞蛭發(fā)達(dá)的尾吸盤是適應(yīng)于洞頂壁特殊的棲息行為(面臨著“倒懸身體負(fù)重運(yùn)動(dòng)”的選擇壓力)而逐漸衍生的,幼蛭可能存在運(yùn)動(dòng)行為模式與尾吸盤發(fā)育的相關(guān)性問題,而這種相關(guān)性可能具有形態(tài)及行為生態(tài)方面的進(jìn)化適應(yīng)意義。

幼蛭的覓食行為與成體也不盡相同。首先,幼體與成體吸蝠血的姿勢和動(dòng)作不同。多數(shù)成體是爬上蝙蝠的翼膜或足趾間吸血,但幼體吸血時(shí),尾吸盤牢牢地吸附在洞壁上,同時(shí)盡量使蛭體伸長,以口吸盤吸附在蝙蝠的身上。其次,在幼體與成體的吸蝠血過程中,被吸血的蝙蝠的行為表現(xiàn)不同。幼體吸血時(shí),蝙蝠的反應(yīng)較為強(qiáng)烈,出現(xiàn)用后足踢動(dòng)、抓撓幼蛭的行為,有時(shí)還可見其將后足伸至口部,用舌頭舔舐后足的行為,因此幼蛭的吸血過程被多次中斷,每次的吸血時(shí)間較短;而成體吸血時(shí),從外部反應(yīng)來看,蝙蝠似乎感受不到其自身正在被吸取血液。

已知吸血蛭類可通過口吸盤中的腺體分泌活性物質(zhì)來麻醉寄主,同時(shí)產(chǎn)生抗凝血作用,但從幼蛭吸血過程中蝙蝠的外部行為表現(xiàn)來看,我們推測:洞蛭在幼體階段吸血時(shí)尚不能使寄主麻醉,這意味著洞蛭口吸盤中的腺體結(jié)構(gòu)及功能可能是在其從卵繭中孵出以后才逐步發(fā)育形成的。

此外,我們在觀察中發(fā)現(xiàn),洞蛭似乎僅對蝙蝠比較敏感,并嗜吸蝙蝠的血液,對人體皮膚及其他動(dòng)物不敏感或不感興趣。當(dāng)然,有關(guān)洞蛭是否存在吸蝠血專一性及其可能的進(jìn)化適應(yīng)機(jī)制,我們還須從行為生態(tài)、生理生化、分子遺傳及適應(yīng)性進(jìn)化等方面進(jìn)行綜合性的探究。

致謝:本研究得到吳濤、黃太福、龔小燕等學(xué)長多方面的幫助,謹(jǐn)此致謝。