昆蟲平衡棒的發(fā)育及功能

董 瑋, 武文君, 張徐波

(山西大學(xué)應(yīng)用生物學(xué)研究所, 太原 030006)

平衡棒(haltere)是由昆蟲翅特化形成的一對啞鈴狀附屬結(jié)構(gòu)(Pringle, 1948)，由幼蟲平衡棒芽發(fā)育形成，受HOX基因Ultrabithorax(Ubx)調(diào)控(Halder and Johnson, 2011)。平衡棒的感覺反饋機(jī)制在昆蟲復(fù)雜飛行中具有重要作用，平衡棒接收機(jī)械信息并以一定的延遲速度傳送到頭部的神經(jīng)系統(tǒng)，從而迅速地平衡身體并糾正航向(Deoraetal., 2015)。基于平衡棒的生物學(xué)功能，其具有重要的仿生學(xué)意義。近年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞平衡棒的發(fā)育機(jī)制及生物學(xué)功能開展了多項研究，如HOX基因Ubx對于平衡棒發(fā)育的調(diào)控機(jī)制(Yarger and Fox, 2016)、翅與平衡棒在飛行中的協(xié)同運(yùn)動機(jī)制等，這些研究豐富了昆蟲附肢發(fā)育與進(jìn)化的理論知識，為相關(guān)仿生學(xué)研究提供了理論依據(jù)。

1 昆蟲翅的發(fā)育

昆蟲不同類群翅的形態(tài)差異很大，同一個類群的前后翅也往往具有不同的形態(tài)特征(翟宗昭和楊星科, 2006)。一般認(rèn)為，原始的有翅昆蟲胸腹部具有多個附肢，中胸至第1腹節(jié)附肢的發(fā)育受HOX基因Ubx的調(diào)控，逐漸形成兩對翅并且出現(xiàn)前后翅的分化(Hughes and Kaufman,2002)。多數(shù)有翅昆蟲具有兩對翅，包括著生于中胸上的前翅和后胸上的后翅(翟宗昭和楊星科, 2006)。完全變態(tài)昆蟲中最大的4個目，都是基于翅的特征來定義和命名的，分別為：鞘翅目(甲蟲，具有“鞘翅”)，鱗翅目(蝴蝶和蛾，具有“鱗翅”)，膜翅目(螞蟻、黃蜂和蜜蜂，具有“膜翅”)和雙翅目(蚊和蠅，具有“兩翅”)(Borrow and Delong, 1954; Yarger and Fox, 2016)。不同形態(tài)的“翅”均遵循空氣動力學(xué)原理，從而使昆蟲具有高水平的飛行熟練程度(Dalyetal., 1978)。其中，某些昆蟲種類為了保護(hù)、展示或平衡身體，發(fā)生了翅的特化，例如鞘翅目的鞘翅、雙翅目的后翅以及捻翅目前翅等(Angelini and Kaufman, 2005)。

1.1 昆蟲翅的特化和平衡棒的形成

雙翅目昆蟲在所有動物中飛行靈活性最強(qiáng)，這種空中敏捷性在很大程度上取決于其后翅的特化。代替后翅的是一對完全不與前翅相連的棒狀附屬物——平衡棒(Pringle, 1948)。由于平衡棒的存在，使得昆蟲可以在空中進(jìn)行各種高難度的飛行動作。作為機(jī)械感覺器官，平衡棒在昆蟲飛行時起著維持平衡的作用，是雙翅目(“兩翅”)昆蟲的主要特征之一(Agrawaletal., 2017)。除了雙翅目之外，有翅昆蟲存在著一個更加復(fù)雜的翅的特化實(shí)例——捻翅目。與雙翅目昆蟲不同，捻翅目前翅退化成細(xì)小的棒狀物，稱“擬平衡棒”；捻翅目昆蟲的平衡棒位于胸部第2體節(jié)(T2)，而有功能的翅位于胸部第3體節(jié)(T3)(圖1: A)。捻翅目在昆蟲中的系統(tǒng)發(fā)育地位一直存在爭議，但分子生物學(xué)和形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)均支持捻翅目和雙翅目之間的姐妹群關(guān)系，稱為平衡棒類(Halteria)(Wheeleretal., 2001)。由于捻翅目昆蟲習(xí)性特殊，采集和飼養(yǎng)都極其困難，因此關(guān)于捻翅目昆蟲的研究非常少。

圖1 捻翅目和雙翅目之間平衡棒的差異及果蠅平衡棒發(fā)育的分子機(jī)制

1.2 HOX基因與平衡棒發(fā)育

國內(nèi)外學(xué)者開展了昆蟲平衡棒發(fā)育關(guān)鍵基因的鑒定和功能解析等研究工作，其中大量的研究是在黑腹果蠅Drosophilamelannogaster上進(jìn)行的，如果蠅平衡棒發(fā)育關(guān)鍵基因Ubx如何控制翅與平衡棒形態(tài)轉(zhuǎn)化(De Las Herasetal., 2007; Diaz-De-La-Lozaetal., 2020)等。

有翅昆蟲的后翅均表達(dá)Ubx(White and Wilcox, 1985)，但只有在雙翅目昆蟲中，后翅發(fā)生顯著的形態(tài)轉(zhuǎn)變。Ubx作為雙翅目昆蟲平衡棒變態(tài)發(fā)育過程中的關(guān)鍵調(diào)控基因，通過控制靶基因的表達(dá)，決定翅芽以及平衡棒芽的分化和發(fā)育過程，使得后翅轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶獍?Pavlopoulos and Akam, 2011)。在果蠅中，有8個HOX基因沿AP軸表達(dá)，其中，Ubx在平衡棒芽中高表達(dá)，在翅芽中僅在鱗片狀細(xì)胞中少量表達(dá)(Mohitetal., 2006; Yarger and Fox, 2016) (圖1: B)。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)將果蠅平衡棒中的Ubx敲除后，將導(dǎo)致平衡棒發(fā)育為功能形態(tài)完全的翅(Hershetal., 2007)。Ubx在多個水平上調(diào)控附肢器官的發(fā)育，通過抑制背腹分化、器官大小和形狀以及剛毛形成有關(guān)的基因來指導(dǎo)平衡棒的發(fā)育(Weatherbeeetal., 1998; Prasadetal, 2003)。目前已報道多個靶標(biāo)基因受Ubx調(diào)控，參與平衡棒的發(fā)育。例如，器官成形素Decapentaplegic(Dpp)和Wingless(Wg)被Ubx抑制，在平衡棒發(fā)育過程中維持低表達(dá)水平。通過遺傳學(xué)手段操作Dpp或Wg在平衡棒過表達(dá)，可以促進(jìn)平衡棒邊緣的生長(Weatherbeeetal., 1998; Shashidharaetal., 1999; Prasadetal., 2003; Pallavietal., 2006; Makhijanietal., 2007)。Fat/Hippo通路受Ubx調(diào)控，參與調(diào)控器官大小、抑制毛狀感受器、毛狀體形態(tài)和排列。Yorkie(Yki)和Expanded(Ex)是Fat/Hippo通路的效應(yīng)基因，Yki的過表達(dá)或Ex下調(diào)，會引起細(xì)胞數(shù)量增加，導(dǎo)致平衡棒尺寸增大(Singhetal., 2015)。IIS/dAKT與Fat/Hippo通路共同作用，決定細(xì)胞大小和隔間大小(Mohitetal., 2006; Hershetal.,2007; Pavlopoulos and Akam, 2011; Slatteryetal., 2011)。單獨(dú)激活A(yù)kt并不影響平衡棒的細(xì)胞大小，當(dāng)Ex下調(diào)時，同時激活A(yù)kt信號，導(dǎo)致細(xì)胞大小和數(shù)量增加，平衡棒尺寸顯著增大。與野生型相比，增大的平衡棒外部形態(tài)更為扁平，呈現(xiàn)出與翅相似的形態(tài)特征，表明IIS/dAKT與Fat/Hippo在平衡棒發(fā)育和分化過程起著重要的調(diào)控作用。(Singhetal., 2015)。此外，Ubx介導(dǎo)的表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor, EGFR)通路的調(diào)節(jié)也參與平衡棒命運(yùn)的決定，EGFR通路的關(guān)鍵基因，如EGFR,Vein(Vn),Pointed和Yen是Ubx的直接靶標(biāo)(圖1: C)，當(dāng)EGFR和Vn受Ubx調(diào)控在平衡棒芽中過表達(dá)時，會導(dǎo)致平衡棒向翅的轉(zhuǎn)變(Khanetal., 2020)。

最近的研究發(fā)現(xiàn)，Ubx還可通過控制頂端和基部胞外基質(zhì)的降解調(diào)節(jié)形態(tài)發(fā)生，在翅-平衡棒的轉(zhuǎn)化過程中阻止胞外基質(zhì)重塑，破壞翅形態(tài)發(fā)生，阻止其伸長和扁平化(Deetal., 2018)。Ubx通過抑制MMP1的表達(dá)，延緩翅芽細(xì)胞外基質(zhì)的降解程度和時間，阻止扁平的翅形態(tài)發(fā)生(De Las Herasetal., 2007)，形成平衡棒類似形態(tài)。通過抑制細(xì)胞外基質(zhì)蛋白酶基因Stubble(Sb)和Notopleural(Np)的表達(dá)，減少平衡棒頂端細(xì)胞外基質(zhì)的降解，并損害了背腹層的粘附性，導(dǎo)致平衡棒內(nèi)部空泡的產(chǎn)生。這項研究為Ubx如何控制形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化提供了新的解釋(Diaz-De-La-Lozaetal., 2020)。

2 昆蟲平衡棒的形態(tài)結(jié)構(gòu)

Agrawal等(2017)使用掃描電子顯微鏡觀察并比較了橫跨雙翅目的42個科昆蟲的平衡棒形態(tài)，這些昆蟲包括長角亞目(Neodiptera)大蚊科(Tipulidae)、蛾蚋科(Psychodidae)和蚊科(Culicidae)等，以及蠅類有瓣類(calyptrates)等。通過觀察發(fā)現(xiàn)，不同屬的平衡棒外部形態(tài)不同，具有多樣性。其中，大蚊科擁有最長的平衡棒，長度在1～3 mm之間；糞蚊科(Scatopsidae)擁有最短的平衡棒，長度僅有0.17～0.18 mm。平衡棒球狀端部的長度通常與平衡棒的長度成正比，平衡棒越長，球狀端部相應(yīng)也越長。然而，在長角亞目中，棒柄長度的縮短導(dǎo)致球狀端部占據(jù)了更大的比例，超過40%。有瓣蠅類原有的科[大蚊科、冬大蚊科(Trichoceridae)、褶蚊科(Ptychopteridae)、網(wǎng)蚊科(Blephariceridae)]和其較遠(yuǎn)的派生科[麗蠅科(Calliphoridae)、麻蠅(Sarcophagidae)、花蠅科(Anthomyiidae)和寄蠅科(Tachinidae)]的昆蟲，身體形狀差別很大，但其平衡棒形狀卻很相似，均具有較為一致的長柄和較小的球狀端部(圖2: C)。

圖2 雙翅目昆蟲平衡棒形態(tài)與結(jié)構(gòu)示意圖(改自Agrawal et al., 2017)

黑腹果蠅的平衡棒呈啞鈴狀，這種末端球狀端部表現(xiàn)出相當(dāng)大的形態(tài)不對稱性(Mohrenetal., 2019)，幾乎整個球狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部都充滿了高度空泡化的細(xì)胞，這些細(xì)胞保持膨大的壓力，使末端的表皮層膨脹(圖2: A)(Pringle, 1948)。果蠅的成蟲翅和平衡棒都由兩層上皮細(xì)胞組成，與翅不同，平衡棒兩層細(xì)胞之間充滿了血細(xì)胞(Roch and Akam, 2000)；由于細(xì)胞粘附的改變，平衡棒形成球狀而不是扁平的雙層，也沒有邊緣的剛毛排列(Roch and Akam, 2000)。翅細(xì)胞的表皮區(qū)域是平衡棒細(xì)胞的8倍(Singhetal., 2015)；平衡棒細(xì)胞呈立方體狀(Roch and Akam, 2000)，毛狀體短而粗壯。由于細(xì)胞的數(shù)量、大小和形狀的差異，使得平衡棒形成其獨(dú)特的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

平衡棒上保留了許多本應(yīng)存在于昆蟲后翅上的表皮機(jī)械傳感器(Murel and Fox, 2015)。1982年，在平衡棒基部區(qū)域發(fā)現(xiàn)機(jī)械感覺結(jié)構(gòu)，稱為鐘形感受器(Cole and Palka, 1982)。平衡棒具有數(shù)百個機(jī)械感覺細(xì)胞，其中絕大多數(shù)分布在鐘形感受器中(Gnatzyetal., 1987)，這些感受器能夠檢測到身體俯仰、翻滾和偏航產(chǎn)生的科氏力(Nalbach and Hengstenberg, 1994)，當(dāng)平衡棒拍動和身體旋轉(zhuǎn)時，科氏力驅(qū)動平衡棒發(fā)生細(xì)微變形，鐘形感受器會刺激下游神經(jīng)元，以響應(yīng)不同速度的身體旋轉(zhuǎn)。2017年Agrawal實(shí)驗室的研究，報道了42種雙翅目昆蟲平衡棒的鐘形感受器，并根據(jù)它們的相對位置進(jìn)行了命名。在平衡棒背側(cè)基部，感受器分為4個區(qū)：背側(cè)希克斯乳突感受器(dorsal Hicks papillae, dHP),背基板感受器(dorsal basal plate sensilla, dBP),肩胛板背感受器(dorsal scapal plate sensilla, dSP)和側(cè)翅感受器(flanking sensilla, FS)。在平衡棒腹側(cè)基部，它們聚集在腹側(cè)?？怂谷橥桓惺芷?ventral Hicks papillae, vHP)或腹側(cè)肩胛板感受器(ventral scapal plate sensilla, vSP)內(nèi)(圖2: B)(Agrawaletal., 2017)。除了鐘形感受器，平衡棒還有少量的其他感覺細(xì)胞，例如平衡棒基部和端部上的少量的毛狀感受器(Murel and Fox, 2015)。

3 昆蟲翅與平衡棒的運(yùn)動機(jī)制

昆蟲在飛行中，翅的移動必須既精確又快速。較小的昆蟲必須以更高的頻率拍打翅，才能產(chǎn)生足夠的空氣動力來保持高空飛行。因此，雙翅目昆蟲對其飛行運(yùn)動提出了更為苛刻的要求，需要保持翅拍打頻率超過100 Hz才能維持高速飛行。然而，神經(jīng)系統(tǒng)并不能以這樣高的頻率對翅和身體進(jìn)行精確控制，這對其運(yùn)動傳感系統(tǒng)的敏感性及高效性提出了挑戰(zhàn)。那么雙翅目昆蟲如何對其翅和身體運(yùn)動進(jìn)行更為精確的控制呢？

3.1 翅與平衡棒運(yùn)動的肌肉控制

肌肉控制在昆蟲飛行運(yùn)動中發(fā)揮著重要作用(Sink, 2005)，飛行肌肉根據(jù)其功能，分為直接飛行肌(direct flight muscles, DFM)或間接飛行肌(indirect flight muscles, IFM)，根據(jù)生理結(jié)構(gòu)分為異步肌肉(asynchronous muscle)或同步肌肉(synchronous muscle)?？刂瞥徇\(yùn)動的中胸肌肉主要包括：提供翅移動動力的間接異步肌(indirect asynchronous muscle)，調(diào)整運(yùn)動的直接同步肌(direct synchronous muscle)，以及調(diào)節(jié)胸腔張力的間接同步肌(indirect synchronous muscle)(Dickinson and Tu, 1997; Chanetal., 1998)。間接飛行肌肉與異步飛行肌肉相結(jié)合發(fā)揮重要作用，實(shí)現(xiàn)雙翅目昆蟲高頻率的拍翅動作(Deoraetal., 2015)。其中，異步肌肉通過胸部變形拉伸引發(fā)肌肉運(yùn)動(Josephsonetal., 2000)。間接飛行肌的背腹肌收縮引起背縱肌的伸展，從而建立胸腔的共振振蕩，然后通過翅鉸鏈轉(zhuǎn)化為較大振幅的翅運(yùn)動(Bastian and Esch, 1970)。

在典型的雙翅目昆蟲果蠅中，其翅和平衡棒分別由一組獨(dú)立的肌肉驅(qū)動，翅拍打運(yùn)動時由上述異步肌肉結(jié)合間接飛行肌肉驅(qū)動(Deoraetal., 2015)。平衡棒在飛行過程中也會運(yùn)動，并配備了單獨(dú)的一組控制肌肉：1塊平衡棒間接異步肌(haltere indirect asynchronous muscle, hIAM)和7塊平衡棒直接同步肌(haltere direct synchronous muscle, hDSM)，這7塊直接同步肌肉進(jìn)一步分為兩組：平衡棒基底肌(haltere basalares, Hbs)(Hb1和Hb2)和平衡棒腋肌(haltere axillaries, hIs) (hI1, hI2, hIII1, hIII2和hIII3) (Dickersonetal., 2019)。平衡棒通過一個復(fù)雜的關(guān)節(jié)連接到胸腔，該關(guān)節(jié)由4個堅硬的骨板組成，共同構(gòu)成了鉸鏈。平衡棒的控制肌肉插入連接到鉸鏈內(nèi)，可以使平衡棒的柄相對于胸部進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)(Chanetal., 1998)，在飛行過程中控制平衡棒的運(yùn)動。

3.2 翅與平衡棒運(yùn)動的方向控制

在昆蟲飛行過程中，翅和平衡棒之間運(yùn)動的相互協(xié)調(diào)極其精確。Deora等(2015)研究發(fā)現(xiàn)，在黑水虻Hermetiaillucens中，其雙側(cè)翅同向移動，而平衡棒相對于翅反向移動。雙側(cè)翅通過胸部的小盾片(scutellum)機(jī)械連接在一起，即翅與翅、平衡棒與平衡棒之間的協(xié)調(diào)是機(jī)械連接介導(dǎo)的，因此，人為操縱死亡黑水虻的單側(cè)翅，對側(cè)的翅也會產(chǎn)生同步運(yùn)動。此外，研究還發(fā)現(xiàn)同側(cè)翅-平衡棒之間也存在獨(dú)立的機(jī)械連接協(xié)調(diào)運(yùn)動(Deoraetal., 2015)。

Deora等(2015)提出一種假設(shè)：在每個翅的基部存在有一個“翅離合器”。蠅類使用“離合器”主動接觸或隔離它們的翅，使其免受胸部振動的影響。根據(jù)這一假設(shè)，翅處于兩種狀態(tài)：接合狀態(tài)與非接合狀態(tài)?！俺犭x合器”的接合將胸部張力傳遞并轉(zhuǎn)化為翅運(yùn)動；當(dāng)翅處于接合狀態(tài)時，間接的異步飛行肌肉震動小盾片，由于小盾片連接，兩個翅以完全相同的相位和頻率拍動，通過兩側(cè)膜下脊傳遞張力，平衡棒做出相對于翅的反相位運(yùn)動。翅-平衡棒之間的反相位協(xié)調(diào)運(yùn)動對于昆蟲啟動和維持飛行至關(guān)重要(Chanetal., 1998; Deoraetal., 2015)。

3.3 平衡棒感器在運(yùn)動中的作用

盡管平衡棒在進(jìn)化過程中失去了它們的空氣動力學(xué)作用，但其基部的感受器在飛行過程中發(fā)揮著重要的作用(Chanetal., 1998)。在飛行時，身體的穩(wěn)定性在一定程度上是通過接收、整合平衡棒的感覺信息維持的。在飛行過程中，昆蟲的平衡棒不會產(chǎn)生升力，但經(jīng)歷復(fù)雜的飛行軌跡時，它們受到各種慣性力的影響，平衡棒上的感受器可以檢測到由慣性力引起的表皮形變，并通過電緊張性突觸向飛行運(yùn)動神經(jīng)元提供快速飛行反饋(Chanetal., 1998)。此外，鐘形感受器還傳遞身體旋轉(zhuǎn)角速度的感覺信息，這些信息通過平衡棒神經(jīng)傳遞到中樞神經(jīng)系統(tǒng)，以控制翅(Fayyazuddin and Dickinson, 1996; Keil, 1997) 和頭部的運(yùn)動(Huston and Krapp, 2009; Dickersonetal., 2014)。平衡棒通常調(diào)節(jié)較快的身體運(yùn)動，而視覺系統(tǒng)調(diào)節(jié)較慢的視覺運(yùn)動，平衡棒感覺信息與視覺系統(tǒng)的反饋信息相結(jié)合，提供了穩(wěn)健的機(jī)制，在身體旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)調(diào)整頭部運(yùn)動，這種調(diào)節(jié)機(jī)制將平衡棒感覺信息和視覺信息相結(jié)合用于操縱翅的行為(Kathman and Fox, 2019)。

4 平衡棒的生物學(xué)功能與仿生學(xué)應(yīng)用

當(dāng)昆蟲運(yùn)動時，平衡棒中的感受器可以檢測到身體是否偏離，從而維持身體平衡和穩(wěn)定視覺系統(tǒng)(Dickinson, 1999; Sherman, 2003; Rosneretal., 2009)。平衡棒感受系統(tǒng)對身體旋轉(zhuǎn)的角速度變化十分敏感(Sherman, 2003)。當(dāng)平衡棒主動拍打震蕩并經(jīng)歷復(fù)雜的飛行軌跡時，平衡棒基部的鐘形感受器可以感知慣性力和身體角度旋轉(zhuǎn)、調(diào)節(jié)矯正產(chǎn)生的科氏力(Chan, 2015)，并且向運(yùn)動神經(jīng)元提供快速飛行的反饋信息，穩(wěn)定水平面內(nèi)的俯仰動作并且及時發(fā)現(xiàn)偏航行為，從而使果蠅在飛行過程中保持身體平衡，糾正錯誤航向，同時檢測回轉(zhuǎn)力以便于它做出高難度的飛行動作(Pringle, 1948; Dickinsonetal., 1998; Kathman and Fox, 2019)。

Daltorio與Fox(2018)發(fā)現(xiàn)，平衡棒的作用不僅限于飛行方面，在垂直表面的爬行過程中也發(fā)揮作用。通過重力試驗發(fā)現(xiàn)，昆蟲可以用平衡棒來探測重力的方向和大小，去除平衡棒的果蠅在垂直面的爬行速度顯著低于在水平面上的，也低于正常果蠅在垂直表面的平均速度，但在水平表面上，完整的果蠅的爬行速度與去除平衡棒的果蠅之間無差異。

平衡棒在飛行中維持平衡的原理，為其在仿生學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。平衡棒將復(fù)雜的物體動力學(xué)轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號的機(jī)制啟發(fā)了飛行器陀螺傳感器的創(chuàng)新設(shè)計(Mohrenetal., 2019)。研究人員根據(jù)平衡棒的導(dǎo)航原理，研制出小巧的新型導(dǎo)航儀器——“振動陀螺儀”，改進(jìn)了飛機(jī)的性能，使其能夠自動停止危險的滾翻飛行，在機(jī)體強(qiáng)烈傾斜時恢復(fù)平穩(wěn)，確保飛行的穩(wěn)定與安全。同時根據(jù)平衡棒的運(yùn)動學(xué)模型，制成仿生微型棒狀導(dǎo)航傳感器(bionic micro-stick-shaped navigation sensor, BMSSNS)，該微機(jī)電系統(tǒng)傳感器克服了當(dāng)前導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大的缺點(diǎn)，在運(yùn)動過程中實(shí)現(xiàn)載體的精確定位和姿態(tài)調(diào)節(jié)(沈翔和趙立業(yè), 2019)。因此，平衡棒結(jié)構(gòu)與功能的解析，不僅可以完善昆蟲附肢發(fā)育的理論研究，同時也具有重要的仿生學(xué)意義，為航向控制傳感器的設(shè)計提供了新方向。