球金龜 張巍巍攝影

人類“內(nèi)卷”，動(dòng)物也“內(nèi)卷”——個(gè)中高手甚至能把自己卷成一個(gè)“球球”。犰狳、穿山甲、刺猬、球馬陸、球鼠婦等，在遇到危險(xiǎn)時(shí)都能迅速卷成緊密球體，保護(hù)腹部、四肢等脆弱的部位。

“這種行為甚至有一個(gè)專業(yè)名詞——成球行為（Conglobation）。”中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所研究員白明告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

【資料圖】

近日，由中科院動(dòng)物所牽頭，中意德三國(guó)科學(xué)家合作完成的一篇論文，發(fā)表在《通訊生物學(xué)》(Communications Biology)雜志上。這篇論文針對(duì)一種小小的昆蟲——球金龜，揭示了它們“成球”的秘密。

“球”與“非球”區(qū)別在哪？

在各種動(dòng)物類群中，昆蟲的身體結(jié)構(gòu)其實(shí)并不適于成球。

“因?yàn)樗鼈兊纳眢w軀干只有頭胸腹三個(gè)體節(jié)，很難形成緊密的球形。大多數(shù)情況下，身體腹面、足等部位會(huì)不可避免地外露。”白明解釋道，他是這篇論文的共同通訊作者之一。

但有一些小家伙做到了。

球金龜是金龜總科、駝金龜科、球金龜亞科昆蟲的統(tǒng)稱，已知44屬448種，分布在泛熱帶區(qū)。這類昆蟲比較罕見，主要生活在白蟻巢、枯枝落葉層和朽木等隱秘生境中。

雖然都被稱為球金龜，但它們的身手差距還是比較大的。一些球金龜只能形成松散球形，或者完全不能成球，而另一些則能形成緊密球形。

“球”與“非球”的區(qū)別到底在哪里呢？

研究人員通過(guò)幾何形態(tài)學(xué)定量分析了全球74種球金龜?shù)男螒B(tài)特征，發(fā)現(xiàn)在3種不同的成球類型（不能成球，松散球形、緊密球形）中，球金龜?shù)念^、前胸背板、鞘翅和足等結(jié)構(gòu)均有穩(wěn)定差異。

進(jìn)一步結(jié)合顯微CT和三維重建技術(shù)，研究人員首次發(fā)現(xiàn)，緊密型球金龜在體壁厚度上存在異速生長(zhǎng)現(xiàn)象，也就是球外側(cè)（前胸背板和鞘翅）的體壁厚度顯著厚于內(nèi)側(cè)體壁（胸部和腹部腹面），而它們的體壁厚度也與不能成球的金龜有顯著差異。

“我們推測(cè)，這可能是在能量有限情況下的一種權(quán)衡策略（trade-offs）。”論文第一作者、中科院動(dòng)物所博士后路園園說(shuō)，“當(dāng)組成體壁的物質(zhì)有限時(shí)，更多的材料被分配到球的外側(cè)，而被包裹在球內(nèi)的體壁組成材料則相對(duì)較少”。

成球行為從何而來(lái)？

在此之前，球金龜?shù)某汕蛐袨檠莼瘹v史并不清晰。僅有的一塊化石記錄表明，松散球形種類可能最早出現(xiàn)在新生代（約1500萬(wàn)至2500萬(wàn)年前）。

這一次，研究人員詳細(xì)調(diào)查了不同產(chǎn)地和地質(zhì)時(shí)間的化石。幸運(yùn)的是，他們?cè)诳藲J琥珀和多米尼加琥珀中都發(fā)現(xiàn)了球金龜?shù)拇嬖冢⑶沂状卧谥猩s1億年前）記錄了松散球形的新屬種，以及新生代完整球形的新種。

這些發(fā)現(xiàn)不僅將球金龜成球行為的起源提前了約8000萬(wàn)年，也是昆蟲中成球行為的最早記錄之一。

化石初步串聯(lián)起了球金龜?shù)某汕蛑?，為成球行為的演化揭開了冰川一角。

“我們的研究結(jié)果表明，成球行為在球金龜中是單次起源的，即從不成球到松散球形，然后到緊密球形的演化順序，其中也伴隨著在少量節(jié)點(diǎn)上的反轉(zhuǎn)。”路園園說(shuō)。

與成球關(guān)系密切的身體結(jié)構(gòu)包括頭、前胸背板和鞘翅，它們的演化過(guò)程并不相同。本文重要作者，中科院動(dòng)物研究所鄒征廷研究員說(shuō):“中生代球金龜首先經(jīng)歷了鞘翅的快速適應(yīng)演化，為成球行為形成奠定了基礎(chǔ)，前胸背板緊隨其后，最后在新生代球金龜頭部的快速演化，為緊密球形的形成補(bǔ)上了關(guān)鍵的一環(huán)”。

為什么要變成球球？

看似簡(jiǎn)單一卷的成球行為，背后卻有如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)演變。動(dòng)物為什么要演化出這樣的行為呢？

“科學(xué)家們推測(cè)，成球行為可能具有防御和生理功能，例如保水能力和溫度調(diào)節(jié)能力。”路園園說(shuō),“比如很多人熟悉的鼠婦，就缺乏陸生節(jié)肢動(dòng)物應(yīng)有的氣門系統(tǒng)，所以需要靠成球來(lái)減緩體內(nèi)水分散失，從而適應(yīng)登陸后的生活。”

而對(duì)球金龜而言，抵抗天敵襲擊也是非常重要的一個(gè)因素。研究人員選擇球金龜與另外兩種金龜——駝金龜和鰓金龜，開展了機(jī)械力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)在被天敵直接攻擊的特定場(chǎng)景下，卷曲成球的球金龜可以抵抗更大的咬合力而不變形，表現(xiàn)出更為“抗揍”的特性。

“這些球金龜?shù)?lsquo;抗揍’特性，一方面得益于球形結(jié)構(gòu)本身，另一方面也歸功于更厚的外側(cè)體壁，以及體壁本身較強(qiáng)的機(jī)械性能。”另一位論文共同通訊作者、中科院動(dòng)物所研究員顧奇說(shuō)。

有趣的是，球金龜中松散球形種類主要生活在枯枝落葉層，緊密球形主要生活在白蟻巢穴中，研究人員由此提出了“攻擊者壓力”假說(shuō)——來(lái)自白蟻的威脅驅(qū)動(dòng)了球金龜成球行為的復(fù)雜化。

人們還發(fā)現(xiàn)，驚擾到某些生活在樹冠上的球金龜時(shí)，它們會(huì)迅速成球從而掉落消失。“對(duì)那些生活在開放環(huán)境生活的球金龜來(lái)說(shuō)，球形有助于其通過(guò)滾動(dòng)快速逃脫。然而我們認(rèn)為，這更可能是緊密球形個(gè)體在重新適應(yīng)開放環(huán)境中，成球行為的二次適應(yīng)性演化。”白明說(shuō)。

論文DOI : 10.1038/s42003-022-03685-2

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