仿刺參（Apostichopus japonicus）攝食和運動器官的結構與功能

趙鵬，楊紅生，孫麗娜

（1.中國科學院海洋研究所，山東 青島 266071；2.國家海洋信息中心 天津 300171）

仿刺參（Apostichopus japonicus） 屬棘皮動物門（Echinodermata），海參綱（Holothuroidea），楯手目（Aspidochirotida），刺參科（Stichopodidae）。主要分布于北太平洋沿岸淺海，是經濟價值很高的海水養殖對象（廖玉麟，1997）。楯手目海參依靠觸手黏附、掃取沉積物；攝食時充分伸展觸手，分泌粘液、黏附沉積物碎屑，并將碎屑送入口咽部。海參綱部分生物對食物的粒度和有機物含量具有選擇性，觸手作為海參主要的攝食器官對食物的選擇具有重要作用。研究仿刺參觸手形態結構及粘液細胞的類型和功能對研究仿刺參的攝食有重要意義。

棘皮動物作為底棲生物，其行為和適應性與底質條件密切相關。附著、運動、取食、挖洞等行為有賴于管足對底質的黏附和抓取。管足是仿刺參主要的運動器官，研究仿刺參管足的形態結構及其肌肉組織、神經組織、粘液細胞的類型、分布對研究仿刺參的運動和分布具有重要意義。

對海參觸手結構和功能的研究主要集中于枝手目海參成體。國外學者對楯手目部分種類海參觸手和管足結構、功能進行了報道（Cameron et al，1984）；國內學者對仿刺參水管系統的組織學結構也進行了研究（朱峰，2009），但從攝食、運動角度對仿刺參觸手、管足的結構、功能的研究報道較少。此外，在人工條件下對攝食行為和攝食偏好進行研究，獲取生物攝食、運動等基礎知識對研究生物攝食生態學至關重要（Hudson，2005）。本研究旨在利用光鏡、組織學、組織化學、電鏡技術等方法對仿刺參觸手、管足的結構及粘液細胞等的類型進行研究，為仿刺參攝食生態學的研究提供理論基礎。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

仿刺參（體重50 g 左右） 取自山東青島膠南市圍堰養殖場，實驗前，置于實驗室循環水水槽內暫養7 d，水溫15 ℃～18 ℃。每日投喂海泥、益參寶混合餌料（比例2 ∶1）。

1.2 實驗方法

1.2.1 麻醉

將仿刺參放入盛有1L 新鮮海水的玻璃容器內。待海參觸手、管足伸出后，向海水中逐滴滴加10%MgCl2，至仿刺參運動減弱，觸手、管足伸展、不再收縮時為止。2 h 后，取出仿刺參個體，進行固定。

1.2.2 組織學和組織化學觀察

仿刺參整體用Bouin 氏固定液固定24 h 后（仿刺參觸手、管足較薄，固定液容易穿透，故無需向仿刺參體內注射固定液），保存于70%酒精中。取觸手和管足，常規石蠟切片，切片厚度4 μm，Nikon 80i 型顯微鏡下觀察和拍照。

H.E.染色用于顯示組織細胞的基本結構；Milligan 三色染色用于觀察肌肉、膠原的分布。

按愛茜藍-過碘酸雪夫氏法（AB-PAS） 對觸手、管足的粘液細胞、粘多糖進行染色定位。其中中性粘多糖呈紅色、酸性粘多糖呈藍色、混合性粘多糖呈紫紅色。

1.2.3 掃描電鏡觀察

仿刺參整體用5%戊二醛固定液固定2 h 后，取管足、觸手、口咽部組織塊，經0.1 mol/L 磷酸緩沖液（pH=7.4） 沖洗后，放入0.1 mol/L 磷酸緩沖液保存。臨界點干燥儀干燥，IB-3 型離子濺射儀噴金，KYKY2800B 型掃描電鏡下觀察、拍照。

1.2.4 透射電鏡觀察

將待取組織浸入3.5%戊二醛中15 min 左右后，取1×1×1 mm3仿刺參觸手、管足組織塊放入3.5%戊二醛固定液固定24 h。1%鋨酸后固定，乙醇梯度脫水，Epon812 環氧樹脂包埋，LKB 超薄切片機切片。醋酸鈾和檸檬酸鉛雙重染色，日立H-7000 型透射電鏡下觀察、拍照。

1.2.5 行為學觀察

在120×40×40 cm，水深20 cm 的玻璃水槽中，從水槽底部和側面觀察刺參攝食和運動行為。

2 結果

2.1 觸手

2.1.1 掃描電鏡觀察

仿刺參口咽周圍有20 個觸手。觸手由柄部、楯狀觸手組成。楯狀觸手由掌心中央向外形成大致對稱的8 個主要分支，一些主要分支又形成次級、三級或更細的分支，在分支的腹面分布有許多1-3個一簇的乳突（圖1.A）。楯狀觸手的乳突上密布大量的微絨毛和小孔（圖1.B，1.C）。而位于楯狀觸手掌心的細胞則沒有微絨毛（圖1.D）。乳突和掌心上都分布有大量的粘液，黏附著顆粒物質（圖1.C，1.D）。

2.1.2 組織學和組織化學觀察

仿刺參的觸手柄部自外向內依次為角質層、上皮、疏松結締組織、致密結締組織、神經層、縱肌層、間皮（圖2.A，2.C）。致密結締組織靠近神經層一側分布有1-2 層細胞呈AB 陽性，含有酸性粘多糖（圖2.F）。在結締組織、觸手分支基部，分布有眼點（圖2.D）。

圖1 觸手的掃描電鏡觀察

仿刺參觸手末端與柄部結構組成大部分相同（圖2.E），僅在觸手末端腹面上皮加厚，且分布有大量神經感覺細胞；觸手末端結締組織較薄（圖2.B）。結締組織、觸手末端和眼點中含有大量酸性粘多糖（圖2.C，2.D，2.E）。

2.1.3 透射電鏡觀察

圖2 觸手的組織學結構和組織化學觀察

透射電鏡照片顯示仿刺參觸手乳突上皮主要由柱狀細胞組成，柱狀細胞中包含有電子密度高的顆粒囊泡，細胞核位于近基底面，而顆粒囊泡集中在上皮細胞的近游離面。上皮表層有大量微絨毛，一些微絨毛中含有顆粒囊泡。乳突上皮層中還分布有帶微絨毛環的無纖毛分泌細胞（non-ciliated secretory cells，NCS） （圖3.A）。

仿刺參水管系統內側間皮主要由變形細胞組成，變形細胞內側為縱肌纖維，肌纖維附近有大量線粒體。肌纖維內側為致密的膠原纖維組成的基膜，這在水管系統和觸手乳突上皮較為常見。基膜內側為一層神經細胞，神經層內側為致密結締組織（圖3.B）。

圖3 觸手超微結構觀察

2.2 口咽

口咽的掃描電鏡照片顯示，口咽表皮環向內折，形成許多褶皺（圖4.A）。表皮上分泌有大量粘液，黏附大量顆粒狀物質，但表皮沒有微絨毛分布（圖4.B）。

圖4 口咽的掃描電鏡照片

2.3 管足

2.3.1 掃描電鏡觀察

仿刺參的管足由柄部和吸盤組成（圖5.A），吸盤分為外緣的外周區和中央凹陷。吸盤表面密布著大量微絨毛和小孔（圖5.B）。吸盤上分布著粘液，黏附有顆粒物質。

圖5 管足的掃描電鏡照片

2.3.2 組織學和組織化學觀察

仿刺參管足壁自內向外依次為間皮、縱肌層、神經層、致密結締組織、疏松結締組織、上皮、角質層（圖6.A，6.D）。在神經層與結締組織之間有一層呈AB 陽性的細胞，含有酸性粘多糖（圖6.B）。

圖6 管足的組織學和組織化學觀察

仿刺參管足盤狀端自外向內依次為角質層、上皮、神經板、結締組織、端板、間皮（圖6.C）。管足壁的縱肌層連接端板兩端（圖6.A）。管足頂端上皮加厚，酸性粘多糖含量豐富。

2.3.3 透射電鏡觀察

仿刺參管足縱切的透射電鏡照片顯示，仿刺參管足吸盤上皮有許多微絨毛和纖毛。著生纖毛的細胞是有纖毛的非分泌細胞（ciliated non-secretory cells，CNS），纖毛伸出表皮，有規則的“9+2”結構（圖7.A）。無纖毛分泌細胞（non-ciliated secretory cells，NCS） 的細胞核位于細胞遠離表皮一端（圖7.B），細胞向表皮一側伸出長的凸起到達管足吸盤末端（圖7.B）。NCS 含有電子密度高的粘液顆粒，細胞頂端有充有該種粘液顆粒的微絨毛狀細胞凸起，細胞頂端有環有微絨毛的開口，這種孔在掃描電鏡照片中也能看到。一些NCS 絨毛狀凸起中的粘液顆粒在管足吸盤附著后被排出（圖7.A）。支持細胞（support cell，SC） 填充與以上細胞之間（圖7.A）。

圖7 管足吸盤表皮的超微結構觀察

2.4 攝食和運動行為觀察

2.4.1 攝食行為觀察

刺參依靠觸手攝食沉積物。攝食時，觸手末端分支接觸沉積物，并充分伸展呈“樹枝”狀，停留2-5 秒后，觸手分支在觸手柄部的帶動下脫離沉積物表面，并插入口咽。在這一過程中，觸手分支收縮，附著在觸手上的沉積物顆粒部分脫落。同一時間段內，若干觸手同時接觸沉積物或插入口咽。

2.4.2 運動行為觀察

刺參運動時，身體前端管足吸附在附著基上，中部體壁收縮并隆起呈倒U 型，后部向前移動；后部吸附附著基，中部伸展，前端向前移動。在光滑的附著基上，管足吸盤牢固地吸附在附著基上，在細沙或淤泥表面，管足不能牢固地附著，但管足深長插入沉積物，并留下“足印”。

3 討論

3.1 攝食器官

仿刺參通過在沉積物上伸展、收縮觸手，并將觸手插入口咽攝取食物。伸展觸手時，與水管系統末端分支相連的縱向分布的肌纖維舒張，包圍壇囊（ampullae） 的肌纖維收縮，將水壓入水管腔中，導致觸手伸長；而觸手壁的結締組織則防止水管橫向膨脹。水管腔延伸到仿刺參觸手乳突的末端，使觸手更容易伸長，縱肌纖維收縮引發觸手收縮。仿刺參觸手的8 個主要分支軸對稱排列，在觸手舒張時，能夠向前向兩側伸展，使觸手腹面表面積最大化。與觸手柄部的上皮相比，仿刺參觸手乳突上皮分布有大量柱狀粘液細胞，分泌的粘液可以在微絨毛縫隙間形成粘液層，起到黏附食物的作用。結合仿刺參觸手在沉積物表面舒展、接觸，而非抓取食物的特點看，仿刺參主要通過粘液黏附食物并送入口咽中。仿刺參觸手乳突腹面有大量微絨毛，而“掌心”則沒有微絨毛，因此，仿刺參觸手黏附食物顆粒的主要部位是觸手的乳突。刺參神經層向觸手柄部外側和乳突發出樹突，并延伸至乳突末端，這意味著觸手乳突不僅僅分泌粘液還能接受并傳遞外界信號。此外，觸手上分布的眼點也能感覺外界信號。

在對海參（Cucumaria pseudocurata） 的觸手乳突由許多頂端著生微絨毛的分泌細胞組成，細胞中含有膜包被的粘液顆粒（粘液囊泡），這些顆粒無疑可以將乳突和食物粘合起來（Hermans et al，1983）。與其他海參相似，仿刺參觸手乳突上皮微絨毛以及著生有環狀微絨毛的無纖毛細胞也有電子密度高的粘液囊泡，這些粘液囊泡在形態學和組織化學上與其他無脊椎動物粘液腺體分泌的粘液囊泡相似（Hermans et al，1983），可從微絨毛中釋放出來。觸手乳突是與海膽球形叉棘上感覺小丘同源的感覺部位（Bouland et al，1982），其上皮的無纖毛粘液細胞能感受到機械和化學刺激（Fankboner et al，1978），而管足上相似的細胞則專司化學感覺（Burke，1980）。本研究中，仿刺參觸手乳突存在無纖毛粘液細胞可能意味著觸手能夠感覺沉積物的成分和形態。不過也有學者認為，棘皮動物表皮細胞缺乏感覺特異性。Hermans 等（1983） 認為海參觸手表面只有一種分泌粘液的細胞存在，海參無法主動脫去食物顆粒，即海參觸手表面存在著一種僅能粘附捕獲食物、而不能丟棄食物的單腺（single gland） 粘附機制。在本研究中，觀察到一種含有電子密度高的顆粒囊泡的分泌細胞（圖3A），雖然尚不清楚觸手表面其他細胞的功能，不能斷定仿刺參觸手粘液細胞是單腺機制，但進一步研究仿刺參觸手粘液細胞的類型和功能無疑是研究其攝食機制的重要方向。

仿刺參從沉積物表面撤回觸手后，在口咽部環狀分布的褶皺處刮掉食物。口咽處的粘液粘附食物，口咽收縮，食物進入消化道。觀察中發現，一些顆粒從口咽中被排出，但尚不清楚這種現象是對食物的主動選擇還是食物從口咽部脫落。與本研究的結果相類似，海參（C.pseudocurata） 觸手表面只有一種分泌粘液的細胞存在，觸手不能主動釋放食物，而需借助口咽分泌的大量粘液完成（Hermans et al，1983）。仿刺參在口咽部刮掉食物這一現象可能預示著仿刺參觸手不能主動脫去食物顆粒，缺乏挑揀、辨識沉積物顆粒的能力。

3.2 運動器官

仿刺參管足由柄部和吸盤組成，柄部通過與觸手類似的機制延長、收縮。管足柄部肌纖維末端連接吸盤的篩板，肌纖維收縮導致吸盤與附著基之間形成低壓空腔，使仿刺參附著在附著基上。雖然管足吸盤能強有力的吸附表面光滑的物體，但仿刺參在粒徑小于管足直徑的沉積物上仍能運動，管足像“錨”一樣伸入沉積物內部固定住身體，再通過伸展和收縮體壁向前運動。這種現象意味著除管足吸盤“抽真空”式地吸附附著基以外，管足上還有其他參與附著的機制。Paine（1926） 首次通過實驗證明了棘皮動物管足化學（粘液） 粘附的重要性，她發現海星（Asterias vulgaris） 帶有粘液吸盤的粘附能力比吸盤單獨的粘附能力高一倍。Smith（1937） 在對海星綱、海膽綱、海參綱代表性物種進行研究后，認為它們吸盤發達的吸附能力是由機械吸附和粘液黏附共同參與的。海參（Holothuria forskali） 管足沒有吸盤，完全靠分泌粘液在附著基上移動（Flammang et al，1992）。Binyon（1972）對海星（A.vulgaris） 的研究中發現其吸盤44%的粘附能力來自于管足吸盤分泌的粘液。綜上所述，仿刺參管足粘液粘附和吸盤吸附對其運動能力均有貢獻。

與觸手乳突一樣，管足吸盤表面也有大量微絨毛，并有帶微絨毛環的纖毛。管足柄部的組織學結構與觸手柄部類似。管足吸盤的鈣質篩板與柄部的縱肌纖維相連，吸盤下方有一層神經組織，神經細胞的末端到達吸盤上皮。Hermans 等（1983） 提出棘皮動物管足上存在著一種雙腺（duo-gland） 粘附-脫粘附機制來控制管足粘附和脫離附著基。Flammang 等（1998） 發現海參H.forskali 吸盤表面有5 種細胞：無纖毛細胞（NCS，I 型、II 型）、支持細胞（SC）、有纖毛的非分泌細胞（CNS）、有纖毛的分泌細胞（CS）。他認為NCS 釋放粘性分泌物，而CS 釋放去粘性分泌物或抑制NCS 釋放粘性分泌物。粘附時，管足表皮和附著基之間形成薄的粘液層；脫粘附時，CS 釋放酶等終止粘性物質與粘液層分離，并使管足與基質脫離。本研究中（圖7A、B），發現了細胞細長，細胞核位于神經板上方的NCS、細胞的細胞核位于上皮表層的SC 和CNS，CNS 細胞有伸出表皮的纖毛，與SC 細胞一起被認為是與感覺有關的細胞，未發現鞭毛向下著生的CS，但這并不意味著仿刺參沒有該種細胞。雙腺粘附-脫粘附機制仍可能作為解釋仿刺參運動器官與附著基相互作用的一種學說。

4 小結

（1） 仿刺參觸手和管足的組織結構相似，縱肌纖維和水管系統配合完成觸手和管足的伸展、收縮和彎曲；觸手和管足均含酸性粘多糖。

（2） 仿刺參觸手乳突頂端分布有一種含有顆粒囊泡的粘液細胞，粘液細胞通過細胞表面的微絨毛分泌粘液粘附食物顆粒。仿刺參觸手不能主動脫掉食物顆粒，而需在口咽部刮掉食物顆粒。

（3） 仿刺參管足吸盤表層有CNS、SC、NCS 細胞，它們在管足與附著基結合過程中起到重要作用。

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