基于PAE編碼系統對武陵洞蛭行為譜的初步研究

伍麗艷,劉 力,任伯凇,嚴思思,劉志霄

(吉首大學生物資源與環境科學學院,中國湖南 吉首 416000)

動物行為是動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,或者說是在個體層次上,動物對來自體內的生理變化和來自體外的環境變化所做出的整體性反應[1]。研究動物行為可揭示動物活動規律、探索動物行為調節對環境的適應及動物與環境之間的關系[2]。研究動物行為的首要步驟是將所研究動物的各種行為,進行真實的觀察記錄、詳細的辨析歸納、定義和描述[1,3],并按照一定的組織構建行為目錄。行為譜(ethogram)是指研究對象近乎全部所能表現出來的行為目錄[4]。行為譜編制作為動物行為研究的基礎性工作,為進一步深入研究動物行為的機制、功能與進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物行為學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,隨后國內外學者參考該方法對大量的動物行為構建了“描述行為譜”,其不僅包括人工環境下的動物行為[8～14],也包括自然環境下的動物行為[15～16]。在所建構的動物行為的描述行為譜中,有學者將描述行為譜與行為繪畫相結合[16～18];也有學者對動物行為進行層次劃分,并根據行為的生態學意義對行為進行分類[19];同時還有學者對特定環境條件下動物某些特殊行為的發生頻次及活動節律進行研究[20～21]。

2000年,蔣志剛[22]則以麋鹿為實例,通過辨識行為的基本單元,區別了“姿勢”“動作”“環境”三要素,分解了動物行為的層次,然后根據行為的適應和社群機能進行歸類,建立了以“姿勢-動作-環境”為軸心、以生態功能為分類依據的動物行為分類編碼系統(PAE編碼系統)。之后,國內出現了許多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]也有研究報道。

迄今,對于無脊椎動物PAE編碼行為譜的研究極為罕見,尤其是環節動物門的PAE行為譜尚缺乏研究報道。

武陵洞蛭(Sinospelaeobdellawulingensis)隸屬于環節動物門、蛭綱、無吻蛭目、山蛭科、中國洞蛭屬(Sinospelaeobdella),目前僅發現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的少數幾個溶洞中,以及四川省鄰水縣的老龍洞內[50～51]。中國洞蛭屬是2019年1月由劉志霄教授課題組所發表的一個新屬[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物(troglobites),因此對其PAE行為譜進行研究有助于深入探究其行為生態學特征及進化適應意義。

1 研究方法

1.1 研究樣洞及時間

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行野外觀察與數據采集。

1.2 野外觀察

研究期間,3～4人一組進入樣洞,主要采取隨機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生頻率,包括多發行為、明顯行為和少見行為等。之后,采用目標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行描述和記錄,采用連續記錄法對行為發生的頻次和持續時間進行記錄。

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

為了對洞蛭覓食行為、運動行為、寄(宿)主專一性等生物學特性進行研究,我們將小泡巨鼠(Leopoldamysedwardsi)(在洞內捕獲的)、家鼠、家兔、家鴿、蝙蝠等脊椎動物作為受試物種,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物的覓食情況,同時觀察洞蛭對人體手部皮膚的敏感性及吸血情況。

1.3 室內研究

對野外拍攝到的照片和錄像進行反復觀看與比較,提取并分析行為要素。期間,也將少量代表性的個體帶到室內,在實驗室條件下進一步地觀察洞蛭的行為特征,以補充、修正野外觀察到的行為要素與行為模式。

2 結果與分析

2.1 行為的姿勢編碼

通過反復觀察和分析,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、貼屬于靜態姿勢;爬、立為動態姿勢。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的狀態。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 行為的動作編碼

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

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

2.3 洞蛭行為發生的環境及編碼

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

表3 武陵洞蛭行為發生的環境及其編碼(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、運動行為、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Table 4 PAE coding system of behaviors for S.wulingensis

休息行為是指洞蛭在某種環境中身體呈放松狀態并維持某種姿勢不變的現象(圖2)。洞蛭的休息行為主要表現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“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.

運動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,蛭體體節由前端往后端逐步縮短,產生拉力,使尾吸盤松脫,并拉引蛭體后端向前,然后尾吸盤吸附,再重復這一動作程式,使身體發生位置變化。尺蠖式爬行是指處于靜臥狀態的洞蛭,其口吸盤松脫,蛭體向前端伸展,然后口吸盤吸附,蛭體前段的體節快速縮短產生拉力,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,如此反復動作,身體發生位移。

圖3 武陵洞蛭的運動行為(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育的需要,在周圍環境中探測、搜尋、抵近和攝取食物的姿勢與動作過程(圖4)。洞蛭覓食行為的基本程式如下:

1)對可能的宿主動物(食源刺激)到來的初始反應:當可能的宿主動物,如蝙蝠、鼠、鴿、兔或人等,在一定范圍內靠近洞蛭時,洞蛭可感受到相應的刺激,通常呈靜止狀態的洞蛭對這類刺激的反應較慢,表現出身體前段伸展,然后抬起。

2)對可能的宿主動物的定向定位探測運動:當感受到可能的宿主動物的刺激而又不知其方向和位置時,洞蛭會以身體的前段進行探貼,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重復以上動作。隨著可能的宿主動物的逐漸靠近,刺激越來越強烈,這時洞蛭的身體開始擺動并向周圍的各個方位作點式偏移,最后在一個確定的方位進行探貼,并用口吸盤吸附在支持物的表面,這表明洞蛭已經感覺到了可能的宿主動物的方位。

3)向可能的宿主動物爬行: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物的方向爬行,主要是尺蠖式爬行。在爬行過程中,洞蛭會抬起蛭體的前段進行探貼、擺動和點式偏移以對可能的宿主動物重新定位,確定下一處爬行點。

4)對可能的宿主動物進行識別:當爬至可能的宿主動物的軀體周圍時,洞蛭會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物進行識別。

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行試探,有時吸吮,有時不吸吮,有時吸吮片刻又脫開,另找位置再試探,最后多數是在蝙蝠的足趾關節或者翼膜等皮薄毛稀、毛細血管豐富之處,咬開皮膚吸血。在溶洞內,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生的與繁殖直接相關的動作過程與活動,包括親吻、交媾、產繭等。

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

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

產繭期是一個非常重要的時期,產卵行為極其有意思且復雜。洞蛭的尾吸盤固著,產卵時先由環帶區分泌黏液,黏液分泌時因摻入空氣而呈肥皂泡沫狀,隨著黏液分泌物的增多,這些泡狀物向兩側背移動包住身體且粘住支持物,隨后環帶區分泌另一種黏液,形成一層卵袋包于環帶周圍,接著再分泌黏液形成另一層卵袋,然后雌孔產出一些黃色、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。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開孔。剛產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為淡黃色或黃褐色,幼體孵出后,卵繭逐漸萎縮,呈現枯黃狀。

圖5 武陵洞蛭的繁殖行為(A)親吻;(B)交媾;(C)剛產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消化道消化、吸收之后的食物殘渣以糞便的形式排出體外的過程,包括爬行時排糞(圖6)、靜臥時排糞和倒掛時排糞3種排糞行為。

圖6 武陵洞蛭的爬行時排糞行為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發現的一個新屬,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,因此其行為生態學特征具有重要的蛭類學和洞穴生物學研究意義[52]。

與行為描述、行為繪制等傳統的行為譜研究方法相比,以PAE編碼系統構建動物的行為譜可操作性強,不僅能夠客觀系統地記述動物的行為要素與行為類型,而且PAE行為譜的可檢驗度高,便于不同類群之間行為系統與行為發育方面的比較研究,有助于理解和掌握動物行為系統的發育規律。

但是,任何一種動物PAE行為譜的制訂都比較耗時費力,研究人員必須仔細觀察、反復驗證,才可能構建全面而準確的PAE行為譜,而且編碼系統的各個元素要求具有獨特性或不可替代性。此外,PAE編碼系統制訂之后,如果作者或其他學者又發現了該種動物行為新的姿勢、動作和環境,還須要對整體行為譜編碼進行調整、修改和補充。

基于對PAE編碼系統的理解和對武陵洞蛭行為的反復觀察,本文首次構建了洞蛭的PAE行為譜,這也是首次采用PAE編碼系統研究蛭類及環節動物門的行為系統,為今后蛭類及其他環節動物行為的比較研究提供了基本的參比資料。

當然,限于時間、精力及條件,有些行為(如幼蛭從卵繭中孵出時的行為),以及行為的節律性(如日活動節律、季節活動節律和年活動節律),還有待今后進一步的觀察與研究。

行為學研究的首要工作是對觀察到的行為加以描述和定義,只有對行為進行準確的描述和定義之后,才能進一步研究行為背后的機制、功能和演化等問題[53]。而行為進化的一些重要發現來自對行為個體發育的研究。幼年動物的行為往往類似于或等同于一個較原始物種成年個體的行為,就好像它們是該物種的祖種一樣[1]。

本研究發現,武陵洞蛭幼體的某些行為較之成體(指具有環帶的繁殖體)有較多的不同。在運動行為方面,成體的尺蠖式爬行是借助身體前端至后端逐步收縮產生拉力,將后吸盤從被固著物上拔起,然后借助產生的慣性和肌肉的輔助作用使蛭體抬起,同時腹向彎曲;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。產生這種差異的原因可能是幼蛭的吸盤尚在發育之中。我們推測,洞蛭發達的尾吸盤是適應于洞頂壁特殊的棲息行為(面臨著“倒懸身體負重運動”的選擇壓力)而逐漸衍生的,幼蛭可能存在運動行為模式與尾吸盤發育的相關性問題,而這種相關性可能具有形態及行為生態方面的進化適應意義。

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作不同。多數成體是爬上蝙蝠的翼膜或足趾間吸血,但幼體吸血時,尾吸盤牢牢地吸附在洞壁上,同時盡量使蛭體伸長,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不同。幼體吸血時,蝙蝠的反應較為強烈,出現用后足踢動、抓撓幼蛭的行為,有時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,每次的吸血時間較短;而成體吸血時,從外部反應來看,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來麻醉寄主,同時產生抗凝血作用,但從幼蛭吸血過程中蝙蝠的外部行為表現來看,我們推測:洞蛭在幼體階段吸血時尚不能使寄主麻醉,這意味著洞蛭口吸盤中的腺體結構及功能可能是在其從卵繭中孵出以后才逐步發育形成的。

此外,我們在觀察中發現,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物不敏感或不感興趣。當然,有關洞蛭是否存在吸蝠血專一性及其可能的進化適應機制,我們還須從行為生態、生理生化、分子遺傳及適應性進化等方面進行綜合性的探究。

致謝:本研究得到吳濤、黃太福、龔小燕等學長多方面的幫助,謹此致謝。