无尾两栖类脑大小的进化模式及其生态适应性

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无尾两栖类是分布最为广泛的两栖动物,拥有多种多样的生物学特征。因此,无尾两栖类常被用于研究进化生物学的基础科学问题,例如脑大小的进化。脑是有机体生命机能的主要调节器,在有机体及其环境之间的联系中扮演着重要角色,不同脑区域具有不同的功能,其形态大小与生态选择压力有关。脊椎动物的脑大小之间存在着显著的差异,其进化模式引起了进化生物学家的广泛关注。现阶段,学者们主要针对鱼类、鸟类与哺乳类等类群进行关于脊椎动物脑大小进化模式的研究,并提出了两个假说来解释脑大小的进化模式。“镶嵌进化假说”认为,由于脑是高耗能器官,当特定脑区域的大小受环境选择压力影响而增大时,其他脑区域并不会相应地增大,即各脑区域是独立进化的,总脑是由对特定环境进化而来的独立进化的脑区域的集合。“协同进化假说”认为,发育因素可能会限制脑区域独立进化的程度,即各脑区域是以一致的趋势进化的,总脑是对物种特定行为能力进行适应的单个协调处理结构。在解释脑大小和脑区域大小的变化时,“镶嵌进化假说”和“协同进化假说”的相对重要性仍有争议。目前,关于无尾两栖类脑大小的进化模式及生态适应性方面的研究较少,且只研究了雄性个体。因此,本研究以中国116种无尾两栖类物种为研究对象,通过解剖并测量总脑和各脑区域的形态大小,探究无尾两栖类脑大小的进化模式,同时揭示生态选择压力对脑大小进化的影响。主要结果和结论如下:1.基于116个物种的雄性个体(以下简称雄性物种)和64个物种的雌性个体(以下简称雌性物种)的脑大小数据,使用控制系统发育影响的压轴回归分析,对总脑大小和各脑区域大小之间的关系进行了研究。研究结果发现,雄性物种的总脑与嗅神经、嗅脑和小脑之间的异速生长系数显著不等于1,表明存在异速生长的现象,与端脑和中脑的异速生长系数趋近于1,为等速生长;雌性物种的总脑与嗅神经和嗅脑存在异速生长现象,但与端脑、中脑和小脑呈现出协同进化的趋势。2.使用控制系统发育影响的多元异速生长分析发现,雄性物种和雌性物种的脑区域大小分别能解释75.7%和88.3%脑大小的变化,表明脑大小进化呈现出保守的模式;各脑区域之间既存在超异速生长关系,也存在等速生长关系,同时支持了“镶嵌进化假说”和“协同进化假说”。3.使用贝叶斯宏观演化混合模型(BAMM)来估算总脑大小和各脑区域大小的进化率,发现与其它四个脑区相比,嗅神经呈现出高异速生长的情况,在雌雄物种中都是进化最快的脑区域,支持了“镶嵌进化假说”。4.使用马尔可夫链蒙特卡罗法广义线性混合模型(MCMCglmm)分析,发现栖息地类型倾向于影响雄性物种的嗅神经和小脑大小,显著影响了雌性物种的嗅神经、嗅脑和端脑大小,为“镶嵌进化假说”提供了证据。综上所述,研究结果表明中国116种无尾两栖类脑大小的进化模式是镶嵌式进化和协同式进化的结合,且根据栖息地类型发生了适应性进化。本研究为深入研究无尾两栖类脑大小的进化提供了新方法,为进一步了解脑大小的适应性机制提供了理论基础。
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