橫斷山區(qū)高山姬鼠(Apdoemus chevrieri)頭骨幾何形態(tài)分析

朱萬龍， 姜文秀， 張 浩， 王政昆

(云南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，昆明 650500)

形態(tài)學(xué)特征歷來是系統(tǒng)演化和分類學(xué)的基礎(chǔ)，是探討系統(tǒng)發(fā)育的主要依據(jù)，哺乳動物頭骨中含有許多與視覺、聽覺和嗅覺等相關(guān)的結(jié)構(gòu)，因此對頭骨的研究不僅對動物的種間、種內(nèi)關(guān)系的研究有重要的價值[1]；而且頭骨形態(tài)與其生存環(huán)境密切相關(guān)，生境的變化可引起其形態(tài)上的變化，因此在動物地理演化及生態(tài)學(xué)研究中頭骨具有十分重要的意義[2]。幾何形態(tài)測量技術(shù)可以對生物樣本及樣本之間的形態(tài)變化進(jìn)行定量描述和分析，并區(qū)分和確定引起形態(tài)變異的原因，正因為幾何形態(tài)測量能對生物形態(tài)特征進(jìn)行較為精確的定量比較分析，并且在比較研究過程中，僅需考慮樣本的形態(tài)變化，而不需考慮標(biāo)本的實際大小，其已成為研究種間、種內(nèi)形態(tài)分化的重要手段，特別是在嚙齒動物中應(yīng)用廣泛[3-5]。

橫斷山地區(qū)地處青藏高原東南部，山脈南北走向，地勢西高東低，高山深谷相對，海拔高度變化較大，形成明顯的氣候過渡帶，為動物的生存提供了多種多樣的立體棲息環(huán)境，如在橫斷山北緣的巴塘是針葉林，到橫斷山南緣的景東則是常綠闊葉林，生態(tài)環(huán)境的改變很可能引起橫斷山物種發(fā)生表型的變異[6]。頭骨因包含了腦顱、眼眶、鼻腔、牙等大量視覺、聽覺和食性相關(guān)的結(jié)構(gòu)，能很好的反映出環(huán)境因子對表型的影響，因而被大量選作研究對象。Bookstein認(rèn)為幾何形態(tài)測量學(xué)有兩個核心問題，其中之一就是形態(tài)變異[7]。本研究通過研究橫斷山高山姬鼠頭骨的形態(tài)變異，為高山姬鼠形態(tài)適應(yīng)的研究提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣本采集

本研究所采用的96個高山姬鼠頭骨樣本均來自昆明動物所館藏標(biāo)本，均為成年個體。分別來自四川巴塘29個、云南中甸24個、云南寧蒗22個、云南景東21個。Cardini等[8]提出，性二形在考慮樣本大小時表現(xiàn)出極大的影響，但在研究樣本形態(tài)時可以被忽略。本研究僅涉及研究樣本形態(tài)的差異，所以忽略了樣本性別，統(tǒng)一計數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

幾何形態(tài)測量技術(shù)可以對生物體及其器官的形態(tài)進(jìn)行定量分析，是一套功能十分強大的分析方法[9]，它可以將樣本的大小和形狀相互獨立，結(jié)果數(shù)據(jù)更加可信。本研究采用測量技術(shù)中的標(biāo)點法(landmark methods)，對每一個樣本的若干界標(biāo)點(landmark)數(shù)字化后，對所獲取的外形結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。過程包括圖片獲取、圖片數(shù)字化、去除非形態(tài)變異及數(shù)據(jù)處理。形態(tài)差異可以通過變異中多變量比較數(shù)據(jù)來體現(xiàn)，即利用柵格的變形來表示，稱之為薄片樣條法(thin plate spline, TPS)[7]。

1.2.1 圖片獲取

用索尼 DSC-T20數(shù)碼相機距離頭骨10 cm以微距拍攝頭骨側(cè)面、背面、腹面和下頜側(cè)面(圖1)。

1.2.2 圖片數(shù)字化 (Image digitization)

根據(jù)相關(guān)獸類頭骨及下臼齒標(biāo)記的方法[8]并結(jié)合高山姬鼠頭骨及下臼齒的實際形態(tài)，對相應(yīng)照片進(jìn)行打點標(biāo)記(圖1)。用TPSDIG2軟件對獲得的圖片進(jìn)行數(shù)字化處理。界標(biāo)點被數(shù)字化處理后獲得相應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。為避免數(shù)據(jù)重復(fù)，對高山姬鼠頭骨形態(tài)的研究僅對樣本一側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)記，對下臼齒的研究僅分析其咬合面的形態(tài)。為保證界標(biāo)準(zhǔn)確性，每個標(biāo)記均由同一人重復(fù)標(biāo)記6次以上，所得到的均值坐標(biāo)數(shù)據(jù)用于后面的統(tǒng)計分析。

a—頭骨腹面； b—頭骨側(cè)面； c—及下頜側(cè)面； d—標(biāo)點標(biāo)記圖。

1.2.3 去除非形態(tài)變異

標(biāo)本上界標(biāo)點的位置、比例等變化，即人為因素造成圖片角度的誤差等會引起直接分析的相關(guān)性變化，因此，須要去除非形態(tài)變異對分析的干擾。本研究主要采用的是廣義普魯克分析GPA(generalized procrustes analysis)，即使用最小正方形估計平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)，將界標(biāo)點布局進(jìn)行疊印，從而去除非形態(tài)變異對分析的干擾。

1.2.4 薄片樣條法

薄片樣條法是一種用來繪制樣本形態(tài)變異的方法。該方法中通過D’Arcy Thompson的柵格轉(zhuǎn)化理論經(jīng)嚴(yán)格數(shù)學(xué)計算實現(xiàn)形態(tài)差異的衡量，形變顯示了平均標(biāo)記與目標(biāo)結(jié)構(gòu)之間的差異。描述這些變形的參數(shù)可以作為形態(tài)變異總體內(nèi)和總體間統(tǒng)計比較時的變量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Morphologika2 v2.5軟件對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行薄片樣條分析及主成分分析。用SPSS15.0將頭骨每個面分析所得到的前3個主成分值各自做判別函數(shù)分析。頭骨背面、腹面、側(cè)面及下頜側(cè)面的數(shù)據(jù)信息組合起來可以代表整個頭骨的形態(tài)特征，將4組數(shù)據(jù)組合后所得矩陣使用多維尺度分析法進(jìn)行分析。多維尺度分析采用SPSS15.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 頭骨背面分析

以頭骨背面做主成分分析，結(jié)果表明：前3個主成分的特征值占總體變量的90.33%。對第一主成分和第二主成分作圖(圖2)，結(jié)果顯示高山姬鼠頭骨背面是巴塘種群與其他3個地區(qū)的種群僅有少量個體重疊，巴塘種群變異最大。TPS圖顯示，4個種群的高山姬鼠在頭骨背面的形變主要發(fā)生在鼻骨和眼眶。

2.2 頭骨腹面分析

以頭骨腹面做主成分分析，結(jié)果表明：前3個主成分的特征值占總體變量的90.93%。對第一主成分和第二主成分作圖(圖3)，結(jié)果顯示高山姬鼠頭骨腹面與其他3個地區(qū)的種群僅有少量樣本重疊，巴塘種群的變異最大。TPS圖顯示，在高山姬鼠的頭骨腹面上，形變主要發(fā)生在鼻骨、眼眶、臼齒，聽泡也有部分的形變，其中四川巴塘種群和云南景東種群發(fā)生的形變最明顯。

圖2 高山姬鼠頭骨背面第一主成份和第二主成份散點圖及薄片樣條分析

圖3 高山姬鼠頭骨腹面第一主成份和第二主成份散點圖及薄片樣條分析

2.3 頭骨側(cè)面分析

以頭骨側(cè)面做主成分分析，結(jié)果表明：前3個主成分的特征值占總體變量的87.18%。對第一主成分和第二主成分作圖(圖4)，結(jié)果顯示4個地區(qū)的高山姬鼠頭樣本均有重疊，說明4個種群在頭骨側(cè)面上形態(tài)分化不明顯。用TPS做形變圖顯示，在頭骨的側(cè)面上，4個種群發(fā)生形變的結(jié)構(gòu)主要是在眼眶、鼻骨處。

圖4 高山姬鼠頭骨側(cè)面第一主成份和第二主成份散點圖及薄片樣條分析

2.4 下頜側(cè)面分析

以下頜側(cè)面做主成分分析，結(jié)果表明：前3個主成分的特征值占總體變量的86.78%。對第一主成分和第二主成分作圖(圖5)，顯示在頭骨側(cè)面上，4個地區(qū)的高山姬鼠頭樣本均有重疊。用TPS顯示，形變主要發(fā)生在下頜骨前端上緣最凹點、臼齒齒槽、冠狀突上緣頂點、髁狀突與隅突間最內(nèi)凹點。

圖5 高山姬鼠下頜側(cè)面第一主成份和第二主成份散點圖及薄片樣條分析

2.5 多維尺度分析

將相同采集地的頭骨樣本的側(cè)面、腹面、背面及下頜側(cè)面的數(shù)據(jù)整合得到代表巴塘、中甸、寧蒗、景東頭骨樣本的數(shù)據(jù)，經(jīng)多維尺度分析可以看出：巴塘、中甸、寧蒗及景東4個地區(qū)的高山姬鼠的頭骨有明顯變異(圖6)。從個體權(quán)重空間分布圖(圖7)可以看出頭骨側(cè)面的評分對第二維度的貢獻(xiàn)較大；頭骨背面、腹面及下頜側(cè)面的評分對第一維度的貢獻(xiàn)較大，其中頭骨腹面和下頜側(cè)面的權(quán)重比較接近，頭骨背面評分對第一維度的貢獻(xiàn)最大。

圖6 高山姬鼠各采樣點組合數(shù)據(jù)的多維尺度分布圖

圖7 高山姬鼠頭骨背面、頭骨腹面、頭骨側(cè)面及下頜側(cè)面?zhèn)€體權(quán)重空間分布圖

3 討論

本文采用幾何形態(tài)測量技術(shù)對四川巴塘、云南景東、迪慶中甸、麗江寧蒗的頭骨樣本進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在種群水平上，相對于高山姬鼠頭骨的側(cè)面和下頜側(cè)面，頭骨的背面和腹面的變異較大。這可能是由于高山姬鼠的頭骨背面和頭骨腹面包括了更多的鼻骨、眼眶和聽泡等用于感知外界的器官；此外頭骨腹面結(jié)構(gòu)中還包含與其進(jìn)食密切相關(guān)的牙齒結(jié)構(gòu)——門齒和臼齒，可能環(huán)境因子的變化直接或者間接的導(dǎo)致了這些結(jié)構(gòu)也發(fā)生了相應(yīng)的變化，最終導(dǎo)致了頭骨的背面和腹面發(fā)生了相對較大的變異。結(jié)合高山姬鼠整個頭骨的研究，發(fā)現(xiàn)形變多集中在鼻骨、眼眶和臼齒處，這可能是這些結(jié)構(gòu)的生態(tài)功能和高山姬鼠棲息的這4個地區(qū)的地理環(huán)境和氣候相關(guān)。鼻腔主要是用于呼吸氧氣和部分水分的散失，鼻骨形變可能與外界寒冷空氣對肺部的影響有關(guān)，同時也反映了水分的散失程度，水分的散失又與環(huán)境溫度相關(guān)[10， 11]；眼眶與視覺相關(guān)，高山姬鼠多是營地下打洞地上取食的嚙齒類，不同的生境可能導(dǎo)致其發(fā)生不同的變異；牙齒和取食行為密切相關(guān)，其中的臼齒的變異可能反應(yīng)了地區(qū)食物資源質(zhì)量和數(shù)量的差異。巴塘位于橫斷山東北邊緣，中甸和寧蒗位于橫斷山中部，景東位于橫斷山南部，它們依次代表了橫斷山從北到南的地理特征；此外，4個地區(qū)多年的氣候資料(巴塘年平均氣溫5.6℃，年平均降水量485 mm；景東年平均氣溫18.3℃，年平均降水量1086.7 mm；寧蒗年均氣溫12.7℃，年均降雨量920 mm；中甸年平均氣溫6.7℃，年均降水量618.4 mm)[12]也顯示了這4個地區(qū)的氣候有明顯的差異，其中巴塘地區(qū)可能受青藏高原氣候條件的影響較多，屬于高山寒溫帶氣候，年平均溫度低、日照多、年降雨量較少，與其他地區(qū)氣候差異相對較明顯，而且這4個地區(qū)的植被(巴塘針葉林，中甸和寧蒗溫帶落葉闊葉林，景東是常綠闊葉林) 差異明顯，從而使棲息于這4個地區(qū)的高山姬鼠的感知器官和臼齒也發(fā)生了相應(yīng)的變異，最終導(dǎo)致了頭骨在各個種群間發(fā)生了一定的變異。

在本研究中，采用多維尺度法分析發(fā)現(xiàn)巴塘、景東、中甸及寧蒗4個地區(qū)高山姬鼠頭骨不僅在種群間有明顯變異，而且發(fā)現(xiàn)在第一維度上可能受到緯度變化的影響，而第二維度方向上則可能受到了經(jīng)度變化的影響。經(jīng)度的變化主要反映在水分的差異上，緯度的變化主要是反映在溫度的差異上。在云南和四川氣象資料的記錄中，從年均降雨量上來看[12]，4個地區(qū)的年降雨量差異顯著，且與經(jīng)度變化相對應(yīng)；緯度的變化主要反映在溫度的差異上，從年均溫度來看[12]，也和緯度變化相對應(yīng)。此外結(jié)合個體權(quán)重空間分布圖分析發(fā)現(xiàn)，頭骨背面、腹面及下頜側(cè)面評分對第一維度的貢獻(xiàn)較大，結(jié)合多維尺度分析結(jié)果可知：頭骨背面、腹面及下頜側(cè)面受經(jīng)度影響較大，即頭骨背面、腹面及下頜側(cè)面的變化受水分條件的影響較大，且頭骨背面的權(quán)重比較大，這和主成分分析的結(jié)果一致；頭骨側(cè)面的評分對第二維度的貢獻(xiàn)較大，結(jié)合多維尺度分析結(jié)果可知：頭骨側(cè)面的變化受緯度影響較大，即頭骨側(cè)面的變化受溫度條件影響較大。

綜上所述，橫斷山區(qū)的高山姬鼠各種群間頭骨的形態(tài)有明顯的變異，且這些變異可能與高山姬鼠生活環(huán)境的經(jīng)度和緯度有關(guān)。總之，橫斷山區(qū)高山姬鼠頭骨的形態(tài)在種群水平上發(fā)生了變異，這種形態(tài)變異的主要原因可能是由生態(tài)因素引起的。

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