中國(guó)林蛙變態(tài)發(fā)育中舌鰓骨的形態(tài)變化

裴躍斌， 王宏元， 梁 剛

(陜西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 陜西 西安 710119)

兩棲動(dòng)物是脊椎動(dòng)物從水生向陸生過(guò)渡的類群，在動(dòng)物發(fā)育和進(jìn)化研究中具有重要意義[1-2]。在兩棲動(dòng)物的個(gè)體發(fā)育和形態(tài)學(xué)研究中，無(wú)尾兩棲類因骨骼相對(duì)保守而成為可靠的研究對(duì)象，其中蝌蚪舌鰓骨引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注[3-4]。Bauerdantoin等對(duì)非洲爪蟾(Xenopuslaevis)蝌蚪舌鰓骨的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述，其舌鰓骨由角舌骨、關(guān)聯(lián)骨、鰓下骨板和鰓籃等部分構(gòu)成[5]；王曉雯等對(duì)中華蟾蜍(Bufogargarizans)和中國(guó)林蛙(Ranachensinensis)蝌蚪的舌鰓骨進(jìn)行了比較[6]；夏坤等結(jié)合棲息環(huán)境對(duì)小角蟾(Megophrysminor)、中華蟾蜍、隆肛蛙(Feiranaquadranus)、黑斑側(cè)褶蛙(Pelophylaxnigromaculatus)和中國(guó)林蛙5種蝌蚪的Gonser(G)36期舌鰓骨進(jìn)行了觀察分析[7]。此外， Eidewood、Sarah、Vera等、Rose等、Senevirathne等和Sheil也對(duì)無(wú)尾兩棲類不同物種蝌蚪的舌鰓骨進(jìn)行了研究[8-13]。雖然有關(guān)無(wú)尾兩棲類的舌鰓骨研究已經(jīng)積累了一些資料，但大多都集中在蝌蚪變態(tài)發(fā)育的某個(gè)時(shí)期，對(duì)舌鰓骨形態(tài)變化在變態(tài)發(fā)育全程的研究仍少見(jiàn)。

中國(guó)林蛙是我國(guó)北方地區(qū)廣泛分布且具有較強(qiáng)陸地生活適應(yīng)能力的無(wú)尾兩棲類[14-15]。本文以G26～G46共21期的中國(guó)林蛙蝌蚪為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行改良的Toyal骨骼雙染色與觀察比較，旨在探究中國(guó)林蛙蝌蚪變態(tài)發(fā)育中舌鰓骨的形態(tài)變化，為無(wú)尾兩棲類的骨形態(tài)學(xué)研究積累資料，為探討兩棲動(dòng)物的形態(tài)結(jié)構(gòu)與生活環(huán)境、生理功能的關(guān)系提供形態(tài)學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

選取在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下自然孵育的中國(guó)林蛙蝌蚪作為材料。采用Gonser分期法[16]，選取G26～G46共21期的蝌蚪，每期取材4只，用4%多聚甲醛固定24 h以上。待各期蝌蚪取材固定后，用改良的Toyal骨骼雙染色法進(jìn)行染色，骨呈玫紅色，軟骨呈藍(lán)色[17]。在Zeiss Discovery V12 型體視顯微鏡下剝離出舌鰓骨并對(duì)其進(jìn)行形態(tài)觀察，在相同參數(shù)下采集各期的圖像。

2 結(jié)果與分析

2.1 舌鰓骨的一般形態(tài)

中國(guó)林蛙蝌蚪的舌鰓骨是構(gòu)成頭骨腹面的主要結(jié)構(gòu)，包括角舌骨、關(guān)聯(lián)骨、鰓下骨板、鰓籃4個(gè)部分，左右對(duì)稱(圖1)。對(duì)G38期蝌蚪舌鰓骨各部分的一般形態(tài)描記如下。

圖1 中國(guó)林蛙G38期蝌蚪的舌鰓骨Fig.1 Hyobranchial skeleton of Rana chensinensis tadpoles at G38 stage

(1)角舌骨：角舌骨位于舌鰓骨的最前端，以軟骨狀態(tài)存在，呈翼狀，左右對(duì)稱分布，左右結(jié)構(gòu)依靠關(guān)聯(lián)骨Ⅰ在中軸線處相互連結(jié)。角舌骨可分為骨體、前突、后突、前側(cè)突、橫向突5部(圖1)。

(2)關(guān)聯(lián)骨：關(guān)聯(lián)骨共有2塊，均位于舌鰓骨中軸線上，包括位于前端的關(guān)聯(lián)骨Ⅰ與位于后端的關(guān)聯(lián)骨Ⅱ。關(guān)聯(lián)骨不僅將左右對(duì)稱的角舌骨相連結(jié)，而且將位于舌鰓骨前端的角舌骨和后端的鰓下骨板、鰓籃結(jié)構(gòu)相連結(jié)，是連結(jié)舌鰓骨各部分的紐帶(圖1)。

(3)鰓下骨板：鰓下骨板位于舌鰓骨的后端，為1塊近似三角形的軟骨板。鰓下骨板的內(nèi)側(cè)緣與舌鰓骨的中軸線平行，前端與關(guān)聯(lián)骨Ⅱ的后端相連結(jié)；鰓下骨板的外側(cè)緣與角舌骨后突的內(nèi)側(cè)面相互靠近，最近處僅留一道狹縫；鰓下骨板的后緣與角鰓弓的前端相互融合，共同構(gòu)成鰓籃結(jié)構(gòu)的前端(圖1)。

(4)鰓籃：鰓籃位于舌鰓骨的后端，是由左右對(duì)稱的各4條角鰓弓共同圍成的籃狀結(jié)構(gòu)。鰓籃結(jié)構(gòu)有3級(jí)軟骨分支,第1級(jí)分支為角鰓弓，是構(gòu)成鰓籃結(jié)構(gòu)的主架；第2級(jí)分支為角鰓弓上分出的細(xì)小軟骨，稱作鰓耙；第3級(jí)分支為鰓耙上分出的更細(xì)微的軟骨分支，呈珊瑚狀。角鰓弓從外側(cè)向內(nèi)側(cè)依次為角鰓弓Ⅰ～Ⅳ，角鰓弓Ⅰ和Ⅱ、Ⅱ和Ⅲ、Ⅲ和Ⅳ的后端分別相互融合，將鰓籃結(jié)構(gòu)后端封閉；角鰓弓的前端與鰓下骨板的后緣融合，將鰓籃結(jié)構(gòu)前端封閉。在鰓籃結(jié)構(gòu)前端，2個(gè)角鰓弓中間均有朝向后端的針狀軟骨，稱作鰓骨針(圖1)。

2.2 舌鰓骨在變態(tài)發(fā)育中的形態(tài)變化

中國(guó)林蛙G26期蝌蚪已具備舌鰓骨各部分結(jié)構(gòu)，但舌鰓骨整體較小，且與G38期相比，關(guān)聯(lián)骨Ⅱ呈卵圓形，與關(guān)聯(lián)骨Ⅰ之間的連結(jié)較少，使得關(guān)聯(lián)骨Ⅰ和Ⅱ之間界限分明(圖2，G26)。

G27～G35期蝌蚪的舌鰓骨與G26期相比，結(jié)構(gòu)基本相同，呈等速率生長(zhǎng)。G35期的舌鰓骨大小約為G26期的1.5倍(圖2，G27～G35)。

G36～G38期蝌蚪的舌鰓骨與G35期相比，各部分結(jié)構(gòu)仍然呈等速率生長(zhǎng)，G38期舌鰓骨發(fā)育到最大，大小約為G26期的2倍。此外，與G35期相比，G36～G38期的關(guān)聯(lián)骨Ⅱ由卵圓形變?yōu)榈沽⒌摹俺禹取毙?，且與關(guān)聯(lián)骨Ⅰ之間的連結(jié)增多(圖2，G36～G38)。

圖2 中國(guó)林蛙G26～G46期蝌蚪的舌鰓骨Fig.2 Hyobranchial skeleton of Rana chensinensis tadpoles from G26 to G46 stages

G39～G41期蝌蚪的舌鰓骨開(kāi)始萎縮，各部分結(jié)構(gòu)吸收變小。G41期舌鰓骨的大小約為G26期的1.6倍(圖2， G39～G41)。

G42期蝌蚪的舌鰓骨形態(tài)開(kāi)始發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為：①角舌骨加粗；角舌骨的橫向突向后方明顯傾斜，與后方的鰓籃結(jié)構(gòu)接近；角舌骨的前側(cè)突變小并趨于消失。②鰓籃結(jié)構(gòu)中的第3級(jí)軟骨分支和鰓骨針消失 (圖2，G42)。

G43期蝌蚪的舌鰓骨與G42期相比，形態(tài)變化主要為：①角舌骨的形態(tài)變化極大，近端明顯加粗，邊緣變得鈍圓，遠(yuǎn)端明顯變細(xì)，外側(cè)緣變直。②關(guān)聯(lián)骨Ⅰ與角舌骨開(kāi)始融合；關(guān)聯(lián)骨Ⅱ呈橢圓形，與關(guān)聯(lián)骨Ⅰ的連結(jié)面擴(kuò)大并發(fā)生融合；關(guān)聯(lián)骨Ⅱ的后端兩側(cè)開(kāi)始與鰓下骨板發(fā)生融合。③鰓下骨板由G42期的扇形變化為不規(guī)則的三角形；鰓下骨板的后角伸出八字形的細(xì)長(zhǎng)突起，稱為后內(nèi)側(cè)突。④角鰓弓的前端和后端不再閉合，形成幾乎相互平行的4對(duì)角鰓弓，使得鰓籃結(jié)構(gòu)消失；鰓耙已完全消失；角鰓弓與鰓下骨板連結(jié)部分軟骨消失，角鰓弓的前端與鰓下骨板之間不再關(guān)聯(lián)(圖2，G43)。

G44期蝌蚪的舌鰓骨與G43期相比，形態(tài)變化主要為：①關(guān)聯(lián)骨Ⅰ與關(guān)聯(lián)骨Ⅱ進(jìn)一步融合，關(guān)聯(lián)骨Ⅱ的后緣平直，與鰓下骨板進(jìn)一步融合。②左、右鰓下骨板向中軸靠近，內(nèi)側(cè)緣平直，中間留有細(xì)縫。③4對(duì)角鰓弓進(jìn)一步變短(圖2，G44)。

G45期蝌蚪的舌鰓骨與G44期相比變化較大，主要表現(xiàn)為：①角舌骨的前端明顯變細(xì)且其前突變?yōu)榧?xì)棒狀突起，左、右角舌骨呈細(xì)長(zhǎng)的“羊角弓”狀排列。②關(guān)聯(lián)骨Ⅰ與關(guān)聯(lián)骨Ⅱ已完全融合成1塊呈三角形的關(guān)聯(lián)骨，前端與角舌骨相互融合，后端與鰓下骨板幾乎完全融合。③鰓下骨板的周緣變鈍，后內(nèi)側(cè)突變長(zhǎng)。④4對(duì)角鰓弓完全消失(圖2，G45)。

G46期林蛙的舌鰓骨已基本發(fā)育為成體舌骨。與G45期蝌蚪的舌鰓骨相比，G46期舌鰓骨的形態(tài)變化為：①角舌骨基本呈S形的軟骨棒，彎曲部位更加平滑，后端略顯膨大并趨于水平。②關(guān)聯(lián)骨與鰓下骨板已經(jīng)融合成1塊軟骨板。③左、右鰓下骨板在中軸處完全融合，其外側(cè)緣的前部發(fā)育出1個(gè)三角形小突起——前外側(cè)突，外側(cè)緣的后部也發(fā)育出1個(gè)三角形小突起——后外側(cè)突，后內(nèi)側(cè)突變得粗而鈍(圖2，G46)。

中國(guó)林蛙G26～G46期蝌蚪舌鰓骨的各部分結(jié)構(gòu)均以軟骨狀態(tài)存在。

3 討論

動(dòng)物的形態(tài)結(jié)構(gòu)是功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，而功能的變化又會(huì)影響形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變。Rose等[11]指出，骨骼的形態(tài)學(xué)特征對(duì)研究脊椎動(dòng)物進(jìn)化史是最重要的，且骨骼的功能在發(fā)育和演變過(guò)程中是易變的，多種多樣的承重骨和軟骨反映了動(dòng)物的攝食、呼吸和移動(dòng)等方式。無(wú)尾兩棲類蝌蚪舌鰓骨的功能與氣體交換和濾食密切相關(guān)[18-20]。

本文研究結(jié)果顯示，中國(guó)林蛙G26期蝌蚪孵化出膜不久，完全行水生生活，該期蝌蚪已具有結(jié)構(gòu)完備的舌鰓骨，鰓籃結(jié)構(gòu)較發(fā)達(dá)，該結(jié)構(gòu)特征與其在水中進(jìn)行鰓呼吸和濾食浮游植物的功能相適應(yīng)。G26～G38期蝌蚪逐漸生長(zhǎng)變大，對(duì)氧氣和食物的需求量增大，與此生理機(jī)能相適應(yīng)，包括鰓籃結(jié)構(gòu)在內(nèi)的舌鰓骨快速生長(zhǎng)發(fā)育，至G38期時(shí)舌鰓骨的結(jié)構(gòu)大小約為G26期的2倍，發(fā)達(dá)的舌鰓骨結(jié)構(gòu)才能夠滿足蝌蚪新陳代謝中對(duì)氧氣和食物的基本需求。G39～G41期蝌蚪處于變態(tài)前期，蝌蚪的體型逐漸變小，肺臟開(kāi)始發(fā)育，后肢可以活動(dòng)且五趾已完全分化，與此相適應(yīng)，舌鰓骨停止生長(zhǎng)且逐漸吸收變小，G41期舌鰓骨的大小約為G26期的1.6倍。G42期蝌蚪的前肢已伸出體表，尾部開(kāi)始退化，發(fā)育為擁有五趾型附肢的四足動(dòng)物，初步具備了陸生脊椎動(dòng)物的基本形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能[21-23]；該期蝌蚪舌鰓骨鰓籃結(jié)構(gòu)中的第3級(jí)軟骨分支和鰓骨針消失，鰓籃急劇萎縮，舌鰓骨向成體舌骨轉(zhuǎn)變。G43～G46期蝌蚪完成了變態(tài)，四肢能夠支撐身體并具備了跳躍能力，尾部完全消失，開(kāi)始進(jìn)行肺呼吸，食性也由濾食浮游植物轉(zhuǎn)變?yōu)橛蒙嗖妒忱ハx(chóng)和軟體動(dòng)物[24-27]；在該階段，舌鰓骨的角舌骨、關(guān)聯(lián)骨和鰓下骨板均發(fā)生變形與重塑，鰓籃消失，G46期的舌鰓骨已基本發(fā)育為成體舌骨。

綜上所述，中國(guó)林蛙蝌蚪舌鰓骨的形態(tài)結(jié)構(gòu)決定了其呼吸方式以適應(yīng)水生生活的鰓呼吸為主，攝食方式和食性為濾食靜態(tài)的浮游植物。蝌蚪變態(tài)發(fā)育為成體后，呼吸方式改變?yōu)橐赃m應(yīng)陸地生活的肺呼吸為主，攝食方式和食性改變?yōu)橛蒙嗖妒硠?dòng)態(tài)的昆蟲(chóng)和軟體動(dòng)物[24-27]。為了適應(yīng)以上生理功能的變化，中國(guó)林蛙蝌蚪舌鰓骨的形態(tài)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了由小到大、又由大變小、最終在舌鰓骨原來(lái)位置重塑出成體舌骨的發(fā)育過(guò)程。中國(guó)林蛙變態(tài)發(fā)育中舌鰓骨形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化及其呼吸和攝食方式的改變，再次表明兩棲動(dòng)物的形態(tài)結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)，功能的變化又會(huì)影響形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變。

4 結(jié)論

中國(guó)林蛙蝌蚪的舌鰓骨由角舌骨、關(guān)聯(lián)骨、鰓下骨板和鰓籃4部分構(gòu)成。在變態(tài)發(fā)育中，舌鰓骨始終以軟骨狀態(tài)存在。G26期蝌蚪的舌鰓骨已具備完整結(jié)構(gòu)，G26～G38期舌鰓骨各部分呈等速率生長(zhǎng)，至G38期舌鰓骨達(dá)到最大；G39～G41期舌鰓骨開(kāi)始自行吸收，形態(tài)略變??；G42期舌鰓骨形態(tài)已有較大變化； G43～G46期舌鰓骨的角舌骨、關(guān)聯(lián)骨和鰓下骨板均發(fā)生變形與重塑，鰓籃逐漸消失，舌鰓骨發(fā)育為成體舌骨。為了適應(yīng)生理功能的變化，中國(guó)林蛙蝌蚪舌鰓骨的形態(tài)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了由小到大、又由大變小、最終在舌鰓骨原來(lái)位置重塑出成體舌骨的發(fā)育過(guò)程。