在意想不到的地方,华人科学家揭开蝙蝠回声定位之谜

哺乳动物繁荣多样,我们熟悉的蝙蝠又是哺乳动物中颇为独特的一支。它们是唯一能够自主飞行的哺乳动物,还具有惊人的物种多样性——蝙蝠至少有约1440个物种,每5个哺乳动物物种中,就有一个是蝙蝠。

对我们来说,蝙蝠另一个重要的生物演化特征是它们的回声定位系统。回声定位是非常特殊的行为功能,必须有特化的发声结构和高灵敏听觉感观的功能,让它们即使在黑暗中也能“听”清楚周围的环境,寻找食物或是躲避障碍。

我们常常将蝙蝠与回声定位划上等号,但事实上,并非所有蝙蝠物种都具备这一能力。蝙蝠动物回声定位的功能,在物种之间也有差异。蝙蝠动物属于翼手目,科学界曾根据蝙蝠的生存方式将它们分为两大类——依靠视力、以素食为主的大翼手亚目,以及利用回声定位捕食飞虫的小翼手亚目。

这样的传统分类方式十分直观,但随着现代系统发生学的发展,利用分子序列和基因型的新的演化研究,将蝙蝠物种重新划分为阴翼手亚目和阳翼手亚目这两类。这些新研究为我们提供了更准确的蝙蝠分类方式,与此同时,科学家也注意到:蝙蝠回声定位特征的出现,比先前认为的更复杂

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▲属于阳翼手亚目的大棕蝠(图片来源:Sherri and Brock Fenton)

所有阳翼手亚目和部分阴翼手亚目都具有回声定位能力,这说明,蝙蝠回声定位的演化历程有两种可能性。芝加哥大学的罗哲西教授介绍道:“或者两类蝙蝠分别独立演化出了不同的回声定位系统;又或者回声定位在其共同祖先中已经出现了,但随后,在阴翼手亚目中,亲缘关系较远的狐蝠科失去了这种能力。”

不过长期以来,支持这些猜想的只有DNA分子序列的证据和系统发生学的推演,但神经解剖学和耳区听觉功能方面的证据还没有出现。“这两个猜想无论哪个正确,那么接收回声的内耳耳蜗的神经解剖结构,就应该存在差异。”罗哲西教授说。

在一项发表于《自然》杂志的最新研究中,罗哲西教授带领芝加哥大学团队与美国自然历史博物馆、菲尔德自然历史博物馆的科学家合作,找到了两类蝙蝠的内耳耳蜗在神经解剖结构上的关键性差异。这项研究表明,正是内耳结构上的差异,演化出神经解剖结构的不同特征,让阳翼手类的蝙蝠有了不同的回声定位行为功能

让研究团队聚焦于内耳耳蜗的线索,是两类蝙蝠回声定位方式的差异:阴翼手亚目的回声定位更多地依赖于恒定频率的声音,而阳翼手亚目更多使用的是更复杂多变的调频。由于内耳是接收这些回声信号的起点,因此它的结构就成为研究团队首先考虑的对象。

耳蜗螺旋神经节是听觉的关键结构。罗哲西教授表示,他们寻找的结构差异,正是这个没有太多关注的耳蜗神经节:“此前从未有人怀疑过,阴翼手与阳翼手亚目的耳蜗螺旋神经节解剖结构会存在差异。上世纪七八十年代的对蝙蝠的神经解剖学研究主要关注了听觉毛细胞,以及神经节的周边神经的密度。然而,早期的研究对神经节,神经元与听觉颅神经的轴突,以及周围的骨骼形态没有太多的关注。”

从2016年起,研究团队耗时4年,利用CT扫描研究了39个蝙蝠物种的内耳结构,这些物种覆盖了蝙蝠共21个科中的19个。

CT扫描结果显示,阴翼手亚目的内耳结构和其他哺乳类动物类似,其螺旋神经节外有一层起到保护作用的骨骼管壁(被称为罗森塔尔管壁),管壁上有密集的微小开孔,供神经纤维穿过、与听觉颅神经相连。

然而,阳翼手亚目的结构则完全不同,它们的螺旋神经节呈开放式,周围不存在管壁结构。由于不再受骨骼管壁微孔数量和大小的限制,这些蝙蝠的内耳可以演化产生更大的神经节,可以包括更多神经元、更高的神经支配密度以及更密集而多变的神经纤维束。

在内耳结构中的发现,或许还解释了阴翼手与阳翼手亚目物种多样性的差异。阳翼手亚目的物种数量是阴翼手亚目的5倍,觅食猎物方式和范围也更多样。研究团队推测,更大的神经节和更多的神经元帮助它们形成了特化的内耳结构以及更加多样化的调频回声定位,从而丰富了这些蝙蝠的演化繁荣和多样化。

可以说,正是这些不同的回声定位方式,推动了蝙蝠在演化上的巨大成功。罗哲西教授表示:“蝙蝠动物的的回声定位行为功能好比是这些动物的‘语言。’这两类蝙蝠就如同是说着不同的方言。但通过不同的途径,它们都通往了同一个目标。阳翼手亚目演变了很特出的神经节解剖结构,所以它们对自己的方言能有更精密的听觉。”

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