螳螂掠食前肢的形态与材料组成适应性研究：以Gongylus gongylodes和Sphodromantis lineola为例揭示捕食策略的进化机制

本研究针对螳螂掠食前肢的形态与材料组成适应性展开深入探究，通过比较Gongylus gongylodes和Sphodromantis lineola两种不同食性螳螂的掠食前肢，结合CLSM（共聚焦激光扫描显微镜）、SEM（扫描电子显微镜）、EDX（能量色散X射线光谱）和纳米压痕等技术，揭示了掠食前肢的形态特征、材料力学性能与食性偏好间的关联。研究发现两种螳螂的掠食前肢在厚度、脊柱数量和可倾斜性等方面存在显著差异，且材料硬度与刚度与其猎物类型相关，为理解昆虫捕食器官的功能适应性进化提供了新见解。

　　

在昆虫世界的捕食者中，螳螂以其独特的掠食前肢（raptorial forelegs）著称，这些高度特化的结构能够捕捉从昆虫到小型脊椎动物的多种猎物。然而，不同螳螂物种的掠食前肢在形态和材料组成上存在显著差异，这些差异是否与其食性偏好相关，一直是科学家们感兴趣的问题。Gongylus gongylodes偏好柔软的蝇类（Diptera），而Sphodromantis lineola则能捕食防御性更强的蟑螂（Blattaria）等猎物。这两种螳螂的掠食前肢在形态和材料特性上可能存在适应性差异，但此前缺乏系统的研究。

为了探究这一问题，来自德国汉堡大学、基尔大学和莱比锡大学的研究团队对这两种螳螂的掠食前肢进行了多角度的比较研究。通过综合运用形态学观察、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDX）和纳米压痕等技术，研究人员系统分析了掠食前肢的形态特征、材料组成和力学性能。相关研究成果发表在《Scientific Reports》上。

研究采用了多种关键技术方法：通过CLSM分析掠食前肢的自发荧光信号以评估其硬化程度；利用SEM观察微观结构特征；采用EDX测定元素组成；使用纳米压痕技术测量不同区域的硬度和杨氏模量。样本来自商业供应商和私人饲养者，包括两种螳螂的雄性和雌性个体各7只。

研究结果揭示了多方面的重要发现：

形态学特征显示，S. lineola的掠食前肢比G. gongylodes更厚更宽，且脊柱更短更粗。G. gongylodes的脊柱数量是S. lineola的两倍（如股骨前腹侧脊柱数量为27-31对15-16），且排列更紧密。S. lineola具有更多可倾斜的脊柱（6个前腹侧脊柱和2个盘状脊柱可倾斜），而G. gongylodes仅有1个可倾斜的盘状脊柱。

自发荧光分析表明，S. lineola的掠食前肢显示出更强的蓝色荧光，而G. gongylodes由于高度色素沉着导致信号较弱。脊柱尖端显示出红色荧光，表明硬化程度较高，而基部呈现蓝色，提示含有更多弹性蛋白（resilin）。

元素组成分析发现，前肢主要由H、C、N和O（98.4±0.5原子%）组成，微量元素（1.6±0.5原子%）中F含量最高（0.91±0.3原子%），其次是P+Pt（0.23±0.13）和Mg（0.07±0.05）。G. gongylodes的F、Fe、K、Mg、Mn、P+Pt和S含量显著高于S. lineola，而Si含量显著低于后者。

力学性能测试显示，S. lineola的胫骨刺（tibial spur）尖端是最硬（8.64±0.78 GPa）和最刚性的区域。S. lineola的所有测试区域和脊柱都比G. gongylodes的更硬更刚。例如，S. lineola的前腹侧胫骨脊柱（anteroventral tibial spines）的杨氏模量为6.27±0.40 GPa，而G. gongylodes的对应值为4.50±0.19 GPa。

研究结论指出，两种螳螂掠食前肢的形态和材料特性差异可能与其食性偏好相关。S. lineola更厚的前肢和更硬的材料可能适应于捕捉防御性更强的猎物，而G. gongylodes更薄的前肢和更多细长脊柱可能更适合捕捉小型柔软猎物。可倾斜脊柱的存在可能有助于S. lineola捕捉不同大小的猎物。研究还发现CLSM在高度色素化结构中的局限性，建议结合多种方法进行评估。

这项研究的重要意义在于首次全面比较了不同食性螳螂掠食前肢的形态与材料特性，为理解昆虫捕食器官的功能适应性进化提供了新见解。研究结果不仅丰富了我们对螳螂捕食策略的认识，也为仿生材料设计提供了灵感，例如可倾斜脊柱的机械结构可能应用于机器人抓取装置的设计。此外，研究方法的多学科整合也为未来研究昆虫外骨骼的功能适应性提供了范例。