《Ecology and Evolution》：Crickets in Context: How Environment and Morph Relate to Locomotory Behavior
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本刊编辑推荐：本研究通过结合野外实地观察与实验室控制实验，创新性地探讨了太平洋田野蟋蟀（Teleogryllus oceanicus）两种雄性形态（祖传型与新型“呼噜”型）在不同环境下的运动行为差异。研究揭示了行为可塑性（Phenotypic Plasticity）的重要性，发现祖传型雄性在野外花费更多时间在草下活动（可能与躲避致命寄生蝇Ormia ochracea有关），而此差异在实验室环境中消失。研究强调了将实验室研究与野外观察相结合，对于全面理解动物行为及其进化生态学意义的必要性，为研究替代交配策略（Alternative Mating Tactics）和行为生态学提供了重要见解。
摘要
动物行为研究面临的一个挑战是，在圈养环境下观察和研究的行为可能无法反映其在自然界中的真实表现，但很少有两种情境都被评估。太平洋田野蟋蟀在夏威夷遭遇了一种通过声音狩猎的致命寄生蝇，这促进了新型雄性形态的出现，例如“呼噜”型雄性，它们发出衰减的鸣叫声从而受到保护。然而，这些新型形态仍然能够繁殖。较安静的呼噜型雄性可能使用替代交配策略，例如增加运动行为，以促进与配偶的相遇。本研究利用一个包含呼噜型雄性和典型祖传型雄性的种群，探究了这两种类型在野外的运动行为是否存在差异，这种差异是否在实验室中得以维持，以及行为是否依赖于情境（通过改变测试基质：天然草或人工泡沫）。在野外，两种雄性形态在草上行走的时间没有差异，但祖传型雄性在草下花费了更多时间。在实验室中，两种形态活动的时间相同，但在人工基质上移动的距离显著更远、速度更快。与野外不同的是，在实验室中，形态间在草下的运动没有差异，这一点很有趣，因为蟋蟀在野外会受到寄生，而草下可能提供保护。我们的发现凸显了将实验室实验与野外观察相结合以全面理解动物行为的重要性。
引言
将野外观察与受控的实验室研究相结合，是全面理解动物行为的有力途径，因为基于实验室的研究可以控制导致自然界动物行为差异的多种变异来源。例如，表型可塑性，即单一基因型表达多种表型的能力，是普遍存在的，而行为尤其具有可塑性。饲养环境和行为被观察时的即时环境都可能解释实验室和野外观察之间的差异。理解可塑性的潜在作用在物种表现出关键行为（如替代交配策略）的多态性时尤为重要。本研究比较了蟋蟀两种繁殖形态在野外和实验室两种不同情境下的运动行为，以期获得对运动行为更全面的理解。
运动行为或搜索行为对许多动物至关重要，因为这是它们定位配偶、食物、产卵/筑巢地点和避难所的方式。这种行为在具有替代交配策略的物种中尤其重要，因为它们通常在运动行为上存在差异。然而，在野外观察运动行为具有挑战性。太平洋田野蟋蟀是一种常在实验室被研究的昆虫，并且最近进化出了可能使用替代交配策略的新雄性形态。雄性太平洋田野蟋蟀主要使用响亮、音调性的鸣叫声在黑暗掩护下吸引雌性配偶，但在其引入地夏威夷，它们的鸣叫声也会吸引致命的寄生蝇。作为对这种新选择压力的响应，太平洋田野蟋蟀进化出了新的雄性形态，它们产生不同的鸣叫声以保护自己免受蝇害。一种新的雄性形态，称为呼噜型，产生的鸣叫声比祖传鸣叫声安静得多，从而保护它们免受蝇害，但在吸引配偶方面效果较差。在夏威夷的几个地点，呼噜型雄性与祖传型雄性栖息在同一片田野中。在多种形态共存的地点，每种形态都受到性选择和自然选择的不同平衡影响。目前尚不清楚祖传型和呼噜型雄性在运动行为上是否存在差异，但现有证据表明呼噜型雄性可能需要更多地搜索配偶。最近研究表明，沉默型雄性比祖传型雄性运动更多，这可能有助于它们在无法产生性信号的情况下成功交配。呼噜型雄性也可能在运动行为上与祖传型雄性不同。形态间运动行为的差异可能源于遗传或环境影响。由于野外和实验室研究各有优缺点，在两种情境下观察行为并避免依赖实验室行为作为野外行为的代表至关重要。本研究首次对太平洋田野蟋蟀的运动行为进行了原位观察，并将该野外实验与实验室实验配对进行。本研究的一个显著特点是，野外实验是作为跨机构课程式本科生研究经历的一部分进行的。
方法
野外实验于2021年9月至10月在夏威夷杨百翰大学校园的草坪上进行。这是一个被长期研究的太平洋田野蟋蟀种群，包含祖传型和新型形态。数据由杨百翰大学动物行为课程的学生收集，该课程被设计为一个跨机构CURE。在开始野外观察之前，学生接受了来自本地和远方首席研究员的培训。研究人员在黄昏蟋蟀开始活动时进行观察。学生分成两人小组，一人使用焦点跟踪程序观察蟋蟀行为，另一人记录观察结果。他们使用红色头灯照明草地，以避免干扰蟋蟀的自然行为。研究人员对每只雄性蟋蟀进行至少2分钟，最多5分钟的连续焦点跟踪。观察者根据为本项目制定的行为谱对蟋蟀行为进行分类。焦点跟踪结束后，学生捕捉动物以确认其成熟度、性别和雄性形态，然后将它们放回原处。为避免重复观察同一只动物，小组在选择下一个焦点动物前至少移动1米远。数据分析使用JMP进行。
实验室实验使用来自与野外实验相同种群的实验室饲养动物。在实验室中，蟋蟀被饲养在可控环境中三代后进行测试。我们在一个开放式玻璃竞技场中测试了第三代成年雄性的运动行为，并使用了两种基质处理：人工泡沫和天然草。这是一个因子设计，包含两种基质处理和两种雄性形态。在实验前24小时，我们将雄性从混合性别种群箱中取出并单独饲养。我们测量了每只雄性的前胸背板宽度，并使用随机数生成器确定它们接受基质处理的顺序。在实验过程中，我们将测试雄性放置在指定的竞技场中心，让其适应1分钟，然后允许其自由移动5分钟。我们记录了以下因变量：开始移动的时间、3分钟后和5分钟后穿越的网格线数量、是否大部分时间沿墙行走以及是否尝试在草或垫子下挖掘。数据分析使用JMP进行，模型包含雄性ID作为随机效应，基质处理和雄性类型作为固定效应。
结果
野外实验共观察了69只祖传型雄性和155只呼噜型雄性。祖传型雄性在草下活动（挖掘）的时间比例显著高于呼噜型雄性，平均分别为22%和11%。两种形态在草顶上静止站立的时间比例上没有差异。两种形态在草顶表面 roaming 的时间比例上也没有差异。
在实验室实验中，蟋蟀开始移动的潜伏期在基质处理或雄性形态类型上没有差异。蟋蟀在人工垫子上比在草上移动得更多，在3分钟和5分钟后穿越的网格线数量都显著更多，但雄性形态间在穿越网格线数量上没有差异。雄性在草基质上尝试“挖掘”的次数多于在垫子上，但雄性形态间在挖掘倾向上没有差异。大约75%的雄性在大部分试验时间内沿墙行走，这在雄性类型或基质间没有差异。
讨论
我们进行了一项实验室实验和一项原位焦点跟踪野外实验，以观察太平洋田野蟋蟀两种形态在野外和实验室条件下的运动行为差异，旨在研究行为如何依赖于环境情境。在野外，祖传型雄性在草下活动的时间更多。这与实验室实验不同，在实验室中两种形态在草下的挖掘倾向相同。我们还记录了情境可塑性；呼噜型和祖传型雄性在人工垫子上的移动都比在草上多。
我们旨在测试实验室和野外行为是否存在差异，因为这样的比较有助于识别行为变异的来源。我们在野外基于焦点跟踪的发现和实验室基于试验的结果之间的比较表明，这些情境之间确实存在行为差异。关键的是，我们在野外发现两种雄性形态的行为存在一致的差异，但这些差异在实验室研究中未被检测到。我们对野外观察到的形态差异的一种解释是，这些差异是可塑性的结果，因此在共同环境的实验室实验中这些差异消失了。饲养条件和成年期经验在实验室和野外明显不同。例如，两种形态在实验室中都没有经历寄生，并且它们以比野外更高的密度饲养，这会增加鸣叫声衰减形态的交配机会。如果我们在野外观察到的形态运动行为差异是由寄生蝇驱动的，那表明蟋蟀可以对蝇类经验做出可塑性反应或学习，这是一个令人兴奋的未来研究领域。或者，实验室中缺乏形态差异可能与种群中近期快速进化产生的新变异有关。
一个令人惊讶的发现是，在实验室实验中形态间在运动行为上没有差异。我们原本预期呼噜型雄性运动更多，因为最近的一些实验室实验表明，沉默型若虫和成年雄性比祖传型雄性运动更多。与沉默形态不同，呼噜型雄性产生可听的鸣叫声，能够吸引一部分雌性并使其定位。因此，呼噜型和沉默型雄性可能在运动上存在差异，因为只有呼噜型能够产生声音从而在静止时吸引配偶。我们的结果也可能与祖传型雄性中出现的新翅膀变异有关。
确实，我们在实验室实验中发现了情境可塑性，即两种形态在人工基质上都比在天然草基质上移动更多、挖掘更少。为什么会这样？在光滑的垫子上行走可能比在草上更容易，因此移动距离的差异可能仅仅是由于基质提供的阻力。关于挖掘，在草上挖掘显然比在泡沫表面更容易。
这项研究引发了未来工作的令人兴奋的想法。例如，在夏威夷的其他地点已经描述了几种额外的新型形态。由于我们在野外观察到新型呼噜形态和祖传形态之间存在差异，在夏威夷的其他地点重复这一野外实验将会很有趣。观察性野外研究的一个挑战是，个体的某些特征是未知的。在我们的研究中，我们无法评估蟋蟀是否被寄生。了解寄生是否影响运动将是有趣的，这可以在未来的受控实验室实验中探索。此外，在实验室中，一个限制可能是竞技场的大小和矩形形状；我们研究中四分之三的雄性大部分时间沿墙行走。在未来，更大的竞技场或具有圆角或圆形的竞技场可能为评估运动和行为提供更好的环境。此外，在泡沫或草皮等人造基质上，现在可以使用视频和计算机跟踪方法来收集比我们研究中可能获得的更详细的动物运动数据。最后，蟋蟀还使用表皮碳氢化合物以及基质传播的振动进行交流。考虑运动行为在其他通信模式背景下的情况可能会很有趣。
我们记录了野外和实验室研究之间的差异，即野外存在的形态差异在实验室中没有出现。通过创建跨机构CURE，我们能够进行一项耗时的野外实验，当与受控实验室实验配对时，提供了对该系统中运动行为的有力观察。我们鼓励研究人员将实验室实验与野外观察相结合，因为这是揭示动物在自然界中所获经验对行为变异重要性的稳健方法。
