气管腔作为蝙蝠回声定位高频发射的关键创新

《The Anatomical Record》：Tracheal chambers as a key innovation for high-frequency emission in bat echolocation

　　

关键创新是生物多样性和促进进化成功的关键，使生物通过表型性状的多样化适应各种生态位。在哺乳动物中，显著的适应包括演化出高冠齿（hypsodonty）以啃食禾本科植物，以及蝙蝠演化出回声定位和翼的获得。最近的研究强调了蝙蝠喉部（larynx）这一对回声定位能力至关重要的器官被忽视的形态多样性。气管腔（tracheal chambers）位于气管（trachea）的第一环上，是喉复合体中的神秘组成部分，其起源和功能尚不完全清楚。研究人员假设这些结构表现出趋同进化，并代表了一种关键创新，负责喉回声定位（laryngeal echolocation）行为的多样化。通过分析51种蝙蝠物种及其喉软骨和气管腔，研究人员探索了体重、声音频率和腔体积之间的关系。研究人员假设气管腔可能促进了蝙蝠的喉回声定位能力。研究人员进行了祖先状态重建（ancestral state reconstruction），以理解蝙蝠气管腔和回声定位行为的进化。研究人员得出结论，气管腔可能支持更高频率的声音产生，并且在鼻发射叫声发展期间可能对高占空比（high-duty cycle）回声定位特化起到关键作用，这使得蝙蝠能够在多样环境中繁盛。研究人员认为，气管腔是特化的表型适应，可能有助于多样化喉回声定位行为和蝙蝠的进化成功。

**研究背景与问题**
蝙蝠（Chiroptera）是哺乳动物中种类第二多的类群，其进化成功常归因于飞行能力和喉回声定位（laryngeal echolocation）等关键创新。然而，喉部作为回声定位中产生高频脉冲的核心器官，其形态多样性长期被低估。气管腔（tracheal chambers）是位于气管第一环上的中空软骨球状结构，在菊头蝠科（Rhinolophidae）、蹄蝠科（Hipposideridae）、三叉蝠科（Rhinonycteridae）以及裂颜蝠科（Nycteridae）中被发现，但其余蝙蝠家族中未见。这些腔体的起源和功能尚不明确，先前推测其可能参与调节喉回声定位，例如增强声音振幅或过滤基频，但缺乏系统性进化分析。本研究旨在检验气管腔是否为蝙蝠高频声发射的关键创新，并探索其与回声定位行为多样化（如恒频高占空比（constant frequency high-duty cycle, CF_HDC）发声）及鼻发射（nasal emission）的进化关系。论文发表在《The Anatomical Record》。

**主要技术方法**
研究人员构建了涵盖51种蝙蝠（16科）和3种啮齿类外群的系统发育框架，使用碘对比增强X射线显微断层扫描（diceCT）对4种菊头蝠、9种蹄蝠和1种裂颜蝠的喉软骨进行三维重建。样本来源包括石溪大学、越南科学院、南澳大利亚博物馆、东京大学博物馆、密歇根大学动物博物馆、香港城市大学以及阿肯色大学等机构。通过Morphodig软件测量气管腔体积，结合全球生物多样性信息机构（GBIF）的体重数据和公共声学数据库（Chirovox、Morcegoteca）的最大能量频率（frequency of maximum energy, FME）数据，采用系统发育广义最小二乘法（PGLS）、Mk模型、Pagel94相关进化模型和阈值模型（threshold models）进行统计和进化分析，并利用祖先状态重建（ASR）推断性状进化历史。

**研究结果**
**3.1 形态学比较**
- **3.1.1 解剖学**：三维重建显示，菊头蝠、蹄蝠和三叉蝠的喉部具有极度发达的肌肉翼和环状软骨（cricoid cartilage）中嵴，以及缩小的环状软骨弓，而旧世界果蝠（Pteropodidae）无此特征。裂颜蝠（Nycteris tragata）的气管腔位于环状软骨尾侧、第一气管环上，呈卵圆形，但开口于气管腹侧，区别于其他科的背侧开口；其仅有一对腔体，而菊头蝠科等可呈现2-4个腔体。
- **3.1.2 种间变异**：蹄蝠和菊头蝠体重相似，但菊头蝠的相对气管腔体积更大（0.3345 mm3/g vs 0.1429 mm3/g），主要源于侧腔（lateral chambers）更大。裂颜蝠的平均体重（23.8 g）和FME（90 kHz）与蹄蝠（25.2 g, 114 kHz）相近。

**3.2 气管腔与FME**
PGLS模型表明，FME与体重及气管腔体积均呈负相关（部分R2=0.79）。在具腔体物种中，腔体体积对FME的影响与体重类似；但腔体数量的增加不影响FME。与无腔体蝙蝠相比，有腔体蝙蝠的FME显著更高（FDR校正p=0.02），且该效应独立于生态位、回声定位策略或发射类型。

**3.3 进化模型选择**
Mk2模型（仅允许腔体获得，禁止丢失，且允许从2个腔体直接过渡到4个）最优（AIC最低），说明腔体获得是有序且不可逆的。FME和体重的进化最佳拟合布朗运动模型。

**3.4 共进化与依赖性**
- **离散性状（Pagel94模型）**：气管腔与发射类型（鼻/口）及回声定位行为（CF_HDC/FM_LDC）的相关性均未达到显著水平（p=0.083），但依赖模型的AIC略优，且迁移速率高度不对称：有腔体时口发射状态极不稳定，快速向鼻发射转变（速率0.1346）；无腔体时CF_HDC状态不稳定，快速向FM_LDC转变（速率0.0756）。
- **连续性状（阈值模型）**：具腔体与更高FME显著正相关（平均相关系数r=0.514，95%置信区间[0.084, 0.794]）；具腔体与鼻发射及CF_HDC行为均呈负相关（r=-0.579及-0.531），置信区间均不包含0，表明存在依赖关系。

**3.5 祖先状态重建（ASR）**
ASR显示气管腔在蝙蝠进化中出现两次：一次在裂颜蝠科祖先（约50-12.5百万年前），另一次在菊头蝠/蹄蝠/三叉蝠的共同祖先（早始新世）。鼻发射特征更古老，广泛分布于鼻蝠亚目（Yinpterochiroptera）深处；CF_HDC行为则多见于近期分支。FME和体重的ASR未呈现明显模式，但腔内蝉属（Rhinolophoidea）和裂颜蝠的高FME部分归因于腔体存在。

**讨论与结论**
研究人员讨论了气管腔促进高频声发射的机制：侧腔可能通过过滤基频增强二次谐波，背腔可能反射声音以增加振幅，但背腔体积较小，可能不直接调节FME。进化模式表明，腔体获得与鼻发射及CF_HDC特化存在演化耦合：所有有腔体蝙蝠均为鼻发射，且均为CF_HDC发声者（除口发射的胭脂蝠（Pteronotus rubiginosus）外）。研究人员提出，鼻发射对声音强度的衰减促使了腔体这种功能适应，而口发射者（如胭脂蝠）无需腔体即可实现CF_HDC。腔体还可能与占据活跃扑翼检测（NSFD）生态位相关，促进蝙蝠栖息地多样化。

**研究结论**
研究人员得出结论：气管腔是蝙蝠喉部的特化表型适应，支持更高频率声音的产生，并在鼻发射的CF_HDC回声定位特化中发挥关键作用。腔体的两次独立获得（裂颜蝠科和菊头蝠总科）代表了趋同进化，其不可逆的获得和体积增加与FME升高相关，但背腔可能主要用于增强声音而非调频。这些结构使蝙蝠能够多样化其回声定位行为，从而适应新生态位，推动进化成功。