与盲鼹鼠可能生态物种形成相关的分化：上加利利盲鼹鼠（Nannospalax galili）热生物学与咬合力的整合研究

《Integrative Zoology》：Divergence Linked to Possible Ecological Speciation in Blind Mole Rats: Integration of Thermal Biology and Bite Force in the Upper Galilee Blind Mole Rat (Nannospalax galili)

　　

生态物种形成是指不同自然选择驱动物种内谱系多样化的过程。上加利利盲鼹鼠（Nannospalax galili）为研究生态物种形成提供了一个引人注目的模型，因为它栖息在一个缺乏物理屏障但具有鲜明生态对比的景观中，即以色列北部伦兹纳（rendzina）土壤和玄武岩（basaltic）土壤之间。这些土壤在多种生物学相关特性上存在差异，这些特性强烈影响着鼹鼠的生物学。本研究检查了来自玄武岩和伦兹纳土壤的鼹鼠在能量学和咬合力方面的差异，以评估这些差异是否可能促进局部适应并推动生态物种形成。研究人员未发现种群间在静息代谢率（Resting Metabolic Rate, RMR）、挖掘代谢率（Digging Metabolic Rate, DMR）、身体散热模式或咬合力方面存在差异。相比之下，栖息于玄武岩土壤的鼹鼠比栖息于伦兹纳土壤的个体维持着约低1.6°C的体温，在任何一种土壤类型中挖掘后体温升高幅度更大，并且表现出更高的挖掘效率。这些生理差异与玄武岩土壤的双重挑战相一致，即其对挖掘具有更高的机械阻力，以及其洞穴内季节性更强的低氧和高二氧化碳（CO₂）大气环境。总的来说，研究结果支持了一种情景，即与热和低氧相关的生理性状是局部适应的基础，并可能促进盲鼹鼠在不同对比土壤生境中的生态物种形成。

**研究背景与问题**
生态物种形成，即不同自然选择作为谱系多样化主要驱动力的进化过程，在过去三十年中获得了大量实证和理论支持。与遗传漂变、奠基者效应或多倍体化等随机物种形成机制不同，选择驱动的物种形成源于物种内种群间的生态分化。局部适应可以促进生殖隔离的演化，这是物种形成过程的关键组成部分。尽管随着下一代测序技术的出现，这一概念获得了更多关注，但生态物种形成仍处于持续辩论中，例如，介导生态驱动分化的具体性状通常知之甚少。在脊椎动物中，上加利利盲鼹鼠（Nannospalax galili）早在二十年前就已成为生态物种形成研究的一个引人注目的模型。在以色列北部，N. galili 栖息在一个没有物理屏障但生态对比鲜明的景观中，即浅色的伦兹纳土壤和深色的玄武岩土壤之间。这两种土壤类型在许多影响鼹鼠的生物学相关特性上存在差异。与伦兹纳土壤相比，玄武岩土壤拥有更高丰度、生物量和多样性的地下储藏器官植物（geophytes），这是鼹鼠的主要食物来源。在结构和化学性质上，玄武岩土壤全年更硬，保水性更强，含有更高浓度的对植物营养至关重要的可交换阳离子，并且热环境不如伦兹纳土壤极端。此外，在多雨的冬季，水饱和的玄武岩土壤比伦兹纳土壤更加低氧和高碳酸，这可能对鼹鼠施加更大的生理压力，特别是在挖掘和在地下巢穴中休息时。在生态物种形成的框架内，相邻土壤类型之间如此显著的差异可能驱动不同的选择，最终促进 N. galili 种群的局部适应。然而，目前关于这些性状如何响应 N. galili 特定土壤条件而进化的理解仍然有限，生理性状在生态物种形成研究中尤其受到较少关注，部分原因是准确测量它们存在固有的挑战。

**研究目的与内容**
为了弥补这一空白，本研究旨在调查 N. galili 的关键生理和形态功能性状在栖息于玄武岩和伦兹纳土壤的种群之间是否存在一致的差异，以及这些差异是否可能促进局部适应和早期生态物种形成。具体假设包括：玄武岩土壤的鼹鼠（1）由于玄武岩栖息地更高的初级生产力，将具有更高的静息代谢率；（2）将维持较低的核心体温，以补偿在坚硬土壤中进行能量需求高的挖掘时产生的更高热量；（3）将表现出能量效率更高的挖掘（即每挖掘一米隧道消耗的能量更低），反映对物理上更硬基质的适应。在形态功能性状方面，预测玄武岩栖息的鼹鼠（4）将具有更短和更稀疏的毛发，从而促进在更难挖掘的玄武岩土壤中挖掘时产生的额外代谢热更有效地消散；（5）将表现出更强的咬合力以松动压实的玄武岩土壤。该研究发表在《Integrative Zoology》期刊上。

**关键技术方法**
研究人员从以色列上加利利山脉东部的两个地点（Gush Halav和Rihaniya附近）捕获了成年 N. galili 个体，并在捷克南波希米亚大学的动物设施中进行实验。关键生理测量在受控实验室环境中进行。静息代谢率（RMR）和挖掘代谢率（DMR）使用定制的小型动物呼吸测量室在恒定温度下测量，通过氧气分析仪监测耗氧量。挖掘试验采用完全互惠交叉测试设计，让来自两种土壤的个体分别在伦兹纳和玄武岩两种基质中挖掘，以测量DMR、挖掘速度和挖掘能耗。使用直肠温度探头测量核心体温（T_b），并在不同环境温度（T_a）梯度下使用热成像相机测量体表温度（T_s），计算体温与体表温度差（T_diff）以评估散热。对保存的皮肤样本测量了背部和腹部区域的毛发长度和密度。使用等距力传感器测量了野外捕获个体的活体咬合力。数据分析采用线性模型（LM）和广义最小二乘法（GLS）模型，以身体质量作为协变量，并考虑了性别、动物土壤起源、挖掘基质及其相互作用等预测因子。

**研究结果**
**3.1 研究动物的身体测量**
雄性个体显著重于雌性，且身体更长，这一模式与土壤起源无关。

**3.2 体温、静息代谢率和挖掘代谢率**
来自玄武岩土壤的鼹鼠表现出显著更低的静息体温（平均低约1.56°C），但性别或其与土壤起源的交互作用不显著。质量特异性静息代谢率（msRMR）在两种土壤起源的种群间无显著差异，且随身体质量增加而降低。挖掘代谢率（DMR）和代谢范围（metabolic scope）在玄武岩土壤中挖掘时显著高于在伦兹纳土壤中，与动物土壤起源无关。在玄武岩土壤中的挖掘速度比在伦兹纳土壤中慢。总体挖掘能耗受动物土壤起源和挖掘基质的共同影响：来自伦兹纳土壤的个体在两种基质中的挖掘能耗都高于玄武岩土壤个体；在伦兹纳土壤中挖掘通常比在玄武岩土壤中能耗更低。相对于静息体温，玄武岩栖息的个体在玄武岩土壤中挖掘时体温升高幅度（ΔT_b）大于伦兹纳栖息的个体。在伦兹纳土壤中挖掘引起的体温升高略大于在玄武岩土壤中。

**3.3 毛发特征**
毛发密度在身体区域间存在显著差异（背部高于腹部），但不受动物土壤起源影响。毛发长度方面，动物土壤起源与身体区域存在显著交互作用：背部毛发在玄武岩土壤个体中倾向于更长，而腹部毛发无土壤相关差异，但需谨慎解释因样本量小。

**3.4 T_diff 随环境温度梯度的变化**
体温与体表温度差（T_diff）随环境温度（T_a）升高在所有三个身体区域（背部、腹部、后足）均下降，且性别或土壤起源与环境温度无显著交互作用。T_diff 下降的速率在身体区域间存在显著差异：腹部下降最平缓，背部居中，后足下降最陡峭。

**3.5 咬合力**
在自由生活的鼹鼠中，雄性平均咬合力高于雌性。线性模型分析显示，身体质量和性别是咬合力的显著预测因子（身体质量有正效应，雄性咬合力平均高出约11 N），而动物土壤起源对咬合力无显著影响。

**讨论与结论总结**
本研究检测了栖息在伦兹纳和玄武岩两种生态不同生境中的盲鼹鼠 N. galili 在能量学和咬合性能多个方面的变异。研究人员未发现种群间在质量特异性静息代谢率、质量特异性挖掘代谢率、身体散热模式或咬合力方面存在差异。相反，玄武岩栖息的鼹鼠维持着比伦兹纳同种更低的体温，并且表现出更高的挖掘效率以及在两种土壤类型中挖掘后更大的体温升高。这些发现为评估 N. galili 的生理和形态功能性状是否以及如何响应伦兹纳和玄武岩土壤的对比生态条件而发生分化提供了基础。

生态驱动的生理分化被认为是局部适应并最终导致生态物种形成的驱动力。在盲鼹鼠中，先前研究曾将代谢性状差异与栖息地生产力联系起来，但本研究结果对先前报道的种群间静息代谢率分化提出了挑战。尽管样本量适中可能限制了对细微种群差异的检测，但未发现静息代谢率、挖掘代谢率和身体散热方面的差异。分化更明显地表现在体温调节和挖掘相关性状上：玄武岩个体维持持续更低的体温，产生更低的总体挖掘能耗，并表现出挖掘后更大的体温升高。总体而言，在玄武岩土壤中挖掘比在伦兹纳土壤中能量消耗更高，但代谢增加的幅度在种群间不同：玄武岩鼹鼠在玄武岩土壤中挖掘时能耗增加9%，而伦兹纳鼹鼠在玄武岩土壤中挖掘时能耗增加15%。这些模式表明，N. galili 的种群水平分化可能在活动相关的体温调节反应中比在基础代谢性状中表达得更强烈。

挖掘是内源性产热的主要来源，这种效率差异在盲鼹鼠活跃建造或重建洞穴系统期间所经历的热条件下可能具有重要后果。N. galili 暴露于广泛的洞穴温度范围，这需要其在浅层土壤中定期活动，那里温度波动最显著。其良好的隔热毛发和相对较高的基础代谢率表明该物种适应应对低温而非高温，因此对过热高度敏感，这在挖掘等能量需求高的活动中尤为关键。夏季洞穴温度可能超过物种的上临界温度，尽管存在风险，盲鼹鼠在炎热干燥的夏季仍保持活跃并继续挖掘。实验中挖掘后体温接近38°C，距离已知致死阈值有限，这表明活动引起的加热可能对 N. galili 施加强大的选择压力。过热风险为解释观察到的体温种群差异提供了直接背景。重要的是，玄武岩个体表现出比伦兹纳个体更大的挖掘后体温升高，这与测试基质无关。从较低基线体温开始的动物，在接近临界热限之前可以部分缓冲这种多余热量，有效扩大其热耐受范围。因此，玄武岩鼹鼠观察到的持续较低体温，加上其相比伦兹纳个体显著更大的体温升高，可能代表了一种减轻与在更硬更密土壤中挖掘相关的热应激的适应策略。

在炎热的夏季，当洞穴温度接近或超过上临界限时，即使是基线体温和活动引起加热的微小差异也可能影响生存。这种生理分化可能促进局部适应，并有助于栖息在不同土壤生境的种群之间的生态分化。然而，作用于热适应的不同选择是否会通过类似强化过程加强生殖隔离，目前尚不清楚。研究人员认为观察到的生理分化可能代表生态分化的早期阶段，而非完全建立的生殖屏障。

虽然热应激为玄武岩鼹鼠较低静息体温提供了一个可能的解释，但它不太可能是唯一的选择压力。与玄武岩土壤相关的另一个关键因素是低氧，它可能与热挑战并行或相互作用。在 N. galili 中，最极端的呼吸条件记录在淹水的重型玄武岩土壤中，氧气浓度低至7%，二氧化碳高达6.1%。因此，N. galili 表现出显著的低氧耐受性，并在其洞穴中经历广泛的氧气水平范围，在实验室条件下能在3%氧气中存活14小时，并显示出许多生理适应。在哺乳动物中，低氧常诱发体温的受控下降以减少氧气需求。玄武岩鼹鼠持续较低的体温，加上种群间在静息代谢率或挖掘代谢率上没有差异，表明选择可能作用于体温调节设定点。降低体温可减少氧气需求，并可能在季节性低氧、高二氧化碳的玄武岩土壤条件下延长有氧挖掘时间。重要的是，p53（一种响应包括低氧在内的各种应激的主要传感器和调节因子）调控的差异与两种土壤的对比低氧环境相对应。在伦兹纳土壤种群中，较高的p53水平促进了更强的G1期阻滞，支持在中等低氧下的能量保存；而在玄武岩土壤种群中，较低的p53水平导致较弱的阻滞和对酸性应激的更高敏感性，反映了对更严酷低氧和较低土壤pH的适应。因此，不同的p53反应反映了玄武岩和伦兹纳土壤生境的局部选择压力，并支持了它们之间的生态分化。

观察到的体温差异也可能反映了表型可塑性，或土壤类型间环境热条件的变异。然而，由于两个种群的动物在相同的常氧条件下维持了一年多，持续的体温差异更可能反映了长期的遗传适应，而非可逆的表型可塑性。长期的测量表明，伦兹纳土壤经历的热环境与玄武岩土壤相当或更极端，使得环境温度不太可能成为观察到的体温分化的唯一解释。

咬合力在土壤种群间缺乏差异是出乎意料的，取而代之的是检测到明显的性别二态性，雄性咬合力强于雌性。这种模式表明，除了自然选择塑造穴居啮齿动物强大的咬合装置外，性选择可能进一步调节 N. galili 的咬合力。性别相关的咬合力差异最近在社会性非洲鼹鼠中得到记录，并且对头部形态的投资在雄性中显示出比雌性更强的咬合力。相比之下，在达尔文雀中，咬合力的适应性分化已被证明与种子大小和硬度相关，并可能有助于物种形成。在盲鼹鼠中，强烈的雄性偏向咬合性能可能反映了种内压力（如雄性比雌性具有更高的攻击性和领域性）以及种间趋势。

**研究结论**
本研究揭示了 N. galili 体温调节性状上可能的选择压力。尽管玄武岩和伦兹纳土壤具有不同的机械和小气候特性，但种群间在静息代谢率和挖掘代谢率上没有差异，散热模式、毛发参数或咬合力也没有差异。然而，玄武岩栖息的鼹鼠维持着约低1.6°C的静息体温，并在不同基质中表现出更大的挖掘后体温升高，同时伴随着更高的挖掘效率，这表明生态选择的目标是体温调节设定点和热平衡，而非基础代谢机制或生物力学性能。这些生理差异与玄武岩土壤更硬、更重以及季节性低氧、高二氧化碳洞穴大气的双重挑战相一致。总的来说，研究结果表明，虽然生态选择有可能塑造 N. galili 的体温调节生理，但性选择也可能影响如咬合力等生物力学性能。这些结果共同指向一种情景，即热和低氧相关的生理学是局部适应的基础，并可能促进跨生态不同土壤生境的生态物种形成。