《Marine Mammal Science》:Quantifying the Morphological Differences Between Fur Seals and Sea Lions
编辑推荐:
有耳海豹(eared seals,科名 Otariidae)分为海狗(fur seals)与海狮(sea lions),但缺乏分支系统学(cladistic)支持。该划分主要基于毛发形态(hair morphology),尚不清楚是否存在其他形态学信号可区分两
有耳海豹(eared seals,科名 Otariidae)分为海狗(fur seals)与海狮(sea lions),但缺乏分支系统学(cladistic)支持。该划分主要基于毛发形态(hair morphology),尚不清楚是否存在其他形态学信号可区分两类。本研究使用三维几何形态测量学(3D geometric morphometrics)分析海狗与海狮间颅骨形状(cranial shape)差异,共分析 50 个三维颅骨扫描数据,并控制性别(sex)与系统发育关系(phylogenetic relationships)带来的变异。非系统发育分析(non-phylogenetic analyses)发现海狗与海狮、雄性与雌性在独立于异速生长(allometry)之外均存在显著形态差异。然而系统发育分析(phylogenetic analyses)仅发现雌性海狗与海狮的颅骨形状不同,且该差异可由异速生长解释。海狗颅骨形态离散度较低,海狮形态变异性更大。结果表明异速生长会影响海狗与海狮中的形态信号。
研究背景方面,林奈分类(Linnean classification)确立后,并非所有早于分支系统学(cladistic systematics)建立的类群都经得起检验。海狮科(Otariidae,有耳海豹 eared seals)中的“海狗(fur seals)”与“海狮(sea lions)”即典型例子:海狗含 Arctocephalus 与 Callorhinus 两现生属,海狮含 Otaria、Eumetopias、Neophoca、Phocarctos、Zalophus 五属。分子研究显示,海狗为多系群(polyphyletic group),海狮为并系级(paraphyletic grade),二者无系统发育意义。早期区分依赖被毛形态(pelage morphology),如毛密度与底绒发育;线性形态测量提示海狗多为中头型(mesocephalic),海狮多为长头型(dolichocephalic),但组间重叠大,且受性二型(sexual dimorphism)干扰。既有三维几何形态测量学研究多面向整个鳍足类(pinnipeds)或真海豹科(Phocidae),未专门检验 Otariidae 内海狗与海狮的颅骨差异。因此,研究人员在控制性别与系统发育背景下,重新检验“海狗/海狮”是否具有形态学依据。
该研究发表于《Marine Mammal Science》。研究人员对 13 个 Otariidae 物种共 50 件颅骨成熟标本开展三维几何形态测量学分析,发现非系统发育框架下两组及雌雄间存在显著形状差异且独立于异速生长;但系统发育框架中仅雌性海狗与海狮差异显著且由异速生长解释。海狗颅骨离散度低、海狮变异性高,说明传统分组缺乏稳健形态学基础,异速生长是主要变异驱动,对理解海狮科分类、生态幅与气候压力下的适应潜力有重要意义。
关键技术方法上,样本来自 Natural History Museum London、Museums Victoria、Canterbury Museum 与 California Academy of Sciences 的 13 种 Otariidae 共 50 件成年颅骨;用 Faro Edge ScanArm 激光线探头、Artec Space Spider 结构光扫描获取三维表面数据。研究人员定义 97 个 I/II 型三维标志点(landmarks),在 MorphoDig 中标定;用 geomorph 包做通用普氏叠加(general Procrustes superimposition,GPA)提取形状坐标与形心大小(centroid size),再做主成分分析(principal component analysis,PCA)。统计上用 procD.lm 检验组间/性别/异速生长效应与形态离散度(morphological disparity);系统发育上取雌雄物种均值匹配 Park 等系统树,用 Kmult 检系统发育信号,构建系统发育形态空间(phylomorphospace),并以 procD.pgls 做系统发育广义最小二乘检验。
3 Results(结果)
3.1 Principal Component Analysis(主成分分析):研究人员对全样本 GPA 坐标做 PCA,PC1 占 38.07%、PC2 占 12.32%。PC1 极低端为较宽平吻部、较宽脑颅,极高值为眶更大、翼突相对颅宽更窄;海狮在 PC1–PC2 上分散且普氏方差更高,海狗 PC1 分值低,非 Arctocephalus 种间方差大于 Arctocephalus。结论:海狮颅骨形态空间覆盖更广,海狗形态更收敛。
3.2 Phylomorphospace(系统发育形态空间):雄性物种均值子集 PC1 41.55%、PC2 19.26%;雌性子集 PC1 49.38%、PC2 17.84%。海狗聚于低 PC1/高或低 PC2,海狮跨轴分布且无簇,非 Arctocephalus 方差更高。结论:系统发育平均层面上海狗集群、海狮离散,Arctocephalus 属内变异小于其余 Otariidae。
3.3 Statistical Tests(统计检验):procD.lm 显示海狗—海狮、Arctocephalus—其他 Otariidae 形状差异显著,形心大小具显著异速信号;加性模型下海狗—海狮与雌雄差异独立于体型显著。Kmult 在雌雄子集均弱且不显著。procD.pgls 中异速信号显著,仅雌性海狗—海狮显著但加性模型不显著,说明该差异源于异速生长。结论:纳入系统发育后,传统分组不再具备独立形态学支持。
讨论部分总结:研究人员指出,Otariidae 内海狗与海狮分组无分支系统学依据,既往被毛与线性测量结论受异速生长与性二型混淆。三维几何形态测量显示,非系统发育检验可见组间差异,但系统发育检验中差异消失或由异速生长解释。海狗颅形受限、海狮功能颅型更广,可能与海狗表层摄食、海狮深潜多策略相关;Otariidae 整体形态离散度低反映近期分化和生态/生活史约束。弱系统发育信号说明形态变异不被谱系严格限制,异速生长与性二型是重要塑造因素。海狗窄生态幅可能在海洋表层生产力快速变化时适应弹性较弱,海狮广形态与大体型提供一定缓冲。未来应结合化石、更细标志点方案与生态生活史变量检验。
5 Conclusions(结论)翻译:本研究旨在检验“海狗”与“海狮”这两类既有分组是否具有形态学基础。海狗颅骨形态似乎受到较强约束,海狮则表现出更大的形态变异性,可能反映更宽的生态灵活性。研究人员发现海狗与海狮之间并无形态学差异,异速生长是该类群形态变异的显著驱动因素。海狗内部形态离散度低于海狮,可能意味着在环境变化背景下其适应潜力降低。