## 中文标题 Camarodont海胆（Echinoidea: Camarodonta）叉棘的形态学与形态测量学表征——以Paracentrotus lividus、Psammechinus miliaris和Echinus esculentus为例

《Acta Zoologica》：Morphological and Morphometric Characterisation of Selected Camarodont Sea Urchin (Echinoidea: Camarodonta) Pedicellariae (Paracentrotus lividus, Psammechinus miliaris and Echinus esculentus)

　　

叉棘（Pedicellariae）是海胆（echinoid）壳体表面的小型附属结构，参与防御、清洁和运动功能。本研究以英国海域常见的三种Camarodont海胆——Paracentrotus lividus（Lamarck, 1816）、Psammechinus miliaris（P.L.S Müller, 1771）和Echinus esculentus（Linnaeus, 1758）为对象，通过光学显微镜和扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）对其叉棘进行了新的表征与比较。研究人员描述并测量了四种叉棘类型：球囊状叉棘（globiferous）、蛇头状叉棘（ophicephalous）、三叉状叉棘（tridentate）以及最小的三叶状叉棘（trifoliate）。在反口面（aboral surface）上估算出不同的分布密度，其中P. miliaris的蛇头状叉棘密度显著较高（0.79/mm²±0.09，平均值±标准误，p＜0.05，Kruskall-Wallis检验），而E. esculentus的球囊状叉棘密度较低（0.08/mm²±0.02，平均值±标准误，p＜0.05，ANOVA检验）。扫描电子显微镜分析显示，球囊状叉棘头部高度特化，有助于复杂的毒液输送系统；蛇头状和三叉状叉棘则分别具有部分柔韧、部分钙化的柄部以及用于抓握的锯齿状结构。三叶状叉棘体积过小，在活体光学显微镜成像下难以可靠地表征和测量。P. miliaris栖息于最高的潮间带，具有最短的叉棘；而栖息于较深潮下带的E. esculentus则具有最长的叉棘。结果表明，三种海胆的叉棘形态具有相似性，但大小和分布存在差异，反映了其生态位、行为和进化历史的差异。总体而言，海胆叉棘的功能和进化意义仍未得到充分理解，对球囊状叉棘的毒液谱比较、离体后持续动作机制以及最小的三叶状叉棘的进一步研究，可为新型生物化合物以及形态和化学防御系统的生态学意义提供有价值的见解。

## 论文解读

### 一、研究背景与现状问题

海胆（Echinodermata: Echinoidea）是关键的底栖食草动物，以大型藻类（如海带林）、固着无脊椎动物和有机碎屑为食，同时也是海星、海獭、某些鱼类和海鸟的重要猎物。海胆通过分解海底死有机物质并将营养盐返回水体，在碳循环中发挥重要作用。不列颠群岛海域栖息着丰富的棘皮动物，其中三种海胆尤为常见：紫海胆（Paracentrotus lividus，Lamarck, 1816）、绿海胆（Psammechinus miliaris，P.L.S Müller, 1771）和普通海胆（Echinus esculentus，Linnaeus, 1758）。三种海胆虽均为圆形扁平基底形态，但在个体大小、栖息深度和生活习性上存在明显分化：P. miliaris最小，壳径可达50 mm（不含棘），栖息于浅水岩岸、海草床和泥质沙底；P. lividus具长而棕黑至紫黑色的棘，壳径可达70 mm，栖息于中低潮间带，穴居于软岩中；E. esculentus呈球形红粉色壳，覆以白色棘，壳径可达160 mm，常见于深达100 m的岩质基底。

海胆体表覆有棘、管足和众多小型特化结构——叉棘（pedicellariae）。叉棘是海胆最具特征的结构之一，对其生存至关重要。叉棘根据形态和功能分为四种类型：球囊状（globiferous，也称gemmiform）、蛇头状（ophicephalous，也称ophiocephalous）、三叉状（tridentate，也称tridactylus）和三叶状（trifoliate，也称triphyllous）。其功能涵盖物理防御、表面清洁（去除微生物生物膜和较大寄生虫）以及向捕食者注入毒液。值得注意的是一些叉棘在离体后仍可继续颌部运动数分钟，该现象机制尚未充分研究。尽管叉棘在19世纪末和20世纪后半叶曾受到广泛关注（如Sladen、Campbell、Mortensen等学者），但21世纪以来的叉棘研究明显稀缺，现有少数研究主要集中于毒棘海胆属（Toxopneustes）等物种球囊状叉棘毒液中的生物活性化合物（如凝集素）。对于英国常见三种海胆叉棘的系统性形态学描述和形态测量学数据明显不足，且叉棘形态与生态功能、进化历史之间的关联尚不清楚。

### 二、研究内容与意义

本研究旨在对P. lividus、P. miliaris和E. esculentus三种英国水域常见海胆的四种叉棘进行形态学观察、测量和表征，通过光学显微镜和扫描电子显微镜获取新的描述性数据，并在生态角色和功能背景下进行解释。研究提供了叉棘形态测量学的经验数据，为后续海胆化学和机械防御系统的生物活性毒液研究奠定基础，也为预测气候变化影响提供参考。

### 三、主要技术方法

研究对象来源于苏格兰海洋科学协会（Scottish Association for Marine Science）研究水族馆的繁殖和实验种群。P. lividus和E. esculentus为圈养繁殖的第1代或第2代（圈养长达10年），P. miliaris为野外采集后圈养不超过3年。每种选取10个个体，测量体重和壳径后，在水下通过体视解剖显微镜和相机拍摄口面及反口面图像。使用ImageJ软件对图像进行测量，获取叉棘总长、头长、头宽等参数，并在20×和60×放大倍数下计算分布密度和头部比例。采用单因素方差分析（ANOVA）或Kruskall-Wallis检验（分别适用于参数或非参数数据，显著性水平p＜0.05）进行种间差异比较，并辅以事后多重极差检验。扫描电子显微镜（SEM）用于观察球囊状、蛇头状和三叉状叉棘（三叶状过小无法完整摘取），样品经金–钯溅射镀膜后在高真空模式下成像（加速电压17–20 kV）。

### 四、研究结果

三种海胆的体重范围为22–46 g，壳径范围为34–46 mm。所有四种叉棘类型均被观察和成像。蛇头状叉棘是三种海胆中最长且最丰富的类型，在P. miliaris反口面密度达到最高（0.79/mm²±0.09）。球囊状和蛇头状叉棘在三种海胆的整个壳体上均匀分布，较大个体更频繁出现于反口面。三叉状叉棘（尤其是长颌类型）是所测三种类型中最不丰富的。

E. esculentus和P. miliaris口周围口膜（peristomial membrane）上密布蛇头状叉棘并朝向口部定向，而P. lividus则稀缺，取而代之的是朝向口部的长棘和管足。E. esculentus所有类型叉棘均显著更长更大，P. miliaris则更短更小且数量更多，P. lividus介于两者之间。P. miliaris的三叉状叉棘头显著较长但柄短，E. esculentus的球囊状和蛇头状头部更圆（以头长：头宽比值低为特征）（单因素方差分析，p＜0.05，事后多重极差检验）。

扫描电镜分析：球囊状叉棘由三个细长颌组成，含有毒液腺，头部高度特化，具有可输送毒液的末端毒牙（venom tooth）结构。蛇头状和三叉状叉棘形态特化程度较低，但均具有覆盖每个颌或瓣膜全长的外周抓握齿（peripheral gripping teeth）。蛇头状叉棘的三瓣花状瓣膜适合捕捉和移除体外寄生虫。三叉状叉棘具细长颌和强肌肉颈部，能抓取小型无脊椎害虫并将其从壳体移除。P. miliaris球囊状叉棘瓣膜内部结构锯齿更明显，E. esculentus远端毒牙更突出。

### 五、讨论与结论

**球囊状叉棘**：三种海胆之间除E. esculentus尺寸更大外，未发现明显外部形态差异。球囊状叉棘对靠近壳体的最轻微刺激即产生响应，高度特化的神经和肌肉系统证实其防御功能。虽未直接观察到毒液喷射，但已识别出毒液装置相关形态特征。部分研究已从毒棘海胆（如Tripneustes gratilla和T. pileolus）的球囊状叉棘毒液中分离出新型凝集素（如SUL-I），具有针对大肠杆菌（Escherichia coli）的抗菌活性及对某些白血病细胞的细胞毒性。

**蛇头状叉棘**：由三个带柄的刀片状瓣膜构成，用于抓握试图在壳体表面定居的生物（如外寄生虫）。三种海杏中未观察到口面和反口面蛇头状叉棘的形态分化，主要区别在于P. lividus具有更尖的头部和更长的柄。潮下带的P. lividus可能较浅水潮间带的P. miliaris暴露于更多底栖和浮游生物，因此清除外寄生虫的功能可能更为突出。

**三叉状叉棘**：最大类型的叉棘，具三个细长瓣膜和强壮的肌肉颈部。在反口面顶端盘周围（即肛门开口处）浓度最高，该处规则海胆最易受寄生虫侵扰。P. lividus和E. esculentus的锯齿和短杆结构更显著，而P. miliaris的内瓣表面更光滑。

**三叶状叉棘**：四种类型中最小者，分布于整个壳体表面，负责清除生物膜和颗粒物（如藤壶幼虫）。仅对特定刺激（细菌和碎屑）产生反应，不具有触觉敏感性，仅短暂持物。在本研究的活体水下观察装置中，三叶状叉棘的清晰成像和行为观察不足以进行种间形态和形态测量学差异的深入分析。不同潮间带和栖息地可能形成截然不同的生物膜环境，需要改进观察方法。

研究结论指出，E. esculentus所有类型叉棘均大于另外两种海胆，可能与其更大的个体尺寸相关。P. miliaris各类型叉棘密度最高，P. lividus居中，E. esculentus最低，这与三种海胆从高潮间带到潮下带的分布范围相吻合。上层岸线物种具有更多反口面叉棘，可能因为相较于深水物种，它们暴露于更多捕食者（如岸鸟和陆生动物）。E. esculentus和P. miliaris主要分布于潮下带海底，围口膜上的丰富蛇头状叉棘可抵御底内威胁；P. lividus为穴居物种，口侧捕食威胁较少，这可能解释了其围口膜上叉棘稀缺的现象。海胆毒液的全面谱系分析有望提供新生物活性化合物、药物靶标以及无脊椎动物毒液系统进化适应性的见解。水下活体成像技术对于将形态与功能联系起来十分有效，改进水下显微镜成像技术有助于在不同环境条件下更高分辨率地研究海胆叉棘，进一步阐明其保护和防御作用的范围。面对污染和改变捕食者–猎物关系的人为威胁，海胆可为理解适应性能力提供有价值的机制和生态学洞见。