《Journal of Morphology》：Extending Without Extensors: Morphofunctional Insights and Qualitative Experiments on Myriapod Legs
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直到最近，多足纲（Myriapoda）远端腿关节缺乏内在伸肌的情况——这一现象此前在蜘蛛中已被认识到——虽然已知但分散在各种出版物中，缺乏统一的概述。这导致了关于这些所谓的铰链关节（hinge joints）伸展机制的各种假说。血淋巴压力（hemolymph
直到最近，多足纲（Myriapoda）远端腿关节缺乏内在伸肌的情况——这一现象此前在蜘蛛中已被认识到——虽然已知但分散在各种出版物中，缺乏统一的概述。这导致了关于这些所谓的铰链关节（hinge joints）伸展机制的各种假说。血淋巴压力（hemolymph pressure）被提出作为一种可能的解释，此外还有将腿尖压向地面以及关节的弹性。本研究的目的是调查负责关节伸展的形态功能背景，以及缺乏内在伸肌是否是多足纲基干模式（ground pattern）的一个特征。为此，研究人员利用共聚焦激光扫描显微镜（confocal laser scanning microscopy, cLSM）、显微计算机断层扫描（micro-computed tomography, μCT）和半薄切片（semi-thin sections）检查了来自四个主要类群——唇足纲（Chilopoda）、综合纲（Symphyla）、少足纲（Pauropoda）和倍足纲（Diplopoda）——的代表物种的表皮和肌肉解剖结构。此外，还对新鲜处死的 Spirostreptus spec. 1 "Tanzania"（倍足纲）和 Lithobius forficatus（唇足纲）的腿进行了伸展实验。描述了所研究物种的所有内在肌和外在肌，以及关节的表皮解剖结构及其自发荧光特性。研究结果证实，缺乏内在伸肌的铰链关节很可能已经存在于多足纲的基干模式中。此外，提出了铰链关节的三种主要伸展机制。这些机制包括：（i）腿内血淋巴压力的产生，（ii）关节表皮结构的弹性，以及（iii）将腿尖压向地面。
研究背景与科学问题
多足纲（Myriapoda）是节肢动物四大类群之一，包含唇足纲（Chilopoda）、综合纲（Symphyla）、少足纲（Pauropoda）和倍足纲（Diplopoda）。其步足由一系列骨化的圆柱形肢节（podomeres）通过关节膜（arthrodial membranes）连接而成。大多数节肢动物的关节是双髁枢轴关节（dicondylic pivot joints），依靠拮抗肌实现屈伸运动。然而，长期以来研究者发现，所有已调查的多足纲步足的远端关节（从转节-基前股节关节或紧邻其远端的关节开始）均缺乏内在伸肌（intrinsic extensor muscles）。这一现象在蜘蛛等螯肢动物中也存在，并曾引起广泛关注，但其在多足纲中的详细情况散见于不同文献，缺乏系统性整合。
由于缺乏内在伸肌，这些被称为铰链关节（hinge joints）的结构如何实现伸展成为一个核心问题。以往提出的假说包括：血淋巴压力（hemolymph pressure）驱动、步足尖端在支撑相压向地面产生的反作用力，以及关节本身的弹性。然而，心脏产生的压力比所需低30至100倍，且当时未在多足纲关节中发现类似蝎子或避日蛛中的弹性骨片（elastic sclerites）。此外，一种关键的弹性蛋白——节肢弹性蛋白（resilin）——在多足纲步足中的作用此前未被研究。因此，本研究旨在系统探究多足纲步足铰链关节伸展的形态功能基础，并验证缺乏内在伸肌是否为多足纲的共有衍征（即存在于其基干模式中）。
研究方法与技术路线
研究人员采用了多种互补的成像技术。首先，利用共聚焦激光扫描显微镜（cLSM）检测步足表皮的自发荧光特性，区分潜在的节肢弹性蛋白富集区、柔性表皮和硬化表皮，并观察肌肉附着点。其次，运用显微计算机断层扫描（μCT）结合磷钨酸或碘染色增强对比度，对内部肌肉和骨骼进行三维重建。此外，对综合纲和少足纲的代表物种制作了半薄切片（semi-thin sections）用于精细组织学观察。所有图像数据通过Amira软件进行三维重建和可视化。在实验方面，研究人员对新鲜处死的Lithobius forficatus（唇足纲）和Spirostreptus spec. 1 "Tanzania"（倍足纲）进行了解剖实验和收缩模拟实验，观察离体腿节和完整腿节的伸展行为。
研究结果
3.1 步足形态学
3.1.1 Scutigera coleoptrata（唇足纲）
通过cLSM和μCT研究发现，其步足由基节、转节、基前股节、股节、胫节、多节的第一跗节和第二跗节以及前跗节组成。基节与体壁背侧形成关节。转节与基前股节刚性连接。基前股节-股节关节为伪双髁铰链关节（pseudodicondylic hinge joint），而股节-胫节关节为双髁铰链关节。胫节-第一跗节关节呈S形弯曲，并在腹侧发现了一个潜在的节肢弹性蛋白富集区。跗节间关节具有位于关节膜内的前后骨片。第二跗节-前跗节关节为典型的铰链关节。
3.1.2 Lithobius forficatus（唇足纲）
cLSM显示其步足由基节、转节、基前股节、股节、胫节、第一跗节、第二跗节和前跗节构成。基节前缘有明显的骨化纵褶（costa coxalis）。基节-转节为双髁枢轴关节。基前股节-股节、股节-胫节和胫节-第一跗节均为真正的铰链关节，近端肢节背侧稍延伸并嵌入远端肢节的凹陷中。第一跗节-第二跗节之间背侧表皮连续，无明显分化关节。第二跗节-前跗节关节背侧有一个潜在的节肢弹性蛋白富集骨片。关节膜在405 nm激光激发下显示出稍高的潜在节肢弹性蛋白样信号。
3.1.3 Stigmatogaster subterranea（唇足纲）
研究发现其步足由基节、转节、基前股节、股节、胫节、跗节和前跗节组成。基节上的costa coxalis呈Y形，高度骨化。基节-转节关节仅在前方有明显分化，且本身即为铰链关节。后续所有肢节间的关节均为结构相似的铰链关节，背侧接触点高度骨化，但近远端肢节之间没有互锁结构。
3.1.4 Scolopendrellopsis subnuda（综合纲）
通过cLSM和半薄切片分析，发现其步足由基节、转节、股节、胫节、跗节和前跗节组成。基节内有一个环状骨化的基节骨片，该骨片与转节形成双髁枢轴关节。转节-股节也是双髁枢轴关节，但旋转轴略向背侧偏移。股节-胫节和胫节-跗节为铰链关节。值得注意的是，跗节-前跗节之间没有明确的背侧关节，且前跗节为双爪结构，与其他单爪物种不同。
3.1.5 Acopauropus ornatus（少足纲）
研究发现其步足由基节、转节、股节、胫节、第一跗节、第二跗节和前跗节组成。基节内存在不完整的环状基节骨片，costa coxalis位于前方最厚处。基节-转节和转节-股节均为双髁枢轴关节。股节-胫节和胫节-第一跗节为狭窄的铰链关节。第一跗节与第二跗节似乎融合，仅背侧有轻微分界。所有关节的摩擦面均位于表皮外侧。
3.1.6 Polyxenus lagurus（倍足纲）
通过cLSM发现其步足由基节、转节、基前股节、股节、后股节、胫节、第一跗节、第二跗节和前跗节组成。基节不完全闭合，与转节形成单髁关节。股节-后股节和后股节-胫节为非常狭窄的铰链关节，近端肢节的背侧突起与远端肢节的凹陷紧密互锁。胫节-第一跗节和第一跗节-第二跗节则为较宽的铰链关节，互锁程度较低。整个腿节表皮在405 nm激发下显示出强烈的自发荧光。
3.1.7 Spirostreptus spec. 1 "Tanzania" 和 Benoitolus siamensis（倍足纲）
研究发现这两种倍足纲动物的步足均由基节、转节、基前股节、股节、后股节、胫节、跗节和前跗节组成。基节与体壁融合环形成双髁枢轴关节。基节-转节为单髁关节，转节-基前股节为双髁枢轴关节。股节-后股节、后股节-胫节和胫节-跗节均为铰链关节，接触点略微向后偏移。在铰链关节的接触区域，整个接触表面充满表皮，而在单髁或双髁关节中则不然。外皮中存在钙化现象，但在关节膜和接触点之间缺失。
3.2 步足的外在肌与内在肌
研究人员对所有物种的外在肌和内在肌进行了详细描述（见附录）。在所有物种中，均未在铰链关节中发现跨越关节背侧的伸肌，从而证实了前人关于缺乏内在伸肌的假说。同时，在多个物种中发现了先前未报道的肌肉，例如在Scutigerella immaculata中鉴定出了Co-TrII、Pl-ApII、Tr-TiIII和Ap+1-CoI等新肌肉。首次记录了A. ornatus、S. subterranea和B. siamensis的腿节肌肉系统。
3.3 肌腱解剖
研究发现，S. coleoptrata的腿节中有五条肌腱，其中三条附着于胫节近端腹侧，一条附着于第一跗节近端前侧，另一条附着于第二跗节远端的鞘上。其他所有物种（如L. forficatus、S. subterranea等）的步足中仅有一条肌腱，它远端附着于前跗节近端腹侧，近端在不同类群中延伸方式各异。
3.4 实验结果
3.4.1 解剖实验
对于L. forficatus，新鲜处死后腿节松弛并伸展，即使反复弯曲也能在大约0.15秒内快速伸展。施加外部压力或向体腔注水均不影响伸展速度。令人惊讶的是，即使将腿节从身体上分离，其伸展速度仍然相似。进一步解剖发现，单独分离的铰链关节也能快速伸展，但一旦切开关节膜，伸展几乎停止，表明关节膜的弹性是关键因素。
对于Spirostreptus spec. 1 "Tanzania"，新鲜处死后腿节同样快速伸展（约0.2秒）。但移除显著缩窄的基节后，伸展速度急剧下降至约6秒，且分离的铰链关节无法自行伸展。这表明局部血淋巴压力是该物种腿节伸展的主要驱动力。
3.4.2 收缩模拟实验
通过用镊子向下按压基前股节模拟外在牵缩肌和内在降肌的收缩，研究人员观察到腿节的铰链关节从近端到远端依次伸展：先是基前股节-股节关节，然后是股节-后股节（或股节-胫节）关节，直至所有关节完全伸直。塑料吸管制成的机械腿模型也复现了这一顺序性伸展现象。
讨论与结论
4.1 多足纲步足形态的修订
4.1.1 肌肉
研究确认了所有物种的远端关节均缺乏内在伸肌，这与Ewing（1928）、Tiegs（1947）和Manton（1958a, 1965）等人的长期假说一致。此外，研究首次描述了A. ornatus、S. subterranea和B. siamensis的腿节肌肉系统，并发现了若干新的内在肌和外在肌。
4.1.2 表皮
通过cLSM，研究首次描述了S. coleoptrata胫节-第一跗节关节中潜在的节肢弹性蛋白富集背侧骨片，首次描述了A. ornatus的腿节关节、股骨骨片和基节骨片，以及综合纲S. subnuda的新基节骨片。此外，详细描述了P. lagurus近端关节的特殊形态。
4.1.3 关节多样性
比较发现，大多数物种沿腿节的铰链关节形态基本一致，但S. coleoptrata表现出显著变异：基前股节-股节为伪双髁铰链，股节-胫节为双髁铰链，胫节-第一跗节为单髁铰链。P. lagurus的近端关节（股节-后股节、后股节-胫节）极为狭窄，互锁紧密，而远端关节（胫节-第一跗节、第一跗节-第二跗节）则较宽、连接松散。
4.1.4 P. lagurus肢节同源性假说
基于肌肉附着模式的比较，研究人员提出了一个新假说：P. lagurus中传统上称为“第一跗节”的结构实际上可能是次生分裂的胫节，而非跗节。这一假说更为简洁，因为无需假设肌肉附着点的迁移。
4.2 不同多足纲类群中腿节伸展机制的差异
研究提出了三个主要的铰链关节伸展机制：
- 1.
关节弹性：在L. forficatus中，解剖实验和cLSM证据表明，关节膜在屈曲过程中被拉伸并储存弹性势能，释放后促使关节伸展。即使切断血淋巴供应，离体关节仍能快速伸展，而切开关节膜则使伸展显著减慢。
- 2.
局部血淋巴压力：在Spirostreptus spec. 1 "Tanzania"中，移除基节后伸展速度急剧下降，表明局部血淋巴压力是其主要伸展动力。其显著缩窄的基节可能起到类似活塞的作用，在屈曲时压缩内部液体产生高压。
- 3.
腿尖压地：收缩模拟实验证明，外在牵缩肌和内在降肌的收缩使基前股节下压，通过杠杆作用依次伸展所有铰链关节。这一机制在支撑相的后半程发挥作用，并可能产生推进力。
总之，不同多足纲类群对这几种机制的依赖程度不同：唇足纲（如L. forficatus）主要依赖关节弹性，辅以血淋巴压力和压地机制；而倍足纲（如Spirostreptus）则主要依赖局部血淋巴压力，关节弹性贡献较小。
