蚁狮幼虫适应性呼吸模式支持不连续气体交换周期的冥府假说

《iScience》：Adaptive respiration patterns by antlion larvae support the chthonic hypothesis for discontinuous gas exchange cycles

　　

昆虫利用由瓣状气门和分支导管状气管组成的呼吸系统表现出多种呼吸模式。然而，不连续气体交换周期（DGCs）——一种具有独特气体交换序列的呼吸模式——的适应价值仍未得到解答。本研究采用流通式呼吸测定法（flow-through respirometry），研究了蚁狮幼虫（Myrmeleon crudelis）的呼吸模式，该昆虫栖息于土壤中自建的沙坑内，该环境可能为低氧-高碳酸（hypoxic-hypercapnic）环境。暴露于外的蚁狮表现出连续呼吸模式；然而，尽管环境参数未发生改变，坑内的蚁狮幼虫却切换至DGC模式。此外，两种处理间的蒸腾速率并无差异。通过共聚焦和扫描电子显微镜对气管的观察揭示了其疏水化学性质，这可能降低血淋巴中水蒸气的渗透性，同时内部层级形貌可实现高效气体交换。这些发现表明，M. crudelis中DGC的出现与地下穴居行为相关，提示其是低氧-高碳酸地下环境的呼吸适应机制。

论文解读

一、研究背景与问题

昆虫的呼吸系统是其实现多样化分布和全球占据的关键创新。呼吸性扩散气流发生在一个由角质层衬里且呈导管状的气管网络中，气管从腹部和胸部侧面的瓣状气门延伸，并持续分支为更小的导管，直至到达微米级的末端——充满液体的微气管，其将O₂直接输送到组织，并允许CO₂通过相同途径排出。昆虫可表现出不同的呼吸模式，包括循环式、连续式和不连续气体交换周期（DGCs），这些模式与生活史特征、系统发育、环境因素以及跨越4亿年的深层进化历史相关。DGC是最令人费解的呼吸模式，其特征是由气门活动引起的连续且周期性的气体交换阶段。在颤动期（F），气门快速开闭，允许O₂进入气管，但导致CO₂在气管系统中积累。一旦CO₂水平达到临界阈值，气门完全打开（开放期，O），CO₂爆发式排出气管。随后气门关闭（关闭期，C），限制气体流动。关于DGC的进化起源和意义已有多个假说，但历史上流行的保水假说（hygric hypothesis）的证据存在争议。替代性的冥府假说（chthonic hypothesis）强调DGC呼吸模式是在低氧-高碳酸（低O₂-高CO₂）环境（如地下栖息地）中进化而来的。然而，检验冥府假说尤其具有挑战性，因为需要在与其自然生活史特征平行的实验条件下测量地下昆虫的呼吸模式。本研究通过研究蚁狮（Myrmeleon crudelis）幼虫的呼吸模式来应对这一挑战，该物种栖息于自建的坑穴底部，其气门被基质完全覆盖，仅口器暴露，这一独特的生活史特征为检验冥府假说提供了极佳模型。

二、研究内容与结论

研究人员采用流通式呼吸测定法，测量了暴露处理和埋藏处理下蚁狮幼虫的CO₂排出量。结果发现，暴露处理（无坑，n = 5）的幼虫表现出连续呼吸模式，CO₂输出持续波动，平均输出量为9.81 ± 0.03 μg g^?1 min^?1。埋藏处理（坑内，n = 5）的幼虫则表现出DGC呼吸模式，包含F、O和C三个重复阶段，其中F期（145.88 ± 9.02 s）显著长于其他阶段（C期，63.81 ± 6.15 s；O期，79.84 ± 2.96 s）。埋藏处理的平均CO₂输出量为9.18 ± 1.5 μg g^?1 min^?1，与暴露处理无显著差异，表明改变的仅是呼吸模式而非CO₂排出总量。蒸腾速率方面，两种处理间无显著差异，但埋藏处理的幼虫水蒸气输出峰值（9.2 ± 0.73）显著多于暴露处理（2.6 ± 0.75）。气管形态和润湿性研究显示，M. crudelis幼虫的气管系统具有环状螺旋丝（taenidia），微米级螺旋丝间分布有纳米凸起，形成层级粗糙形貌。未染色气管主要呈现绿色自发荧光，表明中度硬化；尼罗红染色显示气管（特别是螺旋丝）呈现强烈红色荧光，明确指示其疏水性。化学疏水性与层级形貌结合，为气管内导管具有超疏水性提供了有力证据。

三、关键技术与方法

本研究主要采用了以下关键技术方法：流通式呼吸测定法（flow-through respirometry），使用Li-Cor 6800系统连接昆虫呼吸室（11.25 cm长，3.0 cm直径，容积49.9 cm³），设定流速400 μmol s^?1、50%相对湿度、25°C，CO₂_r设为400 μmol mol^?1，每1秒记录一次CO₂输出量，持续30分钟；扫描电子显微镜（SEM），使用JEOL 6010LV SEM在20 kV和50的束斑尺寸下成像，并利用InTouchScope?软件生成3D图像；共聚焦激光扫描显微镜（CLSM），使用Olympus FluoView 3000共聚焦显微镜，配备405、488、561和640 nm四种激发波长的固态激光器，对未染色和尼罗红染色的气管进行成像。样本为野外捕获（佛罗里达州盖恩斯维尔）或从AntlionFarms.com（佛罗里达州彭萨科拉）获得的Myrmeleon crudelis Walker第三龄幼虫。

四、研究结果

蚁狮幼虫的呼吸模式在暴露和埋藏处理间存在差异：暴露处理中的幼虫表现出连续呼吸模式，CO₂输出持续波动；埋藏处理中的幼虫则表现出DGC模式，包含F、O、C三个重复阶段，且F期显著长于其他阶段。两种处理的总体平均CO₂输出量无显著差异，表明仅呼吸模式不同。

蚁狮幼虫的蒸腾速率在测试处理间相似：两种处理间的平均蒸腾速率无显著差异，表明DGC模式并未强烈减少该物种气管系统中水蒸气的排出。但埋藏处理中水蒸气输出峰值显著多于暴露处理，提示O期CO₂爆发时可能有短暂的水蒸气排出。

气管形态与润湿性：M. crudelis幼虫的气管系统形态与其他昆虫相似，气管直径约70 μm，由环状螺旋纹提供周向稳定性。高倍SEM成像显示微米级螺旋纹间分布有纳米凸起，形成层级粗糙形貌。未染色气管主要呈现绿色自发荧光，表明中度硬化；尼罗红染色显示强烈红色荧光，指示疏水性。化学疏水性与层级形貌结合，表明气管内导管可能具有超疏水性。

五、讨论与结论

根据冥府假说，DGC模式对地下昆虫具有适应性，通过促进呼吸气体浓度梯度的生成，在低氧-高碳酸环境中实现高效气体交换。呼吸模式的变化未伴随温度和/或湿度变化，表明这些通常被认为影响DGC模式的变量并非蚁狮切换至DGC的原因，而是栖息于可能低氧-高碳酸的坑穴导致了呼吸模式的改变。尽管两种处理间总体蒸腾速率无显著差异，但埋藏处理中更多的水蒸气峰值表明，O期CO₂爆发时可能有短暂水蒸气排出。气管的润湿性对气体交换和潜在脱水具有重要意义，其可能的超疏水性可通过Cassie-Baxter定理理解，表面纳米凸起和层级形貌捕获空气，形成复合固-液-气界面。超疏水性可作为屏障，防止水滴通过气门进入气管干扰气体流动，同时限制液体于微气管中，防止其沿气管内表面扩展。气管壁的一般疏水性可减少血淋巴水蒸气通过气管壁的损失，进一步降低潜在干燥风险。然而，气管表面的超疏水性与其尺寸结合，会支持快速气流实现高效气体交换，同时也可能促进水蒸气快速流动导致脱水，这一悖论需进一步研究。未来研究可操纵呼吸室中的O₂浓度，确定呼吸模式是否从连续切换至DGC；改变土壤孔隙度影响缺氧程度，结合光纤传感器确定坑内具体O₂浓度及呼吸模式变化的阈值；还可结合蚁狮生活史特征（如离开旧坑建新坑或应对捕食者的接触后不动行为）研究呼吸模式切换的适应性价值。研究局限性包括：未直接测量坑内O₂或CO₂水平以确认环境是否真正低氧-高碳酸；蒸腾测量实验设计使用塑料呼吸室，水分子可能附着于室壁影响测量值，且CO₂和水蒸气分子因摩尔质量差异导致的流速差异阻碍了呼吸与蒸腾速率的精确关联，因此分析仅集中于平均蒸腾速率的总体差异和水蒸气的一般波动模式。研究结论为：M. crudelis中DGC的发生与地下穴居行为相关，支持冥府假说，表明DGC是低氧-高碳酸地下环境的呼吸适应机制，且冥府假说与保水假说在其他物种中并不互斥。