半数耳夹虫使用右边的生殖器,另一半使用左边的生殖器,为什么?

作者: Brad Balukjian

来源: Smithsonian Magazine

发布日期: 2022

日本庆应大学副教授Yoshitaka Kamimura发现某些耳夹虫物种在交配时通常只使用它们两个生殖器中的一个,尽管两者都是完全功能的。通过一系列实验室实验,Kamimura发现个体耳夹虫在生殖器上相当于“右撇子”或“左撇子”,表现出偏侧性——对一个生殖器而不是另一个的偏好——并且耳夹虫总体上在右撇子和左撇子之间是50-50的比例。Kamimura正在寻找方法来测试这个假设,他将比较侧向化的雄性与少数交替使用生殖器的雄性。

被称为耳夹虫的昆虫以其腹部末端的弯曲钳子而闻名,但它们不仅仅是在你发现它们在石头下时引起恐慌。它们以花园害虫如蚜虫为食,照顾它们的幼虫(这在昆虫中很少见,通常是产卵后就离开),并且根据日本庆应大学副教授Yoshitaka Kamimura二十年来的研究,它们有复杂的性仪式,包括两个生殖器。

Kamimura的最新发现,发表在11月的生物学杂志《林奈学会会刊》上,是某些耳夹虫物种在交配时通常只使用它们两个生殖器中的一个,尽管两者都是完全功能的。通过一系列实验室实验,Kamimura发现个体耳夹虫在生殖器上相当于“右撇子”或“左撇子”,表现出偏侧性——对一个生殖器而不是另一个的偏好——并且耳夹虫总体上在右撇子和左撇子之间是50-50的比例。相比之下,人类大约85%是右撇子,原因尚不清楚。

Kamimura和他的团队通过从日本石垣岛收集单一雄性和六只雌性的Nala lividipes物种开始他们的研究,并将它们带入实验室,在那里它们以水和猫粮为食进行饲养。一旦昆虫繁殖,实验就从后代开始:一只处女雌性被释放到一个小的容器中,允许适应30分钟,然后一只雄性进入。在用它们的触角互相感受后,雄性将其腹部旋转近180度并倒退行走,两只耳夹虫现在背对背。

为了开始性行为,雄性将其一个生殖器指向雌性,器官因昆虫血液膨胀以便插入她的阴道和储精囊,这对耳夹虫保持锁定状态平均40分钟,同时Kamimura对它们进行录像。通过检查哪个生殖器指向雌性以开始性行为(而另一个保持松弛),Kamimura可以确定物种使用其右或左生殖器。结果发现,43.5%的雄性偏爱其右生殖器,这在统计上与50%没有差异。

在第二个被检查的物种Nala nepalensis中,49.2%的雄性使用右边的器官。

在确定了使用哪个生殖器后,Kamimura想要进一步弄清楚雄性是否总是使用同一个生殖器,以及另一个生殖器是否功能正常。在记录了哪个生殖器准备好进行性行为后,他让雄性与多个雌性交配,观察它们与一只处女雌性交配,让它们休息十天,然后与不同的处女交配。在大多数情况下,雄性第二次使用相同的生殖器,表明个体水平的偏侧性。

当雄性“翻转”并使用另一个生殖器时,方向性没有模式——左到右和右到左的可能性相同。为了确保两个生殖器都是功能性的,Kamimura用冰水使耳夹虫麻醉,然后用细钳随机切断一个生殖器。在给予时间愈合后,雄性与处女雌性交配。大多数这些雄性成功地用剩余的生殖器使雌性受精,它们的成功率在统计上与对照组没有差异,表明两个生殖器都是完全功能性的。

Kamimura想知道,如果一半的雄性是右撇子,一半是左撇子,也许在生殖器上会有一些结构差异,有利于一侧或另一侧?在之前与Yang的工作中,Kamimura已经表明88.6%的L. riparia雄性一致使用其右生殖器——雌性的储精囊卷曲,使得右生殖器的插入比左生殖器更容易。

但当Kamimura使用自荧光显微镜对N. lividipes的雌性生殖器发射激光束以可视化生殖器结构时,他发现没有迹象表明雌性已经进化出解剖学上更好地接受左或右生殖器。当他对雄性生殖器进行同样的分析时,左右生殖器之间或准备好交配的生殖器与休息的生殖器之间也没有差异。

Kamimura写道,“这表明生殖器的使用可能主要由神经控制机制决定。”换句话说,这都在大脑中。

就像人类的手性与我们大脑中控制运动使用的中心有关一样,N. lividipes使用其左或右性器官可能由其大脑控制。拥有一个备用的生殖器作为备份是有意义的,以防主要生殖器在性行为中受损,但为什么更喜欢一个而不是另一个呢?从其他动物中获取提示,Kamimura认为专业化和重复使用,本质上就是学习,可能会提高性能。如果反复使用同一个生殖器增加了穿透和交配的效率,那么个体在性行为中将继续使用同一个生殖器。

Kamimura正在寻找方法来测试这个假设,他将比较侧向化的雄性与少数交替使用生殖器的雄性。

另一个可能解释偏侧性的原因是,生殖器翻转有一些能量成本。如果翻转生殖器需要大量工作,那么可能不值得努力,偏侧性提供了更高的进化适应性。

“我们正在尝试一些成像技术,包括微计算机断层扫描,以揭示控制生殖器翻转的肌肉机制,”他写道。通过观察控制耳夹虫生殖器的肌肉,Kamimura希望了解更多关于为什么生殖器翻转不更频繁发生的原因。

更好地理解耳夹虫的偏侧性将帮助科学家理解它是如何在动物王国中进化出来的,包括在我们自己的物种中。例如,鲨鱼根据雌性位于雄性的哪一侧交替使用生殖器。

但对于Kamimura来说,他的研究也受到他对耳夹虫本身的热爱所驱动。他发现这些动物非常迷人——他将他的热情追溯到高中时期,当时他在家外的石头下看到一只母耳夹虫和她的卵。母耳夹虫被入侵惊吓逃走,但当他第二天再看时,她又回到了她的幼虫身边。这种行为对于一个通常被视为令人毛骨悚然的害虫的动物来说,是惊人的复杂。

“它们是一些最酷的昆虫,”他的同事Yang补充道。

但酷并不总是转化为研究资金。尽管有1,942个已描述的物种(根据未参与此研究的耳夹虫专家Fabian Haas的说法,还有大约一千个未被发现),大多数研究只对少数几个物种进行了研究。当我问Haas世界上还剩下多少生物学家从事耳夹虫分类时,他说“不到一打”。没有重大的医学或农业重要性,很难引起太多关注。

但对于Kamimura和Yang来说,耳夹虫的奇特性生活和偏侧性的进化足以让他们继续将它们放在显微镜下。

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