鱼类作为脊椎动物中最具代表性的动物类群之一, 其骨骼系统不仅在形态上呈现多态性, 而且在功能上也反应出对各种生态环境、生活习性和运动方式的适应能力^{[1, 2]}。开展鱼类骨骼系统的比较解剖学研究, 不仅有助于理解不同鱼类在长期演化过程中如何通过形态结构上的差异来适应各自的生存环境, 也为水产养殖优质健康苗种的生产以及渔业资源管理提供了重要的基础生物学资料^[3-5]。

然而, 作为现存鱼类的两个代表性类群, 硬骨鱼类和软骨鱼类的骨骼系统的发育模式和结构特征却存在差异^{[5, 6]}。硬骨鱼以骨化程度较高的内骨骼为支撑, 表现出丰富的骨骼形态学多样性; 而软骨鱼的内骨骼则主要是由一种终身生长的钙化软骨构成, 其钙化程度较低, 但是其骨骼形态也根据其生态习性、捕食方式和运动行为的差异演化出了多样的特化结构^{[7, 8]}。因此, 通过对这两类鱼类的骨骼进行比较, 有助于进一步理解硬骨鱼与软骨鱼在骨骼系统上的共性与差异, 也有望为探究脊椎动物演化中骨骼的功能提供重要依据。

黄带拟鲹(Pseudocaranx dentex)隶属于鲹科(Carangidae)^[9-11], 是典型的中上层硬骨鱼类。该种在形态上具有典型的流线型特征, 如体型侧扁、尾柄短小、尾鳍较长, 适于快速游动^[12]。黄带拟鲹广泛分布于西太平洋及大西洋等海域, 兼具重要的生态与经济价值, 是深远海养殖的理想养殖对象^{[9, 13, 14]}。

星云扁鲨(Squatina nebulosa)则隶属于扁鲨科(Squatinidae), 是中国代表性的近海底栖性软骨鱼类^[15-17]。该种形态上更接近扁平化, 胸鳍与腹鳍发达并展开至体侧, 整体外观与鳐类相似。星云扁鲨主要分布于西北太平洋海域, 属于底栖伏击型鱼类, 同时也是一种亟待开展保育研究的软骨鱼类。

目前学者已系统地研究了多种鱼类的骨骼^[18-23], 但对具有重要生态和经济价值的黄带拟鲹及代表性的底栖软骨鱼类星云扁鲨的骨骼系统, 仍缺乏详细的比较解剖学描述。本文通过对二者的骨骼系统开展比较解剖学研究, 旨在了解硬骨鱼和软骨鱼骨骼结构的异同, 有望为理解不同运动模式与骨骼结构之间的关系及鱼类骨骼的演化过程提供基础生物学资料, 也为后续相关物种的渔业管理与人工繁育提供参考。

1 材料与方法 1.1 材料

本研究所使用的黄带拟鲹由莱州明波水产有限公司提供, 该样本为人工养殖环境下自然死亡的1龄个体, 该个体体长为29.11 cm, 体质量为279.40 g; 星云扁鲨样品收集自中国浙江省台州市海鲜市场, 该样本为已经死亡的冰鲜冷冻个体。该个体为雌性(根据鳍脚判断)幼鱼, 体长为33.02 cm, 体质量为279.40 g。

1.2 实验方法

本研究对所研究的黄带拟鲹和星云扁鲨个体进行了形态学记录(图 1), 并采用数字化X射线摄影与工业CT设备(WTPI poincare 225, 微拓精密科技有限公司)分别对样品进行了拍照和扫描, 以详细记录骨骼的二维和三维的数据。其中黄带拟鲹X射线拍照参数: 电压120 kv, 电流400 μA, 分辨率30 μm, 曝光时间0.4 s; 星云扁鲨X射线拍照参数: 电压120 kv, 电流400 μA, 分辨率41 μm, 曝光时间0.4 s。黄带拟鲹CT扫描参数: 电压120 KV, 电流300 μA, 曝光时间0.2 s, 单次扫描分辨率102 μm, 扫描时间为10 min; 星云扁鲨CT扫描参数: 电压300 KV, 电流300 μA, 曝光时间0.5 s, 单次扫描分辨率102 μm, 扫描时间为18 min。

1.3 数据处理和分析

使用Adobe Photoshop CS6和imagj软件, 在不改变图片的形态学特征条件下, 对收集到的X射线影像数据的对比度进行调整并组合, 以获取完整且清晰的高质量骨骼信息。此外, 使用Materialise Mimics 21.0软件将收集到的CT影像数据进行图像分割、三维重构等处理以获取骨骼的三维空间信息以及相对位置。在本研究中, 黄带拟鲹的解剖学术语参考了硬骨鱼类骨骼系统的相关研究^[18-21], 星云扁鲨的解剖学术语参考了先前软骨鱼类相关研究^[24-27]。此外, 本研究中将CT扫描的原始数据已上传至公共数据库(https://doi.org/10.6084/m9.figshare.29983924.v1), 以供相关研究进一步分析。

2 结果与分析 2.1 黄带拟鲹和星云扁鲨的中轴骨特征

和绝大多数鱼类一样, 黄带拟鲹和星云扁鲨中轴骨由头骨(Skull)和脊柱(Vertebral column, VC)组成(图 1), 其中黄带拟鲹的脑颅(Neurocranium, NC)高度钙化, 脑颅的额骨(Frontal, FR)和上枕骨(Supraoccipital, SO)沿身体的前后轴隆起(图 1a、1c、1e、图 2a)。星云扁鲨也具有脑颅(又称为软颅, Chondrocranium)结构(图 3a、3b), 但是其钙化程度较低, 在CT影像的断面图中呈现为边界清晰, 边缘不规则的高密度信号。并且, 上下颌骨等参与捕食的骨骼结构位于颅骨腹侧, 上颌骨(又称腭方软骨; Palatoquadrate, PQ)前端通过眼眶区域与颅底接触, 后端与下颌骨(软骨鱼类中常称为麦氏软骨; Meckel’s cartilage, MC)接触形成颌关节, 属于软骨鱼类中典型的眶接型(Orbitostylic)颌骨悬挂方式(图 3c—3e)。同时, 下颌骨突起的后端的为舌颌-下颌关节(Hyomandibulomandibular joint)提供了支点, 这一连接结构为由舌颌骨(Hyomandibular, HY)运动带动的上下颌骨前伸运动提供了可能(图 3c~3e)。相较之下, 黄带拟鲹的口位于颅底前端, 其行使咬合功能的结构是由齿骨(Dentary, D)、前颌骨(Premaxilla, PRE), 关节骨(Anguloarticular, A)、上颌骨(Maxilla, MX)等骨骼构成(图 2a、2b), 并且在咽部存在咽齿(Pharyngeal teeth, PT)结构(图 1c)。此外, 在其脑颅的左右两侧覆盖有鳃盖骨(Opercular, OP)等大块骨片(图 2a、2b), 而星云扁鲨中则没有这些大块的膜质骨(图 1b、1d)。值得注意的是, 黄带拟鲹的脑颅后缘与肩带和脊椎之间的空间很小, 使得其头部几乎无法独立摆动(图 2c), 而星云扁鲨的脑颅后缘与脊柱之间存在较大的空间, 整个脑颅可以独立向背侧转动(图 3f—3h), 同时与脑颅相连的躯椎(Trunk vertebra, TV)具有发达的横突(Basapophysis, BA)结构, 可以通过抵住脑颅后缘, 一定程度上限制脑颅的转动角度, 进一步保护脊椎(图 3g、3h)。这些解剖学特性与星云扁鲨底栖伏击生活习性相匹配。

此外, 二者脊椎骨也存在一定的差异, 黄带拟鲹的椎体呈沙漏状, 其脊柱分25节, 前11节为躯椎(Trunk vertebra, TV), 躯椎的髓棘(Neural spine, NS)和脉弓(Haemal arch)发达(图 1, 图 2d、2e), 与脉弓相连的脉弓小骨(Epipleural rib, EPR)清晰可见, 同时腹部可见腹肋骨(Pleural rib, PR)的分布, 尾椎处的髓棘和脉棘(Hemal spine, HS)较长, 几乎横跨整个背腹轴, 并且在黄带拟鲹的尾柄处, 沿侧线对称分布有一列侧线鳞(Lateral Line Scales, LLS), 该结构属于外骨骼(图 2f)。相较之下, 星云扁鲨的脊椎分137节, 椎体小, 呈两面凹的圆柱状, 髓棘较短, 并且没有腹肋骨、脉弓小骨等结构(图 3g—3j)。

2.2 黄带拟鲹和星云扁鲨的附肢骨特征

二者鳍的形态也存在一定差异, 黄带拟鲹具有胸鳍(Pectoral fin, PF)、腹鳍(Pelvic fin, PEF)、臀鳍(Anal fin, AF)、尾鳍(Caudal fin, CF)、背鳍(Dorsal fin, DF), 而星云扁鲨臀鳍退化(图 1、图 2), 这可能与其扁平体型有关。但是, 二者的偶鳍均是由肩带和腰带骨相连。其中, 胸鳍是二者差异较为显著的骨骼之一(图 2、图 3), 黄带拟鲹的胸鳍折叠至紧贴体表, 其背腹轴长度大于左右轴长度, 而星云扁鲨胸鳍的左右轴长度则大于背腹轴, 使得整个胸鳍呈现扁平形态, 此外二者胸鳍与肩带相连的基鳍骨数量也存在差异, 黄带拟鲹有4块支鳍骨(Actinost), 而星云扁鲨只有3块, 分别对应前鳍软骨(Propterygium, PRG)、中鳍软骨(Mesopterygium, MES)和后鳍软骨(Metapterygium, MET)(图 2g—2i, 图 3k—3m), 3块软骨的增大参与其胸鳍扁平形态的形成。同时, 由于其胸鳍前端没有直接与头部相连, 使得头部的活动摆脱胸鳍的限制。

3 讨论

本研究通过对黄带拟鲹和星云扁鲨骨骼系统的比较解剖学观察, 揭示了硬骨鱼与软骨鱼在骨骼形态上的显著差异及其生态适应能力。总体而言, 黄带拟鲹作为典型的中上层硬骨鱼, 整体骨骼特征与已经报道的硬骨鱼类相似, 骨化程度高, 尤其是在颅骨、椎骨等区域, 这些结构不仅为鱼体高速运动提供了足够的支撑和动力, 同时也保证了身体的灵活性。而星云扁鲨作为底栖软骨鱼类, 其骨骼系统与目前已知的软骨鱼类骨骼基本一致^[7], 以钙化软骨为主, 骨化程度显著较低, 在脑颅、颌骨、肩带等大部分区域, 仅保留了一层钙化薄层。并且星云扁鲨的吻端较短, 颌骨采用悬挂的方式与脑颅连接, 与角鲨目(Squaliformes)软骨鱼类解剖学特征吻合^[25], 这种颌弓和咽弓采用多点接触的连接方式, 提高了颌骨运动的灵活性, 同时颌骨处双关节(内侧颌关节、外侧颌关节)存在也保证了运动的稳定性。此外, 星云扁鲨胸鳍中3块软骨也出现扩张, 使得整个身体更适应底栖生活环境中对灵活伏击行为的需求。

具体而言, 在头骨方面, 两者表现出截然不同的适应策略。黄带拟鲹的脑颅骨化完全, 上下颌骨通过关节骨等结构连接, 能够适应主动捕食过程中对猎物的咬合, 咽齿结构又可以将食物进一步的研磨, 以便于消化; 同时, 其眼眶位置相对靠近头部两侧, 利于在开放水域中维持广阔的视野。而星云扁鲨的脑颅则是由一整块钙化软骨(软颅)组成, 没有鳃盖骨、顶骨等覆盖在颅骨表面的膜质骨, 并且软颅的不同区域出现凸起和凹陷以为颌骨、眼球等组织器官的附着提供了必要的形态结构。此外, 星云扁鲨眼眶位于软颅的背侧, 也与其底栖生活习性密切相关。值得注意的是, 以星云扁鲨为代表的扁鲨类, 在演化过程中, 虽然也形成了与鳐鱼类似的扁平的体型, 但二者解剖学特征存在根本性差异, 例如: 星云扁鲨胸鳍前端与头部没有直接接触, 而在鳐鱼中胸鳍前端会通过脑颅的吻端区域以及其他的骨骼与头部融合成一整体^{[25, 28, 29]}。因此, 二者体型属于趋同演化的结果, 扁鲨类独特的解剖学特征使得它们可以通过上下摆动头部直接攻击身体背侧的猎物, 进一步增强了其底栖适应能力。

椎骨与体轴骨骼的差异同样也反映出二者不同的生态策略。黄带拟鲹的椎骨排列紧密, 脉弓和髓弓较长, 几乎横跨整个背腹轴, 同时高度发达的背鳍和臀鳍的支鳍骨插入到相邻的脉弓和髓弓的间隙, 进一步增加了力学的传导。并且, 在本研究中我们发现在黄带拟鲹的侧线末端尾柄处对称分布有一列高度矿化的侧线鳞, 有趣的是, 在黄鳍金枪鱼(Thunnus albacares)等鱼类的尾柄处的侧线鳞则特化形成了骨突(Keel)结构^[30]。因此, 本研究推测这些骨骼特征可能是中上层游速较快鱼类的一种趋同演化的特征, 既通过增加尾柄处左右两侧的物理支撑, 限制尾柄处的椎骨的摆动幅度, 提高尾鳍的推进效率。然而, 目前黄带拟鲹的生物力学特征仍有待进一步阐明。与中上层习性不同, 星云扁鲨的椎骨数量多且连接方式相对松散, 缺乏适应持久游泳的骨骼特征, 而更适合短程爆发式运动, 以满足伏击猎物时的加速需求。与椎骨相关的胸带和腰带骨在两类鱼类中也存在差异。黄带拟鲹具有坚固的肩带与对称的腰带结构, 以增强游泳推进力与方向控制, 而星云扁鲨肩带则展宽并与胸鳍连接, 形成扁平的体形基础, 从而提高在海底伏击时的稳定性和伪装性。

综上, 黄带拟鲹与星云扁鲨在骨骼系统上存在差异。然而, 目前越来越多的比较解剖学证据表明, 软骨鱼类和硬骨鱼类在一些重要特征上仍然保留了许多共性。最近的研究发现, 小鳐(Leucoraja erinacea)等鳐鱼的脊椎中含有类似硬骨组织的区域^[31], 这一发现与化石证据相吻合, 在蠕纹沈氏棘鱼(Shenacanthus vermiformis)这类最早的软骨鱼类化石标本的肩带处仍然覆盖有大块膜质骨^[32], 这些证据表明软骨鱼类祖先是可以形成硬骨组织的, 并且其形态可能更接近于有颌类祖先-盾皮鱼类。随着演化过程, 软骨鱼类的部分膜质骨(下颌骨、肩带等)发生了丢失, 形成了现存以钙化软骨为内骨骼的动物类群。并且, 软骨鱼类也被视为理解颌骨演化过程的重要研究对象, 在软骨鱼类中, 形式咬合功能的下颌骨(又称麦氏软骨)与身体其他部位内骨骼一样, 终生保持软骨状态, 而在斑马鱼(Danio rerio‌)等硬骨鱼中, 尽管麦氏软骨仍然由第一咽弓发育而来, 但在后续的发育过程中会逐渐被其他齿骨、关节骨、隅骨等骨组织包裹, 最终形成一个含有多块硬骨组织的复合结构^[33]。然而, 目前有关二者麦氏软骨发育的异同仍然存在大量空白。除了颌骨外, 现存软骨鱼类其他骨骼的解剖学特征, 也更接近于有颌类祖先状态。例如: 软骨鱼类的胸鳍基鳍骨由前、中、后3块软骨构成, 而在以斑马鱼为代表的真骨鱼类中尽管数量较多, 但是已经丢失了后鳍软骨的同源结构^[34]。深入研究这些骨骼特征不仅有助于理解软骨鱼类的演化历程, 也为研究整个脊椎动物类群的骨骼系统的发育和功能提供了参考。为此, 亟需结合发育生物学、组织胚胎学等领域的技术, 对比软骨鱼类与硬骨鱼类的胚胎发育过程。这将为进一步理解鱼类的演化提供重要的依据。

此外, 中国具有丰富的软骨鱼类资源, 为相关研究的开展提供了优势^{[35, 36]}。目前国外学者已建立了系统的软骨鱼类形态解剖学以及系统发育关系的数据库, 例如: 软骨鱼类生命之树项目(https://sharksrays.org), 但中国在软骨鱼类相关领域的研究仍相对有限。开展软骨鱼类的分类学、生态学及基础生物学等研究仍是未来该领域的重要课题。

4 结论

综上所述, 黄带拟鲹与星云扁鲨的骨骼系统均由中轴骨和附肢骨组成, 但是黄带拟鲹作为一种硬骨鱼类, 其骨组织钙化程度高, 而星云扁鲨在身体大部分骨组织中仅覆盖有一钙化薄层。黄带拟鲹的脑颅有鳃盖骨等多块骨片覆盖, 星云扁鲨的脑颅则是由一整块软颅构成。黄带拟鲹基鳍骨具有4块骨骼, 星云扁鲨则只有前鳍软骨、中鳍软骨和后鳍软骨3块骨骼构成。并且, 二者均有与其生态环境和生活习性相适应的骨骼特征, 黄带拟鲹胸鳍位于身体两侧, 尾柄两侧分布有高度矿化的侧线鳞, 尾鳍较长, 适合高速运动。星云扁鲨颌骨通过悬挂的方式与脑颅连接, 可伸缩, 并且脑颅后方存在较大活动空间, 胸鳍宽大而扁平, 适合快速袭击背侧猎物。