黄喉拟水龟听觉敏感性两性异形研究

V摘要：听觉对声音交流至关重要，其敏锐性能提升交流效率。听觉敏感性的两性异形研究有助于揭示听觉功能在两性间的差异，对理解与声音通讯相关的社会性行为具有重要性。目前在鱼类、两栖类、爬行类、哺乳类等动物中开展了较多的听觉两性异形研究，研究结果或结论并不完全相同。近年来龟鳖动物听觉的相关报道逐渐增多，但对听觉敏感性的两性异形研究仍缺乏相关报道。本论文采用听性脑干反应（Auditorybrainstemresponse,ABR）测定了成年雌性（体重：1077.39±134.72g）和雄性（体重：1043.81±107.45g）黄喉拟水龟（Mauremysmutica）的听觉敏感性。此外，为研究黄喉拟水龟听觉特征与鼓膜形态的关系，本实验测定了雌性和雄性黄喉拟水龟的鼓膜直径。结果显示，在0.8-1.0kHz频率范围内，雄性的ABR阈值显著低于雌性（P<0.05）。雌性和雄性的听觉敏感区均为0.2-1.0kHz。鼓膜直径在雌性（5.29±0.21mm）和雄性（5.40±0.31mm）之间无显著差异(P>0.05)。结果表明：黄喉拟水龟的听觉敏感性具有两性异形现象，但鼓膜大小与听觉的两性异形无关。关键词：黄喉拟水龟；听觉脑干反应；两性异形；鼓膜1前言龟鳖类是性别差异研究的理想对象，雌性的体形一般大于雄性REF_Ref2781\r\h[1-REF_Ref2791\r\h2]。通常，两性异形的研究，不止是针对一个物种REF_Ref2791\r\h[2]，这些研究主要都集中在体型特征的差异上，体型的差异是由于不同生活环境和生存压力所做出的适应REF_Ref10478\r\h[3-REF_Ref10488\r\h4]。龟鳖类声音交流的重要性，不仅仅体现在求偶和交配的过程，在生存和许多其他社会行为中也起着至关重要的作用，声音信号在它们生命的某些阶段可以被利用REF_Ref10857\r\h[5-REF_Ref10866\r\h6]。但是听力的性别差异，作为一种可能存在的两性异形现象，目前还没有得到广泛的关注，也没有过广泛的报道REF_Ref10857\r\h[5-REF_Ref11219\r\h7]。两性异形（SexualDimorphism,SD）描述的是在同一物种中，因性别差异而在体色、在生理构造、体型和局部形态上各有特色REF_Ref11614\r\h[8-REF_Ref11670\r\h9]，研究表明，两性异形现象在动物界不同动物类群中普遍存在。性选择压力假说是目前最被广为接受的解释两性形态差异成因的假说，认为性选择会导致具有某些特定特征的个体在繁殖过程中更具有优势，进而在两性之间形成显著的差异REF_Ref11885\r\h[10]。生育力选择压力假说被视为推动两性异形进化的第二大关键因素REF_Ref11996\r\h[11]，该假说认为雌性动物的生育能力与其体型大小相关。通常体型较大的雌性具有更强的生育力REF_Ref12150\r\h[12]。第三个有较大争议且广受关注的性别差异解释是生态位分化假说REF_Ref12274\r\h[13-REF_Ref12280\r\h14]。一种理论推测，性别差异源于自然选择，异性生物通过形态适应各自独特的生态角色，以降低同性竞争，形成两性异形REF_Ref12274\r\h[13]。此外，有些研究发现这三种假说在自然种群中均发挥作用REF_Ref14134\r\h[2]。这些机制共同协作，确保了种群在自然环境中的生存与繁衍。在其他动物类群，如鱼类和蛙类中，已经报道了在听力敏感性方面的两性异形现象REF_Ref12725\r\h[15-REF_Ref12731\r\h16]。动物的生存与繁殖在很大程度上受到其听觉敏感性的影响，特别是在那些主要依赖声音进行交流的生物中。以虎纹蛙(Hoplobatrachuschinensis)为例，根据研究结果，ABR阈值在雄性和雌性之间存在显著差异，在频率接近雄性叫声的主导频率时，两性的敏感性最大。性选择很可能对蛙类的雄性和雌性的听力敏感性以及鼓膜的形状都有不同的影响REF_Ref12725\r\h[15]。研究表明，蟾鱼鳔大小的两性异形与其在广播声信号中的作用有关，特别是在雄性蟾鱼中，尽管雄性蟾鱼和雌性蟾鱼都发出无性别差异的呼噜声，但雄性蟾鱼发出响亮的船哨广告声REF_Ref13175\r\h[17]。鱼类和蛙类中的两性异形现象提示我们，在龟鳖动物中可能也存在类似的现象。因此，我们需要探究龟鳖动物听力敏感性是否具有两性异形现象。同时，这也将为我们揭示更多关于动物两性异形和性选择的奥秘。目前，研究两性之间听觉敏感性的差异变得愈发重要，这对于我们更全面地认识听觉功能在性别间的不同表现以及它们对环境适应性的影响具有重要意义。黄喉拟水龟（Mauremysmutica），是淡水龟类的重要一员，其甲壳长度可达20厘米。它的分布范围相当广泛，涵盖了中国的东部与南部地区，乃至越南北部以及日本。黄喉拟水龟的独特之处在于其牙齿呈现黄绿色并呈弯曲状，喉部为鲜明的黄色，眼睛后方还饰有黄色的条纹。它的甲壳是浅棕色的，而胸甲则是黄色并点缀着黑色斑点。在食物选择上，这种龟类很广泛，它们会摄取蚯蚓、各种昆虫、虾、蟹、鱼类以及田蜗牛等动物性食物，同时也会品尝植物的茎、叶和种子，展现出了其杂食性的特性。外来物种的入侵给黄喉拟水龟的生存环境带来了严重威胁，同时，由于草药中常使用的骨板材料导致对其过度捕猎，也使得黄喉拟水龟的生存状况岌岌可危，这些因素共同加剧了黄喉拟水龟濒临灭绝的风险REF_Ref13427\r\h[18]。黄喉拟水龟也由被观察到两性异形现象，是在个体大小方面的，其表现为雄性个体生长快于雌性个体。但是据相关研究显示，雌性与雄性在背甲长度、背甲宽度以及体高这些形态参数上并不存在显著差异REF_Ref13675\r\h[19]。鼓膜在龟鳖动物中占据着举足轻重的地位，它是这些生物接收外界声音的关键器官。尽管我们已对耳朵的起源、形态，以及它如何巧妙地通过毛细胞将声音信息转化为神经信号的过程有了详尽的了解，但鼓膜所扮演的角色依然值得我们进一步深入探索REF_Ref13786\r\h[20-REF_Ref13792\r\h21]，本实验对雌性黄喉拟水龟和雄性黄喉拟水龟的鼓膜听觉敏感性进行比较。在这项研究中，我们借助了听觉脑干反应（Auditorybrainstemresponse,ABR）来测量黄喉拟水龟不同性别在听觉灵敏度上的差异。这种方法，先前的研究已经成功验证了这种方法在测量猫与人类听觉灵敏度方面的有效性，因此，它被视为一种既快速又无创的动物听觉敏感性测定手段REF_Ref14335\r\h[22]。除此之外，我们运用数显游标卡尺对雌性和雄性的鼓膜尺寸进行了精确测量，并深入探讨了听觉特性与鼓膜形态特征之间的可能关联。2选材和研究方法2.1实验动物采用正常的黄喉拟水龟雌性7只和雄性11只，动物的形态数据如表1所示。2.2研究方法为了严格保障实验数据的精确性，本研究特别采用了一种策略，即通过肌肉注射适量的戊巴比妥钠，以确保实验动物在实验期间完全处于麻醉状态，从而最大限度地减小其活动对实验结果可能产生的任何干扰。在施用麻醉剂并观察到动物肌肉对刺激无显著生理反应，显示出深度麻醉的迹象后，实验者开始进行听性脑干反应测试。本实验特别注重测试环境的隔音效果，因此，所有听觉脑干反应测试均在隔音室里完成。隔音房四壁装满吸音材料，以最大程度地减少声音干扰，确保测试结果的准确性。测试动物被放置在隔音房内，确保喇叭与它们的下颌之间的距离维持在大约5厘米，喇叭的位置则是垂直于动物的耳朵。在记录过程中，我们使用了三根高质量的标准不锈钢电极，它们被分别放置在动物的鼓膜下方作为记录电极，头部前额的皮下作为对照电极，以及身体同侧的前腿作为地线。实验过程中，我们始终确保电极的阻抗保持在3kΩ以下，以确保数据的准确性和可靠性。我们按照动物听觉特点，定制声音刺激，其频率范围覆盖0.2kHz至1.2kHz，并按100Hz的梯度递增。我们将每个刺激的时间精确地定为9ms，包括2ms的上升期和2ms的下降期，采样频率精确至24414Hz。为了全面评估动物的听觉反应，我们采用逐步递减的方式，从90分贝开始，每次降低5分贝直至到达55分贝，每秒钟向实验动物展示四种不同频率的刺激，确保过程稳定而精细。其时长为0.1ms，设定每次刺激的间隔时间为249毫秒，而刺激强度则按5分贝的梯度从90分贝逐渐降低到55分贝，且每秒钟进行四次这样的刺激。在实验过程中，原始电极信号首先被进行了显著的20倍放大操作，随后进行严谨的信号净化步骤，具体采用了高通滤波器（频率范围为30Hz）以去除低频噪音，以及低通滤波器（频率范围为3kHz）以保留高频有用信号，确保数据的准确性和纯净度，同时采用了50Hz的点阻滤波器以减少干扰。为了确保实验数据的准确性，我们使用了数字校准器（model480C02，PCBPiezotronics，Inc.，Depew，NY，USA）和麦克风microphone(1/4″，model426B03PCBPiezotronics，Inc.，Depew，NY，USA)对所有ABR刺激进行校准。研究者将麦克风定位在实验动物头部，与扬声器保持5厘米间距。校准过程中，我们利用RZ6Multi-I/OProcessor和BioSigRP(Tucker-DavisTechnologies,Inc.,Florida,USA)同步记录声码器和麦克风信号，采样频率均为24414Hz。在评估和设定ABR阈值以及反应时间的过程中，我们运用了严谨且系统化的步骤和方法。在遇到与先前刺激强度明显不同的反应于最轻度刺激时，我们便将前一程度的刺激视为阈值点。为了确保实验结果的准确性，我们特地规定同一实验人员全程独立记录所有关键读数，以减少人为因素的潜在干扰。2.3测量与统计分析2.3.1形态数据测量在ABR记录之前，所有动物的体重均通过电子天平(SI-234,DenverInstrument(Beijing)Co.,Ltd.,Beijing,China)进行准确记录；背甲长度以及鼓膜直径的测量则采用电子卡尺(500-196-30,MitutoyoCorp.,Kawasaki-shi,KanagawaPrefecture,Japan)进行精确测量。2.3.2分析和统计使用SPSS22.0软件（IBMCorp，位于美国芝加哥）详尽地分析了雌性和雄性黄喉拟水龟的听觉反应阈值，并对其反应时间进行了分析。在统计方法上，体重、背甲长度以及鼓膜直径的数据通过独立样本t检验进行了严谨的比较，而ABR阈值的评估则依赖于单因素方差分析中的后续多重比较策略，以确保结果的准确性。至于反应时间，同样采用了独立样本t检验进行深入剖析。结果表示为平均值±标准差，P<0.05为显著差异。3结果3.1形态数据通过测量，我们得到雄性黄喉拟水龟的体重1043.81±107.45(g),雌性黄喉拟水龟的体重为1077.39±134.72(g);雄性黄喉拟水龟背甲长199.00±7.02(mm)、雌性黄喉拟水龟背甲长193.80±8.82(mm);雄性黄喉拟水龟鼓膜直径5.40±0.31(mm)、雌性黄喉拟水龟鼓膜直径5.29±0.21(mm)。使用SPSS对黄喉拟水龟的形态特征进行分析，雌性和雄性的体重通过独立T检验分析得到的P＝0.57，P>0.05，即雄性和雌性的体重无显著差异；雄性和雌性的背甲长通过独立T检验分析得到的P＝0.18，P>0.05,即雄性和雌性的背甲长度无显著差异；雄性和雌性的鼓膜直径通过独立T检验得到的P=0.44，P>0.05，即雄性和雌性的鼓膜直径也是无显著差异。3.2ABR测量分析使用SPSS同通过单因素方差分析中的事后多重比较进行分析，结果如图2所示，我们观察在0.2-0.7kHz频率范围内，无论是雌性还是雄性个体，听觉行为反应(AuditoryBrainResponse,ABR)都表现出无显著的阈值差异；然而，当频率提升至0.8-1.0kHz区间时，雄性的阈值为65.00±4.47、雌性的阈值为69.29±1.89（P＝0.03）；在0.9kHz时，雄性的阈值为71.81±4.05、雌性的阈值为75.72±1.89（P=0.03）；在P=1kHz时，雄性的阈值为75.55±4.16（P＝0.003），雌性的阈值为85。从以上数据能看出在0.8-1.0kHz雄性的阈值显著低于雌性，即P<0.05。我们测定听觉脑干反应(ABR)的起始时间和波谷间时间。在70dB时，雄性黄喉拟水龟的反应时间为2.89±0.112.04±0.50、雌性的反应时间为2.90±0.11(P=0.78)；在75dB时测得雄性黄喉拟水龟的反应时间为2.76±0.17、雌性的反应时间为2.81±0.19(P=0.57)；在80dB时测得雄性黄喉拟水龟的反应时间为2.43±0.36、雌性的为2.65±0.32(P=0.21)；在85dB时测得雄性黄喉拟水龟的反应时间为2.04±0.50、雌性的反应时间为2.13±0.35(P=0.68)。如图2所示，在0.2-1.0kHz时,雌性反应时间和雄性反应时间无显著差异(P>0.05)表1.雌性和雄性黄喉拟水龟形态特征比较参数性别统计结果雄性(n=11)雌性(n=7)P体重(g)1043.81±107.451077.39±134.72>0.05背甲长度(mm)199.00±7.02193.80±8.82>0.05鼓膜直径(mm)5.40±0.315.29±0.21>0.05图1黄喉拟水龟雌性和雄性的ABR阈值图图2黄喉拟水龟雌性和雄性的反应时间图4讨论根据上述实验结果，我们可以发现雄性和雌性黄喉拟水龟在形态特征方面没有表现出两性差异的现象，但是雌雄的ABR阈值具有两性异形现象的。我们发现雄性黄喉拟水龟和雌性黄喉拟水龟的敏感度的可听范围相似（0.2-1.0kHz），但是在0.8-1.0kHz，雄性黄喉拟水龟的ABR阈值明显低于雌性黄喉拟水龟。根据深入细致的实验数据分析，我们的研究明确显示黄喉拟水龟的听觉特性存在性别差异：雄性表现出显著高于雌性的听觉敏感性。与以往研究相悖，我们的发现与众不同，例如，前文中提到的蛙类，在听力敏感性的两性异形方面，雌性虎纹蛙的听觉敏感性是高于雄性虎纹蛙的REF_Ref14642\r\h[23]。根据研究，在其他龟类中，例如红耳龟听力敏感性上的两性差异表现为雌性的听觉比雄性的听觉更敏感，敏感的听觉可能有助于雌性适应陆地产卵的环境REF_Ref14873\r\h[24]。有些动物为了在繁殖的季节增加繁殖成功率，听力敏感性表现出季节性的变化。根据研究显示，雄性斑光蟾鱼在繁殖时期会发出长时间较高频率的声音，以此来吸引雌性，而这种特殊的声音交流方式促使雌性斑光蟾鱼的听觉在繁殖时期更加敏感REF_Ref15001\r\h[25]。在对雌性北海狮和雄性北海狮听力敏感性的研究中，得出的实验结果显示雄性北海狮比雌性北海狮具有更高的听力阈值，这也就是说雌性北海狮的听力比雄性北海狮的更加敏感REF_Ref15092\r\h[26]。以上讨论中的生物都是雌性具有较高的听力敏感性，而本研究得出的结果是雄性黄喉拟水龟具有更高的听力敏感性，即雌雄黄喉拟水龟在听力敏感性上的差异现象与大部分生物是不一致的。两性异形现象可能源于多种生态因素，其中包括雄性和雌性在繁殖策略上的差异，这些差异可能是自然选择在生育能力或亲代抚育角色中的体现。此外，性选择在求偶竞争中也可能塑造出独特的性别特征，从而导致两性异形性的形成REF_Ref2791\r\h[2-REF_Ref11614\r\h8]。两性异形在自然界中扮演着至关重要的角色，它代表了动物对环境适应的一种显著标志REF_Ref15585\r\h[27]。根据以上讨论，我们对雄性黄喉拟水龟具有较高的听力敏感性的原因做出以下猜想：首先，我们知道声音在动物交流中扮演着重要的角色。雄性黄喉拟水龟在求偶期间，可能需要通过敏锐的听力来捕捉雌性发出的求偶信号，以确保成功交配。因此，更敏感的听力可能有助于它们在求偶竞争中脱颖而出。其次，领地争夺也是影响雄性黄喉拟水龟听力发展的一个重要因素。在自然界中，雄性黄喉拟水龟可能会通过声音来警告其他乌龟，以维护自己的领地和资源。拥有更敏锐的听力，可以使它们更快速地察觉到潜在威胁，从而及时作出反应。其次，领地争夺也是影响雄性黄喉拟水龟听力发展的一个重要因素。在自然界中，雄性黄喉拟水龟可能会通过声音来警告其他乌龟，以维护自己的领地和资源。拥有更敏锐的听力，可以使它们更快速地察觉到潜在威胁，从而及时作出反应。然而，需要注意的是，这些只是一些可能的推测。要确切了解雄性黄喉拟水龟具有更敏感听力的原因，我们还需要进行更深入的研究和观察。这包括分析它们在自然环境中的行为模式、生理结构以及神经机制等方面。有研究表明，鼓膜是龟关键的声音接收器REF_Ref15670\r\h[28]。在陆生的蛙类物种中，有证据表明声音能够通过肺部，并有可能经由喉部传递至鼓室，并且中耳腔也和声音的传递有关。从而得出中耳结构、形态结构特征如鼓膜、肺和喉掌控着蛙类的听觉灵敏度REF_Ref15791\r\h[29-REF_Ref15798\r\h30]，并且可能会引起听觉灵敏度上的性别差异。然而，在本次探究中，我们并未观察到黄喉拟水龟的耳膜直径在雌雄两性之间存在明显的差别，从而未发现任何性别特异性。该研究结果显示，鼓膜尺寸似乎并未显著影响黄喉拟水龟的性别间听觉敏感性的差异。因此，我们的研究结论与先前的一项研究产生了分歧，该研究认为青蛙听觉敏感度的性别差异可能与鼓膜尺寸的性别变异，以及由此引发的中耳腔容量变化有关，这提示了探索相关影响因素的新视角REF_Ref11624\r\h[31]。对于其他形态特征会不会导致雌雄黄喉拟水龟听觉敏感性的性别差异，有待于进一步的研究。参考文献LefebvreJ,AveryTS,HermanTB.SizedimorphismandgrowthratesindistinctpopulationsofBlanding’sturtles(Emydoideablandingii)inNovaScotiainrelationtoenvironment[J].HerpetologicalConservationandBiology,2011,6(3):465-472.RonaldE.Willemsen,AdrianHailey.SexualdimorphismofbodysizeandshellshapeinEuropeantortoises[J].Journalofzoology(London,England:1987),2003,260(4):353-365.YuichirouYasukawa,HidetoshiOta,JohnB.Iverson.GeographicVariationAndSexualSizeDimorphismInMauremysMutica(Cantor,1842)(Reptilia:Bataguridae),WithDescriptionOfANewSubspeciesFromTheSouthernRyukyus,Japan[J].Zoologicalscience,1996,13(2):303-317.GlBBONSJW,LOVICHJE.SexualdimorphisminturtleswithemphasisonthesliderturtleTrachcmysscripta[J].HerpetologicalMonograph,1990,4:1-29.camilaRF,richardCV,jacquelineCG,geraldK,etal.ChelonianVocalCommunication[J].BiocommunicationofAnimals,2014:261-274.CamilaRFerrara,RichardCVogt,RenataSSousa-Lima.Turtlevocalizationsasthefirstevidenceofposthatchingparentalcareinchelonians[J].Journalofcomparativepsychology,2013,127(1):24.0-32.0.KatieLWillis.UnderwaterHearinginTurtles[J].Advancesinexperimentalmedicineandbiology,2016,875:1229-1235.A.V.Hedrick,E.J.Temeles.Theevolutionofsexualdimorphisminanimals:Hypothesesandtests[J],TrendsinEcologyandEvolution,1989,4(5):136-138.DJFairbairn,DARoff.Thequantitativegeneticsofsexualdimorphism:assessingtheimportanceofsex-linkage[J],Heredity,2006,97(5):319-328.LUKASKRATOCHVIL,DANIELFRYNTA.Bodysize,malecombatandtheevolutionofsexualdimorphismineublepharidgeckos(Squamata:Eublepharidae)[J].BiologicalJournaloftheLinneanSociety,2008,76(2):303-314.PhilippSarasin.Darwin,CharlesRobert:TheDescentofMan,andSelectioninRelationtoSex[J].KindlersLiteraturLexikon(KLL),2020:1-2.AlexanderKupfer.Sexualsizedimorphismincaecilianamphibians:analysis,reviewanddirectionsforfutureresearch.[J].Zoology,2009,112(5):362-369.RShine.EcologicalCausesForTheEvolutionOfSexualDimorphism-AReviewOfTheEvidence[J].TheQuarterlyreviewofbiology,1989,64(4):419-461.MontgomerySlatkin.EcologicalCausesofSexualDimorphism[J].Evolution;internationaljournaloforganicevolution,1984,38(3):622-630.WangJC,WangTL,FuSH,etal.AuditorybrainstemresponsesintheChinesetigerfrogHoplobatrachuschinensis(Osbeck,1765)(Anura:Dicroglossidae)revealsexuallydimorphichearingsensitivity[J].Italianjournalofzoology,2016,83(4):482-489.FriedrichLadich,RichardR.Fay.Auditoryevokedpotentialaudiometryinfish[J].ReviewsinFishBiologyandFisheries,2013,23(3):317-364.YanHY,FineML,HornNS,etal.Variabilityintheroleofthegasbladderinfishaudition[J].JournalofComparativePhysiologyA,2000,186:435-445.Yuan-YuC,Ting-YuC,Pin-HuanY,Chau-HwaC,eta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