背景:我国地处亚洲东部,幅员辽阔,横跨古北和东洋两界动物地理区系,自然环境极为复杂多样,蕴藏着丰富的两栖动物资源,然而,蚓螈目在我国仅有一科一属一种,中文名:版纳鱼螈,学名:Ichthyophis bannanicus Yang。1974年由我国两栖爬行动物学家杨大同等人在云南西双版纳的勐腊县城附近发现。到目前为止,确定它是我国两栖纲蚓螈目仅有的一种代表动物。它在我国的栖息地被当地人们称为芋苗蛇、两头蛇、金边蛇或双金条纹蛇,也是我国传说中的化骨蛇。分布在我国云南、广西和广东,数量很少,十分稀有。国外已经明确在越南和泰国也有分布。是我国重点陆生野生动物、“三有(有益,有经济价值,有科学研究价值)”动物。该物种卵生,幼体水生,成体陆生。意义:蚓螈目普遍认为是两栖纲三个现存目中最原始的类群,因此理论上它应该保留更多的祖征,能够为研究陆生脊椎动物从水生的祖先鱼类进化而来的演化历史,揭开动物从水到陆的演变过程提供更多的证据。而陆生脊椎动物的登陆,首要解决的问题是呼吸而非食物,显然,研究脊椎动物登陆过程的最好内容是研究它的呼吸系统演化史。当然,本研究除了这些进化上的研究意义之外,版纳鱼螈作为我国生物多样性资源宝库中仅有的物种资源,研究它了解它既是主权资源的象征,也有利于保证该物种相关知识的中国产权,有利于物种的保护与开发。目的:获取卵、水、陆三种不同生活环境中版纳鱼螈呼吸系统组成器官的结构特征,以此为基础掌握版纳鱼螈呼吸系统在适应卵、水、陆三种不同生活环境中形成的演变规律,探讨:版纳鱼螈呼吸系统组成器官形态与功能之间的关系;两栖动物现存三个目之间的系统发生关系;脊椎动物从水生到陆生进化中呼吸系统(system)的演化过程以及呼吸系统形态演化过程中所呈现出来的生物进化史和系统发生(phylogeny)史。材料:卵、水、陆等三种环境条件所对应的三个发育水平的版纳鱼螈个体:胚胎、幼体、成体。方法:主要采用光镜技术和电镜技术全面考察版纳鱼螈呼吸系统在依次历经三种不同生活环境(卵、水、陆)中所呈现出来的形态特征,构建版纳鱼螈个体呼吸系统的形态演变序列。结果:1.卵、水、陆三种不同生活环境中版纳鱼螈呼吸系统组成器官的结构特征(1)卵环境中皮肤很薄,表皮细胞由一层发展到三层。Stage34时,表皮由两层扁平细胞构成;头部、体中部和尾部的表皮中,躯干部和尾部的厚度无显著性差异(n=135,P>0.05),头部与躯干部、尾部之间厚度有显著性差异(n=135,P<0.05)。各部位的表皮厚度变化幅度很大,全身最薄处约5μm,最厚处达30μm,平均厚度约为17μm。两层表皮细胞之间出现稀疏的Leydig细胞。表皮下为基底膜,其中分布着丰富的毛细血管和混杂着大量色素细胞。水-血屏障厚约为17μm。真皮中未成熟的腺体细胞聚集成群,腺体腔开始形成中。Stage 35时,表皮由三层细胞构成,以扁平状为主,兼有其它形状;中间一层密集地分布着巨大的Leydig细胞,头部最为密集,达44800个/毫米2,体部和尾部相对稀疏;Leydig细胞大小通常是相邻上皮细胞的4-6倍。体中部表皮厚度与头部、尾部区域的相比有显著性差异(n=135,P<0.05),头部与尾部厚度之间无显著性差异(n=135,P>0.05)。表皮下基底膜较Stage34时厚,其中同样分布着丰富的血管和混杂着大量的黑色素细胞。水-血屏障厚平均约为23μm。真皮中的腺体腔及其导管均已成形;腺体腔中充满分泌物。Stage 34时,鳃很发达,6枝,分别为左前鳃枝,右前鳃枝,左中鳃枝,右中鳃枝,左后鳃枝,右后鳃枝,左右各3枝分别着生在个体颈侧两边。鳃枝由鳃轴和着生其上的鳃丝构成。中间一对鳃枝最长,差不多是前一对和后一对鳃枝的两倍,它的左右鳃枝无显著性差异(n=6,P>0.05);前一对和后一对鳃枝相对较短,它们之间的长度无显著性差异(n=6,P>0.05),它们中同对鳃枝的左枝和右枝之间的长度无显著性差异(n=6,P>0.05)。前鳃轴和中鳃轴的基部径宽无显著性差异(n=6,P>0.05);但他们与后鳃轴基部径宽相比,有显著性差异(n=6,P<0.05)。前中后三根鳃轴尾端径宽相比无显著性差异(n=6,P>0.05)。在鳃丝数量中,不同对鳃枝的鳃丝数量不等,中间一对比前一对和后一对的鳃丝数明显较多,相比较有显著性差异(n=6,P<0.05),前一对与后一对的鳃丝数量无显著性差异(n=6,P>0.05);同对鳃枝的左枝和右枝上鳃丝数无显著性差异(n=6,P>0.05),但也极少相等。同一个体中,最长的鳃丝着生在中间一对鳃枝的鳃轴中部,最短的鳃丝在所有三对鳃枝的鳃轴尾部分布;中间一对鳃枝的鳃轴基部、中部着生的鳃丝与前一对鳃枝的鳃轴上相应部位着生的鳃丝长度无显著性差异(n=36,P>0.05),但与后一对鳃枝的鳃轴上相应部位着生的鳃丝长度有显著性差异(n=36,P<0.05);所有三对鳃枝的鳃轴尾部着生的鳃丝长度无显著性差异(n=36,P>0.05);同对鳃枝中,左右鳃枝的鳃轴上相应部位的鳃丝长度无显著性差异(n=36,P>0.05)。同一鳃枝中,着生在鳃轴中部的鳃丝比着生在基部和尾部的长,然而与基部着生的鳃丝相比无显著性差异(n=36,P>0.05),与尾部着生的鳃丝相比有显著性差异(n=36,P<0.05)。鳃轴和鳃丝内均有两大血管并行贯穿其中。鳃上皮很薄,最薄处厚度不到2μm,由两层细胞构成。Stage 35时,鳃开始退化,鳃枝比Stage 34时缩小,各种比较的统计学(n=48)意义与Stage 34时相同;鳃退化过程有明显的退化特征,到Stage36时随机性脱落。在两层细胞的鳃上皮中分布着6种形态不同的上皮细胞:有微嵴的表层扁平细胞,有粘液层和纤毛的表层扁平细胞,有粘液层的表皮豌豆状Langerhans细胞,表皮下层的基底扁平细胞,表皮下层的富颗粒细胞,表皮下层圆型的Merkel细胞。肺在胚胎期已经出现,肺由气管、左肺、右肺组成,右肺长,约为左肺3倍,左肺与气管基本等长。Stage34时肺的网眼(肺囊),清晰可见,整个肺约2000个。肺前后发育有明显的时序性,围成网眼的隔膜从前向后逐渐变短,切面上的隔膜由气管段的[形向后变成结节状。Stage 35时,肺囊进一步向外扩展,隔膜变高,从前往后由气管段的tω形到左右肺前中段的U形再到尾段的[形。肺细胞一层,形状多样,大部分细胞向空腔突起,表面布满微绒毛,细胞内出现电子致密颗粒、板层小体、囊泡等细胞器;有非呼吸性的气-血屏障出现,最薄处的平均值为5.23μm,跨度在0.16-10.05μm之间,最薄的地方只有0.16μm。(2)水环境下皮肤表皮细胞四层,各层细胞形状多样,表层细胞外侧有角化融合和脱落现象。各部位表皮厚度相互间呈显著性差异(n=180,P<0.05)Leydig细胞在各细胞层均有分布,在外表层退化破裂,数量明显减少;头部最多,为100个/毫米2。水-血屏障平均厚61μm,跨幅在35-100μm之间。真皮中的腺体在头部和尾部区域分布较多,而体中部相对稍少。右肺长约4倍于左肺,气管段约为左肺的2倍长。气管段有软骨条,气管肺明显。肺囊进一步向外突展并基本成形。肺上皮的细胞形状多样,全部具有板层小体和微绒毛。肺细胞的胞质突中电子致密颗粒或板层小体相对于胞体部分少;大量的电子致密颗粒或囊泡或板层体经肺细胞顶部胞吐到胞外空间中。气-血屏障最薄处平均值为1.13μm,跨度从0.77μm-1.62μm之间,最薄的处只有0.77μm。(3)陆环境中表皮由5-6层细胞构成,细胞极化明显。向外的二至三层细胞扁平状,表层细胞完全融合角质化。皮肤表皮不规则增厚,向外凸起形成皮褶,皮褶间凹陷为皮沟。体中部表皮与头部表皮厚度没有显著性差异(n=180,P>0.05),但和尾部的表皮厚度之间有显著性差异(n=180,P<0.05);头部与尾部的表皮厚度之间有显著性差异(n=180,P<0.05)。表皮中有Merkel细胞。表皮基底膜比较宽,其下充满了黑色素细胞和毛细血管。毛细血管较粗,直径为20-36μm。头部粘液腺数量最多,而尾部颗粒腺数量最多。肺清晰地分为三个部分,气管肺,左肺,右肺。气管肺是气管中的不闭合软骨环缺口和上下软骨环之间长出的肺组织,既靠近声门,又直接附着在气管上,是肺的重要部分。右肺约为左肺的3倍长,气管段约为左肺的1.3倍长。肺充分血管化;左右肺的末端一小段乳浊色,血管化程度低,内充满空气。肺囊辐射状排列,肺外出现独立长出的肺囊。气管段前部有不闭合软骨环,气管后段之后变为软骨条、软骨钉,向后不远消失。肺囊内存在多级隔膜。肺上皮由一层单一类型的肺细胞组成。有丰富的气-血屏障;在气-血屏障的组成比例中,间质结缔组织层约占气-血屏障的50%,而上皮组织与内皮的厚度几乎接近。气-血屏障最薄处平均值为2.08μm,跨度从0.68μm-7.86μm之间,最薄的地方厚度0.68μm。在肺囊腔表面,分散分布着凸向空腔的肌控小体,小体顶部有突触小体出现。2.版纳鱼螈呼吸系统在卵、水、陆三种不同生活环境中的演变规律(1)三种环境中呼吸系统的形态演变皮肤的形态演变:Stage34,表皮仅由很薄的两层扁平细胞构成,表皮下有丰富的毛细血管。Stage35,表皮细胞增加到三层,以扁平状为主,分化出其它形状,有些细胞已经提早成熟,如Leydig细胞和腺体细胞;表皮下毛细血管网密度达到峰值。进入水中生活,表皮细胞层数增至五层,表皮继续变厚,外皮层开始角质化,表皮下毛细血管管径逐渐变粗。登陆后表皮增至七八层,表皮细胞极化明显,一到两层表皮外层明显角化,周期性的蜕皮出现,皮下血管管径进一步增大。鳃的形态演变:stage21,鳃开始出现;stage22,鳃丝长出;stage33,鳃枝大小达到峰值;stage 34,鳃枝开始缩小退化,褪色变软;stage 36,鳃枝组织脱落。肺的形态演变:stage21,肺体透亮,隔膜在肺内表面合围成的网眼清晰可见;肺囊形状大致呈[形;肺壁上的肺动脉和静脉没有分枝。stage22,肺壁上的肺动脉和静脉开始侧向分枝,气管肺和左右肺的前中部变得模糊,网眼轮廓不清;气管肺和左右肺前中段肺囊形状大致呈ω形或Ω形。入水后,幼体肺的肺动脉和静脉进一步分枝,血管化程度进一步提高,气管肺和左右肺前中部更加模糊;肺囊辐射状向外扩大凸展;气管肺和左右肺前中部开始形成比ω状肺囊复杂得多的肺囊;肺后部的肺囊呈U或深V型并在底部出现裂状缝隙(腔);气管段出现软骨条;肺细胞向内腔突起;气-血屏障形成:肺腔中出现丰富的胞吐物质。登陆后,肺囊沿肺中轴向四周极度扩张;外突肺外的肺囊更加明显;气管段前部形成不闭合的环状软骨;肺囊内气-血屏障丰富。(2)三种环境中呼吸系统呼吸作用的功能维持在卵环境中,呼吸作用的维持通过呼吸器官将之从皮→皮+鳃→皮的渐进有序地传递来完成。具体是:stage 22之前,由皮肤全部担负胚胎发育所需的气体交换;stage 22之后,鳃开始参与气体交换,随着个体对呼吸需求的增加,鳃由协助角色上升为主要角色,直到stage33时鳃分担的气体交换份额达到峰值,同时皮肤的贡献份额达到最少;stage33之后,鳃逐渐退化,其担负的气体交换份额逐步减少,在孵出之前(约stage 36)为零,与此同时皮肤承担的呼吸份额相应地增大,直到孵出前达到最大。在水环境中,呼吸作用的维持通过呼吸器官将之从皮→皮+肺→肺的渐进有序地传递来完成。具体是,幼体孵出之后的一段的时间内,皮肤承担着呼吸作用的全部职责,随后肺以气呼吸的模式参与到个体的气体交换中;随着肺使用频率的增多,肺在呼吸总量中所占的气体交换份额越来越大,而皮肤所占的份额则越来越小,这种趋势持续到个体登陆时完成。最后,皮肤少参与或不参与气体交换,肺成为动物个体日常生活中几乎唯一的呼吸器官。结论:版纳鱼螈呼吸器官由皮肤、鳃和肺组成;为适应不同生存环境的呼吸需要,该物种采用不同的呼吸器官组合以予应对。版纳鱼螈呼吸系统的组成器官中适应不同生存环境并发挥气体交换作用功能的结构特征,就是表征物种系统发生地位的结构特征。组成版纳鱼螈呼吸系统的各器官及其结构与其它蚓螈类两栖动物有很大的共同特征,同时存在表征其为蚓螈类基本类群成员的个性特征;与有尾类和无尾类呼吸器官的结构特征比较中,多种比较结果指向:相比无尾类,蚓螈类与有尾类在系统发生上具有更近的亲缘关系。在个体生命史中,版纳鱼螈皮肤向不利于气体交换的方向发展;而鳃是特定时期的呼吸需要而出现的水呼吸器官,先盛后衰;肺向有利于气呼吸的方向发展。个体生活史的不同环境中,版纳鱼螈的呼吸作用通过不同呼吸器官组合的有序渐进的转换得以维持。版纳鱼螈呼吸系统的形态演变反映了生物进化史,同时也反映了物种的系统发生(phylogeny)史,重演了呼吸系统(system)的系统进化史。排除阻碍呼吸功能顺利交接的外界因素是提高该物种生存的方法。