賴　文，陳　岑，葉　婷，章賽賽，呂曉露，孔祥東

(浙江理工大學(xué)，a.材料與紡織學(xué)院，b.生命科學(xué)學(xué)院，c.啟新學(xué)院，杭州310018)

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無齒相手蟹體表剛毛的結(jié)構(gòu)及其功能

賴文a，陳岑b，葉婷b，章賽賽c，呂曉露c，孔祥東b

(浙江理工大學(xué)，a.材料與紡織學(xué)院，b.生命科學(xué)學(xué)院，c.啟新學(xué)院，杭州310018)

對源自錢塘江的無齒相手蟹體表剛毛的結(jié)構(gòu)及其功能進(jìn)行研究。利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)對無齒相手蟹足部、頰部、臍部、螯部剛毛結(jié)構(gòu)與形貌進(jìn)行觀察，并對其不同部位剛毛的結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的功能進(jìn)行了分析。通過紅外吸收光譜(FT-IR)和X射線粉末衍射(XRD)對無齒相手蟹剛毛的成分和晶相進(jìn)行表征，結(jié)果表明無齒相手蟹剛毛的主要成分均為無定型結(jié)構(gòu)的甲殼素，但其形態(tài)結(jié)構(gòu)差異顯著，這與剛毛的感知、防御、清潔等作用密切關(guān)聯(lián)。

無齒相手蟹；剛毛；結(jié)構(gòu)；功能

0　引　言

錢塘江流域濕地生態(tài)系統(tǒng)中生存著多種蟹類，經(jīng)實地考察，發(fā)現(xiàn)其中包括無齒相手蟹、紅螯相手蟹、中華絨螯蟹、平背蜞、弧邊招潮蟹等不同種類的螃蟹。其中無齒相手蟹種群數(shù)量最高、分布最廣，是最主要的蟹類。無齒相手蟹屬于動物界、節(jié)肢動物門、甲殼動物亞門、軟甲綱、軟甲亞綱、十足目、爬行亞目、方蟹總科、相手蟹科、相手蟹屬，從北到南主要分布在遼東半島、江蘇、浙江、福建、臺灣、廣東等地[1]。在各沿海河流的濕地泥岸，無齒相手蟹大部分穴居于河流泥灘、田埂、石塊間、土壁洞穴或棲息于蘆葦沼澤地[2-3]，主要攝食底棲藻類、有機(jī)碎屑、軟泥、蘆葦?shù)葷竦刂参锏娜~片等。無齒相手蟹是入海河口廣泛分布的優(yōu)勢底棲動物，與其它底棲動物、灘涂植被之間生態(tài)關(guān)系密切，在整個濕地生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的生態(tài)平衡作用[4-6]。

許多動物體表都長有形態(tài)各異、功能多樣的剛毛，不同結(jié)構(gòu)的剛毛具備不同的功能。例如壁虎可在光滑的墻壁、天花板上靈活捕食，是緣于壁虎腳掌底部剛毛具有較強(qiáng)的粘附作用[7-8]，這種粘附作用來源于其腳掌底部數(shù)百萬根微米級剛毛和納米級絨毛陣列與接觸表面接觸產(chǎn)生的范德華力[9-10]。蜘蛛能在墻壁等光滑表面上自由移動是因為其足底細(xì)密剛毛群尖端呈三角膨大，能夠擴(kuò)大腳底剛毛與墻壁的接觸面積從而產(chǎn)生極強(qiáng)的粘附力[11-12]。蜣螂能夠生存在粘濕土壤環(huán)境中是緣于其腹面和足部剛毛方向與土壤表面垂直而形成柔性界面，通過減小兩者之間接觸面積使得剛毛具有優(yōu)良的抗粘附功能和脫附作用[13-14]。蟑螂在遇到外界刺激逃離反應(yīng)非常迅速，因為其腹部尾須剛毛連接著觸覺系統(tǒng)而具有高度靈敏的感覺功能[15]。水黽能在波動的水面上穩(wěn)定滑行是因為其腿部數(shù)千根微米級剛毛同向排列構(gòu)成螺旋狀的溝槽，空氣被吸附在溝槽中形成空氣墊，阻礙了水滴的浸潤使得剛毛具有超強(qiáng)疏水性能[16-17]。

無齒相手蟹作為錢塘江水域濕地生態(tài)系統(tǒng)中重要優(yōu)勢物種之一，有關(guān)其剛毛結(jié)構(gòu)與功能的研究目前尚未見報道。本文通過對錢塘江無齒相手蟹足部、頰部、臍部、螯部剛毛形貌及其結(jié)構(gòu)的研究，來探析無齒相手蟹不同部位剛毛的結(jié)構(gòu)及其功能。

1　材料與表征方法

1.1實驗材料的選取

無齒相手蟹在桐廬富春江水庫大壩以下至杭州灣跨海大橋一帶150 km的錢塘江流域濕地內(nèi)均有分布，其中從杭州六和塔附近至嘉興海寧一帶濕地中種群密度最大。課題組于杭州下沙錢塘江江東大橋泄洪水道兩側(cè)的濕地中捕獲健壯、成年無齒相手蟹若干只。利用超薄刀片將無齒相手蟹足部、頰部、臍部、螯部剛毛切下，用去離子水、無水乙醇清洗干凈并冷凍干燥。取無齒相手蟹體表剛毛進(jìn)行FE-SEM、XRD、FT-IR材料表征以及結(jié)構(gòu)與功能的研究分析。

1.2場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)觀察

將各部位剛毛粘附在導(dǎo)電膠上。采用FE-SEM(ZEISS-ULTRA55，加速電壓為3.0kV)對無齒相手蟹足部、頰部、臍部、螯部剛毛的結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。其中，為了研究無齒相手蟹剛毛橫截面的結(jié)構(gòu)，選取足部剛毛進(jìn)行環(huán)氧樹脂包埋，經(jīng)超薄切片機(jī)切取橫截面后進(jìn)行電鏡觀察。

1.3X射線粉末衍射儀(XRD)觀察

將冷凍干燥后的無齒相手蟹足部剛毛研磨成粉末狀，采用X-射線粉末衍射儀(ARL-X’TRA，管電壓40 kV，管電流35 mA，掃描速度為5 °/min，掃描范圍2θ=10°～55°)對足部剛毛進(jìn)行物相和結(jié)晶性能分析。

1.4紅外吸收光譜儀(FT-IR)觀察

采用KBr壓片法，將冷凍干燥后研磨成粉末的無齒相手蟹足部剛毛與溴化鉀混合，質(zhì)量比約為1∶100，充分研磨后將混合物進(jìn)行壓片(30MPa，60s)。利用傅立葉變換紅外光譜儀(Nicolet 5700, Thermo Electron，掃描范圍為4000～400 cm-1)對樣品進(jìn)行分析。

2　實驗結(jié)果與分析

2.1無齒相手蟹體貌的觀察

錢塘江流域內(nèi)的無齒相手蟹生長期主要分為蚤狀幼體、大眼幼體、幼蟹和成蟹等幾個階段。無齒相手蟹的生長過程中要經(jīng)歷多次蛻皮過程，每次蛻皮過程后它的體重和形態(tài)都會增加和變大。圖1為成年無齒相手蟹體貌外觀圖，從外觀特征上可以明顯看出，成年無齒相手蟹足部均勻分布長約0.2～1 cm的剛毛。無齒相手蟹作為土壤穴居動物，非光滑表面的螯足對土壤具有反粘附能力[18]，它們利用螯足在河流泥灘中挖掘洞穴或取食時不會粘附上泥土。

圖1　無齒相手蟹體貌外觀圖

如圖2所示，無齒相手蟹有堅硬的四方形甲殼。頭胸甲呈方形或梯形，呈茶褐色。額寬大，大于頭胸甲寬度的1/2，前緣中部有較寬的凹陷，額后部有4個并立的突起，側(cè)緣具光滑隆線。眼具短柄，呈土青色，可活動；外眼窩齒呈三角形，背眼窩緣光滑且凹陷。螯足1對，步足4對，步足長節(jié)、腕節(jié)、掌節(jié)、指節(jié)密生長短不等的硬剛毛。長節(jié)背緣近末端處具一刺；掌節(jié)外側(cè)面具鱗形顆粒，背緣具1條顆粒隆線。雌雄異形，雄性臍部呈三角形，雌性臍部呈圓形，成年雄性個體顯著大于雌性。

圖2　無齒相手蟹形態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2不同部位剛毛的場發(fā)射掃描電鏡表征結(jié)果

圖3(a)為成年無齒相手蟹足部剛毛在視野放大500倍的場發(fā)射掃描電鏡圖。通過觀察，足部剛毛呈纖維狀結(jié)構(gòu)，剛毛表面帶有排列整齊的球狀突起結(jié)構(gòu)，剛毛直徑由底端至末端逐漸變小，長度為0.2～1 cm，直徑為20～30 μm。圖3(b)為成年無齒相手蟹足部剛毛在視野放大5 000倍的場發(fā)射掃描電鏡圖，剛毛表面球狀突起結(jié)構(gòu)類似于半球體，直徑約為15 μm。Garm等[19]曾報道青蟹第二、第三顎足末端具有羽毛狀的剛毛，上含有機(jī)械性刺激感受器，捕食時剛毛與獵物相互接觸后可感知獵物相關(guān)的信息。無齒相手蟹這種球狀突起結(jié)構(gòu)極有可能與觸覺系統(tǒng)具有重要關(guān)聯(lián)，對其感知水流速度或方向、水波振動、獲知獵物或危險信號等方面起到相關(guān)作用。

圖3　無齒相手蟹足部剛毛的FE-SEM圖

圖4(a)為成年無齒相手蟹足部剛毛橫截面在視野放大800倍的場發(fā)射掃描電鏡圖，圖中足部剛毛橫截面外端包覆層為環(huán)氧樹脂包埋劑。足部剛毛橫截面為中空不規(guī)則圓形環(huán)狀結(jié)構(gòu)，圓形環(huán)狀結(jié)構(gòu)外徑約為80 μm，內(nèi)徑約為30 μm。圖4(b)為成年無齒相手蟹足部剛毛橫截面在視野放大3 000倍的場發(fā)射掃描電鏡圖，其中足部剛毛壁厚約為25 μm，內(nèi)徑表面非光滑。Wolcott等[20]曾報道了沙蟹的第二步足和第三步足的毛細(xì)管剛毛簇能夠從土壤中收集大量水分運(yùn)輸至鰓室以維持體內(nèi)水平衡。類似的，無齒相手蟹剛毛的中空環(huán)狀結(jié)構(gòu)，對水分與營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸及吸收是有利的。此外，無齒相手蟹在蛻殼以后，新生剛毛作為體表附屬物能夠從原剛毛中“金蟬脫殼”，此過程的完成與剛毛所具有的中空環(huán)狀結(jié)構(gòu)密切關(guān)聯(lián)。

圖4　無齒相手蟹足部剛毛橫截面結(jié)構(gòu)FE-SEM圖

圖5(a)-(d)分別為成年無齒相手蟹頰部底端剛毛在視野放大200、500、2 000、6 000倍的場發(fā)射掃描電鏡圖。無齒相手蟹頰部底端剛毛呈纖維狀結(jié)構(gòu)，剛毛直徑由底端至末端逐漸變小。剛毛長度為2～3 mm，直徑為20～25 μm。頰部底端剛毛之間排列整齊且密集，間隔均勻，方向一致。頰部底端剛毛上長有分支剛毛，分支剛毛之間排列密集、方向規(guī)則，長度為30～60 μm，直徑為2～4 μm。頰部底端剛毛與分支剛毛共同組成緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有助于阻擋水中微小顆粒物，防止其透過頰部與胸部交界處進(jìn)入胸腔，造成危害。頰部底端的剛毛具有網(wǎng)狀分支結(jié)構(gòu)，考慮到其位置，這類剛毛可能在減少水阻、保持頰部甲殼濕潤等方面具有特殊功能。

圖5　無齒相手蟹頰部剛毛的FE-SEM圖

圖6(a)、(b)分別為成年無齒相手蟹臍部邊緣剛毛在視野放大500、2 000倍的場發(fā)射掃面電鏡圖。無齒相手蟹臍部剛毛呈纖維狀結(jié)構(gòu)，剛毛直徑由底端至末端逐漸變小。剛毛長度為200～1 000 μm，直徑為10～15 μm。剛毛之間排列緊密，間隔均勻。臍部剛毛上長有分支剛毛，長度為30～60 μm，直徑為2～4 μm，上面粘有大量細(xì)小顆粒附著物。臍部剛毛及其分支剛毛所共同組成的致密結(jié)構(gòu)，可有效吸附或阻擋水中顆粒物質(zhì)進(jìn)入臍內(nèi)。

圖6　無齒相手蟹臍部剛毛的FE-SEM圖

圖7(a)、(b)分別為成年無齒相手蟹螯部長節(jié)剛毛在視野放大500、1 000倍的場發(fā)射掃面電鏡圖。如圖7所示，螯部長節(jié)剛毛呈現(xiàn)出管狀和鋸齒狀兩種典型纖維狀結(jié)構(gòu)，剛毛長度為1000～2000 μm，直徑為30～60 μm。剛毛表面有一層薄殼層且內(nèi)部有許多小孔洞，剛毛直徑由底端至末端逐漸變小。由于螯部長節(jié)部位在蟹類休息、洞棲時均與蟹頰部長期接觸，螯部長節(jié)表面管狀和鋸齒狀兩種剛毛的混合存在，尤其是鋸齒狀的剛毛可有效清潔梳理蟹頰部致密的網(wǎng)狀剛毛(如圖5所示)，從而保持蟹頰部體表剛毛的清潔。

圖7　無齒相手蟹螯部剛毛的FE-SEM圖

2.3紅外吸收光譜分析結(jié)果

圖8(a)-(d)分別為成年無齒相手蟹臍部、螯部、足部、頰部剛毛的FTIR圖。從FTIR譜圖中可以看出：3445 cm-1處的峰為締合—OH伸縮振動吸收峰，2927 cm-1處的峰為-CH3的對稱伸縮振動吸收峰，1650 cm-1的峰(酰胺I譜帶)和1538 cm-1的峰(酰胺II譜帶)分別對應(yīng)—NHCOCH3的C=O伸縮振動吸收峰和N—H彎曲振動吸收峰，1432 cm-1處為C—H彎曲振動吸收峰，1239cm-1(酰胺III譜帶) 處的峰為—NHCOCH3的C—N伸縮振動吸收峰，1158 cm-1處的峰為C—O—C伸縮振動吸收峰， 1071 cm-1、1030 cm-1處的峰分別對應(yīng)二級醇羥基與一級醇羥基，877 cm-1處的峰是CH環(huán)伸縮振動吸收峰。不

圖8　無齒相手蟹不同部位剛毛的FTIR圖譜

同剛毛FTIR的峰強(qiáng)有差異，峰的位置相近，顯示了典型的甲殼素結(jié)構(gòu)[21-22]。該結(jié)果證實無齒相手蟹體表不同部位剛毛的主要成分均是甲殼素。

2.4X射線粉末衍射分析結(jié)果

由于無齒相手蟹各個部位剛毛主要成分均為甲殼素，因此選擇無齒相手蟹足部剛毛進(jìn)行X射線粉末衍射分析。圖9為成年無齒相手蟹足部剛毛的XRD圖，從圖中可以看出，在2θ=20°處出現(xiàn)了一個衍射峰，衍射峰強(qiáng)度較小、峰形較寬，該衍射峰顯示了剛毛中的甲殼素呈無定型結(jié)構(gòu)，也就是說，無齒相手蟹足部剛毛主要成分為無定型結(jié)構(gòu)的甲殼素。雖然剛毛的主要組成成分接近，但是由于在結(jié)構(gòu)組裝上的巨大差異，它們在無齒相手蟹的體表分別發(fā)揮著感知、水分運(yùn)輸、防御、清潔等不同的功能。

圖9　無齒相手蟹足部剛毛的XRD圖譜

3　結(jié)　論

無齒相手蟹足部剛毛和螯部長節(jié)剛毛均為空心結(jié)構(gòu)，足部剛毛表面含有球狀突起結(jié)構(gòu)，螯部長節(jié)剛毛呈現(xiàn)管狀和鋸齒狀兩種典型結(jié)構(gòu)，頰部底端剛毛和臍部剛毛均與其分支剛毛共同構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。無齒相手蟹足部、頰部、臍部、螯部纖維狀剛毛的主要成分均為甲殼素，雖然成分相近，但是由于不同的結(jié)構(gòu)組裝及其形態(tài)，剛毛分別呈現(xiàn)出感知、水分運(yùn)輸、防御、清潔等不同功能。剛毛的結(jié)構(gòu)、長度、直徑各不相同，預(yù)示著其具備不同的潛在功能，不同剛毛所具有的功能十分復(fù)雜，尚需要進(jìn)一步的詳細(xì)研究。無齒相手蟹體表剛毛結(jié)構(gòu)的分級組裝受到精確的生物控制，其結(jié)構(gòu)與功能的對應(yīng)關(guān)系對開展材料仿生學(xué)研究具有重要的潛在意義。

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(責(zé)任編輯： 許惠兒)

Structures and Functions of Setae on Crab, Sesarma Dehaani

LAIWena,CHENCenb,YETingb,ZHANGSaisaic,LüXiaoluc,KONGXiangdongb

(a. College of Materials and Textile, b. College of Life Sciences, c. College of Qinxin, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

This paper mainly researched the structures and functions of setae on crabof Sesarma dehaani which was from the Qiantang River. The field emission scanning electron microscope (FE-SEM) was introduced to observe the structure as well as the morphology of different kinds of setae in Sesarma dehaani, including the setae from its foot, genal region, navel and pincers. Besides, structures and functions of different kinds of setae in Sesarma dehaani were analyzed. Besides, the constituents and crystalline phases of the setae of Sesarma dehaani were characterized by infrared absorption spectrum (FT-IR) and X-ray powder diffraction pattern (XRD). Results indicate that the main constituent of the setae of Sesarma dehaani is amorphous chitin. The significant differences in morphological structure are closely related to perception, water transmission, defense and cleaning and other functions of surface setae.

Sesarma dehaani; setae; structure; function

10.3969/j.issn.1673-3851.2016.05.019

2015-08-11

國家自然科學(xué)基金項目(50942023，51272236)；浙江理工大學(xué)521人才培養(yǎng)計劃(1610032521302)

賴文(1990-)，男，江西贛州人，碩士研究生，主要從事生物材料方面的研究。

孔祥東，E-mail：Kongxiangdong@gmail.com

TS195.644

A

1673- 3851 (2016) 03- 0433- 06 引用頁碼： 050701