董 玮, 武文君, 张徐波

(山西大学应用生物学研究所, 太原 030006)

平衡棒(haltere)是由昆虫翅特化形成的一对哑铃状附属结构(Pringle, 1948)，由幼虫平衡棒芽发育形成，受HOX基因Ultrabithorax(Ubx)调控(Halder and Johnson, 2011)。平衡棒的感觉反馈机制在昆虫复杂飞行中具有重要作用，平衡棒接收机械信息并以一定的延迟速度传送到头部的神经系统，从而迅速地平衡身体并纠正航向(Deoraetal., 2015)。基于平衡棒的生物学功能，其具有重要的仿生学意义。近年来，国内外学者围绕平衡棒的发育机制及生物学功能开展了多项研究，如HOX基因Ubx对于平衡棒发育的调控机制(Yarger and Fox, 2016)、翅与平衡棒在飞行中的协同运动机制等，这些研究丰富了昆虫附肢发育与进化的理论知识，为相关仿生学研究提供了理论依据。

1 昆虫翅的发育

昆虫不同类群翅的形态差异很大，同一个类群的前后翅也往往具有不同的形态特征(翟宗昭和杨星科, 2006)。一般认为，原始的有翅昆虫胸腹部具有多个附肢，中胸至第1腹节附肢的发育受HOX基因Ubx的调控，逐渐形成两对翅并且出现前后翅的分化(Hughes and Kaufman,2002)。多数有翅昆虫具有两对翅，包括着生于中胸上的前翅和后胸上的后翅(翟宗昭和杨星科, 2006)。完全变态昆虫中最大的4个目，都是基于翅的特征来定义和命名的，分别为：鞘翅目(甲虫，具有“鞘翅”)，鳞翅目(蝴蝶和蛾，具有“鳞翅”)，膜翅目(蚂蚁、黄蜂和蜜蜂，具有“膜翅”)和双翅目(蚊和蝇，具有“两翅”)(Borrow and Delong, 1954; Yarger and Fox, 2016)。不同形态的“翅”均遵循空气动力学原理，从而使昆虫具有高水平的飞行熟练程度(Dalyetal., 1978)。其中，某些昆虫种类为了保护、展示或平衡身体，发生了翅的特化，例如鞘翅目的鞘翅、双翅目的后翅以及捻翅目前翅等(Angelini and Kaufman, 2005)。

1.1 昆虫翅的特化和平衡棒的形成

双翅目昆虫在所有动物中飞行灵活性最强，这种空中敏捷性在很大程度上取决于其后翅的特化。代替后翅的是一对完全不与前翅相连的棒状附属物——平衡棒(Pringle, 1948)。由于平衡棒的存在，使得昆虫可以在空中进行各种高难度的飞行动作。作为机械感觉器官，平衡棒在昆虫飞行时起着维持平衡的作用，是双翅目(“两翅”)昆虫的主要特征之一(Agrawaletal., 2017)。除了双翅目之外，有翅昆虫存在着一个更加复杂的翅的特化实例——捻翅目。与双翅目昆虫不同，捻翅目前翅退化成细小的棒状物，称“拟平衡棒”；捻翅目昆虫的平衡棒位于胸部第2体节(T2)，而有功能的翅位于胸部第3体节(T3)(图1: A)。捻翅目在昆虫中的系统发育地位一直存在争议，但分子生物学和形态学数据均支持捻翅目和双翅目之间的姐妹群关系，称为平衡棒类(Halteria)(Wheeleretal., 2001)。由于捻翅目昆虫习性特殊，采集和饲养都极其困难，因此关于捻翅目昆虫的研究非常少。

图1 捻翅目和双翅目之间平衡棒的差异及果蝇平衡棒发育的分子机制

1.2 HOX基因与平衡棒发育

国内外学者开展了昆虫平衡棒发育关键基因的鉴定和功能解析等研究工作，其中大量的研究是在黑腹果蝇Drosophilamelannogaster上进行的，如果蝇平衡棒发育关键基因Ubx如何控制翅与平衡棒形态转化(De Las Herasetal., 2007; Diaz-De-La-Lozaetal., 2020)等。

有翅昆虫的后翅均表达Ubx(White and Wilcox, 1985)，但只有在双翅目昆虫中，后翅发生显著的形态转变。Ubx作为双翅目昆虫平衡棒变态发育过程中的关键调控基因，通过控制靶基因的表达，决定翅芽以及平衡棒芽的分化和发育过程，使得后翅转变为平衡棒(Pavlopoulos and Akam, 2011)。在果蝇中，有8个HOX基因沿AP轴表达，其中，Ubx在平衡棒芽中高表达，在翅芽中仅在鳞片状细胞中少量表达(Mohitetal., 2006; Yarger and Fox, 2016) (图1: B)。研究发现当将果蝇平衡棒中的Ubx敲除后，将导致平衡棒发育为功能形态完全的翅(Hershetal., 2007)。Ubx在多个水平上调控附肢器官的发育，通过抑制背腹分化、器官大小和形状以及刚毛形成有关的基因来指导平衡棒的发育(Weatherbeeetal., 1998; Prasadetal, 2003)。目前已报道多个靶标基因受Ubx调控，参与平衡棒的发育。例如，器官成形素Decapentaplegic(Dpp)和Wingless(Wg)被Ubx抑制，在平衡棒发育过程中维持低表达水平。通过遗传学手段操作Dpp或Wg在平衡棒过表达，可以促进平衡棒边缘的生长(Weatherbeeetal., 1998; Shashidharaetal., 1999; Prasadetal., 2003; Pallavietal., 2006; Makhijanietal., 2007)。Fat/Hippo通路受Ubx调控，参与调控器官大小、抑制毛状感受器、毛状体形态和排列。Yorkie(Yki)和Expanded(Ex)是Fat/Hippo通路的效应基因，Yki的过表达或Ex下调，会引起细胞数量增加，导致平衡棒尺寸增大(Singhetal., 2015)。IIS/dAKT与Fat/Hippo通路共同作用，决定细胞大小和隔间大小(Mohitetal., 2006; Hershetal.,2007; Pavlopoulos and Akam, 2011; Slatteryetal., 2011)。单独激活Akt并不影响平衡棒的细胞大小，当Ex下调时，同时激活Akt信号，导致细胞大小和数量增加，平衡棒尺寸显著增大。与野生型相比，增大的平衡棒外部形态更为扁平，呈现出与翅相似的形态特征，表明IIS/dAKT与Fat/Hippo在平衡棒发育和分化过程起着重要的调控作用。(Singhetal., 2015)。此外，Ubx介导的表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor, EGFR)通路的调节也参与平衡棒命运的决定，EGFR通路的关键基因，如EGFR,Vein(Vn),Pointed和Yen是Ubx的直接靶标(图1: C)，当EGFR和Vn受Ubx调控在平衡棒芽中过表达时，会导致平衡棒向翅的转变(Khanetal., 2020)。

最近的研究发现，Ubx还可通过控制顶端和基部胞外基质的降解调节形态发生，在翅-平衡棒的转化过程中阻止胞外基质重塑，破坏翅形态发生，阻止其伸长和扁平化(Deetal., 2018)。Ubx通过抑制MMP1的表达，延缓翅芽细胞外基质的降解程度和时间，阻止扁平的翅形态发生(De Las Herasetal., 2007)，形成平衡棒类似形态。通过抑制细胞外基质蛋白酶基因Stubble(Sb)和Notopleural(Np)的表达，减少平衡棒顶端细胞外基质的降解，并损害了背腹层的粘附性，导致平衡棒内部空泡的产生。这项研究为Ubx如何控制形态发生转化提供了新的解释(Diaz-De-La-Lozaetal., 2020)。

2 昆虫平衡棒的形态结构

Agrawal等(2017)使用扫描电子显微镜观察并比较了横跨双翅目的42个科昆虫的平衡棒形态，这些昆虫包括长角亚目(Neodiptera)大蚊科(Tipulidae)、蛾蚋科(Psychodidae)和蚊科(Culicidae)等，以及蝇类有瓣类(calyptrates)等。通过观察发现，不同属的平衡棒外部形态不同，具有多样性。其中，大蚊科拥有最长的平衡棒，长度在1～3 mm之间；粪蚊科(Scatopsidae)拥有最短的平衡棒，长度仅有0.17～0.18 mm。平衡棒球状端部的长度通常与平衡棒的长度成正比，平衡棒越长，球状端部相应也越长。然而，在长角亚目中，棒柄长度的缩短导致球状端部占据了更大的比例，超过40%。有瓣蝇类原有的科[大蚊科、冬大蚊科(Trichoceridae)、褶蚊科(Ptychopteridae)、网蚊科(Blephariceridae)]和其较远的派生科[丽蝇科(Calliphoridae)、麻蝇(Sarcophagidae)、花蝇科(Anthomyiidae)和寄蝇科(Tachinidae)]的昆虫，身体形状差别很大，但其平衡棒形状却很相似，均具有较为一致的长柄和较小的球状端部(图2: C)。

图2 双翅目昆虫平衡棒形态与结构示意图(改自Agrawal et al., 2017)

黑腹果蝇的平衡棒呈哑铃状，这种末端球状端部表现出相当大的形态不对称性(Mohrenetal., 2019)，几乎整个球状结构内部都充满了高度空泡化的细胞，这些细胞保持膨大的压力，使末端的表皮层膨胀(图2: A)(Pringle, 1948)。果蝇的成虫翅和平衡棒都由两层上皮细胞组成，与翅不同，平衡棒两层细胞之间充满了血细胞(Roch and Akam, 2000)；由于细胞粘附的改变，平衡棒形成球状而不是扁平的双层，也没有边缘的刚毛排列(Roch and Akam, 2000)。翅细胞的表皮区域是平衡棒细胞的8倍(Singhetal., 2015)；平衡棒细胞呈立方体状(Roch and Akam, 2000)，毛状体短而粗壮。由于细胞的数量、大小和形状的差异，使得平衡棒形成其独特的形态结构。

平衡棒上保留了许多本应存在于昆虫后翅上的表皮机械传感器(Murel and Fox, 2015)。1982年，在平衡棒基部区域发现机械感觉结构，称为钟形感受器(Cole and Palka, 1982)。平衡棒具有数百个机械感觉细胞，其中绝大多数分布在钟形感受器中(Gnatzyetal., 1987)，这些感受器能够检测到身体俯仰、翻滚和偏航产生的科氏力(Nalbach and Hengstenberg, 1994)，当平衡棒拍动和身体旋转时，科氏力驱动平衡棒发生细微变形，钟形感受器会刺激下游神经元，以响应不同速度的身体旋转。2017年Agrawal实验室的研究，报道了42种双翅目昆虫平衡棒的钟形感受器，并根据它们的相对位置进行了命名。在平衡棒背侧基部，感受器分为4个区：背侧希克斯乳突感受器(dorsal Hicks papillae, dHP),背基板感受器(dorsal basal plate sensilla, dBP),肩胛板背感受器(dorsal scapal plate sensilla, dSP)和侧翅感受器(flanking sensilla, FS)。在平衡棒腹侧基部，它们聚集在腹侧希克斯乳突感受器(ventral Hicks papillae, vHP)或腹侧肩胛板感受器(ventral scapal plate sensilla, vSP)内(图2: B)(Agrawaletal., 2017)。除了钟形感受器，平衡棒还有少量的其他感觉细胞，例如平衡棒基部和端部上的少量的毛状感受器(Murel and Fox, 2015)。

3 昆虫翅与平衡棒的运动机制

昆虫在飞行中，翅的移动必须既精确又快速。较小的昆虫必须以更高的频率拍打翅，才能产生足够的空气动力来保持高空飞行。因此，双翅目昆虫对其飞行运动提出了更为苛刻的要求，需要保持翅拍打频率超过100 Hz才能维持高速飞行。然而，神经系统并不能以这样高的频率对翅和身体进行精确控制，这对其运动传感系统的敏感性及高效性提出了挑战。那么双翅目昆虫如何对其翅和身体运动进行更为精确的控制呢？

3.1 翅与平衡棒运动的肌肉控制

肌肉控制在昆虫飞行运动中发挥着重要作用(Sink, 2005)，飞行肌肉根据其功能，分为直接飞行肌(direct flight muscles, DFM)或间接飞行肌(indirect flight muscles, IFM)，根据生理结构分为异步肌肉(asynchronous muscle)或同步肌肉(synchronous muscle)。控制翅运动的中胸肌肉主要包括：提供翅移动动力的间接异步肌(indirect asynchronous muscle)，调整运动的直接同步肌(direct synchronous muscle)，以及调节胸腔张力的间接同步肌(indirect synchronous muscle)(Dickinson and Tu, 1997; Chanetal., 1998)。间接飞行肌肉与异步飞行肌肉相结合发挥重要作用，实现双翅目昆虫高频率的拍翅动作(Deoraetal., 2015)。其中，异步肌肉通过胸部变形拉伸引发肌肉运动(Josephsonetal., 2000)。间接飞行肌的背腹肌收缩引起背纵肌的伸展，从而建立胸腔的共振振荡，然后通过翅铰链转化为较大振幅的翅运动(Bastian and Esch, 1970)。

在典型的双翅目昆虫果蝇中，其翅和平衡棒分别由一组独立的肌肉驱动，翅拍打运动时由上述异步肌肉结合间接飞行肌肉驱动(Deoraetal., 2015)。平衡棒在飞行过程中也会运动，并配备了单独的一组控制肌肉：1块平衡棒间接异步肌(haltere indirect asynchronous muscle, hIAM)和7块平衡棒直接同步肌(haltere direct synchronous muscle, hDSM)，这7块直接同步肌肉进一步分为两组：平衡棒基底肌(haltere basalares, Hbs)(Hb1和Hb2)和平衡棒腋肌(haltere axillaries, hIs) (hI1, hI2, hIII1, hIII2和hIII3) (Dickersonetal., 2019)。平衡棒通过一个复杂的关节连接到胸腔，该关节由4个坚硬的骨板组成，共同构成了铰链。平衡棒的控制肌肉插入连接到铰链内，可以使平衡棒的柄相对于胸部进行180°旋转(Chanetal., 1998)，在飞行过程中控制平衡棒的运动。

3.2 翅与平衡棒运动的方向控制

在昆虫飞行过程中，翅和平衡棒之间运动的相互协调极其精确。Deora等(2015)研究发现，在黑水虻Hermetiaillucens中，其双侧翅同向移动，而平衡棒相对于翅反向移动。双侧翅通过胸部的小盾片(scutellum)机械连接在一起，即翅与翅、平衡棒与平衡棒之间的协调是机械连接介导的，因此，人为操纵死亡黑水虻的单侧翅，对侧的翅也会产生同步运动。此外，研究还发现同侧翅-平衡棒之间也存在独立的机械连接协调运动(Deoraetal., 2015)。

Deora等(2015)提出一种假设：在每个翅的基部存在有一个“翅离合器”。蝇类使用“离合器”主动接触或隔离它们的翅，使其免受胸部振动的影响。根据这一假设，翅处于两种状态：接合状态与非接合状态。“翅离合器”的接合将胸部张力传递并转化为翅运动；当翅处于接合状态时，间接的异步飞行肌肉震动小盾片，由于小盾片连接，两个翅以完全相同的相位和频率拍动，通过两侧膜下脊传递张力，平衡棒做出相对于翅的反相位运动。翅-平衡棒之间的反相位协调运动对于昆虫启动和维持飞行至关重要(Chanetal., 1998; Deoraetal., 2015)。

3.3 平衡棒感器在运动中的作用

尽管平衡棒在进化过程中失去了它们的空气动力学作用，但其基部的感受器在飞行过程中发挥着重要的作用(Chanetal., 1998)。在飞行时，身体的稳定性在一定程度上是通过接收、整合平衡棒的感觉信息维持的。在飞行过程中，昆虫的平衡棒不会产生升力，但经历复杂的飞行轨迹时，它们受到各种惯性力的影响，平衡棒上的感受器可以检测到由惯性力引起的表皮形变，并通过电紧张性突触向飞行运动神经元提供快速飞行反馈(Chanetal., 1998)。此外，钟形感受器还传递身体旋转角速度的感觉信息，这些信息通过平衡棒神经传递到中枢神经系统，以控制翅(Fayyazuddin and Dickinson, 1996; Keil, 1997) 和头部的运动(Huston and Krapp, 2009; Dickersonetal., 2014)。平衡棒通常调节较快的身体运动，而视觉系统调节较慢的视觉运动，平衡棒感觉信息与视觉系统的反馈信息相结合，提供了稳健的机制，在身体旋转范围内调整头部运动，这种调节机制将平衡棒感觉信息和视觉信息相结合用于操纵翅的行为(Kathman and Fox, 2019)。

4 平衡棒的生物学功能与仿生学应用

当昆虫运动时，平衡棒中的感受器可以检测到身体是否偏离，从而维持身体平衡和稳定视觉系统(Dickinson, 1999; Sherman, 2003; Rosneretal., 2009)。平衡棒感受系统对身体旋转的角速度变化十分敏感(Sherman, 2003)。当平衡棒主动拍打震荡并经历复杂的飞行轨迹时，平衡棒基部的钟形感受器可以感知惯性力和身体角度旋转、调节矫正产生的科氏力(Chan, 2015)，并且向运动神经元提供快速飞行的反馈信息，稳定水平面内的俯仰动作并且及时发现偏航行为，从而使果蝇在飞行过程中保持身体平衡，纠正错误航向，同时检测回转力以便于它做出高难度的飞行动作(Pringle, 1948; Dickinsonetal., 1998; Kathman and Fox, 2019)。

Daltorio与Fox(2018)发现，平衡棒的作用不仅限于飞行方面，在垂直表面的爬行过程中也发挥作用。通过重力试验发现，昆虫可以用平衡棒来探测重力的方向和大小，去除平衡棒的果蝇在垂直面的爬行速度显著低于在水平面上的，也低于正常果蝇在垂直表面的平均速度，但在水平表面上，完整的果蝇的爬行速度与去除平衡棒的果蝇之间无差异。

平衡棒在飞行中维持平衡的原理，为其在仿生学领域的应用提供了理论依据。平衡棒将复杂的物体动力学转化为神经信号的机制启发了飞行器陀螺传感器的创新设计(Mohrenetal., 2019)。研究人员根据平衡棒的导航原理，研制出小巧的新型导航仪器——“振动陀螺仪”，改进了飞机的性能，使其能够自动停止危险的滚翻飞行，在机体强烈倾斜时恢复平稳，确保飞行的稳定与安全。同时根据平衡棒的运动学模型，制成仿生微型棒状导航传感器(bionic micro-stick-shaped navigation sensor, BMSSNS)，该微机电系统传感器克服了当前导航系统结构复杂、体积大的缺点，在运动过程中实现载体的精确定位和姿态调节(沈翔和赵立业, 2019)。因此，平衡棒结构与功能的解析，不仅可以完善昆虫附肢发育的理论研究，同时也具有重要的仿生学意义，为航向控制传感器的设计提供了新方向。