角质颚是头足类重要的摄食器官，位于头足类口球内，由上颚和下颚两部分组成(图1)，其形态结构稳定、不易腐蚀且蕴含着大量的生物与生态学信息。以往学界常利用耳石对头足类进行生物及生态学研究，近年来，角质颚逐渐成为研究头足类的首选材料，它与耳石相比更易提取，形态学参数测量更为便捷，生长纹更易于观察 [1]。通过角质颚形态的分析，可以判定和划分头足类的种类和种群，估算头足类的个体大小，评估头足类的资源量[2-6]，并且通过角质颚生长纹的分析可以较好地了解头足类年龄、生长、繁殖等基础生活史内容[7-8]。在相关研究中，Perales-Raya等[9]利用真蛸Octopus valgaris下角质颚喙部生长纹估算其年龄。Cuccu等 [10]则根据上角质颚侧壁中的生长纹估算出了地中海撒丁岛海域野生真蛸的年龄结构。Hu等[11]利用角质颚微结构估算了秘鲁外海茎柔鱼Dosidicus gigas的日龄，并拟合了茎柔鱼的生长曲线，研究了其生长规律。方舟等[12]发现，北太平柔鱼Ommastrephes bartrami两个不同群体，其角质颚各部分形态及生长特征均存在一定差异。Liu等[13]则根据茎柔鱼上角质颚微结构对其日龄和生长进行了研究，发现厄瓜多尔和智利外海两个地理群体的茎柔鱼的日龄结构差异显著。此外，刘必林等[14]还根据印度洋西北海域鸢乌贼Symplectoteuthis oualaniensis角质颚生长纹估算了其年龄，并且发现了角质颚长度指标与胴长呈显著线性关系，与体质量呈显著指数相关，这也为今后印度洋海区鸢乌贼资源量估算提供了基础。
近年来，微化学技术不断发展，由于角质颚具有较强的耐腐蚀性，因此，通过分析捕食者胃含物中残留角质颚的微量元素及碳氮稳定同位素等微化学信息，可以更加直接、客观地了解头足类的长期及短期内的栖息环境、洄游史、摄食生态等渔业生态学信息，而角质颚作为一种新兴的研究材料备受学者关注，耳石则不具备这个优势[15-16]。本研究中，主要根据国内外学者的相关研究成果，重点对角质颚色素沉积现象微量元素分析技术、碳氮稳定同位素技术及其在生态学邻域的应用进行综述，旨在为更加全面了解角质颚及开展相关研究提供参考。
图1 角质颚上颚及下颚
Fig.1 Upper and lower beaks of cephalopods
1 角质颚微化学研究方法
1.1 角质颚色素沉积
角质颚表面存在着色素沉着现象，由喙部的接近黑色向侧壁后缘色素分布逐渐变淡，这种色素沉积现象与其化学成分也有着紧密联系。角质颚的化学组成为蛋白质(组氨酸、二羟基苯丙氨酸3,4-dihydroxyphenyl-L-alanine, Dopa)、壳聚糖、儿茶酚类物质和水分，其中蛋白质含量最高，占角质颚湿质量的40%～45%，其氨基酸组成主要为甘氨酸、丙氨酸、组氨酸和天冬氨酸[17]。不同部位角质颚化学成分不同，其色素沉积程度也不同。Miserez等[18]对比分析茎柔鱼角质颚的透明(色素未沉积)、半透明(色素沉积过程中)及不透明(色素已经完全沉积)等3个部分的化学成分发现：无色素沉积的翼部的壳聚糖含量高于有色素沉积的喙部，反之蛋白质含量高，色素沉积浅的翼部含有70%的水分、25%的壳聚糖(基本单元为N-乙酰氨基葡萄糖)和5%的蛋白质，而色素沉积深的喙部含有15%～20%的水分、10%～15%的壳聚糖和60%的蛋白质。在角质颚中，影响色素沉积程度的黑色素是由二羟基苯丙氨酸转变成儿茶酚所导致[19-20]。喙部儿茶酚和蛋白质的含量较高，色素沉积程度高。而在翼部，儿茶酚和蛋白质的含量逐渐降低，壳聚糖和水分的含量提高，其色素沉积程度降低。此外，角质颚中的色素沉积程度还能反映头足类食性变化和所处栖息环境。
1.2 角质颚微量元素
头足类与外部环境进行物质交换时，环境中的某些元素会通过呼吸、摄食等方式进入体内，之后经过一系列的代谢、循环进入内淋巴结晶而沉积在角质颚等硬组织中。这些元素在体内递减传输，并以较少的含量沉积在角质颚等硬组织中，称其为微量元素[21]。头足类角质颚具有非细胞性和代谢惰性，随着头足类及角质颚等硬组织的同步生长，水环境中的化学元素会永久沉积在角质颚中，因此，角质颚等硬组织记录了头足类整个生活史内的水环境特征，而角质颚等硬组织微量元素也会随着水环境的变化而改变，因此，通过测定角质颚等硬组织中的微量元素，结合环境因子，就可以划分群体，推测头足类整个生命史过程中的栖息环境及可能的洄游路径[21]。以往针对头足类硬组织微量元素的研究，主要以耳石为主，近年来，对角质颚微量元素的研究逐步兴起[22-24]。研究显示，茎柔鱼角质颚中主要存在18种微量元素(Pb、Li、Na、Mg、Al、P、K、Ca、Mn、Fe、Co等)，其中Ca含量最高，占45%～50%，其次为Mg、Na、K、P，但这些元素的组成波动很大[22]。Northern[25]首次在新西兰海域的强壮桑椹乌贼Onykia ingens与双柔鱼Nototodarus sloanii角质颚中发现了26种痕量微量元素(Na、K、P、Ca、Mg、B、Zn、Fe、Cu、Se、Mo、Sr、Mn、As、Cd、Cr、U、Rb、Ni、Pb、Ba、Li、Co、Y、Zr和 Be)，其中主要的微量元素有Na、K、P、Ca、Mn、B 和Zn。Ichihashi等[23]在鸢乌贼角质颚中发现了V和U元素。
头足类不同硬组织间微量元素存在差异，胡贯宇[24]发现，在茎柔鱼角质颚中，Na/Ca和Mg/Ca的值较高，且茎柔鱼耳石中的微量元素Na/Ca与角质颚中Na/Ca呈显著负相关；耳石中Ba/Ca与角质颚中Ba/Ca呈显著正相关，其他微量元素在耳石和角质颚间的相关性均不显著;茎柔鱼从亚成鱼期至成鱼期，角质颚P/Ca与Ba/Ca减小，从刚孵化至亚成鱼期，角质颚与耳石中Mg/Ca和Zn/Ca均呈下降趋势，从刚孵化至成鱼期，角质颚中Mn/Ca逐渐增大，而耳石中Mn/Ca逐渐减小。同时，从仔鱼期至成鱼期可知，耳石与角质颚中的Sr/Ca的变化趋势也是相反的，不同硬组织中沉积的机理不同是引起这种趋势变化的主要原因[22]。Chandumpai等[26]和Kurita等[27]分别在不同种类鱿鱼的内壳中先后均发现了Ca、Mg、Fe元素，Chandumpai等[26]在鱿鱼内壳中还发现了Cd，Kurita等[27]则在鱿鱼内壳中还发现了P和K。Northern[25]研究强壮桑椹乌贼角质颚时发现，角质颚中的Ca和Mg比两种枪乌贼Loligo lessoniana、Loligo formosana及北太平洋柔鱼内壳中的含量要高，角质颚中的Fe含量与枪乌贼内壳中的含量相近。虽然角质颚与内壳都是由几丁质组成，但是角质颚是α型几丁质，而内壳是β型几丁质，另外角质颚暴露在水环境中，而内壳在头足类体内，这也会引起两者的元素含量差异。Miserez等[28]在茎柔鱼的齿环中发现了微量元素Cl和S，然而在斑乌贼中无这两种微量元素，这主要可能是由于不同的微量金属在物质间的结合，角质颚由几丁质构成，而吸盘则主要由蛋白质构成。
1.3 角质颚碳氮稳定同位素
目前，随着稳定同位素技术的日益成熟，碳稳定同位素(13C/12C，δ13C)和氮稳定同位素(15N/14N，δ15N)已广泛应用于研究海洋动物有机物质的流动途径。自然界中，碳稳定同位素(13C)在碳三(C3)和碳四(C4)植物光合作用下会发生分馏，所以，碳稳定同位素比值(δ13C)一般反映了消费者的食物来源[29]。而生物体中氮稳定同位素比值(δ15N)受所食食物和生物自身新陈代谢影响，同位素在新陈代谢作用下引起的分馏，使机体在代谢过程中优先排出14N，然后富集15N，实现不同营养级间氮稳定同位素富集，海洋消费者的15N比其食物中的平均含量要高2.5‰～3.4‰，从而使δ15N可用于指示消费者的营养级[30-32]。近年来，通过分析头足类角质颚及其捕食者的δ13C、δ15N逐渐成为研究头足类摄食生态、栖息环境及推测洄游路径的新手段[33]，相较于传统的食性分析法，稳定同位素技术能更加准确地指示食物来源，反映出头足类长期的食性特点，且能快速进行定量分析。
在头足类碳、氮稳定同位素分析技术中，角质颚是一种非常优异的材料。在不同组织间δ13C和δ15N值会有所不同，这是由于周转速率的差异[34]，周转速率是指消费者食物来源的稳定同位素特征，反映在各个组织上所需要的时间[35-37]。头足类在摄取食物后，各组织吸收营养和响应速率均存在差异[38]。另外，13C和δ15N值不同还与其新陈代谢中相对转化率、生物化学反应类型等不同有关[34]。新陈代谢旺盛的组织周转速率较高，如血液、肝脏、肌肉等；新陈代谢速率较低的组织中周转速率较低，如骨骼等硬组织。在传统头足类稳定同位素分析技术中选取的肌肉组织往往只能反映头足类死亡前几周的信息[39-40]。而角质颚的分子结构稳定，主要为蛋白质和几丁质，与蛋白质相比，几丁质中15N匮乏，而13C不匮乏[41]。因此，角质颚中的δ15N比软体组织明显偏低，而δ13C偏低不明显。Ruiz-Cooley等[42]分析认为，茎柔鱼胴体肌肉中的δ13C和δ15N分别比角质颚中的高1‰和4‰。DeNiro[30]发现，相比于精肉组织，南极褶柔鱼Todarodes fillppovae的肥肉组织、消化腺及肝脏腺中的13C含量低，这是由于脂肪中的13C要比蛋白质和糖类中的13C低。与蛋白质和食物相比，南极褶柔鱼硬组织中的δ15N值比软组织中的少，δ13C值则相近。这是由于几丁质硬组织如角质颚和内壳中15N含量较少，而13C含量相近导致的。
2 角质颚微化学研究的应用
2.1 角质颚色素沉积的应用
通过分析研究角质颚不同部位的化学成分，可以解读其色素沉积现象的本质，从而了解头足类在不同时期的食性变化及其栖息环境。Wolff[43]在1984年研究描述了位于太平洋海域的18种头足类的角质颚色素沉着程度。角质颚色素沉着通常能够反映头足类不同生长阶段食性的变化，Castro等[44]首次提出了角质颚色素沉积的8级分类，并推测色素沉积的加深是为了适应摄食的变化，Hernández-Garcí等[45-46]也研究证明了这一假设。Fang等[47]根据角质颚色素沉积程度和角质颚形态成功地区分了东太平洋海域成熟及未成熟的鸢乌贼个体，色素沉积主要是由于食性变化导致的。此外，角质颚的色素沉积情况可以反映其栖息环境，有研究认为，底栖生活的蛸类角质颚侧壁与翼部色素沉着往往较深，而中上层水域生活的枪乌贼类角质颚侧壁与翼部则较透明[48]。
2.2 角质颚微量元素的应用
2.2.1 栖息环境重建 通过对周围水环境与角质颚等硬组织中微量元素相结合进行分析，可以有效地划分群体，推测头足类的洄游路线，研究其繁殖产卵等习性[49-50]。以往学者主要是利用头足类耳石所含化学元素研究其生活环境，在不同的流域或栖息地中，耳石中所含微量元素存在差异。例如，通过西格陵兰岛黵乌贼Gonatus fabricii耳石不同区域9种微量元素含量变化，可发现其迁徙路径及栖息地等生活史信息[51]。头足类耳石中，Sr、Fe、Zn 等元素与海水温度紧密相关。Arlhipkin等[49]研究发现，巴塔哥尼亚枪乌贼耳石中Mg/Ca与生活水温呈正相关。太平洋褶柔鱼Todarodes pacificus耳石中Fe/Ca和Zn/Ca与其生活水温也呈正相关[52]。而头足类耳石中Sr含量 (等同Sr/Ca)与水温呈负相关[53]，角质颚与耳石中微量元素不同，角质颚中Sr含量较少，各年龄阶段存在的差异不显著。方舟[22]发现，非金属元素P在角质颚中的含量较高，P/Ca与海表面温度(SST)有着紧密联系，该元素在角质颚微量元素的研究中起到重要作用，SST与Na/Ca、Zn/Ca也存在显著关系。
2.2.2 洄游路线推测 头足类早期无法自主游动，所以通过海流流动和速度研究头足类的产卵场，可以推测其洄游路线[22]。Yatsu等[54] 通过研究北太平洋柔鱼耳石中的Sr/Ca变化，推测北太平洋柔鱼可能在处于亚热带的产卵场和亚北极区饵料场间进行季节性洄游。在角质颚微量元素中，仅Zn/Ca可以作为用来划分4个产卵群体的依据，刚孵化角质颚微量元素的判别正确率小于仔鱼期角质颚微量元素，分别为45.9%、55.7%。Guerra等[55]对大王乌贼Architeuthis dux角质颚的不同部位进行取样与微量元素分析，认为P和Se的含量与大王乌贼的水域迁移深度成反比。胡贯宇[24]发现,在茎柔鱼角质颚中，P/Ca与Ba/Ca随水层的加深而逐渐减小。方舟[22]则通过建立样本捕捞点的SST与角质颚末端微量元素Na、P、Zn的关系，得到不同生活史时期微量元素与不同时期适合的SST和对应的地理位置，利用R语言软件模拟推测出了北太柔鱼冬春生群体的洄游路线。
2.3 角质颚碳氮稳定同位素技术的应用
2.3.1 栖息环境重建 δ13C主要用于确定消费者在海洋生态网络中营养的主要来源[29,56-57]。海洋生态系统中，不同纬度的海水温度、光照强度和海水中 CO2浓度，均会对食物网基线生物的δ13C值产生影响[58]，从而影响捕食者的δ13C值。Rau等[59]在研究了不同纬度海域的浮游植物δ13C值后发现，从赤道向两极，浮游植物δ13C值随纬度增大而逐渐减小，北半球的浮游植物每上升一个纬度δ13C值降低0.015‰，而南半球每上升一个纬度δ13C值降低0.14‰，这种变化会对头足类的δ13C值产生影响。Guerreiro等[60]发现，栖息于高纬度南乔治亚岛的克氏桑椹乌贼Moroteuthis knipovitchi比栖息于低纬度克罗泽岛的乌贼角质颚δ13C明显较低。金岳等[61]发现，北太平洋柔鱼角质颚的δ13C值随着胴长增加而显著下降，这主要是由北太平洋柔鱼在北半球进行南北洄游，海洋浮游植物的δ13C值从赤道逐渐向两极递减导致。Ruiz-Cooley等[42]分析认为，加利福尼亚湾的大型和中型群茎柔鱼角质颚δ13C不同，主要是由于样本采集地点的不同。Cherel等[62]研究发现，帆乌贼科的3种头足类营养级相同，但是栖息水层不同，蛸鱿科的2种头足类营养级不同，但是栖息地相同，大型蛸类栖息在更中上层水域，而大型鱿鱼类栖息在更深海水域。Guerreiro等[60]根据角质颚δ13C变化范围将南极海域的头足类按起源地栖息环境的不同分为亚热带海域种、南极海域种和亚南极水域种3大类。Cherel等[62]分析了凯尔盖朗海域的18种头足类，通过δ13C值发现它们在3种不同的海洋生态系统中生长，其中16种生活在凯尔盖朗水域，2种从南极洲、亚热带迁移而来。DeAlvito[63]根据信天翁所食头足类角质颚下颚的δ13C变化，发现这些物种主要来自南极及亚南极水域。Seco等[64]根据角质颚δ13C推测了科达乌贼Kondakovia longimana和克氏桑椹乌贼的栖息水域，认为它们是南极水域种。
2.3.2 摄食生态分析 δ15N值指示海洋生物所处的营养级水平，与基线生物同位素值及饮食鉴别相关联[29,57]。Hobson等[65]验证了其基本理论就是捕食者的同位素含量由其食物直接影响。Ruiz-Cooley等[42]通过角质颚δ15N分析发现，加利福尼亚湾茎柔鱼大型群和中型群的食物组成明显不同，大型群食物组成的营养级水平要比中型群高，而大型群自身的营养级年间波动不明显。Lourenço等[66]通过研究西北海岸地区及南部沿海海域章鱼Octopus vulgaris的角质颚δ15N值后，发现不同种群章鱼的营养水平不同。Cherel等[67]在对19种深海头足类角质颚δ15N进行分析后，发现它们的营养级跨越大约为1.5个营养级(4.6‰)，大个体头足类的营养级与其鱼类捕食者营养级相近。Cherel等[68]还根据角质颚δ15N值变化幅度，推测出南极褶柔鱼为贪食的机会主义者。Guerreiro等[60]根据位于南佐治亚州到凯尔盖朗群岛的南大洋多种主要头足类角质颚δ15N值，发现这些头足类大约跨度3个营养级。李建华等[69]对哥斯达黎加海域的茎柔鱼角质颚稳定同位素进行研究后，发现茎柔鱼角质颚δ15N随着胴长和日龄的增大而增大,这说明随茎柔鱼个体不断的生长，其捕食饵料的营养级在不断上升。Trasvi
a-Carrillo等[70]发现，胴长大于50 cm的茎柔鱼δ15N值高，主要捕食沿海岸鱼类，胴长小于50 cm的茎柔鱼δ15N较低，主要捕食小型上层鱼类或无脊椎动物。Fang等[71]根据北太平洋柔鱼东部和西部群体的角质颚δ15N值差异显著，发现这两个群体的摄食生态位重叠很小。Logan等[72]通过角质颚δ15N分析显示，中北大西洋海域的小个体头足类比鱼类的营养级小1级，而大个体头足类营养级与鱼类相当。Seco等[64]根据角质颚δ15N研究了科达乌贼和克氏桑椹乌贼的摄食生态。Negri等[73]发现，威德尔海豹Leptonychotes weddellii在南极海域所食的蒂尔近爱尔斗蛸Pareledone turqueti、多形艾爱尔斗蛸Adelieledone polymorpha、近爱尔斗蛸属Pareledone 3种章鱼，它们的角质颚δ15N值差异不显著，说明3种章鱼营养级相近。
2.3.3 洄游路线推测 δ13C和δ15N被广泛应用于研究海洋生物有机物质的流动途径[56,74]，通过对头足类在不同生活时期的角质颚稳定同位素分析，有助于了解其食物来源及营养级的变化，从而推测其洄游路径。研究显示，一般角质颚喙部、侧壁、翼部的碳、氮稳定同位素分别反映头足类生活史早期、中期和最新的食物来源及摄食生态，由此变化可以了解头足类的大致洄游路径[65]。角质颚翼部顶端形成时间较晚，因此，其中的稳定同位素反映了其死亡或被捕获之前所消耗的食物信息[42,65]。Cherel等[67]研究发现，头足类角质颚形成时间越早，δ15N就越低，而形成时间越晚，δ15N就越大，这也刚好与角质颚几丁质化不断增强及食性的转变相吻合。Hobson等[65]和Cherel等[68]对人工养殖乌贼S.officinalis的角质颚δ13C和δ15N值测定后，发现乌贼角质颚喙部与角质颚翼部的δ13C和δ15N值有所不同，前者与养殖第一个月饵料的δ13C和δ15N相近，而后者则与养殖结束前饵料的δ13C和δ15N接近，由此推测，角质颚喙部和翼部的稳定同位素值分别反映了幼体和死亡前的摄食情况。因此，根据整个生活史过程中不同的食物来源和摄食变化，通过提取角质颚不同时间序列生长纹上的δ13C和δ15N，能够有效分析可能存在的洄游过程。Guerra等[55]对大王乌贼角质颚不同断面的δ13C和δ15N值分析发现，大王乌贼只在生活史早期经历短暂洄游。李建华等[69]通过分析哥斯达黎加海域茎柔鱼个体发育期角质颚δ13C和δ15N变化，发现茎柔鱼从大陆架海域向外海移动。Trasvia-Carrillo[75]通过研究角质颚δ13C和δ15N，发现加利福尼亚湾茎柔鱼的垂直和水平移动主要受其饵料的分布影响。Liu等[76]根据δ13C和δ15N值的变化范围，发现哥斯达黎加、厄瓜多尔和智利外海的茎柔鱼属于不同地理群体，且在整个生活史过程中，它们仅在相对狭小的地理区域内移动。此外还发现，秘鲁外海的茎柔鱼角质颚δ13C和δ15N值变化范围广，由此推测，秘鲁茎柔鱼生长过程中栖息环境发生变化，在整个生活史中存在大规模的移动。Queirós等[77]根据南大洋科达乌贼角质颚不同部位δ13C和δ15N值变化范围较广，推测在整个生活史过程中，其在纬度上存在大规模迁移，营养级也逐渐升高。
3 展望
头足类在海洋生态系统中扮演着重要的角色。研究大洋性头足类的栖息环境、洄游和摄食生态不仅有利于了解头足类与其他物种间的关系，同时也能为科学管理与开发头足类资源提供依据。随着地球微化学研究的不断发展，头足类角质颚化学成分、微量元素和稳定同位素的研究越来越受到海洋生物与生态学方面学者的重视。头足类主要生活在大洋海域，传统的放流标记重捕法无法发挥明显作用，因此，通过研究其硬组织微量元素的变化，结合环境因子，利用模型分析可以估算出大洋性头足类所有生活史的栖息环境及洄游路线，目前以耳石为研究材料进行微量元素分析的报道较多[78-79]，但对于角质颚微量元素的研究较少，然而，角质颚较耳石更易获取，其形态体积也比耳石大，且角质颚更易切割，可以对角质颚不同部位进行微量元素分析，结合环境因子可更加全面、准确地了解头足类整个生活史信息。目前的研究主要是将微量元素Na、P、Zn与环境因子(海表面温度SST)结合分析，推算头足类可能出现海域及洄游路线，今后可考虑结合更多的环境因子推测其分布和洄游路线。
在以往的头足类稳定同位素生态学研究方面，肌肉组织常被看作首选材料[38-39,42]，但由于肌肉组织的周转率高，它只能代表死亡前几个星期的生活史信息，信息储存不稳定。而在硬组织角质颚中蛋白质和几丁质的生长是不可逆的，它记录了头足类整个生命史过程中的所有信息[80]。因此，通过测定角质颚不同时间序列断面的碳、氮稳定同位素，可以分析头足类不同生活史阶段适宜的栖息环境及摄食生态的变化等，在研究头足类基础生物与生态学方面具有良好的前景。
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