傅里叶分析在鱼类耳石形态学中的应用研究

摘要

耳石形状具有高度的物种特异性和显著的群系特异性，在耳石形态的鱼种识别及鱼类系统学研究方面有重要的研究价值，国际上许多学者近年来已就此开展大量基础研究。本文以近年来笔者在国家海洋局908专项、国家重点基础研究发展计划(973计划)研究过程中搜集的近万枚海洋鱼类耳石为标本，利用专业生物图像分析软件，采用数学傅里叶分析等手段，就鱼类耳石形态学研究涉及到的各个主要方向：鱼类耳石形态特征与量度、我国海洋鱼类耳石形态多样性、鱼类耳石形态学在鱼种及群系识别中的应用等进行了较系统的研究。主要研究结果如下：
　　 (1)根据矢耳石在内耳中的位置形态，为便于描述，将耳石靠在鱼体头部的方向称为前部，靠鱼体尾部的方向称为后部，靠鱼体背部的方向称为背部，靠鱼体腹部的方向称为腹部，朝向鱼体外侧的面称为外侧面，朝向鱼体内侧的面称为内侧面。
　　 对中国近海16目83科255种习见鱼类耳石形态进行了测量与记述。以鲈形目种数最多，此外包括鲱形目、仙女鱼目、鳗鲡目、鲇形目、颌针鱼目、鼬鳚目、鳕形目、金眼鲷目、鲻形目、触形目、鲽形目、鮟鱇目和海鲢目等部分鱼类。通过对各种鱼类的耳石形态量度特征：耳石长、耳石宽、周长、面积、矩形趋近率、充实度、密度指标等进行了测量分析，对耳石的外部轮廓以傅里叶谐值加以描述，初步建立数据库，然后进行统计分析，对以鱼类耳石形态来识别鱼种进行了初步研究。
　　 对255个鱼种的聚类分析和判别分析结果均表明，不同科之间耳石形态重叠严重，判别成功率仅有44.71％，不适合作为分类识别的单位，而对属和种的判别成功率分别为81.96％和86.44％，有一定的应用研究前景，据此推测，经过大量细致的研究，耳石形态对鱼种的识别有可能成为分类学的有效的辅助手段。
　　 (2)利用2007、2008年采自黄海五个海区斑尾复虾虎鱼群体标本，探讨了耳石形态的群体间差异，及环境对耳石形态的影响。使用耳石长、耳石宽、周长、面积、充实度、矩形趋近率及20个傅里叶分析得到的谐值描述耳石形态，为了去除体长对耳石形态的影响，文中采用标准化后的变量进行分析。结果显示，雌雄、左右及年际间耳石形态无显著差异，但是一年中春季和秋季的耳石形态间存在显著差异；耳石形态的地域间差异大于年间差异。群体间判别分析结果表明黄海五个区域间斑尾复虾虎鱼的耳石形态无显著差异，判别成功率在29.7％-77.4％之间，黄海北部的威海群体的判别成功率最高，且该群体与黄海中南部4个群体间差异较大，海区之间环境差异可能是形成这个结果的内在原因。
　　 (3)利用2009年7月采自南海北部湾的161尾斑鱚(Sillago maculata)和164尾多鳞鳝(Sillago sihama)标本，以形态学常规测量和傅里叶分析来描述耳石的外部形态特征，并采用判别分析法区分两个鱼种。统计分析时以传统的耳石形态一维、二维量度指标(耳石长、耳石宽、周长、面积、矩形趋近率及充实度)和傅里叶谐值相结合，经协方差分析表明部分变量(耳石长、耳石宽、周长、面积、密度、谐值3、4、5、13、15、16)跟体长显著相关。为了消除体长对耳石形态的影响，在统计时只选取了体长范围在90-140mm之间的标本，并对跟体长显著相关的变量进行转换，以残差来代替原始变量，纳入统计分析中。结果表明：两种鱼判别分析的准确率分别为97.8％和100％，如此高的判别准确率，说明耳石形态学分析手段是识别这两种鱼种的一种有效方法。
　　 (4)分析了中国近海的8种天竺鲷属鱼类的矢耳石形态特征。结果显示，8种鱼类矢耳石形态近似，前部较尖，后部略圆钝，背部呈折线状，腹部圆弧形，背部中央有缺刻，听沟宽阔。8种鱼耳石长宽比1.35～1.63，矩形趋近率0.67～0.77，充实度14.77～24.99。根据耳石听沟形态及外部轮廓特征，编制了上述8种天竺鲷属鱼类的检索表。结果表明，听沟是鱼类耳石形态分类的重要特征之一，耳石形态在鱼类系统分类上有良好的应用研究前景。
　　 (5)分析了中国近海的12种石斑鱼属鱼类的矢耳石形态特征。结果显示，12种鱼类矢耳石形态近似，耳石细长，呈三角形或梭形，由听沟开口处形成的前部凹刻“V”形或浅宽，形成显著或不显著的侧叶。大多种类在耳石外部轮廓、听沟形态方面区别甚微，充分体现出属内的近缘关系特点。耳石外部轮廓、边缘光滑度、听沟前部形态、凹刻类型等一些细节特征成为本属鉴定的主要参数依据，基于傅里叶系数的聚类分析也证明了这一点。结果表明，听沟是鱼类耳石形态分类的重要特征之一，耳石形态在鱼类系统分类上有良好的应用研究前景。

目录

文摘

英文文摘

引言

第一章 鱼类耳石形态学研究进展

1.1 耳石形态学研究概述

1.2 傅里叶变换在耳石形态研究中的应用

1.3 聚类分析和判别分析的应用

第二章 中国海洋鱼类耳石形态学多样性的分析

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.2 耳石形态描述

1.3 耳石图像采集与测量

1.4 傅里叶分析

1.5 聚类分析

1.6 判别分析

2 实验结果

2.1 中国海洋鱼类耳石形态多样性的研究

2.2 耳石形态的聚类分析

2.3 耳石形态的判别分析

3 讨论

第三章 鱼类耳石应用研究实例

(一)黄海不同群体间斑尾复虾虎鱼耳石形态差异的研究

1 材料与方法

2 结果

3.讨论

(二)斑鱚(SILLAGO MACULATA)和多鳞鱚(SILLAGO SINAMA)耳石形态的比较研究

1 材料与方法

2 结果

3.讨论

(三)中国习见天竺鲷属鱼类的矢耳石形态特征

1 材料与方法

2 结果

3 讨论

(四)中国习见石斑鱼属鱼类的矢耳石形态特征

1 材料与方法

2 结果

3 讨论

第四章 结论

参考文献

致谢

个人简历、博士论文工作期间发表主要论文及成果