Physalia physalis anatomy: axes, cormidia, and zooid types
Siphonophores consist of number of functionally specialized zooids that is homologous to free living polyps or medusae27 (Fig. 1)． Physalia physalisはCystonectaeに属し，他のすべてのサイフォノフォアと姉妹関係にあるクレードである8。 長い茎を持つシストネクタス（Physalia physalisを除くすべてのシストネクタス）では、ガストロゾイド（摂食ポリプ）はコロニーの前部に芽として生じ、伸びる茎によって後部に運ばれ、ゴノデンドウ（生殖構造）は茎に沿って独立して出現する28。 すべてのシストレにおいて、顎鬚（生殖巣をもつ縮小した中央部）、口蓋垂（シストレでは触手をもたない派生した腹部）、および蜜胞からなる複合構造である27。 また、P. physalisの顎脚にはこれらの動物体のほか、機能不明の縮小した蜜胞である「ゼリーポリープ」がある22,26。
Physalia physalisのコロニーの解剖図と各動物体の機能説明。
他のシストレを含むサイフォノファーの種と比較して、Physalia physalisはそのコロニーの構成に関して特異である（図1、2）。 また、P. physalisは、主要な摂餌動物体である胃動物体が、獲物を捕らえるための触手を持たない唯一のシフォノフォア種である。 唯一の例外はプロトゾイド（発生過程で最初に形成される胃動物体）で、これは基本的に典型的なサイフォノフォアの胃動物体で、口、触手、小さな基底部を持っている26,29。 また、P. physalisでは触手は原口動物体とは別の動物体上にあり、Tottonはこれをampullaと呼んでいる26)。 また、他の著者は、この動物体または付着触手をダクチロズーイドと呼んでいる10,13,21,30 – ダクチロズーイドという言葉は、歴史的に他の繊毛虫類の掌部に適用されてきたが現在は使われておらず、ダクチロズーイドは他の水生動物の特殊な触手状の防御動物体である31,32,33。 この動物体の相同性についての混乱を避けるため、我々はこの動物体がP. physalisでde novoに生じたと考え、他の水生動物のdactylozooidと相同性がないと思われるため、dactylozooidという用語を使用しないことを提案する（下記参照）。 また、ampullaという用語は、一般にagalmatidsの三角錐の触腕の末端小胞を連想させる27。 我々は、ヘッケルの “tentacular palpon “をこの動物膜の呼称として復活させることを支持する34。これは先行するものであるだけでなく、この動物膜の起源として考えられる仮説と一致する（下記参照）。
ハッケルは触腕掌骨の起源について2つの可能な仮説を示した。ハックスレーが推進した最初の仮説は、触腕掌骨は蹄鉄ではなく、棘皮動物管脚のアンプルと同じような働きをする触腕底部の二次的憩室であるというものであった34,35。 第二の仮説は、祖先の胃瘻が変化して亜機能化した結果、触手のない胃瘻と触手のある触腕型パルポンの2つの別々の動物体が生まれたというものである。 Tottonは第一の仮説を修正し、”ampulla “は肥大した基底部（線虫形成に積極的な役割を果たす胃瘻の腹側領域）が胃瘻の残りの部分から分離したものであると提案した26。 しかし、我々は、胃瘻と触腕の観察から、第二の仮説を支持している（図3-6；補足動画1, 2）。 胃捻転と触腕は別々の柄に生え（図5A,B,6A；補足動画2）、別々の芽から発生する（図3A,B,4；補足動画1）。 このように、触手パルポンは、触手が大きくなり、口がなく、機能的に刺胞の生産に特化した、ヒメダカ特有の派生型腹水動物であることがわかった。 また、P. physalisの胃袋は触手を失った派生型の胃袋で、摂食のみに機能的に特化したものである。 また、ゾンデの改変やサブファンクショナル化はシフォノフォアでは一般的であり、例えば口蓋垂は触手が減少した派生的な改変型ガストロゾイドと考えられることから、サブファンクショナル化仮説は他の仮説よりもより傍証的であると言える27。
ホルマリン固定した発生中のヒメハギの写真である。 (A-E)に5種類の標本を示す。 写真1と写真2は同じ標本の左右を示す。 スケールバーは1mm。 略号 Tp: Tp: Tentacular palpon（番号は出現順）; G: Gastrozooid（番号は出現順の仮説、G1とG2は同時に出現する可能性が高い） P: Protozooid; PrT – Tentacle of protozooid; TpT: tentacular palpon（番号は出現順）.
ホルマリン固定したフィジカリス幼生の画像、光投射断層撮影により得られた画像です。 同一標本の異なる視点からの画像。 スケールバーは1mm。 3D画像をセグメント化し、異なる形態的特徴を強調するために偽色を施した。 緑色：胃腔動物、赤色：原腸動物、オレンジ色：原腸動物に付随する触手、濃紺：触角掌紋、水色：触角掌紋に付随する触手。 第1セットの胃吻と触腕掌の基部に形成される胃吻と触腕掌はラベルがなく、色は薄い灰色。
生きたヒメハギ幼生を写真に撮る。 スケールバーは1mm。 (A)発達した三枚貝、胃捻転、触角掌紋、発達したゴノデンドロン。 (B)三脚の模式図。 (C)発達中の顎脚。成熟した胃瘻と顎鬚、触腕、口蓋垂を生じる芽を持つ。 (D)発生中のゴノデンドロンの模式図。 (E)槐の枝のクローズアップ。近位から遠位に向かって、ゼリー状ポリプ(Jp)、パルポン(P)、蜜腺(N)、パルポン、枝に沿って槐があり、さらに新しい枝の一部である蜜腺、パルポンおよび槐が存在する。 (図6
ホルマリン固定したヒメツリガネゴケ幼生の画像、光投影トモグラフィで得られた画像です。 画像は同一標本の別ビュー。 スケールバーは2mm。 3D画像を分割し、三分割群を強調するために偽色を施した。 下図はセグメンテーションされていない画像である。 緑色：胃瘻、紺色：触腕、黄色：発達中の生殖腺。 (A)発達中の触角掌紋、ゴノデンドロン、胃動物門からなる三分割体。 (B) 発達段階の異なる2組の発達中の三脚群を強調表示し、他のものは見えるが分割されていない。
歴史的に、成熟シフォノフォアのコロニーの軸を記述する一貫した用語はなかった。 そこで，成熟した浮遊性サイフォノフォアのコロニーを記述するために，コロニーの前端を気門または蜜胞のあるものとし，コロニーの後端を最も古いゾイド（ゾイドは伸長する茎によって後端に向かって運ばれる）36とする統一したスキームを開発した（図2A）． 背腹軸はこの軸に直交し、脂肪体ゾイドは茎の腹側に付着する。 左右は前後面および背腹面に垂直な方向として決定される。 幼虫の口端は成熟コロニーの後方に相当する36。 Physalia physalisは多足類であり，コロニーの形態や配置が特徴的であるため，他のサイフォノフォアと軸を相同化することが重要である。 Tottonは前方-後方という用語を使わず、幼虫の軸に直接対応する口腔-腹腔軸を定義し、最初の摂食動物体である原腸動物（図2B）を口腔端に、気門動物の先端孔（孔は気門動物を形作る侵入部位）を腹部端に持つ26。 したがって、コロニーの口腔端は後端に相当する36。 これは他の著者が定義した前後軸25,35と直接対応し、先端孔をコロニーの前部と定義している。 このため，本実験でも，前端を先端孔，後端を原基とすることにした（図2B）。 背腹軸はこの平面に垂直で、背中側が浮き輪の頂上に向かい、腹側で動物膜が付着する（図2C）。 ここでは、左右軸と近遠心軸の慣例に従うことにする。 動物体の付着は腹側にあるが、本種では動物体の配置と成長に非常に明確な左右非対称性があり、コロニーは左巻きか右巻きである。
Cormidiaは、多くのシフォンフォア種でシフォソーム茎に沿って反復する動物体のグループと典型的に定義される27 (Fig. 2A)。 また，Physalia physalisでは，多くの著者が’cormidia’と表記している。 P. physalisが属するCystonectaeはCodonophoraと姉妹関係にある6,8。 胞子嚢群は茎に沿って生じる単一の芽からすべての胞子を生じるが，胞子嚢の細分化（すべての胞子が単一の芽から生じる）はCodonophoraの同型異義性である28。 Probud subdizationは、Codonophora28につながる枝に沿ったcormidiaの起源と関連している。 このことと、P. physalisの発生と形態が非常にはっきりしていることから、P. physalisの組織を表すのに「cormidia」という用語を適用しない。
幼生の発生と形態
幼生の発生は直接観察されておらず、固定標本の形態比較によって発生していることが説明されている23,24,26。 記載されている最小の幼虫は2mmで、気門と触手を持つ発達中の原虫から構成されていた26。 気門器は他のサイフォノフォアと同様に、プラヌラの外端が侵食されて気門嚢を形成する24,29,37 (Fig. 7)。 岡田は、この侵入によって形成される先端孔は、フィジリアの幼生（浮遊物長2mm）では完全に閉じられ、他のいくつかのサイフォノフォア種のように気門からのガス放出を制御することはもはや不可能であることを示唆している23。 しかし、Mackieは、成熟したコロニーでも孔は完全に閉じていないが、孔は非常に狭く、ガスの放出が自然に起こる可能性は低いと指摘している22。 他の報告では、若いフィジリアは孔からガスを放出することができるかもしれないとしている38。 初期には、原腸陥没の胃腔と主な胃腔の間に分離はない24。 侵襲を経て形成された気門は主胃腔内に突出し、侵襲の部位で接続される24。 原腸陥没が分化すると、隔壁が原腸陥没の胃腔と主胃腔を分ける23。
気門の細胞層の模式図でコドン、気門嚢、ガス腺を区別して示している。 オレンジ色-外胚葉；濃い灰色-キチン；赤色-内胚葉；薄い灰色-中胚葉。
原腸の前方で、腹側に3つの横ヒダとして芽が発生する26． 出芽の順序と動物体の相対的な大きさの観察から、この3つの芽のうち最も後方にあるのが胃瘻G1、次いで第2の胃瘻G2、触腕掌（Tp1とラベル）である（図3A、B、図4）。 3つの横ヒダの観察から、G1,G2,Tp1はすべて同時に発生することが示唆される26。 その後、第3胃瘻（G3）が胃瘻G1、G2、触腕Tp1よりも前方に出現する。 Tottonは、成熟したコロニーにおいて芽が属すると仮定される「コルミード」に基づいて芽に番号をつけるが、出現の順序には基づかない26。 岡田は、仮説的な出現順序に基づいて芽に番号を振っているが、G2がおそらくサイズに基づいて最初の芽とされ、G1が2番目の芽とされている点だけが我々と異なる23,24 (Fig. 3A,B). ここでG2とラベルされた胃袋は、古い標本（図3C,D,4）では大きいが、最も若い発達中の標本（図3A）ではそうではない。
フィサリアのコロニーには左利きと右利きがあり、第1触腕（Tp1）と触腕の付着位置が左右非対称の最初の指標になる24,26。 触腕部パルポンは、コロニーの手持ちによって左右どちらかに配置される (Fig. 3, 4; Supplementary video 1)。 二次的な一連の芽は常に触手触腕の触角と同じ側に現れる。 原腸の触腕の取り付け位置は、左右非対称であることをより早く示すとさえ考えられる（図3, 4；補足ビデオ1）。
生物が成長し、気門が前方に拡大すると、元の胃顎鬚の基部に新しい触腕が成長する（図3B2、図4）。 大きな個体では、3つの胃瘻（G1, G2, G3）と触腕掌（Tp1）の前方と後方に新しい胃瘻と触腕掌の芽を形成する（図3C1,D)。 また、胃捻転の基部には、最初の触腕のパルポンに合わせて（コロニーの手先によって左右どちらかに）二次的な一連の芽が形成される23 (Fig. 3D2, 4)。 さらに、原腸陥入と一連の胃捻転の間に広がる空間では、一連の芽が形成される（図3D、Gと表示、図4、原腸陥入に最も近い胃捻転（緑色））。 この原生動物の直前の成長領域（図 3D、G とラベル付け）を、トットンは「口腔領域」、原生動物の一連の芽 （G1、G2、G3、G4、Tp1、Tp2、二次芽を含む）を「主領域」と呼んで区別した26。 軸と呼称を一致させるため、我々はオーラルゾーンを「後方ゾーン」と呼ぶことを提案する。
Physalia physalisが成長を続けるにつれ、主帯域の腹側に沿った新しい空間が、当初の一連の胃瘻（G1、G2、G3など）と触角触腕に沿った新しい芽によって占有されるようになる。 さらに二次的な芽のクラスタが、コロニーの手持ちに応じて左または右に、後方および主帯域の両方で生じ続ける（図4）。 紋章が見えるようになり（図3D,E）、浮き袋が膨らんでくる。 浮き袋が完全に膨らみ、コロニーが海面に浮かぶようになると、背腹面内で枝分かれと成長が始まる（Fig.2C）。 完全に成熟した標本では、後帯と主帯の間をゾイドが占め、2つの成長帯の間のギャップ（basal internodeと呼ぶ）は見えない。
表面的には、後帯の一連の芽はNanomia bijugaなど他のシフォノフォアの成長帯に似ている40,41。 芽の出現順序はわからないが，胃瘻の相対的な大きさ（図4）から，後帯の新芽は他の吸盤類とは逆向きに腹側に沿って後方から前方に生じるように見える（図2B）． これは，Haddockらが定義した，前方で発生した芽が茎の伸長によって後方へ運ばれるという軸の定義と合わない36。 Physalia physalisでは成長パターンが大きく異なるが，これは発生初期に成長パターンが逆転していることを示唆しているのかもしれない。 我々の番号付けシステムによると、最初の一連の芽（G1、G2、Tp1）も後方から前方に生じるが、主帯域の後続の芽はこれらの動物体の前方と後方の両方に生じる。
発育中の固定したヒメハギ標本から観察できる成長のパターンは、本種と他の吸盤類には多くの類似点があるが、本種特有の多くの相違点があることが示唆される。 他のシフォノフォア類では、個体発生の一連の動物体は茎に沿って直線的に配置され、最も古いものが後部に、最も若いものが前部に配置されるが28,41、いくつかの種では茎に沿って新しい動物体が発生することが観察される42。 P. physalisでは、3つの主要な成長軸がある-腹側に沿って、後方成長ゾーン（補足図S5A）および主ゾーンの前方と後方で、腹側に沿って元の一連の芽の左または右側に二次芽があり、コロニーの手触りに応じて、最後に成熟した試料では腹側から近位-遠位に成長が進む（補足図S5A)。
Morphology and zooid arrangement of mature Physalia physalis
幼体（性的に未熟）と成体のPhysalia physalisは気門器（フロート）が水面上にあり、すべての動物体が水面下にある状態で海面に浮いています。 幼生のP. physalisでは、気門は引き続き大きくなるが、完全に成熟した形態に似ている。 他のサイフォノフォアと同様に、気門は外コドモ、気門嚢、気体腺からなる多層構造である22 (Fig. 7)。 外コドンは、外胚葉、中胚葉、内胚葉から構成される22。 コドンの内側には、内胚葉、中胚葉、外胚葉、外胚葉から分泌されるキチン質層、ガス腔からなる、侵襲によって形成された気門嚢がある22。 気門腔の一端には、外胚葉の細胞が膨張した層があり、これが気体腺を形成している11,22。 ガス腺内の気生細胞は一酸化炭素を生産して浮子を満たすが、拡散とガス交換により浮子内の一酸化炭素の割合は他のサイフォノフォアに比べて低くなっている14,17,43。 他のサイフォノフォアと異なり、気門は大きく膨らみ、気門嚢は胃腔内で自由で、コロニー前部の侵食部位にのみ付着している22。 気門の背側突起がコドンの頂部のポケットにはまり、コドンの筋収縮によって気門がこの空間に拡張して帆を立てる。この「空気圧骨格」は静水圧骨格にたとえられる22。 動物体はすべて腹側に付着し（左右どちらかにずれている）、この共通の胃腔を共有している-この領域は他のサイフォノフォアの茎と相同であると考えられる44。
Physalia physalisの幼生では、腹側の「茎」から突起が伸び、動物体をフロートから遠方に運んでいる。 特に成熟した個体では、コロニーの配置が混雑し、構造に乏しいように見えるが、明確な成長パターンがある。 成熟した標本におけるコロニーの配置については、Tottonによる記述が最も適切であり、彼は3つのグループの形成を通じて成長が起こることを示唆した26 (Figs 5, 6; Supplementary video 2)。 この三分割群は、触手とそれに付随する触腕、胃動物門、胃動物門の基部にあるゴノデンドロンから構成される26。 P. physalisの形態は幼生標本で最も明瞭であり、胃捻転はまだ十分に発達しておらず、発達中の三脚群を容易に識別できる（図5, 6B）。 ゴノデンドロンとは、胃胞子、雄性または雌性ゴノフォア（コロニーは雌雄異株なので、雄か雌のどちらかになる）、ネクトフォア、ゼリーポリプ、さらに口蓋など、多くの異なる動物体からなる構造である。
三脚群は茎の細長い突起で運ばれ、古いグループの基部に次々と三脚群を形成している。 成熟したコロニーでは，最も古い胞子は遠位に位置し，発達中の胞子はフロートの近位に三分割群を形成する（補足図S5B）。 ただし、発生初期に形成される非常に古い動物体は例外で（図3、4）、長い脚を経由して茎の近傍に付着したままであるようである。 触腕類と腹蔵類はともに早熟であるが、腹蔵類は遅れて発育・成熟する26。 発達中の触腕と成熟した触腕は、大きさや長さだけでなく、色でも区別できる。成熟した触腕の触腕はターコイズブルーで、発達中の触腕のボタンは紫・ピンク色である。 P. physalisの青色色素はビリン-タンパク質複合体であることが示唆され、他の組織の緑・紫・ピンク色は非共役胆汁色素によるもので、これは彼らの食事から供給されると考えられる12.
ゴノデンは非常に複雑に分岐した構造である。 我々はTotton26によるゴノデンドラの構造に関する記述に多くを重ねることはできないが、ここでは我々の観察に基づいて彼の記述の一部を簡略化することを試みる。 幼生標本では，成熟した胃捻転（Tottonが’gonozooids’あるいはsecondary gastrozooidsと呼ぶもの）とその基部に芽を持つ発達中の胃捻転を観察できた26 (Fig. 5B)。 また、胃瘻の基部にある台木は、ゴノデンドロン内の主要な枝を形成する26。 枝分かれは2つのレベルで観察できる。胃袋の台座が形成する主要な枝（図5B）、および胃袋の基部の枝分かれ構造は、プローブ（図5B「発芽」）が細分化、分岐、再分岐して一連の枝を形成し、それに沿って蜜胞、ゼリーポルプ、触角、顎胞が形成する（図5E,F)。 枝条は通常、ゼリー状ポリプとより発達した口蓋垂の一連（近位から遠位）からなり、次いで蜜胞と口蓋垂、そして枝条に沿って（コロニーの性により）10個以上の雄または雌の口蓋垂が形成される（図5E,F.)。 トットンはゼリー状ポリプとパルポンのある部分を枝の末端部と呼び26 、枝の末端部以下はパルポンとネクトフォアになるか（図5E,F）、新たに末端部と末端部以下に分裂し続けるかを判断する。 ゼリー状ポリプのある場所の真向かいに新しいプローブが形成され、新しい枝条が生じ、それがまたゼリー状ポリプのある場所の真向かいに分岐する26。
生態とライフサイクル
Physalia physalisは国際種で、海洋の熱帯・亜熱帯地域や、時には温帯地域にも生息している26。 歴史的に、サイズ、色、場所に基づいて、多くのPhysalia種が記述されてきました26,35,44,45,46が、現在、Physaliaの1種のみが認識されています – P. physalis27,46. 確認されている異なる種は、異なる発生段階であることが示唆されている23,26,27。 しかし、大西洋や太平洋・インド洋におけるP. physalisの個体群間の遺伝的多様性については何も知られていない。 2つの遺伝子マーカーを用いた1つのローカルな研究が行われ、ニュージーランド沖のPhysaliaの間でかなりの遺伝的多様性が示されたが47、より多くのマーカーを用いたグローバルな研究により、これが種内遺伝的多様性を反映しているのか、それとも隠微な多様性が存在するのかが明らかになるだろう。
幼生の発生が直接観察されていないので、本種の初期段階についてわかっていることは、トロールサンプルで採取した固定標本からすべて判明した23, 24,26 である。 Gonodendraは完全に成熟するとコロニーから切り離されると考えられており、蜜腺は水柱の中を推進するために使用されると考えられる25,26。 放出された成熟したゴカイは観察されておらず、どのような水深域を占めるかは不明である25,26。 また、異なるコロニーの生殖腺がどのように同じような受精空間を占めるのか、有性生殖に季節性や周期性があるのかどうかも不明である。 また、胚・幼生の発生は、海面下の未知の深さで行われる26 (図8)。 浮き輪が十分な大きさになると、P. physalisの幼生は海面に浮かぶことができるようになる。
ポルトガル人のライフサイクルの模式図である。 成熟したPhysalia physalisは海面に浮いているように描かれているが、初期の発生は海面下の不明な深さで起こると考えられている。 ゴンズイは成熟するとコロニーから放出されると考えられている。 卵やプラヌラ幼生期は観察されていない。 卵とプラヌラの図は、FreyaGoetz (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nanomia_life_cycle_vector_wikimedia.svg) が描いたNanomia bijuga lifecycle schematicから、CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en) のライセンスで使用した。
成熟したフィサリアフィサミは帆を使って優勢な風をとらえる。 気門の外側のコドンの筋収縮により、気門の中の圧力が高まり、紋章を立てることができる22。 鍾乳洞内の蜜胞はコロニーの能動的推進には関与しないと考えられている（ただし、鍾乳洞が解放されるとその役割を果たす可能性がある）26。 風に対する帆の向き（左利き・右利き）は、発生初期に確立され、北半球では卓越風の影響で左利きのコロニーが優勢であり、南半球では右利きのコロニーがより一般的だとされているが、これを支持する証拠はない15,26。 風の変動は半球に関係なく両タイプをランダムに分布させると考えられるが、同じ方向からの強い持続風は特定のタイプの座礁をもたらすようである15,49。
カツオノエボシの触手は成熟したコロニーでは30mにも達し、風によって水中を引きずられ、出会った魚や魚の幼生に付着している。 魚や魚の幼生が餌の70-90％を占めており、ヒメカツオブシムシの触手にある線虫電池には、柔らかい体の餌にしか刺さらない1種類の線虫が含まれている50,51。 この刺胞は魚類に麻痺をもたらす毒素を供給している22。 この毒素の粗抽出液を魚類の筋肉に注射すると、全身麻痺を起こし、神経系と呼吸中枢に影響を与え、高用量で死に至る52。 触手が獲物に接触すると、獲物は浮き輪の根元付近にある胃袋のほうに運ばれていく。 ガストロゾイドは獲物を捕獲するとすぐに反応し、身動きして口を開き始める53。 多くのガストロゾイドが獲物に取り付き、10cmの魚の表面を50匹以上のガストロゾイドが口を広げて完全に覆っているのが観察されている16。 ガストロズーイドはタンパク質分解酵素を放出して魚を細胞外で消化し、粒子状物質の細胞内消化も行う22,54。 消化された食物は主胃腔に放出され、コロニーの他の個体によって取り込まれる22,54。 P. physalisは魚類を貪欲に捕食するが、ウミガメ55,56や、Glaucus atlanticusとGlaucus marginatusというウミウシの一種に捕食され、無傷のPhysalia線虫を蓄え、自らの防衛に再展開している57,58,59。 さらに、未成熟のTremoctopus violaceus octopodsは、背腕の吸盤の列に沿ってP. physalisの触手を持ち、触手は獲物の捕獲だけでなく、防御の役割も果たすことが示唆されている60。 多くの幼魚がヒメダカと共生しており、胃瘻や顎堤の近くに生息しているが、1種のNomeus gronoviiが触手の間を泳ぎ、餌としていることが観察されている30,61。 Nomeus gronoviiは、他の種に比べPhysaliaの毒にかなり耐性があるが、それでもP. physalisによって殺されることがある26,62。