文昌鱼虽然具有重要的科研、教学和经济价值，但由于受到分布区域狭窄、室内不易繁育、野外种群锐减、成体及胚胎材料小且稀缺等因素限制，导致相关实验难以开展，进一步影响到文昌鱼作为模式动物的应用。本项目将充分利用我们在文昌鱼研究上取得的成果，通过虚拟仿真实验的方法，让学生对文昌鱼的生境、成体结构、室内养殖、胚胎发育过程等开展自由探索学习，从中了解掌握文昌鱼生境生态特征、胚胎及成体的结构特点、养殖繁育方法等。本项目利用3D建模技术，逼真再现了文昌鱼繁育过程。利用十一维度领先世界的图像压缩技术，实现网络环境下直接操作实验，无需下载到本地，也无需借助特别眼镜或头盔等外部设备。让学生在实验中有沉浸感和自主探索性。 

知识点：

（1）文昌鱼进化地位及其学术研究价值

文昌鱼隶属于脊索动物门，头索动物亚门，是现存生物中与脊椎动物形态结构及胚胎发育过程最为相似的无脊椎动物。但与脊椎动物相比，文昌鱼胚胎及成体透明、结构简单易观察。此外，文昌鱼基因组大小约为500M，未发生两轮（2R）加倍，多数基因以单拷贝存在，冗余度较低，这为基因功能研究提供极大便利。因此是研究脊椎动物起源及胚胎发育机制的理想实验模型。

 

（2）文昌鱼地理分布和生境特点

文昌鱼多生活于近海，栖息于疏松干净沙质中，属虑食性动物，以海水中的单胞藻为食。文昌鱼生活区海水盐度一般在250%左右，但暴雨等因素影响，其生活区海水盐度会出现下降，导致其迁移至深海区。在中国，文昌鱼主要分布于秦皇岛、青岛、厦门、北海登海域。野外文昌鱼具有明显的繁殖季节，进入繁殖季节时，文昌鱼身体两侧会出现25对生殖腺，随着时间的推移，生殖腺会不断长大，待完全成熟时，集中产卵排精。产卵排精后的文昌鱼生殖腺会萎缩退化，不易观察到，直到下一个繁殖季节来临时才会重新发育，肉眼看见。本项目野外调查海域文昌鱼的繁殖季节9-10月份。

 

（3）文昌鱼野外生活现状、受威胁因素调查及采集

上世纪80年代前，厦门刘五店海域文昌鱼年产量均在几十吨左右，但近年来由于围海建桥、环境污染、栖息地破坏等因素影响，厦门海域文昌鱼种群大幅度下降。为此，厦门市政府特在1991年在鳄鱼屿海区、欧厝以南十八线海区、小嶝岛海区、黄厝海区建立文昌鱼自然保护区。厦门黄厝海域文昌鱼栖息地距离海边只有400米左右，大潮时不需租赁任何设备船只即可前往调查。采集文昌鱼的工具十分简单，一把铲子和一个筛网即可。采集时将文昌鱼生活区的沙子铲如筛网，然后将沙子过滤即可将沙中的文昌鱼分离出来。

 

（4）成体文昌鱼系统、器官结构特征

成体文昌鱼主要由前眼、脑泡、神经管、脊索、肌肉、鳃、肝盲囊、肠道、生殖腺、触手、内柱等器官构成。

1） 中枢神经系统

文昌鱼中枢神经系统位于脊索背面，呈管状，贯穿整个身体，前端稍微膨大处为脑泡，与脊椎动物前脑、中脑同源，后端为神经管，与脊椎动物后脑及脊髓同源。脑泡前端为前眼，神经管黑色颗粒细胞负责感光。上述中枢神经组织均由胚胎期的神经外胚层发育而来。

2）运动系统

文昌鱼运动系统由脊索和肌肉两部分构成。脊索位于身体背面，为结缔组织，与脊椎动物的脊椎同源，贯穿整个身体，起支撑作用。脊索由胚胎期的轴中胚层发育而来。肌肉分节，前后约50对构成，成尖端部分朝着前方的V字型。两侧肌节交错排列,互不对称,运动时交替收缩, 使文昌鱼在水平方向作弯曲运动, 进而击打周围的水产生反作用力而游动。肌肉由胚胎期的旁中胚层发育而来。

3） 消化系统

文昌鱼与消化摄食有关的器官包括：口笠、前庭、缘膜、口、咽、食道、中肠、后肠、肛门（开口于身体左侧），以及肝盲囊（相当于脊椎动物的肝脏），由这些器宫构成消化系统，负责食物的摄取和消化，使机体获得糖类、脂肪、蛋白质、维生素等营养。文昌鱼为植食性，以过滤藻类取食，食物颗粒顺水流进入口腔而到达咽部，属于被动取食。这种被动式的摄食方式说明它在进化中低于脊椎动物。文昌鱼口笠触须和缘膜触手具有保护和过滤作用,可阻挡沙粒等物随水流入口中。

4） 生殖系统

生殖腺是文昌鱼生殖系统的主体。雌雄各有25对生殖腺构成，位于身体的两侧。生殖腺只有在繁殖季节才会肉眼可见，而在非繁殖季节，很难看到。其生殖腺发育分为四个阶段：I期、II期、III期和IV期。I期: 卵囊中有很大的空隙, 卵圆形或椭圆形的卵原细胞被生殖被膜包裹, 周围有许多色素细胞围绕, 卵原细胞进行旺盛增殖活动；II期：卵囊的空隙减小, 出现小生长期初级卵母细胞, 卵母细胞的体积明显增大, 有些卵母细胞的核开始移向卵细胞的动物极一侧; 卵囊内周围的卵母细胞比中部的卵母细胞先进行卵黄沉积；III期：卵囊更加饱满, 各卵囊发育开始同步; 前期卵母细胞已较少, 大量出现大生长期晚期的卵母细胞, 其内充满了卵黄粒；IV期：卵囊内已充满成熟的卵母细胞, 由于卵细胞的之间相互挤压, 卵囊呈不规则状; 在胞质边缘可见有一圈透亮的皮质泡, 这是成熟卵巢的典型特征。

 

（5）文昌鱼雌雄性别鉴别

文昌鱼为雌雄异体，也存在极少数雌雄同体现象。每个卵巢中有数百枚卵子，卵子呈颗粒状，每个精巢中有大量精子，精巢外观呈半透明状，内无颗粒感。

 

（6）文昌鱼成体养殖的盐度范围和最适盐度

盐度是影响文昌鱼养殖的关键因素之一。成体文昌鱼可在200%-300%盐度范围内存活，而最适生活盐度为250%。

 

（7）文昌鱼成体养殖的温度度范围和最适温度

温度也是影响文昌鱼养殖的关键因素之一。成体文昌鱼可在20-30oC温度度范围内存活，但最适生活温度为25oC。

 

（8）文昌鱼成体养殖的密度范围和最适密度

成体文昌鱼养殖密度范围可在150-8000条/平方米范围波动，但最佳养殖密度一般为500条/平方米。

 

（9）文昌鱼成体养殖的投食频度和最适投食频度

饵料供给同样是影响文昌鱼养殖的关键因素之一。饵料供给不可太多，否则会导致水质腐败；但也不可太少，否则生长速度缓慢。一般以每天投喂两次最佳。

 

（10）文昌鱼成体养殖的清洗频度和最适清洗频度

保持文昌鱼养殖环境卫生是确保文昌鱼养殖成功的另一关键因素。清洗不能太过频繁，否则会引起文昌鱼应激，也不能太久不清洗，否则会水质腐败导致文昌鱼死亡。以每周清洗两次最佳。

 

（11）文昌鱼产卵排精诱导步骤

1）从正常养殖系统（水温25 oC）中挑选生殖腺发育到III期以上的文昌鱼，切记不能挑选I期、II期或无生殖腺的文昌鱼，否则将无法诱导成功；

2）将挑选的生殖腺达标的文昌鱼至于相对较低的水温养殖。该水温是保证诱导成功率的关键因素之一，太低会导致文昌鱼死亡，过高将导致诱导失败，以20 oC最佳。此外，诱导前，必须将挑选的文昌鱼在该低温条件下养殖（维持）一段时间，以确保其适应该低温环境，并对接下来的高温诱导敏感，从而保证诱导成功。低温维持时间太短则会导致诱导失败，维持时间太久，虽对诱导成功率不会产生太大影响，但会导致诱配子质量下降，胚胎畸形率增加。

 

（12）文昌鱼的胚胎发育过程

文昌鱼胚胎发育主要经历如下阶段：

1细胞：也叫受精卵，由单个细胞构成，外观呈球状，质地均匀。第二极体位于动物极一侧，与动物极相对的一侧为植物极；

2细胞：卵子受精后40分钟左右开始从动物极侧凹陷形成分裂沟，并逐渐向植物极延伸，将胚胎分裂形成2个大小均等的分裂球。这两个分裂球将来分别发育成胚胎的左右两侧；

4细胞：大约在受精后60分钟时，胚胎进入第二次卵裂。此次卵裂也从动物极侧开始，逐渐向植物极延伸，但分裂平面与第一次卵裂面互相垂直，形成大小不等的4个分裂球。该次分裂将胚胎分成背腹两侧；

8细胞：大约在受精后80分钟时，胚胎进入第三次卵裂。与第一、第二次分裂不同，第三次卵裂为横裂（纬裂），形成上下两层各4个细胞，位于动物极的4个细胞较植物极的4个细胞小。该次分裂将胚胎分为前后两端，位于动物极的细胞将来形成胚胎的前端，而位于植物极的细胞将来形成胚胎的后端。

16细胞：大约在受精后100分钟时，胚胎进入第四次卵裂。与第三次分裂相同，第四次卵裂也为纵裂，将胚胎分成16个细胞。该时期胚胎延动植物极方向存在明显空隙；

32细胞：大约在受精后2小时时，胚胎进入第五次卵裂。第五次卵裂为横裂，将胚胎分成4层，每层由8个细胞组成，位于动物极的细胞较植物极的明显小；

64细胞：大约在受精后2小时20分钟时，胚胎进入第六次卵裂。第六次分裂将胚胎分成64个细胞，细胞之间围成囊胚腔

256细胞：64细胞后的40分钟里，胚胎又经历两次同步全裂，将胚胎分成256个细胞。此时胚球表面比较粗糙，分裂球的数目不易计数，外围由单层细胞构成，中央空腔为囊胚腔；

原肠胚早期：受精后4小时左右胚胎进入原肠胚早期。此时胚胎表面逐渐变得光滑，植物极开始内陷，变得平坦；

原肠胚中期：受精后6小时左右胚胎进入原肠胚中期。此时植物极细胞进一步向动物极方向凹陷，并于动物极细胞紧贴在一起，囊胚腔消失，并形成原肠腔。原肠胚中期胚胎呈碗状，由内外两层细胞构成，外侧细胞形成外胚层，内侧细胞形成中内胚层。胚胎后端开口为胚孔，直径与胚体直径相当；

原肠胚晚期：受精后8小时进入原肠晚期。此时胚孔变得很小，胚体背面逐渐变平坦。外胚层进一步分化为神经外胚层（位于背面）和表皮外胚层（位于侧面和腹面），中内胚层分化为中胚层（位于背面和背侧面）和内胚层（位于腹面和腹侧面）；

神经胚早期： 受精后9小时胚胎进入神经胚，并开始绕受精膜转动，胚胎由于后端生长而拉长，出现体节，表皮外胚层与神经外胚层脱离，并绕过神经外胚层向背面中央生长。12小时胚胎形成 4-5个体节，胚胎进一步拉长，表皮外胚层开始在背面愈合，大多胚胎孵化出膜；

神经胚晚期：胚胎由于后端生长进一步拉长，体节增加到14个左右，神经板两侧向背面卷曲并在背部中央愈合形成神经管，并在前端膨大形成脑泡。

3鳃裂幼体：之后胚体继续伸长，前端咽区逐渐扩大，胚体逐渐发育呈鱼型，并于受精后24小时，在身体前部左侧出现口，身体后端右侧形成肛门，同时在口前方左侧出现口前窝，尾鳍也同时出现，在口与口前窝之间、身体的右侧出现棒状腺和内柱，在口的后端腹面形成鳃裂。口的出现标志着胚胎发育阶段的结束、幼体发育阶段开始。之后口进一步扩大，口前窝、棒状腺和内柱发育更加完善，鳃开始从腹面向身体右侧转移，鳃裂数不断增加，并在受精后3天数形成3个鳃裂。