曾令清 付 成 付世建

(重慶師范大學進化生理與行為學實驗室， 動物生物學重慶市重點實驗室， 重慶 401331)

游泳運動是魚類逃逸、捕食、繁殖等活動行為的重要實現(xiàn)方式， 為其生存生長及種群繁衍提供了基本保證。依據(jù)對氧氣的需求， 魚類游泳運動分為有氧運動和無氧運動2種類型， 前者反映有氧代謝能力， 與日?；顒?如巡游、自發(fā)運動)和洄游等有關(guān)， 常以臨界游泳速度(Ucrit)[1，2]或步法轉(zhuǎn)換速度(Ugt)評價[2]， 而后者則反映無氧代謝能力， 與捕食活動、逃逸敵害、穿越激流等相關(guān)， 常用勻加速游泳速度(Ucat)或爆發(fā)游泳速度評估[3]； 魚類的有氧和無氧運動能力可能存在權(quán)衡[3—5]。自Ucat用于衡量魚類無氧運動能力起， 不同研究采用加速度均是0.167 cm/s2[即10 (cm/s)/min][3—8]。采用單一加速度考察不同魚類Ucat的方式可能具有局限性， 因為不同魚類的生物學特征(如發(fā)育階段、體重大小、游泳能力及性別等)差異較大， 將影響游泳能力的測定結(jié)果。因此， 不同加速度與魚類Ucat關(guān)系的相關(guān)研究十分迫切。

魚類表型存在種內(nèi)個體變異并且在不同環(huán)境條件下維持穩(wěn)定， 具有重要進化生物學和生態(tài)學意義[9]。魚類處于靜止狀態(tài)、無食物消化吸收時的最低能量消耗稱作為靜止代謝率(Resting metabolic rate， RMR)， 代表了機體基本功能的維持水平和有氧代謝能力的下限， RMR與標準代謝率(Standard metabolic rate， SMR)有相近的內(nèi)涵， 本研究統(tǒng)一使用RMR； 高強度有氧運動對魚類施加巨大的生理負荷， 使其對氧的需求達到最大， 表現(xiàn)出最大代謝率(Maximum metabolic rate， MMR)， 代表了機體有氧代謝能力的上限， 二者的差值為魚類的有氧代謝空間(Aerobic scope， AS=MMR–RMR)， 它表示為其他生理功能提供的最大代謝潛能[10]。魚類MMR和AS的測量方法通常包括兩種， 一種是Ucrit法[11—14]，別一種則是人為誘導運動力竭的過量耗氧(Excess post-exercise oxygen consumption， EPOC)法[11，15，16]。2種方法的本質(zhì)都是通過高強度游泳運動對機體施加最大生理負荷， 誘導機體產(chǎn)生最強有氧代謝水平。然而， 由于實驗方法的操作性及其相應的生態(tài)學意義不盡相同， 比較不同研究結(jié)果時可能面臨一定的方法學局限性， 有關(guān)魚類有氧代謝能力特征誘導方法的比較研究十分匱乏[11]。

鯽(Carassius auratusLinnaeus)是我國常見的鯉科魚類， 廣泛分布于江河湖泊、池塘沼澤等水域中。為考察鯉科魚類運動能力的個體變異和表型特征的生態(tài)關(guān)聯(lián)， 以及不同加速度對勻加速能力測定的影響， 本研究以鯽幼魚為實驗對象， 通過2種方法分別測定該種魚的有氧代謝參數(shù)(RMR、MMR、AS及FAS)和有氧運動能力(Ucrit)， 同時也測量在不同加速度(0.083、0.167、0.250、0.333 cm/s2)條件下鯽幼魚的Ucat， 在Ucrit和Ucat測定過程中分別錄像以分析獲取相應的Ugt， 分析比較鯽幼魚的有氧和無氧運動能力特征及表型關(guān)聯(lián)， 比較勻加速游泳能力在不同加速度條件下的響應特征， 為魚類勻加速游泳能力測定加速度的合理選擇提供有益參考， 同時也為我國過漁設施(如魚道)工程的設計開發(fā)提供重要的運動生理學資料。

1 材料與方法

1.1 實驗魚及其馴化

鯽幼魚購自于重慶市北碚區(qū)歇馬人工養(yǎng)殖基地， 運回后將魚放置于3個實驗室循環(huán)控溫水槽(約250 L)中馴化3周。馴化期間， 每天以商業(yè)飼料(中國通威公司)飽足投喂1次， 投喂0.5h后用虹吸法清除殘餌和糞便以維持水體環(huán)境。馴化水槽的日換水量約為水體的10%， 實驗用水為曝氣后控溫的自來水， 用充氣泵不斷向馴化水槽充氣使溶氧水平大于7 mg/L， 馴化水溫為(25.0±0.5)℃(與當時季節(jié)水溫相近)， 光周期為光照14 L∶10 D。

1.2 實驗設計

在馴化結(jié)束后， 挑選魚體健康、體重相近的鯽幼魚[n=30， 體重(13.08±0.41) g， 體長(7.52±0.08) cm]作為實驗對象， 并將實驗魚移入已編號的30個養(yǎng)殖單元格中以便辨別實驗魚。實驗之前， 對魚禁食24h。在第1天先測量實驗魚的RMR， 隨后采用游泳代謝儀測定魚的Ucrit、Ugt和MMR并計算獲取AS，測定完畢后將魚放回至養(yǎng)殖單元格中并投喂一次約0.5%體重的餌料[17]， 以維持實驗魚的體重和生理恢復； 第3天測定EPOC法誘導鯽幼魚的MMR并在運動力竭后連續(xù)測定魚的恢復代謝率， 共計算10min的過量耗氧(EPOC)， 在測定完畢后將魚放回至養(yǎng)殖單元格中并投喂一次約0.5%體重的餌料； 從第5天開始隨后的連續(xù)4d中， 于每天上午只測定一個加速度條件下實驗魚的Ucat和Ugt， 本研究設定的加速度包括0.083、0.167、0.250、0.333 cm/s2， 每天測定完畢后對單尾魚投喂一次約0.5%體重的餌料。對于單尾魚而言， 在Ucrit和EPOC測定時均有48h機體恢復時間， 在不同加速度條件下測量Ucat的恢復時間也達24h， 并在每次餌料投喂過程中所有實驗魚全部表現(xiàn)快速攝食， 但由于體重控制要求僅對每尾魚投喂約0.5%體重的餌料。根據(jù)研究報道，在運動力竭1h后魚類白肌的三磷酸腺苷和磷酸肌酸恢復到運動前水平[17]， 力竭運動后8h后機體的乳酸水平也恢復運動前水平[18]。本研究實驗參數(shù)測定時間的間隔明顯長于上述重要能量物質(zhì)恢復和產(chǎn)物清除時間， 不影響鯽幼魚游泳能力的測定。實驗期間所有環(huán)境條件(如溫度、溶氧、光周期等)與馴化期間保持一致。

1.3 RMR的測定

本研究采用流水式呼吸代謝儀測定實驗魚的RMR。將魚從養(yǎng)殖單元格轉(zhuǎn)移至呼吸代謝儀的呼吸室馴化24h， 以消除轉(zhuǎn)移過程帶來的影響。馴化結(jié)束后， 采用溶氧儀(HQ30d， 美國哈希公司)在第2天的9:00、11:00、13:00、15:00、17:00、19:00和21:00測定實驗魚的耗氧率。呼吸代謝儀的環(huán)境條件(如水溫、溶氧和光周期等)與馴化期間保持一致；測定過程中實驗室保持安靜， 以減少聲音對實驗魚生理狀態(tài)造成影響。將7個時間點的耗氧率取平均值用來表征實驗魚的RMR [mg O2/(kg.h)]， 計算公式如下:

式中， ΔO2是實驗呼吸室(有魚)出水口與空白呼吸室(無魚)出水口的溶氧差值(mg O2/L)，v是呼吸室流速(L/h)， 由呼吸室出水口裝滿50 mL容量瓶所需時間計算獲得，m為實驗魚的體重(kg)。由于實驗魚的體重十分相近， 無需進行代謝率的體重校正。

1.4 Ucrit和MMR的測定

(1)Ucrit測定法: 采用魚類游泳代謝儀同時測定實驗魚的運動代謝率和Ucrit， 同時通過攝像系統(tǒng)拍攝實驗魚的游泳行為。先將實驗魚裝入游泳代謝儀的游泳管中馴化1h， 馴化流速為6 cm/s； 隨后每隔20min增加6 cm/s， 直至實驗魚運動力竭。力竭標準: 實驗魚因運動力竭不能抵抗水流而后退停靠于游泳管的尾端篩板， 并且在尾端篩板的?？繒r間達20s以上[19]。Ucrit(cm/s)的計算公式如下:

式中，V是實驗魚能夠完成20min游泳運動的最大流速， ΔV是流速增量(6 cm/s)， ΔT是時間間隔(20min)，t是在最高流水速度下實驗魚的游泳歷時(持續(xù)時間短于20min)。

在測定Ucrit過程中， 同時測量實驗魚的運動代謝率。游泳代謝儀裝有1個連接溶氧儀外部水循環(huán)系統(tǒng)(流量約為500 mL/min)， 當溶氧儀探頭連接該系統(tǒng)時游泳代謝儀形成封閉狀態(tài)， 可監(jiān)測游泳代謝儀內(nèi)部水體溶氧水平。每隔20min， 打開游泳儀謝儀尾蓋20s隨后關(guān)閉， 該時間足以保證代謝儀內(nèi)部與外部之間水體的充分置換， 溶氧水平可迅速恢復至正常狀態(tài)。通過設定好的電腦程序控制目標流速， 用溶氧儀每隔2min測定一次游泳代謝儀內(nèi)部水體的溶氧水平(mg/L)， 連續(xù)測定10次。實驗魚的運動代謝率[MO2， mg O2/(kg.h)]的計算公式如下:

式中，St[mg O2/(L.min)]為每段期間(20min)代謝儀內(nèi)部水體溶氧水平隨時間變化的斜率， 當回歸方程的指數(shù)R2＞0.95時的斜率， 即可參與MO2的計算。60為60min，Sb[mg O2/(L.min)]為在1 h期間游泳代謝儀內(nèi)部細菌耗氧的斜率。V為扣除實驗魚體積后的代謝儀內(nèi)部的水體體積(3.50 L)，m為實驗魚的體質(zhì)量(kg)。在測定過程中， 獲取的最大MO2即為實驗魚的， 其代謝空間=–RMR。

在Ucrit測定過程中， 在游泳管正上方安置一臺高清攝像機， 錄像單尾魚Ucrit游泳行為。隨流速的逐漸增加， 由于魚類開始動用白肌(無氧代謝)提供游泳動力而打破體內(nèi)乳酸平衡， 使得體內(nèi)的乳酸積累一定程度時， 魚類開始出現(xiàn)“爆發(fā)–滑行”的游泳行為變化并且擺尾頻率變化明顯， 該游泳行為被稱為步法轉(zhuǎn)換， 首次出現(xiàn)“爆發(fā)–滑行”游泳行為時的游泳速度稱作為步法轉(zhuǎn)換速度(Ugt)， 評價最大有氧運動能力[2，20]。雖然Ucrit測定過程中涉及到無氧代謝且飽受爭議， 但現(xiàn)有研究仍采用Ucrit或Ugt評價魚類的有氧運動能力[2]。

(2) EPOC測定法: 通過力竭運動誘導實驗魚的MMREPOC[mg O2/(kg.h)]并計算代謝空間(ASEPOC=MMREPOC–RMR)。EPOC的簡要步驟[15]: 將魚從養(yǎng)殖單元格中轉(zhuǎn)移至力竭運動驅(qū)趕裝置(Φ外=56 cm，Φ內(nèi)=33 cm， 水深15 cm)的環(huán)行水道(流速～60 cm/s)中； 在環(huán)形水道中實驗魚逆流快速游泳， 一段時間后魚體因高流速無法保持相對穩(wěn)定游泳而后退， 此時人工連續(xù)驅(qū)趕實驗魚向前游泳直至其運動力竭；處于力竭狀態(tài)的魚通常失去平衡且用手接觸尾部時不再有明顯應激反應， 整個過程一般在5min之內(nèi)完成[21]； 然后將魚迅速(10s之內(nèi)完成)轉(zhuǎn)移至呼吸代謝儀的呼吸室中進行30min的恢復代謝測定。溶氧數(shù)據(jù)采集時間分別為0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30min。在恢復代謝測定過程中， 呼吸室流速約為500 mL/min。經(jīng)計算， 在此流速條件下呼吸室水體置換率達99%的歷時小于1min[22]。因此， 將隨后數(shù)分鐘出現(xiàn)的最大耗氧率作為實驗魚的MMR， 其計算公式與RMR一樣。魚類的EPOC是指其在運動恢復期內(nèi)超過靜止狀態(tài)耗氧水平的額外耗氧量， 在一定程度上反映了魚類的最大無氧代謝能力， 計算恢復期內(nèi)高于運動前的差值在時間上的總和即為該時期的EPOC[15]。為便于比較不同鯽個體的代謝恢復特征， 本研究僅選取前10min的EPOC用于數(shù)據(jù)分析。

1.5 Ucat的測定

本研究共采用了4個加速度(0.083、0.167、0.250、0.333 cm/s2)， 每天只測定1個加速度下實驗魚的Ucat。將魚放入游泳代謝儀的游泳管中馴化1h， 管內(nèi)流速為6.0 cm/s。馴化結(jié)束后， 流速從6.0 cm/s開始按照某一加速度(每秒種遞增)逐漸增加游泳代謝儀的流速， 直至實驗魚運動力竭， 該力竭狀態(tài)被認為是魚類的最大勻加速游泳能力， 此時對應的流速即為實驗魚的Ucat。游泳代謝儀的流速控制由電腦軟件完成， 可即時觀察游泳管中即時流速及其變化特征。在測定過程中， 在游泳管正上方安裝一臺高清攝像機， 錄像單尾魚整個的勻加速游泳過程。對獲取的視頻資料分析確定實驗魚首次“爆發(fā)–滑行”游泳行為的出現(xiàn)時間并結(jié)合擺尾頻率的變化特征， 以確定在Ucat測定過程中實驗魚的Ugt。

1.6 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Excel (2003)軟件對所有實驗數(shù)據(jù)作常規(guī)計算， 統(tǒng)計軟件為SPSS (19.0)軟件。實驗數(shù)據(jù)均以“平均值±標準誤”(Means±SE)表示， 顯著水平為P＜0.05。Ucrit測定中的能量代謝參數(shù)與游泳能力的關(guān)系及Ucat與無氧代謝(Ucat–Ugt)的關(guān)系均采用一般線性回歸方程。兩種方法誘導MMR和AS的比較采用T-檢驗， 能量代謝參數(shù)之間的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析。采用單因素方差分析考察不同加速度對游泳能力參數(shù)的影響， 若組間存在顯著差異則采用最小顯著性差異法(Least significant difference，LSD)檢驗組間數(shù)據(jù)差異。采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(Intraclass correlation coefficient， ICC)和肯德爾和諧系數(shù)(Kendall concordance coefficient， KCC)考察勻加速游泳能力參數(shù)在不同加速度條件下的重復性。

2 結(jié)果

2.1 Ucrit中能量代謝與游泳速度的關(guān)系

在Ucrit法中鯽幼魚的MMR和AS均與Ucrit呈正相關(guān)， 但RMR與Ucrit不相關(guān)(圖 1A)。此外， 鯽幼魚的能量代謝參數(shù)(MMR、AS、RMR)與Ugt不相關(guān)(圖 1B， 所有P＞0.05)。

圖 1 鯽幼魚能量代謝與游泳速度的關(guān)系Fig. 1 The relationships between metabolic rates and swimming velocity in juvenile crucian carp

2.2 兩種方法中鯽幼魚能量代謝參數(shù)的比較及相關(guān)性

本研究采用了2種常規(guī)誘導魚類最大代謝率的方法， 分別為Ucrit法和EPOC法。結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 兩種方法獲取鯽幼魚的MMR和AS均無顯著性差異(圖2A， MMR:T=0.200，P=0.843； AS:T=0.220，P=0.827)； 同樣， 2種方法獲得的FAS (Ucrit法:4.84±0.38； EPOC法: 4.98±0.36)也無明顯差異(T=0.593，P=0.558)。雖然2種方法獲得能量代謝參數(shù)的平均值無差異， 但2種方法的能量代謝參數(shù)(MMR、AS和FAS)仍保持較高的重復性(圖 2B，MMR:r=0.434，P=0.017； 圖 2C， AS:r=0.493，P=0.006； 圖 2D， FAS:r=0.808，P＜0.001)。

在Ucrit法中， 鯽幼魚的RMR與MMR及AS均不相關(guān)， 但與FAS呈負相關(guān)； MMR與AS及FAS呈正相關(guān)， AS與FAS也呈正相關(guān)(表 1)。在EPOC法中， 鯽幼魚的RMR與MMR不相關(guān)， 但與AS、FAS、EPOC均呈負相關(guān)， MMR與AS、FAS、EPOC均呈正相關(guān)(表 1)。AS、FAS、EPOC三者之間呈正相關(guān)(表 1)。

2.3 鯽幼魚的有氧和無氧運動能力

鯽幼魚的Ucrit低于不同加速度條件下的Ucat， 但加速度對Ucat測定無顯著影響(圖 3A，F(xiàn)=9.333，P＜0.001)。然而， 隨加速度的增加，Ugt呈現(xiàn)先增加后下降的變化規(guī)律(圖 3B，F(xiàn)=87.386，P＜0.001)。與Ugt類似， 運動能力比例(Ugt/Ucrit或Ugt/Ucat)也呈現(xiàn)先遞增后降低的變化趨勢(圖 3C，F(xiàn)=58.797，P＜0.001)。

不論是Ucrit法還是Ucat法， 鯽幼魚在兩方法中的Ugt均與Ucrit或Ucat呈現(xiàn)正相關(guān)， 并且在不同加速度條件下Ugt與Ucat呈現(xiàn)的正相關(guān)方向保持不變(表2)。此外， 鯽幼魚的勻加速游泳能力參數(shù)[Ucat，Ugt，Ugt/Ucat，Ucat–Ugt， (Ucat–Ugt)/Ucat]在不同加速度條件下均保持較高的重復性(表 3)。

從加速度0.083 cm/s2逐漸增加至0.250 cm/s2，鯽幼魚Ucat的無氧代謝能力(Ucat–Ugt)與Ucat之間均呈現(xiàn)正相關(guān)(圖 4A-C， 所有P＜0.01)， 而在加速度0.333 cm/s2下二者不相關(guān)(圖 4D，r=0.342，P=0.069)。在勻加速能力測定中， 鯽幼魚的有氧代謝能力(Ugt)與無氧代謝能力(Ucat–Ugt)呈負相關(guān)， 即二者存在權(quán)衡(圖 5，r= –0.607，P＜0.001)。

3 討論

3.1 鯽幼魚有氧運動能力與能量代謝的關(guān)系

圖 2 兩種運動方式誘導鯽幼魚有氧代謝能力的比較及相關(guān)性Fig. 2 The comparison and relationship in aerobic capacities induced by two methods in juvenile crucian carp

表 1 兩種方法中鯽幼魚能量代謝參數(shù)之間的相關(guān)性Tab. 1 Correlations among parameters of metabolic rate induced by two exercised methods in juvenile crucian carp

隨著游泳速度逐漸增加至Ucrit時， 魚類呼吸循環(huán)系統(tǒng)的生理功能處于最大負荷狀態(tài)， 表現(xiàn)出最大有氧代謝水平， 常用來評價魚類的有氧運動能力[23]。本研究發(fā)現(xiàn)， 鯽幼魚的運動代謝率隨游泳速度的增加而呈指數(shù)性上升， 并且其MMR和AS與Ucrit均呈現(xiàn)正相關(guān)， 即有氧代謝能力越強的個體可以支撐更強水平的有氧運動， 反之亦然。這種現(xiàn)象不僅存在于鯉科魚類的種間水平[13]， 而且也發(fā)現(xiàn)于鯉科魚類的種內(nèi)水平[7，24]。本研究還發(fā)現(xiàn)鯽幼魚的RMR與Ucrit不相關(guān)， 這與鯉(Cyprinus carpioLinnaeus)[7]和青魚(Mylopharyngodon piceusRichardson)[24]的正相關(guān)報道并不一致。在Ucrit測定過程中， 鯽幼魚的Ucrit與Ugt呈正相關(guān)， 但Ugt與該種魚的MMR、AS及RMR均不相關(guān)， 這可能是因為鯽幼魚首次出現(xiàn)“爆發(fā)–滑行”游泳行為時(Ugt)的有氧代謝水平低于Ucrit時的MMR， 并且這兩個代謝水平間的差距因個體而異， 具有明顯個體變異； 另一方面由于游泳速度與有氧代謝之間的擬合方程指數(shù)不盡相同， 即相同游泳速度的增加， 指數(shù)越大的鯽個體其有氧代謝上升更為明顯[11，19]。

圖 3 鯽幼魚游泳能力參數(shù)的比較Fig. 3 The comparisons between parameters of swimming performance in juvenile crucian carp under two exercised methods

表 2 鯽幼魚最大游泳能力與步法轉(zhuǎn)換速度的回歸方程Tab. 2 Regressions (±SE) of gait transition speed (x) as a function of swimming velocity (y， Ucrit or Ucat)， y=a x+b

表 3 鯽幼魚勻加速游泳能力參數(shù)的重復性Tab. 3 Repeatability of parameters of acceleration swimming performance in juvenile crucian carp

本研究采用了Ucrit法和EPOC法誘導鯽幼魚的MMR和AS， 發(fā)現(xiàn)Ucrit法中MMR和AS的平均值與EPOC法的十分相近且無明顯差異。然而， 這只是在組間水平的平均值差異檢驗， 還可以在組內(nèi)個體水平上對兩種方法進行比較。為此， 本研究將Ucrit法的能量代謝參數(shù)(MMR、AS和FAS)分別與EPOC法的進行重復性分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 3個能量代謝參數(shù)在兩種方法之間保持較高的重復性， 即個體的生理表型保持較強的可重復測量水平并且在種群中的表型排序維持穩(wěn)定， 表明在排除環(huán)境因素(如水溫、體重和溶氧)后， 不論Ucrit法和EPOC法誘導魚類的最大有氧代謝能力均可采用并進行比較。值得注意的是， 不論Ucrit法還是EPOC法均是排除實驗魚消化道中食物消化吸收的影響， 但先前研究發(fā)現(xiàn)魚類最大代謝率的誘導與其代謝模式有關(guān)，食物的消化吸收和游泳運動同時進行的方式可誘導某些魚類(如鯉)的最大代謝率[23]， 這種由2種生理活動疊加誘導的最大代謝率明顯大于單一生理活動(運動或消化)的誘導值。因此， 在方法采用時還需要考慮實驗魚的代謝模式類型。

3.2 鯽幼魚RMR與MMR或AS的關(guān)系

RMR是魚類機體的最小維持代謝水平， 而MMR或AS代表了機體的最大有氧代謝能力， 二者的關(guān)系引起研究者的廣泛關(guān)注[25]。如果自然選擇傾向于動物既具有較低的能量維持消耗又具有較強的最大代謝能力的表型特征組合， 那么擁有這種最佳表型組合的動物在自然界中具有極高的適合度[25]，然而這種最佳表型關(guān)聯(lián)的進化結(jié)果可能是不存在的[26，27]。根據(jù)內(nèi)溫動物有氧代謝能力的進化理論，自然選擇在傾向于選擇個體擁有較強的最大有氧代謝能力同時也會傾向于選擇較高的維持代謝， 因為具備較強功能的器官(如發(fā)達的呼吸循環(huán)系統(tǒng)和運動系統(tǒng))的機體相應具有更多收益(即具有更高的最大代謝率)， 但這些器官也具有相應的代價(即相應較高的能量消耗)[28]。因此， 維持代謝消耗與最大代謝率在理論上將呈正相關(guān)。支持該假說的魚類實驗證據(jù)已見報道， 例如鯉[7]、青魚[24]和鱒(Salmo truttaLinnaeus)[25]的RMR與MMR呈現(xiàn)正相關(guān)。

圖 4 不同加速度條件下鯽幼魚勻加速游泳能力與無氧代謝的關(guān)系Fig. 4 Relationships between acceleration swimming performance and anaerobic metabolism in juvenile crucian carp at different accelerated rates

圖 5 鯽幼魚的有氧代謝能力(Ugt)與無氧代謝能力(Ucat–Ugt)的相關(guān)性Fig. 5 Relationship between aerobic metabolic capacity and anaerobic metabolic capacity in juvenile crucian carp

對于魚類種內(nèi)RMR與MMR呈正相關(guān)而言， 在排除體重差異和發(fā)育因素外迄今還未找到與之有關(guān)器官形態(tài)學的證據(jù)， 但在生化水平上發(fā)現(xiàn)證據(jù):如鱒肝臟上兩種有氧代謝關(guān)鍵酶的活性與RMR及MMR均呈正相關(guān)[25]。然而， 也有研究發(fā)現(xiàn)南方鲇(Silurus meridionalisChen)的RMR與MMR及AS不相關(guān)[14]； 歐鱸(Dicentrarchus labraxLinnaeus)[5]、鯽[15]和鳊(Parabramis pekinensisBasilewsky)[16]的RMR與MMR不相關(guān)， 與AS呈負相關(guān)； 大西洋鮭(Salmo salarLinnaeus)的RMR與FAS呈現(xiàn)負相關(guān)[29]，暗示該種魚的RMR與MMR也不相關(guān)； 上述研究表明不同魚類的研究結(jié)果差異甚大， 但可總結(jié)為兩種類型: 一是正相關(guān)， 二是不相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)， 兩種運動法中鯽幼魚RMR與MMR均不相關(guān)， EPOC法中RMR與AS呈負相關(guān)， 符合第二種相關(guān)類型。在自然界中， 假定自然選擇會使魚類同時具有較強的有氧代謝能力和較高的代謝維持， 并且較強的有氧代謝能力有助于個體的生存、生長和繁衍[30]， 理論上擁有該表型個體會獲得較高的適合度。因此， 在長進化時間尺度上， 自然選擇結(jié)果是該魚類種群的有氧代謝能力表型峰值更高且表型維度變異較窄。然而， 這種理論推測并未得到野外和實驗室觀測數(shù)據(jù)的支持， 因為野外和實驗室表型特征的個體變異仍然較大[3—5]。另一方面， 在實驗室條件下可以獲取魚類的最大有氧代謝能力， 但無法確定魚類在野外條件下最大有氧代謝能力的使用頻率[31]， 該功能表型受到自然選擇的強度及其與生活史的關(guān)聯(lián)的研究也十分困難， 這也可能是導致維持代謝與最大代謝不相關(guān)的原因之一。

3.3 鯽幼魚的勻加速能力及加速度影響

魚類勻加速游泳能力的評價研究最早見于2000年報道， 該研究采用的加速度為0.167 cm/s2[10 (cm/s)/min][3]， 但該研究并未對加速度的采用原因進行解釋， 即加速度的影響被忽視。本研究發(fā)現(xiàn)在4個加速度(0.083、0.167、0.250、0.333 cm/s2)下鯽幼魚的勻加速能力Ucat不受加速度的影響。同樣， 虹鱒(Oncorhynchus mykissWalbaum)[32]和鳊幼魚的Ucat在較大加速度范圍內(nèi)也保持不變[33，34]， 與本研究結(jié)果類似。前期研究發(fā)現(xiàn)在較小加度速下的Ucat介于Ucrit與較大加速度下Ucat之間[33，34]， 即加速度越小，Ucat值越接近于Ucrit， 本研究鯽幼魚Ugt也具有相似變化規(guī)律， 該現(xiàn)象可能是因為在較小加速度條件下實驗魚在大部分時間進行有氧運動，Ucrit很大程度上反映了魚類有氧代謝能力并且可被認為是最小勻加速的特例， 魚類的低勻加速游泳是一種非常接近有氧運動的游泳類型， 因而低加速度下Ucat值接近Ucrit值[33]。然而， 從另一方面考慮， 如果以過大加速度考察魚類的勻加速游泳能力， 加速度越快， 實驗魚的運動力竭時間相應越短[33]， 那么過高的加速度將影響魚類勻加速游泳能力的準確評估， 因為過快頻率的流速變化可能導致實驗魚提前停止游泳而造成假的運動力竭現(xiàn)象。值得注意的是， Farrell研究的加速度遞增時間為每分鐘[32]， 本研究中及實驗室前期研究[33，34]的加速度遞增時間為每秒鐘。以每秒鐘遞增的加速度的設定方式對魚類勻游泳運動的引導作用更為積極連貫， 可更好反映魚類的勻加速游泳能力， 同時降低了因流速的突然陡增對魚產(chǎn)生的生理脅迫影響。

研究認為， 魚類Ucat包括有氧代謝組分(Ugt)和無氧代謝組分(Ucat–Ugt)， 并且2個組分間可能存在權(quán)衡， 因為前者是由紅肌有氧代謝供能而后者是白肌無氧代謝供能[4，5]。本研究發(fā)現(xiàn)鯽幼魚的Ugt與Ucat–Ugt呈現(xiàn)負相關(guān)， 并且Ucat與Ucat–Ugt呈正關(guān)， 表明該種魚在勻加速游泳能力過程中有氧代謝和無氧代謝之間存在權(quán)衡。大西洋鱈(Gadus morhuaLinnaeus)的研究數(shù)據(jù)支持上述權(quán)衡觀點[3]， 但歐鱸的實驗結(jié)果并不支持[4，5]。上述權(quán)衡觀點在人類運動員研究中找到了肌肉形態(tài)結(jié)構(gòu)的支持證據(jù)， 即短跑運動員的腿部快肌(無氧代謝)擁有比例高于慢肌(有氧代謝)， 而馬拉松運動員的腿部慢肌(有氧代謝)擁有比例高于快肌(無氧代謝)[35]。同樣， 大部分魚類的肌肉組成也包括常見的紅肌和白肌兩種類型， 二者的解剖學結(jié)構(gòu)差異明顯， 是上述功能權(quán)衡的形態(tài)學基礎(chǔ)[36]。隨著游泳速度的逐漸增加， 魚類的游泳行為特征發(fā)生相應變化， 例如: 在較高游泳速度下穩(wěn)定游泳的控制程度下降， 擺尾幅度和頻率增加[20]及“爆發(fā)–滑行”行為的發(fā)生頻率上升[10]； 在生化角度上， 無氧代謝大量參與的證據(jù)在于魚類體內(nèi)重要器官(如肌肉、肝臟和血液)的乳酸水平明顯上升， 但是在靜止狀態(tài)下也保持一定的乳酸水平[18，33，34]， 代謝底物和產(chǎn)物含量的個體差異可能有助于解釋上述權(quán)衡現(xiàn)象。然而， 驗證上述權(quán)衡的不同研究結(jié)果出現(xiàn)分歧， 仍有必要結(jié)合形態(tài)學與生化水平進一步探索權(quán)衡現(xiàn)象背后的內(nèi)在機制。

綜上所述， 本研究采用2種運動方法誘導鯽幼魚有氧代謝能力的觀測值不論在組間水平還是個體水平均無方法學的差異， 并且能量代謝參數(shù)之間存在表型關(guān)聯(lián)； 加速度對鯽幼魚的Ucat測定無影響，建議選擇較高的加速度， 加速度對Ugt測定有影響，在不同加速度條件下鯽幼魚的勻加速游泳能力保持較高的重復性， 并且有氧代謝與無氧代謝存在權(quán)衡。

參考文獻:

[1] Plaut I. Critical swimming speed: its ecological relevance[J].Comparative Biochemistry and Physiology A， 2001，131(1): 41—50

[2] Peake S J. Gait transition speed as an alternate measure of maximum aerobic capacity in fishes [J].Journal of Fish Biology， 2008， 72(3): 645—655

[3] Reidy S P， Kerr S R， Nelson J A. Aerobic and anaerobic swimming performance of individual Atlantic cod [J].Journal of Experimental Biology， 2000， 203(2): 347—357

[4] Marras S， Claireaux G， McKenzie D J，et al. Individual variation and repeatability in aerobic and anaerobic swimming performance of European sea bass，Dicentrarchus labrax[J].Journal of Experimental Biology， 2010，213(1): 26—32

[5] Marras S， Killen S S， Domenici P，et al. Relationships among traits of aerobic and anaerobic swimming performance in individual European sea bassDicentrarchus labrax[J].PLoS One， 2013， 8(9): e72815

[6] Pang X， Fu S J， Li X M，et al. The effects of starvation and re-feeding on growth and swimming performance of juvenile black carp (Mylopharyngodon piceus) [J].Fish Physiology and Biochemistry， 2016， 42(4): 1203—1212

[7] Pang X， Fu S J， Zhang Y G. Acclimation temperature alters the relationship between growth and swimming performance among juvenile common carp (Cyprinus carpio) [J].Comparative Biochemistry and Physiology A，2016， 199: 111—119

[8] Penghan L Y， Pang X， Fu S J. The effects of starvation on fast-start escape and constant acceleration swimming performance in rose bitterling (Rhodeus ocellatus) at two acclimation temperatures [J].Fish Physiology and Biochemistry， 2016， 42(3): 909—918

[9] Burton T， Killen S S， Armstrong J D，et al. What causes intraspecific variation in resting metabolic rate and what are its ecological consequences [J]?Proceedings of the Royal Society B， 2011， 278(1724): 3465—3473

[10] Norin T， Malte H. Repeatability of standard metabolic rate， active metabolic rate and aerobic scope in young brown trout during a period of moderate food availability[J].Journal of Experimental Biology， 2011， 214(10):1668—1675

[11] Pang X， Yuan X Z， Cao Z D，et al. Analysis of power curve model on swimming locomotion in qingbo (Spinibarbus sinensis) [J].Journal of Chongqing Normal University(Natural Sciences)， 2012， 29(6): 26—29 [龐旭， 袁興中， 曹振東， 等. 中華倒刺鲃幼魚的游泳運動功率曲線模型分析. 重慶師范大學學報(自然科學版)， 2012，29(6): 26—29]

[12] Yang Y， Cao Z D， Fu S J. Effects of water temperature on the critical swimming speed and metabolic scope of juvenileParabramis pekinensis[J].Chinese Journal of Ecology， 2013， 32(5): 1260—1264 [楊陽， 曹振東， 付世建. 溫度對鳊幼魚臨界游泳速度和代謝范圍的影響. 生態(tài)學雜志， 2013， 32(5): 1260—1264]

[13] Yan G J， He X K， Cao Z D，et al. An interspecific comparison between morphology and swimming performance in cyprinids [J].Journal of Evolutionary Biology，2013， 26(8): 1802—1815

[14] Zeng L Q， Penghan L Y， Wang J W，et al. Repeatability and variation in locomotion metabolism of the juvenile southern catfish during starvation [J].Journal of Fisheries of China， 2015， 39(1): 52—64 [曾令清， 彭韓柳依，王健偉， 等. 南方鲇幼魚運動代謝的個體變異和重復性及其饑餓響應. 水產(chǎn)學報， 2015， 39(1): 52—64]

[15] Zeng L Q， Fu S J， Cao Z D. Correlations between standard metabolic rate and metabolic characteristics after exhaustive exercise， and behaviour in the juvenile crucian carp (Carassius auratus) [J].Acta Ecologica Sinca， 2016，36(6): 1747—1755 [曾令清， 付世建， 曹振東. 鯽幼魚(Carassius auratus)標準代謝的個體差異與力竭后代謝特征及行為的關(guān)聯(lián). 生態(tài)學報， 2016， 36(6): 1747—1755]

[16] Zeng L Q， Fu C， Xi L，et al. Phenotypic correlations and individual variation of energy metabolism and personality in juvenile Chinese bream (Parabramis pekinensis)[J].Acta Ecologica Sinca， 2017， 37(14): 4807—4816 [曾令清， 付成， 奚露， 等. 鳊幼魚能量代謝和個性行為的個體變異及表型關(guān)聯(lián). 生態(tài)學報， 2017， 37(14): 4807—4816]

[17] Milligan C L， Wood C M. Tissue intracellular acid-base status and the fate of lactate after exhaustive exercise in the rainbow trout [J].Journal of Experimental Biology，1986， 123(2): 123—144

[18] Li L， Cao Z D， Fu S J. Lactate， glycogen and glucose levels of juvenile catfish (Silurus asotusLinnaeus) in response to exhaustive exercise [J].Acta Hydrobiologica Sinica， 2007， 31(6): 127—132 [李黎， 曹振東， 付世建. 力竭性運動后鲇魚幼魚乳酸、糖原和葡萄糖水平的變動.水生生物學報， 2007， 31(6): 127—132]

[19] Lee C G， Farrell A P， Lotto A，et al. Excess post-exercise oxygen consumption in adult sockeye (Oncorhynchus nerka) and coho (O. kisutch) salmon following critical speed swimming [J].Journal of Experimental Biology，2003， 206(18): 3253—3260

[20] Killen S S， Marras S， Steffensen J F，et al. Aerobic capacity influences the spatial position of individuals within fish schools [J].Proceedings of The Royal Society B，2012， 279(1727): 357—364

[21] Kieffer J. Limits to exhaustive exercise in fish [J].Comparative Biochemistry and Physiology A， 2000， 126(2):161—179

[22] Steffensen J F. Some errors in respirometry of aquatic breathers: how to avoid and correct fro them [J].Fish Physiology and Biochemistry， 1989， 6(1): 49—59

[23] Fu S J， Cao Z D， Zeng L Q，et al. Fish Locomotionstrategy and Adaptive Evolution [M]. Beijing: Science Press. 2014， 73—150 [付世建， 曹振東， 曾令清， 等. 魚類游泳運動-策略與適應性進化. 北京: 科學出版社. 2014，73—150]

[24] Pang X， Fu S J， Zhang Y G. Individual variation in metabolism and swimming performance in juvenile black carp(Mylopharyngodon piceus) and the effects of hypoxia [J].Marine and Freshwater Behaviour and Physiology， 2015，48(6): 431—443

[25] Norin T， Malte H. Intraspecific variation in aerobic metabolic rate of fish: relations with organ size and enzyme activity in brown trout [J].Physiological and Biochemical Zoology， 2012， 85(6): 645—656

[26] Hammond K A， Diamond J. Maximal sustained energy budgets in humans and animals [J].Nature， 1997，386(6624): 457—462

[27] Hayes J P， Garland Jr. The evolution of endothermy: testing the aerobic capacity model [J].Evolution， 1995，49(5): 836—847

[28] Bennett A F， Ruben J A. Endothermy and activity in vertebrates [J].Science， 1979， 206(4419): 649—654

[29] Cutts C J， Metcalfe N B， Taylor A C. Juvenile Atlantic salmon (Salmo salar) with relatively high standard metabolic rates have small metabolic scopes [J].Functional Ecology， 2002， 16(1): 73—78

[30] Claireaux G， Handelsman C， Standen E，et al. Thermal and temporal stability of swimming performance in the European sea bass [J].Physiological and Biochemical Zoology， 2007， 80(2): 186—196

[31] Peake S J， Farrell A P. Locomotory behaviour and postexercise physiology and oxygen consumption in relation to swimming speed and gait transition in free-swimming smallmouth bass (Micropterus dolomieu) [J].Journal ofExperimental Biology， 2004， 207(9): 1563—1575

[32] Farrell A P. Comparisons of swimming performance in rainbow trout using constant acceleration and critical swimming speed tests [J].Journal of Fish Biology， 2008，72(3): 693—710

[33] Wang J W， Cao Z D， Fu S J. The constant acceleration swimming performance in juvenile Chinese bream (Parabramis pekinensis) [J].Journal of Chongqing Normal University(Natural Science)， 2015， 32(2): 13—16 [王健偉， 曹振東， 付世建. 鳊魚勻加速游泳能力的研究. 重慶師范大學學報(自然科學版)， 2015， 32(2): 13—16]

[34] Wang J W， Cao Z D， Fu S J. A comparison of constant acceleration swimming speeds when acceleration rates are different with critical swimming speeds in Chinese bream under two oxygen tensions [J].Fish Physiology and Biochemistry， 2016， 42(5): 1453—1461

[35] Komi P V. Physiological and biochemical correlates of muscle function: effects of muscle structure and stretchshortening cycle on force and speed [J].Exercise and Sport Sciences Reviews， 1984， 12(1): 81—121

[36] Seebacher F， Walter I. Differences in locomotor performance between individuals: importance of parvalbumin，calcium handling and metabolism [J].Journal of Experimental Biology， 2012， 215(4): 663—670