王 蕾,唐金玉,覃英蓮,曾令清,彭姜嵐,付世建

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

季節(jié)更替、氣候變化和人為活動等因素導致自然界水體食物豐度發(fā)生波動或時空分布不均,使得魚類經(jīng)常面臨食物匱乏甚至饑餓風險[1- 4]。因此,魚類在長期進化過程中形成了一系列的生理生化和行為策略來應對食物豐度的變動,如增加覓食空間、減少日?；顒雍徒档湍芰看x等[5]。標準代謝率(Standard metabolic rate, SMR)是指變溫動物在非活動、無食物消化吸收狀態(tài)的最小機體能量消耗強度,通常以耗氧率表征SMR[6- 9]。研究發(fā)現(xiàn)在種內(nèi)的不同個體間存在穩(wěn)定的SMR個體差異[10],且這種差異在經(jīng)體重、年齡、性別等校正后仍可達2—3倍[11-12]。SMR是動物生活史理論重要的能量代謝參數(shù),某些種類的SMR可占個體能量總支出的50%[13]。由于個體在整個生活史中從外界獲取的總能量有限,SMR所占比例直接影響機體其他生理功能(如生長和繁殖)的能量分配,進而對個體乃至種群的生活史特征和適合度產(chǎn)生影響[11,14]。因此,食物豐度的改變會顯著影響魚類的SMR[15-16]。

穩(wěn)定個體差異(Consistent individual difference, CID)普遍存在于自然界中,它是指動物表型(如生理和行為等)在種內(nèi)水平上表現(xiàn)出來的個體差異,并且這種差異在一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定[17]。研究者把動物行為的CID稱為動物“個性”,通常用勇敢性、探索性和活躍性等指標來衡量。勇敢性是指動物對潛在風險的反應,是評價動物為獲取更多食物或繁殖機會而愿意承擔風險的個性行為[18]。探索性是指動物在面臨新異環(huán)境時收集信息并適應該環(huán)境的自適應過程[19-20],主要體現(xiàn)在面臨新環(huán)境時表現(xiàn)出來的離開隱蔽場所以及通過視覺或嗅覺搜集隱蔽場所之外的信息等個性行為[21]?；钴S性是指動物不受外部環(huán)境刺激僅僅由于自身狀態(tài)所引起的行為活動[22-23],主要采用自發(fā)運動作為指標,與機體覓食、尋找配偶、避敵等行為密切相關(guān)[24]。研究發(fā)現(xiàn),魚類的個性行為常常受到遺傳因素、環(huán)境條件以及其生活史階段特征的影響,且與機體的SMR密切關(guān)聯(lián)[25-26]；其中,饑餓脅迫導致的個性行為的變化在花鳉(Brachyraphisepiscopi)[27]和歐鱸(Dicentrarchuslabrax)[28]等不同魚類均得到證實。這些研究發(fā)現(xiàn)饑餓過程中魚類個性行為的變化可能存在種間差異,而特定種類個性行為在食物短缺條件下的適應性調(diào)整是否與能量代謝特征相關(guān)值得研究者關(guān)注[29]。

魚類成群聚集、協(xié)調(diào)一致的集體行動被稱為集群行為[30],大多數(shù)魚類在其生活史的特定時期甚至整個生活史周期呈現(xiàn)集群行為[31]。魚類集群行為有降低被捕食風險、增加覓食成功率和改善游泳效率等益處[32]；但同時也會加劇食物和配偶的資源競爭[33]?，F(xiàn)有研究通常關(guān)注個體行為及其交互作用如何影響魚群的群體特征,其中最主要的群體特征為凝聚力和協(xié)調(diào)性。凝聚力通常以群體的個體間距離和最近鄰距離等來衡量,而協(xié)調(diào)性主要通過不同個體之間游泳速度的同步性、群體極性、空間分布等來衡量[34-35]。研究發(fā)現(xiàn),魚類的集群行為與機體營養(yǎng)狀況密切關(guān)聯(lián),可能顯著影響魚類的日常能量消耗[17]。

本研究的目的是考察食物資源短缺下暖水性鯉科魚類能量代謝、個性與集群行為的應對策略及其可能的內(nèi)在關(guān)聯(lián),即三者之間的變化是否存在關(guān)聯(lián)。本研究以喜好流水生活的中華倒刺鲃(Spinibarbussinensis)幼魚作為實驗對象,測定饑餓前后實驗魚的SMR、個性行為(勇敢性、探索性、活躍性)以及集群行為(凝聚力和協(xié)調(diào)性)等能量代謝和行為學參數(shù)。中華倒刺鲃是一種喜好群體生活的鯉科魚類,在野外或?qū)嶒炇覘l件下均呈現(xiàn)明顯的集群行為[36]。

1 材料與方法

1.1 實驗魚來源及其馴化

中華倒刺鲃幼魚(3—7 g)購于重慶本地漁場,于實驗室自凈化循環(huán)控溫水槽(長1.2 m×寬0.55 m×高0.55 m,約250 L)中馴養(yǎng)兩周。馴化水溫為(25±0.5)℃,實驗用水為曝氣除氯自來水,溶氧水平維持接近飽和狀態(tài)(≥7.0 mg/L),日換水量約為10%,馴化期間的光周期為14 L∶10 D。馴化期間,每日10:00AM用中國通威公司的浮性飼料飽足投喂實驗魚,投喂30 min后,用虹吸管清除剩余餌料和糞便。

1.2 實驗設(shè)計

馴養(yǎng)結(jié)束后,稱取魚體健康、體重相近(5.25±0.16)的實驗魚200尾,使用體內(nèi)PIT(Passive integrated transponder)方法進行電子標簽體內(nèi)標記以便區(qū)分實驗魚,隨后進行兩周的恢復?；謴徒Y(jié)束后隨機選取80尾魚測定其體重、體長及SMR,之后隨機均分為饑餓組和對照組(其中對照組1尾實驗魚實驗測定過程出現(xiàn)技術(shù)故障,該數(shù)據(jù)未納入分析),每組40尾,饑餓組實驗魚進行2周饑餓處理,對照組實驗魚每天以維持日糧(根據(jù)預實驗得到)水平投喂一次。與此同時測定剩余120尾魚的體重、體長及個性行為(勇敢性、探索性和活躍性)。測定結(jié)束后,也將實驗魚隨機均分為饑餓組和對照組。兩周處理之后,分別測定80尾實驗魚的SMR和120尾實驗魚的個性行為,同時測定實驗魚的體重和體長。最后選取測定SMR的80尾實驗魚,分別以4尾魚為單位組成饑餓組和對照組魚群(每處理組n=10),通過視頻拍攝的方式記錄饑餓和對照魚群的集群行為。實驗過程中溶氧、水溫、光照等條件與馴化期間保持一致。

1.3 實驗參數(shù)的測定

1.3.1 SMR的測定

本研究SMR測定儀器為實驗室自制流水式呼吸代謝儀,儀器的原理結(jié)構(gòu)詳見已發(fā)表論文[37]。將禁食24 h并測定體重的實驗魚放入代謝儀呼吸室,再進行24 h適應。隨后采用溶氧儀(HQ30d,美國哈希公司)每小時測定一次每尾實驗魚的耗氧率,每天測定12個點(08:00—20:00),連續(xù)測定兩天。得到24個耗氧值,以其平均值作為對應實驗魚的SMR。實驗魚SMR(mgO2/h)的計算公式如下：

SMR=ΔO2×v

式中,ΔO2是實驗魚所在呼吸室出水口與空白對照溶氧的差值(mg/L),v是呼吸室的流速(L/h)。

1.3.2 個性行為的測定

圖1 魚類勇敢性、探索性和自發(fā)運動測定裝置平面圖 Fig.1 The structure of the device used to determine boldness, exploration and activity in fish speciesr:遮蔽區(qū), refuge; d:可拆卸隔板小門, sliding door; oz:開闊區(qū), open zone; ct:連接, connecting tube

個性指標采用實驗室自制的魚類行為測定裝置(圖1)測定,該裝置主體為非透明有機玻璃制作的方形水槽(長70 cm×寬35 cm×高35 cm)。用有機玻璃隔板將玻璃缸分為大小不等兩個區(qū)域,即開闊區(qū)(Open zone：長55 cm×寬35 cm×高35 cm)和遮蔽區(qū)(Refuge：長15 cm×寬35 cm×高35 cm)。有機玻璃隔板底部中央有一正方形開口(10 cm×10 cm)連通遮蔽區(qū)和開闊區(qū),并附帶有可拆卸的隔板小門(Sliding door)。開闊區(qū)正上方安置與計算機連接的高清攝像頭(Logitech Webcam C930e)。拍攝時測定裝置加入曝氣自來水,水深12 cm,水溫控制在(25±0.5)℃。

行為測定時首先將實驗魚放置在遮蔽區(qū)適應30 min,隨后輕輕提起隔板小門,開始持續(xù)20 min的視頻拍攝(15幀s-1),通過實驗魚在遮蔽區(qū)和開闊區(qū)的行為進行勇敢性分析。待勇敢性觀測結(jié)束后,將實驗魚引入遮蔽區(qū),閉合小門,放置一個內(nèi)徑為4 cm藍色的PVC直角連接管于開闊區(qū)遠離遮蔽區(qū)一端(該陌生物體距離邊緣15 cm中心處,開口背向遮蔽區(qū))。待實驗魚恢復20 min后,再次提起小門并開始20 min 的視頻拍攝,通過實驗魚對陌生物體的偵查行為進行探索性分析。探索性觀測結(jié)束后,立即取出陌生物體,確保實驗魚處于開闊區(qū)并閉合小門,待其恢復10 min后進行10 min的自發(fā)游泳行為的拍攝,用于活躍性分析。

勇敢性參數(shù)采用游出遮蔽區(qū)的次數(shù)和在開闊區(qū)停留時間(min),由人工觀測計數(shù)得到結(jié)果；探索性參數(shù)采用距離陌生物體的平均距離(cm)和進入陌生物體的次數(shù)。大部分實驗魚在20 min的觀測期內(nèi)會離開遮蔽區(qū)接近陌生物體在進行探索,其中37尾實驗魚觀測過程一直停留于遮蔽區(qū)內(nèi),無法進行偵查行為的評估?；钴S性參數(shù)采用實驗魚在開闊區(qū)移動的總距離(m)和移動時間(min)。探索性和活躍性視頻皆由Noldus動物運動軌跡跟蹤軟件(EthoVision XT 9.0, Noldus, Netherlands)軟件分析；其中,探索性測定過程中,若實驗魚未游出遮蔽區(qū)(r)進入開闊區(qū)探索則不計入統(tǒng)計?；钴S性測定過程中5尾魚視頻出現(xiàn)技術(shù)故障無法進行視頻解析未計入結(jié)果。

實驗魚的個性指標均在第二天進行重復測定,以2次測定的平均值進行后續(xù)的統(tǒng)計分析[29]。

1.3.3 群體行為的測定

已有研究表明鯉科魚類4尾魚聚集時會出現(xiàn)典型的群體現(xiàn)象[38],在本研究集群行為測定過程中將以每4尾魚作為一個群體。群體行為由直徑50 cm的圓形魚類集群行為測定裝置測定,該裝置上方放置連接計算機的攝像頭。測定時從對照組或饑餓組隨機選4尾實驗魚放入該裝置適應10 min后,打開攝像頭進行20 min的拍攝。拍攝視頻(15幀/s)采用idTracker圖像軟件分析,獲取每尾實驗魚每一幀的運動軌跡及其坐標點。隨后根據(jù)坐標點進行實驗魚的速度和空間分布特征的計算。測定指標包括游泳速度(Vt, cm/s)、魚體間的平均距離(Dt, cm)、最近鄰距離(cm)和排列極性,其計算公式如下：

式中,Vt表示游泳速度(cm/s),xt和yt分別代表實驗魚在t時刻的橫縱坐標點,dt為每兩幀圖像間的時間間隔。

式中,Dt表示魚體間距離(cm),xt和yt分別代表實驗魚在t時刻的橫縱坐標點。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析

實驗參數(shù)用統(tǒng)計軟件SPSS 17.0進行統(tǒng)計分析。實驗前后個性行為和SMR的可重復性,即處理前后各指標的相關(guān)性均采用Pearson相關(guān)分析。以魚的編號為隨機因子,處理和測定時間為固定因子,分別對形態(tài)參數(shù)、SMR和個性指標進行線性混合模型進行分析；若存在顯著差異,則分別采用獨立和配對t檢驗分析實驗組和測定時間的統(tǒng)計差異。實驗數(shù)據(jù)用Excel進行常規(guī)計算,所有數(shù)據(jù)均以平均值±標準誤(Mean±SE)表示,顯著性水平為P<0.05。實驗處理過程中個性行為饑餓組實驗魚丟失三尾,未納入數(shù)據(jù)統(tǒng)計中。

2 結(jié)果

2.1 饑餓對實驗魚體長、體重的影響

饑餓組實驗魚在實驗處理后體重顯著下降8.1%(P<0.05),而體長無顯著變化(表1)。對照組實驗魚實驗處理后體長和體重均無顯著變化。因此,實驗結(jié)束后對照組實驗魚體重顯著大于饑餓組(P<0.05)。

表1 饑餓脅迫對中華倒刺鲃體重和體長的影響

不同字母表示測定前后存在差異, *表示饑餓組和對照組的數(shù)據(jù)存在差異

2.2 饑餓對SMR的影響

饑餓組實驗魚的SMR處理前后存在重復性(P=0.004),而對照組SMR不具重復性(圖2)。實驗處理后,饑餓組實驗魚和對照組實驗魚個體耗氧率分別顯著下降24.8%和13.1%(P<0.05)(圖2)。

圖2 不同實驗處理組SMR的可重復性及饑餓對中華倒刺鲃SMR的影響(對照組N=40, 饑餓組 N=39)Fig.2 Repeatability of SMR in different experimental treatments and effects of starvation on the SMR of qingboSMR:標準代謝率, standard metabolic rate

2.3 饑餓對個性行為的影響

處理前饑餓組和對照組的各個性指標均無顯著差異；經(jīng)過兩周實驗處理,勇敢性參數(shù)游出次數(shù)和在開闊區(qū)的時間均顯著增加(P<0.001),且實驗處理后饑餓組實驗魚游出次數(shù)和開闊區(qū)時間顯著大于對照組(表2,圖3)；經(jīng)過兩周實驗處理,探索性參數(shù)距陌生物體平均距離顯著縮短、進入陌生物體頻次顯著增加(P<0.001)(表2),且實驗處理后饑餓組實驗魚進入陌生物體的頻次顯著高于對照組(P<0.05)；經(jīng)過兩周實驗處理,活躍性參數(shù)移動總距離和移動時間均顯著增加(P<0.001)(表2),但饑餓組和對照組間無顯著差異。

表2 饑餓對中華倒刺鲃勇敢性、探索性和活躍性的影響

圖3 饑餓脅迫對中華倒刺鲃勇敢性、探索性和活躍性的影響(平均值±標準誤,樣本量見表2)Fig.3 Effect of starvation on the boldness, exploration and activity of the qingbo ((Mean±S.E.,see Table 2 for sample size)不同字母者表示測定前后存在差異,* 表示饑餓組和對照組的數(shù)據(jù)存在差異

2.4 饑餓對集群的影響

與對照組相比,饑餓組實驗魚個體間距離顯著縮短9.4%(P<0.05)(圖4)、平均速度顯著上升11.3%(P<0.05)(圖4),而對照組和饑餓組的最近鄰距離和排列極性沒有顯著差異。

圖4 饑餓脅迫經(jīng)歷對中華倒刺鲃群體行為的影響(平均值±標準誤,N=10)Fig.4 Effects of starvation on the schooling behavior of qingbo (Mean±S.E., N=10)

3 討論

3.1 饑餓對中華倒刺鲃SMR的影響

SMR是動物最為重要的生理功能參數(shù)之一,表征個體的維持能量消耗強度。長期饑餓狀態(tài)下魚類對其身體貯能的利用存在著兩個相悖的適應需求：一方面通過降低代謝水平可以減少能量消耗,使得有限的身體貯能維持更長的生存時間；;另一方面盡可能將代謝保持在相對較高的水平,以保證在重新獲得食物供應或面臨其他環(huán)境脅迫時能產(chǎn)生適當?shù)膽し磻猍39]。研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)魚類,如南方鲇(Silurusmeridionalis)[40]、鲇(Silurusasotus)、褐鱒(Salmotrutta)[41]和銀大麻哈魚(Onchorhynchuskisutch)[2]等均會依據(jù)食物資源的豐度相應調(diào)節(jié)消化道功能,并逐漸改變代謝強度。本研究中對照組和饑餓組中華倒刺鲃SMR在實驗過程中均出現(xiàn)了顯著的下降,其中對照組SMR的下降可能是因為實驗魚在實驗室單調(diào)馴養(yǎng)環(huán)境下的“囚禁效應”(captivity effect)所致[42],該現(xiàn)象在實驗室以往的鯉科魚類研究中也多次被發(fā)現(xiàn)[43]?？赡芘c本實驗采用的呼吸室體積狹小、飼養(yǎng)環(huán)境穩(wěn)定單一,致使實驗魚生理功能下調(diào)等因素有關(guān)。與我們預期不同,經(jīng)過2周的處理,饑餓處理組實驗魚的SMR和對照組沒有顯著差異,這可能是由于實驗魚偏小,實驗過程的自發(fā)活動造成實驗過程的實驗誤差偏大,掩蓋了饑餓對SMR的影響。然而饑餓組實驗魚實驗過程下降24.8%,遠大于對照組的13.1%。這說明與其他魚類一樣,中華倒刺鲃在饑餓過程中也會相應下調(diào)SMR,以節(jié)約能量消耗。

一般認為,魚類SMR的個體差異具有一定的穩(wěn)定性,即在一段時間內(nèi)可以重復。然而本研究發(fā)現(xiàn)對照組SMR試驗前后沒有重復性,這可能是實驗誤差所致。有趣的是,饑餓組實驗魚的SMR具有較高的重復性,可能因為饑餓條件下魚類降低了不必要的生理活動,實驗誤差降低所致。

3.2 饑餓對中華倒刺鲃個性行為的影響

魚類的個性受遺傳、生活史、環(huán)境等因素的影響,具有較高的可塑性。當魚類所受內(nèi)外環(huán)境發(fā)生改變時,魚類個性也將隨之改變[44]。研究發(fā)現(xiàn)魚類的個性特征主要與其經(jīng)歷的捕食強度與饑餓程度有關(guān)[23]。本研究發(fā)現(xiàn),無論饑餓組還是對照組,實驗結(jié)束時勇敢性、探索性和活躍性均顯著上升。原因可能涉及上述提到的“囚禁效應”的影響；另外,這也可能說明實驗前期的馴化時間偏短,正式實驗前實驗魚尚未完全適應實驗室條件,在首次實驗測定過程中表現(xiàn)出較強的脅迫,抑制了魚類的個性行為活動。

本研究發(fā)現(xiàn),與對照組相比,饑餓處理后的中華倒刺鲃呈現(xiàn)出更高的勇敢性和更強的探索性。這可能是因為饑餓組實驗魚急需補充能量和營養(yǎng)物質(zhì),因此更為急切的獲取食物資源信息。這和以往的研究結(jié)果相似,如有關(guān)鯽(Carassiusauratus)和歐鱸(Dicentrarchuslabrax)的研究均發(fā)現(xiàn)饑餓后個體表現(xiàn)出更高的勇敢性[27,45]。然而這種勇敢性和探索性的提高,可能導致被捕食風險的上升。因此,一些魚類在饑餓后會表現(xiàn)出截然不同的個性變化,如饑餓導致狹鱈(Theragrachalcogramma)的勇敢性降低[46]和翡翠鳳凰魚(Pelvicachromistaeniatus)探索行為的減少[47]。這說明,魚類在面臨饑餓時個性變化因種類而異,可能存在不同的適應對策,而這種對策的差異可能與機體反捕食能力或環(huán)境的捕食壓力高低有關(guān)。本研究中,中華倒刺鲃幼魚面臨饑餓選擇提升自身勇敢性和探索性以期待尋找到更多的食物。一般認為,魚類個性特征與SMR可能存在正相關(guān),而本研究中實驗魚饑餓逆境下二者截然相反的變化趨勢值得進一步研究?？赡茉蚴丘囸I個體生理功能下調(diào)誘導的代謝下降掩蓋了個性行為增加導致的能量消耗的上升[29]。

有關(guān)梭魚(Lizahaematocheila)[48]、牙鲆(Paralichthysolivaceus)[49]等研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷饑餓的魚類為降低能量消耗會減少自發(fā)活動；但有關(guān)鯉(Cyprinuscarpio)幼魚[24]和斑馬魚(Daniorerio)[50]的研究顯示,饑餓會增加的其活躍性,這可能與饑餓條件下覓食行為的增加有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)饑餓后中華倒刺鲃活躍性沒有明顯的變化,這可能是覓食行為需求和節(jié)約能量需求相互抵消所致。

3.3 饑餓對中華倒刺鲃集群行為的影響

以往研究發(fā)現(xiàn),饑餓會影響群體中個體的空間分布及其行為,這些行為的變化體現(xiàn)在個體和同類的相互作用,并且不同的魚類可能采取不同的策略保持群體運動的協(xié)調(diào)性[51]。遭受饑餓脅迫的魚群在空間分布過程中,通常會增加個體間距離,擴大搜尋水體空間并可以減少個體間的食物競爭,但這種集群行為的改變可能會增加魚群邊緣個體的被捕食風險[52]；另有研究顯示,擬鯉(Rutilusrutilus)個體間距離越大的群體能量消耗也越多[51],表明個體間距離的大小影響了的群體游泳效率。而本研究發(fā)現(xiàn),饑餓組實驗魚個體間距離顯著小于對照組實驗魚,這可能是因為饑餓組實驗魚在饑餓過程中消耗較多能量,為降低能量消耗,饑餓組實驗魚在群體行為中減少個體間距離,增強凝聚力。本研究還發(fā)現(xiàn),饑餓組的群體速度和速度同步性顯著高于對照組,即具有更好的協(xié)調(diào)性。這種現(xiàn)象在前期研究中也有類似報道,如食蚊魚(Gambusiaholbrooki)[53]、大西洋鯡(Clupeaharengus)[54]等的研究均表明在饑餓環(huán)境中群體的空間分布及其行為調(diào)整策略可能有利于提高群體生存能力。

綜上所述,饑餓導致中華倒刺鲃SMR有所下降,而饑餓后增強的勇敢性和探索性可能有利于提高個體的搜尋食物的成功率。另外,饑餓迫使中華倒刺鲃群體結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯調(diào)整,其凝聚力和協(xié)調(diào)性的提高可能有助于群體生存能力。然而,中華倒刺鲃個性行為和集群結(jié)構(gòu)的適應性變化是否由能量代謝介導的結(jié)果有待進一步研究。