葉央芳 林維釧 任志明, 2 母昌考 王春琳

(1.寧波大學(xué)應(yīng)用海洋生物學(xué)教育部重點實驗室,寧波 315832;2.浙江海洋高效健康養(yǎng)殖協(xié)同創(chuàng)新中心,寧波 315832)

因過度燃燒化石燃料與砍伐森林等人類活動,已使大氣中的二氧化碳(CO2)濃度大幅度增加。海洋吸收了其中約35%的CO2,水溶性的CO2可與H2O反應(yīng)生成碳酸(H2CO3),H2CO3可解離成氫離子(H+)和碳酸氫根離子也形成因此,過多的二氧化碳溶于海水的結(jié)果是海水中的水溶性CO2、H2CO3、H+和含量增加,從而不可避免地引起海水pH下降,導(dǎo)致海水中碳酸鹽平衡體系的變化,即“海洋酸化”(Ocean acidification,OA)[1]。在過去的65萬年中,大氣中的CO2從未超過300 μatm(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓比)[2]。然而自19世紀(jì)工業(yè)革命的興起,人類活動導(dǎo)致大氣中的CO2從280 μatm升高到396 μatm,海洋pH已隨之下降了0.1單位。若以當(dāng)前CO2排放速度預(yù)測,2100年大氣中的CO2將升高到800 μatm,海洋pH將降低0.3—0.5個單位;到2300 年,大氣中的CO2將升高到3200 μatm,海洋pH將降低0.7—0.8個單位。這種下降速度將超過過去至少3億年的速度[1,3]。

這種由于人類活動過量排放CO2所驅(qū)動的全球規(guī)模的海洋酸化,已迫使海洋生物生活在日益酸化的海水環(huán)境中,影響各種海洋生物的生長和繁殖[4,5]以及生物的多樣性和群落結(jié)構(gòu)[6,7]。其中對鈣化生物的影響尤其明顯,這是因為海洋酸化可導(dǎo)致碳酸鈣的飽和度下降,從而影響鈣化生物的鈣化率和殼體的生長。例如海洋酸化可導(dǎo)致櫛孔扇貝(Chlamys farreri)的鈣化率降低[8];也可導(dǎo)致地中海貽貝(Mytilus galloprovincialis)與馬氏珠母貝(Pinctada martensii)幼體的殼體生長緩慢,出現(xiàn)致畸致死效應(yīng)[9—11];海洋酸化還引起多種地中海珊瑚(Oculina patagonica)碳酸鈣骨架的消融[12]。

海水蟹是我國重要的水產(chǎn)經(jīng)濟動物,2017年的全國養(yǎng)殖和海洋捕撈總產(chǎn)量已達(dá)6.2×108kg,年產(chǎn)值約 64 億元[13]。作為鈣化生物,蟹類在合成外殼時需要幾丁質(zhì)和鈣質(zhì),海洋酸化也不可避免地對其產(chǎn)生多種生理影響,甚至造成生存威脅。本文就海洋酸化對蟹類生長發(fā)育、生理與代謝、表型和行為等方面的影響及其可能的機制作一綜述。

1 海洋酸化對蟹類的影響

1.1 海洋酸化對蟹類生長發(fā)育和生理與代謝的影響

人們關(guān)注鈣化動物,是由于鈣化動物對OA的敏感性[14]。然而,屬于鈣化動物的蟹類在不同OA條件下卻表現(xiàn)出明顯的種群差異(表1)。歐洲岸蟹(Carcinus maenas)天生具有對各種環(huán)境非生物因子的高度適應(yīng)能力[15],有較多研究集中于岸蟹對OA的響應(yīng)。如當(dāng)岸蟹被急性暴露到高CO2分壓的海水中時,能積極快速地在血淋巴中積累這種把血淋巴中的CO2轉(zhuǎn)化成了以維持體內(nèi)穩(wěn)定pH的方式在之后的多個研究[16, 17]中得到證實。雖然這種方式能有效調(diào)節(jié)胞外pH,但對岸蟹的生理具有負(fù)面影響。如7d酸化(3200 μatm)導(dǎo)致岸蟹鰓中血淋巴的K+和氨濃度升高,排氨率增加[18];4周酸化(1800 μatm)導(dǎo)致岸蟹的代謝率和血淋巴流量分別降低了40%和30%[16];10周酸化(3500 μatm)引起岸蟹對藍(lán)貽貝(Mytilus edulis)的攝食量降低41%[17]。

表 1 海洋酸化對蟹類生長發(fā)育、生理與代謝、表型和行為的影響Tab.1 Effects of ocean acidification on the growth,development,physiology,metabolism,phenotype and behavior of crabs

除了岸蟹,也有學(xué)者關(guān)注生活在潮間帶具有應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境變化能力的巖瓷蟹(Petrolisthes cinctipes)對OA的響應(yīng)[19,20],但這些研究更多的著眼于巖瓷蟹早期發(fā)育階段的存活。因為蟹類早期發(fā)育階段往往表現(xiàn)出相比于成蟹更敏感的對外界環(huán)境變化的特性,可能導(dǎo)致海洋酸化對蟹類胚胎、溞狀幼體或幼蟹的生長和發(fā)育產(chǎn)生比成蟹更多的負(fù)面影響[21]。研究表明,短期(9d)酸化(pH 7.6)暴露引起巖瓷蟹胚胎的心率下降了37%,體積增加被延滯,存活率和最終的孵化成功率都受到影響。短期酸化對溞狀幼體和幼蟹存活的影響不明顯[22]。短期(＜10d)低pH(7.58)暴露還可導(dǎo)致巖瓷蟹胚胎的耗氧率和干重分別降低11%和6%。而巖瓷蟹幼體通過從蛋白質(zhì)到脂類的代謝基質(zhì)轉(zhuǎn)變,避免了幼體在代謝、干重、蛋白質(zhì)或脂類水平的顯著波動。然而,酸化導(dǎo)致巖瓷蟹幼蟹的氮含量減少了7%,C/N比增加了6%,這可能會影響幼蟹的生長[23]。如果延長酸化時間到40d以上,巖瓷蟹溞狀幼體的心率下降20%,但幼體的存活率仍然不受影響。長時間(49d)酸化卻引起巖瓷蟹幼蟹的存活率下降約30%[22]。這意味著巖瓷蟹對海洋酸化的耐受性是暫時的,長期酸化對蟹類的生存可能是一個嚴(yán)重的威脅[24]。

也有研究者聚焦于廣溫性但偏冷的蜘蛛蟹(Hyas araneus)。如Walther等[25]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)不同緯度的(黑爾戈蘭島54°N;斯瓦爾巴特群島79°N)蜘蛛蟹溞狀幼體暴露到酸化水體時,特別是3000 μatm的CO2時,碳氮比下降、發(fā)育時間延長和生長減慢。這些影響在斯瓦爾巴特蜘蛛蟹溞狀幼體Ⅰ期和黑爾戈蘭蜘蛛蟹大眼幼體期最為顯著。Schiffer等[21,26]的研究也得到了類似結(jié)論,即如果在蜘蛛蟹胚胎發(fā)育期被暴露到高CO2分壓(3100 μatm)的海水中后,可導(dǎo)致蜘蛛蟹溞狀幼體Ⅰ期死亡率升高,發(fā)育時間延長,而耗氧率下降。在鈣水平上,710 μatm酸化海水僅在酸化剛開始時導(dǎo)致黑爾戈蘭和斯瓦爾巴特蜘蛛蟹大眼幼體鈣含量的下降,隨后很快恢復(fù)到正常水平,斯瓦爾巴特蜘蛛蟹大眼幼體的鈣含量的恢復(fù)速度更快。3000 μatm酸化海水可引起這兩種蟹溞狀幼體Ⅰ期和Ⅱ期的鈣含量下降,然而有趣的是,隨著溫度的升高,3000 μatm酸化海水導(dǎo)致斯瓦爾巴特蜘蛛蟹大眼幼體鈣含量的升高[27]。

相比于前面三種蟹,對其他蟹類的研究報道比較有限,但也證明了海洋酸化對蟹類代謝和生長等方面的負(fù)面影響。如天鵝絨梭子蟹(Necora puber)在高CO2分壓條件下,也像岸蟹一樣積累以維持pH的穩(wěn)定,該過程消耗的能量使天鵝絨梭子蟹的代謝被抑制,生長被延緩[28,29]。同樣,珍寶蟹(Metacarcinus magister)應(yīng)對酸化(3250 μatm)的方

盡管較長期(95d)酸化(pH 7.8和pH 7.5)對紅皇蟹(Paralithodesca mtschaticus)幼蟹的鈣化水平?jīng)]有顯著影響,但可導(dǎo)致紅皇蟹幼蟹的死亡率達(dá)到100%[31]。較短期(一個月)酸化(pH 7.7)會誘導(dǎo)紅皇蟹胚胎的眼睛變大,卵黃變小以及母蟹孵化期變長,這些胚胎孵化出的幼體體態(tài)較長,存活率下降[32]。較長期(98d)酸化(pH 7.6)也誘導(dǎo)了寄居蟹(Pagurus cirniticornis)幼蟹死亡率的顯著提高[33]。酸化海水也顯著延緩首長黃道蟹(Cancer magister)胚胎和早期幼體的發(fā)育,導(dǎo)致幼體的死亡率升高[34]。酸化海水還能導(dǎo)致佛羅里達(dá)石蟹(Menippe mercenaria)的孵化成功率降低28%,但孵化的幼蟹在形態(tài)上卻無明顯差異[35]。酸化海水(pH 7.8和pH 7.5)也能負(fù)面影響拜氏雪蟹(Chionoecetes bairdi)幼蟹的生長、存活和鈣化水平[32]。Meseck等[36]通過觀察暴露到酸化海水(pH 7.5和7.8)長達(dá)2年的拜氏雪蟹成蟹的血細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)血細(xì)胞總量沒有顯著變化,但pH 7.5海水導(dǎo)致拜氏雪蟹死亡的血細(xì)胞數(shù)量明顯增加,而且死細(xì)胞的凋亡速度明顯高于清除速度。

海洋酸化不僅影響了淺層水域的蟹類,也影響了深海蟹。如24h的短期酸化(pH 7.1)可導(dǎo)致深海雪蟹(Chionoecetes tanneri)血淋巴的酸堿平衡遭到破壞,碳酸氫鹽積累量僅為3 mmol/L,pH降低0.32個單位,引起酸中毒。但在24h后,深海雪蟹通過從周圍環(huán)境中積累12 mmol/L碳酸氫鹽,恢復(fù)了血淋巴的pH[37]。

1.2 海洋酸化對蟹類表型和行為的影響

盡管目前大量的研究集中于海洋酸化對蟹類生長發(fā)育和生理生化的影響,但有些研究者開始關(guān)注蟹類的表型和行為。如任志明等[38]發(fā)現(xiàn)三疣梭子蟹(Portunus trituberculatus)幼蟹甲殼微刺的排列方式會隨著海水中CO2分壓(380、750和1500 μatm)的提高而簡單化,由正常的2—3個微刺排列逐漸變?yōu)閱蝹€微刺排列,甲殼中的甲殼素含量開始升高,甲殼厚度變薄,減少到正常蟹的70%,這些表型變化可能對梭子蟹獵食與防御天敵等方面造成負(fù)面影響。在行為方面,海洋酸化可通過抑制或改變嗅覺、覓食以及對周圍環(huán)境的判斷,從而改變蟹類的感覺和行為。如酸化海水(pH 6.8)可降低寄居蟹(Pagurus bernhardus)從次優(yōu)寄居殼換成優(yōu)質(zhì)寄居殼的可能性,延長寄居蟹換殼的時間,酸化海水也顯著降低寄居蟹觸角的閃動速率和運動[39,40]。高CO2分壓(750和3000 μatm)可引起蜘蛛蟹的活動能力下降,活動范圍縮小,繼而影響繁殖、覓食和反掠奪能力[41]。而對于大西洋青蟹(Panopeus herbstii)成蟹,高CO2分壓(785 and 9274 μatm)脅迫71d可顯著影響其捕食行為,縮短對獵物的消費和處理時間,以及不成功捕食嘗試的持續(xù)時間[42]。高CO2分壓(1200和2300 μatm)也影響了食用黃道蟹(Cancer pagurus)成蟹對食物的選擇性,更傾向于選擇粒徑較小的貝類。同時也顯著減低黃道蟹的取食率與捕食有效性,顯著延長黃道蟹的覓食時間,破碎、處理和食用貝類的時間。這些影響隨著酸化程度的提高而加劇,并在酸化解除2周內(nèi)仍未恢復(fù)[43]。對于三疣梭子蟹Ⅰ期幼蟹,72h的酸化海水(750和1500 μatm)脅迫即引起幼蟹的焦慮行為,如群體整體的平均運動速度加快,對生活區(qū)域的巡視搜索加快,更趨向于黑暗環(huán)境[38]。

2 海洋酸化對蟹類的影響機制

2.1 海洋酸化對蟹類生理的影響機制

海洋酸化導(dǎo)致海洋生物體細(xì)胞內(nèi)外積累高濃度的CO2,引起生物體呼吸酸化[44],降低血藍(lán)蛋白對氧氣的親和力,從而造成心臟細(xì)胞受損、CO2中毒、肌肉收縮受阻以及各種生理過程變化,如酸堿調(diào)節(jié)和代謝活性的變化,最終影響生物的生長、發(fā)育和存活[24,45—47]。在高CO2分壓下維持胞外pH有助于血碳酸過多癥時胞內(nèi)pH的穩(wěn)定,才能確保最佳的酶功能。而維持胞外pH的最佳方法就是提高胞外的濃度,非碳酸氫鹽緩沖作用和離子-交換方式是提高胞外濃度的兩種方法[5,15,17,29]。當(dāng)非-碳酸氫鹽緩沖能力降低時,pH的穩(wěn)定就需要借助與酸堿相關(guān)的離子交換作用[5,48]。離子交換包括離子交換、Na+/K+離子交換和H+-ATPase,主要發(fā)生在蟹類鰓[49,50]或觸角腺[51]。當(dāng)海水中CO2濃度升高時,CO2會順著濃度梯度進(jìn)入鰓細(xì)胞,在碳酸酐酶作用下被轉(zhuǎn)化成一個假定的載體作用下,進(jìn)入血淋巴,其中載體提供能量[52]。而H+則在V-型H+-ATPase作用下被泵出鰓細(xì)胞。盡管少量的甲殼溶解有助于胞外的積累[53],但活躍的傳遞機制主導(dǎo)了蟹類的緩沖作用。如熱液噴口蟹(Xenograpsus testudinatus)在受到低pH(6.5)脅迫時,就是通過提高鰓上皮細(xì)胞中Na+/K+-ATPase和V-型H+-ATPase活性,以實現(xiàn)血淋巴中的累積[50]。這種通過酸堿等價的陽離子(如H+)和陰離子(如)運輸直接與反荷離子(如Na+和Cl-)運輸相關(guān)聯(lián),表明甲殼類動物的酸堿平衡和滲透調(diào)節(jié)具有緊密相關(guān)性[54,55]。Fehsenfeld等[56]報道了7d酸化(6810.3 μatm)引起了岸蟹鰓組織中與超滲透適應(yīng)性響應(yīng)有關(guān)的鈣激活的氯通道、超極化激活的核苷酸門控的鉀通道、四聚氰胺通道和整聯(lián)蛋白基因表達(dá)的顯著變化,以及一個假定的突觸融合蛋白-結(jié)合蛋白和SLC4家族的交換蛋白基因表達(dá)的顯著差異,進(jìn)一步說明了酸堿平衡和滲透調(diào)節(jié)之間的協(xié)同關(guān)系。

鰓細(xì)胞中與滲透調(diào)節(jié)相關(guān)的基因表達(dá)、酶活性和代謝物水平的變化可引發(fā)能量轉(zhuǎn)化和流向的波動[50,57],繼而引發(fā)與能量相關(guān)的各種生理和代謝的變化。如高CO2分壓(3300 μatm)導(dǎo)致蜘蛛蟹鰓中氧化磷酸化相關(guān)基因和熱激蛋白基因表達(dá)的上調(diào)[58],從而引起能量代謝和應(yīng)激反應(yīng)的變化。又如巖瓷蟹幼體在受到酸化海水(pH 7.58)脅迫時,其分解代謝的底物由以脂類為主變?yōu)橐缘鞍踪|(zhì)為主[23]。脂類在蟹類的生長和發(fā)育中具有重要作用,也能為蟹類響應(yīng)環(huán)境壓力時提供ATP[59],而蛋白質(zhì)合成是一個耗能過程,一般在水生無脊椎動物的代謝受到抑制時其合成下降[60]。巖瓷蟹幼體代謝底物的轉(zhuǎn)變可能正是酸化引起的能量分流所致。

值得關(guān)注的是,OA一方面提高了蟹類為維持穩(wěn)定pH所需的能量需求,另一方面卻抑制了蟹類的氧氣消耗,降低了ATP的生成量[16,23,61],進(jìn)而引起能量依賴的滲透調(diào)節(jié)酶如Na+/K+-ATPase和V-型ATPase活性的降低[5,50]。如藍(lán)蟹在受到OA(pH 7.3)脅迫后失去了ATPase在滲透調(diào)節(jié)中的作用[62],在這種情況下,自由氨基酸含量升高了,可能承擔(dān)起滲透調(diào)節(jié)作用[41]。此外,甘氨酸和脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)水平在岸蟹受到極端的超高CO2分壓(2600、16000和30000 μatm)脅迫時顯著降低,可能也與岸蟹的滲透平衡有關(guān)[63]。這些OA導(dǎo)致的能量波動通常以損害蟹類正常生長和行為為代價[33,42,61]。

2.2 海洋酸化對蟹類行為的影響機制

目前對海洋酸化影響蟹類行為失常有三種解釋。一是前面所述的以P?rtner[61]為代表的能量說,即海洋酸化誘導(dǎo)的系統(tǒng)性生理變化引起可利用能量的減少或代謝改變,從而影響正常的行為。二是Nilsson等[64]提出的神經(jīng)機制,即酸化是通過改變海洋生物的神經(jīng)功能,特別是γ-氨基丁酸(GABA)的作用來影響海洋生物的行為。GABA是一個普遍存在的神經(jīng)遞質(zhì)抑制劑。在正常情況下,GABA結(jié)合到離子型GABAA受體,導(dǎo)致GABAA受體打開,陰離子(即Cl-)進(jìn)入神經(jīng)細(xì)胞,引起神經(jīng)細(xì)胞超極化。當(dāng)環(huán)境pH降低時,許多魚類和甲殼類動物為了避免酸中毒,開始積累胞外離子同時消耗/交換Cl-到外界環(huán)境中[65,66]。胞外Cl-的減少改變了細(xì)胞膜內(nèi)外的電化學(xué)梯度,Cl-借此通過GABAA受體從神經(jīng)細(xì)胞出來,引起神經(jīng)細(xì)胞去極化,從而導(dǎo)致海洋生物行為的變化。有研究報道,GABAA受體阻斷劑gabazine能消除酸化對脊椎動物和無脊椎動物行為的影響[64,67],但Hamilton等[68]卻發(fā)現(xiàn)gabazine并不能消除酸化對裂吻平鲉(Sebastes diploproa)幼魚的焦慮。Charpentier和Cohen[69]也發(fā)現(xiàn)GABA參與了亞洲食草蟹(Hemigrapsus sanguineus)幼體對利它素的識別,gabazine只是導(dǎo)致亞洲食草蟹失去檢測/處理利它素的能力,因此GABA與酸化所導(dǎo)致的行為變化無關(guān)。然而,任志明等[70]的研究顯示,三疣梭子蟹幼蟹在暴露到酸化海水(750和1500 μatm)后,編碼GABAA受體結(jié)合蛋白的基因的表達(dá)量顯著上調(diào),提示該結(jié)合蛋白可能參與了GABAA受體在響應(yīng)海水酸化中的作用。

第三種對海洋酸化影響行為的解釋是基于信號傳導(dǎo)機制。蟹類作出行為反應(yīng)需要信號分子對受體的激活,這些信號分子具有特定的功能基團、電荷、構(gòu)型、疏水性和彈性[71]。當(dāng)這些特性被低pH顯著影響時,就不能激活受體,從而影響蟹類正常的行為。如在岸蟹中,7d的低pH(7.7)導(dǎo)致三肽和二肽信號分子(氨基乙?；?L-組胺酰-L-賴氨酸、氨基乙?；?氨基乙酰基-L-精氨酸和L-亮氨酰-L-精氨酸)的質(zhì)子化以及構(gòu)型和電荷分布的變化,降低信號分子的專一性,導(dǎo)致信號分子與其他信號受體的錯配,影響真正信號受體的激活,從而影響岸蟹對卵的劃水增氧行為[72]。這兩個三肽物質(zhì)及其結(jié)構(gòu)類似物同樣介導(dǎo)了青蟹(Rhithropanopeus harrisii)[73]和藍(lán)蟹(Callinectes sapidus)[74]對卵的劃水增氧行為。肽信號分子還參與蟹的幼體釋放[75]和寄居蟹新殼的定位[76]。此外,信號受體特別是其活性位點也表現(xiàn)出對pH的敏感性,在低pH條件下被質(zhì)子化,從而影響與配體結(jié)合時分子間作用力(如氫鍵結(jié)合力和靜電作用力)的數(shù)量、類型和匹配。然而,通過提高信號分子的濃度可以緩解海洋酸化對蟹類行為的影響[77,78]。

盡管這三種酸化對蟹類行為影響的機制各不相同,但已有學(xué)者傾向于認(rèn)為,OA對蟹類行為的影響是一個動物生理和代謝以及信號傳遞和行為決定共同參與的多因子作用結(jié)果[79]。如Haye等[39]認(rèn)為蜘蛛蟹在海水酸化脅迫時表現(xiàn)出的觸角擺動速率降低,對氣味源定位的成功率降低以及整體活動能力的下降,不僅與離子調(diào)節(jié)被破壞有關(guān),也與化學(xué)信息接收被阻斷有關(guān)。

3 展望

當(dāng)前海洋酸化的程度還不至于引起嚴(yán)重的對生物個體、種群、群落甚至生態(tài)水平的影響,而且絕大部分研究局限于實驗室模擬和特殊生境(如熱液噴口和潮間帶),但人類活動干擾下的海洋酸化對海洋物種未來的適應(yīng)性和種群動態(tài)將是一個巨大的考驗[34]。要減少或消除海洋酸化的影響,首先要從源頭抓起,即減少人類活動產(chǎn)生的碳排放量,這可能更多地取決于各國政府的政治決策和對環(huán)境的保護(hù)力度,還需要每個人的共同參與和努力。其次,從科學(xué)研究角度,需要研究者更深入全面地了解海洋酸化對海洋生物在生理和行為等方面的影響,揭示由此可能導(dǎo)致的各營養(yǎng)級生物之間的連鎖反應(yīng),甚至對整個生態(tài)系統(tǒng)的影響。如海水酸化一方面負(fù)面影響了大西洋青蟹的捕食行為,但同時也影響了其食物牡蠣(Crassostrea virginica)的鈣化率,這可能有助于大西洋青蟹對牡蠣的捕食[42]。另外,CO2排放量增加不僅僅是海洋環(huán)境問題,同時也帶來全球變暖的氣候問題,因此研究者還需關(guān)注多因子協(xié)同作用對海洋生物的聯(lián)合效應(yīng)[41]。如高CO2分壓影響了蜘蛛蟹對溫度的耐受性。710和3000 μatm酸化海水不同程度地降低了蜘蛛蟹成蟹對高溫的適應(yīng)性,從正常的25℃以上下降到23.5℃(710 μatm)和21.1℃(3000 μatm)[80]。盡管蜘蛛蟹溞狀幼體的不同發(fā)育階段對溫度的耐受性存在差異,但高CO2分壓(3300 μatm)均促使幼體對熱的耐受溫度變窄[58]。此外,無論是蟹類還是其他甲殼類動物,其鰓和腸道等組織棲息著數(shù)量龐大的微生物,這些微生物在宿主的營養(yǎng)和健康狀態(tài)[81,82]及免疫和抗病能力[83]都發(fā)揮著中心地位作用。因此,研究這些微生物在蟹類應(yīng)對海洋酸化中的協(xié)同作用有助于準(zhǔn)確分析海洋酸化對海洋甲殼類動物的影響。