羅玉蓮 龐 旭 劉蒨瑩 張永飛 付 成 付世建

(1.重慶師范大學(xué)進(jìn)化生理與行為學(xué)實(shí)驗(yàn)室,重慶市動(dòng)物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 401331;2.西南大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院,重慶 400715)

能量代謝是生命體逆熵而行,存在高度有序性的基礎(chǔ),也是束縛生物適應(yīng)性演化最為基本的法則[1]。在魚類,常以靜止代謝率(Resting metabolic rate,RMR)衡量維持能量消耗[2];常以最大代謝率(Maximum metabolic rate,MMR)衡量有氧代謝的最大功率輸出[3]。運(yùn)動(dòng)后過量耗氧(Excess post-exercise oxygen consumption,EPOC)指魚類運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)期內(nèi)超過RMR的額外耗氧量;與之類似,低氧脅迫后過量耗氧(Excess post-hypoxia oxygen consumption,EPHOC)指魚類經(jīng)低氧處理后恢復(fù)期內(nèi)超過RMR的額外耗氧量[4—8]。兩者具有相似的生化反應(yīng)過程,均稱為“氧債(Oxygen debt)”,并在一定程度上反映魚類的無氧代謝能力[4—9],但兩者的生態(tài)內(nèi)涵卻不盡相同。前者主要作用于短時(shí)間、高強(qiáng)度暴發(fā)運(yùn)動(dòng),保證逃逸、捕食等功能得以順利完成;后者主要體現(xiàn)在極端低氧條件下,能短時(shí)間內(nèi)得以幸存[4]。

個(gè)體差異是有機(jī)體存在的普遍現(xiàn)象,為自然(人工)選擇提供了條件,具有重要的進(jìn)化生態(tài)學(xué)意義。經(jīng)典的研究認(rèn)為,高RMR魚類個(gè)體(或物種)通常具有更大的MMR和更高的游泳能力,而低RMR個(gè)體(或物種)具有更強(qiáng)的低氧耐受能力[10,11];在種內(nèi)水平,RMR與EPOC和EPHOC的關(guān)系、MMR與EPOC的關(guān)系、EPOC與EPHOC是否具有類似的相互關(guān)聯(lián)等問題尚不清楚。

中華倒刺鲃(Spinibarbus sinensis)主要分布于我國長江上游及其支流,是營底棲生活,偏好流水生境,主要以水生高等植物為食的雜食性鯉科魚類[2,12]。該物種偏好流水生境,需要具備相對較高的運(yùn)動(dòng)能力以維持身體平衡;營底棲生活,對低氧耐受能力也有所要求;因此該物種可能同時(shí)面臨兩種互為沖突生理功能需求的挑戰(zhàn)[4,13]。本研究以中華倒刺鲃?dòng)佐~為對象,測定了RMR、峰值代謝率(Peak metabolic rate,PMR)、EPOC和EPHOC等參數(shù)并考察各參數(shù)個(gè)體差異和它們之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián);旨在揭示魚類能量代謝特征(維持代謝、有氧代謝和無氧代謝)的適應(yīng)機(jī)制,并為魚類生理生態(tài)學(xué)、功能生態(tài)學(xué)相關(guān)研究提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)魚的獲取與馴養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)用中華倒刺鲃?dòng)佐~購于重慶市合川區(qū)當(dāng)?shù)佤~類水產(chǎn)繁殖基地(E106.27,N30.01),實(shí)驗(yàn)前于實(shí)驗(yàn)室自凈化循環(huán)控溫水槽中馴化2周。每天在9:00飽足投喂餌料1次,所用餌料為通威特種魚浮性飼料(粗纖維、粗脂肪、粗蛋白質(zhì)及灰分的比例分別是:13.0%、28.0%、3.0%和15.0%)。實(shí)驗(yàn)用水為曝氣后的自來水,馴化及實(shí)驗(yàn)過程中水溫控制在(25±0.5)℃,溶氧水平不低于7 mg O2/L,每天換水1次,換水量約為馴化水體積的30%。光照制度為自然光周期。馴養(yǎng)兩周后挑選身體健康、體重接近的中華倒刺鲃?dòng)佐~作為實(shí)驗(yàn)對象。

1.2 代謝率的測定

在馴養(yǎng)結(jié)束后,選取體形大小相近的100尾實(shí)驗(yàn)魚使用體內(nèi)PIT(Passive integrated transponder)方法進(jìn)行電子標(biāo)簽體內(nèi)標(biāo)記以便區(qū)分實(shí)驗(yàn)魚,隨后進(jìn)行2周的恢復(fù)。隨后挑選出其中的44尾平均體重為6.88 g(5.01—9.70 g)、平均體長為6.75 cm(5.9—8.0 cm)的實(shí)驗(yàn)魚分別單獨(dú)放入間歇式呼吸儀[14]適應(yīng)12h,馴化期間呼吸室呈流通狀態(tài),以達(dá)到呼吸室內(nèi)外水體交換的目的。為了消除消化活動(dòng)對代謝的影響,所有魚在測定代謝率前禁食24h[15]。以1min的間隔連續(xù)60次測定耗氧率(MO2)取平均值作為實(shí)驗(yàn)魚的RMR。在RMR測定完成后,再將實(shí)驗(yàn)魚放入容積約為150 L,最大流速約80 cm/s的環(huán)形水道內(nèi),采用國際通用的方法用手不斷追逐使魚被迫持續(xù)急速運(yùn)動(dòng),當(dāng)魚失去平衡或繼續(xù)追逐不再有明顯應(yīng)激反應(yīng)時(shí),即可視為達(dá)到力竭狀態(tài)[16]。將達(dá)到力竭運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的魚立即放入間歇式呼吸儀內(nèi)以1min的間隔進(jìn)行力竭恢復(fù)MO2測定60次。在進(jìn)行恢復(fù)耗氧的測定時(shí),實(shí)驗(yàn)魚所使用的呼吸室體積為550 mL。在測定完成后,打開呼吸儀的外循環(huán),使呼吸儀溶氧恢復(fù)至正常水平,實(shí)驗(yàn)魚在呼吸室內(nèi)恢復(fù)約12h。然后將呼吸儀封閉,隨著魚呼吸,水中溶解氧不斷減少,最終使其身體失去平衡[4]。此時(shí),再次打開外循環(huán),使呼吸儀溶氧恢復(fù)至正常水平,以1min的間隔進(jìn)行低氧恢復(fù)MO2測定60次(測定過程中如果溶氧下降至飽和溶氧70%打開呼吸室外循環(huán)進(jìn)行水體交換)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程,水溫維持在(25±0.5)℃。

每尾魚單位體重的MO2[mg O2/(kg·h)],計(jì)算公式為:MO2=ΔO2×v/m。式中,ΔO2為實(shí)驗(yàn)呼吸儀和無魚的對照呼吸儀溶氧的差值(mg/L),v為通過呼吸儀的水流量(L/h),m就是每尾實(shí)驗(yàn)魚的體重(kg)。通過積差法計(jì)算實(shí)驗(yàn)魚的EPOC和EPHOC值(mg/kg)。

1.3 參數(shù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel(2007)進(jìn)行常規(guī)數(shù)據(jù)計(jì)算。數(shù)理統(tǒng)計(jì)采用SPSS(17.0)進(jìn)行處理分析;代謝特征參數(shù)進(jìn)行Shapiro-Wilk檢驗(yàn)正態(tài)性;代謝特征參數(shù)之間進(jìn)行一元線性回歸分析;RMR與力竭運(yùn)動(dòng)后PMR和低氧脅迫后PMR的關(guān)系,RMR與EPOC和EPHOC關(guān)系的斜率比較采用協(xié)方差分析(ANCOVA);力竭運(yùn)動(dòng)后PMR與低氧脅迫后PMR,EPOC與EPHOC的比較采用成對t檢驗(yàn);顯著性水平定為P＜0.05。

2 結(jié)果

2.1 代謝特征參數(shù)的個(gè)體變異

結(jié)果顯示,在實(shí)驗(yàn)魚力竭運(yùn)動(dòng)后,代謝率瞬間上升在1min即達(dá)到峰值;而在低氧脅迫后代謝率要5min才達(dá)到峰值;在達(dá)到峰值后,它們的代謝率均相對緩慢回落到RMR水平(圖 1)。各代謝特征參數(shù)存在普遍差異,RMR、力竭運(yùn)動(dòng)后PMR、EPOC、低氧脅迫后PMR和EPHOC最大值與最小值的比率分別為2.4、3.5、9.3、2.4和7.0;所有參數(shù)均服從正態(tài)分布(表 1)。

表1 中華倒刺鲃代謝率參數(shù)個(gè)體變異分析Tab.1 Analysis of individual variation of qingbo metabolic rate parameters (n=44)

圖1 中華倒刺鲃力竭運(yùn)動(dòng)后(a)和低氧脅迫后(b)代謝率恢復(fù)曲線(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,樣本數(shù)=44)Fig.1 The post-exercise (a) and post-hypoxia (b) metabolic rate curve of qingbo (mean±SE,n=44)

2.2 代謝特征參數(shù)間的關(guān)系

中華倒刺鲃力竭運(yùn)動(dòng)后PMR(r=0.348,P=0.010)和低氧脅迫后PMR(r=0.449,P=0.002)與RMR均呈顯著正相關(guān)(圖 2a);兩回歸直線斜率間差異顯著(F2,85=38.085,P＜0.001)。中華倒刺鲃EPOC與RMR呈顯著負(fù)相關(guān)(r=–0.426,P=0.004),而EPOC與RMR的關(guān)系不顯著(r=–0.292,P=0.054;圖 2b);兩回歸直線斜率間差異顯著(F2,85=11.414,P＜0.001)。力竭運(yùn)動(dòng)后PMR與EPOC間呈正相關(guān)(r=0.424,P=0.004),低氧脅迫后PMR與EPHOC間也呈正相關(guān)(r=0.391,P=0.009;圖 2c)。

圖2 中華倒刺鲃能量代謝特征參數(shù)間的關(guān)系Fig.2 Relationships among characteristic parameters of energy metabolism of qingbo

2.3 力竭運(yùn)動(dòng)后與低氧脅迫后代謝參數(shù)的關(guān)聯(lián)

中華倒刺鲃個(gè)體間力竭運(yùn)動(dòng)后PMR與低氧脅迫后PMR(r=0.673,P＜0.001)和EPOC與EPHOC(r=0.526,P＜0.001)均顯著正相關(guān)(圖 3a和3b);然而,力竭運(yùn)動(dòng)后PMR和EPOC分別顯著高于低氧脅迫后PMR和EPHOC(圖 3c和3d;P＜0.05)。

圖3 中華倒刺鲃運(yùn)動(dòng)后與低氧脅迫后能量代謝參數(shù)的關(guān)聯(lián)Fig.3 The consistency of energy metabolism parameters between post-exercise and post-hypoxia

3 討論

研究發(fā)現(xiàn)通過力竭運(yùn)動(dòng)和低氧脅迫均能誘導(dǎo)出額外耗氧,然而力竭運(yùn)動(dòng)后PMR高于低氧脅迫后PMR,EPOC也高于EPHOC,因此通過低氧脅迫并不能誘導(dǎo)出中華倒刺鲃的最大有氧(MMR)和無氧代謝能力(過量耗氧量)。已有研究發(fā)現(xiàn),無論是在種間還是在種內(nèi)水平魚類的MMR與其游泳運(yùn)動(dòng)能力高度正相關(guān)[11,17],表明魚類游泳運(yùn)動(dòng)受到兩種代謝能力的影響。相關(guān)研究理論認(rèn)為動(dòng)物若維持相對較大的功率輸出其相關(guān)器官必須維持相對較強(qiáng)的活性,從而需要消耗能更多的維持能量;在自然界,選擇維持代謝較高的個(gè)體以支持高強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)能力是其重要選擇方向之一[18—20]。本研究研究發(fā)現(xiàn),中華倒刺鲃力竭運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的MMR(即PMR)與其RMR呈正相關(guān)。這表明中華倒刺鲃高RMR個(gè)體能夠支持強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)歸結(jié)為這些個(gè)體能夠支持更大的有氧代謝功率輸出[21]。

研究認(rèn)為,魚類無氧運(yùn)動(dòng)能力與EPOC相關(guān)[5,22]。已有研究發(fā)現(xiàn)魚類RMR與EPOC在種間水平呈正相關(guān)[4];然而,本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中華倒刺鲃EPOC與RMR在個(gè)體水平呈負(fù)相關(guān)。究其原因,一方面該物種MMR的變異(CV為42%)高于EPOC變異(CV為32%),較高的有氧運(yùn)動(dòng)能力是滿足其劇烈運(yùn)動(dòng)的重要因素;另一方面,EPOC與RMR兩個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)在計(jì)算上并非完全獨(dú)立,實(shí)驗(yàn)誤差也可能掩蓋其內(nèi)在關(guān)聯(lián)。魚類在遭受低氧脅迫時(shí),若環(huán)境溶氧水平導(dǎo)致機(jī)體無法維持其RMR水平,魚類必須降低能量消耗或依靠無氧代謝提供能量為生命所需[23]。因此,在部分魚類物種EPHOC與其低氧耐受能力存在關(guān)聯(lián)[4]。已有研究在種間和種內(nèi)個(gè)體尺度水平均發(fā)現(xiàn)魚類的低氧耐受能力與其RMR呈負(fù)相關(guān)。即,RMR低的物種或個(gè)體具有更強(qiáng)的低氧耐受能力[11,24]。本研究發(fā)現(xiàn),中華倒刺鲃EPHOC與RMR呈負(fù)相關(guān)趨勢(P=0.054),因此低RMR個(gè)體具有更強(qiáng)的低氧耐受能力是因?yàn)橄鄬Ω驟PHOC所貢獻(xiàn)。值得注意的是,EPHOC受RMR負(fù)效應(yīng)弱于EPOC所受RMR的負(fù)效應(yīng),其具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

研究發(fā)現(xiàn),中華倒刺鲃個(gè)體力竭運(yùn)動(dòng)后PMR與低氧脅迫后PMR、EPOC與EPHOC間具有緊密的內(nèi)在關(guān)聯(lián)(即呈正相關(guān)),這歸因于兩者間均屬于“缺氧”而具有相似的生化反應(yīng)過程。但前者屬于功能性缺氧,功能性缺氧常發(fā)生于力竭運(yùn)動(dòng)后的酸中毒;而后者屬于環(huán)境缺氧,將使機(jī)體功能受到一定損傷,進(jìn)而造成生存阻礙[6]。中華倒刺鲃力竭運(yùn)動(dòng)后PMR高于低氧脅迫后PMR,EPOC也大于EPHOC表明并非所有器官組織(如腦和心臟)都能利用無氧代謝應(yīng)對環(huán)境缺氧,然而在運(yùn)動(dòng)后PMR低(或EPOC小)的個(gè)體,低氧脅迫后PMR和EPHOC值與運(yùn)動(dòng)后對應(yīng)的值均較為接近;反之,其運(yùn)動(dòng)后的值遠(yuǎn)大于低氧脅迫后所對應(yīng)的值。一方面,魚類運(yùn)動(dòng)代謝特征參數(shù)具有較強(qiáng)的環(huán)境可塑性,且身體狀況對運(yùn)動(dòng)代謝特征參數(shù)影響也較大;另一方面,魚類游泳運(yùn)動(dòng)種內(nèi)變異大于低氧耐受的種內(nèi)變異,而低氧耐受具有相對保守性[11,22,25]。因?yàn)橹腥A倒刺鲃偏好流水生境,具有一定游泳運(yùn)動(dòng)能力即能滿足其劇烈運(yùn)動(dòng)需要[26],而低氧耐受關(guān)系其能否幸存。綜上所述,中華倒刺鲃能量代謝特征是其經(jīng)長期自然選擇適應(yīng)環(huán)境的結(jié)果。