付翔 付成 樊捷 肖玲韜 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)

動物不同個體在不同的時空背景下表現出的穩(wěn)定的行為差異被稱為“個性”(Personality),研究動物的個性特征有利于理解其行為產生和維持的機制,具有重要的生態(tài)意義[1,2]。動物個性特征包括勇敢性、社會性等。勇敢性可定義為機體愿意接受一定程度的風險,以換取相應的收益(比如覓食、繁殖等)[3],衡量勇敢性的參數包括實驗對象從隱蔽場所進入開闊區(qū)的次數[4],潛伏時間比等[5]。社會性是指該動物對同類表現出的除攻擊性之外的行為反應[6,7],常用參數有靠近同伴的時間比和距離等[4,8,9]。動物的個性在一定條件下是關聯的,有研究者把這種關聯稱為“行為綜合征”(Behavioral syndrome)[10—12]。例如,橘斑嬌麗魚(Amatitlania siquia)的勇敢性與探索性呈正相關[13],而駝背太陽魚(Lepomis gibbosus)的勇敢性和社會性呈負相關[14]。

生長是魚類重要的生理特征,快速生長對于動物個體而言具有重要的適應性意義。動物在自然界中的食物占有能力通常會對其生長起到決定性作用。一般而言,體型較大的個體其個性特征會表現的更為積極主動(Proactive),即更活躍且更具好斗性[15,16],具有較強的食物占有能力,反過來又會促進其生長。因此,研究者認為,個性和食物占有能力及生長存在著一定的關聯[17,18]。例如,馬蘇大麻哈魚(Oncorhynchus masou)的攻擊性與食物占有能力和生長呈正相關[19],三刺魚(Gasterosteus aculeatus)的勇敢性與食物占有量和生長呈正相關[3],但褐鱒(Salmo trutta)中膽小的個體反而生長較快[20]。因此,個性特征與食物占有能力、生長的關聯需要在更多的魚類種類中開展研究。

集群行為在魚類中普遍存在[21]。集群生活使群體內部個體在增加覓食能力和降低被捕食的風險方面獲得收益[21—23],但代價則是群體內部食物資源等競爭加劇[24]。集群的成本和收益并非在群體所有成員間均分,不同個體能夠通過占據魚群中不同的空間位置來獲得各自的成本-收益比率[25—28]。魚類個性的差異是由其自身的生理狀態(tài)(如能量代謝、生長性能等)不同引起的[29],魚群中不同個性成員可能在運動特征上表現出一定的獨特性,進而對集群行為產生不同的影響。研究發(fā)現,較為膽大的三刺魚在集體運動時擁有較強的領導能力,位于群體的前方,因此能夠獲得較高的覓食機會[25,30,31]。

為了探討個性對魚類集群時的運動特征以及食物占有能力的影響,本研究以喜好群體生活的中華倒刺鲃(Spinibarbus sinensis)幼魚作為實驗對象[32—34]。首先測定了單尾實驗魚的勇敢性和社會性特征,隨后測定了其在單尾飼養(yǎng)條件下的食物占有能力以及生長情況,最后在群體條件下(6尾魚)測定了每尾魚的活動軌跡和食物占有狀況。在個性特征上我們選擇了勇敢性和社會性,是因為以往大量研究表明社會性和勇敢性在群體攝食行為中起著重要作用[35—37]。

1 材料與方法

1.1 實驗魚來源與馴養(yǎng)

實驗魚于2020年5月購買于重慶北碚魚類養(yǎng)殖基地,將買回的實驗魚放置于自凈化循環(huán)控溫養(yǎng)殖系統(體積約為250 L)中馴養(yǎng)6周。馴養(yǎng)過程使用曝氣充足的自來水,并保證水中溶氧維持在7 mg/L以上,水溫控制在(25±1)℃,每天換水約10%,光周期為12L∶12D。每天在上午10:00時用紅線蟲進行飽足投喂,30min后,用虹吸管清除養(yǎng)殖水槽內殘存的食物和魚類糞便。在馴養(yǎng)結束后,選取大小適宜的實驗魚進行實驗。

1.2 實驗方案

首先選取108尾身體健康、大小均勻的中華倒刺鲃幼魚[體重:(5.04±0.06) g;體長:(6.43±0.03) cm麻醉(MS-222,80 mg/L)]后注射PIT體內標簽,恢復2周后,拍攝實驗魚的勇敢性和社會性,待上述個性指標測定完成后,將實驗魚放入不同的單元格中以紅線蟲為餌料單獨喂養(yǎng)5d。在喂養(yǎng)結束后,將實驗魚隨機分為18組(每組6尾,分別在背部給予不同的顏色標記)。隨后在集群狀態(tài)下分別記錄視頻中6尾魚的攝食情況以及運動軌跡。整個實驗過程中溶氧、水溫等條件均與馴養(yǎng)期間一致。

1.3 個性(勇敢性和社會性)的測定

勇敢性和社會性的測定裝置(圖 1)均由實驗室自行研制[38]。為了消除人為活動對實驗測定的影響,所有實驗裝置被白色的幕布所遮蓋。勇敢性測定的實驗裝置為有機玻璃板構成的長方形水槽(圖 1a)。該裝置的內壁和底部均用白色廣告紙覆蓋,并被一塊不透明的有機玻璃隔板分隔成開闊區(qū)和隱蔽區(qū)。隔板底部正中央有一個可以拆卸的小門。隱蔽區(qū)域內放置有塑料水草和砂石,可為實驗魚提供安全隱蔽的環(huán)境。在開闊區(qū)域的正上方固定有一個羅技攝像頭(Logitech Webcam C900,15 幀/秒),實驗水深為10 cm。實驗時,首先將實驗魚放置于實驗裝置的隱蔽區(qū)并關閉隔板中央的小門,待實驗魚在隱蔽區(qū)內適應30min后,輕輕地打開小門并拍攝記錄實驗魚進入開闊區(qū)的狀況,視頻拍攝30min。實驗魚于第2天進行勇敢性的重復測定,以此確定其勇敢性的穩(wěn)定性,最后取兩次測量的平均值來衡量實驗魚的勇敢性。勇敢性的參數包括:開闊區(qū)停留的時間比(%)、進入開闊區(qū)次數(Times)[38]。計算方法如下:

圖1 用于勇敢性(a)、社會性(b)和集群行為(c)測定的實驗裝置示意圖Fig.1 The structure of the devices used to observe the boldness,sociability and schooling behavior

開闊區(qū)停留時間比(%):中華倒刺鲃幼魚在開闊區(qū)停留的總時長與拍攝時間(30min)的百分比。該值越大表示個體越為勇敢。

進入開闊區(qū)次數(Times):中華倒刺鲃幼魚從隱蔽區(qū)進入開闊區(qū)的次數。實驗魚從隱蔽區(qū)通過小門時,背鰭進入開闊區(qū)時即認為實驗魚進入了開闊區(qū)。該值越大表示個體越為勇敢。

社會性測定的實驗裝置(圖 1b)同為有機玻璃板組成的長方形水槽[38],但整個實驗裝置被兩塊透明的有機玻璃板分隔為3部分,位于裝置兩側的是兩個大小一致的刺激區(qū)域,裝置的中間部分為選擇區(qū)。同上,實驗水深為10 cm。實驗時,首先隨機選取6尾中華倒刺鲃作為刺激魚群置于實驗裝置的任一刺激區(qū),而另一刺激區(qū)無刺激魚群。待刺激魚群在實驗裝置中適應60min后,將單尾實驗魚輕輕的轉入實驗裝置中間的選擇區(qū)并立即進行視頻拍攝17min(分析時前2min不納入統計)。實驗魚于第2天進行社會性的重復測定,以次確定其社會性的穩(wěn)定性,最后取兩次測量的平均值衡量實驗魚的社會性。拍攝的視頻(15 幀/秒)用qq音影轉碼后,用idTracker軟件分析,獲取每尾實驗魚每一幀的質心坐標點以確定運動軌跡。衡量社會性的參數包括:與距離刺激魚群的平均距離(cm)及靠近刺激魚群的時間比(%)。計算公式如下:

式中,D為目標實驗魚與距離刺激魚群的距離(cm);式(2)中的x(t)、x1(t)分別表示目標實驗魚和放有刺激魚群(圖 1b中的G區(qū)域)的一側隔板(圖 1b中的I)在t時刻(t指代行為學視頻中任一幀圖像對應的時刻)的橫坐標,n表示視頻的總幀數。該值越大表示個體社會性越低。

靠近刺激魚群的時間比(%):目標實驗魚與刺激魚群距離小于20 cm對應的總時間與拍攝的總時間(15min)的百分比。該值越大表示個體社會性越高。

勇敢性和社會性拍攝完一次后,要對所有裝置進行清洗并換水,實驗測定水溫控制在(25±1)℃。

1.4 單尾飼養(yǎng)條件下食物占有能力的測定

將108尾實驗魚放入不同單元格中單獨飼養(yǎng)5d,在5d的食物處理前后對實驗魚的體重和體長進行測量,并記錄每尾實驗魚每日的攝食量(大小均勻的紅線蟲),用于計算每尾魚的食物占有能力和生長。食物占有能力的衡量參數為攝食率(FR,%/d);生長性能的參數包括飼料效率(FE,%)和生長率(SGR,%/d),計算公式如下:

式中,M1和M2分別表示食物處理前后實驗魚的體重(g);I(g)表示實驗魚總的攝食量;T表示食物處理時間(5d)。

1.5 集群時個體運動特征和食物占有能力的測定

單尾魚喂養(yǎng)實驗結束后,將108尾實驗魚隨機分為18組,每組6尾。首先將6尾實驗魚放入實驗圓形水槽J裝置(圖 1c)中適應30min[38]。在適應結束后,用注射器吸取大小相近的紅線蟲,隨機逐條注射到K、L和M三根塑料管中進行食物投喂。當實驗魚將進入水槽J中的單條紅線蟲吞食后,立刻進行下一條紅線蟲的投喂,整個食物投喂過程持續(xù)30min,在食物投喂的同時進行視頻拍攝。每拍完1次,要對所有裝置進行清洗并換水。最后通過視頻觀測確定單尾實驗魚的攝食量。拍攝的視頻(15 幀/秒)用qq音影轉碼后,用idTracker ai軟件分析,獲取每尾實驗魚每一幀的質心坐標點以確定其運動軌跡。群體中單尾魚攝食量的測定在每天的9:00—19:00進行。為了減少外界干擾,該實驗裝置被白色的幕布所遮蓋。共拍攝18組實驗魚的群體行為,但其中有一組魚群軌跡未能成功提取,因而廢棄。在魚群中每尾實驗魚的運動參數有實驗魚距離魚群質心的距離、速度中值、運動時間比與速度同步性,相關參數的計算方法參照以往相關研究。計算公式如下:

式中,xG和yG分別為t時刻魚群的平均質心坐標;x1、x2、x3、x4、x5、x6和y1、y2、y3、y4、y5、y6為t時刻6尾魚的橫、縱坐標。DG為每尾實驗魚距離魚群質心的距離(cm),xt和yt為t時刻某一尾魚的橫縱坐標。DG在30min內的平均值用于評價魚群的凝聚力[38]。

每尾實驗魚的速度中值:每尾實驗魚移動速度的中間值。

每尾實驗魚的運動時間比(PTM,%):每尾實驗魚速度大于1.75 cm/s的幀數除以總幀數。

每尾實驗魚的速度同步性(Sv)使用以下公式計算:

式中,vi和vj是魚群中任意兩尾實驗魚的t時刻的游泳速度。用于評價魚群運動時在游泳速度上的協調性。

群體中單尾實驗魚的食物占有能力以群體中每尾魚的攝食率表示,計算公式如下:

式中,M3表示實驗魚的體重(g);I表示實驗魚的攝食量(g)。

1.6 數據統計分析

本實驗數據采用Excel 2010進行統計和計算后,使用SPSS 22.0進行統計分析,所有統計值用平均值±標準誤(Mean±SE)表示,顯著水平P＜0.05。首先檢驗數據的正態(tài)性和方差齊性,如果不滿足,則使用非參數檢驗。勇敢性和社會性的可靠性采用度量內的可靠性分析;個性特征、單尾魚的食物占有能力、生長能力、集群中個體運動參數及群體中食物占有能力之間的關聯采用Pearson或Spearman相關性分析。

2 結果

2.1 中華倒刺鲃的個性特征

中華倒刺鲃勇敢性的參數即開闊區(qū)的停留時間比和進入開闊區(qū)的次數分別為(27.72±1.85)%和(11.33±0.68)次。社會性的參數與刺激魚群的距離和靠近刺激魚群的時間比分別為(8.16±0.22) cm和(87.66±0.61)%。所有四個參數均具有較高的重復性(表 1;P＜0.05),且這些個性特征參數之間相互關聯。首先,勇敢性和社會性各自的兩個指標顯著相關(圖 2;P＜0.05);其次,兩個勇敢新指標與距刺激魚群距離正相關,與靠近刺激魚群的時間比負相關(P＜0.05)。即勇敢性和社會性指標的相關關系為勇敢性越高社會性越低。

圖2 勇敢性和社會性之間的關聯Fig.2 The relationship between boldness and sociability

表1 勇敢性和社會性的可靠性檢驗Tab.1 Intraclass correlation coefficient results for boldness and sociability

2.2 個性與單尾飼養(yǎng)條件下食物占有能力、生長的關聯

中華倒刺鲃特定生長率、攝食率和飼料利用率分別為(1.47±0.07)%、(15.49±0.19)%和(9.45±0.42)%。三者與所有個性參數均不相關(表 2)。

表2 個性與單尾飼養(yǎng)條件下食物占有能力、生長的關聯Tab.2 The relationship between personality traits and food competitiveness ability and growth performance in singleton

2.3 個性與集群時個體運動參數及群體中食物占有能力的關聯

集群運動時中華倒刺鲃距離質心的距離、速度中值、運動時間比和速度同步性分別為(8.49±0.20) cm、(4.65±0.12) cm/s、(86.88±0.96)%和0.68±0.00。魚群平均攝食率為(2.97±0.21)%。勇敢性與集群時運動特征均不關聯。但社會性指標中的與刺激魚群的距離與集群時的運動時間比和速度同步性正相關,靠近刺激魚群時間比與集群時的運動時間比和速度同步性負相關(表 3和圖 3;P＜0.05)。即社會性較高的個體表現為較低的運動時間比和速度同步性。

圖3 社會性與集群時個體運動參數的關聯Fig.3 The relationship between sociability and motion parameters of fish in schooling

表3 個性與集群時個體運動參數以及群體中食物占有能力的關聯Tab.3 The relationship between personality,motion parameters of fish in schooling and food competitiveness ability

中華倒刺鲃的勇敢性和社會性參數與其在群體中食物占有能力均不關聯。

2.4 群體中食物占有能力與集群時個體運動參數的關聯

群體中食物占有能力和距離質心的距離、速度中值和運動時間比均顯著正相關(圖 4;P＜0.05),但與速度同步性關聯不顯著。

圖4 集群時個體運動參數與群體中食物占有能力的關聯Fig.4 The relationship between food competitiveness ability and motion parameters of fish in schooling

3 討論

3.1 中華倒刺鲃的個性及個性指標間的關聯

中華倒刺鲃的勇敢性和社會性具有較高的重復性,這種穩(wěn)定的個性特征具有重要的生態(tài)和進化意義[10]。此外,本研究發(fā)現中華倒刺鲃的勇敢性與社會性呈顯著負相關,這與大多數研究較為一致,例如,在睛斑扁隆頭魚(Symphodus ocellatus)、三刺魚(Gasterosteus aculeatus)及駝背太陽魚中勇敢性和社會性為負相關[3,14]。研究者認為這種個性之間的相關性具有重要的適應意義,對個體適合度、物種分布(包括物種入侵)和物種形成都有重要影響[10]。本研究結果提示,越為勇敢的中華倒刺鲃個體往往越不喜歡靠近同類,更有可能發(fā)現食物,但離同類個體越遠,也意味著越容易被捕食者發(fā)現[3,39]。然而,也有研究發(fā)現某些魚類的勇敢性與社會性無關[36],甚至表現為正相關[40,41]。因此,個性之間的關聯可能存在種間差異。這是因為物種個性間的關聯與否及其性質可能會限定其行為的可塑性,而擁有較高行為可塑性的物種能夠更好得應對環(huán)境的變化(如人為活動影響等),進而使得該物種不至于衰退[10,42]。

3.2 個性與食物占有能力和生長之間的關聯

有研究表明魚類的個性和生長存在關聯[43],一般而言,越勇敢、越具攻擊性的個體往往生長更快[15]。例如,在大西洋銀漢魚(Menidia menidia)中,勇敢性與食物占有能力和生長呈正相關[44]。而在本研究中,勇敢性和社會性與食物占有能力和生長參數均不關聯,研究者在其他一些魚類中也觀察到類似現象。例如,在三刺魚中社會性與攝食率不關聯[45],而在白斑狗魚(Esox lucius)中勇敢性和生長率不關聯[46]。這可能與實驗條件相關。我們猜測本次實驗出現該種現象是由于在實驗時,每尾實驗魚均是單獨隔開飼養(yǎng),且飽足投喂,實驗魚之間不存食物競爭,進而使得彼此之間都在最大的利用食物進行生長,反而使得生長和個性之間不存在關聯。其次,中華倒刺鲃棲息于流水生境中,往往會遭遇一些潛在的生存威脅(如捕食風險等),然而,實驗魚在整個飼養(yǎng)過程中,沒有這些潛在的風險存在,進而可能弱化了個性與生長之間的關聯。因此,環(huán)境因子等微小的變化可能會對中華倒刺鲃個性與生長之間的關聯產生影響,其內在機制還需進一步研究。當然,生長實驗時間較短可能也是原因之一。盡管中華倒刺鲃攝食量大,生長較快,5d的飼養(yǎng)時間可能仍未能使得生長性能在種內水平表現出足夠的差異。

在本實驗中,中華倒刺鲃的勇敢性和社會性與群體中食物的占有能力均不關聯,這可能是因為位于群體邊緣和運動水平較高的個體獲取食物機率更高(詳見3.3討論部分),不愿意冒險和社會性較強的個體可能較多的停留在投喂食物的塑料管底部,等待食物的到來,這對于獲取此處投放的食物有利。但這些個體較低的運動水平限制了其獲取其他來源的食物,因為群體食物的來源是多方向性的,進而使得個性與食物占有之間不關聯。

3.3 集群時個體運動特征與個性和食物占有能力之間的關聯

在個性特征中僅社會性與集群時個體的運動特征存在關聯,這表明社會性在群體中保留的特征比較多,主要表現為社會性越高的個體,運動時間比、速度同步性越低。這表明個性差異會對集群產生重要影響,包括群體層面的行為[35],這與孔雀魚(Poecilia reticulata)和食蚊魚(Gambusia affinis)中的研究較為一致[39,47]。有研究表明社會性越強的個體更重視群體的凝聚力[36],進而使得他們可能會服從群體其他成員的行為,壓制他們自身的個性在其他方面的表達[48]。

在群體中的食物競爭力與集群時個體的運動特征是關聯的,離群體質心越遠的個體,食物占有能力越強,食物攝入的越多,游的越快。這是因為整個過程,食物是從裝置邊緣進行注射投喂的,離質心越遠,越能夠更快的獲得更多的食物。群體覓食是一種自組織結構行為,有研究表明動物群體可能會隨著捕食風險的增加而變得更加聚攏,但覓食時卻會變得分散[49—51],有研究表明,速度的異質性對群體運動等有重要影響,由于游泳速度的差異,群體中游的較快的成員會到達群體的邊緣或者在群體的前面[35],而這些個體更容易發(fā)現食物,導致其食物攝入的更多[25,48]。因此,群體成員運動特征的異質性最終會導致他們的食物獲得能力出現差異,這進一步表明,個體的異質性對集群生活的重要性[52]。

綜上所述,中華倒刺鲃的社會性的個體差異在集群運動時能夠很好的保留,進而造成其在集體覓食過程中空間位置的異質性以及運動水平的差異,最終影響中華倒刺鲃個體在群體生活中的食物占有和生長。