溫度對(duì)海刺猬(Glyptocidaris crenularis)和中間球海膽(Strongylocentrotus intermedius)遮蔽行為的影響*

趙 沖 羅世濱, 周海森 田曉飛 常亞青①

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋生命學(xué)院 青島 266003;2.大連海洋大學(xué) 農(nóng)業(yè)部北方海水增養(yǎng)殖學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 大連 116023;3.廣東海興農(nóng)集團(tuán)有限公司 廣州 510000)

海膽是一類具有重要生態(tài)功能的海洋底棲生物,是海洋生態(tài)系統(tǒng)中非常重要的一環(huán)(Pearseet al,2006),具有重要的生態(tài)學(xué)和行為學(xué)研究?jī)r(jià)值(常亞青等,2004)。研究表明,溫度顯著影響海膽的呼吸(Siikavuopioet al,2008)、攝食(Lawrenceet al,2009)、生長(zhǎng)(Siikavuopioet al,2012)、性腺發(fā)育(Kayabaet al,2012)、繁殖(Binetet al,2013)和幼體發(fā)育(Azadet al,2012;Delormeet al,2013)。在生物體應(yīng)對(duì)各種環(huán)境變化過(guò)程中,行為是最先受到影響和改變的(Ruzzante,1994;Clarke,2003;Moretzet al,2007)。因此,無(wú)論海洋還是陸地環(huán)境,溫度都是影響動(dòng)物行為最重要的非生物因子(Briffaet al,2013)。然而,海膽對(duì)于溫度的行為響應(yīng)卻鮮有報(bào)道。

遮蔽行為是指海膽利用棲息地周圍的貝殼、藻類碎塊、小石塊等物體遮蔽自身的一種行為(Verlinget al,2002,圖1a)。目前的研究表明,海膽的遮蔽行為可能具有躲避敵害、避光、獲取食物等功能,并且易受光照和水流等外界環(huán)境因素的影響(Kehaset al,2005;Dumontet al,2007)。Barnes 等(2001)研究發(fā)現(xiàn)夏季出現(xiàn)遮蔽行為的擬球海膽(Paracentrotus lividus)明顯多于冬季。這一研究結(jié)果暗示溫度可能影響海膽的遮蔽行為。但在他們的研究中,季節(jié)和光周期也可能對(duì)海膽遮蔽行為產(chǎn)生影響。溫度,作為一個(gè)單獨(dú)的因素,對(duì)海膽遮蔽行為的影響國(guó)內(nèi)外均未見報(bào)道。

海刺猬(Glyptocidaris crenularis),屬棘皮動(dòng)物門、游在亞門、海膽綱、正形目、疣海膽科,是疣海膽科目前存活的唯一代表種,主要分布在中國(guó)黃海北部及日本海的部分海域,屬于我國(guó)的原種;中間球海膽(Strongylocentrotus intermedius)屬海膽綱、正形目,球海膽科,原產(chǎn)于日本北海道和俄羅斯遠(yuǎn)東等地區(qū)沿海,于1989年引進(jìn)中國(guó),屬于引進(jìn)種類。兩種海膽在地理分布、生物學(xué)特征、食物偏好和生態(tài)特點(diǎn)上都存在一定的差異(常亞青等,2004),因此,具有重要的比較行為學(xué)研究?jī)r(jià)值。本文比較研究了海刺猬和中間球海膽在不同溫度和溫度變化條件下的遮蔽行為,以期為海膽行為生態(tài)學(xué)研究提供新的信息。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

海刺猬(G.crenularis)于2011年2月購(gòu)自遼寧大連海寶漁業(yè)有限公司,然后在實(shí)驗(yàn)室中飼養(yǎng)至行為實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)時(shí)為 17月齡海膽。中間球海膽(S.intermedius)為實(shí)驗(yàn)室于2010年10月培育并飼養(yǎng)至實(shí)驗(yàn)進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)時(shí)為12月齡海膽。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)部分:第一部分研究不同溫度條件下海刺猬和中間球海膽遮蔽行為(實(shí)驗(yàn) 1);第二部分研究不同溫度變化對(duì)海刺猬和中間球海膽遮蔽行為的影響(實(shí)驗(yàn) 2)。實(shí)驗(yàn)中所用的控溫設(shè)備為品字形可控生態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。遮蔽材料(貝殼)的放置以及行為學(xué)觀察、記錄方法均參考常亞青等(2013)。

實(shí)驗(yàn) 1 設(shè)計(jì) 5°C、15°C和25°C三個(gè)溫度梯度,每個(gè)梯度 3個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)中放置12只海膽,每個(gè)實(shí)驗(yàn)水槽中放入 40個(gè)貽貝(Mytilus galloprovincialis)貝殼,均勻置于水槽底部(圖1b)。持續(xù)5天觀察海刺猬的遮蔽行為,持續(xù)6天觀察中間球海膽的遮蔽行為,每天觀察一次。

圖1 海膽的遮蔽行為(a)及控溫實(shí)驗(yàn)水槽及貝殼布置(b)Fig.1 Covering behavior of a sea urchin(a) and distribution of shells on the bottom of a tank(b)

實(shí)驗(yàn) 2設(shè)計(jì)三個(gè)溫度變化組,分別為+5°C(15°C→20°C)、+15°C(5°C→20°C)和-5°C(25°C→20°C),每個(gè)溫度變化組設(shè)三個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)中放置 12只海膽。貝殼放置方法與實(shí)驗(yàn)1相同。實(shí)驗(yàn)前先將海刺猬和中間球海膽分別置于5°C、15°C和25°C水溫下養(yǎng)殖 6天,海水 24h循環(huán),不投喂。實(shí)驗(yàn)開始時(shí),將各溫度條件下養(yǎng)殖的海膽分別放入到 9個(gè)水溫為20°C的水槽中。實(shí)驗(yàn)期間不投食,海水不循環(huán)、不通氣。實(shí)驗(yàn)以各組投放海膽后最后一個(gè)海膽落到容器底部的時(shí)間為各組記錄的初始時(shí)間,記錄每組第一個(gè)海膽首次出現(xiàn)遮蔽行為的時(shí)間,并且每隔10min記錄各組有遮蔽行為的海膽數(shù)、海膽用于遮蔽行為的貝殼數(shù),連續(xù)觀察180min。

實(shí)驗(yàn)各組海膽的殼徑、殼高和體重均沒有顯著差異(P＞0.05,表1)。但兩種海膽之間的規(guī)格存在較大差異。各組所用的貝殼除了 25°C(25°C→20°C)組的殼長(zhǎng)顯著小于其它兩組外(P＜0.05),其它規(guī)格均沒有顯著差異(P＞0.05)。

表1 實(shí)驗(yàn)所用海膽及貝殼的規(guī)格Tabl.1 Size of sea urchins and shells used in the experiment

1.3 統(tǒng)計(jì)方法

首先,用Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)和Levene檢驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)性和方差齊性分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。結(jié)果表明,所有數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布。用重復(fù)度量方差分析(Repeated measured ANOVA)統(tǒng)計(jì)分析了實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2中海刺猬和中間球海膽出現(xiàn)遮蔽行為的個(gè)體數(shù)和海膽在該行為中所利用的貝殼數(shù)。在實(shí)驗(yàn)2中,中間球海膽初始遮蔽時(shí)間符合方差齊性,因此利用單因素方差分析(One-way ANOVA)比較了各組之間的差異;海刺猬初始遮蔽時(shí)間不符合方差齊性,故利用Kruskal-Wallis H test來(lái)比較各組之間的差異。所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均利用 SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)顯著性水平均設(shè)置為P＜0.05。

2 結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)1

實(shí)驗(yàn) 1中不同溫度組海刺猬和中間球海膽具有遮蔽行為的個(gè)體數(shù)隨時(shí)間的變化分布分別見圖2和圖3。在觀察周期內(nèi),不同溫度條件下海刺猬和中間球海膽具有遮蔽行為的海膽數(shù)隨時(shí)間都沒有出現(xiàn)大的波動(dòng)變化。但兩種海膽在不同溫度條件下具有遮蔽行為的個(gè)體數(shù)卻存在著明顯的差異。海刺猬在5°C下具有遮蔽行為的個(gè)體數(shù)要顯著少于15°C和25°C兩組(P＜0.05),而后兩組沒有顯著差異(P＞0.05)。中間球海膽在25°C下具有遮蔽行為的個(gè)體數(shù)要顯著少于15°C和5°C兩組(P＜0.05),而后兩組沒有顯著的差異(P＞0.05)。

圖2 不同溫度下具有遮蔽行為的海刺猬個(gè)體數(shù)Fig.2 The number of G.crenularis in covering behavior at different temperatures

圖3 不同溫度下具有遮蔽行為的中間球海膽個(gè)體數(shù)Fig.3 The number of S.intermedius in covering behavior at different temperatures

圖4 不同溫度條件下海刺猬用于遮蔽行為的貝殼數(shù)Fig.4 The number of shells used by G.crenularis for covering at different temperatures

圖5 不同溫度條件下中間球海膽用于遮蔽行為的貝殼數(shù)Fig.5 The number of shells used by S.intermedius for covering at different temperatures

實(shí)驗(yàn) 1中不同溫度下海刺猬和中間球海膽遮蔽行為利用的貝殼數(shù)隨時(shí)間的變化見圖4和圖5。在觀察周期內(nèi),不同溫度下海刺猬和中間球海膽用于遮蔽行為的貝殼數(shù)隨時(shí)間都沒有出現(xiàn)大的波動(dòng)。但不同溫度下兩種海膽用于遮蔽行為的貝殼數(shù)存在明顯差異。海刺猬在5°C時(shí)利用的貝殼數(shù)要顯著少于25°C組(P＜0.05),而與 15°C 組沒有顯著的差異(P＞0.05)。中間球海膽在 25°C下所利用的貝殼數(shù)要顯著少于15°C和5°C兩組(P＜0.05),而后兩組沒有顯著的差異(P＞0.05)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:兩種海膽用于遮蔽行為的貝殼數(shù)最少的溫度條件正好相反。

2.2 實(shí)驗(yàn)2

實(shí)驗(yàn) 2中各組海膽初始遮蔽時(shí)間的比較列于表2。兩種海膽在不同溫度變化中初始遮蔽時(shí)間都沒有顯著的差異(P＞0.05)。中間球海膽遮蔽行為的反應(yīng)時(shí)間明顯快于海刺猬。

表2 不同溫度變化條件下海刺猬和中間球海膽初始遮蔽時(shí)間(單位:秒)Tab.2 The reaction time of covering behavior in G.crenularis and S.intermedius when temperature changed(unit:s)

不同溫度變化組海刺猬和中間球海膽具有遮蔽行為的個(gè)體數(shù)隨時(shí)間的變化見圖6和圖7。三個(gè)溫度變化組中出現(xiàn)遮蔽行為的海膽數(shù)都隨著時(shí)間而逐漸增加,在 15°C→20°C 和 25°C→20°C 組,海刺猬具有遮蔽行為的個(gè)體數(shù)都在第20min達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);而在5°C→20°C 下,在第 10min,具有遮蔽行為的海刺猬個(gè)數(shù)最少,到第60min達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。然而,總體而言,三個(gè)溫度變化組具有遮蔽行為的海刺猬個(gè)體數(shù)沒有顯著的差異(P＞0.05)。

中間球海膽具有遮蔽行為的個(gè)體數(shù)在 25°C→20°C下隨著時(shí)間的變化沒有出現(xiàn)太大波動(dòng),而另外兩組則隨著時(shí)間的推移而略有減少。在第 10min,25°C→20°C 下的中間球海膽具有遮蔽行為的個(gè)體數(shù)最少。總體而言,三個(gè)溫度變化組具有遮蔽行為的中間球海膽個(gè)體數(shù)沒有顯著差異(P＞0.05)。

圖6 不同溫度變化條件下具有遮蔽行為的海刺猬個(gè)體數(shù)Fig.6 The number of G.crenularis with covering behavior when temperature changed

圖7 不同溫度變化條件下具有遮蔽行為的中間球海膽個(gè)體數(shù)Fig.7 The number of S.intermedius with covering behavior when temperature changed

圖8 不同溫度變化條件下被海刺猬用于遮蔽行為的貝殼數(shù)Fig.8 The number of shells used by G.crenularis for covering when temperature changed

不同溫度變化下海刺猬和中間球海膽用于遮蔽行為的貝殼數(shù)量隨時(shí)間的變化見圖8和圖9。5°C→20°C組海刺猬遮蔽行為所利用的貝殼數(shù)顯著最少(P＜0.05),另外兩組沒有顯著的差異(P＞0.05)。25°C→20°C 組的中間球海膽所利用的貝殼數(shù)顯著最少(P＜0.05),另外兩組差異不顯著(P＞0.05)。

圖9 不同溫度變化條件下被中間球海膽用于遮蔽行為的貝殼數(shù)Fig.9 The number of shells used by S.intermedius for covering when temperature changed

3 討論

Barnes等(2001)研究發(fā)現(xiàn)擬球海膽夏季出現(xiàn)遮蔽行為的個(gè)體數(shù)要明顯多于冬季,并認(rèn)為這可能與不同季節(jié)光照、海膽可利用的遮蔽材料以及捕食者的活動(dòng)強(qiáng)度有關(guān),而沒有考慮不同季節(jié)溫度顯著不同這一潛在影響因素。本文研究結(jié)果表明,海刺猬在低溫條件下(5°C)遮蔽行為能力顯著低于其在 15°C 和25°C水溫條件下的相應(yīng)能力。這一結(jié)果與Barnes等(2001)的研究結(jié)果相吻合。本研究用實(shí)驗(yàn)行為生態(tài)學(xué)的方法,約束實(shí)驗(yàn)動(dòng)物以相同的光照條件和遮蔽材料,并去除捕食者的效應(yīng),證明溫度同樣是海膽的遮蔽行為的重要影響因素,為海膽遮蔽行為的環(huán)境影響研究提供了新的信息和思路。研究表明,低溫顯著影響擬球海膽的生理代謝(Catarinoet al,2012),18—22°C是擬球海膽生長(zhǎng)和性腺發(fā)育的最適水溫(Shpigelet al,2004),而且,活力好的擬球海膽比活力弱的個(gè)體具有更快的遮蔽速度和更強(qiáng)的遮蔽能力(Crook,2003)。本文研究結(jié)果也表明,低溫顯著阻礙海刺猬的性腺生長(zhǎng)。動(dòng)物行為學(xué)研究表明,對(duì)溫度敏感響應(yīng)的生理代謝及適應(yīng)性性狀與動(dòng)物行為之間存在著緊密的關(guān)聯(lián)(Briffaet al,2013)。這是對(duì)于低溫條件下海刺猬和擬球海膽遮蔽行為能力較弱的一個(gè)非常合理的解釋。與海刺猬不同,中間球海膽在高溫條件下(25°C)遮蔽行為能力顯著低于 5°C和 15°C水溫條件下的相應(yīng)能力。中間球海膽屬于冷水性動(dòng)物,對(duì)高溫比較敏感,夏季長(zhǎng)時(shí)間超過(guò) 23°C會(huì)導(dǎo)致其大量死亡(Fuji,1967;常亞青等,2004),其耗氧率從5—20°C 隨著溫度的升高而顯著升高(Sedova,2000),且高溫(22°C)顯著抑制中間球海膽的食物同化率和性腺生長(zhǎng)(Lawrenceet al,2009)。中間球海膽的遮蔽行為結(jié)果進(jìn)一步印證了生理代謝及適應(yīng)性性狀與海膽行為的緊密關(guān)聯(lián)。本研究結(jié)果表明,海膽在其適宜的生理生態(tài)條件下能夠表現(xiàn)出更強(qiáng)的行為能力。Verling等(2004)比較研究了擬球海膽和紫海膽(S.purpuratus)的遮蔽行為。研究結(jié)果表明,在不同的棲息地和潮位,擬球海膽的遮蔽行為能力都高于紫海膽。而在本研究中,海刺猬和中間球海膽遮蔽對(duì)不同溫度的行為響應(yīng)能力完全不同。這說(shuō)明不同種類的海膽遮蔽行為能力不同,而且對(duì)不同環(huán)境因子具有不同的行為響應(yīng)能力。這一行為差異的機(jī)理很可能與不同種類海膽不同的生理代謝規(guī)律相關(guān)(Briffaet al,2013)。

為了更為深入地理解海刺猬和中間球海膽對(duì)溫度的行為響應(yīng),我們進(jìn)一步研究了不同溫度變化量及不同的溫度變化方向(高溫→低溫或者低溫→高溫)對(duì)兩種海膽遮蔽行為的影響。我們發(fā)現(xiàn) 15°C→20°C和25°C→20°C組海刺猬的遮蔽能力沒有顯著差異。這說(shuō)明在一定溫度范圍內(nèi),溫度變化方向(升溫或降溫)對(duì)海刺猬的遮蔽行為影響不大。5°C→20°C 組的海刺猬遮蔽行為所利用的貝殼數(shù)顯著少于其他兩組。這可能和起始溫度有關(guān),也可能與較大的溫度變幅有關(guān)。然而,與海刺猬的結(jié)果不同,具有較小溫度變幅(25°C→20°C)組的中間球海膽的遮蔽行為能力要顯著低于其他兩組個(gè)體。這說(shuō)明在一定溫度范圍內(nèi)溫度變幅對(duì)海膽遮蔽行為影響不大。我們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)2中對(duì)海刺猬和中間球海膽遮蔽行為能力影響最大的溫度變化組的初始溫度分別為5°C和25°C。有趣的是,這正是實(shí)驗(yàn) 1中所證明的對(duì)它們遮蔽行為影響作用最大的溫度點(diǎn)。綜合海刺猬和中間球海膽的數(shù)據(jù)結(jié)果,我們認(rèn)為,海膽對(duì)溫度變化的遮蔽行為響應(yīng)更大程度上取決于初始溫度,而不是變化幅度和變化方向。溫度變化雖然顯著地影響海刺猬和中間球海膽遮蔽用的貝殼數(shù),但并不顯著影響有遮蔽行為的海膽數(shù)和它們遮蔽的速度。這表明海刺猬和中間球海膽在是否遮蔽以及遮蔽強(qiáng)度之間的權(quán)衡。

綜上所述,海刺猬和中間球海膽的遮蔽行為能力都在其生理生態(tài)的適宜溫度下最強(qiáng),在溫度脅迫條件下顯著減弱;海刺猬和中間球海膽對(duì)于不同溫度的遮蔽行為響應(yīng)能力不同;在5—25°C范圍內(nèi),溫度變化對(duì)海刺猬和中間球海膽的遮蔽行為的影響主要取決于初始溫度,而與溫度變幅和變化方向關(guān)系不大。

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