北草蜥熱適應(yīng)性的生理基礎(chǔ)

沙 威， 杜衛(wèi)國

(1.黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)研究所;2.中國科學(xué)院動物研究所)

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北草蜥熱適應(yīng)性的生理基礎(chǔ)

沙 威1， 杜衛(wèi)國2*

(1.黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)研究所;2.中國科學(xué)院動物研究所)

以寧德和舟山兩個北草蜥種群為研究對象，測定其在相同環(huán)境條件下的行為和生理的差異，推測其適應(yīng)氣候變化的潛在對策.在個體水平上，測定了北草蜥的熱敏感性，包括不同地理種群的耐受高溫(CTmax)和耐受低溫(CTmin)，不同溫度下的疾跑速度，在生理生化水平上，結(jié)合不同溫度下呼吸代謝數(shù)據(jù)來研究種群對熱環(huán)境的適應(yīng).研究結(jié)果表明，不同分布區(qū)的北草蜥種群的耐受高低溫差異顯著，舟山蜥蜴的CTmin小于寧德個體，但其CTmax大于寧德個體.兩個草蜥種群從18 ～28 ℃疾跑速度都隨著環(huán)境溫度的升高而增加，但從28～38 ℃過程中隨溫度的升高開始下降，且在相同溫度下，舟山北草蜥的跑速較寧德北草蜥快.同樣，兩個種群的呼吸代謝率均隨著溫度的升高而呈增加，舟山種群的呼吸代謝水平在不同溫度水平均高于寧德種群.呼吸代謝的種群間差異與個體體重差異有關(guān)，因為，去除體重差異因素后兩個種群的呼吸代謝率無顯著差異.

耐受高溫;耐受低溫;種群間差異;熱敏感性;代謝率; 熱適應(yīng);疾跑速度;ABSRACT

0 引言

氣候變暖影響著物種遺傳以及生態(tài)特性，進而可以改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)以及生物多樣性.近幾十年來，由于人類活動影響等諸多因素，極端氣候頻繁發(fā)生，導(dǎo)致生物多樣性下降.動物如何應(yīng)對氣候變化成為當(dāng)今動物學(xué)領(lǐng)域的一個國際熱點，一些重要成果常見于Science, Nature 等國際頂級科學(xué)刊物.掌握動物熱適應(yīng)性的內(nèi)在本質(zhì)，便成為認識動物如何應(yīng)答氣候變化的關(guān)鍵.作為外溫動物，爬行類的行為和生理功能直接受到環(huán)境溫度的顯著影響，溫度變化已經(jīng)成為導(dǎo)致全球爬行動物多樣性下降的重要原因.因此，爬行動物是研究動物如何適應(yīng)溫度變化的適宜對象，開展其熱適應(yīng)性的研究具有重要的科學(xué)價值和現(xiàn)實意義.該文以寧德和舟山兩個北草蜥種群為研究對象，測定其在相同環(huán)境條件下的行為和生理的差異，推測其適應(yīng)氣候變化的潛在對策.在個體水平上，測定了北草蜥的熱敏感性，包括不同地理種群的耐受高溫(CTmax)和耐受低溫(CTmin)，不同溫度下的疾跑速度，在生理水平上，結(jié)合不同溫度下呼吸代謝數(shù)據(jù)來研究種群對熱環(huán)境的適應(yīng).

1 材料與方法

1.1 標本采集和飼養(yǎng)

2012年的4～5月，分別在舟山和寧德兩地采集40條成體，捕獲北草蜥帶回北京中國科學(xué)院動物研究所.所有的蜥蜴在實驗室適應(yīng)3 d，然后測量個體體長(SVL)和尾長(TL)(Mitutoyo數(shù)顯游標卡尺，日本)，測定體重(BM)(±0.01g)(電子天平),并進行剪趾編號，之后將同一種群的北草蜥隨機分配到塑料整理箱(600 mm×450 mm×400 mm)內(nèi)飼養(yǎng)，每個飼養(yǎng)箱內(nèi)10～12只個體，箱子底部墊紙，每天向箱子內(nèi)均勻噴水以保持飼養(yǎng)箱內(nèi)的濕潤.用縱截半片PVC管為蜥蜴提供躲避場所.飼養(yǎng)箱一側(cè)頂端懸掛100W加熱白熾燈泡，光周期設(shè)為12:L：12D(7:00～19:00)，光周期中，飼養(yǎng)箱內(nèi)部具有一定溫度梯度，蜥蜴自行進行體溫調(diào)節(jié).飼養(yǎng)箱另一端擺放塑料食盤，提供充足的食物和飲水由蜥蜴隨機采食.食物為黃粉蟲幼蟲，并且每周喂一次混有維生素的蟋蟀，每次每只蜥蜴2只蟋蟀.

1.2 熱耐受性測定

2012年6月開始，在實驗室內(nèi)開展實驗.隨機從兩個種群的飼養(yǎng)箱中分別挑選20只成體，每個種群個體雌雄各10只，每次取同一種群中的兩個個體.

耐受低溫(CTmin)的測定：將待測個體移入事先設(shè)置為28 ℃的生化培養(yǎng)箱內(nèi)適應(yīng)1 h，按每5 min降低箱內(nèi)溫度1 ℃的速率調(diào)節(jié)培養(yǎng)箱內(nèi)的溫度，直到蜥蜴?zhèn)€體在強烈刺激下不能做出反應(yīng)(如眨眼、翻身和爬動等)時，迅速取出個體，將點溫計探頭快速插入蜥蜴?zhèn)€體的泄殖腔，根據(jù)電子點溫計記錄即時的泄殖腔溫度，作為CTmin.蜥蜴移出培養(yǎng)箱后在常溫進行恢復(fù)，后放回原有飼養(yǎng)箱內(nèi)繼續(xù)飼養(yǎng).

耐受高溫(CTmax)的測定：將待測個體放入28 ℃的恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)適應(yīng)1 h，然后從28 ℃開始，每5 min增高培養(yǎng)箱內(nèi)溫度1 ℃，直到待測個體不能翻身眨眼，在強烈刺激下不能做出反應(yīng)，立即從培養(yǎng)箱內(nèi)取出，用點溫計測定其泄殖腔內(nèi)的溫度作為其CTmax,測定后個體在常溫進行恢復(fù)，后放回原有的飼養(yǎng)箱內(nèi)繼續(xù)飼養(yǎng).

1.3 運動能力測定

每個種群隨機選取20只個體，在恒溫室條件下測定其運動能力.所有個體分別在5個溫度(18 ℃、23 ℃、28 ℃、33 ℃、38 ℃)條件下測定運動能力(疾跑速).實驗在自制1800 mm×8150 mm×200 mm的木質(zhì)粗糙跑道中進行，跑道一邊每250mm標記，另一邊為透明玻璃能使攝像機捕捉到動物的運動.實驗開始前，將待測種群個體放置在設(shè)定好的測定溫度的生化培養(yǎng)箱內(nèi)適應(yīng)2 h，使其適應(yīng)實驗測定溫度.適應(yīng)后，迅速將北草蜥個體從跑道一端放入，在其尾部用毛筆沿其運動方向的垂直方向驅(qū)趕，但不推動，使其跑過1.5 m的路程.同時，用數(shù)碼攝像機(SONY, DCR-SR220E)拍攝其運動的過程.每個個體重復(fù)測量3次，每次測定至少間隔1 h.疾跑速度為北草蜥跑過250 mm的最大速度，將通過1.5 m的速度記為平均速度，最終數(shù)據(jù)結(jié)果以3次重復(fù)測定的平均值來表示.3次測定后將全部實驗個體放回原有飼養(yǎng)箱內(nèi)繼續(xù)飼養(yǎng).實驗測定溫度的順序隨機化，且每兩個溫度水平實驗間至少間隔1 d.實驗中對受傷個體或長時間停在跑道某處不跑或來回往返跑動的北草蜥個體進行標號記錄，在之后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計記錄中進行排除.

1.4 呼吸代謝測定

用北草蜥寧德和舟山種群各16只成體(雌雄各8只)，實驗前期動物在常溫實驗室飼養(yǎng)適應(yīng).實驗于6月中旬開始.每天隨機選一個測定溫度進行基礎(chǔ)代謝率的實驗.測定過程按Li等2010年的方法進行測定.在實驗前，將隨機選取的北草蜥放入塑料飼養(yǎng)盒中，需禁食12 h.每次選取2只放置在預(yù)先設(shè)定好溫度的生化培養(yǎng)箱內(nèi)進行1 h的熱適應(yīng).利用開放氣流陸生動物呼吸系統(tǒng)(Stable Systems International Inc., Las Vegas, NV, USA)進行代謝率測定，將適應(yīng)測定溫度的蜥蜴?zhèn)€體放入呼吸室，裝入蜥蜴?zhèn)€體的呼吸室放置于預(yù)先設(shè)定好溫度的生化培養(yǎng)箱內(nèi)，利用干燥劑對呼吸室進出氣體進行干燥，然后調(diào)定氣體流速為70 mL/min,動物個體吸入的氧氣量與呼出的二氧化碳量均被電腦記錄，每次呼吸實驗時間為30 min，每只個體進行1 h 2個循環(huán)的同一溫度的呼吸測定.每個循環(huán)測定的開始和結(jié)束時都進行基線測定，所有實驗測定時間均在每日8:00～18:00間進行.該實驗一共設(shè)置5個不同溫度水平的呼吸測定(18 ℃，23 ℃，28 ℃，33 ℃，38 ℃).實驗溫度順序隨機化安排，每個種群個體在當(dāng)天溫度水平測定完后帶回常溫實驗室恢復(fù)一天.氧氣消耗率利用下列計算公式計算：

其中FR=flow rate (mL/min), Fi=input fractional concentration (%), Fe=excurrent fractional concentration (%).然后記錄連續(xù)最小的氧氣含量(5 min)進行計算.體重用于計算BMR.

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)在做參數(shù)統(tǒng)計分析前，分析檢驗其正態(tài)性 (Kolmogorov-Smirnov test)和方差同質(zhì)性(Statistic統(tǒng)計軟件包).經(jīng)檢驗，所有數(shù)據(jù)符合參數(shù)統(tǒng)計條件.應(yīng)用單因子方差分析(ANOVA)，文中描述性統(tǒng)計值用平均值±標準誤表示，顯著性水平設(shè)置在α=0.05.

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境溫度對熱耐受性的影響

本研究中寧德北草蜥種群成體的CTmax為41.09±0.29 ℃，CTmin為3.50±0.74 ℃；舟山北草蜥種群成體的CTmax為 42.22±0.16 ℃，CTmin為2.72±0.99 ℃.處于較高緯度的舟山北草蜥種群的CTmax比較低緯度的寧德北草蜥種群要高，而CTmin又比寧德種群低.

2.2 環(huán)境溫度對運動能力的影響

熱環(huán)境顯著影響北草蜥的運動能力，從18～33 ℃，寧德和舟山北草蜥的疾跑速度逐漸增加，在環(huán)境溫度達到33 ℃時，兩個地理種群的北草蜥均達到最大疾跑速，而當(dāng)環(huán)境溫度繼續(xù)增加至38 ℃時，兩個地理種群的北草蜥的疾跑速都有不同程度的下降,如圖1所示.同樣，兩個地理種群北草蜥的平均速度也受熱環(huán)境影響顯著，從18～33 ℃平均速度隨溫度的增加而增加，當(dāng)環(huán)境溫度達到33 ℃時，兩個地理種群個體均達到最大平均速度，當(dāng)環(huán)境溫度超過33 ℃時，兩個地理種群的平均速度隨溫度的增加有不同程度的下降,如圖2所示.在同一溫度水平下，舟山北草蜥的疾跑速和平均速度均大于寧德北草蜥.

圖1 寧德和舟山北草蜥的疾跑速

圖2 寧德和舟山北草蜥的平均速度

2.3 環(huán)境溫度對呼吸代謝的影響

在實驗室條件下，熱環(huán)境顯著影響北草蜥的呼吸代謝率.舟山種群北草蜥的代謝率要顯著高于寧德種群的北草蜥(F4，72=5.107 ，P=0.001)，兩個種群北草蜥在一定溫度范圍內(nèi)，呼吸代謝隨著溫度的升高而遞增，且在相同溫度條件下，舟山種群的北草蜥的呼吸代謝率均高于寧德種群的北草蜥.去除體重因素(舟山北草蜥>寧德北草蜥)，兩個地理種群的北草蜥的基礎(chǔ)呼吸率隨溫度的增加而升高，在同一溫度條件下無顯著差異(F4,72=1.488，P=0.214)如圖3、圖4所示.

圖3 寧德和舟山種群北草蜥不同環(huán)境溫度下的標準呼吸代謝率

圖4 寧德和舟山種群北草蜥體重校正后的呼吸代謝率

3 討論

爬行動物的體溫受外界環(huán)境溫度影響顯著，不同環(huán)境地區(qū)的爬行動物種群的熱耐受限度也是長期受環(huán)境溫度影響的結(jié)果.有關(guān)變溫動物耐受高溫和耐受低溫的研究已有很多，包括許多極地的魚類，跨緯度分布的昆蟲[1]，不同棲息環(huán)境的蜥蜴等.綜合這些變溫動物實驗結(jié)果分析來看，這些動物的熱耐受性普遍與當(dāng)?shù)氐臈h(huán)境，特別是環(huán)境溫度密切相關(guān).高緯度地區(qū)的動物較同種低緯度分布種群的動物具有相對較低的耐受低溫和相對較高的耐受高溫.高緯度地區(qū)常年氣候變化明顯，冬季溫度較低，很多地區(qū)長期低于0 ℃，而低緯度地區(qū)氣候多屬冬暖夏涼，全年溫差波動不大.生存于高緯度地區(qū)的動物面對常年高溫和低溫的波動環(huán)境溫度，其進化策略相對于同種低緯度地區(qū)的動物發(fā)生改變.

舟山北草蜥種群比寧德北草蜥種群有較高的耐受高溫，同時又具有較低的耐受低溫，生態(tài)幅相對較寬.不同地理種群分布的北草蜥種群的耐受高溫和耐受低溫與其棲息地氣候環(huán)境密切相關(guān)，當(dāng)全年不同季節(jié)溫度波動較大，晝夜溫差同樣較大，在波動溫度范圍較大的熱環(huán)境中生存，其機體生理機能需要對外界的高溫和低溫具有較好的適應(yīng).在高溫氣候條件下，具有較高的耐受高溫，減少了為調(diào)控體溫所消耗的能量，也使體內(nèi)的生理過程在高溫下平穩(wěn)的反應(yīng).在低溫環(huán)境中，具有較低的耐受低溫可以較少體內(nèi)熱量的散失，減少了低溫環(huán)境中為增加過多的產(chǎn)熱而消耗的能量，同時，在較低的溫度下，降低了體內(nèi)的生理生化速率，減慢了代謝速度，使個體在較低溫的環(huán)境中耗能減慢，可以避免低溫季節(jié)食物不足而挨餓，能更好的使個體度過低溫季節(jié).舟山(北緯29°32′～31°04′)地區(qū)年平均氣溫16.5 ℃，氣溫波動變化大，3月至8月溫度較高，約27.2 ℃，冬季溫度較低，約5.6 ℃.寧德(北緯26°18′～27°4′)地區(qū)氣溫變化不大，夏季氣溫月25 ℃，冬季約16 ℃.舟山北草蜥經(jīng)歷比寧德種群低10 ℃的冬季溫度，而夏季又要在更高的環(huán)境中生存，其棲息地的全年氣候環(huán)境波動溫度超過20 ℃，導(dǎo)致了舟山種群有很大的熱生態(tài)幅，符合同種不同緯度分布種群熱耐受性趨勢的規(guī)律.

自然選擇對動物整體功能的作用比對形態(tài)和生理功能特征的作用可能更為直接.近年來，溫度對動物整體功能的作用備受關(guān)注，其中，運動能力是廣泛用于評估動物整體功能的重要指標[2].因為運動能力影響動物的許多活動，其中包括逃避敵害、捕食及成體的交配，從而影響其適合度.對于爬行動物，特別是蜥蜴而言，由于是變溫動物，其行為功能的實現(xiàn)受周圍環(huán)境的限制，特別是受熱環(huán)境的影響.在一定溫度范圍內(nèi)，相對較高的體溫可以使其行為性能最大化.

很多相關(guān)的實驗都表明蜥蜴的運動能力受環(huán)境溫度影響顯著，如石龍子的運動能力在較低的溫度下隨著溫度的上升而增強，而當(dāng)溫度超過34 ℃時其運動能力又開始下降.溫度能夠顯著影響北草蜥的運動能力，在較低的溫度條件下，北草蜥的運動能力隨著體溫的上升而增加，當(dāng)環(huán)境溫度超過33 ℃時又開始下降.這種現(xiàn)象可歸因于體溫在生理功能中的促進作用,盡管潛在的生理機制很復(fù)雜，但在一定范圍內(nèi)，相對較高的體溫更有利于動物的生理活動.

在實驗中，兩個地理種群北草蜥在不同溫度下的疾跑速度和平均速度差異顯著，可能反應(yīng)了不同溫度水平下肌肉的生理特性以及肌肉內(nèi)酶活性的差異.運動能力除了可能與自身的生理機能有關(guān)，還可能與自身形態(tài)有關(guān).結(jié)合兩個地理種群成體的形態(tài)數(shù)據(jù)分析，舟山種群北草蜥體長顯著大于寧德種群北草蜥，舟山北草蜥種群的體重也顯著大于寧德種群北草蜥.運動能力的種群間差異可能與其個體大小的種群間差異有關(guān).結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境分析，在全年溫差較大的舟山地區(qū)，北草蜥每年要經(jīng)受的環(huán)境溫度波動較寧德地區(qū)大，每年平均經(jīng)歷的低溫和高溫氣候要相對更長，因此在適應(yīng)進化過程中體型較大，體重更沉，能經(jīng)受住較大的環(huán)境溫度波動.同時，在相對波動的環(huán)境中，其捕食、逃避的效率也對其生存發(fā)展至關(guān)重要，在更低或更高的溫度條件下，如果運動能力的改變沒有相對的提升，將很難提高捕食效率或逃避天敵能力，在進化中被淘汰的幾率將會增大.因此，相比全年溫度波動不大的寧德地區(qū)，舟山地區(qū)的北草蜥很可能通過適應(yīng)進化，提升其不同溫度下的運動能力來增加適合度.

爬行動物種類眾多，分布廣泛，一直都是比較代謝研究的重要類群.對于爬行動物能量代謝的研究不論是從生態(tài)、生理還是進化的角度都具有非常重要的意義.在當(dāng)前全球溫度變化的背景下，作為變溫動物的爬行動物如何調(diào)整自身的適應(yīng)對策是當(dāng)今研究的熱點問題，特別是同種不同地理分布的動物是否根據(jù)環(huán)境采取不同的對策也日益成為生態(tài)研究的重點.本實驗以北草蜥為實驗動物，對舟山和寧德兩個種群的北草蜥進行生理代謝的實驗，在5個不同的實驗溫度下測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩個地理種群的呼吸代謝率均隨著環(huán)境溫度的上升而增加，這種現(xiàn)象在爬行動物中很普遍，是大多數(shù)變溫動物所采取的生理適應(yīng)方式，比如麗斑麻蜥(Eremias argus)和草原沙蜥(Phrynocephalus frontalis)的代謝率隨著溫度的上升而上升，在多疣壁虎(Gekko japonicas)的類似研究中也得出了個體的代謝率隨著溫度的上升而上升的結(jié)果.北草蜥屬變溫動物，在一定溫度范圍內(nèi)，其體溫隨環(huán)境溫度的變化而平行的升高或降低，其體內(nèi)的生理機能也隨之發(fā)生相應(yīng)的改變.北草蜥兩個不同種群的基礎(chǔ)代謝率均隨溫度升高而平行增加，變化趨勢無顯著差異.雖然在不同溫度條件下舟山種群的北草蜥的代謝率均高于同溫度下寧德種群的北草蜥，但是當(dāng)排除體重因素，兩個地理種群的平均代謝率在同一溫度均無差異，表明其生理適應(yīng)能力的差異不顯著.舟山北草蜥大于寧德北草蜥，舟山北草蜥具有更大的表面積和身體質(zhì)量，使其相對表面積減小，單位體重的熱散失減少，有利于抵抗寒冷的季節(jié).因此，不同地理分布的北草蜥可能偏向于依賴形態(tài)的適應(yīng)，而生理代謝功能的適應(yīng)則不明顯.這對于北草蜥種群來說，避免了因環(huán)境溫度的波動為自身代謝調(diào)整而導(dǎo)致的過多的能量消耗，有利于北草蜥在低溫環(huán)境中通過形態(tài)特征的進化來彌補不利環(huán)境溫度帶來的沖擊，而在高溫條件下，又避免了基礎(chǔ)代謝水平過度的增高而消耗更多的能量.

[1] Bale J S. Insects and low temperatures: from molecular biology to distributions and abundance[J].Philosophical transactions of the royal society,2002,29:849-862.

[2] Brana F. JiInfluence of incubation temperature on morphology, locomotor performance, and early growth of hatchling wall lizards (Podarcis muralis)[J]. Journal of Experimental Zoology,2000,286:422-433.

(責(zé)任編輯：季春陽)

The Physiological Bases of Thermal Adaptation in the northern Grass Lizard, Takydromus Septentrionalis

Sha Wei1, Du Weiguo2

(1.Institute of Natural Resources And Ecology;2.Key Laboratory of Animal Ecology and Conservation Biology, Chinese Academy of Sciences)

The behavioral and physiological differences between populations of the lizards from two geographically-separated localities of Ningde and Zhoushan are measured, and predictd its potential strategies by which the animal adapt to climate changes. At an individual level, the thermal sensitivity, including critical thermal maximum (CTmax), critical thermal minimum (CTmin), and sprint speed at different temperatures are measured in different geographic populations. The between-population differences of respiratory metabolism are also determined to examine the adaptation of this lizard in response temperature changes.

Between-population differences; Critical thermal maximum; Critical thermal minimum; Locomotor performance; Metabolic rate Thermal adaptation; Thermal sensitivity

2016-01-12

*通訊作者

Q958

A

1000-5617(2016)02-0117-05

T. septentrionalis from the two geographic localities show significant differences in CTmax and CTmin. Lizards from Zhoushan had lower CTmin, but higher CTmax than those from Ningde. The sprint speed increases with the increasing temperatures from 18 ℃ to 38 ℃, decrease at the temperature range of 28 - 38 ℃ in both populations. Moreover, lizards from Zhoushan ran faster than those from Ningde group at same temperatures. The respiratory metabolism increase as the temperature increase in both populations, with higher metabolic rate in Zhoushan lizards than Ningde lizards. However, this between-population difference in respiratory metabolism disappeares after controlling for individual weight, suggesting that the respiratory metabolism was correlated with individual weight.