水生動物呼吸代謝研究進展

張明明+喬幗+仇明

摘要 呼吸代謝作為生物能量學(xué)和動物生理學(xué)研究的主要內(nèi)容之一，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。研究生物的呼吸代謝特征、發(fā)生規(guī)律等對揭示其生活習(xí)性、動物進化、物種保護、人工增養(yǎng)殖及海洋生物資源開發(fā)等具有重要的理論意義和實際指導(dǎo)價值。依據(jù)近年來國內(nèi)外的研究成果，本文綜述了一些關(guān)于水生動物呼吸代謝的研究方法、呼吸器官和呼吸蛋白的研究現(xiàn)狀，討論了影響呼吸代謝的生物因素和非生物因素，以期為水生動物呼吸代謝的進一步研究及其應(yīng)用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 水生動物；呼吸代謝；耗氧率；呼吸器官；呼吸蛋白；影響因素

中圖分類號 Q47 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）23-0234-02

動物的呼吸代謝是研究其生理、能量和基礎(chǔ)生理生態(tài)的重要內(nèi)容之一，它能呈現(xiàn)動物的生理狀態(tài)、環(huán)境對其生理活動的影響以及與其生活習(xí)性之間的內(nèi)在關(guān)系。耗氧率可作為能量消耗的定量尺度，是研究呼吸代謝的一個重要指標(biāo)，它可反映動物的代謝強度及變化規(guī)律[1]，通過研究耗氧率及其與內(nèi)外在各種因素的相互作用，可掌握呼吸代謝特征、營養(yǎng)需求、生理狀態(tài)和對環(huán)境的適應(yīng)能力等，為動物資源的開發(fā)利用提供理論指導(dǎo)，也可為其進化過程中的呼吸改變提供生理依據(jù)。1900年，學(xué)者們開始研究魚類的呼吸代謝，貝類的呼吸代謝研究始于20世紀(jì)60年代初，而關(guān)于比較系統(tǒng)的蝦蟹呼吸研究始于20世紀(jì)70年代，并把呼吸代謝研究歸入營養(yǎng)生理學(xué)和生物能量學(xué)研究中，并于20世紀(jì)80年代對水產(chǎn)動物的呼吸代謝進行了大量的研究。本文就國內(nèi)外一些水生動物的呼吸代謝研究狀況作一綜合論述，以期為生物進化理論的完善、物種保護和資源開發(fā)提供理論支撐。

1 水生動物呼吸代謝的研究方法

呼吸代謝的測定方法中，通過測定環(huán)境溫度的增加來測量動物的產(chǎn)熱是最為直接的，該法主要適合于哺乳動物。關(guān)于水生動物呼吸代謝的測定方法研究較少，主要是間接法，包括封閉流水法、靜水法和開放流水法[1]。封閉流水法主要是借助封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，在機體饑餓狀態(tài)下，檢測不同時間段進水口和出水口的溶氧和水的流動速度來完成，所用儀器簡單。許多學(xué)者通過該法研究魚類的呼吸代謝，如竹筴魚（Trachurus japonicas）、鲇魚（Silurusasotus Linnaeus）、鮭點石斑魚（Epinephelusfario）幼魚、團頭魴（Megahbrama-amblycephala Yih）和鯽鯉雜交子一代（F1）幼魚等。相對于封閉流水式，靜水式是保持呼吸系統(tǒng)內(nèi)水體靜止并固定總量，通過檢測放入試驗對象后溶解氧的改變來完成，但通過它進行呼吸研究的報道較少。開放流水法是一種在流水中測量試驗動物耗氧率的方法。該種方法的試驗裝置和封閉流水式相似，只是不需要密封。田守文等利用這種開放流水式系統(tǒng)研究了鯉魚（Cyprinusc a r pio）的耗氧情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)用該方法測定的耗氧率遠(yuǎn)高于靜水式，究其原因，除了試驗本身的誤差外，可能是因為試驗魚體需要消耗更多的能量來克服在流水高溶氧環(huán)境中的水流等因素。

2 水生動物呼吸器官的研究

由于進化導(dǎo)致的身體結(jié)構(gòu)和環(huán)境不同，水陸兩棲脊椎動物依靠皮膚和肺進行呼吸，大部分兩棲動物成體主要靠肺呼吸，皮膚可作為輔助的呼吸結(jié)構(gòu)，例如，青蛙皮膚呼吸所得的氧約占總需氧量的40%，在冬眠期間皮膚呼吸作用增強。水棲脊椎動物主要通過鰓進行呼吸，鰓是魚類主要的呼吸器官，內(nèi)含有大量的微血管，也是氣體交換的真正場所；某些水棲脊椎動物還可通過口咽腔黏膜、皮膚、鰾、膀胱和尿囊等進行氣體交換，皮膚也是魚類的重要呼吸器官之一，微血管在真皮中，可經(jīng)基底層細(xì)胞到達(dá)表層，增加與呼吸介質(zhì)緊密接觸，從而促進皮膚與外界進行氣體交換，例如，鱉魚、鱘魚、鱒魚、黃鱔、肺魚、金魚以及鲇科魚類約有5%～30%的攝氧量是通過皮膚獲取的[1-2]。水生無脊椎動物主要靠皮膚、呼吸腔和腸道呼吸，如瘤背石磺（Onchidium sp.），其隸屬于軟體動物門、肺螺亞綱，生長在海岸帶的高潮帶，是生物由海洋向陸地進化的重要過渡代表種，其呼吸主要包括肺呼吸和表皮呼吸。當(dāng)石磺離開水體時，通過上抬外套膜后部以暴露打開的肺孔，從而吸入空氣儲存于肺囊；當(dāng)石磺生活在水中時，主要是借助背部的許多短小的外套膜乳狀突起進行表皮呼吸；某些種類的石磺還具有鰓，呈樹枝狀。不同種類石磺根據(jù)鰓的有無、肺囊、皮膚特征等差異以及具有自由生活幼蟲期展現(xiàn)由海洋向陸地過程中的環(huán)境適應(yīng)性[3]。沙蠶無特殊的呼吸器官，其體表尤其是薄的背表面和疣足的舌葉充滿微血管網(wǎng)，是與氣體交換的主要場所[1-2]。

3 水生動物呼吸蛋白的研究

呼吸蛋白（respiratory proteins）是指參與呼吸作用的蛋白質(zhì)家族，除少數(shù)的極低等動物，絕大多數(shù)動物的氧氣運輸都需要血液中這些特殊蛋白質(zhì)的參與。迄今為止，已知的動物呼吸蛋白主要存在于血淋巴或血細(xì)胞中，其進化過程中最具代表性的3種是血藍(lán)蛋白（hemocyanin，Hc）、蚯蚓血紅蛋白（hemerythrin，Hr）和血紅蛋白（hemoglobin，Hb）。其中，最古老的呼吸蛋白是蚯蚓血紅蛋白（Hr），現(xiàn)主要存于腕足類、星蟲和部分多毛綱（Polychaeta）的環(huán)節(jié)動物等少數(shù)較原始海洋無脊椎動物中，然而Hr相對不穩(wěn)定、易氧化。接著，被進化出現(xiàn)的節(jié)肢動物利用較穩(wěn)定的血藍(lán)蛋白（Hc）代替Hr，但是Hc與氧的結(jié)合能力較弱。因此，Hc被脊椎動物和部分高等無脊椎動物中高效載氧的血紅蛋白（Hb）替代了。Hc在非線性分子進化中不僅具有重要的承上啟下意義，并且至今依然是多數(shù)軟體動物和節(jié)肢動物的呼吸蛋白，在動物界中其分布范圍僅次于Hb[4-5]。運輸氧氣是Hc最基本的功能。當(dāng)氧濃度高時，Hc活性部位的2個Cu的存在形式為Cu2+，與一個O2結(jié)合后生成藍(lán)色的氧合血藍(lán)蛋白（oxyhem-ocyanin）；當(dāng)氧濃度低時，Cu的存在形式為Cu+，Hc中的O2會解離后形成沒有顏色的脫氧Hc。正是通過Hc這種與氧結(jié)合的可逆性，滿足動物生理代謝過程中對氧的根本需求。Hc主要存在于多足類、甲殼類和螯肢類動物中，通常由3～8個不同的亞基構(gòu)成。在基因序列方面，Aspan等發(fā)現(xiàn)淡水小龍蝦（Pacifastacuslenius-culus） proPO的推導(dǎo)氨基酸序列與鱟（Limulus polyphemus）的HcII銅離子結(jié)合區(qū)CuA和CuB的同源性分別為79.5%和60.3%。其他研究發(fā)現(xiàn)，軟體動物通過細(xì)胞表面特殊的復(fù)合體和小孔將Hc釋放到血淋巴中，同時，Hc的合成與代謝也會因鹽度等外界環(huán)境的變化而改變。

運輸氧氣是Hb最主要的功能，在肺或鰓等氧分壓高的組織中與氧結(jié)合，相反，在肌肉等氧分壓低的組織中將氧釋放，并將組織代謝產(chǎn)生的CO2輸送回到肺或鰓。Hb由血紅素和珠蛋白組成。海洋無脊椎動物Hb在結(jié)構(gòu)上與脊椎動物Hb既具有相同點又具有一定的差別。每個脊椎動物Hb分子通常由4個亞基構(gòu)成：2個α亞基和2個β亞基。4個含亞鐵Fe2+的血紅素分子和1條多肽鏈構(gòu)成1個亞基，每個亞基含有1個氧結(jié)合部位和1個血紅素基，而且在一定的生理條件下此多肽鏈會盤繞折疊呈球形，并將血紅素分子內(nèi)包，故也稱其為珠蛋白（globin）。Hb中Fe與氧分子也可進行可逆結(jié)合，組織中氧分壓的大小決定著氧的脫離與結(jié)合。當(dāng)Hb未結(jié)合分子氧時，F(xiàn)e2+與1個水分子卟啉環(huán)下方配位結(jié)合，加上4個亞基之間較強的相互作用，使血液呈現(xiàn)淡藍(lán)色；而當(dāng)Hb與氧結(jié)合時，上面水分子的位置被分子氧替代形成氧合血紅蛋白（HbO2），使血液呈鮮紅色。無脊椎動物的Hb在部分節(jié)肢動物、軟體動物、環(huán)節(jié)動物、棘皮動物等體內(nèi)也都有所分布，主要存在于細(xì)胞中或溶解在血漿中。通常脊椎動物血細(xì)胞中Hb對氧的親和性比雙殼類要高，但雙殼類的協(xié)同性比脊椎動物的低，但與其他無脊椎動物的相近。另外，還有些動物含有豐富α-螺旋結(jié)構(gòu)的胞外Hb，如少部分的雙殼類、瓣鰓類、腹足類及肺螺類動物。不同種類Hb每個亞基所含的氧結(jié)合點數(shù)目不同，異齒雙殼類Hb含有18～20個氧結(jié)合點，肺螺類含有10～12個。亞基通常處于鉗制狀態(tài)或松弛狀態(tài)，不同的狀態(tài)與Hb的載氧功能有關(guān)。在缺氧組織中，亞基處于鉗制狀態(tài)，致使氧不能與血紅素結(jié)合；而在鰓或肺結(jié)構(gòu)中含氧豐富的亞基的松弛狀態(tài)使氧極易與血紅素結(jié)合，進而快速地將氧輸送到需氧組織。亞基的四級結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化對其載氧功能有著重要意義。

此外，某些動物體內(nèi)如長手沙蠶屬、海豆芽屬存在血褐蛋白，環(huán)節(jié)動物門多毛綱帚毛蟲科等動物體內(nèi)存在血綠蛋白，這些蛋白的主要功能均是運輸氧氣[5]。

4 影響水生動物呼吸的因素

4.1 生物因素

4.1.1 年齡。年齡和成熟程度決定水生動物的耗氧率，通常魚性成熟之前（約200日齡前）主要呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著年齡的增長魚體的耗氧率降低；而性成熟后無相關(guān)關(guān)系。由于胚胎和仔魚期組織代謝活性不同，魚類早期胚胎發(fā)育期的耗氧率具有顯著差異[6]。

4.1.2 體重。對某物種，隨個體體重的增加，耗氧量增高，但耗氧率卻相對減小，主要由于生長發(fā)育中相對大的機體的代謝活動更加強烈，如尼羅羅非魚（Oreochromisnilotica）、貓鯊（Scyliorhinidae）[6]。

4.1.3 饑餓和攝食。如果在一定期限里沒有進食，那么機體將處于饑餓的狀態(tài)。一般情況下，魚類耗氧率隨饑餓程度的增強呈顯著下降趨勢。外界環(huán)境溫度會影響魚體的食欲及其代謝強度等，在饑餓狀態(tài)下，耗氧率隨著溫度的變化而變化；但動物攝食后，耗氧率與饑餓時有所不同，此時耗氧率會因代謝率急劇上升而急速增大，并且短時間內(nèi)就達(dá)到峰值，隨之又逐漸回到未攝食時的大小[6]。

4.1.4 生活周期和活動。機體存在如馴化時間和生理狀況等生理周期，不同生理周期影響著個體生理活動的強度，從而影響耗氧率。水中的溶解氧也隨晝夜和季節(jié)變化而變化，這種變化致使耗氧率也變化明顯，如斑狼魚夜晚的耗氧率遠(yuǎn)遠(yuǎn)地低于白天，體現(xiàn)了它們夜晚的活動和攝食強度與白天存在較大差異。而有些生活習(xí)性與斑狼魚相反的魚（如斑點胡子鯰），其耗氧率變化也相反?？赡艿脑蚴歉髯缘臅円股砗难踔芷谂c物種種類、攝食特點和生活習(xí)性等有關(guān)。

通常，水生動物處于靜止?fàn)顟B(tài)時的耗氧率比游動時低，并且隨活動強度的加強而增大。竹筴魚耗氧率和代謝率隨著游動速度的不同而改變，從而致使泳動時的耗氧率明顯高于靜止時[6]。

4.2 非生物因素

4.2.1 溫度。溫度研究結(jié)果分為2種：一種是處于適溫范圍內(nèi)，耗氧率隨溫度升高不斷增大；另一種是隨著溫度的增加，耗氧率先增大，到達(dá)峰值后，又逐漸降低。這是由于隨著外界溫度升高，機體內(nèi)的酶活不斷增強、代謝加快，致使耗氧率增加。但是，當(dāng)溫度上升到一定值甚至超過室溫范圍后，機體的生理機能由于不適應(yīng)溫度的變化而活動減弱，因而耗氧率又逐漸降低。并且，魚體能夠承受溫度超出適溫范圍的時間有限，一旦超過可忍受時間，魚體就會死亡。

4.2.2 鹽度。一般情況下，隨著鹽度的增大，水產(chǎn)動物的耗氧率逐漸增大，然而當(dāng)超過適宜鹽度范圍后，又逐漸減小。這是因為鹽度改變引起滲透壓發(fā)生變化，鹽度超過適應(yīng)范圍后，機體為調(diào)節(jié)滲透壓耗費了更多的能量，因而用于其他生理機能的能量較少，呼吸強度也相應(yīng)地降低。通過研究美國紅魚（Sciaenopsocellatus）幼魚耗氧率對鹽度的響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鹽度為10～40時，耗氧率的變化呈現(xiàn)先下降后上升然后又降的特征。此外，黑鱸（Micropterus salmoides）幼魚在鹽度變化后，只要在適宜范圍之內(nèi)，其代謝率在改變后一定時間內(nèi)就可恢復(fù)到正常水平。

4.2.3 pH值。通常情況下，不同水生動物的耗氧率隨pH值的升高而增加，但其對pH值變化的敏感度因物種而異。范德明研究發(fā)現(xiàn)pH值對不同種類縊蟶（Sinonovacula constric-ta Lamark）的耗氧率影響存在差異。在pH值為7.0～8.1時，櫛孔扇貝（Chlamys farreri）的耗氧率隨pH值的降低而明顯減小。3種南方貝類在pH值為7.7和8.1時耗氧率均沒有顯著變化，甚至當(dāng)pH值降到7.3時，翡翠貽貝（Perna viridis）的耗氧率仍無顯著的下降，結(jié)果說明3種貝類對酸環(huán)境均有一定程度的抵抗力；然而，當(dāng)pH<7.0時，3種貝類的耗氧率均顯著減小，表明劇烈的pH值變化會負(fù)面影響貝類的呼吸代謝。另外，水體中pH值過高或過低都會抑制水中生物的光合作用，進而對水中的溶解氧產(chǎn)生影響，從而妨礙呼吸。

4.2.4 溶氧量。溶解氧（DO）充足或者含量較高時，水生動物自身耗氧率也會相應(yīng)增高。相反地，當(dāng)DO含量較低時，個體可用氧氣含量較低，耗氧率也較低。進食后，DO值正常時機體耗氧率明顯高于DO不足時的耗氧率，但個體處于饑餓狀態(tài)時，耗氧率的變化受水體中DO含量的影響不顯著[6]。

5 展望

呼吸代謝仍是未來研究水生動物生理和生物能量的重要內(nèi)容之一，呼吸代謝生態(tài)學(xué)和生理學(xué)研究已是淡水和海水漁業(yè)資源經(jīng)濟種增養(yǎng)殖和近海海洋牧場研究的重要內(nèi)容之一，在養(yǎng)殖以及水產(chǎn)品運輸方向已有廣泛應(yīng)用，而且相關(guān)技術(shù)已相對成熟，但由于養(yǎng)殖業(yè)的飛速發(fā)展，為了突破相關(guān)瓶頸，亟須開展養(yǎng)殖新品種、引進種、具有特殊進化地位代表性品種及其他具有養(yǎng)殖發(fā)展?jié)摿ΨN類的呼吸代謝的應(yīng)用研究，尤其是針對各地面臨瀕危的特有種開展“文明養(yǎng)殖”。此外，鑒于不同呼吸蛋白的作用和地位，對動物呼吸蛋白的研究將著重分析其基因序列、結(jié)構(gòu)、進化特點以及探索其新功能及作用機理，可拓展人們對呼吸蛋白的認(rèn)識，豐富呼吸蛋白在進化理論中的作用，也為物種保護、增養(yǎng)殖、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和海洋生物資源的開發(fā)提供了新的思路和來源。

6 參考文獻(xiàn)

[1] 馮雪，陳丕茂，秦傳新.漁業(yè)資源生物呼吸代謝研究進展[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012（4）：92-96.

[2] FEMANDES M N，PERNA MARTINS S A.Epithelial gill cells in the armored catfish，Hypostomus cf.plecostomus（Loricariidae）[J].Rev Bras Biol，2001，61（l）：59-63.

[3] 管菊，沈和定，王冬鳳，等.4種石磺水中呼吸耗氧初步研究[J].海洋漁業(yè)，2014，36（6）：511-515.

[4] DAMSGAARD C，F(xiàn)AGO A，HAGNER-HOLLER S，et al.Molecular and functional characterization of hemocyanin of the giant African millipede，Archispirostreptus gigas[J].J Exp Biol，2013，216（9）：1616-1623.

[5] 張亞南，樊廷俊，徐彬，等.動物呼吸蛋白的研究進展[J].山東大學(xué)學(xué)報（理學(xué)版），2009，44（90）：1-7.

[6] FOSS A，VOLLEN T，IESTADV.Growth and oxygen consumption in nor-mal and O2 super-saturated water，and interactive effects of O2 saturati-on and ammonia on growth in spotted wolf fish[J].Aquaculture，2003，224（4）：105-116.