高體鳑鲏化學(xué)預(yù)警響應(yīng)與“個(gè)性”行為的關(guān)聯(lián)

夏繼剛,劉 香,黃 艷

重慶師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,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

化學(xué)通訊是水生動(dòng)物最原始、最普遍和最主要的通訊方式之一[1- 7]。與陸生動(dòng)物相比,由于受到水環(huán)境透明度、濁度等生態(tài)因子的制約,水生動(dòng)物的視覺(jué)通訊往往受到很大限制,依賴(lài)于嗅覺(jué)系統(tǒng)的化學(xué)通訊成為水生動(dòng)物生存的必要選擇[5,8- 9]。然而,水域生態(tài)系統(tǒng)的化學(xué)信息是極其復(fù)雜多樣的[10]；動(dòng)物對(duì)外源化學(xué)信息的行為應(yīng)答本身又可能是一種較為耗能的生理/生態(tài)過(guò)程[11- 13],而且不當(dāng)?shù)男袨閼?yīng)答還將導(dǎo)致動(dòng)物失去拓展適宜生境、尋找食物資源以及配偶等機(jī)遇,降低適合度[14]；因此,動(dòng)物對(duì)外源信息的精準(zhǔn)識(shí)別與有效應(yīng)答至關(guān)重要[4,7-8],體現(xiàn)了動(dòng)物應(yīng)對(duì)環(huán)境變動(dòng)的行為策略。

對(duì)大多數(shù)魚(yú)類(lèi)而言,當(dāng)魚(yú)體受到來(lái)自捕食者攻擊等外界的機(jī)械性損傷時(shí),表皮棒狀細(xì)胞便分泌化學(xué)預(yù)警信息(Chemical alarm cues, CAC)并釋放至水體,從而引起同伴迅速的預(yù)警與反捕食響應(yīng),提高種群的整體適合度[4- 5,7,15]。這種現(xiàn)象可以看作是長(zhǎng)期自然選擇的結(jié)果,是魚(yú)類(lèi)種群應(yīng)對(duì)被捕食風(fēng)險(xiǎn)一種有效的生態(tài)機(jī)制。有趣的是,野外和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究均發(fā)現(xiàn),種群中個(gè)體對(duì)化學(xué)信息的行為應(yīng)答程度通常存在較大差異,某些個(gè)體的行為應(yīng)答可能更多地取決于同伴個(gè)性的行為表現(xiàn)而非外源化學(xué)信息,甚至單獨(dú)測(cè)試時(shí)某些個(gè)體并未對(duì)化學(xué)預(yù)警信息產(chǎn)生顯著的行為應(yīng)答[3- 5,7]?；谝陨涎芯勘尘?我們提出如下假說(shuō)：“個(gè)性”行為(Personality)是魚(yú)類(lèi)的化學(xué)通訊模式多樣化的重要內(nèi)因。

魚(yú)類(lèi)“個(gè)性”行為指不同時(shí)空條件下個(gè)體間行為的穩(wěn)定差異[16-17]。盡管種內(nèi)個(gè)體間行為的表型變異無(wú)處不在,然而這種現(xiàn)象很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)被認(rèn)為是進(jìn)化選擇的噪音,未受到科學(xué)家應(yīng)有的關(guān)注[18]。近年來(lái),越來(lái)越多的研究證據(jù)表明動(dòng)物的“個(gè)性”行為與其生活史對(duì)策緊密關(guān)聯(lián),具有非常重要的進(jìn)化和生態(tài)學(xué)意義,相關(guān)研究已逐漸成為研究熱點(diǎn)領(lǐng)域[19-20]。目前,已有學(xué)者探究了特立尼達(dá)孔雀魚(yú)(Poeciliareticulata)對(duì)新奇化學(xué)信息的響應(yīng)與其“個(gè)性”行為的關(guān)系[14],有關(guān)魚(yú)類(lèi)化學(xué)預(yù)警通訊模式與“個(gè)性”行為關(guān)聯(lián)的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

為深入揭示魚(yú)類(lèi)化學(xué)預(yù)警通訊的行為學(xué)機(jī)制,驗(yàn)證本文提出的科學(xué)假說(shuō),本研究選取廣泛分布于我國(guó)淡水水域的高體鳑鲏(Rhodeusocellatus)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。該物種隸屬于鯉形目、鯉科、鳑鲏亞科、鳑鮍屬,主要棲息于透明度不高、緩流或靜止的底層水域,性活潑,喜集群,是魚(yú)類(lèi)化學(xué)通訊與“個(gè)性”行為研究理想的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

野生高體鳑鲏于2018年5月捕撈自重慶師范大學(xué)進(jìn)化生理與行為學(xué)實(shí)驗(yàn)基地魚(yú)塘,該魚(yú)塘面積大約為4666.67 m2,自然生態(tài)系統(tǒng)已維持10年以上。 將實(shí)驗(yàn)魚(yú)于1000 L(2 m×1 m×0.5 m)的實(shí)驗(yàn)水槽(實(shí)際水深30 cm)馴養(yǎng)適應(yīng)24 h。馴養(yǎng)用水抽取自池塘,馴養(yǎng)期間,水溫(25.2±1)℃,溶解氧大于6 mg/L,馴養(yǎng)密度低于0.1 g/L,自然光照；每日早晚(07:00 am和07:00 pm)分別以商業(yè)餌料(山東化氏魚(yú)餌有限公司原塘顆粒)飽足投喂1次。馴養(yǎng)結(jié)束后,開(kāi)展行為學(xué)實(shí)驗(yàn),由于雄性鳑鲏在拓展適宜生境、尋找優(yōu)質(zhì)產(chǎn)卵場(chǎng)等方面起主導(dǎo)作用[21],用于行為學(xué)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)魚(yú)均為性成熟雄性鳑鲏(實(shí)驗(yàn)魚(yú)的體型參數(shù)見(jiàn)表1,各組數(shù)據(jù)無(wú)顯著差異)。

表1 實(shí)驗(yàn)魚(yú)的體型參數(shù)

CAC: 化學(xué)預(yù)警信息 Chemical alarm cues. 數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示

1.2 化學(xué)信息制備

選取4個(gè)大小相近(約160 g)的新鮮檸檬(Citruslimon)用于制備檸檬信息。將檸檬汁擠出、過(guò)濾并與池水按1∶4配制成含有檸檬信息的目標(biāo)溶液(Lemon odour)。

選取高體鳑鲏雌雄各10尾(雄魚(yú)：體重(1.00±0.131) g、體長(zhǎng)(3.63±0.151) cm；雌魚(yú)：體重(0.80±0.118) g、體長(zhǎng)(3.35±0.154) cm)用于制備化學(xué)預(yù)警信息。將實(shí)驗(yàn)魚(yú)處死后,迅速剝離兩側(cè)皮膚組織并計(jì)算面積大小,將獲得的皮膚組織(75 cm2)加入池水低溫研磨勻漿、過(guò)濾,最終分別配置成10 mL/cm2和40 mL/cm2的高濃度與低濃度化學(xué)預(yù)警信息目標(biāo)溶液(High concentration of CAC、Low concentration of CAC)[5]。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理組,分別為對(duì)照組(池水,Pool water)、檸檬組(池塘水體無(wú)此信息,作為“新奇”化學(xué)信息組)、低濃度和高濃度CAC組(低和高捕食風(fēng)險(xiǎn)信息組)。

測(cè)試裝置(圖1)主要包括實(shí)驗(yàn)水槽(2 m×1 m×0.5 m),不銹鋼網(wǎng)(45 cm×30 cm×50 cm),加樣管道(1.8 m),電腦以及連接的攝像頭(Logitech Webcam Pro 9000,30幀/s)。不銹鋼網(wǎng)固定并懸置于(底部浸沒(méi)于水面下15 cm)裝滿(mǎn)水的實(shí)驗(yàn)水槽(1000 L)。所有實(shí)驗(yàn)用水均抽取自池塘。

實(shí)驗(yàn)主要流程如下：①將單尾實(shí)驗(yàn)魚(yú)轉(zhuǎn)移至不銹鋼網(wǎng)內(nèi),拍攝記錄1 min(檢測(cè)實(shí)驗(yàn)魚(yú)對(duì)“新異環(huán)境”的行為響應(yīng))；②之后,給予實(shí)驗(yàn)魚(yú)15 min的適應(yīng)期,適應(yīng)結(jié)束后,用注射器通過(guò)加樣管道注入10 mL的池水,拍攝記錄5 min(Pretest)(將其中的第1分鐘單獨(dú)分析,用于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)魚(yú)對(duì)“新異刺激”的行為響應(yīng))；③之后,再次用注射器通過(guò)加樣管道分別注入10 mL的池水或其他化學(xué)信息(檸檬、低濃度CAC、高濃度CAC)并拍攝記錄5 min(Posttest)(檢測(cè)實(shí)驗(yàn)魚(yú)對(duì)化學(xué)信息的行為響應(yīng))；④最后,將冰凍紅蟲(chóng)(Tubifextubifex)用一根細(xì)線吊住并緩緩?fù)斗胖敛讳P鋼網(wǎng)的中心位置,拍攝記錄5 min(檢測(cè)5 min內(nèi)實(shí)驗(yàn)魚(yú)的攝食情況,并將其中的第1 min單獨(dú)分析,用于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)魚(yú)對(duì)不同環(huán)境刺激后出現(xiàn)的“新異食物資源”的行為響應(yīng))。為避免人為干擾,所有實(shí)驗(yàn)操作均與行為測(cè)試室隔離。視頻錄制期間,水溫水質(zhì)條件與馴養(yǎng)期間保持一致。

圖1 行為學(xué)測(cè)定裝置示意圖Fig.1 Diagram of the behavioral testing device

本研究將實(shí)驗(yàn)魚(yú)被新轉(zhuǎn)入行為測(cè)試裝置、適應(yīng)期后被注入池水刺激、化學(xué)信息響應(yīng)后被給予冰凍紅蟲(chóng)的各自第1分鐘內(nèi)的生態(tài)表現(xiàn)分別看作實(shí)驗(yàn)魚(yú)對(duì)新異環(huán)境、新異刺激、新異食物資源的行為應(yīng)答,并以此評(píng)估實(shí)驗(yàn)魚(yú)的“個(gè)性”行為。通過(guò)比較注入不同化學(xué)信息前后實(shí)驗(yàn)魚(yú)的行為變化(例如靜止時(shí)間的變化、爆發(fā)游泳的變化,由注入信息后5 min內(nèi)的行為參量值減去注入信息前5 min內(nèi)的行為參量值所得)(Posttest-Pretest)測(cè)定實(shí)驗(yàn)魚(yú)的化學(xué)預(yù)警響應(yīng)。通過(guò)相關(guān)分析檢測(cè)“個(gè)性”行為與化學(xué)預(yù)警響應(yīng)的關(guān)聯(lián)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS軟件(SPSS 19.0 Inc., USA)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。首先對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性(Shapiro-Wilks檢驗(yàn))和方差齊性檢驗(yàn)。若數(shù)據(jù)滿(mǎn)足正態(tài)性和方差齊性,采用單因素方差分析和最小顯著極差法(LSD)檢驗(yàn)差異顯著性,Pearson相關(guān)分析檢測(cè)實(shí)驗(yàn)魚(yú)行為變量之間的關(guān)聯(lián)；若數(shù)據(jù)不滿(mǎn)足正態(tài)性和方差齊性,采用Kruskal-Wallis檢驗(yàn)差異顯著性,Spearman相關(guān)分析檢測(cè)實(shí)驗(yàn)魚(yú)行為變量之間的關(guān)聯(lián)。χ2-檢驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)魚(yú)“攝食”與否進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示,顯著性水平設(shè)為P<0.05。

2 結(jié)果

2.1 高體鳑鲏對(duì)不同化學(xué)信息的行為響應(yīng)

不同溶液化學(xué)信息對(duì)高體鳑鲏靜止時(shí)間的變化、爆發(fā)游泳的變化以及攝食個(gè)體的比例等參數(shù)均有顯著影響(P<0.05,圖2)。其中,檸檬組與對(duì)照組相比無(wú)顯著差異(P> 0.05),引入CAC導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)魚(yú)攝食個(gè)體的比例顯著降低(P<0.05),高濃度CAC導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)魚(yú)靜止時(shí)間的變化、爆發(fā)游泳的變化顯著增加(P<0.05)。

圖2 高體鳑鲏對(duì)不同溶液信息行為響應(yīng)的變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.2 Change in behavioral responses of Rhodeus ocellatus after cue introduction (Mean±SE) CAC: 化學(xué)預(yù)警信息 Chemical alarm cues. 無(wú)共同上標(biāo)字母表示數(shù)值間差異顯著(P<0.05)

圖3不同環(huán)境刺激下高體鳑鲏的活躍性及其相關(guān)性Fig.3 The relationships of activities in Rhodeus ocellatus under novel environment and novel stimulus

2.2 不同環(huán)境下高體鳑鲏的“個(gè)性”行為及其相關(guān)性

不同環(huán)境刺激下高體鳑鲏的活躍性顯著正相關(guān)(P<0.05,r=0.225,圖3),但逃逸次數(shù)無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05,r=0.122)。

2.3 高體鳑鲏化學(xué)預(yù)警響應(yīng)與其“個(gè)性”行為的關(guān)聯(lián)

高體鳑鲏靜止時(shí)間比對(duì)不同溶液化學(xué)預(yù)警響應(yīng)的變化與其新異環(huán)境下的活躍性無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05; 表2; 圖4a),但與其新異刺激下的活躍性均顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05; 表2; 圖4b)。引入食物信息后,僅對(duì)照組實(shí)驗(yàn)魚(yú)的活躍性與靜止時(shí)間的變化顯著正相關(guān)(P<0.05; 表2; 圖4c)。此外,高體鳑鲏爆發(fā)游泳對(duì)不同溶液化學(xué)預(yù)警響應(yīng)的變化與其在不同環(huán)境刺激下的逃逸無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05; 表2; 圖4d, 4f)或無(wú)明顯的規(guī)律性(表2; 圖4e)。

表2 高體鳑鲏化學(xué)預(yù)警響應(yīng)的變化與“個(gè)性”行為的相關(guān)性

*P<0.05,差異顯著

圖4 高體鳑鲏化學(xué)預(yù)警響應(yīng)與“個(gè)性”行為的關(guān)聯(lián)Fig.4 The relationships between personality and the changes of behavioral responses to CAC in Rhodeus ocellatus

3 討論

3.1 高體鳑鲏對(duì)不同化學(xué)信息的行為響應(yīng)

對(duì)捕食風(fēng)險(xiǎn)源的敏銳應(yīng)答無(wú)疑可以使獵物減少被捕食概率,但是如果出現(xiàn)的化學(xué)信息并非真正的捕食風(fēng)險(xiǎn),那么就會(huì)導(dǎo)致獵物喪失覓食、求偶、拓展適宜生境等機(jī)遇,從而降低適合度[14]。本研究發(fā)現(xiàn),不同化學(xué)信息處理對(duì)高體鳑鲏靜止時(shí)間的變化、爆發(fā)游泳的變化以及攝食個(gè)體的比例等影響顯著。高體鳑鲏對(duì)不同濃度的CAC(已知的“真風(fēng)險(xiǎn)”)表現(xiàn)出不同程度的行為響應(yīng),高濃度和低濃度CAC均導(dǎo)致高體鳑鲏攝食個(gè)體的比例顯著下降(為0%),但只有高濃度CAC導(dǎo)致高體鳑鲏靜止時(shí)間和爆發(fā)游泳的變化顯著增加,研究結(jié)果與Brown等[22]相一致；另一方面,檸檬組與對(duì)照組相比無(wú)顯著差異,表明檸檬氣味并未引發(fā)高體鳑鲏顯著的反捕食響應(yīng),是一種“假風(fēng)險(xiǎn)”的化學(xué)信息?？梢?jiàn),高體鳑鲏對(duì)外源化學(xué)信息有準(zhǔn)確而高效的行為應(yīng)答。當(dāng)然,這種行為應(yīng)答策略還可能與實(shí)驗(yàn)魚(yú)長(zhǎng)期以來(lái)生存的環(huán)境背景有關(guān)。例如,無(wú)論在野外還是實(shí)驗(yàn)室狀況下,來(lái)自于高被捕食壓力(High-predation)種群的特立尼達(dá)孔雀魚(yú)對(duì)新奇化學(xué)信息都表現(xiàn)出逃避響應(yīng),而來(lái)自于低被捕食壓力(Low-predation)種群的特立尼達(dá)孔雀魚(yú)卻無(wú)此現(xiàn)象[13]。

3.2 高體鳑鲏化學(xué)預(yù)警響應(yīng)與其“個(gè)性”行為的關(guān)聯(lián)

魚(yú)類(lèi)的“個(gè)性”行為主要包括勇敢性、探索性、活躍性、攻擊性、社會(huì)性等,其測(cè)定方法也是多樣化的[17, 20, 23]。本研究重點(diǎn)考查了不同環(huán)境背景下(新異環(huán)境、新異刺激、新異食物資源),高體鳑鲏的活躍性以及逃逸表現(xiàn)。新異環(huán)境與新異刺激下高體鳑鲏的活躍性顯著正相關(guān),表明活躍性作為體現(xiàn)高體鳑鲏“個(gè)性”行為的參數(shù)是可重復(fù)的。然而,值得注意地是,高體鳑鲏的化學(xué)預(yù)警通訊(引入化學(xué)信息后靜止時(shí)間比的變化)僅與新異刺激下的活躍性顯著負(fù)相關(guān),與新異環(huán)境下的活躍性并不相關(guān),提示：高體鳑鲏“個(gè)性”行為的展現(xiàn)及其與化學(xué)通訊的關(guān)聯(lián)性還可能與環(huán)境穩(wěn)定性(可預(yù)測(cè)性)有關(guān)。被突然引入新異的棲息地環(huán)境(環(huán)境變動(dòng)大、相對(duì)而言是不可預(yù)測(cè)的),高體鳑鲏的行為響應(yīng)可能有一定的隨機(jī)性；而當(dāng)給予一定時(shí)間的適應(yīng)期(15 min)之后,再次給予新異刺激(即通過(guò)加樣管道給予的注水刺激,環(huán)境變動(dòng)小、相對(duì)而言是可預(yù)測(cè)的),高體鳑鲏的行為響應(yīng)已能夠較充分體現(xiàn)其“個(gè)性”特征。與本文研究結(jié)果相似,Brown等[22]等發(fā)現(xiàn),特立尼達(dá)孔雀魚(yú)對(duì)其自身CAC的行為響應(yīng)與其“個(gè)性”行為(以從隱蔽所浮出的時(shí)間為主要指標(biāo))有關(guān),膽小害羞型的孔雀魚(yú)對(duì)CAC表現(xiàn)出強(qiáng)烈的回避行為,而膽大冒險(xiǎn)型的個(gè)體對(duì)該CAC卻無(wú)顯著的行為響應(yīng)。類(lèi)似地,Brown等[14]還發(fā)現(xiàn),在遭遇新奇化學(xué)信息(檸檬氣味)重復(fù)刺激后,膽大冒險(xiǎn)型的個(gè)體不再表現(xiàn)出顯著的行為應(yīng)答,而膽小害羞型的個(gè)體則一直保持逃逸響應(yīng)。此外,本研究還發(fā)現(xiàn),引入食物信息后,對(duì)照組實(shí)驗(yàn)魚(yú)的活躍性與靜止時(shí)間的變化顯著正相關(guān),表明膽大的個(gè)體(靜止時(shí)間的變化小)應(yīng)對(duì)出現(xiàn)的新異資源更為積極(靜止時(shí)間比少),這一結(jié)果與David等[24]相近；然而,其余各信息處理組實(shí)驗(yàn)魚(yú)的活躍性與靜止時(shí)間的變化均不相關(guān),提示環(huán)境擾動(dòng)程度影響動(dòng)物對(duì)新異資源的行為響應(yīng),不管是CAC還是檸檬氣味,均可能影響實(shí)驗(yàn)魚(yú)的攝食響應(yīng)。

通常情況下,魚(yú)類(lèi)的化學(xué)預(yù)警通訊是一種較為耗能的生理/生態(tài)過(guò)程[13]。因此基于能量代價(jià)-生態(tài)收益(Energetic cost-Ecological benefit)權(quán)衡(Trade-offs)的個(gè)體發(fā)生、營(yíng)養(yǎng)狀況與生理狀態(tài)等因素可能影響種群中個(gè)體的行為決策,從而導(dǎo)致化學(xué)通訊模式的分化[3-5]。然而,前期研究結(jié)果表明,高體鳑鲏化學(xué)預(yù)警行為的變化與其生理狀態(tài)(性腺指數(shù)、肥滿(mǎn)度、產(chǎn)卵管長(zhǎng)度)等無(wú)顯著相關(guān)性,推測(cè)：高體鳑鲏的“個(gè)性”行為很可能掩蓋了繁殖生理狀況的效應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致化學(xué)預(yù)警行為與生理狀態(tài)不相關(guān)[5]。本研究發(fā)現(xiàn),引入化學(xué)信息后高體鳑鲏的靜止時(shí)間比的變化與新異刺激下的活躍性負(fù)相關(guān),證實(shí)了這一推測(cè),并支持本文提出的科學(xué)假說(shuō)：“個(gè)性”行為是魚(yú)類(lèi)的化學(xué)通訊模式多樣化的重要內(nèi)因。

綜上所述,高體鳑鲏對(duì)外源化學(xué)信息有準(zhǔn)確高效的行為應(yīng)答,該物種“個(gè)性”行為與其化學(xué)預(yù)警通訊模式有關(guān),但這種關(guān)聯(lián)可能又有一定的環(huán)境依賴(lài)性(例如,物種的生活史背景以及測(cè)試環(huán)境的穩(wěn)定性與可預(yù)測(cè)性等),因此,未來(lái)研究應(yīng)進(jìn)一步關(guān)注水域環(huán)境變遷背景下魚(yú)類(lèi)的化學(xué)通訊模式與“個(gè)性”行為進(jìn)化及其內(nèi)在關(guān)聯(lián)。