游泳加速模式對南方鲇和團(tuán)頭魴運(yùn)動后代謝恢復(fù)的影響

朱峰磊，張敬敬，龍 靜，閆玉蓮，謝小軍

(西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，淡水魚類資源與生殖發(fā)育教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400715)

運(yùn)動后的過量耗氧(excess post-exercise oxygen consumption，EPOC)是指動物在代謝恢復(fù)期內(nèi)所產(chǎn)生的超過靜止?fàn)顟B(tài)耗氧水平的額外耗氧量，是研究魚類代謝恢復(fù)的重要生理學(xué)指標(biāo)[1,2]。研究表明，魚體運(yùn)動力竭后的EPOC總量與其無氧代謝能力密切相關(guān)[1,3]；EPOC耗氧峰值可以反映某些魚類的最大有氧代謝能力[2,4]；而EPOC的恢復(fù)歷時(shí)則很大程度上影響魚類重復(fù)游泳的能力[5]，這些能力均與其捕食和避敵等生命活動密切相關(guān)。因此，有關(guān)EPOC及相關(guān)參數(shù)的研究一直受到廣泛的關(guān)注[6-8]。

已有研究發(fā)現(xiàn)，魚體游泳速度的高低決定其運(yùn)動過程中有氧代謝和無氧代謝的供能配置，從而影響EPOC的參數(shù)值[9]。臨界游泳速度(critical swimming speed，Ucrit)和爆發(fā)游泳速度(burst swimming speed，Uburst)是魚類游泳行為中具有不同生態(tài)適應(yīng)意義的兩個(gè)上限速度值，Ucrit用以評估魚體主要以有氧代謝供能的持續(xù)游泳(sustained swimming)能力；Uburst用以評估魚體主要以無氧代謝供能，對抗急流、追捕或逃逸時(shí)的爆發(fā)游泳(burst swimming)能力[9-11]。魚體進(jìn)行Uburst運(yùn)動時(shí)會產(chǎn)生明顯的EPOC現(xiàn)象；此外，魚類在進(jìn)行Ucrit運(yùn)動時(shí)也會存在一定程度的無氧代謝供能現(xiàn)象[12,13]。EPOC的各項(xiàng)參數(shù)應(yīng)當(dāng)受到運(yùn)動過程的無氧代謝水平和游泳持續(xù)時(shí)間兩方面因素的影響。在Ucrit運(yùn)動過程中，魚體的無氧代謝水平較低，但到達(dá)力竭前的持續(xù)游泳的時(shí)間較長；在Uburst運(yùn)動過程中，魚體的無氧代謝強(qiáng)度高，但持續(xù)游泳的時(shí)間短。由此看來，兩方面因素對EPOC各參數(shù)的效應(yīng)并非簡單的疊加，還存在游泳運(yùn)動類型影響的交互作用。在Ucrit和Uburst的實(shí)驗(yàn)室測定中，采用不同的游泳加速模式，即在各速度梯度水平上的持續(xù)時(shí)間(Δt)和速度增量(Δv)的不同會對游泳性能測定結(jié)果產(chǎn)生影響[14-16]，因此游泳加速模式也應(yīng)當(dāng)是影響實(shí)驗(yàn)魚EPOC的重要因素。雖然已有研究對魚類在這兩種不同類型的運(yùn)動過程中產(chǎn)生的EPOC進(jìn)行了探討，但由于不同的研究所采用的游泳加速條件和研究對象等方面存在差異，有關(guān)不同運(yùn)動類型對魚體有氧代謝與無氧代謝配置的影響至今并未得到一致性的結(jié)論[14-18]。有研究者提出，運(yùn)動類型對兩種代謝供能配置的影響與魚類的生態(tài)習(xí)性相關(guān)，應(yīng)當(dāng)具有物種特異性[9]。但目前卻鮮有研究者對不同生態(tài)習(xí)性魚類在不同加速模式下的代謝恢復(fù)及EPOC進(jìn)行比較研究。

南方鲇(Silurusmeridionalis)和團(tuán)頭魴(Megalobramaamblycephala)均是廣泛分布在長江等水系的經(jīng)濟(jì)魚類，兩者在生活習(xí)性上存在較大的差異，南方鲇是伏擊取食的肉食性魚類[4,19]；而團(tuán)頭魴是一種活躍尋食的草食性魚類[20]。本實(shí)驗(yàn)室的前期研究已發(fā)現(xiàn)，游泳加速模式對這兩種魚的Ucrit和Uburst及相關(guān)運(yùn)動代謝的效應(yīng)不同。因此，本研究以南方鲇和團(tuán)頭魴為研究對象，觀測游泳加速模式對它們代謝恢復(fù)的影響，比較爆發(fā)游泳和持續(xù)游泳過程中(Uburst和Ucrit)所產(chǎn)生EPOC的特征參數(shù)，探討游泳過程中有氧代謝與無氧代謝供能的配置機(jī)制，為進(jìn)一步研究魚類的游泳性能及運(yùn)動代謝的生態(tài)適應(yīng)機(jī)制提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)魚的來源與馴化

南方鲇幼魚購自四川省內(nèi)江水產(chǎn)養(yǎng)殖場，團(tuán)頭魴幼魚購買于重慶市合川水產(chǎn)學(xué)校實(shí)習(xí)漁場，均為當(dāng)年人工孵化培育的同批次魚苗。購回后在實(shí)驗(yàn)養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)于自然水溫與光周期下進(jìn)行馴化養(yǎng)殖。在實(shí)驗(yàn)開始前2周，挑選體重相近，體表無損傷的兩種實(shí)驗(yàn)馴養(yǎng)魚移到室內(nèi)水循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)控制條件下再馴養(yǎng)。在此期間，水溫控制為(25±0.5)℃；光周期12L ∶12D，瞬時(shí)開關(guān)；南方鲇以鮮草魚(Ctenopharyngodonidellus)肌肉切成碎塊作為餌料，每天投喂量約為體重的2%，團(tuán)頭魴以商業(yè)飼料每天飽食投喂1次。測定前南方鲇禁食2 d[14]，團(tuán)頭魴禁食1 d[7,21]，使測試時(shí)實(shí)驗(yàn)魚處于空腹?fàn)顟B(tài)，以消除特殊動力作用對測定結(jié)果造成的影響。實(shí)驗(yàn)開始前1 d對魚的體重體長進(jìn)行測量，然后轉(zhuǎn)移至魚類游泳呼吸測量儀(Loligo Systems SY10700，Denmark；5 L)中進(jìn)行12 h恢復(fù)[22]，以消除稱量以及轉(zhuǎn)移過程中對魚類造成的脅迫影響，測定溫度均為(25±0.5)℃。

1.2 日常代謝率的測定

采用魚類游泳呼吸測量儀對日常代謝率(routine metabolic rate，RMR)進(jìn)行測定。游泳呼吸室內(nèi)水的初始流速設(shè)為3 cm/s，觀察表明，在此流速下，既能保證游泳呼吸室內(nèi)水中的溶氧混合均勻又不會迫使魚被動游泳。RMR持續(xù)測定時(shí)間為4 h，測定過程中采用分周期連續(xù)測量的方法，每個(gè)測定周期設(shè)為10 min，將后2.5 h測定的15個(gè)值的平均值作為RMR。當(dāng)呼吸室內(nèi)溶氧低于80%飽和溶氧時(shí)進(jìn)行3 min的換水和2 min的等待以使呼吸室中水的溶氧濃度達(dá)到穩(wěn)定均勻狀態(tài)[23,24]。每尾實(shí)驗(yàn)魚耗氧率(MO2：mgO2/(kg·h))由以下公式進(jìn)行計(jì)算：

MO2=([O2]t0-[O2]t1)×L/T×BW

式中：[O2]t0為t0時(shí)的溶解氧含量(mg/L)，[O2]t1為t1時(shí)溶解氧含量(mg/L)；L為呼吸室中水的體積(L=呼吸室體積-實(shí)驗(yàn)動物體積)；T為呼吸耗氧測定周期時(shí)間(t1-t0，h)；BW為實(shí)驗(yàn)魚質(zhì)量(kg)。

1.3 最大游泳速度及運(yùn)動代謝率的測定

參照Brett[25]和Reidy等[11]的實(shí)驗(yàn)方案，并通過預(yù)實(shí)驗(yàn)，將每種實(shí)驗(yàn)魚各分為4個(gè)實(shí)驗(yàn)處理組，各采用不同的加速模式測定實(shí)驗(yàn)魚的最大游泳速度(maximum swimming speed，Vmax)，以及游泳過程中各梯級速度相關(guān)的運(yùn)動代謝率。其中，加速模式1的速度增量(Δv)為20 cm/s，加速持續(xù)時(shí)間(Δt)為2 min，為Uburst測定組；加速模式2、3、4采用的Δv均為10 cm/s，Δt則分別為20、40和60 min，為Ucrit測定組。

1.3.1Uburst運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)操作

以加速模式1測定1個(gè)實(shí)驗(yàn)組的Vmax及游泳過程的耗氧率。游泳呼吸室內(nèi)水流的初始速度設(shè)為20 cm/s，每隔2 min增速20 cm/s，當(dāng)魚體不能對抗水流速度繼續(xù)游泳，其尾部貼在尾篩板5 s以上則視為力竭[10]，運(yùn)動實(shí)驗(yàn)階段結(jié)束。

1.3.2Ucrit運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)操作

以加速模式2、3、4分別測定3個(gè)實(shí)驗(yàn)組的Vmax及游泳過程的耗氧率。3個(gè)實(shí)驗(yàn)組的初始速度均設(shè)置為10 cm/s，而各實(shí)驗(yàn)組分別在每20、40、60 min后速度增加10 cm/s；當(dāng)魚體不能對抗水流速度繼續(xù)游泳，其尾部貼在尾篩板5 s以上則視該實(shí)驗(yàn)魚達(dá)到力竭狀態(tài)，運(yùn)動實(shí)驗(yàn)階段結(jié)束。

1.4 代謝恢復(fù)過程耗氧率的測定

Ucrit與Uburst實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)魚運(yùn)動力竭后，馬上將水流速度降至3 cm/s讓實(shí)驗(yàn)魚停止游泳，即開始進(jìn)行代謝恢復(fù)階段耗氧率的測定?；謴?fù)過程的前20 min內(nèi)每2 min測定一次，然后每5 min測定1次，連續(xù)測量至該尾實(shí)驗(yàn)魚的耗氧率連續(xù)3次下降到其RMR的110%以下則認(rèn)為該尾魚的代謝已恢復(fù)，該過程的時(shí)間稱為EPOC恢復(fù)歷時(shí)[8,9]；恢復(fù)期間的最大代謝率為EPOC峰值[2,4]；運(yùn)動力竭后在恢復(fù)歷時(shí)期間超出日常代謝水平的耗氧率在時(shí)間上的積分，即為EPOC總量[7,8]。采用以下公式計(jì)算實(shí)驗(yàn)魚的EPOC總量：

EPOC總量=∑(MO2i×Δti)

式中：MO2i為代謝恢復(fù)過程各測量時(shí)段在日常代謝水平以上的耗氧率，Δti為代謝恢復(fù)過程各次測量的間隔時(shí)間。

每種實(shí)驗(yàn)魚在各加速模式條件下的檢測樣本量均為10尾，共取得80尾實(shí)驗(yàn)魚的觀測資料。

1.5 實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件控制

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，游泳呼吸儀的水溫控制在(25±0.5)℃。為了避免外界不必要的刺激，用一塊黑布將游泳呼吸儀遮光，只在呼吸室留一個(gè)窗口，用于觀察實(shí)驗(yàn)魚的狀態(tài)，并使其仍然能夠經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)設(shè)定的光周期[26]。在每次實(shí)驗(yàn)開始前和結(jié)束后都對游泳呼吸室進(jìn)行3次空白測定，每次測定時(shí)間為10 min，流速為3 cm/s，將這6次測定的平均值作為游泳儀水體耗氧的背景值，實(shí)驗(yàn)魚耗氧率的測量值均減除背景耗氧率，從而消除水體中細(xì)菌以及其他因素的耗氧對實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果的干擾。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel2010和SPSS24.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理及統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤(Mean±SE)表示，不同加速持續(xù)時(shí)間對所有參數(shù)的影響采用單因素方差分析(ANOVA)進(jìn)行檢驗(yàn)，以P<0.05作為數(shù)據(jù)均值差異達(dá)到顯著性的標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果

2.1 游泳加速模式對EPOC峰值的影響

運(yùn)動力竭后兩種實(shí)驗(yàn)魚各處理組的耗氧率(MO2)均在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，隨后各處理組的MO2均隨時(shí)間的延長而下降；兩種實(shí)驗(yàn)魚的代謝恢復(fù)曲線均呈快速恢復(fù)和緩慢恢復(fù)兩個(gè)階段，快速階段歷時(shí)均在20 min以內(nèi)(圖1)。在南方鲇中，隨加速持續(xù)時(shí)間的增加(Δt為2、20、40和60 min)，其EPOC峰值由403.83 mgO2/(kg·h)下降至199.05 mgO2/(kg·h)；Uburst運(yùn)動組(Δt=2 min)的EPOC的峰值顯著高于其它3個(gè)Ucrit運(yùn)動組，而Δt為20 min時(shí)又顯著高于40和60 min組(表1)。團(tuán)頭魴各處理組的EPOC峰值之間的變幅較小(674.74～800.60 mgO2/(kg·h))，各組之間的差異均不顯著(表1)。

2.2 游泳加速模式對EPOC恢復(fù)歷時(shí)的影響

隨著加速持續(xù)時(shí)間的增加，南方鲇和團(tuán)頭魴EPOC恢復(fù)歷時(shí)均表現(xiàn)出了下降的趨勢(表1)，其中南方鲇下降趨勢更加明顯，其Uburst測試組(Δt=2 min)的EPOC恢復(fù)歷時(shí)顯著高于各Ucrit組，而團(tuán)頭魴各處理組的EPOC恢復(fù)歷時(shí)差異不顯著(表1)。南方鲇各處理組的EPOC恢復(fù)歷時(shí)均分別低于團(tuán)頭魴的對應(yīng)組，其中加速持續(xù)時(shí)間為20、40和60 min處理組之間的差異均分別達(dá)到顯著性。

表1 不同游泳加速模式對南方鲇和團(tuán)頭魴游泳速度和EPOC的影響Tab.1 Effects of different acceleration modes on swimming speed and excess post-exercise oxygen consumption(EPOC)in S.meridionalis and M.amblycephala(n=10)

注：a，b，c表示不同加速持續(xù)時(shí)間組之間差異顯著(P<0.05)。

2.3 游泳加速模式對EPOC總量的影響

南方鲇在Uburst(Δt=2 min)運(yùn)動后得到的EPOC總量為85.05 mgO2/kg，顯著高于Ucrit組；Ucrit運(yùn)動的3個(gè)處理組(Δt分別為20、40和60 min)的EPOC總量分別為22.00、18.51和9.28 mgO2/kg，表現(xiàn)出隨加速持續(xù)時(shí)間增加而下降的趨勢，但這3者間的差異不顯著(表1)。團(tuán)頭魴在Uburst運(yùn)動后的EPOC總量為187.19 mgO2/kg，在3種不同加速模式的Ucrit運(yùn)動后，其EPOC總量分別為155.23、163.09和145.14 mgO2/kg；它的4個(gè)不同處理組的EPOC總量之間均不存在顯著差異(表1)。

3 討論

3.1 不同游泳加速模式條件下的代謝恢復(fù)曲線

魚類代謝恢復(fù)是一個(gè)復(fù)雜的生理過程，包括能量代謝底物的恢復(fù)、代謝產(chǎn)物的清除及內(nèi)環(huán)境(體液酸堿度、滲透壓等)的重新平衡等[5]。南方鲇和團(tuán)頭魴的EPOC均表現(xiàn)為兩個(gè)階段的恢復(fù)模式：MO2在力竭后大約20 min內(nèi)急劇下降，為快速恢復(fù)階段；然后MO2緩慢下降，直至恢復(fù)到運(yùn)動前水平，為緩慢恢復(fù)階段(圖1)。但在快速恢復(fù)階段，二者恢復(fù)曲線的變化趨勢不同，南方鲇恢復(fù)曲線隨著加速持續(xù)時(shí)間的增加而逐漸下移而彼此分離；團(tuán)頭魴在不同加速持續(xù)時(shí)間條件下的恢復(fù)曲線則基本重合。這表明南方鲇運(yùn)動后代謝恢復(fù)初期的快速階段受游泳加速模式的影響比團(tuán)頭魴更加顯著；同時(shí)，游泳加速模式對南方鲇的游泳速度的影響也更加明顯。由此我們推測，這可能是由于南方鲇比團(tuán)頭魴游泳過程中要更加依賴于無氧代謝。我們的前期研究發(fā)現(xiàn)，在爆發(fā)游泳中，南方鲇耗氧率在速度較低時(shí)就達(dá)到了最大值，開始進(jìn)入“平臺期”，而團(tuán)頭魴耗氧率則隨著速度增加而持續(xù)增長到較高水平才出現(xiàn)拐點(diǎn)，表明南方鲇在較低速度下就開始啟動無氧代謝，表現(xiàn)出了對無氧代謝的高依賴性。

3.2 不同游泳加速模式條件下的EPOC總量

南方鲇在爆發(fā)游泳后的EPOC總量顯著高于持續(xù)游泳后的測定值，但團(tuán)頭魴在不同游泳加速模式下的EPOC總量之間均不存在顯著差異。有研究發(fā)現(xiàn)，與團(tuán)頭魴體型、習(xí)性相似的鳊(Parabramispekinensis)在爆發(fā)游泳結(jié)束后其肌肉中乳酸含量與對照組均不存在顯著差異[27]，表明鳊和團(tuán)頭魴等持續(xù)游泳能力較強(qiáng)的魚在爆發(fā)游泳過程中動用的無氧代謝的強(qiáng)度有限，不會產(chǎn)生顯著高于持續(xù)游泳的EPOC總量。因此，本研究結(jié)果表明，Reidy等[11]關(guān)于魚類爆發(fā)游泳產(chǎn)生的EPOC總量高于持續(xù)游泳的理論沒有普適性，運(yùn)動中有氧代謝與無氧代謝的配置應(yīng)當(dāng)具有物種特異性。

南方鲇在爆發(fā)游泳過程中的EPOC總量比其它3種持續(xù)游泳的EPOC總量分別高286.6%、359.5%和816.5%，而團(tuán)頭魴在爆發(fā)游泳中產(chǎn)生的EPOC總量比其它3個(gè)模式下的增幅則分別為20.6%、14.8%和29.0%。此外，兩種魚的Uburst雖然均顯著高于各自在其它3種加速條件下的Ucrit，但團(tuán)頭魴的Uburst(118.07 cm/s)比其最大Ucrit(102.81 cm/s)只增長了14.8%，而南方鲇的該增幅卻達(dá)到了50.4%；這表明在爆發(fā)游泳中南方鲇比團(tuán)頭魴有更大的動員無氧代謝的能力，支撐其在爆發(fā)運(yùn)動時(shí)游泳速度的大幅度提升。南方鲇為兇猛的肉食性魚類，捕食方式為伏擊取食，大多數(shù)時(shí)間處在靜息藏匿狀態(tài)[4,19]，因此在運(yùn)動中更加依賴于高水平無氧代謝支撐的爆發(fā)性運(yùn)動，以利于大幅度提升游泳速度捕食獵物；而團(tuán)頭魴是一種覓食活動較為頻繁的草食性魚類[20]，無氧代謝的能力較弱，在爆發(fā)運(yùn)動時(shí)因此也只能小幅度地提升其游速，但團(tuán)頭魴在不同游泳模式下均有較高的游速且產(chǎn)生的EPOC總量相近，表明它有較高的有氧代謝能力，可以較長時(shí)間保持較高的游速，這與其為草食性魚類，需要長時(shí)間巡游尋食的生態(tài)習(xí)性相適應(yīng)。南方鲇和團(tuán)頭魴在游泳性能及相關(guān)運(yùn)動代謝機(jī)制的差異反映了物種適應(yīng)其生態(tài)習(xí)性的權(quán)衡(Trade-off)效應(yīng)。

3.3 不同游泳加速模式條件下的EPOC恢復(fù)歷時(shí)

EPOC恢復(fù)歷時(shí)能夠反映魚類進(jìn)行重復(fù)游泳運(yùn)動的能力，恢復(fù)歷時(shí)的長短與能量代謝底物的恢復(fù)和代謝產(chǎn)物的清除等生理過程的速率相關(guān)[5]。一些研究發(fā)現(xiàn)，加速持續(xù)時(shí)間越長，游泳路程越長，底物消耗越多[27]，可能致使EPOC恢復(fù)歷時(shí)延長；但也有研究發(fā)現(xiàn)，隨著加速度持續(xù)時(shí)間增加，無氧代謝產(chǎn)物的累積速率相對就越低，EPOC恢復(fù)歷時(shí)應(yīng)當(dāng)更短一些[28]。本研究中，隨加速持續(xù)時(shí)間的增加兩種實(shí)驗(yàn)魚游泳總時(shí)間均增加，而EPOC恢復(fù)歷時(shí)卻呈下降趨勢。實(shí)驗(yàn)魚游泳總時(shí)間和游泳路程的增加，并沒有引起EPOC恢復(fù)歷時(shí)的延長。因此，對無氧代謝產(chǎn)物的清除速率應(yīng)當(dāng)是影響南方鲇和團(tuán)頭魴EPOC恢復(fù)歷時(shí)的主要原因。

本研究還發(fā)現(xiàn)，在相同的加速模式條件下，南方鲇的EPOC恢復(fù)歷時(shí)均短于團(tuán)頭魴。已有研究發(fā)現(xiàn)，圓鰭(Cyclopteruslumpus)和一些定居性鱘科魚類在運(yùn)動力竭后，其恢復(fù)歷時(shí)明顯低于持續(xù)游泳能力較強(qiáng)的條紋鱸(Moronesaxatilis)和鮭科魚類[3,29-31]。圓鰭和定居性鱘均是不善持續(xù)游泳的的底棲魚類[31]，運(yùn)動習(xí)性與南方鲇相似，它們在爆發(fā)運(yùn)動中動用無氧代謝的能力強(qiáng)而游泳加速快，運(yùn)動后償還氧債的速率也相對較快，具有較短的EPOC恢復(fù)歷時(shí)，能在短時(shí)間休息后進(jìn)行再次重復(fù)爆發(fā)運(yùn)動。本實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象支持前人提出的理論觀點(diǎn)：一種運(yùn)動能力的提高會導(dǎo)致另一種運(yùn)動能力的降低，這是物種在進(jìn)化中的適應(yīng)性選擇[11,32]。這也反映了魚類的游泳性能及相關(guān)的有氧代謝和無氧代謝機(jī)制的權(quán)衡效應(yīng)。