攝食水平對大鯢幼體游泳能力和力竭運動后代謝的影響

侯起淼 付世建 黃悌基 李秀明

(重慶師范大學(xué)進化生理與行為學(xué)實驗室,重慶市動物生物學(xué)重點實驗室,重慶 401331)

由于自然界中食物資源的時空異質(zhì)性及種間和種內(nèi)競爭等因素影響,動物并不能隨時獲得充足的食物達到飽足。在不同攝食水平下動物往往表現(xiàn)出明顯的生理、生態(tài)和行為差異,這些表型適應(yīng)策略對其生存具有重要的生態(tài)學(xué)意義[1,2]。攝食和運動是保證動物存活和繁衍的兩種重要生理活動,在其生活史過程中經(jīng)常同時發(fā)生。由于消化系統(tǒng)和運動系統(tǒng)功能的發(fā)揮都依賴于動物呼吸和循環(huán)系統(tǒng)對氧氣和能源物質(zhì)的運輸,因此攝食活動對動物的運動功能往往具有顯著的影響,其效果可能與其攝食水平大小和攝食習(xí)性密切相關(guān)[3—6]。

運動能力與動物日常覓食、逃避捕食者和求偶繁殖等生理活動密切相關(guān),是其生長、生存和種群繁衍的重要保障。感應(yīng)流速(Induced velocity)能夠一定程度反映水生動物的游泳特性,是其趨流性研究的重要指標(biāo)之一[7—9]。暴發(fā)游泳(Burst swimming)是一種持續(xù)時間較短的高耗能運動方式,與水生動物伏擊捕食、逃避天敵和穿越激流等活動密切相關(guān)[10,11]。此外,水生動物在無氧運動后經(jīng)常會達到力竭狀態(tài),此后的耗氧率會顯著高于運動前水平,稱為力竭運動后過量耗氧(Excess post-exercise oxygen consumption,EPOC)[12,13]。由于EPOC相關(guān)參數(shù)具有重要的生理生態(tài)學(xué)意義,因此也受到研究者的廣泛關(guān)注[1,10]。比如力竭運動后代謝峰值和過量耗氧分別與動物的最大有氧代謝能力和無氧代謝能力密切相關(guān)[1,14]。EPOC持續(xù)時間能夠反映出動物在無氧運動后的恢復(fù)速度,直接影響著無氧運動的再次進行[15,16]。水生動物的運動功能除了受到各種外在環(huán)境因素的影響,還可能與自身因素相關(guān),比如個體大小和饑餓過程中營養(yǎng)狀態(tài)等[17—19]。以往有關(guān)攝食水平影響水生動物運動功能的研究主要采用魚類作為研究對象[1,6,20],兩棲動物的相關(guān)研究還未見報道。

大鯢(Andrias davidianus)隸屬于兩棲綱(Amphibia),有尾目(Caudata),隱鰓鯢科(Cryptobrachidae),大鯢屬(Andrias),是我國二級保護動物,喜歡生活在溪流環(huán)境中。大鯢幼體生活在水中,用外鰓呼吸,通過四肢在水底爬行,趾間有蹼,尾部側(cè)扁,也適應(yīng)在水中游動[21]。由于棲息地喪失和野生個體不可持續(xù)的過度開發(fā),該物種野生種群數(shù)量下降嚴(yán)重[22]。目前,有關(guān)大鯢的研究主要涉及其繁殖發(fā)育[23]、養(yǎng)殖技術(shù)[24]、飼料營養(yǎng)[25]、種群生態(tài)[26]、生理生化[27]和遺傳保護[28]等方面。但是有關(guān)大鯢運動生理及其影響因素的研究還鮮有報道。本研究以大鯢幼體為實驗對象,考察不同攝食水平對大鯢幼體游泳能力和EPOC的影響,探討其在不同營養(yǎng)狀態(tài)下的運動生理適應(yīng)策略,豐富兩棲動物生理生態(tài)學(xué)資料,為大鯢野外棲息地保護和增殖放流實踐提供一定的參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗動物和攝食馴化

從湖南省臨武縣珠江源大鯢養(yǎng)殖合作社購買獲得大鯢幼體,養(yǎng)殖在室內(nèi)循環(huán)水養(yǎng)殖水槽中。養(yǎng)殖水體溶氧和溫度分別控制在(7.0±0.5) mg/L和(20.0±0.5)℃,光照周期設(shè)置為10D∶14L。用搖蚊幼蟲作為餌料每兩天飽足喂養(yǎng)1次,及時清理殘餌和糞便,并適當(dāng)更換養(yǎng)殖水體以保持水體清潔。馴養(yǎng)周期為4周。

挑選大小相似的大鯢幼體80尾(表1),隨機分為4個組,即對照組、1%攝食水平組(攝入1%體重的餌料)、4%攝食水平組(攝入4%體重的餌料)和10%攝食水平組(攝入10%體重的餌料),每組20尾(其中10尾用于游泳能力測定,另外10尾用于力竭運動后代謝測定)。為了使大鯢幼體在實驗環(huán)境中更好地攝食,將單獨的個體放置于自制的“循環(huán)密閉式代謝測定儀”(150 mL,圖 1)中,每天飽足投喂搖蚊幼蟲進行攝食馴化1周。

表1 大鯢幼體體重、體長和攝食水平(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Tab.1 The body mass,body length and meal size of juvenile Chinese giant salamander (Andrias davidianus) in the present study(mean±SE)

1.2 實驗方法

感應(yīng)流速和暴發(fā)游泳速度測定攝食馴化周期結(jié)束后,在“循環(huán)密閉式代謝測定儀”中根據(jù)大鯢幼體體重分別投喂相應(yīng)攝食水平(1%、4%或10%體重)的搖蚊幼蟲,對照組沒有投喂食物,3h后將其轉(zhuǎn)移到“水生動物游泳代謝測定儀”[29](3.5 L)中適應(yīng)1h,適應(yīng)期間水流速度為4 cm/s (約0.5倍體長/秒,bl/s),隨后測量其感應(yīng)流速和暴發(fā)游泳速度[4,10,30]。此時為大鯢幼體攝食后4h,其攝食代謝率到達峰值[31]。

“水生動物游泳代謝測定儀”的水流速度由連接的電腦程序控制。在適應(yīng)期結(jié)束以后,水流速度以0.167 cm/s2的加速度持續(xù)增加,當(dāng)大鯢幼體表現(xiàn)出身體離開水底、四肢緊貼身體兩側(cè)且尾部左右擺動的游泳狀態(tài)時,此時的水流速度記為該個體的絕對感應(yīng)流速(Absolute induction velocity),將絕對感應(yīng)流速除以大鯢幼體體長記為該個體的相對感應(yīng)流速(Relative induction velocity)。隨著水流速度的進一步增大,大鯢幼體將表現(xiàn)出力竭狀態(tài)(停留在游泳管末端篩板20s以上不再繼續(xù)游泳),此時是水流速度記為該個體的絕對暴發(fā)游泳速度(Absolute burst swimming speed),將絕對暴發(fā)游泳速度除以大鯢幼體體長記為該個體的相對暴發(fā)游泳速度(Relative burst swimming speed)[10]。

圖1 循環(huán)密閉式代謝測定儀模式圖Fig.1 Circulatory closed respirometer

力竭運動前后代謝測定本實驗中大鯢幼體的代謝率在自制的“循環(huán)密閉式代謝測定儀”中采用溶氧測定儀(HQ30,Hach Company)測定。代謝率測定前,大鯢幼體單獨放置在“循環(huán)密閉式代謝測定儀”呼吸管中禁食48h,隨后每10s測定1個溶氧值,通過1min內(nèi)呼吸管內(nèi)溶氧值隨時間變化的斜率計算1個耗氧值 [mg O2/(kg·h)],連續(xù)測定30min(30個耗氧值),平均值作為大鯢幼體靜止代謝率。將大鯢幼體取出,用同樣方法連續(xù)測定10min空白呼吸管(細菌耗氧)的溶氧值,平均值作為空白呼吸管斜率。大鯢幼體代謝率通過以下公式計算:

式中,MO2[mg O2/(kg·h)]為大鯢幼體代謝率,St為1min期間溶氧值隨時間變化的斜率,S0為空白呼吸管(細菌耗氧)的溶氧值變化斜率,V為代謝測定儀體積(0.15 L),60為60min。W表示大鯢幼體的體重(g)。

在靜止代謝率測定結(jié)束后,在“循環(huán)密閉式代謝測定儀”呼吸管中投喂大鯢幼體相應(yīng)攝食水平(1%、4%或10%體重)的搖蚊幼蟲,對照組不投喂食物,4h后測定其代謝率。連續(xù)測定20min(20個耗氧值),平均值作為大鯢幼體的力竭運動前代謝率。此時,1%、4%或10%攝食水平組代謝率為其攝食代謝峰值。隨后將大鯢幼體從呼吸管中取出放入環(huán)形力竭運動裝置(水深10 cm,直徑50 cm)中,通過戴手套手指觸碰大鯢幼體尾部驅(qū)趕其快速持續(xù)運動,致使其2min內(nèi)達到力竭狀態(tài),其判斷標(biāo)準(zhǔn)為對手指觸碰刺激無明顯應(yīng)激反應(yīng)。隨后立即將大鯢幼體放回呼吸管中測定力竭運動后耗氧率,連續(xù)測定60min(計算60個耗氧值)。

EPOC相關(guān)參數(shù)包括靜止代謝率(Rest metabolic rate)、運動前代謝率(Pre-exercise metabolic rate)、運動后代謝峰值(Peak post-exercise metabolic rate)、峰值比率(Factorial scope)、代謝率增量(Increment of metabolic rate)、運動后恢復(fù)時間(Duration)和過量耗氧(EPOC magnitude)。各個參數(shù)具體計算方法參見相關(guān)參考文獻[1,14]。

1.3 統(tǒng)計分析

本實驗所有數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(mean±SE)表示,運用Excel 2003進行常規(guī)計算后采用SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析。攝食水平對所有參數(shù)的影響采用單因素方差分析(ANOVA),若差異顯著則進行多重比較(LSD法),顯著性水平規(guī)定為P＜0.05。

2 結(jié)果

2.1 感應(yīng)流速和暴發(fā)游泳速度

攝食水平對大鯢幼體絕對感應(yīng)流速(F3,39=0.340,P=0.797)、相對感應(yīng)流速(F3,39=0.413,P=0.745)、絕對暴發(fā)游泳速度(F3,39=0.342,P=0.795)和相對暴發(fā)游泳速度(F3,39=0.380,P=0.768)都沒有顯著性影響(表2)。大鯢幼體絕對感應(yīng)流速和相對感應(yīng)流速平均值分別為21.94 cm/s和2.56 bl/s,大鯢幼體絕對暴發(fā)游泳速度和相對暴發(fā)游泳速度平均值分別為33.50 cm/s和3.90 bl/s(圖2和圖 3)。

圖2 攝食水平對大鯢幼體感應(yīng)流速的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,樣本數(shù)=10)Fig.2 The effect of meal size on induction velocity in juvenile Chinese giant salamander (Andrias davidianus;mean±SE,n=10)

圖3 攝食水平對大鯢幼體暴發(fā)游泳速度的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,樣本數(shù)=10)Fig.3 The effect of meal size on burst swimming speed in juvenile Chinese giant salamander (Andrias davidianus;mean±SE,n=10)

表2 攝食水平對大鯢幼體游泳能力和力竭運動后代謝參數(shù)的單因素方差統(tǒng)計分析表Tab.2 The effect of meal size on several variables related to swimming performance and EPOC in juvenile Chinese giant salamander (Andrias davidianus) based on the results of One-way analysis of variance (ANOVA)

2.2 力竭運動后代謝

所有組大鯢幼體在力竭運動后,其代謝率都快速升高達到峰值,隨后逐步降低至力竭運動前代謝水平(圖4)。所有組大鯢幼體的靜止代謝率之間都無顯著性差異(F3,39=0.157;P=0.924;表 2和圖 5)。隨著攝食水平的增加,大鯢幼體運動前代謝率都顯著增加(F3,39=39.446;P＜0.001),4%攝食水平組運動前代謝率顯著高于1%攝食水平組和對照組,但是顯著低于10%攝食水平組(表2和圖 5)。4%和10%攝食水平組運動后代謝峰值無顯著性差異,但是顯著高于對照組和1%攝食水平組(F3,39=8.474;P＜0.001;表 2和圖 5)。4%攝食水平組代謝率增量顯著低于對照組,但是顯著高于10%攝食水平組(F3,39=5.868;P=0.002;表 2和圖 5)。1%、4%和10%攝食水平組峰值比率都顯著低于對照組,4%和10%攝食水平組峰值比率之間無顯著性差異(F3,39=19.863;P＜0.001;表 2和圖 5)。4%攝食水平組運動后恢復(fù)時間顯著小于對照組和1%攝食水平組,但是顯著大于10%攝食水平組(F3,39=25.190;P＜0.001;表 2和圖 5)。4%攝食水平組過量耗氧顯著低于對照組,但是顯著高于10%攝食水平組(F3,39=6.596;P=0.001;表 2和圖 5)。

圖4 攝食水平對大鯢幼體力竭運動后代謝反應(yīng)的影響 (樣本數(shù)=10)Fig.4 The effect of meal size on excess post-exercise oxygen consumption (EPOC) response in juvenile Chinese giant salamander(Andrias davidianus;n=10)

圖5 攝食水平對大鯢幼體力竭運動后代謝參數(shù)的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,樣本數(shù)=10)Fig.5 The effects of meal size on several parameters of excess post-exercise oxygen consumption (EPOC) response in juvenile Chinese giant salamander (Andrias davidianus;mean±SE,n=10)

3 討論

3.1 攝食水平對大鯢幼體感應(yīng)流速和暴發(fā)游泳速度的影響

水生動物一般具有逆流游泳的習(xí)性,在一定流速下能夠自發(fā)產(chǎn)生逆向水流運動的行為反應(yīng),此時的流速稱為感應(yīng)流速,是水利設(shè)施修建和物種保護的重要參考數(shù)據(jù)[7,30]。以往研究主要對大鯢游泳行為進行定性描述,但其游泳特征的定量研究還未見報道[21]。本研究發(fā)現(xiàn),大鯢幼體在水流速度約為21.9 cm/s(約2.6 bl/s)時才表現(xiàn)出明顯的自發(fā)游泳行為,并且攝食水平并未對大鯢幼體的感應(yīng)流速產(chǎn)生顯著性影響,其內(nèi)在原因還有待進一步探究。在大鯢棲息地保護及增殖放流生境流速選擇等實踐中,大鯢幼體的這些游泳特征應(yīng)當(dāng)予以考慮。

兩棲動物幼體階段主要生活在水中,其游泳能力對其覓食和避敵活動具有重要的意義,因此受到研究者的廣泛關(guān)注[19,32—34]。以往的研究發(fā)現(xiàn)黑斑側(cè)褶蛙(Pelophylax nigromaculatus)、灰樹蛙(Hyla chrysoscelis)和南方豹蛙(Rana sphenocephala)蝌蚪的最大游泳速度分別約為7、12和15 cm/s (分別約16、17和15 bl/s)[32,35]。而東方蠑螈(Cynops orientalis)幼體的最大游泳速度約為25 cm/s (約6 bl/s)[34]。本研究發(fā)現(xiàn),大鯢幼體絕對暴發(fā)游泳速度約為33 cm/s(約4 bl/s)。由此表明,相比于無尾兩棲類動物幼體而言,有尾兩棲類幼體具有較高的絕對游泳能力和較低的相對游泳能力,這可能與其相對較長的體長有關(guān)。

以往研究發(fā)現(xiàn),南方鲇(Silurus meridionlis)的臨界游泳速度(Critical swimming speeds)在低攝食水平(2%—8%)下沒有顯著變化,但在較高攝食水平(12%—20%)下顯著下降。由于南方鲇幼魚在12%—20%攝食水平下的攝食代謝峰值約為其靜止代謝率的4.7倍,研究者認(rèn)為高攝食水平下游泳能力的降低可能與其較高的消化能力相關(guān)[2]。不過本研究發(fā)現(xiàn),大鯢幼體暴發(fā)游泳速度并沒有受到攝食水平(1%—10%體重)的顯著影響,暗示其消化功能并未對運動能力產(chǎn)生顯著的影響,這可能與其相對較低的消化代謝能力有關(guān)(攝食代謝峰值僅為其靜止代謝率的2.2倍)[31]。這種結(jié)果與草魚(Ctenopharyngodon idellus)和瓦氏黃顙魚(Pelteobagrus vachelli)的研究結(jié)果相似,這兩種魚類在1%—8%攝食水平下其游泳速度也并沒有顯著變化,其最大攝食代謝峰值分別為其靜止代謝的1.5和2.2倍[2]。大鯢幼體的游泳能力在不同攝食水平下的“維持”策略可能有利于繼續(xù)捕獲獵物和逃避捕食者,提高其復(fù)雜溪流生境下的生存適合度。

3.2 攝食水平對大鯢幼體力竭運動后代謝特征的影響

由于動物呼吸系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)功能的限制,動物往往具有一個潛在的最大有氧代謝率,它與其靜止代謝率之間的差值即為動物執(zhí)行各項生理活動所能利用的有效代謝空間[36—38]。因此,當(dāng)消化和運動功能同時進行時,可能出現(xiàn)兩種不同的代謝模式: 一種是“添加模式”,動物的有效代謝空間足夠大,能夠同時滿足其消化和運動功能;另一種是“競爭模式”,動物的有效代謝空間不足,優(yōu)先維持其中一種生理功能而犧牲另一種生理功能[4,5,39]。以往研究發(fā)現(xiàn),一些水生動物在禁食狀態(tài)下誘導(dǎo)出的代謝率與消化期間運動誘導(dǎo)出的代謝率相當(dāng),表明單一的運動能夠誘導(dǎo)出最大有氧代謝,當(dāng)攝食和運動功能同時進行時可能采用代謝“競爭模式”,即優(yōu)先維持一種生理功能,例如中華倒刺鲃(Spinibarbus sinensis)、巖原鯉(Procypris rabaudi)和草魚[1,6,40]。本研究發(fā)現(xiàn),大鯢幼體10%攝食水平組力竭運動后的代謝峰值[即消化期間運動誘導(dǎo)的最大有氧代謝,約為167.63 mg O2/(kg·h)]顯著高于對照組力竭運動代謝峰值[即單一運動誘導(dǎo)的最大有氧代謝,約為148.21 mg O2/(kg·h)]和10%攝食水平組力竭運動前代謝峰值[即單一攝食消化誘導(dǎo)的最大有氧代謝,106.32 mg O2/(kg·h)]。由此表明,單獨的消化或者運動生理活動均不能誘導(dǎo)出大鯢幼體的最大耗氧率,當(dāng)攝食和運動功能同時進行時可能出現(xiàn)一定程度的代謝“添加模式”。這一結(jié)果與印度蟒蛇(Python molurus)、南方鲇、瓦氏黃顙魚和錦鯽(Carassius auratus)的研究相似[1,41]。

動物的各項生理功能在力竭運動后恢復(fù)的快慢直接影響著下一次力竭運動的進行,對其捕食和避敵活動具有重要的生態(tài)學(xué)意義。以往研究發(fā)現(xiàn),水生動物力竭運動后恢復(fù)時間通常依賴于攝食水平的高低[1]。低攝食水平對其力竭運動后恢復(fù)時間沒有顯著影響,在高攝食水平下恢復(fù)時間通常會縮短,例如南方鲇、巖原鯉、錦鯽和青魚(Mylopharyngodon piceus)[1,6,20]。與以往研究結(jié)果相似,本研究發(fā)現(xiàn),1%攝食水平組大鯢幼體力竭運動后恢復(fù)時間與對照組無顯著差異,但是在4%和10%攝食水平下力竭運動后恢復(fù)時間顯著縮短。力竭運動后恢復(fù)時間是指動物力竭運動恢復(fù)過程中代謝率回落到與運動前代謝率無顯著性差異所對應(yīng)的時間。由于高攝食水平組的力竭運動前代謝較高(即攝食代謝峰值較高),所以力竭運動后恢復(fù)到這個較高運動前代謝率所需時間可能相應(yīng)縮短。因此,大鯢幼體在較高攝食水平下(4%和10%)力竭運動后恢復(fù)時間顯著縮短可能與其力竭運動前代謝相對較高有關(guān)[1]。從力竭運動中快速恢復(fù)的代謝特征將有利于大鯢幼體下一次捕食和避敵等力竭運動的進行。

EPOC大小是評價動物無氧代謝能力的重要指標(biāo)之一,其大小受到各種因素的影響[1,14,40,42,43]。攝食對動物EPOC大小的影響可能與其營養(yǎng)等級和攝食習(xí)性有關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn),一些營養(yǎng)等級較低且頻繁攝食的草食或雜食性種類(如草魚和巖原鯉),其EPOC大小并未受到攝食活動的影響,研究者認(rèn)為攝食后無氧代謝能力的保持將有利于頻繁的覓食和避敵活動[1,6]。本研究發(fā)現(xiàn),大鯢幼體在1%攝食水平下的EPOC大小與對照組無顯著差異,但是在4%和10%攝食水平下的EPOC大小顯著低于對照組。由此表明,大量食物的攝入對大鯢幼體的無氧代謝能力產(chǎn)生了負(fù)面影響。不過,這并沒有導(dǎo)致大鯢幼體暴發(fā)游泳速度的顯著下降。這種無氧代謝能力和無氧運動能力非正相關(guān)的現(xiàn)象在魚類相關(guān)研究中也有發(fā)現(xiàn)[10]。EPOC是一個復(fù)雜的生理過程,其內(nèi)在影響因素眾多,比如磷酸肌酸和糖原等能量物質(zhì)的分解與恢復(fù)、乳酸等代謝廢物的積累與清除以及滲透平衡的調(diào)節(jié)等[44—46],EPOC大小與無氧運動能力之間的關(guān)聯(lián)還有待進一步研究。由于在攝食消化期間大鯢幼體的游泳能力并未下降,加之其具有躲藏消化的習(xí)性,因此無氧代謝能力的下降可能對其生存適合度的影響有限。這種現(xiàn)象在一些營養(yǎng)等級較高,具有伏擊捕食、隱匿消化習(xí)性的肉食性種類中也有發(fā)現(xiàn),比如南方鲇和鲇(Silurus asotus)[1,42]。

綜上所述,隨著攝食水平的增加,大鯢幼體的感應(yīng)流速和暴發(fā)游泳速度沒有顯著變化,但卻表現(xiàn)出有氧代謝能力的增加、恢復(fù)速率的加快和無氧代謝能力的降低等能量代謝特征,這可能與其較低的消化代謝能力和隱匿消化的習(xí)性有關(guān),有助于在復(fù)雜的溪流生境中進行捕食和避敵活動。