游泳加速模式對團頭魴和南方鲇的最大游泳速度及運動代謝的影響

張敬敬 朱峰磊 龍 靜 閆玉蓮 謝小軍

(西南大學生命科學學院，淡水魚類資源與生殖發育教育部重點實驗室，重慶 400715)

游泳性能是決定魚類在水環境中生存的關鍵因素之一[1,2]。魚類的捕食與被捕食之間的相互作用、繁殖、洄游以及生境的選擇等, 這些重要生態行為的成效都取決于它們的運動能力[3—5], 而魚類在這一系列與游泳相關活動中的表現都與呼吸及氧氣的利用密切相關。所以, 魚類的運動代謝能力也因此一直受到魚類學家的關注[6]。

臨界游泳速度(Critical swimming speed,Ucrit)和爆發游泳速度(Burst swimming speed,Uburst)是魚類游泳行為中具有不同生態適應意義的兩個上限速度值, 并作為評價不同因素對魚類游泳能力影響的主要指標, 也是預測棲息地生態環境的變化對魚類個體行為及種群動態影響的重要生物學參數。已有的實驗研究還采用這兩個指標來評估并比較魚類的最大有氧及無氧運動能力[7—11]。在Ucrit和Uburst的實驗室測定中, 通常采用對實驗魚游泳的水流進行梯級勻加速的方法, 迫使魚體逐步提升其游泳速度, 當魚體力竭時即獲得游速的最大值[8,9]。在此過程中, 游泳加速模式, 即速度增量(ΔV)和每次加速后在各速度水平上的持續時間(Δt), 是關鍵的實驗控制條件[12]。其中, Δt影響到實驗魚由靜止狀態到達最大游速的總歷時, 所以也是全過程的平均速度增量的決定因素之一。在Uburst實驗測定中的Δt通常為1—2min, 總歷時一般不超過10min; 大多數Ucrit實驗中的 Δt一般設置在15—60min, 因為實驗魚在達到Ucrit狀態的加速模式過程中主要以有氧代謝提供游泳動力, 而有研究證明呼吸循環系統達到穩定狀態一般需要15min以上的時間間隔[13]。因此, 加速持續時間的長短是否會對運動代謝以及游泳性能的測量值造成影響還存在一定爭議[13—16]。Dowine & Kieffer[12]比較分析了34種魚類的實驗數據, 發現各研究者們采用不同的加速模式測定Ucrit,即使對同物種的測定值也有較大差異, 因此他們提出, 確定適宜的游泳加速模式應當是開展魚類游泳性能比較研究的前提。

最大代謝率(Maximum metabolic rate,MMR)被定義為在一定生態溫度下的最大耗氧率[17]。它強調了在不同環境條件下利用有氧途徑產生能量的能力[8,18], 對進行有氧消耗的生理活動提供了一個上限。MMR在確定有氧范圍(Aerobic scope, AS)內起決定性作用, 是反映魚類對環境適合度的基礎參數, 長期以來一直受到魚類生理生態學家的密切關注[19—21]。因此MMR測量的準確性十分重要。不同的研究者會選取魚體在運動期間或運動結束后不同時段的耗氧率(Oxygen consumption rate,MO2),作為魚類的MMR[6,22—24]。但尚無研究證明, 不同取值階段的MMR是否會存在差異。目前主要有兩種常用的測量運動代謝的方法: (1)采用測定Ucrit的方法獲得逐級速度條件下的MO2, 取其中的最大值作為MMR, 也稱有氧運動法; (2)采用測定Uburst的方法獲得的MO2的最大值作為MMR, 也稱無氧運動法。前者的假定是在魚體游泳速度逐步達到Ucrit的過程中主要以有氧代謝供能, 因此MMR的取值為持續游泳期間MO2的最大值; 而后者的假定是魚體以爆發加速的方式達到Uburst期間進行了大量無氧運動,MMR應當出現在力竭后償還氧債的代謝恢復過程[17]。但游泳性能與運動代謝的相關性可能具有物種特異性, 因此, 以不同運動方式獲取MMR應在不同的代謝階段取值的假說還需要更多物種該方面的實驗資料予以進一步驗證。

在實驗研究中眾多的研究者以各種魚類為對象, 選擇不同的游泳加速模式來測定MMR[3,6,9,25,26],但目前尚無對不同種魚類以不同模式獲得的運動代謝數據之間進行比較的研究報道。團頭魴(Megalobrama amblycephala)隸屬于鯉形目、鯉科、鲌亞科、魴屬, 是喜居于靜水中下層生活的草食性魚類。由于食性原因它需要不斷地運動搜尋食物, 并躲避捕食者的攻擊[27]。南方鲇(Silurus meridionalis), 隸屬于鲇形目、鲇科、鲇屬, 是生活于淡水的大型兇猛肉食性魚類。它營底棲生活, 以主動出擊和突襲為其捕食的主要方式[28,29]。本研究以團頭魴和南方鲇這兩種不同生態習性的魚作為研究對象, 檢測不同加速模式對其最大游泳速度及運動代謝的影響, 旨在: (1)探討測定兩種實驗魚的最大游泳速度(Ucrit和Uburst)的適宜加速模式; (2)檢驗這兩種魚在游泳過程中及代謝恢復期的最大耗氧率, 提出測定其MMR的適宜方法。為進一步探討魚類的游泳性能及有氧代謝范圍與其生態適合度(Fitness)的關系提供基礎資料。

1 材料與方法

1.1 實驗魚的來源與馴養

團頭魴幼魚購買于重慶市合川水產學校實習漁場當年同批次人工孵化培育的魚苗, 南方鲇幼魚購自四川內江水產養殖場當年人工孵化培育的同批次魚苗。購回后在實驗養殖系統內于自然水溫與光周期下進行馴化養殖。馴養期間, 南方鲇以鮮草魚(Ctenopharyngodon idellus)肌肉切成碎塊作為餌料, 每2天投喂1次達飽足; 團頭魴以商業飼料每天飽足投喂1次, 每次投喂1h后撈出殘餌。實驗開始前, 挑選體重相近, 體表無損傷的兩種實驗馴養魚各40尾, 將其移到室內水循環養殖系統內在實驗控制條件下再馴養2周。在此期間, 水溫控制為(25±0.5)℃; 光周期12L∶12D, 瞬時開關; 團頭魴每天飽足投喂1次, 南方鲇每天投喂量約為體重2%。測定前南方鲇禁食2d[29], 團頭魴禁食1d[30], 使測試時實驗魚處于空腹狀態, 以消除特殊動力作用(Specific dynamic action, SDA)對測定結果造成的影響。實驗開始前1d對魚的體重體長進行測量, 然后轉移至魚類游泳呼吸測量儀(Loligo Systems SY10700,Denmark; 5 L)中進行12h恢復, 以消除稱量以及轉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(Routine metabolic rate, RMR)的測定

采用魚類游泳呼吸測量儀對日常代謝率(RMR)進行測定。游泳呼吸室內水的初始流速設為3 cm/s,觀察表明, 在此流速下, 既能保證游泳呼吸室內水中的溶氧混合均勻又不會迫使魚被動游泳。RMR持續測定時間為4h, 測定過程中采用分周期連續測量的方法, 每個測定周期設為10min, 將后2.5h測定的15個值的平均值作為RMR。當呼吸室內溶氧低于80%飽和溶氧時進行3min的換水和2min的等待以使呼吸室中水的溶氧濃度達到穩定均勻狀態[31—33]。每尾實驗魚耗氧率[MO2: mg O2/(kg·h)]由以下公式進行計算:

1.3 最大游泳速度(Maximum swimming speed,Vmax)及運動代謝率的測定

參照Brett[8]和Reidy等[3]的實驗方案, 并通過預實驗, 將每種實驗魚各分為4個實驗處理組, 各采用不同的加速模式測定實驗魚的Vmax, 以及游泳過程中各梯級速度相關的運動代謝率。其中, 加速模式1的速度增量(ΔV)為20 cm/s, 加速持續時間(Δt)為2min, 擬檢測實驗魚的爆發游泳速度(Uburst); 加速模式2、3、4采用的ΔV均為10 cm/s, Δt則分別為20min、40min和60min, 擬檢測實驗魚的臨界游泳速度(Ucrit)。每種實驗魚在各加速模式條件下的檢測樣本量均為10尾。

Uburst的測定以加速模式1測定1個實驗組的Vmax及游泳過程的耗氧率。游泳呼吸室內水流的初始速度設為20 cm/s, 每隔2min增速20 cm/s, 當魚體不能對抗水流速度繼續游泳, 其尾部貼在尾篩板5s[6]以上則視為力竭, 實驗結束。整個增速游泳過程采用連續測定耗氧率的方法, 即每2min測定1次耗氧率, 連續測定, 直至力竭均不換水。

Ucrit的測定以加速模式2、3、4分別測定3個實驗組的Vmax及游泳過程的耗氧率。3個實驗組的初始速度均設置為10 cm/s, 而各實驗組分別在每20min、40min、60min后速度增加10 cm/s, 當魚體不能對抗水流速度繼續游泳, 其尾部貼在尾篩板5s以上則視該實驗魚達到力竭狀態, 實驗結束。整個增速過程中采用間歇式耗氧率測量法, 即每個測定周期分為沖洗: 210s, 等待: 90s, 測定: 900s。

最大游泳速度(Vmax)計算公式如下:

式中,V是實驗魚完成逐級持續時間所達到的最大游泳速度,t是力竭前未能完成設定的加速持續時間而實際游泳的時間, Δt是各速度梯度間設定的持續時間, ΔV是各速度梯度間的速度增量。

1.4 代謝恢復過程耗氧率的測定

Ucrit與Uburst實驗中的魚運動力竭后, 馬上將水流速度降至3 cm/s讓實驗魚停止游泳, 等待10s后進行代謝恢復階段耗氧率的測定, 開始20min內每2min測定一次, 然后每5min測定1次, 連續測量至該尾實驗魚的耗氧率連續3次下降到其RMR的110%以下則實驗結束[11,35]。采用以下公式計算實驗魚游泳過程中無氧代謝供能占運動總耗能的比例:

式中,MO2i和MO2j分別為游泳過程和代謝恢復過程各測量時段在日常代謝水平以上的耗氧率; Δti和Δtj分別為游泳過程和代謝恢復過程各測量時段的持續時間。

1.5 實驗環境條件控制

在整個實驗過程中, 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, 只在呼吸室留一個窗口,用于觀察魚的運動狀態, 并使魚類仍然能夠經歷實驗設定的光周期[36]。在每次實驗開始前和結束后都對游泳呼吸室進行3次空白測定, 每次測定時間為10min, 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, 實驗魚耗氧率的測量值均減除背景耗氧率, 從而消除水體中細菌以及其他因素的耗氧對實驗測定結果的干擾。

1.6 數據統計與分析

采用Excel(2010)、SPSS(24.0)軟件進行數據的整理及統計分析, 數據用平均值±標準誤(Mean±SE)表示, 采用單因素ANOVA檢驗比較不同加速模式下最大游泳速度、MO2以及不同取值階段下MO2之間的數據差異, 以P＜0.05作為數據均值差異達到顯著性的標準。

2 結果

2.1 游泳加速模式對Vmax的影響

在加速模式1(Δt=2min, ΔV=20 cm/s)的條件下,團頭魴與南方鲇的最大游泳速度(Vmax)均分別顯著高于其他3種加速模式, 游泳歷時則分別遠低于其他3種模式(P＜0.05, 表1和表2)。

在加速模式2、3和4(ΔV為10 cm/s, Δt分別為20min、40min和60min)的條件下, 團頭魴的Vmax之間無顯著性差異(P＞0.05, 表1); 而南方鲇的Vmax隨著Δt的增加出現了下降的趨勢, 其中Δt為20min條件下的Vmax顯著高于Δt為40min和60min條件下的測定值(P＜0.05, 表2)。

2.2 游泳加速模式對運動MO2的影響

在4個加速模式條件下, 團頭魴和南方鲇在運動過程中的MO2均隨游泳速度的增加而增高(圖1和圖2)。在加速模式1條件下(ΔV=20 cm/s, Δt=2min),團頭魴的MO2隨著游泳速度的增長曲線在速度接近100 cm/s時出現拐點, 其后的MO2不再隨著速度的增加產生明顯的變化(圖1); 在該加速模式下, 南方鲇的MO2隨游泳速度增長曲線的拐點出現早于團頭魴, 當速度達到20 cm/s之上, 其MO2隨速度增加的幅度明顯變小, 進入“平臺”階段(圖2)。在加速模式2、3和4的條件下, 兩種魚各自的MO2隨其游泳速度的變化均呈相似趨勢。此外, 在加速模式1條件下, 兩種實驗魚在游泳過程的無氧代謝占比均分別顯著高于在其他3種加速模式條件下各自的測得值(P＜0.05, 表1和表2)。

2.3 游泳加速模式對各取值階段的最大耗氧率(MO2max)的影響

無論何種游泳加速模式, 南方鲇與團頭魴均有一個共同的趨勢, 即游泳運動后代謝恢復期間測得的最大耗氧率(DMO2)均顯著低于運動過程中測得的最大值(AMO2,P＜0.05, 表1和表2)。

表1 游泳加速模式對團頭魴的最大游泳速度和耗氧率的影響Tab. 1 Effects of swimming acceleration modes on maximum swimming speed and oxygen consumption in M. amblycephala

表2 游泳加速模式對南方鲇的最大游泳速度和耗氧率的影響Tab. 2 Effects of swimming acceleration modes on maximum swimming speed and oxygen consumption in S. meridionalis

在4種加速模式條件下, 團頭魴游泳過程中的AMO2分別為1064.07、1101.88、1216.22和1198.40 mg O2/(kg·h)(表1)。統計檢驗結果表明, 團頭魴在ΔV為10 cm/s、Δt為40min條件下的AMO2顯著高于其Uburst狀態(ΔV=20cm/s、Δt=2min)的AMO2(P＜0.05),而在Ucrit狀態下的3種加速模式(Δt分別為20min、40min和60min)的AMO2之間沒有顯著差異(P＞0.05)。

南方鲇在4種加速模式條件下的AMO2分別為498.69、471.16、359.81和328.62 mg O2/(kg·h)(表2)。南方鲇在Uburst運動狀態的AMO2最高, 統計檢驗結果表明, 顯著高于其Ucrit運動狀態下Δt為40和60min時的AMO2值(P＜0.05)。

圖1 游泳加速模式對團頭魴的運動代謝與游泳速度的相關關系的影響Fig. 1 The effects of swimming acceleration modes on relationships between activity metabolism and swimming speed in M.amblycephala

圖2 游泳加速模式對南方鲇的運動代謝與游泳速度的相關關系的影響Fig. 2 The effects of swimming acceleration modes on relationships between activity metabolism and swimming speed in S.meridionalis

3 討論

3.1 加速模式對Vmax的影響

Ucrit和Uburst是反映魚類游泳性能的兩個主要實驗檢測指標: (1)Ucrit用以評估魚體主要以有氧代謝供能的持續游泳能力, 達力竭的持續時間一般為數小時; (2)Uburst用以評估魚體主要以無氧代謝(糖酵解)供能, 對抗急流、追捕或逃逸時的加速游泳能力, 一般持續10min上下即力竭, 但可達到明顯高于其Ucrit的速度[6,9,11]。本研究主要探討涉及Ucrit和Uburst的游泳運動及其相關的代謝機制, 共設計4種游泳加速模式對團頭魴和南方鲇進行實驗處理, 發現在加速模式1(Δt=2min, ΔV=20 cm/s)條件下, 不僅這兩種魚獲得的Vmax均顯著高于加速模式2、3和4,且游泳過程的無氧代謝占比分別高達64%和72%,均分別顯著高于各自在另外3種加速模式條件下的無氧占比(P＜0.05, 表1和表2)。此外, 在加速模式1的條件下, 兩種魚達到Vmax分別為11.81min和6.80min, 而在另外3種加速模式條件下它們達到Vmax的時間卻在1.5—10h。因此我們認為, 采用本實驗的加速模式1測定這兩種魚的Uburst是適宜的。在加速模式2、3和4條件下, 團頭魴和南方鲇游泳過程的無氧代謝占比僅在4%—12%, 而且同一種魚的無氧占比在這3個加速模式下均差異不顯著, 因此這兩種魚的Ucrit則都可以由加速模式2、3和4的測定值中獲取。

分別由加速模式2、3和4測得的團頭魴的Vmax之間無顯著差異(P＞0.05, 表1), 那么, 本實驗設置的這3個加速模式(ΔV為10 cm/s, Δt分別為20min、40min和60min)對于測定該種魚的Ucrit均應該是適宜的。已有研究也證明短吻鱘(Acipenser brevirostrum)、虹鱒(Salmo gairdneri)等持續游泳能力較強的魚,Ucrit受加速持續時間的影響不明顯[12,15,16]。但是南方鲇在加速模式2、3、4的條件下, 隨著Δt的增加其Vmax出現了降低的趨勢, 其中加速模式2的Vmax顯著高于另外兩個加速模式的測得值(P＜0.05), 因此, 加速模式2(Δt=20min, ΔV=10 cm/s)應當是測定南方鲇Ucrit的適宜方法。前人對伏擊捕食性魚類大口黑鱸(Micropterus salmoides)的研究也發現, 加速持續時間對Ucrit產生明顯影響[14]。

本研究還發現, 兩種魚的Uburst分別顯著高于各自的Ucrit, 但相對于Ucrit和Uburst的增加幅度在兩種魚之間差異明顯, 南方鲇的Uburst比其最大的Ucrit高50.4%, 而團頭魴的此增幅只有14.8%。這表明, 南方鲇的爆發游泳能力更強。這應當與兩種魚的生態習性有關, 南方鲇作為一種大型的專性肉食性魚類, 多采用“潛伏突襲”的捕食方式[29,37], 它具有在短時間內大幅度提升游泳速度的能力, 以適應捕食運動性獵物的需求。但高強度的爆發游泳需要大量動用魚體的無氧代謝機制, 便會造成乳酸等代謝產物的快速累積而難于持久, 這也與本實驗觀測到的南方鲇缺乏持續游泳能力的現象相吻合。團頭魴作為一種草食性魚類, 需要不斷地運動尋找食物并躲避捕食者的攻擊, 所以適應較長時間的保持較高游泳速度的運動能力[38]。

3.2 不同生態習性的魚類的游泳速度——耗氧率(MO2)模式的差異

在測定Uburst的爆發游泳過程中, 團頭魴與南方鲇隨游泳速度的增加呈現不同的氧耗模式(圖1和圖2)。南方鲇在較低速游泳(20 cm/s)時MO2就接近最大值, 在隨后加速的過程中,MO2隨游泳速度增加而變化不明顯, 表明在此階段的爆發運動中無氧代謝占優勢。爆發游泳的團頭魴在較長的增速過程中, 其MO2一直隨著速度的升高而增加, 即以有氧代謝為主; 當游泳速度達到較高水平(100 cm/s)后再進一步增高時,MO2的增長幅度才明顯變小,即無氧代謝的供能作用才開始增強。

在測定Ucrit的持續游泳過程中, 南方鲇和團頭魴的MO2均是隨著速度的升高而增長。在以往的研究中也發現, 無論持續性游泳能力較強的魚, 如美國紅魚(Sciaenops ocellatus)、中華鱘(Acipenser sinensis)以及大西洋鮭(Salmo salar)等, 還是持續性游泳能力較差的魚, 如大西洋鱈(Gadus morhua), 其MO2隨著速度的增加均呈現上升的趨勢[9,24,39—43]。值得提出的是本研究還發現, 團頭魴和南方鲇在持續游泳的過程中, 雖然其MO2隨著速度的變化呈現出相同的趨勢, 但是二者在力竭前的游泳總歷時相差甚大(表1和表2)。在3種加速模式條件下, 團頭魴游泳至力竭的時間為206—587min, 而南方鲇的該時間卻只有90—164min, 表明團頭魴的持續游泳能力更強。

我們認為, 上述運動代謝類型的差異也是由于兩種魚具有不同的生態習性所致。南方鲇作為一種兇猛的伏擊性魚類其無氧代謝能力比較強, 在進行爆發游泳時, 在短時間加速后就可動用無氧代謝來進行供能; 但是支撐其長時間持續游泳的有氧代謝能力相對較弱。團頭魴作為一種需要長時間持續性游泳尋食的草食性魚類, 其有氧代謝能力較強,但無氧代謝能力就相對較弱, 因此在爆發游泳時速度提升的水平不高。由此可見, 魚類具備的爆發游泳的加速能力與長時間持續游泳的能力存在代謝機制上的權衡(Trade-off)效應, 是其游泳性能適應物種生態習性的反映。

3.3 不同游泳加速模式及取值階段的最大耗氧率

比較本研究分別由Ucrit和Uburst法測得的兩種實驗魚的MO2max, 可以發現, 對于南方鲇和團頭魴,兩種測定方法均不宜采用運動力竭后的代謝恢復期間的耗氧率作為MMR的估計值。因為在所有加速模式下, 這兩種實驗魚在運動過程中測得的最大耗氧率(AMO2)均顯著大于代謝恢復階段的最大耗氧率(DMO2,P＜0.05，表1和表2)。已有研究也有類似發現, 在代謝恢復期間, 大西洋鱈、美國紅魚和中華鱘等具有不同運動習性的魚均出現耗氧率下降的現象[3,9,40,41], 在該種情況下, 若將運動恢復期間測得的MO2max作為MMR, 將會造成對MMR的低估。本研究的實驗結果也不支持Norin等[17]關于MMR會出現在爆發運動力竭后的代謝恢復期的假定。因此我們認為, 團頭魴和南方鲇均應選取運動期間的最大耗氧率(AMO2)作為MMR。

同時, 本研究還發現, 通過Ucrit法和Uburst法兩種不同的方法測得的南方鲇和團頭魴在游泳過程中AMO2值亦存在差異。Ucrit法采用的3個加速模式下測得的團頭魴的AMO2差異不顯著, 但均要高于采用Uburst法測得的其AMO2值, 其中在Δt=40min條件下的AMO2顯著高于Uburst法測得值(表1)。因此,Ucrit法是測定團頭魴MMR的適宜方法。但是南方鲇出現了不同的情況, 通過Uburst法測得AMO2高于采用Ucrit法在3個加速模式條件下測得值, 并顯著高于其在Δt為40min和60min條件下的AMO2(表2)。因此,Uburst法應當是測定南方鲇MMR的適宜方法。

綜上所述, 本研究可以得出如下結論: (1)測定團頭魴Ucrit采用ΔV為10 cm/s、Δt在20—60min的加速模式是適宜的, 測定南方鲇Ucrit的適宜加速模式是ΔV為10 cm/s、Δt為20min; 而兩種魚的Uburst均可以采用ΔV為20 cm/s、Δt為2min的加速模式予以測定。(2)無論以Ucrit方式還是Uburst方式游泳的團頭魴和南方鲇, 其運動過程中的最大耗氧率均高于力竭后代謝恢復期的測定值, 兩種魚均應選取運動期間的最大耗氧率作為MMR。(3)測定持續運動的團頭魴的MMR適用于Ucrit法; 測定爆發運動的南方鲇的MMR適用于Uburst法。(4)團頭魴主要由有氧代謝能力支撐的長時間持續游泳的能力較強, 爆發游泳時速度提升的能力相對較弱; 南方鲇主要由無氧代謝支撐的爆發游泳的加速能力較強, 但其持續游泳的能力相對較弱。二者游泳性能及運動代謝機制的差異反映了物種適應其生態習性的權衡(Tradeoff)效應。