遮蔽行為對(duì)海刺猬攝食、生長(zhǎng)和性腺性狀的影響

羅世濱，常亞青，趙 沖，周海森

(大連海洋大學(xué)農(nóng)業(yè)部北方海水增養(yǎng)殖學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116023)

關(guān)于動(dòng)物行為的研究始于20世紀(jì)60年代初，是生態(tài)學(xué)中新興的前沿學(xué)科，它主要是以研究動(dòng)物的行為功能、適合程度、存活價(jià)值以及進(jìn)化過(guò)程為目的［1］。關(guān)于陸上動(dòng)物行為學(xué)的研究起步較早，目前已經(jīng)對(duì)很多物種的行為進(jìn)行了較為全面的研究［2-4］，而對(duì)于水生動(dòng)物行為學(xué)的研究起步較晚，但隨著研究手段的不斷進(jìn)步，特別是在魚類當(dāng)中，取得了極大的進(jìn)展［5-6］。海膽是一種模式生物，近年來(lái)隨著人們對(duì)海膽認(rèn)知的不斷深入，促進(jìn)了人們對(duì)海膽生物學(xué)的研究［7-9］。海膽利用它們的管足或者棘將周圍環(huán)境中的物體，如水草、珊瑚、貝殼等吸附到它們身體背面這種行為被認(rèn)為是海膽的遮蔽行為。掩蔽行為通常是指海膽利用周圍環(huán)境中的一些洞穴或者裂縫等場(chǎng)所躲藏自己的行為［10］。掩蔽行為通常認(rèn)為與海膽躲避捕食者、水流、光照等不利因素有關(guān)［11-13］。關(guān)于海膽遮蔽行為的研究成為目前關(guān)于海膽行為學(xué)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)［14-17］。影響海膽遮蔽行為的因素很多，歸納起來(lái)可以分為自身因素和外界因素兩大類。不同的海膽種類、海膽規(guī)格和生理狀態(tài)都能影響海膽的遮蔽行為，而光照、水流、捕食者、溫度、遮蔽物材質(zhì)等被認(rèn)為是影響海膽遮蔽行為主要外界環(huán)境因素［16，18-19］。遮蔽行為是海膽在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的，人們對(duì)于這一行為在海膽生活史中功能的研究目前還處于起步階段。目前比較普遍的觀點(diǎn)是海膽遮蔽行為的功能可能與躲避敵害、獲取食物、避光、避懸浮顆粒等作用相關(guān)［14，20-22］。而關(guān)于這一行為形成的環(huán)境選擇壓力以及在海膽生物體內(nèi)的形成機(jī)制目前還不清楚，這種遮蔽行為對(duì)海膽生長(zhǎng)和發(fā)育的影響目前也未見報(bào)道。Richner等［17，23］認(rèn)為海膽這這種遮蔽行為可能是以消耗一定的代謝能量為代價(jià)的，這種代價(jià)是否會(huì)對(duì)海膽自身的生長(zhǎng)和發(fā)育造成影響目前還不得而知。因此，本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)室條件下，研究生活在不同遮蔽環(huán)境條件下海刺猬(G．crenularis)的生長(zhǎng)以及身體各部分的發(fā)育情況來(lái)初步探討海膽遮蔽行為對(duì)海膽生長(zhǎng)發(fā)育的影響，并和掩蔽行為進(jìn)行相應(yīng)的比較，以此來(lái)進(jìn)一步探討海膽遮蔽行為的生態(tài)功能，深入了解海膽遮蔽行為對(duì)整個(gè)海膽生活史的影響以及海膽形成這種行為的內(nèi)在因素和進(jìn)化機(jī)制。

1 材料方法

1．1 實(shí)驗(yàn)海膽

實(shí)驗(yàn)海膽購(gòu)自遼寧大連旅順太平洋海珍品養(yǎng)殖公司。實(shí)驗(yàn)前，海刺猬暫養(yǎng)在實(shí)驗(yàn)室300 L的水槽中，投喂海帶，每3 d換水1 次。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)海膽的規(guī)格為:殼徑(20．88±2．24)mm，殼高(10．39±1．29)mm，體重(3．50±1．05)g。

1．2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)對(duì)照組和一個(gè)處理組:空白組(沒(méi)有磚塊和貝殼)、掩蔽組(用空心磚塊累起來(lái)制造的黑暗環(huán)境，海膽無(wú)需背遮蔽物就能獲得遮蔽效果，正方形孔徑邊長(zhǎng)為(38．30±3．34)mm，層高為(171．90±7．02)mm)和遮蔽組(在水槽中加入菲律賓蛤仔的貝殼，海膽需背貝殼獲得遮蔽效果)，每個(gè)組設(shè)4個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)有20個(gè)海膽，各組海膽初始規(guī)格無(wú)顯著差異。每個(gè)重復(fù)分別于300 L的水槽中飼養(yǎng)，水槽的槽壁不透光，槽內(nèi)海水用氣泵通氣，且每3d換水1次，各水槽的位置隨機(jī)分配。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用海帶投喂海膽，投喂過(guò)程中，掩蔽組則在磚塊內(nèi)外都放置海帶，以保證海膽不因攝食而被迫離開自身的偏好環(huán)境。實(shí)驗(yàn)從2011年3月2日開始到2011年11月2日結(jié)束，共8個(gè)月。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別在3月份、4月份、5月份、8月份、10月份測(cè)量了其中12個(gè)周的各組海膽的周攝食量，且每2個(gè)月測(cè)量一次海膽的殼徑、殼高和體重。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)各組隨機(jī)抽取30個(gè)海膽，測(cè)量其殼徑、殼高和體重，之后解剖，測(cè)量其性腺濕重、殼濕重、提燈濕重，以此來(lái)計(jì)算其性腺指數(shù)、殼指數(shù)和提燈指數(shù)。解剖后各部分在65℃條件下烘72 h，測(cè)量性腺、殼、提燈的干重，以此來(lái)計(jì)算各部分的含水量。各指標(biāo)計(jì)算方法:

1．3 統(tǒng)計(jì)方法

利用Excel和SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，各組數(shù)據(jù)均符合正態(tài)性分布。利用重復(fù)度量分析比較了各組海膽實(shí)驗(yàn)期間殼徑、殼高和體重的增長(zhǎng)情況。各組海膽的周攝食量、存活率、性腺濕重、性腺指數(shù)、性腺水分、殼指數(shù)、殼干重、殼水分、提燈濕重、提燈干重符合方差齊性，因此利用單因素方差分析統(tǒng)計(jì)并比較了各組海膽之間的差異性。而海膽的性腺干重、殼濕重、提燈指數(shù)、提燈水分不符合方差齊性，因此利用非參數(shù)檢驗(yàn)來(lái)比較各組海膽之間的差異。各分析的顯著水平均設(shè)置為P＜0．05。

2 結(jié)果

實(shí)驗(yàn)期間，生活在以菲律賓蛤仔貝殼作為遮蔽環(huán)境下的海刺猬，幾乎都以貝殼較為完整的遮蔽自己，生活在以磚塊作為掩蔽環(huán)境下的海刺猬，多生活在磚塊的孔洞當(dāng)中(圖2)。

2．1 攝食量和存活率

各組海膽的周攝食量及死亡率列于表1。結(jié)果顯示，遮蔽組的周攝食量要顯著大于掩蔽組(P＜0．05)，空白組的攝食量小于遮蔽組而大于掩蔽組，但是他們之間的差異不顯著(P＞0．05)。各組海膽的存活率，掩蔽組要大于遮蔽組，空白組最小，但是他們之間的差異不顯著(P＞0．05)。

2．2 生長(zhǎng)和身體各部分發(fā)育

各組海膽實(shí)驗(yàn)期間的生長(zhǎng)情況見圖1。各組海膽的殼徑、殼高、體重在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)均沒(méi)有顯著性的差異，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各組海膽的殼徑、殼高、體重都增長(zhǎng)明顯。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，空白組和遮蔽組海膽的殼徑、殼高、體重要顯著大于掩蔽組(P＜0．05)，而空白組和遮蔽組之間沒(méi)有顯著性的差異(P＞0．05)。

各組海膽的性腺濕重、性腺指數(shù)、性腺水分、殼指數(shù)、殼干重、殼水分、提燈濕重、提燈干重、性腺干重、殼濕重、提燈指數(shù)、提燈水分的均值、標(biāo)準(zhǔn)差及方差比較的結(jié)果列于表2和表3?？瞻捉M和遮蔽組的性腺濕重、性腺干重、性腺指數(shù)、殼濕重、殼干重、提燈濕重、提燈干重要顯著大于掩蔽組(P＜0．05)，而空白組和遮蔽組之間沒(méi)有顯著性的差異(P＞0．05)?？瞻捉M、遮蔽組和掩蔽組之間的殼指數(shù)、殼水分、提燈水分沒(méi)有顯著性的差異(P＞0．05)。掩蔽組的性腺含水量要顯著大于遮蔽組和空白組(P＜0．05)，而空白組和遮蔽組之間沒(méi)有顯著性的差異(P＞0．05)?？瞻捉M的提燈指數(shù)要顯著小于遮蔽組和掩蔽組(P＜0．05)，而遮蔽組和掩蔽組之間沒(méi)有顯著的差異(P＞0．05)。

表1 各組海膽的攝食量及存活率Table 1 Food consumption and survival rate of sea urchins among three groups

圖1 3組海膽實(shí)驗(yàn)期間殼徑、殼高、體重的增長(zhǎng)情況Fig．1 Test diameter，test height and body weight of the three groups during the experiment不同字母代表顯著性差異(P＜0．05)

表2 各解剖性狀的平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差及方差分析結(jié)果Table 2 The Mean±standard deviation(SD)and significant differences of anatomic traits according to One-way ANOVA

表3 各解剖性狀的平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差及非參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 The Mean±SD and significant differences of anatomic traits according to the Nonparametric tests

3 討論

本次研究所取的海膽種類為海刺猬(G．crenularis)，是因?yàn)樵谘芯窟^(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，和其它種類的海膽相比，海刺猬具有非常明顯的遮蔽行為(圖2)。所選海膽均為2010年5月份于遼寧大連旅順太平洋海珍品養(yǎng)殖公司育成，到實(shí)驗(yàn)開始時(shí)為10月齡的未性成熟幼膽，相對(duì)于已經(jīng)性成熟的海膽，以幼膽為材料可以獲取到更多關(guān)于生長(zhǎng)及發(fā)育的信息，這樣可以更好的觀察不同遮蔽環(huán)境對(duì)海刺猬生長(zhǎng)發(fā)育的影響。

關(guān)于其它種類海膽的遮蔽行為目前已經(jīng)有了一定程度的認(rèn)識(shí)［16，19，24］，各種海膽都有被觀察到不同程度的遮蔽行為，在本次實(shí)驗(yàn)中也觀察到海刺猬也具有比較明顯的遮蔽行為。Agatsuma等［16，21，25-26］認(rèn)為，海膽的遮蔽行為可以讓他們?cè)谝欢ǔ潭壬媳苊獠妒痴叩牟妒澈凸饨o它們帶來(lái)的傷害，增加自身存活的概率。實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，掩蔽組海膽的存活率略高于遮蔽組，而遮蔽組海膽的存活率要略高于空白組，但是它們之間的差異不顯著，遮蔽行為并沒(méi)有提高海刺猬的存活率。這可能是由于在本次實(shí)驗(yàn)中，沒(méi)有引入捕食者，而且實(shí)驗(yàn)是在室內(nèi)進(jìn)行，光照較弱，因此相對(duì)于自然環(huán)境，本次實(shí)驗(yàn)環(huán)境下3組海膽的不利生存因素較少，不會(huì)照成死亡率上的顯著差異。因此，海刺猬的這種遮蔽行為不是那種用進(jìn)廢退的后天性行為，而是一種比較穩(wěn)定的先天性行為，即使在有利的環(huán)境條件下，這種行為仍然得以保持(圖2)。

圖2 實(shí)驗(yàn)中所觀察的海刺猬的遮蔽行為Fig．2 Observation of the covering and sheltering behavior of Glyptocidaris crenularis in the laboratory

在生物漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中，任何行為的形成都是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期選擇與適應(yīng)的結(jié)果，都會(huì)對(duì)生物本身的生活史產(chǎn)生影響。生物形成的這些行為特性，有些是有利于自身生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖的積極的適應(yīng)策略，而有些則是為了避免環(huán)境中的某些不利因子的消極的適應(yīng)策略，主要目的是為了保持存活及種的延續(xù)，而對(duì)于其生長(zhǎng)發(fā)育的影響不大，甚至產(chǎn)生消極的影響［27］。有研究表明海膽的遮蔽行為需要海膽消耗一定量的代謝能量為代價(jià)［23］，這種消耗似乎會(huì)對(duì)海膽的生長(zhǎng)造成負(fù)面影響。以貝殼作為遮蔽物的海膽的生長(zhǎng)速度以及身體各部分(殼、亞氏提燈、性腺)的發(fā)育與空白組沒(méi)有顯著的差異，且要顯著大于掩蔽組。這說(shuō)明海刺猬遮蔽行為的這種生理消耗并沒(méi)有影響它的生長(zhǎng)和發(fā)育，相反，相對(duì)于無(wú)需背遮蔽物就能獲得遮蔽條件的掩蔽組，遮蔽組的生長(zhǎng)及發(fā)育都要更快。造成這種現(xiàn)象可能有3個(gè)原因:第一是海刺猬通過(guò)增加攝食來(lái)補(bǔ)充遮蔽行為的能量消耗，遮蔽組海膽的攝食量要顯著大于掩蔽組而略大于空白組。第二是有研究表明動(dòng)植物在一定的環(huán)境壓力條件下，生長(zhǎng)、發(fā)育及繁殖速度能都加快［28-29］，實(shí)驗(yàn)中空白組和遮蔽組之間的生長(zhǎng)和身體各部分(殼、亞氏提燈、性腺)的發(fā)育都沒(méi)有顯著的差異，同時(shí)它們都顯著大于掩蔽組，造成這種現(xiàn)象的原因很可能就是空白組和遮蔽組的海膽都會(huì)被動(dòng)的收到一定強(qiáng)度的光照脅迫，而掩蔽組海膽在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中則不會(huì)有這種脅迫，這種脅迫促進(jìn)了海刺猬的生長(zhǎng)和發(fā)育。第三，海刺猬在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中形成遮蔽行為很可能并不是為給生長(zhǎng)和發(fā)育帶來(lái)優(yōu)勢(shì)，而只是為了躲避自然界的一些不利因子，使種得以保存和延續(xù)。這一點(diǎn)已經(jīng)在輪蟲(Brachionus calyciflorus)性別的形成中得到了印證，Becks和Agrawal［30-31］通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室條件下觀察輪蟲在不同選擇壓下的性別進(jìn)化過(guò)程發(fā)現(xiàn)，有性生殖對(duì)于輪蟲的生活沒(méi)有長(zhǎng)期的利益，有性生殖的出現(xiàn)只是為了適應(yīng)短期內(nèi)環(huán)境的變化，而一旦輪蟲適應(yīng)了這個(gè)變化的環(huán)境，有性生殖就會(huì)逐漸減弱，無(wú)性生殖逐漸增強(qiáng)。而Verling［16，21，26］等人目前的研究也表明海膽的這種遮蔽行為是為了躲避敵害以及光照、水流等外界因素給自身帶來(lái)的傷害，增加存活的概率。接下來(lái)有必要進(jìn)一步研究該行為對(duì)海刺猬繁殖乃至后代生長(zhǎng)發(fā)育的影響，以此來(lái)進(jìn)一步了解該行為的進(jìn)化機(jī)制及對(duì)海刺猬生活史的影響。遮蔽組的海刺猬其生長(zhǎng)和發(fā)育要顯著優(yōu)于掩蔽組，這可能是由于遮蔽組海刺猬的攝食量顯著大于掩蔽組造成的。掩蔽行為和遮蔽行為都是海膽為躲避外界不利條件而形成的一種行為。而海刺猬始終保持耗能的遮蔽行為，原因之一就是兩種行為對(duì)于食物獲得的難易。相對(duì)于掩蔽行為，遮蔽行為更容易使海刺猬獲得食物，這一點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)中也得到了證實(shí)，實(shí)驗(yàn)中遮蔽組的攝食量要顯著大于掩蔽組。

不同規(guī)格的海膽及在不同的發(fā)育階段，身體各部分發(fā)育的重點(diǎn)有所不同，身體各部分之間的能量分配也是有所差異的，前期小規(guī)格海膽主要是側(cè)重殼和口器的生長(zhǎng)，而大規(guī)格到達(dá)性成熟以后則側(cè)重生殖腺的生長(zhǎng)，相互之間存在補(bǔ)償效應(yīng)［32-33］。掩蔽組海膽的提燈指數(shù)要顯著大于遮蔽組和空白組海膽，而空白組和遮蔽組的性腺指數(shù)則要顯著大于掩蔽組，這可能就是由于前者和后兩者的海刺猬的規(guī)格及所處的發(fā)育程度的差異所致。

以上研究表明:海刺猬(G．crenularis)的遮蔽行為是其自身長(zhǎng)期形成的一種固有行為，反映了它們對(duì)外界不利環(huán)境條件的一種適應(yīng)性，有利于提高其適應(yīng)能力和應(yīng)對(duì)外界環(huán)境壓力的能力，雖然需要以消耗能量等為代價(jià)，但這種行為對(duì)海刺猬自身生長(zhǎng)和發(fā)育不造成影響。海刺猬遮蔽行為的進(jìn)化選擇壓力，有待深入研究。

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