鯽幼魚游泳運(yùn)動(dòng)能力的個(gè)體變異與表型關(guān)聯(lián)

曾令清 付 成 付世建

(重慶師范大學(xué)進(jìn)化生理與行為學(xué)實(shí)驗(yàn)室， 動(dòng)物生物學(xué)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 401331)

游泳運(yùn)動(dòng)是魚類逃逸、捕食、繁殖等活動(dòng)行為的重要實(shí)現(xiàn)方式， 為其生存生長及種群繁衍提供了基本保證。依據(jù)對(duì)氧氣的需求， 魚類游泳運(yùn)動(dòng)分為有氧運(yùn)動(dòng)和無氧運(yùn)動(dòng)2種類型， 前者反映有氧代謝能力， 與日?；顒?dòng)(如巡游、自發(fā)運(yùn)動(dòng))和洄游等有關(guān)， 常以臨界游泳速度(Ucrit)[1，2]或步法轉(zhuǎn)換速度(Ugt)評(píng)價(jià)[2]， 而后者則反映無氧代謝能力， 與捕食活動(dòng)、逃逸敵害、穿越激流等相關(guān)， 常用勻加速游泳速度(Ucat)或爆發(fā)游泳速度評(píng)估[3]； 魚類的有氧和無氧運(yùn)動(dòng)能力可能存在權(quán)衡[3—5]。自Ucat用于衡量魚類無氧運(yùn)動(dòng)能力起， 不同研究采用加速度均是0.167 cm/s2[即10 (cm/s)/min][3—8]。采用單一加速度考察不同魚類Ucat的方式可能具有局限性， 因?yàn)椴煌~類的生物學(xué)特征(如發(fā)育階段、體重大小、游泳能力及性別等)差異較大， 將影響游泳能力的測(cè)定結(jié)果。因此， 不同加速度與魚類Ucat關(guān)系的相關(guān)研究十分迫切。

魚類表型存在種內(nèi)個(gè)體變異并且在不同環(huán)境條件下維持穩(wěn)定， 具有重要進(jìn)化生物學(xué)和生態(tài)學(xué)意義[9]。魚類處于靜止?fàn)顟B(tài)、無食物消化吸收時(shí)的最低能量消耗稱作為靜止代謝率(Resting metabolic rate， RMR)， 代表了機(jī)體基本功能的維持水平和有氧代謝能力的下限， RMR與標(biāo)準(zhǔn)代謝率(Standard metabolic rate， SMR)有相近的內(nèi)涵， 本研究統(tǒng)一使用RMR； 高強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)魚類施加巨大的生理負(fù)荷， 使其對(duì)氧的需求達(dá)到最大， 表現(xiàn)出最大代謝率(Maximum metabolic rate， MMR)， 代表了機(jī)體有氧代謝能力的上限， 二者的差值為魚類的有氧代謝空間(Aerobic scope， AS=MMR–RMR)， 它表示為其他生理功能提供的最大代謝潛能[10]。魚類MMR和AS的測(cè)量方法通常包括兩種， 一種是Ucrit法[11—14]，別一種則是人為誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)力竭的過量耗氧(Excess post-exercise oxygen consumption， EPOC)法[11，15，16]。2種方法的本質(zhì)都是通過高強(qiáng)度游泳運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)體施加最大生理負(fù)荷， 誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生最強(qiáng)有氧代謝水平。然而， 由于實(shí)驗(yàn)方法的操作性及其相應(yīng)的生態(tài)學(xué)意義不盡相同， 比較不同研究結(jié)果時(shí)可能面臨一定的方法學(xué)局限性， 有關(guān)魚類有氧代謝能力特征誘導(dǎo)方法的比較研究十分匱乏[11]。

鯽(Carassius auratusLinnaeus)是我國常見的鯉科魚類， 廣泛分布于江河湖泊、池塘沼澤等水域中。為考察鯉科魚類運(yùn)動(dòng)能力的個(gè)體變異和表型特征的生態(tài)關(guān)聯(lián)， 以及不同加速度對(duì)勻加速能力測(cè)定的影響， 本研究以鯽幼魚為實(shí)驗(yàn)對(duì)象， 通過2種方法分別測(cè)定該種魚的有氧代謝參數(shù)(RMR、MMR、AS及FAS)和有氧運(yùn)動(dòng)能力(Ucrit)， 同時(shí)也測(cè)量在不同加速度(0.083、0.167、0.250、0.333 cm/s2)條件下鯽幼魚的Ucat， 在Ucrit和Ucat測(cè)定過程中分別錄像以分析獲取相應(yīng)的Ugt， 分析比較鯽幼魚的有氧和無氧運(yùn)動(dòng)能力特征及表型關(guān)聯(lián)， 比較勻加速游泳能力在不同加速度條件下的響應(yīng)特征， 為魚類勻加速游泳能力測(cè)定加速度的合理選擇提供有益參考， 同時(shí)也為我國過漁設(shè)施(如魚道)工程的設(shè)計(jì)開發(fā)提供重要的運(yùn)動(dòng)生理學(xué)資料。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)魚及其馴化

鯽幼魚購自于重慶市北碚區(qū)歇馬人工養(yǎng)殖基地， 運(yùn)回后將魚放置于3個(gè)實(shí)驗(yàn)室循環(huán)控溫水槽(約250 L)中馴化3周。馴化期間， 每天以商業(yè)飼料(中國通威公司)飽足投喂1次， 投喂0.5h后用虹吸法清除殘餌和糞便以維持水體環(huán)境。馴化水槽的日換水量約為水體的10%， 實(shí)驗(yàn)用水為曝氣后控溫的自來水， 用充氣泵不斷向馴化水槽充氣使溶氧水平大于7 mg/L， 馴化水溫為(25.0±0.5)℃(與當(dāng)時(shí)季節(jié)水溫相近)， 光周期為光照14 L∶10 D。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在馴化結(jié)束后， 挑選魚體健康、體重相近的鯽幼魚[n=30， 體重(13.08±0.41) g， 體長(7.52±0.08) cm]作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象， 并將實(shí)驗(yàn)魚移入已編號(hào)的30個(gè)養(yǎng)殖單元格中以便辨別實(shí)驗(yàn)魚。實(shí)驗(yàn)之前， 對(duì)魚禁食24h。在第1天先測(cè)量實(shí)驗(yàn)魚的RMR， 隨后采用游泳代謝儀測(cè)定魚的Ucrit、Ugt和MMR并計(jì)算獲取AS，測(cè)定完畢后將魚放回至養(yǎng)殖單元格中并投喂一次約0.5%體重的餌料[17]， 以維持實(shí)驗(yàn)魚的體重和生理恢復(fù)； 第3天測(cè)定EPOC法誘導(dǎo)鯽幼魚的MMR并在運(yùn)動(dòng)力竭后連續(xù)測(cè)定魚的恢復(fù)代謝率， 共計(jì)算10min的過量耗氧(EPOC)， 在測(cè)定完畢后將魚放回至養(yǎng)殖單元格中并投喂一次約0.5%體重的餌料； 從第5天開始隨后的連續(xù)4d中， 于每天上午只測(cè)定一個(gè)加速度條件下實(shí)驗(yàn)魚的Ucat和Ugt， 本研究設(shè)定的加速度包括0.083、0.167、0.250、0.333 cm/s2， 每天測(cè)定完畢后對(duì)單尾魚投喂一次約0.5%體重的餌料。對(duì)于單尾魚而言， 在Ucrit和EPOC測(cè)定時(shí)均有48h機(jī)體恢復(fù)時(shí)間， 在不同加速度條件下測(cè)量Ucat的恢復(fù)時(shí)間也達(dá)24h， 并在每次餌料投喂過程中所有實(shí)驗(yàn)魚全部表現(xiàn)快速攝食， 但由于體重控制要求僅對(duì)每尾魚投喂約0.5%體重的餌料。根據(jù)研究報(bào)道，在運(yùn)動(dòng)力竭1h后魚類白肌的三磷酸腺苷和磷酸肌酸恢復(fù)到運(yùn)動(dòng)前水平[17]， 力竭運(yùn)動(dòng)后8h后機(jī)體的乳酸水平也恢復(fù)運(yùn)動(dòng)前水平[18]。本研究實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)定時(shí)間的間隔明顯長于上述重要能量物質(zhì)恢復(fù)和產(chǎn)物清除時(shí)間， 不影響鯽幼魚游泳能力的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)期間所有環(huán)境條件(如溫度、溶氧、光周期等)與馴化期間保持一致。

1.3 RMR的測(cè)定

本研究采用流水式呼吸代謝儀測(cè)定實(shí)驗(yàn)魚的RMR。將魚從養(yǎng)殖單元格轉(zhuǎn)移至呼吸代謝儀的呼吸室馴化24h， 以消除轉(zhuǎn)移過程帶來的影響。馴化結(jié)束后， 采用溶氧儀(HQ30d， 美國哈希公司)在第2天的9:00、11:00、13:00、15:00、17:00、19:00和21:00測(cè)定實(shí)驗(yàn)魚的耗氧率。呼吸代謝儀的環(huán)境條件(如水溫、溶氧和光周期等)與馴化期間保持一致；測(cè)定過程中實(shí)驗(yàn)室保持安靜， 以減少聲音對(duì)實(shí)驗(yàn)魚生理狀態(tài)造成影響。將7個(gè)時(shí)間點(diǎn)的耗氧率取平均值用來表征實(shí)驗(yàn)魚的RMR [mg O2/(kg.h)]， 計(jì)算公式如下:

式中， ΔO2是實(shí)驗(yàn)呼吸室(有魚)出水口與空白呼吸室(無魚)出水口的溶氧差值(mg O2/L)，v是呼吸室流速(L/h)， 由呼吸室出水口裝滿50 mL容量瓶所需時(shí)間計(jì)算獲得，m為實(shí)驗(yàn)魚的體重(kg)。由于實(shí)驗(yàn)魚的體重十分相近， 無需進(jìn)行代謝率的體重校正。

1.4 Ucrit和MMR的測(cè)定

(1)Ucrit測(cè)定法: 采用魚類游泳代謝儀同時(shí)測(cè)定實(shí)驗(yàn)魚的運(yùn)動(dòng)代謝率和Ucrit， 同時(shí)通過攝像系統(tǒng)拍攝實(shí)驗(yàn)魚的游泳行為。先將實(shí)驗(yàn)魚裝入游泳代謝儀的游泳管中馴化1h， 馴化流速為6 cm/s； 隨后每隔20min增加6 cm/s， 直至實(shí)驗(yàn)魚運(yùn)動(dòng)力竭。力竭標(biāo)準(zhǔn): 實(shí)驗(yàn)魚因運(yùn)動(dòng)力竭不能抵抗水流而后退停靠于游泳管的尾端篩板， 并且在尾端篩板的停靠時(shí)間達(dá)20s以上[19]。Ucrit(cm/s)的計(jì)算公式如下:

式中，V是實(shí)驗(yàn)魚能夠完成20min游泳運(yùn)動(dòng)的最大流速， ΔV是流速增量(6 cm/s)， ΔT是時(shí)間間隔(20min)，t是在最高流水速度下實(shí)驗(yàn)魚的游泳歷時(shí)(持續(xù)時(shí)間短于20min)。

在測(cè)定Ucrit過程中， 同時(shí)測(cè)量實(shí)驗(yàn)魚的運(yùn)動(dòng)代謝率。游泳代謝儀裝有1個(gè)連接溶氧儀外部水循環(huán)系統(tǒng)(流量約為500 mL/min)， 當(dāng)溶氧儀探頭連接該系統(tǒng)時(shí)游泳代謝儀形成封閉狀態(tài)， 可監(jiān)測(cè)游泳代謝儀內(nèi)部水體溶氧水平。每隔20min， 打開游泳儀謝儀尾蓋20s隨后關(guān)閉， 該時(shí)間足以保證代謝儀內(nèi)部與外部之間水體的充分置換， 溶氧水平可迅速恢復(fù)至正常狀態(tài)。通過設(shè)定好的電腦程序控制目標(biāo)流速， 用溶氧儀每隔2min測(cè)定一次游泳代謝儀內(nèi)部水體的溶氧水平(mg/L)， 連續(xù)測(cè)定10次。實(shí)驗(yàn)魚的運(yùn)動(dòng)代謝率[MO2， mg O2/(kg.h)]的計(jì)算公式如下:

式中，St[mg O2/(L.min)]為每段期間(20min)代謝儀內(nèi)部水體溶氧水平隨時(shí)間變化的斜率， 當(dāng)回歸方程的指數(shù)R2＞0.95時(shí)的斜率， 即可參與MO2的計(jì)算。60為60min，Sb[mg O2/(L.min)]為在1 h期間游泳代謝儀內(nèi)部細(xì)菌耗氧的斜率。V為扣除實(shí)驗(yàn)魚體積后的代謝儀內(nèi)部的水體體積(3.50 L)，m為實(shí)驗(yàn)魚的體質(zhì)量(kg)。在測(cè)定過程中， 獲取的最大MO2即為實(shí)驗(yàn)魚的， 其代謝空間=–RMR。

在Ucrit測(cè)定過程中， 在游泳管正上方安置一臺(tái)高清攝像機(jī)， 錄像單尾魚Ucrit游泳行為。隨流速的逐漸增加， 由于魚類開始動(dòng)用白肌(無氧代謝)提供游泳動(dòng)力而打破體內(nèi)乳酸平衡， 使得體內(nèi)的乳酸積累一定程度時(shí)， 魚類開始出現(xiàn)“爆發(fā)–滑行”的游泳行為變化并且擺尾頻率變化明顯， 該游泳行為被稱為步法轉(zhuǎn)換， 首次出現(xiàn)“爆發(fā)–滑行”游泳行為時(shí)的游泳速度稱作為步法轉(zhuǎn)換速度(Ugt)， 評(píng)價(jià)最大有氧運(yùn)動(dòng)能力[2，20]。雖然Ucrit測(cè)定過程中涉及到無氧代謝且飽受爭議， 但現(xiàn)有研究仍采用Ucrit或Ugt評(píng)價(jià)魚類的有氧運(yùn)動(dòng)能力[2]。

(2) EPOC測(cè)定法: 通過力竭運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)魚的MMREPOC[mg O2/(kg.h)]并計(jì)算代謝空間(ASEPOC=MMREPOC–RMR)。EPOC的簡要步驟[15]: 將魚從養(yǎng)殖單元格中轉(zhuǎn)移至力竭運(yùn)動(dòng)驅(qū)趕裝置(Φ外=56 cm，Φ內(nèi)=33 cm， 水深15 cm)的環(huán)行水道(流速～60 cm/s)中； 在環(huán)形水道中實(shí)驗(yàn)魚逆流快速游泳， 一段時(shí)間后魚體因高流速無法保持相對(duì)穩(wěn)定游泳而后退， 此時(shí)人工連續(xù)驅(qū)趕實(shí)驗(yàn)魚向前游泳直至其運(yùn)動(dòng)力竭；處于力竭狀態(tài)的魚通常失去平衡且用手接觸尾部時(shí)不再有明顯應(yīng)激反應(yīng)， 整個(gè)過程一般在5min之內(nèi)完成[21]； 然后將魚迅速(10s之內(nèi)完成)轉(zhuǎn)移至呼吸代謝儀的呼吸室中進(jìn)行30min的恢復(fù)代謝測(cè)定。溶氧數(shù)據(jù)采集時(shí)間分別為0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30min。在恢復(fù)代謝測(cè)定過程中， 呼吸室流速約為500 mL/min。經(jīng)計(jì)算， 在此流速條件下呼吸室水體置換率達(dá)99%的歷時(shí)小于1min[22]。因此， 將隨后數(shù)分鐘出現(xiàn)的最大耗氧率作為實(shí)驗(yàn)魚的MMR， 其計(jì)算公式與RMR一樣。魚類的EPOC是指其在運(yùn)動(dòng)恢復(fù)期內(nèi)超過靜止?fàn)顟B(tài)耗氧水平的額外耗氧量， 在一定程度上反映了魚類的最大無氧代謝能力， 計(jì)算恢復(fù)期內(nèi)高于運(yùn)動(dòng)前的差值在時(shí)間上的總和即為該時(shí)期的EPOC[15]。為便于比較不同鯽個(gè)體的代謝恢復(fù)特征， 本研究僅選取前10min的EPOC用于數(shù)據(jù)分析。

1.5 Ucat的測(cè)定

本研究共采用了4個(gè)加速度(0.083、0.167、0.250、0.333 cm/s2)， 每天只測(cè)定1個(gè)加速度下實(shí)驗(yàn)魚的Ucat。將魚放入游泳代謝儀的游泳管中馴化1h， 管內(nèi)流速為6.0 cm/s。馴化結(jié)束后， 流速從6.0 cm/s開始按照某一加速度(每秒種遞增)逐漸增加游泳代謝儀的流速， 直至實(shí)驗(yàn)魚運(yùn)動(dòng)力竭， 該力竭狀態(tài)被認(rèn)為是魚類的最大勻加速游泳能力， 此時(shí)對(duì)應(yīng)的流速即為實(shí)驗(yàn)魚的Ucat。游泳代謝儀的流速控制由電腦軟件完成， 可即時(shí)觀察游泳管中即時(shí)流速及其變化特征。在測(cè)定過程中， 在游泳管正上方安裝一臺(tái)高清攝像機(jī)， 錄像單尾魚整個(gè)的勻加速游泳過程。對(duì)獲取的視頻資料分析確定實(shí)驗(yàn)魚首次“爆發(fā)–滑行”游泳行為的出現(xiàn)時(shí)間并結(jié)合擺尾頻率的變化特征， 以確定在Ucat測(cè)定過程中實(shí)驗(yàn)魚的Ugt。

1.6 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel (2003)軟件對(duì)所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作常規(guī)計(jì)算， 統(tǒng)計(jì)軟件為SPSS (19.0)軟件。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”(Means±SE)表示， 顯著水平為P＜0.05。Ucrit測(cè)定中的能量代謝參數(shù)與游泳能力的關(guān)系及Ucat與無氧代謝(Ucat–Ugt)的關(guān)系均采用一般線性回歸方程。兩種方法誘導(dǎo)MMR和AS的比較采用T-檢驗(yàn)， 能量代謝參數(shù)之間的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析。采用單因素方差分析考察不同加速度對(duì)游泳能力參數(shù)的影響， 若組間存在顯著差異則采用最小顯著性差異法(Least significant difference，LSD)檢驗(yàn)組間數(shù)據(jù)差異。采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(Intraclass correlation coefficient， ICC)和肯德爾和諧系數(shù)(Kendall concordance coefficient， KCC)考察勻加速游泳能力參數(shù)在不同加速度條件下的重復(fù)性。

2 結(jié)果

2.1 Ucrit中能量代謝與游泳速度的關(guān)系

在Ucrit法中鯽幼魚的MMR和AS均與Ucrit呈正相關(guān)， 但RMR與Ucrit不相關(guān)(圖 1A)。此外， 鯽幼魚的能量代謝參數(shù)(MMR、AS、RMR)與Ugt不相關(guān)(圖 1B， 所有P＞0.05)。

圖 1 鯽幼魚能量代謝與游泳速度的關(guān)系Fig. 1 The relationships between metabolic rates and swimming velocity in juvenile crucian carp

2.2 兩種方法中鯽幼魚能量代謝參數(shù)的比較及相關(guān)性

本研究采用了2種常規(guī)誘導(dǎo)魚類最大代謝率的方法， 分別為Ucrit法和EPOC法。結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 兩種方法獲取鯽幼魚的MMR和AS均無顯著性差異(圖2A， MMR:T=0.200，P=0.843； AS:T=0.220，P=0.827)； 同樣， 2種方法獲得的FAS (Ucrit法:4.84±0.38； EPOC法: 4.98±0.36)也無明顯差異(T=0.593，P=0.558)。雖然2種方法獲得能量代謝參數(shù)的平均值無差異， 但2種方法的能量代謝參數(shù)(MMR、AS和FAS)仍保持較高的重復(fù)性(圖 2B，MMR:r=0.434，P=0.017； 圖 2C， AS:r=0.493，P=0.006； 圖 2D， FAS:r=0.808，P＜0.001)。

在Ucrit法中， 鯽幼魚的RMR與MMR及AS均不相關(guān)， 但與FAS呈負(fù)相關(guān)； MMR與AS及FAS呈正相關(guān)， AS與FAS也呈正相關(guān)(表 1)。在EPOC法中， 鯽幼魚的RMR與MMR不相關(guān)， 但與AS、FAS、EPOC均呈負(fù)相關(guān)， MMR與AS、FAS、EPOC均呈正相關(guān)(表 1)。AS、FAS、EPOC三者之間呈正相關(guān)(表 1)。

2.3 鯽幼魚的有氧和無氧運(yùn)動(dòng)能力

鯽幼魚的Ucrit低于不同加速度條件下的Ucat， 但加速度對(duì)Ucat測(cè)定無顯著影響(圖 3A，F(xiàn)=9.333，P＜0.001)。然而， 隨加速度的增加，Ugt呈現(xiàn)先增加后下降的變化規(guī)律(圖 3B，F(xiàn)=87.386，P＜0.001)。與Ugt類似， 運(yùn)動(dòng)能力比例(Ugt/Ucrit或Ugt/Ucat)也呈現(xiàn)先遞增后降低的變化趨勢(shì)(圖 3C，F(xiàn)=58.797，P＜0.001)。

不論是Ucrit法還是Ucat法， 鯽幼魚在兩方法中的Ugt均與Ucrit或Ucat呈現(xiàn)正相關(guān)， 并且在不同加速度條件下Ugt與Ucat呈現(xiàn)的正相關(guān)方向保持不變(表2)。此外， 鯽幼魚的勻加速游泳能力參數(shù)[Ucat，Ugt，Ugt/Ucat，Ucat–Ugt， (Ucat–Ugt)/Ucat]在不同加速度條件下均保持較高的重復(fù)性(表 3)。

從加速度0.083 cm/s2逐漸增加至0.250 cm/s2，鯽幼魚Ucat的無氧代謝能力(Ucat–Ugt)與Ucat之間均呈現(xiàn)正相關(guān)(圖 4A-C， 所有P＜0.01)， 而在加速度0.333 cm/s2下二者不相關(guān)(圖 4D，r=0.342，P=0.069)。在勻加速能力測(cè)定中， 鯽幼魚的有氧代謝能力(Ugt)與無氧代謝能力(Ucat–Ugt)呈負(fù)相關(guān)， 即二者存在權(quán)衡(圖 5，r= –0.607，P＜0.001)。

3 討論

3.1 鯽幼魚有氧運(yùn)動(dòng)能力與能量代謝的關(guān)系

圖 2 兩種運(yùn)動(dòng)方式誘導(dǎo)鯽幼魚有氧代謝能力的比較及相關(guān)性Fig. 2 The comparison and relationship in aerobic capacities induced by two methods in juvenile crucian carp

表 1 兩種方法中鯽幼魚能量代謝參數(shù)之間的相關(guān)性Tab. 1 Correlations among parameters of metabolic rate induced by two exercised methods in juvenile crucian carp

隨著游泳速度逐漸增加至Ucrit時(shí)， 魚類呼吸循環(huán)系統(tǒng)的生理功能處于最大負(fù)荷狀態(tài)， 表現(xiàn)出最大有氧代謝水平， 常用來評(píng)價(jià)魚類的有氧運(yùn)動(dòng)能力[23]。本研究發(fā)現(xiàn)， 鯽幼魚的運(yùn)動(dòng)代謝率隨游泳速度的增加而呈指數(shù)性上升， 并且其MMR和AS與Ucrit均呈現(xiàn)正相關(guān)， 即有氧代謝能力越強(qiáng)的個(gè)體可以支撐更強(qiáng)水平的有氧運(yùn)動(dòng)， 反之亦然。這種現(xiàn)象不僅存在于鯉科魚類的種間水平[13]， 而且也發(fā)現(xiàn)于鯉科魚類的種內(nèi)水平[7，24]。本研究還發(fā)現(xiàn)鯽幼魚的RMR與Ucrit不相關(guān)， 這與鯉(Cyprinus carpioLinnaeus)[7]和青魚(Mylopharyngodon piceusRichardson)[24]的正相關(guān)報(bào)道并不一致。在Ucrit測(cè)定過程中， 鯽幼魚的Ucrit與Ugt呈正相關(guān)， 但Ugt與該種魚的MMR、AS及RMR均不相關(guān)， 這可能是因?yàn)轹a幼魚首次出現(xiàn)“爆發(fā)–滑行”游泳行為時(shí)(Ugt)的有氧代謝水平低于Ucrit時(shí)的MMR， 并且這兩個(gè)代謝水平間的差距因個(gè)體而異， 具有明顯個(gè)體變異； 另一方面由于游泳速度與有氧代謝之間的擬合方程指數(shù)不盡相同， 即相同游泳速度的增加， 指數(shù)越大的鯽個(gè)體其有氧代謝上升更為明顯[11，19]。

圖 3 鯽幼魚游泳能力參數(shù)的比較Fig. 3 The comparisons between parameters of swimming performance in juvenile crucian carp under two exercised methods

表 2 鯽幼魚最大游泳能力與步法轉(zhuǎn)換速度的回歸方程Tab. 2 Regressions (±SE) of gait transition speed (x) as a function of swimming velocity (y， Ucrit or Ucat)， y=a x+b

表 3 鯽幼魚勻加速游泳能力參數(shù)的重復(fù)性Tab. 3 Repeatability of parameters of acceleration swimming performance in juvenile crucian carp

本研究采用了Ucrit法和EPOC法誘導(dǎo)鯽幼魚的MMR和AS， 發(fā)現(xiàn)Ucrit法中MMR和AS的平均值與EPOC法的十分相近且無明顯差異。然而， 這只是在組間水平的平均值差異檢驗(yàn)， 還可以在組內(nèi)個(gè)體水平上對(duì)兩種方法進(jìn)行比較。為此， 本研究將Ucrit法的能量代謝參數(shù)(MMR、AS和FAS)分別與EPOC法的進(jìn)行重復(fù)性分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 3個(gè)能量代謝參數(shù)在兩種方法之間保持較高的重復(fù)性， 即個(gè)體的生理表型保持較強(qiáng)的可重復(fù)測(cè)量水平并且在種群中的表型排序維持穩(wěn)定， 表明在排除環(huán)境因素(如水溫、體重和溶氧)后， 不論Ucrit法和EPOC法誘導(dǎo)魚類的最大有氧代謝能力均可采用并進(jìn)行比較。值得注意的是， 不論Ucrit法還是EPOC法均是排除實(shí)驗(yàn)魚消化道中食物消化吸收的影響， 但先前研究發(fā)現(xiàn)魚類最大代謝率的誘導(dǎo)與其代謝模式有關(guān)，食物的消化吸收和游泳運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行的方式可誘導(dǎo)某些魚類(如鯉)的最大代謝率[23]， 這種由2種生理活動(dòng)疊加誘導(dǎo)的最大代謝率明顯大于單一生理活動(dòng)(運(yùn)動(dòng)或消化)的誘導(dǎo)值。因此， 在方法采用時(shí)還需要考慮實(shí)驗(yàn)魚的代謝模式類型。

3.2 鯽幼魚RMR與MMR或AS的關(guān)系

RMR是魚類機(jī)體的最小維持代謝水平， 而MMR或AS代表了機(jī)體的最大有氧代謝能力， 二者的關(guān)系引起研究者的廣泛關(guān)注[25]。如果自然選擇傾向于動(dòng)物既具有較低的能量維持消耗又具有較強(qiáng)的最大代謝能力的表型特征組合， 那么擁有這種最佳表型組合的動(dòng)物在自然界中具有極高的適合度[25]，然而這種最佳表型關(guān)聯(lián)的進(jìn)化結(jié)果可能是不存在的[26，27]。根據(jù)內(nèi)溫動(dòng)物有氧代謝能力的進(jìn)化理論，自然選擇在傾向于選擇個(gè)體擁有較強(qiáng)的最大有氧代謝能力同時(shí)也會(huì)傾向于選擇較高的維持代謝， 因?yàn)榫邆漭^強(qiáng)功能的器官(如發(fā)達(dá)的呼吸循環(huán)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng))的機(jī)體相應(yīng)具有更多收益(即具有更高的最大代謝率)， 但這些器官也具有相應(yīng)的代價(jià)(即相應(yīng)較高的能量消耗)[28]。因此， 維持代謝消耗與最大代謝率在理論上將呈正相關(guān)。支持該假說的魚類實(shí)驗(yàn)證據(jù)已見報(bào)道， 例如鯉[7]、青魚[24]和鱒(Salmo truttaLinnaeus)[25]的RMR與MMR呈現(xiàn)正相關(guān)。

圖 4 不同加速度條件下鯽幼魚勻加速游泳能力與無氧代謝的關(guān)系Fig. 4 Relationships between acceleration swimming performance and anaerobic metabolism in juvenile crucian carp at different accelerated rates

圖 5 鯽幼魚的有氧代謝能力(Ugt)與無氧代謝能力(Ucat–Ugt)的相關(guān)性Fig. 5 Relationship between aerobic metabolic capacity and anaerobic metabolic capacity in juvenile crucian carp

對(duì)于魚類種內(nèi)RMR與MMR呈正相關(guān)而言， 在排除體重差異和發(fā)育因素外迄今還未找到與之有關(guān)器官形態(tài)學(xué)的證據(jù)， 但在生化水平上發(fā)現(xiàn)證據(jù):如鱒肝臟上兩種有氧代謝關(guān)鍵酶的活性與RMR及MMR均呈正相關(guān)[25]。然而， 也有研究發(fā)現(xiàn)南方鲇(Silurus meridionalisChen)的RMR與MMR及AS不相關(guān)[14]； 歐鱸(Dicentrarchus labraxLinnaeus)[5]、鯽[15]和鳊(Parabramis pekinensisBasilewsky)[16]的RMR與MMR不相關(guān)， 與AS呈負(fù)相關(guān)； 大西洋鮭(Salmo salarLinnaeus)的RMR與FAS呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)[29]，暗示該種魚的RMR與MMR也不相關(guān)； 上述研究表明不同魚類的研究結(jié)果差異甚大， 但可總結(jié)為兩種類型: 一是正相關(guān)， 二是不相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)， 兩種運(yùn)動(dòng)法中鯽幼魚RMR與MMR均不相關(guān)， EPOC法中RMR與AS呈負(fù)相關(guān)， 符合第二種相關(guān)類型。在自然界中， 假定自然選擇會(huì)使魚類同時(shí)具有較強(qiáng)的有氧代謝能力和較高的代謝維持， 并且較強(qiáng)的有氧代謝能力有助于個(gè)體的生存、生長和繁衍[30]， 理論上擁有該表型個(gè)體會(huì)獲得較高的適合度。因此， 在長進(jìn)化時(shí)間尺度上， 自然選擇結(jié)果是該魚類種群的有氧代謝能力表型峰值更高且表型維度變異較窄。然而， 這種理論推測(cè)并未得到野外和實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)數(shù)據(jù)的支持， 因?yàn)橐巴夂蛯?shí)驗(yàn)室表型特征的個(gè)體變異仍然較大[3—5]。另一方面， 在實(shí)驗(yàn)室條件下可以獲取魚類的最大有氧代謝能力， 但無法確定魚類在野外條件下最大有氧代謝能力的使用頻率[31]， 該功能表型受到自然選擇的強(qiáng)度及其與生活史的關(guān)聯(lián)的研究也十分困難， 這也可能是導(dǎo)致維持代謝與最大代謝不相關(guān)的原因之一。

3.3 鯽幼魚的勻加速能力及加速度影響

魚類勻加速游泳能力的評(píng)價(jià)研究最早見于2000年報(bào)道， 該研究采用的加速度為0.167 cm/s2[10 (cm/s)/min][3]， 但該研究并未對(duì)加速度的采用原因進(jìn)行解釋， 即加速度的影響被忽視。本研究發(fā)現(xiàn)在4個(gè)加速度(0.083、0.167、0.250、0.333 cm/s2)下鯽幼魚的勻加速能力Ucat不受加速度的影響。同樣， 虹鱒(Oncorhynchus mykissWalbaum)[32]和鳊幼魚的Ucat在較大加速度范圍內(nèi)也保持不變[33，34]， 與本研究結(jié)果類似。前期研究發(fā)現(xiàn)在較小加度速下的Ucat介于Ucrit與較大加速度下Ucat之間[33，34]， 即加速度越小，Ucat值越接近于Ucrit， 本研究鯽幼魚Ugt也具有相似變化規(guī)律， 該現(xiàn)象可能是因?yàn)樵谳^小加速度條件下實(shí)驗(yàn)魚在大部分時(shí)間進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)，Ucrit很大程度上反映了魚類有氧代謝能力并且可被認(rèn)為是最小勻加速的特例， 魚類的低勻加速游泳是一種非常接近有氧運(yùn)動(dòng)的游泳類型， 因而低加速度下Ucat值接近Ucrit值[33]。然而， 從另一方面考慮， 如果以過大加速度考察魚類的勻加速游泳能力， 加速度越快， 實(shí)驗(yàn)魚的運(yùn)動(dòng)力竭時(shí)間相應(yīng)越短[33]， 那么過高的加速度將影響魚類勻加速游泳能力的準(zhǔn)確評(píng)估， 因?yàn)檫^快頻率的流速變化可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)魚提前停止游泳而造成假的運(yùn)動(dòng)力竭現(xiàn)象。值得注意的是， Farrell研究的加速度遞增時(shí)間為每分鐘[32]， 本研究中及實(shí)驗(yàn)室前期研究[33，34]的加速度遞增時(shí)間為每秒鐘。以每秒鐘遞增的加速度的設(shè)定方式對(duì)魚類勻游泳運(yùn)動(dòng)的引導(dǎo)作用更為積極連貫， 可更好反映魚類的勻加速游泳能力， 同時(shí)降低了因流速的突然陡增對(duì)魚產(chǎn)生的生理脅迫影響。

研究認(rèn)為， 魚類Ucat包括有氧代謝組分(Ugt)和無氧代謝組分(Ucat–Ugt)， 并且2個(gè)組分間可能存在權(quán)衡， 因?yàn)榍罢呤怯杉t肌有氧代謝供能而后者是白肌無氧代謝供能[4，5]。本研究發(fā)現(xiàn)鯽幼魚的Ugt與Ucat–Ugt呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)， 并且Ucat與Ucat–Ugt呈正關(guān)， 表明該種魚在勻加速游泳能力過程中有氧代謝和無氧代謝之間存在權(quán)衡。大西洋鱈(Gadus morhuaLinnaeus)的研究數(shù)據(jù)支持上述權(quán)衡觀點(diǎn)[3]， 但歐鱸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不支持[4，5]。上述權(quán)衡觀點(diǎn)在人類運(yùn)動(dòng)員研究中找到了肌肉形態(tài)結(jié)構(gòu)的支持證據(jù)， 即短跑運(yùn)動(dòng)員的腿部快肌(無氧代謝)擁有比例高于慢肌(有氧代謝)， 而馬拉松運(yùn)動(dòng)員的腿部慢肌(有氧代謝)擁有比例高于快肌(無氧代謝)[35]。同樣， 大部分魚類的肌肉組成也包括常見的紅肌和白肌兩種類型， 二者的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)差異明顯， 是上述功能權(quán)衡的形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)[36]。隨著游泳速度的逐漸增加， 魚類的游泳行為特征發(fā)生相應(yīng)變化， 例如: 在較高游泳速度下穩(wěn)定游泳的控制程度下降， 擺尾幅度和頻率增加[20]及“爆發(fā)–滑行”行為的發(fā)生頻率上升[10]； 在生化角度上， 無氧代謝大量參與的證據(jù)在于魚類體內(nèi)重要器官(如肌肉、肝臟和血液)的乳酸水平明顯上升， 但是在靜止?fàn)顟B(tài)下也保持一定的乳酸水平[18，33，34]， 代謝底物和產(chǎn)物含量的個(gè)體差異可能有助于解釋上述權(quán)衡現(xiàn)象。然而， 驗(yàn)證上述權(quán)衡的不同研究結(jié)果出現(xiàn)分歧， 仍有必要結(jié)合形態(tài)學(xué)與生化水平進(jìn)一步探索權(quán)衡現(xiàn)象背后的內(nèi)在機(jī)制。

綜上所述， 本研究采用2種運(yùn)動(dòng)方法誘導(dǎo)鯽幼魚有氧代謝能力的觀測(cè)值不論在組間水平還是個(gè)體水平均無方法學(xué)的差異， 并且能量代謝參數(shù)之間存在表型關(guān)聯(lián)； 加速度對(duì)鯽幼魚的Ucat測(cè)定無影響，建議選擇較高的加速度， 加速度對(duì)Ugt測(cè)定有影響，在不同加速度條件下鯽幼魚的勻加速游泳能力保持較高的重復(fù)性， 并且有氧代謝與無氧代謝存在權(quán)衡。

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