溫度對海刺猬(Glyptocidaris crenularis)和中間球海膽(Strongylocentrotus intermedius)遮蔽行為的影響*

趙 沖 羅世濱, 周海森 田曉飛 常亞青①

(1.中國海洋大學 海洋生命學院 青島 266003;2.大連海洋大學 農業部北方海水增養殖學重點實驗室 大連 116023;3.廣東海興農集團有限公司 廣州 510000)

海膽是一類具有重要生態功能的海洋底棲生物,是海洋生態系統中非常重要的一環(Pearseet al,2006),具有重要的生態學和行為學研究價值(常亞青等,2004)。研究表明,溫度顯著影響海膽的呼吸(Siikavuopioet al,2008)、攝食(Lawrenceet al,2009)、生長(Siikavuopioet al,2012)、性腺發育(Kayabaet al,2012)、繁殖(Binetet al,2013)和幼體發育(Azadet al,2012;Delormeet al,2013)。在生物體應對各種環境變化過程中,行為是最先受到影響和改變的(Ruzzante,1994;Clarke,2003;Moretzet al,2007)。因此,無論海洋還是陸地環境,溫度都是影響動物行為最重要的非生物因子(Briffaet al,2013)。然而,海膽對于溫度的行為響應卻鮮有報道。

遮蔽行為是指海膽利用棲息地周圍的貝殼、藻類碎塊、小石塊等物體遮蔽自身的一種行為(Verlinget al,2002,圖1a)。目前的研究表明,海膽的遮蔽行為可能具有躲避敵害、避光、獲取食物等功能,并且易受光照和水流等外界環境因素的影響(Kehaset al,2005;Dumontet al,2007)。Barnes 等(2001)研究發現夏季出現遮蔽行為的擬球海膽(Paracentrotus lividus)明顯多于冬季。這一研究結果暗示溫度可能影響海膽的遮蔽行為。但在他們的研究中,季節和光周期也可能對海膽遮蔽行為產生影響。溫度,作為一個單獨的因素,對海膽遮蔽行為的影響國內外均未見報道。

海刺猬(Glyptocidaris crenularis),屬棘皮動物門、游在亞門、海膽綱、正形目、疣海膽科,是疣海膽科目前存活的唯一代表種,主要分布在中國黃海北部及日本海的部分海域,屬于我國的原種;中間球海膽(Strongylocentrotus intermedius)屬海膽綱、正形目,球海膽科,原產于日本北海道和俄羅斯遠東等地區沿海,于1989年引進中國,屬于引進種類。兩種海膽在地理分布、生物學特征、食物偏好和生態特點上都存在一定的差異(常亞青等,2004),因此,具有重要的比較行為學研究價值。本文比較研究了海刺猬和中間球海膽在不同溫度和溫度變化條件下的遮蔽行為,以期為海膽行為生態學研究提供新的信息。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

海刺猬(G.crenularis)于2011年2月購自遼寧大連海寶漁業有限公司,然后在實驗室中飼養至行為實驗,實驗時為 17月齡海膽。中間球海膽(S.intermedius)為實驗室于2010年10月培育并飼養至實驗進行,實驗時為12月齡海膽。

1.2 實驗設計

本實驗分為兩個部分:第一部分研究不同溫度條件下海刺猬和中間球海膽遮蔽行為(實驗 1);第二部分研究不同溫度變化對海刺猬和中間球海膽遮蔽行為的影響(實驗 2)。實驗中所用的控溫設備為品字形可控生態實驗系統。遮蔽材料(貝殼)的放置以及行為學觀察、記錄方法均參考常亞青等(2013)。

實驗 1 設計 5°C、15°C和25°C三個溫度梯度,每個梯度 3個重復,每個重復中放置12只海膽,每個實驗水槽中放入 40個貽貝(Mytilus galloprovincialis)貝殼,均勻置于水槽底部(圖1b)。持續5天觀察海刺猬的遮蔽行為,持續6天觀察中間球海膽的遮蔽行為,每天觀察一次。

圖1 海膽的遮蔽行為(a)及控溫實驗水槽及貝殼布置(b)Fig.1 Covering behavior of a sea urchin(a) and distribution of shells on the bottom of a tank(b)

實驗 2設計三個溫度變化組,分別為+5°C(15°C→20°C)、+15°C(5°C→20°C)和-5°C(25°C→20°C),每個溫度變化組設三個重復,每個重復中放置 12只海膽。貝殼放置方法與實驗1相同。實驗前先將海刺猬和中間球海膽分別置于5°C、15°C和25°C水溫下養殖 6天,海水 24h循環,不投喂。實驗開始時,將各溫度條件下養殖的海膽分別放入到 9個水溫為20°C的水槽中。實驗期間不投食,海水不循環、不通氣。實驗以各組投放海膽后最后一個海膽落到容器底部的時間為各組記錄的初始時間,記錄每組第一個海膽首次出現遮蔽行為的時間,并且每隔10min記錄各組有遮蔽行為的海膽數、海膽用于遮蔽行為的貝殼數,連續觀察180min。

實驗各組海膽的殼徑、殼高和體重均沒有顯著差異(P＞0.05,表1)。但兩種海膽之間的規格存在較大差異。各組所用的貝殼除了 25°C(25°C→20°C)組的殼長顯著小于其它兩組外(P＜0.05),其它規格均沒有顯著差異(P＞0.05)。

表1 實驗所用海膽及貝殼的規格Tabl.1 Size of sea urchins and shells used in the experiment

1.3 統計方法

首先,用Kolmogorov-Smirnov檢驗和Levene檢驗對實驗數據的正態性和方差齊性分別進行統計檢驗。結果表明,所有數據均符合正態分布。用重復度量方差分析(Repeated measured ANOVA)統計分析了實驗1和實驗2中海刺猬和中間球海膽出現遮蔽行為的個體數和海膽在該行為中所利用的貝殼數。在實驗2中,中間球海膽初始遮蔽時間符合方差齊性,因此利用單因素方差分析(One-way ANOVA)比較了各組之間的差異;海刺猬初始遮蔽時間不符合方差齊性,故利用Kruskal-Wallis H test來比較各組之間的差異。所有實驗數據均利用 SPSS 16.0軟件進行統計分析,統計顯著性水平均設置為P＜0.05。

2 結果

2.1 實驗1

實驗 1中不同溫度組海刺猬和中間球海膽具有遮蔽行為的個體數隨時間的變化分布分別見圖2和圖3。在觀察周期內,不同溫度條件下海刺猬和中間球海膽具有遮蔽行為的海膽數隨時間都沒有出現大的波動變化。但兩種海膽在不同溫度條件下具有遮蔽行為的個體數卻存在著明顯的差異。海刺猬在5°C下具有遮蔽行為的個體數要顯著少于15°C和25°C兩組(P＜0.05),而后兩組沒有顯著差異(P＞0.05)。中間球海膽在25°C下具有遮蔽行為的個體數要顯著少于15°C和5°C兩組(P＜0.05),而后兩組沒有顯著的差異(P＞0.05)。

圖2 不同溫度下具有遮蔽行為的海刺猬個體數Fig.2 The number of G.crenularis in covering behavior at different temperatures

圖3 不同溫度下具有遮蔽行為的中間球海膽個體數Fig.3 The number of S.intermedius in covering behavior at different temperatures

圖4 不同溫度條件下海刺猬用于遮蔽行為的貝殼數Fig.4 The number of shells used by G.crenularis for covering at different temperatures

圖5 不同溫度條件下中間球海膽用于遮蔽行為的貝殼數Fig.5 The number of shells used by S.intermedius for covering at different temperatures

實驗 1中不同溫度下海刺猬和中間球海膽遮蔽行為利用的貝殼數隨時間的變化見圖4和圖5。在觀察周期內,不同溫度下海刺猬和中間球海膽用于遮蔽行為的貝殼數隨時間都沒有出現大的波動。但不同溫度下兩種海膽用于遮蔽行為的貝殼數存在明顯差異。海刺猬在5°C時利用的貝殼數要顯著少于25°C組(P＜0.05),而與 15°C 組沒有顯著的差異(P＞0.05)。中間球海膽在 25°C下所利用的貝殼數要顯著少于15°C和5°C兩組(P＜0.05),而后兩組沒有顯著的差異(P＞0.05)。實驗數據表明:兩種海膽用于遮蔽行為的貝殼數最少的溫度條件正好相反。

2.2 實驗2

實驗 2中各組海膽初始遮蔽時間的比較列于表2。兩種海膽在不同溫度變化中初始遮蔽時間都沒有顯著的差異(P＞0.05)。中間球海膽遮蔽行為的反應時間明顯快于海刺猬。

表2 不同溫度變化條件下海刺猬和中間球海膽初始遮蔽時間(單位:秒)Tab.2 The reaction time of covering behavior in G.crenularis and S.intermedius when temperature changed(unit:s)

不同溫度變化組海刺猬和中間球海膽具有遮蔽行為的個體數隨時間的變化見圖6和圖7。三個溫度變化組中出現遮蔽行為的海膽數都隨著時間而逐漸增加,在 15°C→20°C 和 25°C→20°C 組,海刺猬具有遮蔽行為的個體數都在第20min達到穩定狀態;而在5°C→20°C 下,在第 10min,具有遮蔽行為的海刺猬個數最少,到第60min達到穩定狀態。然而,總體而言,三個溫度變化組具有遮蔽行為的海刺猬個體數沒有顯著的差異(P＞0.05)。

中間球海膽具有遮蔽行為的個體數在 25°C→20°C下隨著時間的變化沒有出現太大波動,而另外兩組則隨著時間的推移而略有減少。在第 10min,25°C→20°C 下的中間球海膽具有遮蔽行為的個體數最少?？傮w而言,三個溫度變化組具有遮蔽行為的中間球海膽個體數沒有顯著差異(P＞0.05)。

圖6 不同溫度變化條件下具有遮蔽行為的海刺猬個體數Fig.6 The number of G.crenularis with covering behavior when temperature changed

圖7 不同溫度變化條件下具有遮蔽行為的中間球海膽個體數Fig.7 The number of S.intermedius with covering behavior when temperature changed

圖8 不同溫度變化條件下被海刺猬用于遮蔽行為的貝殼數Fig.8 The number of shells used by G.crenularis for covering when temperature changed

不同溫度變化下海刺猬和中間球海膽用于遮蔽行為的貝殼數量隨時間的變化見圖8和圖9。5°C→20°C組海刺猬遮蔽行為所利用的貝殼數顯著最少(P＜0.05),另外兩組沒有顯著的差異(P＞0.05)。25°C→20°C 組的中間球海膽所利用的貝殼數顯著最少(P＜0.05),另外兩組差異不顯著(P＞0.05)。

圖9 不同溫度變化條件下被中間球海膽用于遮蔽行為的貝殼數Fig.9 The number of shells used by S.intermedius for covering when temperature changed

3 討論

Barnes等(2001)研究發現擬球海膽夏季出現遮蔽行為的個體數要明顯多于冬季,并認為這可能與不同季節光照、海膽可利用的遮蔽材料以及捕食者的活動強度有關,而沒有考慮不同季節溫度顯著不同這一潛在影響因素。本文研究結果表明,海刺猬在低溫條件下(5°C)遮蔽行為能力顯著低于其在 15°C 和25°C水溫條件下的相應能力。這一結果與Barnes等(2001)的研究結果相吻合。本研究用實驗行為生態學的方法,約束實驗動物以相同的光照條件和遮蔽材料,并去除捕食者的效應,證明溫度同樣是海膽的遮蔽行為的重要影響因素,為海膽遮蔽行為的環境影響研究提供了新的信息和思路。研究表明,低溫顯著影響擬球海膽的生理代謝(Catarinoet al,2012),18—22°C是擬球海膽生長和性腺發育的最適水溫(Shpigelet al,2004),而且,活力好的擬球海膽比活力弱的個體具有更快的遮蔽速度和更強的遮蔽能力(Crook,2003)。本文研究結果也表明,低溫顯著阻礙海刺猬的性腺生長。動物行為學研究表明,對溫度敏感響應的生理代謝及適應性性狀與動物行為之間存在著緊密的關聯(Briffaet al,2013)。這是對于低溫條件下海刺猬和擬球海膽遮蔽行為能力較弱的一個非常合理的解釋。與海刺猬不同,中間球海膽在高溫條件下(25°C)遮蔽行為能力顯著低于 5°C和 15°C水溫條件下的相應能力。中間球海膽屬于冷水性動物,對高溫比較敏感,夏季長時間超過 23°C會導致其大量死亡(Fuji,1967;常亞青等,2004),其耗氧率從5—20°C 隨著溫度的升高而顯著升高(Sedova,2000),且高溫(22°C)顯著抑制中間球海膽的食物同化率和性腺生長(Lawrenceet al,2009)。中間球海膽的遮蔽行為結果進一步印證了生理代謝及適應性性狀與海膽行為的緊密關聯。本研究結果表明,海膽在其適宜的生理生態條件下能夠表現出更強的行為能力。Verling等(2004)比較研究了擬球海膽和紫海膽(S.purpuratus)的遮蔽行為。研究結果表明,在不同的棲息地和潮位,擬球海膽的遮蔽行為能力都高于紫海膽。而在本研究中,海刺猬和中間球海膽遮蔽對不同溫度的行為響應能力完全不同。這說明不同種類的海膽遮蔽行為能力不同,而且對不同環境因子具有不同的行為響應能力。這一行為差異的機理很可能與不同種類海膽不同的生理代謝規律相關(Briffaet al,2013)。

為了更為深入地理解海刺猬和中間球海膽對溫度的行為響應,我們進一步研究了不同溫度變化量及不同的溫度變化方向(高溫→低溫或者低溫→高溫)對兩種海膽遮蔽行為的影響。我們發現 15°C→20°C和25°C→20°C組海刺猬的遮蔽能力沒有顯著差異。這說明在一定溫度范圍內,溫度變化方向(升溫或降溫)對海刺猬的遮蔽行為影響不大。5°C→20°C 組的海刺猬遮蔽行為所利用的貝殼數顯著少于其他兩組。這可能和起始溫度有關,也可能與較大的溫度變幅有關。然而,與海刺猬的結果不同,具有較小溫度變幅(25°C→20°C)組的中間球海膽的遮蔽行為能力要顯著低于其他兩組個體。這說明在一定溫度范圍內溫度變幅對海膽遮蔽行為影響不大。我們發現實驗2中對海刺猬和中間球海膽遮蔽行為能力影響最大的溫度變化組的初始溫度分別為5°C和25°C。有趣的是,這正是實驗 1中所證明的對它們遮蔽行為影響作用最大的溫度點。綜合海刺猬和中間球海膽的數據結果,我們認為,海膽對溫度變化的遮蔽行為響應更大程度上取決于初始溫度,而不是變化幅度和變化方向。溫度變化雖然顯著地影響海刺猬和中間球海膽遮蔽用的貝殼數,但并不顯著影響有遮蔽行為的海膽數和它們遮蔽的速度。這表明海刺猬和中間球海膽在是否遮蔽以及遮蔽強度之間的權衡。

綜上所述,海刺猬和中間球海膽的遮蔽行為能力都在其生理生態的適宜溫度下最強,在溫度脅迫條件下顯著減弱;海刺猬和中間球海膽對于不同溫度的遮蔽行為響應能力不同;在5—25°C范圍內,溫度變化對海刺猬和中間球海膽的遮蔽行為的影響主要取決于初始溫度,而與溫度變幅和變化方向關系不大。

常亞青,丁 君,宋 堅等,2004.海參、海膽生物學研究與養殖.北京:海洋出版社,254—256

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