游泳加速模式對南方鲇和團頭魴運動后代謝恢復的影響

朱峰磊，張敬敬，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)

運動后的過量耗氧(excess post-exercise oxygen consumption，EPOC)是指動物在代謝恢復期內所產生的超過靜止狀態耗氧水平的額外耗氧量，是研究魚類代謝恢復的重要生理學指標[1,2]。研究表明，魚體運動力竭后的EPOC總量與其無氧代謝能力密切相關[1,3]；EPOC耗氧峰值可以反映某些魚類的最大有氧代謝能力[2,4]；而EPOC的恢復歷時則很大程度上影響魚類重復游泳的能力[5]，這些能力均與其捕食和避敵等生命活動密切相關。因此，有關EPOC及相關參數的研究一直受到廣泛的關注[6-8]。

已有研究發現，魚體游泳速度的高低決定其運動過程中有氧代謝和無氧代謝的供能配置，從而影響EPOC的參數值[9]。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，Ucrit用以評估魚體主要以有氧代謝供能的持續游泳(sustained swimming)能力；Uburst用以評估魚體主要以無氧代謝供能，對抗急流、追捕或逃逸時的爆發游泳(burst swimming)能力[9-11]。魚體進行Uburst運動時會產生明顯的EPOC現象；此外，魚類在進行Ucrit運動時也會存在一定程度的無氧代謝供能現象[12,13]。EPOC的各項參數應當受到運動過程的無氧代謝水平和游泳持續時間兩方面因素的影響。在Ucrit運動過程中，魚體的無氧代謝水平較低，但到達力竭前的持續游泳的時間較長；在Uburst運動過程中，魚體的無氧代謝強度高，但持續游泳的時間短。由此看來，兩方面因素對EPOC各參數的效應并非簡單的疊加，還存在游泳運動類型影響的交互作用。在Ucrit和Uburst的實驗室測定中，采用不同的游泳加速模式，即在各速度梯度水平上的持續時間(Δt)和速度增量(Δv)的不同會對游泳性能測定結果產生影響[14-16]，因此游泳加速模式也應當是影響實驗魚EPOC的重要因素。雖然已有研究對魚類在這兩種不同類型的運動過程中產生的EPOC進行了探討，但由于不同的研究所采用的游泳加速條件和研究對象等方面存在差異，有關不同運動類型對魚體有氧代謝與無氧代謝配置的影響至今并未得到一致性的結論[14-18]。有研究者提出，運動類型對兩種代謝供能配置的影響與魚類的生態習性相關，應當具有物種特異性[9]。但目前卻鮮有研究者對不同生態習性魚類在不同加速模式下的代謝恢復及EPOC進行比較研究。

南方鲇(Silurusmeridionalis)和團頭魴(Megalobramaamblycephala)均是廣泛分布在長江等水系的經濟魚類，兩者在生活習性上存在較大的差異，南方鲇是伏擊取食的肉食性魚類[4,19]；而團頭魴是一種活躍尋食的草食性魚類[20]。本實驗室的前期研究已發現，游泳加速模式對這兩種魚的Ucrit和Uburst及相關運動代謝的效應不同。因此，本研究以南方鲇和團頭魴為研究對象，觀測游泳加速模式對它們代謝恢復的影響，比較爆發游泳和持續游泳過程中(Uburst和Ucrit)所產生EPOC的特征參數，探討游泳過程中有氧代謝與無氧代謝供能的配置機制，為進一步研究魚類的游泳性能及運動代謝的生態適應機制提供基礎資料。

1 材料與方法

1.1 實驗魚的來源與馴化

南方鲇幼魚購自四川省內江水產養殖場，團頭魴幼魚購買于重慶市合川水產學校實習漁場，均為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。在實驗開始前2周，挑選體重相近，體表無損傷的兩種實驗馴養魚移到室內水循環養殖系統內，在實驗控制條件下再馴養。在此期間，水溫控制為(25±0.5)℃；光周期12L ∶12D，瞬時開關；南方鲇以鮮草魚(Ctenopharyngodonidellus)肌肉切成碎塊作為餌料，每天投喂量約為體重的2%，團頭魴以商業飼料每天飽食投喂1次。測定前南方鲇禁食2 d[14]，團頭魴禁食1 d[7,21]，使測試時實驗魚處于空腹狀態，以消除特殊動力作用對測定結果造成的影響。實驗開始前1 d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12 h恢復[22]，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 日常代謝率的測定

采用魚類游泳呼吸測量儀對日常代謝率(routine metabolic rate，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4 h，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10 min，將后2.5 h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3 min的換水和2 min的等待以使呼吸室中水的溶氧濃度達到穩定均勻狀態[23,24]。每尾實驗魚耗氧率(MO2：mgO2/(kg·h))由以下公式進行計算：

MO2=([O2]t0-[O2]t1)×L/T×BW

式中：[O2]t0為t0時的溶解氧含量(mg/L)，[O2]t1為t1時溶解氧含量(mg/L)；L為呼吸室中水的體積(L=呼吸室體積-實驗動物體積)；T為呼吸耗氧測定周期時間(t1-t0，h)；BW為實驗魚質量(kg)。

1.3 最大游泳速度及運動代謝率的測定

參照Brett[25]和Reidy等[11]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最大游泳速度(maximum swimming speed，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2 min，為Uburst測定組；加速模式2、3、4采用的Δv均為10 cm/s，Δt則分別為20、40和60 min，為Ucrit測定組。

1.3.1Uburst運動的實驗操作

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2 min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5 s以上則視為力竭[10]，運動實驗階段結束。

1.3.2Ucrit運動的實驗操作

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20、40、60 min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5 s以上則視該實驗魚達到力竭狀態，運動實驗階段結束。

1.4 代謝恢復過程耗氧率的測定

Ucrit與Uburst實驗中的實驗魚運動力竭后，馬上將水流速度降至3 cm/s讓實驗魚停止游泳，即開始進行代謝恢復階段耗氧率的測定。恢復過程的前20 min內每2 min測定一次，然后每5 min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%以下則認為該尾魚的代謝已恢復，該過程的時間稱為EPOC恢復歷時[8,9]；恢復期間的最大代謝率為EPOC峰值[2,4]；運動力竭后在恢復歷時期間超出日常代謝水平的耗氧率在時間上的積分，即為EPOC總量[7,8]。采用以下公式計算實驗魚的EPOC總量：

EPOC總量=∑(MO2i×Δti)

式中：MO2i為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為代謝恢復過程各次測量的間隔時間。

每種實驗魚在各加速模式條件下的檢測樣本量均為10尾，共取得80尾實驗魚的觀測資料。

1.5 實驗環境條件控制

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，用于觀察實驗魚的狀態，并使其仍然能夠經歷實驗設定的光周期[26]。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10 min，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Excel2010和SPSS24.0軟件進行數據的整理及統計分析，數據用平均數±標準誤(Mean±SE)表示，不同加速持續時間對所有參數的影響采用單因素方差分析(ANOVA)進行檢驗，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EPOC峰值的影響

運動力竭后兩種實驗魚各處理組的耗氧率(MO2)均在較短時間內達到峰值，隨后各處理組的MO2均隨時間的延長而下降；兩種實驗魚的代謝恢復曲線均呈快速恢復和緩慢恢復兩個階段，快速階段歷時均在20 min以內(圖1)。在南方鲇中，隨加速持續時間的增加(Δt為2、20、40和60 min)，其EPOC峰值由403.83 mgO2/(kg·h)下降至199.05 mgO2/(kg·h)；Uburst運動組(Δt=2 min)的EPOC的峰值顯著高于其它3個Ucrit運動組，而Δt為20 min時又顯著高于40和60 min組(表1)。團頭魴各處理組的EPOC峰值之間的變幅較小(674.74～800.60 mgO2/(kg·h))，各組之間的差異均不顯著(表1)。

2.2 游泳加速模式對EPOC恢復歷時的影響

隨著加速持續時間的增加，南方鲇和團頭魴EPOC恢復歷時均表現出了下降的趨勢(表1)，其中南方鲇下降趨勢更加明顯，其Uburst測試組(Δt=2 min)的EPOC恢復歷時顯著高于各Ucrit組，而團頭魴各處理組的EPOC恢復歷時差異不顯著(表1)。南方鲇各處理組的EPOC恢復歷時均分別低于團頭魴的對應組，其中加速持續時間為20、40和60 min處理組之間的差異均分別達到顯著性。

表1 不同游泳加速模式對南方鲇和團頭魴游泳速度和EPOC的影響Tab.1 Effects of different acceleration modes on swimming speed and excess post-exercise oxygen consumption(EPOC)in S.meridionalis and M.amblycephala(n=10)

注：a，b，c表示不同加速持續時間組之間差異顯著(P<0.05)。

2.3 游泳加速模式對EPOC總量的影響

南方鲇在Uburst(Δt=2 min)運動后得到的EPOC總量為85.05 mgO2/kg，顯著高于Ucrit組；Ucrit運動的3個處理組(Δt分別為20、40和60 min)的EPOC總量分別為22.00、18.51和9.28 mgO2/kg，表現出隨加速持續時間增加而下降的趨勢，但這3者間的差異不顯著(表1)。團頭魴在Uburst運動后的EPOC總量為187.19 mgO2/kg，在3種不同加速模式的Ucrit運動后，其EPOC總量分別為155.23、163.09和145.14 mgO2/kg；它的4個不同處理組的EPOC總量之間均不存在顯著差異(表1)。

3 討論

3.1 不同游泳加速模式條件下的代謝恢復曲線

魚類代謝恢復是一個復雜的生理過程，包括能量代謝底物的恢復、代謝產物的清除及內環境(體液酸堿度、滲透壓等)的重新平衡等[5]。南方鲇和團頭魴的EPOC均表現為兩個階段的恢復模式：MO2在力竭后大約20 min內急劇下降，為快速恢復階段；然后MO2緩慢下降，直至恢復到運動前水平，為緩慢恢復階段(圖1)。但在快速恢復階段，二者恢復曲線的變化趨勢不同，南方鲇恢復曲線隨著加速持續時間的增加而逐漸下移而彼此分離；團頭魴在不同加速持續時間條件下的恢復曲線則基本重合。這表明南方鲇運動后代謝恢復初期的快速階段受游泳加速模式的影響比團頭魴更加顯著；同時，游泳加速模式對南方鲇的游泳速度的影響也更加明顯。由此我們推測，這可能是由于南方鲇比團頭魴游泳過程中要更加依賴于無氧代謝。我們的前期研究發現，在爆發游泳中，南方鲇耗氧率在速度較低時就達到了最大值，開始進入“平臺期”，而團頭魴耗氧率則隨著速度增加而持續增長到較高水平才出現拐點，表明南方鲇在較低速度下就開始啟動無氧代謝，表現出了對無氧代謝的高依賴性。

3.2 不同游泳加速模式條件下的EPOC總量

南方鲇在爆發游泳后的EPOC總量顯著高于持續游泳后的測定值，但團頭魴在不同游泳加速模式下的EPOC總量之間均不存在顯著差異。有研究發現，與團頭魴體型、習性相似的鳊(Parabramispekinensis)在爆發游泳結束后其肌肉中乳酸含量與對照組均不存在顯著差異[27]，表明鳊和團頭魴等持續游泳能力較強的魚在爆發游泳過程中動用的無氧代謝的強度有限，不會產生顯著高于持續游泳的EPOC總量。因此，本研究結果表明，Reidy等[11]關于魚類爆發游泳產生的EPOC總量高于持續游泳的理論沒有普適性，運動中有氧代謝與無氧代謝的配置應當具有物種特異性。

南方鲇在爆發游泳過程中的EPOC總量比其它3種持續游泳的EPOC總量分別高286.6%、359.5%和816.5%，而團頭魴在爆發游泳中產生的EPOC總量比其它3個模式下的增幅則分別為20.6%、14.8%和29.0%。此外，兩種魚的Uburst雖然均顯著高于各自在其它3種加速條件下的Ucrit，但團頭魴的Uburst(118.07 cm/s)比其最大Ucrit(102.81 cm/s)只增長了14.8%，而南方鲇的該增幅卻達到了50.4%；這表明在爆發游泳中南方鲇比團頭魴有更大的動員無氧代謝的能力，支撐其在爆發運動時游泳速度的大幅度提升。南方鲇為兇猛的肉食性魚類，捕食方式為伏擊取食，大多數時間處在靜息藏匿狀態[4,19]，因此在運動中更加依賴于高水平無氧代謝支撐的爆發性運動，以利于大幅度提升游泳速度捕食獵物；而團頭魴是一種覓食活動較為頻繁的草食性魚類[20]，無氧代謝的能力較弱，在爆發運動時因此也只能小幅度地提升其游速，但團頭魴在不同游泳模式下均有較高的游速且產生的EPOC總量相近，表明它有較高的有氧代謝能力，可以較長時間保持較高的游速，這與其為草食性魚類，需要長時間巡游尋食的生態習性相適應。南方鲇和團頭魴在游泳性能及相關運動代謝機制的差異反映了物種適應其生態習性的權衡(Trade-off)效應。

3.3 不同游泳加速模式條件下的EPOC恢復歷時

EPOC恢復歷時能夠反映魚類進行重復游泳運動的能力，恢復歷時的長短與能量代謝底物的恢復和代謝產物的清除等生理過程的速率相關[5]。一些研究發現，加速持續時間越長，游泳路程越長，底物消耗越多[27]，可能致使EPOC恢復歷時延長；但也有研究發現，隨著加速度持續時間增加，無氧代謝產物的累積速率相對就越低，EPOC恢復歷時應當更短一些[28]。本研究中，隨加速持續時間的增加兩種實驗魚游泳總時間均增加，而EPOC恢復歷時卻呈下降趨勢。實驗魚游泳總時間和游泳路程的增加，并沒有引起EPOC恢復歷時的延長。因此，對無氧代謝產物的清除速率應當是影響南方鲇和團頭魴EPOC恢復歷時的主要原因。

本研究還發現，在相同的加速模式條件下，南方鲇的EPOC恢復歷時均短于團頭魴。已有研究發現，圓鰭(Cyclopteruslumpus)和一些定居性鱘科魚類在運動力竭后，其恢復歷時明顯低于持續游泳能力較強的條紋鱸(Moronesaxatilis)和鮭科魚類[3,29-31]。圓鰭和定居性鱘均是不善持續游泳的的底棲魚類[31]，運動習性與南方鲇相似，它們在爆發運動中動用無氧代謝的能力強而游泳加速快，運動后償還氧債的速率也相對較快，具有較短的EPOC恢復歷時，能在短時間休息后進行再次重復爆發運動。本實驗觀察到的現象支持前人提出的理論觀點：一種運動能力的提高會導致另一種運動能力的降低，這是物種在進化中的適應性選擇[11,32]。這也反映了魚類的游泳性能及相關的有氧代謝和無氧代謝機制的權衡效應。