基于水產動物視覺敏感性對人工光源選擇的分析

宋昌斌， 李 賢， 史 策

(1.中國科學院半導體研究所，北京 100083；2.中國科學院海洋研究所，山東青島 266071；3.寧波大學，浙江寧波 315832)

引言

2018年,中國漁業經濟總產值為 25864.47 億元,其中海水與淡水養殖產值達 9456.27 億元[1]，水產養殖是中國農業結構中發展最快的產業之一。然而,隨著該產業的快速發展,粗放的養殖模式已經不適應消費者對優質水產品逐年增量的需求。水產養殖業一大特點是品種眾多，以海水養殖為例，除藻、蝦、蟹、貝，據不完全統計，我國現有海水養殖魚類品種達30科、48屬、80余種[2]。每種水生動物分別在內陸、近岸、大洋開闊[3]復雜的物理生化系統水域環境生存。在上億年的適應環境進化中，形成了獨特形態構造的視覺器官與神經細胞。每種水產動物，甚至在其不同的生命周期需要的光照環境不盡相同。目前大部分漁業生產者已經認識到LED光照對其捕撈、養殖品種的新陳代謝會起到積極作用，但對作用其品種的光生物學機理與效用規律知之甚少，LED制造、工程商家對此跨行業光照領域也缺乏相關知識。改變漁業傳統照明觀念，遵循實驗數據技術支持的設計是今后發展方向[4]。比如實驗結果表明藍圓鲹(Decapterusmaruadsi)對綠光趨光率最高，竹莢魚(Trachurusjaponicus)對橙光的反應大，紅色光能使秋刀魚(Cololabissaira)穩定地誘集在光照區，鲅魚(Scomberomorusniphonius)對紅、紫光有很強烈的興奮作用[5]。Gao等[6]通過實驗證明皺紋盤鮑(Haliotisdiscushanna)在紅色或橙色光處理下胃蛋白酶、纖維素酶活性均顯著高，生長率高。這些科學實證結果對漁船捕撈誘集、設施工廠化水產動物養殖人工光源的設計提供了有力的技術支撐。漁業用LED光照迫切需要光譜選擇、燈具設計等一般性技術原則來有效地推動LED產業鏈跨行業的技術合作。

1 硬骨魚類視覺的光譜敏感性概述

硬骨魚類(Osteichthyes)是水中生活最繁盛的脊椎動物，有2萬余種，占魚類總數90%以上[7]。我國大宗水產養殖魚類幾乎都是頭部有膜骨、內骨骼或多或少硬骨化的硬骨魚類[8]。每一個硬骨魚類品種對光的感覺與需求有很大差異，分析硬骨魚類視覺的光譜敏感性及生長最適光環境有助于設計時采用針對性的科學依據，避免機械照搬一般性照明的設計原則。

1.1 硬骨魚類視覺器官生理結構簡述

硬骨魚類視覺器官進化的形態構造與棲息的水域光環境密切相關，例如海水魚眼角膜對光的折射系數為1.37，與海水對光的折射系數1.33很接近[9]，因此，光線幾乎可以從水中直接透過角膜進入晶狀體，不會發生反射或折射損失，有利于更多光線投入視覺器官。硬骨魚類眼結構與高等脊椎動物基本相似。魚眼視網膜結構十分復雜，內層分布視桿與視錐二種視覺細胞，視桿細胞感受光線強弱，光強敏感性高，無辨色和精細分辨能力；視錐細胞感受光波長，有辨色與精細分辨能力[7,10]。魚類對顏色光的反應，主要是視錐細胞的視覺功能。當視網膜受到光刺激時，根據光強與頻率，光子帶來的能量引起視色素分解等化學變化，生成的產物刺激視覺細胞，神經電脈沖沿神經纖維傳到魚腦視覺中樞，形成視覺。生活在光照條件好和依靠視覺捕食的魚類，大部分可辨別顏色。Siebeck等[11]實驗證明視錐細胞發達的珊瑚礁魚類通過學習可辨別顏色。而視覺不發達的深海與夜間活動的魚類，光刺激閾值低，光敏性強，大多數沒有辨色能力[9]。魚的視覺細胞特殊結構保障其在白天光線明亮和夜間昏暗環境中完成捕食生活，且在同一段時間垂直洄游于光線較強和較弱的水層。

1.2 光敏感性的一般規律

硬骨魚類在長期進化過程中視覺器官必須適應棲息水域復雜的光學條件，完成各種生命活動。通過視網膜與松果體的光感受器接收光信號，以同步感知并適應自然棲息地的光環境。一般來說，經過長期進化魚類視網膜所具有的細胞視色素和種群所在棲息地的光波峰是一致的。藍刻齒雀鯛(Chrysipteracyanea)游弋圍繞珊瑚礁，廣泛分布在西太平洋的淺水中。Bapary等[12]實驗證明利用長波長的光可誘導其卵巢發育。Tsutsumi 等[13]在4種光色飼養條件下，對太平洋藍鰭金槍(Thunnusorientalis) 稚魚的生長性能適合的波長范圍進行實驗，結果表明相對于紅光，藍綠對稚魚體長體重有明顯促進作用，同時用視網膜電流圖(electroretinogram，ERG)法得到其稚魚光譜適應的敏感性在449～503 nm波長范圍內，這與其稚魚階段遷移到適宜的深海棲息地的光譜分布環境是一致的。藍刻齒雀鯛、黑線鱈(Melanogrammusaeglefinus)、塞舌爾鰨(seychellessole)、大西洋鱈(Gadusmorhua)幼魚視覺選擇的敏感波長也與其生活環境光譜成分一致[14]。硬骨魚類對光譜的響應很大程度上取決于物種棲息地的光環境:深海魚的光譜敏感性通常在藍色波段,而沿海及珊瑚礁魚類在長波長波段呈現最大敏感度[11，12，15]。事實上，魚類視覺色素已經適應他們棲息所在的或者清澈、或者渾濁、或者海洋深處及過渡帶不同水域的光譜環境[15]。

1.3 魚類光敏感性具有可塑性

概括來說，魚類視覺色素由視蛋白組成，以視黃醛1為基礎形成的視覺色素稱為視紫紅質，以視黃醛2為基礎形成的視覺色素稱為視紫質。前者以藍紫色層活動的海魚類為主，吸收光譜的范圍為430～562nm，后者以在浮游植物和顆粒物質較多的近岸生活的，偏重于在可見光中長波長范圍內的淡水魚類為主，吸收光譜范圍570～620nm，并且產卵場的鹽度是決定視覺色素的主要因素[10]。需要考慮的是有一些魚類視蛋白組成具有可塑性，呈現不同生長階段隨著棲息光環境的不同而有所變化具有二種色素的混合物，洄游及包括過河口性魚類在不同的生命周期生活史的某一階段，比如溯河與降海過程中一種色素可能超過另一種色素。歐洲舌齒鱸(Dicentrarchuslabrax)是歐洲海岸最常見豐富的魚類物種之一，劉鷹團隊[16-18]研究了不同LED 光色對平均體長(13.78±0.35)cm的歐洲舌齒鱸幼魚分別就攝食、生長、消化能力與營養品質的影響，結果表明可見光長中長波長更適合歐洲舌齒鱸的養殖。但另一項實驗表明歐洲舌齒鱸成魚對434～447nm的藍光敏感，并對褪黑激素有抑制作用[19]。崔鑫[20]從其棲息遷移角度分析這種現象，法國里昂灣歐洲舌齒鱸的體長12～22mm時，從產卵地洄游至近岸索餌場，當體長達到63～112mm時，再游回深海。我國大菱鲆(Scophthalmusmaximus)目前年產8～10萬噸的產業規模，占我國鲆鰈類總產量的80%以上。大菱鲆為海魚浮性卵，發育后從水上層游泳轉變為底棲生活，光譜成分隨之主要為藍光。李賢研究小組[21，22]實驗證明大菱鲆仔稚魚最適光譜具有階段特異可塑性，孵化后約為1～20天，大菱鲆最適光譜全光譜作為光源，攝食活躍，顯著提高存活率。隨著變態過程的進行，逐漸由全光譜向短波長的藍光遷移。這些發現與大菱幼體在野外變態過程中所經歷的光譜變化是一致的。魚類的趨光性與生命周期有密切關系，絕大多數海水魚幼魚都有很強的趨光性。體長1～2寸的藍圓鲹，能成群結隊地趨光游泳，可是半斤以上的藍圓鲹就很少來到光亮區。它們多半生活在光線微弱的底層水域。食物也由浮游動物轉向海底介形類和硅藻類[23]。加利福尼亞的裂吻平鲉(Sebastesdiploproa)到了1齡開始遷徙，從表面遷徙到深海250～500 m，在垂直遷移過程中視網膜隨光環境的變化而發生變化，仔魚從高視覺分辨度發育到幼魚高視覺靈敏度，剩下一點錐細胞僅接收捕食動物發出的生物光[24]。這些洄游遷徙往往伴引起魚類視覺感光細胞形態、生理和生化的顯著改變，比如遷移到的水生環境決定色素中維生素A1/A2比例[15]。因此魚類光譜敏感性劃分的界限不是絕對的，跟其生長階段、生態位、視蛋白可塑性相關。

1.4 光譜對仔魚開口期的重要性

魚類的生活史是指精卵結合直至衰老死亡的生命周期過程，一般分為：胎胚、仔魚、稚魚、幼魚、成魚及衰老期[25]。在很多硬骨魚類養殖中，仔魚存活率高低與隨后健康的稚魚是養殖的瓶頸問題。所有仔魚開口時期都是關鍵點，仔魚是視覺攝食者，如果其開口階段不能探知和抓到餌料，在卵黃吸收完后死去。對養殖者來說，得到仔魚正確的光譜參數重要性不言而喻，因為對一個養殖戶提高幾個，甚至幾十個百分點的仔魚存活率不是一個小數目。2004年中山大學大規模人工孵化2900多萬粒鞍帶石斑魚(Epinepheluslanceolatus)受精卵，結果成活5～8 cm的仔魚34萬多尾，成活率只有1.1%[26]。楊薇等[27]和魏開建[28]分析必須及時提供良好的開口餌料和光環境，才能保證仔魚辨認運動中的浮游生物并成功地捕獲與吞咽，得到足夠的營養順利地開口。Blanco～Vives等[29]記述塞內加爾的舌鰨孵化后11 d藍光條件下仔魚成活率為46.8%，而在紅光條件下僅為27.8%。吳樂樂等[22]實驗證明孵化后2天的大菱鲆仔魚在綠光條件下的畸形率顯著高于紅光、橙光、藍光、全光譜的畸形率。仔魚通過背景光譜環境與食物反射光譜的對比，看見并捕捉食物。仔稚魚開口及快速生長期，必須營造最適宜仔魚的視覺系統光譜環境，以減少仔魚的死亡率及后期品質的降級[30]。

1.5 魚類光敏感性的數值

眼睛對不同波長光的相對敏感性隨著亮度的刺激而發生適應狀態變化稱為普爾金耶現象(Purkinje phenomenon)[31]。對魚類視網膜光譜敏感性數值的了解有助于設施養殖光環境的設計與遠洋捕撈光誘技術中光源的選擇。視網膜電流圖是視覺電生理診斷學中應用最早的一種方法。楊雄里等[32]測定了藍圓鲹(Decapterusmaruadsi)和鮐魚(Pneumatophorusjaponicus)ERG b波的光譜敏感性, 表明兩種魚的暗視光譜敏感曲線峰值分別在490nm和480nm，當背景光強達到一定水平時, 兩種魚的光譜敏感曲線均發生普爾金耶現象,分別移至520nm和525nm。

20世紀70年代初，廈門大學、中科院上海生理研究所和上海水產研究所等科技工作者運用視網膜電流圖方法和光-運動反應的行為取得一些淡水與海水硬骨魚類光譜明、暗敏感峰值[33]，盡管現在看來許多實驗儀器不夠精密, 如暗視儀、超微電極等。大多數硬骨魚類都有辨別顏色的能力，當視網膜從暗視覺向明視覺過渡時，光譜敏感曲線的峰值向長波段移動[5,34]。

表1 部分海魚光敏感數值表來源(參考文獻[34])

圖1 河鱸的光敏感曲線(來源：參考文獻[34]，根據印刷圖重新繪制)Fig.1 Light sensitive curve of Perca Fluviatilis

目前對視網膜組織學及視色素的研究做得不多，更多研究聚焦研究珊瑚礁魚類的視覺多樣性以解析魚類適應進化歷程。水產動物對光的生理和行為響應是一個復雜的過程, 由其先天進化的視覺生理結構及其后天視覺可塑性共同決定。所以,只有利用現代精密的科研儀器、電生理學、生物化學及水產動物行為學等綜合分析, 才能得到科學的結論。

2 蝦蟹類視覺的光譜敏感性概述

2.1 蝦蟹類視覺器官

和多數甲殼動物一樣，蝦蟹類的感光器官為復眼，復眼由多個小眼組合而成，成體復眼的外部形態為球形、半球形、心形、梨形及馬鞍形，少數特化呈扁平形[35]。小眼由折光系統、感光系統和反光系統三部分組成。折光系統由角膜、角膜生成細胞和晶錐三部分組成，其中晶錐由晶狀體細胞構成，或形成晶狀體束。晶錐的作用可能類似于瞳孔，可以根據光線強弱通過形態變化控制光子進入，晶狀體束能夠將圖像傳導至感桿束。感光系統由小網膜細胞和感桿束組成，如刀額新對蝦[36]、三疣梭子蟹[37]的小眼小網膜都是由4個遠端小網膜細胞和7個近端小網膜細胞組成的“4+7”結構，感桿束由小網膜細胞伸出的微絨毛組成，包括遠端感桿束和近端感桿束。反光系統由色素構成，包括遠端色素、近端色素和反射色素[38]?？傮w來說，浮游生活種類、濾食性種類和生活在光線強的環境或白天活動的種類，復眼結構較簡單；而游泳及底棲爬行種類、獵食性種類和生活在水域底層光線較暗或者晝伏夜出的種類，復眼結構較復雜，感光功能較強[36]。

2.2 蝦蟹類視覺敏感性

關于經濟蝦蟹類的光譜敏感性研究較少，這可能與主要經濟蝦蟹類仍然主要采用池塘養殖模式，缺乏進行光調控的條件有關。甲殼動物中視覺敏感性研究較為深入的是口足類動物(蝦蛄)，因為其具有動物界最復雜的感光系統，有12種光感受器，視覺范圍覆蓋深紫外到遠紅外光(300～720 nm)。但并非所有的甲殼動物都具有如此精細的色彩分辨能力。Frank等[39]記錄了12種棲息海洋中層的甲殼動物對光譜的電生理反應，發現所有測試物種的光譜敏感度峰值都出現在470 nm～500 nm之間。除了端足目動物(Phronimasedentaria)以外，其他11個物種的光譜敏感性與深度分布、遷徙行為無關。

早期研究認為蟹類復眼是一個單一的感受系統，缺乏顏色分辨能力[40]。但后期越來越多的證據都支持蟹類復眼具有顏色視覺。如Horch 等[41]發現招潮蟹(Ucathayeri)復眼中存在兩種視覺色素，吸收峰值分別出現在430nm和500～540 nm。Premrajet等[42]在招潮蟹(Ucapugilator)的眼柄中鑒定了視蛋白編碼基因(UpRh1、UpRh2和UpRh3)，UpRh1和UpRh2氨基酸序列與其他節肢動物中長波敏感視蛋白相似，而UpRh3與其他節肢動物紫外敏感視蛋白相似。在行為學方面，雌性招潮蟹(Ucamjoebergi)偏愛黃色大螯的雄性[43],而雄性藍蟹(Callinectessapidus)在交配中偏好紅色指節的雌蟹[44]。雪蟹(Chionoecetesopilio)對藍光和白光有顯著偏好，布置藍光的捕捉裝置能顯著提高雪蟹的漁獲量[45]。但是與魚類相比，針對蝦蟹類視網膜電流圖的研究仍然較少。

2.3 光譜對蝦蟹類生長的影響

光譜對蝦蟹生長和攝食具有顯著性影響，且隨著個體發育階段不同而不同。例如藍光延長了凡納濱對蝦幼體的發育時間[46]，但是對于凡納濱對蝦成體，藍光則顯著增加了其抗氧化能力，并提升了存活和生長表現[47]。這可能與凡納濱對蝦不同生活史階段棲息的水層不同有關，隨著凡納濱對蝦的生活方式由浮游向底棲轉變，適宜其生長的光譜也不斷向短波光移動。但是另一方面，個體發育導致棲息地光譜環境的變化，并不能解釋所有養殖水產動物的光譜偏好和生長表現，例如藍光降低了中華絨螯仔蟹的攝食率與生長率[48]，但是卻對中華絨螯蟹幼體具有顯著的誘集效應[49]。這表明與魚類一樣，蝦蟹的視覺敏感光譜和選擇偏好并不一定與生長最優的光譜一致，需要通過實驗分別驗證。

3 光環境設計應遵循的一般原則

由于眾多品種的魚、蟹及蝦棲息環境的復雜性而進化出生活繁殖習性的多樣性。有的魚類，如日本鰻鱺，在淡水中生長，到繁殖期則要降海長距離洄游至大海深處產卵；而另一些魚類，如大馬哈魚，生活大海中，繁殖期卻要洄游到江河上游，甚至小溪中生殖[2]。所以要求水產養殖動物人工光照環境設計不能機械照搬適宜人眼的建筑照明設計，也不能套用家禽幾個單一品種的光照設計模式。羅會明與鄭微云[50]實驗得出海上作業用黃橙光可使幼小鰻鱺聚集，而用紫色燈光誘捕成鰻可以提高漁獲量。設計時宜遵循：(1)以魚、蟹及蝦的視覺器官的生理構造魚視覺機能為基礎依據。比如硬骨魚類，需分析其視錐細胞與視桿細胞的結構、分布數量與視網膜明視覺與暗視覺光譜靈敏度，并參照其野生生存棲息水體的自然光環境，最終以科學驗證的參數為準。(2)對不同生長發育期的水產動物，應考慮不同的光譜環境，比如一些品種的魚在卵發育、仔魚、稚魚、成魚期階段需要的光環境時不同的。而不同的魚在同一發育階段也有其特殊性，如受精魚卵在發育過程中的光照宜注意卵的類型，海水魚多考慮浮性卵，淡水魚多考慮沉性卵、漂浮卵[2]。(3)養殖池顏色選擇在水產動物生活中非常重要[51]，直接影響視覺器官識別并捕捉餌料，目前養殖戶選擇養殖池顏色帶有很大的隨意性，應考慮人工光輻照養殖池側壁與底部被吸收后補色一體的效果。(4)宜用普爾金耶現象來確定魚是否有辨別顏色的能力，如果養殖某種魚的視網膜中只有視桿細胞，宜僅考慮光源的輻射強度。(5)設計時若采用白光需加色溫及顯色指數說明，目前白光LED發出的主波峰大部分是藍光。若采用單一波長光譜需標明光源峰值的波長。若采用全光譜，注意LED光源的顯色指數高及色溫低不能代表該光源是全光譜光源[14]，而是要比對與太陽光譜的相似程度。(6)若養殖水產動物品種不同生命周期需要不同的光譜，光源最好采用適宜波長混合燈珠，并用智能控制系統，以便在需要時變換光譜，因為在水面上安裝更換燈具十分麻煩。

4 二個典型水產品種光照設計范例

4.1 大菱鲆養殖光譜設計

大菱鲆是世界公認的優質比目魚之一。自1992年引進我國以來，大菱鲆產業經歷了孵化與養殖技術攻關、產業技術熟化到目前年產8～10萬噸的產業規模，占我國鲆鰈類總產量的80%以上，占世界大菱鲆總產量的75%左右。大菱鲆的發育過程經歷變態，從水上層游泳生活轉變為底棲生活，光照環境隨之發生變化。光照作為重要的環境因子，對大菱鲆的胚胎發育，仔魚、稚魚和幼魚的生長、代謝及非特異性免疫均有重要影響。

2.李賢團隊證明從大菱鲆孵化后到變態前養殖階段(約為孵化后1～20 d)，應選擇全光譜作為光源，光周期設定為24 L∶0 D，有助于其分布均勻、攝食活躍，減少應激反應，顯著提高存活率[22]。

3.在大菱鲆開始變態及變態完成后，采用藍光作為光源，有助于減少應激反應，提高特定生長率，促進視覺器官發育。在養殖期間，紅光、橙光下大菱鲆幼魚肌肉乳酸脫氫酶活力顯著高于藍、綠光，而血清乳酸含量差異不顯著，表明紅、橙光下大菱鲆幼魚無氧代謝占的比重更大[21]。

4.2 皺紋盤鮑養殖光譜設計

皺紋盤鮑(Haliotisdiscushannai)是我國重要的海產經濟貝類之一，2018年鮑的養殖產量達到16.32萬噸，約占全球總產量的90%。作為晝伏夜出型生物的典型代表，鮑的運動和攝食行為多發生于夜間，而白天避光躲避于暗處。光照作為重要的環境因子之一，對成鮑、稚鮑的生長、代謝及幼蟲的胚胎發育過程均具有重要影響。

高霄龍與劉鷹的研究發現在皺紋盤鮑的幼蟲培育過程中，選擇藍、綠光且從擔輪幼蟲期起始光照可以提高幼體孵化率、變態率和存活率[52]。在成鮑和稚鮑的循環水養殖過程中，選擇紅、橙光作為光源，鮑從食物中獲取的能量多，在糞便和排泄中損失的能量少，以致累積更多的能量用于生長[6]。但在藍、綠光下時，稚鮑的耗氧率、排氨率升高，且隨著鮑個體增大，其單位體重耗氧率、排氨率顯著降低。機體通過糖酵解和糖異生作用來維持血糖平衡，但長期在此光質下必然對機體生長產生不利影響。

5 結論

光作為重要的環境因子，對水產動物整個生活史(從胚胎發育到性成熟)產生直接而廣泛的影響[30]。在漁業生產中，無論是誘集捕撈，還是網箱與工廠化設施，人們已經意識到采用人工光照方式可以增加產量。由于水產動物視覺器官復雜多樣性及作業現場光的次生影響能被其它的如溫度、養殖池顏色及飼料等因素混淆，找到正確的光照環境參數不是一件容易的事情。因此，研究水產動物光敏感性對合理選擇LED光源光譜分布，建立生物學的適宜光照調控策略，促進漁業產業持續、健康發展具有現實的指導意義。

致謝：本文得到大連海洋大學劉鷹教授指導，皺紋盤鮑光照設計范例由廈門大學海洋與地球學院高霄龍博士提供，在此表示感謝。