現場模擬光照條件對南極大磷蝦冬季耗氧率的影響研究

胡光照，劉子俊，朱國平，3，4

（1.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306；2.上海海洋大學極地研究中心，上海 201306；3.大洋漁業資源可持續開發教育部重點實驗室極地海洋生態系統研究室，上海201306；4.國家遠洋漁業工程技術研究中心，上海 210306）

南極大磷蝦（Euphausiasuperba，以下簡稱磷蝦）為磷蝦目大型海洋甲殼類浮游動物。該種在南大洋生態系統中起核心作用，被認為是南大洋生態系統的關鍵物種，是連接初級生產者和脊椎動物捕食者之間的主要生物［1］。在南大洋大部分地區被冰覆蓋、水體中浮游植物含量極低的冬季，磷蝦如何生存是南大洋海洋生態系統動力學計劃（SO GLOBEC）研究的關鍵問題之一［2］，也一直是全球極地生態學家極為感興趣的重要科學問題。總的來講，成體磷蝦的越冬機制通常可分為兩類：一類是非捕食機制，包括使用體內已儲存的脂質［3］，降低體內的代謝率［4-6］及逆生長［7］等；另一類則是改變捕食策略以及轉換食物來源，即由夏季的主要攝食對象（如硅藻等浮游植物）轉變為冰藻以及海冰底下的小型浮游動物等［8-9］和海底碎屑［4］。其中，降低代謝率被認為是成體磷蝦最有效的冬季節能機制之一［5，9］。與夏季相比，冬季生物體內代謝關鍵酶——檸檬酸合成酶（CS）的活性顯著降低，這也導致磷蝦的CS活性和核糖核酸∶脫氧核糖核酸（RNA∶DNA）比值出現明顯的季節性變化［10］。代謝率的降低可能是冬季磷蝦的主要生理反應，但導致這種降低的機制仍不清楚。有報道［11］認為，光周期的變化是磷蝦代謝率季節性變化的主要誘因之一。

為探究光周期對磷蝦代謝周期的影響，一些學者通過不同方法進行了研究。TESCHKE等［11］通過陸基暫養實驗發現，光照強度會使磷蝦的耗氧率升高并提升代謝酶蘋果酸脫氫酶（MDH）的活性，驗證了環境光照狀態的變化對磷蝦的生理參數（如攝食和代謝率）變化具有重要影響。BROWN等［12］的實驗卻得出了相反的結論，其結果顯示，黑暗條件下的磷蝦耗氧率高于處于光照條件下的磷蝦，可能是由于黑暗條件下磷蝦更活躍，游泳行為增多，由此使得耗氧率增加。上述研究均說明了光照條件會影響磷蝦的行為和生理。總的來講，有關冬季磷蝦生理的現場研究仍較為有限。我國學者通過現場實驗對磷蝦的行為和耐受性等進行了研究［13-16］，并分析了光照條件對磷蝦垂直分布的影響［17-19］，但尚未有研究涉及到生理。因此，通過現場實驗了解光照變化對磷蝦生理的影響很有必要。有氧代謝時釋放的熱量與消耗的氧量呈正比，因此在海洋生物生理代謝研究中，耗氧率可直接作為衡量代謝率高低的一個指標［20］。鑒于此，本研究通過海上現場暫養實驗就不同光照條件對磷蝦代謝和生理狀態的影響進行分析，以期了解冬季磷蝦代謝率對光照條件變化產生的反饋，為揭示磷蝦越冬機制提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 實驗設置

實驗所用磷蝦活體由大型拖網漁船“龍騰”從事漁業生產過程中取得，采集時間為2019年6月20—22日，取樣地點為南設德蘭群島水域（62°33′S、59°28′W），采樣海域海水溫度為-1.8℃，水深為800～1 000 m，蝦群深度為50～140 m，空氣溫度為-11℃。采集到的活體磷蝦暫養于100 L的水槽中，暫養水體為現場采集的自然海水（水溫為-1.2℃～0.5℃）。暫養箱放置于平均室溫為0℃的隔離空間內，光照強度為90～150 lx（與所在海域自然光照強度基本相符）（圖1）。暫養期間（4～6 d）未投餌料，暫養箱每12 h換水一次，每次換水4／5，并將箱底的死亡個體、蝦殼和糞便等由底部排水口排出。至6月26日，水箱內每日死亡個體的數量趨于穩定（5尾），剩余磷蝦個體狀態保持良好，隨機選取活性較好的9尾磷蝦進行光照對比實驗。

1.2 實驗過程

實驗開始于2019年6月26日23∶00。將9尾磷蝦分成2組，A組5尾磷蝦，B組4尾磷蝦（在實驗進行到第3天時，磷蝦編號2死亡，故加入樣本9）（表1）。所有實驗個體分別置于容積為630 mL并注入當地海水的白色塑料瓶內后封口。封口后的實驗塑料瓶放入裝有當地循環海水的100 L箱體內，使得實驗個體所處的溫度始終與當地海水保持一致。實驗期間，使用溫鹽深儀（CTD，型號為RBR）對每次實驗的海水溫度和鹽度進行記錄，海水鹽度在32.878～32.968之間，較為穩定。使用TES-1322A型電子照度計測量實驗場地光照強度，并對實驗期間的照度進行調控，以保持光照強度盡量恒定，暫養水箱水體表面光照強度約為100 lx。除光照條件外，實驗期間的其他各項環境數據均相同。直至實驗完成，剩余所有磷蝦個體均保持較好活性。

圖1 南極大磷蝦暫養裝置示意圖Fig.1 Schematic map of aquarium tank for Euphausia superba

表1 實驗南極大磷蝦樣本基本信息Tab.1 Basic information about Euphausia superba specimens used in this study

針對A組個體，在光照條件下放置約24 h后，使用溶解氧檢測儀（proODO，YSI 626281）測量瓶內海水溶解氧濃度（OT，精度0.01 mg·L-1）；測完后，采用錫箔紙將試驗瓶完全密封包裹，以進行黑暗條件下的實驗。再經過約24 h后，測量試驗瓶內水體的溶解氧濃度（OT＋1）；測完后，將A組實驗個體置于同等光照條件下，以進行光照條件下的實驗。以此類推，A組實驗共持續11 d（6次光照條件和5次黑暗條件）。

針對B組個體，采用錫箔紙將試驗瓶完全密封包裹，以進行黑暗條件下的實驗。密封后的試驗瓶放置約24 h后，使用溶解氧檢測儀測量瓶內海水溶解氧濃度（OT）；測完后，將試驗瓶放置在光照強度為100 lx的光照條件下。再經過約24 h后，測量試驗瓶內水體的溶解氧濃度（OT＋1）。完成前2 d的實驗后，B組實驗與A組保持相同條件同步進行，直至實驗結束。最終，B組實驗也持續共11 d（6次光照條件和5次黑暗條件）。

上述兩組實驗均設置空白對照組，即在試驗瓶中不放置磷蝦，經同時段后測定實驗開始時水體的溶解氧濃度（O′T）以及結束時背景溶解氧濃度（O′T＋1）。實驗結束后，將所有9尾磷蝦樣本收集，置于-20℃冷凍條件保存。待運回陸基實驗室后轉移至-80℃超低溫冰箱內保存。

1.3 樣本處理

返回實驗室后，將置于-80℃超低溫冰箱的磷蝦樣本取出并于常溫解凍。測量解凍后的磷蝦標準體長（total length，TL；mm）、濕體質量（wet mass，MW；mg）和 性 成 熟 度。標 準 體 長 據MAUCHLINE［23］的標準，即由眼最前端至尾節末端之間的長度。性成熟度的劃分結合MAKAROV和DENYS［21］與BARGMANN［22］的劃分標準進行判定，文中的標準也修改為未成體（雌性分為2BF、2CF、2DF 3期，雄性分為2AM、2BM、2CM 3期）、成體（雄性分為3AM、3BM兩期，雌性分為3AF、3BF、3CF、3DF、3EF 5期）。本實驗中的9尾磷蝦均為未成體。測量后的磷蝦個體在實驗室冷凍干燥后利用微量天平（MITTLER TOLEDO XPR2）稱取其干重（dry weight，DW；mg）。

1.4 數據分析

耗氧率（respiration rate）指動物單位時間的耗氧量，可分為單位體質量耗氧率（weight specific respiration rate）和單位個體耗氧率（individual respiration rate）［20］。因此，每尾磷蝦在實驗中的單位干重耗氧率RT＋1［μL·（mg·h）-1］及單位個體耗氧率RdT＋1（μL·h-1）的估算方法分別為：

式（1）、式（2）中，ρ為氧氣密度；V為實驗暫養瓶的容積；W為實驗磷蝦經干燥后的體質量（mg）；t為實驗所進行的時間（h）；OT為試驗組開始時暫養瓶內海水的含氧量濃度（mg·L-1）；OT＋1為試驗組結束時暫養瓶內海水的含氧量濃度（mg·L-1）；O′T為空白對照組開始時暫養瓶內海水的含氧量濃度（mg·L-1）；O′T＋1為空白對照組結束時暫養瓶內海水的含氧量濃度（mg·L-1）。

為了分析各尾磷蝦耗氧率隨時間的變化是否存在顯著性差異，本研究首先利用Shapiro-Wilk檢驗分析每尾磷蝦耗氧率數據是否符合正態分布。如符合，則利用單因子方差分析（ANOVA）分析各尾磷蝦耗氧率之間是否存在顯著性差異；如不符合，則利用Kolmogorov-Smirnov test（K-S檢驗）分析數據。若方差齊次，利用LSD事后檢驗進一步分析組內兩兩個體之間是否存在顯著性差異；若方差非齊次，則利用Tamhane T2事后檢驗分析組內兩兩個體之間是否存在顯著性差異。顯著性水平P＝0.05。統計分析利用R4.0.0進行，所使用的程序包包括ggplot 2和MASS。模擬單位個體呼吸率隨實驗天數變化時，考慮到異常值存在，本研究使用了穩健線性模擬方法，以消除異常值對趨勢的影響。

2 結果與分析

2.1 光照與黑暗條件對耗氧率的影響

磷蝦單位個體耗氧率處于16.13～74.54 μL·h-1之間，平均為（29.460±9.343）μL·h-1（表2），其中黑暗條件下的磷蝦單位個體耗氧率處于16.13～46.55μL·h-1之間，平均為（28.93±7.28）μL·h-1，而光照條件下的磷蝦單位個體耗氧率處于17.76～74.54μL·h-1之間，平均為（29.89±10.83）μL·h-1。對于實驗中磷蝦單位體質量耗氧率，所有個體處于0.102 6～0.557 5μL·（mg·h）-1之間，平均為（0.269 0±0.078 4）μL·（mg·h）-1（表3）；其中黑暗條件下的磷蝦單位體質量耗氧率處于0.102 6～0.557 5μL·（mg·h）-1之間，平均為（0.267 3±0.084 0）μL·（mg·h）-1，而光照條件下的磷蝦單位體質量耗氧率處于0.128 6～0.466 4μL·（mg·h）-1之 間，平 均 為（0.270 5±0.074 2）μL·（mg·h）-1。

從整體上來講，磷蝦單位體質量耗氧率與體長之間無相關性（R2＝0.176，n＝9，P＝0.261）。就單位個體耗氧率而言，隨著實驗天數的增加，A組磷蝦的個體耗氧率先下降再保持穩定，而B組磷蝦的個體耗氧率呈增加趨勢（圖2）。

表2 南極大磷蝦單位個體耗氧率的平均值、最小值和最大值Tab.2 Average，m inimum and maximum values of individual respiration rate of Euphausia superba

表3 南極大磷蝦單位體質量耗氧率的平均值、最小值和最大值Tab.3 Average，m inimum and maximum values of weight specific respiration rate of Euphausia superba

2.2 兩組磷蝦耗氧率的個體差異

整體上來看，A組磷蝦單位個體耗氧率變化較B組更為顯著（圖3）。A組中實驗個體2在死亡前的單位個體耗氧率出現劇烈的波動。A組中，ANOVA結果顯示，個體1、3和4的單位個體耗氧率存在顯著性差異（F＝25.478，df＝32，P＜0.001）；LSD檢驗也顯示，兩兩個體間也存在著顯著性差異（個體1與個體3：P＜0.001；個體1與個體4：P＜0.001；個體3與個體4：P＝0.022＜0.05）。B組中，ANOVA結果顯示，4個實驗個體的單位個體耗氧率之間存在顯著性差異（F＝14.090，df＝43，P＜0.001）；Tamhane T2事后檢驗顯示，兩兩個體間并非均存在顯著性差異，實驗個體5和8（P＝0.865）、6和7（P＝0.839）以及7與8（P＝0.119）之間并無顯著性差異（表4）。

圖2 各組南極大磷蝦單位個體耗氧率隨天數的變化Fig.2 Variations in individual respiration rate of Euphausia superba w ith days in two groups

圖3 光照（黑暗）條件下南極大磷蝦單位個體耗氧率變化Fig.3 Variations in individual respiration rate of Euphausia superba

如僅考慮同等實驗條件，從加入9號個體后開始，ANOVA結果顯示，8組實驗磷蝦（除去2號蝦）的單位個體耗氧率仍存在顯著性差異（F＝20.134，df＝48，P＜0.001），但Tamhane T2事后檢驗顯示，A組的個體1、3和4之間的單位個體耗氧率存在顯著性差異，而B組中的個體6、7以及8之間的單位個體耗氧率則不存在顯著性差異。

3 討論

本次實驗基于海上暫養實驗完成了現場光照條件對磷蝦冬季耗氧率的影響研究。在此之前，針對冬季磷蝦耗氧率的研究極為有限（表5），

且僅有的研究多在陸基實驗室內完成。為了盡可能地模擬實際情況，本研究模擬了磷蝦自然條件下的生理狀態，實驗所使用的密閉瓶浸沒于當地循環海水中，以保證實驗環境水溫與當地海水完全一致，這在一定程度上可以保證實驗環境更接近磷蝦生活的自然環境。

表4 B組實驗磷蝦單位個體耗氧率兩兩差異的Tamhane T2事后檢驗Tab.4 Tamhane T2 post hoc test for exam ining individual respiration rate of Euphausia superba in group B

表5 光照影響磷蝦耗氧率研究Tab.5 Effect of light on respiration rate of Euphausia superba

3.1 磷蝦冬季耗氧率

高密度的磷蝦分布海域位于南極大西洋扇區的威德爾海、南奧克尼群島、南設得蘭群島周圍以及南桑維奇群島西部水域［26］，這些水域的水溫、餌料、海冰覆蓋情況及光周期和光強度［27］均存在著周期性的年際變化。環境特征的強烈季節性變化意味著磷蝦的生長與發育也呈現出相應的季節性特征。但作為南大洋生態系統中的關鍵種，磷蝦已進化出相應的生命周期以適應這種高度季節性的環境。冬季，磷蝦通過降低代謝速率、縮小體型以及改變攝食策略等方法，由夏季的高代謝、高消耗生存模式向冬季的低代謝、低消耗模式轉化，這種季節性生命周期變化使得磷蝦能夠在一年中較好地分配新陳代謝能力，即在食物源豐富且自然環境有利的夏季進行消耗較大的繁殖過程，而在條件極為苛刻的冬季轉換為節能模式［28］。耗氧率作為衡量代謝率的一個重要指標，其變化可以較好地反映磷蝦體內新陳代謝水平。

本研究結果顯示，冬季黑暗條件下磷蝦的單位體質量耗氧率平均為（0.267 3±0.084 0）μL·（mg·h）-1，這明顯低于夏季黑暗條件下的單位體質量耗氧率0.63～0.88μL·（mg·h）-1［24］，也低于實驗室模擬的冬季黑暗條件下的單位體質量耗氧率0.35μL·（mg·h）-1和夏初黑暗條件下的單位體質量耗氧率0.56μL·（mg·h）-1［12］。而對于自然光照條件，本實驗結果顯示，磷蝦的單位體質量耗氧率平均為（0.270 4±0.074 0）μL·（mg·h）-1，這略高于實驗室模擬的冬季自然光照條件下的單位體質量耗氧率0.22μL·（mg·h）-1，但卻低于夏初黑暗條件下的單位體質量耗氧率0.46μL·（mg·h）-1［12］。針對單位個體呼吸率，本研究結果與SWADLING等［25］類似。由此，可以初步判斷，冬季磷蝦的單位體質量耗氧率較夏季低，也進一步說明冬季磷蝦的新陳代謝率有所下降［29］。但需要注意的是，實驗室模擬條件下所獲得的相關數據與自然條件下仍有所差別，造成該結果的可能原因之一在于磷蝦的環境適應能力。經過長期進化，磷蝦已適應并反饋南極特有的季節性光周期變化。正因為如此，通常在南極現場開展磷蝦生長率等方面的實驗時，僅設定較短的時間尺度（如4 d）［5］，以防止磷蝦因適應新的環境而在生理上做出改變。

3.2 光照對冬季磷蝦耗氧率的影響

磷蝦耗氧率存在較為顯著的季節性變化（表5），而引起這種季節性變化的機制仍未明確。ATKINSON和SNYDER［30］就食物是否影響不同季節磷蝦代謝速率開展了研究，通過將夏季磷蝦分組暫養并以食物濃度作為條件變量檢驗兩組磷蝦耗氧率的差異，結果顯示處于高濃度食物環境的磷蝦耗氧率和清除率迅速上升。但針對秋季的實驗卻得到了不同的結果［31］，后者將磷蝦放置于食物充足的環境11 d，耗氧率并未發生顯著升高，且耗氧率僅為夏季的三分之一。這兩個實驗在一定程度上說明食物濃度并非導致磷蝦代謝率變化的主要原因。

南大洋日照時長具有明顯的季節性差異，在磷蝦的主要分布緯度（50～60°S），日照時長由12月的20 h轉變至6月的6 h，這被認為可能是調節磷蝦代謝狀態的環境信號。TESCHKE等［11］發現，4—7月磷蝦的耗氧率的確受到了光照條件的影響，處于光照條件下的磷蝦耗氧率明顯高于處于黑暗條件下的磷蝦。這表明光照強度高時，磷蝦耗氧率也會升高，并由此推斷光照強度及其持續時間的年度過程可為控制磷蝦的生理過程提供可靠且可預測的信息。這與KAWAGUCHI等［32］的研究結論相同，其認為在低水平的食物條件下，磷蝦耗氧率的增加與太陽輻射增加有關。然而，BROWN等［12］的實驗卻得到了相反的結論，即黑暗條件下的磷蝦耗氧率要高于光照條件，而該文作者分析認為實驗水箱過大（100 L、600 L、1 600 L）是造成這種差異的原因，即冬季磷蝦因已適應黑暗環境而增加游泳活動，其耗氧率也因活動量增加而高于夏季（光照組）磷蝦。由此，為了降低因游泳活動增加而帶來的影響，本研究使用了體積較小的實驗瓶（500 mL）作為容器，這減少了游泳行為對耗氧率結果帶來的影響，但結果并未顯示出黑暗與光照條件下的磷蝦耗氧率存在較為顯著的差異。本研究中，在接近一個自然日的周期內，通過黑暗和100 lx光強兩種條件的變化，對試驗組磷蝦進行反復實驗，結果表明這種條件的改變對磷蝦的耗氧率影響并不顯著，除2號樣本外（可能因捕撈過程對個體造成的影響），磷蝦的耗氧率水平始終未發生較明顯的波動。這在一定程度上說明，冬季時期，磷蝦的呼吸速率已降到一個較低的水平，日變化尺度上的光照條件變化并不會對它的新陳代謝速率產生顯著影響，進一步表明磷蝦低代謝模式可能具有一定的穩定性。考慮到本實驗的樣本較少，今后可進一步增加樣本證實這種機制假設的可靠性。此外，本次實驗還發現，黑暗組磷蝦的耗氧率變化（標準差）低于光照組，表明光照條件下磷蝦的耗氧率波動更大，TESCHKE等［11］的實驗中也發現了類似現象，且光照時間越長，光照強度越大，這種波動也越強。這側面說明了冬季時磷蝦低代謝模式較穩定，而本實驗中提供的光照條件在一定程度上影響了這種穩定，從而使得磷蝦的耗氧率出現相應的波動。

總體上來看，影響磷蝦耗氧率的因素較多，有生物因素和非生物因素，生物因素有個體大小、饑餓與攝食、活動與應激及生物周期，非生物因素有溫度、鹽度、氧張力（PO2）及pH等［20］。由于海上條件所限，較難對各項實驗條件均做到精確控制。在實驗處理上仍需進一步完善，如實驗中所用海水為當地自然循環海水，溫度不易控制。為此，為防止對實驗結果產生影響，今后的實驗中應加以改善，盡可能地穩定實驗條件，減少誤差。為了深入研究光照條件對磷蝦代謝模式的影響，今后可從光強、光照時長等因素進行設置，并在不同季節展開相應的現場實驗，以期全面地揭示磷蝦耗氧率季節性變化的機制。

致謝：感謝中國水產總公司“龍騰”輪船長、政委、各位船員實驗過程中給予的幫助。本項目還得到了農業農村部南極海洋生物資源開發利用項目的支持。