食物豐度對寬鰭鱲的能量代謝、個性和集群行為的影響

王 蕾, 付世建

重慶師范大學 進化生理與行為學實驗室 重慶市動物生物學重點實驗室, 重慶 401331

代謝是機體與環境能量和物質的交換過程,機體代謝水平是重要的生理特征,對適合度有重要影響[1- 3]。魚類的標準代謝率(Standard metabolic rate, SMR)指其在靜止且空腹條件下的最低能量消耗強度,是與生活史理論相關的重要參數[4-5]。SMR的高低直接或間接影響魚體的生長、運動和繁殖等重要生理功能,進而對魚類適合度產生重要影響[6]。

魚類的“個性”指個體間行為上的穩定差異,通常用勇敢性、探索性、活躍性和社會性等來度量[7-10]。勇敢性是指機體為獲取食物、配偶、空間等資源而承擔風險意愿的高低[8]。探索性是指機體在陌生環境空間收集信息過程的行為特征[10]。活躍性是指動物自發行為活動特征,與覓食、尋找配偶、避敵等行為相關[7,11]。社會性則指動物對同種個體的回避和親和反應,即加入群體的意愿[9]。研究發現,個性反映了動物的生活史策略,并與其種群動態、遺傳變異以及物種形成等有關聯[11-12]。

集群為動物的常見行為,自然界超過50%的魚類種類至少在某個特定的生活史階段表現出典型的集群行為[13]。集群行為在逃避敵害、合作捕食等諸多方面體現出生態收益,但也會加劇食物資源競爭[11]。除群體大小、游泳速度等常見物理特征,魚群群體水平的功能特征主要體現為凝聚力和協調性兩個方面。前者主要通過群體內部成員的距離來評判,而后者通常以群體成員之間游泳行為在速度和方向上一致性等來衡量[14]。

由于自然和人為活動的因素經常導致水體食物資源發生劇烈變動,包括魚類在內的水生生物在自然選擇壓力下塑造出系列的行為和生理生態對策以適應食物資源波動,如下降生理功能或增加覓食活動等[15-17]。這些改變與機體SMR、個性和集群行為相關[17-18],具有重要的生態和進化意義[9]。研究發現,SMR通常隨食物豐度的上升而上升[2],而個性和集群行為與食物豐度的關系的研究目前十分匱乏[19]。

本研究旨在探討食物豐度是否影響魚類的能量代謝、個性和集群行為及其穩定性,以小型的鯉科魚類寬鰭鱲(Zaccoplatypus)為實驗對象,測定不同食物資源條件下攝食4周前后的 SMR、個性和集群行為。選取寬鰭鱲為實驗對象是因為以往的研究發現該種魚為典型的喜好集群魚類,且個體間存在巨大的形態、生理和行為特征差異[20-21]。

1 材料與方法

1.1 實驗魚來源及其馴化

寬鰭鱲采自重慶市武隆縣白馬鎮烏江江段,選取雌性個體作為實驗對象(寬鰭鱲雌魚通常集體活動,而雄性成魚往往單獨活動)。實驗魚從采樣點運回實驗室后,在實驗室自凈化控溫循環養殖系統中(約250L)進行2周適應。適應期水溫為(27.0±0.5)℃,實驗用水為除氯自來水,溶氧水平保持在90%飽和水平以上。每日以紅線蟲投喂至飽足兩次(9:00AM和17:00PM),待食物攝食完1 h后清除糞便和食物殘渣。實驗期間光照周期設定為12L∶12D,日換水量約為20%。

1.2 實驗設計

馴養結束后,選取魚體健康、體重相近80尾寬鰭鱲雌魚(大小見表1)進行體內標記(Passive integrated transponder,PIT)以便在實驗過程中辨別不同個體,標記后恢復14 d,隨后測定每尾實驗魚的SMR、個性指標和集群行為(4尾組成1群,N =10)(指標和具體操作見參數的測定)。測定結束后,隨機分為低食物豐度和高食物豐度(N=40)兩組,前者每日飽足投喂1次(9:00AM,食物為紅線蟲),后者每日飽足投喂2次(9:00AM和17:00PM),待食物攝食完1 h后吸取糞便和食物殘渣。經過28 d喂養處理后再次測定實驗寬鰭鱲的SMR、個性和集群行為。實驗過程中溶氧、水溫、光照周期等條件同適應期間。

1.3 實驗參數的測定

1.3.1SMR的測定

采用流水式呼吸代謝儀測定實驗魚的SMR(結構見已發表論文[22])。具體操作：將實驗魚禁食1 d測定體重,隨后轉移至代謝儀呼吸室適應1 d。實驗魚的耗氧率采用溶氧儀(HQ30d,美國哈希公司)進行測定,每日測定8個點(08:00—22:00,間隔2h),以連續2 d測定得到的16個耗氧值的平均值作為該實驗魚的SMR。各食物豐度組均為40個重復(低、高食物豐度組分別丟失2尾和1尾實驗數據)。SMR(mg O2/ h)的計算公式如下：

SMR=ΔO2×v

(1)

式中,ΔO2是與空白對照呼吸式室和實驗魚所在呼吸室出水口溶氧的差值(mg/L),v是實驗魚呼吸室的流速(L/h)。

1.3.2個性的測定

圖1 魚類勇敢性、探索性和活躍性觀測裝置結構示意圖Fig.1 The structure of the arena for determination of boldness, exploration and activity in the present study A：隱蔽區；B：開闊區；C：隔板；D：小門

實驗魚的勇敢性、探索性和活躍性指標采用魚類行為測定裝置(圖1)測定[19],該裝置主體是有機玻璃制作的長方體水槽(長70 cm × 寬35 cm × 高35 cm)。以隔板將該水槽分為開闊區(長55 cm × 寬35 cm ×高35 cm)和隱蔽區(長15 cm ×寬35 cm ×高35 cm)。隔板底部正中有一邊長10 cm正方形開口連通兩個區域,開口處有可拆卸的小門。測定裝置在測定前加入10 cm水深的曝氣自來水(溫度為27.0±0.5)℃。在測定裝置開闊區上方放置攝像頭(Logitech Webcam C930e)進行視頻拍攝。

勇敢性指標以實驗魚在開闊區和隱蔽區移動情況進行分析：測定前實驗魚在隱蔽區適應0.5 h,隨后移開小門,持續進行0.5 h的拍攝(15幀/s)[19]。待該指標觀測結束后,通過實驗魚對陌生新奇物體的偵查行為進行探索性測定：即閉合小門,放置一個陌生物體(直徑2 cm的黑色圓形或邊長為2 cm藍色正方形塑料球)于開闊區遠離隱蔽區一端(距離邊緣15 cm中心處),持續進行0.5 h的拍攝。探索性指標測定結束并取出陌生物體后,通過拍攝10 min的自發運動行為進行活躍性分析。

待上述指標測定結束后,實驗魚轉移至社會性測定實驗裝置,該設備同為長方體水槽(圖2,長70 cm × 寬35 cm × 高35 cm),該水槽以兩塊透明的隔板分成三部分,中間部分為目標實驗魚選擇區域(長40 cm × 寬35 cm × 高35 cm),兩邊為魚群刺激區(長15 cm × 寬35 cm × 高35 cm)。測定時先選取6尾寬鰭鱲雌魚作為刺激魚群移入任一一側刺激區適應0.5 h(另一側無刺激魚群),隨后在中間選擇區放入實驗魚并進行實驗視頻拍攝,持續拍攝0.5 h。以目標魚靠近刺激魚群的程度衡量其社會性。

圖2 魚類社會性測定裝置結構示意圖 Fig.2 Experimental arena for observation of the sociality for fish species A、C：刺激區；B：選擇區；D、E：透明隔板

實驗魚運動軌跡采用idTracker軟件獲取[23]。勇敢性參數采用首次進入開闊區時間(s)和開闊區停留時間比(%)；探索性參數采用距離陌生物體的距離(cm)和首次靠近陌生物體時間(s)；活躍性參數采用實驗魚游泳速度(cm/s)和運動的時間比(%)。社會性指標采用實驗魚與刺激魚群的距離(cm)以及靠近刺激魚群時間比(%)。計算方法詳見已發表論文[9, 24]。實驗過程均有個別視頻出現技術故障無法進行視頻解析(表2)。個性指標連續兩日進行重復測定,以其平均值進行相關統計分析。

1.3.3集群行為的測定

實驗魚的集群行為的同樣由上述長方體水槽(長70 cm × 寬35 cm × 高35 cm,無隔板)進行觀測,水深10 cm。魚群數量為4尾(鯉科魚類在魚群成員為4尾及以上時會出現典型的集群特征[14]),每個食物豐度處理40尾魚隨機分為10個群體。將每群實驗魚轉移至觀測水槽中適應5 min后開始20 min視頻拍攝,視頻拍攝完成后采用idTracker軟件分析實驗魚在視頻中的運動軌跡。根據軌跡的坐標點計算得到每尾實驗魚的自發游泳速度、實驗魚之間速度的同步性、實驗魚之間的距離(cm)和運動方向的極性等參數。實驗魚的游泳速度由實驗魚運動軌跡計算得到[14],其他參數計算如下。

速度同步性(Sv)：

(2)

式中：v1、v2表示用于計算Sv任意兩尾魚的游速,4尾魚共計算6個Sv,取其平均值為群體的Sv。

運動時極性(用于評價魚群運動時個體的排列情況)：

(3)

式中：vi(t) 為第i尾實驗魚的單位運動矢量。N是群體個體數(N=4)。極性的數值在0到1之間。當群體成員游泳方向完全一致時,極性為1；當群體成員運動方向相互抵消時,極性則為0。

個體間距離

(4)

式中：xt和yt分別代表不同實驗魚在t時刻的橫、縱坐標點。

1.4 數據統計和分析

實驗數據采用SPSS17.0進行統計分析。實驗處理前后不同測定時間點SMR和個性指標的重復性使用可靠性分析。食物豐度處理和測定時間點對寬鰭鱲SMR和個性指標的影響采用線性混合模型(Linear Mixed Model, LMM)進行分析,其中以魚的PIT標記編號為隨機因子,實驗組別(食物豐度高低)和測定時間(實驗前后)為固定因子；食物豐度和測定時間對集群行為的影響采用雙因素方差分析(Analysis of Variance, ANOVA)進行檢驗分析。若存在顯著差異,則分別采用獨立和配對t檢驗分析不同食物豐度組和測定時間的統計差異。實驗數據以平均值±標準誤(Mean±SE)表示,統計的顯著性水平為P<0.05。

2 結果

2.1 食物豐度對實驗魚大小和SMR的影響

低食物豐度組體重和SMR在養殖過程中均沒有顯著變化,而高食物豐度組的體重和SMR養殖過程均顯著增加(P<0.05)。養殖結束時,高食物豐度組的體重和SMR均顯著高于低食物豐度組(P<0.05)(表1)。另外,可靠性分析發現高食物豐度組實驗魚的SMR不同測定時間具有重復性,即保持穩定,但低食物豐度組SMR不同測定時間不具重復性(表2)。

表2 SMR和個性參數不同測定時間的重復性

2.2 食物豐度對個性的影響

食物豐度處理對所有個性參數均無顯著影響(表3)。測定時間僅對與陌生物體距離和與刺激魚群的距離有顯著影響：與實驗初始值相比,與陌生物體距離在實驗結束時顯著增加,而與刺激魚群的距離實驗結束時顯著下降(P<0.05)。可靠性分析發現,除首次進入開闊區時間、開闊區停留時間和與陌生物體距離外,其它所有指標均具有重復性(P<0.05)。

表3 食物豐度對寬鰭鱲個性參數的影響

2.3 食物豐度對集群的影響

處理前,高、低食物豐度組各個集群特征參數均沒有差異,經過4周實驗處理過程,低食物豐度組的游泳速度和個體間距離均上升,而高食物豐度組的兩參數均沒有顯著變化(圖3)。因此,養殖結束時,高食物豐度組的游泳速度和個體間距離均顯著低于低食物豐度組(P<0.05)。測定時間對排列極性有顯著影響(P<0.05),經過4周實驗處理后的集群的極性顯著高于實驗處理前,但同一測定時間的兩食物豐度組間均沒有顯著差異。游泳速度同步性不受測定時間和食物豐度的影響。

圖3 食物豐度對寬鰭鱲集群行為特征的影響(N=10)Fig.3 Effect of food availability on schooling behavior of pale chub (N=10)*不同字母者(a,b)表示不同測定時間存在差異,星號(*)表示高低食物豐度組的數據存在差異

3 討論

3.1 食物豐度對寬鰭鱲SMR和體重的影響

SMR是動物最重要的生理參數之一,在食物資源不足時魚類通常會降低SMR以節約能量。研究發現大多數魚類,如大馬哈魚(Onchorhynchuskisutch)[1]、湘云鯽 [(Carassiusauratusred var. (♀) ×CyprinuscarpioL.) (♂)][24]和南方鲇(Silurusmeridionalis)[25]等均會隨著可支配食物資源的多少相應調整生理功能,維持能量消耗即SMR隨之改變。本研究中,低食物豐度組寬鰭鱲的SMR顯著小于高食物豐度組,說明與其他魚類一樣,寬鰭鱲也會根據食物資源的多少而調節維持能量消耗。

魚類的SMR具有較穩定的個體差異,這種差異在一段時間可以重復[3]。然而,本研究發現SMR的穩定性差異僅在高食物豐度組存在,而低食物豐度組SMR在實驗前后沒有關聯。這可能是因為在低食物豐度下,為了維持必要的生理功能,寬鰭鱲能量分配的比重發生了較大改變,對其SMR產生了較大的影響。以往對大西洋鮭(Salmosalar)的研究也發現,在限制攝食的條件下,SMR的穩定性下降的情況[3,26]。但對湘云鯽的研究發現,每日1次和2次飽足攝食條件下其SMR均在一定程度上保持穩定[25]。說明SMR穩定性對食物豐度的響應具有種間差異,可能與不同魚類生境食物資源狀況、覓食習性以及SMR相對大小等有關。

經過4周的不同食物豐度喂養,高食物豐度組體重顯著大于低食物豐度組,這與本研究預期相符。但低食物豐度組實驗過程體重沒有變化,說明該食物資源僅能滿足寬鰭鱲維持基本的生理功能和日常活動。以往研究發現,類似的投喂水平(即每日1次飽足攝食)下,多數鯉科魚類表現出一定程度的生長[24]。相同投喂水平下寬鰭鱲生長較其它鯉科魚類慢的原因可能因為寬鰭鱲喜好生活在食物資源相對分散的激流生境,維持能量需求高、日常自發活動活躍[20-21]。最近的研究比較了分布于長江流域的31種魚類的維持能力消耗,發現寬鰭鱲僅小于同樣喜好流水生境的寬口光唇魚(Acrossocheilusmonticolus)和短須裂腹魚(Schizothoraxwangchiachii)[27]。

3.2 食物豐度對寬鰭鱲個性和集群行為的影響

和多數魚一樣,寬鰭鱲個性存在明顯的個體差異(如首次進入開闊區時間從幾秒鐘到超過1200 s,而停留在開闊區的時間從不到5% 到超過80%),可能有利于魚群的集體協作以及適應多變的生活環境[28-29]。這種個體間差異的穩定性一直受到動物行為學家的關注。如個性的穩定性在食蚊魚(Gambusiaaffinis)、孔雀魚(Poeciliareticulata)等魚類的研究中均有報道[30-31]。本研究通過比較實驗處理前后個性指標的重復性發現寬鰭鱲的活躍性、社會性在均表現出較高的穩定性；但勇敢性和探索性指標的穩定性較低,具體原因還有待進一步研究。

相關研究發現個性受食物豐度等環境因素的影響[32-33]。然而,本研究發現,寬鰭鱲所有的個性指標均不受食物豐度的影響,類似的結果見于對湘云鯽等魚類的研究,說明寬鰭鱲等鯉科魚類的個性相對保守[24]。另外,本研究未發現食物豐度對個性特征產生影響也可能因為實驗的食物豐度的差異不大,魚類的個性常需在饑餓條件下才發生顯著的變化[19,34-35]。

有趣的是,本研究發現,盡管食物豐度不影響所有個性參數,但會顯著影響魚類的集群行為：低食物豐度組的游泳活動增加、個體間的距離加大,即活躍性上升而凝聚力下降。這可能是低食物豐度下群體成員增加覓食活動,競爭食物資源所致。以往的研究也發現,隨著食物資源的減少和個體間食物競爭加劇,魚類往往會增加覓食活動、擴大覓食空間,進而會增加個體間距離[19,36]。研究者認為這種魚群針對食物豐度變化的空間動態調整有利于提高其整體的生存能力[37]。值得一提的是,寬鰭鱲在集群條件下活躍性上升,而在單尾魚的活躍性指標卻不變的現象值得魚類行為學家關注。

綜上所述,寬鰭鱲個性不受食物豐度的影響。低食物資源豐度條件下,寬鰭鱲下調SMR以節約能量。集群時寬鰭鱲的活躍性上升而凝聚力下降,這可能是食物資源競爭的結果。