寬鰭鱲個性與維持代謝、食物占有能力和日常能量消耗的關聯

胡月 唐金玉 付成 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)

個性是動物在行為上表現出來的穩定的個體間差異(Consistent individual difference,CID),包括活躍性、探索性、勇敢性和社會性等個性特征[1—3]。代謝反映生命體的能量消耗水平,是衡量機體生理狀態的重要指標之一[4,5],與生物的生存適合度緊密關聯[6]。其中標準代謝率(Standard metabolic rate,SMR)反映動物在非活動、無食物消化吸收狀態下的最低能量消耗水平,因此可用來衡量動物的維持能量消耗[5,7]。日總能量消耗(Daily energy expenditure,DEE)是另一個重要的能量學參數,常用來表征動物每天的能量消耗總和,包含維持能耗、活動能耗和攝食消化(Specific dynamic action,SDA)能耗[8]。研究者發現機體的DEE一般與SMR緊密關聯[8,9]。

研究者普遍認為機體能量代謝水平與個性行為特征協同進化[2,3,10,11]。生活節奏綜合癥(Pace of life syndrome,POLS)假說認為動物的代謝、行為、激素和免疫特征等在種內和種間水平上均存在一系列的關聯[2]。積極個性的個體(如更為勇敢和活躍)可能具備較高的SMR、DEE及食物占有能力[2,3]。有關個性與SMR的關聯已有較多報道,例如,大西洋鮭(Salmo salar)的SMR與攻擊性呈正相關[12];歐洲海鱸(Dicentrarchus labrax)的SMR與活躍性和勇敢性呈正相關[13]。但是由于包括魚類在內的水生生物在自由狀態下的DEE難以測定,個性與DEE之間的關聯尚未被證明。近年來,隨著動物運動軌跡精細測定技術的發展,通過運動軌跡衡量能量代謝進而考察水生生物DEE與個性的關系成為可能。另外,個性與食物占有能力即攝食率(Feeding rate,FR)是否存在關聯也鮮有報道。最近有關異育銀鯽(Carassius auratus gibelio)的研究發現,單養時FR和個性特征在特定條件下存在關聯[14]。另有研究發現棘魚(Gasterosteus aculeatus)的勇敢性與FR呈正相關[15]。但以上研究均在單養的環境下實現,較高的FR可能更多地受食欲和消化道體積大小影響,個性本身所帶來的種內競爭能力的差異對食物占有能力的影響無從體現。在自然界約50%已知魚類種類至少在生活史的特定生活階段具有集群生活的生態習性[16]。因此在群體生活狀態下衡量的FR盡管在技術層面上較為復雜,但能夠充分考慮個體食物占有能力的因素,具有單養時測定FR無法比擬的生態學意義。值得一提的是,最新研究發現魚類在獨處狀態和在群體中對外界刺激產生截然不同的行為反應[17,18]。因此,本研究旨在考查個性與SMR、DEE和食物占有能力的關聯。

凝聚力和協調性常作為研究魚類集群運動特征最主要的指標[1]。凝聚力通常以群體中個體間距離和個體距群體質心的距離等來衡量,而協調性主要通過不同個體之間或個體與群體質心之間移動速度的同步性、移動方向的一致性(如夾角等)等來衡量[19,20]。個體在群體中表現出來的上述群體特征可能給其帶來特定的生態收益和代價,例如距群體質心距離不同可能會直接影響食物獲取概率。因此,本研究旨在考查不同個性魚類個體的集群運動特征與能量代謝消耗和食物占有能力的關聯。為完成研究目標,本研究選擇寬鰭鱲(Zacco platypus)雌魚為研究對象(寬鰭鱲雄魚在野外常處于獨居狀態而雌魚集群生活)。寬鰭鱲為一種廣泛分布的小型鯉科魚類,在自然界中通常形成大小不一的群體,近期我們對該種魚的個性行為的重復性和指標間關聯進行了先期考查[21]。本研究首先在單尾魚條件下測定了實驗魚的SMR和個性特征(即勇敢性、探索性、活躍性和社會性),隨后在集群條件下(6尾魚)測定了每尾魚的活動軌跡和攝食狀況。實驗魚在集群條件下的軌跡還用于衡量活動能量消耗及集群狀態下每尾魚的運動特征(包括活躍程度、凝聚力和協調性)。

1 材料與方法

1.1 實驗魚來源及馴養

實驗用寬鰭鱲雌魚(5.81—6.87 g)采集自烏江重慶武隆段(29°24′37″N,107°31′55″E)。實驗魚運回實驗室后在循環水養殖系統(1.2 m×0.55 m×0.55 m)中進行4周的馴養。馴養期間水溫維持在 (25±1)℃,水體溶氧維持在7.0 mg/L溶氧以上。實驗魚每日上午10:00以解凍后的赤蟲(中國濱海駿業生物公司)飽足投喂1次,投喂30min后使用虹吸管清理糞便殘渣。每日換水1次,日換水量約為總水量的10%。光照周期為 12h∶12h。

1.2 實驗方案

在馴養完成后,將麻醉(MS-222,80 mg/L)后的實驗魚經腹腔注射 PIT標簽(廣州市洪騰條碼技術有限公司),方便實驗魚的識別。隨后進行2周的恢復。2周后再次在實驗魚背部區域進行體外顏色標記,用于集群過程實驗魚的識別。1周后挑選身體健康、大小接近并且背部顏色標記清晰的80尾寬鰭鱲(6.42±0.14) g用于SMR、個性和集群行為的測定。實驗魚首先進行SMR和個性特征測定(測定順序為:勇敢性、探索性、活躍性和社會性)。為確定4種個性行為是否穩定,所有的個性行為在第1天測定完成后均在第2天進行重復測定,以考查個性指標的重復性。最終的個性指標在數值上取2d的平均值。在個性測定完成后,從80尾實驗魚中挑選60尾,隨機分為10組,每組6尾魚,用于集群行為的拍攝。通過拍攝和分析6尾魚構成群體的運動軌跡,獲取每尾實驗魚集群運動時的各個行為特征,并計算DEE。此外通過記錄每尾實驗魚攝入的食物量(赤蟲的條數),計算FR,用以評價實驗魚的食物占有能力。

1.3 實驗設備

個性中活躍性、探索性和勇敢性的測定采用實驗室自制的魚類個性測定儀(具體結構參見文獻[1])來完成。該測定裝置主體部分為一長方形水槽(60 cm×20 cm×20 cm),通過可拆卸的有機玻璃隔板(不透明)將上述水槽分為開放區(40 cm×20 cm×20 cm)和隱蔽區(20 cm×20 cm×20 cm),隱蔽區放置有一株塑料水草,可為實驗魚提供隱蔽場所。開放區和隱蔽區之間的隔板上安裝有可打開、關閉的小門,小門打開時,實驗魚可以在開放區與隱蔽區之間來回穿梭。水深維持在10 cm以降低實驗魚的垂直移動。實驗魚的行為通過與遠端監視器相連的攝像頭(Logitech Pro 9000;羅技公司,中國蘇州;15幀/s)獲取。設備周圍以白色不透明帆布隔開以避免外界干擾。

社會性由實驗室自制的二元行為選擇裝置(具體結構參見文獻[22])完成測定。裝置的主體部分為一長方形水槽(70 cm×35 cm×35 cm)。水槽由兩個透明有機玻璃隔板分隔為中間的選擇區(40 cm×35 cm×35 cm)和兩邊的兩個刺激區(15 cm×35 cm×35 cm)。水深10 cm,水槽四周貼以白色不透明廣告紙,以降低外界干擾。社會性視頻的獲取方式與上述活躍性等相同。

集群運動的測定采用實驗室自制的集群行為觀察裝置(圖 1)完成。該裝置由內部的近橢圓形的實驗水槽A(120 cm×60 cm×10 cm)和外部的圓形大水槽B(直徑150 cm,高30 cm)構成,外部的圓形水槽主要用于提供水浴環境,方便實驗水槽A內的水溫控制。實驗水槽A由白色PVC板制成,利于減少四周環境干擾和增強實驗魚與背景的反差,方便后續視頻分析。在實驗水槽A的左右兩端和中部分別開有1個小孔,3個小孔分別連接3根塑料管(C、D和E),用作食物投喂通道。水槽上方固定有攝像頭用于集群視頻的采集。水深控制為10 cm。

圖1 魚類集群行為測定裝置結構示意圖(俯視)Fig.1 The structure of the device used to determine schooling in fish species (top view)

1.4 參數測定方法

SMR使用實驗室自制的流水式呼吸代謝儀(具體原理和結構參見文獻[23])測定SMR[1]。將單尾寬鰭鱲禁食24h后轉移至流水式呼吸代謝儀,進行恢復和適應。實驗魚在代謝儀中適應1d后采用溶氧儀(HQ30d,美國哈希公司)測定每個呼吸室水流出口處的水體溶氧值,并通過容量瓶(50 mL)和計時器計算流經每個呼吸室的水流速度,以此計算實驗魚的耗氧率。每尾實驗魚的耗氧率自09:00到17:00每1h測定一次,連續測定2d。一共獲得18個耗氧值,實驗魚耗氧率(mg O2/h)的計算公式如下:

式中,Xs是標準耗氧率[mg O2/(kg·h)],Xm為公式(1)中計算出的單尾魚耗氧率,a為體重系數,m為單尾魚體重(kg)。最后以使用公式(2)進行體重矯正后即可得到每尾實驗魚的 SMR。

勇敢性將單尾實驗魚轉移至魚類個性測定儀的隱蔽區適應30min,隨后將有機玻璃隔板上的小門輕輕打開,對實驗魚進行持續30min的行為拍攝。拍攝好的視頻使用行為學軟件idTracker進行后續分析。實驗魚首次進入開放區的時間(Latency to emerge,s)和進入開放區偵察的次數(Number of inspection)作為勇敢性的指標[35]。

探索性待勇敢性測定完畢,將實驗魚輕輕趕至開放區,并關閉隔板上的小門。隨后在小門對面距離邊緣15 cm處放置一個實驗魚從未見過的物體作為“新奇物體”(Novel object,藍色有機玻璃柱;重復測定時換成褐色有機玻璃柱,直徑和高度均為2 cm)?！靶缕嫖矬w”放置完成后立刻開始探索性行為的拍攝,持續30min。拍攝好的視頻使用行為學軟件idTracker進行后續分析。實驗魚首次達到新奇物體的時間(Time to first approach object,s;距離物體表面3 cm以內則定義為到達)和距離物體中心的平均距離(Distance to object,cm)作為探索性的指標[35]。

活躍性在探索性測定完畢后,移除“新奇物體”,待實驗魚恢復10min后進行持續10min的活躍性拍攝,拍攝好的視頻使用行為學軟件idTracker進行后續分析。實驗魚的運動時間比(Time spent moving,%)和10min的總移動位移(Distance moved in 10min,cm)作為活躍性的指標[35]。

社會性實驗魚的社會性使用二元行為選擇裝置進行測定。首先在隨機一側的刺激區放置6尾實驗魚熟悉的同類作為刺激魚群,另一側空白。30min后把待測實驗魚轉移至中部的選擇區。在2min適應后,對實驗魚進行持續30min的行為拍攝。拍攝好的視頻使用行為學軟件idTracker進行后續分析。實驗魚位于偏好區的時間比(Percent time with shoal,%;距離刺激魚群11 cm以內,即實驗魚3—4倍體長[24])及距離刺激魚群的平均距離(Distance to shoal,cm)作為社會性的指標。社會性重復測定時刺激魚群置于另一側的刺激區[35]。

DEE與集群行為測定集群行為的測定在圖 1所示裝置中完成。將6尾實驗魚同時轉移至裝置中的實驗水槽中。在8:30—9:00、10:30—11:00、12:30—13:00、14:30—15:00、16:30—17:00共5個時間段內進行視頻拍攝用來衡量實驗魚在白天的活動軌跡和/或攝食量。在8:30和14:30時通過遠端注射裝置隨機從3根塑料管投放解凍后的赤蟲。投放時選擇大小相似的赤蟲,并記錄稱重。通過對實驗魚背部標記的肉眼觀察可以對每尾魚進行識別,并記錄每尾魚攝取的赤蟲數量據此可計算每尾實驗魚的FR。其中一半實驗魚在18:00—6:00進行了測定,用以觀察是否存在晝夜節律和白天夜晚的數據是否存在關聯。寬鰭鱲個體活躍性等數據在白天、晚上存在關聯(18:00—6:00的數據在光照條件下測定,故未納入計算),因此以白天的集群和攝食情況衡量實驗魚的DEE不會影響本實驗的主要結論(即關聯)。每尾實驗魚在1d中的維持代謝消耗可通過SMR獲得;攝食耗能可通過每尾魚攝取赤蟲的條數計算攝食量,再根據SDA系數獲得單尾魚的SDA耗能[25];運動耗能依靠集群視頻獲得每尾實驗魚在1d中的運動時長和平均速度,再根據寬鰭鱲運動速度與代謝率的關系計算相應的耗能水平[26]。維持消耗加上攝食耗能和運動耗能即為實驗魚的DEE。

集群行為指標采用idTracker進行分析[27]。通過該軟件識別群體中的每尾魚并給出每尾魚實時的坐標點。隨后再通過坐標點計算每尾實驗魚的運動時間比(Percent time moving,%)、平均游泳速度(Average swimming speed,cm/s)、速度同步性(Synchronization of speed)、距質心距離(Distance to centroid,cm)、游泳方向夾角(Separate swimming angle,rad)共5個集群參數。其中游泳速度的同步性由每尾魚質心和魚群質心移動速度計算得到[20]:

式中,Ss為速度同步性;vi和vj分別是特定實驗魚和魚群的游泳速度。距離質心的距離用來衡量實驗魚的凝聚力,由以下公式計算[20]:

式中,Dij為特定實驗魚距魚群質心的距離;xi,yi和xj,yj分別是特定實驗魚和魚群質心每幀的坐標。每尾魚和魚群質心的游泳方向夾角由以下公式計算得到[20]:

式中,SSA為特定實驗魚與魚群的游泳方向夾角(rad),xt、yt和mt、nt分別為單尾實驗魚和魚群質心在第t(s)時的坐標,xt–1、yt–1和mt–1、nt–1分別為單尾實驗魚和魚群質心在第t–0.5(s)時的坐標。

1.5 統計與分析

實驗數據經Excel 2019進行常規計算后,采用SPSS 17進行統計分析。個性特征及集群特征與能量消耗和FR之間的關聯采用Pearson相關性分析。所有數據采用平均值±標準誤表示,顯著性為P＜0.05。

2 結果

2.1 個性特征與SMR、DEE和FR的關聯

寬鰭鱲在個性行為、SMR和FR等方面均表現出較大的個體差異。耗氧率與體重的關系可擬合為y=0.3308x0.7847(R=0.507,P＜0.001),SMR使用體重系數0.7847進行矯正后為(76.83±2.21) mg O2/(kg·h)。每天的維持代謝消耗、消化導致的能量消耗、運動導致的能量消耗和總代謝能量消耗分別為(34.19±1.32)、(45.11±3.81)、(74.50±3.27)和(153.80±4.84) kJ/kg。SMR、DEE和FR與個性(勇敢性、探索性、活躍性和社會性)的所有指標均不關聯(表 1)。

表1 個性特征與標準代謝率、攝食率和日總耗能的關聯Tab.1 The correlation between personality traits and standard metabolic rate,feeding rate and total daily energy expenditure

2.2 集群運動參數與SMR、DEE和FR的關聯

寬鰭鱲DEE與集群運動參數中的運動時間比(R=0.524,P＜0.001;圖 2a)、平均游泳速度(R=0.571,P＜0.001;圖 2b)和距質心距離(R=0.284,P=0.031;圖 2c)均呈正相關(表 2)。此外,DEE與集群過程中的FR也呈正相關(R=0.742,P＜0.001;圖 2d和表 2)。

表2 集群運動參數與標準代謝率、攝食率和日總耗能的關聯Tab.2 The correlation between swimming character during shoaling and standard metabolic rate,feeding rate and total daily energy expenditure

圖2 日總耗能與集群運動參數(運動時間比、平均游泳速度和距質心距離)和攝食率的關聯Fig.2 The correlation between total daily energy expenditure and swimming character during shoaling and feeding rate

3 討論

3.1 個性與食物占有能力及能量代謝的關聯

一般認為不同個性的動物會表現為從積極到消極的連續體[10]。在行為上表現積極的個體通常具有較高的活躍性、探索性和勇敢性及較低的社會性[3,28,29]。關于異育銀鯽(Carassius auratus gibelio)的研究發現個性積極的個體表現為較高的維持代謝能量消耗,即SMR[14]。而本研究中所有個性指標與SMR均沒有關聯,這與以往的理論不符。原因之一可能是迄今為止魚類行為學有關的個性測定均為單尾魚,本研究也沿襲了傳統的方法。但對于寬鰭鱲這種野生的集群性魚類而言,在實驗室進行單尾魚標準代謝或個性行為測定時,可能存在某種應激。這就導致不同個體在實驗室測定時展現出與自然狀態下截然不同的行為模式,干擾了代謝以及個性特征的評估。因為應激導致的代謝上升的幅度可能與代謝、個性本身是不相關甚至是負相關的。例如較勇敢的個體可能對脅迫表現較低的應激反應[30],但這部分應激導致的代謝上升顯然與個性特征不關聯[31]。研究發現大西洋鮭(Salmo salar)在移除環境遮蓋物后SMR與活躍性的關聯喪失[32]。這種現象在集群和野生魚類顯然可能表現得更為明顯。最新研究表明,魚類個體在單獨存在和在群體中時針對捕食者暴露展現截然不同的行為反應[17,18]。這提示將來針對寬鰭鱲這類野生集群性魚類的個性測定方法值得研究。

“代謝引擎”(Metabolic engine)假說認為個性與食物占有能力正相關[3],然而本研究發現寬鰭鱲個性特征與食物占有能力無關。個性與FR無關可能因為實驗設定的攝食條件與野外存在很大差異,寬鰭鱲在野外主要以藻類為食[33],其食物資源在野外分布相對均勻和充足,這種個性相關的競爭能力可能更多地體現在探索和保衛領地、或繁殖競爭等,而對食物競爭并無強烈的選擇壓力。魚類個性與日總耗能的關聯,本研究發現二者不存在關聯。因為多數個性特征,特別是與活躍性相關的特征相互妥協,進而導致相關個性在群體中喪失[34]。但是,近期有關寬鰭鱲的研究發現,社會性和勇敢性在集群時能夠部分保留,表現為勇敢性與社會性分別與群體極性和協調性呈正相關[35]。因此該問題值得進一步深入研究。今后的研究可結合皮質醇測定等技術方法以排除應激對個性及個性測定的影響,同時集群性魚類個性的單尾測定意義也值得商榷。

3.2 集群運動參數與食物占有能力及能量代謝的關聯

魚類在集群過程中需要不斷調整自身的游泳速度和方向以維持和群體的同步性[15]。群體中位置差異或運動活躍性差異會影響個體在集群過程中的生態收益和代價[36,37]。在本研究中,日總耗能與集群運動參數中的運動時間比、平均游泳速度及FR均顯著正相關。運動耗能占近一半的日總耗能,因此游泳時間更多、速度更快的個體日消耗總能量更高。同理,FR也與日總耗能正相關,因為消化引起的能量消耗占日總耗能的比例近30%,同時攝食過程中伴隨的其他生理(如激素水平的上調)及行為的變化也可能導致額外的能量消耗的增加。因此,集群時較為活躍和攝食較多的個體具有更高的日總耗能。相比之下,維持代謝只占日總耗能的22%,對其貢獻較少,與其沒有顯著關聯。有研究發現花栗鼠(Tamias striatus)的標準代謝與日總耗能的關聯僅在繁殖期存在,可能就與繁殖期花栗鼠標準代謝在日總耗能的占比大幅提高有關[38]。

群體凝聚力指標中距群體質心距離可以較好地反映特定個體對群體靠近或遠離的趨勢,因此一直備受關注[15,20,35]。本研究發現寬鰭鱲的距質心距離與日總耗能呈正相關,表明越靠近群體的邊緣,日總耗能越高。在本研究中,與活躍性相關的運動速度、運動時間比均與距質心距離呈正相關(結果未展示),提示在群體中較為活躍的實驗魚可能更偏好群體的邊緣,且日?？偰芰肯母?。魚類的個性特征會顯著影響其在群體中的空間位置,例如更為勇敢或處于領導地位的個體通常具有較弱的集群傾向,更加遠離群體質心[39]。近期關于寬鰭鱲個性與集群運動參數關聯的研究發現個性較為積極的個體在群體中極性更強(與群體運動的方向一致性更好),但個性與群體凝聚力的關聯并未發現[35]。

綜上所述,寬鰭鱲的個性特征與食物占有能力和能量代謝均無關聯;集群時較為活躍的成員往往處于魚群的邊緣,且食物占有能力更高,但日常能量消耗也越多。其內在機制值得進一步深入探討。針對集群性魚類,在群體中考察其個性和能量代謝特征及其生態收益和代價更具生態學意義。