周龍艷，付世建，付 成，凌 鴻，李秀明

(重慶師范大學(xué)進(jìn)化生理與行為學(xué)實(shí)驗(yàn)室，重慶市動(dòng)物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶401331)

游泳運(yùn)動(dòng)是魚類逃逸、捕食和繁殖等行為實(shí)現(xiàn)的主要方式，為魚類的生存、生長和繁衍提供基本保證[1]。魚類游泳行為復(fù)雜多變，且存在顯著的種間和種內(nèi)分化。因此，需要選擇合適的指標(biāo)對(duì)魚類的游泳能力進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。一直以來，臨界游泳速度(critical swimming speed,Ucrit)和最大勻加速游泳速度(constant acceleration test speed,Ucat)被研究者廣泛應(yīng)用于魚類游泳能力的評(píng)價(jià)[2]。Ucrit作為魚類有氧運(yùn)動(dòng)能力的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[3]，主要受到最大有氧代謝能力(maximum metabolic rate, MMR)的限制。而Ucat作為魚類無氧運(yùn)動(dòng)能力的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[3]。二者對(duì)于魚類在自然環(huán)境條件下逃避捕食、穿越激流以及尋找適宜生境等活動(dòng)密切相關(guān)，具有重要的生態(tài)學(xué)意義。另外，最近的研究發(fā)現(xiàn)盡管運(yùn)動(dòng)時(shí)間短(不足1 s)且移動(dòng)距離有限，快速啟動(dòng)逃匿過程(fast-start response)的運(yùn)動(dòng)性能對(duì)魚類有效捕獲獵物和逃避敵害至關(guān)重要[4]。因此，該過程的最大速度、最大加速度、旋轉(zhuǎn)角度以及旋轉(zhuǎn)率(后二者為靈活性的指標(biāo))可能與魚類的生存適合度緊密關(guān)聯(lián)[5]。

魚鰭是魚類游泳的重要器官之一，主要包括胸鰭、腹鰭、臀鰭、背鰭以及尾鰭。不同魚鰭在魚類游泳過程中發(fā)揮著截然不同的作用。作為游泳運(yùn)動(dòng)的重要部位，尾鰭與魚類運(yùn)動(dòng)能力的關(guān)系一直受到研究者們的廣泛關(guān)注[6-7]。而背鰭對(duì)魚類游泳能力的影響卻鮮有涉及。胭脂魚(Myxocyprinusasiaticus)屬鯉形目(Cypriniformes)胭脂魚科或稱亞口魚科(Catostomidae)，該科魚類全世界約有 13 屬70 種，絕大多數(shù)種類分布于北美洲，但是胭脂魚在我國為特有種，分布于我國的長江和閩江流域[8]。因此，胭脂魚在魚類系統(tǒng)分類和動(dòng)物地理學(xué)研究上有著極為重要的科學(xué)價(jià)值。相關(guān)的調(diào)查報(bào)道指出，目前胭脂魚在閩江已近絕跡，長江種群的資源也日趨枯竭，目前已經(jīng)被列為國家二類水生野生保護(hù)動(dòng)物[9]。不同生長階段的胭脂魚體形差異明顯。幼魚階段體型奇特，體較高，呈三角形，背鰭寬展而高大，有“一帆風(fēng)順”的寓意[10-11]。本研究主要探討背鰭在胭脂魚幼魚游泳運(yùn)動(dòng)和反捕食過程中的作用，為其資源保護(hù)提供重要的參考資料。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)魚的來源與馴養(yǎng)

胭脂魚幼魚(Myxocyprinusasiaticus)于2017年11月購自重慶市北碚區(qū)，體質(zhì)量(2.30±0.12) g, 體長(4.59±0.09) cm，共124尾，在實(shí)驗(yàn)室自凈化循環(huán)控溫水槽中馴養(yǎng)21 d，曝氣24 h后的自來水作為實(shí)驗(yàn)用水。馴養(yǎng)期間每天10: 00采用商業(yè)顆粒飼料飽足投喂一次，30 min后用虹吸管排除殘餌與糞便；水槽日換水量約為水體(200 L)的10%，水溫控制在(25±1)℃，并用充氧泵供氧。馴養(yǎng)結(jié)束后，挑選身體健康、體重、體長接近的實(shí)驗(yàn)魚作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

捕食者烏鱧(Ophiocephalusargus)購于重慶市永川區(qū)漁場。購回的烏鱧放入(25±1)℃的水槽中馴養(yǎng)14 d，期間用曝氣24 h后的自來水馴養(yǎng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

剪鰭處理：將實(shí)驗(yàn)魚輕度麻醉(3-氨基苯甲酸乙酯甲基磺酸鹽, MS-222，50 mg/L)后用剪刀進(jìn)行剪背鰭處理(圖 1)。切除背鰭處理后的實(shí)驗(yàn)魚放回水體恢復(fù)2 d[5]。

游泳能力測定：選取實(shí)驗(yàn)魚60尾用于3種游泳能力的測定，每種游泳能力取20尾測定，其中對(duì)照組10尾背鰭缺失組10尾。

捕食死亡率：實(shí)驗(yàn)設(shè)4個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)選取實(shí)驗(yàn)魚16尾用于捕食死亡率的測定，其中8尾進(jìn)行背鰭切除，另外8尾作為對(duì)照組。

1.2.2Ucrit的測定

采用實(shí)驗(yàn)室自行研制的游泳代謝測定儀測定Ucrit[12]。具體操作為首先將單尾實(shí)驗(yàn)魚放入測定儀中適應(yīng)2 h，適應(yīng)過程的水流速度為4. 0 cm/s(約1 倍體長/秒，Body Length，1 BL/s)；隨后以4 cm/s的速度增量提高水流速度至 8、12、16和20 cm/s等，各水流速度下的持續(xù)游泳歷時(shí)均為20 min[1]。重復(fù)上述操作直至實(shí)驗(yàn)魚表現(xiàn)出力竭狀態(tài)即停止實(shí)驗(yàn)。力竭的判斷標(biāo)準(zhǔn)為實(shí)驗(yàn)魚被水流沖至游泳管尾端篩板，且身體呈卷曲狀態(tài)的時(shí)間不低于20 s[13]。計(jì)算公式為：

Ucrit=[V+(t/ΔT)ΔV]

(1)

式中：V為順利完成設(shè)定時(shí)間的最大游泳速度(力竭前一檔速度)；t為未能完成當(dāng)前速度梯度下設(shè)定時(shí)間的實(shí)際持續(xù)游泳時(shí)間(t<20 min)；ΔT為各速度梯度下的持續(xù)時(shí)間(即20 min)；ΔV為各速度梯度的速度增量(即 4 cm/s)。

運(yùn)動(dòng)代謝率在測定Ucrit的過程中進(jìn)行測定。具體操作為每2 min測定 1 次游泳代謝儀封閉水體的溶氧值，以溶氧值隨時(shí)間變化斜率的絕對(duì)值和水體的體積計(jì)算每尾實(shí)驗(yàn)魚的運(yùn)動(dòng)過程的耗氧率(MO2)

作為代謝率的指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將實(shí)驗(yàn)魚取出，對(duì)游泳代謝儀重新密閉并進(jìn)行 20 min 的耗氧率測定，用以消除細(xì)菌耗氧對(duì)實(shí)驗(yàn)魚MO2的影響[13],計(jì)算公式為：

MO2=(St-S0)×3.45× 60/(W× 1 000)

(2)

式中MO2(mgO2/(kg·h))代表耗氧率，St為每檔期間(20 min)溶氧值隨時(shí)間變化的斜率，S0為細(xì)菌耗氧的溶氧值變化斜率，3.45 為游泳代謝儀體積(L), 60 為 60 min。W表示實(shí)驗(yàn)魚的體重(g)。

1.2.3Ucat的測定

Ucat測定的設(shè)備與Ucrit基本相同，主要改進(jìn)之處為調(diào)節(jié)流速的方式改變?yōu)橥ㄟ^智能化調(diào)節(jié)輸出電源的頻率而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。具體操作如下：將實(shí)驗(yàn)魚轉(zhuǎn)入游泳代謝測定儀中馴化適應(yīng)2 h，流速為4 cm/s。馴化結(jié)束之后，將測定儀中的水流速度以恒定的加速度(10 cm/s2)持續(xù)均勻增加水流速度，實(shí)驗(yàn)魚力竭時(shí)的水流速度即為Ucat [14]。

1.2.4 快速啟動(dòng)游泳能力的測定

實(shí)驗(yàn)前將直徑 1 mm 的白色圓形紙片固定于實(shí)驗(yàn)魚背部中央皮膚表層，作為實(shí)驗(yàn)魚的質(zhì)心標(biāo)記點(diǎn)[15]，以便進(jìn)行圖像分析和參數(shù)計(jì)算。拍攝整個(gè)快速啟動(dòng)過程并計(jì)算快速啟動(dòng)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用圖像處理軟件(ACD see v 8. 0)對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行處理并采用軟件(tpsdig2)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。通過計(jì)算，分別求得實(shí)驗(yàn)魚質(zhì)心的最大線加速度(Amax)、速度(Vmax)以及旋轉(zhuǎn)率和旋轉(zhuǎn)角度，參數(shù)計(jì)算詳見相關(guān)參考文獻(xiàn)[4，16]。

1.2.5 捕食死亡率的測定

將對(duì)照組和背鰭缺失組各8尾實(shí)驗(yàn)魚一同轉(zhuǎn)移至提前放置有2尾捕食者的捕食測定水槽中(長1.5 m×寬0.8 m×高0.5 m)。在實(shí)驗(yàn)過程中，每3 h觀察一次捕食情況，當(dāng)一半的胭脂魚(即8尾)被捕食時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)。設(shè)置4個(gè)重復(fù)。捕食死亡率的計(jì)算為被捕食的對(duì)照組或背鰭缺失組個(gè)體占總被捕食個(gè)體的百分比[17]。

1.2 統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 17進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)值均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(Mean±SE)表示，顯著水平為P<0.05。對(duì)照組和背鰭缺失組之間各參數(shù)的差異使用t檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。背鰭缺失和游泳速度對(duì)運(yùn)動(dòng)代謝率(MO2)的影響采用重復(fù)度量的雙因素方差分析。

2 結(jié)果

2.1 背鰭缺失對(duì)胭脂魚幼魚Ucrit及其代謝率、Ucat和快速啟動(dòng)能力相關(guān)參數(shù)的影響

對(duì)照組與背鰭缺失組的Ucrit及各代謝參數(shù)均無顯著性差異(表 1)。隨著水流速度的增加，對(duì)照組和背鰭缺失組的MO2均顯著上升，但對(duì)照組和背鰭缺失組在同一游泳速度下的MO2均無顯著差異(圖2)，暗示其組間游泳效率無顯著差異。對(duì)照組與背鰭缺失組胭脂魚幼魚的Ucat沒有顯著性差異，分別為(53.12±3.02)和(52.92±1.52) cm/s(表 1)。對(duì)照組和背鰭缺失組的Vmax分別為(1.12±0.08)，(1.11±0.05) mm/ms；Amax分別為(0.22±0.02)，(0.19±0.01) mm/ms2；旋轉(zhuǎn)角度分別為(54.91±3.3)(°)，(59.66±7.33)(°)；旋轉(zhuǎn)率分別為(1 390.10±171.03，(1 762.51±266.83)(°)/s。對(duì)照組與背鰭缺失組快速啟動(dòng)各個(gè)參數(shù)均無顯著差異(表 1)。

圖2 背鰭缺失對(duì)胭脂魚幼魚游泳過程中耗氧率的影響

2.2 背鰭缺失對(duì)胭脂魚幼魚在捕食者存在條件下存活率的影響

從圖3可以看出，對(duì)照組胭脂魚幼魚在捕食者存在條件下的存活率為62.5%，而背鰭缺失組胭脂魚幼魚在捕食者存在條件下的存活率為40.6%。背鰭缺失對(duì)胭脂魚幼魚在捕食者存在條件下存活率具有顯著影響，背鰭缺失組胭脂魚幼魚的存活率顯著低于對(duì)照組(P<0.05)。

圖3 背鰭缺失對(duì)胭脂魚幼魚反捕食能力的影響

3 討論

魚鰭在魚類游泳過程中起著重要的作用，不同類型、大小和形態(tài)的魚鰭在魚類運(yùn)動(dòng)過程中的作用不盡相同[18]。尾鰭作為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的重要器官, 在游泳過程中具有推進(jìn)及導(dǎo)向作用，因此大部分研究主要關(guān)注魚類尾鰭與運(yùn)動(dòng)能力的關(guān)系[5-7]。尾鰭的缺失導(dǎo)致鳊(Parabramispekinensis)、金魚(Carassiusauratus)、中華倒刺鲃(Spinibarbussinensis)和鯉(Cyprinuscarpio)幼魚的Ucrit分別下降40%、35%、49% 和 32%[7，19-20]。由于胭脂魚幼魚具有特殊的背鰭形態(tài)，可能對(duì)其游泳能力產(chǎn)生一定的影響。不過，相關(guān)研究還未見報(bào)道。本研究通過比較對(duì)照組和背鰭缺失組胭脂魚幼魚之間Ucrit發(fā)現(xiàn)，背鰭缺失對(duì)胭脂魚幼魚持續(xù)游泳速度沒有顯著的影響(表 1)。這與唐魚(Tanichthysalbonubes)切除背鰭后的研究結(jié)果相似[20]。此外，由于魚類的游泳能力與其能量代謝能力密切相關(guān)，一些研究者也對(duì)鰭缺失后魚體耗氧率進(jìn)行了研究[6，19]。不過，以往的研究發(fā)現(xiàn)尾鰭缺失并沒有對(duì)紅大馬哈魚(Oncorhnchusnerka)和鳊的MMR產(chǎn)生顯著影響[6，19]。本研究發(fā)現(xiàn)，背鰭缺失處理后胭脂魚幼魚的RMR、MMR和MS等代謝參數(shù)也都沒有產(chǎn)生顯著性變化(表 1)。由此表明，背鰭的缺失并沒有對(duì)胭脂魚幼魚游泳代謝能力產(chǎn)生影響(圖 1)，這可能是其游泳能力沒有產(chǎn)生顯著變化的原因之一?？傮w而言，魚類背鰭在游泳過程的作用遠(yuǎn)小于尾鰭，胭脂魚進(jìn)化過程中形成的獨(dú)特的背鰭形態(tài)及其生態(tài)學(xué)作用值得進(jìn)一步研究。

魚類生存能力與其游泳能力密切相關(guān)，特別是魚類非穩(wěn)定游泳能力(通常用Ucat和快速啟動(dòng)過程中的Vmax、Amax、旋轉(zhuǎn)角度以及旋轉(zhuǎn)率等指標(biāo)表示)在魚類捕食和避敵過程中發(fā)揮著重要的作用[3-5]。研究發(fā)現(xiàn)，尾鰭缺失導(dǎo)致鯽(Carassiusauratus)和寬鰭鱲(Zaccoplatypus)快速啟動(dòng)能力都顯著下降，最大線速度和旋轉(zhuǎn)半徑分別下降39% 和62%[5]。本研究發(fā)現(xiàn)，盡管背鰭缺失對(duì)胭脂魚幼魚非穩(wěn)定游泳能力指標(biāo)(Ucat、Vmax、Amax、旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)率)沒有顯著影響(表 1)，卻導(dǎo)致其捕食者存在條件下的存活率顯著下降 35%(圖 2)。由此表明，背鰭可能對(duì)胭脂魚幼魚的反捕食能力具有重要的作用，但其作用并非通過影響其非穩(wěn)定游泳能力的方式表現(xiàn)出來，具體機(jī)制值得進(jìn)一步研究。先前的研究表明捕食者的口裂大小與獵物的大小密切相關(guān)，口裂大小是影響魚類捕食獵物的一個(gè)重要因素[21-23]。因此，胭脂魚幼魚高高的背鰭可能是其形態(tài)上針對(duì)捕食者口裂限制的反捕食策略之一。