游泳加速模式对南方鲇和团头鲂运动后代谢恢复的影响

朱峰磊，张敬敬，龙 静，闫玉莲，谢小军

(西南大学生命科学学院，淡水鱼类资源与生殖发育教育部重点实验室，重庆，400715)

运动后的过量耗氧(excess post-exercise oxygen consumption，EPOC)是指动物在代谢恢复期内所产生的超过静止状态耗氧水平的额外耗氧量，是研究鱼类代谢恢复的重要生理学指标[1,2]。研究表明，鱼体运动力竭后的EPOC总量与其无氧代谢能力密切相关[1,3]；EPOC耗氧峰值可以反映某些鱼类的最大有氧代谢能力[2,4]；而EPOC的恢复历时则很大程度上影响鱼类重复游泳的能力[5]，这些能力均与其捕食和避敌等生命活动密切相关。因此，有关EPOC及相关参数的研究一直受到广泛的关注[6-8]。

已有研究发现，鱼体游泳速度的高低决定其运动过程中有氧代谢和无氧代谢的供能配置，从而影响EPOC的参数值[9]。临界游泳速度(critical swimming speed，Ucrit)和爆发游泳速度(burst swimming speed，Uburst)是鱼类游泳行为中具有不同生态适应意义的两个上限速度值，Ucrit用以评估鱼体主要以有氧代谢供能的持续游泳(sustained swimming)能力；Uburst用以评估鱼体主要以无氧代谢供能，对抗急流、追捕或逃逸时的爆发游泳(burst swimming)能力[9-11]。鱼体进行Uburst运动时会产生明显的EPOC现象；此外，鱼类在进行Ucrit运动时也会存在一定程度的无氧代谢供能现象[12,13]。EPOC的各项参数应当受到运动过程的无氧代谢水平和游泳持续时间两方面因素的影响。在Ucrit运动过程中，鱼体的无氧代谢水平较低，但到达力竭前的持续游泳的时间较长；在Uburst运动过程中，鱼体的无氧代谢强度高，但持续游泳的时间短。由此看来，两方面因素对EPOC各参数的效应并非简单的叠加，还存在游泳运动类型影响的交互作用。在Ucrit和Uburst的实验室测定中，采用不同的游泳加速模式，即在各速度梯度水平上的持续时间(Δt)和速度增量(Δv)的不同会对游泳性能测定结果产生影响[14-16]，因此游泳加速模式也应当是影响实验鱼EPOC的重要因素。虽然已有研究对鱼类在这两种不同类型的运动过程中产生的EPOC进行了探讨，但由于不同的研究所采用的游泳加速条件和研究对象等方面存在差异，有关不同运动类型对鱼体有氧代谢与无氧代谢配置的影响至今并未得到一致性的结论[14-18]。有研究者提出，运动类型对两种代谢供能配置的影响与鱼类的生态习性相关，应当具有物种特异性[9]。但目前却鲜有研究者对不同生态习性鱼类在不同加速模式下的代谢恢复及EPOC进行比较研究。

南方鲇(Silurusmeridionalis)和团头鲂(Megalobramaamblycephala)均是广泛分布在长江等水系的经济鱼类，两者在生活习性上存在较大的差异，南方鲇是伏击取食的肉食性鱼类[4,19]；而团头鲂是一种活跃寻食的草食性鱼类[20]。本实验室的前期研究已发现，游泳加速模式对这两种鱼的Ucrit和Uburst及相关运动代谢的效应不同。因此，本研究以南方鲇和团头鲂为研究对象，观测游泳加速模式对它们代谢恢复的影响，比较爆发游泳和持续游泳过程中(Uburst和Ucrit)所产生EPOC的特征参数，探讨游泳过程中有氧代谢与无氧代谢供能的配置机制，为进一步研究鱼类的游泳性能及运动代谢的生态适应机制提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 实验鱼的来源与驯化

南方鲇幼鱼购自四川省内江水产养殖场，团头鲂幼鱼购买于重庆市合川水产学校实习渔场，均为当年人工孵化培育的同批次鱼苗。购回后在实验养殖系统内于自然水温与光周期下进行驯化养殖。在实验开始前2周，挑选体重相近，体表无损伤的两种实验驯养鱼移到室内水循环养殖系统内，在实验控制条件下再驯养。在此期间，水温控制为(25±0.5)℃；光周期12L ∶12D，瞬时开关；南方鲇以鲜草鱼(Ctenopharyngodonidellus)肌肉切成碎块作为饵料，每天投喂量约为体重的2%，团头鲂以商业饲料每天饱食投喂1次。测定前南方鲇禁食2 d[14]，团头鲂禁食1 d[7,21]，使测试时实验鱼处于空腹状态，以消除特殊动力作用对测定结果造成的影响。实验开始前1 d对鱼的体重体长进行测量，然后转移至鱼类游泳呼吸测量仪(Loligo Systems SY10700，Denmark；5 L)中进行12 h恢复[22]，以消除称量以及转移过程中对鱼类造成的胁迫影响，测定温度均为(25±0.5)℃。

1.2 日常代谢率的测定

采用鱼类游泳呼吸测量仪对日常代谢率(routine metabolic rate，RMR)进行测定。游泳呼吸室内水的初始流速设为3 cm/s，观察表明，在此流速下，既能保证游泳呼吸室内水中的溶氧混合均匀又不会迫使鱼被动游泳。RMR持续测定时间为4 h，测定过程中采用分周期连续测量的方法，每个测定周期设为10 min，将后2.5 h测定的15个值的平均值作为RMR。当呼吸室内溶氧低于80%饱和溶氧时进行3 min的换水和2 min的等待以使呼吸室中水的溶氧浓度达到稳定均匀状态[23,24]。每尾实验鱼耗氧率(MO2：mgO2/(kg·h))由以下公式进行计算：

MO2=([O2]t0-[O2]t1)×L/T×BW

式中：[O2]t0为t0时的溶解氧含量(mg/L)，[O2]t1为t1时溶解氧含量(mg/L)；L为呼吸室中水的体积(L=呼吸室体积-实验动物体积)；T为呼吸耗氧测定周期时间(t1-t0，h)；BW为实验鱼质量(kg)。

1.3 最大游泳速度及运动代谢率的测定

参照Brett[25]和Reidy等[11]的实验方案，并通过预实验，将每种实验鱼各分为4个实验处理组，各采用不同的加速模式测定实验鱼的最大游泳速度(maximum swimming speed，Vmax)，以及游泳过程中各梯级速度相关的运动代谢率。其中，加速模式1的速度增量(Δv)为20 cm/s，加速持续时间(Δt)为2 min，为Uburst测定组；加速模式2、3、4采用的Δv均为10 cm/s，Δt则分别为20、40和60 min，为Ucrit测定组。

1.3.1Uburst运动的实验操作

以加速模式1测定1个实验组的Vmax及游泳过程的耗氧率。游泳呼吸室内水流的初始速度设为20 cm/s，每隔2 min增速20 cm/s，当鱼体不能对抗水流速度继续游泳，其尾部贴在尾筛板5 s以上则视为力竭[10]，运动实验阶段结束。

1.3.2Ucrit运动的实验操作

以加速模式2、3、4分别测定3个实验组的Vmax及游泳过程的耗氧率。3个实验组的初始速度均设置为10 cm/s，而各实验组分别在每20、40、60 min后速度增加10 cm/s；当鱼体不能对抗水流速度继续游泳，其尾部贴在尾筛板5 s以上则视该实验鱼达到力竭状态，运动实验阶段结束。

1.4 代谢恢复过程耗氧率的测定

Ucrit与Uburst实验中的实验鱼运动力竭后，马上将水流速度降至3 cm/s让实验鱼停止游泳，即开始进行代谢恢复阶段耗氧率的测定。恢复过程的前20 min内每2 min测定一次，然后每5 min测定1次，连续测量至该尾实验鱼的耗氧率连续3次下降到其RMR的110%以下则认为该尾鱼的代谢已恢复，该过程的时间称为EPOC恢复历时[8,9]；恢复期间的最大代谢率为EPOC峰值[2,4]；运动力竭后在恢复历时期间超出日常代谢水平的耗氧率在时间上的积分，即为EPOC总量[7,8]。采用以下公式计算实验鱼的EPOC总量：

EPOC总量=∑(MO2i×Δti)

式中：MO2i为代谢恢复过程各测量时段在日常代谢水平以上的耗氧率，Δti为代谢恢复过程各次测量的间隔时间。

每种实验鱼在各加速模式条件下的检测样本量均为10尾，共取得80尾实验鱼的观测资料。

1.5 实验环境条件控制

整个实验过程中，游泳呼吸仪的水温控制在(25±0.5)℃。为了避免外界不必要的刺激，用一块黑布将游泳呼吸仪遮光，只在呼吸室留一个窗口，用于观察实验鱼的状态，并使其仍然能够经历实验设定的光周期[26]。在每次实验开始前和结束后都对游泳呼吸室进行3次空白测定，每次测定时间为10 min，流速为3 cm/s，将这6次测定的平均值作为游泳仪水体耗氧的背景值，实验鱼耗氧率的测量值均减除背景耗氧率，从而消除水体中细菌以及其他因素的耗氧对实验测定结果的干扰。

1.6 数据统计与分析

采用Excel2010和SPSS24.0软件进行数据的整理及统计分析，数据用平均数±标准误(Mean±SE)表示，不同加速持续时间对所有参数的影响采用单因素方差分析(ANOVA)进行检验，以P<0.05作为数据均值差异达到显著性的标准。

2 结果

2.1 游泳加速模式对EPOC峰值的影响

运动力竭后两种实验鱼各处理组的耗氧率(MO2)均在较短时间内达到峰值，随后各处理组的MO2均随时间的延长而下降；两种实验鱼的代谢恢复曲线均呈快速恢复和缓慢恢复两个阶段，快速阶段历时均在20 min以内(图1)。在南方鲇中，随加速持续时间的增加(Δt为2、20、40和60 min)，其EPOC峰值由403.83 mgO2/(kg·h)下降至199.05 mgO2/(kg·h)；Uburst运动组(Δt=2 min)的EPOC的峰值显著高于其它3个Ucrit运动组，而Δt为20 min时又显著高于40和60 min组(表1)。团头鲂各处理组的EPOC峰值之间的变幅较小(674.74～800.60 mgO2/(kg·h))，各组之间的差异均不显著(表1)。

2.2 游泳加速模式对EPOC恢复历时的影响

随着加速持续时间的增加，南方鲇和团头鲂EPOC恢复历时均表现出了下降的趋势(表1)，其中南方鲇下降趋势更加明显，其Uburst测试组(Δt=2 min)的EPOC恢复历时显著高于各Ucrit组，而团头鲂各处理组的EPOC恢复历时差异不显著(表1)。南方鲇各处理组的EPOC恢复历时均分别低于团头鲂的对应组，其中加速持续时间为20、40和60 min处理组之间的差异均分别达到显著性。

表1 不同游泳加速模式对南方鲇和团头鲂游泳速度和EPOC的影响Tab.1 Effects of different acceleration modes on swimming speed and excess post-exercise oxygen consumption(EPOC)in S.meridionalis and M.amblycephala(n=10)

注：a，b，c表示不同加速持续时间组之间差异显著(P<0.05)。

2.3 游泳加速模式对EPOC总量的影响

南方鲇在Uburst(Δt=2 min)运动后得到的EPOC总量为85.05 mgO2/kg，显著高于Ucrit组；Ucrit运动的3个处理组(Δt分别为20、40和60 min)的EPOC总量分别为22.00、18.51和9.28 mgO2/kg，表现出随加速持续时间增加而下降的趋势，但这3者间的差异不显著(表1)。团头鲂在Uburst运动后的EPOC总量为187.19 mgO2/kg，在3种不同加速模式的Ucrit运动后，其EPOC总量分别为155.23、163.09和145.14 mgO2/kg；它的4个不同处理组的EPOC总量之间均不存在显著差异(表1)。

3 讨论

3.1 不同游泳加速模式条件下的代谢恢复曲线

鱼类代谢恢复是一个复杂的生理过程，包括能量代谢底物的恢复、代谢产物的清除及内环境(体液酸碱度、渗透压等)的重新平衡等[5]。南方鲇和团头鲂的EPOC均表现为两个阶段的恢复模式：MO2在力竭后大约20 min内急剧下降，为快速恢复阶段；然后MO2缓慢下降，直至恢复到运动前水平，为缓慢恢复阶段(图1)。但在快速恢复阶段，二者恢复曲线的变化趋势不同，南方鲇恢复曲线随着加速持续时间的增加而逐渐下移而彼此分离；团头鲂在不同加速持续时间条件下的恢复曲线则基本重合。这表明南方鲇运动后代谢恢复初期的快速阶段受游泳加速模式的影响比团头鲂更加显著；同时，游泳加速模式对南方鲇的游泳速度的影响也更加明显。由此我们推测，这可能是由于南方鲇比团头鲂游泳过程中要更加依赖于无氧代谢。我们的前期研究发现，在爆发游泳中，南方鲇耗氧率在速度较低时就达到了最大值，开始进入“平台期”，而团头鲂耗氧率则随着速度增加而持续增长到较高水平才出现拐点，表明南方鲇在较低速度下就开始启动无氧代谢，表现出了对无氧代谢的高依赖性。

3.2 不同游泳加速模式条件下的EPOC总量

南方鲇在爆发游泳后的EPOC总量显著高于持续游泳后的测定值，但团头鲂在不同游泳加速模式下的EPOC总量之间均不存在显著差异。有研究发现，与团头鲂体型、习性相似的鳊(Parabramispekinensis)在爆发游泳结束后其肌肉中乳酸含量与对照组均不存在显著差异[27]，表明鳊和团头鲂等持续游泳能力较强的鱼在爆发游泳过程中动用的无氧代谢的强度有限，不会产生显著高于持续游泳的EPOC总量。因此，本研究结果表明，Reidy等[11]关于鱼类爆发游泳产生的EPOC总量高于持续游泳的理论没有普适性，运动中有氧代谢与无氧代谢的配置应当具有物种特异性。

南方鲇在爆发游泳过程中的EPOC总量比其它3种持续游泳的EPOC总量分别高286.6%、359.5%和816.5%，而团头鲂在爆发游泳中产生的EPOC总量比其它3个模式下的增幅则分别为20.6%、14.8%和29.0%。此外，两种鱼的Uburst虽然均显著高于各自在其它3种加速条件下的Ucrit，但团头鲂的Uburst(118.07 cm/s)比其最大Ucrit(102.81 cm/s)只增长了14.8%，而南方鲇的该增幅却达到了50.4%；这表明在爆发游泳中南方鲇比团头鲂有更大的动员无氧代谢的能力，支撑其在爆发运动时游泳速度的大幅度提升。南方鲇为凶猛的肉食性鱼类，捕食方式为伏击取食，大多数时间处在静息藏匿状态[4,19]，因此在运动中更加依赖于高水平无氧代谢支撑的爆发性运动，以利于大幅度提升游泳速度捕食猎物；而团头鲂是一种觅食活动较为频繁的草食性鱼类[20]，无氧代谢的能力较弱，在爆发运动时因此也只能小幅度地提升其游速，但团头鲂在不同游泳模式下均有较高的游速且产生的EPOC总量相近，表明它有较高的有氧代谢能力，可以较长时间保持较高的游速，这与其为草食性鱼类，需要长时间巡游寻食的生态习性相适应。南方鲇和团头鲂在游泳性能及相关运动代谢机制的差异反映了物种适应其生态习性的权衡(Trade-off)效应。

3.3 不同游泳加速模式条件下的EPOC恢复历时

EPOC恢复历时能够反映鱼类进行重复游泳运动的能力，恢复历时的长短与能量代谢底物的恢复和代谢产物的清除等生理过程的速率相关[5]。一些研究发现，加速持续时间越长，游泳路程越长，底物消耗越多[27]，可能致使EPOC恢复历时延长；但也有研究发现，随着加速度持续时间增加，无氧代谢产物的累积速率相对就越低，EPOC恢复历时应当更短一些[28]。本研究中，随加速持续时间的增加两种实验鱼游泳总时间均增加，而EPOC恢复历时却呈下降趋势。实验鱼游泳总时间和游泳路程的增加，并没有引起EPOC恢复历时的延长。因此，对无氧代谢产物的清除速率应当是影响南方鲇和团头鲂EPOC恢复历时的主要原因。

本研究还发现，在相同的加速模式条件下，南方鲇的EPOC恢复历时均短于团头鲂。已有研究发现，圆鳍(Cyclopteruslumpus)和一些定居性鲟科鱼类在运动力竭后，其恢复历时明显低于持续游泳能力较强的条纹鲈(Moronesaxatilis)和鲑科鱼类[3,29-31]。圆鳍和定居性鲟均是不善持续游泳的的底栖鱼类[31]，运动习性与南方鲇相似，它们在爆发运动中动用无氧代谢的能力强而游泳加速快，运动后偿还氧债的速率也相对较快，具有较短的EPOC恢复历时，能在短时间休息后进行再次重复爆发运动。本实验观察到的现象支持前人提出的理论观点：一种运动能力的提高会导致另一种运动能力的降低，这是物种在进化中的适应性选择[11,32]。这也反映了鱼类的游泳性能及相关的有氧代谢和无氧代谢机制的权衡效应。