生理和行为的可塑性提高了干旱地区河流鱼类对慢性缺氧和气候变暖的适应能力

《Science of The Total Environment》：Physiological and behavioural plasticity improves resilience to chronic hypoxia and warming in a dryland river fish

本研究探讨幼年金鱼在慢性缺氧和高温下的生理及行为适应能力，发现经中度缺氧预适应的个体能显著提升缺氧和热胁迫耐受性，其生理机制包括心脏可塑性和血液携氧能力增强，行为上则表现为对低氧环境的适应性调整，为干旱区河流生态管理提供依据。

　　在当前全球气候变化日益加剧的背景下，淡水生态系统正面临着前所未有的挑战。这些挑战不仅包括水温的升高，还伴随着氧气含量的下降，尤其是慢性环境缺氧和高温现象的频繁发生。这种双重压力对许多淡水生物，尤其是鱼类，构成了严重威胁。特别是在干旱地区，河流系统由于蒸发量远高于降水量，常常经历季节性的断流和干涸，形成一系列孤立的水洼（waterholes），成为淡水生物在干旱期间赖以生存的避难所。然而，随着干旱周期的延长和强度的增加，这些避难所的生态功能正受到更大的考验。

在这些水洼中，水质的恶化进一步加剧了鱼类面临的生存压力。高水温、热分层和富营养化等现象导致了长期的高水温和广泛的缺氧，这些条件可能持续数天甚至数年。缺氧和高温的叠加效应不仅降低了鱼类的氧气摄取能力，还增加了其代谢需求，从而限制了它们的活动能力和生存机会。这种压力可能引发大规模鱼类死亡事件，对干旱地区河流系统的鱼类种群构成严重威胁。

为了应对这些挑战，鱼类通常会通过行为和生理的适应性变化来调节自身状态。行为适应可能包括减少在缺氧或高温环境中的暴露时间，或者降低活动水平以减少氧气消耗。生理适应则可能涉及增加氧气摄取和运输能力，如扩大鳃表面积、提高血红蛋白浓度等。然而，这些适应性策略在长期中可能并不可持续，甚至可能带来副作用，如氧化应激、血液凝固异常和鳃结构畸形，这些都会影响鱼类的正常生理功能，甚至导致窒息。

因此，研究鱼类在长期缺氧环境下的适应能力，以及这种适应能力是否能同时增强其对高温的耐受性，对于理解干旱地区河流生态系统的动态变化具有重要意义。这种跨耐受性（cross tolerance）的机制可能为鱼类在面对多重环境压力时提供额外的生存优势，尤其是在氧气和温度都处于不利条件的情况下。

本研究聚焦于澳大利亚特有的金色 perch（Macquaria ambigua）这一物种，探讨其在长期暴露于中度缺氧和高温环境下的适应能力。金色 perch 是一种体型较大、寿命较长的淡水鱼类，其分布范围涵盖了从完全供氧的水域到长期缺氧水域的多种环境。近年来，由于缺氧导致的大规模死亡事件，该物种的种群数量出现了明显下降，这凸显了其在干旱地区河流生态系统中的脆弱性。

本研究的实验设计旨在评估金色 perch 在长期暴露于中度缺氧和高温条件下的生理和行为适应能力。实验过程中，幼年金色 perch 被置于两种不同的环境中：一种是正常氧气浓度（100%空气饱和度）和高温（30°C），另一种是中度缺氧（50%空气饱和度）和同样高温的环境。经过六周的适应期后，研究人员对这些鱼类的代谢能力、血氧运输能力、对缺氧和高温的耐受性，以及在面对捕食者时的行为反应进行了系统评估。

研究结果表明，长期暴露于中度缺氧环境的金色 perch 能够显著提高其对缺氧和高温的耐受能力。这种适应性变化主要体现在生理层面，如心脏的结构和功能调整，以及血红蛋白浓度的增加。通过这些调整，鱼类能够更有效地维持其在缺氧条件下的有氧代谢能力，从而支持其生存和活动需求。此外，实验还发现，适应缺氧环境的金色 perch 对于正常氧气环境的偏好有所降低，这表明它们在长期适应过程中可能已经形成了对缺氧环境的生理和行为偏好。

然而，值得注意的是，适应缺氧环境的金色 perch 并未表现出对捕食者的回避行为变化。这意味着在面对捕食威胁时，它们的反应并未因长期适应缺氧而发生显著改变。这一发现可能与捕食风险在缺氧环境中的相对较高有关，因为在缺氧条件下，鱼类的活动能力受限，因此捕食者的威胁可能更加直接和致命。

此外，研究还发现，长期暴露于缺氧环境的金色 perch 在面对高温时表现出更强的耐受性。这表明，缺氧适应可能为鱼类提供了一种“预适应”（pre-adaptation）机制，使其在应对其他环境压力时更具优势。这种跨耐受性的现象在生态学和生理学研究中具有重要意义，因为它揭示了鱼类在复杂环境压力下的适应策略。

在干旱地区的河流生态系统中，水体的管理和保护尤为重要。由于气候变化的影响，这些河流的水流量正在减少，同时水质也在恶化。因此，水资源管理者需要在满足人类用水需求的同时，确保生态系统的健康和稳定。本研究的结果为水资源管理提供了新的视角，即通过理解鱼类的适应能力，可以更有效地制定保护策略，以维持这些生态系统中的生物多样性。

澳大利亚的墨累-达令盆地（Murray-Darling Basin）是世界上最大的淡水流域之一，支持着超过50种本土鱼类。然而，该流域的北部地区由于气候干旱和水资源的过度开发，许多河流在干旱期间会干涸，形成孤立的水洼。这些水洼不仅面临着水质恶化的威胁，还受到水体流动的严格限制，超过10,000个已知的障碍物阻碍了鱼类的迁移。这种复杂的环境压力使得鱼类的生存变得更加困难，而它们的适应能力则成为决定种群存续的关键因素。

为了更全面地了解鱼类的适应能力，本研究不仅关注了其生理层面的调整，还探讨了行为层面的变化。行为适应是鱼类在面对环境压力时的一种重要策略，例如通过选择更适宜的栖息地或改变活动模式来减少能量消耗。然而，目前关于鱼类如何在缺氧和捕食风险之间做出权衡的研究仍较为有限。因此，本研究通过行为选择实验，评估了鱼类在不同环境条件下的反应模式，以期揭示其在多重压力下的适应机制。

研究发现，适应缺氧环境的金色 perch 在面对捕食者时的行为反应并未发生显著变化，这可能意味着在缺氧条件下，鱼类的生存策略更多依赖于生理适应而非行为调整。这种现象可能与鱼类在缺氧环境中的活动能力受限有关，因为在这种情况下，逃避捕食者的可能性较低，而维持基本生理功能则更为重要。

本研究的发现对于干旱地区的河流生态系统管理具有重要的指导意义。首先，它表明鱼类在长期暴露于缺氧和高温环境时，能够通过生理和行为的适应性变化来提高其生存能力。这种适应能力不仅有助于鱼类在当前的环境压力下存活，还可能为未来的环境变化提供一定的缓冲。其次，研究结果强调了跨耐受性在生态适应中的作用，即鱼类在适应一种环境压力时，可能同时增强其对其他压力的耐受能力。这一发现为理解鱼类在复杂环境中的生存策略提供了新的视角。

此外，本研究还揭示了鱼类在面对多重环境压力时的决策机制。在缺氧环境中，鱼类可能会优先选择那些能够维持其基本生理功能的区域，而忽视那些可能带来更高捕食风险的区域。这种行为选择可能受到多种因素的影响，包括鱼类的感知能力、环境条件的变化以及捕食者的活动模式。因此，未来的研究需要进一步探讨鱼类在不同环境压力下的感知和决策机制，以更全面地理解其适应策略。

总的来说，本研究通过实验和观察，揭示了金色 perch 在长期暴露于中度缺氧和高温环境下的适应能力。这些适应性变化不仅提高了其对缺氧和高温的耐受性，还可能为鱼类在未来的环境变化中提供一定的生存优势。研究结果对于干旱地区的河流生态系统管理具有重要的应用价值，可以帮助管理者更好地理解鱼类的生存需求，并制定相应的保护措施。同时，本研究也为更广泛地探讨鱼类在多重环境压力下的适应机制提供了基础，有助于推动生态学和生理学领域的进一步研究。