模拟海洋酸化对三刺鱼（Gasterosteus aculeatus）行为活动、逃逸反应及肌肉生理的影响机制研究

本研究通过模拟当前（700 μatm，pH 7.9）、上升流事件（1400 μatm，pH 7.6）及未来预测（3500 μatm，pH 7.3）三种pCO2水平，系统揭示海洋酸化对三刺鱼基线活动、逃逸行为及肌肉代谢酶活性（如LDH与CS）的阶段性影响，提出其行为变化可能源于高CO2对神经功能的干扰而非能量代谢改变，为理解未来海洋酸化背景下沿岸鱼类捕食-被捕食关系提供关键实验依据。

　　

引言

沿岸海域因海洋环流与地理特征呈现二氧化碳分压（pCO₂）的显著波动，例如北美太平洋西北部海域pCO₂通常在400至1300 μatm间变化。据预测，至2100年，在大气CO₂浓度升高至1135 ppm的背景下，海洋吸收大量CO₂将引发酸化问题。尽管早期观点认为沿岸生物因日常pCO₂波动较大而对酸化具较强耐受性，近年研究却表明许多水生生物可能已接近其生理耐受极限。行为学方面，高pCO₂对鱼类基线活动与逃逸反应的影响备受关注，因其直接关联生存与繁殖成功。然而，相关机制尚存争议，可能涉及代谢抑制、神经功能异常或嗅觉受损等多重路径。本研究以海洋三刺鱼（Gasterosteus aculeatus）为模型，探究不同酸化情景对其行为与生理的潜在影响。

材料与方法

实验于2022年6月在加拿大不列颠哥伦比亚省Bamfield inlet海域捕获野生三刺鱼，平均体长61±3 mm，体重1.9±0.3 g。鱼类饲养于自然光周期下的114 L水族箱，每组50尾。设置三组pCO₂处理：700 μatm（pH 7.9，当前水平）、1400 μatm（pH 7.6，上升流事件水平）及3500 μatm（pH 7.3，未来预测水平），暴露时长2周。通过pH控制系统与CO₂混合实现目标浓度，每日监测水温、盐度、pH与pCO₂。水质参数经CO2SYS软件计算验证，总碱度（TA）与pCO₂数据见表1。

行为学测试包括基线活动与逃逸反应。基线活动在透明水槽中录制5分钟视频，通过LoliTrack 5软件分析移动距离、平均速度及个体间距离。逃逸反应通过机械-声刺激诱发，使用高速摄像机记录反应过程，分析总移动距离、平均速度与最大速度。代谢率采用间歇式呼吸测量法，测定常规代谢率（RMR）、最大代谢率（MMR）及代谢范围（MMR与RMR之差）。肌肉样本用于酶活性分析（乳酸脱氢酶LDH与柠檬酸合酶CS）及组织学检测（琥珀酸脱氢酶SDH染色与肌纤维尺寸测量）。数据通过线性混合模型与二因素ANOVA进行统计分析。

结果

基线活动

pCO₂水平与暴露时间均显著影响三刺鱼的移动距离、平均速度及个体间距离。暴露于1400 μatm的鱼类在两周采样点均显示比对照组更高的移动距离（56686±3360像素 vs 41765±3370像素）与平均速度（189±11.2像素/秒 vs 139±11.2像素/秒）。个体间距离在1400 μatm组第一周暴露后较对照组增加（610±16.5像素 vs 542±16.5像素），但第二周无显著差异。3500 μatm组与对照组无统计学差异。

逃逸反应

逃逸反应响应率在各组间无显著差异，但1400 μatm组在第一周暴露后显示较低的平均速度（6.87±0.111像素/秒）与最大速度（8.31±0.244像素/秒），而3500 μatm组反应居中。至第二周，各组间逃逸速度无差异。

代谢率

RMR、MMR及代谢范围在各处理组与时间点间均无显著差异。

肌肉酶活性与组织学

LDH活性在3500 μatm组第一周暴露后显著高于对照组（35.1±4.64 μmol^?1·mg蛋白^?1·min^?1 vs 15.6±4.38 μmol^?1·mg蛋白^?1·min^?1），第二周无差异。CS活性及LDH/CS比值无组间差异。SDH染色强度、红肌与白肌纤维尺寸亦未受pCO₂或时间影响。

体长与体重

实验期间各组鱼体体长与体重无显著变化。

讨论

本研究显示，高CO₂对海洋三刺鱼行为产生持续但阶段性的影响：1400 μatm pCO₂升高基线活动并降低逃逸反应，而3500 μatm下这些效应被潜在代谢补偿所掩盖。行为变化未伴随代谢率或肌肉组织学改变，提示其可能源于高CO₂对神经功能的干扰，如GABA受体功能异常导致的神经元兴奋性增高。三刺鱼作为常见于波动pCO₂环境的沿岸物种，对1400 μatm可能通过呼吸可塑性实现代谢补偿，而3500 μatm可能诱发无氧代谢增强（如LDH活性升高）。这一结果与既往研究中酸化对鱼类行为影响的异质性一致，反映物种特异性、暴露条件与生境历史的交互作用。

本研究强调，尽管沿岸鱼类对酸化具一定耐受潜力，当前上升流事件中的pCO₂水平仍可能通过行为机制影响其捕食-被捕食动态，进而威胁种群存续。未来需结合神经生理与分子层面深入解析酸化对鱼类行为调控的通路。

结论

海洋酸化在1400 μatm pCO₂下可短暂改变三刺鱼基线活动与逃逸性能，这些变化主要源于神经功能异常而非能量代谢障碍。尽管三刺鱼可能通过自然波动环境中的适应机制缓解酸化压力，未来持续加剧的酸化事件仍可能对其行为生态与繁殖成功构成挑战。

作者贡献与致谢

Gwangseok R. Yoon负责概念设计、数据采集、分析与论文撰写；Elissa Khodikian与Gary R Junlin参与数据收集与实验操作；Cosima S. Porteus负责整体指导、资金获取与论文修订。研究由多伦多大学环境人类世研究中心博士后基金、加拿大创新基金会及NSERC发现基金资助，实验在Bamfield海洋科学中心完成。