易科泰動(dòng)物能量代謝測(cè)量技術(shù)：南極科考站海豹能量代謝研究

麥克默多科考站（McMurdo Station），由美國于1956年建成。有建筑200多棟，被稱為“南極第一城"，是南極洲最大的科學(xué)研究中心，由美國國家科學(xué)基金會(huì)的南極計(jì)劃部門運(yùn)作，位于麥克默多灣羅斯島（Ross Island）的南部。據(jù)其8英里的龜巖島（Turtle Rock）附近生存著大量的韋德爾氏海豹種群。

   韋德爾氏海豹，又稱“僧海豹"，是一種極古老的生物，因而有“活化石"之稱。它們甚至整個(gè)冬天都生活在南極，能潛到水下600米，并且在水底逗留1小時(shí)以上。威德爾海豹可以屏住呼吸長達(dá)45分鐘，比虎鯨長。但它們整年的時(shí)間都必須接觸到空氣，因?yàn)橐粑Ｊ聦?shí)上，作為地球上最南端的繁殖哺乳動(dòng)物，沒有其它哺乳動(dòng)物能在海豹生活的地方生存。

   加州理工大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的Linnea E.Pearson教授在美國極地項(xiàng)目PolarTREC的支持下在南極洲美國麥克默多科考站附近的龜島開展威德爾海豹的呼吸氣體交換能量代謝研究，如下圖所示在方艙內(nèi)開展海豹呼吸實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)用到了FMS便攜式呼吸代謝測(cè)量?jī)x，以及FK500氣流發(fā)生控制器和方艙外的定制移動(dòng)代謝艙裝置。

   2022年4月份，Linnea E.Pearson教授在《國際實(shí)驗(yàn)生物學(xué)》雜志在線發(fā)表了“發(fā)育中的威德爾海豹幼崽蛻皮后體溫調(diào)節(jié)的代謝成本降低Metabolic cost of thermoregulation decreases after the molt in developing Weddell seal pups"一文，旨在了解威德爾海豹幼體如何在冰上和水中保持溫暖，以及脂肪較多的年長幼體是否使用更少的能量來保持溫暖。

   將能量分配到體溫調(diào)節(jié)中極大地增加了內(nèi)溫動(dòng)物的代謝成本。在南極洲出生的威德爾海豹幼體必須在冰和水中生存，這兩種環(huán)境具有非常不同的導(dǎo)熱性。這種差異可能需要幼體將額外的能量分配給體溫調(diào)節(jié)，而不是獨(dú)立覓食所需的游泳能力的擴(kuò)展。文中實(shí)驗(yàn)采用上圖所示的便攜式呼吸代謝系統(tǒng),移動(dòng)代謝艙內(nèi)部體積204.3×62.1×99.7厘米（長×寬×高），外部尺寸214.5×72.2×111.3厘米，蓋子上配備快速氣體管路接頭和6個(gè)樹脂玻璃動(dòng)物行為觀察窗，以及底部配有定制動(dòng)物承載平臺(tái)，并記錄空氣溫度（T_A，℃）、水體溫度（Tw，℃）和動(dòng)物的核心體溫（Tc，℃）。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了不同年齡段威德爾海豹幼體在空氣和水中的靜息代謝率（RMR）、呼吸氣體交換比率（RER）熱傳導(dǎo)值C=Q/（T_C-T_E）,其中Q為熱產(chǎn)量（mlO2 kg^-1 h^-1），T_C為核心體溫，T_E為代謝艙內(nèi)的環(huán)境溫度。部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

   Fig.1. 1至7周齡海豹幼體在水中和空氣中靜息代謝率與體重之間的函數(shù)關(guān)系（空白圓圈為空氣中測(cè)試結(jié)果，黑色實(shí)心圓為水中測(cè)試結(jié)果）。水中代謝率和體重之間呈非異速生長且不顯著，空氣中靜息代謝率與體重關(guān)系顯著，且遵循log(MR_A)=1.53+0.67[log(mass)]規(guī)律。

Fig.2. 海豹幼體不同年齡和蛻皮狀態(tài)時(shí)的空氣和水體中的靜息代謝率。淺灰色為空氣中(MR_A)，深灰色為水中結(jié)果(MR_W)，并顯示了數(shù)據(jù)平均值（白色菱形）、中間值（散列）、異常值（實(shí)心圓）和四分位數(shù)（晶須）；不同字母為差異顯著，相同字母為差異不顯著。1和5周齡空氣中的平均代謝率分別為423±112ml O₂ min^-1和837±157ml O₂ min^-1，在7周齡時(shí)下降到678±148ml O₂ min^-1 (Fig.2A)。年齡對(duì)MR_A有顯著影響，如1周齡顯著低于3、5、7周齡的MR_A值，但3、5、7周齡之間的MR_A值無明顯差異；MR_W值是變化的（3周齡:908±178ml O₂ min^-1;7周齡:832±240ml O₂ min^-1）且年齡間無顯著差異(Fig.2A)；在比較同一個(gè)年齡點(diǎn)空氣和水中MR時(shí)，3和5周齡MR_W值顯著高于MR_A值，7周齡MR_W和MR_A值無顯著差異(Fig.2A)。

MR_A值隨蛻皮狀態(tài)變化顯著(Fig.2B)，蛻皮前的幼體MR_A值（456±110ml O₂ min^-1）顯著低于蛻皮中（(772±170ml O₂ min^-1; P<0.001)和蛻皮后(694±156ml O₂ min^-1; P=0.0116)的值，后兩者之間無顯著差異(Fig.2B)。蛻皮狀態(tài)對(duì)MR_W值無顯著影響（蛻皮前: 945±174 ml O₂ min^-1; 蛻皮中 966±127ml O₂ min^-1;蛻皮后: 809±254 ml O₂ min^-1; Fig.2B)。在比較每個(gè)蛻皮狀態(tài)的MR_W和MR_A值時(shí)，蛻皮前和蛻皮中的MR_W顯著高于其MR_A值，但蛻皮后無差異(Fig.2B)。

   Table2.呼吸氣體交換比率（RER）、核心體溫和不同處理（空氣或水體）以及分組（年齡、斷奶和蛻皮狀態(tài)）下的熱傳導(dǎo)變化。RER從0.796±0.06到1.040±0.09（空氣中）以及0.774±0.08到0.844±0.16（水體中）變化；不同處理和年齡組間無明顯差異；一個(gè)處理內(nèi)，蛻皮組之間無明顯差異；處理組之間，蛻皮幼體空氣中的RER顯著高于水體中的值(P=0.0437;Table2)，其它RER無明顯差異。

   盡管空氣或水體中不同年齡段、或任何年齡段空氣和水體間的動(dòng)物熱傳導(dǎo)沒有顯著差異，但總的身體熱傳導(dǎo)在空氣中隨年齡變化（范圍：14.3±2.7到19.6±6.2ml O₂ kg^-1 h^-1）以及在水體中普遍下降（3周齡19.5±6.2ml O₂ kg^-1 h^-1到7周齡13.4±3.7 ml O₂ kg^-1 h^-1）。在水體中，蛻皮前幼體(21.8±5.49ml O₂ kg^-1 h^-1)呈現(xiàn)顯著高于蛻皮后(13.0±3.89 ml O₂ kg^-1 h^-1; P=0.005; Table 2)的熱傳導(dǎo)。蛻皮幼體與蛻皮前或蛻皮后的熱傳導(dǎo)無顯著差異。

  研究結(jié)果認(rèn)為，空氣中的絕對(duì)代謝率（MR）遵循預(yù)期的異速生長與體重的關(guān)系。水中的絕對(duì)MR與體重沒有異速生長，盡管在1至7周齡之間體重增加了3倍。發(fā)育階段（或蛻皮階段），而不是日歷年齡，決定了幼體何時(shí)能夠在水中保持熱量。蛻皮后幼體在空氣和水中的RMR（分別為6.67±1.4和7.90±2.38mlO2 min^-1 kg^-1）低于蛻皮前幼體（空氣中：9.37±2.42 ml O2 min^-1 kg^-1，水中：13.40±3.46ml O2 min^-1 kg^-1）和蛻皮幼崽（空氣中：8.45±2.05 ml O2 min^-1 kg^-1，水中：10.4±1.63ml O2 min^-1 kg^-1）。盡管能量投入增加，但蛻皮時(shí)的幼體在水中花費(fèi)的時(shí)間是其他幼體的三倍。這些結(jié)果支持了在早期發(fā)育期間海豹幼體進(jìn)行能量權(quán)衡的想法；幼體消耗更多的能量在水中調(diào)節(jié)體溫，同時(shí)獲得獨(dú)立所需的經(jīng)驗(yàn)。

附水生哺乳動(dòng)物能量代謝技術(shù)方案：FMS便攜式或模塊式呼吸代謝測(cè)量系統(tǒng)+溫度、心率和活動(dòng)記錄儀，用于測(cè)量環(huán)境條件下動(dòng)物的生理適應(yīng)機(jī)制研究。可備選擇呼吸代謝艙式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)條件控制下的能量代謝相關(guān)研究，或備選懸浮面罩式進(jìn)行自由活動(dòng)動(dòng)物的能量代謝監(jiān)測(cè)等。

參考資料

1.Linnea E.Pearson，Emma L.Weitzner，Lars Tomanek，Heather E.M.Liwanag. Metabolic cost of thermoregulation decreases after the molt in developing Weddell seal pups,J Exp Biol(2022) 225 (6): jeb242773.DOI: 10.1242/jeb.242773

2.Nicole M Thometz, Holly Hermann-Sorensen, Brandon Russell, David A S Rosen, Colleen Reichmuth, Molting strategies of Arctic seals drive annual patterns in metabolism,Conservation Physiology,Volume 9,Issue 1,2021, coaa112

3.Ladds,M.A., Rosen,D.A.S., Slip, D.J.et al.Proxies of energy expenditure for marine mammals: an experimental test of“the time trap".Sci Rep7,11815 (2017).

4.美國極地PolarTREC平臺(tái)對(duì)Linnea E.Pearson研究員的專訪

5.威德爾海豹幼體游泳時(shí)的能量代謝消耗機(jī)制