Broad plasticity in the salinity tolerance of a marine copepod species, Acartia longiremis, in the Baltic Sea

波羅的海的一種海洋橈足類動物，長鰭橈足動物在耐鹽性上的廣泛可塑性研究

來源：J. Plankton Res. (2018) 40(3): 342–355.

 

一、論文摘要

論文摘要指出，本研究評估了北極-北方橈足類Acartia longiremis在波羅的海鹽度3-16范圍內(nèi)的攝食、繁殖、生存和呼吸。研究發(fā)現(xiàn)，在該物種自然存在的鹽度范圍（7-16）內(nèi)，其攝食和產(chǎn)卵未受影響，但在更低鹽度下顯著下降。生存實驗表明該物種具有廣泛的生理可塑性，即使突然暴露于鹽度16-7的環(huán)境中，死亡率也沒有立即增加。然而，在鹽度7-16下異常高的呼吸速率表明該物種經(jīng)歷了滲透脅迫，維持生理完整的機制需要消耗大量能量。當鹽度低于7時，呼吸速率增加和攝食速率下降的 divergent responses 表明能量平衡被破壞，無法再抵消滲透脅迫。結(jié)論是，A. longiremis 在波羅的海的生存已接近其生理極限，這使其易受未來鹽度輕微變化的影響。

二、研究目的

本研究的主要目的是確定鹽度降低對波羅的海關(guān)鍵海洋橈足類 Acartia longiremis 生理耐受性的影響，并識別其生存的臨界鹽度水平。由于波羅的海鹽度因氣候變化而持續(xù)下降，了解這些海洋物種的鹽度耐受性對于預測未來生物多樣性的變化至關(guān)重要。

三、研究思路

研究采用了兩條互補的研究思路：

 

自然種群比較：從波羅的海西部兩個不同鹽度的海域（阿爾科納海，鹽度14.5-16.4；博恩霍爾姆海盆地，鹽度7.7-7.9）采集A. longiremis成體，在實驗室條件下比較它們在各自原生鹽度下的生理表現(xiàn)。

 

鹽度脅迫實驗：將來自博恩霍爾姆海的種群逐步馴化至一系列更低鹽度（6.0, 5.0, 4.0, 3.0），然后評估其在不同鹽度下的關(guān)鍵生命指標和即時生存率，以系統(tǒng)性地表征其耐受范圍。

 

四、測量的數(shù)據(jù)、來源及研究意義

研究測量了多個方面的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)及其意義如下：

 

攝食率、產(chǎn)卵率和卵孵化成功率（數(shù)據(jù)主要來自圖2）：

 

數(shù)據(jù)：測量了雌性橈足類在不同鹽度下的碳攝入量、每日產(chǎn)卵數(shù)及卵的孵化成功率。

 

研究意義：結(jié)果顯示，在鹽度16至7.7之間，攝食率和產(chǎn)卵率無顯著差異，但在鹽度降至5和4時顯著下降。這表明在該物種當前分布的核心鹽度區(qū)間（>7）內(nèi)，其能量獲取和繁殖能力未受抑制，但鹽度低于6-7則成為一個關(guān)鍵閾值，開始對其生存和繁殖構(gòu)成嚴重威脅。

 

呼吸速率（數(shù)據(jù)主要來自圖3和表II）：

 

 

數(shù)據(jù)：使用丹麥Unisense微呼吸系統(tǒng)測量了雌性橈足類在攝食和饑餓狀態(tài)下的耗氧率，并轉(zhuǎn)換為碳單位的重量特異性呼吸速率。

 

研究意義：這是本研究最關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)之一。即使在最適鹽度（7-16）下，A. longiremis的呼吸速率也異常高，并且在鹽度5時再次升高。這表明維持體內(nèi)滲透平衡是一個持續(xù)消耗能量的過程，揭示了其耐受性背后的生理代價。

 

即時生存率（數(shù)據(jù)主要來自圖4、圖5和表III）：

 

 

 

數(shù)據(jù)：記錄了雌性在突然暴露于不同鹽度后120小時內(nèi)的存活、失活和死亡比例，并計算了死亡率。

 

研究意義：A. longiremis表現(xiàn)出強大的短期耐受性，即使從高鹽（16）突然轉(zhuǎn)移至低鹽（7），生存率也基本不受影響。馴化能略微提高其對極低鹽度（如4）的耐受性。這證明了該物種具有顯著的生理可塑性來應對鹽度劇變，但其耐受下限依然明確（鹽度3下全部死亡）。

 

五、研究結(jié)論

 

廣譜耐受性與生理極限：A. longiremis 對鹽度變化表現(xiàn)出廣泛的耐受性，能在鹽度7-16范圍內(nèi)維持正常的攝食和繁殖，并能短期耐受劇烈的鹽度下降。這解釋了其為何能在波羅的海中部低鹽水域廣泛分布。

高代謝代價：這種耐受性并非沒有代價。研究發(fā)現(xiàn)，即使在最適鹽度下，該物種也保持著高水平的呼吸速率，表明其為了在低鹽環(huán)境中維持生理穩(wěn)態(tài)而持續(xù)支付高昂的代謝成本。

臨界閾值與脆弱性：鹽度5-6是關(guān)鍵的生理閾值。低于此值，攝食率下降與呼吸成本增加的矛盾無法調(diào)和，導致能量平衡被破壞，種群無法長期維持。因此，該物種在波羅的海的生存已接近其極限。

 

對未來氣候變化的啟示：模型預測本世紀末波羅的海鹽度將下降1.5-2個單位。本研究結(jié)果表明，這種下降可能會導致A. longiremis的分布范圍向鹽度更高的西部海域收縮，從而改變波羅的海浮游動物的群落結(jié)構(gòu)和生物多樣性。

 

六、丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義詳細解讀

本研究中使用的是丹麥Unisense公司的微呼吸測量系統(tǒng)（Micro Respiration System），其核心是克拉克型氧微電極。這部分數(shù)據(jù)的研究意義極為關(guān)鍵，它揭示了傳統(tǒng)生存和繁殖指標無法反映的深層生理機制：

 

揭示“隱性”的滲透脅迫：生存和攝食數(shù)據(jù)表明A. longiremis是耐鹽的，但Unisense電極測得的呼吸數(shù)據(jù)卻顯示，即使在看似“舒適”的鹽度（7-16）下，該物種也始終處于滲透應激狀態(tài)。這種脅迫在行為上可能無法察覺，但卻需要消耗大量能量來維持體內(nèi)離子平衡，這是一種生理學上的“隱性成本”。

闡明耐受性的能量學基礎(chǔ)：數(shù)據(jù)顯示，在鹽度5時，呼吸速率再次升高，而此時攝食率已開始下降。這揭示了耐受性的邊界機制：當鹽度降低到一定程度，維持滲透平衡所需的能量（呼吸增加）開始超過從環(huán)境中獲取能量的能力（攝食減少），從而導致能量赤字。Unisense電極提供的高精度耗氧量數(shù)據(jù)，直接量化了這一能量沖突。

區(qū)分活動代謝與基礎(chǔ)代謝脅迫：研究還測量了饑餓24小時后的呼吸速率（基礎(chǔ)代謝）。發(fā)現(xiàn)即使停止攝食，呼吸速率仍保持在較高水平（約為攝食狀態(tài)的67%）。這表明高代謝成本并非由攝食活動（特異性動態(tài)作用）引起，而是源于維持基本生命活動（如滲透調(diào)節(jié)）的固有需求，進一步佐證了滲透脅迫的持續(xù)性。

 

提供預測物種分布的更深層指標：Unisense電極的數(shù)據(jù)表明，僅憑物種的存在與否或繁殖成功率來評估其環(huán)境適應性是片面的。呼吸代謝數(shù)據(jù)作為一個敏感的生理指標，可以更早地預警環(huán)境壓力（如鹽度下降）對物種造成的生理負擔，從而更準確地預測其在未來氣候變化下的脆弱性。

 

綜上所述，丹麥Unisense電極的應用，將研究從現(xiàn)象描述（“它能活”）提升到了機制探索（“它為什么能活，以及活的代價是什么”）的層面，為理解海洋生物如何響應環(huán)境壓力提供了寶貴的能量學視角。