討論

鮭科胚胎和幼魚在河床表面以下約15厘米處度過數(shù)周，那里的水流相對較小，與外部環(huán)境的物質(zhì)擴散交換取決于河床微環(huán)境的組成。本研究假設，胚胎代謝會影響胚胎周圍微環(huán)境中的水化學成分。

事實上，隨著胚胎發(fā)育到孵化階段，氧氣和pH邊界層梯度明顯增加。正如預測的那樣，卵囊阻礙了廢物的有效清除，造成胚胎周圍環(huán)境中NH4+和H+濃度升高，氧氣濃度降低(圖5)。關于氧氣和卵囊作為擴散屏障的作用，本研究證實了之前的觀察結果。數(shù)據(jù)進一步表明，胚胎擁擠會加劇這些條件，因為在近距離內(nèi)整體新陳代謝的增加以及對局部水流的阻礙作用會產(chǎn)生更陡峭的邊界層梯度。

正如預測的那樣，晚期胚胎(29dpf)的氧氣和pH邊界層梯度顯著高于早期發(fā)育階段，但NH4+邊界層梯度沒有顯著差異，盡管它們的趨勢相似。在幼魚階段也發(fā)現(xiàn)了類似的結果。一般來說，氨的排泄量在虹鱒的早期發(fā)育過程中會增加，但就在孵化后的10-15天內(nèi)，氨的排泄量會趨于平穩(wěn)。在本研究中，30dpf和43dpf邊界層氨梯度相似的原因可能就在于此。值得注意的是，幼魚(43dpf)的邊界層梯度可能被高估了，因為未麻醉的幼魚可能會利用鰭的運動來破壞邊界層，這在其他水生物種中也能看到。

圖5虹鱒胚胎孵化前(29dpf；10℃)微環(huán)境中氧、pH和氨濃度示意圖。從自由流動的表層水到細胞周液(PVF)，氧氣(O2)和pH值降低，氨(NH4+)增加。

卵囊不僅為氧氣，還為H+和NH4+離子提供了額外的擴散屏障(圖5)。盡管卵囊具有允許小質(zhì)量分子自由移動的跨膜孔道，但它還是減慢了氣體和離子的通過速度。卵囊還可能阻礙CO2的排泄，進而通過水合作用進一步降低PVF中的pH值。事實上，在頭足類胚胎中，PVF中的CO2分壓(pCO2)水平高于周圍環(huán)境。這可能會在胚胎發(fā)育的最后階段造成不利的缺氧、高碳酸血癥、酸性和高氨微環(huán)境。如果這些條件持續(xù)下去，可能會對鮭科胚胎產(chǎn)生有害影響。此外，這些逐漸惡化的條件可能會引發(fā)孵化。事實上，低環(huán)境含氧量(溶解氧飽和度約為50%)已被證明會刺激處于發(fā)育最后階段的鮭科胚胎孵化。另一方面，PVF pH值的進一步降低(pCO2的升高)可能會導致代謝抑制，阻礙絨毛膜促性腺激素降解卵囊并使胚胎孵化。雖然Steele等人認為暴露于高濃度的環(huán)境氨氣不會刺激晚期虹鱒胚胎的孵化，但高濃度的PVF NH4+水平與缺氧結合可能會協(xié)同誘導孵化，但這一點尚不清楚。因此，卵囊為發(fā)育中的胚胎提供了機械保護，但在后期卻限制了胚胎的進一步生長，并限制了胚胎與外界環(huán)境的分子自由交換。

胚胎孵化后，數(shù)據(jù)顯示它們進入了一個更好的世界；與PVF相比，幼魚邊界層條件更為有利。氧含量從約0.03mmol/l增加到0.28mmol/l(10-80%飽和度)，pH值從pH6.9增加到7.8，NH4+濃度從2.0降低到約0.05mmol/l。這些條件的變化，尤其是氧氣和氨含量的變化，將為胚胎的生長提供更好的環(huán)境。

擁擠對胚胎邊界層的水化學有很大影響。正如預期的那樣，與單個胚胎處理相比，擁擠胚胎的氧氣、pH值和氨的邊界層梯度明顯更高。此外，這種胚胎在水平面相鄰的擁擠實驗可能低估了自然河床產(chǎn)卵區(qū)中邊界層效應的程度，因為在自然河床產(chǎn)卵區(qū)中，胚胎可能在所有維度上都被包圍。在這項研究中，有多少擁擠效應是由于單純的水流中斷造成的？計算方法是：將假擁擠O2、pH或NH4+邊界層梯度(僅水流受阻)除以匹配的胚胎擁擠O2、pH或NH4+邊界層梯度(水流受阻+新陳代謝變化)，然后乘以100。根據(jù)上述計算，水流受阻造成的擁擠效應在氧氣梯度中占61%，在pH梯度中占94%，在NH4+梯度中占78%。因此，對胚胎邊界層的擁擠效應大部分是由于水流變化(61-94%)而不是直接的新陳代謝(6-39%)造成的。在對水生動物的研究中，水流的微小變化對氧氣邊界層梯度的影響很大。事實上，39%的氧氣邊界層與新陳代謝效應有關(相對于pH和NH4+梯度要高得多)，這可能僅僅是由于進出胚胎的分子運動在數(shù)量上存在差異。與氨的產(chǎn)生量相比，近孵化期的虹鱒胚胎消耗的氧氣約多10倍。pH值的變化受多種因素的影響，包括H+的直接排泄率、排泄的CO2中水合形成H+(和HCO3-)的部分以及水的緩沖能力。無論如何，這些結果表明，在自然河床產(chǎn)卵區(qū)中，胚胎在密集的卵囊中的微環(huán)境會受到鄰近的影響。

除了上述生物因素外，流體動力學也會改變發(fā)育中胚胎周圍的水質(zhì)。例如，雌性鮭科傾向于在礫石內(nèi)水流高于平均水平的生境中產(chǎn)卵。這將增加通過卵的水量，從而補充消耗的氧氣，并通過對流清除廢物。此外，由于缺氧水和富氧水的密度不同，卵周圍會出現(xiàn)環(huán)形水流。這些環(huán)形水流可以提高水流速度，大大增加對流。此外，在密集的卵囊中，卵與卵之間的間隙水流速度會比單個卵增加。然而，由于新陳代謝的影響，其他卵的存在會損害水質(zhì)。因此，自然河床產(chǎn)卵區(qū)條件非常復雜，難以在實驗室中模擬，而且將探針插入自然河床產(chǎn)卵區(qū)也可能會干擾正常的水流模式。

總之，研究結果強調(diào)了水生胚胎孵化過程中非生物因素和生物因素之間復雜的相互作用。這項研究表明，呼吸廢物會在虹鱒早期生命階段的微環(huán)境中積累。在胚胎發(fā)育過程中，邊界層條件會發(fā)生變化，同種動物的擁擠會對胚胎的微環(huán)境產(chǎn)生負面影響。在自然河床中，胚胎的發(fā)育和生長可能會受到卵囊中位置的影響，因為在單個胚胎和擁擠胚胎之間觀察到的水化學差異很大。