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易科泰動物能量代謝測量技術：南極科考站海豹能量代謝研究
發布時間： 2022-07-28 點擊次數： 2239次麥克默多科考站（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研究中心，由美國國家科學基金會的南極計劃部門運作，位于麥克默多灣羅斯島（Ross Island）的南部。據其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小時以上。威德爾海豹可以屏住呼吸長達45分鐘，比虎鯨長。但它們整年的時間都必須接觸到空氣，因為要呼吸。事實上，作為地球上最南端的繁殖哺乳動物，沒有其它哺乳動物能在海豹生活的地方生存。
加州理工大學生命科學學院的Linnea E.Pearson教授在美國極地項目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開展海豹呼吸實驗研究。實驗用到了FMS便攜式呼吸代謝測量儀，以及FK500氣流發生控制器和方艙外的定制移動代謝艙裝置。
2022年4月份，Linnea E.Pearson教授在《國際實驗生物學》雜志在線發表了“發育中的威德爾海豹幼崽蛻皮后體溫調節的代謝成本降低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節中極大地增加了內溫動物的代謝成本。在南極洲出生的威德爾海豹幼體必須在冰和水中生存，這兩種環境具有非常不同的導熱性。這種差異可能需要幼體將額外的能量分配給體溫調節，而不是獨立覓食所需的游泳能力的擴展。文中實驗采用上圖所示的便攜式呼吸代謝系統,移動代謝艙內部體積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個樹脂玻璃動物行為觀察窗，以及底部配有定制動物承載平臺，并記錄空氣溫度（TA，℃）、水體溫度（Tw，℃）和動物的核心體溫（Tc，℃）。實驗中測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）熱傳導值C=Q/（TC-TE）,其中Q為熱產量（mlO2 kg-1 h-1），TC為核心體溫，TE為代謝艙內的環境溫度。部分實驗結果如下：
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關系（空白圓圈為空氣中測試結果，黑色實心圓為水中測試結果）。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系顯著，且遵循log(MRA)=1.53+0.67[log(mass)]規律。
Fig.2. 海豹幼體不同年齡和蛻皮狀態時的空氣和水體中的靜息代謝率。淺灰色為空氣中(MRA)，深灰色為水中結果(MRW)，并顯示了數據平均值（白色菱形）、中間值（散列）、異常值（實心圓）和四分位數（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周齡時下降到678±148ml O2 min-1 (Fig.2A)。年齡對MRA有顯著影響，如1周齡顯著低于3、5、7周齡的MRA值，但3、5、7周齡之間的MRA值無明顯差異；MRW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)；在比較同一個年齡點空氣和水中MR時，3和5周齡MRW值顯著高于MRA值，7周齡MRW和MRA值無顯著差異(Fig.2A)。
MRA值隨蛻皮狀態變化顯著(Fig.2B)，蛻皮前的幼體MRA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)。蛻皮狀態對MRW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)。在比較每個蛻皮狀態的MRW和MRA值時，蛻皮前和蛻皮中的MRW顯著高于其MRA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）下的熱傳導變化。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；一個處理內，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物熱傳導沒有顯著差異，但總的身體熱傳導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。蛻皮幼體與蛻皮前或蛻皮后的熱傳導無顯著差異。
研究結果認為，空氣中的絕對代謝率（MR）遵循預期的異速生長與體重的關系。水中的絕對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。發育階段（或蛻皮階段），而不是日歷年齡，決定了幼體何時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，但蛻皮時的幼體在水中花費的時間是其他幼體的三倍。這些結果支持了在早期發育期間海豹幼體進行能量權衡的想法；幼體消耗更多的能量在水中調節體溫，同時獲得獨立所需的經驗。
附水生哺乳動物能量代謝技術方案：FMS便攜式或模塊式呼吸代謝測量系統+溫度、心率和活動記錄儀，用于測量環境條件下動物的生理適應機制研究。可備選擇呼吸代謝艙式進行實驗條件控制下的能量代謝相關研究，或備選懸浮面罩式進行自由活動動物的能量代謝監測等。
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平臺對Linnea E.Pearson研究員的專訪
5.威德爾海豹幼體游泳時的能量代謝消耗機制
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