達(dá)布爾黃鼠的冬季生存模式和體溫調(diào)節(jié)特點

達(dá)布爾黃鼠的冬季生存模式和體溫調(diào)節(jié)特點

動物、鳥類和其他恒溫動物的體溫具有周期性節(jié)律變化的特點，其中最常見的是體溫的日夜變化。通常，每天睡眠時的體溫為0.5%-2%（heldmaietal.，2004）。維持高而恒定體溫的代價是消耗大量的能量(ElseandHulbert,1981),在嚴(yán)酷的冬季,分布在溫帶和極地的哺乳動物往往面臨著食物資源的短缺,有些動物會采取降低代謝率和體溫的策略,以降低能量消耗。冬眠時動物的體溫可以降到接近0℃或更低,如北極黃鼠(Spermophilusparryii)在此期間的最低體溫為-2.9℃(Barnes,1989)。哺乳動物冬眠時的低體溫是主動調(diào)節(jié)的,在深冬眠狀態(tài),當(dāng)環(huán)境溫度過低時,冬眠動物能夠通過增加代謝產(chǎn)熱,防御體溫的進一步降低,或通過主動激醒,防止被凍死亡(Barnes,1989)。在整個冬眠季節(jié),冬眠動物會通過自身的調(diào)節(jié)和內(nèi)源性產(chǎn)熱機制周期性地從深冬眠狀態(tài)覺醒,返回到常溫狀態(tài),這樣整個冬眠季節(jié)被若干次短暫的陣間覺醒分隔成若干個冬眠陣。然而,在深冬眠階段,動物的體溫在一定范圍內(nèi)也會隨著環(huán)境溫度的變化而變化,表現(xiàn)出類似于變溫動物的體溫調(diào)節(jié)特征(Heldmaieretal.,2004)。環(huán)境溫度會影響深冬眠階段的體溫以及陣間覺醒的頻率,進而影響冬季的能量消耗,因此測定冬眠動物的體溫及其變化模式對闡明動物冬季的能量學(xué)策略具有重要意義。冬眠的哺乳動物,不論是在冬眠季節(jié)還是非冬眠季節(jié),表現(xiàn)出的體溫都是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)下產(chǎn)熱和散熱效應(yīng)綜合作用的結(jié)果(Romanovsky,2007)。冬眠動物體溫調(diào)節(jié)的機理及其代謝產(chǎn)熱特征一直是學(xué)者們研究的熱點問題,而體溫的變化模式是這些問題研究的基礎(chǔ)。早期研究發(fā)現(xiàn),不同物種、同一物種的不同年齡和性別之間在冬眠模式(入眠、出眠的先后,冬眠季節(jié)的長短等)上存在差異(French,1982)。近年來,隨著體溫測定技術(shù)的改進,長時間連續(xù)記錄動物的體溫已成為可能(Michener,1992;WollnikandSchmidt,1995;WaβmerandWollnik,1997;WilzandHeldmaier,2000;Hutetal.,2002;Bucketal.,2008;Mouhoub-Sayahetal.,2008;Güretal.,2009)。目前,已在實驗室、圍欄以及野外條件下建立了多個物種的冬眠模式,不但定量分析了寒冷地區(qū)冬眠物種的體溫變化模式(Barnes,1989;Michener,1992;Hutetal.,2002;Bucketal.,2008),也有關(guān)于同一物種的不同蟄眠類型的比較研究(WilzandHeldmaier,2000),甚至發(fā)現(xiàn)某些熱帶物種也具有冬眠的習(xí)性(Dausmannetal.,2005)。研究發(fā)現(xiàn),冬眠物種的冬眠模式不但具有種間差異,同一物種內(nèi)還普遍存在年齡和性別差異(French1982;Michener,1992;WaβmerandWollnik,1997),這些差異可能與物種自身的生物學(xué)特征有關(guān),也可能與環(huán)境條件有關(guān)。因而,將一個物種或某一氣候環(huán)境下的冬眠模式直接套用于其它物種或不同的氣候條件是不合適的(TurbillandGeiser,2008;楊明和王德華,2011)。達(dá)烏爾黃鼠(Spermophilusdauricus)是分布于古北界蒙新區(qū)的典型小型哺乳動物,關(guān)于冬眠習(xí)性和產(chǎn)熱等特征已有不少研究(蔡益鵬等,1987;王世強等,2000;黃晨西等,2003;王琦等2007;王有等,2009),且發(fā)現(xiàn)其入眠和出眠時間存在年齡和性別差異(費榮中等,1975)。然而,關(guān)于冬眠季節(jié)體溫變化和冬眠模式的報道很少(王有等,2009)。完整記錄和分析達(dá)烏爾黃鼠在冬眠過程及冬眠前后的體溫變化過程,可為深入研究其體溫調(diào)節(jié)機理和冬眠機制奠定必要的基礎(chǔ),也為進一步理解冬眠物種的能量策略提供依據(jù)。1學(xué)習(xí)方法1.1動物房單籠飼養(yǎng)實驗用達(dá)烏爾黃鼠26只(11♂,15♀),分別于2008年5月和2009年6月捕自內(nèi)蒙古通遼(北緯43.9°,東經(jīng)122.5°),帶回沈陽師范大學(xué)動物房單籠飼養(yǎng),飼養(yǎng)籠大小48cm×35cm×20cm,用碎刨花做巢材。動物房內(nèi)自然溫度(隨外界環(huán)境氣溫波動的范圍為16℃～28℃)和光照,動物喂以沈陽市于洪區(qū)前民動物飼料廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)鼠飼料,水、食自取。9月份,當(dāng)發(fā)現(xiàn)個別動物出現(xiàn)蟄眠狀態(tài)(卷曲身體、體溫降低、行動遲緩)時,將全部動物移入5℃±1℃的低溫房內(nèi),籠內(nèi)加適量的棉花作為補充巢材。低溫房恒黑(模擬洞穴內(nèi)條件),動物水、食仍自取,飼料成分不變。1.2體核溫度和睡眠的測定于每年的8月份在動物腹腔內(nèi)埋植半導(dǎo)體溫度記錄元件(Maxim/Dallas公司生產(chǎn)的DS1921L-Thermochron?iButton,溫度記錄范圍為-40℃～85℃,靈敏度為0.5℃),每小時記錄一次體核溫度,以準(zhǔn)確測定冬眠季節(jié)及其前后體溫的變化和冬眠的表達(dá)。iButton的埋植方法:首先用石蠟和乙烯-醋酸乙烯共聚物(Ethylene-VinylAcetatecopolymer,EVA)混合物(v∶v=5∶1)的熔化液來包埋設(shè)定好記錄參數(shù)的iButton,使其表面形成完整的涂層,冷卻固化后,用碘伏消毒。將實驗動物腹腔注射戊巴比妥鈉(劑量為50mg/kg)麻醉后,縱切腹部,打開腹腔,植入預(yù)先包埋并經(jīng)消毒處理的iButton,縫合腹壁(Masakietal.,2005)。動物術(shù)后恢復(fù)一周。取另1個iButton,參數(shù)設(shè)定同上,置于3號自封袋內(nèi),懸掛于黃鼠越冬室內(nèi),用來記錄環(huán)境溫度。1.3冬春季不同發(fā)酵期/整體用量為5.根據(jù)以往的研究結(jié)果,我們將達(dá)烏爾黃鼠的體溫(Tb)<30℃時定義為異溫狀態(tài)(Heldmaieretal.,2004;Masakietal.,2005;CooperandGeiser,2008;Bucketal.,2008)。首次記錄到Tb<30℃時為動物入眠時間,最后一次記錄到Tb從<30℃恢復(fù)到≥30℃時為動物的出眠時間,從入眠到出眠的時間跨度為冬眠時間的長度。入眠過程中,體溫從30℃下降到20℃過程的最大速率為冷卻速率(Coolingrate),從蟄眠的低體溫狀態(tài)恢復(fù)到常溫產(chǎn)熱過程的最大速率為復(fù)溫速率(Warmingrate)。冬眠季節(jié)中的蟄眠陣分為3種類型:深冬眠陣(Deephibernationbout,DHB),最低體溫(Tbmin)<20℃,且冬眠陣的持續(xù)時間(Boutduration,BD)即異溫時間>24h(WaβmerandWollnik,1997);短冬眠陣(Shorthibernationbout,SHB),Tbmin<20℃,BD≤24h(WaβmerandWollnik,1997);日蟄眠陣(Dailytorporbout,DTB),Tbmin≥20℃,BD≤24h。兩個連續(xù)蟄眠陣之間的常溫產(chǎn)熱時相(Tb≥30℃的持續(xù)時間段)為陣間產(chǎn)熱階段(Heldmaieretal.,2004;Bucketal.,2008);冬眠季節(jié)Tb<30℃狀態(tài)的累積時間為異溫的累積時間,Tb≥30℃狀態(tài)的累積時間為常溫產(chǎn)熱的累積時間。1.4產(chǎn)熱期tb的測定根據(jù)iButton記錄的體溫數(shù)據(jù),取首次入眠前10d和出眠后第一個10d記錄到的常溫產(chǎn)熱階段的Tb,統(tǒng)計每日的最高體溫(Tbmax)和Tbmin,并計算體溫的日波動幅度ΔT。ΔT=Tbmax-Tbmin。1.5不同類型冬春季的相關(guān)指標(biāo)比較利用SPSS統(tǒng)計軟件包(SPSS13.0forWindows)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。使用1-Sample-K-Stest檢驗后證明所有進行統(tǒng)計的數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布。雌雄黃鼠入眠的先后、冬眠季節(jié)持續(xù)時間等指標(biāo)的比較均采用獨立樣本T檢驗(Independent-SamplesTtest)。三種不同類型蟄眠陣有關(guān)數(shù)據(jù)使用雙因素方差分析(Two-wayANOVA)(性別×冬眠陣類型)和posthoc多重比較。冬眠前后常溫階段體溫差異的比較采用重復(fù)測量的方差分析(RepeatedmeasureANOVA)。體溫與環(huán)境溫度之間的關(guān)系用pearson相關(guān)分析,并做線性回歸分析。全文數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(Mean±SE)表示,P<0.05為差異顯著,P<0.01為差異極顯著。單因素方差分析(One-wayANOVA)進行比較分析。2結(jié)果2.1不同冬春期各器官的tbd126只實驗動物中,16只成功越冬;6只死于冬眠季節(jié)末期,其數(shù)據(jù)僅用于冬眠類型統(tǒng)計;4只死于冬眠季節(jié)早期,其數(shù)據(jù)舍棄。冬眠季節(jié)的持續(xù)時間存在個體差異,從20d到210d不等,每個個體冬眠季節(jié)表達(dá)的蟄眠陣類型和數(shù)量也存在差異(圖1)。根據(jù)冬眠季節(jié)的長短和冬眠陣類型可以將達(dá)烏爾黃鼠分為深冬眠型(Deephibernation,DH)(例如圖1,﹟27♀和﹟45♂)、少冬眠型(Lesshibernation,LH)(例如圖1,﹟84♀和﹟12♂)和不冬眠型(Nohibernation,NH)(例如圖1,﹟83♀)3類。深冬眠型冬眠季節(jié)長,主要由若干持續(xù)多天的深冬眠陣組成,占記錄個體總數(shù)的68.1%(15/22);少冬眠型冬眠季節(jié)短,冬眠陣中深冬眠陣較少,短冬眠陣和日眠陣較多,占記錄個體總數(shù)的22.7%(5/22);不冬眠型個體整個冬季都不表達(dá)深冬眠陣和短冬眠陣,只表達(dá)日眠陣或一直處于常溫產(chǎn)熱狀態(tài),僅占記錄個體總數(shù)的9.1%(2/22)。雌雄兩性在冬眠季節(jié)的持續(xù)時間上無顯著差異(雌性為160.78±8.01d,N=9;雄性為146.86±26.39d,t=0.51,df=7.11,P>0.05,N=7,N為鼠的樣本量,下同)。達(dá)烏爾黃鼠的蟄眠陣表現(xiàn)為DHB、SHB和DTB三種類型(圖2)。其中,DTB多發(fā)生在冬眠季節(jié)的開始階段,或經(jīng)過幾個DHB之后的少眠型個體中。26只實驗動物中的19只在冬眠季節(jié)的開始階段表現(xiàn)出體溫的“試降”過程,即在連續(xù)的淺而短的冬眠陣中,體溫逐漸降低,直到發(fā)展成DHB為止(圖2c)。SHB多發(fā)生在冬眠季節(jié)的開始階段和結(jié)束階段。單因素方差分析表明,3類蟄眠陣的Tbmin之間差異均極顯著,DHB的Tbmin最低(2.54℃±0.35℃),DTB的Tbmin最高(23.09℃±0.40℃)(F(2,71)=316.91,P﹤0.01;每兩組之間P值均小于0.01)(表1)。不同冬眠模式之間陣間產(chǎn)熱的最高體溫在DTB中(38.09℃±0.17℃,n=20,n為冬眠陣的個數(shù),下同)顯著高于DHB(37.32℃±0.15℃,n=20)和SHB(37.22℃±0.31℃,n=10)(F(2,47)=6.44,P﹤0.01)(表1)。不同冬眠模式之間的陣間產(chǎn)熱的持續(xù)時間在DHB中最短(12.75±0.75h,n=20),在SHB中較長(26.40±5.80h,n=10),在DTB最長(34.15±4.37h,n=20)(F(2,47)=10.42,P﹤0.01)(表1)。DTB入眠過程的冷卻速率(1.86±0.13℃h-1,n=20)顯著低于DHB(3.78±0.23℃h-1,n=20)和SHB(3.64±0.36℃h-1,n=10,F(2,47)=26.06,P﹤0.01),但后兩者之間無差異(P>0.05)。陣間覺醒過程的復(fù)溫速率在DHB(19.47±0.69℃h-1,n=20)、SHB(16.50±1.43℃h-1,n=10)和DTB(8.16±0.40℃h-1,n=20)之間差異極顯著(F(2,47)=73.69,P﹤0.01)(表1)。2.2tbmin與ta的關(guān)系對DHB、SHB和DTB的Tbmin與Ta之間的關(guān)系進行相關(guān)分析。在Ta為-6℃～10℃的溫度范圍內(nèi),深冬眠個體的Tbmin與Ta之間呈顯著的正相關(guān)(r=0.93,P﹤0.01),線性回歸方程為Tbmin=0.74Ta+0.89(r2=0.87,P﹤0.01,N=7,n(冬眠陣數(shù))=49)(圖3)。SHB因個體數(shù)量較少,Tbmin與Ta之間的無顯著的相關(guān)性。在Ta為3℃～10℃的范圍內(nèi),DTB的Tbmin與Ta之間也呈顯著正相關(guān)(r=0.57,P﹤0.01),線性回歸方程為Tbmin=0.69Ta+20.55,(r2=0.32,P﹤0.01,N=10,n=20)(圖3)。2.3深冬ta冬眠季節(jié)的環(huán)境溫度設(shè)定為5℃±1℃,由于控溫設(shè)備發(fā)生故障,在冬季(2008.11～2009.1)有5次環(huán)境溫度短時降至0℃以下(表2,圖1)。首次遇到環(huán)境溫度下降到0℃以下(-0.91℃)時,冬眠中的所有個體均激醒或死亡,不能繼續(xù)維持深冬眠狀態(tài);而在接下來的短時低溫下(Ta高于-2℃),盡管多數(shù)個體會被激醒,但尚有部分個體可以繼續(xù)維持深冬眠狀態(tài)。然而,在長時間過低的環(huán)境溫度下(持續(xù)15h低于0℃、最低溫度為-5.93℃),動物或被激醒或死亡,不能繼續(xù)維持深冬眠狀態(tài)(表2)。記錄到深冬眠中的達(dá)烏爾黃鼠在低于0℃的體溫下可持續(xù)13h,之后借助環(huán)境復(fù)暖而激醒、存活并繼續(xù)進入下一個冬眠陣,其最低體溫為-2.43℃,可維持5h(圖4)。2.4體溫波動的日節(jié)達(dá)烏爾黃鼠入眠以前10d和出眠以后10d動物的體溫變化模式存在差異(圖5)。入眠以前,達(dá)烏爾黃鼠的體溫具有顯著的日波動節(jié)律,日節(jié)律的周期為23.64℃±0.34h,Tbmax為38.51℃±0.06℃,Tbmin為33.70℃±0.15℃,ΔT為4.80℃±0.13℃(N=7,n=70);Tbmin在入眠前逐漸降低,ΔT表現(xiàn)出增加趨勢。動物在剛出眠的幾天內(nèi),體溫波動沒有顯著的日節(jié)律;經(jīng)過3～5d后,開始出現(xiàn)體溫的日波動節(jié)律。出眠后的Tbmax和Tbmin分別為38.04℃±0.05℃和35.60℃±0.09℃(N=7,n=70),Tbmin顯著高于入眠前(F(1,12)=41.72,P﹤0.01),而日體溫波動幅度為2.44℃±0.10℃,顯著低于入眠前(F(1,12)=42.57,P﹤0.01)(圖6)。3討論3.1睡眠和睡眠的時間與能量平衡本研究中,冬眠季節(jié)長度未顯示出性別間的差異,但個體間冬眠的差異很大。根據(jù)冬眠季節(jié)的長短和是否表達(dá)冬眠陣把達(dá)烏爾黃鼠的冬眠分成深冬眠型、少冬眠型和不冬眠型3種類型。深冬眠和少冬眠型的冬眠表達(dá)可能是一個連續(xù)的量的變化,但是不冬眠型個體即使是在環(huán)境溫度低于0℃時的日眠過程中,體溫也從未低于20℃。哺乳動物冬眠模式的種間和種內(nèi)差異現(xiàn)象較為常見(French,1982;Michener,1992;WaβmerandWollnik,1997)。達(dá)烏爾黃鼠的入眠和出眠的時間存在年齡和性別之間的差異,通常表現(xiàn)為先雄后雌,先老年和成年,后當(dāng)年生亞成體(費榮中等,1975)。這些差異多被解釋為適應(yīng)和生殖對策的不同,成年雄性需要提早出眠,尋找雌性配偶,完成交配,實現(xiàn)最大適合度;成年雌性由于繁殖和哺乳期的能量和時間分配,所以秋季育肥時間比成年雄性要延遲,因而入眠時間也延遲;當(dāng)年出生亞成體需要延長生長期積累更多的能量用于冬眠季節(jié)消耗,加上春季不參加繁殖,所以采取晚入眠、晚出眠的對策(French1990;Michener,1992)。冬眠季節(jié)的長短、冬眠表達(dá)的多少與能量的可利用性密切相關(guān)(Humphriesetal.,2003),這是動物對環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果。本研究在實驗室條件下排除繁殖的影響(春季捕獲的個體,當(dāng)年未參加繁殖)后,雌雄兩性間冬眠季節(jié)長度無顯著的差異,個體之間的差異可能與可利用能量的多少有關(guān),有待進一步研究。在實驗條件下的西伯利亞花鼠(Tamiassibiricus)有26%的個體整個冬季都不冬眠,并認(rèn)為冬眠與否與肝臟中合成和分泌的冬眠蛋白的調(diào)節(jié)有關(guān)(Kondoetal.,2006)。本文中少數(shù)個體(2只)整個冬季只發(fā)生日眠或不蟄眠。由此推測,深冬眠和日眠或不冬眠個體之間可能存在不同的生理調(diào)節(jié)機制。3.2日夜節(jié)和冬日時期分類本文根據(jù)達(dá)烏爾黃鼠冬眠陣異溫階段的持續(xù)時間和最低體溫將其蟄眠陣分為DHB、SHB和DTB三種類型。前人在對原倉鼠(Cricetuscricetus)的研究中,根據(jù)其冬眠陣的持續(xù)時間和最低體溫,將其冬眠陣分為DHB、SHB和短而淺冬眠陣(Shortandshallowhibernationbout,SSHB)三種類型(WaβmerandWollnik,1997),其中SSHB的持續(xù)時間、最低體溫、復(fù)溫速率等參數(shù)均顯著不同于前兩種類型,而與日眠的特征一致(Geiser,2004)。與倉鼠屬(Cricetus)相比,黃鼠屬(Spermophilus)的物種在冬眠期間能源物質(zhì)的貯存方式、入眠的啟動信號和冬眠模式等方面均存在很多差異(楊明和王德華,2011)。因此,本文將持續(xù)時間短于24h、最低體溫高于20℃的蟄眠陣稱為DTB,而未使用SSHB。這不僅與多數(shù)文獻(xiàn)保持一致,也從根本上將日眠與冬眠區(qū)分開來。本研究中,DTB陣間產(chǎn)熱階段的Tbmax高于任一冬眠陣。在同樣的環(huán)境溫度下,冬眠和日眠的個體陣間的Tbmax和蟄眠中的最低體溫都有顯著不同,這提示日眠的體溫調(diào)節(jié)機制可能不同于冬眠。3.3最適冬溫optimomtempra內(nèi)部t-12me直接分布本研究中,在-5℃～10℃的環(huán)境溫度內(nèi),深冬眠的達(dá)烏爾黃鼠的體溫約為-2.4℃～11℃,可隨環(huán)境溫度而變化,而處于日眠狀態(tài)的個體在3℃～10℃的環(huán)境溫度范圍內(nèi),體溫約為22℃～28℃。這與以往的研究結(jié)果一致。已有的研究表明,冬眠中的哺乳動物在一定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)體溫可隨環(huán)境溫度而變化,表現(xiàn)出類似于變溫動物的溫度隨變(Thermo-conform)(Geiser,2004;NicolandAndersen,2007)。在此溫度范圍內(nèi),冬眠中的動物似乎放松了對體溫的調(diào)節(jié),其收益為減少用于體溫調(diào)節(jié)的代謝產(chǎn)熱,進而減少能量消耗(Heldmaieretal.,2004)。Heldmaier等(2004)認(rèn)為,很多物種都有一個表現(xiàn)最長冬眠陣和最低代謝率的環(huán)境和身體溫度范圍,可稱之為最適冬眠溫度(Optimumtemperautureforhibernation)(Heldmaieretal.,2004)。例如,熱帶的肥尾鼠狐猴(Cheirogaleusmedius)冬眠時體溫可在10℃～30℃的范圍內(nèi)隨環(huán)境溫度而變動(Dausmannetal.,2005);旱獺(Marnotamarmota)傾向于在體溫5℃～10℃下冬眠(OrtmannandHeldmaier,2000;RufandArnold,2000;Heldmaieretal.,2004);嚙齒動物往往喜好選擇1℃～6℃的體溫范圍(Barnes,1989;Heldmaieretal.,2004)。本文,達(dá)烏爾黃鼠的最適冬眠體溫與其它嚙齒類基本一致。本研究中,達(dá)烏爾黃鼠冬眠過程中的最低體溫為-2.43℃,多數(shù)個體在深冬眠中可以耐受-2℃～0℃的短時低溫,激醒或繼續(xù)維持深冬眠狀態(tài),而不會導(dǎo)致死亡。然而,在長時間(15h)或過度低溫(-5℃以下)的環(huán)境下,深冬眠的達(dá)烏爾黃鼠不能繼續(xù)冬眠,多數(shù)個體被激醒(70%),部分個體會死亡(30%)。一般認(rèn)為,冬眠中動物可以通過耐受凍結(jié)、溶質(zhì)依賴性的冰點降低、抗凍分子或超冷(Supercooling)等機制耐受水的冰點以下的體溫。研究發(fā)現(xiàn),北極黃鼠(Barnes,1989)和地黃鼠(S.citellus)(Hutetal.,2002)等冬眠的哺乳動物,有體溫降至0℃以下而不凍結(jié)的現(xiàn)象,如冬眠的北極黃鼠的最低體溫可達(dá)-2.9℃(Barnes,1989)。體溫在0℃以下的北極黃鼠血漿的冰點和熔點與非冬眠哺乳動物無差異,其血