张明明+乔帼+仇明

摘要 呼吸代谢作为生物能量学和动物生理学研究的主要内容之一，受到了国内外学者的广泛关注。研究生物的呼吸代谢特征、发生规律等对揭示其生活习性、动物进化、物种保护、人工增养殖及海洋生物资源开发等具有重要的理论意义和实际指导价值。依据近年来国内外的研究成果，本文综述了一些关于水生动物呼吸代谢的研究方法、呼吸器官和呼吸蛋白的研究现状，讨论了影响呼吸代谢的生物因素和非生物因素，以期为水生动物呼吸代谢的进一步研究及其应用提供理论依据。

关键词 水生动物；呼吸代谢；耗氧率；呼吸器官；呼吸蛋白；影响因素

中图分类号 Q47 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）23-0234-02

动物的呼吸代谢是研究其生理、能量和基础生理生态的重要内容之一，它能呈现动物的生理状态、环境对其生理活动的影响以及与其生活习性之间的内在关系。耗氧率可作为能量消耗的定量尺度，是研究呼吸代谢的一个重要指标，它可反映动物的代谢强度及变化规律[1]，通过研究耗氧率及其与内外在各种因素的相互作用，可掌握呼吸代谢特征、营养需求、生理状态和对环境的适应能力等，为动物资源的开发利用提供理论指导，也可为其进化过程中的呼吸改变提供生理依据。1900年，学者们开始研究鱼类的呼吸代谢，贝类的呼吸代谢研究始于20世纪60年代初，而关于比较系统的虾蟹呼吸研究始于20世纪70年代，并把呼吸代谢研究归入营养生理学和生物能量学研究中，并于20世纪80年代对水产动物的呼吸代谢进行了大量的研究。本文就国内外一些水生动物的呼吸代谢研究状况作一综合论述，以期为生物进化理论的完善、物种保护和资源开发提供理论支撑。

1 水生动物呼吸代谢的研究方法

呼吸代谢的测定方法中，通过测定环境温度的增加来测量动物的产热是最为直接的，该法主要适合于哺乳动物。关于水生动物呼吸代谢的测定方法研究较少，主要是间接法，包括封闭流水法、静水法和开放流水法[1]。封闭流水法主要是借助封闭循环水养殖系统，在机体饥饿状态下，检测不同时间段进水口和出水口的溶氧和水的流动速度来完成，所用仪器简单。许多学者通过该法研究鱼类的呼吸代谢，如竹筴鱼（Trachurus japonicas）、鲇鱼（Silurusasotus Linnaeus）、鲑点石斑鱼（Epinephelusfario）幼鱼、团头鲂（Megahbrama-amblycephala Yih）和鲫鲤杂交子一代（F1）幼鱼等。相对于封闭流水式，静水式是保持呼吸系统内水体静止并固定总量，通过检测放入试验对象后溶解氧的改变来完成，但通过它进行呼吸研究的报道较少。开放流水法是一种在流水中测量试验动物耗氧率的方法。该种方法的试验装置和封闭流水式相似，只是不需要密封。田守文等利用这种开放流水式系统研究了鲤鱼（Cyprinusc a r pio）的耗氧情况，结果发现用该方法测定的耗氧率远高于静水式，究其原因，除了试验本身的误差外，可能是因为试验鱼体需要消耗更多的能量来克服在流水高溶氧环境中的水流等因素。

2 水生动物呼吸器官的研究

由于进化导致的身体结构和环境不同，水陆两栖脊椎动物依靠皮肤和肺进行呼吸，大部分两栖动物成体主要靠肺呼吸，皮肤可作为辅助的呼吸结构，例如，青蛙皮肤呼吸所得的氧约占总需氧量的40%，在冬眠期间皮肤呼吸作用增强。水栖脊椎动物主要通过鳃进行呼吸，鳃是鱼类主要的呼吸器官，内含有大量的微血管，也是气体交换的真正场所；某些水栖脊椎动物还可通过口咽腔黏膜、皮肤、鳔、膀胱和尿囊等进行气体交换，皮肤也是鱼类的重要呼吸器官之一，微血管在真皮中，可经基底层细胞到达表层，增加与呼吸介质紧密接触，从而促进皮膚与外界进行气体交换，例如，鳖鱼、鲟鱼、鳟鱼、黄鳝、肺鱼、金鱼以及鲇科鱼类约有5%～30%的摄氧量是通过皮肤获取的[1-2]。水生无脊椎动物主要靠皮肤、呼吸腔和肠道呼吸，如瘤背石磺（Onchidium sp.），其隶属于软体动物门、肺螺亚纲，生长在海岸带的高潮带，是生物由海洋向陆地进化的重要过渡代表种，其呼吸主要包括肺呼吸和表皮呼吸。当石磺离开水体时，通过上抬外套膜后部以暴露打开的肺孔，从而吸入空气储存于肺囊；当石磺生活在水中时，主要是借助背部的许多短小的外套膜乳状突起进行表皮呼吸；某些种类的石磺还具有鳃，呈树枝状。不同种类石磺根据鳃的有无、肺囊、皮肤特征等差异以及具有自由生活幼虫期展现由海洋向陆地过程中的环境适应性[3]。沙蚕无特殊的呼吸器官，其体表尤其是薄的背表面和疣足的舌叶充满微血管网，是与气体交换的主要场所[1-2]。

3 水生动物呼吸蛋白的研究

呼吸蛋白（respiratory proteins）是指参与呼吸作用的蛋白质家族，除少数的极低等动物，绝大多数动物的氧气运输都需要血液中这些特殊蛋白质的参与。迄今为止，已知的动物呼吸蛋白主要存在于血淋巴或血细胞中，其进化过程中最具代表性的3种是血蓝蛋白（hemocyanin，Hc）、蚯蚓血红蛋白（hemerythrin，Hr）和血红蛋白（hemoglobin，Hb）。其中，最古老的呼吸蛋白是蚯蚓血红蛋白（Hr），现主要存于腕足类、星虫和部分多毛纲（Polychaeta）的环节动物等少数较原始海洋无脊椎动物中，然而Hr相对不稳定、易氧化。接着，被进化出现的节肢动物利用较稳定的血蓝蛋白（Hc）代替Hr，但是Hc与氧的结合能力较弱。因此，Hc被脊椎动物和部分高等无脊椎动物中高效载氧的血红蛋白（Hb）替代了。Hc在非线性分子进化中不仅具有重要的承上启下意义，并且至今依然是多数软体动物和节肢动物的呼吸蛋白，在动物界中其分布范围仅次于Hb[4-5]。运输氧气是Hc最基本的功能。当氧浓度高时，Hc活性部位的2个Cu的存在形式为Cu2+，与一个O2结合后生成蓝色的氧合血蓝蛋白（oxyhem-ocyanin）；当氧浓度低时，Cu的存在形式为Cu+，Hc中的O2会解离后形成没有颜色的脱氧Hc。正是通过Hc这种与氧结合的可逆性，满足动物生理代谢过程中对氧的根本需求。Hc主要存在于多足类、甲壳类和螯肢类动物中，通常由3～8个不同的亚基构成。在基因序列方面，Aspan等发现淡水小龙虾（Pacifastacuslenius-culus） proPO的推导氨基酸序列与鲎（Limulus polyphemus）的HcII铜离子结合区CuA和CuB的同源性分别为79.5%和60.3%。其他研究发现，软体动物通过细胞表面特殊的复合体和小孔将Hc释放到血淋巴中，同时，Hc的合成与代谢也会因盐度等外界环境的变化而改变。

运输氧气是Hb最主要的功能，在肺或鳃等氧分压高的组织中与氧结合，相反，在肌肉等氧分压低的组织中将氧释放，并将组织代谢产生的CO2输送回到肺或鳃。Hb由血红素和珠蛋白组成。海洋无脊椎动物Hb在结构上与脊椎动物Hb既具有相同点又具有一定的差别。每个脊椎动物Hb分子通常由4个亚基构成：2个α亚基和2个β亚基。4个含亚铁Fe2+的血红素分子和1条多肽链构成1个亚基，每个亚基含有1个氧结合部位和1个血红素基，而且在一定的生理条件下此多肽链会盘绕折叠呈球形，并将血红素分子内包，故也称其为珠蛋白（globin）。Hb中Fe与氧分子也可进行可逆结合，组织中氧分压的大小决定着氧的脱离与结合。当Hb未结合分子氧时，Fe2+与1个水分子卟啉环下方配位结合，加上4个亚基之间较强的相互作用，使血液呈现淡蓝色；而当Hb与氧结合时，上面水分子的位置被分子氧替代形成氧合血红蛋白（HbO2），使血液呈鲜红色。无脊椎动物的Hb在部分节肢动物、软体动物、环节动物、棘皮动物等体内也都有所分布，主要存在于细胞中或溶解在血浆中。通常脊椎动物血细胞中Hb对氧的亲和性比双壳类要高，但双壳类的协同性比脊椎动物的低，但与其他无脊椎动物的相近。另外，还有些动物含有丰富α-螺旋结构的胞外Hb，如少部分的双壳类、瓣鳃类、腹足类及肺螺类动物。不同种类Hb每个亚基所含的氧结合点数目不同，异齿双壳类Hb含有18～20个氧结合点，肺螺类含有10～12个。亚基通常处于钳制状态或松弛状态，不同的状态与Hb的载氧功能有关。在缺氧组织中，亚基处于钳制状态，致使氧不能与血红素结合；而在鳃或肺结构中含氧丰富的亚基的松弛状态使氧极易与血红素结合，进而快速地将氧输送到需氧组织。亚基的四级结构及其结构的转化对其载氧功能有着重要意义。

此外，某些动物体内如长手沙蚕属、海豆芽属存在血褐蛋白，环节动物门多毛纲帚毛虫科等动物体内存在血绿蛋白，这些蛋白的主要功能均是运输氧气[5]。

4 影响水生动物呼吸的因素

4.1 生物因素

4.1.1 年龄。年龄和成熟程度决定水生动物的耗氧率，通常鱼性成熟之前（约200日龄前）主要呈现负相关关系，即随着年龄的增长鱼体的耗氧率降低；而性成熟后无相关关系。由于胚胎和仔鱼期组织代谢活性不同，鱼类早期胚胎发育期的耗氧率具有显著差异[6]。

4.1.2 体重。对某物种，随个体体重的增加，耗氧量增高，但耗氧率却相对减小，主要由于生长发育中相对大的机体的代谢活动更加强烈，如尼罗罗非鱼（Oreochromisnilotica）、猫鲨（Scyliorhinidae）[6]。

4.1.3 饥饿和摄食。如果在一定期限里没有进食，那么机体将处于饥饿的状态。一般情况下，鱼类耗氧率随饥饿程度的增强呈显著下降趋势。外界环境温度会影响鱼体的食欲及其代谢强度等，在饥饿状态下，耗氧率随着温度的变化而变化；但动物摄食后，耗氧率与饥饿时有所不同，此时耗氧率会因代谢率急剧上升而急速增大，并且短时间内就达到峰值，随之又逐渐回到未摄食时的大小[6]。

4.1.4 生活周期和活动。机体存在如驯化时间和生理状况等生理周期，不同生理周期影响着个体生理活动的强度，从而影响耗氧率。水中的溶解氧也随昼夜和季节变化而变化，这种变化致使耗氧率也变化明显，如斑狼鱼夜晚的耗氧率遠远地低于白天，体现了它们夜晚的活动和摄食强度与白天存在较大差异。而有些生活习性与斑狼鱼相反的鱼（如斑点胡子鲶），其耗氧率变化也相反。可能的原因是各自的昼夜生理耗氧周期与物种种类、摄食特点和生活习性等有关。

通常，水生动物处于静止状态时的耗氧率比游动时低，并且随活动强度的加强而增大。竹筴鱼耗氧率和代谢率随着游动速度的不同而改变，从而致使泳动时的耗氧率明显高于静止时[6]。

4.2 非生物因素

4.2.1 温度。温度研究结果分为2种：一种是处于适温范围内，耗氧率随温度升高不断增大；另一种是随着温度的增加，耗氧率先增大，到达峰值后，又逐渐降低。这是由于随着外界温度升高，机体内的酶活不断增强、代谢加快，致使耗氧率增加。但是，当温度上升到一定值甚至超过室温范围后，机体的生理机能由于不适应温度的变化而活动减弱，因而耗氧率又逐渐降低。并且，鱼体能够承受温度超出适温范围的时间有限，一旦超过可忍受时间，鱼体就会死亡。

4.2.2 盐度。一般情况下，随着盐度的增大，水产动物的耗氧率逐渐增大，然而当超过适宜盐度范围后，又逐渐减小。这是因为盐度改变引起渗透压发生变化，盐度超过适应范围后，机体为调节渗透压耗费了更多的能量，因而用于其他生理机能的能量较少，呼吸强度也相应地降低。通过研究美国红鱼（Sciaenopsocellatus）幼鱼耗氧率对盐度的响应发现，当盐度为10～40时，耗氧率的变化呈现先下降后上升然后又降的特征。此外，黑鲈（Micropterus salmoides）幼鱼在盐度变化后，只要在适宜范围之内，其代谢率在改变后一定时间内就可恢复到正常水平。

4.2.3 pH值。通常情况下，不同水生动物的耗氧率随pH值的升高而增加，但其对pH值变化的敏感度因物种而异。范德明研究发现pH值对不同种类缢蛏（Sinonovacula constric-ta Lamark）的耗氧率影响存在差异。在pH值为7.0～8.1时，栉孔扇贝（Chlamys farreri）的耗氧率随pH值的降低而明显减小。3种南方贝类在pH值为7.7和8.1时耗氧率均没有显著变化，甚至当pH值降到7.3时，翡翠贻贝（Perna viridis）的耗氧率仍无显著的下降，结果说明3种贝类对酸环境均有一定程度的抵抗力；然而，当pH<7.0时，3种贝类的耗氧率均显著减小，表明剧烈的pH值变化会负面影响贝类的呼吸代谢。另外，水体中pH值过高或过低都会抑制水中生物的光合作用，进而对水中的溶解氧产生影响，从而妨碍呼吸。

4.2.4 溶氧量。溶解氧（DO）充足或者含量较高时，水生动物自身耗氧率也会相应增高。相反地，当DO含量较低时，个体可用氧气含量较低，耗氧率也较低。进食后，DO值正常时机体耗氧率明显高于DO不足时的耗氧率，但个体处于饥饿状态时，耗氧率的变化受水体中DO含量的影响不显著[6]。

5 展望

呼吸代谢仍是未来研究水生动物生理和生物能量的重要内容之一，呼吸代谢生态学和生理学研究已是淡水和海水渔业资源经济种增养殖和近海海洋牧场研究的重要内容之一，在养殖以及水产品运输方向已有广泛应用，而且相关技术已相对成熟，但由于养殖业的飞速发展，为了突破相关瓶颈，亟须开展养殖新品种、引进种、具有特殊进化地位代表性品种及其他具有养殖发展潜力种类的呼吸代谢的应用研究，尤其是针对各地面临濒危的特有种开展“文明养殖”。此外，鉴于不同呼吸蛋白的作用和地位，对动物呼吸蛋白的研究将着重分析其基因序列、结构、进化特点以及探索其新功能及作用机理，可拓展人们对呼吸蛋白的认识，丰富呼吸蛋白在进化理论中的作用，也为物种保护、增养殖、生态系统稳定和海洋生物资源的开发提供了新的思路和来源。

6 参考文献

[1] 冯雪，陈丕茂，秦传新.渔业资源生物呼吸代谢研究进展[J].广东农业科学，2012（4）：92-96.

[2] FEMANDES M N，PERNA MARTINS S A.Epithelial gill cells in the armored catfish，Hypostomus cf.plecostomus（Loricariidae）[J].Rev Bras Biol，2001，61（l）：59-63.

[3] 管菊，沈和定，王冬鳳，等.4种石磺水中呼吸耗氧初步研究[J].海洋渔业，2014，36（6）：511-515.

[4] DAMSGAARD C，FAGO A，HAGNER-HOLLER S，et al.Molecular and functional characterization of hemocyanin of the giant African millipede，Archispirostreptus gigas[J].J Exp Biol，2013，216（9）：1616-1623.

[5] 张亚南，樊廷俊，徐彬，等.动物呼吸蛋白的研究进展[J].山东大学学报（理学版），2009，44（90）：1-7.

[6] FOSS A，VOLLEN T，IESTADV.Growth and oxygen consumption in nor-mal and O2 super-saturated water，and interactive effects of O2 saturati-on and ammonia on growth in spotted wolf fish[J].Aquaculture，2003，224（4）：105-116.