达布尔黄鼠的冬季生存模式和体温调节特点

达布尔黄鼠的冬季生存模式和体温调节特点

动物、鸟类和其他恒温动物的体温具有周期性节律变化的特点，其中最常见的是体温的日夜变化。通常，每天睡眠时的体温为0.5%-2%（heldmaietal.，2004）。维持高而恒定体温的代价是消耗大量的能量(ElseandHulbert,1981),在严酷的冬季,分布在温带和极地的哺乳动物往往面临着食物资源的短缺,有些动物会采取降低代谢率和体温的策略,以降低能量消耗。冬眠时动物的体温可以降到接近0℃或更低,如北极黄鼠(Spermophilusparryii)在此期间的最低体温为-2.9℃(Barnes,1989)。哺乳动物冬眠时的低体温是主动调节的,在深冬眠状态,当环境温度过低时,冬眠动物能够通过增加代谢产热,防御体温的进一步降低,或通过主动激醒,防止被冻死亡(Barnes,1989)。在整个冬眠季节,冬眠动物会通过自身的调节和内源性产热机制周期性地从深冬眠状态觉醒,返回到常温状态,这样整个冬眠季节被若干次短暂的阵间觉醒分隔成若干个冬眠阵。然而,在深冬眠阶段,动物的体温在一定范围内也会随着环境温度的变化而变化,表现出类似于变温动物的体温调节特征(Heldmaieretal.,2004)。环境温度会影响深冬眠阶段的体温以及阵间觉醒的频率,进而影响冬季的能量消耗,因此测定冬眠动物的体温及其变化模式对阐明动物冬季的能量学策略具有重要意义。冬眠的哺乳动物,不论是在冬眠季节还是非冬眠季节,表现出的体温都是在中枢神经系统调节下产热和散热效应综合作用的结果(Romanovsky,2007)。冬眠动物体温调节的机理及其代谢产热特征一直是学者们研究的热点问题,而体温的变化模式是这些问题研究的基础。早期研究发现,不同物种、同一物种的不同年龄和性别之间在冬眠模式(入眠、出眠的先后,冬眠季节的长短等)上存在差异(French,1982)。近年来,随着体温测定技术的改进,长时间连续记录动物的体温已成为可能(Michener,1992;WollnikandSchmidt,1995;WaβmerandWollnik,1997;WilzandHeldmaier,2000;Hutetal.,2002;Bucketal.,2008;Mouhoub-Sayahetal.,2008;Güretal.,2009)。目前,已在实验室、围栏以及野外条件下建立了多个物种的冬眠模式,不但定量分析了寒冷地区冬眠物种的体温变化模式(Barnes,1989;Michener,1992;Hutetal.,2002;Bucketal.,2008),也有关于同一物种的不同蛰眠类型的比较研究(WilzandHeldmaier,2000),甚至发现某些热带物种也具有冬眠的习性(Dausmannetal.,2005)。研究发现,冬眠物种的冬眠模式不但具有种间差异,同一物种内还普遍存在年龄和性别差异(French1982;Michener,1992;WaβmerandWollnik,1997),这些差异可能与物种自身的生物学特征有关,也可能与环境条件有关。因而,将一个物种或某一气候环境下的冬眠模式直接套用于其它物种或不同的气候条件是不合适的(TurbillandGeiser,2008;杨明和王德华,2011)。达乌尔黄鼠(Spermophilusdauricus)是分布于古北界蒙新区的典型小型哺乳动物,关于冬眠习性和产热等特征已有不少研究(蔡益鹏等,1987;王世强等,2000;黄晨西等,2003;王琦等2007;王有等,2009),且发现其入眠和出眠时间存在年龄和性别差异(费荣中等,1975)。然而,关于冬眠季节体温变化和冬眠模式的报道很少(王有等,2009)。完整记录和分析达乌尔黄鼠在冬眠过程及冬眠前后的体温变化过程,可为深入研究其体温调节机理和冬眠机制奠定必要的基础,也为进一步理解冬眠物种的能量策略提供依据。1学习方法1.1动物房单笼饲养实验用达乌尔黄鼠26只(11♂,15♀),分别于2008年5月和2009年6月捕自内蒙古通辽(北纬43.9°,东经122.5°),带回沈阳师范大学动物房单笼饲养,饲养笼大小48cm×35cm×20cm,用碎刨花做巢材。动物房内自然温度(随外界环境气温波动的范围为16℃～28℃)和光照,动物喂以沈阳市于洪区前民动物饲料厂生产的标准鼠饲料,水、食自取。9月份,当发现个别动物出现蛰眠状态(卷曲身体、体温降低、行动迟缓)时,将全部动物移入5℃±1℃的低温房内,笼内加适量的棉花作为补充巢材。低温房恒黑(模拟洞穴内条件),动物水、食仍自取,饲料成分不变。1.2体核温度和睡眠的测定于每年的8月份在动物腹腔内埋植半导体温度记录元件(Maxim/Dallas公司生产的DS1921L-Thermochron®iButton,温度记录范围为-40℃～85℃,灵敏度为0.5℃),每小时记录一次体核温度,以准确测定冬眠季节及其前后体温的变化和冬眠的表达。iButton的埋植方法:首先用石蜡和乙烯-醋酸乙烯共聚物(Ethylene-VinylAcetatecopolymer,EVA)混合物(v∶v=5∶1)的熔化液来包埋设定好记录参数的iButton,使其表面形成完整的涂层,冷却固化后,用碘伏消毒。将实验动物腹腔注射戊巴比妥钠(剂量为50mg/kg)麻醉后,纵切腹部,打开腹腔,植入预先包埋并经消毒处理的iButton,缝合腹壁(Masakietal.,2005)。动物术后恢复一周。取另1个iButton,参数设定同上,置于3号自封袋内,悬挂于黄鼠越冬室内,用来记录环境温度。1.3冬春季不同发酵期/整体用量为5.根据以往的研究结果,我们将达乌尔黄鼠的体温(Tb)<30℃时定义为异温状态(Heldmaieretal.,2004;Masakietal.,2005;CooperandGeiser,2008;Bucketal.,2008)。首次记录到Tb<30℃时为动物入眠时间,最后一次记录到Tb从<30℃恢复到≥30℃时为动物的出眠时间,从入眠到出眠的时间跨度为冬眠时间的长度。入眠过程中,体温从30℃下降到20℃过程的最大速率为冷却速率(Coolingrate),从蛰眠的低体温状态恢复到常温产热过程的最大速率为复温速率(Warmingrate)。冬眠季节中的蛰眠阵分为3种类型:深冬眠阵(Deephibernationbout,DHB),最低体温(Tbmin)<20℃,且冬眠阵的持续时间(Boutduration,BD)即异温时间>24h(WaβmerandWollnik,1997);短冬眠阵(Shorthibernationbout,SHB),Tbmin<20℃,BD≤24h(WaβmerandWollnik,1997);日蛰眠阵(Dailytorporbout,DTB),Tbmin≥20℃,BD≤24h。两个连续蛰眠阵之间的常温产热时相(Tb≥30℃的持续时间段)为阵间产热阶段(Heldmaieretal.,2004;Bucketal.,2008);冬眠季节Tb<30℃状态的累积时间为异温的累积时间,Tb≥30℃状态的累积时间为常温产热的累积时间。1.4产热期tb的测定根据iButton记录的体温数据,取首次入眠前10d和出眠后第一个10d记录到的常温产热阶段的Tb,统计每日的最高体温(Tbmax)和Tbmin,并计算体温的日波动幅度ΔT。ΔT=Tbmax-Tbmin。1.5不同类型冬春季的相关指标比较利用SPSS统计软件包(SPSS13.0forWindows)进行数据统计分析。使用1-Sample-K-Stest检验后证明所有进行统计的数据均符合正态分布。雌雄黄鼠入眠的先后、冬眠季节持续时间等指标的比较均采用独立样本T检验(Independent-SamplesTtest)。三种不同类型蛰眠阵有关数据使用双因素方差分析(Two-wayANOVA)(性别×冬眠阵类型)和posthoc多重比较。冬眠前后常温阶段体温差异的比较采用重复测量的方差分析(RepeatedmeasureANOVA)。体温与环境温度之间的关系用pearson相关分析,并做线性回归分析。全文数据均以平均值±标准误(Mean±SE)表示,P<0.05为差异显著,P<0.01为差异极显著。单因素方差分析(One-wayANOVA)进行比较分析。2结果2.1不同冬春期各器官的tbd126只实验动物中,16只成功越冬;6只死于冬眠季节末期,其数据仅用于冬眠类型统计;4只死于冬眠季节早期,其数据舍弃。冬眠季节的持续时间存在个体差异,从20d到210d不等,每个个体冬眠季节表达的蛰眠阵类型和数量也存在差异(图1)。根据冬眠季节的长短和冬眠阵类型可以将达乌尔黄鼠分为深冬眠型(Deephibernation,DH)(例如图1,﹟27♀和﹟45♂)、少冬眠型(Lesshibernation,LH)(例如图1,﹟84♀和﹟12♂)和不冬眠型(Nohibernation,NH)(例如图1,﹟83♀)3类。深冬眠型冬眠季节长,主要由若干持续多天的深冬眠阵组成,占记录个体总数的68.1%(15/22);少冬眠型冬眠季节短,冬眠阵中深冬眠阵较少,短冬眠阵和日眠阵较多,占记录个体总数的22.7%(5/22);不冬眠型个体整个冬季都不表达深冬眠阵和短冬眠阵,只表达日眠阵或一直处于常温产热状态,仅占记录个体总数的9.1%(2/22)。雌雄两性在冬眠季节的持续时间上无显著差异(雌性为160.78±8.01d,N=9;雄性为146.86±26.39d,t=0.51,df=7.11,P>0.05,N=7,N为鼠的样本量,下同)。达乌尔黄鼠的蛰眠阵表现为DHB、SHB和DTB三种类型(图2)。其中,DTB多发生在冬眠季节的开始阶段,或经过几个DHB之后的少眠型个体中。26只实验动物中的19只在冬眠季节的开始阶段表现出体温的“试降”过程,即在连续的浅而短的冬眠阵中,体温逐渐降低,直到发展成DHB为止(图2c)。SHB多发生在冬眠季节的开始阶段和结束阶段。单因素方差分析表明,3类蛰眠阵的Tbmin之间差异均极显著,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;每两组之间P值均小于0.01)(表1)。不同冬眠模式之间阵间产热的最高体温在DTB中(38.09℃±0.17℃,n=20,n为冬眠阵的个数,下同)显著高于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)。不同冬眠模式之间的阵间产热的持续时间在DHB中最短(12.75±0.75h,n=20),在SHB中较长(26.40±5.80h,n=10),在DTB最长(34.15±4.37h,n=20)(F(2,47)=10.42,P﹤0.01)(表1)。DTB入眠过程的冷却速率(1.86±0.13℃h-1,n=20)显著低于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),但后两者之间无差异(P>0.05)。阵间觉醒过程的复温速率在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)之间差异极显著(F(2,47)=73.69,P﹤0.01)(表1)。2.2tbmin与ta的关系对DHB、SHB和DTB的Tbmin与Ta之间的关系进行相关分析。在Ta为-6℃～10℃的温度范围内,深冬眠个体的Tbmin与Ta之间呈显著的正相关(r=0.93,P﹤0.01),线性回归方程为Tbmin=0.74Ta+0.89(r2=0.87,P﹤0.01,N=7,n(冬眠阵数)=49)(图3)。SHB因个体数量较少,Tbmin与Ta之间的无显著的相关性。在Ta为3℃～10℃的范围内,DTB的Tbmin与Ta之间也呈显著正相关(r=0.57,P﹤0.01),线性回归方程为Tbmin=0.69Ta+20.55,(r2=0.32,P﹤0.01,N=10,n=20)(图3)。2.3深冬ta冬眠季节的环境温度设定为5℃±1℃,由于控温设备发生故障,在冬季(2008.11～2009.1)有5次环境温度短时降至0℃以下(表2,图1)。首次遇到环境温度下降到0℃以下(-0.91℃)时,冬眠中的所有个体均激醒或死亡,不能继续维持深冬眠状态;而在接下来的短时低温下(Ta高于-2℃),尽管多数个体会被激醒,但尚有部分个体可以继续维持深冬眠状态。然而,在长时间过低的环境温度下(持续15h低于0℃、最低温度为-5.93℃),动物或被激醒或死亡,不能继续维持深冬眠状态(表2)。记录到深冬眠中的达乌尔黄鼠在低于0℃的体温下可持续13h,之后借助环境复暖而激醒、存活并继续进入下一个冬眠阵,其最低体温为-2.43℃,可维持5h(图4)。2.4体温波动的日节达乌尔黄鼠入眠以前10d和出眠以后10d动物的体温变化模式存在差异(图5)。入眠以前,达乌尔黄鼠的体温具有显著的日波动节律,日节律的周期为23.64℃±0.34h,Tbmax为38.51℃±0.06℃,Tbmin为33.70℃±0.15℃,ΔT为4.80℃±0.13℃(N=7,n=70);Tbmin在入眠前逐渐降低,ΔT表现出增加趋势。动物在刚出眠的几天内,体温波动没有显著的日节律;经过3～5d后,开始出现体温的日波动节律。出眠后的Tbmax和Tbmin分别为38.04℃±0.05℃和35.60℃±0.09℃(N=7,n=70),Tbmin显著高于入眠前(F(1,12)=41.72,P﹤0.01),而日体温波动幅度为2.44℃±0.10℃,显著低于入眠前(F(1,12)=42.57,P﹤0.01)(图6)。3讨论3.1睡眠和睡眠的时间与能量平衡本研究中,冬眠季节长度未显示出性别间的差异,但个体间冬眠的差异很大。根据冬眠季节的长短和是否表达冬眠阵把达乌尔黄鼠的冬眠分成深冬眠型、少冬眠型和不冬眠型3种类型。深冬眠和少冬眠型的冬眠表达可能是一个连续的量的变化,但是不冬眠型个体即使是在环境温度低于0℃时的日眠过程中,体温也从未低于20℃。哺乳动物冬眠模式的种间和种内差异现象较为常见(French,1982;Michener,1992;WaβmerandWollnik,1997)。达乌尔黄鼠的入眠和出眠的时间存在年龄和性别之间的差异,通常表现为先雄后雌,先老年和成年,后当年生亚成体(费荣中等,1975)。这些差异多被解释为适应和生殖对策的不同,成年雄性需要提早出眠,寻找雌性配偶,完成交配,实现最大适合度;成年雌性由于繁殖和哺乳期的能量和时间分配,所以秋季育肥时间比成年雄性要延迟,因而入眠时间也延迟;当年出生亚成体需要延长生长期积累更多的能量用于冬眠季节消耗,加上春季不参加繁殖,所以采取晚入眠、晚出眠的对策(French1990;Michener,1992)。冬眠季节的长短、冬眠表达的多少与能量的可利用性密切相关(Humphriesetal.,2003),这是动物对环境适应的结果。本研究在实验室条件下排除繁殖的影响(春季捕获的个体,当年未参加繁殖)后,雌雄两性间冬眠季节长度无显著的差异,个体之间的差异可能与可利用能量的多少有关,有待进一步研究。在实验条件下的西伯利亚花鼠(Tamiassibiricus)有26%的个体整个冬季都不冬眠,并认为冬眠与否与肝脏中合成和分泌的冬眠蛋白的调节有关(Kondoetal.,2006)。本文中少数个体(2只)整个冬季只发生日眠或不蛰眠。由此推测,深冬眠和日眠或不冬眠个体之间可能存在不同的生理调节机制。3.2日夜节和冬日时期分类本文根据达乌尔黄鼠冬眠阵异温阶段的持续时间和最低体温将其蛰眠阵分为DHB、SHB和DTB三种类型。前人在对原仓鼠(Cricetuscricetus)的研究中,根据其冬眠阵的持续时间和最低体温,将其冬眠阵分为DHB、SHB和短而浅冬眠阵(Shortandshallowhibernationbout,SSHB)三种类型(WaβmerandWollnik,1997),其中SSHB的持续时间、最低体温、复温速率等参数均显著不同于前两种类型,而与日眠的特征一致(Geiser,2004)。与仓鼠属(Cricetus)相比,黄鼠属(Spermophilus)的物种在冬眠期间能源物质的贮存方式、入眠的启动信号和冬眠模式等方面均存在很多差异(杨明和王德华,2011)。因此,本文将持续时间短于24h、最低体温高于20℃的蛰眠阵称为DTB,而未使用SSHB。这不仅与多数文献保持一致,也从根本上将日眠与冬眠区分开来。本研究中,DTB阵间产热阶段的Tbmax高于任一冬眠阵。在同样的环境温度下,冬眠和日眠的个体阵间的Tbmax和蛰眠中的最低体温都有显著不同,这提示日眠的体温调节机制可能不同于冬眠。3.3最适冬温optimomtempra内部t-12me直接分布本研究中,在-5℃～10℃的环境温度内,深冬眠的达乌尔黄鼠的体温约为-2.4℃～11℃,可随环境温度而变化,而处于日眠状态的个体在3℃～10℃的环境温度范围内,体温约为22℃～28℃。这与以往的研究结果一致。已有的研究表明,冬眠中的哺乳动物在一定的环境温度范围内体温可随环境温度而变化,表现出类似于变温动物的温度随变(Thermo-conform)(Geiser,2004;NicolandAndersen,2007)。在此温度范围内,冬眠中的动物似乎放松了对体温的调节,其收益为减少用于体温调节的代谢产热,进而减少能量消耗(Heldmaieretal.,2004)。Heldmaier等(2004)认为,很多物种都有一个表现最长冬眠阵和最低代谢率的环境和身体温度范围,可称之为最适冬眠温度(Optimumtemperautureforhibernation)(Heldmaieretal.,2004)。例如,热带的肥尾鼠狐猴(Cheirogaleusmedius)冬眠时体温可在10℃～30℃的范围内随环境温度而变动(Dausmannetal.,2005);旱獭(Marnotamarmota)倾向于在体温5℃～10℃下冬眠(OrtmannandHeldmaier,2000;RufandArnold,2000;Heldmaieretal.,2004);啮齿动物往往喜好选择1℃～6℃的体温范围(Barnes,1989;Heldmaieretal.,2004)。本文,达乌尔黄鼠的最适冬眠体温与其它啮齿类基本一致。本研究中,达乌尔黄鼠冬眠过程中的最低体温为-2.43℃,多数个体在深冬眠中可以耐受-2℃～0℃的短时低温,激醒或继续维持深冬眠状态,而不会导致死亡。然而,在长时间(15h)或过度低温(-5℃以下)的环境下,深冬眠的达乌尔黄鼠不能继续冬眠,多数个体被激醒(70%),部分个体会死亡(30%)。一般认为,冬眠中动物可以通过耐受冻结、溶质依赖性的冰点降低、抗冻分子或超冷(Supercooling)等机制耐受水的冰点以下的体温。研究发现,北极黄鼠(Barnes,1989)和地黄鼠(S.citellus)(Hutetal.,2002)等冬眠的哺乳动物,有体温降至0℃以下而不冻结的现象,如冬眠的北极黄鼠的最低体温可达-2.9℃(Barnes,1989)。体温在0℃以下的北极黄鼠血浆的冰点和熔点与非冬眠哺乳动物无差异,其血