海水中的低氧含量可能会使某些海洋无脊椎动物失明

2020-08-19 125无脊椎动物

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的斯克里普斯海洋学研究所的科学家发现,海水中的低氧含量可能会使某些海洋无脊椎动物失明。

这些结果最近发表在《实验生物学杂志》上,首次证明了海洋无脊椎动物的视觉对水中的可用氧气量高度敏感。

研究背景

全球海洋中的氧气水平正在从自然和人为过程中发生变化。许多海洋无脊椎动物都依靠视觉来寻找食物,庇护所并避开捕食者,尤其是在许多生命处于浮游状态的早期阶段。甲壳类和头足类尤其如此,它们是其他动物的常见猎物,其幼虫在水柱中高度迁徙。

对陆生动物的研究表明,低氧水平会影响视力。实际上,在低氧条件下,人会失去视觉功能。例如,如果飞机未能在驾驶舱中补充额外的氧气,则在高空飞行的飞行员会出现视力障碍。另外,健康问题,例如高血压和中风,都与氧气流失有关,会损害视力。

研究内容

“有了关于氧气影响陆地动物视力的所有知识,我想知道海洋动物是否会以类似的方式发生反应,”国家科学基金会资助的研究的主要作者,斯克里普斯海洋学博士学位的博士莉莉安·麦考密克说。

她的成绩震惊了她。她研究了加利福尼亚的四种本地无脊椎动物-鱿鱼,两斑章鱼,金枪鱼螃蟹和短臂蟹-在低氧条件下视力降低了60%至100%。

麦考密克使用从斯克里普斯(Scripps)附近水域收集的幼虫,对幼虫的视力进行了急性反应-暴露于减少的氧气的短期反应。她与加州大学圣地亚哥分校心理学系的研究员尼古拉斯·奥什(Nicholas Oesch)合作,为这种小样本开发了一套装置。

厄斯说:“实验室中的大部分工作都旨在解决哺乳动物视野中的生物医学问题。” “因此,走出传统的模型系统并将我们的技术应用到完全不同的领域变得很有趣。”

将幼虫放在显微镜下,用流动的海水逐渐降低氧气含量,将幼虫暴露在麦考密克可以用来引发视觉反应的光照条件下。她使用与幼虫视网膜相连的电极测量了这些反应。这种技术称为视网膜电图。

麦考密克说:“将设备想象成是眼睛的心电图机。” “我们不是在测量心脏的电活动,而是在观察眼睛的视网膜部分。”

海水中的低氧含量可能会使某些海洋无脊椎动物失明

一旦氧气的供应量开始从充分充氧的水平开始下降(例如在海洋表面发现的水平),麦考密克就立即看到了幼虫的反应。在短壳蟹和鱿鱼中尤其如此,在最低的氧气测试条件下,它们几乎失去了全部视力,约占表面氧气水平的20%。章鱼的生长时间更长,在氧气减少到一定水平后,视网膜反应才下降,而金枪鱼螃蟹则很有弹性。已知成年金枪鱼螃蟹可以耐受低氧水。

麦考密克说:“令我惊讶的是,即使暴露在低氧下几分钟,这些物种中的一些却变得几乎失明了。”

海水中的低氧含量可能会使某些海洋无脊椎动物失明,幸运的是,当氧气水平恢复时,大多数标本都恢复了某种视觉功能,这表明这种损害在短期的低氧状态下可能不是永久的。

麦考密克对视力下降如何影响动物行为感兴趣,特别是对那些视力丧失最严重的动物。这些动物依赖于光线的线索,而无法检测到这些线索可能会影响它们的生存。一个例子是迁移。这些物种的幼虫垂直迁移,在白天沉入更深的深度,在夜晚上升到地表,并利用光强度的变化作为它们的迁移线索。

此外,幼虫依靠视觉寻找猎物和躲避掠食者。鱿鱼幼虫捕食快速游动的猎物,如桡足类,它们的视觉对这一点至关重要。在低氧环境下,鱿鱼幼体视网膜的反应速度减慢,说明这种视觉障碍可能会抑制幼体对桡足类和摄食的感知能力。失去了对光照强度变化的反应能力——比如捕食者的影子——或者视觉上看到猎物的能力,可能会降低这些高视觉幼虫的存活率。圣地亚哥的市场鱿鱼可能特别敏感,因为它们产卵的地方容易缺氧,比如拉荷拉峡谷附近的海底。

研究意义

在海洋环境中,氧气水平会在每天,季节性和每年的时间尺度上变化。氧气随深度的变化也很大。但是,由于人类影响的气候变化甚至污染,这些条件正在发生变化。大气变暖也在改变海洋中的温度,这减少了氧合良好的地表水与更深水域的混合。此外,近岸环境在一种称为富营养化的过程中越来越失去氧气,在富营养化过程中,水中过多的营养物质助长了浮游生物的繁殖,然后耗尽了溶解在水中的可用氧气。这可能导致鱼类和其他海洋动物死亡。富营养化通常是沿海污染的结果,例如农业或污水的径流。在自然发生的低氧和上升流的地区,例如加利福尼亚沿海,氧气损失尤为明显。

这些结果基于急性反应,麦考密克很好奇长期接触低氧会对野生动物产生怎样的影响。她未来的工作将测试不同氧气条件下的视觉行为,并将生理和行为研究结果与海洋中氧气和光照条件随时间的变化进行比较。

引用

Scripps Institution of Oceanography at the University of California San Diego. "Low oxygen levels could temporarily blind marine invertebrates." ScienceDaily. ScienceDaily, 8 May 2019. www.sciencedaily.com/releases/2019/05/190508163544.htm.

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