大多数鱼类的生活依赖于游泳。本方案描述了捕获单条鱼类及鱼群各种游泳模式的技术，并包含了与游泳生理学和行为相关的测量指标。
本文内容
摘要
摘要
鱼类游泳性能测试已广泛应用于肌肉能量学、游泳力学、气体交换、心脏生理学、疾病、污染、缺氧和温度等领域的研究。本文描述了一种灵活的实验方案，利用可调控水流速度的设备来评估鱼类的游泳性能。该方案包括一次或多次逐步增加流速的过程，旨在使鱼类达到疲劳状态。通过设定不同的流速梯度及其持续时间，可评估具有不同生理和生态意义的游泳能力。最常见的是设定梯度以测定临界游泳速度（Ucrit），该指标用于反映鱼类的最大持续游泳能力。传统上，该测试通常包含约十个梯度，每个持续20分钟。然而，目前越来越多地采用较短持续时间的梯度（例如1分钟），以评估鱼类的加速能力或爆发式游泳表现。无论梯度长短，游泳测试均可在不同时间点重复进行，以评估个体间的差异及恢复能力。在游泳测试前后及过程中，常同时记录与游泳相关的终点指标，如代谢率、鳍的使用情况、呼吸频率，以及行为学指标（如群游鱼类之间的距离）。鉴于鱼类物种的多样性、尚未探索的研究问题数量之多，以及许多物种在全球生态和经济健康中的重要性，鱼类游泳性能研究在可预见的未来仍将持续受到关注并具有重要价值。
方案
1. 捕获与适应
- 使用无结网从暂养缸中逐条捕捞鱼类。尽量缩短捕捞时间，避免同时捕捞多条鱼，且在网中持鱼时间不得超过数秒，因为这些因素均会增加鱼类的应激反应。应激会影响游泳表现。
- 将鱼类放入含有麻醉剂的转移缸中，或直接转移至游泳隧道式呼吸仪（“游泳隧道”）中。若需进行麻醉，可使用三卡因甲磺酸盐（MS222）或丁香油。合适的麻醉剂浓度取决于多种因素，包括物种敏感性和水温，通常浓度范围为10–100 mg/L1,2。麻醉剂浓度应足以诱导第三阶段麻醉（即对外界刺激无反应），并允许快速恢复（即数秒内恢复）。在淡水中使用MS222时，应以等质量比例加入碳酸氢钠作为缓冲剂。若不加缓冲剂，MS222会显著降低pH值，而低pH可能损伤鳃组织。在海水中则无需添加缓冲剂，因为海水本身具有足够的缓冲能力。
- 麻醉后的鱼类可进行性别鉴定，测量体重和体长，并进行初步的外部状况检查。体长可记录为全长（TL）、叉长（FL）或体长（BL）。不同测量方式通常根据标准操作规范、物种形态特征（如无分叉尾鳍）或鱼类状况（如尾鳍磨损）来选择。
- 无论是否麻醉，鱼类均应尽快引入游泳隧道中，并置于流动的水中，以促进其恢复。流速通常设定为使鱼类能够在轻微游泳状态下停留在底部。例如，成年红鲑的典型流速为0.3 BL/s。
- 鱼类需在游泳隧道中静置以适应环境。适应期可采用传统时长（如12小时），也可参考当前多数研究中使用的较短时间（如30分钟）。为确定特定鱼类的理想适应期，可采用其达到稳定且尽可能低的代谢率所需的时间（详见下一部分）。
2. 测量代谢率
- 在游泳测试期间，应记录游泳通道内氧气含量的变化。氧气探头可直接密封于游泳通道内；但必须首先确定水流经过探头是否会影响其功能。若探头受测试过程中可能出现的水流速度影响，则需将探头置于通道外的独立腔室中，并通过泵将通道内的水输送至该腔室。
- 为补充氧气并减少代谢废物积累，游泳通道可能需要定期冲洗。对于大多数物种，氧气饱和度不应低于70%，否则游泳表现可能下降，或出现向无氧代谢的转变。冲洗通道内的水还有助于降低水温上升；然而，应将游泳通道与冷水机连接以保持水温恒定。温度变化会影响代谢速率。
- 通常需测定常规代谢率和最大代谢率（分别简称为“RMR”和“MMR”）（图1A）。这些代谢率可表示为单位时间内单位质量所消耗的氧体积（Vo2）或氧质量（Mo2），例如 mg O2 / kg / hr。两者之差即为“活动代谢范围”。运动后的“氧债”，即“运动后过量氧耗”（EPOC），也可测定，其值等于运动后恢复至RMR水平所需消耗的氧气量。
- 注意：许多氧气探针及其输出会自动提供溶解氧的温度校正变化值。不具备此功能的探针则需要手动校正。此外，如果测量是在盐水条件下进行的，某些数值还需要进行相应的校正。
游泳能力测定
可通过游泳隧道评估多种游泳性能能力。表征游泳性能最常用的方法是可持续的时间长度3。速度越慢，可持续的时间越长，反之亦然。通常将速度分为“爆发式”、“长时间”和“持续式”三类，分别对应持续数秒、数分钟至数小时（最大为200分钟）以及数小时以上（>200分钟）。为确定这些速度，需使鱼类经历用户定义的“步进”过程，每一步包含设定的“步高”（即水流速度的增加量）和“步长”（即每步持续时间）。增大步高并缩短步长可测得最大的爆发游速，而相反操作则可测得最大的持续游速。在步进测试中，传统上报告所达到的最大速度的方法是：最后完整完成的步骤速度加上最终未完成步骤的时间比例部分（图1A）。
爆发式游泳性能评估
- 为捕捉爆发式游泳或冲刺能力，在适应后将流速提高至预估最大值（例如两倍） U批判；见下文），并促使鱼开始游泳。当流速迅速增加时，鱼应停留在泳道后端。可能需要刺激鱼使其开始游泳。刺激方式可以是机械性的（例如触碰）或电刺激（例如对泳道后端的电击网格施加微弱电流）。
尽管并非专门用于测试爆发能力，鱼类还可以接受“恒定加速度测试”（CAT或 UΔV）包含多个短时间步骤（例如 1 min）4,5. - 记录游泳持续时间。还可记录个体爆发次数及其移动距离。6速度可以表示为达到的最大速度，或根据图1A中的公式计算得出。
长时间持续游泳能力评估
最常用于评估长时间或持续游泳能力的指标被称为“临界游泳表现”（critical swimming performance）U批判）。步长为 U批判 传统上设定为20分钟，尽管也有使用较短时间（如10分钟）的情况。一般原则是，在出现疲劳之前至少应完成十个步骤，这可能导致测试时间较长，例如 >3 小时/条鱼。为缩短 U批判 测试，前七个步骤可缩短至5分钟（此时该测试称为“ramp-” U批判').
- 在适应环境和/或进行练习游泳后，根据设定的步长增加水流速度。
- 为了设定合适的 Ucrit 步长高度，可能需要先对将要测试的鱼类样本估算其 Ucrit 值。这可以通过参考文献中的数值来实现；或者，在鱼类被引入隧道后，可先进行一次“练习游泳”测试：给予鱼类短暂的、由用户定义的流速递增阶段，直至其疲劳。以鱼类达到的最终流速作为 Ucrit 的初步估计值，并据此调整每条鱼的步长（高度和持续时间）。
- 为评估恢复能力或确定个体间表现差异，可在恢复一段时间后对鱼类进行第二次游泳测试7-9。
- 鱼类也可成群进行测试，但在测试过程中，个体通常在不同时间点疲劳，这可能给从隧道中移除鱼类带来困难，并导致无法测量耗氧量。
- 一旦鱼类疲劳，应允许其恢复，或立即取出用于组织取样。
在测试期间或通过视频分析（图1 C,D），可收集多种与游泳表现相关的指标。 - 为测量呼吸频率和尾鳍摆动频率，应在数秒的时间段内记录鳃盖泵动次数和尾鳍摆动次数（图1B）10,11。
- 为测量尾鳍摆动幅度，可测量尾鳍的最大偏转角度（图1B）12。
- 测试结束后，可对鱼类实施安乐死，进行尸检并采集组织样本，以测定红细胞压积（红细胞比容）、应激激素浓度、肌肉能量储备（如磷酸肌酸、糖原）、酶活性（如乳酸脱氢酶、乙酰胆碱酯酶）或其他生理参数。
3. 代表性结果
图1. A) 一项针对幼年鲑科鱼类（在孵化场饲养的虹鳟 Oncorhynchus mykiss，体长（BL）6.3 cm，体重3.5 g）进行的斜坡式-Ucrit 测试示例。该测试在12 L改良型Brett式呼吸室（Loligo Systems，丹麦；www.loligosystems.com）中进行。常规代谢率和最大代谢率通过斜率（mg/hr）× 体积（L）/ 鱼体重（kg）计算，分别为198 和 961 mg O2/kg/hr（活动代谢范围 = 4.84）。这些数值与Brett报道的幼年红鲑（O. nerka）的代谢率相符13。注意：计算氧气摄取量时，水体积等于呼吸室体积减去鱼体体积。十字标记表示鱼停止继续游泳的位置，Ucrit 即在此点计算得出。B) 尾鳍摆动频率在10秒内记录六次；尾鳍摆动幅度记录三次；图中数值为平均值 ± 标准误（SEM）。C) 鱼在游泳腔内游泳的放大侧视图，以及 D) 顶视图。D) 显示由EthoVision软件（Noldus，荷兰；www.noldus.com）追踪的鱼的运动轨迹。缩写：Ucrit = 临界游泳速度；Uf = 最后一个完整阶段的速度，Us = 阶段速度，tf = 在最后一个阶段所花费的时间，ts = 阶段时间。
讨论
在自然环境中，逃避捕食者和迁徙等行为依赖于以特定强度持续游泳不同时间的能力。在实验室条件下，可使用游泳隧道呼吸仪并逐步增加流速来评估鱼类执行多种行为的能力。在游泳测试中，可结合代谢率测定及其他组织水平的评估指标（如乳酸生成），以帮助确定不同游泳模式背后的生理机制。
游泳隧道的设计会显著影响游泳性能。目前有多种类型的游泳隧道用于测定游泳性能，大多数可归类为Brett型13- 或 Blazka14-类型。对于任一设计，主要考虑因素包括水流的“均匀性”（即水流的直线程度）、最大流速以及游泳室的长度。水流均匀性非常重要，因为鱼类会本能地寻找并游动在低流速区域，以最小化体力消耗。较高的潜在流速可能对于测试鱼类的爆发游泳能力或快速游泳物种（例如金枪鱼）是必要的。游泳室长度可能具有重要意义，因为在较短的游泳室中，例如与鱼体长度相比较短的游泳室， > 水槽长度的10%时，鱼类可能无法使用全部游泳模式。具体而言，过小的管道可能限制鱼类从稳定游泳转变为非稳定游泳模式，即爆发-滑行游泳模式。因此，无论增速步长如何，鱼类可能在相近的速度下停止游泳 U批判 可能类似于“门控转换速度”15.
所有游泳通道都需要使用流速探头或粒子图像测速（PIV）设备等装置进行校准。理想情况下，游泳通道内的水流应为直线流动；但如果发现鱼类倾向于偏好某一区域，则可根据该区域局部的流速差异调整其游泳速度。
致谢
作者感谢 Barbara Berli 提供示例数据以及加拿大野生动物联合会的慷慨资助。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 三卡因甲磺酸盐（MS222） |  Argent Labs | 可选 | |
| 丁香油 | Sigma-Aldrich | 可选 | |
| 游泳隧道式呼吸计 | Loligo Systems | 必需 | |
| 高速摄像机 | 多家供应商 | 可选 | |
| 视频采集卡 | 多家供应商 | 可选 | |
| 行为分析软件 | Noldus | 可选 |
参考文献
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