Respiration kinetics and allometric scaling in the demosponge Halichondria panicea  

尋常海綿Halichondria panicea的呼吸動(dòng)力學(xué)與異速生長(zhǎng)規(guī)律  

來源：BMC Ecology and Evolution, volume 23, article number 55, published 2023.

《BMC生態(tài)與進(jìn)化》，第23卷，文章編號(hào)55，2023年發(fā)表  

 

論文摘要內(nèi)容

 

摘要研究了一種尋常海綿（Halichondria panicea）的模塊化水管系統(tǒng)如何影響其呼吸代謝與體型的關(guān)系。通過測(cè)量不同大小海綿（含1-102個(gè)模塊）在逐步缺氧條件下的耗氧率，發(fā)現(xiàn)：①海綿體積與模塊數(shù)量呈線性關(guān)系（n??d???? ∝ V??1.?1）；②最大呼吸速率（R???）隨體型增大呈超線性增長(zhǎng)（R ∝ DW1.1?, R ∝ V??1.2?）；③氧半飽和常數(shù)（K?）與體型無相關(guān)性（圖5）。結(jié)論表明，海綿通過添加體積恒定（1.59±0.22 mL）的獨(dú)立模塊突破體型限制，實(shí)現(xiàn)低氧環(huán)境下的巨型化生長(zhǎng)。  

 

研究目的

探究模塊化水管系統(tǒng)如何影響海綿呼吸代謝與體型的關(guān)系。  

 

驗(yàn)證海綿能否通過增加模塊突破氧氣擴(kuò)散的體型限制。  

 

揭示氧濃度（K?）與海綿體型的關(guān)聯(lián)性。  

 

解釋海綿在低氧環(huán)境中巨型化的進(jìn)化意義。  

 

研究思路

樣本采集：采集不同體型（含1-102模塊）的H. panicea海綿。  

 

耗氧實(shí)驗(yàn)：  

 

將海綿置于密閉呼吸室（圖1），使用PyroScience FireStingO?光學(xué)氧計(jì)監(jiān)測(cè)溶解氧（DO）下降過程（圖2A）。  

 

 

 

溫度恒定12.4±0.1°C，消除溫度對(duì)呼吸的干擾。  

數(shù)據(jù)分析：  

 

用Hill模型擬合耗氧曲線，計(jì)算最大呼吸速率（R???）和氧半飽和常數(shù)（K?）（圖2B）。  

 

測(cè)量海綿體積（V??）、干重（DW）、模塊數(shù)量（n??d????）及模塊體積（V??d???）。  

 

建立呼吸速率（R）與各體型參數(shù)的異速生長(zhǎng)關(guān)系（圖3-5）。  

統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證：  

 

 

 

 

檢驗(yàn)R???與體型的冪律指數(shù)是否偏離1（即是否符合Kleiber定律）。  

 

分析K?與體型參數(shù)的相關(guān)系數(shù)。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)、來源及研究意義

模塊體積（V??d???）：平均1.59±0.22 mL（表1）。  

 

 

意義：揭示海綿通過添加固定大小的模塊實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)（圖3），規(guī)避了單模塊因水管阻力增大導(dǎo)致的體積限制。  

呼吸速率與體型關(guān)系：  

 

R??? ∝ DW1.1?（圖4A）、R??? ∝ V??1.2?（圖4B）、R??? ∝ n??d????1.2?（圖4C）。  

 

意義：證明呼吸代謝呈超線性增長(zhǎng)（冪指數(shù)>1），推翻Kleiber定律（b≈0.75）；模塊獨(dú)立性使大型海綿單位體積代謝率更高。  

K?與體型關(guān)系：K?值（4.22-28.83% AS）與DW、V??、n??d????、V??d???均無顯著相關(guān)性（圖5）。  

 

意義：模塊化生長(zhǎng)維持了恒定氧親和力，氧濃度不限制海綿體型（圖6）；解釋海綿在低氧環(huán)境（如缺氧區(qū)）的生存優(yōu)勢(shì)。  

Hill系數(shù)：范圍1.10-4.40。  

 

 

意義：小海綿耗氧曲線呈S型（協(xié)同氧結(jié)合），大海綿趨近雙曲線，反映模塊異步響應(yīng)低氧的能力。  

 

結(jié)論

模塊化生長(zhǎng)機(jī)制：海綿通過添加體積恒定的獨(dú)立模塊（≈1.59 mL）實(shí)現(xiàn)巨型化，突破氧氣擴(kuò)散的體型限制。  

 

代謝規(guī)律：呼吸速率隨體型呈超線性增長(zhǎng)（R ∝ DW1.1?），與Kleiber定律不符，體現(xiàn)模塊化生物特殊性。  

 

低氧適應(yīng)性：K?與體型無關(guān)，海綿在低氧環(huán)境仍可維持生長(zhǎng)，解釋其在海洋缺氧區(qū)的繁榮。  

 

進(jìn)化意義：模塊化結(jié)構(gòu)是海綿在早期地球低氧環(huán)境中演化出大型體型的關(guān)鍵適應(yīng)策略。  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

 

研究中使用的PyroScience FireStingO?系統(tǒng)（集成Unisense氧傳感技術(shù)）測(cè)量耗氧動(dòng)態(tài)的核心價(jià)值在于：  

高精度動(dòng)力學(xué)解析：通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)密閉腔室內(nèi)溶解氧的連續(xù)下降（圖2A），精確捕捉海綿從常氧到缺氧的全過程呼吸響應(yīng)，為擬合Hill模型提供可靠數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。  

 

關(guān)鍵參數(shù)量化：  

 

準(zhǔn)確計(jì)算R???（最大耗氧能力），揭示海綿代謝強(qiáng)度隨體型超線性增長(zhǎng)的獨(dú)特規(guī)律（圖4）。  

 

測(cè)定K?值（半飽和氧濃度），直接證明氧親和力與體型無關(guān)（圖5），顛覆了傳統(tǒng)生物中"體型增大需更高環(huán)境氧"的認(rèn)知。  

低氧適應(yīng)性證據(jù)：儀器記錄的S型→雙曲線轉(zhuǎn)變，反映大海綿模塊可異步調(diào)控水流以應(yīng)對(duì)缺氧，為海綿在低氧環(huán)境（如缺氧區(qū)、地史低氧期）的適應(yīng)性提供機(jī)制解釋。  

 

進(jìn)化啟示支撐：K?數(shù)據(jù)的無尺度特性（圖6）為"海綿模塊化突破氧限制"的核心結(jié)論提供關(guān)鍵證據(jù)，支持其在動(dòng)物演化早期占據(jù)巨型生態(tài)位的假說。