Metabolic plasticity drives mismatches in physiological traits between prey and predator

代谢可塑性导致猎物和捕食者之间的生理特征不匹配

来源：Communications Biology | (2024) 7:653


1. 摘要核心内容


论文揭示了代谢可塑性（metabolic plasticity）如何通过改变捕食者与猎物的生理性状匹配度，进而影响二者在气候变暖下的相互作用。通过测量三种水生昆虫幼虫在自然温度梯度下的呼吸速率，结合机制模型预测发现：


物种特异的代谢可塑性导致其运动速度的温度依赖性出现错配（mismatch）；

这种错配改变了捕食者的搜索效率，最终影响生态互作强度。


2. 研究目的


探究温度升高如何通过代谢可塑性改变捕食者-猎物动态，具体包括：


量化三类物种呼吸速率的热性能曲线（TPC）在温度梯度下的变化；

预测代谢可塑性导致的运动速度错配如何影响捕食搜索率；

评估气候变暖对水生食物网的潜在级联效应。


3. 研究思路


采用 "代谢-运动-互作" 多尺度机制模型：


野外数据采集：在伊比利亚半岛3个温度梯度站点（Toledo, Porto, Évora）的中宇宙（mesocosm）系统中，测量昆虫幼虫的呼吸速率（图2）；


模型构建：

用 Sharpe-Schoolfield方程（公式1）拟合呼吸速率的TPC参数（基线性能 B0、活化能 E 等）（图3）；

通过能量分配模型（公式2）将呼吸速率转化为运动速度（图4）；

结合空间维度模型（公式4-7）预测捕食搜索率（图5）；

验证预测：对比不同温度站点间参数变化，分析代谢可塑性导致的性状错配。



4. 测量数据及意义

测量内容 数据来源 研究意义

呼吸速率（O₂消耗率） 图2、表S2 核心代谢指标，反映温度对能量分配的影响，直接驱动后续运动与互作模型

TPC参数（B0, E） 图3 量化物种对温度的适应策略（如基线性能升降、热敏感性变化）

预测运动速度 图4 揭示捕食者-猎物运动能力错配程度（如摇蚊幼虫速度下降导致更易被捕食）

预测捕食搜索率 图5 评估温度对互作强度的直接影响（如变暖增加蜻蜓对摇蚊的捕食效率）

5. 关键结论


代谢可塑性具物种特异性：

摇蚊（Chironomus spp.）在温暖位点下调代谢（B0 降低；图3a），运动速度下降；

蜻蜓（S. striolatum）和蜉蝣（C. dipterum）在温暖位点上调代谢（B0升高；图3a），运动能力增强。

性状错配改变互作：

蜻蜓-摇蚊组合：变暖加剧运动速度错配 → 蜻蜓搜索率显著升高（图5），摇蚊被捕食风险增加；

蜻蜓-蜉蝣组合：运动速度同步变化 → 搜索率基本不变（图4d-f）。

生态启示：

气候变暖可能通过代谢错配重构食物网（如摇蚊减少影响底栖-水体能量传递）；

机制模型可高效预测气候威胁（如筛选易危物种：摇蚊 > 蜉蝣）。


6. Unisense微电极测量数据的详细解读

测量方法（Methods部分）


技术：使用丹麦Unisense MicroResp微电极系统，实时监测密封小室（0.75–2 mL）中的溶解氧浓度变化。

流程：

个体在控温水浴中急性暴露于10–45°C（5°C间隔）；

电极每1秒记录氧浓度，通过线性回归斜率计算呼吸速率；

设置空白对照（无生物水体）校正微生物耗氧背景值。


研究意义


高精度生理响应：

微电极系统可检测纳摩尔级氧变化，精准捕捉小型水生昆虫的微弱呼吸信号（如蜉蝣幼虫）；

实现宽温度范围（10–45°C） 的连续测量，完整覆盖TPC的上升与下降支（图2）。

支撑机制模型可靠性：

呼吸数据直接驱动运动速度模型（公式2：v∝B），影响错配程度预测（图4）；

例如：摇蚊在Évora（温暖点）的呼吸速率显著低于Toledo（凉爽点）（图2a），解释其速度下降的生理基础。

揭示代谢适应策略：

数据验证了"代谢补偿"（metabolic compensation） 现象：摇蚊通过下调代谢节省能量（图3a），而蜻蜓/蜉蝣提升代谢支持高温活动（图2b,c）；

为"热生态位宽度权衡"假说提供证据：蜉蝣 E 值降低（图3b）表明其以热敏感性换取高温性能。


技术优势


最小化胁迫：短时测量（<70% O₂消耗）与磁力搅拌设计减少动物应激；

环境相关性：使用原位中宇宙水体，保留自然微生物与化学背景。


总结


该研究通过Unisense微电极的高分辨率呼吸测量，结合机制模型，首次在自然梯度下证明代谢可塑性是气候驱动种间互作变化的关键枢纽。成果为预测水生生态系统对变暖的响应提供了可推广的框架（如公式4-7的搜索率模型），并强调需关注易危类群（如底栖摇蚊）的代谢适应极限。