文 |江烟染
编辑 | 江烟染
前言饥饿是常见的生活压力之一，对生物的生理和行为产生广泛的影响，而斑马鱼是一种常用的实验动物模型，被广泛用于研究生物学和医学领域。
研究发现，饥饿条件下，斑马鱼的行为模式会发生调整，如活动水平的增加、食欲的减弱等。
这些行为上的改变可能增加斑马鱼对寒冷环境的适应性，如寻找温暖的庇护处，调整体温和代谢状态等，从而改变其内环境稳态。
而且代谢状态的变化，可能促使斑马鱼产生一系列的适应性响应，如维持酸碱平衡和离子平衡，从而增强其对冷应激的适应能力。
此外，饥饿可能调节斑马鱼的行为和生物钟等因素，从而改变其对冷应激的反应。
接下来，小染将为大家讲解，怎样通过了解对斑马鱼的冷应激耐受的机制，来揭示饥饿对生物应激反应和适应性的影响，以及应对冷应激的适应性策略。
鱼在困境中遇到的困难鱼类是变温动物，其体温会随着环境温度的影响而不断变化，但是无论在自然水体还是水产养殖中，水体温度总是受到各种因素的影响而不断变化的。
当水温降低到一定程度时，就会对鱼类造成冷应激，进而影响鱼类的繁殖、生长甚至存活等各种生命活动。
而且，冷应激每年都会造成大量的野生或者养殖鱼类死亡事件，是鱼类生存的巨大威胁。
冷应激现象
在所有动物中，相对高等的脊椎动物，已经进化出比较完善的抵抗冷应激机制，但不同的脊椎动物的抗冷应激机制也不尽相同。
大多数哺乳动物和鸟类，有着高效的产热和维持体温的机制，当遭受冷应激时，他们会增加摄食和提高产热（骨骼肌颤栗和非颤栗性产热）以维持体温的恒定。
还有一些哺乳动物和爬行动物如黑熊、北极熊、刺猬、鳄鱼和蛇等在温度降到一定程度时，会出现通过休眠，来抵抗低温环境，这类在冬季会进行休眠的动物，又被称为“冬眠动物”。
虽然冬眠动物在休眠期会停止摄食和降低很多生理过程的效率，但是这些动物通过休眠，会极大的降低自己的代谢率也降低能量的浪费，同时利用脂肪取代糖类作为能量来源以维持代谢稳态并维持体温。
而大多数鱼类不能像恒温动物一样，高效的产热和保留体温，在温度降低之后，还会出现降低食物的摄入，甚至停止摄食的现象。
然而，之前的研究资料表明，在酵母、线虫和小鼠等动物中，适宜的饥饿有着延缓机体衰老和增加应激抗性的功能。
而饥饿在其他物种中，延缓衰老、提高经济抗性的机制，主要包括：优化营养代谢、降低细胞氧化应激和炎症、增加自噬等。
由于冷应激是一种典型的环境应激，所以饥饿很可能有着帮助鱼类，抵抗冷应激的作用。
冷应激现象
但是目前，在鱼类中关于饥饿，是否能帮助机体抵抗冷应激的研究，还未有人报道。
唯一有饥饿相关报告的，还是变温动物——果蝇，报道称饥饿24小时的果蝇，体内的冷应激抗性会提高，重点是相关的机制目前还不清楚。
不过在鱼类中，斑马鱼最为特殊，因为它是一种在生物研究中重要的模式动物，广泛用于发育、遗传、生理、毒理等领域的研究。
同时斑马鱼是一种热带硬骨鱼，有很广泛的温度耐受，活在30℃的水中的斑马鱼能耐受10.6±0.5到41.7±0.3℃的温度，且已经被广泛用于鱼类温度应激的研究中。
热带硬骨鱼——翻车鱼
因此研究员，在探索饥饿是否能够影响鱼类的低温抗性的实验时，就选中了斑马鱼作为实验对象。
实验用的四月龄——斑马鱼，平时暂养在专业的斑马鱼养殖循环水系统中，每天光照14小时，而且水温稳定控制在28℃。
实验开始前，根据雌雄鱼的形态差别，把两种性别的鱼分开，以防止性别对实验结果的干扰，所有实验都是在雌鱼上进行的，如饥饿及冷应激处理。
如下图所示，为了探究饥饿对冷应激抗性的影响，全部的斑马鱼首先被分为饱食（Fed）和饥饿（Fasting）两部分。
之后每部分又被分为四个组，饥饿处理的四组分别完全禁食24、48、72和96小时，饱食处理的，与之对应的四个组保持正常投喂饲料。
饥饿处理结束后，每个组的斑马鱼随机分成三个，并平行转移到温度稳定在11℃的循环水系统中，进行低温应激处理。
该循环系统中的水温，通过与低温恒温槽中的水的不断循环而保持在11℃。
而冷应激24小时后，每组取16条鱼进行******并收集肝脏组织进行后续分析，冷应激期间每12小时统计死亡的鱼的数目，之后将尸体收集并妥善处理。
低温恒温槽
剩下的斑马鱼都是经过冷应激的，其中饥饿24、48、72和96小时对斑马鱼在急性冷应激下的存活率都差不多。
从下图所示的结果来看，能发现饥饿24小时的斑马鱼，在冷应激下的存活率，与饱食斑马基本保持一致，说明饥饿24小时并不能提高斑马鱼的冷应激抗性。
但是饥饿48、72和96小时的斑马鱼在冷应激下的存活率，显著高于相应的饱食处理的斑马鱼，且这三个饥饿时间，对斑马鱼存活率的提高幅度也比较相近，说明饥饿2天到4天都能显著提高斑马鱼的冷应激耐受性。
饥饿对冷应激诱导的凋亡和应激为了探讨饥饿增加冷应激抗性的机制，比较了常温下的饱食和饥饿72小时(F)与低温下的饱食(CC)和饥饿72小时(CF)状态下，肝脏组织中与凋亡和应激反应有关的基因的表达情况。
结果显示，冷应激显著的提高了调亡诱导基因Caspase9和C/EBP同源蛋白(CHOP)的表达。
对内质网应激基因ATF6的表达，也有提高但没有显著性差异，饥饿处理在常温，仅仅降低了内质网应激基因4TF6和XBPI的表达。
但是在冷应激下，饥饿处理的斑马鱼，其凋亡和应激反应基因的表达，相比于饱食的斑马鱼有显著的降低，这说明饥饿可能缓解了冷应激所诱导的细胞凋亡。
通过TUNEL染色的方法，发现常温下饱食的斑马鱼，其肝脏中没有出现凋亡信号(绿色荧光)，但是冷应激后，肝脏中很多细胞都出现了凋亡。
但短期饥饿之后的斑马鱼，其肝脏中，无论是常温下还是冷应激之后，都没有检测到细胞凋亡，这进一步说明了饥饿处理，可以减少冷应激所诱导的肝细胞调亡。
重要的是，饥饿增加机体对毒性或者环境应激的抗性，在其他物种中已有发现，例如摄食量更少的小鼠和正常摄食的小鼠。
在摄入相同的百草枯使用量时，摄食少的小鼠的存活率更高，因为饥饿也可以增加小鼠在急性热应激下的的存活。
这一点，在果蝇中的研究也能发现，饥饿可以增加果蝇在低温应激下的存活率IS。
这证明了，适当饥饿可以增加斑马鱼在冷应激下的存活率，而饥饿对不同物种和不同应激，可能有着普遍的抗逆机制。
同时饥饿在对不同物种的影响也存在着差别，一些鱼类如血色利齿脂鲤，它可以耐受超过8个月的饥饿，这比其他大多数脊椎动物，对饥饿的耐受时间都要长，这也从根本上说明了饥饿可能缓解了冷应激所诱导的细胞凋亡。
但鱼类这种耐受饥饿的特性，与其特殊的代谢、生理甚至形态的调节，是密切相关的，所以饥饿在鱼类中的抗逆机制也可能存在一定的特异性。
在生物体细胞方面，细胞损伤是决定鱼类生存和凋亡的关键因素，所以当动物的组织细胞受损时，往往会伴随着执行细胞调亡和内质网应激的基因的高表达，所以很多与调亡和内质网应激的基因，已经被广泛用于指示细胞的损伤情况。
在之前的实验结果中显示，饥饿在增加冷应激抗性的同时，也伴随着组织器官中的损伤和凋亡而减少。
这种情况往往存在于低温中，那么鱼体的损伤可能是两种途径造成的，一种是直接改变细胞内大分子的结构，另一种是诱导产生氧化应激。
但由于饥饿减少细胞损伤的可能机制有很多，例如HSPS蛋白的家族，就能在细胞内修正蛋白质过程中，发挥着重要作用，因此饥饿在很多物种中都可以诱导HSPs的表达。
而且饥饿，还能通过对细胞内大分子的修饰来减少损伤，这是因为饥饿在很多物种中，可以通过增加抗氧化酶的表达和增加抗氧化酶的活性，来提高抗氧化的能力。
在这一过程中，机体还存在对已有细胞损伤的修复机制，“自噬”在这个过程中发挥着重要的作用。
因为饥饿是一种可以高效诱导自噬发生的生理状态，自噬不但能将细胞内收到损伤的大分子(脂肪、蛋白质等)进行氧化，还能降解受损的细胞器，让其实现自我消化。
基于此观点，一些研究人员表示：饥饿的自噬状态还可以通过代谢的情况，自动调整，无需人为动作。
短期饥饿对斑马鱼营养代谢的影响饥饿作为一种代谢应激，在所有动物中都会引起代谢的调整，然而不同动物，由于生活方式、身体构造、营养物质的储存形式不同，在饥饿状态下对能量物质的利用也是不同的。
所以，饥饿调控的能量代谢，可能是增加斑马鱼的冷应激耐受的机制之一。
然而目前关于饥饿对斑马鱼营养物质代谢的研究比较少，为了探究短期饥饿提高斑马鱼的冷应激抗性的代谢机制，对斑马鱼在短期饥饿状态下的营养物质代谢进行了分析实验。
首先正常饲养的220条成年斑马鱼，被用来进行饥饿处理，在所有的斑马鱼饱食之后停止喂食。
并在投喂之后1小时、12小时、24小时、48小时、72小时、96小时和6天时，分别取30条斑马鱼进行******，并采集样品，其中24条解部收集肝脏，另外6条收集全鱼用于后续检测。
其中，饥饿1小时和12小时后的样品，可以看出肝脏糖元的含量变化不大，但是饥饿24小时后的样品中，肝脏中的糖元含量显著减少。
但与更长的2天-6天的饥饿程度相比，无显著性差异，这说明肝脏糖元，主要在饥饿后12到24小时后被消耗，而后续的延长饥饿期间，基本维持在一个较低的水平。
如上图，对于肝脏的TG含量来讲，饥饿开始的前2天，肝脏中TG含量没有变化，饥饿3天后TG含量开始出现显著下降。
这表明，脂肪分解代谢的基因脂肪甘油三酯脂肪酶（ATGL），和肉碱棕榈酰基转移酶的表达，在饥饿前24小时先升高后降低，在24小时之后又显著的升高。
而脂肪合成的基因，在饥饿开始12小时及之后时间点的表达，均显著低于喂食后1小时，说明斑马鱼在饥饿2天后开始消耗脂肪来提供能量。
除此之外，研究人员还检测了短期饥饿对鱼类蛋白质代谢的影响，发现全鱼蛋白质的含量在饥饿的四天内一直保持不变。
在蛋白质分解代谢的基因中，只有寡肽转运蛋白，在饥饿72小时后表达降低，而天冬酰胺合成酶，在饥饿12小时后就表达降低。
以上结果说明，斑马鱼在短期的饥饿期间，不利用蛋白质提供能量，甚至受到糖和脂肪代谢的影响后，蛋白质的分解和合成代谢还会有所降低，这说明代谢可能在冷应激的耐受过程中有着重要作用。
因为，能量是机体从事一切生命活动的基础，能量代谢在维持机体内稳态，抵抗疾病和应激等生理过程中发挥着重要作用。
而鱼类在冷应激下，也需要大量的能量，去维持各种细胞活动和一定的体温，所以能量代谢效率对于鱼类的冷应激抗性非常重要。
例如将鲤鱼肌肉中，重要的能量供应基因肌酸激酶Ⅲ型，用转基因的方法，转入斑马鱼，通过提高斑马鱼的能量供应，进而增加了其在冷应激下的存活。
在哺乳动物中，饥饿已经被发现，可以改善胰岛素通路敏感性，优化机体的能量代谢，所以饥饿也可能通过调控能量代谢，来提高斑马鱼的冷应激耐受。
结语饥饿可以通过激活能量的代谢和应激，来响应信号传导通路提高斑马鱼的冷应激耐受能力。
在饥饿状态下，斑马鱼的脑垂体-促肾上腺皮质激素（HPA）轴和交感神经-肾上腺髓质（SAM）轴被激活，释放出应激激素如皮质醇和肾上腺素，从而调节机体的应激反应和能量代谢适应。
这些激素在提高斑马鱼的抗寒能力、维持体温稳定和促进适应性反应中起着重要作用，此外饥饿还能调节斑马鱼的代谢状态，从而增强其冷应激耐受能力。
因为在饥饿状态下，斑马鱼的能量储备被消耗，导致代谢产物如乳酸和氨等有机酸积累，改变了内环境稳态。
这种代谢状态的变化可能促使斑马鱼产生一系列的适应性反应，例如保持酸碱平衡和离子平衡，从而增强其对冷应激的适应能力。
此外，饥饿还可以通过调节斑马鱼的行为和生物钟，例如活动水平的增加和食物的减小，这些行为调整可能会增加斑马鱼对寒冷环境的适应性，例如寻找温暖的庇护处和调整代谢状态。
需要指出的是，饥饿对斑马鱼冷应激耐受的影响还存在一些未解之谜，例如在饥饿状态下，机体的能量消耗增加，但对于长期饥饿下冷应激耐受性是否会出现饱和状态仍需要进一步研究。
通过进一步研究和探索，可以更好地理解生物的抗逆性和适应性机制，并为相关领域的研究和实践提供有益的指导和启示。
