A method for studying the metabolic activity of individual tardigrades by measuring oxygen uptake using microrespirometry

一種通過使用微呼吸測定法測量攝氧量來研究單個緩步動物代謝活動的方法

來源：Journal of Experimental Biology (2020) 223, jeb233072. doi:10.1242/jeb.233072

 

摘要核心發現

 

本研究開發了一種基于氧氣微傳感器的創新方法，首次實現對單個緩步動物（水熊蟲）氧氣呼吸速率（Rm）的精確測量。通過定制毛細管室（圖1A-B）和溫控水浴系統（圖1C），測得Richtersius coronifer和Macrobiotus macrocalix在22°C MilliQ水中的Rm分別為10.8±1.84和13.1±2.19 nmol O? mg?1 h?1（圖2）。該方法解決了傳統群體測量無法捕捉個體代謝異質性的局限，為研究緩步動物極端環境適應機制提供了新工具。

 

研究目的

 

1.方法學突破：

 

建立首個可量化單個緩步動物代謝活性的技術，克服傳統群體測量的平均化偏差（如Cartesian divers法的不可靠性）。

2.代謝基準值獲?。?

 

測定兩種緩步動物的基礎呼吸速率，為極端環境（如隱生狀態）下的代謝比較提供參照。

3.個體異質性解析：

 

探究個體尺寸、種類差異對代謝的影響，揭示緩步動物能量策略的多樣性。

 

研究思路

 

1. 定制化實驗系統

 

毛細管室設計：拉制玻璃毛細管（內徑0.66 mm），確保氧氣擴散梯度穩定（圖1A-B）。

 

微傳感器集成：Unisense氧微電極（精度0.005 μL ind?1 h?1）結合電機操控平臺，實現100 μm步進式剖面測量（圖1C）。

 

環境控制：恒溫水浴（22±1°C）與無菌MilliQ水介質，消除外部干擾。

 

2. 呼吸速率計算

 

菲克擴散定律：通過氧氣微梯度斜率（dC/dx）計算通量（J=?D?dC/dx），結合毛細管截面積推算個體耗氧率（公式1-2）。

 

個體參數校準：顯微成像測量體長/寬（ImageJ），按圓柱模型計算質量與表面積（公式3-5），實現質量特異性呼吸速率（Rm）標準化。

 

3. 驗證設計

 

死體對照：6只死亡R. coronifer的呼吸速率僅為活體的1/50，排除微生物干擾。

 

重復性檢驗：5個個體的重復測量顯示Rm變異系數僅1.4%，證實方法穩定性。

 

關鍵數據及研究意義

1. 呼吸速率數據（圖2 & 表1）

 

 

數據：

R. coronifer：Rm=10.8±1.84nmol O2mg?1h?1（n=28）

 

M. macrocalix：Rm=13.4±2.19nmol O2mg?1h?1（n=17）

 

意義：

 

首次提供緩步動物基礎代謝基準值，揭示種間差異（M. macrocalix代謝高13.3%），為比較生理學建立量化標準。

 

2. 體型與代謝關系

 

數據：

 

呼吸總量（Ri）與質量線性正相關（R2≈0.7），但質量特異性速率（Rm）與體型無關（R2<0.1）。

 

意義：

 

顛覆"體型決定代謝"的假設，表明緩步動物通過表皮被動擴散攝氧（Rm與表面積/質量比無關），為理解其低氧適應機制提供依據。

 

3. 方法學驗證數據

 

 

數據：

 

種群內Rm變異系數17% vs. 技術誤差僅1.4%

 

意義：

 

證實方法可精準捕捉個體代謝異質性，為研究隱生蘇醒等動態過程提供分辨率保障。

 

丹麥Unisense電極的核心價值

技術突破性

 

單個體分辨率：

 

微電極（直徑50 μm）直接測量毛細管微梯度（圖1E-F），避免群體平均誤差，實現亞微升尺度代謝追蹤。

 

動態過程解析：

 

45分鐘穩態建立期+多剖面重復測量，捕捉代謝穩態過渡（如隱生-活化轉變）。

 

關鍵科學發現

 

1.代謝異質性量化：

 

個體間Rm差異達17%（圖2B），證實傳統群體測量掩蓋關鍵生理多樣性。

2.攝氧機制驗證：

 

Rm與體型無關，支持氧氣通過表皮被動擴散（非主動運輸），解釋其低氧環境適應性。

3.極端生理基準：

 

測得22°C常態代謝值，為后續冷凍/干燥脅迫研究提供對照基線。

 

應用意義

 

 

隱生機制研究：

 

可量化隱生蘇醒過程的代謝重啟動力學（如能量消耗閾值）。

 

太空生物學工具：

 

適配微重力環境，支撐緩步動物太空耐受性的原位代謝監測。

 

結論

 

1.方法學里程碑：

 

成功開發首個單個體緩步動物呼吸測量技術，精度達nmol O?級別，變異系數<2%。

2.代謝規律革新：

 

揭示緩步動物代謝速率與體型無關，挑戰傳統異速生長模型，證實表皮擴散主導攝氧。

3.跨物種差異：

 

M. macrocalix代謝顯著高于R. coronifer，暗示生活史策略分化（如運動能耗差異）。

 

未來方向：應用該方法解析隱生-活化轉換的代謝成本，探究氣候變化對極端生物代謝彈性的影響。

 

圖示關聯：

 

圖1：實驗裝置與氧氣梯度測量

 

圖2：兩種緩步動物呼吸速率統計