追踪弱电鱼自然种群行为模式：新技术解锁生态奥秘

为解决追踪自然种群中个体空间和活动休息模式的难题，乌拉圭共和国大学的研究人员开展了对脉冲型弱电鱼 Gymnotus omarorum 的相关研究。结果发现其空间分布、昼夜行为模式特点，且夜间电活动增强可能与水温有关。该研究为了解弱电鱼行为和生态提供新视角

　　

研究背景：探寻弱电鱼行为奥秘的挑战与突破

在神秘的水生世界里，弱电鱼犹如一群独特的 “电魔法师”，它们能持续发射弱电信号，这些信号不仅是它们感知周围环境的 “第六感”，还是彼此交流的独特 “语言”。其中，Gymnotus omarorum 作为一种分布在南美洲的脉冲型弱电鱼，一直是科学家们关注的焦点。以往研究发现，它具有夜行性和领地性，喜欢栖息在漂浮植物根部附近，但这些结论大多来自有限的观察和实验，许多关于它们在自然环境中的行为细节仍然是未解之谜。

一直以来，追踪动物在自然种群中的运动和活动休息模式都是生物学研究中的一大难题。对于大多数动物种群而言，很难通过非侵入性方法连续监测个体的特定特征来实现对个体的追踪。尽管弱电鱼的电信号为追踪提供了独特契机，但脉冲型弱电鱼的电信号放电（EOD）频率和波形具有高度可塑性，这使得对它们的个体监测困难重重。此前，相关研究面临诸多阻碍，例如 G. omarorum 个体的间距和运动模式尚未得到长期连续观测，其夜间电活动增强与日水温周期的时间关系也从未在自然栖息地自由活动的动物中被记录下来。

为了揭开这些谜团，乌拉圭共和国大学（Grupo Cronobiología, Comisión Sectorial de Investigación Científica, Universidad de la República）的 Adriana Migliaro、Federico Pedraja 等人组成的研究团队展开了深入研究。他们的研究成果发表在iScience期刊上，为我们深入了解弱电鱼的行为和生态提供了全新视角。

研究方法：创新技术助力弱电鱼研究

研究团队巧妙地将电极阵列与低成本放大器连接，并开发了专门的追踪算法，用于在自然栖息地中识别和追踪 G. omarorum 个体。他们在乌拉圭马尔多纳多的拉古纳德洛斯西斯内斯湖（Laguna de los Cisnes）进行实验，该湖是 G. omarorum 的自然栖息地。在湖中的核心区域（靠近岸边，被漂浮植物覆盖且相对黑暗）和边缘区域（靠近开阔水面）分别设置了记录设备，这些设备由八个电极组成的网格系统构成，电极通过植物根部浸入水下，用于记录弱电鱼的 EOD 信号。

记录过程中，研究团队使用了两种不同的放大器系统（Teensy_Amp R1.0 和 Teensy_Amp R4.0），它们在参考电极使用、模数转换方式等方面存在差异，但都能有效记录 EOD 信号。记录的数据通过定制的算法进行分析，该算法首先根据 EOD 信号在不同电极上的相对幅度来估计鱼的空间位置，然后通过聚类分析和 EOD 速率等信息对个体进行识别和追踪，能够区分出居民鱼（在记录区域停留超过 60 分钟的个体）和访客鱼（停留时间较短的个体）。

研究结果

1. 个体识别与位置估计：研究团队利用开发的算法，成功从野外 EOD 记录中提取出自由移动个体的位置和身份信息。例如，在一次记录中，算法准确识别出网格系统下两条不同的 G. omarorum（品红色和青色标记），并追踪了其中一条（青色）从一个电极位置移动到另一个电极位置的过程。该算法能够有效区分不同个体，即使在最多四条鱼同时出现在同一采样区域的情况下，也能准确辨别它们的身份1。
2. 核心与边缘区域的空间差异：研究发现，核心采样区域的 G. omarorum 个体数量明显多于边缘区域。在总共追踪的 44 个个体中，核心区域有 31 个，边缘区域仅有 13 个。同时，核心区域的居民鱼和访客鱼数量都更多，且夜间核心区域的鱼活动更为频繁，个体移动（转换）次数也更多。此外，研究还发现居民鱼在昼夜转换期间倾向于在小范围内活动，甚至在夜间活跃期也常被发现在同一平方米区域内，这可能与水生植物密集的根部提供的保护和限制有关27。
3. 昼夜空间模式变化：G. omarorum 的夜间活动增加十分明显，夜间各采样点（核心和边缘）检测到的鱼数量和个体移动次数都显著增多。而且，核心采样点在夜间的鱼数量和移动次数均多于边缘采样点。有趣的是，在昼夜交替期间，尤其是夜间到白天的转换阶段，核心和边缘区域的整体空间模式变得更为相似，识别出的个体数量相近，个体位置变化次数减少。在夜间，研究人员还多次观察到两条鱼在网格系统内近距离同时出现的情况，每当这种空间重叠发生后，总有一条鱼会离开网格，而留下的通常是居民鱼34。
4. 夜间电活动增强与水温的关系：研究表明，尽管 EOD 速率在昼夜都存在较高的个体间和个体内差异，但夜间 EOD 速率会持续增加。这种增加在日落前（19:00）就开始，而在日出前（07:00）EOD 速率下降。进一步研究发现，EOD 速率的夜间增加与水温变化密切相关。EOD 速率增加发生在水温下降时，而日间 EOD 速率下降则出现在水温最低时。通过对比 EOD 速率峰值与日落、水温峰值的时间延迟，发现 EOD 速率峰值与水温峰值的时间延迟更稳定，这表明 EOD 速率夜间增加的时间与日水温峰值的关联比与昼夜变化（日落）的关联更为紧密565。

研究结论与讨论

本研究成功开发了一套结合电极阵列和计算方法的技术，实现了对脉冲型弱电鱼 G. omarorum 在自然栖息地的个体追踪。研究结果证实了 EOD 信号可作为可靠的生物特征，用于监测个体弱电鱼，为研究其空间分布、运动展示、社会互动和昼夜行为模式提供了重要依据。

研究还揭示了 G. omarorum 在核心和边缘区域的不同空间模式，以及其严格的位点保真度（site fidelity），即倾向于返回先前占据的位置，这与该物种的领地行为密切相关。同时，研究为自然条件下 G. omarorum 的夜间电活动增强提供了证据，并表明这种现象可能与水温变化同步，而非受光照影响。

然而，该研究也存在一些局限性。例如，电极间距较大限制了网格的空间覆盖范围和鱼位置估计的精度；记录时间较短，无法全面了解其季节性行为变化；追踪算法在更拥挤环境中的辨别能力还有待进一步测试；研究方法是针对 G. omarorum 开发的，应用于其他弱电鱼物种时需要进行调整和测试。

尽管如此，这项研究仍具有重要意义。它为弱电鱼的研究提供了新的技术手段和研究思路，有助于深入了解弱电鱼在自然环境中的行为和生态。未来研究可通过延长记录时间、扩大采样面积、改进追踪算法等方式，进一步探索 G. omarorum 以及其他弱电鱼物种的行为奥秘，为生物多样性保护和生态系统研究提供更丰富的信息。