DISCUSSION
Lanternefiskarterne fra Det Arabiske Hav og deres familiemedlemmer fra Californienstrømmen, Den Mexicanske Golf og Antarktis er stærke vertikale vandrere, der bevæger sig fra vanddybder (200-1000 m), hvor de tilbringer dagtimerne, til vand nær overfladen om natten, hvor de lever, oftest af zooplankton (Pearcy et al., 1977; Gjøsaeter, 1984; Torres og Somero, 1988a; Lancraft et al., 1989; Hopkins og Gartner, 1992; Luo et al., 2000). Vertikal migration er en fødesøgningsstrategi, der anvendes af lanternefisk over hele verden (Robinson et al., 2010), hvilket gør de fire regioner i denne undersøgelse til naturlige eksperimentelle systemer, der adskilte sig markant i deres opløste ilt- og temperaturprofiler, men meget lidt i de daglige vaner hos deres fælles arter. Forsøgsemnerne for alle fire regioner var således økologiske analoger. Fysiologiske reaktioner på to vigtige fysiske variabler, ilt og temperatur, var i spil.
ANCOVA, der sammenligner aktiviteterne af laktatdehydrogenase (LDH), alkoholdehydrogenase (ADH), citratsyntase (CS) og malatdehydrogenase (MDH) i lygtefisk fra Det Arabiske Hav og Den Mexicanske Golf. Gennemsnitsværdierne er vist ± 95 % konfidensgrænser. WM, vådmasse. Alle middelværdier er signifikant forskellige mellem de to regioner (P<0,05, ANCOVA). Se Resultater for nærmere oplysninger.
I Det Arabiske Hav og Den Mexicanske Golf var ilt klart den fysiske variabel, der havde størst indflydelse. Temperaturprofilerne i de to systemer var stort set identiske (Fig. 1), men iltprofilerne adskilte sig radikalt fra hinanden. I det Arabiske Hav forsvandt ilten i en dybde på 200 m og forblev på nul til en dybde på 1000 m, mens ilten i Den Mexicanske Golf faldt til omkring halvdelen af overfladeværdierne (luftmætning) i det samme område (Fig. 1). I begge systemer opholdt fiskene sig i iltminimum i dagtimerne. I Det Arabiske Hav ville myctophiderne imidlertid have været tvunget til anaerobiose, men i Den Mexicanske Golf var iltkoncentrationerne langt inden for myctophidernes normoxiske område (Donnelly og Torres, 1988). Arternes biokemiske strategier til håndtering af deres respektive iltprofiler afspejles i deres enzymatiske aktiviteter. LDH, det terminale enzym i den glykolytiske vej under anaerobiose, er omkring tre gange højere i fisk fra Det Arabiske Hav end i fisk fra Den Mexicanske Golf, hvilket tyder på en stærk anaerob kapacitet (Fig. 2). I modsætning hertil tyder den meget højere aktivitet af CS i fiskene fra Den Mexicanske Golf på en meget aerob strategi, hvilket er muliggjort af det milde iltminimum, der findes i Den Mexicanske Golf. ADH-aktiviteten i fisk fra Det Arabiske Hav var også omkring tre gange så høj som den, der blev observeret hos fisk fra Den Mexicanske Golf, hvilket giver fiskene det biokemiske maskineri til at omdanne laktat, som ikke kan udskilles via gællerne, til ethanol, som kan (Shoubridge og Hochachka, 1980; Vornanen et al., 2009).
ANCOVA, der sammenligner aktiviteterne af LDH, ADH, CS og MDH hos lygtefisk fra Antarktis og Californiens grænseland. Gennemsnitsværdierne er vist ± 95 % konfidensgrænser. Middelværdierne er signifikant forskellige mellem de to regioner (P<0,05, ANCOVA) for LDH og ADH, men ikke for CS og MDH. Se Resultater for detaljer.
Den nuværende model for omdannelse af laktat til ethanol i guldfisk og karper (f.eks. Shoubridge og Hochachka, 1980; Vornanen et al., 2009) kræver først, at laktat oxideres til pyruvat i tilstedeværelse af NADH, et termodynamisk opadgående trin (ΔG′°=+25,1 kJ mol-1) (Lehninger, 1970). Pyruvat omdannes efterfølgende til acetaldehyd i mitokondriet af pyruvatdehydrogenase-komplekset i mitokondriet med frigivelse af CO2. Acetaldehyd reduceres derefter til ethanol af ADH i nærværelse af NADH (fig. 4). Det biokemiske maskineri til dannelse af ethanol er udelukkende placeret i svømmemusklen, som ikke kun behandler det laktat, der dannes i musklen, men også det laktat, der produceres af andre væv såsom hjerne, lever og hjerte og leveres til musklen via blodbanen (Shoubridge og Hochachka, 1980; Vornanen et al., 2009) (fig. 4). Den aktivitet af ADH, der er fundet i musklerne hos fisk fra Det Arabiske Hav, tyder på en lignende strategi.
Skeletmuskulaturen hos fisk spiller en vigtig rolle i forarbejdningen af laktat efter træning gennem de glukoneogene og glykogene veje, en situation, der er meget forskellig fra den hos pattedyr, hvor det enzymatiske maskineri til regenerering af glukose primært findes i leveren (Suarez et al., 1986; Moon, 1988; Gleeson, 1996). Fiskenes muskler er således mere multifunktionelle end pattedyrenes, idet de besidder en bredere vifte af enzymer og en større iboende metabolisk fleksibilitet end pattedyrenes muskler, herunder et større potentiale for biosyntese (Gleeson, 1996). Det er faktisk blevet påvist, at fiskes skeletmuskel kan binde laktat efter træning (Gleeson, 1996), hvilket letter regenerering af glukose i musklen og forbedrer restitutionen efter træning. I tilfældet med guldfisk, krydsskarper og nu også lygtefisk giver muskelenzymets metaboliske fleksibilitet mulighed for nye biokemiske løsninger på problemet med anaerobiose.
ADH-vejen i guldfisk og krydskarpe. Skeletmuskulaturen fungerer som clearingsted for laktat, der produceres i hjerne, hjerte og lever under anaerobiose. Laktat optages af musklen og omdannes til pyruvat af LDH. Pyruvat, der når musklen via blodbanen, og pyruvat, der produceres under glykolytisk aktivitet i musklen, behandles af pyruvatdehydrogenase (PDH) i mitokondriet til acetaldehyd og CO2; acetaldehyd omdannes til ethanol i cytosolen, og ethanol kan derefter diffundere ud af cellen for at blive udskilt ved gællerne. Model tilpasset fra Shoubridge og Hochachka (Shoubridge og Hochachka, 1980); figur efter Vornanen et al. (Vornanen et al., 2009) med tilladelse fra Elsevier.
MDH-aktiviteten var også signifikant højere i fisk fra Det Arabiske Hav end i fisk fra Den Mexicanske Golf, men MDH’s mange roller i cellen gør forklaringen på dette betydeligt mindre ligetil. Muskelvæv blev homogeniseret med homogenisatorer af slebet glas, hvilket ville gøre det muligt for både cytosolisk og mitokondrielt MDH at være aktivt i assaycocktailen. De aktiviteter, der er angivet i tabel 1, var derfor en kombination af MDH-aktivitet fra de to cellulære kompartmenter. I aerobt stofskifte er MDH klart vigtig som det enzym, der katalyserer dannelsen af oxaloacetat i Krebs’ cyklus. Under aerobe forhold arbejder den cytosoliske og mitokondrielle MDH desuden sammen for at transportere reducerende ækvivalenter, der produceres af glykolyse, ind i mitokondriet til behandling i elektrontransportsystemet, hvilket er en nødvendighed på grund af mitokondriemembranens uigennemtrængelighed for cytosolisk NADH. En tredje rolle, som MDH spiller, er at katalysere et vigtigt trin i den konventionelle glukoneogene vej. I fiskemuskler menes glukoneogenesen i øvrigt at foregå ved en næsten direkte omvending af glykolysen (Suarez et al., 1986; Moon, 1988; Gleeson, 1996), og MDH er ikke en vigtig deltager.
Det mest sandsynlige er, at MDH hjælper med at opretholde redoxbalancen i cellen i perioder med overgang fra normoxiske til anoxiske forhold, når fiskene vandrer nedad i iltminimum i dagtimerne og igen, når fiskene vandrer opad mod det højere iltindhold i overfladevandet om natten. Malatfærgen kan flytte NADH enten ind i eller ud af mitokondriet afhængigt af cellens behov for reducerende kraft.
Lanternefiskarter fra Californiens grænseland og Antarktis viste lignende tendenser som deres familiearter fra Det Arabiske Hav og Den Mexicanske Golf, dog med det forbehold, at såvel temperatur som ilt påvirkede resultaterne. Electrona antarctica, den stærkeste og mest aktive vertikale vandrer blandt de antarktiske arter, viste også den højeste LDH-aktivitet, hvilket gav de antarktiske arter som helhed en signifikant højere værdi end dem fra Californien ved den samme analysetemperatur. Indflydelse af temperaturtilpasning hos en robust aktiv fisk (Torres og Somero, 1988b; Yang og Somero, 1993; Vetter og Lynn, 1997) er den mest sandsynlige forklaring på den høje værdi. Hvis LDH-aktiviteten hos Electrona betragtes ved dens omgivelsestemperatur på 0 °C, eller halvdelen af værdien i tabel 1 (54 U g-1 vådmasse), ligger den lige i midten af værdierne for de californiske arter ved 10 °C, hvilket understreger den opadgående indflydelse af temperaturtilpasning på LDH-aktiviteten hos Electrona. Hverken CS- eller MDH-aktiviteten viste signifikante forskelle mellem californiske og antarktiske arter ved analysetemperaturen på 10°C, selv om gennemsnitsværdierne for californiske arter var højere i begge tilfælde.
ADH-aktiviteten var signifikant højere hos de californiske arter på trods af påvirkningen fra analysetemperaturen, hvilket, ligesom med LDH, ville have haft en tendens til at skævvride de antarktiske værdier opad. For ADH’s vedkommende var den mest sandsynlige indflydelse på den samlede enzymaktivitet det californiske iltminimum, som ved sin kerne (700 m; fig. 1) udviser en værdi på 0,2 ml l-1. Vertikale vandringer af californiske lanternefisk ville bringe dem til iltværdier i dagtimerne på mellem 0,5 og 1,0 ml l-1 (16-32 Torr, ∼2,1-4,2 kPa), hvilket er langt under deres evne til effektivt at udvinde ilt (jf. Torres et al., 1979; Donnelly og Torres, 1988).
Lanternefisk fra Det Arabiske Hav og det californiske grænseland støder på iltkoncentrationer på nul eller næsten nul i deres dagdybde efter en svømmetur på mindst 5000 kropslængder under deres nedadgående ekskursion (under antagelse af en minimumssvømning på 300 m og en kropslængde på ca. 5 cm; Tabel 1). Deres mest energimæssigt effektive udvej ville være at holde svømmeaktiviteten inden for iltminimum på det lavest mulige niveau for at minimere behovet for anaerobiose. De fleste fakultative anaerobe organismer (f.eks. toskallede dyr) (Hochachka, 1980; Hochachka og Somero, 2002) udviser en markant nedgang i aktivitet under anaerobiose som følge af de høje energiomkostninger ved selv de mest effektive anaerobe veje. Minimal aktivitet minimerer brugen af lagret energi. Når det kombineres med brug af ADH-vejen, vil ophobning af slutprodukter også blive minimeret ved udskillelse af ethanol ved gællerne, samtidig med at redoxbalancen i muskelcellerne opretholdes. Udflugten opad i skumringen til normoxisk vand kan derefter indledes med en relativt ren “metabolisk tavle” med malatfærgen, der hjælper med overgangen som beskrevet ovenfor.
Den vertikale migration er en tilpasning, der udvises af mange arter af zooplankton og mikronekton ud over lanternefisk (Hopkins et al., 1994; Hopkins et al., 1996; Robinson et al., 2010), formodentlig for at minimere visuel prædation. Da den visuelle skarphed og risikoen for angreb fra visuelle rovdyr er stærkt forøget i dagtimerne, kommer mange dyr kun ind i det fødevarerejseholdige overfladevand om natten og vandrer til de mørkere dybder ved daggry. Arter, der bor inden for iltminima, eller som vandrer ind i dem, klarer sig med et stabilt fysisk træk (Stramma et al., 2008), som kan håndteres gennem fysiologisk og biokemisk tilpasning. I tilfældet med de lygtefisk, der er undersøgt i dette arbejde, giver iltminimum et refugium fra pelagiske rovdyr, der ville have samme problemer med at jage i iltminima i Det Arabiske Hav eller Californiens grænseland som i de døde zoner i kysthavet.
Midtvandsfisk i det åbne hav adskiller sig betydeligt fra kyst- og ferskvandsfisk med hensyn til tidspunktet og karakteren af deres eksponering for lavt eller nul iltindhold. Den mest fuldbyrdede piscine anaerobe (og bedst studerede), nemlig den krebsede karpe, gennemgår et forudsigeligt ophold ved nul ilt i vintermånederne i dens hjemlige habitat i Centralasien og Europa (Vornanen og Paajanen, 2004). Individer, der lever i små eutrofe damme, overvintrer under is- og snedække, der udelukker atmosfærisk udveksling, hvilket resulterer i perioder med anoxi, der kan vare 90 dage eller mere (Piironen og Holopainen, 1986). Det forhold, at udsættelse for anoxi er en sæsonbestemt begivenhed, gør det muligt for metaboliske og morfologiske tilpasninger at finde sted før faldet i iltindholdet i omgivelserne. Metabolisk tilpasning omfatter ophobning af glykogen i lever, muskler, hjerne og hjerte som brændstof til anaerob aktivitet. Morfologiske tilpasninger omfatter en stigning i antallet af gællelameller, hvilket resulterer i en 7-dobbelt forøgelse af gællernes overfladeareal (Vornanen et al., 2009) for at lette iltudvekslingen. Måske mest forbløffende er det faktum, at hjerte og hjerne hos krydskarper forbliver fuldt funktionsdygtige under anoxi, en strategi, der er unik blandt hvirveldyrene, og som gør det muligt at levere den ethanol, der skylles ud af muskelvæv, til udskillelse ved gællerne og distribuere glukose fra leverlagre til steder med behov (Vornanen et al., 2009).
Kystnære havfisk møder hypoxi i en række naturlige og antropogent påvirkede situationer. Tidevandsbassiner eller kanaler i områder med rådnende vegetation, f.eks. i mangrovebevoksninger, eller i intertidale områder med organisk rigt mudder, kan blive anoxiske ved lavvande, hvilket undertiden udsætter indfødte arter for sulfid (Bagarinao og Vetter, 1989; Graham, 1997; Geiger et al., 2000). For de fisk, der er udstyret til at gøre det, er luftindånding en farbar mulighed for at minimere virkningerne af anoxi og sulfideksponering (Graham, 1997; Geiger et al., 2000). Andre udnytter den biokemiske mulighed for mitokondriel oxidation af sulfidet for at minimere dets toksiske virkninger i lighed med arter ved hydrotermiske slamper (Bagarinao og Vetter, 1989). I de fleste naturligt forekommende hypoxiske systemer er udsvingene til nul ilt enten episodiske, som i mangrove tidevandsbassiner, eller de forekommer regelmæssigt ved lavvande i de varmere måneder af året. Disse situationer er forudsigelige og hyppige nok til, at de kan tilpasses ved fysiologisk tilpasning. Arter, der lever i miljøer, der er udsat for naturlig hypoxi, er fysiologisk forberedt til at håndtere det.
Anthropogent inducerede eller forstærkede hypoxiske hændelser eller døde zoner forekommer med større regelmæssighed i de kystnære have og bugter i Nordamerika, Europa og Asien (Diaz og Rosenberg, 2008). Døde zoner er normalt forbundet med afstrømning af næringsstoffer og sommerstratificering i lavvandede marine systemer (Diaz og Breitburg, 2009; Rabalais et al., 2002). Næringsstofbelastning fremskynder produktionen, og nedblanding af atmosfærisk ilt hæmmes af vandsøjlens stratificering. Under det blandede lag er det mikrobielle nedbrydning af synkende organisk materiale, der alvorligt udtømmer ilten og i nogle tilfælde fjerner al værdi fra bunden og det bundnære habitat (Diaz og Breitburg, 2009). Fiskenes overlevelse i hypoxiske zoner bestemmes af arternes effektivitet i forhold til at fjerne ilt ved reduceret PO2 (Chapman og McKenzie, 2009; Perry et al., 2009; Richards, 2009), hvilket varierer betydeligt på tværs af taxa (Richards, 2009). I intet tilfælde anvendes langvarig anaerobiose af fisk som en strategi til at klare sig i døde zoner.
Hvis der er små, men konstante mængder ilt i vandet, som f.eks. i en iltminimumszone, har dyr udviklet mekanismer til at udvinde og bruge den. Tre mekanismer er et øget gælleroverfladeareal, et effektivt kredsløbssystem og et blodpigment med høj affinitet. Der er blevet målt store gællesider i fisk, der lever i den californiske strøms iltminimumslag (Ebeling og Weed, 1963; Gibbs og Hurwitz, 1967). Gnathophausia ingens, et lophogastrid krebsdyr, der lever i dette område, har ud over at have højt udviklede gæller og et effektivt kredsløbssystem (Childress, 1971; Belman og Childress, 1976) et hæmocyanin med høj affinitet med en stor positiv Bohr-effekt og høj kooperativitet. Det er i stand til at indlæse ilt ved et partialtryk på 6 Torr (∼0,8 kPa); dets høje kooperativitet gør det muligt for pigmentet at aflæse ilt i vævene over en meget lille diffusionsgradient (Sanders og Childress, 1990).
Lanternefiskene udgør en artsrig, pan-global pelagisk fiskefamilie, hvoraf langt de fleste er vertikal vandrere (Nelson, 2006; Smith og Heemstra, 1991). Deres geografiske udbredelse omfatter alle de alvorlige oceaniske iltminima, hvoraf to af dem blev behandlet i denne undersøgelse. Vi foreslår, at de i stedet for at udnytte strategien hos de arter, der forbliver permanent inden for de alvorligste dele af iltminimumslaget, hvilket kræver en betydelig fysiologisk og morfologisk investering (Childress og Seibel, 1998), er i stand til at bruge ADH-vejen til at minimere ophobning af slutprodukter, mens de bruger anaerobiose i en del af dagen for at klare kravene fra iltminimum. Den anaerobe strategi minder om den, der anvendes af intertidale arter under lavvande (jf. Hochachka, 1980; Torres et al., 1977), men med fordelen af en mere forudsigelig og kontrollerbar indgang til iltmangel. Dette er den første rapport om ADH-aktivitet i musklen hos andre fisk end guldfisk og karper, en stort set upåagtet anaerob strategi, som måske er mere udbredt.