DISCUSIÓN
Las especies de peces linterna del Mar de Arabia y sus confamiliares de la corriente de California, el Golfo de México y el Antártico son fuertes migradores verticales, moviéndose desde las profundidades de las aguas medias (200-1000 m), donde pasan las horas de luz, hasta las aguas cercanas a la superficie por la noche donde se alimentan, la mayoría de las veces de zooplancton (Pearcy et al., 1977; Gjøsaeter, 1984; Torres y Somero, 1988a; Lancraft et al., 1989; Hopkins y Gartner, 1992; Luo et al., 2000). La migración vertical es una estrategia de forrajeo utilizada por los peces linterna en todo el mundo (Robinson et al., 2010), lo que hace que las cuatro regiones del presente estudio sean sistemas experimentales naturales que difieren notablemente en sus perfiles de oxígeno disuelto y temperatura, pero muy poco en los hábitos diarios de sus especies comunes. Así, los sujetos experimentales de las cuatro regiones eran análogos ecológicos. Las respuestas fisiológicas a dos variables físicas importantes, el oxígeno y la temperatura, estaban en juego.
ANCOVA comparando las actividades de la lactato deshidrogenasa (LDH), alcohol deshidrogenasa (ADH), citrato sintasa (CS) y malato deshidrogenasa (MDH) en peces linterna del Mar de Arabia y del Golfo de México. Se muestran los valores medios ±95% de los límites de confianza. WM, masa húmeda. Todas las medias son significativamente diferentes entre las dos regiones (P<0,05, ANCOVA). Ver Resultados para más detalles.
En el Mar de Arabia y el Golfo de México, el oxígeno fue claramente la variable física con mayor influencia. Los perfiles de temperatura en los dos sistemas eran prácticamente idénticos (Fig. 1) pero los perfiles de oxígeno diferían radicalmente. En el sistema del Mar de Arabia, el oxígeno desapareció a una profundidad de 200 m y permaneció en cero hasta una profundidad de 1000 m, mientras que en el Golfo de México, el oxígeno descendió hasta aproximadamente la mitad de los valores de la superficie (saturación del aire) en el mismo rango (Fig. 1). En ambos sistemas, los peces residieron en el mínimo de oxígeno durante las horas de luz. Sin embargo, en el Mar de Arabia los mictófidos se habrían visto limitados a la anaerobiosis, pero en el Golfo de México las concentraciones de oxígeno estaban bien dentro del rango normóxico de los mictófidos (Donnelly y Torres, 1988). Las estrategias bioquímicas de las especies para hacer frente a sus respectivos perfiles de oxígeno se reflejan en sus actividades enzimáticas. La LDH, la enzima terminal en la vía glicolítica durante la anaerobiosis, es aproximadamente tres veces mayor en los peces del Mar de Arabia que en los del Golfo de México, lo que sugiere una fuerte capacidad anaeróbica (Fig. 2). Por el contrario, la actividad mucho mayor de CS en los peces del Golfo de México indica una estrategia altamente aeróbica, posible por el leve mínimo de oxígeno encontrado en el Golfo de México. La actividad de ADH en los peces del Mar de Arabia también fue aproximadamente tres veces mayor que la observada en los peces del Golfo de México, dando a los peces la maquinaria bioquímica para convertir el lactato, que no puede ser excretado en las branquias, en etanol, que sí puede (Shoubridge y Hochachka, 1980; Vornanen et al., 2009).
ANCOVA comparando las actividades de LDH, ADH, CS y MDH en peces linterna de la Antártida y de la frontera de California. Se muestran los valores medios ±95% de límites de confianza. Las medias son significativamente diferentes entre las dos regiones (P<0,05, ANCOVA) para LDH y ADH, pero no para CS y MDH. Ver Resultados para más detalles.
El modelo actual de conversión de lactato a etanol en peces de colores y carpas (por ejemplo, Shoubridge y Hochachka, 1980; Vornanen et al., 2009) requiere primero que el lactato se oxide a piruvato en presencia de NADH, un paso termodinámicamente ascendente (ΔG′°=+25,1 kJ mol-1) (Lehninger, 1970). El piruvato se convierte posteriormente en acetaldehído dentro de la mitocondria por el complejo piruvato deshidrogenasa, con la liberación de CO2. El acetaldehído es entonces reducido a etanol por la ADH en presencia de NADH (Fig. 4). La maquinaria bioquímica para la formación de etanol se localiza exclusivamente en el músculo nadador, que procesa no sólo el lactato generado dentro del músculo sino también el producido por otros tejidos como el cerebro, el hígado y el corazón y que llega al músculo a través del torrente sanguíneo (Shoubridge y Hochachka, 1980; Vornanen et al., 2009) (Fig. 4). La actividad de la ADH encontrada en el músculo de los peces del Mar de Arabia sugiere una estrategia similar.
El músculo esquelético de los peces desempeña un papel importante en el procesamiento del lactato después del ejercicio a través de las vías gluconeogénica y glucogénica, una situación muy diferente a la de los mamíferos, donde la maquinaria enzimática para regenerar la glucosa se encuentra principalmente en el hígado (Suárez et al., 1986; Moon, 1988; Gleeson, 1996). Por lo tanto, el músculo de los peces es más multifuncional que el de los mamíferos, ya que posee una gama más amplia de enzimas y una mayor flexibilidad metabólica inherente que el músculo de los mamíferos, incluido un mayor potencial de biosíntesis (Gleeson, 1996). De hecho, se ha demostrado que el músculo esquelético de los peces secuestra el lactato después del ejercicio (Gleeson, 1996), facilitando la regeneración de la glucosa dentro del músculo y mejorando la recuperación después del ejercicio. En el caso de las carpas doradas, las carpas crucianas y, ahora, los peces linterna, la flexibilidad metabólica del conjunto de enzimas musculares permite encontrar nuevas soluciones bioquímicas al problema de la anaerobiosis.
La vía de la ADH en la carpa dorada y en la carpa cruciana. El músculo esquelético actúa como centro de limpieza del lactato producido en el cerebro, el corazón y el hígado durante la anaerobiosis. El lactato es captado por el músculo y convertido en piruvato por la LDH. El piruvato que llega al músculo a través del torrente sanguíneo y el producido durante la actividad glucolítica en el músculo es procesado por la vía de la piruvato deshidrogenasa (PDH) dentro de la mitocondria para producir acetaldehído y CO2; el acetaldehído se convierte en etanol dentro del citosol, y el etanol puede entonces difundirse fuera de la célula para ser excretado en las branquias. Modelo adaptado de Shoubridge y Hochachka (Shoubridge y Hochachka, 1980); figura según Vornanen et al. (Vornanen et al., 2009) con permiso de Elsevier.
La actividad de la MDH también fue significativamente mayor en los peces del Mar de Arabia que en los del Golfo de México, pero las múltiples funciones de la MDH en la célula hacen que la explicación de esto sea considerablemente menos sencilla. El tejido muscular se homogeneizó con homogeneizadores de vidrio molido, lo que permitiría que tanto la MDH citosólica como la mitocondrial estuvieran activas en el cóctel del ensayo. Las actividades reportadas en la Tabla 1 fueron, por lo tanto, una combinación de la actividad MDH de los dos compartimentos celulares. En el metabolismo aeróbico, la MDH es claramente importante como enzima que cataliza la formación de oxaloacetato en el ciclo de Krebs. Además, en condiciones aeróbicas, la MDH citosólica y mitocondrial trabajan en tándem para transportar los equivalentes reductores producidos por la glucólisis a la mitocondria para su procesamiento en el sistema de transporte de electrones, algo necesario debido a la impermeabilidad de la membrana mitocondrial al NADH citosólico. Una tercera función de la MDH es la de catalizar un paso importante en la vía gluconeogénica convencional. Así, en el músculo de los peces, se cree que la gluconeogénesis procede por una inversión casi directa de la glucólisis (Suárez et al., 1986; Moon, 1988; Gleeson, 1996) y la MDH no es un participante importante.
Lo más probable es que la MDH ayude a mantener el equilibrio redox dentro de la célula durante los periodos de transición de condiciones normóxicas a anóxicas cuando los peces migran hacia abajo en el mínimo de oxígeno durante las horas del día y de nuevo cuando los peces migran hacia arriba hacia el oxígeno más alto de las aguas superficiales por la noche. La lanzadera de malato puede mover el NADH dentro o fuera de la mitocondria dependiendo de las necesidades celulares de poder reductor.
Las especies de peces linterna de la frontera de California y del Antártico mostraron tendencias similares a las de sus confamiliares del Mar de Arabia y del Golfo de México, con la advertencia de que tanto la temperatura como el oxígeno influyeron en los resultados. Electrona antarctica, el migrador vertical más fuerte y activo entre las especies antárticas, también mostró la mayor actividad de LDH, dando a las especies antárticas en su conjunto un valor significativamente mayor que las de California a la misma temperatura de ensayo. La influencia de la adaptación a la temperatura en un pez robusto y activo (Torres y Somero, 1988b; Yang y Somero, 1993; Vetter y Lynn, 1997) es la explicación más probable de su alto valor. Si la actividad LDH de Electrona se considera a su temperatura ambiental de 0°C, o la mitad del valor de la Tabla 1 (54 U g-1 de masa húmeda), se encuentra directamente en el rango medio de valores para las especies de California a 10°C, subrayando la influencia ascendente de la adaptación a la temperatura en la actividad LDH en Electrona. Ni la actividad CS ni la MDH mostraron diferencias significativas entre las especies californianas y antárticas a la temperatura de ensayo de 10°C, aunque los valores medios para las especies californianas fueron más altos en ambos casos.
La actividad ADH fue significativamente más alta en las especies californianas a pesar de la influencia de la temperatura de ensayo, que, como en el caso de la LDH, habría tendido a sesgar los valores antárticos hacia arriba. En el caso de la ADH, la influencia más probable en las actividades enzimáticas globales fue el mínimo de oxígeno de California, que en su núcleo (700 m; Fig. 1) presenta un valor de 0,2 ml l-1. Las migraciones verticales de los peces linterna de California los llevarían a valores de oxígeno diurnos que oscilan entre 0,5 y 1,0 ml l-1 (16-32 Torr, ∼2,1-4,2 kPa), muy por debajo de sus capacidades para extraer oxígeno de forma eficiente (cf. Torres et al., 1979; Donnelly y Torres, 1988).
Los peces linterna del Mar de Arabia y de la Frontera de California se encuentran con concentraciones de oxígeno de cero a casi cero en sus profundidades diurnas, después de un nado de al menos 5000 longitudes corporales durante su excursión hacia abajo (suponiendo un nado mínimo de 300 m y una longitud corporal de unos 5 cm; Tabla 1). Su recurso más eficiente desde el punto de vista energético sería mantener la actividad natatoria dentro del mínimo de oxígeno al nivel más bajo posible para minimizar la necesidad de anaerobiosis. La mayoría de los anaerobios facultativos (por ejemplo, los bivalvos) (Hochachka, 1980; Hochachka y Somero, 2002) muestran una marcada disminución de la actividad durante la anaerobiosis como resultado del alto coste energético incluso de las vías anaeróbicas más eficientes. La actividad mínima minimiza el uso de la energía almacenada. Cuando se combina con el uso de la vía ADH, la acumulación de productos finales también se minimizaría por la excreción de etanol en las branquias, todo ello manteniendo el equilibrio redox dentro de las células musculares. La excursión hacia arriba en el crepúsculo en aguas normoxicas puede entonces iniciarse con una «pizarra metabólica» relativamente limpia con la ayuda de la lanzadera de malato en la transición como se describe anteriormente.
La migración vertical es una adaptación mostrada por muchas especies de zooplancton y micronekton además de los peces linterna (Hopkins et al., 1994; Hopkins et al., 1996; Robinson et al., 2010), presumiblemente para minimizar la depredación visual. Dado que la agudeza visual y el riesgo de ataque por parte de los depredadores visuales aumentan en gran medida durante las horas de luz, muchos animales sólo entran en las aguas superficiales ricas en alimentos por la noche, migrando a las profundidades más oscuras al amanecer. Las especies que residen dentro de los mínimos de oxígeno, o que migran hacia ellos, se enfrentan a una característica física estable (Stramma et al., 2008) que puede abordarse mediante la adaptación fisiológica y bioquímica. En el caso de los peces linterna estudiados en el presente trabajo, el mínimo de oxígeno proporciona un refugio frente a los depredadores pelágicos que tendrían las mismas dificultades para cazar en los mínimos de oxígeno del Mar de Arabia o de la Frontera de California que en las zonas muertas del océano costero.
Los peces de aguas medias del océano abierto difieren considerablemente de los peces costeros y de agua dulce en el momento y el carácter de su exposición al oxígeno bajo o nulo. El anaerobio piscino más consumado (y mejor estudiado), la carpa cruciana, pasa una estancia predecible a cero oxígeno durante los meses de invierno en su hábitat nativo de Asia central y Europa (Vornanen y Paajanen, 2004). Los individuos que habitan en pequeños estanques eutróficos pasan el invierno bajo una capa de hielo y nieve que impide el intercambio atmosférico, lo que da lugar a períodos de anoxia que pueden durar 90 días o más (Piironen y Holopainen, 1986). El hecho de que la exposición a la anoxia sea un evento estacional permite que el ajuste metabólico y morfológico tenga lugar antes de la caída del oxígeno ambiental. El ajuste metabólico incluye la acumulación de glucógeno en el hígado, el músculo, el cerebro y el corazón para alimentar la necesidad de actividad anaeróbica. Los ajustes morfológicos incluyen un aumento del número de láminas branquiales, lo que resulta en un aumento de 7 veces la superficie branquial (Vornanen et al., 2009) para facilitar el intercambio de oxígeno. Tal vez lo más sorprendente sea el hecho de que el corazón y el cerebro de la carpa cruciana siguen siendo totalmente funcionales durante la anoxia, una estrategia única entre los vertebrados, que permite que el etanol expulsado de los tejidos musculares sea entregado para su excreción en las branquias, y la distribución de la glucosa de las reservas del hígado a los sitios que lo necesitan (Vornanen et al., 2009).
Los peces marinos costeros se encuentran con la hipoxia en una variedad de situaciones naturales y de influencia antropogénica. Las charcas o canales de marea en zonas con vegetación en descomposición, como en los manglares, o en zonas intermareales con lodo rico en materia orgánica, pueden volverse anóxicas con la marea baja, exponiendo a veces a las especies nativas al sulfuro (Bagarinao y Vetter, 1989; Graham, 1997; Geiger et al., 2000). En aquellos peces que están equipados para ello, la respiración de aire es una opción viable para minimizar los efectos de la anoxia y la exposición al sulfuro (Graham, 1997; Geiger et al., 2000). Otros explotan la opción bioquímica de la oxidación mitocondrial del sulfuro para minimizar sus efectos tóxicos, de forma similar a las especies de las fuentes hidrotermales (Bagarinao y Vetter, 1989). En la mayoría de los sistemas hipóxicos naturales, las excursiones a cero oxígeno son episódicas, como en las charcas de marea de los manglares, o se producen regularmente en la marea baja durante los meses más cálidos del año. Estas situaciones son predecibles y lo suficientemente frecuentes como para que se adapten fisiológicamente. Las especies que viven en entornos sujetos a hipoxia natural están fisiológicamente preparadas para afrontarla.
Los eventos hipóxicos inducidos o potenciados antropogénicamente, o las zonas muertas, se producen con mayor regularidad en los océanos y bahías costeras de Norteamérica, Europa y Asia (Díaz y Rosenberg, 2008). Las zonas muertas suelen estar asociadas a la escorrentía de nutrientes y a la estratificación estival en sistemas marinos poco profundos (Diaz y Breitburg, 2009; Rabalais et al., 2002). La carga de nutrientes acelera la producción y la estratificación de la columna de agua inhibe la mezcla del oxígeno atmosférico. Por debajo de la capa mixta, la degradación microbiana de la materia orgánica que se hunde agota gravemente el oxígeno, eliminando en algunos casos todo el valor del fondo y del hábitat cercano al fondo (Díaz y Breitburg, 2009). La supervivencia de los peces en zonas hipóxicas viene determinada por la eficacia de las especies en la eliminación de oxígeno a una PO2 reducida (Chapman y McKenzie, 2009; Perry et al., 2009; Richards, 2009), que varía considerablemente entre taxones (Richards, 2009). En ningún caso los peces utilizan la anaerobiosis prolongada como estrategia para hacer frente a las zonas muertas.
Si hay cantidades pequeñas pero constantes de oxígeno en el agua, como en una zona mínima de oxígeno, los animales han desarrollado mecanismos para extraerlo y utilizarlo. Tres mecanismos son una mayor superficie branquial, un sistema circulatorio eficiente y un pigmento sanguíneo de alta afinidad. Se han medido grandes superficies branquiales en peces que habitan la capa mínima de oxígeno de la corriente de California (Ebeling y Weed, 1963; Gibbs y Hurwitz, 1967). Gnathophausia ingens, un crustáceo lofogástrico residente en esta zona, además de tener unas branquias muy desarrolladas y un sistema circulatorio eficiente (Childress, 1971; Belman y Childress, 1976), tiene una hemocianina de alta afinidad con un gran efecto Bohr positivo y una alta cooperatividad. Es capaz de cargar oxígeno a una presión parcial de 6 Torr (∼0,8 kPa); su alta cooperatividad permite que el pigmento descargue el oxígeno en los tejidos a través de un gradiente de difusión muy pequeño (Sanders y Childress, 1990).
Los peces linterna comprenden una familia de peces pelágicos específica y panglobal, la gran mayoría de los cuales son migradores verticales (Nelson, 2006; Smith y Heemstra, 1991). Sus distribuciones geográficas incluyen todos los mínimos de oxígeno oceánicos severos, dos de los cuales fueron tratados en el presente estudio. Proponemos que, en lugar de utilizar la estrategia de aquellas especies que permanecen permanentemente dentro de las porciones más severas de la capa mínima de oxígeno, lo que requiere una considerable inversión fisiológica y morfológica (Childress y Seibel, 1998), son capaces de utilizar la vía ADH para minimizar la acumulación de productos finales mientras utilizan la anaerobiosis durante parte del día para hacer frente a las demandas del mínimo de oxígeno. La estrategia anaeróbica recuerda a la utilizada por las especies intermareales durante las mareas bajas (cf. Hochachka, 1980; Torres et al., 1977), pero con la ventaja de una entrada más predecible y controlable en el mínimo de oxígeno. Este es el primer informe de la actividad de la ADH en el músculo de los peces que no sean el pez dorado y la carpa, una estrategia anaeróbica en gran medida no contemplada que puede estar más extendida.