KESKUSTELU
Arabianmeren lyhtykalalajit ja niiden sukulaislajit Kalifornianvirrasta, Meksikonlahdelta ja Etelämantereelta ovat voimakkaita pystysuuntaisia vaeltajia, jotka liikkuvat veden keskisyvyydestä (200-1000 m), jossa ne viettävät päivänvalon ajan, yöllä lähelle pintakerrosta oleviin vesistöihin, joissa ne ruokailevat useimmiten eläinplanktonilla (Pearcy et al., 1977; Gjøsaeter, 1984; Torres ja Somero, 1988a; Lancraft ym., 1989; Hopkins ja Gartner, 1992; Luo ym., 2000). Pystysuora vaellus on lyhtykalojen kaikkialla maailmassa käyttämä ravinnonhankintastrategia (Robinson ym., 2010), joten tämän tutkimuksen neljä aluetta olivat luonnollisia koejärjestelmiä, jotka poikkesivat toisistaan huomattavasti liuenneen hapen ja lämpötilaprofiiliensa osalta, mutta hyvin vähän yhteisten lajiensa päivittäisten elintapojen osalta. Näin ollen kaikkien neljän alueen koealat olivat ekologisia analogeja. Fysiologiset vasteet kahdelle tärkeälle fysikaaliselle muuttujalle, hapelle ja lämpötilalle, olivat pelissä.
ANCOVA, jossa verrataan laktaattidehydrogenaasin (LDH), alkoholidehydrogenaasin (ADH), sitraattisyntaasin (CS) ja malaattidehydrogenaasin (MDH) aktiivisuuksia Arabianmeren ja Meksikonlahden lyhtykaloissa. Keskiarvot on esitetty ±95 prosentin luottamusrajoilla. WM, märkä massa. Kaikki keskiarvot eroavat merkittävästi näiden kahden alueen välillä (P<0,05, ANCOVA). Katso lisätietoja tuloksista.
Arabianmerellä ja Meksikonlahdella happi oli selvästi fysikaalinen muuttuja, jolla oli suurin vaikutus. Lämpötilaprofiilit olivat näissä kahdessa järjestelmässä käytännöllisesti katsoen identtiset (kuva 1), mutta happiprofiilit erosivat radikaalisti toisistaan. Arabianmeren järjestelmässä happi katosi 200 metrin syvyydessä ja pysyi nollassa 1000 metrin syvyyteen asti, kun taas Meksikonlahdella happi laski noin puoleen pinta-arvoista (ilman kyllästysaste) samalla alueella (kuva 1). Molemmissa järjestelmissä kalat oleskelivat happiminimissä päivänvalon aikana. Arabianmerellä myctophidit olisivat kuitenkin joutuneet anaerobioosiin, mutta Meksikonlahdella happipitoisuudet olivat hyvin myctophidien normoksisen alueen sisällä (Donnelly ja Torres, 1988). Lajien biokemialliset strategiat niiden happiprofiilien käsittelemiseksi heijastuvat niiden entsymaattisiin aktiivisuuksiin. LDH, glykolyyttisen reitin pääteentsyymi anaerobiassa, on noin kolme kertaa suurempi Arabianmeren kaloissa kuin Meksikonlahden kaloissa, mikä viittaa vahvaan anaerobiseen kykyyn (kuva 2). Sitä vastoin Meksikonlahden kalojen paljon korkeampi CS:n aktiivisuus viittaa erittäin aerobiseen strategiaan, jonka Meksikonlahdella vallitseva lievä happiminimi mahdollistaa. Arabianmeren kalojen ADH-aktiivisuus oli myös noin kolminkertainen Meksikonlahden kaloissa havaittuun verrattuna, mikä antaa kaloille biokemiallisen koneiston muuntaa laktaattia, jota ei voida erittää kidusten kautta, etanoliksi, jota voidaan erittää (Shoubridge ja Hochachka, 1980; Vornanen ym., 2009).
ANCOVA, jossa verrataan LDH:n, ADH:n, CS:n ja MDH:n aktiivisuuksia Etelämantereen ja Kalifornian raja-alueen lyhtykaloissa. Keskiarvot on esitetty ±95 %:n luottamusrajoilla. Keskiarvot eroavat merkitsevästi näiden kahden alueen välillä (P<0,05, ANCOVA) LDH:n ja ADH:n osalta, mutta eivät CS:n ja MDH:n osalta. Katso tarkemmat tiedot kohdasta Tulokset.
Nykymalli laktaatin muuntamiseksi etanoliksi kultakaloissa ja karpeissa (esim. Shoubridge ja Hochachka, 1980; Vornanen ym., 2009) edellyttää, että laktaatti hapetetaan ensin pyruviitiksi NADH:n läsnäollessa, mikä on termodynaamisesti ylämäkinen vaihe (ΔG′°=+25.1 kJ mol-1) (Lehninger, 1970). Tämän jälkeen pyruvaatti muunnetaan mitokondrionissa pyruvaattidehydrogenaasikompleksin avulla asetaldehydiksi, jolloin vapautuu hiilidioksidia. Tämän jälkeen ADH pelkistää asetaldehydin etanoliksi NADH:n läsnä ollessa (kuva 4). Etanolin muodostuksen biokemiallinen koneisto sijaitsee yksinomaan uimalihaksessa, joka käsittelee paitsi lihaksessa syntyvää laktaattia myös muiden kudosten, kuten aivojen, maksan ja sydämen, tuottamaa laktaattia, joka kulkeutuu lihakseen verenkierron kautta (Shoubridge ja Hochachka, 1980; Vornanen ym., 2009) (kuva 4). Arabianmeren kalojen lihaksessa havaittu ADH:n aktiivisuus viittaa samankaltaiseen strategiaan.
Kalojen luurankolihaksella on tärkeä rooli harjoituksen jälkeisessä laktaatin prosessoinnissa glukoneogeenisen ja glykogeenisen reitin kautta, mikä on hyvin erilainen tilanne kuin nisäkkäillä, joilla glukoosin regeneroinnin entsymaattiset koneistot sijaitsevat pääasiassa maksassa (Suarez ym., 1986; Moon, 1988; Gleeson, 1996). Kalojen lihakset ovat siis monikäyttöisempiä kuin nisäkkäiden lihakset, ja niillä on nisäkkäiden lihaksiin verrattuna laajempi valikoima entsyymejä ja suurempi luontainen metabolinen joustavuus, mukaan luettuna suurempi biosynteesipotentiaali (Gleeson, 1996). Kalojen luurankolihaksen on itse asiassa osoitettu sitovan laktaattia liikunnan jälkeen (Gleeson, 1996), mikä helpottaa glukoosin regeneroitumista lihaksessa ja tehostaa liikunnan jälkeistä palautumista. Kultakalan, ristikarpin ja nyt myös lyhtykalojen tapauksessa lihaksen entsyymipaketin metabolinen joustavuus mahdollistaa uudenlaisia biokemiallisia ratkaisuja anaerobioosin ongelmaan.
ADH-reitti kultakalassa ja karisiassa. Luurankolihas toimii aivoissa, sydämessä ja maksassa anaerobioosin aikana tuotetun laktaatin puhdistamona. Lihas ottaa laktaattia vastaan ja LDH muuttaa sen pyruvaatiksi. Verenkierron kautta lihakseen saapuva ja lihaksen glykolyyttisen toiminnan aikana tuotettu pyruvaatti käsitellään mitokondriossa sijaitsevassa pyruvaattidehydrogenaasireitissä (PDH) asetaldehydiksi ja hiilidioksidiksi; asetaldehydi muutetaan sytosolissa etanoliksi, ja etanoli voi sitten diffundoitua ulos solusta ja erittyä kidusten kautta. Malli mukailtu lähteestä Shoubridge ja Hochachka (Shoubridge ja Hochachka, 1980); kuva Vornasen ym. mukaan (Vornanen ym., 2009) Elsevierin luvalla.
MDH:n aktiivisuus oli myös huomattavasti korkeampi Arabianmeren kaloissa kuin Meksikonlahden kaloissa, mutta MDH:n moninaiset roolit solussa tekevät selityksen tälle huomattavan paljon vaikeammaksi. Lihaskudos homogenisoitiin hiotuilla lasihomogenisaattoreilla, mikä mahdollistaisi sekä sytosolisen että mitokondriaalisen MDH:n aktiivisuuden määrityscocktailissa. Taulukossa 1 ilmoitetut aktiivisuudet olivat siis näiden kahden solukompartimentin MDH-aktiivisuuden yhdistelmä. Aerobisessa aineenvaihdunnassa MDH on selvästi tärkeä entsyymi, joka katalysoi oksaloasetaatin muodostumista Krebsin syklissä. Lisäksi aerobisissa olosuhteissa sytosolinen ja mitokondriaalinen MDH työskentelevät yhdessä siirtääkseen glykolyysin tuottamia pelkistäviä ekvivalentteja mitokondrioon elektroninkuljetusjärjestelmässä käsiteltäviksi, mikä on välttämätöntä, koska mitokondriokalvo ei läpäise sytosolista NADH:ta. Kolmas MDH:n tehtävä on katalysoida tärkeää vaihetta perinteisessä glukoneogeneettisessä reitissä. Kalan lihaksessa glukoneogeneesin uskotaankin tapahtuvan lähes suoraan glykolyysin käänteisesti (Suarez et al., 1986; Moon, 1988; Gleeson, 1996), eikä MDH ole tärkeä osallistuja.
Todennäköisintä on, että MDH auttaa ylläpitämään redox-tasapainoa solun sisällä siirtymävaiheissa normoksisista olosuhteista anoksisiin olosuhteisiin kalojen siirtyessä alaspäin happiminimiin päivällä ja taas ylöspäin kohti pintavesien korkeampaa happipitoisuutta yöllä. Malaattisukkula voi siirtää NADH:ta joko mitokondrioon tai sieltä pois riippuen solun pelkistävän tehon tarpeesta.
Kalifornian raja-alueen ja Etelämantereen lyhtykalalajit osoittivat samankaltaisia suuntauksia kuin niiden sukulaislajit Arabianmerellä ja Meksikonlahdella, sillä varauksella, että lämpötila sekä happi vaikuttivat tuloksiin. Electrona antarctica, Etelämantereen lajien voimakkain ja aktiivisin vertikaalinen vaeltaja, osoitti myös korkeinta LDH-aktiivisuutta, jolloin Etelämantereen lajien kokonaisarvo oli huomattavasti korkeampi kuin Kalifornian lajeilla samassa tutkimuslämpötilassa. Lämpötilaan sopeutumisen vaikutus vahvassa aktiivisessa kalassa (Torres ja Somero, 1988b; Yang ja Somero, 1993; Vetter ja Lynn, 1997) on todennäköisin selitys korkealle arvolle. Jos Electronan LDH-aktiivisuutta tarkastellaan sen ympäristölämpötilassa 0 °C:ssa eli puolet taulukossa 1 esitetystä arvosta (54 U g-1 märkäpaino), se on suoraan Kalifornian lajien arvojen keskivaiheilla 10 °C:ssa, mikä korostaa lämpötilaan sopeutumisen nousevaa vaikutusta Electronan LDH-aktiivisuuteen. CS- tai MDH-aktiivisuudessa ei havaittu merkittäviä eroja Kalifornian ja Etelämantereen lajien välillä 10 °C:n määrityslämpötilassa, vaikka Kalifornian lajien keskiarvot olivat molemmissa tapauksissa korkeammat.
ADH-aktiivisuus oli Kalifornian lajeilla merkittävästi korkeampi huolimatta määrityslämpötilan vaikutuksesta, joka LDH:n tapaan olisi ollut taipuvainen vinouttamaan Etelämantereen arvoja ylöspäin. ADH:n osalta todennäköisin vaikutus entsyymin kokonaisaktiivisuuteen oli Kalifornian happiminimi, jonka ytimessä (700 m; kuva 1) arvo on 0,2 ml l-1. Kalifornian lyhtykalojen pystysuuntaiset vaellukset veisivät ne päiväsaikaan happiarvoihin, jotka vaihtelevat välillä 0,5-1,0 ml l-1 (16-32 Torr, ∼2,1-4,2 kPa), mikä on selvästi alle niiden kyvyn ottaa happea tehokkaasti talteen (vrt. Torres ym., ), 1979; Donnelly ja Torres, 1988).
Arabianmeren ja Kalifornian raja-alueen lyhtykalat kohtaavat päiväsyvyyksissään nollan tai lähes nollan tuntuisia happipitoisuuksia uituaan alaspäin vähintään 5000 ruumiinpituuden verran (olettaen, että minimiuinti on 300 m ja ruumiinpituus on noin 5 cm; taulukko 1). Niiden energiatehokkain keino olisi pitää uintiaktiivisuus happiminiminimin sisällä mahdollisimman alhaisella tasolla, jotta anaerobioosin tarve olisi mahdollisimman pieni. Useimmilla fakultatiivisilla anaerobeilla (esim. simpukoilla) (Hochachka, 1980; Hochachka ja Somero, 2002) aktiivisuus laskee huomattavasti anaerobioosin aikana, mikä johtuu tehokkaimpienkin anaerobisten reittien korkeista energiakustannuksista. Vähäinen aktiivisuus minimoi varastoidun energian käytön. Kun siihen yhdistetään ADH-reitin käyttö, lopputuotteiden kertyminen minimoidaan myös etanolin erittymisellä kidusten kautta, samalla kun lihassolujen redox-tasapaino säilyy. Retki ylöspäin hämärässä normoksisiin vesiin voidaan tällöin aloittaa suhteellisen puhtaalla ”aineenvaihdunnallisella pohjalla” malaattisukkulan auttaessa siirtymisessä edellä kuvatulla tavalla.
Pystysuora vaellus on sopeutuminen, jota lyhtykalojen lisäksi monet eläinplankton- ja mikronektonlajit osoittavat (Hopkins et al., 1994; Hopkins et al., 1996; Robinson et al., 2010), oletettavasti visuaalisen saalistuksen minimoimiseksi. Koska näöntarkkuus ja visuaalisten saalistajien hyökkäysriski ovat huomattavasti suuremmat päiväsaikaan, monet eläimet saapuvat ravintorikkaisiin pintavesiin vain yöllä ja vaeltavat pimeämpiin syvyyksiin aamunkoitteessa. Lajit, jotka asuvat happiminimeissä tai vaeltavat niihin, selviytyvät vakaasta fyysisestä ominaisuudesta (Stramma et al., 2008), jota voidaan käsitellä fysiologisen ja biokemiallisen sopeutumisen avulla. Tässä työssä tutkittujen lyhtykalojen tapauksessa happiminimi tarjoaa suojapaikan pelagisilta saalistajilta, joilla olisi samanlaisia vaikeuksia saalistaa Arabianmeren tai Kalifornian rajameren happiminimissä kuin rannikkomeren kuolleilla vyöhykkeillä.
Avaran valtameren keskiveden kalat eroavat rannikko- ja makeanveden kaloista huomattavasti alhaiselle tai nollahapelle altistumisen ajankohdan ja luonteen osalta. Taitavin kalojen anaerobinen (ja parhaiten tutkittu) kalalaji, ristiydinkarppi, viettää ennustettavasti nollahapessa talvikuukausien aikana alkuperäisessä elinympäristössään Keski-Aasiassa ja Euroopassa (Vornanen ja Paajanen, 2004). Pienissä eutrofisissa lammikoissa elävät yksilöt talvehtivat jää- ja lumipeitteen alla, joka estää ilmakehän vaihdon, jolloin hapettomuusjaksot voivat kestää 90 päivää tai kauemmin (Piironen ja Holopainen, 1986). Koska anoksialle altistuminen on kausiluonteinen tapahtuma, aineenvaihdunnallinen ja morfologinen sopeutuminen voi tapahtua ennen ympäristön hapen vähenemistä. Metaboliseen sopeutumiseen kuuluu glykogeenin kertyminen maksaan, lihaksiin, aivoihin ja sydämeen anaerobista toimintaa varten. Morfologisiin sopeutumisiin kuuluu kidalamellien määrän lisääntyminen, mikä johtaa kidusten pinta-alan 7-kertaistumiseen (Vornanen ym., 2009) hapenvaihdon helpottamiseksi. Ehkä hämmästyttävintä on se, että karisiian sydän ja aivot pysyvät täysin toimintakykyisinä anoksian aikana, mikä on selkärankaisten joukossa ainutlaatuinen strategia, joka mahdollistaa lihaskudoksista huuhtoutuvan etanolin toimittamisen kidusten kautta erittyväksi ja glukoosin jakamisen maksavarastoista niitä tarvitseviin paikkoihin (Vornanen ym., 2009).
Rannikon merikalat kohtaavat hypoksiaa erilaisissa luonnollisissa ja ihmisen vaikutuksesta syntyneissä tilanteissa. Vuorovesialtaat tai -kanavat alueilla, joilla on mätänevää kasvillisuutta, kuten mangrovemetsissä, tai vuorovesialueiden välisillä alueilla, joilla on orgaanisesti rikasta mutaa, voivat muuttua anoksisiksi laskuveden aikaan, jolloin alkuperäiset lajit voivat joskus altistua sulfidille (Bagarinao ja Vetter, 1989; Graham, 1997; Geiger ym., 2000). Niille kaloille, joilla on siihen valmiudet, hengitys ilmassa on käyttökelpoinen vaihtoehto anoksian ja sulfidialtistuksen vaikutusten minimoimiseksi (Graham, 1997; Geiger ym., 2000). Toiset hyödyntävät biokemiallisena vaihtoehtona sulfidin mitokondriaalista hapettumista sen myrkyllisten vaikutusten minimoimiseksi, kuten hydrotermisillä purkauspisteillä elävät lajit (Bagarinao ja Vetter, 1989). Useimmissa luonnossa esiintyvissä hypoksisissa järjestelmissä hapettomuus on joko ajoittaista, kuten mangroveputkien vuorovesialtaissa, tai sitä esiintyy säännöllisesti laskuveden aikaan vuoden lämpiminä kuukausina. Nämä tilanteet ovat ennakoitavissa ja riittävän usein, jotta niihin voidaan sopeutua fysiologisen sopeutumisen avulla. Lajit, jotka elävät ympäristössä, jossa esiintyy luonnollista hypoksiaa, ovat fysiologisesti valmiita selviytymään siitä.
Antropogeenisesti aiheutettuja tai voimistuneita hypoksisia tapahtumia eli kuolleita vyöhykkeitä esiintyy yhä säännöllisemmin Pohjois-Amerikan, Euroopan ja Aasian rannikkomerissä ja merenlahdissa (Diaz ja Rosenberg, 2008). Kuolleet vyöhykkeet liittyvät yleensä ravinteiden valumiseen ja kesäaikaiseen kerrostumiseen matalissa merijärjestelmissä (Diaz ja Breitburg, 2009; Rabalais et al., 2002). Ravinnekuormitus kiihdyttää tuotantoa, ja vesipatsaan kerrostuminen estää ilmakehän hapen sekoittumisen. Sekoittuneen kerroksen alapuolella uppoavan orgaanisen aineksen mikrobiologinen hajoaminen vähentää merkittävästi happea, ja joissakin tapauksissa pohjan ja pohjanläheisen luontotyypin arvo katoaa kokonaan (Diaz ja Breitburg, 2009). Kalojen selviytyminen hypoksisilla vyöhykkeillä määräytyy sen mukaan, miten tehokkaasti lajit pystyvät poistamaan happea alentuneessa PO2:ssa (Chapman ja McKenzie, 2009; Perry et al., 2009; Richards, 2009), mikä vaihtelee huomattavasti eri taksonien välillä (Richards, 2009). Kalat eivät missään tapauksessa käytä pitkittynyttä anaerobioosia strategiana selviytyäkseen kuolleista vyöhykkeistä.
Jos vedessä on pieniä, mutta pysyviä määriä happea, kuten happiminimivyöhykkeellä, eläimet ovat kehittäneet mekanismeja, joilla ne voivat imeä ja käyttää sitä. Kolme mekanismia ovat lisääntynyt kidusten pinta-ala, tehokas verenkiertojärjestelmä ja korkean affiniteetin veripigmentti. Kalifornianvirran happiminimikerroksessa eläviltä kaloilta on mitattu suuria kidusten pinta-aloja (Ebeling ja Weed, 1963; Gibbs ja Hurwitz, 1967). Gnathophausia ingensillä, tällä alueella elävällä lophogastrid-äyriäisellä, on pitkälle kehittyneet kidukset ja tehokas verenkiertojärjestelmä (Childress, 1971; Belman ja Childress, 1976), ja sen lisäksi sillä on korkea-affiniteettinen hemosyaniini, jolla on suuri positiivinen Bohrin vaikutus ja korkea kooperatiivisuus. Se pystyy kuormittamaan happea 6 Torrin (∼0,8 kPa) osapaineessa; suuren kooperatiivisuutensa ansiosta pigmentti pystyy purkamaan happea kudoksissa hyvin pienen diffuusiogradientin yli (Sanders ja Childress, 1990).
Lamppukalat muodostavat lajirikkaan, maailmanlaajuisen pelagisten kalojen suvun, joista suuri enemmistö on pystysuoria vaeltajia (Nelson, 2006; Smith ja Heemstra, 1991). Niiden maantieteelliseen levinneisyyteen kuuluvat kaikki vakavat valtamerten happiminimit, joista kahta käsiteltiin tässä tutkimuksessa. Ehdotamme, että sen sijaan, että ne hyödyntäisivät niiden lajien strategiaa, jotka pysyvät pysyvästi happiminimikerroksen ankarimmissa osissa, mikä vaatii huomattavia fysiologisia ja morfologisia investointeja (Childress ja Seibel, 1998), ne kykenevät käyttämään ADH-reittiä lopputuotteiden kertymisen minimoimiseksi samalla kun ne käyttävät anaerobioosia osan päivästä selviytyäkseen happiminiminimin vaatimuksista. Anaerobinen strategia muistuttaa sitä strategiaa, jota vuorovesilajit käyttävät laskuveden aikana (vrt. Hochachka, 1980; Torres ym., 1977), mutta sen etuna on ennustettavampi ja hallitumpi siirtyminen hapen vähyyteen. Tämä on ensimmäinen raportti ADH-aktiivisuudesta muiden kalojen kuin kultakalojen ja karppien lihaksissa, mikä on pitkälti huomaamaton anaerobinen strategia, joka saattaa olla yleisempi.