MEGbeszélés
Az Arab-tengeri lámpáshalak és a Kaliforniai-áramlatban, a Mexikói-öbölben és az Antarktiszon élő rokonaik erős vertikális vándorok, akik a középső vízmélységből (200-1000 m), ahol nappal tartózkodnak, éjszaka a felszínközeli vizekbe vándorolnak, ahol leggyakrabban zooplanktonnal táplálkoznak (Pearcy et al., 1977; Gjøsaeter, 1984; Torres és Somero, 1988a; Lancraft et al., 1989; Hopkins és Gartner, 1992; Luo et al., 2000). A függőleges vándorlás a lámpáshalak által világszerte alkalmazott táplálkozási stratégia (Robinson et al., 2010), így a jelen vizsgálat négy régiója természetes kísérleti rendszerré vált, amelyek jelentősen különböztek az oldott oxigén- és hőmérsékleti profiljukban, de nagyon kevéssé a közös fajok napi szokásaiban. Így mind a négy régió kísérleti alanyai ökológiai analógok voltak. Két fontos fizikai változóra, az oxigénre és a hőmérsékletre adott fiziológiai válaszok játszottak szerepet.
ANCOVA a laktát-dehidrogenáz (LDH), az alkohol-dehidrogenáz (ADH), a citrát-szintáz (CS) és a malát-dehidrogenáz (MDH) aktivitásának összehasonlítása az Arab-tengerből és a Mexikói-öbölből származó lámpáshalakban. Az átlagértékek ±95%-os konfidenciahatárokat mutatnak. WM, nedves tömeg. Minden átlag szignifikánsan különbözik a két régió között (P<0,05, ANCOVA). A részleteket lásd az eredményeknél.
Az Arab-tengeren és a Mexikói-öbölben egyértelműen az oxigén volt a legnagyobb hatással bíró fizikai változó. A két rendszerben a hőmérsékleti profilok gyakorlatilag azonosak voltak (1. ábra), de az oxigénprofilok radikálisan különböztek. Az Arab-tengeri rendszerben az oxigén 200 m mélységben eltűnt, és 1000 m mélységig nulla maradt, míg a Mexikói-öbölben az oxigén ugyanebben a tartományban a felszíni (légtelítettségi) értékek mintegy felére csökkent (1. ábra). Mindkét rendszerben a halak a nappali órákban az oxigénminimumban tartózkodtak. Az Arab-tengerben azonban a myctophidák anaerobiózisra kényszerültek volna, a Mexikói-öbölben azonban az oxigénkoncentráció jóval a myctophidák normoxikus tartományán belül volt (Donnelly és Torres, 1988). A fajok biokémiai stratégiái az oxigénprofilok kezelésére az enzimatikus aktivitásukban tükröződnek. Az LDH, a glikolitikus útvonal terminális enzimje az anaerobia során, körülbelül háromszor magasabb az Arab-tengeri halakban, mint a Mexikói-öbölben élő halakban, ami erős anaerob képességre utal (2. ábra). Ezzel szemben a CS sokkal magasabb aktivitása a Mexikói-öbölben élő halakban erősen aerob stratégiára utal, amit a Mexikói-öbölben található enyhe oxigénminimum tesz lehetővé. Az ADH aktivitása az Arab-tengeri halakban is körülbelül háromszorosa volt a Mexikói-öbölben élő halaknál megfigyeltnek, ami a halaknak biokémiai gépezetet biztosít a kopoltyúkon nem üríthető laktát etanollá történő átalakítására, ami erre képes (Shoubridge és Hochachka, 1980; Vornanen et al., 2009).
ANCOVA az LDH, ADH, CS és MDH aktivitásának összehasonlítása az antarktiszi és a kaliforniai határvidékről származó lámpáshalakban. Az átlagértékek ±95%-os konfidenciahatárokat mutatnak. Az átlagok szignifikánsan különböznek a két régió között (P<0,05, ANCOVA) az LDH és az ADH esetében, de a CS és az MDH esetében nem. A részleteket lásd az eredményeknél.
A laktát etanollá történő átalakulásának jelenlegi modellje aranyhalakban és pontyokban (pl. Shoubridge és Hochachka, 1980; Vornanen és mtsai., 2009) először a laktátot NADH jelenlétében piruváttá oxidálja, ami termodinamikailag felfelé irányuló lépés (ΔG′°=+25,1 kJ mol-1) (Lehninger, 1970). A piruvátot ezt követően a piruvát-dehidrogenáz komplex a mitokondriumban acetaldehiddé alakítja át, CO2 felszabadulásával. Az acetaldehidet ezután az ADH NADH jelenlétében etanollá redukálja (4. ábra). Az etanol képződésének biokémiai gépezete kizárólag az úszó izomban található, amely nemcsak az izomban keletkező laktátot dolgozza fel, hanem a más szövetek, például az agy, a máj és a szív által termelt és a véráram útján az izomba szállított laktátot is (Shoubridge és Hochachka, 1980; Vornanen et al., 2009) (4. ábra). Az arab-tengeri halak izomzatában talált ADH aktivitása hasonló stratégiára utal.
A halak vázizomzata fontos szerepet játszik a laktát edzés utáni feldolgozásában a glükoneogén és glikogén útvonalakon keresztül, ami nagyban különbözik az emlősökétől, ahol a glükóz regenerálásának enzimatikus gépezete elsősorban a májban található (Suarez et al., 1986; Moon, 1988; Gleeson, 1996). A halak izma tehát multifunkcionálisabb, mint az emlősöké, az enzimek szélesebb skálájával és az emlősök izomzatánál nagyobb eredendő metabolikus rugalmassággal rendelkezik, beleértve a bioszintézis nagyobb potenciálját is (Gleeson, 1996). A halak vázizomzatáról kimutatták, hogy az edzés után laktátot köt meg (Gleeson, 1996), ami megkönnyíti a glükóz izomzaton belüli regenerálódását és fokozza az edzés utáni regenerációt. Az aranyhal, a ponty és most a lámpáshalak esetében az izom enzimkészletének metabolikus rugalmassága újszerű biokémiai megoldásokat tesz lehetővé az anaerobiózis problémájára.
Az ADH útvonal az aranyhalakban és a pontyokban. A vázizom az anaerobiózis során az agyban, a szívben és a májban termelődő laktát tisztítóközpontjaként működik. A laktátot az izom veszi fel és az LDH alakítja át piruváttá. A véráram útján az izomba jutó piruvátot és az izomban a glikolitikus aktivitás során keletkező piruvátot a piruvát-dehidrogenáz (PDH) a mitokondriumban acetaldehid és CO2 előállítására dolgozza fel; az acetaldehid a citoszolban etanollá alakul, majd az etanol ki tud diffundálni a sejtből, hogy a kopoltyúkon keresztül kiválasztódjon. A modell Shoubridge és Hochachka (Shoubridge és Hochachka, 1980) alapján készült; az ábra Vornanen és mtsai (Vornanen és mtsai, 2009) után, az Elsevier engedélyével.
Az MDH aktivitása is jelentősen magasabb volt az Arab-tengeri halakban, mint a Mexikói-öbölben élő halakban, de az MDH sejtben betöltött többféle szerepe miatt ennek magyarázata lényegesen kevésbé egyértelmű. Az izomszövetet csiszolt üveg homogenizátorral homogenizáltuk, ami lehetővé teszi, hogy mind a citoszolikus, mind a mitokondriális MDH aktív legyen a vizsgálati koktélban. Az 1. táblázatban közölt aktivitások ezért a két sejtkompartmentből származó MDH-aktivitás kombinációját jelentették. Az aerob anyagcserében az MDH egyértelműen fontos, mint a Krebs-ciklusban az oxalacetát képződését katalizáló enzim. Ezenkívül aerob körülmények között a citoszolikus és a mitokondriális MDH együtt dolgozik, hogy a glikolízis által termelt redukáló ekvivalenseket a mitokondriumba szállítsa az elektrontranszport rendszerben történő feldolgozásra, ami a mitokondriális membránnak a citoszolikus NADH számára való átjárhatatlansága miatt szükséges. Az MDH harmadik szerepe a hagyományos glükoneogén útvonal egy fontos lépésének katalizálása. Történetesen a halak izomzatában a glükoneogenezis feltehetően a glikolízis szinte közvetlen megfordításával zajlik (Suarez et al., 1986; Moon, 1988; Gleeson, 1996), és az MDH nem fontos résztvevője.
A legvalószínűbb, hogy az MDH segít fenntartani a sejten belüli redox egyensúlyt a normoxikus és az anoxikus körülmények közötti átmenet időszakaiban, amikor a halak nappal lefelé vándorolnak az oxigénminimumba, majd amikor a halak éjszaka felfelé vándorolnak a felszíni vizek magasabb oxigénszintje felé. A malát-transzport a sejt redukáló energia iránti igényétől függően a NADH-t vagy a mitokondriumba, vagy onnan ki tudja mozgatni.
A kaliforniai határvidék és az Antarktisz lámpáshal-fajai hasonló tendenciákat mutattak, mint az Arab-tenger és a Mexikói-öböl rokonfajai, azzal a fenntartással, hogy a hőmérséklet és az oxigén is befolyásolta az eredményeket. Az antarktiszi fajok közül a legerősebb és legaktívabb függőleges vándorló Electrona antarctica mutatta a legmagasabb LDH-aktivitást is, így az antarktiszi fajok összességében jelentősen magasabb értéket mutattak, mint a kaliforniai fajok azonos vizsgálati hőmérsékleten. A hőmérséklethez való alkalmazkodás hatása egy robusztusan aktív halnál (Torres és Somero, 1988b; Yang és Somero, 1993; Vetter és Lynn, 1997) a legvalószínűbb magyarázat a magas értékre. Ha az Electrona LDH-aktivitását a 0 °C-os környezeti hőmérsékleten, vagyis az 1. táblázatban szereplő érték felénél (54 U g-1 nedves tömeg) vesszük figyelembe, akkor 10 °C-on a kaliforniai fajokra vonatkozó értékek középtartományában van, ami aláhúzza a hőmérsékleti adaptációnak az Electrona LDH-aktivitására gyakorolt felfelé irányuló hatását. Sem a CS, sem az MDH aktivitás nem mutatott szignifikáns különbséget a kaliforniai és az antarktiszi fajok között a 10°C-os vizsgálati hőmérsékleten, bár a kaliforniai fajok átlagértékei mindkét esetben magasabbak voltak.
Az ADH aktivitás szignifikánsan magasabb volt a kaliforniai fajokban a vizsgálati hőmérséklet hatása ellenére, ami az LDH-hoz hasonlóan hajlamos lett volna az antarktiszi értékeket felfelé torzítani. Az ADH esetében az általános enzimaktivitást leginkább a kaliforniai oxigénminimum befolyásolta, amely a magjában (700 m; 1. ábra) 0,2 ml l-1 értéket mutat. A kaliforniai lámpáshalak függőleges vándorlása során a nappali oxigénértékek 0,5 és 1,0 ml l-1 (16-32 Torr, ∼2,1-4,2 kPa) között mozognak, ami jóval alacsonyabb, mint az oxigén hatékony kivonására való képességük (vö. Torres et al., 1979; Donnelly és Torres, 1988).
Az Arab-tengerből és a kaliforniai határvidékről származó lámpáshalak nulla vagy közel nulla oxigénkoncentrációval találkoznak nappali mélységükben, miután legalább 5000 testhossznyi úszást tettek lefelé irányuló kirándulásuk során (feltételezve egy legalább 300 m-es úszást és egy körülbelül 5 cm-es testhosszúságot; 1. táblázat). Energetikailag leghatékonyabb megoldásuk az lenne, ha az oxigénminimumon belüli úszási aktivitásukat a lehető legalacsonyabb szinten tartanák, hogy minimalizálják az anaerobiózis szükségességét. A legtöbb fakultatív anaerob (pl. kéthéjú kagylók) (Hochachka, 1980; Hochachka és Somero, 2002) az anaerobiózis során jelentős aktivitáscsökkenést mutat, ami még a leghatékonyabb anaerob útvonalak magas energiaköltségeinek következménye. A minimális aktivitás minimalizálja a tárolt energia felhasználását. Az ADH-útvonal használatával párosulva a végtermék-felhalmozódás is minimalizálódna az etanol kopoltyúkon történő kiválasztásával, mindezt az izomsejteken belüli redox-egyensúly fenntartása mellett. Az alkonyatkor felfelé irányuló kirándulás a normoxikus vizekbe így viszonylag tiszta “anyagcsere-táblával” indulhat meg, a malát-sikló a fent leírtak szerint segíti az átmenetet.
A függőleges vándorlás a lámpáshalakon kívül számos zooplankton- és mikronektonfajnál is megjelenő adaptáció (Hopkins et al., 1994; Hopkins et al., 1996; Robinson et al., 2010), feltehetően a vizuális predáció minimalizálása érdekében. Mivel a látásélesség és a vizuális ragadozók támadásának kockázata nappal nagymértékben megnő, sok állat csak éjszaka lép be a táplálékban gazdag felszíni vizekbe, és hajnalban vándorol a sötétebb mélységekbe. Az oxigénminimumokban tartózkodó vagy azokba vándorló fajok egy olyan stabil fizikai jellemzővel birkóznak meg (Stramma et al., 2008), amelyet fiziológiai és biokémiai alkalmazkodással lehet kezelni. A jelen munkában vizsgált lámpáshalak esetében az oxigénminimum refúgiumot biztosít a pelágikus ragadozók elől, amelyek ugyanolyan nehezen tudnának vadászni az Arab-tenger vagy a kaliforniai határvidék oxigénminimáiban, mint a part menti óceán holt zónáiban.
A nyílt óceán középvízi halai jelentősen különböznek a part menti és édesvízi halaktól az alacsony vagy nulla oxigénnek való kitettségük időzítése és jellege tekintetében. A legjobban teljesítő (és legjobban tanulmányozott) halállat, a ponty a téli hónapokban kiszámíthatóan nulla oxigénszintű tartózkodáson megy keresztül a közép-ázsiai és európai őshazájában (Vornanen és Paajanen, 2004). A kis eutróf tavakban élő egyedek jég- és hótakaró alatt telelnek át, amely megakadályozza a légköri cserét, ami 90 napig vagy tovább tartó anoxiás időszakokat eredményez (Piironen és Holopainen, 1986). Az a tény, hogy az anoxiának való kitettség szezonális esemény, lehetővé teszi a metabolikus és morfológiai alkalmazkodást a környezeti oxigén csökkenése előtt. A metabolikus alkalmazkodás magában foglalja a glikogén felhalmozódását a májban, az izmokban, az agyban és a szívben, hogy az anaerob aktivitás szükségletét kielégítse. A morfológiai kiigazítások közé tartozik a kopoltyúlamellák számának növekedése, ami a kopoltyúfelület 7-szeresét eredményezi (Vornanen et al., 2009) az oxigéncsere megkönnyítése érdekében. Talán a legmeglepőbb az a tény, hogy a pontyok szíve és agya teljesen működőképes marad anoxia alatt, ami a gerincesek között egyedülálló stratégia, amely lehetővé teszi az izomszövetekből kiöblített etanolnak a kopoltyúkon történő kiválasztását, valamint a májraktárakból a glükóz elosztását a szükséges helyekre (Vornanen et al., 2009).
A tengerparti tengeri halak számos természetes és antropogén hatású helyzetben találkoznak hipoxiával. A pusztuló növényzettel rendelkező területeken, például mangroveállományokban, vagy a szerves anyagokban gazdag iszapot tartalmazó árapályközeli területeken lévő árapálymedencék vagy csatornák apálykor anoxikussá válhatnak, ami néha az őshonos fajokat szulfidnak teszi ki (Bagarinao és Vetter, 1989; Graham, 1997; Geiger et al., 2000). Azoknál a halaknál, amelyek erre alkalmasak, a levegővel való légzés egy életképes lehetőség az anoxia és a szulfidnak való kitettség hatásainak minimalizálására (Graham, 1997; Geiger et al., 2000). Mások a szulfid mitokondriális oxidációjának biokémiai lehetőségét használják ki annak toxikus hatásainak minimalizálására, hasonlóan a hidrotermális forrásokban élő fajokhoz (Bagarinao és Vetter, 1989). A legtöbb természetben előforduló hipoxiás rendszerben a nulla oxigénszintre való kitérések vagy epizodikusak, mint a mangrove árapály medencékben, vagy rendszeresen előfordulnak apálykor az év melegebb hónapjaiban. Ezek a helyzetek kiszámíthatóak és elég gyakoriak ahhoz, hogy fiziológiai alkalmazkodással alkalmazkodni lehessen hozzájuk. A természetes hipoxiának kitett környezetben élő fajok fiziológiailag felkészültek arra, hogy megbirkózzanak vele.
Az észak-amerikai, európai és ázsiai tengerparti óceánokban és öblökben egyre nagyobb rendszerességgel fordulnak elő antropogén eredetű vagy fokozott hipoxiás események vagy holt zónák (Diaz és Rosenberg, 2008). A holt zónák általában a sekélytengeri rendszerekben a tápanyagok elfolyásával és a nyári rétegződéssel hozhatók összefüggésbe (Diaz és Breitburg, 2009; Rabalais et al., 2002). A tápanyagterhelés felgyorsítja a termelést, a légköri oxigén lekeveredését pedig gátolja a vízoszlop rétegződése. A vegyes réteg alatt a süllyedő szerves anyagok mikrobiális lebontása súlyosan csökkenti az oxigént, és egyes esetekben a fenék és a fenékközeli élőhely minden értékét elveszíti (Diaz és Breitburg, 2009). A halak túlélését a hipoxikus zónákban az határozza meg, hogy a fajok mennyire hatékonyan távolítják el az oxigént csökkent PO2 mellett (Chapman és McKenzie, 2009; Perry et al., 2009; Richards, 2009), ami taxononként jelentősen eltér (Richards, 2009). A halak egyetlen esetben sem használják a hosszan tartó anaerobiózist a holt zónákkal való megbirkózás stratégiájaként.
Ha a vízben kis mennyiségű, de állandó oxigén van, például egy oxigénminimum zónában, az állatok mechanizmusokat fejlesztettek ki annak kinyerésére és felhasználására. Három mechanizmus a megnövekedett kopoltyúfelület, a hatékony keringési rendszer és a nagy affinitású vérfesték. Nagy kopoltyúfelületet mértek a kaliforniai áramlat oxigénminimumrétegében élő halaknál (Ebeling és Weed, 1963; Gibbs és Hurwitz, 1967). A Gnathophausia ingens, egy ebben a térségben élő lophogastrid rákféle, amellett, hogy fejlett kopoltyúkkal és hatékony keringési rendszerrel rendelkezik (Childress, 1971; Belman és Childress, 1976), nagy affinitású hemocianinnal rendelkezik, nagy pozitív Bohr-hatással és nagy kooperativitással. Az oxigént 6 Torr (∼0,8 kPa) parciális nyomáson képes betölteni; a nagy kooperativitás lehetővé teszi, hogy a pigment a szövetekben nagyon kis diffúziós gradiensen keresztül oxigént töltsön ki (Sanders és Childress, 1990).
A lámpáshalak egy fajgazdag, pánglobális pelágikus halcsaládot alkotnak, amelyek nagy többsége vertikális vándorló (Nelson, 2006; Smith és Heemstra, 1991). Földrajzi elterjedésük kiterjed az összes súlyos óceáni oxigénminimumra, amelyek közül kettővel a jelen tanulmányban is foglalkoztunk. Azt javasoljuk, hogy ahelyett, hogy az oxigénminimum rétegének legsúlyosabb részein állandóan tartózkodó fajok stratégiáját használnák, ami jelentős fiziológiai és morfológiai befektetést igényel (Childress és Seibel, 1998), képesek az ADH útvonalat használni a végtermék-felhalmozódás minimalizálására, miközben a nap egy részében anaerobiózist alkalmaznak, hogy megbirkózzanak az oxigénminimum követelményeivel. Az anaerob stratégia emlékeztet arra, amit a dagályközeli fajok alkalmaznak apály idején (vö. Hochachka, 1980; Torres et al., 1977), de előnye, hogy kiszámíthatóbb és ellenőrizhetőbb az alacsony oxigénszintbe való belépés. Ez az első jelentés az ADH-aktivitásról az aranyhalakon és a pontyokon kívüli halak izomzatában, amely egy nagymértékben figyelmen kívül hagyott anaerob stratégia, amely szélesebb körben elterjedt lehet.