DISCUȚII
Speciile de pește-lanternă din Marea Arabiei și confamiile lor din Curentul Californiei, Golful Mexic și Antarctica sunt mari migratori verticali, care se deplasează de la adâncimi medii (200-1000 m), unde își petrec orele de zi, până la apele apropiate de suprafață pe timp de noapte, unde se hrănesc, cel mai adesea cu zooplancton (Pearcy et al., 1977; Gjøsaeter, 1984; Torres și Somero, 1988a; Lancraft et al., 1989; Hopkins și Gartner, 1992; Luo et al., 2000). Migrația verticală este o strategie de căutare a hranei utilizată de peștii-lanternă din întreaga lume (Robinson et al., 2010), ceea ce face ca cele patru regiuni ale prezentului studiu să fie sisteme experimentale naturale care diferă în mod semnificativ în ceea ce privește profilurile de oxigen dizolvat și de temperatură, dar foarte puțin în ceea ce privește obiceiurile zilnice ale speciilor lor comune. Astfel, subiecții experimentali pentru toate cele patru regiuni au fost analogii ecologice. Răspunsurile fiziologice la două variabile fizice importante, oxigenul și temperatura, erau în joc.
ANCOVA comparând activitățile lactat-dehidrogenazei (LDH), alcool-dehidrogenazei (ADH), citrat-sintetazei (CS) și malat-dehidrogenazei (MDH) la peștii-lanternă din Marea Arabiei și Golful Mexic. Valorile medii sunt prezentate ±95% limite de încredere. MM, masă umedă. Toate mediile sunt semnificativ diferite între cele două regiuni (P<0,05, ANCOVA). A se vedea Rezultatele pentru detalii.
În Marea Arabiei și în Golful Mexic, oxigenul a fost în mod clar variabila fizică cu cea mai mare influență. Profilurile de temperatură în cele două sisteme au fost practic identice (Fig. 1), dar profilurile de oxigen au fost radical diferite. În sistemul din Marea Arabiei, oxigenul a dispărut la o adâncime de 200 m și a rămas la zero până la o adâncime de 1000 m, în timp ce în Golful Mexic, oxigenul a scăzut la aproximativ jumătate din valorile de la suprafață (saturația aerului) pe același interval (Fig. 1). În ambele sisteme, peștii au rezidat în minimul de oxigen în timpul orelor de zi. Cu toate acestea, în Marea Arabiei, myctofidele ar fi fost constrânse la anaerobioză, dar în Golful Mexic, concentrațiile de oxigen se aflau bine în intervalul normoxic al myctofidelor (Donnelly și Torres, 1988). Strategiile biochimice ale speciilor pentru a face față profilurilor lor respective de oxigen se reflectă în activitățile lor enzimatice. LDH, enzima terminală a căii glicolitice în timpul anaerobiozei, este de aproximativ trei ori mai mare la peștii din Marea Arabiei decât la cei din Golful Mexic, sugerând o capacitate anaerobă puternică (Fig. 2). În schimb, activitatea mult mai mare a CS la peștii din Golful Mexic indică o strategie puternic aerobă, posibilă datorită minimului ușor de oxigen întâlnit în Golful Mexic. Activitatea ADH la peștii din Marea Arabiei a fost, de asemenea, de aproximativ trei ori mai mare decât cea observată la peștii din Golful Mexic, ceea ce conferă peștilor mașinăria biochimică pentru a transforma lactatul, care nu poate fi excretat la branhii, în etanol, care poate fi excretat (Shoubridge și Hochachka, 1980; Vornanen et al., 2009).
ANCOVA care compară activitățile LDH, ADH, CS și MDH la peștii-lanternă din Antarctica și California Borderland. Valorile medii sunt prezentate ±95% limite de încredere. Mediile sunt semnificativ diferite între cele două regiuni (P<0,05, ANCOVA) pentru LDH și ADH, dar nu și pentru CS și MDH. A se vedea Rezultate pentru detalii.
Modelul actual de conversie a lactatului în etanol la peștișorul de aur și crap (de exemplu, Shoubridge și Hochachka, 1980; Vornanen et al., 2009) necesită mai întâi ca lactatul să fie oxidat la piruvat în prezența NADH, o etapă termodinamic ascendentă (ΔG′°=+25,1 kJ mol-1) (Lehninger, 1970) (Lehninger, 1970). Piruvatul este ulterior transformat în acetaldehidă în cadrul mitocondriei de către complexul piruvat dehidrogenază, cu eliberarea de CO2. Acetaldehida este apoi redusă la etanol de către ADH în prezența NADH (Fig. 4). Mașinăria biochimică pentru formarea etanolului este localizată exclusiv în mușchiul înotător, care procesează nu numai lactatul generat în interiorul mușchiului, ci și pe cel produs de alte țesuturi, cum ar fi creierul, ficatul și inima, și livrat mușchiului prin fluxul sanguin (Shoubridge și Hochachka, 1980; Vornanen et al., 2009) (Fig. 4) (Fig. 4). Activitatea ADH găsită în mușchiul peștilor din Marea Arabiei sugerează o strategie similară.
Mușchiul scheletic al peștilor joacă un rol important în procesarea post-exercițiu a lactatului prin intermediul căilor gluconeogenice și glicogenice, o situație foarte diferită de cea de la mamifere, unde mașinăria enzimatică pentru regenerarea glucozei se găsește în principal în ficat (Suarez et al., 1986; Moon, 1988; Gleeson, 1996). Astfel, mușchiul peștilor este mai multifuncțional decât cel al mamiferelor, posedând o gamă mai largă de enzime și o flexibilitate metabolică inerentă mai mare decât mușchiul mamiferelor, inclusiv un potențial mai mare de biosinteză (Gleeson, 1996). De fapt, s-a demonstrat că mușchiul scheletic al peștilor sechestrează lactatul după efort (Gleeson, 1996), facilitând regenerarea glucozei în mușchi și îmbunătățind recuperarea după efort. În cazul peștelui auriu, al crapului crucian și acum al peștilor-lanternă, flexibilitatea metabolică a suitei de enzime musculare permite soluții biochimice noi la problema anaerobiozei.
Calea ADH la peștele auriu și la crapul crucian. Mușchiul scheletic acționează ca o casă de compensare pentru lactatul produs în creier, inimă și ficat în timpul anaerobiozei. Lactatul este preluat de mușchi și transformat în piruvat de către LDH. Piruvatul care ajunge în mușchi prin fluxul sanguin și cel produs în timpul activității glicolitice din mușchi este procesat de calea piruvatului dehidrogenazei (PDH) din mitocondrie pentru a produce acetaldehidă și CO2; acetaldehida este transformată în etanol în citosol, iar etanolul poate apoi să iasă prin difuzie din celulă pentru a fi excretat la nivelul branhiilor. Model adaptat după Shoubridge și Hochachka (Shoubridge și Hochachka, 1980); figura după Vornanen et al. (Vornanen et al., 2009) cu permisiunea Elsevier.
Activitatea MDH a fost, de asemenea, semnificativ mai mare la peștii din Marea Arabiei decât la cei din Golful Mexic, dar rolurile multiple ale MDH în celulă fac ca explicația pentru acest lucru să fie considerabil mai puțin simplă. Țesutul muscular a fost omogenizat cu ajutorul unor omogenizatoare din sticlă măcinată, ceea ce ar permite ca atât MDH citosolică, cât și mitocondrială să fie activă în cocktailul de testare. Activitățile raportate în tabelul 1 au fost, prin urmare, o combinație a activității MDH din cele două compartimente celulare. În metabolismul aerob, MDH este în mod clar importantă ca enzimă care catalizează formarea de oxaloacetat în ciclul Krebs. În plus, în condiții aerobe, MDH citosolică și mitocondrială lucrează în tandem pentru a transfera echivalenții reducători produși de glicoliză în mitocondrie pentru a fi prelucrați în sistemul de transport de electroni, o necesitate datorată impermeabilității membranei mitocondriale la NADH citosolic. Un al treilea rol al MDH constă în catalizarea unei etape importante din calea gluconeogenică convențională. Așa cum se întâmplă, în mușchiul de pește, se crede că gluconeogeneza are loc printr-o inversare aproape directă a glicolizei (Suarez et al., 1986; Moon, 1988; Gleeson, 1996), iar MDH nu este un participant important.
Ceea ce este cel mai probabil este că MDH ajută la menținerea echilibrului redox în interiorul celulei în timpul perioadelor de tranziție de la condițiile normoxice la cele anoxice, pe măsură ce peștii migrează în jos spre minimul de oxigen în timpul zilei și, din nou, pe măsură ce peștii migrează în sus spre oxigenul mai ridicat al apelor de suprafață pe timp de noapte. Naveta de malat poate muta NADH fie în interiorul, fie în afara mitocondriei, în funcție de nevoile celulare de putere reducătoare.
Speciile de pește-lanternă din zona de frontieră a Californiei și din Antarctica au prezentat tendințe similare cu cele ale confraților lor din Marea Arabiei și Golful Mexic, cu mențiunea că temperatura, precum și oxigenul au influențat rezultatele. Electrona antarctica, cel mai puternic și mai activ migrator vertical dintre speciile din Antarctica, a prezentat, de asemenea, cea mai mare activitate LDH, dând speciilor din Antarctica în ansamblu o valoare semnificativ mai mare decât celor din California la aceeași temperatură de testare. Influența adaptării la temperatură la un pește robust și activ (Torres și Somero, 1988b; Yang și Somero, 1993; Vetter și Lynn, 1997) este cea mai probabilă explicație pentru valoarea sa ridicată. Dacă activitatea LDH a Electrona este luată în considerare la temperatura de mediu de 0°C, sau la jumătate din valoarea din tabelul 1 (54 U g-1 masă umedă), aceasta se situează direct în intervalul mediu al valorilor pentru speciile din California la 10°C, subliniind influența ascendentă a adaptării la temperatură asupra activității LDH la Electrona. Nici activitatea CS, nici activitatea MDH nu au prezentat diferențe semnificative între speciile californiene și cele antarctice la temperatura de testare de 10°C, deși valorile medii pentru speciile californiene au fost mai mari în ambele cazuri.
Activitatea ADH a fost semnificativ mai mare la speciile californiene, în ciuda influenței temperaturii de testare, care, ca și în cazul LDH, ar fi avut tendința de a devia în sus valorile antarctice. În cazul ADH, cea mai probabilă influență asupra activităților enzimatice globale a fost reprezentată de minimul de oxigen din California, care în centrul său (700 m; Fig. 1) prezintă o valoare de 0,2 ml l-1. Migrațiile verticale ale peștilor-lanternă din California i-ar aduce la valori ale oxigenului pe timp de zi cuprinse între 0,5 și 1,0 ml l-1 (16-32 Torr, ∼2,1-4,2 kPa), cu mult sub capacitățile lor de a extrage eficient oxigenul (cf. Torres et al., 1979; Donnelly și Torres, 1988).
Pestele-lanternă din Marea Arabiei și din zona de frontieră a Californiei întâlnesc concentrații de oxigen zero sau aproape zero la adâncimile lor din timpul zilei, după o înot de cel puțin 5000 de lungimi ale corpului în timpul excursiei lor descendente (presupunând o înot minimă de 300 m și o lungime a corpului de aproximativ 5 cm; tabelul 1). Recursul lor cel mai eficient din punct de vedere energetic ar fi acela de a menține activitatea de înot în cadrul minimului de oxigen la cel mai scăzut nivel posibil, astfel încât să reducă la minimum nevoia de anaerobioză. Majoritatea anaerobilor facultativi (de exemplu, bivalvele) (Hochachka, 1980; Hochachka și Somero, 2002) prezintă o scădere accentuată a activității în timpul anaerobiozei, ca urmare a costului energetic ridicat chiar și al celor mai eficiente căi anaerobe. O activitate minimă reduce la minimum utilizarea energiei stocate. Atunci când este asociată cu utilizarea căii ADH, acumularea de produse finale ar fi, de asemenea, redusă la minimum prin excreția etanolului la nivelul branhiilor, menținând în același timp echilibrul redox în celulele musculare. Excursia ascendentă în amurg în apele normoxice poate fi apoi inițiată cu o „tabula rasa metabolică” relativ curată, cu ajutorul navetei de malat care ajută la tranziție, așa cum s-a descris mai sus.
Migrația verticală este o adaptare manifestată de multe specii de zooplancton și micronecton, în plus față de peștii-lanternă (Hopkins et al., 1994; Hopkins et al., 1996; Robinson et al., 2010), probabil pentru a minimiza prădarea vizuală. Deoarece acuitatea vizuală și riscul de atac din partea prădătorilor vizuali sunt mult mai mari în timpul zilei, multe animale pătrund în apele de suprafață bogate în hrană doar noaptea, migrând spre adâncurile mai întunecate în zori. Speciile care locuiesc în cadrul minimelor de oxigen sau care migrează în acestea se confruntă cu o caracteristică fizică stabilă (Stramma et al., 2008) care poate fi abordată prin adaptare fiziologică și biochimică. În cazul peștilor-lanternă studiați în lucrarea de față, minimul de oxigen oferă un refugiu față de prădătorii pelagici care ar avea aceleași dificultăți în a vâna în minimele de oxigen din Marea Arabiei sau din zona de frontieră a Californiei ca și în zonele moarte ale oceanului de coastă.
Peștii de apă mijlocie din largul oceanului diferă considerabil de peștii de coastă și de apă dulce în ceea ce privește momentul și caracterul expunerii lor la un nivel scăzut sau zero de oxigen. Cel mai desăvârșit anaerob piscicol (și cel mai bine studiat), crapul crucian, suferă un sejur previzibil la zero oxigen în timpul lunilor de iarnă în habitatul său nativ din Asia Centrală și Europa (Vornanen și Paajanen, 2004). Indivizii care locuiesc în mici iazuri eutrofice iernează sub un strat de gheață și zăpadă care împiedică schimbul atmosferic, ceea ce duce la perioade de anoxie care pot dura 90 de zile sau mai mult (Piironen și Holopainen, 1986). Faptul că expunerea la anoxie este un eveniment sezonier permite ca ajustarea metabolică și morfologică să aibă loc înainte de scăderea nivelului de oxigen din mediu. Ajustarea metabolică include acumularea de glicogen în ficat, mușchi, creier și inimă pentru a alimenta nevoia de activitate anaerobă. Ajustările morfologice includ o creștere a numărului de lamele branhiale, ceea ce duce la o creștere de 7 ori a suprafeței branhiale (Vornanen et al., 2009) pentru a facilita schimbul de oxigen. Poate cel mai uimitor este faptul că inima și creierul crapului crucian rămân pe deplin funcționale în timpul anoxiei, o strategie care este unică printre vertebrate, permițând ca etanolul eliminat din țesuturile musculare să fie livrat pentru excreție la branhii și distribuirea glucozei din depozitele hepatice către locurile în care este nevoie (Vornanen et al., 2009).
Peștii marini de coastă se confruntă cu hipoxia într-o varietate de situații naturale și influențate antropogen. Bazinele sau canalele de maree din zonele care au vegetație în descompunere, cum ar fi cele din pădurile de mangrove, sau din zonele intertidale cu noroi bogat în substanțe organice, pot deveni anoxice la mareea joasă, expunând uneori speciile indigene la sulfură (Bagarinao și Vetter, 1989; Graham, 1997; Geiger et al., 2000). În cazul acelor pești care sunt echipați pentru a face acest lucru, respirația aerului este o opțiune viabilă pentru a minimiza efectele anoxiei și ale expunerii la sulfură (Graham, 1997; Geiger et al., 2000). Alții exploatează opțiunea biochimică a oxidării mitocondriale a sulfurii pentru a minimiza efectele toxice ale acesteia, similar cu speciile de la izvoarele hidrotermale (Bagarinao și Vetter, 1989). În majoritatea sistemelor hipoxice naturale, excursiile la zero oxigen sunt fie episodice, ca în bălțile de maree din mangrove, fie au loc în mod regulat la mareea joasă, în timpul lunilor mai calde ale anului. Aceste situații sunt previzibile și suficient de frecvente pentru a fi acomodate prin adaptare fiziologică. Speciile care trăiesc în medii supuse hipoxiei naturale sunt pregătite din punct de vedere fiziologic pentru a face față.
Evenimente hipoxice induse sau intensificate antropogen, sau zone moarte, apar cu o regularitate mai mare în oceanele și golfurile de coastă din America de Nord, Europa și Asia (Diaz și Rosenberg, 2008). Zonele moarte sunt, de obicei, asociate cu scurgerea nutrienților și stratificarea de vară în sistemele marine de mică adâncime (Diaz și Breitburg, 2009; Rabalais et al., 2002). Încărcarea cu nutrienți accelerează producția, iar amestecul de oxigen atmosferic este inhibat de stratificarea coloanei de apă. Sub stratul mixt, degradarea microbiană a materiei organice care se scufundă sărăcește grav oxigenul, în unele cazuri eliminând orice valoare din habitatul de fund și din apropierea fundului (Diaz și Breitburg, 2009). Supraviețuirea peștilor în zonele hipoxice este determinată de eficiența speciilor în eliminarea oxigenului la PO2 redus (Chapman și McKenzie, 2009; Perry et al., 2009; Richards, 2009), care variază considerabil între taxoni (Richards, 2009). În niciun caz anaerobioza prelungită nu este folosită de pești ca o strategie pentru a face față zonelor moarte.
Dacă în apă există cantități mici, dar consistente de oxigen, cum ar fi într-o zonă cu un minim de oxigen, animalele au dezvoltat mecanisme de extragere și utilizare a acestuia. Trei mecanisme sunt creșterea suprafeței branhiale, un sistem circulator eficient și un pigment sanguin cu afinitate ridicată. Suprafețe mari ale branhiilor au fost măsurate la peștii care locuiesc în stratul minim de oxigen din Curentul California (Ebeling și Weed, 1963; Gibbs și Hurwitz, 1967). Gnathophausia ingens, un crustaceu lophogastrid care locuiește în această zonă, pe lângă faptul că are branhii foarte dezvoltate și un sistem circulator eficient (Childress, 1971; Belman și Childress, 1976), are o hemocianină de mare afinitate cu un efect Bohr pozitiv mare și o cooperativitate ridicată. Este capabil să încarce oxigenul la o presiune parțială de 6 Torr (∼0,8 kPa); cooperativitatea sa ridicată permite pigmentului să descarce oxigenul la nivelul țesuturilor printr-un gradient de difuzie foarte mic (Sanders și Childress, 1990).
Peștii lanternă cuprind o familie de pești pelagici specioși, pan-globali, marea majoritate a cărora sunt migratori verticali (Nelson, 2006; Smith și Heemstra, 1991). Distribuțiile lor geografice includ toate minimele oceanice severe de oxigen, dintre care două au fost tratate în prezentul studiu. Noi propunem că, mai degrabă decât să utilizeze strategia acelor specii care rămân permanent în cele mai severe porțiuni ale stratului minim de oxigen, care necesită o investiție fiziologică și morfologică considerabilă (Childress și Seibel, 1998), aceștia sunt capabili să utilizeze calea ADH pentru a minimiza acumularea de produse finale, în timp ce folosesc anaerobioza pentru o parte a zilei pentru a face față cerințelor minimului de oxigen. Strategia anaerobă amintește de cea utilizată de speciile intertidale în timpul mareelor joase (cf. Hochachka, 1980; Torres et al., 1977), dar cu avantajul unei intrări mai previzibile și controlabile în condiții de deficit de oxigen. Acesta este primul raport al activității ADH în mușchiul peștilor, alții decât peștele auriu și crapul, o strategie anaerobă în mare parte neașteptată, care poate fi mai răspândită.
.