DISKUSSION
Lanternfiskarterna från Arabiska havet och deras släktingar från Kalifornienströmmen, Mexikanska golfen och Antarktis är starka vertikala vandrare, som förflyttar sig från vattendjup (200-1000 m), där de tillbringar dagsljuset, till vatten nära ytan på natten, där de livnär sig, oftast på zooplankton (Pearcy et al., 1977; Gjøsaeter, 1984; Torres och Somero, 1988a; Lancraft et al., 1989; Hopkins och Gartner, 1992; Luo et al., 2000). Vertikal migration är en födosöksstrategi som används av lanternfiskar över hela världen (Robinson et al., 2010), vilket gör de fyra regionerna i den aktuella studien till naturliga experimentella system som skiljde sig markant från varandra när det gäller profilerna för löst syre och temperatur, men mycket lite när det gäller de dagliga vanorna hos deras gemensamma arter. Försökspersonerna för alla fyra regionerna var således ekologiska analoger. Fysiologiska reaktioner på två viktiga fysiska variabler, syre och temperatur, spelade in.
ANCOVA som jämför aktiviteterna hos laktatdehydrogenas (LDH), alkoholdehydrogenas (ADH), citratsyntas (CS) och malatdehydrogenas (MDH) hos lanternfiskar från Arabiska havet och Mexikanska golfen. Medelvärdena visas ± 95 % konfidensgränser. WM, våtvikt. Alla medelvärden är signifikant olika mellan de två regionerna (P<0,05, ANCOVA). Se resultat för detaljer.
I Arabiska havet och Mexikanska golfen var syre helt klart den fysikaliska variabel som hade störst inflytande. Temperaturprofilerna i de två systemen var praktiskt taget identiska (fig. 1) men syreprofilerna skilde sig radikalt åt. I systemet i Arabiska havet försvann syret på 200 meters djup och förblev noll till 1000 meters djup, medan syret i Mexikanska golfen sjönk till ungefär hälften av ytvattnet (luftmättnad) över samma område (fig. 1). I båda systemen uppehöll sig fiskarna i syreminimum under dagtid. I Arabiska havet skulle myctophiderna dock ha tvingats till anaerobios, men i Mexikanska golfen låg syrekoncentrationerna väl inom myctophidernas normoxiska intervall (Donnelly och Torres, 1988). Arternas biokemiska strategier för att hantera sina respektive syreprofiler återspeglas i deras enzymatiska aktiviteter. LDH, det slutliga enzymet i den glykolytiska vägen under anaerobi, är ungefär tre gånger högre hos fiskar från Arabiska havet än hos fiskar från Mexikanska golfen, vilket tyder på en stark anaerob förmåga (fig. 2). Däremot tyder den mycket högre aktiviteten av CS hos fiskarna i Mexikanska golfen på en mycket aerob strategi, vilket möjliggörs av det milda syreminimum som finns i Mexikanska golfen. ADH-aktiviteten hos fiskar från Arabiska havet var också ungefär tre gånger så hög som den som observerades hos fiskar från Mexikanska golfen, vilket ger fiskarna det biokemiska maskineriet för att omvandla laktat, som inte kan utsöndras via gälarna, till etanol, som kan omvandlas (Shoubridge och Hochachka, 1980; Vornanen m.fl., 2009).
ANCOVA som jämför aktiviteterna hos LDH, ADH, CS och MDH hos lanternfiskar från Antarktis och Kaliforniens gränsland. Medelvärdena visas ± 95 % konfidensgränser. Medelvärdena skiljer sig signifikant mellan de två regionerna (P<0,05, ANCOVA) för LDH och ADH, men inte för CS och MDH. Se Resultat för detaljer.
Den nuvarande modellen för omvandling av laktat till etanol i guldfiskar och karpar (t.ex. Shoubridge och Hochachka, 1980; Vornanen et al., 2009) kräver först att laktat oxideras till pyruvat i närvaro av NADH, ett steg som termodynamiskt sett är uppåtgående (ΔG′°=+25,1 kJ mol-1) (Lehninger, 1970). Pyruvat omvandlas därefter till acetaldehyd i mitokondrien av pyruvatdehydrogenaskomplexet, med frigörelse av koldioxid. Acetaldehyd reduceras sedan till etanol av ADH i närvaro av NADH (fig. 4). Det biokemiska maskineriet för bildandet av etanol finns uteslutande i simmuskeln, som inte bara bearbetar det laktat som genereras i muskeln utan även det som produceras av andra vävnader, t.ex. hjärnan, levern och hjärtat, och som levereras till muskeln via blodomloppet (Shoubridge och Hochachka, 1980; Vornanen et al., 2009) (fig. 4). Den ADH-aktivitet som hittats i muskeln hos fiskar från Arabiska havet tyder på en liknande strategi.
Skelettmuskulaturen hos fiskar spelar en viktig roll i bearbetningen av laktat efter träning genom de glukoneogena och glykogena vägarna, en situation som skiljer sig mycket från däggdjurs, där det enzymatiska maskineriet för att återskapa glukos främst finns i levern (Suarez et al., 1986; Moon, 1988; Gleeson, 1996). Fiskens muskler är således mer multifunktionella än däggdjursmusklerna och har ett större antal enzymer och en större inneboende metabolisk flexibilitet än däggdjursmusklerna, inklusive en större potential för biosyntes (Gleeson, 1996). Skelettmuskulaturen hos fiskar har visat sig kunna binda laktat efter träning (Gleeson, 1996), vilket underlättar regenerering av glukos i muskeln och förbättrar återhämtningen efter träning. När det gäller guldfiskar, karpar och nu lanternfiskar möjliggör den metaboliska flexibiliteten hos muskelenzymerna nya biokemiska lösningar på problemet med anaerobios.
ADH-vägen i guldfisk och crucian karp. Skelettmuskulaturen fungerar som en clearingorganisation för laktat som produceras i hjärna, hjärta och lever under anaerobios. Laktat tas upp av muskeln och omvandlas till pyruvat av LDH. Pyruvat som når muskeln via blodomloppet och som produceras under glykolytisk aktivitet i muskeln bearbetas av pyruvatdehydrogenas (PDH) i mitokondrien för att producera acetaldehyd och koldioxid. Acetaldehyd omvandlas till etanol i cytosolen, och etanol kan sedan diffundera ut ur cellen för att utsöndras via gälarna. Modell anpassad från Shoubridge och Hochachka (Shoubridge och Hochachka, 1980); figur efter Vornanen et al. (Vornanen et al., 2009) med tillstånd från Elsevier.
MDH-aktiviteten var också betydligt högre i fiskar från Arabiska havet än i fiskar från Mexikanska golfen, men MDH:s många roller i cellen gör att förklaringen till detta är betydligt mindre enkel. Muskelvävnad homogeniserades med homogenisatorer av slipat glas, vilket skulle göra det möjligt för både cytosolisk och mitokondriell MDH att vara aktiv i testcocktailen. De aktiviteter som redovisas i tabell 1 var därför en kombination av MDH-aktivitet från de två cellkompartmenten. Vid aerob metabolism är MDH klart viktigt som det enzym som katalyserar bildandet av oxaloacetat i Krebscykeln. Under aeroba förhållanden arbetar dessutom cytosolisk och mitokondriell MDH tillsammans för att transportera reducerande ekvivalenter som produceras av glykolysen in i mitokondrien för bearbetning i elektrontransportsystemet, vilket är en nödvändighet på grund av att mitokondriernas membran är ogenomträngligt för cytosoliskt NADH. En tredje roll för MDH är att katalysera ett viktigt steg i den konventionella glukoneogena vägen. I fiskmuskulaturen tros glukoneogenesen ske genom en nästan direkt omvändning av glykolysen (Suarez et al., 1986; Moon, 1988; Gleeson, 1996) och MDH är inte en viktig deltagare.
Det mest sannolika är att MDH hjälper till att upprätthålla redoxbalansen i cellen under perioder av övergång från normoxiska till anoxiska förhållanden när fiskarna vandrar nedåt i syreminimum under dagtid och återigen när fiskarna vandrar uppåt mot det högre syret i ytvattnet på natten. Malatskytteln kan flytta NADH antingen in i eller ut ur mitokondrien beroende på cellens behov av reducerande kraft.
Lanternfiskarter från Kaliforniens gränsland och Antarktis uppvisade liknande trender som deras konfamilialer i Arabiska havet och Mexikanska golfen, med reservation för att såväl temperatur som syre påverkade resultaten. Electrona antarctica, den starkaste och mest aktiva vertikala vandraren bland de antarktiska arterna, uppvisade också den högsta LDH-aktiviteten, vilket gav de antarktiska arterna som helhet ett betydligt högre värde än de från Kalifornien vid samma undersökningstemperatur. Påverkan av temperaturanpassning hos en robust aktiv fisk (Torres och Somero, 1988b; Yang och Somero, 1993; Vetter och Lynn, 1997) är den mest sannolika förklaringen till det höga värdet. Om LDH-aktiviteten hos Electrona betraktas vid dess omgivningstemperatur på 0 °C, eller hälften av värdet i tabell 1 (54 U g-1 våtvikt), ligger den helt i mitten av värdena för de kaliforniska arterna vid 10 °C, vilket understryker temperaturanpassningens uppåtgående inflytande på LDH-aktiviteten hos Electrona. Varken CS- eller MDH-aktiviteten visade signifikanta skillnader mellan kaliforniska och antarktiska arter vid testtemperaturen 10 °C, även om medelvärdena för kaliforniska arter var högre i båda fallen.
ADH-aktiviteten var signifikant högre hos de kaliforniska arterna trots påverkan av testtemperaturen, vilket, precis som för LDH, skulle ha tenderat att snedvrida de antarktiska värdena uppåt. När det gäller ADH var det mest sannolika inflytandet på den totala enzymaktiviteten Kaliforniens syreminimum, som vid sin kärna (700 m; fig. 1) uppvisar ett värde på 0,2 ml l-1. Vertikala vandringar av kaliforniska lanternfiskar skulle föra dem till syrevärden dagtid på mellan 0,5 och 1,0 ml l-1 (16-32 Torr, ∼2,1-4,2 kPa), vilket är långt under deras förmåga att effektivt extrahera syre (jfr. Torres m.fl, 1979; Donnelly och Torres, 1988).
Lanternfiskar från Arabiska havet och Kaliforniens gränsland möter noll eller nästan noll syrekoncentrationer på dagtidsdjupet, efter en simning på minst 5 000 kroppslängder under sin nedåtgående exkursion (om man utgår från en minimisimning på 300 m och en kroppslängd på cirka 5 cm; tabell 1). Deras mest energimässigt effektiva utväg skulle vara att hålla simaktiviteten inom syreminimum på lägsta möjliga nivå för att minimera behovet av anaerobios. De flesta fakultativa anaerobier (t.ex. musslor) (Hochachka, 1980; Hochachka och Somero, 2002) uppvisar en markant nedgång i aktivitet under anaerobier till följd av den höga energikostnaden för även de mest effektiva anaeroba vägarna. Minimal aktivitet minimerar användningen av lagrad energi. I kombination med användning av ADH-vägen skulle ackumulationen av slutprodukter också minimeras genom att etanol utsöndras via gälarna, samtidigt som redoxbalansen i muskelcellerna bibehålls. Utflykten uppåt i skymningen till normoxiska vatten kan då inledas med en relativt ren ”metabolisk tavla” med malatskytteln som hjälper till vid övergången enligt beskrivningen ovan.
Den vertikala migrationen är en anpassning som uppvisas av många arter av zooplankton och mikronekton utöver lanternfiskarna (Hopkins et al., 1994; Hopkins et al., 1996; Robinson et al., 2010), förmodligen för att minimera visuell predation. Eftersom synskärpan och risken för angrepp av visuella rovdjur ökar kraftigt under dagsljuset, kommer många djur endast in i de näringsrika ytvattnen på natten och migrerar till de mörkare djupen i gryningen. Arter som bor inom syreminimum, eller som migrerar in i dem, klarar sig med en stabil fysisk egenskap (Stramma et al., 2008) som kan hanteras genom fysiologisk och biokemisk anpassning. När det gäller de lanternfiskar som studeras i detta arbete ger syreminimum ett refugium från pelagiska rovdjur som skulle ha samma svårigheter att jaga i syreminimum i Arabiska havet eller Kaliforniens gränsland som de har i kusthavets döda zoner.
Midvattenfiskar i det öppna havet skiljer sig avsevärt från kust- och sötvattenfiskar i fråga om tidpunkten för och karaktären av deras exponering för lågt eller noll syre. Den mest fulländade piscine anaerob (och bäst studerade), crucian karpen, genomgår en förutsägbar vistelse vid noll syre under vintermånaderna i sin naturliga livsmiljö i Centralasien och Europa (Vornanen och Paajanen, 2004). Individer som lever i små eutrofa dammar övervintrar under ett is- och snötäcke som utesluter atmosfäriskt utbyte, vilket resulterar i perioder av anoxi som kan pågå i 90 dagar eller mer (Piironen och Holopainen, 1986). Det faktum att exponering för anoxi är en säsongsbunden händelse gör det möjligt för metaboliska och morfologiska anpassningar att äga rum innan syrehalten i miljön sjunker. Metabolisk anpassning omfattar ackumulering av glykogen i lever, muskler, hjärna och hjärta för att ge bränsle för behovet av anaerob aktivitet. Morfologiska anpassningar omfattar en ökning av antalet lameller i gälarna, vilket resulterar i en 7-faldig ökning av gälytan (Vornanen et al., 2009) för att underlätta syreutbytet. Det kanske mest häpnadsväckande är det faktum att hjärta och hjärna hos crucian karp förblir fullt fungerande under anoxi, en strategi som är unik bland ryggradsdjuren, vilket gör det möjligt att den etanol som sköljs ut från muskelvävnader levereras för utsöndring vid gälarna, och att distribuera glukos från leverns förråd till ställen där det finns ett behov (Vornanen et al., 2009).
Kustlevande havsfiskar stöter på hypoxi i en mängd olika naturliga och antropogent påverkade situationer. Tidvattensbassänger eller kanaler i områden med ruttnande vegetation, t.ex. i mangrovebestånd, eller i intertidala områden med organiskt rik lera, kan bli anoxiska vid lågvatten, vilket ibland utsätter inhemska arter för sulfid (Bagarinao och Vetter, 1989; Graham, 1997; Geiger et al., 2000). Hos de fiskar som är utrustade för detta är luftandning ett genomförbart alternativ för att minimera effekterna av anoxi och sulfidexponering (Graham, 1997; Geiger et al., 2000). Andra utnyttjar det biokemiska alternativet med mitokondriell oxidation av sulfiden för att minimera dess toxiska effekter, i likhet med arter vid hydrotermiska skorstenar (Bagarinao och Vetter, 1989). I de flesta naturligt förekommande hypoxiska system är utflykter till noll syre antingen episodiska, som i mangrovetidvattenbassänger, eller inträffar regelbundet vid lågvatten under de varmare månaderna av året. Dessa situationer är förutsägbara och tillräckligt ofta för att anpassas genom fysiologisk anpassning. Arter som lever i miljöer med naturlig hypoxi är fysiologiskt förberedda för att hantera den.
Anthropogent framkallade eller förstärkta hypoxiska händelser, eller döda zoner, förekommer med större regelbundenhet i kusthav och vikar i Nordamerika, Europa och Asien (Diaz och Rosenberg, 2008). Döda zoner är vanligtvis förknippade med avrinning av näringsämnen och sommarstratifiering i grunda marina system (Diaz och Breitburg, 2009; Rabalais et al., 2002). Näringsbelastning påskyndar produktionen, och nedblandning av atmosfäriskt syre hämmas av vattenpelarens stratifiering. Under det blandade skiktet minskar den mikrobiella nedbrytningen av sjunkande organiskt material kraftigt syret, vilket i vissa fall tar bort allt värde från bottnen och livsmiljön nära botten (Diaz och Breitburg, 2009). Fiskars överlevnad i hypoxiska zoner bestäms av arternas effektivitet när det gäller att avlägsna syre vid reducerad PO2 (Chapman och McKenzie, 2009; Perry et al., 2009; Richards, 2009), vilket varierar avsevärt mellan olika taxa (Richards, 2009). I inget fall används långvarig anaerobios av fiskar som en strategi för att klara av döda zoner.
Om det finns små men konsekventa mängder syre i vattnet, t.ex. i en syreminimumzon, har djuren utvecklat mekanismer för att utvinna och använda det. Tre mekanismer är ökad gälyta, ett effektivt cirkulationssystem och ett blodpigment med hög affinitet. Stora gälytor har uppmätts hos fiskar som lever i den syresvaga zonen i Kalifornienströmmen (Ebeling och Weed, 1963; Gibbs och Hurwitz, 1967). Gnathophausia ingens, ett lophogastrid kräftdjur som lever i detta område, har förutom högt utvecklade gälar och ett effektivt cirkulationssystem (Childress, 1971; Belman och Childress, 1976) ett hemocyanin med hög affinitet, med en stor positiv Bohr-effekt och hög kooperativitet. Det kan ladda syre vid ett partialtryck på 6 Torr (∼0,8 kPa); dess höga kooperativitet gör att pigmentet kan avlasta syre i vävnaderna över en mycket liten diffusionsgradient (Sanders och Childress, 1990).
Lanternfiskarna utgör en artrik, pan-global pelagisk fiskfamilj, varav den stora majoriteten är vertikalvandrare (Nelson, 2006; Smith och Heemstra, 1991). Deras geografiska utbredning omfattar alla allvarliga oceaniska syreminima, varav två behandlades i den aktuella studien. Vi föreslår att de i stället för att utnyttja strategin hos de arter som stannar permanent i de svåraste delarna av syreminimumskiktet, vilket kräver en avsevärd fysiologisk och morfologisk investering (Childress och Seibel, 1998), är kapabla att använda ADH-vägen för att minimera ackumuleringen av slutprodukter samtidigt som de använder sig av anaerobios under en del av dygnet för att klara av syreminimumets krav. Den anaeroba strategin påminner om den som används av intertidala arter under lågvatten (jfr Hochachka, 1980; Torres et al., 1977), men med fördelen av ett mer förutsägbart och kontrollerbart inträde i syrebrist. Detta är den första rapporten om ADH-aktivitet i muskeln hos andra fiskar än guldfiskar och karpar, en i stort sett obeaktad anaerob strategi som kan vara mer utbredd.