Как изменение климата влияет на рыб? Подсказки — в их ушах

Изменение климата создает уникальные проблемы для водных видов. По мере потепления вода удерживает меньше растворенного кислорода, что ведет к глобальной деоксигенации океанов, морей, эстуариев, рек и озер.

Когда уровень растворенного кислорода падает примерно до 2 мг/л (при норме 5–10 мг/л), многие водные организмы испытывают сильный стресс. Этот порог называется гипоксией.

Окно в скрытую жизнь рыб открывается через изучение крошечных кальцифицированных образований в их черепах — отолитов («ушных камней»).

Камни в головах рыб

У современных костистых рыб три пары отолитов, которые функционируют как часть системы слуха и равновесия. Они состоят из карбоната кальция, в основном в форме арагонита.

Отолиты растут в течение всей жизни рыбы. В средах с сезонными изменениями температуры в них образуются последовательности непрозрачных и прозрачных зон, подобно годовым кольцам деревьев. У молоди рыб отложения формируются ежедневно. Отолиты считаются «архивами жизни», хранящими историю возраста и роста.

Химия отолитов

Кристаллическая решетка арагонита позволяет различным микроэлементам замещать кальций по мере отложения слоев. Кроме того, большинство элементов в отолитах существуют в виде различных изотопов.

Отолиты подобны бортовым самописцам. Изучая их, можно расшифровать изменения химического состава по мере роста рыбы и смены среды обитания.

Воздействие гипоксии и его последствия

Большинство элементов, включаемых в отолиты, поступают из воды через жабры в кровоток.

Один из часто измеряемых микроэлементов — марганец, который растворяется при очень низком уровне кислорода. Исследования отолитов балтийской трески показали, что повышенное содержание марганца в кольцах, отложенных летом, служит индикатором гипоксии, фиксируя воздействие на отдельную рыбу вод с низким содержанием кислорода.

Используя этот индикатор, ученые обнаружили, что по сравнению со здоровой треской, рыбы, наиболее подверженные гипоксии, к 3 годам были на 39% меньше в длину и весили на 64% меньше.

Другой микроэлемент, магний, не чувствителен к гипоксии, но скорость его включения в отолиты зависит от скорости роста рыбы и, по-видимому, связана с уровнем метаболизма. У балтийской трески обнаружена сильная положительная связь между содержанием магния в отолите и упитанностью тела. Это говорит о том, что рыбы, находившиеся в плохом состоянии при поимке, вероятно, испытывали проблемы на протяжении большей части жизни.

Могут ли отолиты отслеживать температуру воды?

Недавнее открытие связано с анализом соотношения двух изотопов углерода в отолитах — C-13 и C-12. Это соотношение частично зависит от растворенного углерода в воде, но также и от метаболического углерода от дыхания рыбы.

Ученые определили, что можно выделить вклад метаболизма в это соотношение и напрямую связать его с потреблением кислорода рыбой. Возможно, как это соотношение углерода, так и уровень магния в будущем смогут служить «пожизненными респирометрами», отражающими стресс рыб от потепления воды, гипоксии и, возможно, закисления океана.

Третий основной элемент в отолитах — кислород. Соотношение изотопов O-18 к O-16 чувствительно к солености и температуре. Если соленость более-менее постоянна, это соотношение в отолитах служит встроенным термометром.

Ученые исследуют архивные коллекции отолитов возрастом до 100 лет и обнаруживают, что ископаемые отолиты предоставляют записи изменчивых температур за эпохи. Анализ отолитов атлантического синего тунца позволил реконструировать запись поглощения диоксида углерода Средиземным морем с 1989 по 2010 год. Изменений температуры не обнаружили, но выявили снижение соотношения стабильных изотопов углерода, соответствующее поглощению океаном CO₂ — признак закисления.

Анализ химического состава отолитов — быстро развивающаяся область. «Химические журналы», которые содержат отолиты, уже многое рассказали о влиянии изменения климата на рыб. Хотя эта работа требует высокой точности и дорогостояща, это лучший способ понять прямое воздействие изменения климата на популяции рыб.