2019-05-14 22:22:01
气候变化如何影响鱼类 他们的耳朵里面有线索

气候变化影响地球上的所有生命,但它对水生物种构成了独特的挑战。例如,随着水变暖,它比较冷的水保持较少的溶解氧。结果,世界的海洋,沿海,河口,河流和湖泊正在经历一个被称为“脱氧”的过程。

当溶解氧水平降至每升约2毫克时 - 相比正常范围约为5至10毫克/升 - 许多水生生物受到严重压力。科学家将这种低氧阈称为“缺氧”。

全球渔业每年产生3620亿美元。科学家已经预测由于水变暖导致鱼类生物量减少。但我们可以直接测量对鱼类的影响吗?

对于一些气候变化的影响,答案是肯定的。通过研究称为耳石的鱼骨头内的微小钙化地层 - 字面意思是“耳石”,越来越多地开启了鱼类秘密生活的窗口。

在鱼头的岩石

许多人可能会惊讶地发现鱼有耳朵,并且在许多情况下会有敏锐的听觉感受。现代鱼类有三对耳石,它们在内耳的半圆形运河下面的小囊内形成,并作为鱼的听觉和平衡系统的一部分。 (由软骨制成的骷髅物种,如鲨鱼和rays鱼,缺少耳石。)

耳石由碳酸钙制成,大多数形式为文石,与构成硬珊瑚和蛤壳的材料相似。耳石可以比沙粒小,也可以像蚕豆一样大。它们随着鱼的生长而生长,这使它们对鱼类生物学家来说很有趣。在水温季节性变化的环境中,不透明和半透明区域的序列在一年的过程中形成鱼类的耳石,如树木年轮。而且令人惊讶的是,幼鱼每天都会产生微小的增量。

这一发现彻底改变了对鱼类早期生活史的理解,因为这些增量 - 每日和每年 - 都与鱼类生长有关。鱼耳石被广泛认为是年龄和生长历史的“终生档案”。

耳石化学

我在职业生涯的大部分时间都在研究耳石,不仅研究年龄和生长,还研究它们的化学成分。耳石的文石晶格结构允许各种微量元素在沉积耳石层时代替钙。此外,耳石中的大多数元素以不同的同位素存在 - 同一元素的原子具有轻微的质量差异,因为它们包含不同数量的中子。

在某种意义上,耳石类似于驾驶舱黑匣子记录器。通过研究它们,我们可以利用时间保持特性和化学变化,因为鱼类生长和体验不同的环境。虽然我们已经能够找出一些因果机制,但我们仍在学习如何解释他们的“代码”。

缺氧暴露和影响

结合到耳石中的大多数元素溶解在海水中,海水流过鱼鳃。化学物质从那里进入血液。

通常测量的微量元素之一是锰,当氧含量变得非常低时它会溶解。当我在2009年研究波罗的海鳕鱼耳石时,我想知道为什么我看到夏季沉积的环中锰的复发模式。意识到有一天波罗的海是世界上最大的“死亡区”之一,我把两个和两个放在一起,并提出锰可能是缺氧示踪剂,记录了单个鱼接触低氧水的情况。

我们一群人能够将这一假设的证据追溯到石器时代。进一步的工作表明,这种示踪剂可用于许多水生生态系统。

最近,瑞典农业科学大学海洋生态学家米歇尔卡西尼和我使用锰来追踪波罗的海鳕鱼缺氧暴露并将其与生长史估计结合起来。我们发现,与缺乏或几乎没有缺氧暴露的健康鳕鱼相比,暴露于缺氧最严重的鱼在3岁时长度减少了39%,重量减少了64%。重量转化为鱼片,因此这是一个严重的后果。

一种不同的微量元素镁对缺乏敏感性,但它掺入耳石中的速度随鱼的生长速率而变化。在目前测试的鱼类中,它似乎也与代谢率有关。

利用这种洞察力,卡西尼和我发现了耳石镁和波罗的海鳕鱼身体状况之间非常强烈的积极关系。这是非常了不起的,因为我们只从一个时间点测量了鱼体的状况。但是一生中镁的摄取表明捕获后状况不佳的鱼可能在他们的大部分时间里表现不佳。缺氧,疾病和饥饿似乎是波罗的海鳕鱼耳石中镁含量降低的原因。

耳石能跟踪水温吗?

在最近的一项令人兴奋的发现中,丹麦,英国和挪威的一组科学家分析了两种碳同位素 - 碳13和碳12之间的耳石比例。这个比例部分受到周围水中溶解碳的影响,但重要的是,来自鱼类呼吸的代谢碳。

结合实验室实验,对野生鱼进行建模和观察,该团队确定他们可以解析由于新陈代谢引起的C-13 / C-12比率,并将其与鱼的氧消耗直接联系起来。虽然需要进行更多的研究,但这种碳比率和镁可能最终都可以作为“终生呼吸计”,这可能与温暖的水,缺氧和可能的海洋酸化对鱼类的压力有关。这将使科学家能够测试模型预测,例如,在变暖的海洋中减少增长。

除了钙和碳外,氧气是耳石中的第三大元素。氧同位素O-18与O-16的比率对盐度和温度都很敏感。如果鱼的存在量或多或少恒定,则耳石中的比例可作为内置温度计。

科学家们正在探索这些信号可以追溯到100年前的耳石的档案馆藏,并且发现化石耳石可以提供长期可变温度的记录。在结合氧和碳同位素分析的论文中,欧洲和美国科学家已经证明,大西洋蓝鳍金枪鱼耳石提供了地中海二氧化碳吸收的记录。

通过对不同年龄金枪鱼耳石的第一年增长进行抽样,该组能够重建1989年至2010年的记录。他们没有发现温度变化,但发现稳定的碳同位素比率下降,相当于海洋吸收二氧化碳,酸化的迹象。

耳石化学分析是一个快速发展的领域,但我们已经从耳石所含的“化学原木”中学到了很多关于气候变化影响的知识。虽然这项工作非常严谨和昂贵,但它是了解气候变化对鱼类种群的直接影响的最佳方式。

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