3.16 Polarfisks fysiologiske tilpasninger AF JOHN FLENG STEFFENSEN & ANDERS DRUD JORDAN De første dyrefysiologiske forsøg på Disko blev planlagt af nobelpristageren August Krogh tilbage i 1902 da han deltog i en ekspedition med sin ven Morten Porsild. Formålet var at undersøge stofskiftet hos organismer i polarhavet. Til forsøgene havde Krogh fremstillet et gasanalyseapparat for at måle CO 2 - koncentrationen i luften og i havet. Ekspeditionen blev en succes, og på trods af at stofskiftet af havets organismer aldrig blev målt, resulterede den i to artikler der er blandt de første som berørte drivhuseffekten. Han konkluderede bl.a. at havets aktivitet vil forsinke eller formindske enhver påvirkning af klimaet, som variationer i CO 2 -procenten i atmosfæren vil udvirke. Under ekspedition i 1902 havde Krogh hørt at grønlændere kunne spise helt op til 7 kg sælkød på mindre end 14 timer. Hvordan kunne det være muligt at omsætte så store mængder protein på kort tid? Marie og August Krogh kom frem til at proteinet måske spaltedes i en kvælstofholdig del der 3.16.01. Marie Krogh foretager gasanalyser uden for respirationskammeret ved Arktisk Station i 1908. blev udskilt, og en ikke-kvælstofholdig del der blev oplagret i kroppen. En ny ekspedition til Disko blev planlagt, og med en bevilling fra Carlsbergfondet startede projektet i 1908. Planen var at måle iltoptagelse og CO 2 -afgivelsen hos grønlændere som skulle opholde sig i et respirationskammer i 4-5 dage. Under forsøget skulle urin og afføring også indsamles og analyseres for kvælstofholdige stoffer. Det viste sig svært at overbevise grønlænderne om at deltage i forsøgene på trods af løfter om ubegrænset mad og et pænt dekoreret respirationskammer (fig. 3.16.01). Kun efter overtalelse af Knud Rasmussen og en (sø)forklaring om at Krogh ville finde ud af, hvordan det kunne være at grønlændere, selvom de mest spiste kød, aldrig fik podegra ligesom europæerne, lykkedes det at finde villige forsøgspersoner. Grønlænderene kunne ikke spise nær så meget kød som rygtet ville, kun omkring 1,8 kg. Resultatet viste at kvælstofet faktisk blev udskilt med en vis forsinkelse idet 286
kun ca. 60% blev udskilt i løbet af de første 24 timer. Deres konklusion var at der blev tilbageholdt protein i et tidsrum der strakte sig over 24 timer, og at proteinet senere tjente som energikilde, er ikke nødvendigvis rigtig. Der fandtes i 1908 ingen pålidelig metode til måling af urinstof i blodet, og derfor kunne de ikke vide i hvilken grad urinstofkoncentrationen i blodet var steget. Undersøgelser af kuldetilpasning August Krogh undersøgte også temperaturens indflydelse på det respiratoriske stofskifte hos forskellige dyr som frøer, fisk og hunde. Specielt har Richard Ege og August Kroghs forsøg fra 1914 med guldfisk udsat for forskellige akutte temperaturer fra 0-28 C været diskuteret i mange år. Forsøgene viste at iltforbruget ved temperaturer mellem 5 og 0 C faldt svarende til en Q 10 faktor på hele 9,8 (fig. 3.16. 02). Q10 er forskellen i hastigheden af en proces ved en temperaturforøgelse på 10 C, og er normalt 2-3 i biologiske systemer. Forsøgene bliver ofte refereret til som Kroghs Standard Guldfisk. Andre forskere ekstrapolerede senere tropiske og temperede fisks iltforbrug vha. af denne ekseptionelle høje Q 10 til temperaturen 0 C og konkluderede at fisk fra arktiske og antarktiske områder havde et relativt 3.16.02. Ege og Kroghs resultater af forsøg fra 1914 med en guldfisks iltforbrug ved forskellige temperaturer. Senere betegnet som Kroghs Standard Guldfisk. A 3.16.03. A: Polartorsk (Boreogadus saida). Ca. 20 cm lang. B: Istorsk (Arctogadus glacialis) med karakteristisk stort øje. meget større iltforbrug. Fænomenet blev døbt metabolsk kuldeadaptation. I 60 år forblev fænoments eksistens ubetvivlet, men i 1974 stillede den canadiske fysiolog George Holton spørgsmål om det virkelig var rigtigt eller hvorvidt metabolsk kuldeadaptation skyldtes en kombination af at Kroghs Standard Guldfisk ikke var korrekt, og at tidligere metoder til måling af iltforbrug ikke var gode nok samt at man ofte havde sammenlignet fisk med forskellig levevis og fra forskellige områder. Holton sluttede at den eneste fisk fra Arktis der måske havde et forhøjet iltforbrug var polartorsken (Boreogadus saida). B Polartorsk og istorsk I 1990 blev der på Arktisk Station foretaget undersøgelser for at klarlægge om polartorsk har et forhøjet iltforbrug. Til forsøgene blev der anvendt avanceret måleudstyr, og med muligheden for fangst af både den temperede alm. torsk (Gadus morhua), den lavarktiske fjordtorsk, uvak (Gadus ogac) og den arktiske polartorsk (fig. 3.16.03) fra farvandet omkring Godhavn kunne alle arter sammenlignes. Resultatet viste at stofskiftet i disse grønlandske fisk ikke var usædvaneligt fra hvad der kunne forventes ved kolde temperaturer, og der var intet bevis for POLARFISKS FYSIOLOGISKE TILPASNINGER 287
3.16.04. Istorsk fra Uummannaq Fjorden. på større dybder end 50-75 m pga. trykkets indflydelse på frysepunktet. Saltvand med en saltholdighed på 35 fryser ved en temperatur på 1,86 C. Benfisk har normalt kun en saltkoncentration i blodet på omkring en trediedel af havets saltkoncentration svarende til 320-360 mosm, og de fryser derfor ved temperaturer på mellem 0,5 til 0,9 C. Dette betyder at benfisk er i konstant fare for momentant at fryse til en isklump hvis de kommer i kontakt med is, og derfor må de for at undgå denne teorien om de polare fisks særligt tilpassede respirationsrater. Desuden blev istorsken (Arctogadus glacialis) undersøgt. Den lever sandsynligvis kun ved negative havtemperaturer. Under Arktisk Feltkursus i 2000 lykkedes det at fange istorsk i Uummannaq Fjorden (3.16.04 & 05), men heller ikke disse viste tegn på tilpasninger til kulde i stofskiftet (metabolsk kuldeadaption). Ud fra disse undersøgelser, kombineret med forsøg udført på McMurdo Station på Antarktis i samarbejde med professor Art DeVries, må det konkluderes at metabolsk kuldeadaptaion ikke eksisterer. En af de primære årsager til fænomenet metabolsk kuldeadaptation var Kroghs Standard Guldfisk. Det har senere vist sig at guldfisk akklimatiseret til samme lave temperaturer i nogle uger ikke har Q 10 værdier der er forskellige fra det man normalt finder i biologiske systemer, og slet ikke i nærheden af Ege og Kroghs værdier. Frostvæsker i fisk Havet i de arktiske områder kan være dækket af flere meter tyk is hele året rundt, men i farvandet omkring Qeqertarsuaq (Godhavn) er der normalt kun is fire til fem måneder om året (se kap. 1.03 s. xx). Is kan forekomme ned på hundrede meters dybde som isbjerge, men også som svævende iskrystaller og ankeris is der sidder fast på bunden som omvendte istappe ned til 30 m dybde. Is findes dog sjældent A -2 0 Dybde i m Temperatur i C -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 25 30 35 Saltholdighed i B Temperatur i C -2-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 0 Dybde i m 25 50 75 20 10 20 30 40 50 Temperatur Saltholdighed 60 0 10 20 30 40 Saltholdighed i i 3.16.05. Temperatur og saltholdighed målt med en CTDsonde. A: Sommeren 2000, Uummannaq Fjord. Vandtemperaturen i overfladen kommer op på 8 C, men aftager til under 0,5 C fra omkring 10 m dybde dybden hvori istorsk blev fanget. B: I Kangerluk (Disko Fjord) er vandtemperaturen i overfladen kommet helt op på 10-12 C, men falder til under 0 C ved dybder over 30 m. 288 FLENG STEFFENSEN & DRUD JORDAN
3.16.06. Polartorsk (Boreogadus saida) i deres naturlige miljø mellem sprækker i isen ved sandsynligvis negativ temperatur. skæbne enten søge ud på dybere vand eller træffe andre forholdsregler. Fisk der søger ud på dybere, men ikke nødvendigvis varmere vand, kan overleve i underafkølet tilstand så længe de undgår direkte kontakt med is. De fisk der derimod opholder sig i de øverste vandlag hvor der forekommer is, gør noget andet. De danner frostvæsker. 80-90% af frysepunktsænkningen hos tempererede benfisk skyldes salt (NaCl), men blodet i antarktiske fisk fryser først ved temperaturer på omkring 2,2 C, på trods af en osmolaritet på omkring 550-625 mosm, svarende til et frysepunkt på omkring 1,01-1,16 C. Det betyder at kun omkring 40% af frysepunktssænkningen kan tilskrives NaCl, mens andre ca 5% kan tilskrives andre ioner. De resterende 55% af frysepunktssænkningen skyldes at fiskene danner anti-fryseproteiner. Disse kan enten være små proteiner (glykopeptider) som findes i næsten alle antarktiske fisk, eller peptider som findes i mange arktiske fisk og i to antarktiske arter. De antarktiske fisk der ofte lever ved lavere temperaturer end de fleste grønlandske fisk, producerer glycopeptider hele året rundt, mens de grønlandske fisk primært producerer antifrysepeptider om vinteren. Antifryseproteinerne dannes i leveren og transporteres til vævene via blodet. De virker ved at binde sig til overfladen af iskrystaller og forhindrer krystallerne i at vokse, således at underafkøling bliver mulig. En væske, fx vand, uden anti-frysestoffer kan POLARFISKS FYSIOLOGISKE TILPASNINGER også underafkøles, men ved første dannelse af ét enkelt iskrystal der kan ske ved den mindste rystelse, fryser væsken øjeblikkeligt. Under Arktisk Feltkursus i sommeren 2000 blev fiskene omkring Godhavn undersøgt for om de havde antifryseproteiner i blodet om sommeren. 21 arter af benfisk blev undersøgt, og af disse viste 11 at have antifryseproteiner. Blandt arterne var polartorsk (fig. 3.16.06) og båndet tangspræl (Stichaeus punctatus) som aldrig tidligere er rapporteret at have antifryseproteiner. Nogle af arterne kom fra Kangerluk (Disko Fjord) hvor der er forholdsvist koldt bundvand om sommeren (fig. 1.16.05). De resterende 10 arter som primært lever på dybere vand, viste ikke tegn på antifryseprotein. Desuden blev en bruskfisk, tærbe (Raja radiata, fig. 3.16.07), også undersøgt. Her fandtes som forventet ingen antifryseproteinaktivitet. Bruskfiskene har i modsætning til benfisk en saltholdighed der er næsten identisk med det havvand de lever i. De fryser derfor ikke til is ved de samme temperaturer som benfisk, men først ved ca. 1,86 C, samme temperatur som havvandet. Ukendt fisk under isen I forbindelse med fangst af istorsk (3.16.03 & 04) i Uummannaq Fjorden i 2000 viste det sig underligt nok at fiskene var større end forventet samt at fx tilstedeværelse af skægtråd som er karakteristisk for 289
mange torskefisk, afveg fra den oprindelige beskrivelse af fisken. Alt tydede derfor på at det der var fanget, var den nært beslægtede østsibirsk istorsk (Arctogadus borisovi). Fiskene blev bragt til Danmark for nærmere undersøgelser, og efter sammenligning med ca 200 istorsk fra museer i Canada, Rusland og Danmark blev konklusionen at der ikke er tale om to arter, men kun én Arctogadus glacialis. Istorsken er sjælden i Vestgrønland, og det var tilsyneladende et held at fange dem i Uummannaq Fjorden idet fiskeri på samme lokalitet i 2001 og 2003 ikke resulterede i flere fangster. Arvemateriale (DNA) fra istorskene blev også brugt til bestemmelse af slægtskabet af istorsken (Arctogadus glacialis) i forhold til andre torskefisk. Resultatet viste at Arctogadus (istorsk) er at finde i toppen af torskefiskenes stamtræ sammen med Boreogadus (polartorsk), Theragra (Alaskasej) og Gadus (fjordtorsk og torsk). 3.16.07. Tærbe (Raja radiata). En fisk uden antifryseproteiner. Fisken har et vingespænd på ca. 40 cm. Fremtiden Det facinerende ved de polare fisk er at de lever i et koldt og mørkt miljø. Det skaber forundring at se fisk bevæge sig ubesværet under isen, men man ved nu at deres stofskifte ikke er særligt tilpasset til kulden, tværtimod. Stofskiftet er præcis forventet hvis man forstillede sig en tempereret fisk i vand omkring frysepunktet. Men hvorledes adskiller de sig så fra de fisk der lever i temperede vande? Er deres muskelapparat bedre fungerende ved kolde temperaturer? I 2003 blev der foretaget forsøg og målinger af flugtrespons hos torsk, fjordtorsk og ulk fanget omkring Arktisk station. Polare fisk har samme udfordringer som tempererede fisk; de skal bl.a. undgå rovdyr og forsvare territorier. Evnen til at reagere særdeles hurtigt og rigtigt kan derfor afgøre deres skæbne inden for blot ét sekund. I farlige situationer må de anvende alle deres muskler for at opnå hurtig acceleration og fart. Omkring 60% af fisks vægt består af hvid muskulatur hvor blodtilførelsen er ringe. Den energi som den hvide muskulatur forbrænder, er derfor ikke direkte afledt af iltoptagelsen (det der måles med respirometer). Ved hjælp af videooptagelser blev de maksimale svømmehastigheder og accelerationer ved 4,5 C målt. Sammenligninger af resultaterne med fisk fra Antarktis eller tempererede breddegrader viste ingen tegn på særlig tilpasning i de arktiske fisk. På nogle områder er der således noget som peger i retning af at arktiske fisk ikke besidder særlige fysiologiske tilpasninger til kulde. Men måske er forklaringen at deres mulige tilpasning primært findes på biokemisk niveau. Dette kunne fx være virkningsgraden af vigtige enzymer. Fra mikrobiologien kendes talrige eksempler på sådanne tilpasninger i organismer fra ekstreme egne (varme som kolde). Det er derfor ikke utænkeligt at nogle enzymer i polare fisk har en bedre evne til at katalysere livsvigtige processer ved temperaturer nær nulpunktet. Der er i fremtiden bl.a. planer om at undersøge hellefisken og grønlandshajens biologi. Grønlandshajen er et gådefuld fisk der kan blive op til 6 m lang. Den lever i mørke på store dybder og har ofte en selvlysende parasit i øjet. Formentligt er dens stofskifte så lavt at den kan overleve ved at strejfe 290 FLENG STEFFENSEN & DRUD JORDAN
3.16.08. Midlertidige primitive akvarifaciliteter med køleog filteranlæg i garagen på Arktisk Station. Akvarierne blev anvendt som ankomst bassiner, før fiskene blev undersøgt. 3.16.09. Klargøring til stofskiftemålinger af fisk på Arktisk Station. Fiskenes iltoptag måles i små respirometre i det nedkølede bassin. POLARFISKS FYSIOLOGISKE TILPASNINGER langsommeligt rundt og ernære sig af døde dyr. Finder den blot én druknet sæl, kan den holde sig mæt i månedsvis. Nysgerrigheden omkring denne mærkværdige fisk er ikke ny. Tilbage i årene mellem 1936-1949 udstyrede Paul M. Hansen ikke mindre end 411 grønlandshajer med mærker således at han senere ved genfangst kunne identificere dyrene. Der skulle gå helt op til 16 år før den sidste af blot 28 hajer blev genfanget. En del af hajerne blev genfanget ganske tæt på det oprindelige sted de var blevet mærket (mellem 16 og 160 km), mens enkelte havde bevæget helt op til 1.100 km væk. Siden da har der ikke været foretaget mange videnskabelige undersøgelser på grønlandshajen, og man ved derfor stadig meget lidt om dens levevis. Grønlandshajen kan fanges på langline i farvandet i og omkring Disko Bugt, og i fremtiden planlægges det at udstyre enkelte individer med en datalogger der gemmer dybde og temperatur. Efter en forudbestemt tid løsnes loggeren fra dyret, flyder til overfladen og sender via sattelit det indsamlede data til Marinbiologisk Laboratorium i Helsingør. Dermed ville det være muligt at få mere indsigt i deres færden og fysiologi. Hellefisken er vigtig for det grønlandske fiskeri, og den fanges i store mængder på dybt vand omkring Illulisat. Det særlige ved hellefisken er at den adskiller sig fra alle andre fladfisk ved at svømme på højkant, ligesom almindelige fisk. Da hellefisken har stor økonomisk betydning, vil det være interessant at bestemme dens stofskifte i et svømme-respirometer. Ved at kende hellefiskens stofskifte kan man bedre forudsige dens vækst-potentiale og dermed mulighederne for fiskeriet. 291