Pierwsza znana ryba ciepłokrwista

Jak powiedziałem, ryby takie jak tuńczyki i mieczniki mogą utrzymywać części swoich ciał, takie jak mięśnie, powyżej temperatury otoczenia, ale środek ich ciała, włącznie z zasadniczym narządem – sercem, nie daje się utrzymywać w cieple i to poważnie ogranicza ich aktywność i zdolność funkcjonowania przy niskich temperaturach. (Tempo bicia serca determinuje tempo, z jakim krew dostaje się do reszty ciała.) Teraz jednak, według nowego artykułu w „Science” autorstwa Nicholasa Wegnera i in. (link poniżej), znaleziono przynajmniej jeden gatunek ryb, który jest prawdziwie ciepłokrwisty, utrzymując temperaturę całego ciała 5 °C powyżej temperatury wody. Jest to opah (Lampris guttatus), ryba pokazana powyżej.

Opah występuje na całym świecie i jest “pelagiczna”, pływając po otwartym oceanie od powierzchni do głębokości kilkuset metrów. Jest dużą rybą, która potrafi dojść do dwóch metrów długości i wagi 300 kilogramów.

Autorzy odkryli przez wszczepienie termopar pływającym rybom, że opah utrzymuje temperaturę ciała znacznie powyżej otoczenia, nawet w zimnej wodzie. Wykres po lewej stronie pokazuje profil cieplny opah pływającej w temperaturze 10,5°C. Pomiary termopary pokazują, że całe jej ciało ma temperaturę wyższą od otoczenia, a środek ma około 4 stopni powyżej otoczenia.  

Po prawej jest wykres temperatury mięśnia piersiowego ryby (małego 39-kilogramowego okazu), kiedy nurkuje na różnych głębokościach aż do 100 m. Chociaż temperatura wody waha się od 18°C przy powierzchni do około 9.5 °C poniżej 50 m, temperatura ciała utrzymuje się między 13 a 14 stopni.

Interesujące jest to, jak ryba to robi. Jest tu kilka adaptacji dotyczących zachowania, morfologii i fizjologii.

Głównym problemem z zachowaniem ciepła ciała u ryby jest jej potrzeba natlenienia krwi przez doprowadzenie do kontaktu naczyń krwionośnych w skrzelach z wodą. To, oczywiście, poważnie oziębia krew. Natleniona, ale zimna krew, płynie z powrotem do środka ciała, ochładzając go.

Opah ma trzy sposoby na przezwyciężenie tego problemu. Pierwszym jest, że tworzy wiele ciepła przez płynięcie do przodu nie dzięki falowaniu ciałem, jak robi większość innych ryb, ale przez energiczne „wiosłowanie” płetwami piersiowymi (patrz wideo poniżej). Tworzy to znacznie więcej ciepła niż falowanie.

Po drugie i najbardziej uderzające, opah wyewoluowała układ krążenia z systemem wymiany ciepła zwanym “przeciwprądową wymianą cieplną”. Jeśli pomyślisz o naczyniach krwionośnych w skrzelach jako o serii rur, są tam rury na „zimną wodę”, wychodzące ze skrzeli i zawierające natlenioną wodę, które są umieszczone obok rur na „gorącą wodę” biegnące od ciała do skrzeli. Ich bliskość pozwala zimnej krwi na płynięcie do środka ciała, po ogrzanie ciepłem tworzonym przez mięśnie; wszystko to utrzymuje temperaturę krwi i ciała powyżej temperatury otoczenia.

Na ilustracji poniżej po prawej stronie („C”) można wyraźnie zobaczyć te dwa typy naczyń krwionośnych. Niebieskie to naczynia „aferentne”, biegnące od ciała (nie daj się oszukać kolorem, niebieskie zawierają ciepłą krew), podczas gdy naczynia czerwone są „eferentne”, zawierające natlenioną krew przychodzącą ze skrzeli. Widać, że są one naprzemienne, jak ułożone obok siebie kable. Różnica temperatur pozwala na przekazanie ciepła z niebieskich naczyń do czerwonych. To ułożenie nazywa się retia mirabilia (“cudowna sieć”) i występuje także u innych ryb, które potrafią utrzymywać temperaturę części swoich ciał powyżej temperatury otoczenia.

Wreszcie, jak widać po lewej stronie (“B”), łuki skrzelowe, gdzie natlenia się krew i gdzie ochładza ją woda oraz gdzie znajduje się retia mirabilia, są izolowane od reszty ciała grubą warstwą tłuszczu (“adipose tissue” na ilustracji), co jeszcze bardziej izoluje ciało od zimnej krwi, pozwalając jej na ogrzanie się zanim opuści łuki skrzelowe:

Tutaj jest wideo pokazujące opah, która pływa przy pomocy płetw piersiowych.

A oto korzyści wynikające z bycia rybą endotermiczną. Te wykresy pokazują procent czasu, jaki różne okazy opah i tuńczyka białego spędzają na różnych głębokościach w wodzie (ciemne kolumny w nocy, jasne w dzień. Liczby u góry pokazują procent czasu, jaki każdy z tych gatunków spędza powyżej 50 metrów. Jak widać, w nocy wynosi to tylko 31,2% dla opah, ale 89,1% dla tuńczyka i podobna różnica utrzymuje się w ciągu dnia (ale obie ryby nurkują głębiej w ciągu dnia). Co najważniejsze, opah jest w stanie żerować znacznie niżej niż tuńczyk, niemal z pewnością dlatego, że wyższa temperatura ciała pozwala jej na głębsze zanurzenie bez utraty mobilności, zdolności trawienia i aktywności metabolicznej.

Jest niemal pewne, że ten gatunek opah nie jest unikatem i autorzy mówią, że trzeba zbadać inne gatunki z tej grupy. Podejrzewam, że te innowacje występowały u wspólnego przodka grupy, a więc powinniśmy znaleźć inne ryby endotermiczne. Trudno jednak znaleźć tę adaptację, bo wymaga wszczepiania termopar w ryby i monitorowania temperatury ich ciał, kiedy pływają (opah z tego badania była przywiązana do pływającej tratwy, by można ją było odzyskać).

Na koniec, dlaczego nie robi tego więcej ryb? Jak powiedziałem, dla niektórych ryb niewątpliwie utrzymywanie wysokiej temperatury ciała nie jest korzyścią ewolucyjną, bo prawdopodobnie radzą sobie świetnie pływając blisko powierzchni lub, jeśli występują w głębinach, zaadaptowały się w inny sposób do niskiej temperatury (i ciemności). Albo też wymagane mutacje do ciepłokrwistości mogły po prostu nie zajść w innych gatunkach, nawet gdyby były korzystne. Nie poznamy odpowiedzi na te pytania, ale możemy dowiedzieć się, ile ryb przyjęło quasi-ssaczy/ptasi system utrzymywania wysokiej temperatury.

h/t: Heather Hastie

_____________

Wegner, N. C., O. E. Snodgrass, H. Dewar, and J. R. Hyde. 2015 Whole-body endothermy in a mesopelagic fish, the opah, Lampris guttatus. Science 348 786-789

The first known warm blooded fish

Why Evolution Is True, 17 maja 2015

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska