Hladiny oxidu uhličitého (CO2) v atmosféře a oceánech se za poslední dvě století dramaticky zvýšily (Sabine et al., 2004). To má přímý vliv na oceán: celosvětový průměr pH v povrchových vodách se od průmyslové revoluce snížil o 0,1 jednotky a podle předpovědí se do roku 2100 sníží až o 0,4 jednotky (Orr et al., 2005). Vystavení podmínkám sníženého pH se u různých mořských ekosystémů přirozeně liší. Například během silných přílivů jsou pobřežní mořské biotopy podél západního pobřeží USA již nyní vystaveny několik dní až týdnů trvajícímu působení korozivních nenasycených (aragonitových) vod, které odpovídají podmínkám, jež se pravděpodobně objeví v důsledku rostoucího obsahu CO2 v atmosféře, který bude v příštích několika desetiletích podněcovat změny v chemismu a fyzikálním působení oceánu (Feely et al., 2004; Gruber et al., 2012). Podrobné oceánografické předpovědi modelující dynamiku pH v Kalifornském proudu ukazují, že v příštích 40 letech dojde k chronickým podmínkám nízkého pH, které doplní sezónní proměnlivost způsobenou upwellingem (Hofmann et al., 2011) (Gruber et al., 2012). Mnoho druhů mírného pásma se tedy může již nyní krátkodobě setkávat s podmínkami pH na konci století, přičemž se předpokládá, že vystavení těmto podmínkám nízkého pH bude v budoucnu častější a déle trvající.
Kromě probíhající acidifikace oceánů se v budoucnu předpokládá také častější výskyt hypoxických jevů, zejména v Kalifornském proudu (Bograd et al., 2008; Hauri et al., 2009; Morel et al., 2010; Gruber, 2011). Vzestupné proudění přináší do bentických příbřežních stanovišť pulsy hlubokých vod s vysokým obsahem živin, ale nízkým obsahem kyslíku. Cyklus zvýšené produktivity fytoplanktonu poháněný vysokými hladinami živin z přílivu a pobřežního odtoku, po němž následuje mikrobiální rozklad a s ním spojená spotřeba kyslíku, může dále snížit hladinu kyslíku. Vlnobití je častější na jaře a v létě, a může tak vystavit širokou škálu mořských druhů mírného pásma nízkému obsahu kyslíku a nízkému pH vody v kritických obdobích náboru. Tento mechanismus zesílení upwellingu způsobeného klimatem může přispívat k pozorování, že hypoxické jevy se na západním pobřeží USA vyskytují stále častěji, trvají stále déle a mají stále větší prostorový rozsah (Schwing a Mendelssohn, 1997; Snyder a kol., 2003; Grantham a kol., 2004; Chan a kol., 2008). Další pozorování ukazují, že v posledních několika desetiletích dochází v oblasti Kalifornského proudu k poklesu koncentrací DO (Bograd et al., 2008; McClatchie et al., 2010; Booth et al., 2014), částečně v reakci na oteplování a velkoplošné oceánografické procesy. Pokles hladiny kyslíku může vést k nárůstu subletálního stresu mořských organismů, i když koncentrace zůstávají nad prahovou hodnotou pro hypoxii (obecně definovanou jako vyskytující se kolem 2 mg O2 L-1, Vaquer-Sunyer a Duarte, 2008).
Citlivost mořských druhů na acidifikaci oceánů a hypoxii závisí na jejich fyziologických schopnostech tolerovat stresory prostředí. Mořské řasy, bezobratlí a ryby jsou různě citlivé na změny chemismu oceánu (Kroeker et al., 2013), přičemž některé druhy vykazují negativní účinky, zatímco jiné neutrální nebo pozitivní reakce. Nedávné studie mladých ryb ukázaly, že vývoj ve vodách s nízkým pH má za následek zhoršení čichových smyslů (Munday et al., 2010), změny ve sluchovém chování (Simpson et al., 2011; Rossi et al., 2016), narušení lateralizace mozku (Domenici et al., 2011), zvýšenou úroveň úzkosti (Hamilton et al., 2013) a snížení schopnosti aerobní aktivity (Munday et al., 2009; Hamilton et al., 2017). Celkově metaanalýzy ukázaly, že u některých druhů mořských ryb je zvýšenými hladinami CO2 ovlivněn soubor životních a behaviorálních znaků, zatímco jiné druhy se zdají být vůči těmto změnám tolerantnější, zejména ty, které obývají dynamické prostředí mírného pásma (Cattano et al., 2018).
Hypoxie může mít podobně škodlivé dopady na raná stádia života teleostovitých ryb. Extrémně nízké hladiny kyslíku obvykle vedou k úhynu. Při mírných hladinách zahrnují subletální účinky zvýšený výskyt deformací larev, menší velikost při líhnutí, respirační potíže a metabolickou depresi (Boutilier et al., 1998; Landry et al., 2007). Bylo také prokázáno, že hypoxie ovlivňuje chování vůči predátorům, takže ryby v hypoxických podmínkách vykazují sníženou reaktivitu na signály predátorů, zhoršenou pohybovou výkonnost a změny v chování ve škole (Domenici et al., 2007). Ve srovnání s jinými mořskými taxony jsou ryby často citlivější na deoxygenaci a mohou vykazovat subletální účinky expozice nízkému obsahu kyslíku, jako je snížený růst a krmení, při koncentracích kyslíku pod 4,5 g/l, přičemž letální koncentrace se pohybují mezi 1 a 2 mg/l (Levin, 2003; Vaquer-Sunyer a Duarte, 2008).
Některé studie naznačují, že expozice vodám s vysokým obsahem CO2 vede u některých druhů ryb ke zvýšenému růstu otolitů (ušních kamenů) (Checkley et al..), 2009; Munday et al., 2011a; Hurst et al., 2012; Bignami et al., 2013; Maneja et al., 2013; Rossi et al., 2016; Shen et al., 2016; Martino et al., 2017; Di Franco et al., 2019), přičemž účinky se zesílily při zvýšení hladiny CO2 z 1000 na více než 4000 μatm. Alometrie somatického a otolitového růstu může být také pozměněna okyselením oceánu, což se odráží ve změnách vztahu velikosti ryb a otolitu (Réveillaca et al., 2015; Di Franco et al., 2019). Naproti tomu jiné studie neprokázaly žádný vliv zvýšené koncentrace CO2 na růst otolitů ani na vztah velikosti ryb a velikosti otolitů u jiných druhů ryb v podobném rozsahu zvýšené koncentrace CO2 (Franke, 2011; Munday et al., 2011b; Simpson et al., 2011; Frommel et al., 2013; Perry et al., 2015). Vzhledem k významu otolitů pro sluch, rovnováhu a prostorovou rovnováhu některé studie naznačují, že okyselování oceánu má schopnost ovlivňovat smyslové funkce (Simpson et al., 2011; Munday et al., 2011a; Bignami et al., 2013; Rossi et al., 2016), zatímco jiné studie zjistily nejednoznačné výsledky (Shen et al., 2016). Naproti tomu se zdá, že hypoxie obvykle potlačuje růst otolitů ve srovnání s rybami chovanými v normoxických podmínkách (Sepulveda, 1994; Hales a Able, 1995). Zdá se, že velikost růstové reakce souvisí s intenzitou a délkou trvání prodělané hypoxie, přičemž růst otolitů je více potlačen při hladinách kyslíku nižších než 4 mg/l. Na základě těchto pozorování se předpokládá, že acidifikace oceánu a hypoxie budou mít na růst otolitů opačné účinky.
Prvním krokem ke zkoumání relativního významu acidifikace oceánu a hypoxie na růst otolitů (tj, změny ve vztahu velikosti otolitů k velikosti ryb), jsme testovali nezávislé účinky zvýšeného pCO2 a nízkého obsahu rozpuštěného kyslíku (DO) v rozsahu hodnot pro každý stresor u dvou druhů nedospělých skaláků: skaláka měděného (Sebastes caurinus) a skaláka modrého (S. mystinus). Již dříve jsme ukázali, že okyselení oceánu může zhoršit behaviorální reakce a fyziologii plavání u měděného kamenáče, přičemž účinky vysokého obsahu CO2 u modrého kamenáče byly prokázány jen málo (Hamilton et al., 2017). Testovali jsme také účinky hypoxie a zjistili jsme, že aerobní výkonnost je při nízkých hladinách DO zhoršena u obou druhů a že behaviorální reakce jsou u měděného kamenáče změněny (Mattiasen, 2018). Skalák měděný a skalák modrý jsou pobřežní druhy, které obývají skalnaté útesy a porosty chaluh. Nově usazení (< 2 měsíce staří) mladí jedinci skaláka měděného se vyskytují v korunách chaluh poblíž hladiny, zatímco mladí jedinci skaláka modrého (3-4 měsíce staří) se usazují a shlukují do hejn poblíž bentosu (Love et al., 2002). U obou druhů dochází k ontogenetickým změnám ve využívání stanovišť. Dospělí jedinci skaláka měděného jsou silně vázáni na bentos, zatímco dospělí jedinci skaláka modrého se zdržují ve středních vodách (Love et al., 2002). Kontrast v osídlovacích stanovištích (např. koruny stromů u měděného kamenáče, bentické útesy u modrého kamenáče) odpovídá jejich vertikálnímu rozložení jako pelagických mláďat: měděný kamenáč obsazuje povrchové vrstvy, zatímco modrý kamenáč zřejmě hlubší vrstvy (Lenarz et al., 1991). Vzhledem k tomu, že hladiny pH a DO jsou ve vodním sloupci často vertikálně stratifikovány v důsledku fotosyntézy a respirace (Frieder et al., 2012), mohou být tyto druhy během vývoje vystaveny odlišnému chemickému složení, což může ovlivnit jejich citlivost a toleranci vůči stresorům souvisejícím se změnou klimatu.
Často byly účinky acidifikace oceánu a hypoxie na růst otolitů studovány odděleně a u různých druhů, takže je obtížné určit relativní význam obou stresorů pro směr a velikost růstové reakce. Mnoho předchozích studií navíc vystavilo jedince podmínkám ošetření vysokým obsahem pCO2 a nízkým obsahem DO v relativně krátkém časovém horizontu (dny až týdny). V této práci zkoumáme nezávislé účinky jednotlivých stresorů na růst otolitů u měděných a modrých skalních ryb po chronickém vystavení změnám chemického složení oceánu po dobu 5 až 6 měsíců. Na základě předchozích studií jsme předpokládali, že zvýšená hladina pCO2 bude mít za následek relativně větší otolity u ryb dané velikosti, zatímco nízká hladina DO bude růst otolitů tlumit. Vzhledem k tomu, že se zdá, že měděné ryby skalní jsou ve svých fyziologických a behaviorálních reakcích citlivější na vysokou hladinu CO2 a nízkou hladinu DO než modré ryby skalní, předpokládali jsme také, že reakce na růst otolitů budou u měděných ryb skalních silnější.
.