Hiilidioksidipitoisuus (CO2) on noussut dramaattisesti ilmakehässä ja valtameressä viimeisten kahden vuosisadan aikana (Sabine et al., 2004). Tällä on ollut suoria vaikutuksia meriin: pintavesien keskimääräinen pH on laskenut maailmanlaajuisesti 0,1 yksikköä teollisen vallankumouksen jälkeen, ja sen ennustetaan laskevan jopa 0,4 yksikköä vuoteen 2100 mennessä (Orr et al., 2005). Altistuminen alentuneille pH-olosuhteille vaihtelee luonnollisesti eri meriekosysteemeissä. Esimerkiksi voimakkaan nousuveden aikana Yhdysvaltain länsirannikon rannikon läheiset meriluontotyypit altistuvat jo nyt päivistä viikkoihin kestäville syövyttäville alikylläisille (aragoniittisille) vesille, jotka vastaavat olosuhteita, jotka todennäköisesti vallitsevat, kun ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden lisääntyminen aiheuttaa muutoksia valtamerten kemiassa ja fysikaalisessa voimistumisessa seuraavien vuosikymmenten aikana (Feely et al., 2004; Gruber et al., 2012). Yksityiskohtaiset valtamerentutkimusennusteet, joissa mallinnetaan pH:n dynamiikkaa Kalifornianvirrassa, osoittavat, että seuraavien 40 vuoden aikana esiintyy kroonisesti alhaisia pH-olosuhteita, jotka täydentävät nousuveden aiheuttamaa kausivaihtelua (Hofmann et al., 2011) (Gruber et al., 2012). Näin ollen monet lauhkean alueen lajit saattavat jo nyt kokea vuosisadan lopun pH-ennusteiden mukaan lyhytaikaista altistumista näille alhaisille pH-olosuhteille, ja tulevaisuudessa altistumisen näille alhaisille pH-olosuhteille ennustetaan olevan yleisempää ja pitkäkestoisempaa.
Merien jatkuvan happamoitumisen lisäksi hypoksisia tapahtumia ennustetaan esiintyvän tulevaisuudessa useammin erityisesti Kalifornianvirrassa (Bograd ym., 2008; Hauri ym., 2009; Morel ym., 2010; Gruber, 2011). Nousuvirtaukset tuovat runsaasti ravinteita mutta vähän happea sisältäviä syvänteistä tulevia vesipulsseja rannikonläheisiin benthisiin elinympäristöihin. Kasviplanktonin lisääntyneen tuottavuuden sykli, jota kiihdyttävät nousuveden ja rannikon valumavesien aiheuttamat korkeat ravinnepitoisuudet ja jota seuraa mikrobien hajoaminen ja siihen liittyvä hapenkulutus, voi alentaa happipitoisuuksia entisestään. Nousuveden nousu on yleisempää keväällä ja kesällä, minkä vuoksi monet lauhkean merialueen lajit voivat altistua alhaiselle happipitoisuudelle ja alhaiselle pH-arvolle kriittisinä rekrytointikausina. Tämä mekanismi, joka johtuu ilmaston aiheuttamasta nousuveden voimistumisesta, saattaa olla osasyynä havaintoihin, joiden mukaan hypoksiset tapahtumat ovat yleistyneet, kestoltaan ja alueelliselta laajuudeltaan Yhdysvaltain länsirannikolla (Schwing ja Mendelssohn, 1997; Snyder et al., 2003; Grantham et al., 2004; Chan et al., 2008). Lisähavaintojen mukaan DO-pitoisuudet ovat laskeneet viime vuosikymmeninä Kalifornianvirran alueella (Bograd et al., 2008; McClatchie et al., 2010; Booth et al., 2014), mikä on osittain seurausta lämpenemisestä ja laajamittaisista valtameriprosesseista. Happipitoisuuksien lasku voi johtaa merieliöille aiheutuvan sub-letaalisen stressin lisääntymiseen, vaikka pitoisuudet pysyisivätkin hypoksiakynnyksen yläpuolella (määritellään yleensä esiintyväksi noin 2 mg O2 L-1, Vaquer-Sunyer ja Duarte, 2008).
Meressä elävien lajien herkkyys valtamerten happamoitumiselle ja hypoksialle riippuu niiden fysiologisista kyvyistä sietää ympäristön stressitekijöitä. Merilevät, selkärangattomat ja kalat ovat eri tavoin herkkiä valtamerten kemian muutoksille (Kroeker et al., 2013), ja joillakin lajeilla on negatiivisia vaikutuksia, kun taas toiset lajit reagoivat neutraalisti tai positiivisesti. Viimeaikaiset nuorilla kaloilla tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että kehitys matalan pH:n vesissä johtaa hajuaistien heikkenemiseen (Munday ym., 2010), muutoksiin kuulokäyttäytymisessä (Simpson ym., 2011; Rossi ym., 2016), häiriöihin aivojen lateralisaatiossa (Domenici ym., 2011), lisääntyneeseen ahdistuneisuuteen (Hamilton ym., 2013) ja aerobisen toimintakyvyn vähenemiseen (Munday ym., 2009; Hamilton ym., 2017). Kaiken kaikkiaan meta-analyysit ovat osoittaneet, että kohonneet hiilidioksidipitoisuudet vaikuttavat joihinkin merikalalajeihin useisiin elämänhistorian ja käyttäytymisen piirteisiin, kun taas toiset lajit näyttävät sietävän näitä muutoksia paremmin, erityisesti dynaamisissa lauhkeissa ympäristöissä elävät lajit (Cattano ym., 2018).
Hypoksialla voi niin ikään olla haitallisia vaikutuksia teleskooppisten kalojen varhaisiin elämänvaiheisiin. Äärimmäisen alhaiset happipitoisuudet johtavat tyypillisesti kuolleisuuteen. Kohtalaisilla tasoilla subletaalisia vaikutuksia ovat muun muassa toukkien epämuodostumien lisääntynyt esiintyminen, pienemmät koot kuoriutuessa, hengitysvaikeudet ja aineenvaihdunnan lamaantuminen (Boutilier ym., 1998; Landry ym., 2007). Hypoksian on myös osoitettu vaikuttavan petoeläinten vastaiseen käyttäytymiseen siten, että hypoksisissa olosuhteissa elävät kalat reagoivat heikommin petoeläinten vihjeisiin, niiden liikuntakyky on heikentynyt ja niiden kouluttautumiskäyttäytyminen on muuttunut (Domenici et al., 2007). Verrattuna muihin merten taksoneihin kalat ovat usein herkempiä hapenpuutteelle, ja niillä voi esiintyä alhaisen happipitoisuuden subletaalisia vaikutuksia, kuten kasvun ja ravinnon vähenemistä, happipitoisuuksissa, jotka ovat alle 4,5 g/l, ja tappavien pitoisuuksien ollessa 1-2 mg/l (Levin, 2003; Vaquer-Sunyer ja Duarte, 2008).
Joidenkin tutkimusten mukaan altistuminen korkealle hiilidioksidipitoisuudelle altistuville vesistöille johtaa joidenkin kalalajien lisääntyneeseen otoliitin (korvakivien) kasvuun (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), ja vaikutukset voimistuivat, kun hiilidioksidipitoisuuksia nostettiin 1000 μatm:sta yli 4000 μatm:iin. Meren happamoituminen voi muuttaa myös somaattisen ja otoliitin kasvun allometriaa, mikä näkyy muutoksina kalojen koon ja otoliitin kokosuhteessa (Réveillaca et al., 2015; Di Franco et al., 2019). Sen sijaan muut tutkimukset ovat osoittaneet, että kohonneella hiilidioksidipitoisuudella ei ole ollut vaikutuksia otoliitin kasvuun tai kalan koon ja otoliitin koon väliseen suhteeseen muilla kalalajeilla samankaltaisilla kohonneen hiilidioksidipitoisuuden vaihteluväleillä (Franke, 2011; Munday et al., 2011b; Simpson et al., 2011; Frommel et al., 2013; Perry et al., 2015). Otoliittien merkitys kuulon, tasapainon ja alueellisen tasapainon kannalta huomioon ottaen jotkin tutkimukset ovat osoittaneet, että meren happamoituminen voi vaikuttaa aistitoimintoihin (Simpson ym., 2011; Munday ym., 2011a; Bignami ym., 2013; Rossi ym., 2016), kun taas toisissa tutkimuksissa on saatu ristiriitaisia tuloksia (Shen ym., 2016). Hypoksia sen sijaan näyttää tyypillisesti heikentävän otoliitin kasvua verrattuna normoksisissa olosuhteissa kasvatettuihin kaloihin (Sepulveda, 1994; Hales ja Able, 1995). Kasvuvasteen suuruus näyttää olevan yhteydessä koetun hypoksian voimakkuuteen ja kestoon, ja otoliitin kasvu hidastuu enemmän alle 4 mg/l happipitoisuuksilla. Näiden havaintojen perusteella valtamerten happamoitumisella ja hypoksialla ennustetaan olevan vastakkaisia vaikutuksia otoliitin kasvuun.
Ensimmäisenä askeleena tutkittaessa valtamerten happamoitumisen ja hypoksian suhteellista merkitystä otoliitin kasvuun (ts, muutokset otoliitin koon ja kalan koon välisessä suhteessa), testasimme kohonneen pCO2:n ja alhaisen liuenneen hapen (DO) toisistaan riippumattomia vaikutuksia kummankin stressitekijän arvojen vaihteluvälillä kahdella nuorella kivikampelalajilla: kuparikampelalla (Sebastes caurinus) ja sinikampelalla (S. mystinus). Aiemmin olemme osoittaneet, että valtamerten happamoituminen voi heikentää käyttäytymisreaktioita ja uintifysiologiaa kuparikalliokalan kohdalla, mutta korkeiden hiilidioksidipitoisuuksien vaikutuksista sinikalliokalan kohdalla on vain vähän todisteita (Hamilton et al., 2017). Olemme myös testanneet hypoksian vaikutuksia ja havainneet, että aerobinen suorituskyky heikkenee alhaisilla DO-tasoilla molemmissa lajeissa ja että käyttäytymisvasteet muuttuvat kuparikalliokalan osalta (Mattiasen, 2018). Kupari- ja sinikalliokalat ovat rannikonläheisiä lajeja, jotka elävät kivikkoisilla riutoilla ja merileväpohjilla. Vastasijoittuneet (< 2 kuukauden ikäiset) kuparikalliokalan poikaset esiintyvät leväkasvustossa lähellä pintaa, kun taas sinikalliokalan poikaset (3-4 kuukauden ikäiset) asettuvat ja kerääntyvät parviksi lähelle merenpohjaa (Love ym., 2002). Molemmat lajit kokevat ontogeneettisiä muutoksia elinympäristön käytössä. Aikuiset kuparikalliokalat ovat vahvasti yhteydessä pohjaan, kun taas sinikalliokalan aikuiset parveilevat keskivedessä (Love et al., 2002). Ero elinympäristöjen välillä (esim. kuparikalliokalan katos, sinikalliokalan pohjaeläinriutat) on sopusoinnussa niiden vertikaalisen jakautumisen kanssa pelagisina poikasina: kuparikalliokala käyttää pintakerroksia, kun taas sinikalliokala näyttää käyttävän syvempiä kerroksia (Lenarz ym., 1991). Koska pH- ja DO-tasot ovat usein vertikaalisesti kerrostuneita vesipatsaassa fotosynteesin ja hengityksen vuoksi (Frieder ym., 2012), nämä lajit saattavat altistua erilaiselle kemialle kehityksen aikana, mikä voi vaikuttaa niiden herkkyyteen ja sietokykyyn ilmastonmuutoksen stressitekijöitä kohtaan.
Usein valtamerten happamoitumisen ja hypoksian vaikutuksia otoliitin kasvuun on tutkittu erikseen ja eri lajeilla, mikä tekee haastavaksi tunnistaa kumman tahansa stressitekijän suhteellinen merkitys kasvuvasteen suuntaan ja suuruuteen. Lisäksi monissa aiemmissa tutkimuksissa yksilöt on altistettu korkean pCO2:n ja alhaisen DO:n käsittelyolosuhteille suhteellisen lyhyellä aikavälillä (päivistä viikkoihin). Tässä tutkimuksessa tarkastelemme kummankin stressitekijän itsenäisiä vaikutuksia kupari- ja sinisen kivikalan otoliitin kasvuun sen jälkeen, kun se oli altistunut kroonisesti valtameren kemian muutoksille 5-6 kuukauden ajanjakson aikana. Aiempien tutkimusten perusteella ennustimme, että kohonnut pCO2-arvo johtaisi suhteellisen suurempiin otoliitteihin tietyn kokoisilla kaloilla, kun taas matalat DO-tasot heikentäisivät otoliittien kasvua. Ottaen huomioon, että kuparikalliokalat näyttävät olevan fysiologisilta ja käyttäytymisreaktioiltaan herkempiä korkealle CO2:lle ja alhaiselle DO:lle kuin sinikalliokalat, oletimme myös, että otoliitin kasvun reaktiot olisivat voimakkaampia kuparikalliokaloilla.