Poziomy dwutlenku węgla (CO2) dramatycznie wzrosły w atmosferze i oceanie w ciągu ostatnich dwóch stuleci (Sabine et al., 2004). Miało to bezpośredni wpływ na ocean: średnia światowa wartość pH w wodach powierzchniowych spadła o 0,1 jednostki od czasu rewolucji przemysłowej i przewiduje się, że spadnie aż o 0,4 jednostki do 2100 roku (Orr et al., 2005). Narażenie na warunki obniżonego pH różni się w sposób naturalny w różnych ekosystemach morskich. Na przykład, podczas okresów silnego upwellingu, przybrzeżne siedliska morskie wzdłuż zachodniego wybrzeża USA już znosiły trwające od kilku dni do kilku tygodni ekspozycje korozyjnych, nienasyconych (w aragonicie) wód, które odpowiadają warunkom, jakie prawdopodobnie pojawią się, gdy rosnące stężenie atmosferycznego CO2 spowoduje zmiany w chemii oceanu i wymuszenia fizyczne w ciągu następnych kilkudziesięciu lat (Feely i in., 2004; Gruber i in., 2012). Szczegółowe prognozy oceanograficzne modelujące dynamikę pH w Prądzie Kalifornijskim wskazują, że w ciągu najbliższych 40 lat wystąpią chronicznie niskie warunki pH, oprócz sezonowej zmienności spowodowanej upwellingiem (Hofmann i in., 2011) (Gruber i in., 2012). W związku z tym wiele gatunków umiarkowanych może już doświadczać krótkotrwałych prognoz pH z końca wieku, przy czym przewiduje się, że narażenie na te niskie warunki pH będzie częstsze i dłuższe w przyszłości.
Oprócz trwającego zakwaszania oceanu, przewiduje się również częstsze występowanie w przyszłości zdarzeń hipoksyjnych, szczególnie w Prądzie Kalifornijskim (Bograd et al., 2008; Hauri et al., 2009; Morel et al., 2010; Gruber, 2011). Upwelling przynosi impulsy wód głębinowych o wysokiej zawartości składników odżywczych, ale niskiej zawartości tlenu, do siedlisk bentosowych w pobliżu brzegu. Cykl zwiększonej produktywności fitoplanktonu napędzany przez wysoki poziom składników odżywczych z upwellingu i spływów przybrzeżnych, po którym następuje rozkład mikrobiologiczny i związane z nim zużycie tlenu, może jeszcze bardziej obniżyć poziom tlenu. Upwelling jest częstszy wiosną i latem, a zatem może narażać szeroki wachlarz umiarkowanych gatunków morskich na działanie wody o niskiej zawartości tlenu i niskim pH w krytycznych okresach rekrutacji. Ten mechanizm spowodowanej przez klimat intensyfikacji upwellingu może przyczyniać się do obserwacji, że zjawiska hipoksji zwiększają częstotliwość, czas trwania i zasięg przestrzenny wzdłuż zachodniego wybrzeża USA (Schwing i Mendelssohn, 1997; Snyder i in., 2003; Grantham i in., 2004; Chan i in., 2008). Dodatkowe obserwacje wskazują na spadek stężenia DO w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat w regionie Prądu Kalifornijskiego (Bograd et al., 2008; McClatchie et al., 2010; Booth et al., 2014), częściowo w odpowiedzi na ocieplenie i wielkoskalowe procesy oceanograficzne. Spadki poziomu tlenu mogą powodować wzrost stresu subletalnego dla organizmów morskich, nawet jeśli stężenia pozostają powyżej progu hipoksji (ogólnie definiowanej jako występująca w okolicach 2 mg O2 L-1, Vaquer-Sunyer i Duarte, 2008).
Wrażliwość gatunków morskich na zakwaszenie oceanu i hipoksję zależy od ich fizjologicznych zdolności do tolerowania stresorów środowiskowych. Wodorosty morskie, bezkręgowce i ryby są różnie podatne na zmiany w chemii oceanu (Kroeker i in., 2013), przy czym niektóre gatunki wykazują negatywne skutki, podczas gdy inne wykazują neutralne lub pozytywne reakcje. Ostatnie badania młodych ryb wykazały, że rozwój w wodach o niskim pH skutkuje upośledzeniem zmysłów węchu (Munday i in., 2010), zmianami w zachowaniu słuchowym (Simpson i in., 2011; Rossi i in., 2016), zaburzeniami lateralizacji mózgu (Domenici i in., 2011), zwiększonym poziomem lęku (Hamilton i in., 2013) i zmniejszeniem zdolności do aktywności tlenowej (Munday i in., 2009; Hamilton i in., 2017). Ogólnie rzecz biorąc, metaanalizy wskazały, że zestaw cech historii życia i zachowania jest dotknięty podwyższonym poziomem CO2 u niektórych gatunków ryb morskich, podczas gdy inne gatunki wydają się być bardziej tolerancyjne na te zmiany, zwłaszcza te zamieszkujące dynamiczne środowiska umiarkowane (Cattano i in., 2018).
Hipoksja może podobnie mieć szkodliwy wpływ na wczesne stadia życia ryb teleost. Ekstremalnie niskie poziomy tlenu zazwyczaj skutkują śmiertelnością. Przy umiarkowanych poziomach, skutki subletalne obejmują zwiększone występowanie deformacji larwalnych, mniejsze rozmiary przy wylęgu, zaburzenia oddychania i depresję metaboliczną (Boutilier i in., 1998; Landry i in., 2007). Wykazano również, że hipoksja wpływa na zachowania antydrapieżnicze, tak że ryby w warunkach hipoksji wykazują zmniejszoną reaktywność na sygnały drapieżnika, upośledzoną sprawność lokomotoryczną i zmiany w zachowaniach szkolnych (Domenici i in., 2007). W porównaniu z innymi taksonami morskimi, ryby są często bardziej wrażliwe na odtlenienie i mogą wykazywać subletalne skutki narażenia na niskie stężenie tlenu, takie jak zmniejszony wzrost i żerowanie, przy stężeniach tlenu poniżej 4,5 g/L, ze stężeniami śmiertelnymi pomiędzy 1 i 2 mg/L (Levin, 2003; Vaquer-Sunyer i Duarte, 2008).
Niektóre badania wskazują, że narażenie na wody o wysokim CO2 powoduje zwiększony wzrost otolitu (kamienia ucha) u niektórych gatunków ryb (Checkley i in., 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), z efektami powiększającymi się, gdy poziom CO2 został zwiększony z 1000 do ponad 4000 μatm. Allometria wzrostu somatycznego i otolitu może być również zmieniona przez zakwaszenie oceanu, co znajduje odzwierciedlenie w zmianach w relacji wielkości ryb do wielkości otolitu (Réveillaca i in., 2015; Di Franco i in., 2019). W przeciwieństwie do tego, inne badania nie wykazały wpływu podwyższonego CO2 na wzrost otolitu lub relację wielkość ryby-wielkość otolitu u innych gatunków ryb w podobnych zakresach podwyższonego CO2 (Franke, 2011; Munday et al., 2011b; Simpson et al., 2011; Frommel et al., 2013; Perry et al., 2015). Biorąc pod uwagę znaczenie otolitów dla słuchu, równowagi i równowagi przestrzennej, niektóre badania wskazują, że zakwaszenie oceanu ma zdolność wpływania na funkcje sensoryczne (Simpson i in., 2011; Munday i in., 2011a; Bignami i in., 2013; Rossi i in., 2016), podczas gdy inne badania wykazały niejednoznaczne wyniki (Shen i in., 2016). Z kolei hipoksja wydaje się typowo obniżać wzrost otolitu w porównaniu z rybami hodowanymi w warunkach normoksycznych (Sepulveda, 1994; Hales i Able, 1995). Wielkość odpowiedzi na wzrost wydaje się być związana z intensywnością i czasem trwania niedotlenienia, przy czym wzrost otolitu jest bardziej zahamowany przy poziomie tlenu poniżej 4 mg/L. W oparciu o te obserwacje przewiduje się, że zakwaszenie oceanu i hipoksja będą miały przeciwstawny wpływ na wzrost otolitu.
Jako pierwszy krok do zbadania względnego znaczenia zakwaszenia oceanu i hipoksji na wzrost otolitu (tj, zmiany w relacji wielkości otolitu do wielkości ryby), przetestowaliśmy niezależne efekty podwyższonego pCO2 i niskiego tlenu rozpuszczonego (DO) w całym zakresie wartości dla każdego stresora w dwóch gatunkach młodocianych ryb: miedziowatych (Sebastes caurinus) i niebieskich (S. mystinus). Wcześniej wykazaliśmy, że zakwaszenie oceanu może upośledzać reakcje behawioralne i fizjologię pływania u miedziokształtnych, z niewielką ilością dowodów na efekty wysokiego CO2 u rafy niebieskiej (Hamilton et al., 2017). Przetestowaliśmy również skutki hipoksji, stwierdzając, że wydajność aerobowa jest upośledzona przy niskich poziomach DO u obu gatunków, a reakcje behawioralne są zmienione u miedzianej rafy koralowej (Mattiasen, 2018). Raki miedziane i niebieskie to gatunki przybrzeżne, które zamieszkują skaliste rafy i złoża kelp. Nowo osiadłe (< 2-miesięczne) osobniki młodociane miedzianej ryby skalnej występują w łuskach kelp w pobliżu powierzchni, podczas gdy osobniki młodociane niebieskiej ryby skalnej (3-4-miesięczne) osiadają i gromadzą się w ławice w pobliżu bentosu (Love i in., 2002). Oba gatunki doświadczają zmian ontogenetycznych w wykorzystaniu siedlisk. Dorosłe miedziokształtne są silnie związane z bentosem, podczas gdy dorosłe osobniki rafy niebieskiej uczęszczają do szkółek w toni wodnej (Love i in., 2002). Kontrast w siedliskach osiedlania się (np. baldachim dla miedzianej rafy koralowej, rafy denne dla rafy niebieskiej) jest zgodny z ich pionowym rozmieszczeniem jako pelagicznych osobników młodocianych: miedziane rafy zajmują warstwy powierzchniowe, podczas gdy rafy niebieskie wydają się zajmować głębsze warstwy (Lenarz i in., 1991). Ponieważ poziomy pH i DO są często pionowo stratyfikowane w słupie wody ze względu na fotosyntezę i oddychanie (Frieder i in., 2012), gatunki te mogą być narażone na różne chemikalia podczas rozwoju, co może wpływać na ich wrażliwość i tolerancję na stresory związane ze zmianami klimatu.
Często wpływ zakwaszenia oceanu i hipoksji na wzrost otolitu był badany oddzielnie i u różnych gatunków, co sprawia, że trudno jest określić względne znaczenie każdego ze stresorów na kierunek i wielkość odpowiedzi na wzrost. Ponadto, wiele poprzednich badań wystawiało osobniki na działanie warunków wysokiego pCO2 i niskiego DO w stosunkowo krótkim czasie (dni do tygodni). Tutaj badamy niezależny wpływ każdego stresora na wzrost otolitu u miedziopłetwych i błękitnych ryb po chronicznej ekspozycji na zmiany w chemii oceanu przez okres 5-6 miesięcy. Na podstawie poprzednich badań przewidywaliśmy, że podwyższone pCO2 spowoduje względnie większe otolity u ryb danej wielkości, podczas gdy niski poziom DO zahamuje wzrost otolitu. Biorąc pod uwagę, że raki miedziane wydają się być bardziej wrażliwe na wysokie CO2 i niskie DO niż raki niebieskie w swoich reakcjach fizjologicznych i behawioralnych, postawiliśmy również hipotezę, że reakcje na wzrost otolitów będą silniejsze u raków miedzianych.