Carbon dioxide (CO2) levels have increased dramatically in the atmosphere and the ocean under the past two centuries (Sabine et al., 2004). Detta har haft direkta effekter på havet: det globala genomsnittliga pH-värdet i ytvatten har minskat med 0,1 enheter sedan den industriella revolutionen och förutspås minska med så mycket som 0,4 enheter fram till 2100 (Orr et al., 2005). Exponeringen för reducerade pH-värden varierar naturligt mellan olika marina ekosystem. Till exempel utsätts marina livsmiljöer nära kusten längs USA:s västkust redan för dag- till veckolånga exponeringar av frätande, undermättade (i aragonit) vatten som motsvarar de förhållanden som troligen kommer att uppstå när den ökande koldioxidhalten i atmosfären leder till förändringar i havets kemi och fysikaliska drivkrafter under de kommande decennierna (Feely et al., 2004; Gruber et al., 2012). Detaljerade oceanografiska prognoser som modellerar pH-dynamiken i Kalifornienströmmen visar att kroniskt låga pH-värden, utöver den säsongsvariation som beror på uppvandring (Hofmann et al., 2011), kommer att förekomma under de kommande 40 åren (Gruber et al., 2012). Således kan många tempererade arter redan i slutet av århundradet uppleva prognoser för pH under korta perioder, och exponeringen för dessa förhållanden med lågt pH förutspås bli mer frekvent och längre i framtiden.
Förutom pågående havsförsurning förutspås hypoxiska händelser också förekomma oftare i framtiden, särskilt i Kalifornienströmmen (Bograd m.fl., 2008; Hauri m.fl., 2009; Morel m.fl., 2010; Gruber, 2011). Uppströmning för med sig pulser av djupt vatten med hög halt av näringsämnen men låg halt av syre till bentiska livsmiljöer nära kusten. Cykeln med ökad fytoplanktonproduktivitet som drivs av höga näringsnivåer från uppvällning och avrinning från kusten, följt av mikrobiell nedbrytning och därmed sammanhängande syreförbrukning, kan sänka syrehalterna ytterligare. Uppvandring är vanligare på våren och sommaren och kan därför utsätta ett stort antal tempererade marina arter för syrefattigt vatten med lågt pH-värde under kritiska rekryteringsperioder. Denna mekanism med klimatdriven intensifiering av upwelling kan bidra till observationen att hypoxiska händelser har ökat i frekvens, varaktighet och rumslig utbredning längs USA:s västkust (Schwing och Mendelssohn, 1997; Snyder m.fl., 2003; Grantham m.fl., 2004; Chan m.fl., 2008). Ytterligare observationer visar att minskande DO-koncentrationer har förekommit under de senaste decennierna i Kaliforniens strömområde (Bograd et al., 2008; McClatchie et al., 2010; Booth et al., 2014), delvis som ett svar på uppvärmning och storskaliga oceanografiska processer. Minskade syrehalter kan leda till ökad subdödlig stress för marina organismer, även om koncentrationerna förblir över tröskelvärdet för hypoxi (som i allmänhet definieras som att det inträffar runt 2 mg O2 L-1, Vaquer-Sunyer och Duarte, 2008).
Marina arters känslighet för havsförsurning och hypoxi beror på deras fysiologiska förmåga att tolerera miljöstressorer. Sjögräs, ryggradslösa djur och fiskar är olika känsliga för förändringar i havskemin (Kroeker et al., 2013), där vissa arter uppvisar negativa effekter medan andra uppvisar neutrala eller positiva reaktioner. Nya studier av unga fiskar har visat att utvecklingen i vatten med lågt pH resulterar i försämring av luktsinnet (Munday et al., 2010), förändringar i auditivt beteende (Simpson et al., 2011; Rossi et al., 2016), störningar i hjärnans lateralisering (Domenici et al., 2011), ökade ångestnivåer (Hamilton et al., 2013) och minskad förmåga till aerob aktivitet (Munday et al., 2009; Hamilton et al., 2017). Sammantaget har metaanalyser visat att en rad livshistoriska och beteendemässiga egenskaper påverkas av förhöjda CO2-nivåer hos vissa marina fiskarter, medan andra arter verkar vara mer toleranta mot dessa förändringar, särskilt de som lever i dynamiska tempererade miljöer (Cattano et al., 2018).
Hypoxi kan på samma sätt ha skadliga effekter på tidiga livsstadier hos teleostfiskar. Extremt låga syrehalter leder vanligtvis till dödlighet. Vid måttliga nivåer inkluderar subletala effekter ökad förekomst av larvdeformiteter, mindre storlek vid kläckning, andningssvårigheter och metabolisk depression (Boutilier et al., 1998; Landry et al., 2007). Hypoxi har också visat sig påverka rovdjursbeteendet, så att fiskar i hypoxiska förhållanden uppvisar minskad reaktionsförmåga på rovdjurssignaler, försämrad rörelseförmåga och förändringar i skolningsbeteendet (Domenici et al., 2007). Jämfört med andra marina taxa är fiskar ofta mer känsliga för syrebrist och kan uppvisa subletala effekter av syrefattig exponering, t.ex. minskad tillväxt och matning, vid syrekoncentrationer under 4,5 g/L, med dödliga koncentrationer mellan 1 och 2 mg/L (Levin, 2003; Vaquer-Sunyer och Duarte, 2008).
Vissa studier har indikerat att exponering för vatten med hög CO2-halt resulterar i en ökad tillväxt av otoliter (öronstenar) hos vissa fiskarter (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), med effekter som förstärktes när CO2-nivåerna ökades från 1000 till över 4000 μatm. Allometrin för somatisk och otolittillväxt kan också förändras av havsförsurning, vilket återspeglas i förändringar i förhållandet mellan fiskstorlek och otolitstorlek (Réveillaca et al., 2015; Di Franco et al., 2019). Däremot har andra studier inte visat några effekter av förhöjd koldioxid på otolittillväxt eller förhållandet mellan fiskstorlek och otolitstorlek hos andra fiskarter inom liknande områden med förhöjd koldioxid (Franke, 2011; Munday et al., 2011b; Simpson et al., 2011; Frommel et al., 2013; Perry et al., 2015). Med tanke på otoliternas betydelse för hörsel, balans och rumslig jämvikt har vissa studier indikerat att havsförsurning har kapacitet att påverka sensoriska funktioner (Simpson et al., 2011; Munday et al., 2011a; Bignami et al., 2013; Rossi et al., 2016), medan andra studier har kommit fram till tvetydiga resultat (Shen et al., 2016). Hypoxi tycks däremot typiskt sett hämma otolittillväxten jämfört med fiskar som föds upp under normoxiska förhållanden (Sepulveda, 1994; Hales och Able, 1995). Storleken på tillväxtreaktionen verkar vara relaterad till intensiteten och varaktigheten av den upplevda hypoxien, där otolittillväxten är mer nedtryckt vid syrenivåer under 4 mg/L. Baserat på dessa observationer förutspås havsförsurning och hypoxi ha motsatta effekter på otolittillväxten.
Som ett första steg för att undersöka den relativa betydelsen av havsförsurning och hypoxi på otolittillväxten (dvs, förändringar i förhållandet mellan otolitstorlek och fiskstorlek) testade vi de oberoende effekterna av förhöjt pCO2 och lågt löst syre (DO) över ett intervall av värden för varje stressfaktor i två arter av ung stenfisk: kopparstenfisk (Sebastes caurinus) och blå stenfisk (S. mystinus). Tidigare har vi visat att havsförsurning kan försämra beteendemässiga reaktioner och simfysiologi hos kopparrockfisk, med få bevis för effekter av hög CO2 hos blå rockfisk (Hamilton et al., 2017). Vi har också testat effekterna av hypoxi och funnit att den aeroba prestandan försämras vid låga DO-nivåer hos båda arterna och att beteendemässiga reaktioner förändras hos kopparrockfisk (Mattiasen, 2018). Kopparrockfisk och blå rockfish är kustnära arter som lever på klippiga rev och tångbäddar. Nyligen etablerade (< 2 månader gamla) kopparrockfiskjuveniler förekommer i tångskiktet nära ytan medan blå rockfiskjuveniler (3-4 månader gamla) etablerar sig och aggregerar sig i skolor nära benthos (Love et al., 2002). Båda arterna upplever ontogenetiska förändringar i användningen av livsmiljöer. Vuxna kopparrockfiskar är starkt förknippade med bentiska, medan vuxna blå rockfiskar går i skolor i mitten av vattnet (Love et al., 2002). Kontrasten i livsmiljöer för bosättning (t.ex. trädkronor för kopparrockfisk, bentiska rev för blå rockfisk) stämmer överens med deras vertikala fördelning som pelagiska ungfiskar: kopparrockfisk upptar ytskikt, medan blå rockfisk tycks uppta djupare skikt (Lenarz et al., 1991). Eftersom pH- och DO-nivåerna ofta är vertikalt stratifierade i vattenpelaren på grund av fotosyntes och andning (Frieder et al., 2012) kan dessa arter utsättas för olika kemier under utvecklingen, vilket kan påverka deras känslighet och tolerans för stressfaktorer i samband med klimatförändringarna.
Ofta har effekterna av havsförsurning och hypoxi på tillväxten av otoliterna undersökts separat och i olika arter, vilket gör det utmanande att identifiera den relativa betydelsen av endera stressfaktorns betydelse för tillväxtreaktionens riktning och storlek. Dessutom har många tidigare studier utsatt individer för höga pCO2- och låga DO-behandlingar under relativt korta tidsperioder (dagar till veckor). Här undersöker vi de oberoende effekterna av varje stressfaktor på otolittillväxten hos koppar och blå rockfish efter kronisk exponering för förändringar i havskemin under en period på 5-6 månader. Baserat på tidigare studier förutspådde vi att förhöjt pCO2 skulle resultera i relativt större otoliter för en fisk av given storlek, medan låga DO-nivåer skulle dämpa otolittillväxten. Med tanke på att kopparrockfisk verkar vara mer känslig för hög CO2 och låg DO än blå rockfisk i sina fysiologiska och beteendemässiga reaktioner, antog vi också att reaktioner på tillväxt av otoliter skulle vara starkare hos kopparrockfisk.