Professoriluento | Katja Anttila

Eräs ryhmäni tutkimusosa-alue on kehittää kalojen kasvatusta niin kalojen hyvinvoinnin kuin myös kalankasvatuksen tuottavuuden näkökulmasta ja hyödyntää tässä kehityksessä fysiologista tietämystä ja tutkimusta lähtien solu- ja molekyylitasolta ja jatkuen kudos- ja elintason kautta linjakkaasti koko eläimen ja populaatioiden tasolle. Kalankasvatuksen ja yhteiskunnan näkökulmasta aihealue on erittäin tärkeä, sillä tulevaisuudessa etenkin kasvatetut kalat tulevat olemaan yksiä tärkeimpiä ja ekologisimpia proteiinien lähteitä ravinnoksi ihmisille johtuen niiden kasvatuksen pienemmästä hiilijalanjäljestä verrattuna esimerkiksi sorkkaeläimiin. Vaikka itse kalankasvatuksen ravintokuormitus vesistöihin on Suomessa erittäin kiitettävästi viime aikoina vähentynyt, joutuvat niin villit kuin kasvatetut kalat silti kohtaamaan erilaisia ympäristöongelmia, jotka ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Ilmaston lämpeneminen on yksi näistä ongelmista ja sen on ennustettu vaikuttavan erityisen voimakkaasti Itämereen. Itämeri on jo tällä hetkellä yksi eniten lämmenneistä meristä maailmanlaajuisesti johtuen mm. sen mataluudesta ja sen lämpötilan on ennustettu nousevan noin asteen vuosikymmenessä. Rehevöityminen ja siitä seuraavat happikadot ovat myös yksiä Itämeren ongelmista ja varsinkin rannikkoseuduilla, jolla kalankasvatus pääasiassa tapahtuu, niitä tavataan yleisesti. Nämä ympäristöongelmat ovat myös vuorovaikutuksessa keskenään. Lämpötilan kohoaminen ensinnäkin heikentää hapen liukoisuutta veteen, toiseksi se nostaa kalojen ja muiden eliöiden aineenvaihduntaa ja täten hapenkulutusta ja kolmanneksi se kiihdyttää rehevöitymistä, minkä seurauksena veden happipitoisuus laskee varsinkin yöaikaan, jolloin kasvit ja levät eivät yhteytä vaan kuluttavat happea. Varsinkin loppukesästä, kun pintavesien lämpötilat ovat koholla, rehevöityminen on huomattavaa ja tämä voi johtaa erittäin alhaisiin veden happipitoisuuksiin. Kalat joutuvat siis kohtaamaan monia ympäristöongelmia samanaikaisesti ja nämä ongelmat ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Viime vuosina ongelmat ovat vain pahentuneet ja ei yksistään keskimääräinen lämpötilan nousu ole ongelma kaloille ja kalankasvatukselle vaan myös sään ääri-ilmiöt ja etenkin helleaallot ovat usein kohtalokkaita niin villeille kuin kasvatetuille kaloille. Viime kesinä olemmekin saaneet lukea lehdistä huolestuttavia uutisia ympäri Suomea tapahtuneista kalakuolemista. Nämä kuolemat ajoittuivat yleensä samoihin aikoihin kuin helleaallot. Kalakuolemat eivät myöskään rajoitu pelkästään Suomeen vaan samanlaisia kalojen massakuolemia niin kalankasvatuksessa kuin luonnossa raportoidaan vuosittain ympäri maapalloa. Miksi kaloja sitten kuolee helleaaltojen aikaan massoittain?

Kalat ovat vaihtolämpöisiä eläimiä, mikä tarkoittaa sitä, että niiden ruumiinlämpötila on sama kuin veden lämpötila. Kalan ruumiinlämpötila siis nousee ja laskee veden lämpötilan mukaan. Samoin erilaiset fysiologiset toiminnot, esimerkiksi hapenkulutus, nopeutuvat lämpötilan noustessa ja tämä fysiologisten toimintojen nopeutuminen on itse asiassa eksponentiaalista verrattuna veden ja ruumiinlämpötilan nousuun. Tämä tarkoittaa sitä, että veden lämpötilan nousu pelkästään kahdella asteella kasvattaa kalan energian- ja hapentarve noin 15-25%. Kaloilla, samoin kuin ihmisillä, sydämen pumppaus ja verenkiertojärjestelmä toimittavat muille kudoksille niiden tarvitseman hapen. Sydämen pumppauskyvyllä on kuitenkin yläraja. Eli lämpötilan noustessa kalan hapenkulutus kasvaa ja samoin kalojen sydämen syke kasvaa turvaten kudosten hapensaannin. Kuitenkin kun lämpötila nousee yli kalan optimilämpötilan, hapenkuljetuskapasiteetti eli sydämen pumppausnopeus ei pysy enää hapenkulutuksen kasvun mukana. Tästä seuraa laskimoveren happipitoisuuden lasku korkeissa lämpötiloissa.

Kalan sydämen toiminnalle tämä laskimoveren happipitoisuuden lasku on erityisen haitallista. Kalan sydän poikkeaa anatomialtaan nisäkkäiden, ihminen mukaan lukien, vastaavasta siten, että kaloilla ei ole ollenkaan sepelvaltimoita tai niitä on vain sydämen pintakerroksessa. Ihmisillä sepelvaltimot kuljettavat sydämeen hapekasta verta turvaten sydämen hapensaannin ja toiminnan niin levossa kuin rasituksessa. Kaloilla sydän saa puolestaan hapen toimintaansa suurimmaksi osaksi diffuusiolla laskimoverestä. Sydän on myös kalan verenkiertojärjestelmässä viimeinen elin, johon laskimoveri tulee ennen kuin se menee kiduksiin hapettumaan. Laskimoveren happipitoisuuden lasku korkeissa lämpötiloissa tarkoittaa siis sitä, että kalan sydän ei saa tarpeeksi happea toimiakseen, mistä on seurauksena mm. rytmihäiriöitä, jotka lopulta johtavat kalojen kuolemaan. Tutkimustemme mukaan juuri sydämen toimintahäiriöt rajoittavat kuljetetun hapen määrää ei niinkään hapensaanti kidusten kautta vedestä eli kala voi saada rytmihäiriöitä, vaikka veden happipitoisuus olisi korkea. Toki veden happipitoisuuden lasku helleaaltojen aikaan ei ollenkaan helpota kalojen tilannetta vaan päinvastoin, se heikentää sitä entisestään. Niin kasvatettujen kuin villien kalojen joukkokuolemia todetaankin etenkin loppukesistä, jolloin ympäristön lämpötilat ylittävät kalojen optimin, että veden happitasot ovat alhaiset.

Mikä sitten rajoittaa sydämen sykkeen kasvua lämpimässä vedessä ennen kuin kala ajautuu sisäiseen hapenpuutteeseen ja rytmihäiriöihin? Tämä on myös eräs ryhmäni tutkimuslinja ja tätä työtä tehdään myös yhteistyössä Itä-Suomen yliopiston kanssa. Emeritusprofessori Matti Vornasen ryhmä on esimerkiksi näyttänyt, että niiden proteiinien, jotka osallistuvat sykkeen aikaansaantiin, toiminta alkaa häiriintymään, kun lämpötila kasvaa. Kaloilta voidaan siis mitata sydänsähkökäyrää eli EKG:tä ihan samoin kuten ihmisiltä ja EKG-signaalissa rytmihäiriöt kaloilla näkyvät esim. AV-katkoksena tarkoittaen sitä, että eteisen supistumisen jälkeen kammio jättää supistumatta. Meidän tutkimusryhmä on lisäksi näyttänyt, että tiettyjen sydänsolujen energiansaantiin liittyvien entsyymien aktiivisuus on kytköksissä kalojen kykyyn sietää korkeita lämpötiloja. Yhteenvetona voidaankin sanoa, että sekä sydänsolujen oma energiantuottokapasiteetti että toiminta, liittyen solujen sykkeen aikaansaantiin, pettää korkeissa lämpötiloissa, mikä johtaa rytmihäiriöihin ja jos ne jatkuvat kauan tai veden lämpötila kohoaa edelleen, on kala vaarassa menehtyä.

Luonnossa kaloilla on kolme eri vaihtoehtoa, miten reagoida lämpötilamuutoksiin. Yksinkertaisin ja nopein vaihtoehto on paeta pinnan kuumuutta syvänteisiin, joissa veden lämpötila on alhaisempi. Tämä ei kuitenkaan ole luonnossakaan täysin mutkaton vaihtoehto. Usein veden happipitoisuus on syvänteissä alhainen, mikä luo omat rajoitteensa kalojen sietokyvyille. Toisaalta syvänteissä ei välttämättä ole kaikille kaloille sopivaa ruokaa tarjolla. Kasvatetuille kaloille lämpöaallot ovat vielä ongelmallisempia kuin villeille kaloille, sillä niillä ei, ainakaan matalissa altaissa, ole mitään mahdollisuutta paeta lämpöaaltoja vaan niiden täytyy pystyä mukautumaan veden lämpötilan kasvuun. Kalat pystyvätkin muuttamaan elintoimintojaan ja jopa anatomiaansa, jos ympäristömuutokset eivät ole liian äkkinäisiä ja radikaaleja. Esimerkiksi ne proteiinit, jotka vastaavat sydämen toiminnasta, voivat muuttua korkeita lämpötiloja paremmin kestäviksi ja täten kalan sydänkin toimii pidempään lämpötilan kohotessa. Tutkimuksemme lohikaloilla ovat näyttäneet, että myös sydämen anatomia voi muuttua ympäristön lämpötilan kohotessa. Lohikaloilla sydämen pinta saa hapekasta verta sepelsuonten välityksellä ja lämpötilan kohotessa maltillisesti, esim. kesän alkaessa, sepelsuonten määrä kasvaa ja samoin alue, jolla suonitusta on. Vastaavasti suonet vähenevät syksyisin. Eli toiminnan lisäksi myös sydämen hapensaantimahdollisuudet kasvavat, jos ympäristön lämpötila nousee maltillisesti. Tämä edelleen parantaa sydämen toimintaa korkeissa lämpötiloissa.

Sydämen toimintaa ei kuitenkaan voi parantaa näin loputtomiin ja jokaisella kalalla on oma yksilöllinen maksilämpötilansa. Kolmas vaihtoehto onkin lajitasolla tapahtuva sopeutuminen korkeampiin lämpötiloihin. Sopeutumat eri ympäristönlämpötiloihin ovatkin johtaneet suuriin eroihin lämpötilansietokyvyssä eri kalalajien välillä. Luonnossa tämä on kuitenkin hyvin hidas prosessi ja vaatii esim. lohikaloilta vuosikymmeniä. Kalankasvatuksessa tällaista geneettistä sopeutumista pyritään hyödyntämään valitsemalla jatkokasvatukseen sopivia sukulinjoja. Tässä jalostusgenetiikan ja fysiologian on hyödyllistä toimia käsikädessä, sillä geneettistä valintaa voidaan kohdentaa juuri niihin proteiineihin ja geeneihin, jotka näyttävät olevan fysiologisesti heikoin lenkki kalan kyvyssä vastata lämpöaaltoihin. Lämmönsietokyvyn periytyminen ei kuitenkaan ole suoraviivaista ja lämmönsietokykyyn vaikuttaa hyvin moni proteiini. Lisäksi ympäristötekijät vaikuttavat lämmönsietokyvyn periytymiseen ja samoin tutkimustemme mukaan myös vanhempien ympäristökokemukset. Täten kasvatettujen kalojen lämmönsietokyvyn kasvattamiseen pitäisi geneettisen jalostuksen ohella miettiä myös muita ratkaisuja.

Tämä on tärkeää, sillä tutkimustemme mukaan kasvatettujen kalojen sydämen toimintakyky on heikompi kuin villien lajikumppaniensa, mikä tekee kasvatetut kalat myös erittäin alttiiksi lämpöaalloille. Eräs syy tähän voi olla se, että luonnossa kalojen täytyy uida aktiivisesti saalistaakseen ja välttääkseen joutumasta saaliiksi ja samoin kalat tekevät luonnossa useiden satojen kilometrien vaelluksia eli villit kalat vastaavat huippu-urheilijoita. Kalankasvatuksessa kalat elävät suojatussa ympäristössä, jossa on helposti ja runsaasti ravintoa saatavilla, millä turvataan kalojen hyvä kasvu. Sydämen toiminnalle tämä ei kuitenkaan ole välttämättä optimaalista, jos kalat eivät joudu koskaan aktiivisesti ”urheilemaan”. Eräs keino kasvattaa kasvatettujen kalojen sydämen toimintakykyä olisikin uinti-treenaus. Tutkimuksissamme tämä tapahtuu yksikertaisesti nostamalla veden virtausnopeutta kasvatusaltaissa, jolloin kalat uivat nopeammin. Uintiharjoitusohjelman täytyy kuitenkin olla optimaalinen – samoin kuin ihmisillä ylitreenaus johtaa stressiin ja jopa kunnon heikkenemiseen, kun taas liian vähäinen harjoittelu ei saa aikaan toivottuja vasteita. Tavoitteenamme onkin löytää optimaalinen harjoitusohjelma lohikaloille, jota voidaan suoraan hyödyntää kalankasvatuksessa tulevaisuudessa.