Balıklarda solunum fizyolojisi
Solunum terimi, bir organizmanın hücresi ile çevresi arasındaki gaz (genellikle oksijen ve karbondioksit) alışverişini ifade eder.
Tek hücreli canlılarda, gerekli gaz alışverişi pasif difüzyon ile sağlanabilir. Balık gibi komplex organizmalarda, dokulara yeteri miktarda O2 sağlamak ve CO2’i ortadan kaldırmak için, hem gaz alışverişi için gelişmiş bir yapı (solungaç), hem de bir gaz transfer sistemi (kan ve dolaşım sistemi) gerekir. Su ve dokular arasında osmoregülasyon ve asit-baz dengesini sağlamak gibi, balık solungacının başka fonksiyonları da vardır. Solunum sisteminin, elinde tuttuğu ve transferini gerçekleştirdiği su ve kan ve ayrıca O2 ve CO2 alışverişini sağladığı aşamalarının anlaşılması; balıkların fizyolojik ihtiyaçlarını giderecek ve yüksek derecede sağlık ortamı sağlayacak bir intensive kültür sisteminin mantıklı dizayn ve operasyonunu temin edecektir. Solunumun bütün işlevleri önemlidir, fakat intensive kültür sisteminin tipik özelliği olan yoğun balık stoklamalarında, gaz alışverişindeki etkilerin ani ölümlere neden olması bilinmelidir.
Solungaç çevresindeki sudan transfer edilmesi ve dokulara gönderilmesi gereken O2 miktarı önemlidir. Salmonid gibi aktif soğuk su balıkları için O2 gereksinimi 100 mg.O/kg vucut ağırlığı şeklinde yüksek bir oranda veya daha fazlası olabilir. Aktif olarak yüzen balıklarda, solunum sistemi, 800 mg.O/kg/saat (20 ml.O/min civarında) kadar yüksek oranda O2 sağlayıp, karşılığında büyük oranda CO2 ortadan kaldırmalıdır. Bununla birlikte su, maximum çözünmüş O2’nin 10-12 mg/l’yi nadiren geçtiği O2 fakiri bir ortamdır. Deniz suyunda, mevcut çözünmüş yüksek tuz konsantrasyonu, mevcut DO’yu maximum 8-9 mg/l’ye kadar azaltabilir. Bunun için, balık yaşamının devamı için büyük miktarda suyun solungaçlardan geçmesi gereklidir. Salmonidler için solungaçlardan suyun geçmesi 5-20 l HO2/O2/vücut ağırlığı/saat oranındadır. Çoğu balık gerekli miktardaki suyu ağızlarıyla pompalayarak ve opercular hareketler yaparak sağlarlar. Ağız ve solungaçlar emme basma tulumbası olarak görev yaparlar ve böylece sabit bir su akışı sağlarlar. Haçerideki balıklar için, su alıp verme oranı 40-60 l/dk oranındadır. Suyun yüksek yoğunluk ve viskozitesinden dolayı solungaç ventilasyonunun enerji gideri, en az, tüketilen O2’nin %10’u kadardır. Salmonid, köpek balığı ve tuna gibi aktif balıklar, solungaçları üzerinden gerekli su akışını ram ventilasyonu (Yüzerken ağızını açarak) ile sağlarlar. Örneğin, pasifik salmon, ram ventilasyonunu 1 vücut uzunluğu/saniye’den daha yüksek hızda yüzerek kullanır. Bazı köpek balıkları, ram ventilasyonu ile sınırlandırılmıştır ve yaşamak için sürekli yüzmek zorundadır. Her iki solungaç ventilasyon metodunda da DO’nun %80’ine kadarki kısmımın (teorik olarak) kullanılması mümkündür. Çünkü solungaç anatomisi, ters yönde kan akışını sağlayacak şekilde dizayn edilmiştir (suyun solungaçlar üzerinden akışı, kanın solungaçlar içinden akışına terstir). Gerçek O2 tüketimi türlere göre farklıdır. Alabalıkta %30-40, tunada %70 ve sazanda %70-80’dir. Buna kıyasla, insan havadaki O2’nin sadece %25’ni alabilir.
Su solungaçlardan geçerken, sudaki çözünmüş O2, sekonder solungaç lamelinin ince epitelyal hücrelerinin arasından geçer ve kana difüze olur. Asitlik arttıkça hemoglobinin O2’ye yakınlığı azalır (Bohr etkisi) ve bazı türlerde asitlik, hemoglobinin O2’yi tutmasındaki maksimum kapasiteyi azaltır (Root etkisi). Bu yüzden kan, dokuların kapillar yataklarından geçerken üretilen CO2’in neden olduğu asitlik Hb-O2 ağını zayıflatır ve O2 yoğunluğunun düşük olduğu hücrelere difüze olan O2’nin çıkışını kolaylaştırır. Aynı zamanda, CO2, dokulardan kana difüze olur. O2’in tersine, CO2’in çoğu plazmada erir ve bikarbonat formunda yeniden solungaçlara gönderilir. Kan solungaçlardan geçerken karbonikanhidraz enzimi, HCO3 iyonunu sonra yeniden suya difüze olan CO2 molekülüne hidroliz eder. Bir ünite kanın solungaçlar içinde kalma zamanı, sadece birkaç saniye olduğu için ve kan ve su arasındaki yüksek CO2 basıncından dolayı bu enzimatik reaksiyon son derece hızlı bir aşamadır. Bu yüzden kandaki O2 basıncı 100 mg Hg veya daha yüksek seviyeler arasında değişebilir, kandaki CO2 konsantrasyonu düşük kalır ve çok az değişir. Özellikle aktif soğuk su balıklarında Bohr etkisi büyük olur (kanın düşük CO2 düzeyinde başlar). Aquakültür sistemlerinde, örneğin eğer sudaki çözünmüş CO2 konsantrasyonu 20 mg/l’ye çıkarsa Bohr etkisi salmonidlerin O2 transferini engeller. Karışık kültürü yapılan sıcak su balıkları (Tilapya, sazan, kanal kedi balığı gibi) genellikle çözünmüş CO2 konsantrasyonuna daha az duyarlıdırlar ama, bu yetiştiricilik yöntemi, iyi bir yetiştiricilik işletmesi için, CO2 ’in havuz suyunda birikmesine engel olan durumları sağlamada iyi bir yöntemdir.
CO2’in etkisiyle birlikte, laktik asit üretimi kan asitliğinin yükselmesine ve kanın O2 transferinin bozulmasını neden olur. En genel sebep; beyaz kaslarda O2 olmamasından dolayı kan ve dokularda laktik asit birikmesiyle sonuçlanan aşırı yüzme aktiviteleridir. Bu da heyecan ve stresten kaynaklanır. Örneğin, eğer kanın pH’sı 7,8-7,6’dan 6,0’a düşürülürse toplam hemoglobinin sadece çok az bir yüzdesi O2 ile doyurulabilir.
Root etkisindeki Hb’in normal görevi choroid rete üzerinden O2’i göze ileten moleküler pompa görevi yapmak ve physoclistik türlerde rete mirabile üzerinden yüzme kesesini doldurmaktır. İkinci görevi, salmonidlerde (fizostomları bulunduğu için) önemsizdir ki; havayı emerek yüzme kesesini doldurmaktır. Bununla beraber, salmonid gözündeki normal O2 yoğunluğu, hem kanın, hem de suyunkinden fazladır. Bu da root etkisindeki Hb’in bu balıklarda önemli bir rol aldığını gösterir. Cadmium ve civa gibi ağır !!!!llerin öldürücü seviyelerinin altındaki dozlarına maruz kalma durumunda, root etkisindeki Hb’in normal fonksiyonunun tersi yönde etkilendiği bilinir. Bunun yoğun kültürdeki balığın sağlığı için önemi bilinmemektedir.
Yoğun kültürdeki balıklar için, Bohr ve Root etkisi altında O2 transferinin azalması ile ilgili problemler, kanda yüksek laktik asit konsantrasyonu (Hyperlacticemia) veya kanda yüksek CO2 konsantrasyonu sonucu ortaya çıkar. Genel sebepleri; düşük DO durumları ve heyecandan kaynaklanan aşırı yüzme aktiviteleridir. Ayrıca yetiştirme ve transfer sırasında daha yüksek stoklama yoğunluğu sağlamak için saf O2 kullanarak havalandırma yapmak, aşırı doyurulmuş DO düzeyine ve hipercapnia’ya (yüksek DO’nun solungaç havalandırma oranını baskılaması nedeniyle oluşan bir yan etki) neden olur. Bu ise, CO2 birikmesine ve yüksek arterial PCO2 basıncına neden olur. Kana O2 transferi bundan etkilenmeyebilir. Çünkü daha yüksek arterial PO2, bohr etkisi kaynaklı azalmaları dengeler. Buna ek olarak hipercapnia, dokulara O2 naklini, sadece arta kalan asitliği normal kan dengesini aşarsa veya solunum asidosisi meydana gelirse tehlikeye sokabilir. Suyun kalitesinin iyi olduğu balık kültürlerinde Bohr etkisi kaynaklı O2 naklinin azalması ile ilgili problemler, aşırı yüzme sonunda üretilen laktik asitten dolayı ortaya çıkan !!!!bolik asidosis kökenlidir. Bohr etkisinin solunum baskısının CO2 ve DO konsantrasyonu ile olan ilişkisi ilk kez Basu (1959) tarafından belirlendi. Dokulara yeterli O2 sağlamak için vasat bir yüzme seviyesi oluşturmak için gereken DO seviyesi bunu ortaya çıkarmıştır. Bu minimum miktar, eğer çok az CO2 varsa veya hiç yoksa 6 mg/l’den, Eğer çözünmüş CO2 konsantrasyonu 30 mg/l’ civarına yükselirse, 11 mg/l’den daha yukarı çıkar. Sonuç olarak, salmonid gibi balıkların, DO seviyesinin %80 doygunluk oranının altına düşmemesi şartıyla, yeterli O2’ye sahip olmaları önerilir. Eğer çözünmüş CO2 seviyesi 30-40 mg/l’nin altında tutulmazsa, kanın O2 taşıma kapasitesi, yüksek DO konsantrasyonunun bile yetersiz olduğu, doku hipoksia’sına neden olabilecek seviyelere düşer.
Bohr ve root etkisi kaynaklı solunum baskısı, heyecan ve yüzme aktivitesini azaltmak için dikkatli balık tutumu ile en aza indirilebilir. Yeterli miktarda çözünmüş O2 sağlamanın yanısıra çözülmüş CO2 ‘yi hızla ortadan kaldıran havalandırma sistemi ve su değişim oranı ile de bu sağlanabilir. Pratikte bunlar yoğun kültürdeki balığın ihtiyaçlarını sağlamada gerekli unsurlardır.
Haçeri’deki çözünmüş O2’i balığın tüketme oranı yoğun kültür sistemlerinin sağlanmasında önemlidir. O2 tüketimi, balık naklinde gerekli olan havalandırma miktarı ve istenilen yükleme yoğunluğu için gerekli su alışveriş oranı gibi temel parametreleri belirler. Racewaylerdeki salmonidler en az 100 mg.O/kg/saat ile en fazla 800 mg/kg saat arasında tüketir. Bu seviye, yüzme seviyelerine, su sıcaklığına, zaman, son beslenme ve heyecan, stres derecesine göre değişir. Egzersiz, stres veya su sıcaklığının sonucu olan !!!!bolik ihtiyaçları karşılamak ve O2 tüketim oranını kontrol etmek için hormonal teknikler kullanılır. Hem soğuk su, hem de sıcak su balıklarının solunum oranı karasal omurgalılarda olduğu gibi kanda CO2 yükselmesi ile değil, DO konsantrasyonundaki düşüş ile stimüle edilir. Örneğin, balıklar elle tutularak stres olduğu zaman, adrenalin ve diğer cathekolomine hormonları (hem solungaç perfüzyon miktarını , hem de alyuvar hemoglobininin O2 taşıma kapasitesini artıran hormonlar) üretilir. Bronşal vasodilasyonun yan etkisi olarak suyun normal ozmatik akımı aşırı şekilde yükselir ve bundan sonra vücuttan atılmalıdır. Diüresis’in sonucu çok çarpıcı olabilir, kandaki elektrolitlerin bazıları üretilen çok fazla üre içinde kaçınılmaz bir şekilde kaybolur. Diüresis uzatılırsa, iyon regulasyonunda bozulmalar ortaya çıkabilir. Balık tutulduktan veya nakledildikten 1-2 gün sonra oluşan gecikmiş ölümler büyük ölçüde bu olayın bir sonucudur.
Yoğun kültür sistemlerindeki balıkların O2 tüketimi, hem balığın kültürel prosedürü, hem de doğal gelişmeler nedeniyle arttırılabilir. Bunlardan, tutma nedenli stres, heyecan nedenli arttırılmış yüzme aktivitesi ve beslenmenin doğal aşamaları en önemli olanlarıdır. Örneğin Çelikbaş alabalığı juvenilleri tutulmaktan dolayı strese girerler, O2 tüketimleri 2 kat birden artabilir ve bir veya daha fazla saat yüksek oranda kalır. O2 tüketiminin artması (heyecan ve stres kaynaklı), balıklar nakil tanklarına yüklendikten sonra, birden meydana gelen DO’daki ani düşüşün sorumlusudur. O2 havalandırması varsa, balık bulunan tank suyu 14-16 mg/l’lik DO’ya kadar doyurulmalıdır ki, bu da balıkların O2 ihtiyacını karşılar. Sadece sıkıştırılmış hava varsa, havalandırma sistemini, balık yüklemeden 5-10 dakika önceden başlatmak, suyun doyurulmasını sağlayacağından bir dereceye kadar etkili olacaktır.
Beslenme ve sindirimin doğal aşamaları, balığın O2 tüketimini büyük ölçüde artırır. Çünkü sindirimin, absorbsiyon ve asimilasyonun kalorik maliyeti, geri kalan !!!!bolik kalorinin %40’ı kadardır. Bu etkinin O2 tüketimindeki boyutu (Specific dynamic action of food (SDA) = .Yiyeceklerin spesifik dinamik hareketi) her zaman tam olarak değerlendirilmez. Çünkü beslenme rutin bir operasyondur. Salmonid, kanal kedi balığı ve tilapya için, her defasında balık birkaç saat beslendiği için O2 tüketim oranını %40-50 veya daha fazla arttırmak akıllıcadır. SDA’nın pratik sonucu olarak; balığın hemen tutulmaması veya nakil edilmemesi gerekir. Çünkü, beslenme ve sindirim olaylarına eklenen heyecan ve stres, onların O2 tüketimini, havalandırma sisteminin yeterli DO sağlayamayacak seviyede arttırır. Elle tutulmadan ve nakilden 24-48 saat önce balık beslemeyi durdurmak bu etkiyi önler ve O2 tüketim oranını büyük ölçüde azaltır.
Yoğun kültür sisteminde O2 tüketimini etkileyen diğer önemli faktörler ise; su sıcaklığı ve yüzme aktiviteleridir. Daha yüksek su sıcaklığı, bütün !!!!bolik hızı artırarak O2 tüketimini yükseltir. Bununla beraber yüzme aktivitelerinde O2 tüketimi, kasların kasılması için, Hb doygunluğunu düşürerek kandaki O2‘yi tüketmesi ile yükselir. Gökkuşağı alabalığında, solungaç lamelleri’nin sadece %60’ı kanla perfüze olur. Hızlı yüzmeye dayanan kas kasılması, adrenalin ve diğer cathekolamine hormonlarının dolaşımını teşvik eder. Meydana gelen solungaç perfüzyonun yükselmesi ile birlikte, eritrosistlerin, hücre içi pH’sını artıran, Na / H değişiminin adrenal hormonu tarafından teşviki sağlanır. Bohr etkisi düşürülür ve hem kanda O2 oluşumu, hem de O2 ‘nin dokulara teslimi sağlanır.
Isı ve yüzme aktivitelerinin O2 tüketimi üzerindeki etkisinin gerçek boyutu Brett (1973) tarafından, kontrol altında tutulan pasifik solmonu üzerinde belirlenmiştir. Daha sıcak su, O2 tüketimini bir dereceye kadar artırır. Bununla beraber, yüzmenin etkisi daha çarpıcıdır. İleri atılarak yüzme, özellikle enerji bakımından yoğundur. Çünkü sürtünme etkisi çok yüksektir. Yoğun kültür sistemindeki balığın yüzme aktivitesi genelde daha düşüktür.
Salmon kültüründe racewaylerde su alışverişi öyle ayarlanmalıdır ki, o balığın O2 tüketim oranı, DO’yu son taşma sınırının yaklaşık 6 mg/l aşağısına indirmemelidir. Havalandırma sistemi ayrıca, taşıma kapasitesini artırmak için de kullanılır. Bazı durumlarda DO oranını 14-16 mg/l ‘ye çıkarmak için sıvı O2 kullanılır. Balık nakil sisteminde O2 tüketim oranı, genelde yüksek heyecan ve stres nedeniyle değişkendir. Yakaşık DO doygunluğunu sağlamak için saf O2 kullanılır.
DO, balık tarafından tüketildikten sonra hemen yenilenmezse, O2 tükenmesi meydana gelir. Karasal hayvanların aksine, balığın nefes alma oranı, yükselen CO2 ile değil, düşen DO konsantrasyonu ile stimüle edilir. Alabalık, sazan, kedi balığı gibi türler düşen DO seviyesine, önce ağız ve solungaçlarını kullanıp solungaç havalandırma oranını yükselterek; kan basıncını ve kardial verimi yükseltip solungaçlardan kan akışını artırarak cevap verir. Salmonidlerde, normal DO tükenmesi bile, solungaç havalandırma oranında çarpıcı yükselmelere neden olur. Bu olaylar, ilk olarak O2 alımını yükseltir, fakat daha fazla su akışı da, solungaçlardan her geçişte çekilebilen DO oranını azaltabilir. DO düştükçe kana transfer edilen O2 miktarı da düşer (max %80’den min %15’e). Ayrıca, daha fazla suyun solungaçlar üzerinden hareket ettirilmesi, enerji maliyetini büyük oranda yükseltir (Absorbe edilen O2 ‘nin %10 ‘undan %70’e yükselmesi). Sonuç olarak; O2 elde etmek için harcanan güç, suda çözünmüş O2 miktarı düştükçe ve arterial kandaki O2 basıncı düştükçe yükselir. Arteial kan O2‘si, alyuvardaki Hb %60 doygunluktan daha az olduğu noktaya ulaşıncaya dek azaldığında; solungaç damarlarını genişleterek ve Na/H alışverişini alyuvar membranı ile sağlayıp, hücre içi PH’yı yükselten adrenalin ve diğer cathecolamine hormonları salgılanır. Bir dizi karışık olay sırasında Hb-O2 ilişkisinde değişiklikler ve Bohr ve Root effect kökenli kapasite değişiklikleri, hem solungaçlardaki O2 transferini, hem de O2 ‘nin dokulara yükselmesini kolaylaştırır.
Eğer çözünmüş O2, 5 mg/l’nin altına düşerse, salmonidler, iştahsızlaşırlar. Bu, beslenme ve sindirim sırasında O2 tüketiminde meydana gelen normal yükselmeye engel olmak için geliştirilen bir davranışsal cevaptır. Salmonidlerde, O2‘nin elde edinimi ve kullanımının biyoenerjik maliyeti, DO’nun 2 mg/l civarına kadar tüketilmesinden dolayı ortaya çıkan aşırı enerji ihtiyacı ile başlar ve bilinç kaybı ve hatta ölümle sonuçlanabilir. Aquakültür için önemli olan çoğu sıcak su balığı DO seviyesi 1 mg/l’nin altına düşse bile birkaç saat hayata kalmayı başarır. Ama sonunda meydana gelen doku hipoksiası bilinçsizlik ve ölümle sonuçlanır.
Aquakültür ortamında balığın tükettiği O2 oranını sürekli düşürmek en temel hedeftir. O2 tüketimini artırmak için varolan aynı biolojik ve çevresel faktörlerin çoğu onu düşürmek için de arttırılabilir. Su sıcaklığını azaltma (hipothermia) ve yüzme aktivitesini, heyecanı ve balık tutma sırasındaki stresi düşürmek için anastezik kullanımı en bilinenleridir.