Kapittel 8. Metamorfose forvandling fra larve til yngel Karin Pittman, Sindre Grotmol, Audrey Geffen og Geir K. Totland

Transkript

1 Kapittel 8. Metamorfose forvandling fra larve til yngel Karin Pittman, Sindre Grotmol, Audrey Geffen og Geir K. Totland Metamorfosen er styrt av innfløkte genetiske reguleringsmekanismer, og er en sårbar utviklingsprosess hvor fiskelarven gradvis blir forvandlet til yngel. I løpet av metamorfosen skifter torsken levesett og levested, fra å holde til i de øvre vannmasser som larve, til å søke skjul ved bunnen som yngel. Selv når fisken ytre sett har yngelens kjennetegn, skjer der fremdeles omfattende endringer i alle indre organer. I perioden rundt startfôring, begynner larven å produsere egne hormoner, som igangsetter metamorfosen. Når ryggraden er ferdig dannet og fisken er over 40 mm lang, betrakter man metamorfosen som avsluttet. Ernæring og miljøforhold som for eksempel lys, temperatur og salinitet, påvirker metamorfose gjennom regulering av gener og hormoner. En av forutsetningene for å oppnå en forutsigbar og helårlig produksjon av yngel med høy kvalitet er å forstå hva som skjer under metamorfosen, og hvordan ulike forhold påvirker den. Når begynner metamorfosen og hva innebærer den? Enkelte angir at metamorfosen hos torsk starter når larven er omkring 12 mm lang, mens andre angir at prosessen starter først når larven er 20 til 25 mm (figur 8.1). Avhengig av hvilke øyne som ser, brukes ulike kriteriene for når metamorfosen starter, og dermed også for hva denne utviklingsprosessen omfatter. Figur 8.1. Utseende hos torskelarver på 8.9 (øverst), 13,9 (i midten) og 27.6 mm (nederst). Merk at det til tross for tre klare dorsalfinner og halefinne allerede ved ca 12 mm SL har torsken fortsatt ikke ferdig ryggrad eller mage før ca mm SL. Foto: Julie Skadal, Universitetet i Bergen. Metamorfosen medfører en serie endringer i torskens indre og ytre oppbygning (morfologi), kroppsfunksjoner (fysiologi) og adferd. Hvilke av disse endringene som blir brukt til å definere metamorfose varierer. Plommesekken inneholder hormoner dannet av morfisken. I perioden rundt startfôring begynner larven å produsere egne hormoner som overtar styringsfunksjoner knyttet til utviklingen. Noen betrakter denne overgangen i hormonkilde som starten på metamorfosen. Alternativt kan man ta utgangspunkt i vekstendringer. Den største veksten hos torskelarven finner sted mot slutten av larvefasen, og etter dette avtar veksthastigheten. I samme periode blir vekstmønsteret endret, og går fra å være sterkt allometrisk, til å bli tilnærmet isometrisk. Ved allometrisk vekst øker størrelsen av organene med forskjellig takt, mens størrelsen øker jevnt i forhold til hverandre ved isometrisk vekst. Disse endringene i vekst blir av noen brukt til å definere starten av metamorfosen. Når den midtstilte finnebremmen blir omdannet til rygg-, hale- og gattfinne, eller når ryggraden er ferdig dannet, og torsken er over 40 mm lang, blir metamorfosen betraktet som avsluttet. Det overstående viser at der ikke finnes én definisjon på metamorfose. Alle organsystemer gjennomgår endringer under metamorfosen slik at fisken blir tilpasset et nytt levesett og habitat. De fleste organer og strukturer blir modifisert slik at de endrer noen av sine funksjoner, for eksempel 1

2 finnebrem, fordøyelseskanalen og sanseorganer. På denne måten innebærer metamorfose hos torsk i større grad videreutvikling av eksisterende organer og vev, enn en tilbakedanning og erstatning strukturer som man finner i larven. Det er derfor ikke vanskelig å forestille seg at metamorfosen er en prosess som strekker seg over en viss periode, fra torskelarven er startfôret til den er blitt en yngel på over 40 mm. I denne perioden kan forløpet av metamorfosen bli påvirket av fôrtype og fôrtilgang, samt miljøfaktorer som temperatur, lysforhold og vannkvalitet. På denne måten vil forhold knyttet til oppdrettsbetingelser kunne innvirke på prosessen, og derigjennom på yngelkvaliteten. Ulike benevnelser blir brukt på perioden før, under og etter metamorfosen. Premetamorfose angir perioden like før startfôring, før de første endringer i kjeveapparatet og ellers i kroppen blir fremtredende. Perioden fra den sterke allometrisk veksten starter, og til man kan observere ytre forandringer, kalles prometamorfose. Klimaks metamorfose betegner perioden med sterkt allometrisk vekst når kroppsforandringer blir synlige med det blotte øyet. Postklimaks metamorfose indikerer sluttfasen der yngelformen blir fremtredende. Hvis utviklingsprosessen i ett organsystem blir forskjøvet, kan dette forstyrre forløpet av hele prosessen, noe som blir betegnet heterokroni. Forandringene knyttet til metamorfosen skjer normalt i en bestemt rekkefølge, som overlapper i tid. De første endringene finner sted i hjerne og sanseorganer, og ved startfôring er disse organene velutviklet, og i tillegg er kjeveapparatet funksjonelt. På dette stadiet er kroppen slank, og har segmental kroppsmuskulatur på hver side av ryggstrengen (notochorden), som fungerer som en midtstilt støttestruktur. En finnebrem omkranser mesteparten av kroppen. Ved startforing er øynene blitt pigmenterte, og huden viser pigmentflekker. Fordøyelseskanalen har en enkel rørform, og leveren og bukspyttkjertelen (pankreas) som er de største fordøyelseskjertlene, er allerede dannet. På dette stadiet er hormonproduserende kjertler, som for eksempel hypofysen og skjoldbruskkjertelen (tyroidea) fungerende. Senere blir skjelettet ferdig dannet. Med andre ord skjer utviklingen i grove trekk i følgende rekkefølge: hjerne og sanseorganer, fordøyelsessystemet, muskulatur, pigmentering og tilslutt forbeining av skjelettet. Disse endringene er avhengige av hverandre og overlapper i tid. I løpet av utviklingen differensieres flere celletyper, og som følge av dette er noen av vevene hos post-metamorfosert torsk annerledes enn de man finner hos larven. Dannelsen av dette mangfold av celletyper skjer ved endringer i genuttrykk, som delvis blir styrt av hormoner. Utvikling av dette cellemangfoldet er grunnlaget for metamorfosen, og dernest for yngelkvalitet. Vi vil i det følgende, i mer detalj, beskrive endringene i de viktigste organsystemene under metamorfosen. For å lykkes med oppdrett av torsk er forståelse av denne normale utviklingsprosessen, og innsikt i hvilke faktorer som påvirker denne et fortrinn. En utfordring i denne sammenhengen er at man fremdeles har ufullstendig kunnskap om metamorfosen hos torsk. Utvikling av sanseorganer og hjerne De viktigste sanseorganer er øyet, sidelinjen, det indre øret og lukteorganet, som alle har viktige funksjoner knyttet til å oppdage føde, oppsøke egnet tilholdssted, og unnslippe rovdyr (predatorer). Allerede ved klekking er disse sanseorganene funksjonelle, men ikke ferdig utviklet. Pigmentering i øynene hos torskelarver er knyttet til evnen å oppdage føde, og i oppdrett gir dette et signal om at torskelarvene kan bli startfôret. Pigment-kornene (melanin) ligger i pigmentceller som omgir de lysfølsomme sansecellene (staver og tapper) i netthinnen. Pigmentcellene bidrar til å regulere lysmengden som treffer sansecellene, og dette muliggjør godt syn under ulike lysforhold. Tappene, som er til stede fra tidlig i larveutviklingen, krever sterk lyspåvirkning, slik man finner i de øvre vannlag. Evnen til farge- og skarpsyn er også knyttet til tappene. Under metamorfosen øker antall staver, som kan reagere ved lav lysstyrke. Parallelt med at stavene blir dannet endrer fisken sin adferd i forhold til lys (fototaksi). Fra å være tiltrukket av lys, og holde seg høyt i vannmassene som larve, vil den i løpet av metamorfosen begynne å foretrekke lavere lysmengder slik at den kan fungere ved bunnen. Dette er en av årsakene til at man ofte benytter relativt høy lysintensitet ved starfôring, for deretter å kunne dempe lyset under metamorfosen, uten at dette minsker evnen til fôropptak. Resten av netthinnens nervecellelag utvikles også under metamorfose, i takt med de endringer som finner sted i stav og tapplaget. Ved klimaks metamorfose, blir netthinnen ferdigutviklet ved at stavene og tappene blir organisert i et regelmessig mosaikkmønster. Netthinnen fortsetter å vokse igjennom hele torskens liv ved at nye celler dannes i en vekstsone langs netthinnens rand. Når det gjelder torskens øyeutvikling gjenstår kartlegging av en rekke forhold. I perioden like etter klekking ligger linsen direkte an mot netthinnen. Øyet vil da være innstilt på skarpsyn i et snevert felt, med en bestemt avstand. Larven er da ikke i stand til å flytte linsen, og derigjennom endre fokusavstand. Dette medfører at larvene krever høy byttedyrstetthet ved startfôring for å kunne oppta tilstrekkelig fôrmengde. Etter hvert øker avstanden mellom linse og netthinne, og evnen til å se skarpt på lengre hold øker. Under metamorfosen dannes noen små muskler inne i øyet, som kan trekke linsen bakover, og dermed 2

3 gi nærsyn (akkomodasjon). Akkomodasjonsevnen, sammen med utviklingen som finner sted i netthinnen, gjør at fisken synsfelt øker både nedover og fremover. I løpet at metamorfosen får dermed torsken større evne til å identifisere og oppsøke byttedyr, slik at man i oppdrett, kan senke tettheten av byttedyr. Torskelarver har et funksjonelt lukteorgan ved klekking. Foran på hodet, i direkte kontakt med vannet, finnes to plater av lukteceller. Disse kan fange opp og reagere på en rekke kjemiske stoffer. Noen av disse stoffene kalles attraktanter, for eksempel enkelte aminosyrer, som blir frigitt av byttedyr, og som virker tiltrekkende på fisken. Ved prometamorfose, blir en luktegrop dannet ved at lukteplatene synker ned, og hudfolder vokser ut, og dekker gropen (figur 8.2). Luktecellene blir nå liggende i en U-formet tunnel som vannet strømmer gjennom. Lukteorganet er ferdig dannet ved klimaks metamorfose, og er da i stand til å reagere på et større antall luktestoffer, og samtidig gi informasjon som gjør at fisken kan bestemme retningen mot kilden. I den samme perioden dannes et stort antall smaksløker i huden, samt i munn- og gjellehule. Figur 8.2. Luktegropen hos en ca 16 mm SL torskelarve er ennå ikke ferdigutviklet til et rørlignende system, selv om lukteplaten holder på å synke nedover (se pil). Foto: Roland Koedijk, Wageningen Agricultural University, Netherlands/Universitetet i Bergen. Etter klekking har torskelarven noen få frie neuromaster, som består av sanseceller med følehår (hårceller). Disse registrerer små bevegelser og trykkbølger i vannet. Neuromastene står på hudoverflaten på hodet og noen få langs kroppen. Antallet øker gradvis, blant annet ved at det dannes grupper av to eller tre neuromaster. I siste halvdelen av metamorfose blir neuromastene organisert i et sidelinjesystem. Dette dannes fra overfladiske renner i huden, som synker ned sammen med neuromastene, for tilslutt å danne et sammenhengende system av kanaler i hoderegionen og langs kroppssidene. Disse kanalene har med jevne mellomrom åpninger mot overflaten, som leder ned mot en gruppe av neuromaster. Fra da av har torsken registrere retningen på trykkbølgene. Sansecellene som registrerer hørsel, orientering i vannet, egenbevegelse og dybde er lokalisert i det indre øret. Dette organet ligger på hver side av den bakre del av hjernen, og er på larvestadiet omgitt av brusk, som blir omdannet til en del av hodeskallen. Det indre øret består av to væskefylte hulrom, forbundet med hverandre, og med tre bueganger. Både i hulrommene og i buegangene er der hårceller, som ligger i grupper. I hulrommene er der, på hver side, tre øresteiner (otolitter) av kalsiumkarbonat, og de to største er dannet allerede før klekking. Otolittene ligger oppå en gruppe av hårceller, som blir påvirket av bevegelser i fisken. Under vekst blir kalsiumkarbonat kontinuerlig lagt ned lagvis på overflaten av hver otolitt, slik at dannes dagsoner som kan observeres (figur 8.3). Analyse av slike soner gir informasjon om fiskens vekst, oppvekstvilkår og fiskens stoffskifte. Hos voksne fisk er de blitt brukt til aldersbestemming, for å anslå veksthastighet og for å identifisere hvilken bestand fisken hørte til. Under metamorfosen påvirkes otolittenes form og dagsoner av en rekke forhold. For eksempel vil dagsonemønsteret avspeile overgangen fra gass- og ioneutveksling over hud, til når gjellene overtar en del av disse funksjonene. I tillegg blir otolittene påvirket av forbeiningsprosessene i skjelettet. Skifte av habitat blir også avspeilet i otolittene, ved at man kan identifisere et såkalt bunnslåingsmerke. Dette merke reflekterer trolig skifte i diett, og de endringer i kroppsfunksjoner som finner sted mot slutten av metamorfosen. Detaljerte studier av otolitter kan derfor være et verktøy for å tolke effekter av oppdrettsbetingelser under metamorfosen. 3

4 Figur 8.3. Otolitter (ørestein) fra i) en torskelarve som viser vekst i form av dagsoner og ii) en torskeyngel som viser bunnslåingsmerket (pil), og en tydelig endring i form. Parallelt med den økende mengden av informasjon fra sanseorganene, som alle gjennomgår en komplisert utvikling under metamorfosen, skjer der en modning av hjerne og ryggmarg, hvor antall nerveceller og baner øker. Den fremste delen av hjernen utgjør luktehjernen, som mottar impulser fra luktegropene. Bak denne ligger synssenteret. Hjernesentrene som står i forbindelse med det indre øret og sidelinjesystemet, er lokalisert til hjernestammen bak synssenteret. Under metamorfosen etableres baner mellom de forskjellige sansesentrene, og til områder av hjernen som styrer muskulatur og bevegelser. Utvikling av fordøyelsessystemet I perioden fra klekking til metamorfosen er fullført, må fordøyelsessystemet kunne ta opp en stadig større mengde næringsstoffer, både til forbrenning og vekst, samt opprettholdelse av andre kroppsfunksjoner. Mot slutten av metamorfosen skjer det, i naturen, også et skifte av habitat, som medfører opptak av nye typer byttedyr. Alt dette avspeiles i utviklingen av fordøyelsessystemet, som bygges helt om og utvikler nye funksjoner. Fra startfôring og inn i metamorfosen, er fordøyelseskanalen hos torsk formet noenlunde som et rett rør, og selv om det er forskjeller mellom funksjoner knyttet til fremre og bakre deler av kanalen, er det vanskelig å trekke klare skiller mellom regioner (Figur 8.4). I denne perioden har larven kun mulighet til å fordøye et begrenset utvalg av fôrtyper/organismer, og det er derfor viktig at larven, under startfôring, tilbys egnede fôrorganismer. Dette er en viktig utfordring i oppdrett, for å øke overlevelsen i denne kritiske fasen. 4

5 Figur 8.4. Utvikling av tarmsystemet hos torsk. Lengdesnitt av 17 dager gammel torskelarve. Sw=svømmeblære, Fg=fortarm, Mg=Midttarm, Hg=Baktarm, N=Notocord, M=Muskel. Figuren er hentet fra Kjørsvik et. al. (2004). Under klimaks metamorfose, etter at både finner og skjell er dannet, blir den fremste delen av fordøyelseskanalen til spiserør og magesekk, mens den bakre delen blir til midttarm med pylorusblindsekker, og til en baktarm. Det første trinn i denne prosessen er dannelse av lukkemuskler som skiller spiserør og magesekk, samt magesekk og midttarm. Slimhinnens overflate øker ved at der dannes folder, og tarmcellene får børstesøm. I magesekkens og tarmens slimhinner blir der dannet kjertler. Celler og kjertlene i tarmen produserer en rekke fordøyelsesenzymer, som for eksempel aminopeptidase, maltase og alkalisk fosfatase. Tarmen vokser i diameter og lengde, og siden fordøyelseskanalens lengdevekst er større enn fiskens totale lengdevekst, danner magesekken og tarmen tilslutt en S-formet slynge. Noen kjertelceller i magesekken skiller ut pepsinogen, mens andre produserer saltsyre (HCl). Det sure miljøet i magesekken bidrar til at pepsinogen splittes til enzymet pepsin, som bryter ned de fleste proteiner. Proteinfordøyelsen øker under metamorfosen, i forbindelse med at utskillelsen av pepsinogen kommer i gang. Det sure miljøet i magesekken bidrar også generelt til nedbrytning av en rekke næringsemner, og utgjør dessuten en viktig barriere mot sykdomsfremkallende virus, bakterier, sopp og parasitter. Leveren og bukspyttkjertelen (pankreas) er de største fordøyelseskjertlene, og de skiller ut henholdsvis galle og fordøyelsesenzymer (bukspytt). Anleggene til disse kjertlene dannes i plommesekkfasen, og utførselsgangene fra disse kjertlene munner ut i midttarmen, mellom magesekken og pylorusblindsekkene. Pankreas hos torsk utvikler seg i løpet av metamorfosen til en forgreinet kjertelstruktur som består av små enheter. Disse ligger i området mellom pylorusblindsekkene, og er vanskelig å se med det blotte øyet. Pankreas produserer blant annet enzymer som bryter ned fett (lipase), proteiner (trypsin, chymotrypsin) og karbohydrater (amylase), samt bikarbonationer som nøytraliserer syre fra magesekken. Den samlede enzymaktiviteten i fordøyelseskanalen øker jevnt fra plommesekkstadiet, og optimal fôring vil ytterligere indusere økt enzymaktivitet, som bidrar til økt vekst. Optimal vekst krever høyt inntak av aminosyrer, som blant annet stammer fra nedbrytning av proteiner. Aminosyrene brukes av larven til å bygge nye proteiner under vekst, og dessuten er aminosyrene, spesielt for fiskelarven, en viktig energikilde. Mekanismene for opptak av proteiner og aminosyrer over tarmcellene endres i løpet av metamorfosen. Produktet som leveren skiller ut er galle, og den inneholder blant annet gallesalter, som gjør at fettet blir emulgert ved at det fordeler seg i små dråper (miceller). Dette er en forutsetning for at fett skal kunne bli brutt ned av lipaser, og deretter absorbert. Ved startfôring hos torsk er lipidabsorpsjon lav, men den øker gradvis i takt med leverens utskillelse av galle og pankreas sin sekresjon av lipaser. Samtidig blir tarmcellene i økende grad i stand til å ta opp fettstoffer og bearbeide disse ved dannelse av lipoproteiner, som er en forutsetning for at fett skal kunne bli transporterr med blodet. Evnen til å lage lipoproteiner øker mot slutten av metamorfosen, og forut for dette er torsken avhengig av at fôret har et høyt innhold av fosfolipider, som blir fordøyet uten gallesalter, fordi de kan danne miceller gjennom en selvsamlingsprosess. 5

6 I løpet av metamorfosen minker vinkelen mellom kjevene og horisontalplanet. Til å begynne med er underkjeven litt lenger enn overkjeven (supraterminal munn), og samtidig med forandringen av kjevevinkelen blir overkjeven lenger enn underkjeven (subterminal munn). Fordøyelsessystemet gjennomgår med andre ord en omfattende utvikling under metamorfosen. Fôret må tilpasses utviklingsstadiet, og fôrorganismene som brukes til startfôring er ikke optimale senere i utviklingen. I oppdrett, vil det i samme kar, alltid være fisk på ulike utviklingsstadier, og som derfor har forskjellige krav til ernæring. For å optimalisere fôringen, er det viktig å kartlegge denne variasjonen ved å ta representative prøver. Ved tolkning av analyser, for eksempel av fordøyelsesenzymer, må man også ta hensyn til denne spredningen. Utvikling av den segmentale kroppsmuskulaturen Det desidert største organ hos torsk er den segmentale kroppsmuskulaturen, som sammen med ryggraden og finnene, utgjør bevegelsesapparatet. Denne muskelmassen utgjør over halvparten av totalvekten, og dens andel av kroppsmassen øker kontinuerlig. Vekst hos torsk er derfor i stor grad en økning av muskelproteiner. Fra larvestadiet og gjennom metamorfosen utvikles den segmentale kroppsmuskulaturen gradvis i takt med endringer i bevegelsesmønster og svømmeaktivitet. På plommesekkstadiet og ved startfôring (premetamorfose) svømmer larven ved hjelp av en bølgeformet bevegelse av hele kroppen. Under metamorfosen blir kroppen mer strømlinjeformet gjennom utvikling og vekst både av hodet og segmentalmuskulaturen. Dette faller sammen med forandring i kroppsbevegelser, slik at fremdriften blir til, først og fremst, ved bevegelse av halen. Denne bevegelsen inngår i et svømmemønster hvor fisken slår med halen flere ganger, for så å gli rolig fremover med rett kropp ( kick and glide ). Kroppsmuskulaturen vokser kraftig både gjennom larvestadiet og under metamorfosen. Muskelcellene i disse stadiene er ikke i samme grad spesialiserte, verken i struktur eller funksjon, som etter metamorfose. I denne perioden er muskelcellene preget av stor celledelingsaktivitet (hyperplasi), men der skjer også vekst i de enkelte muskelcellene (hypertrofi). Tidlig dannes det to hovedtyper muskelceller, som ligger atskilt. Et ytre sammenhengende lag, ligger like under huden, og utvikler seg etter hvert til røde muskelceller. Innenfor dette laget dannes hvite muskelceller, som i løpet av metamorfosen utgjør mesteparten av muskelmassen. I løpet av metamorfosen spesialiseres de to muskelcelletypene, både når det gjelder oppbygning, proteinsammensetning og funksjon, og denne prosessen blir påvirket av hormoner, som for eksempel veksthormon og tyroksin. De røde fibrene har høy tetthet av mitokondrier, som forbrenner fett og glykogen (lagringsform av druesukker) ved hjelp av oksygen (aerob). Dette setter dem i stand til å danne mye energi (ATP), og arbeide sammenhengende uten at de skiller ut store mengder melkesyre. De røde fibrene har i tillegg lav tverrsnittflate, noe som gjør at oksygen lettere transporteres og fordeler seg i hele fiberen. Den røde muskulaturen brukes derfor ved rolig, kontinuerlig svømming. De hvite fibrene får tilslutt få mitokondrier, men mye muskelproteiner (stor tverrsnittflate), og utvikler et stoffskifte som setter dem i stand til å produsere store mengder energi på kort tid, uten tilgang på oksygen (anaerob) ved dannelse av store mengder melkesyre. Denne muskulaturen brukes ved raske bevegelser som ved flukt og angrep. Denne spesialiseringen i to typer muskelvev er svært uttalt hos torsk, og den skjer i løpet av metamorfosen. Fargen på rød muskulatur skyldes den høye blodkarsforsyningen med høyt hemoglobininnhold (røde blodlegemer). Videre inneholder de røde muskelfibrene myoglobin, som transporterer oksygen inne i fibrene, og har rød farge. I tillegg har mitokondriene rødbrun farge. Fargen på den hvite muskulaturen avspeiler et ekstremt lavt antall blodkar og lavt innhold av myoglobin og mitokondrier. Allerede i premetamorfosen er muskulaturen delt i en øvre (epaxial) og en nedre (hypaxial) del, som etter hvert blir skilt av et horisontalt bindevevsdrag. I løpet av metamorfosen får hvert muskelsegment en kompleks tredimensjonal form, som ligner en W der spissene peker bakover. Den røde muskelmassen øker mest i tykkelse langs den midtre del av kroppssiden. I den samme periode dannes der vekstsoner som ligger ut mot kroppssidene, både i den røde og den hvite muskulaturen. Muskulaturen vokser derfor hele tiden både ved hyperplasi og hypertrofi, og etter startfôring er veksten korrelert med økning i antall hvite muskelceller. Temperaturen og oksygentilgangen, under egg- og larvestadiet, synes å ha innvirkning på spesialiseringen av muskelcellene, og på hvor mange celler som dannes tidlig. Et større antall muskelceller vil danne et høyere vekstpotensiale senere i produksjonssyklus. Miljøfaktorer, som temperatur, oksygennivå og diett, i egg-, larveog yngelfase kan derfor påvirke fremtidig vekst. Der er med andre ord to hovedfaser i utviklingen av den segmentale kroppsmuskulaturen hos torsk. Den ene fasen domineres av muskelcelledannelse ved hyperplasi, og av muskelcellespesialisering. I den neste fasen endres arkitekturen i muskulaturen ved dannelse av hypaksial og epaksial muskulatur, der spesielt den hvite muskulaturen vokser ved hypertrofi, mens der samtidig dannes nye celler i bestemte vekstsoner. 6

7 Utvikling av svømmeblæren Svømmeblæren dannes under egg- og larvestadiet, som en utvekst fra ryggsiden av den fremre delen av fordøyelseskanalen. Ved klekking er den derfor forbundet med fordøyelseskanalen via en streng av celler, som muligens danner en åpen kanal. Selve svømmeblæren utgjør på dette stadiet en kompakt kule av celler som ligner de man senere finner langs overflaten av gasskjertelen. Svømmeblæren er omgitt av bindevev, som ved klekking inneholder et lite tett kapillarnettverk organisert som et motstrømssystem (rete). Dette nettverket av blodkapillarer, sammen med gasskjertelcellene, bidrar til at gass kan tilføres svømmeblæren. Før svømmeblæren fylles, omkring fem dager etter klekking, er derfor alle strukturene som er nødvendig for gassfylling til stede. Hvordan svømmeblæren fylles av gass er ikke klarlagt for torskelarven. Noen hevder at torskelarven svelger luft fra overflaten, og at denne presses inn i svømmeblæren gjennom kanalen som forbinder den med fordøyelsessystemet. Ingen har derimot klart å vise om der er en funksjonell kanal. Siden både et rete og gasskjertellignende celler er til stede ved fylling, er det er mulig at svømmeblæren initialt fyller seg selv. Det er vist at en del andre fiskearter har en slik fyllingsmekanisme. Helt sikkert er at under premetamorfosen, blir forbindelsen til fordøyelsessystemet tilbakedannet. Fra da av må svømmeblæren selv produsere eller avgi gass når fisken beveger seg vertikalt i vannet. For å klare dette, blir det mot slutten av metamorfosen dannet en såkalt oval, som er et tynt, blodkarrikt område i svømmeblæreveggen hvor absorbere av gass finner sted. Parallelt med dette øker både gasskjertelen og rete betydelig i størrelse. Gassen i svømmeblæren inneholder mellom % oksygen, som hentes fra hemoglobinet i de røde blodlegemene som strømmer igjennom rete. Gasskjertelen utskiller melkesyre, som, på grunn av motstrømmen i rete, gir en lokal senkning av ph i blodet, med det resultat at oksygengass blir frigitt fra hemoglobin (Rooteffekt), og diffunderer deretter inn i svømmeblæren. Det er derfor viktig å være klar over at svømmeblæren hos torsk først fullt ut blir funksjonell mot slutten av metamorfosen. Overfylling av svømmeblæren hos torsk, både før og under metamorfose, synes å være et tilbakevendende problem i oppdrett. Unormal utvidelse av svømmeblæren kan skyldes et brått trykkfall. De største forskjeller i trykk forekommer i de øvre vannlag, nær overflaten. Dersom en larve, som har stått ved bunnen av et 1 meter dypt kar i lengre tid, raskt bringes til overflaten av kraftige vannstrømmer, vil trykkfallet føre til at svømmeblærens volum umiddelbart vil øke med omkring 10 %. Dette skaper positiv oppdrift som kan føre til at fisken flyter opp. I fasen hvor levende fôr anvendes, benytter enkelte anlegg luftinnblåsing ved bunnen av karet for å skape oppvelling og sirkulasjon. Under slike forhold kan larver bli dratt inn i vannstrømmen, og raskt ført opp mot overflaten. Om en eventuell gassovermetning i vannet har innvirkning på fyllingsgraden til svømmeblæren, er ikke kartlagt, men enkelte undersøkelser peker mot at gassmengden i svømmeblæren øker, selv ved moderat gassovermetning. Utvikling av hud og hudpigmentering Pigmentceller (kromatoforer) hos fisk ligger som regel i underhuden (dermis), men hos torskefisk kan slike celler også finnes i overhuden (epidermis). Pigmentcellene er store med lange tynne utløpere, og de blir klassifisert etter den typen av pigmentkorn som de inneholder: melanoforer (svarte), erytroforer (røde), xantroforer (gule) og iridoforer (sølvblanke). Dannelsen av cellene, deres innhold av pigment, samt spredningen av pigmentkorn i cellen, er under hormonell (melanofor stimulerende hormon og melanin konsentrerende hormon fra hypofysen) og nervøs kontroll. På hodet og langs kroppen av nyklekkede larver kan man finne noen få store melanoforer. Ved startfôring, har hudpigmenteringen kommet lenger, og man kan se både erytroforer og melanoforer i større og mindre flekker fordelt over hele kroppen. I løpet av metamorfose dannes også iridoforer med pigmentet guanine, som gir torsken et mer blankt utseende. Den største pigmentcelledannelsen skjer under metamorfosen, og det er vist at ernæring, og tidspunktet for når visse næringsemner blir tilsatt fôret, påvirker pigmenteringen. Metamorfosen ser derfor ut til å være en kritisk periode for utvikling av normal pigmentering, slik det også er i flatfisk, selv om noen studier tyder på at pigmenteringsmønsteret blir bestemt på larvestadiet. Suboptimal anriking av rotatorier og Artemia har vist å gi mindre rød og gul pigmentering, mens man ved fôring med dyreplankton vanligvis får dannet hele spekteret av pigmenter. Utvikling av skjelettet med spesiell vekt på dannelsen av ryggraden Forbeining av skjelettet hos torskelarven følger et bestemt mønster: først dannes knokler knyttet til næringsopptak (over- og underkjeve), så knokler i kraniegulvet og deretter dannes skulderbuen, ryggrad, halefinne og andre uparete finner, og tilslutt andre knokler i kraniet, parete finner og pterygioforer (knokler som støtter finnestrålene). Den tidlige utviklingen av ryggraden er vist i figur

8 Figur 8.6. Torskeyngel (50 g) med nakkeknekk (øverste bilde). De øvrige bildene viser torskelarver farget med alizarin som farger bein rødt. Bilde 2: 21 dager etter klekking. Knoklene i kjevene, gulvet i hodeskallen og skulderbuen er dannet, mens to små anlegg til neuralbuen (buen som omslutter ryggmargen) på den fremste ryggvirvelen er under dannelse. Bilde 3: 24 dager etter klekking. De tre fremste virvelanleggene kan her sees på ryggsiden av ryggstrengen (notochorden). Bilde 4: 28 dager etter klekking. De syv fremste virvlene er under dannelse. De to piggene som peker mot ryggsiden fra hvert virvelanlegg, er neuralbuer som senere smelter sammen og omslutter ryggmargen. Ringer av bein dannes først inne i notochorden. Disse beinringene er meget tynne og kan lett bli presset sammen slik at misdannelser oppstår. Bilde 5: 31 dager etter klekking. Beinringene til de 13 fremste virvlene er under dannelse. Bilde 6: 52 dager etter klekking er ryggraden ferdig dannet. Legg merke til at neuralbuene på ryggsiden og hemalbuene på buksiden av virvlene er parallelle. Under oppdrett av torsk har man sett en rekke misdannelser knyttet til ryggraden. Ryggraden dannes sent i metamorfosen, og før dette utgjør ryggstrengen (notochorden) et langsgående, aksialt væskeskjelett, som støtter fiskekroppen. Under metamorfosen dannes ryggvirvlene i og rundt notochorden, og disse vokser ved direkte påleiring av bein langs overflaten. Denne påleiringen er størst langs den fremre og bakre kanten av virvelen, slik at den vokser med en karakteristisk timeglassform. Dannelsen av ryggvirvler starter omkring 28 dager etter klekking, avhengig av veksten. Virvel nummer fire dannes først, og deretter dannes virvlene fremover og bakover etter tur. Omkring 50 dager etter klekking er alle virvlene dannet. Overfylling av svømmeblæren kan trolig føre til misdannelse av ryggraden, spesielt like bak kraniet, ved at den presser opp ryggstrengen og virvelanleggene. Denne påvirkningen fra svømmeblæren, og med følgende ryggradsmisdannelse, er trolig årsaken til nakkeknekk, som først kommer tydelig til syne hos yngel. Nakkeknekk har vært et omfattende problem i oppdrett av torsk i intensive systemer også andre arter i startfasen. Utvikling av respirasjon og osmoregulering Torskelarver kan drikke før munnen er åpen, ved at vann passerer gjennom gjellespaltene, som er dannet på et tidligere stadium. Fordøyelseskanalen tar derfor opp både vann og ioner tidlig på larvestadiet. Ved klekking skjer gassutveksling (respirasjon) først og fremst over huden, ettersom gjellene er lite utviklet. Regulering av saltballansen (osmoregulering) skjer i kloridceller som ligger spredt i huden og på gjelleanleggene. Huden er derfor et sentralt organ, både når det gjelder opptak og utskillelse av gasser, og i opprettholdelse av saltballansen. Siden huden ivaretar disse sentrale fysiologiske prosessene hos larven, vil påvirkninger av huden kunne innvirke på respirasjon og osmoregulering. På larvestadiet er det lite hemoglobin på grunn av et lavt antall røde blodlegemer, 8

9 og blodet transporterer derfor lite oksygen og karbondioksid på dette stadiet. Mesteparten av gassutvekslingen skjer ved passiv diffusjon over huden, direkte til og fra de enkelte organer. I løpet av metamorfosen endres utseende til de røde blodlegemene, som blir små og avlange, og antallet øker kraftig. Om torskelarven har andre hemoglobintyper med andre egenskaper enn de som finnes hos yngel, er ikke undersøkt. Hos larver av regnbueørret og sebrafisk, er der imidlertid funnet en rekke ulike hemoglobintyper, som kan ha høyere affinitet for oksygen, og en lavere følsomhet for endringer i ph. Overgangen fra at respirasjon og osmoregulering gjennom huden, til at gjellene overtar disse funksjonene, finner sted i løpet av metamorfosen, og mange betrakter denne prosessen som kritisk. I denne perioden får gjellene sekundærlameller med et respiratorisk kapillarnettverk. Sekundærlameller blir synlig omtrent 12 dager etter klekking, og utvikles først på andre og tredje gjellebue (torsk har fire respiratoriske gjellebuer). I løpet av metamorfosen, omkring 70 dager (avhengig av vekst) etter klekking, er gjellene blitt fullt utviklet. I den samme periode overtar gjellene osmoreguleringsfuksjonen til huden ved at kloridcellene i huden tilbakedannes, og antallet øker i gjellene. Utvikling av hormonproduserende organer Metamorfosen er styrt av innfløkte genetiske reguleringsmekanismer, som synkroniserer utviklingen av de ulike organer blant annet gjennom hormonelle systemer (endokrine organer). Det som kjennetegner hormonene er at de, i motsetning til andre sekreter, skilles ut fra den aktuelle kjertelen og direkte inn i blodet, som transporterer dem til målceller, hvor de kobler seg til spesifikke mottagerstoffer (reseptorer). Slike hormonreseptorkomplekser igangsetter en rekke prosesser i målcellene, både knyttet til stoffskifte og genetiske regulering, og derigjennom endrer cellens funksjon. Hormonene tilhører vidt forskjellige stoffgrupper, som for eksempel proteiner, peptider, steroider og omdannede aminosyrer. Selv om navnene på de ulike hormoner gjerne er knyttet til en virkning, for eksempel vekst hos veksthormon, har alle hormoner en rekke virkninger knyttet til forskjellige celler i ulike organer. Plommemassen inneholder en rekke hormoner, som er produsert av morfisken, og disse påvirker og styrer utviklingsprosesser både i fosteret (embryo) og i larven. Stamfiskens ernæringsstatus vil derfor påvirke larven, og derigjennom også metamorfosen. Ved startfôring er larvens egne endokrine systemer blitt funksjonelle (Figur 8.7, 8.8 og 8.9). 9

10 Figur 8.7. Lengdesnitt som angir lokalisering av hypofyse (bilde øverst, under hjernen) og tyroidfolliklene (bilde nederst, under tungebein) hos en 12.8 mm SL torskelarve. Pilene angir lokalisering av hver av disse hormonproduserende organer. Torskens snute er til høyre på bildene. Foto: Espen Grøtan, BIO UiB/Marine Harvest. 10

11 Figur 8.8. Lengdesnitt av torskelarvaer fra 7.6 mm (øverst) til 12.8 mm (midten) og til 19.2 mm SL (nederst) som viser hvordan hypofysen, et meget viktig hormonproduserende organ, øker under metamorfose. Hypofysen produserer veksthormon, tyroid stimulerende hormon, melanin (pigment) stimulerende hormon og en rekke andre sentrale hormoner. Torskens snute er til høyre på bildene. Foto: Espen Grøtan, BIO UiB/Marine Harvest. 11

12 Figur 8.9. Lengdesnitt av torskelarvaer fra 7.6 mm (øverst) til 12.8 mm (midten) og til 19.2 mm SL (nederst) som viser hvordan tyroidfolliklene (mørklilla rundinger) øker i antall og volum under metamorfose. Tyroidfolliklene produserer tyroksin, som er et av de viktigste hormonene for utvikling og metamorfose. Torskens snute er til høyre på bildene. Foto: Espen Grøtan, BIO UiB/Marine Harvest. Den hormonelle reguleringen av metamorfosen er ikke fullt ut forstått, men det er påvist, i ulike marine fiskearter, at visse hormoner er spesielt aktive under metamorfosen: tyroksiner fra skjoldbruskkjertlene (tyroidea), som ligger langs bukpulsåren (ventral aorta); veksthormon og prolaktin fra hypofysen som ligger på undersiden av hjernen og kortisoler fra interrenallegemene i nyren. Hypofysen vokser i størrelse og kompleksitet under larvestadiet og under metamorfosen. Utskillelse av hormoner fra hypofysen er styrt av nerveceller i hjernen (hypothalamus). Hormonene fra hypofysen styrer direkte, eller indirekte, produksjon og utskillelse av hormoner i en rekke andre endokrine kjertler, og på denne måten har hjernen en overordnet funksjon i den hormonelle regulering. Under premetamorfose, omkring startfôringen, er der en økning i egenproduserte kortisoler. Økningen i kortisoler løper forut for en økning i nivået av tyroksin under klimaks metamorfose. Hos torsk er tyroidea tilstedet ved startfôring, og kjertelens volum viser en økning under metamorfose. Tyroksin påvirker vekst og utvikling av de fleste vev (differensiering), og er derfor sentral i styringen av de omfattende endringene som finner sted i alle organsystemer under metamorfosen. Mengden veksthormon og prolaktin, som begge har brede spektre av virkninger (prolaktin har over 70 kjente biologiske virkninger i fisk), synes å følge det samme mønsteret som tyroksinutskillelsen, uten at dette er grundig undersøkt hos torsk. I tillegg til å styre utviklingsprosessene i fiskekroppen, bidrar det endokrine system til at fisken kan tilpasse seg endringer i miljøet, som for eksempel endringer i temperatur, oksygennivå, salinitet og lysforhold. En rekke biologiske prosesser under metamorfosen er påvirket av lysintensitet og fotoperiode. Lysforholdene blir registrert av pinealorganet, en utposing fra ryggsiden av hjernen, som ligger under et vindu i skalletaket. I takt med lys og mørke (fotoperiode), utskiller pinealorganet melatonin, som har bred biologisk virkning med reseptorer i de fleste vev. Melatonin deltar i utviklingen av en rekke organer under metamorfosen, for eksempel netthinnen, hjernen og skjelettsystemet. I tillegg, påvirker melatonin utskillelse av andre hormoner, som for eksempel veksthormon. Gjennom delvis å regulere veksthormonutskillelse påvirker melatonin både vekst, stoffskifte og appetitt. Det er vist at hos torsk på larvestadiet, vil konstant lys med høy lysintensitet gi en økning i stoffskifte på mellom 30 og 40 %, sammenlignet med larver som går i konstant mørke. Denne effekten avtar i løpet av metamorfosen. Effekten av høyt melatoninnivå i første del av metamorfosen kan derfor være knyttet økt appetitt, og utvikling av organer som forbedrer evnen til å fange byttedyr, for eksempel sanseorganer som øyet, lukteorganet og sidelinjesystemet. Hos kveite har man også sett at fotoperioden kan innvirke på metamorfosen, og at dannelsen av hemoglobin blir fremskyndet ved kortere daglengde. Dette understreker at pinealorganet gjennom sin utskillelse av melatonin, knytter fotoperiode som miljøfaktor, til styringen av metamorfosen. Effektene av fotoperiode er allerede påvisbare på larvestadiet. Utvikling av de endokrine organer under metamorfosen, og deres evne til å produsere og skille ut hormoner, er påvirket av ernæringsstatus, noe som igjen understreker betyningen av optimal fôring. Disse forholdene vil derfor selvsagt påvirke yngelkvaliteten. Som nevnt over, gjennomgår hjernen en omfattende utvikling under metamorfosen. Ernæringsstatus, i tillegg til direkte å påvirke utviklingen av hormonproduserende kjertler, influerer også utviklingen av hjernen, og dermed sannsynligvis også de deler av hjernen som styrer hormonsystemet. Videre er det vist at sammensetning av dietten kan påvirke for eksempel den tidlige utviklingen 12

13 av skjelettet, og derigjennom yngelens utseende. Slik feilutvikling, kan være et resultat av unormal hormonpåvirkning, og/eller en direkte effekt av feilernæring. Oppsummering En forutsetning for å produsere torskeyngel av høy kvalitet, er at torsken gjennomløper en normal metamorfose. Metamorfosen er ikke en klart definert utviklingsprosess med klare kriterier for start- og sluttpunkt. Prosessen blir styrt av genetiske reguleringsmekanismer via kompliserte endokrine prosesser. Sammensetning av plommemassen innvirker på metamorfosen, både gjennom innhold av næringsemner og hormoner, som er produsert av morfisken. Tidlig på larvestadiet danner torsken egne hormonproduserende kjertler, og metamorfosen er i stor grad styrt av et komplisert samspill mellom hormoner fra disse kjertlene. Veksthormon, prolaktin, tyroksiner, kortisoler og melatonin, er spesielt viktig under metamorfosen. Ernæring og miljøforhold, som for eksempel lys, temperatur og salinitet, har innvirkning på metamorfose gjennom regulering av gener og hormoner. I løpet av metamorfosen skjer der omfattende endringer i alle organsystemer. Hjernen og sanseorganer som øyet, luktegrop, sidelinjesystem og det indre øret, gjennomgår endringer som setter fisken i stand til å føre et mer aktivt liv i nye omgivelser. Fordøyelsessystemet forandres fra å ha en enkel rørform, til å få spesialiserte regioner som spiserør, magesekk, midttarm med pylorusblindsekker og baktarm. I tillegg utvikles fordøyelseskjertler som lever og bukspyttkjertel. Den segmentale kroppsmuskulaturen spesialiseres i form og funksjon, ved at det blir dannet rød og hvit muskulatur. Svømmeblæren avsnøres fra fordøyelseskanalen, og får trykkregulerende strukturer, i form av en gasskjertel og en oval. Grunnlaget for utvikling av normal hudpigmentering, blir lagt i løpet av metamorfosen, ved at der dannes en rekke ulike pigmentholdige celler, og hvis denne prosessen blir forstyrret, vil torsken bli feilpigmentert. I den siste fase av metamorfosen blir ryggraden dannet, og knoklene i hodeskjelettet og i finnene blir forbeinet. En rekke misdannelser i skjelettet kan oppstå i denne perioden, selv om de først kommer til syne når fisken blir større. I løpet av metamorfosen skjer der også en overgang fra respirasjon og osmoregulering over huden, til at gjellene overtar store deler av disse funksjonene. I takt med dette øker blodet sin evne til å transportere gasser knyttet til respirasjon, ved at der dannes mer hemoglobin og flere røde blodlegemer. Selv om en rekke forhold knyttet til den komplekse utvikling av organsystemene hos torsk ikke er tilstrekkelig undersøkt, vet vi at metamorfosen er en ømfintlig prosess som strekker seg over tid, og lett påvirker kvaliteten på yngelen. En av forutsetningene for å oppnå en forutsigbar og helårig produksjon av yngel med høy kvalitet, er derfor en dypere forståelse av samspillet mellom torskens metamorfose, ernæringen og ulike miljøfaktorer. Referanser og anbefalt litteratur Kjørsvik E, Pavlov D & Pittman K (2004). From fertilization to metamorphosis - functional development. Ch 6. In: Moksness E, Kjørsvik E & Olsen Y (eds.) Culture of Coldwater Marine Fish, Blackwell Science, Oxford, UK, pp Morrison C (1993). Histology of the Atlantic cod, Gadus morhua: An Atlas. Part Four Eluetheroembryo and Larva. Canadian Special Publication of Fisheries and Aquatic Sciences 119, National Research Council of Canada Pedersen T & Falk-Petersen IB (1992). Morphological changes during metamorphosis in cod (Gadus morhua L.) with particular reference to the development of the stomach and pyloric caeca. Journal of Fish Biology 41: Totland G, Kryvi H & Grotmol S (2004) Torskeyngel med nakkeknekk utgjør et av hovedproblemene i intensivt oppdrett i dag. I: Agnalt A, Ervik A, Kristiansen TS & Oppedal F (red.), s , HAVBRUKSRAPPORTEN 2004, Fisken og Havet, Særnr