NV: Zahadný nedostatek vitamínu B1 thiaminu v oceánech. Způsobí konec?

Alastair Bland

Začátkem ledna 2020 upoutaly dezorientované rybičky pozornost zaměstnanců Colemanovy národní rybí líhně v Red Bluffu v Kalifornii. Při pohledu dolů do venkovních nádrží, kterým se říká závodní dráhy, si zaměstnanci zařízení všimli, že mezi tmavými, olivově zbarvenými mraky živých rybek se občas objevují stříbrné střípky ze spodní strany drobných plůdků, které se snaží plavat. Rybky se převalovaly na bok, na chvíli klesly ke dnu, pak se zase vzpřímily, uplavaly několik tahů a zase se převalily.

Mnoho jich také umíralo. I když je několik stovek úhynů denně v zařízení s miliony ryb normální, něco rozhodně nebylo v pořádku.

„[Úmrtnost] se pohybovala v tisících a neklesala,“ říká Brett Galyean, vedoucí projektu v líhni.

Galyean a jeho tým již vylíhli a vypustili do závodních drah šest až sedm milionů ryb – přibližně polovinu roční produkce Colemanovy líhně – a vyhlídka, že o mnoho z nich nebo o většinu z nich přijdeme, se začala zdát velmi reálná.

Pracovníci líhně v Colemanově národní rybí líhni v Red Bluffu v Kalifornii byli poprvé upozorněni na problém ve svých závodních drahách, když viděli, že plůdek lososů plave nevyzpytatelně a leží na boku, jak je vidět na obrázku. Foto s laskavým svolením Bretta Galyeana/FWS

Biologové z Kalifornsko-nevadského centra pro zdraví ryb, laboratoře na místě v líhni, která se nachází na přítoku řeky Sacramento, ryby prohlédli, ale diagnózu nedokázali stanovit. Několik vzorků bylo odesláno na nedalekou Kalifornskou univerzitu v Davisu k dalšímu vyšetření.

V té době, vzpomíná Galyean, začaly ostatní lososí líhně ve státě hlásit neobvykle vysokou úmrtnost ryb. Ať už Colemanovy lososy postihlo cokoli, zřejmě to mělo dopad na ryby v celé severní Kalifornii. Galyean a jeho kolegové se začali obávat, že jejich líhně zachvátil virus.

Když jim denně umíraly tisíce ryb, obrátili se na internet, kde vyhledali publikované výzkumy o nedostatku výživy u pstruhů z Velkých jezer a lososů z východního pobřeží. Před několika desetiletími byl u nemocných a umírajících ryb v těchto oblastech zjištěn nedostatek thiaminu (psáno také jako thiamin) neboli vitaminu B1, základního stavebního prvku života, který je důležitý pro fungování buněk a přeměnu potravy na energii.

Biologové ze Střediska pro zdraví ryb, povzbuzeni tímto zjištěním, provedli pokus, při kterém ponořili asi polovinu plůdku do lázně s vodou a rozpuštěným thiaminovým práškem, a podle Galyeana to zabralo jako mávnutím kouzelného proutku. Po několika hodinách se téměř všechny ošetřené ryby chovaly normálně, zatímco u kontrolní skupiny, která nebyla ošetřena, příznaky přetrvávaly.

Společnost Coleman, stejně jako ostatní líhně, léčbu rozšířila a aplikovala ji na více než milion plůdků. Krátkodobě to pomohlo, ale základní problém to nevyřešilo. Vzhledem k tomu, že ryby získávají thiamin přijímáním potravy a samice předávají živiny svým jikrám, naznačoval tento znepokojivý stav, že v Tichém oceánu, který je posledním místem, kde se ryby živí před vstupem do sladké vody za účelem tření, není něco v pořádku.

Colemanově národní rybí líhni se podařilo problém u ryb dočasně zvrátit tím, že je vykoupala a podala jim injekci thiaminu, ale protože se thiamin syntetizuje v životním prostředí a prochází potravním řetězcem, existují obavy, že něco špatného v mořském prostředí nakonec narušuje produkci a přenos tohoto kritického vitaminu. Foto: Randy Pench/Sacramento Bee/Alamy Stock Photo

Kalifornští vědci, kteří nyní zkoumají zdroj problémů s výživou lososů, přispívají k mezinárodnímu úsilí o pochopení nedostatku thiaminu, což je porucha, která se zdá být na vzestupu v mořských ekosystémech na velké části planety. Způsobuje onemocnění a smrt ptáků, ryb, bezobratlých a možná i savců, což vede vědce od Seattlu po Skandinávii k podezření, že nějaký nevysvětlitelný proces ohrožuje základy potravní sítě na Zemi tím, že ekosystémy ochuzuje o tuto kriticky důležitou živinu.

Thiamin vzniká v nejnižších vrstvách potravní sítě, kde určité druhy bakterií, fytoplanktonu, hub a rostlin syntetizují tuto sloučeninu de novo – což znamená od základu – sestavováním a spojováním stávajících sloučenin do vitaminu B1, který se přirozeně vyskytuje v mnoha formách. Thiamin pak prochází potravním řetězcem a nakonec se dostane do všech živočichů a rostlin na Zemi. Žádný organismus bez něj nemůže žít. U živočichů thiamin spolupracuje s několika enzymy a pomáhá vytvářet energii v buňkách, čímž umožňuje nejzákladnější metabolické procesy. Bez dostatečného množství thiaminu začíná selhávat fungování buněk. Postižená zvířata se chovají abnormálně, trpí neurologickými a reprodukčními poruchami a nakonec mohou uhynout.

Vědci chápou nedostatek thiaminu jako vážné zdravotní riziko u některých lidských populací již téměř sto let, ale až v 90. letech 20. století pomohl kanadský vědec John Fitzsimons tuto poruchu označit za hrozbu pro volně žijící zvířata. V té době pracoval v Ontariu ve společnosti Fisheries and Oceans Canada a snažil se pochopit, proč populace pstruhů ve Velkých jezerech stále klesají, a to i poté, co se výrazně snížilo průmyslové znečištění a zlepšila se kvalita vody. Při studiu jezerních pstruhů narozených v zajetí Fitzsimons pozoroval příznaky, jako je hyperexcitabilita, ztráta rovnováhy a další abnormální chování. Zajímalo ho, zda se nejedná o nedostatek živin, a aby to otestoval, rozpustil ve vodě různé vitaminové tablety a na pstruzích v různých stadiích života, včetně oplozených jiker, podával rybám roztoky injekčně i ve vaně. Cílem bylo zjistit, který vitamin, pokud vůbec nějaký, tento stav vyléčí.

„Zjistilo se, že se jedná o řadu vitaminů skupiny B, a pouze thiamin dokázal zvrátit příznaky, které jsem pozoroval,“ říká.

Fitzsimonsův výzkum, který publikoval v roce 1995, nasměroval další vědce v oblasti Velkých jezer i v severní Evropě, kteří od té doby zjistili nedostatek thiaminu u desítek druhů na severní polokouli. V roce 1998 například environmentální biochemik Lennart Balk a jeho kolega Gun Åkerman ze švédské Stockholmské univerzity publikovali zjištění, že nedostatek thiaminu je příčinou vysoké úmrtnosti mladých lososů atlantských ve švédské řece Dalälven. O několik let později dali thiamin do souvislosti se zvláštním paralytickým onemocněním postihujícím více než dvě desítky druhů ptáků v oblasti Baltského moře. V článku publikovaném v roce 2009 uvedli, že tento stav zřejmě způsobuje, že samice ptáků snášejí méně vajec a přežívá méně vylíhnutých mláďat. Autoři navrhli, že za rozsáhlý pokles ptačích populací může být zodpovědné selhání rozmnožování související s nedostatkem thiaminu.

Nedostatek thiaminu byl zjištěn v suchozemských, sladkovodních a mořských ekosystémech v různých částech světa, včetně švédské řeky Dalälven, kde vědci spojovali jeho nedostatek s vysokou úmrtností mláďat lososa obecného v řece. Foto: Utterström Photography/Alamy Stock Photo

Během několika let Balk a jeho tým mezinárodních spolupracovníků zjistili, že nedostatek thiaminu postihuje modré mušle v Baltském moři a úhoře odchycené na východním pobřeží Severní Ameriky. V té době už vědci věnovali větší pozornost obzvláště zákeřné hrozbě nedostatku thiaminu: jeho subletálním dopadům, které, aniž by jedince zabily, mohou mimo jiné vážně ovlivnit vytrvalost, sílu, koordinaci a paměť. U ptáků může tento stav vedle poruch reprodukce způsobit ochrnutí a ztrátu schopnosti hlasu. Subletální účinky jsou nakonec stejně špatné, ne-li horší než smrtelné, protože mohou poškodit tvory a změnit jejich chování po dlouhou dobu, aniž by si toho vědci byli vědomi. Tento jev, o němž Balk a jeho kolegové psali, by mohl mít zásadní důsledky pro výzkumné úsilí v oblasti volně žijících živočichů několik desetiletí nazpět.

Nedostatek thiaminu se nemusí omezovat ani na vodu. Balk říká, že testoval vzorky jater, mozku a krve losů v jižním Švédsku a měřil hladiny enzymů, které korelují s aktivitou thiaminu. Jeho výsledky podle něj ukazují na „závažný“ nedostatek thiaminu.

V článku z roku 2016 Balk a 20 spoluautorů bili na poplach s hypotézou, že nedostatek thiaminu může být příčinou dlouhodobého poklesu populací volně žijících zvířat. Ve svém článku uvedli, že „velikost populací suchozemských i mořských druhů obratlovců klesla od roku 1970 do roku 2012 o polovinu“ a „od roku 1950 do roku 2010 se celosvětová populace mořských ptáků celkově snížila“ o 70 %. Autoři vysvětlili, že k těmto poklesům dochází rychleji, než by se dalo očekávat u „známých hrozeb pro biologickou rozmanitost“, jako je například ztráta stanovišť.

Do té doby Balk a další vědci jasně identifikovali nedostatečnou hladinu thiaminu u druhů na velké části zeměkoule, ale hlavní příčina nedostatku zůstávala vyhýbavá.

„Říkali jsme si, že to musí být něco ve vzduchu nebo ve vodě,“ říká Tracy Collier, environmentální toxikolog z washingtonského Seattlu, který s Balkem spolupracoval na výzkumu nedostatku thiaminu.

Balk je stejně zmatený, ale je přesvědčen, že na vině je člověk. Vysvětluje, že příznaky, které pozoroval u zvířat s nedostatkem thiaminu, jsou tak závažné, že kdyby byly příčinou přírodní jevy, populace postižených zvířat by už dávno vymizely nebo se přizpůsobily. Balk se domnívá, že lidská činnost nějakým způsobem odčerpává z ekosystémů vitamin B1, a to buď tím, že blokuje jeho produkci, nebo brání jeho přechodu z jedné trofické úrovně do druhé.

Stejně tak si to myslí Dale Honeyfield, který pracoval v americké geologické službě US Geological Survey jako výzkumný chemik a od poloviny 90. let studoval nedostatek thiaminu.

„Lidé jsou do toho nějak zapojeni,“ říká. „Nedostatek thiaminu je skutečně indikátorem toho, že máme narušený ekosystém.“

Vědci předkládají různá vysvětlení toho, co organismy o tuto živinu připravuje, a někteří se domnívají, že měnící se podmínky prostředí, zejména v oceánech, mohou dusit produkci thiaminu nebo jeho přenos mezi producenty a živočichy, kteří se jím živí. Sergio Sañudo-Wilhelmy, biogeochemik z Jihokalifornské univerzity, tvrdí, že oteplování oceánské vody může ovlivňovat populace mikroorganismů, které produkují thiamin a další vitaminy, což může narušit základní chemickou rovnováhu, na níž jsou mořské ekosystémy závislé.

„Při různých teplotách roste různý fytoplankton a bakterie rychleji,“ říká.

To by hypoteticky mohlo umožnit mikroorganismům, které thiamin neprodukují, ale získávají ho prostřednictvím své stravy, konkurovat producentům thiaminu, a tím účinně snížit jeho koncentraci v potravním řetězci.

Takový mechanismus by mohl být důvodem, proč Sañudo-Wilhelmy a několik dalších vědců během výzkumného projektu před deseti lety zjistili nízké hladiny vitaminů skupiny B, včetně thiaminu, ve vzorcích vody odebraných u pobřeží Baja California.

I když mikroorganismy produkují thiamin v hojném množství, musí tento vitamin putovat potravní sítí vzhůru a různé hypotézy z nedávných studií vysvětlují, jak by tento přenos mohl být blokován. Například nadměrný rybolov by mohl tento proces narušit. Tým vědců vedený Samuelem Hylanderem z Linnéovy univerzity ve Švédsku a Maciejem Ejsmondem z Jagellonské univerzity v Polsku navrhl, že úbytek dravých ryb, jako je treska, v Baltském moři by mohl umožnit přemnožení menších druhů ryb, které se živí zooplanktonem, zejména větších druhů, jako jsou kopinatci. To by zase umožnilo, aby ve vodním sloupci převládl velmi malý fytoplankton, který produkuje thiamin. Velcí živočichové, jako jsou ptáci a lososi, se však fytoplanktonem přímo živí jen zřídka. Spíše získávají thiamin poté, co se dostane výše v potravním řetězci. Protože thiamin nepřechází z kořisti na predátora příliš efektivně a jeho velká část se ztrácí při přenosu, může se podle modelování Ejsmonda a Hylandera dostat na vrchol potravního řetězce v narušených ekosystémech jen velmi málo thiaminu.

Přestože je thiamin kriticky důležitou živinou, existuje v tomto příběhu kontraintuitivní zvrat: thiamináza, přirozeně se vyskytující enzym, který thiamin ničí. Thiamináza je přítomna u některých druhů ryb, rostlin a mikroorganismů, z nichž některé zřejmě tento enzym využívají ve svůj prospěch. Například některé rostliny a bakterie mohou využívat thiaminázu ke zpracování thiaminu, který byl poškozen nebo degradován a pro většinu ostatních forem života nemá žádnou výživovou hodnotu. A u některých druhů ryb se předpokládá, že thiamináza podporuje imunitní systém.

Když však větší živočichové sežerou kořist obsahující thiaminázu, enzym rychle zničí thiamin a může vést k nutričnímu deficitu predátora.

Na počátku 20. století se v ekosystému Velkých jezer rozšířil malý invazní druh sledě zvaný alewife, který vytlačil původní druhy potravy v jezerech. Alewife obsahuje vysoké koncentrace thiaminázy, a protože se stal hlavním zdrojem potravy pro jezerního pstruha a další původní ryby, u větších ryb se vyvinul chronický nedostatek thiaminu. Jejich přirozená reprodukční úspěšnost se zhoršila a populace pstruhů se zmenšila. Sága Velkých jezer ukazuje, jak velký dopad může mít jedna jediná živina na celý ekosystém.

Alewife obsahuje thiaminázu, enzym přirozeně se vyskytující u některých druhů, který ničí thiamin. Ryby, které se živí alewife, mají následně vyčerpané zásoby thiaminu, což vede k nutričnímu deficitu. Foto: Martin Konopacki/Alamy Stock Photo

„Je velmi objevné, že nedostatek jednoduchého vitaminu může způsobit úplný kolaps populací v rozsáhlých oblastech,“ říká Donald Tillitt, environmentální toxikolog z US Geological Survey, který studuje nedostatek thiaminu u ryb ve Velkých jezerech již více než 20 let.

V Kalifornii se thiamináza stala hlavním podezřelým v případě lososů v řece Sacramento. V důsledku nedávných změn teploty povrchových vod se změnila nabídka potravních druhů na pobřeží. Čavy v této oblasti se obvykle živí různorodou kořistí, včetně mnoha druhů malých ryb, krilu a olihní. Avšak několik měsíců – a možná i let – před třením v roce 2020 se lososi živili téměř výhradně sardelí severní, druhem bohatým na enzym ničící thiamin.

Úloha thiaminázy v této záhadě se však stala ve vědecké komunitě rozdělujícím bodem. Někteří vědci se domnívají, že tento enzym je hlavní nebo alespoň částečnou příčinou úbytku thiaminu u vyšších organismů, zatímco jiní mají podezření, že se odehrává složitější příběh, v němž byla přerušena produkce thiaminu v rozsáhlých oblastech. V Kalifornii nyní Rachel Johnsonová, rybářská bioložka z Národního úřadu pro oceán a atmosféru, zkoumá nutriční stavy lososů čavyčích v tomto regionu a snaží se pochopit, co je připravilo o tento kritický vitamin.

Johnsonová říká, že zatím není možné zjistit, zda nedostatek způsobuje thiamináza, nebo zda může být důsledkem dopadů na produkci a přenos thiaminu potravním řetězcem.

Balkovi – který se přiklání k vysvětlení narušené syntézy thiaminu – se zdá nepravděpodobné, že by nedostatek thiaminu postihující současně desítky druhů v různých ekosystémech byl důsledkem různých příčin. Tento jev podle něj vyžaduje „pracovní hypotézu, že by se mělo jednat o stejné mechanismy u jasné většiny těchto druhů“.

Honeyfield má také pracovní hypotézu, že nějaká rozsáhlá změna prostředí změnila produkci thiaminu v základně potravní sítě.

„Pokud nedochází k syntéze na dně, pak není žádný zdroj, kterým by se mohli živit horní predátoři,“ říká Honeyfield. „Jak přesně se to projevuje, je velkou, velkou otázkou.“

Balk se domnívá, že vzniká ekologická nouze. Říká, že vzhledem k tomu, že nedostatek thiaminu byl důkladně prokázán jako rozšířený problém, je načase pokusit se identifikovat „původce a mechanismus, který za tím stojí“.

Pozornost však věnuje i širší výzkumná komunita. V roce 2018 provedla skupina 24 odborníků typ přehledu zvaný „horizontální skenování“ více než 100 nových problémů, které by mohly potenciálně ovlivnit divokou přírodu a přírodní systémy planety. Publikovali dokument, v němž se zaměřili na 15 z nich, včetně změn v globálním cyklu železa a používání laserů při lovu hlubinnými vlečnými sítěmi. První na seznamu byla sekce „Nedostatek thiaminu jako možný faktor poklesu populací volně žijících živočichů“. Autoři konstatovali, že nedostatek thiaminu obvykle nezabíjí postižené jedince, ale způsobuje subletální dopady, jako jsou problémy s chováním a reprodukcí, a vyslovili domněnku, že nutriční deficit by mohl nenápadně osekávat populace volně žijících živočichů na severní polokouli.

Početnost kalifornské populace chinooků klesá již několik desetiletí, a to navzdory ochranným opatřením zaměřeným na zlepšení jejich sladkovodního prostředí. Nyní se zdá, že nedostatek thiaminu jejich situaci ještě zhoršuje. Dospělé ryby se loni na jaře a v létě začaly vracet ke tření do středního toku řeky Sacramento a jejích přítoků a v líhních, které sbírají a ručně spojují jejich jikry a sperma, se u mladých ryb opět projevily známky nedostatku vitaminu B1. Většina líhní na řece řešila tento problém koupáním plůdku v roztoku thiaminu, zatímco Colemanovo zařízení navíc podávalo dospělým samicím injekce s thiaminem.

Tato ošetření však nemusí nutně přinést dlouhodobé výsledky a zdravotní stav mladých lososů by se mohl zhoršit, až se dostanou do mořského prostředí, kde má nedostatek zřejmě původ.

„Je to jako poslat dítě s horečkou do školy poté, co mu dáte Tylenol,“ říká Johnson.

Johnson nyní vede studii zahrnující analýzu očních čoček dospělých lososů černoušků.

„Jsou jako malé vrstvy cibule, které archivují, co lososi během svého života snědli,“ vysvětluje. Cílem je „rekonstruovat jejich stravu a zjistit, zda můžeme spojit sardelky konkrétně s nízkou koncentrací thiaminu ve jikrách“.

Tím by se nedostatek thiaminázy, enzymu, který thiamin ničí, dal připsat na vrub. Je však možné, že příčina je hlubší a teprve další výzkum ukáže, zda nějaká změna v životním prostředí vypnula vypínač produkce thiaminu nebo ztížila jeho pohyb potravním řetězcem. Další otázky budou jistě následovat: Kolik druhů je postiženo? Zhoršuje se problém? A pokud problém způsobil člověk, můžeme ho zvrátit?

zdroj, deepl