Otoliidid

Otoliidid ehk kuulmekivikesed on kalade sisekõrvas asuvad paarilised kristallilised struktuurid, mida kasutatakse kuulmiseks ja tasakaalu hoidmiseks.
Otoliitide mõned ainulaadsed omadused võimaldavad neid kasutada ihtüoloogilistes uuringutes ja töödes, näiteks kala vanuse määramiseks ning liikumismustrite ja päritolu väljaselgitamiseks. Sellised teadmised on väga olulised kalavarude jätkusuutlikumaks majandamiseks ja looduskaitseliste meetmete rakendamiseks.

Kalade sisekõrv

Selgroogsete kõrv hakkas tekkima nende arengu väga varases staadiumis, ilmselt algselt keha liikumise ja paiknemise tajumiseks gravitatsiooni suhtes. Kõrv on praeguseks arenenud põhiliselt helide tajumise vahendiks.
Kõikide selgroogsete sisekõrvas on sarnaseid tunnuseid, sealhulgas kolm poolringikujulist kanalit. Kalade sisekõrv asub enamasti peaaju all. Sisekõrva seesmine aparaat on keerukas kilelabürint (membranous labyrinth), mis on täidetud endolümfiga ning suletud kõhrest ja luust kuulmekihnuga. Sisekõrv koosneb kolmest üksteise suhtes risti asuvast lookkanalist, keskjuhast ja õõnsast jätkest ehk teost. Lisaks on kaladel ja enamikul mitteimetajatest selgroogsetel kolm otoliidiorganit: ümarkotike, ovaalkotike ja lageen. Iga otoliidiorgan sisaldab kaltsiumkarbonaadist kristallilisi struktuure, mis kaladel on tahenenud ühtseks massiks ehk otoliidiks. Ümarkotikeses paikneb sagitta, ovaalkotikeses lapillus ja lageenis asteriscus. Kaladel osalevad otoliidid ennekõike kuulmises ja gravitatsiooni tajumises ning tasakaalu hoidmises.

Sisekõrva ehituse mitmekesisus

Kalade sisekõrva ehitus on liigispetsiifiline. Sisekõrva kuju ja suurus võib olla seotud kala üldise suurusega, kuid võib olla kujunenud ka vastavalt funktsioonile. Sisekõrvas on eriti suur mitmekesisus otoliitide kuju ja suuruse osas. Hetkel ei ole teada veel mitmekesisuse funktsionaalset tähendust. Leitud on, et eriti suur erinevus on just ümarkotikese ototiitide seas. Ümarkotike on põhiliselt tasakaalu hoidmise ja gravitatsiooni tunnetamise jaoks, kuid mõningad liigid kasutavad seda ka ultraheli tajumiseks. Seda omadust on täheldatud mitmete heeringaliste puhul, kes on võimelised tajuma helisid sagedusega kuni 180 kHz. Ovaalkotikese ja lageeni otoliite kasutatakse vaid kuulmiseks.

Koostis

Võrreldes teiste luuliste struktuuridega on otoliitide koostis suhteliselt puhas, koosnedes suuremalt jaolt kaltsiumkarbonaadist ja orgaanilisest maatriksist. Kokku on otoliitidest leitud 31 keemilist elementi. Kontsentratsioonilt on kõige rohkem kaltsiumi (Ca), hapnikku (O) ja süsinikku (C), mis moodustavad kaltsiumkarbonaadist (CaCO₃) maatriksi. Suurem osa elemente kuuluvad aga jälgelementide (>1000 ppm) või mikroelementide hulka (<1000 ppm). Jälgelementide hulka kuuluvad näiteks Sr, Ba, Mg, Zn, Mn Li ja Rb.
Kaltsiumkarbonaat (CaCO₃) võib otoliidist moodustada üle 90%. Mitteorgaaniliste elementide sisaldus jääb enamasti alla 1% ning orgaanilise maatriksi osa umbes 3% piirile.

Mineraloogia ja kristallisatsioon

Otoliidi kristallisatsioon erineb teiste selgroogsete luulistest struktuuridest, limuste karpidest ja korallide skeletist. Otoliitide kattekude ei ole otseselt kontaktis kristallisatsioonialaga. Selle tõttu sõltub protsess suuresti endolümfi koostisest, mis ümbritseb otoliiti. Kristallisatsioon sõltub paljuski lihtsatest füüsikalistest protsessidest. Põhiline paistab olevat pH. Näiteks aluseline keskkond aeglustab kristallisatsiooni kiirust. Ka temperatuuril on oma mõju, kuid iseseisvalt ainult anorgaanilise protsessina vajab ta mõju avaldamiseks ka teisi faktoreid. On leitud ka, et valguline osa, mis moodustab otoliidist vaid mõne protsendi, mängib samuti tähtsat rolli kristallisatsioonis.
Enamus kaltsiumkarbonaadist, millest otoliit koosneb, pärineb ümbritsevast veest. Kaltsiumkarbonaat võib mineraliseeruda kas kaltsiidiks, aragoniidiks või vateriidiks. Otoliidid on enamasti moodustunud aragoniidist. Koos kaltsiumkarbonaadiga seotakse kristallisatsioonil otoliiti ka erinevaid jälg- ja mikroelemente. Nende kontsentratsioonide erinevusi saab kasutada erinevate uurimuste teostamiseks.

Elementide lisandumine ja otoliidi kasv

Elementide lisandumine otoliiti on mitmefaasiline protsess, millest igaüks on kontrollitud erinevate barjääridega. Elementide tee otoliiti algab veest, kust nad liiguvad verre lõpuste ja seedeelundkonna kaudu. Seejärel jõuavad elemendid endolümfi ja lõpuks kristalliseeruvasse otoliiti. Suurem osa elementidest jõuavad otoliiti veest lõpuste kaudu. Samas on näidatud, et ka toit mõjutab oluliselt otoliidi mikrokeemiat, kuid siinkohal on tõenäoliselt tegemist marginaalse ja liigispetsiifilise nähtusega.
Elementide kadu võib toimuda igas vaheetapis (vesi-lõpused, veri-endolümf, endolümf-kristall). Erinevatel elementidel toimub kontroll erinevatel etappidel. Kahtlemata on kõige suuremaks barjääriks lõpused-vesi üleminek, kus ioonide liikumist verre kontrollib ioonregulatsioon.
Otoliide keemiline koostis sõltub suuresti sellest, kas kala on elanud mage- või merevees. Paljude kõige tavalisemate elementide (nt Na, K, Mg, Cl) sisaldus vees erineb väga mage- ja merevee vahel. Need elemendid on aga range ioonregulatsiooni kontrolli all ning selle tõttu ei sobi need elemendid ümbritseva keskkonna iseloomustamiseks. Teine lugu on Sr, Zn, Pb, Mn, Ba ja Fe-ga, mis paistavad paremini peegeldavat ka keskkonna kontsentratsioone, sest erinevalt tavalistest sooladest ei ole need elemendid range ioonregulatsiooni all.
Otoliitide kasv hakkab pihta juba lootestaadiumis ning kestab terve elu. Kasvades ladestuvad otoliidile kasvurõngad, mida saab kasutada näiteks vanuse määramiseks.

Kättesaadavus keskkonnast

Elementide kontsentratsioon vees varieerub ja juhul, kui see erinevus peegeldub ka otoliitides, on seda võimalik kasutada kalade liikumismustrite ja päritolu väljaselgitamiseks. Kõige suurem erinevus on reeglina mere- ja magevee vahel. Näiteks üldteada on fakt, et Sr sisaldus merevees võib olla koguni 100 korda suurem kui magevees. Erinevused avamere Sr sisalduses ei ole nii suured, kuna keskkond on homogeensem. Sr ja Mg on seotud soolsusega, Ba ja Zn toitainetega. Hg ja Pb seostatakse rohkem antorpogeense tegevusega, kuid võivad olla pärit ka näiteks vulkaanipursetest, reostusest või toodud kohale jõgedega.
Kuigi geograafilised erinevused vee keemilises koostises on peamiseks eelduseks erinevate uurimuste teostamiseks, tuleb arvestada ka mitmete teiste oluliste faktorite mõjuga (nt temperatuur ja soolsus).

Temperatuur ja soolsus

On tehtud mitmeid eksperimente uurimaks eraldi (kui ka koos) temperatuuri ja soolsuse mõju otoliidi mikrokeemiale. Kõige suuremat tähelepanu on pööratud Sr:Ca ja Ba:Ca suhtele. Suhet kaltsiumiga kasutatakse sellepärast, et just kaltsiumi sisaldus vees määrab ära selle, kui palju teisi sarnaseid elemente otoliiti lõppkokkuvõttes pääseb. Uuritud on ka soolsuse ja temperatuuri mõju C ja O isotoopide sisaldusele otoliidis.
Temperatuur mõjutab oluliselt Sr:Ca, Ba:Ca suhet ning C ja O isotoopide sisaldust otoliidis. Uurimustes on leitud nii positiivseid, negatiivseid tulemusi kui ka mõju puudumist. Sellest tulenevalt on järeldatud, et temperatuuri mõju nii Sr:Ca kui ka Ba:Ca suhtele ja ka C ja O isotoopidele on erinevatel temperatuuridel erinev ning sõltub tõenäoliselt ka uuritavast liigist ja koosmõjust teiste teguritega.
Soolsusel on Sr ja Ba sisaldusele väga suur mõju. Mida soolasem vesi on, seda rohkem leidub seal Sr ja seda vähem Ba. Nagu mainitud, võib merevees olla Sr sisaldus ligi 100 korda suurem kui magevees.

Kasutamine

Erinevate kaladega seotud uurimuste puhul kasutatakse enamasti sagittat, kuna see on kolmest otoliidist kõige suurem. Lapillust kasutatakse juhul, kui see on suurem sagitta’st (nt karplastel). Asteriscust kasutatakse kõige vähem, kuna ta on otoliitidest kõige väiksem.

Vanuse määramine

Kasvades moodustuvad otoliidile kasvurõngad (sarnaselt puu aastaringidega). Kaltsiumkarbonaadi kristalliseerumine toimub kalade esimese eluaasta jooksul 24-tunniste tsüklitena. Selle tõttu on noortel kaladel võimalik eristada päevaseid kasvurõngaid. Tänu sellele on võimalik kalade vanus määrata koguni päevase täpsusega. Vanemate kalade puhul kasutatakse aastaste kasvurõngaste lugemist.

Populatsioonide ja alampopulatsioonide eristamine

Kuna paljud kalapopulatsioonid asustavad oma eluea jooksul erinevaid elupaiku, peaks ka nende otoliitide keemiline koostis vastavalt muutuma (eeldusel, et esineb veekeemia varieeruvus ning et see varieeruvus peegeldub ka otoliitides). See võimaldab luua nö elupaigaspetsiifilisi sõrmejälgi, mis võimaldabki erinevaid populatsioone või isendite gruppe eristada.
Populatsioonide eristamise eelduseks on kaks oletust. Esiteks, otoliiti ladestunud elementide puhul ei toimu resorptsiooni, ning teiseks, füüsikaline ja keemiline keskkond mõjutab elementide lisandumist otoliiti. Esimese oletusega ei lähe kokku elemendid, mis on range füsioloogilise regulatsiooni all (nt Na, K, S, P, Cl). Mõlemad oletused paistavad aga sobivat selliste elementidega nagu Sr, Ba, Mn, Fe ja Pb.

Rännete uurimine

Kalade rännete uurimisel kasutatakse sarnaselt alampopulatsioonide eristamisega samuti otoliidi elementide sisalduse erinevusi. Otoliiti on salvestunud kala kasvu kronoloogia. Rännete uurimiseks kõrvutatakse kasvu kronoloogia otoliidi elemendilise sisaldusega. See võimaldab rändeid uurida nii aasta kui ka päevade lõikes. Praegusel ajal kasutatakse otoliidi mikrokeemiat peamiselt diadroomsete (s.o mage- ja merevee vahel liikuvate) kalade rännete uurimiseks, kuid leidub ka töid, kus uuritakse potamodroomseid (s.o mageveesiseseid) rändeid.
Rännete uurimisel kasutatakse peamiselt Sr:Ca suhet, mis erineb suurelt mage- ja merevee vahel. Läänemere näitel on teada, et otoliidi Sr:Ca näidud mage- ja merevee eluperioodil võivad erineda üle kümne korra.

Märgistamine

Keemilisi elemente, mis otoliiti ladestuvad, on kasutatud markeritena juba palju aastaid. Massmärgistamisel on enamasti kasutatud ’’vannitamise’’ meetodit ehk kalu hoitakse teatud aja lahuses, milles on kunstlikult kõrgendatud kindla elemendi kontsentratsioon, enamasti Sr või Ba. Edukaks on osutunud märgistamine ka toidu kaudu. Massmärgistamise eeliseks on see, et seda saab kasutada mis tahes eluetappidel, ka embrüo märgistamise puhul. Kui inimese poolt märgistatud kalad püütakse uuesti kinni, saab vabaduses veedetud aastaid võrrelda selle aja jooksul moodustunud kasvurõngastega. Selline vanuse määramine on olnud edukas nii päevade kui ka aastate lõikes. Samuti on võimalik kalu hiljem uuesti identifitseerida, määrata nende suremust jne.
Fluorestseeruvad kaltsiumi siduvad kemikaalid on kõige laialdasemalt kasutuses massmärkimise puhul. Neid on kerge kaladele sisestada ning hiljem kerge tuvastada, kuna jätavad selge fluorestseeruva jälje vaadatuna UV-valguses.