De Europse paling trekt naar de Sargassozee om te paaien. Ter voorbereiding van deze 5000 km lange reis ondergaat de paling een metamorfose. Eva Götze droeg een steentje bij tot het gedetailleerd onderzoek hiernaar en onderzocht de veranderingen in het skelet en de spieren van de kop van de paling.

Masterproef: From yellow to silver: what is happening on the inside of the head?

Auteur: Eva Götze.

Promotor: prof. Dominique Adriaens

Masterproef: samenvatting

Uit: Götze, Eva, and Dominique Adriaens. Van Gele Naar Zilverpaling : Wat Gebeurt Er Van Binnen In De Kop?. 2017.

Hoewel er al veel onderzoek gedaan is naar de Europese paling (Anguilla anguilla), zijn er nog steeds grote vragen die onopgelost blijven. Door een grote populatieafname in de laatste 10 jaar, heeft de soort veel aandacht getrokken. Verschillende oorzaken liggen aan de basis van deze afname. Een aantal voorbeelden zijn parasieten (Anguillicola grassus), toxische stoffen in het water (pcb’s), verminderde migratiemogelijkheden door gebouwde hindernissen, habitatverlies… Het oplossen van belangrijke vragen over de levenswijze zou kunnen helpen bij het formuleren van plannen voor het behoud van deze soort. De Europese paling heeft een complexe levenscyclus waarin een interessant fenomeen plaatsneemt: de metamorfose. Dit is een indrukwekkende en meestal ook een abrupte post-embryologische transformatie van een larve in een juveniel. In de levenscyclus van de paling gebeuren er twee zo’n metamorfoses. De eerste treedt op wanneer de larve de Europese kust bereikt en verandert in een glasaal. De tweede metamorfose van gele paling naar zilverpaling start wanneer het vetpercentage van de gele paling hoog genoeg is. Dit is belangrijk voor de 5000 km lange migratie die de zilverpaling uitvoert naar de broedgronden om er zich voort te planten. Tijdens deze reis stopt de zilverpaling namelijk met zich te voeden. Aangekomen in de Sargasso Zee, paaien de palingen en sterven ze. Tijdens de metamorfose nemen er een complexe reeks van morfologische en fysiologische veranderingen plaats in het organisme. Deze modificaties zijn gelinkt met de overgang van zoet water naar zout water, met de voorbereiding op de oceanische migratie terug naar de Sargasso Zee in termen van energiebronnen en met het begin van de reproductieve fase. De meest opvallende verandering die plaatsvindt in het lichaam, is de zilveren buik op het moment van de stroomafwaartse migratie. Andere morfologische veranderingen van de ‘verzilvering’ zijn de integumentdikte, de toegenomen ooggrootte, het verdonkeren van de pectorale vinnen en de toename in lengte en gewicht. De fysiologische veranderingen, aan de andere kant, omvatten de degeneratie van het spijsverteringsstelsel, de veranderingen in pigmenten, de verandering van de skeletspieren in zowel de compositie als de functie en de ontwikkeling van de gonaden. Terwijl al veel onderzoek uitgevoerd is naar de uitwendige en de inwendige postcraniale veranderingen tijdens de metamorfose, is er nog maar weinig geweten over hoe de musculoskeletale morfologie in de kop verandert.

Om deze veranderingen van gele paling naar zilverpaling te onderzoeken zijn 3D-reconstructies van de spieren en de beenderen gebruikt. Elf specimens, verspreid langs de oogindex, worden opgedeeld in drie verschillende fases van de migratie: de residente, de pre-migrerende en de migrerende paling. Er is twee keer een μCT-scan genomen van de koppen van de specimens. De eerste keer zijn de koppen onbehandeld gescand. Deze scans visualiseren de beenderen in de kop. Nadat de koppen behandeld zijn met PMA, zijn er opnieuw scans genomen. Deze scans geven het spierweefsel weer. De μCT-date worden verwerkt in AMIRA, zodat 3D-reconstructies gemaakt kunnen worden. Gebruikmakend van deze reconstructies, werd er gezocht naar trends die optreden langsheen het bereik van de oogindex. De spierreconstructies (A1, A2, A3, AAP, AO, DO, LAP, LO en PH) worden gebruikt om de spiervolumes en lengtes, hun oorsprong en insertie, de tendonlengte en fysiologische oppervlakte van de doorsnede hiervan, te bepalen. Deze data zijn gebruikt voor de morfologische analyse en/of als input voor het bijtkrachtmodel. Om bijtkrachten te simuleren, waarbij de mondopening verschillende hoeken aanneemt (-10° – 40°, in stappen van 10°) voor zowel een proximaal als een distaal bijtpunt in relatie tot de kaak articulatie, is gebruik gemaakt van een bijtkrachtmodel in Matlab. Vervolgens zijn de reconstructies van de beenderen gebruikt om in elk specimen negentien verschillende lengtes te meten. Ook is er een landmark analyse uitgevoerd, waarbij 65 3D-punten gebruikt zijn. In deze analyse is er een Principal Component Analysis (PCA) uitgevoerd om de grootste trends in schedelveranderingen te waar te nemen. Om te kijken of er significante verschillen zijn tussen de drie groepen, is gebruik gemaakt van een parametrische ANOVA test en een niet-parametrische permutatie test. Om trends te vinden van gele paling naar zilverpaling zijn de metingen van de spieren en de beenderen geplot op de oogindex.

Ten eerste, zijn er geen opvallende verschillen te zien tussen de drie fases in de morfologie van de spieren, hun oorsprong en insertie. De adductor mandibulae is de grootste spier die aanwezig is in de kop en heeft als functie het sluiten van de mond. Het bestaat uit één grote spierbundel (A1) en twee kleinere spierbundels (A2 en A3). Spierbundel A1 neemt een dorsolaterale positie in en omgeeft bijna de volledige schedel, waarbij de linkse en de rechtse spierbundels elkaar raken bij de dorsale middellijn. Mediaal gelegen van A1, liggen de kleiner spierbundels. Alle drie de spierbundels insereren op het caudale gedeelte van de processus coronoideus. De andere spieren die gereconstrueerd zijn, zijn: de adductor arcus palatini (AAP), adductor operculi (AO), dilatator operculi (DO), levator arcus palatini (LAP), levator operculi (LO) and protractor hyoidei (PH). Vervolgens zijn er geen significante verschillen in spiervolumes en in spier-/tendonlengtes waargenomen tussen de drie groepen. In de drie groepen zijn de spiervolumes van elke spierbundel vergelijkbaar. Wanneer de metingen geplot zijn ten opzichte van de oogindex, zijn er opnieuw geen opmerkelijke veranderingen geobserveerd in de spiervolumes. In de spierlengte is er echter wel een trend geobserveerd. De spierlengte en de totale lengte van A1 neemt toe van gele paling naar zilverpaling. Ook spierbundels A2 en A3 worden langer tijdens de verzilvering, maar dit gebeurt aan een trager tempo in vergelijking met het tempo van A1. Ter vergelijking, het tempo waarmee de spierlengte van A1 toeneemt is vier keer groter dan het tempo van spierlengte van A3.

Ten tweede, werden er bijtkrachten gesimuleerd in een bijtkrachtmodel voor zowel een proximaal als een distaal punt. Spierbundel A1 van de adductor mandibulae produceert de grootste bijtkrachten in elke groep, terwijl de twee ander spierbundels, A2 en A3, slechts een klein deel van de totale bijtkracht voorstellen. Ter hoogte van het proximale bijtpunt liggen de bijtkrachten van de residente palingen tussen 1,67N en 8,63N wanneer de mond bijna gesloten is. Voor de pre-migrerende en de migrerende paling variëren deze bijtkrachten, respectievelijk, tussen 1,27N en 19,39 en tussen 1,17N en 5,60N. Voor de residente paling zijn de proximale bijtkrachten 2,69 keer groter dan de bijtkrachten bij het distale bijtpunt. Voor pre-migrerende en de migrerende paling is dit respectievelijk, 2,52 keer groter en 2,50 keer groter dan de bijtkrachten bij het distale bijtpunt. Er zijn opnieuw geen significant verschillen gevonden tussen de drie groepen voor zowel de bijtkrachten wanneer de mond bijna dicht is (hoek = 0°) als voor maximum bijtkrachten bij de verschillende bijtpunten. De bijtkrachten van spierbundel A1 nemen toe van lage naar hoge oogindex, terwijl de bijtkrachten van A2 en A3 relatief gelijk blijven. Er mogen echter geen conclusies gemaakt worden op basis van het resultaat van spierbundel A1, want er is heel wat variatie aanwezig in de bijtkrachten van deze spierbundel. De maximum bijtkrachten geven hetzelfde resultaat.

De schedel is volledig ontwikkeld en helemaal verbeend vanaf de fase van de residente paling. In wat volgt, worden de resultaten van de schedel biometrie en de landmark analyse gecombineerd. De PC1-as van de landmark analyse verklaart 25,53% van de totale variatie. Deze as kan echter niet gelinkt worden met de verschillen tussen de drie fases. PC2, welke 23,13 % van de totale variatie verklaard, toont een duidelijk onderscheid tussen de residente (gele) paling aan de ene kant en de pre-migrerende en de migrerende (zilver) paling aan de andere kant. Voor de meeste metingen, gecorrigeerd voor lichaamslengte, werden geen significante verschillen gevonden tussen de drie fases, behalve voor twee metingen. Deze zijn de schedelbreedte tussen de caudale tippen van het spenoticum en de schedelbreedte tussen de caudale tippen van de processus epioticum. Dit wordt bevestigd in de landmark analyse. Daarbij verplaatsen de laterale tippen van het sphenoticum verplaatsen zich in een rostroventrale richting in de zilverpalingen. Ondanks dat er een verplaatsing optreedt van deze tippen, verandert de schedelbreedte niet tussen deze punten. De schedel wordt dus enkel breder ter hoogte van de caudale tippen van het sphenoticum. Verder wordt er geen verschil in schedelbreedte gezien tussen de gele en de zilverpaling. Wanneer er gekeken wordt naar de landmarks op het caudale einde van de schedel veranderen naar een meer rostrodorsale positie in de zilverpaling. Hoewel het pteroticum in de metingen van de biometrie lijkt te verlengen, is dit niet terug te vinden in de landmark analyse. Het pteroticum wordt zelfs korter, waarbij de afstand tussen de rostrale tips lijkt te vergroten. De grootste veranderinge zijn echter waar te nemen in de onderkaak en het premaxillo-ethmovomerine complex. Eerst en vooral nemen de onderkaken een meer ventrale positie in. De onderkaak verlaagt dus in de zilver paling. Samen met deze verlaging wordt de hoek tussen het dentale en het quadratum smaller. Zowel in de metingen van de biometrie als de landmark analyse, wordt de hoogte van de processus coronoideus kleiner van gele paling naar zilverpaling. De processus coronoideus schuift ook op naar een meer caudale positie. Ten tweede, wordt de onderkaak breder vooral ter hoogte van de caudale tippen van de hyomandibula en de caudale tippen van het dentale. Wanneer de lengte van de hyomandibula en de lengte van het quadratum uitgezet worden ten opzichte van de oogindex, worden er geen veranderingen gezien in de lengtes tijdens de verzilvering. Echter, in de landmark analyse lijken deze beenderen wel te verlengen. Ten slotte, verlengt het premaxillo-ethmovomerine complex van de gele naar de zilverpaling, waarbij de rostrale tippen van het frontale caudaal worden opgeschoven. In de landmark analyse wordt de breedte van dit complex ook smaller.

We kunnen dus concluderen dat de grootste verandering van gele naar zilverpaling gebeurt in de onderkaak. Deze is meer lateroventraal gepositioneerd bij de zilverpalingen. Deze verlaging van de onderkaak kan een verlenging van de spierlengte van spierbundel A1 veroorzaakt hebben. Deze uitrekking van A1 kan het kleiner worden van de waargenomen afname in de pennation angle tot gevolg hebben. Verder wordt de onderkaak ook breder in de zilverpaling. Dit gebeurt vooral aan de caudale zijde van de kop ter hoogte van de caudale tippen van de hyomandibula en de caudale tippen van het dentale. Zowel het verlagen als het verbreden van de onderkaak kan gelinkt worden met de ogen die vergroten van gele paling naar zilverpaling. Bovendien wordt het premaxillo-ethmovomerine complex langer in de zilverpaling, wat opnieuw gekoppeld kan worden aan de groter wordende ogen. Grote ogen hebben is een typisch kenmerk voor pelagische vissen (200-1000m). De grote ogen helpen de organismen om naderende predators waar te nemen. Grote ogen hebben is dus essentieel om de lange tocht naar de Sargasso Zee te overleven. Zilverpalingen hebben volgens deze studie een bredere kop. Dit is hydrodynamisch gezien niet interessant, omdat de organismen dan een grotere weerstand waarnemen van het water. We veronderstellen dat er een trade-off is tussen het hebben van grote ogen en het hebben van een energetisch efficiënte kop. Opvallend is dat er geen afname in spiervolume is waargenomen tussen de drie fase, ook al voedt de zilverpaling zich niet tijdens de migratie. Ook de bijtkrachten bleven onveranderd, ondanks de vele veranderingen die gebeuren in het inlever-outlever systeem: de hoogte en de positie van de processus coronoideus, de veranderending in de pennation angle en de verandering van de hoek tussen het quadratum en het dentale. Voor verder onderzoek is het misschien interessant om verschillende specimens te kiezen met enerzijds een lage oogindex en anderzijds een hoge index en vervolgens deze twee groepen te vergelijken.