Eπίδραση υψηλών θερμοκρασιών στο μεταβολισμό εκτρεφόμενων ειδών ψαριών: συνδυάζοντας πειραματική προσέγγιση και μαθηματική μοντελοποίηση

Abstract

Temperature is an important environmental factor for fish as it affects their metabolism and determines a large set of behavioural and physiological traits. According to the socio-economic scenarios of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), the global average sea temperature is expected to increase by several degrees by the end of the century, a trend that is projected to be more pronounced for the Mediterranean as it has been identified as a particularly vulnerable region to climate change. In this context, there is a clear need to study and predict the thermal responses and thermal limits of the organisms living in the Mediterranean, especially if they are species of major commercial interest, such as aquaculture species. The present thesis focuses on the study of the effects of high temperatures on the metabolism of two farmed fish of interest for the Mediterranean aquaculture, European sea bass (Dicentrarchus labrax) and meagre (Argyrosomue regius). Preparing for and addressing the future challenges requires an integrated approach that contributes both to a better understanding of the responses of organisms to thermal stress, and to the development of appropriate tools, such as mathematical models, that allow further investigation and offer predictive power. For that reason, a combination of experimentatal approaches and mathematical modeling was adopted here.The aim of the experimental approach was to determine the thermal tolerance of the two species under chronic and acute thermal stress. The main questions focus on the study of their physiological responses to increasing temperatures, the effects on the whole organismal level and its overall performance, and the determination of thermal tolerance limits under conditions of chronic and acute thermal stress. Regarding the mathematical modeling approach, the aim was to investigate the relationships between temperature and metabolism in both species and to simulate metabolic processes under the unified bioenergetic framework of the Dynamic Energy Budget (DEB) theory. DEB theory describes the metabolism of organisms using energy and mass balances and can simulate changes in key biological processes such as growth, energy assimilation, maintenance, maturation and reproduction as a function of temperature and food availability under dynamically changing environments.In the experimental approach, thermal stress was studied at time scales and intensities relevant to the study of climate change. Three acclimation temperatures representing typical (24 oC), maximum (28 - 29 oC), and predicted under climate change scenarios (33 - 34 oC) summer temperatures in the Mediterranean were investigated and fish responses to a set of biomarkers were studied including developmental, haematological, biochemical, hormonal and molecular parameters as well as the measurement of metabolic rate and the determination of the Crtitical Thermal Maximum under acute thermal stress. The results indicate similar patterns of response for the two species and similar tolerance thresholds to chronic thermal stress, with some quantitative differences between species. The optimum temperature for growth for both E. sea bass and meagre was placed between 24 and 29 oC, with that of meagre being closer to the lower end of the range. A number of biomarkers such as anaerobic metabolism (lactic acid), protective (heat shock proteins, antioxidants) and stress (cortisol) markers indicate levels of mild thermal stress at intermediate temperatures (28 - 29 oC), while chronic exposure to even higher temperatures is not deemed sustainable for the rearing of the species as it has dramatic effects on fish performance and health with rapid deterioration of the physiological markers. Furthermore, the upper limits of survival appear conserved for both species within an extremely narrow temperature range surrounding 33 oC. Moreover, the overall reduction of biological performance when approaching these limits is mainly interpreted as the insufficient capacity for aerobic metabolism, which was reflected in the study of metabolic rate, the development of megacardia, and the increase of anaerobic metabolism markers. Finally, the two species show remarkable tolerance to acute thermal stress, with that of E. sea bass, however, being greater, suggesting that the species carry a significant capacity to cope with episodes of extreme weather events such as heat waves. With respect to mathematical modeling, DEB models for both species were developed using both literature and experimental data from this thesis for their parameterization. The models were then validated by comparing their predictions to field measurements. In addition, a mathematical module for predicting body composition was developed as well as an approach to simulate thermal tolerance limits during acute thermal stress induction. The goodness of fit of the models to the data showed that the thermal responses of the two species, both in terms of their growth and changes in their energy reserves, can be sufficiently described by a mechanistic framework that interprets metabolism as energy and mass balances. In addition, comparison of the bioenergetic budgets of the two species showed differences in their energetic strategies, with E. sea bass allocating a greater proportion of its budget to maturation and reproduction processes as well as to maintenance, which may explain the higher growth rates observed for the meagre. Furthermore, analysis of the model parameters showed that some parameters, in particular those reflecting the ability to assimilate energy from the environment and the cost of physical maintenance, correlate with optimal temperature, thus allowing comparisons of thermal sensitivity between species. Finally, simulations of acute thermal stress have shown that assumptions based on thermodynamic constraints can provide a realistic approach to mechanistically describe the upper thermal limits of fish, capturing the basic trends that are observed experimentally. Overall, the results of this thesis have shown that the study of fish metabolism and thermal responses through a combination of experimental and mathematical modeling methods is a promising approach with interesting implications, since they complement each other while offering tools with predictive and interpretative power.

Η θερμοκρασία αποτελεί ένα σημαντικό περιβαλλοντικό παράγοντα για τα ψάρια καθώς επηρεάζει τον μεταβολισμό τους και καθορίζει ένα μεγάλο σύνολο συμπεριφορικών και φυσιολογικών χαρακτηριστικών τους. Σύμφωνα με τα κοινωνικο-οικονομικά σενάρια της Διακυβερνητικής Επιτροπής για την Κλιματική Αλλαγή (IPCC), η μέση παγκόσμια θερμοκρασία των θαλασσών αναμένεται να αυξηθεί κατά αρκετούς βαθμούς μέχρι το τέλος του αιώνα, μια τάση που προβλέπεται να είναι εντονότερη για τη Μεσόγειο καθώς έχει χαρακτηριστεί ως μια ιδιαίτερα ευάλωτη περιοχή στην κλιματική αλλαγή. Υπό αυτό το πρίσμα, καθίσταται σαφής η ανάγκη μελέτης αλλά και πρόβλεψης των θερμικών αποκρίσεων και των θερμικών ορίων των οργανισμών που διαβιούν σε αυτή, ιδιαιτέρως αν αποτελούν είδη με σημαντικό εμπορικό ενδιαφέρον, όπως τα είδη υδατοκαλλιέργειας. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη της επίδρασης υψηλών θερμοκρασιών στο μεταβολισμό δύο εκτρεφόμενων ψαριών μεγάλου ενδιαφέροντος για τη Μεσογειακή υδατοκαλλιέργεια, του λαβρακιού (Dicentrarchus labrax) και του κρανιού (Argyrosomus regius). Επειδή μια ολοκληρωμένη προσέγγιση προετοιμασίας και αντιμετώπισης των μελλοντικών προκλήσεων απαιτεί τόσο την κατανόηση των αποκρίσεων των οργανισμών στη θερμική καταπόνηση όσο και την ανάπτυξη κατάλληλων εργαλείων, όπως μαθηματικά μοντέλα, που επιτρέπουν την περαιτέρω μελέτη αλλά και την πραγματοποίηση προβλέψεων, υιοθετήθηκε εδώ ένας συνδυασμός πειραματικών προσεγγίσεων και μαθηματικής μοντελοποίησης. Στόχος της πειραματικής προσέγγισης ήταν ο προσδιορισμός των θερμικών ορίων ανοχής των δυο ειδών κάτω από συνθήκες χρόνιας και οξείας θερμικής καταπόνησης. Τα κύρια ερωτήματα επικεντρώνονται στη μελέτη των φυσιολογικών τους αποκρίσεων στην αύξηση της θερμοκρασίας, στις επιπτώσεις στο επίπεδο ολόκληρου του οργανισμού και στις συνολικές του επιδόσεις, και στον προσδιορισμό των θερμικών ορίων ανοχής κάτω από συνθήκες χρόνιας και οξείας θερμικής καταπόνησης. Όσον αφορά τη μαθηματική μοντελοποίηση, στόχος ήταν η διερεύνηση των σχέσεων που συνδέουν τη θερμοκρασία με το μεταβολισμό των δύο ειδών και η προσομοίωση των μεταβολικών διεργασιών υπό το ενιαίο βιοενεργητικό πλαίσιο της θεωρίας Δυναμικού Ενεργειακού Ισοζυγίου (DEB). Η θεωρία DEB περιγράφει τον μεταβολισμό των οργανισμών χρησιμοποιώντας ισοζύγια ενέργειας και μάζας και μπορεί να προσομοιώσει μεταβολές σε βασικές βιολογικές διεργασίες όπως η αύξηση, η ανάπτυξη, η αφομοίωση ενέργειας, η διατήρηση στη ζωή, η γενετική ωρίμανση και η αναπαραγωγή συναρτήσει θερμοκρασίας και διαθεσιμότητας τροφής κάτω από δυναμικά μεταβαλλόμενα περιβάλλοντα.Κατά την πειραματική προσέγγιση μελετήθηκε η θερμική καταπόνηση σε χρονικές κλίμακες και εντάσεις που έχουν άμεση συνάφεια με τη μελέτη της κλιματικής αλλαγής. Διερευνήθηκαν τρείς θερμοκρασίες εγκλιματισμού αντιπροσωπεύοντας τις τυπικές (24 oC), μέγιστες (28 – 29 oC), και προβλεπόμενες υπό σενάρια κλιματικής αλλαγής (33 – 34 oC) καλοκαιρινές θερμοκρασίες στη Μεσόγειο και μελετήθηκαν οι αποκρίσεις των ψαριών σε ένα σύνολο βιοδεικτών που περιλάμβαναν ζωοτεχνικές παραμέτρους αλλά και αιματολογικούς, βιοχημικούς, ορμονικούς, και μοριακούς δείκτες καθώς και τη μέτρηση του μεταβολικού ρυθμού, και τον προσδιορισμό της Μέγιστης Κρίσιμης Θερμοκρασίας κατά την πρόκληση οξείας θερμικής καταπόνησης. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν παρόμοια πρότυπα απόκρισης για τα δύο είδη και παραπλήσια ανώτατα όρια ανοχής στη χρόνια θερμική καταπόνηση, με κάποιες ποσοτικές ωστόσο διαφορές μεταξύ των ειδών. Η βέλτιστη θερμοκρασία αύξησης του λαβρακιού και του κρανιού τοποθετήθηκε μεταξύ των 24 και 29 oC, με αυτή του κρανιού να βρίσκεται εγγύτερα του κατώτερου άκρου του εύρους. Πλήθος βιοδεικτών όπως δείκτες αναερόβιου μεταβολισμού (γαλακτικό οξύ), προστατευτικοί μηχανισμοί (πρωτεΐνες θερμικού πλήγματος, αντιοξειδωτικά) και δείκτες καταπόνησης (κορτιζόλη) υποδεικνύουν μέσα επίπεδα θερμικής καταπόνησης σε ενδιάμεσες θερμοκρασίες (28 – 29 οC) ενώ χρόνια έκθεση σε θερμοκρασίες πέραν των παραπάνω δεν είναι βιώσιμη για την εκτροφή των ειδών καθώς έχει δραματικές συνέπειες στις επιδόσεις και την υγεία των ψαριών με ραγδαία επιδείνωση των φυσιολογικών τους δεικτών. Επιπλέον, τα ανώτερα όρια επιβίωσης εμφανίζονται συντηρημένα για τα δύο είδη σε ένα εξαιρετικά στενό θερμοκρασιακό εύρος κοντά στους 33 οC ενώ η ερμηνεία των συνολικά μειωμένων βιολογικών επιδόσεων κατά την προσέγγιση αυτών των ορίων εντοπίζεται κυρίως στην ανεπαρκή ικανότητα για αερόβιο μεταβολισμό όπως αποτυπώνεται και από τη μελέτη του μεταβολικού ρυθμού, την ανάπτυξη μεγαλοκαρδίας, και την αύξηση δεικτών αναερόβιου μεταβολισμού. Τέλος, τα δύο είδη εμφανίζουν αξιοσημείωτη ανοχή σε οξεία θερμική καταπόνηση, με αυτή του λαβρακιού ωστόσο να είναι μεγαλύτερη, υποδηλώνοντας ότι φέρουν σημαντική ικανότητα απόκρισης σε επεισόδια ακραίων καιρικών φαινομένων, όπως καύσωνες. Αναφορικά με τη μαθηματική μοντελοποίηση, αναπτύχθηκαν DEB μοντέλα για τα δύο είδη χρησιμοποιώντας για την παραμετροποίηση τους βιβλιογραφικά αλλά και πειραματικά δεδομένα της παρούσας διατριβής. Τα μοντέλα στη συνέχεια επαληθεύτηκαν με σύγκριση των προβλέψεων τους με μετρήσεις πεδίου. Αναπτύχθηκαν επίσης οι μαθηματικές εξισώσεις για την πρόβλεψη της σωματικής σύστασης καθώς και μια προσέγγιση προσομοίωσης των ανώτατων θερμικών ορίων κατά την πρόκληση οξείας θερμικής καταπόνησης. Η καλή προσαρμογή των μοντέλων στα δεδομένα έδειξε ότι οι θερμικές αποκρίσεις των δύο ειδών τόσο όσον αφορά την αύξησή τους όσο και τις μεταβολές στα ενεργειακά τους αποθέματα μπορούν να περιγραφούν ικανοποιητικά από ένα μηχανιστικό πλαίσιο που ερμηνεύει τον μεταβολισμό ως ισοζύγια ενέργειας και μάζας. Επιπλέον, η σύγκριση των βιοενεργητικών ισοζυγίων των δύο ειδών έδειξε διαφορές στις ενεργειακές στρατηγικές τους με το λαβράκι να κατανέμει μεγαλύτερο μέρος του ισοζυγίου του σε διαδικασίες γενετικής ωρίμανσης και αναπαραγωγής καθώς και σε διεργασίες διατήρησης, κάτι που μπορεί να ερμηνεύσει τους μεγαλύτερους αυξητικούς ρυθμούς που παρατηρούνται στον κρανιό. Επιπρόσθετα, ανάλυση των παραμέτρων των μοντέλων έδειξε ότι κάποιες και ειδικότερα αυτές που αντικατοπτρίζουν την ικανότητα αφομοίωσης ενέργειας από το περιβάλλον και το κόστος σωματικής διατήρησης, συσχετίζονται με τη βέλτιστη θερμοκρασία κάνοντας έτσι εφικτές συγκρίσεις της θερμικής ευαισθησίας μεταξύ ειδών. Τέλος, προσομοιώσεις οξείας θερμικής καταπόνησης έδειξαν ότι παραδοχές βασισμένες σε θερμοδυναμικούς περιορισμούς μπορούν να αποτελέσουν μια ρεαλιστική προσέγγιση μηχανιστικής αποτύπωσης των ανώτερων θερμικών ορίων των ψαριών, περιγράφοντας τις βασικές τάσεις που παρατηρούνται και πειραματικά. Συνολικά, τα αποτελέσματα της διατριβής κατέστησαν σαφές ότι η μελέτη του μεταβολισμού και των θερμικών αποκρίσεων των ψαριών μέσω ενός συνδυασμού πειραματικών και μαθηματικών μεθόδων αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση με ενδιαφέρουσες προεκτάσεις, καθώς αλληλοσυμπληρώνει η μία την άλλη ενώ προσφέρει και εργαλεία με προβλεπτική και ερμηνευτική ισχύ.