Автор: Anisa Mitra, Ph.D
Стаття від: 13 листопада 2023 року
Зміна клімату та температури може негативно вплинути на відтворення риби та поставити під загрозу успішне розмноження та виживання об’єктів рибальства та аквакультури
Це дослідження зосереджується на біологічній складності відтворення риби у відповідь на зміну клімату та пропонує різні адаптивні стратегії для пом’якшення ризиків, пов’язаних з відтворенням риби, спричинених зміною клімату. Фото нерестуючого лосося Jack Borno, via Wikimedia Commons.
Зміна клімату впливає на фізіологію, особливості росту та поведінку водних організмів, що, в свою чергу, зменшує їхній географічний розподіл та здатність до відтворення. Це, зрештою, призводить до смертності, зміни складу популяції океанічної риби, ефективності продукування та функціональності водних екосистем.
Риби – пойкілотермні істоти [холоднокровні організми, тобто такі, що мають змінну температуру тіла, яка коливається і є подібною або трохи вищою за температуру навколишнього середовища], які перебувають під впливом асиметричних кліматичних явищ, що впливають на цілий ряд факторів, від метаболізму до поведінки та процесу еволюції. Зміна температури може призвести до втрати біорізноманіття, вплинути на світові рибні запаси, мати соціально-економічні наслідки та спричинити зростання голоду.
Постійні зміни в навколишньому середовищі в поєднанні з порушенням нерестовищ можуть поставити під загрозу успішне відтворення та виживання, а отже, і здатність підтримувати життєздатність популяції. Статеве відтворення, будучи важливим та енергоємним процесом для виживання та еволюції видів риб, залежить від специфічних екологічних сигналів, які запускають та регулюють статеве дозрівання, відтворення та виживання потомства.
Ця стаття – узагальнення оригінальної публікації (Mitra, A. et al. 2023. Climate Change and Reproductive Biocomplexity in Fishes: Innovative Management Approaches towards Sustainability of Fisheries and Aquaculture. Water 2023, 15(4), 725: https://www.mdpi.com/2073-4441/15/4/725) – оглядає біологічну складність відтворення риби у відповідь на зміну клімату та пропонує деякі інноваційні рішення.
Зміни клімату впливають на відтворення риб
За останні кілька десятиліть відбулися зміни в класифікації та реєстрації відповідних подій у відтворенні організмів, зокрема холоднокровних. Як і в інших хребетних і безхребетних, ці кліматичні асинхронні зміни потенційно впливають на динаміку популяцій, структуру угруповань, екосистемні процеси та стабільність екосистем, змінюючи успішність поповнення запасу, впливаючи на невідповідність між цвітінням фітопланктону та фенологією нересту риб (фенологія – це наука, що вивчає періодичні події в біологічних життєвих циклах і те, як на них впливають сезонні та міжрічні коливання клімату, а також фактори середовища проживання). Довгострокова оцінка впливу клімату показала, що опади, критичні температури та рівень смертності риби були основними чинниками зміни чисельності видів. Доволі широко в літературі представлено докази впливу кліматичних змін на співвідношення статей, диференціацію гонад, гаметогенез, якість гамет, ембріональну активність, репродуктивний цикл, сексуальну поведінку та успішність поповнення (Рис. 1).
Рис. 1: Зовнішні та внутрішні залежні від клімату фактори, які впливають на фізіологію відтворення риб.
(Зміни клімату- зовнішні фактори (температура, фотоперіод, солоність, концентрація кисню, рН, течії, каламутність, розчинений кисень) – внутрішні фактори (нейроендокринна зворотна реакція, ендокринна система, паракринна система, автокринна система). Репродуктивна фізіологія: диференціяція статевих залоз, гаметогенез, якість ікринок і живчиків, індукція нересту, репродуктивний цикл, статева поведінка, успіх відтворення, співвідношення статей)
Таким чином, в умовах мінливого клімату знання про взаємодію між різними змінними навколишнього середовища, які регулюють функціонування осі мозок-гіпофіз-статеві залози, є критично важливими для прогнозування екологічних явищ, пов’язаних з природними популяціями риб, та контролю за відтворенням риби в неволі. Відомо, що центральна нервова система відіграє вирішальну роль у поєднанні різних зовнішніх (екологічних) і внутрішніх (гормональних) сигналів, які регулюють відтворення шляхом впливу на швидкість реакції, синтез і дію гормонів, а також впливу на структуру гормонів (рис. 2). Сенсорна система впливає на гіпоталамус, який є найважливішою ділянкою мозку, що контролює репродуктивні процеси та поведінку хребетних тварин.
Рис. 2: Сигнальна регуляція: гіпоталамус – гіпофіз – гонади – нерест – ембріональний розвиток, змінений абіотичними факторами. Скорочення: GnRH, гонадотропін-рилізинг-гормон; GnIH, гонадотропін-інгібіторний гормон; Kiss, кісспептин (KiSS-1 metastasis-suppressor); NPY, нейропептид Y; SHT, соматотропін; GABA, гамма-аміномасляна кислота.
( у голові риби: сенсорна система, гіпоталамус, гіпофіз. Фактори що впливають (стовпчик праворуч): зростання температури, гіпоксія, ацидифікація, солоність, збільшення парціального тиску СО2). Вплив на семенники та яєчники. Наслідки для: нересту, ембріонального розвитку та виживання, поповнення запасу).
Крім того, різні дослідження припускають, що підкислення океану впливає на циркадну [природні коливання, які повторюються приблизно кожні 24 години] систему, що може призвести до подальших змін у контролі нейроендокринної регуляції відтворення риби. Зміни солоності можуть впливати на сперматогенез і гомеостаз семенників риб, впливаючи на проліферацію клітин гонад і гніздову поведінку самців морських риб. Синергічний ефект засолення прісних вод і підвищення температури призводить до складних взаємодій, що мають значний вплив на фізіологічні реакції прісноводних риб, і сприяє зростанню кількості досліджень, що документують складні мультистрессорні взаємодії. Однак на здатність риб до генетичної адаптації до швидких змін клімату впливає низка факторів, включаючи адаптивну генетичну мінливість, ефективну чисельність популяції, час зміни поколінь і зв’язок між популяціями, що може сприяти поширенню толерантних до змін довкілля генотипів.
Зміни клімату та рішення, спрямовані на досягнення сталості
Вчені працюють над управлінням рибальством та аквакультурою у відповідних просторових і часових масштабах, використовуючи кломплексний підхід для обмеження впливу зміни клімату на репродуктивну біокомплексність риб. Біокомплексність – це дослідження складних структур і поведінки, що виникають внаслідок динамічних, нелінійних взаємодій активних біологічних агентів, з ієрархічною структурою, яка інтегрує процеси управління і механізми зворотного зв’язку. Дослідники пов’язали кілька різних елементів, намагаючись сформулювати розуміння складного природного середовища рибальства та його використання. Ці елементи включають знання рибальського району, що використовується рибалками, знання біології та екології конкретних видів, а також їхні місцеві екологічні знання, що базуються на різних біологічних дослідженнях риб. Розуміння цих факторів є дуже важливим і має вирішальне значення для процесу просування систем рибальства та аквакультури в напрямку покращення управління та сталого розвитку. Крім того, розуміння того, як різні фактори навколишнього середовища взаємодіють для управління репродуктивною віссю риб, також має вирішальне значення для розуміння і прогнозування екологічних явищ, пов’язаних з рибними популяціями, а також для потенційного застосування в управлінні розведенням риби в неволі. Згідно з дослідженнями останніх років, оцінки кліматичної вразливості повинні проводитися як частина майбутньої системи управління рибним господарством. Планування адаптації напередодні зміни клімату може забезпечити швидкий оціночний підхід до розуміння вразливості. Останніми роками деякі нові підходи набули величезного значення як основа для проведення кліматичного профілювання та оцінок в умовах обмеженості даних, які адаптуються до змін у стані запасів, для збільшення кількості рибних господарств, які можуть впроваджувати багатовидове управління для покращення своїх показників. Для захисту вразливих рибних популяцій вкрай важливо відстежувати довгострокові демографічні реакції на зміну клімату. Швидкість зміни клімату часто випереджає середню швидкість еволюційних змін. Нещодавні мета-аналізи свідчать про те, що види з адаптивними фенотипічними реакціями можуть еволюціонувати занадто повільно, щоб встигати за змінами клімату. Тому моніторинг численних реакцій та розуміння їхніх обмежень є важливим для ефективного управління ресурсами та збереження видів, що перебувають під загрозою зникнення. Відрізнити наслідки зміни клімату від наслідків неефективного управління досить складно, оскільки, наприклад, невдачі з поповненням природних запасів риби можуть бути спричинені як поганими екологічними умовами, так і малим розміром нерестового запасу. Використання кластерного або територіального підходу може допомогти поліпшити традиційне рибальство, торгівлю, соціальний захист населення внутрішніх районів та екологічну сталість. Розвиток методів адаптації, таких як розведення кліматостійких або солестійких видів, може отримати користь від досліджень у галузі прогнозного моделювання та суперкомп’ютерних інструментів.
Моніторинг та сталість
Температура впливає на біохімічні реакції та швидкість метаболізму, впливаючи на кількість енергії, доступної для росту, харчування та відтворення. Як наслідок, розуміння фізіологічних і молекулярних реакцій, які використовують риби, щоб впоратися з потеплінням океану, є надзвичайно важливим. Що стосується екофізіології, здоров’я дикої та культивованої риби відстежується за кількома параметрами, такими як окислювальний стрес і пов’язані з ним фізіологічні реакції. Деякі фізіологічні реакції тісно залежать від того, як риба використовує антиоксиданти для протидії окислювальному стресу, спричиненому підвищенням температури. Як наслідок, вимірювання антиоксидантних біомаркерів може виявити наявність деяких екологічних стресорів швидше і точніше, дозволяючи на ранніх стадіях оцінити їхню шкоду.
Неінвазивні процедури можна застосовувати до великої кількості тварин, а також використовувати для повторних оцінок без негативного впливу на популяцію обраного біологічного виду. Наприклад, оцінка редокс-статусу (окислювально-відновного) біоптату шкіри базується на процедурі видалення епітеліальних клітин, яка не вимагає забою тварин, що дозволяє уникнути етичних проблем. Вона забезпечує адекватний біологічний матеріал, необхідний для біохімічних і молекулярних антиоксидантних аналізів, які широко використовуються на різних організмах. У риб метод біопсії шкіри був валідований на численних видах риб, таких як атлантичний лосось, райдужна форель, кларій ходячий та деяких інших. Цей метод дозволяє виявити активність антиоксидантних ферментів і дає змогу оцінити різні біомаркери окислювального пошкодження.
Неінвазивні методи не завжди можуть бути використані в токсикологічних дослідженнях і в екологічних оцінках. Насправді застосовуються інші стратегії, які не передбачають евтаназії зразків і називаються нелетальними методами, наприклад, відбір зразків плазми є широко використовуваною технікою для дослідження здоров’я і фізіології, і було розроблено кілька методів відбору зразків плазми.
Існує дефіцит досліджень з використанням складних методів для вивчення кліматично зумовлених реакцій риб. Тому важливо проводити більше досліджень, що стосуються конкретних видів і є екологічно реалістичними, щоб зрозуміти майбутню екофізіологію риб, спричинену зміною клімату. Також необхідно вибрати ширший спектр стресових факторів і моделювати види риб, щоб зрозуміти неочікувані результати за різних кліматичних сценаріїв. Також необхідні додаткові дослідження нелетальних кінцевих точок для відстеження стресових подій у риб. Не існує досліджень, які б застосовували порівняльно-колективний підхід до вивчення реакцій риб на стрес, а також життєвих циклів, стратегій харчування чи поведінкових реакцій за різних умов або режимів утримання. Отже, окрім росту та захворюваності, важливо також розуміти реакцію на стрес у риб в умовах зміни клімату.
Допоміжне відтворення
Підхід до захисту популяцій риб, що скорочуються, шляхом збереження in-situ є найбільш пріоритетним за сценарієм зміни клімату. Тому вчені рекомендують збереження ex-situ як ефективний засіб отримання функціональних гамет для збереження та розмноження цих цінних зародкових ліній за допомогою розведення в неволі.
Створення сурогатного маточного стада шляхом трансплантації статевих клітин, що дозволяє отримати мільйони риб’ячих гамет з бажаними якостями, такими як ріст, стійкість до хвороб та плодючість, використовуючи лише одного донора, є одним з найперспективніших методів збереження ex situ. Враховуючи, що програми збереження часто вимагають створення тисяч нових особин протягом багатьох років для успішної підтримки популяцій, що скорочуються, застосування нових технологій, таких як сурогатне материнство статевих клітин, можливо, краще підходить для підтримки широкомасштабних зусиль зі збереження риби, ніж інші методи.
Перспективи
Зміна клімату викликала великий інтерес до теплової/термо екофізіології (біологічної дисципліни, що вивчає реакцію фізіології організму на умови навколишнього середовища), оскільки температура є надзвичайно важливим фактором у водному середовищі. Риби є пойкілотермами і не здатні регулювати температуру свого тіла. Статеве розмноження риб сильно залежить від специфічних екологічних сигналів, які запускають і регулюють статеве дозрівання, розмноження та виживання потомства. Мінливість навколишнього середовища в поєднанні з порушенням місць відтворення може негативно вплинути на відтворення і поставити під загрозу успішний процес розмноження та виживання риб у природі та аквакультурі..
Технологічні досягнення з використанням неінвазивного та нелетального моніторингу, а також допоміжного відтворення та нутрігеноміки (наука про вплив харчування на експресію генів) в системах аквакультури повинні забезпечити швидкий та інноваційний підхід до оцінки з метою створення корисних протоколів для забезпечення сталості рибних ресурсів.
