Ondas de calor marinhas em ambientes intertidais: tolerância térmica e plasticidade fenotípica do peixe Pomatoschistus microps

Abstract

Os oceanos são os maiores dissipadores de calor do sistema climático global. Os cenários modelados preveem um aquecimento gradual e continuo e ondas de calor cada vez mais frequentes, intensas e de maior duração nas zonas costeiras da Península Ibérica, tornando os estuários particularmente vulneráveis a eventos climáticos extremos. O aumento do risco de sobreaquecimento dos organismos marinhos e a mortalidade nos principais grupos taxonómicos têm sido observados recorrentemente, mas os mecanismos moleculares subjacentes à vulnerabilidade ou tolerância de organismos às ondas de calor ainda são amplamente desconhecidos. O objetivo desta tese foi estudar os impactos do aquecimento global e das ondas de calor marinhas na espécie Pomatoschistus microps (caboz comum) e perceber como é que o aumento da temperatura está a moldar os mecanismos que estes peixes usam para enfrentar o stress térmico tanto a nível molecular como fenotípico, para inferir sobre a tolerância e capacidade de aclimatação térmica da espécie. Os peixes foram submetidos a 3 tratamentos diferentes durante 30 dias: um Tratamento de Controlo que é representativo da temperatura média anual para a zona costeira portuguesa (19 °C), um Tratamento 1 correspondente ao regime térmico atual de verão (22 °C) e um Tratamento 2 que representa a temperatura média futura de verão (25 °C). Ao fim de 30 dias, a temperatura foi aumentada a uma taxa de 1 °C por hora (+ 5 °C) nos Tratamentos 1 e 2 para simular uma onda de calor marinha atual (de 27 °C com duração de 7 dias no Tratamento 1) e uma onda de calor futura (de 30 °C com duração de 12 dias no Tratamento 2). Em cada ponto de amostragem (após os 30 dias de exposição aos cenários de controlo, verão atual e verão futuro e após a exposição às ondas de calor) foram colhidos peixes para estimar: i) o consumo de oxigénio através de respirometria (taxa metabólica de rotina), ii) o limite de tolerância térmica (“Critical Thermal Maximum”, CTmax), e iii) a resposta celular ao stress no músculo, através da quantificação de biomarcadores, (Capacidade Antioxidante Total (TAC), Peroxidação Lipídica (LPO), desnaturação proteica (Ubiquitina (UBI) e Proteína de Choque Térmico 70 kDa (HSP70)) e Superóxido Dismutase (SOD)) e das Proteínas Totais (PT) como medida de reserva energética. Ao longo do tempo a mortalidade também foi registada. Para a análise dos dados foi utilizado o software PRIMER 6 (versão 6.1.16) e o Excel (Microsoft 365). Os peixes apresentaram um maior consumo de oxigénio quando submetidos ao cenário futuro de aquecimento oceânico, existindo diferenças significativas entre o Controlo e o Tratamento 2 ao fim de 30 dias, indicando que a taxa metabólica aumenta nas temperaturas mais elevadas, potencialmente induzindo maiores gastos energéticos. Os limites térmicos máximos aumentaram com o aumento da temperatura e com o tempo de exposição, variando de 32,5 °C a 36,4 °C, e em todos os tratamentos foram superiores à temperatura máxima do habitat (23,6 °C), o que resulta numa margem de segurança térmica (TSM) positiva. Observamos diferenças significativas no limite térmico máximo nos peixes do Tratamento 2 em relação ao Controlo e em relação ao Tratamento 1 ao fim de 30 dias, bem como no Tratamento 1 ao fim de 37 dias. No entanto, a taxa de resposta de aclimatação (ARR) para o CTmax é muito próxima de 0, ou seja, apresentam uma baixa capacidade de aclimatação. Perante os diferentes cenários térmicos simulados no laboratório não foram detetadas quaisquer alterações nos biomarcadores, ou seja, não apresentaram nenhuma resposta significativa perante o aumento da temperatura. Isto mostra que a espécie estará bem adaptada a temperaturas elevadas ou conseguiu aclimatar-se durante o tempo da experiência. No entanto, a mortalidade aumentou durante a simulação de aquecimento global e onda de calor futura (Tratamento 2). Isto é indicativo de que os peixes terão sofrido maior desregulação fisiológica nesse tratamento, mas que esta pode não ter sido evidente no músculo, ou poderá estar relacionada com outros fatores que não foram avaliados, como por exemplo devido à desregulação no balanço energético dos tecidos. Podemos concluir que a espécie P. microps apresenta uma grande tolerância às variações ambientais dentro da sua faixa térmica, mas apresenta pouca capacidade de aclimatação, o que pode ser problemático a longo prazo para a sobrevivência da espécie. O aquecimento global antropogénico vai aumentar a variabilidade nos ecossistemas e pode trazer desafios ecológicos à medida que ocorrem novas interações entre espécies. Isto torna ainda mais difícil a avaliação dos impactos das alterações climáticas. Por isso, compreender as respostas fisiológicas das espécies é crucial para uma avaliação mais precisa dos riscos ambientais, e assim ser possível definir estratégias adaptativas de conservação e mitigação para uma melhor gestão de recursos marinhos.

The oceans are the largest heat sinks of the global climate system. Modelled scenarios predict gradual and continuous warming, as well as increasingly frequent, intense, and longer-lasting heatwaves in the coastal areas of the Iberian Peninsula, making estuaries particularly vulnerable to extreme weather events. The increased risk of overheating in marine organisms and mortality in major taxonomic groups have been recurrently observed. Yet, the molecular mechanisms underlying the organism’s vulnerability or tolerance to heatwaves are still largely unknown. Accordingly, the main aim of this thesis was to study the impacts of global warming and marine heatwaves on the species Pomatoschistus microps (commonly known as goby) and to understand how rising temperatures are shaping the mechanisms these fish use to cope with thermal stress, both at the molecular and phenotypic levels, to infer about the species' thermal tolerance and acclimation capacity. Fish were subjected to three different treatments over 30 days: Control Treatment representing the average annual temperature for the Portuguese coastal zone (19 °C), Treatment 1 corresponding to the current summer thermal regime (22 °C), and Treatment 2 representing the estimated future summer average temperature (25 °C). After 30 days, the temperature was raised at a rate of 1 °C per hour (+ 5 °C) in Treatments 1 and 2 to simulate current marine heatwaves (27 °C for 7 days in Treatment 1) and future heatwaves (30 °C for 12 days in Treatment 2). At each sampling point (after 30 days of exposure to control, current summer, and expected future summer scenarios, and after the heatwaves simulations), fish were sampled to estimate: i) oxygen consumption through respirometry (routine metabolic rate), ii) the critical thermal maximum (CTmax), and iii) the cellular stress response in muscle tissue by quantifying oxidative stress and protein denaturation biomarkers (Total Antioxidant Capacity (TAC), Lipid Peroxidation (LPO), protein denaturation (Ubiquitin (UBI), and 70 kDa Heat Shock Protein (HSP70)) and Superoxide Dismutase (SOD), as well as Total Proteins (TP) as an energy reserve measurement. Mortality was also recorded over time. Data analysis was conducted using PRIMER 6 (version 6.1.16) and Excel (Microsoft 365). Fish exhibited increased oxygen consumption when subjected to the expected future ocean warming scenario, with significant differences between the Control and Treatment 2 at the 30-day time point, indicating an increase in metabolic rate at higher temperatures, potentially resulting in greater energy expenditure. Maximum thermal limits increased with temperature and exposure time, ranging from 32.5 °C to 36.4 °C, and in all treatments, they exceeded the maximum habitat temperature (23.6 °C), resulting in a positive thermal safety margin (TSM). Significant differences in the maximum thermal limits were observed in fish from Treatment 2 compared to Control and Treatment 1 after 30 days, as well as in Treatment 1 after 37 days. However, the acclimation response rate (ARR) for CTmax was very close to 0, indicating low acclimation capacity. No changes in biomarkers were detected in response to the simulated thermal scenarios in the laboratory, suggesting that the species is well adapted to high temperatures or may have acclimated during the experiment. Nevertheless, mortality increased during the simulation of anthropogenic global warming and estimated future heatwaves (Treatment 2), indicative of potential physiological dysregulation in these fish, which may not have been evident in the muscle or could be related to unexamined factors, such as alterations in tissue energy balance. In conclusion, the species P. microps demonstrates significant tolerance to environmental fluctuations within its thermal range but displays limited acclimation capacity, posing potential long-term challenges to its survival. Anthropogenic global warming will increase variability in ecosystems and may bring ecological challenges as new species interactions emerge. This complicates the assessment of climate change impacts further. Therefore, understanding species' physiological responses is essential for a more accurate assessment of environmental risks, enabling the definition of adaptive conservation and mitigation strategies for improved marine resource management.