The effects of oxygen availability and acclimation temperature on upper thermal tolerance in zebrafish (Danio rerio)

Abstract

Globale temperaturer øker, og hetebølger forekommer oftere. Det blir derfor stadig mer viktig å forstå hvordan ulike organismer responderer til temperaturendringer. Det har blitt foreslått at en begrensning i dyrs kapasitet til å forsyne vevene med oksygen fører til en nedgang i ytelse når temperaturer nærmer seg begrensende verdier. Resultater fra tidligere studer er derimot motstridende, og det ser ut til at effekten av oksygentilgjengelighet på øvre temperaturtoleranse er avhengig av art og sammenheng. I denne studien undersøkte vi om oksygennivå i omgivelsene (30 %, 100 % og 200 % luftmetning) er en begrensende faktor for øvre temperaturtoleranse målt som CTmax hos sebrafisker akklimert til 20 ℃, 28 ℃ og 34 ℃. I et nytt eksperiment ble effekten av oksygen (50 %, 100 %, 150 % og 250 % luftmetning) på øvre temperaturtoleranse og aerob kapasitet videre undersøkt for kuldeakklimerte fisk. Vår hypotese var at fisker som har blitt akklimert til ulike temperaturer kan respondere ulikt på oksygennivåer som er høyere eller lavere enn vanlige nivåer. Dette fordi fiskers fysiologi endres med akklimeringstemperatur. Vi fant at fisk eksponert for 50 % luftmettet vann klarte å opprettholde en relativt høy aerob kapasitet når de hadde blitt akklimert til 20 ℃, og at den aerobe kapasiteten økte med nivå av luftmetning i hyperoksi. Videre ble CTmax betraktelig redusert ved eksponering for 30 % luftmettet vann for alle akklimeringstemperaturer. Hyperoksi så bare ut til å påvirke CTmax for kuldeakklimerte fisker, hvor hyperoksi økte varmetoleranse opp til et nivå før den avtok. Dermed var effekten av oksygen på øvre temperaturtoleranse avhengig av akklimeringstemperatur. Siden den aerobe kapasiteten var høyest ved de høyeste oksygennivåene er det mulig at øvre temperaturtoleranse bare er avhengig av oksygen frem til den aerobe kapasiteten når et visst omfang der fordelen av hyperoksi er fullt utnyttet og andre fysiologiske funksjoner blir begrensende for temperaturtoleranse.

Global temperatures are increasing, and heat waves are becoming more frequent. Therefore, it is increasingly important to understand how different organisms respond to changes in temperature. It has been suggested that a constraint in capacity to supply tissues with oxygen causes a decline in animal performance when temperatures approach limiting values. Results from previous studies are however contradicting, and it seems like the effect of oxygen availability on upper thermal tolerance is dependent on species and context. We investigated whether ambient oxygen level (30 %, 100 % and 200 % of air saturation) is a limiting factor for upper thermal tolerance measured as CTmax in zebrafish acclimated to 20 ℃, 28 ℃ and 34 ℃. In a second experiment the effect of oxygen (50 %, 100 %, 150 % and 250 % of air saturation) on upper thermal tolerance and aerobic scope was further investigated for cold acclimated fish. We hypothesised that fish acclimated to different temperatures might respond differently to oxygen levels above or below usual levels because the physiology of the fish change with acclimation temperature. Fish exposed to 50 % air saturated water was able to maintain a relatively high aerobic scope when acclimated to 20 ℃, and aerobic scope increased with level of oxygen saturation in hyperoxia. Moreover, CTmax was considerably reduced when fish were exposed to 30 % air saturated water for all acclimation temperatures. Hyperoxia seemed to only affect CTmax in cold acclimated fish, where hyperoxia increased CTmax up to a level before declining. Thus, the effect of oxygen was dependent on acclimation temperature. As aerobic scope was highest at the highest levels of ambient oxygen, upper thermal limits might be dependent on oxygen only until aerobic scope reach a certain magnitude, after which the benefit of hyperoxia was saturated and other physiological functions became limiting for thermal tolerance.