Vom Klimawandel zu Stoffwechselveränderungen bei Fischen
Die Erwärmung der europäischen Ozeane und Meere und Sauerstoffverlust sind eine direkte Folge des Klimawandels. Obwohl beide Trends direkte Auswirkungen auf die Meeresökosysteme haben, werden diese beiden Stressfaktoren in der Forschung meist isoliert betrachtet. Dies kann allerdings dazu führen, dass die tatsächlichen Umweltbedingungen, denen Fische in der Natur ausgesetzt sind, nicht vollständig erfasst werden. „Wir benötigen einen umfassenderen Ansatz, der untersucht, wie die Erwärmung der Ozeane und der Sauerstoffmangel zusammen die Stoffwechselrate von Fischen beeinflussen“, sagt Rasmus Ern, Biologe an der norwegischen University für Wissenschaft und Technik(öffnet in neuem Fenster). Das EU-finanzierte Projekt OxyTempFish war dieser Frage gewidmet.
Neue Instrumente zur Vorhersage der Auswirkungen des Klimawandels auf Fische
Anhand des Zebrafisches als Modellart wurde untersucht, wie sich steigende Temperaturen und sinkender Sauerstoffgehalt auf den Stoffwechsel von Fischen auswirken und wie Stoffwechselveränderungen die thermischen Obergrenzen und Verhaltensreaktionen auf Hypoxie beeinflussen. Hierzu baute und verfeinerte das Team spezielle Versuchssysteme, die es ermöglichen, den Sauerstoffgehalt und die Temperatur des Wassers genau zu kontrollieren und gleichzeitig Stoffwechselmerkmale, Wärmetoleranzgrenzen und Verhalten zu messen. Eines dieser Systeme ist das OptoReg-Sauerstoffregulierungssystem, ein einfaches und kostengünstiges Gerät, das die weit verbreiteten FireSting-O2-Sauerstoffmessgeräte von PyroScience in präzise Sauerstoffregler mit geschlossenem Regelkreis verwandelt. Das als frei zugängliches Methodenpapier veröffentlichte System ermöglicht ressourcenbeschränkten Labors das Durchführen anspruchsvoller Hypoxieversuche.
Neue Entdeckungen stellen alte Annahmen in Frage
Mit diesen Instrumenten ermittelten die Forschenden, dass der Schwellenwert für den Wassersauerstoff, bei dem die thermischen Obergrenzen (kritisches thermisches Maximum (CTmax)) eingeschränkt werden (PCTmax), keine feste Eigenschaft von Arten ist – je nachdem, wie schnell die Temperaturen steigen, verschiebt sich der Schwellenwert erheblich. Die Forschenden fanden zudem heraus, dass das Vermeidungsverhalten bei aquatischer Hypoxie stärker mit der Hypoxietoleranzkapazität als mit dem Basissauerstoffbedarf zusammenhängt. Dieses Ergebnis stützt die Idee, dass das Vermeidungsverhalten mechanistisch durch die Nähe zu physiologischen Grenzen und nicht durch routinemäßige Stoffwechselkosten bestimmt wird – einschließlich von Implikationen für die Vorhersage der Auswirkungen von individuellen physiologischen Variationen auf Verhaltensreaktionen bei sinkendem Sauerstoffgehalt. Im Rahmen des Projekts wurde nicht zuletzt festgestellt, dass sich die Auswirkung einer zunehmenden Erwärmung auf den CTmax-Wert über Akklimatisierungstemperaturen umkehrt – der CTmax-Wert steigt bei an Wärme akklimatisierten Fischen, während er bei an Kälte akklimatisierten Fischen sinkt. „Dies stellt die weit verbreitete Annahme in Frage, dass ein einziges standardisiertes Erwärmungsprotokoll die Wärmetoleranz von Arten aus unterschiedlichen thermischen Umgebungen zuverlässig messen und vergleichen kann“, bemerkt Ern. Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass Standard-Labormethoden zur Messung der thermischen Obergrenzen die Empfindlichkeit von Arten gegenüber einer Kombination aus Erwärmung und Sauerstoffmangel systematisch über- oder unterschätzen können – mit direkten Auswirkungen auf die Prognosezuverlässigkeit für die Entwicklung von Fischpopulationen im Zuge des Klimawandels. Die wichtigsten Ergebnisse des Projekts wurden auf internationalen Konferenzen vorgestellt, und derzeit werden mehrere Manuskripte für die Einreichung bei führenden Fachzeitschriften vorbereitet. Derweil hat das Projekt bereits zu mehreren Veröffentlichungen beigetragen, darunter ein viel zitierter Übersichtsartikel in der Fachzeitschrift „Physiology“ aus dem Jahr 2023, der den aktuellen Kenntnisstand über die Wechselwirkung von Herz-Kreislauf-Funktion, Sauerstoffversorgung und zellulärer Stressreaktion bei der Festlegung von thermischen Grenzen bei Fischen zusammenfasst. Das Projekt wurde im Rahmen des Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmenprogramms(öffnet in neuem Fenster) unterstützt.
