Изменение климата и репродуктивная биокомплексность рыб: подходы к управлению рыболовством и аквакультурой

Изменение климата влияет на физиологию, закономерности роста и поведение водных организмов, что, в свою очередь, сокращает их географическое распространение и способности к размножению. Это в конечном счете приводит к смертности, изменению состава популяции океанических рыб, эффективности производства и функциональности водных экосистем.

Рыбы, будучи пойкилотермными (то есть холоднокровными организмами, имеющими переменную температуру тела, которая колеблется в соответствии с температурой окружающей среды и подобна ей или немного превышает ее), подвержены влиянию асимметричных климатических явлений, воздействующих на целый ряд факторов — от метаболизма до поведения и процесса эволюции. Изменение температуры может привести к утрате биоразнообразия, что скажется на глобальных рыбных запасах, будет иметь социально-экономические последствия и вызовет рост дефицита питательных веществ.

Продолжающиеся изменения окружающей среды в сочетании с нарушением условий размножения могут поставить под угрозу успешное размножение и выживание, а следовательно, и способность поддерживать жизнеспособную устойчивость. Половое размножение, являясь важным и энергоемким процессом для выживания видов и эволюции рыб, зависит от специфических факторов окружающей среды, которые запускают и регулируют половое созревание и выживание потомства.

Эта статья – краткое изложение оригинальной публикации (Mitra, A. et al. 2023. Изменение климата и репродуктивная биокомплексность рыб: инновационные подходы к управлению для обеспечения устойчивости рыболовства и аквакультуры. Вода 2023, 15(4), 725) — рассматривает биокомплекс воспроизводства рыб в ответ на изменение климата и некоторые предлагаемые инновационные решения.

Влияние климатических изменений на воспроизводство рыбы

За последние несколько десятилетий были внесены изменения в классификацию и регистрацию соответствующих событий в размножении организмов, в частности тех, которые являются холоднокровными. Как и у других позвоночных и беспозвоночных, нынешние асинхронные изменения климата потенциально влияют на динамику популяции, структуру сообщества, экосистемные процессы и стабильность экосистем, изменяя успешность пополнения, влияя на несоответствия между цветением фитопланктона и фенологией нереста рыб (фенология — это изучение периодических событий в биологических жизненных циклах и того, как на них влияют сезонные и межгодовые колебания климата, а также факторы среды обитания).

Долгосрочная оценка влияния климата показала, что осадки, критические температуры и показатели смертности рыбы были основными факторами изменения численности видов. Широко сообщалось о влиянии изменения климата на соотношение полов, дифференцировку половых желез, гаметогенез, качество гамет, эмбриональную активность, репродуктивный цикл и сексуальное поведение.

Таким образом, в условиях меняющегося климата знание взаимодействия между различными переменными окружающей среды, которые регулируют функционирование оси мозг-гипофиз-гонады, имеет решающее значение для прогнозирования экологических явлений, связанных с естественными популяциями рыб, и контроля за разведением рыбы в неволе. Известно, что центральная нервная система играет решающую роль в сочетании различных внешних (окружающая среда) и внутренних (гормональные) сигналов, которые регулируют размножение посредством определяющих скорость реакции воздействий на синтез и действие гормонов, а также воздействий на структуру гормонов. Сенсорная система влияет на гипоталамус, который, по-видимому, является наиболее важной областью мозга для контроля репродуктивных процессов и поведения позвоночных.

Кроме того, различные исследования показывают, что подкисление океана влияет на циркадную систему (естественное колебание, повторяющееся примерно каждые 24 часа), что может привести к дальнейшим изменениям в контроле нейроэндокринной регуляции размножения рыб. Изменения солености могут оказывать влияние на сперматогенез рыб и гомеостаз яичек, влияя на пролиферацию клеток половых желез и гнездовое поведение самцов морских рыб. Синергетический эффект засоления пресной воды и повышения температуры приводит к сложным взаимодействиям, оказывающим значительное влияние на физиологические реакции пресноводных рыб, и способствует растущему количеству исследований, документирующих сложные взаимодействия множественных стрессов.

Однако на способность рыб к генетической адаптации к быстрому изменению климата влияет ряд факторов, включая адаптивную генетическую изменчивость, эффективную численность популяции, время генерации и взаимосвязь между популяциями, которые могут способствовать распространению толерантных генотипов.

Изменение климата и решения, направленные на обеспечение устойчивости

Ученые работают над управлением рыболовством и аквакультурой в соответствующих пространственных и временных масштабах, используя интегративный подход для ограничения воздействия изменения климата на репродуктивную биокомплексность рыб. Биокомплексность — это изучение сложных структур и поведения, возникающих в результате динамических, нелинейных взаимодействий активных биологических агентов, с иерархической структурой, которая объединяет процессы управления и механизмы обратной связи.

Исследователи связали несколько различных элементов в попытке сформулировать понимание сложной природной среды промысла и ее использования. Эти элементы включают знание района лова, используемого рыбаками, и их знания биологии и экологии конкретных видов, а также их местные экологические знания, основанные на различных биологических исследованиях рыб.

Понимание этих факторов очень важно и имеет решающее значение для процесса перехода систем рыболовства и аквакультуры к более эффективному управлению и устойчивости. Кроме того, понимание того, как различные факторы окружающей среды взаимодействуют, регулируя репродуктивную ось у рыб, также имеет решающее значение для понимания и прогнозирования экологических явлений, связанных с популяциями рыб, а также для потенциального применения в управлении разведением рыбы в неволе.

Изменение климата и репродуктивная биокомплексность рыб: подходы к управлению рыболовством и аквакультурой

Согласно исследованиям последних лет, оценки климатической уязвимости должны проводиться в рамках будущей системы управления рыболовством. Планирование адаптации на пороге изменения климата может обеспечить быстрый оценочный подход к пониманию уязвимостей. В последние годы некоторые новые подходы приобрели огромное значение в качестве основанного на широком участии механизма для проведения климатического профилирования и оценок с ограниченным объемом данных, которые адаптируются к изменениям в состоянии запасов, чтобы увеличить число рыбохозяйственных предприятий, которые могут осуществлять многовидовое управление для улучшения своих показателей.

Крайне важно отслеживать долгосрочные демографические реакции на изменение климата, чтобы защитить уязвимые популяции рыб. Темпы изменения климата часто опережают средние темпы эволюционных изменений. Недавние метаанализы показывают, что виды с адаптивными фенотипическими реакциями, возможно, эволюционируют слишком медленно, чтобы успевать за изменением климата. Следовательно, мониторинг многочисленных ответных мер и понимание их ограничений необходимы для эффективного управления ресурсами и сохранения видов, находящихся под угрозой исчезновения.

Отличить последствия изменения климата от последствий плохого управления сложно, поскольку, например, неудача с пополнением может быть вызвана как плохими условиями окружающей среды, так и небольшим размером нерестового запаса. Использование кластерного или зонального подхода может помочь обеспечить улучшение традиционного рыболовства, торговли, социальной защиты населения внутренних районов и экологической устойчивости. Разработке методов адаптации, таких как выведение устойчивых к изменению климата или засолению видов, могли бы способствовать исследования в области прогнозирующего моделирования и суперкомпьютерных инструментов.

Мониторинг и устойчивость

Температура влияет на биохимические реакции и скорость метаболизма, оказывая влияние на количество энергии, доступной для роста, добывания пищи и размножения. В результате понимание физиологических и молекулярных реакций, выступающих как ответная реакция рыб на потепление океана, имеет важное значение. В области экофизиологии здоровье дикой и культивируемой рыбы отслеживается по нескольким параметрам, таким как окислительный стресс и возникающая в результате физиологическая реакция.

Несколько физиологических реакций тесно зависят от того, как рыба использует антиоксиданты для противодействия окислительному стрессу, вызванному повышением температуры. Как следствие, измерения антиоксидантных биомаркеров могут более быстро и конкретно выявлять присутствие некоторых стрессоров окружающей среды, позволяя на ранней стадии оценить ущерб.

Неинвазивные процедуры могут быть применены к большому количеству животных, а также могут использоваться для повторных оценок без негативного воздействия на популяцию выбранного биологического вида. Например, оценка статуса окислительно-восстановительной биопсии кожи основана на процедуре удаления эпителиальных клеток, которая не требует убийства животных, что позволяет избежать этических проблем. Она обеспечивает достаточный биологический материал, необходимый для биохимических и молекулярных антиоксидантных анализов, широко используемых на нескольких организмах. У рыб метод биопсии кожи был апробирован на многих видах, таких как атлантический лосось, радужная форель, ходячий сом и некоторых других. Этот метод позволяет определять активность антиоксидантных ферментов и позволяет оценивать различные биомаркеры окислительного повреждения.

Неинвазивные методы не всегда могут быть использованы в токсикологических исследованиях и при оценке состояния окружающей среды. Фактически, применяются и другие стратегии, которые не предполагают эвтаназию образцов и называются нелетальными методами.  Например, забор плазмы является широко используемым методом для исследования состояния здоровья и физиологии.

Существует нехватка исследований с использованием сложных методов для изучения реакций рыб, обусловленных изменением климата. Поэтому важно проводить больше видоспецифичных и экологически реалистичных исследований, чтобы понять будущую экофизиологию рыб, вызванную изменением климата. Также необходимо выбрать более широкий спектр стрессоров и модельных видов рыб, чтобы понять неожиданные результаты при различных климатических сценариях. Также требуются дополнительные исследования нелетальных конечных точек для отслеживания стрессовых явлений у рыб. Не существует исследований, в которых применялся бы сравнительный коллективный подход к изучению реакций рыб на стресс наряду с жизненными циклами, стратегиями кормления или поведенческими реакциями в различных условиях культивирования или режимах.

Таким образом, помимо роста и заболеваемости, также важно понимать реакцию рыб на стресс в условиях изменения климата.

Вспомогательное воспроизводство

Подход к защите сокращающихся популяций рыб путем сохранения на месте является наивысшим приоритетом в сценарии изменения климата. Следовательно, ученые рекомендовали сохранение ex situ в качестве эффективного средства получения функциональных гамет для сохранения и размножения этих ценных зародышевых линий путем разведения в неволе.

Создание суррогатного маточного стада с помощью трансплантации половых клеток, которая позволяет получать миллионы рыбьих гамет с желаемыми качествами, такими как рост, устойчивость к болезням и плодовитость, с использованием всего одного донора, является одним из наиболее многообещающих методов сохранения ex situ.

Учитывая, что программы сохранения часто требуют создания тысяч новых особей в течение многих лет для успешного поддержания сокращающейся популяции, применение новых технологий, таких как суррогатное материнство из половых клеток, возможно, лучше подходит для поддержки крупномасштабных усилий по сохранению рыбы, чем другие методы.

Перспективы

Изменение климата вызвало большой интерес к термической экофизиологии (биологической дисциплине, изучающей реакцию физиологии организма на условия окружающей среды), поскольку температура является чрезвычайно важным фактором в водной среде. Рыбы пойкилотермны и не способны регулировать температуру своего тела. Половое размножение у рыб сильно зависит от специфических факторов окружающей среды, которые запускают и регулируют половое созревание, размножение и выживание потомства. Хаотичность окружающей среды в сочетании с нарушением условий размножения может негативно сказаться на воспроизводстве и поставить под угрозу успешное размножение и выживание рыб как в рыболовстве, так и в аквакультуре.

Технологические достижения, использующие неинвазивный и нелетальный мониторинг, наряду со вспомогательной репродукцией и нутригеномикой в системах аквакультуры, должны обеспечить быстрый и инновационный подход к оценке для создания полезных протоколов для обеспечения устойчивости рыбных ресурсов.