Subiecte

Abstract

Introducere

Mutualismele sunt interacțiuni ecologice care beneficiază de două sau mai multe specii 1. Comportamentul de curățare este una dintre cele mai importante interacțiuni mutualiste dintre peștii din recifele de corali 2,3,4. Curățarea afectează în mod direct structura și sănătatea comunităților, deoarece îndepărtarea substanțelor de curățare din recifele cu patch-uri mici a redus diversitatea peștilor, recrutarea și abundența atât a peștilor rezidenți atașați la sit, cât și a peștilor vizitatori 2,3,4. În timp ce interacționați cu peștii clienți, unele produse de curățat (de ex Labroides dimidiatus) pot să coopereze (consumul de paraziți, adică curățarea) sau trișarea (consumul de mucus de la clienți) pe care îl preferă 5. Ori de câte ori agenții de curățare aleg să fie necinstiți, apare un conflict, de obicei rezultând o „scuturare” observabilă a clientului, ca răspuns la mușcătura 6 a agentului de curățare. Curățenii pot reduce conflictele și pot investi în calitatea interacțiunii, oferind stimulare tactilă clienților lor (contact fizic cu corpurile clientului) folosind aripioarele pelvine 7. În plus, agenții de curățare pot crește calitatea și durata inspecției, ceea ce sporește șansele interacțiunilor viitoare 8 .

Pentru a optimiza producția de interacțiuni de cooperare, peștii trebuie să își adapteze comportamentul social în funcție de informațiile sociale disponibile (adică competența socială) 9. Capacitatea de a-și regla comportamentul social se bazează pe mecanisme care permit schimbări comportamentale rapide și tranzitorii, care depind de comutarea biochimică socială a rețelelor neuronale existente (de exemplu, neuromodulatorii). Monoaminele sunt o clasă majoră de neuromodulatori și acțiunea lor în comportamentul social, precum și sensibilitatea lor la factorii de mediu, au fost documentate pe larg 10. Se crede că sunt implicați în controlul și integrarea comportamentului și a răspunsului la stres fiziologic la pești 11. De exemplu, se știe că comportamentul social al orbelor mai curate este modulat de diferite monoamine, și anume serotonina și dopamina, care afectează motivația de a interacționa și de a interacționa calitatea, respectiv 12,13 .

Se estimează că încălzirea și acidificarea oceanelor, cauzată de creșterea concentrației de dioxid de carbon (CO2) în atmosferă, va avea un impact asupra comportamentului și fiziologiei peștilor 14. Sensibilitatea la aclimatizarea acidificării oceanului poate duce la tulburări de învățare 15, anxietate crescută la peștii de piatră (Sebastes diploproa) 16, lateralizarea perturbată 17 și pierderea auditivului în larvele mulloway (Argyrosomus japonicus) 18 și răspunsuri olfactive ale peștilor clovni portocalii (Amphiprion percula) 19. Se presupune că mai multe dintre aceste deficiențe sunt corelate cu modificările schimbului de ioni Cl - în receptorii acidului γ-aminobutiric de tip A (GABAA), deoarece administrarea gabazinei (antagonistul GABAA) a restabilit aceste efecte 16,20. La fel, încălzirea oceanelor poate avea un impact asupra comportamentului peștilor prin creșterea nivelurilor de activitate 21, a reacției senzoriale 22 și a interacțiunilor pradă-prădător 23. De fapt, schimbările acestor factori determinanți ai schimbărilor climatice pot dezechilibra mutualismele către rezultate mai exploatatoare, unde o interacțiune benefică odată poate deveni mai puțin benefică sau chiar dăunătoare 1 .

Deși un studiu recent a arătat impactul dăunător al perturbațiilor extreme ale mediului, și anume cicloni și înălbire, pentru a curăța abundența și sofisticarea peștilor 24, nu există cunoștințe cu privire la efectul combinat al încălzirii și acidificării oceanelor asupra mutualismelor de curățare și modul în care acestea ar putea afecta neuromodulatorii respectivi. . Aici am evaluat modul în care simulatul de CO2 a crescut la sfârșitul secolului (

Scenariile de 960 µatm, CO2 ridicat) și încălzire (+3 ° C) 25 pot afecta interacțiunile de curățare cooperantă între lămpi mai curateL. dimidiatus) și un client surgeonfish (Suntem eleganți). Pentru a analiza componenta comportamentală a interacțiunilor de curățare, am măsurat motivația peștilor mai curate și motivația clientului de a interacționa (de exemplu, numărul de interacțiuni, proporția de interacțiuni inițiate de agenții de curățare și raportul afișărilor clientului ”care prezintă) și calitatea interacțiunii (de exemplu, durata medie a interacțiunii, numărul zguduiturile clientului și proporția interacțiunilor cu stimularea tactilă). Pentru a studia mecanismele moleculare din spatele unor astfel de schimbări în interacțiunile de curățare, am cuantificat nivelurile de monoamină și metaboliții (ca proxy de activitate) în trei regiuni majore ale creierului peștilor care sunt în mod normal analizate în studiile de comportament social - de ex. creierul anterior, creierul mediu și creierul posterior 26,27,28. Mai mult, am investigat modul în care sistemele serotoninergice și dopaminergice au fost asociate cu motivația de a se angaja în cooperarea și calitatea interacțiunii.

Rezultate

Încercare comportamentală

După 45 de zile de aclimatizare, numărul interacțiunilor de curățare a fost redus semnificativ la încălzire (-93%), acidificare (-85%) și interacțiunea acestor doi factori de stres (-73%, df = 30, p 0,05; Fig. 1e –F, tabelul suplimentar S2).

neurobiologice

Motivația și calitatea interacțiunilor de curățare scad sub CO2 ridicat și încălzire. Răspunsuri comportamentale din procesul de interacțiune dintre agentul de curățare Labroides dimidiatus (n = 31) și clientul Suntem eleganți (n = 31). (A) Numărul de interacțiuni, (b) proporția de interacțiuni începute de agenții de curățare, (c) clientul „pozat” afișează raportul (numărul de afișări de poză împărțit la timp fără interacțiune),d) proporția interacțiunilor cu zguduiturile clientului, (e) proporția interacțiunilor cu stimularea tactilă, (f) durata interacțiunii (în secunde). Scenariile de tratament sunt reprezentate de control (scenariul actual, temperatura = 29 ° C, pCO2

400 μatm), încălzire (temperatura = 32 ° C, pCO2

400 μatm), CO2 ridicat (acidificare, temperatura = 29 ° C, p CO2

960 μatm), CO2 ridicat + încălzire (temperatura = 32 ° C, p CO2

960 μatm). Marginile superioare și inferioare ale casetei înglobează gama intercuartilă, linia din fiecare casetă denotă mediana, mustățile se extind până la cele mai îndepărtate puncte care nu sunt valori exterioare (adică 1,5 × intervalul intercuartil), iar punctele indică valori anterioare. Desene de Catarina Santos.

Concentrația neurotransmițătorilor

La peștii mai curați, deși concentrația de dopamină a fost în general mai mare la nivelul creierului mediu și a creierului posterior, s-a observat o interacțiune semnificativă a factorilor de stres (independent de regiunea creierului), CO2 ridicat a scăzut semnificativ dopamina doar la temperaturi mai scăzute (−67% în FB, −65% în MB, -48% în HB; df = 23, p 0,05, Fig. 2b Tabel suplimentar S3). Concentrația de serotonină (5-HT) a scăzut semnificativ în creierul anterior cu CO2 ridicat (-19%, df = 23, p Figura 2

Neurotransmițătorii și concentrațiile de metaboliți în lămpi mai curate (L. dimidiat) sub CO2 ridicat și încălzirea oceanului pe regiune a creierului. (A) concentrația de dopamină (ng.mg de țesut cerebral -1); (b) Concentrația DOPAC (ng.mg de țesut cerebral -1); (c) concentrația de serotonină (ng.mg de țesut cerebral -1); (d) Concentrația 5-HIAA (ng.mg de țesut cerebral -1). Regiunile creierului sunt împărțite în creierul anterior, creierul mediu și creierul posterior. Scenariile de tratament sunt reprezentate de control (scenariul actual, temperatura = 29 ° C, pCO2

400 μatm), încălzire (temperatura = 32 ° C, pCO2

400 μatm), CO2 ridicat (acidificare, temperatura = 29 ° C, p CO2

960 μatm), CO2 ridicat + încălzire (temperatura = 32 ° C, p CO2

960 μatm). Intervalele axei Y au fost ajustate, permițând o vizualizare mai bună a concentrațiilor în funcție de diferite monoamine și specii de pești. Marginile superioare și inferioare ale casetei înglobează intervalul intercuartil, linia din interiorul fiecărei cutii denotă mediana, mustățile se extind până la cele mai îndepărtate puncte care nu sunt valori exterioare (adică 1,5 × intervalul intercuartil), iar punctele indică valori anterioare.

La clienți, concentrația de dopamină (în general mai ridicată în creierul anterior) a scăzut semnificativ sub CO2 ridicat în creierul anterior (-57%) și în creierul posterior (-32%) și a crescut în creierul mediu (+ 77%; df = 23, p 0,05, Fig. 3a Tabelul suplimentar S4) și serotonina (df = 23, p> 0,05, Fig. 3a Tabelul suplimentar S4) concentrațiile nu s-au modificat între tratamente. În timp ce concentrația de 5-HIAA a scăzut semnificativ în creierul anterior cu CO2 ridicat (−8%, df = 23, p Figura 3

Neurotransmițători și concentrațiile de metaboliți la peștii clienți (N. elegant) sub CO2 ridicat și încălzirea oceanului pe regiune a creierului. (A) concentrația de dopamină (ng.mg de țesut cerebral -1); (b) Concentrația DOPAC (ng.mg de țesut cerebral -1); (c) concentrația de serotonină (ng.mg de țesut cerebral -1); (d) Concentrația de 5-HIAA (ng.mg de țesut cerebral -1). Regiunile creierului sunt împărțite în creierul anterior, creierul mediu și creierul posterior. Scenariile de tratament sunt reprezentate de control (scenariul actual, temperatura = 29 ° C, pCO2

400 μatm), încălzire (temperatura = 32 ° C, pCO2

400 μatm), CO2 ridicat (acidificare, temperatura = 29 ° C, p CO2

960 μatm), CO2 ridicat + încălzire (temperatura = 32 ° C, p CO2

960 μatm). Intervalele axei Y au fost ajustate, permițând o vizualizare mai bună a concentrațiilor în funcție de diferite monoamine și specii de pești. Marginile superioare și inferioare ale casetei înglobează intervalul intercuartil, linia din interiorul fiecărei cutii denotă mediana, mustățile se extind până la cele mai îndepărtate puncte care nu sunt valori exterioare (adică 1,5 × intervalul intercuartil), iar punctele indică valori anterioare.

Corelația dintre comportament și neurotransmițători

Analiza de corelație canonică (CCA) între seturile de variabile neurobiologice (N) și comportament (B) a arătat că, la agenții de curățare, 51,9% din variabilitatea comportamentală a fost explicată de variabile neurobiologice. Încărcările încrucișate CCA (figurile suplimentare S1-S2) au arătat că prima variabilă canonică (CV1) are o puternică corelație negativă cu proporția interacțiunilor cu stimulare tactilă (rNCV1 × Stimulare tactilă = -0,85) și pozitivă cu zgomotul clientului (rNCV1 × zgomotele clientului = 0,63) și o corelație negativă moderată cu 5-HIAA a creierului mediu (rBCV1 × MB-5-HIAA = -0,45) și concentrațiile de serotonină și dopamină ale creierului posterior (rBCV1 × HB-5-HT = -0,44, rBCV1 × HB- DA = -0,3). CCA a arătat, de asemenea, că CV2 se corelează negativ cu proporția interacțiunilor inițiate de agenții de curățare (interacțiuni rNCV2 × inițiate de agenții de curățare = -0,84) și numărul de interacțiuni (interacțiuni rNCV2 × = -0,79) și cu dopamina midbrain, DOPAC (rBCV2 × MB- DA = -0,6; rBCV2 × MB-DOPAC = -0,36) și concentrațiile de 5-HIAA ale creierului posterior (rBCV2 × HB-5-HIAA = -0,38).

Pentru peștii clienți, CCA între variabilele neurobiologice și comportamentale a arătat că, în medie, 15,7% din variabilitatea comportamentală a fost explicată prin concentrația neurotransmițătorilor. Încărcările încrucișate CCA (Figurile suplimentare S3-S4) au arătat că CV1 are o corelație pozitivă cu raportul de poziționare a clientului (rNCV1 × Poziția clientului = 0,67) și corelație negativă cu concentrațiile de serotonină din creierul central și 5-HIAA (rBCV1 × MB-5-HT = 0,29). Pe de altă parte, CV2 se corelează negativ cu proporția interacțiunilor cu scuturări (rNCV2 × scutecele clientului = 0,57), numărul de interacțiuni (rNCV2 × interacțiuni = −0,51) și cu dopamina midbrain (rBCV2 × MB-DA = 0,57).

Discuţie

Se știe că comportamentul și fiziologia peștilor sunt afectați de încălzirea și acidificarea oceanelor, dar efectele lor asupra mutualismelor de curățare sunt slab cunoscute 1.14. Aici, arătăm că ambii factori de stres afectează interacțiunile de curățare cooperantă (atât la scară comportamentală, cât și la scară neurobiologică) între lămpile mai curate. L. dimidiatus iar clientul pește N. elegant. Motivația de a interacționa a scăzut și calitatea interacțiunii s-a schimbat în astfel de condiții. Concomitent, sistemele dopaminergice (în toate regiunile creierului) și serotoninergice (în creierul anterior) au fost semnificativ modificate de acești factori de stres la ambii parteneri.

Interacțiunile de curățare afectate pot duce indirect la efecte în cascadă asupra structurii și abundenței comunității locale de pești. Studiile anterioare sugerează că prezența lutelor mai curate poate afecta comunitățile locale, deoarece îndepărtarea experimentală a produselor de curățat în recifele cu patch-uri mici a redus diversitatea peștilor, recrutarea și abundența atât a peștilor rezidenți atașați la sit, cât și a peștilor clienți 2. Se știe că prezența mai curată a peștilor afectează încărcăturile de izopode gnathiide parazite asupra indivizilor 3 și doar un singur ectoparazit gnathiid poate avea un impact semnificativ asupra supraviețuirii peștilor (în special recruții mici), deoarece scade performanța înotului și ratele metabolice și crește rata mortalității 29. Astfel, o întrerupere a interacțiunilor de curățare sub încălzire și acidificare a oceanului ar putea indirect, printr-o creștere presupusă a încărcării ectoparaziților clienților, să afecteze fiziologia peștilor clienți și, în cele din urmă, supraviețuirea. Efectele locale și individuale ale pierderii acestui mutualism s-ar putea extinde în cele din urmă la un nivel comunitar (adică efecte trofice în cascadă 1).

La clienți, concentrația de dopamină a scăzut, de asemenea, în general sub CO2 ridicat și, în creierul mediu, a fost corelată cu numărul de interacțiuni care, la fel ca în cazul produselor de curățare, ar putea fi legate de recompense mai mici din cauza lipsei de interacțiuni 26. Deoarece activarea dopaminergică poate fi: (i) condusă de percepția interacțiunilor și (ii) comportamente sociale specifice speciilor la vertebrate (ca agresiune și curte), susținem că acidificarea oceanului poate duce la afectarea percepției clienților indusă de dopamină de recompense, ca un stimul vizual (prezența curățătorului) este perceput fără a realiza o interacțiune (recompensă). Împreună, efectul dintre specii asupra sistemului dopaminergic sugerează dopamina ca un potențial sistem neurobiologic prin care CO2 ridicat afectează comportamentul, deși sunt necesare studii farmacologice suplimentare pentru a confirma acest lucru. Dopamina nu a fost afectată de CO2 atunci când agenții de curățare au fost expuși la temperaturi mai ridicate, ceea ce ar putea sugera o interacțiune antagonică a ambilor factori de stres și prezența unui mecanism de toleranță încrucișată 35 .

Este demn de remarcat faptul că neurotransmisia GABAergică este principalul sistem cunoscut a fi afectat de acidificarea oceanului și nu se pot arunca efectele sale și posibilele interacțiuni GABAergice cu dopamina și serotonina 16,20,37. Sub CO2 ridicat, potențialul de echilibru pentru Cl - este întrerupt din cauza unei scăderi a concentrației plasmatice de Cl - pentru a menține echilibrul sarcinii (datorită excreției de H + pentru a contracara acidoză). Când GABA se leagă de deschiderea canalului receptorului GABAA inhibitor în mod normal, conduce la mișcarea netă a Cl-ului din neuron, provocând depolarizarea membranei și creșterea excitației căilor neuronale 38. Acest proces a fost descris atât la pești, cât și la nevertebrate - de ex. moluște 39,40. Se știe că sistemul GABAergic este legat atât de sistemele dopaminergice, cât și de cele serotoninergice, deoarece activarea receptorului GABAA în interneuronii GABAergici poate reduce răspunsul serotonergic 41, iar neuronii dopaminergici pot exercita o puternică influență inhibitoare prin activarea receptorilor GABAA 42. Prin urmare, efectul descris al CO2 în receptorii GABAergici și relația lor cu serotonina și dopamina pot juca un rol în mecanismul potențial al perturbării ridicate a CO2 a comportamentului de curățare cooperant.

Metode

Condiții de aclimatizare

Am folosit răni mai curate Labroides dimidiatus (n = 32; dimensiune 5,4 ± 0,6 cm) și pește chirurg Suntem eleganți (n = 32, dimensiunea 6,9 ± 1,1 cm), un client frecvent de vase mai curate despre care se știe că se adaptează ușor la condițiile de laborator 43. Aceste specii au fost utilizate în studii comportamentale și neurobiologice și prezintă pe deplin interacțiunile lor de curățare cooperativă în acvarii, chiar și fără prezența paraziților. Ambele au fost colectate de pescari locali, folosind plase de mână și plase de barieră, între noiembrie și decembrie 2014 în Maldive și transportate de TMC Iberia la instalațiile acvatice din Laboratório Marítimo da Guia (Cascais, Portugalia). Pentru a evita posibilele interacțiuni între nivelurile de parazitare, interacțiunea parazit-pește și răspunsurile parazite la încălzirea oceanului și la tratamentele de acidificare a peștilor au fost deparazitate cu o baie de apă dulce de cinci minute la sosirea 44. Peștii au fost, de asemenea, aclimatizați în laborator timp de 5 zile în condiții de apă de mare similare locului de colectare: salinitate = 35 ± 0,5, temperatură 29 ° C (Maldive 2013-2014 SST medie, NOAA 45), pH 8,1 și pCO2

400 ppm (acostare BOBOA Ocean Acidification 2014, NOAA 46). Fiecare pește a fost expus timp de 45 de zile (la unul dintre cele patru tratamente experimentale următoare) în tancuri individuale separate (adică 8 L. dimidiatus și 8 N. elegant per tratament, 32 L. dimidiatus și 32 N. elegant in total; un total de 64 de tancuri): (1) scenariu actual (control) (29 ° C, pH 8,1, pCO2

400 ppm), (2) scenariu de încălzire (32 ° C, pH 8,1, pCO2

400 ppm), (3) aciditate ridicată a CO2 (29 ° C, pH 7,7, pCO2

960 ppm) și (4) CO2 ridicat + încălzire (32 ° C, pH 7,7, pCO2

960 ppm), urmând scenariul RCP 8.5 25 al IPCC (a se vedea tabelul S1 pentru rezumatul chimiei apei). În timpul perioadei de expunere, un pește din fiecare specie a murit în scenariul de încălzire.

Observații comportamentale

Eșantionarea creierului și cuantificarea monoaminelor și metaboliților creierului

Pentru a evita degradarea monoaminei în timpul macro-disecției cerebrale și pentru a menține timpul de prelevare a probelor după interacțiuni, peștele omogen, mai curat și client a fost sacrificat imediat după o supradoză de soluție de tricaină (MS222, Pharmaq; 250 mg/L) și măduva spinării secționată . Creierul a fost macrodisectat sub un stereoscop (Leica S6D) în trei regiuni: creierul anterior (bulbii olfactivi + telencefalul + diencefalul, FB), creierul mediu (tectul optic, MB) și creierul posterior (cerebelul + trunchiul cerebral, HB). Imediat după colectare, țesutul cerebral a fost plasat pe gheață uscată și depozitat la -80 ° C până la analiză.

analize statistice

Notă etică

Cercetările au fost efectuate sub aprobarea Facultății de Științe a Universității din Lisabona, organismul pentru bunăstarea animalelor (ORBEA - Declarație 01/2017) și a Direcției Generale Medicină Alimentară și Veterinară (DGAV - Permis 2018-05-23-010275) în în conformitate cu cerințele impuse de Directiva 2010/63/UE a Parlamentului European și a Consiliului din 22 septembrie 2010 privind protecția animalelor utilizate în scopuri științifice.