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Respuestas metabólicas a los extremos fríos y cálidos en el océano
- Publicado: 17 de enero de 2024
- https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002479
Cifras
Cita: Rubalcaba JG (2024) Respuestas metabólicas a extremos fríos y cálidos en el océano. PLoS Biol 22(1): e3002479. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002479
Publicado: 17 de enero de 2024
Copyright: © 2024 Juan G. Rubalcaba. Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos de la Licencia Creative Commons Attribution , que permite el uso, distribución y reproducción sin restricciones en cualquier medio, siempre que se acredite al autor y la fuente originales.
Financiación: El autor no recibió financiación específica para este trabajo.
Intereses en conflicto: El autor ha declarado que no existen intereses en conflicto.
El calentamiento climático antropogénico está provocando cambios globales en la abundancia y distribución geográfica de las especies marinas en todo el mundo [ 1 ]. Estas tendencias son impulsadas principalmente por el aumento de la temperatura del agua, que afecta el rendimiento fisiológico y la aptitud y, en última instancia, influye en dónde pueden vivir las especies. Sin embargo, predecir las respuestas complejas de los organismos a los cambios en la temperatura del agua sigue siendo un gran desafío para la investigación ecológica. Para predecir con precisión estas respuestas, los biólogos intentan comprender los mecanismos que vinculan la fisiología y las condiciones ambientales. Un cuerpo emergente de investigación tiene como objetivo reproducir estos mecanismos utilizando modelos que describen las respuestas fisiológicas a las fluctuaciones de temperatura a lo largo del espacio y el tiempo, un enfoque que tiene el potencial de revolucionar la forma en que predecimos la redistribución global de las especies en un mundo en calentamiento [ 2 , 3 ].
La temperatura del agua afecta fundamentalmente al metabolismo aeróbico, responsable de producir energía que alimenta los procesos fisiológicos, la actividad y la reproducción. A medida que aumenta la temperatura del agua, la tasa metabólica de muchos animales acuáticos aumenta exponencialmente, lo que requiere un aumento concomitante en el suministro de oxígeno. Sin embargo, la disponibilidad de oxígeno en el agua es limitada y las tasas de difusión de las moléculas de oxígeno desde el medio ambiente al cuerpo son más lentas en el agua que en el aire [ 4 ]. Por lo tanto, algunos organismos pueden no ser capaces de obtener oxígeno a la velocidad necesaria para satisfacer la demanda en aguas que se calientan. Este desequilibrio entre el suministro y la demanda de oxígeno puede ser especialmente importante para las especies grandes y activas, y se prevé que afecte a su rendimiento fisiológico en el futuro [ 5 ].
Aunque la mayoría de las investigaciones se han centrado en las respuestas metabólicas a temperaturas más altas (relevantes para el cambio climático antropogénico), el efecto del frío sobre el metabolismo ha recibido mucha menos atención. A bajas temperaturas, la función muscular se ve restringida, lo que limita la capacidad de los individuos para buscar alimento, cazar o escapar de los depredadores. Además, los sistemas circulatorio y ventilatorio se vuelven menos efectivos en el frío, lo que puede reducir la capacidad del organismo para suministrar oxígeno a los tejidos metabolizadores [ 6 ]. Por lo tanto, como en el extremo cálido, las bajas temperaturas podrían alterar el delicado equilibrio entre el suministro y la demanda de oxígeno, limitando la función metabólica. Esta idea sugiere que la limitación de oxígeno puede explicar la dependencia de la temperatura del metabolismo tanto en extremos cálidos como fríos. Ahora, escribiendo en PLOS Biology , Endress y colegas [ 7 ] encuentran apoyo para esta idea y proporcionan un nuevo marco mecanicista para modelar las restricciones aeróbicas tanto a temperaturas cálidas como frías.
Para investigar la interacción entre el metabolismo, la disponibilidad de oxígeno y la temperatura, los investigadores suelen medir el parámetro Pcrit, definido como la presión parcial de oxígeno más baja requerida para mantener el metabolismo en reposo [ 8 ]. Cuando la disponibilidad de oxígeno en el entorno cae por debajo de la Pcrit del organismo, las tasas metabólicas disminuyen repentinamente ( Fig. 1A ). Las mediciones empíricas sugieren que la Pcrit generalmente aumenta en relación con la temperatura ( Fig. 1B ). A medida que aumenta la temperatura, los sistemas de absorción y transporte de oxígeno no pueden incorporar oxígeno a la velocidad a la que lo queman los tejidos metabolizadores, lo que sugiere que la demanda de oxígeno aumenta más rápido que el suministro y, en última instancia, lo supera a altas temperaturas. En su estudio, Endress y sus colegas muestran un patrón sorprendente para la Pcrit en diferentes animales de sangre fría: descubrieron que la Pcrit muestra una curva en forma de U, en lugar de un aumento monótono, en relación con la temperatura, lo que sugiere que las tasas metabólicas están limitadas por el oxígeno, no solo a temperaturas cálidas sino también a temperaturas frías. Pero, ¿qué causa este patrón?
Para explicar esta curva en forma de U, Endress y sus colegas simularon la cadena de procesos físicos, químicos y fisiológicos involucrados en el transporte de moléculas de oxígeno desde el ambiente hasta los tejidos corporales metabolizadores. Esta cadena incluye la ventilación externa del agua desde el ambiente hasta la superficie de las branquias, la difusión de oxígeno molecular a través de esa superficie y el flujo interno de oxígeno mediado por el sistema circulatorio. Aunque cada paso de esta cadena responde a la temperatura debido a las propiedades fisicoquímicas de sus componentes, no todos responden exactamente de la misma manera. Por lo tanto, los autores proponen que las diferentes sensibilidades térmicas de la ventilación, la circulación, la difusión y la demanda metabólica llevaron a relaciones complejas dependientes de la temperatura de Pcrit: a medida que aumenta la temperatura, la demanda de oxígeno aumenta más rápido que las tasas de difusión, mientras que a temperaturas frías, la capacidad ventilatoria o circulatoria se ralentiza más rápido que la demanda de oxígeno. Como resultado, la demanda excede la oferta tanto en los extremos cálidos como en los fríos (aumento de Pcrit), dando lugar a una región óptima a temperaturas intermedias donde la cadena de suministro de oxígeno es más efectiva y, por lo tanto, puede maximizar la actividad metabólica.
Descargar:
Fig. 1. Temperatura fisiológica óptima resultante de la tríada metabolismo-temperatura-oxígeno.
El consumo de oxígeno (tasa metabólica) dibuja patrones complejos en relación con la temperatura y la disponibilidad de oxígeno ambiental: la tasa metabólica aumenta con la temperatura y la disponibilidad de oxígeno limita este aumento. El nivel mínimo de oxígeno requerido para mantener el metabolismo se llama Pcrit; una Pcrit más alta denota que el organismo requiere una mayor concentración de oxígeno para respirar ( A ). La Pcrit generalmente aumenta monótonamente con la temperatura (línea discontinua en B ) porque la demanda de oxígeno excede la capacidad de suministro. Endress y colegas muestran, sin embargo, que algunas especies muestran una curva en forma de U (línea continua en B ), lo que sugiere que las bajas temperaturas también restringen la absorción de oxígeno al reducir la capacidad ventilatoria. Esta curva da como resultado una temperatura óptima en la que la capacidad aeróbica es máxima.
El clima, y en particular la temperatura, limitan la distribución geográfica de las especies a través de su efecto sobre el rendimiento fisiológico. El marco mecanicista de Endress y sus colegas genera una predicción biogeográfica: las especies deberían vivir donde la temperatura y la disponibilidad de oxígeno permitan maximizar la actividad metabólica. Al comparar sus predicciones con datos empíricos sobre la distribución geográfica de diferentes especies marinas, los autores encuentran respaldo para esta hipótesis. Esta idea brinda nuevas oportunidades para examinar el papel de la temperatura y la limitación de oxígeno en la determinación de la distribución geográfica de las especies marinas, especialmente en sus límites de distribución fríos y sus respuestas al calentamiento climático. Estos resultados también apuntan a la limitación de oxígeno como un mecanismo que explica la disminución de la biodiversidad marina hacia los polos, donde las condiciones ambientales imponen restricciones aeróbicas a largo plazo sobre la fisiología, y sugieren que el calentamiento climático aliviará esta barrera facilitando las expansiones de la distribución latitudinal hacia los polos.
Los modelos mecanicistas están abriendo nuevos caminos en la comprensión y predicción de las respuestas de los organismos al cambio climático [ 9 ]. El modelo de Endress y sus colegas hace una contribución clave a este fin, ya que tiene el potencial de capturar los mecanismos que limitan, no solo los bordes calientes sino también los fríos de las distribuciones de las especies. Las investigaciones futuras deberían abordar si las curvas dependientes de la temperatura de Pcrit en forma de U están extendidas en la naturaleza y, si lo están, si la limitación de oxígeno es la causa más importante que determina estas respuestas.
Referencias
- 1.Lenoir J, Bertrand R, Comte L, Bourgeaud L, Hattab T, Murienne J, et al. Las especies siguen mejor el calentamiento climático en los océanos que en la tierra. Nat Ecol Evol. 2020;4:1044–1059. pmid:32451428
- 2.Deutsch C, Ferrel A, Seibel B, Pörtner HO, Huey RB. El cambio climático refuerza una restricción metabólica sobre los hábitats marinos. Science. 2015;348(6239):1132–1135.
- 3.Urban MC, Bocedi G, Hendry AP, Mihoub JB, Pe'er G, Singer A, et al. Mejorar el pronóstico de la biodiversidad en el contexto del cambio climático. Science. 2016;353(6304):aad8466. pmid:27609898
- 4.Verberk WC, Bilton DT, Calosi P, Spicer JI. Suministro de oxígeno en ectotermos acuáticos: la presión parcial y la solubilidad explican en conjunto la biodiversidad y los patrones de tamaño. Ecología. 2011;92(8):1565–1572. pmid:21905423
- 5.Rubalcaba JG, Verberk WC, Hendriks AJ, Saris B, Woods HA. La limitación de oxígeno puede afectar la dependencia de la temperatura y el tamaño del metabolismo en los ectotermos acuáticos. Proc Natl Acad Sci US A. 2020;117(50):31963–31968. pmid:33257544
- 6.Portner HO. Base fisiológica de la biogeografía dependiente de la temperatura: compensaciones en el diseño y el rendimiento muscular en ectotermos polares. J Exp Biol. 2002;205(15):2217–2230. pmid:12110656
- 7.Endress MGA, Penn JL, Boag TH, Burford BP, Sperling EA, Deutsch CA. Óptimos térmicos en la tolerancia a la hipoxia de los ectotermos marinos: causas fisiológicas y consecuencias biogeográficas. PLoS Biol. 2024; 22(1):e3002443.
- 8.Fry F, Hart JS. Relación entre la temperatura y el consumo de oxígeno en los peces de colores. Biol Bull. 1948;94(1):66–77. pmid:18901099
- 9.Briscoe NJ, Morris SD, Mathewson PD, Buckley LB, Jusup M, Levy O, et al. Pronósticos mecanicistas de las respuestas de las especies al cambio climático: la promesa de la ecología biofísica. Glob Chang Biol. 2023;29(6):1451–1470. pmid:36515542
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