A tisztító kölcsönösség neurobiológiai és viselkedési reakciói az óceán felmelegedésére és savanyítására

Tárgyak

Absztrakt

Bevezetés

A kölcsönösségek olyan ökológiai kölcsönhatások, amelyek két vagy több fajnak kedveznek 1. A tisztítási viselkedés az egyik legfontosabb kölcsönös kölcsönhatás a halak között a korallzátonyokban 2,3,4. A tisztítás közvetlenül befolyásolja a közösségek szerkezetét és egészségét, mivel a kis takarmányzátonyokban a tisztítószerek eltávolítása csökkentette a halak sokféleségét, a helyhez kötődő lakoshalak és a látogató kliensek halainak toborzását és bőségét 2,3,4. Miközben kölcsönhatásba lépnek a kliens halakkal, néhány tisztítószer (pl Labroides dimidiatus) vagy együttműködhet (paraziták fogyasztása, azaz tisztítás), vagy csalhat (nyálkafogyasztás a kliensektől), amelyet előnyben részesítenek 5. Valahányszor a tisztító tisztességtelenség mellett dönt, konfliktus alakul ki, amely általában a kliens megfigyelhető „lökését” eredményezi a tisztító harapására 6. A takarítók csökkenthetik a konfliktusokat és befektethetnek az interakció minőségébe azáltal, hogy tapintási stimulációt biztosítanak ügyfeleiknek (fizikai kapcsolat az ügyfél testével) a medencebordájuk segítségével 7. A tisztítószerek emelhetik az ellenőrzés minőségét és időtartamát, ami növeli a jövőbeli interakciók esélyeit 8 .

A kooperatív interakciók kimenetének optimalizálása érdekében a halaknak ki kell igazítaniuk társadalmi viselkedésüket a rendelkezésre álló társadalmi információknak (azaz társadalmi kompetenciának) megfelelően 9. A társadalmi viselkedésük szabályozásának képessége olyan mechanizmusokon alapszik, amelyek lehetővé teszik a gyors és átmeneti viselkedésváltozásokat, amelyek a meglévő ideghálózatok (pl. Neuromodulátorok) társadalmilag vezérelt biokémiai kapcsolásától függenek. A monoaminok a neuromodulátorok egyik fő osztálya, és a társadalmi viselkedésben kifejtett hatásukat, valamint a környezeti tényezőkre való érzékenységüket széles körben dokumentálták 10. Úgy gondolják, hogy részt vesznek a halak viselkedésének és fiziológiai stresszreakciójának ellenőrzésében és integrálásában 11. Például a tisztább burkolatok társadalmi viselkedését különböző monoaminok, nevezetesen a szerotonin és a dopamin modulálják, amelyek befolyásolják az interakció motivációját és az interakció minőségét, 12.13 .

Az óceán felmelegedése és savanyulása, amelyet a légköri szén-dioxid (CO2) növekvő koncentrációja okoz, várhatóan befolyásolja a halak viselkedését és fiziológiáját 14. Az óceán savanyulása iránti érzékenység tanulási zavarokhoz 15 vezethet, fokozódhat a szorongás a sziklahalaknál (Sebastes diploproa) 16, megzavarta a lateralizációt 17 és a halloway lárvák hallásának elvesztését (Argyrosomus japonicus) És a narancsos bohóchal szaglási reakciói (Amphiprion percula) 19. Ezek közül a károsodások közül feltételezhetően több kapcsolódik a Cl - ioncserében bekövetkező változásokhoz az A típusú γ-aminovajsav (GABAA) receptorokban, mivel a gabazin (GABAA antagonista) beadása visszaállította ezeket a hatásokat 16,20. Hasonlóképpen, az óceán felmelegedése hatással lehet a halak viselkedésére azáltal, hogy növeli a 21. aktivitási szintet, az érzékszervi reakciókészséget 22 és a zsákmány-ragadozó kölcsönhatásokat 23. Valójában ezekben az éghajlatváltozással kapcsolatos hajtóerők változásai kiegyensúlyozhatják a kölcsönösségeket a kizsákmányolóbb eredmények felé, ahol az egyszer előnyös interakció kevésbé előnyös vagy akár káros is lehet 1 .

Bár egy nemrégiben végzett tanulmány kimutatta a szélsőséges környezeti zavarok, nevezetesen a ciklonok és a fehérítés káros hatását a tisztább halgazdagságra és kifinomultságra 24, nincsenek ismeretek arról, hogy az óceán felmelegedése és a savasodás együttes hatással van-e a tisztító kölcsönösségekre, és hogy ezek hogyan befolyásolhatják az adott neuromodulátorokat . Itt értékeltük, hogyan szimulálták a század végének megnövekedett CO2-értékét (

960 µatm, magas CO2-kibocsátás) és a felmelegedési (+3 ° C) forgatókönyvek 25 befolyásolhatják a tisztább kölcsönhatásokatL. dimidiatus) és egy kliens sebészhal (Elegánsak vagyunk). A takarítási interakciók viselkedési komponensének elemzéséhez megmértük a tisztább halakat és az ügyfelek motivációját az interakcióra (pl. Interakciók száma, a takarítók által kezdeményezett interakciók aránya és a kliens „pózoló” kijelzőinek aránya) és az interakció minőségét (pl. Átlagos interakció időtartama, kliens lökések és a taktilis stimulációval való interakciók aránya). A tisztító kölcsönhatások ilyen változásainak hátterében álló molekuláris mechanizmusok tanulmányozásához a hal agyának három fő régiójában meghatároztuk a monoamin-szinteket és a metabolitokat (mint aktivitásproxy), amelyeket általában a társadalmi viselkedési vizsgálatok során elemeznek - pl. előagy, középagy és hátsó agy 26,27,28. Megvizsgáltuk, hogy a szerotoninerg és a dopaminerg rendszerek hogyan kapcsolódnak az együttműködés és az interakció minőségének motivációjához.

Eredmények

Viselkedési tárgyalás

45 napos akklimatizálás után a tisztító kölcsönhatások száma jelentősen csökkent melegítés (−93%), savanyítás (−85%) és e két stresszor kölcsönhatása alatt (−73%, df = 30, p 0.05; 1e. Ábra) –F, S2 kiegészítő táblázat).

A tisztítási interakciók motivációja és minősége csökken a magas CO2-szint és a melegedés hatására. Viselkedési válaszok a tisztítószer közötti interakciós kísérletből Labroides dimidiatus (n = 31) és az ügyfél Elegánsak vagyunk (n = 31). a) Interakciók száma, b) a takarítók által megkezdett interakciók aránya, c) a kliens „pózoló” megjelenítési aránya (a pózolások száma osztva interakció nélküli idővel),d) az ügyféllökésekkel való interakciók aránya, e) a taktilis stimulációval való interakciók aránya, f) interakció időtartama (másodpercben). A kezelési szcenáriókat kontroll képezi (mai forgatókönyv, hőmérséklet = 29 ° C, pCO2)

400 μatm), melegítés (hőmérséklet = 32 ° C, pCO2)

400 μatm), magas CO2 (savanyítás, hőmérséklet = 29 ° C, p CO2

960 μatm), magas CO2 + felmelegedés (hőmérséklet = 32 ° C, p CO2

960 μatm). A doboz felső és alsó széle befogja az interkvartilis tartományt, az egyes dobozok belsejében lévő vonal a mediánt jelöli, a bajuszok a legtávolabbi pontokig nyúlnak, amelyek nem kiugró értékek (azaz az interkvartilis tartomány 1,5-szeresei), a pontok pedig a szélső értékeket jelzik. Catarina Santos rajzai.

A neurotranszmitterek koncentrációja

Tisztább halakban, bár a dopamin koncentrációja általában magasabb volt a középagyban és a hátsó agyban, a stresszorok jelentős kölcsönhatását figyelték meg (az agy régiójától függetlenül), a magas CO2 csak alacsonyabb hőmérsékleten csökkentette jelentősen a dopamint (−67% az FB-ben, −65% az agyban). MB, -48% HB-ben; df = 23, p 0,05, 2b. Ábra: S3 kiegészítő táblázat). A szerotonin (5-HT) koncentrációja jelentősen csökkent az előagyban magas CO2 mellett (−19%, df = 23, p 2. ábra

A neurotranszmitterek és a metabolit-koncentrációk a tisztább hulladékban (L. dimidiatus) agyi régiónként magas CO2-kibocsátás és az óceán felmelegedése mellett. (a) dopamin-koncentráció (ng.mg agyszövet −1); () DOPAC-koncentráció (ng.mg agyszövet −1); (c) szerotonin-koncentráció (ng.mg agyszövet -1); (d) 5-HIAA koncentráció (ng.mg agyszövet −1). Az agyrégiók előagyra, középagyra és hátsó agyra vannak osztva. A kezelési szcenáriókat kontroll képezi (mai forgatókönyv, hőmérséklet = 29 ° C, pCO2)

400 μatm), melegítés (hőmérséklet = 32 ° C, pCO2)

400 μatm), magas CO2 (savanyítás, hőmérséklet = 29 ° C, p CO2

960 μatm), magas CO2 + felmelegedés (hőmérséklet = 32 ° C, p CO2

960 μatm). Az Y-tengely tartományokat beállítottuk, lehetővé téve a koncentrációk jobb megjelenítését a különböző monoaminok és halfajok szerint. A doboz felső és alsó széle befogja az interkvartilis tartományt, az egyes dobozok vonala a mediánt jelöli, a pofaszakállak a legtávolabbi pontokig nyúlnak, amelyek nem kiugró értékek (azaz az interkvartilis tartomány 1,5-szeresei), a pontok pedig a szélső értékeket jelzik.

A kliensekben a dopamin koncentráció (az előagyban összességében magasabb) az előagyban (-57%) és a hátsó agyban (−32%) szignifikánsan csökkent, és a középagyban nőtt (+ 77%; df = 23, p 0,05), 3a. Ábra S4 kiegészítő táblázat) és a szerotonin (df = 23, p> 0,05, 3a ábra kiegészítő S4 táblázat) koncentrációja nem változott a kezelések között. Míg az 5-HIAA koncentrációja jelentősen csökkent az előagyban magas CO2 esetén (−8%, df = 23, p 3. ábra

Neurotranszmitterek és metabolitkoncentrációk a kliens halakban (. elegáns) agyi régiónként magas CO2-kibocsátás és az óceán felmelegedése mellett. (a) dopamin-koncentráció (ng.mg agyszövet −1); () DOPAC-koncentráció (ng.mg agyszövet −1); (c) szerotonin-koncentráció (ng.mg agyszövet -1); (d) 5-HIAA koncentráció (ng.mg agyszövet −1). Az agyrégiók előagyra, középagyra és hátsó agyra vannak osztva. A kezelési szcenáriókat kontroll képezi (mai forgatókönyv, hőmérséklet = 29 ° C, pCO2)

400 μatm), melegítés (hőmérséklet = 32 ° C, pCO2

400 μatm), magas CO2 (savanyítás, hőmérséklet = 29 ° C, p CO2

960 μatm), magas CO2 + felmelegedés (hőmérséklet = 32 ° C, p CO2

A viselkedés és a neurotranszmitterek összefüggése

A neurobiológiai (N) és a viselkedés (B) változók közötti kanonikus korrelációs elemzés (CCA) azt mutatta, hogy a tisztítószerekben a viselkedési változékonyság 51,9% -át neurobiológiai változók magyarázzák. A CCA keresztterhelései (S1-S2 kiegészítő ábrák) feltárták, hogy az első kanonikus változó (CV1) erős negatív korrelációt mutat a taktilis stimulációval (rNCV1 × tapintható stimuláció = −0,85) való kölcsönhatások arányával és pozitív az ügyfél rázkódásaival (rNCV1 × kliens jolts = 0,63) és mérsékelt negatív korreláció a középagy 5-HIAA-val (rBCV1 × MB-5-HIAA = −0,45), valamint a hátsó agy szerotonin- és dopamin-koncentrációival (rBCV1 × HB-5-HT = −0,44, rBCV1 × HB- DA = −0,3). A CCA azt is kimutatta, hogy a CV2 negatívan korrelál a tisztítószerek által kezdeményezett interakciók arányával (rNCV2 × takarítók által kezdeményezett interakciók = -0,84) és az interakciók számával (rNCV2 × interakciók = −0,79), valamint a középagy agy dopaminjával, a DOPAC-kal (rBCV2 × MB- DA = −0,6; rBCV2 × MB-DOPAC = −0,36), és a hátsó agy 5-HIAA koncentrációi (rBCV2 × HB-5-HIAA = −0,38).

A kliens halak esetében a neurobiológiai és a viselkedési változók közötti CCA azt mutatta, hogy a viselkedési változékonyság átlagosan 15,7% -át magyarázta a neurotranszmitterek koncentrációja. A CCA keresztterhelései (S3-S4 kiegészítő ábrák) feltárták, hogy a CV1 pozitív korrelációt mutat a kliens pózolási arányával (rNCV1 × kliens pózol = 0,67), és negatív korrelációt mutat a középagyi szerotonin és 5-HIAA koncentrációkkal (rBCV1 × MB-5-HT = - 0,29). Másrészt a CV2 negatívan korrelál a lökésekkel (rNCV2 × kliens jolts = 0,57), az interakciók számával (rNCV2 × interakciók = −0,51) és a középagyi dopaminnal (rBCV2 × MB-DA = 0,57) való interakciók arányával.

Vita

A halak viselkedését és fiziológiáját köztudottan befolyásolja az óceán felmelegedése és savanyulása, de ezek hatása a kölcsönös megtisztulásokra nem ismert. 1.14. Itt megmutatjuk, hogy mindkét stressz tényező befolyásolja a tisztább kölcsönhatások (mind viselkedési, mind neurobiológiai skálán) kooperatív tisztítási kölcsönhatásokat L. dimidiatus és az ügyfél hal . elegáns. Az interakció motivációja csökken, és az interakció minősége ilyen körülmények között megváltozik. Ezzel párhuzamosan a dopaminerg (az összes agyi régióban) és a szerotonerg (az előagyban) rendszert jelentősen megváltoztatták ezek a stresszorok mindkét partnerben.

A tisztítási interakciók zavara közvetett módon lépcsőzetes hatásokat eredményezhet a helyi halak közösségének szerkezetére és bőségére. Korábbi tanulmányok azt sugallják, hogy a tisztább burkolatok jelenléte hatással lehet a helyi közösségekre, mivel a kis takarmányzátonyokban a tisztítószerek kísérleti eltávolítása csökkentette a halak sokféleségét, a telephelyhez kötődő lakoshalak és a látogató kliensek halainak sokaságát és bőségét. A halak tisztább jelenléte ismert, hogy befolyásolja a parazita gnathiid izopoda terhelését az egyedeken 3, és csak egyetlen gnathiid ektoparazita jelentősen befolyásolhatja a halak túlélését (különösen a kis állományúak számára), mivel csökkenti úszási teljesítményüket és anyagcseréjüket, és növeli a mortalitási arányokat 29. Így a felmelegedés és az óceán savasodása alatti tisztítási interakciók megszakítása közvetett módon, a kliens ektoparazita-terhelésének feltételezett növekedésével befolyásolhatja a kliens halak fiziológiáját és végső soron a túlélést. E kölcsönösség elvesztésének helyi és egyéni hatásai végül közösségi szintre is felnőhetnek (azaz lépcsőzetes trofikus hatások 1).

Az ügyfeleknél a dopamin-koncentráció összességében szintén csökkent a magas CO2-koncentráció mellett, és a középagyban korrelált az interakciók számával, amelyek a tisztítószerekhez hasonlóan az interakciók hiánya miatt alacsonyabb jutalmakhoz kapcsolódhatnak 26. Mivel a dopaminerg aktiváció lehet: (i) az interakciók észlelése és (ii) a gerinces állatok fajspecifikus társadalmi viselkedése (agresszióként és udvarlásként), azzal érvelünk, hogy az óceán savanyulása dopamin okozta kliensek észlelésének romlásához vezethet a jutalmakról, mivel vizuális ingert (tisztító jelenlétét) kölcsönhatás (jutalom) elérése nélkül érzékelünk. A dopaminerg rendszerre gyakorolt fajonkénti hatás együttesen a dopamint mint olyan potenciális neurobiológiai rendszert sugallja, amely révén a magas CO2 károsítja a viselkedést, bár ennek megerősítéséhez további farmakológiai vizsgálatokra van szükség. A dopaminra nem volt hatással a CO2, amikor a tisztítószereket magasabb hőmérsékletnek tették ki, ez mindkét stresszor antagonista kölcsönhatására és kereszt-tolerancia mechanizmus jelenlétére utalhat 35 .

Érdemes megjegyezni, hogy a GABAerg neurotranszmisszió a fő rendszer, amelyről ismert, hogy az óceán savasodása befolyásolja, és nem vethetjük el annak hatásait, valamint a dopamin és szerotonin 16,20,37 közötti lehetséges GABAerg kölcsönhatásokat. Emelkedett CO2 esetén a Cl egyensúlyi potenciálja megszakad a plazma Cl - koncentrációjának csökkenése miatt a töltés egyensúlyának fenntartása érdekében (az acidózis ellensúlyozására a H + kiválasztódás miatt). Amikor a GABA kötődik a normálisan gátló GABAA receptor csatornához, a Cl Cl nettó mozgáshoz vezet az idegsejtből, ami membrán depolarizációt és az idegpályák fokozott gerjesztését idézi elő. Ezt a folyamatot mind halakban, mind gerincteleneknél leírták - pl. puhatestűek 39,40. A GABAergic rendszerről ismert, hogy mind a dopaminerg, mind a szerotonerg rendszerekhez kapcsolódik, mivel a GABA-receptor aktivációja a GABAerg interneuronokban csökkentheti a szerotonerg választ 41, a dopamin neuronok pedig erős gátló hatást fejthetnek ki a GABAA receptorok 42 aktiválásával. Ezért a CO2 GABAerg receptorokban leírt hatása, valamint ezek kapcsolata a szerotoninnal és a dopaminnal szerepet játszhat a kooperatív tisztítási magatartás magas CO2-zavarának potenciális mechanizmusában.

Mód

Akklimációs feltételek

Tisztább pakolókat használtunk Labroides dimidiatus (n = 32; mérete 5,4 ± 0,6 cm) és a sebész halak Elegánsak vagyunk (n = 32, mérete 6,9 ± 1,1 cm), a tisztább burkolatok gyakori vásárlója, amelyről ismert, hogy könnyen alkalmazkodik a laboratóriumi körülményekhez 43. Ezeket a fajokat viselkedési és neurobiológiai vizsgálatokban használták, és paraziták jelenléte nélkül is teljesen kimutatják kooperatív tisztító kölcsönhatásukat az akváriumokban. Mindkettőt a helyi halászok gyűjtötték össze kézi hálókkal és védőhálókkal 2014. november és december között a Maldív-szigeteken, és a TMC Iberia szállította a Laboratório Marítimo da Guia (Cascais, Portugália) vízi létesítményeibe. A parazitációs szintek közötti esetleges kölcsönhatások elkerülése érdekében a parazita-hal kölcsönhatás, valamint az óceán felmelegedésére és savasodási kezelésekre adott parazita-válaszok érkezéskor a halakat 5 perces édesvizes fürdővel deparazitálták 44 A halakat laboratóriumi körülmények között 5 napig akklimatizáltuk a gyűjtőhelyhez hasonló tengervíz-körülmények között: sótartalom = 35 ± 0,5, hőmérséklet 29 ° C (Maldív-szigetek 2013–2014 átlagos SST, NOAA 45), pH 8,1 és pCO2

400 ppm (2014. évi BOBOA óceáni savanyító kikötés, NOAA 46). Mindegyik halat 45 napon át (a következő kísérleti kezelések közül a négy közül az egyiknek) tettük ki különálló tartályokban (azaz 8 ° C-on) L. dimidiatus és 8 . elegáns kezelésenként, 32 L. dimidiatus és 32 . elegáns összesen; összesen 64 tartály): (1) a mai forgatókönyv (kontroll) (29 ° C, pH 8,1, pCO2

(400 ppm), (2) felmelegedési forgatókönyv (32 ° C, pH 8,1, pCO2

(400 ppm), (3) magas CO2-savasodás (29 ° C, pH 7,7, pCO2

960 ppm) és (4) magas CO2 + melegítés (32 ° C, pH 7,7, pCO2)

960 ppm), az IPCC RCP 8.5 25 forgatókönyvét követve (a vízkémiai összefoglalót lásd az S1 táblázatban). Az expozíciós időszak alatt minden fajból egy hal elpusztult a felmelegedési forgatókönyv szerint.

Viselkedési megfigyelések

Agymintavétel és agyi monoaminok és metabolitok mennyiségi meghatározása

Az agy makro disszekciója során a monoamin lebomlásának elkerülése és az interakciók után a mintavétel idejének megtartása érdekében homogén, tisztább és kliens halakat áldoztak fel azonnal a tricaine oldat (MS222, Pharmaq; 250 mg/L) túladagolása és a gerincvelő metszése után. . Az agyat sztereoszkóp alatt (Leica S6D) három régióra makrodiszkektáltuk: előagy (szaglóhagymák + telencephalon + diencephalon, FB), középagy (optic tectum, MB) és hátsó agy (cerebellum + agytörzs, HB). Közvetlenül a gyűjtés után az agyszöveteket száraz jégre helyeztük és -80 ° C-on tároltuk az elemzésig.

Statisztikai analízis

Etikai megjegyzés

A kutatást a Lisszaboni Egyetem állatjóléti testületének (ORBEA - 01/2017. Számú nyilatkozat) és az Élelmiszer- és Állatorvosi Főigazgatóság (DGAV - Engedély 2018-05-23-010275) jóváhagyásával hajtották végre. a tudományos célokra felhasznált állatok védelméről szóló, 2010. szeptember 22-i 2010/63/EU európai parlamenti és tanácsi irányelvben előírt követelményekkel összhangban.