Comment le changement climatique affecte-t-il les poissons? Il y a des indices dans leurs oreilles

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Karin Limburg, Université des sciences de l'environnement et de la foresterie de l'Université de New York


(LA CONVERSATION) Le changement climatique affecte toute la vie sur Terre, mais il pose des défis uniques pour les espèces aquatiques. Par exemple, lorsque l'eau se réchauffe, elle retient moins d'oxygène dissous que de l'eau plus froide. En conséquence, les océans, les mers côtières, les estuaires, les rivières et les lacs du monde subissent un processus appelé «désoxygénation».

Lorsque les niveaux d'oxygène dissous chutent à environ 2 milligrammes par litre – comparés à une plage normale d'environ 5 à 10 mg / L – de nombreux organismes aquatiques subissent un stress sévère. Les scientifiques appellent ce seuil d'oxygène «hypoxie».


La pêche dans le monde génère 362 milliards de dollars américains par an. Les scientifiques prévoient déjà une perte de biomasse de poisson due au réchauffement de l'eau. Mais pouvons-nous mesurer les effets sur le poisson directement?

Pour certains impacts du changement climatique, la réponse est oui. De plus en plus, une fenêtre sur la vie secrète des poissons s'ouvre grâce à l'étude de minuscules formations calcifiées à l'intérieur d'un crâne de poisson appelées otolithes – littéralement des "pierres à oreilles".

Roches dans les têtes de poisson

Beaucoup de gens seront peut-être surpris d'apprendre que les poissons ont des oreilles et, dans bien des cas, un sens aigu de l'audition. Les poissons modernes ont trois paires d’otolithes qui se forment dans de petits sacs sous les canaux semi-circulaires de leur oreille interne et font partie du système d’audition et d’équilibre du poisson. (Les espèces avec des squelettes en cartilage, tels que les requins et les raies, manquent d'otolithes.)

Les otolithes sont fabriqués en carbonate de calcium, principalement sous une forme appelée aragonite, qui est similaire au matériau constituant les coraux durs et les coquilles de palourdes. Les otolithes peuvent être plus petits que les grains de sable ou aussi gros qu'une fève. Ils grandissent au fur et à mesure que le poisson grandit, ce qui les rend intéressants pour les biologistes des poissons. Dans les environnements où la température de l’eau varie de façon saisonnière, des otolithes de poissons se succèdent au cours d’une année, comme des cernes d’arbres. Et étonnamment, les jeunes poissons déposent chaque jour de très petites augmentations.

Cette découverte a révolutionné la compréhension des débuts de la vie des poissons, car ces augmentations – quotidiennes et annuelles – sont liées à la croissance des poissons. Les otolithes de poisson sont largement considérés comme des «archives de toute une vie» de l'histoire de l'âge et de la croissance.


Chimie des otolithes

J'ai passé une grande partie de ma carrière à étudier les otolithes, à la recherche non seulement de leur âge et de leur croissance, mais également de leur composition chimique. La structure du réseau cristallin d’aragonite des otolithes permet à divers oligo-éléments de se substituer au calcium lors du dépôt des couches d’otolithes. En outre, la plupart des éléments de l'otolithe se présentent sous la forme d'isotopes différents – des atomes du même élément qui présentent de légères différences de masse car ils contiennent un nombre variable de neutrons.

Les otolithes sont en quelque sorte analogues aux enregistreurs à boîte noire du poste de pilotage. En les étudiant, nous pouvons tirer parti des propriétés de conservation du temps et des modifications de la chimie au fur et à mesure que les poissons grandissent et font l'expérience de différents environnements. Bien que nous ayons été en mesure de cerner certains des mécanismes de causalité, nous apprenons toujours comment interpréter leurs «codes».

Hypoxie exposition et effets

La plupart des éléments incorporés dans les otolithes sont dissous dans l’eau de mer, qui coule au-dessus des branchies des poissons. De là, les produits chimiques pénètrent dans le sang.

Le manganèse est l'un des oligo-éléments couramment mesurés. Il se dissout lorsque le niveau d'oxygène devient très bas. Quand j’ai étudié les otolithes de cabillaud de la mer Baltique en 2009, je me suis demandé pourquoi j’ai pu observer des schémas récurrents de manganèse surélevé dans des anneaux déposés en été. Réalisant un jour que la mer Baltique est l’une des plus grandes «zones mortes» du monde, j’ai mis deux et deux ensemble et proposé que le manganèse pourrait être un traqueur de l’hypoxie, enregistrant l’exposition d’un poisson à des eaux faiblement oxygénées.

Un groupe d’entre nous a été en mesure de retracer les preuves de cette hypothèse à l’âge de pierre. D'autres travaux ont démontré que ce traceur était utilisable dans de nombreux écosystèmes aquatiques.

Récemment, l'écologiste marin de l'Université suédoise des sciences agricoles, Michele Casini, et moi avons utilisé du manganèse pour suivre l'exposition à l'hypoxie de la morue de la Baltique et l'associer à des estimations de l'historique de croissance. Nous avons constaté que les poissons les plus fortement exposés à l'hypoxie présentaient une longueur inférieure de 39% à l'âge de 3 ans et un poids inférieur de 64% à ceux d'une morue en bonne santé, peu ou pas exposés à l'hypoxie. Le poids se traduit par des filets de poisson, il s'agit donc d'une conséquence grave.

Un autre oligo-élément, le magnésium, n’est pas sensible à l’hypoxie, mais la vitesse à laquelle il est incorporé aux otolithes varie en fonction du taux de croissance du poisson. Chez les poissons testés jusqu'à présent, il semble également être lié au taux métabolique.

À l'aide de cette idée, Casini et moi avons découvert une relation très forte et positive entre le magnésium d'otolith et l'état corporel de la morue de la Baltique. C’est remarquable, car nous avons mesuré la condition physique des poissons à partir d’un seul point dans le temps. Cependant, l'absorption de magnésium au cours de la vie suggère que les poissons en mauvais état au moment de la capture pourraient avoir eu de piètres résultats tout au long de leur vie. L'hypoxie, la maladie et la famine semblent être les causes de la réduction des taux de magnésium dans les otolithes de morue de la Baltique.

Les otolithes peuvent-ils suivre la température de l'eau?

Dans une récente et intéressante découverte, un groupe de scientifiques danois, anglais et norvégien a analysé le rapport entre deux isotopes de carbone – carbone 13 et carbone 12 – dans les otolithes. Ce rapport est en partie affecté par le carbone dissous dans les eaux environnantes, mais surtout par carbone métabolique provenant de la respiration du poisson.

En combinant expériences de laboratoire, modélisation et observations sur des poissons sauvages, l'équipe a déterminé qu'ils pouvaient analyser le rapport C-13 / C-12 en raison de son métabolisme et le relier directement à la consommation d'oxygène par les poissons. Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires, il est possible que ce taux de carbone et le magnésium servent en fin de compte de «respiromètres à vie» pouvant être liés au stress des poissons résultant d’une eau plus chaude, à l’hypoxie et éventuellement à l’acidification des océans. Cela permettrait aux scientifiques de tester les projections de modèles concernant, par exemple, une croissance réduite des mers en réchauffement.

Avec le calcium et le carbone, l'oxygène est le troisième élément majeur des otolithes. Les rapports des isotopes d'oxygène O-18 à O-16 sont sensibles à la fois à la salinité et à la température. Si la salinité est plus ou moins constante là où vit un poisson, le rapport en otolithes sert de thermomètre intégré.

Les scientifiques explorent des collections d'archives d'otolithes datant de 100 ans, et découvrent que les otolithes fossiles fournissent des enregistrements de températures variables au cours des siècles. Dans un document combinant l’analyse de l’oxygène et de l’isotope du carbone, des scientifiques européens et américains ont montré que les otolithes de thon rouge de l’Atlantique fournissent un enregistrement de l’absorption de dioxyde de carbone en mer Méditerranée.

En échantillonnant la croissance des otolithes au cours de la première année chez des thons d'âges variés, ce groupe a été en mesure de reconstituer un record de 1989 à 2010. Ils n'ont constaté aucun changement de température, mais ont décelé une diminution des ratios d'isotopes stables du carbone correspondant à l'absorption de dioxyde de carbone dans les océans. , une indication de l'acidification.

L'analyse de la chimie des otolithes est un domaine en pleine expansion, mais nous avons déjà beaucoup appris sur les impacts des changements climatiques sur les «journaux de bord chimiques» que contiennent les otolithes. Bien que ce travail soit exigeant et coûteux, il constitue le meilleur moyen de comprendre les impacts directs du changement climatique sur les populations de poissons.

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lisez l'article original ici: http://theconversation.com/how-is-climate-change-affecting-fishes-there-are-clues-inside-the-ears-ears-110249.


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