Evolution and mechanisms of thermal tolerance in fish

Evolusjon og mekanismer for temperaturtoleranse in fish Termobiologi er studiet av hvordan temperatur former organismer og økosystemer. Det har belyst mange av naturens trekk, men to av de mest sentrale spørsmålene i termobiologi er fortsatt ubesvart: 1. Hva begrenser toleranse for høye temperaturer i kaldblodige dyr som feks. fisk? 2. Hvor fort kan fisk tilpasse denne toleransen gjennom evolusjon? Disse spørsmålene er viktige for vår grunnleggende forståelse av fysiologiske mekanismer samt biogeografi. I tillegg hemmer vår manglende forståelse av termobiologi vår evne til å forutsi hvordan dyr kommer til å reagere på klimaforandringer. Målet med dette prosjektet er å identifisere de begrensede fysiologiske mekanismene som underligger toleranse for høye temperaturer, og estimere den evolusjonære raten til temperatur-toleranse. Dette skal vi gjøre ved bruk av selektiv utvelgelse i sebrafisk (Danio rerio). Vi vil utsette sebrafisk for ett utvalg av forskjellige temperaturebehandlinger, og selektere basert på temperaturtoleranse. Dette vil bli gjentatt over mange generasjoner, og vil hjelpe oss med å estimere raten av den evolusjonære tilpasningen til høy temperatur. De fysiologiske og genetiske forandringene som kommer av den selektive utvelgelsen vil bli kontinuerlig overvåket. Resultatene vil hjelpe oss å forstå hvor fort fisk kan tilpasse seg ett varmere klima. Vi vil også få muligheten til å utforske hvilke fysiologiske og genetiske forandringer som er nødvendige for at man skal få evolusjon av temperaturtoleranse. Dette vil til slutt hjelpe oss å forstå hvorfor kaldblodige dyr finnes der hvor de er i naturen (dvs. biogeografi), og å forutsi om og hvordan evolusjon kan bistå dyr i å takle klimaforandringens utfordringer. Vi har nu selekterat fisk i sju generationer och ser tydlig evolution av värmetoleranse. Resultaten visar dock att evolution av värmetoleranse är långsam och att responsen är asymmetrisk. Tyvärr verkar den maximala ökningen av värmetolerans genom evolution vara långsammare än klimatförändringarna under ett business-as-usual scenario. Dessa viktiga upptäckter skrivs nu ihop till flera vetenskapliga artiklar. Vi har publicerat flera viktiga vetenskapliga artiklar om detta projekt. En stor artikel om evolutionsexperimentet är nu publicerad i den prestigefyllda tidskriften PNAS. Vi visar där att evolution av värmetolerans är en långsam process som inte håller tanken med uppvärmning. Dessutom verkar det finnas ett övre tak för acklimering och adaptation av värmetolerans, som ser ut att begränsa evolutionspotentialen ytterligare. Projektet har också identifierat hjärnan som det känsligaste organet vid uppvärmning. Sammantaget har projektet lett till en ökad förståelse av fiskars potential för acklimering och evolutionär adaptation till klimatförändringar, samt vilka fysiologiska mekanismer som begränsar dessa.

From this project, we have learned that a major mechanism limiting thermal tolerance in fish is brain oxygenation. This is already having a major impact on research in the field. We also discovered that there is limited potential for evolutionary rescue to climate change impacts in fish, and this will in addition to scientific impact also influence how we manage fish stocks facing climate change. It also means that is is even more urgent to reduce carbon emissions and fossil fuel extraction.

Thermal biology is the study of how temperature shapes organisms and ecosystems. It has successfully explained many features of nature. However, two of the most central questions of thermal biology remain unresolved: 1. What limits the thermal tolerance of ectothermic animals? 2. How rapid is the evolution of thermal tolerance in a population? These issues are important for our fundamental understanding of physiological mechanisms as well as biogeography. Furthermore, our poor understanding of thermal biology is hampering predictions of how animals may respond to climate change through physiological plasticity, adaptation, relocation or reduced performance. Aims: - Identify the limiting physiological mechanisms underlying thermal tolerance - Estimate the heritability and evolutionary rate of upper thermal tolerance This will be done through artificial selection experiments in zebrafish (Danio rerio), and subsequent investigations of the thermal physiology of the adapted populations.