DOI: https://doi.org/10.1093/conphys/coag005
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41613040
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Bass Dye وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث البحار والمصايد
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة نموذجًا فسيولوجيًا مصممًا للتنبؤ بنمو الأسماك وخصوبتها استجابةً لدرجات الحرارة المتغيرة وتوافر الموارد، وهو أمر حاسم للإدارة المستدامة وفهم تأثيرات تغير المناخ. يتضمن النموذج عمليات تاريخ الحياة على مستوى الفرد عبر أنواع الأسماك المتنوعة، ويطبق بشكل خاص على خمسة أنواع بحرية: سمك القد الأطلسي، الرنجة الأطلسية، سمك الروكلين ذو اللحية الخمسة، سمك السبرات الأوروبي، وسمك الموليت ذو الشفاه الرقيقة. أظهرت هذه الأنواع، التي تستخدم موائل الحضانة بين المد والجزر المعرضة للأنشطة البشرية، أن توافر الموارد يؤثر بشكل كبير على أداء الأسماك أكثر من درجة الحرارة. ومع ذلك، أشار النموذج أيضًا إلى أن درجات الحرارة المرتفعة يمكن أن تؤثر سلبًا على اللياقة والبقاء لبعض الأنواع.
تم التحقق من تنبؤات النموذج، المستندة إلى مبادئ الإيكولوجيا الفسيولوجية دون تعديلات لأنواع مختلفة، مقابل بيانات تجريبية من بحر وادن. كشفت النتائج أن الاحترار يفيد الأنواع الحرارية التي تتوسع في نطاقها، بينما الأنواع الأساسية عند حدود توزيعها تواجه خطر الانقراض المحلي. من خلال تقديم رؤى حول متغيرات إيكولوجية متنوعة، بما في ذلك الناتج التناسلي، يثبت هذا النموذج قيمته في معالجة التحديات الإيكولوجية والحفاظ على البيئة في سياق تغير المناخ، مما يبرز الحاجة إلى استراتيجيات إدارة مستنيرة.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية التهديدات الكبيرة التي تواجه الكائنات البحرية بسبب الاحترار المدفوع بالمناخ وتحمض المحيطات، ويرجع ذلك أساسًا إلى ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. تتأثر الكائنات البحرية ذوات الدم البارد، وخاصة الأسماك، بشكل مباشر بزيادة درجات حرارة مياه البحر، مما يزيد من معدلات الأيض لديهم ويؤثر لاحقًا على نموهم وإنتاجهم التناسلي. بالإضافة إلى ذلك، تواجه أنواع الأسماك تفاعلات غذائية متغيرة وتناقص ملاءمة الموائل، خاصة في المناطق الساحلية التي تعتبر حضانات حيوية لكل من أنواع الأسماك سريعة النمو وبطيئة النمو. هذه النظم البيئية الساحلية، التي تتميز بنشاط إنساني مرتفع، معرضة بشكل خاص للتغيرات البيئية، مما يمكن أن يزيد من الضغط الفسيولوجي الذي تعاني منه الأسماك.
تسلط الورقة الضوء على تعقيدات التنبؤ باستجابات الأسماك لتغير المناخ، مشيرة إلى أنه بينما تم توثيق الاستجابات الحرارية المباشرة في الفسيولوجيا بشكل جيد، فإن التأثيرات غير المباشرة المتعلقة بتوافر الغذاء أقل فهمًا. لمعالجة هذه الفجوة، يقترح المؤلفون نموذجًا جديدًا يدمج جوانب من كل من الطاقة الحيوية والمناهج النظرية، مما يسمح بفهم أكثر دقة لأداء الأسماك الفسيولوجي. يأخذ هذا النموذج في الاعتبار التباينات داخل الأنواع في الحساسية الحرارية عبر أحجام الجسم المختلفة، مما يسهل التنبؤات الواقعية للنمو والبقاء في ظل ظروف بيئية متغيرة. يتم تطبيق التحليل على خمسة أنواع من الأسماك تمثل نقابات وظيفية وجغرافية حيوية متنوعة، بهدف التقاط الاستجابات المتعددة الأوجه للأسماك للتغيرات البيئية المستمرة.
طرق البحث
في هذه الدراسة، بحثنا في التأثيرات المشتركة لتوافر الغذاء ودرجة الحرارة على فسيولوجيا وأداء الأسماك، مستخدمين إطار نموذج سكاني هيكلي فسيولوجيًا (PSPM) كما وصفه دي روس وبيرسون (2013). يعتمد النموذج على تعريف على مستوى الفرد يتضمن توازنًا طاقيًا ميكانيكيًا، مع معدلات العمليات المتأثرة بحجم جسم السمكة، وتوافر الغذاء، وظروف درجة الحرارة.
لضمان ملاءمة النموذج، قمنا بتحديد معاييره باستخدام بيانات محددة من الأنواع من الأدبيات الموجودة، مع التركيز بشكل خاص على معدلات الأيض المعتمدة على الحجم ومعدلات تناول الغذاء. بعد ذلك، تحققنا من تنبؤات النموذج من خلال مقارنتها نوعيًا مع النتائج التجريبية المستقلة من الدراسات البحثية، واستطلاعات مصايد الأسماك، وبيانات المراقبة لخمس أنواع مختلفة من الأسماك، بدلاً من استخدام تقنيات ملاءمة النموذج التقليدية. سمح لنا هذا النهج بتقييم دقة النموذج في عكس الأنماط الإيكولوجية المرصودة المتعلقة بحجم الجسم والحالة.
النتائج
يقدم قسم النتائج في الدراسة تحليلًا شاملاً لنتائج النموذج فيما يتعلق بالبيانات التجريبية التي تم جمعها من المسوحات الميدانية وبرامج المراقبة. تم الحصول على بيانات محددة من الأنواع من “NIOZ kom-fyke”، وهو فخ سمكي سلبي طويل الأمد في بحر وادن الهولندي، والذي قدم كسور عينات متسقة لمجموعة متنوعة من أنواع الأسماك، وخاصة الأنواع الخمسة المستخدمة للتحقق من صحة النموذج (فان دير مير وآخرون، 1995). بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام بيانات من المسح الدولي لشباك القاع في بحر الشمال (NS-IBTS) لمعالجة الفجوات في بيانات الطول حسب العمر، على افتراض أن توزيعات الأحجام للرنجة والسبرات كانت متشابهة عبر كل من بحر الشمال وبحر وادن بسبب حركتها (كوبيروس وآخرون، 2016؛ ماثاوس وآخرون، 2023).
كشفت تنبؤات النموذج أن التأثيرات التفاعلية لدرجة الحرارة وتوافر الغذاء على حجم الجسم، والحالة، والخصوبة كانت محددة للأنواع. تم تنظيم النتائج بشكل منهجي حسب متغير الناتج، مما يسمح بمقارنة نوعية بين تنبؤات النموذج والملاحظات التجريبية. يسهل هذا النهج المنظم فهمًا أوضح للديناميات الإيكولوجية المعنية ويبرز أهمية دمج البيانات التجريبية مع محاكاة النموذج لتعزيز دقة التنبؤات الإيكولوجية.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون نتائج نموذج فسيولوجي يعتمد على درجة الحرارة تم تطبيقه على خمسة أنواع من الأسماك البحرية في الجزء الجنوبي من بحر الشمال، مقارنةً بتنبؤات النموذج مع بيانات المسح المستقلة من الثمانينيات والعقد الأول من القرن الحادي والعشرين. تم تصميم النموذج، الذي يتضمن عمليات فسيولوجية على مستوى الفرد تتأثر بتوافر الموارد ودرجات الحرارة المتغيرة موسميًا، لتقييم تأثيرات تغير المناخ على نمو الأسماك، والبقاء، والإنتاج التناسلي. تشير النتائج إلى أن معدلات نمو الأسماك تأثرت بشكل كبير بمستويات الموارد ودرجة الحرارة، حيث أظهرت أنواع مثل القد والرنجة تعرضًا أكبر للظروف الأكثر دفئًا، مما أدى إلى انخفاض البقاء والخصوبة.
نجح النموذج في التقاط الاتجاهات المرصودة في الطول حسب العمر وحالة الجسم، خاصة بالنسبة للقد، بينما كشف أيضًا عن تناقضات في تنبؤات النمو للنمو في مراحل الحياة المبكرة. من الجدير بالذكر أن المحاكاة أشارت إلى أن درجات الحرارة المرتفعة في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين أدت إلى تقليل الأطوال القصوى للموليت والروكلين، إلى جانب توقف النمو في القد والرنجة بسبب توازن الطاقة السلبي. تؤكد النتائج على التفاعل المعقد بين درجة الحرارة، وتوافر الموارد، واستراتيجيات تاريخ حياة الأسماك، مما يبرز الحاجة إلى استراتيجيات إدارة تكيفية للتخفيف من آثار تغير المناخ على النظم البيئية البحرية.
DOI: https://doi.org/10.1093/conphys/coag005
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41613040
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Bass Dye et al.
Primary Topic: Marine and fisheries research
Overview
This research presents a physiological model designed to predict fish growth and fecundity in response to varying temperatures and resource availability, crucial for sustainable management and understanding climate change impacts. The model incorporates individual-level life history processes across diverse fish species, specifically applied to five marine species: Atlantic cod, Atlantic herring, five-bearded rockling, European sprat, and thinlip mullet. These species, which utilize intertidal nursery habitats vulnerable to human activities, exhibited that resource availability significantly influenced fish performance more than temperature. However, the model also indicated that elevated temperatures could negatively affect the fitness and survival of certain species.
The model’s predictions, based on eco-physiological principles without adjustments for different species, were validated against empirical data from the Wadden Sea. Findings revealed that warming benefits thermophilic, range-expanding species, while core species at their distribution limits risk local extinction. By providing insights into various ecological variables, including reproductive output, this model proves valuable for addressing ecological and conservation challenges in the context of climate change, emphasizing the need for informed management strategies.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the significant threats posed to marine organisms by climate-driven warming and ocean acidification, primarily due to rising atmospheric carbon dioxide levels. Marine ectothermic organisms, particularly fish, are directly affected by increasing seawater temperatures, which elevate their metabolic rates and subsequently impact their growth and reproductive outputs. Additionally, fish species are confronted with altered trophic interactions and diminishing habitat suitability, especially in coastal zones that serve as crucial nurseries for both fast- and slow-growing fish species. These coastal ecosystems, characterized by high human activity, are particularly vulnerable to environmental changes, which can exacerbate the physiological stress experienced by fish.
The paper highlights the complexities of predicting fish responses to climate change, noting that while direct thermal responses in physiology are well-documented, the indirect effects related to food availability are less understood. To address this gap, the authors propose a novel model that integrates aspects of both bioenergetics and theoretical approaches, allowing for a more nuanced understanding of fish physiological performance. This model accounts for intraspecific variations in thermal sensitivity across different body sizes, facilitating realistic predictions of growth and survival under variable environmental conditions. The analysis is applied to five fish species representing diverse functional and biogeographical guilds, aiming to capture the multifaceted responses of fish to ongoing environmental changes.
Methods
In this study, we investigated the combined effects of food availability and temperature on the physiology and performance of fish, utilizing a physiologically structured population model (PSPM) framework as described by de Roos and Persson (2013). The model is built on an individual-level definition that incorporates a mechanistic energy balance, with process rates influenced by the fish’s body size, food availability, and temperature conditions.
To ensure the model’s relevance, we parameterized it using species-specific data from existing literature, particularly focusing on size-dependent metabolic rates and food intake rates. Subsequently, we validated the model’s predictions by comparing them qualitatively against independent empirical findings from research studies, fisheries surveys, and monitoring data for five different fish species, rather than employing traditional model fitting techniques. This approach allowed us to assess the model’s accuracy in reflecting observed ecological patterns related to body size and condition.
Results
The results section of the study presents a comprehensive analysis of the model outcomes in relation to empirical data gathered from field surveys and monitoring programs. Specifically, species-specific data were obtained from the ‘NIOZ kom-fyke’, a long-term passive fish trap in the Dutch Wadden Sea, which provided consistent sampling fractions for various fish species, particularly the five species used to validate the model (van der Meer et al., 1995). Additionally, data from the North Sea International Bottom Trawl Survey (NS-IBTS) were utilized to address gaps in length-at-age data, under the assumption that size distributions of herring and sprat were similar across both the North Sea and Wadden Sea due to their mobility (Couperus et al., 2016; Maathuis et al., 2023).
The model’s predictions revealed that the interactive effects of temperature and food availability on body size, condition, and fecundity were species-specific. The results are systematically organized by output variable, allowing for a qualitative comparison between model predictions and empirical observations. This structured approach facilitates a clearer understanding of the ecological dynamics at play and highlights the importance of integrating empirical data with model simulations to enhance the accuracy of ecological predictions.
Discussion
In this section, the authors discuss the outcomes of a temperature-dependent physiological model applied to five marine fish species in the southern North Sea, comparing model predictions with independent survey data from the 1980s and 2010s. The model, which incorporates individual-level physiological processes influenced by resource availability and seasonally varying temperatures, was designed to assess the impacts of climate change on fish growth, survival, and reproductive output. The findings indicate that fish growth rates were significantly affected by resource levels and temperature, with species like cod and herring showing heightened vulnerability to warmer conditions, leading to decreased survival and fecundity.
The model successfully captured observed trends in length-at-age and body condition, particularly for cod, while also revealing discrepancies in growth predictions for early life stages. Notably, the simulations indicated that higher temperatures in the 2010s resulted in reduced maximum lengths for mullet and rockling, alongside a cessation of growth in cod and herring due to negative energy balances. The results underscore the complex interplay between temperature, resource availability, and fish life history strategies, highlighting the need for adaptive management strategies to mitigate the impacts of climate change on marine ecosystems.