Physiological responses of whitespotted bamboo shark (Chiloscyllium plagiosum) to high CO2 levels

Tese de mestrado em Ecologia Marinha, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, em 2018Desde a Revolução Industrial, o Homem tem continuamente libertado para a atmosfera grandes concentrações de dióxido de carbono (CO2), como resultado da indústria, agricultura e desflorestação. Paralelamente, uma vez que os gases atmosféricos tendem a equilibrar-se com os do oceano, a concentração de CO2 dissolvido nos oceanos tem também vindo a aumentar. Este aumento a um ritmo tão acelerado traduz-se inevitavelmente em alterações drásticas, essencialmente provocando uma desregulação do ciclo de carbono. Esta desregulação está intimamente relacionada com a química dos oceanos. O CO2 entra no meio marinho e reage com a água do mar, libertando protões o que torna este ambiente mais ácido, conduzindo a um processo determinado de acidificação dos oceanos. É expectável que, até ao final do século, as concentrações de CO2 possam ter aumentado de 280 para 1000 μatm, o que se reflete numa diminuição do pH entre 0.13 a 0.4 unidades (uma redução de até 30%). Neste cenário, são expectáveis diversas repercussões nos animais marinhos, nomeadamente a nível fisiológico e comportamental, podendo levar à desregulação do equilíbrio dos ecossistemas marinhos. O oceano ostenta uma grande diversidade de organismos com diversas estratégias de sobrevivência às várias condições do meio ambiente. A exposição a um nível de pCO2 elevado, causará um stress maior nestes organismos. O influxo de CO2 por difusão num organismo marinho, dá lugar a uma tentativa de reequilíbrio entre os vários compartimentos internos, levando ao aumento dos iões H+ e a uma consequente diminuição de pH. Este processo resulta em acidose no organismo, afectando o equilíbrio ácido-base. No entanto, se esta compensação não for atingida há ainda outras espécies que fazem supressão do seu metabolismo como uma estratégia adaptativa de sobrevivência, embora em condições de constante pCO2 elevado, essa estratégia deixa de ser vantajosa. Estes processos, e as próprias estratégias de compensação implementadas pelo organismo (ex: acumulação de bicarbonatos), requerem uma realocação de energia, que potencialmente poderão comprometer a sua sobrevivência, reprodução e/ou mesmo comportamento, afectando o seu fitness, no geral. Os tubarões, como predadores de topo, têm um papel fundamental e na estrutura e funcionamento do ecossistema marinho. Trata-se de um grupo ancestral, tendo sobrevivido a diversas extinções em massa. No entanto, e apesar da sua longa história evolutiva, as populações de tubarões têm vindo a decrescer, em grande parte devido ao aumento da pressão antropogénica. O seu ciclo de vida longo, com maturação tardia, e baixa fecundidade, limitam a sua capacidade de adaptação a alterações repentinas no seu ecossistema. Alterações na química do oceano podem representar outro factor de risco para as comunidades de tubarões. Durante bastante tempo foi argumentado que a acidificação dos oceanos não teria efeitos diretos relevantes na fisiologia deste grupo, sendo apenas indirectamente afectados como resultado dum efeito cascata na estrutura do ecossistema, devido à menor quantidade de presas no meio e uma degradação do habitat. Este argumento advém em grande parte da sua longa história evolutiva, ao longo da qual foram expostos a elevados níveis de CO2. Apenas recentemente começaram a surgir estudos empíricos abordando esta questão, havendo evidências de efeitos directos (ex. alterações fisiológicas e comportamentais) foram reportadas para várias espécies e diferentes estágios do seu ciclo de vida. Alguns tubarões têm ventilação ram, o que faz com que tenham um gasto de energia maior uma vez que têm de estar constantemente a nadar para oxigenar as brânquias, enquanto outros tubarões têm ventilação por bombeamento bucal, o que requer um gasto de energia menor uma vez que podem estar parados no fundo e abrir simplesmente a boca para que haja oxigenação das brânquias. Isto explica porque é que os tubarões com ventilação ram têm taxas metabólicas maiores que os tubarões que fazem ventilação bucal. Através da medição do consumo de oxigénio é possível obter a quantidade de energia que um animal requer para processos essenciais no seu ciclo de vida, tais como o seu desenvolvimento, sobrevivência e reprodução. A ferramenta mais utilizada para obter as taxas metabólicas de um organismo, quer em repouso, exposto a um stress ou durante uma actividade, é a respirometria (ou calorimetria indirecta). Este estudo foca-se no efeito que o aumento de CO2 nos oceanos poderá ter no fitness, fisiologia e performance natatória de uma espécie de tubarão bentónico vulgarmente designada de tubarão bambu (Chiloscyllium plagiosum). Para tal, foram analisados o peso e comprimento, a taxa de consumo de oxigénio para a obtenção das taxas metabólicas e atividade natatória destes organismos. Após eclosão, cada tubarão foi colocado aleatoriamente num tanque individual e exposto a uma de duas condições experimentais: controlo (pH 8.0 | ~390 μatm, n = 5) ou acidificação (pH 7.7 | ~890 μatm, n = 5). Após 45 dias de exposição, foram analisadas diversas características com relevância ecológica, nomeadamente o fitness [(i) condição de Fulton], capacidade metabólica [(i) taxa metabólica de rotina (consumo médio de oxigénio), (ii) taxa metabólica máxima (consumo máximo de oxigénio), (iii) capacidade aeróbica (aerobic scope)] e performance natatória [(i) velocidade máxima nadada, (ii) percentagem de tempo de natação, (iii) número de impulsos caudais e (vi) taxa de ventilação pré e (vii) pós-stress]. Os testes de medição de consumo de oxigénio, os de natação e as ventilações foram realizados numa câmara de natação. Individualmente colocou-se um tubarão na câmara com uma velocidade mínima constante e após período de aclimatação realizavam-se as medições de consumo de oxigénio para determinar a taxa metabólica de rotina tais como a contagem das ventilações em repouso. Posteriormente foi realizado o exercício de exaustão do tubarão para que fosse possível medir o consumo de oxigénio máximo e registar o número de ventilações sobre stress. Quanto aos testes relativos a actividade natatória, o tubarão foi submetido a um aumento gradual da velocidade de circulação até não conseguir manter a posição normal do corpo. Ao longo desta experiência não se verificou qualquer mortalidade. De facto, são poucos os estudos que relatam uma diminuição da sobrevivência em animais expostos a elevadas concentrações de CO2. De acordo com os resultados deste estudo, esta espécie parece ser resiliente à acidificação dos oceanos prevista para o futuro. O impacto destas alterações químicas aparenta estar altamente relacionada com a espécie em estudo, dependendo do estádio de desenvolvimento e duração da exposição. Tendo isto em conta, a condição Fulton desta espécie de tubarões, a qual pode ser utilizada como indicador do fitness geral de um organismo, parece não ter sido afectada num cenário de acidificação. Pelo contrário, a taxa de ventilações pós-stress bem como a performance natatória, mais especificamente a percentagem de tempo de natação, diminuíram significativamente. Uma boa performance natatória é essencial para encontrar comida, refúgio e, principalmente enquanto juvenis, para escapar a predadores. Assim, uma diminuição dessa capacidade pode ter graves consequências. Uma vez que animais expostos a elevadas concentrações de CO2 no ambiente podem apresentar alterações fisiológicas, como consequência de ajustes energéticos que resultam principalmente da reposição do equilíbrio ácido-base. Em geral, no presente estudo, estes organismos mostraram-se um certo grau de resiliência às condições futuras de acidificação dos oceanos. Nos testes em que os tubarões foram significativamente afectados, uma vez que se trata de um tubarão bentónico e com um estilo de vida lento, esta espécie não está particularmente dependente de uma natação intensa durante longos períodos de tempo. Como tal, é possível que uma realocação de energia esteja a ter lugar e que esta confira ao animal uma maior plasticidade perante as condições futuras. Estudos futuros são necessários para averiguar os efeitos que estas condições podem exercer sobre espécies pelágicas, altamente dependentes nas suas capacidades natatórias. Adicionalmente, estudos que considerem a interação entre a acidificação dos oceanos e outras variáveis ambientais (ex: aquecimento global) devem ser priorizados.Sharks have been roaming the planet for 400 million years and are vital elements for the health of our oceans. Due to occurring changes in the food-web and anthropogenic pressure from fishing and habitat degradation, sharks populations are now declining sharply. Ocean acidification, caused by continuous release of carbon dioxide (CO2) to the atmosphere, may represent an additional threat. Among other effects, it may cause physiological disturbances in the organisms and threaten marine ecosystems as we know them, especially the most vulnerable life stages. Hence, the present study focus on the effects that ocean acidification may have on the fitness, metabolism and swimming performance of juvenile whitespotted bamboo sharks (Chiloscyllium plagiosum). After hatching, sharks were placed in either control (pCO2 ~ 400 μatm, pH = 8.0) or high CO2 (pCO2 ~ 900 μatm, pH = 7.7) conditions, according to the pH levels expected by the end of the century. After an exposure of 45 days, several ecologically important traits were tested, namely their fitness [(i) Fulton condition], metabolic capacity [(i) routine metabolic rate (RMR), (ii) maximum metabolic rate (MMR), (iii) aerobic scope (AS)] and swimming performance [(i) maximum reached velocity, (ii) percentage of time swimming, (iii) number of bursts and (vi) pre and (vii) post-stress ventilation rates]. No changes were observed in their fitness, metabolism and the majority of the swimming performance end-points. Nevertheless, regarding the swimming performance, there was a decrease of the duration of swimming events and a decrease in the post-swimming ventilation rates. Over the past years, these cartilaginous fish have been coping with oscillations in the seawater chemistry and thus appear to be resilient to OA. However, this species’ conservation status is of concern, assessed as Near Threatened, and even the sub-lethal effects observed in this study may potentially reduce the organism’s overall fitness and ultimately impact population dynamics