Development of experimental technique to investigate the effect of sound on the behaviour of three cultured species

The aim of this work is to develop a novel experimental technique to investigate the effect of sound on the behavior of various cultured species of fish, at first, and subsequently to demonstrate the usefulness of this effect. Three species are investigated: gilthead seabream (Sparus aurata), seabass (Dicentrarchus labrax), and red porgy (Pagrus pagrus). A digital imaging system was developed to monitor fish position in 2 dimensions as a function of time. The system includes 2 dedicated software packages for the storage and analysis of the data directly on a laptop and can be connected to a sound production system including a sound generator, an amplifier and a water-proof loudspeaker set in the water. Altogether, these constitute a portable, water-proof, easily-used instrument for the study of the effect of sound on fish behavior, and it was successfully tested in a small tank, large tank, sea cage, and in the field. The contrast of the image can be adjusted according to lighting conditions. The data-collection software records the positions of the fish as a function of time (every 1/15 of a second). The instrument can also operate with a portable, rechargeable battery. The experiments were conducted in a) a small tank (110 l) with 2 populations of S. aurata (gilthead seabream) weighing 5.2 g and 12.0 g respectively, 1 population of D. labrax (seabass) (~1.6 g) and 1 population of P. pagrus (red porgy) (~1.7 g) b) a large tank (10 m3) with a population of S. aurata (~250 g) c) in a sea cage of an aquaculture establishment with a population of S. aurata (~150 g), and d) the Amvrakikos gulf (Menidi) after the release of the population of S. aurata being in the sea cage. The method of the conditioned response was applied, whereby the new stimulus, the sound, is followed by a reward: feeding. In the small tank, experiments were conducted at 6 different frequencies (100, 200, 500, 800, 1250, and 2500 Hz), and additionally also at 5000 Hz for the gilthead seabream, and at 5 levels of sound (-62, -42, -32, -20 και -10 dBu). In the large tank, experiments were conducted with 3 different frequencies (200, 500, and 800 Hz), and at 1 level of sound (-20 dBu), but also using sound with the timbre from 4 different groups of instruments: strings, woodwind, percussion, and electric instruments. In the sea cage, experiments were conducted with 5 different frequencies (100, 200, 500, 800, and 1250 Hz) and at 1 level of sound (-10 dBu), whereas in the gulf 3 frequencies were used (100, 200, and 500 Hz) at -10 dBu. The response to the sound was judged by the location of the fish with respect to the sound source before, during, and after production of sound. A positive response was observed for all three species of fish and in all developmental stages studied. The aggregation of the fish at the point of feeding is judged as a positive response. In the experimental setup used for most measurements, the feeding point and the sound source were located closely to each other. However, when the sound source was moved to other locations within the tank, the gilthead seabream located it both optically and by sound (during operation). A positive response was obtained more often when the feeding was accompanied or immediately followed by the sound and in that case a sound burst lasting 15-30 s was ideal. We determine that D. labrax and S. aurata are “hearing generalists” (non-specialists), that is they respond positively at low frequencies until 800 Hz. P. pagrus responded positively only at 500 Ηz. The responses are independent of the sound levels in the small tank. In the large tank we chose to use our loudest setting only. Sounds from musical instruments produce a positive response on fish which have been previously conditioned at a single frequency. However, fish did not respond, when music was played in the air (not transmitted with the underwater loudspeaker). The response to the sound is affected by abiotic factors (especially in the field), but not by the time of day. The change in behavior caused by the application of the sound pulses in the small tank appears between the 2nd and the 4th day of the experiments, with a progressive improvement of the response as long as the conditioning is going on. For the gilthead seabeam positive responses can be observed even after 1 month without any stimulation. The change in behavior caused by sound stimulus in the large tank appears on the 4th day of the experiment and is not affected by the change to the other two frequencies tested. In the sea cage a weak response was observed on the 3rd day, which, however, was not repeated on subsequent days, likely due to the abiotic factors. ...........................Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να αναπτύξει μια σύγχρονη μέθοδο με την οποία θα μπορούν να πραγματοποιηθούν πειράματα που θα ελέγχουν και στη συνέχεια θα χρησιμοποιούν την επίδραση που έχει ο ήχος στη συμπεριφορά εκτρεφόμενων ειδών. Εξετάζονται 3 είδη: η τσιπούρα (Sparus aurata), το λαβράκι (Dicentrarchus labrax) και το φαγκρί (Pagrus pagrus). Σχεδιάστηκε ψηφιακό σύστημα απεικόνισης που καταγράφει σε 2 διαστάσεις τη θέση των ψαριών σε συνάρτηση με το χρόνο και συνοδεύεται με 2 ειδικά λογισμικά προγράμματα για την άμεση καταγραφή και επεξεργασία των δεδομένων σε φορητό υπολογιστή. Το παραπάνω σύστημα συνδέεται με το σύστημα εκπομπής ήχου που περιλαμβάνει γεννήτρια παραγωγής ήχων, ενισχυτή και αδιάβροχο ηχείο που τοποθετείται μέσα στο νερό. Έτσι, προκύπτει ένα πλήρες, φορητό, αδιάβροχο, εύχρηστο σύστημα μελέτης της συμπεριφοράς ψαριών που εκτίθενται σε ηχητικό ερέθισμα. Το σύστημα αυτό δοκιμάστηκε με επιτυχία σε ενυδρείο, δεξαμενή, ιχθυοκλωβό και στο πεδίο. Η ποιότητα της εικόνας που καταγράφεται μπορεί να ρυθμιστεί ανάλογα με τις συνθήκες φωτισμού. Το λογισμικό πρόγραμμα ανάλυσης και επεξεργασίας των δεδομένων αποδίδει τη θέση που έχουν τα ψάρια και τον τρόπο που αυτή μεταβάλλεται, συνεχόμενα στο χρόνο (κάθε 1/15 του δευτερολέπτου). Το πλήρες σύστημα έχει τη δυνατότητα λειτουργίας με φορητή, επαναφορτιζόμενη μπαταρία. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα α) σε ενυδρείο (110 lt), με 2 πληθυσμούς S. aurata (τσιπούρες) μέσου βάρους 5,2g και 12,0g , με 1 πληθυσμό D. labrax (λαβράκια) μέσου βάρους 1,6g και με 1 πληθυσμό P.pagrus (φαγκριά) μέσου βάρους 1,7g β) σε δεξαμενή (10 m3) με πληθυσμό S. aurata μέσου βάρους 250g γ) σε ιχθυοκλωβό εντατικής μονάδας ιχθυοκαλλιέργειας με πληθυσμό S. aurata μέσου βάρους 150g και δ) απευθείας σε κλειστό κόλπο (Μενίδι, Αμβρακικός), μετά την απελευθέρωση του πληθυσμού S. aurata που βρίσκονταν στον ιχθυοκλωβό. Εφαρμόστηκε η μέθοδος της εξαρτημένης αντίδρασης (conditioned response), όπου το νέο ερέθισμα -ο ήχος- ακολουθείται από ανταμοιβή -χορήγηση τροφής. Στο ενυδρείο δοκιμάστηκαν 6 συχνότητες (100, 200, 500, 800, 1250 και 2500 Hz), -και επιπλέον τα 5000 Hz για τις τσιπούρες- σε 5 εντάσεις (-62, -42, -32, -20 και -10 dBu). Στη δεξαμενή ελέγχθηκαν 3 συχνότητες (200, 500 και 800 Hz) σε 1 ένταση (-20 dBu), αλλά και σύνθετος ήχος (μουσική) με 4 διαφορετικές χροιές οργάνων: έγχορδα, πνευστά, κρουστά, ηλεκτρικά όργανα. Στον ιχθυοκλωβό δοκιμάζονται 5 συχνότητες (100, 200, 500, 800 και 1250 Hz) σε 1 ένταση (-10 dBu), και στον κόλπο 3 (100, 200 και 500 Hz) σε -10 dBu. Η απόκριση στον ήχο εκτιμήθηκε με βάση τη θέση που έχουν τα ψάρια πριν, κατά τη διάρκεια και μετά την εκπομπή του ήχου, σε σχέση με την ηχητική πηγή. Αποδεικνύεται η θετική απόκριση και των 3 ειδών στα στάδια ανάπτυξης που μελετήθηκαν. Ως θετική απόκριση λαμβάνεται η συγκέντρωση των ψαριών με την εκπομπή του σήματος, στη θέση όπου θα πέσει η τροφή. Στα περισσότερα πειράματα η θέση της ηχητικής πηγής συμπίπτει με τη θέση χορήγησης τροφής. Όταν ωστόσο, μετακινήθηκε το ηχείο μέσα στο ενυδρείο, οι τσιπούρες το εντόπισαν οπτικά και ηχητικά -όταν αυτό ενεργοποιήθηκε. Η συσχέτιση του ήχου με τη χορήγηση τροφής είναι ευκολότερη όταν η τροφή χορηγείται αμέσως μετά ή και κατά τη διάρκεια του ήχου. Με αυτή την προϋπόθεση, ένα σήμα διάρκειας 15-30 s και κατάλληλης συχνότητας, είναι ιδανικό ώστε τα ψάρια να αποκριθούν θετικά. Τα είδη S. aurata και D. labrax είναι «γενικοί ακροατές», δηλαδή ανταποκρίνονται θετικά στις χαμηλές συχνότητες μέχρι τα 800 Hz. Το είδος P. pagrus δείχνει να αποκρίνεται θετικά μόνο στα 500 Hz. Οι διαφορετικές εντάσεις δε φαίνεται να παίζουν ρόλο μέσα στο ενυδρείο, ενώ στη δεξαμενή και το πεδίο χρησιμοποιήθηκε μόνο η υψηλότερη από τις εντάσεις που δοκιμάστηκαν στο ενυδρείο. Σύνθετοι ήχοι που εκπέμπονται σε εκπαιδευμένα άτομα, προκαλούν θετική απόκριση. Όταν, όμως, έγινε εκπομπή τέτοιων ήχων εξωτερικά (στον αέρα) δεν έγιναν αντιληπτοί. Η απόκριση στον ήχο επηρεάζεται από τους αβιοτικούς παράγοντες -ιδιαίτερα στο πεδίο-, αλλά όχι από την ώρα της ημέρας. Στα πειράματα που έγιναν σε ενυδρείο η μεταβολή της συμπεριφοράς που οφείλεται στην εκπομπή ηχητικού σήματος εμφανίζεται ανάμεσα στην 2η και την 4η ημέρα εφαρμογής του ήχου με σταδιακή βελτίωση της απόκρισης όσο συνεχίζεται η εκπομπή του ήχου, και εφόσον η συχνότητα γίνεται αντιληπτή. .........................................................