The effect of the temperature on the reaction distance and spatial learning in a planktivorous fish

Temperatura otoczenia kontroluje tempo większości procesów zachodzących w organizmie, od wewnątrzkomórkowych procesów metabolicznych aż po czynności na poziomie całego organizmu. Zmiany temperatury mogą mieć różny wpływ na różne organizmy, wpływając zarówno na interakcje wewnątrzgatunkowe, jak i międzygatunkowe. W szczególności temperatura ma wpływ na sprawność i kondycję organizmów ektotermicznych, które nie posiadają wewnętrznych mechanizmów regulujących temperaturę ciała, w przeciwieństwie do organizmów endotermicznych, które utrzymują temperaturę w wąskim i stabilnym zakresie niezależnie od temperatury środowiska. Zrozumienie ekologicznych i ewolucyjnych reakcji organizmów ektotermicznych na wzrost temperatury otoczenia ma ogromne znaczenie szczególnie w kontekście globalnego ocieplenia klimatu. Temperatura ma istotny wpływ na metabolizm poprzez regulację tempa reakcji biochemicznych. Związek między tempem metabolizmu a temperaturą można opisać za pomocą krzywej wydajności termicznej, która przyjmuje kształt unimodalny. We wzrastającej części krzywej, tempo metabolizmu wzrasta wykładniczo, osiągając maksimum w optymalnej temperaturze, a następnie gwałtownie maleje ze względu na ograniczenia związane z termiczną stabilnością białek (enzymów). We wzrastającej części krzywej wydajności termicznej, wpływ temperatury na procesy biologiczne jest często wyrażany za pomocą współczynnika temperaturowego Q10. Wartość Q10 kwantyfikuje zależność pomiędzy temperaturą a tempem przebiegu procesów biologicznych w różnych temperaturach, w zakresie od 0 do 40°C, najczęściej przy różnicy 10°C, i jest definiowana równaniem Vanʼt Hoffa: Q10 = (R2 × R1-1 ) (10/T2 - T1), gdzie R2 to zmierzone tempo reakcji przy temperaturze T2 (gdzie T2 > T1), a R1 to zmierzone tempo reakcji przy temperaturze T1. Jeśli tempo reakcji wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, wartość Q10 jest większa od 1, a wyższa wartość Q10 wskazuje na większą zależność danego procesu od temperatury. Metaboliczna Teoria Ekologii postuluje, że wpływ temperatury na tempo metabolizmu przekłada się w przewidywalny sposób na wpływ temperatury na inne procesy zachodzące zarówno na poziomie organizmu, jak i na wyższych poziomach organizacji życia. Mimo, że istnieje wiele krytycznych argumentów wobec tej teorii, zwłaszcza dotyczących współczynnika Q10, które sugerują, że wpływ temperatury na tempo metabolizmu i procesy metaboliczne wynika raczej z adaptacyjnej selekcji zależnej od temperatury, mającej na celu przyspieszenie tempa życia, niż z nieuchronnych procesów fizjologicznych, to używanie współczynnika Q10 ma swoje zalety. Przede wszystkim pozwala on w prosty i przejrzysty sposób porównać wpływ temperatury na różne procesy. Dla większości procesów współczynnik Q10 mieści się w zakresie od 2 do 2,5. Wartość taką zaobserwowano między innymi dla wpływu temperatury na tempo asymilacji i respiracji oraz na tempo wzrostu i reprodukcji organizmu. Ponieważ temperatura otoczenia reguluje różne aspekty biologii organizmu, ma również wpływ na procesy poznawcze u zwierząt. Są to procesy neuronalne związane z przyswajaniem (percepcją) i manipulacją informacją, odgrywające kluczową rolę w regulacji własnego bądź cudzego zachowania. Procesy te składają się z kilku etapów: percepcji, oceny, podejmowania decyzji i zapamiętywania, a uczenie się jest integralną częścią każdego z tych etapów. Poprzez procesy poznawcze, organizm może odbierać, przetwarzać i interpretować informacje z otoczenia, a następnie podejmować odpowiednie działania w celu zdobycia pożywienia, uniknięcia zagrożeń, znalezienia partnera do reprodukcji. Procesy poznawcze umożliwiają także adaptację do zmieniających się warunków środowiskowych poprzez nabywanie nowych umiejętności i adekwatne dostosowywanie zachowania. Dlatego są one nieodzowne dla przetrwania i sukcesu reprodukcyjnego organizmów. Ze względu na to, że temperatura może wpływać różnie na kolejne etapy, można spodziewać się, że wpływ ten nie jest oczywisty, to znaczy, że może być addytywny, dotyczyć tylko jednego etapu, lub może się wzajemnie znosić na poszczególnych etapach. Ryby są szczególnie interesujące jako model w ekologii poznawczej, ponieważ zajmują podstawową pozycję w drzewie filogenetycznym kręgowców dzieląc z pozostałymi grupami kręgowców wiele cech wspólnych, w tym plan budowy i funkcjonowania mózgu. Od momentu oddzielenia się ryb od wspólnego pnia ewolucji kręgowców przeszły one niezależną ewolucję i radiację, a dziś są grupą najliczniejszą w gatunki wśród kręgowców, zamieszkującą zróżnicowane środowiska. To sprawia, że ryby stanowią doskonałą grupę do przeprowadzania badań porównawczych, których celem jest zrozumienie związku między ewolucją zdolności poznawczych a ekologią gatunku. Badając ryby, można odkryć ogólne zasady dotyczące wpływu czynników ekologicznych na zdolności poznawcze u kręgowców. Zmysł wzroku odgrywa kluczową rolę w ekologii poznawczej większości gatunków ryb. Podwodne widzenie jest bardziej wymagające niż widzenie na lądzie ze względu na heterogenne przestrzennie warunki oświetlenia. Wraz z głębokością, światło słoneczne ulega pochłanianiu, a skład spektralny ulega zawężeniu. Dodatkowo, woda rozprasza, załamuje i absorbuje światło intensywniej niż powietrze. Literatura przedmiotu dostarcza licznych przykładów badań świadczących o tym, że temperatura wpływa na zdolności wzrokowe ryb. Pierwsza grupa badań koncentruje się na dużych drapieżnych rybach morskich, takich jak mieczniki, rekiny, tuńczyki czy makrele. Zaobserwowano, że wyewoluowały u tych gatunków fizjologiczne mechanizmy częściowej endotermii, które pomagają utrzymać podwyższoną temperaturę narządu wzrokowego. Dzięki temu, ryby te dobrze widzą, co pozwala im skutecznie wykrywać pokarm i polować nawet w głębokich i zimnych warstwach wody morskiej. Druga grupa badań koncentruje się na ocenie wpływu temperatury na aktywność fotoreceptorów w siatkówce ryb, wykorzystując elektroretinografię jako metodę pomiaru reakcji siatkówki na bodźce świetlne. Badania te koncentrują się głównie na zależności między temperaturą a spektralną wrażliwością fotoreceptorów na różne długości fal świetlnych w zakresie widzialnym. Wykazują one, że wyższa temperatura przyspiesza odpowiedź fotoreceptorów i poprawia ich precyzję, co zwiększa zdolność do wykrywania mniejszych i/lub szybciej poruszających się obiektów, takich jak potencjalna zdobycz lub drapieżnik oraz może modyfikować wrażliwość spektralną. Podczas gdy wiele badań skupiło się na wpływie temperatury na różne parametry fizjologiczne i optyczne związane ze zdolnościami wzrokowymi, brakowało dotychczas bezpośrednich badań nad tym, czy podwyższona temperatura rzeczywiście zwiększa odległość percepcji wzrokowej, czyli odległość, z jakiej można zauważyć obiekt. Chociaż termiczna wrażliwość odległości percepcji wzrokowej nie została jeszcze dostatecznie zbadana, niektóre matematyczne modele prognozujące wpływ temperatury na interakcje międzygatunkowe zakładają, że odległość percepcji wzrokowej jest niezależna od temperatury. Pierwszym celem prezentowanej rozprawy było przetestowanie hipotezy postulującej, że odległość reakcji, będąca behawioralnym wskaźnikiem wzrokowej detekcji pokarmu u ryb, zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury, a wzrost ten jest zgodny z zasadą Q10 = 2. Aby przetestować tę hipotezę, przeprowadziłam eksperymenty z udziałem dwóch gatunków słodkowodnych ryb żywiących się planktonem. Pierwszym gatunkiem była wzdręga (Scardinius erythrophthalmus) ze strefy klimatu umiarkowanego, której reakcję testowałam w temperaturach 16 i 26°C, natomiast drugim gatunkiem był danio malabarski (Devario malabaricus) ze strefy subtropikalnej, którego reakcje testowałam w temperaturach 21 i 31°C. Wyniki eksperymentu wydane w Publikacji 1 pokazały, że przy danej intensywności światła wzrost temperatury o 10°C prowadził do 21-23% wzrostu odległości reakcji (Q10 ≈ 1,22-1,23). Pomimo stosunkowo niewielkiego wzrostu odległości reakcji, nastąpiło podwojenie zarówno objętości pola reakcji ryb, jak i wskaźnika częstości spotkań ryb z potencjalnymi ofiarami. Znaczny wzrost wskaźnika spotkań potencjalnej ofiary w wyniku zwiększonej odległości reakcji może znacznie zwiększać tempo żerowania ryb i tym samym wpływać na strukturę populacji i zespołów populacji zooplanktonu. Nie można również wykluczyć, że zaobserwowany mechanizm może dotyczyć innych wodnych układów drapieżca – ofiara. Zbadanie wpływu temperatury na odległość reakcji nie musi odzwierciedlać rzeczywistego wpływu temperatury na odległość detekcji wzrokowej, ponieważ może ona zależeć również od wpływu temperatury na motywację ryby do reakcji w odpowiedzi na napotykane obiekty. Zatem drugim celem niniejszej rozprawy było zbadanie wpływu temperatury bezpośrednio na odległość detekcji ofiar przez rybę. Postawiłam hipotezę, że wzrost temperatury wydłuża odległość detekcji wzrokowej i wzrost ten jest zgodny z zasadą Q10 = 2. W celu oceny odległości detekcji, przeprowadziłam eksperymenty z wykorzystaniem metody mikroskopii iluminacji pojedynczej płaszczyzny (ang. Single Plane Ilumination Microscopy, SPIM), która pozwalała przyżyciowo zmierzyć największą odległość od ruchomego celu pojawiającego się w polu widzenia ryby, wywołującego odpowiedź neuronalną we wzgórzu wzrokowym w mózgu transgenicznej ryby. Metoda SPIM umożliwia długoterminowe funkcjonalne obrazowanie niewielkich, nienaruszonych organizmów, takich jak larwy danio pręgowanego (Danio rerio), które eksprymują fluorescencyjne sondy białkowe, emitujące fluorescencję w odpowiedzi na zmiany stężenia jonów Ca2+. Metoda SPIM była stosowana w połączeniu z miniaturowym wyświetlaczem OLED, który pokazywał sztuczną, poruszającą się potencjalną ofiarę. Eksperymenty przeprowadziłam w trzech temperaturach 18, 23 i 28°C. Przeciwstawnie do postawionej hipotezy, wyniki wskazały, że wyższa temperatura zmniejsza, a nie zwiększa, odległość detekcji, z wartością Q10 ≈ 0,7. Wynik ten jest sprzeczny z wynikami wcześniejszych badań, które wykazały pozytywny wpływ temperatury na różne parametry fizjologiczne, w tym optyczne, związane ze zdolnościami wzrokowymi różnych gatunków ryb. W Publikacji 2 opisującej otrzymane wyniki omawiam możliwe przyczyny tej rozbieżności oraz ekologiczne implikacje zmniejszonej odległości detekcji w warunkach podwyższonej temperatury. Proces poznawczy obejmuje nie tylko percepcję, ale także uczenie się, które polega na zdobywaniu nowej wiedzy poprzez doświadczenie. Wpływ różnych czynników wewnętrznych i zewnętrznych na uczenie się organizmów ektotermicznych został dogłębnie zbadany. Badania te dotyczyły różnych aspektów poznawczych, w tym kształtowania się orientacji przestrzennej. Wiele badań wykazało, że kształtowanie się orientacji przestrzennej organizmów ektotermicznych, w tym ryb, może być zależne od czynników takich jak płeć, typ osobowości czy rodzaj siedliska. W kontekście tak dużego zainteresowania tym tematem, badania dotyczące wpływu temperatury na tempo uczenia się u organizmów ektotermicznych wydają się być stosunkowo nieliczne. Dotychczasowe badania dotyczyły przede wszystkim wpływu stresu termicznego (tj. temperatur suboptymalnych) przed i po kontakcie z wyuczonym bodźcem na kształtowanie się orientacji przestrzennej. Natomiast, badania w zakresie temperatur optymalnych dotyczyły jedynie konsekwencji eksponowania na podwyższoną temperaturę stadiów młodocianych na późniejsze zdolności uczenia się w dorosłości. Według mojej wiedzy, w literaturze nie było natomiast żadnego przykładu badań dotyczących wpływu temperatury, w zakresie temperatur optymalnych, na uczenie poruszania się w przestrzeni przez rybę planktonożerną. Trzecim celem prezentowanej rozprawy było przetestowanie hipotezy postulującej, że tempo kształtowania się orientacji przestrzennej u dorosłych ryb w zakresie optymalnych temperatur jest większe w wyższych temperaturach i odpowiada wrażliwości termicznej przewidywanej przez założenie Q10 = 2. Hipotezę przetestowałam w eksperymentach przeprowadzonych w dwóch wariantach temperaturowych (21 i 31°C) z wykorzystaniem dorosłych danio pręgowanych (D. rerio), które wprowadzałam pojedynczo do labiryntu T, podając nagrodę (pokarm) konsekwentnie do tego samego ramienia w kolejnych dniach eksperymentu z filmowaną jedną sesją dziennie. Na podstawie analizy filmów wyznaczałam dla każdej ryby w każdym wariancie temperaturowym dzienne tempo zmian pokonanego dystansu i czasu niezbędnego na odnalezienie oferowanej codziennie nagrody w postaci pokarmu. Dodatkowo wyznaczyłam zmianę liczby ryb wybierających poprawne ramię za pierwszym razem w kolejnych sesjach pokarmowych w każdym z wariantów. Wyniki eksperymentów zamieszczone w Publikacji 3 potwierdziły przewidywania hipotezy. Zaobserwowałam większy procentowy spadek czasu i dystansu potrzebnego do odnalezienia nagrody między kolejnymi sesjami przy wyższej temperaturze w porównaniu do niższej, co świadczy o tym, że tempo uczenia się było rzeczywiście wyższe w wyższej temperaturze, a wartość Q10 wyniosła około 1,3-2,3 dla obu parametrów. Choć podwyższona temperatura powodowała tylko nieznaczny wzrost tempa uczenia się ryb, można oczekiwać, że wpływ temperatury na tempo uczenia się zooplanktonu i jego konsekwencje w tym samym zakresie jest jeszcze mniejszy, ponieważ organizmy planktonowe mają mniej zaawansowany anatomicznie układ nerwowy w tym mózg i zdolności poznawcze w porównaniu do ryb. Ma to potencjalne implikacje ekologiczne, zwłaszcza w kontekście ich zachowania związanych z żerowaniem i interakcji z potencjalną ofiarą w podwyższonej temperaturze środowiska.

Ambient temperature controls the rate of most processes in the body, from intracellular metabolic processes to whole-body functions. Temperature changes can have different effects on different organisms, affecting both intra- and interspecific interactions. Temperature particularly affects the performance and condition of ectothermic organisms, which lack internal mechanisms to regulate body temperature, in contrast to endothermic organisms, which maintain a narrow and stable body temperature range regardless of environmental temperature. Understanding the ecological and evolutionary responses of ectothermic organisms to rising environmental temperatures is of great importance, particularly in the context of global climate change. Temperature has a significant effect on metabolism by regulating the rate of biochemical reactions. This relationship is often represented by a unimodal thermal output curve. In the ascending part of the curve, the metabolic rate increases exponentially, peaking at the optimal temperature. It then declines sharply due to limitations associated with the thermal stability of proteins (enzymes). The effect of temperature on biological processes in the ascending phase of the thermal performance curve is commonly expressed by the temperature coefficient Q10. The Q10 value quantifies the temperature dependence of processes at different temperatures, in the range 0 to 40°C, typically with a 10°C difference. It is defined by the Vanʼt Hoff equation: Q10 = (R2 × R1-1 ) (10/T2 – T1) where R2 is the measured reaction rate at temperature T2 (where T2 > T1) and R1 is the measured reaction rate at temperature T1. If the reaction rate increases with increasing temperature, the Q10 value will be greater than 1, and a higher Q10 value indicates a greater dependence of the process on temperature. The Metabolic Theory of Ecology postulates that the influence of temperature on metabolic rate translates in a predictable way to the influence of temperature on other processes at both organismal and higher levels. Although there are many critical arguments against this theory, particularly regarding the Q10 temperature coefficient, suggesting that the effect of temperature on metabolism and metabolic processes is due to temperature-dependent adaptive selection to accelerate the rate of life rather than inevitable physiological processes, the use of the Q10 temperature coefficient has its advantages. Firstly, it provides a simple and clear way of comparing the effect of temperature on different processes. For most processes, the Q10 coefficient is in the range of 2 to 2.5. Such values have been observed, for example, for the effect of temperature on assimilation and respiration rates, and on growth and reproduction rates of organisms. Environmental temperature regulates various aspects of an organism's biology, including cognitive processes in animals. These neural processes are associated with the acquisition (perception) and manipulation of information and play a crucial role in the regulation of one's own and others' behaviour. These processes consist of several stages: perception, evaluation, decision making and memory formation, with learning being an integral part of each stage. Cognitive processes enable organisms to perceive, process and interpret information from their environment and then take appropriate actions to acquire food, avoid threats or find a mate. Cognitive processes also enable adaptation to changing environmental conditions by acquiring new skills and appropriate adaptive behaviours. They are therefore essential for the survival and reproductive success of organisms. As temperature may affect successive stages differently, it is expected that the effect will not be obvious, i.e. it may be additive, affecting only one stage, or it may cancel each other out at different stages. Fish are a particularly interesting model for cognitive ecology research because they occupy a basal position in the vertebrate phylogenetic tree and thus share many features, including brain structure, and its functioning with other vertebrate groups. Since the divergence of fishes from the common ancestral lineage of vertebrates, they have undergone independent evolution and radiation and are now the most abundant group of vertebrate species inhabiting diverse environments. This makes fish an excellent group in which to perform comparative studies aimed at understanding the relationship between cognitive evolution and species ecology. By studying fish, we can uncover general principles about the impact of ecological factors on cognitive abilities in vertebrates. Vision plays a crucial role in the cognitive ecology of most fish species. Underwater vision is more demanding than vision on land due to spatially heterogeneous lighting conditions. With increasing depth, sunlight gradually decreases and the spectral composition narrows. In addition, water scatters, refracts and absorbs light more intensely than air. There are many examples in the literature of studies showing that temperature affects the visual abilities of fish. The first group of studies focuses on large predatory marine fish such as swordfish, sharks, tuna and mackerel. It has been observed that these species have developed physiological mechanisms of partial endothermy, which help to maintain an elevated temperature in the visual organ. As a result, these fish have enhanced visual abilities that allow them to detect food and hunt more effectively, particularly in deep and cold layers of seawater. The second group of studies focuses on assessing the influence of temperature on the activity of photoreceptors in the fish retina, using electroretinography as a method of measuring the retinal response to light stimuli. These studies are mainly investigating the relationship between temperature and the spectral sensitivity of photoreceptors to different wavelengths of light within the visible range. They show that higher temperatures accelerate the response of photoreceptors and improve their accuracy, increasing the ability to detect smaller and/or faster moving objects such as potential prey or predators. In addition, temperature can alter spectral sensitivity. While numerous studies have focused on the influence of temperature on various physiological and optical parameters related to visual abilities, there has been a lack of direct research on whether elevated temperature actually increases visual perception distance, which refers to the distance from which an object can be detected. Although the thermal sensitivity of visual acuity has not been well studied, some mathematical models that predict the effects of temperature on interspecies interactions assume that visual acuity is independent of temperature. The first aim of my dissertation was to test the hypothesis that reaction distance, which serves as a behavioural indicator of visual potential prey detection in fish, increases with temperature according to the Q10 principle (Q10 = 2). To test this hypothesis, I conducted experiments with two species of freshwater planktivorous fish. The first species was a temperate rudd (Scardinius erythrophthalmus) and its responses were tested at temperatures of 16 and 26°C. The second species was a subtropical Malabar danio (Devario malabaricus) whose responses were tested at temperatures of 21 and 31°C. The results of the experiment published in Publication 1 showed that for a given light intensity, a 10°C increase in temperature resulted in a 21-23% increase in reaction distance (Q10 ≈ 1.2-1.4). Despite the relatively small increase in reaction distance, both reaction field volume and prey encounter rate doubled for the fish. The significant increase in prey encounter rate due to the increased reaction distance may significantly increase the feeding rate of the fish and consequently affect the population structure and composition of zooplankton communities. It is also possible that the observed mechanism may apply to other aquatic predator-prey systems. Studying the effect of temperature on reaction distance may not accurately reflect the true effect of temperature on visual detection distance, as it may also depend on the effect of temperature on the individual's motivation to react to the objects encountered. The second aim of my doctoral thesis was to investigate the direct effect of temperature on the visual detection distance of fish. I hypothesised that increasing temperature would increase visual detection distance and that this increase would follow the Q10 = 2 rule. To assess the detection distance, I conducted experiments using Single Plane Illumination Microscopy (SPIM), which allows in vivo measurement of the maximum distance from a moving target appearing in the fish's field of view, eliciting a neuronal response in the optic tectum of transgenic fish. SPIM enables long-term functional imaging of small, unharmed organisms such as zebrafish larvae, which express fluorescent protein probes that emit fluorescence in response to changes in Ca2+ concentration. SPIM was combined with a miniature OLED display showing artificial, moving potential prey. The experiments were carried out at three temperatures: 18, 23 and 28°C. Contrary to the hypothesis, the results published in Publication 2 indicated that higher temperature decreased rather than increased the detection distance, with a Q10 value of approximately 0.7. This finding is in contrast to previous research that has demonstrated a positive effect of temperature on various physiological, optical parameters associated with the visual abilities of different fish species. In the paper describing the results obtained, I discuss the possible reasons for this discrepancy and the ecological implications of the reduced detection distance under elevated temperature conditions. The cognitive process includes not only perception, but also learning, the acquisition of new knowledge through experience. The influence of various internal and external factors on learning in ectotherm organisms has been extensively studied. These studies have focused on different aspects of cognition, including spatial learning. Many studies have shown that spatial learning in ectotherm organisms, including fish, may depend on factors such as sex, personality type and habitat type. Despite the considerable interest in this topic, there appears to be relatively less research on the influence of temperature on the rate of learning in ectotherms. Existing studies have primarily focused on the effects of thermal stress (i.e. suboptimal temperatures) before and after exposure to a learned stimulus on spatial learning. However, research on optimal temperatures has only examined the consequences of exposure to elevated temperatures during juvenile stages on subsequent learning abilities in adulthood. To the best of my knowledge, there are no studies in the literature that have investigated the effects of temperature within optimal ranges on spatial learning in adult fish. The third aim of my dissertation was to test the hypothesis that the rate of spatial learning in adult fish, within optimal temperature ranges, is faster at higher temperatures and corresponds to the thermal sensitivity predicted by the assumption of Q10 = 2. I tested this hypothesis in experiments conducted with adult D. rerio, using two temperature conditions (21 and 31°C) and introducing them individually into a T-maze, consistently providing a food reward in the same arm on consecutive days of the experiment, with one recording session per day. Based on video analysis, I measured the daily rate of change in distance travelled and time taken to find the daily food for each fish in each temperature condition. In addition, I determined the change in the number of fish choosing the correct arm on the first trial in successive feeding sessions in each condition. The results of the experiments published in Publication 3 confirmed the predictions of the hypothesis. Specifically, I observed a greater percentage decrease in the time and distance needed to find the daily food between consecutive sessions at the higher temperature compared to the lower temperature, indicating that the rate of learning was indeed faster at the higher temperature, with Q10 values ranging from approximately 1.3 to 2.3 for both measured parameters. While the elevated temperature only slightly improved the learning rate of the fish, the effect of temperature on the learning rate of the zooplankton and its consequences within the same temperature range is expected to be even smaller. This is because planktonic organisms have less anatomically developed nervous systems, including brains, and cognitive abilities compared to fish. This has potential ecological implications, particularly for their foraging behaviour and interactions with potential prey in a higher temperature environment.