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How do fishes survive in hot and cold waters?

I have decided to talk about the methods that fishes use to regulate body temperature. So, this week I will focus on cold-blooded fishes (ectotherms or poikilotherms) and the next one, on the totally or partially warm-blooded (endotherms). 

INTRODUCTION

According to physiologist, thermal relationships between animals and their environment might be of different types:

  • Endotherms: in this case, animals warm up their body tissues by metabolic production of heat (they are popularly know as warm-blooded animals).
Los animales de sangre caliente (endotermos) mantienen la temperatura independientemente de la del ambiente (Foto de Sheppard Software).
In warm-blooded animals, body temperature stays the same when its cold or hot outside (Picture from Sheppard Software).
  • Ectotherms (or poikilotherms): in this case, environmental conditions determinate the body temperature of the animal (they are popularly known as cold-blooded animals).
Los animales de sangre fría (ectotermos o poiquilotermos) tienen la misma temperatura que el ambiente (Foto de Sheppard Software).
In cold-blooded animals, body temperature depends on whether its cold or hot outside (Picture from Sheppard Software).

Cold-blooded animals, like most of the fishes, have to have the ability to tolerate a wide range of temperatures (eurithermal organisms). The reason is that they have to function in several body temperatures in order to survive environmental temperature changes.

Another concept is termoregulation, that consists on the maintenance of body temperature relatively constant. So, independently of their endotherm or ectotherm condition, at the same time, animals can be thermoregulator or not. This thermoregulation can be explained by its behaviour (for example, avoiding specific temperatures) or by physiologic methods (in this case, they are called homeotherms).

FISHES WITH BEHAVIOURAL THERMOREGULATION

At sea, water masses present different temperatures: the shallower waters has higher temperatures than the deeper. Fishes can choose to stay in a specific water mass or another and they maintain the same temperature. This is a single example of behavioural thermoregulation.

HOW DO FISHES PREVENT TO DIE TO A EXCESS OF HEAT?

When a poikilotherm organism is under high temperatures (but not lethal) produce Heat Shock Proteins. This strategy is not exclusive of fishes. In fact, this response is produced by all the animals. Most of these proteins are synthesised just when a body temperature increase happens or by other factors. The increase of the body temperature is a risk of death because proteins get denatured and they lose their function.

So Heat Shock Protein are responsible of compensate denaturation of proteins helping them to fold again. This process spends so many energy.

WHY DO FISHES NOT FREEZE IN COLD WATERS?

If fishes didn’t have mechanisms to avoid freezing, their body fluids would freeze from -0.1 to -1.9ºC. We have to keep in mind that internal freezing of cells produce their death, what can produce the death of the animal. In any case, in a freezing process, the first that freezes are body fluids outside the cells, what suppose a less risk.

Si los peces no tuvieran mecanismos para evitar la congelación, sus líquidos corporales se congelarían a partir de los -0,1 a -1,9ºC (Foto de Kitami City).
If fishes didn’t have mechanisms to avoid freezing, their body fluids would freeze from -0,1 to -1,9ºC (Picture from Kitami City).

In general, organisms that under the risk of freezing have several methods to face this situation, like the production of antifreeze or supercooling.

PRODUCTION OF ANTIFREEZE

Antifreeze are dissolved substances present in body liquids to decrease the freezing point (temperature from which a liquid freeze).

This substances can work in two ways. On the one hand, their presence in a liquid increases the concentration of substances and this produce a decrease of freezing point, but it is not for their chemical properties.

On the other hand, these substance can present chemical attributes that produce a reduction of the freezing point. In specific, they join to ice crystals and avoid their growing. This is the case of most of Teleostei fishes.

In the case of polar fishes, despite some species maintain antifreeze during all the year, most of them produce this substances only in winter.

To give an example, winter flounder (Pleuronectes americanus) is one of the most known species that produce antifreeze. This animal has so many copies of the gene that encode the synthesis of the antifreeze protein and these are synthesised before the winter thanks to the induction by the reduction of sun light.

Lenguado de invierno (Pleuronectes americanus) (Foto de Bio Umass)
Winter flounder (Pleuronectes americanus) (Picture from Bio Umass)

SUPERCOOLING

Supercooling is the process of lowering the temperature of a liquid or a gas below its freezing point without it becoming a solid. Aqueous solutions are progressively cooled and don’t freeze not even below its freezing point. But this is an unstable state and the supercooled solution can suddenly freeze.

Despite animals can voluntarily produce their supercooling, they can modify the probability of freeze spontaneously. To do it, they eliminate the nucleating agents of ice, substances that are the focus of the development of freezing.

Some deep fishes can swim, although the freezing point is at -1ºC, in waters of -1.9ºC.

REFERENCES

  • Hickman, Roberts, Larson, l’Anson & Eisenhour (2006). Integrated principles of Zoology. McGraw Hill (13 ed).
  • Hill, Wyse & Anderson (2006). Animal physiology. Editorial Medica Panamericana (1 ed).

Difusió-anglès

¿Cómo combaten los peces el calor y el frío?

Entre esta semana y la próxima, he decidido hablar sobre los diferentes métodos que tienen los peces para regular su temperatura corporal. Así, esta semana me centraré en los peces de sangre fría (ectotermos o poiquilotermos) y la próxima, en los total o regionalmente de sangre caliente (endotermos).

INTRODUCCIÓN

De acuerdo con los fisiólogos, las relaciones térmicas entre los animales y sus ambientes pueden ser de diferentes tipos:

  • Endotermos: son aquellos que calientan sus tejidos corporales por medio de la producción metabólica de calor (conocidos popularmente como animales de sangre caliente)
Los animales de sangre caliente (endotermos) mantienen la temperatura independientemente de la del ambiente (Foto de Sheppard Software).
Los animales de sangre caliente (endotermos) mantienen la temperatura independientemente de la del ambiente (Foto de Sheppard Software).
  • Ectotermos (o poiquilotermos): son aquellos en los que las condiciones ambientales determinan la temperatura de su cuerpo (conocidos popularmente como animales de sangre fría).
Los animales de sangre fría (ectotermos o poiquilotermos) tienen la misma temperatura que el ambiente (Foto de Sheppard Software).
Los animales de sangre fría (ectotermos o poiquilotermos) tienen la misma temperatura que el ambiente (Foto de Sheppard Software).

Los animales de sangre fría, como son la mayoría de peces, deben tener la capacidad de tolerar un rango de temperaturas bastante amplio (organismos euritérmicos). El motivo es poder funcionar a varias temperaturas corporales por si cambia mucho la temperatura ambiente.

Otro concepto es el de la termorregulación, que consiste en el mantenimiento de la temperatura corporal relativamente constante. Así pues, independientemente de si son endotermos o ectotermos (o poiquilotermos), a la vez, los animales pueden ser termoreguladores o no. Esta termorregulación puede deberse a su comportamiento (por ejemplo, evitando determinadas temperaturas) o bien por métodos fisiológicos (llamándose en este caso homeotermos).

PECES CON TERMORREGULACIÓN CONDUCTUAL

En el mar, las grandes masas de aguas presentan temperaturas distintas: las más superficiales tienen temperaturas más altas que las profundas. Los peces que optan por permanecer en una capa de agua y no en otra se adaptan a su temperatura y la mantienen mientras se encuentren en ella. Esta es una forma simple de termorregulación conductual.

¿CÓMO EVITAN MORIR A UN EXCESO DE CALOR?

Cuando un organismo poiquilotermo se expone a temperaturas muy altas (pero no letales) produce unas proteínas llamadas de choque térmico o de estrés. Esta estrategia no es exclusiva de los peces. De hecho, esta respuesta se produce en todos los animales. La mayoría de estas proteínas se sintetizan sólo cuando aumenta mucho la temperatura corporal o por algún otro factor. El aumento de la temperatura del cuerpo supone un riesgo importante de muerte ya que produce la pérdida de muchas funciones por la desnaturalización de las proteínas, es decir, el desplegamiento y pérdida de sus funciones.

Así pues, las proteínas de choque térmico se encargan de compensar la desnaturalización de las proteínas ayudándolas a plegarse nuevamente. Este proceso requiere una gran cantidad de energía.

¿POR QUÉ NO SE CONGELAN LOS PECES DE AGUAS FRÍAS?

Si los peces no tuvieran mecanismos para evitar la congelación, sus líquidos corporales se congelarían a partir de los -0,1 a -1,9ºC. Hay que tener en cuenta que la congelación interna de las células causa su muerte, lo que puede provocar la muerte del organismo. De todos modos, en un proceso de congelación, lo primero que se congela son los líquidos corporales que hay fuera de las células, lo que supone menos riesgo de muerte.

Si los peces no tuvieran mecanismos para evitar la congelación, sus líquidos corporales se congelarían a partir de los -0,1 a -1,9ºC (Foto de Kitami City).
Si los peces no tuvieran mecanismos para evitar la congelación, sus líquidos corporales se congelarían a partir de los -0,1 a -1,9ºC (Foto de Kitami City).

En general, los organismos que se exponen a la congelación, presentan diferentes métodos para hacer frente a esta situación. Entre estos, mencionar:

  1. Producción de anticongelantes
  2. Superenfriamiento

PRODUCCIÓN DE ANTICONGELANTES

Los anticongelantes son sustancias disueltas que se agregan a los líquidos del cuerpo para disminuir el punto de congelación (temperatura a partir de la cual se congela un líquido).

Estas sustancias pueden funcionar de dos formas distintas. Por un lado, por el simple hecho de estar en el líquido, aumentan la concentración de sustancias en estos líquidos y disminuyen el punto de congelación, pero no se debe a sus propiedades químicas.

Por otro lado, otras pueden tener propiedades químicas específicas que provocan la disminución del punto de congelación. En específico, se unen a los cristales de hielo e impidan que éstos puedan crecer. Éste es el caso de la mayoría de peces teleósteos (peces óseos).

En el caso de los peces polares, aunque algunas especies mantienen los anticongelantes durante todo el año, la mayoría los sintetiza sólo durante el invierno.

Por poner un ejemplo a todo esto, el lenguado de invierno (Pleuronectes americanus) es una de las especies productoras de anticongelantes más conocida. Este animal tiene una gran cantidad de copias del gen que codifica la síntesis de la proteína anticongelante y estos genes se sintetizan antes de que empiece el invierno gracias a la inducción por la reducción de la luz solar.

Lenguado de invierno (Pleuronectes americanus) (Foto de Bio Umass)
Lenguado de invierno (Pleuronectes americanus) (Foto de Bio Umass)

SUPERENFRIAMIENTO

El superenfriamiento es el fenómeno por el cual las soluciones acuosas se enfrían progresivamente y no se congelan ni por debajo de su punto de congelación. De todas formas, es un estado inestable y la solución superenfriada puede congelarse espontáneamente en cualquier momento.

Aunque los animales no producen voluntariamente su superenfriamiento, pueden modificar la probabilidad de congelarse de forma espontánea. Para hacerlo, eliminan los agentes nucleantes de hielo, sustancias que actúan como foco para el desarrollo de la congelación.

Algunas especies de peces de aguas profundas pueden nadar, a pesar de que el punto de congelación sea a -1ºC, en aguas de -1,9ºC.

REFERENCIAS

  • Hickman, Roberts, Larson, l’Anson & Eisenhour (2006). Principios integrales de Zoología. McGraw Hill (13 ed).
  • Hill, Wyse & Anderson (2006). Fisiología animal. Editorial Medica Panamericana (1 ed).

Difusió-castellà

Com combaten la calor i el fred els peixos?

Entre aquesta setmana i la propera, he decidit parlar sobre els diferents mètodes que tenen els peixos per regular la seva temperatura corporal. Així, aquesta setmana em centraré en els peixos de sang freda (ectoterms o poiquiloterms) i la propera, en els totalment o regionalment de sang calenta (endoterms). 

INTRODUCCIÓ

D’acord amb els fisiòlegs, les relacions tèrmiques entre els animals i els seus ambients poden ser de diferents tipus:

  • Endoterms: són aquells que escalfen els seus teixits corporals mitjançant la producció metabòlica de calor (coneguts popularment com a animals de sang calenta).
Los animales de sangre caliente (endotermos) mantienen la temperatura independientemente de la del ambiente (Foto de Sheppard Software).
Els animals de sang calenta (endoterms) mantenen la temperatura independentment de la de l’ambient (Foto de Sheppard Software).
  • Ectoterms (o poiquiloterms): són aquells en els que les condicions ambientals determinen la temperatura del cos (coneguts popularment com a animals de sang freda).
Los animales de sangre fría (ectotermos o poiquilotermos) tienen la misma temperatura que el ambiente (Foto de Sheppard Software).
Els animals de sang freda (ectoterms o poiquiloterms) tenen la mateixa temperatura que l’ambient (Foto de Sheppard Software).

Els animals de sang freda, com ho són la majoria de peixos, han de tenir la capacitat de tolerar un rang de temperatures bastant ampli (organismes euritèrmics). El motiu és poder funcionar a vàries temperatures corporals per si canvia molt la temperatura ambient.

Un altre concepte és el de la termoregulació, que consisteix en el manteniment de la temperatura corporal relativament constant. Així doncs, independentment de si són endoterms o ectoterms (o poiquiloterms), a la vegada, els animals poden ser termoreguladors o no. Aquesta termoregulació pot deure’s al seu comportament (per exemple, evitant determinades temperatures) o bé per mètodes fisiològics (anomenats en aquest cas homeoterms).

PEIXOS AMB TERMOREGULACIÓ COMPORTAMENTAL

Al mar, les grans masses d’aigua presenten temperatures diferents: les més superficials tenen temperatures més altes que les profundes. Els peixos que opten romandre en una capa d’aigua i no en una altra s’adapten a la seva temperatura i la mantenen mentre es troben en ella. Aquesta és un forma simple de termoregulació comportamental.

COM EVITEN MORIR A UN EXCÉS DE CALOR?

Quan un organisme poiquiloterm s’exposa a temperatures molt altes (però no letals) produeix unes proteïnes anomenades de xoc tèrmic o d’estrès. Aquesta estratègia no és exclusiva dels peixos. De fet, aquesta resposta es produeix en tots els animals. La majoria d’aquestes proteïnes es sintetitzen només quan augmenta molt la temperatura corporal o per algun altre factor. L’augment de la temperatura del cos suposa un risc important de mort ja que produeix la pèrdua de moltes funcions per la desnaturalització de les proteïnes, és a dir, el desplegament i pèrdua de les seves funcions.

Així doncs, les proteïnes de xoc tèrmic s’encarreguen de compensar la desnaturalització de les proteïnes ajudant-les a plegar-se novament. Aquest procés requereix una gran quantitat d’energia.

POR QUÈ NO ES CONGELEN ELS PEIXOS D’AIGÜES FREDES?

Si els peixos no tinguessin mecanismes per evitar la congelació, els seus líquids corporals es congelarien a partir dels -0,1 a -1,9ºC. S’ha de tenir en compte que la congelació interna de les cèl·lules causa la seva mort, el que pot provocar la mort del l’organisme. De totes maneres, en un procés de congelació, el primer que es congela són els líquids corporals que hi ha fora de les cèl·lules, el que suposa menys risc de mort.

Si los peces no tuvieran mecanismos para evitar la congelación, sus líquidos corporales se congelarían a partir de los -0,1 a -1,9ºC (Foto de Kitami City).
Si els peixos no tinguessin mecanismes per evitar la congelació, els seus líquids es congelarien a partir dels -0,1 a -1,9ºC (Foto de Kitami City).

En general, els organismes que s’exposen a la congelació, presenten diferents mètodes per fer front a aquesta situació. Entre aquests, mencionar:

  1. Producció d’anticongelants
  2. Superrefredament

PRODUCCIÓ D’ANTICONGELANTS

Els anticongelants són substàncies dissoltes que s’agreguen als líquid del cos per disminuir el punt de congelació (temperatura a partir de la qual es congela un líquid).

Aquestes substàncies poden funcionar de dues formes diferents. Per una banda, pel simple fet d’estar al líquid, augmenten la concentració de substàncies en aquests líquids i disminueixen el punt de congelació, però no es deu a les seves propietats químiques.

Per altra banda, altres poden tenir propietats químiques específiques que provoquen la disminució el punt de congelació. En específic, s’uneixen als cristalls de gel i impedeixen que aquests puguin créixer. Aquest és el cas de la majoria de peixos teleostis (peixos ossis).

En el cas dels peixos polars, tot i que algunes espècies mantenen els anticongelants durant tot l’any, la majoria els sintetitza només durant l’hivern.

Por posar un exemple a tot això, el llenguado d’hivern (Pleuronectes americanus) és una de les espècies productors d’anticongelants més coneguda. Aquest animal té una gran quantitat de còpies del gen que codifica la síntesi de la proteïna anticongelant i aquests gens es sintetitzen abans de que comenci l’hivern gràcies a la inducció per la reducció de la llum solar.

Lenguado de invierno (Pleuronectes americanus) (Foto de Bio Umass)
Llenguado d’hivern (Pleuronectes americanus) (Foto de Bio Umass)

SUPERREFREDAMENT

El superreframent és el fenomen pel qual les solucions aquoses es refreden progressivament i no es congelen ni per sota del seu punt de congelació. De totes formes, és un estat inestable i la solució superrefredada pot congelar-se espontàniament en qualsevol moment.

Encara que els animals no produeixen voluntàriament el seu superrefredament, poden modificar la probabilitat de congelar-se de forma espontània. Per fer-ho, eliminen els agents nucleants de gel, substàncies que actuen com a focus pel desenvolupament de la congelació.

Algunes espècies de peixos d’aigües profundes poden nadar, malgrat que el punt de congelació sigui a -1ºC, en aigües de -1,9ºC.

REFERÈNCIES

  • Hickman, Roberts, Larson, l’Anson & Eisenhour (2006). Principios integrales de Zoología. McGraw Hill (13 ed).
  • Hill, Wyse & Anderson (2006). Fisiología animal. Editorial Medica Panamericana (1 ed).

Difusió-català