Can we model otolith growth and opacity patterns as a response to environmental factors and fish metabolism ? A DEB-based framework

• Main Authors: Fablet, Ronan, Pecquerie, Laure, Hoie, Hans, Jolivet, Aurélie, Millner, Richard, Mosegaard, Henrik, A.L.M. Kooijman, Sebastian, Pontual De, Hélène
• Other Authors: Lab-STICC_TB_CID_TOMS, Département Signal et Communications (SC), Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-Télécom Bretagne-Institut Mines-Télécom Paris (IMT)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-Télécom Bretagne-Institut Mines-Télécom Paris (IMT)-Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom Paris (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM), Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC), Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom Paris (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), University of California Los Angeles (UCLA), University of California (UC), Department of Biological Sciences Bergen (BIO / UiB), University of Bergen (UiB), Laboratoire des Sciences de l'Environnement Marin (LEMAR) (LEMAR), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut Français de Recherche pour l'Exploitation de la Mer (IFREMER)-Université de Brest (UBO)-Institut Universitaire Européen de la Mer (IUEM), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre for Environment, Fisheries & Aquaculture Science (Centre for Environment, Fisheries & Aquaculture Science) (CEFAS), Danmarks Tekniske Universitet = Technical University of Denmark (DTU), Vrje Universiteit, Department of theoretical biology (Vrje Universiteit, Department of theoretical biology), Institut Français de Recherche pour l'Exploitation de la Mer (IFREMER), University of California (University of California), Department of biology (University of Bergen), Laboratoire des sciences de l'environnement marin (UMR CNRS 6539 - Institut Universitaire Européen de la Mer (IUEM) - Université de Bretagne Occidentale (UBO) - Institut de Recherche pour le Développement (IRD)), Centre for Environment, Fisheries & Aquaculture Science (Centre for Environment, Fisheries & Aquaculture Science), National Institute of Aquatic Resources, Technical University of Denmark (National Institute of Aquatic Resources, Technical University of Denmark), Institut français de recherche pour l'exploitation de la mer (IFREMER), Laboratoire en sciences et technologies de l'information, de la communication et de la connaissance (UMR CNRS 6285 - Télécom Bretagne - Université de Bretagne Occidentale - Université de Bretagne Sud - ENSTA Bretagne - Ecole Nationale d'ingénieurs de Brest)
• Format: Report
• Language: English
• Published: HAL CCSD 2009
• Subjects: Marine ecology; Fish otolith; Otolith signals and models; [SDV.BIBS]Life Sciences [q-bio]/Quantitative Methods [q-bio.QM]; Barents Sea
• Online Access: https://hal.science/hal-02161361; https://hal.science/hal-02161361/document; https://hal.science/hal-02161361/file/RR-2009005-SC.pdf

This report presents a conceptual and numerical model of the formation of fish otoliths within a DEB-based (Dynamic Enerby Budget) framework. The proposed model relies on two mains assumptions: 1. The precipitation of the calcium carbonate in the endolymph is controlled by organic precursors; 2. The activity of these organic precursors can be modelled as a DEB product, i.e. as a function of metabolic fluxes, such as somatic growth and maintenance fluxes; 3. The existence of a temperature-driven effect on the dynamics of the precipitation of calcium carbonate for given conditions in the activities of ionic precursors; From these assumptions, a DEB-based otolith model is described relating the dynamics of the otolith growth and opacity to temperature and feeding conditions. An extension to the simulation of otolith images is presented. This model is shown to conform to a number of well-known facts on otolith. Besides, comparisons between model simulations and real otolith patterns are reported for different cases: otolith data from rearing experiments and otolith patterns from two different cod stocks, namely Barents sea cod and North Sea cod. This example illustrates the great potential of the proposed approach.