Constraints and trade-offs in climate-dependent adaptation: energy budgets and growth in a latitudinal cline

• Published in: Scientia Marina
• Main Authors: Pörtner, Hans O., Storch, Daniela, Heilmayer, Olaf
• Format: Article in Journal/Newspaper
• Language: English
• Published: Consejo Superior de Investigaciones Científicas 2005
• Subjects: Antarctic; energy efficiency; lifestyle; cold adaptation; growth performance; Magellan; temperature variability; eurythermy; stenothermy; Antártida; eficiencia energética; formas de vida; adaptaciones al frío; eficiencia del crecimiento; Magallanes; variabilidad de temperatura; euritermia; estenotermia; The Antarctic; Antarc*; Subarctic
• Online Access: https://scientiamarina.revistas.csic.es/index.php/scientiamarina/article/view/329; https://doi.org/10.3989/scimar.2005.69s2271

Characteristics of temperature-dependent metabolic adaptation as well as their implications for associated changes in energy budgets are analysed based on comparisons of fish and invertebrates from various latitudinal clines in northern and southern hemispheres and on integrated ecological and physiological approaches. To identify putative “bottlenecks” of adaptation and for a general cause and effect understanding, the temperature sensitivity of growth as a key energy budget component is investigated, considering underlying processes at population, whole animal and cellular levels. Available data support the hypothesis that natural selection favours individuals for energy efficiency and maximised growth, but is subject to constraints of limited energy availability and temperature. According to emerging relationships between energy turnover, temperature variability and thermal tolerance, the notion that selection should favour a certain metabolic rate according to mean temperature is too simplistic. Within the energy budget, savings in maintenance costs set free energy for growth, visible as growth increments at a low standard metabolic rate. Such energy savings are maximised at the permanently low temperature of the Antarctic. However, some variability persists as pelagic lifestyles in the Antarctic are fuelled by higher metabolic rates at the expense of reduced growth. Temperature variability in the cold, as in the Subarctic, causes a rise in maintenance costs at the expense of growth, but in favour of exercise and thus foraging capacity. Such transitions in energy cost between sub-polar and polar areas are not visible in the southern hemisphere, where there is less temperature variability. However, these patterns—as well as many of the underlying mechanisms—still remain incompletely investigated, especially with respect to the suggested hierarchy in energy allocation to energy budget components. Las características de la adaptación metabólica dependiente de la temperatura y sus implicancias en los cambios asociados a los presupuestos energéticos son analizadas sobre la base de: comparaciones de peces e invertebrados de varios gradientes latitudinales en los hemisferios septentrional y meridional, y de enfoques ecológicos y fisiológicos integrados. Para identificar los “cuellos de botella” putativos de la adaptación y para un entendimiento general de la causa-efecto, se investiga la sensibilidad del crecimiento a la temperatura como un componente clave del presupuesto energético, considerando los procesos subyacentes a niveles poblacional, individual (animal completo) y celular. Los datos disponibles sostienen la hipótesis que la selección natural favorece a los individuos con eficiencia energética y crecimiento maximizado, pero es sujeto de restricciones por la limitada disponibilidad energética y la temperatura. De acuerdo a las relaciones emergentes entre el intercambio energético, variabilidad de temperatura y tolerancia térmica, la noción acerca de que la selección debería favorecer ciertos niveles de tasas metabólicas de acuerdo con la temperatura promedio es demasiado simplista. Dentro del presupuesto energético, los ahorros en costos de mantenimiento liberan energía para crecimiento, visible como incrementos de crecimiento a tasas metabólicas estándar bajas. Tales ahorros energéticos son maximizados a las permanentes bajas temperaturas de la Antártida. No obstante, algo de variabilidad persiste en tanto estilos de vida pelágicos en la Antártida son sustentados por tasas metabólicas relativamente más altas a expensas de crecimiento reducido. La variabilidad de temperatura ambientes fríos, como en el boreal, causa un incremento en los costos de mantenimiento a expensas del crecimiento, pero a favor del movimiento y por tanto la capacidad de forrajeo. Tales transiciones en el costo energético entre áreas polares y subpolares no son detectables en el hemisferio sur, donde la variabilidad de temperatura es menor. Sin embargo, estos patrones como tantos otros mecanismos subyacentes todavía permanecen incompletamente investigados, especialmente con respecto a la jerarquía sugerida en la distribución energética y componentes de los presupuestos energéticos.