Власти регионов нерестовых рек часто обращаются к учёным за определением скорости миграции рыб, а также в какой район пойдёт больше. Это влияет на планирование соответствующих мероприятий (работа речных сооружений, промысел, браконьеры и т.д.). В свою очередь наука находит всё более точные методы определения.
Перед многими анадромными видами рыб стоит метаболически сложная задача плавания на огромных расстояниях против сильных речных течений без кормления, где энергетические потребности для оптимального плавания часто превышают их максимальные аэробные возможности (питание кислородом).
В результате нехватка энергии должна иметь серьезные последствия для миграционного поведения. Кроме того, поскольку рыбы эктотермические, температура воды также влияет на миграционные характеристики, изменяя доступную для плавания энергию.
Как сосчитать и что учесть
Прогнозы оптимального поведения не будут точными, если не учитывать соответствующие ограничения метаболической активности. Для энергетически требовательного поведения (например, интенсивные миграции, избегание хищников), метаболическое питание (ресинтез АТФ за единицу времени) является важным фактором, ограничивающим производительность.
У животных потребность в метаболической энергии (потребление АТФ за единицу времени) для низких и средних уровней активности обеспечивается главным образом за счет окислительного фосфорилирования.
Для высокоинтенсивной работы, ресинтез АТФ из одного только окислительного метаболизма не может соответствовать спросу, и ограниченных запасов АТФ, имеющихся в наличии у животных, достаточно для покрытия этого дефицита в течение всего нескольких секунд.
Однако работоспособность можно продлить путем синтеза АТФ из распада гликолиза и фосфокреатина (ФЦР), который, поскольку не требует кислорода, часто называют анаэробным метаболизмом. В конце концов, запасы клеточной энергии гликогена и ПЦР истощаются, спрос на АТФ превышает предложение, производительность падает, и начинается сложный процесс восстановления.
Физиологические механизмы, лежащие в основе истощения и восстановления, и их влияние на экологические и эволюционные процессы продолжают оставаться активной областью исследований. Однако в отличие от не менее сложных процессов, связанных с энергетической динамикой всего организма, экологи еще не перевели сложность метаболического обеспечения энергией в простую математическую форму.
Симбиоз наук
В связи с этим экология как дисциплина не имеет общей основы для учета влияния энергетических ограничений на оптимальное поведение и оценки их экологических последствий. Ограничения метаболических возможностей привлекли значительное внимание со стороны спортивной науки, дисциплины, направленной на понимание физиологических механизмов, которые сдерживают спортивные результаты и использование этих результатов для разработки моделей прогнозирования выносливости и выздоровления человека.
Одна из этих моделей, модель критической мощности, широко использовалась для моделирования выполнения метаболически сложных операций. Модель Critical Power различает два источника питания, которые отражают аэробные и анаэробные источники питания.
Аэробный источник может обеспечивать энергию бесконечно долго, но только до максимальной скорости или "критической мощности", Pc. Спрос на мощность, превышающую Pc, обеспечивается анаэробным источником, N, который не ограничен по скорости, но имеет конечную мощность, называемую как "анаэробная работоспособность", Nmax.
Таким образом, для любой деятельности с суммарной потребляемой мощностью, Pt, превышающей критическую мощность, время до исчерпания составляет:
Te = Nmax/Pt-Pc и деятельность с Pt ≤ Pc, может осуществляться бесконечно долго.
Модель была расширена за счет включения процессов восстановления, когда анаэробная работоспособность рассматривается как переменная состояния и истощена или пополняется пропорционально разнице между Pt и Pc.
Хотя функции, которые должны быть оптимизированы в экологии и спорте, обычно отличаются от минимизации затрат по сравнению с минимизацией времени, метаболические процессы, которые сдерживают их, одинаковы.
Разработаны модели для изучения того, как ограничения мощности влияют на оптимальное поведение Чавычи (Oncorhynchus tshawytscha) в различных речных условиях и температурных режимах.
Затем учёные связали биоэнергетические модели с одномерной гидродинамической моделью реки Сакраменто в Центральной долине Калифорнии, чтобы предсказать последствия ограничения энергии на скорости миграции всей реки и энергетические затраты.
Наконец, сравнили прогнозируемые моделями скорости миграции с наблюдаемыми скоростями миграции Chinook в реке Сакраменто. Новый метод показывает, как ограничения метаболических сил изменяют оптимальное миграционное поведение.
В ответ на сильные встречные потоки рыбы сводят к минимуму транспортные расходы, чередуя быстрое плавание на анаэробном топливе и удержание для восстановления отработанных видов топлива.
Океан нагревается
Модели, игнорирующие энергетические ограничения, недооценили влияние повышенной температуры воды на скорость миграции и затраты (до 60%). Эти различия были обусловлены главным образом уменьшением аэробного размаха в зависимости от температуры, что снижает способность рыб быстро мигрировать через теплые воды.
Новая концепция обеспечивает механическую связь между вызванным понижением температуры аэробическим размахом и его экологическими последствиями для отдельных особей, популяций и сообществ.