Physiological Basis of Climate Change Impacts on North American Inland Fishes

Abstract

Global climate change is altering freshwater ecosystems and affecting fish populations and communities. Underpinning changes in fish distribution and assemblage-level responses to climate change are individual-level physiological constraints. In this review, we synthesize the mechanistic effects of climate change on neuroendocrine, cardiorespiratory, immune, osmoregulatory, and reproductive systems of freshwater and diadromous fishes. Observed climate change effects on physiological systems are varied and numerous, including exceedance of critical thermal tolerances, decreased cardiorespiratory performance, compromised immune function, and altered patterns of individual reproductive investment. However, effects vary widely among and within species because of species, population, and even sex-specific differences in sensitivity and resilience and because of habitat-specific variation in the magnitude of climate-related environmental change. Research on the interactive effects of climate change with other environmental stressors across a broader range of fish diversity is needed to further our understanding of climate change effects on fish physiology.

El cambio climático global está alterando los ecosistemas de agua dulce y con ello se afectan las poblaciones y comunidades de peces. El fundamento de los cambios en la distribución de los peces y de las respuestas a nivel de ensambles ante el cambio climático tiene que ver con limitaciones fisiológicas individuales. En esta revisión se presenta una síntesis sobre los efectos mecánicos del cambio climático en los sistemas neuro-endócrino, cardio-respiratorio, inmunológico, osmorregulatorio y reproductivo de peces diádromos y de agua dulce. Los efectos observados del cambio climático en los sistemas fisiológicos son numerosos y variados, incluyen la excedencia de los límites de tolerancia térmica, reducción en el desempeño cardiorespiratorio, una función comprometida del sistema inmune y patrones alterados en cuanto a la inversión reproductiva individual. No obstante, los efectos varían ampliamente entre y dentro de las especies a causa de diferencias en cuanto a poblaciones, sensibilidad entre sexos y resiliencia, así como por variaciones en los hábitats particulares como respuesta a la magnitud del cambio ambiental. Con el objeto de entender mejor los efectos del cambio climático en la fisiología de los peces, se requieren investigaciones encaminadas a estudiar los efectos interactivos entre el cambio climático con otros estresores ambientales a lo largo de un rango más amplio de diversidad de peces.

Le changement climatique mondial modifie les écosystèmes d'eau douce et affecte les populations et les communautés de poissons. Les changements sous-jacents dans la distribution des poissons et les réponses en matière de communautés apportées aux changements climatiques représentent des contraintes physiologiques au niveau individuel. Dans cette revue, nous synthétisons les effets mécanistes du changement climatique sur les systèmes neuroendocriniens, cardiorespiratoires, immunitaires, osmorégulateur et reproductifs des poissons d'eau douce et des diadromes. Les effets du changement climatique observés sur les systèmes physiologiques sont nombreux et variés, y compris le dépassement des tolérances thermiques critiques, une baisse des performances cardiorespiratoires, la fonction immunitaire compromise, et la modification des modes d'investissement dans la reproduction individuelle. Cependant, les effets varient considérablement entre et au sein des espèces en raison des espèces, de la population, et des différences, même selon le sexe, de sensibilité et de résilience, ainsi qu'en raison de la variation spécifique de l'habitat dans l'ampleur des changements environnementaux liés au climat. La recherche sur les effets interactifs des changements climatiques avec d'autres facteurs de stress environnementaux à travers une gamme plus large de la diversité des poissons est nécessaire pour approfondir notre compréhension des effets des changements climatiques sur la physiologie des poissons.

ACKNOWLEDGMENTS

This work was developed through an expert workshop hosted by the U.S. Geological Survey (USGS) National Climate Change and Wildlife Science Center (NCCWSC), and the USGS Missouri Cooperative Fish and Wildlife Research Unit (CFWRU), held at the USGS Northern Rocky Mountain Science Center (Bozeman, Montana) in June 2015. We thank Doug Beard and Jodi Whittier for their assistance in facilitating the workshop. We also thank the other workshop participants for their useful feedback on scoping this article and Ryan Kovach, three anonymous reviewers, and the Fisheries editors for providing valuable edits that improved the article. Any use of trade, firm, or product names is for descriptive purposes only and does not imply endorsement by the U.S. Government.

FUNDING

This work was funded by the USGS NCCWSC and the USGS Missouri CFWRU. The participating CFWRUs are sponsored jointly by the USGS, the Wildlife Management Institute, and the U.S. Fish and Wildlife Service, in addition to state and university cooperators: the New Mexico Department of Game and Fish and New Mexico State University (New Mexico CFWRU), Missouri Department of Conservation and University of Missouri (Missouri CFWRU). Steven J. Cooke is supported by Natural Sciences and Engineering Research Council and the Canada Research Chairs Program. This article is Contribution 2034 of the USGS Great Lakes Science Center.