Climate warming is predicted to negatively impact fish populations through impairment of oxygen transport systems when temperatures exceed those which are optimal for aerobic scope (AS). This concept of oxygen- and capacity-limited thermal tolerance (OCLTT) is rapidly gaining popularity within climate change research and has been applied to several fish species. Here, we evaluated the relevance of aerobic performance of juvenile barramundi (Lates calcarifer) in the context of thermal preference and tolerance by (1) measuring standard and maximum metabolic rates (SMR and MMR, respectively) and AS of fish acclimated to 29°C and acutely exposed to temperatures from 23 to 38°C, (2) allowing the fish to behaviourally select a preferred temperature between 29 and 38°C, and (3) quantifying alterations to AS after 5 weeks of acclimation to 29 and 38°C. SMR and MMR both increased continuously with temperature in acutely exposed fish, but the increase was greater for MMR such that AS was highest at 38°C, a temperature approaching the upper lethal limit (40-41°C). Despite 38°C eliciting maximum AS, when given the opportunity the fish selected a median temperature of 31.7 ± 0.5°C and spent only 10 ± 3% of their time at temperatures >36°C. Following acclimation to 38°C, AS measured at 38°C was decreased to the same level as 29°C-acclimated fish measured at 29°C, suggesting that AS may be dynamically modulated independent of temperature to accommodate the requirements of daily life. Together, these results reveal limited power of the OCLTT hypothesis in predicting optimal temperatures and effects of climate warming on juvenile barramundi.

Abstract Understanding the resilience of aquatic ectothermic animals to climate warming has been hindered by the absence of experimental systems experiencing warming across relevant timescales (for example, decades). Here, we examine European perch ( Perca fluviatilis, L. ) from the Biotest enclosure, a unique coastal ecosystem that maintains natural thermal fluctuations but has been warmed by 5–10 °C by a nuclear power plant for over three decades. We show that Biotest perch grow faster and display thermally compensated resting cardiorespiratory functions compared with reference perch living at natural temperatures in adjacent waters. However, maximum cardiorespiratory capacities and heat tolerance limits exhibit limited or no thermal compensation when compared with acutely heated reference perch. We propose that while basal energy requirements and resting cardiorespiratory functions (floors) are thermally plastic, maximum capacities and upper critical heat limits (ceilings) are much less flexible and thus will limit the adaptive capacity of fishes in a warming climate.

ABSTRACT The maximum rate at which animals take up oxygen from their environment (ṀO2,max) is a crucial aspect of their physiology and ecology. In fishes, ṀO2,max is commonly quantified by measuring oxygen uptake either during incremental swimming tests or during recovery from an exhaustive chase. In this Commentary, we compile recent studies that apply both techniques to the same fish and show that the two methods typically yield different mean estimates of ṀO2,max for a group of individuals. Furthermore, within a group of fish, estimates of ṀO2,max determined during swimming are poorly correlated with estimates determined during recovery from chasing (i.e. an individual's ṀO2,max is not repeatable across methods). One explanation for the lack of agreement is that these methods measure different physiological states, each with their own behavioural, anatomical and biochemical determinants. We propose that these methods are not directly interchangeable but, rather, each is suited to address different questions in fish biology. We suggest that researchers select the method that reflects the biological contexts of their study, and we advocate for the use of accurate terminology that acknowledges the technique used to elevate ṀO2 (e.g. peak ṀO2,swim or peak ṀO2,recovery). If the study's objective is to estimate the ‘true’ ṀO2,max of an individual or species, we recommend that pilot studies compare methods, preferably using repeated-measures designs. We hope that these recommendations contribute new insights into the causes and consequences of variation in ṀO2,max within and among fish species.

Increasing evidence shows that larger fish are more vulnerable to acute warming than smaller individuals of the same species. This size-dependency of thermal tolerance has been ascribed to differences in aerobic performance, largely due to a decline in oxygen supply relative to demand. To shed light on these ideas, we examined metabolic allometry in 130 rainbow trout ranging from 12 to 358 g under control conditions (17°C) and in response to acute heating (to 25°C), with and without supplemental oxygen (100% versus 150% air saturation). Under normoxia, high temperature caused an average 17% reduction in aerobic scope compared with 17°C. Aerobic performance disproportionally deteriorated in bigger fish as the scaling exponent (b) for aerobic scope declined from b=0.87 at 17°C to b=0.74 at 25°C. Hyperoxia increased maximum metabolic rate and aerobic scope at both temperatures and disproportionally benefited larger fish at 25°C as the scaling exponent for aerobic scope was reestablished to the same level as at 17°C (b=0.86). This suggests that hyperoxia may provide metabolic refuge for larger individuals, allowing them to sustain aerobic activities when facing acute warming. Notably, the elevated aerobic capacity afforded by hyperoxia did not appear to improve thermal resilience, as mortality in 25°C hyperoxia (13.8%, n=4) was similar to that in normoxia (12.1%, n=4), although we caution that this topic warrants more targeted research. We highlight the need for mechanistic investigations of the oxygen transport system to determine the consequences of differential metabolic scaling across temperature in a climate warming context.

The physiological mechanisms determining thermal limits in fishes are debated but remain elusive. It has been hypothesised that loss of motor function observed as a loss of equilibrium during an acute thermal challenge is due to direct thermal effects on brain neuronal function. To test this hypothesis, we mounted cooling plates on the head of Atlantic cod (Gadus morhua) and quantified whether local cooling of the brain increased whole-organism critical thermal maxima (CTmax). Brain cooling reduced brain temperature by 2-6 C and increased CTmax by 0.5-0.7 C relative to instrumented and uninstrumented controls, suggesting that direct thermal effects on brain neurons might contribute to setting upper thermal limits in fish. However, the improvement in CTmax with brain cooling was small relative to the difference in brain temperature, demonstrating that other mechanisms (e.g., failure of spinal and peripheral neurons, or muscle) may also contribute to controlling acute thermal tolerance in fishes.