Biophysical models unravel associations between glucocorticoids and thermoregulatory costs across avian species. (27th October 2021) - Rubalcaba, Juan G.
Abstract: Glucocorticoids (GCs) are metabolic hormones that regulate physiological and behavioural responses to environmental change and mediate homeostasis maintenance in vertebrates. Despite the assumption that GCs covary with energy metabolism, we yet lack a mechanistic understanding of how environmental factors such as temperature modulate GC variation through their effect on organismal energy balance. In particular, the mechanisms linking temperature‐dependent metabolic rate and GCs at broad spatial scales and across species remain poorly investigated. Here we used biophysical models to calculate thermoregulatory costs (i.e. the amount of heat required to keep body temperature in homeostasis) of free‐living birds as a function of environmental conditions, body size, shape and insulating layer of feathers. We then investigated the link between ambient temperature, cost of thermoregulation and baseline plasma GC concentrations in a comparative study including GC data from 94 bird species from HormoneBase. We found a significant, positive association between thermoregulatory costs and baseline GC concentrations. Interestingly, models including thermoregulatory costs better explained GC variation when compared to those including ambient temperature as a predictor variable. This result suggests that body size and shape fundamentally modulate energy requirements for thermoregulation and thereby GC concentrations in the wild. By providing a mechanistic description of the link between ambient temperature and thermoregulatory costs, biophysical models provide a tool to predict the impact of environmental conditions on energy metabolism. Our work demonstrates that differences in thermoregulation modulate variation in GC concentrations across a broad climatic gradient. A free Plain Language Summary can be found within the Supporting Information of this article. Abstract : A free Plain Language Summary can be found within the Supporting Information of this article. Resumen: Los glucocorticoides (GCs) son hormonas metabólicas que regulan las respuestas fisiológicas y comportamentales a los cambios ambientales y median el mantenimiento de la homeostasis en vertebrados. A pesar de la asunción de que los GCs covarían con el metabolismo energético, aun no entendemos los mecanismos por los cuales factores ambientales como la temperatura modulan la variación de los GCs a través de su efecto en el balance energético del organismo. Más concretamente, los mecanismos que vinculan la temperatura, la tasa metabólica y los GCs a grandes escalas espaciales y entre especies permanecen escasamente investigados. Aquí, usamos modelos biofísicos para calcular los costes de termorregulación (i.e., la cantidad de calor requerida para mantener la temperatura corporal en homeostasis) de aves silvestres en función de las condiciones ambientales, el tamaño y la forma corporal, y la capa aislante de plumas. Con ello investigamos el vínculo entre la temperatura ambiental, los costes de termorregulación y las concentraciones basales de GCs en un estudio comparado incluyendo datos de 94 especies de aves extraídas de HormoneBase. Encontramos una asociación significativa y positiva entre los costes de termorregulación y las concentraciones basales de GCs. Los modelos que incluyeron los costes de termorregulación explicaron la variación de GCs mejor que aquellos modelos que incluyeron la temperatura ambiental como variable predictora. Este resultado sugiere que el tamaño y forma corporal modulan los requerimientos energéticos de la termorregulación y con ello las concentraciones de GCs en condiciones naturales. Proporcionando una descripción mecanicista del vínculo entre la temperatura ambiental y el metabolismo termorregulador, los modelos biofísicos constituyen una herramienta para predecir el impacto de las condiciones ambientales en el metabolismo energético. Nuestro trabajo demuestra que las diferencias en termorregulación modulan la variación en GCs a lo largo de grandes gradientes climáticos.