Psy, koty i świnie dyszą, kangury liżą swoje przedramiona, słonie wachlują swoimi długimi uszami, by odprowadzić ciepło, a ptaki trzepotają gardzielami, czyli dokonują szybkich wibracji gardła. Reguły ekogeograficzne, opisujące wpływ temperatury na kształt i zabarwienie zwierząt – mają już ponad 150 lat. Przez długi czas nie były jednak obiektem zainteresowań naukowców.
Nie tylko człowiek robi co może, by przetrwać coraz częstsze upały i tropikalne noce. Te wywierają negatywny wpływ na wiele organizmów stało- i zmiennocieplnych. Zwierzęta – aby zabezpieczyć się przed napływem gorąca – wypracowały wiele strategii fizjologicznych. Dopiero niedawno zwrócono uwagę, że wpływ globalnego ocieplenia na zwierzęta może faktycznie zmienić obraz ich adaptacji pod względem termoregulacji.
Niestety nie wszystkie gatunki zdołają uchronić się przed zabójczymi temperaturami. Na przykład w Meksyku mieliśmy w maju do czynienia z ekstremalną falą upałów, która doprowadziła do śmierci dziesiątki, a może nawet setki wyjców. Małpy te dosłownie martwe spadały z drzew. Wszystko przez niesamowicie gorące powietrze.
W ubiegłych dwóch dekadach z podobnym przypadkiem zderzyliśmy się w Australii południowo-wschodniej, gdy nietoperze rudawki nie wytrzymywały piekielnego gorąca i masowo padały martwe na ziemię.
How animals are changing to cope with stronger heatwaves https://t.co/gmEihIcwQT
— The Conversation (@ConversationUK) June 5, 2024
Klasyczne reguły ekogeograficzne znowu są przydatne. Powód? Ocieplenie klimatu
Wpływ antropogenicznego ocieplenia na świat żywych istot dał naukowcom impuls do ponownej weryfikacji wspomnianych reguł ekogeograficznych. Zostały one zapoczątkowane już w XIX wieku. Ze wszystkich dziesięciu, sześć ma prawdopodobnie ścisły związek z termoregulacją, czyli z fizjologicznym mechanizmem obronnym u zwierząt, który funkcjonuje tak, by w cieplejszym środowisku rozproszyć z ich organizmów nadmiar ciepła, bądź też w warunkach chłodniejszych zatrzymać je w nich.
Jonathan Goldenberg, badacz biologii ewolucyjnej na Uniwersytecie w Lund w Szwecji, wraz ze swoimi kilkoma współpracownikami przedstawił opis sześciu reguł ekogeograficznych. Zamieścił go na łamach czasopisma Nordic Society Oikos. Reguły mają duży związek z funkcjonowaniem zwierząt w warunkach termicznych, w szczególności w sytuacji, która ma miejsce obecnie, czyli gdy globalne ocieplenie powoduje wzrost temperatury otoczenia.
Reguły ekogeograficzne, w tym termoregulacyjne, ukazują morfologię, fizjologię, genetykę, anatomię oraz zachowanie zwierząt w taki sposób, by ich organizmy ściśle się adaptowały do zmiennych warunków klimatycznych czy ekologicznych. Zarówno w obrębie gatunku, jak i pomiędzy poszczególnymi gatunkami. Reguły te wykazują zmienność fenotypową organizmów (np. różne kształty, rozmiary, wzrost, wagę czy także upierzenie, sierść itp.). Zależne są one w dużym stopniu od biogeografii gatunków, czyli od rozmieszczenia geograficznego poszczególnych zwierząt.
Badacze skoncentrowali się na fizjologii, anatomii i zachowaniu zwierząt pod kątem ich ubarwienia, wielkości i kształtu. Czyli na prezentacji cech, które w pewnym zakresie pomagają wielu zwierzętom w ochronie nadmiernym ciepłem.
Zwierzęta stałocieplne i zmiennocieplne. Kolor ma znaczenie
Powierzchnia i objętość ciała mają duże znaczenie wśród organizmów w klimacie gorącym i różnią się wyraźnie od tych, które występują u zwierząt w klimacie zimnym. Dlatego też, gdy jest chłodno, zwierzęta stałocieplne występują częściej niż zmiennocieplne. Dotyczy to zwłaszcza kręgowców.
Zwierzęta stałocieplne, czyli endotermiczne, jak ssaki czy ptaki, generalnie mają większy stosunek objętości do powierzchni. A więc też zatrzymują w swoich organizmach więcej ciepła – wolniej nagrzewają się i chłodzą.
Zwierzęta zmiennocieplne, czyli ektotermiczne, jak wszystkie bezkręgowce, czy też kręgowce takie jak ryby, płazy i gady, odznaczają się najczęściej większym stosunkiem powierzchni do objętości. Są ściśle zależne od temperatury otoczenia, np. nagrzewają się w słońcu, a chłodzą się w cieniu czy w ukryciu.
Aby skutecznie wdrożyć mechanizm termoregulacji, skutecznie bronią się przed przegrzaniem za pomocą zmiany barwy swojego ciała.
Autorzy stwierdzają, że w siedliskach lądowych, zwłaszcza suchych, ma miejsce większa zmienność temperatur, wilgotności i nasłonecznienia. Toteż barwna powłoka łuskonośnych prawdopodobnie może mieć większy wpływ na termoregulację niż w środowisku wodnym u ryb i płazów.
Jak zwierzęta znoszą ekstremalne temperatury? Kluczowa melanina
Melaniny stanowią grupę powiązanych ze sobą wielofunkcyjnych makrocząsteczek występujących w niemal wszystkich formach życia. Dobór naturalny faworyzuje organizmy biologiczne, u których obecność tego pigmentu pomaga w adaptacji do wystąpienia wysokich, a nawet ekstremalnie wysokich temperatur.
Jedną z kluczowych funkcji biologicznych tego pigmentu jest tak zwana fotoprotekcja. Na przykład eumelanina może rozpraszać aż do 90 proc. promieniowania słonecznego. Dzięki temu ostatecznie może też zapobiec szkodliwym skutkom światła UV. Melanina występuje głównie u zwierząt zmiennocieplnych. Pigment ten ma zdolność skutecznego pochłaniania światła, a cały ten proces ostatecznie przekształca się w ciepło. Tym samym przyczynia się do ogólnego obciążenia cieplnego organizmu. Przy dalszym wzroście temperatury na planecie ten koszt może źle wpłynąć na organizmy, które posiadają pigment.
Jednak jest jeszcze jedna ważna właściwość melaniny – skuteczna ochrona przeciwdrobnoustrojowa. Dzięki temu pigment w pewnym sensie może działać jak tarcza ochronna. Na przykład blokując dostęp zewnętrznych patogenów, takich jak zarodniki grzybów.
Melanina może również chelatować bądź sekwestrować toksyczne metale ciężkie. W pierwszym przypadku może wiązać się z pojedynczym jonem metalu, a w drugim z wieloma na raz. Dzięki tej umiejętności przyczynia się do znaczącego zmniejszania zanieczyszczenia.
Sześć reguł ekogeograficznych pod kątem termoregulacji
W swojej pracy naukowej badacze przedstawili sześć reguł ekogeograficznych, z których część na pewno ma, a część z nich może mieć związek z termoregulacją. Zaproponowali te, które w jakimś zakresie oddziałują na fenotypy zwierząt w coraz cieplejszym świecie. Czy też takie, które mogą wywierać taki wpływ:
- reguła Glogera,
- reguła Bergmanna,
- reguła Allena,
- gigantyzm głębinowy,
- reguła Bogerta,
- reguła Fostera.
Rys. Konceptualna reprezentacja tradycyjnych ekogeograficznych reguł przewidujących zmiany koloru i wielkości ciała w krajobrazie u lądowych i morskich zmienno- i stałocieplnych zwierząt. Źródło: Karen Bisschop/CC BY 4.0.
Dwie reguły, które mają ścisły związek z globalnym ociepleniem
Badacze w szczególności zwrócili uwagę na dwie reguły, które są najbardziej wiarygodne. Reguła Bergmanna i reguła Allena.
W pierwszym przypadku Carl Georg Lucas Christian Bergmann, niemiecki biolog, w XIX w. założył, że większe organizmy, tj. stałocieplne o niskim stosunku powierzchni do objętości (np. ssaki), z reguły występują w chłodnym środowisku, ponieważ w takim klimacie mogą lepiej wytwarzać ciepło dzięki bardziej wydajnemu metabolizmowi.
Swoje dowody przedstawił na podstawie badań 300 gatunków ptaków, które należały do 86 rodzajów. Natomiast mniejsze organizmy, tj. zmiennocieplne częściej są spotykane w ciepłym środowisku niż w chłodnym. Posiadając wyższy stosunek powierzchni do objętości, łatwiej rozpraszają one ciepło,
W drugim przypadku Joel Asaph Allen, amerykański zoolog, mammolog i ornitolog, roku zauważył, że gatunki stałocieplne występujące w zimnym klimacie mają krótsze kończyny, które zmniejszają rozpraszanie ciepła ze względu na niższy stosunek powierzchni do objętości. Dlatego też w takim środowisku są bardziej faworyzowane.
Odwrotna sytuacja ma miejsce u zwierząt stałocieplnych w ciepłym i tropikalnym środowisku. W takim klimacie najczęściej dobór naturalny faworyzuje długie kończyny, ogony, skrzydła, uszy. Na przykład, niektóre ptaki wprawdzie rozwijają mniejsze ciała, ale za to dłuższe skrzydła. Prawdopodobnie w celu wspomagania rozpraszania ciepła.
Jonathan Goldenberg w serwisie The Conversation pisze: – Mniejsze ptaki z dłuższymi skrzydłami mogą latać na większe odległości, a zatem mogą przyjąć inne wzorce migracji, co będzie miało wpływ na ekosystemy, w których żyją.
W 2011 r. Genetyk Jussi S. Alho i jego współpracownicy na Wydziale Nauk Biologicznych na Uniwersytecie Helsińskim w swojej pracy naukowej, zamieszczonej w Journal of Evolutionary Biology, rozwinęli regułę Allena do organizmów zmiennocieplnych. Obiektem ich badań był gatunek żaby trawnej (Rana temporaria). A ściślej, wykrycie klinu genetycznego w długości kości udowej i piszczelowej wzdłuż gradientu szerokości geograficznej.
Dynamika fenotypów zwierząt w cieplejszym świecie
Opisując powyższe reguły, badacze skupili się przede wszystkim na tym, jak zwierzęta reagują na zmienne warunki środowiskowe i klimatyczne. W tym przypadku na wahania temperatury. Odpowiedzieli na pytanie o to, jak globalne ocieplenie wpływa na fizjonomię zwierząt i jak pod kątem adaptacyjnym kształtują się fenotypy poszczególnych zwierząt na poziomie pomiędzy gatunkami oraz wewnątrzgatunkowym.
Jedno jest pewne. Gdy świat będzie się coraz bardziej ocieplać, zostanie przekroczony próg krytyczny tolerancji termoregulacyjnej. W szczególności mocno odczują to ssaki i ptaki, które fizjologicznie próbują skutecznie pozbyć się nadmiaru ciepła.
–
Zdjęcie tytułowe: Aleksandr Melnikov/Shutterstock
