Tak jakby GMO

W okolicznościach dramatycznych zmian warunków środowiskowych ryby mają tajną broń.

Reklamy

Istotną aspiracją każdej formy życia jest wynalezienie sposobu by zostać mistrzem przetrwania. Mnogość ewolucyjnych rozwiązań jest oszałamiająca. Nawet takie zmiany warunków jakie opisywałem tydzień temu stanowią arenę ewolucyjnej walki o przetrwanie. Taki sposób opisano u ryby z rodziny garbikowatych, z angielska Damselfish. Poznaliśmy już mechanizm przywoływania drapieżników dla paradoksalnego efektu uratowania się przed pożarciem. Ale atak drapieżcy to nie jedyne i wcale nie najbardziej srogie zagrożenie ich życia.

Wiele ryb, a szczególnie ryby tropikalnych raf, do których zalicza się bohater dzisiejszej notki, mają bardzo wąski zakres tolerancji na temperaturę otoczenia. Podniesienie ciepłoty wody o parę stopni jest w stanie doprowadzić ryby do spadku efektywności transportu tlenu nawet o połowę. To niemal jak permanentny atak astmy dla człowieka. Jeden z czołowych badaczy zagrożeń dla środowisk rafowych, prof. Philip Munday z Uniwersytetu Jamesa Cooka w australijskim Townsville, badał ze swoim zespołem ten fatalny efekt na Acanthochromis polyacanthus, przetrzymując rybki w zbiornikach o ściśle kontrolowanej temperaturze. I temperaturę tę podnosił delikatnie, obserwując kolejne pokolenia. Z niemałym zdumieniem odkrył, że ryby dostosowały się do temperatury wyższej o 3° już po dwóch pokoleniach, mimo że raptowna zmiana temperatury w tym zakresie jest dla nich praktycznie zabójcza. Zaangażowany zespół genetyków prędko odkrył, że zmiany fizjologii odbyły się dzięki swoistej modyfikacji działania 53 genów, z których jedne zostały wyłączone, inne włączone, a jeszcze inne – przepisane na białka z lekkimi, jakby celowymi modyfikacjami. Mówiąc krótko – rybki uruchomiły mechanizmy epigenetyczne na tyle skomplikowane, że w czasie osobniczego życia trudne do realizacji „na żądanie”, ale przekazane potomstwu utrwalały i wzmacniały swój dobroczynny efekt. Profesor Munday uznał za prawdopodobne, że ten konkretny mechanizm działa u wielu gatunków ryb, zaś procesy epigenetyczne od dobrej dekady uważane są za coraz bardziej istotny i fascynujący przykład plastyczności organizmów, będący zarazem wynikiem jak i napędem procesów ewolucyjnych.

Zdjęcie w nagłówku przedstawia bohaterkę dzisiejszej notki. Znalazłem je na wikimedia.

Jeśli chcesz wiedzieć więcej:

J.M. Donelson i inni: Transgenerational plasticity of reproduction depends on rate of warming across generations; Evolutionary applications 2016

Kwass

Czy raje mogą skostnieć? Oraz dlaczego niektórym rybom nic się nie chce.

Podczas ubiegłotygodniowego pikniku naukowego w Warszawie licznym odwiedzającym nasze stoisko opowiadałem o złożonych mechanizmach i skutkach ocieplenia klimatu. Jest niezwykle budującym doświadczanie intensywnego zainteresowania z jakim ludzie podchodzą do nauki i znakomicie wynagradza to wydłużony czas pracy. Podczas takich rozmów opowieść meandruje po różnych obszarach wiedzy, od fizyki atmosfery po genetykę i nie sposób nawet w kilkunastu podejściach poruszyć wszystkich istotnych wątków łączących się z tym jednym tylko tematem. Ale na szczęście jest słowo pisane i dziś zamierzam skorzystać z tej sposobności opowiadając o niespodziewanych efektach nadmiernej ilości CO2. I o rybach oczywiście.

Wzrost temperatury, jaki obserwujemy na świecie nie jest jedynym skutkiem zwiększania ilości CO2 na Ziemi. Nadmiarowe ciepło niesione przez prądy oceaniczne zmienia przebieg cyrkulacji mas powietrza, która w strefie (dotychczas) umiarkowanej występuje jako prądy strumieniowe. Te ogromne i bardzo silne wiatry hulające 8 – 11 km nad naszymi głowami kształtują pogodę tworząc kręte ścieżki wzdłuż których podążają wyże i niże. Przebieg prądu strumieniowego ciska arktycznym powietrzem w kraje północnej Afryki, przynosi saharyjski pył do Polski, jest odpowiedzialny za długotrwałe susze i wpływa na częstotliwość wlewów słonej wody do Bałtyku, o czym pisałem tutaj.

Wejdźmy jednak do wody by przekonać się, jakie jeszcze skutki wynikają z nadmiaru CO2. Ten gaz rozpuszczony w wodzie wchodzi z nią w reakcję, tworząc kwas węglowy, H2CO3. Co prawda woda oceaniczna ma właściwości buforujące, ale jak każdy bufor ma swoją pojemność, a ocean pochłania każdej doby 22 miliony ton CO2 A taka zmiana warunków chemicznych jest bardzo kłopotliwa dla tych organizmów, które wykorzystują związki wapnia do budowy ciał. Dotyczy to praktycznie wszystkich istot morskich, ale szczególnie uciążliwe jest dla planktonu budującego wapienne pancerzyki i w tej sytuacji zaczynają dominować organizmy znacznie drobniejsze, które na zakwaszenie są bardziej odporne. A jeśli są drobne, to ich ciała nie opadają na dno tak skutecznie jak ciała np. otwornic, więc ocean traci zdolność trwałego pochłaniania CO2 i deponowania węgla w osadach. Przy tym, rzecz jasna zmienia się dostępność pokarmu u podstawy łańcucha pokarmowego. O tych i innych złożonych mechanizmach uruchamianych przez dwutlenek węgla w oceanie możecie przeczytać zaglądając do serwisu Naukaoklimacie.pl, a tymczasem przejdźmy do ryb.

Można spodziewać się, że zwiększenie koncentracji dwutlenku węgla w środowisku wpływa na procesy biologiczne związane z wymianą gazową i oddychaniem. Takie efekty są obserwowane, chociaż ich natężenie nie jest wysokie. Większe jest zagrożenie dla ikry i larw, które pod wieloma względami są dużo bardziej wrażliwe niż dorosłe osobniki. Ikra ryb z gatunku Menidia beryllina obumiera jeśli znajdzie się w wodzie o zawartości CO2  na poziomie 780µatm, (400 – 600µatm to poziom przeciętny w oceanie). Larwy dorsza atlantyckiego także sobie źle radzą, chociaż dorsz ze wschodniego Bałtyku jest odporniejszy, a larwy śledzi radzą sobie wręcz świetnie. Dwutlenek węgla wpływa na procesy mineralizacji szkieletu ryb i to w sposób odmienny niżbyście się spodziewali. Oddziałując zarówno na drodze deregulacji wydzielania neurotransmiterów jak i bezpośrednio poprzez stężenia, sprzyja nadmiernemu odkładaniu hydroksyapatytów, w skrajnych warunkach doprowadzając do skoliozy, kifozy czy neoplazji oraz przerostu otolitów będących kluczowym narządem zmysłu równowagi i rejestracji ruchu ryb. Procesy nadmiernej mineralizacji zaobserwowano także u płaszczek, które należą do ryb chrzęstnoszkieletowych. Dla nich może stać się to poważnym problemem, jeśli nie zdążą wyewoluować mechanizmów kompensacyjnych. Natomiast wzmocnienie mineralizacji szczęk byłoby dla nich atutem.

Larwy ryb o zdeformowanych szkieletach.
Copyright: Matt Wilson/Jay Clark/NOAA NMFS AFSC

Samo przebywanie w eksperymentalnych akwariach z podniesionym stężeniem CO2 pozwala zaobserwować u ryb objawy stresu. Liczne badane gatunki wykazują odmienne zachowania pod wpływem nadmiaru CO2 niż w naturalnych warunkach: jedne chowają się w cieniu, inne uciekają ku światłu, narybek garnie się do drapieżników, gatunki samotnicze mają skłonności do towarzystwa a ławice rozpraszają się. Równie niepokojącym efektem jest zaobserwowane u kilku gatunków upośledzenie zmysłu węchu. Larwy znanych wam garbikowatych tracą orientację nie mogąc rozpoznać zapachu dogodnej do zasiedlenia rafy, ryby z gatunku Acanthopagrus schlegelii przetrzymywane w akwariach o zwiększonej zawartości CO2 zdawały się nie reagować na zapachowe ślady potencjalnych ofiar. Badaczom wydało się, że ryby te leniwie błąkają się po zbiorniku i interesują pokarmem właściwie dopiero gdy na niego wpadną. Udowodniono przy tym, że nie jest to efekt braku apetytu ani przysłowiowego swędzenia w nosie, jakie znamy wąchając wodę gazowaną. Zaburzenia te wynikają ze zmiany poziomu ekspresji genów kodujących białka zaangażowane w odbiór i przesyłanie sygnałów z narządu węchu. Jakby dla równowagi, ryby które muszą chronić się przed drapieżnikami, robią to w sposób niezborny, niemrawo zbierając się do ucieczki lub formując ławice łatwiejsze do rozproszenia. Także te zachowania daje się opisać w kategoriach zmian poziomu neurotransmiterów, czyli sygnałowych cząsteczek aktywujących lub hamujących aktywność określonych obwodów nerwowych. I żeby nie było wątpliwości, są to takie same neurotransmitery oraz geny, jakie występują i u ludzi. W literaturze naukowej znaleźć można powiązania między zakwaszeniem oceanu a niemal każdym aspektem życia ryb. Niektóre gatunki stają się gorszymi rodzicami, inne mniej starają się przy rozmnażaniu lub odpuszczają sobie wędrówki na tarło czy w poszukiwaniu źródeł pokarmu.

Zaznaczyć przy tym należy, że eksperymenty laboratoryjne dotyczące fizjologii czy ekspresji genów prowadzi się porównując zachowanie ryb przebywających w wodzie o parametrach zbliżonych do aktualnych warunków w oceanie z rybami aklimatyzowanymi przy znacząco, nawet kilkukrotnie podniesionym stężeniu dwutlenku węgla. Jednak i w naturalnym środowisku poczyniono obserwacje zmian zachowania ryb, które wyraźnie pokazują, że dla licznych gatunków zrobiło się za duszno. Możemy mieć nadzieję, że ryby przez pokolenia będą stopniowo przystosowywać się do zmieniających się warunków, co nie powinno likwidować niepokoju związanego z przyszłością środowiska, jakie znamy.

Tomasz Kijewski

W nagłówku zdjęcie rentgenowskie dwóch płaszczek uwidacznia miejsca gdzie mogą one skostnieć. © Jun An-Chen

Jeśli chcesz wiedzieć więcej:

A.J. Esbaugh Physiological implications of ocean acidification for marine fish: emerging patterns and new insights; Journal of Comparative Physiology B 2018

T.J. Hamilton i inni: CO2-induced ocean acidification increases anxiety in Rockfish via alteration of GABAA receptor functioning; Proceedings of Royal Society B 2014

Rong Jiahuan i inni: Ocean Acidification Impairs Foraging Behavior by Interfering With Olfactory Neural Signal Transduction in Black Sea Bream, Acanthopagrus schlegelii; Frontiers in physiology, 2018

C. Cattano i inni: Behavioural responses of fish groups exposed to a predatory threat under elevated CO2; Marine Environmental Research 2019

T.P. Hurst i inni:  Elevated CO2 alters behavior, growth, and lipid composition of Pacific cod larvae; Marine Environmental Research 2019

I.L. Cripps i inni: Ocean Acidification Affects Prey Detection by a Predatory Reef Fish; PLoS ONE 2011

M. Briffa i inni: High CO2 and marine animal behaviour: Potential mechanisms and ecological consequences; Marine Pollution Bulletin 2012

I. Nagelkerken i inni: Animal behaviour shapes the ecological effects of ocean acidification and warming: moving from individual to community-level responses; Global Change Biology 2016

V. Di Santo: Ocean acidification and warming affect skeletal mineralization in a marine fish; Proceedings of Royal Society B 2019.