Причины, по которым глобальное потепление не вредит биологическим видам

Животные, которые не могут адаптироваться к изменяющимся условиям, находятся в опасности. Фото: Брайан Дьюи

Согласно новому исследованию, если мы не сократим выбросы углерода и вместо этого позволим глобальной температуре подняться на 4,5°C, к 2100 году может исчезнуть до половины животных и растений в некоторых из наиболее биоразнообразных районов мира.На самом деле, даже если мы сможем ограничить глобальное потепление целью Парижского соглашения по климату в 2 градуса Цельсия, такие районы, как Амазонка и Галапагосские острова, все равно могут потерять четверть своего вида, говорят исследователи, изучавшие влияние климата. изменение на 80 000 растений и животных в 35 районах. Другое исследование показало, что локальное вымирание (когда вид вымирает в определенной области, но все еще существует в другом месте) уже происходит у 47 процентов из 976 изученных видов во всех средах обитания и климатических зонах.

Исследование, проведенное в 2016 году, показало, что с повышением температуры, изменением характера осадков, а также с тем, что погода становится менее предсказуемой и более экстремальной, изменение климата уже значительно разрушает организмы и экосистемы на суше и в воде. Животные не только меняют свой ареал и время ключевых стадий жизни — они также демонстрируют различия в соотношении полов, переносимости жары и в своих телах. Некоторые из этих изменений могут помочь виду адаптироваться, в то время как другие могут ускорить его гибель.

Двигайся, адаптируйся или умри

Животные могут реагировать на изменение климата только тремя способами: они могут двигаться, приспосабливаться или умирать.

Многие животные перемещаются на более высокие высоты и широты, чтобы избежать потепления, но изменение климата может происходить слишком быстро, чтобы большинство видов успели его опередить. В любом случае переезд — не всегда простое решение: проникновение на новую территорию может означать усиление конкуренции за пищу или взаимодействие с незнакомыми видами. Некоторые животные, такие как хомякоподобная американская пищуха, находятся на самом дальнем пределе своего ареала. Пищу нужны прохладные влажные условия альпийских гор Сьерра-Невада и Западных Скалистых гор, но каменистая среда обитания, в которой они нуждаются, становится все более жаркой, сухой и менее снежной. Потому что они и так живут так высоко в горах, что когда их местность становится обитаемой, деваться уже некуда. Другие животные, пытающиеся перебраться в более прохладные края, могут быть окружены автомагистралями или другими искусственными сооружениями.

Кроме того, некоторые последствия повышения температуры не могут быть преодолены. Бабочки-монархи ориентируются на продолжительность дня и температуру, чтобы лететь на юг из Канады и зимовать в Мексике. В последнее время южная миграция бабочек задерживается на шесть недель, потому что более высокие, чем обычно, температуры не побуждают их лететь на юг. Ученые также обнаружили, что похолодание в Мексике побуждает бабочек возвращаться на север, чтобы весной откладывать яйца.

Бабочки монархи в Мексике. Фото: Пабло Леото

По мере повышения температуры их миграции могут не совпадать со временем цветения производящих нектар растений, на которые они полагаются в качестве пищи. Вырубка леса там, где они зимуют в Мексике, и сокращение среды обитания молочая, где они размножаются и кормятся их личинки, из-за засухи, жары и гербицидов являются дополнительными факторами упадка монарха. За последние два десятилетия его численность сократилась на 95 процентов.

По мере повышения температуры в Арктике и таяния морского льда белые медведи также теряют источник пищи; они часто не могут найти морской лед, с которого они охотятся на тюленей, отдыхают и размножаются. Тупики в заливе Мэн обычно едят белого хека и сельдь, но по мере того, как океан нагревается, эта рыба перемещается все дальше на север. Вместо этого тупики пытаются кормить своих детенышей масляной рыбой, но детеныши тупиков не могут проглотить более крупную рыбу, поэтому многие умирают от голода.

Некоторые виды адаптируются

Однако некоторые животные, по-видимому, приспосабливаются к изменяющимся условиям. Чем раньше наступает весна, тем раньше появляются насекомые. Некоторые перелетные птицы откладывают яйца раньше, чтобы соответствовать наличию насекомых, чтобы у их детенышей была пища. За последние 65 лет дата выхода самок бабочек на юге Австралии из своих коконов сдвигалась на 1,6 дня раньше за каждое десятилетие, поскольку температура там повышалась на 0,14°C за десятилетие.

Коралловые рифы, которые на самом деле представляют собой колонии отдельных животных, называемых полипами, подверглись значительному обесцвечиванию по мере того, как океан нагревается — при перегреве они вытесняют красочные симбиотические водоросли, которые живут внутри них. Ученые, изучающие кораллы вокруг Американского Самоа, обнаружили, что многие кораллы в бассейнах с более теплой водой не обесцвечиваются.

Коралловый риф в Американском Самоа. Фото: НОАА

Когда они подвергли эти кораллы еще более высоким температурам в лаборатории, они обнаружили, что только 20 процентов из них изгнали свои водоросли, тогда как 55 процентов кораллов из более прохладных бассейнов, также подвергшихся воздействию высокой температуры, изгнали свои. А когда кораллы из прохладного бассейна на год переместили в горячий бассейн, их устойчивость к жаре улучшилась — теперь только 32,5% выбрасывали свои водоросли. Они адаптировались без каких-либо генетических изменений.

Это исследование кораллов иллюстрирует разницу между эволюцией посредством естественного отбора в течение многих поколений и адаптацией посредством фенотипической пластичности — способности организма изменять свое развитие, поведение и физические особенности в течение жизни в ответ на изменения в окружающей среде. («Пластичность» здесь означает гибкость или податливость. Она не имеет ничего общего с продуктами на основе углеводородов, которые засоряют наши свалки и океаны.) Кораллы, живущие в горячих водоемах, эволюционировали в течение многих поколений, поскольку естественный отбор благоприятствовал выживанию большинства из них. жароустойчивых кораллов и позволили им размножаться. Но кораллы из прохладного бассейна, подвергшиеся воздействию более горячей воды, также смогли адаптироваться, потому что они обладали фенотипической пластичностью.

Как работает фенотипическая пластичность?

Когда некоторые животные (и растения) сталкиваются с последствиями изменения климата в окружающей их среде, они реагируют на это изменением поведения и перемещением в более прохладное место, изменением своего физического тела, чтобы лучше справляться с жарой, или изменением времени определенных действий, чтобы соответствовать изменениям. в сезоны.Эти «пластические» изменения происходят потому, что некоторые гены могут производить более одного эффекта при воздействии различных сред.

Органические соединения, называемые метильными группами, прикрепляются к ДНК и определяют экспрессию генов. Фото: Кристоф Бок

Эпигенетика — то, как факторы окружающей среды вызывают включение или выключение генов, — обеспечивает фенотипическую пластичность главным образом за счет производства органических соединений, которые прикрепляются к ДНК, или модификации белков, вокруг которых намотана ДНК. Это определяет, будет ли экспрессироваться ген, и если да, то как. нет изменить саму последовательность ДНК каким-либо образом. В некоторых случаях эти изменения могут передаваться следующему поколению, но эпигенетические изменения также можно обратить вспять, если устранить стрессы окружающей среды.

Ученые не знают, все ли виды обладают способностью к эпигенетическим реакциям. Для тех, кто это делает, эпигенетические изменения могут выиграть время для развития генетической адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды. И в долгосрочной перспективе фенотипическая пластичность может стать эволюционной адаптацией, если особи с генетической способностью к фенотипической пластичности будут лучше приспособлены к новой среде и выживут, чтобы воспроизводить больше.

«Как и любой признак, фенотипическая пластичность может подвергаться естественному отбору», — написал Дастин Рубинштейн, доцент кафедры экологии, эволюции и биологии окружающей среды Колумбийского университета. «Это означает, что когда есть преимущество в пластической реакции на окружающую среду, естественный отбор может благоприятствовать этому… Некоторые черты (например, поведение) могут быть более пластичными, чем другие».

Для видов, которым требуется много времени для созревания и нечастого размножения, эпигенетика может дать им гибкость, чтобы они могли адаптироваться к быстро меняющимся условиям. Виды с более короткой продолжительностью жизни размножаются чаще, а быстрая смена поколений помогает им гораздо быстрее развивать генетические адаптации посредством естественного отбора.

Примеры эпигенетических изменений

Морские свинки из Южной Америки обычно спариваются при температуре около 5˚C. После содержания самцов при температуре 30°C в течение двух месяцев ученые, проводившие одно исследование, обнаружили доказательства эпигенетических изменений по крайней мере в десяти генах, связанных с изменением температуры тела. У потомства морских свинок также наблюдались эпигенетические изменения, но они отличались от таковых у их отцов. Похоже, что отцы произвели свои собственные эпигенетические изменения в ответ на жару, но передали потомству другой набор изменений «подготовленности».

Иллюстрация обыкновенного ската, Вудс-Хоул, Массачусетс.
Фото: Дэвид Старр Джордан

Популяция зимних скатов из южной части залива Святого Лаврентия имеет гораздо меньший размер тела, чем другие популяции зимних скатов вдоль атлантического побережья. Ученые обнаружили, что эти скаты адаптировались к более высокой температуре воды в заливе на 10°C, уменьшив размер своего тела на 45 процентов по сравнению с другими популяциями. (Поскольку содержание кислорода уменьшается, когда океан нагревается, более крупным рыбам трудно получать достаточное количество кислорода.) Ученые обнаружили 3653 изменения в экспрессии генов, которые отражали изменения в размерах тела и некоторых особенностях жизненного цикла и физиологии. Несмотря на эти эпигенетические изменения, ДНК этих зимних скатов, которые жили в южной части залива Святого Лаврентия в течение 7000 лет, была идентична ДНК другой популяции атлантических скатов.

Когда фенотипическая пластичность не защищает

«Важно не путать реакции видов и адаптацию как показатель того, что все будет хорошо», — сказал эколог Бретт Шефферс из Университета Флориды.

Ярким примером является зеленая морская черепаха, пол которой определяется температурой песка вокруг ее яйца по мере его развития. Более высокие температуры инкубации производят больше самок.

Детеныш зеленой морской черепахи, вероятно, самка. Фото: GreensMPs

Ученые исследовали черепах вокруг Большого Барьерного рифа, большого и важного района размножения черепах в Тихом океане.Они обнаружили, что самки черепах с более прохладных южных пляжей составляли от 65 до 69 процентов, а черепахи с более теплых северных пляжей — на 87 процентов. У молодых черепах самок сейчас больше, чем самцов, примерно в 116 раз. Черепахи настолько чувствительны, что если температура повысится еще на несколько градусов по Цельсию, в некоторых районах могут появиться только самки, что в конечном итоге приведет к локальному вымиранию.

Луговые полевки, рожденные осенью, рождаются с более густой шерстью, чем рожденные весной, благодаря сигналам окружающей среды, которые мать передает через свои гормоны, пока щенок находится в утробе матери. Эти предсказуемые адаптивные реакции, которые, как считается, контролируются эпигенетикой, управляют метаболизмом и физиологией животного, позволяя ему адаптироваться к среде, в которой оно предположительно родится. Но если он подходит для жизни в определенной среде, он может оказаться неприспособленным при изменении условий, например, если зима станет теплее.

Коричневая бабочка из Африки. Фото: Charlesjsharp

Фенотипическая пластичность может даже ограничивать адаптивную эволюцию. Бабочка из Малави ускоряет свой рост и размножение и живет недолго, когда рождается в теплое и влажное время года; если он родился в прохладное засушливое время года, он ведет неактивную долгую жизнь с задержкой размножения. В то время как бабочка имеет большое разнообразие в экспрессии генов, ученые обнаружили очень мало фактических вариаций генов, отвечающих за эту пластичность. Бабочки адаптировались к очень специфическим, предсказуемым и последовательным сигналам окружающей среды. Естественный отбор способствовал этим тщательно настроенным реакциям, потому что любое отклонение от этих точных ответов было бы неадаптивным. Следовательно, со временем естественный отбор устранил генетическую изменчивость, которая обеспечила бы большую пластичность. Таким образом, как это ни парадоксально, фенотипическая пластичность в сезонных средах обитания может привести к появлению видов, которые являются специалистами в своей конкретной среде, но при этом становятся более уязвимыми к изменению климата.

Также считается, что видам в регионах с очень стабильным климатом будет труднее адаптироваться к изменению климата. Например, поскольку климат тропиков на протяжении тысячелетий практически не менялся, считается, что тропические виды имеют меньшее разнообразие в своих генах, чтобы справляться с меняющимися условиями.

Эволюция спешит на помощь?

Скотт Миллс, профессор биологии дикой природы в Университете Монтаны, исследует глобальные закономерности изменения окраски шерсти у восьми видов зайцев, ласок и лисиц. Он обнаружил, что особи, которые белеют зимой, чаще встречаются в более высоких широтах, но для некоторых животных несоответствие их белой шерсти меньшему количеству снегопадов привело к сокращению их ареала.

«Мы знаем, что коричневое или белое животное зимой имеет очень сильный генетический компонент», — сказал Миллс. «И черта изменения окраса шерсти не имеет большой пластичности. Не похоже, чтобы у них была какая-либо очевидная способность к поведенческой пластичности — вести себя так, чтобы уменьшить несоответствие или уменьшить вероятность быть убитым из-за несоответствия». По мере уменьшения количества снегопадов будет все больше и больше несоответствий, поэтому, если эти виды хотят выжить, им придется развиваться.

Исследование Миллса выявило, что в некоторых популяциях этих животных особи становятся белыми, а другие остаются коричневыми зимой. Поскольку эти группы обладают такой генетической изменчивостью, у них больше шансов адаптироваться, поскольку эволюция работает быстрее всего, когда в популяции достаточно вариаций, на которые может воздействовать естественный отбор.

Как фенотипическая пластичность, так и эволюционные изменения более вероятны в больших популяциях животных и животных, связанных с другими популяциями. В большой и разнообразной группе будет больше особей с генами, обеспечивающими фенотипическую пластичность, чему в конечном итоге может способствовать естественный отбор.Кроме того, «универсальные» виды — те, которые могут жить в среде с самыми разнообразными условиями, — обычно имеют больше вариаций в своих чертах, которые могут быть унаследованы.

«Одно из самых больших открытий в биологии за последние 20 лет, — сказал Миллс, — заключается в том, что значимые эволюционные изменения могут происходить быстро. Эволюция касается не только окаменелостей — эволюция может происходить в масштабах экологического времени за пять-десять поколений. Это привело к большему ожиданию того, что эволюционные изменения могут сыграть роль в спасении видов… При правильной работе и концентрации это может стать еще одним инструментом в наборе инструментов для сохранения».

Что должно быть сделано

Люди полагаются на биоразнообразие — разнообразие жизни на Земле — и функционирующие экосистемы для получения пищи, чистой воды и нашего здоровья. Если другие виды не смогут адаптироваться к изменению климата, последствия для людей могут быть ужасными. Обществу необходимо реализовать стратегии, помогающие дикой природе адаптироваться к воздействию климата. Это означает выявление и охрану зон, в которых виды проявляют генетическую изменчивость, и сохранение естественных морских и наземных экосистем.

Эстакада дикой природы в Сингапуре. Фото: Бенджамин П. Ю.-Х. Ли

Это означает целенаправленное увеличение связи между природными территориями и предоставление участков земли, по которым и на которые могут мигрировать животные. Эти меры позволят видам перемещаться в более прохладные районы и позволят создать более крупные и связанные популяции, которые могут способствовать генетическому разнообразию, необходимому для фенотипической пластичности и адаптивной эволюции.

Межправительственная научно-политическая платформа по биоразнообразию и экосистемным услугам (МПБЭУ) только что выпустила четыре отчета по биоразнообразию. В отчетах, подготовленных более чем 550 экспертами из 100 стран, говорится, что биоразнообразие сокращается во всех регионах мира, что ставит под угрозу «экономику, средства к существованию, продовольственную безопасность и качество жизни во всем мире». По словам председателя IPBES Роберта Уотсона: «Время действовать было вчера или позавчера».