Размер имеет значение: изменение климата влияет на кузнечиков

В условиях сокращения популяций насекомых по всему миру, которое некоторые называют «апокалипсисом насекомых», биологи стремятся определить, как эти шестиногие существа реагируют на потепление климата, и предсказать, кто в долгосрочной перспективе выиграет, а кто проиграет.

Новое исследование колорадских кузнечиков показывает, что, хотя ответы сложны, у биологов есть большая часть знаний, необходимых для составления этих прогнозов и подготовки к последствиям. Результаты, опубликованные в журнале PLOS Biology, стали возможны благодаря случайному обнаружению 13 000 кузнечиков, собранных в одном и том же горном районе Колорадо в период с 1958 по 1960 год биологом из Университета Колорадо в Боулдере (CU Boulder). После безвременной кончины этого ученого в 1973 году коллекцию спас его сын и передал в музей CU, где она хранилась до 2005 года, пока ее не обнаружил Сезар Нуфио, тогдашний научный сотрудник с докторской степенью. Нуфио занялся курированием коллекции и инициировал повторное обследование тех же участков для сбора новых кузнечиков.

Вновь собранные насекомые позволили Нуфио и его коллегам — Кэролайн Уильямс из Калифорнийского университета в Беркли, Лорен Бакли из Вашингтонского университета в Сиэтле и научному сотруднику с докторской степенью Монике Шеффер, работающей в обоих учреждениях, — оценить влияние изменения климата за последние 65 лет на размеры шести видов кузнечиков. Поскольку насекомые хладнокровны и не вырабатывают собственное тепло, температура их тела, скорость развития и роста более чувствительны к потеплению окружающей среды.

Несмотря на распространенное мнение, что животные будут уменьшаться в размерах, чтобы уменьшить тепловую нагрузку по мере потепления климата, биологи обнаружили, что некоторые виды кузнечиков за десятилетия фактически увеличились в размерах, воспользовавшись более ранней весной, чтобы откормиться на зелени. Это сработало только для видов, которые зимуют в стадии личинки — стадия, называемая нимфальной диапаузой, — и, таким образом, могут получить фору в питании весной. Виды, которые вылупляются весной из яиц, отложенных осенью, — яйцекладущие диапаузеры — не имели этого преимущества и с годами уменьшились в размерах, вероятно, в результате более раннего высыхания растительности.

Шеффер отмечает, что, безусловно, будут виды, которые выиграют, и виды, которые проиграют, но подгруппы внутри этих популяций видов, в зависимости от их экологического или средового контекста, будут иметь разные реакции.

Авторы нового исследования предсказали многое из этого, основываясь на жизненных циклах кузнечиков и условиях окружающей среды на участке. Уильямс говорит, что они проанализировали все, что было известно о системе, например, градиенты высот и то, как это должно изменять реакцию, и как разные кузнечики могут реагировать, со всем богатством информации, которую знали об их естественной истории. И хотя не все прогнозы подтвердились, многие из них действительно оправдались.

Бакли считает, что до сих пор было очень сложно понять, какие виды, скорее всего, выиграют, а какие проиграют в результате изменения климата. Она надеется, что эта работа начнет демонстрировать некоторые принципы, с помощью которых можно улучшить прогнозы и выяснить, как адекватно реагировать на изменения экосистемы, связанные с изменением климата.

Коллекция кузнечиков 65-летней давности была собрана энтомологом Гордоном Александром из CU Boulder за три летних сезона. Он не только собрал и смонтировал образцы с участков в Скалистых горах недалеко от Боулдера, но и задокументировал сроки шести различных стадий жизни кузнечиков. Его смерть в авиакатастрофе в 1973 году оставила образцы, аккуратно приколотые рядами в 250 деревянных ящиках, в подвешенном состоянии, пока Нуфио не наткнулся на них в 2005 году и не осознал их ценность, если их можно будет сравнить с современными кузнечиками.

Музейные коллекции стали бесценными для долгосрочных исследований последствий изменения климата, примером чего является обследование млекопитающих, птиц, рептилий и амфибий, проведенное в период с 1904 по 1940 год Джозефом Гриннеллом из Музея зоологии позвоночных Калифорнийского университета в Беркли. Недавние повторные обследования тех же районов, которые Гриннелл посетил 100 лет спустя, помогли биологам задокументировать влияние изменения климата на дикую природу Калифорнии.

Нуфио и многие другие в конечном итоге собрали около 17 000 новых образцов кузнечиков с тех же или аналогичных участков вокруг Боулдера. Хотя новая статья является первой, в которой сообщается об изменениях размеров кузнечиков в период с 1960 по 2015 год, авторы использовали предыдущие исследования в лаборатории и на экспериментальных участках, чтобы понять, почему они обнаружили именно такие закономерности.

Насекомые принадлежали к большой группе невзрачных кузнечиков семейства Acrididae, так называемых короткоусых кузнечиков. Большинство из них были универсальными травоядными, хотя некоторые специализировались на травах. Два вида (Eritettix simplex и Xanthippus corallipes) были нимфальными диапаузерами, достигая взрослого возраста уже в мае; два (Aeropedellus clavatus и Melanoplus boulderensis) были раннесезонными яйцекладущими диапаузерами, созревающими в середине июня; и два (Camnula pellucida и Melanoplus sanguinipes) были позднеспелыми яйцекладущими диапаузерами, созревающими в конце июля.

Исследователи обнаружили, что нимфальные диапаузеры увеличились в размерах на меньших высотах, около 6000 футов, в то время как ранние и поздние выходцы из зимующих яиц уменьшились в размерах за десятилетия на этих высотах.

Уильямс отметила, что для тех, кто выходит в конце августа, когда очень сухо и жарко, наблюдалось наиболее негативное воздействие изменения климата.

Однако исследователей удивило то, что ни один из видов не увеличился в размерах на больших высотах, до 13 000 футов, несмотря на то, что летнее потепление из-за изменения климата сильнее на больших высотах. Это может быть связано с тем, что на больших высотах снег препятствует раннему озеленению, сокращая запасы пищи. Результаты подтверждают то, что команда обнаружила, когда помещала кузнечиков в клетки на разных высотах, чтобы увидеть, как они адаптируются к изменениям температуры и сухости, связанным с высотой.

Бакли говорит, что данные согласуются с тем, что кузнечики либо могут воспользоваться потеплением, становясь больше и выходя раньше, либо испытывают стресс и становятся меньше.

Другие эксперименты, проведенные Бакли на бабочках, показывают некоторые из тех же тенденций. Она считает обнадеживающим, что если учитывать некоторые основные биологические принципы, то можно значительно повысить способность прогнозировать реакцию на изменение климата.

Команда продолжает сотрудничество, чтобы понять метаболические, биохимические и генетические изменения, лежащие в основе изменений размера.

Уильямс подчеркнула, что использование музейных коллекций позволило вернуться в прошлое, чтобы сравнить точно те же участки — за этот 60-летний период потепления не произошло никаких изменений в землепользовании, — используя точно ту же методологию. Наличие этих уникальных исторических образцов позволило взглянуть на изменения во времени.