Загадка рыб: адаптация к теплу улучшила их холодоустойчивость

Глобальное потепление представляет серьезную угрозу для диких животных, особенно для таких существ, как рыбы, чья температура тела напрямую зависит от температуры окружающей воды. Рыбам приходится эволюционировать, чтобы справляться с повышением температуры воды, если они не могут переместиться в более холодные районы. Однако возникает вопрос, не влечет ли адаптация к теплой воде другие нежелательные последствия.

В новой публикации в Nature Climate Change исследователи изучили рыбок данио-рерио, которых они специально разводили на протяжении семи поколений для повышения их устойчивости к максимальным температурам воды.

Фредрик Ютфельт, старший автор статьи и руководитель Jutfelt Fish Ecophysiology Lab при Норвежском университете науки и технологий (NTNU), а также сотрудник Гётеборгского университета, говорит, что эксперимент такого масштаба уникален в исследовательском мире. Он отмечает, что очень немногие исследовательские группы смогли проверить, как рыбы могут эволюционировать в условиях изменения климата, поскольку это требует тысяч рыб и многих лет тщательных экспериментов. По его словам, это делает данную работу очень важной, потому что наконец появляется возможность понять, как эволюция может помочь рыбам адаптироваться к потеплению вод.

Исследование было разработано с целью выяснить, повлияет ли повышенная устойчивость к теплу на другие аспекты метаболизма рыб и их способность к выживанию.

К большому удивлению ученых, рыбы, выведенные для переносимости более высоких температур, оказались также более устойчивыми и к низким температурам. Анна Андреассен, первый автор новой статьи, которая во время исследования была аспирантом в группе Ютфельта в NTNU, а сейчас является постдоком в Техническом университете Дании, отмечает, что обычно ожидается, что виды, адаптированные к теплу в дикой природе, имеют более низкую устойчивость к охлаждению. Поэтому, по ее словам, наблюдение более высокой устойчивости к охлаждению стало неожиданностью.

Еще более удивительным для исследователей стало то, что повышенная устойчивость к теплу не повлияла на другие аспекты метаболизма рыб, их способность к размножению или плаванию.

Андреассен и ее коллеги спроектировали свои эксперименты для сравнения трех групп из популяции диких рыб, отловленных в Индии и доставленных в NTNU в 2016 году. Одна группа из этой популяции была специально отобрана для повышения устойчивости к высоким температурам. Второй контрольной группе «обычных» данио-рерио позволили размножаться без отбора по признаку термоустойчивости. Третья группа из той же популяции была отобрана по признаку худшей переносимости тепла. После наблюдения за изменением устойчивости к потеплению, исследователи сравнили другие характеристики трех групп, чтобы выяснить, дает ли адаптация к более теплым температурам рыбам физиологическое или репродуктивное преимущество или недостаток по сравнению с «естественными» рыбами из той же исходной группы.

Одним из ключевых моментов является кислород. Один из тестов был направлен на определение эффективности использования кислорода этими двухсантиметровыми рыбками. Подобно людям, повышение температуры ускоряет метаболизм рыб, поэтому при более высоких температурах им требуется больше кислорода. Одно из возможных объяснений, почему термоустойчивые рыбы лучше себя чувствуют в теплой воде, могло бы заключаться в том, что их организмы способны более эффективно использовать кислород, чем контрольные группы или рыбы с низкой устойчивостью к теплу. Андреассен поясняет, что одна из идей заключалась в том, что рыбы, устойчивые к теплу, сами по себе обладают некоторой способностью поглощать больше кислорода, чем другие.

Для проверки этого исследователи поместили рыб в своего рода «беговую дорожку для рыб» – плавательный туннель, где можно было регулировать скорость воды и одновременно измерять потребление кислорода. По словам Андреассен, таким образом можно измерить, сколько кислорода они поглощают из воды, когда плывут на пределе своих возможностей.

Однако, к их удивлению, существенной разницы в потреблении кислорода между группами практически не обнаружилось. Исключение составила группа, выведенная как более чувствительная к высоким температурам: она показала худшие результаты при максимальных температурах по сравнению с другими группами. Андреассен констатирует, что в данном случае не наблюдается, чтобы кислород действительно помогал рыбам переносить потепление. Она подчеркивает, что это значимое открытие в их области, так как одна из основных гипотез предполагает, что само потепление может не ограничивать животных, а вот кислород становится дефицитным при высоких температурах. Однако в данном исследовании этого не подтвердилось.

Схожая картина наблюдалась и при оценке других показателей успешной жизнедеятельности рыб. Исследователи предполагали, что за устойчивость к более высоким температурам воды рыбам, возможно, приходится чем-то платить. Поэтому они изучили общепринятые индикаторы того, насколько хорошо рыба приспособлена к своей среде. Андреассен сообщает, что при изучении способности к размножению, роста и общей жизнедеятельности у рыб, эволюционировавших для переносимости более теплых температур, исследователи не обнаружили каких-либо «компромиссов». Она уточняет, что это не означает отсутствия таких компромиссов в принципе, а лишь то, что исследователи не выявили их в рамках наиболее распространенных и проверенных ими показателей приспособленности.

Глобальное потепление означает не только повышение средних температур, но и может вызывать сильные волны жары. Ученые по всему миру стремятся понять, смогут ли растения и животные справиться с этим дополнительным стрессом, и если да, то каким образом. Исследователям из группы Ютфельта потребовалось три года, чтобы вывести термоустойчивых данио-рерио. Могут ли дикие популяции эволюционировать так же быстро самостоятельно? Рейчел Морган, которая также защитила диссертацию, работая с теми же рыбами из Jutfelt Fish Ecophysiology Lab, в статье 2020 года пришла к выводу, что потенциал спасения данио-рерио за счет эволюции к более высоким температурам низок. Тем не менее, по словам Андреассен, биологам важно понимать, как на самом деле могут происходить такие адаптации. Она говорит, что они пытаются понять физиологию и то, какие именно изменения происходят в организме животных.

Ютфельт подчеркивает важность не упускать из виду более масштабные проблемы, связанные с текущим потеплением планеты. Он заключает, что даже несмотря на то, что у данио-рерио не проявилось отрицательных последствий от развития устойчивости к более высоким температурам воды, изменение климата, тем не менее, будет продолжать создавать непредвиденные и опасные проблемы для всей жизни на Земле.