Как амфибии и рептилии приспосабливаются к глобальному потеплению? Адаптации видов на примере тритона и ужа.

Глобальное потепление климата ускоряется. Мировой океан поглощает всё больше тепла, а на некоторые виды животных влияет даже незначительное повышение температуры: они вынуждены приспосабливаться к новым условиям или мигрировать в другие районы. Особенно несладко приходится эктотермам — видам, чья внутренняя температура тела зависит от температуры окружающей среды.

Французские биологи Марин Дэлуэн и Джереми Суше, исследующие земноводных и рептилий, в лекции на фестивале Pint of Science рассказали, как изменение термических условий влияет на адаптацию видов. Публикуем конспект их выступлений о том, почему амфибии зависят от окружающей обстановки, где животные ищут климатические убежища, зачем тысячи змей сплетаются в клубки, почему миграция эктотермов не всегда безопасна, а то, что хорошо для отдельной особи, может стать губительным для всего вида.

Марин Дэлуэн «Пиренейский речной тритон: о глобальном потеплении в водных системах»

Амфибии и их особенности: дыхание, чувствительность к температуре и загрязнениям

Вы знаете, кто такой пиренейский речной тритон? Это амфибия. Амфибии имеют уникальный цикл жизни: они живут на земле, но размножаются в воде, где и развиваются их эмбрионы. Когда последние становятся молодью, то снова попадают на сушу, и там уже достигают половозрелого возраста. Благодаря ряду характеристик амфибии могут жить как на суше, так и в воде.

Наиболее важная особенность амфибий — кожа. Она отличается от покрова человека или рептилий, например, крокодилов или змей. Она проницаема для большого количества молекул веществ, присутствующих в воде и в воздухе. Для того, чтобы защитить хрупкую кожу, животные производят слизь, поэтому они действительно немного склизкие. Некоторые амфибии производят ещё и яд для защиты от хищников.

С помощью кожи амфибии могут дышать. Кроме этого, у них есть лёгкие, чтобы дышать на суше, и жабры, расположенные за ушами, чтобы дышать в воде. Кожное дыхание возможно как раз из-за проницаемости их покрова, и оно важнее всего для земноводных, так как присутствует во всех циклах их жизни.

Другое важное свойство земноводных — это то, что они находятся в самом сердце цепочки питания. Они поедают небольшие организмы, например кузнечиков, червяков, пауков, улиток. В свою очередь амфибиями питаются хищники: птицы и млекопитающие. Этот класс можно назвать зонтичным — он связывает множество разных видов, так как находится в центре цепочки питания, и от него зависит множество других животных. Защищая амфибий, мы также за счёт эффекта каскада защищаем и другие виды, которые находятся в этой цепочке.

Амфибии — показатели среды. Они очень чувствительны к загрязнениям, поэтому, если где-то живут земноводные, значит это место чистое. Если в воде есть активные химические загрязнители, то амфибии быстро погибают. Если загрязнителей не так много, то у животных появляются злокачественные изменения тела. Обычно загрязнений больше на нижних уровнях гор, но и сверху они тоже могут быть. Кроме того, земноводные — эктотермы, температура их тела зависит от температуры окружающей среды. Для поддержания идеальной температуры тела им необходимо перемещаться из тёплых зон в холодные. Эктотермных видов большинство — 98%. Этот внутренний механизм регуляции сильно отличается от механизма у млекопитающих и животных, которые способны поддерживать стабильную температуру тела. Например, когда жарко, то у нас выступает пот, когда холодно — появляются мурашки. Амфибии так делать не могут.

Из-за этого амфибии очень чувствительны к изменениям климата. Если станет слишком жарко и не найдётся холодных зон, то земноводным будет сложно поддерживать идеальную температуру тела для жизни в оптимальных условиях.

Будущее пиренейского речного тритона в условиях потепления

Пиренейский речной тритон или Calotriton asper принадлежит к большой семье тритонов и саламандр, и совсем не похож на жабу или лягушку. Это большой тритон длиной до 15 сантиметров и весом до 10 грамм, который в естественной среде может жить до 20 лет. Он реафилен, то есть предпочитает жить в водных потоках, а кроме того, что он эктотерм, он еще и стенотерм, то есть вообще не любит сильные перепады температуры. Пиренейский тритон мало перемещается на протяжении жизни: он рождается в каком-то одном месте, и практически не покидает его. С точки зрения генетики это очень важный показатель.

Ещё один интересный момент — это развитие тритонов по фазам. Фаза жизни в воде у них проходит между маем и сентябрем, но точный период зависит от высоты, на которой живет индивид. Чем выше, тем холоднее, а значит период активности ограничен, и водная фаза может приходиться на июль–август.

Пиренейский речной тритон — эндемик, и Пиренейский массив — единственное место в мире, где его можно найти. Он обитает на любой высоте от 250 до 2500 метров. Это удивительно, потому что на высоте 200 метров нас окружают совершенно другие экосистемы по сравнению с экосистемами, которые находятся на высоте 3000 метров. Организмам достаточно сложно адаптироваться к разным условиям, а вот популяции тритонов смогли приспособиться к каждой экосистеме. Такая особенность очень показательна, ведь по ней можно отследить последствия глобального потепления.

Существует множество видов тритонов и их ближайших родственников — саламандр, но именно пиренейский обитает в одном единственном горном ареале

Мы с коллегами изучали дыхание тритонов в зависимости от температуры окружающей среды. Для этого мы нашли 6 популяций тритонов на различных высотах и измерили потребление диоксида углерода, потому что степень потребления диоксида углерода является показателем метаболизма у животных. Метаболизм — это все биологические процессы, которые происходят в организме и определяют его уровень энергии. Метаболизм ускоряется с повышением температуры.

Количество кислорода мы изучаем так: помещаем животное в герметичную респирометрическую камеру с датчиками температуры и содержания кислорода, наполненную водой. В результате исследования нам удалось установить, что чем выше живёт тритон, тем больше он потребляет диоксида углерода. То есть те, кто живёт на большей высоте должны будут применить более сильное метаболическое усилие, чем те, кто живет ниже. В краткосрочной перспективе это показывает, что метаболизм разогнан и деятельность таких популяций более эффективна, у них больше энергии, они больше едят и быстрее размножаются. Но в долгосрочной перспективе это может иметь негативные последствия. Например, ускоренный метаболизм может привести к преждевременному старению, повлиять на репродуктивные свойства и, таким образом, оказать влияние на всю популяцию или даже на целый вид.

Пиренеи — живописный горный массив на границе Испании и Франции

Сейчас на малых и средних высотах скорее мягкий климат, там теплее, на больших — более суровый. Потепление в большей степени коснулось средней части гор, поэтому популяции из этого района будут подниматься выше, чтобы сохранять оптимальные условия для жизни, климатическое убежище. В процессе исследования мы сделали вывод, что популяции с верхних точек более чувствительны к перепадам. Пока возможная миграция пиренейских речных тритонов — всего лишь гипотеза, но нужно задумываться о том, что, если у них нет возможности перемещаться вверх, им не позволяют физические особенности, то вряд ли мы от них можем ожидать адаптации. Это будет означать, что им будет всё тяжелее сопротивляться климатическим изменениям, а значит — могут исчезнуть.

Джереми Суше «Змеи в облаках»

Эктотермизм и биологические циклы змей

Змеи, как и тритоны, являются эктотерным видом. Эктотермы подразделяются на две категории — гомеотермы (виды, которые живут в условиях, где температура практически не меняется, например, в океанах) и пойкилотермы (животные, у которых температура очень сильно меняется, потому что также меняется температура окружающей среды). И те, кто живет в горных условиях, например, ящерицы, как раз являются представителями пойкилотермов.

Зимой некоторые виды змей могут сплетаться в гигантский клубок, чтобы согреться

Эктотермы могут реализовывать свой биологический цикл‌ только при оптимальной температуре. Если слишком холодно или жарко, то физиологические процессы останавливаются. Например, если система, которая занимается метаболизмом белка, работает не так, как надо, то животное с большой долей вероятности погибает. Из-за этой характеристики у животных развилось поведение терморегуляции. Они стараются поддерживать свою температуру тела, адаптируясь под окружающие условия или находя их. Змеи весной выползают на камни для того, чтобы согреться — в результате температура тела повышается, что позволяет продолжать им свой биологический цикл. Летом температура тела у змей может достигать 25 градусов, а зимой, они не могут поддерживать нужные условия, даже если весь день пролежат на солнце, поэтому все процессы начинают замедляться и животные предпочитают впасть в спячку. Некоторые виды гадюк зимуют вместе, образуя такой огромный клубок, внутри которого может быть тысяча особей, и такие змеи скорее выживают. Попадая в неблагоприятные условия, эктотермы начинают искать среду, которая больше подходят для поддержания их жизненного цикла, и сегодня змеи часто мигрируют в более прохладные условия, в частности, в горные массивы. Однако, для того, чтобы молодь выросла требуется определённое время для того, поэтому змеи могут оказаться в той ситуации, когда им не хватает времени, чтобы адаптироваться к окружающей среде.

Змеи в потеплевшей горной среде

Изначально горы были враждебной средой для змей, но с изменением климата они превратились в более благоприятную для различных видов. В своем исследовании я задался вопросом, могут ли змеи использовать смену среды обитания на горы как выход в условиях угрозы прерывания биологического цикла. При этом необходимо принимать во внимание, что на большой высоте кислород разряжен, и там происходит гипоксия. Как последствия такой гипоксии могут повлиять на развитие эмбрионов змей?

Наблюдения проводились в Пиренеях на высоте 3000 метров над видом Natrix maura или гадюковый уж. Этот вид происходит из бассейна Средиземного моря, обычно обитает на небольших высотах, и в последнее время колонизирует как Францию, так и Пиренеи. Представителей вида можно найти и на французской стороне на высоте 1000 метров, и на испанской на высоте 1500 метров.

Для исследования нам необходимы были самки, так как мы проверяли в том числе процесс размножения. Ловить ужей не так сложно, как ядовитых змей, кроме того у видов есть диморфизм, то есть внешне самки и самцы различаются. У змей разные формы клоаки, у самцов есть тестикулы. Гадюковых ужей искали рядом с источниками воды, затем, помещали в лабораторию до момента, когда они снесут яйца. Полученные яйца инкубировались при оптимальной температуре. Часть яиц — в условиях нормы, то есть, когда воздух не разрежен, и доступно 100% кислорода. Далее они поднимались на высоту порядка 3000 метров, где очень мало кислорода. Там исследователи наблюдали за различными параметрами развития эмбрионов: сердечным ритмом, который измеряли инфракрасным источником, проникающим сквозь скорлупу, и изменением массы.

Оказалось, что в условиях гипоксии яйца не растут так быстро, как во время инкубации. Сердечный ритм эмбрионов змей был более высоким, что означало ускоренный метаболизм. После того, как инкубированные змеи вылуплялись, оценивались различия в их фенотипах, так как проявлялись отличия в базовой морфологии, например, в длине, в массе и в других параметрах. При гипоксии резервы желтка были больше, то есть эмбрион потреблял меньше питательных веществ и при рождении эти змеи были более легкими и маленькими, у них наблюдался замедленный темп роста. Это показывает, что несмотря на ускоренный метаболизм, мы видели очень плохую абсорбцию питательных веществ из желтка, и в результате эмбрион развивался неэффективно на протяжении периода инкубации.

Гадюковые ужи любят воду, поэтому их часто можно найти рядом с источниками или в реках

Также измерялись различные физические и дыхательные показатели этих маленьких змей. Поскольку речь идёт о полуводных ужах, которые могут много времени проводить в воде, их помещали в бассейн и заставляли плавать. Сравнение проводилось с обычными ужами, учитывалось потребление кислорода и выделение углекислого газа, скорость перемещения. Несмотря на то, что эти маленькие змеи плохо развивались во время инкубации, их показатели физического развития были такими же, как и у змей, которые развивались на небольшой высоте. Это означает, что разрежение кислорода на 30% не является препятствием для физических показателей маленьких змей. И это хорошая новость, потому что физические показатели очень важны для охоты и для того, чтобы избежать встречи с хищником, вырасти и стать взрослым и, в свою очередь, поддерживать популяцию в высокогорной зоне.

Когда мы сравнили результаты потребления кислорода и дыхания в целом, то увидели, что выращенные в инкубации змеи потребляют больше кислорода, но выделяют меньше углекислого газа, то есть наблюдается гипервентиляция, которая быстро истощает организм. В перспективе такие змеи могут быстро уставать и могут потерять свои физические способности. К чему это приведет, неизвестно. Долгосрочных измерений пока не провели.

Кажется, что несмотря на неоптимальное развитие эмбрионов, молоди все же удается выжить на высоких высокогорных условиях. Высокогорье может стать неким убежищем, по крайней мере временным убежищем для гадюкового ужа в условиях потепления климата. Условия в горах будут меняться, естественно, это будет вызывать стресс у змей и приводить к их расселению. Чем быстрее будет происходить потепление, тем меньше времени остаётся на адаптацию, и именно это является проблемой. Кроме того, на высокогорье меньше рыбы, а значит и меньше питания для таких змей, и это значит, что будет проходить ещё и пищевая адаптация. Не исключено, что змеи будут покушаться даже на пиренейских тритонов.

Иллюстрации: Юлия Саликеева

Лекция Марин Дэлуэн и Джереми Суше на фестивале Pint of Science:

Источник