Какие организмы выживают, а какие погибают при изменении климата? Маленькая личиночная рыба дает удивительное представление о том, как мозг реагирует на повышение температуры.

«На самом деле это было невероятно. Весь мозг вспыхнул», — сказала Анна Андреассен, кандидат наук в Норвежском университете науки и технологий (NTNU).

Живые организмы, будь то рыбы или люди, имеют тенденцию функционировать хуже, когда температура вокруг них повышается. Это то, что многие люди, вероятно, испытали в летний день, который слишком жаркий. Но что именно происходит внутри тела, когда температура становится невыносимо высокой?

Исследователи кафедры биологии NTNU объединили генетические технологии и нейрофизиологические методы, чтобы найти ответ.

«Мы хотели изучить механизмы, которые ограничивают термостойкость организмов. Какие животные выживут, когда температура Земли повысится из-за изменения климата, и почему? Мы решили изучить мозг», — говорит Андреассен.

Изменение климата вызывает волны тепла

Волны жары, охватывающие континенты, становятся все более распространенным явлением, и животные, живущие в воде, испытывают температуры, достигающие смертельного уровня. Понимание того, что ограничивает выживание при экстремально высоких температурах, имеет решающее значение для прогнозирования того, как организмы справятся с изменением климата.

«Температурная толерантность — это тема, которая исследуется на протяжении десятилетий, и идея о том, что температура влияет на активность мозга, устарела. Новым является то, что теперь мы можем использовать генетические технологии и нейрофизиологию для изучения этого явления», — говорит Андреассен.

В NTNU в Тронхейме исследователи использовали только что вылупившихся личинок рыбок данио для изучения их мозговой активности, постепенно повышая температуру вокруг личинок рыб.

«Эти рыбы были генетически модифицированы таким образом, что нейроны в мозге испускают флуоресцентный свет, когда они активны. Мы можем видеть этот свет под микроскопом, пока личинки плавают вокруг. Эти личинки рыб также имеют то преимущество, что они прозрачны. «Мы можем заглянуть прямо в мозг живых личинок», — говорит Андреассен.

Потерять способность реагировать

Таким образом, исследователи могут следить за активностью мозга, постепенно повышая температуру воды, в которой плавают рыбы.

«Мы видим, как ведут себя личинки, когда становится теплее. Когда становится очень жарко, они теряют равновесие и начинают плавать кругами, брюхом вверх».

Исследователи ткнули личинок рыб, чтобы проверить их реакцию. Они толкали личинок хвостами, что обычно вызывает реакцию плавания.

«При определенной температуре рыбы переставали реагировать на уколы. Они были еще живы, но в экологическом смысле их можно было считать мертвыми. В таком состоянии на природе они не смогли бы уплыть от хищников или найти их путь в более холодную воду», — говорит Андреассен, добавляя, что это состояние у маленьких подопытных рыб носит временный характер.

«Они будут в такой же хорошей форме, как только мы снова поместим их в более прохладную воду», — говорит Андреассен.

Тепло отключает мозг

До сих пор эксперименты шли так, как ожидали исследователи. Посветив светом перед глазами рыбы, они также могли проверить, воспринимает ли мозг зрительные впечатления. При повышении температуры мозг полностью переставал реагировать на раздражители и был полностью неактивен. Но потом, когда они еще немного подняли температуру, что-то произошло.

«Весь мозг вспыхнул. Самое близкое, что я могу описать, это что-то вроде припадка», — говорит Андреассен.

Обычно вы видите активность мозга только в виде небольших пятен света в определенных частях мозга. Теперь изумленные исследователи могли наблюдать под микроскопом, как флуоресцентный свет за несколько секунд распространился и покрыл весь мозг личинки маленькой рыбки.

«Мы знаем, что мозг рыбок данио имеет довольно много общего с человеческим мозгом — 70 процентов генетического материала одинаковы — и исследователи размышляли, может ли быть связь между тем, что мы видели в личинках этих рыб, и тем, что вы видите в мозг детей, у которых лихорадка», — говорит Андреассен.

Затем исследователи хотят рассмотреть под микроскопом особый тип клеток мозга — глиальные клетки.

«Мы рады исследовать здесь активность глиальных клеток во время нагревания. Эти клетки играют центральную роль в снабжении мозга кислородом — они одновременно проверяют уровень кислорода и регулируют кровоток и, таким образом, снабжение кислородом. Потому что мы можно увидеть, что уровень кислорода влияет на термостойкость, одна из гипотез состоит в том, что мозг перестает работать, потому что глиальные клетки больше не могут регулировать уровень кислорода».

Различия продвигают эволюцию

Чтобы поближе разобраться в том, что произошло, исследователи в Тронхейме начали манипулировать количеством кислорода в воде, в которой плавала рыба, одновременно повышая температуру.

«К нашему удивлению, мы обнаружили, что уровень кислорода играет роль в контроле термоустойчивости. Когда мы добавили дополнительный кислород, личинки рыб лучше себя чувствовали при высоких температурах, имели более высокую мозговую активность, а также быстрее восстанавливались после воздействия высоких температур. по сравнению с рыбой с низким содержанием кислорода.

Исследования других видов дали противоположные результаты при проверке влияния концентрации кислорода на термостойкость.

Таким образом, «нечувствительность» к колебаниям уровня кислорода может быть эволюционным преимуществом по мере повышения температуры на Земле.

«Результаты показывают, что термостойкость — это то, что варьируется между видами. Это может быть характеристикой, которая определяет, способен ли вид адаптироваться к изменению климата или поддастся повышению температуры. Многие организмы живут в среде с низким содержанием кислорода, где температура может быстро стать выше, чем обычно. Они будут особенно уязвимы», — говорит Андреассен.

Она приводит в пример организмы, обитающие в мелководных пресноводных районах, в реках или в приливно-отливной зоне.

«Это места обитания, где могут происходить большие колебания уровня кислорода, часто одновременно с колебаниями температуры. В этих местах обитания рыба, чья термостойкость ограничена уровнем кислорода, вероятно, испытывает большие трудности, чем рыбы, на которых это не влияет. .»

«Животные, которым удается поддерживать функцию нервной системы при низком уровне кислорода, лучше всего переносят высокие температуры», — говорит Андреассен.