Могут ли животные, растения и грибы адаптироваться к изменению климата?

Аня Мари Вестрам

Животные-жертвы защищаются от хищников, используя камуфляжную окраску. Рыбы могут быстро передвигаться в воде благодаря своей вытянутой форме. Растения используют запахи для привлечения насекомых-опылителей: приспособления живых существ к окружающей среде повсюду. Такие адаптации определяются в генах организма и возникают в результате эволюционных процессов на протяжении поколений - в отличие, например, от многих видов поведения, они не подвергаются спонтанному влиянию окружающей среды в течение жизни. Поэтому быстро меняющаяся окружающая среда приводит к «дезадаптации». Физиология, окраска или строение тела перестают адаптироваться к окружающей среде, поэтому размножение и выживание становятся более трудными, размер популяции уменьшается и популяция может даже вымереть.

Искусственное увеличение выбросов парниковых газов в атмосферу меняет окружающую среду во многих отношениях. Означает ли это, что многие популяции больше не адаптированы и вымрут? Или живые существа тоже могут адаптироваться к этим изменениям? Итак, в течение нескольких поколений появятся ли животные, растения и грибы, которые будут лучше справляться, например, с жарой, засухой, закислением океана или уменьшением ледяного покрова водоемов и, следовательно, смогут хорошо пережить изменение климата?

Виды следуют климату, к которому они уже адаптированы, и локально вымирают.

Фактически, лабораторные эксперименты показали, что популяции некоторых видов могут адаптироваться к изменяющимся условиям: например, в эксперименте в Ветмедуни в Вене плодовые мухи отложили значительно больше яиц после чуть более чем 100 поколений (это не так уж и много времени, поскольку плодовые мухи размножаются). быстро) при высоких температурах и изменили свой метаболизм (Barghi et al., 2019). В другом эксперименте мидии смогли адаптироваться к более кислой воде (Bitter et al., 2019). А как это выглядит в природе? Там также некоторые популяции демонстрируют признаки адаптации к изменяющимся климатическим условиям. В докладе Рабочей группы II МГЭИК (Межправительственной группы экспертов по изменению климата) суммируются эти результаты и подчеркивается, что подобные закономерности были обнаружены в первую очередь у насекомых, у которых, например, «зимние каникулы» начинаются позже в качестве адаптации к более продолжительному лету (Пёртнер и др., 2022).

К сожалению, научные исследования все чаще показывают, что (достаточная) эволюционная адаптация к климатическому кризису, вероятно, будет скорее исключением, чем правилом. Ареалы распространения многих видов смещаются на большую высоту или к полюсам, как это также резюмируется в отчете МГЭИК (Pörtner et al., 2022). Таким образом, виды «следуют» за климатом, к которому они уже адаптированы. Местное население на более теплой границе ареала часто не адаптируется, а мигрирует или вымирает. Исследование показывает, например, что 47% из 976 проанализированных видов животных и растений имеют (недавно) вымершие популяции на более теплой границе ареала (Wiens, 2016). Виды, для которых существенное изменение ареала невозможно - например, потому, что их распространение ограничено отдельными озерами или островами - также могут полностью вымереть. Одним из первых видов, вымерших из-за климатического кризиса, стала мозаичнохвостая крыса Брэмбл-Кей: она была обнаружена только на небольшом острове Большого Барьерного рифа и не смогла избежать неоднократных наводнений и связанных с климатом изменений растительности. (Валлер и др., 2017).

Для большинства видов достаточная адаптация маловероятна.

Невозможно точно предсказать, сколько видов сможет в достаточной степени адаптироваться к возрастающему глобальному потеплению и закислению океана, а сколько вымрет (локально). С одной стороны, сами климатические прогнозы подвержены неопределенности и часто не могут быть сделаны в достаточно малых масштабах. С другой стороны, чтобы сделать прогноз для популяции или вида, нужно было бы измерить ее генетическое разнообразие, связанное с адаптацией к климату, а это сложно даже при дорогостоящем секвенировании ДНК или сложных экспериментах. Однако из эволюционной биологии мы знаем, что достаточная адаптация для многих популяций маловероятна:

• Быстрая адаптация требует генетического разнообразия. Что касается климатического кризиса, генетическое разнообразие означает, например, что особи исходной популяции по-разному справляются с высокими температурами из-за генетических различий. Только при наличии этого разнообразия во время потепления численность адаптированных к теплу особей может увеличиться. Генетическое разнообразие зависит от многих факторов – например, от размера популяции. Виды, чей естественный ареал включает в себя различные по климату места обитания, имеют преимущество: генетические варианты уже адаптированных к теплу популяций могут быть «перенесены» в более теплые районы и помочь популяциям, адаптированным к холоду, выжить. С другой стороны, когда изменения климата приводят к условиям, к которым еще не адаптировалась ни одна популяция вида, полезного генетического разнообразия часто не хватает - именно это и происходит при климатическом кризисе, особенно на более теплых окраинах ареалов ( Пёртнер и др., 2022).
• Экологическая адаптация сложна. Изменение климата само по себе часто накладывает множество требований (изменения температуры, осадков, частоты штормов, ледяного покрова…). Есть и косвенные эффекты: климат влияет и на другие виды экосистемы, например, на наличие кормовых растений или количество хищников. Например, многие виды деревьев подвергаются не только большей засухе, но и большему количеству короедов, поскольку последние извлекают выгоду из тепла и производят больше поколений в год. Деревья, которые уже ослаблены, подвергаются дополнительной нагрузке. В Австрии, например, это поражает ель (Netherer et al., 2019). Чем больше различных проблем создает климатический кризис, тем менее вероятной становится успешная адаптация.
• Климат меняется слишком быстро из-за влияния человека. Многие адаптации, которые мы наблюдаем в природе, возникли на протяжении тысяч или миллионов поколений – климат же в настоящее время кардинально меняется всего за несколько десятилетий. У видов, у которых время генерации короткое (т.е. быстро размножаются), эволюция происходит относительно быстро. Это могло бы частично объяснить, почему у насекомых часто обнаруживают приспособления к антропогенному изменению климата. Напротив, крупным, медленнорастущим видам, таким как деревья, для размножения часто требуется много лет. Это очень затрудняет борьбу с изменением климата.
• Адаптация не означает выживание. Население, возможно, в определенной степени адаптировалось к изменениям климата – например, сегодня оно может лучше пережить периоды жары, чем до промышленной революции – но эти адаптации не являются достаточными, чтобы пережить потепление на 1,5, 2 или 3°C в долгосрочной перспективе. Кроме того, важно, что эволюционная адаптация всегда означает, что плохо адаптированные особи имеют мало потомства или умирают, не оставив потомства. Если это затронет слишком много особей, выжившие могут лучше адаптироваться, но популяция все равно может сократиться настолько, что рано или поздно вымрет.
• Некоторые изменения окружающей среды не позволяют быстро приспособиться. Когда среда обитания кардинально меняется, адаптация просто немыслима. Популяции рыб не могут адаптироваться к жизни в высохшем озере, а наземные животные не могут выжить, если их среда обитания будет затоплена.
• Климатический кризис — лишь одна из нескольких угроз. Адаптация становится тем труднее, чем меньше популяция, чем более фрагментирована среда обитания и чем больше изменений окружающей среды происходит одновременно (см. выше). Люди еще больше усложняют процессы адаптации из-за охоты, разрушения среды обитания и загрязнения окружающей среды.

Что можно сделать с вымиранием?

Что же делать, когда нет надежды на успешную адаптацию большинства видов? Вымирание местных популяций вряд ли можно будет предотвратить – но, по крайней мере, различные меры могут противодействовать исчезновению целых видов и сокращению ареалов распространения (Pörtner et al., 2022). Охраняемые территории важны для сохранения видов там, где они хорошо адаптированы, и для сохранения существующего генетического разнообразия. Также важно соединить различные популяции вида, чтобы генетические варианты, адаптированные к теплу, могли легко распространяться. Для этого создаются естественные «коридоры», соединяющие подходящие места обитания. Это может быть живая изгородь, соединяющая разные насаждения деревьев или охраняемые территории сельскохозяйственной территории. Несколько более спорным является метод активной транспортировки особей из находящихся под угрозой исчезновения популяций в районы (например, на большие высоты или в более высокие широты), где они лучше адаптированы.

Однако последствия всех этих мер невозможно точно оценить. Хотя они могут помочь сохранить отдельные популяции и целые виды, каждый вид по-разному реагирует на изменение климата. Ареалы смещаются по-разному, и виды встречаются в новых сочетаниях. Взаимодействия, такие как пищевые цепи, могут измениться фундаментально и непредсказуемо. Лучшим способом сохранить биоразнообразие и его неоценимую пользу для человечества в условиях климатического кризиса по-прежнему является эффективная и быстрая борьба с самим климатическим кризисом.

литература

Барги Н., Тоблер Р., Нолте В., Якшич А.М., Маллард Ф., Отте К.А., Долезал М., Таус Т., Кофлер Р. и Шлёттерер К. (2019) ). Генетическая избыточность способствует полигенной адаптации Дрозофила. PLoS Biology, 17(2), е3000128. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000128

Биттер, М.К., Капсенберг, Л., Гаттузо, Ж.-П., и Пфистер, Калифорния (2019). Постоянные генетические вариации способствуют быстрой адаптации к закислению океана. Природа связи, 10(1), Article 1. https://doi.org/10.1038/s41467-019-13767-1

Незерер С., Панассити Б., Пеннерсторфер Дж. и Мэтьюз Б. (2019). Острая засуха является важным фактором заражения короедом еловых насаждений в Австрии и Норвегии. Границы в лесах и глобальные изменения, 2. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/ffgc.2019.00039

Пертнер, Х.-О., Робертс, Д.К., Тиньор, ММБ, Полочанска, Э.С., Минтенбек, К., Алегрия, А., Крейг, М., Лангсдорф, С., Лёшке, С., Мёллер, В., Окем А. и Рама Б. (ред.). (2022). Изменение климата 2022: последствия, адаптация и уязвимость. Вклад Рабочей группы II в шестой оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата.

Уоллер, Н.Л., Гюнтер, IC, Фриман, AB, Лавери, TH, Люнг, LK-P., Уоллер, NL, Гюнтер, IC, Фриман, AB, Лавери, TH, и Люнг, LK-P. (2017). Меломисы Брамбл-Кей Меломис рубикола (Rodentia: Muridae): Первое вымирание млекопитающих, вызванное изменением климата, вызванным деятельностью человека? Исследования дикой природы, 44(1), 9–21. https://doi.org/10.1071/WR16157

Винс, Джей Джей (2016). Связанные с климатом локальные вымирания уже широко распространены среди видов растений и животных. PLoS Biology, 14(12), е2001104. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2001104