Stały metabolizm może okazać się kosztowny dla owadów w bardziej słonej wodzie

„Ogólnie rzecz biorąc, siedliska słodkowodne stają się coraz bardziej zasolone z wielu powodów, w tym z powodu soli drogowej i spływów rolniczych, wydobycia węgla i gazu ziemnego, suszy i wzrostu poziomu morza” – mówi David Buchwalter, profesor toksykologii w NC State i korespondent autor książki badanie. „Owady słodkowodne i inne organizmy żyjące w tych systemach wykorzystuje się jako wskaźniki stanu ekosystemu. Kiedy systemy te stają się bardziej zasolone, widzimy, że różnorodność owadów maleje, ale nie jesteśmy pewni dlaczego”.

Zwierzęta wodne (w tym owady i skorupiaki) muszą stale utrzymywać prawidłową równowagę wody i soli w organizmie, co jest procesem zwanym osmoregulacją. Teoretycznie najkorzystniejszym środowiskiem dla zwierząt wodnych byłoby takie, w którym poziom zasolenia na zewnątrz jest zbliżony do poziomu zasolenia wewnątrz zwierzęcia. W ten sposób zwierzę nie musi tak ciężko pracować, aby utrzymać osmoregulację.

Jednak w przypadku owadów słodkowodnych wydaje się, że jest odwrotnie – wyższe zasolenie zawsze wiąże się ze zwiększonym wchłanianiem jonów przez owady, ale wiąże się również z opóźnieniami w rozwoju lub śmiercią.

„Myśleliśmy, że owady słodkowodne mogą tak bardzo skupiać swoją energię na osmoregulacji w bardziej zasolonym środowisku, że nie mogą rosnąć ani prosperować” – mówi Buchwalter. „Dlatego zmierzyliśmy tempo metabolizmu skorupiaków i owadów w środowiskach rozcieńczonych i zasolonych, aby sprawdzić, czy reakcje metaboliczne na zasolenie były podobne”.

Zespół przyjrzał się trzem typom zwierząt słodkowodnych, dwóm gatunkom kiełży, czyli małego skorupiaka słodkowodnego; jeden ślimak słodkowodny; i trzy gatunki owadów wodnych.

W pierwszym teście zmierzyli metabolizm zwierząt, umieszczając je w wodach o różnym stężeniu jonów soli i sprawdzając tempo zużycia tlenu. Zaobserwowali, że bardziej rozcieńczone warunki utrudniały oddychanie skorupiakom i ślimakom, zwiększając ich metabolizm, podczas gdy tempo metabolizmu owadów było stałe niezależnie od zasolenia.

Następnie zespół sprawdził, czy wzrost częstości oddechów jest powiązany z transportem konkretnego jonu. Radioaktywne izotopy jonów soli, wapnia i sodu, pozwoliły naukowcom zmierzyć, ile i jak szybko zwierzęta przyswoiły różne jony.

Naukowcy odkryli, że wapń był główną przyczyną zwiększonego metabolizmu u zwierząt innych niż owady w niższym zasoleniu. Innymi słowy, skorupiaki i ślimaki pracowały ciężej, aby transportować potrzebne im jony wapnia w środowisku, w którym trudniej było znaleźć wapń.

Natomiast tempo metabolizmu owadów pozostawało stałe zarówno w środowisku zasolonym, jak i rozcieńczonym, mimo że w środowisku zasolonym tempo transportu jonów wapnia było wyższe. Wydaje się, że owady mają bardzo małe zapotrzebowanie na wapń; w rzeczywistości poprzednie badania wykazały, że nadmiar wapnia jest dla nich potencjalnie toksyczny.

Naukowcy uważają, że wyjaśnieniem może być wykorzystanie przez zwierzęta energii wewnętrznej, czyli aktywnego transportu, podczas przenoszenia soli.

„Kiedy widzimy, że metabolizm zwierząt innych niż owady wzrasta w rozcieńczonych środowiskach, może to wynikać z faktu, że muszą one ciężej pracować, aby przyswoić więcej wapnia” – mówi Buchwalter. „I chociaż wydaje się to sprzeczne z intuicją, jest odwrotnie w przypadku owadów, które w bardziej zasolonym środowisku pracują ciężej, aby utrzymać równowagę, chociaż ich częstość oddychania nie wzrasta. Zamiast tego wydaje się, że wykorzystują zasoby, które w przeciwnym razie byłyby przeznaczone na wzrost i rozwój. opracowanie mające na celu „cofnięcie” nadmiernego poboru jonów, gdy robi się bardziej słono.

„Przenoszenie jonów soli wiąże się z kosztami energetycznymi dla zwierzęcia” – mówi Buchwalter. „Tak więc w przypadku owadów słodkowodnych pogląd, że organizmy powinny rozwijać się w środowiskach bliskich ich zasoleniu wewnętrznemu, jest błędny. Ponadto ich niskie zapotrzebowanie na wapń może pomóc im rozwijać się w bardzo rozcieńczonych środowiskach, w których w ekologii zazwyczaj dominują owady. Natomiast niskie zapotrzebowanie na wapń W tym badaniu wapń wydaje się być stresujący dla skorupiaków i ślimaków. Fascynujące jest to, że gatunki żyjące w tych samych siedliskach mogą mieć tak różne fizjologie.

W przyszłych pracach zbadane zostanie, czy te różnice fizjologiczne wynikają z pochodzenia badanych organizmów, czy też ze stosowania wapnia w ich egzoszkieletach/skorupach.

Praca ukazała się w czasopiśmie Journal of Experimental Biology i została wsparta przez National Science Foundation w ramach grantu IOS 1754884. Pierwszy autor i doktorant. kandydat Jamie Cochran był wspierany przez Goodnight Doctoral Fellowship. Catelyn Banks, była studentka North Carolina School of Science and Mathematics, również wniosła swój wkład w te prace.