Przewidywanie interakcji organizm-środowisko w różnych scenariuszach klimatycznych
Organizmy są termodynamicznie związane ze swoim środowiskiem poprzez wymianę ciepła, wody oraz tlenu. Interakcje te można zaprezentować za pomocą modeli biofizycznych, w których wiąże się informacje o warunkach środowiskowych i cechach organizmu, co pozwala przewidzieć, jak poszczególne osobniki będą funkcjonować w danym środowisku. Jednak aby wspomniane modele działały prawidłowo, należy je odpowiednio kalibrować i walidować oraz łączyć teoretyczne przewidywania z obserwacjami empirycznymi. Tym zagadnieniem zajęli się naukowcy z finansowanego ze środków UE projektu SCALE(odnośnik otworzy się w nowym oknie), który otrzymał wsparcie działań „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Naszym celem było przyczynienie się do stworzenia nowych ram modelowania, dzięki którym możliwe stanie się prognozowanie reakcji zwierząt na zmiany w środowisku”, mówi Juan Rubalcaba, koordynator projektu. Dlatego zespół projektu SCALE połączył ekofizjologiczne dane międzygatunkowe z przewidywaniami teoretycznymi wygenerowanymi przy użyciu modeli biofizycznych. Następnie wykorzystano modele do przewidywania, w jaki sposób cechy fizjologiczne, takie jak tempo metabolizmu, powinny zmieniać się w odpowiedzi na warunki klimatyczne i oceniono, czy przewidywania są spójne z obserwacjami empirycznymi.
Wpływ klimatu na jaszczurki
Trwają dyskusje na temat tego, czy klimat bezpośrednio wpływa na takie cechy jak wielkość ciała, kolor skóry i tolerancja termiczna. By lepiej zrozumieć te zjawiska, badacze z projektu SCALE użyli modelu biofizycznego do przewidywania temperatury ciała i wydajności fizjologicznej teoretycznych jaszczurek w różnych klimatach. „Następnie wykorzystaliśmy nasz model do identyfikacji fenotypów, które zmaksymalizowałyby wydajność fizjologiczną w każdym regionie, symulując wpływ selekcji naturalnej na wielkość ciała, kolor skóry, tolerancję termiczną i zachowania termoregulacyjne”, wyjaśnia Rubalcaba. Stwierdzono, że obserwowane wzorce geograficzne dotyczące masy i optymalnej temperatury ciała oraz tolerancji na zimno w istotny sposób pokrywały się z przewidywaniami. „Z naszych badań wynika(odnośnik otworzy się w nowym oknie), że te cechy są bezpośrednio zależne od klimatu, który ma wpływ na wydajność cieplną”, dodaje Rubalcaba.
Zapotrzebowanie i zasoby tlenu u zmiennocieplnych zwierząt wodnych
Zespół projektu SCALE opracował model biofizyczny do badania podaży tlenu i zapotrzebowania na tlen u ryb, biorąc pod uwagę mechanizmy fizykochemiczne napędzające przenikanie tlenu przez powierzchnię skrzeli. „Wykorzystaliśmy ten model do zbadania wpływu zależności pomiędzy temperaturą wody, dostępnością tlenu, wielkością ciała i poziomem aktywności na tempo metabolizmu i fizjologiczne funkcjonowanie ryb”, tłumaczy Rubalcaba. Prognozy wygenerowane za pomocą modelu wskazują na to, że duże, aktywne zwierzęta nie będą w stanie w cieplejszych wodach pozyskać tlenu w ilości zaspokajającej ich fizjologiczne potrzeby. Z wyników(odnośnik otworzy się w nowym oknie) projektu SCALE można wnioskować, że globalne ocieplenie pogorszy sprawność fizjologiczną organizmów, a większe osobniki doświadczą w przyszłości większego obciążenia metabolicznego.
Ewolucja wielkości i kształtu ciała u nietoperzy
„Zbadaliśmy również, w jaki sposób rozmiar ciała, wielkość skrzydeł i temperatura oddziałują wzajemnie, by określić wydatki związane z lataniem i termoregulacją. Jak wynika z modelu, duże skrzydła zmniejszają wydatki związane z lataniem, ale zwiększają szybkość oddawania ciepła, a tym samym zwiększają wydatki związane z termoregulacją, zwłaszcza w zimnym klimacie”, komentuje Rubalcaba. Wykorzystując dane morfologiczne dla gatunków nietoperzy, naukowcy z projektu SCALE odkryli, że stosunek powierzchni skrzydeł do masy ewoluuje w kierunku optymalnego kształtu, a selekcja jest większa wśród gatunków żyjących w zimnym klimacie, co pokrywa się z przewidywaniami teoretycznymi. Wnioski(odnośnik otworzy się w nowym oknie) są więc takie, że klimat wpływa na ewolucję wielkości ciała u nietoperzy poprzez związek z zapotrzebowaniem energetycznym. Tym samym wykazano, że klimat ma bezpośredni wpływ na zapotrzebowanie energetyczne i wydajność fizjologiczną, które z kolei ostatecznie przekładają się na ewolucję cech fenotypowych. „Ponadto dzięki modelom biofizycznym można uchwycić kluczowe mechanizmy napędzające interakcje organizm-klimat, a zatem można wykorzystać je do przewidywania reakcji organizmu na zmiany klimatu”, podsumowuje Rubalcaba.
