Eine Momentaufnahme der reichen Pflanzenvielfalt im brasilianischen Atlantikwald. GUI Becker, CC BY-SA
Es scheint, als würden Wissenschaftler jeden Tag über schlimmere Folgen des Klimawandels für Tiere und Pflanzen weltweit berichten. Vögel, die sind später migrieren im Jahr kann nicht genug Essen finden. Pflanzen sind vorher blühen ihre Insektenbestäuber schlüpfen. Beutearten haben weniger Ausdauer Raubtieren entkommen. Kurz gesagt, Klimaveränderungen, die einen Organismus betreffen, können Welligkeitseffekte auslösen, die die Struktur und Funktion ganzer Ökosysteme stören können.
Eine Komponente der Tiergesundheit, die weitgehend die Umgebung widerspiegelt, ist die Mikrobiome, das Konsortium von Mikroben, von dem jetzt bekannt ist, dass es die Verdauung von Nahrungsmitteln unterstützt, das Immunsystem reguliert und vor Krankheitserregern schützt. Die Bakterienarten, aus denen das Mikrobiom besteht, werden hauptsächlich aus der Umwelt rekrutiert. Nahrungsnetze und andere tierische Wechselwirkungen, die Umweltbakterien beeinflussen, können daher die Mikrobiome der Tiere formen.
Aber was passiert, wenn der Klimawandel die Umwelt stört und Veränderungen in den Mikrobiomen der Tiere verursacht, die verhindern, dass die Mikroben die Schlüsselfunktionen erfüllen, die Tiere zum Überleben und Gedeihen benötigen?
Ich bin Ökologe im Labor von GUI Becker Spezialisiert auf Tropenforschung an der Schnittstelle zwischen neu auftretender Amphibienkrankheit und Klimawandel. Hunderte von Amphibien in den globalen Tropen sind einem zunehmenden Druck durch Krankheiten und den Klimawandel ausgesetzt. Und es gibt zunehmend Hinweise darauf, dass Umweltstressoren die Mikrobiome der Tiere verändern und zu den Herausforderungen beitragen, denen sie gegenüberstehen.
Aufbau eines Ökosystems
In einer neues Experiment Um herauszufinden, wie das Mikrobiom von Kaulquappen von anderen Tierarten in der Umwelt beeinflusst wurde, untersuchten meine Kollegen und ich gesunde Gemeinschaften von Süßwasserbakterien, Krebstieren und Insekten aus Feuchtgebieten im brasilianischen Atlantikwald. Wir konzentrierten uns auf ihre Fütterungsaktivitäten - wie sie Wasser filterten, um ihre Nahrung zu erhalten und totes Pflanzenmaterial abzubauen.
Es ist bekannt, dass diese Fütterungsaktivitäten für Ökosystemfunktionen wie die Zersetzung wesentlich sind. Wir fanden jedoch heraus, dass diese Nahrungsnetze auch einem anderen Zweck dienten: Sie förderten das Wachstum „guter“ Bakterienarten in der Umwelt, beispielsweise Arten, die pathogene Mikroben bekämpfen.
Infolgedessen hatten Kaulquappen, die das Ökosystem mit diesen Mikroorganismen und Wirbellosen teilen, gesündere Darmmikrobiome. Dies bot eine starke Abwehr gegen Krankheitserreger im Vergleich zu Kaulquappen, die ihren Lebensraum nicht mit verschiedenen Netzwerken von Organismen teilten.
Unsere neueste Arbeit Diese Forschung ging noch einen Schritt weiter und testete, wie eine Störung wie die Klimaerwärmung diese Nahrungsnetze beeinflussen kann, die dazu beitragen, die Gesundheit von Mikrobiomen von Wirbeltieren in freier Wildbahn zu gewährleisten.
Die Kartierung von Arteninteraktionen in verschiedenen Ökosystemen ist unter Feldbedingungen schwierig, bei denen die Umwelt nicht vorhersehbar ist, und es ist schwierig, Experimente zu wiederholen, um die Ergebnisse zu bestätigen.
Um dieses Problem anzugehen, verwendeten wir Pflanzen aus der Bromelienfamilie als Mini-Ökosysteme, damit meine Kollegen und ich die Auswirkungen eines sich erwärmenden Klimas auf Artenwechselwirkungen unter den kontrollierten Bedingungen eines Labors untersuchen konnten.
Eng quirlige Blätter von Bromelienpflanzen bieten ein Mini-Aquarium für Kaulquappen, Wirbellose und Mikroorganismen. Sascha Greenspan, CC BY-SA
Bromelien sind ideal für experimentelle Arbeiten zu Interaktionen in der Gemeinschaft, da sie natürliche Mikrokosmen sind und aufgrund ihrer geringen Abmessungen viele von ihnen auf kleinem Raum wachsen lassen können. Unsere Untersuchungsgebiete in den tropischen Regenwäldern Brasiliens unterstützen extrem hohe Bromeliendichten vom Boden bis zum Baldachin, die oft einem Dr. Seussianischen Wunderland ähneln.
Um natürliche Ökosysteme für unser Experiment wiederherzustellen, haben wir im Schatten eines kleinen tropischen Waldes in São Paulo, Brasilien, einen Garten mit 60 identischen Bromelien im Freien angelegt. Wir ließen dann die Bromelien drei Monate lang auf natürliche Weise von Wirbellosen und Mikroorganismen besiedeln. Einige der Anlagen waren Umgebungstemperaturen ausgesetzt, andere wurden mit einem speziellen Außenheizsystem auf sechs Grad über der Umgebungstemperatur erwärmt, um den vorhergesagten globalen Trends des Klimawandels zu entsprechen.
In der Nähe sammelten wir unsere Modellwirtsarten für das Experiment - Kaulquappen der Baumfroscharten ololygon perpusilla Diese brüten nur in den Mini-Aquarien, die von den Blättern der Bromelien erzeugt werden.
Wir haben dann die Bromelien von draußen ins Labor gebracht, dem winzigen Wasserbecken in der Mitte jeder Pflanze eine Kaulquappe hinzugefügt und dasselbe Heizsystem angewendet, um die Erwärmung zu simulieren. Nach einigen Wochen haben wir die Bakterienarten im Kaulquappendarm sowie die in den Bromelien lebenden Bakterien- und Wirbellosenarten inventarisiert.
Versuchsaufbau mit 60 Bromelien und einem kundenspezifischen Heizsystem. GUI Becker, CC BY-SA
Die Dominoeffekte des Klimawandels
in dieser Studie, veröffentlicht in Nature Climate Change, fanden wir heraus, dass wärmende Effekte auf ökologische Gemeinschaftsnetzwerke - einschließlich Umweltbakterien, Würmer, Mückenlarven und andere wirbellose Wassertiere - die Kaulquappendarmflora beeinträchtigten, was zu einem verringerten Wachstum führte, was ein Indikator für Fitness ist.
Die Gesundheit von Kaulquappendarm-Mikrobiomen war speziell mit Veränderungen in der Gemeinschaft von Wasserbakterien und Wirbellosen verbunden, die neben Kaulquappen in den Bromelien leben. Das heißt, die Erwärmung unterstützte das Wachstum und die Vermehrung bestimmter Arten von Bakterien und Wirbellosen und hemmte andere, und diese Umweltveränderungen störten das Kaulquappendarm-Mikrobiom.
Die höheren Temperaturen führten auch zu einer schnelleren Entwicklung von Mückenlarven mit Filterfütterung. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass höhere Filterfütterungsraten auch die Artenzusammensetzung von Bakterien in der Umwelt auf eine Weise veränderten, die das Kaulquappenmikrobiom weiter störte.
Tatsächlich war das Kaulquappenwachstum - ein Indikator für die Gesundheit der Arten - stärker mit durch Erwärmung verursachten Verschiebungen ihrer Darmmikrobiome verbunden als mit direkten Auswirkungen der Erwärmung auf das Wachstum, die bei kaltblütigen Tieren wie Kaulquappen oder Auswirkungen der Erwärmung zu erwarten sind die Algen-Nahrungsressourcen der Kaulquappen.
Unsere Arbeit zeigt Wie sich der Klimawandel im globalen Maßstab selbst auf kleinste Ebenen der biologischen Organisation auswirken kann, einschließlich der symbiotischen Bakterien, die im Verdauungstrakt einer winzigen Froschart leben.
Die Betrachtung dieser Prozesse im Kontext einer gesamten ökologischen Gemeinschaft trägt dazu bei, unsere Sicht auf die Gesundheit von Mikrobiomen im globalen Wandel zu erweitern.
studien Die Untersuchung der Auswirkungen der Erwärmung auf Mikrobiome von Wirbeltieren konzentriert sich in der Regel auf direkte Temperaturreaktionen der Wirtsflora, anstatt die Wirte in den komplexen und miteinander verflochtenen Gemeinschaften zu positionieren, in denen sie in freier Wildbahn leben.
Unsere Erkenntnisse stützen Ein wachsender Konsens unter Wissenschaftlern darüber, dass die Klimaerwärmung zwar einige Tiere über ihre thermischen Schwellenwerte hinausschieben wird, eine weitaus allgegenwärtigere Folge der Erwärmung jedoch darin besteht, dass sie einen ökologischen Dominoeffekt auslösen und die Arteninteraktionen stören kann, die Ökosysteme benötigen, um ordnungsgemäß zu funktionieren.
Über den Autor
Sasha Greenspan, wissenschaftliche Mitarbeiterin, University of Alabama
Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.
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