Są maleńkie, ale potrafią przetrwać w skrajnych warunkach. Jak na "kosmiczne" bezkręgowce wpływają zmiany klimatu?

Kryptobioza pozwala im przeżyć w ekstremalnie niskich lub wysokich temperaturach, pod bombardowaniem promieniowania UV, a nawet w próżni kosmicznej. Niesporczaki to niezwykłe stworzenia, jednak nawet tak wytrzymałe organizmy mogą być narażone na negatywne skutki zmian klimatu. Pisze o tym dla Gazeta.pl dr hab. Łukasz Kaczmarek, prof. Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu.

Gazeta.pl rozpoczęła współpracę z naukowcami z Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu. Korzystając z wiedzy ekspertów, chcemy pokazywać, jak zmiany klimatu wyglądają z bliska, z perspektywy tych, którzy ich badaniom poświęcili swoją karierę zawodową. Na stronie Zielona.gazeta.pl powstała dedykowana sekcja, w której publikowane będą autorskie materiały w ramach akcji "Klimat z bliska".

Niesporczaki (Tardigrada) zwane też pieszczotliwie "wodnymi niedźwiedziami" (ang. water bears) to drobne bezkręgowce, bardzo rzadko przekraczające 1 mm długości, które zasiedlają niemal wszystkie ekosystemy na naszej planecie. Występują zarówno na lądzie, jak i w wodach słodkich i słonych, w których bytują głównie w mszakach, porostach, glebie, na roślinach wodnych czy w osadach dennych i piasku morskim.

Maleńkie "wodne niedźwiedzie" z wielką odpornością na skrajności

Niesporczaki mają ciało robakowatego kształtu, z czterema parami odnóży zaopatrzonych najczęściej w pazurki lub przylgi. Odżywiają się glonami, komórkami roślinnymi, drobnymi bezkręgowcami (jak wrotki czy nicienie), bakteriami oraz pierwotniakami. Pomimo swoich niewielkich rozmiarów, Tardigrada mają większość układów charakterystycznych dla wyżej uorganizowanych zwierząt, takich jak układ nerwowy, mięśniowy, pokarmowy czy rozrodczy.

Niesporczak - Echiniscus merokensis.Niesporczak - Echiniscus merokensis. Fot. Magda Gawlak, Milena Roszkowska, Łukasz Kaczmarek i Andonis Karachitos

Jednakże bardzo wyjątkową cechą niesporczaków jest ich zdolność do zapadania w różne typy kryptobiozy (to odwracalny stan ekstremalnie obniżonego metabolizmu, służący przetrwaniu w niesprzyjających warunków środowiskowych) takie jak np.: anhydrobioza (w odpowiedzi na brak wody w stanie ciekłym), anoksybioza (w odpowiedzi na brak tlenu), osmobioza (w odpowiedzi na zmiany ciśnienia osmotycznego) czy kriobioza (w odpowiedzi na zamarzanie). Dzięki temu zjawisku są one w stanie tolerować bardzo skrajne warunki siedliskowe, takie jak ekstremalnie niskie i wysokie temperatury (od -270 do +150°C), brak wody w stanie ciekłym, wysokie dawki promieniowania jonizującego czy UV, wysokie i niskie ciśnienia atmosferyczne, brak tlenu, różne trucizny chemiczne czy próżnię kosmiczną.

Jajo niesporczaka - Mesobiotus.Jajo niesporczaka - Mesobiotus. Fot. Magda Gawlak, Milena Roszkowska, Łukasz Kaczmarek i Andonis Karachitos

Te zdolności sprawiają, że niesporczaki wykorzystywane są w wielu badaniach skupiających się na poznawaniu granic tolerancji organizmów ziemskich. Były one także, i są nadal, wykorzystywane w badaniach kosmicznych, gdzie testuje się zdolności organizmów ziemskich do przetrwania lotów kosmicznych, pobytu na stacji kosmicznej, w otwartym kosmosie oraz także na innych planetach czy księżycach. Obecnie na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS - International Space Station) prowadzony jest eksperyment, mający na celu wskazanie genów niesporczaków, które są aktywowane w odpowiedzi na stres środowiskowy, jakiemu poddawani są astronauci na ISS. Naukowcy szukają odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób niesporczaki mogą nam pomóc w ochronie ludzi przed stresem wynikającym z krótko- i długotrwałych podróży kosmicznych.

Małe kałamarnice z gatunku Euprymna scolopes, które zostały wysłane na Międzynarodową Stację KosmicznąNASA wysłała właśnie 128 maleńkich kałamarniczych dzieci w kosmos. Po co?

Warto zwrócić uwagę na fakt, że dużą część ekstremalnych czynników niesporczaki są w stanie tolerować wyłącznie w stanie kryptobiozy. W stanie aktywnym większość niesporczaków jest wrażliwa lub nawet bardzo wrażliwa na zmiany warunków siedliskowych, w tym na zmiany temperatury. Jak pokazują liczne badania, dla dużej części aktywnych niesporczaków takim czynnikiem są temperatury powyżej 30 - 35°C. Z badań tych wynika też, że optymalne dla rozwoju tych bezkręgowców temperatury są znacznie niższe i oscylują w okolicach 15 - 18°C. Natomiast dla gatunków arktycznych temperatury optymalne są oczywiście jeszcze niższe i nie są one w stanie rozwijać się i rozmnażać w temperaturach powyżej 4°C (chociaż oczywiście w kryptobiozie są w stanie przetrwać do momentu, gdy temperatury spadną).

Niesporczaki w Arktyce a zmiany klimatu

Widać to także w badaniach prowadzonych w ramach mojego zespołu, które pokazują, że w Arktyce konkretne gatunki związane są z konkretnymi siedliskami i temperaturami. Okazuje się też, że wielkość ciała niesporczaków może być związana z temperaturą lub zasobnością siedliska. Może to oznaczać, że zmiany klimatyczne obserwowane obecnie na świecie, jak również wzrost średniej temperatury, mogą bardzo negatywnie oddziaływać na faunę niesporczaków na całym świecie. Czyli nawet tak wytrzymałe organizmy jak niesporczaki będą narażone na negatywne skutki zmian klimatu.

Niesporczaki są bardzo ważnym ogniwem w funkcjonowaniu ekosystemów polarnych, w tym arktycznych, ze szczególnym uwzględnieniem lądowych. W mszakach, porostach, osadach czy glebie mogą osiągać gigantyczne zagęszczenia, dochodzące do kilku tysięcy osobników na gram gleby lub mszaków. W niektórych mikrosiedliskach, takich jak otwory kriokonitowe na lodowcach ["pułapki" na powierzchni lodowca dla osadu ze skał, pyłu i mikroorganizmów - red.], Tardigrada znajdują się na szczycie piramidy pokarmowej. Oznacza to, że ich zniknięcie może doprowadzić do poważnych problemów w funkcjonowaniu ekosystemów polarnych, a co za tym idzie, do całkowitego ich przekształcenia czy nawet zaniku. 

Spitsbergen latem. MszarnikSpitsbergen latem. Mszarnik Fot. Jerzy Smykła

Jak dotąd szczegółowe badania nad wypływem wzrostu temperatury na niesporczaki bytujące w Arktyce się nie odbyły, jednakże prace prowadzone w Antarktyce wyraźnie pokazują, że wzrost temperatury i promieniowania UV będą miały negatywny wpływ nie tylko na niesporczaki, ale na całą mikrofaunę zasiedlającą rejon antarktyczny. Jako że pod wieloma względami warunki panujące w Antarktyce są tożsame z tymi znanymi z Arktyki, możemy założyć, że podobnie zagrożona będzie też mikrofauna arktyczna.

Niesporczakom oraz innym bezkręgowcom bytującym w rejonach polarnych (w tym Arktyce) zmiany klimatu zagrażają nie tylko bezpośrednio, ale również pośrednio, poprzez zanik siedlisk bytowania. Chodzi na przykład o topnienie lodowców, zanikanie siedlisk tundrowych, wysychanie lub eutrofizację [przeżyźnienie - red.] zbiorników wodnych, zmniejszenie ilości tlenu rozpuszczonego w wodzie (na skutek wzrostu temperatury wody), zmiany wzorca opadów, przyspieszenie spływu wód powierzchniowych, wysychanie bagien i torfowisk czy zatapianie rejonów przybrzeżnych. Kolejnym czynnikiem, który będzie prowadził do zmian w faunie Arktyki, będą inwazje gatunków obcych, wywodzących się z innych obszarów, o klimacie bardziej umiarkowanym. 

Co roku w Arktyce oraz na całym świecie opisuje się dziesiątki nowych dla wiedzy gatunków niesporczaków, co świadczy o tym, że pomimo iż znamy już ponad 1300 gatunków Tardigrada, pełna liczba gatunków występujących obecnie na Ziemi jest nadal nieznana i może oscylować nawet w okolicach ponad 10 tysięcy. Ponadto wiadomo, że niesporczaki osiągają największą różnorodność w rejonach o klimacie chłodnym, m.in. w górach czy regionach polarnych czy subpolarnych. Wraz z postępującymi zmianami klimatu możemy nigdy nie poznać znaczącej części tej różnorodności, jako że ekosystemy, w których egzystują, znikną bezpowrotnie, zanim je zbadamy.

Spitsbergen latem. Badania ekosystemów polarnych - tundraSpitsbergen latem. Badania ekosystemów polarnych - tundra Fot. Jerzy Smykła

W ramach badań prowadzonych przez mój zespół opisaliśmy już kilkanaście gatunków z Arktyki i Antarktyki oraz rejonów subpolarnych. Wszystkie one są jak dotąd znane tylko z tych obszarów i nie występują nigdzie indziej na świecie, co pokazuje jak unikatowe są te obszary i jakie straty mogą wywołać zmiany klimatu, które właśnie tam są szczególnie widoczne. Dodać należy, że nasze badania prowadzone są tylko w regionach dostępnych, znajdujących się w pobliżu stacji badawczych czy na wybrzeżach. Trudniej dostępne obszary są w zasadzie niezbadane pod względem fauny niesporczaków.

Spitsbergen - lato. Badania ekosystemów polarnychSpitsbergen - lato. Badania ekosystemów polarnych Fot. Jerzy Smykła

Zdolność niesporczaków do zapadania w stan kryptobiozy oraz zrozumienie mechanizmów nią kierujących, może mieć duże znaczenie dla rozwoju biotechnologii czy medycyny. Badania na ten temat są już prowadzone i pokazują, że te same lub podobne mechanizmy ochronne, jakie działają w komórkach niesporczaków, działają również w komórkach ludzkich. W tym kontekście nie tylko ochrona ekosystemów polarnych wydaje się kluczowa, ale niezbędne jest zdwojenie wysiłków badawczych w tych regionach świata, zanim uniemożliwią to zmiany klimatyczne.

Łukasz KaczmarekŁukasz Kaczmarek fot. archiwum prywatne

Dr hab. Prof. UAM Łukasz Kaczmarek jest biologiem, pracownikiem Zakładu Taksonomii i Ekologii Zwierząt na Wydziale Biologii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, jest też absolwentem tego wydziału. Pracował też na Universidad Estatal Amazónica (Amazonian State University), odbył wiele staży naukowych w różnych jednostkach badawczych w Niemczech, Norwegii, Francji, Danii i Kanadzie. Ma również rozwiniętą szeroką współpracę naukową z badaczami z całego świata.

Jego zainteresowania naukowe koncentrują się na badaniach drobnych bezkręgowców - niesporczaków (Tardigrada). Najważniejsze z tych badań, realizowanych przez jego grupę, dotyczą taksonomii, różnorodności, ekologii oraz fizjologii niesporczaków. Oprócz klasycznych badań faunistycznych i opisywania nowych dla wiedzy gatunków, zespół zajmuje się m.in. mechanizmami tolerancji niesporczaków na ekstremalne warunki siedliskowe oraz preferencjami siedliskowymi i pokarmowymi.

Swoje badania prof. Łukasz Kaczmarek prowadzi/ł w Arktyce, Antarktyce, Ameryce Środkowej i Południowej, Europie oraz Azji. W związku z nimi odbył wiele wypraw naukowych w najdalsze zakątki świata i opisał ponad 100 nowych dla wiedzy gatunków niesporczaków. Prowadzi też badania w zakresie astrobiologii, czyli możliwości przetrwania niesporczaków, sinic, nicieni, wrotków czy grzybów w warunkach kosmicznych oraz na innych planetach czy księżycach.

Więcej o: