Новое исследование, проведенное в Мичиганском университете, выявило ранее непризнанную угрозу для бабочек-монархов: растущий уровень углекислого газа в атмосфере снижает лечебные свойства растений молочая, которые защищают знаковых насекомых от болезней.
Листья молочая содержат горькие токсины, которые помогают монархам отпугивать хищников и паразитов, а растение является единственной пищей гусениц монархов. В ходе многолетнего эксперимента на биологической станции UM исследователи вырастили четыре вида молочая с разным уровнем тех защитных соединений, которые называются карденолиды.
Половина растений выращивалась при нормальном уровне углекислого газа, а половина из них купалась с рассвета до заката почти в два раза больше. Затем растения скормили сотням гусениц-монархов.
Исследование показало, что самый защитный из четырех видов молочая утратил свои лечебные свойства при выращивании в условиях повышенного содержания CO2, что привело к резкому снижению способности монарха переносить обычный паразит, а также сокращение продолжительности жизни на одну неделю.
В исследовании рассматривалось исключительно то, как повышенный уровень углекислого газа изменяет химический состав растений и как эти изменения, в свою очередь, влияют на взаимодействие между монархами и их паразитами. В нем не изучалось влияние удерживающего тепло газа, выделяемого при сжигании ископаемого топлива, на изменение климата.
"Мы обнаружили ранее неизвестный косвенный механизм, с помощью которого продолжающиеся изменения окружающей среды - в данном случае повышение уровня атмосферного CO2 - могут воздействовать на болезни бабочек-монархов", - заявила Лесли Декер, первый автор исследования, публикация которого запланирована на 10 июля в журнале Ecology Letters.
«Наши результаты подчеркивают, что глобальные изменения окружающей среды могут влиять на взаимодействие паразита и хозяина через изменения в лекарственных свойствах растений», - сказала Декер, которая провела исследование для своей докторской диссертации на факультете экологии и эволюционной биологии Университета Мексики. Сейчас она работает докторантом в Стэнфордском университете.
Эколог UM Марк Хантер, научный руководитель Декера и соавтор статьи Ecology Letters, сказал, что результаты исследования монарха имеют широкие последствия. Многие животные, в том числе люди, используют химические вещества в окружающей среде, чтобы бороться с паразитами и болезнями. Аспирин, наперстянка, таксол и многие другие лекарства изначально были получены из растений.
«Если повышенный уровень углекислого газа снижает концентрацию лекарств в растениях, которые используют монархи, это может изменить концентрацию лекарств для всех животных, которые занимаются самолечением, включая людей», - сказал Хантер, который изучал монархов в Биологическая станция UM на северной оконечности Нижнего полуострова Мичигана существует более десяти лет.
«Играя в русскую рулетку с концентрацией атмосферных газов, мы играем в русскую рулетку с нашей способностью находить новые лекарства в природе», - сказал он.
Предыдущая работа в лаборатории Хантера показала, что некоторые виды молочая производят более низкие уровни карденолида при выращивании в условиях повышенного содержания углекислого газа. Это открытие привлекло внимание Декера, который вместе с Хантером разработал последующее исследование, чтобы изучить потенциальное влияние повышения CO2 на восприимчивость монархов к болезням в будущем.
Они создали экспериментальную систему, которая позволяла им манипулировать и измерять все ключевые звенья в цепи: уровень углекислого газа, концентрацию токсинов в листьях молочая, заражение паразитами и восприимчивость монарха к этим паразитам. Полевые исследования проводились в 2014 и 2015 годах.
Внутри 40 камер выращивания на вершине холма на Биологической станции они подвергали растения молочая воздействию двух разных уровней углекислого газа. Двадцать камер поддерживали текущую глобальную концентрацию CO2 около 400 частей на миллион, а 20 камер получали 760 частей на миллион CO2, уровень, который может быть достигнута задолго до конца века, если сжигание ископаемого топлива не прекратится.
Четыре вида молочая различались по уровню защитных карденолидных соединений. Самым защитным видом был Asclepias curassavica, широко известный как тропический молочай. Растения, выращенные в камере, скармливали гусеницам-монархам, и каждая гусеница получала постоянный рацион из одного вида молочая с известным воздействием углекислого газа.
Трехдневных гусениц также заражали тщательно контролируемыми дозами обыкновенного паразита-монарха, отдаленно связанного с возбудителем малярии. Ophryocystis elektroscirrha - это простейшее, которое сокращает продолжительность жизни взрослого монарха, препятствует его способности летать и снижает количество потомства, которое оно производит.
Примерно за две недели зараженные гусеницы выросли примерно до 2 дюймов в длину с яркими желтыми, белыми и черными полосами. Затем они окукливались внутри куколки с твердым панцирем в течение примерно 10 дней, прежде чем превратились в оранжево-черных бабочек.
В своей лаборатории на биологической станции Декер и Хантер вырастили сотни взрослых монархов. Записывалась продолжительность жизни каждой особи - в Мичигане бабочки-монархи обычно живут около месяца - и подсчитывалось количество паразитических спор на каждой тушке..
Собрав воедино все эти данные, исследователи смогли определить, как изменения уровня углекислого газа в атмосфере изменили концентрацию токсинов в четырех видах молочая и, в свою очередь, как воздействие этих растений повлияло на продолжительность жизни монарха и восприимчивость к болезням.
Самое значительное снижение устойчивости к паразитам и продолжительности жизни бабочек произошло у монархов, которые питались A. curassavica, видом молочая, у которого производство карденолидов снизилось почти на 25 процентов при выращивании в условиях повышенного содержания CO2.
У гусениц, которые питались молочаями A. curassavica, выращенными в условиях повышенного содержания CO2, толерантность к паразиту снизилась на целых 77 процентов по сравнению с гусеницами, которые питались A. curassavica выращены на уровне окружающей среды CO2.
Монархи, питавшиеся A. curassavica, выращенными в условиях повышенного содержания CO2, сократили продолжительность жизни на семь дней из-за паразитарной инфекции. Паразиты сократили среднюю продолжительность жизни только на два дня для монархов, которые ели A. curassavica, выращенную в условиях CO2..
«Мы смогли показать, что лекарственные виды молочая теряют свои защитные свойства при повышенном уровне углекислого газа», - сказал Декер. «Наши результаты показывают, что повышение CO2 снизит толерантность бабочек-монархов к их обычному паразиту и повысит вирулентность паразита».
В последние годы популяция монархов быстро сокращается. Большинство дискуссий о бедственном положении бабочки-монарха сосредоточены на потере среды обитания: вырубке деревьев в мексиканском лесу, где монархи проводят зиму, а также на потере диких растений молочая, которые поддерживают их во время их ежегодной миграции через Северную Америку.
«Утрата среды обитания, проблемы во время миграции и изменение климата - все это способствует упадку монархов», - сказал Хантер.«К сожалению, наши результаты дополняют этот список и показывают, что зараженные паразитами монархи будут становиться все хуже, если атмосферные концентрации CO2 продолжат расти».
Работа выполнена при поддержке Национального научного фонда.