Изменение климата меняет мозг и поведение животных — объяснение нейробиолога

Антропогенное изменение климата всё больше формирует условия жизни на Земле. Повышение температуры, быстрые изменения в количестве осадков и сезонности, а также закисление океана создают изменённые условия для многих видов животных. Как животные приспосабливаются к этим новым, часто экстремальным, условиям?

Нервная система животных играет ключевую роль как в обеспечении, так и в ограничении их реакции на меняющийся климат. Два моих основных исследовательских интереса как биолога и нейробиолога — понять, как животные адаптируются к температурным крайностям и определить силы, формирующие структуру и функцию их нервной системы, особенно мозга. Пересечение этих интересов привело меня к изучению влияния климата на нервные системы и того, как животные, вероятно, будут реагировать на быстро меняющуюся среду.

Все основные функции нервной системы — восприятие, обработка информации и управление поведением — критически важны. Они позволяют животным ориентироваться в окружающей среде для выживания и размножения. Изменение климата, вероятно, повлияет на эти функции, часто в худшую сторону.

Изменение сенсорной среды

Изменение температуры нарушает энергетический баланс экосистем — от растений, производящих энергию из солнечного света, до животных, потребляющих растения и других животных, — что, в свою очередь, меняет сенсорный мир, который воспринимают животные. Вероятно, изменение климата затронет все их чувства: от зрения и вкуса до обоняния и осязания.

Такие животные, как млекопитающие, воспринимают температуру отчасти с помощью специальных рецепторных белков в нервной системе, реагирующих на тепло и холод и различающих умеренные и экстремальные температуры. Эти белки помогают животным находить подходящие места обитания и могут играть решающую роль в их реакции на изменение температуры.

Изменение климата нарушает экологические сигналы, на которые животные полагаются для решения таких задач, как выбор места обитания, поиск пищи и партнёров. Некоторые животные, например, комары, переносящие паразитов и патогены, используют температурные градиенты для ориентации в среде. Сдвиги температуры меняют места и время поиска комарами хозяев, что ведёт к изменению передачи заболеваний.

Влияние изменения климата на химические сигналы, которые животные используют для общения или нанесения вреда конкурентам, может быть особенно сложным, поскольку химические соединения очень чувствительны к температуре.

Прежде надёжные источники информации, такие как сезонные изменения продолжительности светового дня, могут потерять свою полезность, поскольку перестают быть связаны с другими процессами. Это может привести к разрыву связи между длиной дня и цветением/плодоношением растений, а также к сбоям в поведении животных, таком как спячка и миграция, когда длина дня больше не предсказывает доступность ресурсов.

Изменение мозга и когнитивных функций

Повышение температуры может нарушить развитие и функционирование мозга животных, что потенциально негативно скажется на их способности эффективно адаптироваться к новой среде.

Исследователи задокументировали, как температурные крайности могут изменять отдельные нейроны на генетическом и структурном уровнях, а также организацию мозга в целом.

В морской среде учёные обнаружили, что вызванные климатом изменения химического состава воды, такие как закисление океана, могут влиять на общие когнитивные способности животных и сенсорные функции, например, на отслеживание запаха у рифовых рыб и акул.

Нарушения поведения

Животные могут реагировать на климатические невзгоды, меняя местоположение — от смены используемых микроареалов до изменения географических ареалов.

Активность также может смещаться на другое время суток или на новые сезоны. Эти поведенческие реакции могут иметь серьёзные последствия для тех средовых стимулов, с которыми столкнутся животные.

Например, рыбы в прогревающихся морях переместились в более прохладные, глубокие воды, где интенсивность света и цветовой диапазон сильно отличаются от тех, к которым привыкли их зрительные системы. Более того, поскольку не все виды изменят своё поведение одинаково, виды, переместившиеся в новую среду обитания, время суток или сезон, столкнутся с новыми факторами, включая растения-пищу и животных-жертв, конкурентов и хищников, а также патогены.

Поведенческие сдвиги, вызванные изменением климата, изменят структуру экосистем по всему миру со сложными и непредсказуемыми последствиями.

Пластичность и эволюция

Мозг животных чрезвычайно гибок, он развивается в соответствии с индивидуальным опытом взаимодействия со средой. Он даже в значительной степени способен меняться во взрослом возрасте.

Но исследования, сравнивающие виды, показали сильное влияние среды на эволюцию мозга. Нервная система животных эволюционирует, чтобы соответствовать сенсорной среде пространства активности каждого вида. Эти закономерности позволяют предположить, что новые климатические режимы в конечном итоге сформируют нервные системы, заставив их эволюционировать.

Когда генетика сильно влияет на развитие мозга, нервные системы, тонко адаптированные к локальной среде, могут потерять своё адаптивное преимущество с изменением климата. Это может проложить путь для новых адаптивных решений. По мере того как меняются диапазон и значимость сенсорных стимулов и сезонных сигналов, естественный отбор будет благоприятствовать тем, кто обладает новыми сенсорными или когнитивными способностями.

Некоторые части нервной системы ограничены генетическими адаптациями, в то время как другие более пластичны и чувствительны к условиям окружающей среды. Более глубокое понимание того, как нервная система животных адаптируется к быстро меняющейся среде, поможет предсказать, как изменение климата затронет все виды.