Молочай в камерах с CO₂ показывает будущее биосферы
Растения молочая, выращенные в 40 кубических камерах на вершине холма на Биологической станции Мичиганского университета, позволяют заглянуть в будущее и задать вопрос: как изменятся условия для бабочек-монархов?
В половину прозрачных камер, покрытых пластиком, закачивается углекислый газ, чтобы смоделировать атмосферу, которая, вероятно, будет существовать более чем через столетие, если уровень удерживающего тепло парникового газа продолжит расти из-за сжигания ископаемого топлива.
Растения молочая из этих камер скармливали сотням гусениц монарха этим летом. Молочай — единственная пища гусениц монарха, удовлетворяющая их пищевые потребности и обеспечивающая ценный лекарственный эффект. Листья растения содержат горький токсин, который помогает насекомым защищаться от хищников и паразитов.
Однако предыдущие работы на северном мичиганском биологическом аванпосте UM в лаборатории эколога Марка Хантера показали, что некоторые виды молочая производят меньше защитных токсинов, называемых карденолидами, при выращивании в условиях повышенного содержания CO₂.
Это открытие привлекло внимание аспирантки UM Лесли Деккер, которая вместе с Хантером разработала многолетнее последующее исследование, проводимое на Биологической станции и являющееся основой её диссертации на кафедре экологии и эволюционной биологии.
Большинство дискуссий о проблемах монархов сосредоточено на потере среды обитания: вырубке деревьев в мексиканских лесах, где монархи зимуют, а также на исчезновении диких растений молочая, которые поддерживают их во время ежегодной миграции по Северной Америке.
Исследование UM рассматривает другой тип потенциальной угрозы. Это один из первых экспериментов, оценивающих вероятное влияние повышенного уровня CO₂ — тех же растущих концентраций газов, которые обвиняют в антропогенном изменении климата — на здоровье будущих популяций монархов.
Для получения ответов потребовалось создание экспериментальной системы, позволяющей Деккер и Хантеру манипулировать и измерять все ключевые звенья цепи: уровни CO₂, концентрации токсинов в листьях молочая, заражение паразитами и восприимчивость монархов к этим паразитам.
Под «лекарством» Хантер подразумевает токсины карденолиды в листьях молочая. В дикой природе заражённые паразитами самки бабочек-монархов иногда ищут растения молочая с высоким уровнем токсинов и откладывают там яйца — процесс, известный как трансгенерационное самолечение.
Четыре вида молочая выращивались этим летом в этих камерах для роста с каркасом из ПВХ на Биологической станции. Половина растений получала нормальный уровень CO₂, около 400 частей на миллион, а другая половина — почти вдвое больше. Исследователи измерили уровни токсинов карденолидов в различных тканях растений, чтобы знать точную дозу, полученную каждой гусеницей.
Рядом с полем с камерами, в здании Биологической станции, известном как «pole barn», растения молочая скармливали гусеницам монарха. Каждая гусеница получала постоянный рацион из одного вида молочая с известным воздействием CO₂.
В другой комнате «pole barn» 3-дневных гусениц подвергали воздействию тщательно контролируемых доз обычного паразита монархов, отдалённо родственного возбудителю малярии. Ophryocystis elektroscirrha — это простейшее, которое сокращает продолжительность жизни взрослой бабочки-монарха, затрудняет её способность летать и снижает количество потомства.
Под стереоскопическим микроскопом Деккер использовала сужающуюся стеклянную трубку, чтобы добавить 10 крошечных спор паразита в форме футбольного мяча на четвертьдюймовый диск листа молочая, который затем скармливала гусенице.
За примерно две недели гусеницы выросли до длины около 2 дюймов с яркими жёлтыми, белыми и чёрными полосами. Затем они окуклились в твёрдой оболочке хризалиды примерно на 10 дней, прежде чем превратиться в оранжево-чёрных бабочек.
В Мичигане бабочки-монархи обычно живут около месяца. В своей лаборатории на вершине холма на Биологической станции этим летом Деккер и Хантер вырастили из яиц 480 взрослых бабочек-монархов. Большинство из них погибли к концу августа, и продолжительность жизни каждой особи была зафиксирована.
Взятые вместе, различные данные позволят исследователям определить, как изменения уровня CO₂ в атмосфере изменили концентрацию токсинов у четырёх видов молочая и, в свою очередь, как воздействие этих растений повлияло на продолжительность жизни монарха и его восприимчивость к болезням.
Это лето стало вторым полевым сезоном для проекта, впереди ещё два. Исследование финансируется грантом от кафедры экологии и эволюционной биологии UM и стипендией для аспирантов Биологической станции UM.
Если исследование покажет, что определённый вид молочая может помочь будущим поколениям монархов бороться с паразитами, возможно, удастся разработать план управления, предусматривающий посадку полезного вида молочая для помощи сильно заражённым популяциям монархов.
Хантер отмечает, что количество монархов на Биологической станции сократилось за девять лет его исследований. В 2013 году на станции не наблюдалось ни одного монарха, хотя они возвращались последние два лета.