Постоянный метаболизм может быть дорогим для насекомых в более соленой воде

Повышенная соленость обычно создает проблемы для пресноводных насекомых, таких как поденки. Новое исследование Университета Северной Каролины показывает, что отсутствие метаболических реакций на соленость может объяснить, почему некоторые пресноводные насекомые часто плохо себя чувствуют при более высокой солености, в то время как другие пресноводные беспозвоночные (например, моллюски и ракообразные) процветают. В данном случае соленость относится к концентрациям всех солей в водной среде, а не только натрия.

Исследование опубликовано в Journal of Experimental Biology.

"Пресноводные местообитания в целом становятся более солеными по ряду причин, включая дорожную соль и сельскохозяйственные стоки, добычу угля и природного газа, засуху и повышение уровня моря", — говорит Дэвид Бухвальтер, профессор токсикологии в NC State и автор-корреспондент исследования. "Пресноводные насекомые и другие организмы, живущие в этих системах, используются как индикаторы здоровья экосистемы. Когда эти системы становятся солонее, мы видим, что разнообразие насекомых снижается, но мы не уверены, почему".

Водные животные (включая насекомых и ракообразных) должны постоянно поддерживать правильный баланс воды и солей в своем теле — процесс, называемый осморегуляцией. Теоретически наиболее благоприятной средой для водных животных была бы та, где внешние уровни солености близки к внутренним. Таким образом, животному не нужно так усердно работать для поддержания осморегуляции.

Однако для пресноводных насекомых, похоже, верно обратное — более высокая соленость всегда связана с увеличением скорости поглощения ионов у насекомых, но также связана с задержкой развития или смертью.

"Мы думали, что пресноводные насекомые могут направлять так много своей энергии на осморегуляцию в более соленых средах, что не могут расти или процветать", — говорит Бухвальтер. "Поэтому мы измерили скорость метаболизма ракообразных и насекомых в разбавленной и соленой среде, чтобы увидеть, схожи ли метаболические реакции на соленость".

Команда изучила три типа пресноводных животных — два вида гаммарид, или "бокоплавов" (мелких пресноводных ракообразных); одного пресноводного моллюска; и три вида водных насекомых.

В первом тесте они измерили метаболизм животных, поместив их в воду с разными концентрациями солевых ионов и изучив скорость потребления ими кислорода. Они наблюдали, что более разбавленные условия заставляли ракообразных и моллюска дышать интенсивнее, увеличивая их метаболизм, в то время как метаболические показатели насекомых оставались постоянными независимо от солености.

Затем команда проверила, связано ли увеличение скорости дыхания с транспортом конкретного иона. Радиоактивные изотопы ионов солей кальция и натрия позволили исследователям измерить, сколько и как быстро животные поглощают разные ионы.

Исследователи обнаружили, что кальций является ключевым фактором увеличения метаболизма у не-насекомых в условиях низкой солености. Другими словами, ракообразные и моллюск работали усерднее, чтобы транспортировать необходимые им ионы кальция в среде, где кальция было труднее найти.

Напротив, метаболические показатели насекомых оставались постоянными как в соленой, так и в разбавленной среде, даже несмотря на то, что у них была более высокая скорость транспорта ионов кальция в соленой среде. Насекомые, по-видимому, имеют очень низкую потребность в кальции; более того, предыдущие исследования показали, что избыток кальция потенциально токсичен для них.

Исследователи полагают, что объяснением может быть использование животными внутренней энергии, или активного транспорта, при перемещении солей.

"Когда мы видим увеличение метаболизма у не-насекомых в разбавленной среде, это может быть связано с тем, что им приходится усерднее работать, чтобы получить больше кальция", — говорит Бухвальтер. "И хотя это кажется нелогичным, верно обратное для насекомых, которые усерднее работают в более соленой среде для поддержания равновесия, хотя их скорость дыхания не увеличивается. Вместо этого они, по-видимому, используют ресурсы, которые в противном случае были бы посвящены росту и развитию, чтобы "отменить" чрезмерное поглощение ионов, когда среда становится солонее".

"Перемещение ионов солей имеет энергетическую стоимость для животного", — говорит Бухвальтер. "Поэтому для пресноводных насекомых идея о том, что организмы должны процветать в средах, близких к их внутренней солености, ошибочна. Кроме того, их низкая потребность в кальции может помочь им процветать в очень разбавленных средах, где насекомые обычно доминируют в экологии. В отличие от этого, низкое содержание кальция, по-видимому, является стрессовым для ракообразных и моллюска в этом исследовании. Удивительно, что виды, живущие в одних и тех же местообитаниях, могут иметь такие разные физиологии".

В будущей работе будет изучено, основаны ли эти физиологические различия на происхождении исследованных организмов или на использовании кальция в их экзоскелетах/раковинах.