Il riscaldamento climatico sta alterando i microbi intestinali degli animali, che sono fondamentali per la loro salute e sopravvivenza

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Sembra che ogni giorno gli scienziati riferiscano conseguenze più disastrose del cambiamento climatico su animali e piante in tutto il mondo. Gli uccelli che migrano nel corso dell'anno non riescono a trovare cibo a sufficienza. Le piante stanno fiorendo prima che i loro insetti impollinatori si schiudano. Le specie prede hanno meno resistenza per sfuggire ai predatori. In breve, i cambiamenti climatici che colpiscono un organismo possono innescare effetti a catena che possono disturbare la struttura e il funzionamento di interi ecosistemi.

Un componente della salute animale che riflette in gran parte l'ambiente circostante è il microbioma, il consorzio di microbi ora noto per aiutare nella digestione degli alimenti, regolare il sistema immunitario e proteggere dai patogeni. Le specie di batteri che compongono il microbioma vengono reclutate principalmente dall'ambiente. Pertanto, le reti alimentari e altre interazioni animali che influenzano i batteri ambientali hanno il potenziale per modellare i microbiomi degli animali.

Ma cosa succede quando il cambiamento climatico disturba l'ambiente, causando cambiamenti nei microbiomi degli animali che impediscono ai microbi di svolgere le funzioni chiave di cui gli animali hanno bisogno per sopravvivere e prosperare?

Sono un ecologista nel laboratorio di Gui Becker specializzato nella ricerca tropicale all'incrocio tra l'emergente malattia degli anfibi e il cambiamento climatico. Centinaia di anfibi nei tropici globali stanno affrontando pressioni crescenti a causa delle malattie e dei cambiamenti climatici. E ci sono prove crescenti che i fattori di stress ambientali stanno cambiando i microbiomi degli animali, contribuendo alle sfide che devono affrontare.

Costruire un ecosistema

In un recente esperimento progettato per capire come il microbioma dei girini è stato influenzato da altre specie animali nell'ambiente, i miei colleghi ed io abbiamo studiato comunità sane di batteri d'acqua dolce, crostacei e insetti provenienti da habitat delle zone umide nella Foresta Atlantica brasiliana. Ci siamo concentrati sulle loro attività di alimentazione, su come filtravano l'acqua per procurarsi il cibo e abbattevano il materiale vegetale morto.

È noto che queste attività di alimentazione sono essenziali per le funzioni dell'ecosistema come la decomposizione. Ma abbiamo scoperto che queste reti alimentari servivano anche a un altro scopo: stimolavano la crescita di specie batteriche "buone" nell'ambiente, come le specie che combattono i microbi patogeni.

Di conseguenza, i girini che condividevano l'ecosistema con questi microrganismi e invertebrati avevano microbiomi intestinali più sani. Ciò ha fornito una forte difesa contro i patogeni, rispetto ai girini che non condividevano il loro habitat con diverse reti di organismi.

Il nostro ultimo lavoro ha portato questa ricerca a un ulteriore passo avanti testando come un disturbo come il riscaldamento climatico potrebbe influenzare queste reti alimentari che aiutano a garantire la salute dei microbiomi vertebrati in natura.

Mappare le interazioni tra specie in diversi ecosistemi è difficile in condizioni di campo, dove l'ambiente è imprevedibile, e replicare gli esperimenti per confermare i risultati è difficile.

Per risolvere questo problema, abbiamo utilizzato piante della famiglia delle bromelie per funzionare come mini-ecosistemi in modo che i miei colleghi e io potessimo studiare gli effetti di un clima caldo sulle interazioni tra specie nelle condizioni più controllate di un laboratorio.

Le foglie a spirale delle piante di bromelia forniscono un mini-acquario per girini, invertebrati e microrganismi.
Sasha Greenspan, CC BY-SA

Le bromelie sono ideali per il lavoro sperimentale sulle interazioni comunitarie perché sono microcosmi naturali e le loro piccole dimensioni ci permettono di far crescere molte di esse in un piccolo spazio. I nostri siti di studio nelle foreste pluviali tropicali del Brasile supportano densità estremamente elevate di bromeliacee dal terreno alla volta, spesso simili a un paese delle meraviglie del Dr. Seussian.

Per ricreare ecosistemi naturali per il nostro esperimento, abbiamo piantato un giardino di 60 bromelie identiche all'aperto, all'ombra di una piccola foresta tropicale a San Paolo, in Brasile. Abbiamo quindi permesso alle bromelie di essere colonizzate naturalmente da invertebrati e microrganismi per tre mesi. Alcune delle piante sono state esposte alla temperatura ambiente, mentre altre sono state riscaldate fino a sei gradi sopra la temperatura ambiente – con un sistema di riscaldamento esterno personalizzato – per adeguarsi alle tendenze previste del cambiamento climatico globale.

Nelle vicinanze, abbiamo raccolto le nostre specie ospiti modello per l'esperimento: girini della specie di raganella Ololygon perpusilla che si riproducono solo nei mini-acquari creati dalle foglie delle bromelie.

Abbiamo quindi trasferito le bromelie dall'esterno nel laboratorio, aggiunto un girino alla minuscola pozza d'acqua al centro di ogni pianta e applicato lo stesso sistema di riscaldamento per simulare il riscaldamento. Dopo alcune settimane, abbiamo inventariato le specie batteriche negli intestini del girino, nonché le specie di batteri e invertebrati che vivono nelle bromelie.

Configurazione dell'esperimento con 60 bromelie e un sistema di riscaldamento personalizzato.
Gui Becker, CC BY-SA

Gli effetti domino del cambiamento climatico

In questo studio, pubblicato su Nature Climate Change, abbiamo scoperto che gli effetti del riscaldamento sulle reti di comunità ecologiche – inclusi batteri ambientali, vermi, larve di zanzara e altri invertebrati acquatici – hanno compromesso la flora intestinale del girino, portando a una crescita ridotta, che è un indicatore del fitness.

La salute dei microbiomi intestinali del girino era specificamente collegata ai cambiamenti nella comunità di batteri acquatici e invertebrati che vivevano accanto ai girini all'interno delle bromelie. Cioè, il riscaldamento ha sostenuto la crescita e la riproduzione di alcune specie di batteri e invertebrati e ne ha inibito altri, e questi cambiamenti ambientali hanno disturbato il microbioma intestinale del girino.

Le temperature più elevate hanno anche portato a uno sviluppo più rapido delle larve di zanzara che si nutrono di filtri. I nostri risultati suggeriscono che tassi più elevati di alimentazione tramite filtro hanno anche alterato la composizione delle specie di batteri nell'ambiente in modi che hanno ulteriormente disturbato il microbioma del girino.

In effetti, la crescita del girino – un indicatore della salute della specie – era più fortemente associata ai cambiamenti indotti dal riscaldamento nei loro microbiomi intestinali che agli effetti diretti del riscaldamento sulla crescita che ci si aspetta negli animali a sangue freddo come i girini o gli effetti del riscaldamento sulla crescita. le risorse alimentari algali dei girini.

Il nostro lavoro dimostra come il cambiamento climatico su scala globale possa avere un impatto anche sui più piccoli livelli di organizzazione biologica, compresi i batteri simbiotici che vivono nel tratto digestivo di una minuscola specie di rana.

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Osservare questi processi nel contesto di un'intera comunità ecologica aiuta ad ampliare la nostra prospettiva sulla salute del microbioma durante il cambiamento globale.

Gli studi che indagano gli effetti del riscaldamento sui microbiomi dei vertebrati si concentrano tipicamente sulle risposte dirette alla temperatura della flora ospite piuttosto che sulla posizione degli ospiti all'interno delle comunità complesse e intrecciate in cui vivono allo stato selvatico.

I nostri risultati supportano un crescente consenso tra gli scienziati sul fatto che, mentre si prevede che il riscaldamento climatico spinga alcuni animali oltre le loro soglie termiche, una conseguenza molto più onnipresente del riscaldamento è che può innescare un effetto domino ecologico, interrompendo le interazioni tra le specie di cui gli ecosistemi hanno bisogno per funzionare. propriamente.