Ornitologové zahřáli snovače červenozobé na 48 stupňů Celsia
Netopýři, u kterých se během hibernace vyvinula „nemoc bílého nosu“. Foto: Nancy Heaslip, NY Dept. z okolí. Zachování.
Tělesná teplota u různých zvířat. Červená ukazuje normální limity, žlutá ukazuje smrtelnou teplotu.
Člověk a všichni savci, všichni ptáci jsou teplokrevné organismy, ale naprostá většina druhů (například všichni bezobratlí, všechny rostliny) předpokládá stejnou teplotu jako okolní teplota. Co přimělo některé skupiny zvířat přejít na samozahřívání?
Samozřejmě, že u studenokrevných organismů při ochlazení všechny životní procesy zamrznou, ale u teplokrevných organismů aktivně pokračují. Ale taková výhoda něco stojí. Spotřeba energie je velmi vysoká. Člověk je proto nucen jíst téměř 50x častěji než například stejně váhavá krajta a přijme 30x více kalorií než tento velký had. Proč mnoho zvířat stále chodí na takové náklady?
Podle amerického biologa Artura Casadevally jsou na vině nižší, mikroskopické houby. S těmito organismy se téměř vůbec nesetkáváme, kromě těch nepříjemných, ale dosti častých případů, kdy houba ohrožuje naše nehty nebo vlasy, tvoří černé skvrny na stěnách koupelny nebo kazí uskladněné potraviny. Ale mnoho studenokrevných zvířat je nuceno bojovat s houbami. Tisíce patogenních druhů hub osidlují rostliny, obojživelníky a plazy. Mnohé z nich jsou schopny zabíjet hmyz. Ale jen velmi málo lidí se přizpůsobilo životu na lidech. Některé mohou ublížit lidem s oslabeným imunitním systémem. Savci a ptáci nejsou chráněni před houbami o nic hůře než lidé. Odhaduje se, že na světě existuje asi jeden a půl milionu druhů nižších hub, ale na savcích jich může žít necelých 500, přičemž jde většinou o neškodné druhy. Houbová onemocnění ptáků jsou známá, ale je jich také málo. Casadevall navrhl, že většina hub není schopna tolerovat vysoké teploty. Tělesná teplota charakteristická pro zdravého člověka je asi 37 stupňů Celsia (měřeno v podpaží a více v tělesných dutinách nebo v tloušťce orgánů), což je vyšší než průměrná roční teplota jakékoli oblasti na Zemi, včetně Sahary. a jihoamerických tropech.
Ve spolupráci s Centrem pro biologickou rozmanitost hub v Utrechtu v Holandsku studoval Arturo Casadevall teplotní preference 4082 30 druhů nižších hub. Ukázalo se, že většina z nich se dobře reprodukuje při teplotách nepřesahujících 37 stupňů. Méně než třetina je schopna přežít teploty nad 41 stupňů a pouze pět procent roste při 37,7 stupních (normální teplota mnoha ptáků). Jinými slovy, tělesná teplota většiny ptáků a savců je poněkud vyšší, než je limit tolerovaný pro většinu hub. Casadevall se pokusil spočítat pomocí počítačového modelu na základě energetických nákladů na ohřev těla a teplotních požadavků škodlivých plísní, jaká by byla optimální teplota zvířete, která by s minimálními náklady chránila před většinou houbových chorob. Ukázalo se, že je to XNUMX stupně Celsia – blízko normální lidské teploty.
A co je obzvláště zajímavé, je, že těch několik savců, jejichž teplota je neustále nebo občas pod touto hranicí, je obzvláště náchylných k houbovým chorobám. Například ptakopysk, který si udržuje teplotu jen 32 stupňů, často trpí plísněmi. V poslední době byly populace netopýrů v Severní Americe vážně postiženy epidemií onemocnění bílého nosu. Na obličeji netopýra, který upadl do zimní pozastavené animace, a proto výrazně snížil svou teplotu, se vytváří hustý bílý povlak houby Geomyces destructans, která nesnáší teploty nad 20 stupňů. Úmrtnost dosahuje 95 procent, způsoby léčby ani prevence zatím nejsou známy.
Casadevallova hypotéza nezavrhuje zavedenou myšlenku, že teplokrevnost osvobozuje zvířata od rozmarů klimatu a denních teplotních výkyvů a zvyšuje účinnost biochemických reakcí. Z toho ale plynou důležité praktické úvahy. Globální oteplování povede ke zvýšení průměrných teplot v některých regionech až téměř na teplotu lidského těla do roku 2100. Za těchto podmínek prostředí se patogenní houby mohly vyvinout, aby se zvýšila jejich tolerance vůči teplu. A na člověka mohou zaútočit nová houbová onemocnění.
Snovači rudozobí, malí pěvci pocházející z Afriky, dokázali bez újmy přežít dočasné zvýšení tělesné teploty na 48 stupňů. To je rekordně vysoké a je asi dva stupně nad horní hranicí teplotní tolerance pro velkou většinu ptáků a savců. Podle ornitologů je „superschopnost“ snovačů spojena s životem v obrovských hejnech, která jen občas navštíví napajedlo: aby šetřili vodou, ptáci musí snížit své výdaje na chlazení těla. Výsledky studie byly zveřejněny v článku Vědecké zprávy.
Tělesná teplota nad 45-47 stupňů Celsia je pro většinu obratlovců smrtelná. Narušuje zásobování těla kyslíkem a vede k degradaci velkých biologických molekul. Jen několik ještěrek je schopno odolat tělesné teplotě do 51 stupňů Celsia, zatímco u ptáků a savců horní hranice zřídka překročí 46 stupňů.
Tým výzkumníků pod vedením Andrewa McKechnieho z University of Pretoria se rozhodl vyhodnotit teplotní toleranci snovačů červenozobých (Quelea quelea). Tito malí pěvci, distribuovaní po celé tropické Africe, jsou považováni za nejpočetnější volně žijící ptáky na světě: celkový počet zástupců tohoto druhu je asi jeden a půl miliardy jedinců.
Snovači červenozobí často cestují v milionových hejnech. To poskytuje ochranu před predátory, ale vede k dalším potížím. Například hejno jde k vodě až poté, co se dostatečně velká část ptáků potýká s nedostatkem tekutin. To znamená, že mnoho jedinců čeká dlouho na příležitost uhasit žízeň.
Ornitologové naznačují, že v takové situaci tkalci dočasně sníží spotřebu tekutin, včetně chlazení těla. To snižuje riziko dehydratace, ale vede ke zvýšení tělesné teploty. Je-li tato myšlenka správná, pak mohou snovači červenozobí pociťovat velmi vysoké tělesné teploty.
Aby vědci tuto hypotézu ověřili, odchytili dvacet snovačů rudozobých a provedli s nimi řadu experimentů. Ptáci byli umístěni do jednotlivých plastových komor o objemu asi tři litry, do kterých byl přiváděn atmosférický vzduch očištěný od vodní páry. Teplota v nich byla nastavena na 28 stupňů Celsia a poté se postupně zvyšovala v krocích po čtyřech stupních. Po dosažení hranice čtyřiceti stupňů se každý krok rovnal dvěma stupňům. Maximální teplota vzduchu v experimentu byla 52 stupňů Celsia.
Na každém kroku strávili tkalci minimálně deset minut. Během této doby se vědcům podařilo změřit jejich tělesnou teplotu pomocí implantovaného transpondéru, stejně jako ztrátu vody odpařováním a objem vydechovaného oxidu uhličitého. Pokud ornitologové viděli, že pták vykazuje známky přehřátí, byl okamžitě vyjmut z komory, břišní peří bylo otřeno alkoholem (aby se zchladilo) a umístěno do klece s přístupem k vodě a potravě. Po dokončení studie byli všichni snovači vypuštěni na stejném místě, kde byli odchyceni.
Na začátku experimentu byla průměrná tělesná teplota snovačů červenozobých 40,9 stupňů Celsia, což odpovídá hodnotám typickým pro většinu malých pěvců. Po zahřátí vzduchu na 38 stupňů se tělesná teplota pokusných ptáků začala zvyšovat, v průměru o půl stupně, když se okolní teplota zvýšila o jeden stupeň.
Při teplotě vzduchu 51 stupňů Celsia se ptáci ohřáli v průměru na 48 stupňů. U některých jedinců byla tělesná teplota i vyšší – 49 stupňů. To je 2-3 stupně nad tolerančními limity velké většiny ptáků a savců. Potvrdila se tak hypotéza, že snovači červenozobí snesou extrémní teploty bez újmy na zdraví. Tito ptáci se mohou spoléhat na rozsáhlou produkci proteinů tepelného šoku a také na rozsáhlý cévní systém v očích, aby ochlazoval mozek. Schopnost tkalců ochlazovat se v důsledku odpařování se přitom ukázala jako celkem skromná.
Zajímavé je, že jiné druhy malých pěvců, kteří žijí v horkém a suchém prostředí, nejsou přizpůsobeny tak vysokým tělesným teplotám. Podle autorů to ukazuje, že adaptace na extrémní zahřívání, jako je velkovýroba proteinů tepelného šoku, jsou energeticky příliš nákladné. Prospěšné jsou pravděpodobně pouze pro ptáky, kteří tvoří velká hejna. Aby tento předpoklad ověřili, odborníci hodlají studovat další druhy ze suchých oblastí – například andulky (Melopsittacus undulatus). A snovači rudozobí budou vynikajícím modelovým organismem, který pomůže studovat mechanismy a limity teplotní tolerance u obratlovců.
Bohužel ne všechny živé organismy tak snášejí vysoké teploty. Například rybí embrya, stejně jako ryby ve fázi tření, jsou velmi zranitelné vůči nadměrnému teplu. Pokud bude globální oteplování pokračovat současným tempem, do roku 2100 by asi 60 procent druhů mořských a sladkovodních ryb mohlo čelit teplotám prostředí, které jim znemožní množení, předpovídají vědci.