Vilka organismer överlever och vilka dukar under när klimatet förändras? En liten larvfisk ger en överraskande inblick i hur hjärnan reagerar när temperaturen stiger.

"Det var ganska otroligt faktiskt. Hela hjärnan lyste upp", säger doktoranden Anna Andreassen.

Levande organismer, vare sig de är fiskar eller människor, tenderar att fungera mindre bra när temperaturen runt dem stiger. Detta är något som säkert många människor har upplevt en sommardag som är lite för varm. Men vad händer egentligen inuti kroppen när temperaturen blir obehagligt varm?

Forskare vid NTNU:s institution för biologi har kombinerat genteknik och neurofysiologiska metoder för att hitta svaret. Deras studie visas i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Vi ville titta på de mekanismer som begränsar organismers termiska tolerans. Vilka djur kommer att överleva när jordens temperatur ökar på grund av klimatförändringar, och varför? Vi valde att titta på hjärnan", säger Andreassen.

Klimatförändringar som orsakar värmeböljor

Värmeböljor som sveper över kontinenter blir allt vanligare, och djur som lever i vatten upplever temperaturer som stiger till dödliga nivåer. Att förstå vad som begränsar överlevnaden vid extremt höga temperaturer är avgörande för att kunna förutsäga hur organismer kommer att klara klimatförändringarna.

"Termisk tolerans är ett ämne som har forskats på i decennier, och tanken att temperatur påverkar hjärnans aktivitet är gammal. Nytt är att vi nu kan använda genteknik och neurofysiologi för att studera fenomenet", säger Andreassen.

Vid NTNU i Trondheim använde forskare nykläckta zebrafisklarver för att studera deras hjärnaktivitet samtidigt som de gradvis ökade temperaturen runt larvfisken.

"Dessa fiskar har modifierats genetiskt så att nervcellerna i hjärnan avger fluorescerande ljus när de är aktiva. Vi kan se detta ljus i mikroskop medan larverna simmar runt. Dessa larvfiskar har också fördelen att de är genomskinliga. Vi får titta direkt in i hjärnan på de levande larverna, säger Andreassen.

Förlorar förmågan att svara

På så sätt kan forskarna följa hjärnans aktivitet samtidigt som de gradvis ökar temperaturen i vattnet som fiskarna simmar i.

"Vi kan se hur larverna beter sig när det blir varmare. När det börjar bli extremt varmt tappar de balansen och börjar simma runt i cirklar med magen uppåt."

Forskarna petade fisklarverna för att kontrollera deras svar. De knuffade larvernas svansar, vilket normalt utlöser ett simsvar.

"Vid en viss temperatur slutade fiskarna att reagera på sticken. De levde fortfarande, men i ekologisk mening kunde de anses döda. I det tillståndet ute i naturen skulle de inte kunna simma bort från rovdjur eller hitta sin väg till kallare vatten, säger Andreassen, som tillägger att detta tillstånd bara är tillfälligt hos de små försöksfiskarna.

"De är i lika bra form så fort vi får dem i kallare vatten igen", säger Andreassen.

Värme stänger av hjärnan

Hittills har experimenten gått som forskarna förväntat sig. Genom att skina ljus framför fiskens ögon kunde de också kontrollera om hjärnan uppfattade synintryck. När temperaturen steg slutade hjärnan helt att svara på stimuli och var helt inaktiv. Men sedan, när de höjde temperaturen lite mer, hände något.

"Hela hjärnan lyste upp. Det närmaste jag kan komma att beskriva det vi såg var ett slags anfall", säger Andreassen.

Normalt ser man bara hjärnaktivitet i form av små ljusfläckar i definierade delar av hjärnan. Nu kunde de förvånade forskarna i mikroskop observera hur det fluorescerande ljuset spred sig inom några sekunder och täckte hela hjärnan på den lilla fisklarven.

"Vi vet att zebrafiskhjärnor har ganska mycket gemensamt med den mänskliga hjärnan - 70 % av det genetiska materialet är detsamma - och forskare har spekulerat i om det kan finnas ett samband mellan vad vi såg i dessa fisklarver och vad du ser i hjärnan på barn som har feber, säger Andreassen.

Därefter vill forskarna sätta en speciell typ av hjärnceller – gliaceller – under mikroskopet.

"Vad vi är glada över att undersöka här är gliacellernas aktivitet under uppvärmning. Dessa celler spelar en central roll i syretillförseln till hjärnan – de både kontrollerar syrenivån och reglerar blodflödet och därmed syretillförseln. Eftersom vi kan se att syrenivåer påverkar termisk tolerans, en hypotes är att hjärnan slutar fungera eftersom gliacellerna inte längre kan reglera syrenivån."

Skillnader främjar utvecklingen

För att ta en närmare titt på vad som hände började forskarna i Trondheim manipulera mängden syre i vattnet som fiskarna simmade i, samtidigt som temperaturen ökade.

"Till vår förvåning fann vi att syrenivån spelade en roll för att kontrollera den termiska toleransen. När vi tillsatte extra syre klarade larvfisken sig bättre vid höga temperaturer, hade högre hjärnaktivitet och återhämtade sig även snabbare från att ha utsatts för övre termiska gränser. jämfört med fisken med låg syrehalt.

Studier av andra arter har gett kontrasterande resultat när man testar effekten av syrekoncentration på termisk tolerans.

"Att vara 'okänslig' för fluktuationer i syrenivåer kan därför vara en evolutionär fördel när temperaturen på jorden stiger.

"Fynden visar att termisk tolerans är något som varierar mellan arter. Detta kan vara en egenskap som avgör om en art kan anpassa sig till klimatförändringar eller kommer att ge efter för stigande temperaturer. Många organismer lever i syrefattiga miljöer där temperaturer kan snabbt bli högre än normalt. De kommer att vara särskilt sårbara, säger Andreassen.

Hon ger som exempel organismer som lever i grunda sötvattensområden, i floder eller i tidvattenzonen.

"Det här är livsmiljöer där stora fluktuationer i syrenivån kan uppstå, ofta samtidigt med temperaturfluktuationer. I dessa livsmiljöer kommer fisk vars termiska tolerans begränsas av syrehalten sannolikt att kämpa mer än fiskar som inte påverkas av det. ."

"Djur som klarar av att upprätthålla nervfunktionen under låga syrenivåer kan vara de som tål höga temperaturer bäst", säger Andreassen. + Utforska vidare

Lider fiskar av syresvält?