Welke organismen overleven en welke bezwijken als het klimaat verandert? Een kleine larvale vis geeft verrassend inzicht in hoe de hersenen reageren als de temperatuur stijgt.

"Het was eigenlijk ongelooflijk. Het hele brein lichtte op", zegt promovendus Anna Andreassen.

Levende organismen, of het nu vissen of mensen zijn, hebben de neiging om minder goed te functioneren naarmate de temperatuur om hen heen stijgt. Dit is iets dat veel mensen waarschijnlijk hebben meegemaakt op een zomerse dag die iets te warm is. Maar wat gebeurt er precies in het lichaam als de temperatuur onaangenaam warm wordt?

Onderzoekers van de afdeling Biologie van NTNU hebben genetische technologie en neurofysiologische methoden gecombineerd om het antwoord te vinden. Hun studie verschijnt in de Proceedings of the National Academy of Sciences .

"We wilden kijken naar de mechanismen die de thermische tolerantie van organismen beperken. Welke dieren zullen overleven als de temperatuur op aarde stijgt als gevolg van klimaatverandering, en waarom? We kozen ervoor om naar de hersenen te kijken", zegt Andreassen.

Klimaatverandering veroorzaakt hittegolven

Hittegolven die over continenten razen komen steeds vaker voor, en dieren die in water leven, ervaren temperaturen die tot dodelijke niveaus stijgen. Begrijpen wat de overleving bij extreem hoge temperaturen beperkt, is cruciaal om te kunnen voorspellen hoe organismen zullen omgaan met klimaatverandering.

"Thermische tolerantie is een onderwerp dat al tientallen jaren wordt onderzocht, en het idee dat temperatuur de hersenactiviteit beïnvloedt, is een oud idee. Nieuw is dat we nu genetische technologie en neurofysiologie kunnen gebruiken om het fenomeen te bestuderen", zegt Andreassen.

Bij NTNU in Trondheim gebruikten onderzoekers pas uitgekomen zebravislarven om hun hersenactiviteit te bestuderen, terwijl ze de temperatuur rond de larvale vis geleidelijk verhoogden.

"Deze vissen zijn genetisch gemodificeerd, zodat de neuronen in de hersenen fluorescerend licht afgeven als ze actief zijn. We kunnen dit licht onder een microscoop zien terwijl de larven rondzwemmen. Deze larvale vissen hebben ook het voordeel dat ze transparant zijn We kunnen rechtstreeks in de hersenen van de levende larven kijken", zegt Andreassen.

Verlies het vermogen om te reageren

Op deze manier kunnen de onderzoekers de hersenactiviteit volgen en tegelijkertijd de temperatuur van het water waarin de vissen zwemmen geleidelijk verhogen.

"We kunnen zien hoe de larven zich gedragen als het warmer wordt. Als het extreem warm begint te worden, verliezen ze hun evenwicht en beginnen ze rondjes te zwemmen, met hun buik omhoog."

De onderzoekers prikten in de vislarven om hun reactie te controleren. Ze duwden tegen de staarten van de larven, wat normaal gesproken een zwemreactie veroorzaakt.

"Bij een bepaalde temperatuur reageerden de vissen niet meer op de porren. Ze leefden nog, maar in ecologische zin zouden ze als dood kunnen worden beschouwd. In die toestand in de natuur zouden ze niet in staat zijn weg te zwemmen van roofdieren of hun weg naar kouder water", zegt Andreassen, die eraan toevoegt dat deze toestand slechts tijdelijk is bij de kleine experimentele vissen.

"Ze zijn net zo goed in vorm zodra we ze weer in koeler water krijgen", zegt Andreassen.

Hitte schakelt de hersenen uit

Tot dusver waren de experimenten verlopen zoals de onderzoekers hadden verwacht. Door licht voor de ogen van de vissen te laten schijnen, konden ze ook controleren of de hersenen visuele indrukken waarnamen. Toen de temperatuur steeg, reageerden de hersenen volledig niet meer op prikkels en waren ze volledig inactief. Maar toen ze de temperatuur wat hoger zetten, gebeurde er iets.

"Het hele brein lichtte op. Het dichtst dat ik kan komen om te beschrijven wat we zagen, was een soort aanval", zegt Andreassen.

Normaal gesproken zie je hersenactiviteit alleen in de vorm van kleine lichtvlekjes in afgebakende delen van de hersenen. Nu konden de verbaasde onderzoekers onder de microscoop waarnemen hoe het fluorescerende licht zich binnen enkele seconden verspreidde en de hele hersenen van de kleine vislarve bedekte.

"We weten dat de hersenen van zebravissen veel gemeen hebben met het menselijk brein - 70% van het genetische materiaal is hetzelfde - en onderzoekers hebben gespeculeerd of er een verband zou kunnen zijn tussen wat we in deze vislarven zagen en wat je ziet in de hersenen van kinderen die koorts hebben", zegt Andreassen.

Vervolgens willen de onderzoekers een speciaal type hersencellen, gliacellen, onder de loep nemen.

"Wat we hier graag willen onderzoeken, is de activiteit van gliacellen tijdens verwarming. Deze cellen spelen een centrale rol in de zuurstoftoevoer naar de hersenen - ze controleren allebei het zuurstofniveau en reguleren de bloedstroom en daarmee de zuurstoftoevoer. Omdat we kan zien dat zuurstofniveaus de thermische tolerantie beïnvloeden, een hypothese is dat de hersenen stoppen met werken omdat de gliacellen niet langer in staat zijn om het zuurstofniveau te reguleren."

Verschillen bevorderen de evolutie

Om beter te kunnen bekijken wat er gebeurde, begonnen de onderzoekers in Trondheim de hoeveelheid zuurstof in het water waarin de vissen zwommen te manipuleren, terwijl ze de temperatuur verhoogden.

"Tot onze verbazing ontdekten we dat het zuurstofgehalte een rol speelde bij het beheersen van de thermische tolerantie. Toen we extra zuurstof toevoegden, deden de larvale vissen het beter bij hoge temperaturen, hadden ze een hogere hersenactiviteit en herstelden ze ook sneller van blootstelling aan bovenste thermische limieten vergeleken met vissen met weinig zuurstof.

Studies van andere soorten hebben contrasterende resultaten opgeleverd bij het testen van het effect van zuurstofconcentratie op thermische tolerantie.

"Ongevoelig zijn voor fluctuaties in zuurstofniveaus zou dus een evolutionair voordeel kunnen zijn als de temperatuur op aarde stijgt.

"De bevindingen laten zien dat thermische tolerantie iets is dat varieert tussen soorten. Dit kan een kenmerk zijn dat bepaalt of een soort in staat is zich aan te passen aan klimaatverandering of zal bezwijken voor stijgende temperaturen. Veel organismen leven in zuurstofarme omgevingen waar temperaturen kunnen snel hoger worden dan normaal. Ze zullen bijzonder kwetsbaar zijn", zegt Andreassen.

Ze geeft als voorbeeld organismen die leven in ondiepe zoetwatergebieden, in rivieren of in het intergetijdengebied.

"Dit zijn habitats waar grote schommelingen in het zuurstofgehalte kunnen optreden, vaak tegelijk met temperatuurschommelingen. In deze habitats hebben vissen waarvan de thermische tolerantie wordt beperkt door het zuurstofniveau waarschijnlijk meer moeite dan vissen die er niet door worden beïnvloed ."

"Dieren die erin slagen om de zenuwfunctie te behouden onder lage zuurstofniveaus, zijn misschien degenen die hoge temperaturen het beste kunnen verdragen", zegt Andreassen. + Verder verkennen

Lijden vissen aan zuurstofgebrek?