Наша способность предсказывать, как виды будут реагировать на вызванные деятельностью человека быстрые изменения окружающей среды (HIREC), может зависеть от нашего понимания трансгенерационной пластичности (TGP). Она возникает, когда среда, в которой живут предыдущие поколения, влияет на фенотипы последующих поколений. TGP эволюционировала, чтобы помочь организмам справиться со стрессовыми факторами окружающей среды, когда родительская среда является высокопрогнозируемой средой обитания потомства. HIREC может изменить условия, благоприятствовавшие TGP в исторической среде, нарушая предыдущие взаимосвязи между родительской и детской средой и препятствуя передаче сигналов потомкам.
Пластичности поколений в контексте быстрого изменения окружающей среды
Человек оказывает глубокое воздействие на глобальное изобилие и распространение организмов, способствуя утрате и фрагментации среды обитания, привнося экзотические виды, увеличивая воздействия загрязнителей и изменение глобального климата. В то время как некоторые виды оказались успешными в условиях вызванных деятельностью человека быстрых экологических изменений, другие виды демонстрируют неадаптивные реакции, способствующие снижению и даже увеличению риска вымирания. Это может быть связано с тем, что организмы не способны эффективно обнаруживать новые среды или реагировать на них.
На сегодняшний день подавляющее большинство теоретических и эмпирических работ по реакциям на HIREC сосредоточено на пластичности в рамках поколений. Однако организмы могут также передавать экологическую информацию из поколения в поколение через пластичность, которая развивалась как еще один механизм, помогающий организмам справляться с изменяющейся средой.
Ожидается, что HIREC изменит исторические условия, в которых развивался TGP, изменив, насколько хорошо экологические сигналы указывают на условия окружающей среды, масштаб или скорость экологических колебаний во времени или пространстве. Изменения в передаче признаков от родителей к потомству могут повлиять на устойчивость видов в антропогенных
TGP возникает, когда окружающая среда, испытываемая одним поколением, влияет на поведенческие, физиологические, морфологические или жизненно-исторические черты будущих поколений, иногда таким образом. TGP может действовать в ответ на кратковременный или длительный опыт, который может возникнуть в любой момент жизни родителей. Также может действовать через такие механизмы, как эпигенетические метки в гаметах, микробиота, родительская опека, выбор родительской среды обитания или строительство ниш и передаваться детям на различных этапах развития.
TGP, вероятно, будет выгодно если:
- родители могут обнаруживать и определять текущие условия окружающей среды,
- в родительской среде точно предсказывать среду обитания детей,
- родители могут точно передавать информацию детям, чтобы она могла быть интегрирована в фенотипы детей.
Если HIREC создает условия, которые увеличивают пространственную изменчивость окружающей среды по сравнению с исторической, уменьшают временную автокорреляцию или создают условия, когда ранее надежные сигналы окружающей среды становятся ненадежными, существует высокий потенциал того, что TGP может привести к появлению у потомства вредных фенотипов.
Точно ли спрогнозирована родительская среда для детей?
Сильная временная автокорреляция между родительской и детской средой имеет решающее значение для выбора в пользу TGP в исторических условиях. Вероятность того, что родительская среда останется предсказуемой для потомства после HIREC, зависит от того, в какой степени экологическая автокорреляция, существовавшая до HIREC. Когда HIREC увеличивает или уменьшает среднее значение состояния окружающей среды по сравнению с историческими условиями, не влияя на автокорреляцию или изменчивость, родительская среда должна оставаться такой же предсказуемой для среды потомства, как и исторические условия.
Действительно, существует множество примеров того, как TGP генерирует кажущиеся адаптивными фенотипы потомства в ответ на средние изменения окружающей среды (например, снижение среднего pH океана и солености, вследствие увеличения притока пресной воды в многолетние водно-болотные угодья).
Если HIREC создает более изменчивые условия окружающей среды по сравнению с историческими условиями, то временная автокорреляция между родительской и детской средой может быть уменьшена. Если родители не обнаруживают этого изменения в автокорреляции, они могут передать информацию детям, которая больше не актуальна в измененной человеком среде. Однако неоднократное воздействие HIREC-индуцированных условий может позволить родителям изучить новые модели изменчивости окружающей среды. HIREC может также создавать более однородную среду как в пространстве, так и во времени, тем самым повышая прогностическую силу родительского опыта для потомства.
Может ли информация о родителях быть интегрирована в детские фенотипы?
Даже если родители успешно обнаружат и определят условия окружающей среды, вырабатываемые HIREC, на фенотипы потомства могут также влиять ограничения существующих механизмов TGP. Связанные с HIREC условия окружающей среды могут активировать существующие пути TGP, которые могли бы привести к ответным действиям, соответствующим историческим условиям, но не соответствующим HIREC. Например, организмы, эволюционировавшие в среду обитания хищников, могут иметь пути, по которым стресс от хищничества может воздействовать на циркулирующий кортизол, связывающийся с рецепторами в эпидидимисе и вызывающий выделение внеклеточных пузырьков, передающих мелкие РНК.
В некоторых случаях, активация родителями общего стрессового пути может повысить уровень физической подготовки детей, поскольку служит показателем плохого качества окружающей среды и вызывает признаки, которые могут улучшить физическую форму детей в целом ряде стрессовых ситуаций. Например, воздействие более высоких температур на матерей повышает переносимость токсичной макроалги в зоопланктоне для потомства. Таким образом, TGP может адаптироваться, если родительская и детская среда являются стрессовыми.
Время, когда родители сталкиваются с HIREC, может быть ключевым фактором, определяющим его влияние на потомство фенотипов. В частности, чувствительность родителей к условиям окружающей среды может меняться на протяжении всей их жизни, и различные механизмы TGP могут быть активированы на различных этапах жизни.