Ein erhöhter Salzgehalt bedeutet normalerweise Probleme für Süßwasserinsekten wie Eintagsfliegen. Eine neue Studie der North Carolina State University kommt zu dem Schluss, dass das Fehlen metabolischer Reaktionen auf den Salzgehalt erklären könnte, warum einige Süßwasserinsekten bei höherem Salzgehalt häufig Probleme haben, während andere wirbellose Süßwassertiere (wie Weichtiere und Krebstiere) gut gedeihen. Der Salzgehalt bezieht sich in diesem Fall auf die Konzentrationen aller Salze in einer aquatischen Umgebung, nicht nur auf Natrium.
Die Arbeit erscheint in der Zeitschrift für Experimentelle Biologie.
„Süßwasserlebensräume im Allgemeinen werden aus verschiedenen Gründen immer salziger, darunter Streusalz und landwirtschaftliche Abwässer, die Förderung von Kohle und Erdgas, Dürre und der Anstieg des Meeresspiegels“, sagt David Buchwalter, Professor für Toxikologie an der NC State und korrespondierender Autor von die Forschung. „Süßwasserinsekten und andere Organismen, die in diesen Systemen leben, werden als Indikatoren für die Gesundheit des Ökosystems verwendet. Wenn diese Systeme salziger werden, sehen wir, dass die Insektenvielfalt abnimmt, aber wir sind uns nicht sicher, warum.“
Wassertiere (einschließlich Insekten und Krebstiere) müssen ständig das richtige Gleichgewicht von Wasser und Salzen in ihrem Körper aufrechterhalten – ein Prozess, der Osmoregulation genannt wird. Theoretisch wäre die günstigste Umgebung für Wassertiere eine Umgebung, in der der äußere Salzgehalt nahe am Salzgehalt im Inneren des Tieres liegt. Auf diese Weise muss das Tier nicht so hart arbeiten, um die Osmoregulation aufrechtzuerhalten.
Bei Süßwasserinsekten scheint jedoch das Gegenteil der Fall zu sein – ein höherer Salzgehalt geht bei Insekten immer mit einer erhöhten Ionenaufnahme einher, geht aber auch mit Entwicklungsverzögerungen oder dem Tod einher.
„Wir gingen davon aus, dass Süßwasserinsekten möglicherweise einen so großen Teil ihrer Energie auf die Osmoregulation in salzigeren Umgebungen verlagern, dass sie weder wachsen noch gedeihen können“, sagt Buchwalter. „Deshalb haben wir die Stoffwechselraten von Krebstieren und Insekten in verdünnten und salzhaltigen Umgebungen gemessen, um zu sehen, ob die Stoffwechselreaktionen auf den Salzgehalt ähnlich waren.“
Das Team untersuchte drei Arten von Süßwassertieren: zwei Arten von Gammariden oder „Scud“, einem kleinen Süßwasserkrebstier; eine Süßwasserschnecke; und drei Wasserinsektenarten.
Im ersten Test maßen sie den Stoffwechsel der Tiere, indem sie sie in Gewässer mit unterschiedlichen Salzionenkonzentrationen setzten und ihren Sauerstoffverbrauch beobachteten. Sie beobachteten, dass die Krebstiere und Schnecken bei stärkerer Verdünnung schwerer atmen konnten, was ihren Stoffwechsel steigerte, während die Stoffwechselraten der Insekten unabhängig vom Salzgehalt konstant blieben.
Als nächstes untersuchte das Team, ob ein Anstieg der Atemfrequenz mit dem Transport eines bestimmten Ions zusammenhängt. Mithilfe radioaktiver Isotope der Salzionen Kalzium und Natrium konnten die Forscher messen, wie viel und wie schnell die Tiere verschiedene Ionen aufnahmen.
Die Forscher fanden heraus, dass Kalzium der Hauptgrund für den erhöhten Stoffwechsel von Nicht-Insekten bei niedrigerem Salzgehalt war. Mit anderen Worten: Die Krebstiere und Schnecken arbeiteten härter, um die benötigten Kalziumionen in einer Umgebung zu transportieren, in der Kalzium schwerer zu finden war.
Im Gegensatz dazu blieben die Stoffwechselraten der Insekten sowohl in salzhaltiger als auch in verdünnter Umgebung konstant, obwohl sie in der salzhaltigen Umgebung eine höhere Calciumionentransportrate aufwiesen. Insekten scheinen einen sehr geringen Bedarf an Kalzium zu haben; Tatsächlich haben frühere Untersuchungen gezeigt, dass überschüssiges Kalzium potenziell toxisch für sie ist.
Die Forscher gehen davon aus, dass die Nutzung der inneren Energie der Tiere bzw. des aktiven Transports beim Transport der Salze die Erklärung sein könnte.
„Wenn wir sehen, dass der Stoffwechsel von Nicht-Insekten in verdünnter Umgebung zunimmt, könnte das daran liegen, dass sie härter arbeiten müssen, um mehr Kalzium aufzunehmen“, sagt Buchwalter. „Und obwohl es kontraintuitiv erscheint, gilt das Gegenteil für Insekten, die in einer salzhaltigeren Umgebung härter arbeiten, um das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, obwohl ihre Atmungsfrequenz nicht steigt. Stattdessen scheinen sie Ressourcen zu nutzen, die sonst für Wachstum und Wachstum aufgewendet würden.“ Entwicklung, um die übermäßige Ionenaufnahme rückgängig zu machen, wenn es salziger wird.“
„Die Bewegung von Salzionen kostet das Tier Energie“, sagt Buchwalter. „Für Süßwasserinsekten ist die Vorstellung, dass Organismen in Umgebungen gedeihen sollten, die ihrem inneren Salzgehalt nahekommen, falsch. Darüber hinaus kann ihr geringer Bedarf an Kalzium dazu beitragen, dass sie in sehr verdünnten Umgebungen gedeihen, in denen Insekten normalerweise die Ökologie dominieren. Im Gegensatz dazu niedrig.“ Kalzium scheint in dieser Studie eine Belastung für die Krebstiere und Schnecken zu sein. Es ist faszinierend, dass Arten, die in denselben Lebensräumen leben, so unterschiedliche Physiologien haben können.“
Zukünftige Arbeiten werden untersuchen, ob diese physiologischen Unterschiede auf der Abstammung der getesteten Organismen oder auf der Verwendung von Kalzium in ihren Exoskeletten/Schalen beruhen.
Mehr Informationen:
Jamie K. Cochran et al, Respirometrie zeigt große abstammungsbedingte Unterschiede in der Energie der Osmoregulation bei wirbellosen Wassertieren, Zeitschrift für Experimentelle Biologie (2023). DOI: 10.1242/jeb.246376