Miért fontos a rovarok színe, és hogyan hagy nyomot rajtuk a klímaváltozás?

A klímaváltozás megannyi hatását tapasztalhatjuk változó környezetünkben a földfelszíni és óceáni hőmérséklet emelkedésétől a jéggel borított területek zsugorodásán át egészen az extrém időjárási elemekig vagy akár a biodiverzitás csökkenéséig. Vajon az élőlények szintjén, például a rovarvilág területén is láthatunk változást a klímaváltozással összefüggésben?

A válasz igen. A rovarok színe szerepet játszik többek között az utánzásban, az álcázásban, a hőszabályozásban vagy a fajon belüli kommunikációban, ezzel az elmúlt évtizedekben már több tanulmány is részletesen foglalkozott. A melanin nevű pigment például a kórokozók és paraziták elleni immunológiai védelemben hangsúlyos.

Napjainkban egyre több vizsgálat mutatja ki, hogy a rovarok színe reagál a gyors klímaváltozásra, viszont továbbra is kihívást jelent a színváltozás mozgatórugóinak meghatározása a populációk és fajok között, mind térben és időben. „Az egyik fő nehézség az éghajlatváltozás többdimenziós jellegéből fakad” – emeli ki tanulmányában Susana Clusella-Trullas, a dél-afrikai Stellenbosch Egyetem botanika és zoológia professzora.

A környezeti tényezők összetett kölcsönhatásai

A jövőben a hőmérséklet, a napsugárzás, a csapadék, a hótakaró és a növényzetet érintő tűzesetek mind változni fognak, ami elfedheti a színváltozás fő mozgatórugóját. Számos hipotézis a rovarok színváltozását különböző éghajlati változókhoz köti, jelezve ezen változók szinergikus vagy kölcsönhatásban álló hatásait a rovarok színének adaptív válaszaira.

További bonyolultság adódik, ha figyelembe vesszük ezen éghajlattal kapcsolatos, valamint a színt befolyásoló számos más abiotikus (élettelen) és biotikus (élő) tényezőt, mint például a szennyezést, vegetációváltozást, kórokozókkal szembeni rezisztenciát; rejtőzködő, figyelmeztető és szexuális színezetet; valamint a társas interakciók közötti kölcsönhatásokat. Ez jelzi: a színváltozás több aspektusát is figyelembe kell venni a klímaváltozás, mint a színváltozás szelekciós tényezőjének értékelésekor.

A rovarok faj-, populáció- és ivarspecifikus testszíneket és mintázatokat mutathatnak, amelyek bizonyos életszakaszok között is változhatnak. Ezek a színek szerepet játszhatnak a fajok közötti kommunikációban (pl. riasztó vagy rejtő színezet, beleértve a mimikrit is), a hőszabályozásban és az UV-védelemben. Színük a külső váz alatt lerakódó pigmentekből, a külső váz felszíni struktúráiból vagy a kettő kombinációjából származik.

Pigmentek és szerkezeti színek világa

Ezek a pigmentek vagy prekurzoraik, azaz előanyagaik a külső váz felszíni sejtjeiben szintetizálódhatnak, vagy a táplálékból vonódhatnak ki (ilyenek például a karotinoidok). A rovarok színezetének kialakításában nyolc pigmentosztály vesz részt. Ezek közül a melaninok, ommokrómok és pteridinek a domináns pigmentek a szitakötőkben, míg a tetrapirrolok, karotinoidok, flavonoidok, papiliokrómok és kinonok a fő színadók a szöcskékben, levéltetvekben és lepkékben. A pigmentek a rovarok szerkezeti színeihez is hozzájárulhatnak. A szerkezeti színek a rovarok külső vázában található úgynevezett fotonikus kristályok által okozott fénytörés, interferencia (hullámtalálkozás) vagy diffrakció (fényelhajlás) eredményei.

A szerkezeti színek gyakoriak a molyoknál, bogaraknál és a lepkéknél, gondoljunk például a csillogó kék színű azúrlepkére (Morpho peleides). A pigmentáció és a szerkezeti színezet mellett egyes rovarok, mint például a szentjánosbogarak és ugróvillások a luciferáz enzim segítségével is bocsátanak ki „színt”, mely jelenséget biolumineszcenciának neveznek.

Hőszabályozás és melanizmus

A szín gyakran több funkcióval is társul egyszerre, és néha ellentmondásos módon. A Xanthagrion erythroneurum nevű szitakötőfaj például színváltozáson megy keresztül, röviddel a vedlést követően sárgáról vörösre alakul, ami az ivarérettséget jelzi, viszont ez növelheti a predációs kockázatot. Hasonlóképpen, egyes molyok hernyójának fekete testén található nagyobb, aposzematikus, azaz riasztó hatású narancssárga foltok hatékonyak a ragadozók elijesztésében, de kevésbé hatékonyak a hőszabályozásban.

Xanthagrion erythroneurum.

Forrás: iNaturalist / Reiner Richter (CC BY-NC-SA)

A külső vázról történő fényvisszaverődés hozzájárul a rovarok hőháztartásához. A sötétebb színezetű egyedek hideg körülmények között gyorsabban melegszenek fel és magasabb egyensúlyi hőmérsékletet érnek el, mint a világosabb, jobban fényvisszaverő példányok. A hőmérséklettel összefüggő melanizmus bizonyítékai megtalálhatók a rovarfajokon belül reverzibilis színváltozásként és fajok színváltozataiként. A hőmérséklettel összefüggő melanizmus azt sugallja, hogy a melegebb éghajlatnak a világosabb vagy nagyobb fényvisszaverő képességű egyedeket kellene „kiválasztania”, ami a sötétebb példányokhoz képest fokozott rátermettséget eredményezne ezen körülmények között.

Alkalmazkodási stratégiák és evolúciós válaszok

Az éghajlatváltozás és a rovarok színváltozása közötti kapcsolat azonban sokkal összetettebb, így a kérdés egyelőre nyitva marad, azaz hogy a szín miként változik az éghajlatváltozásra adott válaszként. Az új szelekciós nyomásnak kitett populációk három különböző módon reagálhatnak – átköltözhetnek egy megfelelőbb élőhelyre, vagy úgynevezett fenotipikus plaszticitás (környezeti változatosságra adott egyedfejlődési válasz), vagy populációgenetikai változás révén alkalmazkodhatnak a változó körülményekhez. Általában az új körülményekre adott plasztikus (változékony) válaszok gyorsabbak, mint az evolúciós válaszok.

Előfordul, hogy a populációk mindhárom lehetséges választ kombinálják az éghajlati változásra nézve. Sokan azt állítják, hogy a fent leírt fenotipikus plaszticitás nem képes hosszú távú megoldásokat kínálni a populációk számára. Ezért mikroevolúciós válaszokra van szükség ahhoz, hogy megbirkózzanak a hosszú távú, folyamatos környezeti változásokkal.

A páratartalom szerepe a színváltozásban

Fontos kiemelni, hogy az új éghajlati viszonyokhoz való alkalmazkodás növelheti a túlélési esélyeket, de a szaporodás tekintetében fitneszköltségekkel is járhat. Viszont nemcsak a hőmérséklet, hanem a páratartalom változása is kiválthatja a rovarok színváltozását, akár ugyanazon az egyeden belül is.

Erre jó példa a közönséges fémlepke (Adscita statices), mely alkonyatkor és hajnalban a páratartalom függvényében változtatja színét. A páratartalom módosítja a fénytörést, a moly színét vörösről zöldre változtatja. Ezenkívül a hím herkulesbogarak (Dynastes hercules) a szárnyfedők színét feketéről (éjszaka) sárgára (reggel) változtatják, ami a páratartalom magasról alacsonyra való eltolódásának függvénye.

Adscita statices.

Forrás: Márton Júlia Dalma / Önök küldték

Ellentmondásos bizonyítékok vannak arra vonatkozóan, hogy a rovarok melanintermelése a páratartalom csökkenésével fokozódik-e, ezáltal csökkentve a külső vázban a vízveszteséget és növelve a kiszáradással szembeni ellenállást – ez a melanizmus-kiszáradás hipotézise. Lehetséges, hogy más fiziológiai mechanizmusok is felelősek a rovarok szárazságtűréséért.

„Ahogy az várható volt, az élőlények környezeti változásokra adott válasza összetett, nagymértékben kontextusfüggő, és mind fizikai, mind biológiai környezetük alakítja.” – összegzi Tangigul Haque, a tanulmány vezető szerzője. A rovarok változó éghajlatra való reagálási képességének megértése fontos a populációk és fajok kihalási kockázatának becsléséhez, azonban ez még egy generációkon átívelő adatgyűjtés után sem mindig vezet sikerre.

Földrajzi mintázatok és ellentmondások

Egy, az Egyesült Államokban végzett hosszú távú (1953–2012) kutatás a Colias meadii nevű kéneslepkékről kimutatta, hogy a szárnyak melanizmusa a hőmérséklet emelkedésével csökkent. Ez a minta azonban nem igaz mindenhol. Ugyanezen faj esetében, ugyanebben az időszakban, Észak-Kanadában a melanizmus a hőmérséklet emelkedésével csökkent, míg az USA déli részén a hőmérséklet emelkedésével nőtt.

Nehéz megmagyarázni azokat a mechanizmusokat, amelyek ezeket a látszólag eltérő mintázatokat mozgatják, erre a mai napig nem találtak egységes magyarázatot. Az európai szitakötők egyedeinek színe például világosabb a melegebb régiókban, a kétpettyes katicabogarak (Adalia bipunctata) és a levélbogarak (Chrysomela lapponica nevű faj) melanisztikus alakjainak száma az elmúlt 25 évben a tavaszi hőmérséklet emelkedésével csökkent. Ez a sötétebb egyedek hőszabályzási előnyeinek elvesztésének tudható be a melegebb tavaszi időszakokban.

Ezzel szemben a melanisztikus botsáskák (Timema cristinae nevű faj) gyakorisága a melegebb években megnőtt, mivel a sötétebb példányok rejtőzködési előnyt élveznek a száraz és barnás növényeken a melegebb években. A szélességi és/vagy tengerszint feletti magasság szerinti fenotípusos különbségeket gyakran használják annak előrejelzésére, hogy az élőlények hogyan reagálhatnak az éghajlatváltozásra.

Adalia bipunctata.

Forrás: iNaturalist / Alexis Tinker-Tsavalas (CC BY)

A tengerszint feletti magasság számos rovarfajnál összefügg a színmintázat változatosságával, ahol a sötétebb, melanisztikus egyedek gyakorisága a tengerszint feletti magassággal növekszik (például az Oreina sulcata levélbogárfaj esetén). A különböző szélességi körökön belüli eloszlás a rovarok színváltozásával is összefüggésben állhat.

Egy, az Egyesült Államokban és Kanadában 650 000 km²-es területen, pompás királylepkéken (Danaus plexippus) végzett kutatás viszonylag kevesebb pigmentációt mutatott ki alacsonyabb szélességi fokon vagy melegebb élőhelyeken, mint a magasabb szélességi fokon vagy hidegebb élőhelyeken talált egyedeknél. Ezzel szemben egyes rovarok általában sötétebbek hidegebb éghajlaton és világosabbak melegebb éghajlaton.

Szexuális szelekció és klímaváltozás

„A fent leírt megfigyelt ellentmondások némelyike azt tükrözheti, hogy az élőhelyek és az éghajlati változók összefonódnak és összetettek, így kontrollált kísérletekre van szükség a hőmérséklet színre gyakorolt hatásának izolálásához” – elemzi a kapott adatokat Tangigul Haque, a Sydney-i Egyetem kutatója. De nem feledkezhetünk el a szexuális szelekcióról sem, hiszen fontos erő, amely a pre- és posztkopulációs, azaz a párzás előtti és utáni tulajdonságok evolúcióját hajtja, és végső soron felgyorsíthatja a fajképződést.

A színek szexuális kontextusban többnyire vizuális jelzésekkel társulnak, amelyek megkönnyíthetik a párfelismerést és a pár vagy a versenytárs minőségének közlését. Az intraszexuális szelekció során az egyik nemű egyedek (általában, de nem kizárólag hímek) versengenek azonos nemű egyedekkel a párokhoz való hozzáférésért. Interszexuális szelekció pedig akkor történik, amikor az egyik nem tagjai fizikai megjelenésük vagy tulajdonságaik alapján választanak párt az ellenkező nemből.

Számos példa létezik arra, hogy a nőstények elsősorban eltúlzott tulajdonságokkal rendelkező hímeket választanak, például feltűnő színt vagy bonyolult díszítést részesítenek előnyben. „Mindkét szexuális szelekciós mód esetében az éghajlat által vezérelt színváltozás ronthatja a jelzési és aktivitási mintákat, az udvarlási megnyilvánulásokat és végső soron a reprodukciós alkalmasságot” – tárja fel a kutató a klímaváltozás rovarokra gyakorolt hatásának újabb részletét.

Kevésbé nyilvánvaló a szexuális színjelek és a hőszabályozás kölcsönhatása. Bár a sötétebb színeket gyakran előnyben részesíti a szexuális szelekció, ezek több napsugárzást is elnyelnek, és növelik a testhőmérsékletet. A magasabb testhőmérséklet előnyös lehet, ha lehetővé teszi az egyedek számára, hogy aktívan keressenek párt. A sötétebb hím ivarú lepkék például gyorsabban felmelegszenek, és nagyobb valószínűséggel keresik a nőstényeket, mint a világosabb színezetű hímek.

Chrysomela lapponica.

Forrás: iNaturalist / Lola Smirnova (CC BY-NC)

Feltehetően a szexuális szelekció által vezérelt fokozott melanintermelés káros lehet melegebb vagy forróbb éghajlaton, azonban nem található olyan kutatás, amely megerősítené ezt az előrejelzést. A klímaváltozás hatással lehet az életciklusbeli tulajdonságokra és a szaporodási rendszerekre, amelyek később befolyásolják a szexuális szelekció erősségét vagy irányát.

Egy nemrégiben készült kvantitatív genetikai modell kimutatta, hogy a szexuális szelekció erőssége csökkenhet a gyors klímaváltozás miatt, amely csökkenti a szexuális szelekció előnyeit az új környezeti feltételekhez való alkalmazkodás túlélési előnyeihez képest. A hőmérséklet például meghatározhatja a szexuális szelekció eredményét a reprodukciós viselkedés többek között a párkeresés, a hím-nőstény és a hím-hím interakciók megváltoztatásával.

Kutatási irányok és jövőbeli lehetőségek

Nagy lehetőségek rejlenek a fenotipikus plaszticitást leginkább kimutató rövid távú és a több generáción átívelő hosszú távú, a mikroevolúciós hatásokat rögzítő kísérletekben, hogy holisztikusabb képet kapjunk arról, miként befolyásolhatja a klímaváltozás a rovarfajok populációit. Számos fejlett technika, például a színek értékelésére szolgáló digitális fényképek és a számítógéppel segített képelemző szoftverek elérhetősége lehetővé teszi olyan múzeumi példányok felhasználását is, amelyek túl törékenyek lehetnek a hagyományos spektrofotometriához.

A múzeumi példányok felhasználása további lehetőséget kínál a rovarok színváltozásának időbeli trendjének megértésére a változó éghajlattal kapcsolatban. Továbbá a genomika, a bioinformatika és a genetika fejlődése szintén szélesíti a klímaváltozás okozta színváltozás genetikai mechanizmusának megértésének hatókörét. A globális klímaváltozás rovarok színére gyakorolt hatása pedig befolyásolhatja a fiziológiai funkciókat, a fajokon belüli és fajok közötti kommunikációt, valamint a szexuális szelekciót, amelyek mind hozzájárulhatnak a rovarfajok és egyedszámainak globális csökkenéséhez.

„Úgy véljük, hogy a globális klímaváltozás rovarok tulajdonságaira gyakorolt hatásának nyomon követése segíteni fogja a biológiai sokféleség kezelését és a környezeti fenntarthatóságot” – zárja a nemrégiben megjelent tanulmányát a kutató. Tehát már közel sem az a kérdés, hogy hat-e a klímaváltozás a rovarokra és azok színére, hanem az, hogy ezen folyamat milyen mechanizmusok által történik, valamint milyen módon fordíthatjuk az általa megszerzett ismeretanyagot a rovarvilág, végső soron a bolygó élővilágának javára.