Hva skjer oppe i hodet når det blir for varmt?
Hvilke organismer vil overleve og hvilke vil bukke under når klimaet endrer seg? En liten fiskelarve har gitt overraskende innsyn i hvordan hjernen reagerer når temperaturen stiger.
– Det var ganske utrolig, egentlig. Hele hjernen lyste opp, sier doktorgradsstudent Anna Andreassen.
At levende organismer, det være seg fisk eller mennesker, har en tendens til å fungere dårligere ettersom temperaturen rundt dem stiger, er noe mange sikkert har opplevd en litt for varm sommerdag. Men nøyaktig hva er det som skjer inne i kroppen når temperaturen blir veldig høy?
Forskere ved Institutt for biologi ved NTNU har kombinert genteknologi og nevrofysiologiske metoder for å finne svaret.
Doktorgradsstudent Anna H. Andreassen, NTNU
– Det begynte med at vi ville se på hvilke mekanismer som begrenser organismers toleranse for temperatur. Hvilke dyr vil overleve når temperaturen på jorda øker på grunn av klimaendringene, og hvorfor? Vi valgte å se på hjernen, forteller Andreassen.
Klimaendringer gir hetebølger
Hetebølger som feier over kontinentene blir stadig vanligere, og dyr som lever i vann kan oppleve at temperaturen stiger til dødelige nivåer. Kunnskap om hva som begrenser overlevelse ved ekstremt høye temperaturer er dermed avgjørende for å kunne forutse hvordan organismene vil takle klimaendringer.
– Temperaturtoleranse er noe man har forsket på i mange tiår, og ideen om at temperatur påvirker hjerneaktiviteten er gammel. Det nye er at vi nå kan bruke genteknologi og nevrofysiologi for å studere fenomenet, sier Andreassen.
NTNU benytter sebrafisk til å studere hvordan hjerneceller reagerer på temperaturendringer. Vi er vant til å se den med striper i akvariene, men i forskningsprosjektet til Andreassen er den endret litt på, så den blir mer gjennomsiktig. Foto: Colourbox
Ved NTNU i Trondheim brukte de nyklekkede larver av sebrafisk for å studere hjerneaktiviteten mens de gradvis økte temperaturen rundt fiskelarvene.
– Disse fiskene er genmodifisert slik at nevronene i hjernen gir fra seg fluorescerende lys når de er aktive. Dette lyset kan vi se i mikroskop mens larvene svømmer rundt. I tillegg har disse fiskelarvene den fordelen at de er gjennomsiktige. Vi ser rett inn i hjernen på de levende larvene, sier Andreassen.
Mister evnen til å respondere
Slik kan de følge hjerneaktiviteten mens de gradvis øker temperaturen i vannet fisken svømmer rundt i.
– Vi kan se hvordan de oppfører seg mens det blir varmere. Når det begynner å bli svært varmt mister de balansen, de begynner å svømme rundt i sirkler, med buken opp.
For å sjekke responsen «poket» forskerne derfor de små fiskelarvene. De ga dem små dytt ved halen, som normalt utløser en svømmerespons.
Men så, da de økte temperaturen enda litt til, skjedde det noe.
– Ved en viss temperatur sluttet de å reagere på pokingen. De lever fortsatt, men i økologisk forstand kan de betraktes som døde. I en slik tilstand ute i naturen vil de ikke kunne svømme unna predatorer eller ta seg over til kaldere vann, sier Andreassen, som legger til at dette kun er en midlertidig tilstand hos de små forsøksfiskene.
– De er like fine igjen så snart vi får dem over i kjøligere vann.
Varme skrur av hjernen
Så langt gikk altså forsøkene slik forskerne hadde forventet. Ved å lyse foran øynene på fisken kunne de også sjekke om hjernen oppfattet synsinntrykk. Etter hvert som temperaturen steg sluttet hjernen helt å reagere på stimuli. Nå var hjernen helt inaktiv. Men så, da de økte temperaturen enda litt til, skjedde det noe.
– Hele hjernen lyste opp. Det nærmeste jeg kommer til å beskrive det vi så var et slags anfall, sier Andreassen.
Her ser vi hvordan lyset sprer seg i hjernen til en fem dager gammel larve – når den blir utsatt for varme. Foto: Petter Hall
Normalt vil man kun se hjerneaktivitet i form av små flekker av lys i avgrensede deler av hjernen. Nå kunne de forbløffede forskerne se i mikroskopet hvordan det fluorescerende lyset i løpet av noen sekunder spredte seg utover og dekket hele hjernen til den lille fiskelarven.
– Vi vet at hjernen til sebrafisk har ganske mye til felles med menneskehjernen – 70 prosent av genmaterialet er det samme – og det har vært spekulert på om det kan være sammenheng mellom det vi så hos disse fiskelarvene og det man ser i hjernen hos barn som har feberanfall, sier Andreassen.
Forskerne vil nå sette en spesiell type hjerneceller under lupen – gliacellene.
– Det som blir spennende her er å undersøke aktiviteten til gliaceller under oppvarming. Disse har en sentral rolle i oksygenforsyning til hjernen – de både sjekker oksygennivået og regulerer blodstrømmen og dermed oksygenforsyningen. Fordi vi ser at oksygennivå påvirker varmetoleranse er en hypotese at hjernen slutter å fungere fordi gliacellene ikke lenger klarer å regulere oksygennivået.
Ulikheter fremmer evolusjon
For å se nærmere på hva som skjedde begynte nemlig forskerne i Trondheim å manipulere oksygenmengden i vannet fisken svømte i, mens de økte temperaturen.
– Til vår overraskelse fant vi at oksygennivået var med og styrte temperaturtoleransen. Når vi tilførte ekstra oksygen klarte de seg bedre ved høye temperaturer, hadde høyere hjerneaktivitet og kom seg også fortere igjen etter å ha blitt utsatt for maksimumstemperaturer sammenlignet med de som hadde lite oksygen.
Studier av andre arter har gitt motsatt resultatet når man har testet effekten av oksygenkonsentrasjon på temperaturtoleranse.
Å være «ufølsom» for svingninger i oksygennivå kan dermed være en evolusjonsmessig fordel når temperaturen på jorda stiger.
– Det viser at dette er noe som varierer mellom artene. Dette kan dermed være egenskaper som er med og avgjør om en art klarer å tilpasse seg klimaendringer, eller om de vil bukke under ved økende temperaturer. Mange organismer lever i oksygenfattige miljøer der temperaturene fort kan bli høyere enn normalt. Disse vil da være spesielt sårbare, sier Andreassen.
Hun trekker fram organismer som lever i grunne ferskvannsområder, i elver eller i tidevannssonen i fjæra.
Fisk benyttes for å få svar på mange spørsmål i biologisk forskning. Avdelingsingeniør Eline Rypdal (t.h.) bistår blant annet med dyrehold. Foto: Ingebjørg Hestvik
– Dette er habitater hvor man kan få store svingninger i oksygennivået, ofte samtidig med temperatursvingninger. Der vil fisker som har temperaturtoleranse begrenset av oksygennivået kunne slite mer enn fisk som ikke påvirkes av dette.
Å være «ufølsom» for svingninger i oksygennivå kan dermed være en evolusjonsmessig fordel når temperaturen på jorda stiger.
– Dyr som klarer å opprettholde nervefunksjon under lave oksygennivå kan være de dyrene som tolererer høye temperaturer best, sier Andreassen.
Referanse:
Anna H. Andreassen, Petter Hall, Pouya Khatibzadeh, Fredrik Jutfelt, Florence Kermen, Brain dysfunction during warming is linked to oxygen limitation in larval zebrafish, PNAS, publisert 19. september 2022
https://doi.org/10.1073/pnas.2207052119
