science

Who dominated ice-free oases of Antarctica? (Kto zdominował suche doliny na Antarktydzie?)

Obraz1

Can you imagine an area that is dominated by a single group of animals? A strange world without birds, roes, insects, vines, or even earthworms? The better we know our planet, the more it astonishes us. I have been recently surprised by areas where there are no vascular plants, no vertebrates, and soils are dominated by one group of animals exclusively.

American scientists have been researching the McMurdo Valleys located close to Ross Ice Shelf in the west Antarctica since 1994. As a part of long-term ecological research network (the so-called LTER) this peculiar place is being constantly monitored. The material from the valleys is collected on a yearly basis. Why is the area so special and worth investing in it? First of all, the McMurdo Valleys constitute about 2% of the ice-free areas of Antarctica. Due to that, their monitoring is important to understand both the functioning of terrestrial ecosystems on the coldest continent, and the response of these places to the changing climate. There is more to it, however. The McMurdo Valleys are one of the driest and coldest deserts in the world. Paradoxically, the valleys are surrounded by water but in a solid state (ice). The delivery of water to the valleys floor is associated with short pulses of this life-giving liquid from the melting surface of glaciers during a short summer. There is no rain there, snow actually evaporates faster than it melts (a process known as sublimation), and even during summer the temperatures can range from several degrees below, to several degrees above zero in just a few hours. Last but not least, we should not forget about dry sand transported across the valleys by the strong wind. Sounds like another planet? Perhaps, but it is a place on Earth.

At first glance, the area seems to be unfriendly to other organisms except for ubiquitous bacteria. But don’t get deceived by appearances. In dry soils one may expect to find the representatives of nematodes which have perfectly adapted to the conditions. For years, the Dry Valleys have been „governed” by three species of nematodes feeding on bacteria or themselves. This simple system from a producer (cyanobacteria) to a consumer (nematode) makes an excellent site for studying the impact of soil parameters on the occurrence and biomass of animals or other ecological relations such as competition. The representatives of nematodes on Earth amount to tens of thousands of species, so even three for such a large area (ca. 2% of ice-free lands in Antarctica) are virtually nothing. The results of my latest study published in Polar Research in cooperation with scientists from New Zealand (professors David Wharton & Craig Marshal) and the Czech Republic (professor Karel Janko) show that soils in the Darwin Glacier region in Antarctica (an ice-free oasis in the near vicinity of the McMurdo Valleys divided in to regions Diamont Hill and Bartrum Basin, see Figure 1) are dominated by “as many as” and “only” one nematode species. “As many as” because among all the extreme valleys in Antarctica, the Darwin Glacier region is characterised by the harshest conditions for soil fauna existence (and for existence in general). It is super cool then that some animals are found there at all. “Only” because the nearby McMurdo Valleys (nearby meaning a stone’s throw across several dozen kilometres of an ice cap) are dominated by three species. Why is fauna so impoverished in this peculiar Antarctic desert?

First of all, it is the result of hostile conditions prevailing there. They are considered to be the most extreme among other polar deserts on Earth. However, one may pay attention to the fact, that there are groups of animals such as tardigrades and rotifers that endure unfavourable conditions (tardigrades are regarded as the toughest animals on Earth). The absence of tardigrades and rotifers in the Antarctic desert may be primarily associated with strong competition with nematodes. In difficult conditions, the representatives of Antarctic nematodes perfectly deal with, and definitely win a competition for food with other potential soil metazoans. They are also bigger than rotifers and tardigrades, so smaller competitors may only diversify the menu of nematodes, just after the meals from bacteria or other nematodes.

The results of our study are a vital step in understanding the dominance of one group, and even one representative of it, in an ecosystem. In the soils of the Darwin Glacier region we found only one nematode species (Scottnema lindsayae). At first glance, the region is a desert covered by fine stones. However, appearances can be deceptive since studies on physicochemical parameters of soils have shown significant differences in the amount of organic matter, salinity and even humidity. We presented that on mountain peaks in the region soil humidity reaches its maximum along with nematodes densities. The source of water are orographic clouds (clouds formed around mountain tops) that provide dry soils with a life-giving ingredient. If not for the fact that for years Scottnema lindsayae has been recognized in the McMurdo Dry Valleys as a species that prefers the minimum value of water in soils, we would not be surprised with its presence at all. A precise confrontation of our data with literature of this area allows us to draw more conclusions. Perhaps Scottnema appeared more often in dry soils but in a place where two other species of nematodes were present, too. There were no competitors near Darwin Glacier, so it should come as no surprise that the highest abundance was detected on the tops of the mountains where it was the most humid. It seems that, alike people, some animals (even the smallest ones) happen to like certain places but not necessarily their visitors. For some nematodes other representatives of their species are competitors for food and space. Our assumptions were confirmed by American polar biologists whose paper was published at the very same time as our work. The results of our study are crucial in understanding the distribution patterns of animals in Antarctica and the factors that shape soil animals diversity. It is a major step in the recognition of extreme environments, and maybe not just Earth. When we realise that the Dry Valleys of Antarctica are considered by scientists to be a system most similar to the one prevailing on the red planet, Mars, it is just our imagination that limits us when thinking how significant studies on nematodes in such extreme ecosystems are. Perhaps the animals could teach us how to protect against UV and low temperatures, how to live with a minimal amount of water or how to dry completely and get back to life when water appear again, which sometimes happens to the nematodes of McMurdo.

Nematodes dominate the deserts of Antarctica. In recent years, however, scientists have observed the appearance of other groups of invertebrates there. It is most likely related to the warming of this area and a greater delivery of glacier water to valleys floor and, thereby, the formation of new niches for other animals. How will the indigenous inhabitants of this area cope with an increasing influx of potential competitors? We must wait for publishing the next results.

Obraz2

 

Obraz3

Czy można sobie wyobrazić obszar, który jest zdominowany przez jedną grupę zwierząt? Taki dziwny świat bez ptaszków, sarenek, owadów, wijów, a nawet dżdżownic. Im bardziej poznajemy naszą planetę tym bardziej ona nas zaskakuje. Mnie ostatnio zaskakują obszary, w których nie ma roślin naczyniowych, nie ma kręgowców, a gleby zdominowane są wyłącznie przez jedną grupę zwierząt.

Od 1994 roku Amerykanie prowadzą badania w dolinach McMurdo zlokalizowanych przy lodowcu szelfowym Rossa na zachodzie Antarktydy. Obszar ten objęty jest stałym monitoringiem w ramach długoterminowych badań ekologicznych (tzw. LTER long term ecological research).  Materiał z terenu dolin pobierany jest każdego roku. Dlaczego ten obszar jest taki wyjątkowy i warto w niego inwestować? Przede wszystkim doliny McMurdo stanowią ok. 2% wolnych od lodu obszarów Antarktydy. W związku z tym ich monitoring jest ważny w celu zrozumienia funkcjonowania ekosystemów lądowych na najzimniejszym kontynencie i odpowiedzi tych miejsc na zmieniający się klimat. Ale to nie wszystko. Doliny McMmurdo to jedne z najsuchszych i najzimniejszych pustyń na świecie. Paradoksalnie doliny otoczone są przez wodę, ale w stanie stałym – lód. Dostawa wody do dolin wiąże się z krótkimi pulsami tego życiodajnego płynu z topniejącej powierzchni lodowców w trakcie lata. Deszczu tam brak, śnieg właściwie szybciej paruje niż topnieje (proces nazywany sublimacją), a temperatury nawet w trakcie lata mogą wahać się od kilkunastu stopni poniżej do kilkunastu powyżej zera, i zmieniać się w przeciągu zaledwie kilku godzin. Do tego silny wiatr niosący sypki piasek przez doliny. Brzmi jak warunki panujące na innej planecie? Być może, ale to miejsce tutaj, na naszej Ziemi.

Na pierwszy rzut oka obszar wydaje się być nieprzyjazny dla innych organizmów poza wszędobylskimi bakteriami, ale pozory mylą. W suchych glebach żyją przedstawiciele nicieni, które doskonale przystosowały się do tamtych warunków. Przez lata w suchych dolinach rządziły trzy gatunki nicieni, które żywią się bakteriami lub samymi sobą. Taki prosty układ, od producenta (sinice) do konsumenta (nicień), oferuje doskonały poligon badawczy do badania relacji ekologicznych jak np. wpływu parametrów gleby na występowanie i biomasę zwierząt czy relacji między organizmami. Przedstawicieli nicieni są na Ziemi dziesiątki tysięcy gatunków, zatem nawet trzy jak na tak wielki obszar (ok. 2% wolnego od lodu obszaru Antarktydy) to właściwie nic. Wyniki mojej najnowszej pracy opublikowanej w Polar Research, we współpracy z naukowcami z Nowej Zelandii (prof. David Wharton i prof. Craig Marshal) i Czech (prof. Karel Janko), pokazują że gleby w regionie lodowca Darwin na Antarktydzie (oazy wolnej od lodu podzielonej na dwa obszary: Diamont Hill i Bartrum Basin, zobacz Figure 1) są zdominowane przez „aż” i „tylko” jeden gatunek nicienia. „Aż”, ponieważ pośród wszystkich ekstremalnych dolin na Antarktydzie to właśnie tam panują najbardziej surowe warunki dla fauny glebowej –  zatem i tak jest to fascynujące, że są tam zwierzątka. „Tylko”, bo w niedalekich (rzut beretem przez kilkadziesiąt kilometrów czapy lodowej) dolinach McMurdo są trzy gatunki. Skąd to zubożenie fauny na tej szczególnej pustyni? Przede wszystkim, jest to rezultat panujących w okolicy lodowca Darwina warunków, które są uznawane za najbardziej ekstremalne pośród innych pustyń polarnych. Ktoś z Was może zwrócić uwagę, że są grupy zwierząt takie jak niesporczaki i wrotki, które doskonale radzą sobie w niesprzyjających warunkach (niesporczaki uważane są za najtwardsze zwierzęta na Ziemi). Brak tych grup związany jest najprawdopodobniej z silną konkurencją ze strony nicieni. W trudnych warunkach przedstawiciele glebowych nicieni antarktycznych doskonale radzą sobie w konkurencji o pokarm i zdecydowanie wygrywają. Są one też większe niż niesporczaki czy wrotki, w związku z czym mniejsi konkurenci mogą stanowić urozmaicenie menu po daniach z bakterii czy swoich współtowarzyszy nicieni.

Wyniki naszych badań to kolejny krok w zrozumieniu zjawiska dominacji jednej grupy, a nawet jednego przedstawiciela tej grupy, w ekosystemie. Na pierwszy rzut oka okolica lodowca Darwina to pustynia z drobnymi kamieniami. Jednak to tylko pozory, ponieważ badania gleby wykazały istotne różnice w ilości materii organicznej, zasolenia, a nawet wilgotności w różnych miejscach próbkowania. Odkryliśmy, że na szczytach gór w tym regionie wilgotność gleb osiąga maksimum a razem z nią nicienie, a źródłem wody są okalające szczyty tzw. chmury orograficzne które dostarczają życiodajny składnik suchym glebom. Nie byłoby w tym nic dziwnego gdyby nie fakt, że Scottnema lindsayae (znaleziony przez nas dominujący nicień) przez lata uznawany był w dolinach McMurdo jako gatunek preferujący minimalne wartości wody w glebach. Dokładna konfrontacja naszych danych z literaturą z tego obszaru, pozwala wysnuć kolejne wnioski. Może i faktycznie Scottnema pojawiał się częściej w suchych glebach, ale w miejscu gdzie występowały dodatkowo dwa inne gatunki. W okolicach lodowca Darwin nie miał konkurencji, więc właściwie nic w tym dziwnego, że na tym pustkowiu pojawiał się na szczytach gór, gdzie było najbardziej wilgotno. Wygląda na to, że tak jak my, lubimy pewne miejsca, ale niekoniecznie ich bywalców, tak samo zachowują się zwierzęta, nawet te najmniejsze. Różnica polega na tym, że my nie zaglądamy do niektórych miejsc, bo po prostu ktoś nas wkurza, a nicienie walczą na śmierć i życie, gra toczy się o pokarm i przestrzeń. Podobne konkluzje potwierdzające nasze założenia opublikował w ostatnich dniach zespół z USA. Wyniki naszej pracy są istotne w zrozumieniu wzorców rozmieszczenia zwierząt na Antarktydzie oraz czynników kształtujących ich różnorodność. Jest to bardzo ważny krok w poznaniu naszej planety, a może nie tylko naszej. Kiedy zwrócimy uwagę, że suche doliny na Antarktydzie są postrzegane przez naukowców jako system najbardziej zbliżony warunkami do tych panujących na czerwonej planecie, wystarczy puścić wodzę wyobraźni i zastanowić się nad możliwymi rezultatami badań nad nicieniami żyjącymi w tych skrajnych warunkach. Może moglibyśmy nauczyć się od antarktycznych nicieni ochrony przed UV i niskimi temperaturami, umiejętności życia przy minimalnej ilości wody, a idąc dalej anhydrobiozy czyli wysuszania i powrotu do życia w obecności wody (co często zdarza się nicieniom w tym regionie). Oczywiście na razie pozostawmy to w sferze fantazji☺.

Nicienie zdominowały zatem suche doliny na Antarktydzie. Jednak w ostatnich latach naukowcy zaobserwowali pojawianie się tam innych grup bezkręgowców. Zjawisko to jest najprawdopodobniej związane z ociepleniem tego obszaru i większą dostawą wody z lodowców, tym samym formowania się nisz dla innych zwierząt. Jak poradzą sobie z napływem konkurentów rdzenni mieszkańcy tego obszaru? Musimy czekać na najnowsze newsy. 

Obraz4

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s