Trapped in a cold-adapted body: the causes and consequences of phenotypic change in a rapidly warming Arctic

Det er knyttet stor usikkerhet til om arter klarer å tilpasse seg klimaendringene raskt nok. Svalbard er et av de stedene på kloden med raskest økning i temperatur. I vårt prosjekt har vi belyst effekten av klimaendring på fysiologien, adferden og bestandsdynamikken til svalbardrein. Vår studie var det første til å måle energiforbruket til frittlevende svalbardrein. Fra fangenskap visste vi at de går på sterkt sparebluss vinterstid, men det knyttet seg stor usikkerhet til hvor lavt stoffskiftet kunne være under realistiske forhold. Ved bruk av dobbeltmerket vann teknologi (tungtvann) fant vi at energiforbruket til frittlevende simler gjennom en 14-dagersperiode vinterstid var under det man fant som hvilemetabolsk rate i fangenskap. Nivået var like lavt som hos lama, panda og tre arter pungdyr, som alle er kjent for ekstremt sparebluss. Allikevel kan man ikke snakke om at de er «våkne dvaledyr» da de for eksempel har tre ganger høyere energiforbruk enn en brunbjørn i vintersøvn. Vi beregnet at ei simle må dekke 2/3 av vinterenergiforbruket gjennom matinntak, men at dette var sterkt avhengig av mengde fett på kroppen seinhøstes. De samme dyrene hadde operert inn hjerteratesensor som lagret pulsen hvert kvarter gjennom hele året. Vi fant at blant hjortedyr er svalbardreinen en verdensrekordholder i forskjell mellom gjennomsnittlig vinter- (40) og sommerpuls (over 100). Vi fant overraskende liten variasjon mellom hvile og aktivitetspuls, særlig sommerstid. Selv under hvileperioder om sommeren var pulsen nesten 100, som viser at kroppsmaskineriet til en hvilende rein går for fullt for å fordøye mat, produsere melk til kalven og bygge opp fettreserver til vinteroverlevelse. Videre undersøkte vi om reinen velger hvileplasser ut fra et behov for å regulere kroppstemperatur. Ved å sammenligne bakketemperatur på hvileplasser med tilfeldige punkter 100 meter fra hvileplassen, fant vi at dyra velger kalde liggeplasser i økende grad når lufttemperaturen stiger, allerede fra lufttemperaturer så lave som 9 grader. Et viktig aspekt ved klimaendringene er den endrede sesongmessigheten. Mange har fokusert på at våren kommer tidligere, men få har viet høsten noen stor oppmerksomhet. Vi undersøkte om GPS-merkede rein som har lite snø i høstområdet sitt er tyngre på slutten av vinteren. Vi fant at dyr i år og områder der snøen kom sent var hele 5 kg (10 %) tyngre mot slutten av vinteren enn hvis snøen kom tidlig. Denne positive høsteffekten har muligens hatt en større innvirkning på bestandsutviklingen gjennom de siste 25 årene innen vårt studieområde enn den negative effekten av økt bakkeising om vinteren. Gjennom detaljerte livshistoriestudier har vi også undersøkt hvordan de samme klimaeffektene modifiserer både kohort (årsklasse)-effekter (om dyr er født i år med gode eller dårlige livsbetingelser) og kostnaden ved å produsere en kalv. Vi fant kohorteffekter på evne til å reprodusere bare i år der forholdene var gjennomsnittlige, det vil si middels varme høster og middels isete vintre, fordi «alle» dyr har evne til å reprodusere under gode forhold (og «ingen» under dårlige forhold). Kostnaden ved å reprodusere på evne til å få ny kalv neste år ble også forsterket av de samme miljøvariablene. Hva har vi så lært av klimaeffekter på svalbardrein gjennom vår studie. Bestanden av rein har to- til tredoblet seg i vårt studieområde og varmere høster med senere snø er avgjørende for dette. Dette sammenfaller godt med lærdommen fra fysiologistudiet; det meste av energibehovet skal dekkes gjennom beiting og energireserven er avgjørende for overlevelse. Jo senere dyra begynner å tære på disse reservene, jo bedre er det for overlevelse og reproduksjon. Det ensidige negative fokuset på isingsvintre som den viktigste klimaeffekten er nedjustert, delvis gjennom høsteffektstudien, men også gjennom et arbeid som viser at effektene av ising bufres ved at den robuste delen av bestanden (dyr i sin beste alder) reproduserer og overlever godt etter midlertidige tilbakeslag i bestandsvekst. Allikevel ser vi fysiologiske og adferdsmessige signaler på varme sommertemperaturer. Den høye og konstante pulsen dyra har sommerstid kan tyde på at de er nær et fysiologisk tak som gjør dem sårbare for varmestress, selv ved moderate økninger i fremtidig sommertemperatur. Den lave temperaturterskelen for adferdsmessig termoregulering (valg av liggeplasser) underbygger dette.

-

Quantifying species vulnerability to climate change is a major challenge. Adaptive responses to climate change can be rapid through phenotypic changes in behaviour, morphology and life history, changes that may only partly have a genetic component. A shrinking of body size has recently been reported as a global phenomenon in response to climate change. Although believed to reflect altered energetic needs, the mechanisms and the individual to population level consequences of shrinking remains poorly understood. Our study will integrate metabolic and evolutionary theories to identify the physiological, behavioural, life-history and demographic consequences of shrinking body size using wild Svalbard reindeer as a case study, a keystone species in the rapidly warming Arctic. We will quantify the effect of body size on individual physiology, associated behavioural strategies and the fitness contribution of animals of varying body size in relation to climate. The proposal builds on a 22-year long individual-based study, which will expand into the field of ecophysiology. We will investigate phenotypic plasticity asking whether small sized animals are better physiologically adapted to all aspects of the warmer environment, or if energy conservation in winter and constraints on heat dissipation in summer cause contrasting selection pressure on size. Already, we have piloted the acquisition of physiological data in our study using heart rate, body temperature and activity telemetry. Now we will corroborate field measurements by direct estimates of metabolic rate using doubly labelled water. In addition, we will explore potential resilience strategies based on adaptive behavioural adjustments of space use and adjustment of life-history strategies. The research will produce novel insights into the mechanisms behind and implications of the widespread phenomena of shrinking in animal body size, and make a fundamental contribution to ecological research on climate change impacts.