动物们也热得受不了：几十年完成百万年演化

气候变化正在加速，动物面临着前所未有的挑战。 他们能适应这样的节奏吗？

作者|安迪

编译|王超

图 1. 南非地松鼠 (Xerus) | 来源：

可爱的南非地松鼠（Xerus）生活在南部非洲干燥的大草原以及热带和亚热带灌木丛中。 为了应对这里的酷热，他们演化出了一系列的策略。 比如后脚特别大，有利于散热； 比如平躺在肚子上，以散发毛发较少的腹部热量； 把毛茸茸的尾巴像遮阳伞一样弯起来，把头像雨伞一样遮住，纳凉。 当热量变得难以忍受时，这些穴居哺乳动物就会退回到洞穴中纳凉。 然而，气候变化正在加速，南非自然保护区的日最高气温在短短 18 年内上升了 2.5C。 加拿大曼尼托巴大学保护生态学家米亚表示，虽然南非地松鼠掌握了如此多的降温技能，但在快速变化的气候下，它们可能无法承受。

图 2. 南非地松鼠使用各种方法来保护自己免受酷热的侵害。 一种方法是平躺在肚子上，让热量从胃中散发出来。

据观察，在不到二十年的时间里，松鼠本来就很大的后足相对于它们的体型增长了约11%，而它们的刺的长度缩短了约6%。 气温升高带来的巨大环境压力可能是它们身体在短时间内变形的原因。

南非地松鼠的变态并不孤单。 越来越多的证据表明，许多物种在短时间内体形会发生微妙的变化。 但我们不知道动物的适应速度能否跟上气温的上升，也不知道它们距离种群崩溃的临界点还有多远。

身体小，四肢长

温度和体型有什么关系？ 19世纪末，两位生物学家提出了两个独立但相关的假设。 伯格曼规则认为，生活在热带地区附近的动物体型会更小，而艾伦规则则预测温暖地区的动物将拥有更长的四肢。 这两个假说的含义是共同的，即根据温度的差异，温血动物的体型会随着纬度的变化而变化。 这些趋势是动物为了适应不同的冷却需求而进行的温度适应。

密歇根州立大学的定量生态学家凯西解释说：“当你变小时，单位体积的表面积就更大，这使得散热更容易。” 伯格曼定律考虑了纬度的影响，相反，他们试图弄清楚随着整个北美因气候变化而变得更热，鸟类是否会变小。

他和同事们查阅了 The for Bird 编撰的鸟类资料百科全书。 他们观察了 105 种鸟类的整个范围，发现北美有 80 种鸟类在过去 30 年里经历了显着的体重减轻。 他们对不少于 250,000 只鸟类进行了分析，发现所有鸟类的体重平均下降了约 0.6%，其中树燕 ( ) 的下降幅度最大，约为 2.8%。

图 3：一位科学家正在准备用于身体测量和标记的靛蓝彩旗 ( )。 这项工作是鸟类种群研究所正在进行的监测工作的一部分。

尽管这些数字可能看起来很小，但令人震惊的是，大多数进化变化都发生在地质时间尺度上，而且这些鸟类在短短三十年内体重就发生了如此大的变化。 。

鸟类学家和进化生物学家 Phred 对此表示同意。 “他们的项目规模巨大，如此之多的物种在如此短的时间内发生了变化，这确实意味着存在某种全球性因素影响着这些鸟类——这个因素很可能就是气候变化。”

研究发现，虽然鸟类翅膀的绝对长度没有变化，但由于身体缩小，翅膀与身体相比的相对长度变大了。 虽然艾伦定律认为四肢的伸长与散热有关，但认为鸟类翅膀伸长的现象与散热关系不大，更多的是由于季节性迁徙的需要。 鸟类迁徙的距离越远，它们的翅膀就越长。 人们相信，这一发现可以表明鸟类保持季节性长距离飞行能力的需要程度。

重点是喙的变化。 他认为，与翅膀长度的变化不同，喙的变化实际上可能是由于温度造成的。 喙部的表面积越大，被动冷却效果越好。 而且这个散热过程不需要额外的新陈代谢，不依赖蒸发冷却，更有利于节约水分。

研究人员对萨凡纳鹀（英文名：学名）的四个亚种进行了评估，结果发现，正如艾伦定律所预测的那样，种群越往南迁徙，其喙通常就越大。 但只有生活在加利福尼亚州北部海岸的 P.s. 亚种能够将喙部增大归因于气候变化带来的炎热天气——这些鸟生活在加利福尼亚州内陆高盐度的潮汐沼泽中，那里淡水稀缺。 150 年来，它们的喙表面积增加了约 7%。 据估计，这样每天可以减少约16%的失水量。

据推测，P.s.的喙之所以增大如此之多，是因为天气越热，在缺水的环境中保持凉爽的可能性就越大。 因此，他有兴趣了解在他的分析中，干燥地区的鸟类是否比潮湿地区的鸟类体型缩小得更多。

授粉问题

伯格曼定律和艾伦定律表明，吸热动物在数千年的时间里进化出了不同的体型，以适应纬度造成的温度梯度。 还有一条规则——温度大小规则——描述了变温动物普遍存在的表型可塑性。 “在科学家研究过的几乎每种昆虫中，当幼虫发育的温度升高时，成虫的体型总是会缩小，”不列颠哥伦比亚大学的昆虫和水生生态学家曾说。 加速生化反应发生的环境会缩短变温动物的成熟时间。”

然而，在研究这些变化对现实世界的影响时，科学家往往无法清楚地区分统计显着性 ( ) 和生物学显着性 ( )。 后者具有统计显着性，对生物体的健康或生存有显着影响。 统计显着性只是支持生物学显着性的证据，统计显着性并不意味着生物系统存在真正的差异。 至于为什么不区分两种显着性，有时是因为研究人员确实不知道他们的发现对现实世界的影响，但有时也是因为统计显着性对于论文发表更重要。 为了研究生物学意义和统计意义，曾设计了一项实验来研究温度引起的体型减小对蝴蝶授粉行为的影响。

传粉媒介与植物的相互作用对生物多样性至关重要，因为植物依赖传粉媒介来混合它们的基因。 但昆虫的体型大小究竟如何影响植物与昆虫的相互作用尚不清楚。 Tseng 首先研究了气候变化如何改变菜粉蝶（rapae）的身体大小和翅膀大小。 曾在她家外面的花盆里种了一些羽衣甘蓝，当菜粉蝶在叶子上产卵后，她轻轻地把它们拿出来带到她的实验室。

卵孵化后，Tseng 和同事将幼虫放入 18C、24C 和 30C 的恒温培养箱中。 在最温暖的环境中饲养的菜粉蝶的成熟速度大约是在最冷的环境中饲养的菜粉蝶的两倍，体重最低，翅膀面积最小，并且飞得更慢。

为了确定这些形态变化是否具有生物学意义，Tseng 和她的同事从野外收集了相同种类的油菜籽，并将它们分为小、中和大组，这些组的大小与在野外饲养的油菜籽大小相似。实验室。 然后他们分析了不同群体在飞行后积累了多少花粉。 实验团队利用明胶从菜粉蝶的面部和口器采集花粉，并在显微镜下评估菜粉蝶携带的花粉量以及与该花粉对应的植物种类。 他们发现较小的菜粉蝶（大约与在最温暖的环境中饲养的实验室菜粉蝶大小相当）携带的花粉植物种类较少。 曾认为这一结果很重要，可能对生物多样性产生实际影响。

亚利桑那州立大学昆虫生理学研究生发现了另一种传粉媒介，其数量可能因气候变化而减少。 通过查看过去五年在该领域收集的数据，她发现雄性挖掘蜂（学名）的头部宽度有所下降，这是描述其身体大小的重要特征。 挖掘蜂的雄性是二态性的，即它们表现为两种不同的体型，体型大小不同，交配行为也不同。 虽然所有雄性的体型都缩小了，但较大的二形体变种的头部宽度减少幅度最大——大约 8%。 虽然目前还不清楚这种现象会产生什么影响，但网由于体型较大的雄性更容易交配成功，当雄性体型继续缩小时，种群数量可能会相应减少。

图 3：一只小型雄性挖掘蜂与一只雌性在豆科灌木上交配 ( )。

雄性挖土蜂体型变小的原因有两个，一是发育过程中环境温度升高，二是气候引起的蜜蜂与寄主植物物候不匹配。 所谓物候，是指生物周期性现象（如植物开花或蜜蜂采蜜）与季节气候的关系。 虽然这些猜测都没有经过检验，但最有可能的原因与气候变化有关。 用她的话说：“除此之外，我想不出还有什么理由”。

人们认为，气候变化对少食性蜜蜂（例如挖掘蜂）比多食性蜜蜂构成更大的威胁。 现存的 20,000 种蜜蜂中的大多数都是寡食性的，这意味着它们只吃某些类型植物的花蜜。 例如，挖掘蜜蜂依赖于一种称为丁香树的花蜜。 当遇到开花异常或花蜜产量减少时，挖坑蜂没有其他办法来养活自己。

目前还不清楚昆虫身体大小的变化是由于可塑性、快速进化，还是两者兼而有之。 尽管许多科学家进行了多年的研究，但没有人能够拿出证据来回答这个问题。 目前大量研究正在尝试分析可塑性和进化分别如何影响昆虫的体型变化。

泡在水里窒息

温度大小规则也适用于水生变温动网物。 但很难将温度的影响与捕捞的影响分开：捕捞业总是从特定种群中捕捞最大的鱼，这本身就是一种有利于较小鱼的选择压力。

出于这个原因，许多关于海洋生物未来的猜测都来自于化石记录和其他古生物样本。 德国基尔大学海洋与社会研究中心的古海洋学家分析了秘鲁中部海岸的沉积岩芯，其历史可追溯到大约 12 万年前。 他们主要关注的是艾米安间冰期，这是地球上最后一个间冰期，历史上这段时期的天气比现在温暖。 研究结果表明，当海洋温度比现在高约 2C 时，南太平洋这一地区的鱼类不但没有减少，反而迁徙到更适宜居住的地区。 然而，他们在许多地方都看到了鱼类体型的大规模缩小，但很难辨别其背后的原因，对于不同的物种来说可能有所不同。

在研究海洋动物如何应对气候变化时，海水含氧量的变化使问题变得复杂。 大多数海洋动物不会浮出水面呼吸，因此它们必须从海水中吸收溶解的氧气。 随着海洋温度升高，氧气的溶解度降低，水中可供鱼类呼吸的氧气也随之减少，就像在陆地高海拔地区，稀薄的空气会让人感到窒息一样。

微妙的是，温度的升高增加了氧气的扩散速率并降低了水的粘度，这在一定程度上补偿了氧气溶解度的下降。

斯坦福大学可持续发展学院的古生物学家佩恩利用之前的实验数据显示温度和氧气如何影响海洋中变温动物的体型，建立了一个模型来了解当前的物种分布并预测这些物种在不同气候下的可能性有多大改变场景。 回复。 该模型考虑了新陈代谢对温度的敏感性，以及海洋变暖带来的氧气供需不平衡。 从逻辑上讲，氧气的供应必须超过动物生存所需的量，对于较大的生物体，氧气的供应和需求之间的差异缩小得更快。

根据佩恩的模型估计，对于重量在1克左右的物种，如浮游动物，海水温度每升高1℃，其生物量就会减少10个百分点。 因此，升温 1C 不会造成超级灾难，但我们不知道确切的生态影响是什么； 升温 5C 需要使体型缩小 25%。 如果这种情况持续下去，在未来的某个时刻，生物体将无法应对这种情况，无论是在解剖学上还是在生理学上。

对于较大的生物体，例如重量低于 100 克的头足类动物，该模型的预测甚至更糟。 海水只要变暖 1C，它们的尺寸就会缩小 20%，而变暖 5C 就会要求它们缩小 80%。 “那很大，对吧？” 佩恩说，这可能会严重影响许多其他物种。 “大鱼吃小鱼，小鱼吃虾，”他说。 “它肯定会蔓延到食物网中。”

虽然尚不清楚佩恩的模型在未来 100 年或更长时间是否准确，但从该模型中得出的一个明显结论是，如果大型生物体不迁移到更凉爽的栖息地或改变它们的行为，它们将不得不在尺寸上做出改变。很短的一网段时间。 这对它们来说是极不可能的，因此可能导致极端的选择性灭绝。

连锁反应

气温上升影响的不仅仅是海洋生物量。 由于大型动物长距离运输营养物质，整个生态系统最终会受到影响。

以鲑鱼为例：鲑鱼在海中觅食，吸收磷，然后向上游洄游，在河流上游繁殖； 然后熊来到河边吃鲑鱼，从河里取出磷，然后转移到陆地上，从河里取出磷。 被排泄在山坡上的某个地方。 佩恩将磷的运动方式称为“反重力”方式，这种营养物质的运输方式在非生命世界中是不可能的。

他说：“想想海洋中的鱼群、翻起海底沉积物的动物、翻动土壤并在陆地上输送养分的昆虫和其他动物，你就会突然意识到在现代世界，营养物质的流动显然带有深刻的生物印记。”

曾先生说得更直白：“如果没有默默耕耘的粪甲虫，每年夏天你我都会铲牛粪。”

几乎所有相关专业人士都认为，如果物种因为无法足够快地适应气候变化而消失，那么一定会产生类似的连锁反应。 指出过去50年里30%的候鸟已经从世界上消失，这就是为什么我们需要研究这种看似微不足道的体型变化。 通过研究动物体型的变化，我们可以找出哪些物种面临的风险最大。 当人类更好地了解自然的各个部分如何组合在一起以及生态系统如何应对气候变化时，“也许我们就不会那么无助了。”

本文授权编译自news-/-are-shape--in--to-a--world-70869，题为编者。

广告声明：文章中包含的外部跳转链接（包括但不限于超链接、二维码、密码等）用于传达更多信息，节省选择时间。 结果仅供参考。 IT之家的所有文章均包含此声明。