02
2018
07

实力科普:气候变暖了 动物却变小了

  回溯到数百万年前,化石证据表明,当环境温度升高时,动物的体型会减小。如今,随着气候变暖,在鱼、蛇、羊、蝴蝶、蝾螈和啮齿类动物身上都已经发现了这种关联性。这些变化很有可能会影响食物的供应和全球生态系统。

  撰文 | 玛尔塔·泽拉斯卡(Marta Zaraska)

  翻译 | 刘彬

  我们的世界从5600万年前开始急速变暖——根据古气候资料显示,在短短1万年的时间内(对于地质时期来讲不过是弹指一瞬),气温的涨幅就高达8℃。现在,美国怀俄明州的一片沼泽地低地中,年均温度可高达26℃,跟印度尼西亚潮湿的热带海岸的年均温度相似。那里,一只土生土长的褐色动物正在奔跑跳跃。它尖耳长腿,非常适于奔跑。这只小动物大约4千克重,跟小狗差不多大。也许它就是条小型猎犬?不,实际上它是一匹马。

  远古的马在全球变暖之前体重能达5.5千克,跟小羚羊体型差不多。但在古新世-始新世这段极热时期开始后,它们迅速缩水。当时,这种特殊的始祖马(Sifrhippus)的体型缩小了30%。根据新罕布什尔大学研究动物化石遗骸的环境科学研究生阿比盖尔·迪安布罗希亚·卡罗尔(Abigail D’Ambrosia Carrol)的说法,即使已经缩小了近三分之一,但还不是故事的结局。根据2017年发布的研究,在5300万年前的全球变暖时期,马在许多方面都再次出现缩小。另一种被认为是现代鹿类祖先的哺乳动物,体型也变得更小了。

  位于瑞典自然史博物馆的始祖马重建模型。(图片来源:wikipedia)

  动物体型缩小和气候升温之间的联系不止出现在远古时期。随着全球变暖,现生的许多物种体型也在减小。大蟾蜍、海鬣蜥、蛇、乌龟、蝾螈、林鼠、粪蝇、北极地区的蝴蝶、多种北海鱼和一种绵羊——这些动物的体型都变得越来越小了。这种现象一度让科学家们感到困惑,但是,通过多组实验、野外观测和对化石的研究,答案似乎越来越明显。小体积、低耗能的个体在温暖的环境中具有生存优势,因此,多代之后,生活在温度较高地区的动物会逐渐演化,变得更小。

  然而,在极端情况下,体型变小可能会导致灭绝,食物网或其他生态系统的进程会被打断,这会直接影响动物给人类带来的有利影响。有项研究已经显示,在未来30年内,世界上多种鱼类体型将显著减小。尽管就减小的程度上,各路观点尚未能达成统一,但很多科学家都认为,这可能会对食物网造成严重的影响。

  气候决定?

  帚尾林鼠(bushy tailed wood rat)在体型变化方面留下了大量的数据。这种林鼠排泄的粪便颗粒与它们的体型大小存在显著的正相关。而粪便颗粒很容易变成化石,所以科学家可以通过沉积物记录轻松地逐年分析它们的体型。1995年,新墨西哥大学和美国地质调查局共同发布了一项研究。他们调查了横贯25 000年的粪便颗粒数据,最终发现,林鼠体型的大小变化在时间上与气候温度的变化趋势一致。

  为什么会存在这种联系?早在19世纪,德国生物学家卡尔·贝格曼(Carl Bergmann)就提出,这可能和调节身体热量所需的能耗相关。他发现,生活在更高纬度、更冷环境下的温血动物要比生活在更靠近赤道地区的哺乳动物体型更大,体表面积与体重比则相对更小。比如,两极地区就不存在类似长颈鹿那种纤细的脖子,或是类似鸵鸟的那种大长腿。贝格曼推测,如果哺乳动物体表面积与体积比变小,就更容易帮它们节约身体的热量。但是这种观点并不能解释在昆虫、鱼类和其他非哺乳动物身上发现的变化。

  对多种动物进行实验后,科学家发现了另一种更完整的解释:体型上的萎缩可能与动物代谢,以及与之相关的食物需求有关。研究人员发现,如果把多种动物的年轻个体放入更温暖的环境中,这些动物先会快速生长,然后提早进入成熟期。最终,个体在成熟后的体型要比在凉爽的环境中成长出的小。2012年,英国利物浦大学的演化生物学家安德鲁·赫斯特(Andrew Hirst)及其同事发表了一篇涵盖了169种水生、陆生动物的大型实验分析,其中就揭示了成熟度和环境温度之间的关系。他们发现,温度更高时,90%的动物在达到成熟时体型都会更小。赫斯特表示:“这种现象实在太普遍了。”

  成熟时间和新陈代谢紧密相关,而新陈代谢会随温度上升而增加。新陈代谢是一种化学反应,澳大利亚詹姆斯·库克大学的海洋生物学家温妮莎·梅斯默(Vanessa Messmer)就说,“在温度较高的环境下,化学反应的速率要大于较低环境温度下的反应。”她和同事们最近在实验中研究了不同大小的珊瑚礁鱼类的代谢,试图观察这个过程是如何随温度的变化而发生变化的。2017年发表在《全球变化生物学》(Global Change Biology)的结果显示:当水温从28.5℃升高至33℃时,某种鱼类的最大代谢率可以增加44倍。实验还证明,在较高的温度下,小鱼能比大鱼更好地调节新陈代谢,这就为小鱼带来了生存优势。

  新陈代谢更快就意味着生物需要更多的食物,如果动物不能获得新陈代谢所需的营养,就不得不在生长和繁殖之间分配这些稀缺的能量。而选择繁殖的一方往往能胜出,毕竟这意味着物种的延续。因此,动物会在体型很小的情况下成熟,并进行繁殖。另外,随着温度上升,也可能对进食带来负面影响。当温度高于15℃至20℃时,阿尔卑斯山羊会感到非常不适,从而减少觅食时间。鸟类会利用大喘气来散发多余的热量,这会加剧进食的难度。澳大利亚国立大学的生物学家珍妮特·加德纳(Janet Gardner)解释说,“你无法有效觅食,保持凉爽付出的能量还可能多于你通过进食实际获得的能量。此时,体重减轻,身体状况不佳的成年个体又可能会生下更小的后代。”

  在蝾螈这类两栖动物身上,科学家已经发现体型缩小会一代代地传递下去。美国马里兰大学帕克分校的环境科学家卡伦·利普斯(Karen Lips)认为,如果阿巴拉契亚山脉的一个地区气候变暖了,住在那里的蝾螈觉得更热了,代谢率也就增加了,它们需要吃更多的东西才能保持平时常见的体型。但是,如果它们在新的气候条件下得不到足够的食物,体重就会降低。同时,体型较小的两栖动物繁衍的后代也更少,或是生下数量类似但体型更小的后代。因此,在更温暖的环境中,动物的体型或许会随着时间的推移而缩水,或许会出现种群数量减少。

  捕捞也是元凶?

  对于某些动物体型“缩水”,至少还存在另一个竞争性的解释。人类正在捕捉和食用个体偏大的动物。比如,当人类捕走大部分体型较大的鱼,很有可能会减少整个种群的基因库中与大体型相关的基因数量。存活下来并继续繁殖的动物,它们很可能携带着小体型性状的基因。英国阿伯丁大学的环境科学家艾伦·R·波德龙(Alan R。 Baudron)说:“在捕捉较大体型的鱼时,人类能给鱼类带来了演化压力,迫使它们变得更小。”

  然而波德龙指出,这种过度捕捞理论存在漏洞。2014年,他和同事在《全球变化生物学》上发表的论文显示,从1970年开始(到之后的39年里),北海中的多种鱼类,如黑线鳕鱼、鲱鱼和鲽鱼,都变得越来越小。当然,这些物种在不同的地点都遭遇了严重的捕捞压力。黑线鳕鱼曾在20世纪70年代到80年代之间被大量捕捞,而鲽鱼则是20世纪90年代渔网捕捞的目标之一。然而,体型的变化并没有反映出与这些特定的时期有关联。如果过度捕捞特定种群,确实会导致鱼体变小,那人们应该可以预期这两种鱼之间存在个体的交叉变化。

  然而,两种物种的体型收缩都与水温上涨紧密相关。波德龙研究的13种鱼类中有9种都遵循这种模式。他说,捕鱼可能会在鱼类体型缩小种起一定的作用,但它不是主要因素。

  全球变暖造成动物体型变小,可能还存在其他原因。这些原因中很多都与能量摄取和使用有关,类似新陈代谢带来的影响。首先,动物的猎物可能也会变得更小;其次,两极冬季偏暖可能更有益于体型较小的物种生存;最后,如果干旱变得越来越普遍,两栖动物可能会减少自身体积,避免身体干燥。

  综合各种原因,或许可以更好地解释为什么动物物种之间会以不同的速率出现体型变小的现象。不过也有一些例外,美国的一些候鸟就变得比过去更大了。耶鲁-新加坡国立大学学院的环境科学家詹尼弗·A·谢里丹(Jennifer A。 Sheridan)表示,对于一些动物来讲,它们可能比其他动物更容易找到足够食物来满足增加的代谢需要。对于另一些动物来讲,目前上升的温度可能尚不足以驱动新陈代谢发生变化。

  然而,迄今为止这种规模的体型“缩水”已经让很多科学家感到忧虑。2013年发表在《自然·气候变化》上的一篇论文认为,如果鱼类体型缩水的趋势持续发展,截至2050年,全球各种鱼类的最大体重的平均值可能会下降14%~24%。这就意味着,对于不断增长的人口来讲,食物来源变得更少了。

  波德龙认为,无论如何,这项研究仍然可以“让我们了解到问题的严重程度”。对于某些物种来讲,缩小的体型也可能会导致灭绝。虽然在逐渐变暖的气候中,体型变小会带来一定的优势,但同时也意味着更难在极端天气下生还。最后,同样重要的是,如果食肉动物和猎物的体型变化不同步,生态系统的平衡就会遭到破坏。赫斯特表示:“如果有的动物体型缩水太多,而有的体型变化不大,两者之间就会存在不匹配的情况。”

  化石证据确实表明,这种体型上的变化不是单方向的。如果气温降低,动物可能能够再次变大。然而,基于目前对气候变化的预测,我们人类已经不太可能看到那一天了。

  来源:环球科学ScientificAmerican

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