张家港科技馆:气候变暖对动物的外表有什么影响?

来源于:科学媒介中心

2021-03-11

人类使用化石燃料(石油、煤炭等)或砍伐森林并焚烧时,会产生大量温室气体,导致地球温度上升。全球气候变暖使全球降水量重新分配,冰川和冻土消融,海平面上升……这将危害生态系统的平衡,也会威胁人类生存。

19世纪初,生物学家开始研究生态环境以及生物的进化随着气温变化会受到何种影响。最近,相关研究人员发现,炎热的气候或将影响动物的身体特征甚至体表颜色。

有些研究人员认为,炎热的气候下,动物的附属物(比如耳朵或者喙)将会变得更大,以帮助自身散热。也有研究人员认为,动物的体型大小会受到气温的影响,在同一物种中,体型最大的动物通常居住在离两极更近的地方,比如北极熊的体型就比生活在中纬度地区的棕熊要大得多,这是因为更大的体型有助于保持热量。

以德国生物学家康斯坦丁·格洛格(Constantin Gloger)命名的格洛格氏定律,是专就鸟类及哺乳类动物总结的现象。该定律认为,相同的或亲缘关系相近的种类,在干燥寒冷气候下生活的,比在湿润温暖气候下生活的黑色素更少,呈现更鲜明的色彩。也就是说,温暖地区的动物通常外表更暗。

研究人员认为,哺乳动物深色的皮肤和毛发能更好地抵御紫外线的伤害,鸟类深色羽毛中的特异性黑色素似乎可以抵抗细菌侵袭,使这些动物更好地适应靠近赤道地区炎热的气候,以及热带雨林潮湿的环境。

2020年7月,中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室的田力和布里斯托大学的迈克尔·本顿(Michael J。 Benton)在《当代生物学》(Current Biology)发表研究论文,系统介绍和总结了7个以发现者命名的生物法则(从达尔文时代到上世纪晚期),这些法则归纳了生物生态/分布与地理气候分区的重要关联。

研究人员依据这些经典法则,阐释了如何根据生态地理法则,从附属物大小、生理学、生活史特征、分布和颜色等方面预测动物将怎样适应未来的气候变化。论文中共有7条预测,在动物体表颜色变化方面,研究人员认为,昆虫、鸟类和哺乳动物的体色会加深。

田力和本顿的论文引起了研究人员的广泛讨论,2020年12月,澳大利亚的鸟类学家卡斯帕·德尔莱(Kaspar Delhey)在《当代生物学》发表论文,作为对田力等人此前研究的回应。

德尔莱及研究团队认为,物种如何适应未来的气候变化,是现代生物学的关键问题。预测这种变化的方法之一,就是从我们对当前空间格局下表型变异情况的了解中进行合理推测。表型变异指的是,基因型相同的个体因外部环境条件状况的差异形成不同的表型。

气候变暖能让动物“变色”?

与田力等研究人员的观点不同,德尔莱认为,如果气候变暖,颜色更浅的动物适应性会更好。虽然潮湿环境(如热带雨林)中植被及阴影更多,使深色动物更容易伪装,但目前只有有限的证据支持“温度升高时,自然选择倾向于较深的颜色”。

最近的比较研究表明,当湿度和温度分开时,温度效应通常有相反的迹象,即较冷地区的动物体表颜色更深。这与另一种生态地理模式的预测一致,即热黑色素假说(the thermal melanism hypothesis,简称TMH),该假说认为,深色(肤色反射率较低)个体在凉爽的气候中具有优势,比浅色(肤色反射率较高)个体升温更快,容易达到更高的平衡温度。

当然,这个假说最初是针对节肢动物或爬行动物等冷血动物提出的,较冷的环境中,深色动物因为较深的颜色更容易吸收太阳辐射,有助于体温调节。颜色在体温调节中的关键作用,意味着如果气候变暖持续下去,这种特性很可能成为未来自然选择的变化趋势。

温度与颜色变化表

首先,生活在气候变得炎热干燥地区的动物,其颜色应该会变得更浅,这是由于较高的温度和较低的降水都应选择较浅的颜色(如图中A所示)。

其次,生活在变暖和潮湿地区的动物,由于相反的选择压力(即高温环境下,浅色个体的适应性更好;潮湿环境下,深色个体适应性更好),其颜色变化可能不太明显。温度或降水的影响占主导地位,可能取决于温度调节与伪装的相对重要性,而这一问题与生物分类有关。

如图中B所示,那些预计会变得更加温暖湿润的地方(如北方针叶林地区),动物体表颜色的变化更难预测。对冷血生物(如昆虫)来说,体温调节的选择可能会起到更重要的作用,它们的体表颜色会向浅色转变;对内温动物(如鸟类)来说,体温调节与伪装相比,可能就没那么重要了,它们的体表颜色很可能向深色转变。

德尔莱及研究团队认为,当气温升高时,动物的体表颜色应该会向浅色转变,但这只是一般模式,这种变化可能会因其他气候变量而改变。此外,特定环境条件可能导致特定区域的独特变化。例如,当气候变暖导致积雪减少时,动物不再需要应对积雪环境的浅色伪装,很可能导致体表颜色变深。

对自然界的动物来说,气候变暖是实实在在的生存考验,被迫改变体表颜色和身体形态才能存活。小小的改变对动物来说都“事关生死”,我们应该义不容辞地保护环境,不仅为了人类自身,还有与我们一起享用这个世界的万千动物。

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