全球变暖如何使地球上的动物体型缩小

5600万年前，世界突然变热。古气候数据显示，在短短1万年（地质时间的一眨眼）内，气温飙升了高达 8 摄氏度。在怀俄明州境内的一片沼泽低地，年平均气温达到约 26 摄氏度，与今天印度尼西亚潮湿的热带海岸相似。当地的一种动物是西弗 hippus 马，它是一种小型棕色动物，长着尖尖的耳朵和适合奔跑的长腿。这种生物大约重四公斤，大小和小型犬差不多，可能是一种小型的梗犬。但实际上，它是一匹马。

在变暖之前，古代马并不完全是阿拉伯纯种马：它们大约重 5.5 公斤，类似于小型羚羊。但当古新世-始新世极热期开始时，它们的体型大大缩小。这种特殊的马，被称为西弗 hippus 马，体型缩小了惊人的 30%。新罕布什尔大学环境科学研究生阿比盖尔·D'安布罗西亚·卡罗尔研究了这些动物的化石遗骸，她说，这还不是体型缩小的结束。根据 2017 年发表的研究，在 5300 万年前的后期变暖阶段，许多谱系的马的体型再次缩小。其他哺乳动物的身体也变小了，例如一种兔子大小的生物，它是现代鹿的祖先。

动物体型缩小与气温上升之间的这种联系不仅仅是古代历史。随着地球变暖，许多现代物种的体型正在缩小。常见的蟾蜍变小了，海洋鬣蜥、蛇、陆龟、蝾螈、林鼠、粪蝇、北极的蝴蝶、几种北海鱼类和一种绵羊也是如此。这种模式的原因一直困扰着科学家，但现在正从各种实验、野外观察和化石中找到答案。答案集中在能量需求上：体型较小、能量需求较低的身体可能在较温暖的环境中具有生存优势，因此，在较热地区的动物经过许多代进化后变得更小。“我认为我们越来越接近理解这些机制了，”堪培拉澳大利亚国立大学的生物学家珍妮特·加德纳说。

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除了解决一个生物学谜题外，日益增长的理解还暗示了另一个令人担忧的气候变化影响原因。“体型缩小可能导致极端情况下的物种灭绝，或食物网或其他生态系统层面过程的破坏，这些过程会直接影响动物为人类提供的服务，”克莱姆森大学的进化生物学家迈克尔·西尔斯说。一项研究表明，在未来 30 年内，我们可能会看到世界上许多鱼类物种的体型显着缩小。尽管体型变化的程度尚有争议，但许多科学家认为，这可能会对食物网产生严重的连锁反应。

气候联系

当涉及到追踪温度和体型之间的密切关系时，化石记录可以非常详细。一种留下大量数据的动物是灌丛尾林鼠。事实证明，林鼠的粪便颗粒（粪便）的宽度与排出粪便的个体的大小密切相关。这些颗粒也很容易化石化，在沉积物中形成了可以逐年分析的长期记录。新墨西哥大学和美国地质调查局的科学家在 1995 年发表的一项研究中分析了 25,000 年的粪便颗粒数据，他们发现林鼠的体型在那段时间内波动，随着气候变化而上下波动。

为什么会存在这种联系？早在 19 世纪，德国生物学家卡尔·伯格曼就提出，这可能与调节体热的需求有关。他观察到，寒冷、高纬度地区的温血动物往往比生活在靠近赤道的哺乳动物体型更大，并且体表面积与体重之比相对较小——极地附近没有细长的长颈鹿般的脖子或长长的鸵鸟般的腿。伯格曼假设，对于哺乳动物来说，如果其表面积与体积之比更小而不是更大，则更容易保存体热。（当人们蜷缩起来以在寒冷中保持温暖时，他们正在最大限度地减少他们的表面积。）然而，这种观点并不能解释现在在昆虫、鱼类和其他非哺乳动物中观察到的变异。

一个更完整的解释正在从现代实验室对不同种类动物的实验中浮现出来：许多科学家认为，体型缩小可能与动物新陈代谢的变化以及随之而来的食物需求有关。研究人员观察到的一件事是，当你把许多物种的幼崽放在较温暖的环境中时，这些动物最初生长得更快，但成熟得也更快。结果，个体的成年体型比在较凉爽的环境中要小。（想象一下人们在八岁时成熟；我们肯定都会矮一些。）2012 年，现在英国利物浦大学的进化生物学家安德鲁·赫斯特和他的同事发表了一篇关于陆地或水生 169 个物种的成熟和温度实验的荟萃分析。他们发现，当温度较高时，90% 的物种在较小的体型时成熟。“这是一个非常普遍的现象，”赫斯特说。

成熟时间与新陈代谢密切相关，当温度升高时，新陈代谢也会增加。新陈代谢是一种化学反应，“化学反应在较高温度下比在较低温度下发生得更快，”昆士兰詹姆斯库克大学的海洋生物学家凡妮莎·梅斯默解释说。在最近的实验中，梅斯默和她的同事调查了不同大小的珊瑚礁鱼类的新陈代谢如何随温度变化。他们于 2017 年在《全球变化生物学》上发表的结果表明，当水温从 28.5 摄氏度升高到 33 摄氏度时，一种鱼类的最大代谢率可以增加惊人的 44 倍。实验还表明，小鱼比大鱼更能调节高温下的新陈代谢，这为小鱼提供了可能的生存优势。

更快的代谢意味着生物需要更多的食物，如果动物无法获得足够的营养来抵消代谢的增加，它将不得不分配其稀缺的能量用于生长和繁殖。繁殖通常会胜出——毕竟，这是物种的生存——动物会在较小的体型时成熟和繁殖。随着气候变化，有时可能会变得太热而无法进食。当温度高于 15 至 20 摄氏度时，高山山羊会感到非常不适，以至于它们会减少觅食时间。鸟类实际上会喘气以排出多余的热量，这使得进食变得困难。“你不能有效地觅食，而且你花费更多的能量来保持凉爽，而不是你通过进食实际获得的能量——体重减轻且状况不佳的成年动物可能会产生体型较小的后代，”加德纳说。

在蝾螈等两栖动物中，科学家们已经看到了体型缩小是如何代代相传的。“假设阿巴拉契亚山脉某个地区的气候变暖了，”马里兰大学帕克分校的环境科学家凯伦·利普斯说。“生活在那里的蝾螈现在更温暖，新陈代谢率更高，需要吃更多东西才能保持其通常的体型。如果它们在新气候中无法获得足够的食物，它们就会体重减轻。我们还从许多研究中了解到，较小的两栖动物产生的后代较少——或者数量相同但后代较小。因此，随着时间的推移，较温暖环境中的动物要么体型变小，要么种群变小。”

如果不是热量呢？

然而，对于某些体型缩小的动物，至少有一种竞争性的解释，那就是人类正在捕捞和食用较大的动物。例如，如果人类捕捞了大部分较大的鱼，这也可能从种群中去除负责较大体型的基因。留下来繁殖的动物将具有较小体型的遗传组成。“通过捕捞较大的鱼，我们人类可以对鱼类产生进化压力，使其变得更小，”苏格兰阿伯丁大学的环境科学家艾伦·R·博德隆说。

然而，博德隆指出，过度捕捞理论存在漏洞。在 2014 年的《全球变化生物学》论文中，他和他的同事表明，在从 1970 年开始的 39 年中，北海中非常不同的物种，如黑线鳕、鲱鱼和鲽鱼，都变小了。这三个物种在不同的时期经历了严重的捕捞压力。例如，黑线鳕在 1970 年代和 1980 年代被大量捕捞，而鲽鱼在整个 1990 年代也是渔网的目标。然而，体型缩小并没有反映出这些不同的时期，如果过度捕捞特定种群导致鱼类体型缩小，人们会预期出现这种交错效应。相反，这两个物种的体型缩小更密切地追踪了水温的升高。在博德隆研究的 13 个鱼类种群中，有 9 个遵循了这种模式。“如果你仍然可以在所有这些物种中找到体型的共同趋势——这正是我们已经发现的——那么这更可能是由于共同因素——即温度——而不是物种特定的捕捞压力，”博德隆说。捕捞可能在鱼类体型缩小的故事中发挥作用，但它不是主导因素，他说。

动物随着地球变暖而变小的原因可能还有其他，许多原因（如新陈代谢变化）与能量摄入和利用有关。动物的食物可能会变小。极地地区较温暖的冬天可能意味着较小的个体更容易生存。如果干旱变得更加普遍，两栖动物可能会缩小体型以避免脱水。

多种原因可能最能解释为什么动物物种的体型缩小速度不同。有些物种根本没有变化，甚至变得更大——例如，美国的一些候鸟物种就发生了这种情况。“同时发生的变化太多了，很难预测每种生物将如何反应，”新加坡耶鲁-新加坡国立大学的环境科学家詹妮弗·A·谢里丹说，她是 2011 年关于体型缩小综述的主要作者。她说，对于某些动物来说，找到足够的食物来满足增加的新陈代谢需求可能比其他动物更容易。对于另一些动物来说，目前的温度升高可能不足以推动新陈代谢的变化。

然而，迄今为止记录在案的体型缩小确实让许多科学家感到担忧。2013 年发表在《自然气候变化》上的一篇论文得出结论，如果鱼类体型下降的趋势继续下去，到 2050 年，各种物种的平均最大体重可能会在全球范围内下降 14% 至 24%。这将意味着，除其他外，可为不断增长的人口提供的食物减少。当时，一些科学家反对该研究中的模型在某种程度上夸大了体型变化的速度，尽管另一些人认为它是准确的。博德隆认为，这项研究仍然可以“让我们了解问题的严重程度”。对于某些物种来说，体型缩小也可能导致灭绝——在逐渐变暖的气候中体型较小可能更好，但在极端天气中生存也更困难。最后但并非最不重要的一点是，如果捕食者和猎物的体型变化不同步，生态系统可能会失去平衡。“对于一些缩小幅度很大的东西和一些缩小幅度不大的东西之间，可能会存在不匹配，”赫斯特说。

化石表明，体型变化不是单向的。如果温度降低，动物可能会再次长大。然而，根据气候变化预测，人类不太可能看到这种情况发生。