為什麼越冷的地方昆蟲體型越小(蟑螂),但有些哺乳動物卻越大(東北虎、北極熊)?

體積越大越能保溫,所以我可以理解為什麼寒冷地區鳥類、哺乳類體型大。但是昆蟲為啥反而小,似乎爬行類和兩棲類也是越冷地方越越小?這是恆溫動物和冷血動物的不同造成的嗎?


謝 @佘炤灼 邀。回答這個問題,避不開貝格曼定律(Bergermanns rule)。

貝格曼定律與恆溫動物

這是貝格曼於1847 年首次對動物體型的地理變化作出的比較明確的闡述,他認為「 在地理分布上,(恆溫) 動物的體型、恆溫脊椎動物的一些物種的( 同一種) 的體型在寒冷氣候環境中比在溫暖環境中大」。Bergmann 最初對該模式的描述傾向於根據身體體積和熱量預算, 因此得到該規則取決於熱量預算過程。知友@Keith在這個問題下的問題有詳細的解釋,不再展開。但需要注意的兩點是:第一,加黑的「一些物種」幾個字;第二,貝格曼法則在提出之初針對的是溫血動物,並未將無脊椎動物囊括在內。

100多年來,對動物體型變化趨勢的原因,學界仍有爭議,並被部分人質疑。但在哺乳動物和鳥類中,還是受到了廣泛支持的。尤其是同一種動物,在不同地區中的體型變化模式,符合這一定律。

變溫動物生物地理體型變化

題主問的昆蟲、爬行類、兩棲類,實際代表的是變溫動物。變溫動物的體型變化是否表現出貝格曼模式,一直有爭論。有的研究中,變溫動物也符合貝格曼法則,比如龜類;有的則剛好相反,比如有鱗類。因此題主的問題是有失偏頗的、以偏概全的。

變溫動物的這種變化趨勢不能夠根據能量守恆來作出解釋, 因為這些動物的體溫隨著環境溫度的改變而變化。由於變溫動物容易受到環境因素的影響, 所以對變溫動物的生物地理體型變化模式的解釋有如下幾種不同的假說:

1、冷適應代謝(MCA: metabolize cold adaptation)

該假說認為低溫環境下變溫動物的代謝率增加。因此寒冷地區的變溫動物體型也是會變大的。

2、生活史理論假說(life history theory)

認為成體死亡率增加將會選擇提前成熟,體型變小,並努力增加繁殖量。而幼體死亡率增加將會選擇相反的模式——延遲成體成熟, 體型變大,並減少繁殖量。

3、氧氣限制( CO2限制-自養生物) 假說( oxygen or carbon dioxide restriction)

認為增加溫度會減少水中溶解氧的數量, 同時也增加了呼吸活動, 因而需要更多的氧氣。因此越溫暖,變溫動物的體型會越小,以增加比表面積,獲得更多氧氣。比如說那些石蠅、蜻蜓的幼蟲就是如此。

但到了陸地上,就是另一種情況:氧氣含量太高,會促使體型變大。比如3億年前的食肉蜻蜓,有現代海鷗那麼大。有的研究認為,它們為了抵禦那時太高的氧氣含量,以免氧中毒,才長那麼大,以減少比表面積,控制氧氣攝入。

4、生境丟失假說(habitation lose)

認為對一些生境, 如季節性小水塘和溪流, 升高溫度後造成蒸發量增加,有可能增加這些生境乾枯的可能性。因此動物適應這些生境溫度,就能更好地應對將來的生存風險。因此改變了動物最佳的成熟時間,使得越溫暖,成熟越早,體型越小。

5、捕食風險假說(Risk of predation by other ectotherms)

由於適應性, 增加幼年個體的死亡率,會導致動物在身體體積較小時就提前成熟。這樣對某些動物來說, 溫度升高可以作為增加捕食風險的一種信號, 會導致動物在以犧牲動物個體生長時間的前提下提前成熟。也就是溫度越高,體型越小。

6、季節影響假說( Seasonal efects)

認為許多動物個體在一年中特定的時間成熟, 並利用光周期作為一種季節性信號。比如高緯度地區光照時間比低緯度長,動物成熟晚,體型就大。

以上的這些假說中, 氧氣限制、生境丟失、冷適應代謝、生活史理論假說主要適用於變溫動物, 而捕食風險、季節影響假說既適用於變溫動物也適用於恆溫動物, 但對二者的效應不一樣。

希望能夠解決答主的疑問,有空再多補兩張圖。

參考資料:

張強, 王德華. 貝格曼(Bergmann)法則的歷史演變和發展[C] 野生動物生態與資源保護第四屆全國學術研討會論文摘要集. 2007.


對於變溫的動物和植物適用的應該是有效積溫法則。貝格曼法則題主已經描述了我就不贅述了,是相對體表面積和熱量的原因。

從選擇的層面來猜測一下過程,體積大的昆蟲由於在北邊,溫度不夠高,發育的慢,當小蟲子都已經長好,在夏天吃食交配了,大蟲子還沒能成熟,自然是來不及留下後代了。(對於同種昆蟲,不同種發育速度不一樣)

也肯定是有大昆蟲可以調整發育周期適應北邊並長得足夠大的,去過木蘭圍場就知道了。大蟲子還是不少的。

https://baike.baidu.com/item/有效積溫/755348?fr=aladdin (不專業的表現之引用百度百科

關於溫度和昆蟲生長和體積的關係,參考這篇文章:

[1]時培建,池本孝哉,戈峰.溫度與昆蟲生長發育關係模型的發展與應用[J].應用昆蟲學報,2011,48(05):1149-1160.


恆溫的動物在冷的地方越長越大,昆蟲和爬蟲這類都不算恆體溫動物,特別是昆蟲,生長交配的時間因為季節限制變得短很多,沒有身體生長的窗口啊。


首先,昆蟲不是恆溫動物,所以過大的體型是無法熬過冬天的。體型越大散熱面積越大,除非是像蟬那樣深居泥土,不然一場西北風就凍僵了。

其次,越靠近赤道,氧濃度越高。昆蟲想要長出更大的體型,這點至關重要。在史前,昆蟲可以長得很大,就是因為氧氣濃度高。不過現在屬於它們的時代已經過去,體型也慢慢變小了。

那麼哺乳動物呢?它們是恆溫動物,可以自行調節體溫,所以長那麼大沒有問題。北極熊原本是灰熊的分支,兩者在體型上都差不多。成年雄性灰熊的體重在300~500公斤,北極熊是300~600公斤。只算骨架,都差不多,只不過北極熊會囤積更多的脂肪,毛髮也更加彭松(為了隔溫)罷了。


伯格曼法則 (Bergmann』s Rule) 試圖解釋恆溫動物的體型和氣溫的關係。恆溫動物 (endotherms) 包括題目所提到的哺乳類和鳥類。法則提出在同一個分類的動物中,氣溫越低,動物的體型就越大。一個非常典型的例子就是,在熊科的八種物種當中,北極的北極熊就比熱帶的馬來熊,眼睛熊體型要大得多,其他的棕熊,黑熊,大熊貓介於兩者之間。

熊科的八種物種分布圖

不同於我們常說的變溫動物/冷血動物 (ectotherms) 例如爬行類,恆溫動物需要消耗自身能量去維持體溫穩定。伯格曼法則的根本論據是,動物的體型是三維的,但是動物的體表面積是二維的。體型/體重越大,平均下來每單位體表面積對應的體重就會越大。所以在寒冷的高緯度地區,恆溫動物體型越大,保熱就越高效。

但是對於像昆蟲一類的變溫動物,就不存在自身耗能維持體溫的說法。在變溫動物的體型和氣溫的關係這方面,我覺得暫時還沒有很好的解釋。因為有些物種符合伯格曼法則,有的卻是相反。由於動物的體型/體重是由多方面的因素而導致的,所以溫度可能只是其中之一。但是伯格曼法則是在動物科學界比較廣泛接受的其中一種解釋。

上圖:體重(縱坐標)和緯度(橫坐標)的關係;下圖:體表面積:體重比(縱坐標)和緯度(橫坐標)的關係


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