体积越大越能保温,所以我可以理解为什么寒冷地区鸟类、哺乳类体型大。但是昆虫为啥反而小,似乎爬行类和两栖类也是越冷地方越越小?这是恒温动物和冷血动物的不同造成的吗?


谢 @佘炤灼 邀。回答这个问题,避不开贝格曼定律(Bergermanns rule)。

贝格曼定律与恒温动物

这是贝格曼于1847 年首次对动物体型的地理变化作出的比较明确的阐述,他认为「 在地理分布上,(恒温) 动物的体型、恒温脊椎动物的一些物种的( 同一种) 的体型在寒冷气候环境中比在温暖环境中大」。Bergmann 最初对该模式的描述倾向于根据身体体积和热量预算, 因此得到该规则取决于热量预算过程。知友@Keith在这个问题下的问题有详细的解释,不再展开。但需要注意的两点是:第一,加黑的「一些物种」几个字;第二,贝格曼法则在提出之初针对的是温血动物,并未将无脊椎动物囊括在内。

100多年来,对动物体型变化趋势的原因,学界仍有争议,并被部分人质疑。但在哺乳动物和鸟类中,还是受到了广泛支持的。尤其是同一种动物,在不同地区中的体型变化模式,符合这一定律。

变温动物生物地理体型变化

题主问的昆虫、爬行类、两栖类,实际代表的是变温动物。变温动物的体型变化是否表现出贝格曼模式,一直有争论。有的研究中,变温动物也符合贝格曼法则,比如龟类;有的则刚好相反,比如有鳞类。因此题主的问题是有失偏颇的、以偏概全的。

变温动物的这种变化趋势不能够根据能量守恒来作出解释, 因为这些动物的体温随著环境温度的改变而变化。由于变温动物容易受到环境因素的影响, 所以对变温动物的生物地理体型变化模式的解释有如下几种不同的假说:

1、冷适应代谢(MCA: metabolize cold adaptation)

该假说认为低温环境下变温动物的代谢率增加。因此寒冷地区的变温动物体型也是会变大的。

2、生活史理论假说(life history theory)

认为成体死亡率增加将会选择提前成熟,体型变小,并努力增加繁殖量。而幼体死亡率增加将会选择相反的模式——延迟成体成熟, 体型变大,并减少繁殖量。

3、氧气限制( CO2限制-自养生物) 假说( oxygen or carbon dioxide restriction)

认为增加温度会减少水中溶解氧的数量, 同时也增加了呼吸活动, 因而需要更多的氧气。因此越温暖,变温动物的体型会越小,以增加比表面积,获得更多氧气。比如说那些石蝇、蜻蜓的幼虫就是如此。

但到了陆地上,就是另一种情况:氧气含量太高,会促使体型变大。比如3亿年前的食肉蜻蜓,有现代海鸥那么大。有的研究认为,它们为了抵御那时太高的氧气含量,以免氧中毒,才长那么大,以减少比表面积,控制氧气摄入。

4、生境丢失假说(habitation lose)

认为对一些生境, 如季节性小水塘和溪流, 升高温度后造成蒸发量增加,有可能增加这些生境干枯的可能性。因此动物适应这些生境温度,就能更好地应对将来的生存风险。因此改变了动物最佳的成熟时间,使得越温暖,成熟越早,体型越小。

5、捕食风险假说(Risk of predation by other ectotherms)

由于适应性, 增加幼年个体的死亡率,会导致动物在身体体积较小时就提前成熟。这样对某些动物来说, 温度升高可以作为增加捕食风险的一种信号, 会导致动物在以牺牲动物个体生长时间的前提下提前成熟。也就是温度越高,体型越小。

6、季节影响假说( Seasonal efects)

认为许多动物个体在一年中特定的时间成熟, 并利用光周期作为一种季节性信号。比如高纬度地区光照时间比低纬度长,动物成熟晚,体型就大。

以上的这些假说中, 氧气限制、生境丢失、冷适应代谢、生活史理论假说主要适用于变温动物, 而捕食风险、季节影响假说既适用于变温动物也适用于恒温动物, 但对二者的效应不一样。

希望能够解决答主的疑问,有空再多补两张图。

参考资料:

张强, 王德华. 贝格曼(Bergmann)法则的历史演变和发展[C] 野生动物生态与资源保护第四届全国学术研讨会论文摘要集. 2007.


对于变温的动物和植物适用的应该是有效积温法则。贝格曼法则题主已经描述了我就不赘述了,是相对体表面积和热量的原因。

从选择的层面来猜测一下过程,体积大的昆虫由于在北边,温度不够高,发育的慢,当小虫子都已经长好,在夏天吃食交配了,大虫子还没能成熟,自然是来不及留下后代了。(对于同种昆虫,不同种发育速度不一样)

也肯定是有大昆虫可以调整发育周期适应北边并长得足够大的,去过木兰围场就知道了。大虫子还是不少的。

https://baike.baidu.com/item/有效积温/755348?fr=aladdin (不专业的表现之引用百度百科

关于温度和昆虫生长和体积的关系,参考这篇文章:

[1]时培建,池本孝哉,戈峰.温度与昆虫生长发育关系模型的发展与应用[J].应用昆虫学报,2011,48(05):1149-1160.


恒温的动物在冷的地方越长越大,昆虫和爬虫这类都不算恒体温动物,特别是昆虫,生长交配的时间因为季节限制变得短很多,没有身体生长的窗口啊。


首先,昆虫不是恒温动物,所以过大的体型是无法熬过冬天的。体型越大散热面积越大,除非是像蝉那样深居泥土,不然一场西北风就冻僵了。

其次,越靠近赤道,氧浓度越高。昆虫想要长出更大的体型,这点至关重要。在史前,昆虫可以长得很大,就是因为氧气浓度高。不过现在属于它们的时代已经过去,体型也慢慢变小了。

那么哺乳动物呢?它们是恒温动物,可以自行调节体温,所以长那么大没有问题。北极熊原本是灰熊的分支,两者在体型上都差不多。成年雄性灰熊的体重在300~500公斤,北极熊是300~600公斤。只算骨架,都差不多,只不过北极熊会囤积更多的脂肪,毛发也更加彭松(为了隔温)罢了。


伯格曼法则 (Bergmann』s Rule) 试图解释恒温动物的体型和气温的关系。恒温动物 (endotherms) 包括题目所提到的哺乳类和鸟类。法则提出在同一个分类的动物中,气温越低,动物的体型就越大。一个非常典型的例子就是,在熊科的八种物种当中,北极的北极熊就比热带的马来熊,眼睛熊体型要大得多,其他的棕熊,黑熊,大熊猫介于两者之间。

熊科的八种物种分布图

不同于我们常说的变温动物/冷血动物 (ectotherms) 例如爬行类,恒温动物需要消耗自身能量去维持体温稳定。伯格曼法则的根本论据是,动物的体型是三维的,但是动物的体表面积是二维的。体型/体重越大,平均下来每单位体表面积对应的体重就会越大。所以在寒冷的高纬度地区,恒温动物体型越大,保热就越高效。

但是对于像昆虫一类的变温动物,就不存在自身耗能维持体温的说法。在变温动物的体型和气温的关系这方面,我觉得暂时还没有很好的解释。因为有些物种符合伯格曼法则,有的却是相反。由于动物的体型/体重是由多方面的因素而导致的,所以温度可能只是其中之一。但是伯格曼法则是在动物科学界比较广泛接受的其中一种解释。

上图:体重(纵坐标)和纬度(横坐标)的关系;下图:体表面积:体重比(纵坐标)和纬度(横坐标)的关系

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