動物も暑さに耐えられない：数百万年にわたる進化がわずか数十年で完了

気候変動は加速しており、動物たちは前例のない課題に直面しています。彼らはこのリズムに適応できるでしょうか？

アンディ・カーステンス

編集：王超

図 1. 南アフリカジリス (Xerus inauris) |出典: Wikipedia

愛らしい南アフリカジリス（Xerus inauris）は、南アフリカの乾燥したサバンナや熱帯および亜熱帯の低木地帯に生息しています。ここの焼けつくような暑さに対処するために、彼らは一連の戦略を展開してきました。例えば、後ろ足は熱を放散しやすくするために特に大きく作られています。彼らは毛のない腹部から熱を発散させるために腹ばいになります。そして、涼をとるために毛むくじゃらの尻尾を曲げて日傘のように頭の上に掲げます。そして、暑さが耐え難くなると、これらの穴掘り哺乳類は体温を下げるために巣穴に逃げ込みます。しかし、気候変動は加速しており、南アフリカの自然保護区の最高気温はわずか18年で2.5℃上昇しています。カナダのマニトバ大学の保全生態学者ミヤ・ワリントン氏は、南アフリカのジリスが習得したあらゆる冷却技術にもかかわらず、急速に変化する気候にすぐに圧倒される可能性があると述べている。

図 2. 南アフリカのジリスは、極度の暑さから身を守るためにさまざまな方法を使用します。これを行う一つの方法は、仰向けに寝て腹部から熱を逃がすことです。

ワリントン氏は、20年足らずの間に、リスの元々非常に大きい後ろ足が体の大きさに比べて約11％成長し、背骨の長さは約6％短くなったことを観察した。気温上昇によってもたらされる大きな環境圧力が、彼らの体が短期間で変形する原因である可能性があります。

南アフリカのジリスの変態は孤立した事例ではない。多くの種の体型が短期間で微妙に変化したことを示す証拠が増えています。しかし、動物たちが気温上昇に十分素早く適応できるかどうかは不明であり、個体数減少の危機的状況からどれほど離れているかも不明だ。

体は小さく、手足は長い

体温と体型にはどのような関係があるのでしょうか？ 19 世紀後半、2 人の生物学者が 2 つの独立した、しかし関連性のある仮説を提唱しました。ベルクマンの法則によれば、熱帯地方に生息する動物は体が小さくなり、アレンの法則によれば、温暖な地域に生息する動物は手足が長くなると予測されます。これら 2 つの仮説の意味するところは同じです。つまり、恒温動物の体の大きさは温度差に基づいて緯度によって変化し、これらの傾向は動物が異なる熱放散の必要性に応じて生み出す温度適応であるということです。

「体が小さいと、単位体積あたりの表面積が大きくなり、熱をより効率的に放散できるようになります」とミシガン州立大学の定量生態学者、ケイシー・ヤングフレッシュ氏は説明する。ベルクマンの法則は緯度の影響を考慮しており、ヤングフレッシュ氏は気候変動により北米全体が温暖化すると鳥が小型化するかどうかを解明しようとしていた。

ヤングフレッシュ氏とその同僚は、鳥類個体群研究所がまとめた包括的な鳥類データベースを徹底的に調べた。 105種の鳥類の全分布域を調べたところ、北米の80種で過去30年間に大幅な体重減少が見られたことが判明した。 25万羽以上の鳥を分析した結果、すべての種が平均して体重の約0.6％を失っており、最も大きな減少が見られたのはツバメ（Tachycineta bicolor）で、約2.8％だった。

図 3: 科学者がこのアオジ (Passerina cyanea) の計測を行い、タグ付けの準備をしています。この研究は、鳥類個体群研究研究所による継続的な監視活動の一環である。

これらの数字は小さいように思えるかもしれないが、進化的変化のほとんどは地質学的な時間スケールで起こるため、これらの鳥の体重がわずか30年で変化したという事実は驚くべきことだ。

鳥類学者で進化生物学者のフレッド・ベンハム氏もヤングフレッシュ氏に同意している。 「彼らのプロジェクトの規模は巨大です。これほど短期間にこれほど多くの種が変化したという事実は、これらの鳥類に影響を与えている何らかの地球規模の要因、おそらく気候変動が存在することを示唆しています。」

ヤングフレッシュ氏の研究により、鳥の翼の絶対的な長さは変化していないものの、体が小さくなったため、体に対する翼の相対的な長さが増加していることがわかった。アレンの法則は、四肢の伸長が熱放散と関係していることを示唆しているが、ヤングフレッシュ氏は、鳥の翼が伸長する現象は熱放散とはほとんど関係がなく、むしろ季節的な渡りの必要性によるものだと考えている。鳥の群れが遠くまで移動するほど、翼は長くなります。ヤングフレッシュ氏は、この研究結果は、季節ごとに長距離を飛ぶ能力を維持することが鳥にとっていかに重要であるかを示している可能性があると述べている。

ベンハムは鳥のくちばしの変化に注目しました。彼は、翼の長さの変化とは異なり、くちばしの変化は実際には温度によるものである可能性があると考えています。くちばしの表面積が大きいほど、受動的な冷却効果は向上します。この熱放散プロセスは追加の代謝を必要とせず、蒸発冷却に依存しないため、水分の保持に役立ちます。

研究者らはサバンナスズメ（Passerculus sandwichensis）の4つの亜種を評価した結果、アレンの法則で予測されたように、個体群が南に行くほどくちばしが一般的に大きくなることを発見した。しかし、亜種 P. s のみです。北カリフォルニアの海岸沿いに生息するアラウディヌスのくちばしが大きくなったのは、気候変動による気温上昇が原因と考えられる。この鳥は、淡水が乏しいカリフォルニア内陸部の塩分濃度の高い潮汐湿地に生息しており、くちばしの表面積は150年間で約7％増加している。これにより、1日あたりの水分損失を約16%削減できると推定されます。

ベンハムは、P. s. のくちばしが、アラウディヌスがこれほど大きく成長したのは、水不足の環境で涼しく過ごすためのコストが、気温が高くなるほど高くなるためだ。そこで彼は、ヤングフレッシュが分析したように、乾燥地域の鳥が湿潤地域の鳥よりも劇的に縮小したかどうかを知りたいと思った。

受粉の問題

ベルクマンの法則とアレンの法則は、恒温動物が緯度によって生じる温度勾配に適応するために何千年もかけてさまざまなサイズに進化してきたことを示唆しています。もう一つのルール、温度とサイズのルールは、冷血動物によく見られる表現型の可塑性を説明します。 「科学者が研究したほぼすべての昆虫種において、幼虫が成長する環境の温度が上昇すると、成虫のサイズが小さくなる」とブリティッシュコロンビア大学の昆虫・水生生態学者ミシェル・ツェン氏は言う。 「これは、温暖な気候により発育中の生化学反応が加速され、変温動物の成熟プロセスが短縮されるためです。」

しかし、これらの変化の現実世界への影響を研究する際、科学者は統計的有意性と生物学的有意性を明確に区別しないことがよくあります。後者は生物の健康または生存に対して統計的に有意な影響を及ぼします。統計的有意性は生物学的有意性を裏付ける証拠にすぎません。統計的有意性は、生物系に実際の違いがあることを意味するものではありません。なぜ 2 種類の有意性を区別しないのかというと、研究者が自分の研究結果が現実世界にどのような影響を与えるのかを本当に知らないからということもありますし、論文の出版には統計的有意性の方が重要だからということもあります。統計的有意性に焦点を当てながら生物学的意義を調査するために、ツェン氏は温度によって引き起こされる体サイズの縮小が蝶の受粉行動に与える影響を研究する実験を設計しました。

植物は遺伝子の混合を花粉媒介者に依存しているため、花粉媒介者と植物の相互作用は生物多様性にとって重要です。しかし、昆虫の体の大きさが植物と昆虫の相互作用にどのように影響するかは十分に理解されていません。ツェン氏はまず、気候変動がモンシロチョウ（Pieris rapae）の体と羽の大きさにどのような変化をもたらすかを研究した。ツェンさんは家の外の鉢でケール栽培をしている。モンシロチョウが葉の上に卵を産んだ後、彼女はケールをそっと取り除き、研究室に持ち帰ります。

卵が孵化した後、ツェン氏と彼の同僚は幼虫を18℃、24℃、30℃の恒温インキュベーターに入れました。最も寒い環境で育ったモンシロチョウと比べると、最も暖かい環境で育ったモンシロチョウは、成熟が約2倍速く、体重が最も軽く、羽の面積が最も小さく、飛ぶ速度も遅かった。

これらの形態学的変化が生物学的に重要であるかどうかを判断するために、ツェン氏と彼女の同僚は野生のモンシロチョウを採集し、実験室で飼育された蝶のサイズに基づいて、同様のサイズの大、中、小のグループに分類しました。次に、研究者らは、各グループが飛行後に蓄積した花粉の量を分析した。実験チームはゼラチンを使ってモンシロチョウの顔と口器から花粉を集め、顕微鏡下でチョウが運んだ花粉の量と花粉に対応する植物の種類を評価した。彼らは、より小型のモンシロチョウ（最も暖かい環境で飼育された実験室の蝶と同等の大きさ）が運ぶ花粉の植物種が少ないことを発見した。ツェン氏は、この結果は重要であり、生物多様性に実際的な影響を与える可能性があると考えている。

アリゾナ州立大学の昆虫生理学の大学院生メレディス・ジョンソン氏は、気候変動により小型化する可能性がある別の花粉媒介昆虫を発見した。彼女は過去5年間に野生で収集されたデータを調べたところ、体の大きさを表す重要な特徴であるオスのディガーバチ（Centris pallida）の頭の幅が減少していることを発見した。ディガーバチのオスは二形性があり、体の大きさが異なり、交尾行動も異なります。全ての雄が小さくなったが、大型二形類の頭幅の減少が最も大きく、約8パーセントポイントだった。ジョンソン氏は、この現象がどのような影響を与えるかは不明だが、大きなオスのミツバチの方が交尾に成功する可能性が高いため、オスのサイズが小さくなり続けると、それに応じて個体数が減少する可能性があると述べた。

図 3: トランペット型のオスのディガーバチがメスキート (Prosopis) の茂みでメスのバチと交尾している。

オスのディガーバチが小さくなった理由は2つあります。1つは発育中の環境温度の上昇であり、もう1つは気候によって引き起こされるミツバチと宿主植物の間の季節的不一致です。いわゆるフェノロジーとは、生物学的周期現象（植物の開花やミツバチの蜜集めなど）と季節の気候との関係を指します。ジョンソン氏はどちらの仮説もまだ検証していないが、最も可能性の高い原因は気候変動に関連している。彼女の言葉を借りれば、「他に理由は考えられません。」

ジョンソン氏は、気候変動は多食性のミツバチよりも、穴掘り蜂のような寡食性のミツバチにとってより大きな脅威であると考えている。現存する2万種のミツバチのうち、ほとんどが寡食性、つまり特定の植物種の蜜だけを食べるミツバチです。たとえば、ディガーバチはパーキンソニアと呼ばれる木の蜜に依存しています。異常な開花があったり、蜜の生産量が減少したりすると、ディガーバチは他に餌を得る手段がなくなります。

昆虫の体の大きさの変化が体の可塑性によるものか、急速な進化によるものか、あるいはその両方によるものかはまだ明らかではない。多くの科学者が長年研究を続けてきましたが、この疑問に答える証拠を提示できた人は誰もいません。可塑性と進化が昆虫の体の大きさの変化にどのように影響するかを分析するための研究が現在多数行われています。

水の中で窒息する

温度とサイズの法則は水生冷血動物にも当てはまります。しかし、温度の影響と漁業の影響を切り離すのは難しい。漁業は特定の個体群から最も大きな魚を除去する傾向があり、それ自体が小型の魚を優遇する選択圧として作用するからだ。

このため、海洋生物の将来に関する多くの推測は、化石記録やその他の古代の生物学的サンプルから生まれています。ドイツのキール大学海洋社会センターの古海洋学者レナト・サルヴァテッチ氏は、ペルー中部の海岸で採取された約12万年前の堆積物コアを分析した。彼らは主に、気候が現在よりも温暖だった地球最後の間氷期であるエミアン間氷期に注目した。調査結果によると、海水温が現在よりも約2℃高かったとき、南太平洋のこの地域の魚は小型化せず、むしろより生息に適した地域に移動したようだ。しかし、各地で魚の大規模な減少がみられるものの、その理由を区別することは難しく、魚種によって原因が異なる可能性がある。

海水中の酸素レベルの変化は、海洋動物が気候変動にどのように反応しているかを研究することを複雑にします。ほとんどの海洋動物は呼吸するために水面に浮上しないので、海水から溶存酸素を得る必要があります。海水温が上昇すると酸素の溶解度が低下し、魚が水中で呼吸できる酸素の量も減少します。これは、空気が薄くて人間が息切れを感じる高地の陸上でも同様です。

微妙なのは、温度が上昇すると酸素の拡散速度が上がり、水の粘度が下がるため、酸素の溶解度の低下の影響がある程度補われることです。

スタンフォード大学サステイナビリティ学部の古生物学者ジョナサン・ペイン氏は、温度と酸素が外温性の海洋動物の体の大きさにどのような影響を与えるかに関する過去の実験データを使用して、現在の種の分布を理解し、さまざまな気候変動シナリオ下でそれらの種がどのように反応するかを予測するモデルを構築した。このモデルは、温度に対する代謝の感受性と、海洋温暖化によって引き起こされる酸素の供給と需要の不均衡を考慮に入れています。論理的に、酸素供給量は動物が生き残るために必要な量を超える必要があり、より大きな生物の場合、酸素の供給と需要のバランスはより急速に減少します。

ペインのモデルでは、動物プランクトンなど、重さが約1グラムの生物種の場合、海水温が1℃上昇するごとにバイオマスが10パーセントポイント減少すると推定されている。したがって、気温が 1°C 上昇してもそれほど壊滅的な事態にはなりませんが、生態学的影響が正確にどのようなものになるかはわかりません。一方、気温が 5°C 上昇すると、体の大きさは 25% 減少する必要があります。この状態が続くと、将来のある時点で、生物は解剖学的にも生理学的にもこの状況に対処できなくなるでしょう。

体重100グラムの頭足動物のような大型生物の場合、モデルの予測はさらに悪くなります。わずか 1°C の温暖化でも 20% の縮小が必要となり、5°C の温暖化では 80% の縮小が必要になります。 「それは大きなことですよね？」ペイン氏は語った。そして、他の多くの種にも深刻な影響を及ぼす可能性があります。 「大きな魚は小さな魚を食べ、小さな魚はエビを食べる」と彼は言った。 「それは間違いなく食物連鎖の上位に広がるだろう」

ペインのモデルが今後 100 年以上にわたって正確であるかどうかはまだ明らかではないが、そこから導き出される明確な結論の 1 つは、大型生物がより涼しい生息地に移動するか、行動を変えない限り、短期間でサイズの変化を余儀なくされるということだ。彼らにとってこれは非常にありそうにないことであり、極端な選択的絶滅につながる可能性があります。

波及効果

気温上昇は海洋バイオマスだけに影響を及ぼすのではありません。大型動物は栄養素を長距離輸送するため、最終的には生態系全体が影響を受けます。

例えばサケの場合、サケは海で餌を食べ、リンを吸収し、川を遡って川底で繁殖します。その後、クマが川に来てサケを食べ、川からリンを奪い、陸地に移動して丘の斜面のどこかに排泄します。ペイン氏はリンの移動方法を「反重力」と呼んでおり、この栄養輸送方法は無生物の世界では不可能である。

「海の魚の群れ、海底の堆積物をかき回す動物、土を掘り返して陸地全体に栄養分を運ぶ昆虫やその他の動物について考えてみると、栄養分の流れが現代世界に生物学的に深く刻み込まれていることがすぐに分かる」と彼は語った。

ツェンはもっと率直にこう言う。「黙々と働くフンコロガシがいなかったら、毎年夏はあなたや私が牛の糞をシャベルで掘っていただろう。」

関連する専門家のほぼ全員が、気候変動に迅速に適応できずに種が消滅した場合、同様の波及効果が必然的にもたらされると考えています。ヤングフレッシュ氏は、過去50年間で渡り鳥の30％が世界から姿を消したと指摘し、だからこそこの一見小さなサイズの変化を研究する必要があるとしている。動物の体の大きさの変化を研究することで、どの種が最も危険にさらされているかを把握することができます。人間が、自然のさまざまな要素がどのように組み合わさっているか、そして生態系が気候変動にどのように反応するかをより深く理解すれば、「おそらく私たちはそれほど無力ではなくなるでしょう。」

この記事は、
https://www.the-scientist.com/news-opinion/animals-are-shape-shifting-in-response-to-a-warming-world-70869、タイトルは編集部が作成しました。

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