Правило Бергмана

Правило Бергмана — это экогеографическое правило , которое гласит, что в пределах широко распространенной таксономической клады популяции и виды более крупного размера встречаются в более холодных условиях, тогда как популяции и виды меньшего размера встречаются в более теплых регионах. Это правило вытекает из соотношения между размером в линейных размерах, что означает, что и высота, и объем будут увеличиваться в более холодных условиях. Правило Бергмана описывает только общий размер животных, но не включает пропорции тела, как правило Аллена .
Хотя первоначально она была сформулирована в отношении видов внутри рода, она часто переделывалась в отношении популяций внутри вида. Его также часто определяют в зависимости от широты. Возможно, это правило распространяется и на некоторые растения, например на рапикактус .
Правило названо в честь немецкого биолога девятнадцатого века Карла Бергмана , который описал эту закономерность в 1847 году, хотя он был не первым, кто ее заметил. Правило Бергмана чаще всего применяется к млекопитающим и птицам, которые являются эндотермными животными , но некоторые исследователи также нашли доказательства этого правила в исследованиях экзотермных видов. [ 2 ] [ 3 ] например, муравей Leptothorax acervorum . Хотя правило Бергмана справедливо для многих млекопитающих и птиц, есть и исключения. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]
Животные с более крупным телом имеют тенденцию более точно соответствовать правилу Бергмана, чем животные с меньшим телом, по крайней мере, до определенных широт. Возможно, это отражает снижение способности избегать стрессовых ситуаций, например, закапывая норы. [ 7 ] Помимо того, что правило Бергмана является общей закономерностью для всего космоса, оно наблюдалось в популяциях на протяжении исторического и эволюционного времени при воздействии различных тепловых режимов. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] В частности, временное, обратимое снижение температуры млекопитающих было отмечено во время двух относительно коротких повышений температуры в палеогене : палеоцен-эоценового термического максимума. [ 11 ] и эоценовый термический максимум 2 . [ 12 ]
Примеры
[ редактировать ]
Люди
[ редактировать ]Человеческие популяции вблизи полюсов, включая инуитов , алеутов и саамов , в среднем тяжелее, чем популяции из средних широт, что соответствует правилу Бергмана. [ 14 ] У них также, как правило, более короткие конечности и более широкое туловище, что соответствует правилу Аллена . [ 14 ] По словам Маршалла Т. Ньюмана в 1953 году, индейское население в целом соответствует правилу Бергмана, хотя сочетание холодного климата и небольшого размера тела восточных инуитов, народа каноэ, народа юки , Анд аборигенов и озера Харрисон Лиллуэт противоречит ожиданиям Правило Бергмана. [ 15 ] Ньюман утверждает, что правило Бергмана справедливо для населения Евразии , но не справедливо для населения стран Африки к югу от Сахары . [ 15 ]
Человеческие популяции также демонстрируют уменьшение роста с увеличением среднегодовой температуры. [ 16 ] Правило Бергмана справедливо для африканцев с карликовым фенотипом и других карликовых народов . Эти популяции демонстрируют более низкий рост и меньший размер тела из-за адаптации к более жаркой и влажной среде. [ 17 ] При повышенной влажности окружающей среды испарительное охлаждение (потение) является менее эффективным способом рассеивания тепла тела, но более высокое соотношение площади поверхности к объему должно давать небольшое преимущество за счет пассивной конвекционной потери тепла.
Птицы
[ редактировать ]В исследовании изменений морфологии перелетных птиц, проведенном в 2019 году, использовались тела птиц, которые сталкивались со зданиями в Чикаго в период с 1978 по 2016 год. Длина костей голени птиц (показатель размера тела) сократилась в среднем на 2,4% и их крылья удлинились на 1,3%. В аналогичном исследовании, опубликованном в 2021 году, использовались измерения 77 видов оседлых птиц, пойманных живыми для кольцевания в низменных тропических лесах Амазонки . В период с 1979 по 2019 год все изучаемые виды становились мельче в среднем на 2% за десятилетие. Морфологические изменения считаются результатом глобального потепления и могут служить примером эволюционных изменений в соответствии с правилом Бергмана. [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]
Рептилии
[ редактировать ]Сообщается, что самки крокодилов смутно следуют правилу Бергмана. [ 22 ] [ 23 ] Однако для черепах [ 24 ] или ящерицы [ 25 ] Действительность правила не подтверждена.
Беспозвоночные
[ редактировать ]Доказательства существования правила Бергмана были обнаружены у морских копепод . [ 26 ]
Растения
[ редактировать ]Правило Бергмана вообще не применимо к растениям. [ 27 ] Что касается кактусов , то случай сагуаро ( Carnegiea gigantea ), когда-то описанный как «ботаническая тенденция Бергмана», [ 28 ] вместо этого было показано, что оно зависит от количества осадков, особенно зимних осадков, а не от температуры. [ 29 ] Представители рода Rapicactus крупнее в более прохладной среде, поскольку диаметр их стебля увеличивается с высотой и особенно с широтой. Однако, поскольку Rapicactus растут в ареале распространения, в котором среднее количество осадков имеет тенденцию уменьшаться в более высоких широтах, а размер их тела не обусловлен климатическими переменными, это может указывать на возможную тенденцию Бергмана. [ 30 ]
Пояснения
[ редактировать ]
Самое раннее объяснение, данное Бергманном при первоначальной формулировке правила, заключается в том, что более крупные животные имеют меньшее соотношение площади поверхности к объему, чем более мелкие животные, поэтому они излучают меньше тепла тела на единицу массы и, следовательно, остаются теплее в холодном климате . Более теплый климат создает противоположную проблему: тепло тела, вырабатываемое в результате метаболизма, необходимо быстро рассеивать, а не хранить внутри. [ 31 ]
Таким образом, более высокое соотношение площади поверхности к объему у более мелких животных в жарком и сухом климате облегчает потерю тепла через кожу и помогает охладить тело. При анализе правила Бергмана в полевых условиях выясняется, что изучаемые группы популяций находятся в разных тепловых условиях, а также были разделены достаточно долго, чтобы генетически дифференцироваться в ответ на эти тепловые условия. [ 31 ] Взаимосвязь между ростом и среднегодовой температурой можно объяснить, моделируя любую форму, увеличивающуюся в любом измерении. По мере увеличения высоты фигуры отношение ее площади поверхности к объему будет уменьшаться. Моделирование туловища и конечностей человека в виде цилиндров показывает 17%-ное уменьшение отношения площади поверхности к объему у человека ростом пять футов до человека ростом шесть футов даже при том же индексе массы тела (ИМТ) .
У морских ракообразных было высказано предположение, что увеличение размеров с широтой наблюдается потому, что снижение температуры приводит к увеличению клеток размера и увеличению продолжительности жизни , оба из которых приводят к увеличению максимального размера тела (для ракообразных характерен продолжительный рост на протяжении всей жизни). ). [ 3 ] Тенденция размеров наблюдалась у гипериидных и гаммаридных амфипод , копепод , ротоногих , мизид и планктонных эвфаузиид как при сравнении родственных видов, так и внутри широко распространенных видов. [ 3 ] Глубоководный гигантизм наблюдается у некоторых из одних и тех же групп, возможно, по тем же причинам. [ 3 ] Дополнительным фактором у водных видов может быть более высокая концентрация растворенного кислорода при более низкой температуре. В пользу этого мнения говорит уменьшение размеров ракообразных в высокогорных озерах. [ 32 ] Еще одним возможным влиянием на беспозвоночных является снижение давления хищников в высоких широтах. [ 33 ] Исследование мелководных брахиопод показало, что хищничество уменьшилось в полярных районах по сравнению с умеренными широтами (такая же тенденция не была обнаружена на глубокой воде, где хищничество также сокращается, или по сравнению с тропическими и умеренными брахиоподами, возможно, потому, что тропические брахиоподы эволюционировали до меньших размеров, чтобы успешно уклоняться от хищников). [ 33 ]
правило Гессе
[ редактировать ]В 1937 году немецкий зоолог и эколог Рихард Гессе предложил расширить правило Бергмана. Правило Гессе, также известное как правило веса сердца, гласит, что виды, обитающие в более холодном климате, имеют больше сердце по отношению к массе тела, чем близкородственные виды, обитающие в более теплом климате. [ 34 ]
Критика
[ редактировать ]В исследовании 1986 года Валериус Гейст заявил, что правило Бергмана неверно: корреляция с температурой ложна; вместо этого Гейст обнаружил, что размер тела пропорционален продолжительности годового импульса продуктивности или доступности пищи на животное в течение вегетационного периода. [ 35 ]
Поскольку на размер тела могут влиять многие факторы, существует много критиков правила Бергмана. Некоторый [ ВОЗ? ] считают, что широта сама по себе является плохим предиктором массы тела. Примерами других селективных факторов, которые могут способствовать изменениям массы тела, являются размер доступных продуктов питания, влияние размера тела на успех в качестве хищника , влияние размера тела на уязвимость перед хищниками и доступность ресурсов. Например, если организм приспособлен переносить низкие температуры, он также может переносить периоды нехватки пищи из-за корреляции между холодной температурой и нехваткой пищи. [ 5 ] Более крупный организм может полагаться на свои большие запасы жира, чтобы обеспечить энергию, необходимую для выживания, а также иметь возможность размножаться в течение более длительных периодов времени.
Доступность ресурсов является основным препятствием для общего успеха многих организмов. Нехватка ресурсов может ограничить общее количество организмов в среде обитания, а со временем может также привести к адаптации организмов, уменьшающихся в размерах тела. Таким образом, доступность ресурсов становится модифицирующим ограничением правила Бергмана. [ 36 ]
Некоторые исследования летописи окаменелостей обнаружили противоречия этому правилу. Например, во время плейстоцена Европе гиппопотамы в . имели тенденцию мельчать в более холодные и засушливые периоды [ 37 ] Кроме того, исследование 2024 года показало, что размеры динозавров не увеличивались в северных широтах Арктики, и что это правило «применимо только к подгруппе гомойотермных животных» в отношении температуры, когда все другие климатические переменные игнорируются. [ 38 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ ФРИДРЁШЕК, Карел (2019). Биомеханика 1 . Острава, Чехия: VSB – Технический университет Остравы, факультет машиностроения, кафедра прикладной механики. стр. 337–338. ISBN 978-80-248-4263-9 .
- ^ Олалла-Таррага, Майкл А.; Родригес, Майкл А.; Хокинс, Брэдфорд А. (2006). «Широкомасштабные закономерности размеров тела у чешуевидных рептилий Европы и Северной Америки» . Журнал биогеографии 33 (5): 781–793. Бибкод : 2006JBiog..33..781O . дои : 10.1111/j.1365-2699.2006.01435.x . S2CID 59440368 .
- ^ Jump up to: а б с д Тимофеев, С.Ф. (2001). «Принцип Бергмана и глубоководный гигантизм морских ракообразных». Биологический вестник Российской академии наук . 28 (6): 646–650. дои : 10.1023/A:1012336823275 . S2CID 28016098 .
- ^ Мейри, С.; Даян, Т. (20 марта 2003 г.). «О справедливости правила Бергмана». Журнал биогеографии . 30 (3): 331–351. Бибкод : 2003JBiog..30..331M . дои : 10.1046/j.1365-2699.2003.00837.x . S2CID 11954818 .
- ^ Jump up to: а б Эштон, Кайл Г.; Трейси, Марк С.; Кейруш, Алан де (октябрь 2000 г.). «Действительно ли правило Бергмана для млекопитающих?». Американский натуралист . 156 (4): 390–415. дои : 10.1086/303400 . JSTOR 10.1086/303400 . ПМИД 29592141 . S2CID 205983729 .
- ^ Миллиен, Вирджиния; Лайонс, С. Кэтлин; Олсон, Линк; и др. (23 мая 2006 г.). «Экотипические вариации в контексте глобального изменения климата: пересмотр правил». Экологические письма . 9 (7): 853–869. Бибкод : 2006EcolL...9..853M . дои : 10.1111/j.1461-0248.2006.00928.x . ПМИД 16796576 .
- ^ Фреклтон, Роберт П.; Харви, Пол Х.; Пейгель, Марк (2003). «Правило Бергмана и размеры тела млекопитающих». Американский натуралист . 161 (5): 821–825. дои : 10.1086/374346 . JSTOR 10.1086/374346 . ПМИД 12858287 . S2CID 44612517 .
- ^ Смит, Фелия А.; Бетанкур, Хулио Л.; Браун, Джеймс Х. (22 декабря 1995 г.). «Эволюция размера тела вудратов за последние 25 000 лет изменения климата». Наука . 270 (5244): 2012–2014. Бибкод : 1995Sci...270.2012S . дои : 10.1126/science.270.5244.2012 . S2CID 129915445 .
- ^ Хьюи, Рэймонд Б.; Гилкрист, Джордж В.; Карлсон, Марген Л.; Берриган, Дэвид; Серра, Луис (14 января 2000 г.). «Быстрая эволюция размера географической линии у завезенной мухи». Наука . 287 (5451): 308–309. Бибкод : 2000Sci...287..308H . дои : 10.1126/science.287.5451.308 . ПМИД 10634786 . S2CID 23209206 .
- ^ Хант, Джин; Рой, Каустув (31 января 2006 г.). «Изменение климата, эволюция размеров тела и правило Коупа в глубоководных остракодах» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (5): 1347–1352. Бибкод : 2006PNAS..103.1347H . дои : 10.1073/pnas.0510550103 . ПМЦ 1360587 . ПМИД 16432187 .
- ^ Секорд, Р.; Блох, Дж.И.; Честер, SGB; Бойер, DM; Вуд, Арканзас; Крыло, СЛ; Краус, MJ; Макинерни, ФА; Кригбаум, Дж. (2012). «Эволюция древнейших лошадей, вызванная изменением климата в палеоцен-эоценовом термическом максимуме» . Наука . 335 (6071): 959–962. Бибкод : 2012Sci...335..959S . дои : 10.1126/science.1213859 . ПМИД 22363006 . S2CID 4603597 . Архивировано из оригинала 9 апреля 2019 г. Проверено 8 января 2020 г.
- ^ Эриксон, Джим (1 ноября 2013 г.). «Глобальное потепление привело к карликовости млекопитающих — дважды» . Мичиганский университет . Проверено 12 ноября 2013 г.
- ^ Санд, Хокан К.; Седерлунд, Йоран Р.; Данелл, Челл (июнь 1995 г.). «Географические и широтные вариации в моделях роста и размерах тела взрослой особи шведского лося ( Alces alces )». Экология . 102 (4): 433–442. Бибкод : 1995Oecol.102..433S . дои : 10.1007/BF00341355 . ПМИД 28306886 . S2CID 5937734 .
- ^ Jump up to: а б Холлидей, Трентон В.; Хилтон, Чарльз Э. (июнь 2010 г.). «Пропорции тела приполярных народов, о чем свидетельствуют данные скелета: Ипиутак и Тигара (Пойнт-Хоуп) против инуитов острова Кадьяк». Американский журнал физической антропологии . 142 (2): 287–302. дои : 10.1002/ajpa.21226 . ПМИД 19927367 .
- ^ Jump up to: а б Ньюман, Маршалл Т. (август 1953 г.). «Применение экологических правил к расовой антропологии аборигенов Нового Света». Американский антрополог . 55 (3): 311–327. дои : 10.1525/aa.1953.55.3.02a00020 .
- ^ Робертс, Д.Ф. (1954). «Вес тела, раса и климат» . Американский журнал физической антропологии . 11 (4): 533–558. дои : 10.1002/ajpa.1330110404 . ПМИД 13124471 .
- ^ Домини, Натаниэль; Перри, Джордж (25 февраля 2009 г.). «Эволюция фенотипа человека-пигмея» .
- ^ Вламис, К. (4 декабря 2019 г.). «Птицы «сокращаются» по мере потепления климата» . Новости Би-би-си . Проверено 5 декабря 2019 г.
- ^ Ляо, Кристина (4 декабря 2019 г.). «Птицы Северной Америки сокращаются, вероятно, в результате потепления климата» . Одюбон . Проверено 5 декабря 2019 г.
- ^ Уикс, Британская Колумбия; Уиллард, Делавэр; Зимова, М.; Эллис, А.А.; Витинский, МЛ; Хеннен, М.; Вингер, Б.М. (2019). «Общие морфологические последствия глобального потепления у перелетных птиц Северной Америки». Экологические письма . 23 (2): 316–325. дои : 10.1111/ele.13434 . hdl : 2027.42/153188 . ПМИД 31800170 . S2CID 208620935 .
- ^ Йиринец, Витек; Бёрнер, Райан С.; Амарал, Бруна Р.; Бьергорд-младший, Ричард О.; Фернандес-Арельяно, Жилберто; Эрнандес-Пальма, Анжелика; Джонсон, Эрик И.; Лавджой, Томас Э.; Пауэлл, Люк Л.; Ратт, Кэмерон Л.; Вулф, Джаред Д. (2021). «Морфологические последствия изменения климата для птиц, обитающих в нетронутых тропических лесах Амазонки» . Достижения науки . 7 (46): eabk1743. Бибкод : 2021SciA....7.1743J . дои : 10.1126/sciadv.abk1743 . ПМЦ 8589309 . ПМИД 34767440 .
- ^ Лакин, Р.Дж.; Барретт, премьер-министр; Стивенсон, К.; Томас, Р.Дж.; Уиллс, Массачусетс (2020). «Первые доказательства широтного эффекта массы тела у современных крокодилов и взаимоотношений их репродуктивных признаков» . Биологический журнал Линнеевского общества . 129 (4): 875–887. дои : 10.1093/biolinnean/blz208 .
- ^ Георгиу, А. (12 марта 2020 г.). «Крокодилы, которые ходили по Земле почти 100 миллионов лет, пережили массовое вымирание и, возможно, смогут адаптироваться к изменению климата» . newsweek.com . Newsweek . Проверено 13 марта 2020 г.
- ^ Ангельчик, К.Д.; Берроуз, RW; Фельдман, ЧР (2015). «Соблюдают ли черепахи правила? Широтные градиенты видового богатства, размера тела и географического ареала черепах в мире» . Журнал экспериментальной зоологии, часть B: Молекулярная эволюция и эволюция развития . 324 (3): 270–294. Бибкод : 2015JEZB..324..270A . дои : 10.1002/jez.b.22602 . ПМИД 25588662 .
- ^ Пинчейра-Доносо, Д.; Ходжсон, диджей; Трегенза, Т. (2008). «Эволюция размеров тела у эктотермных животных под влиянием градиентов окружающей среды: почему правило Бергмана должно применяться к ящерицам?» . Эволюционная биология BMC . 8 (68): 68. Бибкод : 2008BMCEE...8...68P . дои : 10.1186/1471-2148-8-68 . ПМК 2268677 . ПМИД 18304333 .
- ^ Кэмпбелл, доктор медицины; и др. (21 августа 2021 г.). «Проверка правила Бергмана на морских копеподах» . Экография . 44 (9): 1283–1295. Бибкод : 2021Экогр..44.1283С . дои : 10.1111/ecog.05545 . hdl : 10072/407178 . S2CID 238701490 .
- ^ Кроты, АТ; Уортон, ДИ; Уорман, Л.; Свенсон, Нью-Йорк; Лаффан, Юго-Запад; Занне, А.Е.; Питман, А.; Хеммингс, ФА; Лейшман, MR (01 сентября 2009 г.). «Глобальные закономерности высоты растений» . Журнал экологии . 97 (5): 923–932. Бибкод : 2009JEcol..97..923M . дои : 10.1111/j.1365-2745.2009.01526.x .
- ^ Ниринг, Вашингтон; Уиттакер, Р.Х.; Лоу, CH (1963). «Сагуаро: популяция по отношению к окружающей среде». Наука . 142 (3588): 15–23. Бибкод : 1963Sci...142...15N . дои : 10.1126/science.142.3588.15 . ПМИД 17812501 .
- ^ Дрезнер, Т.Д. (1 марта 2003 г.). «Возвращаясь к правилу Бергмана для сагуаро ( Carnegiea gigantea (Engelm.) Britt. and Rose): закономерности диаметра стебля в пространстве». Журнал биогеографии . 30 (3): 353–359. дои : 10.1046/j.1365-2699.2003.00834.x . S2CID 82276407 .
- ^ Донати, Д.; Бьянки, К.; Пецци, Г.; Конте, Л.; Хофер, А.; Кьяруччи, А. (2016). «Биогеография и экология рода Turbinicarpus (Cactaceae): экологический контроль богатства и морфологии таксонов». Систематика и биоразнообразие . 15 (4): 361–371. дои : 10.1080/14772000.2016.1251504 . S2CID 90330480 .
- ^ Jump up to: а б Браун, Джеймс Х.; Ли, Энтони К. (январь 1969 г.). «Правило Бергмана и климатическая адаптация в Вудрате (Неотома)». Эволюция . 23 (2): 329–338. дои : 10.2307/2406795 . JSTOR 2406795 . ПМИД 28562890 .
- ^ Пек, Л.С.; Шапель, Г. (2003). «Пониженное содержание кислорода на большой высоте ограничивает максимальный размер» . Труды Лондонского королевского общества. Серия Б: Биологические науки . 270 (прил. 2): С166–С167. дои : 10.1098/rsbl.2003.0054 . ПМК 1809933 . ПМИД 14667371 .
- ^ Jump up to: а б Харпер, Эм . Пек, Л.С. (2016). «Градиенты широты и глубины давления морских хищников» . Глобальная экология и биогеография . 25 (6): 670–678. Бибкод : 2016GloEB..25..670H . дои : 10.1111/geb.12444 .
- ^ Баум, Стивен (20 января 1997 г.). «Правило Гессе» . Глоссарий океанографии и связанных с ней наук о Земле со ссылками . Техасский центр климатических исследований Техасского университета A&M. Архивировано из оригинала 22 декабря 2010 года . Проверено 9 января 2011 г.
- ^ Гейст, Валериус (апрель 1987 г.). «Правило Бергмана неверно». Канадский журнал зоологии . 65 (4): 1035–1038. дои : 10.1139/z87-164 .
- ^ Клаусс, Маркус; Диттманн, Марей Т.; Мюллер, Деннис WH; и др. (октябрь 2013 г.). «Правило Бергмана у млекопитающих: межвидовая межвидовая закономерность» (PDF) . Ойкос . 122 (10): 1465–1472. Бибкод : 2013Oikos.122.1465C . дои : 10.1111/j.1600-0706.2013.00463.x . S2CID 44183222 .
- ^ Мацца, Пол Пенсильвания; Бертини, Адель (24 октября 2012 г.). «Были ли гиппопотамы П-лейстоцена подвержены изменениям размеров тела, вызванным климатом?» . Борей . 42 (1): 194–209. дои : 10.1111/j.1502-3885.2012.00285.x . ISSN 0300-9483 . S2CID 128992364 . Проверено 20 января 2024 г. - через онлайн-библиотеку Wiley.
- ^ Граймс, Мармиан; Фэрбенкс, Университет Аляски. «Исследование динозавров бросает вызов правилу Бергмана» . физ.орг . Проверено 9 апреля 2024 г.
Примечания
[ редактировать ]- Бергманн, Карл (1847). «О связи теплового хозяйства животных с их размерами» . Геттингенские исследования . 3 (1): 595–708.
- Робертс Д.Ф. (1953). «Вес тела, раса и климат». Американский журнал физической антропологии . 11 (4): 533–558. дои : 10.1002/ajpa.1330110404 . ПМИД 13124471 .
- Робертс Д.Ф. (1978). Климат и изменчивость человека (2-е изд.). Менло-Парк, Калифорния: Каммингс. ISBN 9780846566250 .
- Ерш CB (1994). «Морфологическая адаптация к климату современных и ископаемых гоминид» . Ежегодник физической антропологии . 37 : 65–107. дои : 10.1002/ajpa.1330370605 .
- Шрейдер Э (1950). «Географическое распределение соотношения массы тела и поверхности тела» . Природа . 165 (4190): 286. Бибкод : 1950Natur.165..286S . дои : 10.1038/165286b0 . ПМИД 15410342 .