氣候變遷進行式下,繁衍後代和住哪裡很有關!本院生物多樣性研究中心沈聖峰副研究員與研究團隊的最新研究發現,不同緯度及海拔高度山區的尼泊爾埋葬蟲(Nicrophorus nepalensis)會因耐熱性和繁殖光週期(註一)相互作用而影響演化。氣候變遷時,同一物種不同族群還會依照自身的繁殖光週期來調整適合生存、繁衍後代的溫度環境。研究成果已於日前發表在國際頂尖專業期刊《自然通訊》(Nature Communications)。

生物多樣性研究中心沈聖峰副研究員

過往研究多從「物種」分布模式來模擬生物在棲地的適應生存程度,然而事實上生物是以「族群」而非物種作為單位來適應環境的變動。因此了解居住在不同環境中族群的外顯特徵的變化對於預測物種對氣候變化的適應程度至關重要。但目前對決定族群分佈的性狀變異機制如表型可塑性(註二)卻知之甚少。

沈聖峰副研究員領導之研究團隊選擇廣泛分佈亞洲山區的尼泊爾埋葬蟲作為研究對象,探討氣候變遷下同一物種不同族群的環境適應力。研究團隊循緯度與海拔選擇了五個埋葬蟲族群棲息地,包括中國夾金山(高度約4100公尺)、日本奄美大島(約700公尺)、臺灣烏來(約900公尺)、拉拉山(約2000公尺)、合歡山(約3200公尺)等共約327個處採樣點,進行為期超過3年的野外密度調查、野外行為實驗、室內繁殖行為以及生理實驗。

埋葬蟲及五個族群棲息地

研究團隊首先利用投影的方式,將不同埋葬蟲族群隨著季節以及海拔的分佈投射出牠們對溫度和日照長度的生態棲位(niche)(註三)差異。室內實驗顯示,不同山區的埋葬蟲族群出現的溫度範圍相當接近、耐熱程度也相似,唯一的差異是繁殖光週期。因為相同的溫度範圍在不同緯度與海拔會對應不同的季節,也就是不同的日照長度。

研究指出,中等高度的山區(合歡山與拉拉山)的族群不論在長日照或是短日照下都可以繁殖;矮山如烏來跟奄美大島的族群則是只能在短日照下進行繁殖;而最高山的夾金山族群則只能在長日照下繁殖。這個差異不僅是行為上的分化,在生理上,烏來族群的蟲若是在長日照下羽化,卵巢便不會發育,導致其不具有生育能力。

此外,合歡山跟拉拉山這兩個中等高度的山區一年四季都可以抓到尼泊爾埋葬蟲;而烏來跟奄美大島在春季和冬季可以抓到蟲;海拔相對最高的夾金山則是只有在夏天才抓得到蟲。也間接證實繁殖行為與日照長度有關。

研究團隊也進行共園(common garden)和移地互換實驗(reciprocal transplant)。將不同族群的埋葬蟲互換到對方棲地。結果發現,埋葬蟲的繁殖行為竟然不會隨著環境改變而調整,生存能力也因此下降。藉此更可以確定不同族群的埋葬蟲的繁殖光週期有地區適應性(註四),而不是表型可塑性。

研究團隊進一步模擬未來氣候變遷時的狀況,發現生長在中等高度的山區的族群繁殖最可能受到未來氣候暖化的影響。因為當地球溫度升高時,較高山區的埋葬蟲可以移動到更高海拔的區域繁殖,但是中高度山區的埋葬蟲卻無處可避暑。因此在較暖的溫度下繁殖時,會發生其生態棲位與實際環境產生錯位而適應不良的情況。研究結論認為,耐熱程度能決定不同地區同一物種的分布範圍。再者,不同族群也能依照繁殖光週期移動,調整到適合的溫度環境。

研究團隊合影

對生態系而言,溫度上升一度也可能使生物的繁殖能力失去作用,繁殖一失敗會導致族群密度降低,而提升其他競爭者的密度、屍體的昆蟲相改變、哺乳類的生活週期也受到影響等。此研究的突破在於同時使用了野外及室內實驗操作,並且比較了不同海拔與緯度地區的埋葬蟲,以了解面對氣候變遷時同一物種不同族群的演化策略。

本論文第一作者為本院生物多樣性研究中心研究助理蔡祥瑜,研究團隊包含中研院生物多樣性研究中心范郁盟、袁子能、陳伯飛、美國哥倫比亞大學副教授Dustin R. Rubenstein、中國科學院成都生物研究所教授唐業忠、以及成功大學副教授陳一菁。本計畫由本院永續研究計畫與科技部支持。

論文全文請參考網站:https://www.nature.com/articles/s41467-020-15208-w

(生物多樣性研究中心)


(註一)繁殖光週期:生物對日夜長短的繁殖反應。
(註二)表型可塑性(Phenotypic plasticity):單一物種為因應不同環境而產生不同表現(如外型、顏色)。
(註三)生態棲位:物種所處的環境、與其他生物的關係以及其本身生活習性的總稱。
(註四)地區適應性:一族群的生物演化(適應)後比同一個物種的其他族群更適合其當地環境。例如,如果一個物種生活在很寬的溫度範圍內,溫暖地區的族群可能比生活在其地理範圍較冷部分的同一物種的族群具有更好的耐熱性。