從螞蟻社會(huì)看氣候變化，結(jié)論是全球變暖嗎？
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這是賽先生2017科普創(chuàng)作協(xié)同行動(dòng)的第3篇文章。
2009年底，哥本哈根氣候變化大會(huì)召開前曝出的“氣候門”事件，讓部分科學(xué)家和媒體對(duì)全球氣候變暖提出了質(zhì)疑。更有極端的意見認(rèn)為全球氣候變暖是一場(chǎng)陰謀論。為此，氣候?qū)W家不斷搜尋科學(xué)證據(jù)來(lái)力證全球氣候變暖的事實(shí)。
北極冰川消融，北極熊成為盼雪的南方人；海平面上升，威尼斯有流不完的眼淚；節(jié)氣提前，蝴蝶早報(bào)春；溫度上升，澳大利亞大堡礁“水煮珊瑚”等都從不同的空間和維度為全球變暖提供了科學(xué)依據(jù)。
除此之外，對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)而言，全球變暖會(huì)帶來(lái)怎樣的層疊效應(yīng)？讓我們從螞蟻生態(tài)圈著手，由小見大，一覽小螞蟻托舉出的大證據(jù)。
撰文：祝葉華（清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)博士生）
剛剛過(guò)去的2016年被稱為史上最熱年，有媒體調(diào)侃，姑娘們?cè)絹?lái)越短的超短裙就是氣候變暖的最好證據(jù)，其實(shí)，氣候變暖不僅影響姑娘裙子的長(zhǎng)短，同時(shí)也可能極大地改變?nèi)蛭锓N分布和生態(tài)系統(tǒng)功能。
昆蟲在全球物種中占比巨大，溫度則是昆蟲生長(zhǎng)和分布的重要指標(biāo)之一。因此，研究氣候變暖對(duì)昆蟲生長(zhǎng)發(fā)育、代謝速率、生存繁殖及遷移擴(kuò)散等核心生命活動(dòng)的影響，有助于從最直觀的角度來(lái)論證全球變暖的事實(shí)。
螞蟻是地球上最常見且數(shù)量最多的一類昆蟲，它們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有巨大的影響。螞蟻通過(guò)筑巢棄巢、攪動(dòng)土壤、傳播種子來(lái)參與維持生態(tài)系統(tǒng)平衡的工作。氣象生態(tài)學(xué)家據(jù)此選擇以螞蟻為核心構(gòu)成的螞蟻生態(tài)圈作為研究地球“發(fā)燒”的重要“體征”。
升溫?fù)羲榱宋浵伒姆康禺a(chǎn)夢(mèng)
螞蟻是世界上抗擊自然災(zāi)害能力最強(qiáng)的生物，它們通過(guò)筑巢活動(dòng)促進(jìn)土壤的移動(dòng)，在收集食物的過(guò)程中影響著營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在土壤中的分布。螞蟻還有非常強(qiáng)的領(lǐng)土意識(shí)，好斗的螞蟻會(huì)通過(guò)“蟻海戰(zhàn)術(shù)”來(lái)抵抗其他食肉動(dòng)物侵犯自己的領(lǐng)土和資源。螞蟻的“游牧民族”屬性、特殊的覓食行為以及強(qiáng)烈的“地主”意識(shí)造就了其對(duì)周邊環(huán)境的特殊影響。
2016年10月26日，一篇發(fā)表在Science Advances上的文章闡述了一項(xiàng)長(zhǎng)達(dá)5年的氣候變暖對(duì)螞蟻社區(qū)影響的監(jiān)測(cè)結(jié)果，這是目前全球最大的氣候變暖實(shí)驗(yàn)之一。[1]
研究人員將監(jiān)測(cè)地點(diǎn)鎖定在緯度不同的美國(guó)馬薩諸塞州東北部的哈佛森林和北卡羅萊納州的杜克森林。這兩個(gè)目標(biāo)森林的溫差為研究螞蟻的活動(dòng)提供了天然的溫度參照。在兩個(gè)森林中，研究人員設(shè)立了螞蟻圍場(chǎng)，為螞蟻圈定“領(lǐng)土”。在圍場(chǎng)內(nèi)劃出變暖室（9個(gè)）和對(duì)照室（6個(gè)），每月監(jiān)測(cè)1次，歷時(shí)5年，追蹤溫度上升對(duì)螞蟻社區(qū)的影響。
“實(shí)驗(yàn)定期抽樣得到的數(shù)據(jù)給科學(xué)家們提供了異常微妙的社會(huì)效果的詳細(xì)圖片?！蓖瑫r(shí)就職于新西蘭坎特伯雷大學(xué)和英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的Jason Tylianakis說(shuō)。
圖1. 哈佛森林和杜克森林螞蟻溫室實(shí)驗(yàn)
圖2. 螞蟻圍墻——在圍墻內(nèi)設(shè)置15個(gè)變暖室來(lái)模擬變暖場(chǎng)景，通過(guò)室外供熱系統(tǒng)，將螞蟻圍墻內(nèi)各變溫室的溫度分別提高1.5~5℃，以此跟蹤螞蟻社會(huì)動(dòng)力學(xué)的變化。（圖片來(lái)源：Science News）
研究人員經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，螞蟻圍欄內(nèi)溫度的升高，讓嗜熱螞蟻干起了“溫飽思淫欲”的勾當(dāng)，在溫床中長(zhǎng)住不走，從“流動(dòng)人口”變成“常住人口”，并在溫暖地帶扎營(yíng)繁衍，逐漸壯大其所在的蟻群社會(huì)。耐熱螞蟻巢穴的入住率增加，棄巢率降低，這讓“外來(lái)人口”——非嗜熱螞蟻無(wú)所適從。但穩(wěn)定的生活并不適用于螞蟻社區(qū)，顛沛流離、四處“置產(chǎn)炒房”才是螞蟻社區(qū)傳統(tǒng)的生存方式。而溫度升高導(dǎo)致了螞蟻社區(qū)頻繁筑巢棄巢生活方式的改變，螞蟻生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性被動(dòng)搖，同時(shí)其應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的能力被減弱，優(yōu)勢(shì)不再。
“我們不僅觀測(cè)到了氣候變暖對(duì)螞蟻生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的直接影響，同時(shí)通過(guò)氣候變暖改變物種間相互作用的間接影響驗(yàn)證了溫度上升對(duì)螞蟻生態(tài)系統(tǒng)的沖擊?！蔽恼碌谝蛔髡逽arah Diamond說(shuō)。
螞蟻實(shí)驗(yàn)表明，氣候變化可能正在暗中破壞那些目前看來(lái)仍然運(yùn)作正常的社區(qū)的穩(wěn)定性。加州克萊蒙特學(xué)院海洋生態(tài)學(xué)家Sarah Gilman對(duì)此表示：“文章作者記錄了一個(gè)新的溫度變化對(duì)社區(qū)影響的結(jié)果?！?strong style="font-size: 16px; color: rgb(62, 62, 62); white-space: pre-wrap; max-width: 100% !important; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important;">[1]
無(wú)獨(dú)有偶 延續(xù)數(shù)年的螞蟻行為學(xué)研究
不同種類螞蟻對(duì)極端高溫耐受性的差異，可改變種間的相對(duì)優(yōu)勢(shì)度，導(dǎo)致螞蟻群落的優(yōu)勢(shì)種群發(fā)生變化。
早在1999年，研究人員就注意到了氣候變暖對(duì)螞蟻社區(qū)覓食規(guī)律的影響。他們發(fā)現(xiàn)，地中海地區(qū)的夏季高溫（日間最高溫為37℃~42℃）限制了該地區(qū)多種螞蟻的覓食行為。例如，當(dāng)?shù)匚浵丮essor barbarous、Aphaenogaster senilis、Cataglyphis velox 和C. rosenhaueri 的晝夜覓食行為規(guī)律被打亂，這些螞蟻成了“夜行俠”，由晝夜覓食轉(zhuǎn)變?yōu)橐归g覓食，更有甚者，有些螞蟻還會(huì)根據(jù)氣溫實(shí)施“錯(cuò)峰覓食”或“單雙號(hào)覓食”的出行策略。不僅如此，極端的日間最高溫度對(duì)亞優(yōu)勢(shì)種群的覓食行為的制約性更大，從而影響其與優(yōu)勢(shì)種群的種間競(jìng)爭(zhēng)。[2]
而溫度升高不僅對(duì)螞蟻覓食規(guī)律有影響，也會(huì)直接限制螞蟻種群的增長(zhǎng)。2008年，一項(xiàng)針對(duì)阿根廷螞蟻Lasiophanes picinus 和L. valdiviensis的種群增長(zhǎng)受溫度影響的文章中提到，日間最高溫度直接影響了螞蟻L. valdiviensis 的豐富度，其種群豐富度隨日最高溫升高而顯著降低。[3]
這種溫度對(duì)于螞蟻中間競(jìng)爭(zhēng)的影響的機(jī)理在后續(xù)的數(shù)年中，也一直是研究的焦點(diǎn)。
2014年，韓國(guó)林業(yè)科學(xué)研究所的Tae-Sung Kwon，基于1993年到2009年氣候變暖對(duì)螞蟻物種影響的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)不同螞蟻種類應(yīng)對(duì)溫度上升的耐受力進(jìn)行了觀測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫度上升會(huì)增加耐熱能力強(qiáng)的螞蟻種群的數(shù)量，而對(duì)耐熱力差的螞蟻種群來(lái)說(shuō)，溫度上升后周圍的環(huán)境就不再宜居。[4]美國(guó)田納西大學(xué)、鮑靈格林大學(xué)以及北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的研究人員，在美國(guó)南北方溫度不同的森林里設(shè)點(diǎn)，觀測(cè)氣候變暖對(duì)不同種類螞蟻的影響。他們發(fā)現(xiàn)，在北方溫度較低的森林里，氣溫升高對(duì)螞蟻種群的影響偏小，但在南方溫度稍高的森林里，溫度升高對(duì)螞蟻社區(qū)的沖擊力更大，對(duì)螞蟻的覓食行為影響更大。[5]
圖3. Gwangneung 森林螞蟻監(jiān)測(cè)點(diǎn)圖
圖4. 1993年~2009年，Gwangneung 森林不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)螞蟻數(shù)量
圖5. Gwangneung 森林溫度變化影響螞蟻數(shù)量
牽一發(fā)而動(dòng)全身 螞蟻共生系統(tǒng)恐受牽連
螞蟻駐巢、巢穴生活方式的失敗，不僅對(duì)螞蟻生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了不可回彈的影響，同時(shí)對(duì)與螞蟻社區(qū)共生互動(dòng)的生態(tài)系統(tǒng)也會(huì)是一記重錘。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，與螞蟻共生的生物（專性或間性），植物超過(guò)52科465種，動(dòng)物達(dá)數(shù)千種，這其中還不包括大量未知的真菌和微生物。2014年的一項(xiàng)研究結(jié)果表明，氣候變暖不僅會(huì)影響螞蟻數(shù)量和活動(dòng)方式，同時(shí)對(duì)以螞蟻為中介來(lái)進(jìn)行種子傳播的植物也產(chǎn)生了間接影響。[6]
圖6. 在升溫1h后，螞蟻移動(dòng)種子數(shù)量的變化，黑點(diǎn)代表杜克森林，灰色圓點(diǎn)代表哈佛森林（圖片來(lái)源：Peer J）
窺一斑而知全豹，氣候變暖正侵蝕著螞蟻生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，螞蟻社區(qū)正逐漸被“廢功”。隨遇而安、“四海為家”的螞蟻，在全球變暖的環(huán)境下，其社區(qū)系統(tǒng)內(nèi)正發(fā)生著翻天覆地的變化。
作為地球大爆炸的“幸存者”，螞蟻生態(tài)系統(tǒng)的“功能紊亂”，是否可以作為全球變暖最直接的科學(xué)證據(jù)？你怎么看？
參考文獻(xiàn)：
[1] Diamond S E, Nichols L M, Pelini S L, et al. Climatic warming destabilizes forest ant communities [J]. Science Advances, 2016, 2 (10): e1600842.
[2] Cerda X, Retana J, Manzaneda A. The role of competition by dominants and temperature in the foraging of subordinate species in Mediterranean ant communities [J]. Oecologia, 1998, 117: 404–412.
[3] Fergnani P, Sackmann P, Cuezzo F. Environmental determinants of the distribution and abundance of the ants, Lasiophanes picinus and L. valdiviensis, in Argentina [J]. Insect Sci, 2008, 8: 36.
[4] Kwon T S. Change of ant fauna in the Gwangneung forest: Test on influence of climatic warming [J]. Journal of Asia-Pacific Biodiversity, 2014, 7(3) :219-224.
[5] Stuble K L, Pelini S L, Diamond S E, et al. Foraging by forest ants under experimental climatic warming: a test at twosites [J]. Ecology and Evolution 2013, 3(3): 482–491.
[6] Stuble K L, Patterson C M, Rodriguez-Cabal M A, etal. Ant-mediated seed dispersal in a warmed world [J]. Peer J, 2014, 2(1):e286.
延伸閱讀：
1. 全球變暖的物理基礎(chǔ)和科學(xué)簡(jiǎn)史
3. 巴黎氣候大會(huì)熱議：氣候變暖使糧食安全成就難以維持
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