Ви коли-небудь замислювалися над оптимальною температурою для життя на Землі? Для людини комфортна температура 20°C. Що тепліше, то ми працюємо менш ефективно, оскільки для виділення тепла потрібна енергія. Ми знаємо, що багато видів можуть жити при значно нижчих або вищих температурах, ніж люди. Але наш систематичний огляд опублікованих досліджень виявив, що температурні діапазони тварин, рослин і мікробів, що живуть у повітрі та воді, перекриваються при 20°C. Чи може це бути випадковістю?
Для всіх видів залежність від температури є асиметричною дзвоноподібною кривою. Це означає, що біологічні процеси посилюються відповідно до температури, досягають максимуму, а потім швидко знижуються, коли стає занадто жарко. Нещодавно дослідницька група з Нової Зеландії помітила, що кількість морських видів не досягла піку на екваторі, як прийнято вважати. Швидше, кількість знизилася, з піками в субтропіках.
Подальші дослідження показали, що це падіння стає все глибшим з останнього льодовикового періоду приблизно 20 000 років тому. І воно поглиблюється швидше через глобальне потепління океану. Коли кількість видів побудували на графіку відносно середньорічної температури, спостерігалося зниження вище 20°C. Другий збіг?
Біологічні процеси та біорізноманіття
Дослідження в Тасманії змоделювали швидкість росту мікробів і багатоклітинних організмів і виявили, що найбільш стабільною температурою для їхніх біологічних процесів також є 20°C. Ця «модель Коркрі», заснована на інших дослідженнях, показала, що 20°C є найстабільнішою температурою для біологічних молекул. Третій збіг?
Ми об’єдналися з колегами з Канади, Шотландії, Німеччини, Гонконгу та Тайваню, щоб знайти загальні закономірності того, як температура впливає на життя. На наш подив, куди б ми не дивилися, ми постійно виявляли, що справді 20°C є ключовою температурою для багатьох показників біорізноманіття, і не лише для морських видів.
Приклади показують, що температура вище приблизно 20°C призводить до зниження різних важливих показників:
- толерантність морських і прісноводних видів до низького вмісту кисню
- продуктивність морських пелагічних (живих у відкритій воді) та бентичних (живих на морському дні) водоростей і рівень хижацтва риби на приманку
- глобальне видове багатство пелагічних риб, планктону, донних безхребетних і викопних молюсків
- і генетичне різноманіття.
У літописі скам’янілостей також спостерігалося збільшення вимирань, коли температура перевищувала 20°C.
Збільшення видового багатства
У всьому світі діапазон температур, у яких живуть рифові риби та безхребетні, найвужчий серед видів, географічне поширення яких зосереджено на 20°C. Такий же ефект спостерігається у мікробів.
У той час як багато видів еволюціонували, щоб жити при більш високих і холодних температурах, більшість видів живуть при 20°C. Крім того, вимирання в літописі скам’янілостей, зокрема губок, раковин ламп, молюсків, морських килимків, морських зірок і морських їжаків, черв’яків і ракоподібних, було нижчим за 20°C.
Оскільки види еволюціонують, щоб жити при температурах вище та нижче 20°C, їхня термічна ніша стає ширшою. Це означає, що більшість все ще може жити при 20°C, навіть якщо вони живуть у більш жарких або холодних місцях.
Математична модель Коркрі передбачає, що теплова ширина повинна бути мінімізована, а біологічні процеси – найбільш стабільними та ефективними при 20°C. Своєю чергою, це має збільшити багатство видів у всіх сферах життя, від бактерій до багатоклітинних рослин і тварин. Таким чином, модель забезпечує теоретичне пояснення цього «ефекту 20°C».
Прогнозування наслідків зміни клімату
Те, що життя зосереджено навколо 20°C, означає фундаментальні обмеження, які ставлять під загрозу здатність тропічних видів адаптуватися до вищих температур.
Поки види можуть змінювати свій ареал, щоб адаптуватися до глобального потепління, ефект 20°C означає локальне збільшення видового багатства до середньорічного значення 20°C. Понад це багатство зменшиться.
Це означає, що багато морських видів, які можуть адаптуватися до глобального потепління шляхом зміни свого географічного поширення, навряд чи зникнуть через зміну клімату. Однак наземні види не можуть так легко змінювати своє географічне поширення через ландшафти, змінені містами, сільським господарством та іншими людськими інфраструктурами.
Ефект 20°C є найпростішим поясненням вищезазначених явищ, включаючи: тенденції у видовому багатстві та генетичному різноманітті з температурою; темпи вимирання в літописі скам’янілостей; біологічна продуктивність; оптимальна швидкість росту; і рівень морського хижацтва. Незважаючи на складність багатоклітинних видів, примітно, що температурна ефективність клітинного рівня відображається на інших аспектах біорізноманіття.
Причина, чому 20°C є ключовою та енергоефективною для клітинних процесів, може бути пов’язана з молекулярними властивостями води, пов’язаної з клітинами. Через ці властивості ~42°C здається абсолютною межею для більшості видів. Більше усвідомлення цього ефекту 20°C може привести до нових уявлень про те, як температура контролює екосистемні процеси, чисельність і поширення видів, а також еволюцію життя.