20摄氏度似乎是地球上生命茁壮成长的最佳温度：这在一个变暖的世界意味着什么

哈耶萨鲁亚源

20摄氏度似乎是地球上生命茁壮成长的最佳温度：这在一个变暖的世界意味着什么。信用:Unsplash/CC0公共领域

（）据对话（马克·约翰·科斯特洛和罗斯·科克里）：你有没有想过地球生命的最佳温度？对人类来说，20℃是舒适的。任何温度升高都会降低我们的工作效率，因为释放热量需要能量。

我们知道许多物种可以在比人类更冷或更暖的温度下生存。但我们对已发表研究的系统综述发现，生活在空气和水中的动物、植物和微生物的热范围在20摄氏度时重叠。这可能是巧合吗？

对于所有物种来说，与温度的关系是一条不对称的钟形曲线。这意味着生物过程随着温度的升高而增加，达到最大值，然后在太热时迅速下降。

最近，一个新西兰研究小组注意到，海洋物种的数量并没有像人们通常认为的那样在赤道达到峰值。相反，这一数字有所下降，在亚热带地区达到峰值。

后续研究表明，自大约2万年前的最后一次冰河时期以来，这种下降越来越深。由于全球海洋变暖，它的加深速度更快。

当物种数量与年平均温度相对比时，温度下降了20摄氏度以上。这是第二个巧合吗？

生物过程和生物多样性

塔斯马尼亚岛的研究模拟了微生物和多细胞生物的生长速度，发现其生物过程最稳定的温度也是20摄氏度。

这个“科克里模型”建立在其他研究的基础上，这些研究表明20℃是生物分子最稳定的温度。第三个巧合？

我们与来自加拿大、苏格兰、德国、香港和台湾的同事合作，寻找温度如何影响生命的一般模式。令我们惊讶的是，我们到处都发现，事实上，20°C是衡量生物多样性的关键温度，不仅对海洋物种如此。

实例表明，温度高于20°C左右会导致各种关键指标下降:

海洋和淡水物种对低氧的耐受性
海洋浮游生物（开阔水域生物）和海底生物（海底生物）的藻类生产力和鱼类对饵料的捕食率
远洋鱼类、浮游生物、底栖无脊椎动物和化石软体动物的全球物种丰富性
和基因多样性。

当温度超过20摄氏度时，化石记录中的物种灭绝也有所增加。

物种丰富度增加

在全球范围内，珊瑚鱼和无脊椎动物生活的温度范围在地理分布以20℃为中心的物种中最窄。在微生物中也可以看到同样的效果。

虽然许多物种已经进化到在更温暖和更寒冷的温度下生活，但大多数物种生活在20摄氏度。此外，化石记录中的灭绝——包括海绵、灯壳、软体动物、海垫（苔藓虫）、海星和海胆、蠕虫和甲壳类动物——在20摄氏度下的灭绝率较低。

随着物种进化到生活在20°C以上和以下的温度，它们的热生态位变得更宽。这意味着即使它们居住在更热或更冷的地方，大多数仍然可以生活在20摄氏度。

数学科克里模型预测，在20摄氏度时，热宽度应最小化，生物过程最稳定和有效。反过来，这将最大限度地提高所有生命领域的物种丰富度，从细菌到多细胞植物和动物。因此，该模型为这种“20℃效应”提供了理论解释。

预测气候变化的影响

生命似乎集中在20摄氏度左右，这意味着热带物种适应更高温度的能力受到了根本性的限制。

只要物种能够改变它们的活动范围以适应全球变暖，20摄氏度的效应意味着物种丰富度将在当地每年平均增加20摄氏度。超过这一水平，丰富度将下降。

这意味着许多能够通过改变地理分布来适应全球变暖的海洋物种不太可能因气候变化而灭绝。

然而，由于城市、农业和其他人类基础设施改变了地貌，陆地物种可能无法轻易改变它们的地理分布。

20°C效应是对上述现象的最简单解释，包括:物种丰富度和遗传多样性随温度变化的趋势；化石记录中的灭绝率；生物生产力；最佳增长率；和海洋捕食率。

尽管多细胞物种很复杂，但值得注意的是，细胞水平的温度效率也反映在生物多样性的其他方面。

确切地说，为什么20℃对细胞过程至关重要且节能，这可能是由于水与细胞相关的分子特性。这些特性也可能是为什么~42摄氏度似乎是大多数物种的绝对极限。

对这种20°C效应的更多认识可能会导致对温度如何控制生态系统过程、物种丰度和分布以及生命进化的新见解。