摘要
气候变化正困扰着我们的星球。新闻头条宣称冬天变暖，夏天变热，这些变化正在影响地球的生物多样性。你有没有想过气候变化是如何导致物种灭绝的?这是一个重要的、正在进行的研究问题，因为了解热量如何影响生物体可以帮助我们预测物种将如何应对更温暖的世界，并为我们提供帮助脆弱生物体所需的知识。昆虫制造蜂蜜，为作物授粉，控制害虫，并将废物回收为营养物质。尽管昆虫数量众多，而且通常对人类有益，但它们以及气候变化对它们的影响往往被忽视。由于气候变化，热浪正变得越来越普遍和强烈。在这篇文章中，我们在实验室中探索模拟热浪对甲虫物种的影响。继续阅读，了解热浪如何造成持续几代人的破坏，并可能导致物种灭绝。
气候变化:迁移、适应或死亡
气候变化正在逐渐提高我们星球的温度。这种变暖正在增加异常和极端天气模式的强度、长度和频率。热浪是一种危险的极端天气事件。热浪可以定义为连续5天气温比历史平均气温高5°C。在未来，热浪将更加普遍和强烈。为了应对热浪，人和动物必须改变他们的生活方式。如果他们不这样做，物种可能面临严重的后果，包括压力甚至灭绝。
几十年来，随着地球变暖，我们看到大自然对高温的压力做出了反应。一些物种改变了它们的生活地点和繁殖时间，而另一些则改变了它们的生活方式(图1) [1］．例如，一些鸟类在一年中天气温和的早些时候繁殖。植物和动物向更高的山脉或两极移动，寻找更凉爽的地区。许多昆虫变得更小，颜色更浅，以应对更高的温度。然而，如果变暖太大或发生得太快，物种就有灭绝的危险。有些生物，如珊瑚，非常脆弱，因为它们生长和移动缓慢。其他动物，如北极熊，栖息地不断缩小，无处可去。现在拯救一些物种已经太晚了，比如金蟾蜍，因为气候变化而濒临灭绝。
- 图1 -气候变化会以多种方式影响物种。
- 勾选标记显示科学研究发现的对不同动物群体的不同负面影响。科学家们仍在研究物种对气候变化的反应，所以随着我们了解的更多，这个表格可能会随着时间的推移而不断变化。
气候变化如何导致物种灭绝?
由于气候变化，人类正面临着地球天气的剧烈变化，包括干旱、洪水和异常降雨;气候变化导致的物种灭绝已经在发生。2013年，科学家们意识到，关于气候变化的研究很少(只有二十分之一)如何气候变化导致物种灭绝[2］．了解气候变化如何影响地球上的物种将有助于我们预测这些物种未来将如何应对。这些知识也将帮助我们集中精力帮助脆弱的生命形式，因为它们的栖息地发生了变化。
我们研究的想法来自于一些研究报告，短期和非自然的热休克会损害男性和农场动物的生殖能力。我们认为，随着气温上升，男性的繁殖可能会受到负面影响。为了验证这一假设，我们在实验室中将一种昆虫暴露在模拟的热浪中。我们研究了热暴露后是否会对生殖造成损害，以及在一定时间后是否可以修复。
为什么要研究昆虫?
尽管昆虫数量众多，约占所有物种的一半，但它们经常被忽视。许多昆虫对我们有帮助;它们为作物授粉，生产肥料，制作蜂蜜等食物。它们对地球的健康也非常重要，因为它们是大型动物的食物，有助于控制某些害虫。昆虫是“冷血动物”，所以它们需要外界的温暖才能活跃起来。然而，过多的热量可能是有害的。这使得某些昆虫成为实验室实验中探索热浪影响的好模型动物。希望像我们这样的实验室发现可以帮助保护脆弱的生命形式和生物多样性的生态系统。
对男性施加压力
几年前，红粉甲虫(种有害castaneum)是在野外捕获的。这些甲虫可以在装满面粉、酵母和燕麦的盘子里种植。在30°C的温度下，一个卵子需要一个月的时间才能发育成可育的成虫。成年企鹅每月交配一次，它们的后代形成新一代。这使人口数量保持健康。
为了探索热浪的影响，雄性和雌性在茧期被分开，以确保它们不能交配。这项研究的对象是雄性，它们要么被保持在正常的30°C，要么被给予为期5天、42°C的“热浪”。我们选择42°C是因为这是90多个国家的夏季热浪温度。然后比较受热雄性和未受热雄性的存活率。每个幸存者都与一只没有加热的雌性配对，以获得交配的机会。成功的交配行为被记录下来，雄甲虫被解剖，以便用显微镜检查它们的生殖器官和精子。交配后，雌性被隔离在面粉中，直到它们产生后代，然后进行计数。我们研究了热浪对后代健康和寿命以及男性后代生育能力的影响。后代的数量和质量对于自然界的成功至关重要。
雄性生殖不能忍受高温
我们发现热浪会损害男性生殖的各个方面(图2)．首先，我们发现暴露在热浪中的雄性交配行为更差，不太可能开始交配，完成交配也更慢。暴露在高温下也会缩小男性睾丸的大小，从而限制了精子的生成。加热过的雄性产生的精子比未加热的雄性少75%，而且产生的精子有一半已经死亡!经过加热的雄性将精子包转移给雌性后，与未加热的雄性相比，只有一半的精子存放在雌性体内。
- 图2 -热浪会影响雄性昆虫的一系列特征，这些特征取决于所暴露的生命阶段。
- 热浪对处于卵或茧期的甲虫来说是最致命的。受热的成年雄性会对它们的睾丸、精子数量和精子质量造成损害。这降低了雄性使卵子受精的能力，以及产生的后代的数量和健康。影响甚至可以在孙辈的生产中看到!损坏的严重程度由图标减少的数量或大小来显示。灰色条形图显示了生命阶段的特征，这些特征是不实际的(浅色)或不可能测量的(深色)。
与受热的雄性交配的雌性产下的卵更少，而且它们产下的卵孵化的可能性降低了一半。可能是受热雄性的精子无法使卵子受精，也可能是受热破坏了基因，导致胚胎停止生长，或者两者兼而有之。令人担忧的是，成年甲虫经历的热浪会对未受热的后代的健康造成长期损害[3.] !平均来说，未加热的面粉甲虫能活一年左右，但加热的父亲的后代会提前8周死亡!受热的父亲产下的雄性后代交配速度较慢，不太可能使雌性受精，成功交配的后代也较少。
昆虫的生命阶段很重要!
上述发现均来自加热成年甲虫。然而，昆虫有一个复杂的生命周期，其中的重大变化是分阶段发生的;例如，想象毛毛虫变成蝴蝶。我们想知道这些是否非常不同生命阶段可能对热应激反应不同。我们比较了卵、幼虫、茧、年轻成虫和成年成虫对5天42°C热浪的反应。
我们发现热浪杀死了所有的卵和茧，这表明这些是最脆弱的生命阶段。高温可能影响了在这些阶段发生的敏感发育变化。大多数成年成年人能在热浪中幸存下来，这可能要归功于它们厚厚的外壳。幸存的雄性蛴螬、年轻的成虫和成熟的成虫然后与雌性交配。正如预期的那样，受热的成年成年人产生了一半的后代。有趣的是，加热绝育的年轻成虫(使它们完全不能生育后代)，而这并不损害幼虫的繁殖!这种模式可能与精子产生有关。年轻的精子可能是耐热的，中年的精子可能非常脆弱，而年老的精子可能介于两者之间。
昆虫繁殖能适应变暖的世界吗?
我们的研究结果表明，热浪对昆虫造成了惊人的损害，特别是对未成熟的雄性昆虫的生殖功能。我们想知道甲虫是否可以通过增强对热浪的防御来适应。因此，我们测试了受热的雄性是否更能抵抗第二次热浪。压力导致个体发生变化，使其更能抵抗未来压力的过程被称为压力硬化．不幸的是，第二次热浪是均匀的更多的雄性的损伤，表明硬化没有发生。
然而，好的一面是，我们发现热浪的伤害不是永久性的。男性显示弹性这意味着它们可以恢复到加热前的状态，可能是通过细胞在受伤后自我修复的过程。我们通过在热浪过后每5天让受热的雄性与雌性交配来验证这一点。部分雄鼠的生殖功能在热浪过后15至25天已恢复正常(图3)．甚至对于那些被加热绝育的雄性来说，修复也是可能的，比如那些在年轻时被加热两次或加热的雄性。其他实验表明，在更温暖的世界里，雌性可以应对与受热损伤的雄性交配的风险[4］．例如，雌性在与热损伤的雄性交配后，更有可能与健康的雄性交配。
- 图3 -雄甲虫的生殖功能可在热浪伤害后恢复。
- 恢复最多需要25天的休息时间。(一)热浪可以使睾丸收缩近一半，但它们可以恢复正常。(B)热浪会暂时减少精子数量，精子存活率不到预期的一半。(C)之前受热的雄性在第二次热浪中不会表现出保护性硬化;它们的后代生产仍然受到损害。然而，雄性的年龄和硬化状态都不影响雄性后代产量的恢复。小点表示数据点，大点表示平均值。
我们的发现对未来意味着什么?
我们的实验证明，目前在自然界中看到的高温可以杀死小昆虫，减少雄性繁殖，并造成持续几代人的损害。我们发现，温度越高，热浪越长，损害就越大。由于我们在研究中使用了一种甲虫，我们的结果很可能与野外发生的情况相似。最近，研究发现，其他昆虫的雄性，如飞蛾、蜜蜂和苍蝇，也容易受到高温的影响。此外，结合多项研究数据的研究发现，雄性昆虫可生育的温度(而不是它们可以生存的温度)更能预测这些物种的生活地点。5] !
随着全球变暖和热浪的加剧，自然种群将随着时间的推移而萎缩，因为越来越少的个体能够存活和繁殖。这可以解释一些已经被目击到的局部物种灭绝。重要的是，昆虫物种的脆弱性会对食物链产生连锁反应，因为如果没有昆虫种群，通常以昆虫为食的鸟类和动物可能会饿死。尽管昆虫和生物多样性的损失令人担忧，但仍然有希望，因为生命形式似乎有可能从高温中恢复并适应。人类可以通过保护它们目前的栖息地，让它们进入较冷的地区，并尽最大努力限制气候变化来提供帮助。
术语表
热浪：↑温度高于预期的极端天气事件。由于气候变化，热浪变得越来越普遍，也越来越热。
人生阶段：↑生命阶段是复杂生命周期的一部分。例如，甲虫的生长从卵(卵)到幼虫(幼虫)，然后是蛹(茧)，然后是成虫(成虫)，变化很大。
硬化：↑压力导致个体发生变化，从而保护个体免受未来压力的过程。
弹性：↑一个人修复压力造成的损伤的能力，如果给予足够的恢复时间。
利益冲突
作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。
致谢
这项研究得到了英国自然环境研究委员会(NERC)项目拨款(NE/K013041/1)和NERC EnvEast DTP奖学金(奖励编号:1540234)的支持。我们将这篇论文献给马修·j·g·盖奇教授，他发起并指导了这项研究，现在继续在他的记忆中进行。
原文
↑销售，K，瓦苏代瓦，R，和盖奇，M.J.G. 2021。来自实验热浪的热应激对模型昆虫不同生命阶段及其恢复的生育和死亡率的影响。r . Soc。开放的科学。8:201717。doi: 10.1098 / rsos.201717
参考文献
[1]↑帕尔马干酪，C. 2006。对近期气候变化的生态和进化反应。为基础。启生态。Evo。系统。37:637 - 69。doi: 10.1146 / annurev.ecolsys.37.091305.110100
[２]↑卡希尔，艾洛·拉曼斯，费希尔·里德，华，X，卡拉内斯基，c·J，柳英，H，等。2013。气候变化如何导致物种灭绝?生物科学280:20121890。doi: 10.1098 / rspb.2012.1890
[3]↑Sales, K.， Vasudeva, R.， Dickinson, m.e, Godwin, J. L.， Lumley, A. J.， Michalczyk， Ł。等。2018。热浪破坏精子功能，导致模型昆虫的跨代适应度下降。Commun Nat。9:4771。doi: 10.1038 / s41467 - 018 - 07273 - z
[4]↑瓦苏代瓦，R.，迪金森，M.，鲍威尔，S.，萨特，A.，销售，K.和盖奇，M. J. G. 2021。一妻多夫制保护女性免受热浪导致的男性不育。动画。Behav。178:37-48。doi: 10.1016 / j.anbehav.2021.05.016
［5］↑帕拉特，S. R.，沃尔什，B. S.，梅特尔曼，S.，怀特，N.，曼瑟，A.和布雷特曼，A. J. 2021。使雄性不育的温度比致命温度更符合全球物种分布。Nat,爬。改变11:481-4。doi: 10.1038 / s41558 - 021 - 01047 - 0