นอกเหนือจากสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและนกแล้ว สัตว์ส่วนใหญ่พัฒนาเป็นไข่ที่สัมผัสกับความหลากหลายของโลกภายนอก การพัฒนานี้เป็น “ค่าใช้จ่าย” อย่างกระฉับกระเฉง การเปลี่ยนจากไข่ใบเล็กๆ ไปสู่สิ่งมีชีวิตที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์สามารถทำลายพลังงานสำรองที่พ่อแม่ให้มาได้ถึง 60% ในสัตว์เลือดเย็น เช่น สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังในทะเล (รวมถึงดาวทะเลและปะการัง) ปลาและสัตว์เลื้อยคลาน และแม้แต่แมลง การพัฒนาของตัวอ่อนจะไวต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม
งานวิจัยของเราซึ่งตีพิมพ์ในวันนี้ใน Nature Ecology and Evolution
เราได้รวบรวมเอกสารที่มีอยู่เพื่อหาข้อมูลเกี่ยวกับผลกระทบของอุณหภูมิต่ออัตราการเผาผลาญและการพัฒนาของ 71 สายพันธุ์ที่แตกต่างกัน ตั้งแต่จระเข้เขตร้อนไปจนถึงแอนตาร์กติกเคย
เราพบว่าเมื่อเวลาผ่านไป สปีชีส์ต่างๆ มักจะปรับสรีรวิทยาของพวกมันอย่างละเอียดเพื่อให้อุณหภูมิของสถานที่ที่พวกมันอาศัยอยู่เป็นอุณหภูมิที่จำเป็นเพื่อลด “ค่าใช้จ่าย” ในการพัฒนาตัวอ่อนของพวกมัน
การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่เกี่ยวข้องกับภาวะโลกร้อนอาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อสัตว์หลายชนิดเหล่านี้
ค่าใช้จ่ายด้านพลังงานของการพัฒนาตัวอ่อนถูกกำหนดโดยอัตราหลักสองอัตรา อัตรา “การเผาผลาญ” หมายถึงอัตราที่ตัวอ่อนใช้พลังงาน และอัตรา “การพัฒนา” จะกำหนดระยะเวลาที่ตัวอ่อนจะพัฒนาเต็มที่และกลายเป็นสิ่งมีชีวิตอิสระ
อัตราทั้งสองนี้ได้รับผลกระทบอย่างมากจากอุณหภูมิสิ่งแวดล้อม การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่ส่งผลต่อพวกมันจึงมีค่าใช้จ่ายสูงต่อการพัฒนาของตัวอ่อน โดยทั่วไป อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น 10°C จะทำให้การพัฒนาของตัวอ่อนและอัตราการเผาผลาญเพิ่มขึ้นมากกว่าสามเท่า
ภาพนี้แสดงเม่นทะเลที่กำลังพัฒนา ตั้งแต่ไข่ (ซ้ายบน) ไปจนถึงตัวอ่อน ไปจนถึงเม่นทะเลที่กลายร่าง (โตเต็มที่เป็นตัวเต็มวัย) ดัสติน มาร์แชลผู้เขียนจัดให้
เอฟเฟ็กต์เหล่านี้จะยกเลิกซึ่งกันและกันบางส่วน อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะเพิ่มอัตราการใช้พลังงาน (เมแทบอลิซึม) แต่ทำให้เวลาในการพัฒนาสั้นลง สำหรับสปีชีส์ใดๆ ก็ตาม มีอุณหภูมิหนึ่งที่ทำให้สมดุลพลังงานที่สมบูรณ์แบบระหว่างการพัฒนาที่ค่อนข้างรวดเร็วและเมแทบอลิซึมต่ำ อุณหภูมิที่เหมาะสมนี้เรียกอีกอย่างว่า อุณหภูมิ “โกลดิล็อกส์”คือไม่ร้อนหรือเย็นเกินไป
เมื่ออุณหภูมิเย็นเกินไปสำหรับบางชนิด การพัฒนาใช้เวลานาน
เมื่ออากาศร้อนเกินไป เวลาในการพัฒนาจะลดลงในขณะที่อัตราการเผาผลาญยังคงเพิ่มขึ้น ความไม่สมดุลในด้านใดด้านหนึ่งอาจส่งผลเสียต่อความยืดหยุ่นของประชากรตามธรรมชาติและความสามารถในการเติมเต็ม เนื่องจากค่าใช้จ่ายในการพัฒนาของตัวอ่อนเพิ่มขึ้นจนเกินค่าที่เหมาะสม แม่จึงต้องลงทุนทรัพยากรมากขึ้นในลูกหลานแต่ละคนเพื่อชดเชยค่าใช้จ่ายเหล่านี้
เมื่อการผลิตลูกมีค่าใช้จ่ายสูงขึ้น แม่จึงผลิตลูกได้น้อยลงและมีขนาดใหญ่ขึ้น ลูกหลานเหล่านี้เริ่มต้นชีวิตด้วยพลังงานสำรองที่น้อยลง ซึ่งช่วยลดโอกาสในการขยายพันธุ์ได้สำเร็จเมื่อโตเต็มวัย
ดังนั้น เมื่อพูดถึงการพัฒนาของเอ็มบริโอ อุณหภูมิที่สูงกว่าอุณหภูมิในอุดมคติจึงเป็นอุปสรรคต่อประชากรตามธรรมชาติ
เนื่องจากการพึ่งพาอุณหภูมิของอัตราเมแทบอลิซึมและอัตราการพัฒนานั้นค่อนข้างใกล้เคียงกัน ความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างทั้งสองจึงไม่มีใครสังเกตเห็นจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้
สำหรับแต่ละสปีชีส์ในการศึกษาของเรา เราพบช่วงอุณหภูมิที่แคบซึ่งช่วยลดต้นทุนการพัฒนา อุณหภูมิที่สูงหรือต่ำเกินไปทำให้งบประมาณด้านพลังงานในการพัฒนาตัวอ่อนลดลงอย่างมาก
ซึ่งหมายความว่าการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่เกี่ยวข้องกับภาวะโลกร้อนมีแนวโน้มที่จะมีผลกระทบมากกว่าที่คาดการณ์ไว้ก่อนหน้านี้
การคาดคะเนว่าการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในอนาคตจะส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตอย่างไร มักขึ้นอยู่กับการประมาณว่าอุณหภูมิส่งผลต่อการอยู่รอดของตัวอ่อนอย่างไร มาตรการเหล่านี้แนะนำให้เพิ่มอุณหภูมิเพียงเล็กน้อย (1°C-2°C) ไม่ได้ลดการรอดชีวิตของตัวอ่อนลงมากนัก
แต่การศึกษาของเราพบว่าค่าใช้จ่ายในการพัฒนาสูงเป็นสองเท่า และเราได้ประเมินผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเล็กน้อยต่อการพัฒนาของตัวอ่อนต่ำเกินไป
ในอาณาจักรสัตว์โลกร้อน มีผู้ชนะและผู้แพ้
ข่าวดีก็คือการวิจัยของเราชี้ให้เห็นว่าไม่ใช่สัตว์ทุกชนิดที่กำลังเผชิญกับต้นทุนที่สูงขึ้นพร้อมกับอุณหภูมิที่สูงขึ้น อย่างน้อยก็ในช่วงแรก
เราได้สร้างกรอบทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่าทฤษฎีต้นทุนการพัฒนาซึ่งคาดการณ์ว่าบางชนิดจะมีต้นทุนในการพัฒนาที่ลดลงเล็กน้อยเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นเล็กน้อย
เพิ่มเติม: พลิก ‘สวิตช์’ ทางพันธุกรรมที่ทำให้สัตว์หลายชนิดดูเหมือนตัวอ่อน
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พันธุ์สัตว์น้ำ (ปลาและสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง) ในน่านน้ำที่มีอุณหภูมิเย็น ดูเหมือนว่าจะมีต้นทุนที่ต่ำลงในอนาคตอันใกล้นี้ ในทางตรงกันข้าม สัตว์น้ำเขตร้อนบางชนิด (รวมถึงสิ่งมีชีวิตในแนวปะการัง) กำลังประสบกับอุณหภูมิที่เกินอุณหภูมิที่เหมาะสมอยู่แล้ว นี้มีแนวโน้มที่จะเลวร้ายลง
สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าสำหรับสัตว์ทุกชนิด อุณหภูมิสิ่งแวดล้อมที่เพิ่มขึ้นจะมาพร้อมกับค่าใช้จ่ายในที่สุด
แม้ว่าอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อยจะช่วยลดต้นทุนสำหรับสิ่งมีชีวิตหนึ่งชนิด แต่การเพิ่มขึ้นมากเกินไปจะยังคงส่งผลเสีย สิ่งนี้เป็นจริงสำหรับสิ่งมีชีวิตทั้งหมดที่เราศึกษา
คำถามสำคัญตอนนี้คือ: สายพันธุ์สามารถวิวัฒนาการเพื่อปรับตัวให้เข้ากับสภาพอากาศร้อนของเราได้เร็วแค่ไหน?
