The Innovation Life | 气候变化下热浪威胁动物的生理过程

近年来，气候变化导致热浪频发，已被证实对动物多样性产生严重威胁。然而，热浪对动物影响的过程和机制目前仍不明确。我们整理了可用于定量检测这些威胁的生理特征参数，作为初步的理论框架，启发后续研究。

导 读

气候变化下，热浪的频率、范围和强度都显著增加，导致动物大量死亡，对生物群落造成有害影响。然而，热浪威胁动物多样性的具体机制仍然需要进一步研究。

图1 图文摘要

生理内稳态是维持动物在热浪环境下适合度和存活的关键，也是理解热浪对生物多样性威胁的基础。若要全面了解热浪对动物多样性的威胁，势必要阐明热浪抑制个体适应性的过程和生理机制。在此，本文梳理了热浪对动物生理和适合度威胁的潜在过程，提出检测热浪对动物威胁的生理评价指标，支撑此类研究的初步理论框架：

1. 抑制存活与生理功能：热浪造成的高温会抑制动物温度依赖性的重要功能，包括运动能力、生长、食物同化等。如果超过动物的温度耐受极限，就可能致命，在短时间内杀死动物。

其中，耐受高温（CTmax）和热安全裕度（TSM）可用于评价动物在不同温度下的反应。

2. 能量消耗：热浪扰乱动物的能量代谢，阻碍生长、繁殖和生存所需的能量分配，最终威胁动物生存。能量代谢的温度依赖性类似异速生长曲线，高温时（如热浪期间）代谢率会陡然增加，反映了维持生命活动、捕食、消化、免疫和神经反应等基本功能的消耗的急剧增加。相应地，影响能量代谢的线粒体结构和功能，以及己糖激酶（HK）、柠檬酸合成酶（CS）、琥珀酸脱氢酶（SDH）、细胞色素 C 氧化酶（COX）和 ATP 酶等是评估热浪下能量状态的可靠指标。

3. 氧化损伤：持续的热浪暴露扰乱活性氧（ROS）的生成与抗氧化防御系统的平衡，从而累积氧化损伤。氧化损伤在脂质（如 MDA）、蛋白质（如羰基化蛋白质）和 遗传物质（如 8-羟基鸟嘌呤）中的累积可诱发细胞膜、酶类和遗传物质的损伤，导致免疫力下降、生理机能失调、加速衰老甚至死亡。而这些氧化应激和损伤依赖于超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）等消除或者修复。相应的，氧化损伤、抗氧化防御和氧化修复相关特征可作为热浪下动物生理受损的评估指标。

4. 免疫抑制：动物的免疫反应是一个高能耗过程，对热浪引起的扰动非常敏感。在热应激下，机体分配给免疫功能的能量减少，并且ROS的过度积累破坏免疫细胞和组织，均会抑制动物的免疫能力，从而威胁个体存活。相应的，先天免疫相关的白细胞计数、PHA 皮肤测试、酸性磷酸酶（ACP）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等，以及获得性免疫相关的碱性磷酸酶（AKP）、免疫球蛋白（Ig）和白细胞介素-6（IL-6）等指标，均可作为热浪下动物免疫抑制的重要参考。

5. 衰老加速：衰老是一个复杂的网络，涉及动物细胞、组织、器官和全身层面的多个生物层次。越来越多的研究发现，热浪显著影响动物的衰老进程。免疫力降低、氧化损伤和能量消耗均会加速衰老，而衰老加速反过来又会进一步加剧免疫力低下、氧化损伤和能量消耗，造成恶性循环。端粒长度、表观遗传学改变（如 DNA 甲基化、异常组蛋白修饰）、氧化损伤、 DNA甲基化、组蛋白修饰异常、异染色质缺失、RNA修饰失调）、细胞周期阻滞（如P53/P21CIP1和P16INK4a/RB）、线粒体功能障碍（如线粒体解体）、衰老相关分泌表型（SASP）等，均可作为检测热浪下动物衰老进程的参考指标。

总结与展望

目前，热浪逐渐成为夏季的新常态，威胁着动物的健康甚至生存，进而影响整个生态系统的平衡。在热浪压力下，动物可能会出现功能障碍、代谢衰竭、氧化损伤、免疫力低下和衰老加速等问题。在极端天气频发的背景下，保护生物多样性的任务空前紧迫。因此，全面了解热浪对动物产生影响的生理生化机制，对于保护生物多样性和生态系统的可持续性至关重要。

责任编辑

赵   博   中国科学院昆明动物研究所

魏彦杰   中国科学院深圳先进技术研究院

本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Life第2卷第2期以Editorial发表的“Physiological processes through which heatwaves threaten fauna biodiversity” (投稿: 2024-05-29；接收: 2024-05-30；在线刊出: 2024-06-03)。

DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-life.2024.100069

引用格式：Wang J-H., Zhang L., Zhang P-J., et al., (2024). Physiological processes through which heatwaves threaten fauna biodiversity. The Innovation Life 2(2), 100069.

作者简介

孙宝珺，中国科学院动物研究所副研究员，硕士生导师。中国科学院青年创新促进会优秀会员，青促会生命分会秘书长，中国动物学会两栖爬行学分会副秘书长，曾获中国动物学会第九届青年科技奖。研究方向为爬行动物生态适应，主要关注爬行动物的生理热适应机制及其对气候变化响应时空格局以及孵化环境对卵生爬行动物后代适合度的影响及作用机制等。

http://ioz.cas.cn/sourcedb/zw/zjrc/202103/t20210323_5981856.html

汪佳欢，浙江师范大学与中国科学院动物研究所联合培养硕士研究生。研究方向为爬行动物生理生态学。

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