Введение
Биологическое правило, утверждающее, что организмы большего размера встречаются в более холодных средах, – правило Бергмана – это экогеографическое правило, которое гласит, что в пределах широко распространенного таксономического клада популяции и виды большего размера встречаются в более холодных средах, а популяции и виды меньшего размера – в более теплых регионах. Правило вытекает из зависимости между размерами в линейных измерениях, то есть как высота, так и объем увеличиваются в более холодных средах. Правило Бергмана описывает только общий размер животных, но не включает пропорции тела, в отличие от правила Аллена. Хотя первоначально оно было сформулировано по отношению к видам внутри рода, оно часто переформулируется по отношению к популяциям внутри вида. Оно также часто рассматривается в контексте широты. Возможно, это правило применимо и к некоторым растениям, например, к Rapicactus. Правило названо в честь немецкого биолога XIX века Карла Бергмана, который описал эту закономерность в 1847 году, хотя он не был первым, кто ее заметил. Правило Бергмана чаще всего применяется к млекопитающим и птицам, являющимся эндотермами, но некоторые исследователи также обнаружили доказательства этого правила в исследованиях эктотермических видов, таких как муравей Leptothorax acervorum. Хотя правило Бергмана, по-видимому, справедливо для многих млекопитающих и птиц, существуют исключения. Животные с большей массой тела, как правило, более точно соответствуют правилу Бергмана, чем животные с меньшей массой тела, по крайней мере, до определенных широт. Это, возможно, отражает сниженную способность избегать неблагоприятных условий, например, путем рытья нор. Помимо того, что это общая закономерность в пространстве, правило Бергмана было зафиксировано в популяциях на протяжении исторического и эволюционного времени при воздействии различных температурных режимов. В частности, временное обратимое карликовость млекопитающих наблюдалось во время двух относительно кратковременных повышений температуры в палеогене: палеоцен-эоценового теплового максимума и эоценового теплового максимума 2.
Bergmann's rule is an ecogeographical rule that states that within a broadly distributed taxonomic clade, populations and species of larger size are found in colder environments, while populations and species of smaller size are found in warmer regions. The rule derives from the relationship between size in linear dimensions meaning that both height and volume will increase in colder environments. Bergmann's rule only describes the overall size of the animals, but does not include body proportions like Allen's rule does. Although originally formulated in relation to species within a genus, it has often been recast in relation to populations within a species. It is also often cast in relation to latitude. It is possible that the rule also applies to some plants, such as Rapicactus. The rule is named after nineteenth century German biologist Carl Bergmann, who described the pattern in 1847, although he was not the first to notice it. Bergmann's rule is most often applied to mammals and birds which are endotherms, but some researchers have also found evidence for the rule in studies of ectothermic species, such as the ant Leptothorax acervorum. While Bergmann's rule appears to hold true for many mammals and birds, there are exceptions. Larger bodied animals tend to conform more closely to Bergmann's rule than smaller bodied animals, at least up to certain latitudes. This perhaps reflects a reduced ability to avoid stressful environments, such as by burrowing. In addition to being a general pattern across space, Bergmann's rule has been reported in populations over historical and evolutionary time when exposed to varying thermal regimes. In particular, temporary, reversible dwarfing of mammals has been noted during two relatively brief upward excursions in temperature during the Paleogene: the Paleocene Eocene thermal maximum and the Eocene Thermal Maximum 2.
Люди
Население, проживающее вблизи полюсов, включая инуитов, алеутов и саамов, в среднем имеет больший вес, чем население умеренных широт, что соответствует правилу Бергмана. У них также, как правило, более короткие конечности и более широкие туловища, что соответствует правилу Аллена. У людей наблюдается уменьшение роста с повышением среднегодовой температуры. Правило Бергмана применимо к африканцам с фенотипом пигмеев и другим народам пигмеев. Эти популяции характеризуются меньшим ростом и размером тела, что является адаптацией к более жаркой и влажной среде. При повышенной влажности окружающей среды испарительное охлаждение (потоотделение) становится менее эффективным способом отвода тепла от тела, однако более высокое отношение площади поверхности к объему может давать небольшое преимущество за счет пассивной конвективной потери тепла.
Птицы
В исследовании 2019 года, посвященном изменениям в морфологии перелетных птиц, использовались тела птиц, погибших при столкновениях со зданиями в Чикаго в период с 1978 по 2016 год. Длина нижних костей ног птиц (показатель размера тела) уменьшилась в среднем на 2,4%, а длина крыльев увеличилась на 1,3%. В аналогичном исследовании, опубликованном в 2021 году, были использованы измерения 77 видов оседлых птиц, отловленных для мечения в низинных тропических лесах Амазонии. В период с 1979 по 2019 год все исследуемые виды в среднем стали меньше на 2% в десятилетие. Эти морфологические изменения рассматриваются как следствие глобального потепления и могут являться примером эволюционных изменений, соответствующих правилу Бергмана.
Рептилии
По сообщениям, самки крокодилов в некоторой степени следуют правилу Бергмана. Однако для черепах и ящериц обоснованность этого правила не была подтверждена.
Беспозвоночные
Доказательства правила Бергмана обнаружены у морских копепод.
Растения
Правило Бергмана обычно неприменимо к растениям. Что касается кактусовых, то случай сагуаро (Carnegiea gigantea), некогда описанный как "ботанический аналог правила Бергмана", на самом деле оказался зависимым от количества осадков, особенно зимних, а не от температуры. Представители рода Rapicactus крупнее в более прохладных условиях, поскольку диаметр их стебля увеличивается с высотой над уровнем моря и особенно с широтой. Однако, поскольку Rapicactus произрастают в ареале, где среднее количество осадков, как правило, уменьшается с увеличением широты, и размер их тела не определяется климатическими факторами, это может указывать на возможную тенденцию, схожую с правилом Бергмана.
Пояснения
Самым ранним объяснением, данным Бергманом при первоначальной формулировке правила, является то, что у крупных животных соотношение площади поверхности к объему меньше, чем у мелких, поэтому они излучают меньше тепла на единицу массы и, следовательно, лучше сохраняют тепло в холодных климатах. В теплых климатах возникает обратная проблема: тепло, вырабатываемое метаболизмом, необходимо быстро рассеивать, а не сохранять. Таким образом, более высокое соотношение площади поверхности к объему у мелких животных в жарких и сухих климатах способствует потере тепла через кожу и помогает охладить организм. Важно учитывать, что при анализе правила Бергмана в полевых условиях изучаемые группы популяций должны обитать в разных температурных условиях и быть генетически обособленными в течение достаточно длительного времени, чтобы адаптироваться к этим условиям. Дополнительным фактором, влияющим на беспозвоночных, может быть снижение давления хищничества на высоких широтах. Исследование брахиопод, обитающих на мелководье, показало, что хищничество снижается в полярных регионах по сравнению с умеренными широтами (аналогичная тенденция не наблюдалась в глубоководных брахиопод, где хищничество также снижено, или при сравнении тропических и умеренных видов, возможно, потому, что тропические брахиоподы эволюционировали к меньшим размерам, чтобы успешно избегать хищников).
Критика
В исследовании 1986 года Валериус Гайст заявил, что правило Бергмана неверно: корреляция с температурой ложна; вместо этого Гайст обнаружил, что размер тела пропорционален продолжительности годового пика продуктивности, или доступности пищи на одно животное в течение вегетационного периода. Поскольку на размер тела влияет множество факторов, существует множество критиков правила Бергмана. Некоторые считают, что широта сама по себе является плохим предиктором массы тела. Примерами других факторов отбора, которые могут влиять на изменения массы тела, являются размер доступной добычи, влияние размера тела на успех в качестве хищника, влияние размера тела на уязвимость к хищничеству и доступность ресурсов. Например, если организм приспособлен к перенесению низких температур, он может также переносить периоды нехватки пищи из-за связи между холодной температурой и дефицитом пищи. Некоторые исследования ископаемых находок выявили противоречия правилу Бергмана. Например, в плейстоцене бегемоты в Европе, как правило, уменьшались в размерах в более холодные и сухие периоды. Более того, исследование 2024 года показало, что размер динозавров не увеличивался на северных арктических широтах, и что правило "применимо только к подмножеству теплокровных животных" в отношении температуры, если не учитывать другие климатические переменные.