在整个动物王国中，模型大大低估了繁殖的能源成本。
大象的怀孕时间长达两年。一些鱼类的雌性鱼嘴里叼着数十个卵和幼鱼，会饿死数周。怀孕的人通常会忍受数月的疲劳和恶心。这些只是繁殖需要整个动物王国的母亲提供能量的几种方式。
但墨尔本莫纳什大学（Monash University）的生态学家和进化生物学家达斯汀·马歇尔（Dustin Marshall）表示，研究人员可能大大低估了繁殖所需的能量。澳大利亚。
马歇尔和他的同事在 5 月发表的一项研究中表示，人类生育婴儿所需的额外能量可能比一些有影响力的数学模型估计的多 24 倍.对于依靠外部热源来调节体温的动物，称为变温动物，差异较小。例如，对于潘帕斯蛇 （Tomodon dorsatus），该值大约是其四倍。而对于一种叫做毛鳞鱼 （Mallotus villosus） 的海水鱼来说，它多了一倍。
这些发现不仅仅是一种好奇心。研究人员使用数学模型来研究动物生命周期中能量需求的变化——例如，在生长、喂养和繁殖期间。而这些反过来又有助于解释为什么物种会以这种方式进化，例如它们拥有的后代数量，或者活产比产卵的好处。
马歇尔团队的工作表明，这些模型对繁殖能量需求的估计往往忽视或低估了母亲在制造和携带幼崽时所花费的能量——有时被称为繁殖的“间接”成本，而不是直接成本，即投入和储存在后代身上的能量。这类似于假设制作甜甜圈所需的能量等于甜甜圈本身的卡路里，而忽略了烹饪甜甜圈所需的燃料。
马歇尔说，这些结果可能会影响有关动物生活方式各个方面的理论，并改进对动物将如何应对气候变化的预测。
“这些间接成本的规模确实相当惊人，”西雅图华盛顿大学的生态学家和进化生物学家劳伦·巴克利 （Lauren Buckley） 说。
如何测量能源使用情况
2020 年，马歇尔的团队决定梳理 1930 年代至 2000 年代的数十项研究的文献，这些研究测量了怀孕和未怀孕女性的能量使用率或直接储存在后代体内的能量。总体而言，该团队收集了足够的数据来计算 81 个物种的间接和直接繁殖成本，从称为轮虫的微观动物到鱼类、蛇和人类。
例如，对于人类数据，研究人员借鉴了 2004 年的一篇论文，该论文测量了人类在怀孕前和怀孕期间的新陈代谢率.他们用它来估计怀孕 9 个月期间所需的额外能量（间接成本），并将其与估计的直接成本（例如新生儿的总能量含量）相结合。
代谢速率数据不容易收集。为了测量怀孕女性使用的能量，研究人员跟踪她们使用了多少氧气以及呼出了多少二氧化碳。
例如，在 2007 年的一项研究中，布鲁金斯南达科他州立大学的 Ryan Samuel 和他的同事将五头怀孕的猪放在单独的密封玻璃室中，用管子输送空气样本进出，一次一天.“作为该项目的研究生，我要通宵轮班留下来监控动物，”Samuel 说，他必须检查猪是否舒适，设备是否正常工作。
除了夜班之外，其他问题也使得很难跟踪怀孕期间超过一天的能源使用情况。“如果时间超过这个时间，你必须想办法在不破坏腔室密封的情况下清除猪的粪便和排泄物，”他说。Marshall 说，这样的测量在文献中很少见也就不足为奇了。
相反，建模者发现计算后代体内储存的能量更容易——只需估计后代体内的骨骼、脂肪和蛋白质的数量，并将其与这些成分的已知能量含量相结合。建模者假设这等于繁殖的能源成本。一些模型包括对间接成本的估计，但根据模型的不同，这些成本被假设为仅占用于生产的总能源的 5% 到 25%。
能量失衡
然而，马歇尔的团队发现，生育的间接成本通常远高于直接成本——这与早期模型的假设相反（参见“生育成本”）。
在哺乳动物中，它们经常生长胎盘以提供氧气和营养并清除废物，并保持稳定的体内温度，研究人员发现，间接成本约占繁殖总能量成本的 90%。总能量的 10% 仅包含在后代中。在人类中，繁殖所需的 208,000 千焦耳（或近 50,000 大卡）中的 96% 被间接成本占用。
研究人员发现，相比之下，变温动物在其总生殖能量预算中的间接成本投入较少。在生下活幼崽的变温动物中，间接成本平均约占其生殖能量的 55%。
“对于哺乳动物来说，生婴儿的间接成本是巨大的——看到它们与其他生物体有多么不同，真是令人震惊，”加州大学河滨分校的进化生物学家大卫·雷兹尼克说。包括婴儿出生后的断奶——例如产生乳汁所需的额外能量——将增加更多成本。
在变温动物中，研究人员发现，产卵的物种，如南极磷虾 （Euphausia superba），比那些生下幼崽的物种，将其生殖能量预算用于间接成本（生产和携带卵）的物种要少。“当你改用活体生育时，间接成本会显著增加——这是将婴儿抱在体内更长时间、四处走动和携带它的成本，”Reznick 说。
接受《自然》杂志采访的研究人员表示，他们普遍感到惊讶的是，以前没有人量化过间接成本。“大多数人都说，事后看来，这些成本显然应该存在——尽管没有人意识到它们会如此之高，”Marshall 补充道。他说，还有一些人对生命的数学处理感到惊讶，认为这种成本为零或很低。
马歇尔认为，该领域缺乏女性可能导致研究人员较少关注繁殖的间接成本。
巴克利说，她也不觉得奇怪，一个以男性研究人员为主的领域可能会忽视对这些成本进行建模。
理论更新
澳大利亚霍巴特塔斯马尼亚大学（University of Tasmania）的阿斯塔·奥兹约尼特（Asta Audzijonyte）对鱼类在气候变化中的生存状况进行建模，他说，应该将更大的能量估计值纳入动物的生存模式中。Marshall 说，进行这些修订需要时间，因为重写模型并不简单。但是，反过来，这可能会改变一些关于动物为什么以这种方式生活的理论背后的证据权重，例如鱼是否达到最大体型以保存能量以进行繁殖，他说。
Audzijonyte 说，对生殖能使用的新估计也可以改进对物种在气候变化中将如何进化的预测。这是因为预测模型考虑了繁殖的能量需求、热量如何改变动物体内的反应速度以及大型动物的生长方式等因素。
他说，马歇尔和他的团队的研究只是量化整个动物王国繁殖成本的第一步。Marshall 说，由于数据稀少，研究人员通常不得不从妊娠期间仅几个时间点的测量数据中推断出怀孕的成本，这限制了他们估计的准确性。他说，未来将需要研究衡量整个妊娠期繁殖的间接成本。
“希望我们中的许多人会努力更好地量化间接成本，”Buckley 说。
自然 634， 768-769 （2024）
doi： https://doi.org/10.1038/d41586-024-03402-5
