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看得见的自然演化


□ 袁玲

  达尔文于1859年发表的《物种起源》,标志着科学史上一个崭新时代的到来:自然科学最终与神学分道扬镳。新的演化理论认为生命通过世代繁衍而变化,通过自然选择而适摩环境,适者生存,不适者被淘汰。

  然而,无论是在演化思想的发源地加拉帕戈斯群岛,还是在其他地方,达尔文都没有亲眼看到物种演化的过程。他的结论来自于对各种动植物类群地理分布的分析、对化石资料的研究、对人工选择的类比和严密的逻辑推理。但是,化石和逻辑推理并不能直接展示一种生物演变成另一种生物的过程,也不能证明自然选择必然导致演化。因此,在《物种起源》发表后的100多年间,关于进化论是否属于真正科学的争论从未间断,其中不乏名家之言。

  今天,越来越多的演化论者不再仅仅局限于对化石的研究,而是直接奔赴野外,年复一年、日复一日地观察,力图捕捉到生物演化进程中的蛛丝马迹。不断问世的新成果告诉我们:自然选择的力量既不罕见也不缓慢,而是时时刻刻都在起作用,其结果也能用数据衡量——站在达尔文肩膀上的科学家向我们展示出一幅前所未有的广阔景象。

  彼特·格兰特夫妇和他们的学生是这一领域的杰出代表。他们重返加拉帕戈斯群岛,年复.年地观察达尔文莺鸟的演化过程,终于用详尽的数据生动地说明了自然选择的真实存在及其作用方式。在这座绝妙的天然实验室中,莺鸟观察员们观察莺鸣的行为,并精确测量每一只捕到的莺鸟。他们测量莺鸟形体和喙的数量特征,以此来衡量每一代的变异程度:同时,还检测每种莺鸟的生态位和适合度,以此来衡量自然选择的力度。

  他们发现,当旱灾降临时,食物的种类和数量急剧减少,最终只剩下又大又硬的种子,只有身大喙长的莺鸟才能更快地嗑开坚硬的种壳,从而获得更多的生存机会。以中莺鸟为例,与大旱前相比,幸存个体的体型比死去的平均大5%~6%,喙的长度平均大0.39毫米,喙深平均大0.54毫米。旱灾对中莺鸟演化的影响还通过雄鸟不平等的求偶竞争力表现出来:同一群体中成为父亲的雄鸟比其他雄鸟的体型大。同时当年孵化并长大的中莺鸟幼雏体型较大,喙也较长,喙长平均值较大旱前先辈们的高4%-5%。因此旱灾改造或修正了幸存者的器官,而遗传强化了这种变化。

  水灾的影响则导致了戏剧性的逆转。身大喙长的莺鸟个体数迅速减少,身小喙短的莺鸟却兴旺起来,与旱灾导致的结果正好相反。这是因为水灾之年的小种子数量多,可达大种子数量的十倍。短小的喙更有利于取食小种子,而且偏小的体型所消耗的能量也少,身小喙短的莺鸟因而在竞争中获得了优势。

  这就是莺鸟观察员们目睹的旱灾与水灾交替进行中莺鸟种群的特征变化_一旱灾使莺鸟朝体型变大的方向演变,水灾却使它们朝相反的方向发展。年复一年,相互对立的选择力量使它们的演化趋势反复摆动。因此,从更大的时间尺度上看,莺鸟的体型似乎没有发生很大的变化,虽然活生生的演化一直在进行,从未间断。

  莺鸟观察员们在加拉帕戈斯群岛观察达尔文莺鸟时,约翰·埃德勒正在委内瑞拉帕利亚半岛和特立尼达北山上的山涧中观察古比鱼。这里的环境与加拉帕戈斯群岛一样简单明了。他发现雄性古比鱼身上的花斑与环境中天敌的种类和数量有一种简单而直接的关系:天敌越多,花斑越小且淡;天敌越少,花斑越大且华丽。自然选择的力量使雄性古比鱼向伪装得更好的方向发展,体色越暗越不易被天敌发现,雄鱼存活的几率也就越大。然而,亮泽的色斑是雄鱼吸引雌鱼的必要条件,即越花哨越易获得雌鱼的青睐,因此,性选择又促使雄鱼一代一代向体色艳丽的方向变化。这两种力量的相互竞争使不同环境中的古比鱼朝不同的体色特点演化。通过控制天敌的种类和数量,埃德勒在实验室和自然条件下目睹了这个过程:安全环境中,雄鱼的亮斑增多,体色也加重,经过一段时间的世代繁衍后,它们的体色与背景色渐渐分离,体现出性选择的重要作用;而与天敌生活在一起的雄鱼经过数代的繁衍后,体色大都失去了闪亮的斑点和较大的斑纹。虽然不同环境中的古比鱼种群最初都来自同一群体,并是以随机抽样的方式分配的,但是短短几年的时间内,其体色的演化趋势便向两个截然不同的方向发展。显而易见,选择正在发生,并且如此的迅速而坚决。

  与生命科学的其他领域相比,关于演化的研究似乎在很长一段时间内停滞不前,有两个主要原因:其一是研究人员仅通过化石来分析演化历程;其二就是研究活的野生动植物时一般只研究一代,所以无法看清自然选择的全过程。

  化石记录就像瞬息万变的生命历程中的一张快照,呈现的是一个相对静止的影像。如果演化的过程像达尔文莺鸟一样反反复复,存在频繁而细微的摆动,那么化石记录很可能记录不到什么变化。即便记录到了这种反复与摆动,也很难记录到保存完好的同种化石一代又一代的连续变化。这就如同观察火山喷发,如果在近处,我们可以看到浓烟喷发、岩浆翻滚的动态景象;如果在极远处遥望,浓烟就像悬在空中一样静止不动,良久之后才能看出些许变化。当我们穿越漫长的地质年代远眺生命的进程时,呈现在眼前的通常只是一个缓慢的更替过程,就像达尔文看到的那样。

  如果只检测自然选择对一个世代生命的影响,我们就容易忽略掉很多重要的信息。生命的每个阶段都在经历激烈的自然选择,随着一代生命的终结,自然选择的痕迹也随之消失,所以我们看到的动植物都是稳定不变的。然而实际上,每一代动植物经历的选择力量都不相同,就像画家抹去旧迹重新绘制画像,每次或多或少都会存在差异,这个差异就是演化的体现。

  种群是动态的,任何时候任何环境的变动都将使它们朝这个或那个方向运动,这就是演化。在地球的每一个角落,稳定是相对的,演化无时无处不在,这也是生命的本质。凭借科学的方法和锲而不舍的精神,我们能够捕捉到演化细微的特征,就像在静止的物体中捕捉到原子甚至更小粒子的运动特征一样。这就是我们站在达尔文的肩膀上看到的景象,比《物种起源》的视野更为广阔。

  (作者单位:湖南省浏阳市第一中学)

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摘自:大自然 2012年第03期  
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