论文部分内容阅读
惊人变化
1990年的一天，美国生物学家迈克尔·贝尔驱车经过阿拉斯加州的罗贝尔格湖时，在湖里惊讶地发现了一种海洋刺鱼。这是一个淡水湖，湖里曾生活着一种刺鱼，但因过度渔猎在1982年已经灭绝了。贝尔是一位研究刺鱼进化的专家，对他来说，在内陆湖中发现海洋刺鱼移民这件事本身算不上什么稀奇，因为他知道，在最后一个冰期结束时，随着一些海域重新变成溪流和湖泊，有些种类的刺鱼进化出了一种特殊的本領：既可以在海水中生存，也可以在淡水中生存。令贝尔感到奇怪的是，他在这些刺鱼的身上看到了某种变化。
刺鱼是一种长着棘刺的体形修长的鱼类，长度约16厘米，分布在北半球的温带和寒带。刺鱼没有鳞片，它们的鳞片已经变形为骨头般坚硬的鳞甲，沿着身体侧线排列。有的刺鱼一生都生活在淡水中，有的刺鱼则一生都生活在海洋中，还有一些刺鱼，如三刺鱼，它们在产卵的时候洄游到淡水河湖中，孵化出的鱼苗顺着河流游到海洋中长大，如此循环往复。现在距离上一个冰期已经有上万年的时间，在淡水刺鱼与它们的海洋祖先之间已经有了很大的差异，而最明显的差异就是：淡水刺鱼褪掉了身上的鳞甲，当然这是上千年漫长进化的结果。可是，贝尔惊奇地发现，现在生活在罗贝尔格湖中的刺鱼，它们从海洋移民过来不过10年时间，身上的鳞甲却已经开始退化了。
第二年，贝尔又托朋友从罗贝尔格湖里捉了一些刺鱼进行观察，发现有更多的刺鱼褪掉了鳞甲。此后，他每年都去那里观察刺鱼，发现褪掉鳞甲的刺鱼一年比一年多。到2007年，他发现湖里90%的刺鱼都褪掉了鳞甲。也就是说，短短20年时间，刺鱼就形成了它们的海洋祖先曾花费了上千年漫长时期才形成的特征。
之后，生物学家通过研究刺鱼的基因，发现导致刺鱼褪掉鳞甲的原因是一种叫做EDA的基因发生了突变，这种基因掌管着鱼类皮肤的发展变化。褪掉鳞甲这种突变在海洋刺鱼身上也有发生，但概率很小，因为这种基因通常是隐性的，只有当刺鱼遗传到两个这种隐性基因时，才可能生成一个显性基因并遗传给下一代，使之褪掉鳞甲。生物学家认为，当海洋刺鱼来到淡水中生活后，由于鳞甲稀少的刺鱼比鳞甲厚重的同类具有更多的生存优势，因此这种基因突变成为有利因素，开始快速地成为常态，就像自然选择开始发挥作用一样。
除了褪掉鳞甲，来到淡水生活的海洋刺鱼还拥有其他一些淡水刺鱼的特征，例如变小的鳃、能够应对各种人类活动带来的病害的免疫系统等。最近，挪威的一个小海港与海洋断开了连接，海港里的海洋刺鱼在不断淡化的水体中也开始发生和罗贝尔格湖中刺鱼相同的变化。
与达尔文进化论所阐述的生物逐渐进化的过程相比，海洋刺鱼的这种进化有着反常的速度。这会不会只是一个特例呢？
“快速进化”
当生物学家着手寻找证据时，与贝尔一样，他们发现了真正惊人的秘密：生物的快速进化并不是什么特例，而是常态！从小草、昆虫到鱼类，甚至到人类，所表现出来的都是这样。
事实上，关于生命快速进化的研究可以追溯到很早以前。1878年，英国昆虫学家阿尔伯特·菲尔写信给达尔文，指出在被污染的环境中，深色的小环斑蛾替代了浅色的群体，变得越来越普遍。而最著名的例子是白桦尺蛾的黑变事件。
在英国工业革命之前，大多数白桦尺蛾都是灰白色的，只在翅膀上长有黑色小斑点。对白桦尺蛾来说，这是一种保护色，和它们栖息的地衣和树干的颜色十分接近，可以保护它们有效地躲避鸟类的捕食。也有一小部分的黑色白桦尺蛾，它们因为没有这种保护色，总是成为捕食者的美餐。据统计，在曼彻斯特，携带黑色基因的白桦尺蛾只占到白桦尺蛾总数的0.01%。在英国工业革命初期，伦敦和曼彻斯特之间的乡村被工厂排放的煤烟染黑了，地衣大量死亡，树木也被煤灰所覆盖。失去了掩护的灰白色白桦尺蛾遭到鸟类的大肆捕食，数量开始下降，而黑色白桦尺蛾却在变黑的树干上悄悄繁盛起来。到1895年，仅经过几代的繁衍，黑色白桦尺蛾已经占到总数的98%。此后，人们开始不断改进环保标准，被污染的环境重新变得清洁起来，灰白色白桦尺蛾的数量又开始增加了。
1866年，美国果农报告说一种前所未见的蛆虫侵害了他们的苹果树，这种苹果树是在两个世纪前被引进美国的。昆虫学家本杰明·威尔士研究后指出，所谓“苹果蛆虫”实际上是当地山楂树蝇转变了食性而形成的一个分支，或者说一个新物种。现代基因研究也证实，的确是山楂树蝇分化成了两个种群。更惊人的是，有一种寄生胡蜂，其幼虫以山楂树蝇的蛆虫为食，在山楂树蝇发生分化后不久，这种胡蜂也分化成了两个种群。
在过去几十年里，生物学家发现了更多生物飞速进化的例子。研究发现，生长在尼加拉瓜一个湖泊中的一种鱼，在短短100年间便分化成了两个种群，其中古老的种群长着结实的嘴巴和强健的牙齿，用来咬破贝类的外壳，而新形成的种群则进化出了更尖的头部和更厚的嘴唇，能更方便地从石缝中啄食水生昆虫。还有研究发现，在短时间内，库蚊进化出了一个新的基因，以抵御有机磷酸酯杀虫剂，并且这种新变异迅速扩展到了全世界的库蚊种群。
倒退着进化
越来越多的生物学家开始意识到快速进化并非是特例，而是生物界的常态。但这又产生了一个悖论：无论是化石证据，还是将化石信息与活着的生物体的基因作比较，所获得的证据都表明，进化是一个缓慢的过程，一些物种甚至在上千万年的岁月中几乎没有什么变化。如果说进化的速度快得像现在的生物学家所声称的那样，那为什么在化石中找不到证据呢？
为了解决这个悖论，有科学家给出了一个可能的解释：或许新物种和新特征不仅进化得很快，而且消失得也很快，甚至来不及在化石上留下信息。最好的一个例子来自加拉帕戈斯群岛。1977年，在达芙妮主岛上发生了一场干旱，使得生产小种子的植物全部都枯死了，以吃小种子为生的雀鸟也随之饿死，而长着较大的喙，以吃较大种子为生的雀鸟却存活了下来，而且之后的四代雀鸟的喙都进化得比较大。到1983年，在岛上的湿润环境恢复、小种子植物重新繁茂起来后，雀鸟们的喙又恢复到了干旱以前的大小。这是一个进化朝着反方向进行的例子。
下面也是进化朝着反方向进行的例子。19世纪60年代，在达芙妮主岛旁的桑塔岛上，雀鸟为了适应大小不一的两种植物种子，进化成了两个物种，拥有大小不同的两种喙。而现在，由于岛上居民常常给雀鸟喂食谷物，使得大喙小喙都失去了优势，所有的雀鸟都进化出了中型喙。
相同的例子还有很多。东非的维多利亚湖是丽鱼的家园，生活着超过500种丽鱼，其中许多种类都是在过去15000年里分化而成的。研究发现，现在又有许多种丽鱼合并成了相同的种类。雌性丽鱼原本是通过雄鱼身上明亮的色彩来辨识同类并与之交配的，但近年来，由于人类活动，维多利亚湖变得肮脏浑浊，雌鱼越来越辨认不清谁是同种雄鱼了，因此常常稀里糊涂地与其他种的雄鱼交配，经过杂交的种类最终还原成了湖里最初生活的两大种类。科学家指出，这种进化的来来回回是一种常态，波动的自然选择产生的结果就是，生物种群最初在某一方面进化得很快，然后转向另一方面，最后回到原点。
把所有这些例子放在一起，所呈现出来的就是：自然界到处都在忙着进化，关于进化的主流观点被颠覆了。人们过去一直认为，进化过程中的变化在短时间内是微小的和难以察觉的，只有将上百万年时间里发生的所有微小变化叠加起来，才可能形成我们今天看到的样子。现在看来，事实可能并非如此，生物在应对任何环境变化时都会发生快速的变化，只不过那些来来回回的进化一直都在相互抵消着，使我们看不到明显的变化而已。正如密歇根大学的菲利普教授在1983年就指出的那样：“你考量的时间越长，进化所表现出来的速度就越慢。”他的这一观点在当时很少有人相信，而如今已被认为是深刻的见解。
循环着前进
大约十年前，一个研究小组着手研究单细胞藻类和以其为食的一种被叫做轮虫的微生物。研究人员本来预计会出现一个典型的捕食循环——当轮虫的数量增加时，它们会吃掉很多藻类，使藻类的数量下降；之后，因食物短缺，轮虫的数量就会下降，而藻类的数量这时将回升。可是，实验结果却令他们始料未及：有时候，藻类的数量稳定，轮虫的数量却在上升。他们最后给出的解释是，这是因为藻类进化得很快，一会儿将能量集中起来以抵御轮虫，一会儿又开始快速繁殖以为轮虫提供充足的实物。有时候，只有当藻类的快速繁殖突然停止后，轮虫的数量才会保持在一个适当的比例而不上升。
在捕食循环中体现出来的快速进化，正在更改人们预想的模式。在夏威夷群岛的考爱岛上，蟋蟀们最近变成了哑巴。19世纪90年代，一种寄生蝇出现在岛上，它们循着雄蟋蟀求偶的鸣叫声跟踪到雄蟋蟀，将卵产在其体内，它们的幼虫会在那里孵化并以宿主蟋蟀为食，这导致蟋蟀的数量迅速下降。此后，岛上很少听到蟋蟀的鸣叫声，以至于生物学家以为它们快要灭绝了。直到2003年，有生物学家吃惊地发现，岛上还有大量蟋蟀存活。原来，几乎整个蟋蟀种群都发生了突变，雄蟋蟀在求偶摩擦翅膀时不再发出任何声音，连求偶过程也发生了变化——变成哑巴的雄蟋蟀们聚集在少数还会鸣叫的雄蟋蟀身边，一旦雌蟋蟀闻声而至，哑巴蟋蟀们便争先恐后地抢夺交配对象。现在，生物学家最感兴趣的是，接下来还会发生什么。生物学家一度认为，当会鸣叫的雄蟋蟀消失殆尽后，一个完全变成哑巴的蟋蟀种群是无法繁衍下去的。不过现在看来，在快速进化推动下，捕食循环也许会产生不一样的模式：当会鸣叫的雄蟋蟀的数量减少时，寄生蝇会因找不到足够的宿主繁衍后代，其种群数量下降，这时会鸣叫的雄蟋蟀又会出现在岛上，再次为寄生蝇提供宿主，如此循环往复，生生不息。
根据种群的“进化军备竞赛”理论，快速进化算不上什么新鲜事，因为生物种群必须通过不断的进化才能繁衍下去。新鲜的是，这样的进化发生的速度快得超乎人们的想象。生物学家已经意识到这具有重要的应用价值，例如要模拟一场害虫爆发或者寄生虫传播的灾害，就必须将进化因素考虑进去。
进化原本就应该是一场混乱无序的、没有特定终点的快速奔跑。或许在不久的将来，“快速进化”会成为人们的一种常识。
1990年的一天，美国生物学家迈克尔·贝尔驱车经过阿拉斯加州的罗贝尔格湖时，在湖里惊讶地发现了一种海洋刺鱼。这是一个淡水湖，湖里曾生活着一种刺鱼，但因过度渔猎在1982年已经灭绝了。贝尔是一位研究刺鱼进化的专家，对他来说，在内陆湖中发现海洋刺鱼移民这件事本身算不上什么稀奇，因为他知道，在最后一个冰期结束时，随着一些海域重新变成溪流和湖泊，有些种类的刺鱼进化出了一种特殊的本領：既可以在海水中生存，也可以在淡水中生存。令贝尔感到奇怪的是，他在这些刺鱼的身上看到了某种变化。
刺鱼是一种长着棘刺的体形修长的鱼类，长度约16厘米，分布在北半球的温带和寒带。刺鱼没有鳞片，它们的鳞片已经变形为骨头般坚硬的鳞甲，沿着身体侧线排列。有的刺鱼一生都生活在淡水中，有的刺鱼则一生都生活在海洋中，还有一些刺鱼，如三刺鱼，它们在产卵的时候洄游到淡水河湖中，孵化出的鱼苗顺着河流游到海洋中长大，如此循环往复。现在距离上一个冰期已经有上万年的时间，在淡水刺鱼与它们的海洋祖先之间已经有了很大的差异，而最明显的差异就是：淡水刺鱼褪掉了身上的鳞甲，当然这是上千年漫长进化的结果。可是，贝尔惊奇地发现，现在生活在罗贝尔格湖中的刺鱼，它们从海洋移民过来不过10年时间，身上的鳞甲却已经开始退化了。
第二年，贝尔又托朋友从罗贝尔格湖里捉了一些刺鱼进行观察，发现有更多的刺鱼褪掉了鳞甲。此后，他每年都去那里观察刺鱼，发现褪掉鳞甲的刺鱼一年比一年多。到2007年，他发现湖里90%的刺鱼都褪掉了鳞甲。也就是说，短短20年时间，刺鱼就形成了它们的海洋祖先曾花费了上千年漫长时期才形成的特征。
之后，生物学家通过研究刺鱼的基因，发现导致刺鱼褪掉鳞甲的原因是一种叫做EDA的基因发生了突变，这种基因掌管着鱼类皮肤的发展变化。褪掉鳞甲这种突变在海洋刺鱼身上也有发生，但概率很小，因为这种基因通常是隐性的，只有当刺鱼遗传到两个这种隐性基因时，才可能生成一个显性基因并遗传给下一代，使之褪掉鳞甲。生物学家认为，当海洋刺鱼来到淡水中生活后，由于鳞甲稀少的刺鱼比鳞甲厚重的同类具有更多的生存优势，因此这种基因突变成为有利因素，开始快速地成为常态，就像自然选择开始发挥作用一样。
除了褪掉鳞甲，来到淡水生活的海洋刺鱼还拥有其他一些淡水刺鱼的特征，例如变小的鳃、能够应对各种人类活动带来的病害的免疫系统等。最近，挪威的一个小海港与海洋断开了连接，海港里的海洋刺鱼在不断淡化的水体中也开始发生和罗贝尔格湖中刺鱼相同的变化。
与达尔文进化论所阐述的生物逐渐进化的过程相比，海洋刺鱼的这种进化有着反常的速度。这会不会只是一个特例呢？
“快速进化”
当生物学家着手寻找证据时，与贝尔一样，他们发现了真正惊人的秘密：生物的快速进化并不是什么特例，而是常态！从小草、昆虫到鱼类，甚至到人类，所表现出来的都是这样。
事实上，关于生命快速进化的研究可以追溯到很早以前。1878年，英国昆虫学家阿尔伯特·菲尔写信给达尔文，指出在被污染的环境中，深色的小环斑蛾替代了浅色的群体，变得越来越普遍。而最著名的例子是白桦尺蛾的黑变事件。
在英国工业革命之前，大多数白桦尺蛾都是灰白色的，只在翅膀上长有黑色小斑点。对白桦尺蛾来说，这是一种保护色，和它们栖息的地衣和树干的颜色十分接近，可以保护它们有效地躲避鸟类的捕食。也有一小部分的黑色白桦尺蛾，它们因为没有这种保护色，总是成为捕食者的美餐。据统计，在曼彻斯特，携带黑色基因的白桦尺蛾只占到白桦尺蛾总数的0.01%。在英国工业革命初期，伦敦和曼彻斯特之间的乡村被工厂排放的煤烟染黑了，地衣大量死亡，树木也被煤灰所覆盖。失去了掩护的灰白色白桦尺蛾遭到鸟类的大肆捕食，数量开始下降，而黑色白桦尺蛾却在变黑的树干上悄悄繁盛起来。到1895年，仅经过几代的繁衍，黑色白桦尺蛾已经占到总数的98%。此后，人们开始不断改进环保标准，被污染的环境重新变得清洁起来，灰白色白桦尺蛾的数量又开始增加了。
1866年，美国果农报告说一种前所未见的蛆虫侵害了他们的苹果树，这种苹果树是在两个世纪前被引进美国的。昆虫学家本杰明·威尔士研究后指出，所谓“苹果蛆虫”实际上是当地山楂树蝇转变了食性而形成的一个分支，或者说一个新物种。现代基因研究也证实，的确是山楂树蝇分化成了两个种群。更惊人的是，有一种寄生胡蜂，其幼虫以山楂树蝇的蛆虫为食，在山楂树蝇发生分化后不久，这种胡蜂也分化成了两个种群。
在过去几十年里，生物学家发现了更多生物飞速进化的例子。研究发现，生长在尼加拉瓜一个湖泊中的一种鱼，在短短100年间便分化成了两个种群，其中古老的种群长着结实的嘴巴和强健的牙齿，用来咬破贝类的外壳，而新形成的种群则进化出了更尖的头部和更厚的嘴唇，能更方便地从石缝中啄食水生昆虫。还有研究发现，在短时间内，库蚊进化出了一个新的基因，以抵御有机磷酸酯杀虫剂，并且这种新变异迅速扩展到了全世界的库蚊种群。
倒退着进化
越来越多的生物学家开始意识到快速进化并非是特例，而是生物界的常态。但这又产生了一个悖论：无论是化石证据，还是将化石信息与活着的生物体的基因作比较，所获得的证据都表明，进化是一个缓慢的过程，一些物种甚至在上千万年的岁月中几乎没有什么变化。如果说进化的速度快得像现在的生物学家所声称的那样，那为什么在化石中找不到证据呢？
为了解决这个悖论，有科学家给出了一个可能的解释：或许新物种和新特征不仅进化得很快，而且消失得也很快，甚至来不及在化石上留下信息。最好的一个例子来自加拉帕戈斯群岛。1977年，在达芙妮主岛上发生了一场干旱，使得生产小种子的植物全部都枯死了，以吃小种子为生的雀鸟也随之饿死，而长着较大的喙，以吃较大种子为生的雀鸟却存活了下来，而且之后的四代雀鸟的喙都进化得比较大。到1983年，在岛上的湿润环境恢复、小种子植物重新繁茂起来后，雀鸟们的喙又恢复到了干旱以前的大小。这是一个进化朝着反方向进行的例子。
下面也是进化朝着反方向进行的例子。19世纪60年代，在达芙妮主岛旁的桑塔岛上，雀鸟为了适应大小不一的两种植物种子，进化成了两个物种，拥有大小不同的两种喙。而现在，由于岛上居民常常给雀鸟喂食谷物，使得大喙小喙都失去了优势，所有的雀鸟都进化出了中型喙。
相同的例子还有很多。东非的维多利亚湖是丽鱼的家园，生活着超过500种丽鱼，其中许多种类都是在过去15000年里分化而成的。研究发现，现在又有许多种丽鱼合并成了相同的种类。雌性丽鱼原本是通过雄鱼身上明亮的色彩来辨识同类并与之交配的，但近年来，由于人类活动，维多利亚湖变得肮脏浑浊，雌鱼越来越辨认不清谁是同种雄鱼了，因此常常稀里糊涂地与其他种的雄鱼交配，经过杂交的种类最终还原成了湖里最初生活的两大种类。科学家指出，这种进化的来来回回是一种常态，波动的自然选择产生的结果就是，生物种群最初在某一方面进化得很快，然后转向另一方面，最后回到原点。
把所有这些例子放在一起，所呈现出来的就是：自然界到处都在忙着进化，关于进化的主流观点被颠覆了。人们过去一直认为，进化过程中的变化在短时间内是微小的和难以察觉的，只有将上百万年时间里发生的所有微小变化叠加起来，才可能形成我们今天看到的样子。现在看来，事实可能并非如此，生物在应对任何环境变化时都会发生快速的变化，只不过那些来来回回的进化一直都在相互抵消着，使我们看不到明显的变化而已。正如密歇根大学的菲利普教授在1983年就指出的那样：“你考量的时间越长，进化所表现出来的速度就越慢。”他的这一观点在当时很少有人相信，而如今已被认为是深刻的见解。
循环着前进
大约十年前，一个研究小组着手研究单细胞藻类和以其为食的一种被叫做轮虫的微生物。研究人员本来预计会出现一个典型的捕食循环——当轮虫的数量增加时，它们会吃掉很多藻类，使藻类的数量下降；之后，因食物短缺，轮虫的数量就会下降，而藻类的数量这时将回升。可是，实验结果却令他们始料未及：有时候，藻类的数量稳定，轮虫的数量却在上升。他们最后给出的解释是，这是因为藻类进化得很快，一会儿将能量集中起来以抵御轮虫，一会儿又开始快速繁殖以为轮虫提供充足的实物。有时候，只有当藻类的快速繁殖突然停止后，轮虫的数量才会保持在一个适当的比例而不上升。
在捕食循环中体现出来的快速进化，正在更改人们预想的模式。在夏威夷群岛的考爱岛上，蟋蟀们最近变成了哑巴。19世纪90年代，一种寄生蝇出现在岛上，它们循着雄蟋蟀求偶的鸣叫声跟踪到雄蟋蟀，将卵产在其体内，它们的幼虫会在那里孵化并以宿主蟋蟀为食，这导致蟋蟀的数量迅速下降。此后，岛上很少听到蟋蟀的鸣叫声，以至于生物学家以为它们快要灭绝了。直到2003年，有生物学家吃惊地发现，岛上还有大量蟋蟀存活。原来，几乎整个蟋蟀种群都发生了突变，雄蟋蟀在求偶摩擦翅膀时不再发出任何声音，连求偶过程也发生了变化——变成哑巴的雄蟋蟀们聚集在少数还会鸣叫的雄蟋蟀身边，一旦雌蟋蟀闻声而至，哑巴蟋蟀们便争先恐后地抢夺交配对象。现在，生物学家最感兴趣的是，接下来还会发生什么。生物学家一度认为，当会鸣叫的雄蟋蟀消失殆尽后，一个完全变成哑巴的蟋蟀种群是无法繁衍下去的。不过现在看来，在快速进化推动下，捕食循环也许会产生不一样的模式：当会鸣叫的雄蟋蟀的数量减少时，寄生蝇会因找不到足够的宿主繁衍后代，其种群数量下降，这时会鸣叫的雄蟋蟀又会出现在岛上，再次为寄生蝇提供宿主，如此循环往复，生生不息。
根据种群的“进化军备竞赛”理论，快速进化算不上什么新鲜事，因为生物种群必须通过不断的进化才能繁衍下去。新鲜的是，这样的进化发生的速度快得超乎人们的想象。生物学家已经意识到这具有重要的应用价值，例如要模拟一场害虫爆发或者寄生虫传播的灾害，就必须将进化因素考虑进去。
进化原本就应该是一场混乱无序的、没有特定终点的快速奔跑。或许在不久的将来，“快速进化”会成为人们的一种常识。