本文发表于2008年第三期《瞭望东方周刊》
发表时有删节
我们的地球也许正在经历有史以来最具毁灭性的物种灭绝事件。这并不是一个让人吃惊的消息,因为我们已经习惯于听到一个又一个关于物种灭绝的新闻,从白暨豚到华南虎。1998年美国自然历史博物馆发表的一份由哈佛大学的威尔森教授E.
O.
Wilson领衔研究的调查报告预测未来100年内,地球上现存的半数物种将灭绝。如果是这样,那么这次大灭绝的速度也将是有史以来最快的,因恐龙灭绝而最为人熟知的物种大灭绝事件——6500万年前的白垩纪大灭绝同样造成了半数左右物种的消失,不过它持续了至少几万年的时间。
实际上,生生灭灭本是自然规律,灭绝是所有物种最终的归宿,现存的物种数量还不足自生命诞生至今所有存在过的物种的百分之一。古生物学家阅读地层,经常发现有些曾经十分繁盛的化石在某一个时间之后突然消失了,不仅仅是在一地,而是在全球范围内——这就是物种灭绝的痕迹。古生物学家们进一步发现,物种灭绝并不是以一种四平八稳的速度进行着,在某些时候,大量的物种在极短的地质时间内几乎同时灭绝——在地层中的表现就是原本布满化石“生机勃勃”的岩层突然变得寂寥,再向上(岩层向上意味着时间向后)则出现了跟那些消失的物种毫不相干的全新物种的化石。科学家们把灭绝物种数量超过当时存在的物种半数的事件称为大灭绝,截至目前,有证据的大灭绝一共有五次。可以肯定的是我们的地球肯定不止经历过五次大灭绝,更早的灭绝事件由于缺乏化石证据无法得到证实。得到证实的最早的一次大灭绝发生在4亿4千万年前的奥陶纪末期,然后是3亿6千万年前的泥盆纪晚期大灭绝。接下来是一次超级大灭绝——2亿5千万年前的二叠纪末期大灭绝,海洋生物中53%的科、84%的属、96%的种消失,陆地上则有超过70%的物种灭绝。第四次是2亿年前的三叠纪晚期,清除掉了20%的整科的物种。最后,也是最著名的,第五次——6千5百万年前的白垩纪末期大灭绝,在这场扫荡了地球上半数物种的灾难中,恐龙灭绝了。


幸好,灭绝并不是生物圈的唯一主题。在每隔6千多万年一次的灭绝事件(最近有科学家们发现灭绝事件的平均间隔是6200万年)之间,是更加绵长的新物种的诞生。
行文至此,产生了一个不得不解决的问题——什么是物种?不幸的是,这是个困扰了生物学家几千年的难题。早在人类文明的初期,人们就尝试着给各种生物分类并加以命名。汉初成书的《尔雅》把所有的动物分为虫、鱼、鸟、兽四类,并一直延续至今,影响着汉语的习惯表达。在西方,物种分类肇始于亚里士多德,他把所有的动物分为冷血和热血两类,并按照它们身体结构的“完善程度”加以排列,形成以人类为顶点的金字塔式结构。自亚里士多德开始,西方的生物学家一直沿用这种按照形态和性状的分类方式。当我们自上而下的给各个生物找不同时,慢慢就会发现,当搜索的范围小的一定程度,生物个体的差异越来越小,小到几乎可以忽略不计,于是便形成了“种”的概念。生物学家们进一步指出,同一个“种”的动物可以互相交配、繁殖,并产生健康的后代,这就是所谓的“生殖隔离”。生殖隔离是对“种”的经典验证。比如马和驴虽然看上去很像,并且可以互相杂交,但是产生的后代骡子是不育的,也就是说骡子或骡子交配并不能产生后代(雄性骡子可以与马或者驴交配产生后代),所以我们认为马和驴是两个物种。再比如,有两种樱草,Primula
verticillata和Primula
Floribunda,虽然看上去十分相似,但是它们互相杂交的后代的染色体并不能配对,所以也不能正常繁殖,因而我们可以判定这是两个“种”。
随着人们对生命的不断探索,这种用“生殖隔离”来定义物种的方法逐渐产生了许多缺陷。人们最早认识到的麻烦就是地球上相当多的生命是无性繁殖的,比如为数众多的细菌,无法用杂交来验证生殖隔离。另一个麻烦就是即使同一个物种,它们的形态差异也可能十分巨大,最显而易见的例子就是狗,巨大的大丹犬和娇小的吉娃娃虽然都是狗,但是让它们自然杂交是不可能的——它们的体形相差太悬殊。同样困惑的还有古生物学家,他们的研究对象都是早已死去的生物,怎么让它们互相杂交呢?
为此,不同的生物学家提出了各种各样的物种定义——形态学的定义、系统学的定义、生态学的定义、系统发生学的定义、生殖生物学的定义、遗传学的定义…,不一而足,然而没有一种定义可以独自完美的描述物种的性质。
达尔文带来了一个更加颠覆性的问题。在达尔文之前的时代,人们都认为普天下的生物都是恒定不变的,而达尔文和他的追随者告诉我们,所有生物都在不断演化的过程中——现存的物种从已灭绝的物种中来,并将演变成全新的物种。这样,种与种之间的差异与种内各个成员间的差异仅仅是质变和量变的关系而已。
接下来发生在上世纪五十年代以来的生物学革命向我们揭示了这一切的本质——生命不过是在一代一代复制遗传信息,也就是所谓的基因,然而复制并不是完全精确,其中存在着些微的差异,我们称之为突变。一部分突变并没有什么意义;一部分突变则是有害的;而另一部分突变则会恰好让新生命产生与周围环境相适应的某种特别的性状。那些拥有有害突变的新生命会被淘汰,而产生了有益突变的幸运儿就会比其他的个体更有优势,在生存和繁衍的竞争中获胜,并把这条有益的突变传递给它的后代,这就是选择。当突变引起的差异大到一定程度,或者基因的某些关键的位置发生了突变,新的个体与它的老祖先的不同点甚过了相同点,一个新的物种便诞生了。
曾经信心满满的认为“种”是他们能确定的唯一分类单位的分类学家们,到此,也不得不承认,“种”不过也是一种人为设定的范围。物种定义的难题仍然在困扰着生物学家们。
为了避免这种困扰,我们不妨撇开这些纷争,笼统地把有着显著而稳定区别的两个生物作为两个物种,这样我们关于新物种诞生的讨论就可以进行下去了。很多时候,我们仍然会用到著名的“生殖隔离”概念。
经常注意科技信息的读者可能注意到,“新物种”的发现并不是什么奇闻轶事。就在不久前,美国和印度尼西亚的科学家们还在印尼的雨林里发现了一种重达1.5千克的不怕人的巨鼠和另外一种刷新了最小有袋类动物纪录的负鼠。今年的更早些时候,同样是印度尼西亚,人们甚至发现了一种从未为人所知的云豹。然而,这些并不是什么新物种,在人们发现和记录它们之前,这些物种早已在这片原始森林中生存了数百万年。
那么我们能不能目睹一个全新的物种的诞生呢?按照传统的理论,这种可能性是极小的。因为正应了庄子那句话“朝菌不知晦朔,蟪蛄不知春秋”,与动辄成百上千万年的物种历史相比,一个人的寿命的确太短了。人类驯化狼的历史已经有1万5千多年,经过数万代人工选择,现在狗已经变得多种多样,一只京叭看上去跟狼已经没有了什么关系。然而,不管狗如何千姿百态,它仍然是一只狼,它们之间的遗传基因并没有发生本质的变化,更重要的,它们并没有产生“生殖隔离”。
相比于人工选择,自然选择的力量要小得多。我们与黑猩猩有太多的共同点,以至于当你在动物园与它们四目相碰,会产生一种奇妙的认同感。科学家们对基因组的研究也证实,我们与黑猩猩只有不到百分之五的基因不同。然而这些微的区别,是410万年演化的结果——我们和这些黑不溜秋的长毛动物有一个410万年前的共同祖先。
一个新物种的诞生,绝大多数时候都是源于种群隔离。也就是说,本来一家人,被分在了两地,面临不同的选择压力,于是便向各自的方向前进,这样许多年之后,两支的后代即使再见面也不认得对方是自己的远房亲戚了。在自然界,这种隔离往往是地质活动和气候变化的结果,比如板块迁移,原本生活在一起的物种被分裂到两个大陆,彼此不能相见。这一过程往往是极其缓慢的,不过最近科学家们发现了一些“特例”。
美国加州大学伯克利分校和澳大利亚昆士兰大学的科学家们给出一个例子。澳大利亚东北部海岸附近有一片热带雨林,100多万年前,由于气候变化,这片雨林被分割成了南北两部分,生活在这片森林中的绿眼树蛙Litoria
genimaculata也被分成了两群。8000年前,气候的变化导致这两片雨林在一些小山坳再次合二为一。此时南绿眼树蛙和北绿眼树蛙已经产生了许多差异,特别是雄蛙求偶的叫声发生了显著的差异。不过,南北树蛙仍然可以互相交配繁殖。不过南“女”北“男”的后代成活率极低,而南“男”北“女”的后代除了发育稍慢,仍然可以正常生存。这个戏剧性的不同带给了南雌蛙以“自然选择压力”,因为她们必须避免与北雄蛙交配,方法就是选择南雄蛙的求偶叫声,对北雄蛙的“情歌”不予理睬。几千年过去了,在苛刻的北方“新娘”的努力下,这支南北融合地区的北树蛙变得既不像南树蛙,甚至也不同于那些没见过南树蛙的北树蛙,形成了一个全新的物种。这种尚未命名的树蛙对南北两支亲戚都失去的“性趣”,不再与之交配——“生殖隔离”形成了。
另外一些物种隔离却并不是地理或者气候的因素造成的。美国爱达荷州阿尔比昂山脉Albion和南山South
Hills之间的山区生活着一种南山交嘴雀。这个鸟种的诞生,美国太平洋路德教会大学的茱莉史密斯Julie
Smith和美国怀俄明大学教授卡拉格本克曼Craig
Benkman认为是这种小鸟和它的食物海滩松Pinus
contorta之间军备竞赛的结果。海滩松是当地的优势植被,南山交嘴雀就以海滩松的松子为食,它们用有力的喙啄开松果坚硬的外壳。与此同时,为了自保,海滩松的松果外壳变得越来越厚,相应的南山交嘴雀的喙越来越有力。冷战时美苏军备竞赛般竞争的结果就是南山交嘴雀和海滩松都发展出了终极武器——最后除了南山交嘴雀,其他的交嘴雀都没法啄开海滩松的松果,不得不离开此地,从而形成了物种隔离。在5000-7000年的时间里,南山交嘴雀就演化成了一个全新的物种,不再跟其它的交嘴雀交配。这种两个物种互相刺激共同演化的模式被科学家们称作“协同演化”,也是生物演化史上常见的情形。
与自然形成的物种隔离相比,人造的物种隔离有时候可以加速新物种的演化。虽然在狗那个例子里,我们并没有目睹一个新物种的诞生,不过在另外一种小动物身上,我们成功地快速创造出了新的物种。这种小动物就是果蝇。上世纪八十年代,威廉莱斯William
Rice 和 索尔特George
Salt进行了一项试验。他们把果蝇放进三层迷宫,在每一层果蝇都会做一个选择题——比如黑暗/明亮,或者潮湿/干燥。做完三个选择题,果蝇便被分成了八组(2的3次方)。莱斯和索尔特抽出两组“志趣相投”的果蝇进行繁殖,后代再作这同样的选择题,具有跟它们父母相同的志趣的小果蝇继续繁殖,以此类推。到第35代,两组的果蝇便不再互相杂交,即便它们没得选择——“生殖隔离”产生了。
戴安妮多德Diane
Dodd的果蝇试验速度更快,她用了食物来选择果蝇——喜欢吃淀粉的一组,喜欢吃麦芽糖的一组。经过仅仅8代,淀粉爱好者和麦芽糖爱好者便不再对对方产生“性趣”——它们才刚出“五服”而已。很多科学家用不同品系的果蝇和不同的食物选择来重复多德的实验都取得了成功。
在另外一些方面,人们走得更远,比如小麦育种。原始的小麦只有28条染色体,而现在最常种植的普通小麦Triticum
aestivum却有42条染色体,科学家们认为,这是一次偶然事件的结果。大约8000年前,某一块原始的麦田里,一株小麦同麦田里的一种常见野草发生了杂交,这种野草有14条染色体。按理说这个拥有(28+14)/2=21条染色体的杂种后代是没有办法繁殖的,因为它来自两个物种的染色体无法合适的分离配对,但是这株杂交植物的染色体发生的多倍体化——也就是加倍了,变成了42条。于是一个新物种诞生了,而且这种新的小麦种子更饱满,麦穗更大,于是得到了人们的青睐。
这种新小麦是人类农业革命的导火索之一。自那时候开始,人类放弃了靠野果树皮、茹毛饮血的生活方式,转向了定居改变自然的所谓的文明方式。短短几千年,人类取得了巨大的进步,对自然的改造也越来越深入。特别是自上世纪50年代的生物学革命,让我们认识到了生命的本质,也使得人类可以更进一步的创造新的生命。从能清除石油污染的超级菌到能分泌杀虫蛋白的抗虫棉再到分泌人类蛋白质的绵羊,这些生物工程的杰作严格来说都是“新”物种。而人们正在更进一步,今年,美国的一些科学家已经制造出了完全人造的染色体,人们正在向着完全人造新生命的目标前进。
人们走到这一步,经过了改变了地球表面生态结构的农业革命和改变地球大气成分的工业革命。人这一路走来,地球的面貌发生了巨大的变化,生物圈经历了前所未有的快速大灭绝事件。当然,每次大灭绝,都是给新生命提供了一个全新的发展空间,正如6500万年前的恐龙灭绝给在恐龙巨大阴影里生存了上亿年的哺乳动物提供了广阔的舞台,这些曾经微不足道的哺乳动物迅速演化发展,直至250万年前,一支灵长类动物“决定”发展它们的智力,成为人类。
那这场似乎是由人类发起的第六次大灭绝事件给谁提供了机会呢?那需要等几千万年才能知道结果。不过可以肯定的是,人类自己不是那个幸运儿。
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