進化在奔跑

編譯 王永

進化在奔跑

編譯 王永

進入內(nèi)陸湖泊不過20年，一種海洋魚類便完成了它們的祖先花費上千年漫長時間才完成的進化過程。科學(xué)家揭露驚人秘密：生命一直都在快速地進化著。

驚人變化

1990年的一天，美國生物學(xué)家邁克爾·貝爾驅(qū)車經(jīng)過阿拉斯加州的羅貝爾格湖時，在湖里驚訝地發(fā)現(xiàn)了一種海洋刺魚。這是一個淡水湖，湖里曾生活著一種刺魚，但因過度漁獵在1982年已經(jīng)滅絕了。貝爾是一位研究刺魚進化的專家，對他來說，在內(nèi)陸湖中發(fā)現(xiàn)海洋刺魚移民這件事本身算不上什么稀奇，因為他知道，在最后一個冰期結(jié)束時，隨著一些海域重新變成溪流和湖泊，有些種類的刺魚進化出了一種特殊的本領(lǐng)：既可以在海水中生存，也可以在淡水中生存。令貝爾感到奇怪的是，他在這些刺魚的身上看到了某種變化。

刺魚是一種長著棘刺的體形修長的魚類，長度約16厘米，分布在北半球的溫帶和寒帶。刺魚沒有鱗片，它們的鱗片已經(jīng)變形為骨頭般堅硬的鱗甲，沿著身體側(cè)線排列。有的刺魚一生都生活在淡水中，有的刺魚則一生都生活在海洋中，還有一些刺魚，如三刺魚，它們在產(chǎn)卵的時候洄游到淡水河湖中，孵化出的魚苗順著河流游到海洋中長大，如此循環(huán)往復(fù)?，F(xiàn)在距離上一個冰期已經(jīng)有上萬年的時間，在淡水刺魚與它們的海洋祖先之間已經(jīng)有了很大的差異，而最明顯的差異就是：淡水刺魚褪掉了身上的鱗甲，當然這是上千年漫長進化的結(jié)果?？墒?，貝爾驚奇地發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在生活在羅貝爾格湖中的刺魚，它們從海洋移民過來不過10年時間，身上的鱗甲卻已經(jīng)開始退化了。

第二年，貝爾又托朋友從羅貝爾格湖里捉了一些刺魚進行觀察，發(fā)現(xiàn)有更多的刺魚褪掉了鱗甲。此后，他每年都去那里觀察刺魚，發(fā)現(xiàn)褪掉鱗甲的刺魚一年比一年多。到2007年，他發(fā)現(xiàn)湖里90%的刺魚都褪掉了鱗甲。也就是說，短短20年時間，刺魚就形成了它們的海洋祖先曾花費了上千年漫長時期才形成的特征。

從海洋移民到淡水中的刺魚，不到20年就褪掉了身上的鱗甲。

之后，生物學(xué)家通過研究刺魚的基因，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致刺魚褪掉鱗甲的原因是一種叫做EDA的基因發(fā)生了突變，這種基因掌管著魚類皮膚的發(fā)展變化。褪掉鱗甲這種突變在海洋刺魚身上也有發(fā)生，但概率很小，因為這種基因通常是隱性的，只有當刺魚遺傳到兩個這種隱性基因時，才可能生成一個顯性基因并遺傳給下一代，使之褪掉鱗甲。生物學(xué)家認為，當海洋刺魚來到淡水中生活后，由于鱗甲稀少的刺魚比鱗甲厚重的同類具有更多的生存優(yōu)勢，因此這種基因突變成為有利因素，開始快速地成為常態(tài)，就像自然選擇開始發(fā)揮作用一樣。

除了褪掉鱗甲，來到淡水生活的海洋刺魚還擁有其他一些淡水刺魚的特征，例如變小的鰓、能夠應(yīng)對各種人類活動帶來的病害的免疫系統(tǒng)等。最近，挪威的一個小海港與海洋斷開了連接，海港里的海洋刺魚在不斷淡化的水體中也開始發(fā)生和羅貝爾格湖中刺魚相同的變化。

與達爾文進化論所闡述的生物逐漸進化的過程相比，海洋刺魚的這種進化有著反常的速度。這會不會只是一個特例呢？

“快速進化”

當生物學(xué)家著手尋找證據(jù)時，與貝爾一樣，他們發(fā)現(xiàn)了真正驚人的秘密：生物的快速進化并不是什么特例，而是常態(tài)！從小草、昆蟲到魚類，甚至到人類，所表現(xiàn)出來的都是這樣。

事實上，關(guān)于生命快速進化的研究可以追溯到很早以前。1878年，英國昆蟲學(xué)家阿爾伯特·菲爾寫信給達爾文，指出在被污染的環(huán)境中，深色的小環(huán)斑蛾替代了淺色的群體，變得越來越普遍。而最著名的例子是白樺尺蛾的黑變事件。

在英國工業(yè)革命之前，大多數(shù)白樺尺蛾都是灰白色的，只在翅膀上長有黑色小斑點。對白樺尺蛾來說，這是一種保護色，和它們棲息的地衣和樹干的顏色十分接近，可以保護它們有效地躲避鳥類的捕食。也有一小部分的黑色白樺尺蛾，它們因為沒有這種保護色，總是成為捕食者的美餐。據(jù)統(tǒng)計，在曼徹斯特，攜帶黑色基因的白樺尺蛾只占到白樺尺蛾總數(shù)的0.01%。在英國工業(yè)革命初期，倫敦和曼徹斯特之間的鄉(xiāng)村被工廠排放的煤煙染黑了，地衣大量死亡，樹木也被煤灰所覆蓋。失去了掩護的灰白色白樺尺蛾遭到鳥類的大肆捕食，數(shù)量開始下降，而黑色白樺尺蛾卻在變黑的樹干上悄悄繁盛起來。到1895年，僅經(jīng)過幾代的繁衍，黑色白樺尺蛾已經(jīng)占到總數(shù)的98%。此后，人們開始不斷改進環(huán)保標準，被污染的環(huán)境重新變得清潔起來，灰白色白樺尺蛾的數(shù)量又開始增加了。

左圖：灰白色的樹皮為灰白色的白樺尺蛾提供了保護。

下圖：灰白色的白樺尺蛾與黑色的白樺尺蛾在不同的環(huán)境中擁有不同的生存優(yōu)勢。

1866年，美國果農(nóng)報告說一種前所未見的蛆蟲侵害了他們的蘋果樹，這種蘋果樹是在兩個世紀前被引進美國的。昆蟲學(xué)家本杰明·威爾士研究后指出，所謂“蘋果蛆蟲”實際上是當?shù)厣介珮湎夀D(zhuǎn)變了食性而形成的一個分支，或者說一個新物種?，F(xiàn)代基因研究也證實，的確是山楂樹蠅分化成了兩個種群。更驚人的是，有一種寄生胡蜂，其幼蟲以山楂樹蠅的蛆蟲為食，在山楂樹蠅發(fā)生分化后不久，這種胡蜂也分化成了兩個種群。

在過去幾十年里，生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了更多生物飛速進化的例子。研究發(fā)現(xiàn)，生長在尼加拉瓜一個湖泊中的一種魚，在短短100年間便分化成了兩個種群，其中古老的種群長著結(jié)實的嘴巴和強健的牙齒，用來咬破貝類的外殼，而新形成的種群則進化出了更尖的頭部和更厚的嘴唇，能更方便地從石縫中啄食水生昆蟲。還有研究發(fā)現(xiàn)，在短時間內(nèi)，庫蚊進化出了一個新的基因，以抵御有機磷酸酯殺蟲劑，并且這種新變異迅速擴展到了全世界的庫蚊種群。

由于食物的不同和環(huán)境的變化，加拉帕戈斯群島上的雀鳥分化出了大小不同的喙。

倒退著進化

越來越多的生物學(xué)家開始意識到快速進化并非是特例，而是生物界的常態(tài)。但這又產(chǎn)生了一個悖論：無論是化石證據(jù)，還是將化石信息與活著的生物體的基因作比較，所獲得的證據(jù)都表明，進化是一個緩慢的過程，一些物種甚至在上千萬年的歲月中幾乎沒有什么變化。如果說進化的速度快得像現(xiàn)在的生物學(xué)家所聲稱的那樣，那為什么在化石中找不到證據(jù)呢？

為了解決這個悖論，有科學(xué)家給出了一個可能的解釋：或許新物種和新特征不僅進化得很快，而且消失得也很快，甚至來不及在化石上留下信息。最好的一個例子來自加拉帕戈斯群島。1977年，在達芙妮主島上發(fā)生了一場干旱，使得生產(chǎn)小種子的植物全部都枯死了，以吃小種子為生的雀鳥也隨之餓死，而長著較大的喙，以吃較大種子為生的雀鳥卻存活了下來，而且之后的四代雀鳥的喙都進化得比較大。到1983年，在島上的濕潤環(huán)境恢復(fù)、小種子植物重新繁茂起來后，雀鳥們的喙又恢復(fù)到了干旱以前的大小。這是一個進化朝著反方向進行的例子。

下面也是進化朝著反方向進行的例子。19世紀60年代，在達芙妮主島旁的桑塔島上，雀鳥為了適應(yīng)大小不一的兩種植物種子，進化成了兩個物種，擁有大小不同的兩種喙。而現(xiàn)在，由于島上居民常常給雀鳥喂食谷物，使得大喙小喙都失去了優(yōu)勢，所有的雀鳥都進化出了中型喙。

相同的例子還有很多。東非的維多利亞湖是麗魚的家園，生活著超過500種麗魚，其中許多種類都是在過去15000年里分化而成的。研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在又有許多種麗魚合并成了相同的種類。雌性麗魚原本是通過雄魚身上明亮的色彩來辨識同類并與之交配的，但近年來，由于人類活動，維多利亞湖變得骯臟渾濁，雌魚越來越辨認不清誰是同種雄魚了，因此常常稀里糊涂地與其他種的雄魚交配，經(jīng)過雜交的種類最終還原成了湖里最初生活的兩大種類。科學(xué)家指出，這種進化的來來回回是一種常態(tài)，波動的自然選擇產(chǎn)生的結(jié)果就是，生物種群最初在某一方面進化得很快，然后轉(zhuǎn)向另一方面，最后回到原點。

東非維多利亞湖里的麗魚在過去15000年里分化成了500多個種類，但現(xiàn)在研究發(fā)現(xiàn)，有許多種麗魚又合并成了相同種類。

把所有這些例子放在一起，所呈現(xiàn)出來的就是：自然界到處都在忙著進化，關(guān)于進化的主流觀點被顛覆了。人們過去一直認為，進化過程中的變化在短時間內(nèi)是微小的和難以察覺的，只有將上百萬年時間里發(fā)生的所有微小變化疊加起來，才可能形成我們今天看到的樣子?，F(xiàn)在看來，事實可能并非如此，生物在應(yīng)對任何環(huán)境變化時都會發(fā)生快速的變化，只不過那些來來回回的進化一直都在相互抵消著，使我們看不到明顯的變化而已。正如密歇根大學(xué)的菲利普教授在1983年就指出的那樣：“你考量的時間越長，進化所表現(xiàn)出來的速度就越慢?！彼倪@一觀點在當時很少有人相信，而如今已被認為是深刻的見解。

循環(huán)著前進

大約十年前，一個研究小組著手研究單細胞藻類和以其為食的一種被叫做輪蟲的微生物。研究人員本來預(yù)計會出現(xiàn)一個典型的捕食循環(huán)——當輪蟲的數(shù)量增加時，它們會吃掉很多藻類，使藻類的數(shù)量下降；之后，因食物短缺，輪蟲的數(shù)量就會下降，而藻類的數(shù)量這時將回升?？墒?，實驗結(jié)果卻令他們始料未及：有時候，藻類的數(shù)量穩(wěn)定，輪蟲的數(shù)量卻在上升。他們最后給出的解釋是，這是因為藻類進化得很快，一會兒將能量集中起來以抵御輪蟲，一會兒又開始快速繁殖以為輪蟲提供充足的實物。有時候，只有當藻類的快速繁殖突然停止后，輪蟲的數(shù)量才會保持在一個適當?shù)谋壤簧仙?/p>

在捕食循環(huán)中體現(xiàn)出來的快速進化，正在更改人們預(yù)想的模式。在夏威夷群島的考愛島上，蟋蟀們最近變成了啞巴。19世紀90年代，一種寄生蠅出現(xiàn)在島上，它們循著雄蟋蟀求偶的鳴叫聲跟蹤到雄蟋蟀，將卵產(chǎn)在其體內(nèi)，它們的幼蟲會在那里孵化并以宿主蟋蟀為食，這導(dǎo)致蟋蟀的數(shù)量迅速下降。此后，島上很少聽到蟋蟀的鳴叫聲，以至于生物學(xué)家以為它們快要滅絕了。直到2003年，有生物學(xué)家吃驚地發(fā)現(xiàn)，島上還有大量蟋蟀存活。原來，幾乎整個蟋蟀種群都發(fā)生了突變，雄蟋蟀在求偶摩擦翅膀時不再發(fā)出任何聲音，連求偶過程也發(fā)生了變化——變成啞巴的雄蟋蟀們聚集在少數(shù)還會鳴叫的雄蟋蟀身邊，一旦雌蟋蟀聞聲而至，啞巴蟋蟀們便爭先恐后地搶奪交配對象。現(xiàn)在，生物學(xué)家最感興趣的是，接下來還會發(fā)生什么。生物學(xué)家一度認為，當會鳴叫的雄蟋蟀消失殆盡后，一個完全變成啞巴的蟋蟀種群是無法繁衍下去的。不過現(xiàn)在看來，在快速進化推動下，捕食循環(huán)也許會產(chǎn)生不一樣的模式：當會鳴叫的雄蟋蟀的數(shù)量減少時，寄生蠅會因找不到足夠的宿主繁衍后代，其種群數(shù)量下降，這時會鳴叫的雄蟋蟀又會出現(xiàn)在島上，再次為寄生蠅提供宿主，如此循環(huán)往復(fù)，生生不息。

根據(jù)種群的“進化軍備競賽”理論，快速進化算不上什么新鮮事，因為生物種群必須通過不斷的進化才能繁衍下去。新鮮的是，這樣的進化發(fā)生的速度快得超乎人們的想象。生物學(xué)家已經(jīng)意識到這具有重要的應(yīng)用價值，例如要模擬一場害蟲爆發(fā)或者寄生蟲傳播的災(zāi)害，就必須將進化因素考慮進去。

在輪蟲與藻類的捕食循環(huán)中體現(xiàn)出來的快速進化，正在更改人們預(yù)想的模式。

大圖中，較大個體為輪蟲，較小個體為藻類。

進化原本就應(yīng)該是一場混亂無序的、沒有特定終點的快速奔跑?；蛟S在不久的將來，“快速進化”會成為人們的一種常識。