自然科普:鳥兒愛嗦螺,是怎么把蝸牛變得五顏六色的?
來源:物種日歷
發(fā)布時間:2021-06-08
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達爾文提出,生物變化的機制包括隨機性變異和自然選擇,而自然選擇是物種演化最為重要的推動力量。這一觀點在今天看來牢不可破,但在演化理論發(fā)展史上,自然選擇理論的地位一直處在風(fēng)口浪尖,甚至有人認(rèn)為,演化的主導(dǎo)力量應(yīng)該是偶然,俗稱“看臉”。

“看臉”還是適者生存?

傳教士約翰?古利克就是其中之一,他搜集了數(shù)以萬計的夏威夷樹蝸牛(Achatinella spp.)外殼標(biāo)本,這些蝸牛的形狀、顏色、紋理呈現(xiàn)出近乎無限的多樣性,但與自然環(huán)境之間似乎找不出任何關(guān)聯(lián)。因此他認(rèn)為,這些蝸牛的變化并無規(guī)律所循。到了20世紀(jì)30年代,學(xué)界基本上接受了“隨機主導(dǎo)演化”的觀點。

夏威夷樹蝸牛形態(tài)極多的外殼 | Wmpearl / Wikimedia Commons

1949年,亞瑟?凱恩和菲利普?謝潑德來到英格蘭南部,研究這里的森林蔥蝸牛(Cepaea nemoralis),發(fā)現(xiàn)環(huán)境確實與蝸牛的外殼形態(tài)有著聯(lián)系,比如,在草地等綠色為主的環(huán)境中,黃色外殼的比例高;而在山毛櫸林這種光線昏暗、地上鋪滿褐色落葉的地方,粉色或褐色外殼的比例更高。

森林蔥蝸牛 | Angus Davison / Wikimedia Commons

凱恩他們敏銳地察覺到自然選擇的影響。當(dāng)?shù)赜幸环N鳥,歐歌鶇(Turdus philomelos),它會叼起蝸牛,在平坦的石頭上砸碎,所以根據(jù)外殼碎片,就能知道歐歌鶇經(jīng)常捕食什么樣的蝸牛。綠色環(huán)境里,歐歌鶇很少捕食黃色的森林蔥蝸牛;而在褐色環(huán)境里,外殼碎片也很少有褐色的。

這是一項漂亮的研究,但它并沒能給爭論畫下完美的句號。因為差不多同一時期,法國人馬克西姆?拉莫特,得出了截然相反的結(jié)論。他的研究對象除了森林蔥蝸牛,還有花園蔥蝸牛(Cepaea hortensis)。它是森林蔥蝸牛的同屬近緣種,外殼也有豐富的底色和紋理。如果是鳥類的捕食壓力造成了森林蔥蝸牛的紋理變化,那么某種顏色的森林蔥蝸牛越多,同樣顏色的花園蔥蝸牛也應(yīng)該更多。然而這兩類蝸牛的顏色分布頻率并沒有什么關(guān)系。

花園蔥蝸牛 | gailhampshire / Flickr

與此同時,凱恩他們也發(fā)現(xiàn)了奇怪的現(xiàn)象:相距很遠的地方會出現(xiàn)同一類型的森林蔥蝸牛,而相距很近的地方,又會出現(xiàn)長相完全不同的森林蔥蝸牛。難道蝸牛真的不受自然選擇所左右嗎?

五顏六色事出有因

回答這些問題的任務(wù),落在了凱恩的學(xué)生布萊恩?克拉克的身上??死酥貜?fù)了拉莫特的研究,也得到了同樣的結(jié)果。但他注意到一個拉莫特忽略的現(xiàn)象:黃色的花園蔥蝸牛較多的地方,同為黃色的森林蔥蝸牛反而較少。

克拉克重新拾起了鳥類捕食的假說,但在凱恩的基礎(chǔ)上推進了一步:他認(rèn)為,鳥類是用經(jīng)驗來捕食的。

黃色的花園蔥蝸牛 | Pixabay

在開放環(huán)境中,花園蔥蝸牛本來就占據(jù)絕對優(yōu)勢,所以如果這個群體中純黃色類型較多,鳥類就會捕食到更多的純黃色類型,學(xué)會識別黃色的蝸牛。而生活在開放環(huán)境中的森林蔥蝸牛,幾乎都是純黃色類型,或者是僅有一根條紋的黃色類型,當(dāng)鳥類學(xué)會了捕食黃色的花園蔥蝸牛后,黃色的森林蔥蝸牛也成了犧牲品。但花園蔥蝸牛在開放環(huán)境中還有五根條紋的黃色類型,它是鳥類學(xué)習(xí)經(jīng)驗下的盲區(qū),不容易被熟悉純黃色蝸牛的鳥找出來。結(jié)果便導(dǎo)致兩類黃色蝸牛你多我少。

歐歌鶇吃剩的蝸牛殼 | Rosser1954 / Wikimedia Commons

隨后克拉克又通過數(shù)學(xué)模型證明,不同地區(qū)蝸牛顏色的差異,可以通過自然選擇的效果實現(xiàn)。再加上1950年代伯納德?凱特威爾同樣無可辯駁地證明了,樺尺蛾(Biston betularia)變黑是自然選擇的結(jié)果,學(xué)術(shù)界終于接受了自然選擇的觀點。

“看臉”其實沒錯?

但科學(xué)常常會在出人意料的地方展現(xiàn)全新的發(fā)現(xiàn)。隨著1953年揭曉DNA雙螺旋結(jié)構(gòu),演化學(xué)者們很快意識到他們可以在更為基礎(chǔ)的層面探索演化的奧秘。

木村資生研究了蛋白酶的變異作用,發(fā)現(xiàn)在分子層次上,演化是隨機突變所引起的。而萊斯特?金等人發(fā)現(xiàn),有些基因突變并不會改變它們編碼的蛋白質(zhì)。所以這些突變對自然選擇必定是中立的??死水?dāng)然無法接受變化全靠“看臉”的結(jié)論,但經(jīng)過20多年的論戰(zhàn),木村資生的“中立理論”還是獲得了世界性的支持。

不同顏色的花園蔥蝸牛 | gailhampshire / Flickr

不過科學(xué)不是非此即彼的零和游戲。人們最終發(fā)現(xiàn),有一些突變雖然不會影響最終形成的蛋白質(zhì),但卻會影響mRNA到蛋白質(zhì)的翻譯速度。所以看似無功無過的突變,仍然可能具有利弊之分。

蝸牛的故事還有新的后續(xù)。隨著越來越多的信息浮出水面,人們又發(fā)現(xiàn),森林蔥蝸牛的分布規(guī)律,固然有自然選擇的原因,但隨機的突變和遷移的影響也不可無視,此外還有氣候和人為因素的影響……蝸牛的研究還將持續(xù)下去,而我們能從中得到的啟示,也許就是如日本的蝸牛研究者千葉聰所說的,無論多么微小而受限的生物,都有可能揭示出宏大而普遍的意義。




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