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塑造万物之手,就在你身边

| 2019-06-20 阅读 30

10月20日~21日,果壳举办的线下年度盛会“有意思博物馆”物种日历演讲专场上,日历娘邀请了七位物种日历人气作者,为大家分享了超有意思的生物故事。

为了让没能赶到现场的小伙伴也能“听”上演讲,日历娘特意用图文形式为大家整理了作者大大们的演讲实录。

前面大家已经读过呼应“城市”“餐桌”“萌物”“文明”“城市2.0”主题的演讲,今天再来“听”演化生物学博士@卢平 分享一个“大尺度的故事”吧。

大家好,我是卢平,今天我给大家讲一下演化。先来一个表情包,大家肯定见过,这是华美风鸟:

原视频:Tim Laman & Ed Scholes

你大概被雄鸟亮丽的蓝色羽毛吸引了。研究演化的人视角和大家不太一样,科学家注意的是黑色的背景。你可能觉得黑没什么特别,很多鸟都有黑色的羽毛。那你就想简单了,华美风鸟黑色羽毛可是高级黑。什么意思呢?我们来看这张图:

图片:McCoy et al., 2018, Nature Communications

一个物体看起来黑,是因为光线照射上去反射的非常少。普通黑鸟类的羽毛确实很普通,就是简单的二维结构,高级黑鸟类的羽毛简直有裸眼3D的效果,长成了一个羽毛森林。普通黑只反射10%的光线,但到了华美风鸟这样高级黑的羽毛丛林里,光线照射上来几乎都会被吸收掉,能反射的不超过千分之一。在这高级黑、黑到失去了任何细节的背景上,蓝色才更能吸引大家的注意,雌鸟就和在座各位一样,被这个表情包吸引住了。

这叫性选择。因为在求偶过程中对雄鸟吸引雌鸟、繁殖后代有利,决定“表情包”的基因才会被留在华美风鸟的基因组里,这是一个适应性的过程。

鸟类求偶的过程中会用上“十八般武艺”,除了像华美风鸟这样跳舞的,有的鸟会选择唱歌,还有一种鸟选择了“弹琴”。它就是梅花翅娇鹟,南美丛林里的一种小鸟,大小和麻雀差不多,颜色也没有很好看,非常不起眼。

图片:Michael Woodruff

但你注意看它的翅膀羽毛,这可不是挨了打,而是雄鸟确实长了三根特别的羽毛。雌鸟的这三根羽毛很正常,而雄鸟的,这根弯弯的像弹吉他的拨片,这两根端部膨大,其中一根还有锯齿。雄性求偶时会撑起羽毛快速振动,长得像拨片的羽毛会搭在有锯齿的羽毛上,在快速振动中发出美妙的声音来吸引雌性,这是梅花翅娇鹟求偶时的秘密武器。

左图:Bostwick, 2000, The Auk;右图:Charles Darwin, 1871, The Descent of Man, and Selection in Relation to Sex

这种振动发声的机制在鸟类中可能是独一无二的,但在昆虫当中,类似的机制蛮常见的。比如蟋蟀,它的一片翅膀上有拨片一样的结构,另一片翅膀有一列锯齿,当它把两个翅膀交叠在一起相互摩擦的时候,我们就会听到很熟悉的蟋蟀的叫声。

图片:Gilles San Martin / flickr

在演讲结束后,卢平还为大家现场演示了梅花翅娇鹟和蟋蟀的发声方式。

梅花翅娇鹟和蟋蟀就像两个国家的人,没有经过交流,就独立地“发明”了“琴”,这个我们称为趋同演化

趋同演化除了可以演化“琴”这样的结构,还可以驱动物种演化出更多有意思的结构。比如说人类的眼睛。

人眼其实是非常精细的结构,由很多部分组成,其中最重要的可能是前面椭圆形的晶状体。它是一个光学上的透镜,光线从人的眼睛前方照射进来,晶状体把它折射到后面的视网膜上,形成清晰的像,我们才能看到清晰的大千世界。实际上,在多细胞生物的演化过程中,一开始的眼睛只是皮肤表面的一团感光细胞,并不能形成清晰的像。经过长时间的演化,才有后边复杂的、能看到清晰图像的透镜眼

图片:National Eye Institute / flickr

但是,如果你以为只有以人为代表的脊椎动物才有透镜眼的结构,那可不对。比如乌贼、章鱼、鱿鱼,这些头足纲软体动物的眼睛虽然瞳孔形状奇怪,但也是标准的透镜眼。

图片:Ventus55

还有一个你可能想不到的,箱型水母。水母的身体95%都是水,在剩下5%的结构里居然长了好多好多的眼睛,其中一些就是标准的透镜眼。

图片:Bielecki J et al., 2014, PloS one

还有大西洋的海湾扇贝,除了知道它“能好烤”,你还应该知道下图那些亮晶晶的结构,每一个都是透镜眼。

图片:Matthew Krummins

在多细胞动物演化关系树上,它们分属于不同的类群,在它们的类群中间,还有很多黑色字体标明的没有透镜眼的动物。据此,我们可以推断说几类动物——脊索动物、双壳类、头足类、腔肠动物,它们的透镜眼其实是独立演化产生的,这也是一个趋同演化的现象。

我们来思考一下:为什么生物都要趋同演化产生透镜眼的结构呢?因为眼睛非常有用。有了可以清晰看世界的透镜眼,生物体能更好地趋利避害,这也是生物在适应环境。

生物体所要适应的环境其实非常复杂比如说在某个环境里,生物怎么住、吃什么、有什么天敌,环境里的温度怎么样、盐度怎么样、压力怎么样……环境里一系列因素的总和,就是生境

同样的生境下,不同的生物就可能发生趋同演化,产生类似的结构或者功能来适应这样一个生境。

比如说,我们考虑一下海洋生境。在海洋里边生活,一个流线形的身材是很有帮助的,能让你游泳游得快。我们知道鱼类大多是有流线形身材的,比如蓝鳍金枪鱼;中生代的爬行类秀尼鱼龙也有流线形的身材;虎鲸虽然有点胖,人家也是流线形;另一个哺乳类加州海狮,也是流线形的身材;鸟类,擅长游泳的企鹅也是流线形的。所以说,当大家生活在海洋里的时候,为了实现游泳的目的,都会产生流线形的身材来适应这个生境。

图片:Ken FUNAKOSHI 

我们再考虑一下天空生境。如果想要上天,你可能需要翅膀。我们知道鸟类有翅膀、翼龙有翅膀,哺乳动物里唯一能进行长时间、有动力持续飞行的动物——蝙蝠也有翅膀,昆虫也是借助翅膀结构才能飞起来。

图片:Rainer Bergomaz

这也是适应性趋同。跟趋同相对的还有趋异的过程。趋异就是大家向不同的方向演化。

比如演化生物学的鼻祖达尔文先生,他在随船科考过程中,在加拉帕戈斯群岛收集了一筐鸟类的标本,有70多只。回到英国,他拜托好友古尔德先生进行鉴定,发现它们属于13个不同的鸟类物种。它们长得非常不一样,尤其是喙。但是这13种鸟的血缘关系又非常近,其实是同一种地雀迁徙到不同岛屿上,分别适应了不同的生境,演化产生的。

我们管这叫适应性辐射,是趋异演化的一个典型模式。

从更大的范围来看,看所有鸟类,它们有多姿多彩的喙,可以干不同的事情、吃不同的东西、生活在不同的生境当中,这也是趋异演化或者说适应性辐射的例子。

从上面地雀的例子可以看出,岛屿是非常方便做演化生物学研究的区域。我们再来看一块更大的“岛屿”生境,那就是大洋洲。早期的探险家来到大洋洲,会发现这里生活着很多似曾相识的哺乳动物,比如吃肉的袋狼;生活在地下、眼睛退化的袋鼹;前后肢之间有皮膜,可以在树枝间滑翔的袋鼯;还有非常萌的、生活在洞穴中的袋熊这些动物都有一个共同的特征,就是都有育儿袋。

袋熊。图片:刘振华

它们是有袋类,哺乳动物中一个特殊的分支,在大洋洲发生了趋异演化。

这些性状看起来似曾相识,因为哺乳类的另一个分支——就是我们有胎盘类,在其他的大陆上也产生了类似的演化。像袋狼一样的捕食者狼自不必说;非洲的金毛鼹,和大洋洲的袋鼹生活的生境类似,长得也几乎一模一样;再比如美洲大陆的鼯鼠,也和袋鼯一样有皮膜可以进行滑翔;我们也有类似袋熊、住在洞穴的旱獭。

左图:Galen Rathbun © California Academy of Sciences;右图:Mike Gillam

你看,大洋洲的有袋类内部发生了趋异演化;其他大陆的有胎盘类内部也是。与此同时,大洋洲的有袋类和其他大陆上的有胎盘类,它们为了适应类似的生境,也发生了趋同演化

趋同和趋异,这是演化的两个大的模式。

你可能以为演化需要漫长的时间,最后一个故事,我们来看生活在加勒比海巴哈马群岛的安乐蜥。它们适应的是灌木丛里生境,需要居住在树叶或者树枝上。在2017年,我们都知道,有两场飓风——伊尔玛和玛丽亚先后对巴哈马群岛进行了不友好的访问,所到之处,破坏巨大。

图片:Colin Donihue et al., 2018, Nature

哈佛大学的一群研究人员正在这里研究安乐蜥,他们发现,在飓风过去之后,他们在岛上见到的安乐蜥前肢变得更长、手掌变得更大

研究人员就想,是不是在飓风到来的时候,这些手更大的蜥蜴能够更方便地抓住树枝,不至于被飓风吹掉而影响生存?他们做了一个实验:用木棍代替树枝让蜥蜴攀在上面,然后用扫落叶用的强力吹风机代表飓风对蜥蜴进行了一轮“选择”。

图片:Colin Donihue et al., 2018, Nature

结果真的发现,手更长、更大的蜥蜴能在木棍上坚持更长的时间。这让我们知道:在短短的两周时间内,这两场飓风已经代表自然选择的力量,对安乐蜥进行了选择,把一些小短手淘汰掉了。

通过上面所有的例子,我们可以看到演化是塑造物种的强有力的力量,趋同、趋异,造就了适应不同生境的生物体。生命之树上的所有物种,都是在演化的驱动下,生物体适应不同生境的产物。

图片:卢平&物种日历

所以说,大家看物种日历的时候,千万不要忘记物种多样性背后,这只演化之手

本文是“有意思博物馆”物种日历专场演讲实录,图文整理自物种日历作者@卢平的演讲。

物种日历有意思

在物种日历演讲专场的最后,主持人@飘飘 提醒大家回顾全场演讲,聪明的你可发现了隐藏的主线?

卢平:塑造生物多样性的演化之手

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没错,主线正是物种日历2015-2019五年来的主题。点击物种日历菜单栏“日历目录”,你就可以回顾四年来的1400篇文章。看完回顾,别忘了留言告诉日历娘,哪年的主题最戳中你心。

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