「鬥嘴」的達爾文雀

科技 04-28

出品：中國科普博覽

作者：中國科學院遺傳與發育生物學研究所汪鴻儒

茫茫太平洋當中，有一群特別有名的小島，對的，加拉帕格斯群島（Galapagos Islands）。由於達爾文對此地雀類的研究，而奠定了它在科學史上獨特的地位。加拉帕格斯群島位於赤道之上，在南美洲國家厄瓜多西約1000公里的茫茫海洋之中（圖1）。顧名思義，加拉帕格斯群島是由一群小島組成，其中最大的一個是伊莎貝拉島（Isla Isabela，圖2）。但我們今天所要關注的重點是這群島中的一個小不點兒，叫做達芙妮島（Daphne，圖2中的紅圈和圖3中的箭頭）。

話說到160多年前，查爾斯.達爾文（Charles Darwin）乘坐「小獵犬」號科考船航行到加拉帕格斯群島，被這些島上特有的物種所吸引，而尤為令人注目的是島上的雀鳥。根據現在的研究結果，加拉帕格斯群島和附近的科科斯（Cocos）群島上共住著15種特有的雀鳥，而這15種鳥是在短短的150萬年間由同一個祖先輻射式演化而來的。達爾文被這些特有的雀鳥迷住了，他發現這些鳥兒在體型、鳥喙等形態上有著巨大的差異，而且這些差異能夠很好地被不同島上的地形、氣候等因素解釋，因而那些形態的差異體現了對不同的地理環境的適應性。達爾文對這群雀鳥的開創性的觀察研究，也極大激發了他對進化論的宏偉框架的構思，而這群鳥雀也作為了「進化論」的經典論據。因此後人將這群雀鳥親切地命名為「達爾文雀」。達爾文的研究不僅為加拉帕格斯群島贏得了蜚聲世界的名氣，也吸引了眾多的學者以達爾文雀為模式前赴後繼地繼續探討進化的模式與細節。

而我們今天所要討論的達芙妮小島上的勇地雀（Geospiza fortis）和大嘴地雀（G. magnirostris）的研究則揭示了一個非常有意思的問題：環境的變化如何「極速」地塑造了一個鳥類種群中個體的形態。較早的時候，島上的勇地雀的主要食物是較小的種子。但是在1977年，一場嚴重的乾旱發生在島上，導致了小種子的食物不夠勇地雀們食用。而勇地雀當中那些鳥喙較大的成員（圖4）便開始漸漸去食用大花蒺藜（Tribulus cistoides）的種子（圖5）。大花蒺藜的種子較大，有著厚厚的外殼和尖銳的刺，只有大的鳥喙才能處理。因此，經過了1977年的乾旱，勇地雀中鳥喙較大的成員由於有了更廣泛的食物來源，漸漸有了繁殖的優勢，因而帶動了整個勇地雀的鳥喙的平均尺寸迅猛增長（圖6）。但是好景不長，風調雨順的年頭才過了幾年，島上充足的食物吸引了大嘴地雀的光顧。大嘴地雀有著大大的鳥喙，而且體型是勇地雀的兩倍，糟糕的是，它們同樣喜愛以大花蒺藜的種子為食，因此這和剛剛改變食性的勇地雀形成了競爭。隨著大嘴地雀在達芙妮島上的繁殖，勇地雀受到了壓制。大嘴的勇地雀干不過大嘴地雀，選擇的壓力迫使著勇地雀們繼續回去吃傳統的食物——小種子，因此它們平均的鳥喙尺寸開始逐漸回落。噩夢終於在2004-2005年降臨：一場持續的乾旱使得島上的大花蒺藜大量地減產，乾旱的殺傷力體現在這兩群鳥兒的數量上，勇地雀由大約1300隻減少到大約150隻，大嘴地雀由大約250隻減少到幾十隻（圖7）。可以想像，這場乾旱極大地激化了大嘴的勇地雀和大嘴地雀的食物爭奪戰。「戰爭」的結果也非常慘烈，勇地雀鳥喙尺寸出現了斷崖式的降低（圖6），這暗示著，在這場殘酷的食物爭奪戰中，大量的大嘴的勇地雀落敗並且餓死，實際上，這也得到了大量的死鳥屍體解剖結果的支持（參考文獻）。

這對達芙妮小島上的勇地雀來說，是一個悲傷的故事。在這個略帶悲情的故事中，我們肯定注意到一個非常神奇有趣的點，那就是這群勇地雀為什麼具有如此神奇的能力，使得他們的鳥喙尺寸在短短30年間「隨意」變化，可以適應不同的環境？最新一項基因組測序研究揭示了這一奧秘：研究人員通過對不同鳥類種群中大嘴與小嘴鳥兒的比較基因組研究發現有一個基因組的位點一致性地顯示出極強的信號。在這個信號的基因組位點上，包含著HMGA2基因。HMGA2基因在其它物種中的研究顯示它和人類的顱部發育、牙齒萌出有關；在老鼠中，這個基因的突變也會造成生長的停滯。因此，HMGA2基因被認為很可能是引起鳥喙大小發生改變的基因。可以想見，勇地雀正是依靠其種群內在這個基因上大量的自然變異，才得以能夠應對不同的環境變化，通過改變鳥喙的形狀來及時調整自己的食物來源，生存下去，在達芙妮小島上，生生不息。