達爾文錯了？有些進化可以被「觀察」到
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（圖片來源：pixabay）
達爾文
認為進化只發生在「長時間跨度」內。但到了20世紀90年代末，生態學家開始意識到，進化現象可以在一個特定物種的幾代之內被觀察到。
Timothy Farkas花了不到一周的時間就在美國南加州聖塔內茲山捕捉並重新安置了1500隻竹節蟲。他的工具主要是一根棍子。
「這聽起來似乎有點粗野。」Farkas說，「你只需要從地上撿起一根棍兒，就能把它們弄出來。」該團隊利用這種低技術含量的方法讓把輕而易舉地從土壤里獲得的竹節蟲搬了家。
在聖塔芭芭拉城外的山坡上，竹節蟲主要棲息在兩種灌木中。這種生物通常有兩種相應的顏色：綠色或是條紋的。Farkas及其生態學同事知道，竹節蟲已進化至可與周圍環境相融合的狀態。但研究人員想了解他們是否能扭轉這種關係，從而使一種進化特徵——偽裝影響到該生物的生態。
為了找到答案，研究小組把綠色和條紋的竹節蟲重新放到不同的植物上，這樣一來，一些昆蟲的顏色就與新家的顏色發生了衝突。突然間的不適應讓它們成為飢餓鳥類的目標，並由此產生多米諾骨牌效應。鳥類在被吸引到與環境色不相匹配的竹節蟲所在的灌木叢之後，還會停留在附近吃掉其他的周圍生物，如毛毛蟲和甲蟲，並讓一些植物變得光禿禿的。
圖片來源：Moritz Muschick
「這種可能導致當地生物滅絕的進化力量非常顯著。」阿爾伯克市新墨西哥大學生態學家Farkas說，「它會影響整個社區。」之所以會發生這些事情，僅僅是因為一個不相稱的進化特徵。
生態學家在研究生態系統時通常會忽略進化論；他們認為，基本上不可能測試到一個如此緩慢的過程是否會在可觀測的時間尺度上改變生態系統。但現在他們已經意識到，進化可能發生得比他們想像的快，一輪研究已經在利用這一觀點觀察進化和生態的一致性。
達爾文的反方向
事情可被追溯到達爾文的雀類分析。1835年，這位博物學家在訪問厄瓜多加拉帕戈斯群島時，記錄了生活在不同島嶼上的雀類的喙，以及它們所吃的不同食物。在距離那次航行數年之後，他在《研究日誌》中暗示，這種變化表明鳥類生態和進化之間存在緊密的聯繫。
達爾文從未想過以動態的方式看到這一關聯，因為他認為進化只發生在「長時間跨度」內。但到了20世紀90年代末，生態學家開始意識到，進化現象可以在一個特定物種的幾代之內被觀察到——而他們可以實現這一時間尺度。
迅速生長和死亡的有機體提供了進化如何影響生態學的一些早期數據。2003年發表的一項重要研究聚焦藻類和輪蟲（以藻類為食的微小捕食者）；這兩個物種在兩三周內就可以繁衍出20代。該研究將這些有機體混合在一起，結果表明當藻類迅速進化時，它們會破壞正常的捕食者—獵物種群的動態。
通常，這兩個物種會在「繁榮」和「蕭條」之間循環。藻類數量增長；輪蟲就會吞食掉它們，然後其種群數量就會爆炸。而當捕食者耗盡藻類時，它們的數量就會銳減。然後海藻的數量會反彈，這種循環模式就會重新開始。但當研究人員引入不同的藻類種類（加入了一些基因多樣性時）後，藻類開始迅速進化，循環模式被完全改變了。藻類數量持續增加，而輪蟲自身的繁榮卻反常地推遲了，因為新藻類對這種捕食者更具抵抗力。
通過蚜蟲和水蚤開展的類似研究也證實了快速進化會影響種群特徵，比如它們生長速度的快慢。這些生態變化會相應地改變接下來的進化和選擇。看到如此快速的進化過程，這已經改變了生態學家頭腦中可預測的基本的生態過程圖景，表明了在研究種群相互作用時把進化納入考慮的重要性。
「關於生態的一切都必須重新審視，因為進化比我們想像的更重要。」紐約伊薩卡康奈爾大學生態學家Stephen Ellner說，「這改變了一切。」
人工湖泊
經過這些最初研究之後，生態學家開始思考得更多。北亞利桑那大學進化生態學家Rebecca Best說，該領域最大的挑戰之一是研究生態進化的作用力是否會影響現實世界，因為有許多無法控制的因素會影響野外生態系統。
通過將自然元素納入嚴格控制的實驗中，Best發現了一個中間地帶。在瑞士一處可俯瞰盧塞恩湖的地方，她和團隊設立了50個「微型湖泊」：大型塑料罐。每個塑料罐中裝了1000升水，還有一團沉積物以及有生命的植物、海藻、無脊椎動物和從3個湖泊中收集的水。
隨著這些「中尺度生態系統」被設定以及浮游生物繁殖和植物紮根，研究組在每個水罐中引入了兩種不同基因的成年三刺魚：一種魚來自康斯坦湖世系，另一種來自日內瓦湖世系。幾周後，研究人員移除了這些魚，將其替換為來自兩個地點的實驗室飼養的幼魚，此外還有上述兩個世系的雜交品種。
他們發現成年三刺魚如何操縱環境，從而影響下一代魚類的生存。例如，如果成年魚「掃蕩」了一定大小的獵物，那麼與成年魚有共同特徵的幼魚（在此情況下為嘴的大小）就會挨餓。Best稱，中尺度實驗比實驗室研究更加複雜和現實，且不易控制。
Hendry則認為，類似Best的實驗「比在自然中可以做的任何實驗都更加容易、也更可控」。但它們或許無法反映真實生態系統中的情況。「那正是我們現在所處的轉折點。這真的可以在現實世界中發揮作用嗎？」
在混亂的現實世界中，很難確定單個特徵的影響，無論其是生態特徵（如降雨），還是進化特徵（如偽裝的變化）。儘管如此，一些勇敢的生態學家仍在嘗試。去年，一項通過特立尼達古比魚（或稱孔雀魚）進行的研究表明，這種魚類的進化可以像環境因素一樣強有力地驅動生態變化：可獲得的光量。
這項研究主要聚焦該島北部的兩個古比魚群體。它們的棲息地有若干不同的生態特徵，包括從森林樹冠處獲得了多少陰涼，這會影響溪流中有多少藻類生長。
這項實驗採用了比其他實驗更具自然特徵的背景，但特立尼達古比魚是已經出現在數百項研究中的生態學上的「明星」，它們所居住的河流已經被高度操縱。麥吉爾大學生態學家Gregor Fussmann說，研究人員想知道在古比魚種群中發揮作用的力量是否也會在進化動態學中不那麼出名的物種中同樣發揮作用。「我們需要的是通用的系統。」他說。
四肢變化
這正是加州大學戴維斯分校進化生態學家Thomas Schoener和團隊已經著手研究的內容，他們在利用巴哈馬群島的兩種蜥蜴種群做研究。他們的項目是從1977年開始的一項正在進行中的多代研究的一部分。他們一直在試圖模擬加速進化的過程，其方法是捕捉卷尾蜥，然後將其遷移到由棕褐色變色蜥居住的一系列小島上，以觀察由此引發的生態系統的變化。
卷尾蜥是體型較小的棕褐色變色蜥的自然天敵，因此，當研究小組首次把卷尾蜥轉移到存在變色蜥的島嶼上時，後者的數量下降了。蜘蛛的數量則增加了，因為其主要捕食者變色蜥受到了攻擊，而數量過多的蜘蛛會吃掉更多的春尾蟲（羽衣蟲）。研究人員發現，倖存下來的變色蜥逃到樹上躲避新的捕食者，這導致植物受到傷害。研究小組在此前的研究中發現，變色蜥能夠非常快地適應爬樹，它們繁衍出了四肢更短的幼崽。
但後來發生了意想不到的事情。颶風艾琳在2011年襲擊了群島，隨後是2012年的颶風桑迪。變色蜥和卷尾蜥的數量都大幅減少。在一些島嶼上，暴風雨過後變色蜥徹底消失。
「颶風帶來的影響可謂好壞參半，一方面，它給我們提供了各種與干擾相關的有趣數據。」Schoener說，「但另一方面，它可能減緩正常的進化進程。」
該團隊最終成功讓項目在正軌上運行，他們正在觀察颶風過後蜥蜴腿部長度的變化及其對島嶼的重新殖民化。
令人驚訝的是，在風暴中倖存下來的變色蜥的四肢比颶風前更長，這與該團隊的預測相反，可能這是在風暴中緊緊抓住樹枝的好辦法。該團隊剛剛獲得資助來研究這種進化上的變化會如何影響生態系統。
當Farkas在聖塔芭芭拉附近的灌木叢對竹節蟲歸類時，他的腦海里就有關於進化和生態的問題。他和團隊在計劃更加詳細的日程。他們想要捕捉一個完整的反饋循環周期——生態影響進化又影響生態，如此循環，同時收集遺傳數據。「比較進化的影響有多大，了解其在何時、何地發生會非常重要。」Farkas說，「對我來說，它是最終的邊界。但它要花很長時間。」
（馮維維編譯）
《中國科學報》（2018-02-13 第3版 國際）
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