行动中的进化:多态性悖论

达尔文的进化论是所有生物学的基础,从细胞的复杂运作到蜜蜂舞蹈的迷人行为。
2016年2月05日
通过伊莫金奥美

达尔文的进化论是所有生物学的基础,从细胞的复杂运作到蜜蜂舞蹈的迷人行为。在自然界的任何地方,你都可以看到由自然选择进化带来的特殊特征,从奇异到美丽。所有这些都是由于它们在帮助生物体生存或繁殖方面的成功而被选中的,并且都被传递给了下一代。进化的概念可以用一个短语来概括,这个短语是由赫伯特·斯宾塞首先创造出来的,达尔文在后来的《物种起源》中使用了这个短语,即“适者生存”。

适者生存意味着那些阻碍生存或繁殖的特征不太可能遗传给下一代,因为有问题的有机体不太可能生存或繁殖。相反,那些增加生存或繁殖机会的特征更有可能被传递下去,因为生物体更有可能生存和繁殖。随着时间的推移,传递更好的适应性优势的更成功的特征占上风,进化发生了。例如,在一群老鼠中,那些对老鼠药有抵抗力的老鼠比那些易受影响的老鼠更有可能存活下来,并将它们的基因传递给下一代。

进化本身只依赖于偶然性,因为是偶然性导致了突变,而突变是种群内适应性变化的基础。然而,自然选择的过程远非随机的,因为只有最成功的性状才会在特定的环境中持续存在。虽然“适者生存”的概念被生物学家所接受,但对某些生物种群的深思熟虑可能会让你产生不同的想法。

其中一种挑战进化基础的生物是以一种悠闲、微黏、谦逊的形式出现的,你可能会发现它在吃你花园底部的植物:带状蜗牛,Cepaea nemoralis.它生活在整个欧洲的栖息地,从树篱和林地到草地和花园灌木。蜗牛有三种不同的颜色,粉色、黄色和棕色。它们的壳上也有独特的带状图案。

不同的颜色和图案组合(也称为变种)在非洲大陆的许多不同地区被发现在一起,尽管它们的相对频率各不相同。在你的花园里快速搜寻蜗牛之后,你肯定会找到至少两种颜色和条纹图案,如果不是全部三种的话。然而,这些不同形态(多态性)的存在对适者生存的概念提出了一个问题。

为什么带纹蜗牛有这么多不同的颜色和形状?难道不应该有一种颜色比另一种更有优势,从而被长期选择吗?或者另一种不能成功地赋予生存和繁殖优势的颜色被淘汰并随着时间的推移而消失?为什么我们仍然有三种不同的颜色和三种不同的带状图案,而不是只有一种最成功地帮助生存和繁殖的形态?

这些问题并不局限于蜗牛。事实上,自然界中还有许多其他的多态性例子,包括人类不同血型的存在,以及报春花花结构的差异。我们还知道,带状蜗牛的多态性已经存在了一段时间,因为不同的带状蜗牛形态可以追溯到12000年前,所以这种特殊的多态性并不是一个短期的过渡阶段。

有一种理论可以解释为什么有这么多不同的蜗牛变种,因为不同的变种占据了不同的栖息地。科学家们发现,深色的蜗牛(粉色和棕色)在林地中更常见,而黄色的五带蜗牛在草原上更常见。因此,不同的颜色可能起到伪装的作用,并由于它们在不同栖息地的选择优势而持续存在。这是对付带纹蜗牛的头号敌人——画眉的一个特别重要的防御措施。伪装得更好的蜗牛不太可能被画眉发现,更有可能存活下来并将它们的基因传递下去。

伪装可能是多态性的部分原因,但不是全部原因,因为在相同的栖息地中发现了不同的形态,而其他地区有非常不同的栖息地类型,但形态类型非常相似。所以其他人提出了不同形态在温度调节方面的优势。研究发现,在北部地区有更多的暗色形式,而在更远的南部地区则有更多的浅黄色形式。也许皮肤较黑可以让蜗牛在更寒冷的北部地区更快地获得更多的热量,这提供了一种生理上的优势。

事实上,科学家们已经在冰岛的一群人身上发现了温度和肤色之间的相关性c . hortensis的近亲c . nemoralis),没有天敌,这表明温度很可能是促成许多变种持续存在的一个因素。温度不太可能单独解释多态性,因为有如此令人信服的证据表明存在某种伪装选择压力。

一些科学家声称,这种多态性是通过一种被称为变异选择的过程得以维持的。用一个例子可以很好地解释离体选择:带纹蜗牛的更常见的变种更容易被发现,因为它们是最常见的。在最初成功捕捉到最常见的形状后,画眉形成了一个特定带状图案的“搜索图像”。然后这种变体的频率会降低,因为它更有可能被画眉鸟抓住,不同的变体会存活下来繁殖。除最常见的变体外,其他变体的比例增加,另一种变体取代了最常见的变体。画眉鸟的“搜索图像”现在形成了不同的更常见的形态,而这种形态反过来又减少了,为不同的形态留下了增加数量的空间,等等。

叛教性选择在实验室中已得到证实,但在实地收集证据要困难得多。科学家们对每种选择压力的相对重要性进行了争论,很可能每种因素在维持多态性方面都发挥了作用。对作用于这些蜗牛的选择压力的复杂性的进一步考虑来自于这样一个事实:蜗牛内部的变种分布c . nemoralisc . hortensis尽管这两种蜗牛看起来几乎一样,但同一地区的种群差异很大。

至于哪一种选择压力是最强的,答案还远不清楚,然而一组科学家正在试图找到答案,他们需要你的帮助。一项由Evolution Megalab开展的全欧洲范围的项目希望通过追踪物种变种的比例Cepaea nemoralis它的近亲Cepaea hortensis在过去30年左右的时间里,他们可以看看发生的任何变化,也许可以更进一步。形态频率的差异可能是由于气候变化造成的,也可能是受到欧洲某些地区鸫数量减少的影响。这是一项艰巨的任务,组织者呼吁像你和我这样的公众成员来帮助他们。你可以亲自参与对这些蜗牛的调查,帮助调查进化的第一手资料。去下面引用的网站了解更多。这是一个参与真正的科学探索的机会,在你自己的后院观察进化的行动。你还在等什么?

彭德森,尼尔森A,诺德斯特龙S,朗格伦S. 1979。冰岛蜗牛Cepaea hortensis的形态频率分布模式。全北极生态学3:144‐149
凯恩AJ,谢泼德PM。1952.自然选择对蜗牛体色的影响。遗传217还是231
罗林斯P. 1997。Cepaea的多态性:解决方案太多的问题?生态学与分类学。8:109‐143

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