镜子中的进化

在刘易斯·卡罗尔的《爱丽丝镜中奇遇记》中,红方王后告诉爱丽丝,她必须尽可能快地跑,才能呆在原地。同样,…
2011年3月1日

达尔文的自然选择进化论是科学界最著名的理论之一,在150年的时间里,它不仅解释了遗传学的基本原理,还解释了人类行为的许多细微差别。

然而,尽管它无处不在,进化生物学家在解释这一理论时仍然遇到了各种尚未解决的问题。其中一个问题与生命如何适应环境有关。快速浏览一下世界上的生态系统似乎告诉我们,野生动物很好地适应了周围的一切,动物和植物都有自己的进化生态位。然而,当这种观点与进化论结合在一起时,就出现了一点问题。例如,如果物种真的能很好地适应它们的环境,那么自然选择的意义是什么?

另一方面,如果物种在不断进化,这是否意味着它们根本不适应它们的环境?这个小难题的答案与刘易斯·卡罗尔的《爱丽丝镜中奇遇记》中的一段话有关,主人公爱丽丝遇到了红方王后:

“哦,在我们国家,”爱丽丝说,仍然有点气喘吁吁,“如果你像我们这样跑得很快,跑得很长时间,你通常会到别的地方的。”“真是个缓慢的国家!”王后说。“喏,在这儿,你看,你得拼命地跑,才能保持原地不动。如果你想去别的地方,你必须跑得至少比现在快一倍!

爱丽丝发现她需要尽可能快地跑,才能停留在原地。把这个奇怪的故事和自然选择联系起来似乎有点荒谬,但进化生物学家利·范·瓦伦就是这样做的,他创造了“红皇后理论”来解释所有物种都生活在一个不断变化的环境中,为了生存,它们需要适应它。

思考这个问题的一个好方法是考虑猎物和捕食者之间的关系。随着瞪羚进化得越来越善于躲避狮子,狮子也越来越善于捕捉它们。这就导致了理查德·道金斯(Richard Dawkins)所说的“进化军备竞赛”。就像在军事军备竞赛中,国家建造更大更可怕的炸弹、导弹、直升机和潜艇一样,物种被迫不断改进自己,以在不断变化的敌对环境中生存下来。这告诉我们,适应更快的物种更有可能生存。

红皇后理论还出人意料地回答了其他一些问题,比如为什么物种会有性行为。对我们大多数人来说,这似乎是一个相当奇怪的问题,但在许多方面,有性生殖并不是显而易见的方式。这个物种中只有雌性能够繁殖,而雄性往往是相当无用的,因为它们不会繁殖,也不会对后代的成长做出太多贡献(我这么说并没有提到任何可能想到的性别刻板印象——这只是对自然的观察)。此外,在许多物种中,如狮子,雄性是对年轻生命的直接威胁,因为众所周知,它们会杀死不是自己的后代。所以从理论的角度来看,无性繁殖,比如像细菌一样繁殖,似乎是一个更有吸引力的想法。

然而,性确实给了我们一个积极的优势。面对寄生虫等不断变化的威胁时,我们需要更快地适应。性使我们能够做到这一点,因为通过混合我们的基因,我们的基因变得更加多样化。如果我们的基因在这一代能够很好地对抗一种寄生虫,那么下一代就更有可能进化出一种新的寄生虫来对付这种寄生虫。

我们被迫适应不断变化的威胁,只有通过性赋予的基因多样性,我们才能不断提高我们的防御能力。这似乎是一个非常投机的理论,但说它不能被证明是错误的。事实上,在1990年,罗格斯大学的一个研究小组通过观察一群被称为Topminnow的鱼来验证这一理论。topminow是一种奇怪的鱼类,因为一些种群是无性繁殖,而另一些种群是有性繁殖,这为测试这些想法提供了一个完美的机会。众所周知,东鲦鱼经常受到一种寄生虫的攻击,这种寄生虫会导致一种叫做黑斑病的疾病。研究表明,黑斑病在没有有性繁殖的人群中更为常见,这一发现似乎证实了红皇后假说。

除了解释适应性和有性繁殖,红皇后理论也经常被认为可以解释新物种的出现。就像冷战中的军事军备竞赛以苏联的解体和新共和国的出现而结束一样,人们经常认为进化军备竞赛将继续下去,直到一个物种无法跟上,新物种开始出现。到目前为止,这似乎是一个非常简单的想法,但用讽刺作家h·l·门肯(H. L. menken)的话来说,“每个问题总有一个众所周知的解决方案;简洁、可信,但却是错误的。”

这里的问题是,当把这个想法与化石记录中的证据进行比较时;我们根本无法预测新物种出现的速度。雷丁大学(University of Reading)的一个研究小组在2010年1月进行的一项研究很可能提供了另一种解决方案。通过对大约100个动物遗传群体的数据进行数学模型分析,他们发现新物种更有可能是由于随机事件而出现的,这些随机事件的范围从相当细微的变化,比如物种交配模式的基因改变,到更深刻的变化,比如山脉、河流和岛屿的出现。因此,与其认为物种在红皇后赛跑中耗尽了能量,或者没有跟上道金斯的军备竞赛,倒不如认为这更像是一种幸运的意外。

自然选择一直被认为是新物种出现的主要原因,最近的这项研究可能会激怒进化生物学界的一些人。当然,仅仅一篇论文不足以完全重塑一个理论。然而,如果进一步的研究确实表明,新物种的出现仅仅是局部随机事件,这将是一个真正的范式转变的发现,开辟了各种各样的新问题。如果自然选择不是新物种出现的原因,那么它在进化中扮演什么样的角色呢?时间会证明一切,但如果这些最近的结果被证明是可靠的,它将标志着我们如何理解物种起源的一个重要里程碑。

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