當(dāng)環(huán)境變化快過(guò)生命的適應(yīng)速度

人們普遍認(rèn)為，當(dāng)環(huán)境變化的速率超過(guò)一個(gè)物種適應(yīng)變化的能力時(shí)，滅絕就會(huì)發(fā)生。然而，在全球性變化的尺度上，這一假說(shuō)仍缺乏充分支持，部分原因在于不同物種的適應(yīng)速度并不一樣，有的適應(yīng)得快，有的適應(yīng)得慢，而科學(xué)家并不清楚這種“快慢差異”是怎樣分布的。

在一項(xiàng)新發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》的研究中，兩名研究人員建立了一個(gè)通用的理論模型來(lái)檢驗(yàn)這一想法，該模型能夠預(yù)測(cè)不同物種之間適應(yīng)速率的分布。他們將這個(gè)模型與過(guò)去的主要集群滅絕事件數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，其中包括每次事件發(fā)生時(shí)全球環(huán)境變化的速率。結(jié)果表明，進(jìn)化適應(yīng)與環(huán)境變化速率之間的這種關(guān)系，在全球尺度上同樣成立。

災(zāi)變與滅絕

滅絕與環(huán)境變化之間的聯(lián)系并不是一個(gè)新想法。18世紀(jì)末，常被稱(chēng)為“古生物學(xué)之父”的博物學(xué)家喬治·居維葉（Georges Cuvier）率先提出了“災(zāi)變論”的概念。

當(dāng)時(shí)，居維葉在巴黎附近發(fā)現(xiàn)一些骨骼化石，但這些骨骼與當(dāng)時(shí)已知的任何現(xiàn)存動(dòng)物都不相符。他由此判斷，這些骨骼來(lái)自一類(lèi)曾經(jīng)存在、但如今已經(jīng)消失的巨型哺乳動(dòng)物。于是，他進(jìn)一步提出，物種有可能整體性地消失、走向滅絕，而原因很可能是一場(chǎng)大范圍的災(zāi)難。

后來(lái)，“災(zāi)變論”逐漸讓位于另一種觀點(diǎn)：地球史主要是由緩慢、漸進(jìn)的過(guò)程塑造的。但到了20世紀(jì)中期，地質(zhì)學(xué)家諾曼·紐厄爾（Norman Newell）重新審視了這個(gè)問(wèn)題。在尋找滅絕原因時(shí)，他提出了一種所謂的“速率錯(cuò)配”假說(shuō)。這個(gè)假說(shuō)認(rèn)為，當(dāng)環(huán)境變化的速率超過(guò)物種通過(guò)進(jìn)化來(lái)適應(yīng)的速率時(shí)，滅絕就會(huì)發(fā)生。

此后，生物學(xué)家在許多案例中觀察到，環(huán)境變化確實(shí)會(huì)推動(dòng)單個(gè)物種滅絕——當(dāng)環(huán)境變化超過(guò)單個(gè)物種的適應(yīng)能力時(shí)，這些物種就會(huì)滅絕。但科學(xué)家尚不清楚的是，同樣的規(guī)律是否適用于全球性地滅絕事件？

難以測(cè)量的適應(yīng)速率

在這項(xiàng)新研究中，研究人員希望在全球尺度上檢驗(yàn)“速率錯(cuò)配”假說(shuō)。他們想弄清楚，歷史上的大規(guī)模滅絕事件，是否可以用全球環(huán)境變化速率與全球生命適應(yīng)速率之間的錯(cuò)配來(lái)解釋。

要解答這一問(wèn)題，他們需要比較兩類(lèi)數(shù)據(jù)：一類(lèi)是全球環(huán)境隨時(shí)間變化的速率，另一類(lèi)是不同生物類(lèi)群適應(yīng)環(huán)境變化的速率。第一類(lèi)數(shù)據(jù)可以從地質(zhì)記錄中獲取，而第二類(lèi)數(shù)據(jù)幾乎不可能被直接記錄——因?yàn)樯镞m應(yīng)重大環(huán)境變化的速率，發(fā)生在從幾千年到幾百萬(wàn)年不等的地質(zhì)時(shí)間尺度上。

由于缺少實(shí)際數(shù)據(jù)，研究人員轉(zhuǎn)而嘗試建立一種通用數(shù)學(xué)理論，用來(lái)描述全球不同動(dòng)物類(lèi)群適應(yīng)速率的范圍。在這里，“適應(yīng)”指的是一個(gè)物種內(nèi)部在長(zhǎng)期時(shí)間尺度上發(fā)生的變化；這種時(shí)間尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一代個(gè)體的更替，而這些變化能夠幫助該物種在環(huán)境變化中繼續(xù)生存下去。

一條鐘形曲線

進(jìn)化論通常認(rèn)為，一個(gè)物種只有在多個(gè)條件同時(shí)滿(mǎn)足時(shí)，才可能成功適應(yīng)環(huán)境變化。例如，種群內(nèi)部必須存在變異；這些變異必須能夠遺傳；其中一些變異要能讓個(gè)體比其他個(gè)體更好地適應(yīng)環(huán)境；而那些適應(yīng)得更好的個(gè)體，還應(yīng)該留下更多后代。如果所有這些條件都得到滿(mǎn)足，整個(gè)物種就應(yīng)該能夠適應(yīng)某種環(huán)境變化；只要其中任何一個(gè)條件無(wú)法滿(mǎn)足，種群就可能走向滅絕。

這讓研究人員意識(shí)到，在這種情況下，一個(gè)物種是否能成功適應(yīng)并不是由單一因素決定的，而是取決于多個(gè)必要條件能否環(huán)環(huán)相扣地成立；整體成功適應(yīng)的概率就要與這個(gè)條件成立的概率相乘。

結(jié)果表明，這種模式可以用一條非常簡(jiǎn)單的鐘形曲線來(lái)描述。這條曲線表示了在全球動(dòng)物類(lèi)群中，有多少比例的類(lèi)群具有某一水平的適應(yīng)速率；從適應(yīng)最慢的類(lèi)群到適應(yīng)最快的類(lèi)群，這一比例如何隨著適應(yīng)速率發(fā)生非線性變化。總體來(lái)看，大多數(shù)動(dòng)物類(lèi)群的適應(yīng)速率處在中間區(qū)間，真正適應(yīng)特別慢或特別快的類(lèi)群都比較少。

化石記錄中的速率錯(cuò)配

在建立了這種適應(yīng)速率的一般模式之后，研究人員進(jìn)一步分析了這一模式如何與已有記錄中的環(huán)境變化速率相比較，以及在集群滅絕發(fā)生時(shí)，這兩種速率之間究竟是匹配還是錯(cuò)配。

為此，他們分析了過(guò)去4.5億年中27個(gè)碳循環(huán)顯著變化的時(shí)期，并分析了這些時(shí)期對(duì)應(yīng)的古生物學(xué)和地球化學(xué)數(shù)據(jù)。碳循環(huán)變化通常被認(rèn)為能夠反映全球環(huán)境變化。接著，他們比較了每個(gè)時(shí)期的環(huán)境變化速率，以及當(dāng)時(shí)有多大比例的動(dòng)物類(lèi)群走向滅絕。

最終，研究人員發(fā)現(xiàn)，在過(guò)去4.5億年中，幾乎每一次集群滅絕事件都確實(shí)伴隨著環(huán)境變化速率與動(dòng)物適應(yīng)速率之間的錯(cuò)配。當(dāng)相當(dāng)一部分動(dòng)物無(wú)法足夠快地適應(yīng)不斷變化的環(huán)境時(shí)，集群滅絕就會(huì)發(fā)生。他們的結(jié)果證實(shí)，“速率錯(cuò)配”假說(shuō)同樣適用于全球尺度。

臨界邊緣

不僅如此，研究人員還發(fā)現(xiàn)這種速率上的錯(cuò)配還能夠預(yù)測(cè)滅絕事件的嚴(yán)重程度。也就是說(shuō)，他們可以根據(jù)環(huán)境變化的速率，預(yù)測(cè)有多大比例的動(dòng)物生命會(huì)走向滅絕。以二疊紀(jì)末大滅絕為例，海洋快速酸化很可能超過(guò)了生物進(jìn)化出足夠保護(hù)機(jī)制的能力，最終導(dǎo)致全球超過(guò)80%的海洋物種滅絕。

這項(xiàng)研究的重點(diǎn)，是將這個(gè)新模型應(yīng)用于過(guò)去的滅絕事件。不過(guò)，這項(xiàng)工作也可能為理解當(dāng)代滅絕風(fēng)險(xiǎn)提供一個(gè)框架。如今，海洋中的二氧化碳水平正在上升。如果經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)某叨葥Q算，這一變化速率與過(guò)去碳循環(huán)變化的速率相近，只是略低于那些與重大滅絕事件相關(guān)的變化速率。這表明，現(xiàn)代環(huán)境變化可能正在接近某種速率界限；一旦超過(guò)這一界限，適應(yīng)就會(huì)變得越來(lái)越困難。

#參考來(lái)源：

https://news.mit.edu/2026/when-environmental-change-outpaces-life-ability-to-adapt-0624

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/62jn-xgqy

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：PublicDomainPictures / Pixabay