英文主站

搜索网站

Print

哺乳动物种族进化中的小赢家



作者:Julian Cribb 

一只老鼠演变到大象的体型与一只大象反过来演变成老鼠的体型相比,前者所需的繁殖代数至少为后者的十倍。这是对哺乳动物在过去 7,000 万年间的进化过程所做的一项庞大的研究。

在两百至五百万年前,南美洲大陆生存着一种巨大的豚鼠。这种豚鼠约有一吨之重,相比其现代的近亲——小型啮齿动物(例如,小鼠和大鼠),简直就是庞然大物。

这种非同寻常的体重对比是出自蒙纳士大学领导的一项国际研究在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表的论文中所讲述的一则小故事。这项研究揭示了哺乳动物的体型大小在过去 7,000 万年间的变化。

动物的体型大小对其生存具有至关重要的作用,作为主要作者的蒙纳士大学生物科学学院高级研究员——阿利斯泰尔·埃文斯(Alistair Evans)博士如此解释道。体型大,有助于在寒冷的气候条件下调节体温;体型小,有利于在激烈的食物竞争中存活下去。

“信不信由你,大象的祖先曾经和老鼠一样大小。”埃文斯博士说道,“所以,我们感到非常好奇,希望能够找出需要多长时间才能让一只 20 克的老鼠演变成一只 2 吨重的大象……而反过来又是怎样的情况呢?。”

研究人员根据化石记录中所残留的零碎不全的线索,对 9 类大型哺乳动物家族的谱系进行了逐一地拼凑——其中包括含有象、猿、鹿和鲸鱼血统的哺乳动物(由于有体型庞大的豚鼠作近亲,因此小型啮齿类动物也被包括在内)。通过计算每种家族的体重大小,可以揭示动物在漫长的进化过程中是如何变大或变小的。研究人员发现,一只老鼠要变成大象的体型,可能需要 2,400 万代的演变;而一只大象要变成老鼠的体型,可能只需要 200 万代的演变。

尽管以往的研究已对动物体重增减的速度进行了探讨,但其还是主要针对的是某个特定的动物谱系。而此项研究则着眼于整个家系的所有分支,即包括已灭绝的祖先及它们所有的后代。此外,早期的研究往往集中于较短的时间跨度,最多不过几百万年。而在 7,000 万年前直到今日的漫长周期内,从哺乳动物初具现代的雏形直至这一物种的兴盛与繁荣,其演变过程的复杂性非常值得研究。

然而,体型大小是一个涉及适应能力的复杂问题。埃文斯博士解释道,体型并不总是越大越好。

“这不仅仅完全是体型大小的问题——它还关系到根据不断变化的周围环境对体型进行调整的快慢问题。”埃文斯博士讲道,“这会对其生存几率产生至关重要的作用。”

研究小组之所以选择体重演变的进化速度作为研究对象,是因为这是动物的基本特性,与动物生理和行为的其他方面密切相关。

此外,其可以较为容易通过化石遗骸做出相应的估算。为了确保掌握进化演变的全貌,此项研究的地域范围涵盖了世界上最大的四个大陆(非洲、欧亚、北美和南美大陆)及主要的海洋盆地。此外,研究小组还对在因海平面上升而形成的孤岛上生存的侏儒哺乳动物种群进行了研究,其中包括地中海地区的岛屿、泽西岛及加利福尼亚州的海峡群岛(Channel Islands)。

“我们选择‘一代’作为我们测算进化时间的基本单位,因为这是可能发生进化演变的最短周期。”埃文斯博士说道。

在大约 6,500 万年前恐龙灭绝之前,即使是最大的哺乳动物也很小的。从现已发现的当时最大的化石来看,其重量不过 3 公斤,仅一只家猫的大小。

在恐龙退出历史舞台后,地球上上演着另一出欣欣向荣的场景。大型哺乳动物的体型呈稳定增大的趋势,其在顶峰时期更是出现了地球上最大的哺乳类动物:巨犀,一种由长颈鹿和犀牛杂交而产生的重达 15 吨的庞然大物。这种动物在2,000 至 3,000 万年前生长于中亚草原地区。

但自那时起,这种稳定增长的进化格局开始被打破。广泛地讲,就是海里的鲸鱼不断变大,直至拥有今天的体型;而陆生哺乳动物的体型则趋于稳定或是缩小。

这项研究表明,要从小个头演变成庞然大物是一件非常困难的事情。体重增长 100 倍,大约需要经历 160 万代的演变;增长 1,000 倍(例如,从兔子到大象),需要经历 500 万代;增长 5,000 倍,则需要经历 1,000 万代。“我们认为,这是因为当体型变得越来越大时,所有身体的一切都需要随之发生改变。”埃文斯博士解释道,“将需要更大、更强健的肌肉;需要更强壮的骨骼来承受巨大的体重;需要更大的心肺器官。动物的整个机体都需要进行进化。”

而体型变小的过程则至少会快 10 倍。在对那些最初生长在山顶地带后来因海平面上升山顶形成孤岛而与外界隔离的侏儒动物种群进行调查时,研究人员惊奇地发现了它们的演变速度更富有戏剧性。从宽阔的热带稀树草原到一小块生存之地,这些动物的体型出现了快速的缩小。侏儒象、河马及鹿等品种的出现相对较快——事实上,其体型缩小的速度有时似乎是其体重增大至相同比例所需速度的 30 倍。

“在岛上,动物种群的资源是有限的。”埃文斯博士解释道,“每个动物都面临着与同类和其他物种之间的激烈竞争。这往往会促使动物们在更小的年龄阶段就开始繁殖,从而生育出较小的后代。自然选择的压力也会有利于体型较小者,并使其成为下一代的双亲。”

此外,研究人员的理论研究表明,对于哺乳动物而言,提前成熟和繁殖要比长得更大或者推迟成年期容易得多。

2004 年,在印尼弗洛勒斯岛(Flores)上发现的最近灭绝的类人物种霍比特人,曾引发了科学界的广泛争论。埃文斯博士认为,同样的过程可以用于解释于此,即所谓的“霍比特人”的演变。此外,这一理论也有助于解释生活在刚果热带雨林的侏儒人类群体,或者卡拉哈里沙漠(Kalahari Desert)中的布须曼人(Bushmen)——与陆地上普通体型的人类相隔绝而聚集生活的他们同样面临着资源有限的难题。

这项研究还确定了陆地和海洋哺乳动物之间的显著差异:鲸鱼由小到大的进化过程所需的代数仅为陆生动物所需的一半。在过去的 500 至 1,000 万年间,这种海洋哺乳动物体型一直在不断地变大。蓝鲸被认为是海洋中现存的最大的生物,其体重大大超过最大的海洋爬行动物。如果没其他外力的干扰,其体重还会继续增加。埃文斯博士推测,由于水的浮力对其体重的承托,鲸鱼在进化过程中,其需要重新设计以支持其结构改变的部分相对较少。

对于陆地上的哺乳动物而言,在历经了千百万年的扩张以后,现代人类数量的不断增加及气候的影响有可能促使陆地哺乳动物的最大体型呈现变小的趋势。

“毫无疑问,人类的狩猎压力也对欧洲、亚洲及美洲地区巨型动物群(巨大的陆地哺乳动物)的种群数量减少产生了影响,并使得其中许多物种濒临灭绝。”埃文斯博士说道:“但即便只是在过去的 100 年时间里,来自人类的其他形式的压力(如对放牧土地的竞争)同样导致了大型动物在体型上的减小。举一个有力的证据,例如,现在的非洲大象不如一二百前那么大。”

人类不仅造成了一些物种的消失,而且还导致了一些物种出现体型的减小。这一现象不得不让我们重新审视人类活动对地球生物所造成的广泛影响。

埃文斯博士表示,其团队对进化速度的研究仍在继续,且主要侧重于现代物种和利用遗传学揭示这些物种在过去的演变速度。

“我们的研究结果主要分析了体型大小[实现的]重大演变,尤其是体型增大的相对难度。”研究人员在其发表于《美国国家科学院院刊》的论文中如此评论,“演变的漫长时间周期揭示了这一巨大转变面临着怎样的挑战。”

2012年 10 月

蒙纳士社交媒体

蒙纳士社交媒体

      

关注蒙纳士官方微信:MonashUniAus